绪论
生物技术是20世纪中后期兴起的高新技术，20世纪末得到了快速发展，并显示出广阔的应用前景，引起世界各国普遍重视，因此人们普遍认为21世纪是生物科学的世纪。生物技术为解决人类面临的食品短缺、疾病防治、人口膨胀、环境污染、能源匮乏等一系列问题带来了希望。进入21世纪以来，生物技术发展更加迅猛，21世纪的前10年，有关生命科学、生物技术及相关领域的论文总数占全球自然科学论文的50%以上。随着越来越多的生物基因组测序的完成和干细胞的研究取得进展，人类对生命世界的认识发生了质的变化，科学家已经把目光从对单个基因功能的认识转向了对基因网络的认识。基因网络的操控必然使人类更接近实现对生物整体操控的目标。21世纪的第二个10年，随着高通量测序技术、合成生物学的快速发展及基因编辑技术的诞生，生物技术研究的深度、广度发生了革命性变化，生物技术对人类生命健康、现代农业发展的贡献越来越大。生物技术包括的内涵和外延也更加广阔，本书讲述的生物技术主要指以植物为对象的现代生物技术。
一、生物技术的定义、产生和植物生物技术的发展
（一）生物技术的定义和产生
1．生物技术的定义 生物技术（biotechnology）有时也称为生物工程（bioengineering），是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础科学的原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需要的产品或达到某种目的的一系列技术。
先进的工程技术手段是指基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程等的技术手段。改造生物体是指获得优良的动物、植物或微生物品系。生物原料则是指生物体的某一部分或生物生长过程所能利用的物质，如淀粉、木质素、纤维素等有机物，也包括一些无机化学物，甚至某些矿石。利用先进的工程技术手段，为人类生产出所需的包括粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等各种产品，以达到保障粮食安全，缓解和解决能源危机，预防、诊断和治疗疾病，冶炼金属，检测和治理环境污染等目的。
生物技术有传统生物技术和现代生物技术之分。传统生物技术是指旧有的制造酱、醋、酒、面包、奶酪、酸奶及其他食品的传统工艺；现代生物技术则是指20世纪70年代末、80年代初发展起来的，以现代分子生物学研究成果为基础，以基因工程为核心的一系列技术。2．生物技术的产生 同20世纪大部分应用技术的产生一样，现代生物技术也是建立
在一系列基础科学所取得的重大进展基础上的，其中包括生物化学、生物大分子晶体结构学、量子力学、工程和信息科学等领域的工作。
现代生物技术以20世纪70年代DNA 重组技术的建立为标志。1944年，Avery 等证明了DNA 是遗传信息的携带者。1953年，Watson 和Crick 提出了DNA 双螺旋结构模型，阐明了DNA 的半保留复制模式，从而开辟了分子生物学研究的新纪元。由于一切生命活动都是包括酶和非酶蛋白质等生物大分子行使其功能的结果，因此遗传信息与蛋白质的关系就成为研究生命活动的关键问题。1953～1955年，Watson 和Crick 提出了基因自我复制和指导蛋白质合成的中心法则。1961年，Nirenberg 等证实了三联体遗传密码，至1969年，64 个遗传密码全部被破译，揭示了DNA 编码的遗传信息是如何传递给蛋白质的这一秘密。基于上述基础理论的发展，1972年，Berg 首先实现了DNA 体外重组，标志着生物技术的核心技术——基因工程技术的开端。它向人们提供了一种全新的技术手段，使人们可以按照意愿在试管内切割DNA、分离基因，并经过重组后导入其他生物或细胞，借以改造作物或畜牧品种；也可以直接导入人体内进行基因治疗；还可以导入细菌等简单的生物体，由此生产大量有用的蛋白质或其他化合物，如药物、疫苗、工业化酶、生物色素等。显然，这是一项技术上的革命，以基因工程为核心，带动了现代发酵工程、现代酶工程、现代细胞工程及蛋白质工程的发展，形成了具有划时代意义和战略价值的现代生物技术产业。
进入21世纪以来，特别是2010年以后，高通量测序技术的迅速发展，为生物技术的开发应用绘制了前所未有的“蓝图”，而以CRISPR/Cas9为代表的基因编辑技术则是描绘这张蓝图的工艺精良的“画笔”，它们共同推动着生物技术进入了一个全新的发展阶段！
（二）植物生物技术的发展
植物生物技术是指生物技术在植物（尤其是农作物）上的应用，主要是指植物基因工程和与之相关的植物组织细胞培养技术、分子标记辅助育种技术等。1983年，首批转基因植物（烟草、马铃薯）问世。1986年，首批转基因植物（抗虫和抗除草剂）进入田间试验。1994年，美国Calgene 公司培育的延熟保鲜的转基因番茄被批准商品化生产，1996年开始大规模商品化种植（当年种植面积为170万hm2），之后迅猛发展。2019年，全球转基因植物种植面积达1.9亿hm2，较1996年增加了约111倍；全世界29个国家1700万农民种植转基因作物，且发展中国家的种植面积超过了发达国家；美国转基因作物的种植面积在全球*大，达到7150万hm2，玉米、大豆、棉花等农作物转基因品种的种植面积超过了播种面积的90%。截至2020年，全球商业化种植的植物达到11种，包括大豆、玉米、棉花、油菜、马铃薯、苜蓿、番木瓜、茄子、甜茶、南瓜、苹果，其中转基因大豆、玉米、棉花、油菜的面积位居前四位。这些商业化的转基因植物包含的性状主要包括除草剂抗性、抗虫性、抗病毒及复合性状（多种性状的结合）。近年来，巴西、阿根廷、加拿大和印度转基因作物种植发展很快，种植面积分别居全球第2～5位。转基因作物所产生的效益十分可观，转基因作物于1996～2018年在全球产生了大约2249亿美元农业经济收入，其中47%是由于种植转基因抗虫或抗除草剂品种而减少生产成本（减少劳动力的投入）的收益，53%来自产量提高的收益，其中美国获得959亿美元的收益，其次是阿根廷281亿美元、巴西266 亿美元、印度243 亿美元，中国获益232 亿美元，居第五位。我国转基因植物的研究始于20世纪80年代初，1986年，863 计划实施后发展速度大大加快：1993年，我国第一例转基因作物抗病毒烟草进入了大田试验；1997年，第一例转基因耐储存番茄获准进行商业化生产；2000年，我国转基因抗虫棉种植面积超过550万亩①；2020年，仅转基因棉花种植面积就在4500万亩以上。继转基因耐储存番茄、抗虫棉、抗病番木瓜等作物后，2009年，我国又批准了抗虫水稻和转植酸酶基因玉米的安全证书，2015年转基因水稻和转植酸酶基因玉米再次获得转基因安全证书，截至2020年，我国批准了7 种转基因作物的安全生产证书：转基因抗虫棉、抗病番木瓜、抗虫水稻、转植酸酶基因玉米、抗虫耐除草剂玉米、耐除草剂大豆、耐除草剂玉米等，但目前国内商业化种植的仅有转基因抗虫棉和抗病番木瓜。尽管转基因水稻和玉米还没有应用于生产，但可以预期这两大农作物在应对我国人口增长对粮食的需求方面将发挥积极作用。
为了全面推动转基因技术在农业生产中的应用，我国从“十一五”开始，实施了“转基因生物新品种培育”国家重大科技专项，物种涵盖了主要作物（水稻、小麦、棉花、大豆、玉米）和牲畜（猪、牛、羊）。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》将生物技术作为科技发展的5个战略重点之一。我国在“十二五”生物技术发展规划中，明确了生物技术基础研究的重点是农业科学、人口与健康科学、工业生物科学；并拟在包括动植物品种设计、生物信息技术、生物制药、一系列组学技术等方面进行关键技术开发；计划在生物医药、农业生物产品、生物能源、生物环保、生物制造等方面形成产业化。2022年1月，农业农村部制定并公布了《农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）》，这一指南为基因编辑作物育种的商业化铺平了道路，标志着中国将开始批准基因编辑作物进行商业化生产，对我国生物育种技术研发与产业推动具有里程碑意义。
二、植物生物技术与农业革命
在世界农业发展史上，曾经发生过两次大的农业革命。一次是20世纪50～60年代，被称为“绿色革命”：以高秆变矮秆为标志，优质、高产的矮化小麦和水稻良种的全面推广使全世界粮食产量跃上了一个新的台阶。另一次就是70年代初，我国杂交水稻的培育成功，并大面积应用于生产，使水稻单产增长了20%～30%，创造了农业生产奇迹。现代生物技术在农业生产诸多领域中已得到了广泛的应用，并初步取得了显著的成效，对农业生产实现新技术革命起到了有力的推动作用。因此，科学家预言：植物生物技术将带来一场新的农业产业革命。
人们利用植物生物技术的新方法能有效地分离出决定重要植物表型的一系列基因，利用转基因手段把已知功能的基因有目的地转入其他植物，并在新植物中表达出来。这样可以改变或再造农作物的品质、提高作物的产量和抗逆性，培育出高产、优质、高效和抗逆性强的作物新品种，生产足够的粮食以保障人类的生存和发展。植物生物技术在农业中的应用主要表现在以下几方面。
1．植物组织细胞培养 运用植物组织细胞培养技术实现植物育种是获得新品种的一条有效途径。人们既可以通过花粉培养、未授粉子房及胚珠培养等诱导形成单倍体植物，也可以通过植物愈伤组织培养中普遍存在的体细胞无性系变异实现植物突变育种。另外，还可以通过细胞融合（尤其是原生质体融合）、胚拯救及体外受精技术获得远缘杂种；通过茎尖培养能够产生无病毒原种，用于无性繁殖植物脱毒，解决生产实践中植物病毒危害问题。植物组织培养技术还可应用于快速繁殖某些花卉和园艺植物、经济作物及药用植物等。对珍贵的植物物种，可以通过超低温保存（建立超低温种质库）予以体外保存。
植物组织培养除了其本身可以作为生物技术应用于植物改良，它还是转基因技术实现其应用目标的基础技术。人们需要利用组织培养将优良的基因转入细胞，然后将转基因细胞进行培养和分化，再生植株后，才能获得转基因种子，从而使外源基因随受体基因组向后代遗传。植物组织培养与分子标记辅助育种也有密切联系，很多植物利用花药培养获得性状分离并纯合的双单倍体群体，然后进行分子标记分析，为育种或基因的图位克隆提供参考。
2．转基因作物 自从1983年世界上首次成功地获得第一株转基因植物以来，植物基因工程技术在作物抗病虫、抗除草剂、改善品质、修饰代谢途径、创造雄性不育材料等方面得到了广泛应用，并得到了迅速的发展。近年来，转基因抗干旱、高温、冷害，耐盐碱等方面取得突出进展，显示出巨大的应用价值。
植物转基因技术突破了物种间的界限，使远缘植物之间可以进行基因的交换，为创造新的生命类型开拓了无限广阔的前景。通过转基因技术还可以获得生物的定向变异，即需要哪种性状，就可以将有此性状的目的基因转移到受体细胞，从而可以定向地获得所需要的变异。转基因技术也是作物功能基因组研究的重要手段，可以利用转移DNA（transferred DNA，T-DNA）插入创造突变体，为重要经济性状的基因克隆寻找目标基因。功能基因的验证离不开转基因技术，往往需要用基因的过量表达载体和抑制表达载体转化作物，观察基因表达带来的性状变化，从而验证基因的功能。
经典的农杆菌介导的转化仍然是转基因的主体技术，但也发展出了很多新技术，新发展的技术往往是针对作物的特点制订的。例如，超声波辅助的农杆菌介导的转化，对提高转化效率具有积极作用。除核转化外，随着叶绿体基因组测序的发展，近10年发展起来的叶绿体转化技术逐渐成熟，分别在土豆、棉花、烟草等十几种植物上取得成功。叶绿体转化被认为有很多优势，它可以大幅度提高外源基因的表达量，不存在转基因沉默，可以作为蛋白质生产工厂；它还可以防止由花粉扩散造成的基因漂移。
3．基因编辑作物 以CRISPR/Cas9为代表的基因编辑技术，是21世纪*重要的生物技术突破。到目前为止，在人细胞系和多种模式生物如酵母、果蝇、线虫、斑马鱼、小鼠、大鼠、猪和猴等生物中已经完成感兴趣基因的编辑，并在此基础上建立了多种疾病模型，为阐明疾病发生的分子机制和药物筛选提供了重要平台。
展开
