轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉栽培地生存競(jìng)爭(zhēng)能力

姜偉麗， 馬小艷， 任相亮， 胡紅巖， 馬亞杰， 王 丹， 馬 艷

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 安陽(yáng) 455000

據(jù)國(guó)際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)組織(2017)發(fā)布的《2016年全球生物技術(shù)/轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化發(fā)展態(tài)勢(shì)》顯示，全球轉(zhuǎn)基因作物的種植面積從1996年的170萬(wàn)hm2增加到1.851億hm2，增加了110倍。其中，耐除草劑作物的種植面積為8650萬(wàn)hm2，占全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積的47%。草甘膦和草銨膦兩大滅生廣譜性除草劑被首選，主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因大豆、油菜、玉米、苜蓿和棉花等作物。目前，抗草甘膦性狀已在大豆、棉花和油菜作物中成功應(yīng)用并在市場(chǎng)上占據(jù)了主導(dǎo)地位(郭書巧等，2012; 邱龍等，2012)。

近年來，轉(zhuǎn)基因作物新品種的大面積推廣種植在帶來直接經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益的同時(shí)，其生物安全問題在全世界范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。因此，研發(fā)與安全評(píng)價(jià)同步是轉(zhuǎn)基因作物育種的重要原則。轉(zhuǎn)基因作物環(huán)境安全性評(píng)價(jià)主要包括基因漂移、與近緣野生種的可交配性、對(duì)非靶標(biāo)生物的影響及生存競(jìng)爭(zhēng)性等方面。其中，轉(zhuǎn)基因作物的生存競(jìng)爭(zhēng)能力是轉(zhuǎn)基因作物環(huán)境安全性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一(劉娜等，2006； James，1996)。針對(duì)我國(guó)研發(fā)的耐除草劑轉(zhuǎn)基因作物在生存競(jìng)爭(zhēng)能力方面的評(píng)價(jià)有：在荒地的生存競(jìng)爭(zhēng)能力且是否能演變成超級(jí)雜草的可能性(陳小文等，2012； 崔榮榮等，2012； 馬小艷等，2013； 宋小玲等，2009； 孫紅煒等，2014)，以及在栽培地的生存競(jìng)爭(zhēng)能力(馬小艷等，2014; 張興華等，2010)。但目前，有關(guān)轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花的環(huán)境適應(yīng)和生存競(jìng)爭(zhēng)能力鮮有報(bào)道。因此，本試驗(yàn)選用我國(guó)研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)EPSPS基因抗除草劑棉花GGK-2為研究對(duì)象，參照農(nóng)業(yè)部953號(hào)公告-12-2007《轉(zhuǎn)基因植物及其產(chǎn)品環(huán)境安全檢測(cè) 抗蟲棉花 第2部分：生存競(jìng)爭(zhēng)能力》(中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部，2007)，對(duì)其栽培地生存競(jìng)爭(zhēng)能力進(jìn)行研究，以期為轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花的生產(chǎn)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)品種為轉(zhuǎn)EPSPS基因抗草甘膦棉(GGK-2)，對(duì)照品種為受體材料(K312)及當(dāng)?shù)刂髟云贩N中棉所49(簡(jiǎn)稱中49)，均由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所育種研究室提供。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)在河南安陽(yáng)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)中進(jìn)行。于2016年4月23日播種，每個(gè)小區(qū)面積為25.6 m2(行寬0.8 m，行長(zhǎng)8 m，4行區(qū))。每種材料設(shè)4次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，種植密度為5.5萬(wàn)株·hm-2，農(nóng)事操作按常規(guī)管理進(jìn)行。

1.2.2 調(diào)查內(nèi)容及方法 棉花生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)的調(diào)查：于棉花苗期(6月3日)、現(xiàn)蕾期(6月29日)、花鈴期(7月27日)和吐絮期(9月12日)各調(diào)查一次，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取10株棉花，測(cè)量其株高、莖直徑、果枝數(shù)、蕾鈴數(shù)等生長(zhǎng)指標(biāo)。

棉花產(chǎn)量及品質(zhì)調(diào)查：10月初，每個(gè)小區(qū)均勻采收25鈴并進(jìn)行室內(nèi)考種，考種項(xiàng)目包括鈴重、衣分、籽指、棉籽數(shù)等產(chǎn)量參數(shù)；然后隨機(jī)抽取每個(gè)小區(qū)采收的棉纖維約100 g，由中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心對(duì)棉纖維樣品的5項(xiàng)品質(zhì)進(jìn)行分析，包括纖維長(zhǎng)度、整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和馬克隆值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用SPSS 13.0 軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行Duncan′s差異顯著性分析，檢驗(yàn)轉(zhuǎn)基因棉花與受體材料和當(dāng)?shù)刂髟云贩N間生長(zhǎng)參數(shù)及棉花產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)力

由表1可以看出，轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花在苗期、現(xiàn)蕾期、花鈴期和吐絮期的株高均較低，與受體材料相比分別低0.12、2.91、7.78和0.95 cm，與中49相比分別低1.42、2.99、1.45和4.40 cm，但差異均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花在苗期、花鈴期和吐絮期的莖直徑均低于受體材料，分別低0.13、0.60和1.57 mm，在現(xiàn)蕾期的莖直徑比受體材料高0.78 mm，但這些差異均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)；轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花在苗期和現(xiàn)蕾期的莖直徑比中49分別低0.11和0.41 mm，到花鈴期和吐絮期卻比中49分別高0.20和0.98 mm，但這些差異均不顯著(P>0.05)。因此，轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花與2個(gè)對(duì)照品種相比在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)方面無競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.2 生殖生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)力

由表1可以看出，在苗期、現(xiàn)蕾期、花鈴期和吐絮期，3個(gè)品種間的果枝數(shù)均無顯著差異(P>0.05)?；ㄢ徠?，轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花的每株花蕾數(shù)比受體材料少3.58個(gè)，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，但與對(duì)照品種中49相當(dāng)；現(xiàn)蕾期和吐絮期，3個(gè)品種間的每株花蕾數(shù)無顯著差異(P>0.05)?；ㄢ徠?，轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花與受體材料的每株鈴數(shù)無顯著差異(P>0.05)，但二者均顯著低于中49(P<0.05)；吐絮期，3個(gè)品種的每株鈴數(shù)差異不顯著(P>0.05)?？傮w來說，與受體材料和中49相比，轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花在生殖生長(zhǎng)方面無競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

表1 轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花品系的生物參數(shù)Table 1 Biological parameters of the transgenic glyphosate-resistant cotton strain

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同一列中小寫字母不同者表示同一時(shí)期不同品種間在0.05水平上差異顯著。

Values are means±SD; different small letters in the same column represent significant differences among different cultivars in the same growth period at 0.05 level.

2.3 產(chǎn)量及品質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)力

測(cè)產(chǎn)結(jié)果(表2)表明，轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花的單鈴重比中49低0.80 g，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，但與受體材料無明顯差異(P>0.05)；3個(gè)品種的衣分、籽指和衣指無顯著差異(P>0.05)。轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花和受體材料的籽棉產(chǎn)量均低于中49，但轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花產(chǎn)量比受體材料高91.4 kg·hm-2，差異均不顯著(P>0.05)。通過對(duì)棉纖維5項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)(表3)可知，與受體材料相比，轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花的整齊度指數(shù)、斷裂伸長(zhǎng)率、馬克隆值均有一定程度的提高，但差異不顯著(P>0.05)?？傮w來說，與受體材料相比，轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花能在一定程度上提高棉花產(chǎn)量，改善棉花纖維品質(zhì)，具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但這種優(yōu)勢(shì)未達(dá)到顯著水平。

表2 轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花品系的產(chǎn)量競(jìng)爭(zhēng)力Table 2 Yield competition of transgenic glyphosate-resistant cotton strain

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同一列中小寫字母不同者表示在0.05水平上差異顯著。

Values are means±SD; different small letters in the same column represent significant differences at 0.05 level.

表3 轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花品系的品質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)力Table 3 Fiber quality competition of transgenic glyphosate-resistant cotton strain

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同一列中小寫字母不同者表示在0.05水平上差異顯著。

Values are means±SD; different small letters in the same column represent significant differences at 0.05 level.

3 討論

Bartschetal.(1996,2001)研究表明，當(dāng)外源基因轉(zhuǎn)入受體植物后，植物機(jī)體為了維持轉(zhuǎn)入基因的運(yùn)轉(zhuǎn)，需要消耗一定的能量，可能造成受體植物在能量分配上的改變，從而導(dǎo)致植物在生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖能力方面的損耗，不表現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，外源基因的隨機(jī)插入可能會(huì)引起植物生理生化及代謝途徑的改變，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植物逆境應(yīng)答能力的變化(李維江等，2001； 聶呈榮等，2006)。Benbrook (1999)和Elmoreetal.(2001)研究表明，抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆的田間產(chǎn)量比非轉(zhuǎn)基因品系低5%～10%，認(rèn)為外源基因的隨機(jī)插入導(dǎo)致的非預(yù)期效應(yīng)可能是轉(zhuǎn)基因大豆減產(chǎn)的主要原因?？祹X生等(2010)研究表明，在正常播種條件下，高油酸轉(zhuǎn)基因大豆HOA80的生存競(jìng)爭(zhēng)能力和繁育能力與受體大豆相一致。

本研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花在苗期、現(xiàn)蕾期、花鈴期和吐絮期的株高均低于受體材料，但差異未達(dá)到顯著水平；在花鈴期每株花蕾數(shù)顯著低于受體材料，但在吐絮期單株鈴數(shù)多于受體材料；同時(shí)，其產(chǎn)量比受體材料高91.4 kg·hm-2，棉纖維品質(zhì)也有一定程度的改善。因此，外源基因的插入在某種程度上改變了棉花本身的生長(zhǎng)性狀，但這種改變并未影響棉花后期的產(chǎn)量和纖維品質(zhì)，反而起到了一定的改善作用。此外，轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量及纖維品質(zhì)均與對(duì)照品種中棉所49相當(dāng)。由此可知，轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花在栽培地環(huán)境下可正常生長(zhǎng)，不會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成明顯的負(fù)面影響，具有一定的栽培價(jià)值；但有關(guān)其在栽培地的生存競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

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