劉晨曦， 吳孔明

（植物病蟲害生物學(xué)國家重點實驗室，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所，北京 100193）

棉花（Gossypium hirsutum L．）隸屬于錦葵科（Mal vaceae）棉屬（Gossy piu m），是世界上最主要的經(jīng)濟作物之一。全世界植棉國家和地區(qū)有96個，其中產(chǎn)量較高的國家有中國、美國、印度等。我國是世界植棉大國，總產(chǎn)量居世界第一，植棉業(yè)是農(nóng)業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè)，對國民經(jīng)濟的發(fā)展至關(guān)重要。

蟲害和草害對植棉業(yè)有很大的影響，制約了棉花的生產(chǎn)。我國棉花害蟲多達300余種，時常大面積暴發(fā)成災(zāi)，造成棉花產(chǎn)量的嚴重損失。由于大量使用化學(xué)農(nóng)藥導(dǎo)致了一些棉花害蟲抗藥性的產(chǎn)生，嚴重威脅棉花生產(chǎn)，同時也使環(huán)境污染日益惡化。棉田雜草與棉花之間存在水分、陽光、空間和營養(yǎng)物質(zhì)的競爭，嚴重影響了棉花的正常生長。為了減輕除草勞動強度、提高生產(chǎn)效率，化學(xué)除草劑應(yīng)運而生。草甘膦等非選擇性除草劑具有高效、低毒、易降解和無殘留的優(yōu)點，但由于對作物同樣具有殺滅作用，而不能在作物的生長期應(yīng)用。

利用植物基因工程和遺傳育種技術(shù)手段培育的轉(zhuǎn)基因抗蟲、耐除草劑棉花，為棉花害蟲和草害的控制提供了新的手段。轉(zhuǎn)基因棉花自1996年商業(yè)化種植以來，有效控制了棉花害蟲的為害，減少了化學(xué)殺蟲劑的使用［1］，降低了除草劑對棉花植株的損傷，擴大了除草劑的應(yīng)用范疇。本文綜述了國內(nèi)外轉(zhuǎn)基因棉花研發(fā)現(xiàn)狀及其商業(yè)化進程，并針對其應(yīng)用過程中存在的潛在風(fēng)險，提出了我國轉(zhuǎn)基因棉花應(yīng)采取的研發(fā)策略。

1 轉(zhuǎn)基因棉花研發(fā)動態(tài)

目前，轉(zhuǎn)基因棉花的研發(fā)與培育已經(jīng)在多個國家進行，其過程涉及基因克隆、遺傳轉(zhuǎn)化、性狀鑒定、株系篩選、品種培育和安全性評價等多個環(huán)節(jié)，研發(fā)核心是篩選出結(jié)構(gòu)完整、表達良好的株系，構(gòu)建具有商業(yè)推廣價值的“轉(zhuǎn)化事件”。國內(nèi)外對轉(zhuǎn)基因棉花的研究包括抗蟲、耐除草劑、抗病、纖維改良、抗旱和耐鹽堿等［2－6］，但研制成功和取得重要進展的主要為抗蟲、耐除草劑和纖維改良性狀。表1為近年來各國研發(fā)注冊的抗蟲（IR）、耐除草劑（HT）或復(fù)合性狀（IR＋HT）的轉(zhuǎn)基因棉花轉(zhuǎn)化事件［7］。

表1 轉(zhuǎn)基因棉花轉(zhuǎn)化事件

續(xù)表1

1．1 轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花

1．1．1 防治鱗翅目害蟲的Bt棉花

蘇云金芽胞桿菌（Bacill us thuringiensis，Bt）在芽胞形成階段會產(chǎn)生伴胞晶體，該晶體被鱗翅目昆蟲取食后，在其中腸蛋白酶的水解作用下被激活，活化的毒素能與中腸特異性受體結(jié)合，導(dǎo)致中腸孔洞形成而使昆蟲死亡［8］。目前發(fā)現(xiàn)并登記的cry1～cry67基因大約有190多種，其中cry1Ab基因、cry1Ac基因、cry1F基因、cry2Ab基因、cry2Ae基因等被用于轉(zhuǎn)基因抗蟲棉工程［9］。

1．1．2 防治棉盲蝽的Bt棉花

Bt棉表達的Cry殺蟲基因?qū)[翅目和鞘翅目昆蟲有較好的防治效果，對半翅目的防效甚微。研究表明，長期種植Bt棉花引起的害蟲地位演化導(dǎo)致棉田的次要害蟲棉盲蝽發(fā)生數(shù)量增多，成為了Bt棉的主要害蟲［10－12］。國外公司已針對這一問題開展了抗棉盲蝽轉(zhuǎn)基因棉花研究，但尚未注冊。如：Baum等［13］發(fā)現(xiàn)了一種新型的對棉盲蝽有較好防治效果的Bt殺蟲蛋白基因，在轉(zhuǎn)基因抗蟲棉上表達的這種35 k D的Bt殺蟲蛋白能夠有效控制棉盲蝽的生長發(fā)育。

1．1．3 營養(yǎng)殺蟲蛋白棉花

在Bt毒素研究過程中發(fā)現(xiàn)，一種在芽胞形成前的營養(yǎng)階段分泌和產(chǎn)生另一種非δ－內(nèi)毒素的殺蟲營養(yǎng)蛋白，即Vip蛋白（vegetative insecticidal protein，Vip），被稱為第2代殺蟲蛋白。Vip蛋白與Bt Cry毒素的結(jié)構(gòu)和功能完全不同，對鱗翅目和鞘翅目有很好的效果［14］。Syngenta公司（Greensboro，NC，USA）對表達Vip蛋白的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉進行了多年的田間殺蟲效果評估，結(jié)果表明該轉(zhuǎn)基因抗蟲棉能較好控制棉鈴蟲的種群［15］。

1．1．4 RNAi轉(zhuǎn)基因棉花

植物介導(dǎo)的昆蟲RNAi技術(shù)，可以有效、特異地抑制昆蟲基因的表達，從而抑制害蟲的生長，為農(nóng)業(yè)害蟲的防治提供了特異性更強且環(huán)境安全的新思路［16－21］。目前雖然國內(nèi)外尚沒有RNAi轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花注冊，但已成為十分活躍的研發(fā)領(lǐng)域。以RNAi技術(shù)為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉有望在將來的害蟲防治領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

1．2 耐除草劑棉花

1．2．1 耐草甘膦棉花

耐草甘膦基因是屬于表達靶標酶類耐除草劑基因棉花。此類型的耐除草劑基因棉花產(chǎn)生靶標酶或靶標蛋白質(zhì)，使棉花吸收除草劑后，仍然能進行正常代謝作用。5－烯醇式丙酮酰莽草酸－3－磷酸合成酶（EPSPS）是棉花氨基酸循環(huán)莽草酸代謝途徑中一個很重要的酶。草甘膦通過抑制EPSPS，造成植物體內(nèi)氨基酸代謝莽草酸途徑的中斷［22］。通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)法等方法，導(dǎo)入epsps基因的棉花植株對草甘膦有較好的耐性［22－23］。

1．2．2 耐草銨膦、雙丙氨膦棉花

耐草銨膦、雙丙氨膦棉花是屬于表達修飾酶類的轉(zhuǎn)基因耐除草劑棉花。此類型的耐除草劑棉花產(chǎn)生能修飾除草劑的酶或酶系統(tǒng)，在除草劑發(fā)生作用前對其進行修飾從而失去除草能力。bar基因編碼乙酰轉(zhuǎn)移酶基因（PAT），對草銨膦、雙丙氨膦進行修飾，反應(yīng)產(chǎn)物能被順利代謝使其失去除草能力［24－25］。通過轉(zhuǎn)入bar基因使棉花對草銨膦、雙丙氨膦都有較好的耐性［25－26］。

1．2．3 耐磺酰脲類 （綠磺隆等）棉花

這類是屬于表達異構(gòu)酶類耐除草劑棉花，可以產(chǎn)生對除草劑不敏感的靶標酶或蛋白的異構(gòu)體。surb－Hr a基因通過編碼改變空間構(gòu)型的乙酰乳酸合酶 （ALS）使磺酰脲類除草劑失去作用，從而保護植物的正常生理活動。同樣psb A基因通過表達突變的光系統(tǒng)IIQB蛋白使植物體具有三氮苯類除草劑的耐性［27］。

1．3 纖維品質(zhì)改良轉(zhuǎn)基因棉花

棉花纖維是由胚珠外珠被表皮層的單細胞分化而來，其長度、強度、細度等品質(zhì)性狀是評價棉花質(zhì)量的重要標準。提高棉纖維品質(zhì)尤其是纖維強度，是當(dāng)前棉花育種工作中的一個重點。傳統(tǒng)育種在棉纖維品質(zhì)改良方面起到了重要作用，但由于受到育種周期長、外源種質(zhì)利用困難、產(chǎn)量較低等因素的限制，用常規(guī)育種技術(shù)進行纖維品質(zhì)改良進展緩慢［28］。利用基因工程來取得這方面的突破值得探索。近年來，國內(nèi)外科研人員相繼開展了用外源纖維改良基因改良棉纖維品質(zhì)的探索性研究并取得較快的進展。Zhang等［29］利用植物基因工程技術(shù)，通過外源啟動子提高吲哚乙酸合成基因iaa M表達，從而促進了生長素在棉花胚珠上皮中的合成，棉纖維品質(zhì)得到了較大的提高。

2 商業(yè)化現(xiàn)狀

經(jīng)過1986－1995年期間的室內(nèi)研究和田間小規(guī)模的試驗，在1996年，美國、澳大利亞等國家已經(jīng)開始商業(yè)化種植轉(zhuǎn)基因棉花，主要是抗蟲和耐除草劑為主的轉(zhuǎn)基因棉花。2010年，全球轉(zhuǎn)基因棉花的種植面積達到2 100萬h m2，其中轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花（Bt棉花）的種植面積是1 610萬hm2，轉(zhuǎn)基因耐除草劑棉花（HT棉花）的種植面積是140萬h m2，含有復(fù)合性狀的轉(zhuǎn)基因棉花（含Bt殺蟲基因和耐除草劑基因）種植面積是350萬h m2［7］。

2．1 中國

我國于1997年開始商業(yè)化種植Bt棉。Monsanto公司的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉33B（cry1Ac）首先在河北省種植［2］。我國研發(fā)的Bt棉GK系列（改造的融合基因cry1Ab／cry1Ac）首先在安徽、山東、山西、湖北4個省種植［7］。1999年，中國開始商業(yè)化種植雙價抗蟲棉（cry1Ac＋cpTI）［30］。2010年，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉在中國的種植面積達到345萬hm2，占棉花總種植面積的69%［7］。我國近年來對轉(zhuǎn)基因耐除草劑棉花進行了研發(fā)與培育，但還處于田間試驗階段。

2．2 印度

農(nóng)業(yè)在印度的國民經(jīng)濟中占有較大的比重，是其支柱產(chǎn)業(yè)。2010年，印度的棉花種植面積達到1 100萬hm2，是世界上植棉面積最大的國家。Bt棉在印度的商業(yè)化種植始于2002年，種植面積大約5萬hm2。2003年，種植面積翻了一番，在隨后的幾年中，種植面積不斷擴大。2010年，Bt棉的種植面積為940萬hm2，占總植棉面積的86%［7］。在印度，首先商業(yè)化種植的是單價抗蟲棉Bollgard?Ⅰ（cry1Ac）。2006年，雙價抗蟲棉Bollgard?Ⅱ（cry1Ac／cry2Ab）開始種植，種植面積不斷擴大，而從2007年起，單價棉的種植面積在逐年減少。2010年，雙價棉的種植面積是660萬h m2，而單價棉的種植面積減少到280萬h m2［7］。據(jù)不完全統(tǒng)計，2011年，雙價棉的種植面積將占Bt棉的90%［7］。2010年，印度的轉(zhuǎn)基因棉花轉(zhuǎn)化事件共有4個，這些棉花轉(zhuǎn)化事件都是抗蟲或耐除草劑為特征的轉(zhuǎn)基因棉花，其中MON15985×MON88913是抗蟲或耐除草劑為特征的轉(zhuǎn)化事件，2mepsps是以耐除草劑為特征的轉(zhuǎn)化事件，這些已在印度進入田間試驗階段，有望在2011－2015年進行商業(yè)化種植［7］。

2．3 美國

棉花是美國第五大作物，種植面積僅少于小麥，主要種植在南部和西部。美國主要種植兩種轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，一種是Monsanto公司研發(fā)的單價抗蟲棉Boll gar d?Ⅰ，另一種是復(fù)合性狀的轉(zhuǎn)基因棉花。1996年，美國開始商業(yè)化種植轉(zhuǎn)基因棉花，其中轉(zhuǎn)基因抗蟲棉種植面積達到73萬hm2，到2001年，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的種植面積達到200萬hm2。與2009年相比，在2010年轉(zhuǎn)基因棉花的種植面積已經(jīng)從320萬h m2增加到390萬hm2，其中Bt棉占15%，而（HT＋Bt）棉占58%，HT棉占20%，而2011年，Bt棉占17%，HT棉占15%，（HT＋Bt）棉的種植面積與2010年相比沒有變化。（數(shù)據(jù)來源：美國農(nóng)業(yè)部國家農(nóng)業(yè)統(tǒng)計服務(wù)中心（NASS））。

2．4 澳大利亞

澳大利亞是世界第三大原棉出口國，主要種植在南部的新南威爾士州和北部的昆士蘭州。澳大利亞于1996年開始種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉Bollgar d?Ⅰ，種植面積達3萬h m2，以后種植面積逐年遞增，至2000年已達16．5萬h m2，而2001年，種植面積略有所下降（14．6萬h m2）。在2002年和2003年兩年期間，單價抗蟲棉Bollgard?Ⅰ已經(jīng)基本被雙價抗蟲棉Bollgard?Ⅱ替代。2007年，由于干旱使澳大利亞轉(zhuǎn)基因棉花的種植面積大大降低。在2010年，大約91%的種植面積是復(fù)合性狀（HT＋Bt）的轉(zhuǎn)基因棉花，而雙價抗蟲棉Bollgard?Ⅱ只占1%，轉(zhuǎn)基因耐除草劑棉花（HT）占7%左右［7］。

2．5 巴基斯坦

位于南亞中部的巴基斯坦是一個以農(nóng)業(yè)為主的國家，棉花是該國的主要經(jīng)濟作物。棉花生產(chǎn)位居世界第四。在2010年，巴基斯坦開始商業(yè)化種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉（8個常規(guī)品種和1個雜交品種），種植面積達240萬h m2，占棉花總種植面積的75%。目前，巴基斯坦已成為第12個種植Bt棉的國家［7］。

3 我國發(fā)展對策

傳統(tǒng)上我國棉花種植區(qū)主要分布于長江流域、黃河流域和西北內(nèi)陸地區(qū)，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，新疆棉花種植面積逐年增加，已上升成為我國最大產(chǎn)棉區(qū)?？傮w上，我國棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長期性制約因素集中于：（1）長江流域、黃河流域棉鈴蟲和棉盲蝽的危害，新疆地區(qū)棉蚜等害蟲的危害；（2）新疆地區(qū)和黃河流域棉花枯黃萎病的危害；（3）棉田雜草的危害；（4）棉花纖維品質(zhì)不能滿足紡織工業(yè)需求。針對不同棉花種植區(qū)的需求，培育抗病蟲、耐除草劑和高品質(zhì)復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因棉花對推動我國棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展有重要意義。

3．1 新型轉(zhuǎn)基因棉花的研發(fā)

3．1．1 抗蟲性狀

我國于1997年開始商業(yè)化種植Bt棉，有效地控制了棉鈴蟲的種群，增加了有益天敵的數(shù)量，減少了農(nóng)藥的使用，取得了顯著的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益。然而，隨著Bt棉的廣泛應(yīng)用，關(guān)于害蟲對Bt棉的敏感性降低的報道也逐年增多［31－32］，表明害蟲對轉(zhuǎn)基因抗蟲棉存在抗性風(fēng)險［30，33］。同時，棉盲蝽種群由次要害蟲上升為主要害蟲或成為新的問題［10－12］。

轉(zhuǎn)基因雙價基因策略是指在同一轉(zhuǎn)基因作物中表達兩種不同殺蟲機理的殺蟲基因，這種策略可有效延緩抗性的進化［34］。雙價轉(zhuǎn)基因抗蟲棉已經(jīng)在印度、澳大利亞等國家廣泛應(yīng)用，有效地延緩了害蟲對轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的抗性。Zhang等［32］對大部分種植Bt棉的華北地區(qū)和有限種植Bt棉的西北地區(qū)的棉鈴蟲對Cry1 Ac毒素和Cr y2 Ab毒素的敏感性進行了分析，結(jié)果表明在華北的13個地區(qū)的棉鈴蟲種群對Cr y1 Ac毒素敏感性低于西北地區(qū)的2個種群，而對Cry2 Ab毒素的敏感性沒有顯著性差異。Gao等［35］對安次和夏津兩地的棉鈴蟲種群對Cr y1 Ac毒素和Cr y2 Ab毒素的交互抗性進行了分析，結(jié)果表明這兩個種群對這兩種毒素均無交互抗性。An等［36］分析了安次和夏津兩地的棉鈴蟲種群對Cry1 Ac毒素和Vip3 A毒素的敏感性，結(jié)果表明兩個種群對Cr y1 Ac毒素和Vip3 A毒素的敏感性呈負相關(guān)。因此，雙價轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的研發(fā)和應(yīng)用將會延緩棉鈴蟲種群抗性的演化。在我國Bt棉商業(yè)化種植后，棉田化學(xué)防治模式的改變等相關(guān)因素使棉田的次要害蟲棉盲蝽上升為棉田主要害蟲［10－12］，需要開發(fā)防治棉盲蝽的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花［13，37］。此外，研發(fā)抗棉蚜棉花對新疆地區(qū)棉花害蟲的防治有應(yīng)用價值。

3．1．2 抗病性狀

棉花枯萎病和黃萎病對棉花生產(chǎn)有著嚴重的影響，目前國內(nèi)外的研發(fā)尚未取得較大的進展。因此，需要挖掘抗病功能基因研發(fā)轉(zhuǎn)基因抗病棉花。

3．1．3 耐除草劑性狀

我國還沒有培育出轉(zhuǎn)基因耐除草劑棉花品種，研發(fā)還處于早期階段。應(yīng)針對我國棉花的種植情況及雜草種群的類型，借鑒國外的轉(zhuǎn)基因耐除草劑棉花的研發(fā)和使用經(jīng)驗，加快速度研發(fā)耐草甘膦等高效、低毒、低殘留除草劑的轉(zhuǎn)基因棉花，為我國轉(zhuǎn)基因耐除草劑棉花的商業(yè)化種植奠定基礎(chǔ)。

3．1．4 纖維品質(zhì)改良性狀

以棉纖維形成和發(fā)育的分子機理為基礎(chǔ)，識別纖維品質(zhì)改良相關(guān)的新基因，研發(fā)纖維品質(zhì)改良轉(zhuǎn)基因棉花，加快我國的棉花纖維品質(zhì)改良的進程。

3．2 安全性評價和管理策略

轉(zhuǎn)基因棉花的主要環(huán)境安全性問題是靶標病蟲草的抗性，以及轉(zhuǎn)基因棉花生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性和管理模式的變化對有害生物地位演化的影響。因此，針對轉(zhuǎn)基因抗病蟲、耐除草劑棉花等潛在的環(huán)境風(fēng)險問題，我國應(yīng)加強環(huán)境安全性評價及采取相應(yīng)的風(fēng)險管理策略。

3．2．1 轉(zhuǎn)基因抗病蟲棉花

轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花安全性評價主要是指轉(zhuǎn)基因抗病蟲棉對棉田生態(tài)系統(tǒng)靶標生物地位演化、對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性的影響以及靶標生物對轉(zhuǎn)基因抗病蟲棉花的抗性監(jiān)測及風(fēng)險評估［37－38］。因此，要建立轉(zhuǎn)基因抗病蟲棉花對天敵種類和數(shù)量、經(jīng)濟昆蟲的環(huán)境風(fēng)險及其節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)的影響等方面的安全評價體系［39］，要明確抗病蟲蛋白對棉花病蟲害的作用機理和抗性機制［31］，發(fā)展以分子快速檢測為基礎(chǔ)的抗性監(jiān)測平臺，針對我國這種特殊的棉花種植模式的特點，對抗性治理因素進行評估［40－42］。針對轉(zhuǎn)基因抗病蟲棉花種植的潛在風(fēng)險，首先要合理地種植轉(zhuǎn)基因抗病蟲棉花，延緩靶標生物的抗性進化；其次要積極推廣應(yīng)用基于農(nóng)業(yè)防治和化學(xué)防治相結(jié)合的非靶標生物的綜合防治技術(shù)［43－45］。

3．2．2 轉(zhuǎn)基因耐除草劑棉花

雜草抗性和轉(zhuǎn)基因耐除草劑棉花對棉田及周邊的植物群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性的影響是安全性評價的核心內(nèi)容［46－48］。轉(zhuǎn)基因耐除草劑棉花商業(yè)化種植將增加除草劑的使用量，長期使用單一的除草劑必然會導(dǎo)致雜草產(chǎn)生抗性，同時也可能對棉田及周邊的植物群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性產(chǎn)生影響。因此，要建立有效的防控技術(shù)和適當(dāng)?shù)墓芾泶胧┓乐闺s草對除草劑產(chǎn)生抗性，通過研究除草劑對植物群落演替的影響，發(fā)展以種植轉(zhuǎn)基因耐除草劑棉花為核心的雜草治理技術(shù)體系，長期高效地控制雜草的發(fā)生與危害［49－51］。

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