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转基因技术:新的绿色革命的利器
  • 发布时间:2020-01-13
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  • 农业的出现和发展花了大约一万年。经过长期的采集、捕鱼和狩猎,人类逐渐熟悉了动植物的生活习惯。大约公元前8000年,人类开始驯养和繁殖动物,种植谷物。人类进入了原始农业阶段。

    原始农业持续了6-7,000年。它的突出成就是驯养野生动植物。今天大多数常见的主要作物和牲畜在4000年前基本上完成了驯化过程。

    就人类利用农业生物资源的技术而言,它大致经历了四个阶段:采集水果和植物的有用部分、捕鱼和狩猎动物;驯养野生动植物;通过杂交、嫁接、物理化学诱变等方式培育优良动植物新品种。利用基因工程技术定向改良动植物品种。可以说,转基因技术是自然科学技术发展的必然产物,是人类利用和改造自然资源的新阶段,是人类社会现实需求和可持续发展的必然选择。

    转基因技术是人类社会的现实和发展的需求。

    第一次绿色革命的中心是成功培育半矮秆小麦和水稻,利用主要作物的杂种优势,应用化肥、化学农药、灌溉技术和农业机械化等新技术。

    第一次绿色革命始于20世纪50年代,发展于20世纪60年代至70年代,在拉丁美洲和亚洲等发展中国家取得了巨大成功。联合国粮食及农业组织(粮农组织)的数据显示,从1961年到1990年,世界粮食产量从8.77亿吨增加到19.52亿吨。墨西哥从852万吨增加到2556万吨,菲律宾从517万吨增加到1474万吨,印度从8738万吨增加到1.94亿吨,中国从1.09亿吨增加到4.04亿吨。

    世界每公顷粮食产量也从1961年的1.35吨增加到1990年的2.75吨。许多发展中国家的单位面积产量也大幅增加,墨西哥、菲律宾和印度分别增加了近2-3倍和中国3.57倍。粮食产量大幅增加,极大缓解了人口增长带来的巨大压力,避免了人口与粮食供求矛盾引发的大面积饥荒。

    随着农作物改良品种利用率接近饱和,增加化肥和农药的相对效益逐渐下降,第一次绿色革命的优势正在丧失,负面影响正在慢慢显现。农药、兽药、化肥、除草剂等化学品的大量使用造成了严重的环境污染,农作物品种的简化造成了农业种质资源的减少和农业生态系统的退化,粮食单产和总产量一直停滞不前。

    然而,世界正面临着人口持续增长、自然灾害频发、水资源和耕地资源有限等客观问题,这使得粮食安全问题尤为突出。据估计,到2050年,世界上将有超过90亿人有足够的食物,总的食物供应将增加70%以满足需求。全球粮食安全面临巨大压力,发展中国家的问题更加突出。

    中国是世界上人口最多的国家,也是最大的发展中国家。它也正处于工业化和城市化快速发展的时期。人口、资源和环境的矛盾十分突出。中国的这一基本国情决定了一个庞大的人口基数和一个新的人口将在很长一段时间内保持高水平的食物消费。确保国家粮食安全将是农业生产面临的最重要任务。

    在人口、环境和社会经济的巨大压力下,人们不可能在很少或没有投资的情况下回到传统的农业生产模式。最有效的方法是依靠农业科技的进步来解决未来世界人口的饥饿问题。真正的需求催生了一场新的绿色革命。新绿色革命的核心问题是提高单位面积的农作物产量。然而,peo

    以转基因作物为例,自1996年种植转基因作物以来,由于转基因作物在产量、经济、环境和物质财富方面的持续显著效益,种植转基因作物的面积逐年增加。2012年,30个国家的1,730万小农户和大农户种植了1.703亿公顷(23.54亿亩)转基因作物,比2011年增加6%,即1,030万公顷(1.545亿亩),达到历史最高水平。从1996年到2012年,转基因作物的种植面积增加了100倍,使转基因作物成为现代农业史上最快的新技术。

    转基因育种技术是对传统育种技术的继承和发展。两者在一条连续的线上出现

    自从人类驯化作物以来,作物的进化力量一直被人工选择所主导。在过去的几千年里,作物改良方法主要利用生物群体的自然突变,通过人工选择获得改良品种,积累优良基因。自20世纪以来,随着遗传学的迅速发展,人类已经了解了生物遗传重组、连锁和分离的原理。通过选择优良亲本和进行有性杂交,将不同品种的优良特性聚合在一起,越来越快、越来越好地获得更好的作物新品种,逐渐形成了传统的杂种优势利用育种技术和方法。

    从育种过程分析,传统的作物品种改良育种技术大致可分为四个环节:亲本选择、创造变异、定向选择和生产试验。

    在育种工作中,育种者首先根据育种目标收集、筛选和评价遗传资源,并选择合适的亲本;然后父母通过有性杂交或物理和化学诱变产生遗传变异。进一步,通过表型观察对突变分离的后代进行定向选择,获得有价值的、遗传稳定的、理想的重组或突变基因型材料;对新的遗传稳定作物品种进行了多年的多点生态适应性评价和区域生产试验。

    虽然传统育种技术已经应用了近100年,仍然是作物育种的主流方法,但它只能在生物物种内的个体间进行有性杂交来实现全基因组重组,无法克服遗传障碍对分离后代表型选择的干扰,也不太可能准确操作和选择目标基因。应用传统育种技术培育作物新品种是一个费时、费力、费力和费力的过程。一方面,很难观察到抗性、品质和适应性等重要性状的表型。另一方面,最重要的性状是数量性状,容易受到环境的影响。不同年份和不同生态环境性状的重复性差,导致选择精度不高。

    改良作物品种的转基因育种技术也大致分为四个环节:目标基因和转化受体的选择、产生变异的遗传转化、转基因后代的表型筛选和分子鉴定、转基因后代的安全性和生产力评价。转基因育种中选择的目标基因可以来自相同或不同的生物体,一般来说,基因功能明确,后代的表现可以准确预测;转基因受体材料具有良好的生产和应用价值。

    科学评价转基因后代目标性状的食品安全、生态环境安全、生产力、适应性和稳定性,这在转基因育种中需要的时间最长。

    理论上,转基因育种和传统育种没有本质区别。它们都通过遗传信息的交换获得优秀的性状。传统杂交育种具有更广泛的重组和遗传信息交换。转基因育种只涉及一个或几个基因的交换。从遗传信息的内容分析来看,转基因育种越来越清晰,越来越具体。

    从技术上讲,传统的育种方法只能通过生物物种内个体间的有性繁殖来实现基因转移

    表1总结了转基因育种技术与传统育种技术的异同。由此可见,转基因育种技术并不排斥传统育种技术,它是传统育种技术的延伸,它是传统育种技术的继承和发展,不可能创造新的物种,而只能在后代育种中获得预期的新性状。尽管转基因技术是新绿色革命中的利器,但它不是唯一的武器。传统育种方法和杂种优势利用技术仍将在新的绿色革命中发挥重要作用。此外,转基因技术和常规育种技术的紧密结合可以发挥各自的优势。它不仅能培育多抗、优质、高产、高效的新品种,而且大大提高了品种改良的效率。它还可以减少农药和化肥的投入,在缓解资源约束、确保食品安全、保护生态环境、扩大农业功能等方面具有巨大潜力。

    科学看待转基因技术和转基因食品

    科学技术的发展史证明,科学技术极大地拓展了人类的生存空间,增强了人类改造和征服自然的手段和能力,丰富了人类生活,提高了人类生活质量,加速了人类社会的转型和文明的进步,充分展示了它对人类的益处。同时,科学技术可能对自然和人类社会构成潜在的危害。

    像人类广泛使用的核能技术、信息技术、电力技术、汽车技术和集约农业技术一样,转基因技术也是一把双刃剑。转基因技术是生命科学的一个里程碑式的突破,必将给医学、农业和环境带来新的生物产业革命,并将开启人类生物经济时代。如果转基因技术应用不当,也可能给自然和人类带来意想不到的负面影响。目前,公众对转基因技术和转基因产品有一些误解。许多人对转基因产品的安全性不放心,他们对转基因技术的发展和应用感到担忧,这是可以理解的。然而,有些人别有用心,不顾科学事实盲目反对转基因技术,甚至妖魔化转基因技术和转基因食品,这是不可接受的。处理科学问题,要用科学的观点、科学的实验和科学的事实来客观地分析、理性地思考和正确地对待它们。以下观点将有助于人们更好地理解转基因技术的本质,减少对转基因技术和转基因食品的误解。

    地球上的生物起源相同,人类是许多物种之一。

    虽然在地球上发现了数千万种不同形状、大小和生物特征的生物,但考古学、地质学、生命科学和化学等自然学科的大量证据支持地球上的生命有着共同的起源,经过35亿年的漫长进化过程,今天地球上丰富多彩、生机勃勃的生命世界已经逐渐形成。尽管人类有高贵的血统,但他们仍然无法摆脱身体结构中低等生物留下的不可磨灭的痕迹。人类和其他生物生命活动的分子基础是相同的。人类脱氧核糖核酸的结构和蛋白质的密码子与所有其他生命形式完全相同。

    在过去十年中,大规模基因组测序发现不同物种基因组的相似性比最初预期的要高得多,动物、植物和微生物基因组之间有大量同源基因。换句话说,我们通常把动物、植物和微生物作为一个整体来看待。就基因水平而言,许多基因不是动物或植物独有的。例如,人类基因与黑猩猩的相似度高达98.77%,人类基因与恒河猴的相似度约为93%,人类基因与小鼠的相似度超过80%。61%具有生物功能的人类蛋白质与果蝇同源,43%与线虫同源,46%与酵母同源。人类独有的基因很少,绝大多数基因可以在其他生物中找到同源基因。

    有一种普遍的基因转移现象

    与同一物种内遗传物质的基因垂直转移不同,基因水平转移是指特定基因或其片段的基因序列以某种未知的方式从一个物种转移到另一个物种。例如,大肠杆菌和枯草芽孢杆菌之间存在高频水平基因转移。单细胞真核生物硅藻与细菌之间存在双向基因转移,硅藻已经从细菌中获得数百个基因,基因转移似乎在硅藻进化中很常见,导致基因的不规则组合。通过基因组分析、分子杂交和邻近序列变异分析,证实小米和水稻存在MULE转座子的水平转移。

    对不同群体基因组的比较研究表明,从其他生物体获得基因是基因组进化和新基因形成的重要途径之一。基因转移发生在古代地球生物中,并持续至今。

    转基因事件在自然界已经存在了很长时间,并不是人类发明的新发明。

    农杆菌是植物基因工程的天然大师。它是一种常见于土壤中的革兰氏阴性细菌,在自然条件下能趋化感染大多数双子叶植物的损伤部位,诱导冠瘿瘤或毛状根。

    根癌农杆菌和发根农杆菌在其细胞中有一段T-脱氧核糖核酸。根癌农杆菌可以将T-脱氧核糖核酸转移到植物细胞中,并在将植物伤口感染到细胞后将其插入植物基因组中。农杆菌是一种天然的植物遗传转化系统,在自然界中已经存在了很长时间。人类在了解生物体的遗传物质脱氧核糖核酸分子、发展脱氧核糖核酸操作技术和认识到天然脱氧核糖核酸分子转移系统后,创造了基因工程技术。

    在早期,科学家只能用农杆菌对一些双子叶植物进行基因转移。在不断修饰农杆菌质粒后,现在可以利用农杆菌对越来越多的双子叶植物和许多单子叶植物(包括水稻、玉米、小麦等粮食作物)进行基因转移。可以说,自然是人类各种技术思想、工程原理和重大发明的源泉,转基因技术的发明也不例外。目前的转基因技术是通过模仿自然界的天然转基因产生的。转基因事件并不是从头开始的新事物。人类只是在更有针对性、更有选择性、更高效和更大规模地将转基因技术用于生命科学的基础研究和生物技术产品的开发,造福人类。

    转基因生物的生态安全是可控的。

    人们是否担心转基因生物会对生态环境产生大规模的负面影响?最近,雷丁大学的科学家曼尼恩和萨里大学的斯蒂芬莫尔斯发表了一篇综述,总结了过去15年转基因作物对农艺性状和环境的影响。他们分析了已发表的关于转基因作物的文章,发现转基因作物的商业化给发展中国家和发达国家都带来了积极的影响,显示出各种积极的影响。就农艺性状而言,转基因作物提高了害虫抗性和杂草控制,从而提高了产量。由于“光晕”效应,抗虫作物给邻近的传统作物带来了好处。对生态环境的负面影响没有大规模发生。由于农药用量的减少,减少了对非目标生物的伤害,更多的有益生物被保存在生态环境中。转基因作物的使用也可以减少能源投入,是一种低碳投入。杀虫剂的减少也减少了对农民健康的危害。

    转基因食品安全

    转基因食品安全吗?这是另一个主要问题。根据经济合作与发展组织(经合组织)、联合国粮食及农业组织(粮农组织)、世界卫生组织(世卫组织)等国际组织推荐的转基因食品安全评估原则,大量研究人员在研究转基因食品的安全性后证实,被检测的转基因食品安全可靠,对消费者和环境无害,甚至转基因食品也能使许多传统天然食品更加安全健康。人们在以前走得太远了

    关于转基因技术的利弊的争论无疑将继续下去。世界上大多数科学家对转基因技术持积极态度,认为利用这一技术对生物体进行有针对性的改造可以大大加快优秀生物体的筛选和培养。跨物种间的基因转移极大地扩展了可用的基因资源。转基因技术作为新绿色革命的利器,将造福人类,发挥不可替代的作用。马克,英国著名科普作家和环境学家?林纳斯,原本是反转基因运动的象征,2013年1月3日马克林纳斯在牛津农业大会上的演讲,公开承认他的态度已经改变,并为他妖魔化转基因生物道歉。尽管他意识到转基因作物的安全性,但他相信这项技术可以帮助解决世界上日益增长的人口的粮食需求。他认为只有回到科学证据和理性之后,他才做出这样的选择。反对通用汽车就是反对科学。

    (作者是李杨胜、朱颖国,武汉大学生命科学学院杂交水稻国家重点实验室,原标题《》,《植物生理学杂志》,2013年)

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