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站在产业背后的生物基因
作者:   来源:中国科学报   发布者:左丽媛   日期:2017-06-08   今日/总浏览:19/2690


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一个增产基因增加一片耕地,一个耐盐基因再造一片良田,一个抗旱基因再生一条黄河,一个高效基因还你我一片净土……

未来的农业是什么样的?科技型高产农业、集约化高效农业、智能型低碳农业、工厂化基因农业、生物质能源农业、都市型生态农业……

这样的田园图景将依靠科技来绘制。其中农业生物技术正孕育着新突破。“生物技术是支撑农业发展、引领农业未来的前沿高技术。”近日,在国际生命科学学会中国办事处、国家食品安全风险评估中心主办的农业生物技术发展与挑战研讨会上,中国农业科学院生物技术研究所副所长张春义研究员指出,农业生物科技创新发展迅速,不过其成果转化能力有待加强。

全球性战略选择

“世界农业的变革,从低效益、高污染、高资源依存型传统农业向高效率、绿色低碳、高科技支撑型现代农业转变。农业生物技术正进入创新集聚爆发和加速成长时期。”张春义表示。

张春义认为,对全球生态环境而言,农业生物技术可以解决由人口带来的粮食危机,提高有限土地资源利用率,改善农业生态环境;对农民而言,提高对虫害、病害以及杂草的控制,减小损失,节省劳力与时间,提高作物产量,降本增收;对消费者而言,可获得无化学品污染的洁净食品、富营养食品、功能性食品、低价位农产品等。

当前,我国农业面临着许多瓶颈问题。仅以粮食生产领域为例,单产量低且生产成本高,我国农户的平均经营规模大约是欧盟的几十分之一,更是美国的几百分之一。

美国中部的一个谷物生产农场,3 个劳动力耕作了 4.5 万亩土地,还养了几百头猪。而目前我国现有农户约 2 亿户,户均耕地 10 亩左右。多数谷物生产农户的经营规模在 15 亩以下,不得不依靠兼作非农产业维持生计。

在张春义看来,我国若将农业生物技术作为农业可持续发展的一个战略选择,可通过提高产量、改善品质实现高产优质,来保障粮食安全;通过降低农药化肥用量、提高水分肥料利用率实现高抗多效,来维护生态安全;通过增强产品功能、提高产品附加值实现多能增值,来增加农民收入;通过自主专利与品种、提高自主创新能力实现技术创新,来提高科技竞争力。

“目前,我国农业生物技术及其产业正处在一个关键的战略机遇期。”张春义表示。从全球格局来看,美国以绝对优势列入第一梯队,欧洲和日本为第二梯队,中国、印度、巴西等国为第三梯队。

我国在第三梯队中处于领先地位,已拥有抗病、抗虫、抗除草剂、抗旱、耐盐、耐高温、营养品质 / 籽粒性状改善等自主知识产权的重要基因与核心技术,在棉花、水稻、玉米等转基因植物的基础与应用研究上也形成了自己的特色,在水稻组学、超级稻和抗虫棉等领域已经进入国际先进行列。

农业基因组研究也取得了一系列重大突破,如独立完成了籼稻的全基因组测序,水稻成为第一个完成全基因组测序的模式农作物;完成了家蚕基因组工作框架图的绘制,构建了世界第一张鳞翅目昆虫基因组框架图等。

1980~2014 年的批准授权基因专利数量排名,美国以 6023 个位居第一,中国以 2812 个名列第二,日本以 1439 个排名第三。这表明在功能基因开发研究上,我国具有较强的国际竞争力。

事实上,世界各国竞相把发展生物技术作为国家战略的重要内容。如 2011 年美国创新战略、欧洲 2020 高技术战略、2013 年中国《生物产业发展规划》,印度、巴西等也把农业生物技术等前沿技术创新列入国家科技优先发展战略。

一个基因一个产业

我国转基因作物进展显著,产业蓄势待发。其中,转基因棉花研发处于世界领先水平。抗虫棉的研究开发是我国独立发展转基因育种、打破跨国公司垄断、抢占国际生物技术制高点的范例。

张春义介绍,目前,我国育种家自己培育审定的单价、双价抗虫棉品种累计超过 200 个,推广面积累计超过 4.8 亿亩,占抗虫棉总面积的 95% 以上;累计减少农药用量超过 2.4 万吨,为农民和国家增收减支超过 800 多亿元。

此外,水稻基因组和杂交水稻研究世界领先,转基因玉米品种培育处于国际先进水平。抗虫水稻、饲料用植酸酶玉米均于 2009 年获得安全证书,2014 年需申请再次获批。不过,转基因小麦、大豆、油菜研发薄弱,亟待技术突破。

高叶酸玉米分子标记开发及应用是满足新形势下农业需求的一个体现。我国科学家以“分子开发标记—品种联合培育—推广种植示范—鲜食产品开发”一体化思路,实现了对富含叶酸玉米产品的快速鉴定、跟踪及新品种选育,在河北廊坊万庄镇开展了示范种植,叶酸含量大于 0.3mg/100g。

农业外延拓展的一个案例是转人血清白蛋白水稻。OsrHSA 是一种来源于转基因水稻的重组人血清白蛋白,能为无血清培养基提供更安全的选择,纯度高、批次稳定;在生物医药生产中也广泛用作赋形剂、稳定剂等。

我国动物体细胞克隆和转基因技术日臻完善。张春义介绍,转基因动物研发主要涉及了猪、牛、羊、鸡、鱼、猴、家蚕、果蝇等,主要是动物种质资源的改善,如提高抗病性与繁殖能力,改善肉质,促进生长等,或用于药物生产、疾病模型、器官移植等。

比如猪,自转基因专项开展以来,创制转基因猪育种新材料 30 余份、基础群数量 4 万余头;申请专利 100 余项,获授权 70 余项。抗病型,抗蓝耳病转基因猪进入中间试验阶段;节粮高瘦肉型,肌抑制素基因敲除猪进入生产性试验阶段,等等。

生物肥料、农药和饲料产业发展势头良好。如生物饲料业,1000 余家企业专业从事生物酶制剂、益生素、植物提取物类饲料添加剂生产,年总产值近 500 亿元,并以年均 20% 的速度递增。其中年产值超过 2 亿元的植酸酶,每年可节约饲料原料磷酸氢钙 20 万吨以上,节省饲料成本 9 亿元以上,并使动物粪便中排出的磷减少了约 30 万吨。

动物疫苗有效控制了重大疫情发生。仔猪腹泻大肠杆菌 K88/K9 二价基因工程疫苗是第一个商业化基因工程疫苗。猪瘟兔化弱毒疫苗、H5N1 禽流感疫苗等处于国际领先。伪狂犬病毒三基因缺失和双基因缺失疫苗、口蹄疫重组亚单位疫苗等即将实现产业化。

此外,农业生物技术还在农业生态环境保护、农产品加工和生物质高效利用中应用,新一代生物技术产品发展潜力大。如有机磷降解酶与传统化学洗消剂相比,洗消效率高、无腐蚀,无须配比,不会产生二次污染。

搭建多个平台

“围绕我国农业生产中的重大科学问题,重点发展农业应用组学技术、合成生物技术、生物信息技术和生物安全关键技术等,提升我国农业生物技术原始创新能力。”张春义认为,我国农业生物技术发展重点任务之一是搭建核心关键技术创新平台。

其次,应建立规模化生物资源高效利用平台,突破生物技术育种的关键瓶颈。通过基因资源挖掘、次生代谢物分析、表型组鉴定等,研究高产优质、抗逆、农用蛋白酶、生物固氮等特殊功能基因及相关产物或代谢途径。

再次,建立农业生物技术集成创新平台,创制新一代农业生物技术产品,如超级优良品种、新型药物、功能型食品、生物质能源等。

“光合作用、生物固氮、生物抗逆是长期困扰农业生产的世界性三大科学难题。高效作物设计将突破农业生产效率极限。”张春义表示。

比如,光合作用碳 - 4 型水稻,重新设计和改造水稻的光合作用系统,有可能突破性地提高其对光、肥、水的利用率。非豆科作物人工固氮体系,以根表固氮菌和玉米为底盘,人工设计五个功能模块和固氮 / 抗逆两条路线,构建“新型、高效、智能”的人工固氮体系。

张春义分析,我国盐碱土壤耕地约 2 亿亩,如果将现有作物的耐盐水平提高到 1.0% 水平,可增加有效耕地 3000 万亩;转基因抗旱作物 8%~10% 的产量增加,却减少 10%~20% 的灌溉水量。

一个增产基因增加一片耕地,一个耐盐基因再造一片良田,一个抗旱基因再生一条黄河,一个高效基因还你我一片净土……

“农业生物技术是推动新的农业产业革命的重要力量。”张春义指出,我们必须加快发展农业生物技术,推动产业化,为我国打造生物产业等新兴战略产业提供强大科技支撑,引领现代农业发展。

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