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不能留种的作物都是转基因的吗?
#农学

流言: 不能留种的种子都是转基因的,转基因种子都是不育的。农民千百年来都自己留种,不能留种是对于农民的剥削。

真相: 能否留种可以作为判断种子是否是转基因的标准吗?其实,作物能否留种只取决于育种的方式,和转基因技术没有关系。使用了杂交技术、利用了杂种优势的种子就不适合留种。并非所有不能留种的种子都是转基因种子,从技术角度来说,转基因作物也并不是都不能留种,只是在一些国家,由于存在法律协议,让农民不要留种。

种植业生产中种子是非常重要的。

种植业生产中种子是非常重要的。

好的种子意味着长出来的作物抗虫抗病抗旱抗涝性强、产量高,育种产业的核心就是如何选育出拥有优良性状的种子。目前世界上很多优良作物品种都是通过杂交育种的方式培育出来的,这些杂交种子有一个很显著的特点:就是它们的后代不适合再次投入生产中,也就是常说的“不能留种”。有人说这样就剥夺了农民的种子主权,还有人将其与转基因技术联系了起来。这真的是种子公司的阴谋吗?和转基因技术又有什么关系呢?

我们先来了解一下杂种优势有关的知识吧。

杂种优势及杂种优势利用

为什么要采用杂交育种呢?最重要的原因是杂交育种可以产生杂种优势。杂种优势是指两个基因型不同的亲本杂交以后得到的后代优于亲本的现象。所谓亲本,比如你的父母就是你的亲本,而你是他们的子一代。这里所说的优于亲本并不是说杂交后代各方面都比亲本好,也不是指杂交后代一定会有满足人类需要的性状,杂交后代优势的表现还需要结合具体器官的具体性状来分析。因为杂交后代有这样的特性,人类在农业生产中广泛开展着杂种优势利用的实践。

与一般的科学技术发展“先理论、后应用”不同,杂种优势是在经过人类漫长的应用之后才开始由科学家开始研究其机理的。比如马和驴杂交的后代骡子,有马的力气和驴的耐力,在1400年前的古籍中就有记载,人类利用杂种优势的历史显然要比这更早。在西方,孟德尔和达尔文都曾在其各自的著作中提到了杂交后代具有优势的现象。现代科学尽管对杂种优势开展了长时间的研究,仍旧没有对这一现象机理做出全面阐述。比较主要的假说有显性假说、超显性假说、上位性假说和基因组互作假说等。由于不同的作物中杂种优势表现非常不同,我们有理由相信杂种优势的机理在不同物种中是不尽相同的。

现代人类在农作物上应用杂种优势最成功的案例无疑是杂交玉米。玉米除了有杂交优势,还有比较明显的近交衰退,和杂种优势正好相反,亲本基因型越相近,玉米越弱小低产。早期的杂交玉米生产中受制于玉米自交系(由单株玉米连续自交多代,经过选择而产生的基因型相对纯合的后代)的产量比较低,主要采用双交种——四个自交系亲本两两组合产生子一代后再杂交获得的种子。现在的杂交玉米基本都是单交种——两个自交系组合产生的子一代,目前我国单交种玉米的播种面积已经占到了全国总播种面积的90%以上。其他还有诸如小麦、水稻、高梁、棉花等作物也有很重要的杂种优势利用研究和推广。

美国玉米产量和栽培品种变化历史。从图中可以看出,在应用了双交种,单交种时,美国玉米产量都有了显著提高。/Kendall R. Lamkey's maize breeding and quantitative genetics research project

美国玉米产量和栽培品种变化历史。从图中可以看出,在应用了双交种,单交种时,美国玉米产量都有了显著提高。/Kendall R. Lamkey's maize breeding and quantitative genetics research project

为什么杂交种子不能留种

文章开头提到杂交后代不能留种。通过回顾遗传学的开创者孟德尔的豌豆实验,我们来细究为什么杂交后代不能留种。

孟德尔的豌豆实验与性状分离/anthro.palomar.edu

孟德尔的豌豆实验与性状分离/anthro.palomar.edu

豌豆作为一种自花授粉的植物,亲代可以被认为是纯合子,意味着两对染色体上的基因型是相同的。在孟德尔的实验中经过一次杂交以后的种子(即子一代)的性状是一样的,但是如果子一代再自交一次(得到子二代),其后代就会出现明显的性状分离。在孟德尔的实验中,把一株黄种皮豌豆和一株绿种皮豌豆杂交后的子一代,都是黄色的。但是让这个子一代的黄种皮豌豆自花授粉产生的子二代,就出现了黄色和绿色两种颜色的种皮。这种现象,就叫做性状分离。

在农业生产中,这就好比种植了杂交玉米的农民留下了玉米的种子第二年再次种植,就会发现产量远不如第一年而且抗病虫害能力也会下降,这都是由于杂种优势的消失以及性状分离。而且在遗传学上通过计算,自交代数越多,后代中不同基因型组合的纯合个体也就越多。在实际育种过程中涉及到的作物遗传内容更加复杂,农业生产上如果利用了杂交种再对杂交后代进行留种的话,作物整齐度会显著下降,纯合后代个体增加的结果是无法继续利用杂种优势,这样也就达不到现代化生产的要求了。

玉米的花解构与水稻的花结构比较。杂交育种中都需要去雄,在水稻上,去雄是一件极其辛苦的事。/wiki.com

玉米的花解构与水稻的花结构比较。杂交育种中都需要去雄,在水稻上,去雄是一件极其辛苦的事。/wiki.com

我们还可以结合一个我国在杂种优势利用方面最有名的例子,就是袁隆平院士团队研究出的杂交水稻。水稻是一种自花授粉的植物,人们做水稻杂交时面临的一个很大问题就是水稻的花特别小无法大量开展去雄、授粉的工作。如果能有一种水稻天生就是雄性不育,那么就可以大大降低去雄授粉的劳动强度。中学语文课本里杂交水稻的故事里有一个细节:袁隆平的团队在海南发现了一株“野败”水稻,大喜过望。这个野败就是雄性不育的水稻。袁隆平团队利用了水稻由细胞质和细胞核基因相互作用而产生雄性不育性状,开发出了一种优良的雄性不育系,这种方法被称为三系制种法。

三系指的是保持系,雄性不育和恢复系。保持系能使母本结籽,又能保持原有自交系的性状。恢复系的花粉授与不育系后,能使不育系的后代恢复正常,开花结籽。能得到水稻杂交种,并且一直保持不育系的不育性,可以不断用于制种。/hssyxx.com

三系指的是保持系,雄性不育和恢复系。保持系能使母本结籽,又能保持原有自交系的性状。恢复系的花粉授与不育系后,能使不育系的后代恢复正常,开花结籽。能得到水稻杂交种,并且一直保持不育系的不育性,可以不断用于制种。/hssyxx.com

如果将得到的杂交种(S)Rfrf留种再用于生产的话,除了上面提到过的性状分离的问题以外,得到的后代里甚至会有不育的(S)rfrf型。这样做肯定是得不偿失的。

三系制种法是比较早的时期采用的杂交水稻制种法,随着科学研究的深入,目前开发出了光温诱导雄性不育系的二系制种法,在合理利用环境条件前提下简化了制种步骤。

杂交育种和转基因种子

上面说了很多与杂种优势、杂交种子有关的事情,那么到底不能留种和转基因种子有什么关系呢?可以说,两者基本没什么关系。不能留种的种子不一定是转基因种子,转基因种子也不一定不能留种。

现在我国存在的转基因种子很多都是转基因作物之间或与常规品种杂交得到的。比如转基因抗虫棉中棉所51,其母本是丰产优质转基因抗虫棉中棉所41选系971201,父本是综合性状较好的棕色彩色棉RILB263102。这样做的原因是一般不会利用转基因技术直接将目的基因导入到已经大面积推广的品种中去,而是利用转基因技术创造出新的种质资源,通过杂交育种的手段尽可能地将多个品种的优良性状集中到一个新的杂种材料里,这样可以更好地培育出新的综合性状优良的品种。

正是因为转基因种子往往会经过杂交育种这一步,“不能留种”在一些不明就里的人眼中成了种子是转基因的“罪证”。现在我们可以知道,能否留种和是否转基因之间是不能划等号的,要想确定一种作物是否是转基因品种,最好的办法还是拿到专业检测机构进行分子检测,用能否留种或者各种流传的观察外观等方法都是不靠谱的。

还有一种看起来很有道理的将不能留种与转基因联系起来的说法是关于“终结者基因”的。终结者基因是由美国农业部和岱字棉公司开发的一种基因,含有这种基因的种子长成的植物仍然会结种,但是新一代种子将无法发芽。这种技术非常具有争议性,正是由于争议很大,目前还没有人将这项技术应用于生产实践,因此拿这个说法来指责转基因种子不能留种同样是不靠谱的。

从技术上来说转基因种子留种是完全可能的,因为转基因技术导入的新性状属于显性性状,耗时耗力地对杂种的后代进行选择也可能获得符合要求的种子。但是一旦种子同时也利用了杂种优势,从保持高产的角度来说,留种就不现实,因为后代会性状分离。没有利用杂种优势的种子,由于研发转基因种子往往投入了大量的财力人力,在美国加拿大等大量种植转基因作物的国家,种子公司会要求农民购买种子时签订协议不要留种,这样做看起来是逼迫农民不得不向种子公司不断购买新种子,但实际上这是保护知识产权的重要措施,也是促进种子研发行业不断开发新品种的动力。

如果种子行业有足够的竞争,让种子的价格不会过于昂贵,每年购买种子并不是对农民的剥削,而是免除了农民每年留种的负担,而可以每年获得优质高质的种子。相反,不给种子行业创造一个良好的竞争环境,不支持制种行业的发展,放着已有的技术不用,强迫农民年复一年留用低产的种子,才是对农民的剥削。

结论: 并非不能留种的种子都是转基因种子,是利用了杂交优势的种子不适合留种。转基因种子的判断要依靠分子检测等科学的办法,这并非通过简单观察能做到的。杂交育种在农业生产上不仅极大提高了粮食产量,还促进了整个种子行业的发展。转基因育种在备受争议的同时则在不断为全世界农民提供各种各样的实惠。当遇到关于此类问题言之凿凿的“定罪言论”时,不妨擦亮你的双眼,用一些基本的生物学知识考察一下其中是否有诈。

参考资料:

[1]作物育种学,孙其信主编,高等教育出版社,2011年

[2]Understanding of Heterosis, Hikmet BUDAK, KSU J. Science and Engineering ,5(2) 2002

[3]中国的杂交水稻,袁隆平,《杂交水稻》,1986年01期

[4] 中国农业科学院棉花研究所中棉所51棉花品种

[5 ] 终结者基因

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