转基因抗草甘膦大豆的荒地生存竞争能力

李昊阳， 刘 义， 李 娜， 陈 伟， 曹越平

(上海交通大学农业与生物学院，上海 200240)

转基因大豆是目前全世界种植面积最大的转基因作物。自美国孟山都公司研发的首例抗草甘膦大豆GTS 40-3-2被获批允许大规模种植以来，截至2016年年底，转基因大豆的种植面积已经达到9 140万hm2，占全世界所有转基因作物种植面积的 1/2、全世界大豆种植面积的78%[1]。

我国是世界上大豆消费数量最多的国家，且大量依靠进口。2016年我国大豆进口量达 8 391万t，价值339.8亿美元，占全世界大豆进口总值的67%[2]。相比之下，2014年国内大豆产量仅为 1 215万t，占当年大豆进口量(7 140万t)的比例不到1/5，且近年来国内大豆产量呈缓慢下降的趋势[3]。进口大豆依存度高并未影响我国对转基因大豆严格的安全性要求，截至2017年年底，尚未有一种转基因大豆通过农业部转基因生物安全评价被商业化种植。

抗除草剂转基因大豆是指将外源抗性基因导入大豆，使其具有抗除草剂的特性。以GTS40-3-2为代表的具备抗除草剂特性的转基因大豆自诞生以来取得了空前的成功，据统计1996—2015年的20年间其产生的经济价值高达500.4亿美元[1]，并从根本上改变了国际上大豆的生产方式和贸易格局，使我国从世界最大的大豆出口国变成最大的大豆进口国，国内大豆供应几乎完全依赖进口。在这样严峻的形势下，发展我国的转基因大豆势在必行。

对于抗除草剂转基因大豆，最令人担心的环境安全问题是抗除草剂转基因大豆是否会变成杂草，在未来的农业生产和环境安全中成为不可控的因素。刘娜等在研究中将转基因作物的杂草化风险作为评价其安全性的重要一环[4-5]。转基因作物的荒地生存竞争能力是评价其杂草化风险的重要组成部分。国外商业化的转基因作物在获得商业化种植批准之前都做了大量的风险评估工作。国内许多学者也做过许多相关研究。周军英等的研究结果显示，转基因抗草甘膦大豆ARG与受体材料和当地主栽品种相比抗逆性没有差异，甚至更弱，杂草化风险很小[6]。宋小玲等研究表明，转基因抗草甘膦大豆GTS40-3-2在南京地区生存竞争能力在适宜季节显著低于当地常规品种，杂草化可能性很小[7]。马小艳等研究表明，转基因抗草甘膦抗虫棉在荒地中无竞争优势，无杂草化风险[8]。黄鹞等研究表明，转EPSPS基因大豆NZL06-698整体生存竞争能力比亲本大豆弱，杂草化风险低[9]。目前尚未见关于我国自主研发的抗除草剂转基因大豆荒地生存能力的研究报道。

随着对转基因作物研究的不断深入，我国的转基因安全评价研究也不断细致和完善，2013年12月中华人民共和国农业部发布了2031号公告，明确了抗除草剂作物环境安全检测的标准，包括除草剂耐受性、生存竞争能力、外源基因漂移和生物多样性影响等4部分[10]。本试验设计部分参照了该标准，对笔者所在实验室研发的转G10-EPSPS基因抗草甘膦大豆SHZD32-01进行荒地生存竞争能力试验，以检验其是否具有杂草化风险。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料分别为转G10-EPSPS基因抗草甘膦大豆SHZD32-01以及该转化体的受体材料中豆32、黄淮海地区主栽品种皖豆28。其中中豆32和皖豆28为生产上大面积使用的非转基因大豆，SHZD32-01是上海交通大学曹越平教授课题组以浙江大学沈志成教授课题组提供的G10-EPSPS基因为靶基因，以中豆32为受体转化得到的草甘膦抗性较强的转基因株系。

1.2 试验方法

选择“1.1”节中的3个大豆材料，以地表撒播和常规方式分别于2017年4月27日、5月18日、6月10日和7月10日进行播种，共播种4次，每个处理重复4次。每个小区的长、宽均为2 m，面积为4 m2，播种数量为300粒，小区间设置0.5 m的隔离带。播种后不进行任何管理。

试验地位于上海交通大学农业与生物学院的转基因试验基地。与外界有大于100 m的非大豆隔离带，对试验地实行封闭式管理，外侧有围墙、栅栏，进出试验地须通过大门，大门有专人负责管理。转基因抗草甘膦大豆材料的收获、贮藏、运输和保管均有专人负责。试验结束后，除需要保管的材料以外，其余材料均全部销毁。试验结束后至第2年年末，该试验地不再种植大豆，并由专人负责管理，以及时处理可能产生的大豆自生苗。

1.3 调查方法

1.3.1 大豆生长情况及其与杂草的竞争性 大豆播种前和播种后30 d至成熟期间，对每个小区进行对角线5点取样，每个样点的面积均为 0.25 m2，记录每个样点的杂草种类、每种杂草的数量以及优势杂草群落的株高与相对覆盖度，每月调查1次。与此同时，记录全小区内大豆数量和最高10株大豆的株高，并目测全小区的大豆相对覆盖度。

大豆存活率=存活数量/播种数量×100%。

1.3.2 繁育系数 在大豆完熟期，对每个小区进行对角线取样，测量10株大豆的粒数，并按照以下公式计算繁育系数(中华人民共和国农业部，2013年)。

X=n/10。

式中：X表示繁育系数；n表示10株大豆的总粒数。

1.4 分析方法

运用SPSS 22.0软件对所有数据进行Duncan’s方差分析，检验同一时期内小区间的杂草差异性，以及大豆生长发育指标在转基因抗草甘膦大豆与常规大豆品种之间的差异性。

2 结果与分析

2.1 大豆存活率

由表1可知，在4、5月通过地表撒播方式播种的转基因大豆SHZD32-01的存活率平均值在3次调查中均低于受体材料中豆32，与主栽品种皖豆28相当；在6月通过地表撒播方式播种的转基因大豆SHZD32-01的存活率仅在第3次调查中高于其他两者，但也仅为1.08%，第1、2次调查中三者无显著差异。SHZD32-01的存活率最高仅在10%左右。在常规方式播种下，4月播种的转基因大豆SHZD32-01的存活率显著低于中豆32和皖豆28，而中豆32和豌豆28之间差异不显著；5月播种的转基因大豆SHZD32-01的存活率显著低于中豆32，且在8月的调查中显著低于皖豆28；6月播种的转基因大豆SHZD32-01的平均存活率在3次调查中均小于中豆32，但仅在第1次调查中差异显著。7月通过2种播种方法播种的3种大豆均没有出苗，存活率为零。

2.2 大豆株高

由表2可知，在4、5、6月通过地表撒播方式播种的转基因大豆SHZD32-01、受体材料中豆32、主栽品种皖豆28的株高，除在5月27日的调查中SHZD32-01显著低于皖豆28外，在其他调查中三者均无显著差异。在常规方式播种下，4月播种的转基因大豆SHZD32-01在前2次调查中平均株高显著低于中豆32和皖豆28；5月播种的转基因大豆SHZD32-01在生长1个月、2个月时调查，平均株高低于中豆32和皖豆28，且在部分情况下差异显著，在生长3个月时调查， 平均株高与中豆32和皖豆28无显著差异；6月播种的转基因大豆SHZD32-01平均株高在生长1个月时高于中豆32，低于皖豆28，但差异不显著，在生长2个月、3个月时显著高于中豆32和皖豆28。7月播种的大豆未出苗。

表1 不同播种方式下各大豆品种的存活率Table 1 Emergence rate and survival rate of different soybean cultivars under different sowing methods in wasteland

注：表中数据为平均值±标准差，下表同。同行数据后的不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，表2、表3、表5同。

表2 不同播种方式下各大豆品种的株高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月调查时由于皖豆28仅有1株存活，未作方差分析。

2.3 大豆覆盖度

由表3可知，在4、5、6月通过地表撒播方式播种的转基因大豆SHZD32-01、受体材料中豆32、主栽品种皖豆28的覆盖度在3次调查中均无显著差异。在常规方式播种下，4月播种的转基因大豆SHZD32-01的覆盖度在5月的调查中显著低于中豆32、皖豆28，但在后2次的调查中三者间差异不显著；5月播种的转基因大豆SHZD32-01和皖豆28的覆盖度在3次调查中均显著低于中豆32；6月播种的3种大豆在3次调查中的覆盖度均极低，大多低于5%，仅在7月第1次调查中转基因大豆 SHZD32-01 和皖豆28的覆盖度显著低于中豆32，但在后2次调查中三者间差异不显著。7月播种的大豆未出苗，覆盖度为0。

2.4 繁育系数

由表4可知，4月播种的转基因大豆 SHZD32-01 的繁育系数明显高于受体材料中豆32和主栽品种皖豆28。由于繁育系数在计算过程中并未考虑到出苗率等因素，考虑到SHZD32-01在地表撒播时存活率低于4%，在常规播种时其存活率仅为其他2种的1/2左右，因此该结果不能说明转基因大豆荒地生存竞争能力强于其他2种。5、6月播种的3种大豆繁育系数无显著差异。

2.5 种植区域内杂草发生情况

表3 不同播种方式下各大豆品种的覆盖度Table 3 Coverage of different soybean cultivars under different sowing methods

表4 不同播种方式下各大豆品种在荒地的繁育系数Table 4 Breeding coefficient of different soybean cultivars under different sowing methods in wasteland

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

在转基因大豆SHZD32-01的种植区域内，主要杂草品种为莲子草[Alternantherasessilis(L.) DC.]、狗尾草[Setariaviridis(L.) P. Beauv]、葎草(HumulusjaponicusSiebold & Zucc)、稗草[Echinochloaesculenta(A.Braun) H. Scholz]、节节草(EquisetumramosissimumDesf.)、小飞蓬[Conyzacanadensis(L.) Cronq.]和白羊草[Bothriochloaischaemum(L.) Keng]等，受体中豆32和主栽品种皖豆28种植区域内的主要杂草种类与转基因大豆SHZD32-01一致。

地表撒播与按常规方式播种，在同一播种期内的转基因大豆SHZD32-01、受体材料中豆32、主栽品种皖豆28小区内的杂草覆盖度无显著差异(表5)，且杂草覆盖度在整个调查期内整体呈逐渐增加的趋势。所有试验小区，至7月底杂草覆盖度均达90%左右，8月及以后在继续调查监测时小区中的杂草覆盖度达到100.0%，最终形成以莲子草、葎草、狗尾草、稗草、节节草、小飞蓬、白羊草为优势种的杂草群落，优势群落的杂草高度达100 cm，杂草的竞争使大豆生长处于劣势。

3 结论与讨论

在相同的生长条件和播种方式下，大豆的农艺性状表现反映了其生存竞争能力的强弱。在地表撒播情况下，与受体材料和主栽品种相比，转G10-EPSPS基因并未给大豆SHZD32-01带来任何生存竞争优势，由于地表撒播造成的低成活率，使得转基因大豆SHZD32-01在与杂草的竞争中处于明显劣势。在常规方式播种情况下，大豆的成活率得到一定程度的保证，但其生长随着杂草在4—9月的逐渐茂盛而逐渐受到抑制，7月播种的大豆甚至完全没有出苗，8月起杂草覆盖度在全部种植小区内达到100%，其间转基因大豆SHZD32-01与受体材料和主栽品种相比并未表现出生存竞争优势，亦无法与杂草竞争。因此， 转基因大豆SHZD32-01的荒地生存竞争能力明显弱于杂草，与受体材料和主栽品种在多数情况下无显著差异，不具备转化为威胁生态环境安全的杂草的能力。该结论与周军英等的相关研究结论[6-7，9]一致。

表5 不同播种方式下各大豆品种小区的杂草覆盖度Table 5 Weed coverage in different plots under different sowing methods

就本试验结果而言，转基因大豆SHZD32-01在存活率、株高和覆盖度等多个方面略弱于其他2种大豆或相当，但根据中华人民共和国农业部2031号公告中的公式计算得到的其繁育系数反而整体上高于其他2种大豆，主要是因为该公式未考虑到结实的株数，建议在评测大豆的繁育能力时综合考虑其存活率，以使结果更有参考价值。