植物育種歷史及其對社會的影響

張換樣 李 靜 朱永紅 秦麗霞 吳慎杰

（山西省農業科學院棉花研究所，山西運城 044000）

1 古代的植物育種對社會的作用

人類的植物育種起始于對野生植物的馴化。人類一開始主要以捕食動物和采集可食性植物的果實和器官為生，隨著工具和手段的不斷進步，人類種群不斷壯大，造成了食物資源匱乏，種群內部的生存競爭也越來越激烈。古人開始馴化植物物種后，從捕食和野外采集野生植物作為食物慢慢轉為大面積的種植和收獲糧食，降低了捕食和采集食物的風險，從而有利于古人類種群的繁衍和生存。在最初的對野生植物物種的馴化過程之中，人們不可能對某一物種的所有群體都進行馴化，所以在滿足了當初人類的原始飲食需求的基礎上對自然的物種沒有造成巨大的破壞，也不可能造成生態或物種多樣性的社會問題，只是滿足了人類生存的需求，促進了人類種群的迅速繁衍和社會的巨大發展，象征著人類文明的進步，是人類種群的進一步擴張和分化及新的社會形態建成的主要因素之一。

品種的傳播和遷移受到人們活動范圍和氣候的影響，不同地區馴化的物種只能是在一定的地域范圍內種植。事實上當人們開始有選擇地保留優良單株的種子，即標志著人們選育品種的開始。經過長期的選擇和馴化以及地域性自然選擇就形成了各種適用范圍較窄的地方性品種，在封建社會自給自足的自然經濟模式下，每年各家自留種子種自家的田，經過長期的種植就形成了農家品種。這些品種在資本主義商品經濟沒有建立起以前，留種不是為了賺錢和推廣，而是滿足自家的種植需求，得不到大面積種植。中國農家品種和地方性品種經歷了漫長的封建社會使其變得更加豐富，這些地方性品種和農家品種對當時的農業生產起著決定性作用，在一定程度上豐富了物種的多樣性。

2 近代的植物育種奠定了科學的現代植物育種的基礎

科學研究者于17世紀后半業開始了和育種有關的科學工作并且明確了子房和花粉的作用，發現去雄和去柱頭都對植株會造成不育[1]；繼英國的Faerchild在1719年進行了世界上首次的人工雜交之后，德國Keolreuter（1759-1838年）研究了棉花、等植物的雜交[2]。有學者發現了梨樹和桃樹的雜種優勢，了解到相近的品種之間能相互進行雜交，F1表現一致而F2及其后代表現眾多變異[3]。Vilmorin在1830-1855年利用單株選育了高糖甜菜及谷類、花卉等品種[4]；Hay于1888年發明了百株選育法[5]。這一時期的育種工作沒有明確的目標，只是盲目地雜交和選擇，沒有系統的理論指導，都是對育種技術的探索，為建立系統的進化論和基本遺傳定律創造了條件。當時培育的品種沒有大面積推廣，引發的社會問題也不突出。

3 現代的植物育種和當前育種的熱點

達爾文的進化論和雜種優勢理論的確立以及孟德爾遺傳學定律的發現，使得作物育種從20世紀20年代開始擺脫憑借經驗和技巧的初級狀態，發展為具有系統理論和科學方法的一門應用學科，才有了真正意義上的植物遺傳育種方式，開創了現代植物育種技術的新紀元。特別是雜交育種成了最主要、最有效的育種方法，經過半個多世紀的發展，作物的常規育種技術以雜交育種為核心形成了完整的常規育種技術體系和方法。常規育種的方法有以下6種。（1）選擇育種由自然選擇變異發展而來，具體分為系選法和混選法，是所有育種技術的基礎。（2）雜交育種按親本選配原則進行品種間雜交，分離純合出集聚優良性狀的材料形成品種。（3）回交育種利用雜交和選擇技術對品種、自交系或材料進行可預測的遺傳改良。（4）雜優利用主要利用純系間雜交時的顯性和超顯性遺傳效應進行選種。（5）遠緣雜交不同種、屬或親緣更遠的雜交，可合成新物種，但主要是創造新材料。（6）誘變育種具體分為物理誘變和化學誘變，主要通過誘變技術使選育材料產生大量的變異。這樣人們就可以有目的、可預測和程序化地選育品種和改良品種。

生物技術的興起為作物育種提供了前所未有的美好前景，它可以基本不受限制地使基因在動物、植物和微生物3大系統里交換，可使性狀的改良與變異定向化；可以不受時空限制用克隆的辦法大量地繁殖所需的生物個體；獲得新品種的速度比常規育種快得多[6-9]。隨著分子生物學的發展，分子圖譜技術也逐漸興起，為基因的定位、分離、功能鑒定奠定了重要基礎，特別是分子標記技術的建立有效解決了作物育種中的準確性選擇不夠問題[10-12]。目前，轉基因育種成為新熱點，并已取得突破。美國抗玉米螟和抗除草劑轉基因玉米品種年種植面積已超過500萬hm2。我國科學家也正在積極發展具有自主知識產權的轉基因作物，并在抗蟲棉、抗蟲玉米、轉基因水稻和小麥等方面取得了突破。以基因工程為代表的生物技術和以計算機網絡為代表的信息技術將在21世紀發揮重要作用。生物技術和信息技術等高新技術與經濟緊密結合形成了產業化。企業在高新技術發展中成為主體，如美國的英特爾公司的CPU、微軟公司的Windows操作系統、孟山都公司的轉基因技術等都處于該領域的領先壟斷地位。國家之間的競爭越來越集中地體現在經濟競爭和市場競爭等方面。隨著新技術革命的到來，經濟、市場的競爭集中體現在技術競爭上。

4 現代植物育種對人類的貢獻和帶來的社會問題

4.1 育種解決的問題現代植物育種技術的成就是令人驕傲的，近年來耕地面積迅速減少而世界人口增長了數倍，目前世界總人口數近60億，而能夠解決飲食問題很大程度上歸功于植物育種。目前，中國人口到2030年預測達到16億，按播種面積不變以及人民生活水平的逐步提高計算，單產須提高32.6%，因此飲食問題將是植物育種家要直接面對的問題。育種是提高作物單產的核心環節，在對單產的貢獻中品種可占33%，是不可替代的手段。育種技術的進步和材料的突破都會給單產或品質等性狀帶來新的進步。1949-1991年，小麥的單產由42.5 kg/667 m2增加到208 kg/667 m2，增長了4.8倍。雜種優勢的大規模應用，是20世紀農業發展應用的最主要的技術之一。20世紀20年代，在雜種優勢的遺傳學理論基礎上，雜交種首先在玉米生產上大規模應用，首先應用的是雙交種，再發展為三交種和單交種。20世紀20年代，美國玉米產量由每667 m2產量100 kg提高到目前的500 kg，其中雜交種的作用占45%以上。我國自20世紀60年代開始推廣應用雜交種，到目前90%以上的玉米生產使用的都是雜交種，處于國際先進行列。水稻是我國的第一大作物，20世紀60年代水稻的產量由每667 m2平均175 kg增加到200 kg，在1976-1992年通過推廣雜交水稻，增產約500億kg。

現代生物技術的興起為培育高產優質的糧食作物品種提供了更加有效的工具。1983年首次出現轉基因植物，1986年轉基因技術首次進入田間實驗，隨后轉基因棉花、大豆、玉米、水稻和番茄等取得了巨大的成功。30多個國家和地區千例轉基因植物進入田間實驗并進入產業化階段。隨著轉基因植物的產業化，減少了除草劑、殺蟲劑、化肥等化學品的使用，節省了勞動力，近年來世界轉基因植物的銷售成倍增長，2005年達80億美元，2010年達到250億美元。另外，利用生物技術可提高農、林、果、蔬等各種作物的品質和抗逆性，滿足人類日益提高的生活水平的需求，開發旱、荒、瘠以及薄等不易生長作物或產量較低的土地。培養出新型的植物可以用來解決當今日趨緊張的環境和資源問題，如吸收污染或分解污染物，對瘠薄山地和荒漠的綠化，提供新型植物資源；作為藥品生產的反應器，在一定程度上豐富了物種的多樣性。

4.2 種子的產業化帶來的巨大社會效益美國是世界上最發達的種子產業化國家，也是最大的種子生產國和出口國，也是第一個商業化生產種子的國家。種子產業從20世紀20年代起步，二戰后快速發展，20世紀90年代以后則開始質的飛躍。美國的種子產業不僅市場巨大，而且運行規范，已發展形成一個年產值幾十億美元的基礎產業，對美國的種植業、食品業、飼料業乃至醫藥、化工等行業都有巨大影響。美國的玉米種子貿易占據全部種子貿易利潤的一半以上。美國種業7強中有5家將玉米種子作為最主要的商品。以先鋒公司（Pioneer）為例，玉米種子的營業利潤在過去7 a一直占90%以上，而選育玉米新品種對成功銷售種子和企業發展至關重要。迪卡公司（Dekalb）在美國曾一度領先于先鋒，就是因為首先選育出大受歡迎的玉米雙交種Dekalb 404A、中熟玉米單交種Dekalb 805和早熟種Dekalb 145等新品種。而先鋒公司之所以在20世紀70年代中后期出現快速發展，也是該公司成功選育了P3780和P3732兩個單交種（每個品種累計銷售額超過10億美元）。玉米種子的成功產業化很大程度地推動了美國種子產業的形成、完善與發展。投巨資進行玉米育種研發是美國玉米種子產業的主要成功之道。1980年，美國種子產業在玉米育種研發方面的投入額為5 300萬美元，而到1990年達到1.01億美元。此外，創新意識和企業家精神對種子產業化的成功也至關重要。我國的玉米種子產業還處于初級階段，但玉米新品種的選育和推廣種植所產生的增產作用，能夠帶動整個種子產業的發展。如山東萊州農科院選育出的掖單2、13等系列緊湊大穗型品種，品種覆蓋面占全國玉米面積的1/3以上，促進了自身種子產業的形成，也帶動了全國一大批種子企業的發展。近幾年的農大108、3138和唐抗5號的育成、推廣也帶動了許多種子企業的發展。

5 現代植物育種帶來的問題

5.1 品種單一化造成了遺傳多樣性的流失農作物地方品種的有效保護是農業生物多樣性可持續利用的基礎，而長期定向育種使得可利用的生物多樣性越來越窄。由于品種的產業化和現代農業的集約化生產方式使大量農作物地方品種被少數高產改良品種所取代，并在一定程度上排擠了小作物的種植，造成農作物基因庫中“基因流失（Geneticrosion）”和遺傳多樣性的降低[13]。如印尼近15 a來就丟失了1 500份水稻資源，80%的水稻種植面積是經培育的優良品種。農家品種會在生長環境中繼續進化而產生新的遺傳變異，因而是農業生物多樣性就地保護的重要途徑。盡管人們對作物品種資源農家保護有大量相關的研究和案例分析，但截至目前還沒有比較成功的農家保護實例報道。另外，品種單一會由于遺傳的一致性而引發比較重的和遺傳有關的病蟲害，對病蟲害抗的性越來越差，尋找新的抗源越來越難。1970年，美國雜交玉米由于T型不育系對小斑病的敏感而爆發的小斑病損失達10億美元。1964年，我國小麥的三種銹病大爆發。因此，對農家品種的保護機制及科學問題進行深入研究，并尋求一條新的途徑來充分發揮農家保護應有的作用，顯得格外重要。利用生物多樣性布局的水稻混合間栽的生產模式，不僅解決了病害控制的問題，而且也保護了水稻地方品種的多樣性。這種混合間栽的生物多樣性布局和生產方式，可能成為農家保護的一條新途徑[14-15]。

5.2 品種的產業化、知識產權、資金投入以及管理方面的問題品種的產業化在世界范圍內的興起打破了國家和地區的界限，集團之間的協作和利益的瓜分需要建立較為公正和統一的公約或標準。各國家先后建立起法律、規章和制度，保護新品種的知識產權，明確了育種者和經營者各自的權力和利益。但是更需進一步明確種植者的權益，即農民所承擔的相應的新品種保護、多樣性保護及知識產權的維護等方面的權力和義務。在這些方面應有世界級的統一或認可的標準。尤其是我國現在的種子生產和和銷售的管理迫切需要加強管制。在育種的資金投入方面，私營的比例越來越大，但它的流向值得注意。企業投資的目的很大程度上受利益的驅動，關注的收益多一點，偏重于應用和推廣，偏重于雜交種、經濟作物和大作物。對基礎理論的投入明顯不足，對常規育種和小作物的投入也較少，應適當對此進行必要的平衡和管理。

6 轉基因技術育種引發的社會問題

轉基因植物現在有很多已投入應用，如抗除草劑大豆、玉米，延遲成熟的番茄，都產生了非常好的經濟效益。人們對轉基因植物發表了很多看法，是世界關注的焦點。目前，還沒有充分的證據表明轉基因對人有害還是無害，只能是防患于未然地放到實踐中去檢驗。

6.1 公眾的心態關于這一點，歐洲人比美國人要敏感的多。這可能和他們的保守觀念有關，害怕新植物帶來潛在的危害，一旦在特定的時期發生，無法控制，許多人便會有恐慌的心態，相當一部分人存在抵制的情緒。可是雖然他們給轉基因食品貼標簽，限制推廣，但是在轉基因的投入和規模上并不落后，這就是尖端科學和技術的競爭。

6.2 安全性問題安全性問題主要指轉基因食品的安全性和轉基因植物環境釋放的安全性，雖然沒有足夠的證據表明它對安全性造成威脅，但是還是需要根據設計試驗對可能出現的問題進行必要論證[16]。

環境安全性主要體現在以下幾方面：第一，轉基因植物可能缺少天敵或有競爭優勢而形成新的巨型雜草；第二，基因可能漂移到近緣野生種，對生態平衡造成威脅；第三，一些抗病蟲基因編碼的毒蛋白在收獲后或加工后對環境是否會造成污染；第四，關于對品種多樣性的保護報道有很多，但沒有形成定論[17-18]。

食用安全性主要表現在以下幾方面：第一，外援基因本身是否有毒害型和發生轉移；第二，外援基因編碼的蛋白質對人或動物是否有毒；第三，抗生素標記基因是否導致人或動物的抗藥性；第四，是否有次生效應。

6.3 產業化的問題轉基因食品或產品進入市場需做各種安全評估和環境釋放評估，增加了非技術的成本，而進入市場后的標識制度也設置了人為的市場障礙。單獨隔離種植、儲運、加工更是增加了成本，大大限制了轉基因食品的市場銷售，也限制了轉基因育種的種子的產業化。

6.4 倫理和自然法則問題一些人、團體和宗教團體認為，外源基因的導入違背了自然的法則，有悖于常倫，它的存在是嚴重不合理的。他們相信萬物是上帝創造，人類沒有權力更改任何物種基因，是不道德的。

7 結語

育種工作者應注重對現有種質資源的保護、創新和進一步的合理開發利用；加強生物技術研究，慎重對待其利弊；時刻掌握國內外本領域的最新動態，時刻保持創新意識，只有不斷創新才能在市場競爭中占據制高點，處于優勢地位，并在科研和產業化工作中站在技術創新的第一線；把握市場脈搏，以市場為導向，以形成產業為目標。總而言之，我國要以科研為基礎，以市場為導向，以創經濟效益為中心；立足目前，著眼未來，不斷創新，發展高科技，實現產業化發展。