【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）富陽(yáng)地區(qū)稻田雜草及抗除草劑水稻99-1bar基因漂移評(píng)價(jià)研究農(nóng)藥學(xué)碩士論文

密級(jí) ： 論文編號(hào)： 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 學(xué)位論文 富陽(yáng)地區(qū)稻田雜草及抗除草劑水稻 99-1 因漂移評(píng)價(jià)研究 9 F N ND F 9摘 要 本文調(diào)查了杭州富陽(yáng)地區(qū)稻田雜草的情況，研究了抗除草劑轉(zhuǎn)基因水稻 99田間與雄性不育系水稻 草和千金子之間以花粉為媒介的基因漂移，并通過(guò)調(diào)查明確了轉(zhuǎn)基因水稻與常規(guī)水稻農(nóng)藝性狀的差異。結(jié)論如下： 通過(guò)對(duì)杭州富陽(yáng)地區(qū)水稻秧田、直播田、拋秧田、移栽田和稻茬田雜草調(diào)查，明確和驗(yàn)證了直播田雜草的危害明顯重于移栽田和拋秧田，拋秧田雜草發(fā)生的種類和群落與直播田的情況基本相同，草害以喜濕性的雜草為主，如鴨舌草、節(jié)節(jié)菜、丁香蓼等，并且雜草的種類及比例相對(duì)于其他幾種栽培方式更加多樣化和平均化。移 栽田后期草害要輕于直播田等輕型栽培方式。同時(shí)雜草種類也有所減少。 稗草，鴨舌草，丁香蓼三種雜草單位面積發(fā)生密度大，發(fā)生頻率高，在這四種稻田內(nèi)均是主要雜草，是稻田雜草防除的主要對(duì)象。通過(guò)對(duì)稻田雜草花期的調(diào)查，雜草的花期較長(zhǎng)，并且多種田間雜草與早、中、晚稻的花期相重合，增大了與水稻發(fā)生花粉交流的可能性。而稗草與千金子不僅在前四種稻田內(nèi)為主要雜草，而且經(jīng)過(guò)調(diào)查，這兩種雜草的花期與水稻花期重合。從親緣關(guān)系上來(lái)說(shuō)，這兩種雜草與水稻的親緣關(guān)系最近，在田間與水稻的雜交可能性最大。 以抗除草劑轉(zhuǎn)基因水稻 99雄性不育系水 稻 草無(wú)芒稗和千金子為研究材料，初步研究了抗除草劑轉(zhuǎn)基因水稻在田間與常規(guī)水稻和雜草雜交的可能性。 無(wú)芒稗和千金子在田間均為輻射狀種植。采用生物測(cè)定和 測(cè)定方法，對(duì) 間自然雜交 U F F F 雜種后代進(jìn)行檢驗(yàn)，證實(shí)了 99 生了基因漂移，產(chǎn)生了對(duì)草丁膦有抗性的后代。對(duì) 實(shí)率的分析表明，抗性個(gè)體比例與水稻花期時(shí)的盛行風(fēng)向及距離 99遠(yuǎn)近有關(guān)。測(cè)進(jìn)一步證實(shí)了此結(jié)論。采用生物測(cè)定的方法對(duì)稗草和千金子的種子進(jìn)行檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)抗性個(gè)體的存在， 測(cè)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相關(guān)特異性片段。因此在本試驗(yàn)的條件下， 99有與 無(wú)芒稗 和千金子發(fā)生基因漂移。 調(diào)查了轉(zhuǎn)基因水稻 99禾 201，常規(guī)水稻秀水 11、丙 94田間雜草多樣性和生物量影響，并比較了四個(gè)品種之間農(nóng)藝性狀的差異。結(jié)果顯示，四種水稻之間對(duì)稻田雜草多樣性和生物量的影響沒(méi)有差異。在株高、分蘗數(shù)、分蘗角度、劍葉角和千粒重這幾項(xiàng)農(nóng)藝性狀上，秀水 11 的株高和千粒重均在 平上與其它三種水稻存在差異。而在其余三項(xiàng)指標(biāo)上，這 4 種水稻均無(wú)顯著差異。轉(zhuǎn)基因水稻 99嘉禾 201 的農(nóng)藝性狀處于中等水 平，與其它的兩種水稻相比并不具有生存競(jìng)爭(zhēng)性。 關(guān)鍵詞 ：抗除草劑轉(zhuǎn)基因水稻，基因漂移，稻田雜草，水稻農(nóng)藝性狀 9-1 to L.) on of It of In in in to in of in an As in in in of of to on to a of s in of L.) of of 9as of By CR to of 9of no 9on of on by 9901 1, 4no on 1 no in 99-1 01 in of 錄 第一章 引言 1 國(guó)農(nóng)田雜草研究進(jìn)展 1 除草劑轉(zhuǎn)基因作物的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展 3 除草劑轉(zhuǎn)基因作物的貢獻(xiàn) 5 除草劑轉(zhuǎn)基因作物的環(huán)境威脅 6 除草劑轉(zhuǎn)基因作物外源基因的逃逸途徑 7 價(jià)抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物基因漂移的途徑 8 基因水稻花粉漂移風(fēng)險(xiǎn)的判斷 9 因作物的研究進(jìn)展 10 第二章 杭州市富陽(yáng)地區(qū)水稻 田間雜草調(diào)查 14 2 材料和方法 14 結(jié)果與分析 16 討論 24 第三章 抗除草劑轉(zhuǎn)基因水稻 99因漂移的研究 26 轉(zhuǎn) 因水稻 99雄性不育系 雜交及 因的檢測(cè) 26 99 33 因的 定 36 論 40 第四章 轉(zhuǎn)基因水稻與非轉(zhuǎn)基因水稻田中雜草及水稻農(nóng)藝性狀的調(diào)查 42 驗(yàn)材料和方法 42 果與分析 43 論 49 第五章 結(jié)論與討論 51 參考文獻(xiàn) 52 致謝 58 作者簡(jiǎn)歷 59 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 引言 1 第一章 引言 1. 1 我國(guó)農(nóng)田雜草研究進(jìn)展 國(guó)農(nóng)田雜草的發(fā)生情況 雜草危害一直是制約全球農(nóng)作物生產(chǎn)的重要因素，在一些除草設(shè)備完善、技術(shù)水平高的發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)，每年投入 61 億美元用于除草，草害仍然造成作物減產(chǎn) 12，損失約計(jì) 330 億美元（ et 2002）。在我國(guó)，每年由于雜草危害造成農(nóng)作物產(chǎn)量損失 10 20（蘇少泉， 2001）。“六五”期間，我國(guó)第一次進(jìn)行農(nóng)田草害調(diào)查研究，初步 查明農(nóng)田共有雜草 77 科 580種，水田、旱地和水旱田雜草各占 22%、 74%和 4%，最常見(jiàn)的雜草種類為禾本科、菊科、莎草科和蓼科，各占 18%、 13%、 7%和 7%。其中危害嚴(yán)重又難以防除的惡性雜草有 15 種：野燕麥（ 看麥娘 (馬唐 (狗尾草 (牛筋草(柳葉蓼 (反枝莧 (香附子 (白茅 (稗草 (異型莎草 (鴨舌草 (眼子菜 (扁桿藨草 (；農(nóng)田草害面積約 4300 萬(wàn)公頃，其中嚴(yán)重受害面積約 1000 萬(wàn)公頃（涂鶴齡， 2001；楊健源等， 1998）。 在我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成危害的主要農(nóng)田雜 草有 60 多種，危害面積約 4000 萬(wàn)公頃，每年造成糧食產(chǎn)量損失 10%左右。隨著農(nóng)村種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、耕作制度的改變，單一類型除草劑的長(zhǎng)期使用，農(nóng)田雜草的種群變化和群落演替加速，除一些次要雜草逐漸成為主要雜草外，一些多年生雜草在農(nóng)田的發(fā)生危害也日趨嚴(yán)重，抗性雜草 (如抗殺草丹的稗草 )業(yè)已出現(xiàn)。加上我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力大量向其它行業(yè)轉(zhuǎn)移，農(nóng)田管理放松，一些地區(qū)農(nóng)田草害已呈加重趨勢(shì)（張朝賢等， 2000）。 水稻是我國(guó)重要的糧食作物，我國(guó)南方 14 省 (長(zhǎng)江以南 )種植面積最大，播種面積為 公頃，約占全國(guó)種植面積 公頃的 馮維卓等， 2000）。 由于輪、耕作制度的改變，農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移及化學(xué)除草水平較低，加快了農(nóng)田雜草群落種群演替，一些次要雜草逐漸上升為主要雜草，多年生惡性雜草發(fā)生加重。 原來(lái)一些嚴(yán)重影響水稻生長(zhǎng)的眼子菜、萍類、牛毛氈等雜草已基本解決， 矮慈姑 (野荸薺 (水莎草 (荊三棱 (千金子 (雙穗雀稗 (等明顯增加（涂鶴齡， 2001）。 此外， 隨著麥田套稻、水直播、旱育拋載和塑盤拋栽等稻田輕型栽培方式的推廣，雜草發(fā)生也有了新的變化，這給雜草防除帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)（張夕林等，1999）。根據(jù)調(diào)查，稻田雜草的危害程度與稻田耕作方式有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，輕型的稻田栽培如水稻直播、拋秧、旱育秧等有利于雜草的發(fā)生。在直播田內(nèi)，由于雜草與水稻同步生長(zhǎng)，稻株密度小，生長(zhǎng)空間大，因此雜草危害比較重。在不同時(shí)期的稻作田間，如早稻、晚稻及單季稻，構(gòu)成雜草群落的雜草種類及其所占的比例也不 相同。早稻田以稗草為主，其他的雜草則相對(duì)較少。晚稻田則以稗草及其它雜草共同構(gòu)成的群落為害，其中仍然主要是稗草，但是單草的危害程度明顯下降（王強(qiáng)等， 2000）。 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 引言 2 草防除面臨的問(wèn)題 田雜草抗藥性增加 抗藥性雜草是全球關(guān)注的問(wèn)題。由于常年施用化學(xué)除草劑，使敏感型得到有效控制的同時(shí)，耐藥性雜草迅速發(fā)展。自 20 世紀(jì) 70 年代中期以來(lái)，全球抗藥性雜草生物型一直呈上升趨勢(shì)。在我國(guó)，東北地區(qū)玉米田因長(zhǎng)期使用阿特拉津，惡性雜草馬唐對(duì)其抗藥性上升（涂鶴齡， 2001）；在長(zhǎng)期使用丁草胺的稻田，稗草對(duì) 其產(chǎn)生了抗性（付仲文， 2000）；麥田雜草日本看麥娘也對(duì)氯甲磺隆產(chǎn)生抗藥性（許定平， 2002），這將是雜草防除面臨的新挑戰(zhàn)。 草劑藥害 新型高活性除草劑的開(kāi)發(fā)應(yīng)用在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)益處的同時(shí)，由于一些除草劑品種在土壤中的殘效期過(guò)長(zhǎng) (如氯磺隆、甲磺隆、普施特等 )，連續(xù)使用在土壤中造成積累，加之我國(guó)復(fù)雜的輪作、套種方式，這些除草劑也在一些地區(qū)對(duì)后茬敏感作物造成了嚴(yán)重藥害，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，由于施藥技術(shù)和方法問(wèn)題，也造成某些地方藥害的發(fā)生。 物技術(shù)在雜草綜合治理中 的作用 我國(guó)田間雜草的防治一直是以化學(xué)為主，“六五”以來(lái)，我國(guó)農(nóng)田雜草綜合治理已從單一作物、農(nóng)田單一雜草防除發(fā)展到不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū) 5 大作物輪作、套作田生態(tài)調(diào)控與化學(xué)除草相結(jié)合的農(nóng)田雜草綜合治理（張朝賢等， 2000）。但是雜草化學(xué)防除也面臨著一些問(wèn)題，如創(chuàng)制新品種的難度加大，新品種登記的要求越來(lái)越高，除草劑的污染日益嚴(yán)重，抗性雜草的迅速發(fā)展等。這促使人們考慮用其他途徑來(lái)控制雜草。 上世紀(jì)末至今，以基因工程為代表的生物技術(shù)得到了飛速發(fā)展，隨著 遺傳密碼子的破譯，限制性內(nèi)切酶、 接酶，尤其是 粒特異 性功能的發(fā)現(xiàn)，使人們進(jìn)一步明確了基因在生物體中所發(fā)揮的重要作用，并且可以對(duì)遺傳基因進(jìn)行人為控制。一些控制表達(dá)除草劑抗性的基因也已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)并且被克隆出來(lái)，通過(guò)人工轉(zhuǎn)化，它們已經(jīng)成功的被轉(zhuǎn)入到植物中去，使植物也具有對(duì)除草劑的抗性。抗除草劑基因最早是與其它基因共同整合到質(zhì)粒中，作為外源基因轉(zhuǎn)化的標(biāo)記基因。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)化后植物使用除草劑，觀察其是否有除草劑的抗性，判斷目標(biāo)基因是否成功的轉(zhuǎn)入。 由于化學(xué)除草存在的問(wèn)題，抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物也引起了人們的重視。通過(guò)種植抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物，可以使用滅生性除草劑而不會(huì)殺死作物。目 前，抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物主要是針對(duì)抗草甘膦和草丁膦兩種除草劑。這兩種除草劑均為滅生性莖葉處理劑，在土壤中易降解，對(duì)環(huán)境影響小。在作物生長(zhǎng)季節(jié)使用 1 2 次滅生性除草劑就可以達(dá)到除草目的，而作物不受影響。這減少了田間除草劑的用量，使田間管理更加容易，減少了農(nóng)藥污染和藥害的發(fā)生。因此抗除草劑是轉(zhuǎn)基因作物中發(fā)展最快的插入性狀。近年來(lái)其使用面積占轉(zhuǎn)基因作物使用總面積的 70。美國(guó)目前種植的 1 2 的大豆、 1 3 的油菜均為抗除草劑轉(zhuǎn)基因品種（閆新甫， 2003）。 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 引言 3 除草劑轉(zhuǎn)基因作物的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展 自從 1983年首次 成功的利用農(nóng)桿菌 粒將外源基因?qū)霟煵荩@得轉(zhuǎn)基因植株以來(lái)，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，轉(zhuǎn)基因技術(shù)已經(jīng)在 200多種植物中獲得成功應(yīng)用。全球轉(zhuǎn)基因作物（ 種植面積由 1996 年的 170 萬(wàn) 加到 2002 年的 5,870 萬(wàn) 7 年間增加了 35 倍 (002)。各種出色的轉(zhuǎn)基因植物不斷面世，它的迅猛發(fā)展將會(huì)使人類面臨的糧食、能源和環(huán)境等問(wèn)題得到相當(dāng)程度的緩解，滿足了人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求。美國(guó)至今批準(zhǔn)進(jìn)入大田實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)基因作物已經(jīng)包括了小麥、玉米、大豆、棉 花等重要的糧油和纖維作物以及蔬菜、水果、牧草和花卉等經(jīng)濟(jì)作物，現(xiàn)在已經(jīng)有幾十個(gè)轉(zhuǎn)基因作物品種已經(jīng)作為商品上市。 除草劑在世界上有著廣泛的應(yīng)用，在控制農(nóng)田草害中發(fā)揮了重要的作用。然而隨著人們對(duì)環(huán)境安全的要求越來(lái)越高，新型除草劑的開(kāi)發(fā)難度也越來(lái)越大（ et 1989）。開(kāi)發(fā)抗除草劑的農(nóng)作物品種，讓植物去適應(yīng)現(xiàn)有的化學(xué)除草劑更合算。同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)的角度上來(lái)講，通過(guò)開(kāi)發(fā)抗除草劑的作物，可以擴(kuò)大除草劑的使用范圍，增大除草劑的銷量。在過(guò)去的十幾年中，世界上有許多公司已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了耐除草劑的轉(zhuǎn)基因作物。 孟山都公司是開(kāi)發(fā)抗除草劑基因工程技術(shù)最早也是最成功的公司，它的研究主要是針對(duì)自己開(kāi)發(fā)的除草劑草甘膦。有耐草甘膦大豆、油菜、棉花、玉米、甜菜等產(chǎn)品，在 19972004年 2 月 經(jīng)過(guò)我國(guó)農(nóng)業(yè)部的批準(zhǔn)，孟山都的 5 個(gè)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品被獲準(zhǔn) 進(jìn)入中國(guó)，包括 大豆一種，玉米和棉花各兩種 。同時(shí)，其他的大型農(nóng)化公司也開(kāi)發(fā)出不少轉(zhuǎn)基因的作物，如艾格福 (抗胺草靈轉(zhuǎn)基因油菜、玉米、大豆等。美國(guó)氰胺公司的抗除草劑的 對(duì)咪唑啉酮類除草劑 咪草煙（ 商品名為 普殺特、普施特、咪 唑乙煙酸 ）有較好的耐受性，并于 1996年商品化 (張麗萍等， 1999)。 表 1. 除草劑主要作用靶標(biāo)及植物抗除草劑基因工程的策略（引自楊竹平等， 1996） . et 1996) 抑制途徑 除草劑 主要靶標(biāo) 抗除草劑基因工程策略 修飾靶標(biāo) 解毒作用 光合作用 突變體 因（植物） 因（植物） 因（細(xì)菌） 氨基酸生物合成 氨酰胺合成酶（ 因擴(kuò)增 因（細(xì)菌） 酰乳酸合成酶（ 突變 因擴(kuò)增 3 因擴(kuò)增 突變體 因(細(xì)菌 ) 生長(zhǎng)調(diào)節(jié) 2,4詳 因（細(xì)菌） 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 引言 4 表 少泉， 1998；汪燦明， 2000；梁雪蓮等， 2001） (998;000;et 2001) 除草劑品種 抗性基因 基因來(lái)源 靶標(biāo)酶 轉(zhuǎn)化作物 草甘膦 擬南芥屬 菜 煙草和其它 草和其它 草丁膦 丁膦乙酰轉(zhuǎn)化酶（ 番茄、煙草、馬鈴薯、大豆、玉米、小麥、糖用甜菜、水稻、油菜 磺隆 酰乳酸合成酶（ 水稻、油菜、芥菜、煙草 . 煙草 . 煙草 氟草敏 氫番茄紅素 脫氫酶 煙草 溴苯腈 水解酶 煙草、棉花、苜蓿、油菜 2,4-D 氧化酶 油菜、棉花 茅草枯 鹵化酶 氨化鈣 胺基氫化酶 煙草 異丙甲草胺 玉米 谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶（ 煙草 綠麥隆 大鼠 草 莠去津 去津氯水解酶草、馬鈴薯 稀禾定 玉米 咪草煙 玉米 除草劑 主要通過(guò)以下幾個(gè)途徑對(duì)雜草發(fā)生作用：光合作用（如阿特拉津等）、氨基酸生物合成（如草丁膦、草甘膦等）、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)（如 2,4 D 等）。通過(guò)抑制這幾個(gè)途徑 中的關(guān)鍵酶，就可以迅速殺滅靶標(biāo)雜草 (表 1)。相應(yīng)的，抗除草劑基因工程是通過(guò)以下兩個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是利用中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 引言 5 點(diǎn)突變修飾來(lái)降低植物的除草劑作用靶標(biāo)對(duì)除草劑的敏感性，或誘導(dǎo)除草劑靶標(biāo)酶或靶標(biāo)蛋白質(zhì)過(guò)量生產(chǎn)，使作物吸收除草劑后仍能夠進(jìn)行正常的代謝活動(dòng) ， 主要是對(duì)光合作用抑制劑尤其是光合系統(tǒng) 及氨基酸合成抑制劑的靶標(biāo)；二是引入降解除草劑的酶和酶系統(tǒng)，在除草劑發(fā)生作用之前將其降解或解毒。如將控制 酰轉(zhuǎn)移酶合成的 因?qū)氲剿緝?nèi) ,使水稻體內(nèi)可以合成降解草丁膦的 而使水稻具有抗草丁膦的能力。 通 過(guò)研究人員的不斷努力，發(fā)現(xiàn)了許多對(duì)除草劑具有抗性基因的微生物（表 2），并將其成功分離、導(dǎo)入作物之中，獲得到了一些市場(chǎng)前景十分看好的作物品種。其中一部分基因是控制對(duì)除草劑敏感的靶標(biāo)蛋白的合成，通過(guò)過(guò)量合成該種蛋白，使它的量足以在除草劑存在的情況下細(xì)胞仍能夠執(zhí)行其正常功能。另外還可以使細(xì)胞過(guò)量產(chǎn)生一些針對(duì)特定除草劑結(jié)構(gòu)的多糖和蛋白等，使其快速地與除草劑結(jié)合從而使除草劑喪失活性（張宏軍， 2003）。 除草劑轉(zhuǎn)基因作物的貢獻(xiàn) 雜草危害是農(nóng)作物生產(chǎn)的主要障礙之一。據(jù)估計(jì)，在中國(guó)每年由于雜草為害而造成的農(nóng)作物產(chǎn) 量損失為 10 20%(蘇少泉， 2001)。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)民迫切地需要提高生產(chǎn)效率，因此化學(xué)除草越來(lái)越受到廣大農(nóng)民的歡迎。然而，中國(guó)的化學(xué)除草也存在很多問(wèn)題，首先是自己開(kāi)發(fā)除草劑的能力差，生產(chǎn)的除草劑品種少，而且品種老化嚴(yán)重，對(duì)環(huán)境的污染大。二是種植制度復(fù)雜，加之除草劑施用技術(shù)研究不深入和雜草科學(xué)知識(shí)普及不夠，常常由于施用除草劑不當(dāng)造成大面積作物藥害。 除草劑今后向著高效、低毒、低殘留的方向發(fā)展，如草甘膦、草丁膦等，但是它們大多是滅生性除草劑，在使用的時(shí)候，如果措施不當(dāng)，極有可能對(duì)作物造成藥害，或因殺 草譜的限制，無(wú)法防除田間各種雜草。種植采用基因工程方法，導(dǎo)入除草劑抗性基因的作物，既可以有效地解決以上的問(wèn)題，又是增加除草劑選擇性和安全性的一條新的有效途徑。 抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物在美國(guó)、加拿大等國(guó)已廣泛種植，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。這項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)也有廣闊的應(yīng)用前景，能進(jìn)一步加快化學(xué)除草的發(fā)展，降低農(nóng)作物的生產(chǎn)成本。其具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面： 入產(chǎn)出比高 由于人們對(duì)環(huán)境的日益關(guān)心，新除草劑品種登記時(shí)所需要的材料越來(lái)越多，使得開(kāi)發(fā)除草劑的成本越來(lái)越高。開(kāi)發(fā)出一個(gè)除草劑品種需要從上萬(wàn)個(gè)新化合物中篩選， 耗費(fèi)幾千萬(wàn)甚至上億美元，投資風(fēng)險(xiǎn)大。培育一種抗除草劑作物品種，擴(kuò)大老除草劑的使用范圍，同樣起到新除草劑的作用，可是它的投資則比開(kāi)發(fā)一種新除草劑小得多。 低對(duì)進(jìn)口除草劑的依賴 隨著經(jīng)濟(jì)的全球化，農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)愈來(lái)愈激烈。降低農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，在很大的程度上依賴于除草劑的使用，因?yàn)榛瘜W(xué)除草的成本遠(yuǎn)低于人工除草的費(fèi)用。然而，由于種種原因，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 引言 6 目前中國(guó)開(kāi)發(fā)新除草劑品種的能力還很有限，生產(chǎn)的化學(xué)除草劑品種少，不能滿足生產(chǎn)的需要，有些作物上施用的除草劑品種仍依賴進(jìn)口。隨著中國(guó)市場(chǎng)的開(kāi)放，這種依賴國(guó)外除草劑的局 面將會(huì)進(jìn)一步加劇。扭轉(zhuǎn)這種局面的一種有效手段是培育抗除草劑作物。選育抗除草劑作物品種可充分利用我國(guó)現(xiàn)有的除草劑品種，擴(kuò)大使用范圍，延長(zhǎng)使用壽命，降低對(duì)國(guó)外除草劑品種的依賴。 決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的草害問(wèn)題 在中國(guó)，有些作物（如棉花、油菜、蔬菜）田雜草為害嚴(yán)重，而在這些作物上還沒(méi)有比較合適的選擇性防除闊葉雜草的除草劑，特別是苗后處理除草劑。培育抗除草劑的棉花、油菜、蔬菜品種，將可有效地防除這些作物田雜草。對(duì)于水稻來(lái)講，不但田間施用除草劑的工作非常繁重，而且目前抗性雜草的發(fā)生比較嚴(yán)重，有些抗性雜草用常規(guī)除草劑 無(wú)法防除。種植抗除草劑水稻后，田間可以使用滅生性除草劑如草甘膦、草丁膦等，將抗性雜草殺死，使田間雜草管理變得容易（張宏軍， 2003）。 高除草效果、減少藥害和農(nóng)藥環(huán)境污染 目前，在中國(guó)使用的除草劑以土壤處理劑為主。土壤處理劑的除草效果受環(huán)境條件影響較大，使用技術(shù)要求高，加之中國(guó)雜草知識(shí)普及不夠，常常因使用不當(dāng)或除草劑本身的選擇性差而造成除草效果不理想或發(fā)生藥害。近幾年，我國(guó)每年都有因除草劑使用不當(dāng)而產(chǎn)生大面積藥害的事件，給農(nóng)民造成了極大的損失。培育抗莖葉處理除草劑的作物品種，將會(huì)增加農(nóng)民施藥的靈 活性，提高除草效果，防止藥害產(chǎn)生。另外，在我國(guó)使用的有些除草劑對(duì)環(huán)境影響較大，如阿特拉津?qū)Φ叵滤廴緡?yán)重。培育抗除草劑作物，可用對(duì)環(huán)境友好、對(duì)人畜安全的除草劑來(lái)替代那些不安全除草劑，降低對(duì)環(huán)境的污染，減少人畜毒害。 進(jìn)耕作制度和種植方式的改變 種植抗除草劑作物可促進(jìn)耕作制度和種植方式的改變，有利于中國(guó)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)力的提高。例如，旱稻具有省工、節(jié)水的優(yōu)點(diǎn)。由于沒(méi)有好的旱稻除草劑，在推廣這項(xiàng)技術(shù)中遇到雜草難以防治的問(wèn)題。在北方小麥 麥秸稈還田和免耕或少耕技術(shù)能提高土壤的 有機(jī)質(zhì)，改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，減少水土流失等優(yōu)點(diǎn)，防止小麥秸稈焚燒對(duì)空氣的污染。在該項(xiàng)技術(shù)的推廣中也同樣遇到雜草難防除的問(wèn)題。培育抗除草劑的旱稻、玉米品種，可解決雜害的問(wèn)題，可加快這些技術(shù)的推廣。 1. 4 抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物的環(huán)境威脅 盡管轉(zhuǎn)基因作物有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是抗除草劑轉(zhuǎn)基因植物同時(shí)也可能帶來(lái)一系列生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，如抗性基因的漂移、雜草化、對(duì)生物多樣性的影響等問(wèn)題。所謂基因漂移 (指基因通過(guò)花粉授精雜交等途徑在種群之間擴(kuò)散的過(guò)程（樊龍江等， 2001）。 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 引言 7 一些學(xué)者早就證實(shí)抗除 草劑轉(zhuǎn)基因作物可以與其他同種栽培種植物發(fā)生雜交，從而使抗性基因漂移（ et 2001），使除草劑抗性通過(guò)基因流在同一個(gè)物種中從抗性植物轉(zhuǎn)入到敏感植物中。 （ 1996）用 5種抗草丁膦轉(zhuǎn)基因甜菜做父本與野生甜菜進(jìn)行人工雜交，研究了抗性基因隨花粉漂移的可能性。結(jié)果表明，抗性基因可以通過(guò)授粉而漂移。 1999）對(duì)抗草丁膦小麥與野生的圓柱山羊草（ 交種進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雜種可以在田間自發(fā)地與野生圓柱山 羊草回交。 （ 1998）研究了抗草丁膦轉(zhuǎn)基因水稻和雜草紅稻雜交的可能性，結(jié)果證明抗性基因完全可以從抗性水稻漂移到雜草紅稻中去。雜交的 2000）也通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了轉(zhuǎn)基因作物可以和野生種雜交，使得抗性基因發(fā)生漂移。 一些生態(tài)學(xué)家認(rèn)為抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物變?yōu)殡s草的可能性與本地雜草變?yōu)閮?yōu)勢(shì)雜草的可能性相當(dāng)?？钩輨┺D(zhuǎn)基因作物釋放到環(huán)境中后，由于它具有抗除草劑特性，在除草劑存在的條件下會(huì)變?yōu)閮?yōu)勢(shì)作物。當(dāng)收獲時(shí)不可避免的有種子散落，它在下茬作物中就 有可能成為雜草，而且抗除草劑作物所具有的植株高度、葉面積、抗逆性等特征，可以使它變成一個(gè)更為“成功”的雜草。實(shí)踐證明，在作物輪作種植的地方，如果下茬是抗同種除草劑的轉(zhuǎn)基因作物，且該作物和上茬作物均對(duì)除草劑有相同的抗性，那么上茬轉(zhuǎn)基因作物很有可能會(huì)在下茬作物中變?yōu)殡s草（ et 1997）。 1. 5 抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物外源基因的逃逸途徑 基因作物花粉的散布 由于目前大多數(shù)轉(zhuǎn)基因植物的轉(zhuǎn)化采用組成型啟動(dòng)子，使得外源目的基因在所有組織和器官中均有表達(dá)，因此，轉(zhuǎn)基因植物花粉的散布成為外源基因 逃逸的主要渠道之一。這方面國(guó)內(nèi)外已有不少報(bào)道 (張長(zhǎng)清等 , 1997;et 1996; et 1995; et 1997)。實(shí)際上 ,花粉的散布在非轉(zhuǎn)基因植物中也相當(dāng)普遍 ,包括水稻、玉米、小麥、馬鈴薯、棉花、油菜和甜菜等主要糧食和經(jīng)濟(jì)作物。植物育種學(xué)家對(duì)如何保護(hù)作物不受外來(lái)花粉污染的研究已進(jìn)行了半個(gè)多世紀(jì) ,根據(jù)外來(lái)花粉與保護(hù)作物雜交的頻率來(lái)確定傳粉隔離距離。這種方法為轉(zhuǎn)基因花粉散布距離的研究提供了寶貴的思路。 近 10 年來(lái)人們對(duì)不同轉(zhuǎn)基因作物 的傳粉距離進(jìn)行了研究 ,發(fā)現(xiàn)不同作物的傳粉距離是有差別的。如轉(zhuǎn)基因油菜、馬鈴薯、芥菜、棉花和向日葵花粉的逃逸距離分別為 12、 20、 35、 100和1000m(et 1994; et 1998)。 2001)測(cè)試了抗除草劑轉(zhuǎn)基因水稻的基因漂移情況，結(jié)果顯示，在兩種水稻相鄰種植的情況下，雜交頻率為稍低于 在非轉(zhuǎn)基因水稻環(huán)繞轉(zhuǎn)基因水稻的種植條件下，在盛行風(fēng)下風(fēng)向的雜交頻率為 然而在上風(fēng)向距離轉(zhuǎn)基因水稻 5這與水稻的生物學(xué)傳粉特性有關(guān)。水稻屬于自花授粉的植物，水稻種子有 90%左右是自花授粉形成的，加之水稻的花粉壽命比較短，一般只有幾分鐘，水稻的單朵花的開(kāi)花時(shí)間也較短，其開(kāi)放時(shí)間從 6分鐘到 1個(gè)小時(shí)不等（ 1986），因此異花授粉的幾率比較小。另外水稻與其它水稻雜交成功與否與周圍植物類型、密度、其他水稻的花期和氣象條件等因素有關(guān)，轉(zhuǎn)基因水稻的種植面積大小也影響到它的傳粉距離 (國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 引言 8 1997)。 基因作物作為野生親緣種花粉的受體形成雜種 轉(zhuǎn)基因作物除了花粉散布造 成外源基因的空間逃逸外 ,若作為花粉受體與野生親緣種雜交 ,形成的雜交種子在土壤中存留，在下茬作物田間變?yōu)榫哂谐輨┛剐缘碾s草。在條件適宜的情況下 ,轉(zhuǎn)基因作物與其野生親緣種的雜交種可以與野生親本不斷回交，從而導(dǎo)致具有抗性基因的植株的基因組成越來(lái)越接近野生的親本，并且抗性的性狀不斷純化。 1997， 1998， 2000）研究了抗草丁膦油菜與野蘿卜（ .）和野歐白芥（ 作為父本 )雜交后 4個(gè)世代植株花粉的可育性和染色體數(shù)目。結(jié)果 發(fā)現(xiàn)，隨著世代的增加，植株染色體數(shù)目逐漸減少，雜種的染色體數(shù)目逐漸接近野生小蘿卜的染色體數(shù)。在這個(gè)過(guò)程中，每一代植株的可育性不斷增加。由此表明 ,經(jīng)過(guò)不斷的回交 ,轉(zhuǎn)基因作物中的外源基因可進(jìn)入野生親緣種的遺傳背景 ,從而造成轉(zhuǎn)基因的逃逸。 1. 6 評(píng)價(jià)抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物基因漂移的途徑 目前抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物還沒(méi)有在我國(guó)得到應(yīng)用，它可能會(huì)帶來(lái)的問(wèn)題還沒(méi)有機(jī)會(huì)完全顯現(xiàn)。但是，隨著抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物的應(yīng)用、推廣，從安全的角度、風(fēng)險(xiǎn)管理的角度，對(duì)轉(zhuǎn)基因作物進(jìn)行基因漂移評(píng)估和環(huán)境安全性評(píng)價(jià)是完全必要的。 基因漂流是轉(zhuǎn)基因植物可能 引起的生態(tài)問(wèn)題中主要的風(fēng)險(xiǎn)，所以一直是轉(zhuǎn)基因植物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和管理的關(guān)鍵問(wèn)題和研究熱點(diǎn)。另外由于各種抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物特性不同，目前還不能將其綜合起來(lái)研究，無(wú)法對(duì)所有的抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物定一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小的標(biāo)準(zhǔn)或得出一個(gè)普遍性的結(jié)論。目前大多數(shù)學(xué)者都贊同“一事一論”的研究方法（ 即針對(duì)某一種轉(zhuǎn)基因作物進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的大小，但不推廣到其他種類的轉(zhuǎn)基因作物上?？钩輨┺D(zhuǎn)基因作物基因漂移的評(píng)價(jià)主要是從基因漂移以及對(duì)環(huán)境的影響兩方面來(lái)研究其安全性的。 對(duì)轉(zhuǎn) 基因植物進(jìn)行基因漂移的評(píng)價(jià)涉及到很多的方面，包括從微觀到宏觀。根據(jù) （ 1997） ,可從以下幾個(gè)方面著手 (錢迎倩等， 1998)： 1 細(xì)胞及分子生物學(xué)水平的實(shí)驗(yàn) 鑒定外源存在的方法是多種多樣的 ,包括形態(tài)學(xué)特征分析、細(xì)胞學(xué)方法 (如減數(shù)分裂和染色體配對(duì)分析 )、蛋白質(zhì)及同工酶電泳分析、 (如 以及統(tǒng)計(jì)分析方法 (如 等 (1997)。這其中以 些研究方法并不是孤立的 ,而是相互滲透、相 互結(jié)合的。 1990)將形態(tài)學(xué)、同工酶和葉綠體 研究轉(zhuǎn)基因玉米與其野生親緣種間的花粉逃逸。 (1993)則結(jié)合利用染色體計(jì)數(shù)的方法來(lái)分析轉(zhuǎn)基因甘藍(lán)型油菜與其親緣種間的雜交頻率。 1999)利用 2個(gè)體水平的試驗(yàn) 個(gè)體水平的試驗(yàn)一般是在實(shí)驗(yàn)室或溫室中進(jìn)行。個(gè)體水平風(fēng)險(xiǎn)分析可測(cè)量花粉供體的活性、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章 引言 9 花粉傳播、異花或自花授粉、基因流、雜交以及植物競(jìng)爭(zhēng)等項(xiàng)目?？砂艳D(zhuǎn)基因植物在 競(jìng)爭(zhēng)能力 ,脅迫耐受情況以及繁殖產(chǎn)量等方面與正常的非轉(zhuǎn)基因植物來(lái)作比較。在研究轉(zhuǎn)基因花粉傳播距離時(shí) ,各國(guó)學(xué)者和科學(xué)家均采用以轉(zhuǎn)基因作物為中心，在不同方向、不同距離上測(cè)定轉(zhuǎn)基因作物的花粉與非轉(zhuǎn)基因作物的雜交頻率，從而確定該轉(zhuǎn)基因作物的傳粉距離。當(dāng)然 ,轉(zhuǎn)基因花粉散布的測(cè)定方法是多種多樣的 ,包括親本分析、花粉計(jì)數(shù)、花粉收集和花粉活力測(cè)定等 (997)。目前主要運(yùn)用的是親本分析法。具體操作方法一般是先在中心設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)基因作物栽種區(qū)域 ,然后在其四周種植非轉(zhuǎn)基因作物或其親緣種 ,在田間進(jìn)行自然雜交。作物成 熟后在不同方向、不同距離上隨機(jī)采集一定數(shù)量的植株或種子 (果實(shí) ),分析成熟種子或果實(shí)中存在轉(zhuǎn)基因的個(gè)體比例 ,其結(jié)果作為該轉(zhuǎn)基因作物傳粉的頻率。 3種群水平的試驗(yàn) 進(jìn)行一些發(fā)育試驗(yàn)和種群大小波動(dòng)試驗(yàn) (包括建模 )可以為影響分析提供有價(jià)值的參數(shù)。該水平的測(cè)試項(xiàng)目有種群動(dòng)態(tài)、補(bǔ)充、交配系統(tǒng)、遺傳多樣性、遺傳穩(wěn)定性、遺傳漂變和漸滲等。 4生態(tài)系統(tǒng)水平試驗(yàn) 除非事先已采取了嚴(yán)格的預(yù)防措施 ,并特別小心 ,從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)并不希望在某個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中做實(shí)驗(yàn) ,但是它卻可以為評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因植物基因漂移提供最直接和完全的信息。在自然 條件下，由于氣溫、風(fēng)向、降雨、病蟲(chóng)害等環(huán)境因素的影響，兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)之間的差別可能很大。因此要盡可能在一個(gè)能有較高程度的控制條件的生態(tài)系統(tǒng)里來(lái)做試驗(yàn) ,使環(huán)境等影響因素的變動(dòng)幅度盡可能的小。近代發(fā)展的一種微型或中等水平宇宙 (制系統(tǒng) ,已被用于作為陸生生態(tài)系統(tǒng)中植物生命活動(dòng)觀察和測(cè)試的場(chǎng)所 (997; et 1994)。受控環(huán)境設(shè)施 (被用作研究陸生生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境變化 ,并用來(lái)模擬