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农业转基因技术的发展与应用

  目前,转基因作物已在一些国家大面积种植,2017年种植面积已达到1.898亿公顷,是1996年的112倍,占全球15亿公顷耕地的12%,全球批准商业化种植的转基因作物已增至26种。转基因技术在降低资源投入、保护环境安全、保障粮食供给等方面显示出巨大的潜力。但是作为一种新兴技术,人们对其生物安全问题非常关注,由于一系列转基因的突发事件,造成了公众对转基因技术认知的误解。为此,农业农村部科技发展中心副主任叶纪明做了以下解读。

 

1 转基因的概念及技术特点

 

  1.1概念

  转基因技术的理论基础来源于进化论衍生来的分子生物学。转基因技术的发展其实是一种植物育种技术的发展,从自然选择开始,依次向常规育种(嫁接)、杂交育种、诱变育种、分子育种(现代生物技术)发展。

  1856年,孟德尔发现了生物界重要的遗传学物质DNA,为转基因技术的发展做出了贡献;1982年开始重组人胰岛素;1994年第一例延熟保鲜转基因番茄获批上市;1996年转基因作物开始大规模商业化种植……

  基因片段的来源可以是提取特定生物体基因组中所需要的目的基因,也可以是人工合成指定序列的DNA片段。DNA片段被转入特定生物中,与其本身的基因组进行重组,再从重组体中进行数代的人工选育,从而获得具有稳定表现特定的遗传性状的个体。该技术可以使重组生物增加人们所期望的新性状,培育出新品种。

 

  1.2优势

  转基因技术不仅有利于发展农业生物技术,减少农产品损失、自然环境的恶化、病虫草害带来的负面影响,降低劳动力成本等,还拓宽了遗传资源利用范围,使育种更为精准、高效和可控,具体如下:

  (1)打破了物种之间的界限。常规育种、杂交育种、诱变育种等技术都涉及基因的交换和变异,但局限为本物种的基因,转基因技术可以解决这个问题。

  (2)能够将别物种中的抗体、耐除草剂等基因,通过一种技术转移到需要的作物中,并能表达和稳定遗传。如Bt(苏云金芽胞杆菌)基因,因其表达产物Bt毒蛋白具有杀虫效果好、安全、高效等优点而成为应用最为广泛的转杀虫基因。科学研究人员通过酶作用重组新的质粒,转入培养植物的细胞,将转入基因的细胞培养成完整的植物,从而达到较好的杀虫效果。

 

2 转基因方法

 

  2.1农杆菌介导转化法

  此方法利用农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞,将T-DNA插入到植物基因组中,稳定地遗传给后代。这种方法利用天然的转化载体系统,成功率较高,效果较好,方法最成熟,遗传稳定性较好,应用也比较广泛。

  农杆菌介导转化法起初只被用于双子叶植物中,自从技术瓶颈被打破之后,农杆菌介导转化在单子叶植物中也得到了广泛应用,其中水稻已经被当作模式植物进行研究。

 

  2.2基因枪法

  始于上世纪80年代,由美国Cornell大学生物化学系John.C.Sanford等于1983年研究成功。这种方法利用火药爆炸或高压气体加速(加速设备被称为基因枪),将包裹了带目的基因的DNA溶液的高速微弹直接送入完整的植物组织和细胞中,然后通过细胞和组织培养技术,再生出植株,选出其中转基因阳性植株即为转基因植株。这种方法主要应用于单子叶植物,与农杆菌转化相比,基因枪法转化的一个主要优点是不受受体植物范围的限制,但是盲目性很大,转化效率较低。

 

  2.3花粉管通道法

  在授粉后向子房注射含目的基因的DNA溶液,利用植物在开花、受精过程中形成的花粉管通道,将外源DNA导入受精卵细胞,并进一步地被整合到受体细胞的基因组中,随着受精卵的发育而成为带转基因的新个体。此方法于1981年由我国学者周光宇提出。该方法的优点是不依赖组织培养人工再生植株,技术简单,不需要装备精良的实验室,适用于常规育种,但是其应用范围太窄。

 

  2.4基因编辑技术

  此方法于2013年由美国华人张锋等提出,可通过酶对靶向目标基因进行精确地修饰,实现对特定DNA片段的敲除、加入等。这种方法操作具有周期短、效率高、应用广等优点,但是会出现脱靶现象,监管比较难。随着技术的不断研究与发展,未来将在医学、动物以及农作物育种上广泛使用。

 

3 转基因技术应用

 

  目前,转基因技术在农业、工业、医疗、环保等领域获得了较为广泛的应用。

  (1)农业。应用集中于新型优势动植物物种的培育,例如转基因大豆、转基因玉米、转基因小麦、转基因牛等,充分发挥转基因农产品产量大、质量优的特点。

  (2)工业。主要用来制作食品添加剂、培养各类益生菌、改良食品加工原料、改良食品加工工艺、提高酶制剂的产量和增加生物保健食品的有效成分等,能提高食用价值,确保食品中蕴含丰富的营养。

  (3)医疗。利用此技术完成药物合成、生产等环节,确保药物质量和疗效,解决部分药物在制作、提取等方面存在的伦理学、社会学难题,以便有效治疗多种新型疑难病症。目前已有基因工程疫苗、基因工程胰岛素和基因工程干扰素等药物。已经商业化使用的部分基因工程疫苗有乙肝疫苗、丙肝疫苗、百日咳基因工程疫苗、狂犬病基因工程灭活疫苗、肠道病毒71型基因工程疫苗、产肠毒素大肠杆菌基因工程疫苗、轮状病基因工程疫苗。

  (4)环保。转基因技术成为了解决环境污染问题的新途径,当前已知的是可以利用转基因微生物来降解塑料,部分研究者也在尝试利用转基因技术培育出能够吸收、降解有机垃圾或废料的植物。通过此类植物的种植,实现清除垃圾、净化环境的目的。


4 全球农业转基因技术发展现状

 

  根据国际农业生物技术应用服务组织(ISAAA)发布的《2017年全球生物技术/转基因作物商业化发展态势》数据显示,2017年全球共有24个国家/地区种植了1.898亿公顷(27亿亩)转基因作物,是1996年的112倍,占全球15亿公顷耕地的约12%。其中19个为发展中国家,5个为发达国家。

  从1992年到2017年,全球共计批准4,133项监管审批、26个转基因作物以及476个转基因转化体,其中玉米232个转化体,棉花59个转化体,马铃薯48个转化体,油菜41个转化体以及大豆37个转化体。获得批准最多的12个转化体分别是耐除草剂玉米NK603、耐除草剂大豆GTS40-3-2、抗虫玉米MON810、抗虫玉米Bt11、抗虫玉米TC1507、耐除草剂玉米GA21、抗虫玉米MON89034、耐除草剂大豆A2704-12、抗虫玉米MON88017、抗虫棉花MON531、耐除草剂玉米T25、抗虫玉米MIR162。


                 表1 2017年各区域转基因作物种植面积及种植类型情况

 

地区

国家

种植面积(万公顷)

转基因作物

北美

美国

7,504

大豆、玉米、棉花、苜蓿、油菜、马铃薯、苹果、南瓜、木瓜等

加拿大

1,312

油菜、大豆、玉米、甜菜、苜蓿等

拉丁美洲

巴西

5,020

大豆、玉米、棉花等

阿根廷

2,360

大豆、玉米、棉花等

南非

270

玉米、大豆、棉花、香蕉、木薯、豇豆等

亚太

中国

280

棉花、玉米、油菜、茄子、木瓜等

巴基斯坦

300

棉花、玉米、油菜、茄子等

印度

1,140

棉花、玉米、油菜、茄子等

澳大利亚

90

棉花、玉米、油菜、茄子等

 

                     2 获批准与农化相关的基因及性状

 

序号

基因名称

性状

来源

功能

1

cry1A,cry1Ac,cry9C等16个

鳞翅目昆虫抗性

苏云金芽孢杆菌亚种

通过选择性破坏昆虫中肠内膜,对鳞翅目昆虫产生抗性

2

Cp4epsps,Gat 4601等8个

草甘膦耐受性

根癌农杆菌株CP4、地衣芽孢杆菌

降低对草甘膦的亲和力,从而增强对草甘膦除草剂的抗性

3

Pat,bar

草铵膦耐受性

绿色产色链霉菌,吸水链霉菌

通过乙酰化消除草铵膦除草活性

4

dmo

耐麦草畏

嗜麦芽窄食单胞菌

作为酶反应底物实现耐麦草畏

5

add-1,add-12等2个

耐2,4-D类

食酸丛毛单胞菌

降解2,4-D除草剂的侧链解毒和降解芳氧苯氧丙酸酯除草剂

6

hppdPFW336

耐异恶唑草酮

荧光假单胞菌菌株A32

降低除草剂的生物活性成分

7

avhppd-03

耐硝磺草酮

燕麦

硝磺草酮除草剂耐受性

8

als,surB等6个

耐磺酰脲类

拟南芥

磺酰脲类除草剂耐受性

9

bxn

耐溴苯氰

克雷百世杆菌亚种

溴苯氰耐受性

10

Cry34Ab1

鞘翅目昆虫抗性

苏云金芽孢杆菌亚种

通过选择性破坏昆虫中肠内膜,玉米根甲虫等

 

  转基因作物以玉米、大豆、油菜和棉花为主,其他如南瓜、马铃薯、苜蓿、西红柿、菠萝、香蕉、甘蔗等转基因作物这几年也有种植。如加拿大的Innate马铃薯、美国的Arctic苹果、孟加拉国的抗虫茄子、哥斯达黎加的转基因粉色菠萝、巴西的抗虫甘蔗以及澳大利亚的抗病香蕉等。

 

3 四大转基因作物种植情况(转基因种植比率)

 

转基因作物

转基因种植面积(万公顷)

全球总种植面积(万公顷)

占比(%)

大豆

9,410

12,220

77

油菜

1,020

4,300

24

棉花

2,412

3,026

80

玉米

5,970

18,656

32

 

 

  在过去的二十几年,转基因技术为农业发展做出了巨大贡献,为农业增产、减少农药使用、改善环境、促进可持续发展、提高农产品竞争力等发挥了不可代替的作用。

 

5 展 

 

  目前我国转基因生物研究取得的重大进展,如克隆了一批关键功能基因、突破了一批核心共性技术、培育了一批重大标志产品、首次培育出人乳铁蛋白转基因奶牛等。虽然我国转基因技术进步迅速且在发展中国家居领先地位,但与美国等发达国家相比,还有一定差距。

今天的农业离不开新技术,转基因作物已经离我们愈来愈近,它正在引领农业生产的革命。虽然目前我国公众对转基因技术和转基因食品还存在疑虑,但我们应该看到转基因技术在农业发展的必然趋势,客观分析种植转基因作物的诸多优势,同时向公众普及转基因技术的相关知识,正确认识并主动地接受转基因食品,使转基因作物能真正地造福于人类。

口/《农化市场十日讯》编辑部整理

 
 
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