全球轉基因玉米商業化應用現狀及產品線研發進展

丁云秀

[摘要]本文在概述全球轉基因作物商業化發展態勢的基礎上，介紹了轉基因玉米的商業化應用情況，并重點從轉基因技術，性狀與基因等方面綜述轉基因玉米產品線的商業化推進情況，以期為農業主管部門，生物技術研發單位和種子企業提供參考。

[關鍵詞]全球轉基因玉米 商業化 發展態勢 展望

[中圖分類號]S513 [文獻標識碼]A [文章編號]1003—1650（2016）03—0099—01

1全球及中國轉基因作物商業化發展態勢

2015年轉基因作物已實現商業化種植20年，轉基因作物種植面積正在持續增加。據國際農業生物技術應用服務組織統計，截至2014年全球已有28個國家的1800萬農民種植了1.81億公頃的轉基因作物，是1996年種植面積的106倍。實踐表明，轉基因作物對農業的可持續發展作出了重大貢獻。來自ISAAA的綜合分析表明，轉基因作物在1995年至2014年間產生了多重重大效益：采用轉基因技術降低了37%的化學農藥的使用率，提高了22%的作物產量，農民利潤增加了68%。

隨著中國的經濟社會發展以及農業產業結構調整，中國的糧食需求仍不斷增加，比如每年進口玉米和大豆持續增加，而其中90%為轉基因產品，特別是中國作為大豆的主要消費國，進口的大豆占全球出口總量的65%。一直以來，中國正積極推進轉基因作物的研發工作，轉基因抗蟲玉米等作物的研發和未來的商業化應用對中國和全球的糧食和飼料需求都有巨大的貢獻潛力。

2玉米轉化事件在全球商業化應用現狀

轉化事件（GM event）是指在遺傳轉化過程中外源DNA與植物基因組DNA發生特異性重組進而通過組織培養而得到的植株個體。因此，本文涉及的轉化事件不包括通過常規育種方法將不同的轉化事件聚合而得到的轉基因植物。轉基因作物從研發到商業化應用至少包括初級研發階段，高級研發階段，監管階段，商業化預備階段及商業化應用階段。初級研發階段包括基因挖掘，轉化事件的創制、篩選及評價，一般需要3-5年進入高級研發階段；高級研發階段是指尚未進入監管階段的轉化事件，但已進入研發階段的后期并為監管申請提供試驗數據，將在7-8年左右實現商業化；監管階段是指已經至少提交一個國家進行監管申請，并有可能在2—3年內獲得許可并商業化應用；商業化預備階段是指在全球范圍內至少獲得一個國家規模化種植的許可，但尚未實現規模化種植、生產和銷售，是否實現商業化取決于的研發商的決定；商業化應用階段是指在全球范圍內至少有一個國家實現規模化種植、生產和銷售。

目前已有16個轉化事件實現了商業化生產，涉及的性狀包括除草劑耐性（草甘膦，草銨膦），抗蟲性狀（鱗翅目害蟲，鞘翅目害蟲），生理性狀改良（水分利用效竄和品質改良（淀粉酶含量）4類性狀。就目的基因而言，16個轉化事件共涉及Bt基因10個，在16個已經實現商業化生產的轉化事件中，美國是全部批準商業化種植的國家之一；在歐盟，MON810早在1998年就獲得商業化種植的許可，Bt11等12個轉化事件已獲得批準用作加工原料，但尚未獲得批準商業化種植3272，5307和Bt176等3個轉化事件尚未獲得批準用作加工原料和商業化種植在中國，除了轉化事件5307以外的15個轉化事件均獲得進口用作加工原料的許可。據統計，自2011年以來，我國進口的轉基因玉米逐年增加，2014年進口500萬噸。

3轉基因玉米產品線研發趨勢與展望

3.1玉米規模化轉基因技術體系日趨成熟

工廠化流水線式的規模化轉基因技術體系是獲得并實現玉米轉化事件商業化化應用的平臺保障。玉米規模化轉基因技術體系采用的主要方法是基因槍法和農桿菌介導法。規模化的轉化體系需要高效的篩選體系，采用抗生素篩選標記基因篩選玉米轉化事件存在安全性問題，利用雙T-DNA載體是一種較方便的刪除選擇標記基因的方法，將選擇標記基因和目的基因放置在2個T-DNA上，雙T-DNA在轉基因植株后代分離，篩選只含目的基因而不含標記基因的轉基因植株。比如，孟山都公司開發的MON810，MON863等轉化事件采用了上述策略刪除了抗生素標記基因nptll。先正達公司開發的正向選擇系統——甘露糖異構酶基因pm i篩選系統規避了后期通過同源重組刪除標記基因的繁瑣步驟，如已經商業化的玉米轉化事件MIR162，MIR604等。此外，隨著玉米轉化體系的優化，除草劑耐性基因pat epsps等不僅可以作為目標性狀而且可以作為篩選標記用于玉米轉化事件的創制，如孟山都公司的MON88017，陶氏杜邦公司的TC1507等玉米轉化事件。

3.2功能基因改良及資源挖掘呈多樣化趨勢

隨著功能基因組學和測序技術的進步，不同來源的功能基因得到了充分開發和利用。除了來源于蘇云金桿菌（BacillusTHuringieis）的BT基因，鏈霉菌屬（Strep tom yces）和土壤農桿菌（A grobacterium tum efacims）的除草劑耐性基因pat和epsps之外，其他微生物源的基因，如來源于熱球菌目（Therm ococcales）熱穩定的α-淀粉酶基因am y797E，枯草芽胞桿菌（Bacillus subtilis）的轉錄因子cgpB以及大腸桿菌（Escherichia coli）的甘露糖異構酶基因pm i等。此外，來源植物自身基因（Cisgene）的轉化也成為轉基因育種的主要基因來源，如杜邦公司創制的轉化事件98140，其磺酰脲類和咪唑啉酮除草劑耐性基因zm-hra來源于玉米（Zeam ays），Stine Seed Farm公司、孟山都和先正達公司創制的轉化事件HCEM 485，6A21和M ZHGOJG，其草甘膦耐性基因epsps均來源于玉米。

3.3輸出的轉基因性狀日益豐富

目前16個實現商業化生產的轉化事件涉及的性狀包括除草劑耐性（草甘膦，草銨膦），抗蟲性狀（鱗翅目害蟲，鞘翅目害蟲），生理性狀改良（水分利用效韻和品質改良（淀粉酶含量）4類性狀。具體而言，單價除草劑耐性的轉化事件3個，其中草甘膦耐性2個，分別為先正達公司的GA21和孟山都公司的NK603，草銨膦耐性1個，為拜耳公司的T25；單價抗蟲性狀6個，其中抗鱗翅目和鞘翅目的轉化事件各3個，分別為孟山都公司抗鱗翅目歐洲玉米螟的MON810，先正達公司抗鱗翅目小地老虎的MIR162，抗鞘翅目玉米根蟲的3個轉化事件分別是先正達公司的MIR604和5307，以及孟山都公司MON863航蟲耐除草劑雙性狀或同時含有2個或以上Bt基因的轉化事件6個，生理性狀改良的轉化事件1個，為孟山都公司的MON87460，品質性狀改良的轉化事件1個，為先正達公司3272。

隨著轉基因技術的發展以及應對玉米生產的剛性需求，新的應運而生。杜邦先鋒公司2006年在玉米中實現了基于核不育突變材料的雜交種子生產技術（Seed Production Techno logy），應用轉基因技術改變植物育性，不僅克服育性受環境和遺傳背景的影響，易于開展優良性狀的聚合育種，而且實現了用轉基因手段生產非轉基因的不育系種子和雜交種子。新的除草劑耐性性狀如陶氏公司開發的2，4-D耐性玉米轉化事件DAS40278和孟山都公司開發的麥草畏耐性玉米正在積極地推進商業化，孟山都公司創制的改良玉米產量的轉化事件MON87403已于2015年在美國和加拿大完成商業化應用前的審批工作。此外，孟山都、先正達、巴斯夫和阿卡迪亞生物科學等公司在非生物脅迫抗性，養分利用效率，抗病等性狀的預研項目也已進入玉米產品線流程。

3.4復合性狀的研發與推廣備受青睞

2009年，孟山都協同陶氏公司推出了首個含8個基因疊加性狀的轉基因玉米Genuity SmarStax，標志復合性狀轉基因玉米已成為未來玉米育種產業的發展趨勢，該轉基因玉米是由MON89034 DAS1507，ON-88017和DA$59122通過雜交聚合的方式實現的復合性狀。

另一方面，通過基因聚合或融合的方式實現復合抗蟲性狀即多價抗蟲轉化事件，是抗蟲轉基因玉米可持續發展的必然選擇。比如，杜邦公司2013年推出的玉米轉化事件4114同時含有2類3種Bt基因，能夠有效防治鱗翅目歐洲玉米螟和鞘翅目玉米根蟲對玉米產量造成的損失，而且不同殺蟲機制的Bt基因有助于延緩害蟲抗性的產生。與上述聚合不同類型的Bt基因不同的是，孟山都公司的DBT418將Bt基因與蛋白酶抑制劑基因聚合，此外，孟山都公司通過基因改造將cry1Ab，cry1F和cry1A c融合為新的Bt基因cry1A.105，同時與cry2A b具有實現了復合抗蟲性狀；類似地，先正達公司2012年推出的玉米轉化事件5307的B t基因ecry3.1A b是cry3A和cry1A b基因的融合。

3.5新型轉基因技術及產品應用得到廣泛關注

近年來，基于序列特異性核酸酶，如鋅指核酸酶（zinc finger nucleases，ZFN s）、轉錄激活因子樣效應物核酸酶TALE s（tran-scription activatorlike effectors，TALEs）和成簇的規律間隔的短回文重復序列Cas9核酸酶（cbslered requbrly interspaced short palindrom ic repeat CR ISPR）的基因組編輯技術實現了對不同物種中目標基因進行定點敲除、置換和插入等基因組靶向修飾。與ZFNs和TALENs相比，CRISPR/Cas系統更簡單，并且更容易操作，已被應用于多個作物的品種改良，如水稻和玉米的品質改良，小麥的抗病性狀改良等，呈現出更加廣闊的應用前景。

3.6轉基因生物反應器的研發與應用成為熱點

近年來，隨著植物反應器技術的多元化發展以及日趨成熟，以玉米為分子工廠合成一些高價值產品成為研究熱點。以玉米為植物反應器，用其生產糖類、必需氨基酸、不飽和脂肪酸、維生素、微量元素、生物酶、疫苗、抗體等各種高價值分子代謝物。