基因改造可以提高作物产量,但别过分吹嘘其效果

在气候变化和人口增长的背景下,世界越来越需要高产和抗逆性强的作物。但想要改良作物,必须明确哪些方法在实际应用中真正有效。

近20年来,许多期刊发表论文声称通过改变一个或几个基因就可以大幅提高作物产量,报告的增产幅度从10%到68%不等。但大多数研究都是温室试验或小规模田间试验结果,几乎没有在真实农业环境中验证过。换言之,几乎没有任何发现被转化到实际农田中。

我们作为植物育种专家、数量遗传学家、进化生物学家和植物生物学家,许多人都参与过国家级项目或与跨国公司合作育种,对一些夸大基因改造增产效果的说法表示担忧,这在气候变化和人口增长形势下尤其令人不安。

为鼓励更有影响力的科研,我们呼吁研究者、评论者和期刊编辑在声称单个或几个基因对作物产量影响时,确保满足至少五个标准。我们还敦促各学科研究人员加强合作,采用成熟的产量测试方法。


需要客观理性看待

一些引入其他物种的基因或使用CRISPR-Cas9等基因编辑技术改造一个或多个基因而大幅提高作物产量的研究报告常获得媒体广泛关注。但是,几十年来更为传统的植物育种方法给出的画面却大不相同,它说明在可预见的几十年内,基因改造对产量提升的贡献有限。

植物育种专家和数量遗传学家眼中的真正产量突破,通常一个世代只带来1-5%的增长。这些验证过的增产数据来自全球多个地点多年的试验。尽管看似微小,但考虑到全球总产量,这些增长实际上非常惊人。 

比如,Corteva Agriscience种子公司进行的一个为期20年的项目,其结果2021年发表在《植物科学》上。研究人员测试了从47种植物中获得的1671个基因对玉米的产量、氮利用效率、水利用效率等的影响。仅有1%的基因(22个基因)在初步试验中显示出值得进一步研究的产量提升效果。在后续几轮测试中,只有一个基因zmm28(编码一个转录因子)产生了期待的产量提高。

为了田间验证zmm28的效果,研究人员将该基因过表达导入两个精英内照系。通过这些内照系制成48个不同的杂交种,经过4年在全球58个地点年度组合的田间试验,结果显示zmm28的过表达可将玉米产量提高约2%。

需要明确的是,成千上万的基因可通过间接途径影响作物产量。仅玉米一种,大约20-30个基因(如“无叶舌”家族基因)改变了叶片角度,让过去100年的农民将单位面积上的玉米株数提高了3-4倍。大约8.5-17%的产量增长来自株行密度的提高。但是,产量本身是一个高度复杂的多基因性状,受成千上万个效应极小的变异所控制。

所以,尽管单个基因可影响产量,但它始终与土壤管理、施肥管理、数百个参与作物驯化和适应的其他基因等因素共同发挥作用。例如,绿色革命的作物产量和农业生产量的大幅增加,源于将Rht-B1和Rht-D1基因导入小麦,sd1基因导入水稻,结合更多化肥的使用。这些基因使植株变矮,减少暴风雨中的损害。

我们认为,在无环境胁迫和病虫害的情况下,极少数基因能对产量产生重大益处。作物产量在长期强化选择下演化至今,任何一个在当前大多数环境和品种中能显著提高产量的基因变异,都已经被引入育种系中。

鉴于此,各种声称单个或几个基因影响产量的研究结果,没有在类似农田条件下得到验证一点也不奇怪。但为何这些声称仍在发表?我们认为主要原因是研究团队缺乏相关专业能力,且期刊编辑在邀请同行评审时专业范围不够广泛。

如果没有植物育种专家、农艺学家(研究土壤和农艺的专家)参与,研究人员可能无法设计适当的产量评估试验。同样,如果评审和编辑对较大规模作物试验的实验设计和统计方法不够了解,一些有问题的产量增产声称也可能流进发表论文。

对于高影响力的非专业期刊如《自然》或《科学》来说,问题可能在于编辑与熟悉田间试验设计和产量试验的作物育种和数量遗传专家接触不足。这些期刊上的论文往往只用几句话报告温室试验或小规模田间试验结果。评审更可能是分子生物学家或遗传学家,更关注论文的主要贡献,即基因改良带来的分子生物学变化。

我们认为,要评价基因改变对作物生产力的影响,研究人员应遵循经过近一个世纪验证的测试方法。研究者、评审者和编辑至少应确保满足以下五个标准:

一、采用标准产量定义。对于世界七大主要粮食作物,农民和育种专家将产量定义为单位面积获得的干谷重量或块茎块根干物质重量。研究者应使用这些指标报告产量变化,而非粒长、粒宽等其他指标。

二、试验需在不同地块、地点和年份重复。有时研究者在小面积田间试验中记录多个地块的数据,但只报告最好地块或植株的产量。更常见的是进行非重复试验,不考虑变化的环境条件(包括气候模型预测的未来条件),也不考虑该作物在实际农田的常规栽培管理措施。

部分原因可能是一些国家对转基因植物测试设定了严格监管限制和高昂试验成本。但基因效应跨基因型和环境条件变化巨大的作物,其增产效果可能不足以在商业上具有竞争力。所以研究人员必须设计具备处理各种限制的足够统计功效的试验。

三、品种、株行密度等条件应与农田高度吻合。尽可能在试验设计中考虑可能最终种植该作物的农田条件和栽培措施,努力模拟实际施肥、耕种、灌溉、播种、收获等操作,采用避免边缘效应的区划设计,以标准密度栽培。

过去一个世纪,育种家选择了能耐高密度的作物变异类型。但在许多小规模试验中,株距过疏,不具商业代表性。有时甚至仅以单株产量代替整区产量。但如果在农户常用密度下,个体植株产量增加的基因型不能增加整区产量,那么其商业化前景堪忧。

最后,尽可能在田间试验中采用精英商业化品种作为比较标准,不要用产量较低的老品种。今天商业品种的产量是过去品种的4-17倍。事实上,育种公司在考虑商业化某基因之前,要在成千上万个精英品种数十万植株中测试其效果。

四、对照应科学设置。改良作物的产量应与当地或全国同类作物产量比较,而不是不再使用的老品种。杂交种应与其他杂交种比较,等等。对照还应包括“空载体”植株,即含有标记报告基因等分子工具,但不含关键基因改变的植株。

五、优先考虑育种可能遗漏的基因。在大量投入对某基因功能的研究之前,应核查类似等位基因是否已固定在商业化品种中。如果育种者已经利用这个基因数十年,极少可能会突然带来巨大产量提升。

总之,基因工程技术可以为作物育种提供新工具,但准确衡量基因改变对产量的影响需要采用成熟的测试方法,还需要分子生物学家、育种专家、农艺学家等开展更紧密合作。在粮食安全面临巨大挑战的今天,我们敦促研究人员采用经过验证的方法,准确衡量基因改造对作物产量的影响。

来源：Nature 621, 470-473 (2023)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-02895-w