转基因木薯研究对经济发展的作用

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  木薯是世界上继水稻和玉米之后的第三大热量来源植物,是非洲国家的主食之一。目前,木薯产量因真菌、细菌和病毒病的危害而徘徊不前。以下是520作文网分享的转基因木薯研究对经济发展的作用,希望能帮助到大家! 

  转基因木薯研究对经济发展的作用

  在帮助解决粮食安全问题的同时,生物技术作物在减缓环境影响,以及提高粮食生产的可持续性方面,都可发挥重要作用。例如,抗虫害水稻的潜在受益人口可达10亿之多。

  --生物技术作物能够提高可收获粮食总量,降低粮食使用成本。1996年至2007年的12年间,生物技术作物的种植使粮食产量提高了1.41亿公吨。

  --种植生物技术作物既能节约耕地,又能保持作物的多样性。若以传统方式实现生物技术作物带来的1.41亿吨增加的产量,则需要额外4300万公顷耕地。鉴于全球最贫困人口的70%依赖耕种过活,每人每日收入不足1美元,推广生物技术作物的确有助于实现经济的可持续增长,以及消除贫困。对于发展中国家和处于经济转型期的国家而言,农业占GDP很大的比重。生物技术作物能够明显提高农业生产率。请看以下例子:

  --印度、中国、南非和菲律宾的研究显示,生物技术作物可以使每公顷收入增加115-250美元。2008年,全球共有1200万资源匮乏地区的农民受益于种植生物技术作物。

  --抗虫害水稻的推广有望使亚洲超过2.5亿家庭或约10亿人口受益。

  --此外,仅2007年一年,全球从事生物技术作物种植的农民获得的纯经济利益就达到100亿美元(其中,发展中国家占60亿美元,工业化国家占40亿美元)。1996-2007年间,发展中国家和工业化国家共享总额高达440亿美元的经济利益。

  --种植生物技术作物显著减轻了农业生产对环境的影响。这主要得益于杀虫剂使用量的减少、化石燃料的节约,以及因耕种活动的减少带来的二氧化碳排放量下降和水土流失情况好转。值得一提的是,1996-2007年间,因种植生物技术作物而减少的杀虫剂使用量达35.9万吨。

  --抗旱作物的发展在提高缺水地区的农田产量方面具有巨大潜力。全球约有70%淡水用于农业灌溉。重要的是,抗旱玉米有望于2012年甚至更早在美国推广,并于2017年实现在撒哈拉以南的非洲国家种植。

  --生物技术作物的环境效益包括减少温室气体排放。仅2007年一年,二氧化碳减排量即达到142亿千克,相当于道路上减少了630万辆汽车。

  转基因木薯研究对经济发展的作用

  2019年1月28日, NatureBiotechnology 在线发表了来自美国唐纳德·丹弗斯植物科学中心NigelJ.Taylore课题组题为“Biofortificationoffield-growncassavabyengineeringexpressionofanirontransporterandferritin”的研究论文,该论文通过 在木薯中一起表达拟南芥中的突变铁转运蛋白(IRT1)和铁蛋白(FER1)大幅度地 改善了木薯块中的铁和锌等 矿物质微量营养元素 的 浓度。

  微量营养素缺乏对全世界的人类健康构成威胁。估计有1.61亿5岁以下儿童发育不良,部分原因是由于隐藏的饥饿,即食品缺乏必需的维生素和矿物质。在尼日利亚,75%的学龄前儿童和67%的孕妇患有贫血症,20%的5岁以下儿童缺锌。缺铁性贫血会影响免疫系统,阻碍儿童的生长发育并损害儿童的认知发育。缺锌导致腹泻,发育迟缓和认知发育受阻的死亡风险增加。

  通过生物技术对主食作物进行增加浓度是改善高危人群食品中必需微量营养素的几种策略之一。全世界约有8亿人食用热带根茎木薯,撒哈拉以南非洲人口中有三分之一依靠木薯获得50%以上的热量摄入量。虽然木薯是碳水化合物的极好来源,但储存根提供的生物可利用的铁和锌含量不足。

  最近,利用大豆铁蛋白SFER-H1和水稻烟酰胺合酶OsNAS2的过表达已经实现了稻米中铁和锌营养的饮食目标。此外,在木薯中过表达藻类铁同化蛋白FEA1,会改善温室种植的木薯根块中铁浓度增加了三倍,但这些有希望的结果在田间试验中得不到保持。同时,过表达拟南芥锌转运蛋白AtZIP1和AtMTP1,已经实现了贮藏根中锌浓度的增加,但转基因木薯植物中的枝条发育受损。因此,需要重新寻找新的蛋白,达到在田间试验的效果和又不影响植物正常生长发育。

  基于之前研究表明,在木薯中过表达拟南芥液泡铁转运蛋白VIT1,导致贮藏根中的铁浓度增加3-4倍的基础上,该研究通过在木薯中共表达突变的拟南芥铁转运蛋白(IRT1)和铁蛋白(FER1),产生的转基因木薯植物的根块中的铁和锌的积累水平比野生型植物分别高7-18倍和3-10倍。此外,各田间试验(2014-2017年)的田间种植的VIT1和IRT1+FER1转基因品系的数据表明,这两种技术都会导致木薯贮藏根和食物中铁和锌含量升高,浓度达到人类饮食中的实质水平。并且木薯的生长参数和贮藏根产量不受转基因的影响(见下图)。

  因此,该研究报道了富含铁和富含铁和锌的木薯转基因植株,可以在田间种植,而不会降低产量。对于改善以木薯为主食的地区的营养健康具有重要的意义!同时该方法的成功,也可以用到其他主要的双子叶作物如甘薯和马铃薯上,具有很好的应用前景!

  转基因木薯研究对经济发展的作用

  【摘要】从广西目前的经济的情况和自然地理条件来看,广西具有种植木薯的自然优势。而传统的育种方法显然又不能满足现代农业产业和经济高速发展的需求,所以运用先进的育种技术特别是转基因技术尤为重要。本文概述转基因技术应用于木薯研究的进展,具体从工业和农业两方面论述转基因木薯研究对广西经济的发展起促进作用。

  【关键词】转基因;木薯研究;广西经济

  1前言

  广西地处东部沿海,具备许多经济发展的区位优势。但由于诸多因素影响(包括历史原因),人均GDP经济水平在全国三十多个省份和直辖市长期在中下游徘徊。近几年广西经济有了一定的发展,但与其他发达省份相比,还是相差甚远。广西具备的自然地理和优良的气候条件,发展现代农业经济非常有利。实现农业的现代化,形成具有广西特色的区域经济产业,不失为振兴广西经济优先选择的战略。广义的现代农业不仅包括种植业和养殖业,也包括衍生的农产品加工业。广西的经济作物主要有水稻、甘蔗和木薯,其中木薯被称为三大薯类(马铃薯、木薯和红薯)作物之一,目前仅在广西、广东和海南等热带和亚热带地区种植较多。木薯又叫木番薯,多年生灌木,属大戟科,染色体数为2n=36(FAO,1989),各组织器官含有挥发毒性的氰化物。木薯粗生易长、耐虫、耐旱、抗逆性和适应性强。我区地处亚热带,气候温和,年平均气温在18℃以上,雨量充沛,荒山荒地较多,对发展木薯生产十分有利,号称“中国木薯之乡”。据2016年统计,广西木薯种植面积20.69万hm2,占全国面积的62%[1];淀粉产量122.93万吨,木薯酒精48.1万吨,均占全国总产量的70%以上[2]。但是,从世界范围来看,中国木薯生产规模较小,木薯加工产业主要依赖于从东盟国家进口,是世界上最大的木薯进口国,价格受到主要贸易国的影响较大。在“一带一路”倡议下,鼓励广西农业走出去,发展木薯生产加工,解除价格对外依存度大的危机势在必行[3]。

  2广西转基因木薯发展现状

  2.1广西木薯产业的发展现状

  在农村,有部分农民自发种植,主要收获淀粉用于粮食的补充或喂养家畜。但是长期以来,由于人们和政府不够重视,加上生产技术水平低,木薯的生产难以在广西普遍的形成规模,产量和单产极低。生产技术,包括种苗选育和田间管理,都非常落后。一直以来,农民都是利用荒地或瘠地种植木薯,实行粗放管理或播种后任由其自然生长,不施肥或少施肥,所以产量都得不到提高;种苗老化,抗逆性差,单产低,且收获的块茎淀粉品质差。近年来,广西木薯研究育成“桂热9号”“GR891”等优良食用型木薯品种。采用传统的方法育种,虽然单产也得到一定提高,但是由于木薯是营养体繁殖、花粉育率低、子代分离严重、育种周期长,所以效率低,且受品种资源的制约,在木薯品质改良育种上显得力不从心。从增加作物的产量、提高抗性来看,转基因技术的发展能够短期内极大地刺激木薯产业的迅速发展。

  2.2转基因木薯的研究现状

  通过基因工程改造木薯品质的研究也有过不少,包括减少氰化物,提高蛋白质和改良淀粉品质。其中,成果比较显著的如下。上世纪90年代,国外有学者用体外合成的储藏蛋白基因ASPI转化了木薯品种“60444”,此基因在RNA和蛋白水平上均有表达[4];2005年,Jorgensen等用RNA干扰技术,阻止细胞色素P450s小家族(CYP79D1和CYP79D2)的基因的表达,结果表明,木薯的块根氰化物含量减少了95%;在改造淀粉品质方面,中国科学院上海生命科学研究院的研究员利用miRNA技术抑制了淀粉合成基因的表达,得到的木薯新品种直链淀粉与支链淀粉含量比例发生了显著变化;并且,他们建立了一套成熟的木薯转化方法,通过农杆菌介导,将细胞分裂素合成的关键基因转化到木薯中,叶片衰老高度特异的启动子控制此基因的表达,从而通过自我调控叶片中的细胞裂素含量来延缓木薯叶片脱落,进而增加木薯全株光合作用的能力[5]。“十五”国家计委启动了我国的燃料乙醇计划,作为燃烧酒精的首选原料,木薯淀粉产量的提升和品质的改造显得尤为重要。目前,一些研究机构的主要研究工作是阐述木薯光合产物累积的糖运输,块根淀粉累积模型两个大的方面:一是叶片中光合作用中碳固定及蔗糖装载影响木薯块根淀粉累积效率的机理,通过结构、基因定位、表达分析、转录因子分析及转基因验证等方法系统说明木薯所具有的特殊机制;二是块根淀粉累积模型,主要采用转录组深度分析、块根特异表达miRNA及其靶基因的分析,建立淀粉累积基因调节网络,并进而对关键节点基因进行功能试验。

  3转基因木薯研究对广西经济发展的促进作用

  转基因木薯研究,特别是改良淀粉的转基因木薯研究对中国的可持续发展具有不可估量的促进作用,尤其是在已经具备木薯诸多生产条件和区位优势的广西,转基因木薯研究实现农业产业多元化是富民兴桂的需要。

  3.1农业经济方面

  3.1.1有效提高木薯单产和产量,提高农民收入广西地处北回归线,自然条件十分有利于木薯生产。其他气候条件如日照、水分也都很适合木薯生产。木薯耐旱耐瘠特点大多数土地都能种植。并且,不适应种植其他作物的,都可先种木薯,并获得一定产量,被称为“先锋作物”。但是,目前由于木薯价格低廉,无有效销路,农民种植木薯的积极性不高,广西木薯的种植无法形成规模,由此引发木薯产业链环无法良性循环,发展受阻。如果采用基因工程方法育种,获得优良种苗,提高生产率,降低成本,有望实现木薯种植的规模化,单是从直接的收获农产品来看,其产业效益便已不可估量。因为木薯浑身都是宝,农民除了收获淀粉用作粮食或是销售获得增收外,木薯叶可用作饲料喂养家畜,木薯茎可用作燃料和造纸,茎叶都可用于沼气池发酵。另外,转基因木薯种植的规模化也会带动田间管理技术的提高,使得作物管理更加方便灵活。所以说,无论是直接的或是间接地从转基因高产木薯中受益,薯农的收入都会得到一定的提高,实现薯农由脱贫向致富的跨越。这也在一定程度上解决广西的三农问题。3.1.2改善农业生态环境,保障粮食安全传统农作物的生产,消耗了大量的农药、化肥或除草剂等,污染了农业土地资源、水资源和气候资源等,严重影响农业的可持续发展,这种影响在短期内是难以消除的。并且化学有毒物质通过生物链累积,给包括人在内的各种生物带来了极大地伤害。目前已经成功的构建了一些抗病虫害、抗除草剂、固氮效率高的农作物,大大减少了化学药剂的使用。例如我国成功培育的抗棉铃虫的转基因棉花虽耗资30亿元人民币做了大量的研究,但此成果不仅减少了农药的使用,也给棉花产业带来了大约300亿元的经济效益。在脱贫攻坚战号角打响以来,广西贫困人口虽然近年来已大幅下降,但在一些偏远山区贫困人口显得尤为突出,在全国来说仍有较大的比重。在人均土地资源十分有限的情况下,利用农业科技的进步,提高粮食的生产能力是解决“三农”问题的重要途径。我国的粮食生产效率低,成本高,品质较差,随着国外粮食的大量进口尤其是生产效率高品质好而成本又低的转基因粮食,必然对我国的粮食生产造成巨大的压力,给农民收入造成直接的影响。美国的转基因大豆铺天盖地的占据中国市场就是一个典型的例证。广西的粮食优势品种是水稻和玉米,而广西的平原较少,山地和丘陵较多,无法再扩大水稻或玉米的种植规模。木薯块茎富含淀粉和少量蛋白质,利用广西的土地及气候资源种植木薯,提供的淀粉作为粮食的补充,无疑对缓解粮食危机起到一定的作用。在此基础上加强木薯产品的多元化发展,加快产业转型升级,提高竞争力,促进经济发展。虽说我区转基因育种的整体实力就发达国家和全国水平来说仍有较大差距,但目前广西的高校科研与海南研究所合作的木薯转基因技术的某些方面具有自己的特色并接近国际先进水平。如果能把科技成果转化为农业生产力,势必能带来巨大的经济利益,造福农民,造福社会。3.1.3提供更多的就业机会,加快城镇化进程随着农业劳动生产率的提高,目前我国农村出现了大量的剩余劳动力。一方面由于广西农村的教育事业发展滞后,富余的劳动力素质和职业技能普遍不高,劳动者劳动报酬低下;另一方面,由于农业生产回报率低,本来务农的劳动力也纷纷转移到广东等外省务工,造成耕田的荒废。这无疑是对人力资源和土地资料的巨大浪费。作为一个西部地区不发达省份,广西的农业基础还是比较薄弱的。因此,通过快速有效的育种技术—转基因技术,发展包括木薯种植业在内的现代农业,也包括衍生的农产品加工业以及农产品的储藏、运输和销售服务业这三大产业,能提供大量的工作岗位,能缓解一部分的就业压力。在第一产业的拉动下,第二产业与第三产业的发展必定能促使本地区的城镇化。与此同时,城镇化又使众多的农村剩余劳动力转移到城镇从事非农产业,既可实现剩余劳动力的转移,又可提高我国城镇化程度,从而推动国民经济增长。

  3.2工业经济发面

  3.2.1木薯淀粉发酵乙醇,提供能源木薯淀粉发酵乙醇,作为可再生能源具有巨大的市场发展空间。化石能源价格虽比其他能源价格相对低廉,但作为不可再生资源,总会面临着枯竭的一天;而其给生态环境带来诸如酸雨、温室气体、臭氧层破坏等严重的灾难日益受到人们的普遍关注。目前,可再生能源提供了世界所需能源的20%以上,其中生物质能占比14%,随着利用生物质原料开发乙醇和柴油的竞争越来越激烈,未来可再生能源占比会逐渐加大[6]。发展绿色、环保、可再生能源,是我国保障能源安全的重要战略举措。我国的耕地不断减少,人口持续增多,粮食生产效率也比较低,目前粮食状况整体上虽算基本安全,但从长远看还存在着隐患,所以就限制了利用粮食发展生物质能源。2006年,国家出台政策,强调发展生物燃料乙醇的基本原则是“因地制宜,非粮为主”,做到“不与人争粮,不与粮争地”,决定不再批准设立新的粮食生物乙醇企业[6]。广西的两大生物质能源作物有木薯和甘蔗,但是从价格成本和土地利用率上看,用木薯发酵乙醇更具有优势。另外,木薯发酵乙醇的生产工艺正日益成熟。因此,能源发展趋势给广西大力开发能源木薯带来了新的机遇。虽然广西地处南亚热带,是我国最主要的木薯产区,但目前我区木薯生产尚处于粗放阶段,单产偏低,平均鲜薯单产只有16.8吨/公顷,我国木薯收获面,仅是世界的1.5%,产量远远不能满足加工需要[7]。广西较大的生物能源公司如北海中粮集团或明阳生化股份有限责任公司等用木薯发酵乙醇或工业加工所需要的木薯原料大部分要从泰国、越南等东南亚国家进口。所以,提高木薯单产,扩大种植规模是摆在面前迫切的问题。而在传统种植技术,特别是育种技术的限制下,大幅度提高单产根本行不通,只能通过基因工程定向的改良种苗,才能在短时间提高木薯的产量或淀粉的含量。这样,如将验证过的转基因研究成果成功应用于木薯的规模生产,结合广西具有沿海、沿线、沿边便捷的物流地位优势,就能培育一批广西工农业新的经济增长点,大力推动广西经济的发展。3.2.2木薯综合利用和深加工发展前景广阔木薯淀粉粉质细腻,粘度高,随着绿色化工产业的发展,淀粉深加工制备各类精细化工产品的技术越来越成熟。木薯现在已经可以作为2000多种轻化工产品的原料。木薯淀粉精制低聚糖、乳酸等,附加值更高。因此,这也说明了通过高产高效的转基因木薯种植业的发展来加快木薯周边产业的发展非常有必要。农民是生产原料的主要来源,农村是工业产品的主要消费市场。农民是工业劳动者的主要后备力量,也是工业品消费市场的主体。此外,工业生产加工产生的废液肥料如再经过处理,即可作为肥料再供应给农民继续发展农业生产。如此能有效的可持续生产及其循环经济,对于整个广西的跨越发展,具有重要的现实意义和广阔的发展前景。2011年11月28日,第九届亚洲木薯研讨会在南宁举行,国内外专家共同探讨木薯的经济和实用价值;2018年11月19-22日,由广西木薯研究所举办的“2018年全国休闲木薯发展研讨会”也成功召开。在广西这样的学术研讨和科学研究氛围将大大影响人们对于生物技术发展木薯产业的观念,也必将给广西的木薯经济带来良好的发展契机。

  4转基因作物的安全性问题制约其发展及解决方法

  即便转基因作物在生产上彰显出明显的优势,在经济上起着巨大的推动作用,而且每年全世界数亿人群食用转基因食品,迄今还未发生具有科学实证的转基因食用和环境安全事件,但由于人们对于转基因植物的不可确定性,使得转基因技术的应用仍然处于一种比较保守的状态。由此可见,转基因木薯在应用和推广上也会有着可预测到的艰巨性。人们担心转入外源基因的生物是否会对健康和环境产生不良影响,因此对转基因生物做好科学评估和实施安全管理是世界各国普遍的做法[8]。而要人们改变对转基因作物的看法,最根本的办法是将外源基因彻底消除。各国科学家研究也正在研究,现已应用多项分子技术来消除转基因带来的潜在威胁。由美国康涅狄格大学华裔教授李义等,发展了一种“外源基因清除”技术(Gene-Deletor),该技术不仅具备了防止外源基因扩散的技术优点,还解决了转基因食品的安全性问题[9]。我国以农业部为首的相关部门纷纷出台了食品安全监管的一些条例、办法等规章制度,并随着实践的发展越来越完善、健全[10]。相信在不久的将来,转基因作物的深入研究和广泛应用会给人民带来源源不断的福祉。

  参考文献

  [1]雷照鸣.广西木薯产业社会化服务体系建设研究[J].热带农业科学,2018,38(2):118-120.

  [2]罗明智,樊吴静,李泽宇.广西木薯产业经济效益问题与对策[J].农村经济与科技,2015,26(12):168-169.

  [3]谭砚文,李丛希,曾华盛.中国木薯生产和贸易发展分析[J].世界农业,2018(10):163-168.

  [4]姚庆荣.木薯遗传转化体系的建立与优化及转AGPase基因的研究[D].华南热带农业大学,2007.

  [5]黄辛,王春.转基因木薯田间试验获成功[N].科技日报,2007-3-19(07).

  [6]班美玲,周生茂,韦本辉,等.广西能源木薯可持续发展的优势、问题和对策[J].安徽农业科学,2007,35(33):10824-10827.

  [7]谢铭,李肖.广西木薯生物燃料乙醇产业发展分析[J].江苏农业科学,2010(3):471-474.

  [8]黄大昉.加快转基因作物产业化保障我国粮食安全[N].科技日报,2011-07-08.

  [9]王艳辉,张晓东.转基因作物安全性的解决方法研究进展[J].生物技术通报,2009(8):51-55.

  [10]丁玉芳,生吉萍.中国转基因食品风险规制路径的选择[J].食品安全质量检测学报,2019,10(2):539-545.

  作者:刘海英单位:广西民族大学相思湖学院

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