抗虫转基因对栽培稻和杂草稻适合度的影响

论文摘要

全球面临严峻的粮食安全问题,目前全世界约有15%的人口处于饥饿或营养不良的状况。而转基因生物技术的应用有助于缓解全球粮食安全问题,因而转基因生物技术和转基因作物在近20多年来得到迅速发展和广泛应用。其中,抗虫转基因作物是应用较广的转基因作物类型之一,占转基因作物总种植面积的15%和总收益的40%。2009年底,两个转基因水稻品系华恢1号和Bt-籼优63获得了我国农业部颁发的生物安全证书,表明抗虫转基因水稻即将进入商品化种植阶段,这为防治水稻虫害,降低产量损失提供了一条有效途径。但是抗虫转基因水稻的商品化种植面临两个问题：（1）如何对抗虫转基因水稻进行科学的管理,以最大化地利用抗虫转基因水稻的优势;（2）抗虫转基因水稻的商品化种植,有可能导致环境生物安全问题,尤其是转基因逃逸导致的生态风险,必须对其科学地进行评价。在我国水稻种植区域内分布着普通野生稻、杂草稻等栽培稻的野生近缘种,它们与栽培稻可通过天然杂交发生基因漂移。随着抗虫转基因水稻的商品化种植,人们担心抗虫转基因逃逸到普通野牛稻或杂草稻群体后会改变其适合度,进而导致环境生物安全问题。对转基因逃逸及其生态风险的科学评价,需要依次对以下三个环节进行研究：（1）转基因的逃逸频率,（2）转基因在野生近缘种/杂草种中的表达状况,和（3）转基因对野生近缘种适合度的影响。目前,对抗虫转基因从栽培稻向普通野生稻、杂草稻逃逸频率和规律的研究已经获得了大量数据和结果,但对抗虫转基因逃逸后的表达以及转基因对野生近缘种群体适合度的影响的研究仍然十分欠缺。同时,研究转基因对作物野生近缘种的适合度带来的变化,对于判断转基因逃逸是否会导致生态风险至关得要,因此对需要此环节加强研究。理论上,抗虫转基因对植物适合度的效应包括两个方面：（1）在靶标虫害水平较高的环境中,抗虫转基因会提高受体适合度,表现出适合度利益；（2）在靶标虫害水平很低的环境中,抗虫转基因可能会导致受体适合度的下降,这就是转基因潜在的适合度成本。评估抗虫转基因在不同环境条件下的适合度利益-成本效应,对科学管理转基因栽培稻和评价抗虫转基因逃逸的生态后果,都有重要意义。本文立足于对转基因逃逸导致生态风险的科学评价,以评估抗虫转基因对栽培稻及杂草稻适合度的影响为核心研究内容,首先研究了抗虫转基因在栽培稻及栽培稻×普通野生稻杂交后代中的表达状况,进而研究了抗虫转基因在靶标虫害水平不同的环境中对栽培稻及逃逸后对不同栽培稻×杂草稻杂交组合F1代及其自交产生的F2代适合度的影响,分析了抗虫转基因的适合度利益-成本效应,探讨转基因逃逸的生态风险。本论文的主要发现和结论如下：1.通过研究抗虫转基因在栽培稻中和在普通野生稻×栽培稻的杂交后代中的表达状况,发现抗虫转基因在栽培稻中和逃逸后在栽培稻×普通野生稻的杂交后代中均能正常表达,提示抗虫转基因逃逸后能在野生近缘种种群中正常表达并带米抗虫性状、影响其适合度,可能进一步导致生态后果。2.通过评估转基因对栽培稻适合度的影响,发现抗虫转基因水稻在靶标虫害水平较高的环境中,相较非转基因水稻对照品种有更好的产量表现,这就是抗虫转基因对栽培稻的适合度利益。3.在没有靶标虫害或靶标虫害水平较低的环境中,抗虫转基因水稻无法在田间表现上体现出优势,甚至在某些品系中出现产量下降的现象,这就是抗虫转基因对栽培稻的适合度成本。为有效利用抗虫转基因水稻的适合度利益而避免其适合度成本,可以根据对虫害的准确预报,策略性地对转基因水稻进行选择性布局。4.Bt转基因不会对稻飞虱等非靶标类害虫的种群动态造成影响,非靶标虫害会对抗虫转基因水稻的产量造成影响,因此在种植转基因水稻时需要加强对非靶标害虫的控制和管理。5.抗虫转基因在靶标虫害水平较高的环境中会为栽培稻×杂草稻F1代提供巨大的适合度利益,最高可达109%。6.在靶标虫害水平较高环境中,抗虫转基因对不同栽培稻×杂草稻F1代群体提供的适合度优势在程度和显著度上有差异,提示我们在研究转基因逃逸至自然种群产生的生态后果时,必须考虑到自然种群丰富的遗传多样性可能会对转基因的选择优势造成影响。综上所述,抗虫转基因逃逸至栽培稻的野生近缘种群体后能正常表达,使其能在靶标虫害水平较高的环境中为杂草稻群体提供一定的适合度优势,具有较高的进化潜力,因此会带来一定的生态后果。本论文为抗虫转基因从栽培稻向普通野生稻或杂草稻群体逃逸导致生态风险的科学评价提供了必要的数据。在本论文的基础上,需进一步通过分子生物技术研究抗虫转基因及含转基因的个体在自然群体中的动态变化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1 转基因生物技术的发展及其在农业上的应用
• 1.1 粮食安全问题与转基因生物技术
• 1.2 抗虫转基因技术的发展及其在农业上的应用
• 1.3 抗虫转基因水稻研发进展
• 1.4 可持续性利用农业转基因生物技术
• 2 转基因植物的环境生物安全
• 2.1 转基因生物安全的概念与内容
• 2.2 转基因植物的环境生物安全问题
• 2.3 基因漂移、转基因逃逸与杂交-渐渗
• 2.4 转基因逃逸导致的生态风险
• 3 转基因逃逸潜在生态风险的科学评价
• 3.1 转基因逃逸生态风险评价的原则与体系
• 3.2 转基因逃逸的频率及其规律
• 3.3 转基因逃逸后在野生近缘种中的表达规律
• 3.4 转基因对野生近缘种适合度的影响
• 3.5 适合度的概念、内涵及其衡量方法
• 3.6 转基因对受体适合度的影响及其在生态风险评价中的意义
• 3.7 转基因对作物及其野生近缘种适合度影响的研究现状
• 4 以水稻为模式体系的转基因逃逸生态风险研究
• 4.1 栽培稻、普通野生稻与杂草稻
• 4.2 水稻转基因的逃逸频率
• 4.3 抗虫转基因在水稻中的表达
• 4.4 抗虫转基因对水稻适合度的影响
• 5 本研究的目的、内容与意义
• 第二章 Bt抗虫转基因在栽培稻和野生稻中表达的比较研究
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 转基因材料的鉴定
• 2.3 田间实验设计
• 2.4 取样策略
• 2.5 Sandwich-ELISA法检测Bt基因表达
• 2.6 数据分析
• 3 实验结果
• 3.1 抗虫转基因在栽培稻和栽培稻×野生稻杂交后代中的表达
• 3.2 抗虫转基因在不同遗传背景材料中的表达
• 3.3 抗虫转基因随生长阶段的表达
• 4 讨论
• 5 小结
• 第三章 Bt,CpTI和Bt/CpTI抗虫转基因对栽培稻适合度的利益-成本效应
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 田间实验设计
• 2.3 数据采集与统计分析
• 3 实验结果
• 3.1 实验环境中的靶标虫害水平
• 3.2 不同虫害水平环境中转基因栽培稻和非转基因对照材料的田间表现
• 3.3 转基因对栽培稻适合度的利益与成本
• 3.4 靶标虫害水平对抗虫转基因作物田间表现的影响
• 4 讨论
• 4.1 抗虫转基因对栽培稻的适合度利益-成本效应
• 4.2 策略性轮作转基因-非转基因作物,有效利于抗虫转基因
• 4.3 控制和降低转基因的适合度成本
• 5 小结
• 第四章 Bt抗虫转基因栽培稻在不同虫害管理模式下的性状表现
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 田间实验设计
• 2.3 数据采集与统计分析
• 3 实验结果
• 3.1 控虫方式与栽培稻品系对不同适合度性状的影响
• 3.2 三种控虫模式下的虫害水平
• 3.3 不同处理中转基因相较其非转基因对照材料的相对适合度
• 3.4 非靶标昆虫对转基因水稻的影响
• 4 讨论
• 4.1 不同虫害管理模式下转基因和非转基因栽培稻的性状表现
• 4.2 非靶标害虫对抗虫转基因作物的影响及其启示
• 5 小结
• 1代及其自交F₂代适合度的影响'>第五章 Bt/CpTI抗虫转基因对栽培稻×杂草稻杂交F₁代及其自交F₂代适合度的影响
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 人工杂交
• 2.3 材料鉴定
• 2.4 田间实验设计和采样策略
• 2.5 性状选择与数据采集
• 2.6 数据统计分析
• 3 实验结果
• 1代实验的结果'>3.1 F₁代实验的结果
• 2代实验的结果'>3.2 F₂代实验的结果
• 3.3 适合度性状在杂交世代中的传递
• 4 讨论
• 4.1 抗虫转基因在靶标虫害水平较高的环境中能提高杂草稻群体的适合度
• 4.2 杂交-渐渗对杂草稻适合度的影响及其进化意义
• 5 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 在读期间已发表或拟发表文章
• 致谢