轉基因作物與農藥殘留風險監測

沈 超，潘興魯，吳小虎，徐 軍，董豐收，鄭永權

（中國農業科學院植物保護研究所，植物病蟲害生物學國家重點實驗室，北京 100193）

隨著世界人口的不斷增長，傳統農作物的生產已不能滿足人類對糧食的需求[1]。當前，世界人口已達70億，預計到2050年，全世界人口將增至92億，屆時世界糧食需求量至少增長70%。世界各地一直努力解決糧食需求供應不足這一重大難題。轉基因技術作為現代生物技術的核心，可以打破物種之間的界限，實現作物目標性狀的定向改造，在緩解資源束縛，改進農產品質量，保障食品安全，減少生態環境污染，節水增效及拓展農業功能等方面起到積極作用[2]。轉基因作物是通過基因工程技術將外源有利基因整合到目標作物基因組，使作物產生一些抗性性狀來提高對環境的適應能力，從而形成品質更好的作物[3]。轉基因作物的出現為緩解糧食安全問題提供了重要機遇，其種植帶來了巨大的社會、經濟、政治和生態效益[4]。目前已成功培育的轉基因作物種類包括耐除草劑、抗蟲、抗病、抗鹽堿、抗旱及抗寒性狀作物等[3,5]。廣泛種植的轉基因作物品種有轉基因大豆、轉基因玉米、轉基因棉花和油菜[6]。

盡管轉基因作物的出現對緩解人類糧食需求供應不足起到積極的作用，但仍存在著諸多問題。例如，轉基因作物對環境及人類健康產生的安全性問題；轉基因耐除草劑作物的農藥殘留、風險監測及標準制定問題；轉基因作物的應用前景問題等。本文聚焦轉基因作物的發展歷程及轉基因作物的種類，并對轉基因耐除草劑作物的農藥殘留和風險監測方面進行綜述，以期為轉基因作物的培育和應用、安全評估及農藥殘留和風險監測提供參考。

1 轉基因作物的發展

早在20世紀80年代初期，生物學家們已經發現能夠通過生物工程技術將來自不同生命體的基因移植到植物基因組中，使其產生具有抵抗病毒入侵、細菌感染或昆蟲啃食的特性[7]。該技術的引入大大提高了作物的質量和產量。轉基因煙草在1983年被培育出來，是世界上最早的轉基因作物，帶有抗生素藥類抗體[8]。1993年，首個轉基因番茄在美國以市場化的方式出現在人們的視野中[9]，但直到1996年，該種轉基因食品才被允許在超市出售，并在全球商業化種植[10]。隨著轉基因技術的不斷成熟與完善，越來越多的轉基因作物被培育出來。據報道，自轉基因作物問世以來，在短短7年時間內品種便增加了40倍[11]；轉基因作物種植國也由1996年的5個（美國、澳大利亞、阿根廷、加拿大和墨西哥）逐漸增加到2019年的29個（美國、巴西、中國、印度、澳大利亞、阿根廷、加拿大、墨西哥、巴基斯坦、巴拉圭、烏拉圭、玻利維亞、緬甸、菲律賓、蘇丹、西班牙、越南、哥倫比亞等）。同時，轉基因作物的種植面積也在不斷增加。自1996年開始商業化種植至今，轉基因作物在全球的種植規模由原先每年種植面積不到200 hm2飆升到如今的每年種植面積將近2億hm2[12]，并從2013年起基本趨于穩定。目前，轉基因作物種植面積在1 000萬hm2以上的國家主要包括美國、阿根廷、加拿大、巴西和印度。我國每年轉基因作物的種植面積在300萬hm2左右，居世界第7位，種植面積遠小于美國、阿根廷、加拿大、巴西和印度等國。我國轉基因作物的發展經歷了4個階段（圖1）：（1）20世紀80年代末至20世紀90年代，轉基因棉花在國內得到推廣應用，轉基因大豆等作物處于研發階段；（2）21世紀初，我國開始進入自主研發階段，開展轉基因新品種培育工作；（3）21世紀10年代初，從轉基因作物的安全性爭議到產品研發、推廣應用等政策嚴格管制；（4）21世紀10年代中期至今，轉基因作物進入有序發展階段[13]。

圖1 轉基因作物的發展歷程

2 轉基因作物的種類

目前比較常見的轉基因作物包括轉基因抗蟲作物、轉基因耐除草劑作物、轉基因抗病作物、轉基因抗逆作物和復合性狀轉基因作物。

2.1 轉基因抗蟲作物

自20世紀90年代起，包括加拿大、美國和阿根廷在內的發達國家及部分發展中國家已開始大面積推廣并種植轉基因抗蟲作物。轉基因抗蟲作物能夠緩解因害蟲啃食造成的農作物產量損失，且能夠減少化學農藥的投入量和二氧化碳的排放量，對保護環境及人類健康產生了積極的影響[14]。目前獲得轉基因抗蟲作物的主要途徑是通過基因工程技術將外源抗蟲基因導入植物，使其表現出抵抗害蟲的能力[15]。常見的外源基因包括蘇云金桿菌（Bacillus thuringiensis，Bt）δ-內毒素基因、幾丁質酶基因、α-淀粉酶抑制劑基因、外源凝集素基因和蛋白酶抑制劑基因等[16-17]。轉基因抗蟲作物抵抗害蟲的機理：（1）通過內毒素蛋白影響害蟲中腸上皮紋緣細胞的滲透壓平衡，使細胞裂解，促進害蟲死亡[18]；（2）通過幾丁質酶破壞害蟲表皮或外殼的完整結構，使害蟲變得脆弱、敏感而死亡[19]；（3）通過α-淀粉酶抑制劑抑制害蟲消化道內的α-淀粉酶活性，使害蟲無法水解淀粉來補充自身的能量需求，同時刺激害蟲分泌大量消化酶且產生厭食反應而死亡[20]（圖2）；（4）通過外源凝集素影響害蟲腸道黏膜上的糖配體吸收營養物質的功能，使害蟲缺乏營養物質而死亡[21]；（5）通過蛋白酶抑制劑抑制害蟲腸道的蛋白消化酶發揮功效，導致害蟲厭食而死亡[22]。轉基因抗蟲棉和轉基因抗蟲玉米是當前被廣泛推廣種植的轉基因抗蟲作物[23]。

圖2 轉基因抗蟲作物抵抗害蟲的作用機理

此外，轉基因抗蟲煙草、抗蟲水稻和抗蟲番茄等也已經被成功培育。不久的將來，這些轉基因抗蟲作物便會在生產中得到推廣[16,24-25]。

2.1.1 轉基因抗蟲棉

我國棉花種植區域主要分布于黃河流域、長江流域及以新疆為主的西北內陸[26]。據國家統計局統計報道，我國2021年棉花種植面積約為300萬hm2，產量近600萬t。然而，棉花在種植過程中同樣易受害蟲為害，嚴重影響其產量。棉鈴蟲（Helicoverpa armigera）是亞洲、歐洲、非洲及大洋洲地區為害棉花的主要害蟲之一。20世紀90年代以來，棉鈴蟲在我國棉花產區大規模發生，使棉花減產高達35%[27]。我國在面對棉鈴蟲的持續性發生或暴發的情況下，通過將人工合成的Bt殺蟲基因導入棉花獲得了轉Bt基因抗蟲棉[28]。轉Bt基因抗蟲棉的成功培育不但降低了棉花害蟲造成的巨大損失，而且有效減少了化學農藥的投入量，對保護環境和生態起到積極的作用[29]。

2.1.2 轉基因抗蟲玉米

我國是玉米種植大國，種植面積（0.4億余公頃）和總產量（近3億t）居于我國糧食產業的第2位[30]。然而，玉米在種植過程中易受害蟲為害，嚴重影響其產量和質量。主要的玉米害蟲包括玉米螟（Ostrinia furnacalis）、棉 鈴 蟲、草 地 貪 夜 蛾（Spodoptera frugiperda）、蚜蟲、東方黏蟲（Mythimna separata）和薊馬等[31-32]。亞洲玉米螟是玉米生產中最重要的害蟲，已經嚴重影響玉米的生產[33]。目前，玉米螟的防治技術已經比較成熟，可通過生物防治、農業防治、物理防治及化學防治等手段對其進行防治[34-35]。草地貪夜蛾原產于美洲亞熱帶和熱帶地區，具有非常強的遷徙能力，是一種嚴重威脅農業生產的害蟲[36]。草地貪夜蛾輾轉非洲、亞洲各國后于2019年入侵我國，對我國的農業生產帶來了巨大的沖擊[37]。草地貪夜蛾主要通過啃食玉米葉片為害，造成玉米產量減少[38]。目前防治草地貪夜蛾比較常用的手段為藥劑防治[39]。盡管傳統的害蟲防治手段可短期有效控制玉米害蟲的為害，但仍存在諸多弊端。例如，生物防治、農業防治、物理和化學防治無法從根本上控制害蟲的數量。化學農藥的大量投入易誘導害蟲產生抗性，且對環境及人類健康造成嚴重危害[40]。轉Bt基因抗蟲玉米可有效防治包括棉鈴蟲、草地貪夜蛾和玉米螟在內的鱗翅目害蟲，因此被廣泛推廣[41-43]。其主要類型包括表達殺蟲蛋白的cry1Ab、cry1A.105、cry2Ab2和cry1F基因[41,44-45]。據報道，中國農業科學院植物保護研究所聯合多家單位研究了‘DBN9936’和‘瑞豐125’玉米抗蟲品種，這2種抗蟲品種對亞洲玉米螟、棉鈴蟲、草地貪夜蛾和東方黏蟲等鱗翅目害蟲具有非常好的控制效果，可有效減少玉米的產量損失[46]。

2.2 轉基因耐除草劑作物

農田雜草作為適應能力非常強的植物，由于與農作物競爭水、肥料、光等資源，會嚴重影響農作物的產量和質量[47]，且容易成為農作物病原菌及害蟲的中間寄主[48]。因此，農田雜草防控是保障作物生長安全的重要因素。轉基因耐除草劑作物的出現有效緩解了人們對農作物的除草壓力，不僅提高了除草效果，而且降低了除草成本，為拓寬除草劑的使用范圍及減少作物藥害帶來了新的希望[49]。

轉基因耐除草劑作物的研究和推廣一直處于轉基因作物研究中的領先位置，其種植面積和應用也最為普遍。早在2004年，全球四大轉基因耐除草劑作物玉米、大豆、棉花和油料的種植面積已接近6 000萬hm2[50]。耐除草劑性狀逐漸成為種業科技公司關注的重點[51]。截至目前，全球已商品化的轉基因耐除草劑作物包括耐草甘膦大豆、玉米、棉花、甜菜、水稻、向日葵和油菜（表1），耐磺酰脲類棉花和大豆，耐咪唑啉酮水稻、玉米、甜菜和油菜，耐溴苯腈煙草和棉花等[52]。美國是最早商業化種植耐除草劑轉基因大豆和玉米的國家之一，耐除草劑轉基因作物種植面積已超過90%。據美國農業部國家農業統計局于2022年6月發布的報告顯示，美國耐除草劑轉基因大豆和玉米的種植面積分別達到了0.357億和0.364億hm2。我國轉基因耐除草劑作物主要有耐莠去津大豆，耐草甘膦玉米、大豆和小麥，耐草銨膦玉米和大豆，耐溴苯腈小麥和油菜等。目前種類最多的轉基因耐除草劑作物是耐草銨膦和耐草甘膦作物。其耐除草劑的作用機理為（1）向作物導入耐除草劑基因，如5-烯醇式丙酮苯草酸-3-磷酸合成酶基因（epsps），使作物不受除草劑影響；（2）向作物導入可轉化除草劑的基因，如草甘膦N-乙酰轉移酶基因（gat）和膦絲菌素乙酰轉移酶基因（pat），促進作物可以快速將除草劑轉化并失去活性[12]。轉基因耐除草劑作物對除草劑表現出較強的耐受能力，可以減少作物藥害[49]。同時，轉基因耐除草劑作物的種植在改善環境和簡化栽培等方面也起到積極的作用[53]，包括草銨膦和草甘膦在內的除草劑銷售市場將伴隨轉基因耐除草劑作物的發展而進一步擴大[54]。

表1 部分已成功培育的轉基因耐除草劑作物

2.3 轉基因抗病作物

病毒、細菌和真菌等病原微生物常年危害農作物，給農業生產帶來巨大損失[55]?？共∮N技術的出現對防治病原微生物產生的危害起到積極作用[56]。目前，比較常見的轉基因抗病作物包括抗病毒馬鈴薯、水稻、小麥、甜椒、煙草和番茄，抗疫病馬鈴薯和大豆，抗病原微生物柑橘等[57-59]。

2.4 轉基因抗逆作物

植物在自然生長周期中會遇到各種各樣的不利環境條件，如干旱脅迫、低溫寒冷、炎熱高溫和鹽堿脅迫等的挑戰。面對這些不利條件，植物只能通過自我調節而生存[60]。全球每年因不利自然條件造成的農作物生長受阻或大面積死亡頻繁發生，嚴重影響農作物的產量[61]。轉基因抗逆作物的培育可有效緩解這些不利條件的發生對農作物產生的影響[62]。轉基因抗逆作物的培育方式是通過導入另一種生物的優良性狀基因，如魚抗凍蛋白基因，獲得新性狀來抵抗惡劣的環境因素，從根本上改變作物的特性[63]。轉基因抗逆作物主要包括轉基因抗鹽堿、抗干旱、抗低溫、抗澇害作物等[64]。目前，比較常見的轉基因抗逆作物有耐寒煙草和馬鈴薯，抗逆楊樹，抗逆水稻和耐旱小麥等[65-68]。

2.5 復合性狀轉基因作物

經過了近40年的發展，轉基因作物從單性狀的1.0時代（特定改變農作物性狀），到復合性狀的2.0時代（以完善品種性狀為目標），再到即將開啟的3.0時代（以生態型、營養型等加工或食用品質性狀為目標），轉基因作物正不斷朝著人類需求的方向發展。復合性狀轉基因作物是指同一植株中含有多個轉基因性狀或轉化體，相比于單性狀轉基因作物具有更大的優勢，主要表現為開辟了育種的新途徑；拓展了轉基因作物的功能；提高了資源的利用效率[69]。復合性狀轉基因作物的培育打破了單性狀轉基因作物的諸多弊端，更能滿足農民多元化的需求，因此其具有廣闊的應用前景[70]。

3 轉基因作物農藥殘留監測

轉基因作物的培育及推廣應用有效降低了農藥的使用量，對保護環境及人類健康起到積極的作用[71]，但轉基因作物仍可能面臨著農藥殘留的風險。轉基因作物的農藥殘留風險主要集中在除草劑應用方面[72]。隨著除草劑的大量應用，農田雜草通過進化易對除草劑產生抗性[73]，導致除草劑在轉基因耐除草劑作物上的用量增加，造成除草劑在農產品中殘留風險增高，從而影響農產品的食用安全性?；诖?，國際上制定了相應的殘留限量標準來規范除草劑在轉基因耐除草劑作物中的殘留水平。國際食品法典委員會（CAC）制定的草甘膦在轉基因大豆和玉米中的殘留限量標準分別為20 mg/kg和5 mg/kg，草銨膦在轉基因大豆和玉米中的殘留限量標準分別為2 mg/kg和0.1 mg/kg[74]。目前國外對轉基因耐除草劑作物中除草劑殘留的監測數據表明，絕大部分耐除草劑轉基因作物中除草劑的殘留水平低于殘留限量標準，不會影響人類健康。美國于2009年的轉基因大豆樣品監測數據表明，在60%～70%樣品中監測到的草甘膦殘留水平在10 mg/kg；在30%～40%樣品中監測到的草甘膦殘留水平在10～20 mg/kg或低于10 mg/kg，以上均低于CAC制定的最大殘留限量標準20 mg/kg[75]。然而，仍有個別案例報道了因草甘膦使用過量導致草甘膦在轉基因作物中殘留超標的情況，如在巴西和阿根廷部分農場獲得的大豆樣本中監測到草甘膦平均殘留水平為38.5 mg/kg，是CAC殘留限量標準的近2倍[76]。另有報道表明，在美國愛荷華州的轉基因大豆個別樣品中監測到草甘膦最大殘留水平高達100 mg/kg[72]。此外，用于食品和飼料的轉基因耐除草劑作物中除草劑及其代謝物殘留對人類的健康風險不容忽視[77]，如耐草甘膦大豆中草甘膦及其代謝物殘留不僅影響了植物的組分，而且會影響以大豆為飼料的動物免疫系統、傳代系統等，間接對人類健康造成風險。因此，還需加強耐除草劑作物農產品中除草劑殘留的監測工作。

由于不同轉基因作物對除草劑的耐性作用機制存在差異，除草劑在農產品中形成污染的組成成分也不同。目前，CAC已經對植物源轉基因耐除草劑作物產品中的草甘膦和草銨膦制定了新的風險評估殘留物定義，即將草甘膦、氨甲基膦酸、N-乙酰草甘膦和N-乙酰氨甲基膦酸的殘留總和以草甘膦表示；將草銨膦、N-乙酰草銨膦和3-甲基膦基丙酸的殘留總和以草銨膦表示。風險評估殘留定義可以有效保證風險評估的科學性和完整性。同時，為了方便政府的日常監管和市場抽檢的需要，通常會制定農藥的殘留監測定義來明確農藥殘留主要的監測對象。例如，制定草甘膦殘留監測定義為：針對大豆和玉米作物，將監測到的草甘膦和N-乙酰草甘膦的總和以草甘膦表示；對其他作物，將監測到的草甘膦的殘留水平以草甘膦表示。草銨膦殘留監測定義對象為所有作物，將監測到的草銨膦、N-乙酰草銨膦和3-甲基膦基丙酸的總和以草銨膦表示[12]。

我國對轉基因耐除草劑大豆和玉米中的農藥殘留風險同樣非常關注。中國農業科學院植物保護研究所實驗室團隊對來自于國內不同轉基因耐除草劑作物種植區的市面上樣品進行了草甘膦、草銨膦及其代謝物的殘留測定，并建立了草甘膦、草銨膦及其代謝物的高效檢測技術。監測結果顯示，草甘膦、草銨膦及其代謝物在轉基因大豆和玉米中的殘留水平均低于我國及國際的殘留限量標準，說明我國轉基因大豆和玉米中的農藥殘留風險在可接受范圍內[78]。

4 結論與展望

綜上所述，世界各地的轉基因作物發展速度快，品種多樣，包括轉基因抗蟲作物、轉基因耐除草劑作物、轉基因抗病作物、轉基因抗逆作物和復合性狀轉基因作物等，這為作物的健康生長和抗逆性的增強提供了新的解決方案。轉基因作物可有效減少病蟲害，減少殺蟲劑和殺菌劑等農藥的使用，高效防控多種惡性雜草，提高作物產量和品質。由于各國機械化收獲程度的差異，有些國家和地區在作物生長后期還會大量施用除草劑來進行殺青催枯處理，這往往會導致農產品中除草劑殘留風險的增加。各國政府制定了轉基因作物在農產品中的農藥殘留限量安全標準，并開展了日常農藥殘留監督監測和風險管理，有效保障了農產品消費安全。盡管如此，我們今后仍需加強對轉基因作物中農藥殘留風險的監測力度，尤其是針對耐除草劑作物農產品中除草劑殘留的監測。此外，還應加強除草劑的安全施用，針對常規非轉基因作物，在施用除草劑后，藥液往往會發生飄移，導致其在作物中殘留而形成藥害。因此，相關部門要進一步制定除草劑安全使用規范，加強施藥人員的安全技術培訓工作等?；诖耍拍艹浞职l揮轉基因生物技術創新的優勢，切實提高農業生產能力，保障糧食安全。