卢宝荣

（1. 复旦大学生物多样性科学研究所 生物多样性与生态工程教育部重点实验室，上海 200433；2. 南昌大学生命科学研究院 流域生态学研究所，南昌 330031）

适合度分析对转基因逃逸潜在环境风险评价的意义

卢宝荣1，2

（1. 复旦大学生物多样性科学研究所 生物多样性与生态工程教育部重点实验室，上海 200433；2. 南昌大学生命科学研究院 流域生态学研究所，南昌 330031）

转基因作物的全球大规模种植引起了全世界的广泛关注甚至争议。经过遗传改良并具有自然选择优势的转基因作物进入商品化种植，可能将带来环境生物安全的顾虑。在这些生物安全的顾虑中，转基因通过花粉介导的基因漂移向栽培作物的野生近缘种逃逸及其导致的潜在环境风险，就是世人最为关注的环境生物安全问题之一。包括中国在内的许多国家，在转基因作物进行商品化生产之前都必须对转基因逃逸及其带来的潜在环境风险进行严格评价。按照风险评价的框架，转基因向野生近缘种逃逸及其带来潜在环境风险的评价包括3个连续的步骤：1）检测转基因漂移到作物野生近缘种的频率；2）分析转基因在野生近缘种中的表达；3）确定转基因对野生近缘种群体适合度和进化潜力的影响。大量基因漂移的研究结果已表明，转基因通过基因漂移向栽培作物邻近的野生近缘种群体逃逸难以避免，而转基因也会在作物的野生近缘种群体中正常表达。因此分析和评价转基因为野生近缘种带来的适合度效应，对于转基因逃逸及其环境风险的评价至关重要。对适合度的概念及其进化意义进行介绍，并对如何利用转基因的适合度效应分析转基因逃逸的环境风险，以及对此类环境风险进行研究和评价的具体方法予以介绍。上述知识和方法的掌握将有助于人们对转基因作物环境生物安全及其评价的全面理解。

生物安全；转基因逃逸；生态风险评价；转基因生物；适合度效应；进化潜力

新技术在一个国家的发展和经济振兴中具有极其重要的意义。纵观古今中外历史，新技术的发明和应用，对社会进步和人类文明均产生了巨大的推动作用，最为突出的例子有火药、造纸、印刷术、指南针、X-射线、电灯、蒸汽机、通讯及电子计算机等。同样，转基因生物技术的迅速发展以及转基因作物在全球的商品化应用，为提高农作物产量、减少资源的投入和降低劳动成本提供了一种新的选择，也为世界粮食安全的保障提供了新的机遇［1-4］。在短短20年时间内，转基因作物的全球种植面积迅速增加。据不完全的资料统计，截至2014年底，全球的转基因作物种植面积已经超过1.81亿hm2［5］。这充分显示了转基因生物技术的强大生命力和广泛的应用价值。以印度为例，转基因抗虫棉在该国的大面积种植，使其从一个棉花进口国在短短的时间内转变为棉花出口国［5］。还有许多国家，如巴西和阿根廷等，转基因作物的商品化种植和转基因产品对国际市场的占领，给这些国家带来了极大的经济利益和社会利益［5］。

正如任何一项新技术的出现及其在应用的过程中会产生争议一样，转基因作物的全球大规模种植，在带来巨大经济和社会利益的同时，也引起了全球对转基因的生物安全，包括食品安全、环境安全及伦理问题的广泛关注，甚至是激烈的争议［6-10］。从某种意义上讲，生物安全问题已经成为转基因技术的进一步发展以及转基因作物更广泛商品化应用的制约。对转基因作物的安全评价已经成为全球的重要议题，只有对转基因技术和产品进行科学和有效的安全评价，才能确保转基因产品的安全和持续利用，充分保证广大消费者的健康和利益［7，10，11］。在众多的环境生物安全顾虑中［10，11］，外源转基因通过花粉介导的基因漂移或基因流（gene flow）从转基因作物逃逸到作物的野生近缘物种以及带来的潜在环境风险，便是令全世界最关注的生物安全问题之一［11-14］。栽培作物与其野生近缘物种具有一定的遗传关系或亲缘关系。例如，栽培稻（Oryza sativa）与野生稻（O. rufipogon）/杂草稻（O. sativa f. spontanea）、栽培油菜（Brassica napus）与杂草型油菜（B. rapa）、栽培高粱（Sorghum bicolor）与野生高粱（S. bicolor）及向日葵（Helianthus annuus）与野生向日葵（H. ruderalis）等，它们之间可以发生天然杂交和基因渐渗（introgression）［16-21］。经过生物技术和生物工程的方法转移到栽培作物的转基因，可以通过天然杂交或基因漂移而转移（逃逸）到邻近的野生近缘种群体。由于有些经过人工修饰或改良的转基因（如抗虫、抗病和抗除草剂基因），在特定的环境条件下，具有较强的自然选择优势。当这些转基因通过基因漂移转移到野生近缘种的群体，就可能改变这些野生群体的生存和繁殖能力、甚至入侵能力，使得其迅速扩展分布空间，或形成难以控制的杂草，从而导致不可预测的环境影响。因此，转基因逃逸及其带来的潜在环境或生态风险，是任何转基因作物在进入商品化生产或大规模种植之前必须进行安全评价的内容［6-11］。

通常，对转基因作物的风险评价按照以下公式进行，即：风险（%）=暴露率×危害性［11］。

对于转基因逃逸到野生近缘种及其潜在环境风险的评价，主要是根据转基因逃逸到野生近缘种群体的频率（暴露率）［9，15，20，21］，以及转基因逃逸到野生近缘种群体之后是否会改变野生近缘种的适合度（危害性）和适合度改变的程度来进行的［21-26］。对于转基因漂移的频率，即转基因从栽培物种转移到野生近缘种的概率，目前已有大量的研究报道，也获得了大量的研究结果［16-21］。但是对于转基因如何为野生近缘种群体带来适合度效应（利益与成本），以及如何对适合度效应进行检测和分析，并将相关研究成果用于环境生物安全的评价，则鲜有报道［22-26］。适合度效应的分析，无疑是判断转基因逃逸之后是否能导致环境风险的重要环节之一，必须对其进行深入研究和了解。鉴于此，本文将对适合度的概念、涵盖范围和进化意义，及其在转基因逃逸和环境风险评价中的重要作用进行综述，同时还对转基因带来适合度效应的检测和分析方法进行了概括。

1 适合度的概念及其进化意义

适合度（fitness）是一个与生物进化密切相关的术语。早在1859年，达尔文就在其所著的《物种起源》巨著中就提出了适合度这一概念［27］，他认为不同生物个体在自然选择下的“适合”能力是不一样的，因此，将适合度用来衡量生物个体存活和繁殖成功的可能性。根据该书的描述，适合度越高，个体成活以及繁殖成功的机会越大；适合度越低，则个体成活以及繁殖成功的机会也就越小。这一概念是进化论中非常重要的元素之一。通常，在现代的进化生物学中，适合度的概念被定义为：某一特定的基因型（genotype）在某种特定环境条件下传递到后代的频率。用比较容易理解的语言来解释，适合度是用来衡量在特定环境条件下，包含某一基因型或遗传特性的生物个体或群体的适应能力或适应程度。即具有特定基因型的生物个体，在群体中繁殖的相对成功率（相对优势），或具有该基因型的个体对群体基因库（gene pool）的相对贡献程度［9］。以此，如果包含某一基因型生物个体或群体的成活以及繁殖成功机会越大（适合度高），它们能够存活并留下含有该基因型后代的数量就越多，就表明这些个体或群体的进化潜力越大，反之则进化潜力越小。

我们可以用一个案例，更通俗地解析适合度及其在生物进化中的意义。例如，在一个野生稻（Oryza rufipogon，或其它任何生物）的群体中具有包含了抗虫基因的个体和不包含抗虫基因的个体。在没有害虫发生的环境条件下，包含抗虫基因和不包含抗虫基因的个体可能表现和适应性均差不多，具有相同或相似的生存与繁殖能力，即适合度相同。但是在有大量害虫发生（选择压）的环境条件下，含有抗虫基因的野生稻个体与不含抗虫基因的个体相比，具有更强的生存能力（因为抗虫）和生产更多种子的能力。这表明含有该抗虫基因的野生稻个体（基因型）比不含抗虫基因的野生稻个体适合度更高。从种群生物学的角度来看，在有大量害虫的环境条件下，经过许多世代之后，含有抗虫基因的野生稻个体就会因为其生存和繁殖能力都占有优势而有更多的个体被保留下来，抗虫基因的频率也将在群体基因库中随世代的增加而升高，对基因库有相对较大的贡献；而在同样的环境条件下，不含抗虫基因的野生稻个体，则会由于其适应能力较差而在群体中逐渐减少，不抗虫基因的频率也将在群体基因库中随世代的增加而降低，甚至消失。由此可见，适合度是用以度量生物所包含的各种遗传性状的适应性以及在进化过程中这些遗传性状通过繁殖传递到后代能力的指标。即只有适合度较高的基因型（表型性状）才可能在种群中得到保留。适合度在生物进化研究中具有非常重要的意义［9，27-29］。

2 转基因的适合度效应及其与环境生物安全的关系

毋庸置疑，转基因逃逸及其带来的潜在环境风险是世人极为关注的生物安全问题，必须对其进行安全评价，这是全球许多进行转基因作物商品化种植国家的共识［6-11］。但是，从技术的层面如何对转基因逃逸导致的风险以及关键因素进行研究、分析和定量检测，并采取有效措施将潜在的风险降至最低，这是对环境生物安全进行科学评价必须解决的关键问题。按照本文作者建议的转基因逃逸及其环境风险评价基本框架［11，30］，这一类环境风险的评价过程应该包含3个关键的步骤：第一、分析和检测转基因从栽培作物逃逸到野生近缘种的频率（%）；第二、分析和检测外源转基因在野生近缘种中的表达水平；第三、分析和研究外源转基因对野生近缘种带来的适合度效应（图1）。这3个步骤环环相扣、相互影响，在转基因逃逸及其环境风险的评价中至关重要。

图1 转基因逃逸及其潜在环境风险的评价框架［11，30］

首先，作为转基因逃逸及其潜在环境风险评价的决定条件，检测转基因是否可能通过基因漂移而逃逸到栽培作物的野生近缘种以及逃逸的频率有多高，这是应该进行检测和评价的第一步。如果转基因作物不存在花粉介导的基因漂移（如雄性不育或闭花授精），或是由于时间（不同时开花）和空间（地理分布）的隔离，而不会导致转基因逃逸到作物的野生近缘种，则不会产生转基因逃逸以及后来的风险，反之，如果转基因通过花粉介导的基因漂移以较高的频率逃逸到野生近缘种群体，则有可能带来不可预测的环境影响或风险［11，20，21，31］。因此，以基因漂移频率检测为核心的转基因逃逸评价是关键的第一步。

其次，通过基因漂移逃逸到栽培作物野生近缘种的外源转基因，是否能够正常表达并行使其功能，也是评价转基因逃逸是否带来环境风险的关键一步［11，30-32］。如果转基因不能在野生近缘种中正常表达，甚至沉默，即转基因不能行使正常的功能，则即使转基因能够以一定的频率逃逸到栽培作物的野生近缘种，也不可能带来明显的环境影响，因为没有功能的转基因只相当于一个中性的DNA片段，不会影响野生近缘种的适合度。反之，如果能够行使正常功能的外源转基因能以一定的频率逃逸到栽培作物的野生近缘种，而且又能够在野生近缘种中正常表达，那么该转基因是否能够带来生态环境的影响或负面后果，则在很大程度上取决于该转基因是否能够改变野生近缘种群体适合度，以及带来适合度效应的高低。因此，外源转基因在野生近缘种中表达水平的检测和评价也不可忽视。

最后，逃逸到作物野生近缘种群体的外源转基因是否会终将造成对环境的负面影响，这在很大程度上取决于该转基因是否会改变野生近缘种群体的适合度。如前所述，特定的基因决定了含有该基因的生物个体是否能够很好地适应于特定的环境条件而具有更多的生存和繁殖机会，是否有利于该群体的适应性进化。转基因是通过人工修饰并可以遗传的基因，有些能够抵御胁迫的转基因，如抗虫转基因、抗除草剂转基因以及抗逆境的转基因，具有很强的自然选择优势。在特定的环境条件下，如虫害发生、施用除草剂以及环境胁迫，这些转基因能够带来显著的适合度优势或适合度利益。如果一个具有较强自然选择优势（或劣势）的转基因以一定的频率从栽培作物逃逸到野生近缘种群体，该转基因也将会由于具有自然选择优势而提高野生近缘种群体中包含该转基因个体的适合度，导致这些个体的生存竞争和繁殖能力的增强，甚至入侵能力的增强，从而演变成为难以控制的杂草，最终带来对环境的负面影响，甚至导致生态风险（图2）。

图2 逃逸到转基因作物野生近缘种群体带来的适合度变化（利益-成本）导致生态环境影响的推导

与此相反，如果这个逃逸到作物野生群体的外源转基因，由于其自然选择的劣势（如植株矮小、落粒性差）而降低了野生近缘种群体中包含该转基因个体的适合度，便会导致这些个体的生存竞争和繁殖能力的降低、适应能力变弱，从而最终造成该野生近缘种群体的灭绝，这样的结果也会带来不同的生态环境风险（图3）。如果逃逸到野生近缘种群体的转基因（如品味质量、含维生素等基因）不会导致野生近缘种适合度的变化，而且通过花粉介导的基因漂移逃逸到野生近缘种群体的转基因频率又很低，那么这些转基因的漂移将不会对野生近缘种的生存和繁殖带来显著的影响，因而不会带来明显的环境影响。

由此可见，转基因的适合度效应与转基因逃逸所带来的环境风险评价密切相关。对于目标转基因适合度效应的分析，非常有助于转基因逃逸所带来的潜在环境风险的分析与评价，对环境生物安全的研究与评价具有十分重要的意义。

大量研究表明，来自于栽培作物的转基因，通常可以在其野生近缘种中正常表达，并影响转基因在转基因作物及其野生近缘种杂种后代中的表现［31，32］。这是因为，能够与栽培作物进行杂交而且有较高杂交亲和性的野生近缘种，通常均与栽培作物有很高的遗传关系和系统进化关系。由此推论，能够与栽培作物进行天然杂交而进行基因交换的野生近缘种，转基因均可以在其个体或群体中正常表达。因此，外源转基因逃逸及其带来的环境风险在很大程度上取决于转基因向野生近缘种转移的频率，以及逃逸到野生近缘种群体中的转基因所带来的适合度效应。图3显示，转基因逃逸的生态风险随着转基因漂移频率的增高而增高，同时也随着转基因在特定环境条件下所带来的适合度效应的增高而增高。也就是说，转基因如果以很高的频率漂移到野生近缘种的群体中，即使转基因不会带来适合度的利益（优势）或成本（劣势），野生近缘种群体也会因为基因淹没（gene swamping）效应和遗传同化（genetic assimilation）效应而产生明显的群体结构和群体遗传多样性的变化，从而导致生态后果［11，33］。另一方面，当转基因具有很强的适合度优势，即使其逃逸到野生近缘种群体的频率很低（＜0.1%），也会由于该转基因有强烈的自然选择优势，而极大地提高该转基因在野生近缘种群体中的适合度效应。由于受到强烈选择而产生的选择性剔除（selective sweep）效应，最终会导致群体遗传结构和遗传多样性的改变，从而带来不可预测的生态后果［11，33］。

图3 转基因漂移频率与转基因适合度效应导致生态风险的关系

3 转基因适合度的检测以及环境风险评价的方法

尽管适合度效应的分析对于特定基因（包括转基因）的进化潜力和可能导致的生态后果有着非常重要的意义，而国外在转基因逃逸及其可能带来的生态风险的研究中，将转基因所带来的适合度效应分析作为风险评判和评价的重要依据［7-11］。但是在我国，这方面的研究还相对较少［21，26，35，36］。在对转基因逃逸及其生态风险的研究和评价过程中，也主要是以检测转基因随基因漂移的频率为主，有不少关于不同栽培作物基因漂移的研究报道［37-42］。这可能由于对转基因适合度效应如何影响野生近缘种的生存和繁殖能力以及野生近缘种适应性进化潜力的理解不够深入。通过基因漂移而逃逸的转基因只有对野生近缘种群体的进化潜力产生了影响，才会带来对环境的影响。其实，通过图1、图2和图3的示意，我们不难看出，基因漂移的频率和转基因适合度效应对于评价转基因逃逸及其带来的环境风险均具有十分重要的作用，同时两者之间还存在着密切的关系（图3）。转基因通过基因漂移逃逸到栽培作物的野生近缘种，是导致潜在风险的第一步。而在这一领域，无论是国内还是国外都有大量的研究报道［9，11-21，40］。通过大量的研究和检测，目前对全世界的主要栽培作物及其野生近缘种的基因漂移频率均有了非常详细的记录［17］。但是对于转基因对野生近缘种的适合度影响，目前的研究积累还相对较少，而且还主要集中在抗虫（Bt），抗除草剂（EPSPS）和抗病基因对野生近缘种的适合度影响，我国在这方面的研究就更少［23，25，26，29，34-36，43］。

因此，有必要加强不同转基因对不同栽培作物野生近缘种适合度效应的研究和分析。也有必要对转基因适合度效应的检测方法及如何将检测到的结果用于风险评价进行介绍。以下便以植物为例来加以说明。通常，对转基因适合度效应的检测以及将检测的结果用于环境生物安全的评价包括以下3个重要步骤：建立转基因作物与其野生近缘物种的杂种、自交和回交后代的实验群体；开展实验群体的同质园（common garden）种植实验；检测生活史周期实验群体的适合度相关性状并对其适合度效应进行分析。

3.1 建立转基因作物与野生近缘物种的杂种及其后代实验群体

对转基因逃逸到野生近缘种群体所产生的适合度效应进行科学有效的分析，必须模拟转基因通过天然杂交转移到野生近缘种群体，之后对包含转基因的野生近缘种个体（植株）的适合度变化进行比较分析。因此，最重要的是能够设计用于分析转基因在整个生活史周期对野生近缘种个体或群体的适合度产生影响进行公正比较的实验群体［26，36，43］。通过分析转基因如何影响野生近缘种生存和繁殖能力（适合度效应），就可以评价转基因对野生近缘种进化潜力的影响，最终预测该转基因可能对环境造成的影响。

在构建杂种及其后代实验群体的过程中，通常可以将非转基因栽培作物（父本）和转基因栽培作物（父本）分别与野生近缘种（母本）进行杂交，便可以获得含有转基因和不含转基因的杂种F1（图4）。比较含有转基因和不含转基因杂种F1的一系列适合度相关性状（表1），便可以初步剖分由转基因对野生近缘种所带来的适合度差异。但是由于转基因作物与其非转基因亲本品种，在转基因育种的一系列改良和选择过程中已经产生了一定的遗传差异。仅仅在含有转基因和不含转基因的杂种F1群体之间进行比较，还不能完全代表转基因带来的适合度差异。因为检测到的差异很可能是由于转基因作物与其亲本品种的遗传背景差异所造成的。为了解决这个问题及较为公正地进行比较，可以对含有转基因的F1群体进行自交产生含有转基因和不含转基因的F2分离群体（图4），或将含有转基因的F1杂种与其野生近缘种进行回交而得到含有转基因和不含转基因的回交后代（BC1）分离群体［22，24-26，36，43］。如果这些分离群体的样本量足够大，则含有转基因和不含转基因的分离群体之间的遗传背景应该是一样的，在这些分离群体（F2或BC1）之间进行比较所检测到的适合度性状差异，就应该代表了转基因所带来的适合度差异。为了进一步检测在高世代中转基因的适合度表现，还可以对F2群体继续进行自交（图4）或BC1群体继续进行回交，从而得到需要的各世代实验群体。因此，转基因作物与其野生近缘种人工杂交以及杂种后代实验材料体系的建立，为转基因在野生近缘种群体中的适合度效应的分析和确定奠定了基础。

图4 通过人工杂交建立转基因适合度实验材料体系的建立

3.2 开展转基因实验群体的同质园种植比较实验

为了获得转基因对栽培作物野生近缘种群体的进化潜力和对环境产生的影响，在建立了含有转基因和不含转基因的杂种及分离后代的实验群体之后，就要按照转基因的特性以及表型性状，创造具有不同选择压的环境条件，将实验群体种植在具有不同选择压的环境条件下来进行比较。例如，我们检测的目标基因如果是抗虫转基因，则需要创造包含靶标害虫的环境和不含靶标害虫的环境，分别将杂种实验群体，包括转基因栽培作物、野生近缘种群体、含有转基因的杂种和分离群体，以及不含转基因的杂种和分离群体，均种植在不同环境条件（有虫压与无虫压）的同质园实验体系中。通过在有虫压的环境条件下对含有转基因和不含转基因实验材料的比较分析，确定转基因带来的适合度利益，即转基因促进了野生近缘种群体的生存和繁殖［22，24-26，34，36，43］。同时通过在无虫压的环境条件下对含有转基因和不含转基因实验材料的比较分析，确定转基因的适合度成本，即转基因对野生近缘种群体的生存和繁殖产生了负面影响［24，26，34，44］。利用含有转基因和不含转基因的实验群体在不同选择压的同质园种植实验中表现，就可以通过比较分析和统计，检测到转基因对野生近缘种的适合度效应，为转基因从栽培作物逃逸到野生近缘种环境风险的评价提供重要的信息和数据。

3.3 检测实验群体的适合度相关性状和对其适合度效应进行分析

对于转基因带来的适合度效应分析非常重要，但是选择何种性状进行测量对适合度效应分析最为有利是非常重要且必须解决的问题。对同质园中实验群体性状的测量，应该尽可能反映野生近缘种的生存能力和繁殖能力是否因为转基因的渗入而产生了显著的变化：增强或减弱。所以应该对实验材料整个生活史周期中最能够反映生存能力和繁殖能力的性状进行测量，并对含有转基因和不含转基因实验材料各性状测量而获得的数据进行比较和统计检验，以便确定在特定的环境条件下，特定的转基因是否会为野生近缘种带来适合度的利益（优势）和适合度成本（劣势）。为评价该转基因逃逸到野生近缘种最终是否可能改变野生近缘种群体的生存繁殖能力和进化潜力，并导致环境影响提供科学依据。由于不同种类的植物形态性状有比较大的差异，而决定其生存和繁殖的性状也不同，应该如何选择最适宜的性状进行测量和分析，本文就以重要的禾谷类作物水稻为例，介绍选择哪些形态性状以及在哪些生长时期进行测量可以达到预期的效果（表1）。水稻为禾本科（Poaceae）植物，是世界重要的粮食作物。小麦、玉米、大麦、黑麦、小米、高粱和燕麦等作物都属于禾本科。因此，选择水稻进行分析有较好的代表性和参考价值。

与水稻可以进行天然杂交而导致外源转基因逃逸的对象为稻属（Oryza）中所有含AA基因组的野生稻物种及与水稻共同发生的杂草稻［15，16，20，21，45］，而在整个生活史周期，决定这些野生近缘种（包括杂草类型）生存与繁殖能力的性状如下：种子萌发率、萌发种子的成苗率、幼苗期和拔节期的株高及分蘖能力，通过上述性状可以分析稻属植物的生存能力。此外，还有单株的穗数、单株的种子数、结实率及下一代种子的萌发率和成苗率，通过这些性状可以分析稻属植物的繁殖能力。如果野生稻属于多年生，还需考虑其植株（分蘖）的越冬能力和越冬分蘖的再生能力。上述所有性状均代表了稻属植物整个生活史周期——从种子再到种子这一生命周期对适合度产生影响的重要性状。在植物生长和繁育的不同时期对这些性状进行测量、记录、统计和计算（表1），就可以获得转基因在特定环境条件下对野生近缘种的适合度效应：增强或减弱，并用于转基因逃逸到栽培稻野生近缘种所导致的环境风险评价［20，21］。对于其它农作物也可以选择类似的适合度相关性状进行分析［20-25，29］。

表1 以栽培稻和野生稻为例说明生活史周期适合度相关性状及其检测方法

4 展望

包括食品安全和环境安全在内的一系列转基因生物安全评价，是目前全世界转基因作物大规模商品化种植和生产的基本要求，也是转基因生物技术可持续发展的基本保证。在转基因生物技术日臻完善的过程中，在对转基因作物食品安全和环境安全的顾虑还没有完全消除之前，对其进行安全评价仍然是这些生物技术产品大规模商业化生产的前提和必需采取的措施。鉴于生态环境对国家可持续发展的重要意义，转基因作物在商品化种植过程中对环境产生的影响以及潜在风险仍然是全球关注的热点，特别是转基因逃逸到野生近缘种及其带来的潜在环境风险问题，仍将是一个被人们长期争议的焦点。然而我们应该清楚地了解，基因漂移是一个自然的过程，它已经发生了百万年，有高等植物生长的地方就存在基因漂移，它是植物进化的重要驱动力之一。人类的活动，特别是农业生产活动对植物基因漂移已经产生了数千年的影响。因此，只要有农作物的种植，就存在作物的基因漂移，而由花粉介导的转基因漂移到非转基因作物和野生近缘种群体也难以避免。但是转基因漂移是否会带来潜在的环境风险，这不仅是人们长期关注的转基因生物安全问题，也将是科学工作者不断探索和需要解决的科学问题。

在生物安全评价的过程中，有一些重要的原则，如科学性原则（science-based principal）、逐步实施原则（step-by-step principal）和个案原则（case-by-case principal），这些原则均需要人们在生物安全评价的过程中严格遵守。转基因逃逸及其潜在的环境风险是一个科学问题［11，19，20］，在对其风险的评价过程中，有相关的科学问题需要予以解答，也有科学的规律有待人们去揭示。只要这些科学的规律和问题得以揭示和解答，完全可以科学和公正地评价转基因逃逸所带来的潜在环境风险，并通过风险监测和风险管理的方法将风险控制在许可的范围。按照前文所述，我们知道转基因逃逸到野生近缘种及其带来的潜在影响及其评价可以分为3个步骤，即转基因逃逸频率的检测和确定，转基因在野生近缘种中的表达，以及转基因对野生近缘种带来的适合度效应分析。对于前两者，特别是作物的基因漂移，已经有了大量的研究。目前对世界主要农作物基因漂移的频率已经有了基本的答案［12，13，15-18］。但对于不同类型转基因对其野生近缘种群体所带来的适合度效应还了解较少，而转基因的适合度效应，对野生近缘种的生存和繁殖影响较大，这将直接对环境产生较大的影响。因此，建议加强对这一领域进行深入的研究。

适合度效应受到诸多因素的影响，不仅受到不同类型的转基因及转基因事件的影响，同时还受到基因漂移受体（野生近缘种）的遗传背景，以及不同环境因素的综合影响，而且这些因素之间的相互作用也会对检测到的适合度效应产生不同的影响［25，26，29，36，41］，这就进一步增大了对转基因逃逸所带来的环境风险评价的挑战性。但是，对于这些因素如何影响转基因在不同野生近缘种群体中的适合度效应，这些因素之间的互作又会如何影响转基因在不同野生近缘种群体中的适合度效应，特定转基因逃逸到野生近缘种群体之后将如何长期影响群体的适合度效应，对于这些科学问题，人们仍然了解很少，这就限制了人们对转基因逃逸到野生近缘种群体将最终产生怎样的生态影响，特别是长期生态影响的判断和预测。大量的研究已经表明，在全球范围内转基因逃逸到作物野生近缘种的情况可能难以避免，特别是在有栽培作物和野生近缘种共同分布的地区。因此，只有科学有效地分析和研究转基因在不同环境条件下给不同遗传背景的野生近缘种群体带来的适合度效应，才能够真正解析转基因从栽培作物逃逸到野生近缘种群体之后可能对其生存和繁殖带来的影响，以及对野生近缘种群体进化潜力带来的影响，最终对转基因逃逸带来的环境风险作出科学和有效的评价。

［1］ Conway G, Toenniessen G. Feeding the world in the twenty-first century［J］. Nature, 1999, 402：C55-C58.

［2］ Serageldin I. Biotechnology and food security in the 21st century［J］. Science, 1999, 285：387-389.

［3］ Godfray HCJ, Beddington JR, Crute IR, et al. Food security：the challenge of feeding 9 billion people［J］. 2010, Science, 327：812-818.

［4］ Fedoroff NV, Battisti DS, Beachy RN, et al. Radically rethinking agriculture for the 21st century［J］. Science, 2010, 327：833.

［5］ James C. Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops：2014［R］. ISAAA Brief, 2014, No. 47. ISAAA：Ithaca, NY.

［6］ Celis C, Scurrah M, Cowgill S. Environmental biosafety and transgenic potato in a centre of diversity for this crop［J］. Nature, 432：222-225.

［7］ Bradford KJ, Van Deynze A, Gutterson N, et al. Regulating transgenic crops sensibly：lessons from plant breeding, biotechnology and genomics［J］. Nature Biotechnology, 2005, 23：439-444.

［8］ Dale PJ, Clarke B, Fontes EM. Potential for the environmental impact of transgenic crops［J］. Nature Biotechnology, 2002, 20：567-574.

［9］ Stewart NC, Halfhill MD, Warwick SI. Transgene introgressionfrom genetically modified crops to their wild relatives［J］. Nature Reviews Genetic, 2003, 4：806-817.

［10］ Andow DA, Zwahlen C. Assessing environmental risks of transgenic plants［J］. Ecology Letters, 2006, 9：196-214.

［11］ Lu BR. Transgene escape from GM crops and potential biosafety consequences：an environmental perspective［J］. International Centre for Genetic Engineering and Biotechnology（ICGEB）, Collection of Biosafety Reviews, 2008, 4：66-141.

［12］ Ellstrand NC, Prentice HC, Hancock JF. Gene flow and introgression from domesticated plants into their wild relatives［J］. Annual Review of Ecology and Systematics, 1999, 30：539-563.

［13］ Ellstrand NC. Current knowledge of gene flow in plants：implications for transgene flow［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society B：Biological Sciences, 2003, 358：1163-1170.

［14］ Hails R, Morley K. Genes invading new populations：a risk assessment perspective［J］. TRENDS in Ecology and Evolution, 2005, 20：245-252.

［15］ Song ZP, Lu BR, Zhu YG, et al. Gene flow from cultivated rice to the wild species Oryza rufipogon under experimental field conditions［J］. New Phytologist, 2003, 157：657-665.

［16］ Chen LJ, Lee DS, Song ZP, et al. Gene flow from cultivated rice（Oryza sativa）to its weedy and wild relatives［J］. Annals of Botany, 2004, 93：67-73.

［17］ Ellstrand NC, Prentice HC, Hancock JF. Gene flow and introgression from domesticated plants into their wild relatives［J］. Annual Review of Ecology and Systematics, 1999, 30：539-563.

［18］ Ellstrand NC, Meirmans P, Rong J, et al. Introgression of crop alleles into wild or weedy populations［J］. The Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 2013, 44：325-345.

［19］ Arias DM, Rieseberg LH. Gene flow between cultivated and wild sunflowers［J］. Theoretical and Applied Genetics, 1994, 89：655-660.

［20］ Lu BR, Snow AA. Gene flow from genetically modified rice and its environmental consequences［J］. BioScience, 2005, 55：669-678.

［21］ Lu BR, Yang C. Gene flow from genetically modified rice to its wild relatives：Assessing potential ecological consequences［J］. Biotechnology Advance, 2009, 27：1083-1091.

［22］ Burke JM, Rieseberg LH. Fitness effects of transgenic disease resistance in sunflowers［J］. Science, 2003, 300：1250.

［23］ Stewart CN, All JN, Raymer PL, et al. Increased fitness of transgenic insecticidal rapeseed under insect selection pressure［J］. Molecular Ecology, 1997, 6：773-779.

［24］ Halfhill MD, Sutherland JP, Moon HS, et al. Growth, productivity, and competitiveness of introgressed weedy Brassica rapa hybrids selected for the presence of Bt cry1AC and gfp transgenes［J］. Molecular Ecology, 2005, 14：3177-3189.

［25］ Snow AA, Pilson D, Rieseberg LH, et al. A Bt transgene reduces herbivory and enhances fecundity in wild sunflowers［J］. Ecological Applications, 2003, 13：279-286.

［26］ Yang X, Xia H, Wang W, et al. Transgenes for insect resistance reduce herbivory and enhance fecundity in advanced-generations of crop-weed hybrids of rice［J］. Evolutionary Application, 2011, 4：672-684.

［27］ Darwin C. The Origin of Species［M］. London：Murray, 1859.

［28］ Ellstrand NC, Schierenbeck KA. Hybridization as a stimulus for the evolution of invasiveness in plants［J］? Proceedings of the National Academy of Sciences, 2000, 97：7043-7050.

［29］ Johansen-Morris AD, Latta RG. Fitness consequences of hybridization between ecotypes of Avena barbata：hybrid breakdown, hybrid vigor, and transgressive segregation［J］. Evolution, 2006, 60：1585-1595.

［30］ 卢宝荣. 转基因逃逸及其环境生物安全的评价方法——抗虫水稻案例分析［J］. 生物安全学报, 2015, 23（in press）.

［31］ Zhu B, Lawrence JR, Warwick SI, et al. Stable Bacillus thuringiensis（Bt）toxin content in interspecific F1and backcross populations of wild Brassica rapa after Bt gene transfer［J］. Molecular Ecology, 2004, 13：237-241.

［32］ Xia H, Lu BR, Su Jun, et al. Normal expression of insectresistant transgene in progeny of common wild rice crossed with genetically modified rice：its implication in ecological biosafety assessment［J］. Theoretical and Applied Genetics, 2009, 119：635-644.

［33］ 卢宝荣, 夏辉, 杨箫, 等. 杂交－渐渗进化理论在转基因逃逸及其环境风险评价和研究中的意义［J］. 生物多样性, 2009, 17：362-377.

［34］ Chen LY, Snow AA, Wang F. et al. Effects of insect-resistance transgenes on fecundity in rice（Oryza sativa, Poaceae）：A test for underlying costs［J］. American Journal of Botany, 2006, 93：94-101.

［35］ Cao QJ, Xia H, Yang X, et al. Performance of hybrids between weedy rice and insect-resistant transgenic rice under field experiments：implication for environmental biosafety assessment［J］. Journal of Integrative Plant Biology, 2009, 51：1138-1148.

［36］ Yang X, Wang F, Su J, et al. Limited fitness advantages of cropweed hybrid progeny containing insect-resistant transgenes（Bt/ CpTI）in transgenic rice field［J］. PLoS One, 2012, 7：e41220.

［37］ Rong J, Xia H, Zhu YY, et al. Asymmetric gene flow between traditional and hybrid rice varieties（Oryza sativa）estimated by nuclear SSRs and its implication in germplasm conservation［J］. New Phytologist, 2004, 163：439-445.

［38］ Rong J, Song ZP, Su J, et al. Low frequency of transgene flow from Bt/CpTI rice to its nontransgenic counterparts planted at close spacing［J］. New Phytologist, 2005, 168：559-566.

［39］ Rong J, Lu BR, Song ZP, et al. Dramatic reduction of crop-to-crop gene flow within a short distance from transgenic rice fields［J］. New Phytologist, 2007, 173：346-353.

［40］ Rong J, Song ZP, Jong DT, et al. Modelling pollen-mediated gene flow in rice：risk assessment and management of transgene escape［J］. Plant Biotechnology Journal, 2010, 8：452-464.

［41］ Wang F, Yuan QH, Shi L, et al. A large scale field study of transgene flow from cultivated rice（Oryza sativa）to common wild rice（O. rufipogon）and barnyard grass（Echinochloa crusgalli）［J］. Plant Biotechnology Journal, 2006, 4：667-676.

［42］ Cai L, Zhou B, Guo X, et al. Pollen-mediated gene flow in Chinese commercial fields of glufosinate-resistant canola（Brassica napus）［J］. Chinese Science Bulletin, 2008, 53：2333-2341.

［43］ Wang W, Xia H, Yang X, et al. A novel 5-enolpyruvoylshikimate-3-phosphate（EPSP）synthase transgene for glyphosate resistance stimulates growth and fecundity in weedy rice（Oryza sativa）without herbicide［J］. New Phytologist, 2014, 202：679-688.

［44］ Xia H, Chen LY, Wang F, et al. Yield benefit and underlying cost of insect-resistance transgenic rice：implication in breeding and deploying transgenic crops［J］. Field Crops Research, 2010, 118：215-220.

［45］ Lu BR, Song ZP, Chen JK, Can transgenic rice cause ecological risks through transgene escape?［J］. Progress in Natural Science, 2003, 13：17-24.

Analysis of Fitness Effect and Its Application in Assessing Environmental Risk Caused by Transgene Flow

Lu Baorong1，2
（1. Ministry of Education Key Laboratory for Biodiversity Science and Ecological Engineering，Fudan University，Shanghai 200433；2. Center for Watershed Ecology，Institute of Life Science，Nanchang University，Nanchang 330031）

The extensive commercial cultivation of genetically engineered（GE）crops with novel genes and natural selectionadvantageous traits has aroused tremendous concerns and even debate over the biosafety issues worldwide. Among these, environmental risk caused by transgene escape from GE crops to their wild and weedy relatives is a long-standing biosafety issue. In many countries including China, the assessment of transgene escape and its potential environmental risks is required before the GE crops are released for commercial cultivation. Following the biosafety assessment framework, the assessment of environmental risks caused by transgene escape commonly includes three consecutive steps. That is to assess the frequency of transgene flow from a GE crop to its wild relatives；the expression of transgenes in wild relatives；and the ecological impact of the transgenes. A large number of studies for（trans）gene flow in many crops has been conclude, which indicated that transgene escape from GE crops to their wild relatives in the vicinity through pollen-mediated gene flow is not inevitable. Transgenes can also normally express in wild relatives. It is therefore essential to assess the fitness effect of a transgene in populations of wild relatives, which is a critical determinant for the environmental impact caused by transgene escape. In this review, the author will introduce the concept and evolutionary significance of fitness, and how to analyze the fitness effect of a transgene for assessing the environmental risks caused by transgene escape from a GE crop to its wild relatives. The knowledge will facilitate our understanding in relation to how environmental biosafety of a GE crop is assessed.

biosafety；transgene escape；ecological-risk assessment；genetically engineered organism；fitness effect；evolutionary potential

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.03.007

2015-02-02

国家自然科学基金项目（31271683，31330014），国家转基因育种重大专项（2011ZX08011-006）

卢宝荣，男，教授，研究方向：进化生物学，生物安全；E-mail：brlu@fudn.edu.cn