转基因作物与环境安全评价

2019-11-10 | 作者: 姜奇彦 胡正 孙现军 张辉 | 标签: 环境安全评价

作者 姜奇彦,胡正,孙现军,张辉(中国农业科学院作物科学研究所)

1 国际以及我国的转基因作物发展

1996年,国际农业生物技术应用服务组织(ISAAA)通过广泛的全球网络收集了全球转基因产品相关信息,发布了《全球生物技术/转基因作物商业化发展态势》年度报告,因此1996年也被称为转基因商业化的第一年。2018年是转基因作物商业化的第23个年头,转基因作物的全球种植面积达到1.917亿公顷的新纪录,自1996年以来增长了约113倍,累计达到25亿公顷。除2015年外,这是第22个增长年份(图1上)。中国的转基因作物种植面积近十年来并没有什么大的变化(图1下)。


图1 世界(上)及中国(下)转基因作物种植面积 (数据来源于ISAAA)

世界上多少个国家或地区应用了转基因作物?2018年统计,总计70个国家/地区应用了转基因作物,这里的应用包括直接种植及进口。其中26个国家或地区种植转基因作物,另外44个国家或地区进口转基因作物。而五大转基因作物种植国(美国、巴西、阿根廷、加拿大和印度)占全球转基因作物面积的91%。中国转基因作物种植面积在世界上排第七位,2018年种植290万公顷(表1)。 这里需要提一下巴西,2018年是全球第二大转基因作物种植国, 但巴西80%的大豆出口到中国。

排名
国家
种植面积(百万公顷
转基因作物
1
美国 
75
玉米、大豆、棉花、油菜、甜菜、苜蓿、木瓜、南瓜、马铃薯、苹果
2
巴西 
51.3
大豆、玉米、棉花、甘蔗
3
阿根廷
23.9
大豆、玉米、棉花
4
 加拿大 
12.7
油菜、玉米、大豆、甜菜、苜蓿、苹果
5
印度
11.6
棉花
6
巴拉圭
3.8
大豆、玉米、棉花
7
中国
2.9
棉花、木瓜
8
巴基斯坦
2.8
棉花
9
南非
2.7
玉米、大豆、棉花
10
乌拉圭
1.3
大豆、玉米
11
玻利维亚
1.3
大豆
12
澳大利亚
0.8
棉花、油菜
13
菲律宾
0.6
玉米
14
缅甸
0.3
棉花
15
苏丹
0.2
棉花
16
墨西哥
0.2
棉花
17
西班牙
0.1
棉花
18
哥伦比亚
0.1
棉花、玉米
19
越南
0.1
玉米
20
洪都拉斯
0.1
玉米
21
智利
0.1
玉米、大豆、油菜
22
葡萄牙
0.1
玉米
23
孟加拉国
0.1
茄子
24
哥斯达黎加
0.1
棉花、大豆
25
印度尼西亚
0.1
甘蔗
26
埃斯瓦蒂尼
0.1
棉花
总计
191.7
表1 2018年全球转基因作物种植面积,按国家分类(单位:百万公顷)

数据来源于ISAAA,2018。

目前,国际上的转基因作物都包括什么呢?转基因玉米、大豆、棉花和油菜的种植面积及应用率都居于前列。除此之外,2018年转基因作物更加多样化(图2),且这些转基因作物均已上市销售,包括紫花苜蓿、甜菜、木瓜、南瓜、茄子、马铃薯和苹果。转基因甘蔗也开始在巴西及印度尼西亚种植。到目前为止,我国批准且已经商业化种植的转基因作物只有棉花,木瓜和杨树。转基因牵牛花、甜椒和番茄虽然中国曾批准投入商业化种植,但因市场原因未能推广,转基因水稻2009年获得安全证书后尚未完成生产许可,实际上也没有商业化种植。此外,自1997年我国还批准进口用作加工原料的转基因作物,包括大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜。

图2 国际上已经商业化的转基因作物

2 转基因作物环境安全问题

从上面的叙述中我们看到,国际上转基因作物的发展非常迅速。但是中国转基因作物的种植就像近10年来转基因作物种植面积变化曲线图一样曲折,在ISAAA发布的“2018年全球生物技术/转基因作物商业化发展态势”的报告中也提到亚太地区包括中国的一些国家实施监管准则并有效管理转基因产品的时间已有十余年,但是,政策环境的变化和强烈的批评意见成为转基因作物贸易和商业化的强大障碍。转基因作物的食品安全问题是最为关注和争论的焦点,当然,争论和质疑都是无可厚非的。除此之外,转基因作物的环境安全问题也成为人们反对转基因作物商业化种植的一方面理由。

转基因作物的环境安全指的是转基因作物的种植是否会产生潜在的环境和生态影响。转基因作物环境安全问题引起人们关注和争论更多是因为一些不实的“转基因安全事件”,有些是人们随手一写然后通过网络疯传,但有些是科研工作者发表在国际权威杂志上被广泛阅读传播。但不管媒介是什么,都要经得起推敲和验伪后再去相信。例如说我国2012年3月20日以来,各大网络论坛迅速流传一帖子《云南大旱的罪魁祸首-转基因桉树》。该帖作者(不详)说“桉树长得很快,需要大量的水和肥料。云南几千万亩桉树像一台台抽水机,吸干了当地的地下水,是导致云贵大旱的根源”。事实上,世界上现在根本就没有转基因的桉树,也没有任何证据能够证明种植桉树能够引起干旱。发生干旱的广西西北部不种或极少种桉树,大面积种植桉树的广西东南部和中部却不是旱区。桉树的原产地澳大利亚到处是桉树,并没有因此干旱连连。 

再例如加拿大“超级杂草”事件,1995年,加拿大抗除草剂转基因油菜商业化种植,2000年,加拿大发现同时抗草甘膦、草丁膦和咪唑啉类1-3种除草剂的油菜,有人称此为“超级杂草”。事实上,这种油菜在喷施另一种除草剂2,4-D后即被全部杀死。所谓的 “超级杂草”并不存在。

还有美国帝王蝶与转基因玉米鏖战的故事。事情的起源是1999年,康奈尔大学的科学家 John Losey在《自然》杂志上发表了一篇论文。他的实验室发现,如果用撒了Bt转基因玉米的花粉的叶片喂养帝王斑蝶幼虫,4天内会有44%的幼虫死亡,余下的幼虫还发生了发育缓慢的现象。文章一发表,就引起了公众的高度关注。其实,在实验室条件下,某些Bt转基因玉米会对帝王斑蝶的幼虫有毒是意料之中的情况。因为这类转基因玉米本来就是针对鳞翅目害虫的,身在鳞翅目内的帝王斑当然会受影响。而John Losey实验室所用花粉的浓度远远高于自然条件。那么,在自然条件下,转基因玉米会危害帝王斑蝶的生存吗?为了回答这个问题,美国组织了一大批来自不同业界的科学家开展了一项为期两年的研究。他们用不同的方法,对市场上的Bt转基因玉米做了一次风险评估。他们的研究结果经过了独立科学家的评议,以6篇论文的形式发表在了2001年的一期《美国科学院院报》(PNAS)上。John Losey正是这6篇文章的作者之一。研究结论是现有的转基因玉米花粉不会在野外对帝王斑蝶幼虫造成危害。考虑到转基因玉米的种植减少了农药的使用,它们甚至有助于帝王斑蝶种群的扩大。2000年到2003年,美国的Bt转基因玉米种植面积的比例从18%增至25%,增长了近40%。与此同时,帝王斑蝶的数量也增加了30%。有记者采访John Losey,他说到“我不认为我的研究能预测任何东西,转基因玉米对帝王斑蝶的影响也许很严重,也许小到可以忽略。我们的文章只不过说明我们需要更加深入的研究而已。”

其实很多转基因作物的种植都对环境产生了有利的影响,如转基因抗旱作物会减少地球上有限的淡水资源的使用;抗病、抗虫转基因作物会减少农药的使用从而减轻对环境的危害等等。那么,转基因作物大规模长期的商业化种植对环境或者说生态平衡就没有任何负面影响吗?就目前的研究结果看,我们就已经知道答案当然是否定的。所以,不管是国际上,还是我国对转基因作物进入商业化种植都有严格的环境安全评价程序。

3 转基因作物严格的环境安全评价程序

我国转基因作物种植行为受《农业转基因生物安全管理条例》的规范,实行严格的分阶段评价。从实验室研究阶段开始,到田间、小规模的中间试验,再到大规模的“环境释放”,生产性实验,安全证书申请的评估等5个阶段。中国农业科学院吴孔明研究员指出“现在国际上对转基因评价基本上是两种模式,美国模式是对产品进行评估,欧盟模式是对技术过程进行评估,而中国既对产品、又对过程进行评估,此外还增加了大鼠三代繁殖试验和水稻重金属含量分析等指标,从这个角度来说,我国的评价体系是全球最严的”。

我国转基因作物环境安全评价的内容依据不同的目的性状会有所不同,主要评价内容包括(图3):1)功能效率的评价,也就是对转基因作物进行目标性状的评价,例如对抗旱转基因小麦进行抗旱性评价,对抗虫转基因水稻进行抗虫能力的评价等。目标性状必须达到一定的水平才可以进入下一阶段的应用和评估。2)生存竞争能力的评价,也就是荒地条件下比较转基因作物和杂草的生存竞争力,栽培地条件下比较转基因作物和非转基因对照作物(转基因受体对照和非转基因主栽品种)的生存竞争能力,评价转基因作物是否具有较强的生存竞争能力从而成为优势杂草的潜势,进而破坏生态平衡的可能。3)基因漂移的风险,即外源基因向非转基因作物和野生近缘种逃逸及其可能带来的生态后果。4)抗生物胁迫(生物胁迫是指对植物生存与发育不利的的各种生物因素的总称,如病害、虫害、杂草危害等)转基因作物对非靶标生物的影响,如抗棉铃虫转基因棉花对棉铃虫之外的植食性生物的影响等。5)转基因作物对生物多样性的影响,如转基因作物对土壤微生物的影响。还包括一些特定性状的转基因作物可能引发的环境效应,例如抗生物胁迫转基因的长期使用是否导致靶标生物对转基因产生抗性,抗旱转基因作物长期栽培是否会对土壤理化性质产生影响等等。

图3 转基因作物环境安全评价内容

对于功能效率的评价,上游研发的课题,也就是创制出转基因作物的课题已经对转基因作物的目标性状进行了严格的筛选和评估,例如抗旱转基因小麦,研究人员要经过多年多点的田间抗旱性评价,转基因抗旱小麦的抗旱能力要显著高于受体对照。考虑到转基因作物的育种价值,受体对照一般选择当地大面积推广品种,或者转基因小麦与大面积推广品种进行杂交,这样保证了转基因小麦的丰产性。所以进行转基因作物环境安全评价的第一步就是选择受体材料和当地大面积推广品种作为对照,进行转基因作物的目标性状评价,达到一定标准,如抗旱转基因小麦的抗旱能力达到抗或高抗级别后,再进行下一项环境安全内容的评价。但对于该转基因作物目标性状的评价,不能既当运动员又当裁判员,创制转基因作物的课题与开展环境安全评价的课题应该不同。

生存竞争能力的评价是所有转基因作物都要开展的评价内容。作物本身是经过长期的人工驯化过程的,被称之为栽培种,它的生存竞争能力远不及杂草。但转入外源基因后,如抗旱、耐盐碱等基因,转基因作物的抗逆能力增加,有人会担心抗逆转基因作物生存竞争能力增强,从而具有成为杂草的可能性。因而环境安全评价内容设置转基因作物在荒地上与杂草的生存竞争能力比较,以及栽培地上与非转基因作物生存竞争能力比较。例如,孟山都转cspB 基因耐旱玉米MON87460,我国进口用作加工原料,对其进行的生存竞争能力评价包括1)14 个植物生长和发育特性指标,包括了不同处理条件下11 个试验点:6 个充分灌溉和限水处理都存在的试验点;5 个根据当地正常田间管理及给水条件进行处理的试验点。2)5 个与萌发及休眠相关的种子萌发参数。3)2 个花粉特性指标即花粉形态及活力。4)环境互作评价,包括特定病害、节肢动物或非生物胁迫的易感性或耐受性。5)自生苗潜势和野外生存能力。所有数据均支持MON 87460 玉米与常规玉米的生存竞争能力相当,引入外源基因并不会增加转基因耐旱玉米MON 87460转变为有害生物的潜势。从这个例子可以看到,对转基因作物生存竞争能力的评价非常严格。

转基因作物基因漂移的风险,是最受关注和争议的。基因漂移指某一个生物群体或个体,即一个或多个基因,通过风或昆虫等媒介转移到另一个生物群体中的自然过程,而且在自然界中已发生了千百万年。研究表明水稻、玉米、小麦、甘蔗等都有向他附近的同类作物或野生近缘种进行基因漂移的现象。不用避讳和否定,转基因作物与非转因作物一样,都会产生基因漂移。那么外源基因漂移之后会产生什么环境风险吗?人们担心什么呢?一是在某作物的起源地,如墨西哥是玉米的起源中心,如果在该地长期种植转基因玉米,外源基因如果漂移到当地原始材料中,人们担心会污染了玉米原始材料,减少物种多样性等。二是某些作物可以与其野生近缘种杂交,如果外源基因漂移到转基因作物的野生近缘种中,会不会严重影响其野生近缘种群体的生态安全性呢?这些疑虑也同样被科学家们所重视,所以针对这些疑虑进行了详细的研究并制定了严格的评价标准。例如基因最主要的漂移方式是通过花粉的传播,科学家们研究转基因作物花粉的漂移距离,研究转基因作物与其近缘野生种的空间分布是否重叠,研究转基因作物与其近缘野生种的杂交频率及后代成活情况等。然后针对这些研究结论,制定各种措施,通过时间、空间和物理隔离降低转基因漂移的频率(图4)。如,研究表明基因漂移的频率随花粉源距离的增加而降低,因此最简单有效的措施就是设置合理的安全距离,例如研究表明转基因水稻和非转基因水稻空间距离为6米时,能够检测到的基因漂移频率低于0.01%,这已经低于无意识混杂的许可值,这在生产实践中还是比较容易办到的。另外,还可以设置时间隔离,两块相邻的田块,各自种植的转基因水稻和非转基因水稻,不同时开花,也就是花期不相遇,它们各自开的花不可能互相授粉。还有一种物理隔离措施,是在植株比较矮小的转基因作物与非转基因作物品种之间,种植另外一种高杆农作物,如在大豆之间种植玉米或者高粱,就能大大减少甚至阻断由花粉介导的基因漂移。再加上农业部有关部门对转基因作物的种植以及收获的种子进行有效的安全监测和管理,我们可以说外源基因的漂移并不会产生可怕是生态风险。

图4 转基因作物种植过程中不同的隔离措施

转基因作物对非靶标生物的影响的评价是很多抗病虫转基因作物环境安全评价内容中非常重要的部分。任何一例转基因抗性作物都有非常明确的靶标。在转基因作物中靶标的意思是科学家挑选出来的外源基因转入到作物里去后,要达到的目的。例如,转Bt基因抗虫棉要防治的是棉铃虫,棉铃虫就是靶标。在同一块转基因田里,会生存着许多不是靶标害虫的其他动物,被称为非靶标生物。它们也会受到所转进去的外源基因的影响。为了维护自然中的生态平衡,需要评价转基因作物的种植对非靶标生物的生存是否会带来危害。环境安全评价工作者根据国际上相关标准,遴选具有代表性的,对害虫种群具有控制作用的,会接触到外源基因的,离靶标昆虫的亲缘关系较近的,在试验中易于室内饲养观察的生物物种作为指示种,然后通过对这些指示种的评价,来推测转基因抗虫作物的种植对其他众多生物物种的安全性。评价方法就是配制含和不含外源基因表达蛋白的饲料对非靶标生物进行饲喂一段时间后,通过一些指标的测定,评价外源基因是否对非靶标生物具有毒理效应,如果有,是取食了田间实际接触剂量多大倍数的条件下发生的。如果没有毒理效应,那么认为转基因作物对非靶标生物的没有影响。如果有影响,应该采取什么措施来消除或避免呢?例如抗虫基因Bt的靶标生物是棉铃虫,玉米螟或二化螟,而家蚕与它们同属鳞翅目昆虫,家蚕对Bt蛋白同样敏感,他也可能通过取食飘落于桑叶的Bt作物花粉而受到负面影响。而研究结果显示,家蚕通过取食桑叶而摄取到的Bt作物花粉量很低,不会对家蚕的生长发育产生显著的负面影响。但为了最大程度的降低Bt作物的种植对养蚕业产生负面影响,研究者建议Bt作物田与桑田之间,设立一定距离的隔离,避免Bt作物的花粉飘落于桑叶。

转基因作物对生物多样性的影响随着转基因作物种植时间的加长越来越受到人们的关注。转基因作物种植的田块里,除了转基因作物和杂草等植物之外,还生长着许多种以昆虫为主的小动物,他们之间存在着竞争、寄生、捕食、合作等各种关系,相互制约,共同生存,成为一个区域性的生态系统,共同维护着转基因作物种植田的生态平衡。当我们长期种植转基因作物时,会对这些小动物产生什么影响从而破坏区域生态平衡吗?科学家们依据相关国际标准,通过传统的方法或者现代分子生物学方法,对比转基因作物种植的田块和非转基因作物种植田块之间生物多样性的差异,来评价转基因作物是否对生物多样性产生影响。例如种植转基因抗旱小麦是否对土壤微生物产生影响,科学家们分不同时期,取转基因田块和非转基因田块的作物根际土壤,拿回实验室,用非常灵敏的现代分子生物学的方法分析转和非转基因作物种植的土壤中的微生物总量的差异,以及多样性的差异。到目前为止,还没有发现转基因抗旱小麦的种植对生物多样性产生影响。但我国转基因小麦还没有商业化种植,对于我国已经长期商业化种植的转基因抗虫棉来说,对生物多样性是否也没有任何影响呢?答案是否定的。我国当年由于棉铃虫的大面积爆发,转Bt基因抗虫棉研制成功并大面积种植,但Bt基因无效于次要害虫棉盲蝽。由于Bt棉能够控制棉铃虫等主要害虫,因而控制主要害虫的广谱性农药的使用量降低,这就间接的保护了棉盲蝽等次要害虫,加之棉盲蝽繁殖非常快等原因,次要害虫棉盲蝽目前成为主要害虫,对棉花造成严重伤害。这是种植转基因棉花所带来的始料未及的环境风险。棉盲蝽成了新的罪魁祸首,但我们的态度不是否定转基因抗虫棉,而是给转基因抗虫棉的研究提出了新的课题,需要寻找新的基因来为棉花做保护。除此之外,科学家们也在寻找棉盲蝽新的天敌以及新的防治办法,但可以预见,即便科学家们把棉盲蝽防治住了,棉花田里还会出现新的害虫,我们只能不断研究,解决不断出现的新问题。目前科学家们还建立了一些模型,去预测转基因作物种植在未来可能发生的风险,这样就可以在较早时候提前采取有效措施,避免一些环境风险的发生。

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来源:基因农业网

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