《财经》:转基因作物演进中

2014-12-20 | 作者: 贺涛 | 标签: 财经 转基因作物演进中


图indiakisan.net
 

农业转基因技术正经历着升级换代。两大作物性状抗虫和抗除草剂,推动了第一代转基因作物增长。

与初种阶段相比,至2012年,17年间全球转基因作物种植面积增长了100倍。

而注重功能性和营养性的第二代转基因作物,正在陆续登场,并左右未来十年的研究方向。

在本轮技术升级中,中国的转基因技术研发能否保持现有排名,乃至更进一步,未有定数。

两个基因打天下

第一代转基因作物将研发重点放在取悦农民上,让农业生产变得更容易、更高产、也更赚钱。产量和收益的提高,使得农民乐于播种转基因种子,而农药用量和生产成本的降低,也给环境保护和消费者带来间接的好处。

1983年美国成功培育出一种抗病毒转基因烟草,从而开启了转基因育种的大幕。

往作物的基因组中加入一个或多个特选的外源基因后,由于每个基因都会编码一种功能明确的蛋白质,从而使作物表现出某种性状,这就是通常所言的转基因育种。与杂交育种或辐射育种等传统方法相比,转基因育种的结果更可预测,效率也高。

过去30年间,实现商业化种植的转基因作物大约有30个性状,其中最受欢迎的是抗除草剂、抗虫以及两者兼有的性状。抗草甘膦基因和Bt基因分别是这两大性状的代表基因。

Bt基因来自一种土壤细菌,它可以分泌一种毒蛋白,对鳞翅目、鞘翅目昆虫,比如小菜蛾有很强的杀伤作用。在有机农业中,这种细菌被作为天然杀虫剂长期使用。

科研人员将Bt基因转入作物的基因组后,作物自身可产生Bt蛋白毒素,杀死害虫,而对其他益虫和人类无害。这样,不打或者打少量农药,就可以对付虫害。

正是转入Bt基因的棉花新种,挽救了中国的棉花种植业。

20世纪90年代初期,中国爆发大面积棉铃虫灾害,一些产棉区的棉花亩产降幅达八成,这一棉花的头号害虫已经对当时普遍使用的菊酯类农药产生很强的抗药性。“棉铃虫害太厉害了,几乎两三天就喷一次药,即使是这样还杀不死。”山东东明县李庄村村民李站双回忆说,甚至把棉铃虫直接泡在农药里都死不掉。

此时,国际种业巨头孟山都公司已经开发出转Bt基因抗虫棉种,不过,直到1997年,孟山都才开始在华北地区进行大规模推广,当地的棉农称其为 “抗虫棉”。两年后,中国农业科学院研发的国产抗虫棉也通过了各项审定,推向市场。

孟山都抗虫棉种的价格比传统棉种高近20倍,但其经过脱绒处理,出芽率非常高,原来1亩地要播10公斤棉种,使用抗虫棉种只需要1公斤就够了,虽然棉农的购种成本增加1倍,但综合收益却大大提高。

然而,孟山都的抗虫棉种在中国“水土不服”,与国产抗虫棉相比,其抗病性稍差,在产量上竞争力稍逊。国产抗虫棉后来居上,市场占有率从最初的5%扩大到95%以上。

目前,中国转基因作物种植面积约400万公顷,其中绝大部分是抗虫棉。国产抗虫棉还被推广至印度,在当地实现了商业化种植,成为中国转基因技术参与国际市场竞争的探路者。

不过,中国农民尚未体验过转基因作物的另一大改良性状——抗除草剂。

杂草会跟作物争夺水分、养分和阳光,而且其生命力往往比作物还强。用人工清除杂草费时费力,由此除草剂应运而生。1970年,化学家约翰•E•弗朗茨(John E.Franz)发现草甘膦具有优异的除草性能,可以使一种大多数植物生长所必须的酶失去活性,从而杀死植物。

如果挑缺点的话,那就是草甘膦几乎能杀死所有植物,包括作物本身,因而不能在作物生长期使用。不过,研究人员从一种细菌中找到了能够耐受草甘膦的基因,筛选并转化到目标作物中,成功培育出抗除草剂作物。从此,草甘膦和抗草甘膦作物成为一对黄金搭档,农民可以只使用一种除草剂来解决所有杂草问题,而不必像种植传统作物那样,使用多种更有针对性但毒性也更大的除草剂。

然而,麻烦也随之而来。农民年复一年地种植抗草甘膦作物,而不像以前那样,通过轮种多种作物来改善杂草耐受的问题。最终,抗草甘膦的杂草出现了。已有18个国家发现了这种杂草,巴西、澳大利亚、阿根廷和巴拉圭的情况尤为严重。

那么,拿什么来对付抗草甘膦杂草?农民采用混用几种化学除草剂,并加上耕地除草来应对。这与大规模种植传统作物相比,对环境的破坏性依然小得多。英国的一项研究显示,1996年-2011年,耐草甘膦棉花节省了1.55万吨的除草剂,比传统棉花使用量减少了6.1%。

“一个基因,一个产业。”这句话在生物技术界流传甚广。作为生物技术中的大热门,转基因技术以市场答卷给出了印证,2011年,抗除草剂作物的种植面积已超过全球转基因作物种植总面积一半。

推动升级换代

如今,研究人员将注意力放在了如何使消费者直接受益。

在第二代转基因作物的研发中,很多新的性状都是基于这一思路,如不会变色的苹果、“黄金大米”、改善营养的香蕉等。通过改良品质,增加营养,或使食品具有医疗保健功能,或用作环保和工业原料,从而增加农副产品的附加值。

“黄金大米”是营养型的新一代转基因作物,其培育初衷是为了补充人体的维生素A。维生素A缺乏症会导致夜盲症,到了晚上就看不清东西,还会得皮肤病,有时甚至导致死亡。

瑞士联邦理工学院教授英戈•波特里库斯(Ingo Potrykus)与德国弗赖堡大学教授彼得•拜尔(Peter Beyer)经过八年时间,通过转入黄水仙和一种常见土壤细菌的基因,使得稻米中能够产生β-胡萝卜素,它进入人体后能被转变成维生素A。

“黄金大米”被认为是生物技术的一项重要突破。

五年后,第二代黄金大米研制成功,与原先相比,其β-胡萝卜素的含量提高了23倍。这样,通过主食大米就可解决欠发达地区广泛存在的维生素A缺乏症了。

“黄金大米”的思路,也激发了乌干达对转基因技术的期待。与非洲大部分热带地区一样,三分之二的乌干达人以香蕉为主食。乌干达政府希望通过改良香蕉让国民的主食更有营养。由于大部分香蕉品种不长种子,只能通过无性繁殖方式繁衍,其种质很难通过传统的育种方法得到改良。因此,转基因技术成为首选。

现在,乌干达和澳大利亚的研究人员联合试验了一种转基因香蕉,其富含β-胡萝卜素和铁等营养成分。这种香蕉具有抗盲、抗贫血及抗腹泻的作用,试验成功后,可以推广至维生素A缺乏症非常普遍的东非国家。

香蕉成为国民主食,也在于大多数的作物难以适应非洲贫瘠的土地和干旱,如何使作物在此生长,以解决非洲粮食匮乏问题,正是转基因作物研究的另外一个热门。

不久前,阿根廷研究人员在试验田中播下一批转基因小麦种子,如果顺利的话,三年内这种新型小麦将投放市场。通过增强种子抗逆性,这批小麦种子可以在干旱和盐碱环境下,产量比普通小麦提高10%到15%。

所谓抗逆性,是指作物种子在不同环境条件下都能正常生长,如耐旱、耐涝、抗盐碱等。美国也在致力于开发一种具有抗逆性的转基因玉米。

而一种名为表观遗传修饰的技术更具迷人魅力。它通过直接修改作物自身的基因来获取新的性状,而不用导入其他物种的基因。

比如,与其将耐旱细菌的基因转化到作物中去,不如直接调整作物自身的基因,使之获得抗旱性状。问题是,这种没有转入外源基因的作物,还算转基因作物吗?

欧洲科学院科学咨询委员会主席布莱恩•希普就建议,欧盟应从法律地位上确认,这种不涉及外源基因的技术属于非转基因范畴,这将对欧洲的农业创新给予有力支持。

实际上,对于转基因作物的分类监管大大抬高了门槛和相应成本,这让中小公司和公共机构的技术离商业化遥不可及,只有那些种业巨头能够负担这种监管成本。

技术梯队

第二代转基因作物离规模化种植还有较长距离。

一方面,还有许多科学问题需要攻关;另一方面,不管这些新作物有多神奇,它们仍然需要通过各种田间试验,历经层层审批,而且要获得消费者的认可。

“从企业角度讲,会先做技术储备,等到时机成熟,再放出来。”大北农集团生物技术中心总经理吕玉平告诉《财经》记者。比如,孟山都公司的任何一项新技术,从其开始研发计算,大约要15年左右才能收回投入。

目前,美国在转基因技术研发水平上占据了制高点,拥有世界上约一半的生物技术公司和一半的生物技术专利;欧盟和日本为第二梯队,多个跨国种业公司分布于此,在生物技术领域积累了雄厚的研发优势;中国处于第三梯队的领先地位,某些领域的技术水平已超过第二梯队,后面有巴西和印度等新兴国家在积极追赶。

科技部2006年颁布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》,确定了16个重大科技专项,其中,转基因重大专项把突破重点聚焦于水稻、小麦、玉米、大豆、棉花等五大作物。

自正式实施以来,转基因重大专项鉴定具有自主知识产权的功能基因300多个,完成了80多个营养品质、抗旱、耐盐碱、耐热、养分高效利用,以及产量等经济性状基因的功能验证。

由于部分公众对转基因食品的恐惧,以及背后复杂的利益博弈,转基因粮食作物的商业化种植停滞不前,这导致中国转基因农业发展水平与美国的差距进一步拉大,发展速度也已落后于巴西、印度等发展中国家。

中国农业科学院生物技术研究所研究员黄大昉分析,这种影响会逐渐阻滞研发,继而使中国技术掉队。

为了消解公众的恐慌,前述修改作物自身基因的方法,或可使公众更加容易认可转基因作物,因为人们对转基因食品的排斥,很大程度上来自转入的外源基因。

而中国的研究者也正在发展一条新技术路径,即通过植物组织的特异性表达,可培育出在食用部位不含转基因成分的转基因作物。

华中农业大学生命科学技术学院林拥军教授就在做这样的尝试,在新一代转基因抗虫水稻中,抗虫蛋白只出现在害虫食用的叶和茎等部位,而在水稻的胚乳即人们食用的米粒中没有转基因成分。他告诉《财经》记者,“对于很多不接受的人来说,这更容易克服心理障碍。”(作者《财经》记者贺涛 )

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