生物技术在农牧业中的应用

时间：2024-07-28

萨初拉刘德明苏少锋刘红葵王蕴华呼和内蒙古自治区农牧业科学院 010031

生物技术在农牧业中的应用

萨初拉刘德明苏少锋刘红葵王蕴华呼和内蒙古自治区农牧业科学院 010031

本文从生物技术发展历程入手，阐述了其在农牧业中的应用、发展优势与存在的问题，旨在探讨生物技术推动农牧业发展的新趋势，同时加强公众对生物技术相关知识的了解，为公众科学理性地看待生物技术和产品提供指导性建议。

生物技术；农牧业；应用

1 引言

生物技术是利用自然科学和工程学原理，依靠生物作用剂的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。已知最早的生物技术应用始于公元前6000年的发酵生产，例如通过酿造来获得啤酒等。直到1978年，人类胰岛素被成功合成并证明有效后，生物技术才受到广泛关注并形成了新兴产业。1988年，通过基因工程改造细胞生产的五种蛋白质获得美国食品药品局批准，而在1990年底获得批准的此类产品数目已经超过125个。目前，生物技术仍是科学研究的热点课题，并且已经渗透到人类生活的方方面面，例如基因治疗、干细胞研究、克隆、转基因动植物，以及转基因食品等。

2 生物技术在农牧业生产中的应用

生物技术在农牧业中的应用是基于对动植物遗传和表观性状的充分研究。早在1866年，奥地利学者G.J.孟德尔已通过豌豆杂交实验揭示了基因分离定律，为后来杂交育种技术的产生奠定了基础。随后在1909年，丹麦科学家W.L.约翰森提出“基因”的名字用于表达孟德尔的遗传因子概念。直到1944年O.T.埃弗里通过肺炎球菌转化实验证实了基因由DNA组成，并于9年后由沃森和克里克揭示了DNA双螺旋结构。在1969年J.夏皮罗等研究大肠杆菌乳糖操纵子时提出一个基因可以离开染色体而独立发挥作用，从而为基因重组技术的诞生奠定了基础。在1972年保罗·伯格制备了首个人工重组DNA，1974年科恩将抗青霉素基因转入大肠杆菌内，从而揭开了转基因技术应用的序幕。1978年，人类胰岛素生产重组微生物由Startup公司（genentech）生产，并证明了转基因产品的有效性和经济价值。20世纪80年代初，首个转基因小鼠和转基因烟草的诞生充分证实了转基因技术应用的普遍性。

（1）在农业中的应用。在过去一个世纪里，利用传统杂交育种手段已培育出多个优秀的作物品种，但平均育种年限为12～15年，因此如何提高新品种培育效率一直是育种学的重点课题。早在1923年，Sax对菜豆两种性状进行研究时发现，植物中简单的基因遗传标记与植物数量性状具有连锁关系，为分子标记辅助育种技术的产生提供了理论基础。由于传统方式开发和定位分子标记周期长、效率低，因此阻碍了分子标记辅助育种技术的应用。1940年，化学诱变剂和射线被广泛应用到植物育种过程中，开辟了快速品种培育新手段。到目前已有超过2500个植物新品种被通过该手段培育出来。由于诱变产生新品种是通过随机突变个体基因而改变性状，因此存在多种不确定性。自1953年以来，DNA结构、转座子机理、植物组培、胚胎拯救、原生质体融合和DNA重组等相关技术的不断被发现，使得转基因技术成为快速培育具有人为设定性状的新品种的手段。虽然，目前通过基因工程技术获得具有特定优良品性且稳定遗传特征的新品种仍需要大约10年时间，但此项技术关键在于对目的样品的DNA进行定点和人为设定改造提供了可能性。随着高通量测序技术和生物信息学的快速发展，优良性状相关基因和分子标记得到了准确定位和高效开发，随之应运而生了分子设计育种新领域。分子设计育种即通过多种技术的集成与整合,对育种程序中的诸多因素进行模拟、筛选和优化，提出最佳的符合育种目标的基因型，以及实现目标基因型的亲本选配和后代选择策略，以提高作物育种中的预见性和育种效率，进一步利用分子标记辅助选择技术、TILLING技术和转基因技术创制优异种质资源，实现多基因组装育种的目标。由于分子设计育种采用了高效的基因转移途径，因此具有常规育种无可比拟的优点，如可精确筛选目的基因和表型、育种周期短等。一旦建立了完善的品种分子设计体系，就可以快速地将功能基因组学的研究成果转变成大田作物品种而创造巨大的经济效益。

随着生物技术的不断创新和进步，其在农业中的应用将不断深入。例如，利用植物体细胞杂交技术将豆科植物和向日葵进行杂交，获得具有高营养价值的“向日豆”；利用生物工程菌实现制酒、制酱、固氮、生物农药和饲料的生产，或利用植物组织快速培育技术实现对优良品种的快速无性繁殖。

（2）在畜牧中的应用。生物技术在畜牧业中的应用最早可以追溯到公元前5000年。当时主要利用异种杂交方法获得杂交优势群体，例如将母马与公驴杂交获得更强壮的骡子。

目前生物技术在畜牧新品种培育、遗传资源保护、饲料资源的开发利用、疾病预防与治疗和环境净化等方面具有广泛的价值。在畜禽遗传资源保护中，胚胎和生殖细胞冷冻、体外受精、胚胎工程和克隆等相关技术均被应用。转基因技术则在增加饲料作物中果聚糖和可溶性糖的浓度，降低副产品的木质素含量等饲料资源的开发及微生态制剂、疫苗研发、药物开发和疾病治疗中被广泛应用。

畜禽育种与农业育种相同，本质上都是从基因水平上对生物个体进行改良。因此发展历程也同样经历了传统的杂交育种、分子标记辅助育种、转基因动物制备和分子设计育种等。早在12000年以前，人类已驯化了狗，然而直到18世纪才形成真正的具有详细系统记录的动物育种方法。到了20世纪90年代，由于畜禽选育理论和传统技术革新缓慢导致常规育种手段受到制约，然而分子生物学和基因组学的飞速发展带动了动物育种技术的突破，形成了动物分子育种技术。与农作物相比，动物一般有更长的世代间隔、较低的繁殖力和较高的饲养成本，因而在动物中分子标记辅助育种的应用较农作物中少，而且一般只针对那些效应较大的基因。1980年首个转基因小鼠诞生之后的10年，是全世界对转基因动物进行研究的高潮时期。1985年诞生首个转基因家畜，转人生长激素融合基因（MT/hGH）猪，随后转基因兔、羊、牛等诞生。自1996年克隆羊多莉诞生以后，克隆技术成为新的畜禽繁育手段，与传统育种技术和转基因技术相结合称为快速、有效的繁育选定品种的新途径。随着家畜基因组的测序陆续完成，家畜分子设计育种将成为更加高效、准确的育种手段。

3 存在的问题及发展趋势

目前有多种途径和手段可以提高农牧业生产能力，其中包括传统育种技术和生物技术。随着有机农业备受关注，传统农牧业生产技术再次受到人们的追捧。然而这一趋势并未阻碍生物技术，尤其是转基因技术在农牧业生产中的应用。相反，其更加推动了生物技术的革新，使其向更加健康、安全、环保的方向发展。目前，全球已成功获得200多种转基因植物，其中应用最广泛的种类是转Bt（Baci11us thuringiensis）基因和转Ht（Herbicide to1erant）基因农作物。在转基因动物方面，主要转入提高动物生长率、产毛率、抗寒能力和抗病能力和疫苗生产相关的基因。到2014年为止，全球种植生物技术作物的国家有28个，总面积达到1.8亿公顷，并且每年以3%～4%的速度持续增长。其中生物技术黄豆种植面积占全球黄豆产区的82%，同样生物技术棉花占68%，麦子占30%，油菜占25%。

如同任何新技术的产生都伴随潜在风险一样，生物技术也不例外。虽然所有转基因作物都经过严格的监管审批，但消费者仍然心存疑虑。随着全球人口暴涨，预计在2100年时将突破101亿。传统农业面临巨大的挑战，如何在短时间内满足消费需求已成为主要矛盾。随着种植面积的不断扩大和农药使用的泛滥，使得人类健康、生态平衡和市场需求之间的矛盾更加凸显。虽然转基因技术所带来的种种潜在“风险”已被广泛关注，但有些顾虑是对潜在危害性的未充分理解而导致，而更多顾虑则是人们对新生事物的不接受所导致。

由于生物技术产品具有生产成本低，增产效率高，同时能够减少农药使用和对环境的影响等特点，因此仅2013年转基因作物市场总值就达156亿美元，已占全球作物保护市场的22%，占全球商业种子市场的35%，并且仍有相当大的发展空间。

4 展望

我国农牧业生物技术正处于迅猛发展的阶段，但相关的产业化发展相对滞后。随着全球农业现代化发展的影响与我国相关产业的需求的增大，农牧业生物技术产业化发展必将成为我国农牧业发展的关键点，因此只有进一步强化农牧业生物技术研究、完善安全管理和市场准入制度，普及相关科学知识，才能够更好地实现农牧业的可持续发展。

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