利用植物光周期现象防止转基因植物导致基因漂移

程冠杰

摘要：转基因植物在种植时出现的问题之一就是植物中外源基因发生基因漂移污染野生植物的基因，而如棉花的虫媒植物通过花粉传播基因传播范围大，已成为需要解决的问题。

本文提出了利用植物光周期现象防止转基因植物（棉花）的基因漂移的方法，利用减少光照刺激棉花提前转基因棉花的花期从而减少转基因棉花花粉传播到野生型的情况，并设计了对照实验证明了在适量减少光照的情况下，棉花花期可以做到大幅度提前并与原先在热带地区花期并不重合。

关键词：转基因，光周期，基因漂移

背景&意义

转基因植物自从1983年问世以来，一直都是世界农业方面热门又充满争议的话题，对其赞同和反对都具有一定的理由。

转基因技术是利用现代生物技术，将人们期望的目标基因，经过人工分离、重组后，导入并整合到生物体的基因组中，从而改善生物原有的性状或赋予其新的优良性状。

除了转入新的外源基因外，还可以通过转基因技术对生物体基因的加工、敲除、屏蔽等方法改变生物体的遗传特性，获得人们希望得到的性状。这一技术的主要过程包括外源基因的克隆、表达载体构建、遗传转化体系的建立、遗传转化体的筛选、遗传稳定性分析和回交转育等。

转基因植物的优势显而易见，其育种快而精准的优点胜过杂交育种，甚至可以表达出原本植物中并不包含的基因，表现出其他生物的优良性状。然而，对于阻挠转基因植物大规模种植的因素，除了对人体健康的顾虑不仅缺乏根据，各类研究各执一词，还有对其中外来基因转移到野生或非转基因型植物中造成基因漂移的恐惧。

例如，抗虫棉可以抵抗棉铃虫的幼虫啃食，对鳞翅目昆虫都具有毒性。但是作为虫媒的异花授粉植物，其外源基因容易借由花粉传递到野生的植株中，导致野生的植株表达出抗虫性，并在自然选择下，选择出占比更多的抗虫个体。这无疑使原本以野生型棉花为食的昆虫数量减少，进而影响整条食物链。又或者，在转基因过程中可能植物某些蛋白的表达收到了抑制，可能导致对某些病原体的免疫能力下降，如果这种基因型的转基因植物个体在野外成为主导，一次病原体的爆发必然对种群造成打击，同样影响整条食物链。

对于虫媒异花授粉植物而言，花粉传播导致的基因漂移尤为严重。而巧妙利用植物光周期现象改变种植的转基因植物的花期与野生型交错，人为形成生殖隔离，不仅保证了转基因植物的自身质量，也从根源上防止了外源基因向野生型漂移;而且对比其他改变花期的做法，成本更低，操作更简便，风险更小。因此，利用植物光周期现象防止转基因植物导致基因漂移是可行的。

实验设计

目前中国批准种植的转基因植物有：棉花、马铃薯、番茄、甜椒、番木瓜等。而在全世界，转基因大豆和玉米水稻的种植范围也很大。截至2018年，种植面积已达1.898亿公顷。如此大的种植面积难免与野生种群的分布范围产生交叉，进而产生基因漂移。基因漂移的一大形式，便是异花授粉植物之间通过花粉进行基因的交流，进而产生杂交个体，污染野生种群的基因库。

目前中国批准种植的转基因植物和世界主要种植的转基因植物中，只有番木瓜科的番木瓜，锦葵科的棉花，禾本科的玉米在自花授粉的同时，能在自然条件下进行异花授粉。其中玉米作为风媒花，在自然条件下花粉传播的面积相当有限，即使在下风处，花粉传播距离也一般不会超出30m，在上风处传播距离甚至只有13m，可见生长在农田中的转基因玉米通过风媒的方式来进行与野生个体的基因交流概率极小。棉花属于典型的虫媒花，在其异花授粉时主要通过昆虫进行授粉。而进行授粉的昆虫，例如蜜蜂，理论上一天可以飞行160km，实际上采集蜂也能远离蜂巢10km以上，如此转基因棉花的授粉导致基因漂移的概率远大于玉米。番木瓜的种植面积（47万公顷，2020）远不如转基因玉米（14.39亿亩，2018）和棉花（3.74亿亩，2018），暂且不论。

本实验采用缩短棉花所受光照的时间来改变棉花的开花时间，之所以采取这种方法的原因是如果人为引入改变棉花光周期效应的基因，该基因有可能通过种子等其他方式进入野生种群中，从而可能使部分野生种群和转基因棉花花期再次保持一致，使预防基因漂移的效果大打折扣。

在纬度与上海相近的地区（参考文献中为杭州），对于大多数棉花野生品种，自然光照下开花时间在秋分之后甚至不开花，少数（deltapine15与simian2）开花时间在七月中旬左右。

而同样在长江中下游地区，人工栽培棉花开花时间从7月到9月，持续时间50-60天。可见在上海纬度位置附近的地区几乎不存在开花时间重叠的问题。

那么研究改变棉花开花时间是否没有意义呢？并不是，棉花原产与亚热带与热带地区，夏季白昼时长较短，因此移植到纬度更高的地方开花时间会推迟，因為受到光周期的影响。在热带地区，假设棉花野生种与栽培品种原先开花时间相同，则栽培品种花期需提前或延后两个月左右。由参考文献可知，陆地棉野生种系经每天9小时短日照诱导26-60天后，既可现蕾，只需在正常花期前56-120天进行短日照诱导即可。而棉花从出芽到开花大约经过55-70天，与短日照诱导时间部分重合，理论上可行。

由参考文献可知，热带野生棉开花时间并不相同，这里只是推演花期恰好与栽培品种相同时的极端情况，其他情况所需诱导时间低于这里讨论的情况。

由于试验地点受限在上海，无法完全模拟热带环境，所以实验结果难免有偏差。为了减小偏差，实验设置在学校的温室（开花的时间正值暑假可以不需要温室带回家培养）。将实验对象共9盆品种相同的棉花分为三组，一组完全模拟“热带”的光照作为对照，一组进行9小时短日照诱导，由于每天9小时短日照诱导所需时间最大值大于从出芽到开花时间最大值，为了实验结果在增加一组每天8小时短日照诱导。为了诱导时间最长，选择在最早的三月在相同的土壤中施以相同的水分进行播种，四月之前可以完成出苗。出苗后，“热带”组将适当减少光照，4月减少半小时，5，6，7月减少1小时，以模拟热带的光照条件。而第二组则减少5小时光照（上海夏至白昼时间约为14小时），第三组则减少6小时光照，这样做虽然平均每天小于理论值，但是更好操作，且更易得出结果。在此期间三组温度，水分，土壤条件相同。

接着记录二三组中的三株植物第一次开花时间与第一组中的三株植物全部的花凋谢时间，并取平均数。

倘若实验成功，预测二三组中的三株植物平均第一次开花时间至少有一个大于第一组中的三株植物全部的花凋谢平均时间。如果第三组中的三株植物平均第一次开花时间略低于第一组中的三株植物全部的花凋谢平均时间，则第三组光照减少的量不足，更多光照。需在做一组减少。如果第三组中的三株植物平均第一次开花时间于第一组中的三株植物平均第一次开花时间大致相同，则视为实验失败。

本实验的优点在于：首先，花粉导致的转基因植物基因漂移情况目前并没有人进行研究，该实验首次对防止这一可能提出了方案;其次，实验提供的方法方便操作，适合推广应用;本实验也运用了控制变量，设置对照等科学研究方法，结论相对可靠。

本试验设计仍然有欠缺之处：首先花粉传播导致转基因植物基因漂移的现象只是理论上存在，概率并没有实验计算出来，这种现象是否会造成生态上的危害存疑;其次由于缺少参考资料，实验数据设置较随意，并不能提供普遍性的结论;还有由于无法完全模拟热带环境，热量，水分对花期的影响被忽略了。

参考文献：

[1]郭洋. 全球转基因作物种植面积创新高 中国种植面积为280万公顷[J]. 中国，传播范围食品， 2018（15）：172-172.

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[3]陆地棉野生种系的光周期效应和开花反应的遗传[J]. 浙江农业学报， 1989.

[4]傅怀勤， 于绍杰， 王坤波. 棉属野生种在海南岛的试种与观察[J]. 中国棉花， 1985（5）.