湖南省转基因农作物研究的思考与建议——基于湖南农业大学的考察与分析

湖南农业大学科技督导团

湖南省转基因农作物研究的思考与建议
——基于湖南农业大学的考察与分析

湖南农业大学科技督导团

转基因技术作为战略性高技术，正成为许多国家的一个基本共识。谁放弃了转基因技术的发展，谁就将错过难得的历史机遇，在未来的竞争中处于被动。温家宝总理在 2010年政府报告中明确提出要“以良种培育为重点，加快农业科技创新和推广，实施好转基因生物新品种培育科技重大专项”，这是首次在政府报告中对一项具体农业技术发展提出要求，其重要意义由此可见一斑。近年来，湖南农大在承担的国家自然科学基金项目中，涉及转基因技术研究的项目所占比例逐年增长，2009年在29个项目中就有13项涉及转基因技术研究，其中，国家植物功能成分利用工程技术研究中心(茶学)4个项目全属转基因技术研究。在国家“转基因生物新品种培育科技重大专项”竞争中，湖南农大获得了由农业部直接下达的 2个项目(抗虫棉、抗旱水稻)，参与协作7个项目，经费共计1 096万元。经过多年的努力，湖南农大在农作物转基因研究所取得的进展，以及人才队伍和实验条件，一定程度上代表了湖南这一领域所处的水平。为此，我们以其为典型个案进行深入调研，以期把握湖南农作物转基因技术研究的进展、优势和特色，分析其中存在的问题，并提出进一步改进的对策。

一、国内外农作物转基因研究及其发展态势

转基因生物新品种的培育是生物科技的重大突破，正在迅速孕育和催生新的产业革命。自1996年世界首例转基因农作物商业化应用以来，发达国家已把转基因技术作为增强农业国际竞争力的战略重点，将生物技术和常规育种技术结合起来，在作物新品种的培育上取得了巨大成功。全球目前已有 25个国家批准了 24种转基因作物的商业化种植。转基因大豆，棉花、玉米、油菜为代表的转基因作物种植面积由 1996年的 170万公顷发展到2009年的1.34亿公顷，14年间增长了79倍。

近年来，我国主要农作物的基因组学研究，特别是模式植物拟南芥、玉米、水稻和小麦基因组学研究取得了巨大成就，目前已建立了水稻、小麦、玉米、大豆、棉花等主要农作物转基因技术体系；基因定位和 QTL作图研究也取得重大突破，为计算机技术在作物遗传育种领域的广泛应用提供了有效的手段，也为分子设计育种奠定了良好基础。

水稻作为模式植物和世界上最重要的粮食作物之一，其基因组学研究一直走在其他作物前列，是人类完成第一个基因测序的重要农作物。我国在2002年完成了世界首张籼稻基因组草图，并与Syingenta公司共同完成了粳稻基因组草图同时在《Science》发表。随后完成了粳稻(日本腈)4号染色体的精确测序(成为世界上最先完成的 2条精确测序水稻染色体之一)。同时还完成了籼稻(广陆矮4号)4号染色体80%的精确测序以及水稻4号染色体着丝粒的序列分析。这表明我国水稻基因组测序处于世界领先水平。在水稻全基因组测序完成后，中国水稻研究所 2004年又率先提出水稻基因设计育种的新理念，即在主要农艺性状基因功能明确的基础上，通过有利基因的剪切、聚合，培育出在产量、米质和抗性等多方面有突破的超级稻新品种，为生物技术育种提出了新的路径。

我国棉花基因工程研究进展也很快。1998年，我国抗虫棉种植面积为380万亩，其中引进国外抗虫棉品种占95%以上。中国农科院和相关单位经过艰苦攻关，成功培育出国产转基因抗虫棉，一举打破国外技术垄断，成为第二个自主研发并拥有抗虫转基因技术专利的国家。目前国产抗虫棉面积已经占到抗虫棉面积的90%以上，累计推广上亿亩。

我国基因工程技术的研究紧跟世界前沿，一些领域处于领先水平，得益于党和政府的洞察力和高度重视。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》提出，到2020年将设置总投资超过1万亿元的16个国家科技重大专项，“转基因生物新品种培育科技重大专项”位列其中，15年计划投入资金200亿元，是建国以来投资额最大的单项农业科研项目。它体现了我国政府支持转基因生物育种发展的政策导向。转基因生物新品种培育重大专项的启动是我国农业发展的重大标志之一，对于增强农业科技自主创新能力，提升我国生物技术育种水平，促进农业增效和农民增收，提高我国农业国际竞争力，具有重大战略意义。

二、湖南省农作物转基因研究的优势与不足

湖南作为农业大省和粮食生产大省，长期以来在水稻等主要农作物的生产和品种选育研究居于领先地位。特别在杂交水稻新品种(组合)育种方面为世界作出了杰出贡献。在以农作物转基因研究为龙头的生物科技革命催生的新的农业革命浪潮中，湖南如何充分利用已有的优势，积极谋划，主动出击，抢占新的科技制高点，取得主动权，是值得探讨的重要课题。基于湖南农大在湖南农作物转基因研究领域的代表性，特以此为个案分析湖南省在这一领域的优势与不足，并提出若干对策建议。

(一) 湖南农大农作物转基因研究进展和特色

自20世纪90年代末以来，湖南农大在分子标记技术领域取得突破，为有利基因的分子标记辅助选择提供了方便，也为广泛深入开展基因和 QTL定位研究创造了条件；等位基因变异的检测与表型性状深入鉴定的结合，为从种质资源中发掘新基因提供了有效手段；基因电子定位与电子延伸及其应用技术日趋成熟，转基因技术和标记辅助选择方法取得较快进展，为开展分子设计育种奠定了基础。其主要表现有以下3个方面：

1.应用分子数量遗传学研究成果培育农作物转基因新品种，达到国内先进水平

2002—2008年，陈金湘教授先后育成转基因抗虫杂交棉花新品种“农杂62”、“农杂66”、“农杂70”，以及3个“抗虫＋抗除草剂”的双抗棉新品系。2004年11月“高产优质杂交棉农杂62的选育与应用”获湖南省科技进步二等奖。陈金湘教授申请国家转基因重大专项“高产优质新型转基因抗虫棉花新品种(系)的培育”于2009年获得农业部正式立项批准。

2009年，戴良英、王国梁教授主持的“利用OoSINTAsWAX2等基因培育转基因抗旱水稻新品种”研究获得转基因生物新品种培育科技重大专项资助。另外参与“农业部转基因生物新品种培育重大专项子课题”研究(2008—2010)的专家还有陈立云、肖应辉、邹应斌、阮颖教授。其中陈立云教授参与了“抗病转基因水稻新品种培育”(中国水稻研究所)；肖应辉教授参与“优质转基因水稻新品种培育”(南京农业大学)；邹应斌教授参与“优质转基因水稻新品种培育”(中国水稻研究所)；阮颖教授参与“抗逆和除草剂关键基因克隆及功能验证”(清华大学)。

官春云院士近年先后育成 3个转基因油菜新品系(抗虫品系T5、不育系15、恢复系742)，已完成遗传稳定性和安全性研究；主持发表了国内第一张油菜分子标记遗传图谱，并对抗菌核病基因进行QTL定位。目前还承担了以下重要研究课题：油菜品质和杂种优势利用相关基因的克隆与功能分析；油菜抗菌核病和抗逆相关基因的克隆与功能分析；高含油量与优良脂肪酸组成转基因油菜研究；甘蓝型油菜杂种优势利用研究；脂肪酸组分改变的分子机理。

邓子牛教授近年主要研究柑橘转基因体系的建构，建立了一套柑橘无标记转基因技术体系，并利用该技术体系在9个柑橘种类品种导入了9种功能基因，共获得107个转基因株系，796个转基因植株，其中成年态转基因株系12个，转基因植株114株，并由此获得一项国家发明专利授权。此外还建立了转roIABC基因橙枳的快速繁殖技术，获得了400株橙枳快繁苗，该项技术也获得了国家发明专利授权。同时，他还建立了转基因大红甜橙快繁技术，获得转基因快繁植株90余株。特别是抗溃疡病转基因育种研究中，在没有发现抗病基因的情况下，独创性地把溃疡病致病基因核定位信号 pth-NIS基因直接导入柑橘和以溃疡病致病基因核定位信号 pth-NIS为模板制备单克隆抗体，把抗体基因导入柑橘，获得抗溃疡病的新种质，为抗溃疡病育种开创了一条新途径，对进一步研究柑橘溃疡病致病机理，从根本上控制柑橘溃疡病危害具有重要意义。

2.拥有大量遗传信息和广泛的生物信息学研究成果

近年来，湖南农大利用分子标记技术在水稻、棉花、柑桔等主要作物中开展了系列基因定位研究，积累了大量的遗传信息，已拥有一定生物信息学研究实力。特别在利用定位数量性状的基因位点(QTL)阐明它们的效应、上位性以及与环境的作用已得到广泛应用并取得重要成果，如在克隆植物抗逆功能基因克隆及功能验证方面，2009年陈信波、刘雄伦教授等的“作物抗旱基因克隆鉴定与分子机理研究”获得了湖南省自然科学二等奖。陈信波教授从 2000—2008年还进行了水稻、拟南芥、山墙藓和大豆等植物的耐旱相关基因克隆和耐旱分子机理研究，提出了通过基因工程手段调控作物表面角质和 TRG含量培育耐旱节水农作物新途径。他克隆鉴定了与植物耐旱、抗病和花粉育性有关的蜡质代谢相关基因WAX2和与逆境胁迫保护、种子发育有关的蜡质代谢相关基因 RST1，揭示了蜡质在植物发育和逆境胁迫保护方面的重要作用。

任春梅教授从 2002年开始，以模式植物拟南芥为材料研究茉莉素信号传导的分子机理，取得了显著成绩。她先后获得“芸苔素影响茉莉素信号传导的分子机理研究”(2007)，“拟南芥短日照依赖型模拟病斑突变体的筛选、基因分离和鉴定”(2006)两项国家自然科学基金课题和“茉莉素与油菜素内酯相互作用的研究”1项湖南省教育厅重点课题(2008)，发表了多篇高档次的学术论文。研究成果主要涉及三个方面：1）通过分析SCFCOI1复合体中的重要组分Cullinl突变后对茉莉素反应的影响，证明了茉莉素信号是通过 SCFCOI1泛素介导途径进行传导的；2）通过分析转录因子WRKY70对茉莉素和水杨酸信号传导的影响，进一步认识了茉莉素和水杨酸信号传导之间的对抗作用；3）通过筛选鉴定茉莉素信号传导COI1下游基因，发现芸苔素参与茉莉素的信号传导，从而对茉莉素调控植物生长发育的机制有了更深入的了解。

3.拥有基因作图、比较基因组学研究等关键技术和建立数据搜集和处理系统的经验

湖南农大在作物的基因作图方面虽然起步较晚，但目前已能涉及到水稻、棉花、柑桔等重要农作物的部分重要性状。利用DNA和蛋白质序列信息，针对特定基因或基因类型进行作图在水稻之外的其他作物上也发展很快。同时能充分利用国家作物种质资源信息系统，拥有建立数据搜集和处理系统的技术，在完善和维护搜集和处理系统方面也积累了较丰富的经验。

(二) 湖南农大农作物转基因研究的不足之处

与全国许多研究单位一样，湖南农大农作物转基因研究存在的问题也主要表现在以下四个方面：1）主要农艺性状基因发掘和功能研究存在不足。许多信息还处于零散的状态，缺乏集中、归纳和总结；同时，缺乏拥有自主知识产权的计算机软件，限制了将已有的基因或 QTL信息应用到实际育种中去。2）分子设计育种相关的信息系统不够完善。距全面了解作物所有性状的遗传基础还比较遥远，已明确功能和表达调控机制的基因信息比较匮乏；作物种质资源信息系统中，能被分子设计育种直接应用的信息还很有限。3）分子设计育种理论研究相对滞后。目前，分子设计育种已经成为未来作物育种发展方向，但还没有真正开展分子设计育种的理论建模和软件开发工作。4）有完全自主知识产权的基因较缺乏。有必要积极开发新的抗旱、抗寒和抗病虫害的基因，研究有效的转基因技术应用到主要农作物以保证其高产和稳产。这些不足应该引起高度重视，一旦在其中某个方面有突破和创新，必将带来新的跨越。

三、进一步加强湖南农作物转基因研究的建议

转基因生物技术被称为“人类历史上应用最为迅速的重大技术之一”，根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》，到2020年，我国将针对动植物转基因研发和产业发展中的关键问题，重点在转基因动植物新品种培育、功能基因克隆验证与规模化转基因操作技术、转基因生物安全技术、转基因生物新品种推广及产业化和条件能力建设等五大优先领域实现突破。

湖南省是一个农业大省和粮食生产大省，尽管在农作物转基因技术取得了重大进展和成果，但是要认识和解决的技术问题还很多，任重而道远，迫切需要政府进一步提高认识，激励科技人员占领转基因技术研究制高点，以推进农业强省建设、提升农业核心竞争力。

(一) 加强顶层设计，明确发展规划和战略重点

粮食安全和生态安全是我国面临的重大战略问题，在 2020年，必须增产一千亿斤粮食，才能为社会经济的发展提供有效保证。要实现这一宏伟目标，必须依靠生物技术与常规的技术结合，特别是转基因等生物技术大幅度提高粮食单产水平。基于此，在开展湖南省生物转基因研究顶层设计时，应当将农作物分子设计育种研究作为转基因技术研究重点。作物分子设计育种在庞大的生物信息和育种家的需求之间搭起一座桥梁，在育种专家的田间试验之前，对育种程序中的各种因素进行模拟筛选和优化，提出最佳的亲本选取和后代选择策略，可避免常规育种过于依赖经验和机遇、存在盲目性和不可预测性等诸多不足，大幅度提高育种效率。

我们建议“十二·五”乃至更长一段时期中，从以下方面强化作物分子设计育种研究，以加快具有自主知识产权的新品种培育和产业化进程：

(1) 实现重要农艺性状基因QTL高效发掘，精细定位。建立核心种质和骨干亲本的遗传信息链接，快速获取亲本携带的基因及其与环境互作的信息；为分子设计育种精确预测不同亲本杂交后代在不同生态环境下的表现提供信息支撑。

(2) 加快具有自主知识产权的新品种培育和产业化进程。在重大专项的基础上，实施种子科技创新工程，推动分子育种、强优势杂交种等高新技术与传统技术的结合；同时，加强转基因研发过程中上、中、下游的结合和衔接，加快基础研究成果向应用的转化进程，发展生物育种战略性新兴产业。

(3) 重点建设好基因材料专用基地，充分重视基地在转基因重大专项中的带动作用。“十二·五”是转基因技术研究的关键时期，在制订和落实湖南省“十二·五”科技工作规划时，要重点建设好基因材料专用基地，充分重视基地在转基因重大专项中的带动作用。

(4) 由主要侧重抗病虫害的第一代转基因作物研发，逐步转移到以增强作物营养和人体免疫力的第二代转基因作物的研发，在培育产出效率更高的作物品种同时，满足人们多样的个性化需求。

(5) 统筹全省各方面的力量，制定发展规划和战略重点，在建立统一的顶层设计的基础上，实行合理分工、协作攻关，以保障项目顺利实施。

(二) 加大高端人才培养、引进和经费投入力度

人才是决定事业成败的关键。湖南农大从 20世纪80～90年代始就着力培养和引进基因工程方面的专业人才，支持一批教师出国留学深造。21世纪初学成回国，成为该领域的主力军，他们或者担任研究项目负责人、或者成为了团队领衔人、学科带头人，在他们的努力下，学校基因工程事业从无到有，从小到大，从弱到强，充分证明了人才的培养是转基因技术研究取得成功的基础工程。针对当下湖南省从事包括农作物转基因技术研究的高水平生物技术育种人才不足的现实，我们建议有关部门在专题调研的基础上提出有效的解决办法。

在积极支持科技项目挤入国家队的同时，根据国内外高度重视转基因研究的形势发展变化，建议湖南在 “十二·五”科技工作规划中，就以下方面重点立项支持：重要农艺性状基因/QTL高效发掘；新品种培育和产业化；基因材料专用基地；第二代转基因作物的研发等，加大资金支持的力度，以加快步伐，争取早日取得成效，增强在这一领域的竞争实力。

(三) 高度重视转基因农作物研究和生产中的生物安全问题

像任何一种新技术出现一样，转基因生物技术在给全球带来巨大经济利益的同时，也带来了新的挑战——转基因植物的生物安全问题。尽管我国政府对转基因生物安全管理高度重视，农业部颁发相关条例、办法，但在实践中还存在不少问题：第一，对转基因生物安全的认识比较模糊，没有得到应有的重视；第二，对程序中的每一个步骤没有严格把关，特别是一些实验室对转基因再生植株保管不善，处理实验材料也无销毁记录，很容易造成实验材料流向野外；第三，政府及有关主管部门对转基因植物的生物安全研究和风险评价还未提到议事日程上来，存在无经费、无场地、无编制的三无情况。农业部最近强调必须按照“加快研究，推进应用，规范管理，科学发展”的指导方针改进转基因生物安全评价管理，为此建议政府有关部门加大宣传力度，深入浅出讲明确保转基因作物研究和生产安全的科学道理；从制度、技术和投入等层面多维度强化转基因农作物研究和生产中的生物安全管理，尤其要充分发挥科技专家的作用，在项目组织实施中加强安全管理。

（本文执笔人周朴华教授系湖南农业大学教授，学校科技督导团成员）