以下文章來源于南北學(xué)苑 ，作者李華榮
轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)業(yè)化后靶標(biāo)害蟲對抗蟲蛋白的抗性管理的思考。
一）轉(zhuǎn)基因玉米大豆產(chǎn)業(yè)化時代已開啟
自 2019 年起，中國轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化進(jìn)程步入快車道，生物育種相關(guān)政策密集出臺。
2019 年 12 月，時隔 10 年轉(zhuǎn)基因玉米、大豆生物安全證書重新獲批，包括 2 個轉(zhuǎn)基因玉米性狀、1 個轉(zhuǎn)基因大豆性狀，到目前為止已經(jīng)陸續(xù)批準(zhǔn) 17 個轉(zhuǎn)基因玉米和 6 個大豆安全證書。
2021 年 11 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于修改部分種業(yè)規(guī)章的決定(征求意見稿)》，開通轉(zhuǎn)基因品種審定綠色通道，規(guī)定受體品種已通過審定且審定區(qū)域在受體適宜區(qū)域內(nèi)的品種，僅需1年生產(chǎn)試驗(yàn)即可獲得品種審定證書。
2022 年 6 月 8 日國家農(nóng)作物品種審定委員會發(fā)布了《國家級轉(zhuǎn)基因大豆品種審定標(biāo)準(zhǔn)（試行）》和《國家級轉(zhuǎn)基因玉米品種審定標(biāo)準(zhǔn)（試行）》兩個關(guān)鍵性文件并實(shí)施。
2023 年 10 月17日公示了第一批初審?fù)ㄟ^的轉(zhuǎn)基因玉米、大豆品種及相關(guān)信息，共 37個轉(zhuǎn)基因玉米品種，14 個轉(zhuǎn)基因大豆品種；這 51 個轉(zhuǎn)基因品種很快在 12 月 7 日通過最終審定，12 月 26 日發(fā)放其轉(zhuǎn)基因玉米大豆種子生產(chǎn)經(jīng)營許可證書，標(biāo)準(zhǔn)著轉(zhuǎn)基因玉米大豆產(chǎn)業(yè)化時代正式開始。
2021 年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部對已獲得生產(chǎn)應(yīng)用安全證書的轉(zhuǎn)基因大豆和轉(zhuǎn)基因玉米開展了產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)，試驗(yàn)田面積 200 畝，2022 年擴(kuò)展到內(nèi)蒙古、云南的農(nóng)戶大田，增加到 10 萬畝，2023 年試點(diǎn)范圍擴(kuò)展到河北、內(nèi)蒙古、吉林、四川、云南 5 個省區(qū) 20 個縣，達(dá)到 400 萬畝，并在甘肅安排制種，為明年更多規(guī)模種植做準(zhǔn)備?，F(xiàn)在 51 個轉(zhuǎn)基因品種正式通過了品種審定，可以商業(yè)化種植了，明年的種植面積將會大幅度上升。
二）審定通過的轉(zhuǎn)基因作物提供了抗蟲抗除草劑性狀
審定通過的轉(zhuǎn)基因玉米使用了大北農(nóng)的 DBN9936 轉(zhuǎn)化體，表達(dá)抗蟲基因 Cry1Ab 和抗草甘膦除草劑基因 epsps, DBN9958 轉(zhuǎn)化體表達(dá)抗草甘膦和草銨膦的 epsps 和 pat 兩個除草劑抗性基因，以及通過育種聚合的 DBN3601T（“DBN9936×DBN9501），表達(dá)Cry1Ab、epsps、vip3Aa19和pat。另外的轉(zhuǎn)基因玉米還分別整合了杭州瑞豐的瑞豐125，表達(dá)Cry1Ab/Cry2Aj和g10evo-epsps兩個抗蟲和一個抗草甘膦基因，中國林木種子/中國農(nóng)大的ND207轉(zhuǎn)化體，表達(dá)mcry1Ab和mcry2Ab兩個抗蟲基因，中國種子集團(tuán)公司通過育種聚合的Bt11xMir162xGA21和Bt11xGA21，分別表達(dá)Cry1Ab、pat、vip3Aa20、mepsps和·cry1Ab、pat、mepsps。
抗蟲蛋白Cry1Ab和Cry2Ab，對玉米螟防效特別好，對草地貪夜蛾效果較差，因此審定的多數(shù)品種適合東北，黃淮玉米區(qū)。Vip3Aa蛋白對草地貪夜蛾活性最高，是防控草貪的王牌基因。西南玉米區(qū)草地貪夜蛾較重，含Vip3Aa的DBN3601T和Mir162轉(zhuǎn)化體的品種應(yīng)該部署在西南。但Vip3Aa蛋白對玉米螟殺蟲活性不高，只有Vip3Aa的轉(zhuǎn)化體需要與DBN9936，Bt11等轉(zhuǎn)化體聚合，保證最終品種對目標(biāo)生態(tài)區(qū)主要蟲害均有抗性。
審定通過的14個轉(zhuǎn)基因大豆品種使用了大北農(nóng)的DBN9004（表達(dá)epsps和pat）轉(zhuǎn)化體，同時抗草甘膦和草銨膦兩種除草劑，以及中國農(nóng)科院的中黃6106表達(dá)g2-epsps和gat兩個基因，兩種機(jī)制同時對付草甘膦。
三）轉(zhuǎn)基因玉米大豆商業(yè)化種植效益顯著
根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)基因作物尚未商業(yè)化應(yīng)用的1995年，美國玉米、大豆平均每畝單產(chǎn)分別為475公斤和158公斤，2022年美國轉(zhuǎn)基因玉米、大豆種植面積超過90%，平均單產(chǎn)已分別達(dá)到725公斤和222公斤，取得了巨大的社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益?？瓜x性狀顯著減少蟲害，除草劑抗性性狀配合高效除草劑減輕草害，減少產(chǎn)量損失，變相增加產(chǎn)量；沒有蟲害，玉米棒子健康完整，穗腐病輕了，真菌毒素污染少了，提高了玉米品質(zhì)。另一方面，極大減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，減少農(nóng)藥成本和施藥人工成本，同時減少化學(xué)農(nóng)藥對環(huán)境的影響。
我國還沒有商業(yè)化種植，但從近幾年的試驗(yàn)示范結(jié)果看，轉(zhuǎn)基因玉米大豆抗蟲抗除草劑性狀表現(xiàn)突出，對草地貪夜蛾等鱗翅目害蟲的防治效果在90%以上，除草效果在95%以上；轉(zhuǎn)基因玉米大豆可增產(chǎn)5.6%-11.6%。經(jīng)過3年試點(diǎn)，我國轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的安全性和有效性均得到了充分驗(yàn)證，試驗(yàn)區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益情況良好。
四）昆蟲抗性管理問題
長期使用單一化學(xué)農(nóng)藥，單一抗蟲蛋白或抗除草劑基因，靶標(biāo)昆蟲或者雜草都會逐漸適應(yīng)，產(chǎn)生抗性的，所以抗性管理對于延緩靶標(biāo)生物產(chǎn)生抗性，延長產(chǎn)品的使用周期很重要。
對于轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米，美國在延緩歐洲玉米螟等鱗翅目害蟲對Bt抗蟲蛋白Cry1Ab等的抗性發(fā)展控制上做得很好。從1996年轉(zhuǎn)基因玉米產(chǎn)業(yè)化以來，玉米螟種群受到轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米的很好防控，種群數(shù)量被壓得很低，近30年過去了，玉米螟對Cry1Ab的敏感性沒有明顯下降。
高劑量配合庇護(hù)所的抗性管理策略（High Dose/Refuge Strategy）：美國對轉(zhuǎn)基因作物靶標(biāo)昆蟲的抗性管理策略是“High Dose/Refuge”, 即高劑量配合庇護(hù)所策略。
這里的高劑量標(biāo)準(zhǔn)是對靶標(biāo)害蟲的自然敏感種群的防效高達(dá)99.99%，換句話說，要?dú)⒌脧氐?，不要?dú)⒌冒肷凰?，否則幸存者就可能逐漸適應(yīng)，產(chǎn)生抗性。要達(dá)到這樣高的防治效果，要求抗蟲蛋白本身的抗蟲活性非常高，加上在植物有高的表達(dá)量。在玉米上表達(dá) Cry1Ab 針對玉米螟容易做到，加上庇護(hù)所策略，或許是美國玉米螟至今沒有抗性發(fā)展的主要原因。
玉米根蟲沒有那么容易對付，上述高劑量標(biāo)準(zhǔn)是沒有達(dá)到的，不論先正達(dá)的 mCry3Aa或 eCry3.1Ab, 拜耳的 Cry3Bb，還是科迪華的雙價(jià)抗蟲蛋白 Cry34/35 在田間的實(shí)際防效都達(dá)不到，最高在 98% 左右（按田間玉米根蟲成蟲出現(xiàn)率計(jì)算）。所以，美國玉米根蟲對 Cry3 早已產(chǎn)生抗性，抗性種群逐漸擴(kuò)散；Cry34/35 本身對玉米根蟲的活性遠(yuǎn)高于 Cry3 家族，防效明顯較高，田間抗性出現(xiàn)相對較慢較晚。防治不夠徹底的原因主要是玉米根蟲對現(xiàn)有的抗蟲蛋白沒有玉米螟對 Cry1A 那樣敏感，致死中濃度明顯高于Cry1Ab對玉米螟。原陶氏與孟山都合作開發(fā)的SmartStax和最近上市的SmartStaxPro，分別有 3 個和 4 個基因?qū)Ω队衩赘x，它們是陶氏和孟山都提供的Cry34/35+Cry3Bb，以及Cry34/35 +Cry 3Bb +Dv-Snf7（RNAi）。這些基因的疊加，一方面增加抗蟲活性力度，另一方面有兩種不同機(jī)制，特別是RNAi抗蟲機(jī)制是通過沉默昆蟲的關(guān)鍵基因，導(dǎo)致其死亡，最終達(dá)到延緩抗性發(fā)展的目的。
因此，除了找到和利用高殺蟲活性的基因外，不同機(jī)制的兩個或三個基因聚合一起，同時對付一個或一類蟲子也是國際轉(zhuǎn)基因抗蟲技術(shù)發(fā)展的方向，這是延緩害蟲抗性發(fā)展的重要策略。比如 SmartStaxPro 除了對付玉米根蟲有 4 個基因，對付玉米螟也有 3 個基因 Cry1A.105+Cry2Ab+Cry1F。
相比于美國先進(jìn)的轉(zhuǎn)基因作物，我們的轉(zhuǎn)基因玉米技術(shù)還比較簡單，對靶標(biāo)害蟲的防治力度顯然沒有達(dá)到高劑量（High Dose）99.99% 的標(biāo)準(zhǔn)，還有很大的發(fā)展空間，這也為起步稍晚的公司提供追趕的機(jī)會。
基于群體遺傳學(xué)原理的庇護(hù)所策略也是非常有用的。根據(jù)抗蟲蛋白的抗蟲機(jī)制以及昆蟲抗性發(fā)展的機(jī)制研究，抗性性狀一般都是隱性的，隱性性狀必須在純合的條件下才能顯現(xiàn)。假如轉(zhuǎn)基因玉米田萬一出現(xiàn)了抗性蟲子，控制這種抗性的基因應(yīng)該是純合隱性的，非轉(zhuǎn)基因的庇護(hù)所里的蟲子應(yīng)該是普通的敏感的，這抗性蟲子與庇護(hù)所的敏感蟲子交配，所產(chǎn)生的后代，其隱性抗性基因又變成雜合體，雜合體又失去抗性，又變得敏感，又會被轉(zhuǎn)基因作物殺死。這樣以來，抗性個體不會繁衍起來，抗性基因不會傳遞下去，抗性基因頻率不會增加，所以抗性發(fā)展得到有效控制。
庇護(hù)所怎么設(shè)置？美國有兩種方式：早些時候的結(jié)構(gòu)化庇護(hù)所和最近的混種庇護(hù)所。結(jié)構(gòu)化庇護(hù)所是指在轉(zhuǎn)基因玉米田塊里劃定一定比例（比如單基因?qū)Ω兑粋€蟲子時要求20%的非轉(zhuǎn)基因玉米）的區(qū)域來種庇護(hù)所玉米。這種方式實(shí)施起來比較麻煩，阻力較大。隨著多基因聚合，兩個不同機(jī)制的基因疊加一起對付一個/類蟲子時，蟲子發(fā)展抗性的幾率小得多，非轉(zhuǎn)基因作物庇護(hù)所的比例下降到 5%，而且與 95% 轉(zhuǎn)基因種子混合，一起播種一起收獲，這種方式就是非結(jié)構(gòu)化的混種庇護(hù)所，或者被叫做 “Refuge in Bag” (簡稱 RIB）。顯然，這種設(shè)置容易操作。
從農(nóng)業(yè)農(nóng)村部文件以及審批的轉(zhuǎn)基因玉米大豆品種看，可能要走轉(zhuǎn)基因棉花天然庇護(hù)所的路子?？瓜x轉(zhuǎn)基因棉花在我國已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化 20 多年了，沒有設(shè)置專門的非轉(zhuǎn)基因棉花庇護(hù)所，而是利用咱們國家的土地特點(diǎn)，棉田面積不大，不太連片，田塊四周有其它作物或雜草，可以為食性廣的棉鈴蟲提供食物來源，這些作物或雜草起到了庇護(hù)所的作用，被叫做天然庇護(hù)所。以前棉花種植范圍廣，天然庇護(hù)所確實(shí)存在，但現(xiàn)在棉花都收縮到新疆，新疆棉田是否還有天然庇護(hù)所值得商榷。玉米種植面積大，連片種植突出，特別是在東北玉米區(qū)。專門的庇護(hù)所還是需要的，最好采用混種庇護(hù)所?；旆N庇護(hù)所要求至少兩個不同機(jī)制的抗蟲基因疊加一起對付該區(qū)域的主要害蟲才有效。所以，兩個或三個不同機(jī)制的基因疊加一起對付其主要蟲子是必要的。
