转Bt基因抗虫棉的生物安全性研究进展

转Bt基因抗虫棉的生物安全性研究进展作者：王立国李菲刘勤红等来源：《山东农业科学》2014年第07期摘要：作为一种生物技术产品，转Bt基因抗虫棉的生物安全性一直是人们关注和争论的焦点。

世界上许多棉花主产国通过严格的试验从基因漂移、靶标害虫对Bt蛋白的抗性产生及治理对策、抗虫棉种植对非靶标昆虫及土壤生态系统的影响以及转Bt基因抗虫棉产品的食品安全性等方面进行了大量研究。

迄今为止，尚未发现有关生物安全方面的问题。

由于对棉铃虫等鳞翅目害虫的有效控制及其所产生的经济和生态效益，转Bt基因抗虫棉已经为越来越多的人们所接受，对维持世界棉花的可持续发展产生了不可替代的作用。

关键词：转Bt基因抗虫棉；生物安全；基因漂移；靶标昆虫；土壤生态系统中图分类号：S562∶S336文献标识号：A文章编号：1001-4942（2014）07-0150-07AbstractAs a biotech product， the biosafety of transgenic Bt cotton is always the focus of attention and controversy. The leading cotton producing countries in the world have conducted extensive researches from the aspects of gene flow， resistance of target insects to Bt protein and its countermeasures， the impacts of Bt cotton on non-target insects and soil ecosystem， as well as the food safety of Bt cotton products. So far， there was no potential hazard. As a result of its effective control of Lepidopteran insects and the economic and ecological benefits， the transgenic Bt cotton have been widely accepted，and it has been playing an irreplaceable role in maintaining the sustainable development of global cotton production.Key wordsTransgenic Bt cotton； Biosafety； Gene flow； Target insects； Soil ecosystem转Bt基因抗虫棉最早于1996年在美国获准进行商业化生产，随后澳大利亚、中国、墨西哥、南非、哥伦比亚、印度等国家开始引进和推广。

截至2009年，美国的转基因棉花种植面积占总面积的88%，其中转Bt基因抗虫棉面积占65%以上。

我国于1997年开始种植转基因抗虫棉，并迅速得到了大面积普及和推广，截至2012年，Bt基因抗虫棉在我国的栽培面积已达到棉花面积的75%以上。

Bt基因抗虫棉的种植有效控制了棉铃虫等鳞翅目害虫的危害，大大降低了广谱性杀虫剂的应用，提高了棉花单位面积产量和效益，在棉花生产上发挥了重要作用。

但是作为一种生物技术产品，Bt基因抗虫棉对人类健康和环境可能有潜在的负面影响，在试验研究的各个环节必须进行严格的审批和管理，并在释放前进行转基因生物安全性评价。

近年来，国内外针对转Bt基因抗虫棉的安全性进行了大量研究，本文从Bt杀虫蛋白对人类及动物的食品安全性、基因漂移、Bt蛋白对土壤生态系统及棉田非靶标害虫的影响以及害虫抗性治理策略等方面就近年来国内外的相关研究进行了综述。

1Bt杀虫蛋白对人类及动物的食品安全性1.1Bt杀虫蛋白对靶标害虫的作用机理目前已经进行商业化应用的转Bt基因抗虫棉所含外源杀虫基因均来自苏云金杆菌（Bacillus thurigiensis， Bt），主要包括杀虫晶体蛋白（Insecticidal Crystal Proteins， ICPs）基因cry1Ac、cry1Ab、cry2Ab2以及营养期杀虫蛋白（Vegetative Insecticidal Proteins， VIP）基因Vip3A等，其中Cry1蛋白对鳞翅目害虫有专一性；Cry2蛋白对鳞翅目和双翅目害虫有专一性；而VIP3A蛋白对棉铃虫、烟草夜蛾、红铃虫等某些鳞翅目害虫有专一性。

Cry杀虫晶体蛋白在pH 9.5以上的昆虫碱性中肠液中溶解，在胰蛋白酶作用下，切除C-端，加工成有活性的毒蛋白，再与中肠上皮细胞刷状缘膜囊泡（Brush Border Membrane Vesicles， BBMV）的受体结合，形成孔道，中肠细胞溶解破碎，导致死亡；而VIP3A毒蛋白在pH1.2Bt杀虫蛋白对人类及动物的食品安全性棉籽具有较高的赖氨酸含量，是一种重要的植物蛋白，常加工成食品或动物饲料。

棉籽油是世界第六大植物油来源，通常作为烹调、煎炸用油或沙拉汁而广泛使用。

因此转基因抗虫棉Bt杀虫蛋白对人类和动物的食品安全性备受关注。

在转基因抗虫棉品种释放之前，通常对Bt 杀虫蛋白进行氨基酸序列同源性比对、动物饲喂试验、体外消化分析及口服毒性测试等毒理检测来评价其安全性。

来自共同祖先的同源蛋白具有相似的氨基酸序列，通常具有结构和功能相似性。

因此将杀虫蛋白与目前已知的人和动物的毒性蛋白质进行氨基酸序列相似性比较，可以发现杀虫蛋白对人类和动物的潜在毒性。

通过将Cry1Ac、Cry1Ab、Cry2Ab2及Vip3A的氨基酸序列与PIR、EMBL、SwissProt及GenBank蛋白质数据库比对，均未发现其与已知毒蛋白具有序列相似性。

另外将这些杀虫蛋白与过敏原蛋白氨基酸序列进行比对，也未发现序列相似性，因此认为Bt杀虫蛋白不具有已知过敏原的特性，即不存在潜在过敏性。

事实上早在转基因抗虫棉释放之前，在全球范围内Bt杀虫剂已在多种作物上得到了广泛应用，对控制鳞翅目害虫发挥了重要作用，没有对人类健康和环境产生不利影响[2]。

人类或动物肠道为酸性环境，pH值约1.5，且缺乏可与Bt杀虫蛋白结合的受体[3～5]，因此Bt杀虫蛋白难以在人类及动物中发挥毒性效应。

Betz 等（2006）[6]以4 200 mg/kg体重的高剂量Cry1Ac蛋白饲喂小鼠，结果未显示出急性口服毒性效应；分别用Cry1Ac、Cry2Ab蛋白对蜜蜂、草蛉幼虫、寄生蜂、瓢虫、弹尾虫、蚯蚓、鹌鹑和小鼠等进行试验，在超过预期环境浓度10～100倍的剂量下，受试物种的生长发育均未发现明显不利效应。

Castillo等（2001）[7]分别用含转基因和非转基因棉籽成分的饲料饲喂小鼠、河鲶、奶牛，在体重增长、生存能力、健康状况及产奶量等方面二者之间无显著差异。

孟山都公司分别用含Cry1Ac蛋白500、1 000、4 300 mg/kg 体重的饲料饲喂大鼠、小鼠、家兔、羊等，均未发现明显的急性毒性效应，这些动物在体重、食物消耗及其它方面与对照无明显差异。

先正达公司以1 450 mg/kg体重的Cry2Ab2蛋白饲喂小鼠，也未发现有毒性效应；用大剂量的Cry1Ab蛋白对地上节肢动物花蝽与瓢虫、地下节肢动物隐翅虫与弹尾虫、传粉动物蜜蜂、鸟类鹌鹑、哺乳动物老鼠、水生无脊椎动物水蚤、鱼类鲶鱼等进行试验，也均未发现对受试生物产生明显不利影响。

在印度，利用Bt棉籽饲料饲喂山羊、水牛、奶牛、家兔、鸟和鱼，结果均显示没有副作用，与对照试验动物无显著差异。

陈松等用含抗虫棉棉籽的饲料饲喂小鼠、大鼠、鹌鹑和鲤鱼等，与对照相比均未发现明显差异，但长期饲养是否有慢毒性或对后代是否有影响还需进一步研究[8，9]。

由于棉花花粉粒大且有粘性，不会随风进行长距离扩散，接触到水生生物的可能性极小。

种子和植物残渣也不易通过陆地径流或风扩散到水生群落。

据此，美国国家环境保护署（EPA）认为：在遵循转基因生物标识制度的前提下，Cry蛋白对非靶标生物如鸟类、淡水鱼类、淡水无脊椎动物类、近海和深海动物、节肢动物捕食类/拟寄生类、蜜蜂、环节动物类以及野生哺乳动物等的毒性和传染性风险极小甚至是不存在的。

2基因漂移2.1Bt基因向棉花近缘植物的转移基因漂移是指一种生物的目标基因向附近野生近缘种的自发转移，使后者具有目标基因的一些优势特征，可导致整个生态环境发生结构性的变化。

Bt基因自转基因植株向近缘植物和杂草的潜在转移问题是人们关注的焦点。

棉花的近缘杂草植物极少，主要有陆地棉野生种、夏威夷棉（Gossypium tomentosum）、瑟伯氏棉（Gossypium thurberi）和Gossypium comstocksii等。

陆地棉起源于中美洲墨西哥一带，遍布于加勒比海、南美洲北部及一些太平洋群岛上。

根据形态和地理分布，主要有7个陆地棉野生种系：尤卡坦棉（Yucatanense）、尖班棉（Punctatum）、阔叶棉（Latifolium）、马丽加朗特棉（Marie-Galante）、鲍莫尔氏棉（Paimeri）、莫利尔氏棉（Morrilli）和李奇蒙德氏棉（Richmondii）。

陆地棉野生种属濒危物种，为了保护生物多样性，美国在陆地棉野生种存在区域如佛罗里达州中南部严禁种植转基因抗虫棉，以防止抗虫棉同野生陆地棉进行天然杂交。

夏威夷棉是一种稀有植物，仅存于美国夏威夷群岛，没有杂草化倾向或侵害特性。

尽管在实验室和温室控制条件下，夏威夷棉可以同陆地棉杂交并产生可育后代，但通过分子标记分析未找到陆地棉基因在自然条件下向夏威夷棉转移的证据[10]。

作为一种预防措施，美国环境保护署禁止Bt棉在夏威夷进行商业化利用。

瑟伯氏棉不是濒危物种，存在于美国南亚利桑那山区，由于其仅含D染色体组，与陆地棉杂交不亲和，因此不可能发生天然异交。

Gossypium comstocksii仅发现于印度古吉拉特邦北部非棉花种植区。

另外，广泛分布于亚洲和非洲等地区的亚洲棉和草棉，均为二倍体A染色体组，也不能与陆地棉发生天然杂交。

因此，由于杂交不亲和性、花期不遇或地理隔离等原因，Bt基因自转基因抗虫棉向陆地棉野生种或近缘植物发生基因漂流或基因渐渗的可能性是基本上不存在的。

2.2Bt基因向土壤微生物的横向转移横向基因转移（Horizontal gene transfer）是指DNA自一个物种向另一个物种的转移。

在自然条件下苏云金芽孢杆菌的各亚种或菌系存在于土壤中，各种cry基因有可能通过转化、接合或转导等途径由苏云金芽孢杆菌向其它土壤微生物进行横向转移。