基因调控工程的概念、原理、方法与应用

曾纪晴^*

（中国科学院华南植物园 华南农业植物生物分析与遗传改良重点实验室，广州 510650）

摘  要: 以基因重组、转基因和基因编辑技术为代表的基因工程迅猛发展，人类已经制造了大量的基因改造微生物和动植物。然而，由于人类认知的局限性，贸然对生物的基因进行改造有可能产生不可预知与不可掌控的风险。为了充分利用现在分子生物学研究的成果，同时避免基因工程的潜在风险，本文提出了基因调控工程的概念，介绍了其原理、研究方法与调控技术及其应用，分析了基因调控工程的优势，并展望其在医学和农业上应用前景。

  关键词：基因工程；基因调控；基因调控工程；农业；医学

The Concept, Principle, Method and Application of

Gene Regulation Engineering

Zeng Jiqing^*

（Key Laboratory of South China Agricultural Plant Molecular Analysis and Genetic Improvement, South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510650)

Abstract:With the rapid development of gene engineering represented by gene recombination, transgenic and gene editing technology, human beings have produced a large number of genetically modified microorganisms, animals and plants. However, due to the limitations of human cognition, it is possible to have unpredictable and uncontrollable risks in the transformation of biological genes. In order to make full use of the research achievements of molecular biology and avoid the potential risks of genetic engineering, the concept of Gene Regulation Engineering (GRE) was put forward in this paper. The principle, research methods, regulatory technology and its application were introduced. The advantages of GRE were analyzed, and its application prospect in medicine and agriculture was predicted.

Key words: Gene Engineering; Gene Regulation; Gene Regulation Engineering；Agriculture; Medicine

随着1972年第一个重组DNA分子的诞生^[1]，人类从此进入了基因工程时代，转基因微生物和动植物爆发式增长，并从实验室快速蔓延到了大自然。近年来，随着基因组测序技术的进步以及基因编辑技术的迅猛发展，人类甚至已经对自身的基因组进行编辑修改。生命是宇宙中最深刻的奥秘之一，人类对生命奥秘的了解总是存在着未知的领域。因此，基因工程贸然修改大自然的生命杰作，无疑存在着不可预料、不可掌控的风险，包括生态风险、食品安全风险以及人类自身生命遗传系统的安全风险。为此，世界各国均采取了谨慎的态度，立法对基因工程进行监管，国际社会共同努力确保基因工程的安全。

基因工程的风险来自于对生物的DNA序列进行人为更改而导致不可预见与不可掌控的不确定性。那么我们是否可以在不改变生物体基因组DNA的情况下，从分子生物学的发展中获得有益的技术为人类的生产与健康医疗服务呢？实际上，不改变生物体DNA序列，通过人工调控基因的表达，同样可以改变生物体的性状或表型。基于此，本文提出基因调控工程的概念，阐述了其基本原理、研究方法和技术手段，分析了它的优势并展望其在医学和农业上应用前景。

1 基因调控工程的基本概念、原理与研究方法

自从孟德尔从生物体的表型分析结果提出遗传因子概念以来，人们普遍认为生物体的表型是由基因型决定的。这种观念是如此之深刻，以至于尽管清楚地知道环境对生物体的表型同样具有重要的影响，人们仍然坚信基因型与表型之间存在着近乎线性的对应关系，表型始终忠实地受控于位于遗传信息源头的基因组DNA。

诚然，基因型是表型的遗传基础，但基因型到表型之间存在分子、细胞、组织、器官和个体等多个层次，涉及复杂而精细的多层调控机制。遗传信息从基因型到表型的传递，在分子层次上主要包括转录、转录后加工、翻译以及翻译后修饰等几个关键环节。分子生物学本质上就是在分子水平上研究基因的表达调控规律，其主要研究内容都是围绕着“中心法则”不断深入和扩展^[2]。研究某个特定基因的表达调控，通常都是在DNA水平、RNA水平以及蛋白质水平三个层次来进行研究，全面分析该基因的表达在各个层面所受到的调控因素的影响。真核生物的基因表达还与染色体、染色质水平的变化有关。近年来，随着表观遗传学的发展，人们发现DNA和RNA的甲基化^[3,4]、非编码RNA调控^[5]、RNA编辑^[6,7]、基因沉默机制^[8]以及蛋白质的组蛋白修饰等^[9]都能影响基因的表达。影响基因表达调控的作用水平大约有6个方面（图1）。基因的表达本质上是DNA、RNA和蛋白质分子在特定的物理条件（光照、温度、机械力、电磁场等）和化学条件（生物体内各种代谢产物、pH值、金属离子以及各种外源化学物质）的作用下进行的有序生化反应过程。单个基因的表达就受到多环节、多层次、多机制的调控，每一个环节稍微受到内外环境的变化和扰动，其表达的结果就会大相径庭。即便生物体具有完全相同的基因型，由于存在等位基因随机表达的机制^[10]其表型也会完全不同。不同细胞、组织和器官中的基因表达也存在特异性，在相同的环境下也会表现出不同的表型。即便是同一个细胞，在不同的生长时期及生长环境下，其基因表达情况也是不完全相同的。生物体的整体表型，并非是由某个特定的基因所决定的，往往是由多个基因共同决定的，多个基因的网络调控显然比单个基因的表达调控更加复杂。可见，从基因型到表型，显然不可能是一一对应的线性关系，基因的表达受到环境条件变化的极大影响，而生物体的表型是基因在分子、细胞等微观层次表达调控的总结果，因而表型实际上是在特定环境条件下的产物。

设生物体的基因型为G，某种环境条件为Ei，该生物体在该条件下生长时间t后所呈现的表型为Pi，则，对于基因型为G的某种生物体，其表型Pi是其在特定环境条件下Ei生长t时间后的总结果。用数学表达式可以写成：

也就是说，在给定基因型的条件下，生物体的表型是在特定环境条件下随时间变化的函数。显然，改变环境变量，即可改变生物体的表型。因此，在不改变生物体基因组DNA序列的情况下，通过人为改变生物体的生长环境条件，就可以人工调控生物体的表型，所有能够对基因表达产生影响的内外环境条件，如物理因子、化学因子或生物因子，都将成为人工调控基因表达的工具或手段。

图1. 影响基因表达调控的作用水平

①染色体、染色质水平（组蛋白修饰、转录因子结合等）、② DNA水平 （复制、甲基化修饰等）③转录水平（顺式作用元件、反式作用因子）④RNA

水平（mRNA的复制、稳定性、核开关、非编码RNA等）⑤翻译水平⑥翻译后水平(蛋白质修饰、剪接、降解等）

Fig.1Levels of gene expression regulation

①Chromosome, chromatin level (histone modification, transcription factor binding, etc.) ②DNA level (replication, methylation, etc.) ③Transcription level (cis acting element, trans acting factor) ④RNA level (mRNA replication, stability, nuclear switch, noncoding RNA, etc.) ⑤Translation level ⑥Post translational level (protein modification, splicing, degradation, etc.)

基于对基因表达调控、基因调控网络、代谢网络以及生物体生理变化规律的认识，在不改变生物体基因组DNA序列的条件下，通过改变物理、化学或生物等内外环境条件，实现对生物体单个基因或基因调控网络、代谢网络乃至生物个体的生长发育进行人工调控，这种技术我们就称之为基因调控工程（Gene Regulation Engineering，GRE）（简称基调工程）。

生物体的性状或表型是基因表达调控的结果，而基因的表达可以受到外界环境因素包括物理、化学和生物条件的影响，因此采用一定的调控技术手段（M），调控基因的表达（E），就可以影响或改变生物的性状或表型（P），这就是基调工程的基本原理，或称为基调工程的MEP模型（图2）。基调工程的目的，就是要对生物性状或表型进行人工调控，采取的技术方法或手段是调控生物体内的基因表达，由于影响生物基因表达的因素包括物理、化学和生物条件，因此可以通过采用一种或同时采用几种或多种调控因子，以不同强度或作用时间，按某种时间顺序对生物体进行调控。可见，基调工程不是单一的技术，它是多种技术的综合应用，是系统生物学工程。

图2. 基因调控工程的基本原理：MEP模型

Fig.2 Basic principle of gene regulation engineering: MEP model

在分子生物学出现之前，人们也通过某些技术手段控制生物性状，比如传统的栽培技术、传统中医药医疗技术等。这些传统的栽培技术和中医药医疗技术实际上就是把“基因表达”当做了黑箱，调控手段是“输入”，生物性状是“输出”。因此，当不考虑生物体的基因表达规律或者基因表达规律不清楚的情况下，通过大量的实践，观察积累某些行之有效的技术方法，能够有效地调控生物体的表型，这种方法我们称之为基调工程的“黑箱”方法。黑箱方法的优势是，在不了解生物体具体的基因表达调控规律的情况下，可以通过尝试改变调控技术手段，观察生物生理状态或生物性状表现，从而建立起调控技术手段与生物生理状态或生物形状之间的确切而稳定的联系。黑箱方法的缺点是，由于缺乏对生物体基因表达调控规律的认识，对生物生理状态、生物性状或表型的调控技术手段的选择就存在一定的随机性或偶然性，从而降低筛选调控技术的效率。此外，对于成功的调控技术手段，也是知其然不知其所以然，因而缺乏理论基础，对有效性的确认与解释缺乏信心和说服力。

随着分子生物学的进步，越来越多的基因功能被发掘，基因调控规律被揭示，原来的“黑箱”变成了“灰箱”，甚至逐步变成“白箱”。近年来，随着基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学以及表型组学的发展，大规模组学数据的积累和分析，有助于我们筛选并采取合适的调控手段对生物性状进行有目的的调控。基因调控工程的主要内容就是要通过对生物体基因表达（E）规律的认识，建立起一套基因调控技术手段与生物性状之间的联系（M-P），从而实现人类对生物性状的有效控制。采用基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和表型组学的研究手段，对生物体基因表达规律进行深入的研究，形成特定的调控机制和模式，比如特定的调控通路或调控网络，可为高通量筛选对目标生物性状的调控技术提供理论与技术基础。因此，从研究E入手，建立起“M-P”之间的联系的“白箱”方法具有较强的目的性与有效性。“白箱”方法的优势是，在充分了解基因结构、功能、表达调控规律，甚至基因网络、代谢网络等基础之上，结合基因组学、转录组学、蛋白质组学学、代谢组学和表型组学的研究成果，能够有目的地选择调控技术手段或技术手段的组合，快速建立起调控技术手段与生物生理状态与生物性状之间的切确而稳定的联系。“白箱”方法的缺点是，生物体的基因功能与表达调控难以完全研究透彻，特别是基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和表型组学的研究涉及到大量的数据，通过生物信息学方法建立的调控模型，难以适应不同生物体在不同环境条件下的实时变化。对每个生物个体或群体的组学数据进行实时监控，不仅技术上难以做到，在经济上也是完全不划算的，因而是不必要的。因此，基调工程采取“黑箱”与“白箱”并重的方法，取长补短，长短结合，将是未来基调工程的基本方法。不论是采取“黑箱”还是“白箱”的方法，都必须不断尝试各种调控技术手段及其组合，依据不同的生物个体、不同的生长发育阶段、不同的生理状态、生物性状或表型以及所处的特定环境条件，采取最合适的调控技术方法，达到群体化甚至个体化的精准调控。对于基调工程技术方法的研究，可以通过“黑箱”方法进行尝试，去发现一些有效或可能有效的调控方法，然后再通过“白箱”的方法去研究该调控方法对哪些基因进行了调控，反过来解释或验证调控方法的有效性。也可以先通过“白箱”方法，了解哪些环境条件的变化能够调控哪些基因的表达，然后设计出某种调控方法以达到调控生物某种性状的目的，再用这个调控方法进行不断的试验、尝试和表型观察，验证这种调控方法是否真正有效。无论采取什么方法，建立调控技术手段与生物性状或表型之间的确定和稳定的联系，是实现对生物性状进行有效调控的关键。

2 基因调控工程的调控技术及应用

2.1 物理调控技术

某些物理因子，如光照、温度、电磁场以及物理应力等均能够影响生物的基因表达。那么，根据这些物理因素调控基因表达的规律，人们就可以人工改变物理环境因素从而调节基因表达，达到调控生物性状的目的。

2.1.1 光调控技术（光控技术）

植物细胞中存在光受体，吸收光照后可将光信号传导到某些特殊基因，从而改变这些基因的表达^[11]。光受体可以感受光照时间、光照强度以及不同的光质（不同波长或频率的光）。人们很早就知道植物存在长日照植物和短日照植物，并利用光照周期调节植物的开花时间。这其实就是利用调节光照周期而影响光敏色素（一种光受体），进而调控植物开花基因的表达。蓝光可诱导高等植物花色素苷的积累和苯基苯乙烯酮合酶基因的表达^[12]。紫外线照射对植物防御信号传递和编码某些调节蛋白基因表达有显著影响^[13]。光照强度、时间以及光质都可以调控植物细胞的基因表达从而调控植物的生长发育与形态建成^[14]。目前，人工光调控技术已经开始广泛应用于农业生产，比如控制花卉开花时间，控制花色鲜艳度，控制瓜果蔬菜的成熟时间，提高瓜果蔬菜的产量，减少作物病虫害等。

光不仅可以诱导植物基因的表达，还可以调控动物基因的表达。很多研究表明，环境光对哺乳动物许多基因的表达都具有调控作用，其中最主要的就是生物钟基因^[15]。光周期能影响生物钟基因表达，调控生物节律，其对生物钟基因表达的调控机制存在着保守性和特异性。到目前为止，几乎所有的生物体内都发现有生物钟基因的存在。生物钟基因产生和控制昼夜节律的运转，per基因是人们第一个鉴定和克隆的生物钟基因^[16]。此外，环境光还对许多非生物钟基因具有调控作用。光调控技术已应用于畜牧业的生产，比如光照调控可改变种鹅繁殖季节，延长种鹅繁殖时间^[17]。根据光照对白绒山羊体成分的影响规律，人为地调控绒山羊的体成分^[18]。

光调控技术也开始应用于医疗健康领域。自从2005年报道用光照射视蛋白精准控制神经活性以来，光遗传学在肿瘤治疗中的应用初见端倪，其作用机制包括操纵神经元活动、解除免疫抑制、改变细胞内外电压、控制细胞力、调控信号传导、遗传和表观遗传调节以及筛选抗肿瘤药物^[19]。此外，通过调节光照时间、强度和光质，还可以治疗其它多种疾病，包括睡眠障碍、新生儿黄疸等^[20,21]。

2.1.2 温度调控技术（温控技术）

影响生物的生命过程的环境因素除了光照之外，温度是另一个重要的因素。每一种生物都有一个适宜的生长温度，而能承受的最低或最高温度也不同。生物体对温度的适应能力，体现在基因表达的层面，就是温度的变化能够影响生物基因表达的变化。生物体通过感知环境温度的变化从而调节基因表达的变化，进而调节生物体内物质和能量代谢途径和水平以适应环境温度的改变。

植物存在冷诱导基因和热激基因，在低温或高温环境下可诱导这些基因的表达。采用低于适宜温度的非致死温度对植物进行预处理，也即冷驯化（冷锻炼），可以使植物获得更强的抗低温能力；同样的，热激锻炼也能提高植物的耐热性。植物在遭受某种非致死性不良环境作用后，不仅会增强抵抗这种特定环境的能力，而且能够产生抵抗其他不良环境的能力，称为植物的交叉适应^[22]。交叉适应现象在多种植物中普遍存在，它存在一个非常复杂的基因调控网络。采用冷驯化（冷锻炼）或热激锻炼，也可以提高耐盐、抗旱或抗病等其它抗逆能力。

温度也是影响植物开花的一个重要环境因素，其主要影响途径包括春化途径^[23]和热感应途径或温度变化途径^[24]。尽管春化相关基因受低温调控的详细机制尚未阐明，但是人们利用低温调控小麦春化的技术早已被熟练应用。春化温度和时间是影响作物春化效果的主要因素，利用人工春化处理可以调节植物的开花时间，据此还可以提高育种效率。目前，通过温度调控花期的技术已经在许多花卉植物上得到广泛应用，生产中可以根据不同观赏时间的需求来调控温度的变化，以满足不同市场需求。

温度不仅可以影响代谢相关基因的表达，也影响植物激素如乙烯相关基因的表达^[25]。在一定低温条件下，果蔬代谢降低，乙烯含量降低，同时信号传导基因被激活，从而延缓了果蔬的衰老又能保证不受低温伤害。目前果蔬的低温储藏技术已经得到广泛应用。

在爬行动物胚胎发育过程中的某一特定阶段, 即温度敏感期, 胚胎所处的热环境能通过影响类固醇激素合成酶或类固醇激素受体的编码基因表达来改变内环境性激素水平, 进而影响性腺皮质和髓质的发育程度并对性别起决定性作用^[26]。因此，通过温度变化调节可以调控爬行动物胚胎的性别决定，对于开展爬行动物的生境保护管理以及人工繁育等将具有重要的意义。

水温对鱼类的生长、发育、繁殖、活动和觅食都有着密切的影响。鱼类是一种低等脊椎动物，遗传基因和环境因素会共同作用其性别决定和分化。一般认为，温度会影响某些性别决定基因的表达或活性，或者改变了某些基因表达产物的构象、抑或作为修饰剂改变分子的空间构型，这些产物作为关键时期雄性决定因子积累到一定水平时，就朝雄性方向发展、否则就发育为雌性^[27]。目前已有控温技术调控诱导尼罗罗非鱼仔鱼雄性化，解决了罗非鱼养殖中的繁殖过度难题，较之前常用的激素投喂技术更环保、安全、高效^[28]。

2.1.3 物理应力调控技术（力控技术）

物理接触、创伤、风的吹动、喷水，土壤对根系和胚芽生长的阻力、重力、负荷或负压，植物生长拉力、细胞膨压变化等环境因子称为机械刺激。这些机械刺激能够诱导机械刺激相关基因的表达。有很多响应机械刺激相关的基因，且在不同的环境应力作用下这些基因都能表达。比如有一种接触诱导相关的接触基因（TCH基因），在受触摸刺激时都发生强烈而快速的上调表达^[29]。机械刺激对植物的生长发育具有双重效应，即低强度的机械刺激可促进植物细胞质的分裂与生长，而高强度的机械刺激则影响植物的生长发育，甚至影响植物的存活。机械刺激一方面可以直接导致代谢响应，另一方面可以活化基因的表达、酶的构成、应激蛋白、应激代谢产物和应激激素的合成等，或刺激多种信号分子在应力传递途径中共同起作用^[30]。植物对环境应力的刺激所导致的在生长发育行为上的变化被叫做向触性形态建成^[31]。利用机械刺激也可以应用于人工调控植物的生长。在人工气候室内对西红柿进行周期性的震荡处理，延迟了花期，提高了结实率^[32]。

许多种类的动物细胞也能响应力信号，应力可引起细胞在基因水平或表达水平的调控。例如胰岛素样生长因子I（Insulin-like Grouth Factor-I, IGF-1）是力学敏感因子，IGF-1的表达量受到拉伸刺激的调控，它还存在多种变异体形式，其中一种叫生长因子（Mechano Growth Factor, MGF）对力刺激敏感^[33]，只在拉伸作用下产生，负责局部组织的修复、维持和重建。研究表明，对成骨细胞施加应变为15%的周期性拉伸刺激，细胞的IGF-1表达量增加，同时表达MGF剪接变异体，对MGF的深入研究有望在疾病治疗和组织工程修复领域取得广泛应用^[34]。

鉴于物理应力能够引起许多种类的动物细胞基因表达调控的变化，自然会让人联想到中医推拿和针灸等治疗方法。实际上，中医的推拿、按摩和针灸就是力控技术在在医学上的应用，尽管之前并不清楚其原理。目前已经有大量的研究证据正式中医推拿和针灸能够影响人体细胞的基因表达。比如，运用足部反射区推拿法能够降低老年大鼠 IL-1β、 IL-6基因表达水平^[35]。经常拥抱抚摸宝宝，有助于促进孩子的表观遗传基因表达^[36]。运动后按摩肌肉，能增加肌肉细胞中PGC-1α基因表达^[37]。目前许多学者发现针灸可能对某些疾病具有一些基因水平的调节作用。当机体受到外源性刺激感到疼痛时或针刺镇痛时，伤害性刺激传入信号抵抗中枢神经在相应的感受区激活原癌基因c-fos表达生成Fos蛋白^[38]。针灸可抑制模型大鼠脾脏及结肠黏膜炎性细胞因子的基因表达^[39]。针刺对于衰老机体脑组织中衰老相关基因的差异表达可发挥整体调节作用，从而延缓衰老进程^[40]。针刺涌泉穴对衰老大鼠的p53基因表达有抑制作用，从而抑制细胞凋亡，延缓衰老^[41] 。建立起 “针灸、推拿手法—基因表达谱” 数据库，有助于从基因组水平分析和筛选不同经脉相对特异性的基因，优化临床选穴标准和推拿手法，可为针灸、推拿治疗相关疾病提供依据。中医的针灸、推拿治疗方法作为一种安全有效的物理调控技术，将是未来安全健康医学发展的方向。

声波能让植物产生共振效应，其作用相当于机械应力。近年来，国内外专家学者对植物声波调控技术进行了试验研究^[42,43]。结果表明，植物声波调控技术在促进植物生长，提高产量等方面起到了良好的作用，在农业经济作物生产中具有较大的应用潜力^[44]。声波同样对动物也具有调控作用，能够影响动物的行基因表达^[45]。微重力生物学效应是空间生命科学研究的重要内容之一，过去40年的空间飞行实验显示，微重力可以在个体、器官、组织、细胞、亚细胞和分子等各级水平上影响生物体^[46]。微重力调控基因表达，影响植物次生代谢，采用模拟微重力条件可从番红花、人参、 甜菊等经济植物中获得更高效的生物活性物质^[47]。

2.1.4 电磁调控技术（电控技术与磁控技术）

近年来，电场生物学效应已有许多报道，许多研究证实电场能够影响基因的表达，可提高种子活力，促进种子萌发，增强植物抗逆境（抗旱抗寒性、耐盐性）和病虫害的能力^[48-51]。通过高压静电场处理，使种子DNA甲基化状态发生改变，调控基因的转录，开启或关闭某些基因的表达，从而使退化种子能够的正常地生长发育，这可能是高压静电场促进种子萌发，幼苗生长、改善种子品质的原因之一^[52]。如果这些成果能够广泛地应用到农业生产实践中，这将成为改变中国传统农业生产的手段和方式之一。

在自然界，许多动物物种都有感知地球磁场的能力。它们能感知磁场的方向、强度或者倾斜度，并且把此类信息作为导航线索。研究发现，生物体内存在磁感应蛋白（Magnetoreceptor，简称MagR）。这种蛋白质会和光敏隐花色素蛋白（Cryptochrome，简称CRY）的组成部分结合在一起，自发地和外部磁场对齐。2015年谢灿和张生家两个研究组发现IscA1具有磁受体(MagR/MAR)作用，此外，谢灿课题组揭示 MagR 能与 Cry 形成磁感应复合物行使磁感应器(magnetic sensor，MagS)功能^[53]。体内实验表明，通过外磁场刺激活化 MagR 能调控相关磁基因表达，影响神经活动及行为定位。鉴于 MagR 磁受体的独特功能，张生家等将磁受体的基因定位与远程磁刺激相结合，发明了一种非损伤性的神经调控方法，称之为磁遗传学^[54]。这为解决现有神经调节技术（如光遗传学和深部脑刺激）的侵入性，磁受体感应信号到磁遗传学导向行为性的应用研究，特别是磁遗传学调控神经元活动的领域打开了一扇崭新的窗户。

研究发现，中强度稳恒磁场对糖尿病性动脉粥样硬化的积极治疗效果可能与其对重要细胞因子（如VEGF、TGF-β1、TNF-α和IL-6）的表达调控作用有关。低频弱磁能改善脑损伤大鼠患侧爬行功能,也能促进骨髓源神经干细胞移植脑损伤大鼠模型的修复,该过程可能与低频弱磁场上调β-Ⅲ tubulin mRNA表达水平促进骨髓源神经干细胞向神经细胞分化有关^[55]。可见，磁场调控技术在医学中具有应用价值。

磁场对农作物的生长发育也有影响。磁场处理农作物种子，其种子和幼苗中的许多生理活性物质如可溶性蛋白质、淀粉、核酸等含量发生变化^[56]。早在20世纪60 年代国外就有人报道磁场能促进禾本科植物幼苗的生长^[57]，此后磁场对植物生长的影响得到越来越多的研究。研究发现，磁场处理玉米种子可显著地促进根系的生长，株高、茎粗及叶面积等均有增加^[58]；经磁场处理后的黄瓜种子，其苗期的叶面积及叶绿素含量均高于对照，并且产量和质量也有所提高^[59]。利用梯度磁场处理马铃薯种薯，也有利于种薯的发芽^[60]。磁化水对农作物的生长发育也产生一定的影响。用磁化水进行浸种、育苗、水培、田间淋灌、叶面喷施以及灌溉改土等，可以促进种子发芽， 增加农作物对氮、磷、钾肥及水的吸收能力，使作物早分蘖和多分蘖，提高农作物的产量，改善果实的品质^[61,62]。磁处理还能提高植物的抗逆性和抗病性^[63]。磁场除了影响植物的生长发育外，也对微生物表现出磁效应，食用菌经磁场处理，可使菌落生长旺盛，菌丝粗壮，产量提高及品质^[64]。

2.2 化学调控技术（化控技术）

生物体内一切代谢活动，包括基因的表达调控实质上都是生物化学反应结果。因此，外源化学分子进入生物体内可能与细胞内的各类分子直接发生生物化学反应，或作为信号分子影响基因的表达。利用某些特殊的化学物质来调控生物体内特殊基因的表达水平，达到特殊目的的技术，就称为基因表达的化学调控技术（简称化控技术）。

2.2.1 植物激素

植物激素是植物体产生的、及其微量的、并对植物的生长发育起至关重要作用的信号分子。植物激素一般认为有五大类，包括生长素 、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸及乙烯。近年来，研究发现了一些新的植物激素，包括油菜素甾醇、茉莉素、水杨酸及独脚金内酯。近年来，也有学者把植物多肽激素、多胺、一氧化氮、karrikins等列为植物激素^[65]。它们都是些简单的小分子化合物，但它们的生理效应却非常复杂多样，从影响细胞的分裂、伸长、分化到影响植物发芽、生根、开花、结实、性别的决定、休眠和脱落等。植物激素的基本作用模式是：植物激素与细胞膜上的蛋白受体结合，然后启动一序列的信号转导途径，激发或抑制某些与生长于或逆境响应相关基因的表达，从而起到调节植物生长发育与逆境适应的作用^[66]。目前的研究发现植物激素之间存在大量的互作。例如，一类植物激素往往可以调控另外类型植物激素的合成，植物激素的信号转导途径也存在着错综复杂的交互作用。植物激素的信号转导途径更确切地讲应该是信号调控网络。通过对植物激素的作用机制、激素之间的相互关系、激素与环境的调控关系的深入了解，我们就可以利用植物激素对农作物的生长发育进行调控，使其更高产、更抗逆、更优质。由于植物激素在植物体内含量甚微，提取难度大，成本较高，在农业生产中无法大规模的推广应用。

2.2.2 植物生长调节剂

为了能够在大规模应用于农业生产，一些植物激素的类似物或具有植物激素活性的有机物被人工合成出来，它们被称为植物生长调节剂（Plant Growth Regulators, PGRs）。PGRs通常分为两类，一类是促进植物生长的，另一类是抑制植物生长的。常用的植物生长调节剂有萘乙酸（NAA）、2,4-D、6-BA、激动素（KT）、赤霉素920、邻苯二甲酰亚胺类化合物、乙烯利、脱落酸（ABA）、2,4-表油菜素内酯、整形素、多效唑、烯效唑等。植物生长调节剂有些是植物激素的结构类似物或衍生物，有些是功能类似物，还有一些是能够干扰植物激素的生物合成、代谢、运输和信号转导的小分子化学物质，被称为植物激素调节剂^[67]。比如，整形素阻碍内源激素从顶芽向下转运；多效唑抑制赤霉素的生物合成；油菜素唑是一种油菜素内酯合成的特异性抑制剂。与传统的农业技术相比，采用植物生长调节剂控制和调节作物生长发育的方法不仅能协调植株的生长发育、植株与外界条件的关系，而且能够调控植物体细胞基因的表达，实现对作物性状的“修饰”^[68]。通过外源激素的适时适量运用，可使植物体内的激素生理生化和含量发生显著的变化，进而调控着作物的源库关系，从而调控植物的生长发育与环境适应。植物生长调节剂的使用对提高种植效益、增加作物产量、加强作物抗性及改善产品品质有显著增强效果。当然，植物生长调节剂及其降解产物也具有一定的发育毒性、致畸和致突变作用^[69]，过量使用会对整个生态系统造成不可逆污染，包括土壤、大气、水源等，而作物代谢和残留的毒性在经过生态循环后进入人体内，将对人体健康造成一定危害^[70]。因此必须进行科学指导，合理使用植物生长调节剂，以保证使用安全，避免环境污染带来的危害。某些微生物可以产生植物激素或其它植物生长调节物质，直接从微生物中提取植物激素或生长调节物质应用于农业生产，可能是一个比较安全的策略^[71]。

2.2.3 植物抗病激活剂

一些化学物质本身不会直接杀死病菌，但能够诱导植物防卫基因的表达，激活植物的抗病机制，这类化学物质被称为激发子，或植物抗病激活剂。植物抗病激活剂除了可以引起植物富含羟脯氨酸糖蛋白的变化，导致木质素在细胞壁沉积，使植物形成物理防御机制外，还可以诱导植株内源水杨酸的累积、诱发植物产生超敏反应，植物抗病激活剂诱导后产生的抗病信号经内源信号传导物质水杨酸、茉莉酸、乙烯和一氧化氮可传导到达整个植株，经过一系列抗病相关基因的调控和表达可引起植物防御酶系如苯丙氨酸解氨酶、β-1,3葡聚糖酶、几丁质酶、过氧化物酶等以及抗病物质如木质素与植保素等的变化及病程相关蛋白的调控与表达，最后诱导植物产生系统获得性抗性^[72]。

植物抗病激活剂可分为生物源和非生物源两类。生物源植物抗病激活剂有寡糖类（寡聚葡萄糖）^[73]及糖肽和糖蛋白类^[74,75]以及蛋白类^[76-79]等物质。此外，一些植物源次生代谢物也可诱导植物产生抗病毒物质，从而提高植物对病毒的抵抗能力，比如从中草药中提取的多羟基双萘酚、类槲皮素和类黄酮等黄酮类抗病毒物质，均能诱导烟草对烟草花叶病毒（TMV）的抗性^[80] 。除了生物来源的单一成分，类似中草药水煎剂的某些植物的提取物也可以直接作为植物抗病的诱导剂，比如大蒜、洋葱等24种植物的提取物可诱导植物对马铃薯晚疫病菌的抗性^[81]。落葵提取液^[82]、臭椿和鸦胆子两种植物提取物^[83]以及来自马齿苋、板蓝根、甘草等 3 种植物的粗提物混合而成的植物源农药VFB^[84]均具有对烟草TMV的诱导抗性。除了植物来源的抗病激活剂，弱毒株制成的诱导菌制、从真菌细胞壁或节肢动物外骨骼分离的几丁质和脱乙酰几丁质及降解产物（β-葡聚糖 、寡聚几丁质、寡聚去乙酰几丁质、寡聚氨基葡聚糖）、病原菌培养滤液或从滤液中提取的诱导物等，均可作为激发子诱导植病抗病防卫反应。

非生物来源的植物抗病激活剂有水杨酸及其衍生物、乙烯、一氧化氮、茉莉酸及其衍生物，磷酸盐（K₃PO₄、K₂HPO₄、Na₃PO₄、Na₂HPO₄）、草酸盐，以及其它人工合成的化学物质如苯并噻唑硫代乙酸甲酯 (BTH )、INA、2，6-二氯异烟酸、烯丙异噻唑等^[72]。

植物发生病虫害之后，人们通常使用化学农药直接杀死病菌或害虫，但化学农药的使用造成了环境污染，危害了人类健康。植物抗病激活剂特别是非人工合成的、生物来源的植物抗病激活剂，本身杀菌或抑菌作用或仅有很低的杀菌或抑菌活性，能够诱导植物产生持续性和广谱性抗性，不易产生抗药性，可自然降解没有残留，符合21世纪对环保的要求，具有广阔的应用前景。

2.2.4 化感物质

化感物质指生物体内产生并向环境释放的用于传递信息或作为媒介的化学物质。植物和微生物均可产生化感物质，但大多数化感物质是由植物产生的次生代谢物，主要分为4大类：酚类、萜类、糖和糖苷类、生物碱和非蛋白氨基酸，也可细分为14类，包括简单不饱和脂、长链脂肪酸和多炔、醌类、苯甲酸及其衍生物、氨基酸和多肽、内萜、单宁、嘌呤和核苷等^[85]，它们能影响其他植物、动物或微生物的生长、健康、行为或群体关系。化感物质通过影响某些基因的表达，促进或阻止DNA的翻译和转录，从而促进或阻止蛋白质的合成，促进或抑制细胞的分裂，最终促进或抑制植物、动物或微生物的生长。

通过对化感物质进行提取、分离和鉴定，模拟其化学结构，可开发出植物源农药，以减少化学农药的使用。利用植物来源的化感物质可以制成生物除草剂，广谱、低毒、低残留，避免了像草甘膦这样的化学除草剂带来的环境污染和对人类健康的危害，也避免了杂草产生抗药性^[86]。从植物中提取的化感物质也可以制成生物农药以防治害虫^[87,88]，保护农业环境与生态安全、发展农牧业生产，产生巨大的社会效益、经济效益和环境效益。化感物质虽然比传统化学农药安全，但也必须对其广泛应用中任何潜在的风险进行严格的评估。

2.2.5 基因调控药物

通过药物治疗和控制疾病是常用的医疗手段。药物实际上就是一种单一的化学物质或多种化学物质的混合物，对疾病的治疗就是产生直接的理化反应或生化反应，影响机体或病原体的生理生化过程，直接或间接地杀死病原菌、阻止或延缓疾病发生进程。然而，药物的滥用往往导致副作用，或使病原菌产生抗药性。随着分子生物学的发展，人们逐渐认识到许多疾病往往与基因功能的异常有很大的关系，通过某些药物调控特定基因的表达可以治疗某些特定的疾病，于是基因调控药物应运而生。

药物对基因的调控可以发生在DNA水平（顺式作用元件）、RNA水平（转录水平）、蛋白质水平（翻译水平）以及表观遗传水平（DNA甲基化修饰、乙酰化修饰以及小分子RNA作用等）。人们通常认为，某种药物调控某个基因然后治疗某个疾病，这就是“一个药物，一个基因，一种疾病”的传统观点。但实际上情况并非如此简单。通常某个疾病与由于多基因形成的调控网络失调的综合表现，而某个药物的作用靶点往往不仅精准到单个基因，可能对多个基因同时具有调控作用，这就存在多靶点效应，也有可能使药物产生副作用。那么如果寻找安全有效无副作用的药物进行疾病治疗，是一个重要的研究课题。

目前寻找基因调控药物主要有两条途径，一条是核开关途径，另一条是表观遗传途径。核开关是一类通过结合小分子代谢物调控基因表达的mRNA元件。某些特定的小分子代谢产物与特定的mRNA区域的核开关结合之后，导致构象重排，进而引起mRNA转录终止，形成一个没有活性的短转录物，或者构象重排形成的RNA二级结构抑制翻译的起始，从而反馈调节与该配体的合成、代谢和转运相关基因的活动^[89]。与核开关结合的小分子化合物包括很多酶类的辅酶或辅基，参与重要的生化反应。通过发现各种基因的核开关，尤其是其可以特异性紧密结合特定小分子化合物，从而精确调控生物基本代谢途径的特征，人们就可以在科研和医学上进行广泛的应用。

表观遗传学研究主要包括DNA修饰、组蛋白修饰、染色质重塑以及非编码RNA的调控等范畴。目前已经开始研发表观遗传药物，通过影响表观遗传调控基因的表达进而达到治疗疾病的目的。表观遗传药物治疗在多种肿瘤中已取得明显的效果，已有数种表观药物通过FDA认证并用于癌症的治疗，主要为DNA甲基转移酶抑制剂和组蛋白去乙酰化酶抑制剂；还有许多的新型表观药物处于实验室或者临床试验阶段，包括组蛋白乙酰化酶、组蛋白甲基化酶、组蛋白去甲基化酶以及表观解读蛋白的小分子抑制剂，它们都表现出显著的抗肿瘤活性^[90]。此外，小分子RNA也可作为基因治疗的有效武器用于肿瘤等疾病的治疗。研究发现，肿瘤和正常组织的miRNA存在显著差异；有的miRNA能促进肿瘤形成，属于促癌miRNA；而有的则可以抑制肿瘤生长，称为抑癌miRNA。模拟siRNA的作用方法将miRNA拟似物或其拮抗物导入细胞可以增加或降低miRNA的表达水平，调节肿瘤相关基因，从而达到控制肿瘤的目的^[91]。如同寻找与核开关特异性结合小分子物质一样，能否寻找与某些小分子RNA的特异性作用的小分子物质作为基因调控药物应用于医疗，也是值得考虑的思路。然而，目前研发的一些表观遗传药物特异性较差，存在较大的副作用，严重限制其临床应用^[92]。

以分子生物学的基因表达调控与表观遗传学研究成果为基础人们研发了单一成分的基因调控西药，实际上，化学成分复杂的中药也可以作为基因调控药物。中药药效作用机制的转录组学研究发现，尽管对中药里面某个单一成分的作用不能一一予以确定，但是中药以其所有成分的集合却能够起到明确的调节某些特定代谢通路相关基因的表达的作用。比如，芪参益气方能够改善大鼠心室重构过程从而缓解心肌梗塞症状，利用转录组测序与分析结果表明，芪参益气方能够影响两个重要的心血管疾病信号通路：促进NO水平并抑制花生四烯酸氧合酶途径从而发挥抗炎作用以及通过脂肪酸氧化调节血脂异常，表明芪参益气方能够通过多种途径发挥治疗心肌梗塞的效果^[93]。吴志奎等^[94]自 1989年以来用“益髓生血颗粒”治疗β地中海贫血156例，总有效率为92.9%，无明显不良反应，特别是中间型患者疗效较明显。研究证实，中药治疗并不改变患者β珠蛋白基因突变，而是重新激活γ珠蛋白基因表达，从而代偿β珠蛋白基因功能缺陷。可见，中药完全可以作为基因调控药物。事实上，同样治疗β地中海贫血的西药细胞毒素剂、DNA甲基转移酶抑制剂和组蛋白脱乙酰基酶抑制剂等都存在较严重的副作用，远期疗效尚不明确^[95]。可见，中药不同于西药主要是直接杀灭病菌或直接作用于细胞生化反应靶点的作用，可能在于其更多地是作为基因调控药物去调节机体各项功能，令其趋于平衡、正常的健康状态，其安全性与有效性可能比西药更值得重视。

随着现代分子生物学进入后基因组时代，功能基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学以及多组学联合的系统生物学蓬勃发展，西药单一有效成分的筛选及其副作用的确定在组学时代将变得更加高效，而多成分的中药研发则更是插上了腾飞的翅膀^[96,97]。以中医药基础理论和丰富的文献资料为指导，利用现代分离、分析与生物活性筛选等手段，再结合转录组学等系统生物学的技术方法对其副作用以及药效机理进行研究，将是未来开发安全有效的基因调控中药的有效途径。同西药研制周期长、化合物人工合成难、疗效不确切且存在难以预料的副作用相比，中药研发周期短，利用天然药物而不需要人工合成，且中药大多已在民间长期应用，疗效和不良反应较清楚，故研发风险小、产品更加安全、未来市场广阔。

2.2.6 营养调控

随着分子生物学的发展，人们认识到作为外部因子的营养不但可作为代谢过程的底物、辅酶或辅助因子，而且它们可对许多编码蛋白质、酶、载体、受体和结构物质基因的表达进行调控^[98]。营养物质对生物体的基因调控表现在两个方面：首先，与细胞成分通常是转录因子直接作用，改变转录速度和特定mRNA的浓度。如骨钙化醇、某些类固醇和脂肪酸可作为配基结合到特定转录因子上，改变基因转录。第二种方式即为间接作用，特殊营养物质摄入可诱导产生次级调节因子，包括许多信号传导系统、激素和细胞分裂素和细胞因子等，从而调控基因表达。此外，营养物质会通过DNA甲基化、组蛋白修饰和 miRNA调控等作用来影响表观遗传，特别是生命早期营养的平衡状况对保持机体健康有非常重要的作用^[99]。越来越多的研究表明基因和环境特别是营养条件的互作与生物的生长发育及疾病的发生都有着非常重要的关联^[100]。

营养调控技术，就是依据人类或动物不同生长发育阶段或生理状态，通过调节营养物质的种类、数量调控特定基因的表达，进而影响人类或动物的生理状态（或生物性状）和健康状态。显然，营养调控技术对促进人类的健康与疾病的治疗，以及促进畜牧业的健康高效发展具有重要的应用价值。

营养物质同样也能够调控植物基因的表达。不仅无机矿质营养元素能够影响植物基因的表达^[101,102]，有机营养物质同样也能调控植物基因的表达^[103]。采用特制营养液处理植物诱导基因表达，研究其提高植物生长与抗逆性，对于探索绿色农业的发展可能具有一定的应用价值^[104]。

2.3 水分调控技术

植物的生长需要适宜的水分，水分缺乏导致的干旱胁迫严重影响植物的生长，严重的干旱可导致植物的死亡。然而，适度的干旱胁迫预处理如同冷锻炼或热锻炼一样，不仅可以提高植物的抗旱能力，还可以通过交叉适应机制增强其抵御其它逆境的能力。研究发现，干旱胁迫能够诱导植物表达的大量基因，这些基因的表达与调控使植物能够抵御干旱胁迫对植物造成的伤害，同时也产生其它次生代谢产物而有利于提高适应其它逆境的能力^[105]。在干旱胁迫诱导所表达的基因当中，绝大部分为逆境相关基因，有起到胁迫生理调节的关键酶的基因，也有Lea蛋白基因和调控因子基因等^[106]。

    由于次生代谢产物是评价药材质量优劣的指标，因此利用水分调控技术，可以让药材植物在某个生长阶段处于适度的干旱状态，诱导次生代谢相关基因的表达，促进次生代谢有效成分的积累，有利于提高药材品质^[107]。干旱处理条件下，一年生盆栽膜荚黄芪根中总皂苷、黄芪甲苷含量及关键酶基因表达量呈增加趋势，在第 15 天达到最高，可以定为最佳采收期^[108]。适度干旱有利于金银花花蕾增重、体内绿原酸和黄酮物质的积累增加^[109]。

利用植物的交叉适应机制，通过适度干旱处理，可以提高植物的抗病能力。当然，水分对植物抗病性的影响也因植物种类而异，同样的水分状况对有的植物抗病起着促进作用，对有的植物则产生消极效应，甚至使其变得更容易感病。因此，通过水分调控技术提高植物的抗病性需要针对不同的植物采取不同的技术手段。

2.4 生物调控技术

在大自然中，每一个生物体都是其它生物体的生存环境，它们的相互作用网络形成一个动态平衡的生态系统。生态系统的调控过程是相互促进（相生）或相互抑制（相克）的协调过程，主要是通过化感作用在生物体之间传递信息并导致生物体的相互作用^[110]。生物调控技术就是以化感作用的研究为基础，在人工造林、作物栽培等方面进行合理的规划设计，选择合理有效的作物间、套、混作种植模式，促进作物生长，尽可能地避免化感作用的不利影响，减少杂草危害，减少病虫害的发生。生物调控技术已成为森林保护、有害生物控制、增加作物产量和促进环境可持续性发展的重要途径之一。

植物之间的化感作用包括了偏害作用、自毒作用、自促作用和互惠作用，概括起来就是有利与有害作用，或相生与相克作用。利用植物化感的偏害作用可以进行田间生态除草，避免化学除草剂带来的危害^[111]。根据植物的自毒作用，为了避免同一种植物或亲缘植物在一个地方连续种植多年，造成植物产量下降、病虫害频发、品质变差等不利现象，有目的地进行轮作。而具有自促作用的植物，随着重茬年限的延长，其生长发育状况改善、产量和品质都有所提高。怀牛膝便是一种非常适宜的连作药用植物，其连作可以诱导生长素类激素的分泌，从而促进下茬怀牛膝对营养物质的吸收和物质合成，提高其产量和品质^[112]。而利用植物之间的互惠作用，则可以进行间作或套作，让不同植物生长在一起而互利共生，例如大蒜和棉花套种，大豆和玉米套种，可获得双丰收，韭菜与月季混种，可促进月季生长。

植物与昆虫之间的相生相克作用也能够被用来进行生物调控。研究表明，榕树雌花期释放的挥发性化学物质能够诱导榕小蜂嗅觉基因的表达，从而吸引榕小蜂进入榕果内^[113]。虫媒花植物分泌一些挥发性的化学物质，吸引昆虫前来采食，达到传粉、授粉目的，有利于植物结实、繁衍后代和扩大分布，而植物的花蜜又为昆虫提供食源，使其种群得以延续。调查显示，在全球107种与食品直接相关的主要农作物中，76%的粮食作物依靠蜜蜂传粉。在种植区养蜜蜂，已经成为一种生态产业模式。利用植物与昆虫之间的相生相克作用，也可以进行轮作以控制虫害的发生。害虫对寄主有选择性，若轮作年限长，专食性或寡食性害虫通常很难大量滋生危害。利用抗虫作物与感虫作物实行定期轮作能改变昆虫的食物链构成和生态环境，可减轻甚至消灭虫害。研究表明，细辛及续随子等有驱虫作用，若把它们作为易遭虫害药用植物的前作，可减少甚至避免虫害发生^[114]。因此，与非寄主植物轮作使害虫无法找到寄主饥饿而死，从而有效控制药用植物田间害虫^[115]。

植物与微生物之间也存在相生或相克的作用。有研究表明，植物在病原微生物的胁迫作用下产生的防御物质植物抗菌素（萜烯类物），常常是由病原微生物或寄主植物细胞壁衍生的激发子引起，激发子的作用首先是作用于寄主细胞表面受体，通过两者之间的识别与受体激活引起胞内的防御反应。人们可以利用病原弱毒株、非寄主专一性病原或非致病微生物作为“生物农药”，诱导植物产生抗病性,达到有效防治农作物病虫害、减少化学农药副作用的目的^[116]。

动物与微生物之间同样存在相互作用，病原菌让动物生病，而大量的微生物也存在于动物体内与宿主共生。由于人体微生物对人的健康和疾病的发展有重大影响，目前对人体微生物组的研究非常重视。人类肠道微生物种类和数量占人体微生物总量的90%，对宿主的生长、发育和健康等方面发挥着重要的功能^[117] 。研究发现，益生菌可使小鼠血清中有抑癌作用的miR-122和肿瘤抑制基因PU.1表达上调，而促癌相关基因miR-221、miR-155和Bcl-w表达下调，提示双歧杆菌和嗜酸乳杆菌可抑制肿瘤的发展^[118]。益生菌的自身结构如肽聚糖、脂磷壁酸等成分可作为抗原直接发挥免疫激活作用，或者通过自分泌免疫激活剂，刺激宿主免疫系统，从而提高动物的免疫力，增强机体固有免疫细胞和自然杀伤细胞的活性，激活树突状细胞，刺激机体产生细胞因子，并刺激B细胞分泌抗体^[119] 。因此，采用生物调控技术对人体肠道微生物菌群进行调控，将有利于人类维持身体健康，减少疾病。

2.5 氢分子调控技术

氢气长期以来被认为是一种生理惰性气体。早在 1948 年，Bjurstedt 和 Severin^[120]首创将氢气用于潜水医学领域中减压病的治疗，然而其在该病中的治疗效应主要归因于高压环境中的惰性而不是其生物学效应^[121]。直到 1975 年，Dole等^[122]在一个鳞状细胞癌模型中首次证实了氢气的治疗性效应。2007年，Ohsawa报道外源H₂可以选择性地清除羟基自由基(·OH) 和亚硝酸阴离子自由基( ONOO^-)，从而缓解大鼠大脑中动脉缺血再灌注导致的氧化损伤^[123]。越来越多的证据表明氢气不仅可以降低氧化应激，具有抗氧化、抗炎、抗凋亡的作用，还可以作为信号分子对细胞内的基因表达和信号通路起调节作用。研究发现，氢气可用于慢性疾病（比如癌症、慢性炎症、代谢性疾病如二型糖尿病、慢性中毒、神经退行性疾病）和急性疾病（缺血 /再灌注损伤、急性炎症、急性创伤、急性中毒）以及其他疾病的治疗）^[124]。通过饮用富氢水和利用吸氢机吸入氢气或氢氧混合气体，将可能有利于改善人体健康，有助于对某些疾病的治疗，将可能发展成为安全的氢气医学健康产业。

近年来发现，氢气同样具有植物学效应。中国科学院华南植物园曾纪晴发现，氢气可促进绿豆和水稻种子的萌发，诱导植物激素受体蛋白基因的表达，参与植物激素信号传导与逆境响应，同时氢气还可诱导抗氧化酶基因的表达调节植物生长、提高抗逆性^[125]。已有许多表明，氢气可以促进植物种子萌发、促进不定根的发生于根的伸长、延长花期和果实后熟，氢气还可以降低重金属对植物的伤害并降低重金属的积累^[126]。氢气还可以促进根际有益促生菌的生长，改善根际微生物群落结构，促进植物生长并提高抗逆性^[127-129]。由于氢气安全无毒无害无残留，应用于农业生产有望减少化肥农药的使用，因此以氢气、富氢水和固态氢肥的应用为基础的氢农业，将逐渐成为广受欢迎的新型绿色健康生态农业^[130]。

3 基因调控工程的优越性

生命是宇宙中最奇妙的现象，蕴含着宇宙中最深刻的奥秘。“生命是什么？”自古以来都是令哲学家们最为困惑迷离的问题。从二十世纪初人类进入DNA分子层次探索生命奥秘以来，分子生物学经历了一百多年的发展，已经取得了巨大进步。然而，人类对生命的奥秘的认识还非常有限，从哲学上来说人类永远无法彻底揭开生命的奥秘。因此，人类必须永远对生命具备敬畏之心。基于此，人类切不可滥用更改生物体基因DNA序列的基因工程技术，贸然对大自然的生命杰作进行“涂鸦”。

基调工程相对于基因工程具有无可比拟的优越性。首先，最大的优越性就是其安全性。基调工程由于其不改变生物体的基因组DNA序列，仅仅通过物理、化学、生物等外部技术手段对生物体进行基因调控，从而达到让生物体的性状向预设目标发展的目的，避免了基因工程改变生物体的基因组DNA可能造成的一序列不可预知和不可控制的风险。

其次，基调工程是在反思基因工程安全性风险之后，以基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学以及基因调控网络、代谢调控网络等系统生物学前沿研究为基础提出来的崭新技术。因此，基调工程技术的科学性、先进性与全面性要高于基因工程。虽然说基因工程是有目的地改变某个特定基因（造成突变）、在生物基因组中插入或删除某个基因、通过转基因手段增强或降低某个基因的表达，但是基因工程的技术操作对生物基因组的改变却是盲目的，比如转基因的插入位点是不确定的，编辑修改、插入或删除某个基因对生物体造成的影响是未知的，对其遗传后代与生态后果也是不可预料的。基因工程的盲目性是其科学性先天不足的表现。而基调工程建立在对基因调控与调控网络规律的科学认识之上，依据明确的调控目的，选择合适的调控技术手段，具有极强的目的性和科学性。

基调工程的优越性还体现在体现在思想和方法论上的先进性。基因工程的思想是机械论的，一个基因对应一个功能，改变一个基因就改变一个功能。基因工程的方法论就是“头痛医头脚痛医脚”，比如，要提高植物的抗病性，就给它转一个抗病基因。而实际情况是，一个基因可以同时具有多重功能，也存在多个基因具有相同生物学功能的冗余现象。而基调工程是基于复杂的基因调控网络思想，基因的功能并非单一而独立的，它处于复杂的基因调控网络之中，它们相互作用相互影响。基调工程的方法论则是通过改变生物体的内外环境因素作为调控技术手段，对影响整个生理活动或代谢网络的基因进行有目的地的定向调控，实现对生物性状的控制。

最后，基调工程具有显著的简便性和经济性。基因工程需要各种仪器设备，还需要复杂的基因重组或基因编辑实验，基因改造生物体的检测，安全性实验，等等一序列费力、耗时、费钱的工作，而要进行这些工作的人需要专门的长时间专业培训。基调工程的技术手段就是改变生物的物理、化学以及生物环境，简单易行。光照、温度、电磁、水分、营养、天然信号分子、天然药物，生物多样性配置，所有这些调控手段和调控物质，容易得到也容易操控。大道至简，基调工程的简便性与经济性充分说明了该技术符合科学之道。

4 总结与展望

目前，分子生物学的研究发展迅速，人们热衷于转基因、基因编辑，试图“改造”生命。将来对分子生物学的应用将从基因工程转向基因调控工程，把目标从对某个基因的转基因、基因编辑转向对特定基因或基因群的调控，而基因调控的手段从调控某个基因转向调控某类基因，对基因网络、代谢网络的调控，目标是个体生理状态、生物性状或表型、甚至生态系统的调控。基调工程有赖于分子生物学的进步，特别是基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、表型组学为基础的等系统生物学的研究成果。传统人工调控是直接建立“M-P”关系，但对生物体的基因表达调控规律并不清楚。现代基调工程，根据对基因调控网络、代谢网络的认识，采用基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等大数据分析，构建“M-E-P”大数据，有助于从分子层次理解调控手段的作用机理，更加有目的地选择调控手段，增强调控的目的性和有效性。

基调工程比基因工程具有更多的优越性，其中最重要的优势在于其安全性，而基调工程未来的发展也必将朝着安全与健康的方向发展。一般来讲，物理调控和生物调控比化学调控更加绿色环保，更具有安全性。未来物理调控和生物调控技术在医学和农业上的应用将成为主要的发展方向。传统中医采用的针灸、推拿、按摩等物理调控技术方法，基调工程的深入研究对中医医疗技术的发展与理解将产生巨大的推动作用。化学调控技术，尤其是采用人工合成的化学分子的调控技术，由于人类难以全面认识其作用靶点及作用机理，始终存在认知盲点，且化学分子释放到自然环境或人体内往往是无法收回的，对其作用的后果难以把控，因此化控技术应用于农业必须重视其对环境污染及人体健康的影响，应用于医学则必须重视药物的副作用对人体造成的危害。转录组学等技术方法将有助于筛选安全有效的化学调控物质，了解并设法避免化学调控带来的副作用。为了确保其安全性，未来化学调控技术倾向于采用生物来源的自然化学物质来控制病虫害、治疗动物与人类的疾病。生物来源的中草药或药食同源的食物与营养物质、人类健康菌群等，将是基调工程应用于人类健康领域的重要研究方向。而无色无味无毒的氢气作为天然的基因调控信号分子，无论在医学上还是农业上都具有非常重要的应用。

在农业领域，随着智慧农业、设施农业的发展，光照、温度、湿度等物理条件的控制将更加精确化、智能化，基调工程将被推进到更高的现代化高度，物理调控技术在农业上的应用必将得到更大的发展。此外，人们利用生物调控技术发展生态农业，也是未来保护生态环境与人类健康，走绿色生态可持续道路的发展方向。

基调工程的发展，有助于我们树立技术发展必须有利于生态安全与人类健康的观念，时刻牢记技术的发展不能给世界增加危害与风险。当人们转变观念之后，放弃对生命基因的人为“改造”，转向对生物体表型或性状的人工“操控”，基调工程必将掀起一场空前的观念变革与技术革命。

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曾纪晴. (2020, November 9). 基因调控工程的概念、原理、方法与应用. Zenodo. http://doi.org/10.5281/zenodo.4264212