转基因棉花在生产应用上的风险与安全控制.doc

转基因棉花在生产应用上的风险与安全控制植物转基因技术的诞生，对生物工程技术和世界农业都产生了巨大影响。棉花是纤维植物，由于遗传转化的限制，棉花的转基因研究起步较晚，但近几年进展迅速。一方面，随着转基因技术的发展，抗虫、抗病、抗除草剂基因等先后成功导入棉花载体中并应用于大田生产，使得转基因抗虫棉成为我国唯一大面积种植并实现产业化的转基因农作物。对缓解棉铃虫给棉花生产造成的为害、减少化学农药的使用量和保护生态环境起到了重要的作用；另一方面，随着转基因棉花的大面积应用，其安全性问题逐渐引起了人们的重视，转基因棉花的田间种植是否会引起外源基因向其他物种渗透，是否会对生态环境造成危害，这都是转基因植物进入商业化生产前都必须明确的问题1。但目前人们还很难准确预测外源基因导入一个新的遗传背景会产生什么样的后果心1。因此，必须采取措施预防转基因棉花在生产应用中可能存在的安全风险，作者以目前应用面积最大的转Bt基因抗虫棉为基础，进行转外源基因棉花在生产上应用对生态环境安全的影响分析，并提出转Bt基因抗虫棉在生产应用上的风险预防和安全控制措施。1转基因棉花在生产应用上的风险1.1抗除草剂棉花有成为杂草的可能杂草生长迅速并且具有强大生存竞争力，能够广泛传播，阻碍农作物的生长。所以，杂草常常给农业生产造成巨大损失。虽然转基因棉花在抗病虫性、抗逆性和生活力等方面比非转基因棉花强，但由于棉花不具有杂草特性，不会入侵其他植物栖息地，破坏自然种群平衡，一般情况下，转基因棉花不会出现杂草化问题。但近年来棉田除草普遍使用除草剂对棉花造成伤害，为了减少除草剂对棉花的伤害而开展的抗除草剂棉花选育。有使其成为杂草的可能，如果抗除草基因从棉花漂移到杂草上，也就有可能出现抗（耐）除草剂的“超级杂草”。1.2基因漂移威胁棉花近缘物种基因漂移是指基因通过花粉授精杂交等途径在种群之间扩散的过程。棉花是常异花授粉作物，转基因棉花的外源基因花粉可以通过风力、昆虫等向近缘非转基因植物转移，不仅影响近缘物种的遗传纯度，使近缘物种有获得选择优势的潜在可能性，如果近缘物种获得抗病、抗虫或抗除草剂基因。也可能使其成为另一种“超级杂草”。这样会促使大量化学农药的应用，造成严重的环境危害。另外，随着转基因棉花的大面积推广应用，还可能向其他物种渗透，若大量外源基因漂移进入野生植物基因库并扩散开来，可能会影响基因库的遗传结构，给生物多样性造成危害心1。1.3转基因棉花的应用会加速害虫抗性进化目前在转基因棉花上使用的Bt基因所表达的Bt毒蛋白具有与已经使用多年的R生物杀虫剂相似的活性。一方面。由于Bt基因在棉花体内的持续表达，使得害虫在整个生长周期都受到Bt杀虫蛋白的选择，高选择压力下可促使害虫以更快的速度进化，产生对抗虫基因的抗性；另一方面，Bt蛋白在棉花上的时空表达不稳定，外源基因在不同棉花品种和不同组织及部位有不同的表达量，并且在整个生长季节中，Bt蛋白的表达水平是不断变化的，这种Bt蛋白时空表达的不稳定性提高了害虫生存几率，因此提高了害虫的抗性进化风险。害虫对转Bt基因棉花抗性一旦产生和发展，不但能削弱转基因棉花本身对害虫的抑制作用，而且Bt杀虫剂也将失去杀虫作用，可能会导致杀虫剂的再次大量使用，而对环境产生负面影响。1.4转基因棉花对非靶标有益生物的影响由于不同类型Bt杀虫蛋白有不同的杀虫谱，因而转基因植物中不同Bt基因表达必然对许多非靶标昆虫产生影响。在棉田环境下有许多天敌昆虫，它们或以害虫为食，或以害虫为寄主。转基因棉花在对靶标和非靶标害虫直接作用的同时，也可能间接地影响到棉田天敌的生存和繁殖。因此，大规模种植转基因棉花有可能影响棉田生态系统中天敌生物的种类和种群数量。1.5转基因棉花对土壤生态环境的影响在土壤生态系统中，微生物是维持土壤生物活性的重要部分，不仅调节着土壤动植物残体、有机物质和其他有害化合物的分解，而且调节着生物化学循环和土壤结构的形成。转基因棉花根系分泌物和根系中的毒素，只有很少的自由态能够被微生物快速降解，大部分杀虫毒素主要通过根系分泌物和根系残体进入土壤，与土壤活性颗粒结合在一起。在土壤中大量集聚，而且毒素还可能通过花粉进入土壤，并可能在土壤中较长时间存在。土壤微生物能够吸收自由DNA片段而引发自然转化即土壤介导的基因转移，导致土壤微生物活性和群落结构的改变，最终影响到土壤质量和农产品的质量，而有可能危及人们的健康和食品安全。2转基因棉花在生产应用上的安全控制由于转基因棉花在生产上大面积应用存在上述己知的或潜在的生态安全风险，因此，必须采取有效措施控制已知的、预防潜在的生态安全风险。2.1培育和种植转多种基因棉花目前己发现的抗虫基因有多种，除常见的Bt、CpTI基因外，还有外源凝集素基因、几丁质酶基因等。计算机模拟分析表明，将两个不同的基因同时转入同一载体，其抗虫持久性可由含单一基因的8- 10年延长到20- 30年。目前美国已经培育出能够同时表达两个Bt基因的棉花，我国的转双价抗虫基因(Bt+ CpTI)棉花也已经大面积推广种植。一方面，转多基因棉花应该与敏感寄主植物搭配种植才更有利于延缓害虫抗性发展速度；另一方面，要完善转基因棉花的管理体制，提高转基因棉花推广应用品种的纯度，保证外源基因的高效表达，又要有效控制棉农自行留种繁种，以免因种子混杂、杀虫效果降低而加速抗性发展。2.2调控外源基因的表达采用调控机制，在外源基因构建时结合特异启动子或诱导表达型启动子调控外源基因在棉花上的表达时间、表达部位、表达效果。甚至控制外源基因是否表达，也可以采用理化因素进行调控。2.2.1使用特异启动子特异启动子可控制抗虫基因在棉株的特定部位（如花蕾、棉铃等）高效表达，保护构成棉花产量的有效器官。减少产量损失，同时减缓对害虫的选择压力，减少棉株对抗虫蛋白的代谢消耗。提高抗性。延缓害虫产生抗性的时间。2.2.2使用诱导表达型启动子当害虫为害棉花时，由于棉株遭到损伤，诱导启动子高效表达。外源基因开始合成杀虫物质，在损伤部位瞬间高浓度积累，从而有效防治害虫。2.2.3采用理化因素调控外源抗虫基因在棉株体内的表达除与启动子关系密切外，还与细胞内外的理化因素有关。有研究表明，在正常情况下转Bt基因烟草并不产生Bt毒素蛋白，当人为喷施水杨酸时，能够启动Bc基因表达产生毒素蛋白。杀死取食植株的害虫。因而可以通过水杨酸启动Bt基因的表达。在害虫压力小的情况下不喷施水杨酸，使Bt基因不能表达，而当害虫达到一定密度时喷施水杨酸使R基因迅速表达，并在较短的时间内积累大量的Bt毒素蛋白，将害虫杀死。由于害虫不经常接触Bt毒素蛋白，从而不易产生抗性和适应性，也可以有效地提高转基因植株的抗虫性及抗性的持久性。2.3设置棉花害虫“庇护所”在转基因抗虫棉种植区间隔种植一定比例的非转基因棉。为靶标害虫的敏感个体提供一个生存繁育的庇护所。因为敏感基因对于延缓害虫种群抗性的发展十分重要，因此在国外己广泛应用庇护所来延缓棉铃虫对Bt基因抗性的产生。我国多数棉区由于采用多种作物混作的耕作制度。实际上己提供了天然的庇护所。但应注意在天然的庇护所中种植寄主作物。禁止使用Bt制剂农药。2.4轮换种植不同类型的转基因棉花品种对一种毒素蛋白产生抗性的害虫不一定对另一种毒素蛋白产生抗性，因此可以分离不同小种的R基因或其它抗虫基因分别导入不同植株体内，以培育出具有不同Bt基因或其它抗虫基因的转单一基因的抗虫棉新品种，然后将这些单抗品种混合在一起作为混系品种种植。这样不仅可以增加抗虫基因的多样性，也可以抑制害虫群体的发展。及时将对某一个抗虫基因产生抗性的害虫消灭在携带有另一种抗虫基因的植株上。此外，也可以将这些转基因再生植株的后代培育成不同的品种或品系，进行轮换种植，在时间上遏制害虫的定向选择，将上年产生抗性的害虫消灭在下年与此不同的转基因抗虫品种或品系中。从而避免了害虫对转基因抗虫棉产生稳定的抗性变异小种或新的生物型。但使用此措施时。应密切注意防止害虫产生交叉抗性。2.5建立转基因棉花害虫综合治理技术体系棉花生长前期害虫为害较轻，自然天敌种类多、数量大，对害虫的控制作用强，应注重保护自然天敌，以生物生态控制为主，化学防治为辅，尽量推迟首次用药时间，减少用药次数和用药量，避免直接杀