抗除草劑轉基因水稻對稻縱卷葉螟田間自然種群的影響

蔣顯斌, 肖國櫻

(1.中國科學院亞熱帶農業生態研究所,亞熱帶農業生態過程重點實驗室,長沙 410125;2.廣西農業科學院水稻研究所,南寧 530007; 3.中國科學院研究生院,北京 100049)

抗除草劑轉基因水稻對稻縱卷葉螟田間自然種群的影響

蔣顯斌1,2,3, 肖國櫻1*

(1.中國科學院亞熱帶農業生態研究所,亞熱帶農業生態過程重點實驗室,長沙 410125;2.廣西農業科學院水稻研究所,南寧 530007; 3.中國科學院研究生院,北京 100049)

[目的]明確抗除草劑轉基因水稻對非目標生物的影響。[方法]以稻縱卷葉螟為指示物種,調查其在抗除草劑轉基因秈稻‘Bar68-1’稻田與非轉基因親本對照‘D68’稻田的種群密度、發育進度以及水稻的受害程度。[結果]在轉基因和非轉基因稻田中,除2007年水稻乳熟期外,稻縱卷葉螟幼蟲的發生密度無顯著差異;稻縱卷葉螟不同齡期幼蟲比例(%)在轉基因稻田與非轉基因稻田之間表現出較高的一致性;除2007年分蘗末期外,處理與對照間的單株受害葉片數和卷葉率(%)差異均不顯著;轉基因水稻與對照植株的卷葉指數(%)表現基本一致。[結論]轉基因抗除草劑水稻‘Bar68-1’對非目標物種稻縱卷葉螟不造成影響。

轉基因抗除草劑水稻; 非目標生物; 指示物種; 稻縱卷葉螟; 自然種群

轉基因作物的生態風險一直是人們廣泛關注的熱點問題[1]。轉基因作物釋放可能帶來兩種類型的危害:(1)對目標生物的非預期影響,例如轉基因抗蟲、抗病作物對目標害蟲、病害的抗性演化;(2)對非目標生物的非預期影響,例如轉基因植物直接或間接引起當地生物多樣性的變化,或通過基因漂移途徑將外源基因整合到不同的生物物種個體中[2]。由于轉基因作物對非目標物種的任何不利影響都可能帶來致使當地生物多樣性改變的風險,越來越多的研究者對于轉基因作物對非目標生物的影響高度關注[3-5]。由于具有可在將來不斷擴展和完善,從而持續地得到改進和驗證的優點,指示物種的方法已廣泛應用于風險評估[4],對于嚴格要求依個案原則進行的轉基因植物對非目標生物和生物多樣性影響的風險評估來說也是一個新的應用趨勢。

抗除草劑自商業化種植以來一直是轉基因作物的主要性狀。隨著轉基因抗除草劑作物已在全球廣泛種植[6-7],轉基因抗除草劑水稻的培育研究也進展迅猛[8-13]。但對于田間自然條件下非目標生物群體對抗除草劑作物的反應目前仍知之甚少[14]。為明確抗除草劑轉基因水稻對非目標生物的影響,本試驗以稻縱卷葉螟為指示物種,對抗除草劑轉基因秈稻‘Bar68-1’稻田與非轉基因親本對照‘D68’稻田中稻縱卷葉螟的種群密度、發育情況及水稻受害程度進行調查、比較,并就抗除草劑水稻對生物多樣性的影響的問題本質進行探討。

1 材料與方法

1.1 材料

抗草銨膦除草劑水稻‘Bar68-1’是用Bar基因轉化秈稻品種‘D68’而來的早秈稻[12],‘D68’為‘Bar68-1’的非轉基因親本對照。

1.2 試驗設計和作物管理

試驗于2007年和2008年在湖南省長沙市中國科學院亞熱帶農業生態研究所的實驗田(28.20N,113.08E)進行(農業轉基因生物安全審批書:農基安審字(2006)第060號)。田塊面積 2 145 m2,小區面積120 m2,2007年設6個小區,2008年設4個小區,人工單本移栽,插植規格為20 cm×20 cm,各小區隨機排列。2007年為5月18日播種,6月5日移栽,8月29日收割;2008年為5月25日播種,6月20日移栽,9月5日收割。田間管理除不噴施殺蟲劑外,其余按照水稻田的普通栽培管理方法進行[15]。

1.3 取樣

2007年在轉基因水稻和非轉基因對照稻田的各3個小區采用平行跳躍法取樣,每點連續調查相鄰2株水稻,每小區查10點,分別在水稻分蘗中期、分蘗末期、齊穗期和乳熟期調查稻縱卷葉螟造成的卷葉數及葉片受害程度;2007-2008年在轉基因水稻和非轉基因對照種植小區中各隨機取一區采用對角線5點取樣,每點調查5株連續相鄰水稻,分別在水稻分蘗中期、分蘗末期、齊穗期和乳熟期剝查稻縱卷葉螟幼蟲的發生密度和發育階段,其中自2007年的水稻齊穗期始同時記錄稻縱卷葉螟造成的稻株卷葉數及葉片受害程度[16]。卷葉率(%)以每株受稻縱卷葉螟為害葉片數×100/單株綠葉數計算。葉片受害程度按以下標準記錄:0級,葉片未受害;1級,卷葉面積＜1/3;2級,1/3≤卷葉面積＜1/2;3級,卷葉面積≥1/2;卷葉指數(%)=(1級受害葉片數×1+2級受害葉片數×2+3級受害葉片數×3)×100/(調查葉片數×6)[17]。

1.4 統計分析

對轉基因稻田和對照稻田的不同齡期幼蟲比例(%)、卷葉指數(%)用統計軟件SPSS 15.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)的 Wilcoxon秩-和檢驗(即Mann-Whitney U非參數檢驗)進行比較,其余均值比較以t檢驗進行。數值用平均值±標準誤(SE)表示。

2 結果與分析

2.1 抗除草劑轉基因水稻‘Bar68-1’稻田稻縱卷葉螟的發生情況

除2007年的水稻乳熟期外(圖1),抗除草劑轉基因水稻‘Bar68-1’與非轉基因親本對照‘D68’稻田稻縱卷葉螟幼蟲的發生密度差異不顯著(圖1,圖2);2007年乳熟期的差異原因可能由于轉基因水稻的取樣點正好處于具有一定的聚集分布特點的稻縱卷葉螟幼蟲的高密度區。抗除草劑水稻與對照稻田的稻縱卷葉螟幼蟲各發育階段在轉基因稻田與非轉基因稻田之間表現出較高一致性(差異不顯著即p值大于0.05的調查結果占全部調查時間的82.5%);在一些調查時期部分齡期的幼蟲百分比在轉基因稻田和對照稻田有顯著差異,但是這種差異沒有在不同調查時間及不同年份間得到重復(表1)。

圖1 抗除草劑轉基因水稻‘Bar68-1’與非轉基因親本對照‘D68’稻田稻縱卷葉螟幼蟲的發生密度(2007)

圖2 抗除草劑轉基因水稻‘Bar68-1’與非轉基因親本對照‘D68’稻田稻縱卷葉螟幼蟲的發生密度(2008)

表1 抗除草劑轉基因水稻‘Bar68-1’與非轉基因對照‘D68’稻田稻縱卷葉螟幼蟲發育階段比較

2.2 抗除草劑轉基因水稻‘Bar68-1’稻田稻縱卷葉螟的為害情況

田間調查結果表明,稻縱卷葉螟發生為害嚴重,水稻受害葉片數和卷葉率均較高。除2007年的水稻分蘗末期外,抗除草劑轉基因水稻‘Bar68-1’與非轉基因親本對照‘D68’在大多數生育期的單株受害葉片數和卷葉率差異不顯著(圖3～圖6)。水稻植株葉片受稻縱卷葉螟為害造成的卷葉指數在轉基因稻田與非轉基因稻田之間表現基本一致(差異不顯著的調查期占全部調查期的62.5%)。

表2 抗除草劑轉基因水稻‘Bar68-1’與非轉基因對照‘D68’葉片受稻縱卷葉螟為害程度

3 討論

轉基因作物給生態環境造成的影響一般可分為直接影響和間接影響兩種。如果轉基因作物對非目標生物種群有直接毒理效應就是直接影響;如果轉基因作物的推廣應用使田間管理和農事操作發生改變,即因作物耕作制度改變從而帶來農田生物多樣性變化的,屬于間接影響[18]。抗除草劑轉基因作物對生態環境造成的影響也同樣可分為抗除草劑作物的直接影響和使用除草劑帶來的間接影響兩種。為了減少試驗影響因素的干擾,本試驗并未使用草銨膦除草劑,只對稻縱卷葉螟的發生、發育及其對轉基因抗除草劑水稻的致害程度進行了調查,即試驗只研究抗除草劑水稻本身的直接影響,避免了除草劑及其與作物交互作用的干擾。研究結果表明,轉基因抗除草劑水稻‘Bar68-1’對非目標物種稻縱卷葉螟沒有直接影響(或者說其影響與非轉基因對照品種基本一致)。

抗除草劑水稻對生態環境的影響與使用傳統除草劑的影響有無本質區別,是個值得探討的問題。如果抗除草劑水稻是因為使用了除草劑而使雜草數量減少,進而致使以雜草為食或為棲息地的非目標生物受到影響,那么這種影響是因使用除草劑造成的,應當屬于間接影響。這種生態風險并不屬于轉基因技術所獨有的風險[18],傳統除草劑的使用也會產生同樣的生態安全問題。田間進行的定量研究表明,農業管理方式的變化對非轉基因作物農田生態環境造成的影響與轉基因作物的影響一樣顯著[2]。在加拿大安大略省進行的轉基因抗草甘膦作物及其管理方式對土壤腐食性生物豐度的影響研究結果表明,受觀測生物群體的絕對豐度很少受到除草劑或作物品種的影響,其中差異顯著的影響不能在所有年份或一年內的所有取樣時間保持一致,轉基因作物與傳統農業管理措施的改變對非目標生物具有相同的潛在影響[14]。

轉基因作物對非目標生物可能帶來的生態風險取決于轉基因作物的類型、外源基因導入性狀的性質和轉基因作物釋放的環境等具體情況。通常認為要觀察所有可能受到轉基因作物影響的非目標物種是不可行的,需為風險評估選擇一個指示物種[20]。理想的指示物種應是轉基因作物釋放的環境中最具代表性的類群[19]。因此指示物種的選擇也應當具體問題具體分析,依照個案原則進行。Hilbeck等[21]應用改良事件樹分析程序提出了21個雜草與鱗翅目昆蟲的非目標物種組合,這些組合可作為對抗除草劑轉基因玉米在德國釋放種植后進行監測的指示物種;他們也同樣提到沒有必要對所有組合都進行監測。對本試驗研究的抗除草劑轉基因水稻‘Bar68-1’而言,因稻縱卷葉螟在該水稻種植區域普遍發生,對該區域的稻田生態特點具有一定的代表性,可以作為評估‘Bar68-1’對非目標生物的生態風險的一個指示物種。

[1]Wolfenbarger L L,Phifer P R.Biotechnology and ecology-T he ecological risks and benefits of genetically engineered plants[J].Science,2000,290(5499):2088-2093.

[2]Craig W,Tepfer M,Degrassi G,et al.An overview of general features of risk assessments of genetically modified crops[J].Euphytica,2008,164(3):853-880.

[3]Watkinson A R,Freckleton R P,Robinson R A,et al.Predictions of biodiversity response to genetically modified herbicidetolerant crops[J].Science,2000,289(5484):1554-1557.

[4]Andow D A,Zwahlen C.Assessing environmental risks of transgenic plants[J].Ecol Lett,2006,9(2):196-214.

[5]Ammann K.Biodiversity and genetically modified crops[M]∥Ferry N,Gatehouse A M R.Environmental impact of genetically modified crops.CAB International,2009:240-264.

[6]James C.Global status of commercialized biotech/GM crops:2008.ISAAA Brief 39-2008[M].Ithaca,NY:ISAAA,2008.

[7]Marshall A.13.3 million farmers cultivate GM crops[J].Nat Biotechnol,2009,27(3):221.

[8]Huang D N,Li J Y,Zhang S Q,et al.New technology to examine and improve the purity of hybrid rice with herbicide resistant gene[J].Chin Sci Bull,1998,43(9):784-787.

[9]Toldi O,Toth S,Oreifig A S,et al.Production of phosphinothricin tolerant rice(Oryza sativaL.)through the application of phosphinothricin as growth regulator[J].Plant Cell Rep,2000,19(12):1226-1231.

[10]Cao M X,Huang J Q,Wei Z M,et al.Engineering higher yield and herbicide resistance in rice by Ag robacterium-mediated multiple gene transformation[J].Crop Sci,2004,44(6):2206-2213.

[11]Endo M,Osakabe K,Ono K,et al.Molecular breeding of a novel herbicide-tolerant rice by gene targeting[J].Plant J,2007,52:157-166.

[12]Xiao G Y,Yuan L P,Sun S S M.Strategy and utilization of a herbicide resistance gene in two-line hybrid rice[J].Mol Breed,2007,20(3):287-292.

[13]Ahn I P.Glufosinate ammonium-induced pathogen inhibition and defense responses culminate in disease protection in bartransgenic rice[J].Plant Physiol,2008,146:213-227.

[14]Powell J R,Levy-Booth D J,Gulden R H,et al.Effects of genetically modified,herbicide-tolerant crops and their management on soil food web properties and crop litter decomposition[J].J Appl Ecol,2009,46(2):388-396.

[15]肖國櫻,熊緒讓,肖喜才,等.轉基因抗除草劑兩系雜交早稻高產栽培技術研究[J].湖南農業科學,2006(1):32-34.

[16]Elazegui F A,Soriano J,Bandong J,et al.Methodology used in the IRRI integrated pest survey[M]∥IRRI.Crop Loss Assessment in Rice.Manila,Philipppines:International Rice Research Institute,1990:243-271.

[17]IRRI.Standard evaluation sy stem for rice(SES)[M].M anila,Philipppines:International Rice Research Institute,2002.

[18]Poppy G.GM crops:environmental risks and non-target effects[J].T rends Plant Sci,2000,5(1):4-6.

[19]Garcia-Alonso M,Jacobs E,Raybould A,et al.A tiered system for assessing the risk of genetically modified plants to nontarget organisms[J].Environ Biosafety Res,2006,5(2):57-65.

[20]Schuler T H,Poppy G M,Denholm I,et al.Recommendations for assessing effects of GM crops on non-target organisms[C].Bcpc Conference:Pests&Diseases 2000,Vols 1-3,Proceeding s.Farnham;British Crop P rotection Council,2000:1221-1228.

[21]Hilbeck A,Meier M,Benzler A.Identifying indicator species for post-release monitoring of genetically modified,herbicide resistant crops[J].Euphy tica,2008,164(3):903-912.

Effects of genetically modified herbicide-tolerant rice on natural populations of rice leaf roller

Jiang Xianbin1,2,3, Xiao Guoying1
(1.Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region,Institute of Subtropical Agriculture,Chinese Academy of Sciences,Changsha410125,China;2.Research Institute of Rice,Guangxi Academy of Agricultural Sciences,Nanning530007,China;3.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)

[Objective]This study attempted to investigate the effects of genetically modified herbicide-tolerant(GMHT)rice(Oryza sativaL.)‘Bar68-1’on non-target organisms.[Method]The population density,larval development of the indicator species rice leaf roller,Cnaphalocrocis medinalisGuené e,and rice damage degrees were investigated both in the genetically modified herbicide tolerant(GMHT)rice‘Bar68-1’fields and non-GM rice‘D68’fields.[Result]There was no significantly difference in larval population density of rice leaf roller in the GMHT rice fields and in the control,except in the milky stage in 2007;larval development in the fields of GMHT rice wassimilar to that in the control.The number and percentage of rolled leaves per plant had nosignificant difference in GMHT and non-GM rice except at late tillering stage of rice in 2007.Damage ratings of the rolled leaves between GMHT and non-GM rice were basically the same.[Conclusion]The effects of GMHT rice‘Bar68-1’on natural populations of rice leaf roller in rice fields were similar to that of non-GM rice‘D68’.

GMHT rice; non-target organisms; indicator species; rice leaf roller; natural population

S 435.112;Q 145.1

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2011.02.010

2010-01-19

2010-03-22

轉基因生物新品種培育科技重大專項(2008ZX08001-003);中國科學院知識創新工程重大項目(KSCX1-Yw-03)

*通信作者Tel:0731-84619770;E-mail:xiaoguoying@isa.ac.cn