转基因发展现状分析

1 1 转基因技术的定义 转基因技术是指将人工分离和修饰过的基因或 DNA 导入到生物体的细胞基因组中 由 于导入基因的表达 引起生物体的性状的稳定地整合 表达并可遗传的修饰 这一技术称 之为转基因技术 人们常说的 遗传工程 基因工程 遗传转化 均为转基因技 术的同义词 经转基因技术修饰的生物体在媒体上常被称为 遗传修饰过的生物体 2 1 2 植物转基因技术及其应用 植物转基因技术是通过各种物理的 化学的和生物的方法将从动物 植物及微生物中 分离的目的基因整合到植物基因组中 使之正确表达和稳定遗传并且赋予受体植物预期性 状的一种生物技术方法 3 遗传转化的方法 4 按其是否需要通过组织培养再生植株可分成两大类 第一类需要通 过组织培养再生植株 常用的方法有农杆菌介导转化法 基因枪法 另一类不需要通过组 织培养 目前比较成熟的主要有花粉管通道法 转基因技术给人们带来了新的突破 转基因食品更是成为了人们关注的焦点 转基因 食品具有以下特性 25 1 提高农作物产量 增加生产产值 通过转移或修饰等生物技 术手段改良基因达到增产效果 促进生产的效率 节省成本 解决粮食短缺问题 带动农 业产业的快速发展 经过基因改良的大豆和普通大豆相比较 转基因大豆产量显著高于普 通大豆 2 增强食品特殊性能 强化食品功能 3 节约能源 保护环境 防治病虫 害 通过种植转基因作物不仅仅大幅度提高了农作物产量 而且大大减少了除草剂和农药 的使用量 这既减轻了使用大量化学物质对农业工人与害虫天敌的毒害 又维护了农田生 态环境平衡 产生了巨大的经济 社会和生态效益 表现出显著的优越性和不可逆转的趋 势 4 提高食品的营养价值 合理补充所需营养 5 具有保健功能 提升食品内在 价值 起到了预防疾病的作用 转基因技术发展现状转基因技术发展现状 1 1 全球转基因作物政策布局 全球转基因作物政策布局 转基因作物是现代农业发展的重要手段 在研究和保障生物安全的同时 加快转基因 农作物的研发和产业化已引起各国的高度关注 并成为国际农业生物技术领域竞争的焦点 美国国家科学基金会 NSF 和国家食品与农业研究院 NIFA 资助了多项转基因作物研究 2012 年 NSF 资助佐治亚大学 100 万美元 用于研究大豆基因功能 利用跳跃基因建立并 编目一个大豆插入和基因活化突变体库 2014 年 NIFA 资助了针对转基因技术 目标性状 可持续粮食安全 目标性状营养价值和目标性状能源性状 4 个方面的 16 项转基因作物研究 欧盟 FP7 框架于 2012 年相继启动 欧洲植物表型研究网络 与 提高豆类作物非生物和生 物胁迫抗性 项目 共投资 800 多万欧元用于研究耐旱和抗病性基因及相关分子机制 并 注重转基因技术开发 英国作物改良研究会 2012 年公布的第二轮资助项目重点关注利用生 物技术改良油菜 大麦和小麦等英国主要的谷类作物 加拿大通过 Growing Forward 2 框 架计划 基因组研发计划 基因组组织等对农业研发进行资助 加拿大基因组 2012 2017 年战略计划 着重支持油菜 小麦 亚麻 马铃薯 向日葵 葡萄 牛和猪的 基因组学研究 澳大利亚农业蓝图 2013 2020 年 指出 未来将通过利用创新技术向全 球人口提供高品质的粮食和纤维 印度 第十二个五年规划 2012 2017 年 则进一步 支持转基因产品设施建设 转基因技术和分子育种 俄罗斯联邦至 2020 年生物技术发展 综合计划 也投入大笔资金 用于利用基因组和生物技术新方法培育作物新品种 中国高 度重视转基因作物培育和产业发展 2015 年 中央一号文件明确提出 要加强农业转基因 生物技术研究 安全管理 科学普及 这是近十年来中央一号文件中第六次提到转基因 技术 表 1 发布于 2013 年的 生物产业发展规划 强调要提升生物育种核心竞争力 2012 年 生物种业科技发展 十二五 重点专项规划 重申了重要性状遗传基础研究和种质资源 创新的重要性 与此同时 2008 年国务院批准实施 转基因生物新品种培育 重大科技专 项 2013 年国家自然科学基金委员会启动 主要农作物产量性状的遗传网络解析 重大研 究计划 资助水稻 玉米株型发育和籽粒形成的关键基因 遗传网络调控 分子育种设计 以及转基因动植物新品种培育与转基因技术 2014 年中国科学院也启动了 分子模块设计 育种创新体系 战略性科技先导专项 旨在解析调控复杂农艺性状的分子模块 2 2 全球转基因作物发展态势全球转基因作物发展态势 转基因技术已成为生物育种中广泛应用的作物栽培技术 ISAAA2015 年发布的报告显 示 1996 年以来 全球转基因作物的种植面积持续增长 到 2014 年达到 1 815 亿公顷 种植面积增加了 100 多倍 图 1 研究表明 对于较贫穷的国家而言 害虫和杂草问题 更严重 转基因作物带来的收益也就更高 因此发展中国家的农民应用转基因技术实现的 收益率要比发达国家高 14 近年来 发展中国家转基因作物种植发展较快 2011 年起 种植面积已超过发达国家 通过分析专利 可以准确反应行业的研发动态以及产业化情况 2005 2014 年 全球转基因作物相关专利 族 数量持续增长 十年申请专利共计 12 065 项 反映出该领域的快速发展 图 2 3 3 转基因作物改良性状分析 转基因作物改良性状分析 全球转基因作物种植种类不断增多 2014 年全球商业化种植了 27 种转基因作物 其 中种植面积最大的作物是转基因大豆 约占转基因作物总面积的一半 其次是玉米 占 30 然后是棉花占 14 油菜占 5 其他作物仅占 1 全球 82 的大豆 68 的棉花 30 的玉 米 25 的油菜都是转基因作物 从专利申请量来看 大豆 玉米 棉花 油菜 4 大转基因 作物相关技术的专利申请量逐年增加 特别是转基因大豆和玉米 相关专利申请量持续保 持领先 自苏芸金芽孢杆菌 Bt 基因应用于棉花可有效抗虫以来 棉花育种发生巨大变 革 近 10 年转基因棉花研究突飞猛进 此外 转基因油菜的专利数量也稳步发展 图 3 目前商业化种植的转基因作物性状主要集中在抗逆性状上 包括抗除草剂 抗虫 抗 病毒等 这类作物能够降低耕种成本 增加作物产量以及减少农药的使用量 在耐逆境方面 研究方向已经转向多性状叠加的转基因控制体系 图 4 以获得双 重效益 提高广谱性效果 同时多重高效抗逆特性组合 可降低选择压力 如美国孟山都 公司已经与陶氏公司合作研发出了八重抗逆抗虫特性的组合品种 SmartStax 可以一并 防治地上地下昆虫并且抗广谱除草剂 SmartStax 综合了多个品种优势 包括孟山都 Yieldgard VT Triple 抗玉米根虫 抗草甘膦和抗玉米螟的三重转基因玉米 RoundUP Ready 2 抗麦草畏和草甘膦转基因大豆 和来自陶氏的 HerculexXtra 抗玉米螟和根部 蠕虫玉米 Liberty link 抗草铵膦性状系列产品 目前 玉米 棉花和大豆已有 SmartStax 的商业化品种 而更多的 SmartStax 作物品种正在研发中 此外 注重提高产 品品质 如改善食品味道 增加食物营养 减少食物中的反式脂肪酸 提高油料作物的含 油量等性状 的转基因产品正在研发中 从应用的技术来看 转基因作物相关技术的专利 IPC 分布显示 A01H 005 00 新被子植物或获得新被子植物的方法 通过组织培养技术的 被子植物再生 C12N 015 82 微生物或酶 其组合物用于植物细胞 A01H 005 10 新被子植物种籽或获得新被子种籽的方法 通过组织培养技术的植物再生 等 是全球转基因作物领域的重点技术 表 2 另外 通过基因组编辑技术开发新品种作物已成为新的研发热点 基因组编辑使用序 列特异性核酸酶在基因组特定位点实现 DNA 的插入 替换或删除 从而在基因组水平对基 因进行定向修饰 相对于传统转基因技术来说 其对基因的改良更加精确高效 目前 至 少两种基因组编辑的植物产品获得了美国农业部的批准 一个是植酸含量低的玉米品种 另一个是抗除草剂的油菜品种 加拿大也批准了基因组编辑的抗除草剂油菜的商业化 国 际上对基因组编辑产生的植物新品种的监管标准存在争议 美国的农业监管部门认为由细 胞自我修复机制产生的突变植物不属于转基因 因此 如果不是通过植物病原 如农杆菌 等介导的基因组编辑植物不被定义为转基因生物 GMO 欧盟委员会规定非自然方式产生 的基因修饰就是 GMO 但同时认为物理和化学诱变获得植物突变体不在这个范围内 然而 基因组编辑植物与物理 化学诱变获得的植物无法区分 因此 欧盟委员对基因组编辑植 物的监管标准存在不确定性 但最近 欧盟委员会也倾向基因组编辑植物不被定义为 GMO 而在我国 目前还没有监管基因组编辑植物的相关政策法规出台 4 4 转基因研发与种植国家分析转基因研发与种植国家分析 2014 年 全球共有 28 个国家种植转基因作物 从地域分布来看 转基因作物主要分 布在美国 巴西 阿根廷 印度和加拿大五个国家 欧洲转基因作物的种植面积很少 表 3 2014 年美国批准了两种新的转基因作物于 2015 年开始种植 Innate 降低丙烯酰 胺含量的转基因土豆 和 HarvXtra 降低木质素含量的转基因苜蓿 孟加拉国 2014 年 率先批准了 Bt 茄子的种植和商业化 越南首次批准了转基因玉米 抗除草剂与杀虫剂 于 2015 年的商业化计划 印度尼西亚批准了抗旱甘蔗的 2015 年种植计划 巴西也有两种产 品即抗磺酰脲类除草剂大豆 Cultivance 和本国产的抗病毒大豆将于 2016 年开始商业化 从专利的优先权国家 地区分布来看 美国 7036 项 遥遥领先 中国 3267 项 紧随其 后 两者专利数量远超其他国家 体现出其在转基因作物研发方面的重视 图 5 2014 年 中国转基因作物种植面积 390 万公顷 居全球第六位 种植作物主要为转基因抗虫棉 转基因抗虫棉的采用率较 2013 年提高 3 而抗病毒木瓜的种植面积增加了约 50 我国尚 未有转抗除草剂基因的作物商业化 以及多重性状改良转基因作物商业化 5 5 转基因研发机构分析转基因研发机构分析 全球转基因作物研究的机构中 美国孟山都公司 美国杜邦先锋公司和德国拜耳作物 科学公司专利数量稳居前三位 表 4 美国孟山都公司是农业转基因育种行业巨头 2012 年 孟山都的销售额达 76 亿美元 约占全球市场份额的 17 其开发的转 Bt 基因抗 虫棉占转基因棉总面积的 2 3 左右 美国杜邦先锋公司是世界最大的玉米种业公司 同样 具有雄厚的科研实力 其世界玉米种子市场占有率 20 以上 美国玉米种子市场占有率为 40 德国拜耳作物科学公司 对研发的投入为同行中最高 占其销售额的 10 研发给公司的发展注入了强大的生 命力 促使新产品不断涌现 市场占有率也持续升高 我国 3 所机构的专利数量跻身全球 前十位 分别为中国农业科学院 中国科学院 南京农业大学 近年来 我国加快转基因 作物研发步伐 取得了丰硕的研究成果 2009 年 8 月 中国农业科学院范云六院士科研团 队研究的转基因植酸酶玉米 BVLA430101 华中农业大学张启发院士研究团队研究的 Bt 抗虫转基因水稻 华恢 1 号 和 汕优 63 获得转基因作物安全证书 标志着中国转基因 粮食作物向产业化阶段迈出了坚实的一步 其中 BVLA430101 的专利已经转让给中国 奥瑞金种业公司 在种子市场层面我国种业集中度非常低 全国持证种子企业 5948 家 但 具备新品种研发能力的企业仅有 100 多家 销售额排名前五十位的企业仅占国内市场份额 的 30 同一区域内同类作物存在多个品种的现象非常普遍 国内种