人工修飾抗除草劑基因aroA對栽培稻和雜草稻的適合度效應(yīng)及機制研究.pdf

1、自從1996年世界上第一例轉(zhuǎn)基因大規(guī)模商業(yè)化種植以來，抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物一直是種植面積最大的轉(zhuǎn)基因作物類型。到2011年為止，抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物已經(jīng)在全球近30個國家種植，其種植面積達到9390萬公頃，占全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積的59％。隨著抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物大規(guī)模商業(yè)化種植，抗除草劑基因通過基因流帶來的潛在環(huán)境生物安全問題越來越受到人們的重視。抗除草劑轉(zhuǎn)基因逃逸后是否會帶來生態(tài)影響一直存在較大的爭論，雖然目前主流觀點認為在自然環(huán)境中不存

2、在除草劑選擇壓力，因此抗除草劑基因逃逸至自然環(huán)境后不會給環(huán)境帶來比較嚴重的潛在生態(tài)影響，但是隨著認識的深入，抗除草劑基因?qū)κ荏w植物帶來明顯適合度改變的報道越來越多。因此，必須對抗除草劑基因是否會對栽培稻和雜草稻適合度的影響進行科學的評估。
　　在我國一定的栽培稻種植區(qū)域內(nèi)分布著普通野生稻、雜草稻等栽培稻的野生近緣種，它們可以與栽培稻通過天然雜交發(fā)生基因漂移，特別是向雜草稻漂移的可能性很大。一旦抗除草劑基因栽培稻進行商品化種植，人們

3、擔心抗除草劑基因可能逃逸到普通野生稻或者雜草稻群體中并改變其適合度，進而導致環(huán)境生物安全問題。通常需要對抗除草劑基因逃逸及其可能帶來的生態(tài)影響進行以下幾個環(huán)節(jié)的科學評價:(1)抗除草劑基因逃逸的頻率，(2)抗除草劑基因在雜草種中的表達狀況，(3)抗除草劑基因?qū)σ吧壏N的適合度的影響，(4)造成適合度改變的機制。
　　目前，對抗除草劑基因從栽培稻向雜草稻等逃逸頻率和規(guī)律的研究已經(jīng)獲得大量的結(jié)果，但是對抗除草劑基因逃逸至雜草稻之后的

4、表達及抗除草劑基因?qū)σ吧壏N群體適合度的研究還十分欠缺。而且，研究抗除草劑基因?qū)ψ魑镆吧壏N的適合度的變化，是判斷其逃逸之后是否會導致潛在生態(tài)影響的重要依據(jù)。傳統(tǒng)理論認為抗除草劑基因?qū)χ参镞m合度的影響包括兩個方面:(1)存在選擇壓（噴灑除草劑）的環(huán)境中，抗除草劑基因提高受體植物的適合度，表現(xiàn)出明顯的適合度利益;(2)在沒有選擇壓的環(huán)境中，抗除草劑基因可能不會帶給受體植物適合度利益，甚至導致受體植物適合度的下降。這就是我們認為的抗除草

5、劑基因的潛在適合度成本?？茖W的評估抗除草劑基因在不同環(huán)境條件下對受體植物適合度的影響，對科學管理抗除草劑轉(zhuǎn)基因栽培稻的商品化種植和評價抗除草劑基因逃逸后帶來的潛在生態(tài)影響都具有重要的意義。本文立足于對抗除草劑轉(zhuǎn)基因逃逸導致的生態(tài)影響進行科學評價，以抗除草劑轉(zhuǎn)基因?qū)υ耘嗟炯半s草稻適合度的影響為核心，并深入的研究了其帶來適合度影響的機制。首先研究抗除草劑轉(zhuǎn)基因在栽培稻及栽培稻×雜草稻雜交后代中的表達情況，進而研究了抗除草劑轉(zhuǎn)基因在不同選擇壓

6、的環(huán)境中對栽培稻及逃逸后對栽培稻×不同來源的雜草稻雜交組合F1代際自交產(chǎn)生的F2和F3代適合度的影響，并從生長素合成及光合作用速率兩個方面對其進行分析。本論文主要的發(fā)現(xiàn)和結(jié)論如下:
　　1.在沒有選擇壓的環(huán)境中，人工修飾的抗除草劑基因aroA在混種模式下能明顯提高栽培稻及栽培稻×雜草稻F1代的適合度。但是在單種模式下，抗除草劑轉(zhuǎn)基因栽培稻僅在分蘗的適合度性狀上表現(xiàn)出顯著的適合度優(yōu)勢，在結(jié)實數(shù)等生殖性狀上卻沒有表現(xiàn)出明顯的適合度優(yōu)勢

7、。
　　2.在沒有選擇壓的環(huán)境中，人工修飾的抗除草劑轉(zhuǎn)基因aroA給栽培稻×不同來源雜草的自交F2代群體提供了較明顯的適合度利益，此外，aroA抗除草劑轉(zhuǎn)基因?qū)ψ越籉3代幼苗期的根的生長產(chǎn)生了顯著的影響。同時，抗除草劑轉(zhuǎn)基因?qū)Σ煌瑏碓吹碾s草稻提供的適合度優(yōu)勢在程度上出現(xiàn)一定的差異，這說明在研究抗除草劑對自然種群適合的影響時，必須考慮到自然種群豐富的遺傳多樣性可能會對抗除草劑轉(zhuǎn)基因的選擇優(yōu)勢的影響。
　　3.含抗除草劑轉(zhuǎn)基因栽

8、培稻及栽培稻×雜草稻后代中人工修飾的抗除草劑基因aroA及EPSPS蛋白的表達量均高出相應(yīng)非轉(zhuǎn)基因?qū)φ?。說明人工修飾的aroA抗除草劑轉(zhuǎn)基因能顯著提高受體植物的aroA基因及EPSPS蛋白的表達。同時，研究發(fā)現(xiàn)栽培稻與雜草稻之間的人工修飾的抗除草劑基因aroA及EPSPS蛋白的表達量有明顯的差異。這說明，在對人工修飾的抗除草劑轉(zhuǎn)基因aroA進行研究時，需要考慮不同遺傳背景的影響。
　　4.aroA抗除草劑轉(zhuǎn)基因?qū)υ耘嗟九c雜草稻雜交

9、分離后代（轉(zhuǎn)基因陽性和轉(zhuǎn)基因陰性）的色氨酸濃度變現(xiàn)出顯著的影響。含抗除草劑轉(zhuǎn)基因雜草稻分離后代與相應(yīng)的不含抗除草劑轉(zhuǎn)基因雜草稻分離后代之間色氨酸濃度差異最大可達123.4％。這說明人工修飾的抗除草劑基因aroA可能對莽草酸途徑造成影響，進而提高雜草稻生長素的含量。
　　5.通過對4個不同來源的雜草稻組合自交F3代的光合作用速率分析發(fā)現(xiàn)，人工修飾的抗除草劑轉(zhuǎn)基因aroA能顯著提高受體雜草稻在特定光照強度下的光合作用速率。同時，人工修

10、飾的抗除草劑轉(zhuǎn)基因aroA對不同來源的雜草稻表現(xiàn)出不同的影響方式。這也說明對人工修飾的抗除草劑轉(zhuǎn)基因aroA進行研究是需要考慮到受體植物的遺傳多樣性對基因。
　　綜上所述，人工修飾的抗除草劑轉(zhuǎn)基因aroA逃逸至雜草稻群體后能正常表達，并且在沒有選擇壓的環(huán)境中依然能為雜草稻群體帶來一定的適合度優(yōu)勢，具有較高的進化潛力。因此，也可能會帶來潛在的生態(tài)影響。本論文為抗除草劑轉(zhuǎn)基因從栽培稻向雜草稻群體逃逸導致生態(tài)影響的科學評估提供了必要的數(shù)