72林敏-全球农业生物技术发展趋势

全球农业生物技术发展趋势中国农业科学院生物技术研究所林敏一、国际发展态势1940年代化学农药应用：使农作物的病虫害降低了10%到20%1950-1980年DNA双螺旋结构发现和DNA重组技术的建立开辟了分子生物学研究新纪元，拉开了现代生物技术发展序幕，并在医药、农业和工业领域相继掀起了三次产业发展浪潮。1910年代农业机械化应用：改变了传统的农业耕作方式工业合成氨技术：促进了世界粮食成倍增长1930年代杂交育种技术：粮食增产从扩大面积到提高单产的重要转变世界农业的竞争归根究底是科技竞争前沿基础研究：暗能量、暗物质、超导…新型能源研究：可再生能源、页岩气、页岩油、聚变…新型材料研究：纳米科技、石墨烯、生物基材料…信息技术研究：量子信息、物联网、超高速泛在网…世界科技前沿发展迅猛育种理论突破育种技术突破新兴产业突破农业生物技术孕育新的革命性突破，围绕生物育种等战略性新兴产业的国际竞争日趋激烈！生物农业：各种组学合成生物3D生物打印…英国•2010年《生物科学时代：2010-2015战略计划》德国•2013年《生物经济发展战略》中国•2013年《生物产业发展规划》日本•《生物技术产业立国战略》俄罗斯•2012年俄罗斯《2020年生物技术发展综合计划》美国•2012年《国家生物经济蓝图》国家战略竞争：抢占未来发展制高点世界各国把发展生物技术及其产业作为国家战略的重要组成部分，力求抢占新一轮经济和科技革命的先机与制高点！印度•2007年《生物技术发展战略》农业生物技术产业进入全球化布局新阶段，技术与市场垄断更加集中第一梯队：美国一家独大，技术占据绝对优势，拥有世界上约一半的生物技术公司和一半的生物技术专利；第二梯队：欧洲和日本等发达国家研究与技术力量雄厚；第三梯队：巴西、印度等新兴国家积极发展农业生物技术，试图打破国际跨国公司技术与市场垄断，建立全球生物产业发展新格局。中国在第三梯队中处于领先地位，某些领域的技术水平已超过第二梯队。全球产业竞争：日趋白热化二、我国研发现状艰难起步跟踪追赶创新跨越建国初期《1956－1967年科学技术发展远景规划纲要》1978年《1978-1985年全国科学技术发展规划纲要》1986年启动实施国家高技术研究发展计划（“863”计划）1995年《中共中央、国务院关于加速科学技术进步的决定》2006年《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》2010年《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》1980198519902000200520101995中国农业生物技术发展历程农业科技春天杂交水稻抗虫棉禽流感疫苗转基因重大专项我国农业生物技术的整体水平在发展中国家处于领先地位，在水稻组学、超级稻和抗虫棉等领域已经进入国际先进行列。我国农业生物技术产值超1000亿元生物种业约有550亿元生物饲料约110亿元动物疫苗200亿元生物农药30亿元生物肥料80亿元其他55亿元总体评价农业生态保护、生物质能源，可降解生物塑料、功能性食品等新一代农业生物技术产品市场前景广阔。独立完成了籼稻的全基因组测序，水稻成为第一个完成全基因组测序的模式农作物；完成了家蚕基因组工作框架图的绘制，构建了世界第一张鳞翅目昆虫基因组框架图；完成了小麦、黄瓜、棉花、番茄和马铃薯、毛竹等重要农作物的全基因组序列分析。1.农业基因组研究取得一系列重大突破转基因棉花研发处于国际先进水平；水稻基因组和杂交水稻研究世界领先：抗虫水稻2009年获得安全证书；转基因玉米品种培育处于国际先进水平：饲料用植酸酶玉米2009年获得安全证书；转基因小麦、大豆与油菜研发薄弱，亟待技术突破。2.转基因技术进展显著、产业蓄势待发3.动物体细胞克隆和转基因技术日臻完善世界首例转基因鱼转溶菌酶基因、肌抑制素基因敲除猪进入生产性试验阶段转ω-3脂肪酸去饱和酶基因猪进入环境释放阶段转人乳铁蛋白、乳清蛋白基因牛进入生产性试验阶段世界首例转人岩藻糖转移酶基因的克隆牛抗病转基因猪4.生物肥料、农药和饲料产业发展势头良好生物肥料:提高作物品质，改善土壤条件，减少环境污染，促进农业可持续发展。我国生物肥料企业发展超过800个，年产生物肥料800万吨，使用面积1亿亩/年，年产值500多亿元；生物农药:减少化学农药残留，保护农业生态，促进无公害农业发展。我国生物农药年产量近13万吨制剂，年产值约30亿元人民币；生物饲料:九十年代开始规模化应用,2007年市场值达到40亿美元,并在以年均20%的速度递增，预计2015年将超过100亿美元。第一个商品化基因工程疫苗：仔猪腹泻大肠杆菌K88/K99二价基因工程疫苗；国际领先：猪瘟兔化弱毒疫苗、马传染性贫血疫苗、H5N1禽流感疫苗、布氏杆菌猪二号活疫苗和猪喘气病兔化弱毒活疫苗等；即将产业化疫苗：伪狂犬病毒三基因缺失和双基因缺失疫苗、抗禽流感重组鸡痘病毒疫苗、口蹄疫重组亚单位疫苗、抗猪繁殖与呼吸综合症重组疫苗等。5.动物疫苗有效控制了重大疫情发生DiagnosticReagentsandVaccinesDevelopedforAnimalDiseases6.新一代农业生物技术产品发展潜力巨大农业生物技术在农业生态环境保护、农产品加工和生物质高效利用中应用，创制新一代农业生物技术产品，发展潜力巨大。我国农业发展面临资源综合利用水平不高，农业面源污染不断加剧，污染物无害化处理能力低等问题，再加上气候变化对农业生产的负面影响不断加剧；农产品加工业是带动农业产业结构调整和纵深发展的龙头产业，引领种植业和养殖业的发展方向；我国主要农作物秸秆年产量约7亿吨，其他农业废弃物超过1亿吨；畜禽粪便年产量约25亿吨；可用于开发能源植物的边际土地达2亿公顷；原始创新：重要功能基因缺乏美国等发达国家拥有全球71%以上的水稻基因专利，90%以上的玉米基因专利和75%以上的棉花基因的专利。我国基因专利数不足美国的1/10。技术集成：关键技术研发不足新型载体、受体、时空表达调控元件、叶绿体遗传转化、定点整合等重要研究工具的发明基本上被美国等发达国家垄断。整体水平：种业竞争实力与市场占用率低全球种子市场价值约400～500亿美元，排名前三的国际跨国公司控制全球种子市场的47%。我国种子企业规模小，缺少研发能力，前20强销售总额仅为孟山都公司的22%。5.存在问题存在问题中国是一个传统农业大国，与国际先进水平比较，原始创新与集成创新能力不足，技术整体水平差距明显，具体表现如下：缺少自主知识产权的重要基因中国基因专利数不足美国的1/10美国、日本和澳大利亚等国水稻基因专利：70%玉米基因专利：90%小麦基因专利：80%棉花基因专利：75%有专利的无价值；有价值的无专利；有专利的无应用。三、发展趋势预测极端气候加剧，农业生产系统更加脆弱。干旱和盐渍化日趋严重；各种病虫害频发农业投入品如化肥和农药使用量不断增加，造成农业生态环境状况进一步恶化。我国所面临的形势尤为严峻！全球性的农业与生态安全问题农业生物组学技术研究方兴未艾，蛋白组学和代谢组学呈现新的发展趋势，微小RNA组学、表观修饰组学和相互作用组学研究成为新的科学前沿。后基因组时代农业生物技术在农作物新品种培育领域取得巨大成就，造就了一个基因一个产业的现代神话：–抗虫/抗除草剂基因创造了第一代转基因作物产业辉煌；–优质、抗逆或其它特殊功能基因应用正孕育新的基因农业革命。技术预测一：农业生物应用组学技术利用基因改造传统农业，推动基因农业发展我国杂交水稻技术处于国际领先水平，百亩超级杂交稻试验田单产超过900公斤。但是产量要想再上新台阶，未来发展必须依靠农业生物技术的突破！一个增产基因增加一片耕地－－－耐盐基因与生物育种（耐盐1%以上）减少作物产量损失1-2%，增产粮食570万吨。利用盐碱地，增加有效耕地3000万亩。全国盐碱土壤耕地大约2亿亩其中可利用的为9000万亩，占全国耕地的1/20。如果将现有的作物的耐盐水平提高到1.0%的水平，可增加有效耕地3000万亩。盐碱、干旱等自然灾害导致我国作物年均减产8-15%。按2011年的粮食产量5.7亿吨计算，若提高作物抗逆性水平而减少1%损失，即可增产粮食570万吨。一个耐盐基因再造一片良田－－－气候变化气候变化模型预示更频繁的干旱减少温室气体的排放转基因抗旱作物8-10%的产量增长减少10-20%的灌溉水量一个抗旱基因再生一条黄河－－－抗旱基因转基因抗旱玉米转基因抗虫棉应用：减少农药用量120万吨；未来技术发展：氮磷钾等元素高效利用、重金属污染以及农药残留治理等对照转基因转基因水稻显著提高磷肥利用效率一个高效基因还我一片净土－－－转基因玉米：生产高活性植酸酶绿色生产模式代替工业化生产模式成本低（节约资源）以农业方式利用阳光、水分等生产植酸酶，原材料费用低耗能少（节省能源）生产过程无需耗能，不需进行后加工，生产的种子直接饲用动植物生物反应器技术应用为农业生产方式带来一场技术革命；合成生物技术等前沿技术的兴起，则开创了人类按照自身需求设计农作物的新时代。–动植物生物反应器：动物乳腺生物反应器；转植酸酶基因玉米和转-胡萝卜素合成基因的黄金大米等；–合成生物技术智能育种：自主固氮的非豆科粮食作物、光合效率大幅提高的C-4型水稻等智能高效品种；第二代金稻类胡萝卜素含量37μg/克胚乳技术预测二：农业合成生物技术智能设计高产高抗高效等超级优良品种生物固氮生物抗逆三大农业科学命题光合作用农业科领域的三大农业科学命题长期困扰农业生产的世界性科学难题合成生物技术农业应用：智能育种离子转运模块信号传导模块节点调控模块组织启动子调节元件离子转运蛋白基因（TrK,等）终止子生育期特异启动子调节元件抗逆基因（TR1等）终止子逆境响应启动子调节元件全局调控基因（IrrE等）终止子高产优质高效抗逆新品种模块育种1.营养与健康2.无融合生殖3.生物预警4.生物节水7.害虫防治6.氮素高效利用5.开花衰老调控中国“绿色超级稻”战略目标：在实际单产取得突破、米质得到确保的前提下：“节省农药50％，节省化肥30％，节水30％以上”。未来基因农业：绿色超级品种玉米的光合作用机制是C4型重新设计和改造水稻的光合作用系统水稻的光合作用机制是C3型有可能突破性地提高其对光、肥、水的利用率转入C4基因光合作用碳-4型水稻创制合成能够自我复制的最小生命：2010年5月20日，美国科学家《科学》杂志上报道了世界首例人造生命，称作“Synthia”(合成体)即完全由人造基因控制的单细胞细菌，第一个由人类制造并能够自我复制的新物种。生物质原料(碳水化合物)含5C糖、6C糖乙醇(C2，生物燃料)乙烯(C2平台化合物)1,3-丙二醇(聚酯纤维)PHA(生物高聚物)乳酸、丙烯酸(C3平台化合物)琥珀酸(C4平台化合物)农业微生物细胞工厂提供碳源充足根际固氮环境根特异性表达元件干旱诱导表达元件低氮诱导表达元件广谱抗虫模块智能抗旱模块氮高效转运模块NH3NH3谷氨酰铵有机化合物N2××固氮泌铵铵载体内生固氮工程菌抗逆/定殖/内生元件固氮泌铵模块元件N22NH3固氮酶人工玉米固氮体系构建四、转基因安全问题原则一：个案分析原则笼统地争论转基因安不安全毫无意义。国际粮农组织、世界卫生组织和全球转基因作物生产与进口国的权威机构认为：凡是通过安全评价上市的转基因食品，与非转基因食品一样安全，消费者完全可以放心食用，不存在安全无定论的问题。原则二：科学分析原则转基因是否安全以科学试验为依据我国实施转基因重大专项以来，对水稻、玉米、小麦、棉花和大豆等作物开展了系统深入的转基因食品与环境风险评估，获得了一系列详实的转基因安全评价数据。这些系统、权威的科学证据，是我国转基因作物产业化健康快速发展的科学基础。原则三：比较分析原则世界上没有绝对安全的食品转基因食品与传统食品比较：目前还没有任何传统食品经过了像转基因食品一样如此严格的安全评价，转基因食品是人类有史以来研究最透彻，管理最严格的食品。转基因技术是一个替代技术转基因安全不安全，关键要与它所替代的技术比较：譬如转基因