全 文 ： * 本文为 1990～1992年国家自然科学基金项目“欧洲黑杨抗虫转基因研究”的部分内容。
1997-09-25收稿。
欧洲黑杨转 Bt 毒蛋白基因植株大田抗虫性测定*
胡建军1) 刘庆一2) 王克胜1) 张宝恩2) 田颖川3) 韩一凡1)
( 1)中国林业科学研究院林业研究所, 100091,北京; 2)新疆维吾尔自治区玛纳斯平原林场, 832206,新疆玛纳斯;
3)中国科学院微生物研究所, 100080,北京;第一作者 29岁,男,助理研究员)
关键词 欧洲黑杨; Bt 毒蛋白基因; 大田抗虫评估; 抗虫育种
分类号 S722. 36
近几年,基因工程发展很快,通过基因工程已获得了各种各样的转基因植物,如抗虫转基
因农作物的棉花 ( Gossyp ium hir sutum L. )、水稻 ( Ory z a sativa L. )、马铃薯 ( Solanum
tuber osum L. )、玉米( Zea may s L. )、小麦( T riticum aesti vum Linn)、烟草( N icotiana tabacum
L. )等。转苏云金芽孢杆菌( Bacil lus thuringiensis Ber liner)毒蛋白基因棉花、烟草通过了棉铃
虫( H eliothis armiger a ( Hubner) )和烟青虫( H el iothis assul ta ( Guene) )等室内生物毒力测定
和大田试验,获得了抗虫效果比较好的转基因植物并在大田推广应用 [ 1～7]。在林木上, 杨树
( Pop ulus spp. )、欧洲落叶松( L arix decidua M ill. )、白云杉( P icea glauca ( M oench) Voss. )、
核桃( Juglans regia L. )等也已获得转 Bt 毒蛋白基因植株[ 8]。1991年,中国林科院林研所同中
科院微生物所在我国首次获得了欧洲黑杨 ( P . nigra L. )转 Bt 毒蛋白基因植株, 对舞毒蛾
( Lymantria disp ar ( L innaeus) )和杨尺蠖( Ap ocheima cinerar ius Er scho ff )的抗虫率达 50%～
100% [ 8]。迄今为止,仅有转基因杨树叶片离体饲喂害虫进行抗虫性测定的报道[ 9] ,尚未有在大
田自然感虫条件下转基因植株抗虫性评估的报道,本文在大田抗虫试验的基础上,进行了转
Bt 毒蛋白基因欧洲黑杨大田抗虫评估。
1 研究地区概况
玛纳斯平原林场位于新疆维吾尔自治区北部, 地处天山北麓,准噶尔盆地南缘, 43°13′N,
86°37′E,海拔 470 m。该地夏季炎热、干旱,冬季寒冷、多雪。林地土壤类型为沙壤土,适合许
多杨树品种生长。近几年, 杨树食叶害虫十分猖獗, 主要是杨尺蠖和杨梦尼夜蛾( Or thosia
incerta ( Hufnagel) ) , 每年春季,当地的杨树、白榆( Ulmus pumila L. )的树冠叶片几乎全部被
吃光。由于害虫大面积暴发,尽管投入的防治经费、人力、物力逐年增加, 甚至更新设备,但收效
较小。
2 材料和方法
2. 1 试验材料
1994年春季, 在新疆玛纳斯平原林场建立欧洲黑杨转基因试验林,面积约 1 hm 2,株行距
林业科学研究 1999, 12( 2) : 202～205
Forest Resear ch
3 m×4 m。共 17个系号, 其中包括 14个转 Bt 基因欧洲黑杨系号、2个未转化的欧洲黑杨和健
杨( P. × euramericana ( Dode) Guineir cv. ‘Robusta’)为对照。分布在 6个区组中,区组 1与
2, 3与 4, 5与 6的系号相同,每个区组的系号重复 6次,单株小区, 各系号随机排列。对该林场
农田防护林主要树种欧洲黑杨和健杨食叶虫害情况也进行了调查。
2. 2 研究方法
2. 2. 1 虫口密度调查 在 1997 年 4月 29日害虫危害高峰期,从对照( Ck2、Ck3)和 12、153、
172、192号转基因植株的标准株上取同一方位处 1 m 长枝,调查杨尺蠖虫口密度。
2. 2. 2 叶片损失率调查 1997年 5月 13～14日害虫危害刚结束,在转基因试验林的每株树
上,分上、中、下 3个部位和东、南、西、北 4个方位摘取叶片,除上西和上北两部位各取 10片叶
子外, 其它 10个部位各取 8片,总共 100片叶子。按叶子全部被吃光,叶子 1/ 2被吃光,叶子
1/ 4被吃光,叶子上仅有小洞被吃,叶子无危害 5个等级进行统计, 并按系号取平均值; 同时,以
目测法对周围的健杨林带、欧洲黑杨林带的叶片损失率进行了估测。
2. 2. 3 虫蛹调查 1997年 5月 16～17日杨尺蠖和杨梦尼夜蛾全部下树化蛹,分别在转基因
林地、欧洲黑杨林地和健杨林地调查虫蛹数。在树干基部设样方, 面积为 1 m×1 m,每个林地
取 30个样方。因害虫大部分在表土层中化蛹, 所以挖土深度定为 20 cm。
3 结果与分析
3. 1 转基因植株虫口密度
转基因植株 12、153、172、192系号枝条的虫口密度分别为 2. 3, 4. 0, 3. 0, 2. 7头·m - 1, 均
比对照( Ck2、Ck3的虫口密度分别为 8. 7, 8. 0头·m- 1 )少,这说明转基因植株对害虫具有抑制
作用,能降低害虫虫口密度。
3. 2 转基因林分的叶片损失率与其它林分的比较
由表 1 可知, 转基因试验林分中转基因植株叶片平均损失率(叶片全部吃光)为 5%～
19%,健杨和两个未转化欧洲黑杨对照( Ck2、Ck3 )的叶片损失率(叶片全部吃光)分别为 15%、
11%和 7% ,远低于周围健杨和欧洲黑杨林带的叶片损失率( 80%和 90% ) ,说明转基因植株具
有明显控制害虫危害的能力,降低了林分中害虫的虫口密度。由此可认为非转基因植株受害虫
危害较轻是因为转基因植株对害虫的毒杀和抑制作用,虫口密度降低而造成的,在某种程度上
非转基因植株得到了转基因植株的保护。
由于整个林分叶片平均损失率(叶片完全吃光)为 10%, 远低于失叶量为 40%的防治指
标[ 10 ] ,不需要进行化学防治,减少了防治费用,在生产上具有推广应用价值。
3. 3 不同林分土壤中虫蛹数的比较
通过对不同林地土壤中的虫蛹数调查,转基因试验林、健杨林带和欧洲黑杨林带土壤中的
虫蛹数分别为 18头·m - 2, 88头·m- 2 , 73头·m - 2, 健杨林带和欧洲黑杨林带土壤中的虫蛹
数分别为转基因试验林土壤中虫蛹数的 4. 9倍和 4. 1倍。据玛纳斯平原林场多年病虫害防治
预测、预报经验, 土壤中的虫蛹数达到 36头·m- 2 ,预计第 2年害虫将要大发生, 需采取措施
进行防治。该块转基因林地土壤中的虫蛹数为 18个·m- 2 ,远低于防治指标, 故可不进行防
治,降低了防治费用。
203第 2 期 胡建军等: 欧洲黑杨转 Bt 毒蛋白基因植株大田抗虫性测定
表 1 转基因植株叶片损失率统计 %
编号 系号 株数 叶片全部吃光 叶片 1/ 2吃光 叶片 1/ 4吃光 叶片小于 1/ 4吃光 叶片无危害
1 健杨 23 15 14 21 26 24
2 Ck 2 17 11 15 21 28 25
3 Ck 3 12 7 12 19 30 32
4 12 12 12 14 22 31 22
5 153 12 14 17 23 30 16
6 192 6 5 13 22 31 29
7 172 16 11 16 23 27 22
8 13 11 9 14 21 27 29
9 139 11 9 11 20 30 30
10 162 12 9 15 21 29 26
11 197 11 7 13 20 30 29
12 208 10 13 16 24 27 20
13 209 10 11 14 21 29 25
14 222 6 6 12 20 36 26
15 254 12 19 19 21 22 18
16 110 11 8 13 18 27 35
17 141 11 7 12 19 30 32
合 计 203 171 239 358 490 442
平 均 — 10 14 21 29 26
健杨林带 — 80 — — — —
欧洲黑杨林带 — 90 — — — —
4 小结与讨论
在 1995～1997年, 位于新疆北部的试验林区杨尺蠖和杨梦尼夜蛾连续大发生, 给当地农
田防护林和用材林造成了重大危害和经济损失。但欧洲黑杨转基因植株对杨尺蠖和杨梦尼夜
蛾表现出较强的抗虫性,害虫虫口密度降低,叶片损失率和土壤中的虫蛹数均低于防治指标,
试验林中的虫害未造成严重损失。
在大田抗虫试验中,可采用叶片损失率、幼虫虫口密度和单位面积一定土壤深度内的虫蛹
数作为评价转基因植株的抗虫性指标。
转基因植株的利用应从提供木材产量、保护环境和防治虫害出发,转基因杨树的叶子含有
毒蛋白,对害虫具有毒杀作用, 可将转基因植株与其它树种搭配种植, 保护其它树种免遭害虫
的严重危害。有关具体搭配比例及栽培模式还有待进一步的研究。
参 考 文 献
1 林良斌,官春云. Bt 毒蛋白与植物抗虫基因工程.生物工程进展, 1997, 7( 2) : 51～55.
2 崔洪志.我国抗虫转基因棉花研究取得重大进展.中国农业科学, 1996, 29(1) : 93.
3 Michael P H, Frank G Z, Lloyd T W, et al. Field evalu at ion of trans genic tobacco containing genes encoding B acil lus
thur ing giensi s d-Endotoxin or cow pea t rypsin inhibitor: eff icacy agains t H el icov erpa z ea( Lepidoptera:Noctu idae) . J.
Econ . Entomol . , 1992, 85( 6) : 2516～2522.
4 王武刚,姜永幸,杨雪梅,等.转基因棉花对棉铃虫抗性鉴定利用研究初报.中国农业科学, 1997, 30( 1) : 7～12.
204 林 业 科 学 研 究 第 12卷
5 吴中心.抗虫基因烟草 Nc89纯合品系的获得及大田抗虫试验.中国烟草学报, 1995, 2( 4) : 29～33.
6 郭三堆.植物Bt 抗虫基因工程研究进展.中国农业科学, 1995, 28( 5) : 8～13.
7 周兆斓,朱祯.植物抗虫基因工程研究进展.生物工程进展, 1994, 14( 4) : 18～24.
8 田颖川,李太元,莽克强,等.抗虫转基因欧洲黑杨的培育.生物工程学报, 1993, 9( 4) : 291～297.
9 Kar l W K, David D E , Brent H M , et al . Field evaluat ion of tr ans genic poplar express ing a B acil lus thuring iensis
cry1A ( a) d-Endotoxin gene against fores t tent caterpillar ( Lepidoptera: Lasiocampidae ) and gypsy moth
( Lepidotera: Lymantr iidae) followin g w inter dorm ancy. Environ. Entomol. , 1995, 24( 5) : 1358～1364.
10 薛贤清编著.森林害虫预测预报.北京:中国林业出版社, 1991. 89～90.
Field Test on Insect-resistance of Transgenic plants
(Populus nigra) Transformed with Bt Toxin Gene
H u J ianj un
1) L iu Qingy i2) Wang K esheng1)
Zhang Baoen
2) T ian Yingchuan3) H an Yif an1)
( 1) Th e Research Inst itute of Fores t ry, CAF, 100091, Beijing, Ch ina; 2) Manas Plain Farm, 832206, Manas, Xin jian g,
C hina; 3) The In st itute of M icrobiology, the Ch ines e Academ y of S cience, 100080, Beijing, Ch ina)
Abstract Based on the r ate of damaged leaves o f t ransgenic plantation, larv ae and pupae
density in the so il, the r esistance of t ransgenic Pop ulus nigra to Apocheima ciner arius and
Orthosia incerta is evaluated. T he rate of damaged leaves of tr ansgenic stand is 10%, low er
than the 40% of pro tect ion and contro l index . T he rates o f damaged leaves of bo th P . nigr a
controls ( Ck2 and Ck3) and non-transgenic plants ( P. × eur americana ( Dode) Guineir cv.
‘Robusta’) in the t ransgenic plantation are low er than those plants o f the around stands,
respect iv ely . M eanwhile, the less damage of the non-tr ansgenic plants benefit s f rom the
decr ease o f the larv ae caused by the t ransgenic plants. As a result , the pupae per square meter
in the t ransgenic plantation so il is 18, much lower than 88 and 73 pupae of P . ×
euramer icana ( Dode) Guineir cv. ‘Robusta’and P . nigra stands around.
Key words Populus nigra; Bt tox in gene; field evaluation of insect-resitance; insect-
resitance breeding
205第 2 期 胡建军等: 欧洲黑杨转 Bt 毒蛋白基因植株大田抗虫性测定