江幸福, 陳 建, 羅禮智, 張 蕾
(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,植物病蟲(chóng)害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)
轉(zhuǎn)Bt基因作物以其高效表達(dá)對(duì)害蟲(chóng)有致死作用的殺蟲(chóng)蛋白、提高作物產(chǎn)量以及不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)已被越來(lái)越多的國(guó)家批準(zhǔn)種植,種植面積逐年增加[1]。然而,隨著轉(zhuǎn)Bt作物種植面積的擴(kuò)大以及種植時(shí)間的延長(zhǎng),一些弊端也逐漸顯現(xiàn)出來(lái),最為突出的問(wèn)題是作物中有殺蟲(chóng)活性的Bt蛋白的表達(dá)不穩(wěn)定以及害蟲(chóng)對(duì)Bt殺蟲(chóng)蛋白產(chǎn)生抗性[2-3]。同一植株,不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段,不同的組織器官中表達(dá)的殺蟲(chóng)蛋白水平差異明顯[4-6],較低表達(dá)水平的殺蟲(chóng)蛋白不能有效地毒殺害蟲(chóng)。同時(shí),隨著轉(zhuǎn)Bt作物對(duì)害蟲(chóng)選擇壓的提高以及害蟲(chóng)的不斷進(jìn)化,害蟲(chóng)對(duì)Bt殺蟲(chóng)蛋白的抗性也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)[7-10]。為延緩害蟲(chóng)對(duì)Bt殺蟲(chóng)蛋白產(chǎn)生抗性,科學(xué)家在明確害蟲(chóng)對(duì)Bt殺蟲(chóng)蛋白抗性機(jī)制的基礎(chǔ)上,通過(guò)多種方法和手段防止害蟲(chóng)對(duì)Bt殺蟲(chóng)蛋白的抗性。包括“高劑量/庇護(hù)所策略”、多基因聚合策略以及特異性表達(dá)等,以減少產(chǎn)生耐受昆蟲(chóng)種群的環(huán)境選擇壓,抑制耐受性昆蟲(chóng)種群抗性的發(fā)展。其中,“高劑量/庇護(hù)所策略”能夠有效保持一定比例非抗性的等位基因,通過(guò)與攜帶抗性基因的異性交配,稀釋抗性基因頻率,從而延緩耐受高劑量毒素昆蟲(chóng)的產(chǎn)生。美國(guó)、加拿大、西班牙法定種植一定面積的非轉(zhuǎn)Bt作物以及我國(guó)小農(nóng)種植模式提供的天然庇護(hù)所均取得了很好的效果[11-13]。然而這種抗性治理策略的前提是要保證取食Bt殺蟲(chóng)蛋白后存活并羽化的成蟲(chóng)有足夠的飛行能力,確保其能夠成功飛離轉(zhuǎn)Bt作物的“陷阱”而與庇護(hù)所作物上的敏感種群交配、繁衍雜合子的敏感種群。如果取食一定劑量Bt殺蟲(chóng)蛋白后羽化的成蟲(chóng)不能成功飛離連片種植的轉(zhuǎn)基因作物田,這種“高劑量/庇護(hù)所策略”將不能有效實(shí)施。因此,評(píng)價(jià)不同濃度Bt殺蟲(chóng)蛋白對(duì)害蟲(chóng)飛行能力的影響無(wú)疑不僅會(huì)對(duì)這種策略的可行性和有效性提供試驗(yàn)依據(jù),而且對(duì)于闡明Bt田中的遷飛性害蟲(chóng)的種群動(dòng)態(tài)、遷飛規(guī)律以及其潛在的抗性治理策略均有重要的理論與實(shí)際意義。
甜菜夜蛾是一種遠(yuǎn)距離遷飛害蟲(chóng)[14-16],除為害蔬菜外也對(duì)棉花、玉米等造成重大損失[17-21]。隨著我國(guó)轉(zhuǎn)Bt基因(表達(dá)Cry1Ac)棉花大面積種植,在很好地控制了棉花主要靶標(biāo)害蟲(chóng)的同時(shí),由于大大減少了轉(zhuǎn)Bt基因棉花田中化學(xué)殺蟲(chóng)劑使用量,以及甜菜夜蛾對(duì)Bt的不敏感性,導(dǎo)致近年來(lái)轉(zhuǎn)Bt基因棉花田中甜菜夜蛾有嚴(yán)重發(fā)生趨勢(shì)[20,22-23]。目前,國(guó)內(nèi)有關(guān)轉(zhuǎn)Bt基因作物對(duì)甜菜夜蛾抗蟲(chóng)性評(píng)價(jià)主要研究轉(zhuǎn)Bt基因作物或Bt蛋白對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育、存活以及繁殖等參數(shù)的影響作用[24-26],而對(duì)成蟲(chóng)飛行能力的影響缺乏研究。本文主要研究甜菜夜蛾取食含不同濃度Cry1 Ac蛋白的人工飼料后存活并羽化出的成蟲(chóng)飛行能力的差異,以期為轉(zhuǎn)Bt基因棉花田中甜菜夜蛾種群動(dòng)態(tài)規(guī)律及其潛在的“高劑量/庇護(hù)所”抗性治理策略提供科學(xué)依據(jù)。
所用蟲(chóng)源采自北京市郊區(qū)大蔥田地,經(jīng)本實(shí)驗(yàn)室在室內(nèi)用人工飼料[27]累代繁殖后,選擇發(fā)育良好的蟲(chóng)源作為供試材料。
Cry1 Ac殺蟲(chóng)蛋白干粉由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所中??妻r(nóng)科技有限公司提供(北京)。分離菌株來(lái)源于蘇云金桿菌庫(kù)斯塔克亞種subsp.kurstaki HD-1 菌株的突變 菌株HD-1Ac(產(chǎn)生Cry1Ac蛋白)。純度在95%以上。蛋白干粉于-70℃超低溫冰箱中保存,使用時(shí)用蒸餾水溶解。
幼蟲(chóng)帶毒人工飼料的配制及飼養(yǎng)方法同陳建等[28]的方法。成蟲(chóng)飛行能力測(cè)試用蟲(chóng)為取食含不同濃度Cry1 Ac殺蟲(chóng)蛋白人工飼料后存活的幼蟲(chóng),化蛹、羽化出的1日齡(未取食)雌雄蛾。由于成蟲(chóng)未取食補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng),所以其飛行能力的差異能反映幼蟲(chóng)期食物的影響作用。測(cè)試方法同江幸福等[29]方法。
處理間不同參數(shù)經(jīng)方差統(tǒng)計(jì)分析差異顯著后,用LSD法進(jìn)行差異顯著性測(cè)定。統(tǒng)計(jì)軟件為SAS 8.0。數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤。
甜菜夜蛾幼蟲(chóng)取食含不同濃度Cry1 Ac蛋白人工飼料后,存活并羽化的1日齡(未取食)雌蛾飛行能力差異顯著(圖1)。體現(xiàn)在不同幼蟲(chóng)飼料條件下羽化的雌蛾飛行距離(df=4,F(xiàn)=7.22,p<0.000 1)、飛行時(shí)間(df=4,F(xiàn)=7.20,p<0.000 1)和飛行速度(df=4,df=4,F(xiàn)=3.88,p=0.0049)均差異顯著。取食含較低濃度Cr y1 Ac殺蟲(chóng)蛋白(25μg/g和50μg/g)的人工飼料有促進(jìn)成蟲(chóng)飛行的傾向,盡管與取食不含Cr y1 Ac蛋白的對(duì)照相比,成蟲(chóng)飛行距離、平均飛行速度和飛行時(shí)間未達(dá)到顯著增加的水平。隨著人工飼料中Cry1 Ac蛋白濃度的升高,羽化的雌蛾飛行能力顯著下降(p<0.05)。
圖1 甜菜夜蛾幼蟲(chóng)取食含不同濃度Cry1Ac殺蟲(chóng)蛋白人工飼料羽化的1日齡雌蛾飛行能力
為進(jìn)一步分析不同濃度Cry1Ac殺蟲(chóng)蛋白對(duì)雌蛾飛行能力的影響,參照江幸福等[30]的方法,對(duì)不同處理組間的強(qiáng)飛個(gè)體進(jìn)行分析比較。結(jié)果表明,取食含25μg/g和50μg/g Cry1 Ac蛋白人工飼料羽化的雌蛾強(qiáng)飛行個(gè)體比例較高,飛行距離超過(guò)40 k m的個(gè)體比例分別達(dá)到33.3%和43.3%。而隨著人工飼料中Cry1 Ac蛋白濃度的進(jìn)一步升高,羽化的雌蛾強(qiáng)飛行個(gè)體比例顯著下降,取食含200μg/g Cr y1 Ac蛋白人工飼料羽化的雌蛾飛行距離超過(guò)40 k m的個(gè)體僅為10% (圖2)。按飛行時(shí)間和平均飛行速度劃分,也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)(圖2)。這些結(jié)果進(jìn)一步表明,幼蟲(chóng)取食較低濃度的Cr y1 Ac蛋白對(duì)雌蛾飛行能力有明顯促進(jìn)作用,而濃度過(guò)高則顯著抑制成蟲(chóng)的飛行。
甜菜夜蛾幼蟲(chóng)取食含不同濃度Cry1Ac蛋白的人工飼料羽化的1日齡(未取食)雄蛾飛行距離(df=4,F(xiàn)=11.18,p<0.000 1)、飛行時(shí)間(df=4,F(xiàn)=13.42,p<0.000 1)和飛行速度(df=4,F(xiàn)=8.04,p<0.000 1)也差異顯著。盡管在較低濃度Cr y1 Ac蛋白(25μg/g和50μg/g Cr y1 Ac)的人工飼料飼養(yǎng)下存活并羽化的雄蛾飛行能力與取食無(wú)Cry1Ac蛋白的人工飼料相比,其飛行距離、飛行時(shí)間和飛行速度均未表現(xiàn)出升高的趨勢(shì),但這3種條件下各項(xiàng)飛行參數(shù)均無(wú)顯著差異(p>0.05)。隨著人工飼料中Cry1Ac蛋白濃度的進(jìn)一步升高,雄蛾飛行能力顯著下降(p<0.05)。
進(jìn)一步分析幼蟲(chóng)取食含不同濃度Cry1Ac殺蟲(chóng)蛋白人工飼料存活并羽化的雄蛾強(qiáng)飛個(gè)體比例的差異(圖4)。結(jié)果表明,取食不含Cry1Ac蛋白、含25μg/g和50μg/g Cr y1 Ac蛋白人工飼料羽化的雄蛾強(qiáng)飛行個(gè)體比例較高,而隨著人工飼料中Cry1Ac蛋白濃度的進(jìn)一步升高,雄蛾強(qiáng)飛行個(gè)體比例顯著下降,取食含200μg/g Cry1Ac蛋白人工飼料羽化的雄蛾飛行距離超過(guò)40 km的個(gè)體僅為10.3%。按飛行時(shí)間和平均飛行速度劃分,也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)(圖4)。這些結(jié)果進(jìn)一步表明,幼蟲(chóng)取食較低濃度的Cry1Ac蛋白對(duì)雄蛾飛行能力無(wú)抑制作用,而濃度過(guò)高則顯著抑制雄蛾的飛行。
圖4 甜菜夜蛾幼蟲(chóng)取食含不同濃度Cry1Ac殺蟲(chóng)蛋白人工飼料羽化的1日齡雄蛾飛行能力頻次分布
幼蟲(chóng)食物(寄主植物)的質(zhì)量與數(shù)量通常是影響昆蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育、存活與繁殖等種群參數(shù)的重要因素。對(duì)于遷飛性昆蟲(chóng),幼蟲(chóng)食物質(zhì)量與數(shù)量(寄主適合度)的下降通常還是周圍棲息地條件惡化的環(huán)境指示劑。一定程度的食物質(zhì)與量的下降有助于誘導(dǎo)成蟲(chóng)遷飛型的分化。如黏蟲(chóng)幼蟲(chóng)在周期性的短時(shí)食物缺乏條件下,羽化的成蟲(chóng)有增加遷飛的傾向,但隨著幼蟲(chóng)食物條件的進(jìn)一步惡化,不僅會(huì)顯著降低種群增長(zhǎng)趨勢(shì),而且還會(huì)顯著抑制成蟲(chóng)飛行,從而影響其種群動(dòng)態(tài)。持續(xù)饑餓的黏蟲(chóng),其生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖和飛行等參數(shù)均顯著下降[31]。與適宜的飼料(人工飼料與甘藍(lán))相比,取食較不適宜的玉米苗的甜菜夜蛾飛行能力也會(huì)顯著下降[27]。本文結(jié)果表明,甜菜夜蛾幼蟲(chóng)取食含較低Cry1 Ac濃度的人工飼料(25μg/g和50μg/g)不僅沒(méi)有顯著抑制其成蟲(chóng)的飛行能力,相反卻有增加遷飛的傾向,表現(xiàn)在強(qiáng)飛行個(gè)體比例明顯增加,從而為成功逃避轉(zhuǎn)Bt基因作物做好準(zhǔn)備,表明一定程度Bt殺蟲(chóng)蛋白的脅迫會(huì)顯著促進(jìn)甜菜夜蛾遷飛型的分化。但隨著飼料中Cry1Ac濃度的進(jìn)一步升高,成蟲(chóng)飛行能力顯著下降,從而喪失逃避轉(zhuǎn)Bt作物的機(jī)會(huì),也會(huì)逐漸增加種群的選擇壓力,引起B(yǎng)t的抗性風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)甜菜夜蛾在我國(guó)的發(fā)生危害和遷飛行為規(guī)律[32-33],每年進(jìn)入我國(guó)黃淮海地區(qū)轉(zhuǎn)Bt棉田危害的甜菜夜蛾通常是在棉花生長(zhǎng)的中后期,即棉花開(kāi)花、現(xiàn)蕾和結(jié)鈴期。與葉片中高表達(dá)的Bt殺蟲(chóng)蛋白相比,棉蕾、棉鈴中的表達(dá)量相對(duì)較低,而甜菜夜蛾對(duì)較低濃度Bt蛋白的不敏感性[23]加劇了其對(duì)Bt蛋白的抗性風(fēng)險(xiǎn)。另一方面,近年來(lái)我國(guó)黃淮海地區(qū)轉(zhuǎn)Bt基因棉在有效控制棉鈴蟲(chóng)(Helicover pa ar miger a)等靶標(biāo)害蟲(chóng)的同時(shí),并不能有效殺死甜菜夜蛾,而與普通非轉(zhuǎn)Bt基因棉相比,噴施常規(guī)化學(xué)殺蟲(chóng)劑次數(shù)的明顯減少等因素引起轉(zhuǎn)Bt基因棉上甜菜夜蛾種群暴發(fā)成災(zāi)。但至今田間仍未監(jiān)測(cè)到甜菜夜蛾對(duì)Bt殺蟲(chóng)蛋白的抗性,盡管室內(nèi)汰選試驗(yàn)表明,甜菜夜蛾對(duì)Bt殺蟲(chóng)蛋白的抗性產(chǎn)生是可能的[34]。取食較低濃度亞致死劑量的Bt殺蟲(chóng)蛋白導(dǎo)致甜菜夜蛾成蟲(chóng)遷飛傾向的增加,從而成功飛離Bt作物并與庇護(hù)所作物上的敏感種群雜交,稀釋抗性基因頻率是甜菜夜蛾在田間不易形成Bt抗性的重要因素之一。因此,建議在轉(zhuǎn)Bt作物生態(tài)安全性評(píng)價(jià)研究中,除評(píng)價(jià)目標(biāo)殺蟲(chóng)蛋白對(duì)害蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育、存活和生殖等影響外,還應(yīng)增加對(duì)取食亞致死劑量Bt殺蟲(chóng)蛋白后存活并羽化的遷飛性昆蟲(chóng)飛行能力的評(píng)價(jià)內(nèi)容,從而為全面分析轉(zhuǎn)Bt基因作物對(duì)遷飛性害蟲(chóng)種群動(dòng)態(tài)規(guī)律的影響以及抗性治理策略提供科學(xué)依據(jù)。
[1] Ja mes C.Brief 41:Global stat us of co mmercialized biotech/GM cr ops:2009[R].ISAAA Brief No.41.ISAAA:It haca,NY,2009.
[2] Tabashnik B E.Evolution of resistance to Bacill us thuringiensis[J].Annu Rev Entomol,1994,39:47-49.
[3] Tabashnik B E,Carriere Y,Dennehy T J,et al.Insect resist-ance to transgenic Bt crops:lessons from the laboratory and field[J].J Econ Ento mol,2003,96:1031-1038.
[4] Olsen K M,Daly J C,Holt H E,et al.Season-long variation in expression of Cry1 Ac gene and efficacy of Bacill us thuringiensis toxin in transgenic cotton against Helicover pa ar miger a(Lepidoptera:Noctuidae)[J].J Econ Entomol,2005,98(3):1007-1017.
[5] 張小四,李松崗,許崇任,等.轉(zhuǎn)Bt棉不同生長(zhǎng)期及不同器官殺蟲(chóng)蛋白表達(dá)量的免疫學(xué)方法測(cè)定[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000,36(4):477-484.
[6] 孫偉,曹玉洪.轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲(chóng)棉Bt毒蛋白表達(dá)量的時(shí)空變化[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2005,33(2):202-203.
[7] Tabashnik B E,Gassmann A J,Cro wder D W,et al.Insect resistance t o Bt cr ops:Evidence versus t heory[J].Nat Biotechnol,2008,26:199-202.
[8] Luttrell R G,Ali I,Allen K C.et al.Resistance to Bt in Arkansas populations of cotton boll wor m[C]∥Richter D A.Proceedings of the 2004 Belt wide Cotton Conferences,San Antonio,TX,January 5-9,2004:1373-1383.
[9] Matten S R,Head G P,Quemada H D.How gover n mental regulation can help or hinder t he integration of Bt cr ops into IPM programs[M]∥Romeis J,Shelton A M,Kennedy G G,ed.Integration of Insect-Resistant Genetically Modified Crops wit hin IPM Progra ms(New Yor k:Springer),2008:27-39.
[10]Tabashnik B E,Gassmann A J,Crowder D W,et al.Fieldevolved resistance to Bt toxins[J].Nat Biotechnol,2008,26:1074-1076.
[11]Tabashnik B E.Delaying insect resistance to transgenic crops[J].Proc Natl Acad Sci USA,2008,105(49):19029-19030.
[12]Glau m P R,Ives A R,Andow D A.Conta mination and management of resistance evolution to high-dose transgenic insecticidal crops[J/OL].Theor Ecol,2011,doi 10.1007/s12080-010-0109-6.
[13]Wu K M,Lu Y H,F(xiàn)eng H Q,et al.Suppression of cotton boll wor m in multiple crops in China in areas with Bt toxin-containing cotton[J].Science,2008,321:1676-1678.
[14]Mikkola K.The inter pretation of long-range migration of Spodopter a exigua [J].J Ani m Ecol,1970,39:593-598.
[15]Mitchell E R.Migration by Spodopter a exigua and S.f r ugiper da[M]∥Rabb R L,Kennedy J S,eds.Movement of Highly Mobile Insects:Concepts and Met hodology in Research.Nort h Carolina State University,Raleigh,NC,1979:386-393.
[16]Ki mura S.Immigration of t he beet ar my wor m,Spodopter a exigua (Hübner),to northern coastal area of Akita prefecture,1990,in relation to at mospheric conditions[J].Annu Rep Soc Plant Prot Nort h Japan,1991,42:148-151.
[17]Feng H Q,Wu K M,Cheng D F,et al.Radar observation of t he autu mn migration of t he beet ar my wor m,Spodopter a exigua,and ot her mot hs in nort her n China[J].Bull Ent o mol Res,2003,93:115-124.
[18]江幸福.甜菜夜蛾在我國(guó)的發(fā)生為害及防治概況[J].農(nóng)資科技,1998(6):8-10.
[19]江幸福,羅禮智.甜菜夜蛾暴發(fā)原因及防治對(duì)策[J].植物保護(hù),1999,25(3):32-34.
[20]王萬(wàn)群,晉漢鳳,李尚義.抗蟲(chóng)棉遭遇甜菜夜蛾嚴(yán)重危害的初步觀察[J].中國(guó)棉花,2002,29(10):27-28.
[21]Wu G,Harris M K,Guo J Y,et al.Response of multiple generations of beet ar my wor m,Spodopter a exigua (Hübner),feeding on transgenic Bt cotton[J].J Appl Ento mol,2008,132:1-11.
[22]夏敬源,崔金杰,常蕊芹.轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉對(duì)甜菜夜蛾的抗性研究[J].中國(guó)棉花,2000,27(9):11-12.
[23]蔣冬花,鄧日強(qiáng),龐義,等.對(duì)夜蛾科幼蟲(chóng)高毒力的蘇云金芽孢桿菌菌株及其晶體蛋白特性[J].中國(guó)生物防治,1997,13(2):82-85.
[24]薛明,董杰,張成省.取食轉(zhuǎn)Bt基因棉等植物對(duì)甜菜夜蛾生長(zhǎng)發(fā)育和藥劑敏感性的影響[J].植物保護(hù)學(xué)報(bào),2002,29(1):13-18.
[25]王振營(yíng),王冬妍,何康來(lái),等.轉(zhuǎn)Bt基因玉米對(duì)甜菜夜蛾幼蟲(chóng)存活和發(fā)育的影響[J].昆蟲(chóng)學(xué)報(bào),2005,48(2):214-220.
[26]張小麗,陳萍,陳翠芳,等.轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲(chóng)棉對(duì)甜菜夜蛾實(shí)驗(yàn)種群增長(zhǎng)的影響[J].植物保護(hù)學(xué)報(bào),2007,34(4):391-395.
[27]江幸福,羅禮智,胡毅.幼蟲(chóng)食物對(duì)甜菜夜蛾生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖及飛行的影響[J].昆蟲(chóng)學(xué)報(bào),1999,42(3):270-275.
[28]陳建,江幸福,羅禮智,等.甜菜夜蛾低齡幼蟲(chóng)取食Cry1 Ac毒素對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育及成蟲(chóng)繁殖的影響[J].昆蟲(chóng)學(xué)報(bào),2010,53(3):1119-1126.
[29]Jiang X F,Luo L Z,Sappingt on T W.Relationship of flight and repr oduction in beet ar my wor m,Spodopter a exigua(Lepidoptera:Noctuidae),a migrant lacking the oogenesis-flight syndrome[J].J Insect Physiol,2010,56(10):1631-1637.
[30]江幸福,羅禮智,胡毅.成蟲(chóng)期營(yíng)養(yǎng)對(duì)甜菜夜蛾生殖和飛行的影響[J].植物保護(hù)學(xué)報(bào),2000,27(4):327-332.
[31]曹雅忠,羅禮智,郭軍.粘蟲(chóng)生殖和飛翔與幼蟲(chóng)期營(yíng)養(yǎng)的關(guān)系[J].昆蟲(chóng)學(xué)報(bào),1996,35(1):105-108.
[32]江幸福,羅禮智.甜菜夜蛾越冬與遷飛規(guī)律研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J].長(zhǎng)江蔬菜,2010(18):36-37.
[33]江幸福,羅禮智.我國(guó)甜菜夜蛾發(fā)生危害特點(diǎn)及治理措施[J].長(zhǎng)江蔬菜,2010(18):93-95.
[34]Luttrell R G,Wan L,Knighten K.Variation in susceptibility of noctuid(Lepidoptera)larvae attacking cotton and soybean to purified endotoxin protein and commercial f or mulations of Bacill us thuringiensis[J].J Econ Ento mol,1999,92:21-32.