转基因植物安全性的研究进展

转基因植物安全性的研究进展

改良品种具有减少化学农药对环境的影响、提高作物产量、改善质量和保持水土等潜在优势。转基因作物的应用为农业生产带来了一次新的革命,但以重组DNA技术为代表的现代生物技术在带来巨大利益和效益的同时,也可能对人类健康和生态环境安全造成不必要的负面影响。目前,国际上对转基因植物及其产品的安全性评价主要涉及3个方面:一是受体植物安全性风险,即导入的外源基因及其产物对受体植物是否产生不利影响;二是生态环境安全性风险,即转基因植物的使用带来的直接或间接的生态影响;三是毒理安全性风险,主要指以转基因植物为原料的产品(食品、饲料)和其他方面的安全性。现就转基因植物的生态安全性风险进行阐述。1抗虫基因及抗药体的缺乏自然界生物间的协同进化或生物与非生物抑制因子间的对抗可能出现适应或被淘汰的结果。根据协同进化理论,转基因抗病虫作物的应用也将会面临目标病虫害对抗性植物的适应和产生抗性的问题。通常选择压力越大,害虫抗性产生得越快。以转Bt基因为例,Bt毒蛋白在植物各营养器官中的表达通常是高剂量的持续表达,因此提高了对害虫的选择压力,可能促使害虫对Bt作物产生抗性,从而削弱Bt作物的经济效益和优势。希望通过制备转不同Bt基因的植物来延长害虫抗性的产生并不可行,因为害虫普遍存在多重抗性和交互抗性。此外,抗虫转基因作物的大量种植,还可能发生目标害虫的“行为抗性”和寄主转移现象。一方面害虫可能区分Bt毒蛋白在植株不同部位的表达量,从而选择性地取食Bt毒素含量较低的部位,提高种群的存活率;另一方面,如果目标害虫寄主植物来源较广,在不适口的情况下转移至非转基因作物上危害。目前尚无证据表明靶标害虫对转基因植物产生抗性,Wu等对我国华北棉田棉铃虫抗性的长期监测(1994~2002)表明,自1997年推广Bt棉以来,Bt棉田棉铃虫对Bt的抗性未见显著提高,由于化学农药使用量减少,Bt棉田棉铃虫对高效氯氟氰菊酯、辛硫磷和硫丹的抗药性甚至大大降低。尽管如此,国际上普遍提倡通过转基因植物种子和非转基因种子混合播种、提供非转基因作物庇护所、种植替代寄主植物或提高自然植被多样性等策略,预防和应对目标害虫对转基因植物产生抗性。2对主要害虫的影响转基因植物本身及其转入基因编码产物不仅会对目标生物起作用,还有可能会对非目标生物产生直接毒性作用,或通过食物链和食物网对非目标生物产生间接影响。这方面的评估指标通常包括非目标生物的生物学特性指标,如:发育历期、繁殖力、体型、控害效能等。室内研究表明,Bt玉米品种“176”的花粉对菜粉蝶(Pierisrapae)、大菜粉蝶(Pierisbrassicae)和小菜蛾(Plutellaxylostella)的生长和存活均具有显著的不利影响。转Bt基因棉对棉蚜(Aphisgossypii)的发育和繁殖没有不利影响,但转Bt和CpTI的双价抗虫棉短期内会对棉蚜产生不利影响,1~2代棉蚜的存活率降低,繁殖期缩短,寿命延长,对第3代棉蚜则未见显著不利影响。在田间,由于转基因作物对目标害虫具备很强的针对性,目标害虫的种群数量下降,导致生物群落中种与种间竞争格局发生变化,某些非目标害虫由于其较强的适应性而成为主要害虫。例如,Bt棉田由于施用化学农药防治棉铃虫的次数减少,棉盲蝽(Lyguslucorum)和Adelphocorisspp.的为害加重;对棉蚜种群的影响在不同调查年份和地点并不一致,二点小绿叶蝉(Amrascabiguttula)、三叶斑潜蝇(Liriomyzatrifolii)、烟粉虱(Bemisiatabaci)、稻绿蝽(Nezarviridula)、棉红蝽(Dysdercuskoenigii)和尖筒象(Myllocerusundecimpustulatus)的为害则与对照无显著差异。3基因对寄生蜂对天敌的影响种植转基因植物不仅要控制靶标害虫,而且必须与天敌协调共存,才能融入有害生物综合治理(IPM)体系。转基因植物的大面积推广,其花粉对家蚕等经济昆虫和传粉蜂类的潜在影响受到关注。此外,转基因植物的环境释放,有可能通过基因水平转移、根系活性分泌物改变和残体中生化成分的改变来影响土壤动物和微生物区系的组成和结构,进而影响整个土壤生态系统的功能。对天敌的生态毒性。转基因抗虫植物表达的杀虫蛋白不仅作用于目标害虫,也必然影响到非目标害虫和天敌的生活力。这些影响包括转基因作物表达的毒蛋白或改性蛋白对天敌存活和发育的直接毒害或通过害虫对天敌产生的间接毒害,天敌对转基因作物上的目标害虫行为/生理/生殖的反应,天敌种类及种群数量的变化,天敌群落结构和种群动态的变化等。针对捕食性天敌,多数研究表明取食了转基因作物的植食性昆虫猎物对捕食性昆虫的个体生长发育、生殖、捕食行为等特性均无不良影响;转基因植物花粉和汁液对捕食性天敌没有直接毒性。但也有研究表明转基因抗虫植物对捕食性昆虫生物学特性产生不利影响,如:取食Bt玉米的害虫对普通草蛉(Chrysoperlacarnea)幼虫具有毒害作用,使其发育时间延长、死亡率增大;龟纹瓢虫(Propylaeajaponica)幼虫取食Bt棉上的棉蚜,成虫的畸形率上升;取食用Bt棉饲养的斜纹夜蛾初孵幼虫,龟纹瓢虫1龄幼虫体重低于对照,较少发育至2龄。针对寄生性天敌,部分研究表明取食了转基因植物的植食性昆虫寄主对寄生性昆虫的个体寄生、发育、行为等产生不良影响[26,27,28,29,30,31,32,33,34];也有研究表明转基因植物或其产物对寄生蜂生物学特性无不良影响[35,36,37,38,39,40]。对天敌种群和群落的影响。迄今,多数研究表明转基因作物对田间捕食性天敌和寄生性天敌种群数量或群落组成的影响较小[41,42,43,44,45,46,47,48,49],对天敌的生态功能也未见显著影响;但也有研究表明,转基因作物田天敌群落发生显著变化,如:转Bt基因玉米田和转Cry3A基因马铃薯田的步甲数量均明显少于常规作物田;转Bt基因棉田龟纹瓢虫等捕食性天敌与寄生蜂的种群数量下降,天敌亚群落的多样性显著降低。对经济昆虫的影响。家蚕(Bombyxmori)和柞蚕(Antheraeapernyi)是我国的重要经济昆虫,与Bt作物的靶标害虫同属鳞翅目。Bt作物的花粉会飘落到柞树或桑树上,特别是我国南方养蚕地区的传统作物种植模式是桑稻间种,所以,Bt作物的大面积推广可能会对这两种经济昆虫造成不良影响。研究表明,转Cry1Ab基因水稻在我国南方养蚕地区推广可能对家蚕的生长发育产生负面影响;转Cry1Ac基因棉花、转Cry1Ac和CpTI基因棉花和转Cry1Ab基因玉米的花粉对家蚕发育和产卵均无显著影响,且无明显的剂量效应;转基因棉花花粉对柞蚕1~3龄幼虫的发育及取食也无显著影响。对传粉昆虫的影响。自然界75%~85%的显花植物是虫媒花,一些转基因植物需要蜂类传粉,或可作为传粉昆虫的食物来源。随着转基因植物种类的增加和种植面积的迅速扩大,蜂类等传粉昆虫受影响的可能性也越来越大,特别是抗虫转基因植物对传粉蜂类的影响。目前,转基因植物对蜂类的安全性评估已在不同层次展开。实验室层次上的研究表明,某些种类的PIs(如POT、BPTI、SBTI、BBI)会对蜂类的生存、中肠蛋白酶活性和嗅觉学习行为等产生不良影响;Bt棉的花粉对蜜蜂工蜂无急性毒性作用,工蜂的寿命和过氧化物酶活性也未受显著影响;抗性转基因植物对蜂类间接影响的研究集中于转基因植物对蜜蜂取食偏好性的影响,目前未发现转基因植物对蜜蜂取食行为产生显著影响。半大田层次的试验则多未发现负面影响。根据现有研究,转基因植物对蜂类的影响与转基因植物的生物学特征、目的基因的类型和性质、转基因在植物不同部位的表达特异性及表达量等密切相关。对土壤微生物的影响。转基因植物对土壤微生物的直接影响取决于转基因植物产生的外源蛋白质的作用范围及其在土壤环境中的积累量。由于外源基因的导入和表达,转基因植物的代谢、生理生化性质及根系分泌物组成可能产生变化,这些变化将对土壤微生物产生间接影响。目前国内外这方面的报道较少,结论也不一致。如:用T4-溶菌酶基因转化的转基因抗细菌病害马铃薯对土壤中的好氧微生物总量和有益微生物数量均无显著影响;Bt棉可提高土壤中细菌和真菌的数量;不同生育期Bt棉根际微生物的数量与对照差异不显著;Bt水稻田土壤中真菌数量提高,细菌数量显著降低,放线菌数量没有显著变化;Bt水稻对土壤中反硝化细菌和产甲烷细菌种群有显著抑制作用,对厌氧发酵细菌种群有显著刺激作用,对厌氧固氮细菌种群有一定刺激作用;种植转基因番茄的土壤中微生物的数量和种类产生一定变化,但土壤的总DNA及菌株DNA中均未检测到外源基因扩增产物。可见,由于目前此类研究报道中转基因植物种类、考察的微生物种类和研究方法不同,结果也不相同,因此难以分析、比较并得出明确结论。转基因植物的推广种植品种趋于多样化后,对土壤微生物区系的的影响也有待研究。对土壤动物的影响。土壤动物功能群在土壤物质转化及养分释放中起着重要作用,可反映不明污染物在生态系统中造成的影响。土壤微生物的变化可影响到土壤动物的数量和分布。近年来已发现转基因植物会影响土壤动物群落。如:Bt玉米影响土壤弹尾目昆虫的繁殖率;转GNA和ConA基因马铃薯降低土壤微生物和原生动物的活性;转基因烟草(蛋白酶抑制剂I)增加土壤线虫的密度,导致土壤动物群落和植物残留物分解的改变;Bt棉提高土壤线虫和分解者的密度;转几丁质酶和葡聚糖酶基因水稻可降低弹尾目昆虫Folsomiacandida和线蚓(Enchytraeuscrypticus)的密度,提高弹尾目Sinellacurviseta的密度,对Folsomiafimetaria则无显著影响。这方面的研究报道尚少,转基因植物对土壤动物区系的影响有待深入研究。4对微生物的影响在生态环境中稳定下来的转基因作物,可能会在生态系统中通过食物链产生累积、富集和级联效应。转基因作物由于有较强的针对性和专一性,会使生物群落结构和功能发生变化,一些物种种群数量下降,另一些物种数量急剧上升,导致均匀度和生物多样性降低,系统不稳定,影响正常的生态营养循环流动系统。转基因植物对生物多样性和生态系统的影响可能是微妙的、难以觉察的,需要长期的监测和研究。目前影响较大的相关报道有:美国黑脉金斑蝶事件、墨西哥玉米受污染事件、加拿大抗除草剂油菜事件、抗除草剂作物由于大量使用草甘膦除草剂对微生物群落产生负面影响等,现举例如下:“黑脉金斑蝶”事件。Losey等报道Bt玉米的花粉对濒危蝴蝶黑脉金斑蝶(Danusplexippus)具有明显毒副作用,推断玉米扬花季节飘落的Bt玉米花粉会对金斑蝶幼虫产生毒性,可能威胁到该物种的生存。这则报道受到强烈置疑,因此美国农业部专门组织了研究团队,在自然环境条件下就Bt玉米花粉对黑脉金斑蝶的潜在影响进行了全面评价,结果表明,综合考虑玉米田黑脉金斑蝶的比例、玉米扬花期与幼虫易感时期的重叠和Bt玉米的种植率,目前已商业化的大多数Bt玉米花粉对黑脉金斑蝶种群还不会构成威胁。但Losey等极端条件下的试验结果也为我们敲响了警钟。墨西哥玉米受污染事件。2001年9月墨西哥政府报告Oaxaca州的玉米受到一种未被批准在墨西哥种植的Bt玉米基因的污染,在该州22个村庄的玉米样品中,15个村庄的样品污染率达3%~10%。由于墨西哥是玉米的起源中心,玉米种质资源特别丰富,且野外分布有多种能与玉米自然杂交的亲缘野生种——玉米草,因此该事件引起全球极大关注。此后美国科学家在Nature上报道了墨西哥玉米受到基因污染的分子证据。可见,墨西哥偏远地区的本土玉米品种无疑已经受到转基因的污染。5抗菌体表面基因和水稻转基因植物可能通过与野生植物异种交配而使转基因植物中的目标基因进入野生植物。发生基因漂移需要具备两个条件:一是该转基因植物可以与同种或近源种植物进行异花授粉;二是这些同种或近源种植物与该转基因植物在同一区域种植,而且转基因植物的花粉可以传播到这些植物上。根据这两个条件,转基因玉米、甜菜、油菜及一小部分转基因水稻有可能产生基因漂移。基因漂移的后果是产生适应性或竞争力更强的品种,从而导致自然生态系统或农业生态系统的失衡。如果转基因植物中外源基因表达的是提升植物繁殖优势的特性,如抗除草剂、抗霜冻、延长种子在土壤中的活性时间、调剂花期、调节植物固氮能力等特性,则更可能发生这种生态系统的失衡。如果转基因植物可使野生植物具有抗虫特性,则可影响野生植物所维持的昆虫自然种群数量和群落结构,威胁某些生物的生存。如果基因流发生在转基因作物和生物多样性中心的近缘野生种之间,则可能降低生物多样性中心的遗传多样性;如果这种基因流发生在转基因作物和有亲缘关系的杂草之间,则可能产生难以控制的杂草。这方面最引人注目的是前文所述的墨西哥玉米受污染事件。此外,有研究表明,把耐除草剂的转基因油菜籽和杂草一起培育可产生耐除草剂的杂草;转Bt和CpTI水稻与非转基因水稻间的基因流频率较低(<1%),但转基因水稻的高密度种植,可增加其与非转基因水稻异型杂交的概率;抗除草剂基因可由转基因小麦转移至临近的圆柱山羊草(Aegilopscylindrica),且自然变异频率低的品系通过杂交发生基因漂移的风险更大。可见通过转基因技术产生的基因可扩散到自然界中去,现有的风险评估方案即便设计得很完善,也可能低估转基因植物基因漂移的实际风险。此外,有预测模型表明,虽然抗除草剂作物基因漂移的频率很低,高效除草剂的频繁使用将促使转基因作物成为难于控制的先锋植物,并不利于保持转基因作物的抗性水平。此外,转基因抗病毒植物可能通过重组过程产生新的植物病毒株系。基因重组在生物界普遍存在,当一种非目标病毒侵入转基因抗病毒植物的细胞,入侵病毒就可能与植物中的外套蛋白基因(Coatproteingene)进行部分遗传物质的交换,从而产生新病毒,这对自然生态系统的风险难以估量。6减少转基因植物的药量目前应用的大多数抗虫转基因植物所使用的目的基因为苏云金芽孢杆菌毒素基因,不同的毒素基因分别具有高度专一性,只能作用于其靶标害虫。由于转基因抗虫植物的应用,对目标害虫的田间用药量将会大幅度下降,可能导致次要害虫种群增长,进而增大农药的使用量,降低转基因植物的预期经济和环境效益。根据环境影响系数(EIQ,一种基于促成某一独立活性成分对环境产生净影响的不同因素的复合测量方法)的测算,1996~2004年间,由于转基因作物的推广种植,全球杀虫剂累计减少量为172500Mt的活性成分,相当于作物用杀虫剂对环境的破坏作用降低了14%。7措施和评价第二、三、关于转基因植物生态风险综上所述,转基因植物是环境安全农业的一个重要组成部分,为保证转基因植物的可持续利用,有必要密切关注转基因植物的生态安全性,