全球轉基因作物研發與產業化應用

王旭靜，王艷青，唐巧玲，焦 悅，王志興*

（1.中國農業科學院生物技術研究所農業農村部農業轉基因生物安全評價（分子）重點實驗室，北京 100081；2.先正達集團中國，北京 100069；3.農業農村部科技發展中心，北京 100176）

轉基因育種作為農業育種3.0版，是以分子生物學理論為基礎，以DNA重組技術為核心，將抗蟲、耐除草劑、高產、提高營養品質等功能基因導入受體生物，培育出具有目標新性狀且能穩定遺傳的作物新品種[1]。20世紀80年代初，轉基因生物首次被提出，并定義為利用基因重組技術獲得的含有外源DNA的生物[2]。1983年，通過農桿菌介導法獲得了具有卡那霉素抗性的轉基因煙草，標志著轉基因作物育種的開端[3]。1996年轉基因玉米、大豆和棉花開始大規模商業化種植，隨后轉基因作物的研發和應用迅猛發展，轉基因技術成為了農業科技發展史上發展速度最快、應用范圍最廣的高新技術，目前已有71個國家和地區批準了32種作物541個轉化體的商業化應用，帶來了巨大的社會效益和經濟效益[4]。

1 國際轉基因作物的研發現狀

1.1 耐除草劑轉基因作物

epsps基因編碼5-烯醇式丙酮莽草酸-3-磷酸合酶，該基因突變或過量表達能夠抑制草甘膦與EPSP的結合從而賦予植物耐受草甘膦除草劑的特性。1995年，Padgette等[5]利用來源于農桿菌菌株CP4的cp4-epsps基因培育出了首例耐除草劑轉基因大豆‘40-3-2’，目前cp4-epsps已成為應用最廣的耐草甘膦基因，含有此基因的9種作物玉米、大豆、棉花、油菜、苜蓿、馬鈴薯、匍莖剪股穎、甜菜和小麥分別有89、19、16、16、4、4、1、2、1個轉化體，均已獲批準商業化應用。Lebrun等[6]對玉米epsps基因定向誘變后獲得了對草甘膦具有高耐受力的mepsps基因，并利用此基因培育出了耐草甘膦玉米品種‘GA21’。此外，通過將草甘膦降解或N-乙酰化也能賦予轉基因作物耐受草甘膦的特性，如利用草甘膦N-乙酰轉移酶的gat4601和gat4621基因、編碼草甘膦氧化酶的goxv247基因培育出了耐草甘膦轉基因玉米、大豆和甜菜[7-8]。

來源于吸水鏈霉菌（Streptomyces hygroscopius）的bar和來源于產綠色鏈霉菌（Streptomyces viridochromogene）的pat基因都編碼草銨膦乙酰CoA轉移酶（PAT），能賦予轉基因作物耐草銨膦特性[9]。利用bar基因已成功培育出耐草銨膦的轉基因油菜（27個）、菊苣（3個）、棉花（18個）、玉米（7個）、水稻（3個）和大豆（2個）共60個商業化應用的轉化體，利用pat基因已成功培育出轉基因油菜（2個）、棉花（4個）、玉米（158個）、大豆（14個）和甜菜（1個）共179個商業化應用的轉化體。

此外，研究者們還培育出了耐受2,4-D、咪唑啉酮類和硝磺草酮等除草劑的轉基因大豆、棉花和油菜。例如，巴斯夫將來自燕麥的編碼對羥基苯丙酮酸雙加氧酶的基因avhppd-03導入大豆，獲得了耐硝磺草酮的轉基因大豆[10]；將擬南芥編碼乙酰羥酸合酶大亞基的基因crs1-2導入大豆，獲得了耐咪唑啉酮類除草劑的轉基因大豆；將編碼芳氧基鏈烷酸雙加氧酶12（AAD-12）蛋白的基因aad12導入大豆，成功培育出了耐2,4-D除草劑的轉基因大豆[11]。

1.2 抗蟲轉基因作物

作物在生長過程中會受到多種蟲害的影響，世界每年因蟲害造成的損失約為13%[12]。利用轉基因技術將抗蟲基因導入作物可以賦予其抵抗害蟲的能力。研究者們挖掘出了Bt殺蟲基因、植物凝集素基因、α-淀粉酶基因、蛋白酶抑制劑基因等不同來源的抗蟲基因[13]，其中應用最多的抗蟲基因是來自于蘇云金芽胞桿菌（Bacillus thuringiensis）的Bt基因及其重組基因。

cry和vip基因是2種在轉基因作物研發中常用的Bt基因。cry基因最早于1981年分離獲得（cry1Aa1），目前已克隆了798個cry基因[14]，其中對鱗翅目害蟲具有殺蟲活性的基因包括cry1Ab、cry1Ac、cry1A.105、cry1AF、cry2Ab等基因，對鞘翅目害蟲具有殺蟲活性的基因包括cry3B1、cry34/35Ab1等[15-16]。Vip蛋白為蘇云金芽胞桿菌的營養期殺蟲蛋白，于1996年從蘇云金芽胞桿菌AB88菌株的上清液中首次被發現，目前已發現超過177種的Vip蛋白[14,17]。研究發現，Vip3A對草地貪夜蛾（Spodoptera frugiperda）和小地老虎（Agrotis ipsilon）等鱗翅目害蟲具有特異的殺蟲活性，但對玉米螟（Ostrinia furnacalis）、致倦庫蚊（Culex pipiens quinquefasciatus）等具有很低的殺蟲活性，與Cry蛋白的殺蟲譜具有較高的互補性[18-19]。利用cry和vip基因已成功培育出抗蟲轉基因玉米、棉花、大豆、甘蔗、水稻等9種轉基因作物，涉及的基因包括cry1Ab、cry1Ac、vip3A20等14個基因。

1.3 品質改良轉基因作物

通過調控植物脂肪酸代謝途徑關鍵酶基因表達，可以提高作物營養價值，如杜邦公司利用反義技術沉默編碼△′2-油酸去飽和酶的基因Gmfad2-1，獲得了油酸含量可高達80%的轉基因高油酸大豆‘DP-3?5423-1’[20]；孟都公司通過RNAi技術沉默掉大豆fatB和fad2基因，獲得了油酸含量可達70%的轉基因大豆‘MON8705’；Nuseed公司在油菜中同時表達與脂肪酸代謝相關的Lackl-delta12D、Picpaomega-3D、Micpu-delta-6D等6個基因，獲得了高DHA含量的轉基因油菜‘NS-B5??27-4’，并于2018年在澳大利亞和美國獲批用于商業化種植[21]。二氫吡啶二羧酸合酶是賴氨酸生物合成途徑中的關鍵酶，過表達編碼此酶的cordapA基因提高了玉米的賴氨酸含量，培育出了高賴氨酸轉基因玉米[22]。通過RNAi技術敲除δ和γ-胡蘿卜素相關基因e-lyc和blyc，同時過量表達八氫番茄紅素相關基因Psy和1-氨基環丙烷-1-羧酸合酶相關基因acc，培育出了粉紅色果肉耐儲藏的轉基因菠蘿‘EF2-114’。此外，利用轉基因技術還培育出了防褐化的轉基因蘋果、馬鈴薯，降低木質素含量的轉基因苜蓿，棉酚含量低的轉基因棉花，延遲成熟的轉基因甜瓜和番茄、藍色轉基因康乃馨、矮牽牛和玫瑰，提高維生素A含量的黃金大米，高油酸向日葵，降低尼古丁含量的轉基因煙草等。

1.4 抗非生物脅迫轉基因作物

非生物脅迫影響植物的生長發育，給全球農業帶來重大損失[23]。預計到2050年，地球上將有超過50%的地區缺水，培育抗旱作物十分重要[24]。研究者利用來自細菌的冷休克蛋白B編碼基因cspB培育出了耐旱轉基因玉米[25]；將受環境因素（干旱、鹽堿等）和植物激素（乙烯、水楊酸）等誘導表達的、來自向日葵的轉錄因子Hahb-4基因導入小麥和大豆，培育出了耐旱轉基因小麥和大豆[26-27]；將編碼膽堿脫氫酶的基因導入甘蔗，培育出了耐旱轉基因甘蔗。

1.5 抗病轉基因作物

RNAi是植物中存在的一種天然保護機制，研究者利用RNAi技術已成功培育出多種抗病毒轉基因作物[28-29]。利用RNAi技術將病毒的衣殼蛋白（CP）基因導入植物體內已經成功地培育出了抗病毒轉基因馬鈴薯、甘蔗、煙草、黃瓜和木瓜[30-35]。此外，病毒的復制酶基因也被用于抗病毒轉基因作物的培育，如Bonfim等[36]利用RNAi技術在菜豆中表達菜豆金色花葉病毒（BGMV）的復制酶基因ac1，培育出了抗病毒菜豆；利用木瓜環斑病毒的復制酶基因prsv_rep培育出了高抗環斑病毒的轉基因木瓜‘華農1號’[37]；Shepherd等[38］通過在玉米中表達條紋病毒復制相關蛋白基因rep，可獲得抗條紋病毒病的轉基因玉米。

1.6 復合性狀轉基因作物

復合性狀能夠滿足農民的多元化需求，已成為轉基因作物的研發趨勢。研究者們以獲得安全證書的轉化體為親本，通過雜交育種的方法將不同的轉化體組合在一起，培育出多基因抗蟲、抗蟲耐除草劑等復合性狀轉基因作物，如孟山都和陶氏益農公司合作培育出了含有6個抗蟲基因（cry1A.105、cry2Ab、cry1F、cry3Bb1、cry34Ab1/cry35Ab1、dvSnf7）、同時抗鱗翅目和鞘翅目多個害蟲的轉基因玉米SmartStax Pro[39]。據ISAAA統計，在批準商業化應用的四大轉基因作物中，有17個轉基因油菜、26個轉基因棉花、192個轉基因玉米和17個轉基因大豆為復合性狀。

2 國外轉基因作物產業化應用

2.1 全球轉基因作物產業化應用概況

1983年首例轉基因作物抗卡那霉素煙草問世，1994年延遲成熟的轉基因番茄商業化應用，1996年轉基因作物開始大面積種植以來，轉基因作物的商業化應用迅猛發展。1996—2019年全球轉基因作物種植面積增加了112倍，累計達到27億多公頃。2019年，全球轉基因農作物種植面積為1.904億hm2，99%為轉基因玉米、大豆、棉花和油菜，其他小規模種植的作物還有苜蓿、甜菜、木瓜、土豆、南瓜、胡椒、蘋果、菠蘿、甘蔗和紅花，主要性狀為抗蟲、耐除草劑和抗蟲耐除草劑。全球轉基因玉米、大豆、棉花和油菜的采用率分別為31%、74%、79%和27%；美國、巴西、阿根廷和南非等29個地區種植了轉基因作物（表1）。此外，1996—2019年，歐盟、日本、韓國等42個地區進口轉基因產品（表2）[4]。

表1 全球商業化應用轉基因作物的國家和地區

（續表1）

表2 1996—2019年批準轉基因產品進口的國家

轉基因作物的種類從1996年的6種拓展到包括水稻、小麥、西葫蘆、蘋果、茄子和水果等在內的32種。轉基因作物的目標性狀從單性狀向著品質改良、耐旱、多性狀復合等方向發展。2009年，美國批準了含有8個基因、具有抗多種害蟲和耐2種除草劑特性的轉基因玉米應用于生產，2015年美國批準了品質改良的轉基因馬鈴薯、防褐變轉基因蘋果產業化；2020年阿根廷批準了抗旱轉基因小麥；2021年菲律賓批準了黃金水稻和耐旱茄子的商業化應用。

2.2 代表性國家轉基因作物產業化應用

2.2.1 美國轉基因作物的產業化應用

美國在轉基因產業化方面一直走在世界最前列。1986年美國開始進行轉基因作物田間試驗，1994年延熟轉基因番茄‘Flavr Savr’作為第一例商業化應用的轉基因產品進入市場銷售階段，1996年美國開始大面積種植轉基因作物。目前美國已批準了23種轉基因作物商業化應用，包括玉米、大豆、棉花、油菜、甜菜、苜蓿、蘋果、馬鈴薯、水稻、玫瑰、南瓜、甘蔗、煙草、番茄、小麥、菊苣、匍莖剪股穎、亞麻、甜瓜、木瓜、矮牽牛、菠蘿和李子等，批準的轉化體有216個。

美國一直處于轉基因作物商業化應用的首位，種植的轉基因作物以耐除草劑、抗蟲、抗蟲耐除草劑復合性狀的轉基因玉米、大豆和棉花為主。據美國國家農業統計局（NASS）和農業部經濟研究局（USDA EPS）統計，2022年，美國轉基因作物的種植面積為7 480萬hm2。其中，轉基因玉米的種植面積為3 326.76萬hm2，采用率為93%，81%轉基因玉米具有抗蟲耐除草劑復合性狀；轉基因大豆的種植面積為3 459.71萬hm2，采用率為95%，95%轉基因大豆具有耐除草劑性狀；轉基因棉花的種植面積為480.10萬hm2，采用率為95%，86%轉基因棉花具有抗蟲耐除草劑復合性狀。此外，2022年種植的轉基因作物還包括油菜、甜菜、苜蓿、蘋果等，其中轉基因油菜和甜菜的采用率近乎100%。

2.2.2 巴西轉基因作物的產業化應用

巴西是1996年開始種植轉基因作物的六國之一，已批準了7種作物106個轉化體的商業化應用，包括轉基因玉米55個、轉基因棉花23個、轉基因大豆18個、轉基因豌豆1個、轉基因桉樹2個，轉基因甘蔗6個和轉基因小麥1個，其中轉基因小麥于2021年只批準了食用、飼用和加工，轉基因豌豆于2011年批準，2020年開始種植[40-41]。

巴西轉基因作物的種植面積位居世界第2位，2021年的種植面積超過5 600萬hm2；種植的轉基因作物主要是大豆、玉米和棉花，其轉基因作物采用率分別為98%、88%和80%[41]。種植轉基因作物的性狀主要是耐除草劑、抗蟲和抗蟲耐除草劑復合3種類型，其中耐除草劑性狀占65%，抗蟲性狀占19%，抗蟲耐除草劑復合性狀占16%[40]。

2.2.3 阿根廷轉基因作物的產業化應用

阿根廷在1996年批準轉基因耐草甘膦大豆‘40-3-2’的商業化種植[42]。截至目前，阿根廷已批準了7種作物50個轉化體的商業化應用，包括轉基因玉米17個，轉基因大豆17個、轉基因棉花10個、轉基因苜蓿3個、轉基因紅花1個、轉基因馬鈴薯1個和轉基因小麥1個[43]。其中，我國大北農集團研發的轉基因大豆‘DBN09004-6’于2019年在阿根廷批準應用，耐旱轉基因小麥‘HB4’于2020年10月批準商業化應用[44]。

阿根廷轉基因作物種植面積位居全球第3，2019年種植面積為23.99億hm2，占全球轉基因作物種植面積的13%。種植的轉基因作物為玉米、大豆、棉花和苜蓿，其中轉基因大豆、玉米和棉花的采用率分別為100%、99%和100%；轉基因苜蓿于2019年首次種植，種植面積為1 000 hm2。轉基因作物的性狀為抗蟲耐除草劑，轉基因玉米近93%為抗蟲耐除草劑復合性狀，約7%為單性狀；轉基因大豆80%為耐除草劑單性狀，20%為復合性狀；100%轉基因棉花為抗蟲耐除草劑復合性狀[4]。

2.2.4 南非轉基因作物的產業化應用

南非1997年批準了抗蟲棉‘MON1076’‘MON531’和‘MON757’的商業化應用[45]。至2021年，南非共批準了5種作物72個轉化體的應用，包括轉基因油菜5個、轉基因棉花10個、轉基因玉米42個、轉基因水稻2個和轉基因大豆14個，其中66個批準食用和飼用，22個批準種植（主要是玉米、大豆和棉花）[46]。

南非轉基因作物的種植面積一直處于世界前十，非洲第一的位置。南非于1998年開始種植轉基因棉花和玉米，種植面積約為1.5萬hm2，隨后種植面積逐年上升[47]。2019年，轉基因玉米、大豆和棉花的種植面積分別約為190萬、69.4萬和4.4萬hm2。3種轉基因作物的采用率分別為轉基因玉米84.6%，轉基因大豆95%和轉基因棉花100%[4]。2021—2022年農業生產季，轉基因作物的種植面積約為310萬hm2，其中轉基因玉米的種植面積約為230萬hm2，占比74%，種植的品種特性80%為抗蟲耐除草劑復合性狀；轉基因大豆為78.5萬hm2，占比25%，種植的品種特性均為耐除草劑性狀；轉基因棉花為1.6萬hm2，占比1%，種植的品種特性95%為抗蟲耐除草劑，剩余5%為單一性狀[48]。

2.2.5 菲律賓轉基因作物產業化應用

菲律賓在2002年批準了轉Bt玉米的商業化應用，目前已有9種作物129個轉化體，批準用于食用、飼用、加工或種植，包括轉基因苜蓿4個、轉基因油菜6個、轉基因棉花16個、轉基因茄子1個、轉基因玉米64個、轉基因馬鈴薯11個、轉基因水稻2個、轉基因大豆24個和轉基因甜菜1個。2021年7月批準了黃金水稻的商業化種植、轉Bt茄子的食用、飼用和加工，使菲律賓成為第一個批準黃金水稻種植的國家，第二個批準抗蟲茄子直接食用的國家[49]。

菲律賓是第一個種植轉基因作物的東南亞國家，自2003年開始種植轉基因玉米，目前仍然只有轉基因玉米的商業化種植，幾乎均為抗蟲耐除草劑復合性狀，種植面積從2003年的10 769 hm2增加到2021年的677 544 hm2[49]。

2.2.6 歐盟轉基因作物的產業化應用

歐盟批準商業化種植的只有轉基因玉米‘MON810’，種植轉基因作物的國家只有葡萄牙和西班牙。葡萄牙自2005年開始種植轉基因玉米，種植面積為1 000 hm2，2019年的種植面積降為4 753 hm2，種植轉基因作物的地區為4個[50]。西班牙自1998年開始種植抗蟲轉基因玉米‘MON810’，2021年的種植面積為96 606 hm2，種植的地區有12個，其中阿拉貢和加泰羅尼亞2個地區的種植面積最大，分別占到42%和34%[51]。

此外，歐盟批準了8種作物115個轉化體用于食用、飼用和加工，包括轉基因油菜14個、轉基因棉花15個、轉基因康乃馨7個、轉基因玉米55個、轉基因馬鈴薯1個、轉基因大豆22個、轉基因甜菜和煙草各1個。據統計，歐盟每年都要進口約3 000萬t的大豆和豆粕，1 000萬～2 000萬t的玉米和玉米加工副產品，以及250萬～500萬t的油菜籽和菜粕，其中轉基因大豆產品占到了90%～95%，轉基因玉米產品占20%～25%，轉基因油菜籽約占25%[4]。

3 我國轉基因作物的研發與產業化應用

3.1 我國轉基因作物的研發

我國轉基因作物的研發始于20世紀80年代，1990年開始，先后研發出了轉乙烯形成酶（EFE）反義基因的耐儲藏番茄，轉CMV-CP基因的抗病毒番茄和甜椒、轉chs基因的改變花色的轉基因矮牽牛、轉xa21基因抗白葉枯病水稻、轉Bt-cry1A和Bt+SCK基因抗蟲水稻、轉PRSV復制酶基因抗病毒病番木瓜、轉合成Bt GFM cry1A殺蟲基因抗蟲棉等自主研發成果，其中轉合成Bt GFM cry1A殺蟲基因抗蟲棉的成功研制，使我國成為擁有自主知識產品產權抗蟲棉的第2個國家[52-53]。目前，我國轉基因作物研發與應用穩步推進。

近20年來，在國家的長期戰略部署下，在轉基因新品種培育重大專項等項目的大力資助下，我國已建立起涵蓋從基因克隆到品種選育全鏈條的研發體系。在基因挖掘方面，克隆了一批優良功能基因，如水稻多分蘗基因d53[54]、抗病基因pigm和fhb7[55-56]、抗蟲基因cry9Cb1[57]、養分高效基因ngr5[58]等；在遺傳轉化方面，建立了潔凈DNA轉化[59]、多基因轉化[60]、外源基因刪除[61]等轉化技術，構建了小麥[62]、玉米[63]等作物的高效遺傳轉化體系；在新種質創制方面，培育出一批具有重要應用前景的抗蟲、耐除草劑、抗旱等轉基因新品系，如轉g2-aroA和gat的耐草甘膦大豆[64]，轉cry1Ab/cry2Aj和g10-evo基因的抗蟲耐除草劑玉米[65]等。

3.2 我國轉基因作物的產業化應用

我國已批準了棉花、番茄、矮牽牛、辣椒、番木瓜、水稻、玉米和大豆共8種作物的生產應用安全證書，其中轉基因玉米和大豆自2019年以來共批準了14個轉化體，包括3個耐除草劑轉基因大豆、6個抗蟲耐除草劑玉米、2個抗蟲轉基因玉米和3個耐除草劑轉基因玉米。此外，我國還批準了轉基因大豆（10個耐除草劑、3個抗蟲、2個品質改良、2個品質改良和耐除草劑復合、1個抗蟲耐除草劑復合）、棉花（3個抗蟲、4個耐除草劑、2個抗蟲耐除草劑復合）、玉米（9個抗蟲耐除草劑復合、6個抗蟲、5個耐除草劑、1個耐旱、1個品質改良）、油菜（6個耐除草劑、3個控制育性）、番木瓜（1個抗病毒）、甜菜（1個耐除草劑）6種作物60個轉化體用作進口加工原料。

我國是轉基因技術應用最早的國家之一，從1997年開始種植轉基因抗蟲棉，轉基因作物的種植面積居世界第4位，2006年我國轉基因作物的種植面積從第4降至第6位，目前我國轉基因作物的種植面積位居世界第7位，實際種植的轉基因作物只有抗蟲棉和抗病毒番木瓜，2019年我國種植了3 170萬hm2的抗蟲棉，12 125 hm2的抗病毒番木瓜（采用率為85%）[4]。

4 轉基因作物產業化應用帶來的社會價值

增加作物產量，帶來巨大經濟效益。1996—2018年，轉基因種植國獲得的經濟收益為2 249億美元，其中獲益最多的4個國家依次是美國（959億美元）、阿根廷（281億美元）、巴西（266億美元）、印度（243億美元）。2016年全球轉基因作物經濟效益為172億美元，占2016年全球作物保護市場709億美元的24.3%，占全球商業種子市場560.2億美元的30.7%。預計全球生物技術種子的市場價值到2022年末和到2025年末將分別增長8.3%和10.5%。2018年全球轉基因作物經濟效益為189億美元，其中發展中國家的份額更高（占比54%），達102億美元，發達國家的收益為87億美元。

保護生物多樣性，改善環境。1996—2018年，轉基因種植園節約了2.31億hm2的土地，僅2018年就節約了2 430萬hm2土地，保護了生物多樣性。抗蟲轉基因作物的大面積種植，減少了殺蟲劑的使用，從1996—2018年的23年間，共減少了7.76億kg殺蟲劑的使用，相當于農藥使用量降低了8.3%，2018年就減少農藥用量5 170萬kg（農藥使用量降低8.6%）；1996—2018年將使用農藥對環境的影響（環境影響指數，EIQ）降低了18.3%，僅2018年就降低了19%。此外，轉基因作物的種植使生產方式向輕簡化轉變，通過降低農藥生產和土地耕作過程中的燃料消耗而減少了二氧化碳排放，2018年就減少二氧化碳排放230億kg，相當于馬路上的汽車減少了1 530萬輛[4]。

5 展望

轉基因技術作為一項農業科技發展的前沿技術，幫助1 600萬～1 700萬農民擺脫了貧困，對提高作物產量、保障糧食安全做出了重要貢獻。隨著組學技術的發展、生物數據的積累、遺傳轉化技術的建立以及生物技術的迭代升級，轉基因作物涉及的種類和性狀將會更加多元化，轉基因作物的研發也將向抗蟲、耐除草劑、抗旱、營養高效等多性狀復合以及基因編輯和代謝途徑重構等的方向發展，相信轉基因技術必將為促進農業可持續發展提供新動力。