大视野看转基因育种(上)

2013-09-06 | 作者: | 标签: 转基因育种

图thekitchn.com

农业的出现和发展大约是10000年。人类经过长期的采集、渔猎生活,逐步熟悉了植物和动物的生活习性,在公元前8 000年左右开始驯养繁殖动物和种植谷物,人类进入了原始农业阶段。

原始农业历时达六七千年之久,它的突出成就就是对野生动植物的驯化,今天常见的主要作物和家畜大多在4000年以前就已基本完成驯化过程。

就人类利用农业生物资源的技术而言,大致经历了四个阶段:采集植物的果实和有用的部分, 渔猎动物;对野生动植物进行驯化;利用杂交、嫁接、理化诱变等技术培育优良动植物新品种;利用基因工程技术定向改良动植物品种。可以说,转基因技术是自然科学技术发展的必然产物,是人类利用和改造自然资源的新阶段,也是人类社会现实需求和可持续发展的必然选择。

转基因技术是人类社会现实和发展的需求

第一次绿色革命是以半矮秆小麦、水稻的选育成功及主要农作物杂种优势利用为中心,配合化学肥料、化学农药、灌溉技术、农业机械化等新技术的应用。

第一次绿色革命始于20世纪50年代,发展于60~70年代,在拉丁美洲、亚洲等发展中国家取得了较大的成功。来自联合国粮农组织(FAO)的数据显示,1961~1990年,世界谷物产量由8.77亿吨增加到19.52亿吨;墨西哥由852万吨增加到2 556万吨,菲律宾由517万吨增加到1 474万吨,印度由8 738万吨增加到1.94亿吨,中国由1.09亿吨增加到4.04亿吨。

世界谷物单产每公顷也由1961年的1.35吨增加到1990年的2.75吨;许多发展中国家的单产也有较大提高,其中墨西哥、菲律宾、印度单产分别增加近2~3倍,中国为3.57倍。粮食产量大幅度提高,大大缓解了人口增长带来的巨大压力,避免了人口和粮食供求矛盾而引起的大范围饥荒问题。

随着农作物良种使用率接近饱和,增施肥料和农药的比较效益逐步下降,第一次绿色革命的优势正在丧失,负面效应慢慢显现。农药、兽药、化肥、除草剂等化学物质的大量施用带来了严重的环境污染,农作物品种单一化而引起的农业种质资源减少及农业生态系统退化, 粮食单产和总产徘徊不前。

然而,世界面临着人口持续增长、自然灾害频发、水资源和耕地资源制约等客观问题,使得粮食安全问题显得尤为突出。预计至2050年要让世界超过90亿人口吃饱吃好,食物供应总量增长70%才能满足需求。全球粮食安全面临巨大的压力,发展中国家这个问题更加突出。

中国是世界第一人口大国,也是最大的发展中国家,又处于工业化和城镇化快速发展期,人口、资源、环境等方面的矛盾十分突出。中国的这一基本国情决定了在相当长的时间内庞大的人口基数和新增人口仍然会使粮食消费维持较高的水平,确保国家粮食安全将是农业生产面临的最重要的任务。

在巨大的人口、环境和社会经济压力下,人们不可能回到少投入或者不投入的传统农业生产方式,最有效的方法是要依靠农业科技进步,才能解决未来世界人口的饥饿问题。现实的需求催生出新的绿色革命,新的绿色革命的核心问题是提高作物单产,但人们对新的绿色革命有更多的期望,更高的要求:不仅要让人们吃得饱,也要吃得好,还要吃得健康;农作物不仅高产,还要优质、抗逆性强、抗病虫害、适应性广、营养元素利用率高;农业生产方式是生态环保,基本不打农药、少施化肥、节水、低碳。换句话说,新的绿色革命既要满足人口对食品不断增长的需求,又要同时保护好自然资源和环境,还要实现农业和环境的可持续发展。

新的绿色革命的锐利武器是基因工程,转基因技术的大规模应用可以显著地降低农业生产成本,提高农业资源利用率,改善农业生态环境,延伸产业链,很好地满足人类面临的现实问题和社会可持续发展的需求,不仅在解决人类粮食危机,而且在提高生活质量、改善生存环境、缓解资源压力等重大社会问题上发挥不可替代的作用。

以转基因作物为例,由于转基因作物在产量、经济、环境和物质财富等方面带来的持续、显著的效益,自1996年种植转基因作物以来,每年种植转基因作物的面积逐年增加,2012年有30个国家的1 730万小农户和大农场主种植了1.703亿公顷(23.545亿亩)的转基因作物,比2011年增长了6%,即1 030万公顷(1.545亿亩),达到历史最高点。1996年至2012年转基因作物种植面积增长了100倍,使转基因成为农业近代史上利用最快的新技术。

转基因育种技术是传统育种技术的继承和发展,二者一脉相承





自从人类驯化作物以来,作物的进化动力以人工选择为主,过去几千年里农作物改良方式主要利用生物群体自然存在的突变,通过人工选择获得改良的品种,积累优良基因。20世纪以来,随着遗传学迅速发展,人类懂得了生物的遗传重组、连锁和分离原理,通过选择优良亲本,进行有性杂交,将不同品种的优良特性聚合在一起,更快、更好地获得优良的作物新品种,逐步形成了传统育种技术和杂种优势利用的方法。

从育种过程来分析,传统育种技术改良作物品种大致分为四个环节:选择亲本、创造变异、定向选择、生产试验。

在育种工作中,育种家们首先根据育种目标进行遗传资源的收集、筛选和评价,选择合适的亲本;然后亲本间通过有性杂交或理化诱变,创造遗传变异;进一步通过表型观察对变异分离后代进行定向选择,获得有价值、遗传稳定、理想的重组或突变基因型材料;对遗传稳定的农作物新品系进行多年多点生态适应性评价和区域生产试验。

尽管传统育种技术已经应用了近100年,而且仍是作物育种的主流方法,但其只能在生物种内个体间进行有性杂交来实现整体基因组重组,对分离后代的表型选择,无法克服遗传累赘的干扰,不大可能准确地对目标基因进行操作和选择。应用传统育种技术培育一个作物新品种是一个耗时、费力、费心、费神的过程。一方面,有些重要性状如抗性、品质、适应性等的表型观测十分困难;另一方面,大多数重要的性状都是数量性状,易受环境影响,不同年份、不同生态环境性状表现的重复性差,使得选择的准确性不高。

转基因育种技术改良作物品种也大致分为四个环节:目标基因和转化受体的选择,遗传转化产生变异,转基因后代的表型筛选和分子鉴定,转基因后代的安全性和生产性评价。转基因育种选择的目标基因可以来自同种或异种生物,一般是基因功能清楚,后代表现可准确预期; 转基因的受体材料具有较好生产应用价值。

对目标转基因后代的食品安全性、生态环境安全性,以及生产的丰产性、适应性、目标性状稳定性进行科学的评价,这一环节是转基因育种耗时最长的。

从理论上来说,转基因育种与传统育种没有本质区别,都是通过遗传信息的交流获得优良的性状,传统杂交育种具有更广泛的遗传信息的重组和交流,转基因育种仅涉及单个基因或几个基因的交流。从遗传信息内容分析,转基因育种更清楚、更明确、更具体。

从技术上来说,传统育种途径一般只能在生物种内个体间通过有性生殖方式实现基因转移过程,而转基因育种途径所转化的目标基因则不受生物体之间亲缘关系的限制。传统育种的杂交和选择技术一般是在生物个体水平上进行,转移的是整个基因组,操作的是多个基因,对后代的表型预见性较差,选择效率低;转基因育种所操作和转移的基因一般是来源明确、功能信息清楚,可准确预测其后代的表型,选择效率高。

表1总结了转基因育种技术与传统育种技术的异同点。从中可见,转基因育种技术并不排斥传统育种技术,它是传统育种技术的延伸,是传统育种技术的继承和发展,不可能创造出新物种,只是在育种后代中获得人们期待的新性状。尽管转基因技术是新绿色革命的锐利武器, 但不是唯一的武器,传统的育种方法和杂种优势的利用技术等仍然会在新的绿色革命中发挥重要的作用。况且,转基因技术与常规育种技术紧密结合,可相得益彰,不仅能培育多抗、优质、高产、高效新品种,大大提高品种改良效率;还可以降低农药、肥料投入,在缓解资源约束、保障食物安全、保护生态环境、拓展农业功能等方面潜力巨大。(作者为武汉大学生命科学学院杂交水稻国家重点实验室李阳生、朱英国,原标题《转基因技术——新的绿色革命的利器》,植物生理学报,2013)

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