互动科普

将新的基因植入二些特殊的昆虫种类中能够阻止一些传染病的发生，有益于农业与产生新的物质。

一个来自地球外的访问者一定会承认，人类是地球上的主宰。但是如果那个访问者把着眼点从单个种类移动到分类级别上时，他的现场报告就会把昆虫纲放封演员表上最显著的地位。已鉴定的昆虫的种类超过1百万种，占所有动物种类的六分之五。在美国每英亩土地上平均有400磅昆虫，而只有14磅人。在那里人与昆虫相互制约，广泛的经济利害美系悬而未决。甚至意义更深远的是，人与传播疾病的昆虫之间的冲突常常是一个生死悠关的问题。

一些昆虫种类，最值得注意的是那些吸血的昆虫种类，依然还是传播如像虐疾，黄热病，锥虫病与登革热这样重要的人类疾病以及某些家畜疾病的罪魁祸首仅虐疾每年就造成3亿至5亿个临床病例与大约150万至270万人死亡。每年大约有20万人感染黄热病，3万人死亡每年大约有5千万人接触登革热：不医治的话，死亡率可以达到15%。在发展中国家，如像痢疾这样非致命的但使人衰弱的疾病可以由昆虫传播，其中包括普通家蝇。

针对昆虫传播疾病的公共卫生的努力限于3种基本策略：使该地区完全设有昆虫，使用杀虫剂和如像床罩这样的物理屏障可以至少隔开一些昆虫，或者研制一种疫苗。第一项措施已经在一些地区起作用(见本刊1998年l1期Kenneth R. Foster，Mary F. Jenkins与Anna Coxe Toogood所著的“1793年费城黄热病大劫难”)。减少与昆虫接触的机会取得了有限的成功。疫苗的开发仍然存在问题，例如世界仍在期待有效廉价的疟疾疫苗。

还有一种方法可以快刀斩乱麻：简单地使昆虫不能传播疾病。昆虫叮咬本身对大多教人的健康没有多大影响：致病的病毒，原生动物与幼虫才是真正的元凶。在本世纪60年代，伦敦卫生与热带医学院的Chris F．Curtis提出如果在遗传学上找到一种方法将疟疾的传播者按蚊转变成一种不能传递实际上与该病有关的疟原虫属原生动物的形式，就可以抑制疟疾的蔓延。一些蚊子实际上自然能抵抗疾病或不能传递Plasmodium。

Curtis的建议有几十年都未能实行。但是由于有了现代遗传技术，它很快可以成为现实了。来自一个种的遗传材料可以被永久地结合到来自另一个种的个体的DNA中去，授以新的特征。所得到的带有新DNA的植物或动物被称为转基因的。

找出将能够抗疾病的特性加到传播疾病的蚊子和其它昆虫介体中的方法，现在已经产生了一个极其活跃的研究领域。但是，开发转基因昆虫的好处不只是限于医药领域。将有用产物的基因插入奶牛与山羊的基因组中已经创造了在它们的奶中产生药物的动物。将它们应用到昆虫上，转基因能够基本改变农业与一些材料的合成。

跳跃基因

转基因昆虫研究最早可以追溯到二十世纪60年代，其动机只改进基因分析，而不是实验室之外的任何直接应用。改变基因组的早期尝试大多是将DNA注入一个虫卵内或甚至简单地将卵浸在DNA中。这两种方法都没有发展成为产生转基因昆虫的可靠方法。80年代早期整个遗传研究由于当时皆在华盛顿卡内基研究所的Gerald M．Rubin与Alan C．Spradling的昆虫研究而发生了飞跃。Rubin与Spradling研究被称作为转位因子的极有趣的遗传实体。

这些奇异的DNA串能够反复地将它们自身切断与粘结而进入不同的染色体。转位子因其奇特的性质，还得到一个绰号跳跃基因。遗传学家Barbara McClintock在40年代对玉米的研究期间发现了转位子。她的这一发现的重要性终于使她在1983年获得了诺贝尔奖。卡内基的研究人员研究的特殊转位子来自实验室的供试材料：果蝇(Drosophila melanogaster)的基因组。这种昆虫作为农业害虫的重要性很小，但是过去70年来在遗传研究上却是十分重要的。Rubin与Spradling证实转位子倾向于将自身结合成染色体，并且有一个简单而聪明的想法：为什么不把它连到他们希望果蝇具有的基因上呢？他们将一个改变了的转位子引进细胞，转位子在细胞中实际上将自身粘贴到染色体中．从而形成转基因果蝇。用他们的方法所获得的成功与这种方法的简便性使研究人员研究该种昆虫的遗传学与生物学的方法发生了革命性变化。

果蝇(Drosophila)转位子被叫做P要素。70年代遗传学家们在记录一种莫明其妙的现象时发现了它。当来自某些种群的雄虫与另外一些种群的雌虫交配时它们的后代有许多遗传变型，如像突变，断开的染色体与发育异常。因为发现有关的遗传实体仅仅来自父本谱系所以它们被叫做P因子。遗传学家们最感兴趣的P因子最后被证明是一个转位子，它被重新命名为P要素并且证明对果蝇遗传学家来说是极其宝贵的，它使其能够分析分离的基因及其效应。

遗憾的是，在1986年，由作者之一(O’Brochta)与佛罗里达州盖恩斯维尔的美国农业部的Alfred M．Handler所进行的一组试验得到一个令人徂丧的结论：除了涉及果蝇的基础遗传学研究外，P要素具有很小的实用价值。它不容易将本身植入其它种类的染色体中但是这些试验终于导致一条新途径的产生，它将试验者的注意力转到其它转位因子与策略上。最近的研究开始开拓出创造重要性更大的转基因昆虫种类的方法。

除了果蝇外，P要素都被证明是无用的这种认识，促使生物学家们去寻找功能更为普遍的转位子。一个明显的问题成了一种选择：哪个转位因子表现最有希望?大多数研究人员认为我们不应该放弃一种已被证实了的东西，并要寻找大体类似于P要素(称为短的转向重复型转位因子)的转位子。我们的实验室开发了能很快确定一种特定的转位子能否成功地将自身结合到一种昆虫的DNA中的技术，这有助于加速评价与开发媒介昆虫的整个过程。用具有类似于P要素结构的转位子进行的早期研究使选择在可以看得到的用图表示的境界内进行。

1995年，Charalambos Sarakis及其在希腊克里特岛上的分子生物学与生物化学研究所的同事们成功地使用一种从Dhydei上分离出来的，称为Minos的转位子。他们用Minos将一个新的基因插入地中海果蝇中，就创造了那种动物的第一个转基因型。这种变形将蝇眼无色的果蝇改变为表达红色蝇眼基因的果蝇(在某种意义上影响基因治疗)。随后，Handler及其同事用来自白莱金翅夜娥的称为Piggy Bae的转位子成功地将具有无色素眼的地中海果蝇转变为有色眼果蝇。显然，改变虫眼的颜色在遗传学上的意义并不大：这些突破性成果的重要性在于它们说明了创造确能表达有价值基因的转基因昆虫的可能性。

1998年初，研究者们报告了传播黄热病与登革热的埃及依蚊(Aedes aegypti)两次分离转变。成功地操纵这种非故意的恶毒的生物表明，遗传学家们将很快能够在与疫病作斗争中把埃及依蚊转化成一种非恶毒昆虫更为乐观。首先，加州大学欧文分校Anthany A．James及其同事通过称为Hermes的家蝇转位子改变了埃及依蚊：而Hermes最先是在我们的实验室中分离出来的。(同P要素相比，从蛾类到蚊类，Hermes似乎都是产生转基因昆虫的有效介体。用它来进行研究将有助于进一步了解转位子运动与调节的生物化学。)James及其研究小组接着成功地将称为Mariner的一种转位子结合到埃及伊蚊中，而Mafiner则是从黑尾果蝇(D. mauritiana)分离的。而且，结果是完全改变了蝇眼颜色。

在与这两种转基因开发相吻合的研究中，科罗拉多州立大学Barry J．Beaty其同事证明了将抗病性用遗传工程方法结合到埃及伊蚊中的可行性。使一个宿主表达它通常没有的基因的一种方法是用～种载有那种新的DNA序列的病毒侵染它。Beaty研究小组用一种非致病的病毒侵染蚊子，这种病毒包括了一种防止登革热疾病在宿主唾腺中复制的基因侵染使随后的传播停止。

Beaty的研究表明，创造一种抗病的昆虫是可能的，所以不存在阻碍通过遗传植入创造这样一种动物的理论障碍但是仍有一个正在成为中心的问题。仅仅等待一个转基因昆虫将其新基因以严格的孟德尔方式传递给大量后代——即一个具有这种基因复本的亲本以上述方式仪能将其传给他的或她的一半后代——就是一个漫长的过程。一个更实际的计划将通过大量的昆虫更快地扩大这种遗传变化。

幸运的是，很快地创造携带这种关键基因的完整昆虫种群的基本成份似乎都是可以实现的此外，转位子使上述事情成为可能。由于它们跳到新染色体的倾向以及多次复制转位子突破了严格的孟德尔遗传的约束。一个科学家获得的转变过程可以将一个带有一个关键基因的转位子放进目标动物的基因组中。但是那个转位子到那个时候可以作为一种游离因素蓝且将它自身扩展到整个基因组。当上述情况发生时，不止一半的后代继承了该种转基因。在很少几个昆虫世代的相当短的时间内，大多效种群表达了该性状。

在自然界中可以看到这种类型的基因扩散实际上，P要素本身似乎是果蝇基因组的一个新的增加物，大概是在一个世纪以内才从黑尾果蝇上跳越过来的。

其它的方法对创造转基因种类也许是有效的人类基因疗法就是部分建立在独特的系统上的(从还原病毒衍生出的，但不再侵染它们本身)，这种系统能够将基因结合到新宿主的基因组内。(这是一种真正的转基因转换，它与Beaty使用病毒简单侵染今后将产生病毒产物的生物个体不同。)这些称为泛向的准型还原病毒的被剥离的病毒介体能够实际上与来自任何有机体的任何细胞相互作用它们最近已被用于创造转基因鱼与蛤韭且成功地将遗传物质结合到培养的蚊细胞中。这些病毒介体还可证明其在所有昆虫研究中的价值。

因为目的是改变一个昆虫的表型——它的遗传组成的外部表达，或基因型——大部分研究工作者理所当然都将注意力集中在把外部遗传物质结合到宿主昆虫本身的染色体中的方法上但是耶鲁大学的Frank F．Richards及其同事们正在开发一种破坏船货而不是船的聪明方法。因为实际上所有的昆虫都带有微生物．它们不是被动搭车的旅客就是主动的移住民，所以Ri．chards指望转变它们而不是它们的宿主带有遗传工程微生物的昆虫叫做类转位基因．因为这种昆虫的基因组本身是没有被触动过的。疾病防治与预防中心的Richards与Charles B. Beard培植了类转基因吸血昆虫，它们不再传播引起恰加斯病的锥虫微生物。恰加斯病使大约1800多万南美人为心血管，肠胃与神经等问题所苦。研究人员从舐吸式昆虫上分离出一种细菌共生体，并在遗传上改变它，使其分泌一种杀死其锥虫同伴传播者的蛋白质。研究人员将这种细菌放回到昆虫中去，于是这种昆虫不发挥致病原生动物的宿主作用。遗传工程共生体成功地在一个笼中的昆虫种群内传播．将它们从一种极其可怕的疾病媒介昆虫转化为一般害虫。

在农业上的应用

显然，昆虫在农业上起了关键性的作用，既有积极的一面，又有消极的一面。实际上，大多数昆虫是有益的，甚至是必不可少的。例如，在美国价值100亿美元的产品是由蜜20蜂授粉的。无数的其它种类参与了营养循环，监且帮助保持土壤的高最量。但是有少数昆虫种类与我们争夺食物。自从发展农业以来，这些害虫不断地威胁我们种植，收获与贮藏作物的能力。

用遗传方法处理害虫的观念是由一个美国人和一个俄罗斯人在本世纪40年代首先提出来的。Edward F．Kripling(美国农业部)与Aleksandr S Serebrovsky提出了类似的方案：使同种昆虫的不育成员充满个害虫种群。于是大多数交配都成为无效的。直到1968年．当科学家们，特别是Curtis重新发现它之时．Serebrovsky的贡献才为西方所知。今天．这种策略被称为不育昆虫技术(SIT)。大量的昆虫可以被绝育．通常用电离辐射的方法，而反复地导人这种不育昆虫，就能够消灭一个昆虫种群(见图7)已经改变了的昆虫本身实际上就是消灭这个种群的武器。

SIT现正在保护着美国，墨西哥，危地马拉，智利，阿根廷，日本，桑给巴尔与其它国家的农业经济这种方法在洛杉矶市区与热带桑给巴尔都是理想的，目的都是根除一些不同类型的特定的害虫而无需使用化学杀虫剂损害周围的环境。SIT的最大成就之一就是，在本世纪的70年代，根除了首先出现在美国东南部，最后出现在墨西哥的新世纪旋蝇。(大多数目击者很少会同情旋蝇。它将卵产在牲畜裂开的伤口上，然后孵化出消耗该种动物肌肉的幼虫最后旋蝇实际上吃掉了活着的受害者．)最近这种技术已被成功地用于防治洛杉矾地区的非常可怕的地中海果蝇，并取得了较大的经济效益：每年固定的地中海果蝇危害在加州要损失将近15亿美元。

SIT取决于遗传学，也就是传统的育种计划。例如，创造了地中海果蝇的一个品系让科学家们能够用高温脉冲来系死所有的雌虫胚胎。这种品系能使昆虫学家们只大量生产，绝育与释放雄虫。通过消灭这种雌虫，整个SIT方案更为有效。但生产这样的品系很困难，并且要耗费大量的时间。

用转基因技术就能够创造只有雌虫才带有致死基因的昆虫品系。这些致命的DNA片断就能在特定条件下得到表达，如传统方法中的高温脉冲。

转基因技术也可以减少对化学杀虫剂的依赖。现在美国有99多万个农场都使用杀虫剂．依赖杀虫剂会损害生产能力。将昆虫浸泡在杀虫剂中实际上引起它们对那些杀伤剂产生抗药性。在美国至少有183种昆虫与蜘蛛纲有害动物对一种或一种以上的杀虫剂产生了抗药性。而且，化学杀虫剂的积累及其在我们的食品，水，土壤与纺织物中的有毒的分解产物构成了一个严重的健康问题。所以生物学家们期望转基因技术成为防治害虫新一代武器。

杀虫剂的一个主要的问题是它们杀死了许多不想消及的有益昆虫种类。它们可能消灭了有用的捕食者与寄生物，使第二个害虫种类有机会出现。转基因技术可以使农民们大大地节约杀虫剂

现在一块田内喷布一系列不同的化学农药，每种都能够杀死一种或一种以上的害虫。不幸的是针对有害种类的化学防治时常也伤害了有益种类。例如，螨侵袭加州杏仁树。一种解决办法是用一种杀虫剂防治这些螨类．另一种办法是释放一种能杀死这些害螨的捕食性螨。但是这些树也成了甲虫与螨的牺牲品，所以将其它杀虫荆喷布在它们上面以防治那些害虫。这些杀虫剂中的一种杀死可以使这种树免受其它种类的螨侵袭的捕食性螨。总的来说可以经受针对甲虫与蛾的转基因的益螨将使农民们能在他们的作物上喷布较少的化学农药。

当然，对抗杀虫剂的无敌的人工选择是实验室中贯穿常规育种措施的常规途径。里弗赛德加州大学Rrian A．Croft及其同事引进了从华盛顿州获得的抗杀虫剂的捕食性螨，放进加州南部的果园后获得了良好效果。现在在佛罗里达大学工作的Marjorie A．Hoy随后开发了使天然的捕食性节肢动物对化学农药的抗性进行人工选择的技术。Hoy及其同事开发了参与本文中描述过的杏仁树事件的抗杀虫剂的捕食性螨。

但是这种研究通常要通过许多昆虫世代，韭可能在培育抗性后代时使这些实验室群落相互间的遗传多样性减小。遗传多样性的损失于是引起在实验室外田间的总适应性水平降低这个问题限制了旨在改进生物防治的农业研究中抗性的人工选择的应用。相反，转基因昆虫技术使其有可能快建创造抗性种类。天敌将更有实效与花费更少，并在放弃化学防治时更有吸引力。

对杀虫剂的抗性只是能够提高一些有益的节肢动物效率的最明显有用的表型。其它能够用转基因技术结合到昆虫中的合乎需要的品质包括抗病性，总环境耐性，繁殖力增加与寻找寄主的能力提高。转基因工程的一个特别有趣的应用是改进昆虫供给人类的物质。蚕丝是一个最好的例子。育种方案已创造了吐出更多更好蚕丝的蚕品系。但是这样的方案有如下限制：它们不能够将一个丝袋转变成一个钢袋。但是转基因技术则可以做到。倒如，一些蛛丝比作为防弹背心与高性能的飞机零件的凯夫拉纤维更坚固．遗憾的是，蛛丝不能像人类制造凯夫拉纤维与家蚕的幼虫吐丝那样大量生产。转基因技术提供了将其它种类的丝基因引入家蚕基因组的有益的可能性．创造能够作出枪打不穿的茧的家蚕似乎是怪诞的，但是这样的想法也许可用转基因技术来实现。

生态学意义

对昆虫进行遗传设计的能力使科学家们与决策者们面临在实验室与在田间适当推广应用的问题。已经在适当位置支配将现有的遗传知识从实验室转移到田间的指导方针能够提供部分的管理框架。所有技术都有与它们的使用相关联的风险，我们需要提高对昆虫转基因的固有的特殊风险的了解与知道怎样使风险最小。例如，转基因在昆虫种间无意识的移动具有某些关系，并且正在被研究。在一些情况中，风险应是最小的：当只有转基因种类的不育成员被释放时，植入的遗传序列应该仍然是从总基因库分离出来的。

就像术语风险一效益所暗示的，在决定开发与推广应用时应考虑能够从转基因中所产生的好处。如像美国农业部的动植物保健检查机构这样的政府部门已经建立了确保严格按照遗传和生态结果进行田问释放转基因昆虫的机制。（读者可以通过访问美国农业部万维网址www.aphis.usda.gov/bbep考察转基因节肢动物的田间试验的执行过程以及当前的应用情况）

在每一种情况下，一个特定的有机体的遗传转换都使它的生物学研究发生了巨大的变化。而且，对一个种的研究可以鼓舞对另一些种的研究。孟德尔的低级的豌豆植株发芽出土，而对果蝇的研究则为大部分现代的遗传研究打下了基础。用大肠杆菌进行的研究导致开拓性研究成为加速开发细菌，植物与动物的遗传工程技术的管理机制。转基因的哺乳动物已经产生了种类繁多的医用产品。应用于昆虫的转基因技术能够向生物学家提供研究，控制与利用在人类事务的这样一个相当大的比例上占统治地位的这些生物的方法。