全 文 ：第23卷 第2期
2011年2月
Vol. 23, No. 2
Feb., 2011
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2011)02-0151-06
转基因作物将为我国农业发展注入新动力
肖景华，陈　浩，张启发*
(华中农业大学生命科学技术学院作物遗传改良国家重点实验室，武汉 430070)
摘　要：随着基因组学研究和生物技术的不断突破，应用生物技术改良农作物品种正成为引发新的农业技
术革命的关键。由于转基因品种在生产上表现出的巨大效益，其研发和产业化在全球迅猛发展，并逐渐成
为世界各国抢占的生物技术制高点。本文从转基因技术的内涵、国际转基因作物的研发态势、我国转基因
作物的研发和产业化现状等方面进行阐述，探讨了大力发展转基因作物对于解决我国目前农业生产上面临
的挑战、保障我国粮食安全和农业可持续发展的重要意义。
关键词：转基因；研发现状；粮食安全；可持续发展
中图分类号：F416.82 文献标识码：A
Transgenic crops give renewed impetus to agricultural development of China
XIAO Jing-Hua, Chen Hao, ZHANG Qi-Fa*
(National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, College of Life Science and Technology, Huazhong Agricultural
University, Wuhan 430070, China)
Abstract: Recent advances in genomics have made biotechnology more crucial in crop improvement, contributing
much to agricultural innovation. The research and industrialization of transgenic crops have been rapidly deployed
globally due to its enormous benefit in production. Thus, transgenic crops have become a commanding point of
biotechnology that many countries in the world are racing to control. In this paper, the concept of transformation
technology and the development status of transgenic crops in our country and abroad are demonstrated and
analyzed. It was concluded that the development of transgenic crop is crucial to meet the challenges in the current
agricultural production, and ensure the food security and sustainable development of agriculture in our country.
Key words: transformation; research and development status; food security; sustainable development
收稿日期：2011-01-31
基金项目：国家自然科学基金项目(30921091)
*通讯作者：E-mail: qifazh@mail.hzau.edu.cn
我国是一个人口大国和农业大国，保障粮食安
全和农产品供给一直是国家头等大事。据预测到
2030年，我国人口将达到 16亿，在未来的 20年中，
我国农作物单产需要在现有基础上提高 50%才能
满足届时的需求 [1]。人口的持续增加导致对粮食和
各种农产品的需求不断的扩大，耕地却进一步减少。
近年来，作物产量徘徊不前，病虫危害加重、农药
化肥使用过量、水资源短缺以及干旱、高温、低温
等灾害性天气等问题是我国农业生产面临的主要挑
战，对我国粮食安全构成严重威胁。农业生产急需
一批同时集高产、优质、抗病、抗虫、抗逆、养分
高效利用等诸多优良性状于一体的优良品种。
随着基因组测序等多种技术的不断突破，拟南
芥、水稻及多种农作物全基因组测序的完成，植物
功能基因组学、表型组学等多种学科研究迅速发展
起来，作物育种的理念和技术也正在发生重大变革。
20世纪的最后十年，转基因技术臻于成熟。转基因
技术能够准确地对某个基因进行操作，打破自然界
中存在的物种间的生殖隔离，迅速在作物育种中得
到应用，并成为农业史上推广最快、应用面积最广
的新技术。多年的数据表明，转基因作物在以下方
面产生了巨大的效益：(1)提高产量；(2)增加食品
生命科学 第23卷152
的营养价值，有益于健康；(3)有效地控制了害虫
和杂草；(4)免耕、保护土壤；(5)大量减少农药施用；
(6)增加农民收入 [2]。分析还表明，大面积推广转
基因作物对节约能源、减少二氧化碳排放已产生了
显著的效果 [2]。
1　转基因作物培育的技术内涵
将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因
组中，由于导入基因的表达，引起生物体性状可遗
传的修饰，这一技术称之为转基因技术。目前在转
基因农作物的培育中导入外源基因常用的方法主要
有“农杆菌介导转化法”和“基因枪法”。
转基因技术与传统育种技术是一脉相承的，其
本质都是通过获得优良基因进行遗传改良。自人类
耕种作物以来，我们的祖先就从未停止过作物的遗
传改良。过去的几千年里农作物改良的方式主要是
对自然突变产生的优良基因和重组体进行选择和利
用，通过随机和自然的方式来积累优良基因。遗传
学创立后一个多世纪的作物育种主要通过人工杂
交，进行优良基因的重组和外源基因的导入而实现
遗传改良。但在基因转移的范围和效率上，转基因
技术与传统育种技术有两点重要区别。第一，传统
技术一般只能在生物种内个体间实现基因转移，而
转基因技术所转移的基因则不受生物体间亲缘关系
的限制。第二，传统的杂交和选择技术一般是在生
物个体水平上进行，操作对象是整个基因组，一次
所转移的基因数以万计，不能准确地对某个基因进
行操作和选择，对后代的表现预见性较差。而转基
因技术所操作和转移的是经过明确定义的基因，功
能清楚，后代表现可准确预期。因此，转基因技术
是对传统育种技术的发展和补充。将两者紧密结合，
可大大地提高品种改良效率。
2　国际上转基因作物的发展态势
1983年世界首例转基因植物的诞生，标志着
人类用转基因技术改良农作物的开始。1986年，美
国批准转基因作物进入田间试验。1994年，美国
Calgene公司培育的延熟保鲜转基因番茄被批准商
品化生产。1996年全球开始大规模地商品化种植转
基因作物。自此，转基因作物的研发和产业化在全
球范围内迅猛发展起来。据农业生物技术应用国际
服务组织 (ISAAA)的统计 [3]， 2009年全球转基因作
物种植面积达 1.34 亿公顷，占全球作物面积 (15亿
公顷 )的 9%。在短短的 14年间，转基因作物的种
植面积较 1996年 (转基因植物大规模进行商业化
种植的年份 )的 170万公顷增长了 79倍，转基因
技术也成为农业近代史上应用最快的作物技术。
2009年商业化种植转基因作物的国家从 1996年的
6个增至 25个，包括 16个发展中国家和 9个发达
国家。这些国家的人口总数为 36亿，占世界人口
的 54%。种植面积超过百万公顷的前 8个国家分别
是：美国 (6 400万公顷 )、巴西 (2 140万公顷 )、阿
根廷 (2 130万公顷 )、印度 (840 万公顷 )、加拿大 (820
万公顷 )、中国 (370 万公顷 )、巴拉圭 (220万公顷 )
和南非 (210万公顷 )。2006年以来，有 57个国家
允许涉及 24种作物的 155个转基因植物事件 (event)
用于食品 /饲料或种植。这 24种转基因植物包括大
豆、玉米、棉花、油菜、南瓜、木瓜、紫苜蓿、甜菜、
番茄、杨树、甜椒、马铃薯、矮牵牛、康乃馨、玫
瑰等。其中种植面积最大的作物是大豆、玉米、棉
花和油菜，这 4种作物的转基因品种面积占全球所
有转基因作物的 99.6%。
在全球转基因作物商业化种植的第一个 13年
里 (1996~2008)，农民共创收 519亿美元，其中超
过一半的收益 (261亿美元 )来自发展中国家，其余
的 258亿美元则来自于发达国家。根据 PG Economics
的报告显示 [4]，转基因作物对农民增加收入的影响
主要来自于产量和生产效率的提高，对增加农民收
入具有重要意义。
在已商业化的转基因作物中，抗除草剂和抗虫
基因是目前主要的导入性状。随着转基因植物研究
的不断深入，未来多性状聚合逐渐成为研发重点。
提高作物抗逆性和功能性转基因作物研发速度加
快，更多的具有新的性状的转基因作物如抗旱小麦、
富含 β-胡萝卜素的金稻米等有望在几年内实现商
品化。
3　我国农业生产面临的主要挑战和发展转基
因作物的重大意义
近年来农业生产与资源环境的矛盾日益严峻，
严重制约了农作物产量的提高，对粮食安全和农产
品供给构成威胁，具体表现在以下几方面：(1)主
要作物的病虫危害逐年加重，大量喷施农药既加重
了农民负担，又严重破坏了人类赖以生存的生态环
境，还造成了食物中的大量农药残留，严重危害人
类健康；(2)我国不少地区作物生产的施肥量已超
过了土地的承受能力，大量施肥造成土壤退化、江
河湖海的富营养化，对农业和环境可持续发展构成
肖景华，等：转基因作物将为我国农业发展注入新动力第2期 153
严重威胁；(3)据统计，我国农业耗水约占全国总
耗水量的 70％，而水稻的用水几乎占整个农业耗水
的 70％。水资源短缺的矛盾突出，旱灾频繁，受旱
面积大；(4)我国北方及沿海地区盐碱地面积很大，
南方热带、亚热带普遍为酸性土壤，这些不良环境
极大限制了作物的种植和产量潜力的发挥；(5)近
十几年来，多种作物产量均出现徘徊局面。
多年的统计资料分析表明，继续依靠增加化肥、
农药等投入的方式来增加作物产量，潜力有限，必
须通过遗传改良，培育出一批同时集高产、优质、
抗病、抗虫、抗旱、养分高效利用等诸多优良性状
于一体的优良品种，才能使农业生产在提高产量、
改良品质的同时，降低投入、节约资源、减少环境
污染，保障农业的可持续发展。然而，采用传统的
遗传育种技术，无法快速有效地实现上述目标，在
育种技术上需要大的变革。
近十几年来，以基因组研究和生物技术发展为
基础，转基因作物研究取得了大量的新成果，开发
出包括具有抗除草剂、抗虫、抗病、抗逆、耐旱、
氮磷肥高效利用、产量提高、品质改良等性状的多
种转基因作物。如果能有效地集成这些成果，就有
可能培育出同时具备多种优良性状的作物新品种，
缓解我国粮食和农产品的增产与资源环境的矛盾，
保障我国农业的可持续发展。
4　我国转基因作物研发和产业化的现状
自 1997年批准转基因棉花以来，我国批准了
包括棉花、矮牵牛、番茄、甜椒、杨树和木瓜在内
的 6种转基因植物的种植。2009年农业部颁发了转
Bt基因水稻和转植酸酶玉米的生物安全证书。2009
年，我国种植了 370万公顷的转基因抗虫棉和约
4 500公顷的转基因抗病木瓜，以及少量 (447公顷 )
的转基因抗虫杨树 [3]。目前我国转基因植物的种植
面积居世界第 6位 [3]。
4.1　转基因抗虫棉产生了巨大的效益
我国于 1997年批准转基因抗虫棉商业化生产，
是世界上最早实现转基因作物商品化生产的国家之
一。截至 2008年底，我国已获审定的抗虫棉品种
共计 160个。河北、山东、河南、安徽等棉花主产
省抗虫棉种植率达到了 100%，累计推广应用面积
已达 2 100万公顷，新增产值超过 440亿元，农民
增收 250 亿元 (http://www.moa.gov.cn/ztzl/zjyqwgz/
zjyxwbd/201007/t20100719_1601854.htm)。抗虫棉的
应用不但使棉花棉铃虫得到了有效控制，还大大减
轻了玉米、大豆、花生等作物害虫的危害，杀虫剂
用量降低了 70%~80%，有效减少了农药中毒事故，
保护了农业生态环境。根据Wu等 [5]在华北六省市
长达 15年的试验观察，证实转基因抗虫棉的推广
应用不仅有效控制了棉铃虫的危害，还显著减轻了
该杂食性害虫对玉米、大豆、蔬菜等多种作物的损
害，产生了良好的生态效益。拥有我国自主产权的
抗虫棉的开发还有力促进了我国农业生物技术研究
水平的提升，推动了产学研结合的新型棉花种子产
业的形成；抗虫棉产品不仅在国内市场上占有绝对
优势，而且走出国门，在国际棉花种业市场争得了
一席之地。
4.2　饲料用转植酸酶基因玉米
畜禽和水生动物的成长需要一种重要的矿物元
素——磷。玉米、大豆等加工而成的饲料中磷含量
非常丰富，但是这些磷元素主要以植酸磷的形式存
在。由于单胃的动物如猪、鸡、鸭等体内缺乏分解
植酸磷的“植酸酶”，因此很难转化、吸收植酸磷。
为此，饲料企业不得不高价购买矿物磷进行饲料添
加。与此同时，饲料原料中未被动物利用的植酸磷
却形成了高磷粪便，对环境造成了严重污染，比如
我国畜牧业每年有 300 多万吨磷从畜禽粪便里排放。
中国农业科学院生物技术研究所的科技人员利
用基因枪介导的共转化法，将微生物来源的植酸酶
基因导入玉米自交系，育成了高含植酸酶饲料专用
型玉米。动物饲喂试验表明，转基因玉米中的植酸
磷可分解成供单胃动物吸收的无机磷，除了能提高
动物对饲料磷的利用率，减少磷酸氢钙添加以外，
还显著减轻了动物粪便中高磷残留造成的环境污染。
转植酸酶基因玉米自 2005年开始进行安全性
评价，先后在北京、山东等地进行了中间试验、环
境释放试验和生产性试验。农业部于 2009年正式
颁发该玉米在山东省生产应用的生物安全证书，现
已进入相关品种区试及审定程序。
4.3　转基因抗虫水稻
我国水稻的常年种植面积为 4.5亿亩，产量损
失的主要原因之一是病虫种类多、危害大。例如，
据盛承发等 [6]估算，我国每年水稻二化螟、三化螟
的发生面积达 1 500万公顷，防治面积 3 800万公顷，
防治代价连同残虫损失合计 115亿元 (以 2002年价
格计 )。来自于苏云金芽胞杆菌 (Bacillus thuringiensis，
简称 Bt)的 Bt毒蛋白基因是目前世界上应用最为广
泛的抗虫基因。华中农业大学的研究人员以生产上
广泛种植的杂交稻优良恢复系明恢 63为受体，将
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具有我国自主知识产权的 cry1Ab/Ac融合抗虫基因
通过双质粒基因枪转化最终获得了转基因株系华恢
1号；由华恢 1号与珍汕 97A配制的杂交组合定名
为 Bt汕优 63。中科院农村政策研究中心黄季焜研
究组对 2001~2002年在湖北省执行的华恢 1号的杂
交组合 Bt汕优 63的生产性试验进行了调查，种植
抗虫转基因水稻每公顷可节省 16.77 kg农药，相当
于节省 80%的农药使用量；比原杂种增产 6%~9% [7]。
多年试验结果表明，华恢 1号及其杂交组合 Bt汕
优 63抗螟虫效果显著，丰产和稳产性能突出，具
有巨大的开发应用潜力。
华恢 1号转基因生物安全性评价始于 1999年，
先后在华中农业大学实验农场和湖北省 10个不同
生态区进行了中间试验、环境释放和生产性试验，
同时开展并通过了食用安全、环境安全性的评价。
农业部于 2009年正式颁发该水稻在湖北省生产应
用的生物安全证书，现已进入相关品种区试及审定
程序。
我国在抗虫稻研发方面还有大量的技术储备。
其中带有不同抗虫基因的抗虫稻以及带有两个不同
抗虫基因的双价抗虫稻，如代号为 T1c-19、T2A-1、
T1Ac、T1Ab等都已进入安全性评价环节。此外，
我国还自主培育出抗病、抗除草剂的转基因水稻，
这些材料在育种上都具有很大的应用前景。
为使水稻生产与环境协调发展，我国科学家还
提出了培育“绿色超级稻”的目标：充分利用水稻
种质资源和功能基因组的研究成果，采用分子标记
辅助选择、转基因技术和常规育种相结合的策略，
培育高产优质，而且集对多种主要病虫害具有良好
抗性、氮磷养分高效吸收利用、抗干旱和多种逆境
条件、优质、高产等诸多优良性状于一体的水稻新
品种。最终在水稻生产中实现“少打农药、少施化
肥、抗旱节水、优质高产”[8,9]。
4.4　植物功能基因组等相关研究领域发展迅猛
我国的水稻全基因组测序工作，在世界上产生
了较大的影响。近年来，我国水稻功能基因组研究
突飞猛进，在国际上取得了较大优势 [10,11]。我国科
学家已建立起大规模开展水稻功能基因组研究的技
术平台，在水稻功能基因组和生物育种研究方面处
于世界领先水平；小麦、玉米、棉花、大豆等作物
的功能基因组和转基因研究也初具规模；分离克隆
了数以千计具有自主知识产权的功能基因。据不完
全统计，迄今为止我国共克隆农作物性状相关的基
因 364 个，其中抗病虫基因 47 个、抗非生物胁迫
基因 101 个、品质相关基因 61个、产量相关基因
11 个、育性相关基因 18 个、与生理发育有关的基
因 126 个 [12]。如与产量、品质相关的基因MOC1[13]，
Ghd7[14]、IPA1[15]、GS3[16-17]、DEP1[18]、GW2 [19]、
GW5[20]、GIF1[21]等；与株型相关的基因 PROG1[22]、
D27[23]；抗病相关的基因 Xa3/Xa26[24]、xa13[25-26]等；
抗虫基因 Bph14[27]；抗非生物抗逆性 (抗旱节水、
耐冷、耐渍 )基因 SNAC1[28]、SKC1 [29]、OsCIPK12[30]、
OsbZIP23[31]、OsSKIP[32]、DST[33]、OsHAL3[34]等；氮、
磷养分高效利用相关基因 OsPHR2[35]、 OsPTF1[36]、
OsSPX1[37]；与 水 稻 生 长 发 育 相 关 的 基 因
OsJMJ706[38]、RID1[39]、 WOX11[40]等，为作物遗传
改良和转基因研究奠定了坚实的基础。
随着基因组研究和生物技术的发展，转基因作
物研究取得了大量的新成果，开发出具有抗虫、抗
病、抗逆、抗除草剂、耐旱、氮磷肥高效利用、产
量提高、品质改良等性状的多种转基因作物。抗虫
玉米、抗穗发芽小麦等已蓄势待发。此外，还培育
出数千份具有各类特殊性状的水稻、玉米、小麦、
棉花、油菜、大豆等作物转基因新材料。
2008年，我国启动了国家重大科技专项“转
基因生物新品种的培育”，旨在培育大批的水稻、
小麦、玉米、棉花、大豆、猪、牛、羊等 8种生物
的转基因新品种，并实现产业化，同时分离克隆大
量的功能基因和调控元件。预计该专项的实施将使
我国在转基因棉花、水稻等优势领域保持国际领先
地位，在转基因大豆等薄弱领域赶上世界先进水平。
2010年中央一号文件中明确提出“切实把农业科技
的重点放在良种培育上，加快农业生物育种创新和
推广应用体系建设。继续实施转基因生物新品种培
育科技重大专项，抓紧开发具有重要应用价值和自
主知识产权的功能基因和生物新品种，在科学评估、
依法管理基础上，推进转基因新品种产业化”。国
家层面上的大力扶持将有力地推动我国转基因育种
产业结构的调整和发展。
5　转基因作物的安全性及其评价管理
转基因生物的安全管理从一开始就受到世界各
国的重视，从事转基因研究和开发的国家均建立了
以科学为基础的安全性评价管理规则。在我国，原
国家科委于 1993年颁布了《基因工程安全管理办
法》，为我国转基因生物安全管理提供了基本框架。
根据这一框架，农业部于 1996年颁布了《农业生
物基因工程安全管理实施办法》，并开始了我国转
肖景华，等：转基因作物将为我国农业发展注入新动力第2期 155
基因生物安全性评价的工作。2001年，国务院颁布
了《农业转基因生物安全管理条例》。农业部依据
该条例，发布并实施了安全评价、进口安全、产品
标识和加工审批 4个管理办法；质检总局和林业局
也发布并实施了相应的管理办法。这些条例和配套
管理办法共同构成了我国转基因生物安全管理的法
规体系。我国还制定了与转基因生物安全检测相关
的技术标准 16项，系统进行了抗虫棉、抗虫稻等
转基因作物环境生态效应评价研究和食品安全的评
价；建立了转基因生物 (产品 )非期望效应的检测
方法，以及商业化转基因产品的筛选检测和安全评
价方法。这些制度的建立对转基因生物研发健康有
序地发展起到了很好的作用。
就转基因作物而言，我国的管理办法要求研发
单位在申请安全性评价时提交该转基因作物详尽的
分子生物学资料，并通过国家指定的具有资质的机
构进行食品安全性评价，内容包括转基因产品的毒
性、致敏性、抗营养性等。同时还要通过中间试验、
环境释放、生产性试验等一系列田间实验，获得生
态环境安全性的资料。全过程一般需要 6~8年。全
部项目通过安全委员会综合评价以后由农业部确定
是否颁发安全证书并批准商品化生产，确保转基因
作物的食品和生态环境安全。
6　结语和展望
生物技术对于未来农业可持续发展至关重要，
转基因技术带来了一场新的农业科技革命。经过了
20多年的努力，我国已形成了从基础研究、应用研
究到产品开发的转基因作物育种技术体系，获得了
一批拥有自主知识产权并具有重要应用前景的新基
因，培育出一批转基因作物新品种和新品系，成为
目前全球为数不多地拥有转基因作物自主研发能力
的国家之一，研发水平已进入世界先进国家行列。
进一步将转基因技术与基因组育种技术相结合，必
将培育出大量具有多种优良性状的新品种，使农业
生产能够“少投入、多产出、环境友好”，实现农
业的可持续发展。
从国际发展趋势来看，当前转基因作物育种技
术及其产业在经历了技术成熟期和产业发展期之
后，目前进入到抢占技术制高点与经济增长点的战
略机遇期。近年来跨国公司加大了转基因作物产业
化的规模，并且对我国种业市场形成了强大的冲击，
例如我国大豆基本上被国外转基因产品垄断。面对
国际竞争和粮食安全的严峻挑战，我国应尽快推进
转基因粮食作物的产业化。
目前，作物品种改良可用的基因资源仍然相对
比较缺乏。今后还需加强主要动植物的功能基因组
研究，以增加农业生物技术的发展后劲，保证我国
在国际基因知识产权的争夺中取得优势地位。同时，
我们还应该注意到我国公众普遍对转基因技术和转
基因食品的安全性缺乏了解。将来需要加强对转基
因技术的正面宣传和知识普及，消除公众对转基因
技术的偏见和疑虑。
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