程冠杰

摘要：轉(zhuǎn)基因植物在種植時(shí)出現(xiàn)的問題之一就是植物中外源基因發(fā)生基因漂移污染野生植物的基因，而如棉花的蟲媒植物通過花粉傳播基因傳播范圍大，已成為需要解決的問題。

本文提出了利用植物光周期現(xiàn)象防止轉(zhuǎn)基因植物（棉花）的基因漂移的方法，利用減少光照刺激棉花提前轉(zhuǎn)基因棉花的花期從而減少轉(zhuǎn)基因棉花花粉傳播到野生型的情況，并設(shè)計(jì)了對(duì)照實(shí)驗(yàn)證明了在適量減少光照的情況下，棉花花期可以做到大幅度提前并與原先在熱帶地區(qū)花期并不重合。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)基因，光周期，基因漂移

背景&意義

轉(zhuǎn)基因植物自從1983年問世以來，一直都是世界農(nóng)業(yè)方面熱門又充滿爭(zhēng)議的話題，對(duì)其贊同和反對(duì)都具有一定的理由。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是利用現(xiàn)代生物技術(shù)，將人們期望的目標(biāo)基因，經(jīng)過人工分離、重組后，導(dǎo)入并整合到生物體的基因組中，從而改善生物原有的性狀或賦予其新的優(yōu)良性狀。

除了轉(zhuǎn)入新的外源基因外，還可以通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)對(duì)生物體基因的加工、敲除、屏蔽等方法改變生物體的遺傳特性，獲得人們希望得到的性狀。這一技術(shù)的主要過程包括外源基因的克隆、表達(dá)載體構(gòu)建、遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立、遺傳轉(zhuǎn)化體的篩選、遺傳穩(wěn)定性分析和回交轉(zhuǎn)育等。

轉(zhuǎn)基因植物的優(yōu)勢(shì)顯而易見，其育種快而精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)勝過雜交育種，甚至可以表達(dá)出原本植物中并不包含的基因，表現(xiàn)出其他生物的優(yōu)良性狀。然而，對(duì)于阻撓轉(zhuǎn)基因植物大規(guī)模種植的因素，除了對(duì)人體健康的顧慮不僅缺乏根據(jù)，各類研究各執(zhí)一詞，還有對(duì)其中外來基因轉(zhuǎn)移到野生或非轉(zhuǎn)基因型植物中造成基因漂移的恐懼。

例如，抗蟲棉可以抵抗棉鈴蟲的幼蟲啃食，對(duì)鱗翅目昆蟲都具有毒性。但是作為蟲媒的異花授粉植物，其外源基因容易借由花粉傳遞到野生的植株中，導(dǎo)致野生的植株表達(dá)出抗蟲性，并在自然選擇下，選擇出占比更多的抗蟲個(gè)體。這無疑使原本以野生型棉花為食的昆蟲數(shù)量減少，進(jìn)而影響整條食物鏈。又或者，在轉(zhuǎn)基因過程中可能植物某些蛋白的表達(dá)收到了抑制，可能導(dǎo)致對(duì)某些病原體的免疫能力下降，如果這種基因型的轉(zhuǎn)基因植物個(gè)體在野外成為主導(dǎo)，一次病原體的爆發(fā)必然對(duì)種群造成打擊，同樣影響整條食物鏈。

對(duì)于蟲媒異花授粉植物而言，花粉傳播導(dǎo)致的基因漂移尤為嚴(yán)重。而巧妙利用植物光周期現(xiàn)象改變種植的轉(zhuǎn)基因植物的花期與野生型交錯(cuò)，人為形成生殖隔離，不僅保證了轉(zhuǎn)基因植物的自身質(zhì)量，也從根源上防止了外源基因向野生型漂移;而且對(duì)比其他改變花期的做法，成本更低，操作更簡(jiǎn)便，風(fēng)險(xiǎn)更小。因此，利用植物光周期現(xiàn)象防止轉(zhuǎn)基因植物導(dǎo)致基因漂移是可行的。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前中國(guó)批準(zhǔn)種植的轉(zhuǎn)基因植物有：棉花、馬鈴薯、番茄、甜椒、番木瓜等。而在全世界，轉(zhuǎn)基因大豆和玉米水稻的種植范圍也很大。截至2018年，種植面積已達(dá)1.898億公頃。如此大的種植面積難免與野生種群的分布范圍產(chǎn)生交叉，進(jìn)而產(chǎn)生基因漂移。基因漂移的一大形式，便是異花授粉植物之間通過花粉進(jìn)行基因的交流，進(jìn)而產(chǎn)生雜交個(gè)體，污染野生種群的基因庫(kù)。

目前中國(guó)批準(zhǔn)種植的轉(zhuǎn)基因植物和世界主要種植的轉(zhuǎn)基因植物中，只有番木瓜科的番木瓜，錦葵科的棉花，禾本科的玉米在自花授粉的同時(shí)，能在自然條件下進(jìn)行異花授粉。其中玉米作為風(fēng)媒花，在自然條件下花粉傳播的面積相當(dāng)有限，即使在下風(fēng)處，花粉傳播距離也一般不會(huì)超出30m，在上風(fēng)處傳播距離甚至只有13m，可見生長(zhǎng)在農(nóng)田中的轉(zhuǎn)基因玉米通過風(fēng)媒的方式來進(jìn)行與野生個(gè)體的基因交流概率極小。棉花屬于典型的蟲媒花，在其異花授粉時(shí)主要通過昆蟲進(jìn)行授粉。而進(jìn)行授粉的昆蟲，例如蜜蜂，理論上一天可以飛行160km，實(shí)際上采集蜂也能遠(yuǎn)離蜂巢10km以上，如此轉(zhuǎn)基因棉花的授粉導(dǎo)致基因漂移的概率遠(yuǎn)大于玉米。番木瓜的種植面積（47萬公頃，2020）遠(yuǎn)不如轉(zhuǎn)基因玉米（14.39億畝，2018）和棉花（3.74億畝，2018），暫且不論。

本實(shí)驗(yàn)采用縮短棉花所受光照的時(shí)間來改變棉花的開花時(shí)間，之所以采取這種方法的原因是如果人為引入改變棉花光周期效應(yīng)的基因，該基因有可能通過種子等其他方式進(jìn)入野生種群中，從而可能使部分野生種群和轉(zhuǎn)基因棉花花期再次保持一致，使預(yù)防基因漂移的效果大打折扣。

在緯度與上海相近的地區(qū)（參考文獻(xiàn)中為杭州），對(duì)于大多數(shù)棉花野生品種，自然光照下開花時(shí)間在秋分之后甚至不開花，少數(shù)（deltapine15與simian2）開花時(shí)間在七月中旬左右。

而同樣在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，人工栽培棉花開花時(shí)間從7月到9月，持續(xù)時(shí)間50-60天。可見在上海緯度位置附近的地區(qū)幾乎不存在開花時(shí)間重疊的問題。

那么研究改變棉花開花時(shí)間是否沒有意義呢？并不是，棉花原產(chǎn)與亞熱帶與熱帶地區(qū)，夏季白晝時(shí)長(zhǎng)較短，因此移植到緯度更高的地方開花時(shí)間會(huì)推遲，因?yàn)槭艿焦庵芷诘挠绊?。在熱帶地區(qū)，假設(shè)棉花野生種與栽培品種原先開花時(shí)間相同，則栽培品種花期需提前或延后兩個(gè)月左右。由參考文獻(xiàn)可知，陸地棉野生種系經(jīng)每天9小時(shí)短日照誘導(dǎo)26-60天后，既可現(xiàn)蕾，只需在正?；ㄆ谇?6-120天進(jìn)行短日照誘導(dǎo)即可。而棉花從出芽到開花大約經(jīng)過55-70天，與短日照誘導(dǎo)時(shí)間部分重合，理論上可行。

由參考文獻(xiàn)可知，熱帶野生棉開花時(shí)間并不相同，這里只是推演花期恰好與栽培品種相同時(shí)的極端情況，其他情況所需誘導(dǎo)時(shí)間低于這里討論的情況。

由于試驗(yàn)地點(diǎn)受限在上海，無法完全模擬熱帶環(huán)境，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果難免有偏差。為了減小偏差，實(shí)驗(yàn)設(shè)置在學(xué)校的溫室（開花的時(shí)間正值暑假可以不需要溫室?guī)Щ丶遗囵B(yǎng)）。將實(shí)驗(yàn)對(duì)象共9盆品種相同的棉花分為三組，一組完全模擬“熱帶”的光照作為對(duì)照，一組進(jìn)行9小時(shí)短日照誘導(dǎo)，由于每天9小時(shí)短日照誘導(dǎo)所需時(shí)間最大值大于從出芽到開花時(shí)間最大值，為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果在增加一組每天8小時(shí)短日照誘導(dǎo)。為了誘導(dǎo)時(shí)間最長(zhǎng)，選擇在最早的三月在相同的土壤中施以相同的水分進(jìn)行播種，四月之前可以完成出苗。出苗后，“熱帶”組將適當(dāng)減少光照，4月減少半小時(shí)，5，6，7月減少1小時(shí)，以模擬熱帶的光照條件。而第二組則減少5小時(shí)光照（上海夏至白晝時(shí)間約為14小時(shí)），第三組則減少6小時(shí)光照，這樣做雖然平均每天小于理論值，但是更好操作，且更易得出結(jié)果。在此期間三組溫度，水分，土壤條件相同。

接著記錄二三組中的三株植物第一次開花時(shí)間與第一組中的三株植物全部的花凋謝時(shí)間，并取平均數(shù)。

倘若實(shí)驗(yàn)成功，預(yù)測(cè)二三組中的三株植物平均第一次開花時(shí)間至少有一個(gè)大于第一組中的三株植物全部的花凋謝平均時(shí)間。如果第三組中的三株植物平均第一次開花時(shí)間略低于第一組中的三株植物全部的花凋謝平均時(shí)間，則第三組光照減少的量不足，更多光照。需在做一組減少。如果第三組中的三株植物平均第一次開花時(shí)間于第一組中的三株植物平均第一次開花時(shí)間大致相同，則視為實(shí)驗(yàn)失敗。

本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于：首先，花粉導(dǎo)致的轉(zhuǎn)基因植物基因漂移情況目前并沒有人進(jìn)行研究，該實(shí)驗(yàn)首次對(duì)防止這一可能提出了方案;其次，實(shí)驗(yàn)提供的方法方便操作，適合推廣應(yīng)用;本實(shí)驗(yàn)也運(yùn)用了控制變量，設(shè)置對(duì)照等科學(xué)研究方法，結(jié)論相對(duì)可靠。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)仍然有欠缺之處：首先花粉傳播導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植物基因漂移的現(xiàn)象只是理論上存在，概率并沒有實(shí)驗(yàn)計(jì)算出來，這種現(xiàn)象是否會(huì)造成生態(tài)上的危害存疑;其次由于缺少參考資料，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置較隨意，并不能提供普遍性的結(jié)論;還有由于無法完全模擬熱帶環(huán)境，熱量，水分對(duì)花期的影響被忽略了。

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