“高劑量/庇護所”策略在Bt玉米靶標害蟲抗性治理中的應用及成效

楊曉偉, 李云河, 韓蘭芝

(中國農業科學院植物保護研究所, 植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 北京 100193)

1996年,表達蘇云金芽胞桿菌Bacillusthuringiensis(Bt)殺蟲蛋白的轉基因抗蟲作物在美國商業化種植,隨后轉Bt作物在全球范圍內連續種植,取得了顯著的經濟、社會和生態效益。僅2019年,全球種植的Bt抗蟲作物(含Bt基因的單性狀/復合性狀)已超過1.07億hm2,其中約5 600萬hm2為Bt玉米[1]。為解決我國玉米生產中面臨的重大蟲害、草害及國家糧食安全等問題,2021年農業農村部開展了抗蟲、耐除草劑轉基因玉米的產業化試點工作,試點種植呈現增產增效和生態效果顯著的優勢。2022年中央一號文件《中共中央國務院關于做好2022年全面推進鄉村振興重點工作的意見》提出,“全面實施種業振興行動方案;啟動農業生物育種重大項目”(http:∥www.gov.cn/zhengce/2022-02/22/content_5675035.htm)。這表明,我國轉基因玉米的商業化種植正在有序推進。

然而,長期、大規模種植Bt作物可能導致害蟲產生Bt抗性,這是影響轉基因抗蟲玉米可持續應用的關鍵因素。為了延緩害蟲對Bt作物的抗性演化,“高劑量/庇護所”策略在全球被廣泛應用[2-3]。雖然“高劑量/庇護所”策略的基本原理已被普遍接受,但不同國家實施的具體政策和法規因Bt作物種類、基因類型、種植區域、靶標害蟲等不同而呈現較大差異,抗性治理的成效也存在較大差異。基于此,本文簡單介紹了“高劑量/庇護所”策略的理論基礎及庇護所實施的主要形式,概述了全球五大Bt玉米種植國美國、巴西、阿根廷、南非和加拿大“高劑量/庇護所”策略的政策與法規制定、庇護所實施的具體要求和種植者的履行情況;總結了“高劑量/庇護所”策略在一些國家實施的成功經驗,分析了害蟲抗性治理失敗案例的主要原因。這些 “高劑量/庇護所”策略實施的經驗與教訓可望為我國轉Bt基因抗蟲玉米的產業化應用和害蟲抗性管理提供重要技術支撐和理論指導。

1 “高劑量/庇護所”策略的理論基礎及庇護所的三種形式

1.1 “高劑量/庇護所”策略的理論基礎

“高劑量/庇護所”策略是在高劑量表達Bt殺蟲蛋白的Bt作物區域附近,種植非Bt作物,作為敏感害蟲種群的庇護所,Bt作物區域存活下來的少量抗性個體,與庇護所提供的敏感種群自由交配,所產生的抗性雜合子后代能夠被高劑量表達Bt殺蟲蛋白的Bt作物殺死,進而減少昆蟲抗性基因的累積,延緩害蟲抗性的發展[4]。從理論上講,該策略包含以下幾個基本要求和假設:1)假設昆蟲Bt抗性為隱性遺傳,且初始抗性基因頻率較低;2)Bt作物表達高劑量Bt殺蟲蛋白能殺死Bt作物上所有的敏感個體和幾乎所有Bt抗性雜合子;3)庇護所中存活的大量敏感個體與Bt作物上存活的少數抗性個體能夠自由交配[5]。

1.2 “高劑量”的含義及庇護所的三種形式

“高劑量/庇護所”的理論基礎包括“高劑量”和“庇護所”兩部分。“高劑量”是指轉基因抗蟲作物表達的殺蟲蛋白劑量很高,理論上能夠殺死靶標害蟲種群中100%的敏感個體和95%的敏感/抗性雜合子個體。對此,各國要求較為一致,以敏感靶標害蟲99%致死劑量的25倍為標準,超過此濃度視為高劑量。“庇護所”是指在Bt作物附近,為靶標害蟲的敏感個體提供存活空間的非轉基因植物寄主。它的形式較為多樣,現階段主要有3種不同形式的庇護所:1)結構庇護所:在轉基因抗蟲作物附近種植的一定比例(如20%)的同種非轉基因作物;2)自然庇護所:轉基因作物附近的其他非抗蟲寄主作物,可以作為敏感害蟲的天然庇護所,適用于靶標昆蟲為雜食性害蟲的抗性治理;3)種子混合庇護所:又稱為“袋中庇護所”,將轉基因抗蟲作物種子和非抗蟲作物種子按照一定比例預混在一起種植,播種后隨機分布在轉基因抗蟲植株周圍的非抗蟲植株為靶標害蟲的敏感個體提供庇護所。

2 主要Bt玉米種植國“高劑量/庇護所”策略應用的法規要求

2.1 美國

美國是最早推行Bt作物商業化應用的國家,也是世界上最大的轉基因作物種植國。2019年美國轉基因玉米種植面積全球第一,為3 317萬hm2,占美國玉米總種植面積的92%[1]。在種植Bt作物的同時,美國嚴格執行“高劑量/庇護所”策略,是全球執行該策略最好的國家之一。

美國環境保護署(U.S. Environmental Protection Agency, US EPA)對所有進入市場的Bt作物有著嚴格的規定,對所有轉Bt基因產品發放注冊證書,并確保其處于被監管狀態,保障進入市場的Bt作物種子均表達高劑量的Bt殺蟲蛋白。EPA在各方面對注冊人均有嚴格要求。注冊前,注冊人需提交以下信息:1)靶標生物的生物學與生態學特征;2)靶標生物對Bt蛋白的敏感性如致死劑量、死亡率;3)作用機理、抗性遺傳學、是否有交互抗性;4)作物和靶標害蟲的抗性管理模型。這些資料主要用于抗性風險評估,建立田間抗性管理制度。注冊后,注冊人還需要提供以下信息:5)田間抗性監測計劃;6)緊急補救措施;7)庇護所按規定履行的保障計劃;8)農民相關知識教育培訓計劃。第5～第8條需要每年向EPA提交年度完成報告[6]。在庇護所種植方面,EPA要求注冊人傳授農民相關抗性管理知識并檢查農民庇護所種植情況。注冊的產品有嚴格的時間限制,如果在注冊有效期內沒有執行相應要求,則取消產品注冊資格[7]。產品注冊人或種子公司按照EPA的要求,與農民簽訂Bt作物種植合同,如果農民違反庇護所或其他抗性管理規定,種子公司必須取消與農民的合同[7]。整個過程中注冊人對所有過程負責,與農民、種植協會、科學家和種子公司交流協作,制定、改進和執行抗性管理策略,并收集所有資料向EPA匯報[7]。從1996年Bt作物進入市場以來,EPA對每種Bt玉米轉化體制定了詳細的庇護所要求,隨著技術的進步和相關理論的完善,現階段不同類型Bt玉米的庇護所要求如下(表1)。

表1 美國當前Bt玉米庇護所的要求1)Table 1 Current refuge strategies for Bt corn in the United States

1) 結構庇護所中涉及的百分數:指結構庇護所的種植面積占Bt作物及其庇護所總面積的百分比。種子混合庇護所中涉及的百分數:指庇護所種植所用的種子量占Bt作物及其庇護所種植總用種量的百分比。共用庇護所:指一個地塊同時作為鱗翅目和鞘翅目的庇護所。玉米產區:指以種植玉米為主的地區。棉花產區:特指美國以種植棉花為主的8個州(阿拉巴馬州、阿肯色州、佐治亞州、佛羅里達州、路易斯安那州、北卡羅來納州、密西西比州、南卡羅來納州和俄克拉荷馬州)以及來自5個州(俄克拉荷馬州、田納西州、德克薩斯州、弗吉尼亞州和密蘇里州)的部分縣,同時該地區也可種植玉米。由于Bt棉花和玉米有共同的靶標害蟲,這些地區同時種植Bt棉花和玉米時,為避免靶標害蟲產生交互抗性,需要履行特殊的庇護所種植要求。復合性狀是將靶標害蟲為不同物種(例如鱗翅目螟蟲和玉米根螢葉甲)的兩個或多個Bt基因轉入同一植株。Bt聚合是將靶標害蟲為同一物種的兩個或多個Bt基因轉入同一植株。本表引用自美國EPA網站(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).

簡單來說,對單價Bt基因的玉米,需20%的結構庇護所或10%的種子混合庇護所(靶標害蟲為鱗翅目不能使用種子混合庇護所)。對Bt基因聚合玉米,庇護所面積比例可降為5%(結構或種子混合庇護所)。轉基因玉米的靶標害蟲為鱗翅目時,一般要求庇護所和Bt作物間隔小于800 m;如果為鞘翅目害蟲,則要求庇護所緊鄰Bt作物。當轉基因玉米在Bt棉產區種植時,要求必須有結構庇護所,且對庇護所面積比例要求更高。

美國對Bt作物庇護所策略執行較好。2002年的一項調查表明,美國85%的玉米種植者按照要求種植了庇護所;2001年-2006年,Bt作物庇護所達標率為72%～96%;雖然隨后的兩年達標率為74%～80%,略有下降,但整體比例仍處于較高水平[8]。

2.2 巴西

2007年巴西開始批準種植轉基因玉米,2019年巴西有91.0%的玉米為轉基因玉米,共計1 630萬hm2,位居全球第二[1]。在巴西,害蟲抗性評價與管理工作不是強制性的。Bt作物的害蟲抗性管理歸屬于農藥法規管理,和化學農藥一樣,由農業部、衛生部和環境部門負責注冊和審查。對于重要害蟲,Bt作物注冊人和科學家合作,提出害蟲抗性管理辦法,建立害蟲敏感基線,并對害蟲抗性進行監測。在Bt玉米種植初期,害蟲Bt抗性管理策略在巴西并未得到重視,當害蟲對Bt殺蟲蛋白的抗性發展到一定水平,Bt玉米對害蟲防治效果顯著下降之后,巴西政府和種植者才開始重視這一問題[9-11]。巴西生物技術信息委員會(Council for Information on Biotechnology in Brazil, CIB Brazil)、抗性管理科技小組(Technical-Scientific Group for Resistance Management, GTMR)和農藥抗性行動委員會(Insecticide Resistance Action Committee, IRAC)等組織先后參與相關的研究和政策制定。2015年,巴西開始啟動害蟲抗性管理政策,鼓勵農民采用庇護所策略,對于大豆和棉花,推薦種植20%的庇護所,但玉米僅要求種植10%的庇護所。如果種植結構庇護所,和Bt玉米田之間的距離要小于800 m[12],對結構庇護的形狀沒有強制要求,但官方建議最好使用條帶形(巴西學者認為該種形式的結構庇護所效果最好),建議種植能夠表達兩種或兩種以上殺蟲蛋白的轉基因玉米品種。在蟲害壓力不大的情況下,不建議使用農藥,僅在必要情況(蟲害壓力大)下使用農藥,且不建議在庇護所上使用Bt類農藥。建議使用多作物輪作,Bt作物種植后,下一輪播種應當為非寄主作物或者常規玉米(https:∥croplife.org/case-study/brazil-managing-insect-resistance-in-biotech-crops/)。但值得注意的是,這些要求均以建議為主,沒有官方的強制執行。巴西庇護所策略整體執行情況并不樂觀,相關數據并未公布,但是預期完成率小于20%[13]。

2.3 阿根廷

阿根廷從1998年開始種植Bt玉米,隨后種植了轉基因大豆、玉米、棉花和苜蓿。2019年種植了598萬hm2轉基因玉米(大部分為Bt玉米),是世界第三大轉基因玉米種植國[1]。2012年-2013年,阿根廷Bt玉米上出現了第一個靶標害蟲田間抗性案例[14-15]。農民觀察到田間蟲害損失后,聯系種子供應商。種子公司(陶氏益農、杜邦先鋒和孟山都公司)聯合種子協會、農民和其他相關政府機構(農業工業部生物技術管理局Directorate of Biotechnology、國家種子研究所National Seed Institute和國家食品衛生和質量服務部監督監測局Directorate of Surveillance and Monitoring),合作進行了一系列的害蟲抗性治理工作。治理措施主要包括抗性監測和檢測、化學防治和相應的庇護所策略。庇護所種植方面,最初要求種植結構庇護所,2014年頒布相關法規,允許使用種子混合庇護所替代結構庇護所(http:∥servicios.infoleg.gob.ar/infolegInternet/verNorma.do?id=230560),即在售賣Bt種子時預先加入10%的非Bt玉米種子。這是因為阿根廷Bt玉米的靶標害蟲為小蔗桿草螟Diatraeasaccharalis,其幼蟲在不同玉米植株間移動能力較差,符合種子混合庇護所種植要求,且種子混合庇護所對農民而言,更易操作。調查數據顯示,2013年-2014年阿根廷75%的Bt玉米均種植了結構庇護所,2014年-2015年庇護所種植比例提高到87%,2015年-2016年又增加了種子庇護所。結合其他抗性管理策略,小蔗桿草螟的Bt抗性得到有效緩解,Bt玉米在阿根廷可持續應用,農民繼續受益。這說明害蟲抗性管理措施在阿根廷取得較大成功,且庇護所策略發揮了積極作用[15]。

2.4 南非

1997年,南非批準轉基因玉米種植,成為非洲首個批準轉基因作物種植的國家。2019年南非種植了194萬hm2的轉基因玉米,種植面積位居世界第四[1]。最初的數年間種植的均為表達單一Bt殺蟲蛋白(Cry1Ab)的‘MON810’抗蟲玉米轉化體。2005年,南非多地報道了亞澳白裙夜蛾Busseolafusca對Cry1Ab的抗性事件[16]。隨后,南非批準了多基因聚合抗蟲玉米轉化體‘MON89034’(表達Cry1.105和Cry2Ab2)的種植,‘MON810’幾乎全部被淘汰[17]。南非是一個轉基因作物監管體系相對完善的國家。1997年,其頒布了《轉基因法案》;2006年頒布了《轉基因修正法案》,由農業、土地改革和鄉村發展部的轉基因注冊機構負責管理該法案,獨立的第三方科學顧問委員會(Advisory Committee, AC)負責審查轉基因玉米品種的申請,并向最終的決策機構執行委員會(Executive Council, EC)提供建議[18]。南非同樣采用“高劑量/庇護所”策略進行害蟲Bt抗性治理,允許農民選擇種植5%的庇護所(不施用農藥)或者20%的庇護所(可以施用化學農藥和除Bt制劑以外的生物農藥)。但一項早期研究顯示,農民很少采用20%的庇護所。1998年僅有7.7%的農民依照法規種植了庇護所[19-20]。2005年,害蟲產生抗性后,南非開始重視庇護所的種植。2007年符合條件的庇護所種植情況得到顯著改善。2011年,南非開始種植多基因聚合玉米。在2013年-2014年,完全符合要求的庇護所種植率為75%,另有17%的農民種植了部分庇護所,僅8%(4.9萬hm2)的農民未種植任何庇護所[18]。

2.5 加拿大

加拿大種植了160萬hm2的轉基因玉米,位居全球第五,同樣執行了“高劑量/庇護所”政策[21]。加拿大食品檢驗局(Canadian Food Inspection Agency,CFIA)主要負責轉基因作物環境安全評估和風險管理,其中包括害蟲抗性管理(Insect Resistance Management,IRM)工作。CFIA規定了IRM過程中各參與者的職能(圖1)[21]。要求Bt玉米商業化需長期遵循以下原則:1)庇護所面積至少為Bt玉米的20%,且必須緊靠Bt作物,庇護所地塊的管理方式(農藥施用、耕作方式等)需要確保靶標害蟲的敏感種群存活;2)需要開發IRM培訓工具,并提供給所有種植者和公司田間推廣人員;3)必須盡早開展害蟲抗性田間檢測工作,并立即將檢測結果匯報給CFIA;4)推廣害蟲的綜合治理措施,如輪作或害蟲治理的其他替代方案;5)繼續研究庇護所為主的害蟲抗性管理計劃,并將結果提供給CFIA。

圖1 加拿大害蟲抗性管理參與者及其職責[21]Fig.1 IRM-roles and responsibilities in Canada

加拿大采取了和美國類似的庇護所要求(表1)。2005年,加拿大有超過80%的農民按照要求種植了庇護所,與2001年的達標率持平。2009年的數據顯示庇護所種植達標率為61%,另外有23%的農戶種植了部分未達標的庇護所,大約為Bt作物面積的15%～20%,僅17%的農戶未種植任何庇護所。總體而言,加拿大庇護所策略的實施比例較高[8]。

3 “高劑量/庇護所”策略在轉Bt基因玉米靶標害蟲抗性治理的實施成效

目前全球轉Bt基因玉米的種植面積達5 600萬hm2,種植Bt玉米的國家已達14個,主要包括美國、巴西、阿根廷、南非和加拿大等國家[1]。這些國家Bt玉米上的主要靶標害蟲有歐洲玉米螟Ostrinianubilalis、玉米根螢葉甲Diabroticavirgiferavirgifera、美洲棉鈴蟲Helicoverpazea、草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda、中東蛀莖夜蛾Sesamianonagrioides、西南玉米桿草螟Diatraeagrandiosella等[22]。因此相關害蟲抗性治理也主要圍繞這些靶標害蟲開展。到目前為止,全球抗性監測數據表明:轉cry1Ab和cry1F基因玉米對歐洲玉米螟[23-25]、轉vip3A基因玉米對草地貪夜蛾[26-27]和美洲棉鈴蟲[27]、轉cry1Ab基因玉米對中東蛀莖夜蛾[28-29]和西南玉米桿草螟[30]仍保持敏感水平;但目前也已明確草地貪夜蛾、玉米根螢葉甲、美洲棉鈴蟲、亞澳白裙夜蛾、小蔗桿草螟、豆紋緣夜蛾Striacostaalbicosta等害蟲在田間對Bt玉米產生了抗性[31]。

3.1 抗性治理成功案例

1996年轉cry1Ab基因的抗蟲玉米轉化體‘Bt176’‘MON810’和‘Bt11’率先在美國和加拿大商業化種植。由于歐洲玉米螟和西南玉米桿草螟對Cry1Ab殺蟲蛋白高度敏感,所以cry1Ab玉米對這兩種害蟲具有較高的防效,但其對美洲棉鈴蟲和草地貪夜蛾防效不高[32]。2003年,為提高對草地貪夜蛾、美洲棉鈴蟲和玉米根螢葉甲的防效,美國商業化種植了表達Cry1F殺蟲蛋白的‘TC1507’轉化體,該轉化體同時對歐洲玉米螟、草地貪夜蛾和西南玉米桿草螟展現了極高的防效[33]。2006年波多黎各種植區檢測到草地貪夜蛾高水平抗性種群后,美國強制召回該轉化體并及時對玉米品種進行了更新換代[34-35]。2010年孟山都公司研發的表達Cry1A.105+Cry2Ab2 蛋白的雙基因抗蟲玉米‘MON89034’在美國和加拿大商業化種植,用以提高對草地貪夜蛾和美洲棉鈴蟲的防效[36]。此后,又相繼將‘MON89034’ ‘TC1507’ ‘MON863’(表達Cry3Bb1)和‘MON88017’ (表達Cry3Bb1)等多個抗蟲轉化事件聚合,擴大了殺蟲譜和延緩了靶標害蟲抗性的發展[37]。由于草地貪夜蛾對Cry1類、美洲棉鈴蟲對Cry1/2類殺蟲蛋白相繼產生抗性,生物育種研發公司又推出了殺蟲機制不同于cry類的新殺蟲基因vip3A。表達Vip3A殺蟲蛋白的抗蟲玉米轉化體‘MIR162’和與該轉化體進行多基因聚合的‘MON89034’× ‘TC1507’× ‘MIR162’和‘Bt11’× ‘MIR162’抗蟲玉米品種相繼商業化種植,以控制草地貪夜蛾的為害[38]。

在美國和加拿大,Bt玉米抗蟲轉化體商業化應用的初期,Bt殺蟲蛋白對歐洲玉米螟、西南玉米桿草螟和草地貪夜蛾這3種靶標害蟲均能達到高劑量要求;又由于Bt玉米品種的及時更新換代,所以歐洲玉米螟和西南玉米桿草螟對Cry1Ab殺蟲蛋白一直處于敏感水平;除了北卡羅來納州、佛羅里達州和波多黎各地區外,美國其他地區的草地貪夜蛾種群對Bt玉米仍處于敏感水平。靶標害蟲對Bt玉米保持敏感性的更重要原因是庇護所策略的有效實施。在玉米種植區,對早期單基因抗蟲玉米,政府要求種植20%的結構庇護所;而對后來更新換代后的雙基因/多基因抗蟲玉米,要求種植5%的結構庇護所或5%的種子混合庇護所(表1)。據調查,這些庇護所策略在當地均得到有效實施[30]。

3.2 抗性治理失敗案例

3.2.1美國波多黎各、巴西、阿根廷草地貪夜蛾對Cry1F的抗性

2003年,美屬波多黎各地區開始種植表達Bt Cry1F殺蟲蛋白的抗蟲玉米轉化體‘TC1507’。該轉化體種植4年后,即2006年,田間出現高抗Cry1F(1 000倍)的草地貪夜蛾抗性種群,Bt玉米‘TC1507’被草地貪夜蛾嚴重為害。隨后‘TC1507’迅速被召回,這是因為抗性種群的產生導致轉基因作物品種被強制召回的第一個事件[34-35]。

草地貪夜蛾寄主范圍廣,在玉米、水稻、棉花、大豆等作物上都可以存活,在這些作物上其生活史相近,繁殖能力較高,遷移能力較強。美屬波多黎各島地處熱帶生態系統,島內玉米周年種植,草地貪夜蛾年發生10代左右,地理環境較為獨特,植物結構比較單一,草地貪夜蛾種群相對隔離,主要取食玉米,在大規模商業化種植表達Cry1F殺蟲蛋白的‘TC1507’后,沒有種植足夠的庇護所,而草地貪夜蛾在高劑量Cry1F殺蟲蛋白汰選壓力下可較快產生抗性突變,又因長距離飛行迅速擴散。此外,草地貪夜蛾對Cry1F的抗性為不完全隱性,且其幼蟲在玉米上的適合度代價較低,這些因素都導致抗性的快速擴散和傳播。

2013年,美國東南部的佛羅里達州和北卡羅來納州草地貪夜蛾種群對Cry1F抗性基因頻率顯著增高,田間的Bt玉米上出現了存活幼蟲。同時,巴西和阿根廷也分別監測到草地貪夜蛾對Cry1F的抗性[39],推測這些地區的草地貪夜蛾的抗性種群可能來源于美屬波多黎各島,隨后遷飛擴散至該地域。這是因為,美國東南沿海和巴西、阿根廷均具有相似的地理環境,同樣種植了表達Cry1F殺蟲蛋白的抗蟲玉米轉化體‘TC1507’,波多黎各的草地貪夜蛾抗性個體遷飛到該地后,抗性種群可以在遷入地迅速地繁衍擴散。

3.2.2玉米根螢葉甲對Cry3Bb等Bt殺蟲蛋白的抗性

2003年,美國cry3Bb1玉米開始商業化種植。2009年,美國愛荷華州農民觀察到田間玉米根螢葉甲對cry3Bb1玉米產生抗性,次年發現更多的抗性案例。2011年,觀察到玉米根螢葉甲為害cry3Bb1和mCry3A玉米,進一步研究發現二者存在交互抗性。2012年,田間玉米根螢葉甲對這兩種Bt蛋白的交互抗性擴展到了eCry3.1Ab。玉米根螢葉甲的抗性對玉米造成了15%～17%的產量損失[40]。同時,在美國伊利諾伊州、明尼蘇達州、內布拉斯加州和北達科他州抽樣調查,也表現出了對Cry3Bb1、mCry3A和eCry3.1Ab的交互抗性,表明玉米根螢葉甲抗性在幾個地點呈現相互獨立的進化。

多個因素可能影響玉米根螢葉甲對Bt玉米的抗性。轉基因抗蟲玉米對玉米根螢葉甲未達到高劑量是導致其抗性產生的最主要原因。此外,成蟲交配前后在不同植株間的移動距離有限,可能降低種子混合庇護所對抗性演化的控制效率,導致抗性產生。有數據顯示,玉米根螢葉甲成蟲每天的移動距離只有40 m,“高劑量/庇護所”策略理論上要求Bt作物和庇護所上的成蟲能夠自由交配,當使用結構庇護所時,成蟲有限的移動距離限制了Bt作物和庇護所中的成蟲自由交配,降低了庇護所延緩抗性的效率。2003年-2010年美國多個州均種植了結構庇護所,2011年開始使用種子混合庇護所或多種庇護所策略相結合來延緩抗性。另外,玉米根螢葉甲是一化性昆蟲,一年只有一代,雌蟲大部分在玉米地下產卵,以滯育卵越冬,次年在同一地區孵化生長。如果田間連續種植含有相同Bt蛋白的轉基因玉米,考慮到玉米根螢葉甲成蟲有限的移動能力,不可避免導致Bt抗性產生。

3.2.3其他害蟲Bt抗性案例

2006年,南非亞澳白裙夜蛾對表達Cry1Ab蛋白的玉米產生抗性[16]。2015年,阿根廷小蔗桿草螟對表達Cry1A.105蛋白的Bt玉米產生抗性[14-15]。這些抗性案例均是在Bt玉米釋放初期缺乏庇護所種植導致的。抗性事件發生后,南非和阿根廷均實施了一系列積極的補救措施,如加強害蟲抗性管理,重視庇護所的種植等,這些措施的應用顯著提高了庇護所的成效,延緩了害蟲抗性。

此外,美國小蔗桿草螟對cry1Ab玉米、菲律賓亞洲玉米螟Ostriniafurnacalis對cry1Ab玉米均產生了早期預警抗性,即害蟲種群在室內可以檢測到對Bt蛋白的敏感性顯著降低,但田間未觀察到害蟲種群對Bt玉米的顯著為害[31]。

4 國外抗性治理的經驗與教訓對我國Bt玉米害蟲抗性管理的啟示

對各國轉基因玉米靶標害蟲抗性治理成效的分析表明,大多數害蟲抗性管理失敗的原因均是“高劑量/庇護所”策略未制定或者未嚴格落實。首先,轉基因抗蟲玉米對靶標害蟲的控制效率未達到“高劑量”標準。例如,表達Cry3Bb1和mCry3A的轉基因抗蟲玉米對玉米根螢葉甲[41-42]和表達Cry1Ab蛋白的Bt玉米對草地貪夜蛾均未達到高劑量標準[11]。其次,庇護所策略未嚴格落實。可能原因:國家未制定嚴格的庇護所種植要求或未嚴格執行庇護所種植。例如,巴西和阿根廷Bt抗蟲玉米種植初期,缺乏庇護所強制種植的法律法規,在出現田間抗性后才開始重視“高劑量/庇護所”策略的應用,制定相關法規并嚴格執行,后期對靶標害蟲的抗性進行了有效管理[12,15]。在美國本土,雖然抗蟲玉米對草地貪夜蛾沒有達到高劑量要求,但庇護所得到了較好的落實,Bt玉米種植20年后仍未產生明顯抗性,這是十分成功的抗性治理案例[39]。因此,在轉基因抗蟲玉米商業化種植時,必須嚴格執行“高劑量/庇護所”策略,這是保障轉基因抗蟲玉米可持續應用和健康發展的關鍵。

害蟲Bt抗性管理從來不是簡單、單一的方法和手段,而是一套系統的管理體系。除了執行“高劑量/庇護所”策略外,及時進行轉基因抗蟲作物品種的更新換代和長期進行抗性監測均是抗性管理策略的重要組成部分。

根據我國玉米產業特點和玉米主要害蟲種類、害蟲區域性發生規律和害蟲遷飛擴散能力等生物學、生態學特點,結合我國國情和農業發展新趨勢,借鑒國外抗性治理的成功經驗,汲取不同國家抗性治理失敗的教訓,在此基礎上,我們應提出適合我國國情的轉基因抗蟲玉米靶標害蟲抗性治理策略,以期為我國Bt玉米的產業化應用和健康發展保駕護航[43]。