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转基因栽培稻基因漂移是否会带来环境生物安全影响?

2016.6.12

  转基因通过基因漂移可以渐渗到作物的野生近缘种, 由此而导致的环境风险是全球广泛关注的生物安全问题. 有3个关键因素可以决定环境风险的程度: 特定空间距离的转基因漂移频率, 转基因在野生近缘种中的表达水平, 以及转基因为野生近缘种群体带来的适合度效应.

  来自复旦大学生命科学学院, 生物多样性与生态工程教育部重点实验室的研究人员根据现有研究结果, 从上述3方面对转基因漂移到非转基因栽培稻、杂草稻和野生稻造成的潜在环境影响进行回顾.

  栽培稻品种之间的基因漂移频率很低, 可以通过空间隔离或其他方法使其降低到可忽略的水平. 在共同分布的环境中, 栽培稻基因(包括转基因)向杂草稻和野生稻的漂移不可避免. 尽管抗虫转基因(Bt或Bt/CpTI)在栽培稻和野生近缘种杂交后代中可以正常表达, 但由于在低虫压环境中, 抗虫转基因不会明显改变野生近缘种的适合度, 抗虫转基因漂移所造成的环境影响十分有限. 因此对基因漂移而言, 抗虫转基因栽培稻的商品化种植应该比较安全. 然而, 抗除草剂转基因渐渗到杂草稻或野生稻会改变群体的适合度, 可能会引起不可预测的环境后果.

  作为全世界最重要的粮食作物之一, 栽培稻(Oryza sativaL.)的可持续生产与全球粮食安全密切相关, 我国是世界最大的栽培稻生产国和消费国, 栽培稻生产在我国的粮食安全中占有举足轻重的地位.保证栽培稻的可持续高产和稳产至关重要. 然而, 我国栽培稻生产正面临严峻的挑战, 这是由于耕地面积日益减少, 栽培稻的单位面积产量增长缓慢, 病虫害频繁发生, 杂草危害蔓延扩散等诸多原因.

  转基因技术由于其独特优点在农业领域特别是农作物遗传改良中得到广泛应用. 到2014 年底, 全球转基因作物的种植面积已达1.815亿公顷, 转基因作物创造的价值高达157 亿美元. 相对于传统方法育种, 转基因技术的最大优势在于可以打破物种间生殖隔离障碍, 使农作物能够获得任何物种的优异基因用于性状的遗传改良, 从而极大拓展了育种过程中可利用的基因资源, 使基因的导入不再局限于具有一定亲缘关系的物种. 同时, 转基因技术是将确定目标性状的基因直接转入受体作物, 与人工杂交和多世代筛选的育种方法相比, 更为快捷、高效且更具目标性. 由于上述优点, 转基因技术迅速应用于传统育种, 成为能够保障世界粮食安全的重要技术之一, 并且已在农业生产应用中表现出了良好前景, 也为解决我国栽培稻生产面临的问题提供了一种重要方法.

  2009 年, 我国两种抗虫转基因栽培稻“华恢1号”和“Bt汕优63”获得了中华人民共和国农业部颁发的生物安全证书, 并且于2014 年获准延期, 这是我国的转基因水稻从实验室研究迈向生产实践的重要里程碑. 然而在转基因技术发展和应用的过程中, 人们仍忧心于转基因所带来的潜在生物安全影响, 并且这样的担忧已成为转基因技术发展与应用的瓶颈.

  其中, 栽培稻的转基因漂移是否带来潜在生态环境影响便是世人最为关注的生物安全问题之一. 栽培稻的转基因漂移频率有多高? 外源基因漂移到野生近缘种之后能否正常表达? 通过基因漂移进入野生近缘种群体的转基因是否会改变其适合度和群体结构从而导致环境风险? 诸如此类的问题均亟待以科学研究结果予以回答. 这篇文章基于已有的研究成果对这些疑问进行分析和解答, 特别是对抗虫栽培稻的转基因漂移是否会导致环境影响的相关问题进行了介绍和探讨.

  作者从多个方面解析了这一问题,并指出虽然转基因通过基因漂移进入非转基因作物及其野生近缘种群体仍是全球广泛关注的生物安全问题, 但是相关问题及其研究结果均表明, 基因漂移以及所导致的环境影响是有规律可循、有方法可以对其进行研究和科学评价的.

  以栽培稻为模式材料的大量基因漂移田间实验研究和模型模拟结果表明, 栽培稻品种之间的基因漂移频率很低, 即使在距离很近的情况下(<0.2 m), 基因漂移的频率通常也小于1%. 而当空间距离达到10 m以上时, 基因漂移频率将迅速下降至0.01%以下. 因此, 对于转

  基因与非转基因栽培稻品种之间的基因漂移, 可以通过有效的空间隔离或其他的隔离措施(如高秆作物)来使转基因混杂的水平降到阈值许可的范围. 对于杂草稻而言, 虽然每一世代中栽培稻向杂草稻的基因漂移频率相对较低, 基本上与栽培稻之间的基因漂移频率处于同一水平, 但是由于杂草稻的自我繁殖特性, 同一稻田内栽培稻向杂草稻的基因漂移频率能够在多世代中不断得到积累, 从而达到较高的频率.

  另外, 由于杂草稻和栽培稻分布和发生在同一稻田内, 而且它们又属于同一生物学物种, 很难用常规的方法对其基因漂移进行限制. 因此, 对不同的转基因漂移到杂草稻群体所带来的潜在生态影响均应该进行认真的研究与评价. 包括普通野生稻和尼瓦拉野生稻在内的AA基因组野生稻, 由于其自身的异交率以及与栽培稻的可杂交性均有很大的变异, 栽培稻的基因向这些野生稻转移的频率也会有很大的变异. 就普通野生稻而言, 由于其自身的异交率较高, 即使与栽培稻的隔离距离较远(>20 m), 也有一定频率的基因漂移发生. 因此, 分析转基因适合度效应是评价转基因漂移到野生稻群体能否带来环境影响的关键.

  对于抗虫转基因(Bt)从栽培稻漂移到杂草稻和野生稻群体的研究均表明, 抗虫转基因漂移不会导致明显的适合度影响, 因为抗虫转基因对杂草稻和野生稻群体的适合度影响取决于多种因素的共同作用. 对于杂草稻而言, 虽然转基因漂移到杂草稻群体无法避免, 但是由于抗虫转基因带来的适合度优势只有在高虫压的环境下才能体现, 在抗虫转基因栽培稻大规模商品化种植的情况下, 栽培稻田的靶标害虫密度必将大大降低, 环境中靶标害虫的总体虫压也会很低, 因此抗虫基因转移到杂草稻群体不会对其带来适合度优势而产生负面环境影响.

  相反, 由于对稻田不施或少施用杀虫剂, 对于稻田生态环境的保护是有利的. 对于抗虫转基因漂移到野生稻群体, 由于抗虫基因不能给野生稻植物带来额外的抗虫性, 也不能为野生稻的生存、竞争和越冬能力带来明显的适合度优势, 加之野生稻群体的虫害发生量也远比种植密集的栽培稻田要低, 据此而推论, 抗虫转基因漂移到野生稻群体不会导致显著的环境影响. 总体判断, 抗虫转基因栽培稻的商品化种植不会带来明显的负面环境影响.

  然而与抗虫转基因相比, 抗除草剂转基因从栽培稻漂移到杂草稻或野生稻所产生的适合度效应是完全不相同的. 特别是对于增加epsps表达量来达到抗除草剂目的的这一类转基因, 当其通过基因漂移而转移到杂草稻和野生稻群体, 可能提高这些群体的抗除草剂能力和适合度, 从而带来不可预测的环境影响和杂草防治问题. 美洲、南欧和东南亚一些国家由于种植基因突变产生的抗除草剂栽培稻品种(Clearfield®), 已经产生了大量抗除草剂杂草稻, 这些为杂草稻防治带来负面影响和巨大挑战的事例, 可以作为发展和商品化种植转基因抗除草剂栽培稻的警醒. 对于抗除草剂基因漂移到栽培稻野生近缘种的生态后果、影响机制以及防治方法, 还需进一步加强研究才能解答. 在没有确定切实可行的解决方案之前, 对于大规模种植抗除草剂转基因栽培稻的计划, 应该持非常谨慎的态度.

  通过多年的研究, 对于栽培稻的转基因漂移及生态后果和一些相关规律已经有了较为深入的了解, 但是按照转基因生物安全的个案(case-by-case)原则, 对于不同类型的转基因漂移所带来的生态风险问题, 还需要进一步的研究才能予以解答. 例如, 大多数对转基因漂移到栽培稻野生近缘种及其适合度影响的研究, 均是基于转基因与非转基因杂种后代以及亲本之间的适合度相关性状比较. 然而, 转基因漂移和渐渗所带来的长期影响, 目前知之甚少.

  此外, 由于转基因生物技术的迅速发展, 出现了更多的新类型转基因(如抗环境胁迫和促进生长的基因)以及更新的技术(如多基因复合性状转化、基因沉默和基因编辑技术等). 如果这类基因和新一代技术应用于栽培稻和其他农作物的遗传改良, 而与之相应的转基因随着基因漂移转移到野生近缘种, 由此产生的生态环境影响又应当如何评价? 这些都是生物安全评价亟待解决的新问题.

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