中国转基因作物研究回顾

2013-08-08 | 作者: | 标签: 中国转基因作物研究


图how-to.wikia.com
 
 矮秆育种的推广和杂交水稻技术的应用,使中国粮食产量从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中国未来粮食安全面临的巨大挑战。人口不断增长和生活质量不断提高、可用耕地和水资源日益紧缺、生物及自然灾害频繁发生、生态环境压力持续加大以及农业生产劳动力数量急剧下降等国情时时警醒我们,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。

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。

中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–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、大豆和棉花等不同作物的组培再生及遗传转化体系;水稻等重要农作物遗传图谱的构建;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,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。这一阶段的工作为中国后期生物技术的发展奠定了坚实的基础。

进入21世纪,随着中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,中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。

中国牵头或参与组织完成了包括水稻、黄瓜、白菜、马铃薯、谷子、番茄、二倍体棉花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。此外, 还开展了一些经济作物如西瓜和柑橘等和独特资源植物如小盐芥的测序及功能基因的克隆和鉴定工作。

在重要农作物(特别是水稻)功能基因组研究方面也取得重要成果,已建成包括水稻大型突变体库、全长cDNA文库、生物芯片及转录组检测等功能基因组研究平台。更为重要的是,分离克隆了一大批控制高产、优质、抗逆和营养高效等重要农艺性状的基因,如控制水稻籽粒大小及粒型基因GW2、GW5、GS3、GW8和qGL3 ;大穗基因LP、控制直立密穗基因DEP1和DEP2;控制水稻株型基因MOC1、EUI1、LAZY1、TAC1、PROG1、OsBAK1、DLT、IPA1、OsARG、LPA1;控制抽穗期基因Ghd7、RID1、DTH8和LVP1;控制水稻光温敏不育的分子调控机制;控制广亲和基因Sa和S5 ;影响籽粒灌浆和品质性状基因Waxy、GIF1、PHD1 ;控制水稻抗性的基因,如抗虫基因CrylAb13、Cry1Ah1 ,水稻褐飞虱抗性基因Bph14,抗病基因 Pi-d2、OsNPR1/NH1、Pid3、OsBBI1 ;耐逆基因, 如抗盐基因SKC1、OsDREB1F,抗旱基因SDIR1、SNAC1、OsSKIPa、OsWRKY30 ,耐低温和耐旱基因OsbZIP52;控制营养高效吸收利用的基因,如磷营养高效基因OsPFT1、OsPHR2和LTN1 ,钾吸收利用基因AKT1,锌高效利用基因OsMT1a;新型高效抗除草剂EPSPS基因等。

除了在水稻功能基因组学上的进展以外,在其它作物如玉米、小麦及大豆等的重要功能基因鉴定及生物技术育种改良等研究方面也取得了很大进展。在植物基因调控元件的分离鉴定、高通量基因克隆鉴定技术、无标记系统等转基因技术研发上也做了大量工作。这些重要基因和调控元件不仅具有自主知识产权, 也为分子设计育种奠定了坚实的基础。

中国现已批准转基因棉花、番茄、甜椒、矮牵牛、杨树和番木瓜的商业化生产,但实际上仅有转基因棉花和番木瓜真正进入市场应用。1997年,中国批准转基因抗虫棉商业化生产伊始,美国孟山都公司转基因棉花占中国抗虫棉市场的95%。2011年中国抗虫棉种植面积达到390万公顷,占全国棉花总种植面积的71%,目前自主抗虫棉品种已占中国抗虫棉市场的95%以上。至2011年,全国累计种植抗虫棉约2 500万公顷,14年的应用,减少农药用量80多万吨,新增产值440亿元,农民增收250亿元。单因种植抗虫棉,每年减少的化学农药使用量,相当于中国化学杀虫剂年生产总量的7.5%左右;棉农的劳动强度和防治成本显著下降,棉田生态环境得到明显改善。可以说转基因棉花在减少农药投入、增加产量和农民增收方面起了重要作用。

中国在玉米和水稻的分子改良上也有非常好的技术储备,2009年批准了抗虫转基因水稻和转植酸酶玉米,但仍未进入商业化生产应用。可以说,中国的农业生物技术在基础性研究领域与国际前沿水平相距较小,但在应用方面还存在较大的差距。另一方面,中国也是世界上最大的生物技术产品消费市场之一。

因此,如何充分利用中国在该领域技术上的优势,培育革命性新品种并推动其产业化进程,对保障中国农业可持续发展和粮食安全具有重要的战略意义。

作者储成才,中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员,原标题《转基因生物技术育种:机遇还是挑战?》节选,有删改。

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