小议转Bt基因稻谷抗虫性研究进展

摘要：综述了近年来转Bt抗虫基因水稻稻谷对储粮害虫的抗性以及印度谷螟对Bt的抗性研究进展，旨在为转Bt基因水稻的安全性评价及其商业化生产提供参考依据。

关键词：储粮害虫；转Bt基因稻谷；抗性

水稻（OryzasativaL.）是世界三大粮食作物之一，也是我国重要的经济作物和粮食作物，全球约三分之一以上的人口以稻米为主食[1]。在水稻生产中，储藏稻谷是生产中一个重要环节。我国是一个粮食大国，粮食储藏周期较长、储量较大，在粮食储藏期间，各种有害生物容易滋生危害，造成储粮质量和品质的巨大损失，由于受到仓储条件和防虫技术的限制，每年在北方地区因虫害造成的储粮数量损失为3%～5%，南方地区为6%～8%，损失粮食200～300亿kg[2]。可见，储粮害虫造成的危害和损失是十分巨大的。据2004-2005年第六次全国储粮昆虫调查，我国储粮昆虫有270种，其中储粮害虫有226种[3]，危害严重且分布广的主要有玉米象、米象、谷蠹、锯谷盗及赤拟谷盗等鞘翅目害虫和麦蛾、印度谷螟及一点谷螟等鳞翅目害虫[4]。

目前，我国乃至全世界对储粮害虫的防治主要采用化学防治，但由此造成的农药残留、环境污染以及害虫抗性等问题日益严重，迫使人们寻求其他更加安全有效的害虫防治措施。通过分子生物学手段，将抗虫基因导入水稻细胞中，并使其遗传和表达，从而培育具有抗虫能力的转基因水稻新品系成为控制水稻害虫的重要途径[3.4.5]。苏云金芽孢杆菌（Bacillusthuringiensi，简称Bt）是一种能产生杀虫晶体蛋白（insecticidalcrystalprotein）的革兰氏阳性菌，其孢子及伴孢晶体对鳞翅目和鞘翅目的一些害虫具有一定的毒杀作用，自1938年第一个Bt商品制剂问世以来，因其毒力高，致病快，且对非靶标生物及人类无毒，对环境安全，已作为微生物杀虫剂广泛应用于害虫的防治[6]。然而，随着Bt制剂的大量使用，人们发现在实验室的条件下已有多种害虫对其产生抗性，更为严重的是，已发现在大田中世界性蔬菜害虫小菜蛾Plutellaxylostella（Linnaeus）对Bt产生了抗性[7]。近年来，昆虫对Bt制剂及对转Bt基因作物产生抗性的报道已有很多。在我国，关于转Bt基因水稻生态安全性方面的研究，已取得了一些研究成果，处于起步阶段，在转Bt基因稻谷对储粮害虫的生态安全性研究少有报道。本文将对近些年国内外学者在储粮害虫对转Bt稻谷的抗性研究进行概括，为转Bt水稻的合理利用和商业化生产以及害虫的抗性治理等方面提供参考依据。

1转Bt基因水稻研究现状

Bt毒蛋白基因是应用最为广泛且最有潜力的毒蛋白基因，在现代植物基因工程技术的推动下，转Bt基因烟草[8]、马铃薯[9]、棉花[10]、玉米[11]和水稻[12-20]得到了广泛的应用，并获得了较为理想的抗虫效果。Bt玉米、Bt棉花、Bt马铃薯等已开始商业化应用[21.22]。

目前，水稻抗虫Bt毒蛋白基因有cry1A(b)、cry1A(c)[12]，国内外已获得了许多抗虫效果良好的水稻品种[13-20].。虽然转Bt基因水稻在害虫防治方面取得了不错的效果，但仍还处于试验研究阶段，迟迟未得以商业化生产推广，主要原因就是其安全性评价有待完善和提高[23-25]。而转Bt基因稻谷的生态安全性评价是转基因水稻安全性评价的一项重要内容。

2转Bt基因稻谷对储粮害虫的影响

2.1抗虫性机制

苏云金芽孢杆菌在产孢过程中会形成一种对昆虫具有毒效的蛋白，即Bt杀虫晶体蛋白(insecticidalcrystalprotein)，可分为α-外毒素、β-外毒素、δ-内毒素和虱因子，其中用于转基因植物的主要是δ-内毒素[26]，有很多学者对Bt毒蛋白的杀虫机理做了研究，其大致过程为：昆虫食入毒蛋白后，在中肠的碱性环境下，毒蛋白溶解为无杀虫活性的原毒素（protoxin），原毒素在中肠蛋白酶的作用下激活进一步转化为具有杀虫活性的60kDa左右的毒素（toxin），活化的毒素与中肠BBMVs（刷状边膜囊）上的特异性受体结合引起中肠上皮细胞膜透性的改变，细胞裂解、中肠麻痹，最终导致昆虫瘫痪或死亡[26.27.28]。

然而转Bt基因作物与传统Bt杀虫剂不同，后者包含几种Bt原毒素以及细菌孢子，而目前商业化种植的转基因作物仅含有单一毒素基因且在植株的整株和整个生育期都表达，具有转移性更高、毒性强的特性[29]。有人初步研究了转Bt基因棉抗棉铃虫的毒性机理，认为幼虫取食转基因棉后，中肠处于中度痉挛状态，珠状细胞微绒毛萎缩、被破坏，肠壁细胞质内细胞器减少，营养物质自耗成空泡[30]。梁革梅等比较了棉铃虫取食转Bt杀虫剂、Bt毒蛋白和Bt基因棉后中肠组织病理变化的情况发现，对棉铃虫中肠的破坏速度依次为Bt杀虫剂>Bt毒蛋白>Bt基因棉，并认为这可能是由于前两者作为杀虫毒素直接影响棉铃虫中肠细胞，而转Bt基因棉中的杀虫毒素是由导入棉花品种Bt基因转录形成，棉铃虫中肠细胞的变化直接受Bt基因转录量的大小和毒素的杀虫作用力的影响[31]。

2.2转Bt基因稻谷对储粮害虫的抗性

目前，在转Bt基因稻谷对仓储害虫的抗性方面的报道较少。JohnDSedlacek等研究证明转基因作物会使印度谷螟和麦蛾的孵化率和产卵率明显降低，并延缓印度谷螟的发育历期[32]。AnthonyMHanley等再次证实了转Bt基因作物在降低印度谷螟和麦蛾的产卵率和孵化率，延缓印度谷螟发育历期等方面的影响[33]。李光涛等研究表明：转Bt基因稻谷对麦蛾具有显著抗性，取食转Bt基因稻谷的麦蛾羽化率仅为对照的13%，且各发育指标均显著降低，转Bt基因稻谷的损失率仅为对照的12%，Dobie敏感系数显著低于对照，对麦蛾表现为高抗[34]。王平等对转Bt基因稻谷中Bt毒蛋白的变化、转Bt基因稻谷对麦蛾生长发育的影响、以及对储粮期节肢动物群落结构的影响等方面做了初步研究[35]。蔡万伦等在研究中发现用Bt稻谷粉连续饲喂三个世代的赤拟谷盗，其在各个发育阶段的历期与对照相比无明显差异，但就虫蚀率来说转基因稻谷要比对照低的多。他通过对在自然条件下对不同储藏期的Bt稻谷与非Bt稻谷进行抽样调查，结果发现随着稻谷储藏期的延长，在储藏17个月后Bt稻谷上的虫蚀率依次为0.70%，1.20%，显著低于另外两种非Bt稻谷上的虫蚀率(汕优63：1.7%，2.0%；9311稻：2.70%，3.00%，P<0.05)。但Bt稻谷和非Bt稻谷中赤拟谷盗、谷蠢、书虱、麦蛾的数量在19个月储藏期内，其种群数量及动态与对照稻谷相比无明显差异或在少数时期存在显著差异。Bt稻谷上害虫群落物种数、多样性指数、优势集中性与对照稻谷相比差异性很小，Bt稻谷对储粮害虫物种构成的影响不明显[36]。

3印度谷螟对Bt的抗性研究

印度谷螟是一种重要的鳞翅目仓储害虫，也是第一个被发现对Bt中δ-内毒素产生抗性的害虫。目前，众多国内外学者对印度谷螟经Bt制剂处理后的生物学习性、交互抗性、抗性机制等方面进行了广泛的研究。早在1984年，Mardan就指出，印度谷螟的吐丝结网、对Bt制剂的驱避性等会增加害虫对Bt制剂的忍耐能力[37]。

1985年McGaughey在世界上首次报道了印度谷螟在室内对苏云金杆菌产生了严重的抗性[38]。McGaughey在实验室对经Dipel处理和未处理的粮仓印度谷螟进行生物测定，处理过的印度谷螟不如未处理的对Dipel敏感，初步显示出对Bt的抗性，于是其在实验室条件下以62.5mg/kg的浓度进行抗性种群的筛选，F2的LC50是未经筛选幼虫的27倍，到F15则增至97倍，进一步证明了抗性的产生。此外，经9代后终止处理，LC50在随后的7代都不下降，其高抗性保持稳定。1987年McGaughey和Johson发现对B.t.kHD-1菌株产生抗性的印度谷螟对57个不同品系Bt制剂中36个品系产生了不同程度的抗性，同时使16个品系产生了交互抗性[39]。

1988年McGaughey等研究证明，用Bt处理5个印度谷螟和一个粉斑螟品系，不同群体的印度谷螟和粉斑螟的抗性发展速率和发展程度不同，对5个印度谷螟品系进行抗性筛选，最快的抗性发展出现在F36，抗性比起始时大250倍，最慢的在F39，抗性仅为起始时的15倍，与印度谷螟相比，粉斑螟产生的抗性水平则低的多。当抗性水平达到稳定状态之后，中断选择作用抗性仍保持稳定，但如果在抗性水平达到稳定状态之前就中止选择，抗性水平会逐渐下降[40]。同时，McGaughey等从另一仓贮害虫干果斑螟中也检测到了其对Dipel的轻度抗性。

1990年VanRie等证明，BBMV对蛋白毒素的亲合力在印度谷螟抗性和敏感品系间有极大差异，后者比前者大70倍，同时抗性种群对CryIC的敏感性以及CryIC在BBMV上的结合位点都增加了，这表明对一种杀虫晶体蛋白产生抗性的印度谷螟不一定也对另一种杀虫晶体蛋白产生抗性[41]。有研究表明，Cry1Ab在印度谷螟体内有2个不同的结合位点，其中一个结合位点与Cry1Ac的一样，对Cry1Ab产生抗性的印度谷螟种群的结合位点与Cry1Ab的结合亲和力比敏感种群下降了60倍[42]。而Zhu等发现，在抗性印度谷螟中肠中，类胰蛋白酶的酶活性比敏感品系低约3倍，可能这种类胰蛋白酶活性的差异与Bt的抗性有关[43]。

Mcgaughey等将两种不同Bt变种的菌株HD-1，HD-133等量混合起来对印度谷螟进行选择，结果发现，在相同的选择压力下，印度谷螟对两种菌株混合产生的抗性分别比这两种菌株单独处理所产生的抗性小[44]。

McGaughey对交互抗性问题做了深入的研究，认为具有多种ICPs的Bt菌株会引起更广泛的抗性[45]。

3展望

关于储粮害虫对Bt抗性的研究多集中在印度谷螟上，但也仅限于对Bt制剂和毒蛋白的抗性研究，对转基因稻谷产生抗性的研究，无论是在实验室条件下还是在大田试验下都未见报道，针对水稻生长期的鳞翅目类害虫对转Bt稻谷产生抗性的研究较多。粮食储藏是水稻生产中的一个重要环节，储粮害虫造成的危害不容忽视，今后在储粮害虫对转基因植物抗性方面还应加大研究，以为害虫的综合防治和转基因植物的商业化生产及安全性评价提供指导。

参考文献（References）

[1]杨友才,周清明.转基因水稻研究进展.湖南农业大学学报（自然科学版）,2003,29(1):85-88.

[2]国家粮食储备局储运管理司.中国粮食储藏大全.重庆:重庆大学出版社,1994.

[3]严晓平,宋永成,沈兆鹏,等.中国储粮昆虫2005年最新名录.粮食储藏,2006,35(2）:3-9.

[4]曹阳，刘贯力,等.转Bt基因抗虫稻谷对麦蛾的抗性评价.植物保护学报,2008,35(3):205-208.

[5]贾乾逃,等.转Bt基因水稻安全性评价研究进展.湖北农业科学,2005,01:103-106.

[6]喻子牛.苏云金杆菌.北京:科学出版社,1990.

[7]姚江.苏云金芽孢杆菌及其在害虫防治上的应用.连云港高等专科学校学报.2002,01:36-41

[8]VaeckM,ReynaertsA,HfteH,etal.Transgenicplantsprotectedfrominsectattack.Nature,1987,327:239-247

[9]DelannayX,LaValleeBJ,ProkschRK,etal.FieldperformanceoftransgenictomatoplantsexpressingtheBacillusthuringiensisvar.kurstakiinsectcontrolprotein.Biotechnology,1989,7:1265-1269.

[10]PerlakFJ,DeatonRW,ArmstrongTA,etal.Insectresistancecottonplants.Biotechnology,1990,8:939-943.

[11]KozielMG,BelandGL,BowmanC,etal.FieldperformanceofelitetransgenicmaizeplantsexpressinganinsecticidalproteinderivedfromBacillusthuringiensis.Biotechnology,1993,11:194-200.

[12]苏京平等.我国转基因水稻的研究现状.天津农业科学.2007,13(4):7-11.

[13]舒庆尧等.转基因水稻“克螟稻”选育.浙江农业大学学报,1998,24(6):579-580.

[14]崔海瑞,王忠华,等.转Bt基因水稻克螟稻杂交转育后代农艺性状的研究.中国水稻科学,2001,15(2):101-106.

[15]项友斌,梁竹青,高明尉,等.农杆菌介导的苏云金杆菌抗虫基因cry1A(b)和cry1A(c)在水稻中的遗传转化及蛋白表达.生物工程学报,1999,15(4):494-500.

[16]YeGY,ShuQY,YaoHW,etal.Fieldevaluationofresistanceoftransgenicricecontainingasyntheticcry1AbgenefromBacillusthuringiensisBerlinertotwosternborers.JournalofEconomicEntomology,2001,94(1):271-276.

[17]安韩冰,朱祯,李慧芬,等.基因枪法转化水稻（OryzasativaL）获得可育的转抗虫基因水稻再生植株.高技术通讯,2001,11(2):12-16.

[18]马炳田,王玲霞,李平,等.转抗虫基因三系优良保持系的获得.作物学报,2004,30(1):60-65.

[19]慈晓燕,姚方印,朱常香,等.含cry1Ab和Xa21基因抗虫水稻选育研究及其田间表现.中国农业科学,2005,38(2):313-319.

[20]CohenMB,GouldF,BenturJS.Btrice:practicalstepstosustainableuse.InternationalRiceResearchNotes,2000,25(2):5-10.

[21]KrattigerAF.InsectResistanceinCrops:aCaseStudyofBacillusThuringiensis(Bt)anditsTransfertoDevelopingCountries.ISAAABriefsNo.2.ISAAA:Ithaca,NY.1997,42.

[22]程家安,周伟军.跨世纪农业研究,北京:中国环境科学出版社,1998,392-399.

[23]马永芳,等.Bt水稻抗虫性及其农艺性状研究.浙江农业学报,2005,17(6):363-367.

[24]贾乾涛,杨长举,蔡万伦等.转Bt基因水稻安全性评价研究进展.湖北农业科学,2005,1:103-104.

[25]杨杰,钟维功,陈志德,等.转基因抗虫水稻的研究进展.江西农业学报,1999,11(3):48-53.

[26]张志罡,孙继英,等.转Bt基因水稻的生态安全性研究进展.中国稻米,2007,2.

[27]申继忠,钱传范.苏云金杆菌δ-内毒素作用机制的研究.农药译丛,1994,16(4):43-46.

[28]余健秀,等.苏云金杆菌杀虫晶体蛋白作用机制的研究进展.昆虫天敌,1998,20(4):180-186.

[29]HilbeckA,BiglerF.In:AmmanK,JacotY,KjellssonG,eds.MethodsforRiskAssessmentofTransgenicPlants:

Ⅲ.EcologicalRisksandProspectsofTransgenicPlants.Swissland:BirkhauserVerlagBasel,1999.77-81.

[30]束春娥,刘贤金,柏立新,等.转Bt基因棉花抗棉铃虫毒性机理研究.棉花学报,1996,8(4):219-322.

[31]梁革梅,谭维嘉,郭予元.棉铃虫取食转Bt基因棉花后中肠组织的病理变化.棉花学报,2001,13(3):138-141.

[32]JohnDSedlacek,SunilaR,etal.LifeHistoryAttributesofIndianMealMoth(Lepidoptera:Pyralidae)andAngoumoisGrainMoth(Lepidoptera:Gelechiidae)RearedonTransgenicCornKernls.Stored-ProductAndQuarantineEntomology,2001,587-590.

[33]AnthonyMHanley,etal.Cry1AbandCryAcTransgenicCornHybridEffectonLaboratoryPopulationsofIndianMoth(Lepidoptera:Pyralidae)andAngoumoisGrainMoth(Lepidoptera:Gelechiidae).Science,2004,39(4):514-524.

[34]李光涛,曹阳,叶恭银,刘贯力,何康来.转Bt基因抗虫稻谷对麦蛾的抗性评价.植物保护学报,2008,35(3):205-208.

[35]王平.转Bt基因水稻稻谷对储藏特性及仓储节肢动物群落的影响.华中农业大学硕士学位论文.2007.

[36]蔡万伦,石尚柏,杨长举,彭于发,全明刚.转Bt基因水稻稻谷对集中主要储粮害虫的影响.生物技术通报(增刊),2006,268-271.

[37]MardanAH,Harein,PK.Susceptibilityofamalathion-resistantstrainofIndianmeal-MothstoBacillusthuringiensisBerliner.JEconEntomol,1984,77(5):1260-1263.

[38]McGaugheyW.H.1985.Science,229:193-195

[39]McGaugheyW.H,JohsonD.E.JEcon.Entomol.1987,80:1122-1126

[40]McGaugheyWH,BeemanRW.ResistancetoBacillusThuringiensisincoloniesoftheIndianmealmothandalmondmoth(Lep:Pyralidae).JEcon.Entomol,1988,81:28-33.

[41]VanRie,J,McGaughey,WH,Johnson,DE,etal.MechanismofinsectresistancetothemicrobiolinsecticideBacillusthuringiensis.Science,1990,247:72274.

[42]HERREROS,OPPERTB,FERREJ.DifferentmechanismsofresistancetoBacillusthuringiensistoxinsintheIndianmealMoth.ApplEnvrionMicrobiol,2001,67(3):1085-1089.

[43]ZhuYC,OppertB,KramerKJ,etal.cDNAsforachymotrypsinogen-likeproteinfromtwostrainsofPlodiainterpunctella.InsectBiochemMolBiol,1997,27(12):1027-1037.

[44]McGaugheyW.H.Johson,D.E.J.Econ.Entomol,1992,85(5):1594-1600.

[45]McGaugheyW.H.Johson,D.E.J.Econ.Entomol,1994,87(3):535-540.