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转基因水稻基因飘流研究十年回顾_贾士荣55

发布时间：2016-10-09 10:34

本文关键词：转基因水稻基因飘流研究十年回顾，由笔耕文化传播整理发布。

转基因水稻基因飘流研究十年回顾_贾士荣55

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转基因水稻基因飘流研究十年回顾_贾士荣55

中国农业科学 2014,47(1):1-10 Scientia Agricultura Sinica

doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2014.01.001

转基因水稻基因飘流研究十年回顾

贾士荣，袁潜华，王丰，姚克敏，裴新梧，胡凝，王志兴， 1 3 5 王旭静，柳武革，钱前

（1 中国农业科学院生物技术研究所，北京 100081；2 海南大学农学院/海南省热带生物资源可持续利用重点实验室，海口 570228；3 广东省农业科学院水稻研究所，广州 510640；4 南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044；5 中国水稻研究所，杭州 310006）

1 2 3 4 1 4 1

摘要：中国是世界最大的水稻生产国和亚洲栽培稻的起源中心之一。随着中国转基因水稻研发的快速发展，需要研究水稻转基因飘流可能对环境和食品安全带来的潜在风险。基因飘流及其数据是对转基因水稻进行科学评估和监管的重要参数。为此，从 2002 年开始组建了研究团队，对转基因水稻的基因飘流进行了为期 10 年的系统研究。取得的结果主要包括：（1）阐明了水稻基因飘流的基本规律，揭示了影响水稻基因飘流的生物学和气象学主控因子。沿水稻开花期的主流风向，采用长方形田间试验设计，分别在三亚、广州和杭州 3 个点 2-3 个生长季，研究了纯合转 bar 基因花粉供体 L201 或 B2 (姐妹系，抗除草剂 Basta)向 19 个非转基因受体（包括不育系、常规稻品种、杂交稻 F1 和普通野生稻）在不同距离上的基因飘流率，明确了转基因向不育系的飘流率最高，向普通栽培稻品种的基因飘流率最低(相邻种植时小于 1%或 0.1%)，向普通野生稻的基因飘流率介于不育系和常规稻之间，向不育系的最大基因飘流率比向普通野生稻和栽培稻要大 1-3 个数量级；基因飘流率随距离增加呈负指数曲线衰减，且存在急剧降低的“拐点” ， “拐点”的距离与试验点水稻开花期的风速密切相关,广州和杭州为 1-2 m，三亚约为 5 m；采用圆形、以花粉供体为中心的田间试验设计，以异交结实率很高的不育系博 A 作受体，清晰地解析了风向与基因飘流率的数值关系，主流和次主流风向下游 4 个扇区的基因飘流事件累计达 90%-96%，而逆风向和侧逆风向 4 个扇区仅为 4%-10%。综上所述，水稻转基因飘流率与常规育成品种间的异交率（一般在 1%以下）基本相同，在数量级上转基因并未增加新的风险。（2）建立了以气象资料为参数的水稻花粉扩散和基因飘流普适模型，计算和预测了中国南方稻区 17 省、市的最大基因飘流阈值距离（maximum threshold distances, MTDs）。受东南季风和地形地貌的影响，中国南方稻区 MTDs 的空间分布特征为：东西之间有自东向西逐渐减小的趋势，南北之间首先在南方丘陵地区逐渐减小、越过南岭后再向东南沿海地区逐渐增大。（3）利用人工构建的普通野生稻与基因（ Bt 或 bar）飘流后代栽/野 F1 杂种混栽群体，经多年多代跟踪观察，分析了转基因飘流至普通野生稻后的命运，发现栽/野 F1 杂种在 3-5 年后完全消失，混栽群体中检测不到外源的 Bt 和 bar，有理由推测普通野生稻具有自我保护的机制。（4）研究了小规模田间试验中采用花期隔离和布帐隔离措施降低水稻基因飘流率的效果；调查了海南、广东、广西普通野生稻原生境居群与相邻种植的栽培稻花期相遇情况，建立了相应的数据库；研究了基因拆分技术作为生物学限控措施从根本上限控基因飘流的效果；以本研究的结果及对国际上主要农作物基因飘流的调研数据为基础，提出了在水稻基因飘流风险评估和监管中采用分类管理和阈值管理的原则。在 10 年回顾和科学分析的基础上，对未来研究的重点也进行了展望。关键词：水稻；普通野生稻；转基因；花粉扩散；基因飘流；风险评估；风险管理

收稿日期：2013-07-27；接受日期：2013-09-16 基金项目：国家“973”计划项目（2001CB109003，2007CB109202）、国家“863”计划项目（2002AA2121493）、国家转基因新品种培育重大专项（2009ZX08011-010B，2009ZX08012-019B，2013ZX08011-001）联系方式：贾士荣，E-mail：Jiasr@126.com。袁潜华，E-mail：qhyuan@163.com。王丰，E-mail：fwang1631@163.com。姚克敏，E-mail：yaokemin2009 @163.com。裴新梧，E-mail：peixinwu@caas.cn。胡凝，E-mail：huning@nuist.edu.cn。王志兴，wangzhixing@caas.cn。袁潜华、王丰、姚克敏、裴新梧、胡凝和王志兴为同等贡献作者。

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What We Have Learnt in Ten Years′ Study of Rice Transgene Flow

JIA Shi-rong1, YUAN Qian-hua 2, WANG Feng3, YAO Ke-min4, PEI Xin-wu 1, HU Ning4, WANG Zhi-xing1, WANG Xu-jing1, LIU Wu-ge3, QIAN Qian5

(1 Biotechnology Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081; 2 College of Agriculture, Hainan University/Hainan Key Laboratory for Sustainable Utilization of Tropical Bioresources, Haikou 570228; 3 Rice Research Institute, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510640; 4 College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044; 5 China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006)

Abstract: China is the largest rice producer worldwide and is one of the origins of Asian cultivated rice as well. Along with the rapid development of transgenic rice in China, the potential impact of rice transgene flow on the environment and food safety has become one of the major concerns. Gene flow is an important parameter in the risk assessment and regulation of transgenic rice on the scientific basis. In accordance with this situation, we have formed a team and systematically studied the rice transgene flow since 2002. The results obtained in recent ten years are as following: (1) the patterns of transgene flow and the major biological and meteorological factors controlling rice gene flow have been elucidated. Following the prevailing wind direction in rice flowering period, a rectangular design of field experiments were conducted at 3 locations（Sanya, Hainan Island; Guangzhou, Guangdong; and Hangzhou, Zhejiang） in 2-3 years by using a homozygous transgenic line L201 or B2 (sister lines) with bar gene inserted, resistant to herbicide Basta, as a pollen donor, and totally 19 non-transgenic rice as recipients, including male sterile (ms) lines, common rice cultivars (CRC), F1 hybrid rice, and common wild rice (Oryza rufipogon). Results indicated that the frequency of transgene flow to ms lines was the highest, while gene flow to CRC and F1 hybrids was the lowest (less than 1% or 0.1% at parallel plantation). The frequency of transgene flow to O. rufipogon was in between. By comparison, the maximum frequency of gene flow to ms lines is one to three orders of magnitude higher than that to O. rufipogon and CRC. Gene flow frequency decreased exponentially as the distance increase, with a sharp cut-off point at about 1-2 m in Guangzhou and Hangzhou, while it was approximately 5m in Sanya. It indicates that the sharp cut-off point is closely related to the wind speed during rice flowering period at a given location. By using a concentric circle design of field experiment and an ms line BoA with higher outcrossing rate as a recipient, we have been able to clearly quantify the relationship between the gene flow frequency and the wind direction. On the basis of the cumulative data in eight compass sectors, 90%–96% of the cumulative gene flow events occurred in the four downstream prevailing wind sectors, while it was only 4%–10% in the four lateral and upstream prevailing wind sectors. In short, a general conclusion is that the order of magnitude of transgene flow frequency is basically the same as the outcrossing rate of the CRC (generally less than 1%), which means the gene transfer has not added a new additional risk. (2) By using historical meteorological data as an input, a regional applicable model of rice pollen dispersal and gene flow has been established, which is successively used to predict the maximum threshold distances (MTDs) of gene flow in 17 provinces of southern rice growing area in China. The feature of spatial distribution of MTDs shows: from east to west, MTDs gradually decrease; from north to south, MTDs first decrease in the hilly region and then increase again along the southeast costal region. Reason for it is that the spatial distribution is dramatically influenced by the southeast monsoon (seasonal wind direction from the southeast) and the landform structure. (3) We have artificially constructed two mixed populations of O. rufipogon with F1 hybrids of CRC/O. rufipogon derived from transgene (either Bt or bar) flow to investigate the long-term fate of the transgene integrated into common wild rice. It was found that the F1 hybrids of CRC/O. rufipogon totally disappeared within 3-5 years and the Bt or bar gene was not detectable in the mixed population. It is reasonable to speculate that the common wild rice possesses a mechanism of self-protection. (4) The effectiveness in reducing transgene flow by using flowering isolation or a protective cloth-screen in small-scale field trials of transgenic rice was studied and the results discussed. To investigate the degree of flowering synchronization of CRC and O. rufipogon populations in adjacent plantation, a survey has been conducted in Hainan, Guangdong and Guangxi provinces which allow us to establish a corresponding database. In order to further eliminate the rice transgene flow, a biological containment measure - gene split approach has been established. Based on the data obtained in this study and a survey on the internationally published data of gene flow from major crops, we have proposed to use principles of classification management and threshold-value management in the risk assessment and regulation of transgenic rice. Meanwhile, the progress and prospective of rice gene flow are also discussed in this paper. Key words: rice (Oryza sativa L.); common wild rice (O. rufipogon); transgene; pollen dispersal; gene flow; risk assessment; risk management

1期

贾士荣等：转基因水稻基因飘流研究十年回顾

引言

全球转基因作物的商业化迅猛发展，种植面积由

野生稻和栽培稻的开花生殖生物学特性，为普通野生稻原位保护提供依据。

1996 年的 170 万公顷增加至 2012 年的 1.7 亿公顷， 17 年中增加了 100 倍[1]。由于转基因作物的基因来源超越了本物种的范围，打破了原有物种生殖隔离的界限，转基因技术对环境和食品安全的潜在风险已引起全球的共同关注 Lu 等

[5-6] [2-4]

水稻基因飘流的基本规律

水稻基因飘流历来存在，并非从转基因水稻开始

才有，如果转基因后并不改变水稻的开花和生殖生物学特性，则理论上转基因水稻与常规稻的基因飘流不会有本质上的差别。用抗除草剂转基因水稻研究基因飘流，比以往用形态标记研究基因飘流更加简捷易行，喷除草剂后即能快速鉴定出由基因飘流而产生的抗除草剂个体及其频率。通过这类研究，近年来国内外已获得了相应的科学数据，但试验规模相对较小，不能模拟水稻生产实际，且大多只用一两对供体与受体在一时一地进行，难以认识水稻基因飘流的基本规律。为此，笔者在试验设计中特别考虑了以下几点：模拟水稻生产实际和杂交稻制种经验，开展较大面积的田间试验（2 hm2）。以转 bar 基因、抗除草剂 Basta 的粳稻品种 L201 和 B2（姊妹系）为花粉供体。以多种类型水稻（常规稻、杂交稻、不育系、普通野生稻）作受体，包括 7 种常规稻品种，6 种杂交稻品种，3 个三系不育系，2 个两系不育系和 1 种普通野生稻。在多个生态区域（广州、三亚和陵水、杭州等地）进行多年试验，取得多年多点的数据。根据试验要求，采用长方形试验设计研究不同距离上的基因飘流率和最大基因飘流距离。采用同心圆试验设计研究风向对基因飘流率的影响。详见文献[17-20]。 1.1 向不育系、栽培稻和普通野生稻的最大基因飘流率转基因水稻与非转基因水稻相邻种植时，供体向受体的最大基因飘流率以不育系最高，平均为 46.25%，变化范围为 1.56%（培矮 64S）—92.01%（中 9A）。其中，向 2 个两系不育系（培矮 64S、GD-1S）的平均基因飘流率为 4.30%，向 3 个三系不育系（中 9A、博 A、泗稻 8A）的平均基因飘流率为 75.72%。不育系的异交结实特性（如柱头外露率）和两系不育系在短日照条件下由于育性临界温度波动，使花粉不育转换为可育，可能是造成这两类不育系最大基因飘流率差异的主要原因。普通栽培稻（杂交稻与常规稻）因能自花受粉结实，其基因飘流率最低，除了向秀水 11（3.04%）、武运粳 7 号（2.00%）和武育粳 3 号（1.28%）的最大基因飘流率超过 1%外，向其余栽培稻品种的最大基因飘流率都＜1%，变化范围为 0.02%（培杂双七）—

。基因飘流是一个由花粉扩散介导的过

程，在水稻基因飘流及其可能带来的潜在风险方面，曾做了全面的综述。纵观近 10 年水稻基因飘流的研究报道，栽培稻（常规稻和杂交稻品种）之间的最大基因飘流频率一般都低于 1%。其中， Messeguer 等[7]的结果为 0.188%—0.53%；Rong 等[8-9]的结果为 0.04%—0.79%；Chun 等

[10]

研究了抗除草剂水稻的基

[11-14]

因飘流率，认为最近距离为 0.5 m，频率为 0.039%。关于向普通野生稻的基因飘流率， Song 等 43.2 m。从 2002 年开始，在国家基础研究“973”计划和后来的转基因重大专项的支持下，组建“转基因水稻基因飘流研究团队”对水稻基因飘流进行了为期 10 年的系统研究。之所以选择以水稻为研究对象是基于：1）中国是世界上最大的水稻生产国，全世界约有 1/2 人口以稻米为主粮

[15]

研究的

最大飘流频率和最大距离分别为 1.21% — 2.94% 和

，水稻在粮食和经济上的重要性非

其他农作物可以比拟。 2）中国的水稻转基因研发在当时已处于国际领先，许多转基因水稻已进入中间试验和环境释放阶段，水稻的基因飘流及其安全性研究必须同步开展。3）中国是亚洲栽培稻的起源中心之一

[16]

，迫切需要研究对普通野生稻的影响以加强对野

生稻资源的保护。因此，研究转基因水稻的基因飘流规律和风险管理措施对保障中国粮食安全意义重大。本团队研究的总体目标是期望系统回答以下几个问题： 1）水稻基因飘流的风险有多大？预期通过多年、多点、多对供、受体的田间试验，系统研究水稻基因飘流的规律。2）影响水稻基因飘流的关键因素有那些？能否在未进行过试验的地区根据关键影响因素计算或预测基因飘流最大阈值距离？目标是建立具有实际应用价值的水稻花粉扩散和基因飘流普适模型。3）如何控制和管理水稻的基因飘流风险？期望在管理上引入分类管理和阈值管理原则；在小规模田间试验中采用简单、易行、有效的控制措施；并进一步通过研究生物学限控措施，大幅度降低基因飘流的可行性。 4）研究外源基因飘流至普通野生稻后的命运，调查普通

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0.81%（中系 201），平均为 0.33%[17-18]。向普通野生稻的最大基因飘流率介于不育系和常规稻之间，变化范围为 11.24%— 18.0%，这是因为普通野生稻群体中存在部分不育和半不育株，且野生稻的柱头外露率高，容易接受外来花粉等原因所致

[17]

主流风向和次主流风向下游的 4 个扇区内。主流风向下游扇区（ N、NW）的基因飘流率最高（ 39.4%、 26.9%），次主流风向（主流风向两侧的方位）下游扇区（ W、 NE）的基因飘流率次之（ 15.4%、 12.2%），侧逆风向扇区（ SW、 S）再次之（ 3.05%、 1.2%），逆风方向扇区（ E、SE）的基因飘流率最小（ 1.34%、 0.51%）。由于本试验中用异交结实率很高的不育系博 A 作受体，用其作为一种灵敏的花粉探测器（ detector），从而清晰地解析了风向与基因飘流率的数值关系，这是过去研究中用常规稻为受体所不能达到的[19]。 1.4 花期隔离效果为测试花期隔离对减少基因飘流的效果，在三亚进行了 3 年试验，以不育系博 A 为受体，转 bar 基因水稻 B2 为供体，受体分 7 期播种，第一期与供体播期相同，其后每隔 5 d 播一次，最长相隔 30 d。如以同期播种的基因飘流率为 100%，则受体第 2 到第 7 期播种的相对基因飘流率依次降低至 81.5%、32.3%、 16.5%、4.2%、0.1%和 0。说明花期隔离有明显降低基因飘流率的效果（结果将另文发表）。 1.5 向杂草稻的基因飘流杂草稻（Oryza Sativa f. spontanea）与栽培稻同具 AA 基因组，在稻田共生情况下可天然杂交。杂草稻是全球性草害，在中国辽宁、江苏、广东等地多有发生，严重影响水稻的产量和品质。以转 bar 水稻为花粉供体，广东雷州杂草稻为受体，进行了基因飘流试验。结果表明，基因飘流频率介于 0.0021%—0.3416% Messeguer 之间（未发表资料）。在国际上， Chen 等[14]、等[21]、Olguin 等[22]和 Song 等[23]都对杂草稻的基因飘流率有所报道，综合他们的研究结果，向杂草稻的基因飘流率变化大都在 0.01%—0.90%，只有 Olguin 等[22] 在转基因籼稻向 58 种哥斯达黎加杂草稻的基因飘流研究中，有 5 种杂草稻的基因飘流率达到 1.0% — 2.3%。以上数据说明向杂草稻的基因飘流率与向栽培稻的基因飘流率在数量级上基本相同。笔者认为今后对杂草稻的基因飘流研究应侧重考虑转基因是否会增加新的风险，Yang 等[24]的研究表明，Bt 抗虫水稻由于显著降低了靶标昆虫的虫口密度，向杂草稻飘流的 F4 并没有明显增加适合度优势（ limited fitness advantages），因此，他们预计在抗虫稻田中抗虫基因向杂草稻群体的快速蔓延将不大可能发生。 1.6 向稗草的基因飘流稗草（Echinochloa crusgalli）是长江中下游单、

。

为了比较三类水稻的基因飘流率，在计算中引入了一个基因飘流系数（GFC 值）的概念，GFC 值可以认为是衡量不同类型水稻基因飘流率差异的指标，它是向受体的基因飘流率（G%）与供体的花粉扩散率（P%）的比值。其中，G%由试验实测，P%可由花粉扩散模型计算。据计算，GFC 不育系=0.3197（R =0.863， n=104），GFC 野生稻=0.0439（R2=0.907，n=31），GFC 栽培稻 = 0.0004（R =0.367，n=84）。不育系、普通野生稻、栽培稻三者的 GFC 值比为 1﹕0.137﹕0.00125，说明向不育系的最大基因飘流率比向普通野生稻和栽培稻要大 1—3 个数量级

[20] 2 2

。

1.2 向不育系、栽培稻和普通野生稻的基因飘流距离不育系因自身没有可育花粉，向不育系的基因飘流距离显著大于向栽培稻的飘流距离。栽培稻 1 m 处的基因飘流率一般＜ 1% ， 5 m 处的基因飘流率＜ 0.1%

[20]

。而向不育系 GD-1S 的 1%阈值距离为 20 m，

博 A 为 40 m，中 9A 和泗稻 8A 为 75 m[17]。与大多数的研究结果一致，水稻基因飘流率随距离的变化呈负指数曲线衰减。由于水稻花粉的直径（40 —45 μm）要比气溶胶直径（＜20 μm）大，水稻花粉在扩散过程中会同时因重力作用产生沉降，负指数衰减曲线在基因飘流率下降最快的位置会出现一个“拐点”。“拐点”离花粉源的距离会因风速而不同。笔者的试验结果是，在杭州的“拐点”距花粉源 1—2 m （风速 1.5 m·s ），在广州的“拐点”为 2 m（风速 2.2 m·s ），三亚和陵水的“拐点”则在 5 m 以上（风速 4.8 m·s-1）[18]。同时，风速也显著影响水稻基因飘流的最大距离。如向不育系中 9A 的基因飘流最大距离在陵水和三亚为 320 m（4.8 m·s ，0.009%），在广州为 150 m（2.4 —3.0 m·s ，0.007%），在杭州为 100 m（1.5 m·s ， 0.015%）。向普通野生稻的基因飘流最大距离在三亚为 250 m（4.8 m·s ，0.01%），介于不育系与栽培稻之间。 1.3 基因飘流率与风向的关系笔者在海南三亚开展 8 方位同心圆基因飘流风向试验，发现有 90%以上的基因飘流事件都发生在

-1 -1 -1 -1 -1 -1

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贾士荣等：转基因水稻基因飘流研究十年回顾

双季稻区和华北单季稻区的主要杂草之一。从中国水稻研究所的抗 Basta 转基因水稻与稗草共生 5 年的转基因安全圃中采集稗草种子，在幼苗期经 3 次喷洒 Basta（5 次重复）后，50 794 株稗草幼苗无一成活，这说明共生 5 年后不存在 bar 基因向稗草的飘流和渐渗

[17]

提出了基因飘流系数的概念（GFC）。 2.2 模型的应用以中国南方稻区 1973—2004 年（32 年） 38 县（市）水稻开花期的气象资料为基础，依据花粉扩散和基因飘流模型，在设定阈值下（如 1%、0.1%），计算不同类型水稻在中国南方稻区各地的最大基因飘流阈值距离，分析稻区最大基因飘流阈值距离的空间分布特征。在 1%阈值下，秋季制种时向不育系基因飘流的最大距离平均为 120 m，最高值 260 m（桂林），最低值 39 m（景洪）；春季制种时基因飘流的最大距离平均为 124 m，最高值 207 m（三亚），最低值 42 m （梧州）。在 0.1%阈值下，向普通野生稻基因飘流的最大距离平均为 139 m，最高值 293 m （桂林），最低值 45 m （景洪）。在 0.1%阈值下，向栽培稻品种的最大基因飘流距离平均为 2 m，最高值 4—5 m，最低值＜1 m，说明尽管中国南方稻区 38 个县、市 32 年中的气象条件变化很大，但向栽培稻品种的 0.1%阈值距离不会超过 5 m。南方稻区基因飘流最大阈值距离的空间分布特征（秋季制种季）有 3 个高值区域：①长江中下游沿江区域，位置在杭州、衢州、安庆、南昌和长沙；②东南沿海和海南岛，高值中心位于汕头和三亚；③淮河以北地区，高值中心位于信阳。此外，桂林北面的南岭因有湘江、漓江流经而形成谷口，东西两侧又有东南-西北走向的天平山和海洋山形成狭管状，因而也形成一个独立的高值点。3 个低值区域：四川盆地；云贵高原西南河谷地区和南方丘陵地区。综合来看，南方稻区秋季制种的最大基因飘流距离东西之间有自东向西逐渐减小的趋势；南北之间有自江淮流域向南方丘陵地区逐渐减小、越过南岭后再向东南沿海地区逐渐增大的规律。说明南方稻区的基因飘流受中国东南季风和地形地貌的影响很大。

。宋小玲等

[25]

也证明栽培稻的花粉不能在稗草柱

头上萌发。以上这些研究表明，转基因水稻向非转基因水稻品种的基因飘流率与常规育成品种间的异交率（一般在 1%以下）基本相同，在数量级上转基因并未增加新的风险。

水稻基因飘流模型

由于转基因水稻的基因飘流风险（频率和距离）

2.1 模型构建与特色与气象环境（风向、风速等）和水稻类型密切相关，一地的田间试验结果在异地应用时往往需要重复类似的试验。为克服试验结果不能异地应用的局限性，许多研究人员都设想利用部分田间试验资料来建立水稻基因飘流模型，如 Rong 等

[26]

建立了用负指数曲

线表达的统计模型。以高斯烟羽模型（gaussian plume model，GPM）为基础，将水稻花粉视为大气中较大的尘埃粒子，运用湍流扩散理论来描述花粉的扩散稀释过程，首次在水稻上建立了花粉扩散和基因飘流的普适模型。高斯烟羽模型是根据梯度-输送理论，假定湍流中花粉通量与风速梯度之间呈线性关系，由湍流扩散方程（Eulerian Advection-Diffusion Equation）获得连续点源扩散浓度解的一种方法。它适用于描述地势平坦、湍流定常、小尺度的花粉扩散过程

[27-28]

。笔

者建立的模型的主要优点是：参数少，计算简便，能够依托气象实时和历史资料作为模型的驱动因子，因而能够考虑区域尺度上气象要素的时空分布不均性，从而可进一步拓展模型的实用功能。在水稻花粉扩散模型的计算中，采用常规气象资料计算模型参数：根据贴地层风速垂直分布的对数率规律，由 10 m 气象风速计算水稻穗部平均风速 [29] （ u h ）；用总云量、10 m 风速和太阳高度角来确定大气扩散参数（σy、σz）

[30]

水稻基因飘流的风险控制与管理

基因飘流是物种进化的动力之一，是一种客观

；根据空气动力学阻抗、边

[31]

存在，问题的关键是与常规育种相比，转基因飘流是否增加新的风险。风险控制和监管的目的在于如何将风险降到最低，本研究中重点考虑了以下 3 个方面： 3.1 分类管理和阈值管理对水稻基因飘流的风险管理，建议采用分类管理

界层阻抗及花粉重量来计算花粉干沉降速率（Vd）；根据水稻源强的面源特征，采用点源集成方法计算扩散源强

[20]

。

在基因飘流模型计算中，重点考虑了 2 个参数：依据花粉寿命和日开花百分率作花粉扩散源强修正；

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和阈值管理的原则。由于向常规稻、不育系、普通野生稻的最大基因飘流率相差 1—3 个数量级，外源基因来源不同，转基因性状不同，因此，必须采用分类管理。对于一般农艺性状改良的转基因水稻而言，前文中提到的最大阈值距离可以作为设置适宜空间隔离的参考，但对于药用、工业用等特殊用途的转基因水稻，由于通过基因飘流，转基因编码的蛋白有可能进入食物链，必须采取更严格的控制措施。阈值距离是指小于或等于某一指定基因飘流率（如≤0.1%）的距离，即在阈值距离上和阈值距离之外，1 000 株中因基因飘流而引起的杂株≤1 株。考虑设定阈值距离的理由至少有 3 点：（1）基因飘流的基本规律是随距离增加呈负指数曲线衰减，该曲线的基本数学特征是曲线与距离坐标没有交点。在基因飘流率曲线与距离坐标的渐近线（asymptotes）附近，增加距离对降低基因飘流率的效果极不明显

[32]

10 m 以内的花粉浓度有比较明显的降低（详细结果将另文发表）。 3.3 生物学限控措施大幅度降低基因飘流为了从根本上限控转基因逃逸，近年来提出了生物学限控措施的新思路[34]。目前在基因删除[35-36]、叶 [37-38] 、基因拆分（gene 绿体转化（plastid transformation） split approach）[39-40]已有成功的报道。Luo 等[35]利用重组酶系统和花粉 /种子特异表达启动子，在烟草上获得了外源基因被 100%删除的效果。叶绿体为母性遗传，叶绿体转化产生的转基因植物基因飘流的风险远低于核基因组转化的植物，但目前在大部分重要农作物上还未建立起叶绿体转化体系，只在烟草、水稻、棉花、大豆等几种植物上有报道 [41-44] 。 Lin 等 [45]提出利用 RNAi 技术抑制水稻中编码苯达松解毒酶（细胞色素 P450）基因的表达来控制基因飘流的策略，2012 年这一策略已成功应用于转基因抗虫水稻 [46]。基因拆分技术是将目的基因拆分成 2 个片段，分别与 Intein 两个剪接域的基因序列结合，形成融合基因，翻译后形成的 2 个融合蛋白通过 Intein 介导的蛋白剪接功能，将 Intein 从前体蛋白中切除，同时将 2 个基因片段编码的蛋白序列连接起来，形成一个完整的、有功能的蛋白。基因拆分技术在拟南芥上已有报道，拆分后的 A 和 B 两个片段的转基因植株杂交后可以获得有完整功能的蛋白[47]，但对组装效率和控制基因飘流的效果尚无报道。笔者将 epsps 拆分成 2 个片段，分别转入烟草，杂交后通过 Intein 介导的蛋白剪接和重新组装，形成有功能的完整蛋白，组装效率达到 100%，可 100%限控 2 个亲本的基因飘流，F1 杂种的基因飘流降低了 75%（结果将另文发表）。目前，笔者正在水稻上进行研究。对于生物学限控措施，认为每一种方法都可能有一定的适用范围，各种方法之间不一定是相互排斥和取代的关系，甚至可以互补，随着越来越多的方法的成功，将有可能从根本上限控基因飘流。

，追求更高

阈值的生产成本和操作的难度会更大。（2）阈值管理是农业种子纯度管理的国际惯例。中国农作物种子质量国家标准中规定：水稻不育系原种纯度应≥99.9%，不育系生产用良种纯度应≥99%，杂交稻生产用种的纯度应≥98%（一级）和≥96%（二级）

[33]

。为保证

种子纯度，在实际操作中常采取严格的去杂去劣措施。（ 3）由于大气湍流具有不稳定性，在远距离上由个别花粉受精引发的偶然转基因事件常常会使基因飘流的曲线突然波动，即所谓的“宽尾现象”。基于以上考虑，认为对于一般农艺性状改良的转基因水稻而言，选择更高的阈值标准，如 0.01%是不必要的。 3.2 田间试验中简单有效的控制措施海南南部 3 县（三亚、陵水、乐东）是中国水稻育种加代繁殖的重要基地。因南繁季节集中，转基因小材料种类繁多，采取时、空隔离措施难度较大。受杂交稻小材料繁殖制种采用布帐隔离措施的启发，于 2009—2011 年在海南陵水进行了隔离布帐限控基因飘流试验，隔离布帐高 2 m，布帐内面积 24 m×24 m，种植抗 Basta 转基因水稻 B2，以常规籼稻为受体，种植于布帐外主流风向的下游，同时平行观测布帐内外的风速、花粉浓度和向受体的基因飘流率。结果表明，与无布帐隔离的对照相比， 0.1%的阈值距离可由 5 m 缩短到 1 m，对降低基因飘流率有明显效果。布帐外的风速在 2 m 处降到最低点，降低风速的有效距离约是布帐高度的 20 倍（ 40 m）。布帐与风向夹角 0— 45°时降低风速的效果明显。布帐外

外源基因飘流到普通野生稻后的命运

普通野生稻（O. rufipogon, 2x，AA 基因组）是亚

洲栽培稻的祖先，分布于中国的广东、海南、广西、江西、湖南、云南、福建、台湾等省，与栽培稻同为 AA 基因组，无种间隔离障碍，可天然杂交，是栽培

1期

贾士荣等：转基因水稻基因飘流研究十年回顾

稻品种改良的重要种质资源。转基因水稻商业化种植后是否会对普通野生稻群体产生影响是一个值得研究的问题[6]，因此，笔者在广东和海南构建了 2 个栽-野飘流 F1 与普通野生稻混栽的群体。一个含有 bar，另一个含有 Bt，据测定含有 bar 的栽-野 F1 单株生物量和普通野生稻单株的生物量第一年分别为 269 g 和 209 g，表现出一定的 F1 杂种优势，但第二年 F1 杂种的生物量显著降低，两者分别为 203.8 g（-32.0%）和 251.2 g（+18.8%），混栽 5 年后，直立型栽-野 F1 植株完全消失，用 bar 试纸条检测，没有在混栽群体中发现阳性株。在 Bt 飘流至野生稻的群体中，经试纸条检测，仅发现一株直立的阳性株，经定点连续观测，该植株于第二年死亡。同时，笔者比较常规稻（R122）、野生稻（高州居群）和栽-野杂交飘流 F1（bar 飘流至高州居群野生稻）种子在常温下保存 3 个月后的发芽率，结果分别为 98.2%、53.9%和 29.6%，说明飘流 F1 的休眠性增加。据分析，转基因飘流至普通野生稻后 F1 杂种逐年消失的可能原因是：（1）普通野生稻群体主要由营养茎再生繁殖，越冬后的营养茎能够在早春气温升高后迅速再生；而直立型的栽-野杂交 F1 植株仅靠地下稻蔸越冬再生，其再生能力相对较弱。野生稻和栽-野杂野生稻旺盛的营养茎会在交 F1 种子的休眠期都较长，一定程度上遮蔽、限制种子实生苗的生长。野生稻群体的这一保守性和排他性对转基因水稻的生态安全性是有利的。（2）因受栽培稻的遗传影响，栽-野杂交 F1 植株和其后代的感光性相对较弱，抽穗开花的时间比普通野生稻早，二者花期不重叠，通过回交扩大基因渐渗的可能性比较小。以上两点说明普通野生稻具有很强的自我保护机制。与此同时，笔者还调查了海南、广东、广西普通野生稻居群与栽培稻相邻种植下的花期相遇情况。其中，海南共调查 11 个市（县）的 42 个分布点，包括笔者新发现的 3 个原生境点，海南普通野生稻抽穗开花期在 10 月初至 12 月底之间，历时较长，大多数居群开花期集中在 10 月下旬至 11 月上旬。海南地区光热资源丰富，栽培稻播种期相对自由，花期拉长，野生稻原生境区域周围有较多栽培稻品种种植。在调查的 42 个普通野生稻原生境点中，有 41 个点的野生稻居群花期与栽培晚稻正季或收割后再生苗的花期相遇，占调查居群的 97.6%，其中有 8 个点与栽培晚稻正季花期相遇，占调查居群的 19.0%。尽管普通野生稻和栽培稻的花期有一定程度的相

遇，但根据混栽群体中 F1 植株的逐年消失，以及普通野生稻与栽培稻比邻种植下长期共存的事实，有理由推测外源基因飘流对普通野生稻居群的影响和风险很小。

展望

中国转基因水稻的研发进展很快，2009 年转 Bt

抗虫水稻华恢 1 号和汕优 63 获得在湖北省生产应用的安全证书，其它转基因性状，如药用、营养品质改良、营养高效利用、耐逆等转基因水稻也已相继进入中间试验、环境释放或生产性试验。一旦转基因水稻进入大规模商业化生产阶段，基因飘流对转基因与非转基因水稻共存的影响需要进行较长时间的跟踪观察。前文中已经提到海南南部三县是水稻育种加代繁殖的重要基地，鉴于在该地区采取时空隔离措施难度较大，而且小材料带回内地后会因基因逃逸产生明显的放大效应，在安全性评估和监管上必须引起高度重视。为此，笔者考虑一是要继续研究布帐隔离的模块设计。二是绘制南部三县的尺度小、精度高的基因飘流最大阈值距离空间分布图，，供水稻南繁育种参考。在基因飘流的基础理论方面，还有 3 个科学问题需要进行深入研究。一是解析花粉总源强、释放源强和有效源强的数量关系，解决临界源强的计算方法。二是研究花粉扩散的动力学特征，由于水稻花粉粒较气溶胶微粒重，用比重法测定和计算，水稻花粉粒重约 0.0437 μg，它在初始运动速度以及惯性力、重力的影响下不会完全跟随湍流运动，根据 Localized Near Field（ LNF）理论 [48-49]，可将花粉浓度场划分为近场部分和远场部分，分别描述花粉的运动轨迹，以改进花粉扩散模型的模拟效果。三是解析水稻花粉的数量竞争力与遗传竞争力及其对基因飘流影响的数量关系，以进一步提高水稻基因飘流模型的精度。

致谢：衷心感谢“973”计划和重大专项首席科学家彭于发研究员的长期支持和指导；感谢丁勇、卢兴桂、彭惠普、陈万隆研究员对本研究的长期关心和支持；对先后参加本工作的团队成员（以姓氏笔画为序）：孔宁、石磊、江晓东、况坝根、陈志军、何美丹、刘振荣、李厚奇、李曙光、余昌花、吴旭祥、金芜军、周业娴、胡继超、徐立新、曹兵、游艾青、曾大力、程林、董轶博、靳茜、雷新民和廖亦龙等的辛勤工作，在此一并表示诚挚感谢。

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