Deborah Delmer:转基因作物和食品安全

2014-10-23 | 作者: Deborah Delmer | 标签: Deborah Delmer

Deborah Delme:美国国家科学院院士。1963 年荣获印第安纳大学细菌学专业的学士学位,1968年在圣地亚哥加州大学荣获细胞生物学博士学位。她曾任教于密西根州立大学、希伯来大学、加州大学戴维斯分校,并且在加州大学戴维斯分校担任过植物生物学会主席。

如果到2050年全球人口高达90亿的时候,为了养活每一个人,那么就需要用到每一项能使粮食增产的技术。无需多说,转基因仅仅是这些技术中之一,但它起到了至关重要的作用。尽管如今针对转基因的虚假言论很多,但我们可以明确的表示目前的转基因作物对于人和动物来说是安全的。目前大规模种植的转基因作物,即抗除草剂品种和抗虫品种,只要在正确的环境中培育,对小型或大型的农业发展都是有益的,同时也是安全的。如果将优质基因,比如抗旱基因,氮高效利用基因,抗病基因以及改良营养成分基因,在作物早期的原生质体中表达后再进行育种,将转基因技术与育种策略相结合,将会相互促进相互发展。放眼未来, 发展中的国家需要制定出合理的监管制度来推动有益的转基因作物,而不是停留在无休止的田间试验阶段。基因组编辑等新技术能使我们对基因组特定区域进行精准、安全的改造,因此这类技术应获得比转基因更为宽松的监管环境。


如果到2050年全球人口高达90亿的时候,为了养活每一个人,那么就需要用到每一项能使粮食增产的技术。当被问起转基因作物在实现全球食品安全过程中可能的作用时,我想说这个话题已经是老生常谈了。每当谈起转基因,大部分的话题表达出的观点从“转基因作物对于实现食品安全是必须的”到“转基因作物是有害的,应该禁止”差异很大。通常在这两种极端的观点中没有严谨的求证和论据式的对话。因此我强烈推荐几篇有深度的文章,以科学为依据来讨论转基因作物[1-4]。

一、 关于转基因的一些虚假言论

妄言1. 转基因技术与转基因作物不安全

任何以事实为依托的讨论必须首先澄清一个观点:如今种植的转基因作物对于人类和动物是安全的。在转基因产品历经的30年中,没有人能给出合理的说法证明农作物中的转基因性状对人甚至动物造成了危害。并且,只要农业政策方面出台合理的监管制度,未来就可以再不用担心转基因作物的安全问题了。目前,反对转基因的激进分子已经花了上百万美元向百万民众反复宣传转基因作物有危害不可食用,不幸的是,百万的民众相信了他们。科学团体和政府机构有责任去反对这样的言论,并且应该依据科学观点证明转基因作物的安全性。

Ottoline Leyser近来写到[5]:“转基因作为一种遗传改良技术和其他的作物改良技术是一样的。我们应该跳出这样的思维,不应该认为转基因技术是特殊的,其实从作物改良的角度来说它和传统的育种是一样的。”就像Leyser说的,我一直认为,当我们评判一个新品种时,我们应该关注的是新性状的价值和安全性,而不是它被引入的方法。例如,如果抗除草剂的作物是由辐射引发突变的大规模群体中筛选而来,即使这个种子有其他未被鉴定的突变表型,我们也无需特别的规范来批准它的使用。相反的,我们却需要用全套的规范流程来批准用转基因方法获得的同样抗除草剂的作物的使用,并且插入的是我们鉴定过的基因。这样做合理吗?

在美洲,人们担心帝王蝶的严重减少。虽然草甘膦除草剂的广泛使用对帝王蝶并没有害,但是草甘膦的确能杀死milkweed。它是帝王蝶主要的食物之一,常生长在喷施草甘膦的田地中[6]。因此我对反转人士的建议是,可以培育抗草甘膦的milkweed,并让农民们将其种植在田边。当然到最后,这很可能是一个坏点子。但是,与其担心抗除草剂性状如何产生,不如把更多的注意力放在对抗除草剂性状的利弊分析上,比如说某块地域的某种作物(或杂草)是否需要抗除草剂的性状。

妄言2.转基因作物可能适合大规模的农业种植,不适合发展中国家的小农

1996年世界粮食首脑会议对食品安全是这样定义的:当世界上所有的人有充足、安全、营养的食物来维持健康有活力的生命时,才达到了食品安全。世界卫生组织认为食品安全的含义有三个层次:
1.食品可供应性:有维持生存足量的食物;
2.食品多样性:有满足各种营养需求的各类食物;
3.食品可利用性:在维持基本营养的基础上对食物合理的使用,就好像使用水那样。

显而易见,针对转基因作物能否改善食品安全任何讨论都必须集中在第一点上,也是最重要的一点上——食品供应,也就是要发展高产的作物。但另两个点同样重要,正如必须考虑作物的营养价值,因为许多人们不仅缺少食物,而且还缺乏微量元素的摄入,最典型的有铁缺乏、锌缺乏和VA缺乏。同样,在发展中国家还要重视农业生产者的盈利与否。BT棉花就是一个很好的例子,它虽然未直接增加食物的供应量,但是能间接增加农民经济收入从而使他们获得更多的食物。Qaim和Kouser近期的研究[7]证实印度种植BT棉花的小农相比种植其他品种的收入增加,他们能获得更多的食物,从侧面提高了食品安全。许多人很可能吃惊,在2013年已有1800万个农民种植转基因作物,其中90%是贫穷的小农户,而且其中很大一部分是在中国和印度种植BT棉花的[8]。

然而,对于在偏远地区种植不到一公顷田地的贫穷的农民(他们得不到化肥和一些好的种子)来说,转基因作物很可能对他们的影响不大,因为他们本来就无法得到转基因种子或者许多其他种子。他们最可能做的是,自己留一些种子或者将种子交易给邻居,然后祈祷好的天气和少一些害虫。但是,拉丁美洲和亚洲的许多小农户们却可以轻易获得种子。在非洲许多国家种子的质量正在提高,杂交玉米的种植也正在增加[9]。这说明种子可以买到,也说明农民收入超过了成本,还说明不管种植面积多少农民们愿意选择更好地种子,也愿意选择转基因种子。

最后一点,全球食品安全并非仅与贫穷的小农户们有关。历史告诉我们,城市化进程伴随着的是农场的集中化和规模化。当劳动力紧缺时,统一规模化生产的大型农场较零散的小农场的优势就会明显体现。正如下文将讨论的,虽然转基因作物对发达国家和发展中国家带来的好处或多或少,但无法忽视的是它对全球食品安全的贡献。

妄言3.转基因作物是食品安全的唯一出路

当然不是。还有许多其他手段,比如:使用分子育种技术,不断发展杂交育种,提高土壤肥力,改善灌溉管理、农艺措施,加强基础建设(如更多、更好的公路),拉大市场需求,控制人口增长,建立更好的政策环境,消除贪污腐败。

二、增强哪些性状能显著提高食品安全性?

1. 全球转基因作物中最主要的两个性状:抗除草剂性状和抗虫性状。在全球范围内,这两个性状——抗除草剂和抗虫(多是Bt基因)在转基因作物中应用最为广泛。比如在美国、巴西和阿根廷,已经种植非常大比例的抗除草剂且抗虫的转基因玉米和抗除草剂的转基因大豆,它们主要用于动物饲料。我心想,如果政府命令一部分玉米和豆类必须针对人类食用设计,且仅根据人们的需求量种植,而不是用于喂养其它动物,那么这将有利于食品安全的实现。但是,不知是好是坏,自从发展中国家(特别是中国)肉类需求的急剧增长[12],转基因玉米和大豆的高效高产的优势转换成了全球价格的下降,因此也有助于实现食品安全。在中国,水稻是人们的主粮,而玉米则是主要的动物饲料。早在2009年中国就已颁发了转Bt抗虫水稻和转植酸酶玉米的转基因生物安全证书,但是至今这两者都没有被允许商业化生产,而且中国乃是世界上最大的转基因玉米和大豆进口国(用于动物饲料)。

同样值得注意的是,尽管转基因水稻和小麦的许多田间性状有利于许多国家的农业生产,但是世界上还没有任何一处批准这两者的种植。而水稻和小麦却是世界范围最重要的两类主粮。目前世界粮食中20%的卡路里来源于水稻,差不多比例的卡路里来源于小麦。因此可以明确的一点是,对于以水稻和小麦为主粮的上百万人民来说,转基因作物对食品安全尚没有作出一丝贡献。

2. 抗除草剂性状(HT)。“免耕农业”的流行(适用于大型农场的种植方式)绝大部分依赖于抗除草剂转基因作物[13]。近来一篇报告[14]分析了11种技术对水稻、玉米和小麦的产量和价格的影响,得出了这样的结论:提高氮的利用率,增强作物抗旱能力和免耕技术这3个技术最具应用前景。免耕技术可以减少劳力和肥料使用、保障土壤湿度、增强土壤肥力。但是,对杂草的控制同样关键,在美国抗除草剂作物(特别是抗草甘膦作物)的推广明显增强了免耕技术在玉米、棉花和大豆中的应用[13]。孟山都公司在多年前已研制出抗除草剂小麦,但迟迟未见推广。现在据称它们已重新开始考虑转基因小麦的市场化。毫无疑问,抗除草剂品种可以给越来越多采用免耕技术的小麦种植者们带来实实在在的好处。

劳动力成本增加和水资源紧缺导致直播水稻越来越受欢迎。水稻的生长一直伴随着杂草的危害,但是我从许多水稻种植者处了解到的是,除非能有抗除草剂的水稻,否则直播水稻的方法还是会继续使用的。具有杂草性的野生稻对多数除草剂有着和栽培稻相似的反应[15]。比如说,目前已有一种通过突变育种筛选到的耐咪唑啉酮的抗除草剂水稻,然而现在需要考虑的是野生稻是否也会对其产生抗性。目前也已研发出多种抗除草剂水稻(如抗草甘膦水稻),但是没有一个开始商业化。

对抗除草剂性状的担心主要是抗除草剂杂草的出现。特别担心产生抗草甘膦杂草,因为草甘膦已经广泛使用且常常被滥用。实际上,抗草甘膦基因的靶标是氨基酸生物合成途径中一个必需关键酶的活性位点。该抗性基因突变的概率远低于抗其它除草剂的基因[16]。但,草甘膦抗性的出现是必然的,因为正如抗性会出现在暴露在BT蛋白作用下的害虫中,还会出现在任何通过常规育种获得的抗除草剂或抗虫或抗病作物中。那么关键问题不是选择转基因作物或者非转基因,而是尽可能采用最佳的田间管理方案来尽可能的延误抗性的产生。再次强调,我们应该关注性状本身,而不是产生性状的方法。

3. 抗虫性状。正如前文所述,Bt棉减少了杀虫剂的使用从而带来了产量和经济上的收获。因此,即便Bt棉并不是人类的食物,但在像印度[7],中国[17],布基纳法索[18]和巴基斯坦[19]这样的国家,Bt棉对食品安全起到了贡献。当然还有Bt玉米,由于其被广泛接受,所以它对全球粮食生产进而对全球食品安全也起到了关键作用。本文我已花了大的篇幅讨论转基因作物发展的相关问题,但仅关注了棉花、玉米和大豆。所以,我准备将重点放在豆科植物抗虫(对许多发展中国家的小农十分重要)的问题上。

人们常说,如果大家少吃肉食,杜绝浪费,那么食品安全的问题很可能迎刃而解。通过调控我们已知的基因来调控作物生长,转基因技术在解决食物浪费问题上可能起到一定作用[20]。中国人擅长从豆类中提取植物蛋白,比如说早在2000年以前中国人已发明了豆腐。当今,随着肉类需求的不断增长,人们开始不断从豆类和麦麸中提取新的高蛋白食物(http://www.peta.org/living/food/meat-replacements/)。而且,据我所知世界上没有比豆类更好吃的素菜了。比如,印度穷人们的食谱中除了鹰嘴豆和木豆外,基本没有别的素菜。即便这些豆科植物富有营养且结实,但如果需要大规模的种植就会面临诸如种子大、产量低、易感病、缺少杂种资源(特别是对于木豆)等挑战。也正因如此,它们对民间种子企业并没有很大的吸引力。

鹰嘴豆在豆类食物中的重要性排在第三。它十分结实且具营养,在非洲、中东和亚洲广泛种植。在西非,豇豆既是人类主要的食物,也是动物饲料,还可以通过固氮作用改善土壤肥力。木豆作为印度菜dal中的主要成分被广泛食用,正如前文所说,它是印度穷人食用蛋白的主要来源。近年来,东非国家越来越多地种植木豆,不仅用于本土消费,更出口到印度。

鹰嘴豆、豇豆和木豆生产面对最大的挑战就是田间遭遇害虫的取食(尤其是棉铃虫Helicoverpa armigera和豆野螟Maruca vitrata这样的钻心虫)导致减产,预计直接经济损失每年超过十亿美元,而且还没算上每年超过5亿美元的杀虫成本(www.ICRISAT.org)。对于小农户们,并不总是能买到合适的杀虫剂。这样他们就经常使用安全性低的杀虫剂。钻心虫对多种不同的Bt蛋白是极度易感的。由于这些豆类中缺乏抗虫效果显著的种质资源,所以应对虫害带来的减产的唯一有效途径就是培育它们的转Bt基因材料。

豇豆和鹰嘴豆都是自花授粉,几乎无法与其它物种或其野生品种远缘杂交。因此,它们不存在基因漂流的问题,而且对于三到四年才购买一次种子的穷苦农民来说,留种亦不会丢失抗虫性状[22]。相反,木豆是异花授粉的,故存在基因漂流的问题,但另一方面有利于培育高产且抗虫的杂交种。该杂交种由民间公司提供,同时这些公司还能提供与抗性管理有关的专业知识或技能。的确,政府在从事转基因事业时最大的挑战就是建立健康的种子系统,而这个问题对民间公司常常并不成为问题。吸引民间公司参加可能是最好的解决方案。转基因大豆的流行说明这样一个事实:民间公司已非常重视豆类植物。

在非洲发展转Bt豇豆这一项目已经开展的非常全面,在过去十多年中,已培育出超过800个转Bt基因豇豆事件 (www.aatf-africa.org; TJ Higgins, personal communication)。通过该项目我们可以认识到在非洲撒哈拉大沙漠以南八个国家(SSA)这类食品危机地域,政府在推广转基因时会面对到的许多问题。首要问题就是怎样建立一个程序将在澳大利亚TJ Higgins实验室培育出的有效的豇豆转化株运送到SSA[22]。第二个问题就是怎样获得cry1AB基因的使用权。孟山都公司(该基因的拥有者,也是可能的捐献者)首先提出这个问题,随后非洲农业技术基金会(AATF)与孟山都达成协议使得问题得以解决。该协议规定,孟山都公司不会阻碍该项目利用cry1AB基因,但也不会提供含该基因的DNA载体;该项目的人员可以通过使用孟山都公司提供的DNA序列信息而自己合成目的基因。由Higgins实验室研制出的转化株在非洲温室中证实对豇豆荚螟(MPB)高抗,且没有明显异常表型。在西非经过若干年的田间试验后,该项目又在波多黎各进行了少数试验。由于缺少虫源,所以抗虫效果没法很好的测试,但是也观察到了温室中不明显的表型——一些最好的转化事件在田间生长时出现发育异常。至今,西非国家中尼日利亚是第一个有四年田间试验结果的国家。第二个是布基纳法索,近期加纳也完成了。

这些结果相当好,从中我们可以了解到在特定国家进行田间试验的重要性。图1A所示的是,2012年在尼日利亚进行的大型田间试验的早期情况,在无害虫的条件下,最好的两个转基因事件与对照比起来并无产量损失。图1B所示的是,2012年在布基纳法索得到的试验数据,在害虫存在的条件下,对照几乎绝产。其中转基因事件709A正作为供体亲本,用来将抗MPB性状导入到已经抗Striga、蚜虫和牧草虫且受农民喜爱的品种中去。

Huesing等[21]已经考察了该项目中遇到的许多问题。他们观察到豇豆自花授粉的特性减缓了远缘杂交的发生,还指出Bt基因已用于其它作物上来抵抗害虫取食,而且Bt基因对非靶标害虫无明显作用。导入不会使昆虫产生交叉抗性的第二个Bt基因到已有抗MPB事件中,或MPB由南至北迁徙的习性,均可以起到延缓昆虫对Bt蛋白抗性的产生的作用。

虽然并未采用很高级的技术,但通过转基因豇豆的成功我们可以推测转基因鹰嘴豆和木豆(目前都能被转基因[23, 24])也是可能实现的(与K. Sharma and TJ Higgins, 的私下交流)。再加上近期转Bt茄子已在孟加拉国上市(印度正在等待上市,见[25])。这些项目使我们清楚的认识到,利用政府和民间合作项目在食物缺乏的地域推广转基因作物是可能的。

4. 抗病性状。发达国家的规模化农业生产通过常规育种、喷洒杀虫剂、杀真菌剂以及高效田间管理等方式有效地控制着植物病害。第一个也是唯一一个商业化的转基因抗病作物是抗环斑病毒木瓜。它实际上拯救了夏威夷的番木瓜产业[26]。同样在中国转基因木瓜也上市了[8]。另一个正在发展的转基因抗病作物是抗细菌性萎凋病香蕉,近期已在乌干达进行了首次田间试验[27]。

危害着许多蔬菜的双生病毒是发展中国家遇到的特殊问题,其中玉米条纹病和木薯花叶病毒是非洲特有的。褐条纹病毒是一类RNA病毒,它导致东非木薯的大量减产。虽然有一些抗性位点和对部分病毒耐受的位点可用于育种中,但是这个数目十分有限。那么转基因策略应视为一个重要的候补,特别是考虑到一些病毒能够产生大量的突变[28]。一些研究团队正在着手应对玉米和木薯上的非洲病毒,而且不少抗病材料已在不同的非洲国家的温室或田间进行试验(见Bailey et al.[1] for an up-to-date list of current efforts on GM crops in Africa)。现今,由巴西农牧研究院(EMBRAPA)培育出得转基因抗金色花叶病毒豆已成功的在巴西上市[29]。黄龙病正成为影响全球柑橘类水果产量的主要病害,那么现在就应该考虑转基因策略是否是唯一能对抗黄龙病的方案[30]。

5. 抗旱性状。全球气候变化带来的不确定因素和城市生活用水和农村灌溉用水间的竞争,这两者致使我们得想办法增强作物的抗旱能力[31]。从以往经验来看,多数育种者认为干旱耐受能力是由植物从各个方面调控的一个复杂性状。然而,许许多多已发表的研究显示对一些单个基因的超表达可以提高与干旱耐受有关的表型[32]。但是,许多这类研究仅针对模式植物且没有相应的水分控制条件下田间试验的结果。

在过去两年里,两个跨国公司都在美国发布了新的玉米品种。这使得我们可以在分子标记辅助选择育种手段和转基因手段间做一个十分有趣的比较。第一个是Optimum® AQUAmax®(杜邦先锋旗下的品牌),它有一系列能适应美国不同气候区域的抗旱杂交品种。它是通过经典的分子标记辅助选择育种手段获得(https://www.pioneer.com/home/site/us/products/corn/seed-traits-technologies-corn/optimum-aquamax-hybrids)。相反,孟山都公司近来推出了第一款转基因抗旱杂交玉米品种,名叫Ingenuity® DroughtGardTM 杂交种(http://www.monsanto.com/products/pages/droughtgard-hybrids.aspx)。它是通过在亲本中表达一个编码伴侣蛋白的基因来提供抗旱能力[33]。有趣的是,即便2013年是这两个品种在美国商业化的第一个年头,但通过进口到中国,它们的抗旱性能已得到证实。

尽管现在来判断这两种手段培育出的抗旱品种是否成功为时尚早,但通过早期的结果可以看到这两种手段得到的抗旱品种在干旱条件下产量适中,正常条件下不会减产。Aquamax品种经历了更长的田间试验,在过去的3个种植季已比较了42000个植株。Optimum® AQUAmax® 的产品在干旱环境下有着6.9蒲式耳(计量单位)的优势,在正常环境下有着3.6蒲式耳的优势(https://www.pioneer.com/cmroot/pioneer/us/products/seed_trait_technology/optimum_aquamax/Infographic_AQUAmax_2014.pdf)。对DroughtGard很早的报告指出干旱条件下其每英亩可增产5蒲式耳。通过多年在多种环境下对产量稳定性的考察,这些增产数据可能看上去很一般[31],但是以往商业化的杂交玉米并没有特意针对抗旱性状作选择。而且,这些数据亦可以解除这样的一类误解:通过单个或多个基因的导入可以得到既抗旱又有着奇迹般的产量数据的品种。当然,很明显这两个公司都看好将分子育种和转基因育种相结合来培育更好的抗旱品种。杜邦先锋现今正在评估多个抗旱基因,很可能准备将其导入到通过分子育种获得的抗旱玉米中。同时孟山都也正努力将它们的单个抗旱基因导入到已报道的具抗旱能力的种质资源中。

孟山都公司正与CIMMYT和NARS(东非多个国家)合作一个项目,名叫WEMA (Water Efficient Maize for Africa),该项目将测试DroughtGard品种在非洲的性状(http://wema.aatf-africa.org/)。协议规定,获得的成功品种将在这些国家免收专利费。正如前文所述,结合分子育种和转基因的优势,在非洲培育具有高产、抗旱性状的品种毫无疑问是极为重要的。

不管用哪种技术来获得抗旱性状,我们可以清楚一点就是,抗旱性状是所有性状中最具挑战的。因为在高度严格的条件下设计可重复的试验是非常困难的。这一块不仅需要民间企业付出不同往常的努力,也需要政府与民间给出更富有创造力的合作来推动发展中国家的农业生产。

6. 氮高效利用性状。不管是在发达国家还是发展中国家,土壤中氮的含量都是产量的主要限制因素[34]。氮使用的最优化是所有农民都想达到的目标,这样既省钱又能避免过度施肥影响环境。对于很多农村的穷人,授权和成本也是明显的关键因素。研究者们现已把更多的注意力放在了氮高效作物的培育上,但是要面对的挑战有:氮高效可以从不同的角度定义且难量化;再加上氮高效涉及许多复杂的代谢途径。然而,氮高效已是作物遗传改良中不可忽略的一部分,并已通过传统育种和转基因方法的改良取得了一些进展[34]。

IMAS项目(Improved Maize for African Soils; http://www.pioneer.com/CMRoot/ Pioneer/About_Global/news_media/pannar/IMAS_fact_sheet_061813.pdf)类似于以上提及的WEMA项目。该项目是由CIMMYT、非洲NARD和大型跨国杜邦先锋公司之间合作完成。对于WEMA项目来说,由IMAS项目生产出的种子对于SSA国家将免除专利费。但不同的是,该项目更强调氮高效杂交玉米的改良。该项目将结合常规育种与分子育种方法来导入和评估多个可能提高氮吸收效率的基因。考虑到在这些土地贫瘠,化肥贵且难买,对于SSA国家,实现氮高效无疑类似于一项免费[14]的技术。所以,这将是另一项有前景的政府民间合作项目,有利于SSA国家的食品安全。还有另一项政府民间合作项目,Arcadia生物科技公司已经捐献出它的氮高效和水利用高效基因技术。这个项目由Africa Rice和CIAT执行,AATF协调(http://aatf-africa.org/files/files/ publications/Rice-Progress-Report-2012.pdf),已在加纳和乌干达开始早期田间试验。

7.营养强化。食品安全不仅仅只是满足卡路里的需求。导致营养不良的一个主要因素是缺乏铁、锌和VA,或者是缺乏其中之一。很多研究者正尝试着增加铁在作物中的积累,用这类生物强化的方法来应对营养不良。Harvest Plus (www.harvestplus.org)是一个全球化的项目,旨在通过深度挖掘已有育种材料和收集高铁、高锌和高原维生素A的种质资源来创造生物强化型作物。已有许多应用此方法的成功案例,如高铁含量的豆子、狼尾草,和高原维生素A含量的木薯、玉米和甘薯。但该方法的缺点一是提高的水平不如通过转基因可能达到的,二是性状的遗传常常复杂且易发生对本土品种的基因渗入。应用转基因策略的经典案例就是黄金水稻[35]。类似的黄金香蕉[36]和黄金木薯也正在非洲进行田间试验[1]。

已证实造成人营养不良的最主要原因是缺铁。铁离子极易被反应,植物中有着一套十分复杂的机制来维持其动态平衡以避免铁的过剩积累。但是,一项最近的研究工作证实,超表达一个铁离子螯合酶(烟酰胺合酶)的基因能够将水稻中铁离子和锌离子的含量提高到以往常规手段都达不到的水平[37]。这项十分具有前景的发现也可能应用到其他作物上。

三、展望未来

1. 永无止境的田间试验。在很长的一段时间里,仅少数国家允许转基因作物的田间试验。这一点是最不幸的,因为没法在当地的环境下考察这些作物的性状,或是让农户有机会亲自观察。然而现在,非洲至少有8个国家和亚洲有如中国、越南、缅甸、印尼、菲律宾、孟加拉国、巴基斯坦的多个大国已允许转基因作物的田间试验,还有时而允许时而禁止的印度。但正如Bailey[1]等指出的那样,在许多国家中,永无止境的田间试验好像没有违反规定,也好像永不会将转基因作物释放给农户。不幸的是,政治家们已经意识到允许田间试验是安全的,并可以以此展示他们的开明。而且他们也意识到更安全的策略一是要求更多的田间试验,而不是批准悬而未决的生物安全法案(即使该法案已在当地立定),二是找到更多借口延迟转基因作物的推广(尽管其已经在田间试验中进行过无数次测试)。布基纳法索作为一个小国家批准了Bt棉的上市,受到了许多赞赏,而且已取到许多可喜的回报。批准的第一年,棉花产量增加18%,杀虫剂上节省的开支弥补了在种子上的花费[18]。批准六年后,Bt棉种植的比例已达到70%。Bt茄子近期在孟加拉国的上市也将是一个进步[25]。

2.协调监管制度。众所周知,绝大多数食品紧缺国家缺少官方的转基因监管制度,或是监督制度不合理,这是阻碍转基因作物发展的绊脚石之一。在发达国家中,为了迎合所有生物安全的需求花费巨大,这个先驱案例说明对于缺乏资金的发展中国家,这些花费应该禁止。建立全球认同的单一监督制度当然有助于转基因作物的发展,也有助于确认已有转基因作物的安全性。举一些好的例子,在加拿大有一套程序来考察作物新品种的性状而不是创造新品种的技术手段;在巴西所有的制度都由一个机构制定;美国在这方面有着最丰富的经验。但有趣的是,在2010年由19个成员国组成的COMESA机构颁发了一项草案用于协调监督转基因作物,并帮所有成员国科学地评估转基因作物。不过成员国是否接受转基因作物却是自愿的[38]。这项草案在2013年被批准,其中还包括建立一个专门的COMESA生物技术和生物安全部门,来合理地确定生物评估的耗费保证它可能被所有成员国接受。可以预见到,反转基因的激进分子正在四处游说以期废除该政策[39]。但不断怎样,如果非洲能在协调监管制度上建立一个模板,这将是转基因作物全球化进程中很重要的一步。

3. 转基因作物该怎样定义?生物技术发展如此迅速致使转基因作物的定义很容易就过时。在文章结束之际,我将举三个生物技术的实例来介绍这点。这三个实例都是利用转基因的手段改造植物但是最终获得的转化植物并不能称之为转基因的。第一例由已故的Simon Chan发明的“基因组介导消除”工作的一部分,提供了创造双单倍体的一种新手段。双单倍体中的每个基因位点都是纯合的,因此它广受植物育种家的喜爱并被广泛应用于玉米育种工作中。但是另一些作物如对穷人重要的木薯和香蕉已被证实很难获得双单倍体。通过该方法,使用cenh3-1 GFP-tailswap该转基因材料(含着丝粒改造后组蛋白GENH3)来诱导单倍体。当它与其他育种材料杂交后,从转基因亲本中得到的那条染色体发生丢失。因此可以得到育种材料的单倍体胚随后再获得种子,那么从这些种子中就可以获得可育的双单倍体,它是非转基因的[40]。一个有IITA,CIAT和UC Davis参加的项目正在尝试该技术在木薯和香蕉中是否可行。

第二项技术由杜邦先锋公司发明,名叫种子生产技术(SPT)(http://www.pioneer.com/CMRoot/Pioneer/About_Global/our_research/enabling_technologies/enabling_technologies_sheets/Tech_SPT_2014.pdf)。该技术使用了一个转基因保持系,但是后代和获得的杂交种中都不含转基因。在美国,该技术已成功在玉米中应用,同样也正努力在水稻中应用,也可能应用到多在非洲国家种植的高粱和粟中。

正如育种过程会永远改变植物的基因组信息,第三个新技术在我看来极具希望,它可以实现对靶基因的定点改造,使靶基因部分或是完全失活来改良相应性状。锌指核酸酶技术可通过定点的核酸酶切割(SSN)对基因组精确编辑。定点核酸酶切割涉及到核酸内切酶对特定基因序列的识别和切割。它是通过改造核酸酶让其识别特定DNA序列(TALEN技术[41])或是改造核酸酶上引导识别的RNA序列(CRISPR/Cas9技术)来实现的[42, 43]。核酸酶一旦靶到DNA上,就会切割DNA链,随后细胞中DNA自我修复,目标区段或是发生缺失或是发生少量序列改变,导致蛋白产物表达变化或是根本无表达。TALEN技术已经被用于获得具有白叶枯抗性的水稻突变体,并且带有TALEN骨架结构的载体序列在后期的育种中会自动消除,使转基因植物中没有外源DNA残留,并且除了目的基因的特定位点修饰之外,植物基因组也没有任何改变[44]。

这些基因组编辑技术还可以用在包括哺乳动物的许多物种中[43],其中CRISPR/ Cas9技术因其仅靠与靶基因DNA序列同源的RNA序列识别而操作起来最为容易。有人预测,该技术将成为人类基因治疗和作物准确育种的有力工具。还有一点并没有经常被提及,就是转基因和基因组编辑技术都能使育种家快速鉴定一个影响重要表型的大的QTL位点中是否存在特异的位点。不幸的是,从事转基因的公司(也是基因的捐献者)阻碍发展中国家研究团队做以上的尝试,即便是仅出于研究目的。

综上所述,转基因作物既可以给富有农民,还可以给贫穷农民带来好处,而且已证实它的安全性。加之,已经有了很多不同于常规转基因手段的新技术。至少这些新技术在早期发展中应得到宽松的环境,通过它们创造的新品种不应该被视为转基因,也不应该以转基因作物的方式监管。看到这些具有前景的科学技术,特别是基因组编辑技术,我们应该对作物改良的前景更加乐观。但是,可以举这么一个小例子来说明我们将面对的挑战依然挥之不去。当我和我一个反转的熟人谈论一项新技术——它可以实现对引起人类重大疾病基因突变的更正。他是相当兴奋,而且很赞同这项技术。但是当我又问到,如果使用这项技术来创造抗病的水稻呢,他犹豫一下然后问道:“那它不就是转基因的吗?因为它是转基因,所以当然不可以!”

这的确是我们会遇到的挑战,去告诉一些谨慎的公众们如何合理评估任何或者所有新的科学技术(包括转基因和基因组编辑)的好和坏。这些技术有助于我们解决在实现全球食品安全过程中遇到的问题。

参考文献
1) BAILEY R, WILLOUGHBY R, GRZYWACZ D. 2014. On trial: Agricultural biotechnology in Africa. In: Energy, Environment, and Resources, July, Chatham House, The Royal Institute of International Affairs. pp. 1-26
2) ORTIZ R, JARVIS A, FOX P et al. 2014. Plant genetic engineering, climate change and food security. CCAFS Working Paper no. 72. CGIAR Research Program on Climate Change, Agriculture and Food Security (CCAFS). Copenhagen, Denmark. Available online at: www.ccafs.cgiar.org
3) NAAM R. 2014. Why GMOs matter—especially for the developing world. In: Grist, Jan 22. Also online at http://grist.org/food/why-gmos-do-matter-and-even-more-to-the-developing-world/
4) IBRAHIM A. 2014. Africa on GMOs. Scientific response to anti-technology NGOs. In: The Leadership, Aug. 17. Also online at http://leadership.ng/features/381282/africa-gmos-scientific-response-anti-technology-ngos
5) LEYSER O. 2014. Moving beyond the GM debate. PLoS Biol. 12(6): e1001887
6) PLEASANTS, JM AND OBERHAUSER, KS, Milkweed loss in agricultural fields because of herbicide use: effect on the monarch butterfly population. Insect Conservation and Diversity, 2012, doi: 10.1111/j.1752-4598.2012.00196.x
7) QAIM M AND KOUSER S. 2013. Genetically modified crops and food security. PLoS ONE 8(6): e64879 doi:10.1371/journal.pone. 0064879
8) JAMES C. 2013. Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops: 2013. ISAAA Brief No. 46. ISAAA: Ithaca, NY
9) Africa Agricultural Status Report: Focus on Staple Crops. 2013. Alliance for a Green Revolution, Nairobi, Kenya
10) LOWDER SK, SKOET J, SINGH S. 2014. What do we really know about the number and distribution of farms and family farms in the world? Background paper for The State of Food and Agriculture 2014. Online at www. Fao.org/economics/esa
11) MASTERS WA, DJURFELDT AA, DEHANN CD et al. 2013. Urbanization and farm size in Asia and Africa: Implications for food security and agricultural research. Global Food Security. 2: 156-165
12) LAM HM, REMAIS J, FUNG MC et al. 2013. Food supply and food safety issues in China. Lancet 381: 2044-2053
13) GIVENS WA, SHAW DR, DRUGER GR et al. 2009. Survey of tillage trends following the adoption of glyphosate-resistant crops. Weed Technology 23: 150-155
14) ROSEGRANT M, KOO J, CENACCHI N et al. 2014. Food Security in a World of Natural Resource Scarcity. International Food Policy Research Institute, Washington DC
15) BURGOS NR, SINGH V, TSENG TM et al. 2014. The Impact of Herbicide-Resistant Rice (Oryza sativa L.) Technology on Phenotypic Diversity and Population Structure of US Weedy Rice. Plant Physiol. Preview: DOI:10.1104/pp.114.242719
16) SCHÖNBRUNN E, ESCHENBURG S, SHUTTLEWORTH WA et al. 2001. Interaction of the herbicide glyphosate with its target enzyme 5-enolpyruvylshikimate 3-phosphate synthase in atomic detail". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98 (4): 1376–80
17) HUANG J, MI J, LIN H et al. (2010) A decade of Bt cotton in Chinese fields: assessing the direct effects and indirect externalities of Bt cotton adoption in China. Science China Life Sciences 53: 981–991
18) VITALE JD, VOGNAN G, OUTTARRA M, TRAORE O. 2010. The commercial application of GMO crops in Africa: Burkina Faso’s decade of experience with Bt cotton. AgBioForum: 13(4), 320-332. Available online at: http://www.agbioforum.org
19) ALI A, ABDULAI A (2010) The adoption of genetically modified cotton and poverty reduction in Pakistan. Journal of Agricultural Economics 61: 175–192.
20) PENG P, YUAN B, GUO Y. 2014. The role of abscisic acid in fruit ripening and responses to abiotic stress. J. Exp. Bot. 64(16): 4577-4588
21) HUESING J, ROMEIS J, ELLSTRAND N, (2011) Regulatory considerations surrounding the deployment Of Bt-expressing cowpea in Africa: Report of the deliberations of an expert panel. GM Crops 2 (3):211-224
22) POPELKA JC, GOLLASCH S, MOORE A, MOLVIG L, HIGGINS TJ. 2006. Genetic transformation of cowpea (Vigna unguicalata L.) and stable transmission of the transgenes to progeny. Plant Cell Reports 25: 304-312
23) SHARMA KK. 2006. Chickpea (Cicer arietnum L.). Methods in Mol Biol. 343: 313-323
24) SHARMA KK. 2006. Pigeon pea (Cajanus cajan L. Millsp.). Methods in Mol. Biol. 343: 359-367
25) BARWALE-ZEHR U. 2014. GM Crops for India. THIS PROCEEDINGS
26) GONSALVES D. 2006. Transgenic papaya: development, release, impact and challenges. Adv. Virus Res. 67: 317-354
27) TRIPATHI L, TRIPATHI N, KIGGUNDU A et al. 2014. Field trial of Xanthomonas wilt disease-resistant bananas in East Africa. Nature Biotechnol. 32: 868-870
28) TAYLOR NJ, HALSEY M, GAITAN-SOLIS E et al. 2012. The VIRCA project: Virus resistant cassava for Africa. GM Crops Food 3: 93-103
29) ARAGAO FJ, NOGUEIRA EO, TONOCO ML, FARIA JC. 2013. Molecular characterization of the first commercial transgenic common bean immune to the bean Golden mosaic virus. J. Biotechnol. 166: 42-50
30) HARMON A. 2013. A race to save the orange by altering its DNA. The New York Times, July 27. Online also at http://www.nytimes.com/ 2013/07/28/science/a-race-to-save-the-orange-by-altering-its-dna.html?_r=0
31) BOYER J, BYRNE P, CASSMAN KG et al. 2013. THE US 2012 DROUGHT IN PERSPECTIVE: A CALL TO ACTION. Global Food Security, http: //dx.doi.org/10.1016/j.gfs.2013.08.002i
32) HU H, XIONG L. 2014. Genetic engineering and breeding of drought-resistant crops. Annu. Rev. Plant Biol. 65: 715-741
33) CASTIGLIONI P, WARNER D, BENSEN RJ et al. 2008, Bacterial RNA Chaperones Confer Abiotic Stress Tolerance in Plants and Improved Grain Yield in Maize under Water-Limited Conditions, Plant Physiology, 147 (2): 446-455
34) XU G, FAN X, MILLER AJ. 2012. Plant nitrogen use and assimilation use efficiency. Annu Rev Plant Biol. 63: 153-182
35) DUBOCK A. 2014. Golden Rice. These proceedings
36) NEWS. 2014. Vitamin A super banana in human trials. Nature Biotechnol. 32: 857
37) JOHNSON AA, KYRIACOU B, CALLAHAN DL et al. 2011. Constitutive overexpression of the OsNAS gene family reveals single-gene strategies for iron- and zinc- biofortification in rice endosperm. PLoS One 6(9): e24476
38) NATURE EDITORIALS. 2010. Transgenic Harvest. Nature 467: 633-634
39) KHISA I. 2013. Approved Comesa GMO policy a worry. The East African, October 26. Available online at http://www.theeastafrican.co.ke/news/Approved-Comesa-GMO-policy-a-worry/-/2558/2048116/-/aidgct/-/index.html
40) SEYMOUR DK, FILIAULT DL, HENRY IM et al. 2012. Rapid creation of Arabidopsis doubled haploid lines for quantitative trait locus mapping. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 19: 4227-4232
41) LI T, LIU B, CHEN CY, YANG B. 2014. Talen utilization in rice genome modifications. Methods 69: 9-16
42) ZHANG H, ZHANG J, WEI P et al. 2014. The CRISPR/Cas9 system produces specific and homozygous targeted gene editing in rice. Plant Biotechnol J. 12: 797-807
43) HSU PD, LANDER ES, ZHANG F. 2014. Development and applications of CRISPR/Cas9 for genome engineering. Cell 157: 1262-1278
44) LI T, LIU B, SPALDING MH et al. 2012. High efficiency TALEN-based genome editing produces disease resistant rice. Nature Biotechnol. 30: 390-392

来源:基因农业网

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