轉(zhuǎn)基因與生物安全

魏偉，馬克平

卷首文摘

轉(zhuǎn)基因與生物安全

魏偉，馬克平

轉(zhuǎn)基因技術(shù)在轉(zhuǎn)基因作物的商業(yè)化生產(chǎn)上取得了巨大成功，轉(zhuǎn)基因作物的種植面積逐年擴(kuò)大。轉(zhuǎn)基因植物的大規(guī)模應(yīng)用在為研發(fā)公司創(chuàng)造了不凡價值的同時，也為農(nóng)民帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)利益。例如有研究認(rèn)為，轉(zhuǎn)基因抗除草劑作物的種植為種植戶帶來了不少利益，降低了除草劑的用量，也因為免耕對環(huán)境有一定的友好性，能夠創(chuàng)造一定的環(huán)境效益。然而事實卻并非如此，Bonny發(fā)現(xiàn)，隨著草甘膦除草劑抗性的轉(zhuǎn)基因植物大規(guī)模種植，全球范圍內(nèi)草甘膦除草劑的的用量大幅增加，在美國，大豆（Glycine max）上使用的除草劑總量和單位面積施用量自轉(zhuǎn)基因抗除草劑大豆釋放以來不斷增加，而棉花（Gossypium hirsutum）和玉米（Zea mays）上單位面積上草甘膦使用量也是不斷增加的。由于持續(xù)和大量的單一除草劑施用，有多種雜草已經(jīng)進(jìn)化出對草甘膦除草劑的抗性。

可以看出，轉(zhuǎn)基因作物的大面積商業(yè)化生產(chǎn)確實能夠為生產(chǎn)者和開發(fā)者帶來豐厚的利益和利潤，但是目前尚無任何能夠增加產(chǎn)量和提高質(zhì)量的轉(zhuǎn)基因作物，為消費(fèi)者帶來的可能只是廉價的商品。轉(zhuǎn)基因生物的安全性尚需要科學(xué)研究的證明，面對其帶來的環(huán)境和健康風(fēng)險，需要認(rèn)真分析，審時度勢，在風(fēng)險評價中采取預(yù)先防范原則，以安全性為首要選項，盡量避免不得不面對“兩害相權(quán)取其輕”的情況出現(xiàn)，采取有效的措施，在充分發(fā)揮轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)作用的同時，妥善管理和防范安全風(fēng)險，保證生物安全。

對于轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)安全性的研究，可追溯至20世紀(jì)80年代重組DNA技術(shù)的發(fā)展之初?？梢哉f國際上關(guān)于生物安全的研究和爭論一直伴隨著轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過多年的實驗和實踐，有一些在該技術(shù)發(fā)展之初就擔(dān)心出現(xiàn)的風(fēng)險，到今天已經(jīng)變成了事實。例如由于大規(guī)模種植抗蟲棉，棉鈴蟲（Helicoverpa armigera）種群被抑制，但其空余出來的生態(tài)位被非靶標(biāo)害蟲——盲椿蟓（Heteroptera: Miridae）侵占，田間的殺蟲劑用藥量也在增加。在轉(zhuǎn)基因作物釋放的早期就有很多研究者對此發(fā)出了警告。

如今，在中國，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的種植面積比例已經(jīng)超過90%，傳統(tǒng)的棉花已經(jīng)很少見。很多復(fù)合抗性和多價抗性轉(zhuǎn)基因作物也在研發(fā)之中，這些多價轉(zhuǎn)基因品種的生物安全評價將面臨缺少非轉(zhuǎn)基因?qū)φ盏木經(jīng)r，很可能不得不采用單價轉(zhuǎn)基因或其他類型的植物做參考。隨著氣候變遷、環(huán)境變化，轉(zhuǎn)基因作物的釋放環(huán)境將可能有巨大變動，也就是說存在一定的不確定性，這也可能為安全評價和管理帶來挑戰(zhàn)。因此，需要及時回顧轉(zhuǎn)基因作物在應(yīng)用中已經(jīng)發(fā)生的風(fēng)險，為預(yù)知未來的風(fēng)險提供理論和實踐借鑒，避免轉(zhuǎn)基因生物的利用帶來不利的生物安全問題。

1　轉(zhuǎn)基因逃逸及其影響

轉(zhuǎn)基因作物與非轉(zhuǎn)基因作物或其近緣種的基因交流能夠造成轉(zhuǎn)基因在自然界中的擴(kuò)散和逃逸。轉(zhuǎn)基因作物在收獲后其種子散落田間地頭，形成轉(zhuǎn)基因土壤種子庫，在隨后的生長季節(jié)萌發(fā)生長，形成自播植物。據(jù)報道，由于長期種植轉(zhuǎn)基因抗除草劑油菜（Brassica napus），抗性的油菜自播植物成為難以控制的田間雜草，尤其是在轉(zhuǎn)基因抗除草劑的大豆和玉米田間。轉(zhuǎn)基因作物收獲后，大量種子在運(yùn)輸過程中散落，可形成自播植物，成為轉(zhuǎn)基因進(jìn)一步擴(kuò)散的來源。

通過花粉的傳播，轉(zhuǎn)基因作物可以污染其他同種的非轉(zhuǎn)基因作物，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。例如，墨西哥政府于2001年報告說Oaxaca州的玉米受到一種沒有被批準(zhǔn)在墨西哥種植的轉(zhuǎn)基因Bt玉米的污染。隨后，《Nature》發(fā)表了墨西哥玉米受到轉(zhuǎn)基因污染的分子證據(jù)。然而，在有關(guān)壓力下《Nature》撤回了文章?？茖W(xué)家對2001年的樣品進(jìn)行了重新分析，并在2004年重新取樣進(jìn)行檢測，給出了地方品種受污染的新證據(jù)。Worthy等人認(rèn)為，由于發(fā)表研究結(jié)果而受到威脅，是生物技術(shù)公司及轉(zhuǎn)基因技術(shù)的支持者不遺余力地維護(hù)其自身利益的表現(xiàn)，這也是我們在科學(xué)研究和管理中應(yīng)該竭力避免的。

轉(zhuǎn)基因作物與其野生親緣種之間的雜交種是轉(zhuǎn)基因作物與其野生親緣種間基因流動的證據(jù)。雜交種和轉(zhuǎn)基因在自然界中的生存適應(yīng)能力的大小差異，可能會引起轉(zhuǎn)基因在自然界中的進(jìn)一步擴(kuò)散。Warwick等人在加拿大抗除草劑油菜田附近收集其野生親緣種——野生蕪菁（B.rapa），發(fā)現(xiàn)了一株具有抗性的野生蕪菁，其染色體倍性與野生親本完全一致，為二倍體，且其后代有抗性和敏感個體的分離，抗性個體也是二倍體。預(yù)示著抗除草劑的外源基因已經(jīng)在野生種群中整合和固定，這種固定在生態(tài)學(xué)上有重要意義。

中國是大豆、水稻和油菜這三種作物的起源中心，在野外存在著野生近緣植物。野生大豆是大豆的野生近緣種，是重要的育種資源。國內(nèi)栽培大豆與野生大豆間的基因交流已有報道，半野生大豆的出現(xiàn)可能就是這種基因交流的結(jié)果。攜帶外源轉(zhuǎn)基因的大豆大面積釋放，可能會導(dǎo)致外源基因?qū)σ吧蠖官Y源的污染和危害。已有研究證明，轉(zhuǎn)基因水稻和油菜與其野生近緣種能在自然條件下發(fā)生基因交流，并且轉(zhuǎn)基因在雜交種中的存在并不一定帶來適合度代價；而在某些條件下，轉(zhuǎn)基因在雜回交后代的表達(dá)還能提高植物的適合度。Cao等人研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因抗蟲油菜與野生芥菜（B.juncea）的雜回交后代中轉(zhuǎn)基因能夠正常表達(dá)，具有跟轉(zhuǎn)基因油菜親本同樣的殺蟲活性，而且其形態(tài)也逐漸接近野生親本，不易與野生親本區(qū)分，轉(zhuǎn)基因與其野生近緣種間雜交種的命運(yùn)需要長期的監(jiān)測研究。

可以通過一些手段來阻斷轉(zhuǎn)基因的逃逸與擴(kuò)散，例如通過物理隔離阻斷轉(zhuǎn)基因花粉的擴(kuò)散。然而，花粉的擴(kuò)散距離與轉(zhuǎn)基因作物的種植面積有關(guān)，而當(dāng)傳粉昆蟲參與到花粉傳播中時，其距離能夠達(dá)到1～2 km。通常，玉米和水稻被認(rèn)為是風(fēng)媒植物，但研究表明蟲媒在水稻和玉米花粉傳播中也起到一定的作用。有研究認(rèn)為也可以調(diào)整種植時間，使轉(zhuǎn)基因作物與周圍的植物花期不遇，從而避免基因交流。但是絕對的花期不遇無法做到，過分強(qiáng)調(diào)花期不遇則可能會影響到作物本身的產(chǎn)量。在分子水平上有一些阻斷基因流的建議和應(yīng)用，例如將轉(zhuǎn)基因插入葉綠體基因組和使用雄性不育的品系，然而Ford等人通過分析栽培油菜野生近緣種蕪菁種群的葉綠體基因組，認(rèn)為使用葉綠體轉(zhuǎn)基因技術(shù)或雄性不育技術(shù)只能將基因流降低77%～98.5%，并不能保證完全阻斷轉(zhuǎn)基因的擴(kuò)散。因此，目前在技術(shù)上還難以阻斷轉(zhuǎn)基因通過基因流擴(kuò)散的途徑。

2　對非靶標(biāo)生物的影響

轉(zhuǎn)基因作物釋放到環(huán)境中以后，會與環(huán)境中的其他生物發(fā)生相互作用。在這方面一個很著名的例子就是轉(zhuǎn)基因Bt玉米花粉對黑脈金斑蝶（Danaus plexippus）幼蟲的致死作用?！禢ature》的這篇報道一經(jīng)發(fā)表，引起了科技界的震動，為了驗證這個結(jié)果，很多研究者開展了相關(guān)研究。根據(jù)研究結(jié)果，Bt玉米花粉對黑脈金斑蝶幼蟲的不利影響取決于玉米花粉中Bt蛋白含量和田間馬利筋（Asclepias curassavica）植物葉片上的花粉密度。研究表明，當(dāng)時只有個別的轉(zhuǎn)基因材料（如已被淘汰的Novatis公司176Bt玉米）花粉中Bt蛋白的含量足以殺死蝴蝶幼蟲，而其他單價Bt玉米材料（如Mon810和Bt-11）花粉中Bt蛋白的含量可能不足以對蝴蝶幼蟲產(chǎn)生影響。但是，表達(dá)六種Bt蛋白的多價抗蟲玉米品種（SmartStax）花粉中Bt蛋白的含量大約為200 μg/g干重，足以殺死蝴蝶幼蟲。而且，黑脈金斑蝶畢竟是鱗翅目的昆蟲，低量的Bt蛋白至少會對幼蟲產(chǎn)生潛在的亞致死或長期影響。

Rosi-Marshall等發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因玉米地附近的河流會把玉米的花粉、葉片或殘枝帶進(jìn)農(nóng)田水系，對水生生物如石蛾（Lepidostoma liba）產(chǎn)生不利影響。該研究也引起巨大反響，批評者認(rèn)為由于Rosi-Marshall等人的研究沒有合適的非轉(zhuǎn)基因?qū)φ?，很可能是玉米不同品種的成分含量不同導(dǎo)致對水生昆蟲的不利影響。但是，研究人員于2010年再次報道了Bt玉米對水生昆蟲石蛾的不利影響，認(rèn)為在人工干擾比較大的退化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，由于干擾因素多，有時在實驗室檢測到的單一的Bt蛋白影響的差異在野外不一定能檢測到。研究者也在河流中檢測到Bt蛋白的存在（平均為14 ng/L，最高達(dá)32 ng/L）。轉(zhuǎn)基因材料擴(kuò)散到農(nóng)田水系的途徑是清晰的，其可能產(chǎn)生的生態(tài)學(xué)影響需要深入的研究。另外植食性昆蟲取食轉(zhuǎn)基因材料后，其體內(nèi)就會有轉(zhuǎn)基因產(chǎn)物的殘留，而昆蟲天敵再捕食或寄生這樣的昆蟲后，昆蟲天敵的生長發(fā)育也有可能受到影響。

轉(zhuǎn)基因作物對小型哺乳動物的影響是目前研究關(guān)注的另一焦點，而研究者對研究結(jié)果的解釋決定著轉(zhuǎn)基因作物是否有不利影響的結(jié)論。Séralini等人研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因玉米更易導(dǎo)致大鼠患腫瘤死亡，許多人對這一研究提出了質(zhì)疑，認(rèn)為該研究的樣本量太小且沒有做統(tǒng)計學(xué)分析。但與以往的轉(zhuǎn)基因安全研究相比，該研究在時間上持續(xù)了2年，是前所未有的；并且，該研究在轉(zhuǎn)基因組與非轉(zhuǎn)基因組的同時，還添加了除草劑組，這是非?？茖W(xué)的。雖然備受爭議，但該研究無疑是有科學(xué)意義的，至少提出了科學(xué)問題和研究方向。該2012年發(fā)表的論文被原發(fā)刊物撤稿，但在2014年又得以重新發(fā)表，證明其研究是得到科技界認(rèn)可的。Rubio-Infante和Moreno-Fierros認(rèn)為轉(zhuǎn)基因作物對小型哺乳動物的影響要參考對化學(xué)農(nóng)藥的評價標(biāo)準(zhǔn)，使用至少3種不同的實驗動物，進(jìn)行最短兩年的動物實驗。

3　害蟲的抗性進(jìn)化

轉(zhuǎn)基因Bt作物的大面積釋放可能會加速害蟲對Bt蛋白的抗性進(jìn)化。Bt蛋白在害蟲上中腸受體的任何突變都可能導(dǎo)致害蟲的抗性進(jìn)化。有研究發(fā)現(xiàn)，害蟲的抗性基因并非像我們通常認(rèn)為的都是隱性的，顯性抗性也是存在的。一般來講，避難所策略成功的一個前提是假設(shè)害蟲的抗性是隱性的，顯性抗性使害蟲進(jìn)化機(jī)制變得復(fù)雜，從而導(dǎo)致了害蟲進(jìn)化治理的困難。

近年來，攜帶多個疊加Bt抗性基因作物出現(xiàn)的主要原因正是為了應(yīng)對害蟲對Bt作物的耐受性進(jìn)化的結(jié)果。但其應(yīng)對害蟲抗性進(jìn)化的效果卻不顯著，Carrière等人認(rèn)為其原因是目前使用的Bt蛋白由于具有相似的序列，有很高概率的交叉抗性出現(xiàn)。中國在大規(guī)模釋放Bt抗蟲棉的不到8年時間，就已經(jīng)有報道害蟲抗性進(jìn)化的案例。然而，由于棉鈴蟲在中國多樣化的小農(nóng)生產(chǎn)中，除棉花外，具有多個攝食對象，如玉米、大豆和蔬菜等，這些作物能夠作為“天然避難所”，為敏感的棉鈴蟲種群提供食物，敏感昆蟲種群的存在能夠降低田間的抗性頻率，因此中國棉鈴蟲對Bt蛋白的抗性進(jìn)化還局限在部分地區(qū)，并沒有導(dǎo)致棉田Bt 棉失去對棉鈴蟲的控制。然而，與種植非轉(zhuǎn)基因棉花作為避難所相比，利用“天然避難所”策略在延緩抗性方面的效率還是比較低的。而且，與雜食性的棉鈴蟲形成鮮明對比，生長在南方長江流域的紅蛉蟲（Pectinophora gossypiella）則由于專食棉花，而又沒有“天然避難所”的存在，其抗性進(jìn)化較明顯。在印度，田間抗性紅鈴蟲種群的抗性能達(dá)到敏感種群的40多倍。轉(zhuǎn)基因抗蟲棉本身并不能實現(xiàn)害蟲的長期有效控制，還需要結(jié)合其他綜合治理措施（如作物輪作、生防、傳統(tǒng)抗性作物品種以及合適的殺蟲劑噴施等）才能促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

4　討論與建議

4.1超越化學(xué)防治，注重轉(zhuǎn)基因技術(shù)的可持續(xù)利用

為了應(yīng)對靶標(biāo)害蟲對單價轉(zhuǎn)基因Bt作物的抗性進(jìn)化，生物技術(shù)專家又去開發(fā)攜帶若干個Bt殺蟲基因的疊加抗性材料。由于存在協(xié)同作用和交叉抗性，所以同時表達(dá)多種Bt蛋白轉(zhuǎn)基因植物的殺蟲效果卻不理想。轉(zhuǎn)基因抗除草劑作物的大面積種植導(dǎo)致施用除草劑比較單一，當(dāng)越來越多的田間雜草進(jìn)化出對某一種除草劑的抗性時，科學(xué)家不得不去添加另外一種抗除草劑基因。例如有的生物技術(shù)開發(fā)公司會添加2,4-D抗性基因，開發(fā)所謂的下一代抗除草劑作物。然而由于非靶標(biāo)效應(yīng)比較大，陶氏益農(nóng)公司的復(fù)合除草劑Enlist Duo（含草甘膦和2,4-D）剛剛上市一年，便被美國環(huán)保局取消了安全證書。說明目前主要的轉(zhuǎn)基因技術(shù)仍然停留在化學(xué)防治的老路上，很難達(dá)成可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。實際上，簡單地只使用除草劑控制雜草的路會越來越窄，并有可能人為地加速雜草的抗性進(jìn)化。

4.2傳統(tǒng)育種與現(xiàn)代生物技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展

轉(zhuǎn)基因技術(shù)作為現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成，需要得到不斷的完善和提升，但其大規(guī)模應(yīng)用須謹(jǐn)慎。近年來在大力推動轉(zhuǎn)基因技術(shù)育種的同時，相對地忽視了傳統(tǒng)育種和其他生物技術(shù)的應(yīng)用，一定程度上挫傷了傳統(tǒng)育種工作者的積極性。2016年啟動的“十三五”國家重點發(fā)展計劃“七大農(nóng)作物育種試點專項”種質(zhì)資源與育種創(chuàng)新共舉，將會促進(jìn)傳統(tǒng)育種工作的開展。在生物安全方面，傳統(tǒng)育種的安全性在公眾意識里具有不可否認(rèn)的安全認(rèn)同感，寄希望該試點專項能夠在利用現(xiàn)代分子生物學(xué)和現(xiàn)代組學(xué)技術(shù)的同時，充分重視并推動傳統(tǒng)育種技術(shù)的進(jìn)步，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和生物多樣性的可持續(xù)利用作出貢獻(xiàn)。

4.3加強(qiáng)進(jìn)口產(chǎn)品中轉(zhuǎn)基因成分的管理，降低生物安全風(fēng)險

全球轉(zhuǎn)基因作物的栽種面積連年增長，據(jù)報道，發(fā)展中國家栽培的轉(zhuǎn)基因作物已經(jīng)連續(xù)3年超過發(fā)達(dá)國家。然而，除中國以外，其他發(fā)展中國家種植的轉(zhuǎn)基因作物大都來自發(fā)達(dá)國家的生物技術(shù)公司，很少有發(fā)展中國家自行研制和開發(fā)的產(chǎn)品。大豆、玉米和油菜2014年全球轉(zhuǎn)基因比例分別為82%、30%和25%，而且最近幾年一直維持這樣一個水平。但中國每年進(jìn)口的用于加工的大豆、玉米和油菜的轉(zhuǎn)基因比例均高于90%，其原因是中國進(jìn)口原材料的來源地主要是一些大面積種植轉(zhuǎn)基因材料的國家，如美國、巴西和阿根廷等?？赡艿慕忉屖沁@些地區(qū)的產(chǎn)品有質(zhì)量優(yōu)勢或價格優(yōu)勢，或二者兼有，但實際情況需要深入的研究才能有結(jié)論。一般來講，大規(guī)模種植某類產(chǎn)品前都需要進(jìn)口國的批準(zhǔn)才能保證銷路，我們也不妨考慮借助這樣的方式，積極鼓勵和引導(dǎo)這些地區(qū)的農(nóng)戶種植非轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品，或者轉(zhuǎn)向非轉(zhuǎn)基因材料或在轉(zhuǎn)基因比例較低的其他種植地區(qū)采購，保護(hù)我國農(nóng)業(yè)（如大豆）的健康發(fā)展和生物安全。

4.4建立轉(zhuǎn)基因生物禁止釋放區(qū)，保護(hù)重要生態(tài)區(qū)域的生物多樣性

中國是水稻和大豆的起源中心，野外也存在油菜等蕓苔屬栽培作物（Brassica spp.）的野生近緣種，水稻、大豆和油菜等作物與其野生近緣種間存在基因流動，而且在將來大規(guī)模種植轉(zhuǎn)基因作物的情況下，其雜交后代有可能并不會因為攜帶外源轉(zhuǎn)基因而降低適合度，可以長期在自然界中留存和進(jìn)化，對生物多樣性造成不利影響。同時，考慮到轉(zhuǎn)基因植物種植帶來的害蟲和雜草的抗性進(jìn)化、除草劑的大量使用以及對非靶標(biāo)生物可能存在的影響，為保證環(huán)境安全，亟需在時間和空間上分析風(fēng)險，鑒別需要充分保護(hù)的和脆弱的重要生態(tài)區(qū)域，考慮的對象包括自然保護(hù)區(qū)和生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域等，設(shè)立禁止種植轉(zhuǎn)基因植物的地區(qū)。

4.5關(guān)注公眾知情權(quán)，并以科學(xué)問題為導(dǎo)向開展轉(zhuǎn)基因生物安全研究

公眾知情權(quán)是技術(shù)發(fā)展的重要支柱，有利于公眾用科學(xué)的態(tài)度對待轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品。公眾只有同時了解其優(yōu)勢和可能的風(fēng)險，才能以更加開放的態(tài)度對待轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品。無論是開發(fā)主糧還是非主糧轉(zhuǎn)基因作物，都離不開農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，都需要釋放到環(huán)境中去，其生態(tài)學(xué)風(fēng)險與后果需要根據(jù)預(yù)先防范原則謹(jǐn)慎評價。目前主要是按照目標(biāo)對象進(jìn)行評價的形式，對生產(chǎn)應(yīng)用來說是比較高效的，但對科學(xué)研究而言卻不一定合適。亟需針對轉(zhuǎn)基因生物及其相關(guān)科學(xué)問題，建立模式研究體系；針對相關(guān)風(fēng)險類型，展開長期的系統(tǒng)研究，建立風(fēng)險監(jiān)測框架，更好地為科學(xué)進(jìn)步、環(huán)境健康和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。?

【作者單位：中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室】

（摘自《中國科學(xué)院院刊》2016年第4期）