研究背景

     抗蟲棉的研究源自國家高技術研究發展規劃(863計劃)的組織和實施。為了迎接世界新技術革命和高技術競爭的挑戰,我國于1986年3月正式啟動了863計劃,包括農業生物技術領域在內的中國高技術研究發展由此掀開新的篇章。鄧小平同志高度關心中國農業的發展,他曾指出：“將來農業問題的出路,最終要由生物工程來解決,要靠尖端技術。”正是在這一思想的指引下,根據當時農業生產的迫切需求,抗蟲棉研究迅速上馬,并列為重大關鍵技術項目。中國科學家僅用5年,不到國外公司一半的時間,就獲得了抗蟲效果顯著并有生產應用潛力的轉基因棉花株系,實現了跨越式發展。

     在抗蟲棉研發過程中,中國科學家銳意進取,奮發圖強,先后獨立開發了擁有自主知識產權的Bt殺蟲蛋白單價、雙價和融合基因技術、子房微注射等高效轉化技術、預防害蟲抗性產生的“天然庇護所”技術、金標試紙等基因檢測監測技術、以及三系雜交棉等先進技術,培育出一大批高產、優質、抗蟲性好、適應性強的品種,僅用了10年時間就實現了市場占有率的逆轉,到2007年已完全處于主導地位。

     --摘自中國農業科學院生物技術研究所研究員黃大昉《中國轉基因抗蟲棉發展回眸》

     很多人知道轉基因抗蟲棉,是從26年前爆發的那場棉鈴蟲災害開始；更多人知道中外轉基因抗蟲棉品種市場爭奪戰,是從一個叫做Bt的蛋白基因開始。我國棉花生產從絕處到逢生、棉種市場從傾覆到逆轉,轉基因抗蟲棉發揮了至關重要的作用,也是改革開放以來我國棉花產業自主創新的縮影。

     截至2010年底,中國已獲審定的抗蟲棉品種近200個,河北、山東、河南、安徽等棉花主產省抗蟲棉種植率達到了100%,累計推廣應用面積達3.15億畝,新增產值超過440億元,農民增收250億元。抗蟲棉的應用不僅使棉花棉鈴蟲得到了有效控制,還大大減輕了棉鈴蟲對玉米、大豆等作物的危害,殺蟲劑用量降低了70-80%,有效保護了農業生態環境,減少了農民噴藥中毒事故,為棉花生產和農業的可持續發展做出了巨大貢獻。

可恨的棉鈴蟲

     1992年秋天,中國農業科學院棉花研究所所長李付廣剛畢業分配到所里,就加入了一場“人蟲大戰”。時任所長汪若海為了保住研究所實驗地里寶貴的棉花種質材料,下了一道萬般無奈的命令：全所員工放下一切手頭工作,一律進入實驗地棉田,大家一起正反兩面翻著棉花葉子捉拿棉鈴蟲。從這一年開始,我國黃淮海流域、長江流域兩大主產棉區接連爆發棉鈴蟲災害,持續時間之長、殃及范圍之大,前所未有。棉花大省河北130斤的皮棉畝產量,當年僅剩下個零頭,全國直接損失接近百億元。

     “除了電線桿子不吃,其他什么都吃。”這句棉農形容棉鈴蟲為害程度的話,很多人至今難忘。在中棉所植保室主任崔金杰眼里,棉鈴蟲屬于高遷飛性、高雜食性、高繁殖率植物害蟲。它一個晚上能遷飛400公里,一生能產1600多粒卵,幼蟲每3天左右就增加一個齡期,在第3個齡期即進入暴食期。此時正在枝繁葉茂、現蕾結鈴的棉花,正好成為棉鈴蟲的饕餮首選。“蟲害爆發時期,一株棉花上十幾個蟲子,不僅能把整棵棉花吃得一個棉鈴都不見,就連棉花葉片也難以幸免,最后只剩一個光禿禿的棉花稈。”

     棉鈴蟲不僅食量驚人,還表現出出奇的抗藥性能,無論打多少次藥、無論藥性多重,都起不到殺蟲作用。崔金杰當年正在河南省內黃縣蹲點指導棉花蟲害防治,該縣有55萬畝棉花,鬧棉鈴蟲嚴重的時候,棉農天天都要提著一個籃子,里面放上5、6種農藥,一遍又一遍地輪番往棉田里打藥,可棉鈴蟲照樣不死。

     反反復復打藥,不但難以取得防治效果,還增加了生產成本、破壞了生態環境,更威脅著棉農生命健康,棉農因防治棉鈴蟲導致的農藥中毒事件時有發生。

     眼看著棉花被棉鈴蟲啃成了絕收的光稈,棉農無可奈何,只好拔下來攤在地頭晾干當柴火燒。談蟲色變、心急如焚、欲哭無淚……這都是記錄棉鈴蟲為害棉花生產時的據實寫照。棉鈴蟲危害,驚動了從中央到地方,當時農業主管部門的一位領導,急得口頭開出一道懸賞令：“誰能治住棉鈴蟲,獎勵一百萬！”

貪婪的外來者

     因為棉花對國家來說實在太重要了。當年我國外匯收入的1/4來自棉花及其相關產業,全國有近3億農民以種植棉花為主要收入來源。產業關聯極強的棉花,不僅是國家戰略物資、出口創匯支柱,更是一項國計民生保障。如果棉鈴蟲無治,棉花生產必將不保,整個棉紡工業都將嚴重萎縮。嚴峻現實擺在面前,嚴重后果可想而知。這邊,已是急火攻心；那邊,一個比防治棉鈴蟲還顯緊迫的形勢,也在緊逼而來。

     棉鈴蟲在中國主產棉區爆發為害,讓國外一家種業公司察覺到了其中蘊藏的機遇,他們憑借用生物育種技術研發的轉基因抗蟲棉品種,趁中國還沒有形成生物技術育種研發能力,一邊四處游說,讓中方出巨資購買其品種使用權；一邊加緊布局,在棉花主產省份成立棉花種子公司,進而壟斷性銷售其擁有知識產權的轉基因抗蟲棉棉種。其意圖十分明顯,全面占領并控制中國棉花種子市場。

     從1994年開始,對方與中棉所前后談了3年,提出的條件十分苛刻：巨額轉讓其轉基因抗蟲棉品種使用權,雙方合作不能少于50年。“近乎天價的轉讓費,卻只能買來個不包括核心技術的品種使用權,50年合作期限又相當于把中棉所幾代人的科研心血都廢掉了。”李付廣說。

     見與中棉所談判一直難有結果,這家公司又調轉方向另行布局,開始在各棉花主產省份注冊成立合資棉花種子公司,分別在1995、1996年成立了冀岱棉種子公司、安岱棉種子公司,緊接其后還準備成立鄂岱、魯岱、湘岱等省級種子公司。聲稱要在轉基因抗蟲棉種市場“三年占領華北,五年占領中國”。這樣持續到1999年,國外轉基因抗蟲棉品種已經占據了我國市場90%以上的份額。

     但是沒過幾年,這一危局就實現了徹底反轉。中國科學家完全自主研發的轉基因抗蟲棉,從核心技術到育種應用迅速成勢,240多個防蟲效果好、產量高、地域適應性強的單價轉基因抗蟲棉、雙價轉基因抗蟲棉以及轉基因抗蟲雜交棉品種,以不斷超越外來抗蟲棉的品種表現,迅速贏得棉農認可,品種占有率從1997年的7%,到5年后的不相上下,2007年時已完全取得主導地位,一舉實現了轉基因抗蟲棉品種95%國產化。

     此時的中國棉田里,已經再難看到國外轉基因棉花品種的蛛絲馬跡。

構建擁有自主知識產權的抗蟲基因

     我國轉基因抗蟲棉的研發成功,不僅為我國發展生物技術、搶占科技創新制高點開辟了一條充滿信心的道路,還雄辯證明了一個事實：核心技術買不來更要不來,唯有立足于自主創新,敢于參與國際競爭,才能在高技術領域占有一席之地。每一個參與這項工作并做出貢獻的科研人員,都值得社會尊敬。這一群體之中,有一個人的名字和中國轉基因抗蟲棉密不可分,他就是負責發掘新型殺蟲蛋白基因的中國農業科學院生物技術研究所郭三堆研究員。

     采訪郭三堆是在他放滿書籍資料的辦公室里,和采訪李付廣時很是相似,這位棉花轉基因研究項目負責人、國家“863”計劃“棉花抗蟲基因工程研究”項目首席科學家,同樣不大習慣坐在辦公桌后的靠背椅上接受采訪,而是更愿意隨便搬把折疊椅,面對面坐著和你娓娓道來。

     “這個成果是在國家領導人的高度重視下,在國家‘863’計劃等好幾個國家項目的全力支持下完成的。前前后后有全國各大農業科研單位近百名生物技術專家、育種家、企業家和相關政府部門的管理者參與,是靠各方集體合作、上中下游團隊精誠協作,才得以完成的。”郭三堆誠懇地說道。

     上世紀80年代,外源基因整合到植物染色體上的生物技術發展迅速,成功實現了把殺蟲基因導入煙草植株,打破了物種界限。這一顛覆傳統技術的新型技術,給農業發展帶來了革命性曙光。通過轉基因生物技術手段,解決農作物病蟲害防治等諸多難題,由此受到各國政府高度重視。

     因為棉花地位特別突出重要,1992年,我國就把“棉花抗蟲基因工程研究”項目,率先列入首批“863”計劃,1994年又提升為重大關鍵技術項目,從政策到財力給與重點支持。1988年,在法國巴斯德研究所從事Bt蛋白基因結構與功能研究的郭三堆學成回國,很快被任命為該課題主持人,交給他的科研任務是,用生物技術為棉花育種構建擁有自主知識產權的新型抗蟲基因。

     關于Bt殺蟲蛋白的機理,郭三堆是這樣詳細解釋的：Bt是蘇云金芽孢桿菌的簡稱,它能夠產生一種殺蟲晶體蛋白,被屬于鱗翅目害蟲的棉鈴蟲吃下后,在堿性環境的腸胃中,迅速釋放出核心殺蟲蛋白,并與害蟲腸胃中的特殊受體結合,引起腸胃潰爛,進而將其殺死。郭三堆反復強調,包括人在內的哺乳動物屬于酸性腸胃環境,并且沒有害蟲腸胃的特殊受體,即使吃下去,也不會釋放核心殺蟲蛋白。而鱗翅目害蟲屬于堿性腸胃環境,且具有結合Bt的特殊受體結構,因此Bt殺蟲蛋白只會殺死鱗翅目害蟲,而絕不會對人和哺乳動物等產生任何副作用。

     他進一步解釋說,棉鈴蟲等鱗翅目害蟲一旦吃到含有Bt的植物,核心殺蟲蛋白在害蟲腸胃鈣粘蛋白的作用下,就會形成寡聚體,這個寡聚體和鱗翅目害蟲的受體位點特異性結合,會像釘子一樣插入害蟲胃腸道細胞膜內,快速引起細胞裂解,造成腸胃穿孔潰爛,從而達到殺蟲目的。轉有Bt殺蟲基因的棉花不需要依靠農藥防治棉鈴蟲,依據的就是這一機理。當時,全世界只有美國擁有這項技術,并先行培育出了轉基因抗蟲棉品種。

     “自主構建基因的過程,在當時是非常艱難的。”郭三堆說,那時連他們研究試驗用的試劑材料,都會受到國外封鎖。前后經過1年零8個月的反復試驗,郭三堆團隊終于合成了82個基因小片段,然后又將這82個基因小片段,拼接成9個基因大片段。最后,他們又用這9個基因大片段,組成了一個完整的Bt殺蟲基因。同時完成了表達調控元件和植物高效表達載體構建,并由中游轉化單位導入棉花獲得種質,再由下游育種單位利用種質培育出品種。說到這里,郭三堆形象地作了個比喻：“這時棉花中的Bt基因所產生的殺蟲蛋白,好比一顆精確制導炸彈,能夠定向識別直擊棉鈴蟲的特殊位點,然后在它的腸胃里引爆開炸。”

     至此,繼美國之后,我國成為能夠合成Bt殺蟲蛋白基因、擁有獨立知識產權的第二個國家,邁出了轉基因抗蟲棉國產化最為關鍵的一步。

創造全國共享的抗蟲棉種質材料

     抗蟲基因構建到植物表達載體后,只有有效轉入受體材料的棉花植株當中,才能培育出具有殺蟲效果的種質材料,交給育種家進行篩選培植,再經過一系列復雜的育種過程,最后才能選育出兼具抗蟲作用和生產價值的轉基因棉花品種。這些過程,貫穿著被稱為上、中、下游育種研發的三個階段,其中任何一環出現問題,都將半途而廢。

     李付廣負責的中棉所轉基因研究課題組,工作性質就屬于中游階段。和其他課題組一樣,他們專門負責將來自郭三堆團隊構建的Bt殺蟲基因載體轉入到棉花中。那個時候,團隊所有人員加班加點搶時間創造種質材料。“我們的課題組,實際上是一個棉花規模化轉基因技術體系平臺。因為形勢逼人,只有提供足夠多的種質材料,才能充分滿足育種家的育種需求。”

     只用了幾年時間,課題組就創造出2000多種基礎種質材料,不間斷地向下游上百個棉花育種團隊大規模無償提供。“這種速度效率和協作方式,完全是在和咄咄逼人的對手爭分奪秒。這是只有在中國才會有的科研團隊攻關協作,各團隊之間不搞技術封鎖、不計名利得失,所有人心中都共同擁有一個目標,盡快培育出中國自己的轉基因抗蟲棉品種。“我們提供的種質材料,等于讓上百個育種團隊一下子都有了充足的彈藥、充沛的米糧。”李付廣說。

     從成功構建Bt殺蟲基因載體,到轉入棉花形成種質材料,再到進行大規模品種選育,轉基因抗蟲棉研發的全部過程,都是在沒有任何外援情況下,由我國科學家獨立自主完成的。正是因為各育種團隊都免費拿到了轉入Bt殺蟲基因的育種材料,才有了眾多轉基因抗蟲棉品種相繼問世,用比國外少一半的時間,促成了我國轉基因抗蟲棉研發的歷史性突破,直至奪回被國外品種搶先占據的絕對市場份額。
   
培育更多有競爭力的棉花品種

     在眾多轉基因抗蟲棉品種中,中棉所原育種研究室主任郭香墨培育中棉所41的過程,就是國產轉基因抗蟲棉勝出的一個例證和縮寫。

     和育種家交談,能明顯感受他們那種“精益求精、好上加好”的職業特質。現已退休的郭香墨說起選育中棉所41,眼神立刻亮了起來。他說,十幾年前,國產轉基因抗蟲棉的品種已經顯露優勢,棉農對品種的要求,開始從盡可能少打藥,提升到了最好不打藥、又要能夠高產還方便采收。“大家都在思考,中國棉花育種的下一個方向在哪里。”恰在這個時候,郭三堆團隊又取得了新的成果--Bt+CpTI雙價抗蟲基因,李付廣課題組也迅速完成基因導入,向育種團隊提供了多達114份轉入雙價抗蟲基因的種質材料。

     科研需要不斷創新,才能不斷創造科學奇跡。相比此前的Bt單價抗蟲基因,Bt+CpTI雙價抗蟲基因有哪些獨到之處呢？郭三堆介紹說,為了加重和國外抗蟲棉品種競爭的籌碼,他提出在一個載體上掛兩個獨立表達的基因：一個是Bt,另外一個是來源于豇豆的蛋白酶抑制劑基因,簡稱Cp？TI。后者的作用是,當蛋白酶增大到一定量的時候,CpTI就可以抑制害蟲消化道里的酶,阻止其腸胃消化。這樣的結果就是,既可以讓吃了Bt殺蟲蛋白的害蟲腸胃裂解,同時還能讓它沒法吃東西,“雙管齊下,殺蟲性能自然會大大增強。”這個技高一籌、中國獨有的成果,立刻就和國外抗蟲棉在核心技術上拉開了明顯距離。

     “既然這個雙價基因能轉入棉株,我們就能育出更優秀的抗蟲棉。”這個幾天不見棉花就想進棉田,每次出差回來就急著下試驗地的育種家,立刻確定了自己新的育種方向。從此,從大陸內地到天涯海島,郭香墨不停在兩地往來穿梭,起點、終點都是棉花育種田。“在海南加代繁殖,能縮短一半的育種時間。”不斷尋找、反復篩選,既像大海撈針、又像蜜蜂尋蜜,3年之后,我國第一個雙價轉基因抗蟲棉品種宣告培育成功,2002年通過國家審定。看到品種終于成功的那一刻,郭香墨說他的感受,“就像是喝了一碗冰糖水”。

     截至2008年,該品種在黃河、長江流域兩大棉區累計推廣面積4800萬畝,其間連續保持了全國推廣面積最大的年度紀錄。更為可喜的是,該品種并非一枝獨秀,還引來百花爭艷,作為其他育種團隊的親本材料,又相繼跟進育成了新品種50余個,讓國產轉基因抗蟲棉品種的競爭實力大大增強,穩穩占據了轉基因抗蟲棉國內市場的絕對優勢。

     國產轉基因抗蟲棉家族中,還有一個種群叫轉基因抗蟲雜交棉,在與外來品種的競爭中表現耀眼。按照中棉所棉花雜種優勢利用課題組組長邢朝柱研究員的介紹,這類品種“更具中國特色”。在品種選育和生產應用中,育種家和棉農有一個高度一致的觀點,“沒有最好,只有更好。”邢朝柱說,棉花雜種優勢不僅體現在產量,還在抗逆性、抗病蟲、抗旱抗澇等方面表現突出,因此,“轉基因抗蟲雜交種可以讓父母親本的遺傳性狀,一同在品種表現中發揮到極致”。

     邢朝柱以我國第一個轉基因抗蟲雜交棉中棉所29為例介紹說,我國是人口眾多的植棉大國,具有利用人工制種的特殊優勢,加之品種表現突出,這個品種曾創造了年度推廣800萬畝的最高紀錄,一度在兩大流域棉區占據50%的市場份額,成為各產棉省的主推品種,是轉基因抗蟲棉爭奪戰中當之無愧的角斗士。

     一個時代有一個時代的精彩,如同太陽每天都會發出新的光芒,科學技術同樣要不斷創新,才能永續活力生機。那場跨越十余年的轉基因抗蟲棉競爭中,雖以中國品種全面勝出告終,但從長遠觀察審視,依然只是屬于一個階段的榮光。我們的科學家是清醒冷靜的,他們從未停下攻關求新的腳步,正在從一個起點,走向又一個起點。如同郭三堆等人正在“結鈴吐絮”地更新科研成果,又將超越自我、超越過去,給我國棉花產業注入新的活力。