轉Ｂｔ基因作物高劑量／庇護區抗性治理策略

陳慶園　郭　華　沈晉良

摘要隨著轉Bt基因作物的應用和推廣，害蟲對轉Bt基因作物的潛在抗性風險越來越受到重視。本文介紹了轉Bt基因作物高劑量／庇護區的抗性治理策略，同時對影響高劑量／庇護區策略的幾個條件進行了討論，并針對我國的實際情況提出轉Bt基因作物抗性治理策略的幾點建議。

關鍵詞轉Bt基因作物；高劑量／庇護區；抗性治理

中圖分類號S 435．131．49

轉Bt基因作物的推廣使用為害蟲的綜合治理(IPM)提供了新途徑，同時減少了化學農藥對環境的污染和中毒事件的發生，使作物品質提高，生產成本降低。同各種化學農藥一樣，隨著轉Bt基因作物的大面積推廣應用，害蟲對轉Bt基因作物的抗性問題就成為其面臨的最主要生態風險。自1985年，McGaughey首次在室內發現鱗翅目儲糧害蟲印度谷斑螟(Plodiainterpunctella)對Bt商品制劑產生抗藥性以來，室內害蟲抗性選育試驗結果表明，害蟲具有對Bt毒素產生抗性的潛在性風險。目前田間唯一對Bt商品制劑產生抗藥性的害蟲是小菜蛾(Plutellascylostella)。由于轉Bt基因作物在整個生長期都表達Bt毒素殺蟲蛋白，對害蟲具有長期的選擇作用，同時又由于轉Bt基因作物又具有表達蛋白專一性、時空動態性變化等特點使害蟲對其產生抗藥性的風險增大。

為了阻止或延緩害蟲抗藥性的產生，延長轉Bt基因作物的使用壽命，需要在抗性產生之前制定并實施預防性抗性治理策略。抗性治理策略主要有高劑量／庇護區策略、高劑量／其他生物農藥一庇護區策略、中劑量／庇護區策略、中低劑量／天敵策略。目前高劑量／庇護區策略受到廣泛重視，已被美國、澳大利亞等國家采用。高劑量／庇護區策略是根據昆蟲種群遺傳學和昆蟲生態學理論，采用計算機模擬研究提出的，但其必須滿足以下3個條件：(1)轉Bt基因作物的毒素表達是高劑量的，即毒素高表達，且抗性遺傳方式是隱性或不完全隱性的；(2)大田害蟲種群的抗性等位基因起始頻率很低(在10^-3以下)；(3)在種植轉Bt基因作物周圍種植一定面積的非轉基因作物，以提供足夠數量的敏感個體(ss)與轉Bt基因作物田間存活下來的極少量的抗性純合子(rr)進行交配，產生的后代rs或sr不能在高表達轉Bt基因作物上存活，從而使害蟲種群中抗性等位基因頻率維持在很低的水平，達到阻止和延緩抗性產生的目的。本文就以上3個條件進行綜述，并對其他影響因素進行了討論。

1轉Bt基因作物毒素的表達

轉Bt基因作物毒素高表達是指能殺死100％敏感個體(ss)和99％抗性雜合子個體(rs或sr)的毒素劑量，這本身對不同種類害蟲和不同Bt毒素來說都是相對而言的，轉Bt基因作物的毒素表達對靶標害蟲必須是高表達、高劑量的，毒素的高表達在時間和空間上必須是統一和一致的。如美國轉Bt基因棉防治的靶標害蟲是煙芽夜蛾(Heliothis vires—cense)和棉紅鈴蟲(Pectinophoragossypiella)L16j，轉Bt基因玉米防治的靶標害蟲是歐洲玉米螟(Os—trinianubilalis)，中國和澳大利亞轉Bt基因棉防治靶標害蟲為棉鈴蟲。在棉花田間，美洲棉鈴蟲(He—licoverpazea)和甜菜夜蛾(Spodopteraemigua)對CrylAc毒素沒有煙芽夜蛾和棉紅鈴蟲那么敏感，轉Bt基因棉表達的毒素對美洲棉鈴蟲和甜菜夜蛾等害蟲達不到高表達劑量的要求。同時防治靶標害蟲的種類越多，抗蟲基因作物就越難滿足高劑量的要求，這就很難使轉Bt基因作物對所有的害蟲都能滿足Bt毒素高表達的要求。如在美國南部地區轉Bt基因作物田間，至少有9種鱗翅目玉米害蟲，7種鱗翅目棉花害蟲發生。

此外，轉Bt基因作物的Bt毒素表達也有時空動態變化。如轉Bt基因棉主莖第15片葉以后及中后期側枝嫩葉、花等組織的Bt毒素表達量均低于棉株生長前期的Bt毒素表達量。同時，并不是所有的轉Bt基因作物品種都能達到高表達劑量要求，即使達到高表達劑量要求但在大田生長過程中仍然有一定比例的植株毒素表達量很低或不表達。如Bt棉有2％的植株、Bt玉米有1％～5％植株達不到高表達劑量，這主要由于其他環境條件如氣候、土壤、水分等因子使轉Dt基因作物不能正常表達Bt毒素。理論上，無論基因育種技術和手段多么先進，在大田環境下殺死100％敏感個體和99％抗性雜合子個體的條件都無法滿足，特別是抗性遺傳為顯性遺傳或不完全顯性遺傳時，如歐洲玉米螟對轉Bt基因玉米的抗性遺傳為不完全顯性遺傳，但由于抗性等位基因頻率很低，在田間沒有發現抗性歐洲玉米螟個體。

2抗性等位基因頻率

實施延緩抗性策略的一個關鍵和廣泛采用的假設條件是害蟲的抗性等位基因頻率必須很低(在10^-3以下)，這樣才能保證庇護區的有效性。因為在抗性等位基因頻率很低的情況下，極少數存活的抗性純合子能夠與庇護區的大量敏感個體進行充分交配，將極少數存活的抗性純合子之間交配的幾率降到最低。1998—2000年，在我國華北Bt棉區，棉鈴蟲對Bt棉的抗性等位基因頻率在0—9．5X10^-3。1996—2001年，在美國Bt玉米的種植區，歐洲玉米螟對Bt的抗性等位基因頻率為0。2000—2001年，在美國北卡羅來納州，美洲棉鈴蟲對Bt的抗性等位基因頻率為0—0．43X10^-3。通過監測轉Bt基因作物防治的重要靶標害蟲抗性等位基因頻率動態變化來分析庇護區的有效性，同時必要時對庇護區進行調整。1997年，在美國的亞利桑那州棉紅鈴蟲對Bt棉的抗性等位基因頻率為0．16，遠遠高于庇護區的要求，但連續4年對其進行監測，抗性等位基因頻率在0一7．5X10^-3，這可能與抗性的適合度下降和棉紅鈴蟲不完全隱性的抗性遺傳方式有關，這表明在美國高劑量／庇護區策略的實施在延緩目標害蟲對轉Bt基因作物的抗性發展表現了良好的效果。

3庇護區的種植

3．1庇護區作物的選取

庇護區作物的選取受取食轉Bt基因作物種類、庇護區作物的害蟲之間發育進度和基因交流等因素的影響。據報道棉鈴蟲取食小麥、玉米、高粱，棉鈴蟲發育進度比取食棉花的要快。另有研究表明取食煙草、花生、辣椒的棉鈴蟲發育較慢。譚聲江等報道應用PCR指紋譜法，檢測棉鈴蟲不同寄主種群的遺傳差異，分析了棉鈴蟲不同寄主植物種群間的基因交流情況。結果表明，在Bt棉田間的棉鈴蟲種群與普通棉花、玉米、蓖麻田間棉鈴蟲種群間基因交流順利，而與芝麻、花生的棉鈴蟲種群間基因交流存在一定障礙，彼此個體之間不能進行隨機

交配。

3．2庇護作物區域的分布

庇護作物與轉Bt基因作物彼此之間比鄰越近，庇護區的敏感昆蟲與轉Bt基因作物存活的昆蟲自由交配越充分，但卻加大了幼蟲在轉Bt基因作物和庇護區作物之間的移動。這種移動是不希望存在的，因為抗性幼蟲初期在庇護區作物能夠正常生長發育，幼蟲隨齡期的增加對轉Bt基因作物耐藥性增加，加大抗性個體存活幾率，反之，在轉Bt基因作物上存活的個體不能正常生長發育但轉移到庇護區作物上存活下來完成整個生育期，這對延緩抗性的發展是不利的。再如棉紅鈴蟲在交配前不能遠距離飛行，因此在庇護區與轉Bt基因作物區相間要近一些。根據隨機交配的最大距離，設置庇護區與轉Bt基因抗蟲作物區之間的距離和分布。因此，在庇護區的分布上要采取合理布局。在最大限度自由交配和最小限度移動之間尋找最佳平衡點。同時庇護區布局也按害蟲的遷飛能力、農機操作水平、運用成本等方面綜合考慮和運用。

3．3庇護作物種植的面積

對于Bt棉，目前在澳大利亞和美國等地普遍采用的是在轉基因棉田中設立4％種植面積的不使用任何殺蟲劑的非Bt棉區，或在轉基因棉田周圍種植20％～30％轉基因棉種植面積的可使用化學殺蟲劑的非Bt棉。一方面通過擴大庇護區來保持敏感個體控制抗性發展；另一方面減少庇護區面積提高經濟收入。在美國種植轉Bt基因棉的同時必須種植其面積20％的常規棉，這些常規棉可以用藥劑防治害蟲(煙芽夜蛾、美州棉鈴蟲、棉紅鈴蟲)，但不能用Bt生物制劑。也可以種植其面積4％的常規棉但不用任何殺蟲劑。一些人士建議棉農不用殺蟲劑防治害蟲情況下，常規棉種植面積可以擴大到轉Bt基因棉的5％以保持有足夠的敏感個體與抗性個體交配，從而降低抗性等位基因頻率。種植庇護區比例根據不同國家和地區有所不同，庇護區分布一般鄰近轉Bt基因作物以確保敏感個體與抗性個體自由交配。

4其他方面的影響

根據計算機模擬研究和種群遺傳理論提出的高劑量／庇護區策略，在實驗室和溫室條件下進一步支持這一策略，但在大田很多因素和條件是無法控制的，計算機模擬和溫室試驗都沒有考慮到這種變化因素的影響。田間環境的突變性和不可操作性，如溫度、降雨、風力、土壤條件等都會對轉Bt基因作物毒素表達產生影響；昆蟲遷飛能力、取食Bt毒素后對發育進度影響、抗性遺傳方式、適合度等都會影響抗性治理策略的制定和實施。在應用高劑量／庇護區策略時人們發現，取食轉Bt基因作物與庇護區作物對害蟲的影響是多方面的，如取食轉Bt基因作物對昆蟲的行為影響；取食轉Dt基因作物和庇護區作物在昆蟲的發育進度上的影響。馬鈴薯甲蟲取食轉Bt基因馬鈴薯后，一定比例的馬鈴薯甲蟲發生飛行能力下降等負面影響，飛行能力的下降導致產生抗性的馬鈴薯甲蟲不能飛人庇護區與敏感個體交配，這就可能加大抗性個體之間交配的幾率。此外，抗性棉紅鈴蟲幼蟲與敏感幼蟲在發育進度上存在差異，這種發育進度的差異可能導致抗性個體不能與敏感個體在同一時間段上羽化交配，加大了純合子交配的幾率。

5庇護區的有效性

本文對高劑量／庇護區策略3個假設條件進行了討論，單從滿足條件上看高劑量／庇護區策略對延緩抗性發展不能發揮預期效果。但從抗性等位基因監測情況來看在田間沒有發現抗性純合子個體，抗性等位基因頻率還是處于低水平。有研究表明，在實驗室和溫室條件下，小菜蛾的抗性品系NO-QA、CrylC-Sel、Loxahatchee，棉紅鈴蟲的抗性品系AZP-RE、APHIS-98RE和棉鈴蟲的抗性品系BX能夠在轉Bt基因作物上完成整個世代。以上是在實驗室和溫室的條件下，但在種植轉Bt基因作物地區進行田間種群抗性監測也沒有發現抗性個體、抗性等位基因頻率沒有上升。這可能是田間用藥減少，天敵數量上升的原因；特別是在庇護區的種植下，敏感個體的大量存活，將有利于抗性等位基因濃度稀釋，同時可能與抗性個體的適合度下降和抗性遺傳方式等綜合作用的結果有關。

6對我國轉Bt基因作物抗性治理策略的建議

在Bt基因作物迅速推廣的情況下，政府、企業及研究單位應對害蟲對轉Bt基因作物的抗性給予足夠的重視，及時提出抗性檢測方法和抗性預防措施以保障轉Bt基因技術在害蟲治理中的可持續利用。抗性治理策略的實施必須建立在害蟲抗性發展規律研究的基礎上，所以應加強抗性治理的基礎性研究，包括抗性品系的選育、抗性風險評估、交互抗性譜、抗性機理、抗性遺傳等，使抗性治理策略的實施建立在科學的理論基礎之上，開展早期的抗性檢測工作，提高檢測害蟲自然種群中抗性基因頻率的靈敏度和精確度，為預防性的抗性治理對策的實施提供科學依據。同時應加強相關研究，掌握不同選擇壓力下抗性發生機理和擴散速度；建立可靠便利的抗性檢測技術體系；借鑒國外研究工作，結合我國轉Bt基因作物種植地區的生態特性(農戶分散性生產模式)，研究適合我國國情的抗性預防和治理策略。同時在我國推廣轉Bt基因作物的過程中，應加強轉基因作物和害蟲抗藥性產生原因的科普宣傳，為農民提供科學種植轉基因作物和害蟲管理的技術指導；杜絕農民自行留種的問題；政府可以適當的補貼形式來控制和引導轉基因作物的種植規模。