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在转基因作物商业化以来,转基因作物与普通作物以及野生近缘种之间发生基因流导致外源基因逃逸的问题一直受到全球范围内的讨论和关注。转基因甘蓝型油菜(Brassicanapus以下简称油菜)及其野生近缘种是作物基因流风险评价中的模式植物体系。自播油菜在土壤种子库中的存续与萌发是介导转基因油菜基因流的主要途经之一。本文首先研究了影响自播油菜在土壤种子库传播的各个关键环节,初步预测在中国耕作系统中通过种子库介导潜在的基因流水平,并估算了转基因油菜与其重要野生近缘种野芥菜(Brassicajuncea)基因流发生后对后代适合度的影响,以期为中国转基因油菜基因流水平的预测和控制管理提供理论依据。
为了测定转基因油菜可能导入油菜种子库的量,研究了油菜人工收获时的种子落粒量,以确定土壤种子库的大小和影响收获落粒的关键环节。我们研究了不同的种植方式(移栽与直播)、不同收获时期(传统的最佳收获时间与延迟七天)和不同收获环节(收获前、收割时、晾晒时、移动去脱粒时)的落粒情况。结果显示晾晒阶段落粒最多,大概占了总落粒量的四分之三,不同的收获时期和种植方式均对落粒有显著影响,在最佳收获时间收获的移栽油菜落粒最少,而收获时期降水量对落粒无明显影响,收获落粒可通过在晾晒时垫塑料薄膜的方式降低基因流风险。
种子的埋藏深度决定了自播油菜的萌发情况。为了同时了解在翻耕时种子运动的具体模式和影响因素,估算翻耕后种子在土壤中的深度,我们在湖南的宁乡和金井不同类型土壤的田中测量了油菜种子翻耕后沿垂直方向和横向位置的变化,并与种子运动模型模拟值进行了比较,实验结果表明Roger-Estrade翻耕模型仅适用于耕作深度较大(平均深度为15cm)的田块,对湖南宁乡地区水稻土翻耕深度较浅的种子运动模拟并不理想。
为了估算在中国南方一年两熟的耕作制度下自播油菜土壤种了库的动态变化,通过模拟在水田和旱田情景,研究了埋藏在不同深度的油菜种子的完整率与潜在萌发率随着时间的变化趋势,同时在春季的油菜生长季节调查了当地前一年种植过油菜的冬闲田中油菜自播种的萌发量。研究发现完整种子数量和潜在萌发率随着埋藏时间急速下降,三个月后水田中已没有可以萌发的种子,埋藏深度对种子存活和水田中种子的潜在萌发率无显著影响,但随着埋藏深度的增加,旱田中种子的潜在萌发率逐渐下降,16个月后田中无存活的种子。而油菜自播种调查显示路边荒地的自播种数量大于冬闲田中的数量。
为了解转基因对野生种群的可能影响,采用转抗虫基因(Bt)油菜、野芥菜以及它们的杂回交后代,研究了无选择压力下和含不同比例非转基因回交二代的野芥菜种群的适合度以及Bt基因在杂回交后代中的遗传和表达情况。结果表明:随着回交世代的增加,回交后代的各个性状与适合度逐渐接近回交亲本野芥菜,回交后代能很好地融入野芥菜背景中。Bt基因在回交世代的遗传分离比会出现波动,然而Bt基因在转基因回交四代植株中仍能稳定表达。
根据我们对在中国耕作制度下的种子库介导基因流各个环节参数的估计,由于超过90%的油菜与水稻水旱轮作而且耕作深度较浅,大量种子在田中死亡和萌发,因此田块中通过土壤种子库介导的基因流风险较低;但另一方面,因为缺少管理,路边的油菜自播种是比田间自播种更大的花粉与种子库来源,由于回交后代适合度愈加接近野芥菜,在基因流发生后,外源转Bt基因很可能在野芥菜的遗传背景中固定并对野生种群造成长期影响。