生物技术如何成为非洲粮食安全的关键？尼日利亚的实践与前景

据了解，非洲许多国家面临着粮食供应不足的问题，无法满足不断增长的人口需求，气候变化和疾病爆发进一步加剧了这一挑战，可能引发严重的粮食危机。为此，利用生物技术对现有作物品种进行改良，增强其对生物（如病虫害）和非生物（如干旱、高温）胁迫的抵抗力，是提高作物产量的关键。为应对这一问题，尼日利亚等国已经制定并实施了国家生物技术政策，通过促进能力建设、科研和生物资源开发，以及推动生物技术产品的商业化，推出了一些供农民种植和推广的转基因作物。然而，这些作物仅在尼日利亚进行限制性田间试验，其生产过程却是在国外完成，导致一些团体和国家对生物技术产生怀疑，视其为外来技术，这也成为非洲其他国家在采用和推广生物技术产品时面临的主要阻力。

在全球人口预计于本世纪末达到104亿，以及气候变化对农业生产影响日益加剧的背景下，尤其是非洲地区作物单产全球最低的现状下，应用植物生物技术变得尤为紧迫和必要。近年来，科学技术，特别是分子生物学和分子遗传学领域的显著进展，推动了生物技术在各领域的广泛应用，包括疫苗开发和作物营养成分的改良。为了应对未来更严峻的气候挑战，知耕建议非洲地区广泛采用植物生物技术，以提高粮食生产率，加速培育高产新品种，从而弥合粮食供需差距，确保粮食安全和可持续发展。

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非洲粮食安全挑战

非洲是全球面临粮食安全挑战最为严重的大陆之一。根据联合国粮农组织（FAO）的数据，非洲有超过2.5亿人面临粮食不安全的问题。该问题的根源主要包括以下几点：

• 人口增长：非洲人口的快速增长对粮食生产提出了更高的要求。预计到2050年，非洲人口将超过20亿，这将大大增加粮食需求；

• 气候变化：气候变化导致的干旱、洪水和极端天气事件对农业生产产生了显著影响。气温升高和降水不均使得传统的农业生产模式难以适应；

• 土壤退化：土地过度开垦、森林砍伐和不合理的耕作方法导致了土壤退化，使得耕地的生产力下降。；

• 农业基础设施不足：缺乏有效的灌溉系统、储存设施和运输网络限制了农业生产力的提升。

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生物技术在提高作物产量中的作用

生物技术，尤其是基因工程和基因组编辑技术，为提高作物产量和质量提供了新的解决方案。通过改良作物的基因组，这些技术可以赋予作物抗病虫害、耐旱耐盐碱等特性，从而提高其生产力和适应能力。

基因工程技术：通过转基因技术，将外源基因导入作物基因组中，赋予其新的特性。例如，抗虫害、抗除草剂的作物品种可以显著提高产量。

基因组编辑技术：如CRISPR-Cas9技术，可以在不引入外源DNA的情况下，精准修改作物基因组，提高作物的耐逆性和营养价值。

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生物技术与非洲的粮食安全

非洲粮食安全的生物技术策略

生物技术的全球市场价值达到了2950亿美元。2019年，生物技术行业成功雇用了约90万人。该领域出现了四条成熟的技术路径：工业、医药、农业和环境生物技术。这些领域主要集中在发达国家，美国在投资方面处于领先地位。自2005年以来，全球农业生物技术一直在不断增长。非洲通过非洲联盟（AU）注意到了生物技术的快速发展，并努力确保获得该领域的新兴技术。2016年，该组织成立了非洲新兴技术小组（APET）。该小组的作用之一是为新兴生物技术在非洲的合理方法、战略和政策法规提供建议，并向联盟和成员国提供如何利用这些新兴技术促进农业生产和经济发展的建议。

非洲是全球贫血和微量营养素缺乏症的重灾区。由于各类冲突，非洲许多人面临粮食不安全的困境。此外，水资源和可耕地不足等自然资源的限制，加剧了失业、贫困和不平等问题。2019年，非洲在食品进口上的花费达430亿美元，预计到2030年这一数字将增长至900亿美元。非洲人均粮食生产下降的原因在于人口增长迅速，未能得到相应的粮食生产支持，从而导致供需差距不断扩大。目前，尼日利亚是一个粮食短缺国，每年需花费100亿美元进口食品以满足其不断增长的人口需求。

为了实现粮食安全，非洲国家需要依托创新技术，特别是生物技术进行创新。其中，基因工程和基因组编辑技术是重要的创新手段，即通过操控基因组来增强作物的抗病性、耐旱性以及其他有益性状，从而提高作物的产量和质量。基因工程通过将特定DNA序列插入目标作物以改良其性状，基因组编辑则使用序列特异性核酸酶（如CRISPR-Cas系统）在基因组中进行精确编辑，且无需引入外源DNA。这些技术在全球范围内的应用逐渐成熟，但其在非洲的推广仍面临监管和公众接受度的挑战。

由于众多国家对转基因作物的安全性抱有疑虑，这些国家已经或正在制定相应的监管体系。这些监管框架因地而异，一些国家采用基于产品的方法逐一评估风险，而另一些则采用基于过程的方法审查生产技术。例如，欧盟、澳大利亚和新西兰对转基因产品的监管非常严格，而美国、日本、墨西哥和加拿大对技术的安全性持较为开放的态度。

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尼日利亚生物技术发展概述

为推进生物技术在非洲的应用，尼日利亚率先修订了生物安全立法，将基因组编辑产品纳入监管，并制定了相关指南。其他非洲国家如布基纳法索、埃塞俄比亚、加纳、肯尼亚和马拉维等也相继采取措施，制订相关法规，这有助于促进这些国家的农业生产力提高。然而，南非仍然将所有基因组编辑作物归类为转基因作物，违背了科学基础的风险分析原则，这一做法正在接受挑战。

全球范围内，各国政府在生物技术的发展中扮演着关键角色。美国长期在生物技术研究和产品商业化方面处于领先地位，并通过政策激励和资金支持促进了大学和企业之间的合作研究。其他国家如巴西、古巴和韩国也通过政府投资和支持，快速推进了生物技术的发展和应用。尼日利亚通过成立国家生物技术研究与发展局（NABDA），制定国家生物技术政策，推动国内生物技术的知识获取、研发能力建设及商业化发展。

综上所述，生物技术为解决非洲粮食安全问题提供了重要的工具和方法。通过合理的政策引导、能力建设和科学技术的推广，非洲国家可以加速粮食生产，提升农业生产力，实现粮食自给和经济可持续发展。

图1：基因工程（RNAi）和无DNA CRISPR/Cas9技术的示意图

（A）描述了RNAi基因沉默技术。它从构建含有目标基因/s编码序列和抗生素抗性基因的T-质粒开始。然后，将农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）与RNAi构建体一起转化，随后用于转化组织培养的野生型植物的幼嫩组织，如叶片或节间。为了确认成功的转化事件，选择对所结合的抗生素抗性基因具有抗性的假定转基因株系。转基因株系将根据沉默基因的功能表现出与野生型不同的表型。

（B）描述了无DNA CRISPR/Cas9技术。它从重组Cas9和gRNA之间的体外复合物形成开始。然后，CRISPR/Cas核糖蛋白（RNP）复合物通过PEG融合直接传递到原生质体。在传递到原生质体后，RNP复合物活跃并能够精确定位目标基因组区域以诱导双链断裂。在不添加外源DNA的情况下，基因组在目标基因组区域的固有细胞修复后发生突变。随后，RNP复合物在细胞内完全降解。

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尼日利亚生物技术发展概述

图2：尼日利亚生物技术战略概览 

尼日利亚的生物技术政策制定、实施以及生物技术产品的监管涉及众多政府机构和部门。其中，最重要的机构包括：国家生物技术发展局（NABDA）、国家食品药品监督管理局（NAFDAC）、国家生物安全管理局（NBMA）、联邦各部委、尼日利亚工商、矿业和农业商会协会（NACCIMA）、国家遗传资源和生物技术中心（NACGRAB）以及舍达科技综合体（SHESTCO）。研究机构和大学参与人才和能力建设，而由研究机构和联邦卫生部组成的国家疫苗管理委员会则负责尼日利亚的疫苗研究、开发和生产工作。

政策与管理

NABRDA（尼日利亚农业生物技术发展局）：自成立以来，NABRDA致力于协调生物技术相关活动，推动产品商业化，并在全国范围内推广农业生物技术。然而，2015年尼日利亚通过了《生物安全法案》，赋予了国家生物安全管理机构（NBMA）对该国生物技术活动的控制权。NBMA负责发放许可证，确保转基因生物及其产品的安全应用和处理。

生物技术能力建设

SHESTCO（科学与工程技术委员会）：2015年，与WAAPP/PPAAO和ARCN合作，为来自尼日利亚各研究机构的年轻生物科学家组织了研讨会，旨在增强国家的生物技术能力。

埃邦伊州立大学生物技术研发中心：自2013年以来，该中心在Abakaliki开展了热带植物生物技术的暑期培训，促进了该领域的技术转移和应用。

十字河流州政府：通过公私合作，与一家生物技术公司合作，在卡拉巴尔自由贸易区启动果汁加工厂，推动了本地生物技术的商业化进程。

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尼日利亚主要作物的生物技术改良前景

稻米（Oryza sativa 和 Oryza glaberrima）

稻米是全球消费量最大的单一谷物作物，预计到2030年对稻米的需求将增加25%。非洲有超过1.3亿公顷的耕地适合稻米生产，但目前仅有约1000万公顷用于稻米种植。尽管尼日利亚有490万公顷的潜在稻米生产土地，但因低投入、不良的作物管理技术和水资源短缺等问题，实际种植面积仅为170万公顷。2022年，尼日利亚需进口超过150万吨稻米以满足需求。

Oryza sativa（亚洲稻）和Oryza glaberrima（非洲稻）是非洲主要的稻米品种。亚洲稻产量较高，但非洲稻具有优良的基因库和对恶劣环境的适应性。NERICA（非洲新稻）品种通过结合传统育种和生物技术方法，融合了亚洲稻的高产潜力和非洲稻的抗性特征。当前的研究还表明，非洲稻中的高直链淀粉含量可能对2型糖尿病等营养相关疾病有潜在益处。CRISPR-Cas9系统已经用于提高Oryza glaberrima对谷物破碎的抵抗力，标志着基因组编辑技术在稻米改良中具有良好应用前景。

高粱（Sorghum bicolor）

高粱原产于非洲，适合半干旱热带地区的种植，耐寒且能承受恶劣环境。非洲高粱种植面积约为2729万公顷，其中尼日利亚和埃塞俄比亚是主要生产国。高粱生产的主要问题之一是半寄生性杂草Striga，这种杂草对非洲农业造成了严重影响。通过遗传改良高粱以抵抗Striga，是应对这一挑战的有效策略。利用CRISPR-Cas9系统，科学家们已经在高粱中开发了抗Striga的品种，并在基因组中鉴定了关键的抗性基因。基因组编辑技术被用来改良高粱的抗病性和产量。

小米（Pearl Millet）

小米是一类耐旱、耐贫瘠土壤且需要较少肥料和农药的谷物。它们在恶劣气候条件下表现优异，是西非地区的重要粮食作物。小米富含矿物质（如钙、钾、磷、镁、铁和锌）和维生素，对抗营养不良有显著效果。特别是指状小米中的直链淀粉有助于管理2型糖尿病和心血管疾病。

小米的基因组编辑仍处于起步阶段。珍珠小米面粉的短保质期是主要挑战。通过基因组编辑，科学家们正在寻找改良珍珠小米面粉保质期的有效策略。例如，功能性三酰甘油脂肪酶的突变可能有助于延长面粉的保质期。

玉米（Zea mays）

玉米是中部和东部非洲重要的粮食作物，对肯尼亚的经济和粮食安全至关重要。然而，玉米致死性坏死病（MLN）对产量造成了显著损失。为了应对MLN，肯尼亚农业和牲畜研究组织与国际合作伙伴进行基因组编辑项目，旨在识别并引入抗病基因。通过编辑玉米基因组，已成功提高了对MLN的抗性。

■ 干旱对玉米的影响及应对策略

干旱对玉米生产构成了重大挑战，尤其是在干旱和半干旱地区，如肯尼亚的75%可用土地。干旱引发的氧化胁迫会损害玉米的DNA、蛋白质、脂质和碳水化合物，影响植物的生长和产量。干旱对玉米的影响与生育阶段相关，若在抽穗前发生，可能导致开花延迟；若在灌浆阶段发生，则会导致粒重减少。为应对干旱，近年来研究者利用CRISPR-Cas9技术编辑聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）基因，提高玉米对氧化胁迫的耐受性，从而增强其在干旱条件下的生存能力。

■ TELA玉米项目的背景

肯尼亚非洲农业技术基金会（AATF）领导的TELA玉米项目，通过结合传统育种和生物技术，成功将抗虫和耐旱特性引入玉米品种。该项目在玉米基因组中插入了Cry2Abδ-内毒素基因，以提高玉米对草地贪夜蛾的抗性，同时增强对干旱的耐受性。这一项目的目的是应对干旱和害虫对玉米生产的威胁，提升玉米的生产稳定性和农业可持续性。

■ TELA玉米的试验与推广

在尼日利亚进行的封闭田间试验显示，转基因TELA玉米对草地贪夜蛾和玉米茎蛀虫具有显著的抗性。自2016年以来，南非的五个TELA玉米杂交种已投入商业种植。2024年1月，尼日利亚政府批准了四个TELA玉米品种（SAMMAZ 72T、SAMMAZ 73T、SAMMAZ 74T和SAMMAZ 75T），并将其种子释放给农民和商业生产。同时，肯尼亚农民也在等待三个TELA玉米杂交种（WE1259B、WE3205B和WE5206B）的发布，这些品种已经获得肯尼亚植物健康检查服务的推荐。

■ 应对挑战的未来展望

干旱和害虫是限制肯尼亚玉米生产的重要因素。通过基因组编辑和生物技术手段，如CRISPR-Cas9技术和TELA玉米项目，肯尼亚正在积极应对这些挑战。这些创新技术不仅为玉米生产提供了新的解决方案，也为提高农业生产的可持续性和食品安全提供了保障。这些进展有望改善肯尼亚的玉米生产环境，帮助农民应对未来的气候变化和生物胁迫。

木薯（Manihot esculenta）

木薯是一种主要生长在热带和亚热带地区的作物，以其富含淀粉的储存根部而著称。木薯具有较强的逆境环境抵抗力和适应自给农业系统的能力，使其成为许多小农的首选作物。在撒哈拉以南非洲，木薯加工后的储存根部提供了总人口超过50%的热量摄入。尼日利亚是全球最大的木薯生产国，但其产量仍低于世界平均水平，主要因病害和收获后生理恶化等问题限制了产量潜力。

近年来，通过生物技术手段，科学家们正在开发抗绿螨、白蝇、木薯花叶病和收获后生理恶化的木薯品种。CASS项目（比尔和梅琳达·盖茨基金会资助）通过结合植物生物技术和生理过程，致力于提高木薯的储存根和淀粉产量。生物技术手段，如基因堆叠和基因组编辑，已被应用于木薯的改良，包括提高储存根的营养价值和抗病性。此外，CRISPR/Cas9系统的应用也显示了在控制木薯中的有毒化合物积累方面的潜力。

白山药（Dioscorea rotundata）

白山药是薯蓣科的重要作物，尤其在尼日利亚等生产大国具有重要经济价值。白山药富含淀粉、维生素C和粗蛋白，且其块茎是制药产品的主要来源。白山药生产面临的主要挑战包括寄生线虫、昆虫、真菌和病毒的侵染。生物技术的进步，如农杆菌介导的转化和CRISPR/Cas9基因组编辑，正在为白山药的抗病品种开发提供新的机会。RNA干扰（RNAi）技术也被应用于控制线虫感染。

花生（Arachis hypogaea）

花生是一种重要的油料和蛋白质作物，在半干旱和亚热带地区广泛种植。它的种子含有丰富的油脂和蛋白质，对预防营养不良和保障粮食安全至关重要。然而，花生生产面临黄曲霉毒素污染的问题，这与热和干旱胁迫密切相关。生物技术手段，如基因组编辑和HIGS（宿主诱导的基因沉默），正在用于开发抗黄曲霉毒素污染的花生品种。CRISPR技术也被用来改良花生油质和健康益处。

芝麻（Sesamum indicum）

芝麻是一种古老的油料作物，其种子脱壳后含有高达90%的不饱和脂肪酸。芝麻种子也是丰富的矿物质和维生素来源。芝麻的种植面临的挑战包括环境胁迫和病虫害。生物技术手段，如基因组编辑和转基因技术，正在用于提升芝麻的产量和抗性，优化油脂品质，并改善作物对环境胁迫的耐受性。

红薯（Ipomoea batatas）

红薯是许多热带和温带国家的重要主食，其经济价值在发展中国家排名第五，能量消费中排名第七。红薯不仅在营养改善方面发挥了重要作用，还被广泛用于工业中的饲料、淀粉和生物乙醇生产。非洲是全球红薯的第二大生产区，占世界产量的近17%和种植面积的42%以上，主要用于人类消费。传统育种显著推动了红薯性状的改善，尤其是富含维生素A的品种被证明是缓解维生素A缺乏症（VAD）的经济且可持续的策略。红薯的肉质有白色、黄色、紫色和橙色，其中橙色肉质的红薯（OFSP）是低收入家庭全年最经济、最丰富的维生素A来源。尽管最初橙色肉质红薯的干物质含量较低且适应性差，但经过多年育种，已经培育出改良的OFSP品种，具备更高的产量、风味、耐旱性和干物质含量，提升了农民的采用率。此外，国家根茎作物研究所（NRCRI）还开发了多个改良品种，包括富含花青素的紫色肉质红薯。尽管红薯的生产仍需改进，但基因转移和DNA标记选择等生物技术工具有望在未来进一步提升红薯的农艺性状。

番茄（Solanum lycopersicum）

番茄是一种全球性蔬菜作物，产量和消费量仅次于土豆。其经济价值和丰富的营养成分使其在许多国家成为重要的工业和经济作物。在尼日利亚，番茄广泛用于餐食、沙拉、番茄酱、汤和酱料。尽管尼日利亚是世界主要番茄生产国之一，年产量达到410万吨，但番茄的收获后损失非常严重，损失率高达30%至50%。这种情况主要由于热带地区作物的短保质期和不佳的储存条件。为满足国内需求，尼日利亚每年进口大量番茄膏。转基因番茄品种Flavr-Savr™是首个商业化的食用转基因作物，其通过抑制多聚半乳糖醛酸酶的活性，延长了果实的保质期。近年来，RNAi沉默和CRISPR技术的应用进一步改进了番茄的保质期。此外，番茄品种对疾病和害虫的敏感性也是生产中的一个障碍，尽管一些品种对特定病害有抗性，其他病害和害虫仍需进一步研究。利用基因组编辑技术可以显著改善番茄的保质期和抗病性，为提高番茄生产提供了新的解决方案。

这些作物在生物技术的帮助下，正在不断改良其产量、营养价值和抗病能力，为全球农业和食品安全做出贡献。尼日利亚及非洲各国在生物技术领域的努力，尤其是在主要粮食作物的改良上，显示了巨大的潜力和挑战。通过政策支持、能力建设和先进的生物技术手段，这些国家正积极应对农业生产中的主要问题，如生产潜力不足、环境适应性差和病害影响。这些努力不仅有助于提高作物产量，还能改善粮食安全和营养水平，为未来的可持续农业发展奠定基础。

表1：非洲正在进行和成功的基因组编辑在作物改良中的应用

表2：各非洲国家基因工程项目概览

表3：尼日利亚主要作物的总种植面积、产量和出口数量

尼日利亚的生物技术战略概览突显了多个政府机构和部门在制定生物技术政策及监管生物技术产品方面的关键作用。国家生物技术发展局（NABDA）、国家食品和药物管理控制局（NAFDAC）、国家生物安全管理局（NBMA）、联邦各部委、尼日利亚工商矿业和农业商会（NACCIMA）、以及国家遗传资源和生物技术中心（NACGRAB）等机构在生物技术的实施和监管中扮演了重要角色。此外，谢达科技综合体（SHESTCO）也在这一领域中发挥了显著作用。这些机构不仅参与了政策的制定和执行，还致力于提升国家在生物技术领域的研究与创新能力。尼日利亚的生物技术战略展示了该国在生物技术领域的全面布局和深远规划。通过多个政府机构和部门的协作，生物技术得以迅速发展，同时也加强了国家在这一领域的研究和创新水平。此外，高等教育机构的积极参与为生物技术的发展提供了重要的人才支撑和智力保障。

尼日利亚在全球粮食作物生产中扮演着重要角色，但面临许多挑战。尽管传统育种方法有一定成效，但植物生物技术如基因工程和基因组编辑提供了新的解决方案。尼日利亚政府和科学家应加强国际合作，利用生物技术工具应对粮食安全问题。其他非洲国家可以效仿尼日利亚，推动生物技术的应用以确保粮食安全和经济繁荣。同时，政府和企业应利用分子农业的潜力，开发亚单位疫苗等技术，为国家创造收入和就业机会。对生物技术的反对主要是基于对外来技术的误解，而不是基于科学证据。

文章来源：

https://www.frontiersin.org/journals/genome-editing/articles/10.3389/fgeed.2024.1398813/full