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也谈Bt转基因作物的安全性



Bt杀虫的主要过程就是:摄入=〉激活=〉锚碇=〉穿孔=〉致死。图自web.utk.edu

来源:新语丝 作者:陈江(美国佐治亚大学细胞系)2010年4月8日

2006年4月我曾在新语丝网站上发表过《关于转基因作物中的Bt毒蛋白》一文。既然现在Bt转基因作物的安全性又成了热门话题,所以打算在这里再谈一下。我在美国佐治亚大学昆虫系(Department of Entomology, University of Georgia)期间的博士研究课题就是关于Bt毒蛋白如何与鳞翅目幼虫肠壁受体结合,而且我的博士导师Michael J. Adang教授是80年代初期最早把Bt基因转入植物进行抗虫的几位先驱研究者之一,所以我相信自己还是有资格作为专业人士来谈论一下这个话题的。

2006年的那篇文章我主要谈了Bt毒蛋白(简称“Bt”)的方面。这里再谈一下Bt受体(也可称为是Bt的靶体)及其作用机制的问题。在鳞翅目昆虫(蝴蝶,蛾子)的幼虫肠壁上,目前已发现的受体主要有4种2大类。第1大类是蛋白,主要有氨基肽酶N(Aminopeptidase N,简称APN),钙粘蛋白(Cadherin)和碱性磷酸酶(Alkaline Phosphatase)。第2大类是糖脂(glycolipids)。转基因作物中的Bt一般是表达成分子量为120KDa的原毒素(pro-toxin)而被昆虫摄入的。这个原毒素是没有杀虫效力的。在昆虫碱性的肠道环境中以及特定的蛋白酶作用下,原毒素会被切割成一个大约60-65KDa的具有杀虫效力的蛋白。这个蛋白是由3个功能域(domain)构成的。从氨基端到羧基端依次被称为Domain I,Domain II 和 Domain III。在这3个功能域中,Domain II和III是和肠壁受体结合的关键区域。只有和特定受体有效地结合后,Bt才被能锚碇在昆虫的肠壁上。现在被大家普遍接受的作用机制是:Bt的单体和第一受体氨基肽酶N结合后,被某种蛋白酶做了进一步的切割修饰,然后形成四聚体再与第二受体钙粘蛋白相结合。与钙粘蛋白结合后,Bt的空间构象会发生变化,其结果是Domain I插入肠壁细胞膜内,造成非特异性穿孔,进而导致肠壁细胞破裂,并最终致使昆虫死亡。简单概括地说,Bt杀虫的主要过程就是:摄入=〉激活=〉锚碇=〉穿孔=〉致死。其间任何一个环节出了问题,Bt就会丧失杀虫效力。人的胃是酸性环境,而且消化道内也不存在能与Bt结合的受体,所以Bt对人及其他非靶标生物体是非常安全的。

当初Bt之所以被应用在转基因作物上,最主要的原因就是其靶标生物体的范围比较“窄”,即只针对鳞翅目和鞘翅目(甲虫)的害虫有效。当然,现在也有一些Bt的亚种被用于防治线虫上。在农业上,虫害是造成减产的最主要因素。从昆虫分类的角度上来讲,这些农业害虫主要来自于鳞翅目(蛾子),鞘翅目(甲虫),同翅目(蚜虫,粉虱),半翅目(蝽象)和直翅目(蝗虫)。在与蛾子和甲虫的亲缘关系上,蚜虫,蝽象和蝗虫肯定要比我们人类近得多。Bt对蛾子和甲虫的这些“近亲”都没有毒力,更何况是对我们这些连八杆子都打不着的“远亲”呢?所以,“Bt毒蛋白”里的这个“毒”是具有针对性的。再举个大家都熟悉的例子:“抗生素”里的“生”并非代表所有生物体,它是特指微生物里的细菌。除非是有过敏体质的人,否则谁也不会担心自己口服或注射抗生素后会送命的。

Bt对人类是不会造成毒害的,但在应用上却有一些值得考虑的方面。现在关注最多的还是靶标生物对Bt产生抗性的问题。实验证明,象细菌对抗生素产生抗药性一样,鳞翅目幼虫在多代长期接触Bt后的确会对Bt产生抗性,即虫体对Bt的半致死剂量会成千上万倍的增加。抗性产生主要有两点。第一是肠道内的蛋白酶发生变化,导致原毒素无法被激活。第二是肠壁上的受体发生基因突变,从而导致Bt无法有效地锚碇到肠壁上去。正如我上面提到过的:在Bt的整个作用过程中,只要有一个环节出了问题,Bt对昆虫的毒性就会减小甚至丧失。现在解决抗性问题的办法主要有两种。第一是在Bt转基因作物的周围种植一定数量的非转基因作物以降低Bt对靶标生物的选择压力。比如美国环保局(EPA)和农业部(USDA)规定,在种植Bt转基因棉的田间必须要同时种植至少20%的普通棉。第二种办法是在Bt转基因作物中同时表达两种不同的Bt亚型。这两种不同的Bt亚型与昆虫肠壁受体的结合位点是不同的。这种多点结合可以减少因受体上的结合位点发生突变而造成对Bt的抗性增加。这是因为,从广义上讲,昆虫对Bt产生抗性也算是一种进化,而在进化过程中同时产生多处基因突变以适应生存环境是比较困难的。另外,还有一个需要特别考虑的问题是,在大面积种植Bt转基因作物或者在农田和林间喷洒Bt后,有可能会对鳞翅目中的一些有益物种(比如家蚕,中华虎凤蝶(国家二级保护动物)等)造成伤害。