轉b基因植物對天敵昆蟲的毒性研究

此前，所有能夠轉化為昆蟲的商業(yè)植物都來自云金菌（bt）毒素基因。Bt中含有針對多類靶標昆蟲的毒素(δ-內毒素),毒素Cry1A和Cry1C蛋白對鱗翅目幼蟲,如歐洲玉米螟(Ostrinianubilalis)、棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)有特異性,毒素Cry3A蛋白針對鞘翅目幼蟲,如馬鈴薯甲蟲(Leptinotarsadecemliniata);除Bt基因外,其它基因如雪花蓮凝集素(Galanthusnivalisagglutinin,GNA)、豇豆胰蛋白酶抑制劑CpTI和淀粉酶抑制劑等等已用基因工程技術轉入植物中。一般認為Bt殺蟲劑對非靶標昆蟲無毒副作用,而且一直作為害蟲綜合治理體系中的重要成分被長期使用。但傳統(tǒng)Bt殺蟲劑與轉Bt基因植物不同,前者包含幾種Bt原毒素以及活細菌孢子,而目前商業(yè)化種植的轉基因植物僅表達一種已部分活化的Bt毒素,具有專一性更高、毒性強、毒蛋白在植物整個生長期的大部分器官中表達等特性。所以,對Bt殺蟲劑的風險評價結論不能類推至轉基因植物。轉基因抗蟲植物的應用已引起發(fā)達國家的極大關注,其對生態(tài)環(huán)境的安全性倍受矚目。轉基因抗蟲植物對農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中有益生物的影響是其生態(tài)風險評價的重要內容之一,因為農作物生態(tài)系統(tǒng)中不僅有害蟲,而且存在大量害蟲天敵,害蟲中既有主要害蟲,又有次要害蟲(潛在害蟲),既有靶標害蟲,又有非靶標害蟲。天敵在調節(jié)害蟲種群數(shù)量、尤其在抑制次要害蟲種群數(shù)量中發(fā)揮著重要的作用。因而種植轉基因抗蟲植物不僅要控制靶標害蟲(通常也是主要害蟲),而且必須與天敵協(xié)調共存,才能融入有害生物綜合治理(IPM)體系。對此,美國國家科學研究委員會(NationalResearchCouncil)經過論證,向立法和政府部門建議“在評價一個新的轉基因抗蟲植物商業(yè)化利益的標準中,應該包括對非靶標生物的預期影響(與當時采用的防治技術相比)”。歐共體最近頒布新規(guī)定,轉基因作物種子供應商在獲得供種許可證之前,必須進行嚴格的環(huán)境風險評價,一旦獲準,還必須繼續(xù)監(jiān)測轉基因植物對環(huán)境和健康的影響。轉基因植物對非靶標昆蟲的影響的研究近年來在英國、歐洲大陸、美國及其他國家日益受到重視,既有小規(guī)模實驗室生物測定,以詳細研究在最壞情況下轉基因植物對有益昆蟲的負面影響,亦有研究在田間更真實的環(huán)境條件下對天敵種群和群落的影響。本文將對迄今有關轉基因植物對昆蟲天敵個體、種群數(shù)量和群落等影響的研究報道做一綜述。1影響天敵昆蟲生長發(fā)育和其他個體行為的因素1.1食性昆蟲對食蟲昆蟲的不良反應在捕食性昆蟲中,通常成蟲兼性或專性取食植物,如草蛉科中某些屬的成蟲既捕食其它昆蟲,又取食植物花粉或花蜜,另一些屬成蟲則完全以植物為食;捕食性瓢蟲在其獵物稀少時,通常取食植物花粉或花蜜以及昆蟲蜜露;捕食蚜蟲的食蚜蠅雌成蟲的卵成熟必需植物蛋白質,主要來自植物花粉或花蜜;捕食性蝽則直接刺吸植物葉肉細胞以獲得營養(yǎng)和水分作為取食獵物的補充。因此,捕食性昆蟲可能不但間接、而且直接受到轉基因植物的影響。迄今對8科16種在整個生長季活動的廣譜捕食性天敵昆蟲和蜘蛛的室內毒性測定結果表明(表1),轉基因植物花粉和汁液對捕食性天敵沒有直接毒性,刺吸轉Bt基因植物汁液的害蟲,如桃蚜(Myzuspersicae)和美洲鋸尾薊馬(Anaphothripsobscurus)等非靶標害蟲對捕食性昆蟲亦無不良影響。多數(shù)研究未發(fā)現(xiàn)取食了轉基因植物的植食昆蟲獵物對捕食性昆蟲的個體生長發(fā)育、生殖、捕食行為等特性有不良影響[15,16,17,18,19,20],僅2種捕食性昆蟲發(fā)生不良反應。Hilbeck等的室內非選擇性生測發(fā)現(xiàn),普通草蛉幼蟲在捕食了Bt玉米上的歐洲玉米螟和埃及棉夜蛾(Spodopteralittoralis)后,其死亡率分別為66%和59%,而對照為37%(表1)。其后的試驗用加入Bt毒素(Cry1Ab)的人工飼料飼喂草蛉幼蟲,其死亡率仍然高于對照(29%對17%),這說明草蛉幼蟲的死亡是由于Bt毒素引起的,而非獵物營養(yǎng)惡化所致。但用Bt玉米上的稠李縊管蚜(Rhopalosiphumpadi)飼喂普通草蛉后,未發(fā)現(xiàn)對其生長發(fā)育和存活有不良影響。在玉米田中,普通草蛉雖然食譜較廣,但主要以蚜蟲和薊馬為食,僅偶爾取食玉米螟幼蟲。對此,Meier等用成對選擇法對普通草蛉進行了生測,當同時給草蛉幼蟲提供取食了Bt玉米的埃及棉夜蛾和稠李縊管蚜時(二者都對Bt毒素Cry1Ab不產生致死中毒反應),所有草蛉幼蟲均選擇稠李縊管蚜。普通草蛉捕食轉Bt玉米上的蚜蟲而無不良反應的原因,可能在于植物韌皮部汁液中不含Bt毒素或含量甚微,而使蚜蟲體內沒有Bt毒素或很微量。對此,Head等用酶鏈免疫吸附反應法(ELISA)在取食了Bt玉米的玉米蚜(R.manidis)體內未檢測到Bt毒素(Cry1Ab),但從取食了含Bt毒素(Cry1Ab)的人工飼料的蚜蟲體內檢測到了該毒素,盡管其毒素含量比飼料中毒素的含量低99.6%～99.8%。Birch等用轉GNA基因的馬鈴薯植物上的桃蚜飼喂大麗二斑瓢蟲成蟲,雌蟲壽命僅為對照的50%,繁殖力降低38%,卵孵化率明顯降低,但未發(fā)現(xiàn)急性中毒反應。隨后Down等用含GNA毒素的人工飼料飼喂桃蚜,再用桃蚜飼喂大麗二斑瓢蟲幼蟲,亦未發(fā)現(xiàn)幼蟲有急性中毒反應,盡管對生長發(fā)育有一定影響(體型比對照小8%～15%),但幼蟲中腸刷狀邊并未受到破壞。所以他們推測,對大麗二斑瓢蟲幼蟲的不良影響可能是由于取食了GNA的蚜蟲受到某種損害而成為低質食物所致,而非GNA毒素的直接毒性所致。1.2對開孔后浮生蜂的救助轉基因植物對寄生性昆蟲的毒性可能通過幾個途徑產生。大部分寄生性昆蟲的幼蟲依賴取食植食性昆蟲幼蟲而完成生長發(fā)育;某些寄生蜂成蟲也取食寄主。還有些寄生性昆蟲,成蟲則需要取食植物花粉或花蜜。此外,轉基因植物本身或者由于害蟲為害而改變了釋放的信息素可能會影響寄生蜂的搜尋行為。靶標寄主的體型變化(變小)可能使寄生蜂產更多的雄性后代。有關轉基因抗蟲作物對寄生性天敵個體的直接毒性測定未見報道,對寄生性天敵的間接影響研究尚少(表2)。對寄生蜂個體的影響取決于轉基因植物對其寄主的毒性水平,如果是亞致死水平,則對寄生蜂的生長發(fā)育無毒副作用。迄今的大部分研究所用的寄主對轉基因植物表現(xiàn)亞致死毒性,這些寄主對寄生蜂個體生長發(fā)育和寄生作用無毒副作用,有些甚至表現(xiàn)出與抗蟲作物有增效作用。如果寄主對轉基因植物表現(xiàn)致死毒性,則對寄生蜂必然產生致死或亞致死作用。崔金杰等室內非選擇性生測所用的轉Bt基因棉對棉鈴蟲有致死毒性,所以對棉鈴蟲幼蟲寄生蜂(尤其是初齡幼蟲的寄生蜂)亦產生致死或亞致死作用。因為取食Bt植物的寄主幼蟲常不能完成其生長發(fā)育而中毒死亡,其體內的寄生蜂也隨之死亡。抑制寄主體內寄生蜂生長發(fā)育的原因可能并非由于寄生蜂對Bt毒素產生中毒反應,而是由于寄主營養(yǎng)質量差所致,這在Schuler等的研究中得到證實,因為在抗Bt品系小菜蛾幼蟲體內的絨繭蜂的存活率與在野生型油菜上的小菜蛾體內的存活率沒有顯著差異。轉基因植物對寄生蜂個體的間接不良影響在田間條件下由于寄生蜂的搜尋行為而未必會發(fā)生。因此,用選擇性方法在接近自然環(huán)境的條件下進行測定應更符合實際情況。對此,Johnson和Schuler等的研究方法值得借鑒。Johnson在田間罩籠(Bt和非Bt煙草植物成對)和田間開放條件下研究了2種寄生蜂對煙芽夜蛾(Heliothisvirescens)幼蟲的寄生作用。當轉基因煙草上的煙芽夜蛾幼蟲在田間暴露1d時,索諾齒唇姬蜂的日寄生率低于常規(guī)煙草上的寄生率,但在田間暴露多天(2～14d)時,日寄生率則高于常規(guī)煙草上的寄生率。其原因可能是因為寄生蜂是利用植物被咬食部位的嗅覺和觸覺信息尋找寄主的,當煙芽夜蛾幼蟲停留在煙草植物上的時間短時,由于常規(guī)煙草被取食比Bt煙草多,因此常規(guī)煙草植物吸引了更多的寄生蜂;但當煙芽夜蛾停留時間長時,Bt煙草植物被取食增多,而且幼蟲的生長比在常規(guī)煙草上慢,更長地暴露給了寄生蜂,抵銷了由于Bt煙草給寄生蜂提供較少信息的不足。Schuler等用選擇性“風洞”技術比較了小菜蛾絨繭蜂對Bt油菜和野生油菜葉片的飛行反應后發(fā)現(xiàn),寄生蜂對小菜蛾的寄生作用取決于植物受害程度,因為受小菜蛾為害重的葉片釋放出揮發(fā)性物質,吸引大量小菜蛾絨繭蜂寄生小菜蛾。對非靶標害蟲的寄生蜂研究很少。Schuler對轉Bt植物上蚜蟲的菜蚜繭蜂進行了研究,該寄生蜂對轉基因油菜和常規(guī)油菜上蚜蟲的寄生率均很高,無差異。由于寄生蜂與寄主以及環(huán)境因子的復雜關系,使寄生蜂的個體行為變異較大,除改善試驗技術和條件外,有必要加大處理的重復次數(shù)。Johnson的試驗設計值得借鑒,其對索諾齒唇姬蜂和黑卡繭蜂的重復分別為44次和98次。2對bt馬鈴薯百合種主要天敵的影響在室內得出的轉基因植物對天敵昆蟲個體的致死或亞致死毒性作用不能直接類推至田間的實際結果,因為轉基因抗蟲植物對天敵種群影響取決于許多因子,如植物抗性水平、害蟲抗性水平、抗蟲植物種植面積、天敵昆蟲的食譜范圍和遷移性等,而這些生物因子及其相互關系又受到環(huán)境因子的影響。轉基因抗蟲作物可能通過降低獵物種群數(shù)量而使天敵種群數(shù)量少,但由于減少了殺蟲劑用量又會促進天敵種群的增加,對天敵種群的影響亦影響到非靶標昆蟲的種群動態(tài)。對轉Bt基因棉花、馬鈴薯和玉米田中天敵種群數(shù)量動態(tài)的比較監(jiān)測結果表明(表3),轉基因作物田中主要廣譜捕食性天敵種群數(shù)量,等于或甚至顯著高于常規(guī)作物田,實驗室生測中對普通草蛉的不良副作用并未使大田種群受到不良影響。只有麗步甲種群數(shù)量少于常規(guī)田,可能是由于轉Bt馬鈴薯田中馬鈴薯甲蟲數(shù)量大幅度減少而遷出Bt田所致。寄生性天敵寄主專一性較強,由于其寄主(靶標害蟲)中毒而使寄主質量和數(shù)量大為降低,如果沒有適宜替代寄主存在,則寄生性天敵種群數(shù)量必然減少。崔金杰等的研究表明,轉Bt棉田中寄生蜂種群數(shù)量顯著低于常規(guī)棉田,側溝綠繭蜂和齒唇姬蜂種群比常規(guī)田低約90%。但Hoy等連續(xù)3年較大規(guī)模的抽樣調查發(fā)現(xiàn),Bt馬鈴薯田的寄生蜂昆蟲種群數(shù)量明顯高于常規(guī)馬鈴薯田。由于歐洲玉米螟幼蟲不能在轉Bt玉米上存活,Orr等在大田Bt玉米田中套種小塊常規(guī)玉米,并人工接種歐洲玉米螟卵,結果表明對玉米螟幼蟲的總體寄生水平與常規(guī)馬鈴薯田沒有明顯差異,盡管Bt田僅有1種寄生蜂,而常規(guī)田有2種寄生蜂。對Bt作物田的非靶標刺吸口器害蟲種群的監(jiān)測表明,粉虱、蚜蟲、葉蟬等害蟲種群數(shù)量明顯高于常規(guī)作物田,上升為主要害蟲,必須施用殺蟲劑才能控制其危害。但Flint等對轉Bt棉田連續(xù)2年調查未發(fā)現(xiàn)豆莢盲蝽和結翅粉虱種群數(shù)量與常規(guī)棉田有顯著差異。Hoy等連續(xù)3年的監(jiān)測表明,Bt馬鈴薯田的蚜蟲數(shù)量可以得到自然控制,但需配合施用殺蟲劑才能控制馬鈴薯葉蟬危害。我們認為,在轉Bt基因作物田中刺吸口器害蟲數(shù)量上升的主要原因,可能是由于靶標鱗翅目害蟲種群數(shù)量下降所致,而非天敵種群受到不良影響所致,因為廣譜捕食性天敵種群數(shù)量與常規(guī)田沒有明顯差異甚至高于常規(guī)田。3非靶標昆蟲群落特征農田中天敵亞群落是整個昆蟲群落的重要成分,與害蟲亞群落的變化直接相關,轉基因作物田害蟲亞群落不同于常規(guī)田,也必然影響到天敵亞群落。Hoy等報道了迄今對轉Bt作物田最大規(guī)模的節(jié)肢動物群落監(jiān)測結果,其監(jiān)測在美國西北部馬鈴薯種植帶持續(xù)5年,采用多種抽樣方法,采到多達300余種節(jié)肢動物,其中捕食性和寄生性約占50%;桃蚜上升為優(yōu)勢種害蟲,而馬鈴薯甲蟲消失了。Lozzia在意大利連續(xù)2年的監(jiān)測表明,轉Bt與常規(guī)玉米田的非靶標昆蟲區(qū)系的豐富度和步甲群落多樣性等特征沒有顯著差異。崔金杰等對轉Bt棉和常規(guī)棉田昆蟲群落特征做了較為細致的比較研究,對多樣性、均勻性和優(yōu)勢集中性的綜合比較表明,常規(guī)棉田天敵群落的穩(wěn)定性比Bt棉田高;Bt棉對寄生性天敵亞群落的影響較大,但對捕食性天敵和蜘蛛亞群落影響較小;紅蜘蛛、棉蚜、棉薊馬等刺吸口器害蟲替代棉鈴蟲上升為主要害蟲,捕食性天敵優(yōu)勢種無明顯變化,寄生性天敵優(yōu)勢種由棉鈴蟲幼蟲寄生蜂演替為棉蚜寄生蜂。由于各國種植的作物品種、昆蟲種類、管理技術等等不盡相同,所以某一地區(qū)的風險評價結果未必適用于另一地區(qū)。為客觀反映轉基因作物對害蟲天敵種群和群落的實際影響,田間的監(jiān)測調查應針對主要天敵類群、設足夠大的面積和足夠多的重復、并持續(xù)多年。Firbank等提出在“農場水平”的空間上評價轉基因作物的生態(tài)風險,轉基因作物與常規(guī)作物按裂區(qū)或配對田塊種植。日本政府從1999年開始進行包括“農場水平”上的對轉基因植物的風險評價。在英國開始實施的對轉基因作物生態(tài)風險評價堪稱迄今同類評價中規(guī)模最大的項目,對轉基因甜菜和玉米的試驗包括每種作物大約10個農場,共計60到70個種植田塊,每田塊面積約10hm2,待4年后根據試驗結果確定是否引進種植轉基因作物。然而,迄今已報道的有關轉基因作物對害蟲天敵群落影響的大田監(jiān)測通常進行1～2年,只有Hoy等對轉基因馬鈴薯田的天敵昆蟲群落監(jiān)測連續(xù)進行了5年。4層次檢測體系一種新的轉基因植物的種植,就象一種外來生物的侵入,會以直接和間接方式對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)中的多種生物(靶標和非靶標)及其相互關系在不同層次(如不同營養(yǎng)層)、不同時空水平上產生不同程度的影響。對非靶標生物影響的合理評價應采用評價殺蟲劑對非靶標生物影響的逐層風險評價體系。對此,Schuler等推薦使用三層次檢測體系以評價轉基因植物對非靶標生物的副作用。其第一層是小規(guī)模生物測定,以揭示在最壞情況下可能產生的影響,如果發(fā)現(xiàn)負面影響,應進一步做實驗室生測,以考慮動物行為、選擇性以及為待測非靶標生物提供獵物(食物)的方式等;第二層檢測在實驗室或田間小規(guī)模的種群水平上進行測定,這既可以在一定程