我國分子農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀研究

楊雙龍

摘 要：隨著農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，科研院所及農(nóng)業(yè)類高等院校在分子生物學(xué)領(lǐng)域不斷探索，不斷培育出適合農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢的新型作物，如適合機(jī)械化生產(chǎn)的作物、綠色農(nóng)業(yè)作物等?？梢哉f分子技術(shù)帶動了農(nóng)業(yè)發(fā)展，同時也產(chǎn)生了分子農(nóng)業(yè)的概念。本文分析了分子農(nóng)業(yè)的發(fā)展過程和現(xiàn)狀，以及分子技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：分子農(nóng)業(yè)；轉(zhuǎn)基因安全；現(xiàn)狀

中圖分類號：S188 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0037（2018）2-37-3

Abstract： With the rapid development of agriculture， scientific research institutes and higher education colleges have been continuously exploring in the field of molecular biology， and have constantly developed new crops suitable for the development trend of agriculture， such as crops suitable for mechanized production， green agricultural crops， etc. It can be said that the molecular technology drives the development of agriculture and produces the concept of molecular agriculture. This paper analyzed the development process and current situation of molecular agriculture， and the application status of molecular technology in other fields.

Key words： molecular agriculture； Gm safety； current situation

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是相對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)而言的，其實(shí)質(zhì)體現(xiàn)了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的綜合應(yīng)用，它是一個歷史的、動態(tài)的概念。在經(jīng)歷了原始農(nóng)業(yè)、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、工業(yè)化農(nóng)業(yè)后，農(nóng)業(yè)正在進(jìn)入以知識高度密集為基礎(chǔ)，以高效精準(zhǔn)為目標(biāo)的現(xiàn)代化發(fā)展方向[1]。高祥照認(rèn)為：未來農(nóng)業(yè)將以精準(zhǔn)化、自動化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；癁橹饕l(fā)展方向。精準(zhǔn)化主要包括產(chǎn)前的精準(zhǔn)培育、產(chǎn)中的精準(zhǔn)指導(dǎo)以及產(chǎn)后銷售的精準(zhǔn)定位；自動化則主要以節(jié)省勞動力為主，實(shí)現(xiàn)從種植到加工再到銷售整個環(huán)節(jié)的機(jī)械化農(nóng)業(yè)服務(wù)。要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化和自動化，主要依靠耕地種植的規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化。農(nóng)業(yè)未來發(fā)展趨勢：①農(nóng)業(yè)人口將進(jìn)一步減少，一些小村莊會慢慢消失；②農(nóng)民將慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N職業(yè)，不再是一種身份的象征；③農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼將會進(jìn)一步增加；④休閑農(nóng)業(yè)的潛力將進(jìn)一步被挖掘；⑤農(nóng)村將出現(xiàn)一些中小型農(nóng)場的雛形；⑥有機(jī)農(nóng)業(yè)的價值將進(jìn)一步凸顯；⑦農(nóng)業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合將日益緊密。為了適應(yīng)環(huán)境的變化以及未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，一代又一代科學(xué)家通過分子實(shí)驗、田間試驗探索著新品種。近年來，隨著分子技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了分子農(nóng)業(yè)。分子農(nóng)業(yè)屬于轉(zhuǎn)基因工程范疇，可細(xì)分為動物分子農(nóng)業(yè)與植物分子農(nóng)業(yè)。

1 分子生物學(xué)與分子農(nóng)業(yè)的衍生關(guān)系

分子農(nóng)業(yè)是利用動植物分子遺傳學(xué)和轉(zhuǎn)基因等生物技術(shù)，大規(guī)模生產(chǎn)蛋白質(zhì)、藥物、疫苗等物質(zhì)，用于預(yù)防、治療人類及動物疾病。由于分子農(nóng)業(yè)是利用植物生產(chǎn)、提取類物質(zhì)，便于操作和規(guī)?；a(chǎn)，因而為農(nóng)業(yè)工廠化發(fā)展奠定了科技基礎(chǔ)。分子農(nóng)業(yè)可簡單地定義為：以利用重組或轉(zhuǎn)基因動物與植物為基礎(chǔ)，大規(guī)模生產(chǎn)出稀有的和高價值的產(chǎn)品的農(nóng)業(yè)。另外，分子農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)，使農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)拓展到醫(yī)藥、衛(wèi)生領(lǐng)域，使新型疫苗的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。如美國試驗成功的攜帶乙肝表面抗原的轉(zhuǎn)基因煙草?？梢哉f是分子生物學(xué)推動了農(nóng)業(yè)的發(fā)展，利用分子方面的基因重組、分子標(biāo)記技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)等深入探索農(nóng)作物的內(nèi)部構(gòu)造，從微觀方面促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。同時，農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展激發(fā)了農(nóng)業(yè)科學(xué)家們的創(chuàng)新意識，使科學(xué)家們在農(nóng)作物分子結(jié)構(gòu)上不斷探索，不斷改進(jìn)，從而促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的潛在發(fā)展。

2 分子農(nóng)業(yè)的發(fā)展過程和現(xiàn)狀

1944—1966年，人類對DNA和遺傳信息傳遞有了初步的認(rèn)識：1944年，艾弗里證明DNA是遺傳物質(zhì)。1961年，查柯柏和莫洛德提出了調(diào)節(jié)基因表達(dá)的操縱子類型。1967—1978年是重組DNA技術(shù)的建立和發(fā)展階段：1972—1973年波伊爾和伯格建立重組DNA技術(shù)，并完成了第一個細(xì)菌基因的克隆，開創(chuàng)了基因工程的新紀(jì)元。1979年至今是重組DNA技術(shù)的應(yīng)用和分子生物學(xué)迅速發(fā)展階段：1985年卡利·穆里斯發(fā)明了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。進(jìn)入21世紀(jì)，農(nóng)業(yè)方面的分子發(fā)展主要體現(xiàn)在功能基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和生物信息學(xué)。就目前來說，蛋白質(zhì)組學(xué)主要在科研公司研究應(yīng)用，高等院校研究應(yīng)用較少。分子農(nóng)業(yè)應(yīng)用范圍包括：①改善食物品質(zhì)；②利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)醫(yī)用抗體；③利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)人和動物需要的疫苗；④利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)醫(yī)用蛋白；⑤利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)生物多聚體（Bio - polymers）；⑥利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)工業(yè)用蛋白質(zhì)和酶。諸如此類的分子技術(shù)在未來農(nóng)業(yè)發(fā)展尤其是作物栽培和作物育種中發(fā)揮著不可替代的作用，但在轉(zhuǎn)基因方面也存在部分缺陷，轉(zhuǎn)基因的安全性在未來農(nóng)業(yè)發(fā)展中是否能獲得更多人的認(rèn)可還需進(jìn)一步的探索。

3 農(nóng)業(yè)中的分子技術(shù)在藥學(xué)及其他領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 植物生物反應(yīng)器在藥學(xué)方面的應(yīng)用

植物生物反應(yīng)器即利用植物懸浮細(xì)胞或整株植物，生產(chǎn)各類活性蛋白。例如，具有重要藥用價值的人或動物的疫苗、抗體和氨基酸或各種植物次生代謝產(chǎn)物等。通過和特殊的抗原結(jié)合，重組抗體可以用來診斷、治療和阻止疾病的發(fā)生?，F(xiàn)在大部分藥物是由重組抗體構(gòu)成的，但一般都在哺乳動物細(xì)胞或轉(zhuǎn)基因動物細(xì)胞內(nèi)生產(chǎn)，比較昂貴，構(gòu)建困難，有的還可能包含有病原體。利用植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)重組抗體是目前新興的研究領(lǐng)域，與其他生產(chǎn)方式相比，植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)重組抗體具有高效、經(jīng)濟(jì)和簡便等特點(diǎn)，而且還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①生產(chǎn)成本較低，易于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)；②植物細(xì)胞具有全能性，易于獲得再生植株；③遺傳操作相對簡單，培養(yǎng)周期較短；④產(chǎn)物貯藏在種子、果實(shí)或塊莖中易于運(yùn)輸；⑤無毒副作用，安全性好[5]。植物生物反應(yīng)器必將引起醫(yī)藥工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人體醫(yī)學(xué)的一場革命。利用植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)重組抗體，對于疾病的預(yù)防和治療都具有重大的意義。植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)重組抗體在國內(nèi)外已有研究，中國科學(xué)院上海植物生理研究所開展了利用煙草花葉病毒（TMV）作為載體應(yīng)用于植物生物反應(yīng)器的研究，用該方法大規(guī)模表達(dá)口蹄疫病毒表面抗原多膚，制備高效、安全、廉價的重組口蹄疫疫苗。轉(zhuǎn)基因植物疫苗是把植物基因工程技術(shù)與機(jī)體免疫機(jī)理相結(jié)合，生產(chǎn)出能使機(jī)體獲得特異抗病能力的疫苗。與注射疫苗相比，可食疫苗具有成本低、便于運(yùn)輸儲存及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。目前已報道的疫苗主要包括5類：細(xì)菌疫苗、病毒疫苗、避孕疫苗、寄生蟲疫苗和糖尿病疫苗。由此可見，隨著分子農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，植物生物反應(yīng)器被廣泛應(yīng)用，農(nóng)業(yè)中的分子技術(shù)不僅帶動著農(nóng)業(yè)的進(jìn)步，同時靈活運(yùn)用分子技術(shù)，結(jié)合事物相聯(lián)系的知識，分子技術(shù)同樣能帶動其他相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

3.2 分子技術(shù)在生命起源上的作用

地球上的生命是從地球上非生命物質(zhì)發(fā)展而來的，生命是整個自然界發(fā)展的結(jié)果。地球演化到了一定的階段，為生命的起源創(chuàng)造了條件。根據(jù)地球上發(fā)現(xiàn)的最早生命化石得知，生命發(fā)生在32億年前。生命起源是通過化學(xué)的途徑實(shí)現(xiàn)的。生命起源于化學(xué)演化大體經(jīng)歷了4個主要階段：①無機(jī)分子階段：生命的進(jìn)化過程是從非生命物質(zhì)進(jìn)化開始的，早期的無機(jī)分子像水、氫氣、氧氣、氮?dú)?、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等無機(jī)小分子，他們在自然界中進(jìn)行各種形式的化學(xué)反應(yīng)，然后形成各種有機(jī)分子。②有機(jī)分子階段：有機(jī)分子比無機(jī)分子的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。像各種烴類、酸類、糖類、脂類、核苷酸、氨基酸、苯等化合物，它們再進(jìn)一步化合，就形成了各種有機(jī)大分子，即一些生物大分子。③生物大分子階段：生物大分子最重要的是核酸和蛋白質(zhì)，有機(jī)分子之間通過各種化學(xué)過程合成生物大分子，而這些生物大分子的一個顯著特征就是具有一定的生物活性。例如，核酸可以進(jìn)行復(fù)制，而蛋白質(zhì)（酶）具有催化功能等。④原始生命形成階段：原始生命是非細(xì)胞形態(tài)，自己不會制造有機(jī)物，過著異養(yǎng)生活。原始生命經(jīng)過長期演化出現(xiàn)了原始細(xì)胞，原始細(xì)胞由于結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜化，又逐步發(fā)展成為真核細(xì)胞。真核細(xì)胞的出現(xiàn)標(biāo)志著生命早期進(jìn)化階段的結(jié)束。生命由非細(xì)胞形態(tài)經(jīng)過原核細(xì)胞到形成真核細(xì)胞，是一個由簡單到復(fù)雜，由低級向高級發(fā)展的過程?？傊园l(fā)現(xiàn)作為細(xì)胞核決定成分的脫氧核糖核酸（DNA）雙螺旋結(jié)構(gòu)的遺傳密碼以及生物遺傳信息傳遞的中心法則以來，已大體弄清了構(gòu)成生命的物質(zhì)基礎(chǔ)蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)和組成，揭開了生命的活動機(jī)制以及核酸與蛋白質(zhì)之間通過密碼的轉(zhuǎn)錄和翻譯而自我更新、自我調(diào)節(jié)的基本過程。從生命的演變過程可以看到人們已認(rèn)識到生物分子的重要性，尤其將核酸蛋白質(zhì)的研究運(yùn)用到分子農(nóng)業(yè)這一領(lǐng)域。

4 轉(zhuǎn)基因技術(shù)影響和趨勢

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是生命科學(xué)分子生物學(xué)的重要領(lǐng)域之一。過去的幾千年里農(nóng)作物改良的方式主要是對自然突變產(chǎn)生的優(yōu)良基因和重組體的選擇和利用，通過隨機(jī)和自然的方式來積累優(yōu)良基因。遺傳學(xué)創(chuàng)立后，動植物育種則是采用人工雜交的方法，進(jìn)行優(yōu)良基因的重組和外源基因的導(dǎo)入而實(shí)現(xiàn)遺傳改良。因此，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)基因技術(shù)是與傳統(tǒng)技術(shù)一脈相承的。但在基因轉(zhuǎn)移的范圍和效率上，轉(zhuǎn)基因技術(shù)與傳統(tǒng)育種技術(shù)有兩點(diǎn)重要區(qū)別：第一，傳統(tǒng)技術(shù)一般只能在生物種內(nèi)個體間實(shí)現(xiàn)基因轉(zhuǎn)移，而轉(zhuǎn)基因技術(shù)所轉(zhuǎn)移的基因則不受生物體間親緣關(guān)系的限制；第二，傳統(tǒng)的雜交和選擇技術(shù)一般是在生物個體水平上進(jìn)行，操作對象是整個基因組，所轉(zhuǎn)移的是大量的基因，不可能準(zhǔn)確地對某個基因進(jìn)行操作和選擇，對后代的表現(xiàn)預(yù)見性較差。而轉(zhuǎn)基因技術(shù)所操作和轉(zhuǎn)移的一般是經(jīng)過明確定義的基因，功能清楚，后代表現(xiàn)可準(zhǔn)確預(yù)期。因此，轉(zhuǎn)基因技術(shù)是對傳統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和補(bǔ)充。轉(zhuǎn)基因農(nóng)業(yè)對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著正面的影響：一是轉(zhuǎn)基因農(nóng)業(yè)是解決人口增長和糧食匱乏矛盾的有效途徑；二是轉(zhuǎn)基因農(nóng)業(yè)為農(nóng)業(yè)資源可持續(xù)利用提供了有利條件；三是轉(zhuǎn)基因農(nóng)業(yè)是未來提高農(nóng)民收入的重要手段。轉(zhuǎn)基因技術(shù)是科技發(fā)展的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)是不可逆轉(zhuǎn)的歷史潮流。任何事物都有其兩面性和發(fā)展性，因此對轉(zhuǎn)基因食品應(yīng)該有一個理性的態(tài)度，既要看到科技是推動社會前進(jìn)的動力，又要時刻警醒科技的“無限擴(kuò)張”。雖然目前不同國家、不同利益群體之間對于轉(zhuǎn)基因食品的爭執(zhí)一時難以調(diào)和，但是可以相信，最終會找到一個令全球不同利益集團(tuán)達(dá)成共識的平衡點(diǎn)，轉(zhuǎn)基因食品將在不同社會環(huán)境下適應(yīng)性地成長。在大浪淘沙的歷史長河中不斷洗禮之后，轉(zhuǎn)基因食品的發(fā)展必定會朝著一個進(jìn)步的方向健康有序地邁進(jìn)。這就要求我們客觀辯證地去看待轉(zhuǎn)基因食品，盡量趨利避害，按照政府制定的規(guī)章制度去做，相信未來的生活也會因轉(zhuǎn)基因食品而變得更加豐富多彩。

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