MON 89151棉花中Cry1Da_7、Cry1B.3和Vip3Cb1蛋白的生态风险评估：一种靶向鳞翅目害虫的昆虫防护型棉花

本研究针对表达三种抗虫蛋白（Cry1Da_7、Cry1B.3和Vip3Cb1）的转基因棉花MON 89151，通过系统评估其作用机制、活性谱、生态暴露水平及对非靶标生物（NTOs）的潜在危害，证实其栽培对有益生态服务（如授粉、生物防治和分解）无显著风险。研究采用分层测试策略和暴露边际（MOE）分析，为转基因作物的生态安全性评估提供了重要依据，支持其在农业生态系统中的安全应用。

　　

随着农业生物技术的迅速发展，转基因作物已成为害虫综合治理的重要工具。然而，这类作物的环境释放可能对非靶标生物（Non-Target Organisms, NTOs）和生态系统服务产生潜在影响，因此需要进行严格的生态风险评估（Ecological Risk Assessment, ERA）。MON 89151是一种新型转基因棉花，通过表达三种抗虫蛋白——Cry1Da_7、Cry1B.3和Vip3Cb1——来靶向防治鳞翅目害虫（如烟芽夜蛾、棉铃虫和草地贪夜蛾）。尽管这些蛋白在害虫控制方面表现出高效性和特异性，但其对有益昆虫（如捕食性天敌、寄生蜂和传粉昆虫）的潜在风险尚未完全明确。此外，过去的研究多集中于单一蛋白或传统作物，而多蛋白叠加的生态效应及跨作物类比评估的科学依据仍需深入验证。

为解决上述问题，Bayer CropScience LP的研究团队开展了一项系统的生态风险评估研究，重点分析了MON 89151棉花中三种蛋白的暴露途径、危害性及整体风险。研究遵循美国环境保护署（U.S. EPA）的ERA框架，通过问题 formulation、暴露与效应分析以及风险表征等步骤，评估了MON 89151栽培对非靶标生物的潜在影响。结果表明，Cry1Da_7和Cry1B.3蛋白可通过“桥接策略”利用既往数据（如MON 95379玉米和MON 94637大豆的评估结果）证明其安全性，而Vip3Cb1蛋白则通过实验室层级的Tier 1毒性测试（包括捕食性昆虫、寄生蜂、蜜蜂和土壤生物）显示无显著 adverse effects。所有测试均采用保守暴露场景（暴露浓度≥10倍预期环境浓度），并通过计算暴露边际（Margin of Exposure, MOE）进一步量化风险。研究最终得出结论：MON 89151棉花的种植对非靶标生物和生态系统服务的风险可忽略不计，为其农业应用提供了科学支持。该论文发表于《Transgenic Research》，为转基因作物的生态安全性评估提供了重要范式。

研究采用多项关键技术方法：

1. 1.

   蛋白表达量检测：通过酶联免疫吸附测定（ELISA）量化不同组织（如叶片、花粉和种子）中Cry1Da_7、Cry1B.3和Vip3Cb1的浓度，并基于95百分位数计算预期环境浓度（Expected Environmental Concentration, EEC）。

2. 2.

   非靶标生物毒性测试：针对代表性物种（如瓢虫、草蛉、寄生蜂和蜜蜂）进行实验室层级的膳食暴露实验，测试终点包括生存率、发育时间和繁殖能力。

3. 3.

   蛋白活性验证：使用敏感昆虫（草地贪夜蛾）生物测定法评估膳食中Vip3Cb1的稳定性和同质性。

4. 4.

   暴露边际分析：通过计算NOEC（No Observed Effect Concentration）与EEC的比值量化风险，并结合统计方法（如T检验和Fisher精确检验）评估显著性。

5. 5.

   桥接评估策略：利用既往产品（如MON 95379和MON 94637）的生态毒性数据，通过序列和功能相似性论证Cry1Da_7和Cry1B.3的安全性。

暴露评估

通过田间试验（2023年美国5个地点）测定MON 89151棉花各组织中蛋白的表达水平，并基于95百分位数确定EEC值。结果表明，叶片中Cry1Da_7、Cry1B.3和Vip3Cb1的最高表达量分别为63.4 μg/g、133.7 μg/g和8.7 μg/g，而花粉中的表达量较低（Vip3Cb1仅0.1 μg/g）。暴露途径分析显示，非靶标生物主要通过直接取食植物组织或间接捕食植食性昆虫接触蛋白，其中土壤生物和脊椎动物的暴露风险较低。

非靶标生物危害评估

Cry1Da_7和Cry1B.3的评估基于桥接策略，利用MON 95379玉米和MON 94637大豆的现有数据。这些研究表明，两种蛋白在测试浓度下（如Cry1B.2的NOEC≥3500 μg/g）对代表性物种（如瓢虫、草蛉和蜜蜂）无 adverse effects，仅个别物种出现发育时间轻微延长（<1天），但被视为无生物学意义。Vip3Cb1的Tier 1测试涵盖多种天敌昆虫（如瓢虫、大眼长蝽和草蛉）、蜜蜂（成虫和幼虫）以及土壤跳虫。所有测试均未发现显著生存率影响，尽管大眼长蝽和草蛉在低浓度组出现发育时间延长（约1-3天），但因缺乏剂量反应且效应轻微，被判定为非 adverse。

风险表征

通过计算MOE值量化风险：Cry1Da_7对捕食性昆虫的MOE≥2，对蜜蜂≥20；Cry1B.3对捕食性昆虫的MOE≥26，对蜜蜂≥1400；Vip3Cb1对捕食性昆虫的MOE≥24，对蜜蜂≥767。所有MOE值均远高于风险阈值（MOE>1），表明 field 暴露水平下无显著风险。对脊椎动物（如小鼠）的急性口服毒性测试也显示无 adverse effects，NOEL（No Observed Effect Level）≥5000 mg/kg。

环境持久性与特异性分析

Cry和Vip蛋白在土壤中降解迅速，无持久累积证据。此外，蛋白的杀虫活性仅限于鳞翅目害虫，且与非靶标生物的受体无交叉反应。通过水体暴露模型估算，蛋白在环境中的浓度较组织表达量低93倍，进一步支持其对水生生物的风险可忽略。

研究结论强调，MON 89151棉花表达的三种蛋白对非靶标生物和生态系统服务（如授粉和生物防治）无显著风险。桥接策略的成功应用为未来转基因作物的评估提供了高效范式，而Vip3Cb1的全面测试则填补了该类蛋白生态安全性数据的空白。讨论部分指出，尽管个别实验中出现轻微统计差异（如发育时间延长），但其生物学意义有限，且可通过暴露场景的保守性得以补偿。此外，蛋白的特异性和环境降解特性进一步降低了潜在风险。总体而言，本研究为MON 89151棉花的商业化提供了科学依据，并推动了转基因作物生态风险评估方法的标准化与优化。