植物转基因技术

植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2013, 48 (1): 10–22, doi: 10.3724/SP .J.1259.2013.00010——————————————————收稿日期: 2013-01-03; 接受日期: 2013-01-09 基金项目: 转基因专项(No.2008ZX08001-004) E-mail: ccchu@转基因生物技术育种: 机遇还是挑战？储成才中国科学院遗传与发育生物学研究所, 北京 100101摘要 转基因生物技术是一项全新的育种技术, 也是当前国际上进展最快、竞争最激烈的研究领域之一。

自20世纪90年代生物技术育种诞生以来, 转基因作物的商品化应用及由此引发的一系列问题就引起公众的广泛关注。

该文就世界上转基因生物技术育种及产业化现状、几个主要转基因作物安全性案例及最终结果, 以及如何科学推进我国转基因作物的产业化等提出了自己的思考, 以期帮助公众科学地理解和面对转基因生物技术所带来的育种技术上的革命。

关键词 作物, 转基因作物, 生物技术育种, 商业化, 生物安全储成才 (2013). 转基因生物技术育种: 机遇还是挑战? 植物学报 48, 10–22.矮秆育种的推广和杂交水稻技术的应用, 使我国粮食产量从20世纪60年代中期到90年代中期连续30多年稳步提高。

然而近10多年徘徊不前的粮食单产表明, 传统的育种技术已难以承载我国未来粮食安全面临的巨大挑战。

我国人口的不断增长和人民生活质量的不断提高、可用耕地和水资源的日益紧缺、生物及自然灾害的频繁发生、生态环境压力的持续加大以及农业生产劳动力数量的急剧下降等国情都时时警醒我们, 中国已进入更加依靠科技创新以保障粮食供给、促进现代农业可持续发展的历史新阶段。

诞生于20世纪80年代的转基因技术经过短短30年的发展, 已成为新的科技革命的主体之一, 相关研究的进展和突破也大大加速了农作物更新换代的速度及种植业结构的变革, 转基因技术因此也被认为是继工业革命、计算机革命后的第3次技术革命(Abelson, 1998), 正推动生物经济的形成: 一个基因一个产业, 一项技术一项产业。

正因为如此, 美国、德国、瑞士等发达国家以及大型跨国公司如孟山都(Monsanto)、杜邦-先锋(DuPont Pioneer)、先正达(Syngenta)、拜耳(Bayer)及巴斯夫(BASF)等投巨资开展新基因的挖掘、转基因技术研发以及水稻(Oryza sativa )、玉米(Zea mays )、大豆(Glycine max )等基因组学研究, 目的就是取得并控制基因及相关技术的知识产权。

一些发展中国家更是抓住生物技术发展的良好机遇大力发展转基因育种产业。

因而, 农业生物技术已成为国际科技竞争乃至经济竞争的重点, 同时也被认为是发展中国家赶超世界科技前沿难得的突破口。

1 转基因技术是发展最为迅速的农业生物育种技术转基因技术是通过将人工分离和修饰过的基因导入生物体基因组中, 借助导入基因的表达, 引起生物体性状可遗传变化的一项技术。

1983年, 几个实验室几乎同时通过农杆菌方法成功获得转外源基因植物(Bevan et al., 1983; Fraley et al., 1983; Herrera- Estrella et al., 1983; Murai et al., 1983)。

到1987年, 短短4年时间, 第1例抗虫转基因番茄(Solanum lyco- persicum )就在美国进行了田间实验。

1994年美国农业部(USDA)和美国食品与药品管理局(FDA)批准了第1例转基因作物——延熟保鲜转基因番茄进入市场。

1996年, 全球转基因作物种植面积达到160万公顷。

在随后的十几年中, 转基因技术的应用得到了迅速发展, 已成为近代育种史上发展最快、效率最高的作物改良技术。

2011年, 全球转基因作物种植面积已超过1.6亿公顷, 比1996年增加94倍, 16年累积种植面积为12.5亿公顷。

按种植面积计算, 全球75%的大豆、82%的棉花(Gossypium hirsutum )、32%的玉米储成才: 转基因生物技术育种: 机遇还是挑战?11以及26%的油菜(Brassica napus)是转基因品种。

耐除草剂性状是转基因作物的主要性状。

2011年, 耐除草剂大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜(Beta vulgaris)以及苜蓿(Medicago sativa)的种植面积达9 390万公顷, 占全球转基因作物种植面积的59%, 具抗虫性状的转基因作物种植面积为2 390万公顷, 占总种植面积的15%。

聚合2种或3种性状的转基因作物种植面积为4 220万公顷(James, 2011)。

截至2011年, 全世界已有29个国家进行了转基因作物商业化生产, 10个为发达国家, 19个为发展中国家。

其中9个国家的种植面积超过200万公顷, 发展中国家种植的转基因作物占全球转基因作物的49.9%(James, 2011)。

预计2012年, 发展中国家的转基因作物种植面积将超过发达国家。

美国依然是世界上最大的转基因作物种植国家, 2011年其转基因作物种植面积达6 900万公顷, 约占全球转基因种植总面积的43%。

转基因作物涵盖大豆、玉米、棉花、油菜、南瓜(Cucurbita moschata)、番木瓜(Carica papaya)、苜蓿和甜菜。

2011年一个引人注目的事件是, 在转基因植物的发源地欧洲, 西班牙、葡萄牙、捷克、波兰、斯洛伐克和罗马尼亚这6个欧盟国家种植了创纪录的11.45万公顷的Bt抗虫转基因玉米, 比2010年增加了26%, 并且瑞典和德国也小规模种植了含新型淀粉组成的转基因马铃薯“AMFlora”。

同时, 日本也批准了美国抗病毒番木瓜用于新鲜水果/食物消费。

2011年, 澳大利亚棉花种植面积达到了有史以来的最大值, 其中99.5%为转基因棉, 转基因棉的95%为抗虫和耐除草剂复合性状品种。

此外, 澳大利亚还种植了约14万公顷的耐除草剂油菜(James, 2011)。

在发展中国家, 作为“金砖四国”之一的巴西, 2003年才开始推动转基因作物发展。

巴西以政府为主导, 抓住生物技术发展和国际农产品价格上涨的机遇, 大力推进转基因作物产业化。

2007年巴西颁布支持转基因作物产业化法案, 并投资达70亿美元(其中60%来自政府, 40%来自企业)开始实施为期10年的专项, 其国家生物安全委员会(CNBS)直属总统办公室, 负责制定政策并作为最高仲裁机构。

2011年, 巴西转基因作物种植面积上升到全球第2位, 主要包括大豆、玉米和棉花, 总面积达3 030万公顷, 占全球种植面积的19%, 成为全球转基因作物增长的引擎。

2009年, 巴西农业科学院与德国巴斯夫公司共同研制的抗咪唑啉酮(Imidazolinone)除草剂大豆获准商业化种植。

2010年通过快速审批制度批准了8个转基因产品, 2011年又额外审批了6个。

2011年, 该国首次批准了聚合抗虫和耐除草剂2种性状大豆的生产。

值得注意的是, 2010年拥有巴西自主知识产权的转基因抗病毒大豆获批商业化生产(水稻和大豆为拉丁美洲的主要产品), 证实了该国研发、生产及审批新型转基因作物的能力(James, 2011)。

目前, 农产品出口约占巴西出口总值的35%, 而大豆及其加工品出口占其出口总值的27%, 达165亿美元。

可以说, 农业的成功是近年巴西经济快速起飞的重要标志之一。

同为“金砖四国”之一的印度, 2011年转基因抗虫棉种植面积达1 060万公顷, 占其棉花总种植面积的88%, 2002–2010年期间Bt棉花为印度农民增收94亿美元。

非洲的南非、布基纳法索以及埃及共计种植250万公顷转基因作物, 肯尼亚、尼日利亚以及乌干达已经开始了转基因作物的田间实验(James, 2011)。

目前, 转基因作物已在全球五大洲推广应用, 在减少农药施用、降低病虫害损失、改善环境、减少劳动力投入上取得了巨大的经济效益。

2011年全球转基因作物种子销售额约为130亿美元, 而转基因作物商业化最终产品年产值为1 600亿美元(James, 2011)。

我国虽是种植转基因植物最早的国家之一, 但相比其它国家, 种植面积在世界上的排名已从2005年之前的第4位下降至2006年的第5位和2011年的第6位, 先后被同为“金砖国家”的巴西和印度赶超。

2我国农业生物技术具有良好的技术储备中国是世界上最早开展农业生物技术研究和应用的国家之一, 已初步建立了世界上为数不多的包括基因克隆、功能鉴定、遗传转化、品种选育、安全性评价及应用推广等完整的转基因植物研究和产业化体系, 拥有高产、抗病虫、抗除草剂、抗旱耐盐、营养品质改良等重要基因、调控元件及转基因技术等自主知识产权。

水稻、棉花、玉米等主要作物的基础研究和应用研究已形成了自己的优势和特色, 虽与美国相比整体实力仍有差距, 但大幅领先于其它发展中国家。

我国的农业生物技术发展经历了早期的跟踪国际科技前沿(1986–2000年)和近期的自主创新(2001–12 植物学报 48(1) 2013现在)2个阶段。

早期阶段主要从事建立和优化包括水稻、小麦(Triticum aestivum)、大豆和棉花等不同作物的组培再生及遗传转化体系(李向辉, 1990; 卫志明和许智宏, 1990; 陈志贤等, 1994; 王国英等, 1995, 1996; 卢爱兰等, 1996; 梁辉等, 1999; 易自力等, 2000, 2001); 水稻等重要农作物遗传图谱的构建(毛龙和朱立煌, 1993; 张志永等, 1998); 对国际上已有相关研究的重要功能基因进行优化并开展转基因功能验证及大田试验, 最具代表性的就是中国农业科学院的Bt基因的克隆优化和转基因抗虫棉的创制与推广(谢道昕等, 1991; 郭三堆, 1992; 郭三堆等, 1992), 以及中国科学院微生物研究所创制并应用的转基因抗病毒烟草等(周汝鸿和方荣祥, 1993)。

这一阶段的工作为我国后期生物技术的发展奠定了坚实的基础。

进入21世纪, 随着我国在生物技术研究领域投入的加大, 以及一批在生物技术基础和应用研究领域学有所成的学者的回国加盟, 在前期工作积累的基础上, 我国农业生物技术研究进入了以基因组测序、重要农艺性状功能基因的定位及克隆和鉴定等为主的自主创新期。

我国牵头或参与组织完成了包括水稻(Feng et al., 2002; Yu et al., 2002)、黄瓜(Cucumis sativus) (Huang et al., 2009a)、白菜(Brassica rapa)(Wang et al., 2011b)、马铃薯(Solanum tuberosum)(Xu et al., 2011)、谷子(Setaria italica)(Zhang et al., 2012a)、番茄(Sato et al., 2012)、二倍体棉花(Gossypium raimondii)(Wang et al., 2012a)等重要农作物的全基因组序列分析, A、D二倍体小麦基因组草图也已完成(凌宏清等, 贾继增等, 私人通讯)。