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Stability of Insect??resistance of Bt Transformed Populus n igraPlantation and Its Effects on the Natural Enem ies of Insects

转B t基因欧洲黑杨抗虫稳定性及其对天敌昆虫的影响



全 文 :林业科学研究  2007, 20( 5): 656~ 659
Forest R esearch
  文章编号: 10011498( 2007) 05065604
转 B t基因欧洲黑杨抗虫稳定性
及其对天敌昆虫的影响*
胡建军1, 李淑梅1, 卢孟柱 1* * , 李继祥 2, 李开花 2, 孙雪芹2, 赵自玉2
( 1.中国林业科学研究院林业研究所,国家林业局林木培育重点实验室,北京  100091; 2新疆玛纳斯平原林场,新疆 玛纳斯 832206 )
摘要: 1997 2001年,对新疆玛纳斯平原林场的转 B t基因欧洲黑杨试验林进行了食叶害虫 (杨尺蠖 )和杨梦尼夜蛾
危害调查, 转基因试验林叶片平均损失率均低于 10% ,试验林地虫口密度由 1997年的 18头 m- 2降低到 2001年的
8头 m- 2, 而对照林地虫口密度却呈上升趋势。2005年, 位于北京怀柔的转 B t基因欧洲黑杨试验林受杨尺蠖危
害, 叶片损失率不超过 20% ,而当地其它杨树林叶片损失率高达 90%。在转 B t基因欧洲黑杨林 (新疆玛纳斯 )中,
寄生靶标害虫的天敌种类、数量和寄生率均高于对照林, 对从试验林中采集的靶标昆虫的蛹进行接种试验,与对照
相比, 寄生蜂出蜂率和数量均无明显差异, 寄生蜂也无异常, 说明转 B t基因欧洲黑杨未对天敌昆虫产生明显不利
影响。
关键词: 欧洲黑杨; B t基因;抗虫稳定性; 天敌昆虫;生物安全
中图分类号: S722. 3 文献标识码: A
收稿日期: 20051214 修回日期: 20070616
基金项目: 国家转基因专项 ( J2002B003)
作者简介: 胡建军 ( 1969 ) ,男,博士,副研究员.
* 本研究得到韩一凡研究员、李广武先生、杨忠岐教授的指导和帮助,在此深表感谢!
* * 通讯作者
Stability of Insectresistance ofB t Transform ed Populus n igra
P lantation and Its Effects on the Natural Enem ies of Insects
HU J ianjun1, LI Shum ei1, LU M engzhu1, LI J ixiang 2, LI Kaihua2, SUN Xueqin2, ZHAO Ziyu2
( 1. R esearch Inst itute of Forestry, CAF; K ey Laboratory of Tree Breed ing and Cu ltivation, State Fores try Adm in istrat ion,
B eijing 100091, Ch ina; 2M anas i Plain Forest S tat ion, Manas i 832206, X in jiang Uygu rA utonom ous Reg ion, Ch ina)
Abstract: The damage caused byApocheim ia cinerarius E rscho ff andOrthosia incertaH ufnage inB t transformedPop
ulus nigra p lantation located inM anasi P lain Forest S tation, X injiang Uygur Autonomous Reg ion w as investigated
during 1997- 2001. The leaf loss w as less than 10% and the larvae density in the so il decreased from 18 heads
m
- 2
in 1997 to 8 heads m- 2 in 2001, but the larvae density increased in the nontransgen ic p lantation. In 2005,
the leaf loss caused by Apocheim ia cinerarius E rschoff in B t transformed plantation in Huairou o f Beijing w as less
than 20% , but itw as 90% in nontransgenic pop lar p lantation. This indicated that the insectresistance of transgen
ic pop larw as stable, and can reduce the larvae density effective ly in the field formany years. The variety, number
and parasit ic rat io of the natural enem ies o f insects in the transgenic pop lar plantation (M anasi) w ere mo re than
those in the nontransgenic pop lar plantations. The resu lt of the inocu lation of the insect pupae co llected from trans
genic poplar p lantat ion, nearby poplar p lantat ion and the contro l p lantation w ith the w asp (Chouioia cunea Y ang. )
show ed that there w as no significant d ifference o f thew asp ec losion rate and number betw een them. It can be con
cluded that up to know there is no significan t negative effect o f transgen ic pop lar on the natural enem ies o f insects.
第 5期 胡建军等:转 B t基因欧洲黑杨抗虫稳定性及其对天敌昆虫的影响
Key words:Populus nigar; B t gene; insectresistance; nature enemy; b iosafety
苏云金芽孢杆菌毒蛋白 ( Bacillu s thuring iensis
Berliner, B t )基因是目前植物基因工程应用最广
泛的杀虫基因,转基因抗虫植物的种植引起了人
们对生态环境安全性问题的关注, 而其中转基因
抗虫植物对农业生态系统中非靶标生物的影响
是生态风险评价的重要内容之一 [ 1 ]。转基因抗
虫植物可能通过降低靶标害虫的种群数量而使
其天敌尤其是寄生性天敌种群数量减少, 但是由
于杀虫剂使用量和使用次数的减少又会促进非
靶标害虫及其天敌种群的增加 [ 2, 3]。转基因抗虫
植物的种植不仅要求对靶标害虫具有良好的控
制作用, 还应该对天敌昆虫没有重要影响 [ 4]。尽
管多数室内生物测定研究也表明以转 B t基因抗
虫植物上的靶标害虫或非靶标害虫为食的捕食
性天敌, 其个体发育、生殖、捕食行为等均未受到
不良影响 [ 5] , 但也有研究表明, 以此类害虫为猎
物的捕食性昆虫和寄生性昆虫却受到了不良影
响 [ 6, 7 ]。因此研究田间转基因抗虫植物和害虫、
天敌之间的关系是其生态安全性评价的焦点
之一。
自从 20世纪 80年代末林木转基因植株获得以
来,许多林木外源基因转化成功。在国外, 由于转基
因林木生态环境安全性的原因, 转基因林木安全研
究一直处于实验室或苗圃试验阶段。我国于 1993
年获得转 B t基因的欧洲黑杨 (Populus nigra L. )植
株 [ 8] , 1994年营造了田间试验林, 进入田间试验阶
段。经田间抗虫评价,转 B t基因欧洲黑杨在田间表
现了明显的抗虫效果 [ 9, 10 ]。有关转基因农作物的生
物安全研究较多,但转基因林木生物安全研究较少,
林木转基因生物安全性主要包括转基因的稳定性、
外源基因向天然群体的基因漂移及对非靶标生物的
影响等,其中转基因林木对靶标昆虫的抗虫稳定性
和对非靶标生物的影响是重要研究内容,转 B t基因
欧洲黑杨进入田间试验已 10多年, 商业化种植也有
5 a,对靶标昆虫抗性是否发生变化以及对非靶标昆
虫的影响如何都是大家比较关注的问题, 因此本文
在转基因欧洲黑杨的抗虫稳定性的研究基础上, 开
展了其对非靶标昆虫影响的研究。
1 材料和方法
1. 1 试验地概况
转 B t基因欧洲黑杨试验林 (由韩一凡研究员提
供材料并设计 )位于新疆维吾尔自治区玛纳斯平原
林场, 43!13∀ N, 86!37∀ E, 海拔 470 m, 土壤为沙壤
土。该试验林建于 1994年春季, 面积 1 hm 2, 共有
17个系号参试, 其中包括 14个转基因系号和 3个非
转基因系号 (健杨 ( P. # euram ericana cv. ∃Robus
ta∀ )对照 1、欧州黑杨对照 2和对照 3) ,单株小区,
随机排列, 6个区组。东边相邻的杨树林为西 + 加
杨 (无性杂种, 引自原苏联, 是将加拿大杨 ( P. #
canad ensis( Dode) Gu ine ir)嫁接到西伯利亚杨 ( P.
suaveolens F isch )上得到的 ), 同建于 1994年春季。
健杨对照林与试验林相距 3 km, 面积 1 hm2, 建于
1990年。1997 2001年发生并造成损失的害虫为
杨尺蠖 (Apocheim ia cinerarius Erschoff)和杨梦尼夜蛾
(Orthosia incerta Hufnage ), 它们在当地 1年发生 1
代,以幼虫取食杨树叶片造成危害, 5月中旬下树在
土中或枯叶下表土层中化蛹。
转基因欧洲黑杨纯林及其与中林 46杨 ( P.
euramenricana cv. ∃Zhong lin46∀ )混交试验林, 种
植于 2001年 4月初。转基因欧洲黑杨与中林 46
杨混交试验林按 1%1种植, 行间混植, 株行距 4 m
# 6 m, 灌溉采取地下渗灌系统。 2005年 4月下
旬, 对该试验林和周边的杨树对照林进行了虫害
调查。
1. 2 虫害及天敌昆虫调查
1997年和 2001年在食叶害虫危害期, 采用
从树上取叶调查和目测的方法调查转 B t基因试
验林和对照林叶片损失率 [ 9]。田间调查选择在
食叶害虫幼虫全部下树, 尚未全部化蛹时进行。
在林地内采取 5点取样与随机大量挖蛹相结合的
方法, 分别统计健康虫蛹、寄生蝇、寄生蜂和其它
天敌昆虫数量, 根据各个取样点的统计值计算每
个林地的平均值 , 然后将材料带回室内继续饲养
并鉴定。
1. 3 人工接种天敌昆虫试验
接种的天敌昆虫为美国白蛾优势寄生性天敌
周氏啮小蜂 ( Chouioia cunea Y ang ) , 引自天津市
园林绿化研究所。把采回室内的杨尺蠖和杨梦
尼夜蛾活蛹 2头分别装入直径 0. 12 cm # 12. 5
cm玻璃指形管中, 每管再接蜂 4~ 8头, 然后用脱
脂棉塞紧口, 置于室内常温下观察出蜂情况, 记
录出蜂时间和出蜂量, 调查雌雄蜂比例等。 2001
657
林  业  科  学  研  究 第 20卷
年 5月 25日接种。
2 结果与分析
2. 1 转 B t基因欧洲黑杨抗虫稳定性
虫害调查结果见表 1,在 1997年和 2001年, 转
基因欧洲黑杨试验林中植株叶片损失率分别为
10%和小于 10% ,非转基因植株叶片平均损失率分
别为 11%和 10% ; 而对照非转基因健杨林分却由
80%增长到 90% ,欧洲黑杨林分由于食叶害虫多年
持续危害, 1997年以后每年叶片损失率超过 90%而
枯死,于 2001年砍伐。
表 1 不同年份转 B t基因欧洲黑杨试验林和对照林叶片损失率和土壤中虫蛹数
林分 无性系 平均叶片损失率 /%
1997年 2001年
土壤中的虫蛹数 / (头 m- 2 )
1997年 2001年
健杨 (对照 1) 15 13
欧洲黑杨 (对照 2) 11 9
转 B t基因试验林 欧洲黑杨 (对照 3) 7 8 18 8
非转 B t基因平均 11 10
转 B t基因平均 10 < 10
非转基因林分 健杨 80 90 88 150
(对照 ) 欧洲黑杨 90 砍伐 73 -
  对于土壤中的虫蛹数, 转基因试验林土壤虫蛹
数由 1997年的 18头 m - 2降低至 2001年的 8头
m
- 2
;而对照健杨林地虫蛹数却由 1997年的 88头
m
- 2上升到 2001年的 150头 m- 2。这表明, 转 B t
基因欧洲黑杨经过 4 a生长,抗虫性未发生变化, 具
有稳定的抗虫性。
根据 2005年的调查结果, 北京怀柔的转基因
欧洲黑杨纯林及混交林仅有 20% 的叶片遭受杨
尺蠖危害, 而当地其它杨树叶片有 90% 的叶片遭
受危害, 进而说明转 B t基因杨树对靶标昆虫的抗
虫性未降低,较好控制了靶标昆虫的严重发生。
根据转基因试验林害虫化蛹及天敌调查结果
(表 2) ,转基因试验林、相邻林和对照林林地的害虫
化蛹时间分别为 5月 14日、13日和 10日,与对照林
地相比,前 2块林地害虫化蛹略微延迟 3~ 4 d,化蛹
率前 2者仅均为 30%, 而对照林地几乎全部化蛹
( 95% ), 这从另一方面说明, 转基因植株对害虫生
长发育具有抑制作用, 延迟了化蛹时间, 降低了化
蛹率。
表 2 转 B t基因欧洲黑杨林地及对照林
地杨梦尼夜蛾化蛹情况
项目 转 B t基因欧洲黑杨林 相邻杨树林
对照
健杨林
杨梦尼夜蛾下树化蛹
末期 (月 -日 ) 05- 14 05- 13 05- 10
5月 16日幼虫化蛹率 /% 30 30 95
2. 2 转 Bt基因试验林天敌昆虫分布情况
从表 3看出,在转 B t基因试验林地有 7种天敌
昆虫,分别为 2种寄生蝇 ( Tach in idae )、2种寄生蜂
( Ichneumon idae)、2种步甲 ( Carab idae)成虫、其它 1
种,其中寄生蝇对害虫与蛹幼虫寄生率达 43% , 2种
寄生蜂的寄生率为 10%。在相邻林地, 天敌昆虫种
类无明显差异,而同一林场范围内 3 km处的健杨林
地,却有显著差异,在林中只发现 1种步甲幼虫, 密
度很大,达 20头 m - 2以上,未发现其它天敌如寄生
蝇和寄生蜂。这说明, 转 B t基因试验林天敌昆虫种
类和数量均丰富, 转 B t基因杨树对天敌昆虫种类未
产生任何不利影响,但数量上的差异尚需研究。
表 3 转 Bt基因欧洲黑杨林、相邻杨树林
和对照林天敌昆虫种类
试验林 天敌昆虫 种类 寄生率 /% 数量 / (头 m- 2 )
寄生蝇 2 43 -
转基因欧洲黑 寄生蜂 2 10 -
杨林 步甲成虫 2 - 1. 0
其它 1 - -
对照林 步甲幼虫 1 - 20
  注:相邻杨树林的天敌昆虫、种类、寄生率、数量与转基因欧洲黑
杨树相同。
2. 3 人工接种天敌昆虫试验结果
从表 4看出, 对 3块林地采集的虫蛹接种时间
均为 5月 25日, 出蜂时间均在 6月 11至 12日; 在
对照林地所采的蛹个体虽然较转基因林地和相邻林
地的蛹略小, 但接蜂后出蜂率与转基因林地及相邻
林地相同,均为 100% ,而对照, 转基因、相邻 3林地
的出蜂量分别为 493、551和 539头,均无明显差异,
寄生蜂本身也未见异常。雄蜂比例由大到小为转基
658
第 5期 胡建军等:转 B t基因欧洲黑杨抗虫稳定性及其对天敌昆虫的影响
因林地 >相邻林地 >对照 ( 8. 5% > 6. 4% > 61% )。
以上结果说明转 B t基因欧洲黑杨未对寄生天敌产
生任何不利影响。
表 4 不同林地取食转 Bt基因欧洲黑杨杨梦尼
夜蛾蛹接种周氏啮小蜂后的出蜂情况
项目 转基因林地 相邻林地 对照健杨林地
接蜂时间–出蜂
时间 / (月 日 )
0525~
611~ 12
0525~
0611~ 12
0525~
0611~ 12
接蜂蛹大小 / (mm #mm ) 6. 63 # 19. 39 6. 68# 19. 22 6. 04 # 18. 29
接蜂蛹数 /头 80 36 100
出蜂率 /% 100 100 100
出蜂量 / (头 蛹 - 1 ) 551 539 493
雄峰比例 /% 8. 5 6. 4 6. 1
3 结论与讨论
转 B t基因欧洲黑杨是世界上已商品化的林木
基因工程树种 [ 11] , 对于转 B t基因树种的安全性评
价有重要参考价值。在以前的田间试验中, 已证明
转基因欧洲黑杨对靶标害虫有一定的控制作
用 [ 9, 10] ,以靶标害虫为寄主的天敌, 势必受到 B t毒
蛋白的直接或间接影响。本研究野外林地调查结果
显示, 转基因杨树林中的杨梦尼夜蛾比对照林中的
下树化蛹较晚,天敌昆虫种类和数量丰富, 这可能与
杨梦尼夜蛾幼虫取食转基因欧洲黑杨叶片后, 存活
幼虫的生活力降低,延长了幼虫的发育期, 使之更容
易受到寄生蝇和寄生蜂的攻击, 也表明了转基因植
株对天敌在控制害虫方面具有增效作用。
转 B t基因试验林于 1994年种植, 经过 7 a的时
间,杨树体内转 B t基因是否仍然存在并且表达如
何,均是大家普遍关心的问题。经过多次分子生物
学测定, 证明 B t基因仍然存在于转基因植株中, 未
发现外源基因丢失现象 [ 12~ 14] ,连续多年的抗虫性调
查结果也表明, 转 B t基因杨树抗虫效果明显, B t基
因能够稳定表达, 未发现害虫对转基因植株产生耐
受性。
转基因植株的 B t毒蛋白的表达能否直接影响
到靶标害虫和天敌的相互关系一直受到人们的关
注。当转基因抗虫杨树处于高抗水平时, 可能会减
少杨梦尼夜蛾的死亡率或缩短死亡时间, 会对其寄
生性天敌不利。一方面是因为寄主种群下降而导致
天敌种群也下降; 另一方面是寄生性天敌尚未羽化
前就因寄主死亡而不能存活。总之, 由于对林地的
调查仅为 1年的结果, 还不能回答为什么对照林里
没有寄生蝇和寄生蜂, 试验林捕食性天敌只有步甲
成虫,而对照林只有步甲幼虫,数量又如此悬殊等问
题。在转基因杨树林生态系中, 害虫、天敌昆虫的特
性和相互关系是很复杂的, 如何深入了解自然存在
的天敌昆虫的生活习性, 发挥其协同控害作用还需
要进一步研究。
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