張洵銘， 崔彥澤， 王柏鳳， 宋新元， 王 軍*

(1.吉林大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130062;2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 長春 130033)

隨著人類對糧食作物需求的日益增多，傳統(tǒng)遺傳育種已無法完全滿足需求，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的出現(xiàn)為作物育種提供了新的廣闊前景[1]。迄今，轉(zhuǎn)基因作物在全球范圍內(nèi)取得迅速發(fā)展，截至2014年，全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積達(dá)到1.815億hm2 [2]。20世紀(jì)90年代以來，轉(zhuǎn)基因植物的田間釋放規(guī)模逐漸擴(kuò)大, 轉(zhuǎn)基因生物生態(tài)安全性亦引起了高度關(guān)注[3]。按國際慣例，轉(zhuǎn)基因生物安全性主要分為環(huán)境安全性與食用安全性評價，其中環(huán)境安全評價的主要內(nèi)容包括：目標(biāo)性狀有效性、基因漂移及其環(huán)境影響、對自然生物群落多樣性的影響以及靶標(biāo)害蟲的抗性進(jìn)化等方面[4]。節(jié)肢動物是生態(tài)環(huán)境中的重要組成部分，轉(zhuǎn)基因作物對非目標(biāo)物種造成的任何不利影響都可能使當(dāng)?shù)厣锒鄻有园l(fā)生改變[5]。因此，研究轉(zhuǎn)基因作物對田間節(jié)肢動物多樣性的影響是轉(zhuǎn)基因作物環(huán)境安全評價的重要內(nèi)容。

目前國內(nèi)外關(guān)于轉(zhuǎn)基因玉米的環(huán)境安全性研究主要針對抗蟲與抗除草劑性狀[6]。如Farins等研究表明，轉(zhuǎn)Bt基因玉米對害蟲天敵無明顯影響，其變化主要是受年份影響[7]；邵正飛等試驗(yàn)表明，品種的抗蟲性對玉米田節(jié)肢動物群落物種豐富度無明顯影響，對均勻度有一定影響[8]；劉慧等試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)Cry1Ab基因玉米對玉米田中瓢蟲類天敵昆蟲優(yōu)勢度及種群動態(tài)無明顯影響[9]；郭艷艷Bray-Curtis差異性分析表明，Cry1Ac蛋白的表達(dá)沒有增加轉(zhuǎn)基因玉米田和非轉(zhuǎn)基因玉米田間非靶標(biāo)節(jié)肢動物群落的相異性，轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因玉米田節(jié)肢動物群落的進(jìn)化趨勢類似[10]；王尚等試驗(yàn)得出，轉(zhuǎn)EPSPS基因抗除草劑玉米CC-2，噴施目標(biāo)除草劑與不噴施除草劑2個處理，均與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ沼衩滋锏墓?jié)肢動物動態(tài)基本一致[11]。迄今，關(guān)于抗蟲、耐除草劑復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因玉米對田間節(jié)肢動物群落多樣性影響的報(bào)道甚少。

該試驗(yàn)綜合利用直接觀察法和地面陷阱法，以節(jié)肢動物群落組成、群落結(jié)構(gòu)、重要類群種群動態(tài)等為參數(shù)，研究轉(zhuǎn)基因玉米對田間節(jié)肢動物多樣性的影響，為轉(zhuǎn)Cry1Ab/Cry2Aj和G10evo-EPSPS基因抗蟲耐除草劑復(fù)合性狀玉米雙抗12-5提供基礎(chǔ)安全數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

轉(zhuǎn)Cry1Ab/Cry2Aj和G10evo-EPSPS基因抗蟲耐除草劑玉米雙抗12-5及其對應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米鄭單958(CK)，由轉(zhuǎn)基因玉米雙抗12-5的研發(fā)單位浙江大學(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)測試中心(長春)”環(huán)境安全評價圃場。位于43°11′～44°09′N，124°10′～125°18′E，海拔130～379 m，為中溫帶的半干旱半濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫為5.6 ℃，年平均降水量為563 mm[12]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3個處理。

處理1: 轉(zhuǎn)基因玉米噴施目標(biāo)除草劑(F-P)；

處理2：轉(zhuǎn)基因玉米不噴施目標(biāo)除草劑(F-BP)；

處理3：非轉(zhuǎn)基因?qū)φ沼衩?F-CK)。

每個處理3次重復(fù)，共9個小區(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)赜衩咨a(chǎn)方式，常規(guī)耕作管理。

目標(biāo)除草劑為草甘膦(草甘膦異丙胺鹽含量為41%)，孟山都公司出品。除草劑噴施時間為玉米V6期，除草劑噴施濃度按說明書推薦劑量(0.57%草甘膦除草劑5.7 mL，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，每隔10 d調(diào)查1次，采用對角線5點(diǎn)取樣法，每點(diǎn)調(diào)查5株玉米。記錄整株玉米及其地面節(jié)肢動物的種類和數(shù)量。調(diào)查時首先快速記錄活潑易動的種類，并將不易區(qū)分的類群保存到裝有95%乙醇溶液的膠卷盒中，做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室鑒定。

1.4.2 地面陷阱法

在玉米定苗后10 d開始到成熟，每10 d調(diào)查1次，采用對角線5點(diǎn)取樣法，每點(diǎn)埋設(shè)3個塑料杯(直徑15 cm、高10 cm)，間隔0.5 m，杯中放入不超過杯容積1/3的5%的洗滌劑水。埋杯1 d后，取出杯內(nèi)的節(jié)肢動物，分小區(qū)保存在95%乙醇的膠卷盒中，做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室鑒定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

節(jié)肢動物的數(shù)量等級以各類群數(shù)量占總量的百分比來劃分。優(yōu)勢類群：占總數(shù)10%以上的種群；常見類群：占總數(shù)1%～10%的種群；稀有類群：小于總數(shù)1%的種群。

采用下列公式計(jì)算節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)特征值：物種豐富度(S)，群落中的物種數(shù)；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)表達(dá)式為：

H′=-∑(ni/N) ln(ni/N)；

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)表達(dá)式為：

D=∑(ni/N)2；

Pielou均勻度指數(shù)(J)表達(dá)式為：

J=H′/lnS。式中，N為節(jié)肢動物的個體總數(shù)，ni為第i類群個體數(shù)，S為節(jié)肢動物類群數(shù)。

通過Excel2013對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，運(yùn)用SPSS 19.0軟件對試驗(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 田間節(jié)肢動物種類及數(shù)量組成

2014年6～9月，進(jìn)行20次采樣(10次直接觀察法、10次地面陷阱法)，共采集樣本90份。鑒定出節(jié)肢動物2綱10目28類，共計(jì)2 377頭。其中，優(yōu)勢種群為瓢甲科Coccinellidae和蟋蟀科Gryllidae，分別占捕獲節(jié)肢動物總數(shù)的41.78%和10.10%；常見種群為蚜科Aphididae(8.54%)、蠼螋科Labiduridae(8.33%)、盲蛛目Opiliones(5.34%)、步甲科Carabidae(4.88%)、葉甲科Chrysomelidae(4.80%)、蟻科Formicidae(4.46%)、蜘蛛目Araneae(4.40%)、蠅科Muscidae(1.22%)；稀有種群18類，共占總數(shù)的6.25%。

在轉(zhuǎn)基因噴施目標(biāo)除草劑的玉米田(F-P)中，鑒定出節(jié)肢動物2綱10目23類，共計(jì)785頭。優(yōu)勢種群為瓢甲科Coccinellidae、蟋蟀科Gryllidae和蠼螋科Labiduridae分別占總數(shù)的40.76%、12.74%和11.72%；常見種群為葉甲科Chrysomelidae(6.11%)、蜘蛛目Araneae(4.84%)、步甲科Carabidae(4.84%)、盲蛛目Opiliones(4.71%)、蚜科Aphididae(3.95%)、蟻科Formicidae(2.80%)、蠅科Muscidae(1.53%)、獵蝽科Reduviidae(1.27%)、草蛉科Chrysopidae(1.02%)；稀有種群16類，共占總數(shù)的3.69%(表1)。

在轉(zhuǎn)基因不噴施除草劑的玉米田(F-BP)中，鑒定出節(jié)肢動物2綱9目25類，共計(jì)817頭。優(yōu)勢種群為瓢甲科Coccinellidae和蟋蟀科Gryllidae，分別占總數(shù)的41.62%和10.65%；常見種群為蚜科Aphididae(7.71%)、蠼螋科Labiduridae(7.10%)、蟻科Formicidae(5.75%)、葉甲科Chrysomelidae(5.14%)、步甲科Carabidae(5.02%)、盲蛛目Opiliones(4.53%)、蜘蛛目Araneae(3.79%)、同蠅科Pipunculidae(1.59%)、鰓金龜科Melolonthidae(1.22%)；稀有種群14類，共占總數(shù)的5.88%(表1)。

在對應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田(F-CK)中，鑒定出節(jié)肢動物2綱11目21類，共計(jì)775頭。優(yōu)勢種群為瓢甲科Coccinellidae和蚜科Aphididae，分別占總數(shù)的42.97%和14.06%；常見種群為蟋蟀科Gryllidae(6.84%)、盲蛛目Opiliones(6.84%)、蠼螋科Labiduridae(6.19%)、蟻科Formicidae(4.77%)、步甲科Carabidae(4.77%)、蜘蛛目Araneae(3.48%)、葉甲科Chrysomelidae(3.10%)、蠅科Muscidae(1.42%)；稀有種群11類，共占總數(shù)的5.55%(表1)。

表1 玉米田內(nèi)節(jié)肢動物個體數(shù)(I)及分布頻率(F)

續(xù)表1 玉米田內(nèi)節(jié)肢動物個體數(shù)(I)及分布頻率(F)

注：個體數(shù)(I)為平均個體數(shù)±SE ( n = 3)，分布頻率為每個類群個體數(shù)量占不同品系玉米田內(nèi)所有節(jié)肢動物個體數(shù)量的百分比。相同小寫字母表示經(jīng)LSD法檢驗(yàn)轉(zhuǎn)基因玉米田及其對應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田之間無顯著差異(P>0.05,t-test)。 F-P：基因玉米田噴施除草劑處理；F-BP：轉(zhuǎn)基因玉米不噴施除草劑處理；F-CK：對應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田，不噴施除草劑。

2.2 對節(jié)肢動物主要類群動態(tài)的影響

對轉(zhuǎn)基因玉米2個處理和其對照的非轉(zhuǎn)基因玉米田中的8種主要類群(包括：瓢甲科、蟋蟀科、蚜科、蠼螋科、蜘蛛目、步甲科、葉甲科、盲蛛目)的個體數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，節(jié)肢動物主要類群季節(jié)動態(tài)變化趨勢如圖1。

圖1A 轉(zhuǎn)基因玉米及其對應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田間主要類群種群動態(tài)

注：數(shù)值為平均個體數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤，相同小寫字母表示經(jīng)LSD法檢驗(yàn)轉(zhuǎn)基因玉米田及其對應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田之間無顯著差異(P>0.05,t-test)。

差異顯著性分析結(jié)果表明：在各個調(diào)查時期，2組處理和其對照的玉米田中的8種主要節(jié)肢動物類群的個體數(shù)量均無顯著性差異(P>0.05，t-test)。

由圖1可知，瓢甲科、蟋蟀科、蠼螋科、步甲科、盲蛛目的種群個體數(shù)量變化趨勢大體相同，均是先增多，后降低，除盲蛛目外都是在7月末出現(xiàn)峰值，而盲蛛目的峰值出現(xiàn)在8月中旬。蚜科的種群數(shù)量在7月份大量出現(xiàn)，9月末也有較少數(shù)量。蜘蛛目種群數(shù)量先升后降再升，2個峰值出現(xiàn)在7月初和9月中旬。葉甲科種群個體數(shù)變化無明顯規(guī)律，在7月份和8月中后期數(shù)量較多。

2.3 對節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)的影響

對2種處理的轉(zhuǎn)基因玉米田及其對應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田間節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，研究表明，轉(zhuǎn)基因玉米田與其對應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田間節(jié)肢動物種群的物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(香濃指數(shù))、Pielou 均勻度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)的變化趨勢如圖2。

其中，物種豐富度發(fā)生趨勢基本相同，無明顯差異；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(香濃指數(shù))發(fā)生趨勢十分相似，只有9月中下旬出現(xiàn)輕微差異；Pielou 均勻度指數(shù)發(fā)生趨勢十分相似，只有6月下旬和9月中下旬出現(xiàn)輕微差異；Simpson優(yōu)勢度指數(shù)發(fā)生趨勢基本一致，只有9月中旬出現(xiàn)輕微差異。差異顯著性分析結(jié)果表明，各個調(diào)查時期，2種處理的轉(zhuǎn)基因玉米與對應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米田間節(jié)肢動物群落的物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)盡管在個別時期存在輕微波動，但均未達(dá)到顯著水平(P>0.05,t-test)。

圖中各值為每個小區(qū)平均數(shù)±SE (n=3)。Data in the figure are mean ± SE (n=3).

3 討論與結(jié)論

研究節(jié)肢動物多樣性普遍使用的方法主要有：直接觀察法、地面陷阱法、掃網(wǎng)法和剖查法等。直接觀察法有可能導(dǎo)致某些行動能力強(qiáng)，飛行或者寄生的節(jié)肢動物被漏查，雖然剖查法和掃網(wǎng)法能夠一定程度得彌補(bǔ)，但費(fèi)時費(fèi)力而且會傷及植株[13]；地面陷阱法可捕捉行動能力強(qiáng)以及夜間出行的節(jié)肢動物，盡管不如直接觀察法自主性強(qiáng)，但由于其捕獲時間長且經(jīng)歷夜間，可很大程度上彌補(bǔ)直接觀察法的不足[11]。本次試驗(yàn)采用直接觀察法和地面陷阱法相結(jié)合，以地面陷阱法彌補(bǔ)直接觀察法某些物種難以計(jì)數(shù)的不足。兩種方法相輔相成的同時，于直接觀察時先計(jì)數(shù)活動能力強(qiáng)的種類，能夠捕捉的捕捉，不能捉到的記錄在筆記本上，盡可能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

國內(nèi)關(guān)于玉米節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)研究已有大量報(bào)道。呂曉坤等研究表明，云南昭通玉米田節(jié)肢動物隸屬11目56科101種，害蟲群落優(yōu)勢種為玉米蚜蟲，天敵優(yōu)勢種為異色瓢蟲、龜紋瓢蟲及煙蚜繭蜂[14]；邱明生等研究表明，重慶地區(qū)玉米田節(jié)肢動物群落隸屬12目39科123種, 主要為蜘蛛類、蚜蟲類和瓢蟲類[15]；邵正飛等研究表明，安徽宿州玉米田優(yōu)勢害蟲主要有截形葉螨和玉米蚜蟲[8]；辛肇軍等研究表明，泰安市夏玉米田節(jié)肢動物群落隸屬2綱12目54科，主要類群為鞘翅目、鱗翅目及直翅目昆蟲，其中純糧區(qū)玉米田玉米蚜蟲為主要害蟲，糧菜區(qū)玉米螟發(fā)生較重，而糧果區(qū)則是截形葉螨為優(yōu)勢害蟲[16]。本次試驗(yàn)研究結(jié)果表明，吉林省公主嶺玉米地節(jié)肢動物隸屬2綱10目28科，其中優(yōu)勢類群為瓢甲科和蟋蟀科，常見類群主要為蚜科。

本研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因玉米雙抗12-5(噴施目標(biāo)除草劑與不噴施兩種處理)，與其對應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因?qū)φ沼衩字g，節(jié)肢動物群落優(yōu)勢度指數(shù)、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)及種群動態(tài)等基本一致，即使稍有波動也未達(dá)到顯著水平。這與劉慧[9]、郭艷艷[10]、王尚[11]、趙彩云[17]、李凡[18]等人試驗(yàn)結(jié)果基本一致。其中，多樣性指數(shù)(香濃指數(shù))、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)在9月中下旬出現(xiàn)相對較大差異，可能是因?yàn)榧竟?jié)變化導(dǎo)致節(jié)肢動物數(shù)量減少，基數(shù)不足致使實(shí)驗(yàn)誤差較大。綜上所述，轉(zhuǎn)基因玉米雙抗12-5對節(jié)肢動物群落多樣性無明顯影響。

本試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)僅僅是在試驗(yàn)小區(qū)中進(jìn)行的一年試驗(yàn)結(jié)果，既通過小型試驗(yàn)預(yù)判轉(zhuǎn)基因植物環(huán)境安全性，作為轉(zhuǎn)基因植物是否可以進(jìn)一步大規(guī)模釋放的評價依據(jù)。未來，多年定點(diǎn)、較大面積的生態(tài)風(fēng)險監(jiān)測試驗(yàn)將繼續(xù)被進(jìn)行，以保障轉(zhuǎn)基因玉米的生物安全性。