抗虫转基因水稻研究概况及其安全性

宋子叶 林秀峰 严一字

摘 要：抗虫转基因水稻作为新时代基因工程的产物，为解决水稻虫害、滥用杀虫剂提高水稻产量等问题做出了重大贡献。Bt杀虫蛋白对害虫具有高度特异性，因此抗虫转基因水稻不会对人类造成危害。大量研究数据表明，与普通水稻相比，抗虫转基因水稻在水稻固有性狀、非靶标害虫及其天敌影响、基因漂移风险、土壤酶活性等多方面均无显著影响。

关键词：抗虫水稻;转基因;安全性

中图分类号：S511       文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200430004

水稻是世界上最主要的粮食作物之一，为全世界近1/2人口提供了主食[1]。水稻结的果实叫做稻谷，稻谷脱去颖壳后是糙米，糙米碾去米糠层就是人们日常食用的大米。糙米富含淀粉，并含有8%的蛋白质和少量脂肪以及核黄素、铁和钙等营养元素，碾去外壳的大米营养价值大大降低，故而现代社会健康生活提倡大家平时多吃糙米粗粮。

日前国家统计局发布数据称，我国人口已经突破14亿大关[2]，这意味着粮食问题仍然严峻，如何更高效地提高水稻的产量，这是相关科研人员及育种家重点研究的方向。事实上，影响水稻产量的因素有很多，但虫害是影响水稻产量及稻米品质的一大要素，人类很久之前就发现了这一影响因素，于是化学杀虫剂应运而生。杀虫剂在刚发明时，人们觉得杀虫剂在防治害虫等方面的效果远大于其产生的弊端，但是人们没有想到，1939年米勒发明化学杀虫剂之后，短短20a，施用量就需要提高1倍才能有效地防治害虫。使用化学杀虫剂防治害虫，不仅能够带来农药残留、污染环境等问题，更可能出现“超级害虫”等极端现象，故而科学家们从问题的源头出发，研究能抵抗害虫侵袭的水稻品种。但水稻自身抗虫基因匮乏、且利用传统育种方法培育抗虫水稻品种需要时间长，且效率低，还要依靠育种家的经验以及符合条件的优良亲本等一系列条件，致使直到现在，都没有依靠传统育种方式成功培育出抗虫水稻。

1 抗虫转基因水稻的概述

转基因技术的出现，为解决传统育种的弊端及在培育抗虫水稻的过程中遇到的问题提供了良好的思路。水稻自身并不具备优异的抗虫基因，但是科学家发现了具有良好杀虫效果的外源基因。外源基因是指不属于水稻自身具有的基因，如从苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis， Bt）中分离的杀虫晶体蛋白基因和蛋白酶抑制剂（proteinase inhibitor， PI）基因等，这些外源基因成为育种工作者的“新宠”。科学家将这些“新宠”通过多种不同技术难度的方法，如我国较早使用的花粉管通道法、基因枪法以及现在较为常用的农杆菌介导法等方法，导入到水稻体内，并利用分子生物学方法即PCR检测方法、Southern杂交、RT-PCR检测、实时荧光定量PCR检测、ELISA方法、试纸条检测法等确定这些“新宠”外源基因在水稻体内稳定表达并遗传，使水稻本身产生抗虫蛋白，并结合农艺性状筛选，从而培育出新的抗虫水稻品种[3，4]。如华恢1号、明恢86、Bt汕优63、克螟稻、科丰稻等系列品系。

2 抗虫转基因水稻的安全性

事实上，人们最关心的不是抗虫转基因水稻是如何培育出来的，而是抗虫转基因水稻能否食用，食用之后对人体是否有害等安全性问题。

2.1 食用安全性

目前抗虫转基因水稻中应用最广泛的就是BT杀虫蛋白，相关研究表明[3，5]，在众多Bt蛋白中主要能起到杀虫效果的是杀虫晶体蛋白（ICP）和营养期杀虫蛋白（VIP）。ICP中的Cry1类蛋白主要对鳞翅目昆虫有毒性，而Cry3类蛋白主要对鞘翅目昆虫有毒性，如对鳞翅目害虫起主要效果的基因cry1Ab[6]、cry1Ca[7]等，对鞘翅目害虫起主要效果的cry3A[8]、cry30Fa1[9]等。值得注意的是，这种杀虫蛋白具有高度特异性，并只有在昆虫肠道碱性条件下才具有活性。这意味着，这种杀虫蛋白只有与特定害虫体内的特异性受体结合才能激活杀虫活性，致使害虫死亡，而人体内并不具有这种杀虫蛋白的特异结合位点，并且杀虫蛋白在人体胃肠道酸性条件下不会产生活性，因此不会对人体造成危害。自1997年我国开始推广种植转基因棉花之后，到目前为止，尚未发现我国种植的各种转基因作物对人体有危害或出现职业性过敏等症状。

2.2 环境安全性

近年来，众多学者也在从事转基因水稻的环境安全方面的研究工作，大量数据研究证明结果如下。

2.2.1 对自身性状指标影响

与非转基因对照水稻相比，转基因水稻在遗传及有性生殖特性、花粉传播方式和传播能力、生态适应性和生物量等水稻固有性状和评价指标上，均未发现明显的差异[10]。

2.2.2 对非靶标害虫及其捕食天敌的影响

抗虫转基因水稻对稻飞虱、谷蠹、白背飞虱、麦蛾等非靶标害虫的生长、发育、繁殖、寄主选择行为及田间虫口数量均无显著影响或有一定的胁迫出现，引起非靶标害虫变异进化的风险极小[11]。此外，抗虫转基因水稻对稻田捕食性天敌的种类组成、物种丰富度和多样性等也没有显著性影响，甚至在水稻生长阶段的一定时期，Bt抗虫水稻还可以增加稻田捕食性天敌亚群落的物种丰富度以及种群数量，呈现一定的正效应[12]。

2.2.3 基因漂移对生态环境的影响

抗虫转基因水稻向非转基因水稻的基因飘流频率很低。花粉介导的转基因水稻基因飘流频率，能够在较短隔离间距下保持超低水平。目前对转基因生物及产品控制最严格的欧盟制定的偶然混杂的阈值水平为0.9%，而转基因水稻的基因漂流频率低于目前世界上的最严标准。已有研究表明，对于严格自花授粉的水稻而言，通过一些特定的隔离措施，能有效降低水稻的基因飘流[13]。

2.2.4 抗虫转基因水稻对土壤的影响

相关研究人员主要测定了过氧化氢酶、脱氢酶、磷酸酶（酸性和中性）、脲酶、蔗糖酶、酚氧化酶、蛋白酶等的活性，结果发现，种植转基因水稻对这些酶的活性均没有显著性影响[14]。

3 抗虫转基因水稻的趋势与展望

根据国际农业生物技术应用服务组织（ISAAA）2010年的报告，世界转基因农作物的种植面积于1996—2010年间增加了87倍。目前，全球已有24种转基因农作物的100多个品种被批准商业化，仅2010年转基因农作物市场销售金额就达到了250亿美元，这些数据均表明全球转基因农作物的研发和推广是一种必然的趋势[15]。自1989年我国第一次培育出抗虫转基因水稻之后，我国紧跟世界转基因研究水平的步伐，“华恢1号”和“Bt汕优63”于2009年获得了农业部为转基因水稻颁发的安全证书。2015年1月5日，抗虫转基因水稻再次获得由农业部颁发的农业转基因生物安全证书（生产应用），2018年，抗虫转基因水稻华恢1号更是获得了美国FDA的商业化许可[4]。这意味着，我国的抗虫转基因水稻研究已位列世界前茅，相信不久的将来，我国自主研发的抗虫转基因水稻品种就能进入商业化生产阶段。

参考文献

[1]杨春雨.浅谈水稻优质高产栽培技术[J].农业与技术，2017（01）：79-80.

[2]国家统计局.2019年国民经济运行总体平稳发展主要预期目标较好实现[DB/OL].http：//www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/202001/t20200117_1723383.html，2020-01-17.

[3]唐丽，谭炎宁，韩小霞，等.抗虫转基因水稻研究进展及发展趋势[J].杂交水稻，2011（01）：4-9.

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[5]唐辉.二化螟Cry1C耐受品系的适合度及其中肠BBMV与Bt蛋白结合能力研究[D].南京：南京农业大学，2017.

[6]陈耕，何珊，韩兰芝，等.转cry1Ab+cry1C双价抗虫水稻对二化螟的抗性评价[J].中国生物防治学报，2018，34（1）71-78.

[7]焦耀宇.Bt蛋白的杀虫活性及Bt水稻对二化螟产卵行为的调控作用[D].北京：中国农业科学院，2017.

[8]凌飞.抗鳞翅目和鞘翅目害虫转基因水稻培育[D].武汉：华中农业大学，2017.

[9]王海鹏，黄晓西，梁越洋，等.转Cry30Fa1基因抗褐飞虱水稻的获得及鉴定[J].中国水稻科学，2016（03）：256-264.

[10]湖南省农业农村厅科技教育处.转基因环境安全性（三）[J].湖南农业，2019（10）：42.

[11]邱良妙，刘其全，林仁魁，等.转Bt基因水稻对主要非靶标昆虫的生态安全性研究进展[J].福建农业学报，2018（03）：326-333.

[12]傅强，赖凤香，陈洋，等.抗虫转基因水稻对非靶标生物的生态安全性研究进展[J].植物生理学报，2013（07）：59-67.

[13]张富丽，佟洪金，刘勇，等.无标记基因抗虫水稻外源基因向常规栽培水稻漂移研究[J].西南农业学報，2011，24（5）：1733-1737.

[14]梁晋刚，栾颖，焦悦，等.转基因作物对土壤酶活性影响的研究进展[J].江苏农业科学，2019（14）：23-25.

[15]李黎红，叶卫军，郭龙彪.我国转基因水稻研究进展和商业化前景分析[J].中国稻米，2012（06）：5-8.

（责任编辑 李媛媛）