轉(zhuǎn)基因抗除草劑油菜與十字花科植物間的基因流研究.pdf

1、近年來(lái)，轉(zhuǎn)基因抗除草劑作物在全球范圍內(nèi)大量種植。與此同時(shí)，也帶來(lái)了一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，主要風(fēng)險(xiǎn)之一是抗性轉(zhuǎn)基因通過(guò)花粉漂流轉(zhuǎn)移到野生近緣植物，導(dǎo)致這些植物產(chǎn)生抗性，從而形成“超級(jí)雜草”。本試驗(yàn)通過(guò)苯胺藍(lán)熒光法觀察、人工雜交、混合花粉蒙導(dǎo)授粉并結(jié)合人工授粉后代的分子鑒定，研究了甘藍(lán)型抗草甘膦油菜Q3與15種十字花科植物(包括蕓薹屬油料作物的3個(gè)種、5種蔬菜作物和7種野生雜草，共16個(gè)材料)間的雜交親和性、自然授粉條件下Q3與這些材料間的基因流

2、頻率以及抗除草劑基因在污染植株中的遺傳傳遞能力，以期為轉(zhuǎn)基因抗除草劑油菜的生態(tài)安全性評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)果如下： (1)熒光顯微鏡觀察結(jié)果表明，甘藍(lán)型油菜(B.napus)、白菜型油菜(B.campestris)、芥菜型油菜(B.juncea)、二倍體小白菜(B.chinensis)、四倍體小白菜(B.chinensis)、大白菜(B.pekinensis)、雪里蕻(B.unceavarmulticeps)、甘藍(lán)(B.o

3、leraceavar.capitata)和野芥菜(B.juncea)授以Q3花粉后24h，均可見(jiàn)有一定數(shù)量的花粉管通過(guò)珠孔進(jìn)入胚珠；而遏藍(lán)菜(Thlaspiarvense)、播娘蒿(Descurainiasophia)、薺菜(Capsellabursa-pastoris)、碎米薺(Cardaminehirsuta)、諸葛菜(Orychophragmusviolaceus)和風(fēng)花菜(Rorippapalustris)6種雜草授Q3花粉后雜

4、交不親和，花粉管生長(zhǎng)受阻，分別停滯在上述雜草的柱頭表面或花柱上部1/3處。本結(jié)果說(shuō)明Q3的抗除草劑基因有可能通過(guò)基因流逃逸到與其親緣關(guān)系較近的油菜、蔬菜和野芥菜中，而逃逸到遏藍(lán)菜、播娘蒿、薺菜、碎米薺、諸葛菜和風(fēng)花菜中的風(fēng)險(xiǎn)則較小。 (2)人工雜交和雜交后代的分子鑒定結(jié)果表明，甘藍(lán)型油菜品種“揚(yáng)油4號(hào)”、“寧油10號(hào)”(作母本)與Q3(作父本)雜交的親和指數(shù)最高，分別為16.15、12.77；白菜型油菜品種“揚(yáng)油3號(hào)”、芥菜型油

5、菜品種“G11”、二倍體小白菜品種“豐抗80”、四倍體小白菜品種“揚(yáng)州青1號(hào)”、大白菜品種“淄白8號(hào)”、“揚(yáng)州雪里紅”、野芥菜等蕓薹屬近緣植物(作母本)與Q3(作父本)雜交的親和指數(shù)其次，居于0.85～2.37之間；甘藍(lán)品種“YZS-1”與Q3雜交的親和指數(shù)較低，為0.09；上述所有雜交組合的F1代植株抗草甘膦基因的PCR檢測(cè)均為陽(yáng)性；而遏藍(lán)菜、播娘蒿、薺菜、碎米薺、諸葛菜、風(fēng)花菜6種雜草(作母本)與Q3(作父本)雜交親和指數(shù)為0，這與

6、熒光顯微鏡的觀察結(jié)果相一致。本結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了Q3的抗除草劑基因有可能通過(guò)基因流逃逸到甘藍(lán)型油菜、白菜型油菜、芥菜型油菜、大白菜、小白菜、雪里蕻、甘藍(lán)和野芥菜中，而轉(zhuǎn)移到遏藍(lán)菜、播娘蒿、薺菜、碎米薺、諸葛菜和風(fēng)花菜中的可能性則很小，基因流風(fēng)險(xiǎn)的大小順序?yàn)椋悍N內(nèi)品種間＞種間＞屬間。 (3)混合花粉蒙導(dǎo)授粉及其后代的分子鑒定研究結(jié)果表明，當(dāng)遏藍(lán)菜、播娘蒿、薺菜、碎米薺、諸葛菜和風(fēng)花菜6種雜草分別授以混合花粉(自花花粉與Q3花粉)蒙導(dǎo)

7、后，與各自的自交相比，混合花粉在受體植物柱頭上的萌發(fā)表現(xiàn)出花粉粒大量粘合、萌發(fā)快、伸進(jìn)花柱與子房的花粉管數(shù)量多等特點(diǎn)。授粉后24～48h，各蒙導(dǎo)組合均可觀察到一部分花粉管已經(jīng)通過(guò)珠孔進(jìn)入胚珠，但所有蒙導(dǎo)后代植株抗草甘膦基因的PCR檢測(cè)均表現(xiàn)陰性。本結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了遏藍(lán)菜、播娘蒿、薺菜、碎米薺、諸葛菜、風(fēng)花菜與Q3雜交高度不親和，Q3的抗除草劑基因不能通過(guò)基因流轉(zhuǎn)移到這6種雜草中。 (4)鄰近間隔種植和自然授粉條件下，Q3與上述1

8、5種十字花科植物(共16個(gè)材料)間的基因流頻率研究結(jié)果，Q3與同類(lèi)型的甘藍(lán)型油菜品種“揚(yáng)油4號(hào)”、“寧油10號(hào)”間的基因流頻率最高，達(dá)2.3278％、2.1487％；與白菜型油菜品種“揚(yáng)油3號(hào)”、芥菜型油菜品種“G11”、二倍體小白菜品種“豐抗80”、四倍體小白菜品種“揚(yáng)州青1號(hào)”、大白菜品種“淄白8號(hào)”、雪里蕻品種“揚(yáng)州雪里紅”、野芥菜等蕓薹屬近緣植物間的基因流頻率其次，居于0.8638％～1.0615％之間；與甘藍(lán)品種“YZS-1”

9、間的頻率較低，為0.1103％；而Q3與遏藍(lán)菜、播娘蒿、薺菜、碎米薺、諸葛菜、風(fēng)花菜6種雜草間的基因流頻率為0?；蛄黝l率的高低順序?yàn)椋悍N內(nèi)品種間＞種間＞屬間，這與通過(guò)雜交親和性評(píng)估的結(jié)果完全一致，表明基因流頻率與雜交親和性高度相關(guān)。 (5)對(duì)大田篩選出的上述10種十字花科蕓薹屬近緣植物的基因污染植株進(jìn)行育性觀察，并通過(guò)與相應(yīng)的未污染植株回交，研究了抗草甘膦基因在污染植株中的遺傳傳遞能力。結(jié)果表明，白菜型油菜、芥菜型油菜、大白菜

10、、小白菜、雪里蕻、甘藍(lán)和野芥菜的基因污染植株(雜種F1代)生殖競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)較弱，抗草甘膦基因的遺傳傳遞能力較差，但經(jīng)與親本回交后抗性基因能夠完成一定的滲入；而抗草甘膦基因在甘藍(lán)型油菜品種“揚(yáng)油4號(hào)”、“寧油10號(hào)”的基因污染植株中的遺傳傳遞能力較強(qiáng)，無(wú)親和性障礙。 第二章抗除草劑油菜花粉在十字花科受體植物柱頭上的萌發(fā) 本實(shí)驗(yàn)通過(guò)苯胺藍(lán)熒光法觀察了甘藍(lán)型抗草甘膦油菜Q3的花粉在15種十字花科植物(共16個(gè)材料)柱頭上的萌發(fā)情況

11、，初步研究了Q3與這些植物間的雜交親和性。本結(jié)果說(shuō)明Q3的抗除草劑基因有可能通過(guò)基因流逃逸到上述3種類(lèi)型的油菜、5種蔬菜和野芥菜中，而逃逸到遏藍(lán)菜、播娘蒿、薺菜、碎米薺、諸葛菜和風(fēng)花菜中的風(fēng)險(xiǎn)則較小。 第三章抗除草劑油菜與十字花科受體植物人工雜交的結(jié)實(shí)情況 本實(shí)驗(yàn)通過(guò)人工雜交并結(jié)合雜交后代的分子鑒定，進(jìn)一步研究了甘藍(lán)型抗草甘膦油菜Q3與前文中15種十字花科植物間的雜交親和性，來(lái)評(píng)估Q3與這些植物間的基因流。結(jié)果表

12、明，甘藍(lán)型油菜品種“揚(yáng)油4號(hào)”、“寧油10號(hào)”(作母本)與Q3(作父本)雜交的親和指數(shù)最高，分別為16.15、12.77；白菜型油菜品種“揚(yáng)油3號(hào)”、芥菜型油菜品種“G11”、二倍體小白菜品種“豐抗80”、四倍體小白菜品種“揚(yáng)州青1號(hào)”、大白菜品種“淄白8號(hào)”、“揚(yáng)州雪里紅”、野芥菜等蕓薹屬近緣植物(作母本)與Q3(作父本)雜交的親和指數(shù)其次，居于0.85～2.37之間；甘藍(lán)品種“YZS-1”與Q3雜交的親和指數(shù)較低，為0.09；上述所

13、有雜交組合的F1代植株抗草甘膦基因的PCR檢測(cè)均為陽(yáng)性；而遏藍(lán)菜、播娘蒿、薺菜、碎米薺、諸葛菜、風(fēng)花菜(作母本)與Q3(作父本)雜交親和指數(shù)為0，這與熒光顯微鏡的觀察結(jié)果(見(jiàn)第二章)相一致。本結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了Q3的抗除草劑基因逃逸到甘藍(lán)型油菜、白菜型油菜、芥菜型油菜、二倍體小白菜、四倍體小白菜、大白菜、雪里蕻、甘藍(lán)和野芥菜中的成功率較大，而轉(zhuǎn)移到遏藍(lán)菜、播娘蒿、薺菜、碎米薺、諸葛菜和風(fēng)花菜中的可能性則很小，基因流風(fēng)險(xiǎn)的大小順序?yàn)椋悍N內(nèi)品

14、種間＞種間＞屬間。 第四章蒙導(dǎo)授粉條件下抗除草劑油菜與6種十字花科野生雜草間的雜交親和性 本實(shí)驗(yàn)根據(jù)苯胺藍(lán)熒光法觀察和混合花粉蒙導(dǎo)授粉的結(jié)實(shí)情況，并結(jié)合蒙導(dǎo)后代的分子鑒定，研究了蒙導(dǎo)條件下甘藍(lán)型抗草甘膦油菜Q3與遏藍(lán)菜、播娘蒿、薺菜、碎米薺、諸葛菜、風(fēng)花菜6種十字花科雜草間的雜交親和性，來(lái)進(jìn)一步評(píng)估Q3與這些雜草間的基因流。結(jié)果表明，當(dāng)遏藍(lán)菜、播娘蒿、薺菜、碎米薺、諸葛菜和風(fēng)花菜分別授以混合花粉(自花花粉與Q3花

15、粉)蒙導(dǎo)后，與各自的自交相比，混合花粉在受體植物柱頭上的萌發(fā)表現(xiàn)出花粉粒大量粘合、萌發(fā)快，伸進(jìn)花柱與子房的花粉管數(shù)量多等特點(diǎn)。 第五章自然授粉條件下抗除草劑油菜與十字花科植物間的基因流 前面三章的研究表明，十字花科許多植物表現(xiàn)為異花授粉并具有較高的種間雜交親和性，這些生殖特征喻示著外源基因在該科植物間存在潛在的逃逸風(fēng)險(xiǎn)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)鄰近間隔種植的方式，研究了在自然授粉條件下，甘藍(lán)型抗草甘膦油菜Q3與前文中15種十字花科植物

16、間的基因流頻率。 第六章抗除草劑基因在污染植株中遺傳傳遞能力 本實(shí)驗(yàn)對(duì)10種蕓薹屬近緣植物基因污染植株進(jìn)行了育性觀察，并以基因污染植株為母本，相應(yīng)的未污染植株為父本進(jìn)行回交，初步研究了抗草甘膦基因在污染植株中的遺傳傳遞能力。結(jié)果表明，白菜型油菜、芥菜型油菜、二倍體小白菜、四倍體小白菜、大白菜、雪里蕻、甘藍(lán)和野芥菜的基因污染植株(雜種F1代)生殖競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)較弱，抗草甘膦基因在這些污染植株后代的遺傳傳遞能力較差，但經(jīng)與親本回交

17、后抗性基因能夠完成一定的滲入；而抗草甘膦基因在甘藍(lán)型油菜品種“揚(yáng)油4號(hào)”、“寧油10號(hào)”基因污染植株中的遺傳傳遞能力較強(qiáng)，無(wú)親和性障礙。 綜上所述，轉(zhuǎn)基因抗除草劑油菜與十字花科植物間存在不同程度的基因流，基因流頻率與雜交親和性高度相關(guān)。在自然授粉條件下，甘藍(lán)型轉(zhuǎn)基因油菜Q3的抗草甘膦基因能夠通過(guò)基因流逃逸到甘藍(lán)型油菜、白菜型油菜、芥菜型油菜、二倍體小白菜、四倍體小白菜、大白菜、雪里蕻、甘藍(lán)和野芥菜中，并且抗草甘膦基因在污染植株中