我國轉基因耐除草劑作物研發與應用

李香菊

（中國農業科學院植物保護研究所，北京 100193）

從有農耕史以來，人類不斷與草害做斗爭。除草劑改變了靠人工、畜力和機械除草的狀況，以其快速、高效及低成本的優勢在現代農業中占據重要地位[1]。然而，由于新作用靶標化合物發現趨難，除草劑創制進入瓶頸時期。通過育種手段提高作物對除草劑的耐受能力，利用過去不能用在“目標”作物的除草劑選擇性防治耐除草劑作物田雜草已成為除草技術的新嘗試。

基因重組技術為培育耐除草劑作物提供了有效途徑[2]。采用分子生物學方法把某些生物或人工合成的耐除草劑基因導入受體植物基因組中，使受體表達耐除草劑性狀，以此突破生物有性雜交限制。由于轉入耐除草劑基因，“目標”除草劑對作物的安全性提高，故可作為選擇性除草劑使用且不傷害作物[3-4]。

20世紀90年代后期，北美和南美地區廣泛種植耐除草劑作物從而獲得較大經濟效益和社會效益[4]。我國轉基因作物研究始于20世紀80年代[5]。2008年，國家啟動轉基因生物新品種培育科技重大專項，將轉基因技術應用于耐除草劑作物育種，研發出了具有自主知識產權的耐除草劑基因和多個轉化體。隨著產業化發展能力的不斷提升和國家政策的完善，不久的將來，耐除草劑作物將被納入我國雜草治理體系?；诖?，本文在概述草害防控對耐除草劑作物需求的基礎上，總結耐除草劑作物研發與試驗種植成果，論述耐除草劑作物在我國的應用前景，以期為轉基因耐除草劑作物的目標除草劑使用與管理提供參考。

1 我國草害防控對除草劑的需求

1.1 我國農田化學除草現狀與問題

雜草是引起作物減產的重要農業有害生物之一。據國外文獻報道，不除草對作物的產量損失可高達100%[6]。我國田園雜草1 400多種，其中造成危害的130余種，惡性雜草37種，區域性惡性雜草96種[7-8]。據全國農業技術推廣服務中心統計，我國農田雜草常年發生面積達14億畝次以上，形成草害的面積為7.65億畝次，平均減產9.7%，而實際生產中，因草害防控不利引起的作物減產遠高于上述數字[6-9]。

草害防控在很大程度上依賴于除草劑的應用。目前，我國主要作物玉米、水稻、小麥和大豆的化學除草面積率達100%。2021年，在全國種植業使用量24.8萬t（折百）的農藥中，除草劑占40%以上。如果離開化學除草，我國糧食安全將沒有保障。

作物輕簡化栽培、除草劑單一和超量使用、聯合收割機跨區作業以及地區間貿易增加等原因導致我國農田雜草群落演替加劇，雜草對除草劑抗性和耐受性增強，作物藥害頻發，從而影響農業增產和農民增收，尤其是難治雜草數量增加和除草劑藥害問題對目前的雜草治理技術體系提出了挑戰。與20世紀80年代雜草普查結果相比，我國農田雜草具有區系種類多樣化、雜草群落結構復雜化和難治雜草種群密度增加等特點[1]。例如，北方玉米田連年使用煙嘧磺隆、莠去津等除草劑，部分田塊以由馬唐（Digitaria Sanguinalis）+稗（Echinochloa crusgalli）+反枝莧（Amaranthus retroflexus）、龍葵（Solanum nigrum）+稗+馬唐和鐵莧菜（Acalypha australis）+馬唐+稗等為優勢群落演變成以鴨跖草（Commelina communis）、蘿藦（Metaplexis japonica）、野黍（Eriochloa villosa）、止血馬唐（Digitaria ischaemum）、豚草（Ambrosia artemisiifolia）、三裂葉豚草（Ambrosia trifida）和問荊（Equisetum arvense）等難治雜草為優勢種[9]。稻田和麥田雜草對乙酰乳酸合成酶（ALS）、乙酰輔酶A羧化酶（ACCase）抑制劑的抗性發展迅速；大豆田中的反枝莧等對原卟啉原氧化酶（PPO）類抑制劑的抗性嚴重，用目前登記的除草劑推薦劑量防治困難[10-11]；麥田中的節節麥（Aegilops tauschii）、稻田雜草稻等分別與水稻和小麥近緣，缺乏選擇性除草劑；除草劑藥害事件屢屢發生，尤其是連年使用莠去津、咪唑乙煙酸等殘留期長的除草劑導致后茬只能連作，以上已成為部分地區種植結構調整的限制因素。

1.2 草害防控對除草劑的需求

除草劑在農業生產中發揮著重要作用。然而，作物田登記使用的是選擇性除草劑，其不能完全滿足高效、安全的生產需求。（1）目前創制的大部分選擇性除草劑殺草譜相對較窄。由于殺草譜的限制，一種除草劑單用或2～3種除草劑混用，對農田復雜的雜草群落防效仍不理想。例如，大豆田主打除草劑精異丙甲草胺、精喹禾靈和氟磺胺草醚等在混用推薦劑量下對禾本科雜草防效好，對闊葉雜草防效較差，尤其是對藜科、蓼科、旋花科和部分多年生雜草效果不佳[12]。（2）部分除草劑品種選擇性指數較低或土壤殘留期長影響作物生長。例如，我國登記在玉米田的除草劑有效成分達40多個[13]，主推產品莠去津、乙草胺、煙嘧磺隆、硝磺草酮及其復配制劑的市場占有量與使用面積均為80%以上[9]，但乙草胺、煙嘧磺隆對部分玉米品種選擇性指數低，存在隱形藥害；莠去津對后茬敏感作物大豆、油菜和甜菜等的藥害風險凸顯。此外，大豆田咪唑乙煙酸、異草松和氟磺胺草醚等對后茬敏感作物藥害頻繁發生[14]。（3）作物輕簡化栽培需要配套除草劑。在水稻拋秧、直播，玉米免耕和小麥撒播等種植方式和粗放的管理模式下，雜草防治難度增加，尤其是擬態性雜草發生嚴重。例如，將水稻直播栽培，稻田中的千金子（Leptochloa chinensis）、雜草稻（Oryza sativa）、李氏禾（Leersia hexandra）等發生加重，部分直播稻田中千金子占禾本科雜草的比例由20世紀90年代的25%上升至84.2%～95.6%[10]。（4）小宗作物缺乏安全高效的除草劑。因此，生產上迫切需要研發防治譜寬、藥效理想、對作物選擇性指數高、無土壤殘留危害、使用技術簡便、成本低廉和環境風險低的除草劑新品種。

2 國外轉基因耐除草劑作物的研發

2.1 轉基因耐草甘膦作物

農藥創制是一個高投入、高風險和長周期的過程。據統計，創制一個除草劑新品種需要合成約16萬個化合物，投資3億美元，耗時超過12年[15]。發現HPPD除草劑靶標[16]以來，近30年世界上未發現其他新作用機理的除草劑?；诔輨﹦撝频钠款i，發達國家把作物田草害的解決方案轉向耐除草劑作物的研發，草甘膦作為“目標”除草劑成為首選。

草甘膦是內吸傳導型非選擇性莖葉處理除草劑，其主要作用靶標為莽草酸合成途徑中的5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶（EPSPS）。由于受到草甘膦對EPSPS的抑制，經其催化由磷酸烯醇丙酮酸與莽草酸-3-磷酸向5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸的轉變過程停止，植物體內酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸的生物合成受阻。草甘膦進入植物體優先與EPSPS的活性位點結合，使其構型發生變化，從而抑制其與磷酸烯醇丙酮酸的結合和隨后的催化反應[17-18]。大部分綠色植物對草甘膦不能降解或代謝較慢，因此草甘膦幾乎能殺死所有一年生雜草、多年生雜草、部分灌木和常規作物。過去主要在非耕地、果園行間和作物播種前使用草甘磷[19]。

1983年，孟山都公司及華盛頓大學的研究人員從土壤農桿菌（Agrobacterium tumefaciens）中分離到高度耐受草甘膦的CP4菌株，于1986年成功將其epsps基因（編碼5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶）插入植物基因組中從而獲得耐草甘膦植物。1996年，美國、加拿大和阿根廷等5個國家開始商業化種植耐草甘膦大豆‘GTS 40-3-2’。該轉化體含CaMV e35S啟動子，2個拷貝的增強子及來自于矮牽牛epsps基因的葉綠體轉運肽序列。2007年，該公司研發出產量性狀更好的第二代耐草甘膦大豆‘MON89788’，這一轉化體與‘GTS 40-3-2’含有相同epsps基因，但其插入位點與‘GTS 40-3-2’不同，并含有增強啟動子及調控單元，提高了epsps的表達量且具有更優異的農藝性狀及產量。之后，轉入其他基因的耐草甘膦作物也相繼產業化，如轉入gat基因（編碼草甘膦-N-乙酰轉移酶）、gox基因（編碼草甘膦氧化酶）而產生具有不同耐受機制的耐草甘膦大豆、玉米和油菜等[20]。耐草甘膦作物的研發成功使草甘膦這一非選擇性除草劑在作物田的應用成為現實。由于草甘膦具有殺草迅速、防治譜寬泛、除草效果好、使用技術簡便、成本低廉、不影響下茬作物種植等優點，到目前為止，耐草甘膦性狀仍然是轉基因作物的主要性狀，全球14種耐除草劑作物（植物）中有9種具有耐草甘膦性狀[21]。

2.2 其他轉基因耐除草劑作物

除了耐草甘膦性狀以外，研究人員還研發出了耐其他除草劑的轉基因作物，包括轉入bar或pat基因的耐草銨膦棉花、大豆、玉米、油菜、水稻、甜菜和菊苣；轉入aad12基因的耐2,4-D棉花、大豆和玉米；轉入dmo基因的耐麥草畏棉花、大豆、玉米和油菜；轉入AtAHAS基因的耐甲氧咪草煙油菜；轉入不同基因耐磺酰脲類除草劑玉米（gm-hra）、大豆（csr1-2和gm-hra）、棉花（S4-HrA）、亞麻（als）和康乃馨（surB）；轉入avhppd-03基因的耐硝磺草酮大豆；轉入hppdPF W336基因的耐異唑草酮棉花和大豆；轉入bxn基因的耐溴苯腈棉花、油菜和煙草等。另外，耐除草劑的多個基因疊加從而耐受不同類別除草劑以及耐除草劑與抗蟲、品質改良等基因復合使植物獲得多種轉基因性狀的轉化體也相繼商業化[21]。

從1996年轉基因作物首次商業化以來，耐除草劑性狀始終是轉基因作物的主要性狀。到2019年，世界轉基因作物種植面積達1.904億hm2，美國、巴西、阿根廷、加拿大和印度轉基因作物的應用率接近飽和[22]。2022年，美國耐除草劑轉基因大豆、玉米（含耐除草劑/抗蟲復合性狀）和棉花（含耐除草劑/抗蟲復合性狀）的種植面積率分別達95%、93%和95%，耐除草劑轉化體中耐受草甘膦、草銨膦的轉化體占90%以上[23]。

2.3 轉基因耐除草劑作物的優勢

耐除草劑作物田能夠使用殺草譜寬泛、原來作物對其敏感的除草劑來防治雜草，提高了難治雜草和抗性雜草的防治效果，避免了作物因長殘留除草劑藥害和除草劑隱形藥害而減產，也促進了耕作制度的變革。

耐除草劑作物增產、節本和增效，為種植國帶來顯著經濟、社會和生態效益。從1996年開始種植耐草甘膦作物以來，全球種植耐除草劑大豆、玉米（耐除草劑/抗蟲）和棉花（耐除草劑/抗蟲）分別增收643億、170億和22.5億美元。在上述3種作物增收數據中，增產的貢獻率分別占54%、36%和27%，節支的貢獻率分別占45%、64%和63%[22]。美國、巴西、阿根廷和加拿大種植耐除草劑大豆和油菜，其產量高、品質好、價格低，在國際市場的競爭力顯著提升，因此這些國家成為大豆和油菜的生產和出口大國，僅種植第二代的耐草甘膦大豆上述四國就分別增收173.79億美元、84.87億美元、8.40億美元和9.05億美元。此外，耐除草劑作物的種植促進了巴西農業種植模式的改變，靠草甘膦除草能有效實行少耕免耕，增加大豆種植密度，大豆平均增產達26%，保護了農田環境和水土[22]。

3 我國轉基因耐除草劑作物的研發與產業化前景

3.1 我國耐除草劑作物的研發

在轉基因生物新品種培育科技重大專項資金支持下，我國研發出了多個具有自主知識產權的耐除草劑轉化體。截至目前，農業農村部發放13個玉米轉化體和4個大豆轉化體的農業轉基因生物生產應用安全證書，其中11個玉米轉化體和3個大豆轉化體含有耐除草劑基因[24-28]。

2019年2月27日，‘DBN-09004-6’（‘DBN9004’）獲得阿根廷政府的正式種植許可。該轉化體為采用農桿菌介導法以pDBN4003載體將來自于土壤農桿菌的epsps基因和來自于綠產色鏈霉菌的pat基因（編碼草銨膦乙酰轉移酶）轉入受體品種‘Jack’，可耐受草甘膦和草銨膦。2020年1月21日，農業農村部發布2019年農業轉基因生物安全證書批準清單，抗蟲/耐草甘膦玉米‘DBN9936’（轉入cry 1Ab和epsps基因）、抗蟲/耐草甘膦玉米‘瑞豐125’（轉入cry 1Ab/cry2Aj和g10evo-epsps基因），耐草甘膦大豆‘SHZD 3201’（轉入g10evo-epsps基因）均獲得生產應用安全證書[24]。2020年7月15日，耐草甘膦/草銨膦玉米‘DBN 9858’（轉入epsps和pat基因）和耐草甘膦大豆‘中黃6106’（轉入g2-epsps和gat基因）分別獲得北方春玉米區和黃淮海夏大豆區生產應用安全證書。其中，‘DBN 9858’在用于抗蟲/耐除草劑玉米配套使用的害蟲治理庇護所種植，以防止害蟲對轉基因玉米品種產生抗性?！瓺BN 9858’和抗蟲/耐除草劑玉米衍生品種配套應用，在提供綠色高效蟲害、草害防控的同時，還能有效延緩靶標害蟲抗性。‘中黃6106’是采用農桿菌介導法轉化大豆子葉節，將含有g2-epsps和gat基因表達框的載體轉化‘中黃10’大豆從而獲得耐草甘膦大豆轉化體?？瓜x/耐除草劑玉米‘DBN9501’（轉入vip3Aa19和pat基因）和耐草甘膦/草銨膦大豆‘DBN9004’也于該批次獲得生產應用安全證書。2021年12月27日，聚合cry1Ab、epsps、vip3Aa19、pat基 因 的 抗 蟲/耐 除 草 劑 玉 米‘DBN3601T’獲得在西南玉米區生產應用的安全證書。該轉化體由‘DBN9936’和‘DBN9501’雜交轉育，耐受草甘膦和草銨膦2種除草劑，抗蟲機制增加，對草地貪夜蛾（Spodoptera frugiperda）具有高度抗性。2022年和2023年，農業農村部2個批次發放了5個耐除草劑轉化體生產應用安全證書，分別是耐啶嘧磺隆/草甘膦玉米‘nCX-1’（轉入CdP450和cp4epsps基因），耐草甘膦玉米‘GA21’（轉入mepsps基因）、抗蟲/耐草甘膦玉米‘Bt11×GA21’（聚合cry1Ab、pat和mepsps基因）、抗蟲/耐草甘膦/耐草銨膦玉米‘Bt11×MIR162×GA2’（聚合cry1Ab、pat、vip3Aa20和mepsps基因）、抗蟲/耐除草劑玉米‘BFL4-2’（轉入cry1Ab、cry1F和cp4epsps基因）以及耐草甘膦玉米‘CC-2’（轉入maroACC基因）[24-28]。

3.2 我國耐除草劑作物的產業化

自轉基因重大專項實施以來，研究人員采用盆栽試驗和田間小區試驗對C0010.1.1（‘DBN9858’）、C0030.3.5（‘DBN9936’）、12-5（‘瑞 豐125’）、CC-2等玉米轉化體和S4003.3.14（‘DBN9004’）、ZH10-6（‘中黃6106’）等大豆轉化體進行了草甘膦耐受性鑒定。結果表明，上述轉化體在41%異丙胺鹽水劑（農達，含30%草甘膦酸）150～400 g/667 m2（商品量，下同）施藥劑量下均生長良好，大部分轉化體耐受800 g/667 m2的劑量。

2019—2020年，研究人員在東北、西北、黃淮、長江流域及西南不同生態類型區12個省（市）對上述轉化體進行了多點田間小區試驗。結果表明，這些轉化體對草甘膦耐受性好，草甘膦田間除草效果理想：41%異丙胺鹽水劑150～250 mL/667 m2處理在玉米田除草效果達90%～95%，高于對照藥劑4%煙嘧磺隆懸浮劑75 g/m2處理的5.3～15.5個百分點，比對照藥劑增產10～20個百分點；在大豆田除草效果達95%左右，高于對照藥劑（5%精喹禾靈乳油75 g/667 m2混用48%滅草松水劑150 g/667 m2）的9～28.5個百分點，比對照藥劑增產2.3～38.9個百分點。

2021—2022年，農業農村部組織開展了轉基因大豆和玉米的產業化試點工作。參加試點種植的‘中黃6106’‘DBN9004’‘DBN9936’‘DBN3601T’和‘瑞豐125’等均已獲得生產應用安全證書，并經過了近10年的食用安全和環境安全評價。2021年試點結果顯示，上述轉基因品種對除草劑表現出較好的耐受性，增產顯著，草甘膦除草效果理想。轉基因大豆應用43%草甘膦鉀鹽水劑（泰草達，含35%草甘膦）171～256.5 g/667 m2于田間施藥1次，除草效果可達95%以上，明顯優于大豆噴施4種除草劑（精異丙甲草胺土壤處理加精喹禾靈、三氟羧草醚·滅草松莖葉處理）的效果。轉基因玉米施用43%草甘膦鉀鹽水劑1次，除草效果在90%左右，與對照藥劑（煙嘧磺隆·硝磺草酮·莠去津）的防效持平或稍低于對照藥劑，但草甘膦殺草譜明顯寬于對照藥劑，尤其是對多年生雜草狗牙根（Cynodon dactylon）、雙穗雀稗（Paspalum distichum）、刺兒菜（Cirsium arvense）等防效優異。測產結果表明，轉基因玉米增產達6.7～10.7個百分點；轉基因大豆增產達12個百分點以上[29]。2022年試點結果顯示，在不同種植主體、不同地理條件和不同生產水平下，轉基因大豆、玉米性狀穩定，除草、增產、節本增效和生態效益明顯。噴施草甘膦推薦劑量1～2次，轉基因大豆田除草效果達95%以上，明顯優于農戶對常規大豆噴施常規除草劑異草松·精喹禾靈·氟磺胺草醚的效果；轉基因玉米田除草效果一般可達90%左右，與農戶對常規玉米噴施常規除草劑煙嘧磺隆·硝磺草酮·莠去津的防效持平。由于使用同一種低殘留除草劑，可有效解決大豆田、玉米田使用不同除草劑互相影響的問題，有利于大豆-玉米帶狀復合種植和后茬作物輪作。

3.3 我國耐除草劑作物應用的前景

轉基因耐除草劑大豆、抗蟲/耐除草劑玉米生產應用安全證書的發放，標志著我國轉基因產業化應用條件已經成熟。田間試驗及試點種植良好的表現預示著這些獲得安全證書轉化體的衍生品種在生產上具有廣闊的推廣前景。轉基因耐除草劑作物商業化將是有效解決我國除草劑使用過程中出現的諸多問題的一種新手段，也是提升糧食產業國際競爭力的有力措施?？梢灶A測，我國耐除草劑作物草害治理體系的大面積推廣將在增產、節本和減少作物藥害，提升產品競爭力，促進種植結構調整，減少機械作業碳排放，提高環境生物安全性等方面起到積極作用[30]。

耐除草劑作物種植也將引起草害防控技術及目標除草劑管理的變革。一是由于耐除草劑作物及草甘膦的特性，“種子+除草劑+種植指導”這種備受農戶歡迎的模式或將成為轉基因耐草甘膦作物研發種業和除草劑研發企業經營的主要模式。采用標識制度對獲得登記證的配套“目標”除草劑實行特別標識，可避免除草劑誤用產生藥害。二是在適宜種植區整縣域推進耐除草劑作物種植將成為區域性控草模式的最佳選擇。我國有2.4億農戶，一家一戶式的微型家庭農場面積平均只有0.5 hm2。在如此小的面積上配置多種作物、多個品種及不同種植方式共存是我國農業的特點，這一特點決定了我國在耐除草劑作物的種植管理和“目標”除草劑應用技術上更加嚴格[31-32]。試點種植結果也證實，轉同一種基因的作物相鄰種植和間套種，不會因“目標”除草劑漂移或誤用影響其他作物的生長。三是轉基因耐除草劑作物田雜草種群監測及抗性治理將成為一個持續研究的課題。國外轉基因作物商業化實踐證實，長期單一使用草甘膦導致雜草種群變化及抗草甘膦雜草演變[33-36]。美國1996年開始大面積種植耐草甘膦大豆，2000年、2004年和2005年在大豆田分別監測到抗草甘膦小飛蓬（Conyza canadensis）、豚草（Ambrosia artemisiifolia）、三裂葉豚草（Ambrosia trifida）、長芒莧（Amaranthus palmeri）和糙果莧（Amaranthus tuberculatus）。在全球發現的56種抗草甘膦雜草中，美國、巴西、阿根廷和加拿大4個大面積種植耐草甘膦作物的國家監測到31種，其中23種生長在草甘膦使用歷史最長的大豆田[33]。我國雖然尚未大面積種植耐草甘膦作物，但也在非耕地監測到抗草甘膦小飛蓬（Conyza canadensis）和牛筋草（Eleusine indica）[37-38]。從國情及國外耐除草劑作物商業化經驗來看，未來5年，草甘膦將是我國耐除草劑作物田主要應用的“目標”除草劑。隨著耐除草劑作物的廣泛種植，在同一地區連年施用草甘膦，雜草將不可避免地產生抗藥性。長期跟蹤雜草種群變化，在種群監測結果及抗性治理理念的指導下，構建耐除草劑作物草害治理體系；根據區域性雜草種類、發生規律及種植模式，有選擇地種植單基因、基因疊加或基因復合的耐除草劑作物，科學使用草甘膦或“草甘膦+”配套除草劑，輔助綜合控草技術措施，將為耐除草劑作物的可持續發展提供技術保障。