基因农业网（周彬彬、林啸）编译：你可能从未想过：第一个转基因作物既不是在大公司产生的，也不是由学院里的科学家设计的，而是至少在8000年前在自然条件下天然产生的。
位于南美洲，秘鲁利马的国际马铃薯中心（The International Potato Center）的科学家在对来自美国、印度尼西亚、中国、南美部分地区及非洲等地的291种红薯品种进行研究后发现：这些所有的红薯品种中都含有农杆菌的基因。这个结果表明：在人类开始食用红薯之前，农杆菌就已经把它的基因插入到了作物野生祖先的基因组中。
这项研究的负责人，病毒学家Jan Kreuze说：“人类在不知情的情况下，已经吃了几千年的转基因作物了”。他们的这项研究结果被发表在2015年5月5日的《美国国家科学院院刊》上。Kreuze认为：这些外源的农杆菌DNA帮助了中、南美洲地区人类对含糖蔬菜的驯化（见图1：甜蜜的彩虹）。
（图1：甜蜜的彩虹：美国人喜欢富含糖份的橙色红薯，而在非洲，尽管黄色和白色的红薯没有那么的甜，但它们依然很受欢迎。图片来源：国际马铃薯中心The International Potato Center）。
尽管红薯与马铃薯（Potato俗称：土豆，洋芋，山药蛋等）都长在地下，都能挖出大个的块状组织，但两者之间并不一样。我们平常吃的土豆实际上是植物的“茎”块，并不是它的“根”。而我们平常吃的红薯，却是植物的“根”块，而不是它的“茎”。因此，红薯是由植物的根部肿胀，膨化而来，里面富含淀粉（见图2：充满淀粉的红薯根部）。Kreuze和他的同事认为：“转入到红薯体内的农杆菌基因帮助植物产生了两种激素，从而使植物的根部发生变化并产生了一些可食用的物质”。Kreuze又接着说道：“但关于这一点，我们还需要进行进一步的证明。但现在的问题是，直到现在，我们都找不到任何一种不含农杆菌DNA的红薯材料作为实验对象去证明这个问题”。（注：因为他们收集的291种红薯品种都含有农杆菌的DNA，他们必须找到一种不含农杆菌DNA的红薯品种，然后把这些农杆菌的DNA转进去，来验证这些DNA能不能使红薯品种的根发生膨大等变化。但是他们却找不到不含农杆菌DNA的“非转基因红薯”品种）
见图2：充满淀粉的红薯根部。图片来源：U-ichiro Murakami/Flickr.com
Kreuze说：当我们的祖先开始种植红薯时，他们很可能会注意到那些带有外源基因并具有膨大根块的红薯祖先，然后对这种红薯进行筛选驯化，最终将其向四周扩散。红薯先被传到了波利尼西亚和东南亚，然后又被带到欧洲和非洲，最终遍布全球。
联合国粮食及农业组织的人员说：现如今，若以食物的产量而言，红薯在世界最重要的作物中排名第七。
“在美国，红薯的重要性貌似只体现在感恩节的时候”，Kreuze玩笑道：“然而在一些非洲地区，红薯却是他们的主粮。因为红薯具有强悍的生命力，当其他作物都不能很好的生长时，红薯却可以长得很好”。
在中国，红薯通常被用来喂牲口。（注：人们也通常将烤红薯作为小吃）。同时在其它很多地方，人们会用爆炒的方法将红薯叶做成美味的菜肴。
无论是在卢旺达人后院的菜园子里，还是在中国的农田里，所有的农民都正在种着一种天然转基因作物：红薯。
“我不觉得这是一件多么令人惊讶的事情”，位于华盛顿的公共利益科学中心（Center for Science in the Public Interest）的转基因专家格雷格.贾菲（Greg Jaffe）说：“任何一个熟悉基因工程的人都不会对农杆菌能将一些DNA片段插入到作物的基因组中的现象感到惊讶”。（注：因为这是一个普遍存在的现象）。
而且，生产转基因作物的过程，其实是一个简单到会让你感到惊讶的过程（还有一些其他产生转基因植物的方法。例如：基因枪介导转化法，首先将DNA片段包裹在金粉之中，然后通过高压气体推动带有DNA片段的金粉进入植物细胞，形象的称为基因枪法）。科学家将少量的一些植物细胞与一种叫做农杆菌的细菌混合在一起，农杆菌就能将自身的一小段DNA片段转入到植物细胞之中，这段小DNA片段最终会被整合到植物的基因组中。
当这段小DNA片段进入植物细胞后，生物学家将会诱导含有这段小DNA片段的细胞进行增殖，并最终长成具有根和芽的整株植物。最终这株植物的每一个细胞都会含有这种农杆菌的基因。瞧，你很容易就得到了一株转基因植物。（产生转基因植物之所以会这么简单，是因为植物与动物不同，植物不用从胚胎中开始生长，很多植物都可以从各种类型的植物细胞分化，发芽并最终长成一株完整的植物。注：这就和你剪下一段植物，插在水里或土里，你会发现它能生根、发芽、长大是一个道理。）
“农杆菌遍布于世界各地的土壤之中，它们可以侵染超过140种植物。因此，不难想象细菌（农杆菌）的DNA最终可以找到某种方式进入到我们的食物之中”。Jaffe说：“如果你去研究、分析一下其它的作物，你应该可以发现像红薯一样的，其它的天然转基因作物的例子”。
那么，为什么是具有8000千转基因历史的红薯呢？可能这个例子有助于监管者和科学家去审视转基因作物的安全性。Jaffe说：“在许多非洲国家，一些监管机构和科学家质疑并担忧这些转基因作物的安全。希望这项研究会给他们带来一些安慰，并帮助他们把这项技术的来龙去脉了解清楚”。
但是Jaffe认为：这项研究并不会减轻许多消费者对转基因作物的担忧。“因为很多人关注的不只是转基因是否使天然产生的，还是科学家生产的，以及是否可以安全食用”。而是，很多人担心转基因作物是否会增加杀虫剂和除草剂的使用，或者一些公司会不会利用这类技术来垄断种子的专利权。Jaffe说：“对于这种情况，你就必须对转基因作物须进行具体案例具体分析了”。
但至少在这个天然转基因红薯的案例下，所有的这些方面似乎都已变得清晰起来。
农杆菌修饰红薯的深层次问题
土壤农杆菌(Agrobacterium) 可以将DNA导入植物细胞，这种特性已经被科学家广泛研究和使用。这些转移DNA (T-DNA)在侧翼的短边界序列 (left and right border sequences)中间，可以通过细菌演化出的接合系统导入植物细胞。来自细菌的基因会扰乱植物的激素平衡，使植物长出肿块状的结构。同时农杆菌还会改变植物的代谢系统，使其更利于细菌生长，比如迫使植物产生一种叫做冠瘿碱的糖-氨基酸共轭物，使其作为细菌的营养来源。很久前，通过实验，已经证明了在粉蓝烟草（Nicotiana glauca）和柳穿鱼 （一种植物，Linaria vulgaris）中，存在农杆菌介导而来的序列，并且这些序列可以遗传到植物的下一代。因此，在植物中，带有来自其他物种的基因并不是什么新鲜事。只是烟草和柳穿鱼并不是主要的粮食作物所以并没有引起太大重视。最近，Kyndt等人发表在美国国家科学院院刊 (PNAS)的研究表明在人类驯化作物的同时，甚至更早之前，农杆菌介导的T-DNA已经整合到六倍体的红薯的基因组中(Ipomoea batatas)。
该研究通过对一个栽培红薯Huachano进行RNA测序并拼装，研究者发现了很多已知农杆菌T-DNA的同源基因。之后，对红薯中这些基因的侧翼序列进行了测序，意外的发现了两个和农杆菌中一模一样的T-DNA，一个(IbT-DNA1)里包含着四个原始的农杆菌基因，而另一个(IbT-DNA2)包含了五个。更有意思的是，IbT-DNA1插入了一个植物F-box基因，可能会影响到这个基因的表达。这类F-box基因家族包含几百个基因，其中的一些参与了信号传导途径，比如植物生长激素的信号途径。这些在T-DNA内的农杆菌基因在红薯中表达量很低，但处于可以检测的范围。研究人员测试了291个六倍体红薯栽培品种，发现IbT-DNA1这段序列在栽培种中无所不在，但是在野生红薯里没有这段序列。在另一种栽培红薯Xu781中，T-DNA1序列内部还插入了一个植物的反转录转座子，并且在这个T-DNA序列内部还有着一个更为复杂的反向重复结构。
这个T-DNAs很可能来自于发根农杆菌（Agrobacterium rhizogenes），这种农杆菌会诱导植物产生毛状的增值根(hairy root proliferation)，而不是根瘤(crown galls)。这种农杆菌包含了两个可转移的T-DNA结构：其中TR-DNA和IbT-DNA1一致，TL-DNA和IbT-DNA2一致。和T-DNA1不同的是，在204种六倍体红薯中，只在其中的42个中发现了IbT-DNA2。同时还在9个四倍体和一个二倍体野生红薯中，分别发现了2个和1个IbT-DNA2。
这一切可能发生在几千年前的拉丁美洲，在人类驯化红薯的过程中，农杆菌的侵染导致了红薯产生某些有用的农艺性状，所以这些红薯的块根被人类保留下来并用于播种，之后植物又通过有性生殖的方式被流传了下来。
这一切其实一点都不新鲜，人们很早就知道基因的水平转移在演化上非常重要，能增加遗传多样性。基因的水平转移的发生几率很低，但是有很多这样例子。比如有些线虫含有来自细菌的基因，这些基因能够降解细胞壁酶从而帮助它们侵染植物。还有研究分析了很多基因组，发现人和其他一些动物中都有大量来自细菌的基因。
这些发现带来了一系列有趣的问题。比如是否可以追溯到T-DNA插入事件的时间？细菌的基因在植物中的表达是否具有功能？如果农杆菌中的这些基因发生突变，植物中的农杆菌基因是否能够起到替代的作用？这个自然发生的转基因过程能否被人为重复？如果用发根农杆菌（A. rhizogenes）侵染不包含这个T-DNA插入的番薯科植物，能否得到同样的转基因植物？更重要的是，在T-DNA内的农杆菌基因是否能带来有用的农艺性状或者表型，比如影响块根产量，性状，味道或者营养成分？早期的驯化植物的人到底为什么选择了这些带有农杆菌基因的红薯？另外，是否田麦角碱或者其他冠瘿碱是否能让红薯尝起来更好？一些植物生物学家开玩笑说，“为了让有机农业的消费者安心，应该利用CISPR-Cas9基因编辑技术将T-DNA1和T-DNA2在栽培红薯里敲除。玩笑归玩笑，不过这种实验倒也能帮助搞清T-DNA到底是否能带来有用的表型。”
以上是否会增加人们对于遗传修饰作物(GM crops)的担心? 亦或是更少担心？GM的拥护者一直以来都在指出农杆菌是最”天然”的自然遗传工程师。比起所有栽培红薯中都携带原始的农杆菌基因，以及人类已经食用了红薯几个世纪这个事实，没有任何证据表明农杆菌介导的DNA转移有任何安全问题。可以肯定的是，现在GM的反对者已经停止了对于转基因技术本身的批评，而更多的是批评使用这些技术的目的。很多反对者都批评利用草甘膦进行杂草控制，而他们质疑的点大多在于除草剂的特性或者生产除草剂的公司，而不是转基因技术本身。这些讨论却又很少的将草甘膦和那些被它取代的化学除草剂进行比较，而是和一个在他们脑中的乌托邦进行比较——在那个世界里，不需要除草剂杂草就能够自动消失。无论如何，新的基因组编辑技术已经能够创造出带有除草剂抗性的作物，而且不属于GM监管范畴。
植物科学家必须时刻准备好从各种角度辩论遗传修饰这个话题，比如遗传修饰的目的，经济学机制，甚至更为宏观的问题，比如如何能达到既可持续又高产的农业。然而Kyndt和他的同事证明了人类已经食用了上千年的遗传修饰作物，说明没有理由要对每一个通过遗传修饰得来的作物都进行严格的安全管制。
本文参考：http://www.npr.org/sections/goatsandsoda/2015/05/05/404198552/natural-gmo-sweet-potato-genetically-modified-8-000-years-ago
http://www.npr.org/sections/goatsandsoda/2015/05/05/404198552/natural-gmo-sweet-potato-genetically-modified-8-000-years-ago
