小议植物生物技术的新进展及前景

在２０世纪９０年代，我国分子生物学家和育种学家合作，获得了具有自主知识产权的转基因抗虫棉花植株和相关专利，育成的众多品种已在全国各个棉区普遍种植。农业部在上世纪９０年代，分别对转基因抗虫棉、转基因抗病番茄、甜椒等授予了安全证书，但后两者由于无明显商业价值，并未应用于生产。按照我国农业转基因生物安全管理条例，经过５个阶段严格的安全评价后，农业部于２００９年１１月向转ｃｒｙ１Ａｂ／ｃｒｙ１Ａｃ基因抗虫水稻华恢１号、转ｃｒｙ１Ａｂ／ｃｒｙ１Ａｃ基因抗虫水稻Ｂｔ汕优６３在湖北省的生产应用，以及转植酸酶基因玉米ＢＶＬＡ４３０１０１在山东省生产应用发放了安全证书，但这些品种仍须通过品种审定方可进入种子销售市场。　

作为植物生物技术发展较早的国家，美国自上世纪９０年代以来，不断有新产品（品种）的研发，并经由美国农业部动植物检疫部门、环保局、食品药品管理局等生物技术产品监管机构根据产品对人类或动物食用、对环境安全影响的全面评价而确定能否进入市场。表２列出了１９９０—２０１２年美国已批准种植的转基因作物及所改造的性状。表中列出的１０种植物中，马铃薯和番茄生物技术产品的研发主要在２０世纪９０年代，但由于应用价值不高，并未得到广泛应用；苜蓿、水稻等为较近期开发的产品。改造的性状已从早期单纯集中于耐除草剂（大豆、油菜）、抗虫（玉米、棉花）发展到通过基因改造与常规杂交等手段结合，同时改造多个性状，包括改良营养性状（如提高大豆、油菜种子油成分中不饱和脂肪酸含量，以改进油营养成分），提高对非生物胁迫抗性（如抗旱玉米的培育）等。而复合２种或３种性状的生物技术作物的种植面积有明显的增长，已有不少商用品种是既耐除草剂又抗虫的，近年来复合性状的范围更有所扩大，如，应用大豆遗传图谱定位和转基因技术结合，美国孟山都生物技术公司（简称孟山都）２００９年推出了既耐除草剂又可增产７％～１１％的大豆新品种ＲＲｅａｄｙ２Ｙｉｅｌｄ。

植物生物技术的新进展及前景

据联合国粮农组织估计，为保证全球人口增长的需求，在２００５—２０５０年期间，全球食品生产的增加要达到７０％。在增加农业产品的同时，还须面对减少资源耗用、满足消费者对健康食品需求等问题，这些都对植物育种提出了新的要求。作为当代育种重要手段之一的生物技术育种，近年来也把育种目标更多地转向高产、抗逆（非生物胁迫）、高品质等，即所谓第２代转基因育种。能合成类胡萝卜素的金稻米和抗旱玉米ＭＯＮ８７４６０是其中２个成功的例子。

维生素Ａ缺乏可引起夜盲、干眼病、角膜软化，甚至与儿童腹泻等有关，估计全球有过亿儿童处于维生素Ａ缺乏状态。２０００年，瑞士和德国的科学家领导的团队在《Ｓｃｉｅｎｃｅ》上发表了他们通过农杆菌介导转化法，把来自植物黄水仙和细菌的β－胡萝卜素合成途径相关酶基因———八氢番茄红素合成酶基因（ＰＳＹ）、番茄红素脱氢酶基因（ＣＲＴ１）、番茄红素环化酶基因（带转运肽），用３个质粒共转化水稻未成熟胚，潮霉素筛选，获得了种子胚乳为黄色、干种子中胡萝卜素质量分数为１?６μｇ／ｇ的转基因水稻株系，开创了这一通过转基因赋予稻米新营养成分的新领域，因其黄色的胚乳而被命名为金稻米。然而，由于产生的胡萝卜素含量太低，缺乏实用上的意义。随后的数年，这２位科学家与先正达公司合作，从导入的基因、启动子来源、筛选标记以及载体的选择等方面，作了一系列的改变［２］，如用以糖为筛选基础的标记代替了抗生素抗性的筛选系统，选用胚乳特异表达启动子、不同水稻品种用于转化等；而关键的突破来自ＰＳＹ来源的改变，先正达公司的科学家经大量的比较、分析，发现导入来自玉米的ＰＳＹ，可明显把转基因水稻干种子胚乳中胡萝卜素质量分数提高到最高可达３６?７μｇ／ｇ的水平，其中维生素Ａ的前体β－胡萝卜素占８０％以上，获得了ＧＲ１／ＧＲ２等株系。β－胡萝卜素被人吸收后，可经历酶解过程而转化为维生素Ａ，按照美国国家科学院医学研究所推荐的儿童每天所需维生素Ａ的摄入量，如以金稻米中胡萝卜素质量分数的保守估计为２４μｇ／ｇ计算，只需食用７２ｇ大米即可提供儿童每天维生素Ａ需求的５０％。成人的自愿食用试验结果表明，食用量为６５～９８ｇ即可明显提高血液中维生素Ａ的含量，可见大米中的β－胡萝卜素能有效地转化为维生素Ａ。

金稻米的开发是学术机构（公共部门）和生物技术企业（私人部门）合作完成的，为保证其使用达到减少世界上贫困人口、特别是儿童中的维生素Ａ缺乏症的研发目标，享有发明权和专利权的科学家和公司已达成协议，无偿授予发展中国家对相关品种的使用权。２００５—２０１０年，通过一系列育种项目，这一性状已转育到世界各地多个地方品种中，近期已在国际水稻研究所和菲律宾水稻研究所完成田间试验，后者拟在２０１３年向菲律宾政府监管当局申报，争取２０１４年开始交给农民种植。

全球气候的异常变化、水资源的短缺使耐旱成为了一个重要的育种目标。孟山都的科学家发现把来自细菌的冷击蛋白ＣＳＰ转入植物，能赋予受体对非生物胁迫的抵抗能力，如寒冷（拟南芥），冷、热和缺水（水稻），干旱（玉米）等。初步研究显示，ＣＳＰ为一类ＲＮＡ伴侣蛋白，存在于细菌和植物中，可能通过在转录和翻译中起作用而调节生物对胁迫的反应。鉴于美国中西部玉米种植区常有旱情，他们的进一步研究集中于玉米的抗旱性，在对多个基因和转化事件的表型和表达分析比较后，选定了产量、叶片生长、光合效率均表现良好的ＣｓｐＢ?Ｚｍ事件１株系，并与生产品种配成３个杂交组合，进行控制给水条件下的田间试验，与非转基因对照比较，主要表现在籽粒数和带籽粒的穗数增加，平均可增产０?５ｔ／ｈｍ２（１０?５％）；随后在美国中西部干旱地区田间种植，增产达０?７５ｔ／ｈｍ２（１５％）。该品系内转入的目标基因ＣｓｐＢ来自枯草芽孢杆菌，命名为ＭＯＮ８７４６０，２０１０年１２月美国食品药品监管局已承认该产品的食用安全评价，２０１１年１２月美国农业部解除对其监管，成为全球第１个可供生产应用的抗旱转基因作物品种。其与常规品种杂交获得的杂交种Ｄｒｏｕｇｈｔ?ＧａｒｄＨｙｂｒｉｄ已作为孟山都公司的重要新产品在美国推出，以图提高干旱地区的玉米产量稳定性，有利于农民及环境。