薩初拉 劉德明 蘇少鋒 劉紅葵 王蘊(yùn)華 呼和 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院 010031

生物技術(shù)在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用

薩初拉 劉德明 蘇少鋒 劉紅葵 王蘊(yùn)華 呼和 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院 010031

本文從生物技術(shù)發(fā)展歷程入手，闡述了其在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用、發(fā)展優(yōu)勢(shì)與存在的問(wèn)題，旨在探討生物技術(shù)推動(dòng)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，同時(shí)加強(qiáng)公眾對(duì)生物技術(shù)相關(guān)知識(shí)的了解，為公眾科學(xué)理性地看待生物技術(shù)和產(chǎn)品提供指導(dǎo)性建議。

生物技術(shù)；農(nóng)牧業(yè)；應(yīng)用

1 引言

生物技術(shù)是利用自然科學(xué)和工程學(xué)原理，依靠生物作用劑的作用將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)的技術(shù)。已知最早的生物技術(shù)應(yīng)用始于公元前6000年的發(fā)酵生產(chǎn)，例如通過(guò)釀造來(lái)獲得啤酒等。直到1978年，人類胰島素被成功合成并證明有效后，生物技術(shù)才受到廣泛關(guān)注并形成了新興產(chǎn)業(yè)。1988年，通過(guò)基因工程改造細(xì)胞生產(chǎn)的五種蛋白質(zhì)獲得美國(guó)食品藥品局批準(zhǔn)，而在1990年底獲得批準(zhǔn)的此類產(chǎn)品數(shù)目已經(jīng)超過(guò)125個(gè)。目前，生物技術(shù)仍是科學(xué)研究的熱點(diǎn)課題，并且已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面，例如基因治療、干細(xì)胞研究、克隆、轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物，以及轉(zhuǎn)基因食品等。

2 生物技術(shù)在農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

生物技術(shù)在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用是基于對(duì)動(dòng)植物遺傳和表觀性狀的充分研究。早在1866年，奧地利學(xué)者G.J.孟德爾已通過(guò)豌豆雜交實(shí)驗(yàn)揭示了基因分離定律，為后來(lái)雜交育種技術(shù)的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。隨后在1909年，丹麥科學(xué)家W.L.約翰森提出“基因”的名字用于表達(dá)孟德爾的遺傳因子概念。直到1944年O.T.埃弗里通過(guò)肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證實(shí)了基因由DNA組成，并于9年后由沃森和克里克揭示了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。在1969年J.夏皮羅等研究大腸桿菌乳糖操縱子時(shí)提出一個(gè)基因可以離開染色體而獨(dú)立發(fā)揮作用，從而為基因重組技術(shù)的誕生奠定了基礎(chǔ)。在1972年保羅·伯格制備了首個(gè)人工重組DNA，1974年科恩將抗青霉素基因轉(zhuǎn)入大腸桿菌內(nèi)，從而揭開了轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用的序幕。1978年，人類胰島素生產(chǎn)重組微生物由Startup公司（genentech）生產(chǎn)，并證明了轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的有效性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。20世紀(jì)80年代初，首個(gè)轉(zhuǎn)基因小鼠和轉(zhuǎn)基因煙草的誕生充分證實(shí)了轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用的普遍性。

（1）在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。在過(guò)去一個(gè)世紀(jì)里，利用傳統(tǒng)雜交育種手段已培育出多個(gè)優(yōu)秀的作物品種，但平均育種年限為12～15年，因此如何提高新品種培育效率一直是育種學(xué)的重點(diǎn)課題。早在1923年，Sax對(duì)菜豆兩種性狀進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，植物中簡(jiǎn)單的基因遺傳標(biāo)記與植物數(shù)量性狀具有連鎖關(guān)系，為分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)的產(chǎn)生提供了理論基礎(chǔ)。由于傳統(tǒng)方式開發(fā)和定位分子標(biāo)記周期長(zhǎng)、效率低，因此阻礙了分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)的應(yīng)用。1940年，化學(xué)誘變劑和射線被廣泛應(yīng)用到植物育種過(guò)程中，開辟了快速品種培育新手段。到目前已有超過(guò)2500個(gè)植物新品種被通過(guò)該手段培育出來(lái)。由于誘變產(chǎn)生新品種是通過(guò)隨機(jī)突變個(gè)體基因而改變性狀，因此存在多種不確定性。自1953年以來(lái)，DNA結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)座子機(jī)理、植物組培、胚胎拯救、原生質(zhì)體融合和DNA重組等相關(guān)技術(shù)的不斷被發(fā)現(xiàn)，使得轉(zhuǎn)基因技術(shù)成為快速培育具有人為設(shè)定性狀的新品種的手段。雖然，目前通過(guò)基因工程技術(shù)獲得具有特定優(yōu)良品性且穩(wěn)定遺傳特征的新品種仍需要大約10年時(shí)間，但此項(xiàng)技術(shù)關(guān)鍵在于對(duì)目的樣品的DNA進(jìn)行定點(diǎn)和人為設(shè)定改造提供了可能性。隨著高通量測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)的快速發(fā)展，優(yōu)良性狀相關(guān)基因和分子標(biāo)記得到了準(zhǔn)確定位和高效開發(fā)，隨之應(yīng)運(yùn)而生了分子設(shè)計(jì)育種新領(lǐng)域。分子設(shè)計(jì)育種即通過(guò)多種技術(shù)的集成與整合,對(duì)育種程序中的諸多因素進(jìn)行模擬、篩選和優(yōu)化，提出最佳的符合育種目標(biāo)的基因型，以及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)基因型的親本選配和后代選擇策略，以提高作物育種中的預(yù)見性和育種效率，進(jìn)一步利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)、TILLING技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)創(chuàng)制優(yōu)異種質(zhì)資源，實(shí)現(xiàn)多基因組裝育種的目標(biāo)。由于分子設(shè)計(jì)育種采用了高效的基因轉(zhuǎn)移途徑，因此具有常規(guī)育種無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如可精確篩選目的基因和表型、育種周期短等。一旦建立了完善的品種分子設(shè)計(jì)體系，就可以快速地將功能基因組學(xué)的研究成果轉(zhuǎn)變成大田作物品種而創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著生物技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用將不斷深入。例如，利用植物體細(xì)胞雜交技術(shù)將豆科植物和向日葵進(jìn)行雜交，獲得具有高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的“向日豆”；利用生物工程菌實(shí)現(xiàn)制酒、制醬、固氮、生物農(nóng)藥和飼料的生產(chǎn)，或利用植物組織快速培育技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)良品種的快速無(wú)性繁殖。

（2）在畜牧中的應(yīng)用。生物技術(shù)在畜牧業(yè)中的應(yīng)用最早可以追溯到公元前5000年。當(dāng)時(shí)主要利用異種雜交方法獲得雜交優(yōu)勢(shì)群體，例如將母馬與公驢雜交獲得更強(qiáng)壯的騾子。

目前生物技術(shù)在畜牧新品種培育、遺傳資源保護(hù)、飼料資源的開發(fā)利用、疾病預(yù)防與治療和環(huán)境凈化等方面具有廣泛的價(jià)值。在畜禽遺傳資源保護(hù)中，胚胎和生殖細(xì)胞冷凍、體外受精、胚胎工程和克隆等相關(guān)技術(shù)均被應(yīng)用。轉(zhuǎn)基因技術(shù)則在增加飼料作物中果聚糖和可溶性糖的濃度，降低副產(chǎn)品的木質(zhì)素含量等飼料資源的開發(fā)及微生態(tài)制劑、疫苗研發(fā)、藥物開發(fā)和疾病治療中被廣泛應(yīng)用。

畜禽育種與農(nóng)業(yè)育種相同，本質(zhì)上都是從基因水平上對(duì)生物個(gè)體進(jìn)行改良。因此發(fā)展歷程也同樣經(jīng)歷了傳統(tǒng)的雜交育種、分子標(biāo)記輔助育種、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物制備和分子設(shè)計(jì)育種等。早在12000年以前，人類已馴化了狗，然而直到18世紀(jì)才形成真正的具有詳細(xì)系統(tǒng)記錄的動(dòng)物育種方法。到了20世紀(jì)90年代，由于畜禽選育理論和傳統(tǒng)技術(shù)革新緩慢導(dǎo)致常規(guī)育種手段受到制約，然而分子生物學(xué)和基因組學(xué)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了動(dòng)物育種技術(shù)的突破，形成了動(dòng)物分子育種技術(shù)。與農(nóng)作物相比，動(dòng)物一般有更長(zhǎng)的世代間隔、較低的繁殖力和較高的飼養(yǎng)成本，因而在動(dòng)物中分子標(biāo)記輔助育種的應(yīng)用較農(nóng)作物中少，而且一般只針對(duì)那些效應(yīng)較大的基因。1980年首個(gè)轉(zhuǎn)基因小鼠誕生之后的10年，是全世界對(duì)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物進(jìn)行研究的高潮時(shí)期。1985年誕生首個(gè)轉(zhuǎn)基因家畜，轉(zhuǎn)人生長(zhǎng)激素融合基因（MT/hGH）豬，隨后轉(zhuǎn)基因兔、羊、牛等誕生。自1996年克隆羊多莉誕生以后，克隆技術(shù)成為新的畜禽繁育手段，與傳統(tǒng)育種技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)相結(jié)合稱為快速、有效的繁育選定品種的新途徑。隨著家畜基因組的測(cè)序陸續(xù)完成，家畜分子設(shè)計(jì)育種將成為更加高效、準(zhǔn)確的育種手段。

3 存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

目前有多種途徑和手段可以提高農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)能力，其中包括傳統(tǒng)育種技術(shù)和生物技術(shù)。隨著有機(jī)農(nóng)業(yè)備受關(guān)注，傳統(tǒng)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)技術(shù)再次受到人們的追捧。然而這一趨勢(shì)并未阻礙生物技術(shù)，尤其是轉(zhuǎn)基因技術(shù)在農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。相反，其更加推動(dòng)了生物技術(shù)的革新，使其向更加健康、安全、環(huán)保的方向發(fā)展。目前，全球已成功獲得200多種轉(zhuǎn)基因植物，其中應(yīng)用最廣泛的種類是轉(zhuǎn)Bt（Baci11us thuringiensis）基因和轉(zhuǎn)Ht（Herbicide to1erant）基因農(nóng)作物。在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物方面，主要轉(zhuǎn)入提高動(dòng)物生長(zhǎng)率、產(chǎn)毛率、抗寒能力和抗病能力和疫苗生產(chǎn)相關(guān)的基因。到2014年為止，全球種植生物技術(shù)作物的國(guó)家有28個(gè)，總面積達(dá)到1.8億公頃，并且每年以3%～4%的速度持續(xù)增長(zhǎng)。其中生物技術(shù)黃豆種植面積占全球黃豆產(chǎn)區(qū)的82%，同樣生物技術(shù)棉花占68%，麥子占30%，油菜占25%。

如同任何新技術(shù)的產(chǎn)生都伴隨潛在風(fēng)險(xiǎn)一樣，生物技術(shù)也不例外。雖然所有轉(zhuǎn)基因作物都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的監(jiān)管審批，但消費(fèi)者仍然心存疑慮。隨著全球人口暴漲，預(yù)計(jì)在2100年時(shí)將突破101億。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面臨巨大的挑戰(zhàn)，如何在短時(shí)間內(nèi)滿足消費(fèi)需求已成為主要矛盾。隨著種植面積的不斷擴(kuò)大和農(nóng)藥使用的泛濫，使得人類健康、生態(tài)平衡和市場(chǎng)需求之間的矛盾更加凸顯。雖然轉(zhuǎn)基因技術(shù)所帶來(lái)的種種潛在“風(fēng)險(xiǎn)”已被廣泛關(guān)注，但有些顧慮是對(duì)潛在危害性的未充分理解而導(dǎo)致，而更多顧慮則是人們對(duì)新生事物的不接受所導(dǎo)致。

由于生物技術(shù)產(chǎn)品具有生產(chǎn)成本低，增產(chǎn)效率高，同時(shí)能夠減少農(nóng)藥使用和對(duì)環(huán)境的影響等特點(diǎn)，因此僅2013年轉(zhuǎn)基因作物市場(chǎng)總值就達(dá)156億美元，已占全球作物保護(hù)市場(chǎng)的22%，占全球商業(yè)種子市場(chǎng)的35%，并且仍有相當(dāng)大的發(fā)展空間。

4 展望

我國(guó)農(nóng)牧業(yè)生物技術(shù)正處于迅猛發(fā)展的階段，但相關(guān)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展相對(duì)滯后。隨著全球農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的影響與我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的需求的增大，農(nóng)牧業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必將成為我國(guó)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)，因此只有進(jìn)一步強(qiáng)化農(nóng)牧業(yè)生物技術(shù)研究、完善安全管理和市場(chǎng)準(zhǔn)入制度，普及相關(guān)科學(xué)知識(shí)，才能夠更好地實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

[1]金東英,李志平.“生物技術(shù)”一詞的由來(lái).中華醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)史學(xué)分會(huì)第12屆1次學(xué)術(shù)年會(huì).中國(guó)重慶.2008.p.5.

[2]絲羽.我國(guó)分子育種迎來(lái)高通量時(shí)代——記中玉金標(biāo)記分子標(biāo)記實(shí)驗(yàn)室.種子科技，2015:15-6.

[3]王建康,李慧慧,張學(xué)才,尹長(zhǎng)斌,黎裕,馬有志,etal.中國(guó)作物分子設(shè)計(jì)育種.作物學(xué)報(bào)，2011:191-201.

[4]薛勇彪,王道文,段子淵.分子設(shè)計(jì)育種研究進(jìn)展.中國(guó)科學(xué)院院刊，2007:486-90.

[5]李劍虹,杜曉彤.生物技術(shù)及其在畜牧業(yè)中應(yīng)用的研究.養(yǎng)殖技術(shù)顧問(wèn)，2014:240-3.

[6]張?jiān)鲂?張偉濤.生物技術(shù)簡(jiǎn)介及其在畜牧業(yè)中的應(yīng)用.乳業(yè)科學(xué)與技術(shù)，2007:141-4+8.

[7]王志剛.我國(guó)畜禽遺傳資源保護(hù)手段分析.中國(guó)牧業(yè)通訊，2005:4-7.

[8]徐琪,陳國(guó)宏,劉博.我國(guó)畜禽遺傳資源保護(hù)與利用研究進(jìn)展.甘肅畜牧獸醫(yī)，2003:37-9.

[9]王文君,歐陽(yáng)克蕙,付月華.生物技術(shù)在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)中應(yīng)用的研究進(jìn)展.畜禽業(yè)，2001:12-3.

[10]吳金霞,陳彥龍,何近剛,路鐵剛.生物技術(shù)在牧草品質(zhì)改良中的應(yīng)用.草業(yè)學(xué)報(bào)，2007:1-9.

[11]郝浩永,張偉峰,陳莉,崔東亞.轉(zhuǎn)基因植物在疫苗研究中應(yīng)用.運(yùn)城學(xué)院學(xué)報(bào)，2008:50-4.

[12]唐達(dá),畢海林,唐建華.基因工程疫苗概述.畜禽業(yè)，2012:22-5.

[13]田懷清,李儒宏,南曉潔.現(xiàn)代生物技術(shù)在動(dòng)物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用.山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014:418-21.

[14]唐蓓.轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用和轉(zhuǎn)基因生物的安全性概述.生物學(xué)教學(xué)，2013:5-6.

[15]李華瑋,鄭鳴.轉(zhuǎn)基因技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響.黑龍江畜牧獸醫(yī)，2014:229-30.

[16]胡笑形.全球轉(zhuǎn)基因作物的發(fā)展以及對(duì)除草劑市場(chǎng)的影響.農(nóng)藥市場(chǎng)信息，2015:23-7.