温室条件下以生态适合度评估抗除草剂转基因水稻和油菜分别向杂草稻和野芥菜基因漂移的风险

摘要

抗除草剂转基因作物田间释放带来的生态问题之一，就是抗性基因通过基因流漂移到野生/杂草近缘种中，从而给当地的生物多样性造成威胁。因此，在释放前对其潜在的风险做出评估十分必要。转基因作物与野生/杂草近缘种间基于花粉的基因漂移有杂交、回交以及持续这种方式所产生的后代的适合度问题。野生/杂草近缘种在接受了抗性基因后能否在所处生境中生存定居就取决于它的生态适合度。本文即从适合度的角度，在温室条件下研究了抗除草剂转基因水稻（Oryza sativa）与杂草稻（0.sativa f.spontanea）杂交、油菜（Brassica napus）与野芥菜（B.juncea var.gracilis Tsen et Lee）回交所得的携带抗性基因的后代在营养、生殖两个阶段上的表现。分析它们和各自的野生/杂草近缘种相比的适合度差异，从而评价其成功发生基因漂移的可能性。通过对两种不同转基因作物后代的生态适合度研究有助于比较揭示出适合度在转基因作物安全性评价中的普遍意义。本文的主要研究内容和结果如下：
　　 1.接受转基因水稻抗除草剂基因的杂草稻杂交子代F1、F2的生态适合度比较
　　 以两种抗草丁膦转基因水稻Y0003、99-t和三种类型的杂草稻4号、AH、share177杂交所得的携带抗性基因的子代F1、F2为研究对象，研究这些子代的适合度成分，包括株高、单株分蘖数、茎粗、剑叶长、剑叶宽、剑叶面积、净光合速率等营养指标；花粉生活力、单株圆锥花序数、小穗数/花序、套袋自交结实率、落粒率、穗长、粒长、粒宽、粒厚、百粒重等生殖指标。结果表明，4×Y F1、Y×4目的总适合度分别达到1.12、1.1，与转基因亲本Y0003的1.2无显著差异，但明显高于杂草稻亲本4号的1；4×Y F2、Y×4 F2的总适合度分别为1.02、1.04，均与杂草稻亲本4号无显著差异。可见，F2的适合度比F1略有下降，但接近于杂草稻亲本的水平。换句话说，F1、F2具有与杂草稻相近甚至略高的生存竞争能力。因此，向杂草稻成功发生抗性基因漂移而造成基因污染的风险不容小觑。杂草稻亲本的特性对杂交子代的表现影响很大，而受杂交方向和转基因水稻基因型的影响较小。杂交代还具有形成自生苗的潜力。
　　 2.接受转基因水稻抗除草剂基因的杂草穑杂交子代F2、F3的生态适合度比较
　　 以两种抗草丁膦转基因水稻Y0003、99-t和两种类型的杂草稻4号、AH杂交所得的携带抗性基因的子代F2、F3为研究对象，研究这些子代的适合度成分，包括株高、单株分蘖数、茎粗、剑叶长、剑叶宽、剑叶面积、地上部生物量、叶绿素荧光参数Fv/Fm等营养指标；花粉生活力、单株圆锥花序数、小穗数/花序、套袋自交结实率、落粒率、穗长、粒长、粒宽、粒厚、百粒重等生殖指标。结果表明，若以对应杂草稻亲本的总适合度值作为比较的标准“1”，则4×Y F2、F3的总适合度分别达到0.93、0.95，AH×Y
　　 F2、F3的分别为0.94、1.02，4×99-t F2、F3的为0.98、1.04，AH×99-t F2、F3为0.92、0.99，均与其杂草稻亲本无显著差异。说明F3的适合度没有降低，保持在与其杂草稻亲本相近的水平上，具有较强的生存竞争能力，因此向杂草稻成功发生抗性基因漂移而造成基因污染的风险不容小觑。杂草稻亲本的特性对杂交子代的表现影响很大，而受杂交方向和转基因水稻基因型的影响较小。杂交代还具有形成自生苗的潜力。
　　 3.接受转基因油菜抗除草剂基因的野芥菜回交二代、回交三代和回交二代子一代的生态适合度比较
　　 以抗草丁膦和抗草甘膦转基因油菜和野芥菜回交所得的携带抗性基因的回交二代、回交三代以及回交二代子一代为研究对象，研究这些后代在单种、双种、混种三种种植方式下的适合度成分，包括抽薹期、株高、单株分枝数、茎粗、莲座状直径、叶绿素荧光参数Fv/Fm等营养指标；单株开花数、花粉生活力、单株角果数、角果长、每角果饱粒数、每角果结实率、百粒重等生殖指标。结果表明，通过不断回交后野芥菜基因的持续渗入，可使回交代的总适合度回复到轮回亲本野芥菜的水平。这意味着它们在自然条件下能自行完成生活史的可能性较大，从而极大地威胁着周围芸薹属野生近缘种植物的多样性。但在本实验设计的条件下，反向回交、种植方式对总适合度值的影响较小。回交代还具有形成自生苗的潜力。
　　 4.接受转基因油菜抗除草剂基因的野芥菜回交二代子二代、回交三代子一代和回交四代的生态适合度比较
　　 以抗草丁膦和抗草甘膦转基因油菜和野芥菜回交所得的携带抗性基因的回交二代子二代、回交三代子一代以及回交四代为研究对象，研究这些后代在单种、双种、混种三种种植方式下的适合度成分，包括抽薹期、株高、单株分枝数、茎粗、莲座状直径、地上部生物量等营养指标；花期、单株角果数、角果长、每角果饱粒数、每角果结实率等生殖指标。结果表明，通过不断回交后野芥菜基因的持续渗入，可使回交代的总适合度回复到轮回亲本野芥菜的水平。这意味着它们在自然条件下能自行完成生活史的可能性较大，从而极大地威胁着周围芸薹属野生近缘种植物的多样性。同时本实验结果也表明，反向回交、种植方式可在一定程度上影响总适合度值的大小。
　　 综上所述，由于杂交或回交后代的生活力与其野生/杂草亲本不相上下，表明抗除草剂转基因水稻和油菜分别向杂草稻和野芥菜的基因漂移并不存在适合度上的障碍。且各后代所结的种子具有成为自生苗的潜在隐患。鉴于上述风险，它们的大面积田间推广需要审慎考虑，应尽可能采取切实有效的措施防止基因污染的发生。

目录

文摘

英文文摘

前 言

第一章 文献综述

1 全球生物技术商业化及转基因作物的现状

2 中国转基因作物的发展

3 基因漂移与生态适合度

4 转基因水稻的基因漂移及适合度研究

4.1 转基因水稻外源基因漂移频率的检测

4.2 转基因对野生,杂草群体生态适合度的影响研究

5 转基因油菜的基因漂移及适合度研究

第二章 接受转基因水稻(Oryza sativa)抗除草剂基因的杂草稻(O.sativa f.spontanea)杂交子代F1、F2的生态适合度比较

摘要

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.2 实验方法

2 结果与分析

2.1 室内抗性筛选

2.2 抗性检测

2.3 F1、F2代的生态适合度表现和总适合度比较

2.4 形态学和农艺学特性观察

2.5 种子的休眠性

2.6 种子活力的保持时间

3 讨论

第三章 接受转基因水稻(Oryza sativa)抗除草剂基因的杂草稻(O.sativa f.spontanea)杂交子代F2、F3的生态适合度比较

摘要

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.2 实验方法

2 结果与分析

2.1 室内抗性筛选

2.2 抗性检测

2.3 F2、F3代的生态适合度表现和总适合度比较

2.4 形态学和农艺学特性观察

2.5 种子的休眠性

2.6 种子活力的保持时间

3 讨论

第四章 接受转基因油菜(Brassica napus)抗除草剂基因的野芥菜(B.juncea var.gracilis Tsen et Lee)回交二代、回交三代和回交二代子一代的生态适合度比较

摘要

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.2 实验方法

2 结果与分析

2.1 抗性筛选的分离比例

2.2 PCR检测各回交代的抗性基因

2.3 抗草丁膦油菜回交代的生态适合度表现和总适合度比较

2.4 抗草甘膦油菜回交代的生态适合度表现和总适合度比较

2.5 不同种植方式的比较

2.6 种子的休眠性

2.7 种子活力的保持时间

3 讨论

第五章 接受转基因油菜(Brassica napus)抗除草剂基因的野芥菜(B.juncea var.gracilis Tsen et Lee)回交二代子二代、回交三代子一代和回交四代的生态适合度比较

摘要

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.2 实验方法

2 结果与分析

2.1 抗性筛选的分离比例

2.2 PCR检测各回交代的抗性基因

2.3 抗草丁膦油菜回交代的生态适合度表现和总适合度比较

2.4 抗草甘膦油菜回交代的生态适合度表现和总适合度比较

2.5 不同种植方式的比较

3 讨论

全文讨论与总结

1 转基因水稻与杂草稻杂交子代的适合度研究

1.1 杂交子代的适合度表现对其生境的影响

1.2 杂草稻类型与子代适合度的关系

1.3 正反杂交方向与转基因水稻的基因型对子代适合度的作用

2 转基因油菜与野芥菜回交后代的适合度研究

2.1 回交次数对回交代适合度的影响

2.2 正反回交方向对回交代适合度的作用

2.3 环境因素与回交代适合度的关系

3 后代逸生成自生苗的可能性

4 适合度研究在转基因作物安全性评价中的意义和地位

5 适合度指标对不同作物研究的通用性

6 安全性评估方法和内容的探讨

7 结语

参考文献

附 录

致 谢