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《转基因植物：营养丰富，可持续发展，但价值被低估》

  • 来源专题：食物与营养
  • 编译者： 李晓妍
  • 发布时间：2020-12-11

  • 与营养不良作斗争是全球卫生方面最大的挑战之一。植物性食物提供各种各样的营养物质，这些营养物质对充足的营养至关重要，可以促进健康。不幸的是，大部分被广泛食用的作物都缺乏这些营养素。生物强化是提高粮食作物营养质量过程的总称。传统的生物强化农业育种方法耗时长，但可以提高某些食品的营养价值；然而，分子生物学的进展正被迅速地用于对各种作物进行生物强化。在全球范围内，对消费者和政府机构来说，转基因生物是一个有争议的话题，绝大多数人对这项技术感到担忧。“黄金大米”经过基因改造，使其富含胡萝卜素，是农业生物技术的前景和忧虑的领头羊。尽管基因生物强化作物还有许多其他营养目标，本文简要地总结了提高铁和叶酸浓度的工作。此外，还研究了利用转基因食品影响肠道菌群的可能性。几十年来，植物生物技术已经测量了养分浓度的变化；然而，许多生物强化作物营养物质的生物利用性尚未得到证明。

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  • 《转基因植物新材料育种价值评估》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：zhangyi8606
    • 发布时间：2020-10-11
    • 作者：姜奇彦 胡正 孙现军 张辉 （中国农业科学院作物科学研究所） 引言 当前，以转基因育种为代表的生物育种技术发展迅猛，正在推动常规育种全面升级，引领育种产业发生重大变革。从研发进展来看，从基因克隆到新品种培育就像一个金字塔，众多实验室开展了基因克隆、功能分析及优异基因挖掘的研究工作，组成了转基因育种的重要基石。优异基因的遗传转化、转基因材料的创制和目标性状的功能效率评价，作为转基因育种的一个重要阶段承上启下。之后优异的转基因材料从实验室走向田间，完成小、中、大规模的中间试验、环境释放、生产性试验阶段，经受住严格的安全性评价，包括食品安全和环境安全，然后才可以申报安全证书。走到这一阶段的材料可以说是凤毛麟角了。但随着我国转基因研究成果的不断涌现，取得生物安全证书后的转基因植物是否可以作为种质资源利用，进入育种程序，它们的育种利用价值如何，还需要深入评估，才可以不断缩小克隆的基因与育种利用之间的差距，加速转基因作物新品种培育的育种进程。 顾名思义，育种价值评估就是对转基因材料进行育种利用价值进行评估，具体包括功能基因知识产权分析，育种利用价值评估，以及转基因新材料保存及育种价值评估信息管理等几个方面。 功能基因知识产权分析 转基因新材料育种价值评估和知识产权分析有什么关系呢？在世界各国加快培育生物产业、抢占生物经济发展先机的激烈竞争中，知识产权成为占领生物技术制高点，圈占世界生物遗传资源的有力工具。据不完全统计，主要发达国家和国际生物技术公司在农业生物技术领域部署的专利、品种权等知识产权数量估计在30万件以上。与跨国种业巨头相比，国内研究机构在知识产权拥有量，特别是核心功能基因的专利数量与质量上还存在较大差距，很容易陷入跨国公司的知识产权陷阱，从粮种源头丧失保障国家粮食安全的能力。面对发达国家远谋深虑的知识产权布阵设防，必须对我国重要性状基因的知识产权进行科学系统的分析，通过掌握这些重要功能基因在全球知识产权保护的范围、重点及趋势，设计出我国转基因农作物新品种培育、转基因育种成果产业化的合理发展路径，才能有效突破发达国家的专利封锁与围剿，培育出具有自主知识产权的功能基因和生物新品种，这样的转基因新材料才具有更高的自主创新性和更大的育种利用价值。 知识产权的分析包括很多方面，如转基因技术，克隆的基因，甚至包括转基因过程中用到的一些载体、菌株、启动子等。主要通过专利广泛检索获取原始数据，然后进行数据处理、分析和解读，进行知识产权分析，最终为我国的转基因事件提出规避专利纠纷的建议策略。如日本烟草公司（Japan Tobacco INC）建立的农杆菌介导的小麦遗传转化新技术的转化效率高达40%，给小麦功能基因的研究带来了革命性的发展机遇。如果使用该技术，需要从日本烟草公司购买该项专利技术的使用权，并签订相关的规范性文件。而遗传转化过程中用到的载体如pCambia3301、菌株如LBA4404和ubiquitin启动子都是在生物学研究常用的，不受专利保护。采用具有独立自主知识产权的愈伤组织特异性表达的启动子CP代替35S/Ubi来启动选择性标记基因的表达，可以回避因Monsanto公司持有35S启动子而可能产生的专利权纠纷。 转基因植物新材料育种价值评估 转基因生物育种是一项系统科学工程，包含基因克隆、遗传转化、转基因材料创制、新品种培育、产业化推广应用等环节。例如在杜邦先锋种业公司，将转基因生物技术发展归纳为七个阶段（A到G），包含A（New ideas）、B（Evaluate genetic approaches）、C（Optimize gene construct）、D（Create commercial event）、E（Commercial event to regulatory）、F（Breeding and testing）、G（Sell product），其中将E具有育种利用价值的“最佳转化事件”定为最重要的阶段。在我国也在不断加强基因和育种材料的利用价值评估工作，目的是筛选具有重要应用前景的基因和材料，并快速应用于新品种研发。 转基因植物新材料的育种价值评估主要针对目标性状，如抗病虫、抗逆、高产、优质等等。首先明确目标性状的鉴定技术，制定或完善转基因植物目标性状鉴定技术规范或技术标准，利用这些规范或标准对转基因植物新材料的育种利用价值开展综合评估，最终筛选出有重大育种价值的基因和转基因作物育种新材料，应用于转基因生物育种。 对于重大育种价值基因针对不同性状，我国也有初步的判定标准。总体来讲，转基因或分子标记辅助育种研究结果表明重大育种价值基因应该对目标生物的重要经济性状具有显著改良效果，但对其他性状无不良影响。具体举例来讲，如抗棉铃虫性状，参考国家现有棉铃虫抗性标准，抗性达1级以上；如小麦各类抗病性状，抗性达1级以上；如植物抗逆性状，在半致死剂量逆境条件下，与对照相比，转基因作物存活率提高10%以上；在正常环境下，对作物生长发育没有显著负面影响；抗除草剂性状，抗草甘瞵EPSP合酶基因，可以耐受4倍生产上使用剂量的草甘膦，抗草甘瞵N-乙酰转移酶基因，可以耐受4倍生产上使用剂量的草甘膦；作物高产性状，通过转基因或分子标记辅助选择在作物中进行了基因功能验证，提高作物产量5%以上；作物品质性状，极显著改进外观品质，如籽粒外观、加工品质、食味、营养价值等性状，极显著改进度量品质，如纤维长度、强度、细度；作物蛋白质、淀粉、油分、油酸和不饱和脂肪酸、赖氨酸、含硫氨基酸等性状，性状值提高5%以上。养分高效性状，能明显提高养分的吸收或利用效率，与对照相比，在产量不变的前提下，能减少5%-10%氮、磷或钾肥的用量，或在同等施肥条件下，产量比对照提高5%以上；光能高效性状，能明显提高目标作物的光能吸收或利用效率，与对照相比，光能利用效率或抗光氧化能力提高5%以上，或生物量/产量比对照提高5%以上。 对于转基因育种新材料需要具备目标性状表现突出、重要经济性状表现稳定的特点。举例来讲，抗白叶枯病转基因水稻，抗白叶枯病效果达到高抗。鉴定标准参照国际水稻研究所9级分级标准。耐盐转基因水稻，耐盐效果达到中抗以上，鉴定标准参照国际水稻研究所制定的9级分级标准制定。高产转基因水稻，与受体对照品种比较，产量增加10%以上；与区试对照品种比较，产量增加5%以上。抗逆转基因小麦，抗旱性达到极强或强水平，鉴定方法参照2008年农业部颁布实施的“小麦抗旱性鉴定评价技术规范”（GB/T 21127—2007）。高产转基因玉米，东北春玉米区，与受体对照品种比较，产量增加8%以上，与区试对照品种比较，产量增加6%以上；黄淮海夏玉米区，与受体对照品种比较，产量增加5%以上，与区试对照品种比较，产量增加3%以上；西南山地玉米区：与受体对照品种比较，产量增加10%以上；与区试对照品种比较，产量增加5%以上。针对不同的作物，不同的性状，都有各自初步的判定标准。 转基因新材料保存及育种价值评估信息管理 完成了对自主创新的新基因或转基因新材料的目标性状的评价似乎就完成了转基因作物育种价值评估过程。但从长远来讲，这些新材料的保存及信息、材料的共享利用，对于转基因材料在作物育种中的安全、广泛应用也很重要。 我国已建立了国家农作物种质资源库和保存中心，长期保存各类农作物基因资源39万余份，建立了农作物基因资源信息系统和农作物基因资源共享平台。国家种质库未针对转基因材料建立专门的保存设施，尚无转基因材料保存的相关技术标准，在保存手段上相对单一，不能较好地满足转基因材料的保存需求；现有的基因资源信息系统也未制定基因和转基因材料的相关数据标准，转基因材料的信息尚未进入基因信息数据库中，基因和转基因材料的信息，尤其是育种价值评估信息的共享几乎是空白，严重影响了转基因材料的深入和持续利用。许多转基因新材料未纳入国家种质资源保存体系，导致转基因材料分散于各研究单位或专家手中，不利于转基因材料的长期保存和利用，也容易引起潜在的基因污染。因此，迫切需要在国家农作物种质资源库的基础上建立转基因材料的国家管理和保存体系，对转基因材料进行集中编目、接收、检测、保存和分发利用，并建立基因和转基因新材料的数据库，开发信息管理系统，实施跟踪管理，并实现新材料与信息的社会共享。对转基因作物育种价值评估的范畴也应该包括对转基因材料保存的安全性、基因和转基因信息数据库的完善度、信息及材料共享利用的可行性等进行评估，为转基因材料在作物育种中的安全、广泛应用提供重要的保障。 当然，随着各种类型的转基因新材料的不断涌现，转基因新材料在作物育种应用中各种新问题的出现，以及育种家对转基因新材料应用的各种新要求的提出等，对转基因植物育种价值评估的内容及标准也会不断完善和更新，确保转基因新材料在未来转基因生物育种中发挥更重要的作用。
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  • 《牧场或可借助登山牛提升可持续发展能力》
    • 来源专题：农业科技前沿与政策咨询快报
    • 编译者：梁晓贺
    • 发布时间：2017-11-28
    • 加州牧场现饲养超过500万头牛，多数牛喜欢在山谷或河边逗留、吃草，牛的这种习性极易造成部分河岸的过渡放牧，而山坡的优质草场资源被浪费。但是，有的牛拥有不同习性，比如酷爱登山、喜欢边走边吃。如果能让牛多去山坡吃草，将有助于提升加州甚至整个美国西部农场的产量，促进牧场的可持续发展能力。基于此，一批研究人员正在设计操作简便、成本低廉的基因检测方式，帮助农场主繁殖登山牛，改善牧场中牛的分布结构。加利福尼亚大学戴维斯分校（California, Davis）动物遗传学专家胡安·梅德拉诺（Juan Medrano）就是其中的一位科学家，目前，他正与墨西哥州立大学草原学教授德瑞克•拜里（Derek Bailey）及科罗拉多州立大学的动物遗传学专家弥尔顿·托马斯（Milton Thomas）等开展合作研究 。胡安·梅德拉诺说：“这项研究可谓激动人心。借助DNA技术对牛的产奶量、生长速度等生产性状进行测试和培养还算容易，但鉴别有关动物行为的遗传标记还是前所未有的。研究结果可能对食品安全和牧场管理产生巨大影响。”该项研究获得了“西部可持续农业研究与教育”项目（Western Sustainable Agriculture Research and Education）的经费支持。 加州的山地丘陵广布，三分之一土地都是牧场，多达3, 800万英亩，多数地区有专人看管，用以养殖牲畜。放牧不仅能为牲畜提供食物，对环境也大有裨益。通过放牧能够清理杂草和入侵物种，还能涵养水源，固存二氧化碳，保护稀有动植物栖息地。但是，如果过度放牧，特别是牛在河边出没过于频繁，也会带来危害。譬如，牛粪、产犊等行为会影响水质，危及河流下游居民。加州就是一个典型的例子，当地80%的饮用水和灌溉用水都储蓄在牧场中，或者流经牧场。 加州大学戴维斯分校的研究人员已经和当地牧场主合作了几十年，针对过度放牧、牛频繁聚集在河边等问题研究出了一些对策，如搭建栅栏、在远离河流的山脊提供水源和舔食盐块。但是，牧牛工经常在低洼牧场放牛，这些对策对人力的消耗比较大，只能暂时性缓解问题。墨西哥州立大学草原学教授德瑞克·拜里多年从事牛研究，具有丰富的研究经验。他发现有些牛像鹿一样喜欢爬山，就算草长到它们肚子那么高，它们还是会直奔山丘。借助登山牛喜欢爬山这一特征，进行动物天性和人工培训相结合的实验研究，或许可以成为行之有效的解决方法。梅德拉诺的研究团队很快将设计出基因测序方法，对小牛犊是否会继承父系的登山特征进行测序。 为了挑选登山牛，梅德拉诺的研究团队对西部3个州中7个农场的180头牛进行测试，分别为每头牛套上装有GPS定位功能的项圈，每隔10分钟采集一次数据，每个观察周期持续一个月。对牛去山坡的频率、爬坡高度及离水源地的距离等参数进行了统计并采集血样，进行染色体共性分析。结果发现，控制运动、动机和空间学习的基因存在重合部分。据梅德拉诺介绍，目前实验开展得非常顺利，很快就能针对牛的爬山行为进行特征培育。 众所周知，不论是动物还是植物，特征培育结果经常会出乎意料，比如会出现患病率增加、小牛太轻等问题。研究人员也非常重视这个问题，目前尚未发现登山行为与不良性状有直接关系。此外，研究发现登山牛的小牛断奶体重、怀孕率、血压、性情等指标反而普遍高于普通牛。研究人员认为通过特征培育方法培育登山牛，并朝着这个方向移动钟形曲线（bell curve），再辅以搭建栅栏、人工放牧等管理手段会取得良好的成效，加州牧场主们也很期待这种做法。培育登山牛，牧草消耗会比较均衡，既有利于牲畜生长，又可以保护环境，对生态和经济都有好处。 （编译 梁晓贺）
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