轉(zhuǎn)基因作物與農(nóng)藥殘留風(fēng)險監(jiān)測

隨著世界人口的不斷增長，傳統(tǒng)農(nóng)作物的生產(chǎn)已不能滿足人類對糧食的需求[1]。當(dāng)前，世界人口已達(dá)70億，預(yù)計到2050年，全世界人口將增至92億，屆時世界糧食需求量至少增長70%。世界各地一直努力解決糧食需求供應(yīng)不足這一重大難題。轉(zhuǎn)基因技術(shù)作為現(xiàn)代生物技術(shù)的核心，可以打破物種之間的界限，實現(xiàn)作物目標(biāo)性狀的定向改造，在緩解資源束縛，改進農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，保障食品安全，減少生態(tài)環(huán)境污染，節(jié)水增效及拓展農(nóng)業(yè)功能等方面起到積極作用[2]。轉(zhuǎn)基因作物是通過基因工程技術(shù)將外源有利基因整合到目標(biāo)作物基因組，使作物產(chǎn)生一些抗性性狀來提高對環(huán)境的適應(yīng)能力，從而形成品質(zhì)更好的作物[3]。轉(zhuǎn)基因作物的出現(xiàn)為緩解糧食安全問題提供了重要機遇，其種植帶來了巨大的社會、經(jīng)濟、政治和生態(tài)效益[4]。目前已成功培育的轉(zhuǎn)基因作物種類包括耐除草劑、抗蟲、抗病、抗鹽堿、抗旱及抗寒性狀作物等[3,5]。廣泛種植的轉(zhuǎn)基因作物品種有轉(zhuǎn)基因大豆、轉(zhuǎn)基因玉米、轉(zhuǎn)基因棉花和油菜[6]。盡管轉(zhuǎn)基因作物的出現(xiàn)對緩解人類糧食需求供應(yīng)不足起到積極的作用，但仍存在著諸多問題。例如，轉(zhuǎn)基因作物對環(huán)境及人類健康產(chǎn)生的安全性問題；轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的農(nóng)藥殘留、風(fēng)險監(jiān)測及標(biāo)準(zhǔn)制定問題；轉(zhuǎn)基因作物的應(yīng)用前景問題等。本文聚焦轉(zhuǎn)基因作物的發(fā)展歷程及轉(zhuǎn)基因作物的種類，并對轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的農(nóng)藥殘留和風(fēng)險監(jiān)測方面進行綜述，以期為轉(zhuǎn)基因作物的培育和應(yīng)用、安全評估及農(nóng)藥殘留和風(fēng)險監(jiān)測提供參考。1、轉(zhuǎn)基因作物的發(fā)展

早在20世紀(jì)80年代初期，生物學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)能夠通過生物工程技術(shù)將來自不同生命體的基因移植到植物基因組中，使其產(chǎn)生具有抵抗病毒入侵、細(xì)菌感染或昆蟲啃食的特性[7]。該技術(shù)的引入大大提高了作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。轉(zhuǎn)基因煙草在1983年被培育出來，是世界上最早的轉(zhuǎn)基因作物，帶有抗生素藥類抗體[8]。1993年，首個轉(zhuǎn)基因番茄在美國以市場化的方式出現(xiàn)在人們的視野中[9]，但直到1996年，該種轉(zhuǎn)基因食品才被允許在超市出售，并在全球商業(yè)化種植[10]。隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的不斷成熟與完善，越來越多的轉(zhuǎn)基因作物被培育出來。據(jù)報道，自轉(zhuǎn)基因作物問世以來，在短短7年時間內(nèi)品種便增加了40倍[11]；轉(zhuǎn)基因作物種植國也由1996年的5個（美國、澳大利亞、阿根廷、加拿大和墨西哥）逐漸增加到2019年的29個（美國、巴西、中國、印度、澳大利亞、阿根廷、加拿大、墨西哥、巴基斯坦、巴拉圭、烏拉圭、玻利維亞、緬甸、菲律賓、蘇丹、西班牙、越南、哥倫比亞等）。同時，轉(zhuǎn)基因作物的種植面積也在不斷增加。自1996年開始商業(yè)化種植至今，轉(zhuǎn)基因作物在全球的種植規(guī)模由原先每年種植面積不到200hm2飆升到如今的每年種植面積將近2億hm2[12]，并從2013年起基本趨于穩(wěn)定。目前，轉(zhuǎn)基因作物種植面積在1000萬hm2以上的國家主要包括美國、阿根廷、加拿大、巴西和印度。我國每年轉(zhuǎn)基因作物的種植面積在300萬hm2左右，居世界第7位，種植面積遠(yuǎn)小于美國、阿根廷、加拿大、巴西和印度等國。我國轉(zhuǎn)基因作物的發(fā)展經(jīng)歷了4個階段（圖1）：（1）20世紀(jì)80年代末至20世紀(jì)90年代，轉(zhuǎn)基因棉花在國內(nèi)得到推廣應(yīng)用，轉(zhuǎn)基因大豆等作物處于研發(fā)階段；（2）21世紀(jì)初，我國開始進入自主研發(fā)階段，開展轉(zhuǎn)基因新品種培育工作；（3）21世紀(jì)10年代初，從轉(zhuǎn)基因作物的安全性爭議到產(chǎn)品研發(fā)、推廣應(yīng)用等政策嚴(yán)格管制；（4）21世紀(jì)10年代中期至今，轉(zhuǎn)基因作物進入有序發(fā)展階段[13]。2、轉(zhuǎn)基因作物的種類

目前比較常見的轉(zhuǎn)基因作物包括轉(zhuǎn)基因抗蟲作物、轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物、轉(zhuǎn)基因抗病作物、轉(zhuǎn)基因抗逆作物和復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因作物。2.1轉(zhuǎn)基因抗蟲作物自20世紀(jì)90年代起，包括加拿大、美國和阿根廷在內(nèi)的發(fā)達(dá)國家及部分發(fā)展中國家已開始大面積推廣并種植轉(zhuǎn)基因抗蟲作物。轉(zhuǎn)基因抗蟲作物能夠緩解因害蟲啃食造成的農(nóng)作物產(chǎn)量損失，且能夠減少化學(xué)農(nóng)藥的投入量和二氧化碳的排放量，對保護環(huán)境及人類健康產(chǎn)生了積極的影響[14]。目前獲得轉(zhuǎn)基因抗蟲作物的主要途徑是通過基因工程技術(shù)將外源抗蟲基因?qū)胫参?，使其表現(xiàn)出抵抗害蟲的能力[15]。常見的外源基因包括蘇云金桿菌（Bacillusthuringiensis，Bt）δ-內(nèi)毒素基因、幾丁質(zhì)酶基因、α-淀粉酶抑制劑基因、外源凝集素基因和蛋白酶抑制劑基因等[16-17]。轉(zhuǎn)基因抗蟲作物抵抗害蟲的機理：（1）通過內(nèi)毒素蛋白影響害蟲中腸上皮紋緣細(xì)胞的滲透壓平衡，使細(xì)胞裂解，促進害蟲死亡[18]；（2）通過幾丁質(zhì)酶破壞害蟲表皮或外殼的完整結(jié)構(gòu)，使害蟲變得脆弱、敏感而死亡[19]；（3）通過α-淀粉酶抑制劑抑制害蟲消化道內(nèi)的α-淀粉酶活性，使害蟲無法水解淀粉來補充自身的能量需求，同時刺激害蟲分泌大量消化酶且產(chǎn)生厭食反應(yīng)而死亡[20]（圖2）；（4）通過外源凝集素影響害蟲腸道黏膜上的糖配體吸收營養(yǎng)物質(zhì)的功能，使害蟲缺乏營養(yǎng)物質(zhì)而死亡[21]；（5）通過蛋白酶抑制劑抑制害蟲腸道的蛋白消化酶發(fā)揮功效，導(dǎo)致害蟲厭食而死亡[22]。轉(zhuǎn)基因抗蟲棉和轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米是當(dāng)前被廣泛推廣種植的轉(zhuǎn)基因抗蟲作物[23]。此外，轉(zhuǎn)基因抗蟲煙草、抗蟲水稻和抗蟲番茄等也已經(jīng)被成功培育。不久的將來，這些轉(zhuǎn)基因抗蟲作物便會在生產(chǎn)中得到推廣[16,24-25]2.1.1轉(zhuǎn)基因抗蟲棉我國棉花種植區(qū)域主要分布于黃河流域、長江流域及以新疆為主的西北內(nèi)陸[26]。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計報道，我國2021年棉花種植面積約為300萬hm2，產(chǎn)量近600萬t。然而，棉花在種植過程中同樣易受害蟲為害，嚴(yán)重影響其產(chǎn)量。棉鈴蟲（Helicoverpaarmigera）是亞洲、歐洲、非洲及大洋洲地區(qū)為害棉花的主要害蟲之一。20世紀(jì)90年代以來，棉鈴蟲在我國棉花產(chǎn)區(qū)大規(guī)模發(fā)生，使棉花減產(chǎn)高達(dá)35%[27]。我國在面對棉鈴蟲的持續(xù)性發(fā)生或暴發(fā)的情況下，通過將人工合成的Bt殺蟲基因?qū)朊藁ǐ@得了轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉[28]。轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉的成功培育不但降低了棉花害蟲造成的巨大損失，而且有效減少了化學(xué)農(nóng)藥的投入量，對保護環(huán)境和生態(tài)起到積極的作用[29]。2.1.2轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米我國是玉米種植大國，種植面積（0.4億余公頃）和總產(chǎn)量（近3億t）居于我國糧食產(chǎn)業(yè)的第2位[30]。然而，玉米在種植過程中易受害蟲為害，嚴(yán)重影響其產(chǎn)量和質(zhì)量。主要的玉米害蟲包括玉米螟（Ostriniafurnacalis）、棉鈴蟲、草地貪夜蛾（Spodopterafrugiperda）、蚜蟲、東方黏蟲（Mythimnaseparata）和薊馬等[31-32]。亞洲玉米螟是玉米生產(chǎn)中最重要的害蟲，已經(jīng)嚴(yán)重影響玉米的生產(chǎn)[33]。目前，玉米螟的防治技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可通過生物防治、農(nóng)業(yè)防治、物理防治及化學(xué)防治等手段對其進行防治[34-35]。草地貪夜蛾原產(chǎn)于美洲亞熱帶和熱帶地區(qū)，具有非常強的遷徙能力，是一種嚴(yán)重威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的害蟲[36]。草地貪夜蛾輾轉(zhuǎn)非洲、亞洲各國后于2019年入侵我國，對我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的沖擊[37]。草地貪夜蛾主要通過啃食玉米葉片為害，造成玉米產(chǎn)量減少[38]。目前防治草地貪夜蛾比較常用的手段為藥劑防治[39]。盡管傳統(tǒng)的害蟲防治手段可短期有效控制玉米害蟲的為害，但仍存在諸多弊端。例如，生物防治、農(nóng)業(yè)防治、物理和化學(xué)防治無法從根本上控制害蟲的數(shù)量?；瘜W(xué)農(nóng)藥的大量投入易誘導(dǎo)害蟲產(chǎn)生抗性，且對環(huán)境及人類健康造成嚴(yán)重危害[40]。轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲玉米可有效防治包括棉鈴蟲、草地貪夜蛾和玉米螟在內(nèi)的鱗翅目害蟲，因此被廣泛推廣[41-43]。其主要類型包括表達(dá)殺蟲蛋白的cry1Ab、cry1A.105、cry2Ab2和cry1F基因[41,44-45]。據(jù)報道，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所聯(lián)合多家單位研究了‘DBN9936’和‘瑞豐125’玉米抗蟲品種，這2種抗蟲品種對亞洲玉米螟、棉鈴蟲、草地貪夜蛾和東方黏蟲等鱗翅目害蟲具有非常好的控制效果，可有效減少玉米的產(chǎn)量損失[46]。2.2轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物農(nóng)田雜草作為適應(yīng)能力非常強的植物，由于與農(nóng)作物競爭水、肥料、光等資源，會嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[47]，且容易成為農(nóng)作物病原菌及害蟲的中間寄主[48]。因此，農(nóng)田雜草防控是保障作物生長安全的重要因素。轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的出現(xiàn)有效緩解了人們對農(nóng)作物的除草壓力，不僅提高了除草效果，而且降低了除草成本，為拓寬除草劑的使用范圍及減少作物藥害帶來了新的希望[49]。轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的研究和推廣一直處于轉(zhuǎn)基因作物研究中的領(lǐng)先位置，其種植面積和應(yīng)用也最為普遍。早在2004年，全球四大轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物玉米、大豆、棉花和油料的種植面積已接近6000萬hm2[50]。耐除草劑性狀逐漸成為種業(yè)科技公司關(guān)注的重點[51]。截至目前，全球已商品化的轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物包括耐草甘膦大豆、玉米、棉花、甜菜、水稻、向日葵和油菜（表1），耐磺酰脲類棉花和大豆，耐咪唑啉酮水稻、玉米、甜菜和油菜，耐溴苯腈煙草和棉花等[52]。美國是最早商業(yè)化種植耐除草劑轉(zhuǎn)基因大豆和玉米的國家之一，耐除草劑轉(zhuǎn)基因作物種植面積已超過90%。據(jù)美國農(nóng)業(yè)部國家農(nóng)業(yè)統(tǒng)計局于2022年6月發(fā)布的報告顯示，美國耐除草劑轉(zhuǎn)基因大豆和玉米的種植面積分別達(dá)到了0.357億和0.364億hm2。我國轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物主要有耐莠去津大豆，耐草甘膦玉米、大豆和小麥，耐草銨膦玉米和大豆，耐溴苯腈小麥和油菜等。目前種類最多的轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物是耐草銨膦和耐草甘膦作物。其耐除草劑的作用機理為（1）向作物導(dǎo)入耐除草劑基因，如5-烯醇式丙酮苯草酸-3-磷酸合成酶基因（epsps），使作物不受除草劑影響；（2）向作物導(dǎo)入可轉(zhuǎn)化除草劑的基因，如草甘膦N-乙酰轉(zhuǎn)移酶基因（gat）和膦絲菌素乙酰轉(zhuǎn)移酶基因（pat），促進作物可以快速將除草劑轉(zhuǎn)化并失去活性[12]。轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物對除草劑表現(xiàn)出較強的耐受能力，可以減少作物藥害[49]。同時，轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的種植在改善環(huán)境和簡化栽培等方面也起到積極的作用[53]，包括草銨膦和草甘膦在內(nèi)的除草劑銷售市場將伴隨轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的發(fā)展而進一步擴大[54]。

2.3轉(zhuǎn)基因抗病作物病毒、細(xì)菌和真菌等病原微生物常年危害農(nóng)作物，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大損失[55]?？共∮N技術(shù)的出現(xiàn)對防治病原微生物產(chǎn)生的危害起到積極作用[56]。目前，比較常見的轉(zhuǎn)基因抗病作物包括抗病毒馬鈴薯、水稻、小麥、甜椒、煙草和番茄，抗疫病馬鈴薯和大豆，抗病原微生物柑橘等[57-59]。2.4轉(zhuǎn)基因抗逆作物植物在自然生長周期中會遇到各種各樣的不利環(huán)境條件，如干旱脅迫、低溫寒冷、炎熱高溫和鹽堿脅迫等的挑戰(zhàn)。面對這些不利條件，植物只能通過自我調(diào)節(jié)而生存[60]。全球每年因不利自然條件造成的農(nóng)作物生長受阻或大面積死亡頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量[61]。轉(zhuǎn)基因抗逆作物的培育可有效緩解這些不利條件的發(fā)生對農(nóng)作物產(chǎn)生的影響[62]。轉(zhuǎn)基因抗逆作物的培育方式是通過導(dǎo)入另一種生物的優(yōu)良性狀基因，如魚抗凍蛋白基因，獲得新性狀來抵抗惡劣的環(huán)境因素，從根本上改變作物的特性[63]。轉(zhuǎn)基因抗逆作物主要包括轉(zhuǎn)基因抗鹽堿、抗干旱、抗低溫、抗?jié)澈ψ魑锏萚64]。目前，比較常見的轉(zhuǎn)基因抗逆作物有耐寒煙草和馬鈴薯，抗逆楊樹，抗逆水稻和耐旱小麥等[65-68]。2.5復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因作物經(jīng)過了近40年的發(fā)展，轉(zhuǎn)基因作物從單性狀的1.0時代（特定改變農(nóng)作物性狀），到復(fù)合性狀的2.0時代（以完善品種性狀為目標(biāo)），再到即將開啟的3.0時代（以生態(tài)型、營養(yǎng)型等加工或食用品質(zhì)性狀為目標(biāo)），轉(zhuǎn)基因作物正不斷朝著人類需求的方向發(fā)展。復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因作物是指同一植株中含有多個轉(zhuǎn)基因性狀或轉(zhuǎn)化體，相比于單性狀轉(zhuǎn)基因作物具有更大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為開辟了育種的新途徑；拓展了轉(zhuǎn)基因作物的功能；提高了資源的利用效率[69]。復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因作物的培育打破了單性狀轉(zhuǎn)基因作物的諸多弊端，更能滿足農(nóng)民多元化的需求，因此其具有廣闊的應(yīng)用前景[70]。3、轉(zhuǎn)基因作物農(nóng)藥殘留監(jiān)測

轉(zhuǎn)基因作物的培育及推廣應(yīng)用有效降低了農(nóng)藥的使用量，對保護環(huán)境及人類健康起到積極的作用[71]，但轉(zhuǎn)基因作物仍可能面臨著農(nóng)藥殘留的風(fēng)險。轉(zhuǎn)基因作物的農(nóng)藥殘留風(fēng)險主要集中在除草劑應(yīng)用方面[72]。隨著除草劑的大量應(yīng)用，農(nóng)田雜草通過進化易對除草劑產(chǎn)生抗性[73]，導(dǎo)致除草劑在轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物上的用量增加，造成除草劑在農(nóng)產(chǎn)品中殘留風(fēng)險增高，從而影響農(nóng)產(chǎn)品的食用安全性?；诖?，國際上制定了相應(yīng)的殘留限量標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范除草劑在轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物中的殘留水平。國際食品法典委員會（CAC）制定的草甘膦在轉(zhuǎn)基因大豆和玉米中的殘留限量標(biāo)準(zhǔn)分別為20mg/kg和5mg/kg，草銨膦在轉(zhuǎn)基因大豆和玉米中的殘留限量標(biāo)準(zhǔn)分別為2mg/kg和0.1mg/kg[74]。目前國外對轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物中除草劑殘留的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，絕大部分耐除草劑轉(zhuǎn)基因作物中除草劑的殘留水平低于殘留限量標(biāo)準(zhǔn)，不會影響人類健康。美國于2009年的轉(zhuǎn)基因大豆樣品監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在60%～70%樣品中監(jiān)測到的草甘膦殘留水平在10mg/kg；在30%～40%樣品中監(jiān)測到的草甘膦殘留水平在10～20mg/kg或低于10mg/kg，以上均低于CAC制定的最大殘留限量標(biāo)準(zhǔn)20mg/kg[75]。然而，仍有個別案例報道了因草甘膦使用過量導(dǎo)致草甘膦在轉(zhuǎn)基因作物中殘留超標(biāo)的情況，如在巴西和阿根廷部分農(nóng)場獲得的大豆樣本中監(jiān)測到草甘膦平均殘留水平為38.5mg/kg，是CAC殘留限量標(biāo)準(zhǔn)的近2倍[76]。另有報道表明，在美國愛荷華州的轉(zhuǎn)基因大豆個別樣品中監(jiān)測到草甘膦最大殘留水平高達(dá)100mg/kg[72]。此外，用于食品和飼料的轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物中除草劑及其代謝物殘留對人類的健康風(fēng)險不容忽視[77]，如耐草甘膦大豆中草甘膦及其代謝物殘留不僅影響了植物的組分，而且會影響以大豆為飼料的動物免疫系統(tǒng)、傳代系統(tǒng)等，間接對人類健康造成風(fēng)險。因此，還需加強耐除草劑作物農(nóng)產(chǎn)品中除草劑殘留的監(jiān)測工作。由于不同轉(zhuǎn)基因作物對除草劑的耐性作用機制存在差異，除草劑在農(nóng)產(chǎn)品中形成污染的組成成分也不同。目前，CAC已經(jīng)對植物源轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物產(chǎn)品中的草甘膦和草銨膦制定了新的風(fēng)險評估殘留物定義，即將草甘膦、氨甲基膦酸、N-乙酰草甘膦和N-乙酰氨甲基膦酸的殘留總和以草甘膦表示；將草銨膦、N-乙酰草銨膦和3-甲基膦基丙酸的殘留總和以草銨膦表示。風(fēng)險評估殘留定義可以有效保證風(fēng)險評估的科學(xué)性和完整性。同時，為了方便政府的日常監(jiān)管和市場抽檢的需要，通常會制定農(nóng)藥的殘留監(jiān)測定義來明確農(nóng)藥殘留主要的監(jiān)測對象。例如，制定草甘膦殘留監(jiān)測定義為：針對大豆和玉米作物，將監(jiān)測到的草甘膦和N-乙酰草甘膦的總和以草甘膦表示；對其他作物，將監(jiān)測到的草甘膦的殘留水平以草甘膦表示。草銨膦殘留監(jiān)測定義對象為所有作物，將監(jiān)測到的草銨膦、N-乙酰草銨膦和3-甲基膦基丙酸的總和以草銨膦表示[12]。我國對轉(zhuǎn)基