1、生物技术在农业上的应用和前景摘要：生物技术的定义为应用生命科学研究成果，以人们意志设计，对生物或生物的成分进行改造和利用的技术。现代生物技术综合分子生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、胚胎学、免疫学、化学、物理学、信息学、计算机等多学科技术，可用于研究生命活动的规律和提供产品为社会服务。生物技术在农作物中已有广泛的应用。最初通过遗传工程获得而进入市场的作物是：玉米、大豆和棉花。它们经转基因后具有抗除草剂和棉铃虫的能力。这种玉米、大豆和棉花从Bt 细菌获得基因，经遗传改良后具有防虫害的能力。利用 Bt 细菌获得经遗传改良的作物的潜力是相当大的。例如：美国有 200 万 hm2 的 Bt 棉花，
2、澳大利亚有 40 万 hm2，两者各相当于 2.5 亿美元价值。如果将 Bt 玉米引种在美国1000 万 hm2 的土地上，只要增产 5%，就意味着能增加 3.5 亿美元收入。这项技术进一步促进了 Bt 制剂控制虫害在商业上的应用。除此之外，还有许多经转入特定基因的玉米品种，这些品种能同时抗除草剂和一些虫害。因此生物技术在农业上的应用主要集中在育种，转基因，病害虫防治。关键词 生物技术 育种 转基因 病害虫防治（一）生物技术在育种的应用1.林木组织培养育种的现状和进展。自 60 年代以来利用生物技术育种的植物已达近 1000 种，1978 年，美国豪惠公司利用火炬松优树的组培苗进行小面积的造林
3、，而美国的北卡州立大学南方林业研究中心也在进行同样的实验，1983 年美国斯苗圃已经有达 100 万株左右的组培苗，另外德国，法国，加拿大，巴西也在不同的育种领域上进行比较系统的研究，是育种能够进入实用化阶段。70 年代以来，中国科学院，中国林科院林业研究所，南京林业大学，北京林业大学，东北林业大学和许多的地方的林业科研究所和学校都开展了这方面的研究，先后分别有杨属，杉木，马尾松，泡桐，桉树，落叶松，火炬松，湿地松，马褂木，柚木，竹子等物种从器官，成熟胚，花药和愈伤组织诱导成苗，自 1983 年国家实施“六五”林业科技术攻关计划以来，我们的林木组培育苗研究已从实验室走向工厂化大生产。2.林木细
4、胞工程育种。林木细胞工程育种主要有，细胞胚胎发生和植株再生，人工种子技术，细胞工程育种的理念主要来源于 1902 年 haberlandt 提出的植物细胞的全能性，通过植 物 体 细 胞 杂 交 原 生 质 体 的 分 离 。 植 物 细 胞 之 间 有 果 胶质 粘 连 ， 每 个 细 胞 之 外 还 有 一 层 纤 维 素 组 成 的 壁 ， 因 此 ， 在 分 离 原 生 质 体 时 ，首 先 要 在 一 定 浓 度 的 酶 液 (果 胶 酶 与 纤 维 素 酶 )中 保 温 ， 消 去 果 胶 质 与 纤 维 素后 才 能 使 原 生 质 体 分 离 出 来 ， 原 生 质 体 的 融
5、 合 。 不 同 种 之 间 原 生 质 体 的 融 合 ，须 选 用 一 种 融 合 诱 导 剂 (聚 乙 二 醇 ， 或 高 钙 CaCl2.2 啹 O,0.05M 溶 于 甘 露 醇 0.4M 和 pH10.5)诱 导 融 合 。 它 们 的 诱 导 率 可 达 20 50%。 杂 种 细 胞 的 选 择 与培 养 。 细 胞 融 合 后 要 把 杂 种 细 胞 选 择 出 来 。 一 般 都 利 用 各 种 生 化 指 标 和 遗 传标 记 来 选 择 和 鉴 定 。 例 如 ， 使 用 天 然 的 或 人 工 诱 变 的 突 变 体 ， 如 白 化 苗 、 营养 缺 陷 型 、 抗
6、药 性 突 变 体 等 ， 或 根 据 不 同 材 料 对 激 素 敏 感 性 不 同 ， 生 长 差 异等 ， 来 设 计 适 合 的 选 择 系 统 。 如 果 融 合 的 原 生 质 体 一 个 是 白 化 ， 另 一 个 具 叶绿 体 ,就 可 用 机 械 的 方 法 ， 把 融 合 的 细 胞 在 倒 置 显 微 镜 下 把 它 们 挑 选 出 来 进 行培 养 。 这 些 细 胞 培 养 到 各 个 发 育 阶 段 ， 如 愈 伤 组 织 、 分 化 苗 和 根 ， 都 需 要 更换 培 养 基 ， 才 能 使 它 们 顺 利 地 再 生 成 植 株 。 林 木 的 体 细 胞 育
7、 种 技 术 从 70 年代 后 期 就 开 始 了 ， 到 80 年 代 后 期 -90 年 代 初 期 得 到 迅 速 的 发 展 ， 并 获 得 了极 大 的 成 功 ， 全 世 界 在 体 细 胞 诱 导 成 功 的 100 多 种 植 物 中 ， 就 有 40 多 中 来自 木 本 植 物 中 。（二）生物技术（转基因）在农业上的应用1983 年世界上第一例转基因植物在美国成功培植，标志着转基因技术的正式诞生。在随后近 20 年时间里，转基因技术获得了迅猛发展，2001 年全球转基因（GM-geneticallymodified）作物种植面积超过 5000 万公顷，2002 年更是创
8、出了历史新高，达 5867 万公顷。自转基因（GM）作物中获益的农民数量从 2000年的 350 万增加到了 2001 年的 550 万。2001 年度从 GM 作物中获益的农民有3/4 以上是资源贫乏地区的种植者。目前全世界 80%的转基因农作物出自孟山都（Monsanto） 、杜邦等 5 家跨国公司。这些公司拥有相关基因、作物和种子的专利权，对转基因产品的市场拥有垄断性的控制权。美国是转基因技术应用最多的国家。自 20 世纪 90 年代初将基因改制技术实际投入农业生产领域以来，目前占美国农产品年产量 70%的大豆、45%的棉花和40%的玉米已逐步转化为通过基因改制方式生产,其种植面积占全球
9、转基因作物种植总面积的 66%。目前，大约有 20 多种转基因农作物的种子已经获准在美国播种，包括玉米、大豆、油菜、土豆和棉花。据估计，从 1999 年到 2004 年，美国基因工程农产品和食品的市场规模将从 40 亿美元扩大到 200 亿美元，到 2019年将达到 750 亿美元。在英国则有几千种加工食品(包括粮、肉、奶、糖等)含有转基因或基因修饰产物成分。其他还有阿根廷、加拿大也是转基因农业生产发展迅速的国家。目前全球基因作物种植面积的前四名分别是美国、阿根廷、加拿大和中国。其中，美国种了 3570 万公顷，阿根廷 1180 万公顷、加拿大 320 万公顷，中国为150 万公顷。这 4 个
10、主要国家种植了全世界 99%的转基因作物。近年来，我国的转基因研究取得了较大发展，并且在基因药物、转基因作物、农作物基因图与新品种等方面具有相对比较优势。但真正进入商业化生产的则较少，就农作物而言，已批准商品化的转基因作物有 4 种：棉花、西红柿、甜椒和矮牵牛花。其中，食品只有西红柿和甜椒两种，甜椒由于缺乏优良品种实际并未大面积播种，而转基因西红柿已达几万亩。我国是世界上第二个有转基因抗虫棉花自主知识产权的国家，国内已有 12个抗虫棉品种通过审定，2002 年种植面积占棉花总种植面积的 40%,累计推广面积达 2000 万亩，减少农药用量达 30%，增加皮棉 1 亿公斤，创造经济效益 50亿元
11、人民币。在中国的进口转基因作物中，大约有价值 10 亿美元的转基因大豆来自美国和阿根廷，总数量相当于中国全部的大豆产量。据国际有关方面预测，到 20l0年，世界转基因食物的市场总收入将达 30000 亿美元，其中仅转基因食物的种子收入就可达 3000 亿美元。届时，全世界转基因食物的种植面积将从 2000 年的3900 万公顷增至 10000 万公顷。 （三）生物技术在病害虫防治应用所谓生物防治法，即是用昆虫在自然界中的捕食天敌、寄生性天敌及病原微生物，来降低昆虫族群的数量而达到作物保护的目的。目前人类研究较透彻、应用比较广泛的生物防治法为微生物防治法，亦即以昆虫的病原微生物来诱发昆虫产生疾病
12、或死亡。 主要阶段和方法如下，第一阶段指本世纪五十年代以前的历史技术为标志，人类为觅食求生存与大自然作抗争的过程中就自觉和不自觉利用了生物物种之间存在的相互依存相互的关系引鸟治虫以虫治虫等，第二阶段指五十年代后期到七十年代后期的这个时间段，或称为近代进步阶段，以 1940年青霉素的大量生产可作为近代生物技术开始应用为标志，而第三阶段则以1973 年美国科学家阿瑟.科贝伯格开创脱氧核糖核苷酸（DNA）重组技术为标志。1.细菌微生物防治法1950 年代苏力菌产品在西方国家开发成功，广泛应用于农林业。然而由于为吞食性的农药，药效较慢，必须由目标害虫的幼虫吃食后，才逐渐发生死亡现象，不像一般有机合成化
13、学农药为触杀性，因此一直未受到农民的重视。近年来由于许多害虫已对多种化学农药产生抗药性，再加上社会大众环保意识的觉醒，使得苏力菌又再度受到重视。欧美等环保先进国家已透过立法，于森林水源区及某些特种作物区，强制施用苏力菌。 苏力菌具有许多变种，其中最具杀虫效力的为苏力菌克氏变种（B. thuringiensis var. kurstaki，简称为 Btk），目前大部分商业化产品均由 Btk制成。此外，1978 年法国人 de Barjac，又发现一苏力菌以色列变种（B. thuringiensis var. israelensis，简称 Bti），对鳞翅目昆虫仅具极微小的杀伤力，然而却意外地发现
14、，其对蚊蚋类幼虫有很强的毒杀力。经由世界卫生组织的大力推动，目前 Bti 产品已广泛使用于非洲及东南亚地区，用来控制病媒蚊虫传递的流行性疾病且颇具成效。 除了上述苏力菌外，另有三株同属好气孢子杆菌属（Bacillus）的菌种，在微生物防治上有较深入的研究：一、球形孢子杆菌（B. sphaericus）于生长过程中，会产生对蚊子幼虫有很强毒杀力的毒素，目前此菌已制成商业化产品；二、日本甲虫孢子杆菌（B. popilliae）及三、慢性病孢子杆菌（B.lentimorbus，此二者对甲虫类昆虫的幼虫具杀伤力，其中日本甲虫孢子杆菌已有产品应市，在北美用于防治为害森林的日本甲虫效果很好。至于其它不产生
15、内孢子的昆虫病原菌则仍停留在研究阶段，尚无实际应用的例子。2.病毒防治法，已知的昆虫病原病毒约 650 种以上，其中有实用价值者多属具有蛋白质荚膜的病毒，此外层蛋白质荚膜具有保护作用，可防止紫外线破坏病毒的活力。此类病毒在昆虫细胞内往往形成深色的颗粒体；其中研究较透彻并具实用价值者包括一、核多角体（nuclear polyhedrosis virus，简称 NPV）；二、质多角体（cytoplasmic polyhedrosis virus 简称 CPV）及三、颗粒病毒体（granulosis virus，简称 GV）。 由于病毒必须在活组织内方能生长繁殖，因此欲大量生产病毒制剂比较困难。可行
16、的生产方式有二；一为虫体直接培养后，收集虫体加以制剂配方作成产品；一为体外动物细胞培养法，将昆虫细胞株培养于大型培养槽内，再经接种病毒、收集、配方后制成产品。已往传统方法以前者为主，但近年来由于细胞培养技术及设备的改良，已使细胞培养法逐渐具竞争性。3.真菌防治法，在自然界中，昆虫受真菌感染而致死者占了很重要的一个地位；然而很意外的是，以人为方法用真菌作成产品来控制虫害的例子却很少。目前已知约 500 种以上的真菌能造成昆虫感染，其中有许多具有发展为商业化产品的潜力。事实上真菌的发酵生产很易进行，如能进一步加强基础知识的研究，其未来的潜力极大。 4.原生动物防治法，已往在防治害虫上有关原生动物的
17、资料，大多是由自然界的调查资料而来，真正应用的实例并不多。由于其对昆虫的毒杀力不够强、安定性欠佳及生产不易，因此目前尚无商业化产品。根据已有的数据显示，纤毛虫类（ciliates）、鞭毛虫类（flagellates）、球形虫类（coccidia）、变形虫类（amoebidae）、真簇虫类（eugregarines）、新簇虫类（meogregarines）及微孢子虫类（microsporidia）中的一些品种，均能引起一些特定昆虫的慢性疾病。 由于原生动物对昆虫造成的致死率并不高，因此只被视为自然界调节昆虫密度的一项因子。只有在环境中植物遭受低水平昆虫为害时，方可看出其调节的功效。此外也可配合其
18、它防治方法，使昆虫对原生动物更具感受性，进而达到防治目的。近年来，虫害防治观念已逐渐转变为保存或扩大自然防治因子，而达成防治虫害的目标。因此，以原生动物配合其它防治方法，亦将在虫害综合防治上扮演部分角色。 （四）生物技术给农业带来的思考和前景从经济角度上讲，生物技术带来的不利并不明显，然而，它会引起发达国家与发展中国家贫富差距进一步扩大。因为，生物技术公司主要集中在发达国家，发达国家可以通过输出生物技术产品而获得利润。与此同时，发展中国家由于技术、及其产品还远没有被广泛接受。 生物技术可能引起生产方式和人类健康的退变。这种情奖品可能会随着需要特定处理的转基因作物的出现而产生，特别是抗除草剂的转
19、基因作物出现。农民必须从同一公司购买种子和除草剂，否则除草剂起不了作用。同样的问题也可能在需人造肥料的转基因作物上出现，这些转基因作物会取代传统的依靠有机肥的作物，后者在发展中国家是很普遍的，并且也有利于环境保护。生物技术在食品上的应用对发展中国家的农民也会造成许多困难。生物技术也会对人类的健康制造麻烦。近年来在英国已有这方面的报道。特别是当能引发人体过敏反应的基因转入农作物时，例如，坚果能引发人体过敏反应，若它的基因被导入其他作物，则有可能其他作物也会引起人体过敏。为了预防起见，转基因作物产品必须经免疫测定筛选后才能利用。生物技术也可能引发环境问题。人们利用生物技术生产出抗旱、耐盐、抗病虫害
20、作物同时，也导致生物多样性遭受严重破坏，甚至导致一些物种灭绝。这一结果是由于生物技术促进农作物向它原本不适应的地域扩张而造成的。生物技术同样加速土壤侵蚀和沙漠化。农业，尤其是耕作农业的扩张会增加除草剂、杀虫剂、人造肥料的使用，农业中不断投入的能源促进全球变暖。与此同时，氮素生物化学循环的改变也加剧了水体的富营养化，直接影响人类和动植物的生存。另一个令人担心的是：转基因植物、动物、微生物脱离当地农业生态系统所造成的危害。许多有意或无意的动植物引起当地严重的生态问题。最明显的例子是澳洲引进的兔子。1500 年以来，世界各国动植物的交流，有些已成为当地的有害动植物。至于转基因作物脱离当地农业生态系统
21、后有可能引发：第一，转基因作物使自生作物成为严重的杂草问题；第二，转基因作物通过杂交后产生杂种；第三，转基因作物影响食物安全。任何一种转基因作物都存在对生态环境产生冲击的可能性。 未来 20 年，随着世界人口的增长，农业将经历具有重大意义的革新。毫无疑问，生物技术作为科学和技术在这场变革中将起到关键性的作用。原则上讲，生物技术本身有能力帮助人们提高农业生产力和保护环境，但在实践中，生物技术作为环境保护的代理人其作用相对来说是微乎其微的。人们对它在环境保护以及促进人类进步中的作用仍将拭目以待。参考文献 中国农业科学导报 2000 第二卷（1） 南京林业大学 施季森 http:/ http:/ http:/ 1995 年 生物学杂志 第 6 期，甄茂清
