转基因作物发展状况及趋势

2018-05-15杨双

中国种业 2018年5期

杨双

（沈阳市农业科学院，沈阳110034）

粮食生产是人类社会发展根基，种子是推动粮食增产的关键。从刀耕火种的原始农业开始，人类就有意识地对种子进行选择。18世纪初期到19世纪末期，包括孟德尔和达尔文在内的研究者在不同植物中发现了杂种优势现象，到20世纪20年代杂交种才开始推广应用，从发现、研究到应用经历了200多年。杂交技术推动了粮食大幅度增产，但是到20世纪末杂交技术对作物品种改良的作用到了瓶颈期，这个时期出现了转基因技术[1]。随着转基因作物的应用，转基因技术给农业带来了新希望。不可否认，转基因并不是最好的遗传改良技术，但它是现代种业发展的现实选择。从1983年孟山都公司首次将细菌的基因转入烟草细胞中开始到1994年转基因番茄上市，短短11年转基因作物就实现了商业化。据统计，2016年全球转基因作物种植面积就达1.851亿hm2，与1996年的170万hm2相比，增加了110倍[2]，如此发展速度使转基因技术成为现代农业史上应用最为迅速的作物改良技术。本文汇总了ISAAA（国际农业生物技术应用服务组织）近10年来（2007-2016年）公布的相关数据[2-11]，分析了转基因作物的发展状况，探讨未来转基因作物的发展趋势，以期为相关从业者提供参考。

1 全球转基因作物种植状况

美国是转基因作物研究及应用的先行者，1986年美国批准第一例转基因作物——抗除草剂烟草进行种植，1994年能延长货架期的转基因番茄在美国上市，成为世界上第一个被批准进入市场的转基因食品。1996年美国开始大量商业化种植转基因作物，主要包括转基因玉米、棉花、大豆，种植面积为170万hm2。资料显示[3]，到2006年全球转基因种植面积达到1.02亿hm2，与1996年相比增长了59倍，平均年增长率约10%。2007-2016年转基因作物种植面积的年增长率约为8%，与之前的11年相比，增速稍有下降。图1为2007-2016年全球转基因作物种植面积变化曲线，10年来全球转基因作物种植面积整体呈增长趋势，但是在2014年达最高值后，2015年下降1%，这是由于受到国际玉米、棉花价格走低影响[11]，2016年随着价格回归，转基因作物种植面积又开始增长，比2015年增长了3%[2]。

图1 2007-2016年全球转基因作物种植面积

2007-2016年的10年间，全球转基因作物种植面积排名前5位的国家为美国、巴西、阿根廷、加拿大和印度，这5个国家的转基因作物种植总面积占全球转基因作物种植面积的90%左右。中国的转基因作物种植面积在2007-2015年全球排第6位，但在2016年被巴拉圭和巴基斯坦超过，排名下降至第8位。由图1可见，2007-2016年全球转基因作物种植面积与全球排名前5个国家的种植总面积的变化趋势一致，其他国家总面积波动不大，10年来都未超过0.2亿hm2，说明全球转基因作物的种植总面积波动主要受前5个国家的影响。

图2为前5个国家及我国的转基因作物种植面积变化曲线。由图2可见，美国和巴西对全球影响较大。美国是转基因作物商业化的先行者，经过20多年发展，美国的转基因大豆、玉米、棉花的种植面积已经接近上限，2016年其转基因大豆的应用率为94%、玉米92%、棉花93%。这三大作物的应用率之所以未达到100%，是为了生态平衡，需要种植一定数量的非转基因品种作为庇护病虫害进化速度的庇护区，这样才能延长抗性基因的有效期。巴西在2009年超过阿根廷成为第二大转基因大国，而且巴西是近10年来转基因作物应用增长速度最快的国家。巴西种植的转基因作物为玉米、大豆和棉花，2016年这3种作物的转基因品种应用率达93.4%，与美国一样，已经接近上限。2007-2016年我国转基因作物种植面积在280万～ 420万hm2之间波动，2013年最高，2016年最低。我国主要转基因作物是抗虫棉，其他转基因作物的种植面积不到1万hm2。2016年我国转基因作物种植面积降低的主要原因是受国内大量棉花库存和全球棉花价格走低影响。一些分析人士认为我国在未来的几年内将批准转基因玉米种植，将有3500万hm2的增长空间[11]。

图2 2007-2016年美国、巴西、阿根廷、印度、加拿大及中国转基因作物种植面积

2 全球转基因作物商业化发展状况

2.1 商业化的转基因作物目前大规模种植的转基因作物有大豆、玉米、棉花、油菜、甜菜、苜蓿、木瓜、南瓜、马铃薯、茄子和菠萝。其中大豆、玉米、棉花和油菜是主要的转基因作物，这4种作物的总种植面积约占全球转基因作物种植面积的99%。4种作物中，大豆种植面积最大，其次是玉米、棉花和油菜。2016年大豆种植9140万hm2、玉米种植6060万hm2、棉花种植2230万hm2、油菜种植860万hm2，分别占全球转基因作物种植面积的49.4%、32.7%、12%、4.6%。由图3可知，2007-2015年转基因大豆种植面积持续增加，在2016年略有下降。转基因玉米种植面积在2007-2013年增长较快，在2014-2015年有明显下降，但是2016年又快速反弹。转基因棉花的种植面积在2007-2009年缓慢上升，2009-2011有较大增幅，2011年之后略有波动。转基因油菜种植面积在2007-2012年略有上升，在2012年之后年播种面积基本维持在820万～920万hm2之间。

图3 2007-2016年全球转基因大豆、玉米、棉花、油菜种植面积

2.2 商业化的转基因性状耐除草剂特性是商业化转基因作物广泛采用的性状，在商业化的转基因性状中一直占主要地位。随着复合性状的出现，单一耐除草剂性状优势逐渐退去。2007年单一耐除草剂性状种植面积占当年转基因作物总种植面积的63%，到2016年该比例下降为47%。2007年是复合性状商业化的第1年，全球种植了2180万hm2，占全部转基因作物种植面积的19%。由于复合性状的转基因作物能够满足种植者多种要求，并能够降低生产成本，受到种植者欢迎，近10年来发展速度很快（图4）。2016年复合性状种植面积达7540万hm2，比2007年增加约2.5倍，占当年转基因作物种植总面积的41%。虽然单一耐除草剂性状的转基因作物优势逐渐退去，但是绝大部分复合性状都包括耐除草剂性状，耐除草剂性状在商业化的转基因性状中仍然占有绝对优势。

图4 2007-2016年全球复合性状转基因作物种植面积

2.3 转基因种子市场价值转基因技术不仅给种植者带来了便利及经济效益，也给各大种业公司带来了丰厚利润，由图5可知，2007-2013年转基因种子市场价值呈现快速增长态势，从2007年的69亿美元增长到2013年的156亿美元，增加了1.26倍，年增长率达14.5%。2013年之后市场价值增加缓慢，甚至在2015年受全球转基因作物种植面积降低影响，市值略有降低。随着国际农产品市场行情转好，2016年转基因种子市值又升至158亿美元，占全球种子市场的35%。2013年之后转基因种子市场价值增速下降的原因主要是转基因种植大国的主要转基因作物应用率接近于最高水平，但随着更多的国家批准转基因作物商业化种植、新的转基因性状和作物种类的增加，未来转基因种子市场还有很大增长空间。

图5 2007-2013年全球转基因种子市场价值

3 转基因作物发展趋势

2016年美国国家科学院、工程院和医学院联合发表了一份分析报告，报告参考了1996年以来有关转基因作物的900项研究，发现转基因作物和传统作物在对人类健康和环境带来的风险方面没有区别[2]。Klumper和 Qaim 分析了 1995-2014年 147项关于转基因作物的农场调查和田间试验数据，得出结论：转基因技术的采用使化学农药减少37%、作物产量增加22%、农民利润增加68%[11]。鉴于转基因作物的安全性、环境友好及高收益，可预测未来批准转基因作物商业化种植的国家会越来越多，种植面积会越来越大，复合性状应用率越来越高，转基因作物种类及新的基因也会不断出现。除上述显而易见的发展趋势之外，未来转基因技术还会在以下3个方面有突破性进展。

3.1 技术的升级耐除草剂和抗虫基因是当前转基因作物商业化产生可观的经济效益和社会效益的关键，但是这两类基因来自于细菌，这也是引起公众对转基因安全性争议的焦点。荷兰瓦格宁根大学Evert Jacobsen教授提出“同源转基因”概念，即不转入其他物种基因，只转入同一物种的优异基因。目前上市产品有InnateTM马铃薯，是美国Simplot公司开发的，该马铃薯转入了野生马铃薯基因，使该品种天冬酰胺含量低，烹饪时潜在致癌物丙烯酰胺产生少于普通马铃薯，而且去皮后不易变色及防挫伤。此外，值得关注的是基因编辑技术，即不引入新的外源或同源基因，只通过特殊功能的核酸酶定点修改原有基因，改变其表达，从而改变作物表型性状。目前基因编辑技术有ZFN、TALENs、CRISPR，其中CRISPR-Cas9最热门，2015年被《Science》评为“年度最杰出突破技术”，2016年和2017年连续2年被诺贝尔奖提名。2015年美国批准使用CRISPRCas9技术改良的蘑菇上市销售。通过基因编辑技术获得的抗除草剂油菜SU CanolaTM于2015年在美国种植了4000hm2。中国科学院的高彩霞研究组利用TALENs和CRISPR-Cas9获得了抗白粉病的小麦。基因编辑技术不通过引进外源基因即可实现作物改良，美国农业部表示基因编辑作物因为不涉及外源转基因，不会采用转基因监管方法，审批将更加简化。

3.2 监管的科学性先进的技术与有助于它应用的政策相结合时才能够发挥最佳作用。现阶段很多国家对转基因作物过度严谨的监管成为其应用的主要限制条件。全球对转基因产品安全评价的基本原则一致，即“实质等同性”原则，但是不同国家和地区的具体评价方法却存在差异。国家之间不同步的审批和繁琐法规，影响转基因产品国际间的贸易。据美国农业科技委员会分析，当前有价值数十亿美元的贸易量处于风险中。有的国家的法规系统不仅是繁琐的，甚至是非专业的，这样的监管审批耽误转基因作物的商业化发展，延迟种植者和消费者受益于新技术的时间，但是从安全角度，民众希望得到政府专业部门采取严格审查。民众的导向容易受各方言论影响，有的质疑是非科学性的。监管政策应该是安全性为首位，兼顾科学性和高效性。这方面巴西经过摸索，打破限制转基因作物应用的监管障碍，制定了快速审批制度，这使得巴西能够高速发展，成为全球转基因作物增长的引擎[12]。

3.3 利益的维护全球专利数据分析显示，大型国际公司，如孟山都、拜耳、杜邦、先正达和陶氏益农5家公司掌握了84.5%的耐除草剂基因和70%以上的抗虫基因[13]。印度是全球最大的转基因棉花种植国家，但是由于抗虫棉的知识产权属于国外公司，印度每年需要缴纳大量的知识产权使用费。2016年印度政府对转基因种子专利费设置了上限，要求孟山都公司减少70%的专利费。这一政策引起孟山都公司不满，提出退出印度市场和停止提供新技术。类似专利费事件使世界各国更加重视转基因作物的自主知识产权。从另一方面来看，知识产权保护是保障研发者利益的有效手段。因此，国际组织ISAAA倡议充分利用公司合作关系（PPP，public-private partnerships）促进私人和公共部门转基因作物捐赠和转让，一方面保护知识产权，另一方面使转基因技术或其产品在合理期限内提供给发展中国家贫困农民使用。近年来PPP促成了很多转基因作物捐赠和转让项目，如印度私人公司Mahyco捐赠给孟加拉国的Bt茄子、德国巴斯夫公司和巴西Embrapa公司合作申请在巴西商业化种植CultivanceTM品牌抗除草剂大豆、日本味之素公司提供印度尼西亚耐旱甘蔗和美国孟山都公司捐赠给非洲耐旱转基因玉米[10]。

1996年以来，转基因作物商业化的相关数据显示，2007-2016年的发展速度不如之前的11年。这是由于四大转基因作物（大豆、玉米、棉花和油菜）在五大种植国家（美国、巴西、阿根廷、加拿大和印度）的应用率在近几年已达到最高值。但是随着商业化作物种类和批准商业化种植国家的增加，转基因作物还将迎来新的发展高峰。在作物方面，最有希望的是作为全球第四大粮食作物的马铃薯和转基因抗旱玉米。2014年美国批准抗晚疫病、低丙烯酰胺的InnateTM马铃薯商业化种植，2015种植了160hm2，2016年迅速增加到2500hm2。第2代产品InnateTM2马铃薯对真菌病和马铃薯晚疫病具有更强抗性，也在2015年获批。2013年美国种植抗旱玉米 5 万 hm2，2014 年 27.5 万 hm2，2015 年 81 万 hm2。分析人士预测近几年中国将批准转基因玉米商业化种植。薛艳等[14]的研究显示，从农户对转基因作物的种植意愿来看，他们的积极性很高，等待着中国政府批准商业化生产。生产者角度与消费者相比，考虑更多是经济效益，这一层面，推广面临的阻力远小于消费。虽然转基因安全性问题的争议在一段时间内将一直存在，这符合新技术的发展规律，即螺旋式上升。随着转基因作物优势被不断证明及科普工作的力度加强，如2016年，诺贝尔奖获得者发表了联合声明，支持生物技术，为生物技术发展助力。未来转基因的争议将越来越少，就像杂交育种起初也有争议，现在已被大众接受，转基因技术、基因编辑技术也将会成为作物育种的常规技术。

参考文献

[1] 姜娜娜，曹广平，范文明，等．生物技术：种业创新发展的核心驱动力 [J]．中国种业，2016（1）：6-8

[2] Cilve James．2016年全球转基因作物商业化发展态势[J]．中国生物工程杂志，2017，37（4）：1-8

[3] Cilve James．2007年全球转基因作物商业化发展态势[J]．中国生物工程杂志，2008，28（2）：1-10

[4] Cilve James．2008年全球转基因作物商业化发展态势[J]．中国生物工程杂志，2009，29（2）：1-10

[5] Cilve James．2009年全球转基因作物商业化发展态势[J]．中国生物工程杂志，2010，30（2）：1-22

[6] Cilve James．2010年全球转基因作物商业化发展态势[J]．中国生物工程杂志，2011，31（3）：1-12

[7] Cilve James．2011年全球转基因作物商业化发展态势[J]．中国生物工程杂志，2012，32（1）：1-14

[8] Cilve James．2012年全球转基因作物商业化发展态势[J]．中国生物工程杂志，2013，33（2）：1-8

[9] Cilve James．2013年全球转基因作物商业化发展态势[J]．中国生物工程杂志，2014，34（1）：1-8

[10] Cilve James．2014年全球转基因作物商业化发展态势[J]．中国生物工程杂志，2015，35（1）：1-14

[11] Cilve James．2015年全球转基因作物商业化发展态势[J]．中国生物工程杂志，2016，36（4）：1-11