利用植物光周期現象防止轉基因植物導致基因漂移

程冠杰

摘要：轉基因植物在種植時出現的問題之一就是植物中外源基因發生基因漂移污染野生植物的基因，而如棉花的蟲媒植物通過花粉傳播基因傳播范圍大，已成為需要解決的問題。

本文提出了利用植物光周期現象防止轉基因植物（棉花）的基因漂移的方法，利用減少光照刺激棉花提前轉基因棉花的花期從而減少轉基因棉花花粉傳播到野生型的情況，并設計了對照實驗證明了在適量減少光照的情況下，棉花花期可以做到大幅度提前并與原先在熱帶地區花期并不重合。

關鍵詞：轉基因，光周期，基因漂移

背景&意義

轉基因植物自從1983年問世以來，一直都是世界農業方面熱門又充滿爭議的話題，對其贊同和反對都具有一定的理由。

轉基因技術是利用現代生物技術，將人們期望的目標基因，經過人工分離、重組后，導入并整合到生物體的基因組中，從而改善生物原有的性狀或賦予其新的優良性狀。

除了轉入新的外源基因外，還可以通過轉基因技術對生物體基因的加工、敲除、屏蔽等方法改變生物體的遺傳特性，獲得人們希望得到的性狀。這一技術的主要過程包括外源基因的克隆、表達載體構建、遺傳轉化體系的建立、遺傳轉化體的篩選、遺傳穩定性分析和回交轉育等。

轉基因植物的優勢顯而易見，其育種快而精準的優點勝過雜交育種，甚至可以表達出原本植物中并不包含的基因，表現出其他生物的優良性狀。然而，對于阻撓轉基因植物大規模種植的因素，除了對人體健康的顧慮不僅缺乏根據，各類研究各執一詞，還有對其中外來基因轉移到野生或非轉基因型植物中造成基因漂移的恐懼。

例如，抗蟲棉可以抵抗棉鈴蟲的幼蟲啃食，對鱗翅目昆蟲都具有毒性。但是作為蟲媒的異花授粉植物，其外源基因容易借由花粉傳遞到野生的植株中，導致野生的植株表達出抗蟲性，并在自然選擇下，選擇出占比更多的抗蟲個體。這無疑使原本以野生型棉花為食的昆蟲數量減少，進而影響整條食物鏈。又或者，在轉基因過程中可能植物某些蛋白的表達收到了抑制，可能導致對某些病原體的免疫能力下降，如果這種基因型的轉基因植物個體在野外成為主導，一次病原體的爆發必然對種群造成打擊，同樣影響整條食物鏈。

對于蟲媒異花授粉植物而言，花粉傳播導致的基因漂移尤為嚴重。而巧妙利用植物光周期現象改變種植的轉基因植物的花期與野生型交錯，人為形成生殖隔離，不僅保證了轉基因植物的自身質量，也從根源上防止了外源基因向野生型漂移;而且對比其他改變花期的做法，成本更低，操作更簡便，風險更小。因此，利用植物光周期現象防止轉基因植物導致基因漂移是可行的。

實驗設計

目前中國批準種植的轉基因植物有：棉花、馬鈴薯、番茄、甜椒、番木瓜等。而在全世界，轉基因大豆和玉米水稻的種植范圍也很大。截至2018年，種植面積已達1.898億公頃。如此大的種植面積難免與野生種群的分布范圍產生交叉，進而產生基因漂移。基因漂移的一大形式，便是異花授粉植物之間通過花粉進行基因的交流，進而產生雜交個體，污染野生種群的基因庫。

目前中國批準種植的轉基因植物和世界主要種植的轉基因植物中，只有番木瓜科的番木瓜，錦葵科的棉花，禾本科的玉米在自花授粉的同時，能在自然條件下進行異花授粉。其中玉米作為風媒花，在自然條件下花粉傳播的面積相當有限，即使在下風處，花粉傳播距離也一般不會超出30m，在上風處傳播距離甚至只有13m，可見生長在農田中的轉基因玉米通過風媒的方式來進行與野生個體的基因交流概率極小。棉花屬于典型的蟲媒花，在其異花授粉時主要通過昆蟲進行授粉。而進行授粉的昆蟲，例如蜜蜂，理論上一天可以飛行160km，實際上采集蜂也能遠離蜂巢10km以上，如此轉基因棉花的授粉導致基因漂移的概率遠大于玉米。番木瓜的種植面積（47萬公頃，2020）遠不如轉基因玉米（14.39億畝，2018）和棉花（3.74億畝，2018），暫且不論。

本實驗采用縮短棉花所受光照的時間來改變棉花的開花時間，之所以采取這種方法的原因是如果人為引入改變棉花光周期效應的基因，該基因有可能通過種子等其他方式進入野生種群中，從而可能使部分野生種群和轉基因棉花花期再次保持一致，使預防基因漂移的效果大打折扣。

在緯度與上海相近的地區（參考文獻中為杭州），對于大多數棉花野生品種，自然光照下開花時間在秋分之后甚至不開花，少數（deltapine15與simian2）開花時間在七月中旬左右。

而同樣在長江中下游地區，人工栽培棉花開花時間從7月到9月，持續時間50-60天。可見在上海緯度位置附近的地區幾乎不存在開花時間重疊的問題。

那么研究改變棉花開花時間是否沒有意義呢？并不是，棉花原產與亞熱帶與熱帶地區，夏季白晝時長較短，因此移植到緯度更高的地方開花時間會推遲，因為受到光周期的影響。在熱帶地區，假設棉花野生種與栽培品種原先開花時間相同，則栽培品種花期需提前或延后兩個月左右。由參考文獻可知，陸地棉野生種系經每天9小時短日照誘導26-60天后，既可現蕾，只需在正常花期前56-120天進行短日照誘導即可。而棉花從出芽到開花大約經過55-70天，與短日照誘導時間部分重合，理論上可行。

由參考文獻可知，熱帶野生棉開花時間并不相同，這里只是推演花期恰好與栽培品種相同時的極端情況，其他情況所需誘導時間低于這里討論的情況。

由于試驗地點受限在上海，無法完全模擬熱帶環境，所以實驗結果難免有偏差。為了減小偏差，實驗設置在學校的溫室（開花的時間正值暑假可以不需要溫室帶回家培養）。將實驗對象共9盆品種相同的棉花分為三組，一組完全模擬“熱帶”的光照作為對照，一組進行9小時短日照誘導，由于每天9小時短日照誘導所需時間最大值大于從出芽到開花時間最大值，為了實驗結果在增加一組每天8小時短日照誘導。為了誘導時間最長，選擇在最早的三月在相同的土壤中施以相同的水分進行播種，四月之前可以完成出苗。出苗后，“熱帶”組將適當減少光照，4月減少半小時，5，6，7月減少1小時，以模擬熱帶的光照條件。而第二組則減少5小時光照（上海夏至白晝時間約為14小時），第三組則減少6小時光照，這樣做雖然平均每天小于理論值，但是更好操作，且更易得出結果。在此期間三組溫度，水分，土壤條件相同。

接著記錄二三組中的三株植物第一次開花時間與第一組中的三株植物全部的花凋謝時間，并取平均數。

倘若實驗成功，預測二三組中的三株植物平均第一次開花時間至少有一個大于第一組中的三株植物全部的花凋謝平均時間。如果第三組中的三株植物平均第一次開花時間略低于第一組中的三株植物全部的花凋謝平均時間，則第三組光照減少的量不足，更多光照。需在做一組減少。如果第三組中的三株植物平均第一次開花時間于第一組中的三株植物平均第一次開花時間大致相同，則視為實驗失敗。

本實驗的優點在于：首先，花粉導致的轉基因植物基因漂移情況目前并沒有人進行研究，該實驗首次對防止這一可能提出了方案;其次，實驗提供的方法方便操作，適合推廣應用;本實驗也運用了控制變量，設置對照等科學研究方法，結論相對可靠。

本試驗設計仍然有欠缺之處：首先花粉傳播導致轉基因植物基因漂移的現象只是理論上存在，概率并沒有實驗計算出來，這種現象是否會造成生態上的危害存疑;其次由于缺少參考資料，實驗數據設置較隨意，并不能提供普遍性的結論;還有由于無法完全模擬熱帶環境，熱量，水分對花期的影響被忽略了。

參考文獻：

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