植物育种中新生物技术的部署

植物育种中新生物技术的部署通过新的植物育种技术获得的第一个作物接近于商业化。调整结果将决定育种家采用的技术。2008年的全球粮食危机使我们记得农业创新对于应对如人口增长、气候变化这样的全球挑战的重要性。在联合国粮食和农业组织的预测报告（高级别专家论坛程序）中显示在2050年养育全球91亿人口需要在2005年7月和2050年间大约提升全部粮食产量的70%。此外，农民将不得不达到降低温室气体排放、提高水的利用效率和满足消费者对健康食品和高价值添加剂的需求。关于这一点，需要新的植物育种技术为改善作物生产效率和可持续性作出贡献。很显然，科技采纳和传播的一个重要方面是这些方法如何与监管相关和这些育种技术是否属于转基因生物(GMO)立法的规则。欧盟当前正在分析这个问题。尽管从鉴于风险评估和监管的角度分析新的植物育种技术的研究是可行的，但在技术精细化和成熟及商业化育种采用程度上缺少数据（因此很可能在中短期对新作物品种有贡献）。为了缩小这个差距，我们已经进行了一个关于新的植物育种技术的研究（超越传统的转基因），在欧盟联合研究中心的支持下(JRC)，围绕最先进的技术和它们的商业化发展前景，包括锌指核酸酶（ZFN）技术，寡核苷酸定向突变（ODM），同源转基因和纤维组织形成RNA依赖性DNA甲基化(RdDM)，嫁接（转基因（GM）砧木），反向育种和农杆菌渗透法（包括狭义的农杆菌，农杆菌侵染和农杆菌介导的转化）我们主要关注的是当前这些方法的发展现状，在研发中利用它们的主要行动者（公共和私人的），专利景观和当前商业化育种部门对这些技术的使用。最后，我们分析了利用它们检测和鉴别作物生产的可能性（履行调控者的需求）。历史背景自20世纪初各种工具被引入以拓宽培育植物新品种可能。化学与辐射诱导突变增加了基因变异的频率，而且杂交制种技术产生具有提高产量和抗病性的杂合植株。运用细胞生物学和组织快繁技术、胚挽救和双单倍体技术原理可以对许多常规植物和杂交不亲合的植物进行快速生产。最近的植物育种创新浪潮开始于20世纪80年代，源自“现代生物技术”。分子辅助标记选择现在被广泛用于图谱和选择商业上重要的农艺性状。基因修饰，也称为基因工程，其利用重组DNA技术来扩大可用于植物育种的基因库。早期通过基因修饰技术（抗病和耐除草剂品种）的植物生产在20世纪90年代中期达到了商业栽培，而且当前全球范围播种转基因品种的面积超过1。48亿公顷。在过去的20年中，生物技术和分子生物技术在植物中的其它应用已经出现，有潜力去进下一步扩大植物育种的工具箱。若干最近描述的技术允许对植物基因的位点定向诱变（敲除或修改基因功能），并在目标缺失或插入的基因插入植物基因组。另一个创新的趋势是利用转基因，其只是作为一个工具来协助育种过程。在这个应用中，转基因被用在中间育种步骤，而且在后期的杂交中选择移除，从最终的商业品种中消除。这些工具加速了育种技术，其中促进早期开花的基因被用来加速育种，而反向育种，一种从杂合优势植物种生产纯合亲本系的技术。这些技术的潜能和其它产生作物创新品种的新技术将很可能被它们引入地区的规章制度影响。在上世纪80年代现代生物技术和应用导致了某一植物育种技术（特别是基因修饰技术）的调控和管理的新结构和转基因作物散布到环境中的新形势。各种法律和监管方法已被全球采用，其中包括转基因作物的定义不同。法规、咨询机构和学者最近把注意力转向一些新的植物育种技术的法律定性和治理。要解决的主要问题是根据基因改造的现有定义，他们是否不同于现有技术以及为了监管的目的如何对产生的产品分类。考虑到这一点，欧盟委员会（布鲁塞尔）汇集了一批来自国家监管机构的专家来评估一些新的技术是否构成遗传修饰，如果是这样，所产生的生物是否属于欧盟的转基因立法的范围之内。考虑到这一点，欧盟委员会（布鲁塞尔）汇集了一批来自国家监管机构的专家来评估一些新的技术是否构成遗传修饰，如果是这样，所产生的生物是否属于欧盟的转基因立法的范围之内。（根据欧盟法律对GMO的法律定义的详细说明，请参阅补充说明1）这个机构正在评估在我们论文中研究的七项技术（锌指核酸酶技术，酶（ZFNs），寡核苷酸定向诱变商（ODMs），同源转基因和内源转基因，依赖于RNA的DNA甲基化，同源转基因和内源转基因、RNA介导的DNA甲基（RdDM）、嫁接，繁殖反转和农业渗透），这被认为是技术上足够先进，值得像合成基因一样进行法律评价（方框1）。在我们的研究中，因为我们认为这项技术在植物研究中不够先进，所以我们没有选择覆盖合成基因组学。我们通过ISI的科学网站著书目录数据库关键字搜索分析过这个研究景观学。究论文和评论是为他们的相关性植物育种单独屏蔽。搜索是在2010年4月完成;因此，结果包括直到2009年年底的新的植物育种技术的所有科学出版物。我们一共鉴定了187个相关的科学出版物。画面出现的是一个研究人员越来越感兴趣的年轻部门。新的植物育种技术的论文大多发发表在过去的十年中（除了转基因砧木嫁接）而且论文总数在上升（图1）。考虑到个人的技术，被认定为同源转基因和内源转基因（36篇）的出版物的数量最多，其次是RdDM和转基因砧木嫁接（各31篇），农业渗透（26篇），ODM（25篇）和ZFN技术（20篇）。只有四篇被确定为反向繁殖，这也是根据出版日期的最新技术。欧盟公共机构有最大的共享出版物，其次是北美（主要是来自美国的出版物;（图2）。欧盟引导研究的出版物是关于同源转基因/内源转基因，反向养殖，RdDM和转基因砧木嫁接。美国有对ZFN技术，ODM和农业渗透的研究论文数量最多。十家主导机构发布关于新植物育种技术的研究（表1）是所有公共机构中的一个例外。对于每一个出版物，我们分析所用的植物种类和七个技术引进的特点。这允许每个技术的发展阶段及其对作物的潜在应用做初步比较。大多数报纸报道的新技术验证的概念验证，主要是通过引入标记性状或抗除草剂和抗虫性性状。表2呈现与作物品种实际部署最相关的出版物。（即，模式植物和标记基因不包括在表中。（更详细的信息，包括插入/修饰基因和完整引用的在补充标注2）。我们发现这些技术在目前对作物品种的适用性方面的表述存在巨大差异。例如，只有一个诱变技术，ODM已被证明对各种农作植物有效（即，玉米，小麦，油菜和甚至香蕉），而其它的诱变方法，如ZFN技术，只报告了模式植物（玉米和最近报道的大豆）转基因砧木嫁接，同源转基因和内源转基因，另一方面，已经在几个作物中使用，因为它们依赖于遗传修饰（由农杆菌或生物射弹转化，由此遗传信息是通过涂覆有遗传物质粒子递送到该细胞）。RdDM已在少数作物植物中作（玉米，马铃薯，胡萝卜）为几个标记基因沉默应用。农业渗透，在育种过程中作为一个用来筛选表型的工具（通常是病原体的抵抗力），已经在重要的农作物中描述，如水稻，马铃薯，番茄和豆类。最后，反向繁殖，至今还没有任何科研论文的主题，只有少量的综述。然而植物育种研发是由私营部门和公共机构执行，搜索科学文献虽然对评估有关新技术的现有知识有用，但不会深入了解行业活动，因为大多数公布的数据来自学术机构。因此，除了检索文献，我们进行了专利检索，以提供相关的七个新的植物育种技术的发明申请的概述。根据每个技术专利数的专利态势分析，可以找出对技术商业开发感兴趣的主要参与者和它的潜在应用价值。我们进行了三次公开数据库的关键字分析：世界知识产权组织（WIPO;日内瓦），欧洲专利局（EPO;慕尼黑）和美国专利和商标局（USPTO;亚历山大，VA，USA）。我们筛选与植物育种内容相关的专利（补充说明3）。该专利搜索是在2010年11月敲定。因为专利申请提交18个月后公布，仅2008年年底申请专利被列入调查结果。专利申请和授权专利进行了分析;因此，当我们提到了专利，我们也可以谈论。列出的每个专利代表其专利家族的所有成员（专利家族被定义为一组专利—在不同的国家采用—其保护同一发明。）我们确定了84项专利，其中大多数是2000年之后提出的（图3）。ODM提出的专利申请最多（专利26项），其次是同源转基因/内源转基因和ZFN技术（各16项专利）。转基因砧木嫁接（13项）和紧随其后的农业浸润（11项），而反向育种只有两项专利，RdDM只有一项（图3）。专利权利要求的分析显示了一些专利具有相当普遍的权利要求（其中新技术不需要描述具体作物或特性）和其他更具体的专利声称的终产物（作物/特征的组合）。作物和在新的植物育种技术的专利权利要求确定的特征与科学文献检索的结果是相似的。图4示出的专利申请美国专利商标局和EPO的分布情况，而且另外还有通过专利合作条约（PCT）途径申请的专利和WIPO管理的专利。PCT是遵循任何或所有缔约国得到保护的途径。在PCT申请的18个月内，发明人可以在保护发明的国家选择要保护发明的专利局，包括欧洲专利局和美国专利商标局。因此，同一申请书可以提交到三个办事处。我们的搜索表明，大多数申请书（94％）在WIPO数据库中发现，这意味着申请人遵循PCT途径。专利提交给美国专利商标局的比例（占总数的68％）和欧洲专利局（占总数的65％）是相似的，这表明申请人在欧洲和北美市场同时看到的商业利益。考虑到专利受让人的原产国时，我们发现，大多数（65％）都是美国机构（主要是民营企业）。基于在欧盟的受让人包括专利申请中的26％（图5）。搜索确定50位受让人，他们活跃在新植物育种技术的专利中。表3显示了根据指定的专利数量排列的位十大领先企业。七是美国受让人（六个个人和一个事业单位），其余都设在欧盟。这些结果与来自美国公司和大学的科学文献检索的结果不同的是在专利方面较为活跃，尽管在新的植物育种技术领域大量研究活动在欧盟。这个结果可能是由于相关的植物专利创新（公共或私人）在美国比欧盟有大致更强的传统。自1930年以来，总部位于美国的发明人已经能够申请某些植物专利（汤森-佩奈尔法案），并自20世纪80年代中期可以申请生物技术产生的植物和过程的专利。在欧盟，可以申请植物专利的日期仅从1998年开始（98/44/EC）。另一个发现是活跃在这一领域的企业的高度专业化。被确定的大多数公司都有专利，在我们的研究分析中仅仅涵盖七大技术中的一个（表3）。在具体技术方面，美国的受让人在ZFN技术、ODM和GM嫁接砧木方面占优势。同源转基因/内源转基因和农业渗透结果显示在美国和欧盟申请专利的活动类似。相反，对于RdDM的所有专利和反向育种属于欧盟受让人。我们已经表明，在过去的十年中在新的植物育种技术中的研究和专利申请一直是活跃的，这表明这些技术可以由商业育种者使用。为了确定在何种程度上新的植物育种技术已经通过了私人育种行业，并估计商业产品的发展现状，我们进行了植物育种公司书面调查（补充说明4）。从这个调查所获得的数据，被这些公司中的工作车间、股东和监管部门证实了（补充说明5）。书面调查是在2010年3月进行的，并用来指导已经熟悉使用生物技术的企业用于植物育种和提供技术给公司（即致力于为植物育种公司提供技术的生物技术公司）。我们确定了合适的公司，并联系他们与支持欧洲和国家种子育种者协会。二十七个公司同意参加，并送发了书面调查;17家完成并返回问卷。大型和小型公司交回问卷;每个公司的员工人数介于10至10万。大多数是私人公司，但有些地国际团体或复杂的业务结构部门的分支机构。在这些跨国经营的情况下，调查问卷仅发送到欧盟境内的分支，以避免重复。两家公司致力于技术提供商和15家活跃于植物育种。大多数公司专注于生产适于耕种的作物（谷物，油籽和马铃薯）只有少数几家公司活跃于次要作物，如蔬菜。如果他们使用七种技术中的任何一种，育种公司被询问。此外，他们不得不指定被使用的技术是什么作物和性状，以及基于这些技术的最终的商业产品的发展阶段。调查显示，七种新的植物育种技术中的每一种在育种计划中由17家调查植物育种公司中的两家到四家使用。用这些技术中的某些技术开发作物已经达到商业化发展的第三阶段（专栏2）。在针对性诱变技术的情况下，ODM衍生产品在第2和3阶段，即耐受除草剂的油菜种子和玉米。ZFN技术在从研究阶段到第3阶段的项目中被用来繁育玉米油菜和