转客栈转氏菌转基因水稻的生态适宜度评价

转客栈转氏菌转基因水稻的生态适宜度评价

转移技术可以为作物带来高产、高质量、抗逆、抗病性和其他新特性。对于携带提高生存能力性状的转基因植物而言,外源基因可能带来两方面的效应,一方面是外源基因在受体植物体内表达及代谢所需要的能量消耗造成的适合度成本(Cost),另一方面是外源基因赋予受体植物一定的抗性所表现出的适合度利益(Fitness),转基因植物性状的综合表现就是适合度成本与适合度利益平衡的结果。在一定的环境中,当适合度利益大于适合度成本时,转基因产生了适合度正效应,转基因植物生存竞争能力增强;而当适合度成本大于适合度利益时,转基因产生了负效应,转基因植物生存竞争能力下降。转基因植物生存能力的改变,可能对周边生态系统平衡造成影响,同时也直接影响转基因的扩散效率,一定程度上决定着外源基因的逃逸(RiesebergandBurke,2001)。关于转基因植物的生存竞争能力的问题,国内外学者已经注意到那些被赋予各类抗性能力的转基因植物存在适合度改变的可能,如:转基因抗除草剂油菜(Snowetal.,1999)、转基因抗病向日葵(BurkeandRieseberg,2003)、Bt水稻(Chenetal.,2006;张富丽等,2012)等,但不同基因、不同实验结果差异很大(Bartschetal.,1996;2001;BurkeandRieseberg,2003;Laughlinetal.,2009),说明转基因植物对环境压力反应的复杂性。因此,评估转基因植物需要进行个案(Casebycase)评估(Snowetal.,2005)。已有的Bt基因水稻的适合度研究显示,低虫压下转基因水稻表现为适合度负效应,中等虫压下表现为适合度正效应(Chenetal.,2006;张富丽等,2012),认为Bt水稻在没有虫害发生的情况下,生存竞争力下降,而并非像人们原先所担心的转基因植物将变成不可控制的超级杂草(钱迎倩等,1999)。然而,决定转基因植物生存能力因素除了抗性基因赋予的抗性能力外,转基因植物本身的遗传背景及其对环境的反应也是十分重要因素(BurkeandRieseberg,2003)。理论上,转基因与非转基因仅仅是一个基因的差别,而事实上,所导入的外源基因与植物本身的遗传物质的协调性会对受体材料的适合度产生影响。常规栽培条件下虫压因素对转抗虫基因水稻适合度的影响,已经引起较多的关注,但环境因素综合影响造成的转基因适合度的差异,特别是在野生或半野生状态下,转基因水稻能否长期生存和繁衍探讨得较少,而转基因水稻在自然环境中的存留和繁衍会增加外源基因的逃逸风险。本研究在前人研究的基础上,进一步评价转CryIAb水稻在半野生环境中生存空间占据能力、繁殖能力和种子延续能力,目的是为预测CryIAb水稻大面积释放后,农事操作过程中遗落在田间或自然环境中的稻谷是否能持久地保留在自然环境中,并由此引发生态问题提供参考。研究结果对于转基因作物的安全生产和有效监管具有参考意义。1结果与分析1.1水稻的螟虫发生率2011年于播种后的68d和111d调查螟虫发生情况,结果如图1A。常规栽培的抗虫水稻Mfb分蘖期和成熟期的螟虫发生率分别为0和0.25%,非转基因对照MH86分别为18.5%和23.4%。半野生生长的抗虫水稻Mfb的螟虫发生率分别为0.125%和0.25%,非转基因对照MH86分别为16.4%和26.8%。2012年于播种后的60d和90d调查螟虫发生情况(图1B),结果与2011年相似,但2012年总的虫害发生程度较2011年低。结果显示:转基因稻Mfb抗螟虫性显著高于非转基因对照MH86,常规栽培与半野生生长的虫害发生率没有显著差异。1.2水稻植株高度2011年播种后43d调查结果显示(图2A):半野生生长水稻的植株高度显著高于栽培水稻;播种后68~88d不同栽种处理株高没有显著差异;播种后88~135d常规栽培处理株高显著高于半野生处理。在整个生长季,相同处理转基因水稻与非转基因水稻株高差异不显著。2012年分别于播种后30d、60d、90d和120d调查,其株高变化趋势与2011年相似(图2B)。研究结果表明:转基因稻Mfb及其非转基因稻MH86植株高度显著受栽种方式影响,在生长的早期常规栽培处理植株高度低于半野生生长处理;分蘖期至分蘖盛期,不同栽种处理水稻植株高度基本相当;分蘖盛期之后,常规栽培处理植株高度显著高于半野生生长处理。与非转基因稻MH86相比,转基因水稻Mfb植株高度没有显著增加或降低,表明转基因水稻的植株所占据的空间没有显著增加或减少。1.3水稻半野生及栽培处理对水稻概念的影响2011年播种后43d调查,半野生处理水稻的分蘖数显著多于常规栽培水稻,但相同栽种方式的转基因稻Mfb与非转基因稻MH86之间没有显著差异;播种后68d(分蘖盛期)栽培处理水稻的平均分蘖数可达14~16个,而半野生处理水稻的平均分蘖数仅有6~7个,显著少于栽培处理;从播种后68d到收获期栽培处理的分蘖数都显著多于半野生处理,但相同栽种处理的转基因稻Mfb与非转基因稻MH86之间分蘖数没有显著差异(图3A)。2012年分别在播种后30d、60d、90d和120d调查,其分蘖数变化趋势与2011年相似(图3B)。研究结果表明:水稻植株分蘖数显著受栽种方式影响,早期半野生处理水稻分蘖数显著多于栽培处理水稻;分蘖中期后,栽培处理稻分蘖数显著多于半野生处理水稻;与非转基因稻相比,转基因水稻植株分蘖数没有显著增加或减少,表明转基因水稻的营养生长没有显著增强或减弱。1.4半野生生长处理水稻对水稻害虫的生态适应性不同栽种方式转基因水稻Mfb与非转基因水稻MH86的繁殖能力调查结果见表1。由表1可知:水稻的单株穗数显著受栽培方式影响,常规栽培处理水稻单株穗数为8~12穗,显著多于半野生处理水稻的4~6穗;相同栽培处理转基因稻与非转基因稻相比没有显著差异。单株总粒数和单株实粒数二个指标显著受栽培方式和虫害的综合影响:常规栽培处理,在虫害发生较严重的2011年,转CryIAb基因稻的这二个指标显著高于非转基因水稻;但在虫害较轻的2012年则没有显著差异,显示出转基因稻在高虫压下的效益。而半野生生长处理下,转基因与非转基因稻相比单株总粒数和单株实粒数没有显著差异,即使在虫害发生较为严重的年份,转基因也没有表现出适合性效益。结实率:2年实验结果显示半野生处理水稻结实率都显著高于栽培水稻,其主要原因是半野生水稻单株总粒数较少。在虫害发生较轻的2012年半野生处理转基因稻结实率显著低于非转基因稻,表现出生态适应性的负效应。单株穗粒重:单株穗粒重也显著受栽种方式和虫害发生的综合影响,常规栽培处理水稻的单株穗粒重显著高于半野生处理水稻。在虫害发生较严重的2011年,常规栽培条件下,转CryIAb稻的单株穗粒重显著高于非转基因稻,但虫害较轻的2011年,二者之间没有差异。表现出对虫压产生的生态适应性的正效应。千粒重:千粒重指标受栽种方式影响及转基因的综合影响,半野生生长处理转基因稻Mfb的千粒重与非转基因稻MH86相比没有显著差异。但2011年常规栽培方式转基因的千粒重显著低于非转基因稻。综上所述,常规栽种方式下,虫害发生较严重的年份,转CryIAb基因稻的单株总粒数、单株实粒数和单株穗粒重等指标比非转基因稻有显著优势;但在虫害发生较轻的2012年两者间没有显著差异;半野生处理,虫害发生较严重的年份,转基因与非转基因稻的上述6个繁殖相关指标均无显著差异;在虫害发生较轻的2012年,转基因稻的结实率显著低于非转基因水稻。1.5基因种子萌发率不同品种种子萌发实验结果显示,采后30d转基因稻Mfb和非转基因MH86种子萌发率分别为39.15%和41.36%,两者间没有显著差异。采后90d转基因稻种子萌发率为96.73%,非转基因水稻种子萌发率为95.92%,二者之间没有显著差异。种子浅埋(3cm)和深埋(20cm)6个月后发现:不论是深埋还是浅埋,埋藏6个月后转基因水稻Mfb和非转基因水稻MH86的种子部分已萌发出根和胚轴,但在没有形成苗以前已经干死。部分没有萌发的种子,剥开其颖壳,其中的胚和胚乳已经消耗殆尽,种子呈空壳状态。结果表明转基因水稻种子萌发能力和休眠特性没有发生改变,转基因水稻并没有显示出比非转基因水稻更强的生存适应性。1.6非转移水稻自生苗2不同虫压下的适应度Bt抗虫转基因水稻是将来源于苏云金杆菌的Bt杀虫蛋白基因通过基因工程技术导入水稻,再通过传统育种技术选择和筛选出来的对鳞翅目害虫具有抗性的水稻。大量试验结果表明Bt抗虫转基因水稻能够有效防治田间鳞翅目害虫的危害,降低农药使用量,有效减少农药残留对环境的污染,具有极为广阔的应用前景(李志毅等,2012;韩兰芝等,2009)。转基因植物的适合度是指在一定环境中,转基因植物存活和产生后代的能力。适合度与环境密切相关,适合度通常通过测度转基因植物对空间的占据能力、繁殖能力以及种子休眠能力表示,空间占据能力强说明对养分吸收充分光合作用强,能为生殖生长提供良好的营养基础,较好的繁殖能力又为后代的延续提供生命基础,种子的休眠特性为种子渡过不良环境提供了自我保护能力。生存适合度是植物对外界环境的综合反映,对于抗虫转基因作物而言,其适合度是对包括虫压在内的环境胁迫的综合反应,如与杂草的竞争、对光、温、肥料的敏感性等。不同虫压下的适合度已有相关研究报导(Chenetal.,2006;张富丽等,2012;叶平扬,2007),但环境综合因素对转基因的作用则被考虑的较少。当转基因水稻在脱离了耕作系统之后,其生态适合度是否造成转基因个体在自然环境持久保留,并产生生态后果,目前仍然是未知的。本研究通过2年定点的常规栽培和半野生生长实验结果显示:株高与分蘖数等营养生长指标与栽种方式有关,但转CryIAb基因稻与非转基因稻之间没有明显差异。繁殖指标变化较为复杂,不仅与栽种方式有关也与虫害发生程度有关。常规栽培+较重虫害情况下,转基因稻显示出较强的竞争优势;常规栽培+较轻虫害情况下,转基因稻的竞争优势不明显。这表明常规耕作制度下,转CryIAb基因水稻在高虫压下具有一定的竞争优势,在低虫压下没有明显优势,这与已有的报道结果一致(Chenetal.,2006;张富丽等,2012)。半野生+较重虫害情况下转基因稻的大部分繁殖指标有上升趋势,结实率有下降趋势,但都没有达到差异显著水平;半野生+较轻虫害情况下,转基因稻的大部分繁殖指标呈下降趋势,结实率显著低于非转基因稻,显示出一定的适合性成本。这暗示转CryIAb基因稻对栽培耕作方式具有依赖性,在栽培系统内,较高虫压下,转基因水稻具有竞争优势;而脱离了栽培系统,即使在较高的虫压下,转基因稻的生存竞争优势也未能体现,而且具有适合性成本支出。本研究在实验的实施过程中为了保证不同栽种方式植株密度的一致性,在半野生生长实验时,采用的是催芽后萌发的种子,并且在苗期进行了缺株补苗,如果采用完全模拟自然生长方式,转CryIAb基因水稻的适合性成本可能更高,因为相对于秧苗移栽的栽种方式,直播稻田中杂草要先于水稻出苗(Johnsonetal.,2004)。杂草首先占据了生存空间,给水稻的生存带来了一定的压力,转CryIAb基因水稻比非转基因水稻种子萌发启动要慢2~3d,这样转基因水稻竞争的弱势更为明显,因此如果转基因水稻种子遗落在自然环境中,其在自然界中长期居留的可能性是非常低的。种子的休眠特性为种子度过不良环境提供了自我保护能力,良好的休眠特性和萌发能力为物种在自然界中的存活和繁衍奠定了基础。本研究通过对种子不同深度不同时间埋藏处理结果显示不论是转基因稻还是非转基因稻的种子,种子经过埋藏6个月后,都已丧失活力。因此,可以推断,转基因稻收获过程中稻田的落粒谷存留到来年春季,能正常萌发的可能性极低。纵上所述,可以得出以下结论:在一定的虫压下,转CryIAb基因稻的营养生长与非转基因对照没有差别;转CryIAb基因水稻的繁殖能力受虫压及环境的综合影响,在虫压较为严重、水肥管理条件良好的环境中,转基因稻具有明显的适合性效益;在水肥条件较差的半野生状态,转基因稻具有较明显的适合性成本。不同深度埋藏的种子经6~12个月后萌发率降为0,落粒谷演变为自生苗的可能性极低。3材料和方法3.1稻间恢复系的构建转基因CryIAb抗虫水稻株系Mfb和对应的非转基因水稻明恢MH86。Mfb是由中国科学院遗传与发育生物学研究所和福建农业科学院生物技术研究所共同研制的农艺性状优良抗虫性稳定的籼稻恢复系,以籼稻明恢86为受体通过农杆菌介导法将CryIAb并经过传统育种技术筛选和选择出来的抗鳞翅目害虫的转基因水稻。从2010年起获准进入环境释放(农基安审字(2010)第46号)。3.2田间材料与实验方法试验于2011-2013连续2年在福州市吴凤转基因水稻试验基地定点进行。该试验基地属暖湿亚热带季风气候,年无霜期长达326d,年均气温19.6℃,平均湿度77%,年均降水量1342.5mm。供试土壤为砂壤,土壤有机质含量为23.3g/kg,pH6.15,全氮1.65g/kg,全磷(P2O5)0.757g/kg,全钾(K2O)18.28g/kg,速效氮154.5mg/kg,速效磷31.34mg/kg,速效钾70.5mg/kg。试验基地四周为村庄和厂房,试验按照国家对转基因植物环境安全相关条例规定设置围墙、保护带和相应隔离设施。试验完成后所有试验材料全部进行焚烧灭活处理。田间试验分为半野生生长处理(T1)和常规栽培处理(T2)。半野生生长处理:种子直播,播种量为50粒/m2,播种前进行一次翻耕,生长期间除正常灌溉外,不进行任何农事操作。常规栽培处理为插秧栽种,30d秧龄时单株移栽,插秧密度为20cm×20cm,按当地常规栽培管理方式进行,但整个生长季不施用杀虫剂。小区采用随机区组设计,4次重复。半野生生长处理(T1)小区面积为6m2(2m×3m)。常规栽培处理(T2)小区面积为24m2(4m×6m)。种子发芽率能力测定:种子采收后室温放置。分别于采收后的30d及90d进行种子萌发实验,每份材料4个重复,每个重复400粒种子,实验方法参照GB/T3543.4-1995。自生苗发生率的测定:2011年11月生长季结束后,割去地上部,留10~20cm稻茬自然越冬。于2012年4月2日调查田间自生苗生长情