转基因棉花的商业种植对环境的影响及风险管理策略

转基因棉花的商业种植对环境的影响及风险管理策略 转基因棉花的商业种植对环境的影响及风险管理策略 杨蓉 2010级农推植物保‎‎护专业 摘要: 我国棉花产业的优势，转基因棉花研究状况，转基因棉花存在的问题，转基因棉花在生产应用上的风险 关键词: 棉花、转基因技术、常规育种、除草剂、微生物 棉花(Gossypium hirsutum L()隶属于锦葵科(Malvaceae)棉属(Gossypium)，是世界上最主要的经济作物之一。全世界植棉国家和地区有96个，其中产量较高的国家有中国、美国、印度等。我国是世界植棉大国，总产量居世界第一，植棉业是农业的支柱性产业，对国民经济的发展至关重要。虫害和草害对植棉业有很大的影响，制约了棉花的生产。我国棉花害虫多达300余种，时常大面积暴发成灾，造成棉花产量的严重损失。由于大量使用化学农药导致了一些棉花害虫抗药性的产生，严重威胁棉花生产，同时也使环境污染日益恶化。棉田杂草与棉花之间存在水分、阳光、空间和营养物质的竞争，严重影响了棉花的正常生长。为了减轻除草劳动强度、提高生产效率，化学除草剂应运而生。草甘膦等非选择性除草剂具有高效、低毒、易降解和无残留的优点，但由于对作物同样具有杀灭作用，而不能在作物的生长期应用。 新疆棉花产业优势主要现为自然条件优越。日照时间长、光强度大、热量丰富、空气干燥，为棉花生长创造了优越的条件。同时也存在诸多不利因素:1)棉田多年连作，造成枯(黄)萎病愈发严重，蚜虫、红蜘蛛危害加剧，棉铃虫不定期暴发，病虫害造成棉花 减产15 ,20 ;2)水资源短缺，干旱区缺水影响棉花的正常生长发育;3)恶劣气候过程影响较大，棉花生育期内南疆干热风、倒春寒，北疆冰冻雨雪天气发生较频繁，气候因素造成棉花减产10 ,2O 。上述不利因素最终造成新疆棉花产量徘徊，抗枯(黄)萎病性、抗虫性、抗逆性(干旱、盐碱、寒害等)形势更加严峻。对此，常规育种技术遇到了瓶颈，难以取得重大突破。但是通过转基因技术与常规育种技术相结合，可以实现产量、品质与抗逆性同步改良，是进一步提高棉花产量、增强其抗病虫、抗除草剂、抗逆境和改良纤维品质的重 (1)要方法和手段。 1. 我国转基因棉花研究状况 棉花为我国主要农作物之一，其基因工程方面的研究进展迅速，在抗虫、抗除草剂、抗病、改善棉花纤维品质改良及其生态影响方面均取得了一系列重要研究成果啕。1992年中国农科院生物技术研究所在国内首次人工合成了 杀虫基因，并与有关单位合作，将该基因导人中棉所l2号、泗棉3号、晋棉7号等大面积推广品种中，获得了国产GK系列转 基因抗虫棉，成为世界上学握该项技术的第二个国家，进而又将豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(cpTI)和Bt基因重组，成功地导入棉 [2-3,花，育成了转双价基因(cpTI+Bt)SGK系列抗虫棉。随着抗虫棉种植面积的增大，棉田次生害虫为害呈逐年加重的趋势，雒琚瑜等人通过对棉盲蝽发生日趋严重的原因及发生程度特点的分析，提出了防治盲蝽策略、防治指标与防治适期，并简单介绍了防治棉盲蝽各 [4,种行之有效的治理措施。柏立新等人通过转基因棉花品种对棉大 卷叶螟抗性水平的鉴定评估，提出在棉大卷叶螟重发地区，培育种植高抗棉大卷叶螟的转基因抗虫棉品种可有效地控制棉大卷叶螟危 [5,害，减少农药的使用。棉花黄萎病是世界棉花生产中普遍存在的一大难题，也是长期困扰我国棉业的一种病害，我国很多学者对其 [6-7]病发的规律及机理进行了研究报道。近期在抗黄萎病育种方面取得了突破性的进展，据了解天津市农业部门与中国农业大学开展科技合作，引进该校研发的具有自主知识产权的转基因高抗黄萎病棉花育种技术这一重大科技成果，不仅使棉花转基因抗黄萎病、耐盐碱、耐旱等优良品种覆盖天津，并且使转基因高抗黄萎病棉花育种产业化。 2(转基因棉花存在的问题 2(1转基因技术与常规育种结合不紧密 生物技术与常规育种技术相结合是今后棉花育种的发展方向。采用常规育种技术弥补转基因棉花存在的某些经济性状的缺陷，在保持转基因目标性状的同时，进一步改善其它农艺性状，使产量、品质等经济性状得到同步改良。目前两方面不能紧密结合，造成产量、抗性、品质等性状很难兼顾，转基因棉花品种与生产需求仍有较大的距离。 2(2缺乏效果明显的功能基因 目前，新疆各大农业院校、科研机构、生物实验室也逐步开展了基因组学、蛋白质学等基础性研究，并取得了一定的成果，但效果明显的功能基因却很少。功能基因研究方法和手段缺乏创新、进展 缓慢，造成了转基因育种中下游工作迟缓。 2(3棉花遗传转化难以突破 棉花的基因型对离体培养起决定性作用，不同基因型的植株再生能力有很大差别。由于品种基因型的限制，高效遗传转化体系始终是棉花基因工程的瓶颈，新疆同样受到该难题的困扰。目前新疆转基因棉花主要遗传转化方法为花粉管通道法，部分科研单位也开展了农杆菌介导法以及基因枪法。打破棉花受体组织培养受基因型限制，操作方法简单、快速的棉花离体培养再生体系尚未建立起来，适合新疆棉花品种高效外源基因遗传转化技术方法的创新不足，体系有待完善。由于转化效率较低，外源基因稳定遗传需要多世代筛 [8]选、鉴定，造成工作量加大。 2(4缺乏生物技术人才 新疆的转基因生物技术研究起步较内地晚，无论人才的数量还是质量与内地科研单位都有较大的差距。熟悉生物技术和精通传统育种的综合性人才匮乏，尚未建立转基因育种研究的技术平台，未能给科技人员创造良好的科研环境，营造人才脱颖而出的良好环境，仍需完善协作、竞争、开放的机制，制定和完善有利于人才培养引进 [9]和研究成果转化的一系列政策，使广大科技人员在农业生物技术领域充分发挥才能和智慧。 2(5缺乏针对新疆生产迫切需求的转基因品种 已克隆的抗蚜虫、抗枯黄萎病、抗逆(冷冻、盐碱、干旱)、高品质 [10]等功能基因片段，通过遗传转化到模式植物(拟南芥、烟草)中进行 功能验证，只获得很少一部分有效功能基因。转基因棉花后代材料经过鉴定、选择，发现其抗枯(黄)萎病、抗盐碱、抗蚜虫等效果与常规品种差别不大，甚至出现负效应。因此尚未培育出真正意义的转基因抗枯黄病、抗蚜虫、抗逆(干旱、盐碱、冷冻)棉花新品种。 2(6转基因品种推广种植受限 基于转基因生物安全等问题，国家禁止转基因棉花品种在新疆棉区推广种植，这在一定程度上影响了新疆转基因棉品种的研发工作。 2(7缺乏统一的组织管理 新疆棉花转基因育种单位上、中、下游衔接不够，研究力量分散，造成研究项目分散，不少在低水平上重复。各大科研单位应进 [11]一步整合力量、加强联合攻关。 3.转基因棉花在生产应用上的风险 3(1 抗除草剂棉花有成为杂草的可能 杂草生长迅速并且具有强大生存竞争力，能够广泛传播，阻碍农作物的生长。所以，杂草常常给农业生产造成巨大损失。虽然转基因棉花在抗病虫性、抗逆性和生活力等方面比非转基因棉花强，但由于棉花不具有杂草特性，不会入侵其他植物栖息地，破坏自然种群平衡，一般情况下，转基因棉花不会出现杂草化问题。但近年来棉田除草普遍使用除草剂对棉花造成伤害，为了减少除草剂对棉花的伤害而开展的抗除草剂棉花选育，有使其成为杂草的可能，如果抗除草基因从棉花漂移到杂草上，也就有可能出现抗(耐)除草剂的“超级杂草”。 3(2 基因漂移威胁棉花近缘物种 基因漂移是指基因通过花粉授精杂交等途径在种群之间扩散的过程。棉花是常异花授粉作物，转基因棉花的外源基因花粉可以通过风力、昆虫等向近缘非转基因植物转移，不仅影响近缘物种的遗传纯度，使近缘物种有获得选择优势的潜在可能性，如果近缘物种获得抗病、抗虫或抗除草剂基因，也可能使其成为另一种“超级杂草”。这样会促使大量化学农药的应用，造成严重的环境危害。另外，随着转基因棉花的大面积推广应用，还可能向其他物种渗透，若大量外源基因漂移进入野生植物基因库并扩散开来，可能会影响基 [12]因库的遗传结构，给生物多样性造成危害 。 3(3 转基因棉花的应用会加速害虫抗性进化 目前在转基因棉花上使用的Bt因所表达的基‎‎Bt毒蛋白具有与已经使用多年的Bt生物杀虫剂相似的活性。一方面，由于Bt基因在棉花体内的持续表达，使得害虫在整个生长周期都受到Bt杀虫蛋白的选择，高选择压力下可促使害虫以更快的速度进化，产生对抗虫基因的抗性;另一方面，Bt蛋白在棉花上的时空表达不稳定，外源基因在不同棉花品种和不同组织及部位有不同的表达量，并且在整个生长季节中，Bt蛋白的表达水平是不断变化的，这种Bt蛋白时空表达的不稳定性提高了害虫生存几率，因此提高了害虫的抗性进化风险。害虫对转Bt基因棉花抗性一旦产生和发展，不但能削弱转基因棉花本身对害虫的抑制作用，而且Bt杀虫剂也将失去杀虫作用，可能会导致杀虫剂的再次大量使用，而对环境产生负面影响。 3(4 转基因棉花对非靶标有益生物的影响 由于不同类型Bt杀虫蛋白有不同的杀虫谱，因而转基因植物中不 [12]同Bt基因表达必然对许多非靶标昆虫产生影响 。在棉田环境‎‎下有许多天敌昆虫，它们或以害虫为食，或以害虫为寄主。转基因棉花在对靶标和非靶标害虫直接作用的同时，也可能问接地影响到棉田天敌的生存和繁殖。因此，大规模种植转基因棉花有可能影响棉田生态系统中天敌生物的种类和种群数量。 3(5 转基因棉花对土壤生态环境的影响 在土壤生态系统中，微生物是维持土壤生物活性的重要部分，不仅调节着土壤动植物残体、有机物质和其他有害化合物的分解，而 [13]且调节着生物化学循环和土壤结构的形成。转基因棉花根系分泌物和根系中的毒素，只有很少的自由态能够被微生物快速降解，大部分杀虫毒素主要通过根系分泌物和根系残体进入土壤，与土壤活性颗粒结合在一起，在土壤中大量集聚，而且毒素还可能通过花粉进入土壤，并可能在土壤中较长时间存在。土壤微生物能够吸收自由DNA片段而引发自然转化即土壤介导的基因转移，导致土壤微生物活性和群落结构的改变，最终影响到土壤质量和农产品的质量，而有可能危及人们的健康和食品安全。 4.前景与展望 中国转基因棉花研究虽然起步较晚，但进展较快，以转基因抗虫棉品系为亲本，或把转基因抗虫棉材料作为亲本，运用传统杂交方法，根据杂种优势，培育出综合性状优良的杂交抗虫棉近几年取得 了可喜进展。目前，仅有转Bt基因抗虫棉得到大面积地推广种植，而与抗逆、纤维改良等性状有关的转基因棉花的研究和种植推广相对缓慢，未能大面积应用。究其原因可能有两个:一是与抗逆、纤维改良等性状的相关基因自身功能存在局限性，在转入棉花植株时未能达到预期的改良效果;二是一些优良的转基因株系，由于申报转基因作物安全评价时周期较长，使得转基因棉株无法进行有效地种植，从而影响其在生产中的推广应用。相信在不久的将来，通过完善棉花遗传转化体系，可以将更多优良的克隆基因转移到棉花上，获得安全、稳定、持久、优质等综合性状都理想的新一代棉花品种类型。 参考文献: [1,郑巨云，李雪源等，中国棉花?新疆转基因棉花育种展望?2010，37(11):2,4 [2,刘方，王坤波，宋国立(中国棉花转基因研究与应用【J】(棉花学报，2002，14(4):249—253( [3,郭三堆，倪万潮(双价抗虫转基因棉花研究[J](中国农业科学，1999，32(3):1—7 [4] 雒琚瑜，崔金杰，王春义，等(转基因棉花田问棉盲蝽的发生与防治【J]，江西棉花，2009，31(1):6-9( 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