全球商業(yè)化轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

蘇 燕 許 麗 徐 萍

（中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心， 上海 200031）

全球商業(yè)化轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

蘇 燕 許 麗 徐 萍

（中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心， 上海 200031）

蘇燕，碩士，中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心助理館員，主要從事生命科學(xué)領(lǐng)域的戰(zhàn)略情報(bào)和學(xué)科情報(bào)研究。

E-mail:suyan@sibs.ac.cn

轉(zhuǎn)基因作物的商業(yè)化發(fā)展，為解決全球糧食安全、氣候變化和可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。國(guó)際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)組織（International Service for the Acquisition of Agri-Biotech Applications，ISAAA）報(bào)告顯示，轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化種植19年以來（1996～2014年），為全球帶來了持續(xù)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，化學(xué)農(nóng)藥的使用率降低了37%，作物產(chǎn)量提高了22%，農(nóng)民利潤(rùn)增加了68%。

1 全球轉(zhuǎn)基因作物政策布局

轉(zhuǎn)基因作物是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要手段，在研究和保障生物安全的同時(shí)，加快轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化已引起各國(guó)的高度關(guān)注，并成為國(guó)際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和國(guó)家食品與農(nóng)業(yè)研究院（NIFA）資助了多項(xiàng)轉(zhuǎn)基因作物研究。2012年，NSF資助佐治亞大學(xué)100萬美元，用于研究大豆基因功能，利用跳躍基因建立并編目一個(gè)大豆插入和基因活化突變體庫。2014年，NIFA資助了針對(duì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)、目標(biāo)性狀可持續(xù)糧食安全、目標(biāo)性狀營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和目標(biāo)性狀能源性狀4個(gè)方面的16項(xiàng)轉(zhuǎn)基因作物研究。歐盟FP7框架于2012年相繼啟動(dòng)“歐洲植物表型研究網(wǎng)絡(luò)”與“提高豆類作物非生物和生物脅迫抗性”項(xiàng)目，共投資800多萬歐元用于研究耐旱和抗病性基因及相關(guān)分子機(jī)制，并注重轉(zhuǎn)基因技術(shù)開發(fā)。英國(guó)作物改良研究會(huì)2012年公布的第二輪資助項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注利用生物技術(shù)改良油菜、大麥和小麥等英國(guó)主要的谷類作物。加拿大通過Growing Forward 2框架計(jì)劃、基因組研發(fā)計(jì)劃、基因組組織等對(duì)農(nóng)業(yè)研發(fā)進(jìn)行資助，《加拿大基因組2012～2017年戰(zhàn)略計(jì)劃》著重支持油菜、小麥、亞麻、馬鈴薯、向日葵、葡萄、牛和豬的基因組學(xué)研究。《澳大利亞農(nóng)業(yè)藍(lán)圖2013～2020年》指出，未來將通過利用創(chuàng)新技術(shù)向全球人口提供高品質(zhì)的糧食和纖維。印度《第十二個(gè)五年規(guī)劃（2012～2017年）》則進(jìn)一步支持轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品設(shè)施建設(shè)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)和分子育種?！抖砹_斯聯(lián)邦至2020年生物技術(shù)發(fā)展綜合計(jì)劃》也投入大筆資金，用于利用基因組和生物技術(shù)新方法培育作物新品種。

表1 中央一號(hào)文件中對(duì)轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)業(yè)的部署

中國(guó)高度重視轉(zhuǎn)基因作物培育和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2015年，中央一號(hào)文件明確提出“要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)研究、安全管理、科學(xué)普及”，這是近十年來中央一號(hào)文件中第六次提到轉(zhuǎn)基因技術(shù)（表1）。發(fā)布于2013年的《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)要提升生物育種核心競(jìng)爭(zhēng)力；2012年《生物種業(yè)科技發(fā)展“十二五”重點(diǎn)專項(xiàng)規(guī)劃》重申了重要性狀遺傳基礎(chǔ)研究和種質(zhì)資源創(chuàng)新的重要性。與此同時(shí)，2008年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施“轉(zhuǎn)基因生物新品種培育”重大科技專項(xiàng)；2013年國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)啟動(dòng)“主要農(nóng)作物產(chǎn)量性狀的遺傳網(wǎng)絡(luò)解析”重大研究計(jì)劃，資助水稻、玉米株型發(fā)育和籽粒形成的關(guān)鍵基因、遺傳網(wǎng)絡(luò)調(diào)控、分子育種設(shè)計(jì)，以及轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物新品種培育與轉(zhuǎn)基因技術(shù)；2014年中國(guó)科學(xué)院也啟動(dòng)了“分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略性科技先導(dǎo)專項(xiàng)，旨在解析調(diào)控復(fù)雜農(nóng)藝性狀的分子模塊。

圖1 1996～2014年全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積

2 全球轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展態(tài)勢(shì)

轉(zhuǎn)基因技術(shù)已成為生物育種中廣泛應(yīng)用的作物栽培技術(shù)。ISAAA2015年發(fā)布的報(bào)告顯示，1996年以來，全球轉(zhuǎn)基因作物的種植面積持續(xù)增長(zhǎng)，到2014年達(dá)到1.815億公頃，種植面積增加了100多倍（圖1）。研究表明，對(duì)于較貧窮的國(guó)家而言，害蟲和雜草問題更嚴(yán)重，轉(zhuǎn)基因作物帶來的收益也就更高，因此發(fā)展中國(guó)家的農(nóng)民應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)實(shí)現(xiàn)的收益率要比發(fā)達(dá)國(guó)家高14%。近年來，發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)基因作物種植發(fā)展較快，2011年起，種植面積已超過發(fā)達(dá)國(guó)家。

通過分析專利，可以準(zhǔn)確反應(yīng)行業(yè)的研發(fā)動(dòng)態(tài)以及產(chǎn)業(yè)化情況。2005～2014年，全球轉(zhuǎn)基因作物相關(guān)專利（族）數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，十年申請(qǐng)專利共計(jì)12 065項(xiàng) ，反映出該領(lǐng)域的快速發(fā)展（圖2）。

圖2 2005～2014年全球轉(zhuǎn)基因作物相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量

3 轉(zhuǎn)基因作物改良性狀分析

全球轉(zhuǎn)基因作物種植種類不斷增多，2014年全球商業(yè)化種植了27種轉(zhuǎn)基因作物，其中種植面積最大的作物是轉(zhuǎn)基因大豆，約占轉(zhuǎn)基因作物總面積的一半；其次是玉米，占30%；然后是棉花占14%，油菜占5%，其他作物僅占1%。全球82%的大豆、68%的棉花、30%的玉米、25%的油菜都是轉(zhuǎn)基因作物。從專利申請(qǐng)量來看，大豆、玉米、棉花、油菜4大轉(zhuǎn)基因作物相關(guān)技術(shù)的專利申請(qǐng)量逐年增加，特別是轉(zhuǎn)基因大豆和玉米，相關(guān)專利申請(qǐng)量持續(xù)保持領(lǐng)先。自蘇蕓金芽孢桿菌（Bt）基因應(yīng)用于棉花可有效抗蟲以來，棉花育種發(fā)生巨大變革，近10年轉(zhuǎn)基因棉花研究突飛猛進(jìn)。此外，轉(zhuǎn)基因油菜的專利數(shù)量也穩(wěn)步發(fā)展（圖3）。

圖3 2005～2014年4種主要轉(zhuǎn)基因作物相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量

目前商業(yè)化種植的轉(zhuǎn)基因作物性狀主要集中在抗逆性狀上，包括抗除草劑、抗蟲、抗病毒等，這類作物能夠降低耕種成本、增加作物產(chǎn)量以及減少農(nóng)藥的使用量。在耐逆境方面，研究方向已經(jīng)轉(zhuǎn)向多性狀疊加的轉(zhuǎn)基因控制體系（圖4），以獲得雙重效益，提高廣譜性效果，同時(shí)多重高效抗逆特性組合，可降低選擇壓力。如美國(guó)孟山都公司已經(jīng)與陶氏公司合作研發(fā)出了八重抗逆抗蟲特性的組合品種——SmartStax，可以一并防治地上地下昆蟲并且抗廣譜除草劑。SmartStax綜合了多個(gè)品種優(yōu)勢(shì)，包括孟山都Yieldgard VT Triple（抗玉米根蟲、抗草甘膦和抗玉米螟的三重轉(zhuǎn)基因玉米）、RoundUP Ready 2（抗麥草畏和草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆）和來自陶氏的HerculexXtra（抗玉米螟和根部蠕蟲玉米）、Liberty link（抗草銨膦性狀系列產(chǎn)品）。目前，玉米、棉花和大豆已有SmartStax的商業(yè)化品種，而更多的SmartStax作物品種正在研發(fā)中。

此外，注重提高產(chǎn)品品質(zhì)（如改善食品味道、增加食物營(yíng)養(yǎng)、減少食物中的反式脂肪酸、提高油料作物的含油量等性狀）的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品正在研發(fā)中。

從應(yīng)用的技術(shù)來看，轉(zhuǎn)基因作物相關(guān)技術(shù)的專利IPC分布顯示，A01H-005/00（新被子植物或獲得新被子植物的方法；通過組織培養(yǎng)技術(shù)的被子植物再生）、C12N-015/82（微生物或酶；其組合物用于植物細(xì)胞）、A01H-005/10（新被子植物種籽或獲得新被子種籽的方法；通過組織培養(yǎng)技術(shù)的植物再生）等，是全球轉(zhuǎn)基因作物領(lǐng)域的重點(diǎn)技術(shù)（表2）。

圖4 2000～2014年美國(guó)轉(zhuǎn)基因玉米改良性狀作物種植面積

另外，通過基因組編輯技術(shù)開發(fā)新品種作物已成為新的研發(fā)熱點(diǎn)?；蚪M編輯使用序列特異性核酸酶在基因組特定位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)DNA的插入、替換或刪除，從而在基因組水平對(duì)基因進(jìn)行定向修飾。相對(duì)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因技術(shù)來說，其對(duì)基因的改良更加精確高效。目前，至少兩種基因組編輯的植物產(chǎn)品獲得了美國(guó)農(nóng)業(yè)部的批準(zhǔn)，一個(gè)是植酸含量低的玉米品種，另一個(gè)是抗除草劑的油菜品種。加拿大也批準(zhǔn)了基因組編輯的抗除草劑油菜的商業(yè)化。國(guó)際上對(duì)基因組編輯產(chǎn)生的植物新品種的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)存在爭(zhēng)議：美國(guó)的農(nóng)業(yè)監(jiān)管部門認(rèn)為由細(xì)胞自我修復(fù)機(jī)制產(chǎn)生的突變植物不屬于轉(zhuǎn)基因，因此，如果不是通過植物病原，如農(nóng)桿菌等介導(dǎo)的基因組編輯植物不被定義為轉(zhuǎn)基因生物（GMO）；歐盟委員會(huì)規(guī)定非自然方式產(chǎn)生的基因修飾就是GMO，但同時(shí)認(rèn)為物理和化學(xué)誘變獲得植物突變體不在這個(gè)范圍內(nèi)，然而基因組編輯植物與物理、化學(xué)誘變獲得的植物無法區(qū)分，因此，歐盟委員對(duì)基因組編輯植物的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)存在不確定性。但最近，歐盟委員會(huì)也傾向基因組編輯植物不被定義為GMO。而在我國(guó)，目前還沒有監(jiān)管基因組編輯植物的相關(guān)政策法規(guī)出臺(tái)。

表2 轉(zhuǎn)基因作物專利排名前十位IPC分類號(hào)

4 轉(zhuǎn)基因研發(fā)與種植國(guó)家分析

2014年，全球共有28個(gè)國(guó)家種植轉(zhuǎn)基因作物。從地域分布來看，轉(zhuǎn)基因作物主要分布在美國(guó)、巴西、阿根廷、印度和加拿大五個(gè)國(guó)家，歐洲轉(zhuǎn)基因作物的種植面積很少（表3）。2014年美國(guó)批準(zhǔn)了兩種新的轉(zhuǎn)基因作物于2015年開始種植，Innate?（降低丙烯酰胺含量的轉(zhuǎn)基因土豆）和HarvXtra?（降低木質(zhì)素含量的轉(zhuǎn)基因苜蓿）；孟加拉國(guó)2014年率先批準(zhǔn)了Bt茄子的種植和商業(yè)化；越南首次批準(zhǔn)了轉(zhuǎn)基因玉米（抗除草劑與殺蟲劑）于2015年的商業(yè)化計(jì)劃；印度尼西亞批準(zhǔn)了抗旱甘蔗的2015年種植計(jì)劃；巴西也有兩種產(chǎn)品即抗磺酰脲類除草劑大豆Cultivance?和本國(guó)產(chǎn)的抗病毒大豆將于2016年開始商業(yè)化。從專利的優(yōu)先權(quán)國(guó)家/地區(qū)分布來看，美國(guó)（7036項(xiàng)）遙遙領(lǐng)先，中國(guó)（3267項(xiàng)）緊隨其后，兩者專利數(shù)量遠(yuǎn)超其他國(guó)家，體現(xiàn)出其在轉(zhuǎn)基因作物研發(fā)方面的重視（圖5）。

表3 全球轉(zhuǎn)基因作物種植情況

圖5 2005～2014年轉(zhuǎn)基因作物專利國(guó)家分布

2014年，中國(guó)轉(zhuǎn)基因作物種植面積390萬公頃，居全球第六位，種植作物主要為轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的采用率較2013年提高3%，而抗病毒木瓜的種植面積增加了約50%。我國(guó)尚未有轉(zhuǎn)抗除草劑基因的作物商業(yè)化，以及多重性狀改良轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化。

5 轉(zhuǎn)基因研發(fā)機(jī)構(gòu)分析

全球轉(zhuǎn)基因作物研究的機(jī)構(gòu)中，美國(guó)孟山都公司、美國(guó)杜邦先鋒公司和德國(guó)拜耳作物科學(xué)公司專利數(shù)量穩(wěn)居前三位（表4）。美國(guó)孟山都公司是農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因育種行業(yè)巨頭，2012年，孟山都的銷售額達(dá)76億美元，約占全球市場(chǎng)份額的17%，其開發(fā)的轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉占轉(zhuǎn)基因棉總面積的2/3左右；美國(guó)杜邦先鋒公司是世界最大的玉米種業(yè)公司，同樣具有雄厚的科研實(shí)力，其世界玉米種子市場(chǎng)占有率20%以上，美國(guó)玉米種子市場(chǎng)占有率為40%；德國(guó)拜耳作物科學(xué)公司對(duì)研發(fā)的投入為同行中最高，占其銷售額的10%，研發(fā)給公司的發(fā)展注入了強(qiáng)大的生命力，促使新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，市場(chǎng)占有率也持續(xù)升高。

表4 2005～2014年全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量前十位機(jī)構(gòu)

我國(guó)3所機(jī)構(gòu)的專利數(shù)量躋身全球前十位，分別為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)。近年來，我國(guó)加快轉(zhuǎn)基因作物研發(fā)步伐，取得了豐碩的研究成果。2009年8月，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院范云六院士科研團(tuán)隊(duì)研究的轉(zhuǎn)基因植酸酶玉米“BVLA430101”、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張啟發(fā)院士研究團(tuán)隊(duì)研究的Bt抗蟲轉(zhuǎn)基因水稻“華恢1號(hào)”和“汕優(yōu)63”獲得轉(zhuǎn)基因作物安全證書，標(biāo)志著中國(guó)轉(zhuǎn)基因糧食作物向產(chǎn)業(yè)化階段邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。其中，“BVLA430101”的專利已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給中國(guó)奧瑞金種業(yè)公司。在種子市場(chǎng)層面我國(guó)種業(yè)集中度非常低，全國(guó)持證種子企業(yè)5948家，但具備新品種研發(fā)能力的企業(yè)僅有100多家，銷售額排名前五十位的企業(yè)僅占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額的30%，同一區(qū)域內(nèi)同類作物存在多個(gè)品種的現(xiàn)象非常普遍，國(guó)內(nèi)種子企業(yè)無論在技術(shù)、規(guī)模、營(yíng)銷與管理上均不具備與跨國(guó)種業(yè)公司抗衡的實(shí)力，轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)業(yè)化的市場(chǎng)條件有待進(jìn)一步優(yōu)化。

6 結(jié) 語

轉(zhuǎn)基因作物的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益潛力，引起了全球各國(guó)的高度關(guān)注。MarketsandMarkets2015年報(bào)告顯示，到2020年全球轉(zhuǎn)基因種子市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到352億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為12.3%。自1996年轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化啟動(dòng)以來，全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積持續(xù)增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)基因改良物種多元化發(fā)展，改良性狀多樣化、復(fù)合化發(fā)展。轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)激烈，已經(jīng)逐漸形成了美國(guó)孟山都公司、美國(guó)杜邦先鋒公司、德國(guó)拜耳作物科學(xué)公司等幾大跨國(guó)公司壟斷的局面。

目前我國(guó)大豆市場(chǎng)80%以上被進(jìn)口轉(zhuǎn)基因大豆所占據(jù)，同時(shí)由于國(guó)內(nèi)日益增加的飼料和工業(yè)用需求，轉(zhuǎn)基因玉米進(jìn)口量近幾年大幅上升。在現(xiàn)有需求格局下推廣轉(zhuǎn)基因作物，對(duì)我國(guó)的糧食供需平衡有重要意義。在技術(shù)研發(fā)水平上，近年來，我國(guó)涌現(xiàn)出許多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研發(fā)成果。我國(guó)的轉(zhuǎn)基因水稻、玉米有部分品種具備產(chǎn)業(yè)化條件，但整體的研發(fā)水平與跨國(guó)種業(yè)公司仍存在較大差距。因此，應(yīng)加強(qiáng)研發(fā)力度，建立完善轉(zhuǎn)基因作物的管理體系和產(chǎn)業(yè)化政策，加快研發(fā)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)等，抓住轉(zhuǎn)基因技術(shù)帶來的發(fā)展機(jī)遇。

10.3969/j.issn.1674-0319.2015.05.005

轉(zhuǎn)基因作物在經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益中的潛力，引發(fā)了全球各國(guó)的高度關(guān)注。文章概述了轉(zhuǎn)基因作物的全球政策布局，結(jié)合市場(chǎng)、專利數(shù)據(jù)，對(duì)全球商業(yè)化轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)進(jìn)行了分析和闡述。