我国转基因抗虫棉的研发往事：一场跨越十余年的国际竞争

研究背景

抗虫棉的研究源自国家高技术研究发展规划(863计划)的组织和实施。为了迎接世界新技术革命和高技术竞争的挑战,我国于1986年3月正式启动了863计划,包括农业生物技术领域在内的中国高技术研究发展由此掀开新的篇章。邓小平同志高度关心中国农业的发展,他曾指出：“将来农业问题的出路,最终要由生物工程来解决,要靠尖端技术。”正是在这一思想的指引下,根据当时农业生产的迫切需求,抗虫棉研究迅速上马,并列为重大关键技术项目。中国科学家仅用5年,不到国外公司一半的时间,就获得了抗虫效果显著并有生产应用潜力的转基因棉花株系,实现了跨越式发展。

在抗虫棉研发过程中,中国科学家锐意进取,奋发图强,先后独立开发了拥有自主知识产权的Bt杀虫蛋白单价、双价和融合基因技术、子房微注射等高效转化技术、预防害虫抗性产生的“天然庇护所”技术、金标试纸等基因检测监测技术、以及三系杂交棉等先进技术,培育出一大批高产、优质、抗虫性好、适应性强的品种,仅用了10年时间就实现了市场占有率的逆转,到2007年已完全处于主导地位。

--摘自中国农业科学院生物技术研究所研究员黄大昉《中国转基因抗虫棉发展回眸》

很多人知道转基因抗虫棉,是从26年前爆发的那场棉铃虫灾害开始；更多人知道中外转基因抗虫棉品种市场争夺战,是从一个叫做Bt的蛋白基因开始。我国棉花生产从绝处到逢生、棉种市场从倾覆到逆转,转基因抗虫棉发挥了至关重要的作用,也是改革开放以来我国棉花产业自主创新的缩影。

截至2010年底,中国已获审定的抗虫棉品种近200个,河北、山东、河南、安徽等棉花主产省抗虫棉种植率达到了100%,累计推广应用面积达3.15亿亩,新增产值超过440亿元,农民增收250亿元。抗虫棉的应用不仅使棉花棉铃虫得到了有效控制,还大大减轻了棉铃虫对玉米、大豆等作物的危害,杀虫剂用量降低了70-80%,有效保护了农业生态环境,减少了农民喷药中毒事故,为棉花生产和农业的可持续发展做出了巨大贡献。

可恨的棉铃虫

1992年秋天,中国农业科学院棉花研究所所长李付广刚毕业分配到所里,就加入了一场“人虫大战”。时任所长汪若海为了保住研究所实验地里宝贵的棉花种质材料,下了一道万般无奈的命令：全所员工放下一切手头工作,一律进入实验地棉田,大家一起正反两面翻着棉花叶子捉拿棉铃虫。从这一年开始,我国黄淮海流域、长江流域两大主产棉区接连爆发棉铃虫灾害,持续时间之长、殃及范围之大,前所未有。棉花大省河北130斤的皮棉亩产量,当年仅剩下个零头,全国直接损失接近百亿元。

“除了电线杆子不吃,其他什么都吃。”这句棉农形容棉铃虫为害程度的话,很多人至今难忘。在中棉所植保室主任崔金杰眼里,棉铃虫属于高迁飞性、高杂食性、高繁殖率植物害虫。它一个晚上能迁飞400公里,一生能产1600多粒卵,幼虫每3天左右就增加一个龄期,在第3个龄期即进入暴食期。此时正在枝繁叶茂、现蕾结铃的棉花,正好成为棉铃虫的饕餮首选。“虫害爆发时期,一株棉花上十几个虫子,不仅能把整棵棉花吃得一个棉铃都不见,就连棉花叶片也难以幸免,最后只剩一个光秃秃的棉花秆。”

棉铃虫不仅食量惊人,还表现出出奇的抗药性能,无论打多少次药、无论药性多重,都起不到杀虫作用。崔金杰当年正在河南省内黄县蹲点指导棉花虫害防治,该县有55万亩棉花,闹棉铃虫严重的时候,棉农天天都要提着一个篮子,里面放上5、6种农药,一遍又一遍地轮番往棉田里打药,可棉铃虫照样不死。

反反复复打药,不但难以取得防治效果,还增加了生产成本、破坏了生态环境,更威胁着棉农生命健康,棉农因防治棉铃虫导致的农药中毒事件时有发生。

眼看着棉花被棉铃虫啃成了绝收的光秆,棉农无可奈何,只好拔下来摊在地头晾干当柴火烧。谈虫色变、心急如焚、欲哭无泪……这都是记录棉铃虫为害棉花生产时的据实写照。棉铃虫危害,惊动了从中央到地方,当时农业主管部门的一位领导,急得口头开出一道悬赏令：“谁能治住棉铃虫,奖励一百万！”

贪婪的外来者

因为棉花对国家来说实在太重要了。当年我国外汇收入的1/4来自棉花及其相关产业,全国有近3亿农民以种植棉花为主要收入来源。产业关联极强的棉花,不仅是国家战略物资、出口创汇支柱,更是一项国计民生保障。如果棉铃虫无治,棉花生产必将不保,整个棉纺工业都将严重萎缩。严峻现实摆在面前,严重后果可想而知。这边,已是急火攻心；那边,一个比防治棉铃虫还显紧迫的形势,也在紧逼而来。

棉铃虫在中国主产棉区爆发为害,让国外一家种业公司察觉到了其中蕴藏的机遇,他们凭借用生物育种技术研发的转基因抗虫棉品种,趁中国还没有形成生物技术育种研发能力,一边四处游说,让中方出巨资购买其品种使用权；一边加紧布局,在棉花主产省份成立棉花种子公司,进而垄断性销售其拥有知识产权的转基因抗虫棉棉种。其意图十分明显,全面占领并控制中国棉花种子市场。

从1994年开始,对方与中棉所前后谈了3年,提出的条件十分苛刻：巨额转让其转基因抗虫棉品种使用权,双方合作不能少于50年。“近乎天价的转让费,却只能买来个不包括核心技术的品种使用权,50年合作期限又相当于把中棉所几代人的科研心血都废掉了。”李付广说。

见与中棉所谈判一直难有结果,这家公司又调转方向另行布局,开始在各棉花主产省份注册成立合资棉花种子公司,分别在1995、1996年成立了冀岱棉种子公司、安岱棉种子公司,紧接其后还准备成立鄂岱、鲁岱、湘岱等省级种子公司。声称要在转基因抗虫棉种市场“三年占领华北,五年占领中国”。这样持续到1999年,国外转基因抗虫棉品种已经占据了我国市场90%以上的份额。

但是没过几年,这一危局就实现了彻底反转。中国科学家完全自主研发的转基因抗虫棉,从核心技术到育种应用迅速成势,240多个防虫效果好、产量高、地域适应性强的单价转基因抗虫棉、双价转基因抗虫棉以及转基因抗虫杂交棉品种,以不断超越外来抗虫棉的品种表现,迅速赢得棉农认可,品种占有率从1997年的7%,到5年后的不相上下,2007年时已完全取得主导地位,一举实现了转基因抗虫棉品种95%国产化。

此时的中国棉田里,已经再难看到国外转基因棉花品种的蛛丝马迹。

构建拥有自主知识产权的抗虫基因

我国转基因抗虫棉的研发成功,不仅为我国发展生物技术、抢占科技创新制高点开辟了一条充满信心的道路,还雄辩证明了一个事实：核心技术买不来更要不来,唯有立足于自主创新,敢于参与国际竞争,才能在高技术领域占有一席之地。每一个参与这项工作并做出贡献的科研人员,都值得社会尊敬。这一群体之中,有一个人的名字和中国转基因抗虫棉密不可分,他就是负责发掘新型杀虫蛋白基因的中国农业科学院生物技术研究所郭三堆研究员。

采访郭三堆是在他放满书籍资料的办公室里,和采访李付广时很是相似,这位棉花转基因研究项目负责人、国家“863”计划“棉花抗虫基因工程研究”项目首席科学家,同样不大习惯坐在办公桌后的靠背椅上接受采访,而是更愿意随便搬把折叠椅,面对面坐着和你娓娓道来。

“这个成果是在国家领导人的高度重视下,在国家‘863’计划等好几个国家项目的全力支持下完成的。前前后后有全国各大农业科研单位近百名生物技术专家、育种家、企业家和相关政府部门的管理者参与,是靠各方集体合作、上中下游团队精诚协作,才得以完成的。”郭三堆诚恳地说道。

上世纪80年代,外源基因整合到植物染色体上的生物技术发展迅速,成功实现了把杀虫基因导入烟草植株,打破了物种界限。这一颠覆传统技术的新型技术,给农业发展带来了革命性曙光。通过转基因生物技术手段,解决农作物病虫害防治等诸多难题,由此受到各国政府高度重视。

因为棉花地位特别突出重要,1992年,我国就把“棉花抗虫基因工程研究”项目,率先列入首批“863”计划,1994年又提升为重大关键技术项目,从政策到财力给与重点支持。1988年,在法国巴斯德研究所从事Bt蛋白基因结构与功能研究的郭三堆学成回国,很快被任命为该课题主持人,交给他的科研任务是,用生物技术为棉花育种构建拥有自主知识产权的新型抗虫基因。

关于Bt杀虫蛋白的机理,郭三堆是这样详细解释的：Bt是苏云金芽孢杆菌的简称,它能够产生一种杀虫晶体蛋白,被属于鳞翅目害虫的棉铃虫吃下后,在碱性环境的肠胃中,迅速释放出核心杀虫蛋白,并与害虫肠胃中的特殊受体结合,引起肠胃溃烂,进而将其杀死。郭三堆反复强调,包括人在内的哺乳动物属于酸性肠胃环境,并且没有害虫肠胃的特殊受体,即使吃下去,也不会释放核心杀虫蛋白。而鳞翅目害虫属于碱性肠胃环境,且具有结合Bt的特殊受体结构,因此Bt杀虫蛋白只会杀死鳞翅目害虫,而绝不会对人和哺乳动物等产生任何副作用。

他进一步解释说,棉铃虫等鳞翅目害虫一旦吃到含有Bt的植物,核心杀虫蛋白在害虫肠胃钙粘蛋白的作用下,就会形成寡聚体,这个寡聚体和鳞翅目害虫的受体位点特异性结合,会像钉子一样插入害虫胃肠道细胞膜内,快速引起细胞裂解,造成肠胃穿孔溃烂,从而达到杀虫目的。转有Bt杀虫基因的棉花不需要依靠农药防治棉铃虫,依据的就是这一机理。当时,全世界只有美国拥有这项技术,并先行培育出了转基因抗虫棉品种。

”自主构建基因的过程,在当时是非常艰难的。”郭三堆说,那时连他们研究试验用的试剂材料,都会受到国外封锁。前后经过1年零8个月的反复试验,郭三堆团队终于合成了82个基因小片段,然后又将这82个基因小片段,拼接成9个基因大片段。最后,他们又用这9个基因大片段,组成了一个完整的Bt杀虫基因。同时完成了表达调控元件和植物高效表达载体构建,并由中游转化单位导入棉花获得种质,再由下游育种单位利用种质培育出品种。说到这里,郭三堆形象地作了个比喻：“这时棉花中的Bt基因所产生的杀虫蛋白,好比一颗精确制导炸弹,能够定向识别直击棉铃虫的特殊位点,然后在它的肠胃里引爆开炸。”

至此,继美国之后,我国成为能够合成Bt杀虫蛋白基因、拥有独立知识产权的第二个国家,迈出了转基因抗虫棉国产化最为关键的一步。

创造全国共享的抗虫棉种质材料

抗虫基因构建到植物表达载体后,只有有效转入受体材料的棉花植株当中,才能培育出具有杀虫效果的种质材料,交给育种家进行筛选培植,再经过一系列复杂的育种过程,最后才能选育出兼具抗虫作用和生产价值的转基因棉花品种。这些过程,贯穿着被称为上、中、下游育种研发的三个阶段,其中任何一环出现问题,都将半途而废。

李付广负责的中棉所转基因研究课题组,工作性质就属于中游阶段。和其他课题组一样,他们专门负责将来自郭三堆团队构建的Bt杀虫基因载体转入到棉花中。那个时候,团队所有人员加班加点抢时间创造种质材料。“我们的课题组,实际上是一个棉花规模化转基因技术体系平台。因为形势逼人,只有提供足够多的种质材料,才能充分满足育种家的育种需求。”

只用了几年时间,课题组就创造出2000多种基础种质材料,不间断地向下游上百个棉花育种团队大规模无偿提供。“这种速度效率和协作方式,完全是在和咄咄逼人的对手争分夺秒。这是只有在中国才会有的科研团队攻关协作,各团队之间不搞技术封锁、不计名利得失,所有人心中都共同拥有一个目标,尽快培育出中国自己的转基因抗虫棉品种。“我们提供的种质材料,等于让上百个育种团队一下子都有了充足的弹药、充沛的米粮。”李付广说。

从成功构建Bt杀虫基因载体,到转入棉花形成种质材料,再到进行大规模品种选育,转基因抗虫棉研发的全部过程,都是在没有任何外援情况下,由我国科学家独立自主完成的。正是因为各育种团队都免费拿到了转入Bt杀虫基因的育种材料,才有了众多转基因抗虫棉品种相继问世,用比国外少一半的时间,促成了我国转基因抗虫棉研发的历史性突破,直至夺回被国外品种抢先占据的绝对市场份额。

培育更多有竞争力的棉花品种

在众多转基因抗虫棉品种中,中棉所原育种研究室主任郭香墨培育中棉所41的过程,就是国产转基因抗虫棉胜出的一个例证和缩写。

和育种家交谈,能明显感受他们那种“精益求精、好上加好”的职业特质。现已退休的郭香墨说起选育中棉所41,眼神立刻亮了起来。他说,十几年前,国产转基因抗虫棉的品种已经显露优势,棉农对品种的要求,开始从尽可能少打药,提升到了最好不打药、又要能够高产还方便采收。“大家都在思考,中国棉花育种的下一个方向在哪里。”恰在这个时候,郭三堆团队又取得了新的成果--Bt+CpTI双价抗虫基因,李付广课题组也迅速完成基因导入,向育种团队提供了多达114份转入双价抗虫基因的种质材料。

科研需要不断创新,才能不断创造科学奇迹。相比此前的Bt单价抗虫基因,Bt+CpTI双价抗虫基因有哪些独到之处呢？郭三堆介绍说,为了加重和国外抗虫棉品种竞争的筹码,他提出在一个载体上挂两个独立表达的基因：一个是Bt,另外一个是来源于豇豆的蛋白酶抑制剂基因,简称Cp？TI。后者的作用是,当蛋白酶增大到一定量的时候,CpTI就可以抑制害虫消化道里的酶,阻止其肠胃消化。这样的结果就是,既可以让吃了Bt杀虫蛋白的害虫肠胃裂解,同时还能让它没法吃东西,“双管齐下,杀虫性能自然会大大增强。”这个技高一筹、中国独有的成果,立刻就和国外抗虫棉在核心技术上拉开了明显距离。

“既然这个双价基因能转入棉株,我们就能育出更优秀的抗虫棉。”这个几天不见棉花就想进棉田,每次出差回来就急着下试验地的育种家,立刻确定了自己新的育种方向。从此,从大陆内地到天涯海岛,郭香墨不停在两地往来穿梭,起点、终点都是棉花育种田。“在海南加代繁殖,能缩短一半的育种时间。”不断寻找、反复筛选,既像大海捞针、又像蜜蜂寻蜜,3年之后,我国第一个双价转基因抗虫棉品种宣告培育成功,2002年通过国家审定。看到品种终于成功的那一刻,郭香墨说他的感受,“就像是喝了一碗冰糖水”。

截至2008年,该品种在黄河、长江流域两大棉区累计推广面积4800万亩,其间连续保持了全国推广面积最大的年度纪录。更为可喜的是,该品种并非一枝独秀,还引来百花争艳,作为其他育种团队的亲本材料,又相继跟进育成了新品种50余个,让国产转基因抗虫棉品种的竞争实力大大增强,稳稳占据了转基因抗虫棉国内市场的绝对优势。

国产转基因抗虫棉家族中,还有一个种群叫转基因抗虫杂交棉,在与外来品种的竞争中表现耀眼。按照中棉所棉花杂种优势利用课题组组长邢朝柱研究员的介绍,这类品种“更具中国特色”。在品种选育和生产应用中,育种家和棉农有一个高度一致的观点,“没有最好,只有更好。”邢朝柱说,棉花杂种优势不仅体现在产量,还在抗逆性、抗病虫、抗旱抗涝等方面表现突出,因此,“转基因抗虫杂交种可以让父母亲本的遗传性状,一同在品种表现中发挥到极致”。

邢朝柱以我国第一个转基因抗虫杂交棉中棉所29为例介绍说,我国是人口众多的植棉大国,具有利用人工制种的特殊优势,加之品种表现突出,这个品种曾创造了年度推广800万亩的最高纪录,一度在两大流域棉区占据50%的市场份额,成为各产棉省的主推品种,是转基因抗虫棉争夺战中当之无愧的角斗士。

一个时代有一个时代的精彩,如同太阳每天都会发出新的光芒,科学技术同样要不断创新,才能永续活力生机。那场跨越十余年的转基因抗虫棉竞争中,虽以中国品种全面胜出告终,但从长远观察审视,依然只是属于一个阶段的荣光。我们的科学家是清醒冷静的,他们从未停下攻关求新的脚步,正在从一个起点,走向又一个起点。如同郭三堆等人正在“结铃吐絮”地更新科研成果,又将超越自我、超越过去,给我国棉花产业注入新的活力。