梁晉剛 辛龍濤 欒穎 宋新元 張正光

摘要：為評估轉基因抗蟲玉米IE09S034對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，開展轉基因玉米IE09S034對土壤主要有機元素含量和酶活性影響的試驗研究。連續(xù)2年，在玉米苗期、花期和成熟期，采用抖落法采集根際土壤樣品，通過室內測定，分析轉基因玉米IE09S034對根際土壤含水量、pH值、主要有機元素含量和酶活性的影響。結果表明，轉基因玉米IE09S034較對應的非轉基因玉米根際土壤含水量、pH值、主要有機元素含量和酶活性無顯著性差異，但不同生育期對各指標有顯著性影響。結果可為轉基因玉米IE09S034的環(huán)境安全提供新的依據(jù)。

關鍵詞：轉基因抗蟲玉米;土壤有機元素;土壤酶活性力;土壤生態(tài)系統(tǒng)

中圖分類號： S153.6+2;S154.2? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）05-0196-03

收稿日期：2017-12-02

基金項目：國家轉基因生物新品種培育科技重大專項（編號：2016ZX08011-003）。

作者簡介：梁晉剛（1987—），男，山西陽泉人，博士，農藝師，主要從事轉基因生物安全評價與檢測研究。E-mail：382408162@qq.com。

通信作者：張正光，博士，教授，主要從事轉基因生物安全評價與檢測研究。E-mail：zhgzhang@njau.edu.cn。

隨著轉基因作物在全球范圍內的大規(guī)模種植，其對土壤生態(tài)系統(tǒng)的安全性問題逐漸得到重視[1]。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，對生態(tài)系統(tǒng)內的植物多樣性及其健康狀況具有較大的影響[2-3]。轉基因作物可能會通過直接或間接的方式對土壤營養(yǎng)代謝循環(huán)產(chǎn)生影響，進而威脅土壤生態(tài)系統(tǒng)的安全性，因此評價轉基因作物對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響具有十分重要的意義[4-5]。

轉基因作物可通過其凋落物殘體或根際分泌物等影響土壤理化性質、微生物群落結構及功能酶活性，從而在一定程度上對土壤生態(tài)系統(tǒng)中的生物化學反應進程產(chǎn)生影響[6-11]。土壤理化性質對土壤酶活性具有深刻的影響，土壤水分、礦質元素含量和pH值等影響著土壤酶的活性及穩(wěn)定性[12]。土壤酶是土壤新陳代謝的重要因素，對土壤中的營養(yǎng)元素循環(huán)具有重要的作用，其活性受地域差異、植物品種、土壤類型、土壤理化性質等多種環(huán)境因素的影響[13-14]。由于土壤中包含了多種多樣的酶，因此在研究時有必要選取具有代表性的酶進行分析[15-17]。前人研究報道表明，轉基因作物的種植可能導致根際土壤營養(yǎng)狀況和酶活性發(fā)生變化[18-19]。梁晉剛等前期研究發(fā)現(xiàn)，轉基因高蛋氨酸大豆ZD91對根際土壤碳、氫、氮等有機元素含量和蔗糖酶、堿性磷酸酶等酶活性均沒有顯著性的影響[5，20]。

按照個案分析原則，本研究以轉基因抗蟲玉米IE09S034和其對應的非轉基因玉米Zong31為試驗材料，對玉米根際土壤主要有機元素含量和酶活性進行2年的監(jiān)測，以期為轉基因抗蟲玉米IE09S034的環(huán)境安全性提供新的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗材料為轉cry1Ie基因抗蟲玉米IE09S034（IE）以及與其對應的非轉基因玉米Zong31（IECK），由轉基因抗蟲玉米IE的研發(fā)單位（中國農業(yè)科學院作物科學研究所）提供。試驗地點為吉林省農業(yè)科學院轉基因植物環(huán)境安全研究試驗圃場（43°30′N，124°49′E），試驗年份為2014—2015年，采用隨機區(qū)組設計，每個品種設置3次重復。整個試驗期間按照當?shù)仄胀ㄞr事操作進行田間管理。

1.2 根際土壤樣品采集

土壤樣品采集分為3個階段，即苗期（seedling stage，簡稱SS）、花期（flowering stage，簡稱FS）和成熟期（maturity-setting stage，簡稱MS），采用抖落法采集根際土壤[20]。采用5點取樣法進行取樣，將每個小區(qū)5點的土壤樣品混合為1個重復，過2 mm篩，-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 根際土壤含水量、pH值和有機元素含量的測定

土壤含水量采用烘干稱質量法測定[21]：取土壤樣品于105 ℃烘干至恒質量，利用以下公式來計算土壤含水量：含水量=（濕土質量-干土質量）/干土質量×100%。

土壤pH值測定：取風干土壤樣品10 g置于50 mL錐形瓶中（水土體積比2.5 ∶ 1），間歇性攪拌或搖動30 min，靜置 30 min，待澄清后，用pH計測定懸池液的pH值[22]。

土壤主要有機元素含量測定：根際土壤全碳含量、全氮含量測定委托南京大學現(xiàn)代分析中心完成，運用Vario MICRO元素分析儀進行檢測。

1.4 土壤主要酶活性測定

根際脲酶和堿性磷酸酶分別參照關松蔭等的方法[14，23]進行測定。脲酶活性以反應中釋放出的游離態(tài)氨含量表示，堿性磷酸酶活性以反應中釋放出的酚含量表示，單位為mg/（g·d）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)通過SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，多處理間差異分析采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncans多重比較。另外，在不同生育期、不同栽培品種間，選擇單因素方差分析對土壤酶進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 根際土壤主要理化性質變化

由圖1可知，在相同生育期內，轉基因抗蟲玉米IE的根際土壤含水量、土壤pH值與受體玉米IECK之間均沒有顯著性差異，說明轉基因抗蟲玉米IE對根際土壤含水量、土壤pH值無顯著性影響。通過表1的ANVOA分析發(fā)現(xiàn)，玉米不同生長時期之間土壤含水量、土壤pH值存在顯著性差異。

由圖2可知，在相同生育期內，轉基因抗蟲玉米IE的根

際土壤碳元素、氮元素含量與受體玉米IECK之間均沒有顯著性差異，說明轉基因抗蟲玉米對根際土壤碳元素、氮元素含量無顯著性影響。通過表2的ANVOA分析發(fā)現(xiàn)，2014年，玉米不同生育期之間土壤碳元素含量存在顯著性差異。

2.2 根際土壤主要功能酶活性變化

由圖3可知，在相同生長時期內，轉基因抗蟲玉米IE的根際土壤脲酶、堿性磷酸酶活性與受體玉米IECK之間均沒有顯著性差異，說明轉基因抗蟲玉米IE對根際土壤脲酶、堿性磷酸酶活性無顯著性影響。通過表3中的ANVOA分析發(fā)現(xiàn)，玉米根際土壤脲酶、堿性磷酸酶活性均受玉米生長時期的顯著性影響。

3 結論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)轉基因抗蟲玉米IE與受體玉米IECK之間土壤含水量、pH值、碳元素含量、氮元素含量等主要理化性質沒有顯著性差異，土壤脲酶、堿性磷酸酶活性等主要功能酶活性沒有顯著性差異，說明轉基因抗蟲玉米IE對土壤主要理化性質和酶活性沒有產(chǎn)生顯著性影響。此外，進一步通過ANVOA分析發(fā)現(xiàn)，玉米不同生長時期之間，根際土壤含水量、土壤pH值、酶活性具有顯著性差異，說明玉米生長時期是主要影響因素。

有研究報道，轉基因作物與受體作物相比可能會在養(yǎng)分組成以及殘體降解方面存在一定的差異，進而對土壤理化性質產(chǎn)生影響[21]。然而，杜鵑等發(fā)現(xiàn)，轉基因作物對根際土壤理化性質各指標無顯著性影響[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，轉基因抗蟲玉米IE與對應的非轉基因受體玉米IECK之間根際土壤含水量、pH值以及碳、氮元素含量等均沒有顯著性差異。

目前，已有很多研究將土壤酶作為衡量土壤健康狀況的一個重要參量，并將其應用到轉基因作物的環(huán)境安全評價中，大量研究結果表明， 轉基因作物對土壤主要功能酶活性沒有產(chǎn)生顯著性影響[25-30]。土壤功能酶活性主要受土壤類型和

作物生長時期的影響[31]。本研究結果表明，轉基因抗蟲玉米IE對土壤脲酶、堿性磷酸酶活性沒有產(chǎn)生顯著性影響，且發(fā)現(xiàn)不同生育期是造成土壤酶活性產(chǎn)生差異的主要因素，這與之前轉基因作物對酶活性影響研究的結果相似。

參考文獻：

[1]Liu N，Zhu P，Peng C，et al. Effect on soil chemistry of genetically modified （GM） vs. non-GM maize[J]. GM Crops，2010，1（3）：157-161.

[2]梁晉剛，張秀杰. 轉基因作物對土壤微生物多樣性影響的研究策

[3]梁晉剛，張正光. 轉基因高蛋氨酸大豆對根際真菌群落碳代謝功能的影響[J]. 江蘇農業(yè)學報，2017，33（5）：993-997.

[4]梁晉剛，張正光. 轉基因作物種植對土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的研究進展[J]. 作物雜志，2017（4）：1-6.

[5]梁晉剛，孟 芳，張正光. 轉基因高蛋氨酸大豆對根際土壤主要有機元素和酶活性的影響[J]. 生物安全學報，2017，26（4）：301-306.

[6]劉根林. 轉基因大豆對根際土壤微生物群落的影響及其多樣性指數(shù)的度量[D]. 南京：南京大學，2012：10-14.

[7]劉根林，戚金亮，喻德躍，等. 根際箱種植富含硫氨基酸轉基因大豆對土壤硫轉化酶活性及微生物功能多樣性的影響[J]. 農業(yè)環(huán)境科學學報，2014，33（1）：103-110.

[8]李孝剛. 轉基因抗蟲棉對土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的研究[D]. 南京：南京林業(yè)大學，2011：5-10.

[9]Chen Z H，Chen L J，Zhang Y L，et al. Microbial properties，enzyme activities and the persistence of exogenous proteins in soil under consecutive cultivation of transgenic cottons （Gossypium hirsutum L.）[J]. Plant Soil Environ，2011，57（2）：67-74.

[10]Lupwayi N Z，Hanson K G，Harker K N，et al. Soil microbial biomass，functional diversity and enzyme activity in glyphosate-resistant wheat-canola rotations under low-disturbance direct seeding and conventional tillage[J]. Soil Biol Biochem，2007，39（7）：1418-1427.

[11]Sun C X，Chen L J，Wu Z J，et al. Soil persistence of Bacillus thuringiensis （Bt） toxin from transgenic Bt cotton tissues and its effect on soil enzyme activities[J]. Biol Fert Soils，2007，43：617-620.

[12]張詠梅，周國逸，吳 寧. 土壤酶學的研究進展[J]. 熱帶亞熱帶植物學報，2004，12（1）：83-90.

[13]Heuer H，Kroppenstedt R M，Lottmann J，et al. Effects of T4 lysozyme release from transgenic potato roots on bacterial rhizosphere communities are negligible relative to natural factors[J]. Appl Environ Microbiol，2002，68（3）：1325-1335.