抗虫与抗除草剂转基因渐渗对水稻野生近缘种适合度和进化潜力的影响

摘要

转基因生物的环境释放及其可能带来生物安全方面的影响在全球范围内广受关注和争议，特别是转基因通过基因流逃逸到栽培作物的野生近缘种及其可能造成的潜在生态风险。水稻作为全世界重要的粮食作物，目前已经开展了大量转基因生物技术方面的试验研究，2009年两种抗虫转基因Bt水稻品系在中国获得了安全证书，表明转基因水稻可能将面临商品化。在此背景下，对转基因水稻的环境生物安全，包括转基因逃逸及其潜在环境生物安全进行科学评价十分迫切，特别是转基因逃逸到水稻的野生近缘种可能带来的生态风险是全球关注的生物安全焦点。
　　科学地评价转基因逃逸带来的生态风险，需要依次对转基因逃逸频率、转基因的表达和转基因对受体适合度的影响三个环节进行评估。目前，对转基因逃逸到野生近缘种的基因流频率和转基因表达研究已相对成熟，但是对不同转基因（包括抗虫与抗除草剂转基因）逃逸后对野生近缘种适合度的改变以及长期生态影响方面的研究却十分缺乏，而适合度效应是转基因能否带来潜在生物安全的关键。对于水稻的野生近缘种杂草稻和普通野生稻来说，两者分别分布于人工选择较为强烈的栽培环境和自然选择较为强烈的野外环境，并且具备不同的生物学习性，因而转基因通过基因流逃逸可能会对两种野生近缘种的生存和进化带来不同的生态后果，可以作为转基因逃逸相关生态安全评价的模式体系进行研究。为了完善对水稻转基因逃逸的生态风险评价体系，本论文研究通过建立抗虫和抗除草剂转基因水稻与其野生近缘种（包括杂草稻与普通野生稻）的多世代杂交后代体系，对不同类型的转基因以及作物背景基因对杂草稻和普通野生稻群体的适合度影响进行了长期和系统的研究，并尝试推测转基因逃逸对野生近缘种进化潜力的影响及其可能带来的长期生态风险，为转基因水稻的商品化种植提供环境安全方面有价值的参考。本论文主要的研究结果如下:
　　(1)通过研究抗虫转基因Bt/CpTI与CpTI对栽培稻-杂草稻F2-F3杂交后代的适合度效应发现，Bt/CpTI在较高的虫压下能有效抑制虫害伤害并为杂交后代带来一定的适合度利益（如饱粒数）;CpTI虽然也能在一定程度上抑制虫害，但是效果与Bt/CpTI相比较弱，并不能为杂交后代带来生存能力和结实能力方面的利益。因此，CpTI基因与Bt基因相比为杂交后代带来的适合度利益较为有限。除了适合度利益，我们在F3代实验的加密混种小区中检测发现Bt/CpTI会带来一定的适合度成本，这与Bt/CpTI栽培稻适合度实验中的结果较为一致。
　　(2)通过研究抗虫转基因Bt/CpTI对栽培稻-杂草稻F4-F7杂交后代的适合度效应发现，Bt/CpTI在高世代杂交后代仍然能保持有效的抗虫性并能在较高虫压下为其带来生存能力和结实能力上的利益，且Bt/CpTI的抗虫性和适合度效应在不同世代之间无显著差异。另外，本研究还发现在不同的栽种方式下随着单位面积转基因植株密度的增加，虫害的发生水平会受到抑制，从而限制了转基因由于抗虫优势所带来的适合度利益。
　　(3)通过研究Bt/CpTI抗虫转基因栽培稻与杂草稻F1-F7代多世代杂交后代的适合度表现，揭示了栽培稻-杂草稻杂交所产生后代的适合度在世代间的变化，并结合抗虫转基因的抗虫性和适合度效应及其世代趋势，表明杂交低世代在营养生长性状上暂时的杂种优势和生殖生长性状上暂时的杂种不亲和会导致我们对Bt/CpTI在杂草稻群体中的适合度影响出现误判，而高世代杂种优势的消失和育性的恢复将共同影响转基因渐渗和扩散过程，对指导转基因生物安全评价具有重要意义。
　　(4)通过研究Bt/CpTI抗虫转基因栽培稻（及其不含转基因栽培稻对照）与普通野生稻F1代杂种的适合度表现发现，栽培稻与野生稻的杂交本身可以产生营养生长能力、生殖生长能力和竞争能力都较强的F1代杂种，而Bt/CpTI能为F1代杂种带来额外的抗虫优势，并在较高的虫压水平下为F1代杂种带来显著的适合度利益，这有可能促进Bt/CpTI转基因通过F1代杂种渐渗到野生稻群体并进一步扩散。
　　(5)通过研究EPSPS抗除草剂转基因栽培稻（及其不含转基因栽培稻对照）与不同来源的普通野生稻低世代杂交后代的适合度表现发现，EPSPS在无除草剂压力的环境下可以缩短杂交后代的生长期，增加杂交后代的营养生长能力、生殖生长能力以及竞争能力。结合低世代杂交后代在营养生长能力、生殖生长能力和竞争能力上相对于野生稻亲本的优势，表明EPSPS通过基因流进入野生稻群体后很有可能通过增加杂交后代的适合度对野生稻群体的生存和进化造成显著的影响，从而带来一系列潜在的生态安全后果。
　　上述实验研究结果的获得及其分析得出的结论，可以进一步完善转基因逃逸到水稻野生近缘种相关的环境生物安全评价方法，为研究转基因对杂草稻和普通野生稻长期的进化影响和生态后果提供重要依据，为转基因水稻商品化后的环境生物安全管理提供有价值的参考。另外在群体遗传学和进化生物学方面，可以为基因流研究，特别是作物和野生近缘种之间长期的杂交-渐渗及其进化效应方面的研究提供理想的模式材料体系，而对转基因在杂交-渐渗过程中表现的研究可以为适应性进化以及适应性性状在群体中固定和扩散过程的研究提供模式体系。

目录

摘要

第一章 前言

1 转基因生物及环境生物安全

1．1 转基因生物技术的发展及其在农业上的应用

1．2 抗虫与抗除草剂转基因

1．3 转基因生物安全的概念与内容

1．4 转基因植物的环境生物安全问题

1．5 转基因选逸、基因流与杂交-渐渗

1．6 作物的野生近缘种

2 杂交-渐渗的遗传与进化影响

2．1 杂交-渐渗的概念

2．2 杂交-渐渗过程中的遗传变化

2．3 杂交-渐渗的进化影响

3 转基因选逸的生态风险评价

3．1 转基因选逸及其导致的生态风险

3．2 转基因述逸生态风险评价体系

3．3 转基因对野生近缘种的适合度影响

3．4 转基因逃逸适合度研究的现状分析

3．5 适合度研究体系的构建

4 栽培稻转基因选逸的生态风险研究

4．1 栽培稻、杂草稻与普通野生稻

4．2 转基因对杂草稻的适合度效应以及相关研究体系

4．3 转基因对野生稻的适合度效应以及相关研究体系

5 本研究的目的、内容与意义

第二章 Bt／CpTI 抗虫转基因在栽培稻-杂草稻F2-F3代后代中的适合度效应

1 引言

2 材料与方法

2．1 实验材料

2．2 人工杂交体系

2．3 材料鉴定

2．4 田间实验设计

2．5 性状选择与数据采集

2．6 数据统计分析

3 实验结果

3．1 虫害水平与混种竞争效应

3．2 F2代杂交后代的适合度表现

3．3 F3代杂交后代适合度表现

4 讨论

5 小结

第三章 Bt／CpTI抗虫转基因在栽培稻-杂草稻F4-F7代后代中的适合度效应

1 引言

2 材料与方法

2．1 实验材料及来源

2．2 材料鉴定

2．3 田间实验设计

2．4 性状选择与数据采集

2．5 数据统计分析

3 实验结果

3．1 不同虫压环境与栽种方式下的虫害水平

3．2 Bt／CpTI在F4代后代中的抗虫性表现与适合度效应

3．3 Bt／CpTI在F5-F7代后代中的抗虫性表现与适合度效应

3．4 转基因密度、虫压指数与转基因适合度效应的相关性

4 讨论

4．1 人工虫压环境与栽种方式对虫害发生水平的影响

4．2 Bt／CpTI转基因的抗虫性在高世代杂交后代中的维持

4．3 栽种方式对抗虫转基因适合度效应的影响

5 小结

第四章 栽培稻-杂草稻杂交过程对抗虫转基因渐渗的影响

1 引言

2 材料与方法

2．1 杂交后代体系构建

2．2 大田实验处理

2．3 性状选择与数据采集

2．4 数据统计分析

3 实验结果

3．1 栽培稻-杂草稻杂交后代适合度表现及其世代变化

3．2 Bt／CpTI转基因带来的适合度效应及其世代变化

4 讨论

4．1 杂交后代中杂种优势的消失和育性的恢复

4．2 Bt／CpTI转基因对杂交后代的适合度效应

4．3 Bt／CpTI转基因逃逸对杂草稻群体进化潜力的影响

4．4 本研究对于转基因逃逸生态安全研究方法的启示

5 小结

第五章 Bt／CpTI抗虫转基因在栽培稻-野生稻F1代杂种中的适合度效应

1 引言

2 材料与方法

2．1 实验材料

2．2 材料鉴定

2．3 田间实验设计

2．4 性状选择与数据采集

2．5 数据统计分析

3 实验结果

3．1 虫压环境

3．2 不同材料的抗虫性

3．3 F1代杂种相对于野生稻亲本的适合度表现

3．4 转基因对F1代杂种的适合度效应

4 讨论

4．1 栽培稻哥生稻F1代杂种的适合度和竞争优势

4．2 Bt／CPTI转基因对栽培稻-野生稻F1代杂种的适合度效应

4．3 Bt／CpTI转基因选逸对普通野生稻群体潜在的进化影响

5 小结

第六章 EPSPS抗除草剂转基因在栽培稻-野生稻杂交后代中的适合度效应

1 引言

2 材料与方法

2．1 实验材料与人工杂交

2．2 材料鉴定

2．3 田间实验设计

2．4 性状选择与数据采集

2．5 数据统计分析

3 实验结果

3．1 杂交后代相对于野生稻亲本的适合度表现

3．2 EPSPS转基因在F1代杂种中的适合度效应

3．3 EPSPS转基因在F2代后代中的适合度效应

4 讨论

4．1 栽培稻-野生稻低世代后代的适合度和竞争优势

4．2 EPSPS转基因对杂交后代的适合度效应及其机制

4．3 EPSPS转基因对普通野生稻群体潜在的进化影响

5 小结

第七章 总结与展望

参考文献

在读期间已发表或拟发表文章

致谢

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