国转基因抗虫耐除草剂玉米产业化应用面临的机遇与挑战
作者：生物技术进展 李敏，王磊，邹俊杰
2024/8/16 9:21:32
摘要:玉米是我国重要的粮食作物和饲料作物，虫害和杂草防治是我国玉米生产面临的重大瓶颈问题。转基因抗虫耐除草剂玉米的应用能够减少农药使用量，在提高玉米产量、提升玉米收获品质方面具有重要作用。自1996年国外转基因抗虫耐除草剂玉米商业化应用以来，有效控制了玉米螟和草地贪夜蛾等鳞翅目害虫的为害，降低了除草成本，经济效益、社会效益和生态效益十分显著。对近10年来全球和我国转基因抗虫耐除草剂玉米的产业化发展
摘要:玉米是我國重要的糧食作物和飼料作物，蟲害和雜草防治是我國玉米生產面臨的重大瓶頸問題。轉基因抗蟲耐除草劑玉米的應用能夠減少農藥使用量，在提高玉米產量、提升玉米收獲品質方面具有重要作用。自1996年國外轉基因抗蟲耐除草劑玉米商業化應用以來，有效控制了玉米螟和草地貪夜蛾等鱗翅目害蟲的為害，降低了除草成本，經濟效益、社會效益和生態效益十分顯著。對近10年來全球和我國轉基因抗蟲耐除草劑玉米的產業化發展現狀進行了綜述，分析了我國轉基因抗蟲耐除草劑玉米產業化面臨的機遇與挑戰，并為加快推進我國轉基因玉米產業化應用提供了建議。玉米是全球三大糧食作物之一，也是重要的畜牧業飼料作物，在保障世界糧食有效供給中占重要地位[1]。蟲害防控和雜草防治是我國玉米產業發展的重大瓶頸問題，玉米螟、棉鈴蟲、草地貪夜蛾等害蟲還會加重玉米穗腐病等病害的發生，造成玉米產量和品質的重大損失[2]。噴施農藥等傳統防治手段不僅易產生抗藥性，降低防效，還會帶來環境惡化等一系列問題[3]。轉基因技術作為有效、可持續發展的害蟲防治新方法，是培育抗蟲玉米新品種的主要途徑[4]。Bt(Bacillus thuringiensis）是一種革蘭氏陽性昆蟲病原菌，能產生多種伴孢晶體，主要活性物質是殺蟲晶體蛋白，由cry基因和cyt基因編碼，對鱗翅目、鞘翅目和一些半翅目等害蟲具有高度的殺蟲特異性[5]。營養期殺蟲蛋白（vegetative insecticidal proteins,Vips）也同樣具有高效特異的殺蟲活性[6]。利用生物工程技術將Bt基因導入玉米中，可獲得轉基因抗蟲玉米。自1983年首次獲得轉基因植物以來，一大批抗蟲、耐除草劑等轉基因作物被成功選育[7]。轉Bt蛋白基因的抗蟲玉米在1996年開始大規模商業化種植，據國際農業生物技術應用服務組織（International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications,ISAAA）報道，2019年有14個國家種植了轉基因玉米，種植面面積達6090萬hm2，是除轉基因大豆以外，應用最多的轉基因作物[8]。轉基因玉米作為生物育種領域的重要成果之一，節本增效優勢顯著。抗蟲和耐除草劑性狀大幅減少了農藥的使用，降低了生產成本，同時由于害蟲為害小，玉米不易滋生霉菌，提高了作物的產量和品質[9-10]。通過種植轉基因玉米，順應了簡化耕作方式、節省耕作時間和減少人力投入的時代需求，改變了傳統的耕作模式，有利于保護生態環境，實現生態效益和經濟效益的雙重提高[11]。面積達6 090萬hm2，是除轉基因大豆以外，應用最多的轉基因作物[8]。2021年我國啟動了轉基因玉米產業化試點工作，轉基因玉米產業化應用迎來了新紀元，這必將對我國農業生產方式帶來革命性的變革，對保障國家糧食安全具有十分重要的意義。1990年，美國孟山都公司和迪卡公司率先開始抗蟲玉米的研究，利用基因槍技術把外源基因導入玉米品種，成功獲得了帶有抗蟲性狀的轉基因玉米。隨后，Bt蛋白基因被廣泛應用到玉米轉基因技術中，轉基因玉米自交系和雜交育種迅速發展起來。1995年，瑞士先正達公司相繼得到BT176和BT11轉化事件，推動了全球轉基因玉米的商業化浪潮。自美國在 1996 年首次開始轉基因玉米的商業化生產，孟山都、杜邦先鋒以及拜耳 等 公 司 推 出 的 MON810、DBT418、TC1507、MON863、59122、MIR162、BT10、5307 等轉基因抗蟲玉米品種便大量涌現，并以這些材料為基礎進行雜交，成功獲得含有多個抗蟲基因聚合性狀的轉基因玉米。自1996年到現在，轉基因抗蟲玉米產業化大致經歷了3個階段：第1階段（1996—2009年）為主要種植具有單個Cry基因的抗蟲玉米；第2階段（2010—2016年）為種植具有不同作用方式的多個Cry基因的抗蟲玉米；第3個階段（2017年—現在）為種植Cry抗蟲基因、Vip抗蟲基因和RNA干擾技術（RNAinterference,RNAi）疊加防治多個靶標害蟲的抗蟲玉米[14]。轉基因耐除草劑玉米的耐除草劑類型主要分為5類，第1類為草甘膦抗性，包括mepsps、2mepsps、cp4 epsps、epsps grg23ace5、gat4621、goxv247基因；第2類為草銨膦抗性，包括pat、pat (syn）、bar基因；第3類為2,4-D和精喹禾靈類除草劑抗性，含aad-1基因；第4類為乙酰乙酸合成酶類除草劑抗性，含zm-hra基因；第5類為麥草畏抗性，含dmo基因。其中耐草甘膦、耐草銨膦為主要的耐除草劑性狀。據ISAAA統計，目前全球共有244個轉基因玉米轉化事件通過審批，其中有210個含有抗蟲性狀的轉化體，是應用最多的商業化性狀之一[15]。在已經實現商業化生產的轉基因玉米中，有192個同時包含抗蟲和耐除草劑這2種性狀的轉化體，占79%，這說明復合抗性的轉基因玉米逐漸受到青睞[15]。2007年，孟山都和陶氏公司通過相互交叉授權生物技術特征，合作推出了新型玉米雜交種——SmartStax?，含有8個外源基因（6個抗蟲基因和2個耐除草劑基因），是一個具有多種害蟲抗性和雙重除草劑耐性的復合性狀產品[16]。隨后，先正達公司先后開發了BT11×MIR162×MIR604和BT11×MIR162×MIR604×GA21玉米轉化體，可以同時防治地上和地下害蟲。孟山都公司還研發了聚合10個不同基因的產品，并于2017年開始批準入市。隨著抗性基因的不斷挖掘和拓展，Bt基因種類逐漸增多，如抗鞘翅目昆蟲的cry3、cry34、cry35類基因已成功應用到商業化生產中，同時，經過人工合成的密碼子優化基因開始出現，如mcry1F、mcry3A、cry1A.105等[17]。隨后，先正達公司先后開發了BT11×MIR162×MIR604和BT11×MIR162×MIR604×GA21玉米轉化體，可以同時防治地上和地下害蟲。孟山都公司還研發了聚合10個不同基因的產品，并于2017年開始批準入市。隨著抗性基因的不斷挖掘和拓展，Bt基因種類逐漸增多，如抗鞘翅目昆蟲的cry3、cry34、cry35類基因已成功應用到商業化生產中，同時，經過人工合成的密碼子優化基因開始出現，如mcry1F、mcry3A、cry1A.105等[17]。國是全球第二大玉米生產國，玉米總產量和種植面積僅次于美國[18]。國家統計局調查數據顯示，2021年我國玉米產量27 255萬t，占谷物總產量的43%[19]。近年來，隨著我國人口數量逐年增加，可用耕地面積越來越少，而人們對糧食的需求也由數量需求轉變為質量需求[20]。為滿足人們的糧食需求，國外玉米大量進口，導致國內玉米單價下跌，打擊了農民種植玉米的積極性，玉米田病蟲害和雜草也造成產量和品質的重大損失，使我國玉米在國際競爭中處于劣勢[21]。轉基因抗蟲耐除草劑玉米憑借抗蟲耐除草劑性能突出、產量高、品質好等優勢，必將成為我國玉米產業的主力軍。我國轉基因玉米研究起步略晚[22],20世紀90年代至21世紀初，我國處于對轉基因玉米轉化方法的探索階段。這一階段，丁群星等先后采用子房注射法、基因槍法、超聲波介導技術及花粉管通道法將抗蟲基因導入玉米受體，培育出可育轉化體植株、轉基因抗蟲玉米自交系及雜交組合[23-27]。自2008年以來，在國家轉基因重大專項的支持下，我國轉基因玉米研究水平逐步跨入國際先進行列[13]。復合性狀轉基因玉米也是我國轉基因玉米的研究熱點，2002年通過共轉化法導入cry1Ab和bar基因，成功獲得了部分抗蟲耐除草劑的轉基因植株，開創了復合性狀轉基因玉米的先河[28]。隨著轉基因技術地不斷成熟，雙價抗蟲耐除草劑玉米及新的轉化方法（農桿菌介導法）也開始涌現[29-30]，標志著中國轉基因玉米研究逐漸在世界范圍內嶄露頭角。目前，我國已獲得了眾多具有知識產權的轉基因抗蟲耐除草劑玉米的優良轉化體，這為培育具有突破性的玉米新品種創造了條件。2019—2022年農業農村部發放了11個轉基因抗蟲耐除草劑玉米轉化體生產應用安全證書（表2），包括北京大北農生物技術有限公司的DBN9936、DBN9858、DBN9501、DBN3601T，杭州瑞豐生物科技有限公司與浙江大學的瑞豐125，杭州瑞豐生物科技有限公司的浙大瑞豐8和nCX-1，中國林木種子集團有限公司和中國農業大學的ND207，中國種子集團有限公司的GA21、Bt11×GA21和Bt11×MIR162×GA21。我國在轉基因抗蟲耐除草劑玉米研發方面取得的巨大進展，為轉基因玉米產業化應用奠定了品種基礎。我國是農業大國，糧食安全是“國之大者”，是保障國家安全的首要前提。習近平總書記強調，要下決心把民族種業搞上去，抓緊培育具有自主知識產權的優良品種，從源頭上保障國家糧食安全[31]。轉基因技術作為全球發展最成熟、應用最廣泛的生物育種技術，成為我們必須搶占的科技制高點[31]。2008年，我國啟動農業領域唯一的科技重大專項——國家轉基因生物新品種培育重大專項。自此，農業轉基因研發進入快速發展期。經過多年努力，我國已成為繼美國之后第二大研發國，實現了從局部創新到“自主基因、自主技術、自主品種”的整體跨越，為轉基因產業化應用打下了堅實基礎[31]。2016年中央一號文件中提出，要加強農業轉基因技術研發和監管，在確保安全的基礎上慎重推廣。2020年中央經濟工作會議提出，要尊重科學、嚴格監管，有序推進生物育種產業化應用。2021年中央一號文件提出，要加快實施農業生物育種重大科技項目[32]。2022年中央一號文件明確指出，在嚴格監管、風險可控的前提下，加快推進生物育種產業化步伐[33]。從“大膽研發、謹慎推廣”到“加快生物育種產業化步伐”，我國生物育種產業化正在迎來前所未有的機遇。2021年11月12日，農業農村部對《主要農作物品種審定辦法》《農作物種子生產經營許可管理辦法》《農業植物品種命名規定》和《農業轉基因生物安全評價管理辦法》的部分條款進行修改，并發布了征求意見稿[34]。這四部法規的修訂，是轉基因品種審定的配套規程，暢通了轉基因作物產業化應用通道。《2021年農業轉基因生物監管工作方案》《關于鼓勵農業轉基因生物原始創新和規范生物材料轉移轉讓轉育的通知》等政策性文件的出臺，釋放了我國將在嚴格農業轉基因生物安全評價基礎上，為全面產業化做準備的重要信號[35-36]。2022年3月1日，新修正的《中華人民共和國種子法》（新種子法）正式實施，明確了國家支持生物育種技術研究和對相關知識產權的保護[37]。《2021年農業轉基因生物監管工作方案》《關于鼓勵農業轉基因生物原始創新和規范生物材料轉移轉讓轉育的通知》等政策性文件的出臺，釋放了我國將在嚴格農業轉基因生物安全評價基礎上，為全面產業化做準備的重要信號[35-36]。2022年3月1日，新修正的《中華人民共和國種子法》（新種子法）正式實施，明確了國家支持生物育種技術研究和對相關知識產權的保護[37]。《科技日報》報道，為解決當前農業生產中面臨的草地貪夜蛾和草害問題，我國在2021年對已獲得生產應用安全證書的轉基因抗蟲耐除草劑玉米開展了產業化試點工作，試點成效顯著。就轉基因抗蟲耐除草劑玉米來說，一是試點轉基因品種性狀良好，防蟲效果顯著。轉基因玉米對草地貪夜蛾的防治效果高達95%，大幅降低了防蟲成本。同時，轉基因玉米籽粒中霉菌毒素的含量低，品質也好。二是試點的轉基因玉米不會對生產環境造成不良影響。同時，種植轉基因玉米減少了殺蟲劑的使用，有利于生物多樣性[40]。產業化試點轉基因作物增產增效和生態效果顯著，對我國轉基因作物產業化有巨大的推動作用，標志著我國轉基因作物產業化的新紀元即將到來。轉基因技術專業性強，事關食用安全和環境安全等公眾關心的問題，社會關注度高。利用傳統媒體出版轉基因科學普及讀物，以及通過網站、微信、微博、今日頭條、視頻軟件等新媒體平臺進行多種形式的轉基因科普宣傳，提高了轉基因科普的有效性和覆蓋面[41]。社會各界、院士專家積極傳播科學知識，澄清謠言謬誤，解答公眾疑惑，普遍提高了公眾對轉基因的科學認知水平。4. 我國轉基因抗蟲耐除草劑玉米產業化面臨的挑戰和對策當今世界種業競爭實質是科技競爭，核心是生物育種技術的競爭。生物育種是打好種業翻身仗的重要武器。生物育種快速領先發展的重要基礎是生物技術等關鍵核心技術的應用，而國內多數生物育種的基礎研究還處于“跟跑”階段，難以支撐關鍵核心技術的開發。從現狀來看，國內轉化技術缺乏原始創新，抗蟲基因大多是在國外已有種類的基礎上進行改造或融合，對外依存度較高，新基因的挖掘程度不夠[17,42-43]。此外，由于國內轉基因的研發主要集中在科研單位及高校，大型種業公司寥寥無幾，再加上企業創新體系和科企結合的力度不足，導致我國轉基因產品迭代升級較為緩慢。同時，無論是科研院校還是企業大多偏向應用型研究，研究內容存在重疊，尚未形成分工明確、協作互促的發展模式[44]。國際一流種業公司育種技術已進入智能分子設計育種“4.0時代”，而中國作為世界用種量第一的國家，仍處于追趕狀態[45]。因此，我國在生物育種研發創新方面仍面臨著一定的壓力。為推進轉基因作物步入產業化的快車道，加快生物育種步伐，我國亟需解決正面臨的重大挑戰：一是要加大原始創新力度，加強優異種質資源的發掘與利用[46]；二是要加大資金傾斜扶持力度，統籌支持不同領域的科研力量；三是要深化科企融合機制，將種質資源、育種人才、推廣技術、資金支持等諸多要素進行聚合[47]；四是要加大生物育種前沿技術的應用與探索，以全基因組選擇、基因編輯、染色體工程、分子設計育種等關鍵技術作為主要的攻關方向，為我國生物育種的發展注入科技動力[48]。企業是市場的主體，也是科技創新的主體。拜耳、科迪華等跨國種業公司具備豐富的種質資源和技術儲備，在生物育種研發和產業化方面競爭優勢明顯。我國生物育種研發是以政府投資的公益性研究機構為主，主要科研力量是科研機構和高等院校，種業企業普遍存在創新能力不足、核心技術缺乏等問題，還缺乏具有自主知識產權、自主品牌和較強核心競爭力的高科技創新企業，以企業為主體的產業化推廣模式尚需完善。在轉基因作物產業化推進過程中，企業應該成為轉基因作物產業化的主體，通過建立轉基因產業化市場運行機制，充分發揮大型高科技企業作用，強化企業在產業化推廣中的主體地位，培養其在品種推廣、生產種植、技術指導和加工銷售中的能力。此外，還需要政府發揮好政策保障和監管指導的功能。轉基因玉米獲得生產應用安全證書后仍不能進行商業化種植，需進入作物種子新品種審定流程，該階段耗時較長，此后還需要獲得生產許可證和經營許可證[49]。因此，應加快轉基因作物審批登記、農藥登記等工作，加快完善轉基因產業化配套規章制度。轉基因作物種植作為一項新的技術，一方面要制定轉基因種植管理規范，確保轉基因作物種植過程全程可控。目前，我國尚未出臺專門針對轉基因作物種植監管的法律文件，監管法律規范性不足，監管部門職責不明確，不利于保障種業健康和穩定發展[50]。因此，需要建立一套比較完備的轉基因作物產業化應用監管執法體系，保障轉基因作物從種植、收獲、加工的全流程可監控，確保流向清晰，去向明確。同時要嚴厲打擊非法制種、非法經營和非法銷售行為，創造良好的市場環境。另一方面，要建立科研單位、企業和農技推廣部門的技術支撐體系。無論是政府科研機構，還是技術推廣者，都在轉基因作物的快速傳播和種植中發揮關鍵作用。通過參觀示范田和技術培訓等形式，農民可以認識并接納轉基因技術，進而成為該技術的最初種植者和受益者，從而引領更多農民加入改變耕作方式的智慧農業中[51]。同時針對轉基因抗蟲玉米，需加強對病蟲害發生的動態監測，明確靶標害蟲的敏感基線和抗性基因頻率，并制定有效的轉基因抗蟲玉米種植策略和靶標害蟲抗性治理對策[14]。轉基因不僅僅是一個技術問題，也是社會輿論問題。通過科普類文章以及媒體平臺客觀公正的宣傳，向大眾普及有關轉基因重要性和安全性的知識，引導科學的輿論導向，為中國生物育種技術的發展與產業化營造良好的社會氛圍[52]。雖然轉基因的輿論氛圍持續向好，但是輿論環境仍然復雜，仍有極少數人惡意攻擊抹黑轉基因。因此，應發揮主流媒體的作用，開展全方位和全媒體的科普宣傳。另外，還要加強對地方領導干部的培訓，把思想統一到黨中央關于生物育種產業化的決策部署上來。同時，要培養一支懂科學會科普的專家隊伍，利用微博、微信、抖音、今日頭條等新媒體，開展有針對性的科普宣傳，擴大科普宣傳覆蓋面，進一步提高公眾的認知和接受程度。
