海南南繁区乡镇尺度水稻基因飘流最大阈值距离研究

海南南繁区乡镇尺度水稻基因飘流最大阈值距离研究

0水稻基因飘流影响的控制【研究意义】海南五指南缘（主要是三亚、陵水和乐东）三面临海，北连五指山，区位优越。从20世纪60年代开始,利用该地光温资源优势加代种植全国各地当年收获的种子,大大加快了新品种选育、杂交育种和制种繁殖的进程,是中国农作物冬季南繁加代的重要基地(简称南繁区)。据估算,迄今累计南繁面积已达20万公顷,制种、繁殖的农作物种子已达500万吨,全国推广的5000余个农作物新品种中90%以上都有南繁的经历,其战略意义可窥一斑。南繁区的水田总面积仅约5.1万公顷,每年约需用10%以上的农田种植约5万余份南繁水稻材料,因此,南繁区是一个聚集了全国各类水稻的高集约区域。由于南繁区面积较小、季节相对集中,为防止相互串粉,采取时、空隔离措施有一定的难度,如何避免或减少大批南繁材料之间的相互串粉,保证品种纯度已成为突出问题。特别是20世纪70年代以来分子生物学和分子育种技术的飞速发展,转基因打破了原有的物种生殖隔离界限,其对环境和食品安全的潜在风险已成为关注的热点问题之一。如果南繁监管失控,水稻材料完成加代、扩繁后被带到全国各地,基因飘流会有一种“放大效应”,因此,南繁区作为中国最大的不同水稻材料的集散地和源头,无疑应对它可能带来的潜在影响引起高度重视,把管控基因飘流作为研究和监管的重点。【前人研究进展】对栽培稻品种之间的基因飘流,Oka1988年已有描述,异交率一般小于1%,个别在5%以下。近十年来,水稻基因飘流由于可用SSR、抗除草剂等分子标记,使研究更加精确和快速。田间试验结果表明,转基因水稻向相邻种植的常规稻品种的飘流率在0.04%—0.79%。Song等和Chen等报道,栽培稻品种明恢63向杂草稻的基因飘流率为0.011%—0.046%。Messeguer等报道转基因向栽培稻和杂草稻的飘流率为0.19%—0.53%。笔者团队以13个常规稻和杂交稻品种作受体,在多年多点试验中测得相邻种植时的最大基因飘流率在0.02%(培杂77)—0.81%(中系20),平均值为0.33%,其中有4个品种超过1%,分别为武育粳3号(1.28%)、中9B(1.47%)、武运粳7号(2.00%)和秀水11(3.04%)。这说明转基因飘流率与常规稻品种之间的异交率相比,在数量级上并未增加新的风险。中国是世界上最大的杂交稻生产国,又是亚洲栽培稻的起源中心之一,以往对转基因向不育系和普通野生稻的飘流并未做过系统研究,笔者团队自2002年开始,对水稻转基因飘流进行了为期12年的系统研究,以转bar、抗除草剂Basta的纯合系L201或B2(姐妹系)为花粉供体,用21个不同类型的非转基因水稻作受体,包括13个常规稻品种和杂交稻F1、5个三系和两系不育系、1个普通野生稻群体和2个杂草稻材料,经多年、多点、多对供受体在较大面积上模拟水稻生产实际进行试验,摸清了水稻基因飘流的基本规律,阐明了影响水稻基因飘流的生物学和气象学主控因子。由于水稻花粉扩散和基因飘流是一个复杂的物理学和生物学过程,各地气象条件不同,且年际变化很大,一时一地的试验结果很难在异地应用,因此,建立一个具有普适功能的水稻花粉扩散和基因飘流模型十分必要。笔者团队以多年、多点、多对供受体的田间试验数据为基础,以中国南方稻区17个省(市)38个气象台站1973—2004年记录的水稻开花期气象数据为输入参数,建立了以高斯烟羽模型为基础的水稻花粉扩散和基因飘流模型,并成功应用于计算过去32年中该区域内各地的基因飘流最大阈值距离(themaximumthresholddistancesofgeneflow,MTDs)。阈值分别设为1%和0.1%(MTD1%和MTD0.1%),即在MTD1%和MTD0.1%阈值距离以外的基因飘流率在过去32年中均小于1%和0.1%。模型建立及其应用详见Yao等。【本研究切入点】如前所述,考虑到海南南繁区是各种水稻材料的集散地和源头,为管控基因飘流,迫切需要研究和绘制南繁区以乡镇为单位的小尺度MTDs图,供水稻南繁育种和转基因育种参考。【拟解决的关键问题】本研究依据在三亚(2003、2004)、陵水长坡(2009、2010)获得的水稻基因飘流田间试验数据,用已建立的模型和阈值分析方法,以南繁区27个乡(镇)52个自动气象站2010—2012年1—4月的气象数据为输入参数,计算向水稻不育系和栽培稻的MTD1%和MTD0.1%,分析南繁区内MTDs的时空分布特征及其原因,对南繁区常规水稻的繁育和转基因水稻的安全种植、隔离和监管进行分析讨论。1材料和方法1.1水稻转移到山区的试验1.1.1试验地与水稻品种沿水稻开花期的主流风向,采用长方形田间试验设计,于2003和2004、2009和2010年分别在三亚海螺育种基地和陵水长坡海南大学基地进行,试验地面积约为2公顷。以带bar的粳稻品种B2(中国水稻所提供)为花粉供体,用特籼粘25(常规籼稻)、武育粳3号(常规粳稻)、培杂77(籼型杂交稻F1)、博A和中9A(籼型三系不育系)、GD-1S和培矮64S(籼型两系不育系)、泗稻8A(粳型三系不育系)和高州野生稻(普通野生稻)为受体。花粉供体面积1050m2,置于受体上风方向。花粉供体播种后15d,喷施除草剂Basta,剔除不含bar的杂株。1.1.2花粉供体种植受体材料种植于花粉源的下风方向。距离设置分别为0(紧邻花粉供体种植)、1、2、3、4、5、6、7.5、10、15、20、30、40、50、75、100、150、200、250、300和320m。1.1.3基因飘流频率测定水稻成熟时,采集每一距离受体植株上的种子,分段3次重复取样,每一距离的取样量大于10万粒,以保证检出精度达到0.001%。收获后的种子按常规生产方法播种。当秧苗长出第三片心叶时,记录每一样本的出苗数,按播种总粒数计算出苗率。三叶一心开始喷除草剂Basta(拜耳公司)3次,每次间隔7d,浓度分别为500、500和800mg·L。喷药一周后,记录存活的抗Basta苗数(BastaR苗数),与总苗数比较,按照Jia等的公式计算基因飘流频率(%)。为保证数据的准确性,对远距离上的抗性植株进行PCR抽样检测,以确定其BastaR的真实性。1.2社会学理论利用较少的田间试验资料,运用相对成熟的生物学或大气物理学理论建立具有普适意义的模型用作外延应用,是当前实验科学普遍采用的研究方法。文中的水稻基因飘流模型由有效花粉扩散模型和不同受体的基因飘流系数两部分组成。1.2.1贴地层风速模型水稻基因飘流是由花粉介导的物理学和生物学过程。花粉粒在大气中的扩散是一个物理过程,供体花粉参与授精结实的能力则是一个生物学因素。水稻花粉粒径(42—43μm)与大气中较大的粒子基本相当,因此,水稻花粉扩散可以高斯烟羽模型(Gaussianplumemodel,GPM)为基础作优化改进。改进的主要项目包括面源的点源近似积分、穗部风速计算、大气稳定度计算和风向的坐标旋转等4项:(1)GPM模型是一个描述从烟囱中排出的烟尘(点源)扩散的模型,曾被广泛用于描述花粉和孢子在空气中扩散的过程。对于面积较大的花粉源,需要采用点源近似积分的方法进行改进。其方法是将花粉源细分为1m2左右的网格,每个网格代表1个点源,分别计算每个点源的花粉扩散浓度,然后汇总成面源的预测浓度值。(2)水稻穗部风速计算。根据近地层风速垂直分布的观测,在数米以下的贴地层风速垂直分布呈对数率分布,因而穗部高度的风速可由地面气象站10m高度的风速资料来计算。(3)大气扩散参数反映了水稻花粉在运动过程中的扩散和稀释。模型采用Pasquill稳定度分类法,利用云量、太阳高度角和风速来确定大气稳定度级别,然后根据不同稳定度等级的大气扩散参数与距离的统计关系来确定大气扩散参数。(4)Yuan等的研究表明,90%以上的基因飘流事件发生在主流风向和次主流风向的下游。因此,本研究重点考虑主流风向下游的基因飘流率。当逐时风向与主流风向不一致时,由逐时风向和花粉源位置决定花粉扩散模型的坐标系统,采用坐标旋转计算主流风向下游的基因飘流率。除以上4个方面修正外,还需考虑水稻的群体开花过程以及花粉寿命会随离体扩散时间的延长发生改变。因此,水稻有效花粉扩散模型还需要在逐日开花率和花粉授精能力2个方面加以修正。(5)供、受体花期的相遇程度也在很大程度上影响水稻基因飘流率。若供、受体花期完全相遇,此时的花粉扩散浓度即为有效花粉扩散浓度,基因飘流率最高;若供、受体花期完全不相遇,则有效花粉扩散浓度为0,基因飘流率亦为0。笔者在研究中引入了一个“最大风险的概念”(“theworstcasescenario”),即某地在某一时段内基因飘流的最大阈值距离。为分析最大基因飘流风险,重点考虑供、受体花期完全相遇时的基因飘流率。(6)水稻花粉的活力或寿命是模型中的一个重要参数,通常用染色法(如I2-KI、TTC染色)或培养基上花粉离体萌发等方法测定。据以往文献报道,用上述方法测定的花粉寿命约为3—6min。但参与基因飘流的水稻花粉寿命,是指能在和受体自身花粉竞争中实际授精结实维持的时间,应该比一般生物学概念的寿命要短。本文采用在三亚海螺(2003年、2004年)、三亚南红(2005年)、陵水长坡(2010年)3地4次田间试验实测的向不育系博A和中9A的MTD0.1%和开花期的实时风速进行计算,发现田间水稻花粉维持有效授精力的时间均不足2min,具体数据分别为64.4、77.9、92.4、94.5和113.7s,平均为(88.6±18.6)s(未发表资料)。基于以上修正的水稻有效花粉扩散模型,一方面把水稻供体花粉视作大气微粒,用大气扩散理论描述它的释放、扩散和沉降,另一方面也同时考虑供体花粉在田间的实际寿命,将花粉维持授精能力的有效时间、逐日开花率及花粉源强予以参数化,实现对供体花粉有效扩散浓度的计算。GPM模型虽还存在某些局限性,但它具有参数少,计算简便,能够依托实时或历史气象资料作为模型的驱动因子,考虑区域尺度上气象要素的时空分布不均性,从而拓展模型的实用功能。1.2.2水稻对花粉的扩散率水稻的基因飘流率除受到供体有效花粉的扩散数量影响外,还与受体类型有密切关系。常规稻、不育系、普通野生稻(O.rufipogon)和杂草稻(O.sativaf.spontanea)是基因飘流的主要受体类型,它们的异交特性是决定基因飘流率高低的另外一个重要因素。常规水稻自花受粉,异交率一般不超过1%。雄性不育系花粉败育,异交率理论上可达100%,实际制种时的结实率一般也可达到30%—70%。普通野生稻、杂草稻与栽培稻同为AA基因组,可天然杂交。普通野生稻群体中还存在部分不育和半不育株,且野生稻的开花时间长,柱头外露率高,也容易接受更多的外来花粉。杂草稻与栽培稻伴生,也存在基因飘流的风险。在研究中笔者引入了一个基因飘流系数的概念,它是基因飘流率与花粉扩散率之间的比值,是描述不同水稻受体类型接受外来花粉能力的参数,在数值上等于相同花粉扩散浓度下,不同类型受体的基因飘流率值。基因飘流系数(K)可由田间试验数据计算获得:不育系K=0.3197(R2=0.863,n=104)以上数据表明,不同类型水稻的基因飘流系数在数值上可相差1—3个数量级。向杂草稻的基因飘流率与栽培稻品种间的异交率相似,其基因飘流系数可参照栽培稻。1.3基于阈值管理的水稻基因飘流风险的监管基因飘流在自然界长期存在,是物种进化的动力之一。但对打破原有物种生殖隔离界限的转基因育种而言,为控制其可能带来的潜在风险,则需要加强监管。花期(时间)和距离(空间)隔离,通常是阻断基因飘流的两种主要措施。但对季节相对集中的南繁区而言,距离隔离应该更加可行。基因飘流率变化的基本规律是随距离增加呈负指数曲线衰减。该曲线在距离坐标渐近线(asymptotes)附近时,不仅基因飘流率变化很小,还常常叠加因湍流不稳定性所引发的个别转基因事件,使远距离上的基因飘流率发生波动,即所谓“宽尾现象”。因此,对水稻转基因飘流风险的监管需引入阈值管理原则。事实上,阈值管理历来是通用的国际惯例。农业部规定水稻不育系原种纯度应≥99.9%,不育系生产用良种纯度应≥99%,杂交稻生产用种的纯度应≥98%(一级)和≥96%(二级)。据此,笔者提出以1%和0.1%作为转基因水稻距离隔离的两个阈值。最大阈值距离(MTDs)是指在某一时段内,水稻的基因飘流率≤阈值(1%或0.1%)的最大距离(m)。它包含了阈值和统计时段两个概念。一般来说,统计时段越长,MTDs值就越稳定,10—30年是比较适宜的统计时段。最大阈值距离会因水稻种植地的气象条件、受体类型和资料年限等因素而变化。1.4观测点和资料来源供模型分析的气象资料来自海南省三亚市、陵水县、乐东县所属的27个乡(镇)共52个观测点2010—2012年1—4月自动气象站资料,该资料由南京大气资料服务中心提供。2结果2.1mtd计算2.1.1mtd1%分布南繁区向不育系的MTD1%平均值为(110±31)m,最短为53m,最长为195m。80%以上地区的MTD1%集中在75—143m。向不育系的MTD0.1%平均值为(169±44)m,最短为75m,最长为271m。80%以上地区MTD0.1%集中在121—231m(表1)。2.1.2南繁区作小尺度mtds南繁区向栽培稻的MTD1%平均值均<1m。向栽培稻的MTD0.1%平均值为(3.4±1.1)m,最短为0.6m,最长为5.8m。80%以上地区的MTD0.1%集中在1.9—4.4m(表1)。上述结果表明,南繁区范围虽仅3县30个行政乡(镇),面积(5794km2)仅占中国南方稻区面积(约237万km2)的0.3%,但MTDs的变幅却可以达到142m(不育系MTD1%)、196m(不育系MTD0.1%)和5.2m(栽培稻MTD0.1%),变异系数也依次达到28.2%、26.0%和32.1%,充分说明对南繁区作小尺度的MTDs分析是有意义的。同为0.1%阈值,向不育系和栽培稻的最大基因飘流阈值距离相差约50倍,显然这是由两类受体的异交结实特性决定的。2.2mtd时间和空分布规律2.2.1s空间分布为客观评价MTDs的空间分布特征,以大于或小于平均值±1σ(标准差)作为评估高、低值的依据,即高值点为:≥4.5m(栽培稻MTD0.1%)、≥141m(不育系MTD1%)、≥213m(不育系MTD0.1%);低值点为:≤2.3m(栽培稻MTD0.1%)、≤79m(不育系MTD1%)、≤125m(不育系MTD0.1%)。同时规定,若有2个以上的高、低值点连片,则称为“高值区”或“低值区”。现根据图1、图2、图3和52个测点的计算结果分析MTDs的空间分布特征:(1)总体特征:由于季节基本相同,向常规稻和不育系的MTDs空间分布有两个基本相似的特点:一是东(陵水县)、西(乐东县)两翼MTDs高,中间(三亚市)MTDs低;二是沿海平原的MTDs高、五指山南麓的MTDs低。说明五指山系的屏障效应和近海平原的风速效应显著。(2)有2个高值区和4个高值点:第一个高值区位于乐东县的黄流镇和尖峰镇西部以及佛罗镇和莺歌海镇。该区域内的尖峰镇(不育系MTD1%:177m,不育系MTD0.1%:227m,栽培稻MTD0.1%:5.6m;下同)和黄流镇(190、233和5.8m),是南繁区中最大的MTDs值。第二个高值区位于陵水县的光坡镇沿海(195、271和5.6m)、本号镇东部(138、226和3.9m)、文罗镇(142、224和4.1m)和椰林镇(143、191和4.2m)。4个高值点分别位于:三亚市吉阳镇中南部(156、244和4.4m)、乐东县抱由镇(182、270和4.2m)、陵水县英州镇(118、214和3.4m)、以及乐东县的千家镇和九所镇交界处(127、231和4.5m)。(3)有3个低值区和5个低值点:第一个低值区位于五指山东坡的陵水县群英乡和本号镇西部。该区的群英乡(68、122和1.2m)和本号镇(92、156和1.9m)是该低值区的中心。第二个低值区位于五指山南坡的天涯镇和凤凰镇北部。如该区的育才镇(74、114和2.0m)和凤凰镇(92、136和2.2m)。第三个低值区位于崖城镇南部(83、161和1.5m)。5个低值点分别为:三亚市吉阳镇北部大茅村(54、75和0.6m),该点是南繁区中最低的低值点;乐东县抱由镇北部(71、141和1.3m);抱由镇南部(54、117和1.0m);三亚市河东区(53、84和1.9m);以及陵水县提蒙乡(84、121和2.8m)。其中,提蒙乡这个低值点被光坡镇、文罗镇和本号镇所包围,有“高中见低”的特点。2.2.2mtds的变化范围南繁水稻的抽穗期约在2月下旬至4月下旬。了解MTDs的旬变化,能够帮助选择MTDs较短的抽穗旬,降低基因飘流率。文中用旬平均值与MTDs值的差值(旬距平值)表示MTDs的旬间差异,用旬距平值/标准差表示旬间MTDs的变化范围。结果表明,3月下旬正是南繁区东北季风和东南季风转换季节,是MTDs值的高值季节,最好合理规避。4月上旬和4月下旬向不育系和栽培稻的MTDs距平值都是负值,是基因飘流最大阈值距离比较小的时期,可以适当利用(表2)。3南繁区水稻mtds时空分布规律本研究针对中国水稻新品种研发特有的南繁环节以及南繁区已成为全国各类水稻材料集散地的特点,依托南繁区细化的气象资料,研究和分析了南繁区小尺度的水稻MTDs时空分布规律,是团队研究计划的一个组成部分。3.1对南繁区mtds的影响风速和大气稳定度是影响水稻基因飘流阈值距离的主要气象因子,南繁区的地形特征和大气环流态势都通过气象因子决定MTDs值的分布和变化。南繁区的东翼为陵水县,西翼为乐东县,中间的三亚市略向南海凸出。南繁区三面环海,北面与东方市、昌江县,白沙县、琼中县、保亭县、五指山市和万宁县相邻。其中,乐东县的东北部、三亚市的北部、陵水县的西北部都属于五指山系。三亚正北的五指山主峰海拔1867m,乐东县东北部山区的尖峰岭海拔约1000m,陵水县西北的吊罗山主峰海拔约1519m。五指山是南繁区最大的地形屏障,对南繁区的风速分布有重要影响。南繁区的沿海陆地大都是平原,风速都比较大。沿海平原与五指山区之间的过渡地区为中、低山丘陵地带,丘陵的走向和高度也会影响过渡地区的风向和风速。邻近五指山的南坡风速明显减小。这种地形、地势对风速的影响决定了南繁区水稻MTDs值的总体分布特征。南繁区的季风特点也对MTDs的空间分布有重要影响。南繁区冬季盛行东北季风,春季和初夏主要受南太平洋的东南季风和印度洋的西南季风影响。据对风向频率的统计,冬季时三地的北-东北风向频率基本相似(三亚34.3%;陵水35.2%;乐东38.6%),春季-初夏的南-东南风向频率则以位于东面的陵水最高(40.2%),乐东最低(11.3%),而西-西南风向频率则正好相反,乐东最高(15.2%),陵水最低(6.8%)。说明陵水受东南季风影响较大,而乐东受西南季风影响较多。对三地南繁时段的风速统计也表明,陵水的月平均风速为2.3m·s-1,月平均最大风速为4.3m·s-1,月平均极端最大风速为7.4m·s-1;而三亚和乐东则分别为2.2、3.5和5.9m·s-1与1.5、2.7和5.4m·s-1。陵水是东南季风影响最显著的县。具体来说,2个高值区都位于南繁区沿海的东、西两端,它们没有地形屏障保护,直接受到东南或西南季风的冲击。4个高值点中有2个都位于近海的平原或低山丘陵,另2个高值点地形比较开阔。3个低值区和2个低值点(三亚市吉阳镇和河东区)都位于五指山南麓,受到五指山的屏障保护,风速明显偏小;另外3个低值点为丘陵低地,风速较小。表3是对低值区、点和高值区、点2月下旬—4月下旬平均风速的统计结果。经对风速与MTDs作相关分析,旬平均风速与向不育系的MTD1%和常规稻的MTD0.1%的相关系数分别为0.7800**和0.8303**(n=52);旬最大风速与向不育系的MTD1%和常规稻的MTD0.1%相关系数分别为0.8013**和0.6859**(n=52),足见风速是影响MTDs的关键因子。大气稳定度也是影响花粉扩散的重要因子,它的变化取决于当地的风速和辐射状况。风速较小时,辐射越强则大气越不稳定,辐射弱则大气较为稳定;当风速越大时,大气稳定度以中性为主。南繁区地处南海沿海地区,常年风速较海南岛中心地区大,因而大气稳定度以中性层结为主(概率约占82.3%),不稳定层结的概率要低于其他地区(约7.2%)。所以对南繁区而言,重点应该关注风对MTDs的影响。3.22海南mtds的分布特点南繁区的面积不足中国南方稻区面积的0.3%,阐明小区域的MTDs分布特征至少需要乡、镇级的尺度。本文采集了中国目前最细化的气象资料,实现了乡、镇尺度的MTDs分布特征分析,在国内外还未见类似报道。为分析比较县(市)级和乡、镇级两种尺度的MTDs分布特点,笔者团队用海南省18个县(市)1981—2010年的气象资料,绘制了海南省(不包括其他沿海岛屿)向不育系的MTD1%分布图(图4)。图中给出了两个基本信息:一是环岛区域是海南MTDS的高值区,南繁区是环岛MTDS高值区的一部分;二是南繁区三县市向不育系的MTD1%值自北向南递增,大部分地区为高值区,只有乐东县的北部和陵水县的西北部是低值区。对比图4和图1两种尺度向不育系的MTD1%空间分布,显然小尺度分析更能显示乡镇之间MTDs的数值差异及具体的高、低值位置和范围。两种尺度的分析结果趋势基本相似,大尺度分析的是宏观趋势,小尺度分析则能看出小范围的地形、地势和气象条件对MTDs的具体影响,应该更加细化,更具有实用价值。3.3田间条件下花粉寿命的测定花粉寿命是计算MTDs的重要模型参数。生物学中的水稻花粉寿命一般是指离体花粉维持活力的时间或能萌发的时间(half-lifetime)。Koga等用TTC染色法测定,发现栽培稻花粉从花药中散出后3—5min即丧失活力,个别花粉粒能存活15min。Song等报道50%的水稻花粉粒在花药裂开后6min失去在明胶培养基上的萌发力,30min完全丧失萌发力。需要指出的是,用染色法或离体萌发法测定的花粉活力或寿命,并不能真正代表田间条件下花粉维持授精力的实际时间。考虑到田间气象条件复杂,影响花粉活力的因素较多,且参与基因飘流的供体花粉需与常规稻受体的自身花粉竞争,只有生命力较强的供体花粉才能完成授精结实,因此,实验室测定的花粉寿命可能偏长。对此,本文提出了田间条件下水稻花粉维持授精力有效寿命的概念,并用向不育系的MTD0.1%和开花期的实时风速对其进行了估算,发现在3地4次田间试验中水稻花粉维持授精力的有效寿命均不足2min,平均为(88.6±18.6)s。这在以往文献中尚未见报道。尽管它可能还不够严格精确,需要设计专门的试验加以验证。但有两点必须说明,一是笔者团队用向不育系的0.1%最大阈值距离来计算,表明绝大多数参与授精的花粉粒已包括在内,尽管少数花粉粒可能在更远的距离上仍可授精结实;二是因为受体采用的是不育系,它本身不产生有活力的花粉,即在此情况下不存在花粉竞争。因此,估算出的水稻花粉在离开花药随风运动后有效寿命小于2min,可能更具有可信度。考虑到田间条件比较复杂且变化较大,为验证这种推测,今后应作进一步深入研究,模型中的这一参数也应根据试验结果作相应修正。3.4mtds稳定性的隔离与管理目前,中国农业部发布的转基因植物安全监管配套规章中规定,转基因水稻小规模田间试验中的隔离距离需大于100m。该规定未考虑不同水稻类型的开花生殖生物学特性、不同生态区的气候条件及其年际变化。本团队研究积累的大量数据表明,向不育系的基因飘流系数K要比向常规稻品种大3个数量级,各地的基因飘流率和飘流距离变化也很大,无论从对南方稻区的MTDs计算以及对海南南繁区乡镇尺度的MTDs计算,均说明对不育系和常规稻的监管应区别对待,在转基因水稻的风险分析和监管中,采取分类管理和阈值管理的原则,对不育系繁殖、杂交稻制种、常规稻生产和普通野生稻的原位保护需设置不同的隔离距离。阈值管理是国际农业生产实践中的通用做法。在模型计算和应用中采用1%和0.1%的阈值,意即在MTD1%和MTD0.1%距离上的基因飘流率等于或小于1%和0.1%。换言之,生产种和原种的种子纯度可保证分别达到99%和99.9%以上。对栽培稻而言,因MTD0.1%平均小于5m,较小的缓冲区隔离已足以满足生产种纯度的要求(一级≥98%,二级≥96%)。因此,只要严格监管,采取必要措施,转基因水稻与非转基因水稻的共存是可行的。但对不育系而言,因MTDs在南方稻区和在海南南繁区各地的变化很大,必须采取更严格有效的措施,如时、空隔离和去杂去劣,以避免或降低转基因飘流可能带来的风险。在不育系繁殖和杂交稻制种中,去杂除劣是普遍采用的措施,杂株在表型上易与不育系和亲本区分。经采取以上措施,便可满足保持系和恢复系亲本种子纯度≥99%、杂交稻F1生产用种纯度≥96%的要求。海南因存在不少普通野生稻居群,且在有些地区开花期与栽培稻有一定程度的重叠,因此,在普通野生稻的原位保护中也应设置相应的隔离距离。必须指出,远距离上的基因飘流率,有时会因突发的个别异交事件而产生波动,即通常所说的“宽尾”现象。Bannert等报告了在玉米上的试验结果,MTD0.01%在2年试验中相差一倍多(125m,2003;287m,2004)。因此,笔者认为对一般农艺性状改良的转基因作物而言,没有必要将阈值由0.1%进一步提高至0.01%,因为在基因飘流曲线的渐近线附近再增加距离,对降低基因飘流率的效果甚微,高阈值标准的监管会因“宽尾现象”的干扰而失去科学性和可行性,同时增加监管成本和操作难度。当然对有特殊安全性考虑的转基因作物,如药用和工业用的转基因作物,则必须采取更严格的隔离和安全控制措施,以防止基因飘流后的产品进入食物链。3.5布帐隔离和定量标准差MTD1%和MTD0.1%是笔者团队根据水稻基因飘流率的负指数衰减规律、“宽尾现象”和水稻种子生产国家标准提出的。其可靠性和稳定性需要长序列的气象资料支撑,一般需要10—30年。笔者在分析中国南方稻区的MTDs分布时,用了32年的气象资料,但对海南南繁区而言,由于中国气象监测网络的细化延伸体系建立的时间还很短,供本研究分析的自动气象站资料仅有3年,故现在的MTD1%和M