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    轉基因作物與環境安全評價

    2019-11-10 19:55 | 作者: 姜奇彥 胡正 孫現軍 張輝 | 標簽: 環境安全評價

    作者 姜奇彥,胡正,孫現軍,張輝(中國農業科學院作物科學研究所)

    1 國際以及我國的轉基因作物發展

    1996年,國際農業生物技術應用服務組織(ISAAA)通過廣泛的全球網絡收集了全球轉基因產品相關信息,發布了《全球生物技術/轉基因作物商業化發展態勢》年度報告,因此1996年也被稱為轉基因商業化的第一年。2018年是轉基因作物商業化的第23個年頭,轉基因作物的全球種植面積達到1.917億公頃的新紀錄,自1996年以來增長了約113倍,累計達到25億公頃。除2015年外,這是第22個增長年份(圖1上)。中國的轉基因作物種植面積近十年來并沒有什么大的變化(圖1下)。


    圖1 世界(上)及中國(下)轉基因作物種植面積 (數據來源于ISAAA)

    世界上多少個國家或地區應用了轉基因作物?2018年統計,總計70個國家/地區應用了轉基因作物,這里的應用包括直接種植及進口。其中26個國家或地區種植轉基因作物,另外44個國家或地區進口轉基因作物。而五大轉基因作物種植國(美國、巴西、阿根廷、加拿大和印度)占全球轉基因作物面積的91%。中國轉基因作物種植面積在世界上排第七位,2018年種植290萬公頃(表1)。 這里需要提一下巴西,2018年是全球第二大轉基因作物種植國, 但巴西80%的大豆出口到中國。

    排名
    國家
    種植面積(百萬公頃
    轉基因作物
    1
    美國 
    75
    玉米、大豆、棉花、油菜、甜菜、苜蓿、木瓜、南瓜、馬鈴薯、蘋果
    2
    巴西 
    51.3
    大豆、玉米、棉花、甘蔗
    3
    阿根廷
    23.9
    大豆、玉米、棉花
    4
     加拿大 
    12.7
    油菜、玉米、大豆、甜菜、苜蓿、蘋果
    5
    印度
    11.6
    棉花
    6
    巴拉圭
    3.8
    大豆、玉米、棉花
    7
    中國
    2.9
    棉花、木瓜
    8
    巴基斯坦
    2.8
    棉花
    9
    南非
    2.7
    玉米、大豆、棉花
    10
    烏拉圭
    1.3
    大豆、玉米
    11
    玻利維亞
    1.3
    大豆
    12
    澳大利亞
    0.8
    棉花、油菜
    13
    菲律賓
    0.6
    玉米
    14
    緬甸
    0.3
    棉花
    15
    蘇丹
    0.2
    棉花
    16
    墨西哥
    0.2
    棉花
    17
    西班牙
    0.1
    棉花
    18
    哥倫比亞
    0.1
    棉花、玉米
    19
    越南
    0.1
    玉米
    20
    洪都拉斯
    0.1
    玉米
    21
    智利
    0.1
    玉米、大豆、油菜
    22
    葡萄牙
    0.1
    玉米
    23
    孟加拉國
    0.1
    茄子
    24
    哥斯達黎加
    0.1
    棉花、大豆
    25
    印度尼西亞
    0.1
    甘蔗
    26
    埃斯瓦蒂尼
    0.1
    棉花
    總計
    191.7
    表1 2018年全球轉基因作物種植面積,按國家分類(單位:百萬公頃)

    數據來源于ISAAA,2018。

    目前,國際上的轉基因作物都包括什么呢?轉基因玉米、大豆、棉花和油菜的種植面積及應用率都居于前列。除此之外,2018年轉基因作物更加多樣化(圖2),且這些轉基因作物均已上市銷售,包括紫花苜蓿、甜菜、木瓜、南瓜、茄子、馬鈴薯和蘋果。轉基因甘蔗也開始在巴西及印度尼西亞種植。到目前為止,我國批準且已經商業化種植的轉基因作物只有棉花,木瓜和楊樹。轉基因牽?;?、甜椒和番茄雖然中國曾批準投入商業化種植,但因市場原因未能推廣,轉基因水稻2009年獲得安全證書后尚未完成生產許可,實際上也沒有商業化種植。此外,自1997年我國還批準進口用作加工原料的轉基因作物,包括大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜。

    圖2 國際上已經商業化的轉基因作物

    2 轉基因作物環境安全問題

    從上面的敘述中我們看到,國際上轉基因作物的發展非常迅速。但是中國轉基因作物的種植就像近10年來轉基因作物種植面積變化曲線圖一樣曲折,在ISAAA發布的“2018年全球生物技術/轉基因作物商業化發展態勢”的報告中也提到亞太地區包括中國的一些國家實施監管準則并有效管理轉基因產品的時間已有十余年,但是,政策環境的變化和強烈的批評意見成為轉基因作物貿易和商業化的強大障礙。轉基因作物的食品安全問題是最為關注和爭論的焦點,當然,爭論和質疑都是無可厚非的。除此之外,轉基因作物的環境安全問題也成為人們反對轉基因作物商業化種植的一方面理由。

    轉基因作物的環境安全指的是轉基因作物的種植是否會產生潛在的環境和生態影響。轉基因作物環境安全問題引起人們關注和爭論更多是因為一些不實的“轉基因安全事件”,有些是人們隨手一寫然后通過網絡瘋傳,但有些是科研工作者發表在國際權威雜志上被廣泛閱讀傳播。但不管媒介是什么,都要經得起推敲和驗偽后再去相信。例如說我國2012年3月20日以來,各大網絡論壇迅速流傳一帖子《云南大旱的罪魁禍首-轉基因桉樹》。該帖作者(不詳)說“桉樹長得很快,需要大量的水和肥料。云南幾千萬畝桉樹像一臺臺抽水機,吸干了當地的地下水,是導致云貴大旱的根源”。事實上,世界上現在根本就沒有轉基因的桉樹,也沒有任何證據能夠證明種植桉樹能夠引起干旱。發生干旱的廣西西北部不種或極少種桉樹,大面積種植桉樹的廣西東南部和中部卻不是旱區。桉樹的原產地澳大利亞到處是桉樹,并沒有因此干旱連連。 

    再例如加拿大“超級雜草”事件,1995年,加拿大抗除草劑轉基因油菜商業化種植,2000年,加拿大發現同時抗草甘膦、草丁膦和咪唑啉類1-3種除草劑的油菜,有人稱此為“超級雜草”。事實上,這種油菜在噴施另一種除草劑2,4-D后即被全部殺死。所謂的 “超級雜草”并不存在。

    還有美國帝王蝶與轉基因玉米鏖戰的故事。事情的起源是1999年,康奈爾大學的科學家 John Losey在《自然》雜志上發表了一篇論文。他的實驗室發現,如果用撒了Bt轉基因玉米的花粉的葉片喂養帝王斑蝶幼蟲,4天內會有44%的幼蟲死亡,余下的幼蟲還發生了發育緩慢的現象。文章一發表,就引起了公眾的高度關注。其實,在實驗室條件下,某些Bt轉基因玉米會對帝王斑蝶的幼蟲有毒是意料之中的情況。因為這類轉基因玉米本來就是針對鱗翅目害蟲的,身在鱗翅目內的帝王斑當然會受影響。而John Losey實驗室所用花粉的濃度遠遠高于自然條件。那么,在自然條件下,轉基因玉米會危害帝王斑蝶的生存嗎?為了回答這個問題,美國組織了一大批來自不同業界的科學家開展了一項為期兩年的研究。他們用不同的方法,對市場上的Bt轉基因玉米做了一次風險評估。他們的研究結果經過了獨立科學家的評議,以6篇論文的形式發表在了2001年的一期《美國科學院院報》(PNAS)上。John Losey正是這6篇文章的作者之一。研究結論是現有的轉基因玉米花粉不會在野外對帝王斑蝶幼蟲造成危害??紤]到轉基因玉米的種植減少了農藥的使用,它們甚至有助于帝王斑蝶種群的擴大。2000年到2003年,美國的Bt轉基因玉米種植面積的比例從18%增至25%,增長了近40%。與此同時,帝王斑蝶的數量也增加了30%。有記者采訪John Losey,他說到“我不認為我的研究能預測任何東西,轉基因玉米對帝王斑蝶的影響也許很嚴重,也許小到可以忽略。我們的文章只不過說明我們需要更加深入的研究而已。”

    其實很多轉基因作物的種植都對環境產生了有利的影響,如轉基因抗旱作物會減少地球上有限的淡水資源的使用;抗病、抗蟲轉基因作物會減少農藥的使用從而減輕對環境的危害等等。那么,轉基因作物大規模長期的商業化種植對環境或者說生態平衡就沒有任何負面影響嗎?就目前的研究結果看,我們就已經知道答案當然是否定的。所以,不管是國際上,還是我國對轉基因作物進入商業化種植都有嚴格的環境安全評價程序。

    3 轉基因作物嚴格的環境安全評價程序

    我國轉基因作物種植行為受《農業轉基因生物安全管理條例》的規范,實行嚴格的分階段評價。從實驗室研究階段開始,到田間、小規模的中間試驗,再到大規模的“環境釋放”,生產性實驗,安全證書申請的評估等5個階段。中國農業科學院吳孔明研究員指出“現在國際上對轉基因評價基本上是兩種模式,美國模式是對產品進行評估,歐盟模式是對技術過程進行評估,而中國既對產品、又對過程進行評估,此外還增加了大鼠三代繁殖試驗和水稻重金屬含量分析等指標,從這個角度來說,我國的評價體系是全球最嚴的”。

    我國轉基因作物環境安全評價的內容依據不同的目的性狀會有所不同,主要評價內容包括(圖3):1)功能效率的評價,也就是對轉基因作物進行目標性狀的評價,例如對抗旱轉基因小麥進行抗旱性評價,對抗蟲轉基因水稻進行抗蟲能力的評價等。目標性狀必須達到一定的水平才可以進入下一階段的應用和評估。2)生存競爭能力的評價,也就是荒地條件下比較轉基因作物和雜草的生存競爭力,栽培地條件下比較轉基因作物和非轉基因對照作物(轉基因受體對照和非轉基因主栽品種)的生存競爭能力,評價轉基因作物是否具有較強的生存競爭能力從而成為優勢雜草的潛勢,進而破壞生態平衡的可能。3)基因漂移的風險,即外源基因向非轉基因作物和野生近緣種逃逸及其可能帶來的生態后果。4)抗生物脅迫(生物脅迫是指對植物生存與發育不利的的各種生物因素的總稱,如病害、蟲害、雜草危害等)轉基因作物對非靶標生物的影響,如抗棉鈴蟲轉基因棉花對棉鈴蟲之外的植食性生物的影響等。5)轉基因作物對生物多樣性的影響,如轉基因作物對土壤微生物的影響。還包括一些特定性狀的轉基因作物可能引發的環境效應,例如抗生物脅迫轉基因的長期使用是否導致靶標生物對轉基因產生抗性,抗旱轉基因作物長期栽培是否會對土壤理化性質產生影響等等。

    圖3 轉基因作物環境安全評價內容

    對于功能效率的評價,上游研發的課題,也就是創制出轉基因作物的課題已經對轉基因作物的目標性狀進行了嚴格的篩選和評估,例如抗旱轉基因小麥,研究人員要經過多年多點的田間抗旱性評價,轉基因抗旱小麥的抗旱能力要顯著高于受體對照??紤]到轉基因作物的育種價值,受體對照一般選擇當地大面積推廣品種,或者轉基因小麥與大面積推廣品種進行雜交,這樣保證了轉基因小麥的豐產性。所以進行轉基因作物環境安全評價的第一步就是選擇受體材料和當地大面積推廣品種作為對照,進行轉基因作物的目標性狀評價,達到一定標準,如抗旱轉基因小麥的抗旱能力達到抗或高抗級別后,再進行下一項環境安全內容的評價。但對于該轉基因作物目標性狀的評價,不能既當運動員又當裁判員,創制轉基因作物的課題與開展環境安全評價的課題應該不同。

    生存競爭能力的評價是所有轉基因作物都要開展的評價內容。作物本身是經過長期的人工馴化過程的,被稱之為栽培種,它的生存競爭能力遠不及雜草。但轉入外源基因后,如抗旱、耐鹽堿等基因,轉基因作物的抗逆能力增加,有人會擔心抗逆轉基因作物生存競爭能力增強,從而具有成為雜草的可能性。因而環境安全評價內容設置轉基因作物在荒地上與雜草的生存競爭能力比較,以及栽培地上與非轉基因作物生存競爭能力比較。例如,孟山都轉cspB 基因耐旱玉米MON87460,我國進口用作加工原料,對其進行的生存競爭能力評價包括1)14 個植物生長和發育特性指標,包括了不同處理條件下11 個試驗點:6 個充分灌溉和限水處理都存在的試驗點;5 個根據當地正常田間管理及給水條件進行處理的試驗點。2)5 個與萌發及休眠相關的種子萌發參數。3)2 個花粉特性指標即花粉形態及活力。4)環境互作評價,包括特定病害、節肢動物或非生物脅迫的易感性或耐受性。5)自生苗潛勢和野外生存能力。所有數據均支持MON 87460 玉米與常規玉米的生存競爭能力相當,引入外源基因并不會增加轉基因耐旱玉米MON 87460轉變為有害生物的潛勢。從這個例子可以看到,對轉基因作物生存競爭能力的評價非常嚴格。

    轉基因作物基因漂移的風險,是最受關注和爭議的?;蚱浦改骋粋€生物群體或個體,即一個或多個基因,通過風或昆蟲等媒介轉移到另一個生物群體中的自然過程,而且在自然界中已發生了千百萬年。研究表明水稻、玉米、小麥、甘蔗等都有向他附近的同類作物或野生近緣種進行基因漂移的現象。不用避諱和否定,轉基因作物與非轉因作物一樣,都會產生基因漂移。那么外源基因漂移之后會產生什么環境風險嗎?人們擔心什么呢?一是在某作物的起源地,如墨西哥是玉米的起源中心,如果在該地長期種植轉基因玉米,外源基因如果漂移到當地原始材料中,人們擔心會污染了玉米原始材料,減少物種多樣性等。二是某些作物可以與其野生近緣種雜交,如果外源基因漂移到轉基因作物的野生近緣種中,會不會嚴重影響其野生近緣種群體的生態安全性呢?這些疑慮也同樣被科學家們所重視,所以針對這些疑慮進行了詳細的研究并制定了嚴格的評價標準。例如基因最主要的漂移方式是通過花粉的傳播,科學家們研究轉基因作物花粉的漂移距離,研究轉基因作物與其近緣野生種的空間分布是否重疊,研究轉基因作物與其近緣野生種的雜交頻率及后代成活情況等。然后針對這些研究結論,制定各種措施,通過時間、空間和物理隔離降低轉基因漂移的頻率(圖4)。如,研究表明基因漂移的頻率隨花粉源距離的增加而降低,因此最簡單有效的措施就是設置合理的安全距離,例如研究表明轉基因水稻和非轉基因水稻空間距離為6米時,能夠檢測到的基因漂移頻率低于0.01%,這已經低于無意識混雜的許可值,這在生產實踐中還是比較容易辦到的。另外,還可以設置時間隔離,兩塊相鄰的田塊,各自種植的轉基因水稻和非轉基因水稻,不同時開花,也就是花期不相遇,它們各自開的花不可能互相授粉。還有一種物理隔離措施,是在植株比較矮小的轉基因作物與非轉基因作物品種之間,種植另外一種高桿農作物,如在大豆之間種植玉米或者高粱,就能大大減少甚至阻斷由花粉介導的基因漂移。再加上農業部有關部門對轉基因作物的種植以及收獲的種子進行有效的安全監測和管理,我們可以說外源基因的漂移并不會產生可怕是生態風險。

    圖4 轉基因作物種植過程中不同的隔離措施

    轉基因作物對非靶標生物的影響的評價是很多抗病蟲轉基因作物環境安全評價內容中非常重要的部分。任何一例轉基因抗性作物都有非常明確的靶標。在轉基因作物中靶標的意思是科學家挑選出來的外源基因轉入到作物里去后,要達到的目的。例如,轉Bt基因抗蟲棉要防治的是棉鈴蟲,棉鈴蟲就是靶標。在同一塊轉基因田里,會生存著許多不是靶標害蟲的其他動物,被稱為非靶標生物。它們也會受到所轉進去的外源基因的影響。為了維護自然中的生態平衡,需要評價轉基因作物的種植對非靶標生物的生存是否會帶來危害。環境安全評價工作者根據國際上相關標準,遴選具有代表性的,對害蟲種群具有控制作用的,會接觸到外源基因的,離靶標昆蟲的親緣關系較近的,在試驗中易于室內飼養觀察的生物物種作為指示種,然后通過對這些指示種的評價,來推測轉基因抗蟲作物的種植對其他眾多生物物種的安全性。評價方法就是配制含和不含外源基因表達蛋白的飼料對非靶標生物進行飼喂一段時間后,通過一些指標的測定,評價外源基因是否對非靶標生物具有毒理效應,如果有,是取食了田間實際接觸劑量多大倍數的條件下發生的。如果沒有毒理效應,那么認為轉基因作物對非靶標生物的沒有影響。如果有影響,應該采取什么措施來消除或避免呢?例如抗蟲基因Bt的靶標生物是棉鈴蟲,玉米螟或二化螟,而家蠶與它們同屬鱗翅目昆蟲,家蠶對Bt蛋白同樣敏感,他也可能通過取食飄落于桑葉的Bt作物花粉而受到負面影響。而研究結果顯示,家蠶通過取食桑葉而攝取到的Bt作物花粉量很低,不會對家蠶的生長發育產生顯著的負面影響。但為了最大程度的降低Bt作物的種植對養蠶業產生負面影響,研究者建議Bt作物田與桑田之間,設立一定距離的隔離,避免Bt作物的花粉飄落于桑葉。

    轉基因作物對生物多樣性的影響隨著轉基因作物種植時間的加長越來越受到人們的關注。轉基因作物種植的田塊里,除了轉基因作物和雜草等植物之外,還生長著許多種以昆蟲為主的小動物,他們之間存在著競爭、寄生、捕食、合作等各種關系,相互制約,共同生存,成為一個區域性的生態系統,共同維護著轉基因作物種植田的生態平衡。當我們長期種植轉基因作物時,會對這些小動物產生什么影響從而破壞區域生態平衡嗎?科學家們依據相關國際標準,通過傳統的方法或者現代分子生物學方法,對比轉基因作物種植的田塊和非轉基因作物種植田塊之間生物多樣性的差異,來評價轉基因作物是否對生物多樣性產生影響。例如種植轉基因抗旱小麥是否對土壤微生物產生影響,科學家們分不同時期,取轉基因田塊和非轉基因田塊的作物根際土壤,拿回實驗室,用非常靈敏的現代分子生物學的方法分析轉和非轉基因作物種植的土壤中的微生物總量的差異,以及多樣性的差異。到目前為止,還沒有發現轉基因抗旱小麥的種植對生物多樣性產生影響。但我國轉基因小麥還沒有商業化種植,對于我國已經長期商業化種植的轉基因抗蟲棉來說,對生物多樣性是否也沒有任何影響呢?答案是否定的。我國當年由于棉鈴蟲的大面積爆發,轉Bt基因抗蟲棉研制成功并大面積種植,但Bt基因無效于次要害蟲棉盲蝽。由于Bt棉能夠控制棉鈴蟲等主要害蟲,因而控制主要害蟲的廣譜性農藥的使用量降低,這就間接的保護了棉盲蝽等次要害蟲,加之棉盲蝽繁殖非??斓仍?,次要害蟲棉盲蝽目前成為主要害蟲,對棉花造成嚴重傷害。這是種植轉基因棉花所帶來的始料未及的環境風險。棉盲蝽成了新的罪魁禍首,但我們的態度不是否定轉基因抗蟲棉,而是給轉基因抗蟲棉的研究提出了新的課題,需要尋找新的基因來為棉花做保護。除此之外,科學家們也在尋找棉盲蝽新的天敵以及新的防治辦法,但可以預見,即便科學家們把棉盲蝽防治住了,棉花田里還會出現新的害蟲,我們只能不斷研究,解決不斷出現的新問題。目前科學家們還建立了一些模型,去預測轉基因作物種植在未來可能發生的風險,這樣就可以在較早時候提前采取有效措施,避免一些環境風險的發生。

    來源:基因農業網

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