张启发:作物育种的主要发展趋势

2017-05-17 | 作者: 科学成就自由 | 标签: 视频

(本文根据张启发院士在10月19日黄金大米品尝会上的报告录音整理,未经本人审阅。)首先想跟大家交流一下关于粮食安全的问题。我们在报纸上看到,第一部分就是不断增长的总需求,这是在网络媒体上经常看到的数字,就是今年世界人口过了70亿,2050年到90亿,大家都在折腾90亿人口如何吃饭的问题;另外一个需求生活水平不断提高,对粮食是不断需求的,但同时我们还应该关注甚至更应该关注就是粮食生产的资源以及环境的可持续性。这方面我们关注得不太够,尤其是在媒体,甚至是在政府政策制定上,对这个问题关注不太够。

我们来看看过去50年里三大粮食,玉米、水稻、小麦,它们生产发生了什么样的变化。总体来说,过去50年,这几大作物产量基本上是按照每年1%的速度递增,就是每年增产1%。国际水稻所做了一个技术预测,要实现粮食安全的目标,起码是做到1.2%,最好能达到1.5%,如果我们要做到1.2%、1.5%,我们要做什么呢?无论是中期、短期还是长期,都是要提高品种的潜力,这就是关键,也就是说要做作物育种。我要跟大家分享的就是作物育种的新趋势,我一共列了八大趋势,今天想跟大家讨论其中五个趋势。

第一个趋势就是转基因作物大规模产业化。这是最近二十年当中,作物育种当中发生最重要的事情,就是转基因作物大规模产业化。过去二三十年有里程碑的事情,从转基因作物培育成功,到1994年批准上市,到2006年达到1亿公顷,。1983年首例转基因植物培育成功,也就是说转基因技术成为作物育种发展的主要引擎之一。

这是大家最近经常听到一个数字,2012年全世界一共种植了1.7亿公顷的转基因作物,远远超过了中国要力保的耕地红线。英国有一家研究所做了效益的评估,列了六个方面的效益,少用杀虫剂、除草剂;有效控制害虫和杂草;能够做到免耕、保护土壤;减少二氧化碳排放;增加食品安全性、有益于健康;提高产量,增加农民的收入。

转基因作物在种植的地区,正在推动农业方式的变革,什么样的变革?一个是不用除草剂,甚至是免耕,这是一个很大的事情,种田免去了耕种,这是多好的事情。抗病虫作物减少了病虫害之忧,不担心病虫害危害,所以美国种植转基因的农民说你需要做的就是播种,有种就有收。我看了这个方式,按照我们中国的需求,我上次说一个傻瓜相机式的种田方式,傻瓜相机就是很简单、很容易,但有人说手机比傻瓜相机更好,手机拿起来打电话、也可以照相,希望这样一种方式发生,一颗种子扔到田里,你就不用管了,这就是它的事了,也就是说种子要有足够的技术含量,就像我们现在的手机一样。

有媒体朋友说要加强管理,要立法,我们国家在农业转基因生物安全方面是有法的,而且还挺早。而我本人又正好是早期的主要推动者之一,我们现行的农业转基因生物安全性评价最早第一版就是我起草的,就是打伊拉克战争的这一天(具体时间我不记得)。其实还是一波科学家主动在推动这个事,世界范围内对这个东西都很关注,我们也应该有关注,这才有了1993年国家科委出了基因工程安全管理办法,才到农业部出了农业生物基因工程安全管理实施办法,1997年成立了办公室授予转基因安全性评价,批准了很多转基因的好多产品,包括番茄、棉花等等。但非常遗憾的是1997年到现在没有增加任何的品种。2006年法规等级上升,变成了国务院条例,2001年5月23日发布的国务院条例。大家比较过国内国外的法规,认为中国的法规管理程度非常严谨,这个不多说。

中国推广转基因最大的一件事就是转基因棉花,转基因棉花获得了大面积推广。2008年启动转基因专项的时候,有380万公顷,以后也没有大的增加,就这380万公顷,减少了农药用量约80余万吨,增加了农民效益,而且农民中毒的事故大大减少。还有一个附带效应,可能在座的未必知道,就是中国农科院做的一个研究结果,记得2007年在讨论转基因抗虫棉批准生产以后出现了什么呢,因为棉铃虫什么都吃,只要是绿色植物都吃,推广抗虫棉是不是意味着别的作物要受更大的损失,但是种下来实际结果并不是这样的,在推广抗虫棉的地区,不仅棉花没有遭殃,而且其他作物也得到了很好的保护。后来他们有一个解释,第一代棉铃虫下田的时候,就是第一代虫卵非靠棉花不可,但是你第一代棉花抗虫了,使得虫卵大大减少,也就是说使其他农作物都受到了非常好的保护。这意味着以后种其他的作物也会发生其他的事情。

下面说水稻。水稻也有跟棉铃虫相似的虫叫螟虫,水稻二化螟、三化螟造成的损失是115亿元的人民币,这是2002年所做的统计。意义还不仅仅在于此,还在于少用了很多农药。今年湖北省农业厅发了一个公告,说不打农药粮食收成仅有20%,也就是说今天吃的稻米,80%是靠农药来的。现状就是这样的。这是2008年生产的转基因稻米——转基因抗虫水稻,这是08年7月份所拍摄的照片,大家看非转基因的稻米,在不打农药的情况下,被螟虫吃得干干净净。然后我们在湖北做生产性的实验,北京来了一个专家,到湖北仙桃做农户调查,这是调查的实际结果,每亩少投入八九十元的人民币,少打农药、少用工、少灌水,减少中毒中暑的危险。

也做过一些实验,十几年安全性评估也在探索中度过。刚开始做的时候,国家也没有具体的规定,评估应该怎么做?我们就找到湖北省疾病预防控制中心,他们就做了这么一些实验。急性毒性、三项致癌突变、传统致畸实验、三代繁殖(每代6-7个月)、慢性毒性(200只大鼠,106周)、致瘤试验等等。后来农业部说你做的不算,我们按照新的法规、新的标准做新的试验,而且需独立做,你们只提供稻米,这就是得到的结果:TT51(华恢1号)掺入饲料喂饲大鼠90天,动物活动、生长未见异常,被毛浓密有光泽;与亲本稻米(明恢63)比较,未发现TT51(华恢1号)对试验大鼠体重、食物利用率、血液学指标、血生化指标、脏器重量、脏体比以及组织病理学观察有生物学意义的改变。

另外农业部农产品质量监督检验测试中心(北京),即中国农业大学食品科学院做的试验。得到的结论是什么呢?转基因抗虫水稻与非转基因水稻具有同样的实用安全性。这是2009年农业部颁发转基因水稻安全证书。那个时候拿到安全证书的时候,我就说,我们还需要品种的审定,还需要生产许可证,还需要经营许可证。在没有这些证书之前,安全证书就等于这些证书,做棉花的都是这样过的,但到水稻这里,这些证书每一个都是一个门槛,而且这些门槛的高度很深,今天你看它可能是一尺,明天就是二尺,当初我估计产业化至少四年,到今天正好是四年。但今天跟2009年相比,不是更近了,而是更远了。但我们并没有很悲伤,在过去四年当中做了很多事情,拿到了安全证书的华恢1号培育出大批抗虫衍生品系,包括不育系、恢复系,以及优良的杂交稻组合,其中有20个组合进行了生产性试验,也就是说只等批准产业化那一天了。

另外还可以做双价基因的抗虫水稻,把一个抗虫基因水稻种到田里,推到生产当中以后,害虫会产生抗性,可能不会有太长的时间,抗虫基因就不管用了,所以昆虫学家推荐是用两个抗性基因同时推出。按照大家说的概率,如果说一个抗虫基因发生突变的概念是十的负六次方,两个抗虫基因的概率就大大变低,如果一个基因可以管十年,两个基因原则上就可以管一百年,所以这一辈子就不用担心,所以我们就努力做双价基因。

还有一种做法就是组织特异性表达,抗虫蛋白只在害虫进食的绿色组织部分表达,人吃的部分不表达,就是稻米当中没有这个东西。所以转基因水稻已经具备了大规模产业化的条件和技术储备,当前的困境是国家转基因产业化的发展停止,无法实现转基因水稻的产业化。我个人认为,错失重大机遇。

简单介绍一下转基因技术的新趋势。包括无标记转基因技术(进一步降低安全性风险)、质体转化(转基因不随花粉传播)、多基因转化(多性状同步改良)、时空特异性表达(在食用部分无转基因产物)、精确定点转化、无外源DNA序列载体(做水稻就用水稻做载体)、转基因技术培育非转基因作物、不需组织培养。这是新的技术趋势。

转基因作物可以培育出一些其他的产品,能源作物以及营养健康食品,以及环境污染治理的植物,以及植物反应器,生产别的一些代用品,用植物来做。

发展趋势二,就是基因组研究的迅猛发展。

水稻是率先完成基因测序,接下来是要做功能基因组研究。功能基因组做什么?把DNA测序测出来,然后把基因进行改良。功能基因组研究有这么一种意义,大家都在说我们关注基因的知识产权,基因的知识产权是有数量的,比如说水稻,现在数字说是有五万个基因,成了全世界抢夺的目标。一个塘里有多少鱼,大家都去捞,捞完之后,下一波就没有了,所谓的功能基因组就是做这个。国家愿意做就是看重了这个东西。我们也在抢这几条“鱼”。

举个例子,Ghd7:控制每穗粒数、株高和抽穗期的多效性基因,是管产量的基因,一个基因可以改变产量,通过转基因技术或者其他技术,我们看到基因的效果非常大,他的株高可以差一尺,开花时间差一个月,产量差70%,甚至一倍。GS3,决定籽粒大小的主效QTL,是粒子大小的基因,这也很重要,因为粒子大小,不管是产量还是品质,都很重要。pms3, lncRNA调控光敏不育,是光敏不育基因,经过了25年漫长历程,到2012年才克隆出这个基因。还有S5,籼粳不育/广亲和基因,籼稻、粳稻两个结合了,生的小孩很大,但不育,所以我们下一步做的目标就是籼粳稻优势的利用。以及抗虫的基因、抗旱的基因,这是最近十几年克隆水稻基因的数量。我们看到2000年以前没有什么基因,到现在不仅克隆基因质量增加,数量也在增加。按照类型来分,有产量类型、抗虫类型、营养高效类型、品质类型、开花类型等等,现在全世界范围内克隆了1800多个基因。

水稻功能基因组长远目标,确定全部基因生物学功能,这是我们发起的一个计划,全世界有一个比较松散的合作,做水稻功能基因组的研究,提出了一个目标,到2020年我们希望基本弄清楚水稻全部基因的功能,同时做育种。

趋势三就是基因组做育种。我们全部都有基因组的信息,用它来做选择,关注农业的朋友大家都知道,过去做做育种是一个劳动密集型产业,科学成分不是很多,现在利用基因组做技术,有可能改变这个状况,可以极大地提高育种选择效率和精确性。我们研究出来一个水稻育种的芯片,用芯片做全基因组选择育种。同时针对我们关注的一个现状,比如说抗虫、抗旱,也可以进行选择。水稻基因组育种的时代已经到来,基因组技术跟转基因技术应该构成将来若干年的两大支柱技术,支撑作物育种不断前进。

趋势四,育种目标的发展。我开篇就谈到了食品安全的问题,接下来要问作物育种何处去?作物育种向哪里走,回应的应该是整个社会的需求,就是社会发展对作物育种有什么样的需求?或者说需求是怎样变化的?它决定了作物育种向何处去。

传统的育种目标,小时候我们天天关注一件事情,即产量,一直到90年代,育种目标还是产量,后来加了“品质”,但在国家品种审定办法里成不成为品种就是看你有没有产量的增加,所以产量还是唯一目标。我认为正在转型当中的育种目标就是可持续发展与两型农业,就是资源节约型和环境友好型建设,导致目标不断转型,这就是关注可持续发展。进一步还要关注就是消费者营养与健康、生产者效应、农民福祉,都是我们应该关注的,也就是说农业生产不仅要关注产量还要关注更多事情。也就是说社会进步对品种需求是不断发展的。

我国作物生产的主要问题有什么?刚才已经讲了农业生产就是病虫危害、农药、化学肥料等等,过去三十年,农药化肥跟水稻产量的关系,大家看一下,农药、化肥都是不断增加的,尽管如此,水污染、水短缺已然是重要的问题,非点源污染控制方面面临日益严峻的挑战,包括化肥农药的不当使用所带来的污染以及大规模畜牧业生产设施的排放等。我最近关注南方稻米重金属超标的问题,大家以为没有什么别的说法,就是重工业的污染,但仔细分析下来,有它的原因,第一大原因就是土壤偏酸,偏酸原因是过多地施氮肥,部分稻田受周围的工矿污染,罪魁祸首就是氮肥的使用。我们把环境搞得一团糟,去年粮食自给率降到90%以下,肉类进口也是快速增加了,这个问题是比较严峻的,我们提出来“呼唤第二次绿色革命”,这个命题我们已经提了十多年了。我们认为第二次绿色革命不再是提高产量,仅仅提高产量的技术不再成为是第二次绿色革命,第二次绿色革命就是“少投入、多产出、保护环境”,十个字缺一不可。我们提出来要做绿色超级稻,少打农药、少施化肥,节水抗旱,保护环境。这是我们的技术路线图。

绿色超级稻在科技部成为重大项目,也由农业部培育了一段时间,科技部列为863项目,现在正在启动新一轮的绿色超级稻,同时也作为国际农业合作的模式动员大家合作。中国科学家主导,非洲以及东南亚国家都来参加,利用中国技术提高他们的水稻生产力。

以上这是关于环境和资源的可持续发展。

作物育种与人类营养和健康关系非常密切,我以前做学生的时候,健康就是吃饱肚子,锻炼身体,有病找医生,三要素就够了。但我现在不这样认为,通过学习我认识到健康取决于营养,营养来自于食品,营养在健康当中的作用跟找医生、锻炼身体作用一样。

有一个项目叫生物强化,这是粮农组织支持的重大项目,这是几十年的计划,主要做三个东西,一个是铁、一个是锌,一个是维生素A。现在做法是通过作物育种增加食品当中这几个东西的含量,进展不错。其中有一个很有代表性的东西就是维生素A,夜盲症是缺乏维生素A的典型症状,以及人体免疫力下降等等。有统计显示,全世界有1.9亿的学龄前儿童,跟1900万孕妇都是缺乏维生素A的,这是一个数字,67万小孩因为缺乏维生素A而死亡,有35万儿童失明,重症地区就是东南亚地区以及非洲国家。

这是β—胡萝卜素合成途径培育金稻米,2005年改进之后,使得金稻米β—胡萝卜素含量提高,一个小孩、一个孕妇只要吃够该吃的稻米量,就不再缺乏维生素A。国际上检测了一下转化效率,应该是说很有用的。

另外从研发技术上讲,在谷物里还关注一个抗性淀粉的含量,凡是有点肥胖的人,都可以吃这个东西得到改进,比如说糖尿病、心脑血管病,这个还在研发当中。还有一个要特别推荐给大家的,你看看转基因的西红柿,红颜色变成紫颜色,增加的是什么?花青素。小白鼠添加了紫西红柿之后寿命大大增加,达到30%。所以说你本来活80岁的,凭紫番茄可以达到100岁。

趋势五,育种市场化和集约化,导致国内有一个新的说法叫生物种业。生物技术与信息技术对育种的全副武装、高度的技术集约和整合、全球化的育种体系以及国际化的种业市场导致了生物种业的发展。这是主要国家种子市场占全球市场的份额,我们看到美国是最大的,但并不是一成不变的。这是美国的育种程序,基本上都是一半在实验室,一半在田业,大的种业公司都有全球化的研发基地,全球化的育种基地,材料在全世界到处都有种,所以一个东西好不好,全世界都有反应,东方不亮西方亮。

2008年,国家说要出台新型战略产业计划,在那一年国家要启动转基因专项,我做了很多的调研,用了很多的数据,收了很多的资料。我国的生命科学研发实力应能支撑农业生物技术种业,问题就是体制机制的问题,严重存在生命科学研究、育种、产业化相互脱节的三张皮现象;种子公司多(8752家)而乱、规模小,效益低、竞争力差,基本无研发;生产上品种数量多、雷同度高、技术含量低,单品种覆盖面积小;国家对育种的建设投入过于分散,低水平重复;以目前机制,国家投入越多,分散重复现象将越严重。

我认为要做强大的企业,尤其是要做国家企业来抗衡国际巨头,其他途径也不是绝对不可以,但在当前形势下速度还是慢了。我个人认为,转基因水稻产业化可以提供一个重大的机遇,可以催生非常大的企业,并可以开拓国际市场,增加国际竞争力。感到欣慰的是,经过了一段时间折腾之后,中华人民共和国国务院出台了加快推进现代农作物种业发展的规划,在这样一些大的背景下,中国种子集团打造中国种子生命科学技术中心,希望成为我国种业大型生物技术研发基地,希望它能够与国际大的公司、农业生物巨头抗衡。希望通过八到十年的努力,发展成为世界一流的生物技术种子企业,目前落户武汉国家生物产业基地。希望组建的是交响乐队式的育种合作模式,有指挥有团队,配有最好的音乐与品种,推动育种范式的革命,这个革命能够成为领导潮流的绿色超级品种,建立在学术思想、建立在品种支援,建立在生命科学技术,建立在育种选择策略上,努力为国家粮食安全提供很好的保障。这是我要跟大家分享的内容,谢谢!

提问者:我替很多媒体朋友问一个问题,希望张先生给予回答。到目前为止,我们国家高层包括农业部和国务院,以及政治局这个高度,他们对转基因技术在中国的发展究竟是持怎样的一种态度。其次从去年开始,我知道张先生也参加了一些科学家给国家高层的上书,这些上书到目前有怎样的结果?谢谢!

张启发:我也不是官员,当的最大官就是华中农业大学生命科学技术学院的院长,这个院长而且也只有最后两个月了,马上要下了(注:张启发已经60岁,主动要求换年轻的学者来当院长)。所以国家高层是怎么理解的,实在不是特别清楚,尽管参加过一些座谈或者是当面的接触。但是,我们一直在努力,大家可能知道,2001年10月31日的时候,应该说十几年前,朱镕基做总理的时候,我去讲过一次,今天的PPT有几张还有那个时候的痕迹,也就是说一直在努力推动。后来我们看到的一个成果就是,讲完了之后,一些生物技术的专家以及农业部领导们,大家回头合计了一下,觉得还是需要推动一下,后来就写了一个咨询报告,2004年送上去,也有批复下来,我们看到比较大的动作就是后来启动了一个重大专项。

最近我们也一直在努力,包括我们跟总理座谈的时候,有机会也去进言一下,前年胡锦涛同志视察湖北,给我们指定的内容就是汇报转基因水稻,但汇报完了之后,新华社发的稿子里面就没有发转基因水稻,说有一些环节还是有问题。但我们一直在努力,这些专家们一直在努力,我比较欣慰的是海外也有一波专家,大家也有相当高的共识,最近49位做生物医药的专家,这些都是在海外学有所成,写了一个给我国的建议,希望推动转基因农作物产业化,据我了解,得到我国领导人非常正面的积极的回应。

国内61位院士也向习近平主席以及李克强总理也上了一个进言,也建议要推动转基因的产业化,就是我刚才讲的,我们再这样做下去,研发是在投入,知识产权的比例越来越大,但产业老是不动,这是对我国来说非常不利的,比不做的国家还要糟糕。于是61位专家写了一个建议,据说也引起了领导的高度关注,我们一直在做这些事,能够做到什么程度,我很难说。谢谢!

提问者:转基因产品在中国产业化推广方面,就算国家马上批准的话,多快可以在全国进行全面产业化推广?

张启发:现在遇到的困难还很多,我刚才说了一个东西,过去几年来,培育了很大量的新品种,杂交稻都有了抗虫基因,但现在企业还是比较弱小,企业不够强大,我估计企业对推动这个东西的兴趣是非常之强大的。很多企业兴趣很强大,但还存在着要理顺关系的问题。无论是需求还是供给的能力,都足以使他比如说五年内可以做到很大面积的推广,推广到品种可以覆盖的地方,推广到螟虫会大面积发生的地方,我估计都可以,大概就是五年左右的时间。但有一条请你理解,即便是有需求的都覆盖了,但在中国所占的面积不会特别大,棉花、水稻发虫的季节不会那么大,长江流域为界、黄河流域为界,大概只有这个需求,不会做到全中国都会种转基因品种。

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