海南南繁區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度水稻基因飄流最大閾值距離研究

海南南繁區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度水稻基因飄流最大閾值距離研究

0水稻基因飄流影響的控制【研究意義】海南五指南緣（主要是三亞、陵水和樂(lè)東）三面臨海，北連五指山，區(qū)位優(yōu)越。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始,利用該地光溫資源優(yōu)勢(shì)加代種植全國(guó)各地當(dāng)年收獲的種子,大大加快了新品種選育、雜交育種和制種繁殖的進(jìn)程,是中國(guó)農(nóng)作物冬季南繁加代的重要基地(簡(jiǎn)稱南繁區(qū))。據(jù)估算,迄今累計(jì)南繁面積已達(dá)20萬(wàn)公頃,制種、繁殖的農(nóng)作物種子已達(dá)500萬(wàn)噸,全國(guó)推廣的5000余個(gè)農(nóng)作物新品種中90%以上都有南繁的經(jīng)歷,其戰(zhàn)略意義可窺一斑。南繁區(qū)的水田總面積僅約5.1萬(wàn)公頃,每年約需用10%以上的農(nóng)田種植約5萬(wàn)余份南繁水稻材料,因此,南繁區(qū)是一個(gè)聚集了全國(guó)各類水稻的高集約區(qū)域。由于南繁區(qū)面積較小、季節(jié)相對(duì)集中,為防止相互串粉,采取時(shí)、空隔離措施有一定的難度,如何避免或減少大批南繁材料之間的相互串粉,保證品種純度已成為突出問(wèn)題。特別是20世紀(jì)70年代以來(lái)分子生物學(xué)和分子育種技術(shù)的飛速發(fā)展,轉(zhuǎn)基因打破了原有的物種生殖隔離界限,其對(duì)環(huán)境和食品安全的潛在風(fēng)險(xiǎn)已成為關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。如果南繁監(jiān)管失控,水稻材料完成加代、擴(kuò)繁后被帶到全國(guó)各地,基因飄流會(huì)有一種“放大效應(yīng)”,因此,南繁區(qū)作為中國(guó)最大的不同水稻材料的集散地和源頭,無(wú)疑應(yīng)對(duì)它可能帶來(lái)的潛在影響引起高度重視,把管控基因飄流作為研究和監(jiān)管的重點(diǎn)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】對(duì)栽培稻品種之間的基因飄流,Oka1988年已有描述,異交率一般小于1%,個(gè)別在5%以下。近十年來(lái),水稻基因飄流由于可用SSR、抗除草劑等分子標(biāo)記,使研究更加精確和快速。田間試驗(yàn)結(jié)果表明,轉(zhuǎn)基因水稻向相鄰種植的常規(guī)稻品種的飄流率在0.04%—0.79%。Song等和Chen等報(bào)道,栽培稻品種明恢63向雜草稻的基因飄流率為0.011%—0.046%。Messeguer等報(bào)道轉(zhuǎn)基因向栽培稻和雜草稻的飄流率為0.19%—0.53%。筆者團(tuán)隊(duì)以13個(gè)常規(guī)稻和雜交稻品種作受體,在多年多點(diǎn)試驗(yàn)中測(cè)得相鄰種植時(shí)的最大基因飄流率在0.02%(培雜77)—0.81%(中系20),平均值為0.33%,其中有4個(gè)品種超過(guò)1%,分別為武育粳3號(hào)(1.28%)、中9B(1.47%)、武運(yùn)粳7號(hào)(2.00%)和秀水11(3.04%)。這說(shuō)明轉(zhuǎn)基因飄流率與常規(guī)稻品種之間的異交率相比,在數(shù)量級(jí)上并未增加新的風(fēng)險(xiǎn)。中國(guó)是世界上最大的雜交稻生產(chǎn)國(guó),又是亞洲栽培稻的起源中心之一,以往對(duì)轉(zhuǎn)基因向不育系和普通野生稻的飄流并未做過(guò)系統(tǒng)研究,筆者團(tuán)隊(duì)自2002年開(kāi)始,對(duì)水稻轉(zhuǎn)基因飄流進(jìn)行了為期12年的系統(tǒng)研究,以轉(zhuǎn)bar、抗除草劑Basta的純合系L201或B2(姐妹系)為花粉供體,用21個(gè)不同類型的非轉(zhuǎn)基因水稻作受體,包括13個(gè)常規(guī)稻品種和雜交稻F1、5個(gè)三系和兩系不育系、1個(gè)普通野生稻群體和2個(gè)雜草稻材料,經(jīng)多年、多點(diǎn)、多對(duì)供受體在較大面積上模擬水稻生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行試驗(yàn),摸清了水稻基因飄流的基本規(guī)律,闡明了影響水稻基因飄流的生物學(xué)和氣象學(xué)主控因子。由于水稻花粉擴(kuò)散和基因飄流是一個(gè)復(fù)雜的物理學(xué)和生物學(xué)過(guò)程,各地氣象條件不同,且年際變化很大,一時(shí)一地的試驗(yàn)結(jié)果很難在異地應(yīng)用,因此,建立一個(gè)具有普適功能的水稻花粉擴(kuò)散和基因飄流模型十分必要。筆者團(tuán)隊(duì)以多年、多點(diǎn)、多對(duì)供受體的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以中國(guó)南方稻區(qū)17個(gè)省(市)38個(gè)氣象臺(tái)站1973—2004年記錄的水稻開(kāi)花期氣象數(shù)據(jù)為輸入?yún)?shù),建立了以高斯煙羽模型為基礎(chǔ)的水稻花粉擴(kuò)散和基因飄流模型,并成功應(yīng)用于計(jì)算過(guò)去32年中該區(qū)域內(nèi)各地的基因飄流最大閾值距離(themaximumthresholddistancesofgeneflow,MTDs)。閾值分別設(shè)為1%和0.1%(MTD1%和MTD0.1%),即在MTD1%和MTD0.1%閾值距離以外的基因飄流率在過(guò)去32年中均小于1%和0.1%。模型建立及其應(yīng)用詳見(jiàn)Yao等。【本研究切入點(diǎn)】如前所述,考慮到海南南繁區(qū)是各種水稻材料的集散地和源頭,為管控基因飄流,迫切需要研究和繪制南繁區(qū)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位的小尺度MTDs圖,供水稻南繁育種和轉(zhuǎn)基因育種參考?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究依據(jù)在三亞(2003、2004)、陵水長(zhǎng)坡(2009、2010)獲得的水稻基因飄流田間試驗(yàn)數(shù)據(jù),用已建立的模型和閾值分析方法,以南繁區(qū)27個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))52個(gè)自動(dòng)氣象站2010—2012年1—4月的氣象數(shù)據(jù)為輸入?yún)?shù),計(jì)算向水稻不育系和栽培稻的MTD1%和MTD0.1%,分析南繁區(qū)內(nèi)MTDs的時(shí)空分布特征及其原因,對(duì)南繁區(qū)常規(guī)水稻的繁育和轉(zhuǎn)基因水稻的安全種植、隔離和監(jiān)管進(jìn)行分析討論。1材料和方法1.1水稻轉(zhuǎn)移到山區(qū)的試驗(yàn)1.1.1試驗(yàn)地與水稻品種沿水稻開(kāi)花期的主流風(fēng)向,采用長(zhǎng)方形田間試驗(yàn)設(shè)計(jì),于2003和2004、2009和2010年分別在三亞海螺育種基地和陵水長(zhǎng)坡海南大學(xué)基地進(jìn)行,試驗(yàn)地面積約為2公頃。以帶bar的粳稻品種B2(中國(guó)水稻所提供)為花粉供體,用特秈粘25(常規(guī)秈稻)、武育粳3號(hào)(常規(guī)粳稻)、培雜77(秈型雜交稻F1)、博A和中9A(秈型三系不育系)、GD-1S和培矮64S(秈型兩系不育系)、泗稻8A(粳型三系不育系)和高州野生稻(普通野生稻)為受體?；ǚ酃w面積1050m2,置于受體上風(fēng)方向?；ǚ酃w播種后15d,噴施除草劑Basta,剔除不含bar的雜株。1.1.2花粉供體種植受體材料種植于花粉源的下風(fēng)方向。距離設(shè)置分別為0(緊鄰花粉供體種植)、1、2、3、4、5、6、7.5、10、15、20、30、40、50、75、100、150、200、250、300和320m。1.1.3基因飄流頻率測(cè)定水稻成熟時(shí),采集每一距離受體植株上的種子,分段3次重復(fù)取樣,每一距離的取樣量大于10萬(wàn)粒,以保證檢出精度達(dá)到0.001%。收獲后的種子按常規(guī)生產(chǎn)方法播種。當(dāng)秧苗長(zhǎng)出第三片心葉時(shí),記錄每一樣本的出苗數(shù),按播種總粒數(shù)計(jì)算出苗率。三葉一心開(kāi)始噴除草劑Basta(拜耳公司)3次,每次間隔7d,濃度分別為500、500和800mg·L。噴藥一周后,記錄存活的抗Basta苗數(shù)(BastaR苗數(shù)),與總苗數(shù)比較,按照J(rèn)ia等的公式計(jì)算基因飄流頻率(%)。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,對(duì)遠(yuǎn)距離上的抗性植株進(jìn)行PCR抽樣檢測(cè),以確定其BastaR的真實(shí)性。1.2社會(huì)學(xué)理論利用較少的田間試驗(yàn)資料,運(yùn)用相對(duì)成熟的生物學(xué)或大氣物理學(xué)理論建立具有普適意義的模型用作外延應(yīng)用,是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)科學(xué)普遍采用的研究方法。文中的水稻基因飄流模型由有效花粉擴(kuò)散模型和不同受體的基因飄流系數(shù)兩部分組成。1.2.1貼地層風(fēng)速模型水稻基因飄流是由花粉介導(dǎo)的物理學(xué)和生物學(xué)過(guò)程?；ǚ哿Ｔ诖髿庵械臄U(kuò)散是一個(gè)物理過(guò)程,供體花粉參與授精結(jié)實(shí)的能力則是一個(gè)生物學(xué)因素。水稻花粉粒徑(42—43μm)與大氣中較大的粒子基本相當(dāng),因此,水稻花粉擴(kuò)散可以高斯煙羽模型(Gaussianplumemodel,GPM)為基礎(chǔ)作優(yōu)化改進(jìn)。改進(jìn)的主要項(xiàng)目包括面源的點(diǎn)源近似積分、穗部風(fēng)速計(jì)算、大氣穩(wěn)定度計(jì)算和風(fēng)向的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)等4項(xiàng):(1)GPM模型是一個(gè)描述從煙囪中排出的煙塵(點(diǎn)源)擴(kuò)散的模型,曾被廣泛用于描述花粉和孢子在空氣中擴(kuò)散的過(guò)程。對(duì)于面積較大的花粉源,需要采用點(diǎn)源近似積分的方法進(jìn)行改進(jìn)。其方法是將花粉源細(xì)分為1m2左右的網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格代表1個(gè)點(diǎn)源,分別計(jì)算每個(gè)點(diǎn)源的花粉擴(kuò)散濃度,然后匯總成面源的預(yù)測(cè)濃度值。(2)水稻穗部風(fēng)速計(jì)算。根據(jù)近地層風(fēng)速垂直分布的觀測(cè),在數(shù)米以下的貼地層風(fēng)速垂直分布呈對(duì)數(shù)率分布,因而穗部高度的風(fēng)速可由地面氣象站10m高度的風(fēng)速資料來(lái)計(jì)算。(3)大氣擴(kuò)散參數(shù)反映了水稻花粉在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的擴(kuò)散和稀釋。模型采用Pasquill穩(wěn)定度分類法,利用云量、太陽(yáng)高度角和風(fēng)速來(lái)確定大氣穩(wěn)定度級(jí)別,然后根據(jù)不同穩(wěn)定度等級(jí)的大氣擴(kuò)散參數(shù)與距離的統(tǒng)計(jì)關(guān)系來(lái)確定大氣擴(kuò)散參數(shù)。(4)Yuan等的研究表明,90%以上的基因飄流事件發(fā)生在主流風(fēng)向和次主流風(fēng)向的下游。因此,本研究重點(diǎn)考慮主流風(fēng)向下游的基因飄流率。當(dāng)逐時(shí)風(fēng)向與主流風(fēng)向不一致時(shí),由逐時(shí)風(fēng)向和花粉源位置決定花粉擴(kuò)散模型的坐標(biāo)系統(tǒng),采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)計(jì)算主流風(fēng)向下游的基因飄流率。除以上4個(gè)方面修正外,還需考慮水稻的群體開(kāi)花過(guò)程以及花粉壽命會(huì)隨離體擴(kuò)散時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生改變。因此,水稻有效花粉擴(kuò)散模型還需要在逐日開(kāi)花率和花粉授精能力2個(gè)方面加以修正。(5)供、受體花期的相遇程度也在很大程度上影響水稻基因飄流率。若供、受體花期完全相遇,此時(shí)的花粉擴(kuò)散濃度即為有效花粉擴(kuò)散濃度,基因飄流率最高;若供、受體花期完全不相遇,則有效花粉擴(kuò)散濃度為0,基因飄流率亦為0。筆者在研究中引入了一個(gè)“最大風(fēng)險(xiǎn)的概念”(“theworstcasescenario”),即某地在某一時(shí)段內(nèi)基因飄流的最大閾值距離。為分析最大基因飄流風(fēng)險(xiǎn),重點(diǎn)考慮供、受體花期完全相遇時(shí)的基因飄流率。(6)水稻花粉的活力或壽命是模型中的一個(gè)重要參數(shù),通常用染色法(如I2-KI、TTC染色)或培養(yǎng)基上花粉離體萌發(fā)等方法測(cè)定。據(jù)以往文獻(xiàn)報(bào)道,用上述方法測(cè)定的花粉壽命約為3—6min。但參與基因飄流的水稻花粉壽命,是指能在和受體自身花粉競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)際授精結(jié)實(shí)維持的時(shí)間,應(yīng)該比一般生物學(xué)概念的壽命要短。本文采用在三亞海螺(2003年、2004年)、三亞南紅(2005年)、陵水長(zhǎng)坡(2010年)3地4次田間試驗(yàn)實(shí)測(cè)的向不育系博A和中9A的MTD0.1%和開(kāi)花期的實(shí)時(shí)風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)田間水稻花粉維持有效授精力的時(shí)間均不足2min,具體數(shù)據(jù)分別為64.4、77.9、92.4、94.5和113.7s,平均為(88.6±18.6)s(未發(fā)表資料)?；谝陨闲拚乃居行Щǚ蹟U(kuò)散模型,一方面把水稻供體花粉視作大氣微粒,用大氣擴(kuò)散理論描述它的釋放、擴(kuò)散和沉降,另一方面也同時(shí)考慮供體花粉在田間的實(shí)際壽命,將花粉維持授精能力的有效時(shí)間、逐日開(kāi)花率及花粉源強(qiáng)予以參數(shù)化,實(shí)現(xiàn)對(duì)供體花粉有效擴(kuò)散濃度的計(jì)算。GPM模型雖還存在某些局限性,但它具有參數(shù)少,計(jì)算簡(jiǎn)便,能夠依托實(shí)時(shí)或歷史氣象資料作為模型的驅(qū)動(dòng)因子,考慮區(qū)域尺度上氣象要素的時(shí)空分布不均性,從而拓展模型的實(shí)用功能。1.2.2水稻對(duì)花粉的擴(kuò)散率水稻的基因飄流率除受到供體有效花粉的擴(kuò)散數(shù)量影響外,還與受體類型有密切關(guān)系。常規(guī)稻、不育系、普通野生稻(O.rufipogon)和雜草稻(O.sativaf.spontanea)是基因飄流的主要受體類型,它們的異交特性是決定基因飄流率高低的另外一個(gè)重要因素。常規(guī)水稻自花受粉,異交率一般不超過(guò)1%。雄性不育系花粉敗育,異交率理論上可達(dá)100%,實(shí)際制種時(shí)的結(jié)實(shí)率一般也可達(dá)到30%—70%。普通野生稻、雜草稻與栽培稻同為AA基因組,可天然雜交。普通野生稻群體中還存在部分不育和半不育株,且野生稻的開(kāi)花時(shí)間長(zhǎng),柱頭外露率高,也容易接受更多的外來(lái)花粉。雜草稻與栽培稻伴生,也存在基因飄流的風(fēng)險(xiǎn)。在研究中筆者引入了一個(gè)基因飄流系數(shù)的概念,它是基因飄流率與花粉擴(kuò)散率之間的比值,是描述不同水稻受體類型接受外來(lái)花粉能力的參數(shù),在數(shù)值上等于相同花粉擴(kuò)散濃度下,不同類型受體的基因飄流率值?；蝻h流系數(shù)(K)可由田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得:不育系K=0.3197(R2=0.863,n=104)以上數(shù)據(jù)表明,不同類型水稻的基因飄流系數(shù)在數(shù)值上可相差1—3個(gè)數(shù)量級(jí)。向雜草稻的基因飄流率與栽培稻品種間的異交率相似,其基因飄流系數(shù)可參照栽培稻。1.3基于閾值管理的水稻基因飄流風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)管基因飄流在自然界長(zhǎng)期存在,是物種進(jìn)化的動(dòng)力之一。但對(duì)打破原有物種生殖隔離界限的轉(zhuǎn)基因育種而言,為控制其可能帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn),則需要加強(qiáng)監(jiān)管?；ㄆ?時(shí)間)和距離(空間)隔離,通常是阻斷基因飄流的兩種主要措施。但對(duì)季節(jié)相對(duì)集中的南繁區(qū)而言,距離隔離應(yīng)該更加可行?；蝻h流率變化的基本規(guī)律是隨距離增加呈負(fù)指數(shù)曲線衰減。該曲線在距離坐標(biāo)漸近線(asymptotes)附近時(shí),不僅基因飄流率變化很小,還常常疊加因湍流不穩(wěn)定性所引發(fā)的個(gè)別轉(zhuǎn)基因事件,使遠(yuǎn)距離上的基因飄流率發(fā)生波動(dòng),即所謂“寬尾現(xiàn)象”。因此,對(duì)水稻轉(zhuǎn)基因飄流風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)管需引入閾值管理原則。事實(shí)上,閾值管理歷來(lái)是通用的國(guó)際慣例。農(nóng)業(yè)部規(guī)定水稻不育系原種純度應(yīng)≥99.9%,不育系生產(chǎn)用良種純度應(yīng)≥99%,雜交稻生產(chǎn)用種的純度應(yīng)≥98%(一級(jí))和≥96%(二級(jí))。據(jù)此,筆者提出以1%和0.1%作為轉(zhuǎn)基因水稻距離隔離的兩個(gè)閾值。最大閾值距離(MTDs)是指在某一時(shí)段內(nèi),水稻的基因飄流率≤閾值(1%或0.1%)的最大距離(m)。它包含了閾值和統(tǒng)計(jì)時(shí)段兩個(gè)概念。一般來(lái)說(shuō),統(tǒng)計(jì)時(shí)段越長(zhǎng),MTDs值就越穩(wěn)定,10—30年是比較適宜的統(tǒng)計(jì)時(shí)段。最大閾值距離會(huì)因水稻種植地的氣象條件、受體類型和資料年限等因素而變化。1.4觀測(cè)點(diǎn)和資料來(lái)源供模型分析的氣象資料來(lái)自海南省三亞市、陵水縣、樂(lè)東縣所屬的27個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))共52個(gè)觀測(cè)點(diǎn)2010—2012年1—4月自動(dòng)氣象站資料,該資料由南京大氣資料服務(wù)中心提供。2結(jié)果2.1mtd計(jì)算2.1.1mtd1%分布南繁區(qū)向不育系的MTD1%平均值為(110±31)m,最短為53m,最長(zhǎng)為195m。80%以上地區(qū)的MTD1%集中在75—143m。向不育系的MTD0.1%平均值為(169±44)m,最短為75m,最長(zhǎng)為271m。80%以上地區(qū)MTD0.1%集中在121—231m(表1)。2.1.2南繁區(qū)作小尺度mtds南繁區(qū)向栽培稻的MTD1%平均值均<1m。向栽培稻的MTD0.1%平均值為(3.4±1.1)m,最短為0.6m,最長(zhǎng)為5.8m。80%以上地區(qū)的MTD0.1%集中在1.9—4.4m(表1)。上述結(jié)果表明,南繁區(qū)范圍雖僅3縣30個(gè)行政鄉(xiāng)(鎮(zhèn)),面積(5794km2)僅占中國(guó)南方稻區(qū)面積(約237萬(wàn)km2)的0.3%,但MTDs的變幅卻可以達(dá)到142m(不育系MTD1%)、196m(不育系MTD0.1%)和5.2m(栽培稻MTD0.1%),變異系數(shù)也依次達(dá)到28.2%、26.0%和32.1%,充分說(shuō)明對(duì)南繁區(qū)作小尺度的MTDs分析是有意義的。同為0.1%閾值,向不育系和栽培稻的最大基因飄流閾值距離相差約50倍,顯然這是由兩類受體的異交結(jié)實(shí)特性決定的。2.2mtd時(shí)間和空分布規(guī)律2.2.1s空間分布為客觀評(píng)價(jià)MTDs的空間分布特征,以大于或小于平均值±1σ(標(biāo)準(zhǔn)差)作為評(píng)估高、低值的依據(jù),即高值點(diǎn)為:≥4.5m(栽培稻MTD0.1%)、≥141m(不育系MTD1%)、≥213m(不育系MTD0.1%);低值點(diǎn)為:≤2.3m(栽培稻MTD0.1%)、≤79m(不育系MTD1%)、≤125m(不育系MTD0.1%)。同時(shí)規(guī)定,若有2個(gè)以上的高、低值點(diǎn)連片,則稱為“高值區(qū)”或“低值區(qū)”?，F(xiàn)根據(jù)圖1、圖2、圖3和52個(gè)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果分析MTDs的空間分布特征:(1)總體特征:由于季節(jié)基本相同,向常規(guī)稻和不育系的MTDs空間分布有兩個(gè)基本相似的特點(diǎn):一是東(陵水縣)、西(樂(lè)東縣)兩翼MTDs高,中間(三亞市)MTDs低;二是沿海平原的MTDs高、五指山南麓的MTDs低。說(shuō)明五指山系的屏障效應(yīng)和近海平原的風(fēng)速效應(yīng)顯著。(2)有2個(gè)高值區(qū)和4個(gè)高值點(diǎn):第一個(gè)高值區(qū)位于樂(lè)東縣的黃流鎮(zhèn)和尖峰鎮(zhèn)西部以及佛羅鎮(zhèn)和鶯歌海鎮(zhèn)。該區(qū)域內(nèi)的尖峰鎮(zhèn)(不育系MTD1%:177m,不育系MTD0.1%:227m,栽培稻MTD0.1%:5.6m;下同)和黃流鎮(zhèn)(190、233和5.8m),是南繁區(qū)中最大的MTDs值。第二個(gè)高值區(qū)位于陵水縣的光坡鎮(zhèn)沿海(195、271和5.6m)、本號(hào)鎮(zhèn)東部(138、226和3.9m)、文羅鎮(zhèn)(142、224和4.1m)和椰林鎮(zhèn)(143、191和4.2m)。4個(gè)高值點(diǎn)分別位于:三亞市吉陽(yáng)鎮(zhèn)中南部(156、244和4.4m)、樂(lè)東縣抱由鎮(zhèn)(182、270和4.2m)、陵水縣英州鎮(zhèn)(118、214和3.4m)、以及樂(lè)東縣的千家鎮(zhèn)和九所鎮(zhèn)交界處(127、231和4.5m)。(3)有3個(gè)低值區(qū)和5個(gè)低值點(diǎn):第一個(gè)低值區(qū)位于五指山東坡的陵水縣群英鄉(xiāng)和本號(hào)鎮(zhèn)西部。該區(qū)的群英鄉(xiāng)(68、122和1.2m)和本號(hào)鎮(zhèn)(92、156和1.9m)是該低值區(qū)的中心。第二個(gè)低值區(qū)位于五指山南坡的天涯鎮(zhèn)和鳳凰鎮(zhèn)北部。如該區(qū)的育才鎮(zhèn)(74、114和2.0m)和鳳凰鎮(zhèn)(92、136和2.2m)。第三個(gè)低值區(qū)位于崖城鎮(zhèn)南部(83、161和1.5m)。5個(gè)低值點(diǎn)分別為:三亞市吉陽(yáng)鎮(zhèn)北部大茅村(54、75和0.6m),該點(diǎn)是南繁區(qū)中最低的低值點(diǎn);樂(lè)東縣抱由鎮(zhèn)北部(71、141和1.3m);抱由鎮(zhèn)南部(54、117和1.0m);三亞市河?xùn)|區(qū)(53、84和1.9m);以及陵水縣提蒙鄉(xiāng)(84、121和2.8m)。其中,提蒙鄉(xiāng)這個(gè)低值點(diǎn)被光坡鎮(zhèn)、文羅鎮(zhèn)和本號(hào)鎮(zhèn)所包圍,有“高中見(jiàn)低”的特點(diǎn)。2.2.2mtds的變化范圍南繁水稻的抽穗期約在2月下旬至4月下旬。了解MTDs的旬變化,能夠幫助選擇MTDs較短的抽穗旬,降低基因飄流率。文中用旬平均值與MTDs值的差值(旬距平值)表示MTDs的旬間差異,用旬距平值/標(biāo)準(zhǔn)差表示旬間MTDs的變化范圍。結(jié)果表明,3月下旬正是南繁區(qū)東北季風(fēng)和東南季風(fēng)轉(zhuǎn)換季節(jié),是MTDs值的高值季節(jié),最好合理規(guī)避。4月上旬和4月下旬向不育系和栽培稻的MTDs距平值都是負(fù)值,是基因飄流最大閾值距離比較小的時(shí)期,可以適當(dāng)利用(表2)。3南繁區(qū)水稻mtds時(shí)空分布規(guī)律本研究針對(duì)中國(guó)水稻新品種研發(fā)特有的南繁環(huán)節(jié)以及南繁區(qū)已成為全國(guó)各類水稻材料集散地的特點(diǎn),依托南繁區(qū)細(xì)化的氣象資料,研究和分析了南繁區(qū)小尺度的水稻MTDs時(shí)空分布規(guī)律,是團(tuán)隊(duì)研究計(jì)劃的一個(gè)組成部分。3.1對(duì)南繁區(qū)mtds的影響風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度是影響水稻基因飄流閾值距離的主要?dú)庀笠蜃?南繁區(qū)的地形特征和大氣環(huán)流態(tài)勢(shì)都通過(guò)氣象因子決定MTDs值的分布和變化。南繁區(qū)的東翼為陵水縣,西翼為樂(lè)東縣,中間的三亞市略向南海凸出。南繁區(qū)三面環(huán)海,北面與東方市、昌江縣,白沙縣、瓊中縣、保亭縣、五指山市和萬(wàn)寧縣相鄰。其中,樂(lè)東縣的東北部、三亞市的北部、陵水縣的西北部都屬于五指山系。三亞正北的五指山主峰海拔1867m,樂(lè)東縣東北部山區(qū)的尖峰嶺海拔約1000m,陵水縣西北的吊羅山主峰海拔約1519m。五指山是南繁區(qū)最大的地形屏障,對(duì)南繁區(qū)的風(fēng)速分布有重要影響。南繁區(qū)的沿海陸地大都是平原,風(fēng)速都比較大。沿海平原與五指山區(qū)之間的過(guò)渡地區(qū)為中、低山丘陵地帶,丘陵的走向和高度也會(huì)影響過(guò)渡地區(qū)的風(fēng)向和風(fēng)速。鄰近五指山的南坡風(fēng)速明顯減小。這種地形、地勢(shì)對(duì)風(fēng)速的影響決定了南繁區(qū)水稻MTDs值的總體分布特征。南繁區(qū)的季風(fēng)特點(diǎn)也對(duì)MTDs的空間分布有重要影響。南繁區(qū)冬季盛行東北季風(fēng),春季和初夏主要受南太平洋的東南季風(fēng)和印度洋的西南季風(fēng)影響。據(jù)對(duì)風(fēng)向頻率的統(tǒng)計(jì),冬季時(shí)三地的北-東北風(fēng)向頻率基本相似(三亞34.3%;陵水35.2%;樂(lè)東38.6%),春季-初夏的南-東南風(fēng)向頻率則以位于東面的陵水最高(40.2%),樂(lè)東最低(11.3%),而西-西南風(fēng)向頻率則正好相反,樂(lè)東最高(15.2%),陵水最低(6.8%)。說(shuō)明陵水受東南季風(fēng)影響較大,而樂(lè)東受西南季風(fēng)影響較多。對(duì)三地南繁時(shí)段的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)也表明,陵水的月平均風(fēng)速為2.3m·s-1,月平均最大風(fēng)速為4.3m·s-1,月平均極端最大風(fēng)速為7.4m·s-1;而三亞和樂(lè)東則分別為2.2、3.5和5.9m·s-1與1.5、2.7和5.4m·s-1。陵水是東南季風(fēng)影響最顯著的縣。具體來(lái)說(shuō),2個(gè)高值區(qū)都位于南繁區(qū)沿海的東、西兩端,它們沒(méi)有地形屏障保護(hù),直接受到東南或西南季風(fēng)的沖擊。4個(gè)高值點(diǎn)中有2個(gè)都位于近海的平原或低山丘陵,另2個(gè)高值點(diǎn)地形比較開(kāi)闊。3個(gè)低值區(qū)和2個(gè)低值點(diǎn)(三亞市吉陽(yáng)鎮(zhèn)和河?xùn)|區(qū))都位于五指山南麓,受到五指山的屏障保護(hù),風(fēng)速明顯偏小;另外3個(gè)低值點(diǎn)為丘陵低地,風(fēng)速較小。表3是對(duì)低值區(qū)、點(diǎn)和高值區(qū)、點(diǎn)2月下旬—4月下旬平均風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。經(jīng)對(duì)風(fēng)速與MTDs作相關(guān)分析,旬平均風(fēng)速與向不育系的MTD1%和常規(guī)稻的MTD0.1%的相關(guān)系數(shù)分別為0.7800**和0.8303**(n=52);旬最大風(fēng)速與向不育系的MTD1%和常規(guī)稻的MTD0.1%相關(guān)系數(shù)分別為0.8013**和0.6859**(n=52),足見(jiàn)風(fēng)速是影響MTDs的關(guān)鍵因子。大氣穩(wěn)定度也是影響花粉擴(kuò)散的重要因子,它的變化取決于當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速和輻射狀況。風(fēng)速較小時(shí),輻射越強(qiáng)則大氣越不穩(wěn)定,輻射弱則大氣較為穩(wěn)定;當(dāng)風(fēng)速越大時(shí),大氣穩(wěn)定度以中性為主。南繁區(qū)地處南海沿海地區(qū),常年風(fēng)速較海南島中心地區(qū)大,因而大氣穩(wěn)定度以中性層結(jié)為主(概率約占82.3%),不穩(wěn)定層結(jié)的概率要低于其他地區(qū)(約7.2%)。所以對(duì)南繁區(qū)而言,重點(diǎn)應(yīng)該關(guān)注風(fēng)對(duì)MTDs的影響。3.22海南mtds的分布特點(diǎn)南繁區(qū)的面積不足中國(guó)南方稻區(qū)面積的0.3%,闡明小區(qū)域的MTDs分布特征至少需要鄉(xiāng)、鎮(zhèn)級(jí)的尺度。本文采集了中國(guó)目前最細(xì)化的氣象資料,實(shí)現(xiàn)了鄉(xiāng)、鎮(zhèn)尺度的MTDs分布特征分析,在國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)類似報(bào)道。為分析比較縣(市)級(jí)和鄉(xiāng)、鎮(zhèn)級(jí)兩種尺度的MTDs分布特點(diǎn),筆者團(tuán)隊(duì)用海南省18個(gè)縣(市)1981—2010年的氣象資料,繪制了海南省(不包括其他沿海島嶼)向不育系的MTD1%分布圖(圖4)。圖中給出了兩個(gè)基本信息:一是環(huán)島區(qū)域是海南MTDS的高值區(qū),南繁區(qū)是環(huán)島MTDS高值區(qū)的一部分;二是南繁區(qū)三縣市向不育系的MTD1%值自北向南遞增,大部分地區(qū)為高值區(qū),只有樂(lè)東縣的北部和陵水縣的西北部是低值區(qū)。對(duì)比圖4和圖1兩種尺度向不育系的MTD1%空間分布,顯然小尺度分析更能顯示鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間MTDs的數(shù)值差異及具體的高、低值位置和范圍。兩種尺度的分析結(jié)果趨勢(shì)基本相似,大尺度分析的是宏觀趨勢(shì),小尺度分析則能看出小范圍的地形、地勢(shì)和氣象條件對(duì)MTDs的具體影響,應(yīng)該更加細(xì)化,更具有實(shí)用價(jià)值。3.3田間條件下花粉壽命的測(cè)定花粉壽命是計(jì)算MTDs的重要模型參數(shù)。生物學(xué)中的水稻花粉壽命一般是指離體花粉維持活力的時(shí)間或能萌發(fā)的時(shí)間(half-lifetime)。Koga等用TTC染色法測(cè)定,發(fā)現(xiàn)栽培稻花粉從花藥中散出后3—5min即喪失活力,個(gè)別花粉粒能存活15min。Song等報(bào)道50%的水稻花粉粒在花藥裂開(kāi)后6min失去在明膠培養(yǎng)基上的萌發(fā)力,30min完全喪失萌發(fā)力。需要指出的是,用染色法或離體萌發(fā)法測(cè)定的花粉活力或壽命,并不能真正代表田間條件下花粉維持授精力的實(shí)際時(shí)間?？紤]到田間氣象條件復(fù)雜,影響花粉活力的因素較多,且參與基因飄流的供體花粉需與常規(guī)稻受體的自身花粉競(jìng)爭(zhēng),只有生命力較強(qiáng)的供體花粉才能完成授精結(jié)實(shí),因此,實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的花粉壽命可能偏長(zhǎng)。對(duì)此,本文提出了田間條件下水稻花粉維持授精力有效壽命的概念,并用向不育系的MTD0.1%和開(kāi)花期的實(shí)時(shí)風(fēng)速對(duì)其進(jìn)行了估算,發(fā)現(xiàn)在3地4次田間試驗(yàn)中水稻花粉維持授精力的有效壽命均不足2min,平均為(88.6±18.6)s。這在以往文獻(xiàn)中尚未見(jiàn)報(bào)道。盡管它可能還不夠嚴(yán)格精確,需要設(shè)計(jì)專門(mén)的試驗(yàn)加以驗(yàn)證。但有兩點(diǎn)必須說(shuō)明,一是筆者團(tuán)隊(duì)用向不育系的0.1%最大閾值距離來(lái)計(jì)算,表明絕大多數(shù)參與授精的花粉粒已包括在內(nèi),盡管少數(shù)花粉?？赡茉诟h(yuǎn)的距離上仍可授精結(jié)實(shí);二是因?yàn)槭荏w采用的是不育系,它本身不產(chǎn)生有活力的花粉,即在此情況下不存在花粉競(jìng)爭(zhēng)。因此,估算出的水稻花粉在離開(kāi)花藥隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)后有效壽命小于2min,可能更具有可信度?？紤]到田間條件比較復(fù)雜且變化較大,為驗(yàn)證這種推測(cè),今后應(yīng)作進(jìn)一步深入研究,模型中的這一參數(shù)也應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作相應(yīng)修正。3.4mtds穩(wěn)定性的隔離與管理目前,中國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)布的轉(zhuǎn)基因植物安全監(jiān)管配套規(guī)章中規(guī)定,轉(zhuǎn)基因水稻小規(guī)模田間試驗(yàn)中的隔離距離需大于100m。該規(guī)定未考慮不同水稻類型的開(kāi)花生殖生物學(xué)特性、不同生態(tài)區(qū)的氣候條件及其年際變化。本團(tuán)隊(duì)研究積累的大量數(shù)據(jù)表明,向不育系的基因飄流系數(shù)K要比向常規(guī)稻品種大3個(gè)數(shù)量級(jí),各地的基因飄流率和飄流距離變化也很大,無(wú)論從對(duì)南方稻區(qū)的MTDs計(jì)算以及對(duì)海南南繁區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的MTDs計(jì)算,均說(shuō)明對(duì)不育系和常規(guī)稻的監(jiān)管應(yīng)區(qū)別對(duì)待,在轉(zhuǎn)基因水稻的風(fēng)險(xiǎn)分析和監(jiān)管中,采取分類管理和閾值管理的原則,對(duì)不育系繁殖、雜交稻制種、常規(guī)稻生產(chǎn)和普通野生稻的原位保護(hù)需設(shè)置不同的隔離距離。閾值管理是國(guó)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的通用做法。在模型計(jì)算和應(yīng)用中采用1%和0.1%的閾值,意即在MTD1%和MTD0.1%距離上的基因飄流率等于或小于1%和0.1%。換言之,生產(chǎn)種和原種的種子純度可保證分別達(dá)到99%和99.9%以上。對(duì)栽培稻而言,因MTD0.1%平均小于5m,較小的緩沖區(qū)隔離已足以滿足生產(chǎn)種純度的要求(一級(jí)≥98%,二級(jí)≥96%)。因此,只要嚴(yán)格監(jiān)管,采取必要措施,轉(zhuǎn)基因水稻與非轉(zhuǎn)基因水稻的共存是可行的。但對(duì)不育系而言,因MTDs在南方稻區(qū)和在海南南繁區(qū)各地的變化很大,必須采取更嚴(yán)格有效的措施,如時(shí)、空隔離和去雜去劣,以避免或降低轉(zhuǎn)基因飄流可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。在不育系繁殖和雜交稻制種中,去雜除劣是普遍采用的措施,雜株在表型上易與不育系和親本區(qū)分。經(jīng)采取以上措施,便可滿足保持系和恢復(fù)系親本種子純度≥99%、雜交稻F1生產(chǎn)用種純度≥96%的要求。海南因存在不少普通野生稻居群,且在有些地區(qū)開(kāi)花期與栽培稻有一定程度的重疊,因此,在普通野生稻的原位保護(hù)中也應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的隔離距離。必須指出,遠(yuǎn)距離上的基因飄流率,有時(shí)會(huì)因突發(fā)的個(gè)別異交事件而產(chǎn)生波動(dòng),即通常所說(shuō)的“寬尾”現(xiàn)象。Bannert等報(bào)告了在玉米上的試驗(yàn)結(jié)果,MTD0.01%在2年試驗(yàn)中相差一倍多(125m,2003;287m,2004)。因此,筆者認(rèn)為對(duì)一般農(nóng)藝性狀改良的轉(zhuǎn)基因作物而言,沒(méi)有必要將閾值由0.1%進(jìn)一步提高至0.01%,因?yàn)樵诨蝻h流曲線的漸近線附近再增加距離,對(duì)降低基因飄流率的效果甚微,高閾值標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)管會(huì)因“寬尾現(xiàn)象”的干擾而失去科學(xué)性和可行性,同時(shí)增加監(jiān)管成本和操作難度。當(dāng)然對(duì)有特殊安全性考慮的轉(zhuǎn)基因作物,如藥用和工業(yè)用的轉(zhuǎn)基因作物,則必須采取更嚴(yán)格的隔離和安全控制措施,以防止基因飄流后的產(chǎn)品進(jìn)入食物鏈。3.5布帳隔離和定量標(biāo)準(zhǔn)差MTD1%和MTD0.1%是筆者團(tuán)隊(duì)根據(jù)水稻基因飄流率的負(fù)指數(shù)衰減規(guī)律、“寬尾現(xiàn)象”和水稻種子生產(chǎn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提出的。其可靠性和穩(wěn)定性需要長(zhǎng)序列的氣象資料支撐,一般需要10—30年。筆者在分析中國(guó)南方稻區(qū)的MTDs分布時(shí),用了32年的氣象資料,但對(duì)海南南繁區(qū)而言,由于中國(guó)氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的細(xì)化延伸體系建立的時(shí)間還很短,供本研究分析的自動(dòng)氣象站資料僅有3年,故現(xiàn)在的MTD1%和M