轉Bt基因棉對棉鈴蟲影響的研究進展

摘要 綜述了國內轉Bt基因棉對棉鈴蟲生長發育、行為習性、種群消長、天敵影響的研究進展，探討其成因機制并提出了建議。

關鍵詞 轉Bt基因棉；棉鈴蟲；影響

中圖分類號 S562 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）17-05467-03

Abstract The research progress of effects of Bt transgenic cotton on growth and development， behavior habits， population growth， natural enemies of cotton bollworm（Helicoverpa armigera H·bner） were reviewed， the cause mechanism was discussed and suggestions were put forward.

Key words Bt transgenic cotton； Cotton bollworm （Helicoverpa armigera H·bner）； Effect

棉花（Gossypium hirsutum L.）種植業是我國農業的支柱性產業，對國民經濟的發展至關重要。棉鈴蟲（Helicoverpa armigera H·bner）是我國各棉區的主要害蟲之一。20世紀90年代以來，棉鈴蟲在我國連年大發生，并對常用農藥特別是菊酯類殺蟲劑產生抗藥性，其猖獗危害已成為制約我國棉花生產持續、穩定發展的關鍵因子[1-2]。1996年，轉Bt基因棉（簡稱Bt棉）開始在美國等國家商業化種植，取得了較好的田間防治效果和較高的經濟效益，在棉花的綜合防治中發揮了重要作用[3-4]。1997年我國開始商業化種植轉基因棉花，種植面積迅猛增加，2010年達到3.3×106 hm2，占全國棉花總面積的75%以上。

由于Bt棉的毒素能在棉株體內持續表達，致使棉鈴蟲在棉花整個生長期都受到Bt毒蛋白的高壓選擇。因此國內學者對Bt棉與棉鈴蟲的關系研究較多，但側重于抗性原理、抗性變化、抗性機制等方面，而棉鈴蟲在Bt棉上的生物學特性、發生規律等方面研究較少。因此，筆者通過以下幾個方面闡述Bt棉對棉鈴蟲的影響，為進一步優化棉田有害生物綜合防治措施和有效、持續、安全地種植轉Bt作物提供參考。

1 Bt棉對棉鈴蟲生長發育的影響

不同品種、不同組織器官的Bt棉對棉鈴蟲的生長發育都有一定的抑制作用，影響表現在存活率、體重、羽化率、蛹重、化蛹率等方面。Bt棉“R934”不同組織飼養初孵幼蟲至第6天，結果表明，葉片飼喂的幼蟲存活率及體重，Bt棉為28.8%和2.12 mg，常規棉為88.7%和173.40 mg，明顯降低；而花瓣、花蕊飼養的差異不顯著[5]。用“R93-4”Bt棉的不同組織進行飼喂發現，連續飼喂1～4齡幼蟲最終不能存活；5齡、6齡幼蟲轉食Bt棉后的存活率為37.9%～85.6%和64.3%～96.5%；5齡幼蟲轉食Bt棉后體重、化蛹率、蛹重、羽化率、成蟲體長分別減少18.7%～57.2%、48.2%～87.5%、3.5%～36.2%、66.7%～100%、17.6%～23.5%，產卵量和孵化率下降50.1%～69.7%和80.6%～87.8%；成蟲轉食Bt棉花粉后產卵量和孵化率下降59.8%和72.1%，其壽命僅有6.1 d，比取食常規棉（中棉所12）縮短1.9 d[6]。用Bt棉“一代CR1”葉片分別飼喂1、2、3、4齡幼蟲，存活率為0、13.8%、42.6%和100%[7]。“GK19”Bt棉葉片飼喂幼蟲3齡第2天至6齡第2天，相比常規棉（泗棉3號），6齡幼蟲體重減少25.6%，蛹重減少18.2%，差異極顯著；且發現從初孵幼蟲飼喂至成蟲羽化的整個發育歷期Bt棉比常規棉延長17 d[8]。用含Bt棉棉葉的飼料連續喂養16代，發現蛹重、蛾重及化蛹率有所下降；其中7日齡幼蟲體重差異明顯，對照種群為21.43 mg，飼喂種群僅為對照的8.45%～38.17%；羽化率也明顯下降，對照種群為96.52%，飼喂種群為63.32%～88.14%；世代發育歷期延長，飼喂種群比對照種群33 d延長1～7 d[9]。“國抗62”Bt棉葉片飼喂的幼蟲發育相對常規棉（中棉35）明顯緩慢，幼蟲1～6齡齡期分別延長1.0、7.8、8.2、17.8、20.3和>21.3 d；并測得取食Bt棉/常規棉后3、4、5、6齡的幼蟲體重分別為24.4/32.9、57.9/67.0、125.5/176.7、238.8/298.4 mg，差異顯著；常規棉葉片飼養的幼蟲發育到6齡時存活率為91.8%，化蛹率為89.8%，而Bt棉葉片飼養的幼蟲發育到6齡時存活率僅為2.6%，無一化蛹[10]。不同齡期棉鈴蟲取食Bt棉“國抗棉1號”嫩葉6 d后，1～5齡幼蟲校正死亡率分別為100%、73.33%、61.25%、55.17%和35.00%，且1～4齡幼蟲最終全部死亡，5齡幼蟲可部分化蛹，化蛹率為37.50%[11]。研究表明，Bt棉對棉鈴蟲的殺蟲活性和體重抑制率，幼蟲齡期之間和器官之間有明顯差別，抗蟲性隨著幼蟲齡期的增大而降低，棉株的營養器官比繁殖器官的抗性大。

2 Bt棉對棉鈴蟲行為習性的影響

Bt棉對棉鈴蟲行為習性的影響主要表現在棉鈴蟲幼蟲取食、吐絲下垂、爬行和靜息時間的變化。鄧曙東等[8]接蟲試驗表明，棉鈴蟲幼蟲在Bt棉上取食次數減少，表現不安，常規棉上的取食時間是Bt棉的6.1倍。崔金杰等[12]通過盆栽棉花接蟲試驗，研究了Bt棉對棉鈴蟲幼蟲行為習性的影響，結果表明，與常規棉相比，初孵、2齡、3齡幼蟲在Bt棉上取食時間分別減少64.32%、66.59%和57.55%，差異顯著；吐絲下垂時間分別延長157.44%、91.02%和396.05%，爬行時間分別延長2.97%、14.43%和22.36%；靜息時間分別延長51.61%，20.97%和3.96%。董雙林等[13]研究表明，3齡幼蟲在Bt棉上取食時間比例降低了31.91%，爬行、靜止、吐絲下垂的時間比例分別增加了96.91%、69.17%、16.93倍[13]。這些變化可能是棉鈴蟲田間能夠存活的原因，但同時也增加了被捕食和逆境致死的幾率。

3 Bt棉對棉鈴蟲種群消長的影響

Bt棉種植面積的不斷擴大勢必導致棉鈴蟲種群消長規律的變化，全國各Bt棉種植區都進行了相關研究。結果表明，Bt棉田間各代次棉鈴蟲落卵量與常規棉無差異；Bt棉對2代棉鈴蟲的抗性明顯，但對3、4代棉鈴蟲的控制作用顯著降低[14-19]。潘啟明等[14]在1996～1999年連續4年田間調查發現，相對常規棉，Bt棉棉田第2代百株累計卵量4年分別增加-10.1%、2.3%、-2.0%和3.5%，7月5日前后百株幼蟲分別減少86.7%、82.5%、87.3%、90.0%，全代百株被害蕾齡分別減少69.5%、74.1%、81.7%、87.7%；第3代百株累計卵量4年分別增加5.4%、-5.6%、5.4%、4.1%，8月20日百株幼蟲分別減少41.9%、50.0%、73.4%、44.4%，全代百株被害蕾齡分別減少34.4%、43.5%、57.7%、38.4%。中國農業科學院棉花研究所田間研究Bt棉（R93-4）在一熟種植方式下棉鈴蟲種群的消長規律，結果表明，第2代、第3代、第4代棉鈴蟲在Bt棉和常規棉田間落卵量無明顯差異；第2代棉鈴蟲盛發期，常規田和Bt棉田的百株幼蟲數分別為56、9頭（減少83.9%）；第3代盛發期為39、12頭（減少69.2%），第4代為21、12頭（減少42.9%）[16]。中國農業科學院植物保護研究所對河南新鄉棉區種植的Bt棉（93R-6）與常規棉（中棉所12）的田間蟲情進行了定點系統調查和大田普查，結果表明，Bt棉和常規棉各代棉鈴蟲的田間累計落卵量無顯著差異，各代棉鈴蟲的產卵高峰基本相同，但Bt棉的棉鈴蟲幼蟲存量明顯減少，特別是2代更為顯著，在累計落卵為1 000粒左右的發生程度上，2代棉鈴蟲的田間幼蟲數量一直控制在防治指標以下（百株10頭以下，而此時常規棉中幼蟲存活量達到80頭/百株）；Bt棉對3、4代棉鈴蟲的抗蟲性明顯減弱，幼蟲取食Bt棉后死亡率降低，田間幼蟲存量增大[17]。

4 Bt棉對棉鈴蟲天敵的影響

棉鈴蟲天敵的種類很多，卵期天敵15種以上，幼蟲期天敵50種以上，捕食性天敵包含蜘蛛、草蛉、瓢蟲、胡蜂、螳螂、蝽類等；寄生性天敵包含赤眼蜂類、繭蜂類、姬蜂類等。轉基因植物釋放到環境中后，必然對生態系統中的天敵產生影響。多數田間調查和室內研究結果未發現Bt棉對捕食性天敵種群數量和群落組成造成不良影響，但嚴重影響寄生性天敵的質量，寄生性天敵的種群數量明顯減少[20-25]。吳孔明等[26]于1997～1999年對河南省新鄉市和河北省廊坊市種植的Bt棉作系統調查，結果表明，Bt棉中瓢蟲類、草蛉類和蜘蛛類捕食性天敵的數量與常規化學防治田相比大幅度增加。夏敬源等在大田試驗中發現棉鈴蟲捕食性天敵的數量減少不明顯；并研究了異色瓢蟲、七星瓢蟲、龜紋瓢蟲、草間小黑蛛，大眼蟬長蝽5種捕食天敵對Bt棉和常規棉處理的棉鈴蟲幼蟲捕食關系，得出天敵對Bt棉處理的棉鈴蟲的捕食量明顯大于常規棉處理的幼蟲捕食量[21]。鄧曙東等[20]在2000、2001年田間系統調查發現Bt自控田（僅依靠田間自然天敵控制害蟲）與Bt棉化防田（使用化學農藥控制害蟲）比常規對照棉田（利用綜合防治措施控制害蟲的常規棉田）在蜘蛛類、龜紋瓢蟲上數量增加超過50%，甚至高達140.8%。崔金杰等[21]在放有Bt棉的罐頭瓶中接入棉鈴蟲2齡幼蟲再分別單獨接入2種寄生蜂——側溝綠繭蜂和棉鈴蟲齒唇姬蜂，結果發現放有Bt棉的罐頭瓶中蜂的寄生率和羽化率都顯著低于對照，表明Bt棉對棉鈴蟲寄生蜂的羽化和質量有較大影響。任璐等[27]研究中紅側溝繭蜂和棉鈴蟲齒唇姬蜂寄生以Bt棉為食料的棉鈴蟲后，發現出繭率均顯著降低，表明Bt棉對棉鈴蟲寄生蜂的生長發育產生了顯著抑制作用。后該研究團隊研究發現，解剖被寄生的棉鈴蟲幼蟲發現中紅側溝繭蜂和棉鈴蟲齒唇姬蜂這2種寄生蜂在取食Bt棉飼料的棉鈴蟲體內發育緩慢并出現部分畸形幼蜂。推測可能取食Bt棉后的棉鈴蟲血淋巴總蛋白含量降低，導致棉鈴蟲寄生蜂生長緩慢，發育不正常[28]。楊益眾等[29]研究發現，棉鈴蟲卵期寄生蜂擬澳洲赤眼蜂，幼蟲寄生蜂棉鈴蟲齒唇姬蜂，在棉田第2、3、4代棉鈴蟲發生期，其寄生率均低于常規棉花，差異達到顯著水平。由此認為Bt棉對棉鈴蟲寄生性天敵存在著明顯的負面影響。

5 討論

（1）Bt的殺蟲物質以原毒素的形式存在，活化后產生δ內毒素進行作用。其毒性與昆蟲中腸酸堿度的大小關系密切，堿性時毒性大，中性或偏酸時毒性小。棉鈴蟲幼蟲中腸液pH在10.0左右，取食后殺蟲晶體蛋白在其腸道內溶解，通過專一性蛋白酶水解切割活化，活化的殺蟲晶體蛋白與腸道的特異性結合蛋白結合，全部或部分嵌合于細胞膜致使細胞膜產生孔洞導致滲透平衡的破壞而細胞破裂。因此對棉鈴蟲的存活、生長、發育、繁殖等均發生影響。表現為幼蟲存活率、化蛹率、蛹羽化率降低，幼蟲重、蛹重變小，幼蟲發育減慢，成蟲產卵量降低，嚴重的導致幼蟲死亡。目前，國內Bt棉對棉鈴蟲生長發育的影響多在室內完成，田間調查很少。且一些室內試驗推測也沒有進一步通過室外證實，鄧曙東等[8]通過室內研究推測Bt棉田中棉鈴蟲發育歷期延長導致世代交替速率減緩，使棉鈴蟲的為害減少至少一代[8]，但田間調查仍采用常規棉田的發生代數情況進行。另外，δ內毒素的作用過程要經過溶解、酶解活化、與受體結合、插入和孔洞或離子通道形成細胞裂解等環節，任何一個環節的變化都可能影響昆蟲對Bt的敏感性。因此要針對區域特點、種植特點、品種特性等實地開展田間調查，以明確田間實際生長發育特性，為合理開展綜合防治措施提供切實可靠的生物學依據。

（2）Bt棉殺蟲蛋白的表達量隨著棉花的生長發育呈現一定的時空動態，棉花生長前期生理活動旺盛，殺蟲蛋白含量高；生長中后期，殺蟲蛋白的含量急劇下降[30-33]。各棉區田間種群變化基本一致，第2代棉鈴蟲控制效果好，第3代、第4代控制效果不理想。原因推測一是隨著棉花生育期的延后，棉株衰老而鈍化，外源蛋白表達量降低，或因單寧物質含量增高并與殺蟲蛋白結合而使毒素蛋白失去活性；二是棉株生長后期營養生長與生殖生長并進，導致棉花負擔過重而使毒素蛋白活性降低。但由于受到遺傳因素、內源抗蟲物質、組織蛋白濃度、外界環境條件等因素會影響Bt棉殺蟲蛋白的表達，導致Bt棉品系間存在抗蟲性的時空差異。周冬生等[11]室內生物法測定證明連續陰雨可造成Bt棉抗蟲性的顯著下降。因此需要結合棉花品系、棉花生育期、棉花組織等進一步深入研究不同區域的棉鈴蟲種群消長規律，為適時開展農業、生物、化學等防治措施提供依據。

（3）Bt棉對天敵的影響機制有2個方面，一是取食寄主時攝入的Bt毒蛋白的直接影響，二是寄主攝入Bt毒蛋白或對其營養價值的不利影響所引起的間接作用。多數學者研究認為直接作用較小，間接作用較大。原因推測由于Bt棉表達高水平的抗蟲性時引起靶標害蟲高的死亡率或死亡時間縮短，寄生種群質量下降。捕食性天敵由于農藥使用量的減少以及增加捕食量而減緩自身數量的下降，但寄生性天敵由于寄主質量下降出現畸形、發育抑制或因寄主生存時間縮短導致其不能羽化等造成較大的負面影響。事實上，天敵攝入轉基因毒素后不一定會產生致死效應，在亞致死效應下轉基因毒素對天敵生存方式和發育質量的影響也是一個很大的方面。特別我國目前的種植方式，農作物間種、套種，轉基因與非轉基因混種現象常見，客觀上為天敵提供了攝取亞致死劑量毒素的可能。所以通過轉基因植物-寄主-天敵三者間的相互關系，在亞致死劑量下深入研究轉基因毒素對天敵生長發育的影響，以探討出客觀、實際的結果或提出健全、普遍的理論，為健康和持續進行天敵防控提供依據。

6 結語

一種新的轉基因植物的種植，就像一種外來生物的侵入，會以直接或間接方式等對當地生態系統中的多種生物（靶標和非靶標）及其相互關系在不同層次（如不同營養）、不同時空水平上產生不同的影響[34]。因此近年來，由于Bt棉的介入給棉田靶標和非靶標昆蟲都帶來較大的影響。截至目前，國內大面積推廣使用轉基因抗蟲棉已近20年。馬駿等[35]通過室內抗性汰選表明，抗蟲轉基因植物的有效使用期一般為15～20年，之后轉抗蟲基因將不再對靶標害蟲起作用，導致該所用目的基因和轉抗蟲基因植物不再具有抗蟲性。這些影響和變化會改變人們的害蟲管理制度從而引起害蟲的復發和變更。

因此，需要加強Bt棉田中靶標性害蟲的蟲情監測，研究其與田間非靶標性害蟲、天敵的發生規律及互作關系，充分發揮轉Bt基因棉田中天敵種類較豐富、種群數量較大的優勢，與非靶標性害蟲、天敵協調共存，有機融入有害生物綜合治理體系，保證棉田生態系統的生物多樣性，保持田間種群的穩定性，抵抗因外界條件等因素的變化而帶來的危險。

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