全球轉基因作物研發(fā)與產業(yè)化應用

轉基因育種作為農業(yè)育種3.0版，是以分子生物學理論為基礎，以DNA重組技術為核心，將抗蟲、耐除草劑、高產、提高營養(yǎng)品質等功能基因導入受體生物，培育出具有目標新性狀且能穩(wěn)定遺傳的作物新品種[1]。20世紀80年代初，轉基因生物首次被提出，并定義為利用基因重組技術獲得的含有外源DNA的生物[2]。1983年，通過農桿菌介導法獲得了具有卡那霉素抗性的轉基因煙草，標志著轉基因作物育種的開端[3]。1996年轉基因玉米、大豆和棉花開始大規(guī)模商業(yè)化種植，隨后轉基因作物的研發(fā)和應用迅猛發(fā)展，轉基因技術成為了農業(yè)科技發(fā)展史上發(fā)展速度最快、應用范圍最廣的高新技術，目前已有71個國家和地區(qū)批準了32種作物541個轉化體的商業(yè)化應用，帶來了巨大的社會效益和經濟效益[4]。01、國際轉基因作物的研發(fā)現狀1.1耐除草劑轉基因作物epsps基因編碼5-烯醇式丙酮莽草酸-3-磷酸合酶，該基因突變或過量表達能夠抑制草甘膦與EPSP的結合從而賦予植物耐受草甘膦除草劑的特性。1995年，Padgette等[5]利用來源于農桿菌菌株CP4的cp4-epsps基因培育出了首例耐除草劑轉基因大豆‘40-3-2’，目前cp4-epsps已成為應用最廣的耐草甘膦基因，含有此基因的9種作物玉米、大豆、棉花、油菜、苜蓿、馬鈴薯、匍莖剪股穎、甜菜和小麥分別有89、19、16、16、4、4、1、2、1個轉化體，均已獲批準商業(yè)化應用。Lebrun等[6]對玉米epsps基因定向誘變后獲得了對草甘膦具有高耐受力的mepsps基因，并利用此基因培育出了耐草甘膦玉米品種‘GA21’。此外，通過將草甘膦降解或N-乙?；材苜x予轉基因作物耐受草甘膦的特性，如利用草甘膦N-乙酰轉移酶的gat4601和gat4621基因、編碼草甘膦氧化酶的goxv247基因培育出了耐草甘膦轉基因玉米、大豆和甜菜[7-8]。來源于吸水鏈霉菌的bar和來源于產綠色鏈霉菌的pat基因都編碼草銨膦乙酰CoA轉移酶（PAT），能賦予轉基因作物耐草銨膦特性[9]。利用bar基因已成功培育出耐草銨膦的轉基因油菜（27個）、菊苣（3個）、棉花（18個）、玉米（7個）、水稻（3個）和大豆（2個）共60個商業(yè)化應用的轉化體，利用pat基因已成功培育出轉基因油菜（2個）、棉花（4個）、玉米（158個）、大豆（14個）和甜菜（1個）共179個商業(yè)化應用的轉化體。此外，研究者們還培育出了耐受2,4-D、咪唑啉酮類和硝磺草酮等除草劑的轉基因大豆、棉花和油菜。例如，巴斯夫將來自燕麥的編碼對羥基苯丙酮酸雙加氧酶的基因avhppd-03導入大豆，獲得了耐硝磺草酮的轉基因大豆[10]；將擬南芥編碼乙酰羥酸合酶大亞基的基因crs1-2導入大豆，獲得了耐咪唑啉酮類除草劑的轉基因大豆；將編碼芳氧基鏈烷酸雙加氧酶12（AAD-12）蛋白的基因aad12導入大豆，成功培育出了耐2,4-D除草劑的轉基因大豆[11]。1.2抗蟲轉基因作物作物在生長過程中會受到多種蟲害的影響，世界每年因蟲害造成的損失約為13%[12]。利用轉基因技術將抗蟲基因導入作物可以賦予其抵抗害蟲的能力。研究者們挖掘出了Bt殺蟲基因、植物凝集素基因、α-淀粉酶基因、蛋白酶抑制劑基因等不同來源的抗蟲基因[13]，其中應用最多的抗蟲基因是來自于蘇云金芽胞桿菌（Bacillusthuringiensis）的Bt基因及其重組基因。cry和vip基因是2種在轉基因作物研發(fā)中常用的Bt基因。cry基因最早于1981年分離獲得（cry1Aa1），目前已克隆了798個cry基因[14]，其中對鱗翅目害蟲具有殺蟲活性的基因包括cry1Ab、cry1Ac、cry1A.105、cry1AF、cry2Ab等基因，對鞘翅目害蟲具有殺蟲活性的基因包括cry3B1、cry34/35Ab1等[15-16]。Vip蛋白為蘇云金芽胞桿菌的營養(yǎng)期殺蟲蛋白，于1996年從蘇云金芽胞桿菌AB88菌株的上清液中首次被發(fā)現，目前已發(fā)現超過177種的Vip蛋白[14,17]。研究發(fā)現，Vip3A對草地貪夜蛾（Spodopterafrugiperda）和小地老虎（Agrotisipsilon）等鱗翅目害蟲具有特異的殺蟲活性，但對玉米螟（Ostriniafurnacalis）、致倦庫蚊（Culexpipiensquinquefasciatus）等具有很低的殺蟲活性，與Cry蛋白的殺蟲譜具有較高的互補性[18-19]。利用cry和vip基因已成功培育出抗蟲轉基因玉米、棉花、大豆、甘蔗、水稻等9種轉基因作物，涉及的基因包括cry1Ab、cry1Ac、vip3A20等14個基因。1.3品質改良轉基因作物通過調控植物脂肪酸代謝途徑關鍵酶基因表達，可以提高作物營養(yǎng)價值，如杜邦公司利用反義技術沉默編碼△′2-油酸去飽和酶的基因Gmfad2-1，獲得了油酸含量可高達80%的轉基因高油酸大豆‘DP-3?5423-1’[20]；孟都公司通過RNAi技術沉默掉大豆fatB和fad2基因，獲得了油酸含量可達70%的轉基因大豆‘MON8705’；Nuseed公司在油菜中同時表達與脂肪酸代謝相關的Lackl-delta12D、Picpa-omega-3D、Micpu-delta-6D等6個基因，獲得了高DHA含量的轉基因油菜‘NS-B5??27-4’，并于2018年在澳大利亞和美國獲批用于商業(yè)化種植[21]。二氫吡啶二羧酸合酶是賴氨酸生物合成途徑中的關鍵酶，過表達編碼此酶的cordapA基因提高了玉米的賴氨酸含量，培育出了高賴氨酸轉基因玉米[22]。通過RNAi技術敲除δ和γ-胡蘿卜素相關基因e-lyc和blyc，同時過量表達八氫番茄紅素相關基因Psy和1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸合酶相關基因acc，培育出了粉紅色果肉耐儲藏的轉基因菠蘿‘EF2-114’。此外，利用轉基因技術還培育出了防褐化的轉基因蘋果、馬鈴薯，降低木質素含量的轉基因苜蓿，棉酚含量低的轉基因棉花，延遲成熟的轉基因甜瓜和番茄、藍色轉基因康乃馨、矮牽牛和玫瑰，提高維生素A含量的黃金大米，高油酸向日葵，降低尼古丁含量的轉基因煙草等。1.4抗非生物脅迫轉基因作物非生物脅迫影響植物的生長發(fā)育，給全球農業(yè)帶來重大損失[23]。預計到2050年，地球上將有超過50%的地區(qū)缺水，培育抗旱作物十分重要[24]。研究者利用來自細菌的冷休克蛋白B編碼基因cspB培育出了耐旱轉基因玉米[25]；將受環(huán)境因素（干旱、鹽堿等）和植物激素（乙烯、水楊酸）等誘導表達的、來自向日葵的轉錄因子Hahb-4基因導入小麥和大豆，培育出了耐旱轉基因小麥和大豆[26-27]；將編碼膽堿脫氫酶的基因導入甘蔗，培育出了耐旱轉基因甘蔗。1.5抗病轉基因作物RNAi是植物中存在的一種天然保護機制，研究者利用RNAi技術已成功培育出多種抗病毒轉基因作物[28-29]。利用RNAi技術將病毒的衣殼蛋白（CP）基因導入植物體內已經成功地培育出了抗病毒轉基因馬鈴薯、甘蔗、煙草、黃瓜和木瓜[30-35]。此外，病毒的復制酶基因也被用于抗病毒轉基因作物的培育，如Bonfim等[36]利用RNAi技術在菜豆中表達菜豆金色花葉病毒（BGMV）的復制酶基因ac1，培育出了抗病毒菜豆；利用木瓜環(huán)斑病毒的復制酶基因prsv_rep培育出了高抗環(huán)斑病毒的轉基因木瓜‘華農1號’[37]；Shepherd等[38］通過在玉米中表達條紋病毒復制相關蛋白基因rep，可獲得抗條紋病毒病的轉基因玉米。1.6復合性狀轉基因作物復合性狀能夠滿足農民的多元化需求，已成為轉基因作物的研發(fā)趨勢。研究者們以獲得安全證書的轉化體為親本，通過雜交育種的方法將不同的轉化體組合在一起，培育出多基因抗蟲、抗蟲耐除草劑等復合性狀轉基因作物，如孟山都和陶氏益農公司合作培育出了含有6個抗蟲基因（cry1A.105、cry2Ab、cry1F、cry3Bb1、cry34Ab1/cry35Ab1、dvSnf7）、同時抗鱗翅目和鞘翅目多個害蟲的轉基因玉米SmartStaxPro[39]。據ISAAA統計，在批準商業(yè)化應用的四大轉基因作物中，有17個轉基因油菜、26個轉基因棉花、192個轉基因玉米和17個轉基因大豆為復合性狀。02、國外轉基因作物產業(yè)化應用2.1全球轉基因作物產業(yè)化應用概況1983年首例轉基因作物抗卡那霉素煙草問世，1994年延遲成熟的轉基因番茄商業(yè)化應用，1996年轉基因作物開始大面積種植以來，轉基因作物的商業(yè)化應用迅猛發(fā)展。1996-2019年全球轉基因作物種植面積增加了112倍，累計達到27億多公頃。2019年，全球轉基因農作物種植面積為1.904億hm2，99%為轉基因玉米、大豆、棉花和油菜，其他小規(guī)模種植的作物還有苜蓿、甜菜、木瓜、土豆、南瓜、胡椒、蘋果、菠蘿、甘蔗和紅花，主要性狀為抗蟲、耐除草劑和抗蟲耐除草劑。全球轉基因玉米、大豆、棉花和油菜的采用率分別為31%、74%、79%和27%；美國、巴西、阿根廷和南非等29個地區(qū)種植了轉基因作物（表1）。此外，1996-2019年，歐盟、日本、韓國等42個地區(qū)進口轉基因產品（表2）[4]。

轉基因作物的種類從1996年的6種拓展到包括水稻、小麥、西葫蘆、蘋果、茄子和水果等在內的32種。轉基因作物的目標性狀從單性狀向著品質改良、耐旱、多性狀復合等方向發(fā)展。2009年，美國批準了含有8個基因、具有抗多種害蟲和耐2種除草劑特性的轉基因玉米應用于生產，2015年美國批準了品質改良的轉基因馬鈴薯、防褐變轉基因蘋果產業(yè)化；2020年阿根廷批準了抗旱轉基因小麥；2021年菲律賓批準了黃金水稻和耐旱茄子的商業(yè)化應用。2.2代表性國家轉基因作物產業(yè)化應用2.2.1美國轉基因作物的產業(yè)化應用美國在轉基因產業(yè)化方面一直走在世界最前列。1986年美國開始進行轉基因作物田間試驗，1994年延熟轉基因番茄‘FlavrSavr’作為第一例商業(yè)化應用的轉基因產品進入市場銷售階段，1996年美國開始大面積種植轉基因作物。目前美國已批準了23種轉基因作物商業(yè)化應用，包括玉米、大豆、棉花、油菜、甜菜、苜蓿、蘋果、馬鈴薯、水稻、玫瑰、南瓜、甘蔗、煙草、番茄、小麥、菊苣、匍莖剪股穎、亞麻、甜瓜、木瓜、矮牽牛、菠蘿和李子等，批準的轉化體有216個。美國一直處于轉基因作物商業(yè)化應用的首位，種植的轉基因作物以耐除草劑、抗蟲、抗蟲耐除草劑復合性狀的轉基因玉米、大豆和棉花為主。據美國國家農業(yè)統計局（NASS）和農業(yè)部經濟研究局（USDAEPS）統計，2022年，美國轉基因作物的種植面積為7480萬hm2。其中，轉基因玉米的種植面積為3326.76萬hm2，采用率為93%，81%轉基因玉米具有抗蟲耐除草劑復合性狀；轉基因大豆的種植面積為3459.71萬hm2，采用率為95%，95%轉基因大豆具有耐除草劑性狀；轉基因棉花的種植面積為480.10萬hm2，采用率為95%，86%轉基因棉花具有抗蟲耐除草劑復合性狀。此外，2022年種植的轉基因作物還包括油菜、甜菜、苜蓿、蘋果等，其中轉基因油菜和甜菜的采用率近乎100%。2.2.2巴西轉基因作物的產業(yè)化應用巴西是1996年開始種植轉基因作物的六國之一，已批準了7種作物106個轉化體的商業(yè)化應用，包括轉基因玉米55個、轉基因棉花23個、轉基因大豆18個、轉基因豌豆1個、轉基因桉樹2個，轉基因甘蔗6個和轉基因小麥1個，其中轉基因小麥于2021年只批準了食用、飼用和加工，轉基因豌豆于2011年批準，2020年開始種植[40-41]。巴西轉基因作物的種植面積位居世界第2位，2021年的種植面積超過5600萬hm2；種植的轉基因作物主要是大豆、玉米和棉花，其轉基因作物采用率分別為98%、88%和80%[41]。種植轉基因作物的性狀主要是耐除草劑、抗蟲和抗蟲耐除草劑復合3種類型，其中耐除草劑性狀占65%，抗蟲性狀占19%，抗蟲耐除草劑復合性狀占16%[40]。2.2.3阿根廷轉基因作物的產業(yè)化應用阿根廷在1996年批準轉基因耐草甘膦大豆‘40-3-2’的商業(yè)化種植[42]。截至目前，阿根廷已批準了7種作物50個轉化體的商業(yè)化應用，包括轉基因玉米17個，轉基因大豆17個、轉基因棉花10個、轉基因苜蓿3個、轉基因紅花1個、轉基因馬鈴薯1個和轉基因小麥1個[43]。其中，我國大北農集團研發(fā)的轉基因大豆‘DBN09004-6’于2019年在阿根廷批準應用，耐旱轉基因小麥‘HB4’于2020年10月批準商業(yè)化應用[44]。阿根廷轉基因作物種植面積位居全球第3，2019年種植面積為23.99億hm2，占全球轉基因作物種植面積的13%。種植的轉基因作物為玉米、大豆、棉花和苜蓿，其中轉基因大豆、玉米和棉花的采用率分別為100%、99%和100%；轉基因苜蓿于2019年首次種植，種植面積為1000hm2。轉基因作物的性狀為抗蟲耐除草劑，轉基因玉米近93%為抗蟲耐除草劑復合性狀，約7%為單性狀；轉基因大豆80%為耐除草劑單性狀，20%為復合性狀；100%轉基因棉花為抗蟲耐除草劑復合性狀[4]。2.2.4南非轉基因作物的產業(yè)化應用南非1997年批準了抗蟲棉‘MON1076’‘MON531’和‘MON757’的商業(yè)化應用[45]。至2021年，南非共批準了5種作物72個轉化體的應用，包括轉基因油菜5個、轉基因棉花10個、轉基因玉米42個、轉基因水稻2個和轉基因大豆14個，其中66個批準食用和飼用，22個批準種植（主要是玉米、大豆和棉花）[46]。南非轉基因作物的種植面積一直處于世界前十，非洲第一的位置。南非于1998年開始種植轉基因棉花和玉米，種植面積約為1.5萬hm2，隨后種植面積逐年上升[47]。2019年，轉基因玉米、大豆和棉花的種植面積分別約為190萬、69.4萬和4.4萬hm2。3種轉基因作物的采用率分別為轉基因玉米84.6%，轉基因大豆95%和轉基因棉花100%[4]。2021—2022年農業(yè)生產季，轉基因作物的種植面積約為310萬hm2，其中轉基因玉米的種植面積約為230萬hm2，占比74%，種植的品種特性80%為抗蟲耐除草劑復合性狀；轉基因大豆為78.5萬hm2，占比25%，種植的品種特性均為耐除草劑性狀；轉基因棉花為1.6萬hm2，占比1%，種植的品種特性95%為抗蟲耐除草劑，剩余5%為單一性狀[48]。2.2.5菲律賓轉基因作物產業(yè)化應用菲律賓在2002年批準了轉Bt玉米的商業(yè)化應用，目前已有9種作物129個轉化體，批準用于食用、飼用、加工或種植，包括轉基因苜蓿4個、轉基因油菜6個、轉基因棉花16個、轉基因茄子1個、轉基因玉米64個、轉基因馬鈴薯11個、轉基因水稻2個、轉基因大豆24個和轉基因甜菜1個。2021年7月批準了黃金水稻的商業(yè)化種植、轉Bt茄子的食用、飼用和加工，使菲律賓成為第一個批準黃金水稻種植的國家，第二個批準抗蟲茄子直接食用的國家[49]。菲律賓是第一個種植轉基因作物的東南亞國家，自2003年開始種植轉基因玉米，目前仍然只有轉基因玉米的商業(yè)化種植，幾乎均為抗蟲耐除草劑復合性狀，種植面積從2003年的10769hm2增加到2021年的677544hm2[49]。2.2.6歐盟轉基因作物的產業(yè)化應用歐盟批準商業(yè)化種植的只有轉基因玉米‘MON810’，種植轉基因作物的國家只有葡萄牙和西班牙。葡萄牙自2005年開始種植轉基因玉米，種植面積為1000hm2，2019年的種植面積降為4753hm2，種植轉基因作物的地區(qū)為4個[50]。西班牙自1998年開始種植抗蟲轉基因玉米‘MON810’，2021年的種植面積為96606hm2，種植的地區(qū)有12個，其中阿拉貢和加泰羅尼亞2個地區(qū)的種植面積最大，分別占到42%和34%[51]。此外，歐盟批準了8種作物115個轉化體用于食用、飼用和加工，包括轉基因油菜14個、轉基因棉花15個、轉基因康乃馨7個、轉基因玉米55個、轉基因馬鈴薯1個、轉基因大豆22個、轉基因甜菜和煙草各1個。據統計，歐盟每年都要進口約3000萬t的大豆和豆粕，1000萬～2000萬t的玉米和玉米加工副產品，以及250萬～500萬t的油菜籽和菜粕，其中轉基因大豆產品占到了90%～95%，轉基因玉米產品占20%～25%，轉基因油菜籽約占25%[4]。03、我國轉基因作物的研發(fā)與產業(yè)化應用3.1我國轉基因作物的研發(fā)我國轉基因作物的研發(fā)始于20世紀80年代，1990年開始，先后研發(fā)出了轉乙烯形成酶（EFE）反義基因的耐儲藏番茄，轉CMV-CP基因的抗病毒番茄和甜椒、轉chs基因的改變花色的轉基因矮牽牛、轉xa21基因抗白葉枯病水稻、轉Bt-cry1A和Bt＋SCK基因抗蟲水稻、轉PRSV復制酶基因抗病毒病番木瓜、轉合成BtGFMcry1A殺蟲基因抗蟲棉等自主研發(fā)成果，其中轉合成BtGFMcry1A殺蟲基因抗蟲棉的成功研制，使我國成為擁有自主知識產品產權抗蟲棉的第2個國家[52-53]。目前，我國轉基因作物研發(fā)與應用穩(wěn)步推進。近20年來，在國家的長期戰(zhàn)略部署下，在轉基因新品種培育重大專項等項目的大力資助下，我國已建立起涵蓋從基因克隆到品種選育全鏈條的研發(fā)體系。在基因挖掘方面，克隆了一批優(yōu)良功能基因，如水稻多分蘗基因d53[54]、抗病基因pigm和fhb7[55-56]、抗蟲基因cry9Cb1[57]、養(yǎng)分高效基因ngr5[58]等；在遺傳轉化方面，建立了潔凈DNA轉化[59]、多基因轉化[60]、外源基因刪除[61]等轉化技術，構建了小麥[62]、玉米[63]等作物的高效遺傳轉化體系；在新種質創(chuàng)制方面，培育出一批具有重要應用前景的抗蟲、耐除草劑、抗旱等轉基因新品系，如轉g2-aroA和gat的耐草甘膦大豆[64]，轉cry1Ab/cry2Aj和g10-evo基因的抗蟲耐除草劑玉米[65]等。3.2我國轉基因作物的產業(yè)化應用我國已批準了棉花、番茄、矮牽牛、辣椒、番木瓜、水稻、玉米和大豆共8種作物的生產應用安全證書，其中轉基因玉米和大豆自2019年以來共批準了14個轉化體，包括3個耐除草劑轉基因大豆、6個抗蟲耐除草劑玉米、2個抗蟲轉基因玉米和3個耐除草劑轉基因玉米。此外，我國還批準了轉基因大豆（10個耐除草劑、3個抗蟲、2個品質改良、2個品質改良和耐除草劑復合、1個抗蟲耐除草劑復合）、棉花（3個抗蟲、4個耐除草劑、2個抗蟲耐除草劑復合）、玉米（9個抗蟲耐除草劑復合、6個抗蟲、5個耐除草劑、1個耐旱、1個品質改良）、油菜（6個耐除草劑、3個控制育性）、番木瓜（1個抗病毒）、甜菜（1個耐除草劑）6種作物60個轉化體用作進口加工原料。我國是轉基因技術應用最早的國家之一，從1997年開始種植轉基因抗蟲棉，轉基因作物的種植面積居世界第4位，2006年我國轉基因作物的種植面積從第4降至第6位，目前我國轉基因作物的種植面積位居世界第7位，實際種植的轉基因作物只有抗蟲棉和抗病毒番木瓜，2019年我國種植了3170萬hm2的抗蟲棉，12125hm2的抗病毒番木瓜（采用率為8