世界农业转基因生物研究和商品化

     转基因生物主要包括转基因植物、转基因微生物和转基因动物。其中以转基因农作物( GMC) 发展最快。转基因作物种类多种多样。输入性状包括农艺性状改良,如抗虫、抗病、抗逆境及抗除草剂等；输出性状包括农作物品质改良，如提高蛋白含量、提高维生素含量和改善营养结构等；有些转基因作物被用作生物反应器，如生产高价值的化学制品及生物制药等。目前应用最广的是转基因抗除草剂作物如抗除草剂大豆、玉米、油菜、棉花等，其次是转基因抗虫作物，如抗虫棉花、抗虫玉米等。抗病及品质改良转基因作物也已得到广泛应用。

    1 　全球转基因生物分布

    1.1 　种植国家与地区

    转基因作物目前主要种植在美国、阿根廷、加拿大、中国、巴西和南非。2002 年转基因作物种植面积达百万公顷以上的国家共有4 个,依次为美国3900 ×104hm2 ,占全球转基因作物总面积的66.6 %;阿根廷1350 ×104hm2 ,占23.0 %; 加拿大350 ×104hm2 , 占6.0 %; 中国210 ×104hm2 ,占3.6 % ,巴西占4 %。2003 年,这些国家转基因作物种植面积占全球转基因作物种植总面积的99 % ,另外12 个国家(南非、澳大利亚、印度、罗马尼亚、西班牙、乌拉圭、墨西哥、保加利亚、印度尼西亚、哥伦比亚、洪都拉斯、法国) 的转基因作物总面积仅占1 %。种植转基因作物的国家在逐年增多,1996 年为6 个,1998 年为9 个,2001年为13 个,2002 年为16 个, 2003 年增加到18 个。

    1.2 种植面积

    1996 年全球转基因作物种植面积170 ×104hm2 ,2002年全球转基因作物种植面积已达5870 ×104hm2 ,比上年增加610 ×104hm2 ,增长1116 % ,2003 年全球转基因作物种植面积达到6770 ×104hm2 ,比2002 年增加15 %。其中工业化国家增加11 % ,发展中国家增加28 %。1996 年至2003年8 年间增长39 倍,转基因作物成为普及应用速度最快的农作物。

    1.3作物种类

    全球商业化种植的转基因作物包括大豆、玉米、棉花、油菜、马铃薯、烟草、番茄、南瓜和木瓜等。前4 种转基因作物占主导位置。

    1.4转基因种类

    大部分转基因作物都带有抗病虫基因。约18 %转基因玉米品种带有抗害虫基因,其余的品种同时含有耐除草剂、抗虫基因。73 %的转基因大豆、玉米和油菜含抗除草剂基因。在2002 年中,转基因大豆和转基因油菜均为耐除草剂品种,20 %转基因玉米为耐除草剂玉米,32 %转基因棉花为耐除草剂棉花。转Bt 基因作物主要是Bt 玉米和Bt 棉花,Bt 玉米面积占转基因玉米面积的80 % ,Bt棉花面积占转基因棉花面积的68 %。兼抗虫和耐除草剂特性的转基因作物主要是玉米和棉花,分别占转基因玉米和转基因棉花面积的18 %和32 %。全球转基因作物中兼具耐除草剂特性和抗虫特性的转基因作物面积约占8 %。

    1.5农业转基因生物市场

    在世界转基因作物市场上,美国孟山都农产品公司占80 %份额,德国安万特公司占7 % ,德国巴斯夫公司和瑞士先正达公司各占5 % ,美国杜邦公司占3 %。

    2 　美国农业转基因作物概况

    2.1 种植面积

    美国是世界上种植转基因作物面积最大的国家。1996 年至2002 年,美国每年转基因作物种植面积均占全球转基因作物面积的70 %以上。美国的玉米、棉花、大豆、油菜、马铃薯、番茄、甜瓜、水稻、亚麻、甜菜、南瓜、木瓜和菊芋等作物已有可供商业化的转基因品种,其中已大规模商业化种植的转基因作物主要是玉米、棉花和大豆。2003 年美国转基因作物种植4110 ×104hm2 ,比上年度增长5.3 % ,较1996 年增长27 倍多。转基因作物商业化种植开始几年面积增长速度较快,如1997、1998、1999 年分别比上年增长了441 %、153 %和40 %;近年来增速明显趋缓,如2001、2002 和2003 年增幅分别为18 %、9 %和5 %。2003 年美国玉米、棉花和大豆三种主要转基因作物面积分别为1279 ×104hm2 、413 ×104hm2 和2416 ×104hm2 ,转基因棉花面积与上年度持平,转基因玉米和大豆面积分别比上年增长20 %和9 %。以2003 年占该作物总面积的比例计,大豆最高为81 % ,比上年增加6 个百分点,为历史最高纪录;棉花次之为73 % ,比上年增加2 个百分点,尚未恢复到历史最高水平(1997 年为74.4 %) ;玉米第三为40 % ,比上年增加6 个百分点,创历史最高纪录。

    2.2 转基因种类

    2003 年大豆只有耐除草剂特性一种,玉米、棉花有耐除草剂、抗虫以及兼具耐除草剂和抗虫特性三种。转基因玉米以抗虫玉米面积最大,约为800 ×104hm2 ,占当年转基因玉米总面积的62.5 %;其次为耐除草剂玉米,约352×104hm2 ,占27.5 %;兼具抗虫和耐除草剂特性的转基因玉米约128 ×104hm2 ,占10.0 %。转基因棉花以耐除草剂棉花面积最大,约180 ×104hm2 ,占当年转基因棉花总面积的43.8 %。兼具抗虫和耐除草剂特性的转基因棉花面积为152 ×104hm2 ,占37.0 %;抗虫棉花面积为40 ×104hm2 ,占19.2 %。

    2.3 转基因作物品种

    报道已有53 个转基因作物品种。其中玉米品种最多,有16 个,占转基因作物品种总数的30 %;其次为油菜品种9 个,占17 %。依次为番茄品种和棉花品种各6 个,马铃薯品种4 个,大豆品种3 个,甜菜和南瓜品种各2 个,水稻、亚麻、木瓜、罗马甜瓜和菊芋品种各1 个。从转基因品种特性看,耐除草剂品种最多,共27 个,占51 %;抗虫品种次之,有17 个,占32 %;抗病毒品种、延熟品种和雄性不育品种各有5 个,分别占9 %;导入品质特性(高油酸、高月桂酸、植酸酶等) 的品种3 个,占6 %;具有两种特性的品种10 个,其中4 个品种具有耐除草剂和抗虫特性,4 个品种具有雄性不育和耐除草剂特性,2 个品种具有抗虫和抗病毒特性。从育种单位看,孟山都公司育成了18个品种,居首位,包括玉米品种6 个、马铃薯品种4 个、棉花品种3 个、油菜品种2 个以及大豆、番茄和甜菜品种各1 个。品种数量居第二、三位的是AgrEvo 公司和Cagene公司,分别育成转基因作物品种7 个和5 个;其余17 个单位育成了21 品种,每个单位均不超过2 个品种。

    3 发展中国家农业转基因作物种植概况

    1997 年以来,发展中国家转基因作物面积占全球转基因作物总面积比例呈持续上升趋势,1997 年为14 % ,到2001 年增长为26 % ,2002 年9 个发展中国家种植转基因作物1600 ×104hm2 ,为27 %。巴西2003 年通过了允许种植转基因作物的法律,使种植转基因作物合法化。巴西全部种植转基因大豆,由孟山都农产品公司包销。今后10 年内,转基因作物种植将扩展到25 个国家,面积将达1×108hm2 ,将有1000 万农民从事转基因作物种植。

    4 中国转基因生物研究状况

    1997 年,我国批准了第一个转基因植物耐贮藏番茄商品化生产并问世,成为第三个将转基因番茄投放市场的国家。1999 年经国务院批准,科技部、财政部联合启动了“国家转基因植物研究与产业化专项”,共资助课题116个。获得自主知识产权基因26 个,其中目的基因7 个,获得转基因作物品种18 个,新品系36 个;申报国内发明专利201 件,国外专利9 件。使我国成为世界第四大转基因植物种植国家。我国正在研究的转基因植物种类47 种,涉及各类基因103 种。许多与抗虫、抗病、抗逆、产量、品质和保鲜等有关的基因被克隆,7 个抗黄矮病、白粉病和赤霉病的小麦新品种通过品种审定,累计种植面积已达100 ×104hm2 。水稻、小麦、玉米、大豆、马铃薯、花生、杨树、番木瓜、烟草、甜瓜、辣椒等涉及100 多个基因的47 种转基因植物处在不同的研发阶段。正在研究的转基因重组微生物95 种,涉及基因种类200 多种。我国自1997 年3 月～2002 年12 月,共受理申请703 项,批准517 项,申请单位涉及国内科研教学单位41 家,国外公司2 家。批准商品化生产的有棉花、番茄、甜椒、矮牵牛花4 种植物,基因工程疫苗和饲料用微生物;批准环境释放有棉花、大豆、烟草、番茄、甜椒、马铃薯、水稻、黄瓜、杨树、玉米10 种植物,4 种微生物。转基因棉花已经大规模商品化生产,2003 年转基因抗虫棉种植面积为286.6 ×104hm2 ,占我国植棉面积的59 %。抗虫棉的育成特别是双价抗虫棉的育成,标志着我国转基因生物研究进入了世界先进行列。

    4.1 抗虫转基因生物工程

    1987 年我国首次获得转Bt 基因抗虫烟草、番茄。1991 年将Bt 基因导入棉株。1992 年首次合成了拥有知识产权的CryIA 杀虫基因,1993 年导入我国主栽品种,获得高抗棉铃虫的转基因棉花株系。1995 年起开展了双价抗虫棉研究,将Bt 十CpTI 基因导入一批主栽品种中,培育出一批转双价基因抗虫棉品系并获准进行商业化生产。我国还将SKTI、CpTI、API 等基因导入到棉株体内,以期获得多种类型的转基因抗虫棉。2004 年全国转基因抗虫棉种植面积达306.7 ×104hm2 ,国产转基因抗虫棉种植面积达到70 %左右,国产转基因抗虫棉种植面积累计达到466.7 ×104hm2 ,66617m2增收140 元至160 元,中国农业科学院生物技术研究所等获得了转Bt 基因杂交水稻,对二化螟、三化螟和稻纵卷叶螟的杀灭效果达95 %。浙江农业大学将Bt 基因导入早稻品种。转Bt 基因抗螟虫水稻已进入环境释放阶段。中国科学院遗传所培育的转CpTI 基因抗虫水稻获准进入中间试验和环境释放。中国农业大学培育的转基因抗玉米螟玉米、复旦大学遗传所培育的转基因抗褐飞虱水稻、中国科学院微生物研究所和中国林业科学院林研所培育的抗虫转基因杨树已进入环境释放阶段。

    4.2 抗病转基因生物工程

    我国将合成、改造的天蚕蛾抗菌肽基因导入我国马铃薯主栽品种,获得高抗青枯病的转基因株系,已批准进行环境释放。国内10 多家研究单位用抗菌肽基因进行抗水稻白叶枯病、马铃薯软腐病、花生和番茄的青枯病、大白菜软腐病、柑桔细菌性溃疡病、桑树和桉树青枯病、樱桃根肿病等抗细菌病基因工程研究。转Xa21 基因抗白叶枯病水稻也分别进入环境释放或中试阶段。将克隆和修饰的植物源几丁质酶基因和葡萄糖氧化酶基因导入棉花,获得了抗黄萎病和枯萎病的转基因棉花,已进入中试阶段。克隆了TMV、CMV、马铃薯X 病毒等中国株系以及水稻矮缩病毒的外壳蛋白基因,研制成功的抗黄瓜花叶病毒甜椒和番茄已进入中试或环境释放。转基因抗条纹病毒花生,转基因抗芜菁花叶病毒白菜和转基因抗黄瓜花叶病毒甜瓜都已分别进入中试。获得了抗环斑病毒(PRSV) 的番木瓜,抗黄矮病和黄花叶病毒的小麦等抗病毒病的基因工程植株等。

    4.3 转基因抗逆生物工程

    我国先后克隆了脯氨酸合成酶(proA) ,山菠菜碱脱氢酶(BADH) ,磷酸甘露醇脱氢酶(mtl) 及磷酸山梨醇脱氢酶(gutD) 等与耐盐相关基因,通过遗传转化获得了耐1 %Na2Cl 的苜蓿、耐0.8 %NaCl 的草莓及耐2 %NaCl 的烟草,已进入田间试验阶段。获得的转BADH基因水稻耐盐性强,并能在盐田中结实。

    4.4 转基因品质改良生物工程

    我国将编码必需氨基酸基因转入马铃薯,获得含高必需氨基酸的马铃薯品系,已进入中试阶段。将高赖氨酸基因导入玉米,获得赖氨酸含量提高10 %的转基因玉米品种。获得了转基因番茄,贮存时间可延长1～2 个月,有的可达80 多天,已进行商业化生产,利用反义基因技术培育的耐储番茄新品种已进行环境释放。将与植物花青素代谢有关的查耳酮合酶基因导入花卉植物矮牵牛,使转基因矮牵牛的花色出现变异,提高了观赏价值。

    4.5 植物叶绿体基因工程

    1996 年我国建立了烟草叶绿体遗传转化体系,并成功地将Bt 基因导入烟草叶绿体中,并将固氮酶基因(nifH和nifM) 、抗除草剂基因(bar 基因) 和绿色荧光蛋白( GFP)基因导入了烟草叶绿体。

    4.6 转基因生物制药工程

    我国科研人员将乙型肝炎病毒表面抗原基因导入马铃薯和番茄,饲喂小鼠试验检测到较高的保护性抗体,浓度足以对人体产生保护作用。并将丙肝病毒(HCV) 抗原基因导入衣藻叶绿体。中国每年从国外进口的农作物中,也有不少含有转基因成分。2001 年,中国进口油菜籽172.4 ×104hm2t ,绝大部分来自于加拿大、澳大利亚,2002 年1 月至9 月,中国进口大豆458 ×104hm2t ,进口对象高度集中,主要依赖于美国、阿根廷和巴西, 三国分别占到进口总量的41 %、36 %和23 %。美国大豆的70 %为转基因大豆,阿根廷的转基因大豆占90 %。因此中国约80 %进口大豆为转基因大豆。这些大豆主要都被用来榨取食用油。我国生物技术产业通过20 多年的发展已经初具规模,北京、上海、广州、深圳等地已建立了20 多个生物技术园区。目前,涉及现代生物技术的企业约500 家,从业人员超过5 万人,其中涉及医药生物技术的企业300 多家,涉及农业生物技术的企业200 多家。