(4.2)--第四章转基因生物的生态安全.pdf

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1、第二节 转基因生物的生态安全第二节 转基因生物的生态安全农业生产遇到如下问题？杂草害虫病害干旱腐蚀基因工程技术除草剂耐受性抗虫性抗病性抗旱性其他特性Genetically Modified Crop转基因作物Genetically Modified Crop转基因作物-转基因技术的理论基础来源于进化论衍生来的分子生物学。基因片段的来源可以是提取特定生物体基因组中所需要的目的基因，也可以是人工合成指定序列的DNA片段。DNA片段被转入特定生物中，与其本身的基因组进行重组，再从重组体中进行数代的人工选育，从而获得具有稳定表现特定的遗传性状的个体。转基因技术第二次绿色革命转基因生物转基因生物Gene

2、tically Modified Organisms简称：简称：GMOs是指遗传物质基因被改变的生物，其基因改变是指遗传物质基因被改变的生物，其基因改变的方式是通过的方式是通过转基因技术转基因技术，而不是以自然增殖或自，而不是以自然增殖或自然重组的方式产生。然重组的方式产生。目前已经进入食品领域的三类转基因生目前已经进入食品领域的三类转基因生物包括：物包括：转基因动物转基因动物、转基因植物（转基因植物（最多最多，最重要，最重要）、转基因微生物转基因微生物。转基因植物：转基因植物：Bt玉米的开发玉米的开发苏云金芽孢杆菌（苏云金芽孢杆菌（Bt）产生）产生Bt蛋白的基因蛋白的基因Bt基因与质粒结合基

3、因与质粒结合Bt玉米含转基因的幼苗玉米含转基因的幼苗植物细胞与重组基因重组基因在细菌中植物细胞与重组基因重组基因在细菌中细菌共同培养培养扩增细菌细菌共同培养培养扩增细菌基因重组基因重组Bacillus thuringiensis世界转基因植物种植现状正在研究、未商品化的转基因植物抗病马铃薯-致病疫霉Phytophthora infestansresistance genes from wild potatoes(cis-genic)University WageningenGolden riceOryza sativa transformed to produce beta-carotene,

4、a precursor of vitamin Adevelopment began in the early 1990s led by ETH scientist Ingo Potrykus转基因作物种植面积从转基因作物种植面积从1996年的年的2000万公顷，猛升万公顷，猛升到到2018年的年的1.917亿公顷，是亿公顷，是1996年的年的95.5倍。倍。1996年全球种植转基因作物的国家仅年全球种植转基因作物的国家仅6个，个，2018年年已达已达26个，另外个，另外44个国家个国家/地区应用了转基因作物。地区应用了转基因作物。全球大豆面积的全球大豆面积的77、棉花面积的、棉花面积的88、玉

5、米面积、玉米面积的的32、油菜面积的、油菜面积的30种植的都是转基因品种。种植的都是转基因品种。2000年全世界的转基因农产品市场约年全世界的转基因农产品市场约30亿美元，亿美元，2016年达到年达到1861亿美元。亿美元。其发展之迅速，超出人们的预料其发展之迅速，超出人们的预料转基因生物是否安全？转基因生物是否安全？支持派增加作物产量；保护生物多样性；减少农药和除草剂使用；增加作物产量；保护生物多样性；减少农药和除草剂使用；减少减少CO2排放；缓解贫穷和饥饿排放；缓解贫穷和饥饿世界粮食奖得主、沃尔夫农业奖得主一世界粮食奖得主、沃尔夫农业奖得主一致认为致认为转基因农产品安全转基因农产品安全20

6、16年世界生命科学大会上，10位诺贝尔奖得主作主题演讲，几位世界粮食奖得主和沃尔夫农业奖得主发言。罗杰N比奇、罗伯特T法莱利、马克万蒙塔古对目前普遍应用却备受争议的转基因技术明确表达了观点。他们一致认为，转基因农产品很安全，农业领域的技术创新有助于农作物抵御风险，保障粮食安全。提出三点：1）转基因机理源于自然；2）新技术助农民抵御风险；3）科学家有责任让公众理解新知识。支持派反对派占领转基因技术制高点占领转基因技术制高点2013年年12月月23日习总书记在中央农村工作会议上的日习总书记在中央农村工作会议上的讲话：转基因是一项新技术，也是一个新产业，具有讲话：转基因是一项新技术，也是一个新产业，

7、具有广阔发展前景。作为一个新生事物，社会对转基因技广阔发展前景。作为一个新生事物，社会对转基因技术有争议、有疑虑，这是正常的。对这个问题，他强术有争议、有疑虑，这是正常的。对这个问题，他强调两点：调两点：一是确保安全，二是要自主创新。一是确保安全，二是要自主创新。也就是说，也就是说，在研究上要大胆，在推广上要慎重。转基因农作物产在研究上要大胆，在推广上要慎重。转基因农作物产业化、商业化推广，要严格按照国家制定的技术规程业化、商业化推广，要严格按照国家制定的技术规程规范进行，稳打稳扎，确保不出闪失，涉及安全的因规范进行，稳打稳扎，确保不出闪失，涉及安全的因素都要考虑到。素都要考虑到。要大胆创新研

8、究，占领转基因技术制要大胆创新研究，占领转基因技术制高点，不能把转基因农产品市场都让外国大公司占领高点，不能把转基因农产品市场都让外国大公司占领了。了。谨慎派2016中央一号文件：加强农业转基因技术研发和监管，在确保安全的基础上慎重推广。我国是转基因政策条文最多的国家之一：基因工程安全管理办法 农业生物基因工程安全管理实施办法 农业转基因生物安全管理条例 农业转基因生物安全评价管理办法 农业转基因生物进口安全管理办法 农业转基因生物加工审批办法 进出境转基因产品检验检疫管理办法 农业转基因生物标识管理办法等。1.实验研究3.环境释放4.生产性试验5.安全证书2.中间试验遗传稳定性：外源基因、遗

9、传稳定性等食用安全评价：营养学、毒性、过敏性、非预期效应评价安全控制措施：物理、化学、生物学、规模控制环境安全评价：生存竞争力、基因漂移、对非靶标生物及生物多样性影响、非预期效应转基因新品种的安全评价国际上对转基因安全的评价有两种类型：美国模式，美国模式，针对产品，研究出来的产品，不管是转基因技术还是什么技术，就是对这个产品进行评估。欧盟模式，欧盟模式，针对过程评估，只要是使用转基因技术，都对技术过程进行评估。中国，中国，是既对产品又对过程进行评估，从全球来看是最严格的评估体系。转基因生物技术第二次绿色革命。代表转基因生物技术第二次绿色革命。代表了当今新农业技术的发展方向，它是了当今新农业技术

10、的发展方向，它是缓和缓和“人口”与“资源”“需求”与“供求”“发展”与“代价”三大矛盾的良药三、转基因生物的安全评价三、转基因生物的安全评价转基因作物是否安全需要转基因作物是否安全需要科学证据！科学证据！食用安食用安全性全性生态安生态安全性全性食用安全性食用安全性毒性问题毒性问题过敏反应问题过敏反应问题抗药性问题（标记基抗药性问题（标记基因）因）有益成分问题（油菜有益成分问题（油菜中维生素中维生素E变化）变化）免疫力问题免疫力问题实质等同原则实质等同原则substantial equivalence预先防范性原则预先防范性原则precaution个案评估原则个案评估原则case-by-case

11、逐步评估原则逐步评估原则step-by-step风险效益平衡原则风险效益平衡原则balance of benefits and risks熟悉性原则熟悉性原则familiarity问题评估原则一）一）靶标害虫的抗性风险靶标害虫的抗性风险二）二）对非靶标生物的影响对非靶标生物的影响三）三）对土壤生态系统的影响对土壤生态系统的影响四）四）基因漂移或逃逸基因漂移或逃逸五）五）非期望效应非期望效应转基因作物生态安全性一）靶标害虫的抗性问题一）靶标害虫的抗性问题转Bacillus thuringiensis(Bt)作物靶标害虫Target pest棉铃虫玉米螟水稻螟虫靶标害虫Bt蛋白和Bt作物对靶标害虫

12、的杀虫机制1234657B.Bartels&W.HutchisonHigh Dose/Refuge Strategy(HDRS,高剂高剂量量/庇护所策略庇护所策略)害虫抗性管理害虫抗性管理Dose 剂量剂量 剂量：转基因作物在一定时间内表达的毒素的量和靶标害虫的敏感性相关;通常由田间功效实验或实验室生物测试所决定。高剂量：至少为杀死所有敏感靶标害虫剂量的25倍;在以避难所为基础的昆虫抗性管理策略中，使用高剂量要比低剂量好。Refuge庇护所庇护所庇护所：任何不产生Bt毒素并且也未经常规Bt杀虫剂处理过的宿主植物(可能经非Bt杀虫剂处理过)。为什么设庇护所？抗性和敏感性成熟害虫杂交可以产生敏感性

13、的后代。庇护所的选择庇护所的选择 结构庇护所：特定大小，并且位置和Bt植物种植区有一定关系的区域，此区域既有农作物，又有植被;以社区为基础的庇护所：相邻的种植者建立的一种共享的结构避难所;天然庇护所：用一种寄主植物和作物互相交替种植的模式来代替人为限定的避难所模式。混装种袋：在这种含Bt种子的袋子中既含有Bt种子，也含有非Bt种子（例如:80%Bt种子,20%非Bt种子），种子可以先按小袋分装好再混和，也可以直接混在一起；区域限制：国家或地方政府对Bt种子的买卖进行严格限制（例如:在一定区域内，只允许80%的Bt种子的买卖）。Seed mixBlockIn-field strips田地内的条带

14、模式田地内的条带模式Internal block(s)内部种植模式内部种植模式Border(block)周边种植模式周边种植模式结构庇护所的选择结构庇护所的选择External block外部种植模式外部种植模式种子混和种子混和二）对非靶标生物的影响二）对非靶标生物的影响-复杂问题复杂问题GMO靶标害虫非靶标害虫天敌生态系统饲料家畜、禽非靶标昆虫：次要昆虫、害虫天敌、传粉昆虫、分解者、非靶标鳞翅目昆虫Bt作物作物1.次要害虫次要害虫Secondary pest盲蝽蟓盲蝽蟓稻飞虱稻飞虱玉米蚜玉米蚜2.害虫害虫天敌天敌寄生蜂草蛉瓢虫寄生蜂草蛉瓢虫3.传粉传粉昆虫昆虫4.分解者分解者蜜蜂弹尾目昆虫土

15、壤甲虫等蜜蜂弹尾目昆虫土壤甲虫等5.非靶标鳞非靶标鳞翅目昆虫翅目昆虫蝴蝶蝴蝶案例案例12008年吴孔明等人发表在Science杂志上的一篇文章证实了Bt棉在多种作物上的抗虫功能。2010年吴孔明等人发表在Science发表：自1997年以来，他们监测了中国北方38个地方，覆盖了300万公顷棉花和2600万公顷其他农作物。他们发现，在过去的年份里，盲蝽蟓的数量增加了12倍。Bt作物对非靶标昆虫影响的评估作物对非靶标昆虫影响的评估按照国际评价流程进行评估：层次递进的风险评价程序(Tiered Risk Assessment Approach)Bt作物对非靶标昆虫风险评估的程序Romeis et a

16、l.,2008Nature Biotechnology不同的非靶标昆虫种类的生态评价需要不同的层次寄主或者猎物取食Bt蛋白吗？寄主或猎物对Bt蛋白敏感吗？寄生者或捕食者取食Bt蛋白吗？寄生者或捕食者对Bt蛋白敏感吗？Bt作物对害虫天敌的风险评估程序三）三）Bt作物对土壤生态系统的影响作物对土壤生态系统的影响 花粉飘落 秸秆还田 根系分泌 动物取食后粪便免耕与大豆玉米轮作长期连作土壤中Bt蛋白的累积问题？Bt玉米秸秆田间分解实验及其对土壤动物的影响土壤动物分离的设备Bt蛋白在土壤中的环境行为蛋白在土壤中的环境行为1.Bt蛋白环境行为及其对土壤生态系统的影响蛋白环境行为及其对土壤生态系统的影响Bt

17、蛋白能够避免生物降解，在土壤中保持杀虫活性3个月以上纽约大学对根系分泌物的研究(Nature，1999,402:480)。2.对土壤细菌、真菌群落等的影响对土壤细菌、真菌群落等的影响丛枝菌根真菌3.对蚯蚓、线虫、弹尾虫等土壤动物的影响对蚯蚓、线虫、弹尾虫等土壤动物的影响四）基因漂流四）基因漂流基因漂流（Gene Flow）指生物的个体或群体之间由于杂交而导致的基因交流。转基因研究中特指转基因在转基因生物和与其有亲缘关系的生物间的流动。基因漂流与基因逃逸基因漂流与基因逃逸 花粉：GMC的花粉在自然状态下通过风媒、虫媒传布，一旦在环境中找到受体并形成可育或不育的杂交后代就完成了转基因向环境中的扩散

18、过程。种子：GMC种子有可能散落在环境中形成自播植物，开花后与其野生近缘种杂交，携带有选择优势性状的自播植物也有可能成为杂草。这两种形式或过程也称为基因逃逸（gene escape)。花粉的传布也称为花粉漂流（Pollen drift）转基因作物与传统作物品种之间基因流的风险 传统作物遗传现状的改变;传统作物基因受到外源基因的污染;被转基因植物无意授粉产生的种子有可能成为转基因向其它品种或野生近缘种转移的“遗传桥梁”。如何防止基因逃逸？源头阻断如何防止基因逃逸？源头阻断从基因流与基因污染的关系来看,基因流是原因，基因污染从基因流与基因污染的关系来看,基因流是原因，基因污染是后果。从理论上讲，只

19、要从源头上阻断基因流就能防止基是后果。从理论上讲，只要从源头上阻断基因流就能防止基因污染的发生。因污染的发生。生物技术手段生物技术手段：如母性遗传、雄性不育、种子不育、闭花：如母性遗传、雄性不育、种子不育、闭花授精、孤雌生殖、诱导性启动子控制的时间和组织特异表达授精、孤雌生殖、诱导性启动子控制的时间和组织特异表达以及转基因弱化技术（使获得该转基因的杂草的适合度降低以及转基因弱化技术（使获得该转基因的杂草的适合度降低并最终消亡）。并最终消亡）。遗憾的是：遗憾的是：这些技术仅仅有少数在个别植物上得到验证，其这些技术仅仅有少数在个别植物上得到验证，其中的大部分尚无具体的研究实例，理论距现实的距离还是

20、比中的大部分尚无具体的研究实例，理论距现实的距离还是比较远的。较远的。(A)、(C)non-Bt(B)、(D)Bt corn木质素木质素(lignin)五）非期望效应五）非期望效应Base line 研究基线？研究基线？未受干扰的游泳池未受干扰的游泳池如何客观、公正、如何客观、公正、理性地评价和管理理性地评价和管理GMC？思考与展望GM Crop Signal?转基因作物信号？转基因作物信号？小干扰？大干扰？小干扰？大干扰？转基因作物效应的思考转基因作物效应的思考0123456789对照对照杀虫剂杀虫剂转基因转基因 生物技术可以信赖，它不是我们的敌人，但饥饿却是。我们这些搞农业科技的人最关心的

21、问题就是提高农民的积极性。而目前我们遇到的问题是，农民的收入增长缓慢。只有充分发挥生物技术的优势，利用转基因技术将产品转化为生产力，我们的农业才能发生根本的变化。农业，不应当是低价值的产业。中国农业大学农业生态学程序教授 我国发展转基因食品最重要的原因是出于国家粮食安全考虑。转基因作物具有抗旱、抗杂草、抗虫、抗病毒、高产等特性。国家863计划农业生物技术项目，包括了水稻、棉花、转基因植物、农业微生物、动物生物技术等领域，转基因技术对农业生产品质改良都有重大意义。转基因生物技术专家陈章良经过科学家安全评价、政府严格审批的转基因产品是安全经过科学家安全评价、政府严格审批的转基因产品是安全的。的。农业部科技教育司司长廖西元农业部科技教育司司长廖西元权威人士的声音