我国作物转基因技术的发展与现状

2017-12-20 | 作者: 康国章 李鸽子 许海霞 | 标签: 转基因技术

作者单位:河南农业大学农学
来源:《现代农业科技》2017年第22期

摘要:转基因技术是作物分子生物学的核心,在降低资源投入、保护环境安全、保障粮食供给等方面显示了巨大的潜力,已成为现今应用最为迅速的作物生物技术。本文着重阐述了转基因的概念及其与以往相关技术的异同、现今应用程度、不同时期的转基因方法、我国转基因技术的发展历程、我国转基因的管理政策及加强科普宣传的重要性等方面,以期为人们更好地了解转基因技术、更加科学地对待转基因的应用和发展提供参考。


转基因作物已在全球一些国家大面积种植,在降低资源投入、保护环境安全、保障粮食供给等方面显示了巨大的潜力。但是转基因技术作为一种新兴技术,它带来了全球对生物安全问题的广泛关注,并引发了一系列转基因的突发事件,造成公众对转基因产生误解,这可能与科研工作者注重转基因研发工作,而忽视转基因技术的信息传播与普及推广有关。因此,2015 年中央一号文件首次提出要加强农业转基因生物技术的科学普及,研究生是科研人才的最主要后备军,主要培养目标之一是在本门学科内掌握坚实的基础理论知识,随着研究水平内容的持续深入与研究方法的不断创新。分子生物学在作物学各个领域已得到了广泛应用。河南农业大学拥有河南省高校唯一一个一级学科国家重点学科——作物学,2010 年以来,作物分子生物学已成为该校作物学硕士研究生培养的专业学位课程,转基因是作物分子生物学中重要的研究方法,是研究基因功能,创制优异作物种质资源等的重要手段。本文,介绍了我国转基因的发展历程及现状,以提高人们对转基因的认识与了解。

1 转基因的概念及与以往相关技术的异同

在农业领域,育种技术推动了农业的持续发展,推动了其向现代农业的转变。在 5 000 年以前,人类已开始有意识将当年收获的最好种子保存,用作翌年进行播种,开启了选择育种的历程。18 世纪中期,人们发现杂种优势的优点开始将 2 个性状优良的品种通过杂交创制新品种,20 世纪20 年代开始至 40 代,人们开始利用物理,辐射等,化学诱变剂等,手段诱导作物种子发生变异,再从变异群体中选择符合理想的作物新品种。1973 年科学家科恩和博耶将遗传物质从一个生物转移到另一个生物,以 DNA 重组和转基因技术为核心的现代生物技术,开始在农业、医药、食品、能源和环保领域得到广泛应用。转基因作物育种是一种前所未有的作物育种新方法,由此可以看出,杂交育种是优良性状基因的聚合。选择育种是性状自然突变基因的选择,诱变育种是人工对突变基因的选择,转基因技术是在更大范围内实现基因整合,与传统技术只能在近缘属种间实现基因转移不同,特别在现今作物育种目标越来越高,而作物种质资源范围越来越窄。品种更换周期越来越短的局面下,转基因作物育种具有更重要的意义。在自然界中广泛存在转基因现象,如农杆菌可以将自身的基因转移到植物基因组中并获得稳定的遗传表达,只不过发生频率很低,在转基因中,人们可以广泛应用这一原理,高效、快速将目标基因导入到作物中。因此,转基因技术是传统育种技术的继承与发展。

2 目前转基因作物在全世界范围内的应用程度

1994 年,转基因延熟保鲜番茄进入美国市场开始销售,1996 年,转基因作物开始大规模商业化种植,种植面积为170 万 hm 2,此后发展极为迅速,经历了 1996——2014年连续19 年的快速增长。已成为现今世界上应用最为迅速的作物技术。2014年全世界有 8 个发达国家和 20 个发展中国家种植了转基因作物,种植面积高达 1.815 亿 hm 2 ,2015 年种植面积为 1.797 亿 hm 2。较 2014 年减少了约 1%,但这一波动主要是由于粮食低价格因素所导致,20 年来,全世界种植转基因作物面积累计达到 20 亿 hm 2,其中,转基因大豆、玉米、棉花和油菜排在前 4 位,种植面积分别达到 10 亿、6 亿 、3 亿 、1 亿 hm 2, 美国、巴西、阿根廷、印度和加拿大排在前 5 位。2015 年这 5 个国家转基因种植面积分别达到 7 090 万、4 420 万、2 450 万、1 160 万、1 100 万 hm 2 。

自转基因技术商业化种植以来,美国是世界上转基因技术,应用最为广泛的国家,2015 年,美国约 94% 的棉花,94%的大豆、92% 的玉米均是转基因作物。转基因作物的种植也为美国农业带来了巨大的收益。同时,种植转基因作物能减少虫害问题,降低农药使用量,有利于环境保护和促进农
业的可持续发展等。

2015年,我国的转基因植物种植面积为 370 万 hm , 主要种植棉花、木瓜和杨树,但小麦、玉米、水稻、大豆等主要粮食作物未种植转基因品种。目前,我国虽然实现主粮的基本自给,但农产品缺口较大,而进口的大多数粮食作物,玉米、大豆,以转基因为主,成为转基因粮食产品的消费大国。以玉米为例,2013 年和 2014 年我国玉米籽粒进口量分别达到 326.42 万 t 和 259.90 万 t,而阿根廷、巴西、美国等粮食出口国种植的玉米等基本都是转基因品种。因此,我国进口的玉米只能是转基因产品,这些进口玉米主要用于饲料和其他工业用途。另外,我国消费了全世界大豆产量的 1/3进口量占全球大豆进口的 65%。其中 90% 以上为转基因大豆,这些大豆主要用于食用油等产品。

3、转基因技术发展历程

转基因技术最初所采用的载体大多含有筛选标记,以利于转化后代的鉴定以筛选出含有目的基因的转化体。但筛选标记基因存在于转化体的基因组内,从而引发了转基因植物安全的许多问题。诸如筛选标记基因可能具有潜在毒性和致敏性,并有可能漂移到其他生物体中威胁环境生态安全。这也是人们对转基因安全所关注的焦点所在,为降低转基因所带来的风险,随后人们采用共转化法,位点特异性重组系统、转座子系统、同源重组法和多元自主转化载体系统等方法获得无选择标记的转基因植株。但这些方法筛选较为复杂,工作量较大且仍存在一定的安全风险,自 2013年我国科学家成功将基因组编辑技术其中的一种——CRISPR-Cas9。成簇的规律间隔短回文重复序列。应用于主要粮食作物以来,转基因技术得到了更加快速的发展,这种技术可预先确定切割 DNA 位点,精确地插入突变或者在基因组的最佳位置改变单核苷酸从而使表达最大化,与传统常规育种方法和转基因方法相比,它主要存在着 4 个方面的优势。一是精确性,能精确控制单个或多个基因,其产品与自然突变无差别;二是可监管,它的产品适用于科学的,符合目的的和适当的监管,这与以前的转基因作物的严格监管有很大差异;三是快速,基因组编辑技术所获得的产品时间长度远小于传统的转基因技术;四是低成本,由于改良作物的速度更快以及监管更简化。基因组编辑所需总成本远低于传统的转基因方法,该技术在近年来油菜、玉米、小麦、大豆、水稻、马铃薯、番茄和花生等主要农作物转基因作物种质新资源创制方面得到了广泛应用。该技术被《Science》杂志社评为 2015 年度,最杰出的新革命,美国农业部认为只要基因编辑作物中不含有来源于植物害虫的 DNA,则不认为其是转基因作物。一向对转基因技术保持有极其苛刻的监管制度的欧盟国家瑞典近期公开表示,利用 CRISPR-Cas9 技术进行基因组编辑得到的植物不属于欧洲对转基因的定义范畴。

4 我国转基因的发展历程


我国转基因技术从 20 世纪 80 年代起步至今,经历了4 个主要发展历程。

1986—2000 年为第一阶段,在这一阶段中,我国内地主产棉区棉铃虫连年大暴发,导致整个国家出现“棉荒”,使我国棉花生产不仅遭受巨大损失,而且过量使用农药也造成了环境污染。我国开始追踪世界转基因科技前沿,鼓励模仿世界先进技术,这一阶段中,转基因棉花开始应用于生产,但转基因大豆、玉米和水稻等食用主粮作物尚处于实验室研发阶段,这一阶段中,转基因技术逐步引进国内。

2001要2009 年为第二阶段,我国转基因研究开始从局部自主创新迈入全面自主创新阶段,2009 年,转 Cry1Ab /1Ac融合基因的抗虫水稻华恢 1 号及杂交种 Bt 汕优 63,(两者均为华中农业大学研发),转植酸酶 PhyA2 基因的 BVLA430101玉米自交系,(中国农业科学:生物技术研究所与奥瑞金公司联合研发), 获得农业部颁发的安全证书,转基因主粮产业化提上议事日程。转基因的风险不确定性逐步受到公众关注,政府开始全面加强对农业转基因生物安全的管理,严格审批流程,转基因生物新品种培育重大专项开始启动,“加快研究,推进应用,规范管理,科学发展”的转基因作物发展方针逐渐明确。

2010—2013 年为第三阶段,上述转基因 3 个安全证书发放之后,围绕转基因安全性,主粮化等形成了激烈的争论,支持人士强调转基因的安全性,强调不发展转基因技术,中国会在国际竞争中落后;而反对人们则认为“我不关注你是否会落后,我只关注我是否健康,而且关注我的子孙后代是否健康”,这些舆论导向不利于转基因的后续与推广。在此情况下,国家的转基因政策趋向于保守。上述 3 个安全证书发放后,其品种审定生产经营许可等没有继续向前推进,而采用了“预警式”转基因生物安全管理模式。

2014 至今为第四阶段,自 2013 年中央农村工作会议上,习近平总书记提出了“确保安全、 自主创新、大胆研究、慎重推广”的转基因发展 16 字方针以来,国家转基因发展战略逐渐明晰。目前,我国的转基因政策主要有3 个方面:一是注重自主创新。国家转基因生物新品种培育重大专项继续推进,以提高我国农业综合生产能力和农业生态安全保障能力,力争到 2020 年 ,使我国农业转基因生物研究及产业化整体水平跃居世界前列。二是坚持慎重推广。国家在推动转基因作物应用上坚定不移。2014 年底 ,上述3种转基因作物产品再次获得农业转基因生物安全证书,有效期为 5 年(2014 年 12 月 11 日至 2019 年 12 月 11 日)。 三是突出强调安全性。在管理上要严格,要坚持依法监管。

5 我国转基因的管理政策

自转基因技术出现开始,科学家就一直重视其安全性。世界各国均严格管理控制转基因生物的研究、试验以及生产等各个环节的监测。我国自转基因第2个阶段开始主粮作物研究后, 从研究、试验、生产、加工、经营等全过程,都开展了严格的管控,对转基因农产品可能存在潜在风险的实验室研究和田间试验阶段进行了重点监测。目前,我国转基因全过程的安全评价分为试验研究、中间试验、环境释放、生产性试验和申请安全证书5个层次。在完成中间试验、环境释放、生产性试验后可申请安全证书,获得安全证书是进入品种审定与种子管理程序的必要条件。转基因产品在每个省推广均需要申请1个安全证书,有效期一般为5年。

虽然目前我国转基因技术发展的方针已明确为“大胆研究、自主创新”, 但同时指出“严格管理、慎重推广”, 目前,我国是世界唯一采用定性按目录强制标识的国家,要求生产、经营转基因食品等均应显著标示。自转基因生物新品种培育重大专项实施以来,我国的转基因研究取得了很大进展;另外,我国是转基因农产品的进口大国,这些新的形势对我国转基因的管理提出新的要求。2016年5月23日,农业部审查批准了《农业转基因生物安全管理通用要求实验室》等10项标准(中华人民共和国农业部公告第 2406 号),并自 2016 年10 月 1 日起实施,以保证对转基因从实验室、温室到田间试验等全过程的严密监控措施,防止未经过安全评价的转基因作物扩散到环境和食物链。


6 加强转基因科普宣传

21世纪,我国面临农业资源不断减少和人口不断增加的双重压力,为了实现提高农业效益、粮食安全和生态安全的战略目标,提高转基因研究与应用将是一项重要举措,这不仅符合我国制定的释放转基因产品三步走(先非食用,再间接食用,后直接食用) 的政策方针,也符合“十三五”规划的 “创新、协调、绿色、开放和共享”的理念。转基因作为一种复杂的、直观难以看得见的、机理未完全研究清晰的新生事物,公众对转基因的疑虑和担心均是正常的,公众了解少,不免难以接受。另外,转基因研究人员虽然熟知转基因技术,但大多数缺乏沟通和传播技巧,公众很难听得懂,也易造成公众的疑虑和担心。在这种情况下,2015 年中央一号文件明确提出了“加强农业转基因生物技术研究、安全管理、科学普及”,首次将转基因科普与研发和安全管理并列,加强科普宣传在今后的转基因研究与推广工作中的一项重要任务。

因此,转基因科学家在今后的工作中,进一步制作出广大群众易于理解与掌握的转基因科普知识(如2010年科技部出版的《转基因科普小知识》),培训更多的科普专家,广泛利用报刊、电视、微信、微博、网络、现场讲座等传播方式,多举办转基因科普知识培训会(如 2016 年10月,农业部等部门组织专家深入大学与科研:所举办的相关培训会),通过持续的转基因科普活动来提高整个社会对转基因的认知程度,让转基因技术知识的传播和普及跟上转基因技术应用和发展的步伐,使广大群众和各级领导干部深入了解转基因技术的来龙去脉、 技术操作流程、我国与其他各国的管理体系,由不理解变为理解,由排斥变为接受和推广,为转基因技术的发展营造健康的社会氛围。


7 展望


由于雌雄器官之间的相互识别机理,传统杂交育种主要在近缘属种间进行,它在粮食产量不断提高过程中曾发挥了巨大作用。但在目前粮食单产较高水平下,加上亲本资源有限,导致我国主要粮食作物的单产增长非常缓慢。而转基因技术可以将来自于植物远缘属种间,甚至人、动物和微生物的优良基因导入到主要粮食作物中,扩大了培育良种的优异种质来源。近年来,随着安全性较高的先进转基因技术不断出现,如基因组编辑技术, 转基因技术已作为一种有效的育种技术,在作物定向改良中发挥了越来越重要的作用。

2015年, 美国已种植了第一例基因组编辑产品要SUCanolaTM(抗磺酰脲除草剂油菜);2016 年 , 美国科研人员没有导入外来基因而仅使用基因组编辑技术剪掉了让香菇变褐色的DNA, 并种植了这类基因组编辑的香菇。由于它仅是剔除掉“坏片段”,因而不算转基因食品。美国众议:2015年7月通过了一项法案用于预先制止州和地方非转基因法,尽管这项法律还需美国参议:通过与总统签署才能生效为法律,但已经给近些年的转基因争议划上了一个逗号,虽没结束,但已告一段落。目前,在我国领导层的坚定支持和科学家的有力推动下,国家转基因政策走向逐渐明晰,在自主创新、科学评估、突出重点、严格监管等方针政策下,使转基因技术成为今后保障我国粮食安全、推动农业现代化发展的新动力。在目前转基因技术迅速发展的趋势下,加强在广大科研后备力量中的科普宣传有利于这一技术的研究、推广与应用。 

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来源:康国章 李鸽子 许海霞

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