转基因抗虫玉米:理性接纳还是一味拒绝?


作者:段灿星(中国农业科学院作物科学研究所)

转基因抗虫玉米是指利用基因工程技术,将苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis, Bt)的杀虫晶体蛋白合成基因转入玉米中,使玉米能产生Bt蛋白,从而获得对鳞翅目昆虫具有显著的抗虫性和杀虫性,当玉米螟、棉铃虫等害虫取食后会中毒死亡,因此,转Bt基因的玉米能轻松避免或减轻害虫的为害。

苏云金芽孢杆菌是一种常见的土壤细菌,它能产生几种蛋白质,当鳞翅目昆虫(常见的害虫有:棉铃虫、玉米螟、二化螟、三化螟、稻纵卷叶螟、粘虫、小菜蛾等)的幼虫取食摄入后,这些蛋白质就会与昆虫中肠上皮细胞特异受体结合,引起细胞产生非特异的小孔,致使昆虫幼虫不能消化食物而停止进食,最终导致死亡。由于人体不存在类似于昆虫的特异受体,这些蛋白质进入人体后,不会与人体细胞结合,而是经消化道消化分解成小分子物质,失去生物活性。同时,Bt蛋白由于其安全和环境友好的特性,长期被有机种植者用作天然杀虫剂。

自1996年第一个转基因抗虫玉米上市以来,转基因玉米产业化迅速发展,目前已成为全球第二大转基因作物,2018年,全球转基因玉米种植面积达5890万公顷,其中转基因抗虫与抗虫兼抗除草剂的玉米种植面积约为5200万公顷,主要分布在美国、阿根廷、巴西、加拿大、乌拉圭和欧盟等国家和地区。玉米螟、棉铃虫和粘虫等都是玉米生产上的重要害虫,在全世界范围内给玉米生产造成了严重的损失,为了挽回损失,大量的杀虫剂用于防治这些害虫,大大增加了生产成本以及农药残留和环境污染的风险。在转基因抗虫玉米推广种植的国家,轻而易举地解决了上述问题。巴西执行的一项为期20年的转基因作物种植研究显示,每公顷土地的杀虫剂施用量大大减少,并且虫害导致的损失也显著降低,表明转基因作物的生产率和产量平均高于传统作物,在农业、社会经济和环境方面均产生了良好效益。最近有来自印度玉米种植邦的报告显示,草地贪夜蛾对玉米造成毁灭性侵害,导致印度南部玉米生产遭受重大损失,这种重大灾害很有可能推动抗虫玉米在印度的种植。

穗腐病是我国乃至全世界玉米生产上的重要病害,严重影响玉米的产量和品质,主要由拟轮枝镰孢和禾谷镰孢引起,在许多地区,黄曲霉、青霉以及其它镰孢种也是重要的致病菌,除降低籽粒的百粒重和品质外,这些致病菌能产生多种真菌毒素,严重威胁人畜健康。拟轮枝镰孢能产生伏马毒素和T-2毒素,禾谷镰孢能产生DON毒素和玉米赤霉烯酮,黄曲霉能产生黄曲霉毒素,其中伏马毒素和黄曲霉毒素具有强的致癌致畸性,引起食道癌和肝癌,DON毒素能引起呕吐、腹泻、拒食,具有营养和血液毒性,玉米赤霉烯酮能导致雌激素中毒症等。许多研究和大量的田间调查表明,玉米穗部害虫为害能显著增加穗腐病发病率和发病程度,尤其在潮湿的环境中,害虫为害后造成的伤口为致病菌的侵入提供极好的侵染途径,许多地区被害穗部几乎100%感染穗腐病。相比而言,转基因抗虫玉米的穗部几乎不被害虫为害,因此,穗腐病的发病几率极显著下降,从而大大降低真菌毒素污染的风险。

2018年,意大利科学家Pellegrino等人通过对6000多项同行评审研究进行包括产量、质量、非目标生物(NTOs)、目标生物(TOs)和土壤生物量分解等方面进了荟萃分析,综合评估了转基因玉米的田间表现,以增加人们对转基因作物种植在人类健康和环境安全性方面的认识。研究表明,非转基因玉米和有机玉米中含有真菌毒素的比例很高,在发展中国家通常通过清洁来去除,但风险仍然较高。昆虫为害会削弱玉米的免疫系统,使其更容易产生真菌毒素。相比之下,转基因抗虫玉米由于自身具备抗虫性和杀虫性,大大减低了昆虫的伤害,尤其是穗部害虫的为害,因而转基因玉米中含有的真菌毒素显著减少(如霉菌毒素减少28.8%、伏马菌素减少30.6%、三环素减少36.5%)。

此外分析还显示,与非转基因品种相比,转基因抗虫玉米品种使作物产量增加了5.6% 至24.5%;NTOs的丰度不受转基因玉米的影响,表明对昆虫群落多样性没有实质性影响;生物地球化学循环参数如茎和叶中的木质素含量没有变化,而转基因玉米中的生物质分解更高。该研究最终得出明确结论:由于转基因抗虫玉米提高了玉米质量和降低了真菌毒素对人类的危害,转基因抗虫玉米的种植应予以支持。