基因編輯育種對縣域農業經濟發展的潛在提升作用

丁 霄，賈永霞

（1.山西農業大學 棉花研究所，山西 運城 044000；2.華中農業大學 植物科學技術學院，武漢 430000；3.中共運城市委黨校，山西 運城 044000）

基因編輯技術能夠對基因進行有針對性的精準改變，并廣泛應用于作物改良[1]。其中對消費者來說包括營養增強，改善食品安全和減少食物浪費；對農業生產者來說包括對各類病害、雜草和害蟲的抵抗力，以及增強對不利氣候的適應能力如對干旱的耐受性[2]；在社會層面包括生態系統保護如增加生物多樣性[3]。基因組編輯技術的機遇和潛在益處得到廣泛認可[4]，Jennifer A.Doudna和Em manuelle Charpentier獲得2020年諾貝爾化學獎。

1 基因編輯技術在作物育種中的應用

基因編輯的優勢之一是可對目標作物進行基因編輯進而實現目標形狀改變，消除對傳統回交育種技術的依賴，一方面減少育種時間，另一方面可避免不良性狀連鎖帶來的負面影響，進而提升育種效率[5]。并且隨著技術的進步，成本的下降有利于使農業系統多樣化改善主要和次要作物包括孤兒作物[6]。基因組編輯技術的廣泛可及性意味著在縣域層面可以使用這些技術。目前基因編輯在25個國家的40多種作物得到應用，涉及農學、食品和飼料、非生物脅迫[7]。6種基因編輯作物大豆、油菜、水稻、玉米、蘑菇和亞麻已被批準商業化。以國際農業研究咨詢機構（Consultative Group for International Agricultural Research，CGIAR）及其合作組織為例，其專注于通過基因編輯技術以解決諸如水稻氣候適應能力等問題；香蕉、玉米、馬鈴薯、水稻、小麥和山藥的抗病性；木薯的營養改善及消費者和環境安全性（表1）。進一步設想使用基因編輯技術對其他特征包括木薯的單倍體誘導；豆類的營養質量和消化率；低植酸和高維生素A玉米；減少黃曲霉毒素的花生；耐高溫的馬鈴薯等。

表1 CGIAR中心正在進行的基因組編輯項目

2 基因編輯育種風險與對策

2021年G20農業首席科學家會議（G20 Meeting of Agricultural Chief Scientists，G20 MACS）舉行了關于基因組編輯技術的特別會議，重點關注基因編輯對糧食安全、可持續發展和應對氣候變化的潛在貢獻。雖然基因編輯在相關領域具有巨大潛力，但G20 MACS仍鼓勵進一步分析其存在的潛在風險。

傳統的常規育種并不能排除食用風險，如蠶豆和馬鈴薯中有毒生物堿含量的意外增加，疾病易感性狀的引入，或在育種時降低蛋白質含量以提高谷物產量[8]。其次，自然條件下同樣存在自發突變，從而產生有利和不利等位基因。這些風險為評估基因編輯植物的風險提供了基礎和背景。風險之一為非靶標編輯：在3 200多個園藝和作物品種的開發過程中引入的化學或輻射誘導突變的頻率大約是自然頻率的1 000倍。目前的基因編輯技術產生非靶標突變的頻率與自發誘變引起的自然突變相似，頻率遠低于誘導突變方法的頻率。并且可以通過設計基因編輯靶標的生物信息學工具和方法的持續改進，有助于減輕和減少作物植物中非靶標編輯發生的可能性[9]。這些努力使CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）系統具有更高的保真度和更少的脫靶。在安全使用傳統育種（包括誘變品種）的悠久歷史背景下，基因編輯作物的應用不存在明顯的安全問題。風險之二為打破自然生殖障礙：基因編輯打破生殖障礙這也是被廣泛關注的。例如，一些DNA片段緊密相連，有效防止有性生殖過程中的重組。雖然這一特征同樣可以被看作是基因編輯技術的優勢或機會。但在實際操作中與傳統育種一樣，基因編輯之后是在目標環境中進行廣泛的田間評估，僅向目標受眾提供優于當前品種的作物。風險之三為管理漏洞：目前大多數基因編輯作物都是插入編輯系統并在后續步驟中去除外源DNA序列，因此最終的基因編輯作物并不是轉基因。然而導入編輯系統的過程中需要在實驗室和溫室中進行適當的管理。利用分子工具證明轉基因中間體在田間試驗之前已經得到解決。隨著基因組編輯技術的發展，使用中間轉基因步驟可能變得不必要，這將進一步簡化基因編輯育種發展。風險之四為受益不平等：如果基因編輯技術僅使富裕的參與者（包括跨國公司和大型農場）受益，而一些小型農場或有機農業等替代農業系統的從業人員卻因此處于不利地位，會進一步加劇生產及收益水平差距[10]。為了減輕這種風險而采取的措施可能導致濫用監管流程，這些流程會污名化和抑制食品公司采用相關產品，并阻礙消費，如被廣泛標注的轉基因食用油。風險之五為透明度的缺乏：基因編輯技術產品缺乏透明度將造成“社會許可風險”，加劇人們對產品開發者、監管機構、生產者及最終產生的基因編輯產品的信任危機。基因編輯作物的開發人員可以通過披露基因編輯技術的使用來滿足公眾對特定食品是如何生產的興趣，并建立一種透明的登記制度。這種登記制度應與專利和監管風險評估制度保持相互獨立。目前國際上存在1個基因編輯聯盟建立的登記方案（https：//foodintegrity.org/programs/gene-editing-agriculture/），其以消費者為中心，旨在解決透明度問題。風險之六為知識產權保護與沖突：基因編輯技術的另一個引起廣大關注的風險是在知識產權領域，圍繞著Broad研究所張鋒與2位諾獎得主Jennifer A.Doudna和Em manuelle Charpentier團隊之間的專利糾紛使得這一風險被廣為宣傳。最終在當地時間2022年2月28日美國專利商標局（USPTO）經過裁定宣布張鋒擁有CRISPR基因編輯技術的專利，落下帷幕。但那些控制農業應用基礎知識產權的人已經表示，愿意將其技術許可給公共機構和公司，使基因編輯產品得到開發和走向商業化。然而，缺乏關于最終所有權的解決方法仍會給使用該技術開發的產品帶來長期的不確定性。需要明確的法律裁決來指導作物育種者，特別是那些資源有限的育種部門，如果知識產權的不確定性得不到解決，可能會避免或延遲使用基因編輯技術。

3 基因編輯作物與縣域經濟發展

由于現代農業技術的廣泛應用，包括改良作物品種、化肥和殺蟲劑的使用，中國人民享受了越來越豐富的食物。盡管如此，糧食安全仍然是中國面臨的一個重大挑戰，中國每年必須進口近1億t大豆和數千萬t玉米及其他谷物。為了進一步提高生活水平，同時減少糧食進口，中國一直大力支持農業研究，特別是育種[11]，圖1展示國內10年間基因編輯技術學術傳播情況，進一步分類發現與農業相關的占比為最重，如圖2所示。2022年1月24日我國農業農村部印發《農業用基因編輯植物安全評價指南（試行）》，該指南為基因編輯作物育種的商業化鋪平了道路，標志著中國將開始批準基因編輯作物，對我國生物育種技術研發與產業推動具有重要意義。

圖1 10年間基因編輯技術學術傳播圖示

圖2 生物技術在不同領域發展分析示意圖

技術的發展離不開現實操作層面的支撐。縣域經濟是國民經濟的基本單元，是連接城鎮和鄉村的重要樞紐，具有區域性、綜合性、層次性、集聚性和擴散性等特點。發展縣域經濟對縮小我國城鄉差距，解決“三農”問題和全面建設小康社會都具有決定性意義[12]，因此也是實現基因編輯作物研發和推廣的現實基礎。較低的農業現代化水平導致中國縣城產業結構水平較低，農業現代化水平提升會促進縣城產業結構升級[13]。基因編輯產業是知識創新、技術創新、成果轉化和規模化生產各個環節的整合，過去10年隨著技術的不斷完善，科研人員的不斷成長，使得在縣域水平有望實現完整的技術和人員配備。2022年5月6日中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于推進以縣城為重要載體的城鎮化建設的意見》，其中提到合理發展農產品主產區縣城。推動位于農產品主產區內的縣城集聚發展農村二三產業，延長農業產業鏈條，做優做強農產品加工業和農業生產性服務業，更多吸納縣域內農業轉移人口，為有效服務“三農”、保障糧食安全提供支撐。以“糧頭食尾”“農頭工尾”為抓手，培育農產品加工業集群，發展農資供應、技術集成、倉儲物流和農產品營銷等農業生產性服務業。過去農業發展依靠財政補貼維護了農業從業人員的基本收益，保障了糧食種植面積的穩定。未來農業發展需要依靠技術的進步，在不降低經濟福利的前提下來減少溫室氣體排放和改善人居環境。相關研究成果表明，建立在健康和氣候變化目標基礎上的農業補貼計劃具有經濟可行性，并有助于向健康和可持續的糧食系統過渡。人口與消費的變化將會促進農業生產多樣化，水果、蔬菜和其他園藝產品的消費量將會顯著增加。消費的變化特別是水果和蔬菜的消費變化會降低與飲食相關的死亡率，預測到2030年死亡人數將會因此減少40萬人左右。與飲食相關的死亡率的降低帶來勞動力供應的增加，進而促進相關行業的經濟效益，在未來有望通過技術的進步實現降低政府補貼進而減輕財政負擔，提升分配效率，結合勞動力增加帶來的收益，將在縣域農業發展實現凈收益[14]。隨著農業現代化水平的不斷提高，縣域產業結構的合理化水平也不斷提升。最終資本要素向農業流動，勞動要素向非農產業流動，進而提高農業的勞動生產率，縮小農業部門勞動生產率與非農部門勞動生產率之間的差距。因此，如何在縣域層面利用好技術的發展來提高農業產業附加值，依靠提升農業生產效率來實現農業現代化顯得尤為重要。

到目前為止，人類社會在經濟方面一共經歷了4個時代的變遷，不同時代分別對應4種經濟形態：狩獵采集經濟、農業經濟、工業經濟和信息經濟。目前我國正處于信息經濟從創新階段步入成本競爭階段，而以生命科學和生物科學技術研究發展和應用這2門學科為基礎的技術進步將會產生一場生物科學技術的革命，這場革命形成的生物產業將成為第四次產業革命的主導，開啟一種全新的經濟形態——生物經濟時代[15]。在基因編輯技術之前，我國廣泛應用的生物技術產品為抗蟲棉，張社梅[16]統計在整個技術周期的各類收益，僅科研投資回報率就高達65%。2022年5月10日國家發展改革委發布《“十四五”生物經濟發展規劃》，其中和農業相關的是加快生物育種技術賦能生物農業產業。其中提到有序發展全基因組選擇、系統生物學、人工智能等生物育種技術，提高糧食等重要農產品生產能力和質量；發展綠色農業，促進前沿生物技術在農業領域融合，提高我國農業生產效率。目前，通過朱健康和高彩霞等科研人員的推動，我國基因編輯相關的農業論文發表數量是美國的2倍[17]。對我國農業發展而言基因編輯優勢在于：①可以改善作物品質。基因編輯不僅局限于種業，還可以面向食品市場，市場規模更大。②基因編輯不僅局限于大田作物，還可以廣泛應用于經濟作物。③基因編輯為內源基因調節方式，可以消除外源基因插入帶來的風險。植物新品種的創新能力與農業經濟發展互為格蘭杰因果關系，且植物新品種創新能力對當期及滯后1～3期均對農業經濟發展產生正向影響[18]。因此，伴隨基因編輯技術的發展會進一步提升農業生產、物流和消費環節的配合效率，通過管理措施——數字農業[19]，可以獲得較大的提升空間。尤其是在我國信息技術領域及核酸檢測領域的不斷發展，使得生物信息對于基因編輯技術有了更進一步的效率提升，圖3顯示我國10年間生物信息學術的傳播情況，檢測手段不僅提高了基因編輯的安全性，同時實現消費者權益的保障。更為重要的是生物經濟的發展將會實現以農業為基礎的縣域生態水平的提升，做到兼顧經濟、社會、生態這3方面的效益，用最小的資源投入和生態環境影響來獲得最大的社會經濟產出[20]。

圖3 10年間生物信息學術傳播圖示

4 結束語

隨著縣域經濟的不斷發展和人才的不斷聚集，技術的作用將會得到極大的提升[21]。基因編輯技術將會在未來的不同縣域層面實現生態發展最優解，使縣域經濟承接傳統產業轉移的同時實現農業生產轉型，解決縣域經濟增長與生態環境資源之間的矛盾，有效改變過去農業生產高投入高產出所帶來的能源和物質消耗。同時不同縣域之間生態環境稟賦的差異及地方特色農產品的差異化發展也將有效避免同質化競爭，同時技術的發展進一步強化不同縣域間農產品優勢的差異，在一定程度上實現生態多樣性保護的目的，更為重要的是，多態性的發展將會避免類似馬鈴薯晚疫病對愛爾蘭馬鈴薯帶來的毀滅性打擊[22]。正如工業革命離不開馬鈴薯的參與一樣，未來縣域經濟發展以致偉大復興離不開農業技術和種植品種發展所帶來的各類紅利。