轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)

楊 雙

（沈陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，沈陽(yáng)110034）

糧食生產(chǎn)是人類社會(huì)發(fā)展根基，種子是推動(dòng)糧食增產(chǎn)的關(guān)鍵。從刀耕火種的原始農(nóng)業(yè)開始，人類就有意識(shí)地對(duì)種子進(jìn)行選擇。18世紀(jì)初期到19世紀(jì)末期，包括孟德爾和達(dá)爾文在內(nèi)的研究者在不同植物中發(fā)現(xiàn)了雜種優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象，到20世紀(jì)20年代雜交種才開始推廣應(yīng)用，從發(fā)現(xiàn)、研究到應(yīng)用經(jīng)歷了200多年。雜交技術(shù)推動(dòng)了糧食大幅度增產(chǎn)，但是到20世紀(jì)末雜交技術(shù)對(duì)作物品種改良的作用到了瓶頸期，這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)了轉(zhuǎn)基因技術(shù)[1]。隨著轉(zhuǎn)基因作物的應(yīng)用，轉(zhuǎn)基因技術(shù)給農(nóng)業(yè)帶來(lái)了新希望。不可否認(rèn)，轉(zhuǎn)基因并不是最好的遺傳改良技術(shù)，但它是現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)選擇。從1983年孟山都公司首次將細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)入煙草細(xì)胞中開始到1994年轉(zhuǎn)基因番茄上市，短短11年轉(zhuǎn)基因作物就實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積就達(dá)1.851億hm2，與1996年的170萬(wàn)hm2相比，增加了110倍[2]，如此發(fā)展速度使轉(zhuǎn)基因技術(shù)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)史上應(yīng)用最為迅速的作物改良技術(shù)。本文匯總了ISAAA（國(guó)際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)組織）近10年來(lái)（2007-2016年）公布的相關(guān)數(shù)據(jù)[2-11]，分析了轉(zhuǎn)基因作物的發(fā)展?fàn)顩r，探討未來(lái)轉(zhuǎn)基因作物的發(fā)展趨勢(shì)，以期為相關(guān)從業(yè)者提供參考。

1 全球轉(zhuǎn)基因作物種植狀況

美國(guó)是轉(zhuǎn)基因作物研究及應(yīng)用的先行者，1986年美國(guó)批準(zhǔn)第一例轉(zhuǎn)基因作物——抗除草劑煙草進(jìn)行種植，1994年能延長(zhǎng)貨架期的轉(zhuǎn)基因番茄在美國(guó)上市，成為世界上第一個(gè)被批準(zhǔn)進(jìn)入市場(chǎng)的轉(zhuǎn)基因食品。1996年美國(guó)開始大量商業(yè)化種植轉(zhuǎn)基因作物，主要包括轉(zhuǎn)基因玉米、棉花、大豆，種植面積為170萬(wàn)hm2。資料顯示[3]，到2006年全球轉(zhuǎn)基因種植面積達(dá)到1.02億hm2，與1996年相比增長(zhǎng)了59倍，平均年增長(zhǎng)率約10%。2007-2016年轉(zhuǎn)基因作物種植面積的年增長(zhǎng)率約為8%，與之前的11年相比，增速稍有下降。圖1為2007-2016年全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積變化曲線，10年來(lái)全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是在2014年達(dá)最高值后，2015年下降1%，這是由于受到國(guó)際玉米、棉花價(jià)格走低影響[11]，2016年隨著價(jià)格回歸，轉(zhuǎn)基因作物種植面積又開始增長(zhǎng)，比2015年增長(zhǎng)了3%[2]。

圖1 2007-2016年全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積

2007-2016年的10年間，全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積排名前5位的國(guó)家為美國(guó)、巴西、阿根廷、加拿大和印度，這5個(gè)國(guó)家的轉(zhuǎn)基因作物種植總面積占全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積的90%左右。中國(guó)的轉(zhuǎn)基因作物種植面積在2007-2015年全球排第6位，但在2016年被巴拉圭和巴基斯坦超過(guò)，排名下降至第8位。由圖1可見，2007-2016年全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積與全球排名前5個(gè)國(guó)家的種植總面積的變化趨勢(shì)一致，其他國(guó)家總面積波動(dòng)不大，10年來(lái)都未超過(guò)0.2億hm2，說(shuō)明全球轉(zhuǎn)基因作物的種植總面積波動(dòng)主要受前5個(gè)國(guó)家的影響。

圖2為前5個(gè)國(guó)家及我國(guó)的轉(zhuǎn)基因作物種植面積變化曲線。由圖2可見，美國(guó)和巴西對(duì)全球影響較大。美國(guó)是轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化的先行者，經(jīng)過(guò)20多年發(fā)展，美國(guó)的轉(zhuǎn)基因大豆、玉米、棉花的種植面積已經(jīng)接近上限，2016年其轉(zhuǎn)基因大豆的應(yīng)用率為94%、玉米92%、棉花93%。這三大作物的應(yīng)用率之所以未達(dá)到100%，是為了生態(tài)平衡，需要種植一定數(shù)量的非轉(zhuǎn)基因品種作為庇護(hù)病蟲害進(jìn)化速度的庇護(hù)區(qū)，這樣才能延長(zhǎng)抗性基因的有效期。巴西在2009年超過(guò)阿根廷成為第二大轉(zhuǎn)基因大國(guó)，而且巴西是近10年來(lái)轉(zhuǎn)基因作物應(yīng)用增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家。巴西種植的轉(zhuǎn)基因作物為玉米、大豆和棉花，2016年這3種作物的轉(zhuǎn)基因品種應(yīng)用率達(dá)93.4%，與美國(guó)一樣，已經(jīng)接近上限。2007-2016年我國(guó)轉(zhuǎn)基因作物種植面積在280萬(wàn)～ 420萬(wàn)hm2之間波動(dòng)，2013年最高，2016年最低。我國(guó)主要轉(zhuǎn)基因作物是抗蟲棉，其他轉(zhuǎn)基因作物的種植面積不到1萬(wàn)hm2。2016年我國(guó)轉(zhuǎn)基因作物種植面積降低的主要原因是受國(guó)內(nèi)大量棉花庫(kù)存和全球棉花價(jià)格走低影響。一些分析人士認(rèn)為我國(guó)在未來(lái)的幾年內(nèi)將批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因玉米種植，將有3500萬(wàn)hm2的增長(zhǎng)空間[11]。

圖2 2007-2016年美國(guó)、巴西、阿根廷、印度、加拿大及中國(guó)轉(zhuǎn)基因作物種植面積

2 全球轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化發(fā)展?fàn)顩r

2.1 商業(yè)化的轉(zhuǎn)基因作物 目前大規(guī)模種植的轉(zhuǎn)基因作物有大豆、玉米、棉花、油菜、甜菜、苜蓿、木瓜、南瓜、馬鈴薯、茄子和菠蘿。其中大豆、玉米、棉花和油菜是主要的轉(zhuǎn)基因作物，這4種作物的總種植面積約占全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積的99%。4種作物中，大豆種植面積最大，其次是玉米、棉花和油菜。2016年大豆種植9140萬(wàn)hm2、玉米種植6060萬(wàn)hm2、棉花種植2230萬(wàn)hm2、油菜種植860萬(wàn)hm2，分別占全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積的49.4%、32.7%、12%、4.6%。由圖3可知，2007-2015年轉(zhuǎn)基因大豆種植面積持續(xù)增加，在2016年略有下降。轉(zhuǎn)基因玉米種植面積在2007-2013年增長(zhǎng)較快，在2014-2015年有明顯下降，但是2016年又快速反彈。轉(zhuǎn)基因棉花的種植面積在2007-2009年緩慢上升，2009-2011有較大增幅，2011年之后略有波動(dòng)。轉(zhuǎn)基因油菜種植面積在2007-2012年略有上升，在2012年之后年播種面積基本維持在820萬(wàn)～920萬(wàn)hm2之間。

圖3 2007-2016年全球轉(zhuǎn)基因大豆、玉米、棉花、油菜種植面積

2.2 商業(yè)化的轉(zhuǎn)基因性狀 耐除草劑特性是商業(yè)化轉(zhuǎn)基因作物廣泛采用的性狀，在商業(yè)化的轉(zhuǎn)基因性狀中一直占主要地位。隨著復(fù)合性狀的出現(xiàn)，單一耐除草劑性狀優(yōu)勢(shì)逐漸退去。2007年單一耐除草劑性狀種植面積占當(dāng)年轉(zhuǎn)基因作物總種植面積的63%，到2016年該比例下降為47%。2007年是復(fù)合性狀商業(yè)化的第1年，全球種植了2180萬(wàn)hm2，占全部轉(zhuǎn)基因作物種植面積的19%。由于復(fù)合性狀的轉(zhuǎn)基因作物能夠滿足種植者多種要求，并能夠降低生產(chǎn)成本，受到種植者歡迎，近10年來(lái)發(fā)展速度很快（圖4）。2016年復(fù)合性狀種植面積達(dá)7540萬(wàn)hm2，比2007年增加約2.5倍，占當(dāng)年轉(zhuǎn)基因作物種植總面積的41%。雖然單一耐除草劑性狀的轉(zhuǎn)基因作物優(yōu)勢(shì)逐漸退去，但是絕大部分復(fù)合性狀都包括耐除草劑性狀，耐除草劑性狀在商業(yè)化的轉(zhuǎn)基因性狀中仍然占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

圖4 2007-2016年全球復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因作物種植面積

2.3 轉(zhuǎn)基因種子市場(chǎng)價(jià)值 轉(zhuǎn)基因技術(shù)不僅給種植者帶來(lái)了便利及經(jīng)濟(jì)效益，也給各大種業(yè)公司帶來(lái)了豐厚利潤(rùn)，由圖5可知，2007-2013年轉(zhuǎn)基因種子市場(chǎng)價(jià)值呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，從2007年的69億美元增長(zhǎng)到2013年的156億美元，增加了1.26倍，年增長(zhǎng)率達(dá)14.5%。2013年之后市場(chǎng)價(jià)值增加緩慢，甚至在2015年受全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積降低影響，市值略有降低。隨著國(guó)際農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)行情轉(zhuǎn)好，2016年轉(zhuǎn)基因種子市值又升至158億美元，占全球種子市場(chǎng)的35%。2013年之后轉(zhuǎn)基因種子市場(chǎng)價(jià)值增速下降的原因主要是轉(zhuǎn)基因種植大國(guó)的主要轉(zhuǎn)基因作物應(yīng)用率接近于最高水平，但隨著更多的國(guó)家批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化種植、新的轉(zhuǎn)基因性狀和作物種類的增加，未來(lái)轉(zhuǎn)基因種子市場(chǎng)還有很大增長(zhǎng)空間。

圖5 2007-2013年全球轉(zhuǎn)基因種子市場(chǎng)價(jià)值

3 轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展趨勢(shì)

2016年美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院聯(lián)合發(fā)表了一份分析報(bào)告，報(bào)告參考了1996年以來(lái)有關(guān)轉(zhuǎn)基因作物的900項(xiàng)研究，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因作物和傳統(tǒng)作物在對(duì)人類健康和環(huán)境帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)方面沒有區(qū)別[2]。Klumper和 Qaim 分析了 1995-2014年 147項(xiàng)關(guān)于轉(zhuǎn)基因作物的農(nóng)場(chǎng)調(diào)查和田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：轉(zhuǎn)基因技術(shù)的采用使化學(xué)農(nóng)藥減少37%、作物產(chǎn)量增加22%、農(nóng)民利潤(rùn)增加68%[11]。鑒于轉(zhuǎn)基因作物的安全性、環(huán)境友好及高收益，可預(yù)測(cè)未來(lái)批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化種植的國(guó)家會(huì)越來(lái)越多，種植面積會(huì)越來(lái)越大，復(fù)合性狀應(yīng)用率越來(lái)越高，轉(zhuǎn)基因作物種類及新的基因也會(huì)不斷出現(xiàn)。除上述顯而易見的發(fā)展趨勢(shì)之外，未來(lái)轉(zhuǎn)基因技術(shù)還會(huì)在以下3個(gè)方面有突破性進(jìn)展。

3.1 技術(shù)的升級(jí) 耐除草劑和抗蟲基因是當(dāng)前轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的關(guān)鍵，但是這兩類基因來(lái)自于細(xì)菌，這也是引起公眾對(duì)轉(zhuǎn)基因安全性爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。荷蘭瓦格寧根大學(xué)Evert Jacobsen教授提出“同源轉(zhuǎn)基因”概念，即不轉(zhuǎn)入其他物種基因，只轉(zhuǎn)入同一物種的優(yōu)異基因。目前上市產(chǎn)品有InnateTM馬鈴薯，是美國(guó)Simplot公司開發(fā)的，該馬鈴薯轉(zhuǎn)入了野生馬鈴薯基因，使該品種天冬酰胺含量低，烹飪時(shí)潛在致癌物丙烯酰胺產(chǎn)生少于普通馬鈴薯，而且去皮后不易變色及防挫傷。此外，值得關(guān)注的是基因編輯技術(shù)，即不引入新的外源或同源基因，只通過(guò)特殊功能的核酸酶定點(diǎn)修改原有基因，改變其表達(dá)，從而改變作物表型性狀。目前基因編輯技術(shù)有ZFN、TALENs、CRISPR，其中CRISPR-Cas9最熱門，2015年被《Science》評(píng)為“年度最杰出突破技術(shù)”，2016年和2017年連續(xù)2年被諾貝爾獎(jiǎng)提名。2015年美國(guó)批準(zhǔn)使用CRISPRCas9技術(shù)改良的蘑菇上市銷售。通過(guò)基因編輯技術(shù)獲得的抗除草劑油菜SU CanolaTM于2015年在美國(guó)種植了4000hm2。中國(guó)科學(xué)院的高彩霞研究組利用TALENs和CRISPR-Cas9獲得了抗白粉病的小麥。基因編輯技術(shù)不通過(guò)引進(jìn)外源基因即可實(shí)現(xiàn)作物改良，美國(guó)農(nóng)業(yè)部表示基因編輯作物因?yàn)椴簧婕巴庠崔D(zhuǎn)基因，不會(huì)采用轉(zhuǎn)基因監(jiān)管方法，審批將更加簡(jiǎn)化。

3.2 監(jiān)管的科學(xué)性 先進(jìn)的技術(shù)與有助于它應(yīng)用的政策相結(jié)合時(shí)才能夠發(fā)揮最佳作用?，F(xiàn)階段很多國(guó)家對(duì)轉(zhuǎn)基因作物過(guò)度嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋O(jiān)管成為其應(yīng)用的主要限制條件。全球?qū)D(zhuǎn)基因產(chǎn)品安全評(píng)價(jià)的基本原則一致，即“實(shí)質(zhì)等同性”原則，但是不同國(guó)家和地區(qū)的具體評(píng)價(jià)方法卻存在差異。國(guó)家之間不同步的審批和繁瑣法規(guī)，影響轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品國(guó)際間的貿(mào)易。據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)科技委員會(huì)分析，當(dāng)前有價(jià)值數(shù)十億美元的貿(mào)易量處于風(fēng)險(xiǎn)中。有的國(guó)家的法規(guī)系統(tǒng)不僅是繁瑣的，甚至是非專業(yè)的，這樣的監(jiān)管審批耽誤轉(zhuǎn)基因作物的商業(yè)化發(fā)展，延遲種植者和消費(fèi)者受益于新技術(shù)的時(shí)間，但是從安全角度，民眾希望得到政府專業(yè)部門采取嚴(yán)格審查。民眾的導(dǎo)向容易受各方言論影響，有的質(zhì)疑是非科學(xué)性的。監(jiān)管政策應(yīng)該是安全性為首位，兼顧科學(xué)性和高效性。這方面巴西經(jīng)過(guò)摸索，打破限制轉(zhuǎn)基因作物應(yīng)用的監(jiān)管障礙，制定了快速審批制度，這使得巴西能夠高速發(fā)展，成為全球轉(zhuǎn)基因作物增長(zhǎng)的引擎[12]。

3.3 利益的維護(hù) 全球?qū)＠麛?shù)據(jù)分析顯示，大型國(guó)際公司，如孟山都、拜耳、杜邦、先正達(dá)和陶氏益農(nóng)5家公司掌握了84.5%的耐除草劑基因和70%以上的抗蟲基因[13]。印度是全球最大的轉(zhuǎn)基因棉花種植國(guó)家，但是由于抗蟲棉的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于國(guó)外公司，印度每年需要繳納大量的知識(shí)產(chǎn)權(quán)使用費(fèi)。2016年印度政府對(duì)轉(zhuǎn)基因種子專利費(fèi)設(shè)置了上限，要求孟山都公司減少70%的專利費(fèi)。這一政策引起孟山都公司不滿，提出退出印度市場(chǎng)和停止提供新技術(shù)。類似專利費(fèi)事件使世界各國(guó)更加重視轉(zhuǎn)基因作物的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。從另一方面來(lái)看，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)是保障研發(fā)者利益的有效手段。因此，國(guó)際組織ISAAA倡議充分利用公司合作關(guān)系（PPP，public-private partnerships）促進(jìn)私人和公共部門轉(zhuǎn)基因作物捐贈(zèng)和轉(zhuǎn)讓，一方面保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，另一方面使轉(zhuǎn)基因技術(shù)或其產(chǎn)品在合理期限內(nèi)提供給發(fā)展中國(guó)家貧困農(nóng)民使用。近年來(lái)PPP促成了很多轉(zhuǎn)基因作物捐贈(zèng)和轉(zhuǎn)讓項(xiàng)目，如印度私人公司Mahyco捐贈(zèng)給孟加拉國(guó)的Bt茄子、德國(guó)巴斯夫公司和巴西Embrapa公司合作申請(qǐng)?jiān)诎臀魃虡I(yè)化種植CultivanceTM品牌抗除草劑大豆、日本味之素公司提供印度尼西亞耐旱甘蔗和美國(guó)孟山都公司捐贈(zèng)給非洲耐旱轉(zhuǎn)基因玉米[10]。

1996年以來(lái)，轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2007-2016年的發(fā)展速度不如之前的11年。這是由于四大轉(zhuǎn)基因作物（大豆、玉米、棉花和油菜）在五大種植國(guó)家（美國(guó)、巴西、阿根廷、加拿大和印度）的應(yīng)用率在近幾年已達(dá)到最高值。但是隨著商業(yè)化作物種類和批準(zhǔn)商業(yè)化種植國(guó)家的增加，轉(zhuǎn)基因作物還將迎來(lái)新的發(fā)展高峰。在作物方面，最有希望的是作為全球第四大糧食作物的馬鈴薯和轉(zhuǎn)基因抗旱玉米。2014年美國(guó)批準(zhǔn)抗晚疫病、低丙烯酰胺的InnateTM馬鈴薯商業(yè)化種植，2015種植了160hm2，2016年迅速增加到2500hm2。第2代產(chǎn)品InnateTM2馬鈴薯對(duì)真菌病和馬鈴薯晚疫病具有更強(qiáng)抗性，也在2015年獲批。2013年美國(guó)種植抗旱玉米 5 萬(wàn) hm2，2014 年 27.5 萬(wàn) hm2，2015 年 81 萬(wàn) hm2。分析人士預(yù)測(cè)近幾年中國(guó)將批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因玉米商業(yè)化種植。薛艷等[14]的研究顯示，從農(nóng)戶對(duì)轉(zhuǎn)基因作物的種植意愿來(lái)看，他們的積極性很高，等待著中國(guó)政府批準(zhǔn)商業(yè)化生產(chǎn)。生產(chǎn)者角度與消費(fèi)者相比，考慮更多是經(jīng)濟(jì)效益，這一層面，推廣面臨的阻力遠(yuǎn)小于消費(fèi)。雖然轉(zhuǎn)基因安全性問(wèn)題的爭(zhēng)議在一段時(shí)間內(nèi)將一直存在，這符合新技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，即螺旋式上升。隨著轉(zhuǎn)基因作物優(yōu)勢(shì)被不斷證明及科普工作的力度加強(qiáng)，如2016年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者發(fā)表了聯(lián)合聲明，支持生物技術(shù)，為生物技術(shù)發(fā)展助力。未來(lái)轉(zhuǎn)基因的爭(zhēng)議將越來(lái)越少，就像雜交育種起初也有爭(zhēng)議，現(xiàn)在已被大眾接受，轉(zhuǎn)基因技術(shù)、基因編輯技術(shù)也將會(huì)成為作物育種的常規(guī)技術(shù)。

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[13] 盛耀，徐文濤，羅云波．轉(zhuǎn)基因生物產(chǎn)業(yè)化情況[J]．農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，21（12）：1479-1487

[14] 薛艷，郭淑靜，徐志剛．經(jīng)濟(jì)效益、風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度與農(nóng)戶轉(zhuǎn)基因作物種植意愿：對(duì)中國(guó)五省723戶農(nóng)戶的實(shí)地調(diào)查[J]．南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2014，14（4）：25-31