轉(zhuǎn)基因油菜田間試驗隔離距離的規(guī)定

轉(zhuǎn)基因油菜田間試驗隔離距離的規(guī)定

中國是農(nóng)業(yè)國。油菜籽產(chǎn)量占世界總產(chǎn)值的四分之一，是世界上最重要的。我國自產(chǎn)植物油中45%來自油菜,菜籽粕還是重要的動物飼料蛋白來源。油菜屬于十字花科蕓薹屬,是目前轉(zhuǎn)基因植物中研究最多的一類植物,也是迄今國際上大面積種植的四大轉(zhuǎn)基因作物之一。作為油菜生產(chǎn)和貿(mào)易大國,加拿大1996年開始商業(yè)化種植轉(zhuǎn)基因油菜,目前轉(zhuǎn)基因油菜品種的種植面積已占該國油菜種植總面積的80%以上。我國迄今還沒有批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因油菜的商業(yè)化,但其研發(fā)也相當(dāng)活躍。轉(zhuǎn)基因植物在批準(zhǔn)商業(yè)化之前通常要求在控制條件下開展實驗,防止外源基因流散。近年來,國內(nèi)外對轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物田間試驗的隔離措施和控制條件以及外源基因流散的規(guī)律開展了大量研究。王志興等對水稻和小麥等農(nóng)作物的轉(zhuǎn)基因飄流頻率和距離進行了系統(tǒng)調(diào)研和分析,為我國的轉(zhuǎn)基因作物田間試驗安全管理提供了科學(xué)依據(jù)。本文對國內(nèi)外油菜轉(zhuǎn)基因飄流頻率和隔離距離的研究結(jié)果進行綜述與分析。1有關(guān)安全的生物學(xué)特性1.1菜型油菜生物學(xué)特性油菜是用種子榨油的十字花科蕓薹屬(Brassica)植物的總稱。按蕓薹屬植物的染色體數(shù)及其同源性,可將與油菜有親緣關(guān)系的種分為:①基本種:包括白菜(B.rapa,2n=20,AA)、甘藍(B.oleracea,2n=18,CC)和黑芥(B.nigra,n=8,BB)。②復(fù)合種:包括甘藍型油菜(B.napus,n=19,AACC)、芥菜型油菜(B.juncea,2n=36,AABB)和埃塞俄比亞芥(B.carinata,2n=34,BBCC)。3個復(fù)合種是由3個基本種自然雜交和異源多倍體化進化而來。白菜型油菜(B.rapaoleifera)起源于亞洲和歐洲,甘藍型油菜起源于歐洲地中海地區(qū),芥菜型油菜起源于亞洲和非洲。中國和印度是世界上栽培白菜型油菜和芥菜型油菜最早的國家。中國是芥菜物種的原產(chǎn)地之一和類型分化中心,也是白菜物種的遺傳多樣性中心之一。青海、甘肅、新疆、內(nèi)蒙古等地可能是最早的油菜栽培地區(qū)。中國油菜以秦嶺為界分為冬油菜和春油菜兩大產(chǎn)區(qū)。在我國,油菜有白菜型(Brassicarapa,AA,2n=20)、芥菜型(Brassicajuncea,AABB,2n=36)和甘藍型(Brassicanapus,AACC,2n=38)三種類型。目前我國種植的油菜主要為甘藍型油菜,約占油菜種植面積的85%以上。白菜型油菜和芥菜型油菜約占中國油菜總面積的10%左右。在我國,90%的油菜屬于冬季作物,喜寒怕熱,在脫離人工栽培的情況下一般難以越夏和在自然界繁衍生息。但是,油菜角果易開裂,在收割時及收割前損失的大量種子可形成地下種子庫。如果長期暴露于黑暗和水壓下,油菜種子會進入休眠期。地下種子通過休眠可以逃避干旱酷暑,并在生長季節(jié)以自生苗的形式出現(xiàn),成為雜草。Szot等研究顯示,在不同的收獲條件下,油菜田間損失率在9.4%～28.1%之間。在油菜產(chǎn)區(qū),收獲后土壤中油菜種子的密度為2000～10000粒/m2。在加拿大,油菜產(chǎn)區(qū)地下種子庫的種子密度第一年減少1/10,以后只是慢慢減少。種子在未翻耕的土中可以存活長達10年或更久,在耕地中一般可存活5年。在加拿大和澳大利亞由于油菜種子損失量大,地下種子庫可持續(xù)存在,油菜產(chǎn)區(qū)的油菜自生苗常成為雜草。在我國,甘藍型油菜生存能力較弱,但自生苗時有出現(xiàn),有時還比較嚴(yán)重。芥菜型油菜的生存能力較強,我國油菜產(chǎn)區(qū)的野生芥菜比較普遍,個別地區(qū)已成為主要雜草。1.2風(fēng)傳的采蜜事件油菜屬十字花科,油菜花粉可以借助風(fēng)和昆蟲,特別是蜜蜂傳播。據(jù)Mesquida和Renard報道,油菜花粉可以通過風(fēng)傳播32m,75%的花粉飄落在距離其親本植株不到6m的范圍內(nèi),油菜花粉的活力一般可以持續(xù)1～7d不等。一般認(rèn)為,風(fēng)傳的油菜花粉在空氣中很快干燥,與遠(yuǎn)距離雜交事件關(guān)系不大,遠(yuǎn)距離雜交主要由蜜蜂傳粉所為。McCartney和Lacey發(fā)現(xiàn),離田邊20m處的花粉密度是田邊花粉密度的10%,離花粉源100m處花粉量只有中心部的2%～11%;Timmons等發(fā)現(xiàn),在距花粉源360m和400m處的空中花粉密度是田邊的10%和5%,在距花粉源1.5km處每立方米的空間有0～22顆花粉顆粒。蜜蜂可以飛很遠(yuǎn),飛行2km采蜜是常有的,有時甚至可以飛10km。但是,蜜蜂具有在盡可能短的時間里采最多蜜的特點,因此它們一般盡可能在離蜂巢近的地方尋找最好的食物,所以油菜的異交主要發(fā)生在近距離范圍內(nèi)。2檳榔異交率測定異交率是指自然條件下異交種子(接受外來花粉結(jié)實的種子)占總種子數(shù)(自交種子數(shù)+異交種子數(shù))的比率。過去一般認(rèn)為,甘藍型油菜是常異花授粉植物,異交率為10%～30%。例如,孫超才等在上海將高芥酸植株與無芥酸植株相臨種植研究油菜異交率,發(fā)現(xiàn)有18%的單株芥酸平均含量顯著升高,據(jù)此認(rèn)為,油菜異交率為18%。這種以單株為單位的“異交率”比以種子為單位的真實異交率要高得多。因為按植株計算,一株有一粒種子發(fā)生異交則屬于100%異交個體,但按照種子為單位計算(假設(shè)一株有4000粒種子)一株有一粒種子發(fā)生異交則異交率為四千分之一。因此,在討論油菜異交率時,首先要明確異交率的定義,即是按照單株為單位還是按照種子為單位。白菜型油菜屬于異花授粉植物,多數(shù)品種具有很強的自交不親和性,異交率達80%～90%。甘藍型油菜和芥菜型油菜屬于常異花授粉植物,以單株為單位異交率可達15%～35%,以種子為單位異交率一般低于3%。離花粉源越遠(yuǎn)異交率越低。油菜異交率隨隔離距離的增大而迅速下降。文獻顯示,32m處異交率穩(wěn)定在0.035%～0.05%,距花粉源100m處異交率為0.01%～0.5%。Scheffler等用轉(zhuǎn)基因抗除草劑甘藍型油菜為材料,在英國進行大田實驗,發(fā)現(xiàn)隔離距離為200m和400m時異交率分別為0.0156%和0.0038%。Stringam和Downey報道的137m處檢測到1.1%的異交率,這是在小面積花粉源和受體試驗中,用可育油菜作受體在距花粉源10m以外檢測到異交率最高的一例。保護行通過吸引蜜蜂采蜜防止蜜蜂遠(yuǎn)飛而起到花粉捕獲器作用,因而可以降低異交的發(fā)生。Staniland等在30m×30m的轉(zhuǎn)基因油菜田塊周圍種植寬30m的保護行用來研究保護行的效果,發(fā)現(xiàn)異交率隨距離而降低,0米處異交率為0.5%,30m處降低到0.015%。在美國也研究了保護行對于減少轉(zhuǎn)基因油菜花粉擴散的效果,發(fā)現(xiàn)0m處異交率為2.0%～3.5%,5m處異交率為0.6%～0.7%。證明保護行對于降低轉(zhuǎn)基因油菜的花粉擴散是非常有效的。另外,用油菜雄性不育系或自交不親和系做花粉受體,異交率比一般品種要高的多。Thompson等用不育系做花粉受體,測得離花粉源1m處的異交率為88.4%,400m處的異交率為13%～58%,4km處為5%。Simpson等采用雄性不育油菜作受體研究轉(zhuǎn)基因油菜花粉擴散情況,在距花粉源400m處檢測到了異交,而采用常規(guī)的可育植株作受體在距花粉源120m處沒有檢測到異交。3抗機構(gòu)基因遺傳多樣性試驗種間雜交一般比較困難。外緣基因發(fā)生種間轉(zhuǎn)移,必須滿足以下條件:①轉(zhuǎn)基因作物與其近緣種空間上足夠接近;②時間上花期能夠相遇;③能發(fā)生自然雜交并獲得F1雜交種子;④F1雜交種子有一定的生存適合度并能發(fā)生回交。種間雜交時,一般很難獲得雜交種。即使獲得雜交種,雜交種因減數(shù)分裂異常,結(jié)實率通常很低。因此,種間雜種通常很難存活下來。就甘藍型油菜而言,接受甘藍型油菜花粉后可以結(jié)實的物種主要有白菜類和芥菜類植物,雜交一朵花一般能獲得數(shù)粒種子。肖玲等用轉(zhuǎn)基因甘藍型油菜與118個不同類型的白菜類品種(包括大白菜、菜薹、蕪菁和小油菜等)雜交,全部獲得雜交種,授粉一朵花平均結(jié)實5.7粒,不同基因型差異較大。孟金陵等研究甘藍型油菜與芥菜型油菜的可交配性,人工雜交7個組合,交配一朵花平均得到1.38粒種子。薄惠杰等用抗除草劑轉(zhuǎn)基因甘藍型油菜與10個不同類型的芥菜類品種(包括榨菜,芥油菜,包心芥和雪里蕻等)進行相臨種植,所有芥菜品種的后代都發(fā)現(xiàn)有雜交種,異交率為0.046%～0.512%。劉忠松用人工去雄的方法以甘藍型油菜作父本,與蕓薹屬植物雜交,將親和指數(shù)分為兩類:一類與AB和A基因組雜交親和指數(shù)高,平均分別為3.27和0.89;另一類與BC和C基因組雜交,親和指數(shù)低,與BC基因組雜交的平均親和指數(shù)為0.05,與C基因組雜交完全不結(jié)實,親和指數(shù)為0。陳玉卿研究蕓薹屬6個種的種間雜交親和性結(jié)果顯示,甘藍型油菜(作父本)與黑芥的親和率為11.67%,與白菜型油菜的親和率為19.07%,與埃塞俄比亞芥的親和率為2.34%,與芥菜型油菜的親和率為55.04%。甘藍型油菜品種間的基因漂移頻率為1.252%～2.191%,高于甘藍型油菜品種與白菜型油菜和芥菜型油菜的0.109%～0.951%,遠(yuǎn)高于甘藍型油菜品種與埃塞俄比亞芥和黑芥的0.024%～0.243%。未發(fā)現(xiàn)甘藍型油菜與甘藍及其他十字花科雜草發(fā)生雜交?？钩輨┗蛟谧匀皇诜蹢l件下能夠從甘藍型轉(zhuǎn)基因油菜逃逸到白菜和芥菜型油菜中。Chevre等用了幾年時間估算出以野蘿卜作母本產(chǎn)生抗除草劑雜種的頻率為1×10-7～3×10-5。異交成功并不等于基因擴散和漸滲的完成。以白菜與甘藍型油菜的雜交為例,以白菜(2n=20,AA)為母本、甘藍型油菜(2n=38,AACC)為父本,雜交一朵花可獲0.1～5.0粒雜交種種子(正常油菜品種雜交一朵花可獲得20粒左右),雜種F1代(2n=29,AAC)生長旺盛,開放授粉每莢可結(jié)4粒左右種子。雜種花粉可與白菜回交結(jié)實,回交1朵花可獲0.1～2.0粒種子,回交后代的染色體數(shù)為2n=20-29,其中2n=21-29的個體均為非整倍體,植株生長較弱,花粉和種子育性均低,只有個別植株花粉和種子育性接近正常。非整倍體的生存適合度一般不到正常個體的1/10。因此C染色體上的基因一般隨回交過程而很快丟失,從而從群體中逐漸消失。與C染色體上的基因相比,A染色體上的基因更容易轉(zhuǎn)移到白菜群體中。綜上所述,在我國油菜產(chǎn)區(qū),甘藍型油菜的基因除了可以向同類甘藍型油菜擴散之外,還可以向白菜和芥菜類植物擴散。由于異交率低、種間雜種生存能力差,外緣基因擴散的頻率一般很低。因此,只要確定一個閾值就可以將基因擴散的風(fēng)險控制在可以接受的范圍。4設(shè)置緩沖區(qū)或保護行,保護距離無根據(jù)以上調(diào)研和分析結(jié)果可以看出,自然條件下甘藍型油菜品種間的天然異交率一般不超過3%(多數(shù)在1%以下),400m以外很少發(fā)生異交。表1中各國獲得的數(shù)據(jù)表明,0.1%閾值下,在小面積試驗中基因飄流的距離均≤200m,在大面積(10～64hm2)轉(zhuǎn)基因油菜商業(yè)化種植后經(jīng)取樣調(diào)查分析,0.1%閾值下基因飄流的距離可達200～400m(2003)和800m(2001)。設(shè)置緩沖區(qū)或保護行能大大縮短基因飄流的距離。若設(shè)10m緩沖區(qū),閾值0.1%時的隔離距離為70m;若設(shè)30m的保護行,閾值0.1%時的隔離距離小于30m。國際上對轉(zhuǎn)基因油菜田間試驗的隔離距離為50～400m。英國轉(zhuǎn)基因油菜試驗的推薦隔離距離為50m,生產(chǎn)有機油菜的推薦隔離距離是200m。英國種植高芥酸油菜的隔離距離也是50m。加拿大要求轉(zhuǎn)基因油菜田間試驗隔離距離為200m,同時試驗區(qū)四周10m寬的區(qū)域種植花期相遇的非轉(zhuǎn)基因油菜品種作為保護行。法國、比利時和瑞典的轉(zhuǎn)基因油菜田間試驗隔離距離都規(guī)定為400m。澳大利亞要求400m隔離距離,外加15m非轉(zhuǎn)基因油菜作保護行。上述及表2可見,隔離距離400m加上保護行10m可以滿足異交率閾值0.1%的要求。5去除基因飄流風(fēng)險在我國,現(xiàn)行的農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全評價管理辦法對轉(zhuǎn)基因植物田間試驗提出了安全控制的要求。根據(jù)該管理辦法附錄IV表1的規(guī)定,蕓薹屬植物的田間試驗隔離距離為1000m?？偨Y(jié)歸納國際研究的數(shù)據(jù),本研究認(rèn)為,轉(zhuǎn)基因油菜的安全監(jiān)管易采用分類管理和閾值管理的原則。對于一般農(nóng)藝性狀改良的轉(zhuǎn)基因油菜,建議:不同類型的油菜開花習(xí)性差異很大。轉(zhuǎn)基因油菜的管理應(yīng)考慮品種的開花和生殖習(xí)性,進行分類管理。首先,要將甘藍型、芥菜型和白菜型油菜區(qū)別對待。白菜型油菜一般是異花授粉植物,而甘藍型油菜和芥菜型油菜以自花授粉為主。其次要將常規(guī)品種與不育系或自交不親和系區(qū)別對待。同是甘藍型油菜,有的品種是雄性不育或自交不親和系,表現(xiàn)為異花授粉習(xí)性。第三、要將生產(chǎn)田與雜交制種田區(qū)別對待。因為,雜交制種田的不育系更容易接受花粉,發(fā)生異交而導(dǎo)致基因飄流。最常見的常規(guī)甘藍型油菜品種和常規(guī)芥菜型品種主要以自花授粉為主。田間試驗的隔離距離只要400m就可以保證異交率在0.1%以下,如果能加上10～20m寬的非轉(zhuǎn)基因品種作為保護行,防止基因飄流可以取得理想的效果。目前在我國進行的轉(zhuǎn)基因油菜田間試驗主要屬于這種類型。異交型品種包括,一般的白菜型油菜,以及甘藍型及芥菜型油菜自交不親和