转基因水稻基因飘流研究十年回顾

2014-01-20 | 作者: | 标签: 转基因水稻 基因飘流

图d.yui-nya.com

中国是世界上最大的水稻生产国和亚洲栽培稻的起源中心之一。随着我国转基因水稻研发的快速发展,迫切需要研究水稻转基因飘流是否会带来可能的潜在风险。

在国家973基础研究计划、国家863高技术研究计划和国家转基因新品种培育重大专项的支持和首席科学家彭于发先生的关怀指导下,由中国农科院生物技术所贾士荣研究员领衔的研究团队,在今年1月出版的《中国农业科学》上发表了题为“转基因水稻基因飘流研究十年回顾”的综述性文章,作者总结了他们自2002年以来在这一领域进行系统研究的重要成果,积累的大量数据对我国转基因水稻的风险评估和监管提供了科学支撑。团队成员包括中国农科院生物技术所、海南大学农学院、广东农科院水稻所、南京信息工程大学应用气象学院、中国水稻所等单位的研究人员30余人,袁潜华、王丰、姚克敏、裴新梧、胡凝和王志兴研究员/教授对该项目做出了同等重要贡献。

基因飘流以花粉扩散为媒介,它历来存在,是物种进化的动力之一。没有基因飘流就没有现在这样种类繁多的植物物种。

转基因飘流是指转基因品种的花粉(供体花粉)通过气流或媒介昆虫传播,扩散到非转基因材料(受体)的柱头上受精结实。由于非转基因栽培品种之间同样存在基因飘流,即通常所说的杂交或异交结实,因此转基因飘流风险评估的实质,是与常规品种相比,转基因是否会增加新的风险。

水稻是风媒传粉的自交作物。十年中该团队研究了水稻基因飘流的基本规律、具有普适性的水稻花粉扩散和基因飘流数学模型、转基因飘流至普通野生稻后的命运、小规模田间试验中控制基因飘流的措施和效果以及用基因拆分技术从根本上限控基因飘流,取得的进展如下:

1.阐明了水稻基因飘流的基本规律,揭示了影响水稻基因飘流的生物学和气象学主控因子。

以转bar基因的水稻(抗除草剂Basta)为花粉供体,沿水稻开花期的主流风向,设计长方形田间试验,分别在三亚、广州和杭州3个点2-3个生长季,研究了转基因水稻向19个非转基因受体(包括不育系、常规稻和杂交稻品种、普通野生稻)的基因飘流。在主流风向下游不同距离上采集受体的种子,苗期喷三次除草剂,转基因飘流后产生的种子长出的幼苗,因抗除草剂,喷后保持绿色,生长正常,无转基因飘流结出的种子长出的幼苗,因不抗除草剂而发黄枯死,因此可以快速鉴定出转基因供体向不同距离上非转基因受体的基因飘流率。

结果表明,因不育系不产生可育花粉,其结实全靠外来花粉,转基因向不育系的飘流率最高;常规栽培稻品种主要为自交结实,转基因向它的飘流率最低,相邻种植时小于1%或0.1%,13个常规品种中只有2个达2-3%;向普通野生稻的基因飘流率介于不育系和常规稻之间。向不育系的最大基因飘流率比向普通野生稻和栽培稻要大1-3个数量级。

研究发现,基因飘流率随距离增加而逐渐降低,但有一个急剧降低的“拐点”,拐点的距离与试验点水稻开花期的风速密切相关。杭州为1-2m(风速1.5米/秒),广州为2m(风速2.2米/秒),三亚和陵水则在5m以上(风速4.8米/秒)。

采用圆形、以花粉供体为中心的田间试验设计,以异交结实率很高的不育系博A作受体,清晰地解析了风向与基因飘流率的数值关系。主流和次主流风向下游4个扇区的基因飘流事件累计达90%以上,而逆风向和侧逆风向4个扇区不足10%。

综上所述,转基因水稻的基因飘流率与常规育成品种间的异交率(一般在1%以下,少数达5%)基本相同,在数量级上转基因并未增加新的风险。

2.建立了以气象资料为参数的水稻花粉扩散和基因飘流普适模型,计算和预测了我国南方稻区17省市32年中的最大基因飘流阈值距离(基因飘流率等于或小于1%或0.1%的距离,Maximum Threshold Distances, MTD1%和MTD0.1%)。受东南季风和地形地貌的影响,我国南方稻区MTDs的空间分布特征为:东西之间有自东向西逐渐减小的趋势,南北之间首先在南方丘陵地区逐渐减小,越过南岭后再向东南沿海地区逐渐增大。以县为单位,目前已可预测我国南方稻区1020个县的MTDs。与天气预报类似,这些数据可供没有进行过基因飘流田间试验的各地参考,从而节省大量土地、劳力和成本。需要特别强调的是,据模型预测,在过去32年中,整个南方稻区栽培稻品种之间的MTD0.1% 均小于5 m,尽管各地的气候条件差异很大,这一数据对转基因水稻的商业化监管具有重要参考价值。

3. 用转Bt(抗虫)或bar(抗除草剂)基因的栽培稻飘流至普通野生稻的F1杂种(栽/野飘流F1杂种),分别与普通野生稻一起构建了两个人工混栽群体。经多年多代跟踪观察,分析了转基因飘流至普通野生稻后的命运,发现栽/野飘流F1杂种在3-5年后完全消失,混栽群体中检测不到外源的Bt或bar基因。分析其原因是:(1)野生稻主要靠营养茎再生繁殖,越冬后的营养茎能在早春气温升高后迅速再生,而直立型的栽/野飘流F1植株仅靠地下稻蔸越冬再生,再生能力相对较弱。野生稻和栽/野飘流F1种子的休眠期都较长,野生稻早春的旺盛生长会郁蔽、抑制栽/野飘流后代种子实生苗的生长。(2)因受栽培稻的遗传影响,栽/野飘流F1植株及其后代的感光性相对较弱,抽穗开花时间比普通野生稻早,两者花期不重叠,通过回交扩大基因渐渗的可能性较小。这说明普通野生稻具有很强的自我保护机制,其排他性对转基因水稻的生态安全性有利。

4.研究了小规模田间试验中采用花期隔离和布帐隔离措施降低水稻基因飘流率的效果。在三亚,供体和受体的播种期错开25-30天可使基因飘流率降为零, 2m高的布帐隔离,可使栽培稻品种之间0.1%基因飘流率的距离由5m降至1m。调查了海南、广东、广西普通野生稻居群与栽培稻相邻种植下的花期相遇情况,建立了相应的数据库。研究了基因拆分技术作为生物学限控措施从根本上限控基因飘流的效果。

以该研究的结果及对国际上主要农作物基因飘流的调研数据为基础,作者提出了在转基因水稻的风险评估和监管中,对不育系繁殖、杂交稻制种、常规稻生产以及野生稻原位保护采取分类管理和阈值管理的原则,分别设置相应的安全隔离距离。在十年回顾和科学分析的基础上,该文对未来研究的重点也进行了展望。

以上研究的部分结果和数据已被监管机构应用于对我国转基因水稻的环境安全性评估。贾士荣先生领导的研究团队和由上海复旦大学卢宝荣先生领导的研究团队,已成为国际上长期研究水稻转基因飘流及其环境影响的两个领先团队。

来源:

相关文章