转基因作物三十载 《自然》剖析未来农业

2013-5-06 07:54 来源: 中国科学报
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  有不少人认为,转基因作物代表着生活变得更舒适、自然馈赠更慷慨。但是,事情并未按照预想的轨迹发展。

  1983年5月,科学家第一次发布消息称,他们能够将功能性外源基因放入植物细胞中。这一壮举预示着,生物技术进入了一个令人兴奋的阶段:让人渴望的特性和能力能够被引入食物、纤维乃至油料作物中。有不少人认为,转基因作物代表着生活变得更舒适、自然馈赠更慷慨。

  但是,事情并未按照预想的轨迹发展。未来比过去更重要,但是当谈到转基因作物时,过去的经验是有启发性的。

  转基因“神话”

  转基因作物是指利用基因工程将原有作物的基因加入其他生物的遗传物质,并将本身不良基因移除,从而创造出品质更好的作物。一般而言,转基因技术可增加作物的产量,改善品质,提高抗旱、抗寒及其他特性。

  1983年,在转基因技术获得突破性进展之后不久,生物技术公司开发出的转基因作物极大地吸引着投资者的目光。例如,美国戴维斯市卡尔基公司开发出的弗雷沃·沙沃番茄就捕获了众人的目光,在金宝汤公司注资了其研发工作后尤为如此。与当时其他一些公司一样,金宝汤着迷于这种番茄“能够在蔓藤上成熟,散发着浓郁的香味,并在从田间到超市和饭桌的长途跋涉中不会腐烂”的宣言。

  到1992年初,分析师预言这种转基因番茄的注册审评能在一个月内完成,并且市值至少为每年5亿美元。但是,这种番茄诞生不到十年时间,转基因作物开始面临一个极为困难的“青春期”。这种曾被认为是生物学魔法的食物开始越来越多地被贴上“恶魔食品”的标签。

  欧洲消费者对转基因巨头美国孟山都公司猛烈的市场扩张感到愤怒。在美国食品与药物管理局,弗雷沃·沙沃番茄审批遭到超过1年的延迟,并且金宝汤也声称不会将这些番茄放到它的汤里,除非获得公众的许可。

  1994年,弗雷沃·沙沃番茄获得许可,但是它的商业运作并不成功,公众对于转基因技术的担忧最终导致了它的失败。

  在关于转基因食物和作物的激烈讨论中,很难看到有力的科学证据。从最初开始商业化的近20年中,转基因技术受到戏剧性的拥护。提倡者表示,转基因作物增强了农业作物产量,能够增值超过980亿美元,并能节省约4.73亿公斤的农药。但是批评家对转基因作物的环境、社会和经济影响提出质疑。

  研究人员、农民、活跃分子和转基因种子公司都在积极推销自己的观点,但是科学数据时常充满不确定性和矛盾性。复杂的事实长期以来被巧妙的修辞所掩盖。 “我认为令人沮丧的是辩论毫无进展。”荷兰瓦赫宁根大学农业社会经济学Dominic Glover说,“双方讲着不同的语言并持有不同的观点。”那么,风靡一时的转基因为何迟迟不能得到公众的广泛认可,什么出了问题?

  杂草疯长

  大约5年前,生活在乔治亚州的农业顾问Jay Holder首次在一位委托人的转基因棉花田里发现了长芒苋。长芒苋对生活在美国东南部的农民来说是一种特别的痛苦,它会与棉花争夺水分、阳光和土壤养分,并迅速侵占土地。

  自从上世纪90年末开始,美国农民广泛种植能够抗除草剂草甘膦的转基因棉花。但是到2004年,人们在乔治亚州的一个县里也发现了抗除草剂的苋菜,2011年,这种苋菜的分布范围进一步扩大。“直截了当地说,这种杂草让一些农民丧失了一半的棉花田。”Holder说。

  一些科学家和反对转基因的团体警告称,转基因作物刺激某些杂草也出现了抗除草剂的特性。自1996年抗除草剂的作物引进以来,人们已经发现了24种抗草甘膦的杂草。除草剂抗性对所有农民而言都是一个问题,不管他们种植的是否是转基因作物。例如,已经有64种杂草抗莠去津,但仍没有改良出能够抵抗这种除草剂的作物。

  抗草甘膦植物可以被看成是人们自身成功的牺牲品。长久以来,农民使用多重除草剂,这能够放慢抗性发展速度。他们也通过犁地和耕种控制杂草,虽然这些行为会弄空表层土壤并释放二氧化碳,但是却不会助力抗性的发展。而转基因作物能够让种植者几乎完全依赖草甘膦,与其他化学药品相比,这种除草剂毒性较小并能不必耕作就杀死诸多杂草。于是,农民年复一年地种植这种转基因作物,不再改变作物类型或替换化学药剂以阻止抗性的发展。

  实际上,这一策略最初也被孟山都支持,它认为,当这种除草剂被恰当使用时,杂草不太可能自然演化出草甘膦抗性。到2004年,该公司公布了一项多年研究成果,显示轮种谷物和更换化学品对避免抗性没有帮助。当按照孟山都推荐剂量使用时,草甘膦有效地杀死了杂草,“我们知道死掉的杂草不可能出现抗性。”孟山都杂草处理技术主管Rick Cole表示。

  “但是不管怎样,抗草甘膦的杂草目前已在全世界18个国家被发现,对巴西、澳大利亚、阿根廷和巴拉圭影响重大。”位于美国俄勒冈州的抗除草剂杂草国际调查主管Ian Heap指出。并且孟山都也改变了对于草甘膦使用的立场,目前开始推荐农民使用混合化学药剂和耕地。

  不过抗除草剂的转基因作物比工业规模种植的传统作物对环境的破坏性小。英国咨询公司PG经济学的一项研究显示,1996~2011年,耐除草剂的棉花节省了1550万公斤的除草剂,比传统棉花使用量减少了6.1%。

  但问题是,这些优势能够持续多久。迄今为止,农民要通过使用更多草甘膦,并配合使用其他除草剂以及耕地来应对抗性杂草的增殖。宾夕法尼亚州立大学帕克分校植物生态学家David Mortensen预测,转基因作物应用的直接结果是美国除草剂每公顷的总体用量将从2013年的1.5公斤增长到2025年的3.5公斤。

  要改变这种现状,或许人们能够寄希望于新技术带来的下一代转基因作物。

  新技术浪潮

  当第一种转基因作物走进农田时,美国非营利转基因拥护团体“生物强化”的生物技术专家Anastasia Bodnar就提出,“我们希望这是火箭喷气发动机”—— 一种未来超营养的作物,能够为超市带来独具特色的产品,帮助养活饥饿的世界。

  但是,到目前为止,Bodnar说,该技术把大部分优势留给了农业合作企业——几乎都是通过改良作物以抵抗除草剂或害虫,这使得农民能增加产量和喷洒更少的杀虫剂。而这些优势对于普通消费者而言几乎难以察觉,她指出,最糟糕的情况是,这将激化基因改良反对者们的愤怒,这些人认为跨基因作物拥有浓缩的力量,并且收益掌握在少数大公司手中,同时也是科学家不顾危险干涉自然的重要例证。

  不过《自然》杂志报道称,多亏一种正从实验室走到田间的全新一代转基因作物,这种现状可能很快会改变。其中一些作物——从延缓褪色的苹果到“黄金大米”,再到能改善贫困国家人民饮食的富含营养的亮橘色香蕉——将能解决新问题。

  其他下一代作物将利用先进的基因处理技术创造出来,这种技术允许高精度“编辑”植物自身的基因组。新方法能够减少从其他作物那里输入基因修饰经济作物的需要,而且也能够减轻民众对于转基因食物的焦虑。

  到目前为止,大部分基因修改技术虽然相对粗糙但已较为成熟,例如“基因枪”,而新工具能以前所未有的精度“编辑”基因,例如,被称为类转录激活蛋白效应器核酸酶(TALENs)和锌指结构核酸酶(ZFNs)等能从实验者指定的特定位置切割DNA的酶。明尼苏达大学研究此类技术的Dan Voytas提到,通过管理如何修复这种突变,新技术使得在精确位置引入突变、单核苷酸变异,甚至全部基因成为可能,“我们能精确嵌入基因,因此我们知道外源基因位于何处”。

  这允许研究人员将新基因放入基因组的一个点上,在这里新基因能够被最佳表达,并且降低扰乱植物基因的风险。 Voytas研究小组已经证实烟叶能通过ZFNs修饰,从而引入除草剂抗性。其他研究小组也利用ZFNs为玉米增加了除草剂抗性,或利用TALENs剪短稻米对白叶枯病敏感的基因。