梁晉剛 辛龍濤 欒穎 宋新元 張正光
摘要:為評(píng)估轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE09S034對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響,開展轉(zhuǎn)基因玉米IE09S034對(duì)土壤主要有機(jī)元素含量和酶活性影響的試驗(yàn)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(nèi)測(cè)定,分析轉(zhuǎn)基因玉米IE09S034對(duì)根際土壤含水量、pH值、主要有機(jī)元素含量和酶活性的影響。結(jié)果表明,轉(zhuǎn)基因玉米IE09S034較對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米根際土壤含水量、pH值、主要有機(jī)元素含量和酶活性無顯著性差異,但不同生育期對(duì)各指標(biāo)有顯著性影響。結(jié)果可為轉(zhuǎn)基因玉米IE09S034的環(huán)境安全提供新的依據(jù)。
關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米;土壤有機(jī)元素;土壤酶活性力;土壤生態(tài)系統(tǒng)
中圖分類號(hào): S153.6+2;S154.2? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A? 文章編號(hào):1002-1302(2019)05-0196-03
收稿日期:2017-12-02
基金項(xiàng)目:國(guó)家轉(zhuǎn)基因生物新品種培育科技重大專項(xiàng)(編號(hào):2016ZX08011-003)。
作者簡(jiǎn)介:梁晉剛(1987—),男,山西陽泉人,博士,農(nóng)藝師,主要從事轉(zhuǎn)基因生物安全評(píng)價(jià)與檢測(cè)研究。E-mail:382408162@qq.com。
通信作者:張正光,博士,教授,主要從事轉(zhuǎn)基因生物安全評(píng)價(jià)與檢測(cè)研究。E-mail:zhgzhang@njau.edu.cn。
隨著轉(zhuǎn)基因作物在全球范圍內(nèi)的大規(guī)模種植,其對(duì)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的植物多樣性及其健康狀況具有較大的影響[2-3]。轉(zhuǎn)基因作物可能會(huì)通過直接或間接的方式對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)代謝循環(huán)產(chǎn)生影響,進(jìn)而威脅土壤生態(tài)系統(tǒng)的安全性,因此評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響具有十分重要的意義[4-5]。
轉(zhuǎn)基因作物可通過其凋落物殘?bào)w或根際分泌物等影響土壤理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)及功能酶活性,從而在一定程度上對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)中的生物化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程產(chǎn)生影響[6-11]。土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤酶活性具有深刻的影響,土壤水分、礦質(zhì)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(duì)土壤中的營(yíng)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(zhì)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(shí)有必要選取具有代表性的酶進(jìn)行分析[15-17]。前人研究報(bào)道表明,轉(zhuǎn)基因作物的種植可能導(dǎo)致根際土壤營(yíng)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(zhuǎn)基因高蛋氨酸大豆ZD91對(duì)根際土壤碳、氫、氮等有機(jī)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(gè)案分析原則,本研究以轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE09S034和其對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米Zong31為試驗(yàn)材料,對(duì)玉米根際土壤主要有機(jī)元素含量和酶活性進(jìn)行2年的監(jiān)測(cè),以期為轉(zhuǎn)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(yàn)材料與設(shè)計(jì)
試驗(yàn)材料為轉(zhuǎn)cry1Ie基因抗蟲玉米IE09S034(IE)以及與其對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米Zong31(IECK),由轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE的研發(fā)單位(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所)提供。試驗(yàn)地點(diǎn)為吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院轉(zhuǎn)基因植物環(huán)境安全研究試驗(yàn)圃場(chǎng)(43°30′N,124°49′E),試驗(yàn)?zāi)攴轂?014—2015年,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)品種設(shè)置3次重復(fù)。整個(gè)試驗(yàn)期間按照當(dāng)?shù)仄胀ㄞr(nóng)事操作進(jìn)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(gè)階段,即苗期(seedling stage,簡(jiǎn)稱SS)、花期(flowering stage,簡(jiǎn)稱FS)和成熟期(maturity-setting stage,簡(jiǎn)稱MS),采用抖落法采集根際土壤[20]。采用5點(diǎn)取樣法進(jìn)行取樣,將每個(gè)小區(qū)5點(diǎn)的土壤樣品混合為1個(gè)重復(fù),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(jī)元素含量的測(cè)定
土壤含水量采用烘干稱質(zhì)量法測(cè)定[21]:取土壤樣品于105 ℃烘干至恒質(zhì)量,利用以下公式來計(jì)算土壤含水量:含水量=(濕土質(zhì)量-干土質(zhì)量)/干土質(zhì)量×100%。
土壤pH值測(cè)定:取風(fēng)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(dòng)30 min,靜置 30 min,待澄清后,用pH計(jì)測(cè)定懸池液的pH值[22]。
土壤主要有機(jī)元素含量測(cè)定:根際土壤全碳含量、全氮含量測(cè)定委托南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心完成,運(yùn)用Vario MICRO元素分析儀進(jìn)行檢測(cè)。
1.4 土壤主要酶活性測(cè)定
根際脲酶和堿性磷酸酶分別參照關(guān)松蔭等的方法[14,23]進(jìn)行測(cè)定。脲酶活性以反應(yīng)中釋放出的游離態(tài)氨含量表示,堿性磷酸酶活性以反應(yīng)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(duì)土壤酶進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。
2 結(jié)果與分析
2.1 根際土壤主要理化性質(zhì)變化
由圖1可知,在相同生育期內(nèi),轉(zhuǎn)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(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE對(duì)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(zhǎng)時(shí)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(nèi),轉(zhuǎn)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(zhuǎn)基因抗蟲玉米對(duì)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(zhǎng)時(shí)期內(nèi),轉(zhuǎn)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(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE對(duì)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(zhǎng)時(shí)期的顯著性影響。
3 結(jié)論與討論
本研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE對(duì)土壤主要理化性質(zhì)和酶活性沒有產(chǎn)生顯著性影響。此外,進(jìn)一步通過ANVOA分析發(fā)現(xiàn),玉米不同生長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)時(shí)期是主要影響因素。
有研究報(bào)道,轉(zhuǎn)基因作物與受體作物相比可能會(huì)在養(yǎng)分組成以及殘?bào)w降解方面存在一定的差異,進(jìn)而對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響[21]。然而,杜鵑等發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因作物對(duì)根際土壤理化性質(zhì)各指標(biāo)無顯著性影響[24]。本研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE與對(duì)應(yīng)的非轉(zhuǎn)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(gè)重要參量,并將其應(yīng)用到轉(zhuǎn)基因作物的環(huán)境安全評(píng)價(jià)中,大量研究結(jié)果表明, 轉(zhuǎn)基因作物對(duì)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(zhǎng)時(shí)期的影響[31]。本研究結(jié)果表明,轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE對(duì)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(zhuǎn)基因作物對(duì)酶活性影響研究的結(jié)果相似。
參考文獻(xiàn):
[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(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤微生物多樣性影響的研究策
[3]梁晉剛,張正光. 轉(zhuǎn)基因高蛋氨酸大豆對(duì)根際真菌群落碳代謝功能的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2017,33(5):993-997.
[4]梁晉剛,張正光. 轉(zhuǎn)基因作物種植對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的研究進(jìn)展[J]. 作物雜志,2017(4):1-6.
[5]梁晉剛,孟 芳,張正光. 轉(zhuǎn)基因高蛋氨酸大豆對(duì)根際土壤主要有機(jī)元素和酶活性的影響[J]. 生物安全學(xué)報(bào),2017,26(4):301-306.
[6]劉根林. 轉(zhuǎn)基因大豆對(duì)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(xué),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(zhuǎn)基因大豆對(duì)土壤硫轉(zhuǎn)化酶活性及微生物功能多樣性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2014,33(1):103-110.
[8]李孝剛. 轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的研究[D]. 南京:南京林業(yè)大學(xué),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?jiān)伱?,周?guó)逸,吳 寧. 土壤酶學(xué)的研究進(jìn)展[J]. 熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào),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.