轉基因與生物安全*

魏 偉 馬克平中國科學院植物研究所 植被與環境變化國家重點實驗室 北京 100093

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轉基因與生物安全*

魏 偉 馬克平
中國科學院植物研究所 植被與環境變化國家重點實驗室 北京 100093

摘要文章以轉基因作物為例討論了轉基因的生物安全。轉基因作物在帶來經濟利益的同時，其對環境和健康的安全性也成為研究的焦點。從目前轉基因生物安全主要爭論的內容出發，包括轉基因逃逸及其生態學后果、對非靶標生物影響、害蟲的抗性進化等方面，結合相關的案例綜合介紹了近年來的主要進展和存在的問題。對那些科技界爭論較多，引起強烈社會反響事件的起因和主要結論進行了客觀的評述，以期為進一步的科學研究提供依據。根據中國的實際情況，考慮到生物安全的要求，為保護生物多樣性的可持續利用，提出相關的建議和對策：（1）以生物安全相關的科學問題為主，具體的目標生物為輔，開展系統的實驗研究；（2）加強生物安全的監測與監管，鑒別重要生態功能區和生態脆弱區，適當設立轉基因保護區，禁止種植轉基因作物；（3）重視公眾知情權，不僅宣傳轉基因生物帶來的惠益，也應告知其風險及管控措施，促進公眾的理解和認可。

關鍵詞生物安全，生態風險，非靶標生物，抗性進化，轉基因逃逸

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.04.004

*資助項目：環保公益性行業科研專項（201509044）

修改稿收到日期：2016年2 月29日

轉基因技術在轉基因作物的商業化生產上取得了巨大成功，轉基因作物的種植面積逐年擴大。轉基因植物的大規模應用在為研發公司創造了不凡價值的同時，也為農民帶來了可觀的經濟利益[1]。例如有研究認為，轉基因抗除草劑作物的種植為種植戶帶來了不少利益，降低了除草劑的用量，也因為免耕對環境有一定的友好性，能夠創造一定的環境效益[2]。然而事實卻并非如此，Bonny[3]發現，隨著草甘膦除草劑抗性的轉基因植物大規模種植，全球范圍內草甘膦除草劑的的用量大幅增加，在美國，大豆（Glycine max）上使用的除草劑總量和單位面積施用量自轉基因抗除草劑大豆釋放以來不斷增加，而棉花（Gossypium hirsutum）和玉米（Zea mays）上單位面積上草甘膦使用量也是不斷增加的[4]。由于持續和大量的單一除草劑施用，有多種雜草已經進化出對草甘膦除草劑的抗性[5]。

可以看出，轉基因作物的大面積商業化生產確實能夠為生產者和開發者帶來豐厚的利益和利潤，但是目前尚無任何能夠增加產量和提高質量的轉基因作物，為消費者帶來的可能只是廉價的商品。轉基因生物的安全性尚需要科學研究的證明，面對其帶來的環境和健康風險，需要認真分析，審時度勢，在風險評價中采取預先防范原則，以安全性為首要選項，盡量避免不得不面對“兩害相權取其輕”的情況出現，采取有效的措施，在充分發揮轉基因生物技術作用的同時，妥善管理和防范安全風險，保證生物安全。

對于轉基因生物技術安全性的研究，可追溯至 20 世紀 80 年代重組 DNA 技術的發展之初。可以說國際上關于生物安全的研究和爭論一直伴隨著轉基因生物技術的發展，經過多年的實驗和實踐，有一些在該技術發展之初就擔心出現的風險，到今天已經變成了事實。例如由于大規模種植抗蟲棉，棉鈴蟲（Helicoverpa armigera）種群被抑制，但其空余出來的生態位被非靶標害蟲——盲椿蟓（Heteroptera: Miridae）侵占[6]，田間的殺蟲劑用藥量也在增加[7]。在轉基因作物釋放的早期就有很多研究者對此發出了警告[8]。

如今，在中國，轉基因抗蟲棉的種植面積比例已經超過 90%[1]，傳統的棉花已經很少見。很多復合抗性和多價抗性轉基因作物也在研發之中，這些多價轉基因品種的生物安全評價將面臨缺少非轉基因對照的窘況，很可能不得不采用單價轉基因或其他類型的植物做參考。隨著氣候變遷、環境變化，轉基因作物的釋放環境將可能有巨大變動，也就是說存在一定的不確定性，這也可能為安全評價和管理帶來挑戰。因此，需要及時回顧轉基因作物在應用中已經發生的風險，為預知未來的風險提供理論和實踐借鑒，避免轉基因生物的利用帶來不利的生物安全問題。

1　轉基因逃逸及其影響

轉基因作物與非轉基因作物或其近緣種的基因交流能夠造成轉基因在自然界中的擴散和逃逸。轉基因作物在收獲后其種子散落田間地頭，形成轉基因土壤種子庫[9]，在隨后的生長季節萌發生長，形成自播植物。據報道，由于長期種植轉基因抗除草劑油菜（Brassica napus），抗性的油菜自播植物成為難以控制的田間雜草，尤其是在轉基因抗除草劑的大豆和玉米田間[10]。轉基因作物收獲后，大量種子在運輸過程中散落，可形成自播植物[11]，成為轉基因進一步擴散的來源。

通過花粉的傳播，轉基因作物可以污染其他同種的非轉基因作物，造成一定的經濟損失。例如，墨西哥政府于 2001年報告說 Oaxaca 州的玉米受到一種沒有被批準在墨西哥種植的轉基因 Bt 玉米的污染[12]。隨后，Nature發表了墨西哥玉米受到轉基因污染的分子證據[13]。然而，在有關壓力下 Nature 撤回了文章。科學家對 2001 年的樣品進行了重新分析，并在 2004 年重新取樣進行檢測，給出了地方品種受污染的新證據[14]。Worthy 等人[15]認為，由于發表研究結果而受到威脅，是生物技術公司及轉基因技術的支持者不遺余力地維護其自身利益的表現，這也是我們在科學研究和管理中應該竭力避免的。

轉基因作物與其野生親緣種之間的雜交種是轉基因作物與其野生親緣種間基因流動的證據。雜交種和轉基因在自然界中的生存適應能力的大小差異，可能會引起轉基因在自然界中的進一步擴散。Warwick 等人[16]在加拿大抗除草劑油菜田附近收集其野生親緣種——野生蕪菁（B. rapa），發現了一株具有抗性的野生蕪菁，其染色體倍性與野生親本完全一致，為二倍體，且其后代有抗性和敏感個體的分離，抗性個體也是二倍體。預示著抗除草劑的外源基因已經在野生種群中整合和固定，這種固定在生態學上有重要意義。

中國是大豆、水稻和油菜這三種作物的起源中心，在野外存在著野生近緣植物。野生大豆是大豆的野生近緣種，是重要的育種資源。國內栽培大豆與野生大豆間的基因交流已有報道，半野生大豆的出現可能就是這種基因交流的結果[17]。攜帶外源轉基因的大豆大面積釋放，可能會導致外源基因對野生大豆資源的污染和危害[18]。已有研究證明，轉基因水稻和油菜與其野生近緣種能在自然條件下發生基因交流[19,20]，并且轉基因在雜交種中的存在并不一定帶來適合度代價[21-23]；而在某些條件下，轉基因在雜回交后代的表達還能提高植物的適合度[24,25]。Cao 等人[26]研究發現，轉基因抗蟲油菜與野生芥菜（B. juncea）的雜回交后代中轉基因能夠正常表達，具有跟轉基因油菜親本同樣的殺蟲活性，而且其形態也逐漸接近野生親本（圖 1），不易與野生親本區分，轉基因與其野生近緣種間雜交種的命運需要長期的監測研究。

圖 1 栽培油菜(最左第1列，Westar和GT)與野生芥菜（wild Brassica juncea，最右）的雜交種（F1）和回交后代（BC1—BC5）的葉片形狀逐步趨向其母本野生芥菜。Westar：非轉基因油菜親本品種；GT：轉基因油菜；W-F1：非轉基因親本Westar與野生芥菜的雜交種； GT-F1：轉基因油菜與野生芥菜的雜交種；S：不攜帶轉基因的回交后代（不抗蟲）；R：攜帶轉基因的回交后代（抗蟲）

可以通過一些手段來阻斷轉基因的逃逸與擴散，例如通過物理隔離阻斷轉基因花粉的擴散。然而，花粉的擴散距離與轉基因作物的種植面積有關，而當傳粉昆蟲參與到花粉傳播中時，其距離能夠達到 1—2 公里[27,28]。通常，玉米和水稻被認為是風媒植物，但研究表明蟲媒在水稻和玉米花粉傳播中也起到一定的作用[29,30]。有研究認為也可以調整種植時間，使轉基因作物與周圍的植物花期不遇，從而避免基因交流。但是絕對的花期不遇無法做到，過分強調花期不遇則可能會影響到作物本身的產量。在分子水平上有一些阻斷基因流的建議和應用[31]，例如將轉基因插入葉綠體基因組和使用雄性不育的品系，然而 Ford 等人[32]通過分析栽培油菜野生近緣種蕪菁種群的葉綠體基因組，認為使用葉綠體轉基因技術或雄性不育技術只能將基因流降低 77%—98.5%，并不能保證完全阻斷轉基因的擴散。因此，目前在技術上還難以阻斷轉基因通過基因流擴散的途徑[31]。

2　對非靶標生物的影響

轉基因作物釋放到環境中以后，會與環境中的其他生物發生相互作用。在這方面一個很著名的例子就是轉基因 Bt 玉米花粉對黑脈金斑蝶（Danaus plexippus）幼蟲的致死作用[33]。Nature 的這篇報道一經發表，引起了科技界的震動，為了驗證這個結果，很多研究者開展了相關研究。根據研究結果，Bt 玉米花粉對黑脈金斑蝶幼蟲的不利影響取決于玉米花粉中 Bt 蛋白含量和田間馬利筋（Asclepias curassavica）植物葉片上的花粉密度。研究表明，當時只有個別的轉基因材料（如已被淘汰的 Novatis 公司 176Bt 玉米）花粉中 Bt 蛋白的含量足以殺死蝴蝶幼蟲[34-36]，而其他單價 Bt 玉米材料（如 Mon810 和 Bt-11）花粉中 Bt 蛋白的含量可能不足以對蝴蝶幼蟲產生影響。但是，表達六種 Bt蛋白的多價抗蟲玉米品種（SmartStax）花粉中 Bt 蛋白的含量大約為 200 ug/g 干重，足以殺死蝴蝶幼蟲[37]。而且，黑脈金斑蝶畢竟是鱗翅目的昆蟲，低量的 Bt 蛋白至少會對幼蟲產生潛在的亞致死或長期影響[37]。

Rosi-Marshall 等人[38]發現轉基因玉米地附近的河流會把玉米的花粉、葉片或殘枝帶進農田水系，對水生生物如石蛾（Lepidostoma liba）產生不利影響。該研究也引起巨大反響，批評者認為由于 Rosi-Marshall 等人的研究沒有合適的非轉基因對照，很可能是玉米不同品種的成分含量不同導致對水生昆蟲的不利影響。但是，研究人員于 2010 年再次報道了 Bt 玉米對水生昆蟲石蛾的不利影響[39]，認為在人工干擾比較大的退化農田生態系統中，由于干擾因素多，有時在實驗室檢測到的單一的 Bt 蛋白影響的差異在野外不一定能檢測到。研究者也在河流中檢測到 Bt 蛋白的存在（平均為 14 ng/L，最高達 32 ng/L）[40]。轉基因材料擴散到農田水系的途徑是清晰的，其可能產生的生態學影響需要深入的研究。另外植食性昆蟲取食轉基因材料后，其體內就會有轉基因產物的殘留，而昆蟲天敵再捕食（圖 2）或寄生這樣的昆蟲后，昆蟲天敵的生長發育也有可能受到影響[41]。

圖 2 草蛉（Chrysopa sinica）幼蟲正在捕食棉鈴蟲幼蟲

轉基因作物對小型哺乳動物的影響是目前研究關注的另一焦點，而研究者對研究結果的解釋決定著轉基因作物是否有不利影響的結論。Séralini 等人[42]研究發現，轉基因玉米更易導致大鼠患腫瘤死亡，許多人對這一研究提出了質疑，認為該研究的樣本量太小且沒有做統計學分析。但與以往的轉基因安全研究相比，該研究在時間上持續了 2 年，是前所未有的；并且，該研究在轉基因組與非轉基因組的同時，還添加了除草劑組，這是非常科學的。雖然備受爭議，但該研究無疑是有科學意義的，至少提出了科學問題和研究方向。該 2012 年發表的論文被原發刊物撤稿，但在 2014 年又得以重新發表[42]，證明其研究是得到科技界認可的。Rubio-Infante 和 Moreno-Fierros[43]認為轉基因作物對小型哺乳動物的影響要參考對化學農藥的評價標準，使用至少3種不同的實驗動物，進行最短兩年的動物實驗。

3　害蟲的抗性進化

轉基因 Bt 作物的大面積釋放可能會加速害蟲對 Bt 蛋白的抗性進化[44]。Bt 蛋白在害蟲上中腸受體的任何突變都可能導致害蟲的抗性進化。有研究發現，害蟲的抗性基因并非像我們通常認為的都是隱性的，顯性抗性也是存在的[45]。一般來講，避難所策略成功的一個前提是假設害蟲的抗性是隱性的，顯性抗性使害蟲進化機制變得復雜，從而導致了害蟲進化治理的困難。

近年來，攜帶多個疊加 Bt 抗性基因作物出現的主要原因正是為了應對害蟲對 Bt 作物的耐受性進化的結果[46]。但其應對害蟲抗性進化的效果卻不顯著，Carrière 等人[47]認為其原因是目前使用的 Bt 蛋白由于具有相似的序列，有很高概率的交叉抗性出現。中國在大規模釋放 Bt 抗蟲棉的不到 8 年時間，就已經有報道害蟲抗性進化的案例[48]。然而，由于棉鈴蟲在中國多樣化的小農生產中，除棉花外，具有多個攝食對象，如玉米、大豆和蔬菜等，這些作物能夠作為“天然避難所”，為敏感的棉鈴蟲種群提供食物，敏感昆蟲種群的存在能夠降低田間的抗性頻率，因此中國棉鈴蟲對 Bt 蛋白的抗性進化還局限在部分地區[49]，并沒有導致棉田 Bt 棉失去對棉鈴蟲的控制[50]。然而，與種植非轉基因棉花作為避難所相比，利用“天然避難所”策略在延緩抗性方面的效率還是比較低的[51]。而且，與雜食性的棉鈴蟲形成鮮明對比，生長在南方長江流域的紅蛉蟲（Pectinophora gossypiella）則由于專食棉花，而又沒有“天然避難所”的存在，其抗性進化較明顯[52]。在印度，田間抗性紅鈴蟲種群的抗性能達到敏感種群的 40 多倍[53]。轉基因抗蟲棉本身并不能實現害蟲的長期有效控制，還需要結合其他綜合治理措施（如作物輪作、生防、傳統抗性作物品種以及合適的殺蟲劑噴施等）才能促進可持續農業的發展[54]。

4　討論與建議

4.1超越化學防治，注重轉基因技術的可持續利用

為了應對靶標害蟲對單價轉基因 Bt 作物的抗性進化，生物技術專家又去開發攜帶若干個 Bt 殺蟲基因的疊加抗性材料。由于存在協同作用和交叉抗性，所以同時表達多種 Bt 蛋白轉基因植物的殺蟲效果卻不理想[47]。轉基因抗除草劑作物的大面積種植導致施用除草劑比較單一，當越來越多的田間雜草進化出對某一種除草劑的抗性時，科學家不得不去添加另外一種抗除草劑基因。例如有的生物技術開發公司會添加 2,4-D 抗性基因，開發所謂的下一代抗除草劑作物。然而由于非靶標效應比較大，陶氏益農公司的復合除草劑 Enlist Duo（含草甘膦和 2,4-D）剛剛上市一年，便被美國環保局取消了安全證書[55]。說明目前主要的轉基因技術仍然停留在化學防治的老路上，很難達成可持續發展的目標。實際上，簡單地只使用除草劑控制雜草的路會越來越窄，并有可能人為地加速雜草的抗性進化[5]。

4.2傳統育種與現代生物技術相結合，促進農業的可持續發展

轉基因技術作為現代生物技術的重要組成，需要得到不斷的完善和提升，但其大規模應用須謹慎。近年來在大力推動轉基因技術育種的同時，相對地忽視了傳統育種和其他生物技術的應用，一定程度上挫傷了傳統育種工作者的積極性。2016 年啟動的“十三五”國家重點發展計劃“七大農作物育種試點專項”種質資源與育種創新共舉，將會促進傳統育種工作的開展。在生物安全方面，傳統育種的安全性在公眾意識里具有不可否認的安全認同感，寄希望該試點專項能夠在利用現代分子生物學和現代組學技術的同時，充分重視并推動傳統育種技術的進步，為農業的可持續發展和生物多樣性的可持續利用作出貢獻。

4.3加強進口產品中轉基因成分的管理，降低生物安全風險

全球轉基因作物的栽種面積連年增長，據報道，發展中國家栽培的轉基因作物已經連續3年超過發達國家。然而，除中國以外，其他發展中國家種植的轉基因作物大都來自發達國家的生物技術公司，很少有發展中國家自行研制和開發的產品。大豆、玉米和油菜 2014 年全球轉基因比例分別為 82%、30% 和 25%，而且最近幾年一直維持這樣一個水平[1]。但中國每年進口的用于加工的大豆、玉米和油菜的轉基因比例均高于 90%[1,56]，其原因是中國進口原材料的來源地主要是一些大面積種植轉基因材料的國家，如美國、巴西和阿根廷等[57]。可能的解釋是這些地區的產品有質量優勢或價格優勢，或二者兼有，但實際情況需要深入的研究才能有結論。一般來講，大規模種植某類產品前都需要進口國的批準才能保證銷路，我們也不妨考慮借助這樣的方式，積極鼓勵和引導這些地區的農戶種植非轉基因產品，或者轉向非轉基因材料或在轉基因比例較低的其他種植地區采購，保護我國農業（如大豆）的健康發展和生物安全。

4.4建立轉基因生物禁止釋放區，保護重要生態區域的生物多樣性

中國是水稻和大豆的起源中心，野外也存在油菜等蕓苔屬栽培作物（Brassica spp.）的野生近緣種，水稻、大豆和油菜等作物與其野生近緣種間存在基因流動，而且在將來大規模種植轉基因作物的情況下，其雜交后代有可能并不會因為攜帶外源轉基因而降低適合度，可以長期在自然界中留存和進化，對生物多樣性造成不利影響。同時，考慮到轉基因植物種植帶來的害蟲和雜草的抗性進化、除草劑的大量使用以及對非靶標生物可能存在的影響，為保證環境安全，亟需在時間和空間上分析風險，鑒別需要充分保護的和脆弱的重要生態區域，考慮的對象包括自然保護區和生物多樣性保護優先區域等，設立禁止種植轉基因植物的地區。

4.5關注公眾知情權，并以科學問題為導向開展轉基因生物安全研究

公眾知情權是技術發展的重要支柱，有利于公眾用科學的態度對待轉基因產品。公眾只有同時了解其優勢和可能的風險，才能以更加開放的態度對待轉基因產品。無論是開發主糧還是非主糧轉基因作物，都離不開農業生產過程，都需要釋放到環境中去，其生態學風險與后果需要根據預先防范原則謹慎評價。目前主要是按照目標對象進行評價的形式，對生產應用來說是比較高效的，但對科學研究而言卻不一定合適。亟需針對轉基因生物及其相關科學問題，建立模式研究體系；針對相關風險類型，展開長期的系統研究，建立風險監測框架，更好地為科學進步、環境健康和農業可持續發展服務。

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魏 偉 中科院植物所副研究員，博士，多年來一直從事轉基因生物安全和生物多樣性保護的研究工作。主持和參與多項自然科學基金項目和國際合作項目，發表 SCI 論文 35 篇。目前擔任中國農業生物技術學會生物安全分會副秘書長、聯合國《生物多樣性公約》風險評價與風險管理特設技術專家組專家。E-mail: weiwei@ibcas.ac.cn

Wei Wei Received his Ph.D. degree from the Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences. He has worked on biosafety of transgenic technology and biodiversity conservation for more than 15 years and has published 35 paper in Science Citation Indexed journals. He now acts as a Vice Secretary of the Biosafety Association of the China Agro-Biotechnology Society and an expert member of the Ad Hoc Technical Expert Group on Risk Assessment and Risk Management of the Convention on Biological Diversity of the United Nations. E-mail: weiwei@ ibcas.ac.cn

Transgenic Organisms and Biosafety

Wei Wei Ma Keping
（State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China）

AbstractBiosafety issues of transgenic organisms were discussed in this review using transgenic crops as examples. The global commercialization of transgenic crops has produced benefits but also accompanies potential risks. The four most popular transgenic crops that commercially planted in the past years are soybean（Glycine max）, cotton（Gossypium hirsutum）, corn（Zea mays）, and canola（Brassicabook=413,ebook=33napus）. The current modified traits that have the largest area at worldwide scale are herbicide resistant, insect resistant, and their stacked traits of both resistance. All those traits may confer advantage in the field. At the early stage of transgenic technology application, its risks had been raised as issues for discussion by both scientists and general public, which is the critical component under consideration for associated research. With the development and application of this technology, its risks to human health and environmental safety have been hot topics for debating. Some risk concerns had become hazards in real, such as the outbreak of secondary insect pests, the resistance evolution of some targeted insect pests and some non-targeted weeds, and the effects on non-targeted organisms etc. Among them, the effects on non-target organism have been the most complicate issue in debate. Those issues and related events that had caused extensive debate and profound social impacts were reviewed in this article to set up important base for further discussion. The cause behind the debate was analyzed and the final conclusive result of debated issues was then provided. It has been a common phenomenon that there are always contradictive opinions on the same revealed effects of transgenic crops between advocators or developer of the transgenic technology and opponents or environmentalists. For example, when the evidence of contamination of Mexico maize landraces was firstly published, the publication had received many criticisms and had even been retracted by the journal. Finally, nobody would question again on the contamination fact when more evidences came out years later. Conversely, it was reported that the maize pollens expression Bt（Bacillus thuringiensis）insecticidal protein could kill the larvae of monarchy butterfly（Danaus plexippus）. But further studies had revealed that the concentration of the Bt in the pollens and pollen density on the leaves of Asclepias curassavica were not able to kill the larvae except transgenic events that expressing higher concentration of Bt protein in pollens. Nonetheless, butterfly is belonged to the order of Lepidoptera that is susceptible to the popular Bt protein used in currently commercialized crops and sublethal and long term impact should not be neglected. Anyway, safety is always the first priority in the application of transgenic technology. To ensure the sustainable use of biodiversity and biosafety of environment, strategies were proposed in this review to provide references for further investigation:（1）Biosafety studies and risk assessments shall be based on scientific questions other than targeted transgenic organisms and the latter can be only relevant when complementary to the issue questioned.（2）Enforcing the general surveillance and monitoring regarding of the potential risks of transgenic crops, protected locations such as important ecological functional areas and vulnerable ecological regions shall be identified to be prohibited from planting of transgenic crops.（3）To enhance the public awareness by providing not only the benefits of the transgenic technology, but also the risks and related management strategies to the public. Only in this way, the understanding and acceptance of this technology can be achieved and the biosafety and development will be promoted. In addition, promotion of conventional breeding and possibility to import products from regions with low adoption of transgenic technology or opportunity to encourage the plantation of non-transgenic crops in exporting countries also been briefly suggested.

Keywordsbiosafety, ecological risk, non-targeted organisms, resistance evolution, transgene escape