转基因棉花环境安全性研究进展

转基因棉花环境安全性研究进展
随着转基因技术的大力推广与发展．转基因产品在给人类带来巨大经济利益的同时．食品与环境安全的问题备受社会关注。

其中转基因棉花大面积种植尤为重要．利益与安全应该同步发展与推广才能得到人们认可。

2008年，全球共有10个国家（前5位包括：美国、阿根廷、巴西、印度、加拿大）增加种植了混合型转基因棉花，其中美国种植转基因棉花达78%：印度多数种植转Bt基因棉花，种植面积占印度种植棉花总面积的82%m。

种植的转基因棉花既是主要的纤维经济作物．同时也是仅次于大豆的重要油料和蛋白质作物．全球种植转基因棉花的面积为2100万hm2．位居种植转基因农作物物种的第3位，而国内种植转基因棉花的面积达到530万hm2。

北美地区和澳大利亚是种植转基因抗除草剂棉花面积最大的地区与国家，在2007年孟山都第二代抗草甘膦棉花在美国与澳大利亚种植面积达80×104 hm2。

抗除草剂有效解决棉花杂草的危害，并扩大除草剂施用范围，降低了除草费用．达到低投入和高产出的目的。

因此，在广泛种植转基因棉花过程及生产应用中存在风险随之产生，主要包括：抗除草剂棉花有成为杂草的可能：基因漂移威胁棉花近缘物种：转基因棉花的应用会加速害虫抗性进化：转基因棉花对
非靶标有益生物的影响：转基因棉花对土壤生态环境的影响。

笔者旨在对转基因棉花的研究情况进行综述、讨论及展望。

1 种植转基因棉花的优势
1.1 种植转Bt基因棉花对环境的影响
首先．经过长时间种植转Bt基因棉花对环境影响较明显：棉田中的益虫增多，周围其他农田受益，整个农田生态系统呈良性发展态势。

Bt基因具有天然杀虫特性，能够杀死害虫中的蛋白质。

在国内主要防治棉铃虫．对其他害虫也有间接防治效果，在转基因棉花田中瓢虫、蜘蛛和草蛉等益虫的数量都出现上升．它们会捕食蚜虫等害虫，从而间接起到防治虫害的效果。

同时不仅是转基因棉花田受益，这些益虫还会进入邻近的大豆、花生、玉米等非转基因作物田．使整个地域的农田生态系统向有益方向发展。

转Bt基因抗虫棉对鳞翅目靶标害虫具有良好的控制作用，减少了化学杀虫剂的使用，降低了对环境的污染，保证了人畜的安全，提高了农民的收益。

Mat in等研究发现，印度转基因棉花单产相对增加34.3%．而中国只增加6.11%．美国更少．仅为2.36%。

朱行等通过对印度种植转基因棉花研究发现，种植转基因棉花单产增加31%．杀虫剂使用量减少39%．利润增长88%，同时还保护环境，增进健康。

Huang对农户种植Bt抗虫棉与非转基因棉的成本收益进行比较指出．农药施用量大幅度减
少．转基因技术显著减少了对环境和农民身体健康所造成的危害。

转基因抗虫棉在中国普及以后，每年用于防止棉铃虫类害虫的化学农药的使用量减少1.5万t．相当于中国化学杀虫剂年生产总量的7.5%左右：棉农的劳动强度和防治成本显著下降．棉农中毒事件降低了70 %-80%．棉农生命健康得到了有力的保障，促进了民生质量提高。

但韩艳旗等提出．因技术进步所产生的“农业踏车效应”朝不利于农民福利的方向发展，包括我国棉农在内的各国棉花生产者都因种植转基因棉花而在经济利益上遭受显著损失。

1.2棉田生态环境的变化
棉田生态环境得到明显改善。

由于棉田用药量大幅度下降，棉田昆虫种类数量增多，益虫与害虫动态平衡趋于协调，维护了棉田原生态的多样性。

棉田棉铃虫口密度急剧下降．棉田可输出害虫数量减少，减轻了大范围内玉米等其他作物的外来虫口数量，在更大的范围内使得农作物受益。

在国内北方6省份采用抗虫棉对棉铃虫进行控制．不仅有效地控制了棉花上棉铃虫的危害，而且其他作物上（如玉米、大豆、小麦、花生、蔬菜等）的棉铃虫种群数量比原先大为减少．但转基因棉对甜菜夜蛾的抗性不强。

还有研究表明，种植转Bt棉花破坏了棉铃虫在华北地区季节性多寄主转换的食物链，压缩了棉铃虫的生态地位，不仅有效地控制了棉铃虫对棉花的危害，而且对棉铃虫在其它宿主作物（玉米、大
豆、花生和各种蔬菜等）上的发生与危害起到了抑制的作用．同时也降低棉花杀虫剂的总体需求。

但Bt棉花对地方农业生态系统中的其它非靶标节肢动物（如杂食性害虫）的长期影响，仍有待进一步评估分析。

1.3转基因棉的潜在安全性
虽然对转基因农作物的安全性已经开展了大量深入而广泛的研究．但其潜在的安全性问题至今尚无定论。

对转入的双价抗病基因的棉花种子越冬能力有显著提高[21]。

对于转基因棉的生物特性而言也有很大的提高．张兴华等对转双价(Chi+Glu)基因抗病棉栽培地生存能力的研究得出，转双价棉较非转基因棉在棉花吐絮期株高、平均单株籽棉增产、单株皮棉增产、种子发芽率及种子的发芽势5个指标呈差异极显著，显示转双价棉花在栽培地的生存竞争显著提高。

王志伟等对外源抗虫基因对转基因抗虫杂交棉正反交的影响研究结果表明．转基因抗虫杂交棉的产量比常规杂交棉有了显著提高，但对纤维品质的影响不大。

2病虫害与钾、氮元素对种植转基因棉花生长发育影响
2.1 病虫害对种植转基因棉花生长发育影响
病虫害严重影响棉花的生长与发育。

棉花是重要经济作物，在生长发育过程中易受到真菌、细菌病害以及线虫的侵染．从而造成产量及品质的下降。

黄萎病菌侵染严重影响着棉花的生长发育与产量的提高。

棉铃虫是棉花主要虫害，因
而棉铃虫杀虫剂的使用间接抑制了盲蝽蟓种群的扩大，但种植Bt棉花使盲蝽蟓成为棉花的主要害虫。

因此，转基因作物的地区种植可能会给不同生物的生态状况带来各种直接和间接的影响。

李海强等研究显示，取食转Bt基因棉花对棉蚜个体生长发育没有负面影响．转Bt基因棉花对棉蚜生长发育和繁殖是安全的。

在转基因棉田要把握好害虫的防治适期和防治指标，尽量减少农药的使用次数和使用量，以免甜菜夜蛾对Bt和化学农药都产生抗性，进而造成甜菜夜蛾大暴发的局面。

2.2钾、氮元素对种植转基因棉花生长发育影响钾、氮元素是转基因棉的必需元素，缺钾营养会引起棉花早衰加重，制约着棉花生产与发育。

Pettigrew研究指出，缺钾导致叶片中碳水化合物积累增加．而用于生殖器官发育并形成产量的碳水化合物必然减少，因缺钾导致棉花早衰、品质变劣及产量下降的主要原因之—。

适量的氮能够改善棉花叶片的光合作用，生育后期叶片保持较高生理活性，延缓植株中、下部叶片的衰老。

刘连涛等研究显示，缺氮引起整株叶片叶绿素、可溶性蛋白含量大幅度下降，丙二醛含量升高，加速衰老进程嘲。

朱建芬等研究得出，维持一定氮钾营养水平利于保持棉花中后期主茎功能叶生理活性，从而有效延缓衰老。

因此．良好氮钾供应水平，有利于改善蛋白质代谢，促进棉花生育后期光合作用，清除活性氧及细胞膜保护系统等生理功
能，防止或者延缓早衰．也是维持土壤肥力水平，是棉花增产的保障。

3转基因棉花的杂草化及对土壤微生物的影响
3.1 转基因棉花的杂草化
棉花是人们赖以生存的重要经济作物，中国棉田因杂草危害常年造成损失为14%-16%．严重制约棉花的生产品质。

虽然转基因较非转基因棉花的抗虫性、抗逆性及生存竞争力强，但棉花本身不具有杂草特性，不会入侵其他植物栖息地，破坏自然种群平衡，所以，一般情况下．转基因棉花不会出现杂草化问题。

但随着棉田除草剂的大量使用，令不同程度上地对棉花造成危害，如果抗除草剂基因从棉花漂移到杂草上，很可能出现抗（耐）除草剂的“超级杂草”。

棉田杂草研究存在的主要问题是．因除草剂的种类及技术使用不当，使得药害频繁发生：因杂草种群交替演变加快，使得防除技术滞后：因转基因抗除草剂棉花的研究技术水平滞后，使得杂草丛生。

王振宇等对转基因棉花及其常规未转基因的棉花（受体）在野外自然条件下生存能力的研究得出．转抗病基因棉花较杂草的竞争中均处于弱势：转抗病基因棉花在荒地自然条件下的种子、植株残体（根或植株片段）均不能安全越冬，不会成为杂草。

王秀丽等人对除草剂造成转基因抗除草剂棉花雄性不育进行研究，其结果显示，喷洒除草剂不会
造成抗性植物死亡．但对其育性造成明显影响．即结铃性相对较差，结铃后易脱落。

3.2转基因棉花对土壤微生物的影响
转基因抗虫棉技术的飞速发展大大减少了杀虫剂的使用，并带来了巨大的经济与环境效益．同时也可能带来部分生态与环境风险，例如对土壤生物的非靶标生物产生的不利影响。

转基因抗虫棉在生长过程中可因植株残体、根系分泌物和花粉等向土壤中释放外源蛋白而成为土壤生物的食物。

多数研究表明转基因抗虫作物对土壤微生物群落不会造成影响．或造成的一些影响不会在其生长期内持续出现．但转基因棉花对土壤微生物的影响却比较明显。

Donegan等通过DNA指纹分析发现美国2种Bt抗虫棉土壤中微生物数量、种类和组成与常规棉差异显著。

Shen等通过研究不同生育期、收获后以及转基因棉花不同秸秆还田量修饰土壤后，土壤微生物的群落结构没有发生变化。

Sun等研究认为土壤酶的变化可能是由转基因棉花组织施入土壤影响了土壤微生物所致。

范巧兰等人通过对转Bt基因棉与常规棉根际土壤的细菌、放线菌、真菌及不同生理菌群数量变化在不同的发育时期进行对比研究．结果显示转基因棉花对土壤微生物有明显的影响．但在各个生育期各种微生物种类及其生理群表现不太一致。

李孝刚等研究得出，随棉花生长期的不同．棉田土壤各种微生物数量呈明显季节变化：但是与种植非转基因棉
对照相比，长期种植转基因抗虫棉对土壤微生物数量无显著影响。

Li等研究结果发现多年种植转基因棉花对土壤微生物没有影响，与Chen等的研究结果相悖。

也有研究表明，转B t基因棉花提高了土壤细菌和真菌的数量[删。

范巧兰等利用磷脂脂肪酸(Phospho-lipid fatty acid，PLFA)图谱分析法对转基因与非转基因棉花品种不同生物量对土壤微生物群落结构的影响研究得出，随着棉花生物量的增加，土壤微生物总量显著增加．而且土壤微生物群落结构发生明显变化．细菌和放线菌所占比例明显减少，真菌比例显著增加。

转基因棉花与非转基因棉花的差异因品种和还田量而表现不同．随着种植年限的增加，根系分泌物和作物残体不断进入土壤系统，毒蛋白被土壤吸附并在土壤中积累影响着土壤生态系统。

美国种植的转Bt基因抗虫棉土壤微生物的数量与种类在不同品种中表现不一致，有的品种与常规棉花差异显著，有的不显著。

在连续种植转基因棉，会导致根系分泌物和秸秆残叶进入土壤生态系统．转基因棉花对土壤微生物的群落结构及其土壤生态安全的影响还有待进一步研究。

4展望
转基因生物安全问题与民生及农业发展息息相关．转基因技术的发展与应用对棉花产生巨大促进与推动作用，植物转基因安全评价问题存在诸多研究争论，仍需要进一步研究与探讨。

发达国家转基因技术较国内成熟，易于向全世界推
广与普及，国内在转基因生物安全方面所作的研究仍处于初级阶段，实验结果仍需进一步的研究与实践。

国家应加大对转基因棉的研究力度与资金投入．现在生物安全研究主要靠国家专项资金投入，来推动转基因棉的研究与发展，根据转基因棉生物安全的发展规划与趋势科学的改进转基因方法，严格界定转基因作物种类、培养更加专业的转基因的科研人才及规范转基因生物安全的法律法规的建设等对今后的转基因棉花的研究起到了积极的促进作用。

在种植与管理上，要加大力度培育研发种植转（抗）多种基因的棉花．交叉或轮换种植具有不同特性的转基因棉类型，建立健全转基因棉的多种灾害的综合防治服务体系。

在转基因棉花的研究过程中．针对环境安全评价的文章较多．但对食品安全性评价研究较少。

因此，需要加大力度对转基因棉花食品安全性研究工作，多方面进行试验与应用研究。

于梦瑶等对小鼠食用转基因棉籽壳栽培毛木耳进行毒理学评价．初步说明利用转基因棉籽壳栽培毛木耳是安全的[51]。

由于常年施用除草剂，不同种类的杂草选择抗性的能力增强，部分种类杂草产生抗性[52-54]的问题有待进一步研究与解决。

研究应用抗草甘膦转基因棉花可以大量减少除草用工，降低植棉成本．对提升我国棉花育种水平、增加棉花产业的经济效益具有重要意义。

未来转基因棉花的的杂草防治研究趋势为，加强棉田杂草基础理论的研究：加强新型
除草剂的研发与创新：加强杂草抗药性的监测与治理：推动生物除草剂的研发：提高转基因抗除草剂棉花研发与应用。

因此，未来发展主要以2种及2种以上基因融合重新获得抗除草剂转基因棉花品种，并充分结合当地的特点，在有效解决棉田中出现的杂草，保证提高棉花产量与质量的同时，增加棉农的经济效益。

左娇②郭运玲孔华黄启星徐林周霞郭安平③（中国热带农业科学院热带生物技术研究所）。