科学视点

我国转基因生物产业化亟待突破

许智宏(资料图片,北京大学提供)

2020年底举行的中央经济工作会议指出,要尊重科学、严格监管,有序推进生物育种产业化应用。要开展种源“卡脖子”技术攻关,立志打一场种业翻身仗。

不久前,农业农村部办公厅发布《关于鼓励农业转基因生物原始创新和规范生物材料转移转让转育的通知》(以下简称《通知》),在农业科研和产业领域引起了广泛关注。

《通知》的发布,体现了中央对我国种业发展的高度重视、对“生物育种创新在塑造农业科技竞争新优势中的核心作用”的肯定,以及对打赢种业翻身仗的期望。

当前,我国主要农作物功能基因组研究已达到国际先进水平,其中水稻功能基因组研究达到国际领先水平,作物生物育种技术的研发已取得不少成果,但我国转基因生物的产业化亟待突破。

我国种业与发达国家差距不小

品种是保障粮食安全的基础。根据联合国粮农组织的资料,粮食总产增长的80%依赖单产提高,单产提高的60%~80%源于良种贡献。“十三五”结束时我国品种对粮食增产的贡献率也已达50%。

近年来,我国虽然在种业科技创新方面有了很大的进步,但与发达国家相比还有不小差距。

国际种业是农业产业争夺的重要阵地。大型跨国公司垄断种业市场,前十大种业公司占全球种业市场2100亿元份额的75%以上。

这些国际种业公司大规模采用了现代生物技术育种。所谓的现代生物技术育种,是结合传统的杂交育种,或以优良品种为基础,利用基因组信息、基因操作技术、合成生物学技术等,加速育种进程,以达到精准育种的目的,创制满足不同需求的作物品种。

国际种业巨头正采用现代信息技术开展数字育种,并将产品延伸到大数据支持下的农业决策领域。大型跨国公司新品种培育的主要研发工作正在从传统的大田转移到室内,并向数字高通量监测和数字管理跨越。研发人员有更多时间选配更多的亲本进行杂交,杂交后代、优选品系的群体得以大为扩展,从而大大提高最终选择到具有特定性状和竞争优势的品种的概率。

即使是在传统育种领域,由于大量现代测试设备的使用,科学家已经可以跟踪杂交群体中某个单株的表型,包括特定的生理生化性状等,再结合大数据分析。现代生物技术能极大加快选育过程和效率。

现代种业就是要营造一种产学研、上中下游紧密结合的模式,鼓励原始创新,支持高水平研究,避免一哄而上、低水平重复,才能从体制上确保现代生物工程育种产业的发展,切实有效发挥投入资金的效果。

为此,种业必须创新,以跟上农业现代化的步伐。

功能基因组研究已进入国际先进水平

《通知》第一条强调,鼓励原始创新,支持高水平研究。实际上,我国政府正式支持生物技术始于1987年开始实施的国家高技术研究发展计划(“863计划”)。“863计划”在生物技术领域中即有农业生物技术专项,支持基因克隆和转基因技术,并很快就在转基因抗虫棉上取得成功。

“863计划”和随后在1997年启动的国家重点基础研究发展计划(“973计划”)农业领域支持的多项农业生物功能基因组相关研究,为我国2008年启动的转基因生物新品种培育重大专项(以下简称转基因重大专项)与转基因生物相关的基础研究和技术研发打下了基础。

十几年来,转基因重大专项以5种作物(水稻、小麦、玉米、大豆、棉花)和3种家畜(猪、牛、羊)为重点,培育了一批有重大价值的转基因新品种。其中,转基因棉花产业化稳步推进,已育成抗虫棉新品种197个,累计推广5.1亿亩,国产抗虫棉市场份额达到99%,减少农药使用65万吨,直接带动新增产值累计650亿元。国产抗虫棉已在吉尔吉斯斯坦等国推广种植。

我国科学家已育成一批具有产业化前景的重大产品:抗虫转基因水稻,2个已获得安全应用证书,其中“华恢1号”及其衍生品已获得美国上市许可;抗虫、耐除草剂玉米已有3个获得生产安全应用证书,转育的53个玉米品种达到国家审定标准,适用地区覆盖东北、黄淮海主产区;耐除草剂大豆已有2个获得生产安全应用证书,1个获准在阿根廷商业化种植;经过多年研发,转人血清白蛋白的转基因水稻新品系已进入生产性试验,建立了年产1吨人血清白蛋白的工艺流程,产品已获临床批件。此外,抗旱和氮高效玉米、抗旱小麦、抗虫大豆、优质棉、抗乳房炎奶牛、抗蓝耳病猪等转基因产品,也成为未来产业化的品种储备。

通过转基因重大专项的实施,转基因生物新品种研发技术体系得到进一步完善,获得一批有重大育种价值的基因,并用于育种。

例如,克隆广谱抗稻瘟病基因Pigm,培育出抗稻瘟病新品种,已审定新品种6个,推广2000多万亩。由水稻理想株型基因IPA1,育成“嘉优中科1号”“嘉优中科2号”“嘉优中科3号”等新品种,实现亩产800公斤,最高亩产可达900公斤以上。不少基因也用于改良作物的营养品质。

在转基因技术研究方面,主要农作物遗传转化效率得到大幅提高,其中水稻和棉花体系达到国际领先水平,明显缩短了与发达国家的差距。农作物的精准基因编辑技术有了很快的发展。主要农作物功能基因组研究已达到国际先进水平,其中水稻功能基因组研究国际领先。

那些已经获得生产应用安全证书的农业转基因生物是生物工程育种研发中的宝贵财富,也是对参与研发的科技人员工作的认可和鼓励。

问题是如何根据市场需求使这一阶段的成果实现有序产业化,如《通知》所述,鼓励已获得生产应用安全证书的农业转基因生物向优良品种转育。过去经验已经证明,我国在转基因抗虫棉的推广应用过程中,由优良品种转育材料育成的一大批抗虫棉品种,发挥了极大的作用。

企业亟待发挥主导作用

根据国际农业生物技术应用服务组织的报告,全球转基因作物种植面积已从1996年的170万公顷增加到2019年的1.904亿公顷,增长了约112倍。

在转基因作物商业化的24年间,全球累计种植面积超过27亿公顷,集中在大豆、玉米、棉花、油菜四大作物。转基因大豆是最主要的转基因作物,种植面积占全球转基因作物种植面积的48%。

按单种作物种植面积计算,全球79%的棉花、74%的大豆、31%的玉米和27%的油菜,是生物技术育种的品种。除了前述的四大作物外,已批准进行商业化生产的作物还有苜蓿、甜菜、甘蔗、番木瓜、红花、土豆、茄子,以及少量的南瓜、苹果和菠萝。

美国已批准18种转基因生物的商业化生产。2019年全球批准转基因作物种植的国家和地区有29个,批准进口转基因作物产品的国家和地区有42个。种植最多的国家依次是美国、巴西、阿根廷、印度、加拿大、巴基斯坦,中国排名第七,而早先中国一度曾排名第二。前5个国家种植了全球91%的转基因作物。

我国转基因生物的产业化亟待突破。我国主要作物中,至今仅转基因棉花实现了产业化,另有少量转基因番木瓜的商业化种植。

影响产业化的因素,除了公众的科学认知和由此造成的市场接受度等社会因素之外,还有关键核心技术原创不足、生物技术产业化政策研究滞后、现代创新型种业企业和资本市场尚不成熟等。

《通知》强调,落实企业在农业转基因生物推广应用中的主体地位,支持企业组建创新联合体,促进创新资源互融互促。引导院所高校的优质农业转基因研发成果按照市场机制向企业集聚。推进转基因研发科企合作,鼓励企业、企业与院所高校联合申报生产应用安全证书,让企业真正成为研发、应用和贸易的主体力量。

转基因重大专项坚持产业和产品导向,这就要求企业在转基因作物产业化中起主导作用。然而,我国传统种业公司普遍规模较小,且多数是以销售种子为主业,缺乏研发投入,很难主动寻求与研发机构对接,不能适应现代生物育种技术的应用及产品推广。

而我国研发工作主要集中于科研单位和高校,研发经费主要来自政府,加上评估体制上的问题,导致部分研发机构追求小而全、自成体系,缺乏与企业合作的动力。

这是导致我国种业与跨国种业公司主导的种业创新之间差距的一个因素。随着我国一部分农业企业快速成长,我相信这种状况会发生改变。

生物安全监管有技术保障

《通知》对转基因生物安全非常重视。历年来,我国已颁布《生物安全法》《种子法》《农业转基因生物安全管理条例》《农业转基因生物安全评价管理办法》《农业转基因生物标识管理办法》《农业转基因生物进口安全管理条例》等法律法规,建立起完整的转基因育种生物安全保障体系。农业转基因生物安全管理的关键在切实落实研发单位的责任,将生物安全管理落实到研发实施的全过程。

《通知》将转移转让转育报告纳入农业转基因生物安全评价中安全管理措施审查范围。这是针对在农业转基因生物材料转移转让转育过程中的新情况作出的规定,旨在规范研发单位和人员的行为。

如《通知》所述,这是根据已颁布的法律法规进一步促进和规范农业转基因生物研发应用相关活动的措施,或者说是对已有法律法规的补充。所有相关研发人员都应自觉遵守这些法律法规。这也是从事这方面工作的研发单位和企业,以及所有涉及的研发人员的社会责任所在。

为切实加强生物安全督导检查、对产品进行科学准确而高效的安全检查,我国获准的第三方检测机构,除了常规的基因及其产物检测外,还开发了全基因组扫描分子特征分析技术、转基因生物高通量和可视化检测技术、非靶标生物安全评价技术、基因漂移评估与控制技术、生物毒理学安全评价技术、生物致敏性安全评价技术等专门的检测技术,以确保通过检测的产品的生物安全和环境安全。

应为新技术营造良好的科研氛围

现代育种已进入精准设计育种阶段,即可以由选择的底盘品种,通过精准设计与创造,培育出设计型品种,来满足人类各种不同的需求。

另一方面,人类在对野生植物驯化、选育的过程中,也让野生植物原有的一些优良性状丢失了,如对特定病虫害的抗性、对恶劣环境的抗性、特定的风味等。通过重新设计与快速驯化,有可能加速获得具有丢失的优良性状的新驯化种。

最近,中国科学院院士李家洋团队联合国内外科学家在《细胞》上发表的研究报告,通过组装异源四倍体高秆野生稻的基因组,绘制了异源四倍体野生稻从头驯化的“蓝图”。由此可见,现代生物育种技术创新在农业科技竞争中的核心作用。

值得注意的是,在现代生物育种技术发展中,基因编辑、合成生物学发挥了很大的作用。未来的生物育种技术将孕育出一大批基因编辑作物、全基因组选择作物、多基因设计作物。

例如,合成生物学的理念和技术,不仅用于育种,而且将使很多植物重要但量小的有用成分,通过微生物来生产。比如合成具有药理作用的稀有人参皂苷的基因,可在酵母中使之高表达,用发酵来生产人参的稀有皂苷。又如,中国科学家培育了世界上第一株用CRISPR技术获得的基因编辑植物,并率先开展农作物复杂基因组编辑研究。

至今,中国在全球农业基因编辑的知识产权、专利数量和竞争力方面有明显的优势。

政府应在政策层面,营造良好的研发环境氛围。同时,政府应继续增加研发投入,特别是对相关的基础研究和突破性技术研发的稳定支持,也要鼓励企业加大对研发的投入。

问题在于,至今我国尚未建立基因编辑植物的监管法规,基因编辑植物也未能商业化生产。自2016年以来,我国科学家已多次在不同场合提出基于科学的基因编辑作物的监管政策建议,其基调是在基因编辑作物及其产品中,对没有外源基因的产品要放活;对有非植物来源的外源基因的基因编辑产品,则按照转基因植物管理办法进行监管。

对这类发展极为迅速的高新技术,希望政府主管部门高度重视,及时制定相应的监管法规,以促进技术的进一步发展完善及其产业化应用。


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