陳慶園　郭　華　沈晉良

摘要隨著轉(zhuǎn)Bt基因作物的應(yīng)用和推廣，害蟲對轉(zhuǎn)Bt基因作物的潛在抗性風(fēng)險(xiǎn)越來越受到重視。本文介紹了轉(zhuǎn)Bt基因作物高劑量／庇護(hù)區(qū)的抗性治理策略，同時(shí)對影響高劑量／庇護(hù)區(qū)策略的幾個(gè)條件進(jìn)行了討論，并針對我國的實(shí)際情況提出轉(zhuǎn)Bt基因作物抗性治理策略的幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)Bt基因作物；高劑量／庇護(hù)區(qū)；抗性治理

中圖分類號S 435．131．49

轉(zhuǎn)Bt基因作物的推廣使用為害蟲的綜合治理(IPM)提供了新途徑，同時(shí)減少了化學(xué)農(nóng)藥對環(huán)境的污染和中毒事件的發(fā)生，使作物品質(zhì)提高，生產(chǎn)成本降低。同各種化學(xué)農(nóng)藥一樣，隨著轉(zhuǎn)Bt基因作物的大面積推廣應(yīng)用，害蟲對轉(zhuǎn)Bt基因作物的抗性問題就成為其面臨的最主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。自1985年，McGaughey首次在室內(nèi)發(fā)現(xiàn)鱗翅目儲糧害蟲印度谷斑螟(Plodiainterpunctella)對Bt商品制劑產(chǎn)生抗藥性以來，室內(nèi)害蟲抗性選育試驗(yàn)結(jié)果表明，害蟲具有對Bt毒素產(chǎn)生抗性的潛在性風(fēng)險(xiǎn)。目前田間唯一對Bt商品制劑產(chǎn)生抗藥性的害蟲是小菜蛾(Plutellascylostella)。由于轉(zhuǎn)Bt基因作物在整個(gè)生長期都表達(dá)Bt毒素殺蟲蛋白，對害蟲具有長期的選擇作用，同時(shí)又由于轉(zhuǎn)Bt基因作物又具有表達(dá)蛋白專一性、時(shí)空動態(tài)性變化等特點(diǎn)使害蟲對其產(chǎn)生抗藥性的風(fēng)險(xiǎn)增大。

為了阻止或延緩害蟲抗藥性的產(chǎn)生，延長轉(zhuǎn)Bt基因作物的使用壽命，需要在抗性產(chǎn)生之前制定并實(shí)施預(yù)防性抗性治理策略?？剐灾卫聿呗灾饕懈邉┝浚幼o(hù)區(qū)策略、高劑量／其他生物農(nóng)藥一庇護(hù)區(qū)策略、中劑量／庇護(hù)區(qū)策略、中低劑量／天敵策略。目前高劑量／庇護(hù)區(qū)策略受到廣泛重視，已被美國、澳大利亞等國家采用。高劑量／庇護(hù)區(qū)策略是根據(jù)昆蟲種群遺傳學(xué)和昆蟲生態(tài)學(xué)理論，采用計(jì)算機(jī)模擬研究提出的，但其必須滿足以下3個(gè)條件：(1)轉(zhuǎn)Bt基因作物的毒素表達(dá)是高劑量的，即毒素高表達(dá)，且抗性遺傳方式是隱性或不完全隱性的；(2)大田害蟲種群的抗性等位基因起始頻率很低(在10^-3以下)；(3)在種植轉(zhuǎn)Bt基因作物周圍種植一定面積的非轉(zhuǎn)基因作物，以提供足夠數(shù)量的敏感個(gè)體(ss)與轉(zhuǎn)Bt基因作物田間存活下來的極少量的抗性純合子(rr)進(jìn)行交配，產(chǎn)生的后代rs或sr不能在高表達(dá)轉(zhuǎn)Bt基因作物上存活，從而使害蟲種群中抗性等位基因頻率維持在很低的水平，達(dá)到阻止和延緩抗性產(chǎn)生的目的。本文就以上3個(gè)條件進(jìn)行綜述，并對其他影響因素進(jìn)行了討論。

1轉(zhuǎn)Bt基因作物毒素的表達(dá)

轉(zhuǎn)Bt基因作物毒素高表達(dá)是指能殺死100％敏感個(gè)體(ss)和99％抗性雜合子個(gè)體(rs或sr)的毒素劑量，這本身對不同種類害蟲和不同Bt毒素來說都是相對而言的，轉(zhuǎn)Bt基因作物的毒素表達(dá)對靶標(biāo)害蟲必須是高表達(dá)、高劑量的，毒素的高表達(dá)在時(shí)間和空間上必須是統(tǒng)一和一致的。如美國轉(zhuǎn)Bt基因棉防治的靶標(biāo)害蟲是煙芽夜蛾(Heliothis vires—cense)和棉紅鈴蟲(Pectinophoragossypiella)L16j，轉(zhuǎn)Bt基因玉米防治的靶標(biāo)害蟲是歐洲玉米螟(Os—trinianubilalis)，中國和澳大利亞轉(zhuǎn)Bt基因棉防治靶標(biāo)害蟲為棉鈴蟲。在棉花田間，美洲棉鈴蟲(He—licoverpazea)和甜菜夜蛾(Spodopteraemigua)對CrylAc毒素沒有煙芽夜蛾和棉紅鈴蟲那么敏感，轉(zhuǎn)Bt基因棉表達(dá)的毒素對美洲棉鈴蟲和甜菜夜蛾等害蟲達(dá)不到高表達(dá)劑量的要求。同時(shí)防治靶標(biāo)害蟲的種類越多，抗蟲基因作物就越難滿足高劑量的要求，這就很難使轉(zhuǎn)Bt基因作物對所有的害蟲都能滿足Bt毒素高表達(dá)的要求。如在美國南部地區(qū)轉(zhuǎn)Bt基因作物田間，至少有9種鱗翅目玉米害蟲，7種鱗翅目棉花害蟲發(fā)生。

此外，轉(zhuǎn)Bt基因作物的Bt毒素表達(dá)也有時(shí)空動態(tài)變化。如轉(zhuǎn)Bt基因棉主莖第15片葉以后及中后期側(cè)枝嫩葉、花等組織的Bt毒素表達(dá)量均低于棉株生長前期的Bt毒素表達(dá)量。同時(shí)，并不是所有的轉(zhuǎn)Bt基因作物品種都能達(dá)到高表達(dá)劑量要求，即使達(dá)到高表達(dá)劑量要求但在大田生長過程中仍然有一定比例的植株毒素表達(dá)量很低或不表達(dá)。如Bt棉有2％的植株、Bt玉米有1％～5％植株達(dá)不到高表達(dá)劑量，這主要由于其他環(huán)境條件如氣候、土壤、水分等因子使轉(zhuǎn)Dt基因作物不能正常表達(dá)Bt毒素。理論上，無論基因育種技術(shù)和手段多么先進(jìn)，在大田環(huán)境下殺死100％敏感個(gè)體和99％抗性雜合子個(gè)體的條件都無法滿足，特別是抗性遺傳為顯性遺傳或不完全顯性遺傳時(shí)，如歐洲玉米螟對轉(zhuǎn)Bt基因玉米的抗性遺傳為不完全顯性遺傳，但由于抗性等位基因頻率很低，在田間沒有發(fā)現(xiàn)抗性歐洲玉米螟個(gè)體。

2抗性等位基因頻率

實(shí)施延緩抗性策略的一個(gè)關(guān)鍵和廣泛采用的假設(shè)條件是害蟲的抗性等位基因頻率必須很低(在10^-3以下)，這樣才能保證庇護(hù)區(qū)的有效性。因?yàn)樵诳剐缘任换蝾l率很低的情況下，極少數(shù)存活的抗性純合子能夠與庇護(hù)區(qū)的大量敏感個(gè)體進(jìn)行充分交配，將極少數(shù)存活的抗性純合子之間交配的幾率降到最低。1998—2000年，在我國華北Bt棉區(qū)，棉鈴蟲對Bt棉的抗性等位基因頻率在0—9．5X10^-3。1996—2001年，在美國Bt玉米的種植區(qū)，歐洲玉米螟對Bt的抗性等位基因頻率為0。2000—2001年，在美國北卡羅來納州，美洲棉鈴蟲對Bt的抗性等位基因頻率為0—0．43X10^-3。通過監(jiān)測轉(zhuǎn)Bt基因作物防治的重要靶標(biāo)害蟲抗性等位基因頻率動態(tài)變化來分析庇護(hù)區(qū)的有效性，同時(shí)必要時(shí)對庇護(hù)區(qū)進(jìn)行調(diào)整。1997年，在美國的亞利桑那州棉紅鈴蟲對Bt棉的抗性等位基因頻率為0．16，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于庇護(hù)區(qū)的要求，但連續(xù)4年對其進(jìn)行監(jiān)測，抗性等位基因頻率在0一7．5X10^-3，這可能與抗性的適合度下降和棉紅鈴蟲不完全隱性的抗性遺傳方式有關(guān)，這表明在美國高劑量／庇護(hù)區(qū)策略的實(shí)施在延緩目標(biāo)害蟲對轉(zhuǎn)Bt基因作物的抗性發(fā)展表現(xiàn)了良好的效果。

3庇護(hù)區(qū)的種植

3．1庇護(hù)區(qū)作物的選取

庇護(hù)區(qū)作物的選取受取食轉(zhuǎn)Bt基因作物種類、庇護(hù)區(qū)作物的害蟲之間發(fā)育進(jìn)度和基因交流等因素的影響。據(jù)報(bào)道棉鈴蟲取食小麥、玉米、高粱，棉鈴蟲發(fā)育進(jìn)度比取食棉花的要快。另有研究表明取食煙草、花生、辣椒的棉鈴蟲發(fā)育較慢。譚聲江等報(bào)道應(yīng)用PCR指紋譜法，檢測棉鈴蟲不同寄主種群的遺傳差異，分析了棉鈴蟲不同寄主植物種群間的基因交流情況。結(jié)果表明，在Bt棉田間的棉鈴蟲種群與普通棉花、玉米、蓖麻田間棉鈴蟲種群間基因交流順利，而與芝麻、花生的棉鈴蟲種群間基因交流存在一定障礙，彼此個(gè)體之間不能進(jìn)行隨機(jī)

交配。

3．2庇護(hù)作物區(qū)域的分布

庇護(hù)作物與轉(zhuǎn)Bt基因作物彼此之間比鄰越近，庇護(hù)區(qū)的敏感昆蟲與轉(zhuǎn)Bt基因作物存活的昆蟲自由交配越充分，但卻加大了幼蟲在轉(zhuǎn)Bt基因作物和庇護(hù)區(qū)作物之間的移動。這種移動是不希望存在的，因?yàn)榭剐杂紫x初期在庇護(hù)區(qū)作物能夠正常生長發(fā)育，幼蟲隨齡期的增加對轉(zhuǎn)Bt基因作物耐藥性增加，加大抗性個(gè)體存活幾率，反之，在轉(zhuǎn)Bt基因作物上存活的個(gè)體不能正常生長發(fā)育但轉(zhuǎn)移到庇護(hù)區(qū)作物上存活下來完成整個(gè)生育期，這對延緩抗性的發(fā)展是不利的。再如棉紅鈴蟲在交配前不能遠(yuǎn)距離飛行，因此在庇護(hù)區(qū)與轉(zhuǎn)Bt基因作物區(qū)相間要近一些。根據(jù)隨機(jī)交配的最大距離，設(shè)置庇護(hù)區(qū)與轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲作物區(qū)之間的距離和分布。因此，在庇護(hù)區(qū)的分布上要采取合理布局。在最大限度自由交配和最小限度移動之間尋找最佳平衡點(diǎn)。同時(shí)庇護(hù)區(qū)布局也按害蟲的遷飛能力、農(nóng)機(jī)操作水平、運(yùn)用成本等方面綜合考慮和運(yùn)用。

3．3庇護(hù)作物種植的面積

對于Bt棉，目前在澳大利亞和美國等地普遍采用的是在轉(zhuǎn)基因棉田中設(shè)立4％種植面積的不使用任何殺蟲劑的非Bt棉區(qū)，或在轉(zhuǎn)基因棉田周圍種植20％～30％轉(zhuǎn)基因棉種植面積的可使用化學(xué)殺蟲劑的非Bt棉。一方面通過擴(kuò)大庇護(hù)區(qū)來保持敏感個(gè)體控制抗性發(fā)展；另一方面減少庇護(hù)區(qū)面積提高經(jīng)濟(jì)收入。在美國種植轉(zhuǎn)Bt基因棉的同時(shí)必須種植其面積20％的常規(guī)棉，這些常規(guī)棉可以用藥劑防治害蟲(煙芽夜蛾、美州棉鈴蟲、棉紅鈴蟲)，但不能用Bt生物制劑。也可以種植其面積4％的常規(guī)棉但不用任何殺蟲劑。一些人士建議棉農(nóng)不用殺蟲劑防治害蟲情況下，常規(guī)棉種植面積可以擴(kuò)大到轉(zhuǎn)Bt基因棉的5％以保持有足夠的敏感個(gè)體與抗性個(gè)體交配，從而降低抗性等位基因頻率。種植庇護(hù)區(qū)比例根據(jù)不同國家和地區(qū)有所不同，庇護(hù)區(qū)分布一般鄰近轉(zhuǎn)Bt基因作物以確保敏感個(gè)體與抗性個(gè)體自由交配。

4其他方面的影響

根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬研究和種群遺傳理論提出的高劑量／庇護(hù)區(qū)策略，在實(shí)驗(yàn)室和溫室條件下進(jìn)一步支持這一策略，但在大田很多因素和條件是無法控制的，計(jì)算機(jī)模擬和溫室試驗(yàn)都沒有考慮到這種變化因素的影響。田間環(huán)境的突變性和不可操作性，如溫度、降雨、風(fēng)力、土壤條件等都會對轉(zhuǎn)Bt基因作物毒素表達(dá)產(chǎn)生影響；昆蟲遷飛能力、取食Bt毒素后對發(fā)育進(jìn)度影響、抗性遺傳方式、適合度等都會影響抗性治理策略的制定和實(shí)施。在應(yīng)用高劑量／庇護(hù)區(qū)策略時(shí)人們發(fā)現(xiàn)，取食轉(zhuǎn)Bt基因作物與庇護(hù)區(qū)作物對害蟲的影響是多方面的，如取食轉(zhuǎn)Bt基因作物對昆蟲的行為影響；取食轉(zhuǎn)Dt基因作物和庇護(hù)區(qū)作物在昆蟲的發(fā)育進(jìn)度上的影響。馬鈴薯甲蟲取食轉(zhuǎn)Bt基因馬鈴薯后，一定比例的馬鈴薯甲蟲發(fā)生飛行能力下降等負(fù)面影響，飛行能力的下降導(dǎo)致產(chǎn)生抗性的馬鈴薯甲蟲不能飛人庇護(hù)區(qū)與敏感個(gè)體交配，這就可能加大抗性個(gè)體之間交配的幾率。此外，抗性棉紅鈴蟲幼蟲與敏感幼蟲在發(fā)育進(jìn)度上存在差異，這種發(fā)育進(jìn)度的差異可能導(dǎo)致抗性個(gè)體不能與敏感個(gè)體在同一時(shí)間段上羽化交配，加大了純合子交配的幾率。

5庇護(hù)區(qū)的有效性

本文對高劑量／庇護(hù)區(qū)策略3個(gè)假設(shè)條件進(jìn)行了討論，單從滿足條件上看高劑量／庇護(hù)區(qū)策略對延緩抗性發(fā)展不能發(fā)揮預(yù)期效果。但從抗性等位基因監(jiān)測情況來看在田間沒有發(fā)現(xiàn)抗性純合子個(gè)體，抗性等位基因頻率還是處于低水平。有研究表明，在實(shí)驗(yàn)室和溫室條件下，小菜蛾的抗性品系NO-QA、CrylC-Sel、Loxahatchee，棉紅鈴蟲的抗性品系A(chǔ)ZP-RE、APHIS-98RE和棉鈴蟲的抗性品系BX能夠在轉(zhuǎn)Bt基因作物上完成整個(gè)世代。以上是在實(shí)驗(yàn)室和溫室的條件下，但在種植轉(zhuǎn)Bt基因作物地區(qū)進(jìn)行田間種群抗性監(jiān)測也沒有發(fā)現(xiàn)抗性個(gè)體、抗性等位基因頻率沒有上升。這可能是田間用藥減少，天敵數(shù)量上升的原因；特別是在庇護(hù)區(qū)的種植下，敏感個(gè)體的大量存活，將有利于抗性等位基因濃度稀釋，同時(shí)可能與抗性個(gè)體的適合度下降和抗性遺傳方式等綜合作用的結(jié)果有關(guān)。

6對我國轉(zhuǎn)Bt基因作物抗性治理策略的建議

在Bt基因作物迅速推廣的情況下，政府、企業(yè)及研究單位應(yīng)對害蟲對轉(zhuǎn)Bt基因作物的抗性給予足夠的重視，及時(shí)提出抗性檢測方法和抗性預(yù)防措施以保障轉(zhuǎn)Bt基因技術(shù)在害蟲治理中的可持續(xù)利用?？剐灾卫聿呗缘膶?shí)施必須建立在害蟲抗性發(fā)展規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，所以應(yīng)加強(qiáng)抗性治理的基礎(chǔ)性研究，包括抗性品系的選育、抗性風(fēng)險(xiǎn)評估、交互抗性譜、抗性機(jī)理、抗性遺傳等，使抗性治理策略的實(shí)施建立在科學(xué)的理論基礎(chǔ)之上，開展早期的抗性檢測工作，提高檢測害蟲自然種群中抗性基因頻率的靈敏度和精確度，為預(yù)防性的抗性治理對策的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)研究，掌握不同選擇壓力下抗性發(fā)生機(jī)理和擴(kuò)散速度；建立可靠便利的抗性檢測技術(shù)體系；借鑒國外研究工作，結(jié)合我國轉(zhuǎn)Bt基因作物種植地區(qū)的生態(tài)特性(農(nóng)戶分散性生產(chǎn)模式)，研究適合我國國情的抗性預(yù)防和治理策略。同時(shí)在我國推廣轉(zhuǎn)Bt基因作物的過程中，應(yīng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)基因作物和害蟲抗藥性產(chǎn)生原因的科普宣傳，為農(nóng)民提供科學(xué)種植轉(zhuǎn)基因作物和害蟲管理的技術(shù)指導(dǎo)；杜絕農(nóng)民自行留種的問題；政府可以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)貼形式來控制和引導(dǎo)轉(zhuǎn)基因作物的種植規(guī)模。