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转基因产品对蜜蜂和熊蜂的影响

摘要:随着更多的转基因农作物商业化,人们需要更多的信息以了解它对蜜蜂和熊蜂的影响。如果转基因在花粉、花蜜或树脂中得到表达,那么转基因编码所表达的蛋白被蜜蜂吸收后,会对蜜蜂产生直接影响;如果改变了花的表现型,将会对蜜蜂产生间接影响。讨论了Bt、蛋白酶抑制剂、几丁质酶、葡萄糖酶和生物素结合蛋白基因等对蜜蜂的影响。迄今为止的结果表明转基因植物对授粉者的影响将依赖于所涉及基因的个案分折以及被蜜蜂吸收植物的基因表达情况。

关键词:蜜蜂;熊蜂;转基因产品

1 前言

据报道,1998年全世界转基因农作物的种植面积大约有7千万英亩(中国除外)。绝大部分种植在美国;阿根廷和加拿大也有数量可观的种植面积;澳大利亚、墨西哥、西班牙、法国和南美虽然面积较小,但也有一定数量。这些转基因植物中绝大多数品种是具有抗除草剂和抗害虫基因的大豆、玉米、棉花、油菜和马铃薯。许多转基因植物需要蜜蜂授粉,对有些转基因植物来说,它们的产量与授粉有直接的联系,如:苹果、基威果、李树、草萄和西红柿。对另外一些转基因植物来说,种子产量完全或部分依赖于蜜蜂的来访(如:油菜、花椰菜和胡萝L)。严格来说,还有许多作物虽说不需要蜜蜂授粉,但却是蜜蜂重要的食物来源(如:棉花),因此,有必要了解转基因植物对蜜蜂的影响。

如果转基因植物的花粉、花蜜或树胶中存在转基因蛋白,蜜蜂若摄取那些转基因编码的蛋白质将会受到直接的影响。若植物体内转入的基因不经意地改变了花的表现型(如花的形状和颜色),从而影响了花对蜜蜂的吸引力或营养价值,那么对蜜蜂的影响就是间接的。

目前正在制定评估转基因植物对蜜蜂影响的测试方法。纯化的转基因产品可用于常规的毒素口试和接触测试,类似于那些化学杀虫剂的研制。这些蛋白质可以用来研究个体蜜蜂的行为分析实验,也可以用于饲养蜂群来分析蜂群水平和亚致死效应。在设计这些实验的时候,把转基因产品的生物活性、蜜蜂在转基因植物上可能遇到的基因表达的剂量水平考虑在内是很重要的。一些转基因产品(如:Bt毒素、几丁质或蛋白酶抑制剂)的作用机制各不相同,并且不同于那些易于分为几个确定的类别的传统杀虫剂(如:神经抑制剂或昆虫生长调节剂)。如前所述,由于缺乏一些关于花粉(或花蜜、树脂)转基因表达水平的信息,这就限制了我们设计有意义的毒性实验。因此,目前实验中所用的剂量是当蜜蜂在转基因植物上采集时可能会碰到的转基因产品的浓度范围的估计。有时候用高浓度的剂量是模拟蜜蜂可能会遇到的最坏情况。在真正的转基因被用于实验之前,这些实验可预先提供一些对蜜蜂影响的信息,因此可以起到事半功倍的效果。最后必须做一些关于整个所有转基因产品的测试,进一步确定体外试验的结果,研究多重性效应,检查品种效应(如:由插入突变引起的效应)。

2 近期研究结果

2.1 Bt基因

Bt基因是由能产生一系列对昆虫特异的毒性蛋白的寄生于土壤的芽抱杆菌中提取出的蛋白毒素基因。不同种类的芽孢杆菌产生各自不同的一套毒素。通常,每一种毒素特异于昆虫纲的某一特定的目。目前已经分离得到了编码对鳞翅目、双翅目和鞘翅目毒素活性的Bt基因。多年来,对芽抱杆菌孢子和无性生殖阶段的培养已应用于生物杀虫剂的配制中。由于(由此配制的生物杀虫剂)缺少对膜翅目的话性,因而它们被认为对蜜蜂非常安全;与具有鞘翅目活性的Bt转基因土豆一样,具有鳞翅目活性Bt基因的转基因棉花和玉米也用于商业化。这些植物(已经商业化的转基因土豆、棉花、玉米等)具有特定的纯合和激活态的昆虫毒素,而包含全部细菌和孢子的生物杀虫剂通常是混合物,需要在昆虫肠道内的条件下被激活。因此,需要另外的试验来确保转基因Bt植物对蜜蜂等益虫的安全性。庆幸的是Bt毒素能够被提纯,也能在类似于它们在转基因植物中被表达的状态下被活化,这些都可应用于对蜜蜂的试验中。

目前正在进行比较纯化鳞翅目活性Bt毒素、Bt生物杀虫剂、传统化学杀虫剂作用于玉米时对其花粉分别产生潜在影响的测试(数据未公布)。这些工作有望用于评估不同的植保方法的生物安全性.而不是简单比较转基因植物与对照植物的影响。

迄今的研究结果表明.不同Bt毒素的特性保留于它们的活化形态申,Bt转基因产品对蜜蜂可能是非常安全的。但奶需要对所有转基因Bt植物进行进一步的研究以阻止和消除因植物表现型的微小变化可能对蜜蜂造成的影响。目前还没有有关纯化Bt毒素对熊蜂影响的公开报道,也没有有关转基因Bt植物对熊蜂影响的公开研究。

2.2 蛋白酶抑制剂基因

蛋白酶抑制剂(H)(正像他们的名字所表示的那样)是从植物、动物、微生物等许多自然来源中提取出来的能抑制蛋白酶活性的蛋白质。当PI被摄食以后,有的PI能够抑制昆虫用于消化的蛋白水解酶并最终导致昆虫饿死。转基因植物表达的PI已被证实可用来保护这些植物免受昆虫侵害。PI表现出抑制特定蛋白酶的活性(如:半胱氨酸蛋白酶对一组PI有反应,而丝氨酸蛋白酶对另一组PI有反应;有一些P1只对千种类型蛋白酶紧密结合,另外一些则有双重的功能)。一种PI对一种昆虫的影响取决于该昆虫主要蛋白酶的构型和该PI的活性。它们是通过分子与分子的结合起作用的,因而PI对昆虫的影响经常依赖于PI所使用的剂量。

蜜蜂和熊蜂利用蛋白水解酶消化蜂粮中的蛋白质。因此一些PI在一定浓度对这些昆虫有影响也不足为奇。在这些昆虫中普遍存在丝氨酸蛋白酶,因此丝氨酸PI(如大豆胰蛋白酶抑制剂)对蜜蜂的影响大于半胱氨酸蛋白酶抑制剂。

与蜜蜂不同,熊蜂整个成年时期都要消费花粉,因此可以预计PI对它们有不同的影响。像蜜蜂一样,熊蜂能被一些高剂量PI影响。与蜜蜂相比,在熊蜂中肠中的相对低水平的胰蛋白酶活动能力或许可以解释为什么胰蛋白酶抑制剂不影响熊蜂的存活。

迄今为止,蛋白酶抑制剂与蜜蜂关系的研究表明,成蜂中肠蛋白酶活性可能会减少,当蜜蜂摄取这些转基因编码蛋白后,必然影响蜜蜂寿命。这些影响由特定的PI和蜜蜂所接触到的PI浓度所决定。

2.3 壳多糖酶(几丁质酶)基因

编码壳多糖酶的基因已从大量植物、昆虫和昆虫病原微生物中分离出来。在真菌和昆虫体内,几丁质是一种重要的结构成分.因此几丁质酶基因已被转人植物体内,用于抵抗真菌的感染和病虫害。与其他昆虫一样,壳多糖(几丁质)也是蜜蜂和熊蜂体表的重要成分,因此,当蜜蜂摄取了在转基因植物中表达的几丁质酶食物后应该也会受影响。但是目前还没有这方面的相关资料。

2.4 β-1.3葡聚糖酶基因

葡聚糖酶基因已从许多不同的植物中分离出来,它是植物抵御真菌病原体侵袭的重要组成部分。葡聚糖酶基因同样也可以从微生物中分离出来。表达β-1.3葡聚糖酶性状的转基因植物能提高抗真菌病原体侵袭的水平。因为这种酶底物(β-1.3葡聚糖)在昆虫体内没有发现,所以这种转基因编码蛋白质不大可能危害蜜蜂。

2.5 生物素结合蛋白基因

与维生素(如:生物素)结合的蛋白质代表另一种具有抗病虫害潜力的转基因产品。这种编码两种蛋白的基因已经从鸡(抗生素蛋白)和细菌(链霉抗生素)中分离出来。生物素在蜜蜂或熊蜂营养中的作用还不了解。初步的毒性试验表明,这种蛋白质在蜜蜂的花粉消耗量及寿命方面没有显著影响间。

2.6 抗除草剂基因

抵御除草剂是商业化转基因植物最常具备的一个性状。因为这种抵抗力通过产生一种酶来分解除草剂,而蜜蜂缺少这种底物,所以蜜蜂在很大程度上不会受危害。

2.7 其他基因

目前,尚未报道其他转基因植物和蛋白质产品对蜜蜂和熊蜂的影响。对此有兴趣的领域是用转基因植物来抵御虫害,如转入能编码凝聚素或蜘蛛毒液的基因。

3 讨论

迄今为止,从转基因产品对蜜蜂产生影响所做的实验表明:转基因植物对蜜蜂和熊蜂的直接影响很大程度上取决于转基因植物的类型及其编码蛋白质的生物活性。某些蛋白质(如鳞翅目类特异的Bt毒素和糖降解酶等)几乎不可能对蜜蜂产生影响。而在昆虫生物学中经常涉及到的蛋白质(如PI或壳多糖酶)则更有可能对蜜蜂产生影响。在这些情况下,决定其影响程度的因素可能是蜜蜂所摄取的转基因产品的剂量。

很明显,转基因植物花粉、花蜜和树脂中表达蛋白的浓度关系到其对蜜蜂影响的程度。如果转基因植物的基因构建和表达策略能使被蜜蜂利用的转基因产品的含量最低。那么转基因植物对蜜蜂造成的任何可能危险都将被克服。

有关研究转基因产品对蜜蜂的主要影响的标准实验需要进一步发展和改进。必须要有充分的科学依据,同时还要遵守种植转基因植物的国家的各项有关生物安全保障的法律。

国与国之间对转基因植物的立法需要是不同的,对提出的不同新方法的科学价值要进行辩论。在辩论之前,做任何蜜蜂安全性实验过程应包括以下几点:

1. 确定花粉、花蜜和树脂中的基因表达水平。

2. 确定成蜂(工蜂和雄蜂)及幼蜂最高的暴露潜能,需根据表达水平及蜜蜂采集、摄取转基因植物花粉、花蜜及树脂剂量等问题确定。

3. 用提纯蛋白及实验室中的笼蜂(如果允许也可用野地的)进行毒性和亚致死效应的实验应包括:

a.确定提纯蛋白的剂量效应和相应的最高暴露潜能水平对幼虫存活和生长的影响。

b.确定上述剂量对成年工蜂的生存、发育(尤其是能分泌蜂王浆的咽下腺的发育)及其行为,特别是采集行为的影响。

c.确定上述剂量对蜜蜂的存活、受精率和外激素产生的影响。

d.确定上述剂量对雄蜂的生存和精 液产生的影响。应该先做毒性实验。如果高剂量产生过高的毒性,就减少剂量再做,直到找到合适剂量为止。

4. 对花“诱惑”,蜜蜂的能力(如花蜜量、花蜜浓度和花的构造)的推断可作为选育转基因植物的依据。

5. 在实验室中得出的结果要经野外实验证实,最好用转基因植物而非提纯蛋白。最终,由以上获得的信息可用于评定由转基因植物引起的风险与继续用传统农业中的常规模物(如化学或生物杀虫剂、杀菌剂,除草剂)对蜜蜂造成的危险之间的关系设计出可取而代之的植物。

引自《中国养蜂》2005(6)

张兰 李建科

郑州大学生物工程系 中国农业科学院蜜蜂研究所

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