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中国作物转基因技术走在国际前沿,但产业化严重滞后

五毛网 科技 2017年08月30日 来源:

著名植物生理学家、中科院院士许智宏在上海科学会堂做报告

编者按

今年8月,经历了漫长的25年审批之路后,由美国AquaBounty公司生产的转基因三文鱼在加拿大上市,这是首个转基因动物性食品在公开市场上正式销售。

8月17日,在上海科协大讲坛暨科技前沿大师谈“暑期院士专家系列科普讲坛”中,进行了一场对转基因话题广泛讨论的讲座,邀请的专家有著名植物生理学家、中科院院士许智宏,中科院院士以及发展中国家科学院院士陈晓亚,上海师范大学生命与环境科学学院教授黄继荣以及上海交大医学院教授曾凡一。其中许智宏做了主旨报告,他从作物的起源和演化展开,讲到现代育种技术的发展,并指出中国在转基因技术方面走在国际前沿,但产业化方面严重滞后,应在确保安全的基础上,积极推动转基因作物的发展。

演讲 |许智宏(著名植物生理学家、中科院院士)

责编 |叶水送

今天讲座的主题是转基因。但我在北大给学生讲课的时候,发现很多学生不知道农作物怎么来的。所以我今天从农作物怎么来的讲起,这将有助于我们对转基因的了解。

我们的主食

全球有3万多种可食用的植物,但是我们真正吃的没有那么多。养育这个世界的植物主要也就有30多种,其中最重要的有5种谷物,水稻、小麦、玉米、粟类、高粱,这五类谷物提供了人类所需能量的60%。全球产量最高的前10种作物为人和家养动物提供了所消耗食物的95%。到目前为止,全世界农民大规模种植的作物也仅有几十种。

全球的主粮中,水稻、小麦、玉米等谷物占了四分之三。另外,全球还有四分之一主粮来自马铃薯、红薯、木薯、山药等薯类作物。除了主粮外,我们所必需的很大一部分油和蛋白质也来自植物。大豆是世界上最重要的植物蛋白质原料,也是最重要的油料作物之一,在我国也是最重要的粮油作物。人们食用最多的是大豆油,其他还有菜籽油、花生油等。在全世界植物蛋白中,大豆蛋白占了67%。大豆给中国人提供了很大一部分的蛋白质。

现在的农业主要依赖于少数几种作物,这虽然增加了食品生产系统的效率,但同时也减少了作物和食物的多样性。作物多样性的减少使全球食物生产面临着一些普遍存在的问题,如病虫害、异常气候变化的影响等,生态系统也变得更加脆弱敏感。

就拿水稻来讲,中国过去种过大量不同的品种,现在种类大大减少了。单一的品种通常会对病虫害和恶劣气候变得更加敏感,而化肥和农药的大量使用又造成了严重的环境污染。

从1960到2015年,中国的谷类,特别是小麦跟水稻的产量在稳步增长,人均占有的粮食数量已大大增加。2014年我国人均谷物占有量已达414公斤/年,其中折合大米已达18斤/人/月,面粉达16斤/人/月,所以我们的主粮是够的。

我们现在面临的问题是,粮棉油糖的供给库存水平高,畜禽产品供给也相对充裕。粮食总产12年连增,2015年达到6.21亿吨,达到历史最高 (注:去年略有降低,仍达6.16亿吨),粮食库存量大约接近于一年的产量,其中玉米库存量占总库存量的一半,但同年粮食进口达1.2亿吨,表现出明显的结构性过剩。客观上还存在着增产不增收的问题,农民种粮的积极性下降。每年国家对农业的财政补贴超1万亿。这个状况给我们农业带来了很大的困扰,要怎么解决这些问题?

中国的大豆,去年进口有8200万吨,有预计今年可能进口9000万吨。也就是说,中国自己产的大豆,仅占不到20%。中国已是全球最大的大豆进口国,自给率非常低。如果我们自己要生产这8000多万吨的大豆,按目前我国的单产计,要用6亿多亩农田。我们到哪里去找6亿多亩耕地?

中国还存在一个问题,农产品价格周期性地暴涨暴跌,往往使各地政府很紧张,因为猪肉蔬菜价格的波动直接对老百姓生活产生影响,这个问题涉及到社会稳定。根本来讲,我们的农业企业规模化、产业化、集约化、信息化以及创新的水平都不够。以蔬菜为例,虽然这些年我们的蔬菜种植已经有很大的进步,但很多地区蔬菜种子仍有相当大一部分还是靠进口。有“中国蔬菜之乡”称号的山东寿光这么大一个蔬菜基地,也还有30%的蔬菜种子需要进口。如果从全国范围看,比例可能就更大。从国外进口的蔬菜种子的价格要比国内贵得多,这又给生产带来了新问题。

根据世界粮农组织的资料,中国人的食物消费结构中,动物性食品所占比例也在不断增加,已高于世界平均水平。我国肉类协会2015年的统计表明,我国人均肉类消费已达63公斤/年,大大超过《中国居民膳食指南(2016)》建议的健康饮食结构中的27.4公斤/年。我们现在吃的肉类的量比国家要求的健康的营养结构多了一倍多。我国消费了全球肉类的28%,我国也是全世界最大的猪肉生产国和消费国,消费了全球猪肉的50%。(注:与此相应的是我国的粮食生产总量中已有约一半用于饲料了。)

世界粮农组织预测2050年全球粮食需求要翻番,这就意味着全球的作物产量需保持年增长2.4%以上。但是目前水稻、玉米、小麦和大豆产量的年增长率都没有超过2.4%。我们对粮食的刚性需求还在增加,要养活这么多人口,这是严峻的任务。温家宝当总理的时候,国务院曾提出,到2020年,中国每年需要增产1千亿斤粮食,这样才能满足我们每年增长的需求。

从全球范围来讲,全球粮食贸易量每年约4800亿斤,不到我国粮食总产量的一半。比如,在我国稻谷每年的消费量大约3700亿斤到3750亿斤,占口粮消费的60%。而国际大米贸易总量只有500亿斤到600亿斤,仅占我国大米销售量的15%。所以,我们可以利用国际市场适当进口,但不能依赖进口。中国人饭碗里的口粮还是必须牢牢掌握在自己手里。

植物的驯化及生物多样性

今天栽培的大多数农作物都是经过人类长期驯化与人工选育的结果。在这个过程中,很多基因产生突变、转移、重组,基因组加倍的结果,不断演化出新的品种,甚至新的物种。玉米和番茄,最早时果穗和果实都非常小。在人类利用玉米过程当中,玉米已经发生极大的变化。野生稻就像野草,披头散发,茎秆呈匍匐状。结实后还没收,种子就掉了。通过人工选育,那些穗子不落粒的,茎秆挺立的植株的就被保留下来了。

番茄作物品种的培育过程,从左到右分别为醋栗番茄、圣女果和常见番茄

最原始的番茄像醋栗番茄那么大小,今天的番茄比原始的大了一百多倍。分析番茄基因组,我们发现从原始的小番茄到今天栽培的大番茄,一共约有18个主要基因发生了变化。从最原始醋栗番茄,到樱桃番茄 (现在吃的“圣女果”),这中间有5个基因发生了很大的变化,从樱桃番茄到现在栽培的大型番茄,又有13个基因发生了変化。

马铃薯野生祖先种(左)和栽培马铃薯(右)

野生的土豆在驯化的过程中,地下块茎比原来大了几十倍,形状变得更加规则。在西双版纳还有的野生黄瓜,圆圆的,非常苦,但我们今天的黄瓜就变成长长的,也不再苦了,这是形成苦味的基因调控上发生了改变所引起的。我国育成的黄瓜品种一般瓜不苦,但叶子还是苦的,黄瓜叶子苦可以抵抗病虫害。而国外育成的不少品种的叶子也不苦了,到了中国就容易引起病虫害。把这些控制苦味形成的基因的的作用弄清楚了,我们就可以更好改良品种 (注:还需要对其他与产量、品质、抗病虫等性状有关的基因及其调控,有更多的了解)。

中国在明清时大规模引进了很多种国外的作物。根椐华南植物园黄宏文等专家的研究报告,明清时期,玉米、红薯、马铃薯、花生、烟草等作物都先后传入中国广泛栽培,番茄、向日葵、辣椒、南瓜、西葫芦、菜豆、菠萝、番荔枝等果蔬也逐渐在中国推广种植。明清时期果蔬栽培种类比宋元时期增加约一倍。今天绝大多数的作物是千百年前从外域引种驯化而来的,是近500年栽培植物全球化的结果。

生物多样性非常重要,中国是全球生物多样性最丰富的国家之一,生物种类占全球10%,中国有3万多种植物 (注:《中国植物志》共记载3万1千多种),被公认为世界上植物种类最多的国家。中国有长期利用各种动植物的丰富知识,是全球重要的作物起源中心之一,农作物水稻、大豆、柑橘、梨、猕猴桃、茶及多种花卉都起源于中国。全球640多种栽培植物中,约400多种起源于亚洲,其中300种起源于中国和印度。但是,中国也是生物多样性受到威胁最严重的国家之一,生物多样性消失速度高于全球。

猕猴桃属植物有54种,大部分在中国生长,只有两种在国外,一种在尼泊尔,一种在日本。中国分布52种,大多数果实可食。100多年前,猕猴桃从中国传到新西兰,在新西兰开发成可商业化生产的品种,而且把英文名字也改成了Kiwi fruit (注:Kiwi是新西兰国鸟的名字)。以前中国人对猕猴桃好像并不那么重视。改革开放以后,国内加强研究力度,有非常显著的发展,特别是武汉植物园建成了世界最大的猕猴桃种质资源库。这说明野生植物通过人工的选育改良,能够为人类提供不同的新品种。中国一下子又重新变成了全世界最大猕猴桃生产国,现在欧洲用的一些品种也就是中国育成的。

另一个例子,中国人一直把枸杞当作中药,也当一种食品,是药食同源的一个范例。枸杞有红枸杞(宁夏枸杞)、黑枸杞,通过杂交,可以得到各种不同的后代 (注:已有科学家希望把枸杞培育成21世纪的功能性水果)。所以利用野生植物的前景非常大。我们可以利用野生植物,通过人工育种,来培育更多不同的品种,以满足人类的需求。

我国科学家很早就向政府提出要保护种质资源,现在中国农科院收集的农作物品种、品系及其野生近缘种有33万多份。中国科学院昆明植物所成立了中国西南野生物种种质资源库,我国29%的种子植物物种得到了有效的保存。最近深圳建立了国家基因库,有人称之为“中国的诺亚方舟”。它将建立起“三库”(生物资源样本库、生物信息数据库、生物活体库)和“两平台”(数字化平台、基因合成与编辑平台)。

育种技术的发展

再说一下现代育种技术的发展。品种至关重要,国际上粮食总产增长中80%依赖于单产水平的提高,其中大概60%到80%源于良种的推广。我国品种对粮食增产的贡献率也达到40%以上了,近20多年来美国玉米的单产一直在不断增长,品种的更新是美国玉米持续增长的一个重要因素。中国玉米的种植面积跟美国差不多,但是玉米的产量,要比美国低三分之一左右。差距在哪里?由于美国近20年推广生物育种的产业化,特别转基因的品种,美国玉米保持非常稳定的增产状态。

去年5月美国科学院、美国工程院、美国医学院发布关于转基因作物的报告,共338页。这一报告由50多位科学家、研究人员、农业和产业部门的专家组成的委员会,用两年多时间审查了过去20年间900多份有关转基因作物的研究报告和数据,听取了80位参与转基因作物研究的工作人员的意见,以及分析了700多位公众提出的意见后写成。结论是:依据对这类作物制成的食品的化学分析和动物喂养试验,这些食品并不会带来健康风险。没有结论性证据表明转基因作物与环境之间存在因果关系。(注:此报告中文本《转基因作物:经验与展望》即将由科学出版社出版)如果我们能冷静地回顾和思考转基因发展的历程,我们就可以理解美国乔治亚大学Parrott教授所讲,“转基因作物本质上不过只是作物,它们不是某些支持者声称的万灵药,更不是反转者叫嚣的洪水猛兽。”

近十几年,我国由于各种原因,除了棉花和番木瓜外,再没有批新的转基因作物在农业生产上应用,在转基因作物产业化方面,我们跟国际的差距在拉大。回想诺贝尔和平奖得主诺曼·博洛格所讲:我们需要那些仍然别无选择地使用陈旧、低效方法进行种植的农民所在的国家的领导人拿出勇气。绿色革命和现在的植物生物技术正帮助我们在满足对粮食生产需求的同时,为下一代保护好环境。

中国农业的现代化和可持续发展,需要高科技。我确信现代生物技术,包括转基因技术,基因组编辑、分子模块育种、合成生物学技术等,必将会在我国现代农业发展中发挥更大的作用。

注:本文经许智宏院士于2017.8.26修改,报告内容略有删减,文中图片均来自许院士的报告。

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