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基因编辑技术范文1
[关键词]基因编辑技术； CRISPR/CAS9； ZFNs； TALENs
基因编辑技术是一项对基因组进行精确定点修饰的技术，可对特定DN段进行敲除、加入和替换等，从而在基因组水平上进行精确的基因编辑。此过程模拟了基因的自然突变，修改并编辑了生物的基因组，使研究人员可以在极短时间内模拟自然界漫长时间的基因演变，甚至能够完成自然进化中无法完成的基因组改变。在科研领域，该技术可以快速构建模式动物，节约大量科研时间和经费；在农业领域，该技术可以人为改造基因序列，使之符合人们的要求，研制如改良水稻等粮食作物；在医疗领域，该技术可以更加准确、深入地了解疾病发病机制和探究基因功能，以及改造人的基因，达到基因治疗的目的等。因此，基因编辑技术具有极其广泛的发展前景和应用价值。
锌指核酸酶（zincfinger nucleases，ZFN）、转录激活因子样效应物核酸酶 （transcription activatorlike effector nucleases，TALENs）和成簇的、规律间隔的短回文重复序列CRISPR/Cas9（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR）是三大基因编辑技术。这3种技术皆是通过在特定的靶向序列处引入双链断裂缺口（doublestrand break，DSB），继而通过NHEJ途径（nonhomologous end joining，NHEJ）和HR（homologous recombination，HR）途径这2种细胞内DNA修复机制完成修复。NHEJ途径（nonhomologous endjoining，NHEJ）使基因MDNA缺口处有碱基的插入或者缺失，造成移码突变，导致基因的敲除；HR（homologous recombination，HR）途径在提供外源DNA模板的条件下使基因组DNA得到精确的基因修复或靶向基因的添加[1]。由此可见，这3种基因编辑技术本质上均是利用非同源末端链接途径修复和同源重组修复，联合特异性DNA靶向识别及核酸内切酶完成的DNA序列改变。
11ZFNs每个锌指核酸酶单体都是由锌指蛋白（zinc finger protein，ZFP）与非特异核酸酶结合的人工合成酶。此酶的N端部分是能识别含有特定DNA序列的锌指蛋白，C端部分则由非特异性切割结构域Fok I以及连接DNA结合结构域和内切酶的肽段组成[23]。ZFN的特异性取决于ZFP，因此筛选高质量的ZFP是获得高效、特异性的ZFN的前提[47]。ZFP通常由3～6个锌指组成，每个锌指识别基因组中连续的3个碱基。ZFP一旦与基因组中的特定序列结合，Fok I核酸内切酶便会形成二聚体发挥内切酶活性，产生DNA双链断裂的缺口，继而通过细胞内修复机制对断裂部位的基因进行修饰[811]（图1）。ZFN的基因打靶效率一般能够达到30%，可以做到针对特定序列设计ZFN来实现对靶基因的修饰。然而ZFN识别结构域存在的上下文依赖效应大大降低了ZFN设计和筛选效率。目前尚不能针对任意一段序列均可设计出满足要求的ZFN，也不能在每一个功能性染色体区段都能够顺利找到适合的ZFN作用位点。在ZFN的筛选和设计方面存在较大的技术困难之外，其制备价格也比较昂贵。此外，ZFN的脱靶切割也往往会导致细胞毒性。综上这些因素使得ZFN在基因治疗领域的应用有一定的局限性。
12TALENsTALEN是植物病原菌黄单胞杆菌Xanthomonas sp.产生的TALE蛋白的中央区域结构域与FokⅠ核酸内切酶结构域组合而成的一类重组核酸酶。TALE蛋白的中央区域结构域是该蛋白识别特异DNA序列的结构域。它包含了155～195个蛋白单元模块，每个模块单元有34个氨基酸残基，其中除第12和13位氨基酸可变外，其他氨基酸都是保守的。因此，这第12和13位氨基酸被称作重复可变的双氨基酸残基（repeat variable diresidues，RVDs） 位点[12]，是靶向识别的关键。由于TALE存在多种变体，所以可以构建出靶向基因组中预设DNA靶位点的多种TALEN。相比ZFN技术，TALEN使用了TALE蛋白的中央区域结构域代替ZFP作为人工核酸酶的识别结构域，更好地解决了DNA序列识别特异性低的问题。TALE蛋白中央区域结构域对碱基的识别只由2个氨基酸残基决定：组氨酸天冬氨酸特异识别碱基C，即HD（His Asp）C；天冬酰胺异亮氨酸识别碱基A，即NI（Asn Ile）A；天冬酰胺甘氨酸识别碱基T，即NG （AsnGly）T；天冬酰胺天冬酰胺识别碱基G或A，即NN（AsnAsn）G或A；天冬酰胺赖氨酸识别碱基G，即NK（Asn Lys）G；天冬酰胺丝氨酸可以识别A，T，G，C 中的任一种NS （AsnSer）A，T，C，G [1314]（图2）。这种与DNA碱基一一对应的方式在设计上相对于ZFN要简单得多。然而，在实际构建过程中，TALE分子的模块组装和筛选过程也比较繁杂，通常需要大量的测序工作。这使得该技术的使用成本较高，对于普通实验室的可操作性较低。此外，TALEN分子比ZFN大得多，因而在不能高效导入细胞方面也限制了它的应用。
13CRISPR/Cas9CRISPR/Cas（clustered regularly interspaced short palindromic repeat sequences/CRISPRassociated protein）系统是在细菌和古细菌中发现的一种获得性免疫系统[15]，由成簇的、规律间隔的短回文重复序列CRISPR与Cas蛋白组成，能特异性识别外源病毒或质粒的核酸物质，并对其进行剪切，起到防疫外源核酸入侵的作用[16]。其中CRISPR簇通过转录生成一段非码RNA，即CRISPR前体
的靶标可设计为针对一个基因，也为针对多个基因，都能达到有效的特异性位点编辑的效果。CRISPR/Cas9系统已被公认为是继“锌指核酸内切酶（ZFN）”、“类转录激活因子效应物核酸酶（TALEN）”之后出现的第3代“基因组定点编辑技术”。ZNFs和TALENs作用时均是采用蛋白质对DNA序列的识别，而CRISPR/Cas9对靶序列的识别是RNA与DNA的碱基配对过程。该识别方式使得CRISPR/Cas9与前二者相比更为精准，降低了脱靶切割的几率，减低了细胞毒性。CRISPR/Cas9所有成分都可以通过导入质粒进行表达，因此也省去了耗时耗力的蛋白质工程过程。同时，研究人员可以通过生物信息学分析，设计出针对绝大多数基因的特异性靶标识别crRNA。因此，与前2代技术相比，CRISPR/Cas9成本低、制作简便、快捷高效、脱靶率低的优点使其迅速风靡于世界各地的实验室，成为科研、医疗等领域的有效工具，逐渐成为当今分子生物学领域最炙手可热的技术之一。然而CRISPR/Cas9 系统也存在着一些不完美之处：Cas9 蛋白对于目标序列的识别除了依靠crRNA序列的匹配之外，目标序列附近必须存在一些小的前间区序列邻近基序（PAM），因此Cas9 蛋白对于设定序列的切割仍有局限性；另外和ZFNs及TALENs技术一样，CRISPR/Cas9也面临着如何控制双链断裂之后的非同源末端连接修复可能会随机产生细胞毒性的问题。
14 NgAgoCRISPR是以RNA为向导寻找靶向序列，而NgAgo则是以DNA来担任向导。韩春雨等的工作显示，NgAgo可结合24个碱基的gDNA，比CRISPR结合19个碱基的gRNA要长5个碱基，因此理论上精确性要高1 024倍，脱靶率也较低。然而，不同于CRISPR/Cas9技术大量运用已获得了实践验证，NgAgo的作用效果还有待于今后工作的检验。
2基因编码技术的应用
21在基因治疗中的应用随着DNA双螺旋结构的发现和以DNA重组技术为代表的现代分子生物学技术的发展，以及人类对疾病认识的不断深入，越来越多的证据表明，许多疾病都与基因突变、缺失或表达异常有关，由此基因治疗技术顺势而生。基因治疗是指应用基因工程技术将正常基因或有治疗作用的基因引入患者细胞内，以纠正致病基因的缺陷而根治疾病。其最核心的策略是通过细胞内基因修饰来治疗疾病。近两三年来，基因编码技术作为该策略的新生力量开始活跃在基因治疗的舞台上，在癌症、遗传性疾病和逆转录病毒相关的传染病等疾病的治疗方面取得许多堪称跨时代的佳绩。
癌症治疗方面：2015年11月英国伦敦大奥蒙德街医院（Great Ormond Street Hospital）的医生第一次依靠使用“分子剪刀”修改基因的疗法，成功地治愈了一名患有“无法治愈的”白血病的1岁女孩“莱拉”（Layla）。其治疗方案是利用TALEN蛋白对异体T细胞进行基因编辑，去除内源性TCR（提高肿瘤杀伤特异性）及CD52（避免药物alemtuzumab的干扰），并命名为antiCD19 CART细胞，再将这些经过设计的“人工培育的免疫细胞”输入患者体内去捕捉和杀伤肿瘤细胞。经过1个月的治疗，这名女孩目前摆脱了癌症，身体状况很不错，成为世界上首次用基因编辑治愈的白血病女孩[18]。此外，科学家们在过去的几十年中已经确定了许多肿瘤治疗中相关的基因，包括原癌基因、抑癌基因、基因组修饰类、基因抗药性基因。近2年，研究者们已经开始利用基因编码技术对上述基因开展了大规模的基因编辑修饰研究，预计今后几年内会出现多项癌症治疗方面的重大突破。
遗传性疾病治疗方面：2015年底《Nature》杂志发表的对2016年热点研究领域的展望（The science to look out for in 2016）中提到美国加利福尼亚州里士满Sangamo生物科学公司将计划开展利用ZFN纠正导致血友病基因缺陷的人体试验，并对其研究成果表示非常期待。另外该公司还与马萨诸塞州剑桥市的Biogen公司合作开始了另一项试验，尝试通过该技术提高β地中海贫血患者体内一种血液球蛋白的功能[19]。已有研究证实人β珠蛋白（HBB）基因的突变可能导致地中海贫血症。我国中山大学黄军就和他的团队利用CRISPRCas9基因编辑技术，修改了人类胚胎HBB基因的DNA，为治疗地中海贫血症提供了可能。该研究中一共使用了86个胚胎，48 h后有71个胚胎存活，其中在54个接受了基因测试的胚胎中仅有28个胚胎的基因被成功修改，但其中只有一小部分包含替代的遗传物质。该研究是史上第一例利用基因编辑技术改造人类胚胎细胞的案例。尽管该研究使用的胚胎均为无法发育成婴儿、不能正常出生的胚胎，该成果的伦理问题在西方仍引发巨大争议，由此《Nature》的记者和编辑们最终将黄军就选入了年度十大人物之列[20]。多种肌肉营养障碍症（duchenne muscular dystrophy，DMD）是表达dystrophin蛋白的基因发生移码突变，导致不能形成有功能的抗肌萎缩蛋白dystrophin所引发的一种遗传性疾病。2014年研究者已利用CRISPR技术成功修复了小鼠胚胎中的dystrophin基因缺陷。今年，西南医学中心的Chengzu Long，杜克大学的Charles Gersbach，哈佛大学Amy Wagers 与MIT张锋合作研究组这3个独立的研究组又分别完成了小鼠成年体的基因修复。其中Chengzu Long研究组的研究方案为利用腺病毒将gRNA以及CRISPR/Cas9导入肌肉细胞，利用CRISPR/Cas9切除有缺陷的DN段，使小鼠能够产生较短版本的有功能的dystrophin蛋白[21]。
逆转录病毒相关传染病的治疗方面：HIV病毒的基因会整合到病人的基因组上。利用抗逆转录病毒药物治疗仅能抑制HIV病毒的复制但对整合在细胞中的病毒DNA不起作用，一旦停止服用药物这些病毒余孽就会起死回生，开始产生艾滋病原体。因此只有清除整合在宿主靶细胞上的HIV病毒基因才能实现根治艾滋病的梦想。2013 年，朱焕章等设计并获得了一对能特异靶向多数HIV亚型基因保守区LTR （long terminal repeat） 的ZFN，并证实该ZFN能特异性靶向HIV感染及潜伏细胞系上的HIV1前病毒LTR，且介导了HIV1整合基因的高效切除，亩获得了显著抗HIV感染的效果[22]。今年，Rafal等[23]利用CRISPR/Cas9技术使带有HIV病毒的T细胞失去活性，同时病毒复制在受感染细胞中降低了90%。这一治疗方案预计在两三年后开展临床试验。
22在新方法学及动物模型制备上的应用当前，各类基因敲除（knockout）和基因嵌入/置换（knockin）基因工程动物及细胞系已经成为现代医学认识疾病发生发展规律、研究疾病预防和治疗的重要实验工具和手段。传统的基因工程动物制备工艺――基因打靶技术是基于胚胎干细胞的一种同源重组技术。利用该技术制备基因修饰动物周期较长且存在生殖系统传递失败的风险。新型的基因编码技术系统可在小鼠受精卵中直接进行基因组编辑，因而快速、高效、低成本、无物种限制地一步生成基因工程动物。复旦大学生命科学学院遗传工程国家重点实验室的研究人员通过CRISPR/Cas9技术进行凝血因子Ⅸ（Factor Ⅸ，FⅨ）基因敲除，快速、高效地构建血友病乙模型小鼠，以期为血友病乙的研究提供更加便捷的途径[24]。Park 等[25]使用TALEN 技术将诱导的多能干细胞中含有F8 基因的140 kb染色体片段倒置，建立了小鼠血友病A模型，并且再次通过TALEN基因编辑工具将其之前倒置的染色体片段再重新恢复到正常。实验结果表明TALEN基因编辑工具既可以建立疾病模型，又可以介导疾病的再次纠正。军事医学科学院的研究人员利用CRISPR/Cas9介导的同源重组，将有丝分裂降解结构域MD（Mitosisspecial degradation domain，MD）插入到进基因组表达框上游，以期周期性持续降解细胞内CTCF（CCCTC binding factor，CTCF）蛋白，从而获得CTCF蛋白特异性降解细胞系，为后续研究CTCF功能奠定基础[26]。
此外，随着现代生物技术的不断发展和完善，基因编辑技术已经变为科研人员的新宠，越来越多的科学家运用其与其他技术相结合进行各种学术研究。第三军医大学西南医院和重庆大学的研究人员通过CRISPR/Cas9介导的同源重组修复方法，用GFP标记HCC细胞中的内源多功能性因子Nanog，证明雄激素/雄激素受体轴可以通过直接结合其启动子，增加Nanog的表达，并促进HCC细胞的干性和肿瘤发生[27]，从而初步阐明了肝癌发生的性别差异的机制。CRISPR/Cas9技术的成熟使得利用多重sgRNA载体高效、高通量编辑细胞内基因成为可能，为新型功能遗传筛选创造了条件。IAA2（indole acetic acid 2）是拟南芥Aux/IAA生长素响应基因大家族中的一员。由于没有该基因的失去功能型突变体，其功能和作用机制的研究受到了阻碍。研究人员在GoldenGate克隆技术的基础上，将每3个sgRNA串联到同一个入门载体中，再将入门载体与含Cas9表达框的目标载体LR反应，获得最终的表达载体。结果表明，设计的6个sgRNA有4个发挥了作用，产生了碱基插入突变和大片段缺失突变等多种可遗传的突变，所得到的突变体为后续的IAA2功能研究提供了良好的材料[28]。
23其他应用前景目前，世界各地的实验室已将基因编辑技术应用于生物学研究的各个领域。
预防疟疾：利用CRISPR/Cas9对蚊子的基因进行改造，使其携带一种抗疟疾的基因，从而对疟原虫产生抑制，进而遏制疟疾的传播[29]。另一种改造为导入不孕基因，使疟蚊灭绝[30]。
器官移植：利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，对猪胰岛素基因进行了无痕定点修饰，使猪胰岛素基因编码生产人胰岛素，成功建立了完全分泌人胰岛素的基因编辑猪。这为糖尿病人提供更为理想的临床异种胰岛移植供体。另外，有研究改造了猪肺基因以利于用于人体肺移植，以及去除了猪器官上的内源性逆转录病毒（PERV）以防止移植器官带来的病毒感染[31]。
生物制药：北京蛋白质组研究中心张普民教授及其研究团队利用CRISPR/Cas9技术对猪受精卵的基因组进行了基因编辑，在猪白蛋白的基因区域插入了人白蛋白的编码DNA，使猪只产生人白蛋白而不产生猪白蛋白[32]。
农业育种改良：利用CRISPR/Cas9技术几年内可实现至少50～100年才能完成的育种改良工作。圣保罗Recombinetics公司利用该技术培育出不会长角的牛，从而使牛无须经历被切去牛角的痛苦过程。目前该公司正致力于培育永远不需要被的猪。
灭绝物种复活：加州大学圣克鲁斯分校Ben Novak将灭绝的候鸽的博物馆标本DNA与现存鸽子进行序列比对，并尝试对现存鸽子进行基因改造，使这些鸽子变得更接近灭绝的候鸽。
3基因编码技术的争议与思考
基因编辑技术可谓当今生命科学界炙手可热的前沿科技。顾名思义，该技术能够对最基本的遗传单位――基因直接进行设计和修改，其意义和价值可想而知。这使得各大公司迅速加入到基因编辑的产业之中。2015年8月，比尔及梅林达・盖茨基金会和谷歌风投基金投资Editas医药公司1.2亿美元；2015年10月杜邦与Caribou生物科学公司达成了合作协议，使用CrisprCas9技术来改进农作物（http：//wwwnaturecom/news/genomeediting7factsaboutarevolutionarytechnology118869）。中国基因编辑技术产业已走在世界的前列：在CRISPR技术数上中国仅次于美国，位居世界第2；目前50多家中国研究机构已提交了基因编辑专利；劲嘉股份与黄军就团队合作开展CRISPR技术治疗地中海贫血在临床应用方面的研究。中泰证券的分析师认为未来5年仅地中海贫血基因治疗的国内潜在市场空间超过500亿元。与此同时，随着基因编码技术的不断发展，CRISPR/Cas9系统相对前两代技术效率提升了10倍以上，操作容易程度提升了100～1 000倍，构建周期缩短至原来的1/12，成本由5 000美元降低至30美元，脱靶率依据最新技术已降低至目前检测技术检测不到的水平。脱靶率、效率、便携性及成本的极大改善，使得该技术更平民化，技术门槛越来越低。它已成为许多车库生物学家/草根生物学家以及生物黑客的新宠。都柏林生物黑客和企业家Andreas Stürmer说，CRISPR是有史以来最了不起的工具，可以在自己的家里玩（http：//wwwnaturecom/news/biohackersgearupforgenomeediting118236）。
但任何事物都有其双面性，基因编辑技术产业虽然能够造福于人类，然而上面所述的巨大的经济利益驱动以及越来越低的技术门槛，再加上人类对自身健康改良的迫切心态极可能导致对该技术的滥用，进而对人类和地球环境形成威胁，甚至造成意想不到的生态灾难。在美国国家情报总监詹姆斯・克拉珀的威胁评估报告中，“基因编辑”已经被列入“大规模毁灭性武器和武器的扩散”威胁名单，与核武器并列（https：//wwwtechnologyreviewcom/s/600774/topusintelligenceofficialcallsgeneeditingawmdthreat/）。因此，关于该技术运用的争议从其诞生之日就已出现，并呈愈演愈烈之势。现有争议最集中之处为关于人类胚胎改造的伦理学争议。史上第一、二例基因编辑技术改造人类胚胎细胞的研究皆出现在中国。2015年4月，中山大学黄军就和他的团队利用CRISPRCas9基因编辑技术，为治疗地中海贫血症修改了人类胚胎基因组[33]。2016年4月29日广州医科大学范勇团队，宣布他们用基因编辑技术制造出一个能对艾滋病毒免疫的人类胚胎[34]。尽管这2例基因编辑研究都使用的是人类三核受精卵（不能正常发育的受精卵），但在国际上仍引起了广泛的关注和全球科学家激烈的讨论。讨论的焦点不在于文章的学术价值，而在于改造人类胚胎细胞的伦理问题。由于基因编译技术引发的伦理问题迫在眉睫，2015年12月1日，由美国国家科学院、美国国家医学院、中国科W院和英国皇家学会联合组织召集的人类基因组编辑国际峰会在华盛顿召开。会议重点了解各方对基因编辑技术的伦理问题的态度和想法。美国再生医学联盟主席兰菲尔（Edward Lanphier）等在《Nature》杂志上发表评论文章称，希望研究人员暂时不要对人类生殖细胞进行基因编辑，否则可能对后代产生无法预测的后果[35]。然而，人类胚胎改造的研究终究为大势所趋。2016年2月1日，英国政府批准了伦敦弗朗西斯・克里克研究所 Kathy Niakan研究员对人类胚胎进行编辑的请求。这项研究成为世界首例获国家监管机构批准的人类胚胎编辑研究。
综上所述，日渐成熟的基因编辑技术已经成为了强力的生物、医学工具，在癌症、遗传性疾病和逆转录病毒相关的传染病等疾病的治疗方面带了巨大的突破，可以快速构建实验新方法和动物模型，推动科研的发展，并在器官移植、生物制药、农业育种改良、灭绝物种复活和中药现代化等方面具有广阔的应用前景。其价值甚至引起了普通民众的广泛关注。人类畅想将来它不仅可去除遗传缺陷、治疗疾病，还可导入长寿、健康、强力的基因，甚至制造完美人类。当然，任何事物都是一把双刃剑，在乐观畅想基因编辑技术可使人类变得更加完美的同时，也不要忘记滥用技术可能带来的潜在风险和生态灾难。建立针对基因编辑技术安全有效的检测手段，制定合理健全的法律道德制度，才能使这项技术更好地应用和造福人类。
4基因编辑在中药发展中的潜在前景
如何让传统中药跟上生命科学现代化的步伐，使传统中医药走出国门，让世界接受中草药，是当今中医药工作者面临的难题。长期以来，由于中医药与现代医学、生命科学之间缺乏有效沟通的桥梁，有逐渐被边缘化的趋势。中药基因组计划将现代生命科学的最新技术和研究成果应用于中药研究，有望彻底改变中药研究手段和方法的落后局面，架起传统中医药学与现代生命科学之间沟通的桥梁。中国中医科学院中药研究所陈士林团队在著名植物学杂志《Molecular Plant》发表丹参全基因组[36]，标志着作为常用中药丹参的遗传密码被破译，为揭示丹参主要药理活性成分丹参酮和丹参酚酸生物合成及其调控的分子机制，促进丹参优良品种选育提供了重要的遗传背景基础。该工作构建了世界上首个药用植物基因组框架图，标志着我国中药研究进入了基因组学时代。目前已有多个中草药如印度大麻、赤灵芝、牛耳草、铁皮石斛等完成了基因组测序。中草药基因组研究的飞速发展为基因编辑技术在中草药研究中的应用带来了极佳的时机和广阔的前景。今后研究者们可以以丹参研究为模板，借鉴国外的植物基因组研究计划的经验，对中草药在结构基因组学、功能基因组学和生物信息学等方向展开研究。在此基础上，利用基因编辑技术开展中药药效成分、药材的生长及抗性相关基因的研究和改造工作，结合先进的育种方法，筛选出既保持“道地血统”，又优质、高产、抗病的中药材优良品种。该工作既有利于实现中药标准化生产，使中药质量可控，又有利于解决当前中药材资源面临的“断粮”困境。
中药药材是现代药物研发最大的遗传信息资源之一。我国在该方面具有得天独厚的优势。《本草纲目》中记载了1 892种药用植物，1995年出版的《中华本草》收集了8 000多种药用植物，而且其中不乏很多名贵，稀缺的药材如人参，虫草等。另有统计表明，我国中草药已有12 000多种。基因编辑技术的成熟也为开发这个药物基因资源带来了良机。基因编辑技术在中药资源的引入和应用，将会为解决这一问题带来新的前景。通过基因编辑技术可以快速获得药材靶基因的突变或是导入异源基因，从而快速鉴定出该基因产物与药理活性成分的相关性和重要性，发掘出新的或更高效的药物相关基因，并可更清晰地阐明药理活性成分生物合成及其调控的分子机制。
尽管将基因编码技术引入中药研究能为传统中草药带来新发展和突破，但与当今各个领域广泛应用基因编码技术相比，其在中药研究中的应用还处于起步阶段，还有许多基础工作有待完善。比如这一技术的应用必须以完善的中药基因资源为基础，如果没有对中药特别是具有丰富药理药效学和临床应用价值的名贵中药的基因资源的研究与开发，基因技术体系的应用必然大打折扣。此外，也不能盲目的为了中药的基因而基因，浪费大量的人力物力资源，应有的放矢的将目标集中在既具有重要临床应用价值的名贵或濒临灭绝的中药基因资源的研究与应用上，为中药现代化搭建良好的基础技术平台，让现代基因技术更好的为传统中药的发展服务。
[致x]李连达院士对本文的选题、框架设计等给予了诸多宝贵意见。
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基因编辑技术范文2
关键词：转基因；伦理；辩护；限度
转基因技术及其应用，是现代科技发展的前沿领域，其在种植业、养殖业、食品加工和医药制造等领域的广泛应用前景和巨大的商业利润，已经引起了各国政府和众多企业的高度重视。转基因技术的应用已经或正在给人类带来福祉，但与此同时，由于转基因技术自身的特点及其难以准确预测的后果，人们对转基因技术的伦理争论一直就没有停止过——伦理上的否定和伦理上的肯定两种针锋相对的立场同时存在。这说明，如果不能从伦理道德上为转基因技术及其应用寻求恰当的理由，那么，这一新科技将不能获得健康的发展。基于上述考虑，笔者力图在本文中为转基因技术及其应用寻求伦理上的支持，同时也力图探讨这种支持的限度。
一、福音与忧虑：转基因技术及其特点
基因一词是英语“gene”的音译，它源于印欧语系，是“开始”、“生育”的意思。很久以来，人们并不明白遗传的奥秘。19世纪的细胞学说、达尔文的进化论与孟德尔的遗传定律，为近代生物学的发展奠定了基础。孟德尔从豌豆实验中推导出存在着专门承担遗传作用“种质”的遗传因子，从而演绎出孟德尔遗传规律。1909年，丹麦学者约翰逊提出用基因来指称任何一种生物中控制任何遗传性状而其遗传规律又符合孟德尔定律的遗传因子。1910年，摩尔根通过果蝇白眼突变研究，确证基因位于染色体上，随后创立了基因论。1953年Waston和Crick创立了DNA双螺旋结构，首次揭示了DNA分子的结构、组成及功能，开创了从分子水平揭示生命现象本质的新纪元，揭开了现代生物技术发展的序幕。1972年，美国斯坦福大学的生物化学教授PaulBerg和Jackson利用限制性内切酶和连接酶，得到了第一个体外重组的DNA分子，开启了重组DNA技术的先河，这是人类历史上第一次有目的的基因重组的成功尝试。运用重组DNA技术将外源的优良目的基因导入受体细胞或组织，改变其遗传组成后产生物质及其后代，这就是转基因技术。这项技术可以把任何外源的基因包括人、植物、动物、微生物甚至人工合成的基因，整合到植物、动物、微生物细胞中，使其具有人们所需要的各种性状。可见，转基因技术使人获得一种改变生物遗传性状、创造新物种的能力。
随着转基因技术的出现，人类跨入了基因工程时代：人们可以按照自己的意愿从生物体最基础的遗传物质——DNA水平上来改造生物体，进而改造整个自然界。正因为如此，转基因技术在农业、工业、医疗方面都有广泛的应用。转基因技术的应用包括：(1)种植业。转基因技术应用于植物育种，产生转基因作物，改变植物的遗传特性，不仅可获得抵御各种害虫和病毒、以及除草能力的作物，而且可以大大提高作物的产量和质量；培育各种奇花异草等园艺品种。(2)养殖业。转基因技术应用于动物育种，产生转基因动物，即人工改变基因，使之具有优质、速生、高抗性等人类需要的优良特性的家畜家禽新品种。(3)医药业。利用转基因细胞进行细胞培养，利用转基因微生物发酵培养或利用转基因动植物作为生物反应器来生产胰岛素、干扰素等珍稀药物，利用动植物生产疫苗等。(4)食品加工业。利用转基因技术改良曲霉、酵母等微生物品种，发酵生产食品添加剂和加工助剂、酱油、奶制品等，达到提高产量或改善风味等目的。此外，转基因技术作为生物学领域的成果，正通过大量边缘学科和相关行业的转化、吸收，迅速渗透到电子、信息、乃至机电、环保等其他行业，极大地改变了这些领域里的生产、管理、组织模式。成为推动生产力进步的强大内动力。总之，以转基因技术为基础的生物技术“代表着最有前途的技术方向，是本世纪最具有影响的高新技术新兴产业带，是最有生命力的经济增长链，是未来前景最有竞争力的产业群”。
当然，转基因技术是一种完全不同于传统生物育种技术的新技术，它有自身的特点，这些特点主要有如下几个方面：首先，转基因技术打破了物种之间的界限，例如，在自然进化中似乎不可能突破的动物和植物之间的界限因为转基因技术的出现而变成了现实；其次，也因为转基因技术突破了物种之间的界限，从而也使人类可以人为地改变自然物种的进化方向与进化速度，它可能导致这样一种结果，在自然进化状态下也许要经历漫长的时间才可能出现的新物种，在转基因技术条件下短时间就可以出现；由此，它引发出转基因技术的第三个特点，即它所可能导致的后果更加难以预测。转基因技术和其他技术不同，它是一种生物技术即它是按照人的目的对生命存在的一种改造，创造出的是一些具有特殊性状的生物新品种，它不像无机物的合成那样，如果说无机物的合成品仍然是无机物，那么转基因技术的“作品”却是有生命的，它能够再生，而且其性状可以遗传给下一代。这些也许是“提前”到来的新物种会给整个生物界(包括人类)带来什么样的影响，实在难以预测，这也就更加加深了人们的忧虑。例如，人们已经忧虑转基因技术的应用可能导致减少生物的多样性，破坏生态平衡，增加某些疾病的人畜共患几率，等等。
正因为转基因技术的上述特点，使得人们围绕它所进行的伦理争论一直就没有停止过，可以说，所有围绕转基因技术进行的伦理论争，都是基于转基因技术的上述特点而展开的。
二、道德还是不道德：围绕转基因技术的伦理论争及评析
围绕转基因技术的伦理论争，表现在不同的学术流派中，这里限于篇幅，主要分析两种针锋相对的观点，即伦理上的反对与伦理上的支持。
先来看看对转基因技术在伦理上持反对立场的观点。从转基因技术诞生的那天起，认为转基因技术违反伦理的观点就一直没有停止过，有相当多的学者甚至普通民众都持这一立场。大致说来，这种反对立场又可以相对区分为两个不同的层次：一是从根本上否定转基因技术本身，有人把这一立场概括为“本质方面”反对；另一种是从转基因技术的后果即其安全性和风险方面反对转基因技术，这一立场则通常被概括为“非本质方面”反对。实质上，“非本质方面”的反对严格说来并不是一种伦理上的判断，它潜藏的结论是：假如人类有足够能力来规避转基因技术应用中所导致的不安全性后果，那么，是可以进行转基因技术的研究和应用的，因此，对于非本质方面的反对立场，我们在这里不打算作分析。
从本质上反对转基因技术的最激烈的观点，来自于自然中心主义的伦理观。自然中心主义的伦理观有如下几个基本论点：首先，它把对生命的尊重作为伦理学的理论基石，认为无论是人、动物还是植物，凡是有生命的存在都应当得到道德上的同等尊重。泰勒指出：“采取尊重自然的态度，就是把地球自然生态系统中的野生动植物看作是具有固有价值的东西。”其次，尊重自然也就是尊重作为整体的生物共同体，承认构成共同体的每种动植物都具有内在价值。生命的、固有的、内在的价值就是因为生命本身自成目的。对于人和其他动植物生命个体来说，由于各自都具有一种内在目的性，并且其他生命的内在目的性勿需人的内在目的性来确证，所以人不具有高于其他生命的特质。因此，第三，应把保持自然的“完整、稳定和美丽”作为人类行为的终极目的和对人对自然的行为进行道德判断的终极尺度。在人的伦理责任中应包含不干涉其他生命体的存在、不作恶、保持对其他生命的尊重，并为自己的错误行为作出补偿等内容。
基于以上理由，自然主义的伦理观认为跨越杂交屏障的基因转移是非自然的，是对自然不合理的干涉，因而是不道德的。他们认为，改造自然有两种方式：一种是贴近自然或模仿自然的方式，另一种则是远离自然或非自然的方式。虽然不能说转基因是反自然的方式，但与传统的更符合自然的方式相比，当然是更为远离自然，是非自然的。第一，它是快速的，只用短短几年甚至几个月或几天时间就可以把一个外来物种的基因片断(遗传物质)转移到另一个物种中，并表达这个外来基因的产物——蛋白质。第二，转基因技术是激进的和大跨度的，可以把两个风马牛不相及的物种的基因结合在一起。比如，将土壤微生物毒蛋白基因转移到水稻身上，使后者抗虫；把北极鱼的基因转移到西红柿身上，使其抗寒。而在自然的进化方式中，当然也存在基因交流和融合，但一是不会产生这种狂飙突进式的基因转移，二是不会产生这种大跨越式的遗传物质融合。一种物质的某一性状和特征需要适应环境若干年才会形成和巩固，它在进化上是缓慢的，也是非常安全的。迅速的基因转移既可能让一个物种内部难以适应外来基因全面而有机的融入，也会使得这一物种由于特殊外来基因表达后产生新的特性(如抗虫)而与环境和其他物种的关系难以迅速磨合，造成一系列问题。因此，转基因的方式违背了自然的内在规律，是非自然、反进化的。
与自然中心主义立场相接近的是宗教神学的立场，它认为自然界是上帝按照最完美的方式创造出来的，因此，自然的存在本身就是最完美最和谐的存在，转基因技术以人为的方式打破了自然完美与和谐，是对上帝的蔑视和玩弄，因而是不道德的。
以上是从伦理道德上反对转基因技术的立场。另一方面，也有从伦理道德上支持转基因技术的，这种立场主要来自于人类中心主义者。
人类中心主义也有几个基本观点：首先，它认为，人道原则应该成为伦理学深层的价值论基础，人类整体的长远生存利益应该成为人们行为的终极目的，以及人类对待自然的行为进行道德判断的终极尺度，在人类与自然的相互作用中应将人类的利益置于首要地位。其次，人类实践行为的目的不是为了实现自然规律，合乎自然的结果只是为了人类更好的生存。抛开人类利益，人类就没有实现外部自然规律的义务和责任。再次，在自然界，基因的突变和交流是广泛存在的，这是进化的动因，也是进化最主要的来源之一。很多的野生物种之间基因的交流就导致我们这样一个多种多样的世界。转基因技术与传统的以及新近发展的亚种间杂交技术相比，在基本原则上并无实质差别。它只不过是传统的生物技术的延伸而已，是自然的。最后，为了满足人类的各种需要，我们应该发展转基因技术。
应该说，上述两种相互对立的伦理立场都有一定的道理。自然中心主义者看到了自然界非人类生命存在具有自己的内在价值，这种内在价值并不需要人类来加以确证，因此，人类应对自然界中的生命存在保持应有的尊重，这一点，无论是从理论上还是从实践上看都具有一定的合理性。事实上，如果我们不是狭义地理解价值这个范畴，即不再把价值仅仅理解为物对人的关系，而是把价值理解为相互作用与影响的存在之间的意义关系，那么，在自然的演化系统中，任何一种存在都是有确定的价值与意义的，非人类生命存在的价值的确不需要人类来确证。因此，人类并没有比其他生命存在更为优越的地位。在这个意义上，提出人类应尊重自然界中非人类生命存在的权利是有道理的。从实践上看，在人类历史的发展过程中，正是由于我们过分强调了人类对于非人类生命存在的优越地位，把自然中的非人类存在仅仅当作对于人类而言的工具性价值，才导致了人类对自然的疯狂掠夺，导致了生态危机，也使人类的生存环境恶化。改变这种状况的一个重要途径，就是转化人类在处理自身与自然关系时的价值思维模式。否则，人类将永远不可能实现与自然界中非人类的生命存在和谐相处，共生共荣。
但是，自然中心主义的伦理观根本不考虑人类在自然中是一种特殊存在，即人类是迄今为止在自然界中惟一可以认识自然必然性、利用自然必然性从而在一定程度上超越自然必然性的存在这一客观的、科学的事实，力图把人的活动降低为动物活动的水平，则是错误的。在漫长的自然演化过程中，人类从生物世界中脱颖而出，获得了超出其他生命存在的智慧，使人类获得了一定程度的自由：人可以以自己的需要、目的与愿望为尺度，对自己置身其中的自然进行否定性的实践活动，使之符合自己的需要。这种对自然的否定性的实践活动正是人类文化发生的最深刻的根源。可以说，人类在自然中的大多数活动都带有否定性的特点，在某种意义上，即是对自然的“不尊重”。自然中心主义者无视这一点，并不是实事求是的态度。如果说自然中心主义者无视人类活动的特殊性，而力图把人类活动降低为动物的水平的话，那么人类中心主义者则恰好相反，他们看到了人类和人类活动的特殊性，肯定人类的活动不可能是一种简单地重复自然必然性的活动，而是从自己的需要、愿望和目的出发，力图把自己从自然必然性中提升出来的活动，因此，人类不可能不干预自然。要求人类的活动还原为其他生命存在的本能地适应自然的活动，是没有道理的。应该说，人类中心主义的这一立场也具有一定的合理性。但是，人类中心主义者把人类的特殊性无限放大了，把人类的需要、目的与愿望当作衡量其他生命存在的惟一尺度，非人类的生命存在只有在人类的需要、目的与愿望面前去寻找自己存在的理由。因此，只要有需要，人类就可以利用自己的智慧任意去操纵自然。从理论上说，人类中心主义者的上述立场，是对“价值”这一范畴作了非常狭义的理解，即只把价值看作是物对人的需要满足的关系，而不是把价值理解为相互作用的对象之间的意义关系，这是典型的人类的“狂妄”。从实践上看，上述思维方式导致了人与自然之间的紧张，现代社会中人类生存环境的恶化与其有着密切的联系。
最后，还应该指出，尽管自然中心主义和人类中心主义存在着冲突与对立的一面，但是两者又有共同的局限，即它们都坚持一种自然与人类两分的立场，把自然的演化过程和人类的活动对立起来，从而使得他们无论是对转基因技术的伦理支持还是对转基因技术的伦理否定，都没有足够的理由。摆脱这一困境的思路，就是要超越自然中心主义和人类中心主义，在一个更高的基础上去考察转基因技术存在的伦理理由及其限度。
三、支持与限度：新自然观视野中转基因技术的伦理维度
如在对转基因技术进行伦理判断时，既不能坚持自然中心主义的立场，也不能坚持人类中心主义的立场，那么，转基因技术还能获得伦理上的支持吗?我们的回答是肯定的，即它是可以获得伦理上的支持的。但是，我们同时又认为，这种伦理上的支持并不是至上的，而是相对的、有限度的。我们的观点是，在对待转基因技术的伦理立场上，必须要考虑两个伦理维度：一方面，我们要考虑自然的权利，尊重自然；另一方面，我们也要考虑人类的利益，尊重人类活动的目的。一句话，要把自然的权利和人类的权利结合起来，在两者之间保持必要的张力，从而使自然和人类实现和谐共生。
之所以做出这样的判断，是基于对人类中心主义对自然权利和价值的漠视所带来的生态环境恶化以及自然中心主义对人类权利和价值的漠视所导致人类无所作为的后果的判断。我们认为，要给转基因技术一种恰当的伦理理由，有必要突破传统自然中心主义和人类中心主义的思维模式，在一个新的更高的基础上来重新思考自然与人类的关系。在这里，我们提出一种新的自然观，以作为我们这一立场的理论基础。这种新自然观的主要内容可以概括为：从人的现实存在的特点出发，把人的活动纳入自然演化的总体进程来加以考察，以此来进一步思考人类在自然演化进程中的权利、义务与责任，并以此来透视转基因技术的伦理合理性及其限度。
把人类的活动纳入自然演化的进程来思考，无论是从客观事实存在上看还是从思想史上看，都是有依据的。从客观事实存在上看，人类本身是自然界长期演化的结果，这意味着人类的出现既是自然界中增添了一个新的成员，同时，人类也就成为自然生态系统中的一个环节而参与自然的总体的演化过程。
从思想史的角度看，尽管有不少的思想家把人类的活动和自然的演化对立起来，或者强调人类活动对于自然演化的优先地位(如人类中心主义者)，或者把自然的演化看作是既定完美与和谐的，人类的活动只会对这种完美与和谐的破坏(如自然中心主义者)，但是把人类的活动纳入自然演化过程进行思考的思想学说却仍然是存在的，最典型的就是中国智慧中的儒家学说。儒家的主流思想是认为天人合一，人性与天地万物之性相通，因此，人只要能尽自己的本性，就能尽天地万物之本性，因而能够参与天地万物的演化过程。“唯天下至诚，为能尽其性；能尽其性则能尽人之性；能尽人之性，则能尽物之性；能尽物之性，则可以赞天地之化育；可以赞天地之化育，则可以与天地参矣。”(《中庸》)虽然，这里强调“能尽人之性”是“能尽物之性”的前提，但是，这决不是以人为尺度来辅量裁成万物。因为，依儒家的立场，天地之性恰恰在于它能促成万物自由地生长发育，即所谓“生生之德”，也就是真正意义上的仁德。所以，尽人之性以参与天地万物的演化过程，不是以牺牲非人类的生物存在的利益为前提的，从而它不表现为人类中心主义。但既然是人参与其中的演化过程，它也就必然地带上人类的价值目的与追求，因此，它又不可能表现为对自然地消极服从，因而，它和自然中心主义也有着本质的区别。这一点，从儒家的仁者情怀中可以看得非常清楚。儒家认为，天地有自己演化的规律，但必然之中有偶然，在自然界中，经常会产生“离经叛道”的情形，使生命存在并不能按照自己的本性来伸张、发育自己，改变这种现状的责任就落到了通天地之道的人的身上，所谓“儒者与天地万物为一体。假使一物不得其所，便是吾仁未有尽处”。另外，儒家还认为，自然只是提供了万物演化的可能性，这种可能性向现实性的转化，也需要通过人的活动，即所谓“天地设位，圣人成能；人谋鬼谋，百姓与能”(《易传·系辞上》)。当然，“天地设位，圣人成能”的过程，同样不是人的主观随意的过程，相反，它是一个充分考虑了人的生命理想和非人类存在的本性的过程，是“近取诸身，远取诸物”的过程，因而，也就是一个充分考虑了人的活动目的和自然界中其他生命存在的价值与意义的过程。总之，中国传统的儒家思想，确乎在一定程度上体现了这样一种思维方式：即既把人的活动纳入自然的演化过程，同时又充分注意到了人作为一种特殊的存在而在自然演化中所起的特殊作用的思维方式。这种思维方式，正是我们今天超越自然中心主义和人类中心主义的重要思想资源。
即使从宗教神学的立场上看，我们也同样可以把作为人的活动的具体形式的转基因技术的应用看作是自然演化的重要环节。因为，作为造物主，上帝既然赋予了人类以智慧，那就意味着人类必然要运用自己的智慧来从事自己的活动，这正是顺从了造物主的意愿。相反，如果人类不运用自己的智慧，反倒是对上帝的不尊重，是违反了上帝的旨意!
以上述立场来看待转基因技术及其应用，我们就不会简单地认为转基因技术是反自然的，是对自然界中非人类存在的生命的不尊重。
更进一步，当我们考虑自然存在及其演化方式时，我们将更加清楚地看到转基因技术及其应用的自然本性。我们知道，在自然界中，生物之间、生物和无机物之间，都在以不同的方式进行物质、信息和能量的转化，人类和自然的其他存在之间同样存在着以自己的方式进行的物质、能量、信息的转化。这种转化是自然存在和演化的方式，没有它，就无所谓自然，因此，这里并不存在从人类的视角来看的道德与不道德的问题。老虎吃羊或其他比自己弱小的动物，我们并不会对之进行道德评价，因为这是自然的演化方式。转基因技术的应用同样可以看作是人类与非人类之间进行的物质、信息和能量的转化方式。既如此，我们又怎能简单地对其进行伦理上的“是”或“否”的判断呢?
上面的分析是不是意味着人类所有的针对自然的活动，都不需要进行伦理道德上的考虑?是不是都不需要受伦理道德的制约呢?答案当然是否定的。我们在上面反复提到，不能对转基因技术进行“简单的”伦理上的“是”或“否”的判断，恰好意味着对转基因技术进行伦理判断的复杂性，这种复杂性来源于人类存在的特殊性：人类虽然是自然大家庭中的一员，但他却是自然中最为特殊的成员——人是一种有智慧的、自由的存在。正是这样一种特殊性，使人类的活动不同于非人类的其他生命存在的活动。如果说，非人类的生命存在的活动完全受着自然这个整体的必然性的制约，只能是一种被动地适应自然的活动，那么，人类则完全有可能凭借自己的智慧认识、利用并在一定程度上超越这种必然性。人类对自然必然性的超越，意味着自然的演化过程带有了更多的“人类性”因素——人类总是力图以自己的需要、愿望和目的为尺度，使自然的演化朝着自己所欲求的方向发展。这就导致了在自然这个大家庭中，人类活动的自主自为性与非人类生命存在活动的被动适应性之间的冲突。这种冲突提供了我们对人类活动进行伦理考量的可能性和必要性。
基因编辑技术范文3
1引种试验地自然生态概况
试验地为背风向阳、土层较为深厚的坡地，海拔为1 500m，年均温7.8 ℃，极端最低温为-25 ℃，无霜期为145 d(天)，平均昼夜温差为15.7 ℃，年降雨量为400～500mm，土壤pH值7.1，无污染。
2引种表现
2.1植物学特征
该品种树姿较为开张，枝条柔软，表皮光滑。1年生枝红褐锈色，皮孔突起，分布不均匀；2年生枝灰褐色。叶芽三角盾形，灰褐色，饱满，鳞片松散，鳞片顶端为毛状；花芽卵圆形，褐红色，顶端露有绿白色，鳞片紧凑，有光泽。节间长1.48cm。叶长4.7cm、宽1.88cm，叶柄长1.37cm，叶缘锯齿状。花筒紫红色，花萼5枚，花瓣5枚粉白色，瓣长1.81cm、宽1.37cm，雄蕊28～37枚，平均高1.67cm，雌蕊1枚，高1.37cm。
2.2果实经济性状
果实成熟后外果皮呈灰色，干瘪、皱皮，自然裂开。坚果扁半圆形，大而均匀，先端渐尖，浅褐色，表面光滑，有较深点凹，平均坚果重3.7 g。壳厚0.23cm，出仁率37.6 %。果仁饱满，端正均匀、整齐、粒大，平均单仁重1.48 g，味香甜，脂肪含量高达58 %，品质佳。
2.3生长结果习性
幼树生长旺盛，萌芽率高，成枝力强。1年生枝生长量大，最长可达52.7cm，平均为28.3cm。定植第4年树高为1.83m、干径6.7cm、冠幅1.38m×2.16m。第3年可挂果，具有明显的早果性。以短果枝和花束状果枝结果为主，花粉量大，可自花结实。异花授粉可明显提高坐果率。
2.4物候期
在娄烦，4月5～10日花芽膨大，4月15～20日始花，4月20～25日为盛花期，4月25～30日为末花期。5月中旬新梢开始生长，旺盛生长期为7月上旬至8月上旬，约占全年总生长量的63 %左右。9月果实成熟，10月下旬开始落叶。
2.5适应性和抗逆性
在娄烦引种试栽生长发育良好，表现出明显的抗逆性。在娄烦，2年生树在不加保护条件下可安全越冬，表现抗寒能力较强；在年降雨量小，又无浇灌条件下，生长发育较好，表现明显的抗旱性。
3栽培关键技术
3.1提高栽植成活率
娄烦县主要依靠自然降雨，灌溉条件差，尤其春季干旱少雨。为了提高栽植成活率，根据当地秋雨较多、土壤湿度较好的实际情况，引种当年进行秋栽，在土壤封冻前压苗埋土越冬；第2年春温度回升到15 ℃以上时，注意观察顶芽，当大多出现萌动时放苗，并做“积水坑”，上覆杂草，成活率达到了95.7 %。
3.2促进早期花芽形成
幼树期对营养枝在6月中下旬实施撑、拉、坠等人工措施，以缓和生长势，促进成花。营养枝处理后，养分大多集中供应于枝芽部位，极有利于形成充实花芽，经观察，运用此手段处理的营养枝有许多的芽可形成花芽并易坐果，而未经处理的营养枝虽部分枝条也能形成腋花芽，出现零星开花现象，但大多由于花芽不充实坐不住果。
3.3配备授粉树
该品种虽可自花结实，但进行异花授粉后
可明显提高坐果率。据2006年和2007年连续的对比试验观察，异花授粉比自花授粉坐果率提高了18.6 %，所以生产栽培需配置授粉树，比例为3∶1或2∶1。
3.4充实枝干防抽条
针对该品种生长旺盛的特点，幼树期除对营养枝要在7月下旬前尽可能采取拉、坠等措施使其缓和生长外，对骨干枝延长头在8月上旬应实施摘心，同时遇秋雨涝时，要注意排水，以充实枝干，提高抗抽条能力，以免由于严冬、春旱、大风而引发枝干失水。
3.5越冬防护
基因编辑技术范文4
（邯郸市第四建筑安装有限公司河北邯郸056000）
【摘要】分析了锅炉引风机的工作状态，讨论了变频器用于引风机进行变频调速的工作原理，介绍了一个具体案例的改造效果及节能效益。
关键词 引风机；变频器；调速；节能
Boiler Fan Frequency Control Technique Application Analysis
Gao Bao-ping
(Handan City, the fourth Construction and Installation Co.HandanHebei056000)
【Abstract】Analysis of Boiler Fan working status, discusses the working principle of the drive for the drawing fan frequency control, and introduces the effect of reconstruction and energy-saving benefits of a particular case.
【Key words】Induced draft fan;Inverter;Speed;Energy
1. 概述
锅炉作为能源转换的重要设备，在电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等行业，以及民用采暖中都占据着重要的角色。根据生产负荷需求，锅炉要随时调整生产状态，改变供热量的多少。用户在选配风机时，都是根据工艺要求中出现的最大负荷来确定容量，所以存在着“大马拉小车”的现象。锅炉的引风机、鼓风机和二次风机的风量是通过调节风门大小来实现的，而用来带动风机的电动机的转速是不可调节的，因此造成大量的调节损失和电能的浪费。基于这种情况，本文提出采用变频调速技术控制锅炉引风机电机，极大地改善了工艺操作人员工作条件，改善了风机设备的起动性能，实现了无级调速，可以节约35%左右的电能，从而达到了节能降耗、减少设备噪声污染的目的。
2. 问题的提出
通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗，从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。风机类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，利用变频器易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点，因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。
3. 改造方案
（1）通常工业锅炉上的引风机都是电机以定速运转，再通过改变引风机入口的挡板开度来调节风量。而风机的最大特点是负载转矩与转速的平方成正比，而轴功率与转速的立方成正比，因此如将电机的定速运转改为根据需要的流量来调节电机的转速就可节约大量的电能。要提高引风机电动机的工作效率，节约电能，可以在引风机电动机上装上调速装置，根据工作的情况调节调速器装置的速度可以满足工作状况的要求。实现这一目标的最佳调速装置就是变频器。为此，我们在某厂2#锅炉引风机上进行了实践。不必对原系统进行大改动，仅增加一变频器柜，我们选用的变频器为富士FRN280P11-4CX，额定容量396 kVA，额定输出电流520 A，配用电抗器型号为CR4-280B。
（2）在2# 锅炉引风机原电气控制系统基础上进行电气改造，拆除原进线交流接触器，增加中间继电器，其它部分均不变。
（3）因为变频器在风机改造方面得到广泛的应用，改造后，可根据工艺状况需要而调节变频器的输出频率，以满足工艺要求。当工艺状况需要时，让电动机高速运行以达到工艺要求；当工艺状况允许时，使电动机低速运转节约电能。引风机变频器运行受锅炉燃烧控制系统DCS 的控制。调节DCS电流输入信号，控制变频器的输出频率，以达到稳定工况及提高锅炉热效率和节能之目的。2# 锅炉引风机改造电气原理图如图1 所示。
4. 变频调速的特点及节能分析
4.1锅炉引风机电机在没有实现变频调速控制之前，一般采用“降压起动”，并且正常运行后，电动机全压、全速运行，而引风机风量的大小则通过风门来调节。一般情况下，风门的开度为50%～80%，电机只能是满负荷运行，电动机的工作效率很低，造成很大浪费。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p 分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术、电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。利用变频调速技术，变频器很好地解决了引风机根据工况直接控制风量的大小而满足工况的要求, 变频器是无级调速的，用变频器改造风机，具有以下特点：（1）起动、停止平衡，无级调速，调速范围大；（2）工作可靠，能长期稳定运行；（3）操作简便，维护量小；（4）输出特性可满足风机性能要求；（5）节能效果显著。
4.2根据风机的流量变化与转速成正比，压力变化与转速成正比，而功率变化与转速变化立方成正比。因此，当风机转速降低时，风量减少，电机功率成立方比下降。
5. 风机类负荷变频调速节能原理
风机是将电动机的轴功率转变为流体压力与流量的设备。过去很少采用转速控制的方法，多是由鼠笼式异步电机拖动进行恒速运转，当需要改变流量时，调节节流阀和挡板，这种方法虽然控制简单，但不节能，不经济，动态跟踪性能也很差。变频调速节能是相对于阀门调节而言，采用变频调速器后，将阀门全开，通过改变电机电源频率的方法来改变电机转速。由流体力学可知，流量q 与转速n 的一次方成正比，风压h 与转速n的平方成正比，功率P与转速n 的立方成正比，即：q=qe伊（n/ne），h=he伊（n/ne）2，P=qe伊（n/ne）3，式中，qe为风机的额定流量，he为风机的额定压力，qe 为风机的额定功率，ne 为风机的额定转速。由上面的公式可知，调节风机流量时，可通过转速进行调节，此时风机轴输出功率与转速的立方成正比。风机流量、转速、轴功率及电源频率关系如表1 所列。
6. 改造效果
6.12# 锅炉引风机通过应用变频调速技术后，改变了原有的操作方式，实现了远程控制，能够有效地适应锅炉生产过程，使系统运行稳定，保持风机高效运转，电机实现了软启动，无冲击电流，设备故障率大大降低，维修费用大为减少。拖动系统应用变频调速技术，在大大节约电能的基础上，使长期轻载运行的引风机工作在低转速、低电压的状态下，这样就使电机发热少、温升低，延长了使用寿命。变频调速技术也提高了功率因数，使电网损耗减少，效率提高，同时降低了风机噪音，改善了生产环境。另外变频器自我检测、故障诊断、保护功能齐全，可有效地防止事故扩大化。
6.2通过对变频器在工业锅炉上的应用进行总结，具有以下优点。
（1）节电降耗效果显着，操作简便，调节平衡，尤其与微机控制相联更体现了优越性，深受司炉工的欢迎。（2）平滑启动及电机转速下降，机械磨损减小，故障率下降，减少了停机、停炉对生产的影响。（3）挡板和调节阀的机械磨损、卡死等故障不复存在了，大大减少了设备维护、维修费用。
7. 结语
锅炉引风机等风机类设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，受到国家政府的普遍重视，实践证明，变频器用于风机类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。
参考文献
［1］方大千主编. 节能计算手册［M］. 北京：电力工业出版社，2006.
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一、造成学生数学成绩两极分化的原因
（一）学生自身的原因
1.缺乏学习意志和学习自信心
和小学数学相比，初中数学无论是容量还是难度都有所加大加深，同时初中教师辅导也相对减少，这样更加需要学生具备较强的学习独立性了。有的学生升入初中后，不能很快地适应这种变化，从而出现了感情脆弱、意志薄弱的情绪，一旦遇到困难就会沮丧直至失去自信，从而导致数学成绩不理想。
2.在知识与技能学习中缺乏系统性，导致知识断层
初中数学的逻辑性、系统性相比小学要更强一些。第一，初中数学的教材编排特别注重衔接性，前后知识往往联系非常紧密；第二，数学技能、技巧也是逐步递升，基础不扎实就易于造成知识断层。若是这些问题不能及时解决，那么学生就很难形成系统的知识技能，从而导致学习成绩发生两极分化。
3.学习方法难以适应初中数学学习的要求
数学学习成绩发生分化最明显的一个阶段就是八年级，其主要原因就是这个阶段的学生正处于从形象思维向抽象思维、逻辑思维过渡的一个阶段。而初中数学要求学生有更强的抽象逻辑思维能力，所以那些抽象逻辑思维能力比较慢的学生就会跟不上教学进展，从而导致学习成绩下滑。
（二）教师的原因
人们常说“亲其师，信其道”。首先，教师的个人素养对学生的学习有着直接的影响。在教学中我们发现，很多学生都是喜欢哪一个老师，就会喜欢学那个老师教的学科，成绩也就相应地比较好；反之，若是学生不喜欢那个老师，也就不喜欢学习那门课程。在初中阶段，数学作为一门重要学科，课时比较多，数学教师的教学压力也比较大，这就对数学教师的素质提出了更高的要求。现在大多数初中生都缺乏抗打击能力，又有着很强的逆反心理，数学教师稍不留心，就可能对学生的身心造成伤害，而学生的直接反应就是放弃数学学习，从而导致数学成绩下滑。
另外，单一的教学方式也是造成两极分化的一个重要原因。在课堂教学中，我们往往忽略了学生之间的个体差异，用统一的教学方法来进行教学，无法照顾到不同学习层次的学生，这样会导致两极分化。而那种老师统治课堂的“满堂灌”的教学方式更是让学生疲于应付，很难激发学生的学习积极性，从而也导致了两极分化。
在教学中，教师不能根据实际情况调整自己的教学，不能采用恰当而有效的学习方法引导学生，不能引导学生积极思维等，都会导致学生学习被动，从而产生数学成绩两极分化的现象。
（三）家庭教育的原因
从家庭教育方面来看，许多家长总是按照成年人的标准来要求孩子，这样就会给孩子造成过大的心理压力，结果往往会导致学生无法承受重压而干脆放弃学习。还有的家长因为工作忙或者其他各种各样的原因，对孩子不闻不问，在这样的家庭中成长的孩子由于缺乏良好的家庭教育而不能形成一个好的学习习惯。从而导致学习成绩下降。所以说，家庭教育的缺失也是导致学生学习两极分化的一个重要的原因。
二、消除学生数学成绩两极分化的对策
（一）培养学生对数学学习的兴趣
兴趣是最好的老师，若是能够让学生对数学学习产生浓厚的兴趣，那么学生的求知欲就会被激发起来，从而能够主动地投入数学学习中。要提高学生对数学学习的兴趣有许多办法，其中一个最重要的方法就是让学生参与到教学中来，让学生由学习的接受者变为学习的真正的主人。我们还可以创造机会让每一个学生都能在数学学习中体验到成功的乐趣，这样也可以增强学生的学习兴趣。数学教师还可以深入地挖掘数学中的趣味性，用趣味数学来吸引学生。此外，数学教师还应该努力提高自己的教学艺术等。
（二）尊重学生个体差异，增强学生的自信心
1.尊重学生的个体差异
教师要做到因材施教，充分地照顾到每一个学生，特别是对学困生更要给予特别的照顾。而对那些优秀生则应该为其提供更多的学习资料，使其得到更大地进步。
2.作业设计要采取等级化
在作业设计时，教师要针对不同层次的学生进行设计，让每一个学生都能够有学习的自信心。
（三）进行学法指导，培养学生良好的学习习惯
要让学生养成良好的学习习惯，教师必须对学生的学习方法进行必要的指导，如学习计划、预习、听讲、复习等。
（四）多与家长进行沟通
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【关键词】金属热处理；形变；改善技术
前言
金属在加工制造的过程中由于自身物理因素的影响，难免会出现一些变形的现象，随着在工业领域人们对金属部件的使用质量要求的不断提高，在进行金属零件使用加工的过程中，相关的制造单位会通过金属热处理的方式改善金属的结构，使其在应用过程中达到新的刚度以及韧性，提高在使用过程中技术部件的质量。在进行金属热处理的过程中，由于金属部件长相各不相同的原因，在实际的进行热处理时，会出现金属受热不均、冷却不均致使受力不均发生变现的现象，这种问题的出现使得在金属热处理面技术临了前所未有的困难，为了强化金属部件制品的质量，提高其使用的性能，在进行技术热处理的过程中我们要合理的分析出问题出现的原因。通过科学有效的手段制定并改善技术措施的应用。
1、金属热处理变形的原因
在工业发展的过程中，金属原件的使用涉及的范围十分的广阔。在我国制造业不断兴起的今天，各种金属部件的加工使用已经成为了一种势不可挡的趋势。在我国汽车、轮船、飞机、建筑、五金水暖、等相关单位不断强化自身素质以及产品质量的今天，在进行金属部件的热处理过程中，都提高了相应的技术质量标准。对相应的金属部件提出了严格的管控要求。相关金属部件制造部门在进行技术热处理加工过程中，往往会出现金属在热处理过程中变形等现象。以下我就简析一下金属热处理变形的原因。
1.1内应力塑性变形
金属热处理过程中加热冷却的不均匀和相变的不等时性，都会产生内应力，在一定塑性条件的配合下，就会产生内应力塑性变形。在加热和冷却过程中，零件的内外层加热和冷却速度不同造成各处温度不一致，致使热胀冷缩的程度不同，这样产生的应力变形叫热应力塑性变形。在加热和冷却过程中，零件的内部组织转变而发生的时间不同，这样产生的应力变形叫组织应力变形塑性变形。
1.2比容变形
在金属热处理过程中，各种相结构的组织比容不同，在相变时发生的体积和尺寸变化为比容变形。比容变形一般只与奥氏体中碳和金元素的含量、游离相碳化物、铁素体的多少、淬火前后组织比容变化差和残余奥氏体的多少和钢的淬透性等因素有关。
2、金属热处理变形改善的技术措施
在进行金属加工热处理的过程中，我们需要知道在处理过程中金属出现变形的原因，之后才能够有效的将问题予以解决。在金属热处理施工的过程中，由于金属部件在进行加工时都具有自己的顶的形态，在进行热处理加工的过程中，难免会受到各种因素的影响，在实际的金属热处理变形问题出现的过程中，我们通过有效的分析得出了其变形的本质原因，所以在进行金属热处理的过程中，要想有效的对金属变形问题进行改善，就必须通过正确的技术措施，对问题进行处理，以下我就介绍金属在热处理过程中重要的技术改善措施。
2.1合理安排零件结构
金属热处理后在冷却过程中，总是薄的部分冷得快，厚的部分冷得慢。在满足实际生产需要的情况下，应尽量减少工件厚薄悬殊，零件截面力求均匀，以减少过渡区因应力集中产生畴变和开裂倾向；工件应尽量保持结构与材料成分和组织的对称性，以减少由于冷却不均引起的畸变：工件应尽量避免尖锐棱角、沟槽等，在工件的厚薄交界处、台阶处要有圆角过渡：尽量减少工件上的孔、槽筋结构不对称：厚度不均匀零件采用预留加工量的方法。
2.2金属热处理温度的控制
在进行金属热处理的过程中，我们需要对金属所受的温度进行有效的控制，在实际的操作过程中，由于金属受到温度的影响会发生形变，所以如果温度控制的方式存在误差就有可能造成处理温度不均匀，影响金属处理的效果。金属热处理与处理过程中的温度密切相关，金属部件在加工过程中会影响内部结构，致使其发生形变，所以通过在AC3线后的有效控制将减弱金属热处理变形效果的发生。
2.3运用合理的冷却方法
金属淬火后冷却过程对变形的影响也是很重要的一个变形原因。金属热处理冷却速度越快，冷却越不均匀，产生的应力越大，模具的变形也越大。可以在在保证模具硬度要求的前提下，尽量采用预冷；采用分级冷却淬火能显著减少金属淬火时产生的热应力和组织应力，是减少一些形状较复杂工件变形的有效方法；对一些特别复杂或精度要求较高的工件，利用等温淬火能显著减少变形。
2.4控制炉内温度的均匀性
在进行金属热处理加工的过程中，由于金属部件的锻造工艺各不相同，锻造所形成的结构也各不相同，所以在进行炉内加热的过程中由于金属部件本身的结构影响，在进行受热的过程中首先会出现受热不均匀的现象。并且在进行加工的过程中，炉内热量的爆发存在着不均匀的特性，在对金属锻造的过程中，由于炉内各部位温度发生了不同的变化，在部件加工时会在不同部位出现不同的受热温度，所以应该在加工过程中首先使用预处理加热技术，之后使用渗碳方式，提高炉内温度均匀性。
2.5进行必要的预先金属热处理
最终金属热处理前的金相组织对最终金属热处理变形关系甚大，因此对形状复杂、要求高、易产生变形的工件需要进行必要的预先金属热处理，以消除网状碳化物和粗大晶粒。正火硬度过高、混晶、大量索氏体或魏氏组织都会使内孔变形增大，所以要用控温正火或等温退火来处理锻件。金属的正火、退火以及在进行淬火之前的调质，都会对金属最终的变形量产生一定的影响，直接影响到的是金属组织结构上的变化。实践证明，在正火时采用等温淬火可有效地使金属组织结构趋于均匀，从而使其变形量减小。
结语
在金属进行热处理加工的过程中，虽然由于加热处理过程中会使金属出现变形，但是通过分析我们找到了原因；在进行金属加热处理的过程中，可以通过有效的技术措施解决金属热处理过程中出现的变形问题，提高金属部件的使用质量。
