生物技術：種業創新發展的核心驅動力

姜娜娜 曹廣平 范文明 韓同凱 于蘭嶺

（山東種業集團股份有限公司，濟南250100）

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生物技術：種業創新發展的核心驅動力

姜娜娜 曹廣平 范文明 韓同凱 于蘭嶺

（山東種業集團股份有限公司，濟南250100）

摘要：近幾十年來，隨著生物科學的進步，生物技術逐漸成為農業發展的重要推動力，并在全球范圍內產生了巨大的社會、生態和經濟效益。世界農業的產業結構也發生了巨大的變化，以孟山都、先鋒等為代表的跨國公司憑借所掌握的核心技術迅速崛起，并且成為了農業生物技術革命的重要推動者和贏家。本文綜述了細胞工程、分子標記輔助選擇、轉基因等生物技術在種業領域中的應用歷史、現狀和發展趨勢，為我國種業產業的發展提供借鑒和參考。

關鍵詞：生物技術；種業；糧食；農業

糧食作為人類生存的首要物質基礎，其有效供給關系著國家發展和社會的穩定。我國是一個擁有13億人口，但是人均耕地面積不足世界平均水平40%的超級大國，確保糧食有效供給，實現自給自足具有更加重要的意義。2013年10月，習近平總書記在考察山東省農業科學院時指出：“手里有糧、心里不慌”。2013年12月，習總書記在中央農村工作會議上再次指出：“中國人的飯碗要牢牢地端在自己手中，而且飯碗里主要裝中國糧”。2013 年12月中央經濟工作會議提出了2014年經濟工作六大任務，進一步明確了我國“以我為主、立足國內、確保產能、適度進口、科技支撐”的國家糧食安全戰略。

盡管我國糧食總產量已經實現11年連續增產，2013年首次突破了6億t的大關，但是我們應該看到我國糧食增產背后還有很多問題，例如，我國糧食生產能力受到人口老齡化、農村勞動力短缺、后備耕地資源不足等各種因素的制約日益凸顯[1]。“大豆改玉米”對于推動糧食連續增產起到了積極的作用，但是不能回避的是我國大豆產業的“淪陷”。2013年我國大豆進口6000萬t，大豆的進口量比國內大豆、花生和油菜三大油料作物的總產還要多。近10年來，我國的經濟水平不斷提高，人們的生活質量有了很大提高，飲食結構也發生了很大的改變，肉蛋奶的需求大量增加，而肉蛋奶都是由飼料糧食換來的，根據轉化比，說明我國糧食的總體消費水平也在持續增加。預計到2030年，我國將達到16.5億的人口數量，面臨1.4億t的糧食缺口，近3000萬t的水產品缺口，7900萬t的肉類缺口和500 萬t的奶類缺口[2]。總之，我國的糧食生產正面臨復雜的格局，糧食安全正面臨著巨大的挑戰。

由于我國地形復雜，人均耕地面積少，糧食單產的提高是確保我國糧食安全的重要措施，而提高單產的關鍵在于培育高產、適應性強的作物新品種。美國農業部的數據顯示，1930年以來，良種對美國種植業單產增加的作用大于50%，對玉米、大豆、棉花的增產貢獻率更是達到了70%~90%；英國國家植物學研究所的研究也表明，在過去的25年里，良種對英國谷物增產的貢獻率高達90%左右；在我國，良種在農業增產中的貢獻率也達到43%以上[1]。必須承認，傳統育種獲得的作物優良品種對農業增產起到了關鍵作用，但是隨著生物技術的發展，一些優良的基因資源被發掘，利用傳統育種方法選育新品種的瓶頸效應日益顯現，僅僅利用雜交育種技術已經很難育成突破性新品種。隨著生物科學的進步，生物技術成為了良種培育的一把利劍，并在全球范圍內產生了巨大的社會、生態和經濟效益。生物技術和傳統育種手段的結合將是我國新品種培育的重要途徑。

1 現代生物技術在農業上的發展和應用

生物技術，也稱生物工程（Biotechnology），是指人們在現代生命科學和其他基礎科學的基礎上，運用先進的技術手段來改造生物體或者加工生物原料從而生產出人類所需產品的科學技術體系。在農業方面主要是指運用基因工程、蛋白質工程、細胞工程以及分子育種等技術，改良生物品種性狀，培育生物新品種，生產生物農藥等的新技術。現代生物技術的發展經歷了一些里程碑事件：1953年DNA雙螺旋的發現開啟了分子生物學的時代，使生物學的研究深入到分子層面；1961年遺傳密碼被破譯，遺傳信息如何從DNA傳遞給蛋白質的秘密被揭開，標志著“生命之謎”被打開；1967年和1970年，DNA連接酶和活性更高的T4 DNA連接酶被發現；1970年第1次成功分離出了限制性內切酶；1976年DNA重組技術規則問世和DNA測序技術誕生；1977年人工合成胰島素獲得成功；1983年土壤農桿菌中的Ti質粒被用于植物轉化，并誕生了第1株轉基因植物；1997年第1只克隆羊誕生；2000年、2001年、2002年，擬南芥、人和水稻的全基因組測序相繼完成[3]；2005年454測序技術誕生；2009年以后，第3代測序技術風起云涌。這一系列標志性的時間印證了生物技術飛速的發展速度，其應用也是非常的廣泛，在農業生產、生態保護、產品加工等方面都有非常廣闊的應用前景[4]。在農業品種培育方面，生物技術的應用主要在細胞工程、分子標記輔助選擇和轉基因3個方面。

1.1 細胞工程在農業上的應用 細胞工程是生物技術的一個重要方面，主要包括細胞和組織培養、細胞融合、染色體及基因轉移等方面。細胞培養技術在農業生產上的應用非常廣泛。通過花藥離體培養培育成的單倍體植株，經染色體加倍，可重新恢復成正常的二倍體植株，這些植株的基因是純合的，自交后代不分離，顯著縮短了育種年限，在育種上有很大的應用價值。培育成功的植物很多，例如水稻品種中花8、9、10、11號，小麥品種京花1號等，這些新品種展現出了較大的增產潛力。通常情況下，生物體的細胞融合發生在受精過程中，即雌雄配子體融合而形成合子。但在植物與其遠緣種或沒有親緣關系的植物間，很難發生生殖細胞的融合。通過體細胞融合（雜交）技術就可以打破這種生殖隔離，突破種屬間的限制，克服遠緣雜交不親和的障礙。體細胞融合（雜交）有助于將野生種中的優異性狀（基因）轉移到栽培種中，如大豆與野生豆的原生質體融合將抗花葉病毒基因從野生豆轉移到大豆中；小麥體細胞雜交技術使小麥屬間植物（高冰草、簇毛麥、新麥草和羊草）的抗病、耐逆等優良性狀基因轉移到小麥中。山東大學夏光敏團隊，利用小麥體細胞雜交的方法，創制了珍貴的小麥漸滲系，并且培育出了耐鹽、抗旱的小麥新品種山融3號。可以說，細胞工程作為育種的重要手段，已經為作物育種和生產的發展做出了重要貢獻。

1.2 分子標記輔助選擇在農業上的應用 分子標記輔助選擇（MAS，marker-assisted selection）是在作物改良過程中利用分子標記進行選擇的一種輔助手段[5]。其基本原理是借助于與目標基因緊密連鎖的分子標記對選擇個體進行目標區域以及全基因組篩選，加速回交育種進程，克服不利連鎖累贅，獲得期望的個體，達到提高育種效率的目的[6]。和傳統育種相比，分子標記輔助選擇育種技術不受環境影響，可以在早代進行準確、穩定的選擇，可以克服再度利用隱性基因時識別難的問題，并能實現多性狀（基因）的聚合，大大縮短了育種周期，提高了育種的效率。有研究結果顯示，利用100個RFLP標記，可以使1個個體數為100的回交后代群體通過3代選擇其后代的基因型回復到輪回親本的99.2%，如果通過隨機挑選，則需要選擇7代。國際水稻所的科研人員通過MAS將分別含有抗稻瘟病基因Pi-1、Pi-z5、Pi-ta的近等基因系進行雜交和選擇，實現了3個抗稻瘟病基因的快速聚合，體現了MAS在多基因聚合方面的巨大優越性[7]。由于分子標記輔助育種相比傳統育種具有準確、快速等顯著優點，所以在小麥、水稻、玉米等作物新品種的培育中得到了廣泛的應用。

分子標記輔助育種的發展大體經歷了下面幾個過程：遺傳圖譜構建，QTL定位，分子標記輔助選擇（MAS），全基因組關聯分析（GWAS），全基因組選擇（GWS）。隨著測序成本的降低和大數據時代的到來，全基因組選擇將是分子標記輔助選擇育種發展的重要方向。全基因組選擇是利用對基因組中所有SNP分子標記效應的估計，來實現與其緊密連鎖的基因效應的估計，從而計算基因組育種值。與分子標記輔助選擇（MAS）相比，全基因組選擇是基于基因組中所有影響性狀的分子標記效應的估計，而不僅僅是一組顯著的標記，大大提高了預測的準確性，在遺傳改良育種方面具有很大的應用潛力。目前，全基因組選擇研究已應用于貝類、牛、豬、玉米、小麥等動植物育種中，相信在不久的將來，全基因組選擇研究將成為全球研究的熱點。

1.3 轉基因在農業上的應用 轉基因技術就是將人工分離或修飾過的基因導入到生物體的基因組中，由于導入基因的表達引起生物體的性狀可遺傳性的修飾，這一技術稱之為轉基因技術，也被稱為遺傳工程、基因工程、遺傳轉化[8]。目前植物的遺傳轉化主要有3種方法，即基因槍法、農桿菌介導法和花粉管導入法。基因槍法就是將帶有外源DNA的金屬顆粒，高壓下以一定速度射進受體細胞，整合到細胞中的染色體上而完成轉化。農桿菌介導法的原理是農桿菌感染植物時其質粒上的T-DNA區會整合到植物的基因組中，將目的基因插入到農桿菌的T-DNA區，就可以利用農桿菌感染植物實現目的基因向植物的轉移[9]。花粉管導入法是利用作物的雌蕊在授粉后形成的花粉管通道將含外源基因的DNA溶液注射到胚囊內，使其隨著受精卵的不斷分裂整合到受體基因組中，從而實現遺傳轉化的目的[8]。

轉基因技術與傳統育種技術在本質上是一樣的，都是利用優良基因對作物進行遺傳改良。例如，傳統的雜交育種實際上也是親本間基因重組、重排和轉移的過程，其本質上也是優良基因的重組和外源基因導入的過程。另外，航天育種、自然突變育種、人工誘變育種等本質上也是對基因的改變。和傳統育種技術相比，轉基因育種能夠打破種間的生殖隔離，從而不受生物體間親緣關系的限制，使優異基因資源的利用更加靈活、高效。另外，和傳統雜交選擇相比，轉基因育種技術所轉移的基因一般都經過明確的定義，功能清楚，對某個基因進行準確的操作和選擇，對后代的表型預見性也更強，更加高效。

1983年世界上出現了第1例轉基因植物——轉基因煙草，1986年轉基因植物被首次批準進入田間試驗，1994年首例轉基因植物產品（轉基因耐儲藏番茄）在美國被批準投入市場[10]。1996年商業化以后，全球轉基因作物的種植面積迅速增長，到2014年，全球轉基因作物的種植面積達到1.815億hm2，比1996年的種植面積增加了100多倍[11]。可以說轉基因的發展對世界糧食安全和農業的可持續發展做出了巨大的貢獻。從1996-2014年，通過轉基因作物的種植，使全球作物產量提高了22%，增加的作物產量的價值為1333億美元，農民利潤增加了68%，化學農藥的使用率降低了37%，化學農藥使用量的減少更好地維護了環境[12]。我國轉基因技術的研究始于20世紀80年代，目前，我國的轉基因技術主要用于棉花育種中，轉基因抗蟲棉品種的種植面積覆蓋了90%以上的棉田，不僅提高了棉花的產量，化學農藥的使用量也大大減少，帶來了經濟和生態上的雙重效益。轉基因棉花的問世從某種意義上來說是挽救了棉花產業及其下游加工產業，帶來的社會效益巨大。

新理論、新技術的產生，往往一開始會受到許多人的懷疑甚至否定，轉基因也不例外。對轉基因安全性的質疑和爭論已經引起了社會各界的廣泛關注。2013年底，習總書記在中央農村工作會議上的講話指出：“要大膽創新研究，占領轉基因技術制高點，不能把轉基因農產品市場都讓外國大公司占領了”。筆者認為，發展轉基因的趨勢不可避免，呼吁國家有關部門盡快完善相關的法規和政策，一方面加快發展轉基因技術，占領科學技術的制高點，保護我國轉基因的相關知識產權；另一方面，針對轉基因產品制定快速、科學、準確的安全評價體系，使轉基因產品能最大程度的發揮價值。

2 思考與討論

在生物技術出現之前，孟山都公司只是一家普通的農藥公司。19世紀80年代，孟山都投資10億美金用于生物技術研究，成立了生命科學研究中心，建立了研發中心、溫室等配套系統，每年僅電費支出就達500萬美元。1996年孟山都推出了抗除草劑轉基因大豆。2002年孟山都的轉基因大豆在阿根廷已占據了99%的大豆種植面積。另外，孟山都在玉米、棉花等重要作物的轉基因種子市場上都占據了重要的市場份額。目前孟山都已經成為全球第一的跨國農業生物技術公司，市值600多億美元，占世界種業市場份額的25%，并且擁有世界上90%的轉基因專利。毫無疑問，孟山都的崛起源于生物技術在農業上的應用。

我國注冊資本超過100萬的種業公司超過8000多家，但是中國大部分的種業公司將大量的財力和精力都用在了銷售上，而在研發上投入非常少，因此中國由種業公司培育出來的作物新品種還十分有限。現階段中國種業創新的主體仍然是高校和科研事業單位，他們掌握著育種材料、育種技術和育種的人才。隨著國內和國際環境的變化，企業將成為種業創新的主體。加強產學研結合，加快人才、材料和技術向企業的轉移，是種業企業發展壯大的有效途徑，但根本還是在于觀念的轉變。當今，生物技術仍在迅猛發展，怎樣將更多、更好的生物技術應用于種業將是未來我國農業可持續發展的重大課題。

參考文獻

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收稿日期：（2015-11-09）

通信作者：于蘭嶺