轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的研發(fā)與應(yīng)用及在我國的發(fā)展策略

徐秀秀，韓蘭芝，彭于發(fā)，侯茂林

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所/植物病蟲害生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100193)

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，全世界有30 多億人口以稻米為食。2008年全球水稻的種植面積已超過1.59 億公頃(http://faostat.fao.org/site/567/default.aspx)，其中我國水稻種植面積已超過全球種植面積的18%。水稻也是蟲害最多的糧食作物之一，田間害蟲種類達(dá)624 余種，每年由稻螟所造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)115 億元(盛承發(fā)等，2003)，由稻飛虱所造成的產(chǎn)量損失達(dá)150萬噸(黃世文，2010)。特別是近年來，隨水稻耕作制度的變更、品種更新、抗藥性產(chǎn)生及氣候變暖等因素，水稻害蟲在全國范圍內(nèi)的發(fā)生數(shù)量和危害程度明顯上升，給我國的水稻生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)化學(xué)防治方法的長期使用，不但增加生產(chǎn)成本，造成環(huán)境污染，而且還破壞了生態(tài)平衡，因此選育抗蟲轉(zhuǎn)基因水稻是防治害蟲最經(jīng)濟(jì)、有效的方法。

隨全球生物技術(shù)的發(fā)展，利用基因重組技術(shù)將外源抗蟲基因?qū)胨荆顾咀陨懋a(chǎn)生抗蟲蛋白從而達(dá)到防治害蟲的目的已成為現(xiàn)實(shí)。自1988年，第一例Bt 水稻成功轉(zhuǎn)化后，眾多研究者相繼將不同類型的Bt 殺蟲基因、蛋白酶抑制劑基因和植物或動物源凝集素基因轉(zhuǎn)入不同水稻品種，獲得一系列對靶標(biāo)害蟲控制效果顯著的轉(zhuǎn)單、雙或多基因抗蟲品系，為水稻害蟲的防治提供了有效途徑(Bajaj and Mohanty，2005;Deka and Barthakur，2010)。至今，全球已研發(fā)了近50個轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻品系，隨研發(fā)技術(shù)的進(jìn)一步深入，新型抗蟲、多基因、復(fù)合性狀的轉(zhuǎn)基因水稻新品種將不斷涌現(xiàn)。

本文對全球轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)綜述，分析了目前我國轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻發(fā)展所存在的問題及面臨的機(jī)遇，并結(jié)合我國水稻生產(chǎn)的實(shí)際情況，提出了我國轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的發(fā)展策略，以期為抗蟲水稻的研發(fā)與應(yīng)用、環(huán)境安全評價及風(fēng)險管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的研發(fā)進(jìn)展

由于水稻自身缺乏高效的抗蟲基因，轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻轉(zhuǎn)化所需的目的基因主要來自外源基因。其中來自于蘇云金芽孢桿菌(Bacillus thuringiensis，Bt)的Bt 基因是目前世界上應(yīng)用最廣和最高效的抗蟲基因，它對鱗翅目(Cohen et al.，2000)、雙翅目(Andrews et al.，1987)和鞘翅目害蟲(Krieg et al.，1983;Herrnstadt et al.，1986)均具有較高的抗性，且對人、動物和生態(tài)環(huán)境安全(表1)。除Bt 基因外，某些蛋白酶抑制劑、植物凝集素、核糖體失活蛋白、植物次生代謝物基因等對昆蟲也具有較好的抗蟲效果，已被廣泛應(yīng)用在轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的研發(fā)上(表2)。

1.1 Bt 水稻

1981年第一個Bt 殺蟲基因被克隆;1993年第一個Bt 水稻品系研制成功;2000年起，Bt 水稻開始陸續(xù)進(jìn)入田間試驗(yàn)階段(Tu et al.，2000;Anonymous，2001;High et al.，2004)。研發(fā)前期，Bt 水稻主要以轉(zhuǎn)單個cry1A 基因?yàn)橹鳎鏲ry1Ab、cry1Ac和cry1Ab/cry1Ac 融合基因等(陳浩等，2009)。在我國培育較為成功的為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的“華恢1 號”、“Bt 汕優(yōu)63”(轉(zhuǎn)cry1Ab/cry1Ac 基因)和浙江大學(xué)的“克螟稻”(轉(zhuǎn)cry1Ab基因)，它們在整個生育期內(nèi)對二化螟、三化螟和稻縱卷葉螟均表現(xiàn)較高的抗性(舒慶堯等，1998;Shu et al.，2000;Tu et al.，2000;Ye et al.，2001，2003)(表1)。印度也已培育出多個抗三化螟的轉(zhuǎn)基因水稻品種，但未看到其田間試驗(yàn)的后續(xù)報道(Nayak et al.，1997;Khanna and Raina，2002;Ramesh et al.，2004)(表1)。巴基斯坦和地中海沿岸的一些國家也開展了相關(guān)的Bt 水稻研究，并獲得一些抗蟲效果優(yōu)良的Bt 水稻品系(Breitler et al.，2000，2004;Marfa et al.，2002;Husnain et al.，2002;Bashir et al.，2004)(表1)。為延緩害蟲抗性發(fā)展，培育轉(zhuǎn)雙或多基因Bt 水稻是未來發(fā)展的必然趨勢。其他類別的Bt 基因如cry2A、cry1C和cry9C 與cry1A 共同氨基酸的同源性較低(＜45%)，不易產(chǎn)生交互抗性，適宜與cry1A 組合研制轉(zhuǎn)雙或多基因抗蟲水稻(Alcantara et al.，2004)。有研究用分別轉(zhuǎn)cry1Ab、cry1Ac、cry1C和cry2A 4個單基因的抗蟲明恢63 株系作親本，以5種組合方式分別正反交，將不同的Bt 基因兩兩聚合在一起，獲得10種雙價Bt 株系。室內(nèi)抗蟲鑒定結(jié)果表明，大部分雙價Bt 基因組合有協(xié)同增效作用，其抗蟲性明顯高于單基因Bt 水稻(陳浩等，2009)。

隨著水稻轉(zhuǎn)基因技術(shù)的成熟，人們不再滿足僅僅將外源基因?qū)氲剿净蚪M中。根據(jù)不同需要，一些特殊的轉(zhuǎn)基因技術(shù)逐漸發(fā)展起來。出于延緩害蟲抗性和食品安全性的考慮，人們希望Bt 毒蛋白僅僅在水稻易受蟲害攻擊的莖、葉部位表達(dá)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了組織特異性或誘導(dǎo)性表達(dá)外源基因的方法。Ye et al.(2009)采用根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)將綠色組織特異性表達(dá)的rbcS 啟動子驅(qū)動下的cry1C 基因?qū)刖酒贩N中花11，獲得高效抗蟲且Bt 毒蛋白僅在綠色組織中高效表達(dá)的轉(zhuǎn)基因株系，該株系葉片中Bt 毒蛋白的表達(dá)量是使用玉米Ubiquitin 組成性啟動子的3 倍，而在胚乳中Bt 毒蛋白的表達(dá)量不到Ubiquitin 啟動子的千分之一(Tang et al.，2006;Ye et al.，2009)。利用傷口誘導(dǎo)型啟動子促進(jìn)抗蟲基因在轉(zhuǎn)基因植株中受傷害的部位和時間段內(nèi)表達(dá)是減少生物量損失和延緩靶標(biāo)害蟲抗性產(chǎn)生的另一有效途徑(De Maagd et al.，1999;Sharma et al.，2004)，玉米蛋白酶抑制基因的－689/+197 區(qū)域可為Bt 水稻中cry1B 基因提供高效愈傷誘導(dǎo)性表達(dá)，該轉(zhuǎn)基因水稻在田間高抗二化螟(Breitler et al.，2001)。

表1 全球已研發(fā)的Bt 水稻品系Table 1 The development of transgenic insect-resistant rice lines in the world

文獻(xiàn)來源:http://www.cera-gmc.org/index.php?action=gm_crop_database;http://www.isaaa.org/gmapprovaldatabase/default.asp;High et al.，2004;Bajaj and Mohanty，2005;Deka and Barthakur，2010.“SSB”表示二化螟;“YSB”表示三化螟;“RLF”表示稻縱卷葉螟;“BPH”表示褐飛虱，“LH”表示葉蟬，同下表2。Source from:http://www.cera-gmc.org/index.php?action=gm_crop_database;http://www.isaaa.org/gmapprovaldatabase/default.asp;High et al.，2004;Bajaj and Mohanty，2005;Deka and Barthakur，2010.Abbreviations:SSB，striped stem borer;YSB，yellow stem borer;RLF，rice leaffolder.LH，leaf hopper.It is the same to the following table 2.

1.2 非Bt 抗蟲水稻

雖然Bt 基因一直是轉(zhuǎn)基因植物應(yīng)用最成功、最廣泛的抗蟲基因，但是將其與其它的抗蟲基因組合使用才能達(dá)到持久抗蟲的目的，我國的轉(zhuǎn)cry1Ac+CpTI 基因水稻及印度小規(guī)模試種的轉(zhuǎn)cry1Ab+Xa21+GNA 基因聚合的抗蟲水稻均是比較成功的實(shí)例(Bentur，2006;Han et al.，2006，2007)。有些植物本身就含有一些非Bt 的抗蟲基因，如蛋白酶抑制劑(Protease inhibitors)和植物凝集素(Plant lectins)等(Sharma et al.，2004)。蛋白酶抑制劑廣泛分布于植物組織和器官中，能削弱或阻斷蛋白酶對食物中蛋白質(zhì)的消化，導(dǎo)致昆蟲非正常死亡。如轉(zhuǎn)蠶豆蛋白酶抑制劑(Mochizuki et al.，1999)、豇豆蛋白酶抑制劑(Xu et al.，1996)、大豆蛋白酶抑制劑、土豆蛋白酶抑制劑(PinⅡ)(Sharma et al.，2004)和抗象鼻蟲的大麥蛋白酶抑制劑(Alfonso－Rubi et al.，2003)基因水稻均已成功研制(表2)。其中轉(zhuǎn)豇豆胰蛋白酶抑制劑基因(CpTI)水稻在中國研究的最早且最為成熟，相關(guān)的環(huán)境安全性評價已完成，正在申請生物安全證書(http://www.stee.agri.gov.cn/biosafety/spxx/)。植物凝集素是一類能特異識別并可逆結(jié)合糖類復(fù)合物的非免疫性球蛋白，當(dāng)被昆蟲吞食至消化道時，與昆蟲腸道周圍細(xì)胞壁膜糖蛋白結(jié)合，影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，并在消化道內(nèi)誘發(fā)病變，使昆蟲致病而死亡。目前在基因工程方面應(yīng)用最多的有雪花蓮凝集素(GNA)、豌豆凝集素(P－lec)和大蒜凝集素(ASAL)等。轉(zhuǎn)雪花蓮凝集素基因水稻對小褐飛虱和褐飛虱表現(xiàn)出明顯的抗性，既能降低其存活率又能降低其產(chǎn)卵能力并延遲發(fā)育(Nagadhara et al.，2003;Tang et al.，2001)。轉(zhuǎn)大蒜凝集素基因水稻IR64對跳蟲類、褐飛虱和綠葉蟬均具有較好的控制效果(Saha et al.，2006)(表2)。洋蔥凝集素(Allium Cepa agglutinin，ACA)對刺吸類害蟲具有較好的殺蟲效果(Hossain，2006)。

表2 全球用于抗蟲水稻品系研發(fā)的非Bt 基因Table 2 Insect resistance genes other than Bt used in development of transgenic rice lines in the world

2 轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的應(yīng)用

盡管國內(nèi)外正積極對一些抗蟲效果優(yōu)異的轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻進(jìn)行中間試驗(yàn)、環(huán)境釋放和生產(chǎn)性試驗(yàn)。但目前還沒有一個國家的抗蟲水稻處于商業(yè)化應(yīng)用階段。這主要因?yàn)槿藗儗Z食問題過于敏感，轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的食品安全性還尚未定論，各國對轉(zhuǎn)基因水稻的產(chǎn)業(yè)化持謹(jǐn)慎態(tài)度。伊朗為種子增殖而在2005年批準(zhǔn)種植了4000 公頃Bt 水稻(James，2009)，但目前伊朗政府仍不允許進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。中國于2009年8月17 日批準(zhǔn)了兩個Bt 水稻品種華恢1 號及其雜交種Bt 汕優(yōu)63 在湖北省生產(chǎn)應(yīng)用的安全證書，但未進(jìn)行商業(yè)化種植，這說明中國有望成為世界上第一個使用轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的國家(http://www.stee.agri.gov.cn/biosafety/spxx/)。此外，農(nóng)業(yè)部轉(zhuǎn)基因生物安全委員會于2009年5月還批準(zhǔn)克螟稻、T1c－9(轉(zhuǎn)cry1C 基因)，T2A－1(轉(zhuǎn)cry2A 基因)、科豐6和科豐8 號五種轉(zhuǎn)基因水稻通過生產(chǎn)性試驗(yàn)，等待生物安全證書的發(fā)放(http://www.stee.agri.gov.cn/biosafety/spxx/)。

除抗蟲水稻外，一些藥用或耐除草劑水稻也陸續(xù)被批準(zhǔn)進(jìn)口或商業(yè)化應(yīng)用。1998年起，美國批準(zhǔn)Ventra Bioscience 公司研發(fā)的轉(zhuǎn)溶菌酶、乳鐵蛋白、人血清白蛋白基因的3個藥用轉(zhuǎn)基因水稻的商業(yè)化種植，種植面積由最初的400 畝增加到2007年的3 萬畝，2006～2007年種植區(qū)域增加到堪薩斯州和北卡羅來納州。1999年，美國批準(zhǔn)了安萬特公司的轉(zhuǎn)bar 基因耐除草劑水稻LL RICE 06和LL RICE 62 的商業(yè)化種植，2000年批準(zhǔn)該水稻可以食用。2006年8月，美國又批準(zhǔn)了轉(zhuǎn)bar 基因耐除草劑水稻LL RICE 601 的商業(yè)化種植(http://www.isaaa.org/gmapprovaldatabase/default.asp)。加拿大、墨西哥、澳大利亞分別于2006年、2007年、2008年批準(zhǔn)了耐除草劑轉(zhuǎn)基因水稻LL RICE 62 的進(jìn)口，并允許食用(http://www.isaaa.org/gmapprovaldatabase/default.asp)。

雖然轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻尚未得到商業(yè)化種植，但其研發(fā)勢頭強(qiáng)勁。以中國為例，從1998年至今農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全管理辦公室已批準(zhǔn)2375份田間試驗(yàn)的申請，包括1598份中間試驗(yàn)，503份環(huán)境釋放及274份生產(chǎn)性試驗(yàn)申請(http://www.stee.agri.gov.cn/biosafety/spxx/)。這 說 明，轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的發(fā)展勢頭良好，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。

3 我國轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

3.1 我國轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻發(fā)展面臨的機(jī)遇

目前，我國水稻育種面臨的問題十分突出，主要表現(xiàn)在水稻品種抗性較差，害蟲危害日益嚴(yán)重，由于水稻及其近緣種中尚未發(fā)現(xiàn)對螟蟲有效的抗性基因，無法通過常規(guī)育種加以改良，必須通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)引入外源抗性基因;對于褐飛虱，雖然在水稻中存在相應(yīng)的抗性基因資源，但由于抗性基因大多為數(shù)量性狀，單個基因的效應(yīng)微小，難以通過常規(guī)育種加以改良，必須依賴分子標(biāo)記聚合育種或轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)加以解決。而且我國是世界上最大的水稻生產(chǎn)地，約4 億農(nóng)戶以種植水稻為生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，Bt 水稻的種植能使產(chǎn)量提高8%，殺蟲劑使用量減少80%，每年可為我國帶來約40 億美元的收益，具有較大的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益(Huang et al.，2005)。可見，我國水稻生產(chǎn)對轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻具有迫切的需求。

同時，轉(zhuǎn)基因抗蟲育種研究也是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)既定國策。80年代開始，我國一貫并高度重視轉(zhuǎn)基因技術(shù)的研究和應(yīng)用，2004年以來連續(xù)7個中央一號文件都強(qiáng)調(diào)加快農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展;863、973 等國家科技計(jì)劃都將轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究作為重大項(xiàng)目予以支持;2008年國家啟動實(shí)施“轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專項(xiàng)”;2009年生物育種又被列入“戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃”，這均為我國轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的發(fā)展提供了良好的鍥機(jī)(http://world.people.com.cn/GB/41217/11975156.html)。

在國家政策扶植和重大項(xiàng)目的資助下，我國在功能基因克隆、水稻遺傳轉(zhuǎn)化、抗蟲品系培育等領(lǐng)域均獲得較大進(jìn)展，為轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的研發(fā)提供了良好的技術(shù)儲備。截至2011年4月，全球已有701個Bt 殺蟲基因被克隆并命名，這些基因來自30 多個國家和地區(qū)，其中我國最多，有259個(張杰等，2011)。通過自主研發(fā)，我國已先后從水稻上克隆了10 多個有重要利用價值的農(nóng)藝性狀基因用于水稻轉(zhuǎn)化。截至2006年8月，我國受理的與轉(zhuǎn)基因水稻相關(guān)的專利75 例，其中涉及功能基因克隆的有74 項(xiàng)(黃德林，2007)。在基因操作方面，已建立了轉(zhuǎn)化大DNA 片段和自動裝載外源基因序列的轉(zhuǎn)化載體技術(shù)，大大提高了載體構(gòu)建的工作效率。在水稻遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)方面，已建立了高效、穩(wěn)定、規(guī)模化的農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化技術(shù)?？瓜x品系培育方面，我國被公認(rèn)處于世界領(lǐng)先地位，已獲得“華恢1 號”、“Bt 汕優(yōu)63”、“克螟稻”和“科豐”系列等抗蟲效果優(yōu)異的轉(zhuǎn)基因水稻品系(朱禎，2010)。

3.2 我國轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻研發(fā)存在的主要問題

雖然我國在轉(zhuǎn)基因水稻方面的研究與國際基本同步，在發(fā)展中國家居領(lǐng)先地位，但不可否認(rèn)，與國際領(lǐng)先水平相比，我們?nèi)源嬖谳^大差距，主要表現(xiàn)在:(1)抗蟲基因品種單一、缺乏有重要利用價值的自主知識產(chǎn)權(quán)基因。目前，我國抗蟲水稻以轉(zhuǎn)cry1A 單價基因?yàn)橹鳎瓜x譜窄，害蟲極易產(chǎn)生抗性。而cry1A 基因?qū)γx高抗，但對稻飛虱、葉蟬等刺吸類害蟲無控制作用。雖然我國已獲得一些殺蟲效果較好并具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型Bt 基因，如cry1Ah、cry1C和Cry2A 等(張杰等，2011)，但大多數(shù)仍停留在同源序列擴(kuò)增和候選基因獲得水平，特別是還未發(fā)現(xiàn)對稻飛虱效果較好的內(nèi)源或外源基因，這嚴(yán)重制約了抗蟲水稻的研發(fā)與應(yīng)用。(2)缺乏高效、穩(wěn)定、安全、規(guī)模化的轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)。我國目前雖已初步建立了安全、高效的轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系，但規(guī)模小而分散，主要停留在實(shí)驗(yàn)室水平，與國外跨國公司大規(guī)模轉(zhuǎn)化水平相比，存在巨大差距;組織特異性或葉綠體轉(zhuǎn)化等新型、高效轉(zhuǎn)化技術(shù)進(jìn)展緩慢，多基因聚合轉(zhuǎn)化僅有初步研究;有效的配套育種技術(shù)體系還未建立，轉(zhuǎn)基因生物新品種培育效率偏低。(3)研究環(huán)節(jié)中的上、中、下游脫節(jié)，產(chǎn)業(yè)化能力薄弱。我國轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻研發(fā)主要集中在高校和國家級科研機(jī)構(gòu)，品種的培育和推廣則集中在地方農(nóng)業(yè)科研院所，他們之間缺乏有機(jī)聯(lián)系。這種研究機(jī)制使上、中、下游脫節(jié)，優(yōu)勢得不到有效互補(bǔ)，難以對我國轉(zhuǎn)基因研究成果進(jìn)行系統(tǒng)整合，致使研究成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化過程受阻，國際競爭力不足。(4)安全性評價研究相對滯后，檢測和監(jiān)測水平有待提高。雖然我國在轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的環(huán)境和食品安全性評價中已做了大量工作，建立了相應(yīng)的技術(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)，但考慮到水稻的主糧地位，與其他抗蟲作物相比，我們對轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的安全性評價更應(yīng)該采取嚴(yán)格和謹(jǐn)慎的態(tài)度。(5)公眾對轉(zhuǎn)基因技術(shù)及產(chǎn)品認(rèn)知度較低，科普宣傳有待提高。

4 我國水稻生產(chǎn)特點(diǎn)及對轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻種植的要求

目前，種植轉(zhuǎn)基因作物最多的國家是美國、巴西、阿根廷和加拿大。上述國家的農(nóng)業(yè)為集約化和規(guī)模化的種植模式，作物一般實(shí)行一年一熟免耕種植，這種種植模式有利于轉(zhuǎn)基因作物的布局和監(jiān)管(李云河等，2011)。而我國基本上是一家一戶式的微型家庭農(nóng)場種植模式，且推行多熟制增加復(fù)種指數(shù)和采用間作套種的模式來提高土地利用率、促進(jìn)作物高產(chǎn)、高效。這種種植模式?jīng)Q定了我國在轉(zhuǎn)基因作物種植技術(shù)上要求更加嚴(yán)格。從害蟲抗性治理的角度來說，高劑量/庇護(hù)所策略在西方集約化和規(guī)?；霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中易于推行和使用，但在以小農(nóng)經(jīng)濟(jì)種植經(jīng)營為主的中國很難實(shí)行。因此，對于高度雜食性害蟲的抗性治理，利用天然庇護(hù)所將是最佳選擇，我國轉(zhuǎn)Bt 基因棉花抗性成功治理的經(jīng)驗(yàn)也說明了這一點(diǎn)(Wu et al.，2002)。但水稻害蟲稻螟和稻飛虱均為寡食性害蟲，可供利用的天然庇護(hù)所非常少。因此，考慮到當(dāng)前庇護(hù)所實(shí)施的困難性，通過合理的作物布局來建立適合我國國情的庇護(hù)所策略是非常必要的，如轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻與抗除草劑或其他抗性性狀的轉(zhuǎn)基因水稻鄰作或間作，非抗蟲性狀水稻將作為抗蟲水稻的天然庇護(hù)所來延緩害蟲抗性發(fā)展。

5 轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻在我國的發(fā)展策略

針對全球轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的研發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)狀和我國抗蟲水稻研究中存在的問題和面臨的機(jī)遇，并結(jié)合我國水稻自身生產(chǎn)特點(diǎn)，提出了目前我國在轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻研發(fā)、安全評價及政府監(jiān)管方面的發(fā)展策略。

5.1 我國轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的研發(fā)策略

目前，我國轉(zhuǎn)基因水稻育種的戰(zhàn)略部署是以“轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專項(xiàng)”為主導(dǎo)，專項(xiàng)的發(fā)展目標(biāo)為:近期以發(fā)展并改良單一性狀的抗蟲、抗病和抗除草劑轉(zhuǎn)基因水稻為主;中期以發(fā)展兩個或兩個以上的抗性性狀轉(zhuǎn)基因水稻為主;遠(yuǎn)期以發(fā)展多基因、復(fù)合性狀的轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻為重點(diǎn)。鱗翅目害蟲二化螟、三化螟、大螟和稻縱卷葉螟一直為水稻上的重要害蟲，年均發(fā)生面積高達(dá)6.1 億畝次，且近幾年呈逐年遞增趨勢(黃世文，2010)。為有效治理螟蟲為害，我國科學(xué)家已先后培育出“華恢1 號”、“Bt 汕優(yōu)63”等多個抗蟲效果優(yōu)良的轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻品系，并由農(nóng)業(yè)部于2009年8月為其頒發(fā)了在湖北省生產(chǎn)應(yīng)用的安全證書;中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所與福建農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制的“科豐”系列雙價抗蟲水稻和浙江大學(xué)研制的“克螟稻”對鱗翅目害蟲也具有較好的控制效果，相關(guān)的生物安全性評價工作已經(jīng)完成，正在申請安全證書，這說明高抗螟蟲的Bt 水稻具有雄厚的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，應(yīng)作為重點(diǎn)、優(yōu)先培育對象。

稻飛虱及葉蟬類等同翅目害蟲的發(fā)生地位與稻螟基本相同，稻飛虱大多為遷飛性害蟲，可遠(yuǎn)距離遷飛危害，難以預(yù)測預(yù)防，經(jīng)常會突發(fā)成災(zāi)。如果抗鱗翅目昆蟲轉(zhuǎn)基因水稻得到推廣和應(yīng)用，殺蟲劑的使用勢必減少，可能會造成稻飛虱和葉蟬種群的猖獗危害。因此，抗稻飛虱品系的培育是保障抗螟蟲轉(zhuǎn)基因水稻可持續(xù)應(yīng)用的關(guān)鍵，也是繼螟蟲之后抗蟲水稻重點(diǎn)、優(yōu)先培育的領(lǐng)域。雖然目前報道已定位的水稻抗褐飛虱基因共27個，鑒定的與抗性相關(guān)的重要QTL 有50 多個(楊震等，2011)，但只有Bph14和Bph18 被克隆，且大多數(shù)抗性基因的定位精度較低，影響了目的基因的轉(zhuǎn)化效率。而且褐飛虱有多個生物型，極易發(fā)生變異，使抗性品種失去作用，所以我國抗稻飛虱轉(zhuǎn)基因水稻的研發(fā)仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

為開辟新的育種途徑，拓展轉(zhuǎn)基因作物的功能，提高資源利用率和當(dāng)前市場的需求，發(fā)展植保、功能和專用特性相結(jié)合的多基因、復(fù)合性狀的轉(zhuǎn)基因水稻是未來發(fā)展的必然趨勢。2011年，12個國家種植了復(fù)合兩種或三種性狀的轉(zhuǎn)基因作物，占全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積的26%(James，2011)。美國種植的轉(zhuǎn)基因作物中有41%同時具備抗蟲和耐除草劑性狀，轉(zhuǎn)入八個基因的玉米SmartstaxTM同時擁有多種抗蟲和耐除草劑性狀(James，2010)。從害蟲抗性管理的角度來看，研究具有不同抗蟲性狀的轉(zhuǎn)基因作物對延緩害蟲抗性具有重要作用。在多基因抗蟲水稻中，每個基因的作用方式不同，故抗性治理只需較小的庇護(hù)所，且應(yīng)用時間更持久。除轉(zhuǎn)cry1Ac+CpTI和轉(zhuǎn)GNA+SbTI 基因水稻研究較為成熟外，其它多基因抗蟲水稻如cry1Ab+cry1C，cry1Ab+cry2A，cry1Ac+cry2A，cry2A+cry1C和cry1Ab+vip3H+G6－epsps 仍在研究階段(Chen et al.，2011)。不可否認(rèn)，它們的成功研制將極大地促進(jìn)了我國轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

與此同時，作為產(chǎn)業(yè)儲備項(xiàng)目，我們還必須加強(qiáng)對新的Bt 及植物源抗蟲基因的挖掘和利用研究，以防抗性種質(zhì)資源過分單一而出現(xiàn)抗蟲性喪失的問題。一般認(rèn)為，微效多基因的利用有助于保持水稻對稻飛虱的持久抗性。因此，育種工作者可充分利用含抗性基因的野生稻‘突變體資源'加強(qiáng)對稻飛虱內(nèi)源新抗性基因的發(fā)掘與利用(楊震等，2011)。除進(jìn)行內(nèi)源基因發(fā)掘外，一些抗蟲效果優(yōu)良的外源基因的利用也是非常必要的。在轉(zhuǎn)基因操作技術(shù)方面，我國應(yīng)建立和完善高效的基因表達(dá)調(diào)控技術(shù);發(fā)掘適于不同轉(zhuǎn)基因需求的啟動子元件;構(gòu)建具有自主知識產(chǎn)權(quán)和應(yīng)用價值的新型轉(zhuǎn)化載體，提高外源基因表達(dá)水平;開發(fā)適合農(nóng)桿菌介導(dǎo)法的多基因聚合轉(zhuǎn)化技術(shù)，建立規(guī)模化轉(zhuǎn)基因體系;將轉(zhuǎn)基因育種與常規(guī)育種、分子標(biāo)記輔助育種等技術(shù)緊密結(jié)合，大規(guī)模創(chuàng)建遺傳穩(wěn)定性好的轉(zhuǎn)基因新材料，培育作物新品種。

5.2 我國轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻安全性評價的發(fā)展策略

轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻最受關(guān)注的生態(tài)風(fēng)險是害蟲抗性，它決定著抗蟲水稻的使用壽命。因此，在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用之前，靶標(biāo)害蟲對外源殺蟲基因的抗性風(fēng)險評價應(yīng)貫穿整個研發(fā)過程。在室內(nèi)建立抗性汰選品系，通過繼代汰選、抗性遺傳力測定、抗性預(yù)測系統(tǒng)評價害蟲的抗性風(fēng)險;在轉(zhuǎn)基因水稻環(huán)境釋放地，長期監(jiān)測靶標(biāo)害蟲抗性基因頻率的變化，建立抗性風(fēng)險評估模型。產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用之后，應(yīng)建立靶標(biāo)害蟲早期抗性的監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)。同時，針對我國水稻生產(chǎn)的實(shí)際情況和靶標(biāo)害蟲的取食特點(diǎn)，建立相應(yīng)的害蟲抗性管理策略，具體措施包括:(1)針對水稻產(chǎn)區(qū)害蟲的發(fā)生特點(diǎn)制定科學(xué)的生產(chǎn)種植和病蟲害綜合防治策略;(2)建立健全抗蟲水稻商業(yè)化監(jiān)測體系，保障農(nóng)民種植高水平、穩(wěn)定表達(dá)殺蟲蛋白的抗蟲水稻，根據(jù)害蟲種群結(jié)構(gòu)變化動態(tài)和靶標(biāo)害蟲抗性演化趨勢，調(diào)整害蟲綜合防治措施;(3)通過合理的作物布局和頂層設(shè)計(jì)，將非抗蟲性狀水稻作為抗蟲水稻的庇護(hù)所，延緩害蟲抗性發(fā)展;(4)研發(fā)并應(yīng)用具有不同作用機(jī)制的雙價和多價抗蟲水稻，增強(qiáng)抗蟲效率和擴(kuò)大殺蟲譜，同時并作為替代產(chǎn)品適時推出(彭于發(fā)等，2011)

多基因、復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因抗蟲新品種的出現(xiàn)要求建立與之相同步的環(huán)境安全評價技術(shù)。與單個抗蟲性狀不同的是，復(fù)合性狀抗蟲作物涉及多個轉(zhuǎn)基因，基因之間可能存在非關(guān)聯(lián)、關(guān)聯(lián)、代謝等相互作用關(guān)系，可能引發(fā)協(xié)同效應(yīng)。因此，復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因植物的安全性評價應(yīng)考慮轉(zhuǎn)基因性狀間的關(guān)聯(lián)和互作。目前，我國現(xiàn)有的法規(guī)體系主要針對單性狀轉(zhuǎn)基因作物，對于復(fù)合性狀還沒有統(tǒng)一的安全評價原則和方法，這勢必影響我國轉(zhuǎn)基因作物的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。隨轉(zhuǎn)基因技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，新功能、新用途、多基因復(fù)合性狀抗蟲水稻新品種將不斷涌現(xiàn)，建立適合我國國情的轉(zhuǎn)基因水稻環(huán)境安全評價體系將是一項(xiàng)非常重要而迫切的任務(wù)。

5.3 政府層面的監(jiān)管、決策與宣傳

政府是社會行為的主體，它的參與、協(xié)調(diào)和引導(dǎo)將對我國抗蟲作物的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要推動作用。為有效延緩害蟲抗性發(fā)展，政府在品種審批和作物布局方面應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)，嚴(yán)禁批復(fù)具有相同作用機(jī)制的抗蟲水稻的商業(yè)化應(yīng)用，積極推動多基因、復(fù)合性狀抗蟲水稻的研發(fā)和應(yīng)用;避免同一抗蟲基因/機(jī)制轉(zhuǎn)基因水稻的鄰作或連作。對水稻種子市場進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)管，嚴(yán)禁殺蟲蛋白低劑量表達(dá)的抗蟲水稻種子進(jìn)入市場。

由于我國研發(fā)過程中的上、中、下游脫節(jié)，優(yōu)勢得不到有效互補(bǔ)，難以對轉(zhuǎn)基因研究成果進(jìn)行系統(tǒng)整合及轉(zhuǎn)化，產(chǎn)業(yè)化過程受阻。建議從政府層面，進(jìn)行引導(dǎo)和協(xié)調(diào)，鼓勵大型企業(yè)早期介入，逐步成為轉(zhuǎn)基因作物研發(fā)、投入和開發(fā)的主體，提高我國轉(zhuǎn)基因技術(shù)產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。

為消除公眾對轉(zhuǎn)基因技術(shù)和產(chǎn)品的疑慮和恐慌，增進(jìn)其對國家生物技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略的了解和對轉(zhuǎn)基因技術(shù)的認(rèn)知，政府應(yīng)積極擴(kuò)大與公眾間的信息交流，牽頭組織并開展形式多樣的科普宣傳活動，為公眾解疑釋惑，引導(dǎo)公眾科學(xué)、理性地對待轉(zhuǎn)基因技術(shù)，積極創(chuàng)造有利轉(zhuǎn)基因技術(shù)發(fā)展的輿論氛圍。

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