人类作物育种的历史就是一部人类不断追求技术速度与精度的历史。在8000年前农业产生初始，人类仅仅依靠植物的自然变异来选择产量、品质表现优良的品种来种植。但作物的自然变异效率太低，于是上世纪30年代杂交育种技术的推广，大大加速了人类利用自然变异的速度。而上世纪70年代基因重组技术的发明，提醒人们可用其加快作物基因变异的速度，即人为引入作物之外的目的基因来打破种属界限，这便是转基因育种。

　　由于复杂的社会原因，作为高精尖技术的代表，转基因育种技术成为社会舆论的众矢之的，备受攻击。就其原因，很重要的一点是，转基因育种向作物基因组引入了外源基因，这让很多公众对这种基因工程操作产生了“人工改变自然物种可能导致某些后果”的疑虑。

　　然而科技并未因部分民众对其负面的认知而延缓步履，最直接受益的农民给出了明晰的答案。据国际农业生物技术应用服务组织报告称，2014年全球转基因作物种植面积为创纪录的1.815亿公顷，比2013年增加了600万公顷。

　　小麦和大米绿色革命以来，作物生产率的增速已经减缓。仅靠传统杂交育种技术难以在2050年实现供养90亿人口，那么兼用传统技术和最好的生物技术是目前最优选择。

　　转基因育种硕果累累

　　转基因技术也称为“重组脱氧核糖核酸技术”或“遗传工程”，可使选定的个体基因从一种生物体转移到另一种生物体，并且还可在不相关的物种之间转移，如此产生转基因植物可用于培植转基因粮食作物。

　　转基因育种最初目标是作物保护，通过增强对由昆虫或病毒引起的植物病的抗性，或通过增强对除草剂的耐受性提高作物保护水平。如通过将从苏云金芽孢杆菌（BT）这种细菌中生产毒素的基因转入粮食作物，从而实现抗虫害抗性。或引入抗某些除草剂的细菌的一种基因，从而实现作物抗除草剂耐受。

　　2014年共有28个国家种植转基因作物，种植转基因作物的20个发展中国家和8个发达国家占全球人口的60%以上。其中美国以7310万公顷的种植面积位居第一。

　　有研究称，最具应用前景的3种农业技术是免耕技术、抗旱以及氮的高效利用。转基因作物育种已经在前两者取得了显著进展，氮的高效利用研究尚未推广。

　　抗除草剂性状作物造就了“免耕农业”的流行，这也是适用于大型农场的种植方式。抗除草剂玉米、大豆、棉花的推广减少了劳力的投入、肥料施用，并保持了土壤湿度，增强了耕地肥力。如今第二代抗除草剂作物已经是抗多种除草剂的品种。

　　抗旱性状是所有性状中最具挑战的。抗旱作物的研发较为复杂，人们一直认为作物抗旱能力是植物复杂调控的结果，但新的研究显示单个基因对作物抗旱有帮助。近年，孟山都公司与杜邦先锋均已推出了抗旱品种。

　　杜邦先锋的品种是通过经典的分子标记辅助选择育种手段获得的杂交品种，而孟山都公司推出的品种则是转基因抗旱杂交玉米品种，名叫Ingenuity^® Drought Gard^TM杂交种，是通过在亲本中表达一个编码伴侣蛋白的基因来得到抗旱能力。Drought GardTM玉米于2013年首次在美国种植了5万公顷，2014年约为27.5万公顷，可见美国农民对转基因抗旱品种的欢迎。

　　氮吸收是作物产量的主要限制因素。氮的高效利用既可以减少化肥施用，还可以减少环境影响。目前科研界和产业界都在为提升氮的吸收和利用而努力，两个典型的代表，其一是由国际玉米与小麦改良中心(CIMMYT)、非洲NARD和大型跨国公司杜邦先锋之间合作的IMAS项目（Improved Maizefor African Soils），该项目是结合常规育种与分子育种方法来利用多个可能提高氮吸收效率的基因；其二是由Africa Rice和哥伦比亚国际热带农业研究中心（CIAT）执行，其核心技术由Arcadia生物科技公司捐献，已在加纳和乌干达开始早期田间试验。

　　麦当劳等快餐企业的薯条供应商辛普洛特的转基因土豆于2014年11月得到美国农业部批准，它可以减少土豆擦伤变黑，并在烹饪过程中降低丙烯酰胺的产生。这种土豆嵌入了野生土豆中的基因片段。

　　此外，孟山都公司还推出了转8种基因的玉米。这种玉米产品Smart Stax包含了6种抗虫基因和2种抗除草剂基因，它结合了孟山都公司和陶氏化学公司的技术。在中国，自《转基因生物新品种培育》2008年实施以来，华中农业大学研发的转Cry1Ab/1Ac融合基因的抗虫水稻“华恢1号”及杂交种“Bt汕优63”、中国农业科学院生物技术研究所与奥瑞金公司联合研发的转植酸酶PhyA2基因的BVLA430101玉米自交系于2009年获得农业部颁发的安全证书。随后，拥有自主知识产权的三系杂交和优质抗虫棉、抗虫和抗除草剂转基因玉米、转人血清白蛋白基因水稻、转WYMV-Nib8基因抗黄花叶病毒病小麦、转DREB基因节水耐旱小麦等多个成果产生。

　　快速高效的基因组编辑育种

　　在转基因育种中，由于外源基因的嵌入位置有随机性，需要大量的筛选来获取目标性状，于是精确定位的基因组编辑技术应运而生。第一次绿色革命之父伯劳格（Norman Borlaug）改良小麦用了近20年，而作为基因组编辑技术的最新代表，CRISPR-Cas9技术育种的周期可缩短到数月。两者的速度与精度完全不可同日而语，犹如弓箭之于巡航导弹。

　　目前的基因组编辑技术主要指几种人工核酸酶技术，包括锌指核酸酶(ZFNs)，TALE核酸酶(TALENs)，以及CRISPR/Cas系统。这些人工核酸酶用来在DNA靶位点产生双链断裂，之后进行末端连接或同源重组以修复损伤的DNA。其中CRISPR/Cas系统是最新的技术，它不需要形成蛋白二聚体起作用，而是RNA通过碱基互补配对即决定靶序列的特异性，因此操作更简捷，应用范围更大。

　　在基因组编辑育种技术之前，传统转基因育种技术被垄断在以孟山都公司为首的几家大公司手中。因为门槛高、周期长、监管成本高昂，高校院所以及小公司没有能力介入。新的育种技术降低了准入门槛，由于该技术大大缩短了新品种的研发周期和降低了研发费用，小公司纷纷进入，于是基因组编辑技术问世仅数年就已在作物育种领域开花结果。

　　美国的Calyxt公司即为这些小公司的代表。这家成立于2010年3月的生物技术公司是法国生物技术公司Cellectis旗下的分公司，如今其产品线已有高油酸大豆、耐冷藏土豆、低谷蛋白小麦等多种产品。其中高油酸大豆生产的豆油不含反式脂肪酸，抗氧化能力更强，利用时间更长；耐冷藏土豆则更适合冷藏长期保存，由该品种加工的薯片中致癌物丙烯酰胺的含量要大大低于普通的土豆品种；低谷蛋白小麦可避免谷蛋白过敏性肠病。

　　以Calyxt公司的耐冷藏土豆为例。其原理是，利用TALEN基因编辑技术通过降低土豆中天门冬酰胺和还原性糖的含量，来减少高温烹饪时产生的致癌物质丙烯酰胺。

　　TALEN技术是2009年底由明尼苏达大学的Dan Voytas实验室首先研发成功，并随后独家授权给Calyxt公司。Dan Voytas教授也加盟Calyxt公司。

　　以中国科学院遗传与发育研究所研究员高彩霞等人为代表的中国科学家也作出了出色的工作,他们用基因编辑技术获得了对白粉病具有广谱抗性的小麦材料，该研究结果于2014年7月20日在线发表在生物技术领域权威期刊《自然-生物技术》杂志上。

　　白粉病是小麦的世界性病害，小麦中的致病基因在其A、B、D基因组上各有一个拷贝。由于其基因组庞大，约为人类基因组的5倍，因此利用传统的遗传学手段来进行作物的性状改良有很大的难度。

　　高彩霞与中国科学院微生物研究所研究员邱金龙合作利用TALEN技术在六倍体小麦中对该基因的3个拷贝同时进行了突变，该研究首次在一个多倍体物种中证明可以对多个部分同源的基因同时并准确地进行编辑，并展示了通过基因组编辑可以实现不同物种的育种信息资源共享。

　　需要注意的是，这种抗白粉病小麦很难通过杂交育种获得，因为杂交育种利用的是自然突变产生的植株，而六倍体小麦很难发生3个拷贝同时突变。同样，传统转基因技术也不容易实现，因为转基因技术具有插入的随机性，做不到在特定基因上的插入，而六倍体的筛选工作量是无穷大的。

　　当然，基因组编辑技术至少在目前尚不能完全替代传统转基因技术，比如因为Bt基因来源系细菌，而基因组编辑尚未实现在作物自身基因组上产生Bt基因。

　　目前，业内关注的是新的基因组编辑育种是否会按照转基因育种进行监管。过于严厉的监管已经阻碍了农业生物技术的创新，如果基因组编辑育种也陷入严厉监管的桎梏中，那么对于农业生物育种而言将是又一大打击。多数业内人士认为，因为检测不到外源基因，大部分基因组编辑育种产品不应作为转基因产品来管理，在这里一个简化的合理程序是迫切需要的。

　　不过好消息是美国农业部称，Calyxt公司的土豆不属于转基因育种监管范畴，这就意味着，该土豆很快将按照传统育种来管理。

　　作者单位：基因农业网