原创 靳悦 基因慧2023年08月09日 08:00广东
生物育种技术是保护物种多样性、保障粮食安全、实现绿色低碳农业的关键。近年来，基于基因科技的分子育种，可有效实现生物育种的精准、高效和数字化，主要涵盖从转基因（始于1987年）、分子标记辅助选择和全基因组选择（2001年）、基因编辑（2012）到合成生物（2022年），以约十年一个周期进行迭代。本文连载自《2023基因行业蓝皮书》。
一、粮食安全与生物育种
根据WHO的报告，全球有8.21亿人处于营养水平以下，1.51亿5岁以下儿童发育迟缓；根据联合国粮食及农业组织，2050年，为了应对气候变化带来的与生产系统相关的各种挑战，粮食产量必须增加60%。我国农业农村部农村经济研究中心的专家在2022年4月的中国宏观经济论坛（CMF）上谈到，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。
根据《CMF中国宏观经济专题报告》，2015年以来，我国粮食生产连续7年稳定在6.5亿吨以上的水平；同时，我国用 8％的耕地养活了世界19％的人口。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。2020年的差距是1.5亿吨；同时，我国主要肉禽类的饲料也缺乏自主种业，例如“饲草之王”紫花苜蓿用种量超80%依赖进口，我国的天然干草（饲草）每年缺口2亿吨以上。
2021年，中央全面深化改革委员会第二十次会议审议通过《种业振兴行动方案》，强调要把种源安全提升到关系国家安全的战略高度；“十四五”规划提出，加强农业良种技术攻关，有序推进生物育种产业化应用；2022年，中央一号文件提出，推进种业领域国家重大创新平台建设，启动农业生物育种重大项目；《中华人民共和国种子法》指出，国家鼓励和支持种业科技创新、植物新品种培育及成果转化；党的二十大报告明确要全方位夯实粮食安全根基。
粮食安全的核心是确保产能，产能的两大因素，一是耕地面积，二是提高亩产量；而我国人均耕地面积不足世界平均水平的40%。在耕地有限情况下，要确保2022年粮食产量稳定在1.3万亿斤以上，需要大力推进种源等农业关键核心技术攻关。
生物育种是利用生物技术对动物、植物、微生物定向改良和品种培育，生物育种的技术研发和应用水平已成为衡量一个国家农业核心竞争力的重要标志。广义的生物育种包括原始驯化选育、传统杂交育种（表型选择）和分子育种（基因型选择）。现代生物育种主要指分子育种，用于抗生物及非生物逆境、产量提高、品质改良以及养分利用效率提高等，不仅实现个体早期选择，而且缩短世代间隔，提高生物育种的效率。
在我国具有里程碑的生物育种成果来自袁隆平先生及其团队。从1960-1971年，袁隆平团队实现中国籼型杂交水稻“三系”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；2022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。
此外，多年生作物作为联合国粮农组织提出的重点发展方向之一，近年来在我国落地。云南大学教授胡凤益团队经过20多年的探索，在华大万物的测序技术等协助下，原创性地培育出多年生水稻品种，成为目前全球第一和唯一商业化应用的多年生粮食作物，实现“一次种植，多次收割”，年亩产量超过1000公斤；2021年11月，深圳首次试种多年生水稻完成收割。多年生水稻通过免耕生产，每年每亩能固定二氧化碳20公斤、增加土壤有机质54公斤。
传统的杂交育种对经验依赖性强，需要大规模的田间形态学筛选，因此，育种周期需要10年以上；基于基因科技的分子育种，可有效实现生物育种的精准、高效和数字化。分子育种技术涵盖多种技术，从转基因（始于1987年）、分子标记辅助选择和全基因组选择（2001年）、基因编辑（2012）到合成生物（2022年），以约十年一个周期进行迭代。
合成生物育种还在萌芽阶段。全基因组选择是较为主流的技术，是分子标记辅助选择技术的升级，从早期的低密度SNP芯片、高密度SNP芯片发展到高通量测序（简化基因组测序或全基因组重测序）。全基因组选择的核心是育种方案设计、统计模型和表型的准确性选择。其中较为先进的统计模型是非参数机器学习。
全基因组选择的发展对基因分型提出了新的要求：高通量、成本可控、稳定性。以华大智造为例，DNBSEQ-T7等产品以通量高、成本低优势，使得基于测序的全基因组选择技术成为分子育种尤其是畜禽水产分子育种的重要有效方法，该策略也逐步在重要农业作物和林木育种中得到应用。
我国生物育种经历了四个阶段，包括1976、1986、2009、2022四个重要的时间节点。在粮食安全及种业战略的高度重视基础上，未来的3-5年，在研究、转化及产业上进入快速发展期。
2017年5月，美国农业部农业研究服务署发布了国家计划《植物遗传资源、基因组学和遗传改良行动计划 2018-2022》，核心任务是通过生物技术来帮助美国农业转型，包括作物遗传改良（特定性状基因鉴定及分子标记等）、遗传资源和信息管理以及作为与环境及微生物的互作机制研究，2020年建立了6个育种计划（蓝莓、鲜食葡萄、红薯、苜蓿、虹鳟鱼和北美大西洋鲑鱼）；2021年4月，欧盟委员会发布了关于新兴生物技术的研究报告，帮助实现欧洲绿色协议“从农场到餐桌”；2023年3月，英国通过了新的“基因技术（精准育种）法案”，正式开启了基因编辑技术的商业化育种应用大门。
根据美国农业部发布的多个国家及地区农业生物技术2021年度报告称，多个国家支持转基因、基因编辑等新兴生物技术应用农业，抵抗气候变化、病虫灾害以及粮食安全等。
在生物育种产业方面，全球范围看，传统种业已经完成了头部整合，例如2017年中国化工收购先正达、陶氏与杜邦；2018年Bayer收购Monsanto，并把其种子业务出售给BASF。我国新一代生物育种（分子育种）进入加速应用阶段。我国分子育种经历了跨越式发展，但起步较晚，和国际先进水平还有一定差距，存在种子同质化严重、种业市场集中度不高，育种研发与成果转化存在脱节、传统巨头垄断等问题，使得目前分子育种的新兴技术市场壁垒极高（利润空间极小，转化效率极低），目前以科研为主，需进一步加大研发和转化应用，需通过资源倾斜和长期规划，打造有竞争力的产业链，特别是补缺分子育种技术服务及推广的第三方技术服务的短板，加速分子育种技术的研发、转化及产业投入。
基因慧预计，国内生物育种市场未来会出现一系列行业整合，未来的增长点主要在于育种技术带来的种子差异化以及育繁推一体化产生的协同效应。可关注的企业标的包括Hendrix Genetics（荷兰汉德克斯）、Genus、舜丰生物、康普森、博瑞迪、华智生物等。
其中，Hendrix Genetics是Hendrix旗下育种公司，通过整合专门的品种育种资源（肉鸡、蛋鸡、种猪、火鸡等）、世界上最大的家禽基因库之一以及贸易公司形成局部的产业链闭环。
舜丰生物依托于中国科学院上海植物逆境生物学研究中心主任朱健康院士的研究团队，在 2018年植物基因编辑的公共技术平台和产业基地在济南成立同时而成立，2023年获得国内首个获得农业用基因编辑生物安全证书（针对高油酸大豆），据公开消息，舜丰生物围绕基因编辑技术系统性布局了四大产品研发管线：高产的水稻、小麦、玉米，抗除草剂的水稻、大豆，适合工业加工的高直/支链淀粉玉米、水稻，高GABA番茄、高维生素C生菜等新品种。
二、生物多样性保护
在全球极端气候变化、流行性传染病、自然资源保护等命题的严峻挑战下，生物多样性保护是共建地球生命共同体的关键。根据联合国生物多样性和生态系统服务科学政策平台2019年发布的一份报告，至少680种脊椎动物已经灭绝，多达100万种物种面临灭绝的危险。
在政策层面，生物多样性保护获得全球共识。《生物多样性公约》于1992年在联合国环境与发展大会期间开放签署。作为最早签署和批准《生物多样性公约》的缔约方之一，我国高度重视生物多样性保护，1998 年以来，中央财政累计投入生态保护补偿领域资金近2万亿元，近10年来，中国平均每年发现植物新种约200种，占全球植物年增新种数的 1/10。2021年，《生物多样性公约》第十五次缔约方大会在昆明召开，我国率先出资15亿元成立昆明生物多样性基金，支持发展中国家生物多样性保护事业。
自 2004 年甚至更早时期，基因技术被讨论用于生物多样性保护（称之为生态保护基因组，Conservation genomics，延续保护遗传学、保护生物学的称呼）。相关策略举例如下。
把合成生物及基因编辑作为保护受威胁或濒危物种免于灭绝的工具，早在 2014 年开始讨论，但至今因为还没有足够的信息确定技术对自然界产生的潜在影响和不可控风险，公众和科学界持谨慎态度且未达成完全一致的共识 ，仅在一定的封闭范围内探索。
目前，基因技术用于生物多样性保护，主要是监测和管理现有物种基因组。目前地球上有1500万种真核生物，物种数量870万种，截止2022年只有180万到200万种；已命名的物种中测序的基因组不超过0.5%。在2018年的生物多样性大会上，地球生物基因组计划（Earth BioGenome Project, EBP）启动，旨在10年内对地球上约150万种已知真核生物的基因组进行测序、编目和序列注释。仅2021年，华大研究院数字化地球生物基因组EBP项目已完成超过1000个物种的基因组测序组装。截至2023年6月，基于华大智造DNBSEQ测序平台破译的物种数量为3496种。
在测序基础上，未来如何进一步进行进化分析和群体分析，研究相关的功能基因并进行转化应用，仍有大量工作在5~10年内深入探索；同时，在监管框架和技术指南完善情况下，未来有望准入更前沿的基因技术更深度且合规地应用于全球生物多样性保护。
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