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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

2012-10-12 08:14張興華田紹仁張?zhí)煊?/span>喬艷艷
生物安全學(xué)報(bào) 2012年2期
關(guān)鍵詞:吐絮覆蓋度出苗率

張興華,田紹仁,張?zhí)煊?,?捷,喬艷艷

江西省棉花研究所,江西九江332105

蘇云金芽孢桿菌Bacillus thuringiensis δ-內(nèi)毒素晶體蛋白基因簡(jiǎn)稱 Bt基因(Crickmore et al.,1998),是世界上應(yīng)用最廣泛的生物殺蟲劑(關(guān)雄,2006)。據(jù)統(tǒng)計(jì),已報(bào)道的 Bt基因有60種以上。根據(jù)它們的殺蟲范圍和基因序列差異,可大致分為6 類,即 cry1、cry2、cry3、cry4、cry5、cryt。每一類中又包含不同的亞類,前5類稱為晶體蛋白基因家族,第6類稱為細(xì)胞外溶性晶體蛋白基因(張洪瑞等,2008)。1981年Shnepf&Witeleg首次從蘇云金芽孢桿菌中分離并克隆了Bt基因,美國(guó)孟山都公司將Bt基因經(jīng)過啟動(dòng)子改造后轉(zhuǎn)入棉花中,于1995年獲得了2種轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉NUCOTN33B和NUCOTN35B(謝德意,2001)。我國(guó)于1990年從蘇云金芽孢桿菌亞種aizawai7-29和KurstakiHD-1中分離克隆了Bt基因(謝道昕和范云六,1991);后對(duì)其進(jìn)行改造并獲得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的抗蟲性極強(qiáng)的 Bt基因[GFM cry1A BT基因(cry1Ab、cry1Ac)](郭三堆,1993;郭三堆等,1993),且由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物工程中心、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所等單位將改造的Bt基因轉(zhuǎn)入國(guó)產(chǎn)棉花品種中,于1994年成功獲得了第一批國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)單價(jià)Bt基因抗蟲棉(張銳等,2007)。1998年孟山都公司將腈水解酶基因BXN與Bt基因同時(shí)轉(zhuǎn)入一個(gè)棉花中,獲得既抗蟲又抗溴苯腈除草劑的棉花品種(馮堅(jiān),2006)。

近幾年,我國(guó)又推出了轉(zhuǎn)雙價(jià)Bt和豇豆胰蛋白酶抑制抗蟲基因(cry1Ac+CPTI)棉(Wu&Guo,2005)、轉(zhuǎn)雙價(jià)雙Bt抗蟲基因(cry1Ac+cry2Ab)棉(雒珺瑜等,2011)、轉(zhuǎn)雙價(jià)抗蟲和抗除草劑基因(cry1Ac+EPSPS)棉、轉(zhuǎn)雙價(jià)抗病基因(Chi+Glu)棉等新品種。對(duì)于這些新的轉(zhuǎn)基因棉花品種,必須在推廣種植前進(jìn)行環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。我國(guó)僅在2007年公布了1項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),即農(nóng)業(yè)部953號(hào)公告-12-2007(以下簡(jiǎn)稱953號(hào)公告)。但該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于轉(zhuǎn)單價(jià)Bt基因抗蟲棉,一些新的轉(zhuǎn)雙價(jià)復(fù)合基因棉仍缺乏環(huán)境安全評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。為此,中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部從“十一五”起開始設(shè)立環(huán)境安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究專項(xiàng)。本文對(duì)轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉與轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉荒地的生存競(jìng)爭(zhēng)能力進(jìn)行研究,以期為轉(zhuǎn)雙價(jià)雙Bt抗蟲基因棉和轉(zhuǎn)雙價(jià)抗蟲、抗除草劑基因棉環(huán)境安全評(píng)價(jià)技術(shù)的建立提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)品種:轉(zhuǎn)雙價(jià)雙Bt抗蟲基因(cry1Ac+cry2Ab)棉,轉(zhuǎn)雙價(jià)抗蟲、抗除草劑基因(cry1Ac+EPSPS)棉均由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所提供;對(duì)照品種:非轉(zhuǎn)基因常規(guī)棉——贛棉11號(hào)為江西省棉花研究所研制品種。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)地設(shè)在江西省棉花研究所內(nèi),面積40 m×6 m。試驗(yàn)品種和對(duì)照品種各設(shè)4個(gè)重復(fù),隨機(jī)排列,每個(gè)重復(fù)的小區(qū)面積為3 m×2 m,播40粒棉種,分地表撒播和3 cm深度點(diǎn)播2種方式。播種后不進(jìn)行任何栽培管理。

1.2.2 調(diào)查內(nèi)容 試驗(yàn)期間調(diào)查優(yōu)勢(shì)雜草種類、高度和覆蓋度(目測(cè)各種雜草占小區(qū)的比例),棉花出苗數(shù)、株高、生育進(jìn)程(蕾、鈴、吐絮)、吐絮瓣數(shù)、吐絮瓣脫落率、自生苗等指標(biāo)。

1.2.3 調(diào)查時(shí)間 于2011年5月4日播種前調(diào)查各小區(qū)雜草種類、高度和覆蓋度,6月5日播種后30 d開始第1次調(diào)查,以后每隔1個(gè)月調(diào)查1次,至11月上旬結(jié)束。2012年3月底進(jìn)行第2次吐絮棉瓣脫落率和自生苗調(diào)查。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、LSD最小顯著性極差檢驗(yàn)。其中,由于吐絮瓣數(shù)和絮瓣脫落率各有1~2個(gè)小區(qū)數(shù)據(jù)為0,無法進(jìn)行生物統(tǒng)計(jì)上的差異顯著性分析。鑒于此,作者應(yīng)用普通方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì),自定差異顯著性標(biāo)準(zhǔn):<5%為差異不顯著,5% ~10%為差異顯著,>10%為差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表撒播競(jìng)爭(zhēng)能力表現(xiàn)

2.1.1 播種前雜草情況 播種前,試驗(yàn)地雜草平均覆蓋度95.4%,平均高度10~70 cm。其中,優(yōu)勢(shì)雜草5種:野麥Avena fatua L.、南苜蓿Medicago hispida Gaertn.、野芹菜 Sanicula lamelligera Hance、風(fēng)花菜Rorippaislandica(Oed.)Borb.、豬殃殃 Galium aparine L.var.tenerum(Gren.Et Godr.)Rcbb.;非優(yōu)勢(shì)雜草4種:野老鸛草Geranium carolinianum L.、一年蓬 Erigeron annuus(L.)Pers.、刺兒菜 Cephalanoplos segetum(Bge.)Kitam.、小飛蓬 Conyza canadensis(L.)Cronq.;其他雜草數(shù)量稀少(表1)。

表1 播種前雜草種類、高度及覆蓋度Table 1 The species,height and coverage of weed before sowing

2.1.2 出苗競(jìng)爭(zhēng)力 6月 5日和 7月5日:轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉各小區(qū)雜草平均高度分別為50.0 和57.5 cm,平均覆蓋度分別為 88.8%和 97.5%(表2),平均出苗率分別為 2.5% 和 6.9%(表 3);轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉各小區(qū)雜草平均高度分別為47.5 和50.0 cm,平均覆蓋度分別為87.5%和91.3%(表2),平均出苗率分別為 2.5% 和 5.0%(表 3)。以上指標(biāo)與對(duì)照相比差異均不顯著。這表明轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉和轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉在6~7月出苗率競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)均較小,棉苗被雜草覆蓋。

8月5日和9月5日:轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉各小區(qū)雜草平均高度分別為150.0和167.5 cm,平均覆蓋度均為100%(表2),平均出苗率分別為9.4%和10.6%(表3);轉(zhuǎn) cry1Ac+EPSPS 基因棉各小區(qū)雜草平均高度分別為150和175.0 cm,平均覆蓋度均為100%(表2),平均出苗率分別為5.6%和7.5%(表3)。以上指標(biāo)中,僅9月5日的轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉平均出苗率與對(duì)照相比差異顯著,其余均不顯著。

出苗競(jìng)爭(zhēng)力方面雜草化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估:(1)直到9月份,轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉出苗率與對(duì)照相比才表現(xiàn)出顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),此時(shí)已是棉花生長(zhǎng)末期,失去了成熟的機(jī)會(huì),不能繁殖傳代,因此不具有雜草化風(fēng)險(xiǎn);(2)轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉出苗率與對(duì)照相比始終無顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),也不具有雜草化風(fēng)險(xiǎn)。

表2 2種播種方式下小區(qū)雜草高度及覆蓋度Table 2 The height and coverage of weed in each district by two sowing methods

表3 2種播種方式下轉(zhuǎn)基因棉的出苗率、株高及生育進(jìn)程Table 3 The seedling emergence,height and growing process of transgenic cotton by two sowing methods

2.1.3 株高競(jìng)爭(zhēng)力 在7~11月5個(gè)調(diào)查日中,轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉平均株高分別為15.00、21.33、36.78、36.80 和 36.85 cm,轉(zhuǎn) cry1Ac+EPSPS基因棉平均株高分別為 13.75、19.95、28.05、28.13 和29.38 cm,與對(duì)照相比差異均不顯著(表3)。這表明在整個(gè)生長(zhǎng)期,轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉和轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉與對(duì)照相比,株高競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)均較弱;與同期雜草(表2)相比,株高也處于劣勢(shì),出苗稀少,一直處于雜草的覆蓋下,生長(zhǎng)上無競(jìng)爭(zhēng)力。由此可見,這2種轉(zhuǎn)基因棉在株高競(jìng)爭(zhēng)力方面均無雜草化風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.4 生育進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)力 轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉吐絮比對(duì)照快1個(gè)月(表3),顯示出生育進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),具有一定的雜草化風(fēng)險(xiǎn);轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉成鈴比對(duì)照慢2個(gè)月(表3),在生育進(jìn)程上無競(jìng)爭(zhēng)力,且在生長(zhǎng)期內(nèi),成鈴未進(jìn)入吐絮期由此喪失絮棉種子繁殖的機(jī)會(huì),從而在棉生育進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)力上不具有雜草化風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.5 吐絮瓣和絮瓣脫落競(jìng)爭(zhēng)力 2011年11月5日,轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉和轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉平均吐絮瓣數(shù)分別為1.5和0個(gè),與對(duì)照相比差異均不顯著;絮瓣脫落率與對(duì)照均為0。2012年3月28日,2種轉(zhuǎn)基因棉的平均吐絮瓣數(shù)分別為8.0和0個(gè),與對(duì)照相比差異也不顯著;絮瓣脫落率與對(duì)照均為0(表4)。這表明轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉和轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉吐絮瓣競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)均不顯著,且吐絮的棉瓣不能脫落,喪失了繁殖機(jī)會(huì),因此都不具有雜草化風(fēng)險(xiǎn)。

表4 2種播種方式下棉吐絮瓣數(shù)和絮瓣脫落率Table 4 The number of cotton boll opening valve and the floc valve dropping rate of cotton by two sowing methods

2.1.6 自生苗 2012年3月 28日,轉(zhuǎn) cry1Ac+cry2Ab基因棉、轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉和對(duì)照各小區(qū)均無自生苗,這是由于三者吐絮棉瓣中的棉籽(種子)均為不成熟的空殼。因此,這2種轉(zhuǎn)基因棉無自生苗上的雜草化風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 3cm深度播種競(jìng)爭(zhēng)能力表現(xiàn)

2.2.1 播種前雜草情況 播種前,試驗(yàn)地雜草平均覆蓋度98.3%,雜草平均高度20~120 cm。其中,優(yōu)勢(shì)雜草5種:野麥、南苜蓿、野芹菜、風(fēng)花菜、豬殃殃;非優(yōu)勢(shì)雜草4種:野老鸛草、一年蓬、小飛蓬、羊蹄Rumex japonicus Houtt.;其他雜草數(shù)量稀少(表1)。

2.2.2 出苗競(jìng)爭(zhēng)力 6月 5日和 7月5日:轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉各小區(qū)雜草平均高度分別為52.5和46.3 cm,與對(duì)照相比差異均不顯著;平均覆蓋度分別為61.3%和87.5%,與對(duì)照相比差異均顯著(表2);平均出苗率分別為13.8%和18.1%,與對(duì)照相比,前者差異不顯著,后者差異顯著(表3)。轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉各小區(qū)雜草平均高度分別為61.3和41.3 cm,與對(duì)照相比,前者差異顯著,后者差異不顯著;平均覆蓋度分別為75.0%和88.8%,與對(duì)照相比差異均顯著(表2);平均出苗率分別為10.6%和8.8%,與對(duì)照相比差異均不顯著(表3)。這表明2種轉(zhuǎn)基因棉在6~7月出苗競(jìng)爭(zhēng)力較弱,棉苗被雜草覆蓋。

8月5日和9月5日:轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉各小區(qū)雜草平均高度分別為110.0和120 cm,與對(duì)照相比差異均不顯著;平均覆蓋度均為100%,與對(duì)照相等(表2);平均出苗率分別為20.6%和24.4%,與對(duì)照相比差異均顯著(表3)。轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉各小區(qū)雜草平均高度分別為87.5和115.0 cm,與對(duì)照相比差異均不顯著;平均覆蓋度均為100%,與對(duì)照相等(表3);平均出苗率分別為14.4%(與對(duì)照差異不顯著)和15.6%(與對(duì)照相等),棉苗被雜草覆蓋。

出苗競(jìng)爭(zhēng)力方面雜草化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估:(1)在整個(gè)生長(zhǎng)期中,轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉出苗率競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)與對(duì)照相比均未達(dá)到顯著水平,因此不具有顯著的雜草化風(fēng)險(xiǎn);(2)轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉出苗競(jìng)爭(zhēng)力與對(duì)照相比,在7月份之前處于弱勢(shì),到9月份出苗率與對(duì)照相等,所以其在出苗競(jìng)爭(zhēng)力方面也不具有雜草化風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 株高競(jìng)爭(zhēng)力 7月5日、8月5日、9月5日和10月5日,轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉平均株高分別為 25.00、29.50、33.92 和 33.93 cm,轉(zhuǎn) cry1Ac+EPSPS 基因棉平均株高分別為 21.25、30.25、40.51和40.52 cm,與對(duì)照相比差異均不顯著(表3);11月5日,各小區(qū)雜草已處于枯萎狀態(tài)。由此可見,這2種轉(zhuǎn)基因棉株高競(jìng)爭(zhēng)力與對(duì)照相比均無顯著優(yōu)勢(shì),不具有雜草化風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.4 生育進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)力 轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉、轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉在生育進(jìn)程上與對(duì)照均一致(表3),無競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),這也說明它們無雜草化風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.5 吐絮瓣和絮瓣脫落競(jìng)爭(zhēng)力 2011年11月5日,轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉和轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉平均吐絮瓣數(shù)分別為6.8和11個(gè),與對(duì)照相比差異均顯著;絮瓣脫落率和對(duì)照均為0。2012年3月28日,2種轉(zhuǎn)基因棉平均吐絮瓣數(shù)分別為16.0和36.0個(gè),與對(duì)照相比差異均極顯著;絮瓣脫落率分別為0和8.3%,與對(duì)照相比差異均顯著(表4)。這表明轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉和轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉與對(duì)照相比,吐絮瓣和絮瓣脫落競(jìng)爭(zhēng)力均呈顯著的負(fù)優(yōu)勢(shì),不具有繁殖傳代意義上的雜草化風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.6 自生苗 2012年3月28日,轉(zhuǎn) cry1Ac+cry2Ab基因棉、轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉和對(duì)照各小區(qū)均無自生苗,這是由于三者吐絮棉瓣中的棉籽(種子)均為不成熟的空殼。因此,這2種轉(zhuǎn)基因棉在荒地3 cm深播下無自生苗的雜草化風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述,在地表撒播和3 cm深度播種條件下,轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉和轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉各項(xiàng)指標(biāo)的競(jìng)爭(zhēng)能力均無顯著優(yōu)勢(shì),在推廣種植上不存在雜草化風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論與討論

轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉、轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉和對(duì)照非轉(zhuǎn)基因棉在荒地撒播和3 cm深播2種方式的生存競(jìng)爭(zhēng)能力檢測(cè)結(jié)果表明,僅轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉撒播的平均出苗競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)與對(duì)照相比達(dá)到顯著差異,其余檢測(cè)指標(biāo)與對(duì)照相比均無顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此,從整體上看,可以定性地確定受檢的轉(zhuǎn)cry1Ac+cry2Ab基因棉和轉(zhuǎn)cry1Ac+EPSPS基因棉在推廣種植上不存在雜草化風(fēng)險(xiǎn)。

本研究未調(diào)查雜草數(shù)量,而是調(diào)查了雜草覆蓋度。953號(hào)公告規(guī)定,在轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花生存競(jìng)爭(zhēng)能力的荒地測(cè)定中,需調(diào)查雜草數(shù)量。作者研究發(fā)現(xiàn),荒地雜草種類繁多,無法調(diào)查雜草株數(shù),如禾本科和苜蓿類雜草,不僅難以準(zhǔn)確計(jì)算,而且極其耗時(shí)。另外,其覆蓋度也比一些大型雜草小,如一年蓬、風(fēng)花菜、野芹菜等。由此可見,在植物生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)力方面,覆蓋度指標(biāo)更為重要,指標(biāo)越大,說明競(jìng)爭(zhēng)能力越強(qiáng),優(yōu)勢(shì)也越大。因此作者認(rèn)為,在荒地競(jìng)爭(zhēng)能力檢測(cè)中,無需調(diào)查雜草數(shù)量,通過調(diào)查、統(tǒng)計(jì)各種雜草覆蓋度即可說明其占據(jù)棲息地的競(jìng)爭(zhēng)能力。

953號(hào)公告規(guī)定,在轉(zhuǎn)基因抗蟲棉荒地生存競(jìng)爭(zhēng)能力測(cè)定中,需對(duì)棉花的覆蓋度做調(diào)查。作者研究發(fā)現(xiàn),棉花在荒地不僅出苗少,植株瘦弱矮小,而且大部分荒地被雜草覆蓋。因此認(rèn)為,在荒地檢測(cè)時(shí)對(duì)于棉花覆蓋度可以忽略不測(cè),除非有新的轉(zhuǎn)基因棉花在荒地中表現(xiàn)更強(qiáng)的生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,則可以臨時(shí)用游標(biāo)卡尺逐株測(cè)量后統(tǒng)計(jì)棉花的覆蓋度(張興華等,2010)。

此外,本研究采用百分?jǐn)?shù)方法自定義差異顯著性值。在檢測(cè)棉花荒地的生存競(jìng)爭(zhēng)能力中,由于某個(gè)處理中某個(gè)重復(fù)小區(qū)會(huì)產(chǎn)生無苗生出、無鈴?fù)滦酢o吐絮棉瓣脫落的情況而不能進(jìn)行生物統(tǒng)計(jì)中的方差分析和顯著性檢驗(yàn)。據(jù)作者研究,在荒地條件下棉長(zhǎng)勢(shì)不良,出苗株數(shù)稀少,彼此間量值很低,差異值較小。因此,自定義定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):<5%為差異不顯著,5% ~10%為差異顯著,>10%為差異極顯著。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn),此標(biāo)準(zhǔn)符合實(shí)際,且實(shí)用性強(qiáng),可操作性好。在2012年初召開的“轉(zhuǎn)基因抗病棉花生存競(jìng)爭(zhēng)能力檢測(cè)技術(shù)操作規(guī)程和評(píng)價(jià)指標(biāo)”江西省地方標(biāo)準(zhǔn)審定會(huì)上得到評(píng)審專家的認(rèn)可。

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