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转基因植物在农业的应用现状分析

所属栏目:作物生产科学论文 发布日期:2020-12-15 08:57 热度:

   传统的杂交育种技术随机性高、效率低,若要通过传统杂交育种技术把多种不同基因的优良性状集中到一种植物中,需要杂交的次数、所经历的时间成本是很难承受的。同时,在野生植物中并没有一些人们所期望的优良性状。而转基因技术的出现,弥补了传统杂交育种技术的缺陷,可把从其他植物、动物或微生物中分离到的目的基因,转移到目标植物的基因组中,这样不仅能解决基因转移和重组效率较慢等问题,而且能把非近源物种基因转移至目标植物,使新植物具有抗虫、抗病、抗逆、高产、优质等原来没有的优良性状,并使之稳定遗传,这样的新植物即被叫做转基因植物[1]。虽然转基因技术相对于传统杂交育种缩短了时间,克服了传统杂交育种技术的不确定性,且突破了不同物种之间的生殖隔离,使原来难以实现的远缘杂交成为了可能,使人们可根据需要赋予植物新的特性,给农业生产带来了一场新的革命,但转基因技术作为一个新兴的科学技术,其安全性一直受到人们的质疑,尤其是英国普斯泰、美国帝王蝶、加拿大超级杂草、墨西哥玉米、巴西坚果、欧洲转基因玉米等一系列转基因植物安全性争论事件[2],更加剧了人们对转基因植物的担忧和恐慌。在此背景下,笔者拟通过对我国转基因植物的应用现状及未来进行总结介绍,以提高人们对转基因植物的认识和了解,从而科学对待转基因植物的应用和发展。

转基因植物在农业的应用现状分析

  1我国转基因植物的应用现状

  1.1基本情况

  1978年,我国把遗传工程列入国家科技八大重点发展领域。“863”计划、“973”计划的启动,更是使生物技术成为最受关注和热门的科研领域之一。2008年,根据中长期科技发展规划,我国启动了农业转基因品种的培育研究(国家重大专项),将转基因技术上升至国家战略。自此,我国农业生物技术从以“研究”为主转变成以“生产应用”为主,在转基因植物方面的研究应用更是发展迅速,并从“跟跑”到“并跑”甚至部分“领跑”。例如,我国建立了水稻、小麦、玉米、棉花和油菜等主要转基因农作物的技术标准体系,具备了开展各种作物转基因研究的基础条件与能力,不断研发出具有自主知识产权的重要基因,充实了转基因作物研发的基因库,并取得了一批标志性成果,缩短了与发达国家之间的差距。与此同时,我国也已批准Bt抗虫棉、抗病番木瓜、抗虫杨树的商业化种植。尽管我国在转基因植物方面的成绩斐然,但与以美国为代表的国际先进水平相比,依然存在很大的差距,整体研发力量依然薄弱,创新能力亟待提升,特别在核心技术方面,依然受制于人[3-4]。

  1.2研究应用情况

  1.2.1转基因抗虫棉20世纪末,我国棉花主产区棉铃虫连年大爆发,出现了大面积“棉荒”。1993年,被誉为中国“抗虫棉”之父的中国农科院生物技术研究所郭三堆研究员带领研究小组,将自主设计的GFMCrylABt基因导入棉花细胞,并使之成功表达,培育出了国产抗虫棉,使我国成为全球第2个拥有Bt抗虫棉自主知识产权的国家。1997年,我国批准抗虫棉商业化生产,抗虫棉迅速被大规模推广和普及,极大地减少了棉花生产中的农药使用量,成功遏制了棉铃虫的危害。同时,国产抗虫棉种植比例不断提高,成功夺回了曾被美国占领的“棉花阵地”。此外,转基因棉花的种植,降低了棉花生产成本,减轻了农药造成的环境污染,提高了棉花的单产和纤维品质,稳定了棉花生产,增加了棉农收入,确保了我国棉纺业健康持续发展。国产抗虫棉的成功研发和大面积种植,标志着中国转基因植物研究开始进入产业化发展阶段[4-5]。1.2.2转基因杨树我国是较早从事林木基因工程研究的国家之一。1998年,我国自主研发的转Bt抗虫欧洲黑杨就获得了环境释放批准,且其于2002年被批准开始商业化种植。2000年,我国科研人员获得了转基因741杨,于2001年被批准环境释放,于2002年获得商业化生产许可。此后,我国又在抗食叶害虫、抗天牛、抗虫CpTI毛白杨无性系,转蜘蛛毒蛋白抗虫小黑杨株系,耐盐碱纸浆材的转基因杨树方面,取得了重大进展。同时,我国顺利完成了杨树全基因组测序,为我国林木基因工程改良奠定了坚实的基础[6-7]。1.2.3抗病番木瓜番木瓜是热带和亚热带地区广泛种植的植物,但番木瓜环斑病毒会给番木瓜生产带来毁灭性病害。为培育抗病番木瓜,20世纪90年代中期,我国开始抗病基因分离研究,1998年开始进行转化载体构建,2000年完成了转化再生和温室评价等中间试验,2002年开始进行限制性田间试验,进入环境释放阶段,最终于2006年选育了4个新品系,并在广东省示范种植。同时,我国于2010年发布了华南农业大学转基因抗环斑病毒番木瓜“华农1号”在华南地区生产的安全证书,由此,转基因番木瓜全面进入商业化生产阶段。此外,2019年中国热带农业科学院的“YK1601”转基因抗病番木瓜品种获得了农业转基因生物安全证书[8]。1.2.4转基因水稻我国的转基因水稻研究一直处于国际领先地位[9]。近年来,发表在《自然》《科学》杂志上,以水稻为研究对象的学术论文,大部分是由中国科学家在本土独立完成的[10]。我国开展转基因水稻研究较早,自1989年中国农业科学院生物技术研究所科研人员将Bt基因导入水稻品种“台北309”“中花8号”的原生质体并获得再生植株后[11],中国科学院遗传所研发的转CpTI抗虫水稻、复旦大学遗传所研发的抗褐飞虱水稻、中国农业科学院生物技术研究所与国外合作研发的转Xa21抗白叶枯病水稻“明恢63”株系、华中农业大学与中国科学院遗传所合作研发的转Xa21抗白叶枯病水稻以及杭州市农科院研发的转OsCYP2耐盐水稻等,都处于国际领先地位,特别是华中农业大学研发的“华恢1号”和“Bt汕优63”经过严格的试验研究、中间试验、环境释放、生产性试验,于2009年获得了农业部转基因生物安全证书,且2018年1月11日“华恢1号”获得了美国FDA的商业化生产许可[12-14]。1.2.5转基因玉米我国自1991年起开始玉米Bt基因的研发,且通过筛选苏云金芽孢杆菌新株系,分离克隆新的Cry基因,并取得了一定的进展。例如,2009年我国自主研发的转植酸酶玉米获得了生产应用安全证书,“Cry1Ac-M”“Cry1Ie”“Cry1Ah”等转基因玉米进入了生物安全评价生产性、环境释放试验阶段。但到目前为止,我国没有批准转基因玉米的商业化种植[15],目前我国批准的转基因玉米应用仅限于食品和饲料加工。1.2.6转基因大豆自1996年起,我国由大豆出口国变成大豆进口国。据统计,2018年我国进口大豆数量占消费总量的85%以上,其中,进口大豆中大部分为转基因大豆,且主要用于榨油及生产饲料豆粕。到目前为止,我国还没有批准转基因大豆的商业化种植[16]。在转基因大豆研究方面,国内主要在抗虫、抗病、抗逆、抗除草剂以及品质性状等方面取得了一定的进展。例如,上海交通大学、浙江大学成功培育了抗草甘膦大豆;东北农业大学将Cry1A基因成功导入受体,提高了“东农50”的抗虫性;黑龙江农业科学院成功培育了高产优质高蛋白转基因大豆“黑生101”。同时,我国在大豆转基因抗花叶病毒、抗灰斑、抗疫霉根腐及转基因大豆再生体系研究等方面,也取得了一定的突破[17-18]。1.2.7其他转基因植物目前,我国科研人员在抗玉米螟玉米、抗菌肽马铃薯、含高必需氨基酸马铃薯、抗病毒甜瓜、Bt烟草叶、抗病毒花生、高赖氨酸玉米、抗芜菁花叶病毒白菜、抗黄矮病和黄花叶病毒小麦以及耐盐苜蓿、草莓、烟草研发等方面取得了重大进展。同时,在药用工业方面,我国科学家利用转基因植物作为生物反应器,表达药用蛋白和多肽等,在人血清蛋白水稻、人源抗狂犬病毒的单克隆抗体烟草以及转基因抗乙肝蕃茄、α-淀粉酶、植酸酶、纤维素酶等方面也取得了可喜的进展[19-20]。

  1.3存在的风险

  生物多样性是粮食生产安全的基础,转基因植物在给人类带来巨大的社会、经济、生态效益的同时,也可能给社会和环境造成危害,导致生物多样性减少,损耗基因库,使人类所依托的、丰富的农作物遗传多样性受到巨大的威胁。1.3.1挤压传统物种的生存空间转基因植物比传统植物有更强的特性,其作为外来物种,在性状和品质上优越于本土自然植物。按照达尔文“物竞天择、适者生存”的进化论与竞争机制,转基因植物必然会挤压生物群落中传统物种的生存空间,并通过食物链间接影响其所在生物群落的结构,对群落中的植物、动物产生伤害,进而威胁生物多样性[21]。1.3.2基因污染转基因植物可能会通过花粉、种子、无性繁殖器官等产生基因“逃逸”“飘移”,从而引起“基因污染”,导致种子纯度下隆,改变农作物与野生近缘种杂种各世代的生态适应度、入侵能力,并可能会通过湮灭效应、选择性剔除效应、遗传同化作用等,影响野生群体的遗传完整性和遗传多样性。此外,外源转基因也可能会从转基因作物向作物的同种杂草漂移,导致具有更强特性的超级杂草产生[22-23]。1.3.3威胁非靶标有益生物转基因植物通过抗虫、抗草、抗逆境、抗病毒等特性,在攻击或消灭特定目标的同时,通过食物链,有可能会直接或间接地威胁非靶标有益生物的生存、繁衍,或使目标害虫出现抗性进化,从而引起生态风险问题[23]。1.3.4抗风险能力弱受经济效益的影响,农民可能会大范围单一种植通过生物技术创造出的超级新植物品种,但种植单一作物不足以抵御自然灾害风险,一旦单一种植的转基因作物遭受病虫侵害,可能会带来灾难性后果。

  2我国转基因植物的未来

  任何一项技术,都不存在好坏之分,只要有需求就会有市场。正如爱因斯坦所说“科学技术究竟是给人类带来幸福还是灾难,并不取决于工具,而是取决于我们人类自己”。当前,全球人口数量不断增加,人口数量与土地面积之间的矛盾十分严峻,而传统育种技术在提高农作物产量和增加营养方面的潜力已接近极限,很难有进一步提高,难以满足人们对农作物等资源日益增长的刚性需求,而转基因植物有助于解决上述问题。因此,我国仍需在以下方面开展转基因植物研究。

  2.1育种

  千百年来,广大农业生产者一直在跟农作物的病虫草害作斗争,病虫害对农产品的产量、品质都有很大影响,甚至是严重威胁。为了实现农作物增收,我国农业科研人员数年如一日,孜孜不倦地进行农业生产科研实验。而转基因育种技术,能使农作物自身具备抗病、抗虫、抗除草剂、抗旱等多种优良性状,这给攻克在传统育种技术下根本无法解决的问题带来了曙光,特别是在水稻、玉米、大豆等主要农作物基因组测序工作顺利完成后,如能进一步全面解析农作物生长发育机制,未来将能实现通过基因组育种的梦想[24]。在未来,转基因水稻、小麦、玉米、大豆、油菜等农作物以及林木、花卉、牧草将是我国转基因植物的重点研究领域[25]。同时,随着研究的深入,待这些转基因植物进行商业化种植后,除能有效解决日益严峻的人口膨胀和粮食短缺之间的矛盾,给消费者带来营养更丰富、更健康、更美味的食物外,还能缩小我国同发达国家之间的贫富差距,增强我国在国际上粮食安全的话语权。

  2.2药用、工业用酶

  随着生物技术的进一步发展,我国将在通过转基因植物生产抗体、药用蛋白和多肽、疫苗、工业用酶等方面,实现更广泛的应用[20]。例如,若能利用转基因植物生产胰岛素,这样投入少、产能高且可弥补重组DNA技术等基因工程的不足,广泛推广必将极大降低成本,给糖尿病人带来福音[26],相信在不久的将来,我们有望只要吃一份转基因的红烧土豆或番茄汤就可起到预防传染病的作用[27]。

  2.3风险控制

  转基因植物作为一项新生事物,人们对其的认识有一个循序渐进的过程,对其许多方面还不熟悉,且目前我们尚不具备事先发现潜在风险的能力。因此,我们应在转基因植物的收益和风险之间进行权衡,或在两者之间保持必要的张力,汲取在农药刚问世时,只看到农药带来的巨大经济效益,而忽视农药对环境的负面影响的深刻教训。因此,防止转基因植物给生物多样性和生态环境带来的负面影响是我们目前及未来须严肃对待的事情。为此,我们要积极研究防止基因逃逸的叶绿体转化技术[28]、细胞质遗传法、染色体组的特异性选择、终结者技术、雄性不育技术、花粉不育技术、外源基因删除技术等,以防范基因污染[29-33]。同时,我们要科学制定转基因植物安全管理体系,对每一个转基因植物从研发、种植、应用到消费,都要做好严格的事先评估、事中检测、事后监测,并充分了解其对生物多样性和生态环境可能造成的影响,且科学预测其安全性,从而有效防控各类潜在风险,以确保转基因植物为人类造福[34-35]。

  3结语

  我国高度重视转基因技术的研发、推广和应用,并将其作为粮食安全、提高农业生产效率、增强国际竞争力、增加农民收入和实现农业可持续发展的重要途径。同时,转基因植物的商业化生产是解决目前耕地面积不断减少、人口不断膨胀导致的人类生存矛盾的有效途径,具有历史必然性和现实需求性[36-37]。虽然目前转基因植物在我国的推广应用仍存在许多科学、监管和社会方面的障碍[38],但笔者相信,通过科学进行转基因植物的应用和发展,未来转基因植物必将会为我国绿色农业的发展增添新的强大动力。

  《转基因植物在农业的应用现状分析》来源:《上海农业科技》,作者:凌闵

文章标题:转基因植物在农业的应用现状分析

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