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我国有序推进生物育种产业化 种子的力量

“民以食为天,国以民为本”,党的十九届五中全会提出,要瞄准生物育种等八个前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大课题项目。2020年中央经济工作会议提出,要尊重科学、严格监管,有序推进生物育种产业化应用。一粒种子可以改变一个世界,也能影响一个国家的未来。为何小小一粒种子能有如此大的力量?发展生物育种意义何在?我国生物育种产业化推进如何?种业创新为何事关民族与国家的兴衰?

良种诞生:从靠天吃饭到科技助力

早在远古时代,人类的祖先就从种子落地生根和开花结果的过程中得到灵感,开启了刀耕火种的农耕文明。从那时起,种子就养育着一代一代的人,人类文明也在生生不息间日益繁盛。

正所谓“民为国基、谷为民命”,在古代,人们将对粮食的需求依托给大自然,然而大自然并没有那么“好说话”――人类从野生植物驯化来的农作物存在着各种缺陷,譬如产量很低、形状长得不好看,抑或口感不好难以下咽。为此,聪明的人类开始有针对性地进行筛选:哪一片庄稼长得好,哪种植物的果实更好吃,他们就把这种植物留作种子,一代一代地种下去,以期能更好满足人类对食物的需求。

就这样,品质优良的种子被人类有目的地保留下来,那些不符合他们需求的、品质较差的则被淘汰,种子的质量也在筛选的过程中得到了不断地优化和升级,农作物也逐渐变得病害更少、产量更高、栽培起来更容易。

从农耕文明到工业文明再到现代文明,一颗颗品质优良的种子,承载着无数人对美好生活的无限希望。然而很少有人知道,这些被视为希望的良种,它们的“成长”并不容易。7000年前,古代中国真正开始从事农业生产,而后过了近5000年,“嘉种”一词才在《诗经》中出现……可见,从一颗野生的谷粒到一颗精良的种子,被动地等待大自然选择的这个过程着实太过漫长,而且期间还充满着许多不确定性。

从靠天吃饭的古代农业,到科技助农的现代农业,现代农作物实际上就是从野生植物种类逐渐驯化和人工选育发展而来的。在这个过程中,“良种”的出现实际上是伴随着大量的基因变异和基因的转移,既包括种内的基因转移,也包括种间的基因转移。

如今,餐桌上甜糯可口的玉米“出身”于野生大刍草,它的穗子就像当今的麦穗一样是长在顶部的,而非现在的长在“腰间”;番茄则是从野生番茄“小小个”的果实,逐渐培育成大而多汁的果实;就连水稻都是从干瘪难咽的野生稻,几经培育才成为今日颗粒饱满软糯可口的优良品种……

就这样,种子们在一代代“青出于蓝而胜于蓝”的选拔中,借助着基因变异和基因转移,最终实现了自己的“华丽转身”。

刚性需求:人类为何要追求一粒“良种”?

随着人口数量的增长,依靠自然驯化和人工筛选已不能满足人类对粮食的需求。在很大程度上,一个国家的粮食安全更与人民的美好生活、国家的蓬勃发展息息相关。

当人类只能通过采集野生动植物过活时,全球的土地每公顷只能养活几个人。到了原始农业时期,人类进入刀耕火种发展的阶段,每公顷土地可以养活的人稍微增至几十人,全球土地收成仅能养活几百万人。等人类社会进入农耕文明,种植业得到了快速发展,这时蓬勃发展的农业终于挖掘出了土地的巨大潜力,全球土地每公顷可以养活的人数攀升到了千余人,世界人口终于达到上亿规模。

当人类社会进入工业文明发展阶段,有了集约经营的现代农业,地球土地的产能也变得更强了――每公顷土地可以养活的人口几乎达到了几千人,全球人口也随之升至几十亿……可见,农业发展对人类文明发挥着至关重要的作用。

社会的发展离不开现代农业,以古代中国为例,从商周、秦朝开始,中国的人口缓慢地从几百万攀升至七千万,而后又经过了三四千年,但始终没能过亿。

到了明朝,由于航海技术的快速发展,玉米、马铃薯、地瓜等产量高、种植简单的农作物漂洋过海来到了中国,这才帮助中国的人口第一次破了亿。就这样,在国际的资源共享中,人类终于可以更有尊严地生活了,那些属于中国的农作物,譬如水稻、大豆、小米走了出去,开始影响更多世界各地人民的生活,而那些来自国外的农作物,譬如茄子、辣椒、萝卜,也随着贸易走进了中国的大门,丰富了我们的餐桌。

如今,地球已有了七十亿的人口,此前有专家预测,预计到2050年,世界人口将达到100亿。然而,随着农业不断边缘化,人类又该如何养活这百亿人口?可以说,“饭不够吃”这把利剑一直悬挂在人类社会的头顶,岌岌可危。

众所周知,全球可供耕种的土地始终是有限的,加之全球气候日益恶化加剧,当今世界,仍有很多国家面临着“吃不饱”的粮食危机。2021年,联合国政府间气候变化专门委员会、联合国粮食及农业组织等机构曾发布报告指出,自2009年以来,干旱、高温等极端天气发生的概率远高于上世纪80、90年代,严重影响了全球的粮食供给。

以巴西为例,2021年1月以来巴西遭遇十年来最严重的干旱,导致大批农作物无法收割,后来又受严寒天气突袭,造成多个主要咖啡豆产区的农作物死亡,同时影响到中南部地区的甘蔗和玉米等农作物。与巴西类似,阿根廷、西欧等地的粮食收成也都受极端天气影响而锐减,除了产量外,农业专家还担心雨水会让农作物发生病变,从而影响农作物的质量……可以说,粮食的刚性需求是一个全球性且任重道远的重要话题。

“现代农作物实际上就是从野生植物种类逐渐驯化和人工选育发展而来的。在这个过程中,‘良种’的出现实际上是伴随着大量的基因变异和基因的转移,既包括种内的基因转移,也包括种间的基因转移。”

必然选择:中国的粮食安全

粮食危机不仅是国际问题,更是关乎我国安危和发展的重要问题。国家统计局数据显示,2021年我国粮食总产量为13657亿斤,比上年增加267亿斤,增长2.0%,全年粮食产量再创新高,连续7年保持在1.3万亿斤以上。然而,尽管“十四五”开局之年的丰收来之不易,但我国一方面有着14亿庞大人口,另一方面全国耕地面积仅有18亿亩,人均耕地面积不足1.35亩、尚不足世界平均水平的40%……保障粮食安全,于我国而言一直是一个永恒的话题。

在农业农村部科技教育司指导下,由北京科技记者编辑协会主办、北京科技报社承办的第十届全国媒体转基因报道研修班上,js33333线路登录现代农学院院长、中国科学院植物研究所研究员刘春明表示,我国农业虽然已经摆脱了靠天吃饭的阶段,但粮食安全依然面临着一定的危机。

“首先是进口农产品的绝对量过高,除了进口国家单一,巴西、美国、阿根廷、加拿大和澳大利亚,我国主要进口的农作物也比较集中,主要就是大豆、油菜、玉米和饲用作物”,在《以关于有序推进生物育种产业化,全面推进种业振兴的思考》主题报告中,刘春明坦言,通过作物育种创新、化肥植保和现代农机使用,从1949年开始至今,我国三大主粮(水稻、小麦和玉米)的平均单产已经从100公斤左右提高到400多公斤,在同样的土地上产出了3~5倍的粮食。但是,我们需要认识到,整个世界的资源分配是非常不均等的。国家的粮食安全关乎着国家能不能强大的自主发展,关系着人民能不能拥有美好生活。在当今世界,国与国之间的竞争已深入方方面面,而粮食之争更是早已成为各国之间竞争的重要内容。

除了数量,人们对粮食还提出了更多更高的要求,譬如高产、优质、环境友好以及健康等等。随着社会的发展,现代人对粮食品质的要求也变得多样化。换而言之,人们不仅只看重农作品的多样性,而且还对粮食的质量甚至是特色提出了进一步的需求。举例来说,糖尿病和肾病患者过度摄入蛋白会引起肾的损伤,因此日常饮食中要降低蛋白摄入,那如果能培养出低谷蛋白的农作物,这类病患是不是在饮食上的顾忌就能少很多?除此之外,为了更好地应对频发的灾害和环保需求,人类还希望培养出适应性更强、对肥药需求更少、更高生产力、产量更高的品种。

为了让广大百姓吃得饱、吃得更好、吃得更健康,人们开始寻求更有效的技术和方法,逐渐地发现了藏在基因里的奥秘。

种业创新:从自然选育到定向编辑

生物育种是现代农业生物技术育种的统称,主要包括利用转基因、基因编辑、全基因组选择、合成生物等技术,对动植物开展高效、精准、定向遗传改良和品种培育。推进生物育种产业化是促进现代种业高质量发展,保障国家粮食安全和重要农产品有效供给的必然选择。

农业生物育种技术是一个不断发展的过程。早期,人类采用的原始育种方法是依赖自然的变异,从自然变异里面筛选出性状改良的一些优良品系。近几十年来,人们又发展了出利用理化因素来进行诱变,比如说物理射线或者说化学诱变,使得遗传变异的频度更高、种类更多,并从里面筛选出优良的变异。

转基因技术是生物育种的重要方面,也是迄今为止全球发展速度最快、应用范围最广、产业影响最大的现代生物技术。所谓转基因,是指把外源的基因或者说同种来源的基因,借助一些基因转移技术去导入到受体材料,培育新的品种。

人类创造转基因植物,是因为通过转基因技术可以改良农作物的生产效率,包括提高产量、抗虫抗病性,就连蛋白质、油脂、氨基酸等各类营养素的含量也可以增加。

近年来,研究人员又提出了更高效的基因编辑技术,这种技术“编辑”的是内源基因,是对一个物种自己的基因进行修饰,更加精准、高效。

自20世纪以来,生物育种技术已经历了三次飞跃,分别是1950年“高秆变矮秆”的第一次“绿色革命”,1970年兴起的杂交水稻技术,以及1990年至今的分子育种阶段。今天,生物育种在大步向前走,抢占生物育种技术及其产业发展制高点,无疑已成为世界各国增强农业产业核心竞争力的重大战略选择。

生物育种:技术创新与产业发展

中国工程院院士、中国农业大学教授戴景瑞表示,目前,我国粮食增产的核心仍是种子和耕地。除了保护耕地的数量和质量,生物育种如今更已成为保障我国粮食与食品供给安全的重要途径。

世界粮农组织的资料显示,全球粮食产量的增加有80%依赖于单位面积产量的提升,而单产的提高中又有60%~80%与良种的推广有关,因此在种植过程中农作物品种的优良至关重要。可见,推动种业创新,加大粮食作物种业研发力度,已成为现代农业发展的必然趋势。

转基因作物的商业化进程已经推行了二十多年,实践了二十多年,转基因大豆、玉米、棉花和油菜也在这期间得到了大量的种植。在世界范围内,美国、巴西、阿根廷等国家都种植了大量转基因植物和农作物,其中又以美国最甚。

相比之下,中国除了从国外进口大量的转基因大豆、玉米和油菜,国内大规模种植的转基因作物却还局限于棉花和木瓜两种作物,总种植面积在世界范围内也仅排行第8位,无论是发展空间还是技术需求,都有着极大的潜力。

事实上,尽管在推广和商业应用上比较谨慎,但作为高效的农作物改良技术,转基因育种技术的研发在我国还是取得了不小的成果,譬如关注白桦、落叶松转基因育种的863项目,转基因生物新品种培育重大专项……可以说,我国在种业创新研发领域的投入和决心一直很大。

2019年,草地贪夜蛾入侵我国,这种虫害起源于南美洲,我国在过去是没有的,因而不论是化学农药还是生物农药,我国都没有储备。因此,为解决当前农业生产中面临的草地贪夜蛾和草害问题,2021年,我国对已获得生产应用安全证书的耐除草剂转基因大豆和抗虫耐除草剂转基因玉米开展了产业化应用试点工作。参加试点的耐除草剂大豆和抗虫耐除草剂玉米均已获得生产应用安全证书,经过了近10年的食用安全和环境安全评价。

据农业农村部科技教育司转基因生物安全管理处相关负责人介绍,试点取得了显著成效,这标志着我国转基因大豆、玉米的产业化试种终于迈开了历史性的一步。

试点结果表明,转基因大豆、玉米抗虫耐除草剂特性优良,增产增效和生态效果显著,配套的高产高效、绿色轻简化生产模式也逐步形成。转基因大豆除草效果在95%以上,可降低除草成本50%,增产12%。转基因玉米对草地贪夜蛾的防治效果可达95%,增产6.7%至10.7%,并且可以大幅减少防虫成本。

作为常规玉米,南方地区严重时100株上会有200~400个幼虫,取食玉米新叶,到了玉米生长的后期,不好打药,防治效果也不理想。相比之下,转基因抗虫玉米防虫效果可达95%,非常显著。

众所周知,杂草是种植大豆时最棘手的问题之一。如果除草剂使用不当,很容易导致杂草产生抗性。对此,中国农业科学院植物保护研究所副所长、研究员张杰告诉记者,目前,农田中已有超50种的杂草对除草剂产生了不同程度的抗性。

“这是非常糟糕的事情,抗性一上来,原来每亩地里打10克就能防80%的杂草,现在打20克都可能防不到80%,所以老百姓只能加量打除草剂,但农药污染是有积累效应的。”张杰说,除了有时已无法控制杂草,常规除草剂甚至还会对后茬作物产生负面影响。对于农作物而言,如果说抗虫性好利于恢复农作物原来的产量,那么具备了抗除草剂性能,则有助于明显增加庄稼的产量,其平均增幅能高达10%,效果非常好的甚至能达到五成左右。

当今世界种业竞争实质是科技竞争,核心是生物育种技术的竞争。近年来,全球范围内生物技术产业呈现加快发展的态势,生物技术的应用正在深刻改变全球农产品生产和贸易格局,“一个基因一个产业”已经成为现实。发展生物育种事关种业翻身仗能不能打好,事关中国人饭碗能不能牢牢端在自己手中,受到党和国家的高度重视。而推进生物育种产业化是保障国家粮食安全和重要农产品有效供给的战略选择,也是促进现代农业高质量发展的现实需要。

据了解,在国家系列科技计划的支持下,我国生物育种的技术水平已经进入国际第二方阵的前列,初步形成了自主基因、自主技术、自主品种的创新格局,育种研发取得重大进展,实现了由跟踪国际先进水平到自主创新的跨越式转变。目前,国产抗虫棉市场占有率从1999年的10%提升到99%以上。自主研发的转基因大豆玉米性状优良,具备了与国外同类产品竞争的能力。目前已有4个抗虫耐除草剂转基因玉米和3个耐除草剂转基因大豆获得生产应用安全证书。

在监管方面,中国遵循国际公认的、权威的安全评价标准与规范,借鉴了美国、欧盟等国家的一些做法,注重中国国情农情,制定了一系列的法律法规、技术规程和管理体系,涵盖研究、生产、加工、进口和标识等全过程全链条。建立了分级分阶段的安全评价管理制度,按照实验研究、中间试验、环境释放、生产性试验和申请安全证书5个阶段进行4个等级的安全评价,在任何一个阶段发现任何一个对健康和环境不安全的问题后,都会立即终止。

随着研发水平、管理手段的不断完善提升和舆论环境逐步向好,生物育种产业化应用的基础条件已基本成熟,而推进生物育种产业化是保障国家粮食安全和重要农产品有效供给的战略选择,也是促进现代农业高质量发展的现实需要。

数据显示,自1996年转基因作物商业化种植以来,全球种植面积已达28.6亿亩,农作物平均单产提高21.6%。美国通过转基因技术的应用,玉米、大豆平均单产比我国高40%左右,而玉米与大豆也是近年来中国进口量最大的两种农产品,其中大豆进口量在2020年已超过1亿吨。

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