基因編輯育種對(duì)縣域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的潛在提升作用

丁 霄，賈永霞

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 棉花研究所，山西 運(yùn)城 044000；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430000；3.中共運(yùn)城市委黨校，山西 運(yùn)城 044000）

基因編輯技術(shù)能夠?qū)蜻M(jìn)行有針對(duì)性的精準(zhǔn)改變，并廣泛應(yīng)用于作物改良[1]。其中對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)包括營(yíng)養(yǎng)增強(qiáng)，改善食品安全和減少食物浪費(fèi)；對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者來(lái)說(shuō)包括對(duì)各類(lèi)病害、雜草和害蟲(chóng)的抵抗力，以及增強(qiáng)對(duì)不利氣候的適應(yīng)能力如對(duì)干旱的耐受性[2]；在社會(huì)層面包括生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)如增加生物多樣性[3]。基因組編輯技術(shù)的機(jī)遇和潛在益處得到廣泛認(rèn)可[4]，Jennifer A.Doudna和Em manuelle Charpentier獲得2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

1 基因編輯技術(shù)在作物育種中的應(yīng)用

基因編輯的優(yōu)勢(shì)之一是可對(duì)目標(biāo)作物進(jìn)行基因編輯進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)形狀改變，消除對(duì)傳統(tǒng)回交育種技術(shù)的依賴(lài)，一方面減少育種時(shí)間，另一方面可避免不良性狀連鎖帶來(lái)的負(fù)面影響，進(jìn)而提升育種效率[5]。并且隨著技術(shù)的進(jìn)步，成本的下降有利于使農(nóng)業(yè)系統(tǒng)多樣化改善主要和次要作物包括孤兒作物[6]。基因組編輯技術(shù)的廣泛可及性意味著在縣域?qū)用婵梢允褂眠@些技術(shù)。目前基因編輯在25個(gè)國(guó)家的40多種作物得到應(yīng)用，涉及農(nóng)學(xué)、食品和飼料、非生物脅迫[7]。6種基因編輯作物大豆、油菜、水稻、玉米、蘑菇和亞麻已被批準(zhǔn)商業(yè)化。以國(guó)際農(nóng)業(yè)研究咨詢(xún)機(jī)構(gòu)（Consultative Group for International Agricultural Research，CGIAR）及其合作組織為例，其專(zhuān)注于通過(guò)基因編輯技術(shù)以解決諸如水稻氣候適應(yīng)能力等問(wèn)題；香蕉、玉米、馬鈴薯、水稻、小麥和山藥的抗病性；木薯的營(yíng)養(yǎng)改善及消費(fèi)者和環(huán)境安全性（表1）。進(jìn)一步設(shè)想使用基因編輯技術(shù)對(duì)其他特征包括木薯的單倍體誘導(dǎo)；豆類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量和消化率；低植酸和高維生素A玉米；減少黃曲霉毒素的花生；耐高溫的馬鈴薯等。

表1 CGIAR中心正在進(jìn)行的基因組編輯項(xiàng)目

2 基因編輯育種風(fēng)險(xiǎn)與對(duì)策

2021年G20農(nóng)業(yè)首席科學(xué)家會(huì)議（G20 Meeting of Agricultural Chief Scientists，G20 MACS）舉行了關(guān)于基因組編輯技術(shù)的特別會(huì)議，重點(diǎn)關(guān)注基因編輯對(duì)糧食安全、可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)對(duì)氣候變化的潛在貢獻(xiàn)。雖然基因編輯在相關(guān)領(lǐng)域具有巨大潛力，但G20 MACS仍鼓勵(lì)進(jìn)一步分析其存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

傳統(tǒng)的常規(guī)育種并不能排除食用風(fēng)險(xiǎn)，如蠶豆和馬鈴薯中有毒生物堿含量的意外增加，疾病易感性狀的引入，或在育種時(shí)降低蛋白質(zhì)含量以提高谷物產(chǎn)量[8]。其次，自然條件下同樣存在自發(fā)突變，從而產(chǎn)生有利和不利等位基因。這些風(fēng)險(xiǎn)為評(píng)估基因編輯植物的風(fēng)險(xiǎn)提供了基礎(chǔ)和背景。風(fēng)險(xiǎn)之一為非靶標(biāo)編輯：在3 200多個(gè)園藝和作物品種的開(kāi)發(fā)過(guò)程中引入的化學(xué)或輻射誘導(dǎo)突變的頻率大約是自然頻率的1 000倍。目前的基因編輯技術(shù)產(chǎn)生非靶標(biāo)突變的頻率與自發(fā)誘變引起的自然突變相似，頻率遠(yuǎn)低于誘導(dǎo)突變方法的頻率。并且可以通過(guò)設(shè)計(jì)基因編輯靶標(biāo)的生物信息學(xué)工具和方法的持續(xù)改進(jìn)，有助于減輕和減少作物植物中非靶標(biāo)編輯發(fā)生的可能性[9]。這些努力使CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）系統(tǒng)具有更高的保真度和更少的脫靶。在安全使用傳統(tǒng)育種（包括誘變品種）的悠久歷史背景下，基因編輯作物的應(yīng)用不存在明顯的安全問(wèn)題。風(fēng)險(xiǎn)之二為打破自然生殖障礙：基因編輯打破生殖障礙這也是被廣泛關(guān)注的。例如，一些DNA片段緊密相連，有效防止有性生殖過(guò)程中的重組。雖然這一特征同樣可以被看作是基因編輯技術(shù)的優(yōu)勢(shì)或機(jī)會(huì)。但在實(shí)際操作中與傳統(tǒng)育種一樣，基因編輯之后是在目標(biāo)環(huán)境中進(jìn)行廣泛的田間評(píng)估，僅向目標(biāo)受眾提供優(yōu)于當(dāng)前品種的作物。風(fēng)險(xiǎn)之三為管理漏洞：目前大多數(shù)基因編輯作物都是插入編輯系統(tǒng)并在后續(xù)步驟中去除外源DNA序列，因此最終的基因編輯作物并不是轉(zhuǎn)基因。然而導(dǎo)入編輯系統(tǒng)的過(guò)程中需要在實(shí)驗(yàn)室和溫室中進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓芾怼＠梅肿庸ぞ咦C明轉(zhuǎn)基因中間體在田間試驗(yàn)之前已經(jīng)得到解決。隨著基因組編輯技術(shù)的發(fā)展，使用中間轉(zhuǎn)基因步驟可能變得不必要，這將進(jìn)一步簡(jiǎn)化基因編輯育種發(fā)展。風(fēng)險(xiǎn)之四為受益不平等：如果基因編輯技術(shù)僅使富裕的參與者（包括跨國(guó)公司和大型農(nóng)場(chǎng)）受益，而一些小型農(nóng)場(chǎng)或有機(jī)農(nóng)業(yè)等替代農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的從業(yè)人員卻因此處于不利地位，會(huì)進(jìn)一步加劇生產(chǎn)及收益水平差距[10]。為了減輕這種風(fēng)險(xiǎn)而采取的措施可能導(dǎo)致濫用監(jiān)管流程，這些流程會(huì)污名化和抑制食品公司采用相關(guān)產(chǎn)品，并阻礙消費(fèi)，如被廣泛標(biāo)注的轉(zhuǎn)基因食用油。風(fēng)險(xiǎn)之五為透明度的缺乏：基因編輯技術(shù)產(chǎn)品缺乏透明度將造成“社會(huì)許可風(fēng)險(xiǎn)”，加劇人們對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)者及最終產(chǎn)生的基因編輯產(chǎn)品的信任危機(jī)?；蚓庉嬜魑锏拈_(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)披露基因編輯技術(shù)的使用來(lái)滿(mǎn)足公眾對(duì)特定食品是如何生產(chǎn)的興趣，并建立一種透明的登記制度。這種登記制度應(yīng)與專(zhuān)利和監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度保持相互獨(dú)立。目前國(guó)際上存在1個(gè)基因編輯聯(lián)盟建立的登記方案（https：//foodintegrity.org/programs/gene-editing-agriculture/），其以消費(fèi)者為中心，旨在解決透明度問(wèn)題。風(fēng)險(xiǎn)之六為知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)與沖突：基因編輯技術(shù)的另一個(gè)引起廣大關(guān)注的風(fēng)險(xiǎn)是在知識(shí)產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域，圍繞著B(niǎo)road研究所張鋒與2位諾獎(jiǎng)得主Jennifer A.Doudna和Em manuelle Charpentier團(tuán)隊(duì)之間的專(zhuān)利糾紛使得這一風(fēng)險(xiǎn)被廣為宣傳。最終在當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年2月28日美國(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局（USPTO）經(jīng)過(guò)裁定宣布張鋒擁有CRISPR基因編輯技術(shù)的專(zhuān)利，落下帷幕。但那些控制農(nóng)業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的人已經(jīng)表示，愿意將其技術(shù)許可給公共機(jī)構(gòu)和公司，使基因編輯產(chǎn)品得到開(kāi)發(fā)和走向商業(yè)化。然而，缺乏關(guān)于最終所有權(quán)的解決方法仍會(huì)給使用該技術(shù)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品帶來(lái)長(zhǎng)期的不確定性。需要明確的法律裁決來(lái)指導(dǎo)作物育種者，特別是那些資源有限的育種部門(mén)，如果知識(shí)產(chǎn)權(quán)的不確定性得不到解決，可能會(huì)避免或延遲使用基因編輯技術(shù)。

3 基因編輯作物與縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展

由于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，包括改良作物品種、化肥和殺蟲(chóng)劑的使用，中國(guó)人民享受了越來(lái)越豐富的食物。盡管如此，糧食安全仍然是中國(guó)面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，中國(guó)每年必須進(jìn)口近1億t大豆和數(shù)千萬(wàn)t玉米及其他谷物。為了進(jìn)一步提高生活水平，同時(shí)減少糧食進(jìn)口，中國(guó)一直大力支持農(nóng)業(yè)研究，特別是育種[11]，圖1展示國(guó)內(nèi)10年間基因編輯技術(shù)學(xué)術(shù)傳播情況，進(jìn)一步分類(lèi)發(fā)現(xiàn)與農(nóng)業(yè)相關(guān)的占比為最重，如圖2所示。2022年1月24日我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評(píng)價(jià)指南（試行）》，該指南為基因編輯作物育種的商業(yè)化鋪平了道路，標(biāo)志著中國(guó)將開(kāi)始批準(zhǔn)基因編輯作物，對(duì)我國(guó)生物育種技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)推動(dòng)具有重要意義。

圖1 10年間基因編輯技術(shù)學(xué)術(shù)傳播圖示

圖2 生物技術(shù)在不同領(lǐng)域發(fā)展分析示意圖

技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)現(xiàn)實(shí)操作層面的支撐?？h域經(jīng)濟(jì)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基本單元，是連接城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村的重要樞紐，具有區(qū)域性、綜合性、層次性、集聚性和擴(kuò)散性等特點(diǎn)。發(fā)展縣域經(jīng)濟(jì)對(duì)縮小我國(guó)城鄉(xiāng)差距，解決“三農(nóng)”問(wèn)題和全面建設(shè)小康社會(huì)都具有決定性意義[12]，因此也是實(shí)現(xiàn)基因編輯作物研發(fā)和推廣的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。較低的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平導(dǎo)致中國(guó)縣城產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平較低，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平提升會(huì)促進(jìn)縣城產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)[13]?；蚓庉嫯a(chǎn)業(yè)是知識(shí)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化和規(guī)?；a(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的整合，過(guò)去10年隨著技術(shù)的不斷完善，科研人員的不斷成長(zhǎng)，使得在縣域水平有望實(shí)現(xiàn)完整的技術(shù)和人員配備。2022年5月6日中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)以縣城為重要載體的城鎮(zhèn)化建設(shè)的意見(jiàn)》，其中提到合理發(fā)展農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)縣城。推動(dòng)位于農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)內(nèi)的縣城集聚發(fā)展農(nóng)村二三產(chǎn)業(yè)，延長(zhǎng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條，做優(yōu)做強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)，更多吸納縣域內(nèi)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)移人口，為有效服務(wù)“三農(nóng)”、保障糧食安全提供支撐。以“糧頭食尾”“農(nóng)頭工尾”為抓手，培育農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)集群，發(fā)展農(nóng)資供應(yīng)、技術(shù)集成、倉(cāng)儲(chǔ)物流和農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)。過(guò)去農(nóng)業(yè)發(fā)展依靠財(cái)政補(bǔ)貼維護(hù)了農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的基本收益，保障了糧食種植面積的穩(wěn)定。未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展需要依靠技術(shù)的進(jìn)步，在不降低經(jīng)濟(jì)福利的前提下來(lái)減少溫室氣體排放和改善人居環(huán)境。相關(guān)研究成果表明，建立在健康和氣候變化目標(biāo)基礎(chǔ)上的農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼計(jì)劃具有經(jīng)濟(jì)可行性，并有助于向健康和可持續(xù)的糧食系統(tǒng)過(guò)渡。人口與消費(fèi)的變化將會(huì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多樣化，水果、蔬菜和其他園藝產(chǎn)品的消費(fèi)量將會(huì)顯著增加。消費(fèi)的變化特別是水果和蔬菜的消費(fèi)變化會(huì)降低與飲食相關(guān)的死亡率，預(yù)測(cè)到2030年死亡人數(shù)將會(huì)因此減少40萬(wàn)人左右。與飲食相關(guān)的死亡率的降低帶來(lái)勞動(dòng)力供應(yīng)的增加，進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，在未來(lái)有望通過(guò)技術(shù)的進(jìn)步實(shí)現(xiàn)降低政府補(bǔ)貼進(jìn)而減輕財(cái)政負(fù)擔(dān)，提升分配效率，結(jié)合勞動(dòng)力增加帶來(lái)的收益，將在縣域農(nóng)業(yè)發(fā)展實(shí)現(xiàn)凈收益[14]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的不斷提高，縣域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理化水平也不斷提升。最終資本要素向農(nóng)業(yè)流動(dòng)，勞動(dòng)要素向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)流動(dòng)，進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率，縮小農(nóng)業(yè)部門(mén)勞動(dòng)生產(chǎn)率與非農(nóng)部門(mén)勞動(dòng)生產(chǎn)率之間的差距。因此，如何在縣域?qū)用胬煤眉夹g(shù)的發(fā)展來(lái)提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)附加值，依靠提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化顯得尤為重要。

到目前為止，人類(lèi)社會(huì)在經(jīng)濟(jì)方面一共經(jīng)歷了4個(gè)時(shí)代的變遷，不同時(shí)代分別對(duì)應(yīng)4種經(jīng)濟(jì)形態(tài)：狩獵采集經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息經(jīng)濟(jì)。目前我國(guó)正處于信息經(jīng)濟(jì)從創(chuàng)新階段步入成本競(jìng)爭(zhēng)階段，而以生命科學(xué)和生物科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展和應(yīng)用這2門(mén)學(xué)科為基礎(chǔ)的技術(shù)進(jìn)步將會(huì)產(chǎn)生一場(chǎng)生物科學(xué)技術(shù)的革命，這場(chǎng)革命形成的生物產(chǎn)業(yè)將成為第四次產(chǎn)業(yè)革命的主導(dǎo)，開(kāi)啟一種全新的經(jīng)濟(jì)形態(tài)——生物經(jīng)濟(jì)時(shí)代[15]。在基因編輯技術(shù)之前，我國(guó)廣泛應(yīng)用的生物技術(shù)產(chǎn)品為抗蟲(chóng)棉，張社梅[16]統(tǒng)計(jì)在整個(gè)技術(shù)周期的各類(lèi)收益，僅科研投資回報(bào)率就高達(dá)65%。2022年5月10日國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，其中和農(nóng)業(yè)相關(guān)的是加快生物育種技術(shù)賦能生物農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。其中提到有序發(fā)展全基因組選擇、系統(tǒng)生物學(xué)、人工智能等生物育種技術(shù)，提高糧食等重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)能力和質(zhì)量；發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)，促進(jìn)前沿生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域融合，提高我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。目前，通過(guò)朱健康和高彩霞等科研人員的推動(dòng)，我國(guó)基因編輯相關(guān)的農(nóng)業(yè)論文發(fā)表數(shù)量是美國(guó)的2倍[17]。對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展而言基因編輯優(yōu)勢(shì)在于：①可以改善作物品質(zhì)?；蚓庉嫴粌H局限于種業(yè)，還可以面向食品市場(chǎng)，市場(chǎng)規(guī)模更大。②基因編輯不僅局限于大田作物，還可以廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)作物。③基因編輯為內(nèi)源基因調(diào)節(jié)方式，可以消除外源基因插入帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。植物新品種的創(chuàng)新能力與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展互為格蘭杰因果關(guān)系，且植物新品種創(chuàng)新能力對(duì)當(dāng)期及滯后1～3期均對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生正向影響[18]。因此，伴隨基因編輯技術(shù)的發(fā)展會(huì)進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、物流和消費(fèi)環(huán)節(jié)的配合效率，通過(guò)管理措施——數(shù)字農(nóng)業(yè)[19]，可以獲得較大的提升空間。尤其是在我國(guó)信息技術(shù)領(lǐng)域及核酸檢測(cè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，使得生物信息對(duì)于基因編輯技術(shù)有了更進(jìn)一步的效率提升，圖3顯示我國(guó)10年間生物信息學(xué)術(shù)的傳播情況，檢測(cè)手段不僅提高了基因編輯的安全性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者權(quán)益的保障。更為重要的是生物經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將會(huì)實(shí)現(xiàn)以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)的縣域生態(tài)水平的提升，做到兼顧經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)這3方面的效益，用最小的資源投入和生態(tài)環(huán)境影響來(lái)獲得最大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出[20]。

圖3 10年間生物信息學(xué)術(shù)傳播圖示

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著縣域經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人才的不斷聚集，技術(shù)的作用將會(huì)得到極大的提升[21]?；蚓庉嫾夹g(shù)將會(huì)在未來(lái)的不同縣域?qū)用鎸?shí)現(xiàn)生態(tài)發(fā)展最優(yōu)解，使縣域經(jīng)濟(jì)承接傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的同時(shí)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，解決縣域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與生態(tài)環(huán)境資源之間的矛盾，有效改變過(guò)去農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高投入高產(chǎn)出所帶來(lái)的能源和物質(zhì)消耗。同時(shí)不同縣域之間生態(tài)環(huán)境稟賦的差異及地方特色農(nóng)產(chǎn)品的差異化發(fā)展也將有效避免同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步強(qiáng)化不同縣域間農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)的差異，在一定程度上實(shí)現(xiàn)生態(tài)多樣性保護(hù)的目的，更為重要的是，多態(tài)性的發(fā)展將會(huì)避免類(lèi)似馬鈴薯晚疫病對(duì)愛(ài)爾蘭馬鈴薯帶來(lái)的毀滅性打擊[22]。正如工業(yè)革命離不開(kāi)馬鈴薯的參與一樣，未來(lái)縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展以致偉大復(fù)興離不開(kāi)農(nóng)業(yè)技術(shù)和種植品種發(fā)展所帶來(lái)的各類(lèi)紅利。