抗虫基因对受体水稻（Oryza sativa）的适合度效应研究

【摘要】：多种抗水稻虫害的外源基因已经被转入水稻中，一些转基因水稻品系已进入了环境安全评估并等待商业化生产。外源转基因可以通过基因漂移逃逸到水稻的野生近缘种或杂草种群中并带来一定的环境生态后果。但是转基因水稻中的外源基因是否能在野生近缘种或杂草种群中被固定下来和扩散开来，这与外源基因是否能提高野生近缘种或杂草类型的适合度密切相关。在一定的虫压条件下，抗虫基因可能为野生近缘种或杂草种群带来适合度利益，但在没有虫压的条件下，抗虫基因可能会消耗野生近缘种或杂草类型的部分能量来运转该抗虫基因，从而产生适合度净成本。了解转基因水稻中的抗虫基因对转基因水稻植株所带来的利益与净成本之间的平衡，可以为评估转基因水稻与野生亲缘种之间的杂交后代是否会因为适合度的改变而带来环境后果提供有用的信息。但是，在严格的授控试验条件下开展水稻抗虫转基因潜在的适合度成本与利益的研究还未曾有过报道。与其它类型的转基因作物一样，转基因水稻的生物安全评估需要阐明这些转基因作物向野生和杂草近缘种基因流的程度以及基因流产生之后，逃逸到野生或杂草近缘种中的外源基因是否可能为杂草稻或野生稻带来适合度上的优势，从而导致不利的生态后果。作为了解外源转基因对野生稻或杂草稻可能产生生态效应的第一步，本项研究以中国研制的已接近商业化生产的转Bt基因、转CpTI基因和转Bt／CpTI双价基因3种抗虫转基因水稻品系作为研究对象，于2003年和2004年进行了低虫压和高虫压授控条件下的盆栽试验和大田试验，比较了存在直接竞争和不存在直接竞争条件下的转基因抗虫水稻与非转基因亲本对照品种的生长和结实，特别关注了这些经过多代选育的转基因栽培稻品系中的外源基因是否表现出可检测水平的适合度成本与利益。 在2003年的盆栽试验中，转基因品系受螟虫危害的程度均低于非转基因对照品系，Bt、CpTI和Bt／CpTI三种抗虫基因可以为转基因品系的抗虫性能带来优势。在低虫压的条件下，Bt基因未对转基因品系造成种子生产的适合度净成本，在高虫压条件下可以为转基因品系带来种子生产的适合度利益，无论是在非竞争试验或是竞争试验中，Bt基因都可以显著增强植株的分蘖能力，使得植株的结穗数显著增加，结实数量显著增加；Bt基因在竞争条件下对转基因水稻植株的适合度利益更为明显。CpTI基因对种子生产的适合度效应不明显，低虫压条件下未对转基因品系的结实产生适合度净成本，高虫压条件下能显著增强植株的分蘖能力，导致植株结穗数的显著增加，但对植株最终的结实没有带来适合度利益，表明CpTI基因对种子生产的适合度效应可以忽略。Bt／CpTI基因对植株种子生产 的适合度效应显著，在低虫压的竞争条件下，Bt／CpTI品系的种子产量显著低于对照，种子的千粒重也显著低于对照；在高虫压条件的非竞争条件下，转Bt／CpTI基因水稻植株在结实上可以表现出一定的适合度利益，但在高虫压的竞争条件下，其适合度利益不再显现，表明Bt／CpTI基因在竞争条件下的适合度成本已经达到可以抵消其适合度利益的程度。 在2004年的田间试验中，转基因品系均表现出良好的抗虫性能，受水稻纵卷叶螟和三化螟等钻蛀性螟虫的感染程度均显著低于非转基因对照。Bt基因对植株种子生产的适合度效应不明显，在低虫压条件下，Bt品系仅在非竞争条件下的结实率显著低于对照，在其它结实指标上未检测到适合度效应，但Bt品系在低虫压竞争条件下的结实数量和结穗数量与对照的差异已接近显著水平(P＞0.05，且＜0.1)；在高虫压条件下，Bt基因在非竞争试验和竞争试验中均未产生植株结实的适合度效应。CpTI基因对转基因品系种子生产的适合度效应也不明显，在低虫压竞争条件下的千粒重显著低于对照，其它结实指标与非转基因对照无显著差异；在高虫压条件下未检测到种子生产的显著的适合度效应。Bt／CpTI基因对结实的适合度成本比较显著，在低虫压条件下，Bt／CpTI品系在非竞争试验中的千粒重显著低于对照，在竞争试验中的结实率、每株实粒重、千粒重、每株结穗数和穗长等结实指标上显著低于对照；在高虫压条件下，无论是非竞争试验或是竞争试验中，Bt／CpTI品系的千粒重都显著低于对照。 在田间施用杀虫剂的条件下，Bt品系在竞争条件下各个生长时期的株高和分蘖数显著低于非转基因对照，成熟期的生物量鲜重也显著低于对照，分蘖数的显著降低导致结穗数的显著降低，从而影响Bt品系种子的生产，在转基因品系与非转基因品系存在竞争时，这种效应表现得更明显。对于CpTI品系和Bt／CpTI品系，外源基因对株高有显著的负效应，但对分蘖的影响不显著，对结实的适合度成本也很低。 研究发现，竞争条件下更容易检测到抗虫基因对转基因水稻所带来的适合度效应。在竞争条件下，转基因水稻品系在生长发育和结实上的适合度成本和利益更为显著。在转基因品系单一种植的非竞争条件下，抗虫基因对转基因水稻植株产生的适合度成本很小，甚至可以忽略，特别是在靶标害虫发生量大的条件下。 在关于转基因水稻生态安全的研究中，还需要进一步探讨转基因水稻中外源基因的逃逸对野生稻和杂草稻生态适合度的改变、外源基因在野生稻和杂草稻个体中的表达，以及外源基因在野生稻和杂草稻种群中的持久性。本项研究对有可能商业化种植的3种转基因水稻品系进行了适合度效应的检测与分析，其结果可以为转基因水稻外源转基因逃逸带来的生态后果评估提供一定的参考，试验中建 立的方法可以应用到需要进一步进行的外源基因对野生稻和杂草稻适合度效应的研究中，在本研究中所揭示的抗虫基因对转基因品系的适合度效应也可以为进一步评估野生稻和杂草稻适合度效应提供有益的信息。