摘要：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展面臨著糧食安全的重大挑戰(zhàn)。在生命科學(xué)時代，糧食安全問題在很大程度上取決于現(xiàn)代育種技術(shù)和其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。近年來，生物技術(shù)迅速發(fā)展，育種技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)育種逐步跨入現(xiàn)代育種時代。如今，轉(zhuǎn)基因、基因編輯、合成生物等技術(shù)為世界糧食安全帶來了新的希望。盡管現(xiàn)代育種技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，但其在全球范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍存在一些挑戰(zhàn)。首先，傳統(tǒng)育種技術(shù)在面對農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病蟲性等問題時已難有突破。其次，在轉(zhuǎn)基因育種、基因編輯、合成生物技術(shù)等領(lǐng)域，新技術(shù)如何與產(chǎn)業(yè)化相結(jié)合，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量與效益，也是值得探討的問題。本文系統(tǒng)介紹轉(zhuǎn)基因、基因編輯、合成生物等主流育種技術(shù)，并對這些作物的優(yōu)勢、前景以及對農(nóng)業(yè)格局的影響做概括性介紹，進(jìn)而分析當(dāng)前中國的優(yōu)勢和差距；結(jié)合國內(nèi)外的典型案例，通過大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)綜合介紹中國的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對未來的發(fā)展提出對策建議。

關(guān)鍵詞：糧食安全 現(xiàn)代育種技術(shù) 轉(zhuǎn)基因作物 基因編輯 合成生物學(xué)

作者簡介：黃寫勤，中山大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教師；

梅永紅，華谷研究院理事長；

徐冠華，中國科學(xué)院院士。

在生命科學(xué)時代，糧食安全問題在很大程度上將取決于現(xiàn)代育種技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化的突破。當(dāng)前，全球的農(nóng)作物育種技術(shù)已由原始育種、傳統(tǒng)育種，逐步跨入了大分子育種時期（林敏，2021）。轉(zhuǎn)基因、基因編輯、合成生物等現(xiàn)代育種技術(shù)正在給世界糧食安全問題帶來新希望。

一、現(xiàn)代育種技術(shù)概述

李家祥等認(rèn)為，誘變、雜交、分子標(biāo)記輔助以及轉(zhuǎn)基因都是生物育種技術(shù)的第二代或第三代，基因編輯是當(dāng)前全球育種最高水平技術(shù)，是第四代（見圖1）。而全合成生物工程技術(shù)被視為是影響未來的十項(xiàng)顛覆性科技之一，將帶來第三次生物科學(xué)革命（林敏，2021）。

（一）轉(zhuǎn)基因技術(shù)

在20世紀(jì)70年代，科學(xué)家斯坦利·科恩（Stanley Cohen）進(jìn)行了一項(xiàng)開創(chuàng)性的研究，他在實(shí)驗(yàn)室中將抗青霉素基因轉(zhuǎn)入大腸桿菌體內(nèi)，這一成就不僅為轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，而且為后續(xù)的生物技術(shù)研究開辟了廣闊的道路。這項(xiàng)技術(shù)的核心在于將一個生物體中原本不存在的基因，通過科學(xué)手段轉(zhuǎn)移到該生物體中，從而賦予生物體新的遺傳特性和功能（徐冠華等，2020）。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以分為自然轉(zhuǎn)基因和人工轉(zhuǎn)基因兩大類。自然轉(zhuǎn)基因是一種自然界普遍存在的現(xiàn)象，它包括基因的水平轉(zhuǎn)移和基因的漂移。在自然界中，基因的水平轉(zhuǎn)移是物種間基因交換的一種方式。例如，某些細(xì)菌可以通過質(zhì)粒交換基因，而病毒也可以通過感染宿主細(xì)胞將自身的基因組整合到宿主的基因組中。據(jù)研究，大約有8%的人類基因來源于病毒基因的轉(zhuǎn)移。這種自然的基因轉(zhuǎn)移過程是生物多樣性的重要來源之一，它促進(jìn)了生物種群的適應(yīng)性和進(jìn)化。與自然轉(zhuǎn)基因相對的是人工轉(zhuǎn)基因，也稱為“轉(zhuǎn)基因技術(shù)”或“基因工程”。這是一種通過人為手段將特定的目標(biāo)基因分離出來，并對其進(jìn)行必要的修飾，然后將這些基因?qū)氲搅硪粋€生物體中，使得宿主生物體獲得新的遺傳特性。

（二）基因編輯技術(shù)

基因編輯是一項(xiàng)能對目標(biāo)基因進(jìn)行定點(diǎn)“編輯”的工程技術(shù)。2013年CRISPR/Cas9作為第三代基因編輯技術(shù)的標(biāo)志，突破常規(guī)育種天花板，成為主流技術(shù)。2020年該技術(shù)開發(fā)者僅用8年就獲得諾貝爾獎，可見其革命性影響。概括來看（見圖2），基因編輯技術(shù)主要有鋅指核酸酶（ZFN）技術(shù)、轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶（TALEN）技術(shù)、CRISPR/Cas技術(shù)及其衍生技術(shù)、核糖核酸（RNA）編輯技術(shù)等，這些技術(shù)有迭代進(jìn)化關(guān)系又有各自應(yīng)用場景。另外，最新進(jìn)展還有基因驅(qū)動技術(shù)和Prime editing技術(shù)?；蝌?qū)動技術(shù)因可實(shí)現(xiàn)對野生種群的遺傳基因控制，比傳統(tǒng)CRISPR/Cas9技術(shù)更加精確靈活?；蚓庉嬁梢愿臁⒏珳?zhǔn)培育出農(nóng)作物新性狀，節(jié)約數(shù)年育種時間；又因其最終產(chǎn)品不含外源脫氧核糖核酸（DNA）片段，可有效規(guī)避轉(zhuǎn)基因成分潛在的安全風(fēng)險，成為安全性強(qiáng)、精準(zhǔn)性高、更易實(shí)現(xiàn)推廣的應(yīng)用技術(shù)。

（三）合成生物技術(shù)

合成生物技術(shù)的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)中期，當(dāng)時一系列分子生物學(xué)的重大突破為該領(lǐng)域的理論和技術(shù)基礎(chǔ)奠定了堅(jiān)實(shí)的基石。其中，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)揭示了遺傳信息存儲的物理形式，遺傳密碼的破譯則為理解生物體如何解讀和利用這些信息提供了關(guān)鍵線索。此外，限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)使得科學(xué)家能夠精確地切割和操作DNA分子，而聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)則極大地提高了DNA擴(kuò)增的效率和準(zhǔn)確性。這些技術(shù)的發(fā)展不僅推動了基因工程技術(shù)的進(jìn)步，也為合成生物學(xué)的誕生和成長提供了必要的工具及方法。

1980年，隨著這些技術(shù)的成熟和應(yīng)用，學(xué)界開始使用“合成生物學(xué)”概念來描述這一新興領(lǐng)域。合成生物學(xué)是一門高度交叉的學(xué)科，融合了生物學(xué)、基因組學(xué)、工程學(xué)、信息學(xué)等多個學(xué)科的理論與技術(shù)。通過對基因組和生化分子的合成，合成生物學(xué)家能夠設(shè)計(jì)和構(gòu)建新的生物系統(tǒng)，這些系統(tǒng)不僅能夠模擬自然界中的生命現(xiàn)象，還能夠創(chuàng)造出具有全新功能和特性的生物實(shí)體。

合成生物學(xué)的應(yīng)用前景非常廣闊。在醫(yī)藥領(lǐng)域，合成生物學(xué)技術(shù)被用于開發(fā)新型藥物和疫苗，以及設(shè)計(jì)能夠生產(chǎn)有用化合物的微生物。例如，通過合成生物學(xué)方法，科學(xué)家可以構(gòu)建能夠生產(chǎn)抗癌藥物或罕見酶的微生物，從而為患者提供更為有效和安全的治療手段。在能源領(lǐng)域，合成生物學(xué)家正在嘗試設(shè)計(jì)能夠高效轉(zhuǎn)化太陽能或?qū)⒍趸嫁D(zhuǎn)化為有用燃料的微生物，這將有助于解決能源危機(jī)和減少溫室氣體排放。此外，合成生物學(xué)還在環(huán)境科學(xué)、農(nóng)業(yè)、材料科學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。通過設(shè)計(jì)能夠降解塑料或重金屬污染的微生物，合成生物學(xué)有望為環(huán)境保護(hù)提供新的解決方案。在農(nóng)業(yè)上，合成生物學(xué)技術(shù)可以用于培育抗病蟲害、耐旱澇、營養(yǎng)豐富的轉(zhuǎn)基因作物，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和食品安全。在材料科學(xué)中，合成生物學(xué)家也在嘗試通過合成生物系統(tǒng)來生產(chǎn)生物降解材料和高性能生物材料，以替代傳統(tǒng)的石油化工產(chǎn)品（見圖3）。

二、全球農(nóng)業(yè)育種產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及趨勢

隨著科技的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代育種技術(shù)正在給世界農(nóng)業(yè)帶來革命性變化。

（一）轉(zhuǎn)基因產(chǎn)業(yè)化正在蓬勃發(fā)展

當(dāng)今大規(guī)模商業(yè)種植的轉(zhuǎn)基因作物主要是第一代耐除草劑、抗蟲、抗病毒和抗旱等轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品。目前正在研發(fā)的轉(zhuǎn)基因作物目標(biāo)性狀不斷擴(kuò)展。近年來，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)化正在加速，美國已批準(zhǔn)上市快速生長三文魚等轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品（林敏，2021）。全球轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化正在加速，1994—2015年，共計(jì)40個國家或地區(qū)（39國+歐盟）的監(jiān)管機(jī)構(gòu)通過了26種轉(zhuǎn)基因作物、363個轉(zhuǎn)基因事件的審批。1985—2017年，美國農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)了19070項(xiàng)田間試驗(yàn)許可和公告，涉及229種生物，幾乎涉及所有的主要農(nóng)作物。2022年美國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)服務(wù)局（NASS）發(fā)布玉米、大豆、棉花的轉(zhuǎn)基因品種普及率分別為93%、95%和95%，油菜、甜菜幾乎達(dá)100%；2022年美國累計(jì)種植轉(zhuǎn)基因作物7480萬平方米以上，接近全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積的40%。

近20多年來，中國在玉米、大豆、水稻、小麥、棉花、油菜、番茄、土豆等重要作物中，開展了大量轉(zhuǎn)基因關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)、優(yōu)異基因挖掘與功能驗(yàn)證、轉(zhuǎn)基因效果評價工作，創(chuàng)制了一系列高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗、耐逆、高效的新品種或材料。如隆平高科參股的杭州瑞豐轉(zhuǎn)基因玉米瑞豐125，融合兩個Bt抗蟲基因，所含抗除草劑基因就是具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新型基因，不僅能有效控制玉米田的主要鱗翅目害蟲，對目前入侵中國西南地區(qū)、黃淮海地區(qū)的草地貪夜蛾也具有一定抗性；大北農(nóng)集團(tuán)研發(fā)的轉(zhuǎn)基因大豆轉(zhuǎn)化事件DBN-09004-6，在2019年獲得阿根廷政府頒發(fā)的正式種植許可，這是大北農(nóng)轉(zhuǎn)基因大豆產(chǎn)品在國際市場取得的重要進(jìn)展。中國在產(chǎn)業(yè)化方面，轉(zhuǎn)基因研發(fā)領(lǐng)域的全部投入僅抗蟲棉一個轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價值就全部覆蓋，產(chǎn)業(yè)潛力巨大。

（二）基因編輯產(chǎn)業(yè)化引領(lǐng)農(nóng)業(yè)新發(fā)展

近年來，隨著研究不斷深入，基因編輯在提高作物的產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等方面作用更加凸顯。

1.提高農(nóng)作物產(chǎn)量。這是育種主要目標(biāo)之一，目前科學(xué)家已經(jīng)通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)作物增收。以水稻為例，水稻是全球30億人的主要糧食，朱健康院士團(tuán)隊(duì)已通過編輯ABA受體基因，提高水稻產(chǎn)量；有科學(xué)家利用CRISPER技術(shù)獲得株高降低且有增產(chǎn)潛力的水稻材料（Wang et al.， 2017）；有學(xué)者通過敲除水稻中OsPAO5基因，使得水稻籽粒顯著增多，產(chǎn)量提高（Lv et al.， 2021）。在小麥增產(chǎn)方面，已有科學(xué)家利用基因編輯技術(shù)創(chuàng)造出一種高產(chǎn)、耐旱、耐鹽堿的小麥品種，這種小麥品種可以在干旱和鹽堿地區(qū)生長，而且產(chǎn)量比普通小麥高出40%以上。2022年華中農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)近20年的研究，發(fā)現(xiàn)一個玉米和水稻都存在的關(guān)鍵基因，通過編輯改良該基因，將玉米產(chǎn)量提高約10%，水稻提高約8%（韓曉玲等，2022）。

2.增強(qiáng)抗逆能力。植物病蟲害等生物脅迫以及干旱、重金屬污染等非生物脅迫嚴(yán)重影響作物生長發(fā)育（李琳等，2022），增強(qiáng)農(nóng)作物耐受性是涉農(nóng)科學(xué)家的主攻方向之一。生物脅迫上，科研人員通過敲除調(diào)控稻瘟病菌的相關(guān)抗性基因，培育出抗稻瘟病的純合突變株系等（王福軍，2016）；非生物脅迫上，鎘超標(biāo)大米已經(jīng)成為危害人類健康的重要來源，針對此問題，國內(nèi)外已有不同團(tuán)隊(duì)（Clemens et al.， 2013）通過基因編輯鎘轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白，篩選出耐鎘的水稻品種。

3.延長作物壽命并提高品質(zhì)。已有科學(xué)家為了延長番茄保質(zhì)期，利用CRISPER技術(shù)使番茄后熟相關(guān)基因默化；通過敲除蘑菇其中一個多酚氧化酶基因的功能，達(dá)到推遲蘑菇褐化速度；在改善品質(zhì)上，有科學(xué)家通過靶向調(diào)控Wx基因培育出口感優(yōu)良水稻品種（Zeng et al.， 2020）；有學(xué)者通過編輯OsBADH2基因（香味和口感調(diào)節(jié)基因），實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)米飯香味（Ashokkumars et al.， 2020）。

4.創(chuàng)造抗除草、抗真菌和抗病性農(nóng)作物?；蚓庉嫾夹g(shù)可以創(chuàng)造出抗草、抗病、抗蟲的農(nóng)作物，實(shí)現(xiàn)減少對農(nóng)藥的依賴和對環(huán)境的污染。在抗草方面，有科學(xué)家通過基因槍編輯法與農(nóng)桿菌編輯法成功獲得抗雙草醚的水稻植株。在抗真菌方面，OsERF922基因突變會使水稻抗稻熱病的相關(guān)基因表現(xiàn)量提高，進(jìn)而不易感染稻熱病菌；有科學(xué)家（Dickinson et al.， 2013）利用此特點(diǎn)，成功以RNAi技術(shù)默化該基因，顯著提高水稻對稻熱病的抗病性。在抗病方面，有科學(xué)家創(chuàng)造出抗病毒番茄，有效抵御十分普遍的番茄花葉病毒等。

目前，全世界有500多種產(chǎn)品正在使用基因編輯技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，私營部門對總產(chǎn)品開發(fā)的貢獻(xiàn)率為43%。世界各國政府對采用基因編輯農(nóng)業(yè)產(chǎn)品持開放態(tài)度，美國、巴西、阿根廷等農(nóng)業(yè)強(qiáng)國將其認(rèn)同為傳統(tǒng)育種技術(shù)。美國農(nóng)業(yè)部2018年就發(fā)表聲明，表示不會對使用新技術(shù)育種農(nóng)作物進(jìn)行監(jiān)管，2020年底已批準(zhǔn)70種基因組編輯農(nóng)作物（包括水稻，生菜等）上市（Melody，2020）。

總的來說，基因編輯技術(shù)兼具創(chuàng)新性和實(shí)用性，正在為全球解決糧食安全、疾病治療和環(huán)境保護(hù)等重要問題提供全新的思路和工具，已經(jīng)成為世界生物技術(shù)的熱流。

（三）合成生物開創(chuàng)生物科技新紀(jì)元

目前合成生物技術(shù)應(yīng)用較多的領(lǐng)域包括：從頭開始合成（人工合成）基因組 DNA；人工創(chuàng)建全新的生物系統(tǒng)乃至生命體（見圖4）。比如，利用合成生物學(xué)可對作物產(chǎn)量及營養(yǎng)品質(zhì)等性狀進(jìn)行精準(zhǔn)改良和優(yōu)化，或者從基因?qū)用娓脑旃こ叹?，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生物農(nóng)藥來高效防治蟲害等。如果說轉(zhuǎn)基因技術(shù)是對農(nóng)作物本身的改造，那么合成生物技術(shù)則是“無中生有”的設(shè)計(jì)育種。

1.馬鈴薯雜交種的基因組分析與篩選。中國農(nóng)科院基因組研究所基于基因組大數(shù)據(jù)進(jìn)行馬鈴薯的分析、設(shè)計(jì)和篩選，最終選擇了基因組互補(bǔ)性比較高的自交系進(jìn)行雜交，獲得了優(yōu)勢顯著的雜交種，并成功掩蓋雜交種中有害突變效應(yīng)。

2.提高作物光合作用效率。光合作用是作物的能量來源。光合作用是植物通過葉綠體將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，進(jìn)而合成有機(jī)物的過程，是作物生長和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。科學(xué)家們?yōu)榱颂岣咦魑锏墓夂闲?，提出了一種創(chuàng)新的改造策略，即通過生物技術(shù)手段尋找和引入更高效的光合系統(tǒng)中的酶，以替代原有的酶，從而提高作物的光合作用效率和產(chǎn)量。在一項(xiàng)具有里程碑意義的研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種存在于普通小麥野生近緣種中的Rubisco，其具有更高的二氧化碳親和力和更低的氧氣反應(yīng)性。通過基因工程技術(shù)，科學(xué)家們將這種高效的Rubisco引入到農(nóng)用小麥中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，改造后的小麥品種的碳吸收率可以提高約20%。這一發(fā)現(xiàn)對于提高小麥等重要糧食作物的產(chǎn)量具有重大意義，同時也為其他作物的光合系統(tǒng)改造提供了新的思路和方法。

3.改進(jìn)生物固氮途徑。生物固氮是指某些微生物將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為可被植物利用的氮源，這一過程對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有極其重要的意義。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)依賴于化學(xué)肥料來提供作物生長所需的氮素，但長期過量使用化肥會導(dǎo)致土壤退化、水體污染和溫室氣體排放等環(huán)境問題。因此，改進(jìn)生物固氮途徑，使其更加高效和環(huán)境友好，成為合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域?？茖W(xué)家們在探索異源固氮基因的設(shè)計(jì)和表達(dá)方面取得了顯著進(jìn)展。異源固氮是指將固氮基因從一個生物體轉(zhuǎn)移到另一個生物體中，使其在新的宿主中表達(dá)并進(jìn)行固氮作用。這一策略的目的是通過合成生物學(xué)工具，將固氮基因重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以提高其在非固氮生物中的表達(dá)和活性。在這一領(lǐng)域的研究中，固氮基因nifH受到了特別的關(guān)注。nifH是固氮酶復(fù)合體中的關(guān)鍵基因，它編碼的蛋白質(zhì)參與了氮?dú)夥肿拥倪€原過程?？茖W(xué)家們通過合成生物學(xué)的方法，對nifH基因進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并通過基因編輯技術(shù)將其引入到煙草的葉綠體中。

在葉綠體中，nifH基因得到了有效表達(dá)，并成功實(shí)現(xiàn)了固氮作用。這一成果不僅展示了合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)中的潛力，也為未來開發(fā)新的固氮作物提供了可能。通過將固氮基因引入作物中，可以使作物在不依賴化學(xué)氮肥的情況下生長，從而減少化肥的使用，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響。此外，這也有助于提高作物的氮利用效率，增強(qiáng)作物的抗逆性，提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

4.替代傳統(tǒng)的化學(xué)合成。合成生物技術(shù)可以替代傳統(tǒng)的化學(xué)合成，可以減少工業(yè)過程中對于能源和資源的消耗，減少空氣、水和土壤的污染及生產(chǎn)成本。比如，有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)除草劑草甘膦的前體氨基甲基膦酸酯（AMP）的生物合成途徑，較原始菌株提高了500倍。2020年，《自然通訊》提出三種已面向市場并正在改變世界的高科技產(chǎn)品：人造肉漢堡、高效固氮工程菌肥和基因編輯高油酸大豆（Voigt，2020）。合成生物市場規(guī)模預(yù)計(jì)2025年將突破200億美元，市場增速將達(dá)到60%以上；預(yù)計(jì)未來15年內(nèi)22%的全球食用蛋白市場份額將被替代蛋白產(chǎn)品占據(jù)。麥肯錫預(yù)測，未來合成生物產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)價值至少達(dá)到4萬億美元（林敏、姚斌，2022）。

合成生物技術(shù)已經(jīng)成為大國科技必爭之地。比如，美國政府2022年底明確提出，在5年內(nèi)設(shè)計(jì)植物和調(diào)節(jié)植物微生物群，生產(chǎn)耐旱的飲料，將氮和磷的利用效率提高20%以上；開發(fā)通過生物原料、廢棄物和二氧化碳生產(chǎn)供食品級蛋白質(zhì)方式，降低成本并將溫室氣體排放量減少50%。中國政府也高度重視，在“十四五”規(guī)劃中將其列為重點(diǎn)發(fā)展方向，通過平臺建設(shè)、重點(diǎn)專項(xiàng)、產(chǎn)業(yè)生態(tài)、資金投入、人才培養(yǎng)等加快部署。目前國內(nèi)一批企業(yè)正在快速發(fā)展，形成了許多獨(dú)特優(yōu)勢，可以說與發(fā)達(dá)國家基本處在相同或相近起跑線上。

三、中國現(xiàn)代育種技術(shù)應(yīng)用典型案例

中國農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因技術(shù)經(jīng)過幾十年發(fā)展，在水稻、玉米等領(lǐng)域有著重要的積累，為后續(xù)發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

（一）轉(zhuǎn)基因水稻

水稻是世界一半以上人口的主食，是最重要的糧食作物之一。自20世紀(jì)90年代開始，水稻單產(chǎn)就已難有新突破，生產(chǎn)面臨巨大壓力。主要原因是栽培品種的遺傳多樣性變窄、日益嚴(yán)重的病蟲害（據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)有記載的水稻害蟲有385種，其中約20種為主要害蟲）（洪曉月、丁錦華，2007）、水資源短缺和頻繁發(fā)生的旱災(zāi)等，同時過量的農(nóng)藥、化肥導(dǎo)致環(huán)境污染和生態(tài)破壞。在這個背景下，以張啟發(fā)院士為代表的一批農(nóng)業(yè)科學(xué)家提出重點(diǎn)改良水稻抗病蟲、抗旱、營養(yǎng)高效利用、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)五大性狀。在雜交育種技術(shù)之外，通過植物基因組分析、重要基因的分離克隆等技術(shù)進(jìn)行水稻改良（張啟發(fā)等，2016），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)“少打農(nóng)藥、少施化肥、節(jié)水抗旱、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)”，引領(lǐng)新的“綠色革命”。

水稻是由中國科學(xué)家（華大基因）主導(dǎo)完成的全球第一個全基因組測序的作物，是功能基因組研究的模式植物。張啟發(fā)院士團(tuán)隊(duì)以此培育出以“華恢1號”與“Bt汕優(yōu)63”為代表的系列抗蟲、抗病、抗逆及高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的轉(zhuǎn)基因水稻新品系。近期，又有國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)成功將玉米GLK（GOLDEN2-LIKE）基因轉(zhuǎn)入水稻，植株較野生型穗長增加10%～26%，穗粒數(shù)增加20%～122%，產(chǎn)量提升30%～40%，碳水化合物含量大大提高（ Luo，W et" al . ，2023））。另外，2011年中國科學(xué)院、中國工程院的中國轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)化可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究顯示，在農(nóng)藥用量上，非轉(zhuǎn)基因水稻平均每季要打8～10次高毒和劇毒的農(nóng)藥，而轉(zhuǎn)基因水稻只打1～2次，只有常規(guī)水稻的20%；如果全國有50%稻田種植轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻，將減少25萬噸農(nóng)藥用量。應(yīng)該說，轉(zhuǎn)基因水稻有十分顯著的前景，但轉(zhuǎn)基因水稻產(chǎn)業(yè)化在中國始終未能實(shí)現(xiàn)。2018年“華恢1號”通過美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）和環(huán)境保護(hù)局（EPA）安全性審查，可以出口美國。但由于不能合法生產(chǎn)，已經(jīng)在中國獲得的安全證書和在美國獲得的銷售資格都成了一紙空文。致使歷時十余年，投資100多億元的國家轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大科技專項(xiàng)面臨重大損失（張啟發(fā)，2020）。

近幾年，CELL、NATURE、SCIENCE和PNAS等高質(zhì)量期刊，有40%水稻基因文章來自于中國大陸，證明中國在水稻基因組學(xué)方面已經(jīng)有重大成果（張啟發(fā)， 2017）。但是中國在轉(zhuǎn)基因水稻商品化方面依舊寸步難行，原因是多方面的，其中主要原因之一，就是作為主糧，人們對安全性有重要考量。追求一個并不存在的“絕對安全”，使得中國已經(jīng)走到世界前列的轉(zhuǎn)基因技術(shù)長期束之高閣。

（二）轉(zhuǎn)基因玉米

全球轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米技術(shù)研發(fā)大致經(jīng)歷萌芽期、快速發(fā)展期和平穩(wěn)期三個發(fā)展階段，目前已基本趨于成熟（賈倩等，2023）。轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米技術(shù)研發(fā)主要來自美國（專利量4801件）和中國（專利量520 件）。全球十大轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米專利申請人中，中國占2家，分別是第四先正達(dá)和第十大北農(nóng)。與美國（總量8589件）比較，中國（1010件）在抗蟲基因、表達(dá)載體、轉(zhuǎn)化方法、檢測方法四個方面的專利申請量總和約為美國的12%（賈倩等，2023）。美國研究重點(diǎn)領(lǐng)域是表達(dá)載體構(gòu)建，中國是在抗蟲基因領(lǐng)域。美國是玉米種植單產(chǎn)最高的國家，高出世界平均值1倍，其貢獻(xiàn)率60%來自遺傳改良，40%是栽培管理技術(shù)改進(jìn)。

近些年，中國加快技術(shù)研發(fā)步伐，并購先正達(dá)為轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供助力，同時政府主管部門積極改進(jìn)對轉(zhuǎn)基因玉米的審批，被動局面有所改觀。2022年，共審批了11個抗蟲、耐除草劑轉(zhuǎn)基因玉米生產(chǎn)應(yīng)用安全證書（其中大北農(nóng)4個，杭州瑞豐3個，先正達(dá)旗下的中國種子集團(tuán)有限公司3個）。大北農(nóng)可以說已經(jīng)是國內(nèi)轉(zhuǎn)基因玉米的龍頭企業(yè)之一，其轉(zhuǎn)基因玉米性狀得到國內(nèi)主流制種公司的認(rèn)可。無論是在技術(shù)儲備還是實(shí)踐方面，大北農(nóng)都具備良好的后發(fā)優(yōu)勢。據(jù)大北農(nóng)預(yù)計(jì)，3～5年后公司轉(zhuǎn)基因玉米市場占有率將達(dá)40%左右（張兆宜，2023）。

（三）轉(zhuǎn)基因大豆

轉(zhuǎn)基因作物的種植在全球范圍內(nèi)已經(jīng)取得了顯著的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球轉(zhuǎn)基因大豆的種植面積已接近1億公頃，這一數(shù)字占據(jù)了全球轉(zhuǎn)基因作物總面積的50%以上。這一成就得益于轉(zhuǎn)基因技術(shù)所帶來的諸多優(yōu)勢，如提高作物產(chǎn)量、降低病蟲害損失、減少農(nóng)藥使用等，這些優(yōu)勢使得轉(zhuǎn)基因作物成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要選擇。轉(zhuǎn)基因大豆作為世界上最早的商用轉(zhuǎn)基因作物之一，在多個國家得到了廣泛的種植和應(yīng)用。在美國、巴西和阿根廷等國家，轉(zhuǎn)基因大豆的種植面積占比已經(jīng)達(dá)到90%以上（孫亞男等，2022）。這些國家通過采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，不僅提高了大豆的產(chǎn)量和品質(zhì)，還增強(qiáng)了其在國際市場上的競爭力，從而迅速占領(lǐng)了世界市場的重要份額。

中國在大豆轉(zhuǎn)基因技術(shù)方面也取得了一定的進(jìn)步。近年來，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)通過自主研發(fā)，已經(jīng)擁有了一些具有知識產(chǎn)權(quán)和生產(chǎn)價值的功能基因，如g2epsp等。這些功能性基因的開發(fā)和應(yīng)用，對于提高中國大豆的抗逆境能力和產(chǎn)量具有重要意義。然而，從目前的現(xiàn)狀來看，這類功能性基因的數(shù)量仍然較少，截至2022年，很多功能性基因仍處于試驗(yàn)、中試等安全評價的初級階段，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用（楊樹果、何秀榮，2021）。最近，中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部正式批準(zhǔn)了第一批轉(zhuǎn)基因玉米和轉(zhuǎn)基因大豆品種的生產(chǎn)經(jīng)營許可證，這對于中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義。這一政策的實(shí)施，意味著中國農(nóng)民可以合法種植效益更高的轉(zhuǎn)基因品種，將有助于提升中國農(nóng)業(yè)的整體競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力。通過種植轉(zhuǎn)基因作物，農(nóng)民可以減少對農(nóng)藥的依賴，降低生產(chǎn)成本，同時提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，從而增加農(nóng)民的收入和農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

（四）基因編輯

2022年，中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)了《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評價指南（試行）》，標(biāo)志著中國在推動農(nóng)業(yè)基因編輯技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程方面邁出了重要一步。該指南為基因編輯植物的研發(fā)、評價和應(yīng)用提供了明確的指導(dǎo)及規(guī)范，有助于確?；蚓庉嬛参锏陌踩院陀行?，同時也為相關(guān)研究和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了政策支持。

在定向改良農(nóng)作物方面，CRISPR/Cas系統(tǒng)作為一項(xiàng)革命性的基因編輯技術(shù)，已經(jīng)成為中國科研人員不可或缺的重要工具。中國科學(xué)家在基因定點(diǎn)敲除、單堿基編輯和引導(dǎo)編輯等多項(xiàng)技術(shù)體系方面取得了顯著成就，成功應(yīng)用于水稻、小麥、玉米等主要農(nóng)作物的改良，顯著提升了作物的產(chǎn)量、抗病性、抗逆性等重要農(nóng)藝性狀（閆磊等，2022）。這些研究成果不僅在國際學(xué)術(shù)界產(chǎn)生了廣泛影響，也為中國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。在這一領(lǐng)域，朱健康院士和高彩霞研究員等一批中國科學(xué)家的突出貢獻(xiàn)值得特別關(guān)注。2013年，中國科學(xué)家發(fā)表了全球第一篇關(guān)于CRISPR基因編輯植物的研究論文，這標(biāo)志著中國在植物基因編輯領(lǐng)域的研究已經(jīng)走在了世界前列。朱健康院士在2022年進(jìn)一步開發(fā)出無需組織培養(yǎng)的植物遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)，這一創(chuàng)新性成果極大地簡化了基因編輯植物的制備過程，降低了技術(shù)門檻，為基因編輯技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2023年，中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部下發(fā)了中國首個植物基因編輯安全證書給舜豐生物，這是中國在植物基因編輯產(chǎn)業(yè)化道路上的又一重要進(jìn)展。

盡管中國在農(nóng)業(yè)基因編輯領(lǐng)域取得了積極的進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)和問題。其中一個值得關(guān)注的問題是，中國在基因編輯關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的原創(chuàng)性和專利數(shù)量遠(yuǎn)不如美國等發(fā)達(dá)國家。目前，基因編輯技術(shù)的核心專利主要由外國企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)持有，這對中國在該領(lǐng)域的長遠(yuǎn)發(fā)展構(gòu)成了一定的制約。因此，中國需要加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，積極推動基因編輯技術(shù)的研發(fā)和專利布局，以減少對外部技術(shù)的依賴。此外，農(nóng)業(yè)基因編輯技術(shù)的發(fā)展不能僅僅停留在發(fā)表論文和實(shí)驗(yàn)室研究階段，還需要盡快將研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。這需要政府、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)之間的緊密合作，共同推動基因編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)的商業(yè)化和社會化。通過加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，推動基因編輯技術(shù)在提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、增強(qiáng)抗逆性等方面的應(yīng)用，可以為中國乃至全球的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

四、推動現(xiàn)代育種產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對策建議

面對現(xiàn)代育種技術(shù)在世界范圍內(nèi)的蓬勃發(fā)展，中國必須順勢而上，爭奪現(xiàn)代育種科學(xué)、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化高地，為國家糧食安全奠定一個堅(jiān)實(shí)、可持續(xù)的基礎(chǔ)。

（一）非主糧先行

和美國的農(nóng)業(yè)競爭力相比，中國不僅主糧差距很大，非主糧也同樣如此。比如，中國農(nóng)產(chǎn)品價格比國際市場平均高出30%～50%，僅牛羊肉一項(xiàng)就高出70%～80%（陳錫文，2017）。美國大豆運(yùn)到中國，到岸價3300元/噸，比國產(chǎn)大豆（3700元/噸）還要便宜。如果放開市場準(zhǔn)入，中國大部分農(nóng)產(chǎn)品將毫無競爭優(yōu)勢可言，非主糧的種植面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于先進(jìn)國家。目前中國對主糧轉(zhuǎn)基因爭論較大，但是對非主糧轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的上市，社會沒有太多異議。建議擱置爭議，讓非主糧轉(zhuǎn)基因技術(shù)先行一步，從而為更多轉(zhuǎn)基因技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供先行示范，奠定更好的社會和市場基礎(chǔ)。

（二）基因編輯放開

國外已成功上市百余種植物基因編輯產(chǎn)品。中國的基因編輯技術(shù)研發(fā)與西方基本同步，相關(guān)研究論文數(shù)量全球第一，而且也已經(jīng)儲備了大量成熟可行的技術(shù)（偶春等，2022）。2022年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定指南，建議進(jìn)一步把不含外源基因的基因編輯作物按傳統(tǒng)育種作物管理，加快產(chǎn)業(yè)化步伐。機(jī)遇難得，機(jī)不可失，主管部門需加大落實(shí)力度，加大放開力度。

（三）大力發(fā)展合成生物

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，合成生物技術(shù)正在打開人工設(shè)計(jì)與合成生物品種新奧秘，有望解決光合作用、生物固氮、抗逆、催化等農(nóng)業(yè)難題，同時通過創(chuàng)制高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效新品種和培育細(xì)胞農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè)等，創(chuàng)造農(nóng)業(yè)新業(yè)態(tài)。建議主管部門要制定專門的計(jì)劃，加大政府政策傾斜和采購的力度，大力扶持一批合成生物企業(yè)的發(fā)展，培養(yǎng)一批專業(yè)的人才。

（四）強(qiáng)化知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)

轉(zhuǎn)基因植物專利權(quán)的確立有利于保持技術(shù)領(lǐng)先（任靜等，2019）。只有維護(hù)轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物育種者和研發(fā)公司的合法權(quán)益，才能確保中國研發(fā)人員和企業(yè)的應(yīng)有權(quán)利得到保障，中國才能在國際競爭中取得先機(jī)。

（五）補(bǔ)齊科普短板

一是要加大對基因科學(xué)知識和成果的正面宣傳。通過各種形式，向公眾普及“獲得批準(zhǔn)的轉(zhuǎn)基因生物對人類的消費(fèi)以及環(huán)境是安全的”這一國際共識（楊樹果、何秀榮，2021）。二是加強(qiáng)科學(xué)傳播體系建設(shè)。轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物知識的科學(xué)傳播需要根據(jù)不同受眾的需求，分層次、多渠道、分類別通過互聯(lián)網(wǎng)、微博、微信等新媒體對其展開科學(xué)教育。在博物館等科教活動場所，建立更多“轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物”的主題項(xiàng)目，打造全方位、寬領(lǐng)域的轉(zhuǎn)基因科學(xué)傳播體系。

（六）完善配套政策與監(jiān)管

在大幅度放開轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品商業(yè)化的同時，仍要加強(qiáng)行政監(jiān)管，加強(qiáng)配套政策的制定，劃清紅線和邊界。對行業(yè)也要加快建立起自律機(jī)制，恪守科學(xué)倫理，防止技術(shù)濫用。只要措施得當(dāng)，不僅不會形成不必要的制約，而且有助于消除消費(fèi)者的顧慮，有利于整體行業(yè)的良性發(fā)展。

現(xiàn)代育種技術(shù)4.0時代已經(jīng)到來。形勢逼人，時不我待，我們只有抓緊搶占生物育種技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)，才能牢牢把中國人的飯碗端在自己手里，才能讓子孫后代溫飽無憂，讓國家長治久安。

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責(zé)任編輯：李 蕊

本文受中國科學(xué)院咨詢評議項(xiàng)目“轉(zhuǎn)基因與糧食安全戰(zhàn)略”（2020-ZW02-A-012）資助。通訊作者為徐冠華。