欧盟新型植物育种技术的研究及监管现状

杨艳萍 董瑜 邢颖 袁建霞

（中国科学院文献情报中心，北京 100190）

欧盟新型植物育种技术的研究及监管现状

杨艳萍 董瑜 邢颖 袁建霞

（中国科学院文献情报中心，北京 100190）

近年来多种具有较大应用前景的新型植物育种技术，如寡核苷酸定点诱变、锌指核酸酶技术、同源转基因技术、RNA介导的DNA甲基化、反向育种、转基因砧木嫁接和农杆菌浸润等在欧洲发展迅速。这些新技术比常规育种技术更具特异性和针对性，可为育种家提供准确和有效的方法。文献计量学研究表明，农杆菌浸润和RNA介导的DNA甲基化等技术在欧盟研究中使用率较高；德国、英国是欧盟新型植物育种技术研究的重要国家。目前，欧盟正在讨论由这些新技术产生的植物是否属于其监管体系，尤其是2001/18/EC指令中定义的转基因生物。相关机构也纷纷发布一系列报告，对新技术产生的植物及产品的分类监管问题进行了广泛讨论。欧洲食品安全局分别对同源转基因（cisgenesis/Intragenesis）和锌指核酸酶（ZFN-3）等技术产生的植物进行风险评估，并认为Cisgenesis与常规育种技术植物的风险程度相当，Intragenesis和常规转基因技术获得的植物均可能造成新风险；ZFN-3技术比常规转基因技术具有更小的风险。

欧盟；新型植物育种技术；转基因生物；监管

近年来，分子生物学和生物技术的快速发展催生了一批新型植物育种技术。与随机突变的常规育种技术相比，这些新技术更具特异性和针对性，能精确改变基因组特定位点的遗传信息，如在特定位置插入、敲除或替换DNA，以及在保持DNA序列不变的情况下控制基因的表达［1］。与常规转基因技术相比，新技术与其有类似的特征，但严格意义上来说两者并不完全相同，如许多新技术中的转基因载体仅是瞬时出现或只出现在育种的中间过程而最终商业品种不含外源转基因元件；或者能够在指定位置导入基因，可以减少随机插入导致的不可预知的表达［2］。欧盟及其成员国的多个重要机构和组织，如欧洲联合研究中心（JRC）、荷兰遗传修饰委员会（COGEM）、英国环境释放咨询委员会（ACRE）等，非常关注新型植物育种技术（NPBT）的发展及相应的监管问题，相继发布了一系列报告对新型植物育种技术发展应用、监管分类及风险评估等问题进行了探讨［3-6］。本文总结了上述报告中新型植物育种技术的研究进展及欧盟各国对于各类新型植物育种技术的监管建议，以期为我国相关工作提供参考。

1 新型植物育种技术种类及应用

目前，欧盟关注的应用前景较大的新型植物育种技术共有4大类7种技术［7，8］。

1.1 位点特异性诱变技术

包括寡核苷酸定向诱变（ODM）和锌指核酸酶（ZFN）。这些技术可应用于位点特异的基因敲除、基因功能修饰或外源DNA的定向插入。其中，ODM可通过细胞自身的修复机制对植物基因组中靶序列进行位点特异性替换、插入或缺失。ZFN可通过非同源末端连接或同源重组方式对特异位点进行修复，使植物基因组产生碱基突变、核苷酸缺失/插入。根据其用途，ZFN又可分为两类：一类是引发特定位点特异性突变技术，如ZFN-1和ZFN-2；另一类是定向整合或替换外源基因技术，如ZFN-3。目前位点特异性诱变技术已应用于商业化育种。美国Cibus公司的基因定向诱变技术（Rapid trait development system，RTDSTM）已被美国农业部认证为非转基因技术，该公司已利用这项技术培育出抗SU除草剂的油菜新种质；陶氏益农公司利用锌指核酸酶技术获得了耐除草剂玉米，并于2010年被美国农业部解除转基因管制审批［9］。

1.2 同源转基因技术

包括Cisgenesis和Intragenesis。两者区别在于供体DNA来源的不同，前者的供体DNA序列包含了导入基因自身的启动子、内含子和终止子等元件；而后者为自身物种或杂交亲和物种的不同遗传元件在体外重组产生的新基因。该技术已被广泛应用于多种作物中进行特定性状改良。欧盟批准了4个新品种，如高支链淀粉马铃薯、抗晚疫病马铃薯、抗黑星病苹果和高植酸酶活性大麦进行大田试验，美国也批准了改良加工品质的马铃薯开展大田试验。此外，荷兰Avebe公司和美国辛普劳公司分别向欧盟和美国递交了解除高支链淀粉马铃薯Modena和低丙烯酰胺马铃薯的转基因监管申请［10］。

1.3 阴性植株分离技术（negative segregant technique）

包括RNA介导的DNA甲基化（RdDM）和反向育种。这些技术仅在育种中间过程涉及转基因技术，转入的外源基因在进一步的选育中被剔除，最终商业品种中不含任何遗传修饰相关的DNA序列。其中，RdDM主要通过转入与目标基因启动子区域同源的RNA编码基因，诱导靶基因启动子区域的甲基化，并通过抑制靶基因的转录引发基因沉默。反向育种技术是利用RNAi技术抑制植物减数分裂重组快速获取纯合亲本系，以保持植物杂种优势的稳定遗传。目前，RdDM技术主要应用于烟草、拟南芥等模式植物和水稻、玉米、马铃薯等作物相关基因的修饰和调控研究。反向育种技术相关的研究报道较少，主要应用于模式植物拟南芥的研究中，在作物中的应用仍处于基础研究阶段［3］。

1.4 其他技术

包括农杆菌浸润和转基因砧木嫁接。农杆菌浸润技术又可分为狭义的农杆菌浸润和农杆菌注射，前者是将叶片浸润于非复制型载体的农杆菌悬浮液中，以研究局部的基因定位表达；后者主要将叶片浸润于含有病毒载体的农杆菌悬浮液中，以研究目标基因在整个植株中的表达和扩散。转基因砧木嫁接技术是将非转基因接穗嫁接在具有改良特性（如根系能力改善、抗土传病害）的转基因砧木上，以改良作物的特定性状。目前，农杆菌浸润技术主要应用于模式植物烟草的基础研究，也有公司利用该技术研究如马铃薯、油菜和莴苣等作物。转基因砧木嫁接技术主要应用于果树、蔬菜等作物育种中，相关品种目前在欧盟申请了大田试验，分别为增强生根力的苹果和梨、抗扇叶病的葡萄、抗疫病的柑橘以及改善株型的枳橙［3］。

2 欧盟各国新型植物育种技术研究现状

文献是反映科技发展趋势的重要载体，科技文献数量和结构的变化能够客观反映相应的科学技术领域的发展特征［11］。本文利用新型植物育种技术相关的关键词［3］从ISI Web of Science数据库对欧盟各国发表的论文进行检索，共得到541篇文献（论文检索时间为2015年5月）。其中，7种新型植物育种技术在欧盟均有研究，尤其在2000年以后相关文献数量呈快速增长趋势，说明该领域的研究活动逐渐活跃（图1）。从时间上看，2000年前出现的较早技术依次为农杆菌浸润、ODM、转基因砧木嫁接和RdDM；2004年以后出现的新技术分别为同源转基因技术、ZFN和反向育种技术。从每年的文献数量看，农杆菌浸润技术和RdDM为欧盟研究使用频率较高的技术；ZFN是近年来较活跃的新技术。

图1 1986-2015年欧盟新型植物育种技术论文的时间分布

表1中显示了欧盟新型植物育种技术论文数量排名前10的国家。从发文数量看，排名前5的国家分别为德国、英国、法国、荷兰和西班牙，并且德、英和法等国家的研究几乎涵盖了7种技术。从技术种类看，RdDM和农杆菌浸润等技术在排名前10的国家中均有分布；同源转基因技术为荷兰的优势技术；ZFN和ODM的研究主要集中在德国；反向育种技术为研究使用最少的技术。

对欧盟各国研究机构的分析表明，发文量排名前5的机构分别为荷兰瓦赫宁根大学、法国国家农业科学院（INRA）、英国John Innes Centre（JIC）、奥地利科学院和德国马普研究所。其中，瓦赫宁根大学的研究主要涉及了同源转基因和农杆菌浸润技术；法国国家农业科学院（INRA）的研究覆盖了7种新技术；英国JIC和奥地利科学院等机构的研究分别较多涉及了农杆菌浸润和RdDM技术（表2）。

3 新型植物育种技术及其产品的监管现状

随着技术的发展，新型植物育种技术与常规转基因技术之间的界限越来越模糊，对转基因生物（GMO）法律解释的不同理解会使新型植物育种技术产品产生不同的分类结果（转基因或非转基因）。此外，对于新技术作物在立法、定义和监管方法等方面的差异，还会导致监管方法的不统一和这些作物及相关市场贸易发展的不同步。因此，欧盟及其成员国纷纷围绕新型植物育种技术作物是否符合欧盟2001/18/EC指令中GMO的法律解释等问题展开了深入探讨。

表1 新型植物育种技术论文排名前10的欧盟成员国分布情况/篇

表2 新型植物育种技术论文排名前10的欧盟研究机构分布情况

JRC邀请了阿根廷、澳大利亚、加拿大、日本、南非和美国等国专家参与讨论对于新型植物育种技术的管理和立法［12］；英国ACRE从3个角度对新育种技术相关产品是否属于GMO进行了分析，包括是否使用转基因技术、中间产品是否属于GMO、后代是否为GMO［4］；德国栽培作物研究中心（JKI）和荷兰COGEM等机构分别组织专家讨论相关问题［13-16］。但因新技术的多样性和作用方式的复杂性以及研究进展的不同步等因素，各机构无法获得完全相同的结论。目前多数观点认为同源转基因、ZFN-3、转基因砧木等技术获得的含有重组DNA的植株及后代需要监管；ODM、ZFN-1、反向育种等技术产生的后代为非转基因生物；RdDM则需根据其是否改变植物基因组DNA做判断；转基因砧木嫁接技术需区分砧木与后代的监管；农杆菌浸润技术视具体情况而定，无重组DNA的后代无需监管（表3）。

4 新型植物育种技术的监管原则

由于新型植物育种技术出现和发展的时间较短，目前对于新型植物育种技术是否对人类健康和环境存在潜在风险还不清楚（或者认识还不一致），因此是否和如何评估新技术的潜在风险成为欧盟关注的重点之一。有观点认为，用于转基因作物风险评估的法规和原则也适用于评估新型植物育种技术的潜在风险［2］；但也有观点认为，风险评估必须基于证据基础，关注性状和产品而不是技术本身，应根据新技术的各自特点进行评估，并且需要将最终产品与中间品系区别对待［1，6，17-19］。

COGEM认为反向育种技术的产品与常规育种产品一样安全而无需进行风险分析；对于农杆菌浸润技术，需要了解农杆菌浸染植株后代有关的风险；对于RdDM，无法根据现有知识对其风险进行评估；对于转基因砧木嫁接技术，建议根据公认的方法对其环境风险进行评价；对于ODM，认为其比非定向诱变的风险更低［5］。欧洲食品安全局（EFSA）对同源转基因技术和ZFN-3技术的安全性评估结果认为，欧盟现有转基因生物风险评估指导条例适用于上述新技术及其产品的风险评估；其中，Cisgenesis与常规育种技术的风险程度相当，Intragenesis和常规转基因技术均可能造成新风险；ZFN-3技术比常规转基因技术具有更小的风险［20，21］。奥地利卫生及食品安全局也对同源转基因技术开展了风险评估，并获得了与EFSA相似的结论［22］。

表3 欧盟机构对于新型植物育种技术的监管分类结果

5 对我国的启示

我国新型植物育种技术发展迅速，已将定点诱变、同源转基因、转基因砧木嫁接等多种新技术陆续应用于基础研究中［23-27］。随着这些新技术及其成果在育种中的应用，在不久的将来我国也会面临监管制度无法适应技术发展的问题。虽然我国在《农业转基因生物安全管理条例》中将农业转基因生物确定为“利用基因工程技术改变基因组构成，用于农业生产或者农产品加工的动植物、微生物及其产品”，但该规定对于“新型育种技术及产品是否属于转基因生物”等问题没有明确规定。因此，新型植物育种技术及产品是否需要监管以及如何监管等问题应引起我国政府的重视。为此建议国家相关部门积极应对、未雨绸缪，组织相关专家开展研讨以明确其法律地位，最终促进这些新技术的快速发展与合理应用，这对于保障国家粮食安全和我国农业产业的可持续发展具有重要战略意义和实用价值。

［1］ 英国生物技术和生物科学研究理事会（BBSRC）网站. BBSRC'S POSITION STATEMENT ON NEW CROP BREEDING TOOLS. http：//www. bbsrc. ac. uk/news/policy/2014/141028-prposition-statement-on-crop-breeding-techniques/（2014年10月）［2015年4月］.

［2］ 奥地利联邦卫生部网站. New plant breeding techniques. http：// www. bmg. gv. at/home/Schwerpunkte/Gentechnik/Fachinformation_ Gruene_Gentechnik/Studie_New_plant_breeding_techniques_（2014年2月）［2015年4月］.

［3］ 欧盟联合研究中心（JRC）网站. New plant breeding techniques. State-of-the-art and prospects for commercial development. http：// ipts. jrc. ec. europa. eu/publications/pub. cfm？id=4100（2011年5月）［2014年2月］.

［4］ 荷兰遗传修饰委员会（COGEM）网站. New techniques in plant biotechnology. http：//www. cogem. net/index. cfm/en/publications/ publicatie/new-techniques-in-plant-biotechnology（2006年10月）［2014年2月］.

［5］ 荷兰遗传修饰委员会（COGEM）网站. Novel plant breedingtechniques. http：//www. cogem. net/index. cfm/en/publications/ publicatie/novel-plant-breeding-techniques（2009年12月）［2014年2月］.

［6］ 英国环境释放咨询委员会（ACRE）网站. ACRE advice：New techniques used in plant breeding. https：//www. gov. uk/ government/organisations/advisory-committee-on-releases-to-theenvironment（2013年8月）［2014年2月］.

［7］ Lusser M， Davies HV . Comparative regulatory approaches for groups of new plant breeding techniques［J］. Nature Biotechnology， 2013，30（5）：437-446.

［8］ Lusser M， Parisi C， Plan D， et al. Deployment of new biotechnologies in plant breeding［J］. Nat Biotechnol， 2012， 30（3）：231-239.

［9］ Ledford H. US regulation misses some GM crops［J］. Nature，2013， 500（7463）：389-390.

［10］ Holme IB， Wendt T， Holm PB. Intragenesis and cisgenesis as alternatives to transgenic crop development［J］. Plant Biotechnology Journal， 2013， 11（4）：395-407.

［11］ 樊霞， 吴进， 任畅翔. 基于共词分析的我国产学研研究的发展态势［J］. 科研管理， 2013， 34（9）：11-18.

［12］ 欧盟联合研究中心（JRC）网站. Comparative regulatory approaches for new plant breeding techniques - Workshop Proceedings. http：//ipts. jrc. ec. europa. eu/publications/pub. cfm？id=4959（2012年2月）［2014年2月］.

［13］ Hartung F， Schiemann， J. Precise plant breeding using new genome editing techniques：opportunities， safety and regulation in the EU［J］. The Plant Journal， 2014， 78（5）：742-752.

［14］ 荷兰遗传修饰委员会（COGEM）网站. The status of oligonucleotides within the context of site-directed mutagenesishttp：//www. cogem. net/index. cfm/en/publications/ publicatie/the-status-of-oligonucleotides-within-the-context-of-sitedirected-mutagenesis. （2010年7月）［2015年4月］.

［15］ 荷兰遗传修饰委员会（COGEM）网站. Should EU legislation be updated？ Scientific developments throw new light on the process and product approaches. http：//www. cogem. net/index. cfm/en/publications/publicatie/should-eu-legislation-be-updatedscientific-developments-throw-new-light-on-the-process-andproduct-approaches（2009年6月）［2015年4月］.

［16］ 荷兰遗传修饰委员会（COGEM）网站. Zinc finger on the pulse：Developments and implications of zinc finger technology. http：//www. cogem. net/index. cfm/en/publications/publicatie/zincfinger-on-the-pulse-developments-and-implications-of-zinc-fingertechnology. （2009年6月）［2015年4月］.

［17］ 欧洲科学院科学咨询理事会（EASAC）http：//www. easac. eu/fileadmin/Reports/Planting_the_Future/New_breeding_techniq ues_-_EASAC_statement_July12. pdf（2012年7月）［2014年2月］.

［18］ 欧洲植物科学组织（EPSO）网站. On New Breeding Techniques - Ensuring an Innovative and Diversified European Agriculture. http：//www. epsoweb. org/file/1096（2012年9月）［2014年2月］.

［19］ 欧洲植物科学组织（EPSO）网站. Crop Genetic Improvement Technologies. http：//www. epsoweb. org/file/2038（2015年2月）［2015年4月］.

［20］ EFSA. Scientific opinion addressing the safety assessment of plants developed through cisgenesis and intragenesis［J］. EFSA Journal， 2012， 10（2）：2561：1-33.

［21］ EFSA. Scientific opinion addressing the safety assessment of plants developed using Zinc Finger Nuclease 3 and other Site-Directed Nucleases with similar function［J］. EFSA J， 2012， 10：2943：1-31.

［22］ 奥地利联邦卫生部网站. Cisgenesis - A report on the practical consequences of the application of novel techniques in plant breeding. http：//bmg. gv. at/home/Schwerpunkte/Gentechnik/ Fachinformation_Gruene_Gentechnik/Cisgenesis_A_report_ on_the_practical_consequences_of_the_application_of_novel_ techniques_in_plant_breeding（2012年10月）［2015年4月］.

［23］ Shan Q， Wang Y， Li J， et al. Targeted genome modification of crop plants using a CRISPR-Cas system［J］. Nature Biotechnology，2013， 31（8）：686-688.

［24］ Shan Q， Wang Y， Li J， et al. Genome editing in rice and wheat using the CRISPR/Cas system［J］. Nat Protoc， 2014， 10：2395-2410.

［25］ Liang Z， Zhang K， Chen K， et al. Targeted Mutagenesis in Zea mays Using TALENs and the CRISPR/Cas System［J］. Journal of Genetics and Genomics， 2014， 41（2）：63-68.

［26］ 王虹玲， 阚国仕， 李珊珊， 等. 利用同源转基因技术培育氮高效利用转基因水稻［J］. 浙江农业学报， 2011， 5：862-869.

［27］ 袁飞荣， 胡春华， 罗赛男， 等. 转rolA、B、C基因积橙对接穗生长生理影响的研究［J］. 武汉生物工程学院学报， 2012， 8（4）：244-250.

（责任编辑 马鑫）

The Research and Regulatory Status of Novel Plant Breeding Techniques in Europe

YANG Yan-ping DONG Yu XING Ying YUAN Jian-xia
（National Science Library of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190）

Recently， a number of novel plant breeding techniques（NPBTs）with great application prospect， such as oligonucleotide directed mutagenesis（ODM）， zinc finger nuclease（ZFN）technology， cisgenesis/intragenesis， RNA-dependent DNA methylation（RdDM），reverse breeding， grafting（on GM rootstock）， and agro-infiltration， have been developed rapidly in Europe. These techniques are more specific and targeted than conventional breeding methods， and thereby can provide more precise， rapid and efficient methods for breeders. The results from literature metrology showed that agro-infiltration and RdDM were the most commonly used techniques in EU， and Germany and the UK were the leading countries on the research of NPBTs. To date， it is being discussed whether the plants produced by these new techniques are captured by the EU's GMO legislation， in particular directive 2001/18/EC. In the abundant reports published by relevant organizations， the classification and supervision of plants and products generated by NPBTs were extensively discussed. The risk assessment of plants by ZFN-3 and Cisgenesis/ intragenesis was carried out by the European Food Safety Authority（EFSA）respectively. It was concluded that plants by cisgenesis had similar hazards with that produced by conventional breeding， whereas novel hazards might arise with intragenic and transgenic plants. In addition， the panel suggested that there would be fewer hazards for plants of ZFN-3 than conventional GMOs.

EU；new plant breeding techniques；GMO；regulatory

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.02.032

2015-05-05

杨艳萍，女，博士，研究方向：农业科技情报；E-mail：yangyp@mail.las.ac.cn

董瑜，女，硕士，研究方向：农业科技情报；E-mail：dongy@mail.las.ac.cn