李云河， 李香菊， 彭于發(fā)

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所，植物病蟲害生物學(xué)國家重點實驗室，北京 100193）

農(nóng)田雜草防治是農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。以大豆為例，我國每年因草害損失減產(chǎn)達15～20億kg，約占大豆總產(chǎn)量的10%～15%。傳統(tǒng)上防除雜草主要靠栽培措施、人工除草和機械方法。20世紀60年代以來，化學(xué)除草劑以其高效、簡便、經(jīng)濟的優(yōu)勢，一躍而成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中雜草治理的重要手段，乃至今天化學(xué)除草技術(shù)普及率儼然成為衡量一個國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)是否先進的一項重要指標。目前，在一些發(fā)達國家主要作物的除草劑使用率（面積）接近100%［1］。我國除草劑應(yīng)用較晚，但近年發(fā)展很快。進入21世紀，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展和城市化進程的加深，大量農(nóng)村勞動力進入城市，導(dǎo)致農(nóng)村勞動力相對短缺，加之農(nóng)村漸漸富起來，人工和機械除草方式已不現(xiàn)實，對化學(xué)除草的需求緊迫。許多農(nóng)戶甚至希望用一種除草劑解決所有的雜草問題。然而，事實上化學(xué)除草有很大的局限性，一方面，殺草譜廣、活性高的除草劑往往缺乏選擇性，可能對本田作物產(chǎn)生藥害，也可能對后茬作物以及相鄰田塊的其他作物產(chǎn)生藥害；另一方面，選擇性強的除草劑往往又殺草譜過窄，只對少數(shù)雜草有效，不能對田間多種雜草起到兼治作用。兩者都限制了除草劑的使用范圍。此外，長期、單一使用一種除草劑，還會導(dǎo)致雜草產(chǎn)生抗藥性，給雜草防除帶來新的困難。因此，研制廣譜高效、對作物安全、不易產(chǎn)生抗性的新型除草劑，一直是業(yè)界的一個熱點和難點［2－3］。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展為培育耐除草劑作物品種提供了有力的手段，也為拓寬除草劑的使用范圍、減少作物藥害帶來了新的希望［4］。1996年以來，轉(zhuǎn)基因耐除草劑大豆、油菜在美國、加拿大等國率先種植。隨后，越來越多的國家開展了轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的研制和應(yīng)用，全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積逐年增長，新的轉(zhuǎn)基因作物種類和轉(zhuǎn)基因品種不斷涌現(xiàn)。

本文在對國際上轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用情況進行概述和分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國農(nóng)作物生產(chǎn)的實際情況和小農(nóng)戶、多種作物混合種植的模式，提出轉(zhuǎn)基因耐除草劑植物在我國開發(fā)利用的前景和相應(yīng)的發(fā)展策略，以期為轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的研究、開發(fā)和推廣管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 全球轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的研發(fā)現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物是全球轉(zhuǎn)基因作物研究和成功應(yīng)用的典范。綜合分析轉(zhuǎn)基因作物研究和應(yīng)用的歷史，可以看出，耐除草劑作物的研究和應(yīng)用發(fā)展速度最快，應(yīng)用面積最大，呈現(xiàn)出以下幾個鮮明的特點：

一是商業(yè)化種植規(guī)模迅速擴大。自1996年轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化種植以來，耐除草劑性狀一直是轉(zhuǎn)基因作物的主要性狀。2010年，耐除草劑作物種植面積達到8 930萬h m2，占轉(zhuǎn)基因作物種植總面積（14 800萬h m2）的61%。加上多基因復(fù)合性狀（以耐除草劑和抗蟲兩種性狀為主）轉(zhuǎn)基因品種種植面積為3 230萬h m2，則含有耐除草劑性狀作物品種的種植面積可以占到轉(zhuǎn)基因作物總面積的83%［5］。大面積商業(yè)化種植的耐除草劑作物主要是大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜和苜蓿。全球已有15個國家實現(xiàn)了轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的商業(yè)化種植，通過安全性評價批準了種植的國家或地區(qū)超過17個（表1）。主要種植國家有美國、巴西、阿根廷、加拿大、南非、巴拉圭、澳大利亞等。2010年，美國種植的耐除草劑玉米占該國玉米總面積的70%；巴西和阿根廷種植的耐除草劑作物主要是耐草甘膦大豆，分別占本國大豆總面積的75%和98%。

表1 至2010年全球轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的商業(yè)化種植情況1）

續(xù)表1

1）僅表明該作物已獲批準種植，并不意味著確實有商業(yè)化種植。數(shù)據(jù)來源：James 2010；Center for Environ mental Risk Assessment（2011）：GM data base．；http：∥www．a(chǎn)llaboutfeed．net／article－database／steady－gr owt h－of－ge－cor n－and－soybeans－in－usid1570．ht ml．

二是技術(shù)創(chuàng)新快，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前成功實現(xiàn)了耐除草劑基因轉(zhuǎn)育的作物至少已有11種，獲得了大量穩(wěn)定遺傳的耐除草劑轉(zhuǎn)化材料及其衍生材料和品種［6］（表2）。耐除草劑基因主要包括抗草甘膦的5－烯醇丙酮莽草酸－3－磷酸合成酶 基因 （cp4 epsps）、草 甘 膦 N－乙 酰 轉(zhuǎn) 移 酶（gat4601）基因，抗草銨膦的草銨膦乙酰轉(zhuǎn)移酶基因（bar／pat），抗溴苯腈的腈水解酶基因（bxn），抗咪唑啉酮類除草劑的乙酰乳酸合酶大亞基基因（csr1－2）和抗磺酰脲類除草劑的乙酰乳酸合酶基因（als）等［7－8］。第1代轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物通常只含一個耐除草劑的外源基因，只對一種或一類除草劑表現(xiàn)抗性，如孟山都公司培育的耐草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆GTS40－3－2，拜耳公司培育的耐草銨膦轉(zhuǎn)基因油菜HCN10等。第2代轉(zhuǎn)基因耐除草劑新品種則可能含兩個以上外源基因，稱為基因疊加或復(fù)合性狀。這些多基因復(fù)合性狀的轉(zhuǎn)基因材料可大體分為3類：一類是含有兩個或多個耐除草劑基因，具有對不同類型除草劑的抗性，如孟山都公司的NK603×T25含有抗草甘膦基因cp4 epsps和抗草銨膦基因pat；另一類是含有耐除草劑基因和抗蟲基因，如孟山都公司培育的T25×MON810具有耐草銨膦除草劑性狀和抗鱗翅目害蟲性狀的基因［2，4］；第3類是耐除草劑性狀與耐旱、優(yōu)質(zhì)或育性等進行組合，如耐除草劑和高不飽和脂肪酸omega－3油的大豆。培育具有多基因復(fù)合性狀的轉(zhuǎn)基因作物是國際上發(fā)展的一個方向［8］。2010年，具有抗蟲和耐除草劑復(fù)合性狀的轉(zhuǎn)基因品種在美國種植面積已占41%，其中玉米高達78%，棉花達到67%。美國還批準了含8個基因的玉米Smartstax T M，擁有耐多種除草劑和多種害蟲的性狀［5］。

三是社會生態(tài)經(jīng)濟效益顯著。美國、巴西、阿根廷、加拿大，因為種植轉(zhuǎn)基因耐除草劑大豆和油菜，分別成為轉(zhuǎn)基因大豆和油菜的生產(chǎn)和出口大國，相關(guān)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量高、品質(zhì)好、價格低，國際競爭力顯著提高。巴西2003－2008年種植耐除草劑大豆，實行了少耕免耕，增加了種植密度，有利于農(nóng)田環(huán)境保護和水土保持，大豆平均增產(chǎn)26%，6年農(nóng)民增收28億美元［9］。美國、加拿大15年商業(yè)化種植的實踐經(jīng)驗表明，種植轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物具有擴大除草劑使用范圍，提高除草效果，增加作物安全性，改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，簡化耕作栽培等優(yōu)點［10］，深受農(nóng)戶歡迎。

表2 全球注冊的轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物品種1）

續(xù)表2

2 轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物在我國面臨的機遇和發(fā)展策略

2．1 我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對耐除草劑作物有迫切的需求

我國農(nóng)田雜草近600種，主要雜草31種，區(qū)域性主要雜草23種［2］。據(jù)全國農(nóng)技推廣中心統(tǒng)計，2009年我國雜草發(fā)生面積8 867萬h m2，占糧食播種面積的81%。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展及農(nóng)村勞動力向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，化學(xué)除草已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不可缺少的管理手段和我國農(nóng)民所依賴的除草方式。至2010年，我國化學(xué)除草面積接近1億h m2。其中，水稻、小麥、玉米、大豆、棉花五大作物田化學(xué)除草面積率達到85%～100%；除草劑在農(nóng)藥總量中的占有率也由2005年的28．6%提高到40．5%。即使這樣，我國目前的除草劑品種仍不能滿足不同種植區(qū)域、不同作物和不同耕作栽培方式的需要。同時，由于除草劑的不合理使用，其引起雜草群落演替、污染周邊生境、造成作物藥害、誘發(fā)雜草抗性等問題日漸凸現(xiàn)，已經(jīng)成為草害治理及影響我國糧食安全的瓶頸［3］。轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的出現(xiàn)為利用除草劑防治草害提供了更寬的選擇范圍，也將是有效解決我國除草劑使用過程中出現(xiàn)上述問題的一個新的手段。首先，轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的種植，可以使種植者選用如草甘膦等殺草效果好、殺草譜廣的滅生性除草劑，并可根據(jù)農(nóng)田雜草情況相對自由地選擇施藥時間；其次，轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的種植及其“目標”除草劑的使用，具有較強的“靶標”針對性［11］。如種植轉(zhuǎn)入腈水解酶基因（bxn）的耐溴苯腈棉花，在棉花出苗后至收獲前75 d均可使用噴施闊葉雜草除草劑溴苯腈［7］，快速殺除馬齒莧、藜、龍葵、蒼耳、田旋花等棉田難治闊葉雜草而不傷害棉花。另外，轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的種植由于噴施低毒、無殘留和對生態(tài)環(huán)境友好的滅生性除草劑如草甘膦，可降低對一些選擇性差和長殘留除草劑的依賴，避免作物藥害的產(chǎn)生和對環(huán)境的污染［8］。而且，轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物的利用還有利于促進耕作制度的變革。近年來，作物少耕、免耕栽培作為一項新的栽培技術(shù)以其簡便實用、保護環(huán)境和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)勢得到廣泛推廣［12］。隨著免耕及輕型栽培的實施，作物擬態(tài)性雜草（如水稻田雜草稻）發(fā)生程度加重，種植耐草甘膦、耐草銨膦作物是這類雜草最好的治理措施。綜上所述，通過種植轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物防治雜草是雜草治理史上的一次重大變革，也是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一大需求。

2．2 我國作物耕作栽培特點與耐除草劑作物的種植要求

目前，耐除草劑作物主要種植在美國、阿根廷、巴西和加拿大。上述國家的農(nóng)業(yè)為集約化和規(guī)?；姆N植模式，作物一般實行一年一熟免耕種植。這種種植模式有利于合理安排耐除草劑作物種類、種植和管理。而我國基本上是一家一戶式的微型家庭農(nóng)場種植模式，且推行多熟制增加復(fù)種指數(shù)和采用間作套種的模式來提高土地利用率、促進作物高產(chǎn)高效。這種種植模式?jīng)Q定了我國在耐除草劑作物的種植技術(shù)上要求更加嚴格。一方面，多熟制條件下如果上下茬種植轉(zhuǎn)同一個基因的不同作物，上茬作物自生苗會影響下茬除草效果和作物生長。如長江以南上茬種植耐草甘膦冬油菜，下茬種植耐草甘膦玉米一年兩熟，或耐草甘膦三季稻，均存在著自生苗治理的難題。另一方面，由于一般田塊面積較小，相鄰田塊可能種植不同的作物品種，這樣在耐除草劑作物田施用滅生性或選擇性差的除草劑時不可避免地因“目標”除草劑漂移而對相鄰其他作物產(chǎn)生藥害。因此，在我國作物種植模式下，對耐除草劑作物的合理配置和除草劑的施用提出了更高的要求。這在一定程度上影響著我國耐除草劑作物的商業(yè)化進程，也需要政府及相關(guān)技術(shù)部門綜合考慮一個地區(qū)性作物結(jié)構(gòu)和耕種模式，從區(qū)域性和季節(jié)性全局部署轉(zhuǎn)基因作物的推廣和利用。

2．3 我國耐除草劑作物的發(fā)展戰(zhàn)略

從世界發(fā)達國家轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化現(xiàn)狀、我國主要作物田雜草的種群組成及我國耕作栽培特點來分析，我國有必要抓緊制定發(fā)展耐除草劑作物的國家戰(zhàn)略，針對作物結(jié)構(gòu)調(diào)整和生產(chǎn)特點進行國家層面的統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計，在優(yōu)先選擇的作物種類、種植地區(qū)、靶標除草劑、目的基因等方面充分體現(xiàn)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的緊迫需求、大局觀和前瞻性?？煽紤]在國營大型農(nóng)場的大豆和玉米田率先試種耐除草劑品種。在技術(shù)層面上，耐草甘膦性狀可以考慮作為我國最近5～10年耐除草劑作物的首選。草甘膦主要作用靶標是莽草酸合成途徑中的5－烯醇丙酮莽草酸－3－磷酸合成酶（EPSPS），通過影響EPSPS，進而抑制芳香氨基酸的生物合成。草甘膦的這種獨特的作用靶標和作用機制，使其具有殺草譜廣、雜草不易產(chǎn)生抗性、無土壤殘留、對動物低毒性等特性［11，13］；我國已經(jīng)成為草甘膦生產(chǎn)和出口的大國之一，草甘膦在我國果園、草地應(yīng)用已有20～30年經(jīng)驗，具有發(fā)展耐草甘膦作物的基礎(chǔ)。其次是耐草銨膦、耐溴苯腈棉花。耐麥草畏大豆、油菜，耐烯禾啶、喹禾靈小麥、玉米。此外，耐磺酰脲類、耐咪唑啉酮類作物等可作為耐草甘膦作物的補充。在除草劑品種的選擇上，應(yīng)以環(huán)保型除草劑為“目標”除草劑，莠去津、2，4－滴、百草枯等由于除草劑本身的缺陷，轉(zhuǎn)基因育種應(yīng)慎重。

在轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物大規(guī)模商業(yè)化種植之后，雜草可能會對長期、重復(fù)施用的除草劑產(chǎn)生抗藥性。從1996年發(fā)現(xiàn)首例抗草甘膦的硬直黑麥草（Lolium rigidum）至今，抗草甘膦雜草增加至21種（http：∥www．weedscience．org／，2011），因此，研究開發(fā)新的除草劑和耐除草劑基因，輪換和交替施用不同作用方式的除草劑是保障化學(xué)除草持續(xù)有效和安全使用的一項重要措施。國外采用常規(guī)雜交或基因操作，已經(jīng)研發(fā)成功了具有耐兩個除草劑疊加性狀的作物，如耐草甘膦／麥草畏（cp4 epsps／dmo）、耐草甘膦／異惡唑草酮（2mepsps／hppdPfW336）、耐草甘膦／磺酰脲類除草劑（gat／gm－h(huán)ra）大豆。這些材料的種植，將為農(nóng)民提供更多選擇，降低雜草抗藥性風(fēng)險。值得我國育種工作者借鑒。

到目前為止，我國尚無耐除草劑作物商業(yè)化種植，但有關(guān)耐除草劑基因克隆、功能驗證、轉(zhuǎn)基因操作和新材料選育已經(jīng)取得了顯著的進展，發(fā)展勢頭強勁。耐除草劑性狀轉(zhuǎn)基因作物的檢測、監(jiān)測、環(huán)境安全評價和食品安全評價技術(shù)也已初步建立。未來隨著轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物研發(fā)進展，繼續(xù)加強轉(zhuǎn)基因安全性研究，不僅可為耐除草劑作物的風(fēng)險評價提供重要的科學(xué)理論和試驗數(shù)據(jù)，也是政府依法管理、促進轉(zhuǎn)基因作物安全應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)保障。

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