轉基因抗草甘膦大豆的荒地生存競爭能力

李昊陽， 劉 義， 李 娜， 陳 偉， 曹越平

(上海交通大學農業與生物學院，上海 200240)

轉基因大豆是目前全世界種植面積最大的轉基因作物。自美國孟山都公司研發的首例抗草甘膦大豆GTS 40-3-2被獲批允許大規模種植以來，截至2016年年底，轉基因大豆的種植面積已經達到9 140萬hm2，占全世界所有轉基因作物種植面積的 1/2、全世界大豆種植面積的78%[1]。

我國是世界上大豆消費數量最多的國家，且大量依靠進口。2016年我國大豆進口量達 8 391萬t，價值339.8億美元，占全世界大豆進口總值的67%[2]。相比之下，2014年國內大豆產量僅為 1 215萬t，占當年大豆進口量(7 140萬t)的比例不到1/5，且近年來國內大豆產量呈緩慢下降的趨勢[3]。進口大豆依存度高并未影響我國對轉基因大豆嚴格的安全性要求，截至2017年年底，尚未有一種轉基因大豆通過農業部轉基因生物安全評價被商業化種植。

抗除草劑轉基因大豆是指將外源抗性基因導入大豆，使其具有抗除草劑的特性。以GTS40-3-2為代表的具備抗除草劑特性的轉基因大豆自誕生以來取得了空前的成功，據統計1996—2015年的20年間其產生的經濟價值高達500.4億美元[1]，并從根本上改變了國際上大豆的生產方式和貿易格局，使我國從世界最大的大豆出口國變成最大的大豆進口國，國內大豆供應幾乎完全依賴進口。在這樣嚴峻的形勢下，發展我國的轉基因大豆勢在必行。

對于抗除草劑轉基因大豆，最令人擔心的環境安全問題是抗除草劑轉基因大豆是否會變成雜草，在未來的農業生產和環境安全中成為不可控的因素。劉娜等在研究中將轉基因作物的雜草化風險作為評價其安全性的重要一環[4-5]。轉基因作物的荒地生存競爭能力是評價其雜草化風險的重要組成部分。國外商業化的轉基因作物在獲得商業化種植批準之前都做了大量的風險評估工作。國內許多學者也做過許多相關研究。周軍英等的研究結果顯示，轉基因抗草甘膦大豆ARG與受體材料和當地主栽品種相比抗逆性沒有差異，甚至更弱，雜草化風險很小[6]。宋小玲等研究表明，轉基因抗草甘膦大豆GTS40-3-2在南京地區生存競爭能力在適宜季節顯著低于當地常規品種，雜草化可能性很小[7]。馬小艷等研究表明，轉基因抗草甘膦抗蟲棉在荒地中無競爭優勢，無雜草化風險[8]。黃鷂等研究表明，轉EPSPS基因大豆NZL06-698整體生存競爭能力比親本大豆弱，雜草化風險低[9]。目前尚未見關于我國自主研發的抗除草劑轉基因大豆荒地生存能力的研究報道。

隨著對轉基因作物研究的不斷深入，我國的轉基因安全評價研究也不斷細致和完善，2013年12月中華人民共和國農業部發布了2031號公告，明確了抗除草劑作物環境安全檢測的標準，包括除草劑耐受性、生存競爭能力、外源基因漂移和生物多樣性影響等4部分[10]。本試驗設計部分參照了該標準，對筆者所在實驗室研發的轉G10-EPSPS基因抗草甘膦大豆SHZD32-01進行荒地生存競爭能力試驗，以檢驗其是否具有雜草化風險。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料分別為轉G10-EPSPS基因抗草甘膦大豆SHZD32-01以及該轉化體的受體材料中豆32、黃淮海地區主栽品種皖豆28。其中中豆32和皖豆28為生產上大面積使用的非轉基因大豆，SHZD32-01是上海交通大學曹越平教授課題組以浙江大學沈志成教授課題組提供的G10-EPSPS基因為靶基因，以中豆32為受體轉化得到的草甘膦抗性較強的轉基因株系。

1.2 試驗方法

選擇“1.1”節中的3個大豆材料，以地表撒播和常規方式分別于2017年4月27日、5月18日、6月10日和7月10日進行播種，共播種4次，每個處理重復4次。每個小區的長、寬均為2 m，面積為4 m2，播種數量為300粒，小區間設置0.5 m的隔離帶。播種后不進行任何管理。

試驗地位于上海交通大學農業與生物學院的轉基因試驗基地。與外界有大于100 m的非大豆隔離帶，對試驗地實行封閉式管理，外側有圍墻、柵欄，進出試驗地須通過大門，大門有專人負責管理。轉基因抗草甘膦大豆材料的收獲、貯藏、運輸和保管均有專人負責。試驗結束后，除需要保管的材料以外，其余材料均全部銷毀。試驗結束后至第2年年末，該試驗地不再種植大豆，并由專人負責管理，以及時處理可能產生的大豆自生苗。

1.3 調查方法

1.3.1 大豆生長情況及其與雜草的競爭性 大豆播種前和播種后30 d至成熟期間，對每個小區進行對角線5點取樣，每個樣點的面積均為 0.25 m2，記錄每個樣點的雜草種類、每種雜草的數量以及優勢雜草群落的株高與相對覆蓋度，每月調查1次。與此同時，記錄全小區內大豆數量和最高10株大豆的株高，并目測全小區的大豆相對覆蓋度。

大豆存活率=存活數量/播種數量×100%。

1.3.2 繁育系數 在大豆完熟期，對每個小區進行對角線取樣，測量10株大豆的粒數，并按照以下公式計算繁育系數(中華人民共和國農業部，2013年)。

X=n/10。

式中：X表示繁育系數；n表示10株大豆的總粒數。

1.4 分析方法

運用SPSS 22.0軟件對所有數據進行Duncan’s方差分析，檢驗同一時期內小區間的雜草差異性，以及大豆生長發育指標在轉基因抗草甘膦大豆與常規大豆品種之間的差異性。

2 結果與分析

2.1 大豆存活率

由表1可知，在4、5月通過地表撒播方式播種的轉基因大豆SHZD32-01的存活率平均值在3次調查中均低于受體材料中豆32，與主栽品種皖豆28相當；在6月通過地表撒播方式播種的轉基因大豆SHZD32-01的存活率僅在第3次調查中高于其他兩者，但也僅為1.08%，第1、2次調查中三者無顯著差異。SHZD32-01的存活率最高僅在10%左右。在常規方式播種下，4月播種的轉基因大豆SHZD32-01的存活率顯著低于中豆32和皖豆28，而中豆32和豌豆28之間差異不顯著；5月播種的轉基因大豆SHZD32-01的存活率顯著低于中豆32，且在8月的調查中顯著低于皖豆28；6月播種的轉基因大豆SHZD32-01的平均存活率在3次調查中均小于中豆32，但僅在第1次調查中差異顯著。7月通過2種播種方法播種的3種大豆均沒有出苗，存活率為零。

2.2 大豆株高

由表2可知，在4、5、6月通過地表撒播方式播種的轉基因大豆SHZD32-01、受體材料中豆32、主栽品種皖豆28的株高，除在5月27日的調查中SHZD32-01顯著低于皖豆28外，在其他調查中三者均無顯著差異。在常規方式播種下，4月播種的轉基因大豆SHZD32-01在前2次調查中平均株高顯著低于中豆32和皖豆28；5月播種的轉基因大豆SHZD32-01在生長1個月、2個月時調查，平均株高低于中豆32和皖豆28，且在部分情況下差異顯著，在生長3個月時調查， 平均株高與中豆32和皖豆28無顯著差異；6月播種的轉基因大豆SHZD32-01平均株高在生長1個月時高于中豆32，低于皖豆28，但差異不顯著，在生長2個月、3個月時顯著高于中豆32和皖豆28。7月播種的大豆未出苗。

表1 不同播種方式下各大豆品種的存活率Table 1 Emergence rate and survival rate of different soybean cultivars under different sowing methods in wasteland

注：表中數據為平均值±標準差，下表同。同行數據后的不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，表2、表3、表5同。

表2 不同播種方式下各大豆品種的株高Table 2 Plant height of different soybean cultivars under different sowing methods

注：*表示6月地表撒播的大豆在9月調查時由于皖豆28僅有1株存活，未作方差分析。

2.3 大豆覆蓋度

由表3可知，在4、5、6月通過地表撒播方式播種的轉基因大豆SHZD32-01、受體材料中豆32、主栽品種皖豆28的覆蓋度在3次調查中均無顯著差異。在常規方式播種下，4月播種的轉基因大豆SHZD32-01的覆蓋度在5月的調查中顯著低于中豆32、皖豆28，但在后2次的調查中三者間差異不顯著；5月播種的轉基因大豆SHZD32-01和皖豆28的覆蓋度在3次調查中均顯著低于中豆32；6月播種的3種大豆在3次調查中的覆蓋度均極低，大多低于5%，僅在7月第1次調查中轉基因大豆 SHZD32-01 和皖豆28的覆蓋度顯著低于中豆32，但在后2次調查中三者間差異不顯著。7月播種的大豆未出苗，覆蓋度為0。

2.4 繁育系數

由表4可知，4月播種的轉基因大豆 SHZD32-01 的繁育系數明顯高于受體材料中豆32和主栽品種皖豆28。由于繁育系數在計算過程中并未考慮到出苗率等因素，考慮到SHZD32-01在地表撒播時存活率低于4%，在常規播種時其存活率僅為其他2種的1/2左右，因此該結果不能說明轉基因大豆荒地生存競爭能力強于其他2種。5、6月播種的3種大豆繁育系數無顯著差異。

2.5 種植區域內雜草發生情況

表3 不同播種方式下各大豆品種的覆蓋度Table 3 Coverage of different soybean cultivars under different sowing methods

表4 不同播種方式下各大豆品種在荒地的繁育系數Table 4 Breeding coefficient of different soybean cultivars under different sowing methods in wasteland

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

在轉基因大豆SHZD32-01的種植區域內，主要雜草品種為蓮子草[Alternantherasessilis(L.) DC.]、狗尾草[Setariaviridis(L.) P. Beauv]、葎草(HumulusjaponicusSiebold & Zucc)、稗草[Echinochloaesculenta(A.Braun) H. Scholz]、節節草(EquisetumramosissimumDesf.)、小飛蓬[Conyzacanadensis(L.) Cronq.]和白羊草[Bothriochloaischaemum(L.) Keng]等，受體中豆32和主栽品種皖豆28種植區域內的主要雜草種類與轉基因大豆SHZD32-01一致。

地表撒播與按常規方式播種，在同一播種期內的轉基因大豆SHZD32-01、受體材料中豆32、主栽品種皖豆28小區內的雜草覆蓋度無顯著差異(表5)，且雜草覆蓋度在整個調查期內整體呈逐漸增加的趨勢。所有試驗小區，至7月底雜草覆蓋度均達90%左右，8月及以后在繼續調查監測時小區中的雜草覆蓋度達到100.0%，最終形成以蓮子草、葎草、狗尾草、稗草、節節草、小飛蓬、白羊草為優勢種的雜草群落，優勢群落的雜草高度達100 cm，雜草的競爭使大豆生長處于劣勢。

3 結論與討論

在相同的生長條件和播種方式下，大豆的農藝性狀表現反映了其生存競爭能力的強弱。在地表撒播情況下，與受體材料和主栽品種相比，轉G10-EPSPS基因并未給大豆SHZD32-01帶來任何生存競爭優勢，由于地表撒播造成的低成活率，使得轉基因大豆SHZD32-01在與雜草的競爭中處于明顯劣勢。在常規方式播種情況下，大豆的成活率得到一定程度的保證，但其生長隨著雜草在4—9月的逐漸茂盛而逐漸受到抑制，7月播種的大豆甚至完全沒有出苗，8月起雜草覆蓋度在全部種植小區內達到100%，其間轉基因大豆SHZD32-01與受體材料和主栽品種相比并未表現出生存競爭優勢，亦無法與雜草競爭。因此， 轉基因大豆SHZD32-01的荒地生存競爭能力明顯弱于雜草，與受體材料和主栽品種在多數情況下無顯著差異，不具備轉化為威脅生態環境安全的雜草的能力。該結論與周軍英等的相關研究結論[6-7，9]一致。

表5 不同播種方式下各大豆品種小區的雜草覆蓋度Table 5 Weed coverage in different plots under different sowing methods

就本試驗結果而言，轉基因大豆SHZD32-01在存活率、株高和覆蓋度等多個方面略弱于其他2種大豆或相當，但根據中華人民共和國農業部2031號公告中的公式計算得到的其繁育系數反而整體上高于其他2種大豆，主要是因為該公式未考慮到結實的株數，建議在評測大豆的繁育能力時綜合考慮其存活率，以使結果更有參考價值。