海南南繁区乡镇尺度水稻基因飘流最大阈值距离研究.docxVIP

海南南繁区乡镇尺度水稻基因飘流最大阈值距离研究 0 水稻基因飘流影响的控制 【研究意义】海南五指南缘（主要是三亚、陵水和乐东）三面临海，北连五指山，区位优越。从20世纪60年代开始, 利用该地光温资源优势加代种植全国各地当年收获的种子, 大大加快了新品种选育、杂交育种和制种繁殖的进程, 是中国农作物冬季南繁加代的重要基地 (简称南繁区) 。据估算, 迄今累计南繁面积已达20万公顷, 制种、繁殖的农作物种子已达500万吨, 全国推广的5 000余个农作物新品种中90%以上都有南繁的经历, 其战略意义可窥一斑。南繁区的水田总面积仅约5.1万公顷, 每年约需用10%以上的农田种植约5万余份南繁水稻材料, 因此, 南繁区是一个聚集了全国各类水稻的高集约区域。由于南繁区面积较小、季节相对集中, 为防止相互串粉, 采取时、空隔离措施有一定的难度, 如何避免或减少大批南繁材料之间的相互串粉, 保证品种纯度已成为突出问题。特别是20世纪70年代以来分子生物学和分子育种技术的飞速发展, 转基因打破了原有的物种生殖隔离界限, 其对环境和食品安全的潜在风险已成为关注的热点问题之一。如果南繁监管失控, 水稻材料完成加代、扩繁后被带到全国各地, 基因飘流会有一种“放大效应”, 因此, 南繁区作为中国最大的不同水稻材料的集散地和源头, 无疑应对它可能带来的潜在影响引起高度重视, 把管控基因飘流作为研究和监管的重点。【前人研究进展】对栽培稻品种之间的基因飘流, Oka1988年已有描述, 异交率一般小于1%, 个别在5%以下。近十年来, 水稻基因飘流由于可用SSR、抗除草剂等分子标记, 使研究更加精确和快速。田间试验结果表明, 转基因水稻向相邻种植的常规稻品种的飘流率在0.04%—0.79%。Song等和Chen等报道, 栽培稻品种明恢63向杂草稻的基因飘流率为0.011%—0.046%。Messeguer等报道转基因向栽培稻和杂草稻的飘流率为0.19%—0.53%。笔者团队以13个常规稻和杂交稻品种作受体, 在多年多点试验中测得相邻种植时的最大基因飘流率在0.02% (培杂77) —0.81% (中系20) , 平均值为0.33%, 其中有4个品种超过1%, 分别为武育粳3号 (1.28%) 、中9B (1.47%) 、武运粳7号 (2.00%) 和秀水11 (3.04%) 。这说明转基因飘流率与常规稻品种之间的异交率相比, 在数量级上并未增加新的风险。中国是世界上最大的杂交稻生产国, 又是亚洲栽培稻的起源中心之一, 以往对转基因向不育系和普通野生稻的飘流并未做过系统研究, 笔者团队自2002年开始, 对水稻转基因飘流进行了为期12年的系统研究, 以转bar、抗除草剂Basta的纯合系L201或B2 (姐妹系) 为花粉供体, 用21个不同类型的非转基因水稻作受体, 包括13个常规稻品种和杂交稻F1、5个三系和两系不育系、1个普通野生稻群体和2个杂草稻材料, 经多年、多点、多对供受体在较大面积上模拟水稻生产实际进行试验, 摸清了水稻基因飘流的基本规律, 阐明了影响水稻基因飘流的生物学和气象学主控因子。由于水稻花粉扩散和基因飘流是一个复杂的物理学和生物学过程, 各地气象条件不同, 且年际变化很大, 一时一地的试验结果很难在异地应用, 因此, 建立一个具有普适功能的水稻花粉扩散和基因飘流模型十分必要。笔者团队以多年、多点、多对供受体的田间试验数据为基础, 以中国南方稻区17个省 (市) 38个气象台站1973—2004年记录的水稻开花期气象数据为输入参数, 建立了以高斯烟羽模型为基础的水稻花粉扩散和基因飘流模型, 并成功应用于计算过去32年中该区域内各地的基因飘流最大阈值距离 (the maximum threshold distances of gene flow, MTDs) 。阈值分别设为1%和0.1% (MTD1%和MTD0.1%) , 即在MTD1%和MTD0.1%阈值距离以外的基因飘流率在过去32年中均小于1%和0.1%。模型建立及其应用详见Yao等。【本研究切入点】如前所述, 考虑到海南南繁区是各种水稻材料的集散地和源头, 为管控基因飘流, 迫切需要研究和绘制南繁区以乡镇为单位的小尺度MTDs图, 供水稻南繁育种和转基因育种参考。【拟解决的关键问题】本研究依据在三亚 (2003、2004) 、陵水长坡 (2009、2010) 获得的水稻基因飘流田间试验数据, 用已建立的模型和阈值分析方法, 以南繁区27个乡 (镇) 52个自动气象站2010—2012年1—4月的气象数据为输入参数, 计算向水稻不育系和栽培稻的MTD1%和MTD0.1%, 分析南繁区内MTDs的时空分布特征及其原因, 对南繁区常规水稻的繁育和转基因水稻的安全种植、隔离和监管进行分