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轉基因的前世今生!轉基因意義何在?

2019-12-12 14:50:30  來源:賽先生

從前我們依靠天然雜交和人工雜交來改良品種,都有碰運氣的情況。如果運氣好,有用的基因就轉移到了品種中,運氣不好就不一定成功。但是利用轉基因生物技術,我們就可以非常精準地掌握控制轉基因,這就是轉基因“今生”的意義。

演講 | 盧寶榮(復旦大學)

提到轉基因許多人可能會想,我有沒有吃過轉基因食品呢?其實,只要你吃過紅薯,那么你一定吃過轉基因食品,因為在紅薯的起源演化過程中,大自然通過農桿菌給它進行了轉基因。而人類就是學習了大自然中的這個過程,才發展出了今天的轉基因技術。

我們一直在改變自然

人類在生命的歷史長河中只占很短的一剎那。整個宇宙、地球和生命的演化都是以億年為單位,而我們人類到目前只存在了200多萬年。

在200萬年間,人類經歷了三個重要的時代。第一個稱為狩獵采集時代,那個時候我們以追逐動物、采集野果生存下去。所有的生命都有兩個最基本的需求,第一是生存下來,要生存下來就必須要尋找吃的;第二是繁殖下去,必須要生存下來才能夠繁殖下去。

事實上,人類在狩獵采集時代就已經通過對火的掌控,開始影響自然。民以食為天,哪怕原始時代的人類都必須要生存、吃飽飯,這是我們改良植物和動物的原動力。

到1萬年前左右,全世界各地產生了農作物和動物的馴化,于是我們開啟了一個新的時代,也就是農耕時代。人類對野生植物進行馴化、改良,逐漸改變成了我們現在的栽培植物和動物。

后來,我們又進入第三個時代——工業革命時代,到現在已經有200多年時間。

歷史的發展在1萬年前這個轉折點之后變得非常快,人類對自然的影響也逐漸變大。我們學會了馴化植物和動物,獲得更多的食物來源,后來還學會了利用蒸汽機、電機等科技產品來為人類服務,當然也學會了基因的轉移。

雜交:轉基因的前世

那么究竟什么是基因,什么是轉基因?說起來很簡單,基因就是攜帶的遺傳信息的DNA片段,生物體內所有細胞里都有基因,它決定了生物的性狀。俗話說:種瓜得瓜,種豆得豆,那就是因為它們含有不同的基因。而轉基因就是將基因從一個生物體轉到另一個生物體的過程,轉基因的目標是為了改良作物,獲得更好的優良品種。

舉例來說,棉花不抗蟲,必須噴灑很多農藥防治害蟲,最后蟲產生了抗藥性,浸泡在農藥里面都不會死。于是人類就采取另外一個替代辦法,把抗蟲基因轉移到棉花植株里,這樣就培育出了能夠抗蟲的轉基因棉花。

其實在自然界中,基因的轉移十分普遍。我們經常看見風和昆蟲能夠幫助植物傳粉,產生后代,這個過程我們稱之為天然雜交,其實就是大自然中的轉基因過程。

舉個具體例子,比如說在一排紫色的玉米周圍再種幾排白色的玉米,通過風媒自然傳播花粉,就可以產生紫色白色相間的后代,這也就是市場上花色玉米的來源。再比如說,我們所熟悉的騾子,就是驢和馬一不小心天然雜交產生的后代。騾子的體格強壯、力氣很大,是因為有雜種優勢的原因。

這些都是自然界中天然轉基因的過程。人類學習和效仿大自然,創建了人工雜交。到目前為止,人工雜交已經有了大約200多年的歷史,比如說紅花和白花的植物雜交,就會出現出開著不同顏色花的后代。農學家也學會了這種方法,將具有抗性或高產性狀的品種與推廣品種進行雜交,便可以得到高產而不需施用農藥的農作物品種。

當年袁隆平先生就是通過人工雜交,將野生稻的雄性不育基因轉移到了栽培水稻,創造出了舉世聞名的雜交水稻。還有很多類似的例子,都是用利用人工雜交方法,將野生近緣種或者同一個物種的基因,轉移到另一個物種或品種,獲得高產、優質、抗病等性狀的優良品種。

我們將這一類利用天然雜交和人工雜交實現基因轉移,創造遺傳變異,培育優良品種的方法,都稱為轉基因的前世。因為它更多的還是人工模擬自然環境中的有性生殖過程,在有性雜交可能實現的前提下面來進行的基因轉移。

轉基因“今生”的意義

人工雜交并不能解決所有轉基因的問題,我們面臨的困難是由于物種之間的生殖隔離,有些物種之間根本沒法進行人工雜交。像我們說的種瓜得瓜,如果瓜里包含有優良基因,我們就沒有辦法通過雜交把它轉移到豆里面去。還有些微生物包含有益的基因(例如抗蟲基因),我們要想通過人工雜交將抗蟲基因轉移到棉花,那門都沒有。怎么辦呢?于是人類需要利用新的技術方法來達到轉基因的目的,而利用生物技術轉基因,就是一種非常有效的手段。

紅薯便是一個很好的例子。通過微生物感染,其他物種的基因進入其中,而且與之共存,帶來新的性狀,于是人類又學會了這一新方法來進行基因轉移。

如果我們在微生物或動物里發現了一個非常有用的基因,就可以利用生物技術把基因從微生物或動物中分離克隆出來,再找一輛“車(質粒)”,把這個基因裝載和固定在車上。科學家可以用這個“車”來感染一種微生物,讓它不斷繁殖生產出許多基因的拷貝,再通過這個微生物把基因送到宿主——希望改良的植物細胞中。這個時候,來源不同的某個基因(比如抗蟲、抗病、高產和優質基因)都可以轉移到目標植物品種的細胞中。

隨后我們再把這些攜帶有優良基因的細胞或組織培養成小苗,每一顆小苗里面就都包含了這樣的優良基因,待小苗長成以后就形成了轉基因植物。這便是現代生物技術轉基因的方法,盡管過程與雜交不一樣,但目標都是為了改良農作物的性狀,培育優良品種。

從前我們依靠天然雜交和人工雜交來改良品種,都有碰運氣的情況。如果運氣好,有用的基因就轉移到了品種中,運氣不好就不一定成功,不一定能培育出可量產、優質的品種。但是利用轉基因生物技術,我們就可以非常精準地掌握控制轉基因,這就是轉基因“今生”的意義。

例如,我國培育的轉基因抗蟲棉花及其產業化拯救了我國的棉花產業。由于棉鈴蟲產生了極強的抗藥性,依靠噴灑農藥已經沒法控制住害蟲,即便一個星期噴兩、三次化學農藥都不會有效,因此轉基因抗蟲棉花的產業化具有極為重要和深刻的意義。如果沒有這個先進技術,不使用轉基因抗蟲棉花,我們現在就不可能會有如此大面積的棉花種植,因為害蟲都把棉花吃光了。同時,這個技術也在全國范圍內大大降低了化學農藥的噴灑量。

為什么需要發展轉基因技術?

我們如今面臨非常艱巨的糧食安全問題,全球人口在不斷地增長,但耕地面積和其它資源在不斷地減少。而在中國人口不斷增加的情況下,要靠擴大耕地的面積來提高產量,顯然是非常困難的。國家希望能夠保住18億畝耕地的底線,但實際上,這個底線很難保住。在這樣緊迫的環境下,我們還必須保證每一個人都有飯吃,這就要求我們必須提高農業生產效率——在不斷減少的土地上獲得更高的農業產出。

對于病蟲害,如果不采用新技術的替代產品,我們就只有繼續大量使用化學農藥。但我國已經遭到巨大破壞和日益惡化的農業生態環境不允許繼續大量使用化學農藥。我國每年施用的化學農藥、殺蟲劑是以百萬噸級來衡量的,而化肥的使用要以千萬噸級來衡量。更重要的是,這些化學農藥最終會通過食物鏈富集到老百姓的餐桌上來,帶來嚴重的食品安全問題。

我們不愿意在農田中使用更多的農藥、更多的化肥,農業生態環境已經遭受嚴重的破壞了,我們顯然不愿意雪上加霜。靠增加農藥、化肥投入來增產這條路也不是理想之路。利用豐富的基因資源,結合高新技術,才能更高效地生產出綠色、有益的產品來滿足人類不斷增長的需求。

轉基因技術可以給我們帶來很多好處,例如可以精準高效、目標性非常強地培育新品種。更重要的是,新技術可以讓育種家逾越生殖隔離的障礙來應用很多有益的基因資源,這在以前是絕對沒法做到的。

上世紀60年代“綠色革命”培育的農作物品種,拯救了成千上萬人的生命,而它的基礎就是遺傳改良技術。今天我們轉基因生物技術的“基因革命”,會給我們帶來更綠色的環境,讓我們的環境更美好,讓我們的產品更優良。

利用生物技術,我們來到了轉基因的今生。實際上人類還發明了更新的技術,例如基因組編輯,會將我們帶到轉基因的未來。通過基因組編輯,科學家可以不需要轉移外源基因,通過編輯農作物自身的基因,就可以達到高效改良農作物品種,提高農作物產量或抗旱、抗除草劑、抗蟲等等目的。

人類存在了200多萬年,整個生命世界存在了30多億年。相比起來,我們經歷的只是短短的一剎那。人類會不斷進步,社會將不斷發展,由于世界人口的不斷增長,與“民以食為天”相關的新技術也會不斷產生和得到應用。科技發展給我們帶來曙光,未來的生物技術會更高效、更安全,比現在做得更好。

轉基因技術對中國具有戰略意義

距離1996年世界第一個轉基因產品——耐儲藏轉基因西紅柿投入市場已經過去了20多年,轉基因技術的應用在全世界的發展非常迅速。開始是發達國家,但現在發展中國家轉基因作物的種植面積已經超過發達國家,因為這些國家更需要糧食,更需要發展。轉基因技術的應用如此快速的增長表明了這一技術的巨大利益。

遺憾的是,由于中國現在對轉基因技術應用的不同聲音,發展并不理想。在2001年的時候,我國轉基因作物的種植面積在全世界排名第四,僅次于美國、阿根廷和加拿大。然而,經過十幾年的發展,中國轉基因作物的種植面積已退后到了排名第八。從前印度遠遠落后我們,但現在印度的轉基因作物種植面積已經超過我們將近3倍,甚至像人口只有600萬的巴拉圭以及巴基斯坦都已經在排在我們前面。這跟我國的生物科技發展實力以及國際地位極不相符。

國家領導人特別重視轉基因技術的發展,中國這么大的國家,有這么多人要吃飯,我們自己生產的糧食是不夠的,目前我們需要進口約1.4億噸糧食來滿足國內市場的需求,這是一個不容樂觀的糧食安全問題。因此,習近平主席指出:“要大膽創新研究,占領轉基因技術制高點,不能把轉基因農產品市場都讓外國大公司占領了。”

轉基因技術的發展是國家的戰略部署,涉及糧食安全問題。今天我們需要進口1億多噸糧食,萬一哪一天由于什么原因,人家不賣給我們怎么辦?我們必須要有自己的技術儲備。當前,國際轉基因技術迅猛發展,轉基因市場競爭日益激烈,我們不能錯過發展這個核心技術的良機。

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