張 卓， 黃文坤， 劉茂炎， 彭德良＊， 劉二明

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所，植物病蟲害生物學國家重點實驗室，北京 100193；2.湖南農(nóng)業(yè)大學生物安全科學技術(shù)學院，長沙 410128）

轉(zhuǎn)基因耐草甘膦大豆對豆田節(jié)肢動物群落多樣性的影響

張 卓1，2， 黃文坤1， 劉茂炎1， 彭德良1＊， 劉二明2

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所，植物病蟲害生物學國家重點實驗室，北京 100193；2.湖南農(nóng)業(yè)大學生物安全科學技術(shù)學院，長沙 410128）

在田間試驗條件下，采用直接觀察法，通過對多樣性指數(shù)、優(yōu)勢集中性指數(shù)、均勻性指數(shù)、物種數(shù)的分析比較，研究轉(zhuǎn)基因耐草甘膦大豆對豆田節(jié)肢動物群落多樣性的影響。結(jié)果顯示，大豆生長期轉(zhuǎn)基因耐草甘膦大豆和受體的節(jié)肢動物多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)、物種數(shù)均顯著低于當?shù)爻Ｒ?guī)品種，優(yōu)勢集中性指數(shù)顯著高于當?shù)爻Ｒ?guī)品種，但轉(zhuǎn)基因抗草甘膦大豆與對照受體間各指標無顯著性差異，說明轉(zhuǎn)基因耐草甘膦大豆對豆田節(jié)肢動物群落無明顯影響。

轉(zhuǎn)基因耐草甘膦大豆； 節(jié)肢動物； 多樣性

大豆是中國的五大農(nóng)作物之一，也是重要的油料作物，是主要食用蛋白和工業(yè)原料的來源。在大豆栽培中，雜草的防除是一個重要環(huán)節(jié)。在雜草防治過程中，農(nóng)民最重要的考慮是節(jié)省勞力、簡單性和靈活性［1－2］。通過化學方法來控制雜草已成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)不可缺少的一環(huán)，除草劑的合理使用，可減少雜草危害、節(jié)省勞力、增加作物產(chǎn)量、提高作物品質(zhì)和價格［3］，其年產(chǎn)量已居農(nóng)藥之首，美國每年用在除草劑上的費用大約是50億美元［4］。草甘膦具有高效、殺草譜廣、低毒、易分解、低殘留、對環(huán)境影響相對低等特點，近年來一直是世界銷量第一的農(nóng)藥［5－6］。但草甘膦在除草的同時，也會殺死大豆，從而限制了其使用范圍，然而轉(zhuǎn)基因作物具有更便利的雜草防治時間和模式［2，7－8］，所以選育耐草甘膦的大豆品種已成為大豆育種的一個熱門領(lǐng)域［9］。

2010年，耐除草劑作物占轉(zhuǎn)基因作物總面積的61%，是世界上商品化最早、推廣應用最快的轉(zhuǎn)基因作物［10］。耐除草劑轉(zhuǎn)基因大豆通過降低生產(chǎn)成本，增加了生產(chǎn)效率［11－12］，使用時間更加靈活［13］。在對轉(zhuǎn)基因植物的環(huán)境安全性評估研究中，美國食品和藥物管理局認為轉(zhuǎn)基因大豆和非轉(zhuǎn)基因大豆沒有差異［14］。Appenzeller等通過斯普拉格大鼠（Sprague-Dawley rats）亞慢性飼喂試驗，認為耐除草劑轉(zhuǎn)基因大豆的安全性與常規(guī)非轉(zhuǎn)基因大豆沒有顯著差異［15］，很多研究集中在與同源基因的農(nóng)藝性狀指標和成分分析的比較［15－17］。有關(guān)抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物對田間節(jié)肢動物群落多樣性影響的報道相對較少。本研究旨在通過耐草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆對豆田節(jié)肢動物種群影響的評價，為轉(zhuǎn)基因大豆的環(huán)境安全評價提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點設在河北省廊坊市安次區(qū)炊莊的中國農(nóng)業(yè)科學院廊坊科研中試基地，位于東經(jīng)E116°36.287′～E116°36.332′，北緯 N39°30.625′～E39°30.678′。2010年試驗期間，5－10月各月的平均氣溫分別為20.6、23.7、27.4、25.0、19.4、14.5 ℃，平均降雨量分別為 50.0、67.9、75.2、75.2、74.3、68.0mm。

1.2 供試大豆品種

轉(zhuǎn)基因耐草甘膦大豆‘呼交03-263’，‘呼交06－698’及轉(zhuǎn)基因大豆受體‘蒙豆12’由中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所提供；當?shù)爻Ｒ?guī)品種‘中黃13’，由中國農(nóng)業(yè)科學院廊坊科研中試基地提供。

1.3 試驗設計

2010年5月25日種植兩種轉(zhuǎn)基因大豆、親本和對照，每個品種設置4次重復，共16個小區(qū)，隨機排列，小區(qū)面積11.5m×13m，小區(qū)間設有1.5m寬的空白隔離帶。栽培管理措施按當?shù)爻Ｒ?guī)方式進行，全生育期田間管理除必要的農(nóng)事操作（如鋤草、灌水）外，不使用除草劑，以減少人為影響；人工精細收獲試驗材料，單脫單藏，按轉(zhuǎn)基因大豆生產(chǎn)要求統(tǒng)一管理。

1.4 調(diào)查方法

大豆封行后，各小區(qū)從7月中旬到10月上旬，采用直接觀察法，每5d調(diào)查1次。每次調(diào)查時，每小區(qū)對角線5點取樣，每點調(diào)查1m2以內(nèi)的20株大豆，記載大豆上、中、下3個葉位的節(jié)肢動物的種類和數(shù)量。

1.5 統(tǒng)計分析方法

群落結(jié)構(gòu)與動態(tài)分析采用Krebs的方法，分別計算各小區(qū)節(jié)肢動物群落的有關(guān)參數(shù)［28］。

物種豐富度（S），為群落中物種數(shù)。

Shannon Wiener多樣性指數(shù) （H′），評估群落豐富度：

式中，Pi＝，S為群落中物種數(shù)；Pi為群落中第i個物種個體數(shù)量（Ni）占群落中總個體數(shù)（N）的比例。

Simpson優(yōu)勢集中性指數(shù)（C），評估某些常見種的優(yōu)勢度：

式中，S為群落中物種數(shù)；N為群落中所有物種的個體數(shù)之和；Ni為第i種個體的個體數(shù)。

均勻性指數(shù)（evenness）（J），反映群落中物種均一性：

式中，H′為Shannon Wiener多樣性指數(shù)，H′max為最大理論值，即假定群落中各個物種以相同比例存在時的H′值。

原始數(shù)據(jù)經(jīng)過EXCEL 2010整理，再用Origin 8.0數(shù)據(jù)分析軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，平均數(shù)進行LSD測驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 多樣性指數(shù)動態(tài)

在大豆生長期，當?shù)爻Ｒ?guī)品種‘中黃13’的多樣性指數(shù)均高于轉(zhuǎn)基因大豆‘呼交03-263’和‘呼交06-698’及轉(zhuǎn)基因大豆受體‘蒙豆12’，各品種的多樣性指數(shù)變化趨勢基本一致，均低于2.5，且隨時間推移呈降低態(tài)勢（圖1，圖2）。9月3日之前，大豆生長旺盛，節(jié)肢動物種類較多，多樣性指數(shù)較高，當?shù)爻Ｒ?guī)品種多樣性指數(shù)均在1.0以上，轉(zhuǎn)基因大豆‘呼交03-263’和‘呼交06-698’及受體‘蒙豆12’多樣性指數(shù)均在0.5以上，‘中黃13’與其他3個品種間存在極顯著差異（p＜0.01）。7月24日至8月3日，‘呼交03-263’的多樣性指數(shù)顯著低于受體大豆‘蒙豆12’的（p＜0.05），之后兩者多樣性指數(shù)無顯著性差異?！艚?6-698’的多樣性指數(shù)略高于受體大豆‘蒙豆12’的，但兩者之間不存在顯著性差異（p＞0.05）。9月3日之后，隨著生長期的結(jié)束，節(jié)肢動物種類較少，多樣性指數(shù)較低，各品種的多樣性指數(shù)低于0.5，且不存在顯著性差異（p＞0.05）。

2.2 優(yōu)勢集中性指數(shù)動態(tài)

各品種的優(yōu)勢集中性指數(shù)變化趨勢基本一致，呈曲折上升態(tài)勢，大豆生長旺盛，田間節(jié)肢動物物種數(shù)較多，優(yōu)勢集中性指數(shù)較低，且當?shù)爻Ｒ?guī)品種‘中黃13’的優(yōu)勢集中性指數(shù)均低于其他3個品種（圖3，圖4）。生長期結(jié)束，田間節(jié)肢動物物種數(shù)較少，優(yōu)勢集中性指數(shù)基本呈直線狀，趨近于1.0。9月3日之前，‘中黃13’的優(yōu)勢集中性指數(shù)均低于‘蒙豆12’和‘呼交03-263’，差異達極顯著水平，8月23日至8月28日存在顯著性差異。7月24日、7月29日和8月3日‘呼交03-263’的優(yōu)勢集中性指數(shù)均顯著高于‘蒙豆12’，其他調(diào)查時間均不存在顯著性差異。9月3日之后，各品種的優(yōu)勢集中性指數(shù)接近于1.0，且不存在顯著性差異。9月3日之前，‘中黃13’的優(yōu)勢集中性指數(shù)均低于‘蒙豆12’和‘呼交03－263’，差異達極顯著水平，‘蒙豆12’除了8月18日顯著高于‘呼交03-263’外，其他時間段兩者之間不存在顯著性差異。9月3日之后，各品種的優(yōu)勢集中性指數(shù)接近于1.0，且不存在顯著性差異。

2.3 均勻性指數(shù)動態(tài)

在大豆生長期，當?shù)爻Ｒ?guī)品種‘中黃13’的均勻性指數(shù)基本高于另外3個品種，各品種的均勻性指數(shù)變化趨勢基本一致，均隨時間推移呈波浪狀降低態(tài)勢（圖5，圖6）。7月29日至8月18日，‘中黃13’的均勻性指數(shù)均高于‘蒙豆12’和‘呼交03－263’，且差異達極顯著水平，其余時間，3個品種間無顯著性差異。7月29日，‘蒙豆12’的均勻性指數(shù)顯著高于‘呼交03-263’，8月3日，‘蒙豆12’的均勻性指數(shù)極顯著高于‘呼交03-263’，其余時間，兩者無顯著性差異。7月29日、8月3日、8月13日和8月18日，‘中黃13’的均勻性指數(shù)均高于‘蒙豆12’和‘呼交06-698’，且差異達極顯著水平；其余時間，3個品種間無顯著性差異；整個調(diào)查階段，‘蒙豆12’和‘呼交06-698’間均勻性指數(shù)不存在顯著性差異。

2.4 物種數(shù)指數(shù)動態(tài)

當?shù)爻Ｒ?guī)品種‘中黃13’、轉(zhuǎn)基因大豆‘呼交03－263’、‘呼交06-698’及受體‘蒙豆12’的物種數(shù)均呈拋物線狀，基本是7月下旬至8月下旬較高，‘中黃13’幾乎均在10.0以上，其他3個品種均在5.0以上，且當?shù)爻Ｒ?guī)品種‘中黃13’高于其他3個品種（圖7，圖8）。由圖7可知，除7月14日、8月3日、8月8日和8月13日，‘中黃13’的物種數(shù)與‘呼交03－263’和‘蒙豆12’無顯著性差異外，其他時間均存在顯著性差異，且7月24日、8月28日、9月13和9月23日達極顯著水平；除7月24日，‘蒙豆12’物種數(shù)顯著高于‘呼交03-263’外，其余時間兩者均無顯著性差異。由圖8可知，除7月14日、8月8日、8月13日和8月23日，‘中黃13’的物種數(shù)與‘呼交06-698’和‘蒙豆12’無顯著性差異外，其他時間均存在顯著性差異；在整個調(diào)查階段，‘呼交06-698’與‘蒙豆12’間物種數(shù)無顯著性差異。

3 討論

世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織認為轉(zhuǎn)基因植物釋放后影響的大小，不僅取決于轉(zhuǎn)入的基因，還取決于植物的性質(zhì)、原產(chǎn)地［19］。Buckelew等指出轉(zhuǎn)基因耐除草劑大豆對田間豆葉甲（Ceratoma trifurcata）和馬鈴薯葉蟬（Empoasca fabae）的種群數(shù)量沒有影響［20］。吳孔明等和王關(guān)林等經(jīng)過多年的研究證實，轉(zhuǎn)Bt抗蟲棉不但沒有破壞生物多樣性，反而顯著改善了環(huán)境，增加了生態(tài)系統(tǒng)多樣性［21－22］。王忠華等室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)家蠶幼蟲（Bombyx mori）取食撒有Bt水稻花粉的桑葉時體重受影響，但對致死率無影響［23］。劉志誠等認為Bt水稻對稻田節(jié)肢動物群落無明顯影響，其影響作用明顯弱于化學殺蟲劑［24－25］。Mark等研究了Bt玉米花粉對黑脈金斑蝶（Danaus plexippus）的影響［26］，Wraight等研究了Bt玉米花粉對香芹黑鳳蝶（Papilio polyxenes）的影響［27］，Lozzia等研究了Bt玉米對草蛉（Chrysoperla sinica）的影響［28］，Manacini等研究了其對禾谷縊管蚜（Rhopalosiphum padi）種群數(shù)量的影響［29］，均認為轉(zhuǎn)基因植物對環(huán)境是安全的。McPherson等觀察到轉(zhuǎn)基因耐除草劑大豆對昆蟲群落的影響較小，轉(zhuǎn)基因豆田中節(jié)肢動物害蟲的豐富度和普通田中的沒有差異，對季節(jié)性的大豆節(jié)肢動物的為害沒有不利影響［30］。Bitzer等試驗表明轉(zhuǎn)基因耐除草劑大豆對彈尾蟲種類的豐富度短期內(nèi)沒有不利影響［31］。吳奇等研究了耐草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆對節(jié)肢動物的影響，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因大豆田節(jié)肢動物的多樣性指數(shù)、物種豐富度等與親本大豆的相似程度極高，對豆田害蟲和天敵的多樣性沒有顯著影響［32－33］。群落中的物種多樣性與群落的年齡有關(guān)，一個年齡較老的群落，比一個年齡較輕的群落具有更大的物種多樣性［34］。本研究中，常規(guī)品種‘中黃13’經(jīng)過長期的種植馴化，已適應當?shù)氐沫h(huán)境，其節(jié)肢動物多樣性指數(shù)明顯高于其他品種，但耐草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆‘呼交03-263’和‘呼交06-698’的物種多樣性指數(shù)，與轉(zhuǎn)基因大豆受體‘蒙豆12’間均不存在顯著性差異，這說明節(jié)肢動物多樣性指數(shù)的高低主要受栽培品種與栽培歷史的影響。

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Effects of glyphosate tolerant soybean on the biodiversity of arthropods communities in soybean fields

Zhang Zhuo1，2， Huang Wenkun1， Liu Maoyan1， Peng Deliang1， Liu Erming2
（1.State Key Laboratory for Biology of Plant Diseases and Insect Pests，Institute of Plant Protection，Chinese Academy of Agriculture Sciences，Beijing100193，China；2.College of Bio-Safety Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha410128，China）

In natural fields，the effects of glyphosate tolerant soybean on Shannon-Winner diversity index，Simpson index，evenness and number of species were analyzed using direct observation method.The results showed that the Shannon-Winner diversity index，evenness and number of species of arthropods in glyphosate tolerant soybean fields and its receptor were significantly lower than those of the local conventional variety during the growing period.The Simpson index of arthropods in glyphosate tolerant soybean fields was significantly higher than that of the local conventional variety.There was no significant difference between glyphosate tolerant soybean and receptor.It was concluded that glyphosate tolerant soybean had no significant effects on arthropod communities in soybean fields.

glyphosate tolerant soybean； arthropod community； biodiversity

S 435.651

A

10.3969／j.issn.0529-1542.2011.06.022

2011-08-31

2011-09-28

轉(zhuǎn)基因生物新品種培育科技重大專項（2008ZX08011-003）

＊ 通信作者 E-mail：dlpeng＠ippcaas.cn