转基因作物发展及应用概述

作者单位：农业部科技发展中心，中国农业科学院油料作物研究所，农业部环境保护科研监测所

摘要：21世纪是生物技术的世纪，加快转基因技术研发已成为世界各国增强核心竞争力的战略决策。经过20年的发展，我国在生物技术研发领域已取得长足进步，抗虫棉大面积推广，产生了良好的经济效益和社会效益。但受消极舆论环境等因素的影响，推动其他转基因作物产业化的进程缓慢。我国是一个人口大国，粮食供需矛盾突出，大力发展生物技术产业是我国未来的必然选择。我国一方面要在确保安全的基础上坚持走自主创新之路;另一方面政府要建立及时的信息披漏机制，营造良好的舆论环境，从国计民生出发，在科学的基础上自主决策，推动我国生物技术产业的健康、有序发展。

生物技术是世界上应用最为迅速的作物育种技术，1996~2015年，全球转基因作物商业化种植面积从170万公顷增加到1.797亿公顷，增长了100倍，农民收益超过了1500亿美元。生物技术本身蕴含的巨大应用潜力和无限商机，令全球注目，各国政府、企业和科研机构都加入到了生物技术研发和应用的洪流中。

1全球转基因技术发展动态

转基因生物技术源于重组DNA技术的发明，1973年美国科学家发明了重组DNA技术，1983年美国首例转基因植物(烟草和马铃薯)培育成功。1996年始，转基因作物在全球商业化应用，至2015年已有26种转基因作物(不包括康乃馨、玫瑰和矮牵牛)的363个转化体获准商业化种植或环境释放。随着转基因产品不断涌现，转基因产品持续处于更新换代中:第一代以抗病虫、耐除草剂、抗逆转基因作物为主，旨在提高作物抵抗生物胁迫或非生物胁迫的能力，进而提高作物产量、降低投入;第二代以品质改良转基因作物为主，包括提高作物的维生素、赖氨酸、油酸等营养成分含量，剔除过敏原及植酸、胰蛋白酶抑制因子、硫葡萄糖苷等抗营养因子，使转基因食品营养更丰富、更可口;第三代以功能型高附加值的转基因生物为主，如生物反应器、生物制药、生物燃料、化工原料、清除污染等特殊功能的改良为主，旨在拓展新型转基因生物在健康、医药、化工、环境、能源等领域的应用。

目前，大规模商业化种植的转基因作物主要是第一代、第二代转基因产品，其主要性状依然是耐除草剂、抗虫、抗病毒、抗逆等。研究证实，随着种植时间的延长，单个基因控制的抗虫、耐除草剂性状易使目标害虫和目标杂草产生抗性。由此催生了聚合两个或三个抗虫、抗杂草基因的第二代抗虫/耐除草剂复合性状作物，如Bollgard-IIITM和EnlistTM产品。国际农业生物技术应用服务组织(InternationalServicefortheAcquisitionofAgri-biotechApplications，ISAAA)的数据显示，在商业化种植或环境释放的转基因品种中，耐除草剂基因最为多样化，包括2，4-D、麦草畏、草铵膦、草甘膦、异五氟等除草剂耐受性。为了满足种植、生产、加工或消费的多样化需求，商业化转基因作物的目标性状越来越多样化，涵盖木质素改变、抗过敏、延迟成熟/衰老、耐受干旱胁迫、增强光合作用/产量等诸多性状。转基因研发正在由以抗虫、抗逆和耐除草剂等增产为目的的品种改良逐渐发展为以增产和改善产品品质并重的品种改良，以及以工业、医药和生物反应器等为目的的品种改良。国际水稻研究所(InternationalRiceResearchInstitute，IRRI)为改善数百万维生素A缺乏者的健康状况而研发的黄金大米已进入田间试验阶段。

为了满足农户和消费者的多样化需求，从2006年开始，复合性状产品成为转基因产品培育的一个重要方向，并开始大规模种植。2007年，复合性状产品增加了66%，种植面积为2180万公顷，占据了全球转基因作物种植面积的19%;2015年复合性状产品种植面积达到5850万公顷，占总面积的33%。复合性状产品呈加速度发展的态势，聚合抗虫、耐除草剂、耐干旱胁迫，加上营养改良等性状的复合性状转基因产品将是未来转基因育种的一个重要方向。

在传统转基因技术成功应用20年后，生物技术领域又兴起了基因组编辑技术，包括锌指核酸酶(zincfingernuclease，ZFN)、转录激活因子样效应物核酸酶(transcriptionactivator-likeeffectornuclease，TALEN)系统、规律成簇的短回文重复序列(clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeat，CRISPR)/CRISPR关联蛋白(CRISPR-associatedprotein，Cas)系统等技术。基因组编辑技术可以实现对作物基因组的定点突变或编辑，并且最终植物中不含有外源DNA存在。其中CRISPR技术被《科学》杂志的杂志评为2015年“年度最杰出突破”。CRISPR/Cas9技术可以同时对控制重要性状的单个或多个基因进行定点基因突变、替换/插入、大片段缺失等操作，产生有预期性状的改良作物。《科学》通讯记者JohnTravis认为，利用CRISPR技术改良的作物具有精准、快速、成本低、无需监管的优点。但目前对于CRISPR技术改良作物是否需要监管，还存有争议。

在2015年和2016年，中国、美国、欧盟和阿根廷等多个国家及地区的研发者和管理部门进行了多次交流，商讨对基因组编辑育种产品的监管事宜以促进育种新技术的应用。虽然欧盟对转基因产品监管比较严格，只要有外源DNA转入细胞就视为转基因，而不论最终产品中是否还有外源DNA存在，但这次在与中国的交流中欧盟明确表示对基因组编辑的产品若与传统的诱变育种产生的产品相似将放松监管;美国已经明确部分基因组编辑技术改良的作物可免受《生物技术监管协同框架》的管理，对基因组编辑产品的监管遵循个案分析的原则。美国农业部(TheUnitedStatesDepartmentofAgriculture，USDA)已认可多项利用基因组编辑技术创制的植物产品不属于转基因监管范畴:包括通过基因编辑ZFN技术创制的低肌醇六磷酸玉米品系、通过TALEN技术创制的耐冷藏低丙烯酰胺的马铃薯和高油酸的大豆等。2016年4月，美国农业部又宣布不对采用CRISPR/Cas9技术改良的抗褐变蘑菇进行监管。

2014年3月，加拿大通过了其第一个基因组编辑油菜品种SUCanolaTM，该耐除草剂油菜品种是由CibusGlobal公司研发，2015年在美国种植了4000公顷，预计在2016年能够上市销售。目前CRISPR编辑技术已被用于油菜、玉米、小麦、大豆、水稻、马铃薯、番茄和花生等重要农作物的改良。全球许多实验室正在采用基因组编辑技术进行作物的分子育种，以期最快在2020年后实现基因组编辑产品的商业化。例如，杜邦公司宣称已经通过CRISPR/Cas9技术研发出基因组编辑的糯玉米，并有望在2016年进行田间试验。无论CRISPR基因编辑技术产品是否会被各国纳入转基因安全监管的范畴，基因组编辑技术必将引领作物的分子育种进入一个新的时代。

2各国高度重视转基因技术研发

大多数国家对转基因生物研究与产业化政策日趋积极，把发展生物技术作为支撑发展、引领未来的战略选择，力求抢占新一轮经济和科技革命的先机与制高点。印度2007年制定“生物技术发展战略”，英国2010年制定“生物科学时代:2010~2015战略计划”，俄罗斯2012年制定“2020年生物技术发展综合计划”，德国2013年制定“生物经济发展战略”，日本政府制定了“战略创新推进计划”。目前，农业生物技术产业进入全球化布局的新阶段，技术与市场垄断更加集中，呈现出三个梯队。第一梯队:美国一家独大，技术占绝对优势，拥有世界上约一半的生物技术公司和生物技术专利;第二梯队:欧洲和日本等发达国家研究与技术力量雄厚;第三梯队:巴西、印度等新兴国家积极发展农业生物技术，试图打破国际跨国公司技术与市场垄断，建立全球生物产业发展新格局。农业转基因技术研发已成为世界各国增强农业核心竞争力的战略抉择。

2.1美国美国无论是在转基因作物研发领域还是在商业化

种植领域均是全球的领跑者，在这场农业生物技术革命中，美国是最大受益者。美国早在1997年就实施了国家植物基因组计划，建立起了成熟的转基因研发机构和完善的转基因作物安全管理体系，美国涉及转基因研究的单位多达273家。国家研究机构和大学主要有美国农业部、爱荷华州立大学、佛罗里达大学、俄勒冈州立大学等。众多跨国公司也扎根于美国，包括孟山都公司、杜邦先锋公司、艾格福公司、阿伯基因公司、先正达公司等。在发展过程中，多家跨国公司进行了合并重组，形成了力量更强大的生物技术研发公司，如先锋国际良种公司先被杜邦公司收购，目前杜邦公司又将与陶氏公司合并;2016年拜耳公司宣布将收购孟山都公司。跨国公司均在转基因领域投入巨额资金进行研发，主宰了世界转基因作物的种子市场。孟山都公司是第一个将转基因作物种子大量推向市场的领航者，在1996年，推出耐农达(草甘膦)大豆和保铃抗虫棉花，在全球获得大面积种植;在2001年成为首家推出第二代耐农达转基因玉米的农业公司，还相继推出了第二代抗虫棉、耐农达Flex棉花、耐农达油菜和耐农达甜菜。

由于企业对市场信息非常敏感，及时调整科研方向，能够快速形成新品种和新产品，这种以“研发—生产—销售—研发”一体化的模式，使企业成为发达国家转基因作物研发的主体，并掌握了大部分的资源。孟山都、拜耳、杜邦先锋、先正达、陶氏益农5家公司掌控70%以上的抗虫基因专利、约63.4%的耐除草剂基因专利。公共机构往往不具有将研发的产品推向市场化所必需的安全评价资金或技术，因此，公共机构常常向公司提供它们的研究，然后由公司进行后续的开发工作。美国种植的转基因作物中仅有3个来自大学研究机构，分别是萨斯喀彻温大学的耐除草剂转基因亚麻、康奈尔大学和佛罗里达大学的抗病转基因木瓜。但美国的公共科研机构的研究人员做了大量的基础研究工作，从1973~2014年在转基因领域发表了15748篇，占全部论文的42.2%，远远高于其他任何国家。

2.2欧盟

基于政治、经济和文化种种因素，欧盟采取“预防原则”进行转基因产品安全监管，并于20世纪90年代建立了严格的转基因作物审批制度。欧盟采取的转基因作物严格审批制度对其经济和研究均产生了较大的负面影响，审批程序复杂、审批周期长，审批结果不确定，制约了生物技术的应用。严格的审批制度导致转基因产品难以获得进口审批，饲料进口量逐年下降，令畜牧产业受到严重冲击;一些欧盟国家禁止商业化种植转基因产品，令农民蒙受了潜在经济损失。欧盟的转基因作物审批制度还要求各国在法律框架下进行转基因技术的应用研究和开发，并对实验过程进行密切管控。欧盟早在1991年开始进行转基因作物的田间试验，到2008年止，共批准了2352次试验，先后共有22个成员国进行了转基因作物的环境释放。进行田间试验最多的国家分别是法国、西班牙、意大利和英国，时间集中在90年代中后期，在1997年达到顶峰，此后田间试验的频次也在逐年减少。在欧盟，转基因作物新品种的研发成本十分高昂，一个转基因新品种通过安全评估需要花费700万~1000万欧元。审批的高成本和产业化的渺茫，使转基因研发企业看不到盈利的希望，研发积极性受到打击，人才严重流失。欧盟持续推行消极的管理政策严重阻碍了生物技术产业的发展。

欧盟一方面坚信科学的局限性，对生物技术持怀疑审慎的态度，另一方面还是保持对生物技术重大应用潜力的敏感。欧盟许多国家在生物技术基础研究方面保持了领先，1973~2014年，在转基因领域德国、英国、法国和意大利等国家累计发表了近万篇SCI论文，占全部论文的1/4。为了发展生物技术产业，包括英国、德国在内的众多国家都在近几年制定了本国的生物技术发展战略。德国制定了“植物转基因研发计划”，2006年出台的“高科技战略”中对生物技术研发投资达到2.35亿欧元;2013年还出台了《生物经济发展战略》。

随着基因组编辑等新兴育种技术的兴起，欧盟专门成立了新技术工作组，工作组已经意识到过度监管对欧盟造成的危害，推荐对新兴育种技术进行简化的管理。工作组专家普遍同意运用寡核苷酸定向突变(ODM)以及锌指核酸酶(ZFN)技术所得的生物体属于转基因生物体，但该生物体不应受欧盟严格转基因审批制度的监管。欧盟议会决议新兴育种技术可能会成功解决未来社会所面临的挑战，要确保对新兴育种技术的持续支持。欧盟对新兴育种技术的态度预示着欧盟严格的转基因审批制度未来会发生改变。

2.3日本


日本在1981年成立政府机构开展生物技术相关研究，本着突出重点领域的立项原则，短期内就取得了许多具有世界先进水平的技术和专利。1973~2014年，日本发表了3822篇SCI论文，占全部论文的10.2%，仅位于美国之后。1980~2014年，日本获得了1436项专利的授权，占全部专利的10.5%，位于世界第三位。日本在转基因研究方面储备了雄厚的研究实力，早在20世纪90年代初就完成了水稻全基因组的测序，然后充分利用了水稻基因组研究取得的高度，快速推进农业领域重要基因的鉴定和功能分析研究，培育出了大量优良的转基因材料，具备了将转基因技术有效应用于品种改良的良好基础。

尽管日本每年在大量进口饲料和粮油原料等转基因农产品，但在本土种植依然有诸多限制，除了种植过蓝色转基因玫瑰外，日本国内几乎没有转基因作物的商业化栽培。日本的绝大多数转基因技术成果还依然停留在学术型成果阶段，没有进行后续的产业化开发。日本的研究机构和企业认为转基因监管政策太严格，国内市场排斥转基因产品，大多对转基因技术持消极态度。有的企业和机构已停止了相关研究，但也有一些企业采用在国外开发、种植，回国内销售的策略进行转基因产品的商业化开发，如将开发的转基因康乃馨在哥伦比亚栽培、运回日本国内销售。

2.4巴西

巴西于2003年才开始推动转基因作物发展，在2011年成为全球种植转基因作物的第二大国家。2007年巴西颁布支持转基因作物产业化法案，并投资达70亿美元(其中60%来自政府，40%来自企业)开始实施为期10年的专项。2009年，巴西农业科学院与德国巴斯夫公司共同研制的耐咪唑啉酮(imidazolinone)除草剂大豆获准商业化种植。2010年拥有巴西自主知识产权的转基因抗病毒大豆获批商业化生产。2015年，由巴西FuturaGene/Suzano公司开发的一种国产桉树获得种植批准，该桉树可提高20%产量。另外，本国开发的一种抗病毒豆类和一种新的耐除草剂大豆获批于2016年进行商业化。巴西已经充分具备了研发、生产及审批新型转基因作物的能力，而且转基因技术成果的成功应用已成为近年巴西经济的增长引擎。

2.5印度

目前，印度是全球第一大转基因棉花生产国，抗虫棉的种植为农民带来了可观的经济效益。2007年，印度将生物技术的发展提升为国家发展战略，颁布了国家生物技术发展战略，要求调动国家资源促进生物技术产业的发展，将印度打造为世界生物技术研发中心。生物技术是21世纪的朝阳产业，印度政府不仅在研究上加大投入，更采取措施促进转基因农作物的商业化发展，每年的投入达到5亿美元。

3中国转基因技术研发成效和应用现状

3.1中国转基因战略决策

转基因技术是一项先端技术，也是各国科技竞争的主要领域，中国对转基因的态度和做法也十分明确，那就是“积极研究、坚持创新、慎重推广、确保安全”。从2008年实施转基因生物培育重大专项以来，在加大研发力度的同时，更加注重转基因安全管理和科学普及。2013年习近平在中央农村工作会议上对转基因做出重要指示:“一是确保安全，二是要自主创新”。2007年至今，“中央一号文件”已有8次明确提及转基因，仅2011年和2013年的“中央一号文件”未提及。2015年在“中央一号文件”中提出“加强农业转基因生物技术研究、安全管理、科学普及”;2016年“中央一号文件”进一步强调“在确保安全的基础上慎重推广转基因”。2016年8月，国务院正式印发《“十三五”国家科技创新规划》，明确实施一系列国家科技重大专项，其中包括转基因生物新品种培育专项，提出加强作物抗虫、抗病、抗旱、抗寒基因技术研究，加大转基因棉花、玉米、大豆研发力度，推进新型抗虫棉、抗虫玉米、耐除草剂大豆等重大产品产业化。

3.2中国转基因研发成效

中国的农业生物技术发展经历了早期的跟踪国际科技前沿(1986~2000年)和近期的自主创(2001年至现在)两个阶段。在早期的跟踪阶段，建立了主要农作物的遗传转化体系，对国际上已有相关研究的主要功能基因进行了功能验证和大田试验，开发出了转基因抗虫棉并推广应用。进入21世纪，中国更是高度重视转基因技术研究与应用，在国家高新技术研究发展计划(“863”计划)、国家重点基础研究发展计划(“973”计划)、国家自然科学基金等相关科技计划支持下，全面进入自主创新阶段，在重要功能基因发掘、转基因新品种培育及产业化应用等方面都取得了一系列重大成就。特别是2008年，国家启动转基因生物新品种培育重大专项，转基因研发呈现后来居上的态势，实现了总体跨越、部分领先。

中国牵头或参与组织完成了包括水稻、油菜、棉花、小麦等重要农作物的全基因组序列分析。从重要农作物中分离克隆了一大批具有自主知识产权的、控制重要农艺性状的功能基因，包括控制籽粒大小、粒型、穗型、株型、抽穗期、育性、抗虫、抗病、抗盐、抗旱、耐低温、营养高效等基因。研发出了抗虫转基因水稻、抗虫转基因棉花，转植酸酶基因玉米等世界领先的转基因产品，还在抗虫玉米、耐除草剂大豆和抗旱小麦等领域取得了一批重大成果，显著提升了中国自主基因、自主技术、自主品种的研发能力，在新品种培育的不同阶段已形成金字塔型成果储备。

通过查询WebofScience、德温特专利数据库(DerwentInnovationsIndex，DII)和ISAAA系列研究报告等数据库，统计了中国科研人员在农业生物技术领域的研究成果。中国在1973~2014年发表SCI论文3131篇，处于国际第三位。其中，转基因水稻SCI论文高达605篇、转基因棉花SCI论文234篇，论文数量均处于国际第一位;发表的转基因玉米、大豆和小麦SCI论文数量均次于美国而处于国际第二位。SCI论文发表情况表明中国在转基因水稻和转基因棉花基础研究方面具有国际领先水平，在转基因玉米、大豆和小麦的研究方面也达到了国际一流水平。中国授权的转基因专利有2812项，仅次于美国而处于国际第二位，授权专利数几乎是处于第三位日本的2倍。中国已在农业生物技术领域取得了丰硕的研究成果。

中国科研机构在转基因作物研发方面一直非常活跃，除转基因棉花外，研发重点主要集中在水稻、玉米、小麦、大豆和油菜5类粮油作物领域。至2016年9月，中国农业部共批准转基因生物技术试验8249项，发放生产应用安全证书2627项(含续申请)。在主要转基因作物研究方面，棉花获得2302项生产应用安全证书(含续申请)，番木瓜、玉米各1项，水稻2项。其中，耐储存番茄、改变花色矮牵牛、抗病辣椒3种已过期，抗虫棉花、抗病番木瓜、转植酸酶基因玉米和抗虫水稻4种在有效期内。目前，中国在转基因玉米研发方面成效尤其显著，继植酸酶玉米之后，北京大北农科技集团有限公司研发的抗虫耐除草剂玉米及其相应的庇护所耐除草剂玉米(C0010.1.1等)、浙江大学研发的抗虫耐除草剂玉米(12-5)等一批转化体已进入安全证书申请阶段，还有许多进入环境释放和生产试验的转化体，转基因玉米产业化基础扎实。中国对Bt玉米、耐除草剂玉米、植酸酶玉米和Bt水稻的研发以及商业化将对满足中国和全球的粮食和饲料需求具有重要意义。

3.3中国转基因应用现状

中国曾是国际上最早种植转基因作物的国家，但转基因作物种植面积在2004年被巴西超越，2006年被印度超越，从2006年中国转基因作物，种植面积在世界上一直排名第6位。中国目前获得转基因安全生产证书的有7种，推广种植的只有抗虫棉、木瓜和白杨，至今尚未开放转基因粮食作物的商业化生产。中国在1997年开始批准转基因抗虫棉商业化种植，当时美国孟山都公司转基因棉花占中国抗虫棉市场的95%，2012年以后自主抗虫棉品种已占中国抗虫棉市场的95%以上。在中国，2011年抗虫棉占棉花种植总面积的71.5%，2012年占80%，2013年占90%、2014年占93%、2015年96%，应用率逐年上升，累计推广3.7亿亩。数据显示1997~2014年农民从Bt棉花获得的经济收益为175亿美元，2013年收益16亿美元，2014年收益13亿美元。除了抗虫棉，2014年广东、海南和广西三省种植了8500公顷抗病毒木瓜，另外，还种植了543公顷Bt白杨。2015年中国的这三个省又种植了7000公顷抗病毒木瓜，Bt杨树种植面积依然是543hm公顷。

转基因作物诞生30多年来，中国在转基因作物研发和部分转基因作物产业化方面都取得了较大进展，成为全球仅有的几个拥有转基因核心技术的国家之一。但是，中国只成功推动了抗虫棉的产业化，其他转基因主粮作物的产业化进程则比较缓慢。为了满足中国的食用油和饲料需求，从2003年开始大量批准进口转基因产品用作加工原料。相应的，国外申请出口到中国的转基因作物种类和数量也逐年提高。目前，国外公司申请向中国出口的转基因作物有45项已经获得安全证书，按照作物种类划分，包括玉米16项、大豆12项、棉花9项、油菜7项、甜菜1项;在申请单位方面，美国的孟山都公司18项、杜邦公司5项，德国的拜耳13项、巴斯夫1项，瑞士先正达8项(表1)。