转基因棉花

通过生物工程技术研发的植物

美国孟山都公司把苏云金杆菌基因插入棉花植株获得了转基因棉花植株，经与农业研究局和一些大学科学家连续两年的田间试验，防治虫害效果良好。

概念

转基因棉花是指把其他物种中的有用基因导入棉花的基因组后，获得了该基因功能的棉花。1990年美国亚利桑那州试验田上收获的HD-1转基因棉的纤维质量与Coker312的相同，但前者的纤维比后者的较粗糙，纤维长度和弹性相当，两种棉花都有较强的纤维。

抗虫原理

一项来自中国农业科学院、农业部农业技术推广服务中心的研究人员的研究人员的研究提供了证据表明转基因Bt棉花可以自己生成杀虫剂取代喷洒杀虫剂，促进了昆虫天敌回归，为转基因棉花及周围的田野提供了有效的生物学虫害防治，从而为解决农作物病虫害提供了更好的长期解决方案。Bt棉花（转Bt基因抗虫棉，Bt即苏云金杆菌）是一种转基因作物，由孟山都公司研发。它自身能产生杀灭棉铃虫（Helicoverpa armigera）的杀虫成分。

在这篇文章中，研究人员采用自然实验，借助中国北方农民网络系统回顾了可追溯到1990年的36个地点的数据。利用这一强大的工具，研究人员比较了Bt棉花种植前，种植期间及种植后害虫和天敌的种群动态。

他们发现所有的地点由于减少喷洒杀虫剂，捕食性节肢动物种群数量增多，使得蚜虫种群下降。此外，研究小组还研究了实验Bt棉花地，发现不仅Bt棉花中的捕食动物种群较高，在周围的花生和大豆地中也相应增高，表明其增加天敌的益处也覆盖到了邻近作物。

生态系统中更多的天敌有助于长期控制虫害避免了通常在喷洒杀虫剂后出现抗性害虫爆发。捕食动物的适应性强，可以广泛分布，捕食几种不同的害虫，提供了天然的生物虫害控制。

在美国情况

孟山都公司研究用的材料是苏云金杆菌的不同菌株HD-1和HD-73基因和商业棉花Coker312，这是第一代Bt-Cotton产品。后又开发出第二代Bt-Cotton产品Bollgard II。孟山都公司与美国农业局和大学的科学家进行协作，1990年选择了7个点，1991年6个点，对这种转基因棉花作了户外对照试验，几乎消灭了烟青虫、棉铃虫等害虫。1990年试验结果表明，苏云金杆菌棉花植株的虫害损失不到1%，比喷洒农药的常规植株的虫害还小。1991年是重复试验，试验了来自4个转基因系的12万棵苏云金杆菌棉花植株，结果也令人相当满意。

1990年美国亚利桑那州试验田上收获的HD-1转基因棉的纤维质量与Coker312的相同，但前者的纤维比后者的较粗糙，纤维长度和弹性相当，两种棉花都有较强的纤维。孟山都公司正在与5家种子公司协作，把苏云金杆菌菌株与种子公司的最佳棉花进行逆代杂交，以改进棉纤维质量。

在中国情况

抗虫基因导入

自上个世纪90年代以来，由于棉铃虫在我国大部分棉区持续性大发生或爆发，给棉花生产带来了巨大的威胁，棉农谈“虫”色变，仅1992年一年即造成直接经济损失60多亿元，间接损失超过100亿元，对整个国民经济发展造成了很大影响。同时由于棉铃虫的大爆发，防虫治虫使棉花的生产成本增加，植棉的比较效益降低。

我国“抗虫棉”研究在“七五”期间开始进行，“八五”期间，在“863”计划资助下，人工合成的CryIA(b)和CryIA(c)杀虫基因导入我国棉花主栽品种获得成功，成为继美国之后，第二个拥有自主研制抗虫棉的国家。“九五”开始，“抗虫棉”的研究又被国家“863”计划立为重大项目，进一步开展单价基因、双价基因及多价基因抗虫棉的研究，同时还将根据现有单价抗虫棉可能存在的棉铃虫产生抗性的问题，在生产中使用的持久性问题，环境释放的安全性问题，遗传分离与稳定性问题等作深入的研究。总之，培育持久性双价抗虫棉或既抗鳞翅目又抗同翅目害虫的多价抗虫棉，使之产业化，应用于棉花生产，以解决棉花害虫给棉花生产带来的巨大损失，减少化学农药的使用量，保护环境和生态平衡。

国产转基因抗虫棉已有多个品种通过审定。1998年5月和7月，GK95－1和GK-1分别通过品种审定，被定名为“晋棉26号”和“国抗1号”。1999年1月，GK－12也在山东省通过品种审定，被定名为“国抗12号”。2000年11月，GK22通过江苏省农作物品种审定委员会审定，定名为“国抗22号”。2001年年初，GK19通过新疆维吾尔自治区品种审定委员会审定。2001年3月，SGK321通过河北省品种审定委员会审定，并于2002年1月27日通过了国家抗虫棉品种审定，成为国内惟一通过品种审定的双价抗虫棉品种，也是世界上第一个通过品种审定的双价转基因抗虫棉新品种。在此之前，SGK321已经通过了农业转基因生物安全性评价，并获准在晋、冀、鲁、豫、皖进行了商品化生产。综合2000－2001年两年国家组织的生产试验结果：SGK321早熟性明显优于其他品种，生育期仅128天，植株较高，株型紧凑，透光性好，抗虫性突出。叶片大小适中，叶色较深，茎杆坚韧，前中期长势强，后期长势一般，整齐性好，开花结铃集中，吐絮畅，衣分高，丰产性好。果枝始节位6.8，霜前花率90.8%，株高91.0厘米，铃重5.17克，衣分39.8%。霜前皮棉亩产75.4公斤，相当于对照抗虫杂交种（第一年为中棉所29，第二年为中棉所38）的93.4%。纤维品质：颜色洁白，平均长度为29.2毫米，比强度29.4厘牛/特克斯，马克隆值4.8。

动物角蛋白基因导入

除了转基因抗病、抗虫棉的研究外，我国还进行其他方面的转基因研究，由中国科学家陈晓亚教授为首发明的动物角蛋白转基因棉花，即将兔、羊毛的角蛋白转棉花纤维中，已获国家专利。将动物角蛋白基因导入棉纤维中，使之特异表达，从而使棉纤维得以改良，具有光泽好，手感柔软，弹性好，保暖性强等特性，既保留了传统棉花的天然本质，又具有了兔、羊毛的品质。

基因导入方式进展

在迄今发展起来的棉花转基因技术中，农杆菌介导的遗传转化应用最为广泛。自1987年Umbeck等通过农杆菌介导法成功获得坷字棉转基因植株后，农杆菌介导法逐渐成为国际上最普遍的转化手段，并且取得很大进展。中国农科院棉花研究所成功建立了20多个棉花品种的高效、稳定的规模化转化体系，实现了流水线操作，建立了高效、工厂化的棉花转基因技术体系。尽管农杆菌介导法是理论和实践都较为完善的一种转化技术，且已被广泛用于双子叶植物的转化，但该方法受宿主基因型范围的限制，很多优良品种(系)很难以此法进行转化，并且转化程序烦琐复杂。花粉管通道转化法虽然没有基因型、种属控制，但其转化技术不太完善，对转化机制缺乏系统的研究，常局限于开花期才能应用。因此，需要发展出有效的基因转化方法。

中国农业科学院棉花研究所叶武威等人在2013年开发出一种棉花的基因枪活体快速转化方法，通过第三代便携式基因枪和优化转化的参数使活体转化时对花蕾和花粉形成微创伤，大大缩短了获得转基因植株的周期。该方法包括如下步骤:(1)利用基因枪轰击的方法，将含有外源基因的载体轰入父本棉花的花粉中;(2)将基因枪轰击后的父本花粉授粉到活体母本棉花中;(3)授粉后的母本棉花所结的种子便是转基因棉花种子，实现了棉花的基因转化。此方法无需组织培养步骤，直接在活体棉花上便实现基因转化，实用、易操作、不依赖组织培养、稳定性好。

其他国家

在巴基斯坦

巴基斯坦国内已开展转基因棉花种子生产工作，另外，巴方正在和美国孟山都(Monsanto)公司洽谈10亿美元转基因棉花种子的购销合同。

据悉，巴基斯坦棉花种植总面积为800万英亩，现有转基因棉花种植面积约270万英亩，目标是使转基因棉花种植面积要达到棉花种植总面积的60%，预计棉花产量将因此提高40%。

在印度

据亚太地区农业生物技术联盟（APCoAB）的新报告，2008-2009年，印度的转基因棉花种植面积达到760万公顷，占印度棉花总面积近81%。 APCoAB是亚太地区农业研究协会（APAARI）的一个项目。报告说，35个以上的种子公司和公共部门从事发展转基因棉花，转基因棉花杂交种用于商业品种数已超过600个。此外，印度农业研究理事会——一个公共研究机构——已发布第一个真正的新品种。根据该报告，这为农民提供了个机会，可在不失去转基因的效果的同时保护自己的种子。

发展和效益

经过农业转基因生物安全委员会评审，农业部1997年首次批准了转基因抗虫棉花商业化种植。此后，我国科学家对不同棉区大面积种植抗虫棉后对农田生态和自然环境的影响进行了连续10多年跟踪监测，积累了大量第一手资料，得出了几个明确的结论：（一）在全国范围内有效控制了棉铃虫和红铃虫的危害。棉铃虫和红铃虫是我国棉花生产的主要害虫，以往棉农防治棉铃虫一年需要打药10次到20次，大量用药导致农民成本提高，收益减少，人畜中毒，环境污染，天敌减少，害虫对农药产生抗药性等一系列问题。种植转基因抗虫棉之后，品种本身就具有良好的抗虫效果，一般只需要打药2次到5次，就能有效控制这两种主要害虫，不仅棉花上农药用量减少达70%以上，而且大豆/玉米/花生上棉铃虫的数量也显著减少。

（二）为天敌和益虫提供了良好的环境条件，农田生物多样性更加丰富。由于减轻了农药对害虫天敌和有益昆虫的伤害，瓢虫/草蛉/蜘蛛和寄生蜂等害虫天敌和有益昆虫的数量成几倍到几百倍的增加，抗虫棉田及其周边生物多样性更加丰富多样，有利于农田环境保护。

（三）发展了配套的害虫综合治理技术。随着主要害虫得到有效控制和农药用量显著减少，次要害虫种群数量发生了变化，主要表现为蚜虫数量减少，盲蝽象数量增加。围绕抗虫棉的栽培管理，及时灭除杂草和转主寄主，合理使用低毒农药，可以确保棉花丰收。

转基因抗虫棉是解决棉铃虫危害的有效手段，在我国已经取得了巨大成功。李付广说：“本课题的研发将使抗虫棉的产量、适应性等更上一层楼，同时，建立的高效规模化转基因技术体系也为其它棉花功能基因或调控基因的验证提供了保障。”

此外，课题组还对获得的新品种进行推广生产。在河南、山东、浙江、安徽、山西、陕西等省累计推广1000多万亩，项目实施期间，其中中棉所41累计推广810万亩，中棉所45也已成为我国的棉花主栽品种；获得的抗病新品系也为解决黄萎病长期为害提供了新的育种材料。

从经济效益来看，根据通常的方法计算，种植转基因抗虫棉每亩比对照可平均增产7.5千克皮棉，按10元/千克计，每亩可增收75元；每亩减少农药投入50元、减少人工投入计工费30元，也就是说，推广转基因抗虫棉，每亩可增收节支155元。

存在问题

变种虫、草

转基因作物存在后遗症，出现了变种的虫子和草。以棉花为例，中美两国科学家对转基因棉花跟踪七年的调查表明，孟山都公司的转基因棉花的优势在第三年发生逆转，不仅产量下降，使用农药等农化产品的数量也大幅度上升。

转基因棉籽粕的饲料监管

转基因棉籽粕大量直接进入饲养业。转基因棉籽并没类似转基因水稻做BT蛋白的表达抑制。

抗性、品种单一，监管有待加强

转基因抗虫棉种植面积在我国逐年增加,取得了显著的经济和社会效益,但存在的抗性单一、缺乏品质改良品种以及市场监管混乱等问题,严重影响了我国棉业的健康发展。所以必须加快转基因育种,由第一代的简单抗病、抗虫性等单性状改良到第二代复合性状和品种品质改良。此外必须加强市场监管,一方面我国法规有待进部完善,如增加相应标准和参照指标,加强处罚力度;另一方面需要增加安全监管的投入,使转基因技术研究与安全监管并重。

盲蝽特征

盲蝽是盲蝽科（Miridae）一些昆虫的统称，以前在中国北方只是一种数量较少、危害并不严重的害虫。但是，研究人员发现自从1997年以来它们的数量增加了12倍。“盲蝽为北方地区的主要害虫。”吴孔明说， “它们的数量大量增加与大规模种植Bt转基因棉花有很大的关系。”吴孔明和他的同事推测盲蝽种群数量的激增与引进Bt转基因棉花之后农田里使用广谱杀虫剂减少有关。“盲蝽对Bt毒素并不敏感，因此当农民不再使用杀虫剂后它们就开始兴盛蔓延。”吴孔明说。他们的研究成果发表在这周的《科学》杂志上。

“盲蝽和棉铃虫一样，如果不加控制可以使棉花减产高达50%。”吴孔明补充说。这些昆虫同样也会对其他农作物形成威胁，例如青豆、谷物、蔬菜和各种水果。

吴孔明和他的同事正在寻找利用杀虫剂的最有效的方式，并且他们在棉田附近种植害虫喜欢吃的普通作物来减少盲蝽对棉花的损害。同时中国研究人员也在试图开发能够同时杀死棉铃虫和盲蝽的转基因棉花品种。然而，吴孔明强调害虫防控必须保持整个生态系统的视野。 “转基因作物的影响必须在环境水平上进行评估，考虑到不同生物物种的生态环境上的投入。”他说，“这是确保它们的可持续性应用的方法。”

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