将基因技术种在大地上：生物育种与粮食安全
2022年2月，第19个指导“三农”的“中央一号文件”聚焦种业振兴。5月10日，我国首部生物经济的五年规划发布。其中，生物农业作为四大支柱产业之一。生物育种是生物农业的首要方向——面向粮食安全和现代化农业，如何将基因与生物技术种在大地上？
一、南繁硅谷的故事
三亚市以西40公里，有座崖州古城，地处宁远河下游开阔地带，北纬18度，形成冲积平原。95后小姑娘徐丝璇在这里早出晚归，播种、授粉。她非常自豪的是，就在去年，基地双季稻亩产突破3000斤，基本实现袁隆平院士的“禾下乘凉梦“[1]。
基地，指的是国家南繁科研育种基地，2015年启动规划，划定保护区26.8万亩，总投资58.4亿元。2022年1月完成一期建设，基本建成生物育种专区，已有11家获批的科研机构和企业入驻，围绕玉米、大豆、水稻等作物育种开展田间试验。
与基地配套的是崖州湾种子实验室，2021年5月揭牌，拥有2269台测序仪、质谱仪等科研设备和15个院士团队。2022年4月10日，习近平总书记考察崖州湾种子实验室，提出实现粮食安全，种业科技就要自立自强。实验室理事单位之一的中国农业大学于2020年注册成立三亚研究院，2022年，设立全国首个生物育种科学专业，这便是徐丝璇所在的单位。
生物育种正在从田间走向规模化生产的路上。2022年2月，《海南省创新型省份建设实施方案》发布，围绕南繁科技城、国家南繁科研育种基地（海南）、海南省崖州湾种子实验室，提出”南繁硅谷“2025年产业营收目标200亿元，确立国家精准设计育种中心、国家南繁作物表型设施等重大项目。种业龙头先正达、德国科沃施、荷兰科因、隆平高科、九圣禾、敦煌种业均入驻。
在国家战略层面，2022年5月，《“十四五”生物经济发展规划》发布，这是我国首部生物经济的五年规划。其中，生物农业与医疗健康、生物能源/生物环保、生物信息并列为四大支柱产业。生物育种不仅是生物农业的首要方向，也是和临床医学与健康管理、 新药创制、脑科学、合成生物学、新发突发传染病防控、生物安全并列为七大生物技术前沿领域。
为什么我国如此重视生物育种？受全球粮食价格及供应商影响，粮食安全仍需警惕，核心要素是种业。
全球粮食安全问题值得关注。科迪华携手Economist Impact发布《2021年全球粮食安全指数》报告。报告显示，十年来全球粮食安全水平连续第二年下降。
2005年以来，世界粮食市场和食用油价格指数有了三个高点区。一是2007-2008年，由于发达国家生物燃料需求强劲，加上气候变化的影响，导致主产国粮食供给不足；二是2010-2012年，原因是气候变化导致主产国粮食减产供给不足，同时国际游资和投机商炒作抬高价格。而2021-2022年的高点价格，除了世界气候变化因素，俄乌冲突等进一步抬高了价格。
特别是，2012年以来，小麦和稻谷进入了饲料领域，打穿了以玉米为主的饲料粮的界限。而据联合国统计数据，俄罗斯和乌克兰的小麦产量基本上占到15%，出口量占到全球近三分之一。
除了以上宏观的粮食安全问题，农业农村部农村经济研究中心主任金文成在四月CMF（中国宏观经济论坛）上谈到[4]，我国粮食安全尽管受国际影响有限，但需警惕国际价格传导和供应链风险。
受国际价格影响，国内小麦现货价格一周内涨幅超过10%，跨过1.6元/斤大关，创历史最高记录。另外，从供应链角度，尽管我国的食物自给率和谷物自给率很高（95%以上），但小麦进入饲料领域的持续影响会波及谷物自给；大豆现在自给率约16%，食用油料自给率约30%。此外，从2007年到2020年，我国粮食消费与生产之间的差距基本呈每年增长的形势。
粮食安全的核心是确保产能。粮食产能分解的两大因素，一是耕地面积，二是提高亩产量；前者作为国土资源有限，后者的生物资源开发有广阔的空间。
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提到生物育种，不得不提到我国“杂交水稻之父”袁隆平先生。
1960年夏[6]，在安江农校的试验田中，袁隆平意外发现一株特殊性状的水稻，通过人工方式，去掉水稻雄花并授以另一品种的花粉（天然水稻是自花授粉），得到“天然杂交稻”。
1964年，袁隆平在试验稻田中找到一株 “天然雄性不育株”，经人工授粉后，结出了第一代雄性不育株种子。袁隆平根据实践推论水稻具有杂交优势，即通过培育雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢复系的“三系法”途径来培育杂交水稻，从而大幅提高水稻产量。
1971年春，湖南省农业科学院成立杂交稻研究协作组，抽调袁隆平。1973 年，协作组通过测交找到了恢复系，攻克了 “三系” 配套难关。当年，袁隆平发表了《利用 “野稗” 选育三系的进展》的论文，正式宣告中国籼型杂交水稻 “三系” 已经配套 。
2017年，袁隆平和团队培育出超级杂交稻品种 “湘两优 900（超优千号）” 在试验田内亩产 1149.02 公斤。2020 年，袁隆平团队在青海柴达木盆地试种的高寒耐盐碱水稻在盐碱地里长出了水稻。
就在今年，传承老一辈的研究成果和技术，国家南繁科研育种基地双季稻亩产突破3000斤，基本实现袁隆平院士的“禾下乘凉梦“！
种子培育除了带来产量的提升外，对于传统农业生产方式也有重大的影响甚至变革。
2021年11月24日，据光明网报道[5]，深圳大鹏新区，深圳华大生命科学研究院试验基地的水稻田完成收割。这种水稻收割后不用重新犁田、插秧，能像韭菜一样割了又长，种一次可以连续收割三到五年甚至更久，一年亩产量超过1000公斤，这是深圳首次试种多年生水稻。
多年生作物是20世纪70年代联合国粮农组织提出的重点发展方向之一，云南大学教授胡凤益的团队经过20多年的探索，特别是在深圳的基因测序团队的协助下，原创性地培育出多年生水稻品种，成为目前全球第一，也是唯一一款能够商业化应用的多年生粮食作物。
多年生水稻的可收获产量和当地常规水稻品种持平，但每亩每季可节约种子2至3公斤、节约5至6个人工的投入。通过免耕生产，每年每亩能固定二氧化碳20公斤、增加土壤有机质54公斤。
2020年末召开的中央经济工作会议提出：“有序推进生物育种产业化”。”十四五“规划中明确将生物育种列入需要强化国家战略科技力量的八大前沿领域之一。生物育种的意义和价值非常明确，但产业化不及预期，这是为什么？
首先，我们简短回顾下我国生物育种的进程[7]。根据中国农业科学院生物技术研究所林敏研究院的分析，第一阶段从1986年到2008年，第二阶段从2009年到2020年。
1986年，我国启动了863计划，以“优质、高产、抗逆动植物新品种”为方向，重点支持水稻基因图谱、两系法杂交水稻和转基因农作物研发。
1999年，我国启动了以转基因研究为主的“国家转基因植物研究与产业化专项”，重点支持水稻、玉米、棉花、大豆等主要农作物和园艺植物的转基因研究与产业化。这一时期，我国研究的转基因植物达数十种，其中5种获得商业化生产许可，包括抗虫棉花、改变花色的矮牵牛、抗病毒番茄、耐储存番茄和抗病毒甜椒等。2008年，转基因生物新品种培育重大专项正式启动。至此，我国转基因抗虫棉、抗虫水稻的研发处于世界领先水平。
第二个阶段，从2009年我国批准转基因抗虫水稻和饲用转植酸酶基因玉米安全证书，到2020年批准转基因抗虫耐除草剂玉米和耐除草剂大豆安全证书。这段时期尽管转基因一词在舆论上引起巨大争议，我国转基因重大专项仍然顺利实施并取得显著成效。
笔者认为，从2021年开始，我国生物育种进入第三阶段，即基于新一代分子育种技术的“精准育种4.0”，涵盖了结构解析、基因测序、定向突变、计算机模拟等技术，使分子水平上对生命及其大分子的人工设计和改造成为可能。从分子生物技术层面，至少包括以下几大核心的技术转化趋势：
基于基因测序的全基因组育种技术
基于CRISPR/Cas9等最新基因编辑的定向突变
基于合成生物技术的工程模块化和系统设计
高通量基因测序技术发展15年以来，为何分子生物育种的转化未及预期？这里有舆论引导、基因技术和产业基础设施的因素，更重要的是产业生态的合作模式仍需推敲，特别是种子企业与基因企业。
2022年5月上旬，随着《“十四五”生物经济发展规划》发布，在市场低迷情况下，七家基金公司扎堆上报中证生物育种主题ETF。除了政策效应后的资本属性外，种业的产业融合将是重大命题。粮食安全和食物安全不仅关系国计民生，对于国土资源、农业现代化，县级城镇化和统一大市场都是极其重要的要素。
满足国家战略和民生刚需，生物育种的蓝海刚刚展开，在政策、资本的引导下，种子企业和基因等生物技术企业的融合，将是继精准医疗、合成生物又一大浪潮。
其中的重难点、风险与机会、技术转化与产业规模化探索，详见基因慧正在发起的《2022生物育种技术与产业发展蓝皮书》，诚邀业内专家及机构合作！
作者丨布三少 校对 | 张琪 首发丨基因慧
关键词 | 生物育种 生物农业
参考信息：
1. 瞭望周刊：种业“南繁硅谷”创新记
2.《海南省创新型省份建设实施方案》
3. “十四五”生物经济发展规划
4. CMF：《金文成：粮食安全仍需警惕国际价格传导风险》
5. 光明网：一种多收！深圳首亩多年生水稻完成收割 ，年亩产量超1000公斤
6. DeepTech深科技：一文回顾袁隆平一生：为何他会被称为“杂交水稻之父”？
7. 生物技术进展：《林敏：农业生物育种技术的发展历程及产业化对策》
NGS技术有望成为临床常规化检测手段
詹启敏院士谈基因等前沿生物技术
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关于基因慧 基因慧专注数字生命健康产业知识服务。创始团队深耕行业一线十余年，秉持“使连接产生价值，用数据看见未来”的理念，基于产业智库和专业内容，提供产业规划、行研咨询、科技推广等服务。连续五年发布行业蓝皮书，被国家及省市级产业报告收录，组织多家单位发布行业共识和团标，推动生命科技普惠和产业融合发展。
☆ 连续五年发布基因行业蓝皮书
☆ 中国遗传学会生物产业促进委员会委员
☆ 广东省精准医学应用学会政策研究应用分会常委
☆ 深圳市健康产业发展促进会副会长单位
☆ 主办数字健康私董会、大湾区生命健康创新论坛
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