全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (7): 655~663 655
收稿 2013-06-17 修定 2013-06-24
资助 转基因生物新品种培育重大专项课题(2011ZX08012-
004)。
* 通讯作者(E-mail: fuqiang@caas.cn; Tel: 0571-63372472)。
抗虫转基因水稻对非靶标生物的生态安全性研究进展
傅强*, 赖凤香, 陈洋, 李凯龙
中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室, 杭州310006
摘要: 抗虫转基因水稻的培育和利用为水稻害虫控制提供了一条最为有效、经济的途径, 但其生态安全性直接影响着其能
否进行商品化种植。本文拟在概述抗虫转基因水稻的研发现状的基础上, 从研究和评价方法、对不同类型非靶标生物的
影响效应等方面就抗虫转基因水稻对非靶标生物安全性的研究进展进行综述。
关键词: 抗虫转基因水稻; Bt稻; 非靶标生物; 生态安全性
A Review of the Ecological Safety of the Insect-Resistant Transgenic Rices to
Non-Target Organisms
FU Qiang*, LAI Feng-Xiang, CHEN Yang, LI Kai-Long
State Key Lab of Rice Biology, China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006, China
Abstract: The breeding and use of insect-resistant transgenic rices (IRTRs) provide a useful and economic ap-
proach for the IPM of rice insect pests. However, the ecological safety is one of the decisive factors influencing
the commercialization of IRTRs. Here, we review the development and types of IRTRs, the assessment method-
ology for ecological safety, and the ecological effects of IRTRs on different kinds of non-target organisms.
Key words: insect-resistant transgenic rice; Bt rice; non-target organism; ecological safety
水稻是我国主要的粮食作物, 65%的人口以
稻米为主食(章秀福等2005)。水稻害虫是制约我
国水稻生产的重要生物因子, 每年给水稻生产造
成严重损失。据统计, 仅水稻螟虫每年造成的损
失就达我国稻谷总产量的3.1%, 约63亿公斤(盛承
发等2003)。
抗虫转基因水稻的培育和利用为水稻害虫控
制提供了一条最为有效、经济的途径。然而, 目
前人们对转基因水稻的安全性尚存在争议, 是转
基因水稻尚未能实现大规模商品化生产的关键原
因之一。本文拟在概述抗虫转基因水稻的研发现
状的基础上, 从研究和评价方法、对不同类型非
靶标生物的影响效应等方面就抗虫转基因水稻对
非靶标生物安全性的研究进展进行综述。
1 抗虫转基因水稻的研发概况
抗虫转基因水稻是以提高水稻品种对害虫抗
性为目的而培育的一类转基因水稻。自1989年首
例抗虫转基因水稻转化成功(杨虹等1989)以来, 已
获得了大量的抗虫转基因水稻, 所用的外源基因
主要有苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis Berliner,
简称Bt)杀虫蛋白基因(晶体蛋白基因cry和营养期
杀虫蛋白基因vip)、蛋白酶抑制剂基因(如豇豆胰
蛋白酶抑制剂基因CpTI或修饰的豇豆胰蛋白酶抑
制剂基因sck、马铃薯蛋白酶抑制剂II基因pinII和
大豆胰蛋白酶抑制剂基因SbTI)和凝集素基因(如
雪花莲凝集素基因GNA), 其中前两类以二化螟、
三化螟、大螟和稻纵卷叶螟等水稻鳞翅目害虫为靶
标, GNA则以褐飞虱等半翅目害虫为靶标。
目前, cry基因是使用最广泛的抗虫基因, 源于
一种革兰氏阳性土壤芽胞杆菌——苏云金杆菌(B.
thuringiensis Berliner), 表达Cry杀虫蛋白。Cry蛋
白的杀虫机理是: 被靶标昆虫取食后在中肠碱性
环境中活化, 并与昆虫受体蛋白结合, 引起细胞膜
穿孔, 破坏细胞渗透平衡, 导致细胞肿胀破裂、昆
虫瘫痪或死亡。由于Cry蛋白只能特异地与靶昆
虫中肠上皮细胞的受体蛋白结合, 非靶标生物无
此类特异受体, 因此Cry蛋白对靶标害虫有高毒力,
而对非靶标昆虫低毒, 对人和高等动物无毒。实
际上, Bt杀虫剂作为害虫的生防制剂应用已有百余
植物生理学报656
年历史, 是迄今使用最早、最成功的生物杀虫剂,
其对自然环境及人类的安全性经受了时间的检
验。
目前研发的抗虫转基因水稻中, 多数为单价
转基因水稻, 所用的外源抗虫基因有cry1Aa、cry-
1Ab、cry1Ac、cry1B、cry1C*、cry1Ca1、cry2A、
cry9C和CpTI (sck); 少数则导入双价抗虫基因或
2个抗虫基因的融合基因 , 如cry1Ac+cry2A、
cry1Ac+CpTI (sck)、cry1Ab+cry2Ab和cry1Ab/cry-
1Ac、cry1Ab/cry1B、cry1Ab/vip3H等(Chen等2010,
2011; 陈洋等2011)。双价或多价转基因水稻还可
通过2个或以上不同单价转基因水稻进行常规杂
交获得。如, 转cry1Ab+cry1C、cry1Ab+cry2A、
cry1Ac+cry1C、cry1Ac+cry2A或cry1C+cry2A双价
基因的抗虫水稻‘明恢63’ (Yang等2011)。研究表
明, 上述转基因水稻对一种或多种鳞翅目靶标害
虫表现为较高抗性(Chen等2010, 2011), 但不抗另
一类水稻主要害虫——稻飞虱。抗稻飞虱转基因
水稻因缺乏高效基因而发展缓慢 , 已报道的转
GNA基因水稻可显著提高对褐飞虱的抗性, 但一
般难以达到高抗水平(唐克轩等2001; 左示敏等
2004), 尚待进一步突破。
迄今, 我国已有一批高抗鳞翅目害虫的转基
因水稻相继进入环境释放或生产性试验, 并开展
了大量相关的环境安全性研究, 主要有: 转cry1Ab/
cry1Ac基因的‘华恢1号’和Bt ‘汕优63’, 转cry1Ab基
因的克螟稻及其衍生品系, 转cry1Ac+CpTI (sck)基
因的MSA、MSB和‘科丰6号’等, 其中, ‘华恢1号’
和Bt ‘汕优63’于2009年获得了我国迄今颁发的转
基因水稻中仅有的2例转基因生物安全证书。
2 对非靶标生物影响的研究与评价方法
按转基因生物安全性评价的原则, 抗虫转基
因水稻对非靶标生物的影响采用个案评价的原则,
即需对每一种转基因水稻进行评价。有关研究和
评价的程序、方法与对象分述如下。
2.1 研究和评价的程序与方法
抗虫转基因生物对非靶标生物的影响风险取
决于非靶标生物接触或暴露于杀虫蛋白的概率及
接触或暴露后的危害性, 即: 风险= f (暴露率, 危害
性)。基于不同暴露水平对非靶标生物潜在影响的
层次递进的风险评价程序(Tiered Risk Assessment
Approach), 是目前国际上普遍采用的对转基因生
物非靶标生物生态风险评价方法, 包括室内、室
内扩展、半田间、田间等4个不同层次的实验研
究和评价, 与传统的化学农药对非靶标生物的评
价体系相似, 能严格、有效地评价非靶标生物的
安全性(Touart和Maciorowski 1997; Milofsky 2006;
Romeis等2006, 2008; 叶恭银等2011)。
(1)第1层次——室内实验: 在实验室条件下,
通过饲喂添加了数倍(如10倍)于环境暴露量的杀
虫蛋白的人工饲料, 可在较短时间内(如30 d)检测
对代表性非靶标生物的急性毒性作用。
(2)第2层次——室内扩展实验: 在实验室条件
下, 通过饲喂转基因植物材料或混入转基因材料
的人工饲料进行检测, 其暴露剂量一般相当于转
基因生物目标基因的表达量。
(3)第3层次——半田间实验: 在温室或网室条
件下, 用转基因植物进行较长时间(如一个完整的
生命周期)的检测。暴露剂量接近田间自然状况,
暴露时间长于第2层次。
(4)第4层次——田间实验: 在田间自然条件下
进行的研究, 一般通过多地点多年检测转基因植
物对非靶标生物的影响。暴露剂量为田间自然水
平, 暴露时间一般长于前述各层次。
上述不同层次实验中, 研究的成本一般随层
次上升而递增。因此, 基于经济有效原则, 非靶标
安全性的研究通常从第1层次开始, 当前一层次检
测发现无危害时, 可终止后续实验做出评价; 若前
一层次实验发现有潜在危害, 则继续进入下一层
次的研究 , 直至最终可以做出安全性评价的判
定。但在实际工作中, 因考虑到社会公众关注等
方面因素, 不管前面几个层次的结果如何, 通常均
进行田间实验, 可检测田间自然生态条件下的非
预期效应。此外, 一些研究者认为, 因田间实验一
般都会进行, 半田间实验可作为可选项。不过也
有研究者认为田间实验结果常因地点、时间的不
同而产生较大差异, 半田间实验具有明显优点, 如
其条件相对可控、暴露量更有保证、结果更可
靠、与实验室检测结果的关联度可能更大。
在转基因水稻对非靶标生物的影响评价中,
因仅少部分非靶标生物有合适的人工饲料, 第1层
次的室内研究受到限制, 因此常以第2层次的室内
傅强等: 抗虫转基因水稻对非靶标生物的生态安全性研究进展 657
扩展实验开展较多; 同时因水稻的重要性及受公
众的高关注度, 第4层次的田间实验亦得到广泛开
展(参见后文)。
2.2 研究和评价的对象
稻田生物种类繁多, 对每一种生物进行研究
和评价是不现实的, 因此通常选择部分可能暴露
于外源杀虫蛋白下的非靶标生物作为安全性评价
的对象。在评价对象的选择上, 据稻田及周边生
态系统中物种在食物网中的位置和功能特点, 可
以将用于抗虫转基因水稻安全性评价的非靶标生
物分成以下4类。
(1)非靶标的植食性害虫: 以水稻为食的靶标
害虫之外的害虫。以转Bt基因水稻为例, 主要包括
稻飞虱、稻叶蝉、稻蓟马、稻蚜虫、稻瘿蚊等田
间害虫及麦蛾、谷蠹等仓储害虫。抗虫转基因水
稻除可能对非靶标害虫有直接毒性之外, 还可能
因抑制靶标害虫的发生而改变非靶标害虫的生态
位, 进而间接影响非靶标害虫的发生甚至灾变, 因
此对它们进行安全性评价十分必要。
(2)非靶标的害虫天敌: 寄生或捕食水稻靶标
和非靶标害虫的天敌, 包括寄生蜂、蜘蛛、捕食
蝽、瓢虫等。天敌是稻田各类害虫的关键控制因
子, 是抗虫转基因水稻非靶标生物影响最重要的
研究和评价对象。
(3)非靶标的中性生物: 不直接为害水稻亦不
捕食或寄生水稻害虫的一类生物 , 包括稻田摇
蚊、弹尾虫及土壤微生物等。其中, 摇蚊、弹尾
虫等是稻田生态系统中捕食性天敌的重要猎物,
其丰盛度无疑直接影响和维系着捕食性天敌的种
群数量, 进而关系到天敌对害虫的控制能力(郭玉
杰等1995), 是抗虫转基因水稻生态安全性评价的
重要对象。
(4)非靶标的经济昆虫: 稻区常存在家蚕等经
济昆虫, 尤其在我国江浙地区, 稻区田间地头常见
桑树, 水稻花粉可能飘落桑叶上被家蚕取食, 因此,
抗虫转基因水稻对家蚕的安全性一直是人们关注
的焦点之一。
3 对非靶标生物的影响情况
迄今, 抗虫转基因水稻对非靶标生物影响的
研究主要集中于转cry1Ab/cry1Ac基因的‘华恢1
号’、Bt ‘汕优63’和TT9-3、TT9-4, 转cry1Ab基因
的克螟稻(KMD1、KMD2、KMD3)、B1和B6及
转cry1Ac+CpTI (sck)基因的MSA、MSB、MSB4
和‘科丰6号’等, 主要研究结果按非靶标的植食性
害虫、天敌、土壤生物及经济昆虫分别归纳如下:
3.1 对非靶标的植食性害虫的影响
目前研究较多的抗虫转基因水稻是以鳞翅目
害虫为靶标的转Bt或CpTI基因抗虫水稻, 其非靶标
植食性害虫包括稻飞虱、稻叶蝉、稻蓟马、稻瘿
蚊等田间害虫以及麦蛾、谷蠹等仓储害虫。
(1)稻飞虱: 包括褐飞虱、白背飞虱等种类, 是
我国水稻最主要的害虫, 为抗虫转基因水稻非靶
标影响的关注重点。室内转基因水稻上的饲养实
验结果表明, 抗虫转基因水稻对褐飞虱的取食选
择性(Bernal等2002; 傅强等2003)、产卵选择性(傅
强等2003)、若虫发育和存活率(Bernal等2002;
Chen等2011)、药剂敏感性(李兆亮等2011)均没有
明显影响; 亦有报道发现Bt稻不利于褐飞虱的取
食(陈茂等2004), 或对若虫发育质量(傅强等2003;
Chen等2012)、产卵(Chen等2012)有一定抑制作
用。抗虫转基因水稻对白背飞虱的若虫发育速率
(傅强等2003)、产卵量和卵孵化率(傅强等2003;
谭红等2006)等均无明显影响, 也有报道发现Bt稻
对白背飞虱的若虫发育速率(谭红等2006)或发育
质量(傅强等2003)不利。
大量的田间种群动态调查亦发现, 抗虫转基
因水稻田间稻飞虱的优势种组成、发生动态和发
生数量与非转基因对照水稻无显著差异, 或数量
有所降低(傅强等2003; Chen等2006b, 2007; 刘雨
芳等2007; 陈洋等2011; 隋贺等2011), 与室内研究
结果一致。但亦有少数研究报道结果不同, 刘志
诚等(2002)报道转cry1Ab/cry1Ac基因水稻TT9-3移
栽后早中期白背飞虱若虫的田间数量显著高于对
照; Wang等(2010)则发现转cry1Ab/cry1Ac基因水稻
Bt ‘汕优63’田间后期褐飞虱虫量显著较高, 其中前
者没有在Chen等(2006a)对TT9-3的两年三地田间
系统研究中证实, 应是田间实验的一种偶发现象;
后者则可能是间接效应所致, 非转基因对照田受
靶标害虫的严重为害时, 田间长势差, 不利于褐飞
虱发生, 进而导致其发生量低于Bt ‘汕优63’。笔者
曾观察到不防治水稻田褐飞虱和白背飞虱的发生
量显著低于前期防治的稻田(待发表资料), 类似的
植物生理学报658
现象在转基因棉花田间非靶标害虫的研究中亦有
报道(Fitt和Daly 1994)。
(2)稻叶蝉: 我国南方地区水稻常见害虫。周
霞等(2005)报道, 室内观察结果显示, 转基因水稻
KMD1、KMD2植株上黑尾叶蝉的产卵量、净生
殖率均显著高于对照‘秀水11’; 田间调查亦发现
KMD2上黑尾叶蝉种群数量高于‘秀水11’。刘志诚
等(2002)报道转cry1Ab/cry1Ac基因水稻TT9-3移栽
后中后期田间黑尾叶蝉若虫密度显著高于对照
IR72。但刘志诚等(2002)同时发现TT9-3田间黑尾
叶蝉成虫的虫口密度与IR72无显著差异, 转cry-
1Ab/cry1Ac基因TT9-4上的黑尾叶蝉成虫与若虫数
量均与IR72无显著差异; Chen等(2006a)则通过两
年三地调查进一步研究发现TT9-3田间叶蝉的优
势种组成及发生动态与对照水稻无显著差异。刘
雨芳等(2007)对转cry1Ab+sck基因水稻恢复系
MSA、MSB、MSA4及杂交稻21S/MSB、II-32A/
MSB与KF6-304的研究则发现, 21S/MSB、II-32A/
MSB 上的叶蝉数量显著或极显著高于其对照, 但
叶蝉数量很低(<35头·百丛-1), 单种叶蝉的种群数量
则更低, 且MSA、MSB、MSA4与KF6-304 没有引
起稻田叶蝉数量的明显变化。
(3)稻蓟马: 水稻苗期的常见害虫。转基因水
稻KMD1、KMD2、B1、B6及TT9-3、TT9-4对稻
蓟马的发育、寿命和产卵有一定的负面影响, 且
田间虫口数量相对较低 , 不利于稻蓟马的发生
(Akhtar等2010), 但亦有报道发现KMD2田间稻蓟
马的发生较重(唐健等2000)。
(4)稻瘿蚊: 我国南方部分稻区主要水稻害
虫。刘雨芳等(2007)报道, MSA、MSB在成熟收割
前有增加无效分蘖上稻瘿蚊引起的葱管数的态势,
但在水稻生长中期对稻瘿蚊有一定的抗性, 能减
少葱管的形成, 降低标葱率, 认为转基因水稻上田
间稻瘿蚊灾变的风险较少。
(5)仓储害虫: 为害稻谷或稻米的害虫有多
种。研究发现, 克螟稻、Bt ‘汕优63’稻谷对麦蛾
(蔡万伦等2006; 李光涛等2008)、印度谷螟(蒋海
燕等2011)等鳞翅目害虫有明显抑制作用, 但对赤
拟谷盗、谷蠹、嗜卷书虱等其他目储粮害虫无明
显影响(蔡万伦等2006, 2008)。
总上所述, 多数研究结果表明转Bt或Bt+CpTI
基因水稻对褐飞虱、白背飞虱、稻蓟马等非靶标
害虫的生长、发育、繁殖、寄主选择行为及田间
虫口数量均无显著影响或有一定的抑制作用, 引
起非靶标害虫灾变的风险极小。少数研究发现转
基因水稻可能有利于非靶标植食性害虫的发生,
其中部分结果可能是田间害虫分布不均所致; 而Bt
‘汕优63’田间后期褐飞虱虫量显著较高(Wang等
2010), 则可能源于靶标害虫为害造成的间接效应,
可通过常规防治方法实现Bt稻褐飞虱的防治, 其灾
变风险易于得到控制。此外, 尽管KMD1、KMD2
似有利于黑尾叶蝉的发生(周霞等2005), 但因稻田
叶蝉虫口数量较低, 一般可以在稻飞虱防治时得
到兼治, 其灾变风险亦较小。
3.2 对非靶标的害虫天敌的影响
害虫天敌包括捕食性天敌和寄生性天敌两大
类, 以往研究主要包括对这两类天敌的多样性及
代表性种类的研究。
3.2.1 捕食性天敌 捕食性天敌是稻田害虫的主要
控制因子之一, 在抗虫转基因水稻非靶标天敌安
全性评价中备受关注。
关注的第一个问题是天敌能否接触到转基因
水稻的杀虫蛋白？据姜永厚等(2004a)的研究, 取
食KMD1的二化螟、稻眼蝶、褐飞虱、稻蚜及饲
喂以KMD1为食的二化螟或稻眼蝶幼虫的拟水狼
蛛体内都能检测到Cry1Ab蛋白, 其中, 稻眼蝶体内
的含量最高; 以稻眼蝶为食的拟水狼蛛体内Cry-
lAb含量是以二化螟为食的狼蛛的约60倍。Chen
等(2009)亦发现取食KMD1、KMD2的稻纵卷叶螟
及以此为食的拟水狼蛛体内均能检测到Cry1Ab蛋
白。此外, 研究发现取食Bt稻上植食性昆虫的黑肩
绿盲蝽(Bernal等2002)、尖钩宽黾蝽(白耀宇等
2005a)、龟纹瓢虫(Bai等2006)等均能接触到Bt蛋
白。显然, 抗虫转基因水稻表达的杀虫蛋白可以
在“水稻-植食性害虫-天敌”食物链中传递。然而,
Bt蛋白对天敌的直接影响取决于其消化道中是否
Bt蛋白受体, 已证实拟水狼蛛的消化道中不存在
Cry1Ab蛋白受体(Chen等2009)。
关注的另一个问题是, 抗虫转基因水稻对捕
食性天敌的实际影响效应如何？有不少研究者通
过室内生物学观察或田间系统调查开展了研究。
总体上, 转基因抗虫水稻KMD1、KMD2、B1和B6
傅强等: 抗虫转基因水稻对非靶标生物的生态安全性研究进展 659
(Li等2007; 刘志诚等2011)、MSA和MSB (刘雨芳
等2005)、TT9-3和TT9-4 (刘志诚等2002, 2003; Li
等2007)对田间捕食性天敌物种构成、物种丰富度
和多样性均无显著影响。各类主要天敌的影响效
应研究结果如下:
(1)蜘蛛: 广谱性的稻田主要捕食性天敌。以
转基因水稻KMD1、KMD2上靶标害虫——稻纵
卷叶螟为猎物, 拟水狼蛛体的发育历期有所延长,
但存活率、产卵量和田间种群密度均没有明显变
化; 其中发育历期的变化可能是因取食转基因水
稻的猎物营养质量较差所导致, 而非Cry1Ab蛋白
的直接影响(Chen等2009)。以KMD1和TT9-3非靶
标害虫——褐飞虱为猎物 , 食虫沟瘤蛛的存活
率、发育历期、繁殖力均与对照无显著差异, 且
两地三年的田间种群数量调查亦未见与对照有显
著差异(Tian等2010)。在KMD1、KMD2田间采集
的拟环纹豹蛛的免疫学指标与对照田采集的无显
著差异(田俊策等2011)。
(2)黑肩绿盲蝽: 稻飞虱的重要捕食性天敌。
Bernal等(2002)对转cry1Ab基因水稻Chinsurah
Boro II、Zhong 8215和Tarom Molaii及转cry1Ab/
cry1Ac基因水稻Bt-IR72的研究表明, 以Bt稻上的
褐飞虱为猎物, 黑肩绿盲蝽的存活与发育均无显
著差异。Chen等(2007)亦通过两年三地的田间观
察, 发现KMD1田间的黑肩绿盲蝽的数量与对照无
显著差异。
(3)其他: 饲喂KMD1和KMD2上的植食性害
虫或花粉, 对尖钩宽黾蝽的捕食量和功能反应(白
耀宇等2005a)、龟纹瓢虫的生长发育繁殖和活动
能力(Bai等2005, 2006)及中华草蛉的成虫寿命和
繁殖力(白耀宇等2005b)均无显著影响。
3.2.2 寄生性天敌 寄生性天敌是稻田害虫的又一
主要控制因子。与食性较广的捕食性天敌不同,
多数寄生性天敌寄主单一。显然, 对于以转基因
水稻靶标害虫为主要寄主的寄生性天敌, 势必因
转基因水稻杀死了靶标害虫而受到负面影响; 此
外, 即使靶标害虫没有死亡, 但其生长发育可能
受到抑制, 进而影响寄生性天敌。如, 以KMD1、
MSB饲喂处理的二化螟幼虫为寄主, 尽管二化螟
绒茧蜂的茧块大小、羽化率、性比、成蜂寿命
等均无显著差异, 但其寄生率均降低(姜永厚等
2004b, 2005)。田间系统调查进一步证实这种负面
影响, KMD对田间靶标害虫寄生蜂(尤其茧蜂)数量
具一定负面影响(田俊策等2008), TT9-3和TT9- 4田
间寄生靶标害虫的茧蜂或姬蜂科的优势度有时明
显低于对照(刘志诚等2003), MSA、MSB、MSA4
和KF6-304水稻生长中期寄生蜂数量有所减少(刘
雨芳等2006)。
同时, 稻田中还存在大量非靶标害虫的寄生
性天敌或寄主范围较广的寄生性天敌。田间系统
调查结果表明 , KMD1和KMD2田间非靶标害
虫——稻飞虱卵的被寄生率和死亡率无显著影响
(高明清等2011)。总体上, KMD1和KMD2田间寄
生性天敌的各科组成、物种丰富度和多样性指数
与对照稻田无显著差异(田俊策等2008; 刘志诚等
2011), MSA、MSB、MSA4和KF6-304对田间寄生
蜂亚群落的物种丰富度、多样性指数没有显著影
响(刘雨芳等2006)。
从上述研究看出, 抗虫转基因水稻对靶标害
虫的寄生性天敌有明显负面效应, 鉴于靶标害虫
可由转基因水稻控制, 其寄生性天敌的减少对其
有效控制的影响不大; 转基因水稻对捕食性天敌
的影响小, 其生态风险几乎可以忽略不计。
3.3 对土壤和土表中性类生物的影响
Bt作物表达的Bt蛋白可以通过植株残体、根
及根系分泌物、花粉等途径进入土壤(袁一杨和戈
峰2010; 周学永等2011)。对转基因水稻的研究发
现, KMD1、KMD2稻草在自然条件下历经160 d仍
含Cry1Ab蛋白(白耀宇等2006); 而掺入土壤的Cry-
1Ab蛋白在好气条件和灌水条件下的降解半衰期
分别为19.6~41.3 d和45.9~141 d (Wang等2007), 这
些研究说明Cry1Ab蛋白可以在土壤中残留较长时
间。土壤中残留的蛋白或遗留土表的转基因残株
是否对土壤或土表生物产生潜在影响？在抗虫转
基因水稻非靶标生态安全性评价中颇受关注, 主
要见于土表弹尾虫、土壤细菌等非靶标生物的研
究。
(1)稻田弹尾虫: 种类和个体数量都较丰富, 作
为分解者在参与土壤物质循环、提高土壤肥力、
改善土壤理化特性、维护土壤生物群落等方面有
重要作用(袁一杨和戈峰2010); 还可为尖钩宽黾蝽
等稻田天敌捕食(白耀宇等2005a), 是稻田“水稻-植
植物生理学报660
食性昆虫-天敌”食物链的重要一环。研究表明, 以
KMD1、KMD2腐烂茎叶为食的弹尾虫体内可检
测到Cry1Ab蛋白 (白耀宇等2005a) , KMD1、
KMD2稻田灰橄榄长角跳虫等弹尾虫的种群数量
显著高于对照稻田(白耀宇等2005a, 2006), 进一步
的两地三年观察发现这2种Bt稻收割后, 田间弹尾
虫的种类构成和物种丰富度与对照田无明显差异
(Bai等2010)。但是, ‘华恢1号’土壤优势弹尾虫属
长角跳属和原等属的田间数量与对照水稻差异显
著, 只是该结果系一年的数据(吴刚等2012), 尚需
进一步研究确定。
(2)土壤微生物: 土壤微生物群落是土壤中的
活性组分, 是土壤分解系统的主导者, 对营养物质
的循环和土壤性质起到至关重要的作用, 因此研
究转基因作物对土壤微生物的影响是转基因作物
生态安全性评价的重要组成部分(王北艳和殷奎德
2012)。研究发现, Bt稻对土壤中好氧性细菌、放
线菌、真菌的数量和土壤蛋白酶、中性磷酸酶、
脲酶和土壤呼吸强度(吴伟祥等2003b)及土壤蔗糖
酶、芳香硫酸酯酶和脱氢酶活性(Sun等2003)、土
壤微生物的生物量氮(李修强等2012a)等均没有显
著影响, 对淹水条件下土壤磷酸酶活性的影响亦
较小(吴伟祥等2003a)。KMD1连续2年种植对根际
微生物构成及酶活性均无显著影响(Liu等2008);
KMD1和KMD2根际可培养细菌群落的优势度指
数、多样性指数和均匀度指数均与对照无显著差
异(杨保军等2009)。
然而, 转基因水稻亦对土壤微生物的部分指
标有显著影响。如 : Bt稻土壤脲酶活性显著下
降、土壤酸性磷酸酶活性显著提高(Sun等2003),
土壤反硝化细菌和产甲烷细菌种群受到显著抑
制、厌氧发酵细菌种群则显著增加 (徐晓宇等
2004), 根际土壤优势菌群改变(陈敏等2005), 根际
葡萄球菌属、棒杆菌属和壤霉菌属数量显著较高,
而束毛球菌属数量则显著较低(杨保军等2009)。
此外, 转基因水稻对一些土壤微生物指标的
影响常表现出阶段性特点。如, 在添加KMD秸秆
的土壤中, 仅前期土壤脱氢酶活性明显较高, 而后
期这种差异逐渐消失(吴伟祥等2003b); 含KMD的
淹水土壤中, 可培养厌氧细菌的数量和群落组成
仅在初期有显著差异, 而后期这种差异消失(任馨
等2004); KMD、‘华恢1号’和Bt ‘汕优63’对土壤微
生物生物量碳、基础呼吸和微生物代谢熵的影响
在大田种植第1年的部分时段有显著影响, 第2年
这种影响不明显(李修强等2012a)。
(3)其他: 除上述土壤生物外, 线虫、螨类亦是
稻田土壤或土表较重要的生物。吴刚等(2012)在
‘华恢1号’田间观察到20个线虫属及11个螨类属的
分布, 除中杆属线虫、尖棱甲螨属螨虫的种群数
量显著降低, 钩唇属线虫种群数量显著增加外, 其
他多数属的线虫和螨虫的种群数量与对照无显著
差异。李修强等(2012b)则研究了Bt ‘汕优63’田间
土壤线虫, 发现除个别时间段多样性指数差异显
著外, 总体上土壤线虫的数量、群落组成与对照
无显著差异。
总体上, 抗虫转基因水稻对土壤或土表中性
生物的影响不大, 少部分指标虽然前期有显著影
响, 但随时间延长而影响不显著。还有少部分指
标的差异一直较明显, 其对土壤生物生态平衡及
土壤功能的潜在影响还需进一步研究。
3.4 非靶标经济昆虫的影响
抗虫转基因水稻表达的Bt蛋白一般对鳞翅目
害虫有毒, 其对稻区鳞翅目经济昆虫的影响颇受
关注。家蚕是一种重要的经济昆虫, 在我国桑蚕
主产区(如浙江、江苏), 水稻和桑林常常相邻种植,
抗虫转基因水稻花粉是否有可能飘落到临近的桑
叶上, 进而对家蚕饲养造成潜在影响？
对浙江杭州桑稻混种地区水稻花粉向桑叶飘
落情况的研究发现, 在稻田附近(<10 m)范围内约
54.5%的桑叶可检测到水稻花粉, 其平均花粉密度
为92.9粒·cm-2 (樊龙江等2003)。室内生测实验结
果表明 , 饲喂附着(109.1±50.6)粒 ·cm-2的Bt稻
(KMD3与‘浙辐504’的杂交后代BC3F5)花粉的桑
叶, 对家蚕1~3龄幼虫的存活率与体重均无显著影
响(王忠华等2001)。但不同家蚕品系对Bt稻花粉
的敏感性有所不同, 饲喂每克含0.05 g B1稻花粉的
饲料, 除对夏秋蚕杂交种——‘丰一’×54A无显著影
响外 , 对其亲本‘丰一’、54A及春蚕杂交种‘青
松’ב皓月’及亲本‘青松’、‘皓月’均有显著影响(袁
志东等2006)。
Yao等(2006)进一步发现紧邻转基因水稻
TT9-3的桑叶花粉飘落密度平均为62.3粒·cm-2, 最
傅强等: 抗虫转基因水稻对非靶标生物的生态安全性研究进展 661
高花粉飘落1 636粒·cm-2, 分别相当于对家蚕急性
毒性的LC2.5和LC22剂量, 其中高密度花粉飘落量
的发生概率仅0.002, 且均发生于距离盛花期水稻
0.5 m范围内; 相距10 m的桑叶花粉飘落量降低到
4.0粒·cm-2; 饲喂实验发现, 自然飘落TT9-3花粉的
桑叶对家蚕幼虫的存活和生长发育均无显著影
响。Yao等(2008)还报道, 尽管饲喂附着LC15剂量
的B1和KMD1花粉的桑叶对家蚕幼虫存活、发育、
中肠有明显的负作用, 但考虑到高密度花粉飘落
概率小, 且饲喂前的桑叶清理措施还能减少花粉
附着量, 因此自然条件下达到LC15剂量的概率极
小, 花粉飘落对家蚕的生态风险可以忽略不计。
4 结语
全球转基因作物商业化种植的面积 , 已从
1996年的170万平方公顷增加到了2012年的17 030
万平方公顷, 17年间增长了100倍, 是近代史上推广
速度最快的作物技术(James 2012), 充分显示了转
基因作物强大的生命力。转基因水稻的商业化种
植进展缓慢, 迄今, 仅耐除草剂转基因水稻在美国
开始商业化种植, 抗虫转基因水稻曾在伊朗实现
小规模商业化种植。我国尽管于2009年给‘华恢1
号’和Bt ‘汕优63’颁发了生物安全证书, 但至今尚
未开始商业化生产。
与任何一项新技术的问世和应用一样, 抗虫
转基因水稻在控制水稻重要害虫, 带来巨大经济
和社会效益的同时, 也可能存在一些潜在的风险,
需要进行认真的科学研究和评价, 对可能发生的
危害采取有效的应对措施, 尽量避免和降低可能
的风险 , 使转基因水稻商业化应用的利益最大
化。但是, 如果以未经证实的、可能存在的风险
为由而完全否定甚至摒弃该项技术及其产品, 不
是科学和务实的态度(卢宝荣等2008)。
如前所述, 迄今对抗虫转基因水稻非靶标生
物安全性研究已积累了十多年的数据和技术。大
量研究表明抗虫转基因水稻引起非靶标植食性害
虫灾变、害虫天敌控制力减弱及土壤生物生态失
衡的潜在风险较小。在当前水稻生产中, 因缺少
有效抗虫的常规水稻品种, 水稻害虫的控制主要
依靠化学防治。就对稻田非靶标生物的结构、多
样性和优势度的影响而言, 抗虫转基因水稻的影
响明显小于化学防治(刘志诚等2004)。同时, 种植
抗虫转基因水稻还可大幅降低化学杀虫剂的施用
量, 有利于稻田生态系统中非靶标生物的生存, 并
减少对农田生态环境的化学污染和稻米的农药
残留。
当然, 抗虫转基因水稻尚未实现商业化, 目前
关于其对非靶标生物影响的研究仅限于部分转基
因水稻, 且一般规模不大, 时间不长(通常不超过3
年)。随着转基因水稻类型的增加, 还需进一步按
照个案原则开展对新的转基因水稻非靶标生态安
全性的研究; 同时, 一旦抗虫转基因水稻获准大规
模商业化种植, 还需进一步监测其对非靶标生物
的长期生态影响, 为抗虫转基因水稻的安全和可
持续利用保驾护航。
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