智思|转基因作物产业化后的抗性管理问题

      以下文章来源于南北学苑 ，作者李华荣

      转基因作物产业化后靶标害虫对抗虫蛋白的抗性管理的思考。

      一）转基因玉米大豆产业化时代已开启

      自 2019 年起，中国转基因作物商业化进程步入快车道，生物育种相关政策密集出台。

      2019 年 12 月，时隔 10 年转基因玉米、大豆生物安全证书重新获批，包括 2 个转基因玉米性状、1 个转基因大豆性状，到目前为止已经陆续批准 17 个转基因玉米和 6 个大豆安全证书。

      2021 年 11 月，农业农村部发布《农业农村部关于修改部分种业规章的决定(征求意见稿)》，开通转基因品种审定绿色通道，规定受体品种已通过审定且审定区域在受体适宜区域内的品种，仅需1年生产试验即可获得品种审定证书。

      2022 年 6 月 8 日国家农作物品种审定委员会发布了《国家级转基因大豆品种审定标准（试行）》和《国家级转基因玉米品种审定标准（试行）》两个关键性文件并实施。

      2023 年 10 月17日公示了第一批初审通过的转基因玉米、大豆品种及相关信息，共 37个转基因玉米品种，14 个转基因大豆品种；这 51 个转基因品种很快在 12 月 7 日通过最终审定，12 月 26 日发放其转基因玉米大豆种子生产经营许可证书，标准着转基因玉米大豆产业化时代正式开始。

      2021 年，农业农村部对已获得生产应用安全证书的转基因大豆和转基因玉米开展了产业化试点，试验田面积 200 亩，2022 年扩展到内蒙古、云南的农户大田，增加到 10 万亩，2023 年试点范围扩展到河北、内蒙古、吉林、四川、云南 5 个省区 20 个县，达到 400 万亩，并在甘肃安排制种，为明年更多规模种植做准备。现在 51 个转基因品种正式通过了品种审定，可以商业化种植了，明年的种植面积将会大幅度上升。

      二）审定通过的转基因作物提供了抗虫抗除草剂性状

      审定通过的转基因玉米使用了大北农的 DBN9936 转化体，表达抗虫基因 Cry1Ab 和抗草甘膦除草剂基因 epsps, DBN9958 转化体表达抗草甘膦和草铵膦的 epsps 和 pat 两个除草剂抗性基因，以及通过育种聚合的 DBN3601T（“DBN9936×DBN9501），表达Cry1Ab、epsps、vip3Aa19和pat。另外的转基因玉米还分别整合了杭州瑞丰的瑞丰125，表达Cry1Ab/Cry2Aj和g10evo-epsps两个抗虫和一个抗草甘膦基因，中国林木种子/中国农大的ND207转化体，表达mcry1Ab和mcry2Ab两个抗虫基因，中国种子集团公司通过育种聚合的Bt11xMir162xGA21和Bt11xGA21，分别表达Cry1Ab、pat、vip3Aa20、mepsps和·cry1Ab、pat、mepsps。

      抗虫蛋白Cry1Ab和Cry2Ab，对玉米螟防效特别好，对草地贪夜蛾效果较差，因此审定的多数品种适合东北，黄淮玉米区。Vip3Aa蛋白对草地贪夜蛾活性最高，是防控草贪的王牌基因。西南玉米区草地贪夜蛾较重，含Vip3Aa的DBN3601T和Mir162转化体的品种应该部署在西南。但Vip3Aa蛋白对玉米螟杀虫活性不高，只有Vip3Aa的转化体需要与DBN9936，Bt11等转化体聚合，保证最终品种对目标生态区主要虫害均有抗性。

      审定通过的14个转基因大豆品种使用了大北农的DBN9004（表达epsps和pat）转化体，同时抗草甘膦和草铵膦两种除草剂，以及中国农科院的中黄6106表达g2-epsps和gat两个基因，两种机制同时对付草甘膦。

      三）转基因玉米大豆商业化种植效益显著

      根据农业农村部数据，在转基因作物尚未商业化应用的1995年，美国玉米、大豆平均每亩单产分别为475公斤和158公斤，2022年美国转基因玉米、大豆种植面积超过90%，平均单产已分别达到725公斤和222公斤，取得了巨大的社会经济和环境效益。抗虫性状显著减少虫害，除草剂抗性性状配合高效除草剂减轻草害，减少产量损失，变相增加产量；没有虫害，玉米棒子健康完整，穗腐病轻了，真菌毒素污染少了，提高了玉米品质。另一方面，极大减少化学农药的使用，减少农药成本和施药人工成本，同时减少化学农药对环境的影响。

      我国还没有商业化种植，但从近几年的试验示范结果看，转基因玉米大豆抗虫抗除草剂性状表现突出，对草地贪夜蛾等鳞翅目害虫的防治效果在90%以上，除草效果在95%以上；转基因玉米大豆可增产5.6%-11.6%。经过3年试点，我国转基因产品的安全性和有效性均得到了充分验证，试验区域生态、经济效益情况良好。

      四）昆虫抗性管理问题

      长期使用单一化学农药，单一抗虫蛋白或抗除草剂基因，靶标昆虫或者杂草都会逐渐适应，产生抗性的，所以抗性管理对于延缓靶标生物产生抗性，延长产品的使用周期很重要。

      对于转基因抗虫玉米，美国在延缓欧洲玉米螟等鳞翅目害虫对Bt抗虫蛋白Cry1Ab等的抗性发展控制上做得很好。从1996年转基因玉米产业化以来，玉米螟种群受到转基因抗虫玉米的很好防控，种群数量被压得很低，近30年过去了，玉米螟对Cry1Ab的敏感性没有明显下降。

      高剂量配合庇护所的抗性管理策略（High Dose/Refuge Strategy）：美国对转基因作物靶标昆虫的抗性管理策略是“High Dose/Refuge”, 即高剂量配合庇护所策略。

      这里的高剂量标准是对靶标害虫的自然敏感种群的防效高达99.99%，换句话说，要杀得彻底，不要杀得半生不死，否则幸存者就可能逐渐适应，产生抗性。要达到这样高的防治效果，要求抗虫蛋白本身的抗虫活性非常高，加上在植物有高的表达量。在玉米上表达 Cry1Ab 针对玉米螟容易做到，加上庇护所策略，或许是美国玉米螟至今没有抗性发展的主要原因。

      玉米根虫没有那么容易对付，上述高剂量标准是没有达到的，不论先正达的 mCry3Aa或 eCry3.1Ab, 拜耳的 Cry3Bb，还是科迪华的双价抗虫蛋白 Cry34/35 在田间的实际防效都达不到，最高在 98% 左右（按田间玉米根虫成虫出现率计算）。所以，美国玉米根虫对 Cry3 早已产生抗性，抗性种群逐渐扩散；Cry34/35 本身对玉米根虫的活性远高于 Cry3 家族，防效明显较高，田间抗性出现相对较慢较晚。防治不够彻底的原因主要是玉米根虫对现有的抗虫蛋白没有玉米螟对 Cry1A 那样敏感，致死中浓度明显高于Cry1Ab对玉米螟。原陶氏与孟山都合作开发的SmartStax和最近上市的SmartStaxPro，分别有 3 个和 4 个基因对付玉米根虫，它们是陶氏和孟山都提供的Cry34/35+Cry3Bb，以及Cry34/35 +Cry 3Bb +Dv-Snf7（RNAi）。这些基因的叠加，一方面增加抗虫活性力度，另一方面有两种不同机制，特别是RNAi抗虫机制是通过沉默昆虫的关键基因，导致其死亡，最终达到延缓抗性发展的目的。

      因此，除了找到和利用高杀虫活性的基因外，不同机制的两个或三个基因聚合一起，同时对付一个或一类虫子也是国际转基因抗虫技术发展的方向，这是延缓害虫抗性发展的重要策略。比如 SmartStaxPro 除了对付玉米根虫有 4 个基因，对付玉米螟也有 3 个基因 Cry1A.105+Cry2Ab+Cry1F。

      相比于美国先进的转基因作物，我们的转基因玉米技术还比较简单，对靶标害虫的防治力度显然没有达到高剂量（High Dose）99.99% 的标准，还有很大的发展空间，这也为起步稍晚的公司提供追赶的机会。

      基于群体遗传学原理的庇护所策略也是非常有用的。根据抗虫蛋白的抗虫机制以及昆虫抗性发展的机制研究，抗性性状一般都是隐性的，隐性性状必须在纯合的条件下才能显现。假如转基因玉米田万一出现了抗性虫子，控制这种抗性的基因应该是纯合隐性的，非转基因的庇护所里的虫子应该是普通的敏感的，这抗性虫子与庇护所的敏感虫子交配，所产生的后代，其隐性抗性基因又变成杂合体，杂合体又失去抗性，又变得敏感，又会被转基因作物杀死。这样以来，抗性个体不会繁衍起来，抗性基因不会传递下去，抗性基因频率不会增加，所以抗性发展得到有效控制。

      庇护所怎么设置？美国有两种方式：早些时候的结构化庇护所和最近的混种庇护所。结构化庇护所是指在转基因玉米田块里划定一定比例（比如单基因对付一个虫子时要求20%的非转基因玉米）的区域来种庇护所玉米。这种方式实施起来比较麻烦，阻力较大。随着多基因聚合，两个不同机制的基因叠加一起对付一个/类虫子时，虫子发展抗性的几率小得多，非转基因作物庇护所的比例下降到 5%，而且与 95% 转基因种子混合，一起播种一起收获，这种方式就是非结构化的混种庇护所，或者被叫做 “Refuge in Bag” (简称 RIB）。显然，这种设置容易操作。

      从农业农村部文件以及审批的转基因玉米大豆品种看，可能要走转基因棉花天然庇护所的路子。抗虫转基因棉花在我国已经产业化 20 多年了，没有设置专门的非转基因棉花庇护所，而是利用咱们国家的土地特点，棉田面积不大，不太连片，田块四周有其它作物或杂草，可以为食性广的棉铃虫提供食物来源，这些作物或杂草起到了庇护所的作用，被叫做天然庇护所。以前棉花种植范围广，天然庇护所确实存在，但现在棉花都收缩到新疆，新疆棉田是否还有天然庇护所值得商榷。玉米种植面积大，连片种植突出，特别是在东北玉米区。专门的庇护所还是需要的，最好采用混种庇护所。混种庇护所要求至少两个不同机制的抗虫基因叠加一起对付该区域的主要害虫才有效。所以，两个或三个不同机制的基因叠加一起对付其主要虫子是必要的。