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转基因的前世今生

2019-07-11 11:50:19 56729

   从前我们依靠天然杂交和人工杂交来改良品种,都有碰运气的情况。如果运气好,有用的基因就转移到了品种中,运气不好就不一定成功。但是利用转基因生物技术,我们就可以非常精准地掌握控制转基因,这就是转基因“今生”的意义。

演讲 | 卢宝荣(复旦大学)演讲 | 卢宝荣(复旦大学)

  提到转基因许多人可能会想,我有没有吃过转基因食品呢?其实,只要你吃过红薯,那么你一定吃过转基因食品,因为在红薯的起源演化过程中,大自然通过农杆菌给它进行了转基因。而人类就是学习了大自然中的这个过程,才发展出了今天的转基因技术。

  我们一直在改变自然

  人类在生命的历史长河中只占很短的一刹那。整个宇宙、地球和生命的演化都是以亿年为单位,而我们人类到目前只存在了200多万年。

  在200万年间,人类经历了三个重要的时代。第一个称为狩猎采集时代,那个时候我们以追逐动物、采集野果生存下去。所有的生命都有两个最基本的需求,第一是生存下来,要生存下来就必须要寻找吃的;第二是繁殖下去,必须要生存下来才能够繁殖下去。

  事实上,人类在狩猎采集时代就已经通过对火的掌控,开始影响自然。民以食为天,哪怕原始时代的人类都必须要生存、吃饱饭,这是我们改良植物和动物的原动力。

  到1万年前左右,全世界各地产生了农作物和动物的驯化,于是我们开启了一个新的时代,也就是农耕时代。人类对野生植物进行驯化、改良,逐渐改变成了我们现在的栽培植物和动物。

  后来,我们又进入第三个时代——工业革命时代,到现在已经有200多年时间。

  历史的发展在1万年前这个转折点之后变得非常快,人类对自然的影响也逐渐变大。我们学会了驯化植物和动物,获得更多的食物来源,后来还学会了利用蒸汽机、电机等科技产品来为人类服务,当然也学会了基因的转移。

  杂交:转基因的前世

  那么究竟什么是基因,什么是转基因?说起来很简单,基因就是携带的遗传信息的DNA片段,生物体内所有细胞里都有基因,它决定了生物的性状。俗话说:种瓜得瓜,种豆得豆,那就是因为它们含有不同的基因。而转基因就是将基因从一个生物体转到另一个生物体的过程,转基因的目标是为了改良作物,获得更好的优良品种。

  举例来说,棉花不抗虫,必须喷洒很多农药防治害虫,最后虫产生了抗药性,浸泡在农药里面都不会死。于是人类就采取另外一个替代办法,把抗虫基因转移到棉花植株里,这样就培育出了能够抗虫的转基因棉花。

  其实在自然界中,基因的转移十分普遍。我们经常看见风和昆虫能够帮助植物传粉,产生后代,这个过程我们称之为天然杂交,其实就是大自然中的转基因过程。

  举个具体例子,比如说在一排紫色的玉米周围再种几排白色的玉米,通过风媒自然传播花粉,就可以产生紫色白色相间的后代,这也就是市场上花色玉米的来源。再比如说,我们所熟悉的骡子,就是驴和马一不小心天然杂交产生的后代。骡子的体格强壮、力气很大,是因为有杂种优势的原因。

(图源:pixabay.com)(图源:pixabay.com)

  这些都是自然界中天然转基因的过程。人类学习和效仿大自然,创建了人工杂交。到目前为止,人工杂交已经有了大约200多年的历史,比如说红花和白花的植物杂交,就会出现出开着不同颜色花的后代。农学家也学会了这种方法,将具有抗性或高产性状的品种与推广品种进行杂交,便可以得到高产而不需施用农药的农作物品种。

  当年袁隆平先生就是通过人工杂交,将野生稻的雄性不育基因转移到了栽培水稻,创造出了举世闻名的杂交水稻。还有很多类似的例子,都是用利用人工杂交方法,将野生近缘种或者同一个物种的基因,转移到另一个物种或品种,获得高产、优质、抗病等性状的优良品种。

  我们将这一类利用天然杂交和人工杂交实现基因转移,创造遗传变异,培育优良品种的方法,都称为转基因的前世。因为它更多的还是人工模拟自然环境中的有性生殖过程,在有性杂交可能实现的前提下面来进行的基因转移。

  转基因“今生”的意义

  人工杂交并不能解决所有转基因的问题,我们面临的困难是由于物种之间的生殖隔离,有些物种之间根本没法进行人工杂交。像我们说的种瓜得瓜,如果瓜里包含有优良基因,我们就没有办法通过杂交把它转移到豆里面去。还有些微生物包含有益的基因(例如抗虫基因),我们要想通过人工杂交将抗虫基因转移到棉花,那门都没有。怎么办呢?于是人类需要利用新的技术方法来达到转基因的目的,而利用生物技术转基因,就是一种非常有效的手段。

  红薯便是一个很好的例子。通过微生物感染,其他物种的基因进入其中,而且与之共存,带来新的性状,于是人类又学会了这一新方法来进行基因转移。

  如果我们在微生物或动物里发现了一个非常有用的基因,就可以利用生物技术把基因从微生物或动物中分离克隆出来,再找一辆“车(质粒)”,把这个基因装载和固定在车上。科学家可以用这个“车”来感染一种微生物,让它不断繁殖生产出许多基因的拷贝,再通过这个微生物把基因送到宿主——希望改良的植物细胞中。这个时候,来源不同的某个基因(比如抗虫、抗病、高产和优质基因)都可以转移到目标植物品种的细胞中。

  随后我们再把这些携带有优良基因的细胞或组织培养成小苗,每一颗小苗里面就都包含了这样的优良基因,待小苗长成以后就形成了转基因植物。这便是现代生物技术转基因的方法,尽管过程与杂交不一样,但目标都是为了改良农作物的性状,培育优良品种。

  从前我们依靠天然杂交和人工杂交来改良品种,都有碰运气的情况。如果运气好,有用的基因就转移到了品种中,运气不好就不一定成功,不一定能培育出可量产、优质的品种。但是利用转基因生物技术,我们就可以非常精准地掌握控制转基因,这就是转基因“今生”的意义。

  例如,我国培育的转基因抗虫棉花及其产业化拯救了我国的棉花产业。由于棉铃虫产生了极强的抗药性,依靠喷洒农药已经没法控制住害虫,即便一个星期喷两、三次化学农药都不会有效,因此转基因抗虫棉花的产业化具有极为重要和深刻的意义。如果没有这个先进技术,不使用转基因抗虫棉花,我们现在就不可能会有如此大面积的棉花种植,因为害虫都把棉花吃光了。同时,这个技术也在全国范围内大大降低了化学农药的喷洒量。

 (图源:pixabay.com)(图源:pixabay.com)

  为什么需要发展转基因技术?

  我们如今面临非常艰巨的粮食安全问题,全球人口在不断地增长,但耕地面积和其它资源在不断地减少。而在中国人口不断增加的情况下,要靠扩大耕地的面积来提高产量,显然是非常困难的。国家希望能够保住18亿亩耕地的底线,但实际上,这个底线很难保住。在这样紧迫的环境下,我们还必须保证每一个人都有饭吃,这就要求我们必须提高农业生产效率——在不断减少的土地上获得更高的农业产出。

  对于病虫害,如果不采用新技术的替代产品,我们就只有继续大量使用化学农药。但我国已经遭到巨大破坏和日益恶化的农业生态环境不允许继续大量使用化学农药。我国每年施用的化学农药、杀虫剂是以百万吨级来衡量的,而化肥的使用要以千万吨级来衡量。更重要的是,这些化学农药最终会通过食物链富集到老百姓的餐桌上来,带来严重的食品安全问题。

  我们不愿意在农田中使用更多的农药、更多的化肥,农业生态环境已经遭受严重的破坏了,我们显然不愿意雪上加霜。靠增加农药、化肥投入来增产这条路也不是理想之路。利用丰富的基因资源,结合高新技术,才能更高效地生产出绿色、有益的产品来满足人类不断增长的需求。

  转基因技术可以给我们带来很多好处,例如可以精准高效、目标性非常强地培育新品种。更重要的是,新技术可以让育种家逾越生殖隔离的障碍来应用很多有益的基因资源,这在以前是绝对没法做到的。

  上世纪60年代“绿色革命”培育的农作物品种,拯救了成千上万人的生命,而它的基础就是遗传改良技术。今天我们转基因生物技术的“基因革命”,会给我们带来更绿色的环境,让我们的环境更美好,让我们的产品更优良。

  利用生物技术,我们来到了转基因的今生。实际上人类还发明了更新的技术,例如基因组编辑,会将我们带到转基因的未来。通过基因组编辑,科学家可以不需要转移外源基因,通过编辑农作物自身的基因,就可以达到高效改良农作物品种,提高农作物产量或抗旱、抗除草剂、抗虫等等目的。

  人类存在了200多万年,整个生命世界存在了30多亿年。相比起来,我们经历的只是短短的一刹那。人类会不断进步,社会将不断发展,由于世界人口的不断增长,与“民以食为天”相关的新技术也会不断产生和得到应用。科技发展给我们带来曙光,未来的生物技术会更高效、更安全,比现在做得更好。

  转基因技术对中国具有战略意义

  距离1996年世界第一个转基因产品——耐储藏转基因西红柿投入市场已经过去了20多年,转基因技术的应用在全世界的发展非常迅速。开始是发达国家,但现在发展中国家转基因作物的种植面积已经超过发达国家,因为这些国家更需要粮食,更需要发展。转基因技术的应用如此快速的增长表明了这一技术的巨大利益。

  遗憾的是,由于中国现在对转基因技术应用的不同声音,发展并不理想。在2001年的时候,我国转基因作物的种植面积在全世界排名第四,仅次于美国、阿根廷和加拿大。然而,经过十几年的发展,中国转基因作物的种植面积已退后到了排名第八。从前印度远远落后我们,但现在印度的转基因作物种植面积已经超过我们将近3倍,甚至像人口只有600万的巴拉圭以及巴基斯坦都已经在排在我们前面。这跟我国的生物科技发展实力以及国际地位极不相符。

  国家领导人特别重视转基因技术的发展,中国这么大的国家,有这么多人要吃饭,我们自己生产的粮食是不够的,目前我们需要进口约1.4亿吨粮食来满足国内市场的需求,这是一个不容乐观的粮食安全问题。因此,习近平主席指出:“要大胆创新研究,占领转基因技术制高点,不能把转基因农产品市场都让外国大公司占领了。” 

  转基因技术的发展是国家的战略部署,涉及粮食安全问题。今天我们需要进口1亿多吨粮食,万一哪一天由于什么原因,人家不卖给我们怎么办?我们必须要有自己的技术储备。当前,国际转基因技术迅猛发展,转基因市场竞争日益激烈,我们不能错过发展这个核心技术的良机。


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