全 文 ： 综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2006年增刊
我国转基因 B t抗虫棉的进展分析与生态风险评估
张志刚 梅正鼎 杨晓萍
(湖南省棉花科学研究所,常德 415101)
摘 要: 从源头创新、基因转移技术、新品种选育与推广、专利分析四个方面探讨了我国转基因 Bt抗虫棉
的重大进展。且从靶标昆虫与非目标昆虫两个方面重点对转基因的生态风险进行了综合评价, 并根据国内外的研
究趋势, 提出了加速我国转基因棉研究的对策。
关键词: 转基因 抗虫棉 B t 生态风险
Headway Analyzing and Ecological R isk Assess of the
Chinese Transgenic Insectresistant Cotton
Zhang Zhigang M ei Zhengding Yang X iaoping
(Hunan P rovince Cotton R esearch Institu te, Changde 415000)
Abstrac:t Accord ing to the headstream innovating、The gene transfers technique、the breeding and popu lar ization of
the new var ie ty、The patent ana lysed, the prog ress and lim ita tion are ana ly sed the Chinese T ransgenic Insectresistant cot
ton. And According to nontarge t insect and targe t insect of eco log ica l risk w as evalua ted. M oreover, on the basis o f the
hom e and abro ad research tendency, the coun term easu rew as proposed about acceleration resea rch o f the Ch ineseT ransgen ic
Insectres istan t cotton.
Key words: Ransgenic B t Insectresistant cotton E co log ica l risk
作者简介:张志刚, Te:l 07367382079, Em ai:l zhangzg200@ 163. com
20世纪 90年代初期, 棉铃虫的连续大暴发和
棉铃虫抗药性的产生, 严重威胁着我国棉花生产。
为解决棉铃虫对棉花生产带来的危害,在国家 863
计划、973计划、国家高新技术产业化及农业部发展
棉花生产专项资金等重大项目和资金的支持下,我
国自 1990年开始了转苏云金芽抱杆菌杀虫晶体蛋
白基因 (B t基因 )单价抗虫棉的研究工作。通过科
研、生产、推广部门和企业等的互相配合、共同努力,
国产转基因抗虫棉技术创新与产业化发展取得了重
大进展。
1 源头创新
1. 1 B t基因的改造与构建
1990年中国农业科学院生物技术中心从苏云
金芽孢杆菌亚种 A izaw ai729和 KurstakHi D1中分
离、克隆了 B t基因, 但抗虫效果不太理想; 1992年
郭三堆等对 B t基因和启动子进行改造,在国内首次
合成了 BTC ryIA杀虫晶体蛋白结构基因,与 1990年
的基因相比,更换了 392个碱基对, 使鸟嘌呤和胞嘧
啶的含量由原来的 37%提高到 497%, 植物多聚腺
苷酸信号序列由 18%变为 0, 从而使该基因的核苷
酸序列更适用植物, 并能在棉花植株中高效表达。
1993年通过农杆菌介导法和外源基因胚珠直接注
射法,将人工合成的 CryIA杀虫基因导入中棉 12、泗
棉 3号等我国主栽品种中。分子生物学检测为阳
性,生物杀虫试验, 抗虫能力可达 90%以上,在国内
首先获得了我国自主研制的高抗虫的转基因棉花株
系,使我国成为世界上人工合成杀虫基因,并成功导
入棉花的第 2个国家, 达到了国际同类研究的先进
水平。1998年 编码杀虫蛋白质融合基因和表达载
体及其应用 获国家专利权, 专利号 ZL951195638,
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2006年增刊
国际专利主分类号 C12N15 /32。 2001年获由世界
知识产权组织 (W IPO)和中国知识产权组织 ( SIPO )
颁发的中国专利金奖 [ 1~ 2 ]。
1. 2 基因转移技术的创新
1993年在棉花转基因技术上采用农杆菌介导
法和花粉管通道法两条技术路线并取得了重大突
破,特别是我国科学工作者独创的花粉管通道法,即
受粉后向子房注射目的基因的 DNA溶液, 利用植物
在开花、受精过程中形成的花粉管通道, 将外源
DNA导入受精卵细胞,并进一步地被整合到受体细
胞的基因组中,随着受精卵的发育而成为带转基因
的新个体。经过不断的技术改进,转化率高达 1% ,
可满足规模化生产转基因棉的要求。这一方法的最
大优点是没有基因型的依赖性, 可将基因导入到任
何棉花品种中。同时该法简易、快捷, 不需特殊设
备,常规育种工作者易于掌握。获得的转基因棉花
植株及其后代,通过南繁北育, 加快纯合过程,从分
离群体中选出了转基因纯合系, 抗虫性及农艺性状
表现优良。
2 遗传育种研究进展
2. 1 新品种的涌现
1998年抗虫棉的 3个优系 GK951、GK1和
GK12分别通过了山西省、安徽省和山东省的品种
鉴定,分别定名为晋棉 26号、国抗棉 1号和国抗棉
12号。1998年中国农科院棉花研究所的 2个转基
因棉品种 (中棉所 29和中棉所 30)通过国家审定,
标志着我国转基因棉研究进入了大面积推广阶段。
截至 2005年 4月,据不完全统计共有 50个左右国
产转基因抗虫棉品种通过国家或省级审定。
2. 2 丰产性与纤维品质分析
有关试验表明, 转基因 B t抗虫棉的结铃性强,
蕾铃脱落率低,三桃结构合理, 铃壳薄, 单铃种子数
略有增加,衣分与常规棉相当, 丰产性好,没有因 B t
基因的导人而带来明显的负面影响。湖南省棉花科
学研究所培育的湘杂棉 8号, 2000~ 2001国家长江
流域棉花区域试验两年加权平均, 籽棉产量 3
705kg /hm
2
,皮棉产量 1 537kg /hm2,霜前皮棉产量 1
338kg /hm
2
,分别比对照 (泗棉 3号 )增产 19. 96%、
11. 22%、15. 25%,目前已成为长江流域棉区的主栽
品种。据农业部棉花品质监督检验测试中心测试,
我国审定的转基因抗虫棉品种 2. 5%跨长 28. 5~
30. 3mm, 整齐度 46. 7% ~ 52. 2%, 比强度 20. 4~
24. 5cN tex- 1,麦克隆值 3. 9~ 5. 2, 反射率 70. 1%
~ 77. 0%, 黄度 8. 0~ 8. 3,气流品质 1830~ 2020, 纤
维品质和目前推广品种相当, 有的还优于推广品种,
符合纺织企业对原棉的要求。
3 产业化分析
3. 1 种植规模不断扩大
1998年, 我国黄河流域棉区开始推广转基因抗
虫棉,当年种植面积 360万亩, 只占棉花种植总面积
的 5. 4% ; 1999年以后,转基因抗虫棉种植面积迅速
扩大。1999~ 2003年,抗虫棉播种面积分别为 970
万亩、1 800万亩、2 900万亩、2 800万亩和 4 600万
亩, 分别占当年棉花种植总面积的 17%、31%、
40%、45%和 60%, 年均增幅超过了 10%。
3. 2 国产抗虫棉比例提高
2001年以前, 我国种植的转基因 B t抗虫棉以
美国品种为主,占全国转基因抗虫棉种植总面积的
60%以上, 最高年份超过了 80%。面对美国品种的
巨大竞争压力,我国科研、生产、推广等部门共同努
力,到 2002年, 国产转基因抗虫棉品种种植面积首
次超过美国品种,达到我国转基因抗虫棉种植总面
积的 52. 4%, 2003年达到 64. 8%, 2004年接近
70%
[ 3, 4 ]。
3. 3 经济效益与社会效益分析
统计数据表明,种植转基因 B t抗虫棉可以减少
80%左右的农药使用量, 大幅度地降低棉铃虫对棉
花的危害程度,提高棉花产量,同时,由于种植抗虫
棉节约了劳动力,降低了生产成本,使植棉的经济效
益大幅度提高。调查显示, 种植抗虫棉每亩可减少
农药投入 60~ 80元, 加上节约用工和增产的因素,
每亩可增收 140元以上。按照 2004年全国种植抗
虫棉面积 300万公顷, 保守估算转基因抗虫棉的广
泛使用可使国家和棉农增加经济效益 60亿以上。
4 转基因抗虫棉的专利分析
在国内专利优先权总件数中,武汉大学和中国
农科院生物技术研究所均占到 30%, 二者占到专利
总数的 60% , 中国科学院遗传研究所获得 2件专
利,中国科学院微生物研究所、南京农业大学和山东
农业大学各拥有 1项专利。我国大学和各部直属的
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2006年增刊 张志刚等:我国转基因 B t抗虫棉的进展分析与生态风险评估
研究院所在转基因抗虫棉专利优先权的获得上几乎
各占一半,但是公司或者个人却没有一项申请该技
术专利的先例,也是我国在生物技术领域研发机构
的一个特点。与美国比较而言, 在全美获得转基因
抗虫棉专利优先权的研发机构中, 孟山都公司的专
利数量占到总量的近 30%,其次是美国的 PIONEER
H IBRED INT公司。而我国在该领域的专利发明人
数只是比美国在该领域专利拥有量位于第二位的
PIONEERH I BRED公司的一半多一些,更是在位于
首位的孟山都公司发明人数的四分之一以下。这反
映出我国在转基因抗虫棉的技术领域科研人员的相
对不足,科研积累和科研投资都很薄弱的现实。特
别我国在保护本国的转基因抗虫棉专利优先权方
面,出现了令人担忧的局面。从 1995年起到 2000
年短短 5年期间,国外生物技术公司已先后利用各
国实施的专利申请 PCT国际阶段, 在我国获得 18
件转基因抗虫棉专利优先权,而我国在该领域只有
13件的专利优先权 [ 5, 6 ]。
5 转基因 B t抗虫棉的生态风险分析
5. 1 对靶标昆虫的影响
5. 1. 1 对靶标昆虫的控制作用 研究表明, B t杀
虫蛋白被敏感鳞翅目害虫取食后进入中肠道,在害
虫消化道内消化酶的作用下,水解产生的活性毒素
分子与中肠道上皮细胞纹缘膜上的特异性受体结
合,并发生作用而使细胞膜穿孔,消化道细胞的离子
渗透压平衡遭到破坏,从而对靶标害虫产生毒性,最
终导致死亡。取食转基因抗虫棉组织后, 目标害虫
的幼虫存活率、化蛹率及蛹羽化率都降低,幼虫体重
及蛹重变小,幼虫发育速度减缓, 成虫产卵率降低,
寿命缩短。
5. 1. 2 靶标昆虫产生抗性的必然性及抗性水平
自然界生物间的协同进化或生物与非生物抑制因子
间的对抗总会出现适应或被淘汰的结果。转基因抗
虫棉的应用也同样面临目标害虫对抗虫棉的适应并
产生抗性的问题。主要表现在以下两个方面: 转
B t基因抗虫棉由于能够连续合成毒素蛋白, 使棉田
害虫在整个生长季节均处于 B t毒蛋白的作用之下,
从而增加了 B t毒素蛋白对害虫的选择压力, 由于长
期的选择压力,昆虫纹缘膜细胞上受体位点会发生
改变, 使晶体蛋白不能与纹缘膜细胞上受体位点结
合,从而失去毒杀作用, 这样就有可能使耐受性的昆
虫群体得以发展, 以致于在群体水平上产生抗性。
室内抗性汰选表明,抗虫转基因植物的有效使用期
一般为 15~ 20年,在此之后抗虫转基因将对靶标害
虫不起作用,从而导致该抗虫转基因植物和所用目
的基因失效。 B t毒蛋白的抗虫谱较窄,某一特定
毒蛋白只对 1种或几种害虫具有毒杀作用, 害虫容
易对其产生抗性。据统计,在抗虫棉的大田试验中,
抗虫基因只能毒杀 80%的棉铃虫,而余下的 20%存
活率足以使 超级害虫 成为获胜者。许多专家担
心, 80%的致死率将成为诱发抗药性害虫的有效剂
量 [ 6~ 11]。
5. 2 对非目标生物的安全性
5. 2. 1 非目标次要害虫种群的增长风险 已有研
究表明,转 B t基因抗虫棉田中棉蚜、棉红蜘蛛、棉蓟
马、白粉虱、棉盲蝽和棉叶蝉等刺吸式口器害虫的数
量急剧增加 (幅度从 0. 3 ~ 3倍左右 ) ,使棉田中害
虫的地位发生了变化, 原来许多次要害虫已上升为
主要害虫。原因在于转抗虫基因棉大量种植后, 可
能发生害虫寄主转移现象, 即由于某种寄主类型发
生改变,使某种昆虫本来不偏爱这种寄主转变为偏
爱这种寄主为食。例如,在 B t基因导入棉花之前,
对 Bt杀虫蛋白不敏感的昆虫类型与敏感类型相比
没有竞争优势,于是敏感类型占据了该作物的种植
区域。而 B t基因引入棉花后, 敏感类型大量被毒
杀,而非敏感类型则取代敏感类型,发生寄主类型转
移至转 B t基因作物上的现象,从而使原来的次要害
虫上升为主要害虫。
5. 2. 2 对天敌及其它非目标生物的影响 转 B t基
因棉田在二代棉铃虫发生期间基本上不需要喷药,
且本身对棉田捕食性天敌影响不显著, 瓢虫类、草蛉
类、蜘蛛类捕食性天敌的数量大幅度增加,有效控制
了蕾铃期棉蚜等种群的发展。但寄生性天敌 (棉铃
虫齿唇姬蜂、侧沟绿茧蜂和棉蚜茧蜂 )数量明显减
少。 Saxena通过其它 B t抗虫作物研究发现, B t基因
表达的杀虫毒素可随根部分泌物进入土壤, 并与土
壤活性颗粒物结合,其毒性至少可保留 7个月,一方
面释放的 B t毒素可能对土壤中非目标生物产生危
害,另一方面可能促进目标害虫的选择性抗性。
5. 2. 3 抗虫棉田昆虫群落结构的特征 与常规棉
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2006年增刊
田相比较,转基因棉田中昆虫群落、害虫和天敌亚群
落的多样性指数和均匀度指数均低于常规棉田,而
优势集中性则高于常规棉田,表明转基因棉田昆虫
群落、害虫和天敌亚群落的稳定性不如常规棉田,某
种害虫大发生的可能性较大。
5. 2. 4 转基因棉的基因漂移及杂草化问题 转基
因植物可能通过与野生植物异种或常规种质资源品
种交配而使转基因植物中的目标基因发生漂移。棉
花是一种高度驯化的作物,和目前所报道的杂草不
存在亲和性, 也不存在自身的 杂草化 问题。但
是,转 B t基因抗虫棉存在花粉漂移风险,虽然花粉
自身的传播距离十分有限 (花粉在 7m处的杂交频
率小于 1% ),若借助昆虫和风力可使传播距离明显
提高。张长青等 ( 1997)研究了转 B t基因抗虫棉的
花粉扩散规律, 结果显示, lm处的异交率高达 11.
2% ,随着距离的增加,异交率迅速降低。
6 转基因抗虫棉的研究趋势
6. 1 由单一抗性向多抗性发展
研究结果表明, 棉花害虫对转两个不同基因的
双价抗虫棉产生抗性的时间约是单基因抗虫棉的 3
倍,即害虫对转单一 B t基因产生抗性的时间为 8~
10代;若将两个不同抗性机制的 B t基因同时导入
同一棉株而获得的双价转基因抗虫棉, 其抗性持久
性可达 20~ 30代;若将 3个或多个不同类型 B t基
因同时导入同一棉株, 其对目标害虫的抗性持续时
间还会更长。这是因为棉铃虫对一种毒素产生了抗
性,并不一定对另一类毒素也产生抗性,这样另一类
毒素就会将其杀死。同时也发现, 害虫对不同来源
的 B t基因不存在交叉抗性, 即对 Cry lA ( b)产生抗
性的基因并不对对 C ry lA( c)产生抗性,而且各种 B t
基因对棉铃虫等棉花害虫的杀虫效果基本一致,因
而转化获得两个以上不同类型的 B t基因可以有效
地降低棉铃虫对转基因抗虫棉产生抗性的时间。
6. 2 采用特异启动子调控外源抗虫基因在棉株体
内的高效表达
目前,转基因抗虫棉的抗性基因多在整个棉株
和整个生育期表达, 对害虫构成的巨大选择压力加
速了害虫抗性的产生。新的转基因抗虫棉的培育应
模仿植物的天然防御系统,使抗虫基因仅在重要部
位、关键生育期表达或有环境因素诱导时表达。因
而,外源抗虫基因在植物体内特定的阶段、特定的时
期及特定的部位有效地表达是评价转基因植株有否
应用价值的关键指标之一。目前,转基因植株在生
产上应用的主要障碍仍是外源基因表达水平较低,
为了解决转基因抗虫棉表达水平低、易产生抗性的
问题,今后应主要从两个思路考虑: 使用特异性启
动子。目前用于棉花等作物转化的启动子主要是
CaMV35S启动子。该启动子在棉株的不同部位、不
同时期、不同生长环境都能表达,因而就减弱了抗虫
基因的表达水平,降低了转基因棉株中杀虫物质的
浓度。如果改用具有组织特异性表达的启动子, 就
可以控制抗虫基因在特定部位 (如花蕾、棉铃等 )的
高效表达,从而使抗虫基因仅在有效部位表达。这
样,既可以保护构成产量的有效器官,达到棉花产量
免受损失的作用;而且还可以减缓对害虫的选择压
力,减少棉株对抗虫蛋白的代谢消耗, 起到提高抗
性、延缓害虫对其产生抗性时间的目的。 使用诱
导型表达启动子。诱导型表达启动子的优点是含有
该类启动子的转化植株仅在受害虫攻击时才会高效
表达,这样,当害虫攻击棉花时,由于棉株遭到损伤,
从而诱导启动子高水平表达, 外源基因开始合成杀
虫物质,使杀虫物质在损伤部位瞬间高浓度积累,从
而有效防治害虫。
6. 3 新基因的分离和使用
进一步分离和克隆植物、动物、微生物中的目的
基因,并集成已有的目的基因,利用基因工程和分子
标记技术进行转基因棉花的优化设计。对于已有的
优良棉花品种,可以通过转基因技术来增加新的有
益性状或改善其纤维品质。抗虫、抗病、抗除草剂、
抗逆境、纤维品质改良、营养吸收利用和增加生物产
量等基因的分离和鉴定, 将会为转基因棉花育种的
发展提供更广阔的研究领域。
6. 4 基因工程育种与常规育种紧密结合
随着我国杂交棉组合更新速度的不断加快, 杂
交棉基因工程育种的主要风险之一是转基因抗虫棉
可能赶不上杂交棉组合更新的步伐。对此, 当前应
该高度重视基因工程棉与常规育种的结合问题。一
方面, 只有受体材料的高起点, 才有转基因产品的
高价值。基因工程研究人员应高度重视转基因受体
(下转第 82页 )
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(上接第 78页 )
材料的筛选, 通过与实力雄厚的育种单位合作, 及
时掌握杂交棉研究最新动态, 尽可能选用最新最优
良的超高产杂交棉的恢复系和保持系进行遗传转
化, 以确保获得的转基因恢复系和不育系能在生产
上直接发挥重要作用, 而不仅仅是中间材料。另一
方面, 常规育种科技人员也应该高度重视现代基因
工程在解决常规育种面临的重大难题方面的强大威
力, 主动将配合力突出的恢复系和保持系用于基因
工程改良, 以使培育的杂交棉新组合更加符合
高产、优质、多抗 育种目标。只有 团结协
作, 联合攻关, 才能加快我国杂交棉基因工程产
业化的进程, 也才能加快包括育种研究在内的整个
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