生物育种技术发展现状与趋势分析

Original 刘宇火石创造 2024-04-11

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生物育种概述

生物育种是利用遗传学、细胞生物学、现代生物工程技术等方法原理培育生物新品种的过程。随着千百年来自然物种进化与人类科技进步，世界农业育种经历了原始育种、传统育种和分子育种三个时代的跨越，形成了具有典型时代特征的各种技术版本，即从最初人工驯化1.0版和杂交育种2.0版，逐步迭代升级到分子育种时代的转基因育种3.0版和智能设计育种4.0版。生物育种属于从转基因育种3.0版跨入智能设计育种4.0版、集各种前沿技术大成的分子育种技术。20世纪末到21世纪初，随着组学、系统生物学、合成生物学和计算生物学等前沿科学交叉融合，培育革命性和颠覆性重大品种的现代生物育种技术应运而生，其中最具代表性的技术包括全基因组选择、基因编辑和合成生物技术等。

生物育种产业链上游为育种研发机构，中游为种子繁育（生产）、加工、包装机构，下游为推广和销售机构。大型育种公司凭借雄厚的科研和资金实力，以市场为导向，形成的集科研、生产、推广、销售于一体的模式，即“育繁推”一体化模式，这是育种产业链发展的趋势。

发展现状

（一）国际发展态势

1.国际种业集中度高

21世纪以来，受益于生物育种技术的发展全球种子市场迅速增长。据统计，全球种子市场规模从2005年的197.52亿美元增长到2020年的近600亿美元，年复合增长率接近9%，主要成长空间来源于蔬菜种子的快速增长。其中，美国长期占据全球第一大种子市场的位置，占比达到35%以上。自2016年开始，中国成为全球第二大种子市场，占比约23%。当前，全球种业市场呈现由中、美构成的双寡头局面。

图1：2020年全球种子市场份额分布

来源：火石创造根据公开资料整理

2.龙头公司强者恒强

发达国家的种子行业已发展成集科研、生产、加工、销售、技术服务于一体的产业体系，少数几家大型种子集团垄断了世界种子行业的大部分市场。根据PhillipsMcDougall/HISMarkit数据显示，从全球范围来看，种子行业集中度较高。国际种企巨头仅10家左右，占据了超过50%的市场份额，年销售收入均大于5亿美元，利润率基本维持在10%-15%之间。二线种企数量较多，约40家左右，销售收入在1-5亿美元之间，利润率基本维持在10%左右。位于第三梯队的种企数量最多，年收入小于1亿美元，利润率约5%左右。行业整体呈现“马太效应”，强者恒强的局面。

3.正在研发的转基因作物的目标性状不断扩展

目前，国内外大规模商业化种植的转基因作物主要是第一代转基因产品，涉及耐除草剂、抗虫、抗病毒和抗旱等目标性状。同时，为了满足种植、生产、加工或消费的多样化需求，正在研发的转基因作物的目标性状不断扩展，包括耐除草剂性状如耐草丁膦和耐麦草畏等，抗病性状有抗晚疫病和抗黄瓜花叶病等，抗虫性状如抗马铃薯甲虫和抗水稻褐飞虱等，抗逆性状有耐盐碱和养分高效利用等；品质改良性状如高赖氨酸、高不饱和脂肪酸、延熟耐贮和防褐变等。近年来，利用基因沉默技术培育的直接食用转基因产品产业化加速，防褐变和抗晚疫病转基因马铃薯、防褐变转基因苹果、番茄红素转基因菠萝以及快速生长转基因三文鱼相继在美国批准上市，农业转基因产业化应用从最初非食用的棉花和饲料用作物，拓展到直接食用的粮食作物、水果和养殖动物。

(二)我国发展现状

1.国内种子企业发展迅速

国内种子企业来看，先正达和隆平高科均排名全球前十，成为中国跻身全球一线的种子企业。二线企业中国较多，收入规模差距较小，北大荒垦丰、江苏大华、荃银高科、中种集团及登海种业入围二线。根据农业部数据显示，我国2010年的种业企业数量为8700家，2016年缩减至4316家。不过，种企的数量从2017年开始反弹，截至2020年底，我国持证种企数量在6000家左右。在农作物种类上看，国内经营玉米的种企数量占比最大，占比约28%；其次是小麦，种企数量占比约21%。经营水稻的种企包括杂交和常规水稻，合计占比约18%。

2.行业相关政策：对于生物育种技术谨慎推广，鼓励研发

近年来，我国政府推出多项关于种子行业的政策，目的是推动种业生物科技技术的发展，完善种业市场的监管体系，同时打击非法转基因等违法行为。从政府陆续出台的相关政策看，政府对于转基因种子研发企业的支持和保护的态度，生物育种技术是我国种业未来重要的发展趋势。

2020年12月份召开的中央经济工作会议，面对“十四五”开局，围绕构建新发展格局，部署了2021年的8项重点任务。其中，“解决好种子和耕地问题”引人注目。党的十八大以来，这是首次中央经济工作会议层面提到解决种子问题。

粮食对于我国人民来说是头等大事，我国政府多次强调严守18亿亩耕地红线，耕地面积绝不能减少。叠加疫情的影响，海外环境和经济形势复杂严峻，国际粮食危机风险较大，当前我国更加要重视粮食的生产问题，保障优质种源的供应。经过多年的发展，我国种业有着巨大的进步与改变。目前，在水稻和小麦的种源方面我国已经可以实现自给自足，且在全球范围内有一定竞争力；玉米和大豆受育种和栽培等因素限制，国内单产水平与世界水平仍有较大差距，大部分大豆依靠进口；国内少数蔬菜和水果的种源同样无法实现自主化，也需要进口。在此环境背景下，未来我国继续加大种业研发创新和加快生物育种技术的商业化推广是大势所趋。

3.生物育种领域研究日益活跃

国家知识产权局知识产权发展研究中心2021年发布的《生物育种产业专利导航研究成果》显示，目前我国生物育种专利申请量排名全球第一，其中分子标记育种专利申请量排名已超过美国，成为申请量最多的国家。我国高度重视生物育种技术及其产业化。《知识产权强国建设纲要（2021—2035年）》提出，围绕生物育种前沿技术和重点领域，加快培育一批具有知识产权的优良植物新品种，提高授权品种质量；2021年中央一号文件明确提出，加强育种领域知识产权保护。

发展趋势

（一）全基因组选择育种技术应用广泛

全基因组选择育种技术通过计算生物学模型预测和高通量基因型分析，在全基因组水平上聚合优良基因型，改良重要农艺性状。与传统分子标记辅助选择相比，全基因组选择育种技术有两大优势，一是基因组定位的双亲群体可以直接应用于育种；二是更适合于改良由效应较小的多基因控制的数量性状。特别是随着高通量测序、组学大数据和基因芯片技术的突飞猛进，全基因组选择育种技术越来越多地被应用于农业生物品种育种实践中。目前，全基因组选择技术已经给动植物育种带来了革命性的变化，使动植物育种效率大幅提高，成为国际动植物育种领域的研究热点和跨国公司竞争焦点。我国已初步建立了以育种芯片为核心的水稻全基因组选择育种技术体系，包括利用高通量SSR标记技术鉴定筛选目标基因、利用OpenArray芯片技术鉴定筛选染色体区段单倍型、利用全基因组育种芯片技术鉴定筛选遗传背景等。

（二）基因编辑育种技术日新月异

基因编辑技术特别是CRISPR/Cas9介导的基因组编辑系统，以其定向精确、简易高效和多样化等特点，成为农业领域最为有效的育种工具之一，近年来其发展日新月异并不断升级换代。基于CRISPR⁃Cas系统开发的单碱基编辑技术(baseediting)是快速、高效且精准的新一代基因编辑技术，利用胞嘧啶脱氨酶或人工进化的腺嘌呤脱氨酶对靶位点上一定范围的胞嘧啶(C)或腺嘌呤(A)进行脱氨基反应，实现C-T或A-G的精准替换。2020年，我国科学家利用胞嘧啶和腺嘌呤双碱基编辑器对水稻基因进行定向或随机诱变，C>T单碱基诱变效率高达61.61％，C>T和A>G双碱基诱变效率也高达15.10％。近几年开发的另一种全新的引导编辑系统，无需依赖DNA模板便可实现任意类型的碱基替换、小片段的精准插入与删除，并在水稻和小麦上成功应用。此外，将CRISPR⁃dCas9系统融合到目标修饰酶中，可以产生一套完整的植物表观遗传编辑工具。2021年，一种名为CRISPRoff的升级版表观遗传编辑系统被报道可以在不改变DNA序列的情况下，以高特异性甲基化导致目标基因沉默，可用于作物育种和植物保护。

（三）合成生物育种技术引领未来

合成生物技术采用工程学的模块化概念和系统设计理论，改造和优化现有自然生物体系，或者从头合成具有预定功能的全新人工生物体系，不断突破生命的自然遗传法则，标志着现代生命科学已从认识生命进入设计和改造生命的新阶段。合成生物技术在农业领域的应用，为光合作用（高光效固碳）、生物固氮（节肥增效）、生物抗逆（节水耐旱）、生物转化（生物质资源化）和未来合成食品（人造肉奶）等世界性农业生产难题提供了革命性解决方案。