圖為郭三堆（左二）在實驗室指導助手和學生。
中國農(nóng)科院棉花所原所長、中國工程院院士喻樹迅題詞。
農(nóng)技人員在田間選取棉花新品系。
研究背景
抗蟲棉的研究源自國家高技術(shù)研究發(fā)展規(guī)劃（863計劃）的組織和實施。為了迎接世界新技術(shù)革命和高技術(shù)競爭的挑戰(zhàn)，我國于1986年3月正式啟動了863計劃，包括農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域在內(nèi)的中國高技術(shù)研究發(fā)展由此掀開新的篇章。鄧小平同志高度關(guān)心中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，他曾指出：“將來農(nóng)業(yè)問題的出路，最終要由生物工程來解決，要靠尖端技術(shù)。”正是在這一思想的指引下，根據(jù)當時農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迫切需求，抗蟲棉研究迅速上馬，并列為重大關(guān)鍵技術(shù)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(chǎn)應用潛力的轉(zhuǎn)基因棉花株系，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。
在抗蟲棉研發(fā)過程中，中國科學家銳意進取，奮發(fā)圖強，先后獨立開發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的Bt殺蟲蛋白單價、雙價和融合基因技術(shù)、子房微注射等高效轉(zhuǎn)化技術(shù)、預防害蟲抗性產(chǎn)生的“天然庇護所”技術(shù)、金標試紙等基因檢測監(jiān)測技術(shù)、以及三系雜交棉等先進技術(shù)，培育出一大批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗蟲性好、適應性強的品種，僅用了10年時間就實現(xiàn)了市場占有率的逆轉(zhuǎn)，到2007年已完全處于主導地位。
——摘自中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所研究員黃大昉《中國轉(zhuǎn)基因抗蟲棉發(fā)展回眸》
很多人知道轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，是從26年前爆發(fā)的那場棉鈴蟲災害開始；更多人知道中外轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種市場爭奪戰(zhàn)，是從一個叫做Bt的蛋白基因開始。我國棉花生產(chǎn)從絕處到逢生、棉種市場從傾覆到逆轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，也是改革開放以來我國棉花產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)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(chǎn)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(chǎn)值超過440億元，農(nóng)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(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，減少了農(nóng)民噴藥中毒事故，為棉花生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻。
可恨的棉鈴蟲
1992年秋天，中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所所長李付廣剛畢業(yè)分配到所里，就加入了一場“人蟲大戰(zhàn)”。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(zhì)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(chǎn)棉區(qū)接連爆發(fā)棉鈴蟲災害，持續(xù)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(chǎn)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(nóng)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(chǎn)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(xiàn)蕾結(jié)鈴的棉花，正好成為棉鈴蟲的饕餮首選。“蟲害爆發(fā)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(xiàn)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(nèi)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(nóng)天天都要提著一個籃子，里面放上5、6種農(nóng)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(chǎn)成本、破壞了生態(tài)環(huán)境，更威脅著棉農(nóng)生命健康，棉農(nóng)因防治棉鈴蟲導致的農(nóng)藥中毒事件時有發(fā)生。
眼看著棉花被棉鈴蟲啃成了絕收的光稈，棉農(nóng)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(chǎn)時的據(jù)實寫照。棉鈴蟲危害，驚動了從中央到地方，當時農(nóng)業(yè)主管部門的一位領(lǐng)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(guān)產(chǎn)業(yè)，全國有近3億農(nóng)民以種植棉花為主要收入來源。產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)極強的棉花，不僅是國家戰(zhàn)略物資、出口創(chuàng)匯支柱，更是一項國計民生保障。如果棉鈴蟲無治，棉花生產(chǎn)必將不保，整個棉紡工業(yè)都將嚴重萎縮。嚴峻現(xiàn)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(chǎn)棉區(qū)爆發(fā)為害，讓國外一家種業(yè)公司察覺到了其中蘊藏的機遇，他們憑借用生物育種技術(shù)研發(fā)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種，趁中國還沒有形成生物技術(shù)育種研發(fā)能力，一邊四處游說，讓中方出巨資購買其品種使用權(quán)；一邊加緊布局，在棉花主產(chǎn)省份成立棉花種子公司，進而壟斷性銷售其擁有知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉棉種。其意圖十分明顯，全面占領(lǐng)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(zhuǎn)讓其轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種使用權(quán)，雙方合作不能少于50年。“近乎天價的轉(zhuǎn)讓費，卻只能買來個不包括核心技術(shù)的品種使用權(quán)，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(jié)果，這家公司又調(diào)轉(zhuǎn)方向另行布局，開始在各棉花主產(chǎn)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(zhuǎn)基因抗蟲棉種市場“三年占領(lǐng)華北，五年占領(lǐng)中國”。這樣持續(xù)到1999年，國外轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種已經(jīng)占據(jù)了我國市場90%以上的份額。
但是沒過幾年，這一危局就實現(xiàn)了徹底反轉(zhuǎn)。中國科學家完全自主研發(fā)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，從核心技術(shù)到育種應用迅速成勢，240多個防蟲效果好、產(chǎn)量高、地域適應性強的單價轉(zhuǎn)基因抗蟲棉、雙價轉(zhuǎn)基因抗蟲棉以及轉(zhuǎn)基因抗蟲雜交棉品種，以不斷超越外來抗蟲棉的品種表現(xiàn)，迅速贏得棉農(nóng)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(xiàn)了轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種95%國產(chǎn)化。
此時的中國棉田里，已經(jīng)再難看到國外轉(zhuǎn)基因棉花品種的蛛絲馬跡。
構(gòu)建擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的抗蟲基因
我國轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的研發(fā)成功，不僅為我國發(fā)展生物技術(shù)、搶占科技創(chuàng)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(shù)買不來更要不來，唯有立足于自主創(chuàng)新，敢于參與國際競爭，才能在高技術(shù)領(lǐng)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(zhuǎn)基因抗蟲棉密不可分，他就是負責發(fā)掘新型殺蟲蛋白基因的中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)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(zhuǎn)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(lǐng)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(nóng)業(yè)科研單位近百名生物技術(shù)專家、育種家、企業(yè)家和相關(guān)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(xié)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(shù)發(fā)展迅速，成功實現(xiàn)了把殺蟲基因?qū)霟煵葜仓?，打破了物種界限。這一顛覆傳統(tǒng)技術(shù)的新型技術(shù)，給農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了革命性曙光。通過轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)手段，解決農(nóng)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(guān)鍵技術(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)為棉花育種構(gòu)建擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型抗蟲基因。
關(guān)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(chǎn)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(huán)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(jié)合，引起腸胃潰爛，進而將其殺死。郭三堆反復強調(diào)，包括人在內(nèi)的哺乳動物屬于酸性腸胃環(huán)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(huán)境，且具有結(jié)合Bt的特殊受體結(jié)構(gòu)，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(chǎn)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(jié)合，會像釘子一樣插入害蟲胃腸道細胞膜內(nèi)，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(zhuǎn)有Bt殺蟲基因的棉花不需要依靠農(nóng)藥防治棉鈴蟲，依據(jù)的就是這一機理。當時，全世界只有美國擁有這項技術(shù)，并先行培育出了轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種。
“自主構(gòu)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(jīng)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(diào)控元件和植物高效表達載體構(gòu)建，并由中游轉(zhuǎn)化單位導入棉花獲得種質(zhì)，再由下游育種單位利用種質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)權(quán)的第二個國家，邁出了轉(zhuǎn)基因抗蟲棉國產(chǎn)化最為關(guān)鍵的一步。
創(chuàng)造全國共享的抗蟲棉種質(zhì)材料
抗蟲基因構(gòu)建到植物表達載體后，只有有效轉(zhuǎn)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(zhì)材料，交給育種家進行篩選培植，再經(jīng)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(chǎn)價值的轉(zhuǎn)基因棉花品種。這些過程，貫穿著被稱為上、中、下游育種研發(fā)的三個階段，其中任何一環(huán)出現(xiàn)問題，都將半途而廢。
李付廣負責的中棉所轉(zhuǎn)基因研究課題組，工作性質(zhì)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(gòu)建的Bt殺蟲基因載體轉(zhuǎn)入到棉花中。那個時候，團隊所有人員加班加點搶時間創(chuàng)造種質(zhì)材料。“我們的課題組，實際上是一個棉花規(guī)?；D(zhuǎn)基因技術(shù)體系平臺。因為形勢逼人，只有提供足夠多的種質(zhì)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(chuàng)造出2000多種基礎(chǔ)種質(zhì)材料，不間斷地向下游上百個棉花育種團隊大規(guī)模無償提供。“這種速度效率和協(xié)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(guān)協(xié)作，各團隊之間不搞技術(shù)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(zhuǎn)基因抗蟲棉品種。“我們提供的種質(zhì)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(gòu)建Bt殺蟲基因載體，到轉(zhuǎn)入棉花形成種質(zhì)材料，再到進行大規(guī)模品種選育，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉研發(fā)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(zhuǎn)入Bt殺蟲基因的育種材料，才有了眾多轉(zhuǎn)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(zhuǎn)基因抗蟲棉研發(fā)的歷史性突破，直至奪回被國外品種搶先占據(jù)的絕對市場份額。
培育更多有競爭力的棉花品種
在眾多轉(zhuǎn)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(chǎn)轉(zhuǎn)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(yè)特質(zhì)?，F(xiàn)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(chǎn)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的品種已經(jīng)顯露優(yōu)勢，棉農(nóng)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(chǎn)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?qū)?，向育種團隊提供了多達114份轉(zhuǎn)入雙價抗蟲基因的種質(zhì)材料。
科研需要不斷創(chuàng)新，才能不斷創(chuàng)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?shù)鞍酌冈龃蟮揭欢康臅r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(jié)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(shù)上拉開了明顯距離。
“既然這個雙價基因能轉(zhuǎn)入棉株，我們就能育出更優(yōu)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(nèi)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(zhuǎn)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(qū)累計推廣面積4800萬畝，其間連續(xù)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(chǎn)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種的競爭實力大大增強，穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)了轉(zhuǎn)基因抗蟲棉國內(nèi)市場的絕對優(yōu)勢。
國產(chǎn)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉家族中，還有一個種群叫轉(zhuǎn)基因抗蟲雜交棉，在與外來品種的競爭中表現(xiàn)耀眼。按照中棉所棉花雜種優(yōu)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(chǎn)應用中，育種家和棉農(nóng)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(yōu)勢不僅體現(xiàn)在產(chǎn)量，還在抗逆性、抗病蟲、抗旱抗?jié)车确矫姹憩F(xiàn)突出，因此，“轉(zhuǎn)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(xiàn)中發(fā)揮到極致”。
邢朝柱以我國第一個轉(zhuǎn)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(yōu)勢，加之品種表現(xiàn)突出，這個品種曾創(chuàng)造了年度推廣800萬畝的最高紀錄，一度在兩大流域棉區(qū)占據(jù)50%的市場份額，成為各產(chǎn)棉省的主推品種，是轉(zhuǎn)基因抗蟲棉爭奪戰(zhàn)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(fā)出新的光芒，科學技術(shù)同樣要不斷創(chuàng)新，才能永續(xù)活力生機。那場跨越十余年的轉(zhuǎn)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(guān)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(jié)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(chǎn)業(yè)注入新的活力。
