轉(zhuǎn)基因(Bn-csRRM2)高產(chǎn)棉花的荒地生存競(jìng)爭(zhēng)能力

馬小艷，彭 軍，姜偉麗，馬亞杰，馬 艷

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 安陽(yáng)455000

作物高產(chǎn)是農(nóng)業(yè)科技工作者長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。前人研究發(fā)現(xiàn)，水稻開花控制基因FCA 的RNA 識(shí)別基序(RNA recognition motif，RRM)過量表達(dá)具有增大細(xì)胞和提高產(chǎn)量的功能(Hong et al.，2007);同時(shí)，在油菜Brassica napus L.中過量表達(dá)油菜FCA的第2 個(gè)RRM 結(jié)構(gòu)域基因(Bn-csRRRM2)也表現(xiàn)出細(xì)胞和整個(gè)植株的增大(孫凡，2010)。這說(shuō)明FCA-RRM2 可能參與細(xì)胞大小的調(diào)控，同時(shí)，其在進(jìn)化過程中表現(xiàn)出高度的保守性。Sun et al.(2012)將Bn-csRRRM2 基因轉(zhuǎn)入棉花獲得的轉(zhuǎn)基因棉花，與受體材料相比表現(xiàn)出植株和多種器官體積的增大，同時(shí)棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)顯著提高，使其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

然而，轉(zhuǎn)基因作物在給人類帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的同時(shí)，其對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境可能造成的影響越來(lái)越受到人們的關(guān)注(宋新元等，2011;Andow ＆ Zwahlen，2006)。對(duì)轉(zhuǎn)基因作物進(jìn)行環(huán)境安全性評(píng)價(jià)是其商業(yè)化種植之前的一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)內(nèi)容，其中，轉(zhuǎn)基因作物的荒地生存競(jìng)爭(zhēng)能力，即其轉(zhuǎn)變?yōu)殡s草的可能性，是轉(zhuǎn)基因作物環(huán)境安全性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一(劉娜等，2006;James，1996)。近年來(lái)，人們依據(jù)農(nóng)業(yè)部953 號(hào)公告(中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部，2007)，對(duì)多種轉(zhuǎn)基因棉花的荒地生存能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)雙價(jià)抗黃萎病基因(Glu+Chi)棉、轉(zhuǎn)雙價(jià)抗蟲基因(cry1Ac +cry2Ab)棉和轉(zhuǎn)基因(EPSPS+cry1Ac)抗草甘膦抗蟲棉在與雜草的競(jìng)爭(zhēng)中均處于弱勢(shì)，生長(zhǎng)勢(shì)、種子活力及越冬能力等方面與非轉(zhuǎn)基因植株差別不大，不能繁殖傳代，無(wú)雜草化風(fēng)險(xiǎn)(馬小艷等，2013;王振宇等，2010;張興華等，2011、2012)。

本文以轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉為研究對(duì)象，依據(jù)農(nóng)業(yè)部953 號(hào)公告，對(duì)其荒地生存競(jìng)爭(zhēng)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉的推廣應(yīng)用及轉(zhuǎn)基因棉花環(huán)境安全評(píng)價(jià)技術(shù)的完善提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為轉(zhuǎn)基因(Bn-csRRRM2)高產(chǎn)棉HN9311，受體材料中棉所12(CK1)及當(dāng)?shù)刂髟云贩N轉(zhuǎn)基因(Bt+CpTI)抗蟲棉中棉所79(CK2)為對(duì)照品種，均由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所育種研究室提供。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)于2013年在河南安陽(yáng)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)的雜草圃中進(jìn)行。試驗(yàn)品種和對(duì)照品種各設(shè)4 個(gè)處理:分別于4月25日和5月25日播種，播種方式均為地表撒播和3 cm 深度點(diǎn)播2 種。每個(gè)小區(qū)播種40 粒種子，播種后未進(jìn)行任何栽培管理。每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)，隨機(jī)排列，小區(qū)面積為1.6 m×3 m。

雜草調(diào)查:棉花播種前目測(cè)每個(gè)小區(qū)內(nèi)雜草的覆蓋度，即小區(qū)內(nèi)全部雜草投影所覆蓋小區(qū)面積的百分比。以后每隔1 個(gè)月調(diào)查1 次雜草覆蓋度，至9月底結(jié)束。

棉花存活率及生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)查:棉花播種后每隔1 個(gè)月詳細(xì)調(diào)查各小區(qū)的棉花株數(shù)，隨機(jī)測(cè)量10 株棉花的株高、莖直徑、果枝數(shù)、蕾鈴數(shù)等生育指標(biāo);若小區(qū)內(nèi)棉株少于10 株，則測(cè)量所有棉花的生育指標(biāo)，至9月底結(jié)束。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS 13.0 軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析(One-way analysis，ANOVA)和Duncan's 差異顯著性分析，檢驗(yàn)同一時(shí)期不同小區(qū)內(nèi)雜草發(fā)生情況的差異，以及棉花生長(zhǎng)參數(shù)在不同品種之間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 雜草發(fā)生情況

經(jīng)Duncan's 差異顯著性分析，2 種播種方式下，同一時(shí)期不同處理區(qū)間雜草的覆蓋度無(wú)顯著性差異(表1)，且雜草覆蓋度在整個(gè)調(diào)查期內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。4月底和5月底播種時(shí)，絕大多數(shù)雜草處于苗期，植株矮小，雜草平均覆蓋度為30.0% ～65.0%，至7月底已達(dá)到100%，最終形成以小飛蓬Conyza canadensis (L.)Cronq.、狗尾草Setaira viridis (L.)Beauv.、馬唐Digitaria sanguinalis (L.) Scop.和 女 菀 Turczaninowia fastigiata(Fisch.)DC.為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種的雜草群落。

2.2 4月底播種競(jìng)爭(zhēng)能力表現(xiàn)

2.2.1 存活率 調(diào)查結(jié)果(表2)顯示，4月底播種，撒播方式下棉花的出苗率高于深播，但2 種播種方式下棉花均延緩出苗，撒播方式下5月底仍未見棉花出苗。這主要是由于4月份降雨量較少，土壤干旱不利于棉花出苗，5月底至6月初的降雨促進(jìn)了棉花的萌發(fā)。同一播種方式下，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花的存活率略高于受體材料，但兩者差異不顯著;而轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花的存活率顯著高于當(dāng)?shù)刂髟詫?duì)照品種中棉所79。上述結(jié)果表明，荒地4月底撒播和深播棉種，在不進(jìn)行任何栽培管理的情況下，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花的存活率與受體材料和對(duì)照品種相比具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

表1 2 種播種方式下小區(qū)雜草的覆蓋度Table 1 Weed coverage in each district by two sowing patterns %

表2 2 種播種方式下棉花在荒地中的存活率Table 2 Cotton survival rates under two sowing patterns in non-cultivated land %

2.2.2 營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 由表3可以看出，若4月底播種，同一播種方式下，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花與兩對(duì)照品種相比，株高和莖直徑均無(wú)顯著差異。從7月底至9月底，由于雜草的蔭蔽作用，棉花生長(zhǎng)緩慢，株高和莖直徑無(wú)明顯增加。這說(shuō)明荒地4月底撒播和深播棉種，在不進(jìn)行任何栽培管理的情況下，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與受體材料和對(duì)照品種相比無(wú)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在雜草的蔭蔽下，3 個(gè)品種在荒地中均生長(zhǎng)緩慢，至9月底，棉花平均株高僅為9.7 ～32.9 cm，莖直徑僅為1.9 ～4.7 mm。

2.2.3 生殖生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 4月底撒播方式下，至8月底，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花和對(duì)照品種中棉所79 仍未見果枝和蕾鈴，僅見1 株受體材料有3 臺(tái)果枝和3個(gè)花蕾。至9月底，3 個(gè)品種的個(gè)別植株均長(zhǎng)出果枝，但果枝數(shù)較少，僅1 ～5 臺(tái)，平均果枝數(shù)小于0.3臺(tái)·株－1;轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花未見花蕾，僅有1 株上見1 個(gè)大鈴;同時(shí)，兩對(duì)照品種的花蕾數(shù)也較少，平均為0.2 ～0.3 個(gè)·株－1，僅有1 株受體材料上有1個(gè)小鈴(棉鈴未出苞葉)，無(wú)吐絮表現(xiàn)，而中棉所79未見棉鈴(表4)。

由表4可見，同一時(shí)期同一品種深播處理的棉花比撒播處理生育進(jìn)程略快。至8月底，深播方式下，除對(duì)照品種中棉所79 無(wú)果枝、蕾鈴?fù)?，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花和受體材料均長(zhǎng)出果枝和花蕾，但數(shù)量均較少，此時(shí)3 個(gè)品種均未見棉鈴。至9月底，中棉所79 仍無(wú)果枝和蕾鈴，而轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花和其受體材料的部分植株長(zhǎng)出果枝，但果枝數(shù)較少，平均果枝數(shù)小于0.5 臺(tái)·株－1;雖然轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花和其受體材料的蕾鈴數(shù)多于撒播處理，但是僅見轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花有2 株棉花各有1 個(gè)吐絮鈴，且棉鈴較小，直徑僅2 cm 左右，棉籽發(fā)育不成熟，不能正常發(fā)芽繁殖。

上述結(jié)果表明，4月底撒播和深播2 種方式下，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉與其受體材料和當(dāng)?shù)刂髟悦尴啾?，生殖生長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)不明顯，在不進(jìn)行任何栽培管理的環(huán)境下，無(wú)變?yōu)殡s草的可能性。

表3 2 種播種方式下棉花的株高和莖直徑Table 3 Cotton height and stem diameter under two sowing patterns

表4 2 種播種方式下棉花的果枝數(shù)、花蕾數(shù)和鈴數(shù)Table 4 The number of sympodial branch，bud and boll under two sowing patterns

2.3 5月底播種競(jìng)爭(zhēng)能力表現(xiàn)

2.3.1 存活率 5月底播種時(shí)，降雨量較大，土壤濕度大，有利于棉花的出苗，因此，5月底播種的棉花出苗情況好于4月底播種(表2)。撒播和深播方式下，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花與受體材料的存活率均(顯著)高于對(duì)照品種中棉所79。隨著雜草生長(zhǎng)對(duì)棉花的蔭蔽作用，3 個(gè)品種的存活率整體略呈下降趨勢(shì)，但下降程度不大，至9月底，2 種播種方式下，棉花的存活率仍在50%左右。這說(shuō)明荒地5月底撒播和深播棉種，在不進(jìn)行任何栽培管理的情況下，與當(dāng)?shù)刂髟云贩N相比，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花及其受體材料具有一定的存活競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.3.2 營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 同一時(shí)期，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花與受體材料的株高和莖直徑相當(dāng)，均大于對(duì)照品種中棉所79，但3 個(gè)品種間差異不顯著(表3)。這說(shuō)明外源高產(chǎn)基因的導(dǎo)入并未提高受體材料營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，但荒地5月底撒播和深播棉種，在不進(jìn)行任何栽培管理的情況下，與當(dāng)?shù)刂髟詫?duì)照品種相比，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花及其受體材料具有營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.3.3 生殖生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 由表4可見，至8月底，撒播和深播2 種方式下，3 個(gè)品種均長(zhǎng)出果枝和花蕾;但轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花及其受體材料的果枝數(shù)和花蕾數(shù)要多于對(duì)照品種中棉所79，但三者間差異不顯著;此時(shí)除地表撒播方式下常規(guī)品種未見棉鈴?fù)?，其余處理均見棉鈴。?月底，撒播方式下，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉及其受體材料的棉鈴數(shù)均有所增多，對(duì)照品種部分植株也長(zhǎng)出棉鈴。上述結(jié)果表明，5月底撒播和深播2 種方式下，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉與其受體材料和當(dāng)?shù)刂髟云贩N相比，生殖生長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)不明顯，在不進(jìn)行任何栽培管理的環(huán)境下，無(wú)變?yōu)殡s草的可能性。

3 討論

植物的“雜草化”是指自然生長(zhǎng)或人工栽培的植物，在新的人工生境中自然繁殖其種群并表現(xiàn)一定的生存競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，從而轉(zhuǎn)變成雜草的演化過程。轉(zhuǎn)基因作物因通過基因工程手段獲得新性狀，其環(huán)境適應(yīng)能力和生存競(jìng)爭(zhēng)力可能發(fā)生改變，從而增加了作物演化成雜草的風(fēng)險(xiǎn)(錢迎倩和馬克平，1998;強(qiáng)勝等，2010)。評(píng)估轉(zhuǎn)基因作物和相應(yīng)非轉(zhuǎn)基因?qū)φ掌贩N的生存競(jìng)爭(zhēng)能力的強(qiáng)弱，如生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖能力、傳播方式和傳播能力、休眠期及生態(tài)適應(yīng)性等指標(biāo)，是判斷植物是否具有雜草化潛力的主要方法。在相同環(huán)境條件下，競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)的植物較易在棲息地占據(jù)生存空間，并入侵和改變棲息地環(huán)境，最終演變?yōu)殡s草。

本研究通過比較轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花與其受體材料和當(dāng)?shù)刂髟云贩N在同一荒地環(huán)境中的存活、生長(zhǎng)和繁殖情況，評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花的荒地生存競(jìng)爭(zhēng)能力，進(jìn)而判斷轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花的雜草化風(fēng)險(xiǎn)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，荒地4月底和5月底撒播和深播棉種，在不進(jìn)行任何栽培管理的情況下，與對(duì)照品種相比，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉花的存活率具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。從中后期棉花生長(zhǎng)來(lái)看，2 種播種方式下轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉和2 個(gè)對(duì)照品種的長(zhǎng)勢(shì)均較弱，表現(xiàn)為生長(zhǎng)緩慢，植株矮小，生育期延遲，無(wú)吐絮鈴。因此，不同時(shí)期不同播種方式下，轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)棉在荒地?zé)o競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，不能繁殖傳代，不存在雜草化風(fēng)險(xiǎn)。劉娜，李蔥蔥，徐文靜，董英山.2006.轉(zhuǎn)基因作物環(huán)境安全性研究進(jìn)展.分子植物育種，4(1):9－14.馬小艷，馬艷，彭軍，姜偉麗，馬亞杰.2013.轉(zhuǎn)基因抗草甘膦抗蟲棉的荒地生存競(jìng)爭(zhēng)能力.生物安全學(xué)報(bào)，22(2):103－108.錢迎倩，馬克平.1998.經(jīng)遺傳修飾生物體的研究進(jìn)展及其釋放后對(duì)環(huán)境的影響.生態(tài)學(xué)報(bào)，18(1):1－9.強(qiáng)勝，宋小玲，戴偉民.2010.抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)及其發(fā)展策略.農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào)，18(1):114－125.宋新元，張欣芳，于壯，李新海，張明.2011.轉(zhuǎn)基因植物環(huán)境安全評(píng)價(jià)策略.生物安全學(xué)報(bào)，20(1):37－42.孫凡.2010.水稻OsPDCD5 基因的功能研究和應(yīng)用及油菜csRRM2 結(jié)構(gòu)域在棉花中的功能鑒定.杭州:浙江大學(xué).王振宇，蔣媛媛，馬奇祥，崔小偉，婁永尚，趙輝.2010.轉(zhuǎn)抗病基因棉花荒地生存競(jìng)爭(zhēng)能力研究.河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，(10):51－52，120.張興華，田紹仁，喬艷艷，李捷，楊兆光.2011.轉(zhuǎn)雙價(jià)抗病基因棉花在荒地生存的競(jìng)爭(zhēng)能力研究.江西棉花，33(1):42－50.張興華，田紹仁，張?zhí)煊?，李捷，喬艷艷.2012.轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab 基因棉與轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS 基因棉荒地的生存競(jìng)爭(zhēng)能力.生物安全學(xué)報(bào)，21(2):119－124.中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部.2007.農(nóng)業(yè)部953 號(hào)公告—12.2—2007(轉(zhuǎn)基因植物及其產(chǎn)品環(huán)境安全檢測(cè) 抗蟲棉花第2 部 分:生 存 競(jìng)爭(zhēng) 能力).http://www.moa.gov.cn/zwllm/tzgg/gg/200801/t20080110_952066.htm.

Andow D A and Zwahlen C.2006.Assessing environmental risks of transgenic plants.Ecology Letters，9:196－214.

Hong F，Attia K，Wei C，Li K，He G，Su W，Zhang Q，Qian X and Yang J.2007.Overexpression of the rFCA RNA recognition motif affects morphologies modifications in rice(Oryza sativa L.).Bioscience Reports，27:225－234.

James K.1996.Could transgenic super crops one day breed super weeds.Science，274:180－181.

Sun F，Liu C，Zhang C，Qi W，Zhang X，Wu Z，Kong D，Wang Q，Shang H，Qian X，Li F and Yang J.2012.A conserved RNA recognition motif (RRM)domain of Brassica napus FCA improves cotton fiber quality and yield by regulating cell size.Molecular Breeding，30:93－101.