生物防治、农药与转基因

2014-06-30 | 作者: 李飞 | 标签: 生物防治

作者系南京农业大学教授李飞,略有删减

转基因抗虫水稻的商业化推广引发民众热议,同时也将害虫控制这一平时不被人关注的领域带入人们的视野。关于害虫,人们最熟悉的当是蚊子和苍蝇。到了夏天,家中少不了苍蝇拍、电蚊香和杀蚊剂,甚至还要有驱蚊剂和芦荟等。然而,纵使十八般武器全部用上,家中的宝宝仍然免不了遭受蚊子的侵扰。

科学的发展似乎并没有减少人类的蚊蝇之苦,夏天的大蒲扇仍然是降温和驱蚊的利器。可见害虫控制之不易。

不过,让转基因水稻成为热门话题的农业害虫却是大多数人不知晓的。而农业科学家和农民控制这些严重影响农业生产和粮食安全的农业害虫的方法,更是鲜有人知。

孟山都公司有专门的宣传材料,介绍转基因作物的好处,我另文介绍。现简单地从效果和历史来说说害虫控制的策略和方法。

先说生物防治。

简单地说,生物防治中人类手中的生化武器。人会因为感染了细菌、真菌或病毒而生病,害虫也会。因此,农业科学家很早就发明了充分利用害虫的细菌、真菌和病毒来防治害虫的方法。比如下图显示害虫在感染白僵菌后的状态。



为了避免不必要的恐慌,我必须强调这些被用于控制害虫的细菌、真菌和病毒只侵染害虫,而对人类和其他哺乳动物无害。

有意思的是,许多记者在写新闻稿时,总喜欢强调生物防治是新型的现代害虫防治方法。其实不然,生物防治远在化学农药的使用之前。在我的课件时,其中一张幻灯片是 “1892 年,德国首次用舞毒蛾核多角体病毒防治松树害虫”。

转基因水稻中常提到的Bt,其正式名称为“苏云金杆菌”, 1911年,Berliner从德国苏云金省面粉厂寄出的一批地中海粉螟Anagastra kühniella (Zeller)中分离到一种杆菌,发表于《粮业杂志》上,1915年将该菌定名为苏云金杆菌。 1938年,苏云金杆菌首次在法国登记为微生物杀虫剂。

以上关于生物防治的历史表明,生物防治对于害虫控制领域而言,不是新鲜玩意。相反,因为生物防治具有"稳定性差,残效期短,杀虫速度慢,而且受施用环境影响大"等明显缺点,而无法在农业生产实践中大规模使用。

说一个简单的道理,在正常情况下,人类的细菌、真菌和病毒是无法用于控制人口数量。因此,害虫的细菌、真菌和病毒也无法有效地控制害虫。在长期的进化过程中,细菌、真菌和病毒必须与它们的宿主达到平衡。另一点必须注意的是,人类在感染细菌、真菌和病毒后,即使在不进行任何治疗的情况下,也不会立即死亡。害虫也是如此,在害虫感染细菌、真菌和病毒后,也不会立即死亡。但就是在这段时间内,害虫就已经对农作物造成了不可逆转的伤害,导致减产。

因此,生物防治是一个听上去很美,做起来很难的事。当然,农业科学家仍然一直在努力,去改造害虫的细菌、真菌和病毒,提高它们的杀虫效果和速度。但,前途是光明的,道路是曲折的。

再说化学农药。

Paul Mueller曾因为发现了DDT而获NOBEL奖。



毫不夸张地说,化学农药完全解决了生物防治存在的问题,其杀虫速度快,杀虫效果很好。有意思的是,化学农药存在的问题正好是生物防治的优点,其对环境不安全,对人类和其他哺乳动物高毒。



Rachel Carson因为发表了《寂静的春天》而闻名于世。但今天,花儿依旧开,鸟儿依旧叫。科学界对此的共识有两点,一方面Rachel Carson夸大了化学农药的危害,另一方面大量高毒农药被弃用,科学家也开发许多对环境友好的化学农药。曾有数据显示,化学农药的危害要小于汽车尾气。但由于《寂静的春天》的闻名度,化学农药早已经背上的骂名不可能洗去,当然也的确不可守忽视其对环境的破坏。

有意思的是,化学农药象是海洛因,明知有害,人类却在短时间内无法放弃,因为农药带给人类的眼前巨大利益实在是诱人了。

转基因作物

虽然转基因农作物早已经不是新闻。但提到转基因水稻却是必须小心翼翼,反对转基因的人往往喜欢采用文革式的“上纲上线”和针对人格的“污辱”来宣泄他们的愤怒。

关于转基因的原理,有许多文章介绍,不过还是可以再说。转基因可以从生物防治说起。苏云金杆菌本质是一种细菌,能够侵染害虫。不过这种细菌从侵染害虫到杀死害虫,需要一个漫长的过程。这当然可以理解,没有哪个人被感染上肺炎球菌后立即就会死去。正是这个漫长的过程,让苏云金杆菌一直无法在害虫防治中大展身手,替代农药。科学家发现,苏 云金杆菌之所以能够杀死害虫,因为其分泌一种蛋白,我们称其为杀虫蛋白,而蛋白的来源是由基因经转录和翻译之后形成的。科学家已经能够在细胞和体外实现这个过程。而转基因水稻就是让水稻自身来实现这个过程,自身产生细菌中的杀虫蛋白,这样害虫吃了水稻后就犹如被苏云金杆菌侵染一样,直接被杀死。

也许有人会困惑,为什么害虫取食转基因水稻会立即死亡,而被细菌侵染后不会呢?原因很简单,苏云金杆菌在侵染害虫后不会立即产生这种杀虫蛋白,而是在侵染的晚期才分泌杀虫蛋白。这是长期进化的结果,如果细菌在侵染害虫后立即杀死害虫,那么其自身就得不到繁殖。

做个简单的归纳,转基因水稻的杀虫蛋白来自能够且只能够侵染害虫的细菌,这种细菌早在上个世纪中上半叶就被用于害虫防治中。

需要注意的是,这种细菌最早是从面粉厂发现。如果这种杀虫蛋白能够杀死人,那么人类早就被这种细菌消灭了。

因此,反对转基因的人经常问的一个问题,“既然能够杀虫为什么不能杀人”。道理就是这么简单。其实更简单的逻辑是,人和虫之间是有很大的不同的。生物防治的优势在于只杀虫不杀人和其他生物,而化学农药的缺点是既杀虫又杀人和其他生物。而转基因水稻是生物防治方法的延伸和继续。

理想的害虫防治策略?

显然,一个理想的的害虫防治策略应该满足以下三个要求。

1. 高选择性。即只杀虫,不影响其他生物

2. 低残留。即完成杀虫任务,从环境中降解或消失。

3. 杀虫速度快。由于农作物的关键生长时期很短,必须在这个时间段内将害虫控制住。太早,害虫会继续繁殖(可不要以为人类可以灭了这些害虫)。太晚,对农作物的为害已经造成了。

现在来看一下转基因水稻:

1. 转基因水稻具有高选择性,其转入的杀虫蛋白不仅不可以杀人,连害虫都是有区分的。杀虫蛋白对某些害虫就无能为力,这反而是科学家头痛的问题。

2. 低残留。蛋白质在自然环境很容易被破坏,而且这种蛋白在自然界本来就广泛存在。或许你家的面粉中就有这种蛋白,只不能做成面包后被你吃掉了而已。

3.杀虫速度快,由于害虫直接取食杀虫蛋白,少了细菌侵染的过程,可以直接杀虫。

许多人会有另一个疑问,如果人大量取食杀虫蛋白后,会不会过敏或有害?这个问题很有意义。毒理学对毒物的定义与剂量是密切相关的。但人们不需要过多担心,因为剂量与体重是有关的。相比与害虫来说,人算是庞然大物。能够杀死害虫的剂量不会对人有任何影响。事实上,人类早就通过面粉、水稻等大量接触到了这种蛋白。

对此,科学家还有另一种办法来解除人们的担心。害虫一般只取食叶片,不取食水稻果实,而人只取食稻米而不取食叶片。因此,科学家巧妙地让这种杀虫蛋白只表达在叶片里,而在稻米中是没有的。那么人就可以安全地食用了。

附虫害控制技术的发展简史(围绕Bt和农药):

1911年,德国人Berliner首次发现苏云金杆菌;
1938年,苏云金杆菌首次在法国登记为微生物杀虫剂;
1948年,Paul Mueller因发现DDT被授予诺贝尔生理与医学奖。
1972年,DDT禁止使用。
1953年,Hannay等发现苏云金杆菌的杀虫活性与晶体蛋白有关;
1987年,转Bt烟草问世,即烟草能够产生杀虫晶体蛋白;
1991年,我国的转Bt棉花问世。
近年来,转Bt水稻开始试研究。

来源:李飞博客

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