生物技术在农作物转基因生产中的应用

生物技术在农作物转基因生产中的应用

中国是一个人口众多、农业大国。确保食品安全和农产品供应是国家的首要任务。据预测到2030年,我国人口将达到16亿,在未来的20年中,我国农作物单产需要在现有基础上提高50%才能满足届时的需求。人口的持续增加导致对粮食和各种农产品的需求不断的扩大,耕地却进一步减少。近年来,作物产量徘徊不前,病虫危害加重、农药化肥使用过量、水资源短缺以及干旱、高温、低温等灾害性天气等问题是我国农业生产面临的主要挑战,对我国粮食安全构成严重威胁。农业生产急需一批同时集高产、优质、抗病、抗虫、抗逆、养分高效利用等诸多优良性状于一体的优良品种。随着基因组测序等多种技术的不断突破,拟南芥、水稻及多种农作物全基因组测序的完成,植物功能基因组学、表型组学等多种学科研究迅速发展起来,作物育种的理念和技术也正在发生重大变革。20世纪的最后十年,转基因技术臻于成熟。转基因技术能够准确地对某个基因进行操作,打破自然界中存在的物种间的生殖隔离,迅速在作物育种中得到应用,并成为农业史上推广最快、应用面积最广的新技术。多年的数据表明,转基因作物在以下方面产生了巨大的效益:(1)提高产量;(2)增加食品的营养价值,有益于健康;(3)有效地控制了害虫和杂草;(4)免耕、保护土壤;(5)大量减少农药施用;(6)增加农民收入。分析还表明,大面积推广转基因作物对节约能源、减少二氧化碳排放已产生了显著的效果。1优良基因的转化利用将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中,由于导入基因的表达,引起生物体性状可遗传的修饰,这一技术称之为转基因技术。目前在转基因农作物的培育中导入外源基因常用的方法主要有“农杆菌介导转化法”和“基因枪法”。转基因技术与传统育种技术是一脉相承的,其本质都是通过获得优良基因进行遗传改良。自人类耕种作物以来,我们的祖先就从未停止过作物的遗传改良。过去的几千年里农作物改良的方式主要是对自然突变产生的优良基因和重组体进行选择和利用,通过随机和自然的方式来积累优良基因。遗传学创立后一个多世纪的作物育种主要通过人工杂交,进行优良基因的重组和外源基因的导入而实现遗传改良。但在基因转移的范围和效率上,转基因技术与传统育种技术有两点重要区别。第一,传统技术一般只能在生物种内个体间实现基因转移,而转基因技术所转移的基因则不受生物体间亲缘关系的限制。第二,传统的杂交和选择技术一般是在生物个体水平上进行,操作对象是整个基因组,一次所转移的基因数以万计,不能准确地对某个基因进行操作和选择,对后代的表现预见性较差。而转基因技术所操作和转移的是经过明确定义的基因,功能清楚,后代表现可准确预期。因此,转基因技术是对传统育种技术的发展和补充。将两者紧密结合,可大大地提高品种改良效率。2潜力主要的转基因作物1983年世界首例转基因植物的诞生,标志着人类用转基因技术改良农作物的开始。1986年,美国批准转基因作物进入田间试验。1994年,美国Calgene公司培育的延熟保鲜转基因番茄被批准商品化生产。1996年全球开始大规模地商品化种植转基因作物。自此,转基因作物的研发和产业化在全球范围内迅猛发展起来。据农业生物技术应用国际服务组织(ISAAA)的统计,2009年全球转基因作物种植面积达1.34亿公顷,占全球作物面积(15亿公顷)的9%。在短短的14年间,转基因作物的种植面积较1996年(转基因植物大规模进行商业化种植的年份)的170万公顷增长了79倍,转基因技术也成为农业近代史上应用最快的作物技术。2009年商业化种植转基因作物的国家从1996年的6个增至25个,包括16个发展中国家和9个发达国家。这些国家的人口总数为36亿,占世界人口的54%。种植面积超过百万公顷的前8个国家分别是:美国(6400万公顷)、巴西(2140万公顷)、阿根廷(2130万公顷)、印度(840万公顷)、加拿大(820万公顷)、中国(370万公顷)、巴拉圭(220万公顷)和南非(210万公顷)。2006年以来,有57个国家允许涉及24种作物的155个转基因植物事件(event)用于食品/饲料或种植。这24种转基因植物包括大豆、玉米、棉花、油菜、南瓜、木瓜、紫苜蓿、甜菜、番茄、杨树、甜椒、马铃薯、矮牵牛、康乃馨、玫瑰等。其中种植面积最大的作物是大豆、玉米、棉花和油菜,这4种作物的转基因品种面积占全球所有转基因作物的99.6%。在全球转基因作物商业化种植的第一个13年里(1996～2008),农民共创收519亿美元,其中超过一半的收益(261亿美元)来自发展中国家,其余的258亿美元则来自于发达国家。根据PGEconomics的报告显示,转基因作物对农民增加收入的影响主要来自于产量和生产效率的提高,对增加农民收入具有重要意义。在已商业化的转基因作物中,抗除草剂和抗虫基因是目前主要的导入性状。随着转基因植物研究的不断深入,未来多性状聚合逐渐成为研发重点。提高作物抗逆性和功能性转基因作物研发速度加快,更多的具有新的性状的转基因作物如抗旱小麦、富含β-胡萝卜素的金稻米等有望在几年内实现商品化。3传统育种技术的不足,制约了农业的持续发展近年来农业生产与资源环境的矛盾日益严峻,严重制约了农作物产量的提高,对粮食安全和农产品供给构成威胁,具体表现在以下几方面:(1)主要作物的病虫危害逐年加重,大量喷施农药既加重了农民负担,又严重破坏了人类赖以生存的生态环境,还造成了食物中的大量农药残留,严重危害人类健康;(2)我国不少地区作物生产的施肥量已超过了土地的承受能力,大量施肥造成土壤退化、江河湖海的富营养化,对农业和环境可持续发展构成严重威胁;(3)据统计,我国农业耗水约占全国总耗水量的70%,而水稻的用水几乎占整个农业耗水的70%。水资源短缺的矛盾突出,旱灾频繁,受旱面积大;(4)我国北方及沿海地区盐碱地面积很大,南方热带、亚热带普遍为酸性土壤,这些不良环境极大限制了作物的种植和产量潜力的发挥;(5)近十几年来,多种作物产量均出现徘徊局面。多年的统计资料分析表明,继续依靠增加化肥、农药等投入的方式来增加作物产量,潜力有限,必须通过遗传改良,培育出一批同时集高产、优质、抗病、抗虫、抗旱、养分高效利用等诸多优良性状于一体的优良品种,才能使农业生产在提高产量、改良品质的同时,降低投入、节约资源、减少环境污染,保障农业的可持续发展。然而,采用传统的遗传育种技术,无法快速有效地实现上述目标,在育种技术上需要大的变革。近十几年来,以基因组研究和生物技术发展为基础,转基因作物研究取得了大量的新成果,开发出包括具有抗除草剂、抗虫、抗病、抗逆、耐旱、氮磷肥高效利用、产量提高、品质改良等性状的多种转基因作物。如果能有效地集成这些成果,就有可能培育出同时具备多种优良性状的作物新品种,缓解我国粮食和农产品的增产与资源环境的矛盾,保障我国农业的可持续发展。4抗虫植物和品种的种植自1997年批准转基因棉花以来,我国批准了包括棉花、矮牵牛、番茄、甜椒、杨树和木瓜在内的6种转基因植物的种植。2009年农业部颁发了转Bt基因水稻和转植酸酶玉米的生物安全证书。2009年,我国种植了370万公顷的转基因抗虫棉和约4500公顷的转基因抗病木瓜,以及少量(447公顷)的转基因抗虫杨树。目前我国转基因植物的种植面积居世界第6位。4.1抗虫棉对农业的生态价值＿1601854.htm)。抗虫棉的应用不但使棉花棉铃虫得到了有效控制,还大大减轻了玉米、大豆、花生等作物害虫的危害,杀虫剂用量降低了70%～80%,有效减少了农药中毒事故,保护了农业生态环境。根据Wu等在华北六省市长达15年的试验观察,证实转基因抗虫棉的推广应用不仅有效控制了棉铃虫的危害,还显著减轻了该杂食性害虫对玉米、大豆、蔬菜等多种作物的损害,产生了良好的生态效益。拥有我国自主产权的抗虫棉的开发还有力促进了我国农业生物技术研究水平的提升,推动了产学研结合的新型棉花种子产业的形成；抗虫棉产品不仅在国内市场上占有绝对优势,而且走出国门,在国际棉花种业市场争得了一席之地。4.2高含植酸酶的玉米畜禽和水生动物的成长需要一种重要的矿物元素——磷。玉米、大豆等加工而成的饲料中磷含量非常丰富,但是这些磷元素主要以植酸磷的形式存在。由于单胃的动物如猪、鸡、鸭等体内缺乏分解植酸磷的“植酸酶”,因此很难转化、吸收植酸磷。为此,饲料企业不得不高价购买矿物磷进行饲料添加。与此同时,饲料原料中未被动物利用的植酸磷却形成了高磷粪便,对环境造成了严重污染,比如我国畜牧业每年有300多万吨磷从畜禽粪便里排放。中国农业科学院生物技术研究所的科技人员利用基因枪介导的共转化法,将微生物来源的植酸酶基因导入玉米自交系,育成了高含植酸酶饲料专用型玉米。动物饲喂试验表明,转基因玉米中的植酸磷可分解成供单胃动物吸收的无机磷,除了能提高动物对饲料磷的利用率,减少磷酸氢钙添加以外,还显著减轻了动物粪便中高磷残留造成的环境污染。转植酸酶基因玉米自2005年开始进行安全性评价,先后在北京、山东等地进行了中间试验、环境释放试验和生产性试验。农业部于2009年正式颁发该玉米在山东省生产应用的生物安全证书,现已进入相关品种区试及审定程序。4.3抗虫基因的华恢1号及其杂交组合为bt汕优33我国水稻的常年种植面积为4.5亿亩,产量损失的主要原因之一是病虫种类多、危害大。例如,据盛承发等估算,我国每年水稻二化螟、三化螟的发生面积达1500万公顷,防治面积3800万公顷,防治代价连同残虫损失合计115亿元(以2002年价格计)。来自于苏云金芽胞杆菌(Bacillusthuringiensis,简称Bt)的Bt毒蛋白基因是目前世界上应用最为广泛的抗虫基因。华中农业大学的研究人员以生产上广泛种植的杂交稻优良恢复系明恢63为受体,将具有我国自主知识产权的crylAb/Ac融合抗虫基因通过双质粒基因枪转化最终获得了转基因株系华恢1号;由华恢1号与珍汕97A配制的杂交组合定名为Bt汕优63。中科院农村政策研究中心黄季焜研究组对2001～2002年在湖北省执行的华恢1号的杂交组合Bt汕优63的生产性试验进行了调查,种植抗虫转基因水稻每公顷可节省16.77kg农药,相当于节省80%的农药使用量;比原杂种增产6%～9%。多年试验结果表明,华恢1号及其杂交组合Bt汕优63抗螟虫效果显著,丰产和稳产性能突出,具有巨大的开发应用潜力。华恢1号转基因生物安全性评价始于1999年,先后在华中农业大学实验农场和湖北省10个不同生态区进行了中间试验、环境释放和生产性试验,同时开展并通过了食用安全、环境安全性的评价。农业部于2009年正式颁发该水稻在湖北省生产应用的生物安全证书,现已进入相关品种区试及审定程序。我国在抗虫稻研发方面还有大量的技术储备。其中带有不同抗虫基因的抗虫稻以及带有两个不同抗虫基因的双价抗虫稻,如代号为T1c-19、T2A-1、T1Ac、T1Ab等都已进入安全性评价环节。此外,我国还自主培育出抗病、抗除草剂的转基因水稻,这些材料在育种上都具有很大的应用前景。为使水稻生产与环境协调发展,我国科学家还提出了培育“绿色超级稻”的目标:充分利用水稻种质资源和功能基因组的研究成果,采用分子标记辅助选择、转基因技术和常规育种相结合的策略,培育高产优质,而且集对多种主要病虫害具有良好抗性、氮磷养分高效吸收利用、抗干旱和多种逆境条件、优质、高产等诸多优良性状于一体的水稻新品种。最终在水稻生产中实现“少打农药、少施化肥、抗旱节水、优质高产”。4.4基因基因检测我国的水稻全基因组测序工作,在世界上产生了较大的影响。近年来,我国水稻功能基因组研究突飞猛进,在国际上取得了较大优势。我国科学家已建立起大规模开展水稻功能基因组研究的技术平台,在水稻功能基因组和生物育种研究方面处于世界领先水平;小麦、玉米、棉花、大豆等作物的功能基因组和转基因研究也初具规模;分离克隆了数以千计具有自主知识产权的功能基因。据不完全统计,迄今为止我国共克隆农作物性状相关的基因364个,其中抗病虫基因47个、抗非生物胁迫基因101个、品质相关基因61个、产量相关基因11个、育性相关基因18个、与生理发育有关的基因126个。如与产量、品质相关的基因MOC1,Ghd7、IPA1、GS3、DEP1、GW2、GW5、G1F1等;与株型相关的基因PROG1、D27；抗病相关的基因Xa3/Xa26、xa13等；抗虫基因Sph14；抗非生物抗逆性(抗旱节水、耐冷、耐渍)基因SNACl、SKC1、OsCIPK12、OsbZIP23、OsSKJP、DST、OsHAL3等;氮、磷养分高效利用相关基因OsPHR2、OsPTF1、OsSPX1;与水稻生长发育相关的基因OsJMJ706、RID1、WOX11等,为作物遗传改良和转基因研究奠定了坚实的基础。随着基因组研究和生物技术的发展,转基因作物研究取得了大量的新成果,开发出具有抗虫、抗病、抗逆、抗除草剂、耐旱、氮磷肥高效利用、产量提高、品质改良等性状的多种转基因作物。抗虫玉米、抗穗发芽小麦等已蓄势待发。此外,还培育出数千份具有各类特殊性状的水稻、玉米、小麦、棉花、油菜、大豆等作物转基因新材料。2008年,我国启动了国家重大科技专项“转基因生物新品种的培育”,旨在培育大批的水稻、小麦、玉米、棉花、大豆、猪、牛、羊等8种生物的转基因新品种,并实现产业化,同时分离克隆大量的功能基因和调控元件。预计该专项的实施将使我国在转基因棉花、水稻等优势领域保持国际领先地位,在转基因大豆等薄弱领域赶上世界先进水平。2010年中央一号文件中明确提出“切实把农业科技的重点放在良种培育上,加快农业生物育种创新和推广应用体系建设。继续实施转基因生物新品种培育科技重大专项,抓紧开发具有重要应用价值和自主知识产权的功能基因和生物新品种,在科学评估、依法管理基础上,推进转基因新品种产业化”。国家层面上的大力扶持将有力地推动我国转基因育种产业结构的调整和发展。5我国认识到转生物安全的特性,基于我国立法进行了转基因生物的安全管理从一开始就受到世界各国的重视,从事转基因研究和开发的国家均建立了以科学为基础的安全性评价管理规则。在我国,原国家科委于1993年颁布了《基因工程安全管理办法》,为我国转基因生物安全管理提供了基本框架。根据这一框架,农业部于1996年颁布了《农业生物基因工程安全管理实施办法》,并开始了我国转基因生物安全性评价的工作。2001年,国务院颁布了《农业转基因生物安全管理条例》。农业部依据该条例,发布并实施了安全评价、进口安全、产品标识和加工审批4个管理办法;质检总局和林业局也发布并实施了相应的管理办法。这些条例和配套管理办法共同构成了我国转基因生物安全管理的法规体系。我国还制定了与转基因生物安全检测相关的技术标准16项,系统进行了抗虫棉、抗虫稻等转基因作物环境生态效应评价研究和食品安全的评价;建立了转基因生物(产品)非期望效应的检测方法,以及商业化转基因产品的筛选检测和安全评价方法。这些制度的建立对转基因生物研发健康有序地发展起到了很好的作用。就转基因作物而言,我国的管理办法要求研发单位在申请安全性评价时提交该转基因作物详尽的分子生物学资料,并通过国家指定的具有资质的机构进行食品安全性评价,内容包括转基因产品的毒性、致敏性、抗营养性