新的、高密度树木种植正在给林业生物技术带来迅速的变化。但是如果不能克服生态风险和经济障碍，这些新的方法或许永远也无法使用——

在俄勒冈东北部Boardman的干旱地区，是一个几乎草木不生的地区，年降雨量仅有200毫米，没有人愿意在那里目睹林业的未来。但是就在Boardman以外不远的地方却是另一番景象——种植在边长400米的方形林场内总计为7200公顷克隆的杂交白杨。这片林场是由总部设在华盛顿的Potlatch林产品公司种植。通过种植园纵横交叉的2400公里长的塑料管子，由计算机控制的灌溉系统从8公里以外的哥伦比亚河里引水对植物进行浇灌。公司项目经理杰克 · 伊顿（Jake Eaton）预测，用这种方法，Potlatch公司能在6年以后培育出20米高的树木，取得比世界平均值高出10倍的木材生产率。

但是，许多林业研究人员认为，这些大型的、机械化的树木种植园，仅仅是个开始。森林生物技术的下一个、也是更加引起争议的举措将是种植高密度的转基因树木——这种树木生长速度快、木质素含量少，具有特殊木材的性能。研究人员已经把抗杀虫性、具除草剂耐受性、延缓开花的基因注入到几种树木中，并且美国农业部已经收到了对138种转基因树木进行现场实验的申请，其中52种树木种植申请是在过去的两年里收到的。

生物技术的进一步发展，使其支持者们构想出了一种生长异常迅速的树木，这种树木不仅能减轻天然森林缺乏所造成的压力，而且还有助于缓解气候的变化。华盛顿大学的植物学家托比 · 布拉德肖（Toby Bradshaw）说：“我们的最终目的是重新构建、培育一种繁殖能力极强的树木，这种树木在许多方面都同现在的树木大不一样。伊顿认为种植这种树木不仅能使林产品业赢利，而且环境也将因此得到改善，他把森林生物技术称之为“双赢技术”。

然而，并不是所有人都能接受这种高科技的生物工程理念。一些林业研究方面的倡导者已经决定不从事某些最先进的技术，特别是基因工程的研究。如华盛顿著名的Weyerhaeuse公司认为，从长远观点来看，森林生物技术研究可能会给人们带来益处，但从目前的情况看，科学、经济和政治上的障碍如此之大，使他们无法全部接受它们。一些赞同超密度树木种植的科学家也担心由转基因工程所带来的生态方面的风险——引入的基因特征，如果传播到天然林中，可能会产生与人们意愿相反的后果。甚至一些坚决拥护、倡导生物技术的科学家也承认他们的研究可能要花上几年、甚至几十年才能从实验室里走出来。

“重新构建的树木”

在树木基因工程的重要中心——俄勒冈州立大学的史蒂夫 · 斯特劳斯（Steve Strauss）实验室的桌子上，有一个重要的高科技设备：一个类似办公用的打孔器。斯特劳斯及同事们用它从颤杨上取下一小片叶片，然后把这绿色的圆形叶片放到含高浓度根瘤菌（Agrobacterium tumefaciens）的液体培养基中。根瘤菌是一种常见的微生物，它可以把部分的DNA插入到宿主植物中，引起植物根部呈现肿瘤结节。斯特劳斯的研究小组希望根瘤菌上具抗生素抗性和延缓开花的基因插入到颤杨叶片的DNA中。

斯特劳斯的研究小组把圆形叶片在根瘤菌液中浸泡48小时之后，接着把叶片放入抗生素溶液中，除了具有抗生素抗性基因的叶片细胞外，其他细胞均被杀死。在培养皿中，转基因叶片长成小的新芽，最终长到足以在花盆里种植。接着研究人员要观察正在日渐长大的树苗，以证实另外一个导入的基因（延缓开花的基因）是否也被表达出来。

通过把开花的季节推迟到过了繁殖季节，斯特劳斯希望能够降低转基因树木把花粉传给它们野外近亲的可能性。他认为这种生态保护是至关重要的，研究人员只有能够限制带有新特征的基因传播到天然树木中，林产品公司才能把转基因树木完全地引入种植园中种植。

森林生物技术的另一个主要研究目标是木质素。作为使树木细胞紧密结合的化合物，木质素对于木材是非常合适的，而对造纸来说，却并非如此。根据一家支持高科技林业研究机构的生物技术投资公司乔纳森 · 麦尔金（Jonathan Malkin）的报道：去除木质素，每年要使造纸行业花去200亿美元。

去年7月份，密歇根理工大学的研究人员宣布发现了产生木质素的基因，这是一种阔叶树中的那种木质素。他们说，下一步将是转向基因的表达并希望能够培育出低木质素的树木。在北卡罗来纳州立大学的研究人员已经发现了一种能够降低火炬松中木质素含量的天然突变体，因为这种突变的基因最终会对树木造成危害，所以北卡罗来纳州立大学的植物学家罗纳尔德 · 塞德罗夫（Ronald Sederoff）和他的研究小组正在试图培育出一种正常生长但更容易成为纸浆的杂交火炬松。

华盛顿大学的布拉德肖有一个更为宏伟的目标：即他称之为树木的“重新构建”。他说：“对于树木来讲，它需要长出尽可能细的树干，以便把尽可能多的营养传输给树枝和树叶；而林业人员想要得到的是尽可能多的木材，尽可能减少叶子和开花”。对于大多数树木来说，有大约三分之一的生物量聚集在根部，而林业人员希望降低这个比例。

科学上的挑战

在传统的生物技术中，对于不熟悉的树种，研究人员能够借助一些人们较为熟知的树种的基因进行研究，或是直接转移这些基因，或是利用它们作为寻找新种中相同基因或同源基因的指南。举例来说，在斯特劳斯实验室里的延缓开花的基因，来自于拟南芥（Arabidopsis thaliana）——一种分子生物学研究中的模式植物。但是在造林学中，这样的技术有它的局限性：多年生的树木同拟南芥这样的一年生植物差别很大，因此科学家们不清楚这些树木中最重要的基因是否是容易鉴定的同源基因。

如果研究人员不能依靠同源基因，他们将必须对树木基因组进行测序、鉴定，而这并非易事。许多经济上很重要的树木通常有很大的基因组，例如松树，有200亿个碱基对，它是人类基因组的7倍。目前，布拉德肖说：“尽管人们预测松树的功能基因并不比拟南芥多，但这并不能使测序工作变得简单、容易。

尽管如此，植物基因组计划还在继续，主要集中在云杉（加拿大的一个项目）和放射松（新西兰生物技术公司进行的项目）。1999年，塞德罗夫从美国国家科学基金会得到450万美元的经费，开始对火炬松基因组进行测序，火炬松是美国南部最重要的种植树木。今年2月，美国能源部主持了一个短期项目，给一种杨树的基因组测序。这个项目由美国联合基因组研究所主持，布拉德肖领导的研究小组具体实施。目前，布拉德肖已经培育出黑色三角叶杨的切片，并把它送到了测序实验室（三角叶杨的基因组含有5.5亿个碱基对）。该项目到2003年秋应当完成它的第一项任务，即把每个基因平均测序三次以减少差错率。

即使研究人员能成功地把新的特征引入到树木中，而接下来的繁殖将是另外一个挑战。林业研究人员认为，理想的方法是使用育种人员对一年生植物常采用的方法即克隆繁殖。举例来说，他们从树叶切片中培育出了紫罗兰。但是因为几乎所有的针叶树和阔叶树不能采用这种方式繁殖，科学家们正在研究一个称之为“体细胞胚胎发生法”，即诱导非生殖的组织如叶或根的细胞长出胚胎。像克隆繁殖一样，这个过程不涉及到授粉，所以没有那种在传统树木种植中被野生树木传粉的危险，这样形成的胚胎将是这些树木的克隆。

雅典乔治亚大学的树木遗传学家斯科特 · 默克莱（Scott Merkle）认为，体细胞胚胎发生法主要是通过把成体树细胞浸泡在除草剂稀溶液（特别是2，4-二氯苯氧乙酸）中，让成体细胞返回到幼态。默克莱说，在通常的剂量中，这样的除草剂似乎会使植物死亡。我们所使用的是百万分之二的溶液，在这种浓度下，只是刺激体细胞，激活它们隐藏的潜力，产生出新的克隆。产生克隆胚胎经常是比较直接的，但要使这些胚胎适当发芽并形成一个体细胞幼苗却是个难题，因为很难让一个培养的胚胎长成大小接近实际种子的胚胎。

尽管如此，利用生物学家研究出的方法，温哥华CellFor林业公司的斯蒂芬 · 阿瑟瑞（Stephen Athree）宣称，他们已经掌握了一些具有经济价值的乔木的体细胞胚胎发生法。CellFor公司总裁克里斯托弗 · 沃思（Christopher Worthy）说，明年该公司将生产800万到1000万个胚胎，并把300万株火炬松、冷杉木、云杉和放射松的树苗送到林产品公司，最后他还打算每年把树苗按比例增至2.5亿株以上。

即使能够繁殖成功，研究人员仍将面对鉴定森林生物技术实验结果的难题。康乃狄克州的威廉 · 鲍曼（William Baughman）解释说：“当把一个新的基因插入到一棵树中，必须使其寿命得到延长，在一或二代之后，唯一的变化是你所预期的那样，而不是变成什么奇怪的东西。”塞德罗夫注意到，检测快速生长的树种会有助于加快早期研究的步伐。例如，以色列海法大学的植物造林学家Simcha Leu-Yadun发现，假如用合适的方法修剪拟南芥，并在适宜的条件下培育它，它会长到比正常大小高10倍，并且树干粗壮。”拟南芥因此可能会为树木形成遗传学以及木质素作用的研究提供一些有益的线索。

生态和经济问题

如果生物工程树木的技术难关可以攻克的话，那么潜在的生态效益是相当可观的，同样风险也是相当大的。根据联合国粮农组织的报道，2010年全世界对木制品的需求大约是19亿立方米，几乎比现在高20%。为了满足这种需求，同时对世界现有的森林不造成极大的破坏，华盛顿特区未来资源部的经济学家罗戈 · 塞德乔（Roger Sedjo）、弗吉尼亚乔治 · 梅森大学的生态学家丹尼尔 · 博特金（Daniel Botkin），在一篇人们广泛阅读的1997年的论文中建议，林产品公司应把业务的一小部分放到密集的林业生产上，而把业务的大部分放在生物保护在内的其他用途上，这样可能大幅度地减少对天然林的压力。

斯坦福大学的能源和可持续发展项目主任、经济学家大卫 · 维克托（David Victor）预测：假如伐木业能够完全依靠高密集的种植树木，那么现在仍然被砍伐的热带森林可能会避免灭顶之灾。鲍曼认为，如果利用体细胞胚胎技术，在林场种植一排排最好的、生长最快的针叶树，可使林产品公司仅用1/3的土地就能生长出同样数量的木材。对于一个像国际造纸业这样的公司（美国最大的私人林场主），那就意味着350万英亩森林不用被砍伐，这还不包括转基因方法，如果把转基因方法也算在其中，将意味着使林业得到彻底的改变。

华盛顿的智囊机构——世界资源研究所的高级研究员唐 · 多林（Don Doering）则持有不同的观点。他在去年夏天的森林生物技术会议上说，就像在依阿华州种植的改良大豆不能使非洲、亚洲那些食物短缺的人们获益一样，乔治亚的转基因松树也不能挽救印度尼西亚的森林。即使像博特金这样的赞成高密度种植的研究人员对转基因树木也保留自己的看法，他把环境危险比做把外来树种引入生态系统中，即一种“好意”的灾难性做法。

斯特劳斯认为，他和其他人对不育树种的研究有可能减少基因工程树木的基因向野生近亲种的流动。同时他还注意到，重建的超级树木所具有的特征（如粗短，小的枝条）使得它们只能在严格控制的林场中存活。

除了安全上的考虑以外，林业的基本经济情况使树木基因工程这样耗资大的研究项目变成了一项艰难的任务，Weyerhaeuse森林生物技术公司经理托德 · 琼斯（Todd Jones）说，“如果你必须等20～30年得到回报，那么你就必须种植一些有真正经济潜力的树木。”

另外一个经济上的障碍来自传统树木育种的竞争。由于大多数育种项目现仅处在第二代或第三代，所以传统的方法仍然能产生出可观的效益。这种方法可能不是尖端的，但它可预测的回报使对于财政上保守的行业来说极富吸引力。最后，如何规范生物工程树木的不确定性及经济上的风险，华盛顿特区负责生物技术法规问题的代理人南茜 · 博瑞森（Nancy Bryson）认为，对于进行生物工程的普通作物来讲，进行这一规范活动可能花上几年、耗资数百万美元。她指出，树木的转基因法规刚刚开始制定，林产品公司无法预测制定这些法规可能有多么繁琐。

准备就绪 只待实施

森林生物技术的缓慢出现也有它有利的一面。多林认为，与在一种狂热状态下种植的转基因作物不同，他们有充足的机会使树木工程步入正轨，社会也有时间作出一些好的选择。林产品业应当展示生物技术的社会效益而不应把注意力集中在经济效益上，美国东部倍受人们喜爱的转基因树木对公众有直接的说服教育作用。

然而，Potlatch公司正在放弃森林基因工程，主要是考虑到森林生物技术不确定的未来。在2000年，该公司作出决定，争取森林管理委员会对他们环保工作的认可。该委员会是给合格的木材公司颁发生态资格证书的非赢利机构。Potlatch公司的高密度、高技术的林场去年夏天通过了该委员会的检测，但有一个重要的条件，即必须把它在Boardman种植园中的任何转基因树木清除。该决定意味着永久性地关闭该公司与斯特劳斯合作研究种植的林场。Potlatch公司表示，他们仍然支持俄勒冈州立大学斯特劳斯的工作，只是他们不能在自己的林场里进行这种工作。

[Science，2002年3月1日]