我国抗虫转基因水稻研发进展

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我国抗虫转基因水稻研发进展

作者：林拥军

本文系华中农业大学生命科学技术学院教授、国务院特殊津贴获得者林拥军在12月举办的2019年全国媒体记者转基因报道研修班的报告。他的授课主题是《我国抗虫转基因水稻研发进展》。以下为现场文字记录，文字已经作者审阅。

我主要是转基因抗虫水稻的，今天跟大家汇报一下我国转基因抗虫水稻研发现状。

我们都知道，水稻虫害是非常严重的，据不完全统计有385种昆虫危害水稻，主要为两个目的害虫，鳞翅目的二化螟、三化螟、稻纵卷叶螟和大螟，以及半翅目同翅亚目的褐飞虱、白背飞虱和灰飞虱，同翅亚目害虫不仅仅造成直接的危害，还是很多病毒病传播的媒介，比如黑条矮缩病、条纹叶枯病等。所以解决了水稻的半翅目虫害问题，在一定程度上就解决了病毒病的问题。在水稻生产上，大约80%的农药用于防虫，解决了虫害问题就相当于减少了大概80%的农药残留。我们承担的“抗虫转基因水稻新品种培育”重大课题旨在解决两大类虫，

我先介绍一下我们为什么首先选择解决鳞翅目害虫，至今为止在稻种资源中还没有发现有效的抗性基因资源，其次鳞翅目害虫是水稻生产上最为严重的昆虫。1995年我们用基因枪介导的双质粒共转化，转化受体是明恢63（当时生产上最好的恢复系之一），我们做的时间跟世界上几乎是同步的，当时体系不是很成熟，转化体的数量相对较少，但幸运的是我们在少数几个转化体中，发现有个转化体TT51，其在自交后代中可以把选择标记基因分离丢失，在后代中筛选到一个仅含抗虫基因的单株，命名为TT51-1，即我们获得安全证书的华恢1号的前身。

这个转化体做了很多年，分子特征已经非常清晰。从图片上我们可以看到，在田间接种螟虫时，对照明恢63危害严重而华恢1号基本没有危害。目前生产上种植的籼稻品种大多是杂交种。本图片显示的是抗虫基因杂合状态下（即Bt汕优63），抗虫基因完全显性，Bt汕优63几乎没有危害，而其对照种汕优63危害严重。

在林敏老师报告后有记者提到转基因水稻能否留种的问题，林敏给出了回答，我这里还要重申一下，推广杂交种还是常规种是种业公司决定的，跟转基因育种还是常规育种技术无关，常规品种可以留种，而杂交种不能留种。我想若转基因品种推广，种业公司就不会太在意他们推广杂交种还是常规种了，因为转基因品种有外源基因的标签，不担心农民留种和被盗种的问题。

转基因品种的研发是个漫长的过程，也是非常费钱的。我们的华恢1号95年开始做，98年转化体成熟，2000年开始申请安全性评价，经过中间实验、环境释放和生产性试验，以及委托检测机构进行食用饲用安全性和环境安全性测试评价，2004年完成所有的试验，前后经过了10年时间；2005年我们申报证书，经过四年的反复评审认证，农业部于2009年8月17日给我们培育的华恢1号及Bt汕优63颁发了生产应用安全证书。

去年年初我们收到一个好消息，我们通过接近5年的时间，跟美国USDA、EPA以及FDA的推进式交流，最后跟FDA共进行了5次视频会谈以后，他们认可了中国对华恢1号所做的所有食用饲用安全检测的数据，于2018年年初我们收到美国FDA的一封信，告知我们华恢1号已经通过了他们的全面审查并且已经认可备案，现在在FDA官网上可以查到。也就是说，备案以后中国基于华恢1号及其衍生品种的大米以及米制品出口到美国是有安全保障的，可以出口到美国市场。

目前基于华恢1号已经转育了很多不育系、恢复系和配制了组合，只要推广出去都有大量的市场。现在做的品种不仅仅是考虑抗虫性问题，随着人们生活水平提高，对品质的要求越来越高，所以我们现在在保证抗虫性的前提下，全面考虑品质。我们华农做了华两优630，产量比对照品种II优838增产7.48%，抗虫性号，米质优，达到国标三级米标准。

川389A/成恢5198是四川农科院利用华恢1号转育一个组合，全程打药防虫的情况下比II优838增产5.36%，米质达到国家一级优质米标准。还有浙优7号，不仅仅抗螟虫，还抗瘟病，赣香优333可以抗鳞翅目和同翅亚目的稻飞虱。

2016年华恢1号参加了十二五成果展国家领导人看了以后觉得很振奋，认为是了不起的东西。

以上是第一代抗虫水稻。2000年考虑不仅抗虫是个大问题，除草也是个大问题。特别是当今采用的轻简栽培，抛秧甚至直播稻，除草是很大的问题。另外，这时我们还考虑害虫对Bt蛋白的抗性进化，我们自己新做了两个新基因， 1C和2A，2A不仅仅毒杀鳞翅目害虫，还杀双翅目害虫。这期我们采用自己获得专利的农杆菌介导的籼稻转化方法转化明恢63。基于高效抗虫性、单拷贝和农艺性状没有发生明显的改变的三个标准。我们在大量转化体中1C选择了5个转化体，2A选择了4个转化体。

我们先做抗虫性试验，这是接虫7天以后的情况，明恢63对照危害严重，旁边是1C的转基因水稻，虫子进入茎秆后就死在旁边，死得非常彻底。2A也是这样，上面是转基因，下面是对照。我们对表达量进行检测，叶片中的1C大概是2-3ppm，即每个公斤叶片中含有2-3毫克1C蛋白。田间试验我们看到5个1C，基本上是零危害； 2A的4个材料有零星危害。最后我们选择了1C-19和2A-1转化体用于后面的安全性评价实验。安全性评价实验从2004年开始，然后进行一系列的中间试验、环境释放试验和生产性试验，以及委托农业部检测部门进行了食用饲用安全性和环境安全性试验，2011年完成所有试验，2012年申报生产应用安全证书，目前没有批复。

我们花了很大力气做这两个转化体转育试验，因为这两个转化体所用基因以及转基因方法都有自主知识产权，另外还能抗除草剂，至今我们于协作组一起转育出的不育系、恢复系及组合。这代抗虫水稻特别重视其他的性状，例如华两优6505，既抗鳞翅目害虫，又抗稻飞虱和稻瘟病，可以更好地满足水稻生产的需要，具有更加广阔的应用市场。

前面做了很多单个基因的抗虫转化体，任何基因在生产上使用一些年份以后害虫都会进化有抗性，如果一个基因转化体的使用寿命是十年的话，两个没有交互抗性基因叠加，可以大大延缓害虫抗性的产生，理论上说可以使用100年，当然这是理想的算法。我们做的第三抗虫水稻就是将单价Bt基因聚合成双价Bt水稻。比如说1Ab和1C聚合，1Ab和2A聚合，2A与1C聚合。室内螟虫接种试验以及田间自然发虫和人工接虫实验结果显示，除了单价2A有零星的危害之外，其他的单价和双价Bt水稻都没有危害，效果非常明显。

在2005年，因为我们华恢1号的生产应用安全证书以及申报，当时妖魔化转基因谣言满天飞，还有些人提出“Bt蛋白会杀死虫子，难道对人不会有毒吗？”质疑。基于这样简单的命题，我们就开始做稻米中不含Bt蛋白的抗虫水稻，原理很简单，鳞翅目害虫主要危害水稻的绿色组织，即叶片和茎杆，我们人吃种子的胚乳，只要在胚乳里面不表达就可以了。基于这个原理，我们使用绿色组织特异表达的启动子驱动Bt基因表达，然后选择了6个抗虫性良好的转化体；其中有个转化体其胚乳里面的Bt蛋白含量只有叶片中含量的千分之一，每公斤大米中仅含2-3微克，基本上做到大米中不含有Bt蛋白的要求。我们选择了这个株系，田间接虫性试验显示其抗虫性不错，我们也在将这个材料往前推。但有人说我做的是伪科学。为什么呢？明知道Bt蛋白没有毒，为什么还要做这个工作呢，给别人的感觉是想要避开Bt蛋白，我自己也是这样觉得。

这个材料做成之后，反转人士又提出，大米中的Bt蛋白几乎没有了，但Bt基因还在其中，是不是可以把Bt基因去掉？基于这样的命题（“伪命题”），我们就着手做了。原理上很简单，Bt由绿色组织特意表达启动子驱动，基本上可以做到大米里面不含Bt蛋白。剔除外源基因的策略，我们用的是采用胚乳发育特异表达的启动子驱动的Cre-lox系统，我们试验的结果这个系统可以把外源基因剔除，但遇到一个难点。难点在哪里呢？我们剔除了胚乳里面的外源东西，还希望胚里面的Bt基因还要保留，后代种子还要种植。但结果是，在胚乳剔除的种子中约有百分之三四十的胚里面的Bt基因也被剔除，我们在努力寻找尽在胚乳里面干活，在其他地方不干活的启动子以期解决这个问题。

前面讲的是做鳞翅目害虫抗性水稻培育工作，下面我介绍一下团队做的抗同翅亚目稻飞虱的工作。在水稻资源中存在抗稻飞虱的基因，但每个基因的抗性效应有限，大家可以想象一下为什么？虫子和水稻是并行进化的，虫子想方设法要吃水稻，水稻想方设法不让虫子吃，生物是以繁衍后代作为第一生存要素，两者之间一直在争斗中，所以就有妥协，你可以吃我，但不能让你吃太多，这样来达到平衡。因此，我们可以通过常规聚合育种方法把多个基因聚合在一起，从而提高抗虫性。在这一块，团队中有不少协作研究单位发掘并利用这些内源抗性基因培育出达到生产可利用的抗性品种；鉴于本报告仅介绍转基因抗虫的工作，这里就不对常规抗稻飞虱品种培育做介绍。另一方面我们也在努力通过外源基因的方式来高效解决这个问题。

通过转基因方法解决问题可以有两者策略：1）过量表达内源抗性基因；2）筛选能够直接杀死虫子的蛋白，比如从Bt里面筛选。我们已经做了过量表达内源克隆了显性抗虫基因，得到了一些材料，抗性可以达到中抗或以上。

我们最想做的是寻找外源抗虫Bt蛋白，这个工作主要是四川农业大学李平老师做的，从四川地方Bt菌株资源里发现表达球形晶体的Bt蛋白，进一步的研究发现其对飞虱有毒性，进一步把基因克隆出来，证实其对稻飞虱有毒性，然后经过密码子优化、添加增加表达的原件构建融合基因并转化水稻，经测试转基因水稻对褐飞虱的抗性最高可以达到3级。他们进一步通过Bt蛋白的结构域互换，得到了HY151c和HY151b，其活性相较于原始蛋白提高了近40倍，转基因水稻接虫测试效果可以达到3级及以上。

抗鞘翅目害虫转基因水稻培育，我们设计合成了3A和3B两个基因，转基因水稻对负泥虫的抗性效果非常好，取食转基因水稻6天后的负泥虫死亡率百分之百。原本我们做想做的是抗稻水象甲的水稻，稻水象甲是外来入侵物种，目前已经在部分省份发生危害幼虫主要危害根部，成虫可以爬到地上部危害叶片和茎秆。这块工作我们遇到较大困难，因为至今我们还没有建立稻水象甲的饲养体系，抗性检测工作滞后。我们也对转基因水稻做了初步抗性测试，从取食斑来看是有效的，并且显示3A的效果比3B要好。

抗虫转基因水稻研发工作就是这样的情况，目前为止，抗鳞翅目害虫的产品已经准备好了，随时可以产业化；同翅亚目材料也基本具备，常规育种品系和转基因育种材料已经有了；抗鞘翅目害虫的转基因水稻还处于研究阶段。

互动环节：

记者：我是药师网的专栏作者，我们现在做科普，这方面还真的没有报道过，听完了课觉得非常有意义，公益宣传有很多年了，大家在认识转基因产品上都是低毒产品为共识，我们在北京上大学的时候老师就说转基因是低毒产品，那时候就有先入为主的概念。但是转基因也是分个体的，有A2就有毒性，其他的品种没有毒性。作为药师这方面，比较重视食品和药品的安全性。我想说咱们在安全性方面，对于人的食品安全要有大数据，我们写科普文章也要搜索这些数据，然后做科普宣传。这方面的数据非常少，医务界有一句俗话，离开剂量谈不良反应都叫耍流氓，咱们都在吃转基因的东西，就像我这么大的妇女吃大豆补充雌激素，实际上我们吃了很多年，但吃多大的量，对人体有什么影响，这方面要做大数据统计，得到普遍大众的认可，只要认可度高了，就有市场了。

另一位记者：吃盐之前有没有大数据统计，吃盐多了立刻要命。

记者：人也是有大数据的，为什么加碘，为什么WTO要限制盐的摄入量，要在6克，我们也是这么宣传的。根据疾病谱加碘盐做产业，是根据疾病谱做的，转基因还没有作为主食在全国范围内推广。

另一位记者：我觉得食物和药不一样，老鼠吃几十年，后代吃几十年，不现实。但是药必须上临床，这不是两个概念。

林拥军：说得非常好，但这块数据不是我们做的，我是研发人，无论是食用安全还是环境安全，都是农业部的资质单位做的。一般做过敏性、急性毒性和慢性毒性、营养成分和抗营养因子试验等；但我们做得更多，包括三代繁殖、致畸性等试验检测。华恢1号已经批了安全证书，简易版的数据挂在农业信息网上了，在上面可以查到。

主持人：也可以查一下农业部专门的网站，关于转基因的相关问答和数据，也都是挺齐全的。

记者：在转基因作物各个研发领域，水稻是比较受委曲的，1995年到现在二十多年了，还是这样的情况。我见过您几次，一直是笑呵呵的，你做这个事情的时候是无奈的笑呵呵吗？

林拥军：有些无奈，但没有办法，但我一直想春天总会来的，至少期盼着。

记者：我是知识分子的，我同意很多研究确实是伪命题，为了应对批评而做的。包括基因编辑的东西，别人说杂交几千上万段，我现在就改一个。完了说不行，那个东西是整个复合物进去，还是留下了。好，现在就用其他技术，甚至不要这个东西进去。我觉得很多研究，包括正规的科学论文，都变成了这个样子，如果是纯粹科学的话，很多研究都不用做。

林拥军：你说得非常对，有人说我做的胚乳中剔除Bt蛋白和外源基因的工作是伪科学，因为本身我们研究的Bt蛋白就是无毒的，每天我们也要食入大量的外源基因。我做的目的仅仅想告诉大家，科学上是能够解决这些问题的。

记者：我是中国经营报的记者，我们比较关注财经的角度，我想请教将Bt蛋白剔除胚乳的研究，这种种子生产成本是不是比普通的转基因种子成本更高一些？开始提到了转基因留种的问题，如果有标识收费的话，这样种子生产成本是不是比杂交的要低？

林拥军：材料做成以后，就没有成本了。美国人选择不标识，是因为任何标识是需要成本的，他们相信科学，不愿意为这个标识而增加成本。

记者：我是科技日报的记者，有些研究是为公众舆论而做，这些在科学上没有那么必要的研究，对于转基因科普到底是会起正向的作用还是可能会起负向的作用，公众觉得这是不必要解决的问题你非要解决，那肯定是有问题的，这是第一个。第二个是前一位报告人林敏老师讲到现在阶段科普已经没有意义了，重要的是产业化，您怎么看？

林拥军：我同意林敏老师的观点，如果不产业化的话永远说不清，永远解释不清。为了产业化的科普没有意义，而产业化后的科普意义很大。

(XYS20191222)

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