转基因逃逸及其潜在环境风险评价

转基因逃逸及其潜在环境风险评价

著名的遗传和进化人类学家杜比扎希尔曾经这样说过：“没有进化的指导，任何生物问题都无法正确解释。”中国著名的遗传学者朱立勋也总结道：“进化是生物学的核心问题”。两位生物学巨人对进化论的评价,充分体现了进化思想在生物学研究中的重要地位和深刻影响。今年正值进化论的创始人达尔文诞辰200周年以及他的巨著《物种起源》发表150周年纪念,回顾达尔文的进化理论和进化思想将有助于我们进一步正确理解和研究生命科学中复杂纷纭的现象和问题,并为解开这些问题的奥秘奠定正确的研究方向。达尔文在《物种起源》一书中提到了两个主要观点:(1)物种不断进化和不断改进自身以适应周围的环境;(2)自然选择是新物种形成的关键机制,即所谓“物竞天择、适者生存”。生物的遗传和变异为适应性进化和新物种形成创造了基本条件,群体中的有益或有害遗传变异在自然选择作用下被保留(生存)或淘汰(死亡),这一过程导致了生物进化,当这一过程不断发展和积累,就会对群体产生明显影响进而带来不同程度的环境和社会后果。自然选择理论科学地解释了生物的进化,也解释了自然界的奥妙,许多与生命科学相关的问题,例如生物多样性形成、维持和丧失,物种濒危和灭绝、疾病的流行爆发以及转基因的环境生物安全问题等,都可以在进化论的思想指导下进行研究并找到答案。根据Dobzhansky的解释:“生物进化是由生物与其生存环境之间相互作用的变化而导致生物群体的部分或整体遗传组成发生的一系列不可逆的改变”(Dobzhanskyetal.,1977)。按照生物进化的时间和空间尺度,我们可以研究发生在物种和物种以上水平的系统进化过程,即宏观进化(macroevolution),也可以研究发生在物种以下水平的群体进化事件,即微观进化(microevolution)(Simpson,1944)。微观进化主要研究在较小时间和空间尺度上群体的基因或基因型频率的动态变化、分布式样以及由此而产生的进化后果。根据现代进化论的思想,自然选择对微观水平上的进化发生作用必须满足以下3个条件:(1)群体内存在变异并且这些变异可以产生具有不同基因型的个体;(2)这些变异将影响个体的表现型,并对不同个体的适合度带来一定的影响;(3)不同基因型的个体在不同的环境条件下表现出一定的适合度差异。这里用“适合度”这一概念来衡量包含特定基因型的个体或群体在不同环境下的适应程度,可以定义为具有特定基因型个体的相对繁殖成功率(相对优势)或具有该基因型的个体对群体基因库的相对贡献程度(Stewartetal.,2003)。虽然适合度是以包含特定基因型的个体为描述对象的,但个体中能提高适合度的基因也会随着个体一同受到自然选择。换言之,在特定生态环境条件下,适合度越高的个体或基因,其繁衍自身的能力也越强,造成系统内变化甚至失衡的可能性就越高,由此而带来的环境后果也就越明显。本文将以进化的理论和思想为指导,讨论转基因植物的外源基因逃逸及其可能带来的环境生物安全问题,并以此为转基因的环境生物安全评价提供理论基础和科学依据。1以基因为依托创造遗传变异,进行基因转染进化论对科学研究的许多领域都产生了极其深刻的影响,其中获益最大的领域是动植物的遗传改良,以至于有学者将野生物种的驯化和遗传育种称为“超级进化”(Vaughanetal.,2007)。育种学家通过各种方法(如有性杂交、辐射和化学诱变、染色体操纵和生物工程等)创造遗传变异,并通过人工和自然的共同选择将符合人类需求和育种目标的有利遗传变异保留下来,进一步繁殖培育成新品种。因此,创造遗传变异始终是遗传育种的核心问题。随着现代遗传学、分子生物学和生物技术的不断发展,人类创造遗传变异的能力已经从独立王国逐渐进入了自由王国,其中一个成功的跨越就是利用转基因生物技术来创造遗传变异并改良动物、植物和微生物,从而创造新品种。转基因技术不仅可以更高效和有目标地改良品种,而且还可以打破物种间有性生殖隔离的界限,在任意生物种类之间进行基因转移,从而无限地扩大了可利用的遗传变异来源,这对生物的遗传改良产生了划时代的影响。自1995年第一例转基因西红柿进入商品化生产以来,转基因植物的种植面积在全球迅速增加,截至2008年底,全球转基因植物的商品化种植面积已经超过了1.25亿公顷,所带来的经济效益也超过440亿美元(James,2008)。这充分表明转基因技术在提高全球粮食生产效率和改善农作物品质等方面都有巨大的优势。然而,作为生命科学中一个迅速发展的新领域,转基因技术及其产品的广泛应用也引发了全世界对其潜在的生物安全问题的广泛讨论和关注(Conneretal.,2003)。1.1第二,推动基因生物环境安全的研究和管理按照联合国粮食与农业组织(FAO,2002)的定义,转基因的生物安全是指:“在生物技术的应用以及转基因植物和其他生物尤其是微生物的环境释放过程中可能对植物遗传资源、动物和植物、人类健康以及环境带来的负面影响(/ag/cgrfa/cgrfa9/r9w18ae.pdf)”。按照近年来全球生物安全的研究进展和发展趋势,生物安全所涉及的领域主要包括以下几个方面:(1)转基因产品的食用安全和有关健康方面的问题;(2)转基因生物的环境释放所带来的环境和生态方面的生物安全问题;(3)与转基因技术或产品相关的社会、经济和伦理问题;(4)转基因产品的标识以及产品中转基因的检测和鉴定;(5)转基因生物技术产品的公众接受程度以及有关生物安全的公众认知和教育;(6)与转基因生物技术及其产品商品化应用和生物安全评价、管理相关的法律和法规;(7)转基因产品的生物安全评价、监测和管理体系(Lu,2008;卢宝荣等,2008)。转基因生物的大规模环境释放及其可能带来的环境生物安全问题是目前全球最受关注和争议的领域之一。由于环境生物安全所涉及的地域和范围宽广,受影响的因素众多,而且这些因素相互联系,产生的后果在时间尺度上影响可能比较久远而且对环境生物安全产生的影响很难进行严格的界定,因此,对转基因生物环境安全的评价、研究及有效管理都具有很大的难度。目前,全球对转基因植物的环境生物安全比较有共识的问题主要包括以下几个方面:(1)转基因向非转基因栽培植物及其野生近缘种逃逸以及由此而产生的生态风险(Ellstrand,2003;Messeguer,2003;Lu&Snow,2005;Merceretal.,2007);(2)抗虫或抗病转基因对非靶标生物的影响(O’Callaghan,2005;Oliveiraetal.2007);(3)转基因植物对农业生态系统以及系统外生物多样性的影响(Conneretal.,2003;Ammann2005);(4)转基因植物长期和大规模种植对土壤生物(包括微生物)群落的影响(Wuetal.,2003;Giovannettietal.,2005;Oliveiraetal.,2007);(5)抗虫和抗病转基因植物的长期种植导致靶标生物对转基因的抗性进化(Batesetal.,2005;Daleckyetal.2007;Lietal.,2007;Wu,2007)。虽然上述各方面仅包括目前倍受人们关注的环境风险的一部分,但已涉及了生命科学的多个领域。本文仅以外源基因逃逸及其潜在的生态风险为案例,分析如何用进化论的思想为指导来分析其中的科学问题,探索各问题之间的关系和变化规律从而为转基因逃逸及其生态风险的评价锁定研究方向,为相关的转基因环境生物安全评价和管理提供科学依据和技术平台。1.2缘种和杂草类型之间的基因漂浮和遗传物质的交换转基因逃逸是指转基因植物中的外源基因通过基因漂移(或天然杂交)转移到植物的非转基因品种或其野生近缘种(包括杂草种类)的现象。根据转基因逃逸对象的不同,可以将其划分为外源基因从转基因作物向其非转基因作物(crop-to-crop)、向野生近缘种(crop-to-wild)和向同一物种的杂草类型(crop-to-weed)的逃逸(Lu&Snow,2005;Lu,2008)。栽培作物品种之间、作物与其野生近缘种之间以及作物和作物同种杂草类型之间的基因漂移和遗传物质的交换非常频繁和广泛,这是植物和农作物进化过程中的自然现象,已经在作物及其野生近缘种的进化历程中存在了数千年(Ellstrandetal.,1999)。因此,转基因完全能够通过基因漂移逃逸到非转基因作物品种以及作物的野生近缘种或杂草群体中,并通过遗传渐渗在野生近缘种的群体中存留或进一步扩散,进而带来环境生物安全问题。由于转基因逃逸的对象不同,带来环境生物安全问题的性质也不一样,因此,非常有必要对转基因漂移与转基因逃逸之间的关系以及不同类型转基因逃逸而带来的潜在生物安全问题进行探讨。1.2.1菌株间的基因漂浮基因漂移在进化生物学和群体遗传学中又被称为基因流(geneflow),是生物进化的一个重要过程和非常普遍的自然现象。按照进化生物学的定义,基因流是指遗传物质(一个或多个基因)从某一个生物群体转移到另一个群体的过程(Hartl&Clark,1988)。理论上有两种不同类型的基因漂移:即通常意义上的基因漂移和基因水平转移(horizontalgenetransfer),前者指通过有性杂交的方式使基因在同一物种的群体之间或可进行交配的近缘种之间转移的现象,而后者则是指通过非有性生殖的方式(如细胞之间的接触和感染)使基因在不同物种个体之间转移的现象。由于基因水平转移大多发生在低等生物(如细菌),而且频率极低,目前还没有充分的证据表明它会带来环境生物安全问题,因此本文将主要讨论有性杂交过程所导致的基因漂移。按照漂移媒介不同,广义的基因漂移可以分为花粉介导、种子介导以及无性繁殖器官介导的基因漂移(Lu,2008)。花粉介导的基因漂移是指通过花粉传播或有性杂交的方式造成群体中不同个体的遗传物质交换,而种子或无性繁殖器官介导的基因漂移是指通过种子或无性繁殖器官的扩散和传播而造成群体中个体之间的交换,不涉及有性杂交过程。本文集中讨论花粉介导的基因漂移及其导致的转基因逃逸和环境风险。花粉介导的基因漂移广泛存在于具有杂交亲合性的植物种类之间,包括同一物种不同群体和不同物种之间的基因漂移。如果这些物种和群体在地理空间上具有重叠分布区,而且相邻生长,在物候学上又有相同或重叠的开花期和开花时间,那么这些物种之间很可能发生花粉介导的基因漂移(Lueal.,2003)。基因漂移是双向的,既可以由栽培植物向野生近缘种进行,也可以由野生近缘种向栽培物种进行(图1),但无论是哪一种情况发生,都可以导致外源转基因的逃逸。基因漂移的方向及其频率在不同的物种之间有很大的差异,这在很大程度上取决于花粉供体的花粉产量、花粉受体的异交率、不同物种之间的杂交亲和性以及花粉竞争能力等(Songetal.,2002,2004a;Lu,2008;Rongetal.2009)。上述基因漂移的例子可以在许多栽培植物及其野生近缘种(包括杂草类型)中发现,表明花粉介导的作物-野生种基因漂移十分普遍(Jenczenwskieal.,2002;Ellstrand,2003;Luetal.,2003;Chenetal.2004;Heinemann,2007)。关于基因漂移与转基因逃逸之间的关系以及基因漂移频率的确定将在后文中进行讨论。1.2.2影响基因作用的因素作物-作物转基因逃逸:转基因从转基因作物向非转基因作物逃逸的后果主要是造成非转基因作物品种的混杂,进而引起国家和地区间的贸易以及法律方面的纠纷。如果转基因逃逸的频率较高还会带来如下一些问题。首先,影响地方土著品种和农家传统品种的遗传多样性。转基因逃逸到土著品种(或农家品种)后,转基因所编码的优势性状(例如抗虫、抗病等),会使含转基因土著品种或农家品种的植株或种子在田间受到自然选择以及农民的偏爱,逐渐导致这些转基因植株个体数量的增加,致使土著品种的遗传多样性逐渐降低,其宝贵种质资源逐渐丧失。曾经在Nature杂志上报道过的墨西哥玉米土著品种受到抗虫Bt转基因“混杂”的问题就引起过广泛争议(Quist&Chapela,2001)。其次,转基因向非转基因作物品种逃逸还会影响某些转基因的作用效果。例如,抗虫转基因作物的可持续利用和长期种植一般需要采取“高剂量与庇护所”策略,即将转基因和非转基因作物(庇护所)按一定的比例和空间模式种植,以延缓靶标昆虫抗性的产生。如果抗虫转基因作物与非转基因作物间发生频繁的基因漂移,就会使庇护所中的非转基因作物获得抗虫性状,削弱庇护所对靶标昆虫抗性的延缓作用(Heinemann,2007)。作物-野生种转基因逃逸:转基因从转基因作物向其野生近缘种的逃逸则可能是由于杂交-渐渗的遗传同化(geneticassimilation)过程和湮没效应(demographicswamping)影响了野生群体的遗传完整性(geneticintegrity),甚至导致野生近缘种群体的局部灭绝,从而带来生态风险(Andow&Zwahlen,2006;Lu,2008)。尤其是当能改变个体适合度的转基因(如抗虫、抗逆转基因)向作物的野生近缘种发生逃逸,会引起以下后果:如果逃逸的转基因具有明显的适合度优势,携带该转基因的个体将通过遗传渐渗在野生近缘种群体中迅速扩散,尤其是携带具有特殊性状(如抗旱抗逆)转基因的野生个体,由于具有自然选择优势和较强的生存竞争和入侵能力,一旦进入农业生态系统可能会成为新型杂草。另外,这些携带转基因的个体可能逐渐取代群体中的其他个体,导致野生近缘种群体遗传多样性的下降甚至丧失。如果逃逸的转基因具有明显的适合度劣势,携带转基因的个体将会由于竞争而被群体中的其他个体所淘汰,当这些劣势转基因不断通过循环性基因漂移(recurrentgeneflow)逃逸到野生近缘种群体,该群体就会逐渐遭到淘汰和消亡。作物-杂草类型转基因逃逸:转基因从转基因作物向同一物种的杂草类型(如杂草稻和杂草型油菜)逃逸,转基因带来的适合度优势则可能增强该杂草类型的入侵和竞争能力,增加农田生态系统中杂草治理的难度。如果该杂草获得具有特殊抗性的转基因(如抗旱和耐寒转基因),将会具有更强和更广泛的适应能力和扩散能力,带来更严重的环境风险。另外,抗除草剂的转基因一旦逃逸到杂草群体中,会增加用除草剂控制杂草的难度。例如,在加拿大已经发现同时包含三种抗除草剂转基因的杂草型油菜,其原因就是甘蓝型转基因油菜中的三种不同抗除草剂基因逃逸和叠加到杂草型油菜中(Halletal.,2000)。2杂交-渐渗的进化理论广义的杂交(或天然杂交)可以理解为植物物种或群体中任何有遗传差异的个体之间通过传粉受精产生后代(杂种)的过程;渐渗(或遗传渐渗)则可以定义为基因或遗传物质通过群体中的杂种个体与亲本个体之间的回交而不断在群体内转移的过程。杂交的过程往往导致基因从一个物种或群体向另一个物种或群体转移;而渐渗过程往往导致群体内基因的不断扩散。花粉介导的基因漂移与有性杂交几乎是同义词,而转基因逃逸的环境风险也在很大程度上取决于转基因是否能够通过有性杂交逃逸到野生群体,并通过遗传渐渗在野生群体中不断扩散。因此,杂交-渐渗的进化理论可以很好地指导转基因逃逸及其潜在环境风险的研究和预测体系的建立。通常,转基因植物的外源基因通过天然杂交逃逸到植物野生近缘种必须包括两个重要的步骤:(1)转基因通过基因漂移(或天然杂交)逃逸到野生近缘种的群体中;(2)转基因通过遗传渐渗在野生近缘种群体中存留和扩散。如果逃逸的转基因能在野生近缘种群体中正常表达,而且能给野生近缘种的个体带来一定的适合度优势,那么转基因便可以通过遗传渐渗在野生近缘种的群体中迅速扩散;当群体中携带转基因的个体累积到一定频率,就会对野生近缘种的种群动态和和进化过程产生明显影响(例如形成入侵能力很强的杂草等),进而带来一定的生态风险。这一过程与研究杂交-渐渗中确定杂交频率以及遗传渐渗导致的适应性进化和物种形成的内容非常相似。因此,利用杂交-渐渗的进化理论来指导转基因逃逸及其生态风险的研究,不仅可以利用已有的进化理论来解释许多生态学现象(如种群的入侵和灭绝),而且也可以为杂交-渐渗的研究提供新材料和新方法。因为研究一个全新的转基因通过杂交-渐渗进入植物自然群体之后,如何在不同的环境条件下影响植物群体的群体动态、生存竞争能力、入侵能力以及进化潜力,可以极大地丰富杂交-渐渗理论的内涵。2.1杂交-渐渗的促进作用杂交-渐渗是自然界生物种群在微观水平上进化最常见的过程之一,在群体进化过程中发挥着非常重要的作用(Stewartetal.,2003)。杂交-渐渗的进化意义主要包括以下几个方面:(1)群体内遗传多样性的产生与维持;(2)适应性进化的产生及其在群体中的转移;(3)物种或群体中新生态型或新物种的形成;(4)群体间原有的遗传隔离被打破;(5)对物种传播和定居的促进(Stewartetal.,2003;Campbelletal.,2006)。由此可见,基因可以通过杂交-渐渗从一个群体融入另外一个群体,并在该群体中存留和扩散。杂交-渐渗最显著的进化意义则是在不同的环境条件下导致适应性进化的产生,提高并维持物种或群体中遗传多样性的水平以及促进群体中新类型的形成。杂交-渐渗对物种或群体进化的促进作用主要包括以下几个方面:(1)对自然群体的遗传同化作用;(2)对自然群体的湮没效应;(3)对自然群体的选择性剔除(selectivesweep)效应。这些效应均会导致野生自然群体及其动态发生明显的改变。以栽培作物及其野生近缘种群体为例,通过基因漂移或天然杂交,大量的作物基因可以转移到野生种群体,并通过遗传同化作用而不断取代野生种的等位基因,导致群体中遗传多样性的逐渐降低甚至丧失(Wolfetal.,2001;Andow&Zwahlen,2006)。当作物不断向野生群体进行循环性基因漂移,遗传同化作用将更为显著,对野生群体遗传多样性的改变也就更剧烈。群体的湮没效应表现为当作物与其野生近缘种杂交后代的适合度低于其野生亲本时,连续的杂交和渐渗过程就导致该野生群体的规模逐渐变小,甚至威胁到该野生群体的生存(Ellstrand&Elam,1993;Levin&Smith,1996;Andow&Zwahlen,2006)。选择性剔除效应则是指重组到野生近缘种群体基因组上的作物基因及其相连锁的其他基因,在自然界中负向选择(negativeselection)的作用下,遗传多样性在基因组水平上下降或被剔除的现象(Wangetal.,1999;Palaisaetal.,2004;Lu,2008)。无论是上述哪一种效应,都与逃逸到野生群体基因所带来的适合度有密切关系。具有适合度优势的作物基因会迅速替代群体中的野生型基因,降低野生种群体的遗传多样性或提高入侵能力,从而导致农田生态系统的杂草危害(Ellstrandetal.,1999;Andow&Zwahlen,2006)。来自栽培植物的基因(无论是否属于转基因)通过天然有性杂交(或基因漂移)进入野生近缘种的群体,并且通过遗传渐渗在野生群体内或群体间进行扩散,会改变野生群体的生存能力和入侵能力,进一步导致生态风险。因此,我们必须明确这样一个概念:转基因逃逸导致生态风险的过程,也就是转基因通过作物向其野生近缘种或杂草类型进行杂交-渐渗的过程。2.2第二,流转逃逸频率及干扰因素导致基因方案设计或者投资方是野生近缘种或杂草群体的多样性,导致群体和优势种杂交的经典定义是不同物种或群体的个体之间发生交配和受精的过程(Harrison,1990)。但是现代生物学对杂交的定义更为广泛,即任何具有明显遗传差异的个体之间产生交配和受精的过程(Rieseberg&Carney,1998)。杂交的结果将导致基因在个体之间、群体之间以及物种之间不可逆转的流动或转移。在植物中,花粉介导的转基因逃逸是通过转基因植物与非转基因的植物品种以及野生近缘种之间的自然杂交来实现的。但是转基因逃逸到野生近缘种或杂草群体后能否带来生态风险,在很大程度上取决于以下两方面的因素。第一,转基因逃逸频率的高低。大量转基因不断通过杂交转移到野生近缘种群体会产生所谓的湮没效应,使单一基因型取代群体中的多基因型或遗传完整性,进而导致群体遗传多样性的丧失(Kiangetal.,1979),潜在风险加大。第二,转基因是否会改变野生近缘种或杂草群体的适合度。适合度决定转基因在野生或杂草群体中的遗传渐渗和扩散速度,如果转基因能为野生和杂草个体带来明显的适合度优势,即使其逃逸的频率很低,也会在群体中快速地扩散开来。因此,研究转基因逃逸及其潜在的生态风险的关键在于研究相关植物的自然杂交以及繁殖生物学基础。天然杂交的成功与否和杂交频率的高低,在很大程度上取决于一系列生物学和物候学因素。从生物学的因素来看,植物个体之间天然杂交受其交配系统、异交率、杂交亲和性以及花粉竞争等的影响。如果相关植物属于异花传粉植物,花粉量很大,异交率较高,而且植物个体之间的杂交亲和力很强,花粉受体和供体之间不存在明显的花粉竞争和授粉选择,那么天然杂交很容易发生,花粉介导的基因很容易逃逸到野生近缘种和杂草群体中去(Rieseberg&Carney,1998)。反之,如果是严格的自花授粉植物,花粉量很小,天然杂交较少发生,而由花粉介导的转基因逃逸也就较少发生。例如像水稻和大豆这样的严格自交植物,转基因逃逸的频率就相对较低(Songetal.,2003;Chenetal.,2004;Rongetal.,2005;Mizugutietal.,2009)。从非生物学的因素来看,天然杂交是否发生以及杂交频率的高低也要受植物群体的空间分布(至少在花粉介导的基因漂移范围之内),可杂交群体之间的开花期(一年之内)和开花时(一天之内)是否有重叠,传粉的媒介是否存在,以及风力、风速、日照和空气湿度等物候学因素的影响。因此,转基因逃逸及其频率的确定是非常复杂的过程。2.3外来基因的传播和扩散遗传渐渗是物种形成和适应性进化的一个非常重要的过程(Rieseberg&Carney,1998)。渐渗的传统定义是通过回交导致杂种中的基因在不同物种和群体之间进行传递的过程,即某物种或群体中个体的任何基因一旦通过杂交而转移到另一群体的个体中,通常认为必须有回交过程才可能导致渐渗的发生。虽然现代的广义遗传渐渗概念中没有特别强调回交作用,但是离开交配和有性生殖的过程,渐渗将无法产生,基因也无法在群体中传递和扩散。因此,我们可以将渐渗理解为基因通过有性生殖过程在不同生物中或群体之间的传播和扩散过程。以转基因植物的外源基因逃逸为例,外源基因通过花粉介导的基因漂移转移到野生近缘种的群体,并通过遗传渐渗在野生近缘种的群体中进一步传播和扩散,能改变野生近缘种个体适合度的转基因便能够影响其在自然群体中的扩散和传播速度,从而导致不同的生态后果,如形成难以控制的农田杂草。一个外来基因(如转基因)转移到野生群体之后是否能够成功进行遗传渐渗,要取决于以下几个方面的因素。第一,转基因必须通过染色体的配对和交换重组(整合)到野生物种的遗传背景中,否则就会在自然选择的作用下丢失(Barton&Hewitt,1985)。第二,外来基因所在的基因组与野生物种的基因组之间要有较高的同源性和较高的遗传重组率,从而保证外来基因整合到野生物种的基因组中。如果外来基因所在的基因组不能与野生物种基因组产生交换,或者即使能产生交换但外来基因由于与不育基因紧密连锁,遗传渐渗也很难发生。第三,由杂交产生的、包含外来基因的杂种个体或回交个体必须有较高水平的育性以及正常的生长繁殖能力,以确保外来基因能够正常传递下去。如果包含外来基因的杂交或回交后代完全不育或育性较低,则外来基因很难通过遗传渐渗在野生群体中传递和扩散。在满足了上述几个关键条件之后,外来基因的适合度就成了影响其在野生群体中能否产生遗传渐渗,以及影响其渐渗和扩散速率的另一关键因素。外来基因如果能给携带该基因的野生个体带来明显的适合度优势,那么外来基因在群体中渐渗和扩散的速度就会加快,从而对野生群体的进化过程产生显著影响。2.4道德风险和适合度要对转基因逃逸的生态风险进行科学评价,就必须明确转基因逃逸带来的危害性以及危害发生的可能性。在自然选择作用下,适合度越高的基因型或个体,向后代传递自身基因的能力也越强。对个体适合度提高作用较大的基因往往在后代群体中的频率变化也比较快,其基因频率在群体中固定所需的时间也较短(Haygoodetal.,2003;Hooftmanetal.,2008)。转基因一旦逃逸到野生近缘种的自然群体中而又能够带来较高的适合度利益,则有利于该转基因在野生群体中迅速扩散,加速渐渗的遗传同化和湮没作用并带来不可预测的生态后果(Gueritaineetal.,2002;Chenetal.2006)。因此,转基因影响进化的潜力越大(即造成个体适合度变化越大),对野生种群体或杂草群体带来的风险也越大。如果转基因能较大程度地影响野生或杂草群体的进化潜力,当它们向这些群体逃逸时,就会增大其形成入侵杂草的可能性,从而对农田生态系统的产生危害(Ellstrandetal.,1999;Andow&Zwahlen2006),也可能导致这些杂草入侵新的生态环境。而当这些能够影响进化潜力的转基因向野生群体逃逸时,含转基因的杂种个体可能快速扩散而取代原来的野生群体,威胁到该野生群体的生存(Ellstrand&Elam,1993;Levinetal.,1996)。因此,评价转基因逃逸及其生态风险的一个重要方面,就是要考察该转基因可能带来的进化潜力。2.5杂交-渐渗中的风险评价杂交–渐渗包括两个重要过程,即外源基因通过有性杂交从一个植物群体转移到另一个群体,外源基因通过遗传渐渗在植物群体中传递和扩散。因此,杂交-渐渗研究最关心的问题是基因通过有性杂交而改变转移的规模(频率),基因通过遗传渐渗在植物群体中扩散的速度(速率),影响有性杂交频率和基因渐渗速率的生物学、遗传学和环境因素,以及基因如何通过杂交-渐渗最终影响植物群体的进化潜力和命运。上述问题同时也是转基因逃逸及环境风险评价的核心问题。按照风险评价的基本原则,任何风险的大小为相关事件的危害性(hazard)与发生这种危险性事件的概率(exposure)的函数,即风险(%)=危险性×发生概率(%)。对于转基因逃逸及其环境生态后果而言,风险则是由转基因逃逸的可能性(发生概率)和逃逸的转基因是否会对环境有危害以及危害的程度来共同决定。其中转基因逃逸的可能性是由花粉介导的转基因植物向受体植物群体(栽培稻物种或野生近缘种)进行基因漂移的频率来决定;而危害性则是由转基因是否能在野生群体中发生遗传渐渗,进而改变野生群体进化潜力和入侵能力来共同决定。显然,杂交-渐渗研究和转基因逃逸生态风险评价的主要问题在很大程度上具有共同之处。因此对转基因逃逸及其环境生物安全的科学评价应该以杂交-渐渗的进化理论和思想为指导,研究外源基因通过转基因植物向野生群体产生基因漂移的频率,及其在野生群体中的存留和扩散速率,对野生群体进化潜力和入侵能力的改变,并在此基础上对特定的转基因逃逸带来的环境风险进行科学评价。3通过实验和评估环境生物安全3.1a.生物多样性与基因外源基因系统发育关系的研究转基因逃逸及其环境生态风险评价的第一步是研究转基因是否通过花粉介导的基因漂移(天然杂交)进入作物的近缘野生种或杂草群体。对全世界13种最重要作物的研究表明,至少有7种作物能与其野生近缘种或杂草类型发生天然杂交和遗传渐渗(Ellstrandetal.,1999)。虽然转基因作物的环境释放和大规模商品化种植仅有十余年的历史(James2008),不少的研究已发现,农作物中不同类型的转基因已经通过基因漂移或天然杂交逃逸到了野生近缘种或杂草物种的群体中(Halletal.,2000Reichmanetal.,2006;Warwicketal.,2008)。鉴于转基因作物与其野生近缘种之间的基因漂移频率是决定转基因逃逸及其生态风险大小的关键,因此转基因逃逸频率的检测是进行转基因植物风险评价的首要任务。转基因逃逸的检测大致可以从4个方面入手(1)研究花粉漂移及其时空分布,确定转基因逃逸的可能性及其空间范围(Timmonsetal.,1995;Songeal.,2004a;Pasquetetal.,2008);(2)研究栽培植物与野生近缘种群体间的杂交亲和性,探讨转基因逃逸的生物学基础(Lefoletal.,1996;Loureiroetal.2008;Uretaetal.,2008;Darmencyetal.,2009);(3)借助特殊形态性状或分子标记,在受控的实验条件下或自然环境中研究栽培植物与野生近缘种群体间的异交率,确定基因漂移频率(Arriola&Ellstrand,1997;Riesebergetal.,1999;Songetal.,2003Chenetal.,2004;Halseyetal,2005;Fordetal.2006;Fenartetal.,2007;Loureiroetal.,2008Devauxetal.,2008);(4)以转基因为筛选标记,研究外源基因从转基因作物向其非转基因亲本或野生近缘种群体逃逸的频率(Chenetal.,2004;Messegueretal.,2004;Rongetal.,2005,2007)(表1)。上述各研究表明在不同的实验条件下,不同物种的基因漂移频率存在很大差异(Messegueretal.,2003Rongetal.,2007;Mallory-Smith&Zapiola,2008)这与研究对象的生物学特性(特别是交配系统、传粉方式、物种间的亲缘关系、杂交亲合性和花粉竞争等)以及环境和物候学因子有密切的关系。我们可以依据这些研究结果,对转基因逃逸的风险作出初步判断。例如,转基因从甘蓝型油菜(Brassicanapus)向野生白菜型油菜(B.rapa)逃逸的风险要远远高于向野生萝卜(Raphanusraphanistrum)和野芥(Sinapisarvensis)等亲缘关系较远的物种(Warwicketal.2003)。同样,转基因从栽培稻向普通野生稻逃逸的频率要远远高于向杂草稻和非转基因栽培稻的频率,因为栽培稻与普通野生稻亲缘关系较近,而且普通野生稻的异交率要远远高于栽培稻和杂草稻(Songetal.,2003;Rongetal.,2004,2005;Wangetal.,2006)。由于影响转基因逃逸的生物学和环境因素众多,近年来越来越多的学者希望通过建立数学模型来准确预测转基因逃逸(Yaoetal.,2008;Darmencyetal.,2009;Richter,2009),使基因漂移的实验数据具有更广泛的应用意义。在转基因逃逸的预测中,将影响基因漂移的各参数和影响因子导入模型进行分析,可以在更广泛的范围以及变化的自然环境中对转基因逃逸的规律进行准确的计算。例如,研究人员将水稻的基因漂移与花粉漂移关联起来,发现当平均隔离距离超过139m时,才能保证转基因逃逸到普通野生稻的频率小于0.1%(Yaoetal.,2008)。模型还计算了在不同地区和环境条件下设置安全隔离的实际距离(Yaoetal.,2008;Ronget.al.,未发表资料),为转基因水稻的商品化生产和转基因逃逸的风险管理提供了技术平台和理论依据。3.2缘种之间杂交造成的适应度转基因逃逸及其潜在生态后果风险评价的第二步是研究转基因对野生或杂草个体适合度带来的影响。如果逃逸的转基因对野生或杂草个体的适合度没有任何影响,则转基因可能不会明显改变作物与其野生近缘种群体的遗传渐渗过程,那么在低频率逃逸的情况下,该转基因不足以导致生态风险。目前有很多以适合度为切入点的研究,但由于将转基因移入野生群体有一定的难度和风险,这些研究通常暂不考虑转基因的效应,而只是将分析的目标集中于研究作物与野生近缘种杂交或回交后代的适合度变化,并以此来推测作物基因(包括转基因)在自然群体中存留和扩散的可能性(Snoweal.,1998;Songetal.,2004b;Allainguillaumeetal.2006;Campbelletal.,2006;Merceretal.,2007)。在绝大多数情况下,转基因是伴随作物基因一起进入野生群体的,转基因所在的基因组以及与转基因紧密连锁的基因,都会影响到转基因在野生群体中的传播和扩散。作为重要的桥梁,作物和野生近缘种的杂种F1代对于基因向野生群体的进一步渐渗具有重要意义,因此对杂种F1相对适合度的研究显得尤为重要。通常,这方面的研究得出了两大类结果。第一,与野生亲本相比,作物与野生近缘种之间的杂交会造成杂种F1适合度的下降(Snowetal.,1998;Spencer&Snow,2002;Guéritaineetal.,2002;Allainguillaumeetal.,2006;Mercereal.,2007),究其原因,可能是由于作物亲本与野生近缘种之间存在一定的遗传障碍(geneticbarrier)种间杂交导致杂种的育性降低,从而降低了杂交后代的适合度,不利于转基因在野生近缘种群体中的进一步渐渗和扩散。不过也有一些跟踪研究表明,虽然最初几代的杂交或回交后代在适合度上不如其野生亲本,但它们的育性以及适合度可以随着世代的增加而逐渐有所恢复(Snowetal.,1999;Campbelletal.,2006;Erickson&Fenster,2006)。第二,有一些研究则显示,作物与其野生近缘种的杂交F1代在适合度上与亲本基本一致(Arriola&Ellstrand,1997;Songetal.,2004b),甚至在某些杂交组合中(Campbelletal.,2006),杂种个体在个别繁殖性状上表现出一定的优势(Hauseretal.,1998;Songetal.,2004b),有利于转基因在野生群体中进一步产生遗传渐渗,即使转基因在自然环境中没有明显的选择优势,转基因的频率也会因循环性基因漂移而逐渐增加。随着更多转基因植物的环境释放,越来越多的研究开始考察转基因对野生个体适合度产生的影响。转基因是否会影响野生个体的适合度取决于其能否在自然群体中正常表达,因此研究转基因在野生个体和群体中的表达及其遗传规律也成为转基因逃逸及其生态风险评价的一个重要方面(Halfhilletal.,2003;Zhuetal.,2004;Lu&Snow,2005;Xiaetal.,2009)。到目前为止,关于转基因逃逸后能否在野生群体中进行正常表达的研究并不多,大多数已有的研究结果均表明,转基因能够在作物和野生近缘种的杂交和回交后代中正常表达(Metzetal.,1997;Halfhilletal.,2003;Zhuetal.,2004;Shenetal.,2006;Xiaetal.,2009),而这些转基因对于野生近缘种的适合度的贡献表现不同(表1),包括:(1)在一定的选择压下,转基因能明显提高野生个体的适合度(Snowetal.,2003;Vacheretal.,2004);(2)在没有选择压(Snowetal.,1999;Zhangetal.,2003;Halfhilletal.,2005;Guadagnuoloetal.,2006)或者选择压不足的条件下(Burke&Rieseberg,2003),转基因对野生个体的适合度没有明显的影响;(3)无论有无自然选择压,转基因均会降低野生个体的适合度(Gueritaineetal.,2002)。有研究曾经表明转基因会降低栽培物种个体的适合度(Jacksonetal.,2004;Chenetal.,2006),但这种适合度降低的现象,在不含转基因的同种栽培物种与其野生物种的杂种个体中却未观测到(Burke&Rieseberg,2003;Snowetal.,2003)。目前大多数实验都没有检测到转基因对作物和野生种的杂交个体的适合度有明显影响(Kumaretal.,2008),其原因可能是由于在实验中都没有设置适宜的选择压(Snowetal.,1999;Burke&Rieseberg,2003;Zhangetal.,2003;Guadagnuoloetal.,2006)。因此,对于转基因是否会改变野生近缘种适合度的问题,还需要继续进行更多的研究和探索。3.3影响基因遗传渐渗的因素即使了解了转基因逃逸的频率及其对野生近缘种适合度的影响,对转基因逃逸可能带来的生态风险做出准确预测仍然非常困难,因为受不同环境条件的影响以及野生近缘种遗传背景的影响,预测逃逸后的转基因在野生群体中的进化趋势非常复杂,还必须对转基因在自然群体(或模拟实验群体)中的遗传渐渗过程进行跟踪监测,包括:(1)分析转基因在群体不同世代间的遗传规律(包括转基因在杂种后代中的分离比例及其影响因素);(2)在自然环境条件下,连续跟踪和监测不同世代的野生群体中含转基因杂种个体的频率和分布,如调查包含转基因的F1、F2代、F3、BC1和BC2代等个体所占的比例。研究转基因在杂种世代间的遗传规律,是研究转基因对适合度影响的进一步延续,因为适合度会影响到转基因在不同世代群体中的频率。目前只有少数研究报道了单个杂交或回交世代的实验,以及转基因在各世代实验群体中的分离规律(Metzetal.1997;Snowetal.,1999;Oardetal.,2000;Zhangeal.,2003;Warwicketal.,2008)。大多数研究结果都表明转基因的分离规律符合孟德尔遗传定律(Snowetal.,1999;Zhangetal.,2003;Warwicketal.2008)。但是也有少数研究表明,某些转基因在作物与野生近缘种的杂交后代中的分离偏离了孟德尔规律(Metzetal.,1997;Snowetal.,1999;Oardetal.2000)。究其原因,可能是转基因在杂种中的遗传不稳定性(Oardetal.,2000),或是某些杂交组合的回交后代对含转基因的配子或孢子具有选择偏好(Snowetal.,1999)。此外,某些转基因会影响雄性性状(如花粉活力或育性)(Snowetal.,1999;Gueritaineetal.,2002),这也可能是影响转基因偏态分离的原因之一。通过研究含转基因个体在自然种群中不同的世代分布规律,并结合转基因对各世代适合度影响的研究结果,可以探讨不同世代含转基因杂交、回交后代的个体在转基因渐渗中的作用,以便更可靠地预测转基因遗传渐渗的过程。通过对自然野生群体中转基因频率的变化和动态进行持续的跟踪调查,最终了解转基因的频率在群体内的世代间的变化规律。这样的研究不仅可以直接了解转基因在野生群体中的进化潜力,而且还能将在此之前获得的各类数据(如基因漂移、适合度和遗传规律的数据)结合到一起,从而达到全面和正确了解转基因逃逸和遗传渐渗的过程以及带来的生态风险。但是,目前只有对单一世代或者少数几个世代观测结果的零星报道(Warwicketal.,2008),可直接利用于环境生物安全评价的成果非常有限,因此,对连续多世代之间的转基因频率变化与分布规律还有待于进一步研究。4群体危险与拓展的风险在2008年11月于新西兰惠灵顿召开的第10届国际转基因生物安全大会上,提出了目前生物安全研究的八大科学问题,其中转基因逃逸、遗传渐渗、转基因的适合度和生物入侵都是重要组成部分。转基因逃逸及其环境生态风险包括了一系列重要的自然过程,如:花粉介导的基因漂移、转基因在野生