转基因油菜田间试验隔离距离的规定

转基因油菜田间试验隔离距离的规定

中国是农业国。油菜籽产量占世界总产值的四分之一，是世界上最重要的。我国自产植物油中45%来自油菜,菜籽粕还是重要的动物饲料蛋白来源。油菜属于十字花科芸薹属,是目前转基因植物中研究最多的一类植物,也是迄今国际上大面积种植的四大转基因作物之一。作为油菜生产和贸易大国,加拿大1996年开始商业化种植转基因油菜,目前转基因油菜品种的种植面积已占该国油菜种植总面积的80%以上。我国迄今还没有批准转基因油菜的商业化,但其研发也相当活跃。转基因植物在批准商业化之前通常要求在控制条件下开展实验,防止外源基因流散。近年来,国内外对转基因农作物田间试验的隔离措施和控制条件以及外源基因流散的规律开展了大量研究。王志兴等对水稻和小麦等农作物的转基因飘流频率和距离进行了系统调研和分析,为我国的转基因作物田间试验安全管理提供了科学依据。本文对国内外油菜转基因飘流频率和隔离距离的研究结果进行综述与分析。1有关安全的生物学特性1.1菜型油菜生物学特性油菜是用种子榨油的十字花科芸薹属(Brassica)植物的总称。按芸薹属植物的染色体数及其同源性,可将与油菜有亲缘关系的种分为:①基本种:包括白菜(B.rapa,2n=20,AA)、甘蓝(B.oleracea,2n=18,CC)和黑芥(B.nigra,n=8,BB)。②复合种:包括甘蓝型油菜(B.napus,n=19,AACC)、芥菜型油菜(B.juncea,2n=36,AABB)和埃塞俄比亚芥(B.carinata,2n=34,BBCC)。3个复合种是由3个基本种自然杂交和异源多倍体化进化而来。白菜型油菜(B.rapaoleifera)起源于亚洲和欧洲,甘蓝型油菜起源于欧洲地中海地区,芥菜型油菜起源于亚洲和非洲。中国和印度是世界上栽培白菜型油菜和芥菜型油菜最早的国家。中国是芥菜物种的原产地之一和类型分化中心,也是白菜物种的遗传多样性中心之一。青海、甘肃、新疆、内蒙古等地可能是最早的油菜栽培地区。中国油菜以秦岭为界分为冬油菜和春油菜两大产区。在我国,油菜有白菜型(Brassicarapa,AA,2n=20)、芥菜型(Brassicajuncea,AABB,2n=36)和甘蓝型(Brassicanapus,AACC,2n=38)三种类型。目前我国种植的油菜主要为甘蓝型油菜,约占油菜种植面积的85%以上。白菜型油菜和芥菜型油菜约占中国油菜总面积的10%左右。在我国,90%的油菜属于冬季作物,喜寒怕热,在脱离人工栽培的情况下一般难以越夏和在自然界繁衍生息。但是,油菜角果易开裂,在收割时及收割前损失的大量种子可形成地下种子库。如果长期暴露于黑暗和水压下,油菜种子会进入休眠期。地下种子通过休眠可以逃避干旱酷暑,并在生长季节以自生苗的形式出现,成为杂草。Szot等研究显示,在不同的收获条件下,油菜田间损失率在9.4%～28.1%之间。在油菜产区,收获后土壤中油菜种子的密度为2000～10000粒/m2。在加拿大,油菜产区地下种子库的种子密度第一年减少1/10,以后只是慢慢减少。种子在未翻耕的土中可以存活长达10年或更久,在耕地中一般可存活5年。在加拿大和澳大利亚由于油菜种子损失量大,地下种子库可持续存在,油菜产区的油菜自生苗常成为杂草。在我国,甘蓝型油菜生存能力较弱,但自生苗时有出现,有时还比较严重。芥菜型油菜的生存能力较强,我国油菜产区的野生芥菜比较普遍,个别地区已成为主要杂草。1.2风传的采蜜事件油菜属十字花科,油菜花粉可以借助风和昆虫,特别是蜜蜂传播。据Mesquida和Renard报道,油菜花粉可以通过风传播32m,75%的花粉飘落在距离其亲本植株不到6m的范围内,油菜花粉的活力一般可以持续1～7d不等。一般认为,风传的油菜花粉在空气中很快干燥,与远距离杂交事件关系不大,远距离杂交主要由蜜蜂传粉所为。McCartney和Lacey发现,离田边20m处的花粉密度是田边花粉密度的10%,离花粉源100m处花粉量只有中心部的2%～11%;Timmons等发现,在距花粉源360m和400m处的空中花粉密度是田边的10%和5%,在距花粉源1.5km处每立方米的空间有0～22颗花粉颗粒。蜜蜂可以飞很远,飞行2km采蜜是常有的,有时甚至可以飞10km。但是,蜜蜂具有在尽可能短的时间里采最多蜜的特点,因此它们一般尽可能在离蜂巢近的地方寻找最好的食物,所以油菜的异交主要发生在近距离范围内。2槟榔异交率测定异交率是指自然条件下异交种子(接受外来花粉结实的种子)占总种子数(自交种子数+异交种子数)的比率。过去一般认为,甘蓝型油菜是常异花授粉植物,异交率为10%～30%。例如,孙超才等在上海将高芥酸植株与无芥酸植株相临种植研究油菜异交率,发现有18%的单株芥酸平均含量显著升高,据此认为,油菜异交率为18%。这种以单株为单位的“异交率”比以种子为单位的真实异交率要高得多。因为按植株计算,一株有一粒种子发生异交则属于100%异交个体,但按照种子为单位计算(假设一株有4000粒种子)一株有一粒种子发生异交则异交率为四千分之一。因此,在讨论油菜异交率时,首先要明确异交率的定义,即是按照单株为单位还是按照种子为单位。白菜型油菜属于异花授粉植物,多数品种具有很强的自交不亲和性,异交率达80%～90%。甘蓝型油菜和芥菜型油菜属于常异花授粉植物,以单株为单位异交率可达15%～35%,以种子为单位异交率一般低于3%。离花粉源越远异交率越低。油菜异交率随隔离距离的增大而迅速下降。文献显示,32m处异交率稳定在0.035%～0.05%,距花粉源100m处异交率为0.01%～0.5%。Scheffler等用转基因抗除草剂甘蓝型油菜为材料,在英国进行大田实验,发现隔离距离为200m和400m时异交率分别为0.0156%和0.0038%。Stringam和Downey报道的137m处检测到1.1%的异交率,这是在小面积花粉源和受体试验中,用可育油菜作受体在距花粉源10m以外检测到异交率最高的一例。保护行通过吸引蜜蜂采蜜防止蜜蜂远飞而起到花粉捕获器作用,因而可以降低异交的发生。Staniland等在30m×30m的转基因油菜田块周围种植宽30m的保护行用来研究保护行的效果,发现异交率随距离而降低,0米处异交率为0.5%,30m处降低到0.015%。在美国也研究了保护行对于减少转基因油菜花粉扩散的效果,发现0m处异交率为2.0%～3.5%,5m处异交率为0.6%～0.7%。证明保护行对于降低转基因油菜的花粉扩散是非常有效的。另外,用油菜雄性不育系或自交不亲和系做花粉受体,异交率比一般品种要高的多。Thompson等用不育系做花粉受体,测得离花粉源1m处的异交率为88.4%,400m处的异交率为13%～58%,4km处为5%。Simpson等采用雄性不育油菜作受体研究转基因油菜花粉扩散情况,在距花粉源400m处检测到了异交,而采用常规的可育植株作受体在距花粉源120m处没有检测到异交。3抗机构基因遗传多样性试验种间杂交一般比较困难。外缘基因发生种间转移,必须满足以下条件:①转基因作物与其近缘种空间上足够接近;②时间上花期能够相遇;③能发生自然杂交并获得F1杂交种子;④F1杂交种子有一定的生存适合度并能发生回交。种间杂交时,一般很难获得杂交种。即使获得杂交种,杂交种因减数分裂异常,结实率通常很低。因此,种间杂种通常很难存活下来。就甘蓝型油菜而言,接受甘蓝型油菜花粉后可以结实的物种主要有白菜类和芥菜类植物,杂交一朵花一般能获得数粒种子。肖玲等用转基因甘蓝型油菜与118个不同类型的白菜类品种(包括大白菜、菜薹、芜菁和小油菜等)杂交,全部获得杂交种,授粉一朵花平均结实5.7粒,不同基因型差异较大。孟金陵等研究甘蓝型油菜与芥菜型油菜的可交配性,人工杂交7个组合,交配一朵花平均得到1.38粒种子。薄惠杰等用抗除草剂转基因甘蓝型油菜与10个不同类型的芥菜类品种(包括榨菜,芥油菜,包心芥和雪里蕻等)进行相临种植,所有芥菜品种的后代都发现有杂交种,异交率为0.046%～0.512%。刘忠松用人工去雄的方法以甘蓝型油菜作父本,与芸薹属植物杂交,将亲和指数分为两类:一类与AB和A基因组杂交亲和指数高,平均分别为3.27和0.89;另一类与BC和C基因组杂交,亲和指数低,与BC基因组杂交的平均亲和指数为0.05,与C基因组杂交完全不结实,亲和指数为0。陈玉卿研究芸薹属6个种的种间杂交亲和性结果显示,甘蓝型油菜(作父本)与黑芥的亲和率为11.67%,与白菜型油菜的亲和率为19.07%,与埃塞俄比亚芥的亲和率为2.34%,与芥菜型油菜的亲和率为55.04%。甘蓝型油菜品种间的基因漂移频率为1.252%～2.191%,高于甘蓝型油菜品种与白菜型油菜和芥菜型油菜的0.109%～0.951%,远高于甘蓝型油菜品种与埃塞俄比亚芥和黑芥的0.024%～0.243%。未发现甘蓝型油菜与甘蓝及其他十字花科杂草发生杂交。抗除草剂基因在自然授粉条件下能够从甘蓝型转基因油菜逃逸到白菜和芥菜型油菜中。Chevre等用了几年时间估算出以野萝卜作母本产生抗除草剂杂种的频率为1×10-7～3×10-5。异交成功并不等于基因扩散和渐渗的完成。以白菜与甘蓝型油菜的杂交为例,以白菜(2n=20,AA)为母本、甘蓝型油菜(2n=38,AACC)为父本,杂交一朵花可获0.1～5.0粒杂交种种子(正常油菜品种杂交一朵花可获得20粒左右),杂种F1代(2n=29,AAC)生长旺盛,开放授粉每荚可结4粒左右种子。杂种花粉可与白菜回交结实,回交1朵花可获0.1～2.0粒种子,回交后代的染色体数为2n=20-29,其中2n=21-29的个体均为非整倍体,植株生长较弱,花粉和种子育性均低,只有个别植株花粉和种子育性接近正常。非整倍体的生存适合度一般不到正常个体的1/10。因此C染色体上的基因一般随回交过程而很快丢失,从而从群体中逐渐消失。与C染色体上的基因相比,A染色体上的基因更容易转移到白菜群体中。综上所述,在我国油菜产区,甘蓝型油菜的基因除了可以向同类甘蓝型油菜扩散之外,还可以向白菜和芥菜类植物扩散。由于异交率低、种间杂种生存能力差,外缘基因扩散的频率一般很低。因此,只要确定一个阈值就可以将基因扩散的风险控制在可以接受的范围。4设置缓冲区或保护行,保护距离无根据以上调研和分析结果可以看出,自然条件下甘蓝型油菜品种间的天然异交率一般不超过3%(多数在1%以下),400m以外很少发生异交。表1中各国获得的数据表明,0.1%阈值下,在小面积试验中基因飘流的距离均≤200m,在大面积(10～64hm2)转基因油菜商业化种植后经取样调查分析,0.1%阈值下基因飘流的距离可达200～400m(2003)和800m(2001)。设置缓冲区或保护行能大大缩短基因飘流的距离。若设10m缓冲区,阈值0.1%时的隔离距离为70m;若设30m的保护行,阈值0.1%时的隔离距离小于30m。国际上对转基因油菜田间试验的隔离距离为50～400m。英国转基因油菜试验的推荐隔离距离为50m,生产有机油菜的推荐隔离距离是200m。英国种植高芥酸油菜的隔离距离也是50m。加拿大要求转基因油菜田间试验隔离距离为200m,同时试验区四周10m宽的区域种植花期相遇的非转基因油菜品种作为保护行。法国、比利时和瑞典的转基因油菜田间试验隔离距离都规定为400m。澳大利亚要求400m隔离距离,外加15m非转基因油菜作保护行。上述及表2可见,隔离距离400m加上保护行10m可以满足异交率阈值0.1%的要求。5去除基因飘流风险在我国,现行的农业转基因生物安全评价管理办法对转基因植物田间试验提出了安全控制的要求。根据该管理办法附录IV表1的规定,芸薹属植物的田间试验隔离距离为1000m。总结归纳国际研究的数据,本研究认为,转基因油菜的安全监管易采用分类管理和阈值管理的原则。对于一般农艺性状改良的转基因油菜,建议:不同类型的油菜开花习性差异很大。转基因油菜的管理应考虑品种的开花和生殖习性,进行分类管理。首先,要将甘蓝型、芥菜型和白菜型油菜区别对待。白菜型油菜一般是异花授粉植物,而甘蓝型油菜和芥菜型油菜以自花授粉为主。其次要将常规品种与不育系或自交不亲和系区别对待。同是甘蓝型油菜,有的品种是雄性不育或自交不亲和系,表现为异花授粉习性。第三、要将生产田与杂交制种田区别对待。因为,杂交制种田的不育系更容易接受花粉,发生异交而导致基因飘流。最常见的常规甘蓝型油菜品种和常规芥菜型品种主要以自花授粉为主。田间试验的隔离距离只要400m就可以保证异交率在0.1%以下,如果能加上10～20m宽的非转基因品种作为保护行,防止基因飘流可以取得理想的效果。目前在我国进行的转基因油菜田间试验主要属于这种类型。异交型品种包括,一般的白菜型油菜,以及甘蓝型及芥菜型油菜自交不亲和