目前种植最广泛的转基因作物是玉米和大豆,我们就以这两种作物为例,来看看转基因的影响和效果。
玉米是全球分布最广的粮食作物,很多人以玉米作为主粮,除此之外它还被大量用作动物饲料、化工原料等。玉米在生长过程中,经常会被鳞翅目昆虫(如玉米螟等)啃食。想减少虫害,就要喷洒大量的农药。这不仅污染环境、影响健康,还要耗费大量的人工。即使这样,虫害还是会造成玉米减产(一般年份会减产10%~15%)。此外,害虫啃食玉米的同时,会将致病菌传播到玉米表面,这不仅会使玉米穗粒腐烂,还可能产生一些真菌毒素,例如黄曲霉毒素、伏马毒素、呕吐毒素等。人和动物如果食用了这样的病害玉米,就很可能中毒。因此,如果能减少害虫对玉米的啃食,就可以尽量减轻这两方面的影响。那么,有什么办法能解决虫害问题呢?
应用广泛的苏云金芽胞杆菌
过度使用化学农药会给农产品安全带来诸多问题,因此人们更倾向于开发生物防治技术,生物杀虫技术应运而生。其中研发历史最久、应用最成功的当属苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt)与相关产品,它可以杀死鳞翅目、鞘翅目、膜翅目的昆虫等,对人畜和非靶标生物安全,对环境影响少,不易产生抗性,因而占据了90%以上的生物农药市场,主要用于防治农业害虫(烟草夜蛾、菜粉蝶、玉米螟、棉铃虫)和森林害虫(松毛虫)等。 与我们常见的化学农药相比,这类生物农药无论是成分还是作用机制,都有着本质的不同。
苏云金芽胞杆菌是一种土壤细菌,广泛分布于世界各地的土壤、尘埃中,无论在海滩、沙漠、冻土,甚而我们身边的空气中,均有它们的活动踪迹。当周围环境中的营养物质缺乏的时候,苏云金芽胞杆菌就开始形成芽胞,并在体内产生伴胞晶体。这种晶体主要由被称为“Cry内毒素”(得名于晶体的英文“crystal”)的蛋白质组成的,也被称为“Bt杀虫晶体蛋白”。
苏云金芽胞杆菌电镜照片,展示细菌芽胞和不同形态的杀虫晶体蛋白。
杀虫晶体蛋白需要在碱性条件下才可被溶解激活。鳞翅目昆虫等无脊椎动物的消化道环境是碱性的,在其中杀虫晶体蛋白溶解并被蛋白酶变为活性单体。活化的杀虫晶体蛋白与昆虫消化道上的受体蛋白结合,然后使昆虫的消化道发生“肠穿孔”,最终导致昆虫死亡。
如今,人们已经发现了上千种Bt菌株,不同菌株可以产生针对不同昆虫的毒素。每种昆虫体内有许多种受体,但是杀虫晶体蛋白仅对特定的受体才有效,就像一把钥匙开一把锁,只有毒素和受体结合起来才能起到毒杀害虫的作用。因此,某一种Bt菌株的抗虫基因编码合成的杀虫晶体蛋白只对特定种类的昆虫具有毒杀作用,由于不同种类的害虫的受体存在差异,它并不能杀灭所有的昆虫,更不会对昆虫以外的生物具有毒杀作用。这就意味着,它们可以高效地杀死特定种类的害虫,而不会对人类健康和环境产生危害。这种细菌已经被作为生物农药安全地使用了六十多年,至今没有任何对人或动物不安全的不良记录。这种生物农药有机农业事实上也在使用。
Bt杀虫晶体蛋白的作用机制
把抗虫基因转移到玉米中
虽然用Bt制作的生物杀虫剂可以直接喷洒到作物上发挥杀虫作用,但是,Bt产生的抗虫物质有着有效期短、热稳定性差和易在紫外线照射条件下降解等问题,杀虫效果并不十分理想。因此,科学家们设想,如果可以让植物自己生产这种抗虫物质,那么既可以提高抗虫物质的稳定性,又可以让植物长期表现出抗虫特性。这不仅能降低化学农药的使用,同时还减少了劳动力耗费,可以达到相对较佳的环保效果。因此,科学家们开始利用转基因技术,将抗虫基因从细菌转移到植物中,使其获得抗虫性状。自1983年转基因抗虫烟草问世以来,抗虫转基因作物得到迅猛发展,1996年开始进入大规模商业化种植。
抗虫玉米便是被转入了抗虫基因的玉米。由于这种玉米可以表达出对害虫有毒杀作用的蛋白质,所以可以有效防治玉米螟之类的害虫,以提高产量,降低真菌侵染导致产生真菌毒素的几率;同时也减少了传统农药的使用量,减弱了农药残留的危害性。
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