林敏

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081

伴隨千百年來(lái)自然物種進(jìn)化與人類(lèi)科技進(jìn)步，世界農(nóng)業(yè)育種經(jīng)歷了原始育種、傳統(tǒng)育種和分子育種三個(gè)時(shí)代的跨越，形成了具有典型時(shí)代特征的各種技術(shù)版本，即從最初人工馴化1.0版和雜交育種2.0版，逐步迭代升級(jí)到分子育種時(shí)代的轉(zhuǎn)基因育種3.0版和智能設(shè)計(jì)育種4.0版。

原始育種大約始于1 萬(wàn)年前的新石器時(shí)代，由于缺乏育種理論與方法，人類(lèi)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累和肉眼觀察，選擇基因自然變異的農(nóng)業(yè)生物，經(jīng)長(zhǎng)期人工馴化獲得性狀改良的品種，標(biāo)志著原始農(nóng)業(yè)興起。19世紀(jì)中葉到20世紀(jì)初，遺傳學(xué)三大定律的創(chuàng)立，奠定了雜交育種技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，其后隨著矮稈、耐肥、抗倒伏和高產(chǎn)作物新品種的培育與應(yīng)用，引發(fā)了全球第一次農(nóng)業(yè)綠色革命[1-3]。20世紀(jì)中后期到21世紀(jì)初，生命科學(xué)與生物技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)育種由“耗時(shí)低效的傳統(tǒng)育種”向“高效精準(zhǔn)的分子育種”的革命性轉(zhuǎn)變（圖1）[4-6]。

圖1 世界農(nóng)業(yè)育種技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)Fig.1 The developing trend of agricultural breeding technology in the world

轉(zhuǎn)基因育種屬于第一代分子育種技術(shù)，誕生于20 世紀(jì)70 年代，以分子生物學(xué)理論為基礎(chǔ)，以重組DNA 技術(shù)為核心，將高產(chǎn)、抗逆、抗病蟲(chóng)、提高營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等功能基因轉(zhuǎn)入受體生物中，獲得穩(wěn)定遺傳的新性狀并培育新品種。轉(zhuǎn)基因技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用20 余年，被譽(yù)為人類(lèi)科技史上應(yīng)用速度最快的高新技術(shù)，同時(shí)也是當(dāng)今世界爭(zhēng)論最大的育種技術(shù)[7-8]。在人類(lèi)對(duì)農(nóng)業(yè)生物馴化和改良過(guò)程中，基因起著決定性的作用，基因功能變異決定了農(nóng)藝性狀演化。數(shù)千年農(nóng)業(yè)歷史，就是人類(lèi)篩選基因和改造基因的歷史。20 世紀(jì)興起的轉(zhuǎn)基因技術(shù)與傳統(tǒng)雜交方法在本質(zhì)上一脈相承，都是通過(guò)改變基因及其組成獲得優(yōu)良性狀。轉(zhuǎn)基因育種的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)跨物種的已知功能基因的定向高效轉(zhuǎn)移，能夠解決傳統(tǒng)雜交方法不能解決的重大育種問(wèn)題，是傳統(tǒng)育種方法的重要補(bǔ)充和創(chuàng)新發(fā)展。

生物育種是生物技術(shù)育種的簡(jiǎn)稱，屬于從轉(zhuǎn)基因育種3.0 版跨入智能設(shè)計(jì)育種4.0 版、集各種前沿技術(shù)大成的分子育種技術(shù)。20 世紀(jì)末到21世紀(jì)初，隨著組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)和計(jì)算生物學(xué)等前沿科學(xué)交叉融合，培育革命性和顛覆性重大品種的現(xiàn)代生物育種技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其中最具代表性的技術(shù)包括全基因組選擇、基因編輯和合成生物技術(shù)[6]。全基因組選擇技術(shù)顛覆了以往表型選擇測(cè)定的育種理念和技術(shù)路線，能夠在個(gè)體全基因水平上對(duì)其育種值進(jìn)行評(píng)估，大幅度提高育種效率[9-10]?；蚓庉嫾夹g(shù)為快速精準(zhǔn)改良動(dòng)植物重要性狀提供了強(qiáng)大的技術(shù)工具，培育出的一大批農(nóng)業(yè)新品種正逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[11-12]。合成生物技術(shù)作為改變世界的十大顛覆性技術(shù)之一，將開(kāi)創(chuàng)人工設(shè)計(jì)和從頭合成農(nóng)業(yè)生物品種的新紀(jì)元[13]。

轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)是20 世紀(jì)生命科技不斷進(jìn)步的產(chǎn)物，其產(chǎn)業(yè)化在激烈爭(zhēng)論中飛速發(fā)展，進(jìn)入21 世紀(jì)后，又被新興的生物育種技術(shù)所逐步涵蓋并迭代升級(jí)，這也是當(dāng)代農(nóng)業(yè)科技不斷交叉融合和創(chuàng)新發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)的由來(lái)

1.1 國(guó)際發(fā)展歷程

20世紀(jì)40年代，科學(xué)家開(kāi)啟了從認(rèn)識(shí)基因到改造和應(yīng)用基因的科技探索之旅。20 世紀(jì)初到中葉，生命科學(xué)一系列重大的理論突破，為基因轉(zhuǎn)化重組實(shí)現(xiàn)和轉(zhuǎn)基因育種應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1944 年，艾弗里等[14]通過(guò)肺炎雙球菌的體內(nèi)和體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，證明生命遺傳物質(zhì)是DNA 而非蛋白質(zhì)。1950 年，查加夫等[15]發(fā)現(xiàn)，不同生物DNA 中腺嘌呤(A)總是與胸腺嘧啶(T)含量一致，鳥(niǎo)嘌呤(G)總是與胞嘧啶(C)一致，為遺傳信息解碼和DNA 結(jié)構(gòu)解析奠定了重要生化基礎(chǔ)。1953年沃森和克里克[16]根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則和X-射線衍射數(shù)據(jù)，建立了DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，在分子水平上完美闡明了DNA 儲(chǔ)存遺傳信息規(guī)律和DNA 半保留復(fù)制機(jī)制，充分體現(xiàn)了基因復(fù)制的高度精確性及其變異的無(wú)窮多樣性，生命科學(xué)進(jìn)入了分子生物學(xué)時(shí)代。其后，三聯(lián)密碼子的破譯，證明所有生物擁有共同一致的遺傳信息傳遞基礎(chǔ)[17]；質(zhì)粒有自我復(fù)制能力的證明，為基因轉(zhuǎn)移提供了天然運(yùn)載工具；同時(shí)多種限制酶和DNA 連接酶等工具酶的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了DNA 體外切割、連接和重組[18]。1974 年，科恩等選用僅含單一EcoRⅠ酶切位點(diǎn)的載體質(zhì)粒pSC101，實(shí)現(xiàn)了非洲爪蟾核糖體蛋白質(zhì)基因的體外重組，并在大腸桿菌中復(fù)制和表達(dá)，標(biāo)志著以基因重組技術(shù)為代表的基因工程時(shí)代來(lái)臨[19]。

20世紀(jì)80年代初，基因重組技術(shù)在動(dòng)物細(xì)胞分化研究中應(yīng)用并取得了重要進(jìn)展，《自然》雜志發(fā)表相關(guān)綜述文章，首次提出轉(zhuǎn)基因生物（transgenic organism）一詞，并將其定義為一種采用DNA 重組技術(shù)獲得、攜帶外源DNA 的生物[20-21]。1982 年，采用顯微注射法培育出世界上首例表達(dá)人生長(zhǎng)激素、生長(zhǎng)迅速的轉(zhuǎn)基因小鼠[22]。轉(zhuǎn)基因植物的研究始于20世紀(jì)70年代,并在80年代初取得技術(shù)突破，如采用根瘤農(nóng)桿菌的Ti 質(zhì)粒，實(shí)現(xiàn)把外源DNA 整合進(jìn)植物細(xì)胞染色體中并穩(wěn)定遺傳[23-24]。1983 年，攜帶抵抗細(xì)菌抗生素卡拉霉素基因的轉(zhuǎn)基因煙草和矮牽牛花，即首例轉(zhuǎn)基因植物在美國(guó)誕生[25]。其后一個(gè)來(lái)自單子葉植物小麥的葉綠素a 結(jié)合蛋白（Cab）編碼基因被成功轉(zhuǎn)入雙子葉植物(煙草)中[26]。

轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)業(yè)化在20 世紀(jì)90 年代初拉開(kāi)序幕。1993 年，Cagene 公司研發(fā)的延熟保鮮轉(zhuǎn)基因番茄在美國(guó)獲準(zhǔn)上市；1994 年，Cagene 公司研發(fā)的耐苯腈類(lèi)除草劑轉(zhuǎn)基因棉花和孟山都公司研發(fā)的耐草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆在美國(guó)獲準(zhǔn)商業(yè)化種植許可；1995 年，先正達(dá)公司研發(fā)的抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因玉米和拜耳公司研發(fā)的耐除草劑轉(zhuǎn)基因玉米在美國(guó)獲準(zhǔn)商業(yè)化種植許可；1996 年，先正達(dá)公司研發(fā)的抗蟲(chóng)耐除草劑復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因玉米在美國(guó)獲準(zhǔn)商業(yè)化種植許可[6]。

1996 年被稱為轉(zhuǎn)基因作物大規(guī)模種植元年，美國(guó)是當(dāng)時(shí)全球唯一種植轉(zhuǎn)基因作物的國(guó)家，種植面積為170 萬(wàn)hm2。自1983 年第一例轉(zhuǎn)基因植物問(wèn)世至1996 年轉(zhuǎn)基因作物大面積推廣僅僅用了13年，其后23年轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物種植面積在激烈爭(zhēng)論中快速增長(zhǎng)。2019年，全球29個(gè)國(guó)家種植了1.904 億hm2的轉(zhuǎn)基因作物，比商業(yè)化之初的1996年增加約112 倍。此外另有42 個(gè)國(guó)家/地區(qū)進(jìn)口了用于養(yǎng)殖飼料和食品加工的轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品。1996—2018 年間，轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用為全球提供農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量6.576 億t，價(jià)值2 250 億美元，同時(shí)提升耕地生產(chǎn)力，節(jié)省1.83億hm2土地，減少全球8.6%的農(nóng)藥使用量和0.271 億t 二氧化碳排放量，為應(yīng)對(duì)全球性的氣候變化、環(huán)境污染和資源短缺，保障全球食品、飼料和纖維的供應(yīng)做出巨大貢獻(xiàn)[27]。

目前，國(guó)內(nèi)外大規(guī)模商業(yè)化種植的轉(zhuǎn)基因作物主要是第一代轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品，涉及耐除草劑、抗蟲(chóng)、抗病毒和抗旱等目標(biāo)性狀。同時(shí)，為了滿足種植、生產(chǎn)、加工或消費(fèi)的多樣化需求，正在研發(fā)的轉(zhuǎn)基因作物的目標(biāo)性狀不斷擴(kuò)展，包括耐除草劑性狀如耐草丁膦和耐麥草畏等，抗病性狀有抗晚疫病和抗黃瓜花葉病等，抗蟲(chóng)性狀如抗馬鈴薯甲蟲(chóng)和抗水稻褐飛虱等，抗逆性狀有耐鹽堿和養(yǎng)分高效利用等；品質(zhì)改良性狀如高賴氨酸、高不飽和脂肪酸、延熟耐貯和防褐變等。近年來(lái)，利用基因沉默技術(shù)培育的直接食用轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化加速，防褐變和抗晚疫病轉(zhuǎn)基因馬鈴薯、防褐變轉(zhuǎn)基因蘋(píng)果、番茄紅素轉(zhuǎn)基因菠蘿以及快速生長(zhǎng)轉(zhuǎn)基因三文魚(yú)相繼在美國(guó)批準(zhǔn)上市，農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用從最初非食用的棉花和飼料用作物，拓展到直接食用的糧食作物、水果和養(yǎng)殖動(dòng)物[6]。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程

自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，我國(guó)設(shè)立了高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(簡(jiǎn)稱863 計(jì)劃)和科技攻關(guān)計(jì)劃等國(guó)家重大研發(fā)計(jì)劃，對(duì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)研發(fā)給予了大力支持，使我國(guó)轉(zhuǎn)基因研發(fā)及其育種應(yīng)用取得了巨大成就[28-29]。我國(guó)轉(zhuǎn)基因技術(shù)研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化經(jīng)歷了以下兩個(gè)發(fā)展階段。

第一個(gè)階段從1986 年我國(guó)啟動(dòng)了國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，到2008 年我國(guó)啟動(dòng)了國(guó)家轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專(zhuān)項(xiàng)。

為應(yīng)對(duì)世界高技術(shù)蓬勃發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，從跟蹤世界科技前沿和國(guó)家戰(zhàn)略需求出發(fā)，1986年我國(guó)啟動(dòng)了863計(jì)劃，在生物技術(shù)領(lǐng)域設(shè)立“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗逆動(dòng)植物新品種”主題，重點(diǎn)支持水稻基因圖譜、兩系法雜交水稻和轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物研發(fā)。1999 年，我國(guó)首次啟動(dòng)了以轉(zhuǎn)基因研究為主的“國(guó)家轉(zhuǎn)基因植物研究與產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項(xiàng)”，重點(diǎn)支持水稻、玉米、棉花、大豆等主要農(nóng)作物和園藝植物的轉(zhuǎn)基因研究與產(chǎn)業(yè)化。這一時(shí)期，我國(guó)研究的轉(zhuǎn)基因植物達(dá)數(shù)十種，其中5種獲得商業(yè)化生產(chǎn)許可，包括抗蟲(chóng)棉花、改變花色的矮牽牛、抗病毒番茄、耐儲(chǔ)存番茄和抗病毒甜椒等。尤其是在抗蟲(chóng)棉研究方面，成功研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Bt 抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因棉花，使我國(guó)成為世界上第二個(gè)擁有抗蟲(chóng)棉研究開(kāi)發(fā)整套技術(shù)的國(guó)家。

進(jìn)入21 世紀(jì)后，發(fā)展轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)成為我國(guó)增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力、把握未來(lái)發(fā)展主動(dòng)權(quán)的基本國(guó)策。在國(guó)家863 計(jì)劃和轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ?xiàng)的支持下，我國(guó)在基因克隆、基因轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)基因新品種培育等方面取得重要進(jìn)展。截至2006 年8 月31 日，我國(guó)共批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因生物中間試驗(yàn)495 項(xiàng)，環(huán)境釋放237 項(xiàng)，生產(chǎn)性試驗(yàn)194 項(xiàng)，發(fā)放安全證書(shū)475項(xiàng)。2006 年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》，把轉(zhuǎn)基因生物新品種培育列為16 個(gè)國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)之一。2008 年，轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專(zhuān)項(xiàng)正式啟動(dòng)，以培育一批抗病蟲(chóng)、抗逆、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物新品種、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化為主要目標(biāo)。

這一時(shí)期，我國(guó)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉、抗蟲(chóng)水稻的研發(fā)處于世界領(lǐng)先水平，轉(zhuǎn)基因高賴氨酸玉米、抗蟲(chóng)玉米、抗穗發(fā)芽小麥、抗病毒小麥等轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)業(yè)化蓄勢(shì)待發(fā)。培育出轉(zhuǎn)基因棉花新品種55 個(gè)，轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)楊樹(shù)新品種3 個(gè)，各類(lèi)具有優(yōu)異性狀的水稻、玉米、小麥、棉花、油菜、大豆等轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物新品系415 個(gè)；獲得了轉(zhuǎn)生長(zhǎng)激素和類(lèi)胰島素生長(zhǎng)因子的瘦肉型轉(zhuǎn)基因豬，乳腺中表達(dá)人凝血因子Ⅳ的轉(zhuǎn)基因羊，表達(dá)人血清蛋白的轉(zhuǎn)基因奶牛以及攜帶雞法氏囊免疫基因的轉(zhuǎn)基因綿羊等。2008 年，我國(guó)轉(zhuǎn)基因作物種植面積達(dá)380 萬(wàn)hm2，位居世界第六位。國(guó)產(chǎn)抗蟲(chóng)棉種植面積已達(dá)近200萬(wàn)hm2，占全國(guó)棉花種植面積的70%[7]。

第二個(gè)階段從2009 年我國(guó)批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)水稻和飼用轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米安全證書(shū)，到2020年批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)耐除草劑玉米和耐除草劑大豆安全證書(shū)。

縱觀世界科技發(fā)展史，新的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破往往會(huì)伴隨激烈的爭(zhēng)論，但從沒(méi)有因爭(zhēng)論而止步，而是在爭(zhēng)論中不斷完善，最后服務(wù)社會(huì)，造福人類(lèi)，轉(zhuǎn)基因技術(shù)在中國(guó)也不例外。“轉(zhuǎn)基因”一詞在20 世紀(jì)80 年代初已出現(xiàn)在中文期刊上，其英文“transgene”的諧音為“創(chuàng)世紀(jì)”，在20世紀(jì)90 年代成為高科技的代名詞而一度被神化。1999 年我國(guó)首次啟動(dòng)了以轉(zhuǎn)基因研究為主的國(guó)家轉(zhuǎn)基因植物研究與產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項(xiàng)，當(dāng)時(shí)全社會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)毫無(wú)爭(zhēng)議并寄予厚望。但2008 年我國(guó)啟動(dòng)國(guó)家轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專(zhuān)項(xiàng)時(shí)，“轉(zhuǎn)基因”一詞已逐漸被妖魔化，其中一個(gè)重要原因是“轉(zhuǎn)基因”被誤導(dǎo)為食用轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品后人體可能被轉(zhuǎn)基因甚至斷子絕孫，引起國(guó)內(nèi)公眾的巨大恐慌。2009 年，農(nóng)業(yè)部頒發(fā)抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因水稻和飼用轉(zhuǎn)基因玉米的安全證書(shū)，引發(fā)了全社會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)基因安全的空前關(guān)注，“挺轉(zhuǎn)”和“反轉(zhuǎn)”兩方在轉(zhuǎn)基因食用安全、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、政策法規(guī)和生物倫理等方方面面展開(kāi)激烈論戰(zhàn)[30-31]。

盡管面臨巨大爭(zhēng)議，我國(guó)轉(zhuǎn)基因重大專(zhuān)項(xiàng)仍然順利實(shí)施并取得顯著成效，帶動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)了總體跨越，在重要農(nóng)藝性狀基因鑒定、克隆，以及植物基因組學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科方面取得了突破性進(jìn)展，水稻轉(zhuǎn)基因育種等領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先水平。我國(guó)已成為繼美國(guó)之后第二個(gè)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品研發(fā)大國(guó)。轉(zhuǎn)基因品種研發(fā)由專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施之初的少數(shù)農(nóng)產(chǎn)品擴(kuò)展到糧食和重要畜產(chǎn)品，一批自主克隆的重要性狀基因開(kāi)始應(yīng)用于育種，轉(zhuǎn)基因品種遺傳轉(zhuǎn)化效率達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，建立了完備的轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)產(chǎn)業(yè)化體系和生物安全技術(shù)保障體系；國(guó)產(chǎn)抗蟲(chóng)棉在印度、巴基斯坦等國(guó)大面積推廣種植，抗蟲(chóng)水稻在美國(guó)獲準(zhǔn)上市，耐除草劑大豆在阿根廷獲準(zhǔn)種植；優(yōu)質(zhì)功能稻、抗旱節(jié)水小麥、抗旱玉米、抗蟲(chóng)大豆、耐鹽堿棉花、抗藍(lán)耳病豬等產(chǎn)品研發(fā)取得重要進(jìn)展；育成新型抗蟲(chóng)棉188 個(gè)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額占99%以上，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益500 億元。特別是2019—2020 年，我國(guó)自主研發(fā)的3 個(gè)轉(zhuǎn)基因玉米和2 個(gè)轉(zhuǎn)基因大豆獲得生產(chǎn)應(yīng)用安全證書(shū)[6,32-34]。

轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)是20 世紀(jì)生命科技不斷進(jìn)步的產(chǎn)物，其產(chǎn)業(yè)化在激烈爭(zhēng)論中飛速發(fā)展。在新的歷史時(shí)期，我國(guó)加強(qiáng)生物育種技術(shù)研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化，是當(dāng)代科技不斷交叉融合和不斷創(chuàng)新發(fā)展的必然趨勢(shì)，也必將為我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)大的科技支撐。

2 生物育種技術(shù)的興起

2.1 發(fā)展歷程

如前所述，生物育種屬于從轉(zhuǎn)基因育種3.0版跨入精準(zhǔn)智能育種4.0 版的新一代分子育種技術(shù)。21 世紀(jì)初，由于結(jié)構(gòu)解析、定向突變、計(jì)算機(jī)模擬等技術(shù)的不斷突破，使分子水平上對(duì)生命及其大分子的人工設(shè)計(jì)和改造成為可能，農(nóng)業(yè)生物育種進(jìn)入分子育種的新階段。

“分子育種”一詞首先出現(xiàn)在蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)研究文獻(xiàn)中，主要針對(duì)自然界中存在的許多物種來(lái)源不同、基因序列有所差異但功能相似的基因家族，采用DNA洗牌（DNA shuffling）等體外定向分子進(jìn)化技術(shù)，合成具有新結(jié)構(gòu)和新功能的人工融合蛋白，譬如2001年Mepherson 等采用分子育種技術(shù)，獲得一系列豇豆胰蛋白酶抑制劑（CpTI)）基因突變體，其蛋白產(chǎn)物具有線蟲(chóng)廣譜抗性[35-36]。其后，隨著高精度遺傳作圖、高分辨率染色體單倍型和高通量表型分析等方法不斷完善，一種利用分子標(biāo)記與決定目標(biāo)性狀基因緊密連鎖特點(diǎn)、快速準(zhǔn)確選擇目標(biāo)性狀的育種新技術(shù)，即分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)誕生[37]。組學(xué)和基因芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，讓作物育種技術(shù)進(jìn)入基于組學(xué)的分子育種新時(shí)代[4,38-39]。我國(guó)科學(xué)家相繼提出將品種資源、基因組和分子育種技術(shù)緊密結(jié)合的“綠色超級(jí)稻”計(jì)劃和利用智能不育雜交育種技術(shù)實(shí)現(xiàn)隱性雄性核不育材料在雜交水稻中應(yīng)用的新策略，并獲得國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目支持[40-42]。

這一時(shí)期，各種新興的生物技術(shù)迅猛發(fā)展并廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)育種，同時(shí)面對(duì)當(dāng)時(shí)歐盟等國(guó)現(xiàn)行的轉(zhuǎn)基因作物管理法規(guī)，科學(xué)界出現(xiàn)了各種質(zhì)疑，認(rèn)為歐盟在所定義的轉(zhuǎn)基因作物與所謂非轉(zhuǎn)基因的新生物技術(shù)作物方面存在缺陷與矛盾，因?yàn)槎呔鶖y帶非自然發(fā)生的遺傳變異[43]。由于當(dāng)時(shí)已有的轉(zhuǎn)基因安全管理法規(guī)并不完全適用于生物育種新技術(shù)，特別是面對(duì)生物技術(shù)作物新品種的不斷涌現(xiàn)，由此帶來(lái)的各種問(wèn)題受到科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。2007 年，《自然》系列雜志發(fā)文，針對(duì)當(dāng)時(shí)生物育種及生物技術(shù)作物商業(yè)化及其管理法規(guī)現(xiàn)狀，通過(guò)分析新型生物技術(shù)農(nóng)作物的注冊(cè)審批業(yè)務(wù)成本，得出結(jié)論：現(xiàn)行轉(zhuǎn)基因管理法規(guī)對(duì)于生物育種和生物技術(shù)作物商業(yè)化而言，審批時(shí)間緩慢、研發(fā)成本昂貴，已成為生物育種發(fā)展的最主要障礙[44-45]。

鑒于上述背景，“生物技術(shù)育種”（簡(jiǎn)稱生物育種）這樣一個(gè)涵蓋了“轉(zhuǎn)基因”，同時(shí)技術(shù)內(nèi)涵更為科學(xué)的概念在國(guó)際上被逐步接受。2008 年，一篇綜述文章在總結(jié)植物生物技術(shù)發(fā)展25 年歷史時(shí)特別強(qiáng)調(diào)：分子育種正在成為植物改良和生物技術(shù)（轉(zhuǎn)基因）作物育種的重要而有效的工具[1]。2010 年，國(guó)際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)組織(International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications,ISAAA)主席詹姆士博士發(fā)表綜述文章指出，國(guó)際上轉(zhuǎn)基因育種逐步被歸類(lèi)到現(xiàn)代生物育種的范疇[46]。2012 年，由巴斯夫、先正達(dá)、拜耳、先鋒、杜邦等種業(yè)跨國(guó)公司聯(lián)合發(fā)文，總結(jié)了農(nóng)業(yè)生物育種從發(fā)現(xiàn)到產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)流程和安全評(píng)價(jià)過(guò)程，認(rèn)為生物技術(shù)作物可以減少農(nóng)藥使用、水土流失、霉菌毒素污染和化石能源消耗，增加生物多樣性，同時(shí)指出利用生物技術(shù)研發(fā)的作物品種是人類(lèi)科技史上研究最為透徹的食物，與傳統(tǒng)作物一樣安全[47]。這一時(shí)期，美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家從商業(yè)化角度出發(fā)，為避免無(wú)謂的轉(zhuǎn)基因爭(zhēng)議，在農(nóng)業(yè)育種領(lǐng)域已逐步采用生物育種概念替代轉(zhuǎn)基因育種，采用生物技術(shù)作物替代轉(zhuǎn)基因作物。

進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，為緩解全球氣候變暖趨勢(shì)，應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)峻的環(huán)境污染和資源短缺等全球性問(wèn)題，綠色低碳已成為未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的潮流。農(nóng)業(yè)是重要的溫室氣體排放源，同時(shí)具有巨大的碳匯潛力[48]。生物育種技術(shù)作為農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域中最具引領(lǐng)性和顛覆性的戰(zhàn)略高技術(shù)，可以通過(guò)創(chuàng)制高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效新品種和開(kāi)發(fā)節(jié)能減排安全新工藝，培育細(xì)胞農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)等新業(yè)態(tài)和新動(dòng)能，為世界農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供不可替代的科技支撐（表1）[49-50]。

表1 有助于碳減排和碳增匯的生物育種技術(shù)及其產(chǎn)品Table 1 Biological breeding techniques and their products for carbon emission reduction and carbon sink increase

2.2 發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，新興學(xué)科高度交叉，前沿技術(shù)深度融合，重大理論與技術(shù)創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，生物育種的技術(shù)內(nèi)涵不斷擴(kuò)展，其關(guān)鍵核心技術(shù)如全基因組選擇、基因編輯和合成生物等前沿新興技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，正在孕育和催生新一輪農(nóng)業(yè)科技與新興產(chǎn)業(yè)革命[51-52]。2020 年，《自然-通訊》雜志發(fā)文，把人造肉漢堡、高效固氮工程菌肥和基因編輯高油酸大豆列為正在改變世界并已面向市場(chǎng)的高科技產(chǎn)品[53]。

2.2.1 全基因組選擇育種技術(shù)應(yīng)用廣泛 全基因組選擇育種技術(shù)通過(guò)計(jì)算生物學(xué)模型預(yù)測(cè)和高通量基因型分析，在全基因組水平上聚合優(yōu)良基因型，改良重要農(nóng)藝性狀。與傳統(tǒng)分子標(biāo)記輔助選擇相比，全基因組選擇育種技術(shù)有兩大優(yōu)勢(shì)，一是基因組定位的雙親群體可以直接應(yīng)用于育種；二是更適合于改良由效應(yīng)較小的多基因控制的數(shù)量性狀。特別是隨著高通量測(cè)序、組學(xué)大數(shù)據(jù)和基因芯片技術(shù)的突飛猛進(jìn)，全基因組選擇育種技術(shù)越來(lái)越多地被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生物品種育種實(shí)踐中。目前，全基因組選擇技術(shù)已經(jīng)給動(dòng)植物育種帶來(lái)了革命性的變化，使動(dòng)植物育種效率大幅提高，成為國(guó)際動(dòng)植物育種領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和跨國(guó)公司競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)[9-10]。

2001 年，繆維森等[54]首次提出基因組選擇的概念，預(yù)見(jiàn)在整個(gè)基因組中海量遺傳標(biāo)記可用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)個(gè)體的遺傳優(yōu)勢(shì)。2009 年，美國(guó)和加拿大率先向全球發(fā)布了奶?；蚪M選擇成果。截至2017 年，美國(guó)采用基因組芯片，對(duì)主要奶牛品種累計(jì)檢測(cè)200 萬(wàn)頭。從2010 年起，英國(guó)PIC 豬育種公司每年育種群芯片檢測(cè)已達(dá)10 萬(wàn)頭。目前，全球主要發(fā)達(dá)國(guó)家都已實(shí)現(xiàn)了奶牛、肉牛、豬、羊、雞等的全基因組選擇，選擇進(jìn)程大大加快，選育成本也大幅減少。在作物育種領(lǐng)域，國(guó)際研究機(jī)構(gòu)和跨國(guó)公司率先開(kāi)展了玉米、小麥等作物的全基因組選擇研究，形成了針對(duì)于特定育種資源的全基因組選擇數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)模型和育種方案，譬如結(jié)合高效表型技術(shù)和作物生長(zhǎng)模型對(duì)玉米雜交種進(jìn)行工業(yè)級(jí)的評(píng)估結(jié)果表明，利用全基因組選擇技術(shù)選育出的玉米品種能夠顯著提升玉米品種在缺水條件下的穩(wěn)產(chǎn)特性。

我國(guó)已經(jīng)初步建立了奶牛、玉米、小麥等動(dòng)植物全基因組選擇技術(shù)體系，譬如系統(tǒng)研究了奶?；蚪M選擇理論和方法，建立了中國(guó)荷斯坦?；蚪M選擇技術(shù)體系，并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，使我國(guó)奶牛育種技術(shù)躋身于國(guó)際先進(jìn)行列。我國(guó)先后設(shè)計(jì)出“中芯一號(hào)豬育種芯片”“鳳芯一號(hào)蛋雞芯片”“京芯一號(hào)肉雞芯片”，有望打破跨國(guó)公司對(duì)該行業(yè)的壟斷。國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“七大農(nóng)作物育種”項(xiàng)目對(duì)17 000 多份重要種質(zhì)材料進(jìn)行了全基因組水平的基因型鑒定，獲得了海量基因型數(shù)據(jù)。初步建立了以育種芯片為核心的水稻全基因組選擇育種技術(shù)體系，包括利用高通量SSR 標(biāo)記技術(shù)鑒定篩選目標(biāo)基因、利用Open Array 芯片技術(shù)鑒定篩選染色體區(qū)段單倍型、利用全基因組育種芯片技術(shù)鑒定篩選遺傳背景等[33]。

2.2.2 基因編輯育種技術(shù)日新月異 基因編輯技術(shù)特別是CRISPR/Cas9 介導(dǎo)的基因組編輯系統(tǒng)，以其定向精確、簡(jiǎn)易高效和多樣化等特點(diǎn)，成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域最為有效的育種工具，近年來(lái)其發(fā)展日新月異并不斷升級(jí)換代[11-12,55-56]?；贑RISPR-Cas系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的單堿基編輯技術(shù)(base editing) 是快速、高效且精準(zhǔn)的新一代基因編輯技術(shù)，利用胞嘧啶脫氨酶或人工進(jìn)化的腺嘌呤脫氨酶對(duì)靶位點(diǎn)上一定范圍的胞嘧啶(C)或腺嘌呤(A)進(jìn)行脫氨基反應(yīng)，實(shí)現(xiàn) C-T 或 A-G 的精準(zhǔn)替換[57-58]。2020 年，我國(guó)科學(xué)家利用胞嘧啶和腺嘌呤雙堿基編輯器對(duì)水稻基因進(jìn)行定向或隨機(jī)誘變，C＞T 單堿基誘變效率高達(dá)61.61%，C＞T 和A＞G 雙堿基誘變效率也高達(dá)15.10%[59]。近幾年開(kāi)發(fā)的另一種全新的引導(dǎo)編輯系統(tǒng)，無(wú)需依賴DNA 模板便可實(shí)現(xiàn)任意類(lèi)型的堿基替換、小片段的精準(zhǔn)插入與刪除，并在水稻和小麥上成功應(yīng)用[60-63]。此外，將CRISPR-dCas9系統(tǒng)融合到目標(biāo)修飾酶中，可以產(chǎn)生一套完整的植物表觀遺傳編輯工具[64]。2021 年，一種名為CRISPRoff 的升級(jí)版表觀遺傳編輯系統(tǒng)被報(bào)道可以在不改變DNA 序列的情況下，以高特異性甲基化導(dǎo)致目標(biāo)基因沉默，可用于作物育種和植物保護(hù)[65]。

雙單倍體技術(shù)在加速作物育種進(jìn)程上具有極大的應(yīng)用價(jià)值。2020 年，先正達(dá)公司在小麥中通過(guò)篩選基因編輯著絲粒特異組蛋白CENH3 基因的TaCENH3α-雜種等位基因組合，鑒定出在商業(yè)上可操作、單倍體誘導(dǎo)率約為7%的父系單倍體誘導(dǎo)系，可大大減少三系小麥雜交制種成本[66]。我國(guó)科學(xué)家采用基于單倍體誘導(dǎo)介導(dǎo)的基因組編輯策略，對(duì)玉米骨干自交系B73中的ZmLG1（控制葉夾角）和UB2（控制雄穗分枝數(shù)）兩個(gè)基因進(jìn)行成功編輯，獲得這兩個(gè)位點(diǎn)改造成功的單倍體，并通過(guò)自然染色體加倍，獲得編輯成功的雙單倍體[67]。結(jié)合高質(zhì)量基因組和泛基因組海量數(shù)據(jù)，采用基因組編輯技術(shù)對(duì)野生種進(jìn)行從頭馴化，是一個(gè)非常有前景的育種策略。2018 年，高彩霞等[68]選擇4 種野生番茄，利用基因編輯技術(shù)，根據(jù)人們的需求，重新“馴化”出了一種同時(shí)具有天然抗性（野性）和高、優(yōu)質(zhì)的新型番茄。2021 年，李家洋等[69]在篩選異源四倍體野生稻資源基礎(chǔ)上，建立了野生稻快速?gòu)念^馴化技術(shù)體系，包括高質(zhì)量參考基因組的繪制和基因功能注釋、高效遺傳轉(zhuǎn)化體系和高效基因組編輯技術(shù)體系，成功創(chuàng)制了落粒性降低、芒長(zhǎng)變短、株高降低、粒長(zhǎng)變長(zhǎng)、莖稈變粗、抽穗時(shí)間不同程度縮短的各種基因編輯材料，為未來(lái)四倍體水稻新品種培育提供了一種新的可行策略。

基因編輯技術(shù)已廣泛應(yīng)用于主要農(nóng)作物、農(nóng)業(yè)動(dòng)物以及林木種質(zhì)資源創(chuàng)制與性狀改良。目前，已獲得抗旱玉米、抗病小麥和水稻、油分品質(zhì)改良的大豆、存儲(chǔ)質(zhì)量改良的馬鈴薯、抗腹瀉豬、抗藍(lán)耳病豬、雙肌臀豬牛羊、基因編輯無(wú)角牛等基因編輯動(dòng)植物。2016 年，美國(guó)農(nóng)業(yè)部宣布利用基因組編輯技術(shù)研發(fā)出的具有抗褐變能力的雙孢菇品種可以直接用于種植和銷(xiāo)售，成為全球第一例獲得監(jiān)管豁免的商品化基因編輯品種。2020 年，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)Revivicor 醫(yī)療公司研發(fā)的基因編輯豬用于生產(chǎn)食品和器官移植。2021 年，日本厚生勞動(dòng)省批準(zhǔn)由日本筑波大學(xué)和企業(yè)共同研發(fā)的基因編輯西紅柿銷(xiāo)售申請(qǐng)，其所含γ-氨基丁酸含量比天然品種高4～5倍?；蚓庉嫾夹g(shù)已經(jīng)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿ΓA(yù)計(jì)3～5 年內(nèi)會(huì)有一大批基因編輯品種逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。我國(guó)在農(nóng)業(yè)生物基因編輯應(yīng)用研究領(lǐng)域已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，先后培育出了抗除草劑基因編輯水稻、小麥、油菜，具有抗褐飛虱、抗螟蟲(chóng)、耐鎘富集或耐干旱等特殊性能的基因編輯水稻等一批優(yōu)良新材料和新品種，率先獲得抗結(jié)核病牛、β 乳球蛋白基因敲除牛、抗布病羊、藍(lán)耳病和流行性胃腸炎雙抗豬新品種，大多數(shù)均屬于國(guó)際首創(chuàng)，具備良好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)[6,33,55-56]。

2.2.3 合成生物育種技術(shù)引領(lǐng)未來(lái) 合成生物技術(shù)采用工程學(xué)的模塊化概念和系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，改造和優(yōu)化現(xiàn)有自然生物體系，或者從頭合成具有預(yù)定功能的全新人工生物體系，不斷突破生命的自然遺傳法則，標(biāo)志著現(xiàn)代生命科學(xué)已從認(rèn)識(shí)生命進(jìn)入設(shè)計(jì)和改造生命的新階段[70]。合成生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，為光合作用（高光效固碳）、生物固氮（節(jié)肥增效）、生物抗逆（節(jié)水耐旱）、生物轉(zhuǎn)化（生物質(zhì)資源化）和未來(lái)合成食品（人造肉奶）等世界性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難題提供了革命性解決方案[13,71-72]。

目前，利用合成生物技術(shù)提高作物光合效率的策略主要包括提高Rubisco酶活性、引入碳濃縮機(jī)制和減少碳損耗,以及提高光能利用效率等，以C4光合途徑導(dǎo)入C3水稻為例，理論上C4水稻光合效率和產(chǎn)量能夠提高50%，同時(shí)水和氮利用效率顯著增強(qiáng)[73-76]。2017 年，比爾蓋茨基金會(huì)、美國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)研究基金會(huì)和英國(guó)政府國(guó)際發(fā)展部聯(lián)合資助實(shí)現(xiàn)提高光合效率項(xiàng)目（Realizing Increased Photosynthetic Efficiency,https://ripe.illinois.edu/），旨在全方位提高光合效率，大幅提高主要糧食作物產(chǎn)量。目前,超過(guò)80%的農(nóng)業(yè)用地種植的是缺乏CO2濃縮機(jī)制的C3植物，在C3植物中引入CO2濃縮機(jī)制,有望提高光合固碳效率。譬如向水稻中引入5 個(gè)外源酶,在水稻中構(gòu)建了新的生化合成途徑，使得CO2以C4途徑的方式被富集[77]；或在植物葉綠體中引入藻類(lèi)或藍(lán)細(xì)菌中的碳濃縮機(jī)制，抑制Rubisco 加氧酶活性，提高光合固碳效率[78]。2019 年，美國(guó)科學(xué)家人工設(shè)計(jì)出3 條額外的光呼吸替代路徑，大大縮短了光呼吸原本迂回復(fù)雜的反應(yīng)路徑，培育的高光效煙草生長(zhǎng)更快、更高、莖部更粗大，生物量比對(duì)照植株增加40%[79]。

國(guó)際上，高效人工固氮體系的設(shè)計(jì)思路包括：①改造根際固氮微生物及其宿主植物底盤(pán)，構(gòu)建人工高效抗逆固氮體系；②擴(kuò)大根瘤菌的寄主范圍，構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮體系；③人工設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)固氮裝置，創(chuàng)建作物自主固氮體系[80-82]。英國(guó)科學(xué)家借助菌根共生體系的部分信號(hào)通路并將其引入非豆科植物體,人工構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮體系,實(shí)現(xiàn)非豆科植物自主固氮[83]。此外，通過(guò)定位突變銨同化、銨轉(zhuǎn)運(yùn)或固氮負(fù)調(diào)節(jié)基因或通過(guò)人工設(shè)計(jì)固氮激活蛋白NifA 功能模塊和人工小RNA 模塊，構(gòu)建耐銨泌銨固氮工程菌[84-85]。我國(guó)科學(xué)家首次在聯(lián)合固氮菌中鑒定了直接參與固氮基因表達(dá)調(diào)控的非編碼RNA，首次解析了光依賴型原葉綠素酸酯氧化還原酶LPOR（類(lèi)固氮酶）的結(jié)構(gòu)及催化機(jī)制，為生物固氮智能調(diào)控和新型固氮酶合成設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[86-87]；通過(guò)人工設(shè)計(jì)超簡(jiǎn)固氮基因組或重構(gòu)植物靶細(xì)胞器電子傳遞鏈模塊，證明植物源電子傳遞鏈模塊與人工固氮系統(tǒng)功能適配，向構(gòu)建自主固氮植物，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)肥增產(chǎn)增效的目標(biāo)邁出里程碑意義的一步[88-89]。

利用合成生物技術(shù)等顛覆性創(chuàng)新技術(shù)手段，構(gòu)建具有特定合成能力的細(xì)胞工廠，生產(chǎn)人類(lèi)所需的淀粉、蛋白質(zhì)、油脂、糖、奶、肉等各類(lèi)農(nóng)產(chǎn)品，近年來(lái)已取得重要進(jìn)展。人造肉、人造奶的生物合成工藝具備顯著的低碳環(huán)保優(yōu)勢(shì)，其生產(chǎn)過(guò)程無(wú)需養(yǎng)殖動(dòng)物，可以有效節(jié)約資源與能源，譬如能夠減少98%的用水量、91%的土地需求、84%溫室氣體排放和節(jié)約65%的能源，是一種顛覆傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)的未來(lái)食品生產(chǎn)新模式，將引領(lǐng)未來(lái)食品產(chǎn)業(yè)和細(xì)胞農(nóng)業(yè)發(fā)展方向[90-91]。美國(guó)Perfect Day、Beyond Meat和Impossible Food等科技初創(chuàng)公司已開(kāi)啟人造肉、人造奶等產(chǎn)品的車(chē)間量產(chǎn)模式，所研發(fā)的人造肉三明治和人造奶冰淇淋等合成食品已上市銷(xiāo)售。根據(jù)2021 年波士頓咨詢公司等聯(lián)合發(fā)布的研究報(bào)告，由于動(dòng)物蛋白資源短缺和生物技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)，未來(lái)十五年內(nèi)動(dòng)植物或微生物的替代蛋白產(chǎn)品將占據(jù)全球22%的食用蛋白市場(chǎng)份額，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到2 900 億美元，預(yù)示著以人造肉奶為代表的未來(lái)食品將逐步占據(jù)餐桌，引發(fā)更加激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)[53,92]。

3 產(chǎn)業(yè)化對(duì)策

當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革突飛猛進(jìn)，科學(xué)研究范式正在發(fā)生深刻變革，學(xué)科交叉融合不斷發(fā)展，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革重塑全球經(jīng)濟(jì)格局，國(guó)際力量對(duì)比深刻調(diào)整，新冠肺炎疫情影響廣泛深遠(yuǎn)，國(guó)際環(huán)境日趨復(fù)雜。當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期，我國(guó)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展處于重要戰(zhàn)略機(jī)遇期，同時(shí)為應(yīng)對(duì)全球氣候變化、人口增長(zhǎng)、環(huán)境污染和資源匱乏等問(wèn)題以及確保碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，所面臨的挑戰(zhàn)將更加嚴(yán)峻。

我國(guó)新制定的“十四五”規(guī)劃將生物育種列入需要強(qiáng)化國(guó)家戰(zhàn)略科技力量的八大前沿領(lǐng)域，2020 年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議明確提出“尊重科學(xué)、嚴(yán)格監(jiān)管，有序推進(jìn)生物育種產(chǎn)業(yè)化”，同時(shí)指出“要開(kāi)展種源卡脖子技術(shù)攻關(guān)，立志打一場(chǎng)種業(yè)翻身仗”，表明我國(guó)農(nóng)業(yè)生物育種技術(shù)研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已進(jìn)入自立自強(qiáng)、跨越發(fā)展的新階段。但另一方面，我國(guó)生物育種研發(fā)面臨一系列制約因素，在政策層面包括法律法規(guī)不完善、產(chǎn)業(yè)化政策不配套和體制機(jī)制不適應(yīng)等；在技術(shù)層面包括原始創(chuàng)新薄弱、關(guān)鍵技術(shù)缺乏和創(chuàng)新鏈條脫節(jié)等；在產(chǎn)業(yè)化環(huán)境方面存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)乏力、科學(xué)普及有待加強(qiáng)和生物倫理管理缺位等。只有克服上述制約因素，才能加快我國(guó)生物育種技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，增強(qiáng)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)科技自立自強(qiáng)，保障國(guó)家糧食安全、生態(tài)安全與國(guó)民營(yíng)養(yǎng)健康（圖2）。

圖2 我國(guó)農(nóng)業(yè)生物育種技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展策略Fig.2 Technological innovation and industrialization development strategy of agricultural biological breeding in China

3.1 確立國(guó)家生物育種優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略

生物育種是農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域中最具引領(lǐng)性和顛覆性的戰(zhàn)略高新技術(shù)，世界各國(guó)均將其作為國(guó)家優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略給予重點(diǎn)支持。美國(guó)2018 年出臺(tái)《美國(guó)創(chuàng)新戰(zhàn)略》，并發(fā)布“2030 年農(nóng)業(yè)研究科學(xué)突破預(yù)測(cè)”，將基因組學(xué)和生物育種列為未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要突破方向，并對(duì)其進(jìn)行了戰(zhàn)略部署；2020 年通過(guò)《無(wú)盡的前沿法案》，擬在未來(lái)5 年內(nèi)向包括生物技術(shù)、基因組學(xué)和合成生物學(xué)在內(nèi)的十大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域投資1 000 億美元。歐盟委員會(huì)2018 年頒布最新版本的生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略《歐洲可持續(xù)生物經(jīng)濟(jì)：加強(qiáng)生物與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境之間的聯(lián)系》；2021 年啟動(dòng)“地平線歐洲”第九個(gè)研究框架計(jì)劃，將農(nóng)業(yè)生物育種研發(fā)列為重要方向。世界新興國(guó)家如印度和巴西等，紛紛把生物育種等前沿技術(shù)創(chuàng)新列入國(guó)家科技優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略。近年來(lái)，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和國(guó)際跨國(guó)公司加快推進(jìn)生物育種基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新，以搶占未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主動(dòng)權(quán)和技術(shù)制高點(diǎn)，生物育種領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化。中國(guó)作為一個(gè)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國(guó)，為應(yīng)對(duì)全球生物技術(shù)迭代升級(jí)、生物種業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇以及實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰及碳中和目標(biāo)面臨的一系列嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，應(yīng)該充分發(fā)揮新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)，加快生物育種重大科技計(jì)劃實(shí)施和生物育種國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，打造我國(guó)農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略科技力量，在基礎(chǔ)理論創(chuàng)新、關(guān)鍵技術(shù)突破、重大產(chǎn)品創(chuàng)制、生物安全評(píng)價(jià)和條件能力建設(shè)等方面增強(qiáng)我國(guó)生物育種核心競(jìng)爭(zhēng)力，完善國(guó)家生物育種創(chuàng)新體系，推動(dòng)我國(guó)由生物育種產(chǎn)業(yè)大國(guó)向科技強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變。

3.2 加強(qiáng)原始創(chuàng)新與知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)

當(dāng)前，科技創(chuàng)新成為國(guó)際戰(zhàn)略博弈的主要戰(zhàn)場(chǎng)，圍繞科技制高點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)空前激烈。在世界范圍內(nèi)，美國(guó)、歐盟和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家極其重視科技領(lǐng)域的原始創(chuàng)新與知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，并通過(guò)專(zhuān)利保護(hù)的全球布局，確保其在科技競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)地位和全球經(jīng)濟(jì)中的壟斷地位。與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)生物育種基礎(chǔ)理論研究整體薄弱，新基因、新機(jī)制和新概念相關(guān)的原始創(chuàng)新缺乏，基因編輯和合成生物等顛覆性技術(shù)領(lǐng)域，關(guān)鍵基因、關(guān)鍵酶和關(guān)鍵元器件等相關(guān)原創(chuàng)技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)基本掌握在國(guó)外公司手里，我國(guó)生物育種產(chǎn)業(yè)化發(fā)展面臨極其嚴(yán)峻的功能基因知識(shí)產(chǎn)權(quán)制約與核心技術(shù)“卡脖子”問(wèn)題。另一方面，長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)淡薄，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)法律法規(guī)不健全，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不規(guī)范，不利于營(yíng)造良好的科技創(chuàng)新環(huán)境，是造成我國(guó)原始創(chuàng)新動(dòng)力不足、科技與產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)、創(chuàng)新鏈條產(chǎn)業(yè)鏈脫節(jié)的重要因素。現(xiàn)行的《中華人民共和國(guó)植物新品種保護(hù)條例》參照的是國(guó)際植物新品種保護(hù)公約1978 年文本，而非目前國(guó)際上通行的1991 年文本，審定新品種的標(biāo)準(zhǔn)偏低，新品種知識(shí)產(chǎn)權(quán)難以得到有效保護(hù)。建議盡快修訂我國(guó)植物新品種保護(hù)條例等相關(guān)法律法規(guī)，以基因和品種的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)為抓手，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與整體布局知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的全球化戰(zhàn)略，建立和完善知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)與轉(zhuǎn)化新機(jī)制，加快構(gòu)建龍頭企業(yè)牽頭、高校院所支撐、各創(chuàng)新主體相互協(xié)同的創(chuàng)新聯(lián)合體，確保關(guān)鍵共性技術(shù)自主可控，“中國(guó)碗裝中國(guó)糧”。

3.3 加快共性平臺(tái)和大科學(xué)裝置建設(shè)

重大共性技術(shù)平臺(tái)和大科學(xué)裝置是世界科技強(qiáng)國(guó)技術(shù)水平、創(chuàng)新能力和綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)，是彰顯世界大國(guó)形象與科技強(qiáng)國(guó)地位的重要標(biāo)志。隨著以基因編輯、合成生物等為核心的前沿農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的興起，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和國(guó)際跨國(guó)公司加強(qiáng)高通量、大型化、規(guī)?；?、自動(dòng)化的重大共性平臺(tái)和科學(xué)大裝置建設(shè)，譬如在生物育種領(lǐng)域相繼建立了專(zhuān)業(yè)化遺傳轉(zhuǎn)化體系，高通量表型組和人工智能決策等技術(shù)平臺(tái)，以確保其在全球生物產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中的領(lǐng)先地位。與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)生物育種重大科技平臺(tái)建設(shè)與發(fā)展水平仍然存在較大差距，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心關(guān)鍵技術(shù)缺乏、人工智能和大數(shù)據(jù)等前沿先進(jìn)技術(shù)相對(duì)落后。建議在生物育種戰(zhàn)略性、關(guān)鍵性領(lǐng)域前瞻部署一批具有國(guó)際一流水平、多學(xué)科交叉集成、提供服務(wù)支撐的科技平臺(tái)，建設(shè)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)人工智能和農(nóng)業(yè)細(xì)胞工廠等重要共性技術(shù)平臺(tái)以及農(nóng)業(yè)基因資源庫(kù)、農(nóng)業(yè)表型組和農(nóng)業(yè)風(fēng)洞等大科學(xué)裝置，為建設(shè)世界科技強(qiáng)國(guó)，保障國(guó)家糧食安全、生態(tài)安全和產(chǎn)業(yè)安全提供不可替代的科技平臺(tái)支撐。

3.4 完善我國(guó)生物育種管理法規(guī)體系

目前，我國(guó)已建立了一整套與國(guó)際接軌、科學(xué)規(guī)范的基因工程相關(guān)法律法規(guī)制度，無(wú)需針對(duì)生物育種技術(shù)及其產(chǎn)品管理建立新的法律法規(guī)體系。此外，針對(duì)基因編輯、合成生物和智能設(shè)計(jì)等前沿育種新技術(shù)，需要在現(xiàn)有管理?xiàng)l例基礎(chǔ)上，盡快制定和完善相關(guān)安全評(píng)價(jià)的技術(shù)指南和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的管理規(guī)程。我國(guó)轉(zhuǎn)基因作物育種研究幾乎與國(guó)際同步，已獲得一批達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平并能與國(guó)外公司抗衡的研發(fā)成果，但產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)緩慢，其中一個(gè)主要制約因素是轉(zhuǎn)基因產(chǎn)業(yè)化相關(guān)配套法規(guī)滯后。譬如農(nóng)業(yè)農(nóng)村部已發(fā)布安全評(píng)價(jià)、進(jìn)口管理、標(biāo)識(shí)管理、加工審批等4 個(gè)配套規(guī)章，但缺乏相關(guān)可操作性的轉(zhuǎn)基因種子生產(chǎn)管理辦法?，F(xiàn)行《主要農(nóng)作物品種審定辦法》第四十四條規(guī)定：“轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物（不含轉(zhuǎn)基因棉花）品種審定辦法另行制定”，但到目前為止具體細(xì)則尚未出臺(tái)。此外，我國(guó)轉(zhuǎn)基因作物一旦大規(guī)模種植，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、加工和銷(xiāo)售環(huán)節(jié)如何監(jiān)管，尚缺乏相應(yīng)的管理制度，建議盡快針對(duì)轉(zhuǎn)基因衍生品種審批程序簡(jiǎn)化、轉(zhuǎn)基因標(biāo)識(shí)修訂、除草劑殘留限量標(biāo)準(zhǔn)、抗性治理庇護(hù)所制度以及轉(zhuǎn)基因成分低水平混雜赦免等問(wèn)題，研究制定和完善科學(xué)規(guī)范的法律法規(guī)和相關(guān)配套措施，確保我國(guó)生物育種產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

3.5 注重生物安全與生物倫理監(jiān)管

當(dāng)前，全球科技創(chuàng)新速度顯著加快，基因編輯、合成生物和人工智能等新興科技發(fā)展日新月異，對(duì)生物大分子、基因功能和作用機(jī)制的研究進(jìn)入精準(zhǔn)調(diào)控階段，從認(rèn)識(shí)生命、改造生命走向合成生命、設(shè)計(jì)生命，不斷孕育農(nóng)業(yè)新動(dòng)能和新業(yè)態(tài)。生物育種是一項(xiàng)具有顛覆性、交叉性和不確定性等技術(shù)特征的新興科技，涉及元器件人工設(shè)計(jì)、人工基因線路、細(xì)胞工廠創(chuàng)制以及未來(lái)食品合成等顛覆性技術(shù)和新興科技產(chǎn)品，在給人類(lèi)帶來(lái)福祉的同時(shí)，也可能引發(fā)生物安全與生物倫理的新風(fēng)險(xiǎn)與新挑戰(zhàn)。目前，我國(guó)已建立了基于前沿科學(xué)的分子特征識(shí)別、非靶標(biāo)生物檢測(cè)和生物多樣性評(píng)價(jià)技術(shù)體系，以及針對(duì)毒理、致敏、營(yíng)養(yǎng)等全方位的生物技術(shù)產(chǎn)品食用安全評(píng)價(jià)體系，形成了高精度、高通量和高效率轉(zhuǎn)基因生物安全評(píng)價(jià)和檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，需要采用代謝組和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)手段，建立新的檢測(cè)技術(shù)體系和新的生物安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)可能產(chǎn)生的食用和環(huán)境安全新風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)展系統(tǒng)理論研究，同時(shí)要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)品前瞻性、關(guān)鍵共性風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與預(yù)警、安全評(píng)價(jià)及監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)研發(fā)，為應(yīng)對(duì)新發(fā)和潛在的生物育種安全問(wèn)題提供有力的技術(shù)保障。中國(guó)農(nóng)業(yè)科技倫理的研究還處于起步階段，尚未形成科學(xué)規(guī)范的理論與監(jiān)管體系。建議加強(qiáng)農(nóng)業(yè)科技倫理的相關(guān)理論研究，前瞻研判科技發(fā)展帶來(lái)的規(guī)則沖突、社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)和倫理挑戰(zhàn)，完善相關(guān)法律法規(guī)、倫理審查規(guī)則及監(jiān)管框架，建立健全與國(guó)際接軌的農(nóng)業(yè)生物育種研發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的倫理審查制度。