此時此刻，地球上生活著多少人？Population clock 會告訴你，全球人口已經突破 80 億。其中，有 7.02 億~8.28 億人處于饑餓狀態(tài) [1]。2055~2058 年，全球人口將突破 100 億，到那時，吃飯仍將是個大難題。
面對如此龐大的人口規(guī)模，如何做到“碗里有糧，心中不慌”？主糧作物不可或缺，比如全球種植面積和產量最高的作物 —— 玉米。不過，按目前的氣候變化趨勢，到 21 世紀末，氣候變化導致適于玉米生長的面積縮小，平均產量將下降 6% 到 24% [2]。因此，必須以新技術改良玉米品種，方能在不斷暖化的未來，滿足人類。
基因編輯是可能是本世紀最有希望的育種技術之一，雖然應用時間不到 10 年，但近年來已引起各國政府、科研機構與資本的高度關注。在本文中，我們一起來看看這項新技術的優(yōu)缺點，各國如何監(jiān)管，對迫切需要振興種業(yè)，保證糧食安全的中國而言，有哪些經驗可借鑒，又有哪些亟待解決的問題。
李拓、吳云飛丨作者
李拓丨編輯
自 2021 年起，“種業(yè)振興”呼聲漸高，進入 2023 年，“種業(yè)振興”接連獲中央一號文件、農業(yè)農村部一號文件與“兩會”期間政府工作報告點名 [3] [4] [5]，成為熱門議題，文件中“加快玉米大豆生物育種產業(yè)化步伐”的基調，也為產業(yè)和資本所關注。
不過，從產量、技術角度來看，中國玉米品種研發(fā)與種植，明顯存在“大而不強”的問題。
1、大而不強的中國玉米
玉米是當今全球種植面積最大、總產量最高的農作物。
中國是玉米種植與生產大國。從 2000 年起，中國玉米種植面積就逐漸超過小麥、水稻，成為全國種植面積最大的農作物。2021/2022 年全球玉米產量達 11.6 億噸 [6] ，美國產量最高，達到 3.83 億噸，中國為全球第二，達到 2.77 億噸 [6] [7]。
中國也是玉米進口大國。2022 年，中國花費超 71 億美元，從海外購買了 2062 萬噸玉米 [8]，其中，第一大進口來源地是美國，達到 1610 萬噸 / 52.6 億美元 [9]，巴西則以 116.5 萬噸的總量緊隨其后 [10]。天量進口背后，是國內居高不下的需求與緩慢增長的單產。
中美玉米單產差距有多大？下圖為全球五大玉米生產國的單產量對比 ——
為什么中國玉米單產不夠高？氣候、水肥、技術等條件是影響玉米產量的重要因素，而種子更是重中之重，想提高玉米種子質量，就要靠育種行業(yè)的技術水平。中國工程院院士，玉米遺傳育種學專家，四川農業(yè)大學玉米研究所榮譽所長榮廷昭指出，我國玉米種業(yè)的不足之處體現(xiàn)在 [11]：
種子資源不足，多數(shù)靠引進，現(xiàn)有新品種多數(shù)是模仿育種或修飾改良，自主原創(chuàng)突破較少；種質資源基礎研究也較少，理論難以指導實踐；
目前育種技術處于向“分子育種 3.0”融合階段，基因編輯、人工智能育種等技術還處于研發(fā)階段；
產業(yè)研發(fā)組織模式效率不高，低水平科研分散又重復。
美國、巴西、阿根廷等美洲國家的經驗表明，使用優(yōu)質種源，如轉基因玉米種子，結合專用植保產品，可明顯提高產量。實際上，中國也曾是最早種植轉基因作物的國家之一（1998 年即批準了轉基因棉花的種植），轉基因作物種植面積也一度位居全球第二 [12]，但 2010 年以后，國內對轉基因玉米育種技術的政策態(tài)度趨于謹慎，中國轉基因玉米的商業(yè)化，也因此經歷了“失去的十年”。
近兩年轉基因技術再次得到重視，農業(yè)農村部在 2022 年發(fā)布兩批《2022 年農業(yè)轉基因生物安全證書批準清單》[13] [14]，至此，中國累計有 11 個轉基因玉米品種獲得生物安全證書。目前，眾多中小育種公司已與轉基因巨頭達成了合作，將自有的骨干自交系導入一些版本的轉基因性狀。
不過，我國轉基因玉米在研發(fā)技術、政策管理方面，仍然與國外有不少差距。隨著基因編輯育種技術等興起，國內科研機構與種業(yè)公司，轉基因與基因編輯的新機會都不容錯過，尤其基因編輯技術，拉齊了各國起跑時間，對中國來說，前景看好。
2、基因編輯育種：下一個熱點
2019 年，《自然：生物技術》（Nature Biotechnology）雜志發(fā)表《養(yǎng)活 100 億人的莊稼》[15]（Breeding crops to feed 10 billion），作者列舉了多個先進育種技術，并對基因編輯技術寄予厚望。
在過去幾年中，基因編輯育種技術不僅是全球實驗室研究的顯學，也處于大規(guī)模商業(yè)化前夜，成為多國爭搶的育種技術的新高地。
基因編輯育種，好在哪？
所謂基因編輯育種，是指對農作物的目標基因進行修飾（主要是基因的敲除、品種對應性狀的基因插入、替換等操作），人為創(chuàng)造變異，進而產生新品種的過程。它是繼野生馴化、雜交、轉基因之后，最具代表性的 4.0 育種技術。
基因編輯技術所涉及的基因，主要源于自身不同染色體或不同品種，對于敲除型基因編輯，不會引入（其它物種）外源基因，該法選育出的作物，完全可與自然變異或者人工選育出的品種等同對待；而對插入、替換型基因編輯，則有可能按轉基因技術對待。
基因編輯育種有多種工具可選，包括鋅指核酸酶（zinc-finger nucleases，ZFNs）、轉錄激活物樣效應核酸酶（Transcription activator-like effector nuclease，TALENs）和規(guī)律間隔成簇短回文重復序列的相關蛋白系統(tǒng)（Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeat / CRISPR-associated systems，即 CRISPR / Cas）。
其中，ZFNs 的缺點是產生高頻突變的能力有限，而 TALENs 的缺點是難以避免脫靶效應，容易產生有害突變，難以產生理想的突變性狀。而 CRISPR / Cas 工具則有效避免了二者的缺陷，可高效、精準地編輯基因，因此是目前業(yè)界基因編輯育種時最普遍采用的技術。[16]
下表是 1930 年代以來，玉米育種技術的里程碑事件 ——
新技術自然有新優(yōu)勢：與人工馴化和雜交育種相比，基因編輯技術可實現(xiàn)精準操作，回交耗時短，能大大提高育種效率；與轉基因技術相比，基因編輯的公眾和全球監(jiān)管的接受程度較高，審批流程較快；與鋅手指等前代基因編輯技術相比，CRISPR / Cas 技術操作簡便、效率高、成本低。
人類已經編輯了這些玉米基因
從約 1 萬年前開始，人類通過馴化大芻草（teosinte），得到了當今廣泛種植的玉米（maize）?，F(xiàn)代玉米有 24 億堿基對，約 3 萬~4 萬個基因 [16]。
通常認為，人工馴化需要至少 20 代才能改變野生材料表型，但由于人類馴化玉米的漫長歷史中，僅有幾百個基因發(fā)生了變化，因此有研究者指出，有了基因編輯技術，即便用大芻草開始“從頭馴化”，工作量也不過編輯不到 100 個基因，在短期內就能完成人類數(shù)千年來馴化的成果。[18]
人類首次使用 CRISPR 工具對玉米進行基因編輯，始于 2014 年，由中國農業(yè)大學植物生理學與生物化學國家重點實驗室的研究團隊完成。[19]
如今，人們可通過編輯基因，使玉米實現(xiàn)提高產量（通過優(yōu)化花序結構、提高光合作用、養(yǎng)分吸收效率）、改善品質（營養(yǎng)價值）、增強抗逆性（抗除草劑、耐旱、耐鹽堿、抗倒伏）、制造雄性不育系等特性。
到 2021 年底，科研工作者已經對這些玉米基因進行了編輯 ——
新技術是農業(yè)生產發(fā)展的重要因素，但不是唯一因素，過去 40 年中，全球性種子公司的發(fā)展經驗告訴我們，好的技術需要一系列人為因素的配合，才能煥發(fā)出活力。
玉米高產背后有種子的加持，而種子背后，則是種子公司在技術、模式與生態(tài)的全方位比拼，這也許能為中國種業(yè)振興帶來一些啟發(fā)。
3、成功 = 技術 +？
在過去近百年間，歐美種業(yè)公司經歷了開放競爭，巨頭并購與整合，取得的發(fā)展經驗值得借鑒 ——
看準時機，快速跟進新技術。1980 年 6 月，美國最高法院在“戴蒙德訴查克拉巴蒂案”[21]（Diamond v. Chakrabarty，447 U.S. 303）中，裁定“一項發(fā)明是否為生物，與其是否可申請專利無關”。在得到法理保證后，種業(yè)公司研發(fā)開始提速：1981 年，孟山都組建分子生物學研究小組 [22]；1982 年，孟山都完成首個植物基因改造工作，并于五年后開始大田實驗；從 20 世紀 80 年代后期開始，孟山都陸續(xù)剝離與農業(yè)無關且增長空間有限的化工業(yè)務，主攻作物生產與農業(yè)領域。
持續(xù)投入重金，支持新品研發(fā)。國內種業(yè)公司常被詬病“數(shù)千家種子公司，研發(fā)投入不及一家孟山都”，這話毫不夸張，歐美跨國種業(yè)公司的研發(fā)投入一般都在銷售額的 10% 左右，可謂千金一擲：2022 年，科迪華總銷售額 174.55 億美元，研發(fā)支出為 12.16 億美元 [23]；拜耳作物科學部門（含孟山都業(yè)務）總銷售額 251.69 億歐元，研發(fā)支出 28.76 億歐元，研發(fā)人員 7700 人，一年內發(fā)布 500 個新品種和雜交品種 [24]。
注重構建新營收模式。多數(shù)國外農業(yè)巨頭都將轉基因種子與專用農藥捆綁，形成“除草劑 + 耐除草劑種子”的“免耕農業(yè)”組合模式，“耐除草劑”成為轉基因時代種子必需的性狀，也令科迪華（包括其前身杜邦先鋒 / 陶氏益農）、孟山都的轉基因種子與農藥業(yè)務實現(xiàn)了相互成就。
孟山都還探索了授權模式。一開始，孟山都試圖做“解決方案提供商”，20 世紀 90 年代初，時任孟山都農業(yè)部研究副主管的羅伯?弗雷利（Robb Fraley）設想，應該像微軟賣操作系統(tǒng)一樣賣基因，成為農業(yè)領域的微軟。因此 1992 年，孟山都曾以低價把抗蟲基因（Bt）與抗除草劑基因（HT）等優(yōu)質轉基因性狀，通過“一次性授權”，賣給對手先鋒種業(yè)，其中 Bt 賣了 3800 萬美元，HT 基因則只賣了 50 萬美元。不過，迫于公司高層對該模式的質疑和壓力，從 1993 年與岱字棉公司的合作開始，孟山都改變了授權模式：在轉基因與傳統(tǒng)種子的差價中收取抽成費用；1996 年又迭代為“基因使用費”（又稱“性狀授權費”），孟山都將種子價格分為兩個部分：種子費用和基因使用費。[25] [26]
在南美的阿根廷、巴西等市場，“基因使用費”為孟山都貢獻了高額利潤 [27]。為了保證轉基因種子的市場可持續(xù)，孟山都會要求買家簽訂協(xié)議，保證不會私自留種，一旦發(fā)現(xiàn)，孟山都將提起訴訟，要求按 800 美元 / 英畝的標準賠償，為鼓勵農民相互舉報，公司甚至因此公布了一個熱線電話號碼，三年內接到 1500 多條舉報信息 [25]。
縱橫擴張重組。全球種子行業(yè)經歷了三次大規(guī)模并購潮 [28]，在第一次并購潮期間（1997~2000），杜邦、孟山都、陶氏化學等農化公司主要收購種子公司，諾華農業(yè)則與阿斯利康農化合并組建先正達，紛紛實現(xiàn)搭建“種質資源 + 種子 + 專用農藥”模式；在第二次并購潮期間（2004~2008），以孟山都為首的農業(yè)巨頭通過橫向并購，實現(xiàn)種子品種的多樣性；在第三次并購潮期間（2016~2018），主要以跨國資本大型并購和重組為主，拜耳將孟山都納入囊中（部分業(yè)務剝離給巴斯夫），陶氏、杜邦合并后分拆出科迪華。而在最近這次國際農企大變動中，此前一直沉默的中國資本終于進入世界種業(yè)：中國化工集團收購先正達。
到 2018 年，全球種業(yè)形成“兩超四強”的格局：第一梯隊：拜耳、科迪華；第二梯隊：先正達、巴斯夫、利馬格蘭、科沃施。[29]
延伸至 AgTech 領域。AgTech 可以理解為一切可以使農業(yè)增收的現(xiàn)代精準農業(yè)，如數(shù)字農業(yè)（數(shù)據(jù)分析、人工智能）、新式農機（以無人機撒藥、自動化灌溉無人農業(yè)）、科學監(jiān)測（衛(wèi)星遙感、無人機監(jiān)測）等，其特征是更注重數(shù)據(jù)應用，利用精準農業(yè)技術，為優(yōu)良種子的豐產錦上添花。全球農企在該領域早已展開收購與合作，如孟山都收購了氣候預測公司 Climate Corporation、精準播種公司 Precision Planting，組建 Climate FieldView 平臺。
總之，海外種業(yè)巨頭的發(fā)展，基本遵循“科技為本、金融為用、管理為綱”的路徑。[26]
2018 年，美國農業(yè)部玉米育種專家愛德華?S.巴克勒（Edward S. Buckler）提出了“育種 4.0”概念 [30]，即：將基因編輯與合成生物學、基因組學、生物信息學、大數(shù)據(jù)與人工智能等跨學科技術相結合，以智能、高效、定向方式培育出新品種。他指出，基因編輯是育種 4.0 的最后關鍵技術。
在這個育種 4.0 時代，中國種業(yè)迎來難得的國際化機遇，但同時也面臨不少挑戰(zhàn)。以下，我們從政策、專利、商業(yè)模式等方面分析，在基因編輯時代，中國玉米種業(yè)的機會。
4、中國玉米的機會
新技術意味著新機會，目前農業(yè)領域的基因編輯技術尚在應用初期，中國政策監(jiān)管措施制定及時，態(tài)度明確；在玉米基因編輯育種領域，中國專利積累較多；商業(yè)化方面，橫向和縱向產業(yè)合作、整合有望展開。
在“種業(yè)振興”愿景下，中國玉米種業(yè)面臨政策、產學研與生態(tài)發(fā)育等多方面的變革機遇。
更積極的政策
前已提及，基因編輯技術培育的種子，完全可與自然變異或者人工選育出的品種等同對待，因此，相比轉基因，我國農業(yè)部門出臺的基因編輯監(jiān)管措施較寬松。
2022 年，農業(yè)農村部發(fā)布《農業(yè)用基因編輯植物安全評價指南（試行）》[31] 規(guī)定：要取得生產應用的安全證書，需要獲得至少3代的遺傳穩(wěn)定性資料。按南繁育種的效率，一個新品種順利獲得審批，可能只需要 1~2 年時間，和常規(guī)主要作物品種審定試驗時間相當，該效率遠高于轉基因安全證書 5 年甚至更久的申請周期。[32]
“總體來說是按轉基因流程在進行監(jiān)管，至于監(jiān)管的力度是有一定彈性的，不會像轉基因那么嚴格?！敝袊r科院深圳基因所研究員、中玉金標記、優(yōu)食健康科技創(chuàng)始人盧洪對果殼硬科技表示，“執(zhí)行過程中可能會 case by case（一事一議）。”
放眼全球，中國監(jiān)管尺度如何？2022 年底，德國學者托爾本?斯本瑞克（Thorben Sprink）等人綜合了全球多個國家的基因編輯監(jiān)管方案 [33]，國際獲取農業(yè)生物技術應用服務組織（ISAAA，International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications）據(jù)此將各國基因編輯監(jiān)管政策分為兩大類、四小方向 [34]。
Thorben Sprink 指出，目前已發(fā)布監(jiān)管規(guī)則的國家（包括中國），多數(shù)都屬于“中間路線”（middle ground，即采用方法 2、方法 3）。作者認為，這些國家之所以走中間路線，是因為它們對基因編輯技術寄予厚望。
不過，CRISPR / Cas9 核心專利不在中國，且由于國外多方爭搶專利發(fā)明權，導致授權狀況犬牙交錯。
犬牙交錯的核心專利
先來看 CRISPR / Cas9 的原始專利。
智慧芽數(shù)據(jù)顯示，到 2023 年 3 月底，全球申請的 CRISPR 專利，已公開的超過 1.5 萬個，CRISPR / Cas 9 的原始專利分布一方是博德研究所（The Broad Institute），另一方是加州大學、維也納大學和 Charpentier 等機構和個人組成的團隊（簡稱 CVC），還有一些專利則零散分布于荷蘭瓦赫寧根大學研究所（Wageningen University and Research in the Netherlands）、韓國 Toolgen 公司、德國默克公司（系收購 MilliporeSigma 所得）、法國 Cellectis 公司、立陶宛維爾紐斯大學、科迪華公司等。[35]
這里是全球 CRISPR 專利申請 Top20 機構：
無論是博德研究所、CVC，還是其它學術 / 商業(yè)機構，都對非營利性學術機構的 CRISPR 研究開了綠燈，無需專門書面授權，但商業(yè)化育種授權模式則相對繁瑣。
首先需要取得博德研究所的授權，該機構的授權模式如下：
但博德研究所的專利，只能編輯真核生物基因，且非基礎專利，因此還需要獲得通過 ERS 公司（ERS 是 CVC 的重要專利代理方，該公司的聯(lián)合創(chuàng)始人是 CRISPR 發(fā)明人之一埃曼紐爾?夏彭蒂耶 / Emmanuelle Charpentier）、加州大學等機構，獲得 CRISPR 基礎專利授權。[36]
MPEG LA 和科迪華公司（原陶氏杜邦農業(yè)業(yè)務），都在嘗試通過專利池或交叉授權，便于“一站式授權”，目前看來，科迪華拿下了博德研究所、Caribo（CVC 獨家授權公司）、ERS（CVC 專利代理公司）與維爾紐斯大學的專利，加上手中的原研專利，集合了目前最全農業(yè)類基因編輯專利。
對國內多數(shù)商業(yè)化基因編輯育種公司而言，在研發(fā)之前，需要獲得以上機構的基礎授權。在原始專利基礎上，基于 CRISPR / Cas 玉米基因編輯育種專利全球排行，中國呈霸榜之勢。以下是全球基于 CRISPR 技術玉米育種專利分布情況：
總之，在使用 CRISPR 工具進行玉米基因編輯育種領域，中國優(yōu)勢明顯。不過，由于 CRISPR / Cas 9 的原始專利仍不在中國手里，為避免潛在的“卡脖子”風險，在保持現(xiàn)有優(yōu)勢的同時，應注意開發(fā)新型基因組編輯工具（如 Cas 13，Cas 14a，Cas 12f 等）。[37]
5、要解決真正的問題
歐美種子行業(yè)集中度較高，2022 年，前五大種子企業(yè)市場份額（CR5）合計達到 51%，反觀國內，即便有巨頭先正達，中國種子產業(yè) CR5 也僅 11% [38]。
然而，中國種子行業(yè)集中度低，只是表象，想要實現(xiàn)“種業(yè)振興”，我們還需要解決這些問題 ——
“全村的希望”不一定是頭部公司。行業(yè)調研通常認為，中國種子行業(yè)集中度不夠高，無法滿足巨大的商業(yè)化需求 [38]；但一線研發(fā)人士并不以為然，如鐵嶺旭日創(chuàng)始人賀偉在“南北學苑”撰文指出：國內育種大公司拿到的資源項目多，但管理人員眾多，一線科研人員偏少，領導層變動導致科研缺乏連續(xù)性，“沒有擔負起大公司應有的樣子”。[39] 目前行業(yè)現(xiàn)狀表明，中小型種子公司的求生欲、靈活度令其創(chuàng)新能力反而更勝一籌，研發(fā)的新品種更容易賣給大公司；
頭部公司與中小公司的合作深度有待改善。大小公司合作歷史由來已久，不過多數(shù)僅止于品種授權交易。“很多頭部種子公司的確依賴從中小育種單位收購品種，走短平快策略，缺乏長期穩(wěn)定的 in-house R&D（內部研發(fā)）?！北R洪認為，“建立一個像國際大公司那樣的研發(fā)體系，難度很大?！?這提示我們，盡管過去頭部公司與中小公司 / 機構建立了簡單的品種收購合作關系，但只是簡單的“交易”關系，更成熟的生態(tài)，還有待政策鼓勵和培育；
育種政策天花板有待重構。盧洪指出，國內頭部大公司與中小公司的關系，需要協(xié)調和統(tǒng)籌：“國家育種機構應該與商業(yè)性的公司進行深度合作，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，把傳統(tǒng)育種與現(xiàn)代育種科技進行全鏈條的無縫對接，這將是提升我國種業(yè)研發(fā)能力的有效策略，也是國家一直提倡的產學研融合之路。但需要三方（種業(yè)公司、科研機構、政府）進行高度的協(xié)調，需要有全球視野和產業(yè)經驗的領軍人才進行統(tǒng)籌設計?！?/p>
行業(yè)基礎研發(fā)的動力。盡管國內監(jiān)管在“松動”，但由于知識產權保護力度不足，國營和上市大公司缺乏自主研發(fā)新品種的動力，沒有建立強大的研發(fā)體系，沒有持續(xù)穩(wěn)定的投入，出于短期業(yè)績導向的壓力，大公司更愿從中小公司收購新品種。
“基因編輯技術在 10 年內無法取代其它育種技術，雜交育種仍然是最快捷最有效的育種方法?！蓖ㄟ^新的技術政策或引發(fā)產業(yè)變革，盧洪認為，“轉基因和基因編輯技術的放開將會對我國種業(yè)帶來一次洗牌的機會，但沖擊波的強度，取決于國家執(zhí)行《種子法》和對知識產權的保護力度?！?/p>
References：
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[3] 國務院官網：2023 年中央一號文件公布 提出做好 2023 年全面推進鄉(xiāng)村振興重點工作 http://www.gov.cn/ xinwen / 2023-02/13 / content_5741361.htm
[4] 農業(yè)農村部官網：農業(yè)農村部關于落實國務院 2023 年全面推進鄉(xiāng)村振興重點工作部署的實施意見 http://www.moa.gov.cn/ govpublic / FZJHS / 202302 / t20230221_6421194.htm
[5] 國務院官網：2023 年政府工作報告 http://www.gov.cn/ premier / 2023-03/14 / content_5746704.htm
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[8] 華商情報網：2022 年中國玉米進口數(shù)量、進口金額及進口均價統(tǒng)計分析 https://www.huaon.com/ channel / tradedata / 871682.html
[9] 美國農業(yè)部（USDA）：Top 10 Exports to China in 2022 https://www.fas.usda.gov/ regions / china
[10] 世界農化網：2022 年中國從巴西進口 116.5 萬噸玉米 https://cn.agropages.com/ News / NewsDetail---27559.htm
[11] 瞭望：作為我國生產面積最大的糧食作物，玉米育種面臨哪些挑戰(zhàn)？http://lw.news.cn/ 2022-03/01 / c_1310493044.htm
[12] 許智宏：我國轉基因生物產業(yè)化亟待突破，科學網，2021.3.18 https://news.sciencenet.cn/ htmlnews / 2021/3/454717.shtm
[13] 農業(yè)農村部：2022 年農業(yè)轉基因生物安全證書（生產應用）批準清單（一）https://www.moa.gov.cn/ ztzl / zjyqwgz / spxx / 202204 / P020220429658643014658.pdf
[14] 農業(yè)農村部：2022 年農業(yè)轉基因生物安全證書（生產應用）批準清單（二） https://www.moa.gov.cn/ ztzl / zjyqwgz / spxx / 202301 / P020230113566699966911.pdf
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[27] 國君農業(yè)：觀孟山都百年變革，窺國內種企新發(fā)展 https://mp.weixin.qq.com/ s / N9mI-_F7deKi6HJaKBlc-g
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[37] CRISPR/Cas System: Applications and Prospects for Maize Improvement
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本文來自微信公眾號：果殼硬科技 （ID：guokr233），作者：李拓
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