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        轉(zhuǎn)EPSPS基因抗除草劑玉米CC-2對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物多樣性的影響

        2014-08-30 06:05:30王柏鳳嚴(yán)杜升武奉慈席景會(huì)宋新元
        生物安全學(xué)報(bào) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:節(jié)肢動(dòng)物玉米田觀察法

        王 尚, 王柏鳳, 嚴(yán)杜升, 王 軍, 武奉慈, 席景會(huì), 宋新元*

        1吉林大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130062; 2吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 農(nóng)業(yè)部轉(zhuǎn)基因植物 環(huán)境安全監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心,吉林 長(zhǎng)春 130124

        隨著生物工程育種技術(shù)的完善與成熟,轉(zhuǎn)基因手段已成為改良玉米品種的重要途徑之一。具有降低成本、減少農(nóng)藥殘留、簡(jiǎn)化管理、提高產(chǎn)量等諸多優(yōu)點(diǎn)的轉(zhuǎn)基因玉米越來(lái)越受到人們的青睞(陳潔君等,2007)。1996年轉(zhuǎn)基因玉米商業(yè)化推廣以來(lái),其種植面積不斷增加,截至2013年,全球轉(zhuǎn)基因玉米種植國(guó)家達(dá)17個(gè),種植總面積超過(guò)5000萬(wàn)hm2,占全球玉米種植總面積的32%(James,2014)。轉(zhuǎn)基因玉米帶來(lái)巨大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),其對(duì)環(huán)境、尤其是對(duì)生物多樣性可能帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)也引起人們關(guān)注(宋新元等,2011; 左嬌等,2014)。

        節(jié)肢動(dòng)物是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正常生態(tài)功能的重要因素,因此節(jié)肢動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及其重要類(lèi)群的季節(jié)動(dòng)態(tài)一直是轉(zhuǎn)基因植物環(huán)境安全評(píng)價(jià)關(guān)注的重要內(nèi)容。2007年我國(guó)頒布了轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)玉米、抗除草劑玉米對(duì)生物多樣性影響的環(huán)境安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部,2007),亦將轉(zhuǎn)基因玉米對(duì)節(jié)肢動(dòng)物多樣性的影響作為重要評(píng)價(jià)內(nèi)容。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于抗蟲(chóng)性狀轉(zhuǎn)基因玉米對(duì)節(jié)肢動(dòng)物影響的研究較多(劉慧等,2012; 劉俊峰等,2013; 盧穎等,2008; Farinósetal.,2008; Stephensetal.,2012),但是關(guān)于抗除草劑性狀轉(zhuǎn)基因玉米對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物多樣性影響的報(bào)道相對(duì)較少。

        本研究選址于我國(guó)重要的東北春玉米區(qū)吉林,選取我國(guó)研發(fā)階段最靠前(生產(chǎn)性試驗(yàn))、最具產(chǎn)業(yè)化前景的轉(zhuǎn)EPSPS(5-enolpyruvyl-shikimate-3-phosphate synthase,5-烯醇丙酮酰-莽草酸-3-磷酸合成酶)基因抗除草劑玉米CC-2及對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米鄭58為對(duì)象,利用直接觀察法和陷阱法,分析節(jié)肢動(dòng)物群落組成、群落結(jié)構(gòu)、重要類(lèi)群季節(jié)動(dòng)態(tài)等參數(shù),研究轉(zhuǎn)基因玉米對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物多樣性的影響,旨在為轉(zhuǎn)EPSPS基因抗除草劑玉米CC-2未來(lái)的推廣提供安全數(shù)據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        轉(zhuǎn)EPSPS基因抗除草劑玉米品種CC-2(C)及對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米鄭58(CK),由轉(zhuǎn)基因玉米CC-2的研發(fā)單位中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)提供。

        1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

        試驗(yàn)地點(diǎn)為吉林省公主嶺市“國(guó)家轉(zhuǎn)基因植物中試與產(chǎn)業(yè)化基地(吉林)”、“農(nóng)業(yè)部轉(zhuǎn)基因植物環(huán)境安全監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心(長(zhǎng)春)”環(huán)境安全研究試驗(yàn)圃場(chǎng)。公主嶺市(43°11′~44°09′N(xiāo),124°10′~125°18′E)位于吉林省中西部,屬于大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫5.6 ℃,年均降水量562 mm,土壤以黑鈣土和薄層黑土為主,有機(jī)質(zhì)含量較高(岳書(shū)平等,2006),是國(guó)家重要的商品糧基地之一,被稱(chēng)為松遼平原黃金玉米帶(張大瑜等,2005)。

        1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        本試驗(yàn)共3個(gè)處理。處理1:轉(zhuǎn)基因抗除草劑玉米不噴施除草劑(C);處理2:轉(zhuǎn)基因抗除草劑玉米噴施目標(biāo)除草劑草甘膦(C~H);處理3:非轉(zhuǎn)基因玉米對(duì)照不噴施除草劑(CK);每個(gè)處理3次重復(fù),共9個(gè)小區(qū),每小區(qū)面積150 m2(10 m×15 m),隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)種植參考當(dāng)?shù)赜衩状筇锷a(chǎn)方式,常規(guī)耕作管理。

        處理2中,目標(biāo)除草劑為農(nóng)達(dá)(41%草甘膦異丙胺鹽水劑,孟山都公司出品),除草劑噴施時(shí)間為玉米V6期(6葉期),除草劑噴施濃度按說(shuō)明書(shū)推薦劑量,既0.57%農(nóng)達(dá)除草劑(5.7 mL農(nóng)達(dá)除草劑兌1 L水)。

        1.4 調(diào)查方法

        1.4.1 直接觀察法 從玉米定苗后10 d到成熟,每10 d調(diào)查1次,每小區(qū)采用對(duì)角線5點(diǎn)取樣,每點(diǎn)固定5株玉米。調(diào)查整株玉米(蚜蟲(chóng)和葉螨,收集上、中、下3葉)及其地面1 m2范圍內(nèi)各種節(jié)肢動(dòng)物。調(diào)查時(shí),首先快速觀察記錄活潑易動(dòng)的昆蟲(chóng)和(或)蜘蛛數(shù)量,對(duì)于不易分類(lèi)的類(lèi)群,保存到裝有95%乙醇溶液的膠卷盒中,做好標(biāo)記,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步鑒定。

        1.4.2 陷阱法 從玉米定苗后10 d到成熟,每10 d調(diào)查1次,每小區(qū)采用對(duì)角線5點(diǎn)取樣,每點(diǎn)埋設(shè)3個(gè)塑料杯(Φ15 cm×10 cm),杯與杯間隔0.5 m,杯中放5%的洗滌劑水,液體不超過(guò)杯容積的1/3,在埋杯的第2 d,將杯中各種節(jié)肢動(dòng)物收集起來(lái),保存到裝有95%乙醇溶液的膠卷盒中,做好標(biāo)記,帶回實(shí)驗(yàn)室鑒定。

        鑒定時(shí)主要參照《昆蟲(chóng)分類(lèi)學(xué)》(鄭樂(lè)怡和歸鴻,1999)、《中國(guó)昆蟲(chóng)生態(tài)大圖鑒》(張巍巍和李元?jiǎng)伲?011)等相關(guān)論著,記錄節(jié)肢動(dòng)物的數(shù)量、種類(lèi)和發(fā)育階段。

        1.5 數(shù)據(jù)處理

        根據(jù)各類(lèi)群數(shù)量占總量的百分比來(lái)劃分節(jié)肢動(dòng)物的數(shù)量等級(jí):10%以上者為優(yōu)勢(shì)類(lèi)群;1%~10%為常見(jiàn)類(lèi)群;小于1%為稀有類(lèi)群(王子健等,2012)。

        節(jié)肢動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征值采用下列公式計(jì)算:

        Shannon-Wiener多樣性指數(shù):H′=-∑(ni/N)ln(ni/N);Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù):D=∑(ni/N)2;Pielou均勻度指數(shù):J=H′/lnS。

        式中,N為節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體總數(shù),ni為第i類(lèi)群個(gè)體數(shù),S為節(jié)肢動(dòng)物類(lèi)群數(shù)(廖崇惠等,1997)。

        通過(guò)EXCEL2007對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,運(yùn)用SPSS 19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析(one-way analysis,ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行差異顯著分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 節(jié)肢動(dòng)物類(lèi)群及數(shù)量組成

        2013年7~9月,8次直接觀察法和陷阱法共采集樣本720份。其中,不噴施除草劑的轉(zhuǎn)基因玉米田(C)中,鑒定出節(jié)肢動(dòng)物2綱11目23類(lèi),平均每小區(qū)節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體總數(shù)為909.00頭,優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為蚜科和瓢甲科,分別占個(gè)體總數(shù)的60.25%和10.01%;常見(jiàn)類(lèi)群為蠼螋科(5.57%)、蟻科(5.50%)、蜘蛛目(4.55%)、蟋蟀科(3.45%)、葉甲科(2.46%)、嚙蟲(chóng)目(1.91%)、步甲科(1.50%)、草蛉科(1.21%);稀有類(lèi)群13類(lèi),其個(gè)體總數(shù)占節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體總數(shù)的3.59%。噴施除草劑的轉(zhuǎn)基因玉米田(C~H)中,鑒定出節(jié)肢動(dòng)物2綱11目24類(lèi),平均每小區(qū)節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體總數(shù)為796.67頭,優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為蚜科和瓢甲科,分別占個(gè)體總數(shù)的53.51%和12.26%;常見(jiàn)類(lèi)群為蠼螋科(7.28%)、蟻科(6.78%)、蜘蛛目(5.19%)、蟋蟀科(4.06%)、葉甲科(2.72%)、草蛉科(1.63%)、步甲科(1.46%)、蠅科(1.17%)、鱗翅目幼蟲(chóng)(1.17%)、嚙蟲(chóng)目(1.30%);稀有類(lèi)群12類(lèi),其個(gè)體總數(shù)占節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體總數(shù)的1.46%。對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田(CK)中,鑒定出節(jié)肢動(dòng)物2綱9目22類(lèi),平均每小區(qū)節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體總數(shù)為773.00頭,優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為蚜科和瓢甲科,分別占捕獲個(gè)體總數(shù)的54.51%和11.21%;常見(jiàn)類(lèi)群為蜘蛛目(6.77%)、蠼螋科(6.25%)、蟻科(5.30%)、蟋蟀科(4.36%)、步甲科(2.16%)、嚙蟲(chóng)目(1.94%)、葉甲科(1.90%)、蠅科(1.34%);稀有類(lèi)群12類(lèi),其個(gè)體總數(shù)占節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體總數(shù)的4.27%。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,2種處理的轉(zhuǎn)基因玉米田與對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田間節(jié)肢動(dòng)物類(lèi)群基本一致,發(fā)生數(shù)量無(wú)顯著差異(表1)。

        2.2 對(duì)節(jié)肢動(dòng)物主要類(lèi)群季節(jié)動(dòng)態(tài)的影響

        對(duì)2種處理轉(zhuǎn)基因玉米田與對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田中蚜科、瓢甲科、蠼螋科、蜘蛛目、蟋蟀科、葉甲科、歩甲科和草蛉科等共8個(gè)主要節(jié)肢動(dòng)物類(lèi)群季節(jié)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析,變化趨勢(shì)如圖1。其中,瓢甲科、蜘蛛目、葉甲科、歩甲科和草蛉科變化趨勢(shì)較為一致,均在初始和結(jié)束調(diào)查時(shí)期發(fā)生數(shù)量最少,在7月末發(fā)生量達(dá)到最大。蚜科在7月25日左右出現(xiàn)一個(gè)高峰然后逐漸減低,9月中下旬有所升高。蚜科與瓢甲科發(fā)生規(guī)律此消彼長(zhǎng),季節(jié)動(dòng)態(tài)密切相關(guān),這是由于瓢甲科中異色瓢蟲(chóng)、龜紋瓢蟲(chóng)等物種均為蚜蟲(chóng)的主要天敵昆蟲(chóng),對(duì)蚜科有明顯控制作用。蠼螋科在8月中下旬和9月上旬發(fā)生量較大,在8月23號(hào)達(dá)到峰值;蟋蟀科的發(fā)生量較為平穩(wěn),9月28日發(fā)生量達(dá)到最大值。差異顯著性分析結(jié)果表明,各個(gè)調(diào)查時(shí)期,2種處理的轉(zhuǎn)基因玉米田與對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田8個(gè)主要節(jié)肢動(dòng)物類(lèi)群的發(fā)生量均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

        2.3 對(duì)節(jié)肢動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響

        對(duì)2種不同處理方式下的轉(zhuǎn)基因玉米田及其對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田間節(jié)肢動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析,結(jié)果表明,各玉米田間節(jié)肢動(dòng)物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)發(fā)生趨勢(shì)均十分相似(圖2)。其中,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均在7月25日突然下降,隨后不斷上升,并分別在8月末和9月初達(dá)到峰值,隨后呈下降趨勢(shì);而Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)變化趨勢(shì)恰好相反,在7月25日達(dá)到峰值,隨后不斷下降,在8月末達(dá)到最低值后又開(kāi)始上升。差異顯著性分析結(jié)果表明,各個(gè)調(diào)查時(shí)期,2種處理的轉(zhuǎn)基因玉米與對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田間Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)盡管存在輕微波動(dòng),但均無(wú)顯著差異(P>0.05)。

        表1 玉米田內(nèi)節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體數(shù)(I)及分布頻率(F)Table 1 Abundance (I) and frequency (F) of each arthropod group caught in the fields of the 3 types of maize

        數(shù)據(jù)為平均個(gè)體數(shù)±SE,n=3。分布頻率為每個(gè)類(lèi)群個(gè)體數(shù)量占不同處理玉米田內(nèi)所有節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體數(shù)量的百分比,相同小寫(xiě)字母表示經(jīng)LSD法檢驗(yàn)轉(zhuǎn)基因玉米田及其對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。C:轉(zhuǎn)EPSPS基因抗除草劑玉米不噴施除草劑;C~H:轉(zhuǎn)EPSPS基因抗除草劑玉米噴施除草劑;CK:對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米不噴施除草劑。

        Individuals per plot±SE,n=3. The frequency indicates the percentage of the number of individuals of each groups accounting for the total number of individuals of all groups. The same letters in the same column indicate no significant difference between the transgenic maize and the non-transgenic maize atP>0.05 by LSD test. C: Untreated transgenic herbicide-resistant maize; C~H: Transgenic herbicide-resistant maize treated with herbicide; CK: Untreated non-transgenic maize.

        3 討論

        從轉(zhuǎn)基因玉米誕生起,其生態(tài)安全性問(wèn)題一直備受關(guān)注。因此,進(jìn)行轉(zhuǎn)基因玉米對(duì)生物多樣性影響的安全評(píng)價(jià)十分必要。當(dāng)前關(guān)于轉(zhuǎn)基因玉米對(duì)節(jié)肢動(dòng)物多樣性影響的研究不斷增多,采用何種采樣方法至關(guān)重要。目前田間節(jié)肢動(dòng)物的多樣性調(diào)查方法主要包括直接觀察法、吸蟲(chóng)器法、地面陷阱法、空中水盆誘捕法和解剖法等,各種方法均有利弊(郭井菲等,2014)。在轉(zhuǎn)抗草甘膦基因大豆對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物影響的研究中,張卓等(2011)僅采用直接觀察法對(duì)節(jié)肢動(dòng)物進(jìn)行調(diào)查;吳奇等(2008)結(jié)合直接觀察法和吸蟲(chóng)器法對(duì)節(jié)肢動(dòng)物進(jìn)行調(diào)查;劉慧等(2012)也采用直接觀察法和吸蟲(chóng)器法研究了轉(zhuǎn)cry1Ab基因玉米對(duì)瓢蟲(chóng)科天敵種群動(dòng)態(tài)的影響。

        本試驗(yàn)中,將直接觀察法和陷阱法2種方法相結(jié)合對(duì)玉米田間節(jié)肢動(dòng)物進(jìn)行調(diào)查。其中,直接觀察法能夠?qū)梢?jiàn)范圍內(nèi)不易移動(dòng)的全部節(jié)肢動(dòng)物進(jìn)行收集(吳奇等,2008)。鑒于直接觀察法對(duì)于易逃脫、善藏匿的的節(jié)肢動(dòng)物不能及時(shí)辨清和收集,并且調(diào)查時(shí)間在白天,對(duì)于夜間活動(dòng)的節(jié)肢動(dòng)物種類(lèi)存在調(diào)查局限,因此又以陷阱法作為補(bǔ)充。陷阱法在埋杯第2天進(jìn)行收集,雖然較直接觀察法靈活自主性差,但捕獲時(shí)間長(zhǎng)且經(jīng)歷夜間,彌補(bǔ)了直接觀察法的局限性。本文將2種方法的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析,確保分析結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

        圖1 轉(zhuǎn)基因玉米及其對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田間主要類(lèi)群個(gè)體數(shù)量季節(jié)變化Fig.1 Seasonal changes of the dominant arthropod groups in the fields of the 3 types of maize 數(shù)值為平均個(gè)體數(shù)±SE。相同小寫(xiě)字母表示經(jīng)LSD法檢驗(yàn)轉(zhuǎn)基因玉米田及其對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。 Individuals per plot±SE. The same letters in the same column indicate no significant difference between the transgenic maize and the non-transgenic maize at P>0.05 by LSD test.

        圖2 不同處理的轉(zhuǎn)基因玉米田及其對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田節(jié)肢動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)Fig.2 Community structure of arthoropods of the diversity of arthropod groups in 3 types of maize.

        劉慧等(2012)進(jìn)行了轉(zhuǎn)cry1Ab基因玉米對(duì)瓢蟲(chóng)科天敵種群動(dòng)態(tài)影響的研究,結(jié)果表明該轉(zhuǎn)基因玉米對(duì)瓢蟲(chóng)科天敵種群多樣性無(wú)不良影響;趙彩云等(2013)研究結(jié)果也表明,轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米對(duì)步甲物種多樣性沒(méi)有明顯影響;與此類(lèi)似,郭井菲等(2014)的調(diào)查結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)cry1Ie抗蟲(chóng)玉米對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性無(wú)明顯影響。本試驗(yàn)得到類(lèi)似結(jié)果,即在2種處理的轉(zhuǎn)基因玉米田及其對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田中節(jié)肢動(dòng)物物種組成相似,主要類(lèi)群季節(jié)動(dòng)態(tài)和群落結(jié)構(gòu)指數(shù)動(dòng)態(tài)變化較為一致,均無(wú)顯著差異。本研究結(jié)果初步表明,轉(zhuǎn)EPSPS基因抗除草劑玉米CC-2較之對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米,對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物多樣性無(wú)明顯影響,并且在轉(zhuǎn)基因抗除草玉米CC-2田間進(jìn)行噴施目標(biāo)除草劑處理,亦對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物多樣性無(wú)明顯影響。但本試驗(yàn)為1年調(diào)查結(jié)果,若想得到更全面、可靠的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,還有待進(jìn)一步多年跟蹤調(diào)查。

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        郭井菲, 張聰, 袁志華, 何康來(lái), 王振營(yíng). 2014. 轉(zhuǎn)cry1Ie基因抗蟲(chóng)玉米對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性的影響. 植物保護(hù)學(xué)報(bào), 41(4): 482-489.

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