遗传工程

遗传工程是遗传学对于人类需要的一种应用。

遗传工程最惹人注目的成果是培育成高产、耐寒和抗病的作物品种。近年来，发展抗风的、短秆粗壮的水稻和小麦，已受到发展中国家的极大重视。令人遗憾的是对我们的生活道路上已起了巨大而确有实际影响的遗传工程，近来已和“重组DNA”或“在试管中的DNA重组”相混淆起来了。重组DNA技术对于农业是象征着一种具有巨大潜在利益的革命性的新技术。然而，重组DNA仅仅是遗传工程师所运用的许多技术中的一种。这些技术包括通常的植物和动物育种实践。换句话说，遗传工程是一门许多世纪以来在实践上富有成果的古老艺术。

太阳能制氮工厂

世界上的植物可分为二大类：一类是谷物（如玉米、小麦、水稻），它们需要施加氮肥，例如粪肥或化学肥料；另一类是固氮植物（如大豆、紫苜蓿、三叶草、花生），它们自己能够制造氮肥。这些固氮植物能够产生根瘤，其作用如同利用空气中的氮气和太阳能制造天然氮肥的小工厂。因此，固氮植物是利用实际上无穷尽的能源——太阳能——来生产氮肥，而商业上则是利用矿物燃料（相当于天然气）来进行生产的。

要形成固氮的瘤，豆科植物如大豆的种子，必须先被一种独特的叫做根瘤菌的微生物所感染。其结果所产生的瘤是生物共生现象的典型例子，即二种不同的生物生活在一起互相得益的现象。这种特殊的联合称作共生固氮。因为植物不能利用大气中存在的氮气作为生长所需要的物质，而通过根瘤菌的作用则成为可能。由于根瘤位于在黑暗中的根部，细菌不能直接利用阳光，因此，这就要靠植物的绿色部分通过光合作用所产生的能量丰富的物质。这些能源，一旦到了根瘤菌的内部，就被一整套完整的酶转化成为把气态氮制造成铵所需动力的燃料。气体先是渗入到土壤和地下水中，最后则渗入到使其发生转变的根瘤中。结果形成的铵离子，便流到存在根瘤菌的植物细胞中。当然，这些铵离子与世上农民所利用的氮肥是一样的。

新型的固氮植物

生物固氮是由一系列所谓固氮基因（nif）操纵的。这些固氮基因仅存在于单细胞生物如细菌和蓝绿藻中。nif基因的DNA可能由十五个基因所组成，它们的作用为产生对于固氮所需要的关键性的催化剂和控制要素。高等植物是不存在固氮基因的，但是可以通过如下将要详细讨论的各种共生细菌间接地得到它们。

最近，已能从具有nif基因的克氏杆菌（Klebsiella）中把这些基因转移到这种细菌的其它没有nif基因的各种品系中，从而获得了新的固氮杂种细菌。现在，非常激动人心的是关于将nif基因移入到高等植物的细胞中去。最动人的一种可能性是运用高度灵活的遗传载体，即所谓质粒。

另一条宣传得较少然而同样地动人的途径，是进行植物和细菌结瘤基因的遗传工程，其目的在于得到能够自己生瘤的新型植物品系。这个目的是要产生包括全套装置的完整的瘤，而不仅仅是要得到采用单单转移nif基因所能获得的有限量的新的遗传信息。

这是很清楚的，根瘤的高效共生固氮作用，需要比nif基因本身更多的基因。例如：根瘤中具有一套精细的固氮催化剂作为对于氧毒性的防护系统（即豆血红蛋白）。高效的瘤似乎也具有“氢补燃器”（hydrogen after burner）催化剂，即所谓氢化酶，它们将废弃的氢又送回至细胞中，从而使能量进行循环。再次强调一下，我们的目标是要创造具有高度进化了的根瘤菌这一优点的新型植物。

“特异性”和“非特异性”

创造一种新型固氮植物的遗传工程，现在看来是一种现实的科学目标。已被认识到，共生细菌和寄主植物同时都提供形成瘤的结瘤基因。例如：在豆科植物上形成瘤的一些根瘤菌品系对它们的寄主是有很强的选择性的，仅能在相当狭小的植物范围内形成瘤。我们称这种细菌是特异性的。在另一方面，如热带扁豆的根瘤菌，则认为是非特异性的，因为它们能在包括扁豆、大豆和花生等许多不同的植物上形成瘤。

许多年来，人们认为根瘤菌仅能在豆科植物（约一万多种）上形成瘤。最近，一位澳大利亚研究工作者在研究新几内亚的本地植物时，令人兴奋地发现了一种山黄麻属（Trema）的非豆科植物，它具有由根瘤菌所引起的瘤。这个令人吃惊的发现，表明根瘤菌具有“特异的”、“非特异的”、或允许在许多植物中形成瘤的“超非特异的”基因。山黄麻属被认为是一种在进化上与榿木属（Alnus）有亲缘关系的植物变种，而榿木是一种能够固氮的树木，它具有被一种叫做Frankia的稀有细菌所形成的瘤。这种细菌的形状与产生毒素的土壤放线菌很相似。到目前为止，各种企图在实验室里把它进行培养的尝试都失败了。用压碎的瘤或榿木林下取来的土壤样品培育种子，Frankia菌能在许多木本树种上结瘤。因此，认为它已经发展了一套相对非特异的选择寄主的基因。现在还不知道Frankia菌究竟是一群多种多样的细菌，还是一群密切相关的细渝。很明显，这些细菌具有一套独特的寄主选择基因，这种基因可能被利用到新的植物种上使之长瘤。

蓝绿藻是代表在自然界里被发现的非特异性最强的共生者，因为它们可以和许多植物有效地进行共生，从而在不同的植物上各别地形成叶瘤、根瘤以及树干空洞等。将来可能从遗传上控制这些微生物。例如浮在水面上的蕨类植物满江红（Azolla），在它的空腔中充满着蓝绿藻，因为它有利于水稻生产，所以在300多年前就被发现了。根据民间传说，越南一位叫Ba Hang的农妇首先把这种蕨类作为含氮丰富的肥料，使用在她的水稻田里。为了对这个“初期的遗传工程师”表示敬意，曾为她立了纪念塔；并且为了纪念这位“蕨类女神”，每年还为她举行一次喜庆日。这种生产水稻的方法，近来在加利福尼亚的水稻系统上正在进行试验。

寄主植物

如果对寄主植物在结瘤上所参与的关键性作用不加描述，那么对结瘤基因的讨论就是不完整的。跟植物病原体对植物的侵害不同，作为共生菌的寄主，不仅要接受侵害，而且当瘤一旦形成以后，还要互相结合，成为一个整体，以维持共生体的生存。很明显，这个复杂的过程需要许多的植物基因。不同种豆科植物的结瘤基因，已知至少在一种重要的方式上存在着差别，即某些植物对瘤的形成具有广谱的不同根瘤菌品系。实质上，这种豆科植物具有非特异性的结瘤基因。相反地，有些植物则是有较大选择性的，只与一个狭小范围的根瘤菌能有效地进行共生。

植物基因的性质是将来研究的主要领域，例如要创造一种新型的固氮植物，这是一个必须受到更大注意的领域。进一步的努力，必须致力于对植物结瘤基因的遗传分析和确定其界限，例如，可以使人极为振奋地问道：非特异的结瘤特性与相对特异的结瘤特性，能否从一种植物转移到另一种植物上去呢？

环境问题

固氮与环境的联系有四个重要的方面：

第一，利用太阳能通过生物途径进行固氮。现今，生物世界需要通过生物学的以及化学的手段制造大量氮肥。因为制造商用的氮肥需要石油，因此利用太阳能更多地通过生物学的途径生产氮肥，意味着对我们供应有限的石油作了保存。

第二，生物固氮在生态上可以比关于用氮的氧化来生产商业氮肥要来得干净，而且，用氮的氧化来生产氮肥还可能对同温层的臭氧层引起衰变。例如，已知一氧化二氮（笑气）是氮肥在某种土壤细菌作用下的一种分解产物。但这些所谓的反硝化细菌仅能自由利用无机氮肥，而对于有机氮化合物是没有活性的。因为被根瘤所固定的氮，实质上是和正在生长植物中的有机物质相联系着的，它不能被土壤中的反硝化细菌所作用，因此也就不会产生对大气中威胁臭氧的氧化氮。

使这方面问题概念化的最简单的办法是考虑二祌被固定的相同氮分子的命运：一种是加入玉米田里的商业肥料；另一种是大豆根瘤中固定的氮。因为生物固定的氮分子是由植物形成的，很简单这种氮分子对反硝化细菌是无用的，因此能继续进入种子。相反地，商业氮分子其结果或者成为氮的氧化物，或者作为有机化合物被玉米植株所结合起来。随着植物种子的收获，保留在腐烂植物部分的氮，变为部分土壤的有机氮，因此不能被反硝化细菌所利用。这种氮实际上变成了土壤的腐殖质，因此增强了土壤的肥力。

在我们知道使用实际上是否会以任何形式污染环境之前，还需要做许多科学实验。由于美国农业的丰饶多产，只有通过使用了化肥才使可能，所以提出生物固氮在不久的将来应代替化肥是幼稚的。然而，用趋向于更高能效的耕作体系的着眼点来看，可以把生物固氮和工业生产氮肥这两种方法更好地结合起来。

第三，是关于用遗传工程所建立的生物固氮对于环境的影响，已经引起了一种恐惧，即担心用遗传工程所建立的微生物，可能从实验室逃逸到大田里去，从而致使以铵的形式存在的氮会积累到有害的水平。然而，似乎有一种内在的生物能量的限制，它阻止着这种生物产生过量的铵。

生物固氮需要大量的细胞能量，例如，一种叫做克氏杆菌（Klebsiella pneumoniae）的固氮菌，已经在遗传上被设计好，只能在小剂量的反应器中生产铵。如果把这些细菌接种到土壤里，给他们提供与在实验室中所需相同的能量的话，有人估计每亩要产生100磅的氮（约为玉米的平均需要量），则土壤将每年必须施以2吨以上的白糖去喂养它们。事实上，供给共生固氮所需的大量细胞能量像一把双刃的剑。一方面，它们提供了内在的安全因素，防止了一种“潜逃”的制氮工厂，从而避免对环境的损害；至于在另一方面，则它们不断对试图扩大这个固氮过程的生物学家提供巨大的挑战。

最后，关于生物固氮和环境方面的最终问题是，引到新型植物上去的瘤，是否将会因能量转向于对它进行加强，而损害了作物；或者固氮的玉米所长出来的果穗是否将会比使用化肥的品种所长出来的果穗要小呢？

近来实验证明，大豆的共生固氮过程需要大量的细胞能量，这些能量要不然可能会被植物生长的其它过程所利用。再有，虽然现代在这方面研究的趋势倾向于指出，对于结瘤植物这是一种显著的能量负担，但是，还缺少实验的证据来对这个问题作出确实的回答。没有理由设想，结瘤的玉米或小麦要开动它们的“氮肥工厂”并不需要同样多的生物能量。另一方面，这些十分有效地利用辐射能的谷类作物，是能较好地负担这种额外损耗的。近年来一些研究已经指出，如在水生蕨类满江红（Azolla）中所天然存在的系暴露在阳光之下的“叶瘤”，可以代表是一种生物氮的廉价来源。因此，还有很多可以导致改进固N₂的途径等待去进行探索。例如，从近来在根瘤菌的分子生物学和分子遗传学方面的进展的观点来看，预测将可能很快地利用遗传工程来建立具有大大地扩大了寄主范围的品系，这似乎是现实的。如果对于这种新的知识明智地加以利用，充分意识到它对环境将会产生的潜在后果，则遗传工程将继续为我们最大的太阳能源，农业，提供强有力的手段。

[译自Cereal Foods World1978年10卷。察以欣、谢雍译]