生物育种技术浅析

（一）何为生物育种技术

民以食为天，农以种为先，种子作为农业的”芯片”，在国家农业领域处于上游位置，而我国仍处于杂交选育为主，生物育种技术未投入大量实际应用的2.0阶段，由于生物育种技术在农业应用发展中有所不同，国内、外研究存在一定差距。 

我国种业科技的原始创新、集成创新能力不够，研究内容重复较多、研究力量相对分散，行业条块分割、科研布局分散，从而形成了育种手段相对落后、育种周期长、育种目标存在盲目性、重大突破性种质资源缺乏、品种遗传多样性狭窄的现状。要想打破这种现状，必须从源头抓起，而生物育种技术的合理推进，是强化种业科技创新的关键一环，也是实现种业自立自强的必要抓手。

生物育种的定义是培育优良生物的生物学技术。从生物遗传育种的科学发展过程和世界农业育种史来看，包括传统育种（杂交育种）、诱变育种、倍性育种（单倍体育种、多倍体育种）、细胞工程和染色体工程育种、分子标记辅助育种、转基因育种和基因编辑育种等方法。原始育种即人工驯化可视为育种 1.0时代，人类根据经验积累和肉眼观察，选择发生基因自然变异的农业生物，再经过长期人工驯化获得具有优良性状的品种。传统育种属于育种2.0时代，始于19世纪中叶到20世纪初，它主要是指利用杂交技术进行新品种的选育。它以孟德尔和摩尔根提出的遗传学三大基本定律——分离定律、自由组合定律、连锁和交换定律为理论基础，通过人工杂交来实现株高、产量、品质、抗性等优良性状改良，培育生物新品种。

分子标记辅助选择和转基因育种属于育种3.0时代，是指利用分子标记技术和重组DNA技术将抗病、抗虫、抗逆、提高产量、提高营养品质等功能基因转入受体生物中，获得稳定遗传的优异性状，结合常规育种培育新品种。它的优势在于可以实现已知功能基因跨物种的定向高效转移，能够解决传统杂交育种不能解决的重大问题。转基因育种已成为世界上应用速度最快的育种技术。根据国际农业生物技术应用服务组织（ISAAA）最新发布的报告，自1996年转基因作物商业化种植以来，转基因作物累计种植面积达27亿公顷， 为全球带来了2249亿美元的经济效益，惠及1600万～1700万农民（其中95%来自发展中国家）。据2019年数据统计，29个国家种植了1.904亿公顷的转基因作物，比1996年增加了约112倍。现在我们提到的生物技术育种属于育种4.0时代，是集各种前沿技术大成，包含转基因育种等分子育种及利用信息技术的智能设计育种的分子育种技术。现代生物技术育种体现了遗传学、分子生物学、基因组学、系统生物学、合成生物学和计算生物学等多种前沿科学的交叉融合，目的是培育出具有革命性、颠覆性、实用性的重大品种。

当前，世界种业已进入到“常规育种+生物技术+信息化”的育种“4.0 时代”，这对于用种量居世界第一的中国而言，既是挑战，更是难得的发展机遇。而要把握机遇，就要鼓励原始创新，有序推进生物育种产业化，构建现代生物育种创新体系，强化种质资源深度挖掘，突破前沿育种关键技术，培育战略性新品种，尽早实现种业科技的自立自强。

（二）生物育种技术的优势

现代生物育种依托育种 4.0 时代的先进技术，既包含育种 3.0 时代的转基因育种，还包括具有代表性的新一代技术如全基因组选择、基因编辑和合成生物学，这些创新技术已经取得重要成果，并在农业领域得到了应用。

1、转基因育种。农田杂草是指生长在农田中的一切非栽培植物，可伴随作物生长的整个时期，是农业生态系统中重要的生物组成部分。杂草能够不断适应气候、土壤、作物和管理的变化，极大地增加了它的防治难度，直接或间接地影响作物的产量和品质。为了提高杂草防控效果，耐除草剂作物应运而生。2019年，全球耐除草剂作物种植面积为8150万公顷，占全球转基因作物种植面积的43%；具有抗虫/耐除草剂复合性状的作物种植面积为8510万公顷，占全球转基因作物种植面积的45%；可以说全球种植的转基因作物有将近90%具有耐除草剂性状。耐除草剂作物大幅度降低了防治杂草所需要的农业劳动力，降低劳动力的投入，减少杂草对作物产量的影响。除了耐除草剂和抗虫性状之外，转基因育种技术还能增强作物对逆境（如干旱、盐碱、低温等）的抵抗力，使其能在恶劣的环境下正常生长、或扩大作物种植区域，间接提高作物总产量。下一步转基因育种将开发品质性状改良、杂种优势改良以及复合性状等新品种，在保障粮食安全的前提下， 提高人们生活品质。这些都是提升我国种业科技创新力的重要手段。

2、全基因组选择。全基因组选择是一种新的生物育种方法，首先估计全基因组上所有标记或单倍型的效应，从而得到基因组估计育种值(Genomic Estimted Breeding Value, GEBV)，通过在全基因组水平上聚合优良基因型，改良重要农艺性状。目前动物方面已有相关研究进展，而植物全基因组选择育种处于起步阶段。

目前，全基因组选择技术已经给动植物育种带来了革命性的变化，使动植物育种效率大幅提高，成为国际动植物育种领域的研究热点和跨国公司竞争焦点。我国已初步建立了以育种芯片为核心的水稻全基因组选择育种技术体系，包括利用高通量SSR标记技术鉴定筛选目标基因、利用OpenArray芯片技术鉴定筛选染色体区段单倍型、利用全基因组育种芯片技术鉴定筛选遗传背景等。

3、 基因组编辑。基因组编辑技术是指利用核酸内切酶在基因组的靶位点特异性切割，使双链 DNA 断裂，在诱导修复 过程中完成对目标靶基因的碱基插入、缺失、替换等类型定向突变，进而使得生物体获得新的性状。基因组编辑既是研究基因功能与改造基因组的重要手段，也是农作物重要性状改良的重要手段。与传统的转基因技术相比，基因组编辑技术具有靶特异性、效率高、精确性高、周期短等优点。基因组编辑在作物分子育种方面有着得天独厚的优势，能够对控制作物优良性状的基因进行精准的、有效的筛选，大大减少育种时间和育种筛选过程。

自2012年以来，基因组编辑技术已在水稻、小麦、大豆、玉米、棉花、油菜、大麦等主要作物品种培育方面取得了巨大进展如利用基因组编辑同时编辑棉花中的多个同源基因，改变棉花的农艺性状等。基因编辑技术的研究与利用一直是我国科研人员关注的热点。充分利用这种优势，可以帮助我国种业实现弯道超车。

4、 合成生物学。合成生物学主要是以分子生物学和分子遗传学等传统生物学为基础，结合多种组学和系统生物学的手段，采用基因合成、编辑、网络调控等新技术，并利用工程学和计算机指导设计新的生命体或者改造现有生命体的一门综合学科。

植物合成生物学是在植物基因工程和转基因技术的基础上发展起来的，利用核基因组和质体遗传，转化多基因叠加系统甚至是整个遗传通路。合成生物学可以通过提高植物光合作用效率、减少氮磷肥的使用、抵御非生物胁迫来提高作物产量，如在C3植物中从头构建简化的α-羧酶体使植物产生部分固碳能力，让C3植物具有和蓝藻一样的二氧化碳浓缩机制，实现高效率碳固定，增强光合碳同化作用。合成生物技术在农业领域的应用，为高效固碳、品质改良育种、等农业生产难题提供了革命性的解决方案。

（三）提升国内种业企业核心竞争力迫在眉睫

科研主体与市场主体进一步整合，加快研究成果和专利产业化、市场化实践应用。2019 年，科研院所和高等院校的专业专利申请数量占比为 45.43%，高于种业企业7个百分点；科研院所和高等院校获得授权的专利数量占比为45.61%，高于种业企业6个百分点，这与发达国家以种业企业为研发主体的育种体系是存在明显差异的。

据世界知识产权组织数据，美国拥有专利数量前10的机构中有6家为跨国企业，而我国拥有专利数量位列前10的机构全部来自大学和科研机构。造成这种现象的原因有二：一是国内科研院所和高校申请专利的动机主要是科研项目的成果验收、业绩考核和报奖评奖，对于专利是否转化及其效益关注较少，专利保护范围与权利要求与美国相比存在较大差距；二是多数国内农业企业由于缺乏高强度的资金投入以及高级研发人才团队，导致其创新能力较弱，获得的授权专利也较少。

《通知》提出要落实企业在农业转基因生物推广应用中的主体地位，支持企业组建创新联合体，促进创新资源互融互促。引导院所高校的优质农业转基因研发成果按照市场机制向企业集聚。针对高校和科研机构，逐步将以理论研究为主的科研考核体系向理论研究与实践应用并重转变，提升科研成果、专利转化应用在考核中的权重；针对市场主体，积极引导相关企业和高校、科研机构组建生物育种联盟，引导科研院所和高校侧重源头创新，以基础研究为主，将科研成果的应用与开发让渡给企业，集中优势力量开展关键核心技术、重要作物育种科研攻关，推动研发和产业资源进一步整合，形成合力强化我国种业创新。

文章内容引自：《转基因作物产业化最新进展》金文涌，《育种技术对种业科技创新的影响》黄耀辉