抗除草剂转基因植物的商品化应用及环境生物安全管理

杂草科学 2010年第4期

汪 魏,许 汀,卢宝荣.抗除草剂转基因植物的商品化应用及环境生物安全管理[J].杂草科学,2010(4):1-9.

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抗除草剂转基因植物的商品化应用及环境生物安全管理

汪 魏,许 汀,卢宝荣

(生物多样性与生态工程教育部重点实验室/复旦大学生物多样性科学研究所,上海200433)

摘要:自19世纪末发明除草剂以来,除草剂一直是使用最为广泛的农药之一。随着除草剂工业、分子生物学和生物技术的快速发展,特别是转基因技术在经济植物和粮食作物的品种改良中迅速得到应用,推动了抗除草剂植物的大规模种植。很多学者开始关注抗除草剂转基因植物的种植和管理给当地带来潜在的生态风险,并对此进行了大量的研究。同时,抗除草剂转基因植物的生物安全问题也越来越受到重视。本文从除草剂的发现开始,详细地阐述了除草剂的分类以及抗除草剂基因的研究和发展,分析了抗除草剂基因植物大规模种植之后可能导致的直接或者间接的生态影响及潜在风险,并对这些潜在风险的评价和管理方法进行了详尽的介绍。 关键词:除草剂;生物技术;基因工程;生态影响;风险评价;生物安全

中图分类号:Q16 文献标志码:A 文章编号:1003-935X(2010)04-0001-08

自从1996年第一个转基因植物的商品化种植距今已经14年,这14年中,农民种植转基因植物的面积每年都有显著的增加。从2006年最初的

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1.177亿hm到2009年的1.8亿hm,转基因植物种植总面积增长了35%。最值得关注的是,抗除草剂转基因植物的种植面积一直占到转基因植物总面积的50%以上,其中抗除草剂大豆、玉米、油菜、棉花和苜蓿的种植面积就占全球转基因植物种植总面积的65%(1.17亿hm)

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有效的提高土壤固碳量。已有的研究表明,少耕和免耕能明显减少土壤中二氧化碳的释放,有效地保

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护了生态环境。

抗除草剂转基因植物的大面积种植,也可能对环境带来一定的影响,例如,抗除草剂转基因植物的杂草类型可以通过基因流获得相应的除草剂抗性,成为更难防除的超级杂草等。因此,有很多学者就这方面的问题进行了大量的研究。虽然,目前并没有明确的研究结果表明抗除草剂转基因植物会给生态环境安全带来明显的影响,但是部分学者认为,抗除草剂转基因植物的大规模种植会对自然环境带来直接和间接的影响。因此,在大规模种植抗除草剂转基因植物时应该认真考虑其可能带来的影响。本文将对抗除草剂转基因植物可能带来的环境影响及原因进行阐述。

1 除草剂的问世及其发展

1876年法国南部大量的葡萄园暴发了葡萄霜霉病[Plasmoparaviticola(BerketCurtis)Ber.tetdeTon.i],几年之后几乎传遍了欧洲,成为欧洲葡萄的首要病害。当人们使用杀菌剂波尔多液杀灭葡萄叶片和幼果上的病原菌时,意外地发现硫酸铜溶液能够选择性地杀灭葡萄园附近的一些十字花科的杂草而不危害禾谷类植物。在随后的十几年间法国、德国、美国等国家几乎都发现了硫酸铜的选择性除草作用。

由于化学知识的局限,在很长一段时间内对除[4]

。可见,抗除草剂转基因

植物一直是转基因植物研究的重点。

抗除草剂转基因植物的迅速发展是因为其自身具有非常明显的优势,解放了大量劳动力、极大地提高了劳动效率和降低了农业生产成本。如1996年美国开始种植抗草甘膦大豆Round-Ready,仅当年就减少了10%~40%的除草剂使用量,降低了生产成本。Auturn大学的研究者根据美国农业部的资料分析得出结论是,1997年美国农民由种植抗除草剂

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转基因大豆而获得的收益在8亿美元以上。除此之外,抗除草剂转基因植物的大规模种植后农民可以采用少耕或者免耕的耕作方式,这种耕作方式能

收稿日期:2010-11-23

基金项目:国家自然科学基金重点项目(编号:30730066,30871503);国家重点基础研究发展规划(973)项目(编号:2007CB109202,2011CB100401);国家转基因生物新品种培育重大专项(编号:2008ZX08011-006)。

作者简介:汪 魏(1982)),男,博士研究生,主要从事转基因抗除草剂作物环境生物安全研究。

通信作者:卢宝荣,教授,博士生导师。E-mai:lbrlu@。

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杂草科学 2010年第4期

合物如硫酸铁、盐酸、硫酸、石灰氮、硝酸钾等,这些化合物均存在明显缺陷,如选择性差、杀草谱狭窄、用量大、成本高,因而未能广泛应用于农业生产。直到1932年人们成功地发明了有机选择性除草剂二硝酚和地乐酚。虽然这两种有机化合物除草剂的选择性不强,仅能局部杀死杂草,但是却使除草剂逐渐由无机化合物转变为有机化合物,为除草剂未来的发展指引了方向。随着农田耕作方式的不断改进,对于除草剂的要求越来越高。在这种背景的驱使下,1942年成功地发明了内吸传导性除草剂2,4-D。2,4-D的发现在除草剂的发展中开创了新纪元,不仅其选择性、杀草谱引人注目,生物活性也显著提高,除草效果十分突出,因此迅速在农业生产中得到大面积应用。这一重大突破大大促进了除草剂的发展,开创了新的工业领域)))除草剂工业。许多化学公司竞相开发新的除草剂,因此除草剂逐渐成为农业生产中杀灭或控制杂草的主要方式,因而得到较快的发展

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根据作用方式,可以将除草剂分为灭生性除草剂和选择性除草剂两类。灭生性除草剂亦称广谱型除草剂,即在正常用量下无选择地杀死所有植物。例如草甘膦、草丁膦等均是常用的灭生性除草剂。选择性除草剂则具有较强的针对性,仅对某一类或一种杂草进行除杀。例如除草剂酰嘧磺隆就是非常典型的选择性除草剂,只能防除小麦和玉米田中的阔叶杂草。灭生性除草剂是通过阻断杂草的生理生化过程而达到除草的目的,例如通过对植物体的光合作用、氨基酸生物合成等重要生理过程中的关键酶进行抑制或修饰,使其不能正常发挥生理作用而最终导致植物死亡。目前常用的草甘膦就是灭生性除草剂,它通过抑制植物体内5-烯醇式丙酮酸莽草酸-3-磷酸合酶(EPSPS),来抑制植物苯丙氨酸和酪氨酸等芳香族氨基酸的合成,从而导致植物体的蛋白合成过程受阻,造成植物死亡。

选择性除草剂是在一定环境条件下以及一定的用量范围内,能够不伤害植物只杀除某一类或某一种杂草的除草剂。这类除草剂的作用机制与灭生性除草剂的作用机制类似。只是在时差(例如利用某些除草剂药效快、残效期短、杂草与植物萌发时间不同的特点进行选择性除草)、位差(例如利用植物根系在土层中分布的深浅不同等差异进行选择性除草),以及根据植物和杂草对除草剂的不同敏感程度进行特殊处理,从而达到除草的目的。频繁使用的磺酰脲类除草剂就是一种典型的选择性除草剂。经过大量实验证明,磺酰脲类除草剂在水稻和小麦等植物体内通过脱脂、脲桥裂解、磺酰胺键裂解等一系列代谢途径迅速分解,其分解产物与葡萄糖轭合,使其失去除草剂的活性并迅速被代谢。而在其他敏感植物体内却不能进行有效的分解,吸入体内的磺酰脲迅速抑制乙酰乳酸合酶(ALS)的活性,使植物的正常新陈代谢被阻断而造成杂草的死亡

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。

20世纪40年代有机选择性除草剂局限于2,4-D类少数品种,50年代向多种化合物发展,品种逐步增多,60年代大量新品种的除草剂研制成功。70年代中期,世界各国生产的除草剂品种就达220个以上。在近10余年的时间里,在除草剂分子立体化学、渗透性与亲脂性等方面的研究逐步深入,除草剂的研究也由定性向定量的方向过渡。另外,利用现代计算机技术和用分子轨道法计算除草分子的量子化学参数与其生物活性的关系,寻找能与受体结合的最佳结构,使除草剂在分子设计的方向上得到了重大的发展。