“高剂量/庇护所”策略在Bt玉米靶标害虫抗性治理中的应用及成效

杨晓伟, 李云河, 韩兰芝

(中国农业科学院植物保护研究所, 植物病虫害生物学国家重点实验室, 北京 100193)

1996年,表达苏云金芽胞杆菌Bacillusthuringiensis(Bt)杀虫蛋白的转基因抗虫作物在美国商业化种植,随后转Bt作物在全球范围内连续种植,取得了显著的经济、社会和生态效益。仅2019年,全球种植的Bt抗虫作物(含Bt基因的单性状/复合性状)已超过1.07亿hm2,其中约5 600万hm2为Bt玉米[1]。为解决我国玉米生产中面临的重大虫害、草害及国家粮食安全等问题,2021年农业农村部开展了抗虫、耐除草剂转基因玉米的产业化试点工作,试点种植呈现增产增效和生态效果显著的优势。2022年中央一号文件《中共中央国务院关于做好2022年全面推进乡村振兴重点工作的意见》提出,“全面实施种业振兴行动方案;启动农业生物育种重大项目”(http:∥www.gov.cn/zhengce/2022-02/22/content_5675035.htm)。这表明,我国转基因玉米的商业化种植正在有序推进。

然而,长期、大规模种植Bt作物可能导致害虫产生Bt抗性,这是影响转基因抗虫玉米可持续应用的关键因素。为了延缓害虫对Bt作物的抗性演化,“高剂量/庇护所”策略在全球被广泛应用[2-3]。虽然“高剂量/庇护所”策略的基本原理已被普遍接受,但不同国家实施的具体政策和法规因Bt作物种类、基因类型、种植区域、靶标害虫等不同而呈现较大差异,抗性治理的成效也存在较大差异。基于此,本文简单介绍了“高剂量/庇护所”策略的理论基础及庇护所实施的主要形式,概述了全球五大Bt玉米种植国美国、巴西、阿根廷、南非和加拿大“高剂量/庇护所”策略的政策与法规制定、庇护所实施的具体要求和种植者的履行情况;总结了“高剂量/庇护所”策略在一些国家实施的成功经验,分析了害虫抗性治理失败案例的主要原因。这些 “高剂量/庇护所”策略实施的经验与教训可望为我国转Bt基因抗虫玉米的产业化应用和害虫抗性管理提供重要技术支撑和理论指导。

1 “高剂量/庇护所”策略的理论基础及庇护所的三种形式

1.1 “高剂量/庇护所”策略的理论基础

“高剂量/庇护所”策略是在高剂量表达Bt杀虫蛋白的Bt作物区域附近,种植非Bt作物,作为敏感害虫种群的庇护所,Bt作物区域存活下来的少量抗性个体,与庇护所提供的敏感种群自由交配,所产生的抗性杂合子后代能够被高剂量表达Bt杀虫蛋白的Bt作物杀死,进而减少昆虫抗性基因的累积,延缓害虫抗性的发展[4]。从理论上讲,该策略包含以下几个基本要求和假设:1)假设昆虫Bt抗性为隐性遗传,且初始抗性基因频率较低;2)Bt作物表达高剂量Bt杀虫蛋白能杀死Bt作物上所有的敏感个体和几乎所有Bt抗性杂合子;3)庇护所中存活的大量敏感个体与Bt作物上存活的少数抗性个体能够自由交配[5]。

1.2 “高剂量”的含义及庇护所的三种形式

“高剂量/庇护所”的理论基础包括“高剂量”和“庇护所”两部分。“高剂量”是指转基因抗虫作物表达的杀虫蛋白剂量很高,理论上能够杀死靶标害虫种群中100%的敏感个体和95%的敏感/抗性杂合子个体。对此,各国要求较为一致,以敏感靶标害虫99%致死剂量的25倍为标准,超过此浓度视为高剂量。“庇护所”是指在Bt作物附近,为靶标害虫的敏感个体提供存活空间的非转基因植物寄主。它的形式较为多样,现阶段主要有3种不同形式的庇护所:1)结构庇护所:在转基因抗虫作物附近种植的一定比例(如20%)的同种非转基因作物;2)自然庇护所:转基因作物附近的其他非抗虫寄主作物,可以作为敏感害虫的天然庇护所,适用于靶标昆虫为杂食性害虫的抗性治理;3)种子混合庇护所:又称为“袋中庇护所”,将转基因抗虫作物种子和非抗虫作物种子按照一定比例预混在一起种植,播种后随机分布在转基因抗虫植株周围的非抗虫植株为靶标害虫的敏感个体提供庇护所。

2 主要Bt玉米种植国“高剂量/庇护所”策略应用的法规要求

2.1 美国

美国是最早推行Bt作物商业化应用的国家,也是世界上最大的转基因作物种植国。2019年美国转基因玉米种植面积全球第一,为3 317万hm2,占美国玉米总种植面积的92%[1]。在种植Bt作物的同时,美国严格执行“高剂量/庇护所”策略,是全球执行该策略最好的国家之一。

美国环境保护署(U.S. Environmental Protection Agency, US EPA)对所有进入市场的Bt作物有着严格的规定,对所有转Bt基因产品发放注册证书,并确保其处于被监管状态,保障进入市场的Bt作物种子均表达高剂量的Bt杀虫蛋白。EPA在各方面对注册人均有严格要求。注册前,注册人需提交以下信息:1)靶标生物的生物学与生态学特征;2)靶标生物对Bt蛋白的敏感性如致死剂量、死亡率;3)作用机理、抗性遗传学、是否有交互抗性;4)作物和靶标害虫的抗性管理模型。这些资料主要用于抗性风险评估,建立田间抗性管理制度。注册后,注册人还需要提供以下信息:5)田间抗性监测计划;6)紧急补救措施;7)庇护所按规定履行的保障计划;8)农民相关知识教育培训计划。第5～第8条需要每年向EPA提交年度完成报告[6]。在庇护所种植方面,EPA要求注册人传授农民相关抗性管理知识并检查农民庇护所种植情况。注册的产品有严格的时间限制,如果在注册有效期内没有执行相应要求,则取消产品注册资格[7]。产品注册人或种子公司按照EPA的要求,与农民签订Bt作物种植合同,如果农民违反庇护所或其他抗性管理规定,种子公司必须取消与农民的合同[7]。整个过程中注册人对所有过程负责,与农民、种植协会、科学家和种子公司交流协作,制定、改进和执行抗性管理策略,并收集所有资料向EPA汇报[7]。从1996年Bt作物进入市场以来,EPA对每种Bt玉米转化体制定了详细的庇护所要求,随着技术的进步和相关理论的完善,现阶段不同类型Bt玉米的庇护所要求如下(表1)。

表1 美国当前Bt玉米庇护所的要求1)Table 1 Current refuge strategies for Bt corn in the United States

1) 结构庇护所中涉及的百分数:指结构庇护所的种植面积占Bt作物及其庇护所总面积的百分比。种子混合庇护所中涉及的百分数:指庇护所种植所用的种子量占Bt作物及其庇护所种植总用种量的百分比。共用庇护所:指一个地块同时作为鳞翅目和鞘翅目的庇护所。玉米产区:指以种植玉米为主的地区。棉花产区:特指美国以种植棉花为主的8个州(阿拉巴马州、阿肯色州、佐治亚州、佛罗里达州、路易斯安那州、北卡罗来纳州、密西西比州、南卡罗来纳州和俄克拉荷马州)以及来自5个州(俄克拉荷马州、田纳西州、德克萨斯州、弗吉尼亚州和密苏里州)的部分县,同时该地区也可种植玉米。由于Bt棉花和玉米有共同的靶标害虫,这些地区同时种植Bt棉花和玉米时,为避免靶标害虫产生交互抗性,需要履行特殊的庇护所种植要求。复合性状是将靶标害虫为不同物种(例如鳞翅目螟虫和玉米根萤叶甲)的两个或多个Bt基因转入同一植株。Bt聚合是将靶标害虫为同一物种的两个或多个Bt基因转入同一植株。本表引用自美国EPA网站(https:∥www.epa.gov/regulation-biotechnology-under-tsca-and-fifra/insect-resistance-management-bt-plant-incorporated)。

Percentage referred in structured refuge: The ratio of the planting area of the structured refuge in the total planting area of Bt crop and its structured refuge. Percentage referred in seeds blend refuge: The ratio of seeds used for refuge planting in the total seeds used for both Bt crops and its refuge planting. Combined refuge: A single refuge for both lepidopteran and coleopteran target pests. Corn belt: The region in which the corn is mainly planted. Cotton region: the cotton production areas in the following eight states (Alabama, Arkansas, Georgia, Florida, Louisiana, North Carolina, Mississippi, South Carolina and Oklahoma) and some counties from the five states (Oklahoma, Tennessee, Texas, Virginia and Missouri). Simultaneously, the corn also be planted in this region. Sine there are common target pests in both Bt cotton and corn, special refuge requirements should be executed to avoid the cross-resistance of the target pests, when the maize is cultivated in these areas. “Stacked” means two or more Bt genes targeting multiple pests (e.g., lepidopteran stalk borers and corn rootworm) were transferred into the same plant. “Pyramids” means two or more Bt genes targeting the same pest were transferred into the same plant. This table was cited from US EPA website (https:∥www.epa.gov/regulation-biotechnology-under-tsca-and-fifra/insect-resistance-management-bt-plant-incorporated).

简单来说,对单价Bt基因的玉米,需20%的结构庇护所或10%的种子混合庇护所(靶标害虫为鳞翅目不能使用种子混合庇护所)。对Bt基因聚合玉米,庇护所面积比例可降为5%(结构或种子混合庇护所)。转基因玉米的靶标害虫为鳞翅目时,一般要求庇护所和Bt作物间隔小于800 m;如果为鞘翅目害虫,则要求庇护所紧邻Bt作物。当转基因玉米在Bt棉产区种植时,要求必须有结构庇护所,且对庇护所面积比例要求更高。

美国对Bt作物庇护所策略执行较好。2002年的一项调查表明,美国85%的玉米种植者按照要求种植了庇护所;2001年-2006年,Bt作物庇护所达标率为72%～96%;虽然随后的两年达标率为74%～80%,略有下降,但整体比例仍处于较高水平[8]。

2.2 巴西

2007年巴西开始批准种植转基因玉米,2019年巴西有91.0%的玉米为转基因玉米,共计1 630万hm2,位居全球第二[1]。在巴西,害虫抗性评价与管理工作不是强制性的。Bt作物的害虫抗性管理归属于农药法规管理,和化学农药一样,由农业部、卫生部和环境部门负责注册和审查。对于重要害虫,Bt作物注册人和科学家合作,提出害虫抗性管理办法,建立害虫敏感基线,并对害虫抗性进行监测。在Bt玉米种植初期,害虫Bt抗性管理策略在巴西并未得到重视,当害虫对Bt杀虫蛋白的抗性发展到一定水平,Bt玉米对害虫防治效果显著下降之后,巴西政府和种植者才开始重视这一问题[9-11]。巴西生物技术信息委员会(Council for Information on Biotechnology in Brazil, CIB Brazil)、抗性管理科技小组(Technical-Scientific Group for Resistance Management, GTMR)和农药抗性行动委员会(Insecticide Resistance Action Committee, IRAC)等组织先后参与相关的研究和政策制定。2015年,巴西开始启动害虫抗性管理政策,鼓励农民采用庇护所策略,对于大豆和棉花,推荐种植20%的庇护所,但玉米仅要求种植10%的庇护所。如果种植结构庇护所,和Bt玉米田之间的距离要小于800 m[12],对结构庇护的形状没有强制要求,但官方建议最好使用条带形(巴西学者认为该种形式的结构庇护所效果最好),建议种植能够表达两种或两种以上杀虫蛋白的转基因玉米品种。在虫害压力不大的情况下,不建议使用农药,仅在必要情况(虫害压力大)下使用农药,且不建议在庇护所上使用Bt类农药。建议使用多作物轮作,Bt作物种植后,下一轮播种应当为非寄主作物或者常规玉米(https:∥croplife.org/case-study/brazil-managing-insect-resistance-in-biotech-crops/)。但值得注意的是,这些要求均以建议为主,没有官方的强制执行。巴西庇护所策略整体执行情况并不乐观,相关数据并未公布,但是预期完成率小于20%[13]。

2.3 阿根廷

阿根廷从1998年开始种植Bt玉米,随后种植了转基因大豆、玉米、棉花和苜蓿。2019年种植了598万hm2转基因玉米(大部分为Bt玉米),是世界第三大转基因玉米种植国[1]。2012年-2013年,阿根廷Bt玉米上出现了第一个靶标害虫田间抗性案例[14-15]。农民观察到田间虫害损失后,联系种子供应商。种子公司(陶氏益农、杜邦先锋和孟山都公司)联合种子协会、农民和其他相关政府机构(农业工业部生物技术管理局Directorate of Biotechnology、国家种子研究所National Seed Institute和国家食品卫生和质量服务部监督监测局Directorate of Surveillance and Monitoring),合作进行了一系列的害虫抗性治理工作。治理措施主要包括抗性监测和检测、化学防治和相应的庇护所策略。庇护所种植方面,最初要求种植结构庇护所,2014年颁布相关法规,允许使用种子混合庇护所替代结构庇护所(http:∥servicios.infoleg.gob.ar/infolegInternet/verNorma.do?id=230560),即在售卖Bt种子时预先加入10%的非Bt玉米种子。这是因为阿根廷Bt玉米的靶标害虫为小蔗杆草螟Diatraeasaccharalis,其幼虫在不同玉米植株间移动能力较差,符合种子混合庇护所种植要求,且种子混合庇护所对农民而言,更易操作。调查数据显示,2013年-2014年阿根廷75%的Bt玉米均种植了结构庇护所,2014年-2015年庇护所种植比例提高到87%,2015年-2016年又增加了种子庇护所。结合其他抗性管理策略,小蔗杆草螟的Bt抗性得到有效缓解,Bt玉米在阿根廷可持续应用,农民继续受益。这说明害虫抗性管理措施在阿根廷取得较大成功,且庇护所策略发挥了积极作用[15]。

2.4 南非

1997年,南非批准转基因玉米种植,成为非洲首个批准转基因作物种植的国家。2019年南非种植了194万hm2的转基因玉米,种植面积位居世界第四[1]。最初的数年间种植的均为表达单一Bt杀虫蛋白(Cry1Ab)的‘MON810’抗虫玉米转化体。2005年,南非多地报道了亚澳白裙夜蛾Busseolafusca对Cry1Ab的抗性事件[16]。随后,南非批准了多基因聚合抗虫玉米转化体‘MON89034’(表达Cry1.105和Cry2Ab2)的种植,‘MON810’几乎全部被淘汰[17]。南非是一个转基因作物监管体系相对完善的国家。1997年,其颁布了《转基因法案》;2006年颁布了《转基因修正法案》,由农业、土地改革和乡村发展部的转基因注册机构负责管理该法案,独立的第三方科学顾问委员会(Advisory Committee, AC)负责审查转基因玉米品种的申请,并向最终的决策机构执行委员会(Executive Council, EC)提供建议[18]。南非同样采用“高剂量/庇护所”策略进行害虫Bt抗性治理,允许农民选择种植5%的庇护所(不施用农药)或者20%的庇护所(可以施用化学农药和除Bt制剂以外的生物农药)。但一项早期研究显示,农民很少采用20%的庇护所。1998年仅有7.7%的农民依照法规种植了庇护所[19-20]。2005年,害虫产生抗性后,南非开始重视庇护所的种植。2007年符合条件的庇护所种植情况得到显著改善。2011年,南非开始种植多基因聚合玉米。在2013年-2014年,完全符合要求的庇护所种植率为75%,另有17%的农民种植了部分庇护所,仅8%(4.9万hm2)的农民未种植任何庇护所[18]。

2.5 加拿大

加拿大种植了160万hm2的转基因玉米,位居全球第五,同样执行了“高剂量/庇护所”政策[21]。加拿大食品检验局(Canadian Food Inspection Agency,CFIA)主要负责转基因作物环境安全评估和风险管理,其中包括害虫抗性管理(Insect Resistance Management,IRM)工作。CFIA规定了IRM过程中各参与者的职能(图1)[21]。要求Bt玉米商业化需长期遵循以下原则:1)庇护所面积至少为Bt玉米的20%,且必须紧靠Bt作物,庇护所地块的管理方式(农药施用、耕作方式等)需要确保靶标害虫的敏感种群存活;2)需要开发IRM培训工具,并提供给所有种植者和公司田间推广人员;3)必须尽早开展害虫抗性田间检测工作,并立即将检测结果汇报给CFIA;4)推广害虫的综合治理措施,如轮作或害虫治理的其他替代方案;5)继续研究庇护所为主的害虫抗性管理计划,并将结果提供给CFIA。

图1 加拿大害虫抗性管理参与者及其职责[21]Fig.1 IRM-roles and responsibilities in Canada

加拿大采取了和美国类似的庇护所要求(表1)。2005年,加拿大有超过80%的农民按照要求种植了庇护所,与2001年的达标率持平。2009年的数据显示庇护所种植达标率为61%,另外有23%的农户种植了部分未达标的庇护所,大约为Bt作物面积的15%～20%,仅17%的农户未种植任何庇护所。总体而言,加拿大庇护所策略的实施比例较高[8]。

3 “高剂量/庇护所”策略在转Bt基因玉米靶标害虫抗性治理的实施成效

目前全球转Bt基因玉米的种植面积达5 600万hm2,种植Bt玉米的国家已达14个,主要包括美国、巴西、阿根廷、南非和加拿大等国家[1]。这些国家Bt玉米上的主要靶标害虫有欧洲玉米螟Ostrinianubilalis、玉米根萤叶甲Diabroticavirgiferavirgifera、美洲棉铃虫Helicoverpazea、草地贪夜蛾Spodopterafrugiperda、中东蛀茎夜蛾Sesamianonagrioides、西南玉米杆草螟Diatraeagrandiosella等[22]。因此相关害虫抗性治理也主要围绕这些靶标害虫开展。到目前为止,全球抗性监测数据表明:转cry1Ab和cry1F基因玉米对欧洲玉米螟[23-25]、转vip3A基因玉米对草地贪夜蛾[26-27]和美洲棉铃虫[27]、转cry1Ab基因玉米对中东蛀茎夜蛾[28-29]和西南玉米杆草螟[30]仍保持敏感水平;但目前也已明确草地贪夜蛾、玉米根萤叶甲、美洲棉铃虫、亚澳白裙夜蛾、小蔗杆草螟、豆纹缘夜蛾Striacostaalbicosta等害虫在田间对Bt玉米产生了抗性[31]。

3.1 抗性治理成功案例

1996年转cry1Ab基因的抗虫玉米转化体‘Bt176’‘MON810’和‘Bt11’率先在美国和加拿大商业化种植。由于欧洲玉米螟和西南玉米杆草螟对Cry1Ab杀虫蛋白高度敏感,所以cry1Ab玉米对这两种害虫具有较高的防效,但其对美洲棉铃虫和草地贪夜蛾防效不高[32]。2003年,为提高对草地贪夜蛾、美洲棉铃虫和玉米根萤叶甲的防效,美国商业化种植了表达Cry1F杀虫蛋白的‘TC1507’转化体,该转化体同时对欧洲玉米螟、草地贪夜蛾和西南玉米杆草螟展现了极高的防效[33]。2006年波多黎各种植区检测到草地贪夜蛾高水平抗性种群后,美国强制召回该转化体并及时对玉米品种进行了更新换代[34-35]。2010年孟山都公司研发的表达Cry1A.105+Cry2Ab2 蛋白的双基因抗虫玉米‘MON89034’在美国和加拿大商业化种植,用以提高对草地贪夜蛾和美洲棉铃虫的防效[36]。此后,又相继将‘MON89034’ ‘TC1507’ ‘MON863’(表达Cry3Bb1)和‘MON88017’ (表达Cry3Bb1)等多个抗虫转化事件聚合,扩大了杀虫谱和延缓了靶标害虫抗性的发展[37]。由于草地贪夜蛾对Cry1类、美洲棉铃虫对Cry1/2类杀虫蛋白相继产生抗性,生物育种研发公司又推出了杀虫机制不同于cry类的新杀虫基因vip3A。表达Vip3A杀虫蛋白的抗虫玉米转化体‘MIR162’和与该转化体进行多基因聚合的‘MON89034’× ‘TC1507’× ‘MIR162’和‘Bt11’× ‘MIR162’抗虫玉米品种相继商业化种植,以控制草地贪夜蛾的为害[38]。

在美国和加拿大,Bt玉米抗虫转化体商业化应用的初期,Bt杀虫蛋白对欧洲玉米螟、西南玉米杆草螟和草地贪夜蛾这3种靶标害虫均能达到高剂量要求;又由于Bt玉米品种的及时更新换代,所以欧洲玉米螟和西南玉米杆草螟对Cry1Ab杀虫蛋白一直处于敏感水平;除了北卡罗来纳州、佛罗里达州和波多黎各地区外,美国其他地区的草地贪夜蛾种群对Bt玉米仍处于敏感水平。靶标害虫对Bt玉米保持敏感性的更重要原因是庇护所策略的有效实施。在玉米种植区,对早期单基因抗虫玉米,政府要求种植20%的结构庇护所;而对后来更新换代后的双基因/多基因抗虫玉米,要求种植5%的结构庇护所或5%的种子混合庇护所(表1)。据调查,这些庇护所策略在当地均得到有效实施[30]。

3.2 抗性治理失败案例

3.2.1美国波多黎各、巴西、阿根廷草地贪夜蛾对Cry1F的抗性

2003年,美属波多黎各地区开始种植表达Bt Cry1F杀虫蛋白的抗虫玉米转化体‘TC1507’。该转化体种植4年后,即2006年,田间出现高抗Cry1F(1 000倍)的草地贪夜蛾抗性种群,Bt玉米‘TC1507’被草地贪夜蛾严重为害。随后‘TC1507’迅速被召回,这是因为抗性种群的产生导致转基因作物品种被强制召回的第一个事件[34-35]。

草地贪夜蛾寄主范围广,在玉米、水稻、棉花、大豆等作物上都可以存活,在这些作物上其生活史相近,繁殖能力较高,迁移能力较强。美属波多黎各岛地处热带生态系统,岛内玉米周年种植,草地贪夜蛾年发生10代左右,地理环境较为独特,植物结构比较单一,草地贪夜蛾种群相对隔离,主要取食玉米,在大规模商业化种植表达Cry1F杀虫蛋白的‘TC1507’后,没有种植足够的庇护所,而草地贪夜蛾在高剂量Cry1F杀虫蛋白汰选压力下可较快产生抗性突变,又因长距离飞行迅速扩散。此外,草地贪夜蛾对Cry1F的抗性为不完全隐性,且其幼虫在玉米上的适合度代价较低,这些因素都导致抗性的快速扩散和传播。

2013年,美国东南部的佛罗里达州和北卡罗来纳州草地贪夜蛾种群对Cry1F抗性基因频率显著增高,田间的Bt玉米上出现了存活幼虫。同时,巴西和阿根廷也分别监测到草地贪夜蛾对Cry1F的抗性[39],推测这些地区的草地贪夜蛾的抗性种群可能来源于美属波多黎各岛,随后迁飞扩散至该地域。这是因为,美国东南沿海和巴西、阿根廷均具有相似的地理环境,同样种植了表达Cry1F杀虫蛋白的抗虫玉米转化体‘TC1507’,波多黎各的草地贪夜蛾抗性个体迁飞到该地后,抗性种群可以在迁入地迅速地繁衍扩散。

3.2.2玉米根萤叶甲对Cry3Bb等Bt杀虫蛋白的抗性

2003年,美国cry3Bb1玉米开始商业化种植。2009年,美国爱荷华州农民观察到田间玉米根萤叶甲对cry3Bb1玉米产生抗性,次年发现更多的抗性案例。2011年,观察到玉米根萤叶甲为害cry3Bb1和mCry3A玉米,进一步研究发现二者存在交互抗性。2012年,田间玉米根萤叶甲对这两种Bt蛋白的交互抗性扩展到了eCry3.1Ab。玉米根萤叶甲的抗性对玉米造成了15%～17%的产量损失[40]。同时,在美国伊利诺伊州、明尼苏达州、内布拉斯加州和北达科他州抽样调查,也表现出了对Cry3Bb1、mCry3A和eCry3.1Ab的交互抗性,表明玉米根萤叶甲抗性在几个地点呈现相互独立的进化。

多个因素可能影响玉米根萤叶甲对Bt玉米的抗性。转基因抗虫玉米对玉米根萤叶甲未达到高剂量是导致其抗性产生的最主要原因。此外,成虫交配前后在不同植株间的移动距离有限,可能降低种子混合庇护所对抗性演化的控制效率,导致抗性产生。有数据显示,玉米根萤叶甲成虫每天的移动距离只有40 m,“高剂量/庇护所”策略理论上要求Bt作物和庇护所上的成虫能够自由交配,当使用结构庇护所时,成虫有限的移动距离限制了Bt作物和庇护所中的成虫自由交配,降低了庇护所延缓抗性的效率。2003年-2010年美国多个州均种植了结构庇护所,2011年开始使用种子混合庇护所或多种庇护所策略相结合来延缓抗性。另外,玉米根萤叶甲是一化性昆虫,一年只有一代,雌虫大部分在玉米地下产卵,以滞育卵越冬,次年在同一地区孵化生长。如果田间连续种植含有相同Bt蛋白的转基因玉米,考虑到玉米根萤叶甲成虫有限的移动能力,不可避免导致Bt抗性产生。

3.2.3其他害虫Bt抗性案例

2006年,南非亚澳白裙夜蛾对表达Cry1Ab蛋白的玉米产生抗性[16]。2015年,阿根廷小蔗杆草螟对表达Cry1A.105蛋白的Bt玉米产生抗性[14-15]。这些抗性案例均是在Bt玉米释放初期缺乏庇护所种植导致的。抗性事件发生后,南非和阿根廷均实施了一系列积极的补救措施,如加强害虫抗性管理,重视庇护所的种植等,这些措施的应用显著提高了庇护所的成效,延缓了害虫抗性。

此外,美国小蔗杆草螟对cry1Ab玉米、菲律宾亚洲玉米螟Ostriniafurnacalis对cry1Ab玉米均产生了早期预警抗性,即害虫种群在室内可以检测到对Bt蛋白的敏感性显著降低,但田间未观察到害虫种群对Bt玉米的显著为害[31]。

4 国外抗性治理的经验与教训对我国Bt玉米害虫抗性管理的启示

对各国转基因玉米靶标害虫抗性治理成效的分析表明,大多数害虫抗性管理失败的原因均是“高剂量/庇护所”策略未制定或者未严格落实。首先,转基因抗虫玉米对靶标害虫的控制效率未达到“高剂量”标准。例如,表达Cry3Bb1和mCry3A的转基因抗虫玉米对玉米根萤叶甲[41-42]和表达Cry1Ab蛋白的Bt玉米对草地贪夜蛾均未达到高剂量标准[11]。其次,庇护所策略未严格落实。可能原因:国家未制定严格的庇护所种植要求或未严格执行庇护所种植。例如,巴西和阿根廷Bt抗虫玉米种植初期,缺乏庇护所强制种植的法律法规,在出现田间抗性后才开始重视“高剂量/庇护所”策略的应用,制定相关法规并严格执行,后期对靶标害虫的抗性进行了有效管理[12,15]。在美国本土,虽然抗虫玉米对草地贪夜蛾没有达到高剂量要求,但庇护所得到了较好的落实,Bt玉米种植20年后仍未产生明显抗性,这是十分成功的抗性治理案例[39]。因此,在转基因抗虫玉米商业化种植时,必须严格执行“高剂量/庇护所”策略,这是保障转基因抗虫玉米可持续应用和健康发展的关键。

害虫Bt抗性管理从来不是简单、单一的方法和手段,而是一套系统的管理体系。除了执行“高剂量/庇护所”策略外,及时进行转基因抗虫作物品种的更新换代和长期进行抗性监测均是抗性管理策略的重要组成部分。

根据我国玉米产业特点和玉米主要害虫种类、害虫区域性发生规律和害虫迁飞扩散能力等生物学、生态学特点,结合我国国情和农业发展新趋势,借鉴国外抗性治理的成功经验,汲取不同国家抗性治理失败的教训,在此基础上,我们应提出适合我国国情的转基因抗虫玉米靶标害虫抗性治理策略,以期为我国Bt玉米的产业化应用和健康发展保驾护航[43]。