21世紀被稱為生物技術的世紀,各國紛紛從國家戰略層面加大對生物技術創新的部署,推動現代農業發展。對我國而言,我們完全有能力領先世界,以產業化應用為主線,加快成熟品種推廣應用,保障國家糧食安全和生態安全。
中國自古以農立國,代表國家的“社稷”一詞原是土地和糧食之神的總稱,土神為社,谷神為稷。春秋時期,齊桓公采用管子的計謀,故意抬高絲織品的價格,引誘魯、梁兩國放棄糧食生產,舉國種桑,結果在短短三年內,魯、梁兩國就因為糧食短缺而造成內亂,最后被迫歸順齊國。越王勾踐把種子煮熟貢給吳國,趁其糧食絕收一舉滅吳。以史為鑒,糧穩則天下安,國民溫飽得不到保障,政權就會出現動蕩。真正強大的、沒有軟肋的國家,都有能力解決自己的吃飯問題。
美國是世界第一糧食出口國、農業最強國,俄羅斯、加拿大和歐盟的部分國家也是糧食強國。這些國家之所以強,是同糧食生產能力強聯系在一起的。2022年7月,斯里蘭卡宣告“國家已經破產”,真正動搖其根基的是其在糧食產業政策上的重大失誤導致的系統性崩盤。同年,烏克蘭危機爆發,全球30多個國家限制糧食出口,部分國家因此社會動蕩甚至政權更迭,如拉美島國海地共和國就因嚴重缺糧,貧困民眾靠吃泥土餅干充饑而頻繁爆發內亂。
如何解決糧食這個人類生存最基本的問題?世界各國不約而同地把目光投向生物育種!全球咨詢機構AgbioInvestor的報告顯示,2022年全球轉基因作物種植面積達2.022億公頃(30.33億畝),是1996年的118倍,約占全球總耕地面積的12%;批準種植轉基因作物的國家從1996年的6個迅速增加到29個,如果再加上批準轉基因產品進口,全球轉基因商業化應用的國家和地區已經有71個;全球批準商業化種植的轉基因作物已經有32種。全球73.7%的大豆、32.9%的玉米、80.4%的棉花、23.8%的油菜都是轉基因品種,主要是轉抗蟲和耐除草劑兩種基因的作物。
人多地少的基本國情沒有改變
第三次全國土地調查(以下簡稱“三調”)數據顯示,我國耕地面積為19.18億畝,比第二次全國土地調查減少了1.13億畝。我國人均耕地面積也在遞減,“一調”為1.59畝/人,“二調”為1.52畝/人,“三調”為1.36畝/人,不到世界平均水平的40%,人地矛盾進一步加劇。
“從2009年到2019年,全國總人口從13.35億人增加到14.10億人,增加了0.75億人,增長率為5.7%?!敝袊鐣茖W院農村發展研究所所長魏后凱表示,工業化和城鎮化建設導致了耕地面積減少,從“二調”到“三調”,全國城鎮村及工礦用地由4.31億畝增加到5.3億畝,增加了9850萬畝,增長了22.9%,交通運輸用地增加了20.3%,這其中就包括占用部分耕地。
人多地少的基本國情決定了我國糧食安全必須以我為主。我國14億人口,每天要消耗70萬噸口糧、9.8萬噸油、192萬噸菜和23萬噸肉,這相當于很多小國家一年的總產量,如果用火車運輸,需要4.9萬多節車皮,連起來長度超過700公里。從供求現狀來看,我國每年糧食總消費量在8.3億噸左右,2023年全國糧食產量13908.2億斤,還要進口1.6億噸,已經是世界第一大糧食進口國,2023—2024年世界糧食貿易量預計為4.68億噸,即使全買來,也滿足不了我們國家半年的消費,因此想靠進口的方式來解決我國糧食安全問題是不現實的。
我國糧食安全面臨的另一個重大挑戰是資源環境約束越來越緊張。我國耕地中,中低產田大約占2/3,一些地區和流域水環境質量差,有些地方,由于長期不合理利用土地,包括化肥、農藥的不合理施用,還有農業污染等導致土地退化的問題較為突出。這使得土壤問題、質量問題、環境問題日益突出。再加之資源分布、配置不均衡,水、土等農業生產的自然資源配置有先天不足,有些地方有水無土,或者沒有好土;有些地方有土無水,干旱缺水。據估計,我國約60%的耕地缺乏灌溉條件,7億多畝農田常年受旱災威脅,5億畝鹽堿地有待改良。農業農村經濟持續發展的剛性制約因素越來越突出,單純依靠擴大生產規模很難滿足不斷增長的農產品需求。
確保谷物基本自給,口糧絕對安全,中國人的飯碗里主要裝中國糧,必須突破耕地、水、熱等資源約束,根本出路在于提高農業科技發展水平,而以轉基因技術為代表的生物技術,正在孕育新一輪的農業科技革命,已成為各國搶占的制高點和全球賽道的必爭之地。
我國飼料需求是口糧的2.5倍,為“人畜爭糧”埋下伏筆過去的一年,中國人每天要消耗掉至少200萬噸糧食。這些糧食如果用中型貨車運輸,一輛輛頭尾相接,大概要排成一條長達千余公里的車龍,這相當于從上海到北京的距離。
中國用7%的耕地養活了22%的人口,但實際上,需要用耕地養活的,不只有人,還有數以千萬計的禽畜。自上世紀80年代以來,國人對肉蛋奶的需求量快速提升。數據顯示,2023年我國肉類產量達到9641萬噸,與1980年相比增長6倍以上;禽蛋和牛奶產量分別為3563萬噸和4197萬噸,與40年前相比分別翻了3倍和32倍。生產這么多的動物蛋白,就需要有相應數量的飼料。產出1斤雞肉大約需要3斤糧食、1斤豬肉需要6斤糧食、1斤牛肉需要25斤糧食,簡而言之,肉蛋奶都要用糧食去換。2022年9月,農業農村部召開豆粕減量替代行動工作推進視頻會,提出糧食安全的最突出矛盾在飼料糧。
中國農業科學院農業經濟與發展研究所副研究員韓昕儒表示,近10年來,全球飼料糧需求量保持快速增長態勢。經合組織和聯合國糧農組織最新數據顯示,全球谷物的飼用需求量從2012年的8.3億噸增至2021年的10.3億噸,增幅達到24%,比食用需求的增幅高11.5個百分點。蛋白粕類的需求量從2.7億噸增至3.6億噸,增幅達到33.3%。與此同時,全球人口總量增加了7.5億人,人均肉蛋奶需求量分別增長了2.1%、9.0%和5.8%。隨著世界人口增長和膳食結構轉型升級,畜產品需求快速增長,帶動了飼料糧需求快速增長。
我國是世界豬肉消費第一大國。根據USDA(美國農業部)數據顯示,2019年全球豬肉消費量達到1.009億噸,我國占全球豬肉消費量的比例高達44.5%,即全球有近一半的豬肉是被中國人消費的。通常來說,一頭長到250斤左右出欄的肥豬,一生至少需要650斤飼料喂養。若按一斤飼料用到0.6斤玉米和0.2斤豆粕計算,一頭豬一生就要消耗掉390斤玉米和130斤豆粕。2022年我國玉米產量為2.57億噸,也就是說有一半的玉米被用來喂豬;同年大豆產量僅為1600萬噸左右,即使全部加工為豆粕去喂豬,依然存在超過3000萬噸的豆粕缺口。有研究估算,如果不進口大豆,全靠自己種,按照我國現有的生產條件和技術水平,要彌補這么大的缺口,需要有7億畝的耕地,必然與其他作物產生矛盾,導致其他農產品供給短缺。
中國是世界第一大飼料生產國,飼料糧的增長對我國糧食供需平衡的影響越來越大,以2010年為例,2.46億噸糧食缺口幾乎全部來自飼料糧。根據海關總署公布的數據,我國2022年糧食進口量為1.4687億噸,其中大豆和玉米居前兩位,分別達到9108萬噸和2062萬噸,合計占比高達76%。
當前,我國完全有能力保障水稻、小麥的口糧供應,但飼料用糧安全仍需高度重視。為化解“人畜爭糧”矛盾,降低居民的消費負擔,2021年國家啟動轉基因玉米大豆產業化試點工作,2023年試點范圍擴展到河北、內蒙古、吉林、四川、云南5個?。▍^)20個縣。從試點情況看,與常規品種比較,轉基因品種在增產節本增效上,總體都有良好的表現。
蟲害嚴重制約農業發展,“蟲口奪糧”不容
從古至今,蟲災一直是農業生產的最主要災害,其造成的損失與饑荒、澇害和旱災等天災相當。我國是植物病蟲害重發國家,草地貪夜蛾、粘蟲、水稻“兩遷”害蟲、小麥條銹病、赤霉病、柑橘黃龍病等遷飛性、暴發性、流行性病蟲害呈加重趨勢,嚴重威脅糧食及重要農產品生產安全。
記者從中國農業科學院經濟作物蟲害監測與控制創新團隊獲悉,近10年,植物病蟲害造成的糧食損失在2200億斤以上,損失約占糧食總產量的15.0%~22.6%,每年經病蟲害綜合防治挽回的糧食損失約占總產的15%左右,但年均實際損失仍在350億斤以上,占糧食總產量的2%~3%。近10年,小麥年均實際損失55億斤、水稻年均實際損失72億斤、玉米年均實際損失101億斤。此外,植物重大病蟲害發生還造成棉花產量損失10億斤、油料產量損失18億斤、其他作物損失達220億斤。
隨著生物技術的不斷發展,面對曾經困擾歷代農業發展的蝗災,人們如今可以利用基因工程改造過的白僵菌、綠僵菌等昆蟲寄生性病原菌作為生物農藥,通過無人機大規模噴灑,快速、有效地進行防控。不過我們還不能放松警惕,盡管目前蝗災已經能被基本控制,不再構成巨大威脅,但其他害蟲,尤其是鱗翅目害蟲造成的農作物減產問題依然嚴重。
玉米和棉花,分別作為我國主要糧食作物和重要經濟作物,用途廣泛、種植面積大,是農民重要的經濟來源。在玉米和棉花生長過程中出現的主要害蟲分別是鱗翅目的玉米螟和棉鈴蟲,嚴重時可造成玉米減產三分之一以上,棉花減產甚至絕產。鱗翅目害蟲攝食范圍甚廣,對水稻、豆類和蔬果也存在危害。幸運的是,一種名為蘇云金芽孢桿菌(Bacillusthuringiensis,Bt)的發現為培育抗蟲作物品種提供了新的思路,科學家將抗蟲基因轉入棉花、玉米等作物中,獲得了具有抗蟲性狀的農作物新品種。
1990年,美國批準了第一例轉基因抗蟲棉田間試驗;1995年,美國批準轉基因抗蟲棉花的商業化種植;1996年,美國和加拿大開始商業化種植轉基因抗蟲玉米。我國對抗蟲基因的研究始于20世紀90年代,首先由中國農業科學院合成了國內第一個編碼Bt-cry1Ab/Ac蛋白的融合基因,利用此基因,1994年,我國培育出轉基因抗蟲棉,1997年,轉基因抗蟲棉開始商業化應用,我國成為世界上第二個完成抗蟲棉品種自主研發的國家。當前,我國有13個抗蟲、耐除草劑玉米獲得生產應用安全證書。
從試點情況看,轉基因玉米對草地貪夜蛾等鱗翅目害蟲的防效均在90%以上,優于常規玉米噴施2次殺蟲劑的效果。種植轉基因玉米一般不施用殺蟲劑,與常規玉米田相比,增加了生物多樣性。
清除田間“釘子戶”,轉基因為防治農田草害帶來新方式
“鋤禾日當午,汗滴禾下土。誰知盤中餐,粒粒皆辛苦?!泵看巫x到唐代詩人李紳的《憫農》,人們腦海里總會浮現出農民在太陽下彎腰勞作的身影,“鋤禾”指的就是去除雜草,有作物生長的地方就有雜草滋長,雜草與作物競爭陽光、水分、養分和生長空間,更有甚者還會帶來病害,危害作物生長。雖然雜草是“黑戶”,但生命力非常頑強,而且懂得“協同作戰”,它們利用萌發期不同的優勢,升級成為難啃的田間“釘子戶”,農民鋤了舊草,地里還會長出新草。據全國農業技術推廣服務中心數據顯示,截止到2023年,我國農田雜草常年發生面積14億畝次以上,形成草害的面積7.65億畝次,造成農作物平均減產9.7%。
誰能憐民苦,鋤禾免當午?
隨著科技的高速發展,合成的草甘膦除草劑成為破解雜草難題的武器。但是雜草和農作物都是植物,很難做到選擇性殺滅雜草而不傷害農作物,于是,除草劑和抗除草劑作物“攜手合作”的雜草控制操作模式逐漸產生。
“雜草危害是影響大豆生產的重要限制因素,制約大豆產量的提升。常規大豆生產通常需要2種及以上除草劑混用,施用2~3次仍不能完全控制雜草。大豆田的闊葉雜草是生產難題,農戶常超量使用除草劑,而大豆因藥害問題通常需要7~10天緩苗恢復,影響大豆產量。草甘膦是一種滅生性除草劑,對雜草防治譜非常寬泛,2周左右即能快速降解,土壤殘留量低,不會對下茬作物產生影響,有利于輪作和用地養地?!敝袊r業科學院農田雜草監測與防控科技創新團隊研究員李香菊告訴記者,到目前為止,耐草甘膦性狀仍然是轉基因作物的主要性狀,全球14種耐除草劑作物(植物)中有9種作物具有耐草甘膦性狀。2019年,由北京大北農科技集團股份有限公司研發培育的抗草甘膦和草銨膦兩種除草劑的轉基因大豆正式獲得阿根廷政府的種植許可。
據ISAAA(國際農業生物技術應用服務組織)和美國農業科學與技術理事會核算,常規大豆除草通常使用3~5次除草劑,耐草甘膦大豆使用1~2次草甘膦即可有效控制雜草危害,除草成本比常規大豆減少56%。從1996年到2019年,全球種植耐除草劑大豆、抗蟲耐除草劑玉米和抗蟲耐除草劑棉花分別增收643億、170億美元和22.5億美元。美國、巴西、阿根廷和加拿大僅種植孟山都MON89788大豆的衍生品種就分別增收173.79億、84.87億、8.40億美元和9.05億美元。
從試點情況看,轉基因大豆、轉基因玉米耐除草劑性狀表現穩定,噴施草甘膦除草劑的除草效果均在95%以上,明顯優于常規除草劑的除草效果。試點轉基因玉米生態效益好,寄生蜂等天敵、土壤中蚯蚓等有益動物數量顯著增多,豐富了生物多樣性。
通過評價的轉基因生物是安全的
對轉基因產品進行安全評價是國際通行做法,國際上建立了科學嚴謹的評估程序和評估標準,就是為了確保通過安全評價、獲批上市的轉基因產品和普通產品一樣安全??茖W界長期跟蹤和應用實踐表明,通過安全評價的轉基因產品是安全的。
從原理上來看,轉基因育種是將一個生物體中克隆結構明確、功能清楚的基因轉移到另一個生物體的技術。以玉米為例,一株通過常規育種方式培育出來的玉米,生長過程中會受到蟲子的危害。為了解決這個問題,育種家首先從蘇云金芽孢桿菌里面克隆出可以抗蟲的Bt基因,然后直接把這個抗蟲的Bt基因插入到玉米的基因組里,這樣獲得的轉基因玉米就具備抗蟲的性狀。同時,也需要從轉化體中篩選性狀優良的株系,并借助常規育種方法,經過回交轉育獲得穩定遺傳的品種。
轉基因生物安全性的關鍵在于轉入的基因。基因存在于生物體的各個組織細胞中含有的染色體上。比如玉米植株的根、莖、葉等在專業角度被叫作一個“組織”。這些“組織”都是由龐大數量的細胞組成,植物細胞由細胞壁、細胞膜、細胞質和細胞核組成,而染色體就位于細胞核中。不同動、植物細胞里包含的染色體數量是不一樣的,比如,玉米是10對染色體,水稻有12對,人類有23對。染色體由DNA(脫氧核糖核酸)和蛋白質組成,一段DNA序列就是一個“基因”。
其實,任何一個優良性狀培育改良的背后,都是基因的改變和重新組合??梢哉f,農作物進化史也是基因的改造史。比如玉米,就是古代農民在培育過程中不斷選擇較大的,或味道較好的,或更容易磨碎的種子來播種,經過一代代的人工選擇,玉米棒變得更大,顆粒更多,逐漸成為現代玉米的模樣。
轉基因育種和傳統育種的相同點都是基因的交換與重組。不同的是,傳統育種是以染色體為單位的“基因組”交換,而轉基因育種是單一“基因”的導入。因此,從基因交換與重組的本質特征來看,轉基因育種與傳統育種一脈相承,但從育種技術的先進性來看,轉基因育種又是傳統育種的延伸、發展和新的突破。
從科學角度看,轉基因產品的安全性主要體現在吃了對人有沒有不良影響以及大面積種植對生態環境有沒有不良影響兩方面。轉基因產品上市前需要經過毒性、致敏性等食品安全評價,以及基因漂移、生存競爭能力、生物多樣性等環境生態影響的安全性評價,確保通過安全評價、獲得政府批準的轉基因生物具有人們希望得到的性狀,例如抗蟲、抗旱等,但同時并不會增加過敏原和毒素等額外風險。
我國對轉基因農產品的安全評價按5個階段進行,在任何一個階段發現任何一個對健康和環境不安全的問題,都將立即中止培育。以獲得我國批準生產應用安全證書的轉基因大豆“中黃6106”為例,其食用安全和環境安全進行了系統全面的評價,評價過程長達11年。
世界衛生組織、歐盟委員會、國際科學理事會等眾多國際權威機構進行長期跟蹤評估的結果表明,上市流通的轉基因產品與非轉基因產品同等安全。截至目前,已有超過160位諾貝爾獎獲得者聯合簽署公開信,呼吁尊重關于轉基因產品安全性的科學判斷和監管機構的評估結論。