我国转基因抗虫棉存在的问题及对策

2011-12-28 我国转基因抗虫棉存在的问题及对策 1 / 5 我国转基因抗虫棉存在的问题及对策

摘要：从20世纪90年代起,中国开始了转基因抗虫棉的研究、开发和利用。2006年, 国产抗虫棉的种植面积已经占到全国抗虫棉面积的82% ,以绝对优势占据了国内抗虫棉市场。目前在我国推广种植的抗虫棉,存在的主要问题是昆虫抗性、基因漂流、抗虫性的时空问题、抗虫范围狭窄、抗虫强度差及抗虫棉的安全管理。针对这些问题提出一系列解决方法，如培育转多基因抗虫棉、蛋白结构域互换、寻找广谱抗虫基因,采用特异启动子和诱导表达启动子、避难所政策等等。 关键词：转基因抗虫棉 ；发展 ；抗虫性 ；安全性 ；对策

1 转基因抗虫棉技术发展背景 棉花产业在我国国民经济发展中占有举足轻重的地位，我国棉花种植面积7500万亩左右，约占世界面积的15%，皮棉产量约占世界总产量的25%。它涉及１亿棉农的重要经济来源，1900万纺织及相关行业工人的就业问题。全球工业化以来，世界人口迅速增长，而耕地面积则因为城市化及沙漠化等等原因愈减愈少。同时，化学农药的过度滥用、化学肥料的使用不当、不可降解塑料的污染使得生态环境被严重破坏，水土流失、土地沙漠化、土地盐碱化等问题紧接而来。20世纪末期，这种情况愈演愈烈。 1992年，我国爆发了大规模持续的棉铃虫灾害，农药喷洒与棉铃抗药性形成了恶性循环，迫使中国农民放弃棉花种植。而此时美国转基因抗虫棉花恰研制成功，美国趁此机会迅速占领中国市场，至1998年，在中国的市场份额达95%，企图通过长期垄断来获取暴利，一斤种子卖到100多块钱，每年国家蒙受着几十亿甚至上百亿元的经济损失。在当时的情况下，投入巨资、人力和物力发展转基因棉技术, 已成为中国现代农业生产的不二选择。 1991年国家“863”计划启动抗虫棉研制工作后，我国科学家于1992年底研制成功具有自主知识产权的GFM CRY1A融合BT杀虫基因，转入棉花创造出单价转基因抗虫棉。1996年又研制成功双价抗虫棉(BT+CPT1)。

在多方力量的共同努力下，我国育成了拥有自主知识产权的系列国产转基因抗虫棉品种70个，均已在河北、山东、河南等主产棉省大面积推广应用。 中国抗虫棉的迅速崛起打破了国外公司垄断中国市场、攫取高额利润的企图, 有效地保护了国家和棉农的利益, 具有非凡的意义。在国家的大力扶持下, 经过数年的时间, 国产抗虫棉产业化迅速崛起。2006年, 国产抗虫棉的种植面积已经占到全国抗虫棉面积的82% , 以绝对优势占据了国内抗虫棉市场。07年12月科技部统计中国抗虫棉累计推广1亿多亩，带来直接经济效益150亿元[16]。目前我国转基因抗虫棉在技术上已走通全过程, 完全拥有自己的专利和知识产权, 是继美国之后独立自主地研制成功抗虫棉的第二个国家。

2 转基因抗虫棉存在问题及其安全性 研究表明，转基因抗虫棉对棉花纤维品质并无显著影响[1]，这说明抗虫棉单纯就经济上而言具有更高的效益。但还有研究表明，抗虫棉除了在抗虫毒蛋白的表达与天然棉花不一样之外，另外也改变了棉花的某种代谢途径，使其各蛋白含量放生了变化[2]。虽然棉花并非是人的食品，但是棉子粉、棉子油却经常被作为畜牧饲料，进而间接影响人类。可以预计，随着转入基因的多样化与复杂化，其可能引发的非预期效应将更加复杂且不确定。可以说，大部分转基因产物——不仅仅是转基因棉——存在的问题，来源于这部分“未知”。 2011-12-28 我国转基因抗虫棉存在的问题及对策 2 / 5 2.1转基因抗虫棉的昆虫抗性问题

转基因抗虫棉对环境友好，有效减少了农药对生态环境与人类健康的威胁，并且能很好地保护作物抵御害虫。然而，野生环境中的部分昆虫携载着可以抵御转基因毒素的抗性等位基因。转基因作物表达的毒素会像化学农药一样，最终引起昆虫抗性的产生。目前已获得的尤其是生产上推广应用的转基因抗虫棉大多为单价转Bt基因。自从人们广泛应用化学杀虫剂以来，昆虫对含氯、含烃、含有机磷的化学杀虫剂、氨基甲酸酯以及菊酯类的杀虫剂都产生了抗性。与化学杀虫剂相比，虽然昆虫对Bt杀虫剂产生的抗性发展相对较为缓慢，但早在1985 年McGanghey就证明了印度谷螟（Plocliainterpunetella）在选择压的条件下繁殖15代后，对Bt杀虫剂的抗性增加90～100 倍，对纯Bt杀虫剂HD—1 产生了6倍抗性。在实验室条件下，一些危害严重的昆虫，如玉米夜蛾(Plodiainterpunc- tella)，欧洲玉米螟(Ostrinianubflalis)，棉红铃虫(Pectinophol'agossyp- iella)都表现出了对毒蛋白很高的耐受性。 目前世界上有不少地区都已经发现了对Bt抗虫植物产生抗性的害虫，棉花是世界上广为种植的重要经济作物，一旦棉铃虫对Bt产生抗性，人们历经长时间花费成百上千万元培育出的转基因抗虫棉瞬间就会失去价值。不仅如此，还会因为Bt抗虫棉的失效，而造成Bt生物农药的失效，其经济损失和社会损失都是不可估量的。 2.2 抗虫基因漂流问题 基因漂流指的是一种生物的目标基因向附近野生近缘种的自发转移，导致附近野生近缘种发生内在的基因变化，具有目标基因的一些优势特征，形成新的物种，以致整个生态环境发生结构性的变化，引发生态问题。棉花在较近距离内有相当高的异交率,发现在棉花地周围1 m 处的异交率可达10.48%。随着距离的增加,异交率逐渐递减, 至50m 处仍有低频率的异交(0.03 %) , 100 m 及100m 以上基本不再有花粉漂流引起的异交[7]。 有些学者认为，鉴于我国不是棉花的起源地,在自然界不存在相关的野生种,在农业生态条件下也不存在可与棉花杂交的相关杂草,因此Bt基因的漂流一般可不必严重关注。但也有学者认为应慎重能够对待，建立50m-100m的隔离带。 2.3 Bt棉棉子粉、棉子油的安全性 实验结果表明,Bt棉及普通棉的棉子粉及棉子油对小鼠的体细胞和性细胞均没有诱变活性,且没有剂量效应,对小鼠的食欲、肝、脾、肾等亦无影响;对斑马鱼外周血红细胞的微核率亦无影响,受试鱼的解剖和组织病理学检查均未发现异常。因此用Bt棉的棉子粉、棉子油作饲料、食品或食品成分,对哺乳动物及鱼类是安全的[8]。经研究,在棉花生育后期及收获期,棉叶中的Bt蛋白含量显著降低,尤其是棉子粉中的含量很低,棉子油中的Bt蛋白在检测水平以下。综上所述,转Bt基因抗虫棉的应用,除需要对靶标昆虫的Bt抗性作长期跟踪外,就环境及食品饲料而言应当是安全的。

2.4 抗虫范围狭窄，抗虫强度差

目前已培育出的转基因抗虫棉，大都带有一个苏云金芽孢杆菌的杀虫蛋白基因（即Bt毒蛋白基因）。苏云金杆菌是自然界中普遍存在的一类细菌，苏云金杆菌中存在一大类杀虫基因，已被作为生物杀虫剂广泛应用了60多年，国内外对其杀虫机理进行了比较透彻的研究。Bt基因编码产生的杀虫蛋白存在于伴胞晶体中，当害虫取食后，在昆虫中肠的碱性（pH 10-12）条件下晶体溶解产生原毒素，由中肠内酶系统的作用，释放出活性毒素，由毒素与昆虫中肠内特异的受体结合而产生毒杀作用。这一杀虫机理使得某一特定的Bt基因只对某一类昆虫有特异的毒杀作用。而哺乳动物的胃液为强酸性（pH 1-2），而肠胃中也不存在着与Bt毒素结合的受体，当Bt蛋白进入到哺乳动物肠胃中后，在胃液的作用下几秒钟之内全部降解。多年的研究已反复证实这种Bt毒蛋白对哺乳动物、鸟、鱼以及非目标昆虫无害。正是这种特性受到人的青睐，也注定了其抗虫范围的狭窄。 转Bt基因抗虫棉只对棉铃虫、红铃虫等少数鳞翅目昆虫产生抗性，对很多刺吸式害虫抗性弱。为害棉田的害虫极多，转Bt抗虫棉对其它大多数害虫如棉蚜、红蜘蛛等都没有抗性。此外，转基因抗虫棉仅对低龄幼虫抗性较强，而对高龄棉铃虫效果不明显。

2.5 原棉田次要害虫变化为主要害虫。 20世纪90年代及其以前，棉田的主要害虫是棉铃虫，兼有盲椿象、斜纹夜蛾、棉叶螨、棉蚜等等次要害虫。而当转基因抗虫棉推广以后，这些次要害虫反而变得猖獗，转变为主要害虫。造成这种现象的原因是抗虫物质变化下种间竞争的结果。从上文可知，转基因毒蛋白的抗虫范围非常狭窄，对棉铃虫、红铃虫等少数鳞翅目昆虫产生抗性，而对其它大多数害虫如棉蚜、红蜘蛛等都没有抗性。而化学农药除了对棉铃有防治效果以外，对棉蚜等害虫也有毒杀作用。转基因棉推广以后，农民除了花铃期之外便几乎不再使用农药了。结果，这些次要害虫便一跃成为危害棉田的主要害虫。 2011-12-28 我国转基因抗虫棉存在的问题及对策 3 / 5 2.6 转基因抗虫棉抗虫的时空性问题

转基因抗虫棉抗虫的时空性包括两个方面,一是指棉株不同的发育时期对棉铃虫的抗性不同,二是指棉株的不同部位、不同器官的抗虫能力也不同。以推广范围最广的Bt毒蛋白为例，首先从时间上来看，研究表明Bt棉的抗虫性随着棉株生育期进展而降低苗期抗虫性较强，花铃期较弱。产生这种现象的原因是Bt蛋白质的合成是利用棉花的自身蛋白质合成系统完成的，而棉花的生育后期，棉花的自身蛋白质合成降低，Bt蛋白质含量降低，所以抗虫性显著下降。因此，抗虫棉在生长后期仍需要进行化学防治。 从空间抗性来看, 在同一时期内, 棉株营养器官的抗虫性较生殖器官要强, 叶>蕾>铃>花，其中以花蕾的抗性最弱：棉田中的幼虫多在花蕊中找到。产生这种现象的原因是Bt蛋白质合成的启动子在不同组织器官的表达差异造成的。 3 面临上述挑战的解决研究对策 3.1培育转多基因抗虫棉。 研究表明[9],单价基因抗虫棉产生抗性个体的机率为10-6,而双价基因抗虫棉则为10-12。目前已发现的抗虫基因有Bt基因、Cp TI 基因外,还有淀粉酶抑制剂基因、外源凝集素基因、几丁质酶基因、蝎毒素基因、脂肪氧化酶基因等,并将会不断发现新的抗虫基因。如果将两类或多类不同的抗虫基因同时导入同一棉株内,无疑会提高棉花的抗虫能力和抗虫范围,延缓害虫对其产生抗性。 对单价Bt棉GK12叶片在实验室逐代连续汰选(校正死亡率控制在60—70%)。在汰选17代后,抗虫棉的抗性级别由原来的高抗降为中抗。田间一代棉铃虫以其它作物为食,二代棉铃虫大部分被Bt棉杀死,后期Bt棉抗虫性降低,部分三、四代棉铃虫取食花、铃后化蛹羽化产生后代, 故Bt棉只对三、四代棉铃虫起汰选作用, 即一年内有两代汰选。综合以上因素,预测单价Bt棉至少在10年内可有效控制棉铃虫的为害。但田间情况复杂,这一推测尚需进一步验证。赵建周等用单价Bt烟草和双价Bt/CpTI烟草叶片汰选棉铃虫18代后,双价转基因烟草汰选种群对Bt杀虫蛋CryIA(c)的半致死量为对照种群的310倍,而单价转基因烟草为对照种群的1311倍。同时前者汰选种群中抗性个体出现濒率显著降低。这是首次以实验数据证明双价抗虫基因可明显延缓棉铃虫虫群对Bt产生抗性。据此推测,单价抗虫棉可在生产上使用8～10年,而双价抗虫棉可在生产上使用20～30年。 3.2 蛋白的结构域互换 有研究表明将α与β型干扰素基因重组后得到的新型干扰素效果更好。那么，同理将不同来源的蛋白结构域互换是否可以获得具有更大抗虫范围或更强毒性的蛋白呢？事实上已有学者做过相关实验。比如将CrylIa的结构域II与CrylBa的结构域I和结构域III基因片段拼接后导人马铃薯，其成熟植株能同时杀灭鞘翅目和鳞翅目昆虫，显示了更大的杀虫范围。玉米螟食用了结构域II经过修饰(选择了植物偏好的密码子)的植株后，致死率是100％，对甲虫类的致死率高于80％t211。这也充分说明了新型Cry蛋白的有效性[10]。这对于转基因抗虫棉来说未尝不是一种有效的手法。