全球轉(zhuǎn)基因玉米商業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀及產(chǎn)品線研發(fā)進(jìn)展

丁云秀

[摘要]本文在概述全球轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化發(fā)展態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上，介紹了轉(zhuǎn)基因玉米的商業(yè)化應(yīng)用情況，并重點(diǎn)從轉(zhuǎn)基因技術(shù)，性狀與基因等方面綜述轉(zhuǎn)基因玉米產(chǎn)品線的商業(yè)化推進(jìn)情況，以期為農(nóng)業(yè)主管部門，生物技術(shù)研發(fā)單位和種子企業(yè)提供參考。

[關(guān)鍵詞]全球轉(zhuǎn)基因玉米 商業(yè)化 發(fā)展態(tài)勢(shì) 展望

[中圖分類號(hào)]S513 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1003—1650（2016）03—0099—01

1全球及中國(guó)轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化發(fā)展態(tài)勢(shì)

2015年轉(zhuǎn)基因作物已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化種植20年，轉(zhuǎn)基因作物種植面積正在持續(xù)增加。據(jù)國(guó)際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)組織統(tǒng)計(jì)，截至2014年全球已有28個(gè)國(guó)家的1800萬(wàn)農(nóng)民種植了1.81億公頃的轉(zhuǎn)基因作物，是1996年種植面積的106倍。實(shí)踐表明，轉(zhuǎn)基因作物對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。來(lái)自ISAAA的綜合分析表明，轉(zhuǎn)基因作物在1995年至2014年間產(chǎn)生了多重重大效益：采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)降低了37%的化學(xué)農(nóng)藥的使用率，提高了22%的作物產(chǎn)量，農(nóng)民利潤(rùn)增加了68%。

隨著中國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，中國(guó)的糧食需求仍不斷增加，比如每年進(jìn)口玉米和大豆持續(xù)增加，而其中90%為轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品，特別是中國(guó)作為大豆的主要消費(fèi)國(guó)，進(jìn)口的大豆占全球出口總量的65%。一直以來(lái)，中國(guó)正積極推進(jìn)轉(zhuǎn)基因作物的研發(fā)工作，轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米等作物的研發(fā)和未來(lái)的商業(yè)化應(yīng)用對(duì)中國(guó)和全球的糧食和飼料需求都有巨大的貢獻(xiàn)潛力。

2玉米轉(zhuǎn)化事件在全球商業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)化事件（GM event）是指在遺傳轉(zhuǎn)化過(guò)程中外源DNA與植物基因組DNA發(fā)生特異性重組進(jìn)而通過(guò)組織培養(yǎng)而得到的植株個(gè)體。因此，本文涉及的轉(zhuǎn)化事件不包括通過(guò)常規(guī)育種方法將不同的轉(zhuǎn)化事件聚合而得到的轉(zhuǎn)基因植物。轉(zhuǎn)基因作物從研發(fā)到商業(yè)化應(yīng)用至少包括初級(jí)研發(fā)階段，高級(jí)研發(fā)階段，監(jiān)管階段，商業(yè)化預(yù)備階段及商業(yè)化應(yīng)用階段。初級(jí)研發(fā)階段包括基因挖掘，轉(zhuǎn)化事件的創(chuàng)制、篩選及評(píng)價(jià)，一般需要3-5年進(jìn)入高級(jí)研發(fā)階段；高級(jí)研發(fā)階段是指尚未進(jìn)入監(jiān)管階段的轉(zhuǎn)化事件，但已進(jìn)入研發(fā)階段的后期并為監(jiān)管申請(qǐng)?zhí)峁┰囼?yàn)數(shù)據(jù)，將在7-8年左右實(shí)現(xiàn)商業(yè)化；監(jiān)管階段是指已經(jīng)至少提交一個(gè)國(guó)家進(jìn)行監(jiān)管申請(qǐng)，并有可能在2—3年內(nèi)獲得許可并商業(yè)化應(yīng)用；商業(yè)化預(yù)備階段是指在全球范圍內(nèi)至少獲得一個(gè)國(guó)家規(guī)?；N植的許可，但尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)模化種植、生產(chǎn)和銷售，是否實(shí)現(xiàn)商業(yè)化取決于的研發(fā)商的決定；商業(yè)化應(yīng)用階段是指在全球范圍內(nèi)至少有一個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)規(guī)?；N植、生產(chǎn)和銷售。

目前已有16個(gè)轉(zhuǎn)化事件實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，涉及的性狀包括除草劑耐性（草甘膦，草銨膦），抗蟲性狀（鱗翅目害蟲，鞘翅目害蟲），生理性狀改良（水分利用效竄和品質(zhì)改良（淀粉酶含量）4類性狀。就目的基因而言，16個(gè)轉(zhuǎn)化事件共涉及Bt基因10個(gè)，在16個(gè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化事件中，美國(guó)是全部批準(zhǔn)商業(yè)化種植的國(guó)家之一；在歐盟，MON810早在1998年就獲得商業(yè)化種植的許可，Bt11等12個(gè)轉(zhuǎn)化事件已獲得批準(zhǔn)用作加工原料，但尚未獲得批準(zhǔn)商業(yè)化種植3272，5307和Bt176等3個(gè)轉(zhuǎn)化事件尚未獲得批準(zhǔn)用作加工原料和商業(yè)化種植在中國(guó)，除了轉(zhuǎn)化事件5307以外的15個(gè)轉(zhuǎn)化事件均獲得進(jìn)口用作加工原料的許可。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2011年以來(lái)，我國(guó)進(jìn)口的轉(zhuǎn)基因玉米逐年增加，2014年進(jìn)口500萬(wàn)噸。

3轉(zhuǎn)基因玉米產(chǎn)品線研發(fā)趨勢(shì)與展望

3.1玉米規(guī)模化轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系日趨成熟

工廠化流水線式的規(guī)?；D(zhuǎn)基因技術(shù)體系是獲得并實(shí)現(xiàn)玉米轉(zhuǎn)化事件商業(yè)化化應(yīng)用的平臺(tái)保障。玉米規(guī)?；D(zhuǎn)基因技術(shù)體系采用的主要方法是基因槍法和農(nóng)桿菌介導(dǎo)法。規(guī)模化的轉(zhuǎn)化體系需要高效的篩選體系，采用抗生素篩選標(biāo)記基因篩選玉米轉(zhuǎn)化事件存在安全性問題，利用雙T-DNA載體是一種較方便的刪除選擇標(biāo)記基因的方法，將選擇標(biāo)記基因和目的基因放置在2個(gè)T-DNA上，雙T-DNA在轉(zhuǎn)基因植株后代分離，篩選只含目的基因而不含標(biāo)記基因的轉(zhuǎn)基因植株。比如，孟山都公司開發(fā)的MON810，MON863等轉(zhuǎn)化事件采用了上述策略刪除了抗生素標(biāo)記基因nptll。先正達(dá)公司開發(fā)的正向選擇系統(tǒng)——甘露糖異構(gòu)酶基因pm i篩選系統(tǒng)規(guī)避了后期通過(guò)同源重組刪除標(biāo)記基因的繁瑣步驟，如已經(jīng)商業(yè)化的玉米轉(zhuǎn)化事件MIR162，MIR604等。此外，隨著玉米轉(zhuǎn)化體系的優(yōu)化，除草劑耐性基因pat epsps等不僅可以作為目標(biāo)性狀而且可以作為篩選標(biāo)記用于玉米轉(zhuǎn)化事件的創(chuàng)制，如孟山都公司的MON88017，陶氏杜邦公司的TC1507等玉米轉(zhuǎn)化事件。

3.2功能基因改良及資源挖掘呈多樣化趨勢(shì)

隨著功能基因組學(xué)和測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，不同來(lái)源的功能基因得到了充分開發(fā)和利用。除了來(lái)源于蘇云金桿菌（BacillusTHuringieis）的BT基因，鏈霉菌屬（Strep tom yces）和土壤農(nóng)桿菌（A grobacterium tum efacims）的除草劑耐性基因pat和epsps之外，其他微生物源的基因，如來(lái)源于熱球菌目（Therm ococcales）熱穩(wěn)定的α-淀粉酶基因am y797E，枯草芽胞桿菌（Bacillus subtilis）的轉(zhuǎn)錄因子cgpB以及大腸桿菌（Escherichia coli）的甘露糖異構(gòu)酶基因pm i等。此外，來(lái)源植物自身基因（Cisgene）的轉(zhuǎn)化也成為轉(zhuǎn)基因育種的主要基因來(lái)源，如杜邦公司創(chuàng)制的轉(zhuǎn)化事件98140，其磺酰脲類和咪唑啉酮除草劑耐性基因zm-hra來(lái)源于玉米（Zeam ays），Stine Seed Farm公司、孟山都和先正達(dá)公司創(chuàng)制的轉(zhuǎn)化事件HCEM 485，6A21和M ZHGOJG，其草甘膦耐性基因epsps均來(lái)源于玉米。

3.3輸出的轉(zhuǎn)基因性狀日益豐富

目前16個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化事件涉及的性狀包括除草劑耐性（草甘膦，草銨膦），抗蟲性狀（鱗翅目害蟲，鞘翅目害蟲），生理性狀改良（水分利用效韻和品質(zhì)改良（淀粉酶含量）4類性狀。具體而言，單價(jià)除草劑耐性的轉(zhuǎn)化事件3個(gè)，其中草甘膦耐性2個(gè)，分別為先正達(dá)公司的GA21和孟山都公司的NK603，草銨膦耐性1個(gè)，為拜耳公司的T25；單價(jià)抗蟲性狀6個(gè)，其中抗鱗翅目和鞘翅目的轉(zhuǎn)化事件各3個(gè)，分別為孟山都公司抗鱗翅目歐洲玉米螟的MON810，先正達(dá)公司抗鱗翅目小地老虎的MIR162，抗鞘翅目玉米根蟲的3個(gè)轉(zhuǎn)化事件分別是先正達(dá)公司的MIR604和5307，以及孟山都公司MON863航蟲耐除草劑雙性狀或同時(shí)含有2個(gè)或以上Bt基因的轉(zhuǎn)化事件6個(gè)，生理性狀改良的轉(zhuǎn)化事件1個(gè)，為孟山都公司的MON87460，品質(zhì)性狀改良的轉(zhuǎn)化事件1個(gè)，為先正達(dá)公司3272。

隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)對(duì)玉米生產(chǎn)的剛性需求，新的應(yīng)運(yùn)而生。杜邦先鋒公司2006年在玉米中實(shí)現(xiàn)了基于核不育突變材料的雜交種子生產(chǎn)技術(shù)（Seed Production Techno logy），應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改變植物育性，不僅克服育性受環(huán)境和遺傳背景的影響，易于開展優(yōu)良性狀的聚合育種，而且實(shí)現(xiàn)了用轉(zhuǎn)基因手段生產(chǎn)非轉(zhuǎn)基因的不育系種子和雜交種子。新的除草劑耐性性狀如陶氏公司開發(fā)的2，4-D耐性玉米轉(zhuǎn)化事件DAS40278和孟山都公司開發(fā)的麥草畏耐性玉米正在積極地推進(jìn)商業(yè)化，孟山都公司創(chuàng)制的改良玉米產(chǎn)量的轉(zhuǎn)化事件MON87403已于2015年在美國(guó)和加拿大完成商業(yè)化應(yīng)用前的審批工作。此外，孟山都、先正達(dá)、巴斯夫和阿卡迪亞生物科學(xué)等公司在非生物脅迫抗性，養(yǎng)分利用效率，抗病等性狀的預(yù)研項(xiàng)目也已進(jìn)入玉米產(chǎn)品線流程。

3.4復(fù)合性狀的研發(fā)與推廣備受青睞

2009年，孟山都協(xié)同陶氏公司推出了首個(gè)含8個(gè)基因疊加性狀的轉(zhuǎn)基因玉米Genuity SmarStax，標(biāo)志復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因玉米已成為未來(lái)玉米育種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，該轉(zhuǎn)基因玉米是由MON89034 DAS1507，ON-88017和DA$59122通過(guò)雜交聚合的方式實(shí)現(xiàn)的復(fù)合性狀。

另一方面，通過(guò)基因聚合或融合的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)合抗蟲性狀即多價(jià)抗蟲轉(zhuǎn)化事件，是抗蟲轉(zhuǎn)基因玉米可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。比如，杜邦公司2013年推出的玉米轉(zhuǎn)化事件4114同時(shí)含有2類3種Bt基因，能夠有效防治鱗翅目歐洲玉米螟和鞘翅目玉米根蟲對(duì)玉米產(chǎn)量造成的損失，而且不同殺蟲機(jī)制的Bt基因有助于延緩害蟲抗性的產(chǎn)生。與上述聚合不同類型的Bt基因不同的是，孟山都公司的DBT418將Bt基因與蛋白酶抑制劑基因聚合，此外，孟山都公司通過(guò)基因改造將cry1Ab，cry1F和cry1A c融合為新的Bt基因cry1A.105，同時(shí)與cry2A b具有實(shí)現(xiàn)了復(fù)合抗蟲性狀；類似地，先正達(dá)公司2012年推出的玉米轉(zhuǎn)化事件5307的B t基因ecry3.1A b是cry3A和cry1A b基因的融合。

3.5新型轉(zhuǎn)基因技術(shù)及產(chǎn)品應(yīng)用得到廣泛關(guān)注

近年來(lái)，基于序列特異性核酸酶，如鋅指核酸酶（zinc finger nucleases，ZFN s）、轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶TALE s（tran-scription activatorlike effectors，TALEs）和成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列Cas9核酸酶（cbslered requbrly interspaced short palindrom ic repeat CR ISPR）的基因組編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同物種中目標(biāo)基因進(jìn)行定點(diǎn)敲除、置換和插入等基因組靶向修飾。與ZFNs和TALENs相比，CRISPR/Cas系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，并且更容易操作，已被應(yīng)用于多個(gè)作物的品種改良，如水稻和玉米的品質(zhì)改良，小麥的抗病性狀改良等，呈現(xiàn)出更加廣闊的應(yīng)用前景。

3.6轉(zhuǎn)基因生物反應(yīng)器的研發(fā)與應(yīng)用成為熱點(diǎn)

近年來(lái)，隨著植物反應(yīng)器技術(shù)的多元化發(fā)展以及日趨成熟，以玉米為分子工廠合成一些高價(jià)值產(chǎn)品成為研究熱點(diǎn)。以玉米為植物反應(yīng)器，用其生產(chǎn)糖類、必需氨基酸、不飽和脂肪酸、維生素、微量元素、生物酶、疫苗、抗體等各種高價(jià)值分子代謝物。