【植物组培的过去与未来】许智宏院士：我国植物生物工程发展及其应用
2021-07-12 11:45:42
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2021年6月25日至27日，由福建省科协作为指导单位，商务部中国国际经济技术交流中心、福建农林大学、中国南南合作网作为支持单位，以“植物组培南南合作创新发展”为主题的“2021农业科学南南合作论坛”在福建福州举行。据悉来自南南合作和植物组培领域的领导和专家、外国在华国际友人130多人参加本次论坛。
中国科学院院士许智宏受福建农林大学何碧珠教授邀请发表题为《我国植物生物工程发展及其应用》主题演讲，以下是许智宏院士发言。
各位领导，各位来宾，老师们同学们，今天我也非常高兴给大家来介绍一下中国的生物技术的发展状况，以及我们的未来。今天我们的主题就是围绕植物组培产业化在农业生产的一些应用。实际上中国的组培的发展最早可以追溯到上个世纪30年代。由于当时国内复杂的情况，处于战乱，所以这个工作发展断断续续的，进步以后，我们对组织培养认识也不是非常的清楚。我的老师，国内非常著名的组织培养专家罗士韦教授等做了很多组织培养的工作，但是多次的政治运动中都受到批判，为什么呢？当时就不理解组织培养能够为农民生产服务，批判植物组织培养是脱离实际的技术，特别到文革开始，实验室基本上都解散了，我们培养的材料也都丢掉了。另一方面，文革又挽救了组织培养，为什么？因为我们花药培养了单倍体。当时国外的专家到中国来访问都问过我，为什么中国到处都是在做单倍体？因为这可以跟生产结合，总算找了一个路子，到了后来我们又做细胞杂交。然后通过组织培养大量促进苗木，一些重要的农作物、花卉的生产，用到今天。
接下来我从三个层面展开：一：植物生物工程：组织培养及其在农业中的应用；二：现代育种技术的发展：转基因作物和基因编辑；三：植物生物工程的未来：分子设计育种、合成生物学。我想首先要了解一下我们中国的农业，总的来讲，去年全球的粮食还是都有增长的，但是从需求出发，还是有很大问题。我国虽然出现一些问题，但我们生猪养殖从去年开始复苏，粮价波动上涨，但对我国影响有限。面对全球疫情，以及极端气候事件频发，中国如何应对？我们中国很多农业科学家以及政府都非常关注。未来的农业，总的来讲我觉得关键是怎么来满足发展过程中人口增长、人均消费、社会需求，而未来农业的增长很大一部分的需求是来自于发展中国家，人民的生活水平提高，高附加值的食品等等选择了继续增长。世界的人口还在增长，根据FAO预测，2050年，全球粮食的需求翻一倍，每年作物产量需保持年增产2.4%以上，但是我们现在目前的主要农作物：水稻、玉米、小麦、大豆每年的增产都没有达到2.4%，所以对全球来讲面临的问题还是很大。所以我们总书记也强调中国农业一定要现代化，没有农业现代化，就没有中国的现代化。我们要保证未来的农业基本三步走，到2020年基本建成小康，到2035年基本实现社会主义现代化、2050年建成社会主义现代化强国。面对我们国家的要求，农业还是非常重要的。当然也提出粮食保障安全、绿色优质、还有工业制的改革，还有农业工业化，农业的工业化是未来的发展方向。此外，我们还面对城市化和人口老龄化，迫切需要轻简化、集约化品种。面对人们生活质量提高，高质量、专用型农产品也匮乏。从1995年开始，我国居民主粮消费下降，1995年以后，我们食用的蛋、肉类、鱼、水果蔬菜、奶类等消费明显增长，所以1995年可以作为一个拐点，我们中国人的食品结构已经发生了很大变化，这也体现农业上有一个很大的需求变化。另外，我们粮食增产及农业增产，大量的使用化肥也带来了环境的影响，我国农业可持续发展面临严重挑战，我们的化肥、农药使用量占了全球1/3,农药接近40%。所以品种是保障粮食安全很重要的一个方面，根据FAO的资料，全世界粮食总产增长中80％依赖于单产水平提高，而单产提高中60～80%源于良种的推广。十三五后，我国品种对粮食增产的贡献率也达45%以上了。改革开放以来，农业生产逐步稳定，我国粮食产量已连续多年世界第一。2019年全球粮食产量约27.77亿吨，其中中国6.64亿吨，美国约5亿吨，所以中国已经是全世界最大的粮食生产国。全球人均粮食350kg，中国则达到475kg，我们超过了国际人均粮食需求产量。国内产需基本平衡，口粮绝对安全，供应整体充裕。上述结果得益于我们整个制度上的创新，技术的进步，市场的改革，还有国家各方面对农业投入的政策。话归生产，讲讲我们的植物组培技术，即组织培养及其在农业中的应用。植物组织培养应用年数也是很长的，技术是逐步发展的，现在已经广泛的应用于我们农作物的改良、园林花卉的大量繁殖。不光这些，我们的远缘杂交——很多植物之间相互杂交，不能够长成苗，得不到后代，原因跟我们人类怀孕一样，先天不足，早就流产了。所以我们可以获取胚，来进行培养，得到杂种，来培养其后代。组培是一个比较老的技术，但是一直到今天我们仍旧大量运用。如南京农业大学的陈发棣校长团队工作，以前的菊花不能抗蚜虫，一直以来也没有找到抗蚜虫的基因，但是野生菊科植物中有抗蚜虫的基因，他把两种菊花杂交，通过胚离体培养，得到杂种后代，菊花可以扦插，可以大量的繁殖。所以这样一些传统技术、现代技术的运用，通过细胞杂交把不同的植物细胞融入在一起，让它能够长出苗来，这方面现在进行了很多探索，我们国家在小麦、柑橘上都有很多成功的例子。我再举一个例子，马铃薯。中国已经是全世界最大的马铃薯的种植国，我们的总种植面积和产量均居全球第一。马铃薯已是我国第4大粮食作物，但是土豆有最大的一个问题，即它是无性繁殖的植物，很容易感染各种的病毒，病毒会极大的影响产量。过去我们马铃薯原种，从北方用火车往南运，因为南方马铃薯品种退化特别厉害。现在我们用组织培养的办法，可以大量的获得脱毒苗，获得没有病毒的马铃薯种苗，即脱毒种薯，解决马铃薯生产上的问题。而这个技术不光运用于马铃薯，凡是地下块根块茎无性繁殖植物，如红薯、山药、地黄，都容易感染病毒，运用组培，一般产量都可以提高30-50%，这对我们生产是一个非常重要的意义技术。另外像我们华南的香蕉，我国有很多名贵的很好的香蕉品种，但香蕉一种到地里它无性繁殖，很快感染病毒，产量就降低了。通过试管苗，只要定期的两年换一次苗，基本上就解决这个问题。还有草莓很多也是无性繁殖，通过这个技术克服了很多园艺植物产量下降的问题。我国桉树产业，占全国木材总产量1/4，特别是广西，广西桉树一年的试管苗年产量近10亿株，产值超过3000亿元，对广西的经济发展非常重要，我们当年在广西帮助建立的试管苗工厂现已经很庞大了。
植物组培技术另一方面重要应用即保育。中国是全球生物多样性最丰富的国家，也是很多中药农作物的起源地，但是随着我们经济发展，中国也是生物多样性受威胁最严重的国家之一，生物多样性的消失高于全球的平均水平。全球大概有10%的物种濒临灭绝，而我国有20%，我们现在大概有6000种的植物处于濒危甚至灭绝的状况，自然界可能每天都有植物在灭绝。我们用组织培养的办法，实际也是一种很重要的挽救这些植物的方法。我们从大生态的角度来讲，保护生物的多样性是一件很重要的事情，中国科学院昆明植物所开展的一个国家科技部的项目，就是来解决极小种群，在大自然中，利用组织培养的方法让一些濒危的植物得到大量繁殖，使它们可以重返大自然或者重新被利用。比如用试管苗大量繁殖，再比如说，华盖木是中国一级重点保护的植物，在大自然仅有52棵，利用组培技术能够使它大量繁殖从而有希望返回大自然，又比如说在云南发现的墨脱百合(Lilium medogense )，在自然界中仅找到两个球茎，用组培办法也可以进行大量的繁殖。现在全国到处可以见到铁皮石斛，但是实际上野生铁皮石斛是处于濒危状态的，利用组培技术可以对它进行大量繁殖。福建农林大学的何碧珠老师带领团队利用组培技术在金线莲方面做出了很大的贡献。过去我也没见过金线莲，与何老师认识以后才知道，由于大自然中的金线莲被过度地被开采，使金线莲处于濒危状态，变成了二级保护植物，后来又变成了一级保护植物，这该怎么办呢？我们何老师做了非常漂亮的工作，通过大量地繁殖，有效缓解了金线莲的濒危状态，同时也推动了林下经济发展，提高了农民的收入。如今在福建，我们中国科学院在泉州有个三安植物工厂，金线莲和铁皮石斛通过人工控制光照的强度和时间，获得大量高效优质的产品，通过不同光照的对比，提高有效成分。不同的光照，对植物的有效成分有影响，通过工厂化，可以得到品质非常好的金线莲。再如，目前国内规模最大的上海浦东的大地园艺种苗公司，已经完成了第二期的工程，一年产能达10亿株，不仅可以种植各种各样的植物，而且可以跟现在的植物工厂联合起来实现更长远的发展，目前组培技术流程中仅接种环节无法实现机械化，其他所有的环节基本上都可以实现机械化。我认为未来我们的组培技术和现代工业化生产完全可以结合起来，特别是在一些城市，规模比较大的工厂中，种苗是在国内外都是是一个非常大的产业，这种需求迫使我们必须大规模的工业化生产。接下来讲一下现代育种技术的发展给转基因技术带来的机遇，如果没有组织培养的试管苗，转基因技术也无法顺利发展。有了基因，怎么让它转到植物中去？美国最近提出，未来农业发展有三个重要点，第二点就是要研究怎么让试管中的细胞或组织长成苗，即植株再生。从1996年在美国第一个转基因植物试验成功，到2018年之后，全世界的转基因作物种植面积已经增加了约110倍。转基因技术是近代发展最为迅速的农作物技术改良的办法，转基因技术到现在为止已经存在了24年，证明了转基因技术在全球农作物的增产方面发挥了重要作用。世界上有很多国家由于各种原因，大部分是政治上的原因，还在反对转基因技术甚至禁止使用转基因技术，但是实际上20多年使用转基因技术的过程证明，到目前为止，并没有一例负面的报道，这在科学上是有迹可循的。转基因技术过去在发达国家中应用多，现在是发展中国家多。如今转基因技术方面美国还是第一位，巴西是第二位，紧接着是阿根廷、印度。我们中国原来位居第二位，现在退到了第七位，其实科学家做出了许多很好的例子，所以我们也在呼吁中国的转基因技术可以得到发展，可以有新的政策加速转基因技术的有序发展。美国吃的很多东西中都加入了转基因大豆的蛋白或蛋白粉。巴西在2000年，转基因技术水平还很低，而近年来，巴西的转基因技术水平有大幅度的提升，目前巴西已经是我们中国大豆的最大的进口国了，由于和美国的贸易战，巴西也是我国最大的贸易国。发展转基因育种实际上是我们国家的既定国策，从1986年开始，我们的高新技术发展规划中，比如说“863”中就有转基因农作物，一直到2008年国家重大科学专项转基因农作物新品种的培育，定了5个农作物，水稻、小麦、玉米、大豆、棉花，动物有3种（猪牛羊），国家投资2个多亿来推动转基因农作物的产业化，所以截止到目前来看，转基因技术还是有很大的进步。2021年中央1号文件强调：“尊重科学、严格监管，有序推进生物育种产业化应用。”大家都知道转基因首先要到基因中去做，全球60多种农作物中，占了96%的耕地，其中有50多种的农作物的基因的序列已经测定完了，而中国科学家参与了其中大部分农作物的基因测序，有的是中国独立完成的，有的是中国与外国科学家一起完成的。比如水稻基因组是我们跟日本人一起合作的，从水稻基因中，我们分离了大量的有用的基因，促进了水稻这些年来的改良。应该说，中国已经初步建立了完善的生物育种研发体系，国家已经制定了各种政策，我个人觉得转基因生物是建国以后农作物育种体系中最为严格的一个体系。我国现在每年的农作物很多受到损害，因病虫害每年的损失200-400亿公斤的粮食，老的疾病还没克服，新的疾病又来了。南方的稻曲病过去没有什么太大影响，但这些年已成为南方水稻很重要的病害。我再举个例子，中国科学院的专家得到了广谱的抗稻瘟病基因Pigm。植物病每天都在发生改变，所以不要期望有一个农药可以一劳永逸用下去。我们跟病的斗争是道高一尺，魔高一丈，抗病战永远不能停止。我们找到的能够广谱的抗稻瘟病基因Pigm，通过这个可以来选育水稻新品种，应用非常广泛。在转基因作物中，棉花是最典型的，也是最成功的，大概在上世纪的80年代后期，中国北方很多棉花大大减产，甚至都绝收了，我记得一个农民告诉我，把棉铃虫浸在农药中都不死，抵抗力非常强，当时就通过转基因，用转基因的抗虫棉，解决了棉花的抗虫的问题。而且由于抗虫棉花的运用，使得其它作物的病虫害大大减少，因为中国没有像美国的大面积种植，我们往往将棉花和玉米等其他农作物种植在一起，而棉铃虫不光吃棉花也吃其他的农作物，所以棉花中的棉铃虫减少了，其他农作物中的棉铃虫就也少了，所以这是预先没有想到的。水稻还有一个是稻飞虱非常严重，我们科学家前后花了近20年培育了抗稻飞虱的基因，克隆出来后，用到育种中去，我们现在可以培育很多抗稻飞虱的水稻。中国有大批的旱地、盐碱地，我们通过转基因培育了很多耐旱耐盐碱的农作物。我们还可以改良棉花的品种，因为中国的棉花纤维比较短，拉力不够，通过转基因的办法，可以分离到促进纤维长大的，促进拉力延长的这些基因，大大改良了棉花的品质。现在我们中国糖尿病人差不多1亿，糖尿病人害怕吃大米，大米淀粉含量特别多，现在科学家已经把抗性淀粉的基因转到了水稻中。抗性淀粉也是淀粉，但是我们的胃不容易消化它，可以成为糖尿病人专用的食品。实际上小麦现在也选到这样的品种。不仅是食品，转基因技术还能生产药品，如用转基因水稻来生产人血清白蛋白。大家知道医院里体弱的病人手术以后要大量地服用血清白蛋白，过去我们有大量进口，因为它从血中提取，这样的话很危险，一个是量不够，第二个从人的血中，很容易感染病毒。而现在我们用植物来生产动物的蛋白，感染病毒几率很低，而且我们水稻把蛋白提取了，淀粉还可以做发酵等等，现在已经做得非常成功了，而且国外也想要来买专利。现在我们的医用卫生部门已经可以做临床实验了，现在农业部做多品种的大田试验，它的好处是田地需要量不大，若担心转基因品种的泄露，可以用铁丝网隔离。所以这就说明我们植物不光生产我们吃的东西，它也可以生产医疗用品。有的人说不吃转基因食品，我就跟他们说，如果吃木瓜，我相信全世界的大部分木瓜都是转基因的。因为上个世纪美国夏威夷的木瓜得了木瓜环斑病毒，传播到全世界，使整个产业毁了。木瓜环斑病毒相当于木瓜的癌症，没有任何农药可以使用，但是转基因解决了该问题。转基因木瓜就是把病毒的一段基因转到了木瓜里，使它对病毒产生的抗性，挽救了木瓜产业，我们中国的海南岛也有一定的种植面积。中央讲了一个大健康，大健康要种的农作物要使它更加营养。瑞士的一个科学家多年前做的转基因水稻现在叫黄金大米，golden rice。我们吃的大米中为什么营养不好？因为大米中除了淀粉，基本上没什么别的东西，维生素含量也很低，但他现在把胡萝卜素的基因从别的植物中引到了大米中，使白色大米变为黄的。他还放弃专利，能够使全世界发展中国家都能拥有，但是由于反转的人坚决反对，应用推进缓慢，但是去年美国、菲律宾等十几个国家已经可以批准利用。我们国家华南农业大学刘耀光院士，他用转基因培育出不同颜色、不同的花青素、不同的胡萝卜素的大米。美国还通过转基因技术提升牧草木质素含量，让动物能够吃得更加营养。还有我们青蒿素，药学家屠呦呦获得了诺贝尔奖，但是青蒿中青蒿的含量干重中不到1%，怎么样提高它的含量呢？上海交通大学的教授将对青蒿素代谢途径进行调控，有效地提高了青蒿植株中的青蒿素含量，含量可以提高到2.8%，工厂中提取青蒿素的效率就会大大提高。总的来讲，我们国家在转基因产业化方面做了大量工作，现在农业部也批准了很多田间试验。但是我们长期以来，除了棉花和木瓜以外，没有一个真正的产品实现产业化，这使得我们的产业化性能大大减慢，像之前说的，我们原来是世界第二，现在变为世界第七。最近根据各方面的试验和国外的经验，农业部又出台了很多新的政策。我们总书记讲道，要大胆创新研究转基因技术,占领转基因技术制高点,不能把转基因农产品市场都让外国大公司占领了。基因编辑技术加快了生物育种研究。山东的舜丰公司，他们就获得了一系列的基因编辑的生菜，生菜的维生素比原来的提高了十几倍，而且速度很快，这是国际上公认的一个生产。台湾大学的叶开温老师通过基因编辑，成功的培育了新的文心兰，文心兰原来是黄的，现在可以有白的。基因编辑的具有如下特点：一是更加精确、精准育种，二是监管容易，三是速度快，四是成本低，所以现在越来越多的人想办法来做基因编辑。但是很多情况下，一个制约点就是组织培养的技术不过关。最后我简单说一下，过去野生品种由人类驯化种到农家品种，到现在品种，用了几千年，现在通过生物工程育种，我们只要几十年。但是在此的过程中，我们也有很多问题，育种的遗传多样性减少了，很多基因被选育出来但是有很多好的基因被丢了，现在我们就是要重新想办法把我们丢掉的基因，重新从野生植物中来引回到我们种的植物中，这就是分子模块育种，就像小时候玩积木一样，把好的基因能够富集在一起，高产的、稳产的、优质的、高效的方式来育种，说起来很简单，但似乎每个模块要做好都是很不容易的。科学家根据现代的分子生物学基因操作结合我们组织培养技术，进行人工设计、分子设计育种，根据我们的需求来设计我们的未来农作物。现在科学家最关注的领域之一就是合成生物学，很多的天然产物实际上经过化学家改进，使其结构改变。现在生物中的天然产物，是我们巨大的宝库，特别是中国的中草药。我举一个例子：人参，人参皂苷有300多种，究竟哪一种有用？每一种量很少或者很多，现在化学家把这些都分离出来，大概就4-5种的成分对人是最有用的，但是它的量都是非常的少，三七和人参实际上成分很多都一样的，但是量不同，同样一个成分，三七多一点，人参少一点。现在科学家把它里面最有用的东西能够用人工的办法生产，那就是农业的工业化了。把植物中从农业上把成分弄清楚以后，再把它工业生产。我们上海植生所的老师首先把三七、人参的组成、生产都弄清楚，有哪些环节，然后把这些基因组装，一起搬到酵母中去，把酵母作为一个工厂的厂房，一个机构，但是引进了这么多不是它自己的东西，所以现在要磨合，改进效率，最后通过这种办法可以把人参这些有效成分在酵母中大大提高。这就说明，未来的农业与工业是没有一条截然的界限，农产品要进一步促进医药的发展，所以从组织培养一直到现在的生物技术，我想要大大扩张我们的思路来改善农业的效益来促进我们以后的发展。（完）
许智宏, 植物生理学家。北京大学生命科学学院教授、中国科学院上海分子植物研究卓越中心(上海)研究员。中国科学院院士，发展中国家科学院院士。1965年毕业于北京大学生物系，随后考入中国科学院上海植物生理研究所研究生，毕业后留在该所工作。1979年至1981年，先后在英国John Innes研究所和Nottinghum大学植物学系从事研究工作。自1983年起，历任上海植物生理研究所副所长、所长兼植物分子遗传国家重点实验室主任。1989-1992年其间，每年3个月在国立新加坡大学分子和细胞生物学研究所从事合作研究。1992年至2003年任中科院副院长；1999年至2008年任北京大学校长, 2018-2020北京大学现代农学院院长。曾任中国科学院学部主席团成员、国家科委高技术(863)生物工程专家委员会委员(1994-2001), 科技部重大基础研究计划(973）专家顾问组成员(2004-2019), 联合国教科文组织人与生物圈计划中国国家委员会主席(1994-2021)、国际植物组织培养和生物技术协会(现名为国际植物生物技术协会)主席（2002-2006）, 中国植物生理学会(现名为中国植物生理学与分子生物学学会理事长, 中国细胞生物学会理事长等, 第一、二届国家教育咨询委员会委员。现任中国植物园联盟咨询委员会主任、《中国大百科全书》（第三版）生物学与生物工程卷主编。他的研究工作主要在植物组织和细胞培养、植物激素和环境在发育中的作用机理。