作物生物技术产业化最新进展和未来走向.pdf

作物生物技术产业化最新进展和未来走向沈桂芳 倪丕冲 孙丙耀摘 要 被认为遗传改良很有希望的植物 基因工程将对食物、 饲料和纤维安全做出巨大 贡献近20年来,随着转基因技术取得不断进 展和日臻成熟,一大批抗病、 抗虫、 抗除草剂等 转基因玉米、 棉花、 大豆、 油菜、 番茄和马铃薯等 品种培育成功,全球转基因作物产业化发展迅 速我国在转基因作物的研究和产业化方面取 得的进展较快目前已有10余种转基因植物 进入田间试种,有6种转基因植物被批准商品 化生产尽管21世纪作物生物技术产业化发 展还面临诸多问题,受到一定限制但进入21 世纪,农作物基因工程无论是研究还是产业化 的前景一定会更好,发展步子会更快 关键词 作物;生物技术;产业化;转基因生物技术是应用分子生物学和细胞生物学 及遗传学的技术和方法,有目的地进行动、 植物 性状的遗传改良,生产出优良性状的新品种,提 高农、 林、 牧、 渔的产量和质量因而农业是现 代生物技术应用最广阔、 最活跃、 最富挑战性的 领域以转基因植物为重点的农业生物技术诞 生于本世纪70年代,一直是科技工作者最活跃 的研究领域之一在80年代中期首先在转基 因烟草和马铃薯上获得成功而取得重大突破, 进入90年代具有实用价值的转基因生物品种 因其高产、 低成本、 耕作简便和利于环境等优势 被人们逐渐认识,而迅速走向商品化和产业化。

本文仅就国内、 外农作物生物技术的产业化最 新进展和未来发展方向作简要介绍1 作物生产和生物技术粮、 棉、 油、 糖和蔬菜等作物与人们的日常 生活息息相关,但随着人口的增长和生活质量 的不断提高以及对环境问题的日渐关注,这些沈桂芳,研究员,中国农业科学院,北京中关村南大街12号,100081倪丕冲,通讯地址同第1作者孙丙耀,苏州大学收稿日期:2001 - 08 - 08;修回日期:2001 - 08 - 30作物的生产面临着越来越大的压力2000年 全球人口总数已经超过60亿,估计2050年将 接近90亿其中90 %集中于亚、 非、 拉三大洲 的发展中国家而目前在发展中国家中有8. 4 亿人营养不良, 13亿人处于饥饿状态[1],全球 粮食安全越来越明显地呈现在我们面前据国 际粮食政策研究所(IFPRI)的有关专家预测,到 2020年全球对粮食的需求量将增长40 % ,即年 均需增长1. 3 %以上而据联合国粮农组织 (FAO)的推测,在今后的长时期内粮食产量增 幅有逐年下降的可能性我国是以传统农业为 主的大国,也是人口大国,全国人口接近13亿, 其中农业人口9亿多,而且绝大部分农民仍以 农业生产为主,粮食在种植业结构中仍占73 % 的比重。

预计三四十年后我国人口将增至16 亿,对粮食等作物的需求量将越来越大被认 为遗传改良很有希望的植物基因工程将对食 物、 饲料和纤维安全做出巨大贡献近20年 来,随着转基因技术取得不断进展和日臻成熟, 一大批抗病、 抗虫、 抗除草剂等转基因玉米、 棉 花、 大豆、 油菜、 番茄和马铃薯等品种培育成功, 并实现了产业化,迅速在各国推广应用2 全球转基因作物产业化最新进展农业生物技术在80年代中期首先获得转 基因作物后,至今已有35科120多种植物获得 转基因植株1986年转基因抗虫和抗除草剂 作物批准进入田间试验[2 ,3]1994年首批转基 因产品 — 迟熟保鲜的番茄和抗除草剂棉花 — 获 准进入市场销售至今,国外已有90多种主要 与抗病、 虫、 草害有关的转基因作物获准商品化 生产诸如抗玉米螟的玉米,抗棉铃虫、 红铃虫 的棉花,抗甲虫的马铃薯,抗病毒病的西葫芦、 番木瓜,抗各种除草剂的玉米、 大豆、 棉花、 油菜 和亚麻等其中以抗虫,抗除草剂或两者兼抗 的大豆、 玉米、 棉花、 油菜等作物的商业化生产 速度最快(图1)2000年全球种植转基因作物 的面积达4420万hm2(图2)将近英国种植面 积的两倍。

2000年种植转基因作物的面积比1作物杂志2001(6)© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1996年增长了25倍以上,较1999年增长了 11 %在这5年间,大面积商业化种植转基因 作物的国家增加了一倍,从1996年的6个到 2000年的13个涵盖了北美、 亚洲、 拉丁美洲、 大洋洲、 欧洲(东部和西部)和非洲图1 1996～2000年全球各种转基因作物种植面积(百万hm2) (来源:ISAAA)图2 全球转基因作物种植面积(百万hm2)(来源:ISAAA)值得注意的是,虽然发达国家种植转基因 作物的比重较大,且保持相对稳定状态但近 两年发展中国家种植转基因作物呈现强劲的增 长趋势2000年发展中国家种植转基因作物 的面积增长了51 % ,从1999年的710万hm2增 加到2000年的1070万hm2(占全球种植转基因 总面积的1/ 4)美国、 加拿大、 阿根廷和中国 是种植转基因作物面积最大的国家,这四国的 面积之和占整个转基因作物面积的99 %美 国是商业化种植转基因作物面积最大的国家。

2000年美国转基因玉米的面积超过全国玉米 种植面积的1/ 3 ,转基因大豆和棉花的种植面 积也都超过了各自种植面积的1/ 2转基因作 物进入市场后,已产生了相当大的经济效益1995年全球种植转基因作物的产值效益(以美 元计)为7 500万,1998年约12～15亿,而到 2000年估计大于30亿种植转基因作物的高速增长,反映了发达国家和发展中国家的农民 对使用这种技术的转基因产品认可的增长表 现在更加方便适用的耕作管理、 产量和纯收入 的增加,通过减少使用常用杀虫剂等农药,达到 环境安全而对持续农业的发展做出了贡献3 我国转基因作物产业化概况我国生物技术的研究始于80年代初,但在 转基因作物的研究和产业化方面取得的进展较 快据中国农业生物技术学会的统计,到1996 年底正在研究的转基因种类达47种,涉及各类 基因103种,其中与病、 虫、 草害防治有关的基 因就有62种(抗病毒33种,抗细菌病害8种, 抗真菌病害7种,抗虫11种,抗除草剂3 种)[4]目前已有10余种转基因植物进入田间 试种,有6种转基因植物被批准商品化生产 其中与抗病、 虫有关的转基因作物有4种即 中国农科院的抗虫棉和孟山都公司的保铃棉, 抗病毒病的番茄和甜椒。

另一个华中农业大学 的转基因耐储藏番茄也获田间释放 转Bt基因的抗虫棉花在我国首先大面积 应用推广,并形成商业化生产中国农科院生 物技术所和兄弟单位合作于1994年育成了高 抗棉铃虫的转基因棉花使得我国成为继美国 之后拥有自主知识产权、 独立研制成功转基因 棉花的第二个国家据国家科技部中国生物工 程开发中心的统计,到目前为止,我国已先后育 成20余个GK(国抗号,如95 - 1 ,12 ,19 ,22等) 转基因单价抗虫棉优良品系,以及转Bt和Cptl (豇豆胰蛋百酶抑制剂基因) SGK(双价国抗号)321双价转基因抗虫棉品系[5]同时中国农科 院棉花所、 南京农业大学和山西农科院棉花所 等单位还以抗虫棉为亲本,育成了一批抗虫能 力在80 %以上,单产比主栽品种高15 %以上转 基因抗虫杂交棉组合GKZ 1、2、3、4、5号以及中 棉所38号新品种(系)其中6个国抗号抗虫 棉新品系通过了省和全国农作物品种审定委员 会的审定部分转基因抗虫棉品种(系)已获农 业部基因工程安全委员会批准在江苏、 新疆、 山 东、 安徽、 河南、 山西、 湖北、 北京、 河北、 辽宁、 四 川、 浙江、 江西、 和湖南等14个省、 市进行环境 释放。

部分单价和双价抗虫棉在河南、 河北、 新 疆、 辽宁、 山东、 山西、 安徽和湖北等省进行商品 化生产到2000年底转基因棉花在我国累计 推广36. 7万hm2,仅减少农药和省工两项获经 济效益7. 7亿元另据国际农业生物技术应用2作物杂志2001(6)© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.机构估计2000年中国种植转基因作物的面积 为50万hm2(主要为种植国内外转基因抗虫棉) 较1999年增加20万hm2,社会和经济效益更 大,发展速度之迅速显示了转基因作物在中国 的良好应用前景 除了转基因抗虫棉在生产上形成一定的产 业化规模外,还有转基因抗病、 虫的水稻,抗病 毒病的甜椒,番茄和耐储藏的番茄等一批转基 因作物都已获农业部生物技术安全委员会批 准,正在中试阶段浙江大学原子核农业研究 所与加拿大渥太华大学合作于1994年获得转CrylA ( b) Bt基因的水稻,1998年获农业部批准 进行环境释放试验从转基因马铃薯中选出的 二个高蛋白、 高必须氨基酸含量、 产量比当地主 栽品种增产5 %～10 %和综合商品性状俱佳的 新品系,正在内蒙进行区域试验。

诸如这些转 基因产品还有很多,正在作进一步生产试种,其 中的一部分有望形成商品化生产,在作物生产 上发挥作用4 作物生物技术产业化的未来走向20世纪最后20年,农作物生物技术已由 实验室阶段进入田间应用并走向商品化的高速 发展但21世纪作物生物技术产业化发展还 面临诸多问题,受到一定限制:① 目前作为产业 化应用的转基因作物,还仅局限于大豆、 玉米、 棉花等抗虫和抗除草剂的少数几种作物上,对 于高产、 高营养、 抗病、 抗逆、 品质改良等基因工 程还停留在实验室阶段,有待进一步开发研究, 还应扩大到小麦、 水稻等更多的作物上应用;② 我国作物生物技术产业化虽在近年来有所发 展,但与产业化发展快的发达国家相比还有相 当大的差距;③ 人们对作物转基因产品的食品 和环境安全性问题产生意见分歧和疑虑,这些 问题不解决,即使有好的转基因作物产品,其产 业化发展也会受到很大限制从已有20年的 进展,使我们相信进入21世纪,农作物基因工 程无论是研究还是产业化的前景一定会更好4.1 产业化的步伐加快 生物技术是一个高投入、 高产出产业西 方发达国家的农业生物技术研究的主体正在迅 速由公共资助的大学和研究所转向私人公司, 其研究目标就是实现产业化。

目前,农业生物 技术作为一项高新技术产业在发达国家已经形 成,并处于高速发展阶段据世界银行下属机 构和国际粮农组织预测,世界范围内转基因技术产业的交易额在2000年大于30亿美元, 2005年将达到60亿～80亿美元,2010年达到200 亿～250亿美元,以每5年3倍的速度递增4.2 单一抗性向多抗、 广抗谱发展 为防止长期种植单一抗性的作物对病、 虫、 草害产生的抗性或耐性,向同一作物转入多个 抗性基因,是扩大抗谱范围和延长抗性时间的 有效途径之一一是向同一作物转入多种不同 抗性机理的基因,以增强作物的抗性如对杀 虫性来说,可用Bt杀虫晶体蛋白基因,与其他 不同杀虫机理的杀虫蛋白基因(如蛋白酶抑制 剂、 昆虫特异性神经毒素、 淀粉酶抑制剂、 外源 凝集素等)组合,同时或分别导入同一受体,以 避免昆虫产生抗性同时也可将抗病、 虫、 草等 不同的基因导入同一作物,产生多抗性作物品 种,以延长其使用年限,降低生产成本4.3 由抗性向优质、 高产、 抗逆境等多种优良 性状发展 转基因作物商品化的第一个浪潮主要与抗 性有关,如抗病、 抗虫、 抗除草剂等但从发展 趋势看,进入21世纪,转基因作物将向超高产 生物技术育种,抗逆性生物技术育种(抗旱、 抗 寒、 抗低光照、 耐盐碱、 耐瘠薄等)和品质改良的 基因工程发展,如增加蛋白质含量,提高和改进 淀粉含量,增加脂肪和必须氨基酸的含量等。

既符合高产、 优质、 高抗的作物育种目标,又符 合人们不同生活需求的目的4.4 常规育种和分子生物技术紧密结合加速 实用化进程 分子生物技术取得的。