口袋K号10:除草剂耐受技术:草甘膦和草胺磷


美国农业部照片

杂草是农地里经常出现的问题。杂草不仅与农作物争夺水分,营养物,阳光,空间,但也有昆虫和疾病;堵塞灌溉和排水系统;破坏作物质量;把杂草种子储存在农作物收成中。如果不受控制,杂草能显著降低作物产量。

农民可以用耕作来除草,手除草,除草剂,或者通常是所有技术的结合。不幸的是,耕作使宝贵的表土暴露在风蚀和水蚀中,对环境造成严重的长期后果。因此,越来越多的农民喜欢少耕或免耕的耕作方式。

同样地,许多人认为除草剂的大量使用导致地下水污染,数种野生动物的死亡,也被归因于各种人类和动物疾病。

杂草控制实践

土壤耕作和除草剂施用的串联技术是农民如何控制农场杂草的一个例子。

一般来说,他们在种植前耕作土壤,以减少田间杂草的数量。然后,他们使用广谱或非选择性除草剂(一种可以杀死所有植物的除草剂),在作物发芽之前进一步减少杂草的生长。这是为了防止他们的庄稼和杂草一起被杀死。在生长季节出现的杂草使用窄谱或选择性除草剂进行控制。不幸的是,田间长出不同种类的杂草,因此,农民必须使用几种窄谱除草剂来控制它们。这种除草方法成本很高,而且会对环境造成危害。

研究人员假设,在生长季节的任何时候,只要在田间喷洒一种广谱除草剂,就能简化杂草管理。

草甘膦和草甘膦耐除草剂植物的开发

耐除草剂作物为农民提供了除草的重要工具,并与免耕法相兼容。这有助于保护表土。他们给农民们提供了仅在需要时使用除草剂的灵活性,控制除草剂的总投入,使用具有优先环境特征的除草剂。

技术背景

这些除草剂是怎么起作用的?
这些除草剂针对植物代谢途径中的关键酶,破坏了植物的食物生产,最终杀死了它。那么植物是如何产生对除草剂的耐受性的呢?有些可能是通过选择或突变获得的性状;或者最近,植物可以通过基因工程进行改造。

为什么要发展耐除草剂作物?
最新的是能够对广谱除草剂(特别是草甘膦和草甘膦)产生一定程度的耐受性,这将控制大多数其他绿色植物。这两种除草剂对杂草的控制很有用,对动物的生活影响很小。而且不是持久的。它们非常有效,是最安全的农用化学品之一。不幸的是,它们对农作物同样有效。因此,开发耐除草剂作物是为了对这些除草剂有一定的耐受性。

草甘膦和草甘膦的耐除草剂作物是如何工作的?

1.耐草甘膦作物
草甘膦除草剂通过阻断EPSPS酶来杀死植物,一种参与芳香氨基酸生物合成的酶,维生素和许多次生植物代谢产物。有几种方法可以将作物改良为耐草甘膦作物。一种策略是加入土壤细菌基因,产生一种耐草甘膦的EPSP。另一种方法是加入一种能产生草甘膦降解酶的不同土壤细菌基因。

2.耐草甘膦作物
草胺磷除草剂含有磷化氢,它通过阻断负责氮代谢和氨解毒的酶来杀死植物,植物代谢的副产物。经过改良以耐受草甘膦酸盐的作物含有一种细菌基因,这种细菌基因能产生一种酶,能解毒磷化氢并防止其造成损害。

其他作物经基因改造后能在除草剂作用下存活的方法,包括:1)生产一种能使除草剂解毒的新蛋白质;2)修改除草剂目标蛋白,使其不受除草剂影响;或3)产生物理或生理障碍,防止除草剂进入植物。前两种方法是科学家开发耐除草剂作物最常见的方法。

耐除草剂技术的安全问题

毒性和过敏性
一些国家的政府监管机构已经裁定,与非转基因作物相比,具有耐除草剂授予蛋白的作物不会造成任何其他环境和健康风险。

根据相关国际组织制定的指南,对引进的蛋白质进行潜在毒性和致敏活性评估。它们来自无过敏性或毒性史的来源;它们不像已知的毒素或过敏原;它们有功能,这是很好理解的。

对植物的影响
这些蛋白的表达不会损害植物的生长,也不会导致比亲本作物更差的农艺性状。除了表达一种额外的抗除草剂酶或改变已经存在的酶外,植物中没有其他代谢变化。

作物的持久性或侵袭性
与耐除草剂作物相关的一个主要环境问题是,它们有可能通过与野生亲缘植物的杂交或仅仅通过保持野生植物本身而产生新的杂草。这种潜力,然而,在引种前进行评估,并在作物种植后进行监测。目前的科学证据表明,在没有使用除草剂的情况下,与非转基因作物相比,转基因耐除草剂作物在农田或自然生境中的入侵可能性不大(Dale等人,2002)。

目前市场上的耐除草剂作物没有显示出增强持久性或入侵性的迹象。

耐除草剂作物的优势

  • 良好的杂草控制,从而提高作物产量;
  • 灵活性——可以在植物生长后期控制杂草;
  • 一个季节喷雾次数减少;
  • 减少燃料使用(因为较少喷洒);
  • 降低土壤压实度(因为较少需要在陆地上喷洒);
  • 使用在土壤中不保持活性的低毒化合物;和
  • 使用免耕或保育免耕制度的能力,对土壤结构和生物(Felsot,2000)。

美国大豆协会(ASA)对大豆农场耕作频率的研究表明,大量农民在种植耐除草剂大豆品种后采取了“免耕”或“少耕”的做法。这种简单的杂草管理方法节省了2.34亿加仑的燃料,并留下了2.47亿立方米。离子吨不可替代的表土未受干扰。

除草剂耐除草剂现状

1996年至2017年,耐除草剂作物一直占据生物技术作物的最大种植面积。仅在2017,耐除草剂作物占8870万公顷,占全球1.898亿公顷生物技术作物的47%。最常见的是耐草甘膦和耐草甘膦品种。下表显示了已批准用于食品的主要耐除草剂(具有单一和堆叠基因)作物的国家,饲料,和/或培养。

作物 国家
紫花苜蓿 阿根廷,澳大利亚加拿大日本墨西哥新西兰菲律宾,新加坡,韩国美国
阿根廷菜籽油 澳大利亚加拿大智利,中国欧盟,日本马来西亚墨西哥新西兰菲律宾,新加坡,南非韩国台湾美国
康乃馨 澳大利亚哥伦比亚欧盟,马来西亚
菊苣 美国
棉花 阿根廷,澳大利亚巴西,加拿大中国哥伦比亚哥斯达黎加欧盟,日本马来西亚墨西哥新西兰巴拉圭菲律宾,新加坡,南非韩国台湾美国
匍匐翦股颖 美国
亚麻,亚麻籽 加拿大哥伦比亚美国
玉米 阿根廷,澳大利亚巴西,加拿大中国哥伦比亚古巴,欧盟,洪都拉斯印度尼西亚,日本马来西亚墨西哥新西兰巴基斯坦,巴拿马,巴拉圭菲律宾,俄罗斯联邦,新加坡,南非韩国瑞士台湾泰国土耳其美国乌拉圭越南赞比亚
波兰菜籽油 加拿大
马铃薯 澳大利亚加拿大日本墨西哥新西兰菲律宾,韩国美国
水稻 澳大利亚加拿大哥伦比亚洪都拉斯墨西哥新西兰菲律宾,俄罗斯联邦,南非美国
大豆 阿根廷,澳大利亚玻利维亚巴西,加拿大智利,中国哥伦比亚哥斯达黎加欧盟,印度印度尼西亚,日本马来西亚墨西哥新西兰巴拉圭菲律宾,俄罗斯联邦,新加坡,南非韩国瑞士台湾泰国土耳其美国乌拉圭越南
甜菜 澳大利亚加拿大中国哥伦比亚欧盟,日本墨西哥新西兰菲律宾,俄罗斯联邦,新加坡,韩国台湾美国
烟草 欧盟
小麦 澳大利亚哥伦比亚新西兰美国

资料来源:ISAA威廉希尔A GM批准数据库。http://www.威廉希尔isaaa.org/gmaprovaldatabase/.

农业科学技术委员会进行的一项文献综述得出结论,使用耐除草剂作物有利于环境。在美国,例如,自引进耐除草剂大豆以来,免耕大豆种植面积增加了35%。阿根廷也有类似的趋势,那里的大豆田98%种植有耐除草剂品种。题为“生物技术衍生大豆和传统大豆的比较环境影响,玉米和棉花作物”可在http://www.cast-science.org上查阅。

商业化前21年(1996-2016年)耐除草剂作物的效益为890.2亿美元,占全球生物技术作物价值186.1美元的47.8%十亿,仅2016年,就达到84.4亿美元,占全球182亿美元价值的46.4%。

工具书类

  1. 美国农业协会。2001。美国大豆协会的研究证实了生物技术大豆对环境的好处。http://www.asa-europe.org/pdf/ctstudy.pdf。
  2. BrookesG.P.Barfoot。2018。转基因作物:1996-2016年全球社会经济和环境影响。PG经济有限公司英国。PP 1-204。
  3. CarpenterJ.E.a.FelsotTGoodeMHammigd.Onstad和S桑库拉。2002。生物技术衍生大豆和传统大豆对环境的影响比较,玉米,和庄稼。http://www.cast-science.org.
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    c351fd9d795e54c1256bae0051a2a8/$file/jt00125605.pdf
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*更新日期:2018年10月

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