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，引起了世界各国的普遍重视，因此人们普遍认为21世纪是生物科学的世纪。生物技术对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，新世纪的前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实现对生物整体的操控更接近目标。生物技术包括的内容很广阔，本书讲述的生物技术主要指以植物为基础的现代生物技术。

一、生物技术的产生和发展

(一)生物技术的产生

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科学原理，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。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品，甚至某些矿石。为人类生产出所需的产品包括粮食、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。

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世纪尤其是战后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，这其中包括生物化学、生物大分子晶体结构学、量子力学、工程和信息科学等做出的工作。

现代生物技术是以20世纪70年代DNA重组技术的建立为标志的。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，所以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，揭开了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；也可以导入细菌等简单的生物体，由此生产大量的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、现代细胞工程以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。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。

(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，包括植物组织培养技术、人工种子、细胞工程、基因工程等多种生物技术，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)进入田间实验。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。2011年，全球转基因植物种植面积达1.6亿hm²较1996年增加了94倍；全世界29个国家1670万农民种植转基因作物，且发展中国家种植面积增加的幅度高于发达国家；在美国，转基因作物的种植面积达到6900万hm²，一些主要农作物转基因品种的种植面积超过了播种面积的90％。最近几年，巴西、阿根廷和印度转基因作物种植面积发展很快，紧随美国之后。

转基因作物所产生的效益十分可观，转基因作物在1996～2009年在全球产生了大约650亿美元农业经济收入，其中44％是由于种植转基因抗虫或抗除草剂而减少生产成本(减少劳动力的投入)的收益，56％来自于产量提高的收益。2010年，转基因种子的全球市场价值超过100亿美元，商业种植转基因玉米、大豆和棉花的产值超过1500亿美元。

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；1996年据中国农业生物技术学会调查统计，当时正在研究的转基因植物共47种，涉及各类基因达103种；1997年第一例转基因耐储存番茄获准进行商业化生产，至1999年5月共有6种转基因作物产品投放市场；2000年我国转基因抗虫棉花种植面积超过550万亩；2011年，仅棉花一种作物，转基因种植面积就在5000万亩以上。继转基因耐储藏番茄、抗虫棉、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的玉米的安全证书，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)》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。

生物技术改造的农艺性状也正在逐步拓宽，一般而言，我们把抗虫、抗除草剂转基因作物看做是第一代转基因作物，第二代转基因作物将以改进品质、增强抗性为代表，同时还在增加农产品附加值方面加强研究与开发。生物技术在生物质能源、花卉改造、林木育种等方面也正在发挥重要作用。

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，被称为“绿色革命”。一次是20世纪50～60年代：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，有力地推动了农业生产实现新技术革命。因此，科学家们预言：植物生物技术将带来一场新的农业产业革命，也有人把其称为第三次农业技术革命。

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的转入其他植物，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以生产足够粮食保障人类的生存和发展。

(一)植物生物技术在农业中的应用

1.植物组织细胞培养(plant tissue and cell culture)

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。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染色体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)、胚胎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、经济作物以及药用植物等。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以外，它还是转基因技术实现目标的基础技术。优良的基因需要利用组织培养转入细胞，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(genetically modified crop, GMC)

自从1983年世界上首次成功地获得了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，即需要那种性状，就可以将有此性状的目的基因转移到受体细胞，因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，往往需要将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，但也发展出很多新技术，技术的发展往往是针对作物的特点制订的，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进展，近10年来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；它还可以防止因花粉扩散而造成的基因漂移。

3.分子标记(molecular marker)技术与育种

自限制性片段长度多态性(restriction fragment length polymorphism, RFLP)分子标记应用以来，分子标记在30多年的时间里发展非常迅速。尤其是基于聚合酶链式反应(polymerase chain reaction, PCR)的分子标记发展最快，涌现了很多简单易用的分子标记类型。近些年，随着基因组测序，特别是第二代测序技术的发展，高通量的分子标记技术，如单征多态性(single feature polymorphism, SFP)、多态性芯片技术(diversity arrays technology, DArT)和限制性内切酶位点标签(restriction-site associated DNA, RAD)等标记发展很快。分子标记发展的第二个趋势是由“匿名”标记向功能标记的转变。随着转录组、表达谱研究的开展以及全基因组测序的进行，人们对基因组结构的认识越来越深入，分子标记的开发更是着眼于基因组的表达区，从而促进了功能标记的发展。从检测手段上来看，分子标记正向以凝胶电泳为主的检测手段向以芯片为基础的高通量、自动化检测技术发展；另外，基因组测序完成之后，有了参照基因组序列之后，基于测序的检测技术(geno-type by sequencing)逐渐成为分子标记的主流检测手段。

分子标记技术广泛应用于遗传和育种的各个领域，如植物分类学及遗传多样性、种质资源保护、作物品种指纹图谱鉴定、遗传图谱构建、基因定位与辅助选择育种等。

传统的植物学分类方法主要是形态标记分类法，具有很大的不可靠性，许多物种之间的分类关系及亲缘关系仍需从分子水平上进一步研究。将分子标记应用于确定亲本之间的遗传差异和亲缘关系，可划分杂种优势群，指导杂交组合配制和进行杂种优势预测，从而提高杂交优势潜力。

分子标记在种质资源研究中的重要用途之一就是绘制品种(品系)的指纹图谱。这种图谱多态性丰富，具有高度的个体特异性和环境稳定性，甚至可以监测到一些基因组中的微小变异。因此，指纹图谱技术极其适合于品种鉴定和新品种登记、品种纯度和真实性检验等工作。

随着各种分子标记的不断发展，遗传作图在许多作物中得到了迅速发展，水稻、玉米、棉花、油菜、小麦、大麦等多种作物的分子图谱已经建立。分子图谱的建立一方面有助于追踪目标基因以及进行全基因组的背景选择，高通量分子标记以及基于二代测序的分子标记将使分子标记辅助选择更加高效、快捷；另一方面可对数量性状基因(QTL)进行遗传剖析，它可将数量性状拆分，分别估计各个位点的表型效性，进而对其定位，甚至图位克隆相应基因。此外，基于全基因组的高通量单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)芯片和基于测序的检测技术已成为全基因组关联分析(genome-wide association study)的有效工具，开辟了植物遗传研究和分子育种的新领域。

三、展望与挑战

植物生物技术在保障农产品供给方面的作用越来越受到各国政府的重视。美国在经济危机的情况下，削减了植物科学传统研究领域的经费，但却在生物技术制药、生物技术为基础的生物能源研究方面保持了大量的投入。发展中国家也把生物技术作为重要发展方向。一些国际大公司为了争取生物种业的国际市场，不断加大生物技术育种的投入，推动品种的更新换代和专利化，以保持自己的竞争优势。植物生物技术被普遍认为是未来人类解决资源短缺不可或缺的技术，也是争取农产品高附加值的重要技术手段。

国际农业生物技术专家James认为，未来转基因作物种植面积扩大的潜力很大，尽管2011年转基因作物的种植面积已达到1.6亿hm²，但目前仍有1.5亿hm²土地有可能用来种植转基因作物。中国种植转基因作物的面积有可能会达到3000万hm²，随着中国对肉类的消耗会持续增加，玉米作为饲料的需求会不断增加，因而这些土地会优先安排种植转基因玉米。欧洲各国由于对转基因作物的政策不同，很可能继续影响欧洲转基因作物大面积商业化进程，但北美还会进一步加快转基因作物的商业化。北美已开始考虑转基因小麦的商品化，同时，很多国家及公司目前加快了对小麦进行一系列转基因特性的改良以提高其抗旱性、抗病虫害的能力，并提高产量。转基因小麦有望在2020年实现商品化。中国在转基因水稻研究方面一直走在世界的前列，目前已有两例抗虫转基因水稻品种获得农业部颁发的生产应用安全证书，并培育出了一系列抗病、抗逆、高产优质的新材料或新品系，我们有理由相信中国的转基因水稻商品化应该处于国际主导地位。中国也正在加速对玉米、小麦和大豆的转基因研究，我们有理由相信，在不久的将来这些作物转基因研究和产业化将赶上国际步伐。

各种作物基因组测序的完成必将推动农作物转基因研究在技术、理论和应用上产生新的飞跃。基因组测序的完成将促进更加强大功能基因的发现，也会促进分子设计育种的发展，将促进多基因聚合、甚至是代谢途径改变的转基因育种。同时，发展起来的定点定向转基因技术将会使我们转基因育种的目标更明确、更具有针对性。

随着植物生物技术研究不断向深度和广度发展，农业将成为其应用最广阔、最活跃、最富有挑战性的领域。它可使农业生产和科学技术发生质的飞跃，出现革命性变化。植物生物技术的发展也会面临很多挑战：一是应努力把理论研究成果转化为实际应用；二是国家在政策层面上应鼓励建立上中下游联合的研发体系，成立有竞争力的大型种业集团；三是应采取切实有效的措施加强生物技术知识产权的保护，尤其应有知识产权的国际竞争意识，保证我国生物技术产业的健康发展；四是加强生物安全和生物技术知识的科学普及教育，使全民了解生物技术，并懂得生物技术的重要性。