轉(zhuǎn)基因植物安全性的研究進(jìn)展

轉(zhuǎn)基因植物安全性的研究進(jìn)展

改良品種具有減少化學(xué)農(nóng)藥對環(huán)境的影響、提高作物產(chǎn)量、改善質(zhì)量和保持水土等潛在優(yōu)勢。轉(zhuǎn)基因作物的應(yīng)用為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了一次新的革命,但以重組DNA技術(shù)為代表的現(xiàn)代生物技術(shù)在帶來巨大利益和效益的同時,也可能對人類健康和生態(tài)環(huán)境安全造成不必要的負(fù)面影響。目前,國際上對轉(zhuǎn)基因植物及其產(chǎn)品的安全性評價主要涉及3個方面:一是受體植物安全性風(fēng)險,即導(dǎo)入的外源基因及其產(chǎn)物對受體植物是否產(chǎn)生不利影響;二是生態(tài)環(huán)境安全性風(fēng)險,即轉(zhuǎn)基因植物的使用帶來的直接或間接的生態(tài)影響;三是毒理安全性風(fēng)險,主要指以轉(zhuǎn)基因植物為原料的產(chǎn)品(食品、飼料)和其他方面的安全性?，F(xiàn)就轉(zhuǎn)基因植物的生態(tài)安全性風(fēng)險進(jìn)行闡述。1抗蟲基因及抗藥體的缺乏自然界生物間的協(xié)同進(jìn)化或生物與非生物抑制因子間的對抗可能出現(xiàn)適應(yīng)或被淘汰的結(jié)果。根據(jù)協(xié)同進(jìn)化理論,轉(zhuǎn)基因抗病蟲作物的應(yīng)用也將會面臨目標(biāo)病蟲害對抗性植物的適應(yīng)和產(chǎn)生抗性的問題。通常選擇壓力越大,害蟲抗性產(chǎn)生得越快。以轉(zhuǎn)Bt基因?yàn)槔?Bt毒蛋白在植物各營養(yǎng)器官中的表達(dá)通常是高劑量的持續(xù)表達(dá),因此提高了對害蟲的選擇壓力,可能促使害蟲對Bt作物產(chǎn)生抗性,從而削弱Bt作物的經(jīng)濟(jì)效益和優(yōu)勢。希望通過制備轉(zhuǎn)不同Bt基因的植物來延長害蟲抗性的產(chǎn)生并不可行,因?yàn)楹οx普遍存在多重抗性和交互抗性。此外,抗蟲轉(zhuǎn)基因作物的大量種植,還可能發(fā)生目標(biāo)害蟲的“行為抗性”和寄主轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。一方面害蟲可能區(qū)分Bt毒蛋白在植株不同部位的表達(dá)量,從而選擇性地取食Bt毒素含量較低的部位,提高種群的存活率;另一方面,如果目標(biāo)害蟲寄主植物來源較廣,在不適口的情況下轉(zhuǎn)移至非轉(zhuǎn)基因作物上危害。目前尚無證據(jù)表明靶標(biāo)害蟲對轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)生抗性,Wu等對我國華北棉田棉鈴蟲抗性的長期監(jiān)測(1994~2002)表明,自1997年推廣Bt棉以來,Bt棉田棉鈴蟲對Bt的抗性未見顯著提高,由于化學(xué)農(nóng)藥使用量減少,Bt棉田棉鈴蟲對高效氯氟氰菊酯、辛硫磷和硫丹的抗藥性甚至大大降低。盡管如此,國際上普遍提倡通過轉(zhuǎn)基因植物種子和非轉(zhuǎn)基因種子混合播種、提供非轉(zhuǎn)基因作物庇護(hù)所、種植替代寄主植物或提高自然植被多樣性等策略,預(yù)防和應(yīng)對目標(biāo)害蟲對轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)生抗性。2對主要害蟲的影響轉(zhuǎn)基因植物本身及其轉(zhuǎn)入基因編碼產(chǎn)物不僅會對目標(biāo)生物起作用,還有可能會對非目標(biāo)生物產(chǎn)生直接毒性作用,或通過食物鏈和食物網(wǎng)對非目標(biāo)生物產(chǎn)生間接影響。這方面的評估指標(biāo)通常包括非目標(biāo)生物的生物學(xué)特性指標(biāo),如:發(fā)育歷期、繁殖力、體型、控害效能等。室內(nèi)研究表明,Bt玉米品種“176”的花粉對菜粉蝶(Pierisrapae)、大菜粉蝶(Pierisbrassicae)和小菜蛾(Plutellaxylostella)的生長和存活均具有顯著的不利影響。轉(zhuǎn)Bt基因棉對棉蚜(Aphisgossypii)的發(fā)育和繁殖沒有不利影響,但轉(zhuǎn)Bt和CpTI的雙價抗蟲棉短期內(nèi)會對棉蚜產(chǎn)生不利影響,1~2代棉蚜的存活率降低,繁殖期縮短,壽命延長,對第3代棉蚜則未見顯著不利影響。在田間,由于轉(zhuǎn)基因作物對目標(biāo)害蟲具備很強(qiáng)的針對性,目標(biāo)害蟲的種群數(shù)量下降,導(dǎo)致生物群落中種與種間競爭格局發(fā)生變化,某些非目標(biāo)害蟲由于其較強(qiáng)的適應(yīng)性而成為主要害蟲。例如,Bt棉田由于施用化學(xué)農(nóng)藥防治棉鈴蟲的次數(shù)減少,棉盲蝽(Lyguslucorum)和Adelphocorisspp.的為害加重;對棉蚜種群的影響在不同調(diào)查年份和地點(diǎn)并不一致,二點(diǎn)小綠葉蟬(Amrascabiguttula)、三葉斑潛蠅(Liriomyzatrifolii)、煙粉虱(Bemisiatabaci)、稻綠蝽(Nezarviridula)、棉紅蝽(Dysdercuskoenigii)和尖筒象(Myllocerusundecimpustulatus)的為害則與對照無顯著差異。3基因?qū)纳鋵μ鞌车挠绊懛N植轉(zhuǎn)基因植物不僅要控制靶標(biāo)害蟲,而且必須與天敵協(xié)調(diào)共存,才能融入有害生物綜合治理(IPM)體系。轉(zhuǎn)基因植物的大面積推廣,其花粉對家蠶等經(jīng)濟(jì)昆蟲和傳粉蜂類的潛在影響受到關(guān)注。此外,轉(zhuǎn)基因植物的環(huán)境釋放,有可能通過基因水平轉(zhuǎn)移、根系活性分泌物改變和殘體中生化成分的改變來影響土壤動物和微生物區(qū)系的組成和結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響整個土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能。對天敵的生態(tài)毒性。轉(zhuǎn)基因抗蟲植物表達(dá)的殺蟲蛋白不僅作用于目標(biāo)害蟲,也必然影響到非目標(biāo)害蟲和天敵的生活力。這些影響包括轉(zhuǎn)基因作物表達(dá)的毒蛋白或改性蛋白對天敵存活和發(fā)育的直接毒害或通過害蟲對天敵產(chǎn)生的間接毒害,天敵對轉(zhuǎn)基因作物上的目標(biāo)害蟲行為/生理/生殖的反應(yīng),天敵種類及種群數(shù)量的變化,天敵群落結(jié)構(gòu)和種群動態(tài)的變化等。針對捕食性天敵,多數(shù)研究表明取食了轉(zhuǎn)基因作物的植食性昆蟲獵物對捕食性昆蟲的個體生長發(fā)育、生殖、捕食行為等特性均無不良影響;轉(zhuǎn)基因植物花粉和汁液對捕食性天敵沒有直接毒性。但也有研究表明轉(zhuǎn)基因抗蟲植物對捕食性昆蟲生物學(xué)特性產(chǎn)生不利影響,如:取食Bt玉米的害蟲對普通草蛉(Chrysoperlacarnea)幼蟲具有毒害作用,使其發(fā)育時間延長、死亡率增大;龜紋瓢蟲(Propylaeajaponica)幼蟲取食Bt棉上的棉蚜,成蟲的畸形率上升;取食用Bt棉飼養(yǎng)的斜紋夜蛾初孵幼蟲,龜紋瓢蟲1齡幼蟲體重低于對照,較少發(fā)育至2齡。針對寄生性天敵,部分研究表明取食了轉(zhuǎn)基因植物的植食性昆蟲寄主對寄生性昆蟲的個體寄生、發(fā)育、行為等產(chǎn)生不良影響[26,27,28,29,30,31,32,33,34];也有研究表明轉(zhuǎn)基因植物或其產(chǎn)物對寄生蜂生物學(xué)特性無不良影響[35,36,37,38,39,40]。對天敵種群和群落的影響。迄今,多數(shù)研究表明轉(zhuǎn)基因作物對田間捕食性天敵和寄生性天敵種群數(shù)量或群落組成的影響較小[41,42,43,44,45,46,47,48,49],對天敵的生態(tài)功能也未見顯著影響;但也有研究表明,轉(zhuǎn)基因作物田天敵群落發(fā)生顯著變化,如:轉(zhuǎn)Bt基因玉米田和轉(zhuǎn)Cry3A基因馬鈴薯田的步甲數(shù)量均明顯少于常規(guī)作物田;轉(zhuǎn)Bt基因棉田龜紋瓢蟲等捕食性天敵與寄生蜂的種群數(shù)量下降,天敵亞群落的多樣性顯著降低。對經(jīng)濟(jì)昆蟲的影響。家蠶(Bombyxmori)和柞蠶(Antheraeapernyi)是我國的重要經(jīng)濟(jì)昆蟲,與Bt作物的靶標(biāo)害蟲同屬鱗翅目。Bt作物的花粉會飄落到柞樹或桑樹上,特別是我國南方養(yǎng)蠶地區(qū)的傳統(tǒng)作物種植模式是桑稻間種,所以,Bt作物的大面積推廣可能會對這兩種經(jīng)濟(jì)昆蟲造成不良影響。研究表明,轉(zhuǎn)Cry1Ab基因水稻在我國南方養(yǎng)蠶地區(qū)推廣可能對家蠶的生長發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面影響;轉(zhuǎn)Cry1Ac基因棉花、轉(zhuǎn)Cry1Ac和CpTI基因棉花和轉(zhuǎn)Cry1Ab基因玉米的花粉對家蠶發(fā)育和產(chǎn)卵均無顯著影響,且無明顯的劑量效應(yīng);轉(zhuǎn)基因棉花花粉對柞蠶1~3齡幼蟲的發(fā)育及取食也無顯著影響。對傳粉昆蟲的影響。自然界75%~85%的顯花植物是蟲媒花,一些轉(zhuǎn)基因植物需要蜂類傳粉,或可作為傳粉昆蟲的食物來源。隨著轉(zhuǎn)基因植物種類的增加和種植面積的迅速擴(kuò)大,蜂類等傳粉昆蟲受影響的可能性也越來越大,特別是抗蟲轉(zhuǎn)基因植物對傳粉蜂類的影響。目前,轉(zhuǎn)基因植物對蜂類的安全性評估已在不同層次展開。實(shí)驗(yàn)室層次上的研究表明,某些種類的PIs(如POT、BPTI、SBTI、BBI)會對蜂類的生存、中腸蛋白酶活性和嗅覺學(xué)習(xí)行為等產(chǎn)生不良影響;Bt棉的花粉對蜜蜂工蜂無急性毒性作用,工蜂的壽命和過氧化物酶活性也未受顯著影響;抗性轉(zhuǎn)基因植物對蜂類間接影響的研究集中于轉(zhuǎn)基因植物對蜜蜂取食偏好性的影響,目前未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植物對蜜蜂取食行為產(chǎn)生顯著影響。半大田層次的試驗(yàn)則多未發(fā)現(xiàn)負(fù)面影響。根據(jù)現(xiàn)有研究,轉(zhuǎn)基因植物對蜂類的影響與轉(zhuǎn)基因植物的生物學(xué)特征、目的基因的類型和性質(zhì)、轉(zhuǎn)基因在植物不同部位的表達(dá)特異性及表達(dá)量等密切相關(guān)。對土壤微生物的影響。轉(zhuǎn)基因植物對土壤微生物的直接影響取決于轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)生的外源蛋白質(zhì)的作用范圍及其在土壤環(huán)境中的積累量。由于外源基因的導(dǎo)入和表達(dá),轉(zhuǎn)基因植物的代謝、生理生化性質(zhì)及根系分泌物組成可能產(chǎn)生變化,這些變化將對土壤微生物產(chǎn)生間接影響。目前國內(nèi)外這方面的報道較少,結(jié)論也不一致。如:用T4-溶菌酶基因轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)基因抗細(xì)菌病害馬鈴薯對土壤中的好氧微生物總量和有益微生物數(shù)量均無顯著影響;Bt棉可提高土壤中細(xì)菌和真菌的數(shù)量;不同生育期Bt棉根際微生物的數(shù)量與對照差異不顯著;Bt水稻田土壤中真菌數(shù)量提高,細(xì)菌數(shù)量顯著降低,放線菌數(shù)量沒有顯著變化;Bt水稻對土壤中反硝化細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌種群有顯著抑制作用,對厭氧發(fā)酵細(xì)菌種群有顯著刺激作用,對厭氧固氮細(xì)菌種群有一定刺激作用;種植轉(zhuǎn)基因番茄的土壤中微生物的數(shù)量和種類產(chǎn)生一定變化,但土壤的總DNA及菌株DNA中均未檢測到外源基因擴(kuò)增產(chǎn)物?？梢?由于目前此類研究報道中轉(zhuǎn)基因植物種類、考察的微生物種類和研究方法不同,結(jié)果也不相同,因此難以分析、比較并得出明確結(jié)論。轉(zhuǎn)基因植物的推廣種植品種趨于多樣化后,對土壤微生物區(qū)系的的影響也有待研究。對土壤動物的影響。土壤動物功能群在土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化及養(yǎng)分釋放中起著重要作用,可反映不明污染物在生態(tài)系統(tǒng)中造成的影響。土壤微生物的變化可影響到土壤動物的數(shù)量和分布。近年來已發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植物會影響土壤動物群落。如:Bt玉米影響土壤彈尾目昆蟲的繁殖率;轉(zhuǎn)GNA和ConA基因馬鈴薯降低土壤微生物和原生動物的活性;轉(zhuǎn)基因煙草(蛋白酶抑制劑I)增加土壤線蟲的密度,導(dǎo)致土壤動物群落和植物殘留物分解的改變;Bt棉提高土壤線蟲和分解者的密度;轉(zhuǎn)幾丁質(zhì)酶和葡聚糖酶基因水稻可降低彈尾目昆蟲Folsomiacandida和線蚓(Enchytraeuscrypticus)的密度,提高彈尾目Sinellacurviseta的密度,對Folsomiafimetaria則無顯著影響。這方面的研究報道尚少,轉(zhuǎn)基因植物對土壤動物區(qū)系的影響有待深入研究。4對微生物的影響在生態(tài)環(huán)境中穩(wěn)定下來的轉(zhuǎn)基因作物,可能會在生態(tài)系統(tǒng)中通過食物鏈產(chǎn)生累積、富集和級聯(lián)效應(yīng)。轉(zhuǎn)基因作物由于有較強(qiáng)的針對性和專一性,會使生物群落結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化,一些物種種群數(shù)量下降,另一些物種數(shù)量急劇上升,導(dǎo)致均勻度和生物多樣性降低,系統(tǒng)不穩(wěn)定,影響正常的生態(tài)營養(yǎng)循環(huán)流動系統(tǒng)。轉(zhuǎn)基因植物對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的影響可能是微妙的、難以覺察的,需要長期的監(jiān)測和研究。目前影響較大的相關(guān)報道有:美國黑脈金斑蝶事件、墨西哥玉米受污染事件、加拿大抗除草劑油菜事件、抗除草劑作物由于大量使用草甘膦除草劑對微生物群落產(chǎn)生負(fù)面影響等,現(xiàn)舉例如下:“黑脈金斑蝶”事件。Losey等報道Bt玉米的花粉對瀕危蝴蝶黑脈金斑蝶(Danusplexippus)具有明顯毒副作用,推斷玉米揚(yáng)花季節(jié)飄落的Bt玉米花粉會對金斑蝶幼蟲產(chǎn)生毒性,可能威脅到該物種的生存。這則報道受到強(qiáng)烈置疑,因此美國農(nóng)業(yè)部專門組織了研究團(tuán)隊(duì),在自然環(huán)境條件下就Bt玉米花粉對黑脈金斑蝶的潛在影響進(jìn)行了全面評價,結(jié)果表明,綜合考慮玉米田黑脈金斑蝶的比例、玉米揚(yáng)花期與幼蟲易感時期的重疊和Bt玉米的種植率,目前已商業(yè)化的大多數(shù)Bt玉米花粉對黑脈金斑蝶種群還不會構(gòu)成威脅。但Losey等極端條件下的試驗(yàn)結(jié)果也為我們敲響了警鐘。墨西哥玉米受污染事件。2001年9月墨西哥政府報告Oaxaca州的玉米受到一種未被批準(zhǔn)在墨西哥種植的Bt玉米基因的污染,在該州22個村莊的玉米樣品中,15個村莊的樣品污染率達(dá)3%~10%。由于墨西哥是玉米的起源中心,玉米種質(zhì)資源特別豐富,且野外分布有多種能與玉米自然雜交的親緣野生種——玉米草,因此該事件引起全球極大關(guān)注。此后美國科學(xué)家在Nature上報道了墨西哥玉米受到基因污染的分子證據(jù)?？梢?墨西哥偏遠(yuǎn)地區(qū)的本土玉米品種無疑已經(jīng)受到轉(zhuǎn)基因的污染。5抗菌體表面基因和水稻轉(zhuǎn)基因植物可能通過與野生植物異種交配而使轉(zhuǎn)基因植物中的目標(biāo)基因進(jìn)入野生植物。發(fā)生基因漂移需要具備兩個條件:一是該轉(zhuǎn)基因植物可以與同種或近源種植物進(jìn)行異花授粉;二是這些同種或近源種植物與該轉(zhuǎn)基因植物在同一區(qū)域種植,而且轉(zhuǎn)基因植物的花粉可以傳播到這些植物上。根據(jù)這兩個條件,轉(zhuǎn)基因玉米、甜菜、油菜及一小部分轉(zhuǎn)基因水稻有可能產(chǎn)生基因漂移?；蚱频暮蠊钱a(chǎn)生適應(yīng)性或競爭力更強(qiáng)的品種,從而導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)或農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的失衡。如果轉(zhuǎn)基因植物中外源基因表達(dá)的是提升植物繁殖優(yōu)勢的特性,如抗除草劑、抗霜凍、延長種子在土壤中的活性時間、調(diào)劑花期、調(diào)節(jié)植物固氮能力等特性,則更可能發(fā)生這種生態(tài)系統(tǒng)的失衡。如果轉(zhuǎn)基因植物可使野生植物具有抗蟲特性,則可影響野生植物所維持的昆蟲自然種群數(shù)量和群落結(jié)構(gòu),威脅某些生物的生存。如果基因流發(fā)生在轉(zhuǎn)基因作物和生物多樣性中心的近緣野生種之間,則可能降低生物多樣性中心的遺傳多樣性;如果這種基因流發(fā)生在轉(zhuǎn)基因作物和有親緣關(guān)系的雜草之間,則可能產(chǎn)生難以控制的雜草。這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,把耐除草劑的轉(zhuǎn)基因油菜籽和雜草一起培育可產(chǎn)生耐除草劑的雜草;轉(zhuǎn)Bt和CpTI水稻與非轉(zhuǎn)基因水稻間的基因流頻率較低(<1%),但轉(zhuǎn)基因水稻的高密度種植,可增加其與非轉(zhuǎn)基因水稻異型雜交的概率;抗除草劑基因可由轉(zhuǎn)基因小麥轉(zhuǎn)移至臨近的圓柱山羊草(Aegilopscylindrica),且自然變異頻率低的品系通過雜交發(fā)生基因漂移的風(fēng)險更大?？梢娡ㄟ^轉(zhuǎn)基因技術(shù)產(chǎn)生的基因可擴(kuò)散到自然界中去,現(xiàn)有的風(fēng)險評估方案即便設(shè)計得很完善,也可能低估轉(zhuǎn)基因植物基因漂移的實(shí)際風(fēng)險。此外,有預(yù)測模型表明,雖然抗除草劑作物基因漂移的頻率很低,高效除草劑的頻繁使用將促使轉(zhuǎn)基因作物成為難于控制的先鋒植物,并不利于保持轉(zhuǎn)基因作物的抗性水平。此外,轉(zhuǎn)基因抗病毒植物可能通過重組過程產(chǎn)生新的植物病毒株系?；蛑亟M在生物界普遍存在,當(dāng)一種非目標(biāo)病毒侵入轉(zhuǎn)基因抗病毒植物的細(xì)胞,入侵病毒就可能與植物中的外套蛋白基因(Coatproteingene)進(jìn)行部分遺傳物質(zhì)的交換,從而產(chǎn)生新病毒,這對自然生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險難以估量。6減少轉(zhuǎn)基因植物的藥量目前應(yīng)用的大多數(shù)抗蟲轉(zhuǎn)基因植物所使用的目的基因?yàn)樘K云金芽孢桿菌毒素基因,不同的毒素基因分別具有高度專一性,只能作用于其靶標(biāo)害蟲。由于轉(zhuǎn)基因抗蟲植物的應(yīng)用,對目標(biāo)害蟲的田間用藥量將會大幅度下降,可能導(dǎo)致次要害蟲種群增長,進(jìn)而增大農(nóng)藥的使用量,降低轉(zhuǎn)基因植物的預(yù)期經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。根據(jù)環(huán)境影響系數(shù)(EIQ,一種基于促成某一獨(dú)立活性成分對環(huán)境產(chǎn)生凈影響的不同因素的復(fù)合測量方法)的測算,1996~2004年間,由于轉(zhuǎn)基因作物的推廣種植,全球殺蟲劑累計減少量為172500Mt的活性成分,相當(dāng)于作物用殺蟲劑對環(huán)境的破壞作用降低了14%。7措施和評價第二、三、關(guān)于轉(zhuǎn)基因植物生態(tài)風(fēng)險綜上所述,轉(zhuǎn)基因植物是環(huán)境安全農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分,為保證轉(zhuǎn)基因植物的可持續(xù)利用,有必要密切關(guān)注轉(zhuǎn)基因植物的生態(tài)安全性,