李春艷,劉 標(biāo),韓正敏,曾 青,李春華,朱建國(guó)(.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所,生物安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 2002；2.南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 20037；3.遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 營(yíng)口 5009；.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所,土壤與可持續(xù)農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 20008)

轉(zhuǎn)Bt水稻土壤微生物多樣性對(duì)O3濃度升高的響應(yīng)

李春艷1,2,3,劉 標(biāo)2*,韓正敏1,曾 青4,李春華4,朱建國(guó)4(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所,生物安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210042；2.南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210037；3.遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 營(yíng)口 115009；4.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所,土壤與可持續(xù)農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008)

利用中國(guó)農(nóng)田開(kāi)放式O3濃度升高(O3-FACE)平臺(tái),于2010年和2011年對(duì)O3濃度升高和田間自然條件下轉(zhuǎn)Bt基因水稻Bt汕優(yōu)63(Bt-SY63)及其常規(guī)水稻汕優(yōu)63(SY63)根際土壤微生物群落功能多樣性進(jìn)行了研究.結(jié)果表明, O3濃度升高使Bt-SY63和SY63水稻土壤微生物總體活性有降低的趨勢(shì), O3濃度升高未使兩基因型水稻土壤微生物的豐富度、優(yōu)勢(shì)度和均一度發(fā)生顯著變化. O3濃度升高顯著地改變了Bt-SY63土壤微生物碳源基質(zhì)的利用方式,使其土壤微生物由對(duì)糖類(lèi)及其衍生物具有較強(qiáng)的利用能力轉(zhuǎn)向?qū)Υx中產(chǎn)物和次生代謝物具有較強(qiáng)的利用能力,而對(duì)SY63土壤微生物碳源基質(zhì)的利用沒(méi)有顯著影響.因此,從稻田土壤微生物群落對(duì)O3濃度升高的不同響應(yīng)來(lái)看,Bt-SY63可能比SY63更敏感.

O3；O3-FACE；轉(zhuǎn)Bt水稻；土壤微生物；功能多樣性

近地層O3濃度的持續(xù)升高對(duì)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化、生長(zhǎng)繁殖等都造成不同程度的損傷[1-3],關(guān)于O3濃度升高對(duì)農(nóng)作物生物量和產(chǎn)量的影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者更是進(jìn)行了大量的研究[4-6].然而,目前關(guān)于O3濃度升高對(duì)土壤微生物影響的研究相對(duì)較少且集中于對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)影響方面[7-8],對(duì)微生物群落功能方面影響的研究較少.近地層O3濃度升高對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響研究非常重要[9],不僅是因?yàn)橥寥牢⑸锶郝渥鳛橥寥婪纸庀到y(tǒng)的主導(dǎo)者,在推動(dòng)土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)換、能量流動(dòng)和生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著重要作用[10],其多樣性變化還可以敏感地指示氣候和土壤環(huán)境條件的變化,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的改變直接關(guān)系到土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解與循環(huán),進(jìn)而影響植物的養(yǎng)分吸收[8,11].

此外,轉(zhuǎn)Bt基因作物還存在著非預(yù)期性狀變化[12-14],這種非預(yù)期變化可能導(dǎo)致地下生態(tài)系統(tǒng)的改變.轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物的外源基因及其表達(dá)產(chǎn)物還可通過(guò)根系分泌或作物殘?bào)w等途徑進(jìn)入土壤[16-17],從而可能影響土壤微生物群落活性.迄今為止,關(guān)于O3濃度升高對(duì)轉(zhuǎn)Bt基因水稻土壤根際微生物群落功能多樣性的影響,國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)報(bào)道.

本試驗(yàn)采用國(guó)際先進(jìn)的、更接近自然的O3-FACE(free-air O3concentration enrichment,開(kāi)放式空氣O3濃度升高)技術(shù),研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落對(duì)O3濃度升高的響應(yīng)及其在高O3濃度下的功能效應(yīng),以期充實(shí)轉(zhuǎn)基因植物生態(tài)安全方面的理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地及O3-FACE系統(tǒng)

試驗(yàn)地位于江蘇省江都市小紀(jì)鎮(zhèn)良種場(chǎng)(119°42′0″E,32°35′5″N)的中國(guó)O3-FACE系統(tǒng)研究平臺(tái),該地耕作方式為水稻-冬小麥復(fù)種,是典型的稻麥復(fù)種農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng).該地年均降水量980mm左右,潛在年蒸發(fā)量>1100mm,年平均溫度14.9℃,年日照時(shí)間>2100h,年無(wú)霜期220d.試驗(yàn)用土取自育秧田表層(0～20cm)土壤.土壤類(lèi)型為砂漿水稻土,理化性質(zhì):容重為1.2g/cm3,有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷、全鉀分別為17.42,1.59,1.23, 14.02mg/kg, pH 6.8.

O3-FACE平臺(tái)于2007年3月開(kāi)始運(yùn)行,試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)有3個(gè)O3處理圈(升高的O3濃度)和3個(gè)對(duì)照圈(環(huán)境O3濃度).O3處理圈設(shè)計(jì)為直徑14m的正八面形,O3處理圈與對(duì)照圈之間間隔大于70m,以減少O3釋放對(duì)對(duì)照圈的影響.通過(guò)圍成正八角形的8根橡膠管帶上直徑0.5mm×0.9mm的小孔在作物冠層上方50～60cm向圈中心噴射O3氣體,晴天每天09:00～18:00釋放O3,電腦控制使O3處理圈內(nèi)O3濃度始終保持在對(duì)照圈的1.5倍,控制誤差為10%.對(duì)照田塊沒(méi)有安裝管道,環(huán)境條件與自然狀態(tài)完全一致.2010年O3處理圈布?xì)鈺r(shí)間為7月2日～10.8,2011年布?xì)鈺r(shí)間為6月27日～10月20日.試驗(yàn)期間O3處理圈和對(duì)照圈的O3濃度變化見(jiàn)圖1.

圖1 2010年和2011年O3處理圈與對(duì)照圈O3濃度變化情況Fig.1 The O3concentrations in O3-FACE and ambient air in 2010 and 2011

1.2 試驗(yàn)材料及育苗

2010年及2011年開(kāi)始盆栽種植轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因水稻.供試水稻品種Bt汕優(yōu)63(Bt-SY63)及其親本常規(guī)稻汕優(yōu)63(SY63)由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)提供.Bt-SY63中表達(dá)的是cry1Ab/Ac基因,用于控制二化螟等鱗翅目害蟲(chóng).2010年水稻季于. 2010年6月8日開(kāi)始浸種、催芽,6月13日育秧,6月23日移栽,分設(shè)在3個(gè)O3處理圈和3個(gè)對(duì)照圈,每品種每圈(每個(gè)處理)放置25盆,盆長(zhǎng)23cm、寬18cm、高25cm,1m2內(nèi)放置24盆,每盆裝土6.3kg.盆半埋入土,每盆種植1穴,1穴2株,全生育期保持2～3cm水層,收獲前一周左右停水.2011年水稻季于5月18日開(kāi)始浸種、催芽,5月21日育秧,6月22日移栽,10月4日收獲,其他試驗(yàn)設(shè)計(jì)同2010年.

肥料管理:整個(gè)生育期需N 15g/m2,P2O5和K2O各7g/m2,分別由尿素(46%N)、P2O5和K2O提供.移栽前施用基肥:40%的N,100%的P和K;分蘗早期和抽穗期分別施30%的N,其他田間管理如蟲(chóng)草害等同大田一致[18].

1.3 土壤樣品采集

2010年7月25日(分蘗期),8月21日(抽穗期),9月19日(灌漿后期)和2011年7月27日(分蘗期),8月23日(抽穗期),9月23日(灌漿后期)采集土壤樣品.每次每個(gè)處理(每品種每圈)按“S”形法抽取5盆水稻,用直徑5cm的土鉆破壞性采集0～15cm土層的根系周?chē)寥罉悠?裝入無(wú)菌塑料袋里,盡快帶回實(shí)驗(yàn)室,用于測(cè)定水溶性有機(jī)碳含量的土壤經(jīng)自然風(fēng)干后過(guò)20目篩(0.90mm孔徑)備用,用于BIOLOG分析的土壤置于4℃保存,并在取樣后 24h內(nèi)完成.

1.4 土壤樣品處理與分析

水溶性有機(jī)碳測(cè)定:稱(chēng)取相當(dāng)于20g干土的上述過(guò)篩土樣,加入滅菌蒸餾水40mL,置于22℃, 180r/min的搖床上振蕩30min后取出,于7000r/min的高速離心機(jī)中離心15min,然后過(guò)0.45μm濾膜.濾液于耶拿公司TOC-總有機(jī)碳分析儀(Mutli N/C 3100)上測(cè)定.

BIOLOG分析:稱(chēng)取相當(dāng)于5g烘干土重的新鮮土樣,加入裝有45mL滅菌的0.85%(W/V) NaC1溶液中,置于22℃,180r/min的搖床上振蕩30min后取出,靜止3min后吸取土壤懸液1mL加入裝有9mL滅菌的0.85%NaCl溶液的試管中,震蕩搖勻稀釋成10-2的稀釋液,以此類(lèi)推得到10-3稀釋液.用8通道加樣器吸取10-3稀釋液接種到Biolog ECO板中,每孔150μL,置于培養(yǎng)箱中25℃培養(yǎng),每隔24h(直到168h)在Biolog Reader上讀取各孔在590nm波長(zhǎng)下的光吸收值(OD).Biolog ECO微平板和Biolog Reader購(gòu)自美國(guó)BIOLOG公司(BIOLOG,Hayward,USA).

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

計(jì)算Shannon-Wiener(H)指數(shù)用于評(píng)估土壤微生物群落中物種的豐富度即群落所含物種的多寡.計(jì)算Simpson(D)指數(shù)用于評(píng)估土壤微生物群落中最常見(jiàn)物種的優(yōu)勢(shì)度.計(jì)算Mcintosh(U)指數(shù)用于評(píng)估土壤微生物群落中物種的均一度.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用SPSS軟件(SPSS Inc., version 16.0)進(jìn)行方差分析.培養(yǎng)72h的平均吸光值采用分期的one-way ANOVA方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,土壤水溶性有機(jī)碳、Shannon-Wiener(H)、Simpson(D)和Mcintosh(U)指數(shù)采用廣義線性模型的重復(fù)測(cè)量程序(O3濃度作為因素,生長(zhǎng)時(shí)期作為重復(fù)測(cè)量因子)進(jìn)行方差分析.土壤微生物群落代謝特征采用CANOCO4.5進(jìn)行主成分分析(PCA).

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤水溶性有機(jī)碳含量對(duì)O3濃度升高的響應(yīng)

圖2 2010和2011年不同采樣時(shí)期環(huán)境O3濃度和升高O3濃度 水稻土壤水溶性有機(jī)碳含量變化Fig.2 Variation of water soluble organic C of rice soil under ambient and elevated O3conditions at different sampling times in 2010 and 2011

圖2中的廣義線性模型的重復(fù)測(cè)量方差表明,與環(huán)境O3濃度相比,O3濃度升高有降低土壤水溶性有機(jī)碳含量的趨勢(shì),但O3處理及O3處理與時(shí)間(生長(zhǎng)時(shí)期)的交互作用對(duì)Bt-SY63和SY63兩基因型水稻的土壤水溶性有機(jī)碳含量均沒(méi)有顯著影響(P>0.05).土壤水溶性有機(jī)碳含量存在著顯著的時(shí)間效應(yīng),即隨著生長(zhǎng)期的延長(zhǎng),兩基因性水稻土壤水溶性有機(jī)碳含量逐漸降低.

2.2 土壤微生物碳源代謝活性對(duì)O3濃度升高的響應(yīng)

圖3 2010年不同采樣時(shí)期升高O3濃度和環(huán)境O3濃度條件下水稻土壤中平均吸光值的變化Fig.3 Variation of AWCD values with the incubation time of rice soil under ambient and elevated O3condition at different sampling times in 2010

平均吸光值(AWCD)是Biolog板上所有碳源基質(zhì)被微生物利用后的整體反應(yīng)的指標(biāo),反映了微生物群落的總體活性.圖3和圖4所示,對(duì)于Bt-SY63,2010年和2011年各生育期采樣中O3濃度升高下,土壤微生物群落AWCD低于環(huán)境O3濃度下.2010年抽穗期除外,其他各生育期采樣中O3濃度升高和環(huán)境O3濃度條件下土壤的AWCD差異均未達(dá)到顯著性水平(表1).

而對(duì)于SY63,2010年分蘗期和抽穗期及2011年灌漿后期O3濃度升高下,土壤微生物群落AWCD低于環(huán)境O3濃度條件下,2011年分蘗期和抽穗期O3濃度升高下,土壤微生物群落AWCD高于環(huán)境O3濃度下,2010灌漿后期O3濃度升高下和環(huán)境O3濃度下土壤微生物群落AWCD隨時(shí)間變化趨勢(shì)幾乎相同(圖3和圖4).但是兩年各生育期采樣中土壤的AWCD差異均未達(dá)到顯著性水平(表1).

圖4 2011年不同采樣時(shí)期升高O3濃度和環(huán)境O3濃度條件下水稻土壤中平均吸光值的變化Fig.4 Variation of AWCD values with the incubation time of rice soil under ambient and elevated O3conditions at different sampling times in 2011

表1 2010和2011年各生育期升高O3濃度和環(huán)境O3濃度條件下水稻土壤中平均吸光值(培養(yǎng)72h測(cè)定值)Table 1 The average well color development (AWCD) of rice soil under ambient and elevated O3conditions at different growth stages during 2010-2011 (measured at 72h)

近地層O3對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的組分難以產(chǎn)生直接的影響,因?yàn)镺3不能穿透入土壤[19].因此,O3可能通過(guò)影響植物生理過(guò)程和C分配而間接地改變土壤生態(tài)系統(tǒng)[20-21].本研究?jī)赡甑臄?shù)據(jù)表明,無(wú)論是對(duì)于轉(zhuǎn)基因水稻Bt-SY63還是常規(guī)水稻SY63,近地層O3濃度升高下稻田土壤水溶性有機(jī)碳含量下降,從而影響了土壤微生物對(duì)部分碳源的利用能力,進(jìn)而導(dǎo)致高O3濃度下土壤微生物群落AWCD最終低于環(huán)境O3濃度下土壤微生物群落AWCD值,這可能與O3濃度升高降低了兩基因型水稻向根系的碳輸入及根中的碳分配、減少根系分泌物,從而影響土壤微生物的活性有關(guān)[22-23].

2.3 土壤微生物群落代謝功能多樣性對(duì)O3濃度升高的響應(yīng)

選取72h的平均吸光值計(jì)算出Shannon-Wiener、Simpson以及McIntosh 3種土壤微生物群落代謝功能多樣性指數(shù),結(jié)果見(jiàn)表2.表中的方差表明,高濃度O3暴露沒(méi)有導(dǎo)致Bt-SY63和SY63水稻土壤微生物群落的豐富度、優(yōu)勢(shì)度及種群分布均勻度的顯著變化,但兩基因型水稻的上述三種土壤微生物群落代謝功能多樣性指數(shù)存在著年度和季節(jié)變化,這與Cotta等[24]的部分研究結(jié)果一致.

表2 2010年和2011年各生育期水稻根系土壤微生物代謝功能多樣性指數(shù)Table 2 Functional diversity indices of rice soil microbial community at different growth stages during 2010-2011

2.4 土壤微生物群落碳源利用對(duì)O3濃度升高的響應(yīng)

2.4.1 Bt-SY63水稻根系土壤微生物群落碳源利用對(duì)O3濃度升高的響應(yīng) 通過(guò)對(duì)2010年和2011年各生育期轉(zhuǎn)基因水稻Bt-SY63水稻根系土壤微生物群落碳源代謝72h時(shí)測(cè)定的AWCD值進(jìn)行主成分分析(PCA)(圖5),以此評(píng)價(jià)Bt-SY63兩年不同處理中土壤微生物群落在碳源利用上的整體差異.

從圖5看出,綜合2010年和2011年兩年6次采樣情況,O3濃度升高和環(huán)境O3濃度下Bt-SY63稻田土壤樣品在PC2軸上出現(xiàn)了明顯的分異,環(huán)境O3濃度下土壤樣品主要分布在PC2軸正方向,而O3濃度升高下土壤樣品主要分布在PC2軸負(fù)方向,說(shuō)明O3濃度升高對(duì)Bt-SY63稻田土壤微生物群落碳源基質(zhì)利用的影響達(dá)到了顯著性水平.此外,O3濃度升高下與環(huán)境O3濃度下的土壤樣品分異距離隨O3處理的時(shí)間逐漸增加.

圖5 2010～2011年不同處理的轉(zhuǎn)基因水稻Bt-SY63土壤微生物群落碳源代謝的主成分分析Fig.5 Principal component analysis of carbon metabolism of soil microbial community in Bt-SY63 under ambient and elevated O3conditions at different growth stages during 2010-2011

表3 2010年和2011年轉(zhuǎn)基因水稻Bt-SY63土壤中與PC1和PC2顯著相關(guān)的微生物主要利用碳源Table 3 Main carbon resources of soil microbial utilization related to PCA l and PCA 2 in Bt-SY63 during 2010-2011

通過(guò)比較O3濃度升高和環(huán)境O3濃度下Bt-SY63水稻土壤微生物群落對(duì)Biolog ECO平板中4類(lèi)碳源的優(yōu)先利用順序,可以看出不同處理下Bt-SY63水稻土壤微生物群落碳源特異利用的情況.綜合2010年和2011年兩年6次采樣,主成分1和主成分2中具有較高相關(guān)系數(shù)(︱r︱>0.6)的碳源見(jiàn)表3.

結(jié)合圖5和表3可以看出, 環(huán)境O3濃度下Bt-SY63水稻土壤微生物群落對(duì)與主成分2正相關(guān)程度較高的碳源如糖類(lèi)及其衍生物中的D-葡萄胺酸、α-D-乳糖、D-半乳糖酸γ-內(nèi)酯,氨基酸及其衍生物中的L-絲氨酸,脂肪酸和脂類(lèi)中的y-羥基丁酸等5種碳源具有相對(duì)高的利用能力,而O3濃度升高下Bt-SY63水稻土壤微生物群落對(duì)主成分2負(fù)相關(guān)程度較高的碳源如代謝中產(chǎn)物和次生代謝物中的D-蘋(píng)果酸以及脂肪酸和脂類(lèi)中的吐溫40等2種碳源具有相對(duì)高的利用能力.

2.4.2 SY63水稻根系土壤微生物群落碳源利用對(duì)O3濃度升高的響應(yīng) 對(duì)于常規(guī)水稻SY63,采用與轉(zhuǎn)基因水稻Bt-SY63同樣的方法對(duì)2010年和2011年各生育期水稻根系土壤微生物群落碳源代謝進(jìn)行主成分分析(圖6).

圖6 2010～2011年不同處理的常規(guī)水稻SY63土壤微生物群落碳源代謝的主成分分析Fig.6 Principal component analysis of carbon metabolism of soil microbial community in SY63 under ambient and elevated O3conditions at different growth stages during 2010-2011

從圖6中可看出,綜合2010年和2011年兩年6次采樣情況,O3濃度升高和環(huán)境O3濃度下SY63稻田土壤樣品無(wú)論是在PC1還是在軸PC2軸上都沒(méi)有出現(xiàn)明顯的分異,說(shuō)明O3濃度升高對(duì)SY63稻田土壤微生物群落碳源基質(zhì)的利用沒(méi)有顯著影響,碳源利用的種類(lèi)沒(méi)有偏好的選擇.此外,O3濃度升高下與環(huán)境O3濃度下的土壤樣品分異距離隨O3處理的時(shí)間逐漸增加.

主成分分析可以在降維后的主元向量空間中,用點(diǎn)的位置直觀地反映出不同O3處理中土壤微生物群落多樣性變化.本研究的主成分分析表明O3濃度升高顯著地影響了Bt-SY63稻田土壤微生物群落碳源基質(zhì)的利用,碳源基質(zhì)由糖類(lèi)及其衍生物向代謝中產(chǎn)物和次生代謝物轉(zhuǎn)變,這可能是由于受脅迫的植物根系分泌物的種類(lèi)和數(shù)量均有改變的緣故,需要進(jìn)一步研究[9].然而,O3濃度升高對(duì)SY63稻田土壤微生物群落碳源基質(zhì)的利用沒(méi)有顯著影響,對(duì)碳源利用的種類(lèi)也沒(méi)有定向的選擇.因此,從稻田土壤微生物群落對(duì)O3濃度升高的不同響應(yīng)來(lái)看,Bt-SY63可能比SY63對(duì)高濃度O3更敏感,這一現(xiàn)象與可以從我們以前發(fā)現(xiàn)的“相對(duì)于O3脅迫對(duì)葉片超微結(jié)構(gòu)造成的損傷而言,Bt-SY63比SY63對(duì)高濃度O3更敏感”[25]是一致的,即與SY63相比,Bt-SY63的生長(zhǎng)發(fā)育更易受到O3脅迫的影響,導(dǎo)致Bt-SY63的根系分泌物的種類(lèi)和數(shù)量更容易發(fā)生改變,從而間接影響了土壤微生物群落活性的變化.此外,主成分結(jié)果分析結(jié)合碳源利用譜結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),不論Bt-SY63還是SY63,同一年度不同生育期間和同一生育期不同年度間土壤微生物群落碳源利用種類(lèi)的穩(wěn)定性較差,土壤微生物群落的碳源利用種類(lèi)存在著年度和季節(jié)變化,這可能也是Bt-SY63和SY63土壤微生物群落的豐富度、優(yōu)勢(shì)度及種群分布均勻度等三種多樣性指數(shù)存在著年度和季節(jié)變化的原因之一.

土壤微生物群落對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)通常先經(jīng)環(huán)境擾動(dòng)期,隨時(shí)間推移可通過(guò)群落結(jié)構(gòu)的改變或群落大小的改變亦或其他方面變化對(duì)環(huán)境脅迫產(chǎn)生適應(yīng)性,來(lái)達(dá)到功能的逐漸恢復(fù).Liu等[26]和Ruyters等[27]就曾發(fā)現(xiàn)氨氧化細(xì)菌是通過(guò)改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)逐漸對(duì)重金屬汞和鋅污染產(chǎn)生了適應(yīng)性,從而逐漸恢復(fù)了其硝化活性.本試驗(yàn)中觀察到的O3濃度升高下與環(huán)境O3濃度下的兩基因型水稻土壤樣品主成分分析中分異距離隨O3處理時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增加的現(xiàn)象,一方面說(shuō)明了土壤微生物在群落碳源代謝功能上對(duì)O3濃度升高的響應(yīng)與取樣時(shí)土壤微生物相對(duì)于O3暴露所處的生理狀態(tài)密切相關(guān),即分蘗期取樣,土壤微生物處于環(huán)境擾動(dòng)狀態(tài),O3濃度升高下與環(huán)境O3濃度下其代謝方式尚無(wú)明顯區(qū)分,分異距離小;隨O3處理的時(shí)間延長(zhǎng),至灌漿后期,土壤微生物對(duì)O3暴露產(chǎn)生了適應(yīng)性,與Ambient下相比,其代謝方式明顯不同,分異距離也隨之增加;另一方面也暗示土壤微生物群落對(duì)O3濃度升高的適應(yīng)可能是通過(guò)改變了的群落結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的.

BIOLOG技術(shù)雖常被用于研究土壤微生物群落功能,但是BIOLOG微平板只能表征土壤中生長(zhǎng)快速或富營(yíng)養(yǎng)微生物的活性,而不能反映土壤中生長(zhǎng)緩慢或不可培養(yǎng)微生物活性,也不能對(duì)土壤真菌進(jìn)行研究[28].因此, O3濃度升高對(duì)土壤微生物群落功能多樣性影響的研究尚需進(jìn)一步展開(kāi)和長(zhǎng)期跟蹤研究.

3 結(jié)論

本文利用農(nóng)田開(kāi)放式O3濃度升高平臺(tái)對(duì)2010年和2011年O3濃度升高和田間自然條件下轉(zhuǎn)Bt基因水稻Bt-SY63及其常規(guī)水稻SY63根際土壤微生物群落功能多樣性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)O3濃度升高使Bt-SY63和SY63水稻土壤微生物總體活性有降低的趨勢(shì),而未使兩基因型水稻土壤微生物的豐富度、優(yōu)勢(shì)度和均一度發(fā)生顯著變化.O3濃度升高使Bt-SY63土壤微生物碳源基質(zhì)的利用方式由對(duì)糖類(lèi)及其衍生物具有較強(qiáng)的利用能力轉(zhuǎn)向?qū)Υx中產(chǎn)物和次生代謝物具有較強(qiáng)的利用能力,而對(duì)SY63土壤微生物碳源基質(zhì)的利用沒(méi)有顯著影響.因此,從稻田土壤微生物群落對(duì)O3濃度升高的不同響應(yīng)來(lái)看,Bt-SY63可能比SY63更敏感.

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Responses to elevated O3of soil microbial diversity from transgenic Bt rice.

LI Chun-yan1,2,3, LIU Biao2*, HAN Zheng-min1, ZENG Qing4, LI Chun-hua4, ZHU Jian-guo4(1.Key Biosafety Laboratory in Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China；2.College of Forest Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China；3.Liaoning Agricultural College, Yingkou 115009, China；4.State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Sciences, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2922～2930

Using a free-air concentration enrichment (FACE) system, field studies were conducted on functional diversity of soil microbial community from two rice lines, transgenic Bt Shanyou 63 (Bt-SY63) and its non-transgenic counterpart (SY63), in elevated O3(E-O3) versus ambient O3(A-O3) condition during 2010～2011. The results indicated that the AWCD (average well colour development) values of Bt-SY63 and SY63 tended to decrease as O3increased. No significant ozone effects (P > 0.05) were detected on Simpson, Shannon and McIntosh indices of functional diversity of the soil microbial communities in Bt-SY63 and SY63. Edaphon’s ability to utilize the substrates of some specific carbon resources was significantly affected (P < 0.05) by E-O3in Bt-SY63 from the original carbohydrates and their derivants to the metabolic mediates and secondary metabolites, whereas SY63 was not significantly affected (P < 0.05) by E-O3. The results suggested that Bt-SY63 might be more sensitive to E-O3than SY63 with respect to the different responses to E-O3in the soil microbial community.

elevated O3；O3-FACE；transgenic Bt rice；soil microbial；functional diversity

X172

A

1000-6923(2014)11-2922-09

李春艷(1973-),女,內(nèi)蒙古通遼人,副教授,博士,主要從事生物安全及環(huán)境微生物研究.發(fā)表論文20余篇.

2014-02-26

轉(zhuǎn)基因新品種培育重大科技專(zhuān)項(xiàng)(2014ZX08012-005);國(guó)家自然科學(xué)基金(31370544);南京林業(yè)大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2011YB009);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(CXZZ11_0504);中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新方向項(xiàng)目(KZCX2-EW-414).

* 責(zé)任作者, 研究員, 85287064@163.com