转Bt基因作物对植物—害虫—天敌食物链的影响

闫亮珍， 赵彩云， 柳晓燕， 吕凤春， 关 潇， 刘茂华， 李俊生

（中国环境科学研究院，北京 100012）

1987年美国将苏云金杆菌（Bacill us thuringiensis，简称Bt）体内杀虫晶体蛋白基因成功导入植物细胞，标志着第一例转基因植物的诞生［1］。自1996年转基因作物商业化以来，到2010年全球转基因作物种植面积已达1．48亿h m2。作物种类包括棉花、玉米、油菜、大豆等［2］，其中以转Bt基因棉花种植面积最大。Bt杀虫活性源于芽胞形成时产生的杀虫结晶蛋白（insecticidal cr ystal pr otein，ICP）或苏云金杆菌毒蛋白（Bt toxic pr otein），敏感靶标昆虫取食杀虫结晶蛋白后，在中肠内溶解为原毒素，并在酶蛋白作用下变为可溶解的、活化的毒素，再与敏感靶标昆虫中肠内的受体特异结合，引起中肠上皮细胞渗透压改变、细胞裂解，最终对中肠造成严重损坏［3］。应用于农业生产的主要是δ－内毒素，不同的δ－内毒素杀虫范围不同，Cr y1 A和Cry1C对鳞翅目幼虫具有特异性，Cry3 A对鞘翅目昆虫具有特异性。

1 转Bt基因作物种植对田间害虫的影响

转Bt基因作物的大面积种植有效地控制了棉铃虫（Helicoverpaar migera）、棉红铃虫（Pectinophor a gossy piella）、玉米螟（Ostrinia furnacalis）、棉造桥虫（Anomis flava）、棉卷叶虫（Sylepta derogate）、大豆夜蛾（Pseudoplusia includens）等靶标害虫的幼虫发生数量［7］。对转Bt基因棉研究表明，Bt毒素对棉铃虫幼虫有明显的趋避作用［6］，可以有效控制棉铃虫幼虫发生量，但是对棉铃虫卵以及成虫的发生期和发生量［5－6］无明显影响。

但Bt作物只对部分鳞翅目害虫有效，对其他鳞翅目害虫如甜菜夜蛾（Spodopter a exigua）、小地老虎（Agrotis ypsilon）和斜纹夜蛾（Spodoptera litura）［7］等无控制作用，对朱砂叶螨（Tetr anychus cinnabarinus）、棉蓟马（Thrips tabaci）、白粉虱（Trialeurodes vapor arior u m）、棉叶蝉（Empoasca biguttula）等刺吸性害虫也无明显的控制作用［8］。

目前我国转Bt基因棉花种植面积最大，监测数据表明转Bt基因棉在有效控制主要鳞翅目害虫、减少农药喷洒次数和使用量的同时，间接导致棉田内非靶标害虫获得生存空间，从而改变了害虫种群结构，导致在不同区域不同种类的次要害虫种群数量升高［9］。如湖北棉区转Bt基因棉田内的非靶标害虫棉蚜（Aphis gossypii）和朱砂叶螨的种群数量呈上升趋势［10］；华北转基因棉田内的绿盲蝽（Lygus l ucor u m）、三点盲蝽（Adel phocoris f asciaticollis）和苜蓿盲蝽（A．lineol atus）则取代棉铃虫暴发成灾［11－12］。在黄河流域转基因棉区，温室白粉虱（Trialeurodes vapor arior um）、棉蓟马、朱砂叶螨等种群数量呈明显的上升趋势［8］。

2 转Bt基因作物种植对田间天敌的影响

2．1 转Bt基因作物对田间天敌种群动态的影响

转Bt基因作物农田天敌主要包括两大类：捕食性天敌和寄生性天敌。捕食性天敌主要有龟纹瓢虫（Propylaea japonica）、草蛉（Chr ysopa sp．）、草间小黑蛛（Erigonidium graminicola）、星豹蛛（Pardosa astrigera）、微小花蝽（Orius minutus）、大眼长蝽（Geocoris pallidipennis）等［4－5，8，13－14］。 寄 生 性 天敌主要包括棉铃虫齿唇姬蜂（Campoletis chl orideae）和中红侧沟茧蜂（Microplitis mediator）［4－5，8］等。

转Bt基因棉花种植可以有效控制田内棉铃虫幼虫发生量，并且多年试验研究表明田间捕食性天敌数量、捕食率和捕食量均未受到明显影响。崔金杰等对棉田内的4种主要捕食性天敌龟纹瓢虫、七星瓢虫（Coccinella septempunctata）、草间小黑蛛和大花蝽的种群数量变化特征研究发现，Bt棉田内天敌对棉铃虫的捕食率和捕食量均高于常规棉田，其中龟纹瓢虫的数量比常规棉田有所增加［8］。Mellet等研究结果支持转Bt基因棉花种植对草蛉类和瓢虫类天敌没有影响这一结论［13］。陈茂等在水稻田间的试验说明Bt水稻种植对捕食性天敌拟水狼蛛（Pirata subpiraticus）的种群密度影响不明显［14］。

转Bt基因棉商业化种植导致田内的寄生性天敌数量明显减少。王春义等发现与常规棉田相比转Bt基因棉田的棉铃虫幼虫寄生天敌—棉铃虫齿唇姬蜂和中红侧沟茧蜂数量明显减少［5］；崔金杰等研究也得出相似的结论，发现转Bt基因棉田内寄生性天敌棉铃虫齿唇姬蜂、侧沟绿茧蜂（Micr oplitis sp．）和棉蚜茧蜂（Lysiphlebia j aponica）种群数量分别比常规棉田减少79．2%、88．9%和85．1%［8］。进一步研究表明，转Bt基因棉田棉铃虫种群数量的减少，导致转Bt基因棉田内寄生蜂的寄生率和羽化率降低，从而影响寄生性天敌种群数量的变化［4］。

2．2 转Bt基因作物对天敌生物学参数的影响

转Bt基因作物长期商业化种植是否会通过食物链累积进而影响天敌种群，也引起国内外专家学者的关注。针对农田内的主要天敌瓢虫、拟水狼蛛（Pir ata subpir aticus）、胡瓜钝绥螨（Neoseiul us cucu meris）、草蛉以及小花蝽（Orius albidipennis）等，国内外专家学者在实验室内设计类似自然条件下的三级营养关系，以便有效地观察Bt毒素沿着食物链传递，探讨转Bt基因作物对天敌的繁殖率／存活率、发育时间、体重及大小、成虫寿命等［15］生物学参数的影响。Li Yunhe等以Bt敏感性和抗性的粉纹夜蛾为猎物，研究Cry2Ab和Cry1Ac毒素对转基因棉—粉纹夜蛾—瓢虫三级营养关系中瓢虫Coleomegill a maculata适应度参数（fitness parameters）的潜在影响，结果发现对照组和Bt试验组瓢虫的存活率、发育时间、成虫重量和繁殖力均没有显著不同，说明转Bt基因棉对瓢虫的危害是微乎其微的［16］。陈茂等人研究Cry1Ab毒素对Bt水稻—稻纵卷叶螟（Cnaphalocrocis medinalis）—拟水狼蛛食物链中天敌拟水狼蛛的影响，结果发现Bt毒素对拟水狼蛛的存活率和繁殖力没有影响［14］。用取食转Cry1Ab基因玉米的二斑叶螨（Tetr anychus urticae）饲喂胡瓜钝绥螨，结果发现胡瓜钝绥螨的死亡率、发育时间以及产卵率与对照相比无明显差异，可见捕食性天敌胡瓜钝绥螨对 Cry1 Ab毒素不敏感［17］。Gonzalez－zamora等研究发现用0、1、10μg／mL 3个浓度梯度的Cry1 Ac、Cry1 Ab或Cry2 Ab喂棉铃虫，再以棉铃虫饲喂小花蝽（Orius albidipennis），发现试验组小花蝽的捕食量、发育时间、若虫存活率、繁殖率与对照组之间没有显著性差异［18］。刘杰等以取食转Bt基因棉叶的棉铃虫饲喂捕食性天敌草间钻头蛛（Hyl y phantes graminicola）和八斑鞘腹蛛（Coleosoma octomacul a－tum）发现，两者的发育历期、成虫体重及捕食能力均未受到Bt毒素影响［19］。通过分期接虫法和分期回收法研究发现，双价（Bt＋Cp TI）棉花对异色瓢虫和草间小黑蛛的生长发育无明显影响［20］，且其捕食量和捕食效率较常规棉田有所增加［21］。转Bt棉对天敌的功能反应研究发现，是否含有Bt毒素不会影响天敌草蛉对棉铃虫的取食［22］，而且天敌捕食功能反应结果符合 Holling Ⅱ型方程［19，23］。

为进一步探讨不同浓度的Bt蛋白在天敌体内残留可能对天敌的潜在影响，有学者直接以Bt毒蛋白饲喂天敌，如Romeis等人通过给普通草蛉（Chr ysoperl a carnea）直接饲喂1 mg／mL高浓度Cr y1 Ab（该浓度是一般初级消费者害虫体内的10 000倍）的方法研究Bt毒素对田间天敌的影响，结果发现1龄草蛉幼虫取食Cry1Ab后，其2龄和3龄幼虫对Cry1Ab的敏感度没有受到影响，亦不影响它们的捕食能力，由此可见转基因玉米所表达的Cry1 Ab毒素对天敌昆虫草蛉不会造成影响［24］。尽管在转cr y1 Ab基因的不同品种玉米‘Co mpa CB’（事件Bt176）和‘DKC7565’（事件 MON810）商业化种植田内采集的二斑叶螨和食螨瓢虫（Stethor us punctillum）体内均可检测到Cry1 Ab毒素的存在，但不会对天敌食螨瓢虫的存活率、发育时间、繁殖力等有不利影响［25］。Gonzalez－za mora以1 mg／mL的高浓度Cry1 Ac直接饲喂花蝽若虫，发现Bt毒素对花蝽生长发育没有影响［18］。以上研究表明高剂量的Bt毒素对不同种类的捕食性天敌昆虫的生长发育没有造成影响。

虽然以上研究证明了Bt毒蛋白对捕食性天敌的安全性，但是也有数据表明捕食性天敌无论取食靶标害虫或是含Bt毒素的转Bt基因植物花粉，均出现发育缓慢的现象。如以转Bt基因水稻饲喂的稻纵卷叶螟为食物的拟水狼蛛的发育时间明显长于对照组［14］。以转Bt基因玉米花粉饲喂胡瓜钝绥螨，雌螨的发育时间延长了9%，繁殖力减少了17%，生长发育出现轻微延缓［17］。由于造成捕食性天敌发育缓慢的因素很多，可能是虫体本身的因素或者是饲料品质的问题，也可能与试验设计有关，是否与Bt毒素有直接关系，还有待于大量深入的研究证明［14，17］。

尽管多数研究中Bt毒素对捕食性天敌的生长发育无影响，但对寄生性天敌的影响却很明显。崔金杰等1999年发现与常规棉田相比，Bt棉田寄生性天敌的体重减轻，寄生率和羽化率亦受到明显影响，可见Bt毒素对寄生性天敌的发育有不利影响［4］。究其原因一是转基因棉田棉铃虫幼虫数量明显减少，直接影响了棉田寄生性天敌种群的增长，二是棉铃虫取食转基因棉后发育延迟，间接影响寄生性天敌幼虫的发育和茧的羽化。但是对转Bt棉田内的寄生性天敌赤眼蜂的落卵量研究表明转基因棉花对天敌的产卵行为无影响［26］。

在自然条件下，捕食性天敌能够直接接触和捕食含高浓度Bt毒素的棉铃虫的机会比试验条件下的少之又少，并且捕食性天敌对于害虫的专一性弱于寄生性天敌，因此，Bt毒素对捕食性天敌无影响或者影响微弱，而对寄生性天敌有明显影响。

3 Bt毒素在食物链上的传递效率

Bt毒素对天敌影响评价结果表明，Bt毒素不会对捕食性天敌产生不利影响（除少数研究表明Bt毒素会对天敌的生物学发育有影响外），但是却会沿着食物链传递并在不同营养级体内有一定量的残留［27］。Har wood等在作物－害虫－天敌这个简单的食物链中，通过ELISA方法检测到毒素蛋白在食物链的天敌体内有不同程度的积累（775个天敌个体中 有 12．8% 呈 Cry1Ab 毒 素 阳 性 结 果）［28］。Zwahlen［29］和张桂芬［30］发现，在Bt玉米田所采集的地表甲虫和实验室饲养的龟纹瓢虫（以Bt棉叶饲喂的棉蚜（Aphis gossypii）为食）体内均检测到有Bt毒素的存在，说明Bt毒素会沿着食物链传递。为进一步探讨Bt毒素在不同营养级的残留量及传递效率，álvarez－Alfageme定量检测了Bt玉米－海灰翅夜蛾（Spodoptera littoralis）2龄幼虫－步甲Poecil us cupreus 3龄幼虫3个不同营养级中的Cry1Ab含量，ELISA结果显示Cry1Ab含量会随着食物链的传递呈现明显的下降趋势，即在3个营养级中Cry1 Ab毒素的含量分别为945、349 ng／g和37 ng／g（鲜重），其中第1级到第2级下降3倍，第2级到第3级下降10倍［39］。Missle等也发现相似的情况，定量ELISA检测结果显示三级营养关系中Cr y1 Ab的含量水平为：Bt玉米1 600 ng／g，海灰翅夜蛾600 ng／g，天敌步甲P．cupreus 50 ng／g［31］。以上研究均表明Bt毒素沿着“Bt作物—靶标害虫—天敌昆虫”食物链不同营养级间呈逐级减少趋势，陈茂等人的ELISA检测结果发现，稻纵卷叶螟和拟水狼蛛体内的Cr y1 Ab毒素的浓度不会随着饲喂或者捕食时间的增长而增加，进一步说明Bt毒素不会在天敌体内富集［14］。

4 转Bt基因沿着食物链传递的作用机制

大多数研究表明转Bt基因作物对捕食性天敌的影响不甚明显［10，32－33］，原因可能有以下几方面。第一，Bt毒素具有水溶性特性。Mc Shaffrey报道水溶性的Bt毒素通常不具有在食物链中生物累积和生物放大的效应，原因是Bt毒素能溶解在初级或次级消费者体液中并随体液排出体外［34］。第二，天敌的中肠内没有Bt毒素结合位点。研究发现拟水狼蛛中肠内没有Cry1Ab结合位点，但害虫稻纵卷叶螟则具有此类结合位点［14］，Ana Rodrigo－Simon等也发现草蛉幼虫中肠没有特异的Cry1Ab或Cry1Ac受体，因此，当以高浓度的毒素直接注射或间接注射天敌草蛉时，Cry毒素不会对草蛉的生长发育产生影响［35］。第三，生物体内解毒酶的降解作用。D’Adamo和Forcada发现生物体内的解毒酶系统能够有效代谢外源毒素Bt，有效减少毒素在生物体内的生物积累［36－37］。陈茂等研究也发现拟水狼蛛中肠的酶粗提取液能有效降解Cry1Ab，以防止Bt毒素对其造成伤害［38］。通过对野外采集和实验室培养的天敌步甲Poecil us cupreus分别进行蛋白水解能力的测定，结果发现田间采集的步甲成虫比实验室培养的有更高的蛋白水解能力［39］，说明该种步甲能够有效降解Bt毒素从而减轻其影响。另一项研究发现害虫二斑叶螨（T．urticae）不能处理或水解Cry1 Ab，其体内毒素极有可能在未降解且保留其毒性的情况下流向天敌食螨瓢虫（S．punctillum），但是食螨瓢虫可以利用丝氨酸和半胱氨酸蛋白酶将毒素前体（130 k Da）活化成为Bt毒素（65 k Da），对食螨瓢虫可能造成潜在的影响，但目前研究还未发现中毒的威胁［25］。

Bt敏感性食草昆虫的减少或者消失，是影响寄生性天敌数量和种类的一个重要因素［40］。当棉铃虫齿唇姬蜂取食Bt棉叶饲喂的棉铃虫时，其存活率以及发育速率明显降低，可能是由于棉铃虫的过早死亡或Bt毒素导致棉铃虫的营养状况不良造成的，而与Bt毒素的直接影响无明显关系［41］，此外，寄生性天敌幼虫发育还有可能因寄主的死亡而中断［42］。以寄生性天敌菜蛾绒茧蜂（Cotesia pl utell ae）为例，当菜蛾绒茧蜂将卵产在Bt敏感小菜蛾体内，卵虽能孵化，但因寄主小菜蛾过早死亡而不能完成其完整发育；相反，当其将卵产在Bt抗性小菜蛾体内，菜蛾绒茧蜂则能完成其完整发育［43］。

综上所述，大多数情况下Bt毒素对捕食性天敌没有不利影响，转Bt基因作物种植对寄生性天敌影响明显。Bt毒素可能会随着天敌排泄物或者其他方式进入环境，对环境造成潜在的污染；当然由于很多研究结果是在实验室条件下获得的，很难真正揭示实际生态系统中的情况，例如郭建英等通过研究多年连作Bt棉区（自1998年）、过渡区（自2000年）和非Bt棉区内龟纹瓢虫的生长发育和繁殖情况，发现与非Bt区、过渡区相比，多年连作Bt棉区的龟纹瓢虫体型变小，体重降低，幼虫发育历期延长，新羽化成虫体重减轻，雌雄成虫比例下降，单雌产卵量降低［44］，反映了自然状态下不同种植时期转Bt基因棉花对田间天敌的影响。因此由于实验室条件下食物的单一以及试验历期较短等因素的限制，是否能真正反映Bt毒素对天敌的影响仍然有待于进一步研究。为了更好地保护环境和自然天敌，还需要开展大量的研究，以更合理的试验设计，更长的试验周期深入了解Bt毒素在不同食物链或食物网的传递。

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