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【国科报告厅】林敏:农业生物育种技术的发展历程及产业化对策

来源:国科农科院发布时间:2021-08-10

【国科报告厅】林敏:农业生物育种技术的发展历程及产业化对策

以下文章来源于生物技术进展 ,作者林敏

摘 要
伴随千百年来自然物种进化与人类科技进步,世界农业育种经历了原始育种、传统育种和分子育种三个时代的跨越。生物育种是生物技术育种的简称,属于从转基因育种3.0版跨入智能设计育种4.0版、集各种前沿技术大成的新一代分子育种技术,其中最具代表性的包括培育革命性和颠覆性新品种的全基因组选择、基因编辑和合成生物技术。回顾了国内外农业转基因和生物育种技术的发展历程,分析了我国生物育种面临的严峻挑战,提出了加快我国生物育种技术创新的产业化对策。

关键词

生物育种;转基因育种;全基因选择育种;基因编辑;合成生物技术;产业化对策 
  

       伴随千百年来自然物种进化与人类科技进步,世界农业育种经历了原始育种、传统育种和分子育种三个时代的跨越,形成了具有典型时代特征的各种技术版本,即从最初人工驯化1.0版和杂交育种2.0版,逐步迭代升级到分子育种时代的转基因育种3.0版和智能设计育种4.0版。
       原始育种大约始于1万年前的新石器时代,由于缺乏育种理论与方法,人类根据经验积累和肉眼观察,选择基因自然变异的农业生物,经长期人工驯化获得性状改良的品种,标志着原始农业兴起。19世纪中叶到20世纪初,遗传学三大定律的创立,奠定了杂交育种技术在农业生产中广泛应用的理论基础,其后随着矮秆、耐肥、抗倒伏和高产作物新品种的培育与应用,引发了全球第一次农业绿色革命[1-3]。20世纪中后期到21世纪初,生命科学与生物技术的飞速发展,推动了农业育种由“耗时低效的传统育种”向“高效精准的分子育种”的革命性转变(图1)[4-6]

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图1   世界农业育种技术发展趋势
Fig.1   The developing trend of agricultural breeding technology in the world
 
转基因育种属于第一代分子育种技术,诞生于20世纪70年代,以分子生物学理论为基础,以重组DNA技术为核心,将高产、抗逆、抗病虫、提高营养品质等功能基因转入受体生物中,获得稳定遗传的新性状并培育新品种。转基因技术在农业领域已产业化应用20余年,被誉为人类科技史上应用速度最快的高新技术,同时也是当今世界争论最大的育种技术[7-8]。在人类对农业生物驯化和改良过程中,基因起着决定性的作用,基因功能变异决定了农艺性状演化。数千年农业历史,就是人类筛选基因和改造基因的历史。20世纪兴起的转基因技术与传统杂交方法在本质上一脉相承,都是通过改变基因及其组成获得优良性状。转基因育种的优势在于可以实现跨物种的已知功能基因的定向高效转移,能够解决传统杂交方法不能解决的重大育种问题,是传统育种方法的重要补充和创新发展。
生物育种是生物技术育种的简称,属于从转基因育种3.0版跨入智能设计育种4.0版、集各种前沿技术大成的分子育种技术。20世纪末到21世纪初,随着组学、系统生物学、合成生物学和计算生物学等前沿科学交叉融合,培育革命性和颠覆性重大品种的现代生物育种技术应运而生,其中最具代表性的技术包括全基因组选择、基因编辑和合成生物技术[6]。全基因组选择技术颠覆了以往表型选择测定的育种理念和技术路线,能够在个体全基因水平上对其育种值进行评估,大幅度提高育种效率[9-10]。基因编辑技术为快速精准改良动植物重要性状提供了强大的技术工具,培育出的一大批农业新品种正逐步实现产业化[11-12]。合成生物技术作为改变世界的十大颠覆性技术之一,将开创人工设计和从头合成农业生物品种的新纪元[13]
转基因育种技术是20世纪生命科技不断进步的产物,其产业化在激烈争论中飞速发展,进入21世纪后,又被新兴的生物育种技术所逐步涵盖并迭代升级,这也是当代农业科技不断交叉融合和创新发展的必然趋势。

1 转基因育种技术的由来

1.1 国际发展历程

20世纪40年代,科学家开启了从认识基因到改造和应用基因的科技探索之旅。20世纪初到中叶,生命科学一系列重大的理论突破,为基因转化重组实现和转基因育种应用提供了理论基础和技术支撑。
1944年,艾弗里等[14]通过肺炎双球菌的体内和体外转化实验,证明生命遗传物质是DNA而非蛋白质。1950年,查加夫等[15]发现,不同生物DNA 中腺嘌呤(A)总是与胸腺嘧啶(T) 含量一致,鸟嘌呤(G) 总是与胞嘧啶(C) 一致,为遗传信息解码和DNA结构解析奠定了重要生化基础。1953年沃森和克里克[16]根据碱基互补配对原则和X‑射线衍射数据,建立了DNA双螺旋结构模型,在分子水平上完美阐明了DNA储存遗传信息规律和DNA半保留复制机制,充分体现了基因复制的高度精确性及其变异的无穷多样性,生命科学进入了分子生物学时代。其后,三联密码子的破译,证明所有生物拥有共同一致的遗传信息传递基础[17];质粒有自我复制能力的证明,为基因转移提供了天然运载工具;同时多种限制酶和DNA连接酶等工具酶的应用,实现了DNA体外切割、连接和重组[18]。1974年,科恩等选用仅含单一EcoRⅠ酶切位点的载体质粒pSC101,实现了非洲爪蟾核糖体蛋白质基因的体外重组,并在大肠杆菌中复制和表达,标志着以基因重组技术为代表的基因工程时代来临[19]
20世纪80年代初,基因重组技术在动物细胞分化研究中应用并取得了重要进展,《自然》杂志发表相关综述文章,首次提出转基因生物(transgenic organism)一词,并将其定义为一种采用DNA重组技术获得、携带外源DNA的生物[20-21]。1982年,采用显微注射法培育出世界上首例表达人生长激素、生长迅速的转基因小鼠[22]。转基因植物的研究始于20世纪70年代,并在80年代初取得技术突破,如采用根瘤农杆菌的Ti质粒,实现把外源DNA整合进植物细胞染色体中并稳定遗传[23-24]。1983年,携带抵抗细菌抗生素卡拉霉素基因的转基因烟草和矮牵牛花,即首例转基因植物在美国诞生[25]。其后一个来自单子叶植物小麦的叶绿素a结合蛋白(Cab)编码基因被成功转入双子叶植物(烟草)中[26]
转基因作物产业化在20世纪90年代初拉开序幕。1993年,Cagene公司研发的延熟保鲜转基因番茄在美国获准上市;1994年,Cagene公司研发的耐苯腈类除草剂转基因棉花和孟山都公司研发的耐草甘膦转基因大豆在美国获准商业化种植许可;1995年,先正达公司研发的抗虫转基因玉米和拜耳公司研发的耐除草剂转基因玉米在美国获准商业化种植许可;1996年,先正达公司研发的抗虫耐除草剂复合性状转基因玉米在美国获准商业化种植许可[6]
1996年被称为转基因作物大规模种植元年,美国是当时全球唯一种植转基因作物的国家,种植面积为170万hm2。自1983年第一例转基因植物问世至1996年转基因作物大面积推广仅仅用了13年,其后23年转基因农作物种植面积在激烈争论中快速增长。2019年,全球29个国家种植了1.904亿hm2的转基因作物,比商业化之初的1996年增加约112倍。此外另有42个国家/地区进口了用于养殖饲料和食品加工的转基因农产品。1996—2018年间,转基因技术应用为全球提供农产品产量6.576亿t,价值2 250亿美元,同时提升耕地生产力,节省1.83亿hm2土地,减少全球8.6%的农药使用量和0.271亿t二氧化碳排放量,为应对全球性的气候变化、环境污染和资源短缺,保障全球食品、饲料和纤维的供应做出巨大贡献[27]
目前,国内外大规模商业化种植的转基因作物主要是第一代转基因产品,涉及耐除草剂、抗虫、抗病毒和抗旱等目标性状。同时,为了满足种植、生产、加工或消费的多样化需求,正在研发的转基因作物的目标性状不断扩展,包括耐除草剂性状如耐草丁膦和耐麦草畏等,抗病性状有抗晚疫病和抗黄瓜花叶病等,抗虫性状如抗马铃薯甲虫和抗水稻褐飞虱等,抗逆性状有耐盐碱和养分高效利用等;品质改良性状如高赖氨酸、高不饱和脂肪酸、延熟耐贮和防褐变等。近年来,利用基因沉默技术培育的直接食用转基因产品产业化加速,防褐变和抗晚疫病转基因马铃薯、防褐变转基因苹果、番茄红素转基因菠萝以及快速生长转基因三文鱼相继在美国批准上市,农业转基因产业化应用从最初非食用的棉花和饲料用作物,拓展到直接食用的粮食作物、水果和养殖动物[6]

1.2 国内发展历程

自20世纪80年代中期以来,我国设立了高技术研究发展计划(简称863计划)和科技攻关计划等国家重大研发计划,对转基因技术研发给予了大力支持,使我国转基因研发及其育种应用取得了巨大成就[28-29]。我国转基因技术研发及其产业化经历了以下两个发展阶段。
第一个阶段从1986年我国启动了国家高技术发展计划,到2008年我国启动了国家转基因生物新品种培育重大专项。
为应对世界高技术蓬勃发展和国际竞争日趋激烈的严峻挑战,从跟踪世界科技前沿和国家战略需求出发,1986年我国启动了863计划,在生物技术领域设立“优质、高产、抗逆动植物新品种”主题,重点支持水稻基因图谱、两系法杂交水稻和转基因农作物研发。1999年,我国首次启动了以转基因研究为主的“国家转基因植物研究与产业化专项”,重点支持水稻、玉米、棉花、大豆等主要农作物和园艺植物的转基因研究与产业化。这一时期,我国研究的转基因植物达数十种,其中5种获得商业化生产许可,包括抗虫棉花、改变花色的矮牵牛、抗病毒番茄、耐储存番茄和抗病毒甜椒等。尤其是在抗虫棉研究方面,成功研制出具有自主知识产权的Bt抗虫转基因棉花,使我国成为世界上第二个拥有抗虫棉研究开发整套技术的国家。
进入21世纪后,发展转基因育种技术成为我国增强产业核心竞争力、把握未来发展主动权的基本国策。在国家863计划和转基因专项的支持下,我国在基因克隆、基因转化和转基因新品种培育等方面取得重要进展。截至2006年8月31日,我国共批准转基因生物中间试验495项,环境释放237项,生产性试验194项,发放安全证书475项。2006年,国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》,把转基因生物新品种培育列为16个国家科技重大专项之一。2008年,转基因生物新品种培育重大专项正式启动,以培育一批抗病虫、抗逆、优质、高产、高效的转基因动植物新品种、实现产业化为主要目标。
这一时期,我国转基因抗虫棉、抗虫水稻的研发处于世界领先水平,转基因高赖氨酸玉米、抗虫玉米、抗穗发芽小麦、抗病毒小麦等转基因作物产业化蓄势待发。培育出转基因棉花新品种55个,转基因抗虫杨树新品种3个,各类具有优异性状的水稻、玉米、小麦、棉花、油菜、大豆等转基因农作物新品系415个;获得了转生长激素和类胰岛素生长因子的瘦肉型转基因猪,乳腺中表达人凝血因子Ⅳ的转基因羊,表达人血清蛋白的转基因奶牛以及携带鸡法氏囊免疫基因的转基因绵羊等。2008年,我国转基因作物种植面积达380万hm2,位居世界第六位。国产抗虫棉种植面积已达近200万hm2,占全国棉花种植面积的70%[7]
第二个阶段从2009年我国批准转基因抗虫水稻和饲用转植酸酶基因玉米安全证书,到2020年批准转基因抗虫耐除草剂玉米和耐除草剂大豆安全证书。
纵观世界科技发展史,新的重大科学发现和技术突破往往会伴随激烈的争论,但从没有因争论而止步,而是在争论中不断完善,最后服务社会,造福人类,转基因技术在中国也不例外。“转基因”一词在20世纪80年代初已出现在中文期刊上,其英文“transgene”的谐音为“创世纪”,在20世纪90年代成为高科技的代名词而一度被神化。1999年我国首次启动了以转基因研究为主的国家转基因植物研究与产业化专项,当时全社会对转基因技术毫无争议并寄予厚望。但2008年我国启动国家转基因生物新品种培育重大专项时,“转基因”一词已逐渐被妖魔化,其中一个重要原因是“转基因”被误导为食用转基因产品后人体可能被转基因甚至断子绝孙,引起国内公众的巨大恐慌。2009年,农业部颁发抗虫转基因水稻和饲用转基因玉米的安全证书,引发了全社会对转基因安全的空前关注,“挺转”和“反转”两方在转基因食用安全、环境风险、产品标识、政策法规和生物伦理等方方面面展开激烈论战[30-31]
尽管面临巨大争议,我国转基因重大专项仍然顺利实施并取得显著成效,带动我国农业生物技术实现了总体跨越,在重要农艺性状基因鉴定、克隆,以及植物基因组学相关基础学科方面取得了突破性进展,水稻转基因育种等领域已处于世界领先水平。我国已成为继美国之后第二个转基因产品研发大国。转基因品种研发由专项实施之初的少数农产品扩展到粮食和重要畜产品,一批自主克隆的重要性状基因开始应用于育种,转基因品种遗传转化效率达到国际先进水平,建立了完备的转基因育种技术产业化体系和生物安全技术保障体系;国产抗虫棉在印度、巴基斯坦等国大面积推广种植,抗虫水稻在美国获准上市,耐除草剂大豆在阿根廷获准种植;优质功能稻、抗旱节水小麦、抗旱玉米、抗虫大豆、耐盐碱棉花、抗蓝耳病猪等产品研发取得重要进展;育成新型抗虫棉188个,国内市场份额占99%以上,创造经济效益500亿元。特别是2019—2020年,我国自主研发的3个转基因玉米和2个转基因大豆获得生产应用安全证书[6,32-34]
转基因育种技术是20世纪生命科技不断进步的产物,其产业化在激烈争论中飞速发展。在新的历史时期,我国加强生物育种技术研发及其产业化,是当代科技不断交叉融合和不断创新发展的必然趋势,也必将为我国未来农业发展提供强大的科技支撑。
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2 生物育种技术的兴起

2.1 发展历程

如前所述,生物育种属于从转基因育种3.0版跨入精准智能育种4.0版的新一代分子育种技术。21世纪初,由于结构解析、定向突变、计算机模拟等技术的不断突破,使分子水平上对生命及其大分子的人工设计和改造成为可能,农业生物育种进入分子育种的新阶段。
“分子育种”一词首先出现在蛋白质设计研究文献中,主要针对自然界中存在的许多物种来源不同、基因序列有所差异但功能相似的基因家族,采用DNA洗牌(DNA shuffling)等体外定向分子进化技术,合成具有新结构和新功能的人工融合蛋白,譬如2001年Mepherson等采用分子育种技术,获得一系列豇豆胰蛋白酶抑制剂(CpTI))基因突变体,其蛋白产物具有线虫广谱抗性[35-36]。其后,随着高精度遗传作图、高分辨率染色体单倍型和高通量表型分析等方法不断完善,一种利用分子标记与决定目标性状基因紧密连锁特点、快速准确选择目标性状的育种新技术,即分子标记辅助选择技术诞生[37]。组学和基因芯片技术的飞速发展,让作物育种技术进入基于组学的分子育种新时代[4,38-39]。我国科学家相继提出将品种资源、基因组和分子育种技术紧密结合的“绿色超级稻”计划和利用智能不育杂交育种技术实现隐性雄性核不育材料在杂交水稻中应用的新策略,并获得国家863计划重点项目支持[40-42]
这一时期,各种新兴的生物技术迅猛发展并广泛应用于农业育种,同时面对当时欧盟等国现行的转基因作物管理法规,科学界出现了各种质疑,认为欧盟在所定义的转基因作物与所谓非转基因的新生物技术作物方面存在缺陷与矛盾,因为二者均携带非自然发生的遗传变异[43]。由于当时已有的转基因安全管理法规并不完全适用于生物育种新技术,特别是面对生物技术作物新品种的不断涌现,由此带来的各种问题受到科学界和产业界的广泛关注。2007年,《自然》系列杂志发文,针对当时生物育种及生物技术作物商业化及其管理法规现状,通过分析新型生物技术农作物的注册审批业务成本,得出结论:现行转基因管理法规对于生物育种和生物技术作物商业化而言,审批时间缓慢、研发成本昂贵,已成为生物育种发展的最主要障碍[44-45]
鉴于上述背景,“生物技术育种”(简称生物育种)这样一个涵盖了“转基因”,同时技术内涵更为科学的概念在国际上被逐步接受。2008年,一篇综述文章在总结植物生物技术发展25年历史时特别强调:分子育种正在成为植物改良和生物技术(转基因)作物育种的重要而有效的工具[1]。2010年,国际农业生物技术应用服务组织 (International Service for the Acquisition of Agri‑biotech Applications, ISAAA) 主席詹姆士博士发表综述文章指出,国际上转基因育种逐步被归类到现代生物育种的范畴[46]。2012年,由巴斯夫、先正达、拜耳、先锋、杜邦等种业跨国公司联合发文,总结了农业生物育种从发现到产业化的技术流程和安全评价过程,认为生物技术作物可以减少农药使用、水土流失、霉菌毒素污染和化石能源消耗,增加生物多样性,同时指出利用生物技术研发的作物品种是人类科技史上研究最为透彻的食物,与传统作物一样安全[47]。这一时期,美国等西方发达国家从商业化角度出发,为避免无谓的转基因争议,在农业育种领域已逐步采用生物育种概念替代转基因育种,采用生物技术作物替代转基因作物。
进入21世纪以来,为缓解全球气候变暖趋势,应对日趋严峻的环境污染和资源短缺等全球性问题,绿色低碳已成为未来农业发展的潮流。农业是重要的温室气体排放源,同时具有巨大的碳汇潜力[48]。生物育种技术作为农业科技领域中最具引领性和颠覆性的战略高技术,可以通过创制高产、优质、高效新品种和开发节能减排安全新工艺,培育细胞农业、低碳农业和智能农业等新业态和新动能,为世界农业碳达峰和碳中和目标的实现提供不可替代的科技支撑(表1)[49-50]

表1   有助于碳减排和碳增汇的生物育种技术及其产品Table 1   Biological breeding techniques and their products for carbon emission reduction and carbon sink increase
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2.2 发展趋势

当前,新兴学科高度交叉,前沿技术深度融合,重大理论与技术创新不断涌现,生物育种的技术内涵不断扩展,其关键核心技术如全基因组选择、基因编辑和合成生物等前沿新兴技术发展势头强劲,正在孕育和催生新一轮农业科技与新兴产业革命[51-52]。2020年,《自然-通讯》杂志发文,把人造肉汉堡、高效固氮工程菌肥和基因编辑高油酸大豆列为正在改变世界并已面向市场的高科技产品[53]
2.2.1 全基因组选择育种技术应用广泛
全基因组选择育种技术通过计算生物学模型预测和高通量基因型分析,在全基因组水平上聚合优良基因型,改良重要农艺性状。与传统分子标记辅助选择相比,全基因组选择育种技术有两大优势,一是基因组定位的双亲群体可以直接应用于育种;二是更适合于改良由效应较小的多基因控制的数量性状。特别是随着高通量测序、组学大数据和基因芯片技术的突飞猛进,全基因组选择育种技术越来越多地被应用于农业生物品种育种实践中。目前,全基因组选择技术已经给动植物育种带来了革命性的变化,使动植物育种效率大幅提高,成为国际动植物育种领域的研究热点和跨国公司竞争的焦点[9-10]
2001年,缪维森等[54]首次提出基因组选择的概念,预见在整个基因组中海量遗传标记可用于准确预测个体的遗传优势。2009年,美国和加拿大率先向全球发布了奶牛基因组选择成果。截至2017年,美国采用基因组芯片,对主要奶牛品种累计检测200万头。从2010年起,英国PIC猪育种公司每年育种群芯片检测已达10万头。目前,全球主要发达国家都已实现了奶牛、肉牛、猪、羊、鸡等的全基因组选择,选择进程大大加快,选育成本也大幅减少。在作物育种领域,国际研究机构和跨国公司率先开展了玉米、小麦等作物的全基因组选择研究,形成了针对于特定育种资源的全基因组选择数据、预测模型和育种方案,譬如结合高效表型技术和作物生长模型对玉米杂交种进行工业级的评估结果表明,利用全基因组选择技术选育出的玉米品种能够显著提升玉米品种在缺水条件下的稳产特性。
我国已经初步建立了奶牛、玉米、小麦等动植物全基因组选择技术体系,譬如系统研究了奶牛基因组选择理论和方法,建立了中国荷斯坦牛基因组选择技术体系,并实现了大规模产业化应用,使我国奶牛育种技术跻身于国际先进行列。我国先后设计出“中芯一号猪育种芯片”“凤芯一号蛋鸡芯片”“京芯一号肉鸡芯片”,有望打破跨国公司对该行业的垄断。国家重点研发计划“七大农作物育种”项目对17 000多份重要种质材料进行了全基因组水平的基因型鉴定,获得了海量基因型数据。初步建立了以育种芯片为核心的水稻全基因组选择育种技术体系,包括利用高通量SSR标记技术鉴定筛选目标基因、利用Open Array芯片技术鉴定筛选染色体区段单倍型、利用全基因组育种芯片技术鉴定筛选遗传背景等[33]
2.2.2 基因编辑育种技术日新月异
基因编辑技术特别是CRISPR/Cas9介导的基因组编辑系统,以其定向精确、简易高效和多样化等特点,成为农业领域最为有效的育种工具,近年来其发展日新月异并不断升级换代[11-12,55-56]。基于CRISPR‑Cas系统开发的单碱基编辑技术 (base editing) 是快速、高效且精准的新一代基因编辑技术,利用胞嘧啶脱氨酶或人工进化的腺嘌呤脱氨酶对靶位点上一定范围的胞嘧啶(C)或腺嘌呤(A)进行脱氨基反应,实现C-T或A-G的精准替换[57-58]。2020年,我国科学家利用胞嘧啶和腺嘌呤双碱基编辑器对水稻基因进行定向或随机诱变,C>T单碱基诱变效率高达61.61%,C>T和A>G双碱基诱变效率也高达15.10%[59]。近几年开发的另一种全新的引导编辑系统,无需依赖DNA模板便可实现任意类型的碱基替换、小片段的精准插入与删除,并在水稻和小麦上成功应用[60-63]。此外,将CRISPR‑dCas9系统融合到目标修饰酶中,可以产生一套完整的植物表观遗传编辑工具[64]。2021年,一种名为CRISPRoff的升级版表观遗传编辑系统被报道可以在不改变DNA序列的情况下,以高特异性甲基化导致目标基因沉默,可用于作物育种和植物保护[65]
双单倍体技术在加速作物育种进程上具有极大的应用价值。2020年,先正达公司在小麦中通过筛选基因编辑着丝粒特异组蛋白CENH3基因的TaCENH3α‑杂种等位基因组合,鉴定出在商业上可操作、单倍体诱导率约为7%的父系单倍体诱导系,可大大减少三系小麦杂交制种成本[66]。我国科学家采用基于单倍体诱导介导的基因组编辑策略,对玉米骨干自交系B73中的ZmLG1(控制叶夹角)和UB2(控制雄穗分枝数)两个基因进行成功编辑,获得这两个位点改造成功的单倍体,并通过自然染色体加倍,获得编辑成功的双单倍体[67]。结合高质量基因组和泛基因组海量数据,采用基因组编辑技术对野生种进行从头驯化,是一个非常有前景的育种策略。2018年,高彩霞等[68]选择4种野生番茄,利用基因编辑技术,根据人们的需求,重新“驯化”出了一种同时具有天然抗性(野性)和高、优质的新型番茄。2021年,李家洋等[69]在筛选异源四倍体野生稻资源基础上,建立了野生稻快速从头驯化技术体系,包括高质量参考基因组的绘制和基因功能注释、高效遗传转化体系和高效基因组编辑技术体系,成功创制了落粒性降低、芒长变短、株高降低、粒长变长、茎秆变粗、抽穗时间不同程度缩短的各种基因编辑材料,为未来四倍体水稻新品种培育提供了一种新的可行策略。
基因编辑技术已广泛应用于主要农作物、农业动物以及林木种质资源创制与性状改良。目前,已获得抗旱玉米、抗病小麦和水稻、油分品质改良的大豆、存储质量改良的马铃薯、抗腹泻猪、抗蓝耳病猪、双肌臀猪牛羊、基因编辑无角牛等基因编辑动植物。2016年,美国农业部宣布利用基因组编辑技术研发出的具有抗褐变能力的双孢菇品种可以直接用于种植和销售,成为全球第一例获得监管豁免的商品化基因编辑品种。2020年,美国食品药品监督管理局批准Revivicor医疗公司研发的基因编辑猪用于生产食品和器官移植。2021年,日本厚生劳动省批准由日本筑波大学和企业共同研发的基因编辑西红柿销售申请,其所含γ‑氨基丁酸含量比天然品种高4~5倍。基因编辑技术已经显示出巨大的发展潜力,预计3~5年内会有一大批基因编辑品种逐步实现产业化。我国在农业生物基因编辑应用研究领域已达到国际先进水平,先后培育出了抗除草剂基因编辑水稻、小麦、油菜,具有抗褐飞虱、抗螟虫、耐镉富集或耐干旱等特殊性能的基因编辑水稻等一批优良新材料和新品种,率先获得抗结核病牛、β乳球蛋白基因敲除牛、抗布病羊、蓝耳病和流行性胃肠炎双抗猪新品种,大多数均属于国际首创,具备良好的产业化基础[6,33,55-56]
2.2.3 合成生物育种技术引领未来
合成生物技术采用工程学的模块化概念和系统设计理论,改造和优化现有自然生物体系,或者从头合成具有预定功能的全新人工生物体系,不断突破生命的自然遗传法则,标志着现代生命科学已从认识生命进入设计和改造生命的新阶段[70]。合成生物技术在农业领域的应用,为光合作用(高光效固碳)、生物固氮(节肥增效)、生物抗逆(节水耐旱)、生物转化(生物质资源化)和未来合成食品(人造肉奶)等世界性农业生产难题提供了革命性解决方案[13,71-72]
目前,利用合成生物技术提高作物光合效率的策略主要包括提高Rubisco酶活性、引入碳浓缩机制和减少碳损耗, 以及提高光能利用效率等,以C4光合途径导入C3水稻为例,理论上C4水稻光合效率和产量能够提高50%,同时水和氮利用效率显著增强[73-76]。2017 年,比尔盖茨基金会、美国粮食与农业研究基金会和英国政府国际发展部联合资助实现提高光合效率项目(Realizing Increased Photosynthetic Efficiency,https://ripe.illinois.edu/),旨在全方位提高光合效率,大幅提高主要粮食作物产量。目前, 超过80%的农业用地种植的是缺乏CO2浓缩机制的C3植物,在C3植物中引入CO2浓缩机制, 有望提高光合固碳效率。譬如向水稻中引入5个外源酶, 在水稻中构建了新的生化合成途径,使得CO2以C4途径的方式被富集[77];或在植物叶绿体中引入藻类或蓝细菌中的碳浓缩机制,抑制Rubisco加氧酶活性,提高光合固碳效率[78]。2019年,美国科学家人工设计出3条额外的光呼吸替代路径,大大缩短了光呼吸原本迂回复杂的反应路径,培育的高光效烟草生长更快、更高、茎部更粗大,生物量比对照植株增加40%[79]
国际上,高效人工固氮体系的设计思路包括:①改造根际固氮微生物及其宿主植物底盘,构建人工高效抗逆固氮体系;②扩大根瘤菌的寄主范围,构建非豆科作物结瘤固氮体系;③人工设计最简固氮装置,创建作物自主固氮体系[80-82]。英国科学家借助菌根共生体系的部分信号通路并将其引入非豆科植物体, 人工构建非豆科作物结瘤固氮体系, 实现非豆科植物自主固氮[83]。此外,通过定位突变铵同化、铵转运或固氮负调节基因或通过人工设计固氮激活蛋白NifA功能模块和人工小RNA模块,构建耐铵泌铵固氮工程菌[84-85]。我国科学家首次在联合固氮菌中鉴定了直接参与固氮基因表达调控的非编码RNA,首次解析了光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶LPOR(类固氮酶)的结构及催化机制,为生物固氮智能调控和新型固氮酶合成设计提供了理论依据[86-87];通过人工设计超简固氮基因组或重构植物靶细胞器电子传递链模块,证明植物源电子传递链模块与人工固氮系统功能适配,向构建自主固氮植物,实现农业节肥增产增效的目标迈出里程碑意义的一步[88-89]
利用合成生物技术等颠覆性创新技术手段,构建具有特定合成能力的细胞工厂,生产人类所需的淀粉、蛋白质、油脂、糖、奶、肉等各类农产品,近年来已取得重要进展。人造肉、人造奶的生物合成工艺具备显著的低碳环保优势,其生产过程无需养殖动物,可以有效节约资源与能源,譬如能够减少98%的用水量、91%的土地需求、84%温室气体排放和节约65%的能源,是一种颠覆传统养殖业的未来食品生产新模式,将引领未来食品产业和细胞农业发展方向[90-91]。美国Perfect Day、Beyond Meat和Impossible Food等科技初创公司已开启人造肉、人造奶等产品的车间量产模式,所研发的人造肉三明治和人造奶冰淇淋等合成食品已上市销售。根据2021年波士顿咨询公司等联合发布的研究报告,由于动物蛋白资源短缺和生物技术创新推动,未来十五年内动植物或微生物的替代蛋白产品将占据全球22%的食用蛋白市场份额,产业规模达到2 900亿美元,预示着以人造肉奶为代表的未来食品将逐步占据餐桌,引发更加激烈的国际竞争[53,92]

3 产业化对策

当今世界正经历百年未有之大变局,新一轮科技革命和产业变革突飞猛进,科学研究范式正在发生深刻变革,学科交叉融合不断发展,新一轮科技革命和产业变革重塑全球经济格局,国际力量对比深刻调整,新冠肺炎疫情影响广泛深远,国际环境日趋复杂。当前和今后一个时期,我国农业科技发展处于重要战略机遇期,同时为应对全球气候变化、人口增长、环境污染和资源匮乏等问题以及确保碳达峰和碳中和目标实现,所面临的挑战将更加严峻。
我国新制定的“十四五”规划将生物育种列入需要强化国家战略科技力量的八大前沿领域,2020年中央经济工作会议明确提出“尊重科学、严格监管,有序推进生物育种产业化”,同时指出“要开展种源卡脖子技术攻关,立志打一场种业翻身仗”,表明我国农业生物育种技术研发及其产业化发展已进入自立自强、跨越发展的新阶段。但另一方面,我国生物育种研发面临一系列制约因素,在政策层面包括法律法规不完善、产业化政策不配套和体制机制不适应等;在技术层面包括原始创新薄弱、关键技术缺乏和创新链条脱节等;在产业化环境方面存在知识产权保护乏力、科学普及有待加强和生物伦理管理缺位等。只有克服上述制约因素,才能加快我国生物育种技术研发与产业化进程,增强我国现代农业核心竞争力,实现科技自立自强,保障国家粮食安全、生态安全与国民营养健康(图2)。
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图2   我国农业生物育种技术创新及产业化发展策略Fig. 2   Technological innovation and industrialization development strategy of agricultural biological breeding in China

3.1 确立国家生物育种优先发展战略
生物育种是农业科技领域中最具引领性和颠覆性的战略高新技术,世界各国均将其作为国家优先发展战略给予重点支持。美国2018年出台《美国创新战略》,并发布“2030年农业研究科学突破预测”,将基因组学和生物育种列为未来农业发展的主要突破方向,并对其进行了战略部署;2020年通过《无尽的前沿法案》,拟在未来5年内向包括生物技术、基因组学和合成生物学在内的十大关键技术领域投资1 000亿美元。欧盟委员会2018年颁布最新版本的生物经济战略《欧洲可持续生物经济:加强生物与经济、社会和环境之间的联系》;2021年启动“地平线欧洲”第九个研究框架计划,将农业生物育种研发列为重要方向。世界新兴国家如印度和巴西等,纷纷把生物育种等前沿技术创新列入国家科技优先发展战略。近年来,美国等发达国家和国际跨国公司加快推进生物育种基础研究和技术创新,以抢占未来农业发展的主动权和技术制高点,生物育种领域的国际竞争日趋白热化。中国作为一个传统农业大国,为应对全球生物技术迭代升级、生物种业竞争加剧以及实现碳达峰及碳中和目标面临的一系列严峻挑战,应该充分发挥新型举国体制优势,加快生物育种重大科技计划实施和生物育种国家实验室建设,打造我国农业战略科技力量,在基础理论创新、关键技术突破、重大产品创制、生物安全评价和条件能力建设等方面增强我国生物育种核心竞争力,完善国家生物育种创新体系,推动我国由生物育种产业大国向科技强国转变。

3.2 加强原始创新与知识产权保护
当前,科技创新成为国际战略博弈的主要战场,围绕科技制高点的竞争空前激烈。在世界范围内,美国、欧盟和日本等发达国家极其重视科技领域的原始创新与知识产权保护,并通过专利保护的全球布局,确保其在科技竞争中的优势地位和全球经济中的垄断地位。与西方发达国家相比,我国生物育种基础理论研究整体薄弱,新基因、新机制和新概念相关的原始创新缺乏,基因编辑和合成生物等颠覆性技术领域,关键基因、关键酶和关键元器件等相关原创技术的知识产权基本掌握在国外公司手里,我国生物育种产业化发展面临极其严峻的功能基因知识产权制约与核心技术“卡脖子”问题。另一方面,长期以来我国知识产权意识淡薄,知识产权保护法律法规不健全,市场竞争不规范,不利于营造良好的科技创新环境,是造成我国原始创新动力不足、科技与产业需求脱节、创新链条产业链脱节的重要因素。现行的《中华人民共和国植物新品种保护条例》参照的是国际植物新品种保护公约1978年文本,而非目前国际上通行的1991年文本,审定新品种的标准偏低,新品种知识产权难以得到有效保护。建议尽快修订我国植物新品种保护条例等相关法律法规,以基因和品种的知识产权保护为抓手,系统设计与整体布局知识产权保护的全球化战略,建立和完善知识产权保护与转化新机制,加快构建龙头企业牵头、高校院所支撑、各创新主体相互协同的创新联合体,确保关键共性技术自主可控,“中国碗装中国粮”。

3.3 加快共性平台和大科学装置建设
重大共性技术平台和大科学装置是世界科技强国技术水平、创新能力和综合实力的集中体现,是彰显世界大国形象与科技强国地位的重要标志。随着以基因编辑、合成生物等为核心的前沿农业生物技术的兴起,美国等发达国家和国际跨国公司加强高通量、大型化、规模化、自动化的重大共性平台和科学大装置建设,譬如在生物育种领域相继建立了专业化遗传转化体系,高通量表型组和人工智能决策等技术平台,以确保其在全球生物产业竞争中的领先地位。与西方发达国家相比,我国生物育种重大科技平台建设与发展水平仍然存在较大差距,具有自主知识产权的核心关键技术缺乏、人工智能和大数据等前沿先进技术相对落后。建议在生物育种战略性、关键性领域前瞻部署一批具有国际一流水平、多学科交叉集成、提供服务支撑的科技平台,建设农业大数据、农业人工智能和农业细胞工厂等重要共性技术平台以及农业基因资源库、农业表型组和农业风洞等大科学装置,为建设世界科技强国,保障国家粮食安全、生态安全和产业安全提供不可替代的科技平台支撑。

3.4 完善我国生物育种管理法规体系
目前,我国已建立了一整套与国际接轨、科学规范的基因工程相关法律法规制度,无需针对生物育种技术及其产品管理建立新的法律法规体系。此外,针对基因编辑、合成生物和智能设计等前沿育种新技术,需要在现有管理条例基础上,尽快制定和完善相关安全评价的技术指南和产业化应用的管理规程。我国转基因作物育种研究几乎与国际同步,已获得一批达到国际先进水平并能与国外公司抗衡的研发成果,但产业化推进缓慢,其中一个主要制约因素是转基因产业化相关配套法规滞后。譬如农业农村部已发布安全评价、进口管理、标识管理、加工审批等4个配套规章,但缺乏相关可操作性的转基因种子生产管理办法。现行《主要农作物品种审定办法》第四十四条规定:“转基因农作物(不含转基因棉花)品种审定办法另行制定”,但到目前为止具体细则尚未出台。此外,我国转基因作物一旦大规模种植,在生产、运输、加工和销售环节如何监管,尚缺乏相应的管理制度,建议尽快针对转基因衍生品种审批程序简化、转基因标识修订、除草剂残留限量标准、抗性治理庇护所制度以及转基因成分低水平混杂赦免等问题,研究制定和完善科学规范的法律法规和相关配套措施,确保我国生物育种产业持续健康发展。

3.5 注重生物安全与生物伦理监管
当前,全球科技创新速度显著加快,基因编辑、合成生物和人工智能等新兴科技发展日新月异,对生物大分子、基因功能和作用机制的研究进入精准调控阶段,从认识生命、改造生命走向合成生命、设计生命,不断孕育农业新动能和新业态。生物育种是一项具有颠覆性、交叉性和不确定性等技术特征的新兴科技,涉及元器件人工设计、人工基因线路、细胞工厂创制以及未来食品合成等颠覆性技术和新兴科技产品,在给人类带来福祉的同时,也可能引发生物安全与生物伦理的新风险与新挑战。目前,我国已建立了基于前沿科学的分子特征识别、非靶标生物检测和生物多样性评价技术体系,以及针对毒理、致敏、营养等全方位的生物技术产品食用安全评价体系,形成了高精度、高通量和高效率转基因生物安全评价和检测监测系统。在此基础上,需要采用代谢组和大数据等新技术手段,建立新的检测技术体系和新的生物安全评价标准,针对可能产生的食用和环境安全新风险开展系统理论研究,同时要加强农业生物技术产品前瞻性、关键共性风险识别与预警、安全评价及监测检测技术研发,为应对新发和潜在的生物育种安全问题提供有力的技术保障。中国农业科技伦理的研究还处于起步阶段,尚未形成科学规范的理论与监管体系。建议加强农业科技伦理的相关理论研究,前瞻研判科技发展带来的规则冲突、社会风险和伦理挑战,完善相关法律法规、伦理审查规则及监管框架,建立健全与国际接轨的农业生物育种研发、应用和产业化的伦理审查制度。
(参考文献略)

引用本文: 林敏.农业生物育种技术的发展历程及产业化对策[J].生物技术进展,2021,11(04):405-417. (LIN Min.The Development Course and Industrialization Countermeasure of Agricultural Biological Breeding Technology[J].Current Biotechnology,2021,11(04):405-417.)

 

作者:林敏

来源:生物技术进展

信息来源:https://mp.weixin.qq.com/s/DD2HLVnjHHkiESr8BTt_ow

 
编辑:上官国莲     审核:刘阳