转基因抗虫棉.ppt

转基因抗虫棉,为何要发展转基因抗虫棉,作物在种植过程中受到的第一大危害就是来自于害虫的危害每年为了控制害虫的危害都不得不大量使用化学杀虫剂，不但成本高，而且污染环境因此科学家一直致力于培育抗虫转基因作物 我国是植棉、缠绵、耗棉大国，棉花生产对于国民经济发展具有举足轻重的作用，一直备受国家关注20世纪90年代前期，我国北方棉区棉铃虫连年大爆发，造成重大经济损失棉铃虫灾害致使长江流域棉产区减产30%以上，黄河流域棉产区减产60%~80%，部分地区甚至绝产由此每年给国家造成几十亿甚至上百亿元的经济损失仅1992年，全国为防治棉铃虫共消耗约15万吨纯农药，约占当年我国纯农药产量的3/4然而，长期使用农药控制棉铃虫，是棉铃虫对这些农药产生了抗药性，农民为了防治棉铃虫不得不加大用药量，但效果仍然微乎其微，反而严重破坏了生态环境，损害了棉农的身心健康因此，进行棉花抗虫基因的转化一直是国内科学家努力的方向转基因棉花的发展,1987年美国Agracetus公司首次报道将外源苏云金芽胞杆菌（Bacillus Thuringiensis）杀虫晶体蛋白转入棉花，但抗虫效果不理想1988年，孟山都公司对Bt基因的结构进行了改造，并将该基因导入棉株，获得了多个转化系，均表现出较好的抗虫性。

1995年正式申请并通过美国环保局的批准登记我国为了解决棉铃虫对棉花生产带来的危害，1990年中国农业科学院生物技术中心从苏云金芽孢杆菌中分离、克隆了Bt基因，但抗虫效果不太理想我国科学家对Bt基因和启动子进行了改造，在国内首次合成了BtCryⅠA杀虫晶体蛋白结构基因，该基因能在棉花中高效表达1993年将人工合成的CryⅠA基因导入中棉12、泗棉3号等品种中，抗虫能力可达90%以上为防止棉铃虫对单一杀虫蛋白产生抗性，我国科学家又将人工合成的CryⅠA基因与修饰后的CpTI（豇豆胰蛋白酶抑制剂）基因组合在一起导入棉花，研究成功能同时产生两种杀虫蛋白的双价抗虫棉，并首次在国际上开发应用转基因棉为何能抗虫,Bt毒蛋白,蛋白酶抑制剂,,,转基因棉为何能抗虫,Bt毒蛋白 苏云金芽胞杆菌(Bacillus Thuringiensis)形成芽孢时可伴随产生杀虫晶体蛋白（ICP)，Bt杀虫蛋白可以分为α—外毒素、β—外毒素、δ—内毒素等·，其中用于转基因植物的主要为δ—内毒素δ—内毒素在昆虫肠道中被昆虫蛋白酶在碱性条件下分解成较小的分子量(60一64 kD)的毒性多肽。

这种毒性多肽可与昆虫肠道内的特定受体结合，引起昆虫肠道麻痹，使昆虫迅速停止取食，导致昆虫细胞膜产生穿孔，破坏细胞膜渗透平衡，引起细胞裂解，最后导致昆虫致病或死亡 不同种类的BT蛋白具有不同的抗虫谱，CryⅠ型抗鳞翅目某些昆虫，CryⅡ型则能抗某些鳞翅目和双翅目害虫，CryⅢ型则能抗鞘翅目害虫，CryⅣ 型只能抗某些双翅目害虫 研究表明，大部分Bt杀虫晶体蛋白有杀虫专一性和高度选择性，对植物、人、畜和益虫无害Bt蛋白,蛋白酶抑制剂,植物组织中储存着相当丰富的蛋白酶抑制剂，蛋白酶抑制剂能与蛋白酶的活性部位和变构部位结合，抑制酶的催化活性或阻止酶原转化为有活性的酶当昆虫食用这些植物时，植物由于组织受到损伤而使蛋白酶抑制剂表达量剧增，抑制剂会抑制昆虫体内生理代谢过程中所必需蛋白酶活性，由于昆虫不能消化食物中的蛋白质，引起某些必需氨基酸的缺乏，扰乱昆虫的正常代谢，最终导致昆虫死亡.蛋白酶抑制剂的种类很多，目前用于转基因抗虫棉培育并已获得转化植株的蛋白酶抑制剂基因有：豇豆胰蛋白酶抑制剂(CpTI)基因、大豆胰蛋白酶抑制剂(STI)基因、慈姑蛋白酶抑制剂(API)基因和马铃薯蛋白酶抑制剂—Ⅱ(PI-Ⅱ)基因等几类。

CpTI是一种小分子多肽约含80个氨基酸，它具有广泛的抗虫谱，对棉铃虫、蚜虫、红铃虫、面象鼻虫、玉米螟等鳞翅目、直翅目、鞘翅目的害虫都有毒杀作用蛋白酶抑制剂不易使昆虫产生耐受性，对人畜无害在1987年获得了转CpTI基因的烟草植株后，美国孟山都公司也将CpTI基因导入陆地栽培棉品种中我国转CpTI基因的研究已开展多年，并先后获得了转CpTI基因和转Bt+CpTI双价基因棉花普通棉花,转基因抗虫棉,将抗虫基因通过根瘤农杆菌介导法或花粉管通道法导入棉花的愈伤组织并通过修饰使其能在植物细胞中稳定存在、表达和遗传，就能获得能稳定遗传的转基因抗虫棉抗虫棉在生长过程中能表达出抗虫蛋白，从而具有抗虫能力抗虫棉的经济效益,1998年，我国黄河棉区开始推广转基因抗虫棉，当年种植27万公顷，只占棉花种植总面积的5.4%1999年以后，转基因抗虫棉种植面积迅速扩大，1999—2003年，抗虫棉播种面积分别为65万公顷、120万公顷、287万公顷和307万公顷，分别占当年棉花种植总面积的17%、31%、40%、45%和60%，年均增幅超过了10%到2005年，全国转基因抗虫棉种植面积达330万公顷我国累计推广660万公顷，带来直接经济效益150亿元，每公顷增收10元左右；每年减少化学农药用量2万~3万吨。

困扰我国棉花生产的棉铃虫问题成为历史，转基因棉花新品种的培育，使国产抗虫棉的市场份额由1998年的5%发展到2005年的70%以上转基因植物的生态风险,1、转基因植物的杂草化；2、转基因植物的基因漂移；3、对非目标生物的影响；4、转基成分对土壤生态系统的影响；5、对目标害虫抗性的影响；,转基因植物的杂草化,杂草的基本特性：适应性、危害性、持续性植物杂草化是指那些原本自然分布的或是被栽培的植物，在新的人工生境中能自然繁殖其种群而转变为杂草的演变过程·在获得转基因植物时导入的新的DNA片段有可能改变转基因植物的生存竞争能力，使这些植物有更强的适应环境的能力，一旦把获得这种新基因的植物释放到环境中，就有演化为杂草的可能性1998年在加拿大艾伯塔省的转基因油菜田间发现了同时含有抗草甘膦、抗草丁膦和抗咪唑啉酮类三种除草剂的油菜自生苗其中，抗草甘膦和草丁膦的特性来自转基因油菜，而抗咪唑啉酮类除草剂的特性来自传统育种的抗性油菜1999年，在加拿大萨斯喀彻温省的种植抗除草剂转基因油菜的相邻的小麦地也发现了抗除草剂转基因油菜自生苗2002年1月，《English Nature Research Reports》报道了加拿大出现抗3种除草剂油菜自生苗案例。

就转基因作物自身能否杂草化这个问题，必须遵循个案评价原则，对每一种新的转基因植物在新的生境中杂草化的潜力进行尽可能的详细评估，提供科学的试验数据转基因植物的基因漂移,转基因植物可能通过与野生植物异种交配而使转基因植物中的目标基因进入野生植物发生基因漂移需要具备两个条件：一是该转基因植物可以与同种或近源种植物进行异花授粉；二是这些同种或近源种植物与该转基因植物在同一区域种植，而且转基因植物的花粉可以传播到这些植物上近年来对转基因植物的研究证实，油菜、甘蔗、莴苣、向日葵、草莓、马铃薯、玉米、棉花和水稻等转基因植物均可通过花粉传播使外源基因发生向近源或杂草的自发的基因转移基因漂移的后果是产生适应性或竞争力更强的品种，从而导致自然生态系统或农业生态系统的失衡如果转基因植物可使野生植物具有抗虫特性，则可影响野生植物所维持的昆虫自然种群数量和群落结构，威胁某些生物的生存如果基因流发生在转基因作物和生物多样性中心的近缘野生种之间，则可能降低生物多样性中心的遗传多样性；如果这种基因流发生在转基因作物和有亲缘关系的杂草之间，则可能产生难以控制的杂草因此，在转基因作物田间释放前对其潜在的基因漂移做出正确的评估是非常必要的。

对非目标生物的影响,转基因植物本身及其转入基因编码产物不仅会对目标生物起作用，还有可能会对非目标生物产生直接毒性作用，或通过食物链和食物网对非目标生物产生间接影响1、对次要害虫的影响 转Bt基因棉对棉蚜的发育和繁殖没有不利影响，但转Bt和CpTI的双价抗虫棉短期内会对棉蚜产生不利影响，1—2代棉蚜的存活率降低，繁殖期缩短，寿命延长，对第3代棉蚜则未见显著不利影响在田间，由于转基因作物对目标害虫具备很强的针对性，目标害虫的种群数量下降，导致生物群落中种与种间竞争格局发生变化，某些非目标害虫由于其较强的适应性而成为主要害虫例如，Bt棉田由于施用化学农药防治棉铃虫的次数减少，棉盲蝽的为害加重2、对天敌的影响 转基因抗虫植物表达的杀虫蛋白也必然影响到目标害虫的天敌的生活力这些影响包括转基因作物表达的毒蛋白对天敌的直接毒害或通过害虫对天敌产生的间接毒害，天敌对转基因作物上的目标害虫行为／生理／生殖的反应，天敌种类及种群数量的变化，天敌群落结构和种群动态的变化等针对捕食性天敌，多数研究表明取食了转基因作物的植食性昆虫猎物对捕食性昆虫的个体生长发育、生殖、捕食行为等特性均无不良影响；转基因植物花粉和汁液对捕食性天敌没有直接毒性。

但也有研究表明转基因抗虫植物对捕食性昆虫生物学特性产生不利影响怛，如：取食用Bt棉饲养的斜纹夜蛾初孵幼虫，龟纹瓢虫1龄幼虫体重低于对照，较少发育至2龄针对寄生性天敌，部分研究表明取食了转基因植物的植食性昆虫寄主对寄生性昆虫的个体寄生、发育、行为等产生不良影响旧，严重影响寄生性天敌的寄生率、羽化率和蜂茧质量等这是由于目标害虫的幼虫取食转基因抗虫作物组织中毒后虫体发育受到影响，进而对其它寄生性天敌的繁衍也带来不利影响；也有研究表明转基因植物或其产物对寄生蜂生物学特性无不良影响迄今，多数研究表明转基因作物对田间捕食性天敌和寄生性天敌种群数量或群落组成的影响较小对天敌的生态功能也未见显著影响；但也有研究表明，转基因作物田天敌群落发生显著变化，如：转Bt基因棉田龟纹瓢虫等捕食性天敌与寄生蜂的种群数量下降，天敌亚群落的多样性显著降低3、对经济昆虫的影响 家蚕(Bombyx mori)和柞蚕(Antheraeapernyi)是我国的重要经济昆虫，与Bt作物的靶标害虫同属鳞翅目Bt作物的花粉会飘落到柞树或桑树上，特别是我国南方养蚕地区的传统作物种植模式是桑稻问种，所以，Bt作物的大面积推广可能会对这两种经济昆虫造成不良影响。

研究表明，转CrylAb基因水稻在我国南方养蚕地区推广可能对家蚕的生长发育产生负面影响；转CrylAc基因棉花、转CrylAc和CpTI基因棉花和转CrylAb基因玉米的花粉对家蚕发育和产卵均无显著影响，且无明显的剂量效应；转基因棉花花粉对柞蚕1—3龄幼虫的发育及取食也无显著影响4、对传粉昆虫的影响 自然界75％一85％的显花植物是虫媒花，一些转基因植物需要蜂类传粉，或可作为传粉昆虫的食物来源随着转基因植物种类的增加和种植面积的迅速扩大，蜂类等传粉昆虫受影响的可能性也越来越大，特别是抗虫转基因植物对传粉蜂类的影响目前，转基因植物对蜂类的安全性评估已在不同层次展开实验室层次上的研究表明，某些种类的PIs(如POT、BPTI、SB—TI、BBI)会对蜂类的生存、中肠蛋白酶活性和嗅觉学习行为等产生不良影响；Bt棉的花粉对蜜蜂工蜂无急性毒性作用，工蜂的寿命和过氧化物酶活性也未受显著影响；抗性转基因植物对蜂类间接影响的研究集中于转基因植物对蜜蜂取食偏好性的影响，目前未发现转基因植物对蜜蜂取食行为产生显著影响哺半大田层次的试验则多未发现负面影响根据现有研究，转基因植物对蜂类的影响与转基因植物的生物学特征、目的基因的类型和性质、转基因在植物不同部位的表达特异性及表达量等密切相关。

转基成分对土壤生态系统的影响,转Bt基因植物在生长期可持续通过根部向土壤中分泌Bt蛋白，另外，含Bt毒素的植株表面残体脱落物、植株伤口流出物以及花粉等都会释放到土壤中研究表明，由苏云金牙胞杆菌产生的Bt蛋白进入土壤后，与土壤黏粒和腐殖酸迅速结合，结合的蛋白仍保持啥杀虫活性，而且不易被土壤微生物分解，保持杀虫活性的结合态蛋白在土壤中存留时间至少可达7个月，进一步研究表明土壤颗粒结合的Bt蛋白对某些害虫的幼虫有毒害作用土壤中积累的Bt蛋白会对土壤微生物造成影响，根据研究，Bt棉可提高土壤中细菌和真菌的数量；不同生育期Bt棉根际微生物的数量与对照差异不显著；Bt水稻田土壤中真菌数量提高，细菌数量显著降低，放线菌数量没有显著变化；Bt水稻对土壤中反硝化细菌和产甲烷细菌种群有显著抑制作用，对厌氧发酵细菌种群有显著刺激作用，对厌氧固氮细菌种群有一定刺激作用。