刘培磊1,赵永国2,李宁1,周云龙1
(1.农业部科技发展中心, 北京 100125; 2.中国农业科学院油料作物研究所, 武汉 430062)
来源：《中国农业科技导报》2010年12卷4期
摘要：转基因技术可打破物种界限，实现作物性状的定向改造，在解决粮食增产、节水、增效以及提高土地利用率和改进农产品质量等方面显现巨大潜力。阐述了转基因技术对我国粮食安全的作用，系统分析了我国转基因技术的发展现状,以及生物安全对转基因技术应用的影响。在上述研究的基础上，提出了我国转基因技术发展的四点对策，即加快发展与粮食安全密切相关的转基因性状；科学规划自主研发和技术引进；促进转基因技术和传统育种的结合；保障粮食安全和保障生物安全并重。
关键词：转基因技术;粮食安全;对策
国以民为本,民以食为天,食以粮为源。粮食安全关系着国民生存与发展的根本,是判断国家经济安全与否的最低标准[1]。我国粮食安全面临人口增长、资源短缺、环境恶化的多重压力,在依靠传统技术难以大幅度提高农产品的总量与质量的挑战下,发展转基因技术保障粮食安全成为我国政府的重大议案,并引起广泛关注。实践证明,转基因技术作为现代农业生物技术的核心,在降低生产损失、增加生产能力、减少农资投入、节约自然资源、提高质量安全和保护生态环境等方面已显现巨大潜力。
1 我国粮食安全面临的形势 20世纪90年代以来,我国粮食自给率稳定保持在95%以上,总体呈不断上升趋势。特别是2004年以来,由于中央加大了农业的政策扶持力度,我国粮食连续5年丰收,人均占有量稳定在380 kg以上,和联合国粮农组织(FAO)规定的400 kg安全水平基本持平[2]。尽管近期我国粮食安全状况良好,但从长远来看,我国粮食产不足需的态势依然存在,粮食供求将长期处于紧平衡状态。我国粮食安全主要存在下列制约因素和安全隐患。 1.1粮食需求量呈刚性增长 从我国情况来看,人口增长、经济水平提高和城市化进程加快是导致粮食消费增长的主要因素,粮食消费结构变化使得间接需求增加是未来很长时期的必然趋势。根据国家统计局发布的信息,2008年末我国总人口达13.28亿[3],未来30年,预计人口总量仍将保持每年800万~1 000万的增长态势,到21世纪30年代中期我国总人口将达到15亿。同时,随着经济发展和人民生活水平的提高,粮食需求量将进一步增大。据历史统计资料,1978-2006年间,全国人均直接粮食消费增长了98.5%,同期人均肉、禽、蛋类消费却增长了155.84%[1]。按FAO年人均占有粮食400 kg的阈值计算,我国平均每年需净增产粮食3 500万t,到2030年粮食消费量将突破6亿t。 1.2资源约束日益突出 农业生产尤其是粮食生产在很大程度上依赖于土地和水资源,在均量层面上,我国粮食生产资源远远低于世界整体水平。据国土资源部统计,2008年全国耕地面积为1.22亿hm2,人均耕地面积仅913.40 m2,不足世界平均水平的40%[4]。随着工业化进程的加快和基础设施建设规模的不断扩大,我国耕地面积减少呈刚性趋势。1996-2007年间,我国耕地面积平均每年减少66.67万hm2以上\[1\]。在耕地数量减少的同时,耕地质量也在不断下降。资料显示,我国耕地有机质含量已降至1%,明显低于欧美国家2.5%~4%的水平,许多地方土壤酸化或盐碱化严重[5]。 我国水资源贫乏,人均淡水量只有世界水平的1/4,其中农业用水占70%以上。不仅如此,我国水资源匹配不平衡,全国81%的水资源集中在占耕地面积36%的长江及其以南地区,而占耕地面积64%的淮河及其以北地区仅有19%的水资源[6]。随着人口增加和城市化、工业化的发展,水资源短缺将成为粮食生产的重要制约因素。 1.3自然灾害对粮食生产的影响增加 粮食生产受自然条件的影响很大。近年来,世界范围内降水格局、旱涝频率发生重大变化,这种变化使农业自然灾害趋于频繁。我国是世界上自然灾害最严重的国家之一,自然灾害严重威胁着我国粮食安全。例如,2003年全国粮食受灾面积达32 516 hm2,粮食产量仅为43 070万t,处于安全警戒线上[7]。 1.4保持粮食稳定发展的难度加大 1.5国内粮食市场的调控难度加大 20世纪80年代中期开始,世界粮食贸易量呈下降趋势,价格逐年上涨。2007年全球粮食紧张引发多个国家采取贸易保护政策。印度、巴西、俄罗斯等国家限制或禁止谷物出口,喀麦隆、塞内加尔、印度尼西亚等国甚至爆发粮食骚乱[9]。可见,粮食作为特殊商品,具有重要的战略地位,一旦出现价格大幅上涨或战争危机等动向,各国粮食出口就会关闭。作为世界人口最多的国家,我国粮食产量和消费量占世界的1/5,贸易量占世界的12%,在全球粮食供求紧张、世界格局趋于复杂的背景下,依靠进口调控国内粮食市场的难度加大[10]。 1.6传统农业科技的促进作用进入瓶颈期 粮食供给是由种植面积和单产水平决定的,科技进步通过提高单产而成为活跃要素。但是,近年来农业科技创新能力不足,常规技术的增产效应逐渐减弱,在1990-2001年的12年中,粮食单产提高幅度仅为7.5%,年均递增0.6%。如果没有重大的科技创新,粮食产量难有跨越性提高[2]。不仅如此,由于常规技术应用局限、推广不足,我国粮食生产对化肥与农药过度依赖。资料显示,我国单位面积耕地的氮肥用量是世界水平的3倍,农药用量是世界水平的2倍,农药和化肥使用效率低不仅影响农业效益和农民增收,而且会降低农产品质量并影响农业环境[11]。
2 转基因技术对我国粮食安全的影响 2.1我国转基因技术发展现状 随着转基因产业国际竞争的日趋白热化,国际竞争力和技术发展水平在我国转基因技术应用中的地位愈显重要。在国家863计划、973计划和国家转基因植物研究与产业化专项的支持下,我国转基因研发取得了令人瞩目的成就,整体水平在发展中国家处于领先地位,初步形成了从基础研究、应用研究到产品开发较为完整的技术体系。我国在基因组学研究领域取得了一系列突破性进展,发掘了MOC1、G2-aroA、Cry1Ah和Xa13等一批具有重要应用价值的抗除草剂、抗病虫和分蘖基因,建立了水稻、玉米等主要粮食作物的转基因技术体系。我国转基因抗虫水稻研发处于世界领先水平,抗病、抗除草剂和品质改良水稻研发卓有成效,抗逆水稻也正在积极探索中;转基因植酸酶玉米研发处于世界领先水平,抗虫、抗除草剂和品质改良玉米研发卓有成效,抗病、抗逆和营养高效利用玉米处于探索阶段;抗病毒小麦蓄势待发,品质改良和抗穗发芽小麦研发进展顺利。 但与发达国家相比,我国转基因技术研发和产业化还有一定差距。一是具有自主知识产权和产业化潜力的基因相对较少,尤其是和粮食安全密切相关的抗旱、耐盐以及提高营养利用率的基因;二是转化体系不够完善,转化技术仍处于小规模实验性研究状态,大豆、小麦未构建成熟的基因转化平台;三是转基因技术与传统育种结合程度低,尤其是未形成多基因聚合的育种体系,转基因技术对粮食安全的保障作用未能充分发挥。 2.2转基因技术对粮食安全的作用 转基因技术可以实现跨物种间基因的定向转移,在解决粮食安全的增产、节水、增效以及提高土地利用率和农产品质量等方面具有不可替代的作用。本质上说,转基因技术与传统育种技术都是通过获得优良基因进行遗传改良,但在基因转移的范围和效率上转基因技术有着无与伦比的优势。传统技术一般只能在近缘属种间实现基因转移,转基因技术则不受物种间亲缘关系的限制,可以将来自于远缘植物,甚至动物、微生物的优良基因转移到作物中,大大扩充了优良性状的资源谱;传统育种依赖于自然杂交选择,一般情况下优良性状基因往往和感病、低质基因连锁紧密,因此需要花费大量的时间、金钱去筛选验证,育种周期很长。转基因技术则突破了这种限制,可以按照预先设计的蓝图对作物进行定向改良。由此可见,转基因技术不仅可以获得通过常规育种难以达到的抗病虫、抗逆、高产、优质等性状,还可以将这些性状转移到综合性状较差的高产品种中,充分发挥高产资源的优势。随着基因组学、生物信息学等研究的突破,转基因技术在现代农业的地位愈来愈突出,转基因技术和传统育种相结合将是保障粮食安全的必由之路。 2.2.1转基因技术能够减少农业损失从产量的角度看,抗除草剂、抗虫、抗病和抗逆性状均不能提高作物的潜在单产,主要通过控制杂草、病虫害损失保证实际单产。华中农业大学研发的Bt水稻能够通过减少虫害损失将实际单产提高6%~9%[12]；河南农业大学研发的抗穗发芽小麦,能够减少20%的损失[13]。不仅如此,转基因技术和常规育种技术结合,就能充分发挥作物的产量优势,提高潜在单产。美国农业部资料显示,2004-2008年美国玉米平均单产比1991-1995年提高了28%,单产提高的3%~4%归功于转基因Bt特性,24%~25%则归功于Bt对传统育种的促进作用[14]。 2.2.2转基因技术能够节约水资源随着气候变暖的加剧,全球范围内干旱日益严重和频繁,水资源成为目前制约粮食增产的最重要因素之一。例如,2009年7月我国内蒙古、新疆、吉林、山西、辽宁等地干旱蔓延,严重影响了饮用水和灌溉水的供应，抗旱作物在提高缺水地区的粮食产量方面具有巨大潜力。孟山都公司和巴斯夫股份公司合作研发的抗旱玉米计划于2012年投入商业化生产，研究表明,该玉米可以在常规减产50%的干旱胁迫下,使产量平均提高15%,非干旱胁迫下产量不减少[15]。 2.2.3转基因技术能够增加后备土地的利用率2002年全国土地调查显示,我国未利用或未充分利用的土地资源达8 874万hm2,主要包括苇地、滩涂、荒草地和盐碱地等。由于受水资源和生态环境的限制,这些土地难以利用[16]。耐旱、耐盐碱、耐寒转基因作物的开发为这些土地资源的利用提供了可能。中国农业科学院作物科学研究所将转录因子DREB转到小麦中,获得了多个抗旱、耐盐性明显提高的转基因小麦品系[17]；山东大学等单位将betA、TsVP、NHX1、ZmPIS和ZmPLC等基因分别转入玉米中,批量获得了转基因植株[18]，试验结果表明,这些转基因玉米的耐盐耐旱性和耐盐耐寒性大幅度提高。 2.2.4转基因技术能够降低生产成本,提高粮食的比较效益转基因作物可以通过降低生产成本,发挥其保障粮食安全的作用。据国际农业生物技术应用服务组织（ISAAA）统计,1996-2008年间转基因作物的经济收入中,50.4%是由于生产成本降低获得的。转抗除草剂基因作物不仅能够提高除草效率,而且可以促进免耕技术的应用,减少除草和耕耘的劳动投入。转基因抗虫作物能够减少杀虫剂的使用,增加农业收益。相关研究表明,Bt水稻将使杀虫剂用量减少80%,相当于每hm2多产17 kg水稻。除此之外,转基因在提高氮肥使用效率上已经显现出巨大的效益,相关研究表明,转AlaAT基因水稻的氮肥利用率提高了30%,某些品系甚至提高50%[19]。 2.2.5转基因技术能够改良作物品质,提高农产品质量按照FAO的定义,除供给安全外,粮食安全还包括质量安全。转基因技术不仅可以通过减少农药、化肥的使用提高农产品质量,还能够直接改良作物品质,增加食品营养。赖氨酸是玉米蛋白质中的限制性氨基酸,含量高低直接关系到玉米的营养价值。中国农业大学实现了高赖氨酸基因在玉米种子的特异表达,赖氨酸和总蛋白质含量比常规玉米分别提高53%和90%[20];浙江大学和香港中文大学合作,利用翼豆的富赖氨酸储藏蛋白基因在水稻中表达,使转基因水稻赖氨酸含量提高了37%以上(涂巨民教授，个人通讯)。另外,北京市农林科学院构建了高效小麦高分子量谷蛋白5+10亚基表达载体,培育出4个优质强筋小麦品系[21]。 2.3转基因生物安全对粮食安全的影响 科学技术是一把双刃剑,转基因技术在基因转移范围和效率上具有明显优势,但另一方面又具有安全应用的潜在风险。人们不希望转基因技术在提高粮食产量的同时,增加新的环境和食品风险。因此,安全成为转基因技术应用于农业生产所面临的最大问题,并越来越受到关注。 转基因产品的潜在风险涉及生物学、食品学、环境学等多个领域,目前科学的发展水平还难以对其可能的潜在风险证实或者证伪。这种科学上的不确定性对消费者、生产企业、环境保护主义者以及政府职能部门都产生了重大影响。一些环境保护组织,如绿色和平、地球之友等,坚决反对转基因技术；一些国家由于技术发展水平、贸易、政治等因素,把转基因生物安全作为技术性贸易壁垒；一些国家和民众由于文化背景、社会伦理和认识理念的差异,难以接受转基因产品。各种正面、负面信息使消费者对转基因产生恐惧心理，调查研究表明,消费者对转基因的忧虑普遍存在,这些忧虑主要来自于对转基因技术不了解[22]。消费者虽然不直接参与决策,但是他们可以通过多种渠道对转基因技术的发展产生巨大影响，如通过社会舆论影响政府决策,或通过市场选择间接影响转基因技术的发展。长期以来,我国消费者难以系统、全面地了解转基因产品安全性信息，具体表现为通过运动式、不均衡的信息渠道形成片面、不完整甚至错误的认识,从而对转基因作物的产业化进程心存疑虑。因此,发展转基因技术首先要解决转基因产品的安全问题。随着转基因生物风险管理实践的不断深入,美国等一些发达国家提出了包括风险评价、风险管理、风险交流的三位一体的转基因生物风险分析方法,并逐渐被世界各国认同。 3 科学利用转基因技术,保障我国粮食安全的对策 面对我国粮食安全的紧平衡态势,基于转基因技术对粮食安全的作用以及我国转基因技术的发展现状,提出如下对策: 3.1优化研发思路,加快发展与粮食安全密切相关的转基因性状 在产业化方向上,重点发展以减少损失为目的、技术比较成熟的抗虫、抗除草剂作物,择机突破品质改良作物;在转化技术上,完善水稻转化平台,构建玉米转化平台,突破大豆、小麦转化体系;在基因克隆上,加大抗虫、抗除草剂基因的技术储备,重点挖掘耐旱、耐盐碱、提高营养利用率基因;在作物选择上,优先发展技术储备好、与发达国家具有一定竞争力的水稻、玉米,其次为大豆、小麦。 3.2科学规划自主研发和技术引进 在目标基因和转基因作物选择上,立足自主创新,获得具有自主知识产权的新基因和新种质。在我国自主研发的转基因作物产业化后,可以考虑引进国外转基因作物作为必要补充。 3.3创新运行机制,促进转基因技术和传统育种的结合 实践证明,以政府投资为主、用市场机制调节的企业是转基因技术产业化的长效机制,市场的内在调节作用能够整合资源、发挥效率,实现转基因技术和传统育种的紧密衔接,充分发挥转基因技术对粮食安全的保障作用。 3.4保障粮食安全和保障生物安全并重 针对即将产业化的转基因作物,在食品安全和环境安全方面进行系统、全面的科学评价。在当前科学背景下,详细剖析转基因作物的生物安全性,将安全性问题解决在评价过程中;在安全评价中,加强与申请者、消费者及相关组织的风险交流。加强科普宣传,引导公众科学、客观地了解转基因作物安全性,并有效应对各种不实舆论,消除公众对转基因作物的误解与疑虑,为我国转基因技术发展创造良好的氛围;加强转基因作物的风险管理。健全监管体系,改善监管条件,完善监管制度,制定切实可行的监管方案,切实做到执法必严、违法必究,确保转基因技术和产业的健康发展。
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