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全球生物育种技术发展,你知道多少?


近年来,生物技术、计算机技术的进步带动了育种技术的飞速发展,农业发达国家已经进入以“生物技术+人工智能+大数据”为特征的育种4.0时代。转基因技术、基因编辑技术、全基因组选择育种、基因组学成为当前国际生物技术育种研究的核心与前沿。那么,全球生物育种技术究竟发展如何?我们一起来看下~


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1. 转基因技术

转基因技术研发经历了从单基因到多基因转化的提升,如从单一外源功能基因的转化向包括调控基因在内的多基因转化发展;从技术应用角度来看,由第一代抗虫、抗病、抗除草剂的转基因作物,逐渐向抗逆(抗旱、抗寒、抗盐碱)、品质改良、营养改良、生物医药的转基因作物发展。美国是转基因技术的领导者,已进入商业化应用阶段。我国的转基因技术处于总体跟随、个别领先的状态。


2019年,全球共有71个国家和地区应用了转基因作物。美国是转基因作物种植面积最大、从中获得经济收益最多的国家,种植的转基因作物包括玉米、大豆、棉花、苜蓿、马铃薯、南瓜、苹果等,转基因大豆、玉米、棉花的平均应用率达到95%。相比之下,我国转基因作物种植面积就少的多,仅为美国的0.48%,主要种植品种是棉花和木瓜。

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从经济收益上看,1996—2018年,转基因作物种植国共获得经济收益2249亿美元,其中美国获得959亿美元,约占全球总收益的42.64%;我国约占全球总收益的10.32%;除美国外,经济收益排名靠前的国家分别有阿根廷(281亿美元)、巴西(266亿美元)和印度(243  亿美元)。


2、基因编辑技术

基因编辑技术是近年来生命科学领域的重大突破和研究热点。从技术研发角度来看,美国和我国处于领先地位;从技术应用角度来看,我国与国外基本处于同一起跑线,甚至在部分方向达到国际先进水平,如基因编辑技术在我国主要粮食作物(水稻、小麦)方面的研究处于世界领先地位。

 

2021年,哈佛大学怀斯生物工程研究所研究人员发明了Retron Library Recombineering(RLR)基因编辑工具,可以同时生成多达数百万个突变,“编码”突变细菌细胞,一次筛选整个库;能够在规律间隔成簇短回文重复序列(CRISPR)有毒或不可行的情况下使用,具有更高的编辑效率。

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3、全基因组选择育种

随着基因组测序技术和计算机科学的快速发展,全基因组选择育种对作物的产量、品质等复杂性状的预测效果已经有很大提升,未来有望成为作物育种过程中杂种优势预测、高产优质品种筛选的核心方法。

 

从技术应用角度来看,目前全基因组选择育种已在玉米、水稻等粮食作物育种方面有了较深入的研究,但在园艺作物方面的研究较少。拜耳公司(孟山都)、科迪华公司(陶氏杜邦)等国际种业巨头已在玉米等作物上实现了相关技术的规模化应用;美国是该技术的领跑者,德国、法国等国家的相关研究也较为领先。我国的全基因组选择育种研究尚处于起步阶段。

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4、基因组学

基因组测序技术的快速发展推动了作物基因组研究的突破性进展。我国是世界上较早启动作物基因组学研究的国家,已完成水稻、小麦、玉米、黄瓜等重要作物的基因组测序,初步掌握了这些作物遗传基因的功能性状,研究水平走在国际前列;开发了基于高通量基因组测序的基因型鉴定方法,开展了水稻、玉米农艺性状的基因组关联分析和功能研究。

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目前,我国水稻功能基因组研究整体水平处于国际领先地位,也是世界上最早使用第二代测序技术开展蔬菜基因组研究的国家,绘制完成了黄瓜、番茄、大白菜、甘蓝、西瓜等蔬菜和瓜果作物的全基因组序列图谱与变异图谱。在利用组学大数据挖掘重要农艺性状基因方面,我国与发达国家处于同一水平。



未来30年,预计全球人口将达到100亿。作物的品种改良在一定程度上可以帮助我们解决100亿人口的粮食问题,经过育种家和植物科学家的努力,未来的作物也会更高产、更有营养、抗病抗虫并且智能适应气候变化。 


来源:中国工程院院刊


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