转基因棉花主要靶标害虫的抗性发展及抗性治理策略研究

转基因棉花的大面积种植有效的控制了棉铃虫Helicoverpa armigera、红铃虫Pectinophora gossypiella 等靶标害虫的危害,然而抗性监测结果显示,转Bt基因棉田的棉铃虫耐受性正逐年提高,抗性问题已成为影响持续利用转Bt基因棉花的主要因素,发展新的转基因棉花势在必行.新的基因或蛋白的选择应以对靶标害虫高效、不易产生抗性,且与现在广泛应用的基因或蛋白无交互抗性为原则.本文综述了转Bt基因棉花的主要靶标害虫对Bt抗性的研究进展,及其与新抗虫转基因棉花的关系,并讨论了抗性治理策略的发展历程.     

棉铃虫对转Bt基因棉花的行为反应

棉铃虫Helicoverpa armigera(Hübner)是转Bt基因棉花(Bt棉)最重要的靶标害虫之一。害虫对Bt棉的抗性问题是Bt棉产业持续健康发展的最主要威胁。规避行为可以减少害虫与Bt棉的接触而降低生理抗性选择压力。在本研究中,通过比较棉铃虫对Bt棉与常规棉的行为反应评估了棉铃虫对Bt棉的行为规避能力。产卵选择结果显示,棉铃虫成虫在Bt棉上的落卵量显著低于常规棉。幼虫实验结果显示,棉铃虫初孵幼虫在Bt棉植株上的居留时间显著短于在常规棉上的居留时间。无选择条件下,1龄幼虫在对Bt棉叶的取食空洞数以及总取食量均显著低于常规棉叶。综合以上的结果,认为棉铃虫对Bt棉具有一定的行为规避能力,这可能是延缓棉铃虫对Bt棉产生抗性的因素之一。本研究能够帮助有效地预测靶标害虫对Bt作物的抗性风险。     

靶标害虫对Bt玉米的抗性发展和治理策略

全生育期有效表达Bt杀虫蛋白的转基因抗虫玉米为靶标害虫的防治提供了新途径。但是,靶标害虫抗性种群的发展严重威胁了转基因抗虫玉米的可持续应用。截止到2018年,已经有13例报道表明靶标害虫对转基因抗虫玉米产生了田间抗性;5例监测结果表明靶标种群没有降低对Bt玉米的敏感性,其中包括转vip3Aa玉米。抗性治理策略成功的关键主要包括:Bt杀虫蛋白的高剂量表达、靶标害虫的隐性遗传、初始抗性等位基因频率较低、不完全抗性、适合度代价等。当抗性为非隐性遗传时,可以通过增加庇护所的种植面积达到延缓抗性发展的目的。     

转基因抗虫棉花和玉米与节肢动物相关的生态安全性研究进展

转基因抗虫棉花和玉米自1996年商业化种植以来,已取得显著的经济、生态和社会效益。与其相关的生态安全性,特别是其对非靶标生物的影响及靶标害虫的抗性监测和治理已成为人们普遍关注的话题。本文在大量室内和田间评价工作的基础上,系统综述了国内外研究在该领域内取得的进展。结果表明： 由于Bt棉田和玉米田杀虫剂用量的减少,某些对Bt杀虫蛋白不敏感的非靶标植食害虫种群有上升的趋势; 现阶段生产上推广种植的Bt棉花和玉米花粉对家蚕、柞蚕和蜜蜂等经济昆虫以及帝王斑蝶是安全的。杀虫剂用量的减少,降低了对天敌的杀伤力,Bt田中捕食性天敌的种类和数量均显著高于常规施药田; 但Bt田内靶标害虫数量的减少和质量的降低,在一定程度上影响了寄生性天敌的种类和数量。Bt棉花和玉米的大面积种植对农田生态系统节肢动物群落结构无明显不利影响。靶标害虫田间抗性监测结果表明,无论在以大农场单一种植经营为主的发达国家如美国或澳大利亚,还是在以小农经营为主的多种寄主作物小规模交叉混合种植模式的发展中国家如中国或印度,田间并未出现10年前人们所关注和预测的靶标害虫种群抗性上升问题。究其原因,可能与发达国家严格执行了预防性的抗性治理对策及发展中国家独特的作物种植模式有关。尽管目前在田间尚未发现害虫对Bt作物产生抗性,但应用更多年份之后,害虫对Bt作物的抗性就很可能不是“是否”发生问题,而是“何时”发生的问题。因此,今后的研究重点应放在Bt棉花和玉米长期、大面积种植后,其对非靶标生物及靶标害虫抗性发展影响的长期生态效应上。     

转抗虫基因植物生态安全性研究进展

转抗虫基因植物如Bt棉花等已在美国、中国和澳大利亚等国家大规模商业化种植 ,有关转抗虫基因植物潜在的生态风险已引起广泛的关注。该文综述了转抗虫基因植物研究应用现状与安全性研究进展。主要内容包括 :转抗虫基因植物的种类及其对靶标害虫的抗性 ,对非靶标害虫和天敌发生的影响 ,对农田生态系统生物多样性的影响 ,靶标昆虫的抗性治理及转抗虫基因植物的基因漂移等     

转Bt基因棉花生态风险评价的研究进展

转Bt基因抗虫棉(Gossypium spp.)是目前国内释放面积最大的转基因作物,其生态风险问题从一开始就受到密切的关注.从生态风险评价的角度,分转基因棉花中Bt杀虫蛋白的时空表达及其对害虫的控制效果、Bt基因通过花粉传播而扩散的风险、害虫对Bt棉花抗性的进化风险、Bt棉花对非目标生物体影响的风险等几个方面,综述了Bt棉安全性评价的最新研究进展,为生物安全管理提供咨询意见,并提出了目前针对Bt棉亟待研究的内容.期望本文能够为推动生物安全的研究和生物技术的发展做出一定的贡献.     

转基因棉Bt毒蛋白含量与抗棉大卷叶螟效果间的关系分析

棉大卷叶螟Sylepta derogata Fabricius为近年来长江流域棉花中后期的一种重要害虫。在其危害盛期测定了8种转基因棉叶片Bt毒蛋白的含量与受害程度,在此基础上就转基因棉对棉大卷叶螟的抗虫性采用不同抗性指标相结合的方法进行了综合评估,同时对转基因棉对棉大卷叶螟的抗虫效果与毒蛋白含量的相关性进行分析。结果表明:各转基因棉品种的不同部位叶片的毒蛋白含量呈现顶叶最高,功能叶次之,老叶含量最低的趋势。抗蚜8017和SGK321 2个转基因棉品种的棉叶毒蛋白表达量相对较低,平均值在120μg/g以下,对棉大卷叶螟的抗性级别均为中抗。其它供试转基因棉棉叶毒蛋白表达量均值在150μg/g以上,抗性级别也均为高抗,而非转基因棉泗棉3号与石远321对棉大卷叶螟不具抗性。转基因棉对棉大卷叶螟的抗性水平与毒蛋白含量呈正相关。     

The relationship between Bt toxin content and resistance to Sylepta derogata in various transgenic Bt cotton varieties

棉大卷叶螟Sylepta derogata Fabricius为近年来长江流域棉花中后期的一种重要害虫.在其危害盛期测定了8种转基因棉叶片Bt毒蛋白的含量与受害程度,在此基础上就转基因棉对棉大卷叶螟的抗虫性采用不同抗性指标相结合的方法进行了综合评估,同时对转基因棉对棉大卷叶螟的抗虫效果与毒蛋白含量的相关性进行分析.结果表明:各转基因棉品种的不同部位叶片的毒蛋白含量呈现顶叶最高,功能叶次之,老叶含量最低的趋势.抗蚜8017和SGK321 2个转基因棉品种的棉叶毒蛋白表达量相对较低,平均值在120μg/g以下,对棉大卷叶螟的抗性级别均为中抗.其它供试转基因棉棉叶毒蛋白表达量均值在150μg/g以上,抗性级别也均为高抗,而非转基因棉泗棉3号与石远321对棉大卷叶螟不具抗性.转基因棉对棉大卷叶螟的抗性水平与毒蛋白含量呈正相关.     

转基因杨树林下种植转基因棉花对转基因杨棉复合系统内节肢动物群落多样性的影响

【目的】转Bt基因棉花和转Bt基因杨树在我国已推广使用。本研究的目的是调查和分析不同转基因杨棉复合系统内地上节肢动物群落多样性变化,为转基因杨树大规模应用提供生态安全方面的数据。【方法】2019年4-10月,在河北任丘采取欧洲黑杨Populus nigra林下种植转基因棉花Gossypium hirsutum的模式,设置转基因杨树 转基因棉花(复合生态系统1)和非转基因杨树-转基因棉花(复合生态系统2)两种杨棉复合系统,调查杨树和棉花地上部植株节肢动物种类和个体数量,比较节肢动物各功能群的物种数量和个体数量以及香农指数、优势集中性指数、均匀度指数等群落多样性指数,并测定了转基因杨树和棉花叶片Bt蛋白含量。【结果】复合生态系统1中转基因杨树和棉花各自植株上鳞翅目种群累计个体数均显著低于复合生态系统2相应植株上的个体数量。转基因杨树上叶甲类累计个体数量显著高于非转基因杨树上的,寄生蜂类累计个体数量则显著低于非转基因杨树上的。在6月5日、6月21日和9月7日的调查中,转基因杨树上的节肢动物群落香农指数显著高于非转基因杨树上的。除鳞翅目害虫外,2个复合系统中棉株上节肢动物各功能群累计个体数量无显著性差异,香农指数、优势集中性指数和均匀度指数随时间变化的趋势基本一致且同一调查时间无显著性差异,仅在8月17调查中复合生态系统1中棉株上节肢动物香农指数显著高于复合生态系统2棉株上的。将杨树和棉花上节肢动物各类群累计数量相加作为系统整体,复合生态系统1和复合生态系统2在香农指数、优势集中性指数和均匀度指数数值上无显著差异。在调查后期,2个复合系统中节肢动物种群均向杨树叶片聚集。转基因棉花叶片Bt蛋白含量在各调查期均显著高于转基因杨树叶片的。【结论】转基因杨树对靶标害虫种群数量有较好的控制作用,对同系统内棉花上鳞翅目害虫数量亦有协同控制作用。转基因杨棉复合系统中地上节肢动物群落结构稳定,对系统内棉花地上部节肢动物群落多样性无显著影响。靶标害虫对转Bt基因杨树的抗性发展需持续监测。     

转Bt基因抗虫作物对非靶标害虫的影响

转基因作物的长期大面积种植, 在为农业生产带来惠益的同时, 对农业生态系统的健康和稳定可能会产生潜在的影响。转基因作物表达的Bt蛋白对靶标害虫起到较好的控制效果, 而对Bt蛋白不敏感的非靶标害虫种群可能会迅速发展起来, 对作物造成为害。随着抗虫转基因作物的连续多年种植, 科学家们对于田间杀虫剂施用量的增减看法不尽一致。通过总结已有的研究报道, 本文以Bt玉米和Bt棉花为例, 分析了大田中非靶标害虫暴发的现状, 以及暴发的主要原因(如杀虫剂的使用、害虫天敌减少和物种替代)。在生产实践中, 抗虫作物的长期大面积释放导致广谱杀虫剂施用量减少, 田间非靶标害虫数量上升。因此今后需要继续开展更多的研究来综合评估种植转Bt基因作物产生的长期潜在影响, 优化害虫防治措施, 避免非靶标害虫暴发。     

转Bt基因棉对非靶标害虫及害虫天敌种群动态的影响

2000～2001年,在湖北棉区系统研究了转Bt基因棉对棉田非靶标害虫及天敌种群动态的影响。试验设三个处理：转Bt化防田（使用化学农药控制害虫）、转Bt自控田（仅依靠田间自然天敌控制害虫）及常规对照棉田（利用综合防治措施控制害虫）。结果表明,在转Bt基因棉田中,除棉蓟马外,其它主要非靶标害虫（主要是刺吸性害虫）的种群发生数量呈明显的上升趋势。2000年棉蚜发生的总计值,化防田和自控田分别比常规对照田增加37.9%和71.4%,2001年则分别增加92.5%和134.9%;2000年朱砂叶螨发生的总计值,化防田和自控田分别比常规对照田增加181.1%和298.3%,2001年则分别增加69.9%和105.0%;转Bt基因棉对于斜纹夜蛾与烟粉虱这两种近几年来对棉花危害有加重趋势的害虫,在大田中没有表现出抗性。天敌的发生种类和数量也都远远高于常规对照棉田,几种主要天敌种群发生的总计值及高峰值都明显高于常规对照棉田。2000年蜘蛛类发生的总计值,化防田和自控田分别比常规对照田增加66.3%和112.1%,2001年则分别增加95.1%和111.7%;2000年龟纹瓢虫发生的总计值,化防田和自控田分别比常规对照田增加140.8%和135.4%,2001年则分别增加67.2%和109.5%;2000年在两块转Bt基因棉田中种群数量较大的大眼蝉长蝽在常规对照棉田的调查过程中没有发现,2001年在对照田中也仅记录到1头。试验表明,充分利用Bt棉田中天敌种类较丰富、种群数量较大的优势而加强生物防治,是湖北棉区转Bt基因棉田综防体系中的一个关键措施。     

Early warning of cotton bollworm resistance associated with intensive planting of Bt cotton in China

Transgenic crops producing Bacillus thuringiensis (Bt) toxins kill some key insect pests, but evolution of resistance by pests can reduce their efficacy. The predominant strategy for delaying pest resistance to Bt crops requires refuges of non-Bt host plants to promote survival of susceptible pests. To delay pest resistance to transgenic cotton producing Bt toxin Cry1Ac, farmers in the United States and Australia planted refuges of non-Bt cotton, while farmers in China have relied on "natural" refuges of non-Bt host plants other than cotton. Here we report data from a 2010 survey showing field-evolved resistance to Cry1Ac of the major target pest, cotton bollworm (Helicoverpa armigera), in northern China. Laboratory bioassay results show that susceptibility to Cry1Ac was significantly lower in 13 field populations from northern China, where Bt cotton has been planted intensively, than in two populations from sites in northwestern China where exposure to Bt cotton has been limited. Susceptibility to Bt toxin Cry2Ab did not differ between northern and northwestern China, demonstrating that resistance to Cry1Ac did not cause cross-resistance to Cry2Ab, and implying that resistance to Cry1Ac in northern China is a specific adaptation caused by exposure to this toxin in Bt cotton. Despite the resistance detected in laboratory bioassays, control failures of Bt cotton have not been reported in China. This early warning may spur proactive countermeasures, including a switch to transgenic cotton producing two or more toxins distinct from Cry1A toxins.     

湖北棉区转Bt基因棉对棉铃虫的控制作用

2000-2001年通过田间系统调查,表明转Bt基因棉（品种为GK19）在湖北江汉平原棉区对棉铃虫抗性稳定。试验设3个处理：转Bt基因棉化防田（使用化学农药控制害虫）、转Bt基因棉自控田（依靠天敌控制害虫）及常规棉对照田（利用综合防治措施控制害虫）。从棉铃虫的第2代到第5代整个发生期内,即使在不进行化学防治的情况下,棉铃虫在Bt棉田的发生量也保持在极低的水平(最高百株虫量为12头)。室内饲养结果表明,转Bt基因棉对棉铃虫的生长发育（幼虫体重、蛹重）有较为明显的影响,使6龄幼虫体重减少25.6%,蛹重减少18.2%。棉铃虫幼虫取食转Bt基因棉组织后,发育迟缓,相对于常规棉喂养的整个发育历期延长17 d,使棉铃虫在田间的危害减少至少一个世代。另外,接虫试验表明,棉铃虫幼虫在常规棉上的取食时间是转Bt基因棉株上的6.1倍,极大地减轻了棉铃虫的危害程度。     

Increased frequency of pink bollworm resistance to Bt toxin Cry1Ac in China

Transgenic crops producing insecticidal proteins from Bacillus thuringiensis (Bt) kill some key insect pests, but evolution of resistance by pests can reduce their efficacy. The main approach for delaying pest adaptation to Bt crops uses non-Bt host plants as "refuges" to increase survival of susceptible pests. To delay evolution of pest resistance to transgenic cotton producing Bt toxin Cry1Ac, the United States and some other countries have required refuges of non-Bt cotton, while farmers in China have relied on "natural" refuges of non-Bt host plants other than cotton. The "natural" refuge strategy focuses on cotton bollworm (Helicoverpa armigera), the primary target of Bt cotton in China that attacks many crops, but it does not apply to another major pest, pink bollworm (Pectinophora gossypiella), which feeds almost entirely on cotton in China. Here we report data showing field-evolved resistance to Cry1Ac by pink bollworm in the Yangtze River Valley of China. Laboratory bioassay data from 51 field-derived strains show that the susceptibility to Cry1Ac was significantly lower during 2008 to 2010 than 2005 to 2007. The percentage of field populations yielding one or more survivors at a diagnostic concentration of Cry1Ac increased from 0% in 2005-2007 to 56% in 2008-2010. However, the median survival at the diagnostic concentration was only 1.6% from 2008 to 2010 and failure of Bt cotton to control pink bollworm has not been reported in China. The early detection of resistance reported here may promote proactive countermeasures, such as a switch to transgenic cotton producing toxins distinct from Cry1A toxins, increased planting of non-Bt cotton, and integration of other management tactics together with Bt cotton.     

Sustained susceptibility of pink bollworm to Bt cotton in the United States

Evolution of resistance by pests can reduce the benefits of transgenic crops that produce toxins from Bacillus thuringiensis (Bt) for insect control. One of the world's most important cotton pests, pink bollworm (Pectinophora gossypiella), has been targeted for control by transgenic cotton producing Bt toxin Cry1Ac in several countries for more than a decade. In China, the frequency of resistance to Cry1Ac has increased, but control failures have not been reported. In western India, pink bollworm resistance to Cry1Ac has caused widespread control failures of Bt cotton. By contrast, in the state of Arizona in the southwestern United States, monitoring data from bioassays and DNA screening demonstrate sustained susceptibility to Cry1Ac for 16 y. From 1996-2005, the main factors that delayed resistance in Arizona appear to be abundant refuges of non-Bt cotton, recessive inheritance of resistance, fitness costs associated with resistance and incomplete resistance. From 2006-2011, refuge abundance was greatly reduced in Arizona, while mass releases of sterile pink bollworm moths were made to delay resistance as part of a multi-tactic eradication program. Sustained susceptibility of pink bollworm to Bt cotton in Arizona has provided a cornerstone for the pink bollworm eradication program and for integrated pest management in cotton. Reduced insecticide use against pink bollworm and other cotton pests has yielded economic benefits for growers, as well as broad environmental and health benefits. We encourage increased efforts to combine Bt crops with other tactics in integrated pest management programs.     

昆虫对Bt作物抗性监测技术

Bt棉花等转抗虫基因作物已在许多国家商业化种植 ,靶标昆虫的潜在抗性是广泛关注的重要问题。为了准确地监测昆虫的抗性动态 ,近年来在传统的基于标准生物测定确定抗性指数的基础上先后发展了诊断剂量、单对杂交、F2 代检测和分子生物学检测抗性等位基因等抗性监测方法。该文综述了相关的研究进展。     

Early detection of field-evolved resistance to Bt cotton in China: cotton bollworm and pink bollworm

Transgenic crops producing Bacillus thuringiensis (Bt) toxins kill some major insect pests, but pests can evolve resistance and thereby reduce the effectiveness of such Bt crops. The main approach for slowing pest adaptation to Bt crops uses non-Bt host plants as "refuges" to increase survival of susceptible pests. To delay evolution of pest resistance to cotton producing Bt toxin Cry1Ac, several countries have required refuges of non-Bt cotton, while farmers in China have relied on "natural" refuges of non-Bt host plants other than cotton. This strategy is designed for cotton bollworm (Helicoverpa armigera), which attacks many crops and is the primary target of Bt cotton in China, but it does not apply to pink bollworm (Pectinophora gossypiella), which feeds almost entirely on cotton in China. Here we review evidence of field-evolved resistance to Cry1Ac by cotton bollworm in northern China and by pink bollworm in the Yangtze River Valley of China. For both pests, results of laboratory diet bioassays reveal significantly decreased susceptibility of field populations to Cry1Ac, yet field control failures of Bt cotton have not been reported. The early detection of resistance summarized here may spur countermeasures such as planting Bt cotton that produces two or more distinct toxins, increased planting of non-Bt cotton, and integration of other management tactics together with Bt cotton.     

江苏棉区种植转基因抗虫棉GK22对棉田害虫、杂草种群的影响

2001年在江苏选择南京、盐城两地,试验观察转Bt基因抗虫棉GK22的种植,对棉田害虫及杂草种群变动的影响,结果是：咀嚼式口器害虫的棉铃虫（Helicover pa armigera),红铃虫（Pectinophora goosypiella),玉米螟（Ostrinia nubilalis),金刚钻（Earias cupreoviridis),棉不造桥虫（Anomis flava),棉大卷叶虫（Adoxophyes orana)等虫口数量,蕾铃被害均表现出较好的控制效果,处理区咀嚼式口器害虫的幼虫总 量,比对照区分别减少92．51％,78．4％,其中：棉铃虫幼虫数量分别减少88．3％,72．9％,蕾铃被害虫减少87．5％,90．7％,74．11％,55．85％,红铃虫虫花减少74．4％,51．64％,铃内活虫减少90％,100％,玉米螟虫口减少72．7％,100％,金钢钻,造桥虫,卷叶虫虫口减少93％以上,对刺吸式口器盲蝽象（Adelphocoris suturalis),棉蚜（Aphis gossyppii),棉红叶螨（Tetranychus cinnabariuns)等害虫,试验区和对照区种群消长动态趋势基本一致,差异不显,两试对杂草种类及数量调查,抗虫棉区和对照区差异亦不明显。