第二章-转基因植物的安全性.ppt

生物安全 Biosafety 授课教师 马建华晋中学院生物科学与技术学院 生物安全学 第一章绪论第二章转基因植物的安全性第三章转基因动物的安全性第四章转基因水生生物的安全性第五章动 植物用转基因微生物的安全性第六章兽用基因工程生物制品的安全性第七章转基因食品的安全性第八章生物多样性的安全性第九章实验室生物安全第十章生物恐怖的危害和防御 第二章转基因植物的安全性 第一节转基因植物概况第二节转基因植物安全性评价的必要性和可能引起的生态风险第三节转基因植物安全性评价概况第四节主要转基因植物的安全性评价第五节转基因植物的安全管理 2 3 4 5 第一节转基因植物概况 第二章转基因植物的安全性 1 转基因植物简介2 转基因作物的应用情况3 抗除草剂转基因植物4 抗虫转基因植物 5 抗病转基因植物6 抗逆转基因植物7 转基因植物的优势 1 转基因植物简介 转基因植物 GMP 是指采用基因工程手段将外源基因 动物 微生物 或其他植物 导入受体植物细胞 并由重组体细胞再生而成的植物体 转基因植物也称基因修饰植物 1 转基因植物简介 1 转基因植物简介 1983年 世界上首例转基因植物问世 抗除草剂转基因烟草 1986年最早进行田间试验的转基因植物 抗除草剂转基因棉花 1996年是全球转基因作物商业化种植元年 美国 抗除草剂大豆 转基因植物的研究 1 转基因植物简介 全球已在200多种植物中实现转基因 包括 粮食作物 经济作物 蔬菜 瓜果 花卉 牧草 树木等 成功转化的基因有 抗除草剂基因 抗虫基因 抗病基因 抗逆基因 品质改良基因 雄性不育基因 迟熟基因和改变花色基因等数十种 选育的转基因品种有 丰产 优质 抗病 抗虫 抗除草剂 抗寒 抗早 耐盐碱等优良性状的新品种 2 转基因作物的应用情况 1996 2012全球转基因作物种植面积的发展状况 2012年全球主要转基因作物的应用比例 百万公顷 2 转基因作物的应用情况 中国转基因植物应用的现状我国从上世纪90年代开始转基因植物的研发和应用 实现从跟踪 仿制 自主创新 产业化的跨越 走在发展中国家的前列 目前自主克隆的基因已超过400个 其中抗虫基因约50个 抗病基因近60个 抗逆基因160多个 生长发育相关基因近80个 品质与产量相关基因70多个 抗除草剂基因4个 共申请专利300多项 2010年 我国共种植转基因植物350万公顷 主要有 棉花 木瓜 白杨 蕃茄和甜椒等 其中抗虫棉种植面积占全国棉花总种植面积的66 转基因种植大国 美国 加拿大 巴西 阿根廷 中国 2 转基因作物的应用情况 转基因植物的产业化 可以提高作物产量 品质和节约大量劳力 而带来巨大的经济效益和社会效益 种转基因抗病虫和抗逆 耐 植物可减少除草剂 杀虫剂的使用 有利于改善农业生态环境和农产品安全 3 抗除草剂转基因植物 世界上首例转基因植物即抗除草剂转基因烟草 抗除草剂转基因植物是最先进入田间生产的转基因植物 也是目前栽培面积最大的一类转基因农作物 如抗草甘膦的大豆 油菜 甜菜 玉米 抗溴苯腈的烟草 棉花等 3 抗除草剂转基因植物 除草剂的应用研究情况抗除草剂转基因植物的抗性机理主要抗除草剂转基因植物抗除草剂的毒害机理和抗性机理 3 抗除草剂转基因植物 除草剂的应用研究情况全世界每年因杂草造成的作物产量损失约占作物总产量的11 1942年发现化学除草剂2 4 D 有效除草 提高粮食产量 除草剂是指能杀死田间杂草的化学药剂 化学除草剂 选择性除草剂 可在一定剂量范围内杀死杂草而对作物无害或低毒 可在特定农田中防除部分杂草 如2 4 D对禾谷类杂草有作用 灭生性除草剂 能杀死作物和杂草 只能用于种植前除草 定向除草或树下除草 例 草甘膦 任何除草剂的过量使用都有可能对作物产生毒害和残留 包括土壤残留 3 抗除草剂转基因植物 利用基因工程技术将抗除草剂基因转入植物中表达而形成的转基因植物 赋予了抗某种除草剂的特性 称为抗除草剂转基因植物 种植抗除草剂转基因植物的农田可在生长期间较高剂量地使用除草剂 种植抗除草剂转基因植物 可简化除草作业 提高产量 并有利于推广少耕或免耕技术 从而保护土壤 节约能源 肥料和灌溉用水 具有明显的经济效益和一定的生态效益 3 抗除草剂转基因植物 1983年 首次获得抗除草剂转基因烟草 1996年 抗除草剂转基因作物商业化种植 2010年 抗除草剂转基因作物种植面积为61 目前抗除草剂转基因作物有 玉米 大豆 油菜 棉花等300多种植物 除草剂种类 草甘磷 草丁膦 阿特拉津 2 4 D等十多种 我国最早抗除草剂转基因作物 抗阿特拉津大豆 目前获得抗2 4 D棉花 抗草铵膦水稻等 3 抗除草剂转基因植物 抗除草剂转基因植物的抗性机理 提高靶标酶或靶标蛋白基因的表达量 使靶标酶或靶标蛋白受被除草剂结合后仍有相当浓度的靶标物存在于植物体内 从而产生除草剂耐性 除草剂毒害机理 除草剂 靶标酶植物细胞死亡提高靶标酶表达量来增加植物对除草剂的抗性 3 抗除草剂转基因植物 抗除草剂转基因植物的抗性机理 通过基因突变产生对除草剂不敏感的靶标酶或靶标蛋白异构体 使其不能与除草剂结合 但生物活性不降低 因而对除草剂具有抗性 除草剂毒害机理 除草剂 靶标酶植物细胞死亡靶标酶突变异构酶 不与除草剂结合 3 抗除草剂转基因植物 抗除草剂转基因植物的抗性机理 抗除草剂基因表达产生能降解除草剂的酶或酶系统 将除草剂分解为无毒或低毒的代谢产物 或在一定程度上降低甚至消解除草剂的危害 除草剂代谢物 酶 酶基因导入植物 3 抗除草剂转基因植物 主要抗除草剂转基因植物抗除草剂的毒害机理和抗性机理 草丁膦的毒害机理和抗草丁膦的抗性机理 草甘膦的毒害机理和抗草甘膦的抗性机理 3 抗除草剂转基因植物 草丁膦的毒害机理和抗草丁膦的抗性机理草丁膦 PPT 灭生性除草剂毒害机理 L 草丁膦抑制GS活性NH4 积累植物细胞生长受抑而死亡 L 谷氨酸结构类似物 抗性机理 将Bar基因转入植物 即获得抗草丁膦转基因植物L 草丁膦 PPT 乙酰辅酶APAT乙酰PPT PPT活性丧失 L 草丁膦 D 草丁膦 没有除草活性 Bar基因编码 PPT乙酰转移酶 3 抗除草剂转基因植物 草甘膦的毒害机理和抗草甘膦的抗性机理草甘膦 灭生性除草剂 优点 高效 低毒 低残留 商业价值高缺点 被植物吸收后导致根茎腐烂 植株死亡 3 抗除草剂转基因植物 抗性机理 毒性机理 EPSPS 磷酸烯醇式丙酮酸莽草酸合成酶 芳香族氨基酸合成的关键酶草甘膦抑制EPSPS活性积累莽草酸氨基酸合成受阻 植物死亡 转入经过突变的靶酶基因即EPSPS突变不与草甘膦 转入过量表达的靶酶基因即EPSPS浓度大量增加 转入草甘膦代谢酶基因即降解草甘膦 抗除草剂作物比较 4 抗虫转基因植物 抗虫转基因植物的研究和应用情况抗虫转基因植物的抗性机理 4 抗虫转基因植物 抗虫转基因植物的研究和应用情况 虫害是农业的第一危害 引起作物产量下降 品质降低 而杀虫剂的使用增加成本 污染环境 苏云金芽孢杆菌 Bt 在芽孢形成过程中 能产生杀虫晶体蛋白 ICP 对鳞翅目 鞘翅目 双翅目等昆虫有毒杀作用 专一性强 效果好 对人畜安全 将苏云金芽孢杆菌 Bt 毒蛋白基因转入植物中表达 所产生的转基因植物细胞能产生毒蛋白 表现出抗虫性 称为转基因抗虫植物 4 抗虫转基因植物 1987年美Agracetus公司首获转Bt基因抗虫棉 1995年获美环保局批准登记进入商业化生产 我国为产棉大国 但棉铃虫一直困扰着棉农 1993年 我国成功研发了转基因抗虫棉 是第二个获得抗虫转基因的国家 已获转Bt基因抗虫棉的国家有 美 中 澳 埃 法 印 俄 泰等8国 我国种植面积最大 玉米螟危害玉米生产 我国是玉米螟多发重发区 1996年美国抗虫转基因玉米进入大田生产 水稻二化螟 三化螟严重 浙农成功获得抗虫水稻 由中国农科院生物工程中心开发的Bt棉对棉铃虫有显著的抗性 与对照相比减少农药用量80 并减少用工150个 hm2 以上两者可使每公顷节省1500元 Bt转基因棉种深受棉农的欢迎 由中国农科院生物工程中心开发的Bt棉对棉铃虫有显著的抗性与对照相比减少农药用量80 并减少用工150个 hm2 以上两者可使每公顷节省1500元 转基因抗虫杨树 4 抗虫转基因植物 抗虫转基因植物的抗性机理 Bt毒蛋白Bt毒蛋白 ICP 由N端活性片段和C端结构片段构成 称为原毒素 为碱溶性蛋白 被敏感昆虫取食后 由于其肠道的碱性条件 ICP受消化酶的作用 产生有活性的毒性肽 作用于昆虫中肠上皮细胞 与膜上特异受体结合 使细胞膜穿孔 细胞结构受破坏而丧失吸收功能 最终导致昆虫死亡 4 抗虫转基因植物 抗虫转基因植物的抗性机理 蛋白酶抑制剂基因蛋白酶抑制剂是由植物组织细胞产生的一类天然蛋白质 蛋白酶抑制剂能与蛋白酶的活性部位特异性结合 抑制其催化活性 当植物组织受损伤时 细胞内蛋白酶抑制剂的表达量剧增 抗性机理 昆虫取食植物组织 植物组织中的蛋白酶抑制剂增加 与其消化道中的蛋白酶特异结合 抑制蛋白酶活性 影响昆虫对食物中蛋白质的消化吸收 扰乱昆虫的正常代谢 导致其发育异常 最终致死 4 抗虫转基因植物 抗虫转基因植物的抗性机理 外源凝集素外源凝集素是一组广泛存在于植物组织中的蛋白质 在不同植物分布不同 豆科植物较多 植物的不同器官中的含量有一定差异 以种子中含量最高 根茎叶较低 抗性机理 植物组织被昆虫取食后 外源凝集素在消化道释放出来 与肠道围食膜上的糖蛋白结合 影响昆虫的营养吸收 此外 外源凝集素还可诱发昆虫消化道的病灶 促进肠道细菌的增殖 对虫体造成危害 外源凝集素对人畜有毒副作用 所以应用少 豌豆和雪花莲的外源凝集素对人毒性极低 对昆虫强毒 因而受到重视 5 抗病转基因植物 抗病转基因植物的研究和应用情况抗病转基因植物的抗性机理 5 抗病转基因植物 植物病害的病原生物包括真菌 细菌 病毒 支原体和线虫等 植物病害可导致植物体组织细胞受损 新陈代谢异常 生长发育不正常 种性退化等症状 严重的可导致死亡 在农业生产上 植物病害可引起严重减产 品质降低 使用农药成本增加 污染环境 农药残留影响人们健康 病原菌抗性基因导入植物 表达产生抗性物质 杀死病原菌 5 抗病转基因植物 1986年获得第一株抗烟草花叶病毒烟草 主要抗病毒转基因植物有 抗烟草花叶病毒烟草 抗马铃薯卷叶病毒的马铃薯 抗花叶病毒番茄 抗枯萎病棉花 抗黄萎病 纹枯病 根腐病的小麦等 目前商业化种植主要为抗病毒转基因植物 即抗病毒马铃薯 抗病毒烟草 番茄 甜椒和番木瓜 5 抗病转基因植物 抗病基因 来于植物自身特定品种中 在植物生长发育的某个阶段或全生长期组成型表达 其表达产物能抑制病原生物的生长或消解病原毒素的作用 目前克隆的抗病基因有 抗玉米圆斑病 抗亚麻锈病 抗水稻白叶枯病 抗小麦叶锈病 抗大麦黄萎病等48个抗病基因 遭到玉米螟侵害和真菌感染的普通玉米 左 与Bt玉米 右 5 抗病转基因植物 抗病转基因植物的抗病机理 抗真菌病害的机理 抗细菌病害的机理 抗病毒病害的机理 5 抗病转基因植物 抗病转基因植物的抗病机理 抗真菌病害的机理 病程相关蛋白 PR 基因 植物液泡内分泌PR蛋白 PR蛋白为水解酶 可水解几丁质酶和 1 3葡聚糖 几丁质酶和 1 3葡聚糖为真菌细胞壁的主要组分 许多植物含有PR蛋白基因 马铃薯 烟草 水稻 菜豆等 克隆PR基因 转化 抗病转基因植物 抗真菌病害 5 抗病转基因植物 抗病转基因植物的抗病机理 抗真菌病害的机理 核糖体灭活蛋白 RIP 基因 RIP蛋白破坏真核或原核细胞核糖体大亚基RNA 抑制蛋白质合成 对真菌核糖体起作用 但不作用自身核糖体 许多植物含有RIP蛋白基因 大麦 小麦 玉米胚乳中 克隆RIP基因 转化 抗病转基因植物 抗真菌病害 5 抗病转基因植物 抗病转基因植物的抗病机理 抗真菌病害的机理 植物凝集素蛋白基因 凝集素特异结合几丁质酶许多植物含有凝集素蛋白基因 雪花莲 大蒜 洋葱等 克隆凝集素蛋白基因 转化 抗病转基因植物 抗真菌病害 5 抗病转基因植物 抗病转基因植物的抗病机理 抗真菌病害的机理 植物次生代谢关键酶基因 植物保卫素植物保卫素 简称植保素 植物遭受病原物侵染后或受到物理和化学因子刺激后 产生并积累的低相对分子质量的抗菌性次生代谢产物 它们大多为类帖或黄酮类化合物 已发现150多种植保素 豆科 菊科 茄科植物中较多 导入植保素合成关键酶基因 提高植物体植保素的合成 可以增强抗真菌病害的能力 5 抗病转基因植物 抗病转基因植物的抗病机理 抗真菌病害的机理 真菌酶 毒素抑制剂基因 植物病原菌的毒素和降解酶是最重要的致病因子降解毒素和酶的基因从微生物中分离 克隆降解毒素和酶的基因 转化 提高植物抗病性 5 抗病转基因植物 抗病转基因植物的抗病机理 抗细菌病害的机理抗菌肽分子可以在细菌细胞质膜上穿孔形成离子孔道 造成细菌细胞膜结构破坏 引起细胞内水溶性物质大量渗出 而最终导致细菌死亡 溶菌酶溶解细菌细胞壁的肽葡聚糖 克隆抗菌肽和溶菌酶基因导入植物 提高植物抗细菌病 5 抗病转基因植物 抗病转基因植物的抗病机理 抗病毒病害的机理 病毒外壳蛋白介导的基因工程抗病性 外壳蛋白是形成病毒颗粒的结构蛋白 它的功能是将病毒基因组核酸包被起来 保护核酸与宿主互相识别 决定宿主范围 并参与病毒的长距离运输等 导入外壳蛋白基因可以提高植物抗病毒病 目前转入的病毒外壳蛋白基因有 黄瓜花叶病毒 苜蓿花叶病毒 大豆花叶病毒等 5 抗病转基因植物 抗病转基因植物的抗病机理 抗病毒病害的机理 复制酶介导的基因抗病性 源于病毒的复制酶基因干扰病毒的复制 导入复制酶基因可以提高植物抗病毒病 卫星RNA介导的抗病性 卫星RNA和病毒RNA竞争复制酶 从而干扰病毒基因组的复制 1981年 首次国际开展了利用卫星RNA防治病毒病害的研究工作 黄瓜花叶病毒卫星RNA作为生物防治因子能有效地防治由强毒株系花叶病毒引起的严重病害 5 抗病转基因植物 抗病转基因植物的抗病机理 抗病毒病害的机理 失活的病毒运动蛋白介导的抗病性 植物病毒侵染宿主植物后在体内的运动 需要病毒编码的蛋白参与 这种蛋白称为运动蛋白 利用编码失活的病毒移动蛋白基因 干扰病毒的扩散和移动 提高植物抗病性 病毒基因反义RNA介导的抗病性 反义RNA抑制病毒基因的复制 剪接和表达 如 马铃薯卷叶病毒的反义RNA转入植物中 得到抗卷叶病毒植物 第一节转基因植物概况 第二章转基因植物的安全性 1 转基因植物简介2 转基因作物的应用情况3 抗除草剂转基因植物4 抗虫转基因植物 5 抗病转基因植物6 抗逆转基因植物7 转基因植物的优势 6 抗逆转基因植物 逆境 对植物生存与发育不利的各种环境因素的总称 逆境种类 干旱 盐碱 低温 热害 营养胁迫 重金属污染等 危害 严重制约粮食生产培育抗逆境作物品种尤为重要 6 抗逆转基因植物 困难 植物的抗逆特性是由多基因控制的数量性状 其生理生化过程是基因间相互协调作用的结果 这无疑给研究植物抗逆基因表达调控的带来困难 克隆逆境相关基因 逆境胁迫下 基因之间通过信号传导作用 启动某些基因适时表达 从而抵抗逆境 目前已分离出的抗逆相关基因有 鱼抗冻蛋白基因 抗旱苜蓿 抗旱水稻 小麦 大豆 耐盐碱玉米 烟草 小麦等 主要研究思路 转基因抗盐碱玫瑰 第一节转基因植物概况 第二章转基因植物的安全性 1 转基因植物简介2 转基因作物的应用情况3 抗除草剂转基因植物4 抗虫转基因植物 5 抗病转基因植物6 抗逆转基因植物7 转基因植物的优势 7 转基因植物的优势 改良植物性状 打破物种间的生殖隔离 实现无障碍基因重组 产生新性状 如 远缘杂交不亲和改善植物产品品质 获得本物种所不具备的蛋白质 氨基酸 脂肪酸 糖成份等 如 小麦高分子量麦谷蛋白基因改善小麦烘烤品质改良花色 新花叶颜色 荧光色等如 牵牛花 玫瑰等 美国转基因牵牛花 日本转基因黄色牵牛花 非转基因玫瑰 转基因蓝玫瑰 漂亮的转基因荧光鱼 红色的是转入了红珊瑚的红色荧光蛋白基因 而绿色的是转入了水母的绿色荧光蛋白基因 转入了萤火虫的荧光素酶基因能发光的烟草 7 转基因植物的优势 生物反应器 培养细胞分离次生代谢物 生产药品 酶制剂 以及其他生物制品 转基因玉米生产鸡蛋抗生素白蛋白 转基因植物生产乙肝疫苗 链球菌表面蛋白疫苗等 利用转基因植物生产糖类物质 可降解塑料等 改良产品货架期和贮运品质 迟熟蕃茄 转基因酵母合成青蒿素 第二节转基因植物安全性评价的必要性和可能引起的生态风险1 安全性的含义2 安全性评价的必要性3 转基因植物的生态风险 第二章转基因植物的安全性 1 安全性的含义 安全性 是指某一事物或事件在一定条件下所造成的危害程度 是否危险 危险性多大 和公众对风险的接受程度 安全性评价 是对某一事物或事件的安全性进行权衡 了解是否有害 发生概率和危害的可接受程度 2 安全性评价的必要性 转基因植物中导入的外源基因通常来源于非近缘物种 甚至是人工合成的基因 由于受到基因相互作用 基因多效性等因素的影响 目前的科学水平很难精确预测外源基因在新的遗传背景中可能产生的表型效应和副作用 也不了解其对健康和环境会产生的影响 大量转基因农作物进入商业化阶段 其大面积释放可能使得原先小范围内不太可能发生的潜在危险得以表现 如通过基因流破坏生态平衡 2 安全性评价的必要性 已有的生物安全管理法规还不完善 有必要通过客观的 全面的对转基因植物进行安全评估 为相关法规的制定和执行提供充分的依据 消除疑虑 普通百姓对生物技术缺乏了解 对生物技术产品持保留态度 存在各种各样的疑问 因此要通过安全性评估研究 证明转基因植物的研究与产业化是建立在科学的基础上 在严格的管理 监督下安全地进行 第二节转基因植物安全性评价的必要性和可能引起的生态风险1 安全性的含义2 安全性评价的必要性3 转基因植物的生态风险 第二章转基因植物的安全性 3 转基因植物的生态风险 转基因植物的杂草化转基因植物的基因漂移对非目标生物的影响转基因成分对土壤生态系统的影响目标害虫对抗虫转基因植物的抗性抗病毒转基因植物引起的潜在的生态风险转基因植物的其他安全性问题 3 转基因植物的生态风险 转基因植物的杂草化 杂草 杂草是适应人工环境 持续危害栽培植物和耕作的非目标栽培植物的统称 杂草 是指非人为种植 对人类而言其不利性多于有利性的一类植物 危害 和作物竞争水分 养分 光照等 影响作物生长 产量等 3 转基因植物的生态风险 杂草的特点 旺盛而顽强的生命力 抗逆性和繁殖力极强 环境适应性强 能在许多不同环境下萌发生长 可塑性大 在不同生境下的生长发育和繁殖可自我调节 保证种子形成 繁衍的复杂性和强势性 结实量惊人 种子寿命长 种子的成熟度和萌发期参差不齐 种子能长期保持活力 繁殖方式多样 再生能力强 种子具有远近不同距离的传播能力 3 转基因植物的生态风险 杂草化是原本自然分布或被栽培的植物在人工生境中演化成为杂草的过程 转基因植物由于导入新基因 有可能改变其生存竞争力 或产生更强的抗逆性和适应性 释放到环境中如果管控不当 就有可能演化为杂草 1998年 在加拿大艾伯塔省的转基因油菜田间发现了同时还有抗草甘膦 抗草丁膦和抗咪唑膦酮类3种除草剂的油菜自生苗 1999 2002年发现油菜自生苗 杂草化两种观点 杂草化不可能杂草化需要生物安全评估个案原则进行详细评估 提供科学依据 3 转基因植物的生态风险 转基因植物的杂草化转基因植物的基因漂移对非目标生物的影响转基因成分对土壤生态系统的影响目标害虫对抗虫转基因植物的抗性抗病毒转基因植物引起的潜在的生态风险转基因植物的其他安全性问题 3 转基因植物的生态风险 转基因植物的基因漂移 基因漂移或转基因逃逸 指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 基因漂移通过以下三种方式实现 种子传播近距离漂移 花粉传播即有性杂交远距离漂移主要途径 非有性杂交即水平基因转移 3 转基因植物的生态风险 转基因植物的基因漂移 花粉传播是转基因植物外源基因漂移的主要途径 植物花粉可以借助风 昆虫 鸟 野生动物和流水或在运输过程中发生漂移 开花植物中普遍存在 通过花粉传播发生花粉污染的问题 近年来对转基因植物的研究证实 油菜 甘蔗 莴苣 向日葵 草莓 马铃薯 玉米 棉花水稻和谷子等转基因植物 均可通过花粉传播 使外源基因发生向近缘种或杂草基因转移 3 转基因植物的生态风险 转基因植物的基因漂移 转基因植物携带抗性基因的花粉漂移到近缘种中就会破坏生物的遗传多样性 有些作物的近缘种是危害很大的杂草 如果这些杂草由于接受了抗性基因 特别是抗除草剂基因 而提高了适合度 他们就可能变为极难防治的害草 给农田杂草防除带来新的难题 因此在转基因作物田间释放前对其潜在的基因漂移作出正确的评估是非常必要的 3 转基因植物的生态风险 转基因植物的基因漂移 发生基因漂移的基本条件 亲和性 亲缘关系越近的植物 亲和性就越好 同种植物之间的亲和性最好 其次是同属植物 同科植物有时也有一定的亲和性 但相对较差 花期一致和近距离 杂交或回交后代的适合度 3 转基因植物的生态风险 转基因植物的杂草化转基因植物的基因漂移对非目标生物的影响转基因成分对土壤生态系统的影响目标害虫对抗虫转基因植物的抗性抗病毒转基因植物引起的潜在的生态风险转基因植物的其他安全性问题 3 转基因植物的生态风险 对非目标生物的影响 对传粉昆虫的影响 研究报道较少蜂类作用 传粉 影响作物产量和质量 蜂类受影响即造成重大经济损失 影响生态系统的多样性和稳定性 蜂类取食转基因植物的花粉 花蜜 对花粉和花蜜的营养价值是否改变 是否产生蜂类不喜欢的有害物质 从而影响蜂类的生长和传粉 3 转基因植物的生态风险 对非目标生物的影响 对天敌昆虫的影响 转基因植物影响农业生态系统中有益天敌生物的种类和种群数量 多数研究表明 转基因抗虫作物对寄生性天敌有不良影响 严重影响寄生性天敌的寄生率 羽化率和分茧质量等 也有研究表明 转基因抗虫棉对棉花捕食性天敌种群数量的影响不太明显 3 转基因植物的生态风险 对非目标生物的影响 对次要害虫的影响 由于转基因抗虫植物使主要害虫受抑制 导致次要害虫的数量增加 多年的观察表明 在转基因抗虫棉田中次要害虫的发生较非转基因棉田中严重 如 棉蚜 白粉虱 甜菜夜蛾 棉叶蝉等 对非靶标生物影响 指转基因抗除草剂植物的应用导致除草剂使用增加 杀灭杂草后 导致野生植物多样性降低 以其为食的昆虫 鸟类 爬行类和哺乳动物成为受害者 3 转基因植物的生态风险 转基因植物的杂草化转基因植物的基因漂移对非目标生物的影响对土壤生态系统的影响目标害虫对抗虫转基因植物的抗性抗病毒转基因植物引起的潜在的生态风险转基因植物的其他安全性问题 3 转基因植物的生态风险 转基因成分对土壤生态系统的影响 转基因植物影响土壤生物 动 植物和微生物 群落的结构 最终导致土壤生态系统功能的改变 种植转基因植物后 留在土壤中的植物残体和植物根系分泌物在一定程度上影响土壤微生物的数量 转基因植物残体 成份变化 也可能影响土壤中或地表上取食动物的代谢和生长发育 地表动植物 土壤动物和微生物的变化直接或间接影响土壤理化特性 土壤理化特性的变化导致土壤生态系统结构和功能的变化 在转基因植物对土壤生态系统的影响研究中 最多的是对土壤微生物的影响 3 转基因植物的生态风险 转基因植物的杂草化转基因植物的基因漂移对非目标生物的影响转基因成分对土壤生态系统的影响目标害虫对抗虫转基因植物的抗性抗病毒转基因植物引起的潜在的生态风险转基因植物的其他安全性问题 3 转基因植物的生态风险 目标害虫对抗虫转基因植物的抗性 目标害虫的抗虫转基因植物是否能产生抗性以及产生抗性所需时间的长短 决定了这种转基因植物的寿命 一旦目标害虫对该种转基因植物产生了抗性 也就意味着这种抗虫转基因将对靶标害虫不起作用 从而导致该抗虫转基因植物和所用目的基因失效 将造成巨大的损失 1985年 首次在室内发现鳞翅目储粮害虫印度谷斑螟对Bt商品制剂产生抗药性 研究表明 已经有10余种昆虫对Bt蛋白和Bt抗虫植物产生了抗性 这充分证明了害虫具有对Bt毒素产生抗性的潜在风险 3 转基因植物的生态风险 转基因植物的杂草化转基因植物的基因漂移对非目标生物的影响转基因成分对土壤生态系统的影响目标害虫对抗虫转基因植物的抗性抗病毒转基因植物引起的潜在的生态风险转基因植物的其他安全性问题 3 转基因植物的生态风险 抗病毒转基因植物引起的潜在的生态风险 大多数植物病毒是单链RNA的病毒 病毒之间的重组或相似核苷酸之间的交换 都可能导致新病毒产生 在抗病毒转基因植株中 会发生转入的病毒外壳蛋白基因和感染病毒的相关基因之间重组核苷酸 可能产生新的病毒 已经有研究报道 在室内花椰菜花叶病毒与转基因萝卜基因组中的花椰菜花叶病毒基因发生了重组 3 转基因植物的生态风险 转基因植物的杂草化转基因植物的基因漂移对非目标生物的影响转基因成分对土壤生态系统的影响目标害虫对抗虫转基因植物的抗性抗病毒转基因植物引起的潜在的生态风险转基因植物的其他安全性问题 3 转基因植物的生态风险 转基因植物的其他安全性问题 对农田杂草群落的影响 除草剂使用后使出苗杂草被杀死 但未出苗种子不受损害 导致后期杂草群落的变化 重复多次使用同类除草剂会诱发杂草的抗药性 抗除草剂基因的漂移可能会产生抗除草剂的杂草 推广抗除草剂转基因植物可能增加除草剂的使用 加重对环境的污染 转基因植物产品特别是食品对人体健康的风险 第三节转基因植物的安全性评价概况1 转基因植物安全性评价简介2 转基因作物杂草化的安全性评价3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 第二章转基因植物的安全性 1 转基因植物的安全性评价简介 依据我国 农业转基因生物安全评价管理办法 对转基因植物的安全性实行分级评价和管理 农业转基因生物安全评价管理办法 第二章第九条规定 按照转基因植物对人 动植物 微生物和生态环境的危险程度 从不存在危险 低度危险 中度危险至高度危险 分为四个安全等级 转基因植物安全性评价内容主要包括 受体植物的安全性评价 基因操作的安全性评价 转基因植物的安全性评价和转基因植物产品的安全性评价 1 转基因植物的安全性评价简介 受体植物的安全性评价基因操作的安全性评价转基因植物及其产品的安全性评价 1 转基因植物的安全性评价简介 受体植物的安全性评价 受体植物的背景资料 受体植物的生物学特性 受体植物的生态环境 受体植物遗传变异性及其可能对人体健康和生态环境的不利影响 1 转基因植物的安全性评价简介 基因操作的安全性评价 目的基因性状表现 基因 性状与功能的关系 目的基因的物理图谱和遗传图谱 对受体植物其他基因功能作用的影响 插入 删除 序列及其大小和结构 所在基因组及其定位 拷贝数 载体的名称 来源 结构 特性 安全性 漂移性 以及演变为致病性的可能性 载体上标记基因 报告基因 酶切位点 表达和调控序列 插入序列表达的资料 表达的器官和组织 表达量及表达的稳定性 表达产物的生物活性 1 转基因植物的安全性评价简介 转基因植物及其产品的安全性评价 转基因植物的安全性 转基因植物产品的安全性 对人体健康的影响包括 致病性 致敏性 营养性 是否存在抗营养因子 抗生素抗性 等等 第三节转基因植物的安全性评价概况1 转基因植物安全性评价简介2 转基因作物杂草化的安全性评价3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 第二章转基因植物的安全性 2 转基因植物杂草化安全性评价 三步式评价法转基因植物杂草化的风险评估 第一步转基因作物的亲本作物是否具有杂草特性亲本作物是否是杂草或在某一国家某一地区有其近缘杂草物种 是否 较高风险性较低风险或无风险 进入第二步进入第二步 标准的实验评估 简化的实验评估 三步式评价法 第二步转基因植物生态上的行为表现分析 转基因作物与亲本作物对照相比是否具有更高的生态上的行为表现 种群替代实验 具有不具有 较高风险较低风险 对其商业化生产作分析结束重新考虑或进入第三步 2 转基因植物杂草化安全性评价 种群替代 指当年种群被自已产生后代或被另一类更有活力植物后代所取代的过程 种群替代实验可检验转基因植物种群自身被替代的频率和种群种子库的持久性 净替代率R 后代产生的种子数 播种的种子数若R 1 则种群不能自我更新维持 需人工种植若R 1 则种群刚好能够自我更新维持若R 1 则种群能自我扩增维持种子半衰期 H 指达到种子库中有一半种子死亡或只有一半种子萌发时所需要的时间 H大则种子活力强 适应性强 风险就大 第三步转基因植物的杂草化趋势是否增加 杂草实验 较高风险较低风险 是否 对其商业化生产作分析结束重新考虑或进入第三步 2 转基因植物杂草化安全性评价 三步式评价法转基因植物杂草化的风险评估 2 转基因植物杂草化安全性评价 转基因植物杂草化的风险评估生存竞争力 竞争力 与受体品种和当地常规品种相比较的萌发率和生长势 强则杂草化潜力大 繁殖能力 包括结实率和无性繁殖能力 繁殖能力越强则其种群替代能力也越强 在野生环境和人工生境中的持续性 转基因植物能否在不同生境中自生繁衍是其杂草化潜力的重要因素 落粒性及种子在土壤中的存活时期 杂草具有果实种子成熟期相差较大 边成熟边落粒 种子在土壤中保持长时期活力的特性 适应性和抗 耐 逆性 杂草的适应性和抗 耐 逆性是否强于栽培植物 第三节转基因植物的安全性评价概况1 转基因植物安全性评价简介2 转基因作物杂草化的安全性评价3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 第二章转基因植物的安全性 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 转基因植物花粉传播距离的测定转基因植物和野生近缘种的杂交结实研究基因渗入转基因作物花粉漂移的三步评估法鉴定转基因存在的方法 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 大多转基因植物都用的组成型启动子 所以外源基因在所以组织和器官中均表达 转基因植物花粉传播距离的测定 确定安全距离和设置隔离带的依据 研究传粉距离的方法 直接观察法 诱饵植物检测法 计算每天每立方米空气中的花粉粒数量收集器花粉量 收集器面积 风速 时间 收获成熟的诱饵植物种子 分析其中转基因存在的频率 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 转基因植物花粉传播距离的测定转基因植物和野生近缘种的杂交结实研究基因渗入转基因作物花粉漂移的三步评估法鉴定转基因存在的方法 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 转基因植物与野生近缘种杂交结实率研究转基因植物 野生近缘种杂交一代三种方法检测能否形成杂交一代 杂交亲和性 杂交结实率 杂种后代育性 人工授粉条件下的杂交亲和性研究野生近缘种人工去雄 套袋 人工授粉 套袋防串粉 收获杂交种子 计算杂交结实率若杂交结实率 自交结实率则亲和性好亲和性指数 饱满种子粒数 授粉花蕾数 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 转基因植物与野生近缘种杂交结实率研究转基因植物 野生近缘种杂交一代三种方法检测能否形成杂交一代 杂交亲和性 杂交结实率 杂种后代育性 人工授粉条件下的杂交亲和性研究野生近缘种人工去雄 套袋 人工授粉 套袋防串粉 收获杂交种子 计算杂交结实率若杂交结实率 自交结实率则亲和性好亲和性指数 饱满种子粒数 授粉花蕾数 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 胚胎抢救 克服杂交不亲和性人工授粉后子房离体培养技术 杂种杂种人工授粉后胚珠离体培养技术 幼苗 育性人工授粉后幼胚离体培养技术 鉴定观察 开放授粉 抗性基因流动率估算转基因植物与野生近缘种混合种植 收集野生转基因植物与野生近缘种隔行种植 近缘植物野生近缘植物围绕转基因植物种植 全部种子携抗性基因株数抗性基因流动率计算 流动率 被检则的植株数 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 转基因植物花粉传播距离的测定转基因植物和野生近缘种的杂交结实研究基因渗入转基因作物花粉漂移的三步评估法鉴定转基因存在的方法 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 基因渗入基因渗入 转基因及其控制的性状从转基因植物进入非转基因植物的过程 向转基因植物近缘野生种的基因渗入 决定于 转基因植物与野生近缘种的杂交和回交只有实现杂交一代存活高才有可能基因渗入 通过多次回交可使转基因向近缘野生种扩散 杂交和回交后代适合度较高时基因漂移才稳定 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 杂交和回交后代的适合度适合度 实际上就是一种 类 生物与其他生物相比较时的竞争力 可分为营养适合度和生殖适合度 营养适合度 种子萌发 生长势 营养体 光合能力 生殖适合度 开花结实 花粉活力 种子数 种子活力 后代生殖适合度与野生种自身适合度比较 大于等于1则生存定植率高 对生态环境影响大 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 转基因植物花粉传播距离的测定转基因植物和野生近缘种的杂交结实研究基因渗入转基因作物花粉漂移的三步评估法鉴定转基因存在的方法 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 转基因作物花粉漂移的三步评估法 基因流分析 转基因能否流向近缘种杂草 野生杂草转入基因后的生态行为分析 转基因的杂草植株的杂草化实验 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 基因流分析 转基因能否流向近缘种杂草转基因植物与近缘杂草能否具备有性生殖能力是否存在与转基因植物有杂交亲和性的近缘种转基因植物与近缘种授粉方式是否利于基因流出入转基因植物与近缘种是否花期相遇转基因植物与近缘种传粉方式是否相同转基因植物与近缘种在田间条件下能否自然异花传粉 受精并产生有活力的可育后代间隔种植 收集种子 寻杂种种子 确定杂交率 杂种活力 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 野生杂草转入基因后的生态行为分析转入基因后在种群替代实验中是否比原杂草有更好的表现 否 风险较低 终止分析 是 风险较高 重新考虑其商业应用或进入第三步 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 转基因的杂草植株的杂草化实验是否在生态上有强的行为表现 杂草化趋势是否增加 是 风险较高 重新考虑其商业应用 否 风险较低 分析终止 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 转基因植物花粉传播距离的测定转基因植物和野生近缘种的杂交结实研究基因渗入转基因作物花粉漂移的三步评估法鉴定转基因存在的方法 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 鉴定转基因存在的方法 生物学性状检测 简便快速 粗略判断用抗性条件 除草剂 害虫 逆境 检测植物体或幼苗的抗性 等位酶分析 用酶学方法检测植物组织是否存在转基因所表达的特异酶活性 确定杂种后代植株 具有父 母本酶带 生物学性状检测 3 转基因植物抗性基因漂移的安全性评价 细胞遗传学检测 检查是否存在杂种核型 血清学检测 通抗原抗体反应检查是否存在转基因表达产物 蛋白质或酶 分子生物学检测 用PCR或分子杂交方法 检测是否存在转基因的DNA序列 酶学检测 DNA检测 第四节主要转基因植物的安全性评价1 转基因水稻的安全性评价2 转基因油菜的安全性评价3 转基因棉花的安全性评价4 转基因大豆的安全性评价 第二章转基因植物的安全性 1 转基因水稻的安全性评价 水稻虽是自花受粉作物 且花粉散落后其活力持续时间较短 漂移可能性小 但仍存在基因漂移可能 与杂草稻的基因漂移与野生稻的基因漂移与杂草的基因漂移 1 转基因水稻的安全性评价 与杂草稻的基因漂移 杂草稻又称杂草型稻或水稻杂种系 与栽培稻同属同种 在东南亚已成为最普遍的稻田杂草 在我国北方稻区和华中稻区也呈蔓延趋势 杂草稻变异类型丰富 生长茂盛 抗逆性强 边成熟边落粒 有较强休眠性 且与栽培稻营养要求相同 对除草剂反应一致 故很难对其进行有效的控制 杂草稻与栽培稻能自然杂交结实 如果相邻种植 存在着转基因稻向杂种稻基因漂移的可能性 转移了抗性基因的杂草稻往往具有更强的生存竞争力 有可能对水稻生产形成较大的威胁 1 转基因水稻的安全性评价 与野生稻的基因漂移 全球野生稻有22种 我国分布有3种野生稻 即 普通野生稻 药用野生稻和疣粒野生稻 其中普通野生稻是栽培稻的近缘祖先 野生稻具有蔓生性和再生性 传粉特性和散粉后的持续活力均强于栽培稻 且野生稻的抗逆性和适应性强 若控制不得法 有可能成为田间杂草 野生稻与栽培稻杂交有一定的育性 若两者相邻种植 存在转基因稻向野生稻基因漂移的可能性 1 转基因水稻的安全性评价 与杂草的基因漂移 稗草是全球性的水稻恶性杂草 分布范围广 数量大 繁殖力强 种类多 如不控制将给水稻生产带来较大的产量损失 在稗草的竞争干扰下 水稻减产主要与稗草密度增大引起水稻分蘖数减少有关 虽然上世纪50年代至70年代有一些稻稗杂交获得杂种后代的报道 但近20年来通过严格的实验均表明 转基因稻与多种稗草之间存在着杂交不亲和性 并没有发现抗性基因漂移到稗草中 第四节主要转基因植物的安全性评价1 转基因水稻的安全性评价2 转基因油菜的安全性评价3 转基因棉花的安全性评价4 转基因大豆的安全性评价 第二章转基因植物的安全性 2 转基因油菜的安全性评价 油菜属十字花科芸苔属 泛指能用于收籽榨油的种类 我国栽培的油菜主要有 白菜型油菜 甘蓝型油菜和芥菜型油菜 其中以甘蓝型油菜居多 目前培育成功的转基因油菜是甘蓝型油菜 主要为抗除草剂转基因油菜 油菜是异花授粉作物 多数为虫媒传粉 其花粉传播距离较远 花粉活力持续时间较长 油菜近缘种分布广泛 发生基因漂移的风险相对较大 我国是十字花科植物的多样性起源中心 油菜的近缘种多 且有一些是危害较严重的杂草 对转基因油菜基因漂移更应引起重视 2