全球轉基因玉米商業化發展態勢概述及啟示

焦悅 韓宇 楊橋 黃耀輝 安吉翠 楊亞洲 葉紀明

（1. 農業農村部科技發展中心，北京 100176；2. 中國種子集團有限公司生命科學技術中心，武漢 430206）

自1996年世界上第一例轉基因玉米Bt176商業化以來，轉基因玉米在全球得到廣泛應用，商業化23年來累計種植 7.5×108hm2（ISAAA，2019）。以2018年為例，在種植轉基因作物的35個國家和地區里，有14個國家種植轉基因玉米。

早期轉基因玉米的研發，主要是通過農桿菌介導和基因槍法等獲取單基因、單性狀的玉米轉化體。隨著生物技術的不斷發展、育種需求的不斷豐富及轉基因玉米的更新迭代，復合性狀轉基因玉米的應用逐年攀升，現階段多采用常規雜交手段聚合優勢基因/優勢性狀獲取符合商業化育種目標的轉基因玉米［1-2］。

目前，轉基因玉米目標性狀仍然主要集中在抗蟲、耐除草劑、耐干旱和品質改良等方面。轉基因玉米的種植減少了殺蟲劑的應用、降低了雜草管理的成本、緩解了干旱引起的玉米減產、提升了玉米的營養品質，同時免耕等生產方式的應用對生態環境更加友好，減少了溫室氣體的排放；為多個國家帶來了巨大的經濟效益、環境效益和社會效益［3-4］。

本文以ISAAA近23年發布的《全球轉基因作物商業化發展態勢報告》為基礎［5-28］，分別從種植和審批兩個方面闡述了全球轉基因玉米的應用情況，并對全球轉基因玉米的商業化性狀及研發公司進行了深入分析，同時介紹了我國轉基因玉米商業化的進展，以期為我國轉基因玉米商業化發展提供借鑒。

1 全球轉基因玉米的應用概況

1.1 種植概況

轉基因玉米商業化23年以來，種植面積除個別年份稍有下降外，總體處于逐年上升的趨勢，以年均8.49倍的增長率從1996年的0.3×106hm2上升到2018年的58.9×106hm2，2016年更是達到了60.6×106hm2的高位。應用率從1997年的10%上升到2018年的29.9%，其中應用率最高的年份為2012年，達34.7%。轉基因玉米的種植國家由最初1996年的美國、加拿大增加到2018年的14個國家，包括美國、巴西、阿根廷、南非、加拿大、巴拉圭、烏拉圭、菲律賓、西班牙、哥倫比亞、越南、洪都拉斯、智利和葡萄牙，期間2008年種植國家最多時達到18個（圖1）。

1.2 審批概況

圖1 全球商業化轉基因玉米種植面積及應用率Fig.1 Global area and application rate of commercialized GM maize

截至2019年8月，全球共有238個玉米轉化體通過審批，共計審批通過1895個轉基因玉米安全證書，其中食用安全證書928個，飼用安全證書630個，種植安全證書337個。

對轉基因玉米而言，審批通過安全證書最多的5個國家/地區依次是日本、加拿大、韓國、阿根廷和巴西；其中，審批通過食用安全證書最多的5個國家/地區依次是日本、墨西哥、中國臺灣、韓國和菲律賓；審批通過飼用安全證書最多的5個國家/地區依次是日本、韓國、菲律賓、歐盟和阿根廷；審批通過種植安全證書最多的5個國家/地區依次是日本、加拿大、阿根廷、巴西和美國（圖2）。

圖2 主要國家/地區審批通過轉基因玉米安全證書數量Fig.2 Number of safety certificates of GM maize approved by major countries/regions

在審批數量方面，2000年及以前，美國、加拿大和歐盟審批通過安全證書數量最多；2001-2005年期間，日本、菲律賓和韓國審批通過安全證書數量最多；2006-2010年期間，日本、菲律賓和巴西審批通過安全證書數量最多；2011-2015年期間，日本、南非和韓國審批通過安全證書數量最多；2016-2019年期間，阿根廷、巴西和日本審批通過安全證書數量最多（圖3）。

圖3 主要國家/地區各時期審批通過轉基因玉米安全證書數量Fig.3 Number of safety certificates for GM maize approved by major countries/regions in each period

在審批國家方面，美國和加拿大審批通過安全證書數量呈現先降低后增加趨勢，這是由于北美是轉基因植物應用的先行地區，轉基因植物的研發公司最早集中在這一區域進行轉化體的安全試驗和證書審批；日本、韓國、阿根廷、巴西、菲律賓、歐盟、南非、哥倫比亞、墨西哥、中國臺灣等國家/地區審批通過安全證書的數量呈現加速增加的趨勢，而巴拉圭和俄羅斯在2006-2015年10年間安全證書的審批數量達井噴式增長，這是由于阿根廷和巴西是2004年之后，轉基因玉米推廣面積增加的主要區域，而其余各個國家/地區隨著人民生活水平的提升，活躍了農產品進出口貿易；澳大利亞、新西蘭和中國審批通過安全證書數量變化趨勢相對平衡（圖3）。

在轉基因作物商業化發展歷程中，受相似的地理條件、文化基礎、農業發展、貿易需求等方面影響，不同國家/地區對轉基因玉米轉化體的審批會有一定的相似性。本文綜合審批數量、安全證書類型和轉化體類型多個維度，分析了審批通過20個及以上轉基因玉米轉化體、共計14個國家/地區審批情況的相似性（圖4）。

圖4 主要國家/地區審批通過轉基因玉米轉化體相似性Fig.4 Similarity of GM maize events approved by major countries/regions

結果發現：（1）日本和其它國家/地區間的相似性最低，審批通過轉基因玉米轉化體時較為獨立；（2）美國和加拿大間的相似性高且與其它國家/地區間的相似性低，這是因為兩個國家同在北美，環境和文化相似度較高且高度獨立于其它國家/地區；（3）巴西和阿根廷之間、菲律賓和南非之間的相似性均較高，說明這些國家/地區兩兩之間轉基因玉米轉化體的審批受相似因素影響或互相之間具有較大影響力；（4）澳大利亞和新西蘭有很高的相似性，兩個國家均審批通過轉基因玉米轉化體較少（均為27個），并且審批通過的轉化體高度一致，因為這兩個國家對轉基因玉米進口作為食品的審批是由同一個部門負責的，即澳洲新西蘭食品局（Australia New Zealand Food Authority，ANZFA）；同時，澳大利亞和新西蘭地理位置相近、氣候相似，對轉基因玉米有相似的需求。

2 全球轉基因玉米的商業化性狀

轉基因技術的主要目的是改善生物原有的性狀或賦予其新的優良性狀。目前轉基因玉米商業化性狀主要是抗蟲、耐除草劑、抗逆、產量性狀改良、品質性狀改良、雜種優勢改良以及非生物脅迫耐性。

審批通過的238個轉基因玉米轉化體中，僅有42個是包含單一商業化性狀的轉化體；其他196個均為包含兩個或以上商業化性狀的轉化體，其中184個是包含兩個商業化性狀的轉化體，12個是包含3個商業化性狀的轉化體。

對于商業化性狀，抗蟲和耐除草劑是應用最多的兩個性狀，各有208和209個轉化體包含上述商業化性狀；而抗逆、產量性狀改良、品質性狀改良、雜種優勢改良以及非生物脅迫耐性性狀獲批的轉化體分別有7個、1個、13個、6個和1個，其中絕大部分是和抗蟲、耐除草劑性狀一同使用的復合性狀（圖5-圖6）。

在不同性狀復合類型方面，6類包含2種商業化性狀的轉化體，3類包含3種商業化性狀的轉化體（圖6）；其中188個轉化體含抗蟲—耐除草劑復合性狀，占復合性狀轉化體總數的96%；抗逆、產量性狀改良、品質性狀改良、雜種優勢改良和非生物脅迫耐性等性狀則與單獨抗蟲、單獨耐除草劑或抗蟲—耐除草劑復合性狀搭配使用，可見抗蟲和耐除草劑性狀是商業化轉基因玉米應用最為廣泛的性狀。

圖5 轉基因玉米審批通過轉化體數量（按性狀分）Fig.5 Number of GM maize events approved (by traits)

圖6 不同性狀復合類型轉化體數量Fig.6 Number of events with different traits stacks

性狀的應用價值和其能夠商業化應用的難易程度，是轉基因植物在開發及推廣過程中考慮的兩個主要因素。耐除草劑和抗蟲是轉基因玉米應用最廣泛的兩個商業化性狀，含有這兩個性狀的轉化體在不同時期審批數量的變化趨勢幾乎一致，表明絕大部分轉基因玉米是通過抗蟲—耐除草劑復合性狀進行商業化推廣的。

到2007年前，含耐除草劑或抗蟲性狀的新商業化的轉化體數量先減少，后逐漸增加且數量有限，于2000-2003年間達到最少。2003年后含耐除草劑或抗蟲性狀的新商業化的轉化體數量井噴式增加，到2012-2015年間達到最高點；與此同時，2008-2015年間現代規模化農業不斷發展，含耐除草劑、抗蟲性狀的轉基因玉米的開發和應用越來越受到重視，大量通過雜交聚合獲得的抗蟲—耐除草劑復合性狀的轉化體獲得商業化應用。2015年后，含耐除草劑或抗蟲性狀的新商業化的轉化體數量驟然下滑，復合性狀新商業化的轉化體數量呈現相似趨勢，說明這一時期應用的轉化體仍然主要為之前商業化的性狀（圖7-8）。

圖7 不同時期主要商業化性狀類型轉基因玉米新商業化轉化體數量變化趨勢Fig.7 Trends in the number of the new commercialized events of GM maize with main types of traits in different periods

圖8 不同時期單商業化性狀和復合商業化性狀新商業化轉化體數量變化趨勢Fig.8 Trends in the number of the new commercialized events with single commercial traits and the stacks in different periods

參照新商業化的含耐除草劑或抗蟲性狀的轉基因玉米在不同時期的審批國家數量表明，截止到2015年左右，含耐除草劑或抗蟲性狀的轉基因玉米轉化體的審批國家數量持續增長，且趨勢一致，表明含耐除草劑、抗蟲性狀的轉基因玉米轉化體的推廣利用呈加速增長趨勢；2015年后由于新獲批轉化體的減少而呈下降趨勢（圖9）。

圖9 不同時期主要商業化性狀類型轉化體審批通過國家數量變化趨勢Fig.9 Trends in the number of countries that have approved the events with major commercial traits in different periods

單性狀的新商業化轉化體數量長期處于較低的水平，隨時間變化波動平穩；復合性狀的新商業化轉化體數量隨時間變化呈現先緩慢降低后持續增高，而后又降低的趨勢，2007-2015年間快速增長，到達頂點（圖8）。比較單性狀或復合性狀玉米轉化體在不同時期審批國家數量，2015年前單性狀玉米轉化體審批國家數量波動增長，后逐漸降低；復合性狀轉化體審批國家數量于2011年前持續快速增長，到達頂點，隨后快速下降，特別是在2011-2015年間下降明顯（圖10）。上述結果說明隨著農業的不斷發展，為了應對農業生產所面臨的問題，復合性狀轉化體的開發、推廣和利用呈加速增長趨勢，但近年來應用的轉化體仍然主要為之前商業化的性狀，新轉化體的審批、推廣和利用呈下降趨勢。

圖10 不同時期單商業化性狀和復合商業化性狀轉化體審批通過國家數量變化趨勢Fig.10 Changes in the number of countries that have approved the events with single commercial traits and the stacks in different periods

通過比較分析耐除草劑和抗蟲兩種主要商業化性狀轉化體的審批國家數量，發現耐除草劑或抗蟲性狀轉化體的審批國家數量無顯著差異，表明兩種類型商業化性狀對審批影響較小。通過比較單性狀、兩性狀和三性狀3類轉化體的審批國家數量，發現單性狀轉化體與兩性狀轉化體及三性狀轉化體之間均存在極顯著差異，表明商業化性狀數量會顯著影響轉化體審批通過國家數量，一個轉化體復合的商業化性狀越多越能夠解決更多的農業生產問題，也就應用范圍更廣（表1）。

3 全球轉基因玉米的研發公司

轉基因玉米的開發主要由跨國種子公司推動，截至2019年8月，共有9家單位獨立或合作推出商業化轉基因玉米轉化體，包括先正達、孟山都、杜邦先鋒、陶氏益農、拜耳作物科學、巴斯夫、瑞耐森、史坦恩和Genective，其中先正達、孟山都、杜邦先鋒、陶氏益農、拜耳作物科學是開發轉基因玉米轉化體最多的5家單位，其總量占審批通過玉米轉化體總量的98%（圖11）。

從轉基因玉米主要商業化性狀角度看，耐除草劑、抗蟲、品質性狀改良等性狀的優勢研發公司為先正達，而抗逆和雜種優勢改良等性狀的優勢研發公司分別為孟山都和杜邦先鋒（表2）。

拜耳作物科學主要開發耐除草劑玉米，開發的轉基因玉米多數為單個商業化性狀；杜邦先鋒主要開發耐除草劑或抗蟲玉米，開發的轉基因玉米多數涉及這兩個商業化性狀，商業化性狀數量離散指數最低；孟山都主要開發耐除草劑或抗蟲玉米，開發的轉基因玉米主要涉及單性狀和兩性狀，少量轉基因玉米涉及三性狀，因其涉及較多其它的商業化性狀、且性狀數量變化較大，所以在優勢性狀和優勢公司兩項指標上離散指數均較高；陶氏益農主要開發耐除草劑或抗蟲玉米，開發的轉基因玉米多數涉及這兩個商業化性狀；先正達主要開發耐除草劑或抗蟲玉米，開發的轉基因玉米絕大多數涉及這兩個商業化性狀（表2）。

表1 不同商業化性狀類型轉化體審批通過國家數量比較Table 1 Comparison of the number of countries that have approved events with different commercial traits

圖11 主要研發公司轉基因玉米轉化體開發概況Fig.11 Overview of the development of GM maize events by major R&D companies

對不同的主要商業化性狀，耐除草劑或抗蟲是公司間競爭最為激烈的性狀，而品質改良性狀主要由先正達主導；各大公司主要在兩性狀轉基因玉米間展開競爭，而三性狀轉基因玉米競爭最小（表2）。

全球轉基因玉米主要研發公司間多存在合作，孟山都與其它公司合作最為頻繁，與其它4家公司均存在合作，具體為：孟山都與杜邦先鋒合作開發1個抗蟲玉米，與拜耳作物科學合作開發1個抗蟲-耐除草劑玉米，與陶氏益農合作開發7個抗蟲-耐除草劑玉米，與先正達合作開發1個抗蟲-耐除草劑玉米；陶氏益農與杜邦先鋒合作開發9個抗蟲-耐除草劑玉米（表3）。

對主要研發公司新商業化的玉米轉化體的開發情況，拜耳作物科學僅在2003年之前有新開發玉米轉化體；杜邦先鋒、孟山都和先正達開發轉化體數量呈現先緩慢降低隨后加速增加，在2012-2015年間達到最頂點，2015年后再降低的趨勢，特別是先正達于2007年后迅速增長并超過其余4家研發公司；陶氏益農呈現平穩上升趨勢，于2012-2015年間達到最頂點后又降低。杜邦先鋒和陶氏益農趨勢較為一致，是由于兩者合作開發轉化體較多（圖12）。

對于審批通過國家數量，拜耳作物科學由于開發轉基因玉米轉化體數量較少，因此長期處于較低的水平；孟山都和先正達均呈現先增加后降低的趨勢，于2007年后加速增加，表明孟山都和先正達的轉基因玉米新產品受到越來越多國家的接受；杜邦先鋒和陶氏益農趨勢一致，呈現先穩步增加，隨后急速下降（圖13）。

比較分析不同研發公司開發的轉基因玉米轉化體審批通過的國家數目，發現僅孟山都與先正達存在顯著差異，說明研發公司對于轉化體審批通過國家數目的影響較小（表4）。比較分析單個公司和公司間合作開發的轉基因玉米轉化體審批通過國家數目，發現單個公司開發的轉化體與公司間合作開發的轉化體不存在顯著差異，說明公司間是否合作不會影響轉化體審批通過的國家數目（表4），而轉基因玉米轉化體的性狀才是影響審批通過的重要因素（表 1）。

4 中國轉基因玉米商業化發展概況

玉米是中國種植面積最廣的農作物，長期以來處于自給自足的狀態；但自2010年以來，我國已從玉米凈出口國轉變為凈進口國［29］。2019年我國玉米播種面積為0.413億hm2，比2018年下降2.0%［30］；2019年10月我國玉米進口量為9萬t，同比增長12.8%，進口金額為16 050萬元，同比增長2.3%；1-10月進口量為396萬t，累計增長32.5%，進口金額為592 243萬元，累計增長39.2%［31］。

在進口的玉米中，多數來源為美國、巴西和阿根廷種植的轉基因玉米。截至2019年8月，我國批準進口的轉基因玉米轉化體共計20個，其中，2004年我國政府首次批準發放轉基因玉米進口用作加工原料安全證書，包括先正達公司開發的Bt11和Bt176、杜邦公司和陶氏益農公司合作開發的TC1507以及拜耳作物科學公司開發的T25（表5）。

在中國，為保證國家糧食安全，占領生物技術農業的行業高地勢在必行；轉基因玉米的研發也在如火如荼的進行。2019年12月20日，我國通過了192項轉基因植物安全證書申請［1］，其中2個玉米轉化體獲得安全證書，標志著我國轉基因玉米研發進入新紀元。

5 結論與展望

5.1 轉基因玉米商業化將對我國農業產生深遠影響

轉基因技術自問世以來，發展速度迅猛，在全球多個國家的多個領域得到了廣泛應用，其中轉基因植物是轉基因技術在植物育種領域的最大成果。通過轉基因技術打破物種之間遠源雜交不親和的天然屏障，實現了物種間的基因轉移，獲得了新的性狀組合，極大地豐富了遺傳資源，加快了育種進程。目前，通過轉基因技術獲取的大豆、玉米、棉花等29種植物在全球35個國家和地區推廣種植，創造了較大的經濟效益和社會價值，同時提升了轉基因產品的產量和品質，并做到了節能增效，為全球環境可持續發展做出了貢獻。

表2 主要研發公司不同性狀類型轉化體開發情況Table 2 Development status of events with different traits by major R&D companies

轉基因技術在推廣應用的同時，轉基因產品的安全性也受到廣泛關注。轉基因產品的上市需要通過監管部門的嚴格審批，在轉基因產品的監管方面，世界各國都有相對完備的法律、法規條文，以保證轉基因產品自實驗室研發、田間釋放、大區種植、產品上市、推廣標識等各流程合規，避免出現不必要的風險［32］。

表3 主要公司合作情況Table 3 Cooperation status of major companies

圖12 不同時期主要研發公司新商業化轉化體數量變化趨勢Fig.12 Trends in the number of newly commercialized events of major R&D companies in different periods

在中國，轉基因植物及其產品的監管流程已經較為完善，從轉基因植物實驗研究、中間試驗、環境釋放、生產性試驗到安全證書申請，每一個階段必須按照法律法規的要求完成相應的分子特征、遺傳穩定性、環境安全和食用安全相關的評價，經評審合格后才能開展下一個階段的試驗，當安全性評價試驗全部完成，在科學層面不存在分子特征不清晰，環境安全和食用安全風險可控時才有可能獲得轉基因植物生產應用的安全證書［1］。但對于轉基因玉米來說，這些只是商業化的基礎準備階段。在實際生產應用中，轉基因玉米品種要上市推廣種植，需要通過安全評價獲得安全證書，通過品種審定獲得品種證書，通過生產許可審定獲得種子生產證書，通過經營許可審定獲得種子經營證書，通過加工許可審定獲得生產加工證書。至此，一粒轉基因玉米的種子才獲得了進入農田的資格。

2019年12月20日、2020年6月12日，我國農業農村部批準頒發轉基因玉米生產應用安全證書，其中包括3種轉基因玉米：北京大北農生物技術有限公司研發的DBN9936、DBN9858和杭州瑞豐生物科技有限公司與浙江大學聯合研發的瑞豐125［1］。未來，在通過品種審定、生產許可審定、經營許可審定和加工許可審定后，這些轉基因玉米有望進入我國農田，豐富玉米種質資源、減少農田殺蟲劑的應用、提高玉米的飼用品質，創造可觀的經濟、環境和社會價值。同時，國內許多研發機構也在不遺余力的開發轉基因玉米產品，以期改善農業生產中農藥、殺蟲劑等的濫用、玉米產量和品質不高的現狀，為我國的糧食安全助力；此外，2019年外來入侵生物草地貪夜蛾的出現，這一問題有望通過轉基因產品的商業化而得到防控和解決。

5.2 對我國轉基因玉米發展的啟示

5.2.1 優良性狀是決定是否能獲得廣泛應用的最重要因素 通過比較分析各個國家審批通過的已經商業化的玉米轉化體性狀，可以得出：一種性狀能否獲得廣泛應用主要取決于該性狀能否解決當前重大的農業生產問題。具有復合性狀的轉化體被審批通過、可以商業化的國家數量于2011年前持續快速增長，增長速度遠超單性狀轉化體的審批國家數量，原因就是具有復合性狀的轉基因玉米，能夠更好地應對農業生產所面臨的問題，隨著農業的發展，其開發、推廣和利用呈加速增長趨勢。

5.2.2 企業和科研單位優勢互補、加強合作是提升轉基因玉米研發和商業化創新能力的重要途徑 全球范圍看，先正達、孟山都、杜邦先鋒、陶氏益農、拜耳作物科學是開發轉基因玉米轉化體最多的5家單位，其總量占審批通過的玉米轉化體總量的98%，這表明轉基因玉米的研發和商業化是以企業為主體。商業化育種是專業化程度要求較高的工作，要求研發系統內部分工精細，不同學科領域的科技人員術業有專攻，共同圍繞產業技術鏈運作，而科研機構相對市場而言較為封閉，不能完全滿足上述要求。長期以來，我國轉基因作物研發實力集中在科研院所和高校，而作為市場主體的種子企業研發實力非常有限。因此，要強化企業技術創新主體地位，讓其不僅成為市場競爭的主體，也真正成為商業化育種和應用性創新的主體；同時，要引導和積極推進科研機構逐步向上游技術，如基因挖掘等轉移，逐步構建商業化育種體系。

5.2.3 新型育種技術是未來發展方向 20世紀以來，全球農作物種業科技先后經歷了矮化育種、雜種優勢利用、生物技術育種等三次革命。當前，以“生物技術+信息化”為特征的第四次種業科技革命正在孕育，不斷向縱深向全球擴張，推動種業研發、生產、經營和管理發生深刻變革。目前，主要轉基因玉米的轉化體應用已趨向飽和，亟需發展基因編輯技術、基因組育種、合成生物學、傳感技術等前沿性、顛覆性新型育種技術，研制開發能大幅度提升效率的智能設計育種技術和快速固定純合技術［33-34］。以重大突破性理論技術成果，盡快補足我國種業發展短板，夯實種業自主創新基礎。

5.2.4 規范化管理是轉基因玉米產業化發展的重要保障 轉基因技術作為農業領域的顛覆性技術之一，是我國農業領域參與國際競爭、實現跨越發展和彎道超越的重要手段。轉基因技術的發展除了需要加強頂層設計、整合科研力量、強化前瞻布局之外，還需要堅持科學評估、依法管理，加強科普宣傳，以促進轉基因育種科技創新與產業健康發展。一方面，要嚴格按照國際標準和國家法規，完善安全評價體系，規范化管理；另一方面，要加強宣傳教育，營造良好的科學輿論氛圍，構筑生物技術產業和諧健康的發展環境。