如果遠方呼喚我
我就走向遠方
如果大山召喚我
我就走向大山
雙腳磨破
乾脆再讓夕陽塗抹小路
雙手劃爛
索性就讓荊棘變成杜鵑
沒有比腳更長的路
沒有比人更高的山
——汪國真
一張口難説兩家話,花開兩朵,各表一枝,歷史車輪滾滾向前,時代潮流浩浩蕩蕩。
育種是通過創造遺傳變異、改良遺傳特性,培育優良動植物新品種。廣義上講,生物育種技術的發展經歷三個主要時期:原始馴化選育(1.0版)、雜交育種(2.0版)、分子育種(3.0版)。智慧分子設計育種(4.0版)則是育種的未來,部分發達國家已經跨上這一台階,而中國還在從2.0階段向3.0階段艱難邁步。
在人類種植的作物和養殖的動物中,最初階段主要有三類:一是自然物种經過人類的選擇和馴化,成為作物品種。比如,野生水稻成為水稻。二是自然界的兩個品種自然雜交,形成新品種。比如早先只有桔、柚,後來有了橙、柑,人們把好吃的留下來繼續種,又有了椪柑、葡萄柚等。三是自然界的舊品種産生自然突變,比如麻鴨中産生了白鴨,人們把它篩選出來,就成了北京烤鴨的食材。自然物种經過人工馴化變成人類種植的作物往往要經過很長時間,比如野生水稻變成人類種植的水稻,是在數千年或一萬年前開始的。完全依靠純粹的自然雜交自然進化,速度也非常緩慢,千百年才産生那麼一點點。像葡萄柚這樣的品種出現,偶然性很大,可能幾千年才結出一顆。怎樣把自然進化的速度加快?於是就採取有目的的人工干預,明顯加快了品種改良的進程。一是人工雜交育種,比如果樹的嫁接,我國北魏《齊民要術》就已經記錄了這種方法。現代最著名的就是人工雜交水稻。二是人工誘導産生的基因突變,比如通過太空射線輻射培育的太空番茄等。在轉基因技術出現以前,大多數優良品種都是通過這兩種人工育種方法培育而成。而這兩種方法,都是在有目的地改變原有物種基因,也許是替換掉一個基因,也許是加入一個基因,也許是改變某個基因的一段序列。以上這些育種方法的本質都是改變生物的基因,只不過它們發生在同類物種或近緣物種之間,人們也都已習慣了,接受了。後來人們不滿足於這些改變,嘗試把兩個不同物種的基因進行替換或重組,使物種獲得更大的變化,這就發展成現在的轉基因。
健客:物種之前講過了,分子育種是什麼意思呢?
雲飛:分子育種就是將分子生物學技術應用於育種中,在分子水準上進行育種。通常包括:分子標記輔助育種和遺傳修飾育種。轉基因是利用現代生物技術,將人們期望的目標基因,經過人工分離、重組後,導入並整合到生物體的基因組中,從而改善生物原有的性狀或賦予其新的優良性狀。分子育種很明顯不能等同於轉基因,比如通過測序,檢測單核苷酸多態性,篩選優良品種,就不涉及基因調控。種間隔離並不等同於物種之間沒有基因交流。從進化的角度來看,物種之間常會發生水準基因轉移。一定程度上可以説,轉基因是一種水準基因轉移。如果轉入的新基因可以遺傳,則會産生新的物種。若不能遺傳,則不能産生新的物種。但是分子育種手段篩選出的新品種(不是新物種),它們的優良性狀都是可以遺傳的。分子育種技術可以實現基因的直接選擇和有效聚合,大幅度提高育種效率,縮短育種年限,實現“精確育種”。未來智慧分子設計育種,在電腦平臺上對生物體的生長、發育和對外界反應行為進行預測;然後根據具體育種目標,構建品種設計藍圖;最終結合育種實踐培育出符合設計要求的新品種。轉基因,包括基因編輯,在智慧分子設計育種中也是重要的工具。
2015年,比利時科學家首次證實甘薯(紅薯)天然地被轉基因。2017年8月21日,上海辰山植物園(中科院上海辰山植物科學研究中心)和中國科學院上海植物生理生態研究所聯合德國馬克斯普朗克分子遺傳研究所和分子植物生理研究所的科研團隊在《自然》雜誌子刊《自然-植物》上共同發表論文,揭示甘薯起源。在291個栽培甘薯的樣品中,發現4個基因與農桿菌的基因同源,而這些基因在甘薯的野生祖先那裏卻沒有出現。也就是説,在甘薯的起源演化過程中,大自然通過農桿菌給它進行了轉基因。正是這些包含細胞分裂素、生長素的基因才讓甘薯的塊根膨大。
健客:第一次聽説農桿菌,是細菌嗎?
雲飛:嗯,農桿菌是生活在植物根表面,依靠根組織滲透出來的營養物質生存的,普遍存在於土壤中的革蘭氏陰性細菌。1907年,美國植物病理學家,植物病原細菌學奠基人史密斯等人在《科學》雜誌上發文,一種被命名為根癌農桿菌的細菌可在多種植物上引起冠癭瘤的發生。在自然界中,絕大多數的植物都是從土壤中生長出來的,它們從土壤中吸取營養和水分,同時也會被土壤中的各種細菌所侵染而致病。在眾多的土壤細菌中,有兩種農桿菌一直是世界各國科學家們研究的熱點,一種是根癌農桿菌,另一種是髮根農桿菌,同屬根瘤菌科。這兩種農桿菌之所以受到重視,主要就是因為它們都攜帶有一種特殊的質粒,應用於植物基因工程的遺傳轉化研究中。農桿菌通過侵染植物傷口進入細胞後,可將自身攜帶的基因插入植物基因組中,被譽為“自然界最小的遺傳工程師”。
2021年2月4日,中國科學院種子創新研究院/遺傳與發育生物學研究所李家洋院士團隊與合作者的科研成果發表在《細胞》雜誌上。快速從頭馴化異源四倍體野生稻,發揮多倍體的優勢,找回目前栽培稻已經丟失的部分“好”基因,最終有望培育出産量高、環境適應能力強的新型水稻作物。四倍體比二倍體多2個染色體組。異源四倍體野生稻具有生物量大、自帶雜種優勢、環境適應能力強等優勢,但具有非馴化特徵,無法進行農業生産。目前的栽培稻,則是從二倍體野生稻經過數千年人工馴化而來,馴化過程中,改良了重要農藝性狀,同時也造成遺傳多樣性的大量丟失。能否將二者的優勢結合起來?從綜合表現更好的四倍體野生稻出發,利用現代基因組編輯技術,可以將幾千至上萬年的水稻馴化史在短時間內“重演”,並避免部分基因丟失。李家洋帶領的研究團隊攻破技術瓶頸,首次設計完成異源四倍體野生稻快速從頭馴化的框架圖。
2021年3月25日,中國農業科學院蔬菜花卉研究所張友軍團隊的科研成果線上發表于《細胞》雜誌,並作為封面文章于4月1日出版。經過20年追蹤研究“超級害蟲”煙粉虱,發現它從寄主植物那裏獲得了防禦性基因,類似“以子之矛、攻子之盾”。張友軍團隊從植物的次生代謝産物入手,分析了煙粉虱喜愛的食物之一番茄葉片的代謝譜,檢測到9873種化合物,其中鑒定出290種酚糖,佔2.93%。酚糖能抑制昆蟲生長髮育。
健客:等等,什麼是次生代謝産物?
雲飛:簡單説就是非必需的生命代謝産物,與初生代謝産物相對。植物初生代謝産物是光合作用的直接産物,如糖類、脂肪、核酸和蛋白質等。次生代謝産物是植物體的其他有機物,它們是由糖類等有機物次級代謝衍生出來的物質,如萜類、酚類和生物鹼等。植物次生代謝産物是植物對環境的適應,是在長期進化過程中植物與生物和非生物因素相互作用的結果。在對環境脅迫的適應、植物與植物之間的相互競爭和協同進化、植物對昆蟲的危害、草食性動物的採食及病原微生物的侵襲等過程的防禦中起著重要作用。
奇妙的是,植物自己分泌的酚糖對植物本身也有害處。“過多的酚糖對植物生長髮育不利。”論文共同第一作者、蔬菜所研究員郭兆將説。因此,當害蟲離去後,植物要快速降解掉多餘的酚糖。植物給自己準備的“解藥”是一種酶,。
健客:燒腦啊!煙粉虱到底是怎麼對付酚糖的呢?
雲飛:以往的化學分析已經不能解答這個難題。一段時間裏,煙粉虱的解毒機制研究進展緩慢。
2009年,Q型煙粉虱在國內大面積暴發,並在番茄上傳播病毒,造成的經濟損失達100多億元。對煙粉虱的防控刻不容緩。基因組測序技術的進步帶來了突破瓶頸的希望。張友軍團隊決定給Q型煙粉虱基因組測序。2013年,煙粉虱基因組測序完成,獲得了20786個基因。“我們發現了後來被命名為BtPMaT1的基因。當時感覺很興奮。”論文共同第一作者楊澤眾説,這個煙粉虱的基因與植物的“解藥”酶是同源基因。“BtPMaT1基因的確存在於煙粉虱基因組中,而非植物基因組污染。”張友軍説,進化樹分析結果表明,煙粉虱BtPMaT1基因的同源基因僅存在於植物和少量的真菌中。“這是煙粉虱從植物那裏‘偷盜’而來的基因,這是一種普遍存在於生物界的水準基因轉移現象。”張友軍説。此前研究已經證明,水準基因轉移在原核生物之間經常發生,通常認為是原核生物進化的驅動力。越來越多的證據表明,水準基因轉移也是真核生物適應性進化的重要因素。這是我國農業害蟲研究領域在《細胞》雜誌的首篇論文,也是人類首次證實植物和動物之間存在功能性基因水準轉移現象,首次揭示昆蟲如何利用水準轉移基因來克服宿主的防禦,為探索昆蟲適應性進化規律開闢了新的視角,也為新一代靶標基因導向的煙粉虱田間精準綠色防控技術研發提供全新思路。
2022年5月23日,英國諾裏奇研究園的科研成果發表在《自然-植物》上,他們利用根癌農桿菌介導的CRISPR-Cas9基因編技術開發了一種基因編輯番茄,能夠積累維生素D3的前體,並在陽光照射下合成維生素D3。一個中等大小的番茄幹重8-10克,對應的維生素D3含量達到了每日建議攝入量的20%,相當於兩個雞蛋的含量。
健客:CRISPR-Cas9是什麼意思呢?
雲飛:它是細菌和古細菌在長期演化過程中形成的一種適應性免疫防禦,可用來對抗入侵的病毒及外源DNA。還記得限制性核酸內切酶嗎?
健客:記得啊,好像也是細菌對抗入侵的病毒及外源DNA的物質。它們有什麼聯繫嗎?
雲飛:CRISPR-Cas9中的CRISPR是原核生物基因組內的一段重復序列,Cas是一種核酸內切酶,和限制性內切酶一樣,都是基因的“剪刀”。Cas9與CRISPR系統關聯起來,由一條單鏈嚮導RNA引導核酸內切酶Cas9到一個特定的基因位點進行切割。通過設計嚮導RNA中鹼基的識別序列,可人為選擇DNA上的目標位點進行切割,使這把“剪刀”更精準!
健客:前體是什麼意思呢?
雲飛:在代謝過程中,位於另一化合物之前的一種化合物。例如蛋白質的前體分子就是多肽鏈。
這項研究是在實驗室中進行的,因此,還需要在田間種植以確定基因編輯後的番茄植株是否能夠應對自然環境壓力,以及自然光照中紫外線的影響。研究團隊也已經獲得英國的批准,可以在田間種植這種基因編輯番茄。但是,如果在英國進行田間種植,那麼這項研究幾乎註定會失敗,英國的多雨天氣會極大地限制次生代謝産物維生素D3的合成。因此,研究者希望可以在陽光充足的地方進行實驗,當聯繫義大利的合作者是否可以在當地進行實驗時,對方告知,大約需要兩年時間才能獲得種植所需的監管許可。另外,2021年,日本上市了一款通過CRISPR-Cas9基因編輯來增強γ氨基丁酸的番茄,有助於降血壓,但這種番茄售價較高,是普通番茄的數十倍。
健客:不是花開兩朵嗎?怎麼一直在講育種技術啊!
雲飛:別急嘛
自1996年轉基因作物産業化種植以來,全球累計種植轉基因作物超過400億畝。截至2021年2月,有40多個國家和地區進口轉基因農産品。不過,很多地方的消費者對其安全性仍有擔憂。 2003年,剛剛加入WTO,我國大豆企業開始試水國際市場,組團去美國買大豆,而且去之前大張旗鼓地宣傳,新聞聯播也做了報道。得到中國“集體團購”的資訊之後,美國大豆價格應聲暴漲。喜歡“追漲”的中國豆企高位下了800萬噸的大單,前腳剛走,大豆價格隨即大幅跳水,跌幅近50%。最終導致2004年我國大豆行業幾乎全軍覆沒。這就是轟動一時的“大豆淪陷”事件。反轉人士發聲:為什麼要進口這麼多大豆?為什麼要購買轉基因大豆?有人提出“愛國就應該反對轉基因”!唉,必須優先保證水稻、小麥和玉米等主糧的自給率。
2012年,湖南衡陽的黃金大米事件曝光。因違規試驗,當事人受到處罰,參與試驗的25名兒童每人獲賠8萬元。
2013年,查處中儲糧“轉基因油入庫”事件;打擊非法種植轉基因作物案件。
2014年,下發《農業部關於進一步加強農業轉基因生物安全監管工作的通知》。
曾幾何時,媒體持續關注轉基因。農業農村部網站專門設立“轉基因權威關注”頁面。方舟子和崔永元兩位公眾人物因轉基因發起的爭論愈演愈烈。除了反轉派和挺轉派,還有很多慎轉派。轉基因在中國關乎太多糾葛,各種觀點針鋒相對。在沸沸颺颺的爭論中,無論表達何種立場和觀點,都會引來口誅筆伐。你説法律,他説科技;你説監管,他説戰略;你説風險,他説安全;你説相關,他説因果;你説涌現性,他説等同性。其中還充斥各種利益、各種帽子、各種人設、各種攻擊。回頭看,多希望心平氣和地討論這個嚴肅的話題,不要為爭論而爭論。
2019年、2021年和2022年,農業農村部辦公廳分別通報10起、8起和9起農業轉基因生物安全管理違規行為處理情況。
2022年7月20日,國務院新聞辦公室舉行新聞發佈會,介紹2022年上半年農業農村經濟運作情況。
圖片來源:農業農村部官網
南華早報記者問:國家級轉基因大豆玉米品種審定標準在6月初印發。這是否意味著政府正在加快推進轉基因大豆玉米的商業化種植?有分析認為,轉基因玉米、大豆品種的上市銷售有望在2023年前後落地。對此,農業農村部如何評論?
農業農村部總農藝師、發展規劃司司長曾衍德答:
轉基因技術作為一種新技術,世界各國都在加快創新,我國也建立了相應的研發體系和評價體系,培育了一批有自主智慧財産權的品種。我們在推進農業轉基因技術的研發過程中,按照中央要求,尊重科學、嚴格監管,有序推進生物育種産業化應用。主要是以下三點:
第一,依法依規。我們按照種子法和農作物轉基因生物管理規定,制定了轉基因安全評價、品種審定、種子生産經營、植物品種命名等規章制度。
第二,嚴格監管。剛才你説到,國家農作物品種審定委員會制定了國家級轉基因大豆、玉米品種審定標準,並在6月份發佈實施。這個標準主要是在相應的非轉基因品種審定標準基礎上做加法,豐産性、抗病性等基本條件是一致的,只是增加了轉基因品種的抗蟲、耐除草劑等目標性狀的規定。同時,對研發試驗、種子生産經營等關鍵節點的監管都是很嚴格的,對違法違規行為,發現一起,嚴查一起。執法是嚴格的,效果是好的。
第三,轉基因産業化應用試點在有序推進。對於獲得生産應用安全性證書的轉基因玉米、大豆品種,我們開展一定的試種試驗,目前正在有序推進。從去年的試點效果看,效果是不錯的,2022年是第二年,我們仍然嚴格按照規定和要求有序開展試點。
轉基因在中國,路在何方?農業農村部部長韓長賦説:“安全不安全,應該是科學來評價;能種不能種,應該由法規來處理;食用不食用,應該由消費者自己來選擇!”
路是什麼?魯迅説:“希望是本無所謂有,無所謂無的。這正如地上的路;其實地上本沒有路,走的人多了,也便成了路。”人人受著召喚,召喚也許不同,有的來自遠方,有的來自大山……用腳步丈量夢想,思想和行動都在路上。
欲知後事如何,且聽下回分解。