转基因水稻热区外源基因漂移的检测

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  [摘 要]随着转基因技术的迅速发展,越来越多的转基因作物被培育出来。转基因作物的外源转基因通过花粉传播向非转基因作物的漂移,从而可能导致一系列生物安全问题。因此,本文利用PCR 方法检测与研究Bt转基因水稻向常规稻( 花粉受体)的外源基因漂移频率。结果表明,转基因水稻向常规品种的漂移频率很低,一般在2.0%以下,随距离的增加也呈现下降的趋势,在40m处开始无法检测到含外源基因的个体。如此近距离条件下获得的低转基因漂移频率表明, 对于严格自花授粉的水稻而言, 通过一定的隔离措施, 能有效地降低由花粉介导的转基因漂移导致的非转基因种子混杂,确保生态安全。
  [关键词]Bt转基因水稻 基因漂移 PCR 检测 生态安全
  中图分类号:Q41.1 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)34-0176-03
  1 前言
  1.1 转基因植物基因漂移
  转基因植物基因漂移是指外源基因通过花粉授精杂交、种子传播等途径在种群之间扩散的过程[1]。其中外源基因是泛指转化进入植物细胞内的非内源性的基因,在本试验中Bt基因为水稻的外源基因,Sps为水稻的内标准基因。
  当转基因植物基因发生基因漂移的时候,会产生一些难以预料的结果,比如超级杂草、超级害虫、危害生物多样性等等。如由于基因漂移,抗虫外源基因水稻转入其它同源或近源物种如杂草稻,会增加它们的竞争优势,也可能会产生入侵和破坏力更强的杂草。墨西哥玉米受污染事件[2]。
  1.2 转Bt基因水稻的研究现状
  苏云金杆菌(Bt)属于革兰氏阴性的孢子细菌,能产生具有高度特异性杀虫性的杀虫结晶蛋白(insecticidal crystal protein , ICP)。ICP被靶标昆虫取食后在中肠的碱性和还原性环境中降解为D2EF= 左右的活性肽,并与昆虫受体蛋白结合,引起细胞膜穿孔,破坏细胞渗透平衡,导致细胞肿胀破裂、昆虫瘫痪或死亡[3]。ICP对敏感害虫具有专一性强、效果好等优点,且对人畜安全。
  2OO9年,国家农业部在“第二批农业转基因生物安全证书批准清单”中,公布了批准转co'lAb/crylAc基因抗虫水稻华恢1号、转crylAb/co'lAc基因抗虫水稻Bt汕优63在湖北省生产应用的安全证书。我国南方既是野生稻的主要起源地之一,又是水稻的主产区,大量的种植面积和复杂的稻田生态环境,使得环境生物安全的研究十分重要,对此已有大量的相关研究[4]。
  Wang等 以含有bar基因的转基因水稻为供体,研究了转基因水稻中外源基 向野生稻的漂移,结果表明,距离为0~1 m时漂移率为11% ~18% ,250 m时仅为0.01% ;Jia等 也以含有bar基因的转基因水稻为供体,以杂交水稻所用的多个不育系材料为受体,于2002和2003年在广州和三亚进行了研究,结果显示,在0 m区域,bar基因漂移到不同的不育系材料的频率有明显差异,漂移率为3.145% ~36.1 16%[5]。
  1.3 选用水稻做实验研究的目的
  水稻是世界上最重要的粮食作物之一,全球约三分之一以上的人口以稻米为主食,仅我国就有7-8 亿人[6]。水稻也是我国最大的粮食作物,常年播种面积约为3100 万hm2,总收获量在2亿t 左右,约占我国粮食总产量的40%,因此水稻在我国的农业生产中占有举足轻重的地[7]。我国已经育成具抗虫基因(如Bt和CpTI基因)、抗病基因(Xa21)和抗除草剂基因(bar, EPSPs)的转基因水稻品系, 它们的商品化生产正等待着国家的批准(Jia, 2002)[8]。因而, 对转基因水稻, 尤其是那些已经接近商品化生产的转基因水稻和非转基因水稻之间的基因漂移进行研究和评估, 是当前一项非常紧迫的任务。
  因此,本实验的目的是通过检测转基因水稻及其非转基因亲本在自然条件下的近距离转基因漂移频率, 估测在田间生产的自然条件下水稻转基因逃逸漂移的可能性及其频率。
  2 材料與方法
  2.1 实验材料
  本实验采用了抗虫转基因(Bt)水稻品系和常规非转基因水稻。本实验所用的转基因水稻及其非转基因亲本的开花期均相同。所用实验试剂及实验设备由上海天祥质量服务技术有限公司提供。
  2.2 田间实验设计和取样
  水稻植株种植在海南省三亚市(18.33°N, 109.52°E)。水稻种植的面积为40m×50 m, 其左边种植非转基因品种。管理方法按照常。
  于种子成熟期, 按照A和B、B和C,三线夹角40°由左至右的方向随机收获共约54,000粒成熟种子进行杂种鉴定, 以评估该行转基因杂种出现的频率,每一实验线上按照1 m、2 m、5 m、10 m、20 m、40m的距离随机采取成熟种子。
  2.3 转基因漂移频率的计算
  每一非转基因米(n)的转基因漂移频率(Fn)为: Fn= Hn / Gn * 100%, 其中Hn为在第n米检测到的转Bt基因植株数量, Gn为在第n米萌发定位的总植株量。
  2.4 待测水稻籽粒室内培养
  将A、B、C线的每1 m、2 m、5 m、10 m、20 m、40m处随机采取的水稻籽粒进行萌发,待籽粒萌发长出第一真叶时进行定位和无土培养。
  各个籽粒长出第一真叶的情况不同,因此在同一时间内各线各米处的定位植株不同。
  2.5 DNA 抽提及PCR 检测
  2.5.1 DNA 抽提:将定位无土培养长出第二真叶时的水稻植株用CTAB法提取水稻植物DNA。首先将每一百株植株的DNA放在一个离心管中,对其进行PCR检测以及电泳凝胶成像,其次将检测出转Bt基因的那一管的一百株植株重新提取DNA,每管一株水稻植株DNA,最后对其再进行PCR检测以及电泳凝胶成像,从而统计出外源转Bt基因的漂移率。   2.5.2 PCR 检测
  2.5.2.1 引物序列:设计2对引物进行PCR 反应, 检测样品中是否含有抗虫BT基因。
  SPS基因是水稻的内标准基因,设计SPS基因的引物序列是为了检测待测生物是否是水稻植物。只有凝胶成像的结果中有SPS基因条带的出现,说明检测基因是水稻植物基因,才能继续下一步转Bt基因的检测。
  Bt基因是水稻的外源基因,设计Bt基因的引物序列是为了检测待测水稻是否有Bt基因的转入,如果凝胶成像的结果中有Bt基因条带的出现,则说明有基因漂移的现象,从而计算基因漂移率,进而采取措施防止转基因水稻往非转基因水稻的漂移。
  2.5.2.2 PCR 反应
  2.5.2.2.1 试样PCR反应
  在PCR反应管中按表1依次加入反应试剂,轻轻混匀。每个待测水稻试样3次重复。
  离心10s后,将PCR管插入PCR仪器中。反应程序为:95·C变性5min;进行35次循环扩增反应(94·C变性1min,56·C退火30s,72·C延伸30s。根据不同型号的PCR仪,可将PCR反应的退火和延伸的时间适当延长);72·C延伸7min。反应结束后取出PCR反应管,对PCR反应物进行电泳检测或在4·C下保存。
  2.5.2.2.2 对照PCR反应
  在试样PCR反应的同时,应设置阴性对照、阳性对照和空白对照。
  阴性对照是指用非转基因水稻材料中提取的DNA作为PCR反应体系的模板;设置两个阳性对照,分别用转Bt基因抗虫水稻材料中提取的DNA、以及转Bt基因水稻含量为0.1%的水稻DNA作为PCR反应体系的模板;设置两个空白对照,分别是用无菌重蒸馏水和DNA制备空白对照作为PCR反应体系的模板。上述各对照PCR反应体系中,除模板外其余组分及PCR反应条件与2.4.2.2.1相同。
  2.5.2.3 PCR 产物电泳检测
  吸取7ul的PCR产物与适量的加样缓冲液混合后加入点样孔中,在其中一个点样孔中加入DNA分子量标准,接通电源在2V/cm条件下电泳。
  2.5.2.4 凝胶成像分析
  电泳结束后,取出琼脂糖凝胶,轻轻地置于凝胶成像仪上或紫外透射仪上成像。根据DNA分子量标准估计扩增条带的大小,将电泳结果用照相系统拍照。对PCR扩增结果进行分析。
  3 结果分析
  3.1 SPS基因结果
  针对已萌发的待测水稻试样进行PCR检测,结果表明所有的水稻都具有SPS内标基因见图1。
  3.3 Bt基因
  3.3.1 A线结果 在A线水稻外源Bt基因的PCR检测中,经过三次重复检测发现,1m处检测到转Bt基因。2m至40m之间外源基因漂移率明显降低,甚至没有。如图2
  针对A线1m处的第7管的100株植株重新进行DNA提取和PCR检测以及电泳凝胶成像,每管一株水稻植株DNA,共100管,每管试样三次重复,从而计算1m 处的外源转Bt基因的漂移率,结果显示漂移率在0.222%左右。见图3
  3.3.2 B线结果
  在B线水稻外源Bt基因的定性PCR检测中,三次重复都没有检测到转Bt基因,由此可以判断B线水稻没有转Bt基因的漂移。如图4
  3.3.3 C线结果
  在C线水稻外源Bt基因的PCR检测中,经过三次重复检测发现,20m处检测到转Bt基因。1m至10m之间外源基因漂移率明显降低,甚至没有,在40m之外没有检测到外源基因。20m处Bt基因PCR检测图如图5
  针对C线20m处的有转Bt基因的任意1管的100株植株重新进行DNA提取和PCR检测以及电泳凝胶成像,每管一株水稻植株DNA,共100管,每管试样三次重复,从而计算20m 处的外源转Bt基因的漂移率,结果显示漂移率在1.6%左右。见图6
  由以上A、B、C三线的转Bt基因的凝胶成像图可知,在A线的1m出检测到BT外源基因,漂移率为0.2%,而B、C线的1m处并未出现外源基因的漂移。在C线的20m处检测到BT外源基因,漂移率为1.6%,而A、B线的20m处并未出现外源基因的漂移。A、C线均有外源基因的漂移,B线处却没有。
  水稻外源基因漂移在1m的时漂移率在0.2%左右,2m到10m之间的外基因漂移率明显降低,甚至没有基因的漂移,20m时漂移率较高,在1.6%左右,水稻的最大漂移距离是20m,在40m处没有检测到外源基因。因此不同样线不同距离的水稻外源基因漂移率是不同的,是具有明显差异的。
  4 讨论
  随着我国正式批准转基因水稻进入商品化生产,对转基因水稻带来的生态安全势必更加引起人们的关注。目前亟待解决的问题之一是利用有效的方法精确检测水稻品种间转基因漂移的频率, 为转基因水稻生产的安全管理提供科学依据。
  实验采用的Bt/CpTI转基因水稻品系及其非转基因亲本对照, 在转基因稻和非转基因稻分片种植的条件下, 转基因漂移的频率仅在0.222–1.600%之间。这表明本实验涉及的转基因水稻的转基因漂移频率非常低, 平均值均低于2.0%。Oka 和Morishima [9]以及Diao等[10]用傳统形态性状标记的方法检测了水稻的异交率, 发现水稻的异交率在1–2%之间, 该结果与本实验所获得的基因漂移的频率结果也比较吻合。以上结果均支持了Stewart 等[11]的结论: 就转基因逃逸漂移而言, 水稻是一种低风险作物。
  在本试验中,对于A、B、C不同样点处,不同的距离水稻外源基因漂移率是不同的的。在1m处有个漂移频率,随着距离的增加,漂移率降低甚至没有,但在20m又有一个漂移值,在40m外就无法检测到漂移基因。造成这样的结果,可能是由于花粉的运动规律造成的,花粉的运动受花粉颗粒的沉降速度、风速和垂直扩散系数等一系列复杂的因子影响。由此可见随着与转基因花粉源距离的增大,外源基因漂移的频率逐渐下降。从试验结果可以得出,设置有效的隔离区和监控区可以非常有效地降低转基因水稻向非转基因水稻的基因漂移频率。   所以对于严格自花授粉的作物水稻而言,在田间释放时一定要注意安全隔离措施, 设置隔离带是通常采用的方法, 本实验证明转基因水稻花粉漂移的最大距离为1-20m , 所以有效隔离距离最低为40m 以上, 才能保证外源基因的扩散得到有效地控制。同时在可能发生花粉交换的距离内清除有关的野生亲缘植物;在转基因植物收获以后,应对试验田进行清除工作如喷洒除草剂,有效地减少基因漂移,并保证下季不再生长转基因植物及其野生亲缘植物,从而确保生态安全。
  参考文献
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