转基因抗虫玉米环境安全性及我国应用前景

李 宁， 何康来， 崔 蕾， 王振营

（中国农业科学院植物保护研究所，植物病虫害生物学国家重点实验室，北京 100193）

随着转基因技术的飞速发展以及转基因玉米的大面积推广应用，在关注转基因玉米所带来的巨大的社会、经济和生态效益的同时，转基因玉米及其产品的安全性问题也引起了世界范围内的广泛关注［1－2］，在发展我国农业生物技术的同时，对转基因玉米及其产品的安全性加强监督非常重要。对转基因玉米的安全性评价主要从两个方面来考虑：一个是环境安全性，一个是食用安全性。转基因玉米的环境安全主要针对的是基因漂流、对自然生物群落的影响和靶标害虫对转基因玉米抗性的产生。本文对近年来转基因抗虫玉米环境安全性的研究进行回顾和总结。

1 基因漂移

转基因植物基因漂移的途径大致有两个：一是通过转基因植物的种子或组织扩散到新的生境中，并生存下来；二是通过花粉向同种或近缘种非转基因植株转移。

众所周知，玉米是人类长期驯化的栽培作物，虽然在栽培地每年遗撒的种子可在翌年产生自生苗，但在自然生境下很难长期自然繁衍生存，如并没有某个自然环境中有大量自生玉米的报道。因此，在非人为干扰的情况下，栽培玉米品种基本不可能在自然生境下大量自生繁衍而占据生境。

在转基因玉米种子的生产、储藏、运输、贸易及引种等过程中都会产生基因的流动。一些动物取食转基因玉米种子，没有完全消化的种子可能随动物移到其他地方。转基因玉米种子被鸟类取食后，其消化道中没有被消化的种子仍具有发芽能力，种子可在野鸡和野鸭的食道和砂囊中保持几个小时，随粪便排出后发芽率在93%和50%［3］。用转基因玉米种子喂养野鹿，随野鹿粪便排出的种子可以发芽的很少［4］。被动物取食的转基因玉米种子要发芽繁殖，很大程度上取决于取食者的种类、玉米品种、取食地点、环境土壤条件和种子条件［4］。从目前转基因玉米田间试验结果来看，转基因玉米在生长势、越冬能力等方面并不比非转基因植株强，转基因玉米的生存竞争力没有增加［5］。

花粉传播导致种间杂交引起的基因漂移必须满足几个条件：作物与近缘种间的距离花粉可以传递、花期相遇和杂交后可产生后代、基因可以遗传表达［6］。近年来有许多花粉传播安全距离或监控模型的研究。对美国孟山都公司的耐除草剂转基因玉米GA21的外源基因向周边环境遗传漂移的研究认为，最大的漂移频率为45．1%，150 m处仍能检测到外源基因的漂移，设置隔离带的距离以200 m以上为好［7］。对玉米生产田的异型杂交进行了统计分析，在35 m处异型杂交率为0．4%，而在大于等于100 m的地方异型杂交率不大于0．05%；转基因玉米花粉源周围带有当地的一些非转基因玉米产生的高密度的花粉可以减小异型杂交的程度［8］。用拉格朗日数字模型研究了冠层空气对玉米花粉扩散的作用，认为用此模型监测花粉的扩散方式是实际可行的［9］。Angevin等提出了关于玉米异花传粉的MAPOD模型，该模型包括玉米地块的大小、形状，转基因玉米与非转基因玉米分布情况，开花的时期和动力等影响因素，可以用来指导转基因玉米和非转基因玉米共存的条件和监控［10］。

玉米及其近缘种原产于中美洲大陆，我国没有与玉米亲缘关系较近的大刍草或摩擦禾属植物，所以目的基因不可能通过天然杂交向其他植物转移，即不可能发生外源基因向玉米近缘种的飘移。

2 转基因玉米对玉米田节肢动物多样性的影响

转基因玉米对玉米田节肢动物多样性的影响主要包括对相关非靶标植食性昆虫、天敌昆虫、资源昆虫和传粉昆虫等有益生物以及受保护物种等的潜在影响。近来关于转基因作物是否会带来非靶标害虫数量上升和天敌昆虫数量的下降已引起了广泛的争论［11］。虽然有研究数据说明转基因作物不会产生类似的生态风险问题，但反对者总以试验范围小、年份不连续等原因对这些试验结果提出质疑。

2．1 对非标靶害虫的影响

蚜虫（玉米蚜Rhopal osiphu m maidis、禾谷缢管蚜R．padi和麦长管蚜Macrosiphu m miscanthi）作为玉米的主要刺吸式害虫，转Bt基因抗虫玉米对这些非靶标刺吸式害虫的影响已有研究报道。多数研究报道认为Bt杀虫蛋白能通过食物链进入害虫体内，但通过比较蚜虫取食转Bt基因抗虫玉米和常规玉米的死亡率、发育速率、有翅蚜比率、生殖前期和生殖期、生殖力和内禀增长率、周限增长率和种群净增殖率、寿命和繁殖历期等生物学参数，并未发现两者之间存在显著差异［12－14］。转Bt基因抗虫玉米（MON810）田和非Bt玉米田中的蚜虫发生量没有显著差异，而在喷洒了杀虫剂的非Bt玉米田中的禾谷缢管蚜发生更重，同时猎物丰盛使得捕食者七星瓢虫（Coccinell a septempunctata）的数量亦显著增加［15］。

非靶标害虫玉米跳甲（Chaetocnema pulicuria）、日本弧丽金龟（Popillia j aponica）和十一星根叶甲（Diabrotica undeci mp unctata）取食表达Cry1 Ab蛋白的Bt玉米，其体内都可检测到一定量的Cry1 Ab蛋白［16］。取食叶片上有2 000粒／c m2转Bt基因玉米（MON863）花粉的羊蹄（Ru mex j aponicus）叶片，对茄二十八星瓢虫（Epil achna vigintioctop unctata）和草莓小萤叶甲（Galer ucell a vittaticollis）幼虫的生存和发育没有影响，且田间羊蹄叶片上的花粉量达不到此密度［17］。转基因抗虫玉米田和非转基因玉米田周围杂草中主要鳞翅目昆虫小菜蛾（Pl utell a xyl ostell a）和菜青虫（Pieris r apae）在数量上也没有显著差异［18］。

由此可见，转基因抗虫玉米本身并不会对非靶标害虫的发生产生任何直接的影响，即转基因抗虫玉米生态系统不会直接引起非靶标害虫地位演化。但种植转基因抗虫玉米，会改变靶标害虫传统综合治理体系的技术构成，如减少化学杀虫剂的使用，这可能引起某些非靶标害虫种群发生改变，即转基因抗虫玉米生态系统下非靶标害虫地位演化是由靶标害虫原有防治方法的改变所引起。

2．2 对天敌等有益节肢动物的影响

2．2．1 对捕食性天敌的影响

瓢虫是玉米上一类重要的控制害虫种群的多食性天敌昆虫。取食转Bt基因（cr y1 Ab、cr y3Bb）玉米花粉的瓢虫（斑鞘饰瓢虫Coleomegill a macul ata、异色瓢虫Har monia axyridis）其生存适合度参数没有受到显著影响［19－21］，其体内的α－乙酸萘酯酶、乙酰胆碱酯酶以及谷胱甘肽－S－转移酶活性与对照没有显著差异［21］。取食在Bt玉米上繁殖的玉米蚜和表达Cryl Ab杀虫蛋白的玉米花粉对龟纹瓢虫（Propylea j aponica）生长发育和繁殖力没有显著影响［20］。

用转基因玉米MON863的花粉添加到蜂蜜中饲养小花蝽（Orius spp．）14 d，没有对小花蝽的存活和生长造成不利的影响，并且饲料中的Cry3Bb1含量要远远高于实际转基因玉米植株中的Cry3Bb1含量，所以转基因玉米MON863不会对小花蝽的生长发育产生负面影响［22］。

Cr y1 Ab蛋白可通过食物链——转cr y1 Ab基因玉米－欧洲玉米螟（Ostrinia nubil alis）－普通草蛉（Chr ysoperl a car nea）——进入草蛉体内并保持活性［23］。进一步的试验证明纯化的Cry1 Ab蛋白或是通过食物链进入的Cr y1 Ab蛋白对草蛉均没有不利的影响［24］。捕食螨（Neoseiul us cucu meris）捕食了取食转基因玉米和非转基因玉米的叶螨后，其死亡率、发育历期和产卵率均没有显著的差别［25］。在三级营养试验中，Cry1 Ab蛋白的含量会随着食物链的延伸递减，转基因玉米田中捕食性步甲（Poecil us cupreus L．）体内Cr y1 Ab蛋白含量仅为8%，对步甲的幼虫和蛹的生长发育均无影响［26］。

蜘蛛是玉米田中重要的捕食性天敌。对在转基因玉米田和邻近的荨麻田中的蜘蛛连续3年的田间监控表明，猎蛛的比例在荨麻田更高，而球腹蛛科（Theridiidae）和皿蛛科（Linyphiidae）的比例在玉米田更多；与非转基因对照相比Bt玉米田中蜘蛛的个体数量、种类丰富度和种群结构没有显著差异，且2003年在Bt玉米田中的蜘蛛数量更多［27］。与对照相比，Bt玉米花粉对一种庭院蜘蛛（Ar aneus diadematus）体重的增加、存活率、反应时间和结网的种类均无影响，而喷洒了拟除虫菊酯的地块中蜘蛛的这些生物学参数均受到显著的影响［28］。

在西班牙中部对转基因玉米田和常规玉米田地面上的节肢动物多样性和季节变化的3年调查，记录了蜘蛛、盲蛛、蜈蚣、土鳖虫、隐翅虫、埋葬甲、叩头甲、地蜈蚣和姬蝽每年的变化情况，表明玉米田中的动物种群年份间有所不同，但同年间两种玉米田间无显著差异，转Bt基因玉米田和非转基因玉米田中的天敌是一致的［29］。

由此可见，无论是被直接摄取还是通过食物链传递，以及田间环境，均没有发现转基因玉米对捕食性天敌有不利的影响。

2．2．2 对寄生性天敌的影响

玉米花粉可作为寄生蜂的补充营养。饲喂表达Cry1 Ab杀虫蛋白的转Bt基因玉米（MON810和Bt11）花粉，与饲喂非转基因对照玉米花粉相比对玉米螟赤眼蜂（Trichogr a mma ostriniae）的寿命、繁殖力、子代羽化数和性比均没有显著差异［30－31］。

转基因玉米和Bt蛋白对寄生蜂寄主搜寻和寄生能力未见有显著影响。仓蛾圆柄茧蜂 （Venturia canescens）对地中海粉斑螟（Ephestia kuehniella）Bt抗性品系和敏感品系的寄生率和羽化率没有显著差异［32］。人工饲料中加入纯化的Cry1Ab蛋白对草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）的寄生蜂－缘腹绒茧蜂（Cotesia mar giniventris）的存活、发育历期和生长率没有显著的影响［33］。齿唇姬蜂（Campoletis sonorensis）对取食转cry1Ab基因玉米和常规玉米的欧洲玉米螟幼虫的寄生选择性没有差异，成蜂体内没有检测到Cry1Ab蛋白［34］。

由于靶标害虫取食转基因抗虫玉米后发育受到抑制而发育不良，即使是抗性品系其体重等往往与敏感品系在常规玉米上取食相比显著要小，作为寄生蜂的寄主，其营养下降。因此寄生于取食转基因抗虫玉米寄主的寄生蜂等常出现发育历期延长、虫体小、生殖力下降等。寄生于取食Bt玉米的斜纹夜蛾［Spodoptera litura （F．）］幼虫的齿唇姬蜂，其成蜂体重比对照减少了15%～30%［34］。寄生于Bt抗性地中海粉螟幼虫的仓蛾圆柄茧蜂发育历期较长，但虫体较寄生于Bt敏感寄主的寄生蜂大［32］。寄生取食了转基因玉米的草地贪夜蛾的缘腹绒茧蜂，其发育历期、成虫大小和生育力都受到影响［33］。

转基因抗虫玉米与昆虫病原菌表现为加性效应。取食转cr y3Bb1基因玉米的玉米切根叶甲（Diabrotica vir gifera virgifera）的幼虫变小，但对绿僵菌的敏感性没有影响［35］。

2．2．3 对资源和传粉昆虫的影响

家蚕（Bombyx mori）是我国重要的经济昆虫，与目前主要转基因抗虫玉米靶标害虫同属鳞翅目，转基因抗虫玉米的商业化种植是否会对家蚕造成不良影响，是人们非常关注的问题。研究转基因玉米对家蚕的影响结果表明玉米花粉达到15粒／c m2时，就可以明显降低家蚕幼虫的体重，在75粒／c m2时，与对照相比，家蚕幼虫体重降低60%以上，个别幼虫开始死亡［36］。因此在蚕区应谨慎种植抗鳞翅目害虫的转基因玉米。

转Bt基因玉米中抗鳞翅目害虫的Cry1 Ab和Cry9C蛋白对蜜蜂没有毒性［37］。室内用转基因玉米花粉饲喂4～5日龄的工蜂幼虫与非转基因对照玉米相比蜜蜂幼虫和蛹的死亡率及蛹重均无显著差异［38］。取食糖浆中拌入转cry1Ab基因玉米花粉或Cry1Ab蛋白的蜜蜂存活率和下咽腺的生长发育均与相应对照无明显差异［39］。比较Cry1Ab蛋白、溴氰菊酯和吡虫磷杀虫蛋白对意大利蜜蜂（Apis mellifera）的影响发现，低浓度的Cry1 Ab蛋白3μg／kg（转cry1Ab基因玉米MON810花粉中的表达量2μg／kg）对蜜蜂的学习能力无明显影响［40］。而进一步的研究表明，高浓度的Cry1Ab蛋白虽然对蜜蜂没有致死作用，但会影响蜜蜂的喂养行为，当蛋白量达到5 000μg／kg（相当于转cry1Ab基因玉米176玉米花粉中的表达量）时，蜜蜂的学习能力受到影响，这会影响蜜蜂的觅食能力［41］。目前转cry1Ab基因玉米176已经终止登记，停止在生产中应用。

2．3 对土壤生态系统的影响

转Bt基因玉米的广泛推广，在大田种植过程中，转Bt基因玉米植株残体、根系分泌物和花粉等中的Bt杀虫蛋白不断进入土壤生态系统，这些高度特化的外源Bt杀虫蛋白是否会被土壤微生物降解，或者在土壤中积累和产生级联效应，从而对非靶标土壤生物造成危害，进而影响土壤生态系统安全，成为人们关心的一个重要问题。近年来关于转Bt基因玉米是否对土壤生态系统造成危害进行了大量的研究。

影响玉米残体在田间降解和氮素矿化的主要因素是气候条件，而与是否是转Bt基因玉米无关［42］。转Bt基因玉米（MON810和Bt11）的幼苗残体在田间50 d完全腐烂，Cry1Ab蛋白完全降解或仅有微量残留［43］。转基因玉米残体的分解方式与常规玉米相似，对生态和土壤体系没有不利的影响［44］。

转Bt基因玉米田中放线菌类和真菌的数量和脱氢酶与固氮酶的活性存在季节性的不同，但与非转基因对照相比在细菌数量和活性上没有改变［45］。利用胞外酶检测的方法发现Bt玉米残体与对照相比对土壤微生物群落和根的腐烂降解没有影响，而杀虫剂对土壤中微生物有更大的影响［46］。Bt玉米MON863田中土壤呼吸率和生物量要多于对照玉米田，并且在Bt玉米田和施用杀虫剂的玉米田中固氮微生物有更高的活性，对残体的固氮率和硝化率更高［47］。对不同种类型的Bt玉米与其对照进行研究发现，Bt玉米和对照的生长参数除地上部C／N比率不同外，在根部生物量、土壤中线虫量和土壤微生物群落结构没有明显的区别，只是在不同品种间土壤中线虫量有区别，在各个生长阶段微生物群落结构有所不同，但这和Bt玉米无关［48］。

ECOGEN公司通过研究转Bt基因玉米对土壤中线虫、原生动物、小型节肢动物、蚯蚓、蜗牛、腹足动物和菌根真菌等的影响发现，对田间土壤生态环境影响最大的是栽培作物类型、耕地类型和是否使用杀虫剂，而与转Bt基因玉米无明显关系［49－53］。在Bt玉米和对照田中残体分解者中有67%的弹尾目昆虫、24%的螨、6%的环带纲动物和少于4%的其他12种动物；在两种玉米田中残体的降解群落和速度也没有明显的区别［54］。Bt玉米对蚯蚓的体重和死亡率没有显著的影响［55－56］。蚯蚓可加速转Bt基因玉米残体中Cr y1 Ab蛋白的降解［57］。转cr y1Ab基因玉米田土壤中秀丽隐杆线虫（Caenor habditis elegans）的生长和繁殖与对照相比有明显减少，并与Cr y1 Ab蛋白的浓度相关，当其含量达到41 mg／L时则对线虫产生明显的抑制作用［58］。

3 靶标害虫的抗性及其治理策略

3．1 靶标害虫的抗性风险

第1代转基因玉米以抗鳞翅目和鞘翅目昆虫为主。最初所转基因为cr1 Ab，对包括欧洲玉米螟［59－60］在内的多种鳞翅目昆虫具有良好的防治效果。然而室内汰选研究表明这些害虫可以对Bt毒素产生抗性［61］。亚洲玉米螟（Ostrinia furnacalis）是我国玉米的重要害虫，亦是Bt玉米的重要靶标昆虫，室内汰选表明其对Cry1Ab和Cry1Ac杀虫蛋白可以产生显著的抗性和交互抗性［62－63］。此外有报道表明在田间已分别检测到对表达Cry1Ab和Cry1F蛋白的转基因抗虫玉米产生一定抗性的玉米干夜蛾（Busseola fusca）和草地贪夜蛾种群［64－65］。由此可见，大面积、连续种植表达一种蛋白的转单基因抗虫玉米存在靶标害虫产生抗性的风险。

3．2 害虫抗性治理对策

要避免或延缓害虫对转基因抗虫玉米产生抗性，就必须实施抗性治理。虽然有许多延缓害虫对Bt产生抗性对策的报道，而在包括美国在内的大多数国家强制实施的是“高剂量／庇护所”策略［66－68］，其理论基础是转基因玉米表达的杀虫蛋白能杀死所有敏感和杂合体幼虫，非转基因常规玉米庇护所产生的害虫敏感个体与抗性个体成虫进行交配，使其后代成为杂合体，达到稀释抗性基因的目的，从而延缓抗性的产生。当抗性是隐性遗传，抗性等位基因频率低，而且敏感和抗性个体随机交配时高剂量／庇护所效果最好。根据动力学模型推算，非转Bt基因玉米或是其他作物的“庇护所”面积应为玉米种植总面积的20%～30%，才能延缓敏感个体对转Bt毒蛋白基因玉米抗性的产生。在“庇护所”的大小和害虫散布有效结合的情况下，可以很好地延缓抗性的发展，小到中等的连续的“庇护所”要比许多小的“庇护所”的效果要好［69］。在以小农户种植为主的发展中国家（如中国、印度等）很难推广“庇护所”措施。然而，在研究和治理棉铃虫对转Bt基因抗虫棉抗性的实践中发现，我国的这种以个体农户经营为主的、棉铃虫多种寄主作物小规模交叉混合的种植模式，可为棉铃虫提供天然庇护所，有效地延缓了棉铃虫抗性的发展［70］。此种措施为今后转基因玉米大面积种植提供了可借鉴的策略。

为了使高剂量／庇护所更易实施，针对玉米切根叶甲幼虫转移为害率低等特点，发展了“庇护袋”抗性治理策略，即将常规玉米种子与转Bt基因抗虫玉米种子按一定比例混合后销售［71］。这一策略将庇护所面积从20%降低到10%，同时增强了庇护所措施的可操作性。

已有报道表明室内筛选的欧洲玉米螟对Bt的抗性是部分显性遗传，一个小菜蛾种群、烟芽夜蛾SEL品系的交互抗性也是不完全显性遗传［72－74］，抗、感种群幼虫由于发育历期的差异使成虫不能随机交配，而且现有的转Bt基因作物很难全生育期高剂量表达杀虫蛋白，无法确保种植20%的非Bt作物形成有效的庇护所，这些因素使高剂量＋庇护所策略受到严重挑战。近年来开始采用双（多）基因对策，即应用转双价基因玉米来防治鳞翅目害虫，如转cry1Ab和cry1F、cry1Ac－cry1Ie基因玉米等。

另外，要对转Bt杀虫蛋白基因玉米的抗虫性和田间玉米螟种群抗性动态进行监测，及时评估转Bt基因玉米的抗虫性水平，以确保转Bt基因玉米抗虫效果的稳定。

4 转基因玉米利用与发展前景

玉米用途广泛，用作粮食、饲料、工业原料等，是我国畜牧养殖业的支柱。近几年市场对玉米的需求持续增加，玉米种植面积逐年扩大，2008年起，玉米的种植面积超过水稻，成为种植面积最大的作物，种植面积达2 986万h m2［75］。前些年肉类价格上涨就与玉米供应偏紧，价格上涨有密切的关系。2009年玉米总消费量为14 835万t，比上年增加390万t。病虫危害是严重影响我国玉米生产的重要因素之一，其中以亚洲玉米螟危害最为普遍严重，每年可造成600～900万t的产量损失［76］，此外，玉米螟为害还加重了玉米穗腐病的发生，导致籽粒中真菌毒素增加，降低了产品质量，影响食用安全［77］。2009年全国玉米病虫害发生面积6 353．6万h m2次，造成玉米损失435．49万t。其中玉米螟1 967万h m2次［78］。2011年在黑龙江省哈尔滨市黑龙江省农业科学院试验基地和富裕农场的玉米田对玉米螟为害情况进行初步调查，玉米螟蛀茎率达到70%以上，折茎率达到20%～40%，严重影响玉米的产量。

20世纪90年代首次报道表达Bt蛋白的转基因玉米田间抗虫效果以来［59］，1995年美国批准转cr y1Ab抗虫基因玉米商业化种植，之后全球转基因玉米种植面积迅速增加。2010年全球有16个国家共种植4 600万h m2转基因玉米，占全球玉米种植面积的29．11%［79］。美国是种植转基因玉米最多的国家，1996－1999年种植面积呈直线增加趋势，2000－2001年因玉米螟为害减轻及转基因玉米市场价格低等原因，种植面积出现下滑（图1）。2002年后兼具抗虫和耐除草剂基因复合性状的玉米种植面积增加，以及抗鳞翅目害虫和玉米切根叶甲及除草剂的多性状玉米种植，至2009年转基因玉米占全美玉米面积的85%［80］。

图1 美国转基因玉米种植情况

种植转基因玉米收益显著。如美国转基因玉米商业化的前10年，种植转基因抗虫、耐除草剂玉米的农民分别增收36亿和11亿美元［68］；欧洲为150～200美元／h m2。

最早商业化种植的转基因抗虫玉米所转基因为cry1Ab，推广应用最多的转化事件是MON810和Bt11。2001年先锋公司推出了转cr y1F基因转化事件TC1507，与前者交互抗性低，因此种植面积增长迅速。2003年抗切根叶甲的MON863含cry3Bb1基因商业化种植，之后cry1Ab＋cry3Bb1、cry34Ab1／cry35Ab1、cry1Ab ＋vip3A、cr y3Aa、cr y1A．105／cry2Ab2等具有不同抗虫谱的抗虫基因玉米相继商业化。发展方向继续朝着开发具有不同杀虫机理、不同性状的多级基因复合／叠加转基因玉米，如美国已有转8个基因的玉米。我国转基因玉米研发始于20世纪80年代末期，在国家课题的大力支持下，已克隆出一批具有自主知识产权的功能基因、建立了成熟的玉米转基因技术体系、创造出一批优异的转基因玉米材料，为产业化实施奠定了较为雄厚的基础。现在虽然生产上还没有种植转基因玉米，但2004年至2008年对转植酸酶基因玉米进行了环境安全和食用安全评价，并于2009年8月17日依法批准发放了转植酸酶基因玉米的生产应用安全证书。为转基因玉米的生产应用又向前推进了一步。

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