(上)耐草甘膦作物的发展历程和展望

2006-03-13

    0  引言

    1996年耐草甘膦大豆的商业化开发开辟了按行种植作物杂草治理的新纪元。今天,美国种植的大豆中,80%以上为耐草甘膦品种。从耐除草剂作物引入市场起,许多作物进行了基因修饰,从而使众多的除草剂得以在作物上拓展使用。目前,用于规模化生产的转基因作物有:玉米、大豆、棉花和油菜。转基因技术和选种方法得到了发展,转基因作物的开发速度加快,种植范围扩大。从全球种植者接纳转基因作物的速度来看,耐草甘膦作物品种及其种植面积还会继续增加。然而,全球公众对生物技术产品的接受程度将继续影响着这项技术以及来自转基因技术的其它创新品种的推广速度。

    草甘膦是一种广谱灭生性、内吸传导型优秀除草剂,商品名有农达等。其作用靶标为EPSP(5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸)合成酶,这种酶只存在于植物和某些细菌中,因此,草甘膦具有杰出的毒理学和环境特性。然而,由于它对作物的破坏作用,人们传统上只将草甘膦用于非作物和果园种植区。当人们能用分子生物技术在作物中导入对草甘膦不敏感的基因时,草甘膦的应用扩大到作物上,从而开辟了杂草防治的新纪元,同时也为草甘膦的第二次飞跃迎来了新机遇。今天,耐草甘膦基因已经导入几种主要作物品种,耐草甘膦大豆、玉米、油菜和棉花的种植面积正不断扩大。本文将描述耐草甘膦作物商品化的一些历史过程、这项技术在全球的现状,并对其未来使用进行了探索性讨论。

    1  耐草甘膦作物的历史

    耐草甘膦作物的发展历史曾有报导,现简述如下。为了将草甘膦的抗性引入植物中,研究工作者已经评估了3条基本战略:敏感靶标酶的过量表达、对草甘膦分子的解毒作用以及非敏感靶标酶的表达。在讨论获得草甘膦抗性前,很有必要简单介绍一下草甘膦的作用机理。草甘膦抑制的酶为5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸合成酶(EPSPS),这种酶可以催化磷酸烯醇丙酮酸(PEP)中的烯醇式丙酮酰分子转化为莽草酸-3-磷酸(S3P),这是芳香族氨基酸以及最终的激素、其它关键植物代谢物,如类黄酮、木质素及其它酚类化合物等合成的一个关键步骤。高等植物中EPSPS酶的活性点高度保守,草甘膦抑制作用的机理也很独特,据报道,草甘膦的作用位点与PEP的键合点紧密叠合。在与EPSPS键合时,草甘膦只与PEP竞争,而不与S3P发生竞争作用,最终形成的复合物草甘膦:EPSPS:S3P非常稳定,逆反应的速度非常慢,本质上为EPSPS的历史使命划上了句号。

    为了解决草甘膦对农作物的破坏作用问题,过量表达EPSPS蛋白的战略已经在细胞和整个植物体系中进行过试验。内源EPSPS基因的放大已经在几个品种的细胞培养中完成,这些品种包括Aerbbacter aerogenes Biejer、Daucus carota L和Nicotiniana tobacum L。在Nicotiniana细胞培养中,EPSPS的活性提高了800倍。但是,到目前为止,耐草甘膦的整个植株还没有从这些细胞系列中产生出来。在许多体系中,用基因工程的方法过量表达土生EPSPS也已经进行了尝试,并获得了有限的成功。培养出来的矮牵牛植物可以耐受4倍剂量的草甘膦。然而,这些植物与野生型植物相比,其生长速度大大降低。今天,市场化的耐草甘膦作物没有使用过量表达EPSPS作为抗性机制这一战略的。

    对草甘膦分子的解毒作用也是赋予植物对草甘膦产生抗性的一种战略。实验证明,草甘膦的解毒作用有两条路径,第一条产生磷酸酯和肌氨酸,另一条产生氨甲基膦酸(AMPA)和乙醛酸,这与草甘膦氧化酶(GOX)有关。像以前文献中作者陈述的那样,这些作用机制还没有在高等植物中大幅度应用。当GOX用于耐草甘膦油菜时,它是与对草甘膦不敏感的EPSPS结合使用。这种方法很有必要,因为单纯使用解毒作用机制不能在商品化应用中对草甘膦提供足够的抗性。

    商品化草甘膦抗性的产生以及多种市场化的耐农达作物的抗性表达都是基于非敏感EPSPS的导入。表达耐草甘膦作物的战略机理如图2(略)。获得这种结果的几个途径都已经被试验过。几个实验室用对乙基甲磺酸处理Arabidopsis thaliana Heynhoe,都没有产生耐草甘膦突变体。细菌和植物EPSPS酶的增强功能诱变作用也不能产生商品化的抗性EPSPS。事实上,一些研究已经表明,在EPSPS分子中由单点突变承担的抗性水平不能产生商品化可接受的耐草甘膦水平。因为PEP和草甘膦在EPSPS酶上的键合位点紧密叠合且在键合区发现基因序列高度保守,所以很难找到不同的位点,在这些位点上只键合PEP,而不键合草甘膦,从而对草甘膦的抗性水平达到商品化程度,并使植物正常生长。一组EPSPS酶的动力学数据列于表1中。在101位点(G101A),用丙氨酸取代甘氨酸,或在106位点(P106S),用丝氨酸代替脯氨酸,这两个单位点突变的资料表明,它们所具有的酶动力学数据不能满足理论要求,因而不能在植物中产生商品化可接受的耐草甘膦抗性水平。到目前为止,只有在内源玉米EPSPS中的单个多错义突变被用来产生可商品化的草甘膦抗性。这种突变是通过一个玉米细胞系列的定向位点诱变作用产生的。玉米EPSPS突变体是通过转基因产生的,在转基因过程中,在102位点以异亮氨酸代替苏氨酸,且106位点以丝氨酸代替脯氨酸,这就是目前商品化的玉米杂交种,商品名为GA21。今天,市场上销售的大多数耐草甘膦产品含有细菌的EPSPS,也称CP4。CP4酶是从农杆菌(Agrobacterium sp.)中分离出来的,它对草甘膦不敏感(如表1)。CP4-EPSPS的基质和草甘膦键合区与绝大多数植物中发现的敏感EPSPS的基质和草甘膦键合区相同。总的来说,CP4-EPSPS蛋白中50.1%与土生玉米EPSPS相似,只有23.3%完全相同。这就建议:由于草甘膦/PEP键合区外那些氨基酸序列的改变造成结构的变化,从而使草甘膦的键合作用被排除在外。由表1可见,CP4-EPSPS对PEP具有很高的亲和力,从而对草甘膦产生很高的抗性。结果表明可以用CP4-EPSPS导入法越过内源EPSPS体系,从而使莽草酸途径正常进行。CP4-EPSPS酶几乎用于目前所有上市的耐草甘膦作物。

    表1  选择的EPSPS酶的动力学特性

酶源

Km(PEP)/μM

Ki(草甘膦)/μM

Ki/Km

矮牵牛(野生型)

5.0

0.4

0.08

理论情况

15

15000

100

G101A

210

2000

9.5

T1021/P106S

10.6

58

5.5

P106S

17

1

0.06

农杆菌sp CP4

12

2720

127

    2  现状

    耐草甘膦大豆1996年首先在美国开发,商品名为Roundup Ready,它很可能已经成为动摇美国选择性除草剂市场影响力最大的产品。早在1985年,美国大豆除草剂市场由氰胺公司的咪唑啉酮类除草剂统治,当时的市场霸主Pursuit(咪草烟)使用面积占美国大豆种植面积的86%。时隔10年,由于耐农达大豆的入市,草甘膦在美国大豆田的使用面积不断扩大。2004年草甘膦防治面积占美国大豆面积的近90%,而咪草烟仅代表了3%的份额,甚至在大豆田最广泛使用的5大除草剂中也找不到咪草烟的踪影。

    2004年,在美国种植的大豆中,85%为耐除草剂品种,而耐除草剂棉花占美国棉花总面积的60%,耐除草剂玉米所占比例为18%。表2列出了2003年全球耐除草剂作物的种植面积,以及它们在GM作物总面积中占有的份额。2003年,在阿根廷所种植的大豆中,98%为耐草甘膦大豆,拥有同样技术的大豆在巴西的种植面积高达300万hm2。2003年,全球耐除草剂大豆种植面积在4 100万hm2以上,代表了当年所有转基因作物种植面积的61%。2003年种植的其它耐除草剂作物包括玉米、棉花和油菜,其种植面积分别为500万hm2、400万hm2和250万hm2。而且,这些种植的转基因作物中绝大多数为耐草甘膦作物。从耐草甘膦作物引入市场以来,其被接受的速度非常惊人。人们对转基因棉花和油菜的接受速度也和转基因大豆一样快。

    表2  2003年耐除草剂作物面积及其在GM作物总种植面积中所占百分比

作物

面积/hm2

GM作物种植面积的百分比/%

耐除草剂大豆

41.4×106

61

耐除草剂五米

6.4×106*

10

耐除草剂棉花

4.1×106*

6

耐除草剂油菜

3.6×106*

5

    *:该数值可能包括Bt/耐除草剂作物的面积。

    经济效益、杂草防除方式的有效改变以及出口市场的畅通都在耐除草剂技术的发展速度中起着很重要的作用。在决定耐草甘膦大豆推广速度中,经济和便利很可能起着更重要的作用;与现有的技术相比,超级杂草的防治可能对棉花和油菜影响更大。玉米种植者可能面对几种具竞争力和经济优势的杂草治理新方式,但对其接受程度可能要低于大豆、棉花和油菜。最近欧盟批准进口孟山都公司的耐草甘膦玉米NK603用于食品和饲料,这项决定立即生效,有效期10年。这项决定给孟山都公司一个希望的信号,欧洲共同体及其成员国将慎重考虑终止延缓批准生物技术的决定。叩开欧盟坚实的大门无疑会加速抗草甘膦玉米的推广速度。

    转基因技术的快速普及有几大驱动因素,经济利益、生产效率、使用灵活以及保土耕作的发展已成为耐草甘膦作物在市场上成功开发的主要原因。市场研究资料表明,2002年大豆杂草治理费用与1996年相比,每英亩下降幅度高达10美元。这些数据是按照恒定汇率的美元计,且只计算了种子和杂草化除费用,而没有计算生产过程中可能节省的费用。保土耕作技术的推广降低了油耗,降低了农机投资,减少了表面土壤流失,提高了水的使用率,并且提高了土壤中有机质的含量。由于现有生产技术的范围影响,很难精确计算费用情况。如果农业生产完全转变为免耕生产,单油耗一项,每公顷可节省多达53L。如果保土耕作技术广泛推广的话,油耗费用、劳动力费用以及设备费用都将大幅度降低。另一个值得一提的是:作物行间距有缩小的趋势。草甘膦作为一种大豆田“非作物”广谱除草剂,它的使用可以免去为了除草而进行的耕作需要,从而可以使农民将种植大豆的行间距从76cm缩小到33 cm 或更小的程度。行间距的缩小使作物的顶冠更快地闭合,从而使作物与杂草的竞争力提高,对杂草防治起到辅助作用。

    根据农业生物技术应用国际服务组织(ISAAA)估计:2004年全球转基因(GM)作物种植面积增长19.6%,为8100万hm2(2亿英亩),较上年增加1330万hm2,其面积增加值在转基因种植史上位居第2位,1998年转基因作物种植面积同比增加1 680万hm2,为历史增长最高记录。从1996年种植GM作物以来,每年的种植面积以两位数的百分比增长。2004年,全球发展中国家种植的GM作物占全球GM作物的1/3以上(34%)。发展中国家GM作物种植面积增加值(720万hm2)首次超过了工业化国家(增加值为610万hm2)。2002-2003年间,所有转基因作物的增长速度情况为:发展中国家(440万hm2)与工业化国家(460万hm2)水平相当。5个主要发展中国家(中国、印度、阿根廷、巴西和南非)增加的GM作物面积反映了GM作物被按受和采用的重要趋势。2004年,一共有11个发展中国家和6个发达国家种植GM作物。由于更广泛的国家采用这项技术,所以全球GM作物的发展更加均衡。2004年,有14个国家GM作物的种植面积超过5万hm2,而2003年为10个国家。去年有巴拉圭、西班牙、墨西哥和菲律宾加盟GM作物种植行列。虽然,转基因作物在工业化国家推广很快,但在为数不多的发达国家才刚刚起步,表3列出了当前全球转基因作物种植情况,其中的大部分为耐除草剂作物。

    表3  2003-2004年各国转基因作物的种植面积

国家

2003年面积/hm2

所占百分比/%

2004年面积/hm2

2004年较2003年涨跌幅/%

美国

42.8×106

63

47.6×106

+11.2

阿根廷

13.9×106

21

16.2×106

+16.5

加拿大

4.4×106

6

5.4×106

+22.7

巴西

3.0×106

4

5.0×106

+66

中国

2.8×106

4

3.7×106

+32.1

南非

0.4×106

1

0.5×106

+25.0

澳大利亚

0.1×106

<1

0.2×106

+100

印度

0.1×106

<1

0.5×106

>100

罗马尼亚

<0.1×106

<1

0.1×106

-

乌拉圭

<0.1×106

<1

0.3×106

>100

西班牙

<0.1×106

<1

0.1×106

-

墨西哥

<0.1×106

<1

0.1×106

-

菲律宾

<0.1×106

<1

0.1×106

-

哥伦比亚

<0.1×106

<1

<0.1×106

-

保加利亚

<0.1×106

<1

 

 

洪都拉斯

<0.1×106

<1

<0.1×106

-

德国

<0.1×106

<1

<0.1×106

-

印度尼西亚

<0.1×106

<1

 

 

总计

67.7×106

100

81.0×106

+19.6

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