转基因作物在美国未来的方向、发展与应用

2014-10-29 | 作者: Martina Newell-McGloughlin | 标签: 转基因作物在美国未来的方向、发展与应用

摘要:2013年,美国生物技术作物种植面积达到了7.01千万公顷,占全球种植面积(17.5千万公顷)的40%,其平均普及率近乎达到了90%。美国大多数目前被认证的生物技术作物都是集中于改良农艺性状,其中尤其以生物逆境为多。在不远的将来,焦点仍会放在农艺性状特别是害虫的防治上,同时由于气候变化及耕地利用等一系列的外部环境压力不断增大,人们在非生物逆境胁迫的耐受方面也越来越有兴趣。农业生物技术不仅帮助世界范围内的农民提高农作物产量,改善土地的生态状况,同时可以提高资源的利用效率。这些技术的使用减少了耕作活动(这可以降低二氧化碳等温室气体的排放)、降低了水土的流失和燃料的消耗。先进的害虫控制技术在增加现有土地的产量的同时也降低了将森林和荒地变为可耕地的压力。如果失衡且不基于风险的监管政策、起作用的虚假宣传、资源的缺乏等仍然那么普遍,那么不仅是环境收益,就连改善营养品质、减少采后损失和增强食物安全等方面的潜力也难以发挥出来。


据估计,为了满足2050年世界人口对粮食的需求,全世界必须用更少的土地,更少的水、能源、化肥和农药等投入来增产70%-100%。这就需要更先进的粮食作物生产体系来应付一系列的变化,包括日益增长的人口;急速变化的气候;逐渐减少的资源;逐渐变化的饮食习惯以及消费者对安全、高质量、营养丰富且便利的食品的需求。为应对这些变化,需要有创新的技术来保证人体可获得的、经济上实惠的富含营养的粮食的充足供应。从粮食缺乏的内陆城市到许多地区的不毛之地,健康的饮食依旧是难以保障的。只有在发达国家和发展中国家都能广泛使用的技术才能消弭两者之间在食品上的不平等。与发达国家急剧增加的肥胖、心血管疾病、糖尿病、癌症以及相关的疾病形成鲜明对比的,则是欠发达国家的慢性营养不良。这两者面对的问题都需要一种改良的食品供应方式,生物技术虽然不是唯一的解决方案,但注定起着重要的作用。可持续发展的集约化将是大势所趋。

在2013年,美国的转基因作物占地7.01千万公顷,占了全球总种植面积(17.5千万公顷)的40%,在主要作物中的普及率平均约90%(图1)[1]。其主要的作物是大豆、玉米和棉花,而主要的改良性状是耐除草剂(主要为草甘膦)和抗虫(来自苏云金芽孢杆菌,简称Bt)。2013年美国约一半的土地(1.69亿英亩)用来种植转基因作物,包括抗虫玉米、耐除草剂油菜、耐除草剂甜菜、耐除草剂苜蓿和抗病毒的木瓜和南瓜。

基于美国农业部提供的数据,耐除草剂大豆的种植面积比例从1997年的17%增长到2001年的68%,到2014年达到了94%。耐除草剂棉花的种植比例从1997年的10%到2001年占56%,在2014年达到了91%。而耐除草剂玉米的种植虽然在前几年增加较缓慢,但在2014年也达到了89%。抗虫型Bt转基因从1996年以来一直应用于玉米和棉花,抗虫玉米的种植从1997年的8%增加到1999年的26%,而在2000年和2001年的时候降到了19%,直到2003年达到了29%,2014年更是高达到80%。这几年种植面积的增加很大程度上是因为Bt玉米新品种的商业引入,其同时对欧洲玉米螟、根萤叶甲和穗虫具有抗性,而之前的Bt玉米只针对于欧洲玉米螟。抗虫棉花的种植面积也增加的很快,从1997年的15%上升到2001年的37%,到2014年达到了84%。[2]

抗虫玉米还有一个间接效应:减少了害虫侵害的同时也减少了真菌的侵染,这可减少对健康有严重伤害的真菌毒素的污染。根据Hutchisons等人的报道[3],转基因玉米使人们在过去的十四年中获得了32到36亿美元的效益,而其中有19亿到24亿美元来自于“光环效应”即非转基因玉米的种植。人们认为这与对害虫种群抑制的理论预测一致(转基因种植区对害虫的有效防治可以惠及周边非转基因种植),并鼓励种植者们可以在周边种植非转基因作物,以此来发挥最大经济效应。随着欧洲螟虫和玉米根虫哪一个是转基因玉米的主要目标的变化,转基因玉米的种植在未来仍会有一些波动。同样,转基因抗虫棉的种植取决于它们的目标害虫到底是烟草蚜虫、棉铃虫还是棉红铃虫。抗虫的保护效应已经达到最佳并使得其种植面积趋于了稳定。所有转基因玉米的种植已经占了玉米总种植面积的93%。所有的转基因棉花,包括耐除草剂和抗虫品种,达到了棉花总种植面积的96%,与之相近的是转基因大豆占94%。由于大豆对不会受一些主要的害虫的侵染,所以抗虫的转基因大豆还没有研发。

图1. 1996年至2014年转基因作物在美国的种植情况[2]


图2a. 2000年至2014年美国转基因玉米所改良的目标性状趋势[2]


图2b. 2000年至2014年美国转基因棉花所改良的目标性状趋势[2]


在生物胁迫的耐受性方面,我们的焦点已经转移到多性状叠加的转基因控制体系(图2a,b)[2]。这在理论上可以获得双重效益,可以扩大广谱抗逆活动的效应值同时允许多重高效抗逆特性的组合,这时候选择压力也较低。最近几年人们对多重转基因品种的采纳度也相应提高,在2014年,多效转基因棉花占总棉花种植面积的79%。玉米则为76%。Monsanto(孟山都)公司跟Dow(陶氏)公司合作研发出了八重抗逆抗虫特性的组合品种--SmartStax,可以一并防治地上地下昆虫并且耐广谱除草剂,其综合利用了多种优势,包括Yieldgard VT Triple (来自Monsanto公司), Herculex Xtra (属于Dow公司), RoundUp Ready 2 (Monsanto公司), and Liberty Link (来自Dow公司)。已经有玉米、棉花和大豆的相应商业化品种,而更多的SmartStax作物品种正在研发中。据估计,在抗虫方面能力,这一品种只需要种植5%的普通棉花供害虫食用,即可媲美之前20%所达到的效果[4]。到目前为止,害虫对抗虫转基因作物产生抗性的情况极少,对经济和农业的影响甚微[5],但有一些现象表明害虫针对抗虫作物的抗性在某些区域正在显现。此外,由于美国对草甘膦的过度依赖,杂草的多样性得到降低,这已经促使14种杂草出现了对草甘膦除草剂的耐受[6]。

用于田间试验的转基因作物从1985年到2013年已经累积超过17000例。其中大多是主要粮食作物,特别是玉米,其在2013年共有约7800例被批准进入田间试验程序。此外,通过批准的还包括超过2200例转基因大豆,1100例转基因棉花,还有约900例转基因土豆。这些经转基因品种包括耐除草剂(6772例),抗虫性(4809例),改善品质如味道或营养(4896例),农艺特性(例如抗旱性等,共5190例),还有抗病毒或真菌 (2616例) [6] 。

农业资源管理局的调查表明,农民更愿意种植转基因玉米、棉花和大豆的原因主要是可以提高产量。其他原因还有节省管理时间、促进其他生产实践 (如轮作和保护性耕作)以及减少农药成本[6]。

除了抗生物胁迫,批准的转基因作物还包括改良的抗非生物胁迫能力和良好的农艺特性(耐寒冷、干旱、霜冻和高盐,提高氮利用效率,增加产量);增强的品质,如延迟成熟,更美味,以及纹理色泽(水果和蔬菜);增加蛋白质或碳水化合物、脂肪酸及微量元素的含量;改性淀粉、颜色(棉花和花等)、纤维品质(棉花)或谷蛋白含量(小麦);去咖啡因(咖啡);保健物质(如添加维生素、铁、抗氧化剂如β-胡萝卜素等)乃至药品等[6] 。

在大规模的商品之外,遗传工程也为一些特种作物提供帮助,如抗病毒的“Rainbow”木瓜,利用转录后病毒基因沉默——RNA干扰(RNAi)技术的一种——拯救了夏威夷的这个行业,因为在木瓜栽培种中根本没有自然的抗木瓜环斑病毒的能力[7]。Rainbow木瓜通过减少岛上的病毒总量也帮助了有机种植者。因为存在着导致柑橘绿化的细菌(c . liberibacter) [8],佛罗里达柑橘产业也面临类似问题。而对于这个毁灭性的病原体,没有已知的有效且可持续的控制系统,目前方法主要是砍伐掉整个果园,这不仅激进,而且并非有效。对于这种病原体,从其他植物中获得抗性基因的生物技术解决方案已经有了进展。同样需要拯救的还有加州葡萄酒行业,其面临一种难治的细菌病害,而没有可行的有效且可持续的控制方法。苹果生产中主要利用抗生素喷洒以控制火疫病,即便有机苹果也是如此,然而在上个世纪90年代末就通过生物技术研发出一个抗性品种Gala苹果,由于解除管制的过程成本太过高昂,该品种只能困于实验室中。

但总体上来说,这些特种作物的缺失应该引起注意。这并非由于对他们需求不够,而是通过解除限制过程的高昂成本使人望而却步。目前很多作物得到许可这一情况也支持上述观点,即解除限制过程只有资本充足的大公司才有实力涉足,而这些大公司主要针对上述大型商品化粮食作物。特种作物监管问讯处(SCRA)的创建就是来解决这样的问题,他们在2011年12月举行了一个研讨会,对转基因特种作物如何提交相应机构进行管理的具体细节进行了讨论。对农业生物技术有司法权的美国三大管理机构(USDA-APHIS,美国农业部动植物检疫局;EPA,美国环保署;FDA,美国食品和药物管理局)都参与了这次研讨会并展开合作[9],然而这之后,基本没有太多的进展。

全世界的监管体系存在不对称性并缺乏共识。基于无假设的评估已经成为了在全世界的标准,并且这些已经收录在卡塔赫纳议定书的路线图(Cartagena Protocol’s Roadmap)中,这导致了安全评估成本直线上升,在安全性方面却没有明显增强。鉴于当前的监管情况,很难想象改良的特种作物,特别是品质性状得以改善的作物得以投入市场。这无形阻碍了大宗粮食作物和一般性状之外的各种创新性研究。

一些产品已经在技术层面成功的走了监管过程的捷径。这是通过一个称作“询问信”(letter of inquiry)的机制,当开发者们不确定他们产品的监管情况时可以寻求美国农业部动植物检疫局的生物技术监管服务中心(BRS)的意见[10]。通过提交一份包含以下信息的署名问询信,包括(i)目标表型/性状,(ii)遗传修饰的成分和来源,(iii)指定的接受者/受体,美国农业部动植物检疫局会给开发者提供一个关于他们指定技术或产品的监管状况的评估回复。目前已经有26封这样的信件提交上去,前面已经提到,这26封信中许多来自小型生物技术公司或公共研究所,得到的回复是依旧没有进入监管流程,说明了这可能是一个故意的策略使得这些小型机构无法通过监管[11] 。基于他们最后的产品的性质、转化过程或近期发展的转基因技术的利用,这26封询问信可以大致分为四种类型,包括无效分离(例如cre-lox特异性位点基因重组研发的早花且持续开花)、基因转移体系(biolostics微粒转移造就的柳枝稷)、同源/异源转基因(例如RNA干扰研发的花青素改良葡萄)和定向位点核酸酶切精确育种(一般指基因组编辑),未归入以上分类的都算作第五类。

两个有意义的品质性状正在借助RNA干扰技术得到改良。第一个是Artic苹果已经得到改良可以抗氧化,因为切开的苹果其切面由于接触氧气会激活多元酚氧化酶(PPO)而氧化变黄,为了达到抗氧化的目的,Okangan共表达了PPO基因并通过沉默内源性的PPO有效获得了低氧化的效应。第二个是JR Simplot研发的低丙烯酰胺土豆,这一款品种有三个提高品质的修饰,研究人员将此命名为“Innate”(固有的)技术,基本是通过RNA干扰技术沉默土豆中调控黑斑、天门冬酰胺和还原糖的基因的表达来实现。

这种非理性的管理措施在转基因动物上面达到了更匪夷所思的地步,其将转基因动物定义为“旨在影响人体或其他动物的结构或功能的物品(而不是食品)”,而把转基因的动物食品当做药物来管理,这明摆着忽略了一个事实,即所有类型的传统育种食品都有着相似的定义!因为如此,转基因动物食品必须通过美国食品与药品管理局的新动物药品准许过程。这意味着转基因动物产品必须证明其安全、有效,同时需要按照《国家环境政策法》的要求,提供一份对环境影响的评估。Van Eeneenam and Muir [16]指出,与转基因植物面临境况一样,将传统育种和转基因动物置于完全不同的监管标准之下,这不仅与科学观点不一致,也对发展遗传工程技术强加了过多的负担。他们同时指出,只强调评估转基因动物食品的潜在风险而忽略其带来的受益是相当不公平的。即便存在,也少有技术可以在只强调风险的评估中继续发展。他们以鲑鱼为例,野生捕获耗尽了海洋中的鲑鱼,已经找不到长期的、生态可持续的办法满足全球鲑鱼需求。而发展转基因鲑鱼的益处之一就是面临耗尽海洋资源的时候帮助缓解这一压力。

最后需要的指出的是,转基因产品的商业化仅仅是历史长河中人类为满足社会需求而与自然互动的另一阶段,因此,应当与传统食品安全评价的标准一致。借助遗传修饰来辅助育种已经有了长久且安全的历史,生物技术不过是拓展其优势的更加精确的方法罢了。最核心的一点就是监管体系应该在在充分保护消费者和环境的同时,不能阻碍有益的科技创新[13, 14]。生物技术提供了有效且低成本的方法获得更高品质的食品、饲料、纤维以及更多前所未有的高附加值产品。带有歧视性的监管负担强制人们维持已经过时的、低效且不可持续的体系,会对粮食安全造成无法避免的负面影响。这样的一个例子就是含有两个来自野生种基因的抗晚疫病Fortuna土豆,这解决了喷洒包括有机许可的硫酸铜在内的各种杀菌剂的问题,可以带来50亿美元的效益,然而,尽管其对种植者和环境都有潜在的巨大效益,由于获得欧盟监管通过的可能微乎其微,它的研发者正准备放弃。当然,欧盟国家的农民经济上可以承担继续使用杀菌剂的成本,没有其他选择的其他低收入农民可以从这些改良的抗病品种收益颇丰。类似的,转细菌性斑点抗性基因品种已经在胡椒和番茄中被应用,其可以大幅增加产量并消除含铜农药的使用[15]。

很明显地,在发展、使用新的资源优化型科技过程中会遇到一系列挑战,包括科技本身和科技转化等复杂问题都需要解决,才能更好的改良的性状。针对性状改良的技术不断发展,包括基因组编辑方面的诸多新方法将使快速引入优良表型更加精细。此外,合适的机制也需要落实到位以促进下游开发、布署乃至商业化。我们都知道没有投资就鲜有创新,但公众对种子科技领域知识产权的所属以及明显的法人权利的强化抱有负面态度,这会对企业雇佣带来负面影响,特别是小农场。降低知识产权关卡、改进商业化策略以及促进有利科技转化的机制必须到位。对于生物科技产品真实风险过度的担心将导致全球市场的过度监管和过度反应。传统与新兴两个生产体系的共存需要理性和切实可行的界定。全球不同国家针对作物科技的监管方法并不一致,并且很大程度并非基于科学。监管框架需要在确保对于消费者和环境足够安全的同时,不得妨碍有益的科技创新,并且不能默许对过时的、低效且非可持续的方法依赖。目前的选择往往并不是可持续性最佳或者伤害最小化的。围绕新兴生物科技的不实宣传不断扩张,讨论议程也已经被种种不良动机的言论所侵占。基于科学证据的更加有效的交流机制必须建立起来,同时新兴科技与传统实践间的潜在风险与收益也需要真实的、恰当的进行比较。

References
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Martina Newell-McGloughlin:美国加州戴维斯分校教授,从事生物技术相关工作近30年。

来源:基因农业网

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