朱祯:中国转基因作物发展路径

2014-12-20 | 作者: 朱祯 | 标签: 朱祯 中国转基因作物发展路径

目前,中国农业面临着三方面的重大挑战。首先耕地锐减,人均耕地面积不足世界平均水平的40%。其次,水资源匮乏,人均水资源占有率只有世界平均水平的25%左右。再次,病虫害、旱涝等自然灾害频发,环境恶化。

发展转基因技术可以有效地缓解或解决这些问题。第一,转基因农作物品种能够显著提高农作物产量,改善农产品的品质,确保中国的粮食安全。第二,进行抗性的转基因育种还可以降低农药、化肥的施用量,确保中国农业的生态安全。第三,通过开发功能性和治疗性的食品,可以提高农产品的附加值,增加农民的收入。第四,通过对转基因技术的研究、创新, 可以建立中国自己的生物技术研发体系,提高中国在这方面的国际竞争力。

转基因农作物国际研发进展

国际上对转基因农作物的研究已有30年历史。目前,美国是种植转基因作物面积最大的国家, 面积达6 950万公顷,其后依次为巴西、阿根廷、加拿大、印度和中国。2012年中国转基因作物种植面积为4百万公顷,而且近十年来, 种植面积增长趋缓,而印度、美国、阿根廷等国家均在稳步上升。

2012年全球转基因作物种植面积最大的是大豆,有八千多万公顷,主要是抗除草剂转基因大豆,其次是转基因玉米,再次是转基因棉花和油菜。2012年全球大豆的播种面积的81%、棉花播种面积的81%、玉米播种面积的35%和油菜播种面积的30%都种植着转基因的品种。近期将要陆续推广的一些转基因品种包括转基因抗旱玉米、转基因氮高效利用玉米,以及富含β-胡萝卜素的金水稻。

转基因作物带来了巨大的经济效益和社会效益,大幅度提高了农业生产力。在1996到2011年期间,作物产量增加估计达到982亿美元;同时,少用杀虫剂4.73亿千克;在2011年减少231亿千克二氧化碳的排放,有非常好的环境效益。

转基因农作物的广泛应用促进了农业生物技术产业的形成,彻底改变了种业的产业结构,大规模的并购与重组已于上世纪末本世纪初完成,种业已由原先的单一的种子经营过度到了育繁推一体化的经营模式。新技术的应用使种业的产业凝聚度大幅度提升,世界上最大的三家种业公司在全球种子市场上占有份额已从1996年8%左右提高到2010年的35%。种业的国际化趋势日趋明显,跨国公司加速了全球种子市场的瓜分。

中国转基因农作物发展现状

中国转基因农作物的研发总体上可以分为两个时期。第一个时期,从1986年到2000年,目标是追踪世界科技前沿,有所为有所不为,研究内容主要是基因克隆、植物转化和转基因农作物的大田试验。第二个时期,从2001年至今,中国开展了自主创新研发,主要的研究内容是转基因农作物的商业化生产,以及基因组测序和通过组学的手段进行基因克隆的研究。经过这两个时期的发展和积淀,未来中国将要进行源头的、根本性的创新。

中国批准商业化生产的首批转基因品种包括:抗病毒番茄、耐储存番茄、抗病毒甜椒、改变花色的矮牵牛以及抗虫棉。其中抗虫棉在商业化用途上成效显著。2008年中国转基因抗虫棉种植面积已占全国总植棉面积的72%。中国自行研制的转基因抗虫棉占抗虫棉推广面积的百分比也由1999年的7%增长到2008年的93%。1999年到2008年,中国累计推广转基因抗虫棉2.2亿亩,受益农户超过3 000万户,减少农药80%以上,减少的农药使用量约为4.5万吨。平均每亩增收节支220元,累计为国家和棉农增收节支大约400亿元人民币(郭三堆研究员提供),这些收益远远超过了国家对农业生物技术研究的总投入。

另外,中国在转基因抗虫水稻研制方面处于世界领先水平,目前已经通过了安全审批,等待产业化。另一个重要的转基因农作物——转植酸酶玉米,也已经通过了中国转基因安全审批。抗鳞翅目害虫的转基因杨树和转基因抗病毒的番木瓜也已获批进行商业化应用。

此外,中国自行研制的生产人血清蛋白和品质改良的转基因稻米、抗虫或抗旱的转基因玉米、抗黄花叶病毒或抗旱的小麦、品质改良的转基因棉花、抗除草剂的转基因大豆等优良转基因作物已完成了产业化前期的工作。

中国农作物重要基因的发现与克隆

转基因农作物的核心知识产权是基因专利。如果转基因没有基因的自主知识产权,转基因产业就无法很好的发展。中国在新的农作物重要功能基因的发掘与克隆方面取得了重要进展。已经克隆的基因有决定水稻高产性状的理想株型基因IPA1, 决定水稻籽粒长宽比例的gl-7(t)基因,决定稻穗夹角角度的EP2基因,水稻穗形态相关的DEP1基因,耐旱相关的OsKIPa基因,与株高、产量、穗粒数相关的Ghd7基因,与穗发育、广亲和性相关基因等,以及抗稻飞虱的Bph14基因, 抗水稻重要病害水稻细菌白叶枯病的Xa26基因。

中国的作物基因组学研究

近些年中国在作物基因组学研究也取得了重大进展。首先,中国参与了国际水稻基因组计划,完成了粳稻‘日本晴’四号染色体的精确测序和功能解析工作;同期中国独立完成了籼稻‘93-11’的基因组草图和完成图,标志着中国农业基因组学已经进入了世界基因组学研究的前列。2002年以后,中国的科学家独立或者通过国际合作完成了其他许多重要作物的基因组测序,包括马铃薯、大豆、黄瓜、杨树和番茄,以及近期完成的小麦D基因组和A基因组的测序工作;同时,包括其他一些生物像鹅、朱鹮、血吸虫、鲤鱼、仓鼠等。

基因组研究的核心竞争力是生物信息学,这不仅需要大量的测序工作,还需要高性能计算机和高效率算法。在这方面中国已经具备了上述基因组研究的核心竞争力,深圳华大基因研发中心现在已经成为世界最大的基因组测序中心。引领本世纪世界未来发展的两大技术是生物技术和信息技术。《第三次浪潮》的作者托夫勒曾指出,在新的机遇面前,发展中国家和发达国家在同一起跑线上。在高新技术领域世界格局将重新洗牌,只要抓住机遇中国完全可以赶超世界领先水平。

中国转基因产业化展望

从克隆基因到获得转基因植物,最后育成可用于生产的农作物新品种是一个复杂的过程。目前中国在DNA测序、组学研究、以及转基因技术和分子育种各个环节上均取得了重要进展。问题在于如何将这些技术环节形成完整的技术链条和产业化链条,并最终实现转基因作物的产业化。

抗虫棉是应用成功的一个例子。中国批准商业化的抗虫棉是分别由中国和美国孟山都公司自行研制的。在1997年中国自行研制的抗虫棉仅占抗虫棉推广面积的一小部分,孟山都的占绝大部分。但到了2008年,中国的品种已占主导地位,全面超过了国外产品。其中重要原因是中国结合使用了三系杂交棉技术和抗虫棉技术,产量增加了20%以上,棉花纤维质量明显提高,种子成本也明显降低,因此具有了国际竞争力。从这个例子可看出,在对待国际竞争时, 我们一定要正面积极应对。

只有发展中国自己的转基因产业才是正确的应对措施,通过引进、消化、模仿、吸收、自主研发和进一步创新以增强中国的科技竞争力。担心国外的竞争而拒绝采用新技术最终将会导致中国种业彻底“崩盘”,那将是任何人都不愿见到的结果。

另一个例子是中国的大豆种植业。1995年国际上大规模培育和应用转基因作物的前夕,中国年生产大豆1 600万吨,美国年生产量为6 000多万吨。2012年美国年生产量提高到8 000多万吨,而中国则降到1 260万吨,在此期间,另外两个主要大豆生产国阿根廷和巴西的产量增加了2~3倍。以上3个主要大豆生产国均大规模采用了转基因大豆,不但增加了产量,同时还降低了生产成本,从而更具国际竞争力。1996年以前,中国是纯大豆出口国,而现在最高的时候需进口大豆5 838万吨,是中国大豆产量的4倍。国外廉价大豆价格冲击了中国大豆市场,并导致中国榨油产业70%~80%的榨力被外国公司所控制。

未来,企业将是转基因农作物育种研发、投资和应用推广的主体。中国连续两年中央一号文件都提到了种业问题,而且特别地强调转基因和生物技术育种;同时,2011年国务院的八号文件也明确了关于种业发展的意见,这些重大决策将有效地推动中国种业的发展。

(作者为中国科学院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室彭永刚,张磊,朱祯,原文见《植物生理学报》,2013)

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