中國轉基因作物抗性的動態優化政策和管理研究（簡體書）

為了應對害蟲對轉基因毒素抗性的產生，大部分種植轉基因棉花的國家實行了非常類似的專門避難所政策。由於所有的實證研究都是在發達國家進行的，所以我們不知道這樣的避難所政策是否也適合我國。為了回答這個問題，我們首先建立了一個理論模型。該模型的分析結果表明種植專門避難所在短期來看是不經濟的。接下來，我們把這一理論模型發展成符合我國棉花生產以及棉鈴蟲發生與危害實際的實證模型。動態和靜態的實證模型的分析結果表明我國目前實行的零專門避難所政策是經濟合理的。《中國轉基因作物抗性的動態優化政策和管理研究》適合的讀者對象包括關注轉基因技術效益（尤其是經濟效益）的研究人員、決策者和一切對轉基因技術感興趣的人士。·

喬方彬編著的《中國轉基因作物抗性的動態優化政策和管理研究》旨在討論天然庇護所作物在減緩棉鈴蟲抗性發展中的作用，以及中國是否需要為轉基因抗蟲棉制定專門的庇護所政策。書中首先描述了在制定庇護所政策時所需要考慮的各種因素；其次，為了科學合理地分析這些因素的影響，構建了一個生物經濟學模型并利用實證數據進行了量化分析。本書在模型分析過程中，考慮了多種方案以增強分析結果的穩定性和可靠性，結果表明中國多樣性的種植結構使玉米等作物成為棉鈴蟲的天然庇護所。換言之，在此情況下仍然要求農民種植一定比例的非轉基因抗蟲棉作為棉鈴蟲的專門庇護所是不經濟的。

前言
第l章 轉基因抗蟲棉在全世界和我國的擴展
1.1 抗蟲棉在全世界的擴展
1.2 抗蟲棉在中國的擴展
參考文獻

第2章 轉基因抗蟲棉的經濟效益
2.1 概述
2.2 轉基因作物對生產者（棉農）的經營收益的影響
2.3 農戶種植抗蟲棉的直接經濟效益——已有研究的總結
2.4 種植抗蟲棉對生產者經營收益的影響——建立在《全國農產品成本收益資料彙編》數據上的分析
參考文獻

第3章 基因抗蟲棉抗藥性的動態優化控制——定性分析
3.1 引言
3.2 生態經濟模型
3.3 模型的數值模擬
3.4 結論
F3-1 動態方程求解
F3-2 Hamiltonian方程的Hessian矩陣的凸性
F3-3 最優控制路徑
參考文獻

第4章 中國轉基因抗蟲棉抗藥性的優化控制——靜態模型分析
4.1 引言
4.2 棉鈴蟲的特性及其抗藥性
4.3 轉基因抗蟲棉和避難所
4.4 黃河流域的耕作制度及棉鈴蟲的天然避難所
4.5 生物經濟學模型的仿真分析
4.6 結論
F4-1 生態經濟學模型
參考文獻

第5章 中國轉基因抗蟲棉棉鈴蟲抗性的動態優化控制
5.1 引言
5.2 模型
5.3 數據與參數
5.4 結果
5.5 結論
F5-1 害蟲種群、對轉基因毒素和普通農藥易感性的動態變化
F5-2 敏感性分析
參考文獻

第6章 轉基因作物管理的幾個相關問題
6.1 轉基因抗蟲棉經濟效益的持續性
6.2 轉基因棉田的次要害蟲問題
6.3 轉基因抗蟲玉米的商業化對管理棉鈴蟲抗性最優政策的影響
6.4 轉基因抗蟲水稻的害蟲抗性管理問題
參考文獻·

第1章 轉基因抗蟲棉在全世界和我國的擴展
人類的每一項農業技術的進步都是為了更好地利用現有的資源和提高資源的利用效率。最近幾十年來取得很多成績的生物技術當然也不例外。盡管人類的農業技術突飛猛進，糧食單產和總產都大幅度提高，然而饑餓從來也沒有完全離開過人類。從最初單純依靠開墾荒地到近代歷史上人類開始更多地依靠增加單位面積的產量來提高農業的總產量，人類的歷史也一直是同饑餓作斗爭的歷史。在過去的200年里，全世界人口的增長不斷加速。從1800年的10億人到1900年的16億人，再到2000年的61億人，單純依靠不斷擴大土地規模來增加產量已經不能夠滿足人類的需求。因此，綠色革命出現了，轉基因生物技術也有了突飛猛進的發展（James，2010）。
綠色革命開始于20世紀中期，它是農業科學家通過雜交等育種方式獲得谷物高產新品種，并在栽培過程中通過大量使用現代投入品，如農藥和化肥等，促使糧食等農作物增產的一項技術改革活動。這些新品種，如“墨西哥小麥”和“菲律賓水稻”等，在一些國家推廣后，曾使其糧食總產量顯著增長。據研究，綠色革命在20世紀60年代幫助10億人口脫離了饑餓的威脅（James，2010）。
因此綠色革命是人類對抗饑餓的一個有力的武器。綠色革命的出現使人類可以通過提高單位面積的農業產量來獲得更高的農業總產出。這一增產思路一直沿用到現在，使得人類在可開墾荒地面積越來越少、生態環境越來越脆弱的情況下發現了新的發展道路。
盡管綠色革命也因為高產的雜交品種對水、化學肥料、化學農藥的過度依賴，以及品質等問題受到過一些人的質疑，但是這樣的質疑顯然無法同它的巨大成功相比。因此綠色革命一經出現就在全世界，特別是在發展中國家迅速普及。由于綠色革命的巨大成功，其倡導者Norman Borlaug于1970年獲得了諾貝爾和平獎。
繼綠色革命之后，人類在對抗饑餓的過程中取得的另外一個重要的成果就是現代轉基因技術在農業上的應用。轉基因作物是通過雜交的方式使另外一種物種的基因與某一種物種的基因產生雜合子，然后將雜合基因注入載體（一般是細菌、病毒、噬菌體、大腸桿菌等，最常用的是質粒），最后通過一系列的技術使載體進入該植物的DNA而產生的轉基因作物。目前的轉基因作物主要用來對付農田雜草及病蟲害（比如轉基因大豆、玉米和棉花），也有一部分用于改善農產品品質（比如黃金水稻）。
然而與綠色革命不同，轉基因作物的普及和推廣過程復雜得多。與綠色革命的雜交作物不同，轉基因作物從一開始就面臨方方面面的質疑和挑戰。質疑的問題很多，如基因漂移對其他作物的污染、目標害蟲的變化及由此產生的對生態群落的影響等，而其中最大的質疑是對轉基因作物安全性的懷疑。盡管生物科學家告訴我們轉基因作物的靶標害蟲是高度專一性的，因此轉基因作物不會對非靶標害蟲特別是人類產生任何危害，然而這些能夠殺死生物的基因還是引起很多人的懷疑，特別是轉基因作物中的Bt作物。
Bt是英文Bacillus Thuringiensis（蘇云金桿菌）的縮寫。蘇云金桿菌是一種能夠產生殺蟲晶體蛋白的常見土壤細菌。殺蟲晶體蛋白被靶標昆蟲（鱗翅目昆蟲）取食后引起細胞膜穿孔，最終導致細胞腫脹破裂、昆蟲癱瘓或死亡，其對敏感害蟲具有專一性強、效果好等優點，且對人畜安全（張永軍等，2002）。事實上，Bt作為防治鱗翅目害蟲的一種生物農藥早已應用在農業生產上。為了更好地利用這種天然的殺蟲資源，科學家從Bt中分離出編碼殺蟲蛋白合成的基因，經修飾改造后導入植物細胞，使其自身產生殺蟲蛋白而具有抗蟲特性（張天真和唐燦明，2000）。比利時的植物遺傳公司（PGS）在1987年首次報道了轉Bt基因的煙草植株的出現。隨后，美國的孟山都（Monsanto）、愛格瑞賽提斯（Agricetus）等其他公司的科技人員先后把Bt基因植入棉花、番茄、煙草等多種植物中（周兆瀾和朱禎，1994）。孟山都聯合美國農業部對孟山都培育的轉Bt基因抗蟲棉進行了田間試驗，發現轉基因抗蟲棉對棉鈴蟲和紅鈴蟲（美國棉田的主要害蟲）都有顯著殺蟲效果。另外，轉基因抗蟲棉對有益昆蟲沒有不利的影響，相反由于減少了化學農藥的噴灑次數，有利于害蟲天敵的滋生與繁殖。研究還表明，通過農桿菌介導遺傳轉化培育的轉基因抗蟲棉，外源基因整合對產量、纖維品質也沒有負面影響（張天真和唐燦明，2000）。轉Bt基因植物是基因工程研究中十分活躍的研究領域，自20世紀90年代以來各國科研人員先后獲得了棉花、玉米、煙草、水稻、番茄等40多種能夠高劑量表達Bt毒蛋白的轉基因植物（張永軍等，2002）。
1.1 抗蟲棉在全世界的擴展
無論褒貶，轉基因生物技術在全球范圍內得到了快速推廣。自從1996年世界第一例轉基因作物在美國進行商業化生產以來，僅僅10余年，全球轉基因作物的種植面積達就到了1.34億公頃，這也使之成為采用速度最快的農業技術。雖然2007年開始的最新一輪的經濟蕭條帶來嚴重影響，但四大轉基因作物種植面積在2009年又創新高：全球大豆種植面積9000萬公頃的77%為轉基因品種；3300萬公頃棉花的49%為轉基因品種；轉基因玉米占玉米總面積1.58億公頃的26%；轉基因油菜占油菜種植面積3100萬公頃的21%（James，2010）。
與一些人最初預期的情況有所不同，轉基因技術的成果并沒有局限于該技術的發明國家，而是像綠色革命一樣被全世界所有的國家分享。從轉基因作物商業化的第一年（1996年）開始，種植轉基因作物的國家數量從初始的6個穩步增加到2009年的25個。在這25個種植轉基因作物的國家中，有15個為發展中國家。這25個國家包括北美洲的美國、加拿大和墨西哥；中南美洲的洪都拉斯、哥倫比亞、哥斯達黎加、玻利維亞、智利、阿根廷、烏拉圭、巴拉圭、巴西；非洲的南非、布基納法索、埃及；大洋洲的澳大利亞；亞洲的菲律賓、印度、中國；以及歐洲的羅馬尼亞、波蘭、斯洛文尼亞、捷克、西班牙、葡萄牙（圖1-1）。
與綠色革命一樣，轉基因技術的成果也被大多數人分享。轉基因技術在全世界的迅速擴展，特別是在發展中國家的擴展，使得分享到這一技術成果帶來的利益的人口大量增加。2009年全球種植轉基因作物的農戶達到1400萬戶，且其中90%（1300萬戶）是發展中國家資源匱乏的小農戶（James，2010）。這1300萬戶小型農戶主要是中國的700萬戶農戶及印度的560萬戶農戶。這樣的結果使得先前認為轉基因技術的得益者主要是大的農業公司，而對生產者特別是小的生產者有危害的懷疑不復存在。
美國是世界上第一個商業化種植轉基因作物的國家，也一直是世界上種植轉基因作物面積最大的國家。2009年美國種植的轉基因作物的總面積達到6400萬公頃。巴西和阿根廷分別以2140萬公頃和2130萬公頃列在第二位和第三位。盡管推廣轉基因作物的時間很短，印度卻以840萬公頃的面積列在全球種植轉基因作物國家的第四位。我國以370萬公頃的總面積名列第六位，排在加拿大之后。
在轉基因作物的作物分布上，2009年轉基因耐除草劑大豆仍然是主要的轉基因作物，種植面積達6920萬公頃，占全世界轉基因作物播種總面積的52%。排在第二至第四位的轉基因作物分別是轉基因玉米（4170萬公頃，占轉基因作物播種總面積的31%）、轉基因棉花（1610萬公頃，占轉基因作物播種總面積的12%）和轉基因油菜（640萬公頃，占轉基因作物播種總面積的5%）。
1.2 抗蟲棉在中國的擴展
棉花是我國最重要的經濟作物，也是受病蟲害威脅最嚴重的作物之一。根據我國農業部的統計，在種植抗蟲棉以前棉鈴蟲造成的棉花產量損失遠在其他作物之上（Huang et al.，2003）。特別是20世紀90年代以來，棉鈴蟲對化學農藥的抗藥性不斷增強，如棉鈴蟲對菊酯類農藥的抗藥性比1980年增強了近百倍（Wu and Guo，2005）。雖然棉農噴灑的化學農藥的數量不斷增加，但是20世紀90年代初期棉鈴蟲仍然在黃河流域大面積暴發成災，并造成巨大的損失（Huang et al.，2003）。就在抗蟲棉在美國成功大面積種植的第二年，我國政府就批準了其在黃河流域的商業化種植。
同時，我國也是轉基因技術的強國之一。我國是世界上擁有轉Bt基因棉花產權的國家之一。我國從20世紀80年代末期開始獨立自主地開展轉Bt基因的研究工作。這一方面是因為我國適合國外的基因作物的種植區域很有限（主要適合于在黃河流域棉區種植，而其他的地方不適合種植），另一方面是因為引進知識產權不但要付出高昂的專利費，而且還在種子資源上受制于人。隨著我國的綜合國力不斷增強，我們不但有經濟能力，也有足夠的知識儲備來進行相關的研究與開發，在此基礎上我國的科研工作者獨立自主地進行了相關的研究。1992年，中國農業科學院生物技術研究所的郭三堆博士等人在國內首先合成了Cry1A殺蟲晶體蛋白結構基因，使我國成為繼美國之后，成功人工合成殺蟲基因并成功將其導入棉花的第二個國家（張天真和唐燦明，2000）。
政府財政投入的不斷增加，以及轉基因作物良好的經濟效益和廣大的市場前景，使得我國轉基因科研體系的建設得到不斷加強和完善。早在1999年，我國專門從事農業生物技術研究的科研人員就已經達到1988人，成為世界上從事農業生物技術人數最多的國家之一，也是除北美之外發展中國家中現代轉基因技術研究能力最強的國家（Huang et al.，2002）。目前，我國涉及農業生物技術的各類研究機構已超過200家，初步形成了從基礎研究、應用技術研究到產品開發相互銜接、相互促進的創新體系。
在抗蟲棉種植的初期，美國孟山都的棉花品種大行其道。后來，隨著國產抗蟲棉育種和推廣的大力發展，國產抗蟲棉種子逐漸以低廉的價格和良好的表現在市場占主導地位。在目前的市場上，我國種植的Bt抗蟲棉所含的基因按研制機構分類有3個來源渠道：第一個來源渠道是美國的孟山都公司；第二個來源渠道是中國農業科學院（農科院）生物技術研究所；第三個來源渠道是中國科學院（中科院）微生物研究所。其中實際大田種植的Bt抗蟲棉基因大多數來自孟山都和中國農科院生物技術研究所，而含中科院微生物研究所基因的抗蟲棉種植面積只占很小比例（王子軍，2008）。
隨著Bt棉花品種在全國范圍內快速推廣及人民對轉基因抗蟲棉認識的不斷深入，轉基因Bt棉花品種的批準也不斷加快。轉基因Bt棉花品種商業化剛開始的幾年里，我國對其生物安全管理的批準顯得非常謹慎。比如1997年，也就是轉基因Bt抗蟲棉商業化的第一年，我國政府僅僅批準了5個轉基因品種的申請。直至2003年，我國累計批準了49例轉基因Bt棉花品種，每年獲得批準的申請數量一直維持在20例以下。但是從2004年開始，獲得生物安全批準的轉基因Bt棉花品種數量大幅增加。僅2004年一年的批準數量就是前面6年批準數量總和的近3倍，達130例之多。這個勢頭在之后的年份里愈演愈烈，2005～2007年每年的獲批申請數量都在200例以上，2006年甚至達到了335例。
除了轉基因棉花以外，我國還研發了其他的轉基因作物和動物。截至2008年5月，農業部生物安全管理委員會已經批準了10多種生物1144例的商業化申請（表1-1）。這些申請包括轉基因植物及其他基因工程疫苗、干擾素、工程菌及酶類等，其中植物1041例，基因工程疫苗類103例。而在植物大類中，僅轉基因Bt棉花的獲批申請數量就達1029例，占所有轉基因生物申請批準數量的90%。這使得我國成為利用現代生物技術提高農業生產力最成功的發展中國家（James，2004）。我國農業生物技術的整體水平在發展中國家處于領先地位，一些領域已經進入國際先進行列。我國是世界上第二個擁有自主研制轉基因抗蟲棉技術的國家，而且轉基因水稻的研制也處于世界先進水平。
1.2.1 抗蟲棉在中國的擴展
Bt抗蟲棉是中國商業化應用最成功的轉基因作物，1997年是Bt棉花在中國商業化種植的第一年，當年種植面積3.4萬公頃，占全國棉花總播種面積的比例不足1%。但是由于在節約農藥及產量上的優勢，抗蟲棉在全國主要棉區的擴展速度很快。到2003年，我國抗蟲棉的播種面積已經占到棉花總播種面積的2/3。
在此之后，抗蟲棉的播種面積一直很穩定。根據國際農業生物技術應用服務組織的估計，2009年我國抗蟲棉的總播種面積達到370萬公頃，占全國棉花總播種面積的68%。在一些棉花產區，如黃河流域及長江流域的主要省份已經是100%的抗蟲棉了。1997～2009年，我國累計種植抗蟲棉的總面積達到3136萬公頃。