舌尖上的基因工程:潘多拉魔盒还是人类救星?
来源:科普中国 时间:2020.04.15

作为“自然进化的加速器”,转基因育种可能是解决粮食危机的最终武器。



来源:Instagram


作者 | 刘强(日)名古屋大学


2020年的春天已经到来,原本万物复苏的时节,所有人的生活都被突如其来的新冠疫情打乱。在漫长的窝家时光里,许多人久违地投入到柴米油盐的烟火气中,开始关心起粮食和蔬菜。


“民以食为天”,在当下尤显意义重大。随着疫情在世界范围内爆发,各国纷纷颁布粮食出口禁令:


哈萨克斯坦宣布禁止出口小麦面粉、红萝卜、糖和马铃薯,越南暂签新的大米出口合约,塞尔维亚禁止出口葵花籽油等商品,俄罗斯也表示将每周评估疫情情况再决定是否实施出口禁令。


令人不由得担心今年全球粮食的供应市场会不会也有一场大风暴。


另一方面,在各行各业已陆续返工复工的大背景下,农业生产却面临着极严峻考验:


首先是疫情导致的农业生产人员和各种农业物资短缺,然后是不久前爆出的非洲沙漠蝗、北美草地贪夜蛾等外来入侵农害,再加上过度种植导致的土壤地力减退,以及气象预测今年可能有的大涝大旱等极端天气,等等。


面对一系列困难,如何有效守护好国民口粮,是摆在我们面前的一道必答题。


自然之问:粮食多少才够吃?


大自然抛给人类的第一问,今年粮食够不够吃?


农业生产本质上是对自然界的光能转化后的物质定向流动,换句话,作物的天职就是好好晒太阳,吸收空气中的二氧化碳和水,不断合成碳水化合物,然后沿着食物链逐级传递,成就我们的一日三餐。


如果把种种自然追加的难度放一边,只以往年的数据来对地球供给能力做个简单计算:


地球生物圈每年光合作用固定到植物中的能量为2.8×1021J,人类对总光合作用量的利用率为1%,一个人平均每天消耗食物能量约9.2×106J,一年有365天。因此


地球所能够供养的人口数


=2.8×1021×1%/(9.2×106×365)


=80亿。



五花八门的粮食品种;来源:FAO


记住这个数字,供养“80亿”人口是地球生态的理论上限,而目前地球人口已超过70亿,人口基数已经触及自然承载的天花板。


而每年光合作用固定的植物有很大一部分是非作物类,过度种植导致土地日益贫瘠,病虫害和极端气候造成局部减产,粮食流通和消费环节存在大量损失和浪费。结果就是,在人类文明高度发达的现代社会,一些边缘角落里,依旧有几亿人长期处于饥饿状态。


据联合国国际粮农组织(FAO)2018年预计数据,不考虑气候变化对粮食产量的影响,要喂饱不断增加的人口,2050 年的粮食生产量必须提高 50% 以上。


这个数据投射到今年的农业测算,再加上非洲沙漠蝗 、北美草地贪夜蛾等外来虫害威胁,以及可能的大涝大旱等极端天气,可以很肯定的说,今年的粮食生产压力空前。


育种,掣肘农业的“芯片”


令人庆幸的是,现代农业生产早已不是“种豆南山下”的古代小农耕作,而是社会工业大生产的一环。随着农业技术不断升级,我们已掌握大量保障作物丰收的法器。


但是,在过去半个多世纪里,化肥农药的过度使用也破坏了土壤的微生态系统,单纯加大施用剂量已无法再增加作物的产量。不断爆发的农害也在提醒我们,自然是有极限的,我们不可能无限索取。


于是,培育高产/抗虫作物新品种,成为当前的必然选择。


但目前有一些遗憾的是,和其他诸多工业类似,这一农业生产的关键点我国还在处处受制于人。


以大豆为例。我们曾是全球重要的大豆产区,东北黑土地滋养着大片豆田,为世界提供大量植物蛋白和畜牧养殖原料。可惜短短不到一代人的时间,我国大豆种植就全面沦陷。


自1995年起,我国开始进口大豆,一瞬间由大豆出口国变成进口国。短短5年后,年进口量超1000万吨。到2016年,我国本土大豆出产量仅1200万吨,进口量却高达8323万吨,对外依存度超过85%。国际大豆市场基本形成“美洲种大豆,中国买大豆,美国定价格”的被动挨打格局。


美国大豆为什么会对中国大豆形成如此的压倒性优势?问题就出自种子。


美国大豆经过转基因处理,产量大,出油率高(比我国东北黄金豆出油率要高六分之一左右),经济价值高,是大规模工业生产的理想原料。再加上得天独厚的光热条件和广袤地理资源,使其牢牢把住大豆市场的调节阀。而大豆的下游几乎和所有蛋禽鱼肉类产品都息息相关,是关系国家菜篮子的重要生产原料,于民生干系甚大。


事实上,自改革开放伊始,一直到2000年实施《中华人民共和国种子法》,我国国内种子市场几乎完全对世界开放。一些野心勃勃的外资种子企业,包括杜邦、孟山都、先正达等,纷纷在中国落子布局,设立办事机构、建立研发中心、布置品种试验、参股本土优势种子企业、成立合资公司等。


截至2019年,在我国完成注册的外资种企超过70家,牢牢把持了我国高端蔬菜种子一半以上的市场份额。


“种子按粒买,粮食按吨卖”的残酷现实,不仅仅是一线农民的辛酸体会,也折射出中国农产业的巨大短板。这些“洋种子”垄断了国内种子的定价权、供货权,可以随时给种植业制造涨价、无货、减产等事端,已直接威胁到中国农业生产安全,就和电子业的“芯片”一样,屡屡掣肘中国在国际场合的外交交锋。



复杂而精密的现代农业;来源:FAO


基因工程,魔盒还是救星?


我们不禁要问,中国作为农业大国,为什么育种还需假人之手呢?


答案很简单,如上所说,现代农业生产早已不是今年收获,自己留种明年播,剩余再拿去消费的小农经济时代。在现代化生产中,种子的好坏直接决定了产量,决定了作物对虫害、极端天气等负面环境的适应性。而培育具有优良抗灾害特质的现代植种,必须站在遗传物质(基因)的层面去对种子做微调。


一款优质作物种子的开发和投放市场,需要扎实的基础研究作指引,精密的生物操作平台负责实施,有效的社会大工业积极配套,还要被一个理性而开放的现代社会接纳。


对于“转基因”作物的利弊,国际上来来回回讨论了很多回合,直到今天也貌似看不出个胜负(当然只是表面上的)。而中国的农业育种就在这个过程中拖宕下来。


但基因工程育种,就真的不可取吗?


归根结底,“物竞天择”也是一种定向的种群培育,皆是基于对变异的选择。而基因突变在自然界本就是时间激发的必然事件,正因如此,人类才从草地里分出了五谷,育出了蔬菜。


过去半个世纪,人类对遗传物质的理解有了质的飞跃,大家渐渐认识到,这个过程是可以更深度干预的。无论是自然变异还是人工诱导的变异,本质上并无不同。


只是自然突变发生频率相对较低,且具有随机性,难以满足育种需求;采用杂交、自交等常规育种技术,则存在周期长、效率低、遗传资源狭窄等问题;因此,以转基因和基因编辑技术为代表的现代分子育种技术,逐渐成为选育新品种的重要途径。


更具体来说,目前最为简单高效的CRISPR/Cas9基因编辑技术(Cas9是一种可用于切割DNA的酶),已经可以在不引入外源基因的情况下对基因组进行定点编辑。这使得我们可以精确赋予农作物抗旱、抗虫、抗病等各种特性,应对一系列自然问题。之前美国就是应用转基因玉米种植化解了草地贪夜蛾虫害。



来自印度的传统育种的玻璃宝石玉米,亦是突变产物,和转基因育种并无本质不同;来源:网络


回望全球,自 1996 年首次商业化以来,全球转基因作物种植面积持续增长。据国际农业生物技术应用服务组织( ISAAA )统计,2018 年全球转基因作物种植面积达 1.917 亿公顷(约1/5个美国面积),共计 26 个国家种植了转基因作物,44 个国家进口转基因农产品用于粮食、饲料和加工。


转基因技术大大提高了作物育种效率,同时降低了农药、肥料等生产资料的投入,生态、经济效益十分显著,已是全球粮食安全的重要保障之一。


贸易悖论:越“反转”,进口转基因产品越多


对于中国转基因作物现状,农业农村部部长韩长赋在一次采访中,道出了一个和大众常识相悖的事实:中国社会反转基因的高昂情绪,反而导致我们进口了更多转基因农产品。


的确,如果国内粮食供应不上,就必然要从国外进口,而转基因已成农业生产重要手段,不可能回避。


自然生态在不断演化,农业生产方式也在随之变化,之前我们由于认知限制,一直在先端农业育种上裹足不前,但或许顺应变化、积极迈开步子,才是文明发展的客观方向。


我们的祖先从远古时代起就在进行品种改良,把可食用的植物驯化成作物,把野生动物驯化成家畜,并在持续的主动选择中不断强化其对人类有利的特征。在传统驯化中,人们严密规划动物、植物的交配,依赖大量的自然基因突变,形成丰富的基因库进行组合排列,像博彩一样,找到我们渴求的品种。


随着生物遗传学技术的发展,人类已经破解了很多基因密码,知晓了很多改良品种的可行途径,但品种改良的思路并未发生改变,不过是在生物遗传物质的层面睁开了眼睛,为自然进化安上了加速器。


尊重并应用好这个武器,从生态保全、生存安全和基因工程之中找到一个平衡,我们必然能解决粮食问题,实现“人人得食,天下无饥”的美好愿景。



作为自然进化的加速器,基因工程必将带来一场农业革命;来源:图虫创意


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舌尖上的基因工程:潘多拉魔盒还是人类救星?

来源:科普中国 时间:2020.04.15

作为“自然进化的加速器”,转基因育种可能是解决粮食危机的最终武器。



来源:Instagram


作者 | 刘强(日)名古屋大学


2020年的春天已经到来,原本万物复苏的时节,所有人的生活都被突如其来的新冠疫情打乱。在漫长的窝家时光里,许多人久违地投入到柴米油盐的烟火气中,开始关心起粮食和蔬菜。


“民以食为天”,在当下尤显意义重大。随着疫情在世界范围内爆发,各国纷纷颁布粮食出口禁令:


哈萨克斯坦宣布禁止出口小麦面粉、红萝卜、糖和马铃薯,越南暂签新的大米出口合约,塞尔维亚禁止出口葵花籽油等商品,俄罗斯也表示将每周评估疫情情况再决定是否实施出口禁令。


令人不由得担心今年全球粮食的供应市场会不会也有一场大风暴。


另一方面,在各行各业已陆续返工复工的大背景下,农业生产却面临着极严峻考验:


首先是疫情导致的农业生产人员和各种农业物资短缺,然后是不久前爆出的非洲沙漠蝗、北美草地贪夜蛾等外来入侵农害,再加上过度种植导致的土壤地力减退,以及气象预测今年可能有的大涝大旱等极端天气,等等。


面对一系列困难,如何有效守护好国民口粮,是摆在我们面前的一道必答题。


自然之问:粮食多少才够吃?


大自然抛给人类的第一问,今年粮食够不够吃?


农业生产本质上是对自然界的光能转化后的物质定向流动,换句话,作物的天职就是好好晒太阳,吸收空气中的二氧化碳和水,不断合成碳水化合物,然后沿着食物链逐级传递,成就我们的一日三餐。


如果把种种自然追加的难度放一边,只以往年的数据来对地球供给能力做个简单计算:


地球生物圈每年光合作用固定到植物中的能量为2.8×1021J,人类对总光合作用量的利用率为1%,一个人平均每天消耗食物能量约9.2×106J,一年有365天。因此


地球所能够供养的人口数


=2.8×1021×1%/(9.2×106×365)


=80亿。



五花八门的粮食品种;来源:FAO


记住这个数字,供养“80亿”人口是地球生态的理论上限,而目前地球人口已超过70亿,人口基数已经触及自然承载的天花板。


而每年光合作用固定的植物有很大一部分是非作物类,过度种植导致土地日益贫瘠,病虫害和极端气候造成局部减产,粮食流通和消费环节存在大量损失和浪费。结果就是,在人类文明高度发达的现代社会,一些边缘角落里,依旧有几亿人长期处于饥饿状态。


据联合国国际粮农组织(FAO)2018年预计数据,不考虑气候变化对粮食产量的影响,要喂饱不断增加的人口,2050 年的粮食生产量必须提高 50% 以上。


这个数据投射到今年的农业测算,再加上非洲沙漠蝗 、北美草地贪夜蛾等外来虫害威胁,以及可能的大涝大旱等极端天气,可以很肯定的说,今年的粮食生产压力空前。


育种,掣肘农业的“芯片”


令人庆幸的是,现代农业生产早已不是“种豆南山下”的古代小农耕作,而是社会工业大生产的一环。随着农业技术不断升级,我们已掌握大量保障作物丰收的法器。


但是,在过去半个多世纪里,化肥农药的过度使用也破坏了土壤的微生态系统,单纯加大施用剂量已无法再增加作物的产量。不断爆发的农害也在提醒我们,自然是有极限的,我们不可能无限索取。


于是,培育高产/抗虫作物新品种,成为当前的必然选择。


但目前有一些遗憾的是,和其他诸多工业类似,这一农业生产的关键点我国还在处处受制于人。


以大豆为例。我们曾是全球重要的大豆产区,东北黑土地滋养着大片豆田,为世界提供大量植物蛋白和畜牧养殖原料。可惜短短不到一代人的时间,我国大豆种植就全面沦陷。


自1995年起,我国开始进口大豆,一瞬间由大豆出口国变成进口国。短短5年后,年进口量超1000万吨。到2016年,我国本土大豆出产量仅1200万吨,进口量却高达8323万吨,对外依存度超过85%。国际大豆市场基本形成“美洲种大豆,中国买大豆,美国定价格”的被动挨打格局。


美国大豆为什么会对中国大豆形成如此的压倒性优势?问题就出自种子。


美国大豆经过转基因处理,产量大,出油率高(比我国东北黄金豆出油率要高六分之一左右),经济价值高,是大规模工业生产的理想原料。再加上得天独厚的光热条件和广袤地理资源,使其牢牢把住大豆市场的调节阀。而大豆的下游几乎和所有蛋禽鱼肉类产品都息息相关,是关系国家菜篮子的重要生产原料,于民生干系甚大。


事实上,自改革开放伊始,一直到2000年实施《中华人民共和国种子法》,我国国内种子市场几乎完全对世界开放。一些野心勃勃的外资种子企业,包括杜邦、孟山都、先正达等,纷纷在中国落子布局,设立办事机构、建立研发中心、布置品种试验、参股本土优势种子企业、成立合资公司等。


截至2019年,在我国完成注册的外资种企超过70家,牢牢把持了我国高端蔬菜种子一半以上的市场份额。


“种子按粒买,粮食按吨卖”的残酷现实,不仅仅是一线农民的辛酸体会,也折射出中国农产业的巨大短板。这些“洋种子”垄断了国内种子的定价权、供货权,可以随时给种植业制造涨价、无货、减产等事端,已直接威胁到中国农业生产安全,就和电子业的“芯片”一样,屡屡掣肘中国在国际场合的外交交锋。



复杂而精密的现代农业;来源:FAO


基因工程,魔盒还是救星?


我们不禁要问,中国作为农业大国,为什么育种还需假人之手呢?


答案很简单,如上所说,现代农业生产早已不是今年收获,自己留种明年播,剩余再拿去消费的小农经济时代。在现代化生产中,种子的好坏直接决定了产量,决定了作物对虫害、极端天气等负面环境的适应性。而培育具有优良抗灾害特质的现代植种,必须站在遗传物质(基因)的层面去对种子做微调。


一款优质作物种子的开发和投放市场,需要扎实的基础研究作指引,精密的生物操作平台负责实施,有效的社会大工业积极配套,还要被一个理性而开放的现代社会接纳。


对于“转基因”作物的利弊,国际上来来回回讨论了很多回合,直到今天也貌似看不出个胜负(当然只是表面上的)。而中国的农业育种就在这个过程中拖宕下来。


但基因工程育种,就真的不可取吗?


归根结底,“物竞天择”也是一种定向的种群培育,皆是基于对变异的选择。而基因突变在自然界本就是时间激发的必然事件,正因如此,人类才从草地里分出了五谷,育出了蔬菜。


过去半个世纪,人类对遗传物质的理解有了质的飞跃,大家渐渐认识到,这个过程是可以更深度干预的。无论是自然变异还是人工诱导的变异,本质上并无不同。


只是自然突变发生频率相对较低,且具有随机性,难以满足育种需求;采用杂交、自交等常规育种技术,则存在周期长、效率低、遗传资源狭窄等问题;因此,以转基因和基因编辑技术为代表的现代分子育种技术,逐渐成为选育新品种的重要途径。


更具体来说,目前最为简单高效的CRISPR/Cas9基因编辑技术(Cas9是一种可用于切割DNA的酶),已经可以在不引入外源基因的情况下对基因组进行定点编辑。这使得我们可以精确赋予农作物抗旱、抗虫、抗病等各种特性,应对一系列自然问题。之前美国就是应用转基因玉米种植化解了草地贪夜蛾虫害。



来自印度的传统育种的玻璃宝石玉米,亦是突变产物,和转基因育种并无本质不同;来源:网络


回望全球,自 1996 年首次商业化以来,全球转基因作物种植面积持续增长。据国际农业生物技术应用服务组织( ISAAA )统计,2018 年全球转基因作物种植面积达 1.917 亿公顷(约1/5个美国面积),共计 26 个国家种植了转基因作物,44 个国家进口转基因农产品用于粮食、饲料和加工。


转基因技术大大提高了作物育种效率,同时降低了农药、肥料等生产资料的投入,生态、经济效益十分显著,已是全球粮食安全的重要保障之一。


贸易悖论:越“反转”,进口转基因产品越多


对于中国转基因作物现状,农业农村部部长韩长赋在一次采访中,道出了一个和大众常识相悖的事实:中国社会反转基因的高昂情绪,反而导致我们进口了更多转基因农产品。


的确,如果国内粮食供应不上,就必然要从国外进口,而转基因已成农业生产重要手段,不可能回避。


自然生态在不断演化,农业生产方式也在随之变化,之前我们由于认知限制,一直在先端农业育种上裹足不前,但或许顺应变化、积极迈开步子,才是文明发展的客观方向。


我们的祖先从远古时代起就在进行品种改良,把可食用的植物驯化成作物,把野生动物驯化成家畜,并在持续的主动选择中不断强化其对人类有利的特征。在传统驯化中,人们严密规划动物、植物的交配,依赖大量的自然基因突变,形成丰富的基因库进行组合排列,像博彩一样,找到我们渴求的品种。


随着生物遗传学技术的发展,人类已经破解了很多基因密码,知晓了很多改良品种的可行途径,但品种改良的思路并未发生改变,不过是在生物遗传物质的层面睁开了眼睛,为自然进化安上了加速器。


尊重并应用好这个武器,从生态保全、生存安全和基因工程之中找到一个平衡,我们必然能解决粮食问题,实现“人人得食,天下无饥”的美好愿景。



作为自然进化的加速器,基因工程必将带来一场农业革命;来源:图虫创意