轉(zhuǎn)基因逃逸及其潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

轉(zhuǎn)基因逃逸及其潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

著名的遺傳和進(jìn)化人類學(xué)家杜比扎希爾曾經(jīng)這樣說過：“沒有進(jìn)化的指導(dǎo)，任何生物問題都無法正確解釋。”中國(guó)著名的遺傳學(xué)者朱立勛也總結(jié)道：“進(jìn)化是生物學(xué)的核心問題”。兩位生物學(xué)巨人對(duì)進(jìn)化論的評(píng)價(jià),充分體現(xiàn)了進(jìn)化思想在生物學(xué)研究中的重要地位和深刻影響。今年正值進(jìn)化論的創(chuàng)始人達(dá)爾文誕辰200周年以及他的巨著《物種起源》發(fā)表150周年紀(jì)念,回顧達(dá)爾文的進(jìn)化理論和進(jìn)化思想將有助于我們進(jìn)一步正確理解和研究生命科學(xué)中復(fù)雜紛紜的現(xiàn)象和問題,并為解開這些問題的奧秘奠定正確的研究方向。達(dá)爾文在《物種起源》一書中提到了兩個(gè)主要觀點(diǎn):(1)物種不斷進(jìn)化和不斷改進(jìn)自身以適應(yīng)周圍的環(huán)境;(2)自然選擇是新物種形成的關(guān)鍵機(jī)制,即所謂“物競(jìng)天擇、適者生存”。生物的遺傳和變異為適應(yīng)性進(jìn)化和新物種形成創(chuàng)造了基本條件,群體中的有益或有害遺傳變異在自然選擇作用下被保留(生存)或淘汰(死亡),這一過程導(dǎo)致了生物進(jìn)化,當(dāng)這一過程不斷發(fā)展和積累,就會(huì)對(duì)群體產(chǎn)生明顯影響進(jìn)而帶來不同程度的環(huán)境和社會(huì)后果。自然選擇理論科學(xué)地解釋了生物的進(jìn)化,也解釋了自然界的奧妙,許多與生命科學(xué)相關(guān)的問題,例如生物多樣性形成、維持和喪失,物種瀕危和滅絕、疾病的流行爆發(fā)以及轉(zhuǎn)基因的環(huán)境生物安全問題等,都可以在進(jìn)化論的思想指導(dǎo)下進(jìn)行研究并找到答案。根據(jù)Dobzhansky的解釋:“生物進(jìn)化是由生物與其生存環(huán)境之間相互作用的變化而導(dǎo)致生物群體的部分或整體遺傳組成發(fā)生的一系列不可逆的改變”(Dobzhanskyetal.,1977)。按照生物進(jìn)化的時(shí)間和空間尺度,我們可以研究發(fā)生在物種和物種以上水平的系統(tǒng)進(jìn)化過程,即宏觀進(jìn)化(macroevolution),也可以研究發(fā)生在物種以下水平的群體進(jìn)化事件,即微觀進(jìn)化(microevolution)(Simpson,1944)。微觀進(jìn)化主要研究在較小時(shí)間和空間尺度上群體的基因或基因型頻率的動(dòng)態(tài)變化、分布式樣以及由此而產(chǎn)生的進(jìn)化后果。根據(jù)現(xiàn)代進(jìn)化論的思想,自然選擇對(duì)微觀水平上的進(jìn)化發(fā)生作用必須滿足以下3個(gè)條件:(1)群體內(nèi)存在變異并且這些變異可以產(chǎn)生具有不同基因型的個(gè)體;(2)這些變異將影響個(gè)體的表現(xiàn)型,并對(duì)不同個(gè)體的適合度帶來一定的影響;(3)不同基因型的個(gè)體在不同的環(huán)境條件下表現(xiàn)出一定的適合度差異。這里用“適合度”這一概念來衡量包含特定基因型的個(gè)體或群體在不同環(huán)境下的適應(yīng)程度,可以定義為具有特定基因型個(gè)體的相對(duì)繁殖成功率(相對(duì)優(yōu)勢(shì))或具有該基因型的個(gè)體對(duì)群體基因庫(kù)的相對(duì)貢獻(xiàn)程度(Stewartetal.,2003)。雖然適合度是以包含特定基因型的個(gè)體為描述對(duì)象的,但個(gè)體中能提高適合度的基因也會(huì)隨著個(gè)體一同受到自然選擇。換言之,在特定生態(tài)環(huán)境條件下,適合度越高的個(gè)體或基因,其繁衍自身的能力也越強(qiáng),造成系統(tǒng)內(nèi)變化甚至失衡的可能性就越高,由此而帶來的環(huán)境后果也就越明顯。本文將以進(jìn)化的理論和思想為指導(dǎo),討論轉(zhuǎn)基因植物的外源基因逃逸及其可能帶來的環(huán)境生物安全問題,并以此為轉(zhuǎn)基因的環(huán)境生物安全評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。1以基因?yàn)橐劳袆?chuàng)造遺傳變異,進(jìn)行基因轉(zhuǎn)染進(jìn)化論對(duì)科學(xué)研究的許多領(lǐng)域都產(chǎn)生了極其深刻的影響,其中獲益最大的領(lǐng)域是動(dòng)植物的遺傳改良,以至于有學(xué)者將野生物種的馴化和遺傳育種稱為“超級(jí)進(jìn)化”(Vaughanetal.,2007)。育種學(xué)家通過各種方法(如有性雜交、輻射和化學(xué)誘變、染色體操縱和生物工程等)創(chuàng)造遺傳變異,并通過人工和自然的共同選擇將符合人類需求和育種目標(biāo)的有利遺傳變異保留下來,進(jìn)一步繁殖培育成新品種。因此,創(chuàng)造遺傳變異始終是遺傳育種的核心問題。隨著現(xiàn)代遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和生物技術(shù)的不斷發(fā)展,人類創(chuàng)造遺傳變異的能力已經(jīng)從獨(dú)立王國(guó)逐漸進(jìn)入了自由王國(guó),其中一個(gè)成功的跨越就是利用轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)來創(chuàng)造遺傳變異并改良動(dòng)物、植物和微生物,從而創(chuàng)造新品種。轉(zhuǎn)基因技術(shù)不僅可以更高效和有目標(biāo)地改良品種,而且還可以打破物種間有性生殖隔離的界限,在任意生物種類之間進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移,從而無限地?cái)U(kuò)大了可利用的遺傳變異來源,這對(duì)生物的遺傳改良產(chǎn)生了劃時(shí)代的影響。自1995年第一例轉(zhuǎn)基因西紅柿進(jìn)入商品化生產(chǎn)以來,轉(zhuǎn)基因植物的種植面積在全球迅速增加,截至2008年底,全球轉(zhuǎn)基因植物的商品化種植面積已經(jīng)超過了1.25億公頃,所帶來的經(jīng)濟(jì)效益也超過440億美元(James,2008)。這充分表明轉(zhuǎn)基因技術(shù)在提高全球糧食生產(chǎn)效率和改善農(nóng)作物品質(zhì)等方面都有巨大的優(yōu)勢(shì)。然而,作為生命科學(xué)中一個(gè)迅速發(fā)展的新領(lǐng)域,轉(zhuǎn)基因技術(shù)及其產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用也引發(fā)了全世界對(duì)其潛在的生物安全問題的廣泛討論和關(guān)注(Conneretal.,2003)。1.1第二,推動(dòng)基因生物環(huán)境安全的研究和管理按照聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO,2002)的定義,轉(zhuǎn)基因的生物安全是指:“在生物技術(shù)的應(yīng)用以及轉(zhuǎn)基因植物和其他生物尤其是微生物的環(huán)境釋放過程中可能對(duì)植物遺傳資源、動(dòng)物和植物、人類健康以及環(huán)境帶來的負(fù)面影響(/ag/cgrfa/cgrfa9/r9w18ae.pdf)”。按照近年來全球生物安全的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì),生物安全所涉及的領(lǐng)域主要包括以下幾個(gè)方面:(1)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的食用安全和有關(guān)健康方面的問題;(2)轉(zhuǎn)基因生物的環(huán)境釋放所帶來的環(huán)境和生態(tài)方面的生物安全問題;(3)與轉(zhuǎn)基因技術(shù)或產(chǎn)品相關(guān)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和倫理問題;(4)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)以及產(chǎn)品中轉(zhuǎn)基因的檢測(cè)和鑒定;(5)轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)產(chǎn)品的公眾接受程度以及有關(guān)生物安全的公眾認(rèn)知和教育;(6)與轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)及其產(chǎn)品商品化應(yīng)用和生物安全評(píng)價(jià)、管理相關(guān)的法律和法規(guī);(7)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的生物安全評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)和管理體系(Lu,2008;盧寶榮等,2008)。轉(zhuǎn)基因生物的大規(guī)模環(huán)境釋放及其可能帶來的環(huán)境生物安全問題是目前全球最受關(guān)注和爭(zhēng)議的領(lǐng)域之一。由于環(huán)境生物安全所涉及的地域和范圍寬廣,受影響的因素眾多,而且這些因素相互聯(lián)系,產(chǎn)生的后果在時(shí)間尺度上影響可能比較久遠(yuǎn)而且對(duì)環(huán)境生物安全產(chǎn)生的影響很難進(jìn)行嚴(yán)格的界定,因此,對(duì)轉(zhuǎn)基因生物環(huán)境安全的評(píng)價(jià)、研究及有效管理都具有很大的難度。目前,全球?qū)D(zhuǎn)基因植物的環(huán)境生物安全比較有共識(shí)的問題主要包括以下幾個(gè)方面:(1)轉(zhuǎn)基因向非轉(zhuǎn)基因栽培植物及其野生近緣種逃逸以及由此而產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(Ellstrand,2003;Messeguer,2003;Lu&Snow,2005;Merceretal.,2007);(2)抗蟲或抗病轉(zhuǎn)基因?qū)Ψ前袠?biāo)生物的影響(O’Callaghan,2005;Oliveiraetal.2007);(3)轉(zhuǎn)基因植物對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)以及系統(tǒng)外生物多樣性的影響(Conneretal.,2003;Ammann2005);(4)轉(zhuǎn)基因植物長(zhǎng)期和大規(guī)模種植對(duì)土壤生物(包括微生物)群落的影響(Wuetal.,2003;Giovannettietal.,2005;Oliveiraetal.,2007);(5)抗蟲和抗病轉(zhuǎn)基因植物的長(zhǎng)期種植導(dǎo)致靶標(biāo)生物對(duì)轉(zhuǎn)基因的抗性進(jìn)化(Batesetal.,2005;Daleckyetal.2007;Lietal.,2007;Wu,2007)。雖然上述各方面僅包括目前倍受人們關(guān)注的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的一部分,但已涉及了生命科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域。本文僅以外源基因逃逸及其潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為案例,分析如何用進(jìn)化論的思想為指導(dǎo)來分析其中的科學(xué)問題,探索各問題之間的關(guān)系和變化規(guī)律從而為轉(zhuǎn)基因逃逸及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)鎖定研究方向,為相關(guān)的轉(zhuǎn)基因環(huán)境生物安全評(píng)價(jià)和管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)平臺(tái)。1.2緣種和雜草類型之間的基因漂浮和遺傳物質(zhì)的交換轉(zhuǎn)基因逃逸是指轉(zhuǎn)基因植物中的外源基因通過基因漂移(或天然雜交)轉(zhuǎn)移到植物的非轉(zhuǎn)基因品種或其野生近緣種(包括雜草種類)的現(xiàn)象。根據(jù)轉(zhuǎn)基因逃逸對(duì)象的不同,可以將其劃分為外源基因從轉(zhuǎn)基因作物向其非轉(zhuǎn)基因作物(crop-to-crop)、向野生近緣種(crop-to-wild)和向同一物種的雜草類型(crop-to-weed)的逃逸(Lu&Snow,2005;Lu,2008)。栽培作物品種之間、作物與其野生近緣種之間以及作物和作物同種雜草類型之間的基因漂移和遺傳物質(zhì)的交換非常頻繁和廣泛,這是植物和農(nóng)作物進(jìn)化過程中的自然現(xiàn)象,已經(jīng)在作物及其野生近緣種的進(jìn)化歷程中存在了數(shù)千年(Ellstrandetal.,1999)。因此,轉(zhuǎn)基因完全能夠通過基因漂移逃逸到非轉(zhuǎn)基因作物品種以及作物的野生近緣種或雜草群體中,并通過遺傳漸滲在野生近緣種的群體中存留或進(jìn)一步擴(kuò)散,進(jìn)而帶來環(huán)境生物安全問題。由于轉(zhuǎn)基因逃逸的對(duì)象不同,帶來環(huán)境生物安全問題的性質(zhì)也不一樣,因此,非常有必要對(duì)轉(zhuǎn)基因漂移與轉(zhuǎn)基因逃逸之間的關(guān)系以及不同類型轉(zhuǎn)基因逃逸而帶來的潛在生物安全問題進(jìn)行探討。1.2.1菌株間的基因漂浮基因漂移在進(jìn)化生物學(xué)和群體遺傳學(xué)中又被稱為基因流(geneflow),是生物進(jìn)化的一個(gè)重要過程和非常普遍的自然現(xiàn)象。按照進(jìn)化生物學(xué)的定義,基因流是指遺傳物質(zhì)(一個(gè)或多個(gè)基因)從某一個(gè)生物群體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)群體的過程(Hartl&Clark,1988)。理論上有兩種不同類型的基因漂移:即通常意義上的基因漂移和基因水平轉(zhuǎn)移(horizontalgenetransfer),前者指通過有性雜交的方式使基因在同一物種的群體之間或可進(jìn)行交配的近緣種之間轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象,而后者則是指通過非有性生殖的方式(如細(xì)胞之間的接觸和感染)使基因在不同物種個(gè)體之間轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。由于基因水平轉(zhuǎn)移大多發(fā)生在低等生物(如細(xì)菌),而且頻率極低,目前還沒有充分的證據(jù)表明它會(huì)帶來環(huán)境生物安全問題,因此本文將主要討論有性雜交過程所導(dǎo)致的基因漂移。按照漂移媒介不同,廣義的基因漂移可以分為花粉介導(dǎo)、種子介導(dǎo)以及無性繁殖器官介導(dǎo)的基因漂移(Lu,2008)?；ǚ劢閷?dǎo)的基因漂移是指通過花粉傳播或有性雜交的方式造成群體中不同個(gè)體的遺傳物質(zhì)交換,而種子或無性繁殖器官介導(dǎo)的基因漂移是指通過種子或無性繁殖器官的擴(kuò)散和傳播而造成群體中個(gè)體之間的交換,不涉及有性雜交過程。本文集中討論花粉介導(dǎo)的基因漂移及其導(dǎo)致的轉(zhuǎn)基因逃逸和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)?；ǚ劢閷?dǎo)的基因漂移廣泛存在于具有雜交親合性的植物種類之間,包括同一物種不同群體和不同物種之間的基因漂移。如果這些物種和群體在地理空間上具有重疊分布區(qū),而且相鄰生長(zhǎng),在物候?qū)W上又有相同或重疊的開花期和開花時(shí)間,那么這些物種之間很可能發(fā)生花粉介導(dǎo)的基因漂移(Lueal.,2003)?；蚱剖请p向的,既可以由栽培植物向野生近緣種進(jìn)行,也可以由野生近緣種向栽培物種進(jìn)行(圖1),但無論是哪一種情況發(fā)生,都可以導(dǎo)致外源轉(zhuǎn)基因的逃逸?；蚱频姆较蚣捌漕l率在不同的物種之間有很大的差異,這在很大程度上取決于花粉供體的花粉產(chǎn)量、花粉受體的異交率、不同物種之間的雜交親和性以及花粉競(jìng)爭(zhēng)能力等(Songetal.,2002,2004a;Lu,2008;Rongetal.2009)。上述基因漂移的例子可以在許多栽培植物及其野生近緣種(包括雜草類型)中發(fā)現(xiàn),表明花粉介導(dǎo)的作物-野生種基因漂移十分普遍(Jenczenwskieal.,2002;Ellstrand,2003;Luetal.,2003;Chenetal.2004;Heinemann,2007)。關(guān)于基因漂移與轉(zhuǎn)基因逃逸之間的關(guān)系以及基因漂移頻率的確定將在后文中進(jìn)行討論。1.2.2影響基因作用的因素作物-作物轉(zhuǎn)基因逃逸:轉(zhuǎn)基因從轉(zhuǎn)基因作物向非轉(zhuǎn)基因作物逃逸的后果主要是造成非轉(zhuǎn)基因作物品種的混雜,進(jìn)而引起國(guó)家和地區(qū)間的貿(mào)易以及法律方面的糾紛。如果轉(zhuǎn)基因逃逸的頻率較高還會(huì)帶來如下一些問題。首先,影響地方土著品種和農(nóng)家傳統(tǒng)品種的遺傳多樣性。轉(zhuǎn)基因逃逸到土著品種(或農(nóng)家品種)后,轉(zhuǎn)基因所編碼的優(yōu)勢(shì)性狀(例如抗蟲、抗病等),會(huì)使含轉(zhuǎn)基因土著品種或農(nóng)家品種的植株或種子在田間受到自然選擇以及農(nóng)民的偏愛,逐漸導(dǎo)致這些轉(zhuǎn)基因植株個(gè)體數(shù)量的增加,致使土著品種的遺傳多樣性逐漸降低,其寶貴種質(zhì)資源逐漸喪失。曾經(jīng)在Nature雜志上報(bào)道過的墨西哥玉米土著品種受到抗蟲Bt轉(zhuǎn)基因“混雜”的問題就引起過廣泛爭(zhēng)議(Quist&Chapela,2001)。其次,轉(zhuǎn)基因向非轉(zhuǎn)基因作物品種逃逸還會(huì)影響某些轉(zhuǎn)基因的作用效果。例如,抗蟲轉(zhuǎn)基因作物的可持續(xù)利用和長(zhǎng)期種植一般需要采取“高劑量與庇護(hù)所”策略,即將轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因作物(庇護(hù)所)按一定的比例和空間模式種植,以延緩靶標(biāo)昆蟲抗性的產(chǎn)生。如果抗蟲轉(zhuǎn)基因作物與非轉(zhuǎn)基因作物間發(fā)生頻繁的基因漂移,就會(huì)使庇護(hù)所中的非轉(zhuǎn)基因作物獲得抗蟲性狀,削弱庇護(hù)所對(duì)靶標(biāo)昆蟲抗性的延緩作用(Heinemann,2007)。作物-野生種轉(zhuǎn)基因逃逸:轉(zhuǎn)基因從轉(zhuǎn)基因作物向其野生近緣種的逃逸則可能是由于雜交-漸滲的遺傳同化(geneticassimilation)過程和湮沒效應(yīng)(demographicswamping)影響了野生群體的遺傳完整性(geneticintegrity),甚至導(dǎo)致野生近緣種群體的局部滅絕,從而帶來生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(Andow&Zwahlen,2006;Lu,2008)。尤其是當(dāng)能改變個(gè)體適合度的轉(zhuǎn)基因(如抗蟲、抗逆轉(zhuǎn)基因)向作物的野生近緣種發(fā)生逃逸,會(huì)引起以下后果:如果逃逸的轉(zhuǎn)基因具有明顯的適合度優(yōu)勢(shì),攜帶該轉(zhuǎn)基因的個(gè)體將通過遺傳漸滲在野生近緣種群體中迅速擴(kuò)散,尤其是攜帶具有特殊性狀(如抗旱抗逆)轉(zhuǎn)基因的野生個(gè)體,由于具有自然選擇優(yōu)勢(shì)和較強(qiáng)的生存競(jìng)爭(zhēng)和入侵能力,一旦進(jìn)入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可能會(huì)成為新型雜草。另外,這些攜帶轉(zhuǎn)基因的個(gè)體可能逐漸取代群體中的其他個(gè)體,導(dǎo)致野生近緣種群體遺傳多樣性的下降甚至喪失。如果逃逸的轉(zhuǎn)基因具有明顯的適合度劣勢(shì),攜帶轉(zhuǎn)基因的個(gè)體將會(huì)由于競(jìng)爭(zhēng)而被群體中的其他個(gè)體所淘汰,當(dāng)這些劣勢(shì)轉(zhuǎn)基因不斷通過循環(huán)性基因漂移(recurrentgeneflow)逃逸到野生近緣種群體,該群體就會(huì)逐漸遭到淘汰和消亡。作物-雜草類型轉(zhuǎn)基因逃逸:轉(zhuǎn)基因從轉(zhuǎn)基因作物向同一物種的雜草類型(如雜草稻和雜草型油菜)逃逸,轉(zhuǎn)基因帶來的適合度優(yōu)勢(shì)則可能增強(qiáng)該雜草類型的入侵和競(jìng)爭(zhēng)能力,增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中雜草治理的難度。如果該雜草獲得具有特殊抗性的轉(zhuǎn)基因(如抗旱和耐寒轉(zhuǎn)基因),將會(huì)具有更強(qiáng)和更廣泛的適應(yīng)能力和擴(kuò)散能力,帶來更嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。另外,抗除草劑的轉(zhuǎn)基因一旦逃逸到雜草群體中,會(huì)增加用除草劑控制雜草的難度。例如,在加拿大已經(jīng)發(fā)現(xiàn)同時(shí)包含三種抗除草劑轉(zhuǎn)基因的雜草型油菜,其原因就是甘藍(lán)型轉(zhuǎn)基因油菜中的三種不同抗除草劑基因逃逸和疊加到雜草型油菜中(Halletal.,2000)。2雜交-漸滲的進(jìn)化理論廣義的雜交(或天然雜交)可以理解為植物物種或群體中任何有遺傳差異的個(gè)體之間通過傳粉受精產(chǎn)生后代(雜種)的過程;漸滲(或遺傳漸滲)則可以定義為基因或遺傳物質(zhì)通過群體中的雜種個(gè)體與親本個(gè)體之間的回交而不斷在群體內(nèi)轉(zhuǎn)移的過程。雜交的過程往往導(dǎo)致基因從一個(gè)物種或群體向另一個(gè)物種或群體轉(zhuǎn)移;而漸滲過程往往導(dǎo)致群體內(nèi)基因的不斷擴(kuò)散?；ǚ劢閷?dǎo)的基因漂移與有性雜交幾乎是同義詞,而轉(zhuǎn)基因逃逸的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)也在很大程度上取決于轉(zhuǎn)基因是否能夠通過有性雜交逃逸到野生群體,并通過遺傳漸滲在野生群體中不斷擴(kuò)散。因此,雜交-漸滲的進(jìn)化理論可以很好地指導(dǎo)轉(zhuǎn)基因逃逸及其潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的研究和預(yù)測(cè)體系的建立。通常,轉(zhuǎn)基因植物的外源基因通過天然雜交逃逸到植物野生近緣種必須包括兩個(gè)重要的步驟:(1)轉(zhuǎn)基因通過基因漂移(或天然雜交)逃逸到野生近緣種的群體中;(2)轉(zhuǎn)基因通過遺傳漸滲在野生近緣種群體中存留和擴(kuò)散。如果逃逸的轉(zhuǎn)基因能在野生近緣種群體中正常表達(dá),而且能給野生近緣種的個(gè)體帶來一定的適合度優(yōu)勢(shì),那么轉(zhuǎn)基因便可以通過遺傳漸滲在野生近緣種的群體中迅速擴(kuò)散;當(dāng)群體中攜帶轉(zhuǎn)基因的個(gè)體累積到一定頻率,就會(huì)對(duì)野生近緣種的種群動(dòng)態(tài)和和進(jìn)化過程產(chǎn)生明顯影響(例如形成入侵能力很強(qiáng)的雜草等),進(jìn)而帶來一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。這一過程與研究雜交-漸滲中確定雜交頻率以及遺傳漸滲導(dǎo)致的適應(yīng)性進(jìn)化和物種形成的內(nèi)容非常相似。因此,利用雜交-漸滲的進(jìn)化理論來指導(dǎo)轉(zhuǎn)基因逃逸及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究,不僅可以利用已有的進(jìn)化理論來解釋許多生態(tài)學(xué)現(xiàn)象(如種群的入侵和滅絕),而且也可以為雜交-漸滲的研究提供新材料和新方法。因?yàn)檠芯恳粋€(gè)全新的轉(zhuǎn)基因通過雜交-漸滲進(jìn)入植物自然群體之后,如何在不同的環(huán)境條件下影響植物群體的群體動(dòng)態(tài)、生存競(jìng)爭(zhēng)能力、入侵能力以及進(jìn)化潛力,可以極大地豐富雜交-漸滲理論的內(nèi)涵。2.1雜交-漸滲的促進(jìn)作用雜交-漸滲是自然界生物種群在微觀水平上進(jìn)化最常見的過程之一,在群體進(jìn)化過程中發(fā)揮著非常重要的作用(Stewartetal.,2003)。雜交-漸滲的進(jìn)化意義主要包括以下幾個(gè)方面:(1)群體內(nèi)遺傳多樣性的產(chǎn)生與維持;(2)適應(yīng)性進(jìn)化的產(chǎn)生及其在群體中的轉(zhuǎn)移;(3)物種或群體中新生態(tài)型或新物種的形成;(4)群體間原有的遺傳隔離被打破;(5)對(duì)物種傳播和定居的促進(jìn)(Stewartetal.,2003;Campbelletal.,2006)。由此可見,基因可以通過雜交-漸滲從一個(gè)群體融入另外一個(gè)群體,并在該群體中存留和擴(kuò)散。雜交-漸滲最顯著的進(jìn)化意義則是在不同的環(huán)境條件下導(dǎo)致適應(yīng)性進(jìn)化的產(chǎn)生,提高并維持物種或群體中遺傳多樣性的水平以及促進(jìn)群體中新類型的形成。雜交-漸滲對(duì)物種或群體進(jìn)化的促進(jìn)作用主要包括以下幾個(gè)方面:(1)對(duì)自然群體的遺傳同化作用;(2)對(duì)自然群體的湮沒效應(yīng);(3)對(duì)自然群體的選擇性剔除(selectivesweep)效應(yīng)。這些效應(yīng)均會(huì)導(dǎo)致野生自然群體及其動(dòng)態(tài)發(fā)生明顯的改變。以栽培作物及其野生近緣種群體為例,通過基因漂移或天然雜交,大量的作物基因可以轉(zhuǎn)移到野生種群體,并通過遺傳同化作用而不斷取代野生種的等位基因,導(dǎo)致群體中遺傳多樣性的逐漸降低甚至喪失(Wolfetal.,2001;Andow&Zwahlen,2006)。當(dāng)作物不斷向野生群體進(jìn)行循環(huán)性基因漂移,遺傳同化作用將更為顯著,對(duì)野生群體遺傳多樣性的改變也就更劇烈。群體的湮沒效應(yīng)表現(xiàn)為當(dāng)作物與其野生近緣種雜交后代的適合度低于其野生親本時(shí),連續(xù)的雜交和漸滲過程就導(dǎo)致該野生群體的規(guī)模逐漸變小,甚至威脅到該野生群體的生存(Ellstrand&Elam,1993;Levin&Smith,1996;Andow&Zwahlen,2006)。選擇性剔除效應(yīng)則是指重組到野生近緣種群體基因組上的作物基因及其相連鎖的其他基因,在自然界中負(fù)向選擇(negativeselection)的作用下,遺傳多樣性在基因組水平上下降或被剔除的現(xiàn)象(Wangetal.,1999;Palaisaetal.,2004;Lu,2008)。無論是上述哪一種效應(yīng),都與逃逸到野生群體基因所帶來的適合度有密切關(guān)系。具有適合度優(yōu)勢(shì)的作物基因會(huì)迅速替代群體中的野生型基因,降低野生種群體的遺傳多樣性或提高入侵能力,從而導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的雜草危害(Ellstrandetal.,1999;Andow&Zwahlen,2006)。來自栽培植物的基因(無論是否屬于轉(zhuǎn)基因)通過天然有性雜交(或基因漂移)進(jìn)入野生近緣種的群體,并且通過遺傳漸滲在野生群體內(nèi)或群體間進(jìn)行擴(kuò)散,會(huì)改變野生群體的生存能力和入侵能力,進(jìn)一步導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因此,我們必須明確這樣一個(gè)概念:轉(zhuǎn)基因逃逸導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的過程,也就是轉(zhuǎn)基因通過作物向其野生近緣種或雜草類型進(jìn)行雜交-漸滲的過程。2.2第二,流轉(zhuǎn)逃逸頻率及干擾因素導(dǎo)致基因方案設(shè)計(jì)或者投資方是野生近緣種或雜草群體的多樣性,導(dǎo)致群體和優(yōu)勢(shì)種雜交的經(jīng)典定義是不同物種或群體的個(gè)體之間發(fā)生交配和受精的過程(Harrison,1990)。但是現(xiàn)代生物學(xué)對(duì)雜交的定義更為廣泛,即任何具有明顯遺傳差異的個(gè)體之間產(chǎn)生交配和受精的過程(Rieseberg&Carney,1998)。雜交的結(jié)果將導(dǎo)致基因在個(gè)體之間、群體之間以及物種之間不可逆轉(zhuǎn)的流動(dòng)或轉(zhuǎn)移。在植物中,花粉介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因逃逸是通過轉(zhuǎn)基因植物與非轉(zhuǎn)基因的植物品種以及野生近緣種之間的自然雜交來實(shí)現(xiàn)的。但是轉(zhuǎn)基因逃逸到野生近緣種或雜草群體后能否帶來生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),在很大程度上取決于以下兩方面的因素。第一,轉(zhuǎn)基因逃逸頻率的高低。大量轉(zhuǎn)基因不斷通過雜交轉(zhuǎn)移到野生近緣種群體會(huì)產(chǎn)生所謂的湮沒效應(yīng),使單一基因型取代群體中的多基因型或遺傳完整性,進(jìn)而導(dǎo)致群體遺傳多樣性的喪失(Kiangetal.,1979),潛在風(fēng)險(xiǎn)加大。第二,轉(zhuǎn)基因是否會(huì)改變野生近緣種或雜草群體的適合度。適合度決定轉(zhuǎn)基因在野生或雜草群體中的遺傳漸滲和擴(kuò)散速度,如果轉(zhuǎn)基因能為野生和雜草個(gè)體帶來明顯的適合度優(yōu)勢(shì),即使其逃逸的頻率很低,也會(huì)在群體中快速地?cái)U(kuò)散開來。因此,研究轉(zhuǎn)基因逃逸及其潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵在于研究相關(guān)植物的自然雜交以及繁殖生物學(xué)基礎(chǔ)。天然雜交的成功與否和雜交頻率的高低,在很大程度上取決于一系列生物學(xué)和物候?qū)W因素。從生物學(xué)的因素來看,植物個(gè)體之間天然雜交受其交配系統(tǒng)、異交率、雜交親和性以及花粉競(jìng)爭(zhēng)等的影響。如果相關(guān)植物屬于異花傳粉植物,花粉量很大,異交率較高,而且植物個(gè)體之間的雜交親和力很強(qiáng),花粉受體和供體之間不存在明顯的花粉競(jìng)爭(zhēng)和授粉選擇,那么天然雜交很容易發(fā)生,花粉介導(dǎo)的基因很容易逃逸到野生近緣種和雜草群體中去(Rieseberg&Carney,1998)。反之,如果是嚴(yán)格的自花授粉植物,花粉量很小,天然雜交較少發(fā)生,而由花粉介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因逃逸也就較少發(fā)生。例如像水稻和大豆這樣的嚴(yán)格自交植物,轉(zhuǎn)基因逃逸的頻率就相對(duì)較低(Songetal.,2003;Chenetal.,2004;Rongetal.,2005;Mizugutietal.,2009)。從非生物學(xué)的因素來看,天然雜交是否發(fā)生以及雜交頻率的高低也要受植物群體的空間分布(至少在花粉介導(dǎo)的基因漂移范圍之內(nèi)),可雜交群體之間的開花期(一年之內(nèi))和開花時(shí)(一天之內(nèi))是否有重疊,傳粉的媒介是否存在,以及風(fēng)力、風(fēng)速、日照和空氣濕度等物候?qū)W因素的影響。因此,轉(zhuǎn)基因逃逸及其頻率的確定是非常復(fù)雜的過程。2.3外來基因的傳播和擴(kuò)散遺傳漸滲是物種形成和適應(yīng)性進(jìn)化的一個(gè)非常重要的過程(Rieseberg&Carney,1998)。漸滲的傳統(tǒng)定義是通過回交導(dǎo)致雜種中的基因在不同物種和群體之間進(jìn)行傳遞的過程,即某物種或群體中個(gè)體的任何基因一旦通過雜交而轉(zhuǎn)移到另一群體的個(gè)體中,通常認(rèn)為必須有回交過程才可能導(dǎo)致漸滲的發(fā)生。雖然現(xiàn)代的廣義遺傳漸滲概念中沒有特別強(qiáng)調(diào)回交作用,但是離開交配和有性生殖的過程,漸滲將無法產(chǎn)生,基因也無法在群體中傳遞和擴(kuò)散。因此,我們可以將漸滲理解為基因通過有性生殖過程在不同生物中或群體之間的傳播和擴(kuò)散過程。以轉(zhuǎn)基因植物的外源基因逃逸為例,外源基因通過花粉介導(dǎo)的基因漂移轉(zhuǎn)移到野生近緣種的群體,并通過遺傳漸滲在野生近緣種的群體中進(jìn)一步傳播和擴(kuò)散,能改變野生近緣種個(gè)體適合度的轉(zhuǎn)基因便能夠影響其在自然群體中的擴(kuò)散和傳播速度,從而導(dǎo)致不同的生態(tài)后果,如形成難以控制的農(nóng)田雜草。一個(gè)外來基因(如轉(zhuǎn)基因)轉(zhuǎn)移到野生群體之后是否能夠成功進(jìn)行遺傳漸滲,要取決于以下幾個(gè)方面的因素。第一,轉(zhuǎn)基因必須通過染色體的配對(duì)和交換重組(整合)到野生物種的遺傳背景中,否則就會(huì)在自然選擇的作用下丟失(Barton&Hewitt,1985)。第二,外來基因所在的基因組與野生物種的基因組之間要有較高的同源性和較高的遺傳重組率,從而保證外來基因整合到野生物種的基因組中。如果外來基因所在的基因組不能與野生物種基因組產(chǎn)生交換,或者即使能產(chǎn)生交換但外來基因由于與不育基因緊密連鎖,遺傳漸滲也很難發(fā)生。第三,由雜交產(chǎn)生的、包含外來基因的雜種個(gè)體或回交個(gè)體必須有較高水平的育性以及正常的生長(zhǎng)繁殖能力,以確保外來基因能夠正常傳遞下去。如果包含外來基因的雜交或回交后代完全不育或育性較低,則外來基因很難通過遺傳漸滲在野生群體中傳遞和擴(kuò)散。在滿足了上述幾個(gè)關(guān)鍵條件之后,外來基因的適合度就成了影響其在野生群體中能否產(chǎn)生遺傳漸滲,以及影響其漸滲和擴(kuò)散速率的另一關(guān)鍵因素。外來基因如果能給攜帶該基因的野生個(gè)體帶來明顯的適合度優(yōu)勢(shì),那么外來基因在群體中漸滲和擴(kuò)散的速度就會(huì)加快,從而對(duì)野生群體的進(jìn)化過程產(chǎn)生顯著影響。2.4道德風(fēng)險(xiǎn)和適合度要對(duì)轉(zhuǎn)基因逃逸的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià),就必須明確轉(zhuǎn)基因逃逸帶來的危害性以及危害發(fā)生的可能性。在自然選擇作用下,適合度越高的基因型或個(gè)體,向后代傳遞自身基因的能力也越強(qiáng)。對(duì)個(gè)體適合度提高作用較大的基因往往在后代群體中的頻率變化也比較快,其基因頻率在群體中固定所需的時(shí)間也較短(Haygoodetal.,2003;Hooftmanetal.,2008)。轉(zhuǎn)基因一旦逃逸到野生近緣種的自然群體中而又能夠帶來較高的適合度利益,則有利于該轉(zhuǎn)基因在野生群體中迅速擴(kuò)散,加速漸滲的遺傳同化和湮沒作用并帶來不可預(yù)測(cè)的生態(tài)后果(Gueritaineetal.,2002;Chenetal.2006)。因此,轉(zhuǎn)基因影響進(jìn)化的潛力越大(即造成個(gè)體適合度變化越大),對(duì)野生種群體或雜草群體帶來的風(fēng)險(xiǎn)也越大。如果轉(zhuǎn)基因能較大程度地影響野生或雜草群體的進(jìn)化潛力,當(dāng)它們向這些群體逃逸時(shí),就會(huì)增大其形成入侵雜草的可能性,從而對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)生危害(Ellstrandetal.,1999;Andow&Zwahlen2006),也可能導(dǎo)致這些雜草入侵新的生態(tài)環(huán)境。而當(dāng)這些能夠影響進(jìn)化潛力的轉(zhuǎn)基因向野生群體逃逸時(shí),含轉(zhuǎn)基因的雜種個(gè)體可能快速擴(kuò)散而取代原來的野生群體,威脅到該野生群體的生存(Ellstrand&Elam,1993;Levinetal.,1996)。因此,評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因逃逸及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)重要方面,就是要考察該轉(zhuǎn)基因可能帶來的進(jìn)化潛力。2.5雜交-漸滲中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)雜交–漸滲包括兩個(gè)重要過程,即外源基因通過有性雜交從一個(gè)植物群體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)群體,外源基因通過遺傳漸滲在植物群體中傳遞和擴(kuò)散。因此,雜交-漸滲研究最關(guān)心的問題是基因通過有性雜交而改變轉(zhuǎn)移的規(guī)模(頻率),基因通過遺傳漸滲在植物群體中擴(kuò)散的速度(速率),影響有性雜交頻率和基因漸滲速率的生物學(xué)、遺傳學(xué)和環(huán)境因素,以及基因如何通過雜交-漸滲最終影響植物群體的進(jìn)化潛力和命運(yùn)。上述問題同時(shí)也是轉(zhuǎn)基因逃逸及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的核心問題。按照風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基本原則,任何風(fēng)險(xiǎn)的大小為相關(guān)事件的危害性(hazard)與發(fā)生這種危險(xiǎn)性事件的概率(exposure)的函數(shù),即風(fēng)險(xiǎn)(%)=危險(xiǎn)性×發(fā)生概率(%)。對(duì)于轉(zhuǎn)基因逃逸及其環(huán)境生態(tài)后果而言,風(fēng)險(xiǎn)則是由轉(zhuǎn)基因逃逸的可能性(發(fā)生概率)和逃逸的轉(zhuǎn)基因是否會(huì)對(duì)環(huán)境有危害以及危害的程度來共同決定。其中轉(zhuǎn)基因逃逸的可能性是由花粉介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因植物向受體植物群體(栽培稻物種或野生近緣種)進(jìn)行基因漂移的頻率來決定;而危害性則是由轉(zhuǎn)基因是否能在野生群體中發(fā)生遺傳漸滲,進(jìn)而改變野生群體進(jìn)化潛力和入侵能力來共同決定。顯然,雜交-漸滲研究和轉(zhuǎn)基因逃逸生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的主要問題在很大程度上具有共同之處。因此對(duì)轉(zhuǎn)基因逃逸及其環(huán)境生物安全的科學(xué)評(píng)價(jià)應(yīng)該以雜交-漸滲的進(jìn)化理論和思想為指導(dǎo),研究外源基因通過轉(zhuǎn)基因植物向野生群體產(chǎn)生基因漂移的頻率,及其在野生群體中的存留和擴(kuò)散速率,對(duì)野生群體進(jìn)化潛力和入侵能力的改變,并在此基礎(chǔ)上對(duì)特定的轉(zhuǎn)基因逃逸帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。3通過實(shí)驗(yàn)和評(píng)估環(huán)境生物安全3.1a.生物多樣性與基因外源基因系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的研究轉(zhuǎn)基因逃逸及其環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的第一步是研究轉(zhuǎn)基因是否通過花粉介導(dǎo)的基因漂移(天然雜交)進(jìn)入作物的近緣野生種或雜草群體。對(duì)全世界13種最重要作物的研究表明,至少有7種作物能與其野生近緣種或雜草類型發(fā)生天然雜交和遺傳漸滲(Ellstrandetal.,1999)。雖然轉(zhuǎn)基因作物的環(huán)境釋放和大規(guī)模商品化種植僅有十余年的歷史(James2008),不少的研究已發(fā)現(xiàn),農(nóng)作物中不同類型的轉(zhuǎn)基因已經(jīng)通過基因漂移或天然雜交逃逸到了野生近緣種或雜草物種的群體中(Halletal.,2000Reichmanetal.,2006;Warwicketal.,2008)。鑒于轉(zhuǎn)基因作物與其野生近緣種之間的基因漂移頻率是決定轉(zhuǎn)基因逃逸及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小的關(guān)鍵,因此轉(zhuǎn)基因逃逸頻率的檢測(cè)是進(jìn)行轉(zhuǎn)基因植物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的首要任務(wù)。轉(zhuǎn)基因逃逸的檢測(cè)大致可以從4個(gè)方面入手(1)研究花粉漂移及其時(shí)空分布,確定轉(zhuǎn)基因逃逸的可能性及其空間范圍(Timmonsetal.,1995;Songeal.,2004a;Pasquetetal.,2008);(2)研究栽培植物與野生近緣種群體間的雜交親和性,探討轉(zhuǎn)基因逃逸的生物學(xué)基礎(chǔ)(Lefoletal.,1996;Loureiroetal.2008;Uretaetal.,2008;Darmencyetal.,2009);(3)借助特殊形態(tài)性狀或分子標(biāo)記,在受控的實(shí)驗(yàn)條件下或自然環(huán)境中研究栽培植物與野生近緣種群體間的異交率,確定基因漂移頻率(Arriola&Ellstrand,1997;Riesebergetal.,1999;Songetal.,2003Chenetal.,2004;Halseyetal,2005;Fordetal.2006;Fenartetal.,2007;Loureiroetal.,2008Devauxetal.,2008);(4)以轉(zhuǎn)基因?yàn)楹Y選標(biāo)記,研究外源基因從轉(zhuǎn)基因作物向其非轉(zhuǎn)基因親本或野生近緣種群體逃逸的頻率(Chenetal.,2004;Messegueretal.,2004;Rongetal.,2005,2007)(表1)。上述各研究表明在不同的實(shí)驗(yàn)條件下,不同物種的基因漂移頻率存在很大差異(Messegueretal.,2003Rongetal.,2007;Mallory-Smith&Zapiola,2008)這與研究對(duì)象的生物學(xué)特性(特別是交配系統(tǒng)、傳粉方式、物種間的親緣關(guān)系、雜交親合性和花粉競(jìng)爭(zhēng)等)以及環(huán)境和物候?qū)W因子有密切的關(guān)系。我們可以依據(jù)這些研究結(jié)果,對(duì)轉(zhuǎn)基因逃逸的風(fēng)險(xiǎn)作出初步判斷。例如,轉(zhuǎn)基因從甘藍(lán)型油菜(Brassicanapus)向野生白菜型油菜(B.rapa)逃逸的風(fēng)險(xiǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于向野生蘿卜(Raphanusraphanistrum)和野芥(Sinapisarvensis)等親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的物種(Warwicketal.2003)。同樣,轉(zhuǎn)基因從栽培稻向普通野生稻逃逸的頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于向雜草稻和非轉(zhuǎn)基因栽培稻的頻率,因?yàn)樵耘嗟九c普通野生稻親緣關(guān)系較近,而且普通野生稻的異交率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于栽培稻和雜草稻(Songetal.,2003;Rongetal.,2004,2005;Wangetal.,2006)。由于影響轉(zhuǎn)基因逃逸的生物學(xué)和環(huán)境因素眾多,近年來越來越多的學(xué)者希望通過建立數(shù)學(xué)模型來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)基因逃逸(Yaoetal.,2008;Darmencyetal.,2009;Richter,2009),使基因漂移的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有更廣泛的應(yīng)用意義。在轉(zhuǎn)基因逃逸的預(yù)測(cè)中,將影響基因漂移的各參數(shù)和影響因子導(dǎo)入模型進(jìn)行分析,可以在更廣泛的范圍以及變化的自然環(huán)境中對(duì)轉(zhuǎn)基因逃逸的規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。例如,研究人員將水稻的基因漂移與花粉漂移關(guān)聯(lián)起來,發(fā)現(xiàn)當(dāng)平均隔離距離超過139m時(shí),才能保證轉(zhuǎn)基因逃逸到普通野生稻的頻率小于0.1%(Yaoetal.,2008)。模型還計(jì)算了在不同地區(qū)和環(huán)境條件下設(shè)置安全隔離的實(shí)際距離(Yaoetal.,2008;Ronget.al.,未發(fā)表資料),為轉(zhuǎn)基因水稻的商品化生產(chǎn)和轉(zhuǎn)基因逃逸的風(fēng)險(xiǎn)管理提供了技術(shù)平臺(tái)和理論依據(jù)。3.2緣種之間雜交造成的適應(yīng)度轉(zhuǎn)基因逃逸及其潛在生態(tài)后果風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的第二步是研究轉(zhuǎn)基因?qū)σ吧螂s草個(gè)體適合度帶來的影響。如果逃逸的轉(zhuǎn)基因?qū)σ吧螂s草個(gè)體的適合度沒有任何影響,則轉(zhuǎn)基因可能不會(huì)明顯改變作物與其野生近緣種群體的遺傳漸滲過程,那么在低頻率逃逸的情況下,該轉(zhuǎn)基因不足以導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。目前有很多以適合度為切入點(diǎn)的研究,但由于將轉(zhuǎn)基因移入野生群體有一定的難度和風(fēng)險(xiǎn),這些研究通常暫不考慮轉(zhuǎn)基因的效應(yīng),而只是將分析的目標(biāo)集中于研究作物與野生近緣種雜交或回交后代的適合度變化,并以此來推測(cè)作物基因(包括轉(zhuǎn)基因)在自然群體中存留和擴(kuò)散的可能性(Snoweal.,1998;Songetal.,2004b;Allainguillaumeetal.2006;Campbelletal.,2006;Merceretal.,2007)。在絕大多數(shù)情況下,轉(zhuǎn)基因是伴隨作物基因一起進(jìn)入野生群體的,轉(zhuǎn)基因所在的基因組以及與轉(zhuǎn)基因緊密連鎖的基因,都會(huì)影響到轉(zhuǎn)基因在野生群體中的傳播和擴(kuò)散。作為重要的橋梁,作物和野生近緣種的雜種F1代對(duì)于基因向野生群體的進(jìn)一步漸滲具有重要意義,因此對(duì)雜種F1相對(duì)適合度的研究顯得尤為重要。通常,這方面的研究得出了兩大類結(jié)果。第一,與野生親本相比,作物與野生近緣種之間的雜交會(huì)造成雜種F1適合度的下降(Snowetal.,1998;Spencer&Snow,2002;Guéritaineetal.,2002;Allainguillaumeetal.,2006;Mercereal.,2007),究其原因,可能是由于作物親本與野生近緣種之間存在一定的遺傳障礙(geneticbarrier)種間雜交導(dǎo)致雜種的育性降低,從而降低了雜交后代的適合度,不利于轉(zhuǎn)基因在野生近緣種群體中的進(jìn)一步漸滲和擴(kuò)散。不過也有一些跟蹤研究表明,雖然最初幾代的雜交或回交后代在適合度上不如其野生親本,但它們的育性以及適合度可以隨著世代的增加而逐漸有所恢復(fù)(Snowetal.,1999;Campbelletal.,2006;Erickson&Fenster,2006)。第二,有一些研究則顯示,作物與其野生近緣種的雜交F1代在適合度上與親本基本一致(Arriola&Ellstrand,1997;Songetal.,2004b),甚至在某些雜交組合中(Campbelletal.,2006),雜種個(gè)體在個(gè)別繁殖性狀上表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)(Hauseretal.,1998;Songetal.,2004b),有利于轉(zhuǎn)基因在野生群體中進(jìn)一步產(chǎn)生遺傳漸滲,即使轉(zhuǎn)基因在自然環(huán)境中沒有明顯的選擇優(yōu)勢(shì),轉(zhuǎn)基因的頻率也會(huì)因循環(huán)性基因漂移而逐漸增加。隨著更多轉(zhuǎn)基因植物的環(huán)境釋放,越來越多的研究開始考察轉(zhuǎn)基因?qū)σ吧鷤€(gè)體適合度產(chǎn)生的影響。轉(zhuǎn)基因是否會(huì)影響野生個(gè)體的適合度取決于其能否在自然群體中正常表達(dá),因此研究轉(zhuǎn)基因在野生個(gè)體和群體中的表達(dá)及其遺傳規(guī)律也成為轉(zhuǎn)基因逃逸及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一個(gè)重要方面(Halfhilletal.,2003;Zhuetal.,2004;Lu&Snow,2005;Xiaetal.,2009)。到目前為止,關(guān)于轉(zhuǎn)基因逃逸后能否在野生群體中進(jìn)行正常表達(dá)的研究并不多,大多數(shù)已有的研究結(jié)果均表明,轉(zhuǎn)基因能夠在作物和野生近緣種的雜交和回交后代中正常表達(dá)(Metzetal.,1997;Halfhilletal.,2003;Zhuetal.,2004;Shenetal.,2006;Xiaetal.,2009),而這些轉(zhuǎn)基因?qū)τ谝吧壏N的適合度的貢獻(xiàn)表現(xiàn)不同(表1),包括:(1)在一定的選擇壓下,轉(zhuǎn)基因能明顯提高野生個(gè)體的適合度(Snowetal.,2003;Vacheretal.,2004);(2)在沒有選擇壓(Snowetal.,1999;Zhangetal.,2003;Halfhilletal.,2005;Guadagnuoloetal.,2006)或者選擇壓不足的條件下(Burke&Rieseberg,2003),轉(zhuǎn)基因?qū)σ吧鷤€(gè)體的適合度沒有明顯的影響;(3)無論有無自然選擇壓,轉(zhuǎn)基因均會(huì)降低野生個(gè)體的適合度(Gueritaineetal.,2002)。有研究曾經(jīng)表明轉(zhuǎn)基因會(huì)降低栽培物種個(gè)體的適合度(Jacksonetal.,2004;Chenetal.,2006),但這種適合度降低的現(xiàn)象,在不含轉(zhuǎn)基因的同種栽培物種與其野生物種的雜種個(gè)體中卻未觀測(cè)到(Burke&Rieseberg,2003;Snowetal.,2003)。目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都沒有檢測(cè)到轉(zhuǎn)基因?qū)ψ魑锖鸵吧N的雜交個(gè)體的適合度有明顯影響(Kumaretal.,2008),其原因可能是由于在實(shí)驗(yàn)中都沒有設(shè)置適宜的選擇壓(Snowetal.,1999;Burke&Rieseberg,2003;Zhangetal.,2003;Guadagnuoloetal.,2006)。因此,對(duì)于轉(zhuǎn)基因是否會(huì)改變野生近緣種適合度的問題,還需要繼續(xù)進(jìn)行更多的研究和探索。3.3影響基因遺傳漸滲的因素即使了解了轉(zhuǎn)基因逃逸的頻率及其對(duì)野生近緣種適合度的影響,對(duì)轉(zhuǎn)基因逃逸可能帶來的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)仍然非常困難,因?yàn)槭懿煌h(huán)境條件的影響以及野生近緣種遺傳背景的影響,預(yù)測(cè)逃逸后的轉(zhuǎn)基因在野生群體中的進(jìn)化趨勢(shì)非常復(fù)雜,還必須對(duì)轉(zhuǎn)基因在自然群體(或模擬實(shí)驗(yàn)群體)中的遺傳漸滲過程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè),包括:(1)分析轉(zhuǎn)基因在群體不同世代間的遺傳規(guī)律(包括轉(zhuǎn)基因在雜種后代中的分離比例及其影響因素);(2)在自然環(huán)境條件下,連續(xù)跟蹤和監(jiān)測(cè)不同世代的野生群體中含轉(zhuǎn)基因雜種個(gè)體的頻率和分布,如調(diào)查包含轉(zhuǎn)基因的F1、F2代、F3、BC1和BC2代等個(gè)體所占的比例。研究轉(zhuǎn)基因在雜種世代間的遺傳規(guī)律,是研究轉(zhuǎn)基因?qū)m合度影響的進(jìn)一步延續(xù),因?yàn)檫m合度會(huì)影響到轉(zhuǎn)基因在不同世代群體中的頻率。目前只有少數(shù)研究報(bào)道了單個(gè)雜交或回交世代的實(shí)驗(yàn),以及轉(zhuǎn)基因在各世代實(shí)驗(yàn)群體中的分離規(guī)律(Metzetal.1997;Snowetal.,1999;Oardetal.,2000;Zhangeal.,2003;Warwicketal.,2008)。大多數(shù)研究結(jié)果都表明轉(zhuǎn)基因的分離規(guī)律符合孟德爾遺傳定律(Snowetal.,1999;Zhangetal.,2003;Warwicketal.2008)。但是也有少數(shù)研究表明,某些轉(zhuǎn)基因在作物與野生近緣種的雜交后代中的分離偏離了孟德爾規(guī)律(Metzetal.,1997;Snowetal.,1999;Oardetal.2000)。究其原因,可能是轉(zhuǎn)基因在雜種中的遺傳不穩(wěn)定性(Oardetal.,2000),或是某些雜交組合的回交后代對(duì)含轉(zhuǎn)基因的配子或孢子具有選擇偏好(Snowetal.,1999)。此外,某些轉(zhuǎn)基因會(huì)影響雄性性狀(如花粉活力或育性)(Snowetal.,1999;Gueritaineetal.,2002),這也可能是影響轉(zhuǎn)基因偏態(tài)分離的原因之一。通過研究含轉(zhuǎn)基因個(gè)體在自然種群中不同的世代分布規(guī)律,并結(jié)合轉(zhuǎn)基因?qū)Ω魇来m合度影響的研究結(jié)果,可以探討不同世代含轉(zhuǎn)基因雜交、回交后代的個(gè)體在轉(zhuǎn)基因漸滲中的作用,以便更可靠地預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)基因遺傳漸滲的過程。通過對(duì)自然野生群體中轉(zhuǎn)基因頻率的變化和動(dòng)態(tài)進(jìn)行持續(xù)的跟蹤調(diào)查,最終了解轉(zhuǎn)基因的頻率在群體內(nèi)的世代間的變化規(guī)律。這樣的研究不僅可以直接了解轉(zhuǎn)基因在野生群體中的進(jìn)化潛力,而且還能將在此之前獲得的各類數(shù)據(jù)(如基因漂移、適合度和遺傳規(guī)律的數(shù)據(jù))結(jié)合到一起,從而達(dá)到全面和正確了解轉(zhuǎn)基因逃逸和遺傳漸滲的過程以及帶來的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。但是,目前只有對(duì)單一世代或者少數(shù)幾個(gè)世代觀測(cè)結(jié)果的零星報(bào)道(Warwicketal.,2008),可直接利用于環(huán)境生物安全評(píng)價(jià)的成果非常有限,因此,對(duì)連續(xù)多世代之間的轉(zhuǎn)基因頻率變化與分布規(guī)律還有待于進(jìn)一步研究。4群體危險(xiǎn)與拓展的風(fēng)險(xiǎn)在2008年11月于新西蘭惠靈頓召開的第10屆國(guó)際轉(zhuǎn)基因生物安全大會(huì)上,提出了目前生物安全研究的八大科學(xué)問題,其中轉(zhuǎn)基因逃逸、遺傳漸滲、轉(zhuǎn)基因的適合度和生物入侵都是重要組成部分。轉(zhuǎn)基因逃逸及其環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)包括了一系列重要的自然過程,如:花粉介導(dǎo)的基因漂移、轉(zhuǎn)基因在野生