生物技術在農牧業中的應用

薩初拉 劉德明 蘇少鋒 劉紅葵 王蘊華 呼和 內蒙古自治區農牧業科學院 010031

生物技術在農牧業中的應用

薩初拉 劉德明 蘇少鋒 劉紅葵 王蘊華 呼和 內蒙古自治區農牧業科學院 010031

本文從生物技術發展歷程入手，闡述了其在農牧業中的應用、發展優勢與存在的問題，旨在探討生物技術推動農牧業發展的新趨勢，同時加強公眾對生物技術相關知識的了解，為公眾科學理性地看待生物技術和產品提供指導性建議。

生物技術；農牧業；應用

1 引言

生物技術是利用自然科學和工程學原理，依靠生物作用劑的作用將物料進行加工以提供產品或為社會服務的技術。已知最早的生物技術應用始于公元前6000年的發酵生產，例如通過釀造來獲得啤酒等。直到1978年，人類胰島素被成功合成并證明有效后，生物技術才受到廣泛關注并形成了新興產業。1988年，通過基因工程改造細胞生產的五種蛋白質獲得美國食品藥品局批準，而在1990年底獲得批準的此類產品數目已經超過125個。目前，生物技術仍是科學研究的熱點課題，并且已經滲透到人類生活的方方面面，例如基因治療、干細胞研究、克隆、轉基因動植物，以及轉基因食品等。

2 生物技術在農牧業生產中的應用

生物技術在農牧業中的應用是基于對動植物遺傳和表觀性狀的充分研究。早在1866年，奧地利學者G.J.孟德爾已通過豌豆雜交實驗揭示了基因分離定律，為后來雜交育種技術的產生奠定了基礎。隨后在1909年，丹麥科學家W.L.約翰森提出“基因”的名字用于表達孟德爾的遺傳因子概念。直到1944年O.T.埃弗里通過肺炎球菌轉化實驗證實了基因由DNA組成，并于9年后由沃森和克里克揭示了DNA雙螺旋結構。在1969年J.夏皮羅等研究大腸桿菌乳糖操縱子時提出一個基因可以離開染色體而獨立發揮作用，從而為基因重組技術的誕生奠定了基礎。在1972年保羅·伯格制備了首個人工重組DNA，1974年科恩將抗青霉素基因轉入大腸桿菌內，從而揭開了轉基因技術應用的序幕。1978年，人類胰島素生產重組微生物由Startup公司（genentech）生產，并證明了轉基因產品的有效性和經濟價值。20世紀80年代初，首個轉基因小鼠和轉基因煙草的誕生充分證實了轉基因技術應用的普遍性。

（1）在農業中的應用。在過去一個世紀里，利用傳統雜交育種手段已培育出多個優秀的作物品種，但平均育種年限為12～15年，因此如何提高新品種培育效率一直是育種學的重點課題。早在1923年，Sax對菜豆兩種性狀進行研究時發現，植物中簡單的基因遺傳標記與植物數量性狀具有連鎖關系，為分子標記輔助育種技術的產生提供了理論基礎。由于傳統方式開發和定位分子標記周期長、效率低，因此阻礙了分子標記輔助育種技術的應用。1940年，化學誘變劑和射線被廣泛應用到植物育種過程中，開辟了快速品種培育新手段。到目前已有超過2500個植物新品種被通過該手段培育出來。由于誘變產生新品種是通過隨機突變個體基因而改變性狀，因此存在多種不確定性。自1953年以來，DNA結構、轉座子機理、植物組培、胚胎拯救、原生質體融合和DNA重組等相關技術的不斷被發現，使得轉基因技術成為快速培育具有人為設定性狀的新品種的手段。雖然，目前通過基因工程技術獲得具有特定優良品性且穩定遺傳特征的新品種仍需要大約10年時間，但此項技術關鍵在于對目的樣品的DNA進行定點和人為設定改造提供了可能性。隨著高通量測序技術和生物信息學的快速發展，優良性狀相關基因和分子標記得到了準確定位和高效開發，隨之應運而生了分子設計育種新領域。分子設計育種即通過多種技術的集成與整合,對育種程序中的諸多因素進行模擬、篩選和優化，提出最佳的符合育種目標的基因型，以及實現目標基因型的親本選配和后代選擇策略，以提高作物育種中的預見性和育種效率，進一步利用分子標記輔助選擇技術、TILLING技術和轉基因技術創制優異種質資源，實現多基因組裝育種的目標。由于分子設計育種采用了高效的基因轉移途徑，因此具有常規育種無可比擬的優點，如可精確篩選目的基因和表型、育種周期短等。一旦建立了完善的品種分子設計體系，就可以快速地將功能基因組學的研究成果轉變成大田作物品種而創造巨大的經濟效益。

隨著生物技術的不斷創新和進步，其在農業中的應用將不斷深入。例如，利用植物體細胞雜交技術將豆科植物和向日葵進行雜交，獲得具有高營養價值的“向日豆”；利用生物工程菌實現制酒、制醬、固氮、生物農藥和飼料的生產，或利用植物組織快速培育技術實現對優良品種的快速無性繁殖。

（2）在畜牧中的應用。生物技術在畜牧業中的應用最早可以追溯到公元前5000年。當時主要利用異種雜交方法獲得雜交優勢群體，例如將母馬與公驢雜交獲得更強壯的騾子。

目前生物技術在畜牧新品種培育、遺傳資源保護、飼料資源的開發利用、疾病預防與治療和環境凈化等方面具有廣泛的價值。在畜禽遺傳資源保護中，胚胎和生殖細胞冷凍、體外受精、胚胎工程和克隆等相關技術均被應用。轉基因技術則在增加飼料作物中果聚糖和可溶性糖的濃度，降低副產品的木質素含量等飼料資源的開發及微生態制劑、疫苗研發、藥物開發和疾病治療中被廣泛應用。

畜禽育種與農業育種相同，本質上都是從基因水平上對生物個體進行改良。因此發展歷程也同樣經歷了傳統的雜交育種、分子標記輔助育種、轉基因動物制備和分子設計育種等。早在12000年以前，人類已馴化了狗，然而直到18世紀才形成真正的具有詳細系統記錄的動物育種方法。到了20世紀90年代，由于畜禽選育理論和傳統技術革新緩慢導致常規育種手段受到制約，然而分子生物學和基因組學的飛速發展帶動了動物育種技術的突破，形成了動物分子育種技術。與農作物相比，動物一般有更長的世代間隔、較低的繁殖力和較高的飼養成本，因而在動物中分子標記輔助育種的應用較農作物中少，而且一般只針對那些效應較大的基因。1980年首個轉基因小鼠誕生之后的10年，是全世界對轉基因動物進行研究的高潮時期。1985年誕生首個轉基因家畜，轉人生長激素融合基因（MT/hGH）豬，隨后轉基因兔、羊、牛等誕生。自1996年克隆羊多莉誕生以后，克隆技術成為新的畜禽繁育手段，與傳統育種技術和轉基因技術相結合稱為快速、有效的繁育選定品種的新途徑。隨著家畜基因組的測序陸續完成，家畜分子設計育種將成為更加高效、準確的育種手段。

3 存在的問題及發展趨勢

目前有多種途徑和手段可以提高農牧業生產能力，其中包括傳統育種技術和生物技術。隨著有機農業備受關注，傳統農牧業生產技術再次受到人們的追捧。然而這一趨勢并未阻礙生物技術，尤其是轉基因技術在農牧業生產中的應用。相反，其更加推動了生物技術的革新，使其向更加健康、安全、環保的方向發展。目前，全球已成功獲得200多種轉基因植物，其中應用最廣泛的種類是轉Bt（Baci11us thuringiensis）基因和轉Ht（Herbicide to1erant）基因農作物。在轉基因動物方面，主要轉入提高動物生長率、產毛率、抗寒能力和抗病能力和疫苗生產相關的基因。到2014年為止，全球種植生物技術作物的國家有28個，總面積達到1.8億公頃，并且每年以3%～4%的速度持續增長。其中生物技術黃豆種植面積占全球黃豆產區的82%，同樣生物技術棉花占68%，麥子占30%，油菜占25%。

如同任何新技術的產生都伴隨潛在風險一樣，生物技術也不例外。雖然所有轉基因作物都經過嚴格的監管審批，但消費者仍然心存疑慮。隨著全球人口暴漲，預計在2100年時將突破101億。傳統農業面臨巨大的挑戰，如何在短時間內滿足消費需求已成為主要矛盾。隨著種植面積的不斷擴大和農藥使用的泛濫，使得人類健康、生態平衡和市場需求之間的矛盾更加凸顯。雖然轉基因技術所帶來的種種潛在“風險”已被廣泛關注，但有些顧慮是對潛在危害性的未充分理解而導致，而更多顧慮則是人們對新生事物的不接受所導致。

由于生物技術產品具有生產成本低，增產效率高，同時能夠減少農藥使用和對環境的影響等特點，因此僅2013年轉基因作物市場總值就達156億美元，已占全球作物保護市場的22%，占全球商業種子市場的35%，并且仍有相當大的發展空間。

4 展望

我國農牧業生物技術正處于迅猛發展的階段，但相關的產業化發展相對滯后。隨著全球農業現代化發展的影響與我國相關產業的需求的增大，農牧業生物技術產業化發展必將成為我國農牧業發展的關鍵點，因此只有進一步強化農牧業生物技術研究、完善安全管理和市場準入制度，普及相關科學知識，才能夠更好地實現農牧業的可持續發展。

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