本文關鍵詞：轉基因抗蟲水稻對生物多樣性的影響，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

    我國是農業(yè)人口大國，農業(yè)和糧食問題是制約國民經濟的主要因素。水稻是我國最重要的糧食作物，每年的播種面積在2900～3300萬公頃，占世界水稻種植總面積的20%；我國水稻總產量占世界稻谷產量的34%～36%，占我國糧食總產量的40%以上，其中雜交水稻的種植面積在55%以上，為我國水稻增產15%～20%。因此，水稻生產在維持我國糧食安全方面占有極其重要地位。

    蟲害是農業(yè)生產上的一個重要制約因素。據聯合國糧農組織統(tǒng)計，每年全球農作物因蟲害造成的產量損失約為20%，用于害蟲防治的農藥達250萬噸。我國每年由蟲害造成的水稻產量損失占水稻總產量的5%以上，多達一千萬噸，直接經濟損失達到100多億元人民幣。水稻生產中的主要害蟲為鱗翅目害蟲，主要包括二化螟(Chilo suppressalis，Walker)化螟(Tryporyza incertulas,Walker)、稻縱卷葉螟(Chaphalocrocis medina)和大螟(Sesamia inferens，Walker)等，以及屬于同翅目害蟲的褐飛虱(Milaparvata lugens，Stal)、白背飛虱(Sogatella  furcifera，Horv6th)等，危害面積高達3億畝次，嚴重影響了我國的水稻生產。由于長期施用農藥，害蟲已逐步對化學殺蟲劑產生抗性;而且，隨著化學農藥種類的增多與濫用誤用，導致稻米農藥殘留與環(huán)境污染問題日趨嚴重；同時，大量的農村青壯勞動力進城務工，造成水稻生產管理的勞動力缺乏。因此，我國水稻的蟲害問題日益突出。

    培育推廣具有抗蟲能力的水稻新品種是解決我國水稻蟲害問題的有效途徑。由于在水稻及其近緣種中沒有發(fā)現鱗翅目害蟲抗性種質資源，難以通過常規(guī)育種技術培育抗蟲水稻，因此采取轉基因技術是培育抗鱗翅目害蟲水稻品種的唯一途徑。本文重點圍繞轉基因抗蟲水稻，介紹了轉基因抗蟲水稻對生態(tài)環(huán)境和生物多樣性的影響，闡述了轉基因抗蟲水稻對保護農業(yè)生態(tài)環(huán)境和生物多樣性等方面的重要意義。

l  轉基因抗蟲水稻的研制

    轉基因抗蟲水稻是指通過轉基因技術，將抗蟲基因導入不同水稻品種，并獲得穩(wěn)定遺傳、高效表達的優(yōu)良抗蟲水稻品系。目前轉基因抗蟲水稻研究主要集中在獲得高效和廣譜的抗蟲基因、解決害蟲產生耐受性、轉基因沉默、轉基因安全性以及去除選擇標記等方面。

1.1  主要抗蟲基因及作用機制

    當前國際上進行抗蟲基因工程研究使用的抗蟲基因包括蘇云金芽孢桿菌殺蟲晶體蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因、植物凝集素基因、α-淀粉酶抑制劑基因、膽固醇氧化酶基因等。其中，轉基因抗蟲水稻研究中普遍使用蘇云金芽孢桿菌殺蟲晶體蛋白基因和豇豆胰蛋白酶抑制劑基因。蘇云金芽孢桿菌殺蟲晶體蛋白基因(Bacillus thringiensis insecticidal crystal protein)簡稱Bt基因，來源于蘇云金桿菌(Bacillus thringiensis)。在蘇云金桿菌芽孢形成過程中可產生大量的伴胞晶體，由殺蟲晶體蛋白組成，該蛋白對很多重要的農業(yè)害蟲如鱗翅目、鞘翅目和雙翅目昆蟲均具有高度特異性的殺蟲活性，能夠在靶昆蟲堿性腸道內溶解，經中腸蛋白酶的消化作用降解為具有活性的毒性肽，與中腸相應的膜受體特異性結合，形成跨膜離子通道或孔，破壞消化道細胞的離子滲透壓平衡，造成細胞溶解，最終使昆蟲停止進食而致死。Bt蛋白僅特異性結合昆蟲中腸細胞，在哺乳動物中無結合位點，同時在動物體內可快速被消化降解，因此Bt基因被廣泛用于防治重要的農業(yè)害蟲，是目前世界上應用最為廣泛的生物殺蟲劑。目前轉Bt殺蟲蛋白基因的棉花、玉米已經在許多國家大面積地應用于生產，被認為是安全的。Bt類的cry1Ab、cry1Ac、cry1Ab/cry1Ac、cry1Ah、cry1C﹡和cry2A﹡等基因已用于轉基因抗蟲水稻的研究。2005年，伊朗已經正式批準轉Bt殺蟲蛋白基因水稻商品化生產，可以用于動物飼料及人類使用。我國于2010年頒發(fā)了轉Bt殺蟲蛋白融合基因水稻品系華恢1號及其雜交稻組合Bt汕優(yōu)63在湖北省生產應用的安全證書。

    豇豆胰蛋白酶抑制劑基因(Cowpea trypsin in hibitor，CpTI)是另一類常用的抗蟲基因。CpTI來源于食用豇豆品種，主要存在于豇豆種子中，屬于絲氨酸蛋白酶抑制劑家族中的Bowman-Birk類型的雙頭蛋白酶抑制劑。絲氨酸蛋白酶是害蟲主要的蛋白消化酶(鱗翅目和部分鞘翅目害蟲)，其中最為主要的是胰蛋白酶和類胰蛋白酶。CpTI被昆蟲攝食后與昆蟲腸道內蛋白消化酶的活性中心發(fā)生作用，并抑制其活性，同時產生厭食反饋信號，導致害蟲減少進食，最終由于缺乏氨基酸而死亡。研究表明，CpTI比從其它豆類中提取的胰蛋白酶抑制劑具有更有效的抗蟲特性，針對一些主要農業(yè)害蟲起主要作用，具有廣譜抗蟲活性和昆蟲不易對其產生耐受性的特點。為提高轉基因植株的抗蟲水平，Deng等采用了外源蛋白內質網亞細胞定位的策略，分別在CpTI基因的5′末端和3′末端分別添加了內質網定位的信號肽和內質網滯留信號KDEL的編碼序列，獲得了修飾的豇豆胰蛋白酶抑制劑基因(sck)。在轉基因植株的細胞內，外源抗蟲蛋白(cpTI)滯留在細胞的內質網及其衍生的蛋白體內，被雙層脂質膜包裹，處于細胞的惰性環(huán)境中，避免了在細胞胞漿中快速降解,從而使其積累水平有了顯著的提高，由此大幅度地提高了轉基因植株的抗蟲能力。

1.2  轉基因抗蟲水稻的研制策略

是目前可行的一項重要選擇。使用雙抗蟲基因可大幅降低昆蟲產生耐受性的幾率，理論上昆蟲產生耐受性的頻率為兩個單獨基因產生耐受性頻率的乘積。另一方面，外源基因在轉基因植株中沉默是一個較為普遍的現象。利用核基質結合區(qū)(Matrix attachment region，MAR)序列克服外源基因失活，穩(wěn)定和提高外源基因的表達水平，減少各轉基因單株表達水平的差異，是近年發(fā)展起來的一個有效方法。將MAR序列構建到外源基因的兩側，使它們在轉基因植物的染色質中形成獨立的區(qū)域，這樣可以避免外源基因表達的位置效應影響，降低外源基因失活的幾率，從而提高外源基因在轉化細胞中的穩(wěn)定性和表達水平。此外，去除選擇標記基因是人們普遍關注的一個重要問題，已成為國際上植物基因工程領域的主要趨勢之一。目前，獲得去選擇標記基因轉化植物的方法主要包括轉座子介導法，位點特異性重組系統(tǒng)（如Cre/loxP系統(tǒng))介導法、共轉化方法以及由此發(fā)展的雙T-DNA載體體系。利用雙T-DNA載體體系克服了操作過程復雜、周期較長，以及獲得無選擇標記轉基因植株的效率偏低等問題，通過后代分離就可以產生無選擇標記基因的轉基因植株。

1.3  轉基因抗蟲水稻及抗蟲特性

    結合外源蛋白內質網定位策略、多抗蟲機制策略、利用MAR序列提高外源基因穩(wěn)定表達策略以及雙T-DNA載體系統(tǒng)策略，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所和福建省農業(yè)科學院合作研制了無選擇標記高抗鱗翅目害蟲的轉雙價抗蟲基因cry1Ac/sck水稻品系及其雜交稻組合。通過Bt類的cry1Ac基因和修飾的豇豆胰蛋白酶抑制劑sck基因，兩種抗蟲機制完全不同的抗蟲基因共同作用，大大降低了害蟲產生耐受性的幾率，有效擴展了轉基因水稻的抗蟲譜，顯著增強了轉基因水稻的抗蟲性。多點大田抗蟲性檢測試驗表明，轉cry1Ac/sck雙價抗蟲基因水稻在田間表現出高抗二化螟、三化螟和稻縱卷葉螟等鱗翅目害蟲的能力(圖1)（略）。2008年和2009年，轉雙價抗蟲基因cry1Ac/sck水稻品系及其雜交稻組合：科豐8號、Ⅱ優(yōu)科豐8號和閩優(yōu)科豐8號在福建福州進行了生產性試驗。結果顯示：轉基因抗蟲水稻具有很強的抗蟲性，生長期內完全可以不施農藥：在正常噴施農藥情況下，相同條件下種植的轉基因抗蟲水稻，包括Ⅱ優(yōu)科豐8號、天優(yōu)科豐8號、特優(yōu)科豐8號、谷優(yōu)科豐8號、全優(yōu)科豐8號和閩優(yōu)科豐8號，比對照Ⅱ優(yōu)明86產量提高5%～19%。其中，Ⅱ優(yōu)科豐8號的產量從對照的8517 kg/ha提高到9474 kg/ha，其他農藝性狀無顯著差異；而在不施農藥的情況下，Ⅱ優(yōu)科豐8號的產量比對照極顯著增產，從對照的3451.5 kg/ha提高到9250.5 kg/ha；同時還發(fā)現，在不施加化學殺蟲劑的情況下，轉基因抗蟲水稻Ⅱ優(yōu)科豐8號的生長狀態(tài)和受害情況依然優(yōu)于施加化學殺蟲劑的非轉基因對照品種，從8 517 kg/ha增加到9250.5 kg/ha，比噴施農藥的對照Ⅱ優(yōu)明86產量增加8.6%，表現出了明顯的增產效果。除目前研制的高抗二化螟、三化螟和稻縱卷葉螟的轉基因抗蟲水稻外，新型的高抗鱗翅日害蟲大螟的轉基因抗蟲水稻品種以及針對同翅目的褐飛虱、白背飛虱等害蟲的轉基因抗蟲水稻也正在積極研制之中。

2  轉基因抗蟲水稻對生物多樣性的影響

2.1  轉基因抗蟲水稻對稻田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的影響

    目前，水稻生產上控制蟲害主要通過噴撒化學殺蟲劑，我國水稻田間殺蟲劑的使用量占水稻生產農藥總用量的77.8%，帶來巨額的防治費用；同時，長期施用農藥造成了嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)破壞。在我國的水稻主產區(qū)，長期施用廣譜化學殺蟲劑，在殺死害蟲的同時也殺死了田間的益蟲，極大的造成了對包括靶標害蟲、非靶標害蟲、害蟲天敵等在內的稻田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的破壞，使得水稻生產越來越依賴農藥的使用，造成了嚴重的惡性循環(huán)。種植轉基因抗蟲水稻，可大幅度減少化學殺蟲劑的施用量。與大量施用化學殺蟲劑相比，轉基因抗蟲水稻對稻田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的影響顯著減小。目前轉基因抗蟲水稻的環(huán)境安全試驗和生產性試驗研究結果表明，轉Bt基因和CpTI基因的轉基因抗蟲水稻，能夠有效殺死稻田中的靶標生物，而對稻田中非靶標生物(包括非靶標害蟲、天敵及節(jié)肢動物等)的生物多樣性無不良影響。

    劉雨芳等研究了轉cry1Ac/sck雙價基因抗蟲水稻及其雜交后代對水稻害蟲群落的影響。結果表明，轉基因抗蟲水稻及其雜交后代對稻縱卷葉螟具有極強的抗性，而生長全期的調查結果顯示，與對照材料相比，轉基因抗蟲水稻對水稻害蟲群落的各類參數均無顯著影響，轉基因水稻田與對照田在主要害蟲物種組成上相似性較高。靶標害蟲種群數量的降低，并未對水稻害蟲群落的組成與結構產生明顯的影響，也沒有引起優(yōu)勢種成分的變化。轉cry1Ac/sck雙價基因抗蟲水稻及其雜交后代對稻田寄生蜂群落的影響及生態(tài)安全性的研究結果表明，在群落水平上，轉基因抗蟲水稻及雜交稻對稻田寄生蜂的物種豐富度、多樣性指數、均勻性指數和優(yōu)勢集中性指數的總體情況與時間動態(tài)以及個體總數無明顯負面影響，僅會降低以靶標害蟲稻縱卷葉螟為寄主的寄生蜂功能團的個體數量，從0.043減少為0.039。

    白耀宇等研究發(fā)現，轉Bt cry1ab基因水稻花粉對稻田生態(tài)系統(tǒng)的重要天敵中華草蛉成蟲產卵前期、產卵量、產卵天數以及成蟲壽命等參數無顯著影響。在人工飼料中花粉比例由20%上升到80%后，轉基因水稻與對照處理的草蛉各生態(tài)參數均發(fā)生變化，但同一比例下轉基因與對照間的差異不顯著（P>0.05)。劉志誠等在對轉cry1Ab/cry1Ac融合基因的Bt抗蟲水稻和化學殺蟲劑對稻田節(jié)肢動物群落比較分析的結果表明，Bt稻田群落結構主要參數，包括物種(科)豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數、均勻性指數、優(yōu)勢集中性指數分別為41、2.62、0.49和0.29，對照田各為36、2.75、0.53和0.24，而化防田則為30、1.80、0.36和0.49。與對照田相比，Bt稻田的節(jié)肢動物的生物多樣性各類特征指標在大多情況下均無顯著差異，兩者間群落結構相似性較高，Bt水稻對稻田節(jié)肢動物群落無明顯負效應；而施用化學殺蟲劑的稻田節(jié)肢動物群落特征指標與對照田相比，具有顯著的差異，群落結構相似性也較低。Bt水稻對稻田節(jié)肢動物群落的影響明顯低于化學殺蟲劑。

轉修飾的豇豆胰蛋白酶抑制劑sck基因抗蟲水稻的環(huán)境安全性試驗結果也顯示：抗蟲轉基因水稻對非靶標害蟲、天敵、稻田節(jié)肢動物以至整個稻田生態(tài)系統(tǒng)有正而影響(表1略)。與對照稻田相比，轉基因抗蟲水稻稻田靶標害蟲蟲口密度顯著降低，這表明抗蟲轉基因水稻可有效控制螟蟲種群的發(fā)展。與對照稻田相比，轉基因抗蟲水稻稻田寄生性昆蟲的密度大幅降低，中性昆蟲和捕食性天敵的密度顯著增加。寄生性昆蟲密度的降低，與轉基因抗蟲水稻稻田中螟蟲蟲口密度的大幅下降有著密切的關系：而轉基因抗蟲水稻稻田適宜的微生態(tài)環(huán)境為中性昆蟲提供了適宜的棲息地，促使中性昆蟲及相應的捕食性天敵(捕食性昆蟲和蜘蛛等)大量繁衍。同時試驗還發(fā)現，種植轉基因抗蟲水稻植株不需施用殺蟲劑，其稻田生態(tài)環(huán)境得到改善，可見到在種植非轉基因水稻（施用殺蟲劑)稻田中多年未見的小魚、小蝦、蝌蚪等。

    目前的研究表明，轉基因抗蟲水稻對稻田生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的影響是正面的，然而，其長期影響還有待于進一步研究。轉基因抗蟲棉由于化學殺蟲劑施用量的減少所引起的對非靶標害蟲的生態(tài)效應值得關注與借鑒相關防治經驗。

2.2  轉基因抗蟲水稻外源基因飄流的影響

    轉基因植物基因飄流是指外源基因通過花粉擴散、授精雜交向同種植物及近緣野生種轉移的過程。

    目前研究表明，抗蟲轉基因水稻向非轉基因水稻的基因飄流頻率很低。戎俊等在研究轉雙價抗蟲基因(Bt/CpTI)水稻中的外源轉基因通過花粉介導向非轉基因水稻品種基因飄流實驗中發(fā)現，在采用轉基因與非轉基因水稻品種近距離相鄰種植的情況下，由轉基因水稻向對應的非轉基因水稻品種基因飄流的頻率較低(0.275%～0.832%)。轉基因水稻對非轉基因親本對照材料的基因飄流頻率隨栽種間隔距離的增大而驟減：從間隔0.2 m時的0.28%到間隔6.2m時的0.01%（圖2略）。花粉介導的轉基因水稻基因飄流頻率能夠在較短隔離距離下保持極低水平，低于目前對轉基因生物及產品控制最嚴格的歐盟制定的偶然混雜的閾值水平0.9%的標準。已有研究表明，列于嚴格白花授粉的水稻而言，通過一定的隔離措施，能有效降低水稻的基因飄流。

    田間試驗結合模型分析顯示，轉基因水稻向普通野生稻及近緣雜草稻的基因飄流頻率要高于水稻品種間的基因飄流頻率，能夠通過每世代持續(xù)飄流(re-current gene flow)獲得積累效應。目前主要通過采取足夠隔離距離來有效對野生稻等自然資源進行環(huán)境保護。Wang等研究發(fā)現，栽培稻(Oryza sativa)向普通野生稻(O.rufipogon)以及稗草(Echinochloa crusgalli)的基因飄流頻率從0～lm時的1l%～18%驟減至250 m時的0.01%；同時，稗草與含有轉抗除草劑bar基因的水稻連續(xù)種植5年以上，也沒有發(fā)現轉基因滲入到稗草之中。除采取隔離措施外，目前已在開發(fā)其他限控水稻基因飄流的技術，例如通過RNA干擾技術，抑制水稻中苯達松解毒酶基因CYP81A6的表達，從而控制轉草甘膦抗性基因EPSPS水稻對除草劑苯達松的敏感性，一旦發(fā)生基因飄流，可通過噴灑苯達松選擇性地對雜草稻進行有效控制。

3  結語與展望

    種植轉基因抗蟲水稻能夠大量減少農藥的施用量，降低對田間益蟲的影響，有利于稻田生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡，同時能夠減輕農藥殘留物對于自然生態(tài)環(huán)境的污染和危害；另外，轉基因抗蟲水稻還能夠降低相關勞動力投入，從而節(jié)省生產成本。因此，轉基因抗蟲水稻的應用必將產生巨大的經濟、生態(tài)和社會效益。今后應加緊研制和培育高抗大螟、稻飛虱等水稻害蟲的新型安全轉基因抗蟲水稻新品種，使之在保障我國糧食安全及農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。

    與此同時，還應進一步研究轉基因逃逸帶來的環(huán)境生物安全影響，加強對生態(tài)地點的詳細了解，對野生相關種的生態(tài)調查。采取空間、物理和生物隔離的方法來控制轉基因作物的基因飄流，并研制一系列控制轉基因作物基因飄流的新技術。采取質體轉化技術使外源基因在質體表達體系中高效表達并具有母系遺傳的特點，利用外源基因刪除技術（Gene-Deletor)可將轉基因植物花粉和種子中的外源基因全部清除。這些技術的成熟和廣泛應用將會為有效解決轉基因植物基因飄流等潛在的環(huán)境生物安全問題提供新的途徑。

    對于單一的作物生產中的蟲害防治問題，單項技術并不能達到人類的預期目標，轉基因技術只是人類控制蟲害的關鍵方式之一，如果在利用轉基因抗蟲水稻的同時，輔以生物防治，如使用害蟲天敵赤眼蜂等，以及在此過程中利用性激素、黑光燈誘捕，并結合適宜的耕作制度，我們相信，通過這樣的綜合治理將會對農作物的蟲害起到更好的防治效果。

    單一的技術往往難以解決所有問題。對于一個種植各類農作物的綜合農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，需考慮地區(qū)情況，，對蟲害進行綜合治理，這將需要昆蟲學、生態(tài)學、植物保護、生物技術育種，以及地方農業(yè)主管部門和農戶等多學科、多方面的聯合統(tǒng)一協(xié)調治理，才能最大限度的防治蟲害，并使農業(yè)生態(tài)環(huán)境進一步向良性發(fā)展。隨著生物多樣性顯著提高，天敵控制害蟲的能力進一步加強，將更大幅度地減少農藥的用量，實現真正的綠色農業(yè)。

    作者單位：（1.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所植物基因組學國家重點實驗室，北京  100101;2.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所國家植物基因研究中心(北京)，北京 100101）

    文章采集：caisy

    注明：轉基因生物新品種培育重大專項(編號：2008ZX08001-001-001;2008ZX08012-002)和國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(973計劃)（編號：2007CBl0920l）資助。

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