生物技術(shù)在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用

薩初拉 劉德明 蘇少鋒 劉紅葵 王蘊華 呼和 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院 010031

生物技術(shù)在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用

薩初拉 劉德明 蘇少鋒 劉紅葵 王蘊華 呼和 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院 010031

本文從生物技術(shù)發(fā)展歷程入手，闡述了其在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用、發(fā)展優(yōu)勢與存在的問題，旨在探討生物技術(shù)推動農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的新趨勢，同時加強(qiáng)公眾對生物技術(shù)相關(guān)知識的了解，為公眾科學(xué)理性地看待生物技術(shù)和產(chǎn)品提供指導(dǎo)性建議。

生物技術(shù)；農(nóng)牧業(yè)；應(yīng)用

1 引言

生物技術(shù)是利用自然科學(xué)和工程學(xué)原理，依靠生物作用劑的作用將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或為社會服務(wù)的技術(shù)。已知最早的生物技術(shù)應(yīng)用始于公元前6000年的發(fā)酵生產(chǎn)，例如通過釀造來獲得啤酒等。直到1978年，人類胰島素被成功合成并證明有效后，生物技術(shù)才受到廣泛關(guān)注并形成了新興產(chǎn)業(yè)。1988年，通過基因工程改造細(xì)胞生產(chǎn)的五種蛋白質(zhì)獲得美國食品藥品局批準(zhǔn)，而在1990年底獲得批準(zhǔn)的此類產(chǎn)品數(shù)目已經(jīng)超過125個。目前，生物技術(shù)仍是科學(xué)研究的熱點課題，并且已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面，例如基因治療、干細(xì)胞研究、克隆、轉(zhuǎn)基因動植物，以及轉(zhuǎn)基因食品等。

2 生物技術(shù)在農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

生物技術(shù)在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用是基于對動植物遺傳和表觀性狀的充分研究。早在1866年，奧地利學(xué)者G.J.孟德爾已通過豌豆雜交實驗揭示了基因分離定律，為后來雜交育種技術(shù)的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。隨后在1909年，丹麥科學(xué)家W.L.約翰森提出“基因”的名字用于表達(dá)孟德爾的遺傳因子概念。直到1944年O.T.埃弗里通過肺炎球菌轉(zhuǎn)化實驗證實了基因由DNA組成，并于9年后由沃森和克里克揭示了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。在1969年J.夏皮羅等研究大腸桿菌乳糖操縱子時提出一個基因可以離開染色體而獨立發(fā)揮作用，從而為基因重組技術(shù)的誕生奠定了基礎(chǔ)。在1972年保羅·伯格制備了首個人工重組DNA，1974年科恩將抗青霉素基因轉(zhuǎn)入大腸桿菌內(nèi)，從而揭開了轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用的序幕。1978年，人類胰島素生產(chǎn)重組微生物由Startup公司（genentech）生產(chǎn)，并證明了轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的有效性和經(jīng)濟(jì)價值。20世紀(jì)80年代初，首個轉(zhuǎn)基因小鼠和轉(zhuǎn)基因煙草的誕生充分證實了轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用的普遍性。

（1）在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。在過去一個世紀(jì)里，利用傳統(tǒng)雜交育種手段已培育出多個優(yōu)秀的作物品種，但平均育種年限為12～15年，因此如何提高新品種培育效率一直是育種學(xué)的重點課題。早在1923年，Sax對菜豆兩種性狀進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，植物中簡單的基因遺傳標(biāo)記與植物數(shù)量性狀具有連鎖關(guān)系，為分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)的產(chǎn)生提供了理論基礎(chǔ)。由于傳統(tǒng)方式開發(fā)和定位分子標(biāo)記周期長、效率低，因此阻礙了分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)的應(yīng)用。1940年，化學(xué)誘變劑和射線被廣泛應(yīng)用到植物育種過程中，開辟了快速品種培育新手段。到目前已有超過2500個植物新品種被通過該手段培育出來。由于誘變產(chǎn)生新品種是通過隨機(jī)突變個體基因而改變性狀，因此存在多種不確定性。自1953年以來，DNA結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)座子機(jī)理、植物組培、胚胎拯救、原生質(zhì)體融合和DNA重組等相關(guān)技術(shù)的不斷被發(fā)現(xiàn)，使得轉(zhuǎn)基因技術(shù)成為快速培育具有人為設(shè)定性狀的新品種的手段。雖然，目前通過基因工程技術(shù)獲得具有特定優(yōu)良品性且穩(wěn)定遺傳特征的新品種仍需要大約10年時間，但此項技術(shù)關(guān)鍵在于對目的樣品的DNA進(jìn)行定點和人為設(shè)定改造提供了可能性。隨著高通量測序技術(shù)和生物信息學(xué)的快速發(fā)展，優(yōu)良性狀相關(guān)基因和分子標(biāo)記得到了準(zhǔn)確定位和高效開發(fā)，隨之應(yīng)運而生了分子設(shè)計育種新領(lǐng)域。分子設(shè)計育種即通過多種技術(shù)的集成與整合,對育種程序中的諸多因素進(jìn)行模擬、篩選和優(yōu)化，提出最佳的符合育種目標(biāo)的基因型，以及實現(xiàn)目標(biāo)基因型的親本選配和后代選擇策略，以提高作物育種中的預(yù)見性和育種效率，進(jìn)一步利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)、TILLING技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)創(chuàng)制優(yōu)異種質(zhì)資源，實現(xiàn)多基因組裝育種的目標(biāo)。由于分子設(shè)計育種采用了高效的基因轉(zhuǎn)移途徑，因此具有常規(guī)育種無可比擬的優(yōu)點，如可精確篩選目的基因和表型、育種周期短等。一旦建立了完善的品種分子設(shè)計體系，就可以快速地將功能基因組學(xué)的研究成果轉(zhuǎn)變成大田作物品種而創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著生物技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用將不斷深入。例如，利用植物體細(xì)胞雜交技術(shù)將豆科植物和向日葵進(jìn)行雜交，獲得具有高營養(yǎng)價值的“向日豆”；利用生物工程菌實現(xiàn)制酒、制醬、固氮、生物農(nóng)藥和飼料的生產(chǎn)，或利用植物組織快速培育技術(shù)實現(xiàn)對優(yōu)良品種的快速無性繁殖。

（2）在畜牧中的應(yīng)用。生物技術(shù)在畜牧業(yè)中的應(yīng)用最早可以追溯到公元前5000年。當(dāng)時主要利用異種雜交方法獲得雜交優(yōu)勢群體，例如將母馬與公驢雜交獲得更強(qiáng)壯的騾子。

目前生物技術(shù)在畜牧新品種培育、遺傳資源保護(hù)、飼料資源的開發(fā)利用、疾病預(yù)防與治療和環(huán)境凈化等方面具有廣泛的價值。在畜禽遺傳資源保護(hù)中，胚胎和生殖細(xì)胞冷凍、體外受精、胚胎工程和克隆等相關(guān)技術(shù)均被應(yīng)用。轉(zhuǎn)基因技術(shù)則在增加飼料作物中果聚糖和可溶性糖的濃度，降低副產(chǎn)品的木質(zhì)素含量等飼料資源的開發(fā)及微生態(tài)制劑、疫苗研發(fā)、藥物開發(fā)和疾病治療中被廣泛應(yīng)用。

畜禽育種與農(nóng)業(yè)育種相同，本質(zhì)上都是從基因水平上對生物個體進(jìn)行改良。因此發(fā)展歷程也同樣經(jīng)歷了傳統(tǒng)的雜交育種、分子標(biāo)記輔助育種、轉(zhuǎn)基因動物制備和分子設(shè)計育種等。早在12000年以前，人類已馴化了狗，然而直到18世紀(jì)才形成真正的具有詳細(xì)系統(tǒng)記錄的動物育種方法。到了20世紀(jì)90年代，由于畜禽選育理論和傳統(tǒng)技術(shù)革新緩慢導(dǎo)致常規(guī)育種手段受到制約，然而分子生物學(xué)和基因組學(xué)的飛速發(fā)展帶動了動物育種技術(shù)的突破，形成了動物分子育種技術(shù)。與農(nóng)作物相比，動物一般有更長的世代間隔、較低的繁殖力和較高的飼養(yǎng)成本，因而在動物中分子標(biāo)記輔助育種的應(yīng)用較農(nóng)作物中少，而且一般只針對那些效應(yīng)較大的基因。1980年首個轉(zhuǎn)基因小鼠誕生之后的10年，是全世界對轉(zhuǎn)基因動物進(jìn)行研究的高潮時期。1985年誕生首個轉(zhuǎn)基因家畜，轉(zhuǎn)人生長激素融合基因（MT/hGH）豬，隨后轉(zhuǎn)基因兔、羊、牛等誕生。自1996年克隆羊多莉誕生以后，克隆技術(shù)成為新的畜禽繁育手段，與傳統(tǒng)育種技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)相結(jié)合稱為快速、有效的繁育選定品種的新途徑。隨著家畜基因組的測序陸續(xù)完成，家畜分子設(shè)計育種將成為更加高效、準(zhǔn)確的育種手段。

3 存在的問題及發(fā)展趨勢

目前有多種途徑和手段可以提高農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)能力，其中包括傳統(tǒng)育種技術(shù)和生物技術(shù)。隨著有機(jī)農(nóng)業(yè)備受關(guān)注，傳統(tǒng)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)技術(shù)再次受到人們的追捧。然而這一趨勢并未阻礙生物技術(shù)，尤其是轉(zhuǎn)基因技術(shù)在農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。相反，其更加推動了生物技術(shù)的革新，使其向更加健康、安全、環(huán)保的方向發(fā)展。目前，全球已成功獲得200多種轉(zhuǎn)基因植物，其中應(yīng)用最廣泛的種類是轉(zhuǎn)Bt（Baci11us thuringiensis）基因和轉(zhuǎn)Ht（Herbicide to1erant）基因農(nóng)作物。在轉(zhuǎn)基因動物方面，主要轉(zhuǎn)入提高動物生長率、產(chǎn)毛率、抗寒能力和抗病能力和疫苗生產(chǎn)相關(guān)的基因。到2014年為止，全球種植生物技術(shù)作物的國家有28個，總面積達(dá)到1.8億公頃，并且每年以3%～4%的速度持續(xù)增長。其中生物技術(shù)黃豆種植面積占全球黃豆產(chǎn)區(qū)的82%，同樣生物技術(shù)棉花占68%，麥子占30%，油菜占25%。

如同任何新技術(shù)的產(chǎn)生都伴隨潛在風(fēng)險一樣，生物技術(shù)也不例外。雖然所有轉(zhuǎn)基因作物都經(jīng)過嚴(yán)格的監(jiān)管審批，但消費者仍然心存疑慮。隨著全球人口暴漲，預(yù)計在2100年時將突破101億。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面臨巨大的挑戰(zhàn)，如何在短時間內(nèi)滿足消費需求已成為主要矛盾。隨著種植面積的不斷擴(kuò)大和農(nóng)藥使用的泛濫，使得人類健康、生態(tài)平衡和市場需求之間的矛盾更加凸顯。雖然轉(zhuǎn)基因技術(shù)所帶來的種種潛在“風(fēng)險”已被廣泛關(guān)注，但有些顧慮是對潛在危害性的未充分理解而導(dǎo)致，而更多顧慮則是人們對新生事物的不接受所導(dǎo)致。

由于生物技術(shù)產(chǎn)品具有生產(chǎn)成本低，增產(chǎn)效率高，同時能夠減少農(nóng)藥使用和對環(huán)境的影響等特點，因此僅2013年轉(zhuǎn)基因作物市場總值就達(dá)156億美元，已占全球作物保護(hù)市場的22%，占全球商業(yè)種子市場的35%，并且仍有相當(dāng)大的發(fā)展空間。

4 展望

我國農(nóng)牧業(yè)生物技術(shù)正處于迅猛發(fā)展的階段，但相關(guān)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展相對滯后。隨著全球農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的影響與我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的需求的增大，農(nóng)牧業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必將成為我國農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點，因此只有進(jìn)一步強(qiáng)化農(nóng)牧業(yè)生物技術(shù)研究、完善安全管理和市場準(zhǔn)入制度，普及相關(guān)科學(xué)知識，才能夠更好地實現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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