抗虫转基因水稻对稻田天敌的影响研究进展

袁 曦，樊海利，李敦松

（1.广东省农业科学院植物保护研究所/广东省植物保护新技术重点实验室，广东 广州 510640；2.华南农业大学农学院，广东 广州 510642 ）

稻谷是我国三大主粮作物之一，种植面积达 3 021 万 hm2，总产量 20 824 万 t［1］。据统计，如果不采取措施防治病虫害，我国稻谷产量损失率达24.28%～27.85%，将对水稻高产、稳产和优质生产造成严重影响［2］。全国农业技术推广服务中心预计2017年水稻病虫害发生总面积约达 1.05亿公顷次，其中虫害发生面积约7 200 万公顷次［3］。

水稻病虫害防治一直依赖于化学防治，化学农药的长期大量使用不仅造成农产品高残留、害虫对农药抗性逐年增加和害虫再猖獗问题，而且增加了生产成本，并污染环境，不利于人类健康和农业可持续发展，因此转基因育种和天敌利用在综合防控技术中越来越被重视。转基因技术增强了水稻抵御虫病害、干旱和盐碱胁迫等的能力，抗虫转基因水稻则以提高水稻品种对害虫抗性为目的，为水稻害虫控制提供了一条最为有效、经济的途径［4］，对粮食安全生产具有重要意义。

自1989年首例抗虫转基因水稻转化成功以来［5］，研究人员已研发出大量的抗虫转基因水稻品种，但是人们对转基因水稻的开发利用态度不尽相同，转基因水稻的安全性始终是社会关注的焦点。天敌是稻田中影响害虫种群数量最重要的生物因素，对控制害虫发生和保持生态平衡起到重要作用。转基因水稻改变了靶标害虫体内物质和种群密度，对天敌食物链也会造成不同程度的影响。前人有将蜘蛛或天敌昆虫等作为单一的对象，进行了转基因水稻对其的影响报道，但未从蜘蛛、天敌昆虫和无尾两栖动物等多方面、系统全面阐述地转基因水稻对稻田各种天敌的影响。因此本文拟从蜘蛛、天敌昆虫和无尾两栖动物等三方面，全面分析抗虫转基因水稻对稻田各种主要天敌生长发育、存活和种群数量等参数的影响，旨在明确转基因水稻对各种稻田主要天敌是否有负面效应，为转基因水稻的推广、天敌的利用和害虫的综合防控提供参考。

1 抗虫转基因水稻的抗虫基因

目前转入水稻的基因有苏云金杆菌（Bacillus thuringiensisBerliner，简称Bt）杀虫蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因和凝集素基因，其中苏云金芽孢杆菌杀虫蛋白基因和蛋白酶抑制剂基因以水稻鳞翅目害虫为靶标，这些鳞翅目害虫主要包括二化螟、三化螟、大螟和稻纵卷叶螟等，凝集素基因的靶标则为褐飞虱等半翅目害虫［4］。

1.1 苏云金杆菌杀虫蛋白基因

苏云金芽孢杆菌是一种土壤芽孢杆菌，革兰氏阳性。苏云金芽胞杆菌在形成芽孢的同时，伴随产生一种可杀死昆虫幼虫的蛋白质，这种蛋白质以结晶形式出现，因该蛋白质可杀死昆虫幼虫的特性，所以被称为杀虫结晶蛋白（ICP）或δ-内毒素或Bt毒蛋白（Bttoxic protein），并以原毒素（Protoxin）的形式存在于伴孢晶体内。当含Bt毒蛋白的水稻被鳞翅目等昆虫摄食含后，在昆虫幼虫的肠道内，被蛋白酶水解具有杀虫活性的多肽分子，65～70 ku带有N-末端，这些多肽分子可以与对Bt毒蛋白敏感的昆虫肠道上皮细胞表面的特异受体相互作用，诱导细胞膜多出很多非特异性小孔，从而扰乱细胞渗透平衡，致使细胞肿胀甚至裂解，外部表现为昆虫幼虫停止进食并最终死亡［6］。苏云金芽孢杆菌1901年被发现，总共被分离测定出45个杀虫晶体蛋白基因序列，统称为Cry基因［7］。

1.2 蛋白酶抑制剂基因

动物、植物和微生物中普遍存在对蛋白酶活性有抑制作用的一类蛋白质［8］，是天然的蛋白酶抑制剂。昆虫消化道内的蛋白消化酶与这些蛋白质相互作用形成的酶-抑制剂复合物（EI），具有阻断或减弱消化酶蛋白水解功能。所以一旦昆虫摄食进蛋白酶抑制剂，就会从而影响外来蛋白的正常消化；同时，EI复合物能刺激消化酶的过量分泌，通过神经系统的反馈，导致昆虫厌食，最终非正常发育或死亡［9］。

豇豆胰蛋白酶抑制剂基因CpTI或修饰的豇豆胰蛋白酶抑制剂基因sck、马铃薯蛋白酶抑制剂II基因pinII和大豆胰蛋白酶抑制剂基因SBtI等是目前应用较多的蛋白酶抑制剂基因［4］。

1.3 凝集素基因

凝集素是指含有至少一个非催化结构域并能可逆结合到特异单糖或寡糖上的所有植物蛋白质［10］。一些植物凝集素对褐飞虱具有杀虫活性，其中雪花莲外源凝集素（GNA）对褐飞虱的杀虫活性最强［11-12］，转GNA基因的水稻纯系能减少褐飞虱进食量、延缓褐飞虱发育进度、降低褐飞虱存活率和繁殖力、，对褐飞虱具有显著的抑制作用［13］。

2 抗虫转基因水稻对稻田天敌的影响

在稻田生态系统中，除了稻田生境外，还包括非稻田生境，如田埂、灌溉渠、池塘、杂草地、路边植被等非耕作地和其他毗邻作物地［14］。稻田系统生存着多种天敌，以广州稻田为例，有217种天敌［15］。现从蜘蛛、天敌昆虫和无尾两栖动物等三方面，综述抗虫转基因水稻对稻田天敌的影响。

2.1 抗虫转基因水稻对蜘蛛的影响

在稻田捕食性天敌中，蜘蛛是最优势的类群，其中优势种为拟水狼蛛Pirata subpiraticusBoes.et str占25.10%，食虫瘤胸蛛Ummeliata insecticeps（Araneida：Linyphiidae）占21.61%，拟环纹豹蛛Pardosa pseudoannulata（Bosenberg et Strand）占 14.81%［15］。

拟水狼蛛P. subpiraticus取食转基因抗虫恢复系RBS（转SCK基因明恢86）、Ⅱ-32/RBS杂交F1代、转基因抗虫水稻克螟稻1号（KMD1，转cry1Ab基因秀水11）上褐飞虱7、14、21 d后，体重增长率与对照无显著差异，所有个体均发育成正常成蛛；各处理拟水狼蛛的死亡率与对照无显著差异，对狼蛛每次蜕皮的间隔天数也无显著影响，功能反应的捕食量也无显著差异［16］。取食转Bt水稻饲喂的褐飞虱对拟水狼蛛的存活率没有显著影响，6～8龄幼虫历期都变短，约2 d左右，但差异均不显著，对体重也无不利影响［17］。

食虫瘤胸蛛U. insecticeps的相对丰盛度、种群密度和种群动态，在转cry1Ab/cry1Ac、cry1C和cry2A水稻和非转基因水稻间差异不显著［18］，室内的存活率、发育历期、产卵量和田间种群动态受转Bt水稻的影响不显著［19］。

拟环纹豹蛛P. pseudoannulata室内的存活率、发育历期、产卵量和田间种群动态，在转cry1Ab水稻上不受不利影响［20］，室内的相对丰盛度、种群密度和种群动态不受转cry1Ab/ccry1Ac、cry1C和cry2A水稻显著影响［18］，血细胞数量、包囊能力和 PO 活性都不受转cry1Ab基因水稻（KMD1 和 KMD2）的显著影响［20］，拟环纹豹蛛的捕食、生长发育和蜘蛛的嗅觉反应均不受B4b68和转cry1Ac/CpTI基因抗虫水稻Ⅱ优科丰8号的明显影响［21］。

草间钻头蛛Hylyphantes graminicola取食转cry2Aa水稻上褐飞虱的存活率、发育历期、体重和繁殖能力，与非转基因水稻无显著不同，且功能反应也无显著变化。草间钻头蛛的种群密度和种群动态在转cry2Aa水稻和非转基因水稻处理间无显著差异［22］。

2.2 抗虫转基因水稻对天敌昆虫的影响

青翅蚁形隐翅虫Paederus fuscipes的数量和捕食害虫效能位于稻田捕食性天敌第3位（除蜘蛛外），对稻田生态系统具有重要意义［23］。青翅蚁形隐翅虫捕食转Cry1C基因水稻上的褐飞虱，或直接作用于高剂量Cry1C蛋白时，其生长发育、存活率、雌性比率、体重均不受显著的负面影响［24］。室内对青翅蚁形隐翅虫喂以华恢1号（cry1Ac/cry1Ab融合基因型）水稻上饲养的褐飞虱，青翅蚁形隐翅虫的存活率和捕食行为没有表现出显著的不利影响［25］。在水稻汕优63的转cry1Ab/cry1Ac基因稻田和非Bt亲本稻田中，青翅蚁形隐翅虫种群动态基本一致，但数量Bt稻田显著高于非Bt稻田。Bt水稻不仅不会对青翅蚁形隐翅虫产生明显负作用，而且能显著促进其种群增长。该促进作用是间接的，推测与常规稻田相比，Bt稻田内的稻飞虱、叶蝉数量显著增多，从而为青翅蚁形隐翅虫提供充足的食物来源。在两类型稻田中，青翅蚁形隐翅虫与稻飞虱相关性都不显著，而青翅蚁形隐翅虫与叶蝉相关性都极显著［26］。

黑肩绿盲蝽Cyrtorhlinus lividipennisReuter以褐飞虱、白背飞虱和稻叶蝉的低龄若虫及卵为主要捕食对象，是我国水稻主要害虫稻飞虱和稻叶蝉的重要天敌［27］。转cry1Ab基因水稻-褐飞虱-黑肩绿盲蝽三者系统内，天敌黑肩绿盲蝽体内检测出cry1Ab蛋白，该蛋白可能来自猎物褐飞虱、水稻汁液、褐飞虱蜜露。黑肩绿盲蝽内的cry1Ab蛋白含量没有随着龄期的增长而增加，反而随初孵若虫、四龄若虫、成虫顺序下降［28］。黑肩绿盲蝽的种群动态不受转cry1Ab/cry1Ac、cry1C和cry2A水稻显著影响［29］，2年田间试验表明，相对于非转基水稻，转Bt水稻对黑肩绿盲蝽无不利影响［30］。

龟纹瓢虫Propylea japonica（Thunberg）（Coleoptera：Coccinellidae）是我国稻田常见捕食天敌，其幼虫和成虫均能捕食害虫［31］，在稻田龟纹瓢虫能捕食褐飞虱若虫［32］，同时也取食蚜虫［33］和水稻花粉［34］。龟纹瓢虫取食 KMD1和KMD2上褐飞虱后，发育历期、化蛹率、羽化率、蛹重、成虫体重和雄成虫自发性活动与XS11对照差异不显著，龟纹瓢虫虽然暴露于cry1Ab蛋白中，但不受其毒害影响［35］。龟纹瓢虫取食转cry1Ab基因水稻花粉后，发育、存活率和繁殖力指标无显著变化，说明cry1Ab毒蛋白对龟纹瓢虫无显著副作用［31］。cry1Ab、Cry1Ac、Cry1F、Cry1C和Cry2A纯蛋白对龟纹瓢虫的存活率和发育历期等生命参数没有影响，Bt蛋白在水稻花粉中具有较高的表达量，龟纹瓢虫取食了含高剂量Bt蛋白的花粉后，存活率和繁殖能力没有受不良影响［36］。

稻红瓢虫Micraspis discolor在稻田生态系统中，常取食水稻花粉，捕食褐飞虱、白背飞虱、蚜虫、二化螟和三化螟的卵及幼虫。稻红瓢虫成虫不受转Cry1Ac/Cry1Ab基因水稻花粉的影响，对华诙1号超标Cry蛋白不敏感，这表明如果转基因水稻华诙1号商品化种植，瓢虫成虫不会因Cry1Ac/Cry1Ab受到毒害［37］。

稻虱缨小蜂Anagrus nilaparvatae（Pang and Wang） （Hymenoptera：Mymanidae）是我国稻田飞虱的主要卵寄生蜂［38］，寄生转Bt基因和非转Bt基因水稻上褐飞虱卵，稻虱缨小蜂的存活率、发育历期、寿命、性比和繁殖力无显著差异。此外直接暴露于高剂量Cry2Aa蛋白下，稻虱缨小蜂成虫的存活率和繁殖力不受负面影响。在褐飞虱的卵和稻虱缨小蜂的成虫体内检测不出Cry2Aa蛋白，稻虱缨小蜂的生命表参数不受负面影响，其对Cry2Aa蛋白不敏感［39］。

二化螟绒茧蜂Cotesia chilonisMatsumura是二化螟幼虫期重要寄生蜂之一，各代幼虫的寄生率为10%～90%，对二化螟田间种群动态起着重要的控制作用［40-41］。二化螟绒茧蜂对处于分蘖期健康的TIC-19水稻和对照MH63水稻具有相似趋性，绒茧蜂并不能区分虫害后的水稻和对照水稻，信息化合物介导的转基因水稻和二化螟绒茧蜂之间的关系不会因水稻转Cry1Ca基因而受到影响［42］。二化螟绒茧蜂寄生取食转Bt基因水稻的二化螟，其结茧率和寄生率均显著低于对照，蜂的茧长和前翅长均小于对照；而对发育历期、茧块大小、蜂羽化率、性比等均无显著不利影响。转cryd1AC/sCk双价基因水稻和转Cryd1Ab基因抗虫水稻中表达的毒蛋白可以沿食物链传递。经二化螟取食，第三营养级的寄生性天敌二化螟绒茧蜂可以接触到毒蛋白，但对其没有急性毒副作用；而转Bt基因水稻对二化螟绒茧蜂的影响，主要是二化螟取食转Bt基因水稻后，二化螟幼虫的生长和体内营养组分如氨基酸含量和糖含量的变化所致［17］。

2.3 抗虫转基因水稻对无尾两栖动物的影响

无尾两栖动物在水稻田间很常见，它们对稻田生态系统的生物多样性和稳定性具有重要作用。转Bt水稻可能通过3个途径对其造成影响：第一通过捕食转Bt水稻上的昆虫从而直接摄入Bt蛋白［43］，第二释放在水中的Bt蛋白，通过蛙类高渗透性皮肤进入蛙体内［44］，第三通过生物结构变化影响蛙类食物种类［45］。

非洲爪蟾Xenopus laevis暴露于Cry1Ca蛋白下，存活率、体重、体长和肝酶活性不发生显著变化，转基因水稻T1C-19和非转基因水稻MH63处理组下饲养90 d后，非洲爪蟾的死亡率、体重、每日体重增加量、肝重和脂肪体重无显著差异，非洲爪蟾的维、肠、肝、脾和性腺也无非正常病理性变化。转cry1Ca水稻对非洲爪蟾无负面影响［46］。

黑斑蛙Rana nigromaculata转Bt水稻和非转Bt水稻处理的体重无显著影响，从4个处理全部192只黑斑蛙蝌蚪及成蛙体内，没有检测出Cry1Ab/1Ac蛋白。转Cry1Ab/1Ac水稻的种植对黑斑蛙不产生不利影响［47］。

3 结语

抗虫转基因水稻的茎叶和花粉等组织内有较高的表达量［36］，水稻害虫飞虱、二化螟、三化螟、稻纵卷叶螟等取食抗虫转基因水稻后，会在体内富集杀虫蛋白。杀虫蛋白可以食物链传递给捕食性天敌，并出现逐级富集现象，但这种富集并非随着捕食量的增加而持续增加，捕食性天敌能在一定程度上降解或者通过其他方式清除部分蛋白，使该蛋白不至于在其体内持续性累积。在实验处理期内，杀虫蛋白对捕食性天敌生物学特征无明显不利的生态效应［21，48］。然而抗虫转基因水稻并非对捕食性天敌无其他影响，分子生物学研究表明杀虫蛋白对一些蜘蛛的部分基因表达产生影响。利用Illumina 2000测序平台对蜘蛛肠道进行转录、测序并分析其基因表达情况，显示富集Bt的拟环纹豹蛛体内相对于正常蜘蛛差异表达显著的基因有142个，包括1个下调141个上调，并且其差异表达倍数都在8倍以上（FDR＜0.05，Log2Ration＞2）［49］。Li［50］对富集了Bt蛋白的拟环纹豹蛛毒腺与正常拟环纹豹蛛毒腺进行了深度测序，其中上调基因3 765条，下调基因3 157条，主要参与的代谢途径为氧化磷酸化途径、核糖体等相关途径，因而Bt蛋白对拟环纹豹蛛毒腺基因表达有一定影响。

寄生性天敌相比较其他非靶标节肢动物而言，其个体数量、物种数量和丰富度对抗虫转基因水稻的敏感度最高［17，21，51-53］，但这并不代表转基因抗虫水稻本身对寄生性天敌产生负面效应。研究表明Bt毒蛋白对寄生蜂无直接影响［54-56］，推测是由于Bt稻田内靶标害虫种群数量的下降，从而影响了寄生性天敌的生长发育和种群增长［57］。靶标害虫取食转Bt基因水稻后，体内营养组份的变化，也会对寄生性天敌造成影响［17］。Bt水稻对寄生性天敌的影响比较复杂，需要从多方面进行深入研究［57］。

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