转Ｂｔ基因作物高剂量／庇护区抗性治理策略

陈庆园　郭　华　沈晋良

摘要随着转Bt基因作物的应用和推广，害虫对转Bt基因作物的潜在抗性风险越来越受到重视。本文介绍了转Bt基因作物高剂量／庇护区的抗性治理策略，同时对影响高剂量／庇护区策略的几个条件进行了讨论，并针对我国的实际情况提出转Bt基因作物抗性治理策略的几点建议。

关键词转Bt基因作物；高剂量／庇护区；抗性治理

中图分类号S 435．131．49

转Bt基因作物的推广使用为害虫的综合治理(IPM)提供了新途径，同时减少了化学农药对环境的污染和中毒事件的发生，使作物品质提高，生产成本降低。同各种化学农药一样，随着转Bt基因作物的大面积推广应用，害虫对转Bt基因作物的抗性问题就成为其面临的最主要生态风险。自1985年，McGaughey首次在室内发现鳞翅目储粮害虫印度谷斑螟(Plodiainterpunctella)对Bt商品制剂产生抗药性以来，室内害虫抗性选育试验结果表明，害虫具有对Bt毒素产生抗性的潜在性风险。目前田间唯一对Bt商品制剂产生抗药性的害虫是小菜蛾(Plutellascylostella)。由于转Bt基因作物在整个生长期都表达Bt毒素杀虫蛋白，对害虫具有长期的选择作用，同时又由于转Bt基因作物又具有表达蛋白专一性、时空动态性变化等特点使害虫对其产生抗药性的风险增大。

为了阻止或延缓害虫抗药性的产生，延长转Bt基因作物的使用寿命，需要在抗性产生之前制定并实施预防性抗性治理策略。抗性治理策略主要有高剂量／庇护区策略、高剂量／其他生物农药一庇护区策略、中剂量／庇护区策略、中低剂量／天敌策略。目前高剂量／庇护区策略受到广泛重视，已被美国、澳大利亚等国家采用。高剂量／庇护区策略是根据昆虫种群遗传学和昆虫生态学理论，采用计算机模拟研究提出的，但其必须满足以下3个条件：(1)转Bt基因作物的毒素表达是高剂量的，即毒素高表达，且抗性遗传方式是隐性或不完全隐性的；(2)大田害虫种群的抗性等位基因起始频率很低(在10^-3以下)；(3)在种植转Bt基因作物周围种植一定面积的非转基因作物，以提供足够数量的敏感个体(ss)与转Bt基因作物田间存活下来的极少量的抗性纯合子(rr)进行交配，产生的后代rs或sr不能在高表达转Bt基因作物上存活，从而使害虫种群中抗性等位基因频率维持在很低的水平，达到阻止和延缓抗性产生的目的。本文就以上3个条件进行综述，并对其他影响因素进行了讨论。

1转Bt基因作物毒素的表达

转Bt基因作物毒素高表达是指能杀死100％敏感个体(ss)和99％抗性杂合子个体(rs或sr)的毒素剂量，这本身对不同种类害虫和不同Bt毒素来说都是相对而言的，转Bt基因作物的毒素表达对靶标害虫必须是高表达、高剂量的，毒素的高表达在时间和空间上必须是统一和一致的。如美国转Bt基因棉防治的靶标害虫是烟芽夜蛾(Heliothis vires—cense)和棉红铃虫(Pectinophoragossypiella)L16j，转Bt基因玉米防治的靶标害虫是欧洲玉米螟(Os—trinianubilalis)，中国和澳大利亚转Bt基因棉防治靶标害虫为棉铃虫。在棉花田间，美洲棉铃虫(He—licoverpazea)和甜菜夜蛾(Spodopteraemigua)对CrylAc毒素没有烟芽夜蛾和棉红铃虫那么敏感，转Bt基因棉表达的毒素对美洲棉铃虫和甜菜夜蛾等害虫达不到高表达剂量的要求。同时防治靶标害虫的种类越多，抗虫基因作物就越难满足高剂量的要求，这就很难使转Bt基因作物对所有的害虫都能满足Bt毒素高表达的要求。如在美国南部地区转Bt基因作物田间，至少有9种鳞翅目玉米害虫，7种鳞翅目棉花害虫发生。

此外，转Bt基因作物的Bt毒素表达也有时空动态变化。如转Bt基因棉主茎第15片叶以后及中后期侧枝嫩叶、花等组织的Bt毒素表达量均低于棉株生长前期的Bt毒素表达量。同时，并不是所有的转Bt基因作物品种都能达到高表达剂量要求，即使达到高表达剂量要求但在大田生长过程中仍然有一定比例的植株毒素表达量很低或不表达。如Bt棉有2％的植株、Bt玉米有1％～5％植株达不到高表达剂量，这主要由于其他环境条件如气候、土壤、水分等因子使转Dt基因作物不能正常表达Bt毒素。理论上，无论基因育种技术和手段多么先进，在大田环境下杀死100％敏感个体和99％抗性杂合子个体的条件都无法满足，特别是抗性遗传为显性遗传或不完全显性遗传时，如欧洲玉米螟对转Bt基因玉米的抗性遗传为不完全显性遗传，但由于抗性等位基因频率很低，在田间没有发现抗性欧洲玉米螟个体。

2抗性等位基因频率

实施延缓抗性策略的一个关键和广泛采用的假设条件是害虫的抗性等位基因频率必须很低(在10^-3以下)，这样才能保证庇护区的有效性。因为在抗性等位基因频率很低的情况下，极少数存活的抗性纯合子能够与庇护区的大量敏感个体进行充分交配，将极少数存活的抗性纯合子之间交配的几率降到最低。1998—2000年，在我国华北Bt棉区，棉铃虫对Bt棉的抗性等位基因频率在0—9．5X10^-3。1996—2001年，在美国Bt玉米的种植区，欧洲玉米螟对Bt的抗性等位基因频率为0。2000—2001年，在美国北卡罗来纳州，美洲棉铃虫对Bt的抗性等位基因频率为0—0．43X10^-3。通过监测转Bt基因作物防治的重要靶标害虫抗性等位基因频率动态变化来分析庇护区的有效性，同时必要时对庇护区进行调整。1997年，在美国的亚利桑那州棉红铃虫对Bt棉的抗性等位基因频率为0．16，远远高于庇护区的要求，但连续4年对其进行监测，抗性等位基因频率在0一7．5X10^-3，这可能与抗性的适合度下降和棉红铃虫不完全隐性的抗性遗传方式有关，这表明在美国高剂量／庇护区策略的实施在延缓目标害虫对转Bt基因作物的抗性发展表现了良好的效果。

3庇护区的种植

3．1庇护区作物的选取

庇护区作物的选取受取食转Bt基因作物种类、庇护区作物的害虫之间发育进度和基因交流等因素的影响。据报道棉铃虫取食小麦、玉米、高粱，棉铃虫发育进度比取食棉花的要快。另有研究表明取食烟草、花生、辣椒的棉铃虫发育较慢。谭声江等报道应用PCR指纹谱法，检测棉铃虫不同寄主种群的遗传差异，分析了棉铃虫不同寄主植物种群间的基因交流情况。结果表明，在Bt棉田间的棉铃虫种群与普通棉花、玉米、蓖麻田间棉铃虫种群间基因交流顺利，而与芝麻、花生的棉铃虫种群间基因交流存在一定障碍，彼此个体之间不能进行随机

交配。

3．2庇护作物区域的分布

庇护作物与转Bt基因作物彼此之间比邻越近，庇护区的敏感昆虫与转Bt基因作物存活的昆虫自由交配越充分，但却加大了幼虫在转Bt基因作物和庇护区作物之间的移动。这种移动是不希望存在的，因为抗性幼虫初期在庇护区作物能够正常生长发育，幼虫随龄期的增加对转Bt基因作物耐药性增加，加大抗性个体存活几率，反之，在转Bt基因作物上存活的个体不能正常生长发育但转移到庇护区作物上存活下来完成整个生育期，这对延缓抗性的发展是不利的。再如棉红铃虫在交配前不能远距离飞行，因此在庇护区与转Bt基因作物区相间要近一些。根据随机交配的最大距离，设置庇护区与转Bt基因抗虫作物区之间的距离和分布。因此，在庇护区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动之间寻找最佳平衡点。同时庇护区布局也按害虫的迁飞能力、农机操作水平、运用成本等方面综合考虑和运用。

3．3庇护作物种植的面积

对于Bt棉，目前在澳大利亚和美国等地普遍采用的是在转基因棉田中设立4％种植面积的不使用任何杀虫剂的非Bt棉区，或在转基因棉田周围种植20％～30％转基因棉种植面积的可使用化学杀虫剂的非Bt棉。一方面通过扩大庇护区来保持敏感个体控制抗性发展；另一方面减少庇护区面积提高经济收入。在美国种植转Bt基因棉的同时必须种植其面积20％的常规棉，这些常规棉可以用药剂防治害虫(烟芽夜蛾、美州棉铃虫、棉红铃虫)，但不能用Bt生物制剂。也可以种植其面积4％的常规棉但不用任何杀虫剂。一些人士建议棉农不用杀虫剂防治害虫情况下，常规棉种植面积可以扩大到转Bt基因棉的5％以保持有足够的敏感个体与抗性个体交配，从而降低抗性等位基因频率。种植庇护区比例根据不同国家和地区有所不同，庇护区分布一般邻近转Bt基因作物以确保敏感个体与抗性个体自由交配。

4其他方面的影响

根据计算机模拟研究和种群遗传理论提出的高剂量／庇护区策略，在实验室和温室条件下进一步支持这一策略，但在大田很多因素和条件是无法控制的，计算机模拟和温室试验都没有考虑到这种变化因素的影响。田间环境的突变性和不可操作性，如温度、降雨、风力、土壤条件等都会对转Bt基因作物毒素表达产生影响；昆虫迁飞能力、取食Bt毒素后对发育进度影响、抗性遗传方式、适合度等都会影响抗性治理策略的制定和实施。在应用高剂量／庇护区策略时人们发现，取食转Bt基因作物与庇护区作物对害虫的影响是多方面的，如取食转Bt基因作物对昆虫的行为影响；取食转Dt基因作物和庇护区作物在昆虫的发育进度上的影响。马铃薯甲虫取食转Bt基因马铃薯后，一定比例的马铃薯甲虫发生飞行能力下降等负面影响，飞行能力的下降导致产生抗性的马铃薯甲虫不能飞人庇护区与敏感个体交配，这就可能加大抗性个体之间交配的几率。此外，抗性棉红铃虫幼虫与敏感幼虫在发育进度上存在差异，这种发育进度的差异可能导致抗性个体不能与敏感个体在同一时间段上羽化交配，加大了纯合子交配的几率。

5庇护区的有效性

本文对高剂量／庇护区策略3个假设条件进行了讨论，单从满足条件上看高剂量／庇护区策略对延缓抗性发展不能发挥预期效果。但从抗性等位基因监测情况来看在田间没有发现抗性纯合子个体，抗性等位基因频率还是处于低水平。有研究表明，在实验室和温室条件下，小菜蛾的抗性品系NO-QA、CrylC-Sel、Loxahatchee，棉红铃虫的抗性品系AZP-RE、APHIS-98RE和棉铃虫的抗性品系BX能够在转Bt基因作物上完成整个世代。以上是在实验室和温室的条件下，但在种植转Bt基因作物地区进行田间种群抗性监测也没有发现抗性个体、抗性等位基因频率没有上升。这可能是田间用药减少，天敌数量上升的原因；特别是在庇护区的种植下，敏感个体的大量存活，将有利于抗性等位基因浓度稀释，同时可能与抗性个体的适合度下降和抗性遗传方式等综合作用的结果有关。

6对我国转Bt基因作物抗性治理策略的建议

在Bt基因作物迅速推广的情况下，政府、企业及研究单位应对害虫对转Bt基因作物的抗性给予足够的重视，及时提出抗性检测方法和抗性预防措施以保障转Bt基因技术在害虫治理中的可持续利用。抗性治理策略的实施必须建立在害虫抗性发展规律研究的基础上，所以应加强抗性治理的基础性研究，包括抗性品系的选育、抗性风险评估、交互抗性谱、抗性机理、抗性遗传等，使抗性治理策略的实施建立在科学的理论基础之上，开展早期的抗性检测工作，提高检测害虫自然种群中抗性基因频率的灵敏度和精确度，为预防性的抗性治理对策的实施提供科学依据。同时应加强相关研究，掌握不同选择压力下抗性发生机理和扩散速度；建立可靠便利的抗性检测技术体系；借鉴国外研究工作，结合我国转Bt基因作物种植地区的生态特性(农户分散性生产模式)，研究适合我国国情的抗性预防和治理策略。同时在我国推广转Bt基因作物的过程中，应加强转基因作物和害虫抗药性产生原因的科普宣传，为农民提供科学种植转基因作物和害虫管理的技术指导；杜绝农民自行留种的问题；政府可以适当的补贴形式来控制和引导转基因作物的种植规模。