蘇 燕 許 麗 徐 萍

（中國科學院上海生命科學信息中心， 上海 200031）

全球商業(yè)化轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

蘇 燕 許 麗 徐 萍

（中國科學院上海生命科學信息中心， 上海 200031）

蘇燕，碩士，中國科學院上海生命科學信息中心助理館員，主要從事生命科學領域的戰(zhàn)略情報和學科情報研究。

E-mail:suyan@sibs.ac.cn

轉(zhuǎn)基因作物的商業(yè)化發(fā)展，為解決全球糧食安全、氣候變化和可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻。國際農(nóng)業(yè)生物技術應用服務組織（International Service for the Acquisition of Agri-Biotech Applications，ISAAA）報告顯示，轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化種植19年以來（1996～2014年），為全球帶來了持續(xù)的經(jīng)濟社會效益，化學農(nóng)藥的使用率降低了37%，作物產(chǎn)量提高了22%，農(nóng)民利潤增加了68%。

1 全球轉(zhuǎn)基因作物政策布局

轉(zhuǎn)基因作物是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要手段，在研究和保障生物安全的同時，加快轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化已引起各國的高度關注，并成為國際農(nóng)業(yè)生物技術領域競爭的焦點。

美國國家科學基金會（NSF）和國家食品與農(nóng)業(yè)研究院（NIFA）資助了多項轉(zhuǎn)基因作物研究。2012年，NSF資助佐治亞大學100萬美元，用于研究大豆基因功能，利用跳躍基因建立并編目一個大豆插入和基因活化突變體庫。2014年，NIFA資助了針對轉(zhuǎn)基因技術、目標性狀可持續(xù)糧食安全、目標性狀營養(yǎng)價值和目標性狀能源性狀4個方面的16項轉(zhuǎn)基因作物研究。歐盟FP7框架于2012年相繼啟動“歐洲植物表型研究網(wǎng)絡”與“提高豆類作物非生物和生物脅迫抗性”項目，共投資800多萬歐元用于研究耐旱和抗病性基因及相關分子機制，并注重轉(zhuǎn)基因技術開發(fā)。英國作物改良研究會2012年公布的第二輪資助項目重點關注利用生物技術改良油菜、大麥和小麥等英國主要的谷類作物。加拿大通過Growing Forward 2框架計劃、基因組研發(fā)計劃、基因組組織等對農(nóng)業(yè)研發(fā)進行資助，《加拿大基因組2012～2017年戰(zhàn)略計劃》著重支持油菜、小麥、亞麻、馬鈴薯、向日葵、葡萄、牛和豬的基因組學研究?！栋拇罄麃嗈r(nóng)業(yè)藍圖2013～2020年》指出，未來將通過利用創(chuàng)新技術向全球人口提供高品質(zhì)的糧食和纖維。印度《第十二個五年規(guī)劃（2012～2017年）》則進一步支持轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品設施建設、轉(zhuǎn)基因技術和分子育種?！抖砹_斯聯(lián)邦至2020年生物技術發(fā)展綜合計劃》也投入大筆資金，用于利用基因組和生物技術新方法培育作物新品種。

表1 中央一號文件中對轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)業(yè)的部署

中國高度重視轉(zhuǎn)基因作物培育和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2015年，中央一號文件明確提出“要加強農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物技術研究、安全管理、科學普及”，這是近十年來中央一號文件中第六次提到轉(zhuǎn)基因技術（表1）。發(fā)布于2013年的《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》強調(diào)要提升生物育種核心競爭力；2012年《生物種業(yè)科技發(fā)展“十二五”重點專項規(guī)劃》重申了重要性狀遺傳基礎研究和種質(zhì)資源創(chuàng)新的重要性。與此同時，2008年國務院批準實施“轉(zhuǎn)基因生物新品種培育”重大科技專項；2013年國家自然科學基金委員會啟動“主要農(nóng)作物產(chǎn)量性狀的遺傳網(wǎng)絡解析”重大研究計劃，資助水稻、玉米株型發(fā)育和籽粒形成的關鍵基因、遺傳網(wǎng)絡調(diào)控、分子育種設計，以及轉(zhuǎn)基因動植物新品種培育與轉(zhuǎn)基因技術；2014年中國科學院也啟動了“分子模塊設計育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略性科技先導專項，旨在解析調(diào)控復雜農(nóng)藝性狀的分子模塊。

圖1 1996～2014年全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積

2 全球轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展態(tài)勢

轉(zhuǎn)基因技術已成為生物育種中廣泛應用的作物栽培技術。ISAAA2015年發(fā)布的報告顯示，1996年以來，全球轉(zhuǎn)基因作物的種植面積持續(xù)增長，到2014年達到1.815億公頃，種植面積增加了100多倍（圖1）。研究表明，對于較貧窮的國家而言，害蟲和雜草問題更嚴重，轉(zhuǎn)基因作物帶來的收益也就更高，因此發(fā)展中國家的農(nóng)民應用轉(zhuǎn)基因技術實現(xiàn)的收益率要比發(fā)達國家高14%。近年來，發(fā)展中國家轉(zhuǎn)基因作物種植發(fā)展較快，2011年起，種植面積已超過發(fā)達國家。

通過分析專利，可以準確反應行業(yè)的研發(fā)動態(tài)以及產(chǎn)業(yè)化情況。2005～2014年，全球轉(zhuǎn)基因作物相關專利（族）數(shù)量持續(xù)增長，十年申請專利共計12 065項 ，反映出該領域的快速發(fā)展（圖2）。

圖2 2005～2014年全球轉(zhuǎn)基因作物相關專利申請數(shù)量

3 轉(zhuǎn)基因作物改良性狀分析

全球轉(zhuǎn)基因作物種植種類不斷增多，2014年全球商業(yè)化種植了27種轉(zhuǎn)基因作物，其中種植面積最大的作物是轉(zhuǎn)基因大豆，約占轉(zhuǎn)基因作物總面積的一半；其次是玉米，占30%；然后是棉花占14%，油菜占5%，其他作物僅占1%。全球82%的大豆、68%的棉花、30%的玉米、25%的油菜都是轉(zhuǎn)基因作物。從專利申請量來看，大豆、玉米、棉花、油菜4大轉(zhuǎn)基因作物相關技術的專利申請量逐年增加，特別是轉(zhuǎn)基因大豆和玉米，相關專利申請量持續(xù)保持領先。自蘇蕓金芽孢桿菌（Bt）基因應用于棉花可有效抗蟲以來，棉花育種發(fā)生巨大變革，近10年轉(zhuǎn)基因棉花研究突飛猛進。此外，轉(zhuǎn)基因油菜的專利數(shù)量也穩(wěn)步發(fā)展（圖3）。

圖3 2005～2014年4種主要轉(zhuǎn)基因作物相關專利申請數(shù)量

目前商業(yè)化種植的轉(zhuǎn)基因作物性狀主要集中在抗逆性狀上，包括抗除草劑、抗蟲、抗病毒等，這類作物能夠降低耕種成本、增加作物產(chǎn)量以及減少農(nóng)藥的使用量。在耐逆境方面，研究方向已經(jīng)轉(zhuǎn)向多性狀疊加的轉(zhuǎn)基因控制體系（圖4），以獲得雙重效益，提高廣譜性效果，同時多重高效抗逆特性組合，可降低選擇壓力。如美國孟山都公司已經(jīng)與陶氏公司合作研發(fā)出了八重抗逆抗蟲特性的組合品種——SmartStax，可以一并防治地上地下昆蟲并且抗廣譜除草劑。SmartStax綜合了多個品種優(yōu)勢，包括孟山都Yieldgard VT Triple（抗玉米根蟲、抗草甘膦和抗玉米螟的三重轉(zhuǎn)基因玉米）、RoundUP Ready 2（抗麥草畏和草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆）和來自陶氏的HerculexXtra（抗玉米螟和根部蠕蟲玉米）、Liberty link（抗草銨膦性狀系列產(chǎn)品）。目前，玉米、棉花和大豆已有SmartStax的商業(yè)化品種，而更多的SmartStax作物品種正在研發(fā)中。

此外，注重提高產(chǎn)品品質(zhì)（如改善食品味道、增加食物營養(yǎng)、減少食物中的反式脂肪酸、提高油料作物的含油量等性狀）的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品正在研發(fā)中。

從應用的技術來看，轉(zhuǎn)基因作物相關技術的專利IPC分布顯示，A01H-005/00（新被子植物或獲得新被子植物的方法；通過組織培養(yǎng)技術的被子植物再生）、C12N-015/82（微生物或酶；其組合物用于植物細胞）、A01H-005/10（新被子植物種籽或獲得新被子種籽的方法；通過組織培養(yǎng)技術的植物再生）等，是全球轉(zhuǎn)基因作物領域的重點技術（表2）。

圖4 2000～2014年美國轉(zhuǎn)基因玉米改良性狀作物種植面積

另外，通過基因組編輯技術開發(fā)新品種作物已成為新的研發(fā)熱點。基因組編輯使用序列特異性核酸酶在基因組特定位點實現(xiàn)DNA的插入、替換或刪除，從而在基因組水平對基因進行定向修飾。相對于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因技術來說，其對基因的改良更加精確高效。目前，至少兩種基因組編輯的植物產(chǎn)品獲得了美國農(nóng)業(yè)部的批準，一個是植酸含量低的玉米品種，另一個是抗除草劑的油菜品種。加拿大也批準了基因組編輯的抗除草劑油菜的商業(yè)化。國際上對基因組編輯產(chǎn)生的植物新品種的監(jiān)管標準存在爭議：美國的農(nóng)業(yè)監(jiān)管部門認為由細胞自我修復機制產(chǎn)生的突變植物不屬于轉(zhuǎn)基因，因此，如果不是通過植物病原，如農(nóng)桿菌等介導的基因組編輯植物不被定義為轉(zhuǎn)基因生物（GMO）；歐盟委員會規(guī)定非自然方式產(chǎn)生的基因修飾就是GMO，但同時認為物理和化學誘變獲得植物突變體不在這個范圍內(nèi)，然而基因組編輯植物與物理、化學誘變獲得的植物無法區(qū)分，因此，歐盟委員對基因組編輯植物的監(jiān)管標準存在不確定性。但最近，歐盟委員會也傾向基因組編輯植物不被定義為GMO。而在我國，目前還沒有監(jiān)管基因組編輯植物的相關政策法規(guī)出臺。

表2 轉(zhuǎn)基因作物專利排名前十位IPC分類號

4 轉(zhuǎn)基因研發(fā)與種植國家分析

2014年，全球共有28個國家種植轉(zhuǎn)基因作物。從地域分布來看，轉(zhuǎn)基因作物主要分布在美國、巴西、阿根廷、印度和加拿大五個國家，歐洲轉(zhuǎn)基因作物的種植面積很少（表3）。2014年美國批準了兩種新的轉(zhuǎn)基因作物于2015年開始種植，Innate?（降低丙烯酰胺含量的轉(zhuǎn)基因土豆）和HarvXtra?（降低木質(zhì)素含量的轉(zhuǎn)基因苜蓿）；孟加拉國2014年率先批準了Bt茄子的種植和商業(yè)化；越南首次批準了轉(zhuǎn)基因玉米（抗除草劑與殺蟲劑）于2015年的商業(yè)化計劃；印度尼西亞批準了抗旱甘蔗的2015年種植計劃；巴西也有兩種產(chǎn)品即抗磺酰脲類除草劑大豆Cultivance?和本國產(chǎn)的抗病毒大豆將于2016年開始商業(yè)化。從專利的優(yōu)先權國家/地區(qū)分布來看，美國（7036項）遙遙領先，中國（3267項）緊隨其后，兩者專利數(shù)量遠超其他國家，體現(xiàn)出其在轉(zhuǎn)基因作物研發(fā)方面的重視（圖5）。

表3 全球轉(zhuǎn)基因作物種植情況

圖5 2005～2014年轉(zhuǎn)基因作物專利國家分布

2014年，中國轉(zhuǎn)基因作物種植面積390萬公頃，居全球第六位，種植作物主要為轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的采用率較2013年提高3%，而抗病毒木瓜的種植面積增加了約50%。我國尚未有轉(zhuǎn)抗除草劑基因的作物商業(yè)化，以及多重性狀改良轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化。

5 轉(zhuǎn)基因研發(fā)機構分析

全球轉(zhuǎn)基因作物研究的機構中，美國孟山都公司、美國杜邦先鋒公司和德國拜耳作物科學公司專利數(shù)量穩(wěn)居前三位（表4）。美國孟山都公司是農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因育種行業(yè)巨頭，2012年，孟山都的銷售額達76億美元，約占全球市場份額的17%，其開發(fā)的轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉占轉(zhuǎn)基因棉總面積的2/3左右；美國杜邦先鋒公司是世界最大的玉米種業(yè)公司，同樣具有雄厚的科研實力，其世界玉米種子市場占有率20%以上，美國玉米種子市場占有率為40%；德國拜耳作物科學公司對研發(fā)的投入為同行中最高，占其銷售額的10%，研發(fā)給公司的發(fā)展注入了強大的生命力，促使新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，市場占有率也持續(xù)升高。

表4 2005～2014年全球?qū)＠暾垟?shù)量前十位機構

我國3所機構的專利數(shù)量躋身全球前十位，分別為中國農(nóng)業(yè)科學院、中國科學院、南京農(nóng)業(yè)大學。近年來，我國加快轉(zhuǎn)基因作物研發(fā)步伐，取得了豐碩的研究成果。2009年8月，中國農(nóng)業(yè)科學院范云六院士科研團隊研究的轉(zhuǎn)基因植酸酶玉米“BVLA430101”、華中農(nóng)業(yè)大學張啟發(fā)院士研究團隊研究的Bt抗蟲轉(zhuǎn)基因水稻“華恢1號”和“汕優(yōu)63”獲得轉(zhuǎn)基因作物安全證書，標志著中國轉(zhuǎn)基因糧食作物向產(chǎn)業(yè)化階段邁出了堅實的一步。其中，“BVLA430101”的專利已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給中國奧瑞金種業(yè)公司。在種子市場層面我國種業(yè)集中度非常低，全國持證種子企業(yè)5948家，但具備新品種研發(fā)能力的企業(yè)僅有100多家，銷售額排名前五十位的企業(yè)僅占國內(nèi)市場份額的30%，同一區(qū)域內(nèi)同類作物存在多個品種的現(xiàn)象非常普遍，國內(nèi)種子企業(yè)無論在技術、規(guī)模、營銷與管理上均不具備與跨國種業(yè)公司抗衡的實力，轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)業(yè)化的市場條件有待進一步優(yōu)化。

6 結(jié) 語

轉(zhuǎn)基因作物的經(jīng)濟社會效益潛力，引起了全球各國的高度關注。MarketsandMarkets2015年報告顯示，到2020年全球轉(zhuǎn)基因種子市場價值將達到352億美元，復合年增長率為12.3%。自1996年轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化啟動以來，全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積持續(xù)增長，轉(zhuǎn)基因改良物種多元化發(fā)展，改良性狀多樣化、復合化發(fā)展。轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)的競爭態(tài)勢激烈，已經(jīng)逐漸形成了美國孟山都公司、美國杜邦先鋒公司、德國拜耳作物科學公司等幾大跨國公司壟斷的局面。

目前我國大豆市場80%以上被進口轉(zhuǎn)基因大豆所占據(jù)，同時由于國內(nèi)日益增加的飼料和工業(yè)用需求，轉(zhuǎn)基因玉米進口量近幾年大幅上升。在現(xiàn)有需求格局下推廣轉(zhuǎn)基因作物，對我國的糧食供需平衡有重要意義。在技術研發(fā)水平上，近年來，我國涌現(xiàn)出許多具有自主知識產(chǎn)權的研發(fā)成果。我國的轉(zhuǎn)基因水稻、玉米有部分品種具備產(chǎn)業(yè)化條件，但整體的研發(fā)水平與跨國種業(yè)公司仍存在較大差距。因此，應加強研發(fā)力度，建立完善轉(zhuǎn)基因作物的管理體系和產(chǎn)業(yè)化政策，加快研發(fā)和知識產(chǎn)權的保護等，抓住轉(zhuǎn)基因技術帶來的發(fā)展機遇。

10.3969/j.issn.1674-0319.2015.05.005

轉(zhuǎn)基因作物在經(jīng)濟社會效益中的潛力，引發(fā)了全球各國的高度關注。文章概述了轉(zhuǎn)基因作物的全球政策布局，結(jié)合市場、專利數(shù)據(jù)，對全球商業(yè)化轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進行了分析和闡述。