轉(zhuǎn)基因作物對土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的研究概況

李俊生 關(guān) 瀟 吳 剛 趙彩云 劉勇波

（1.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室 北京 100012；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科技學(xué)院 武漢 430070）

1 引言

自20世紀70年代重組DNA技術(shù)創(chuàng)建，到1983年首次獲得轉(zhuǎn)基因煙草、馬鈴薯以來，植物基因工程技術(shù)得到日新月異的發(fā)展，轉(zhuǎn)基因植物的研究及新品種的開發(fā)取得了飛速的進展，已經(jīng)成功培育出一批抗蟲、抗病、耐除草劑和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的農(nóng)作物新品種。隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)基因植物的生產(chǎn)和應(yīng)用范圍的不斷擴大，轉(zhuǎn)基因作物已從實驗室走進了我們?nèi)粘Ｉ钊甾D(zhuǎn)基因抗蟲棉已得到商業(yè)化生產(chǎn)，并在全國大范圍、大面積種植；轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻、轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米已取得安全證書。

轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出了寶貴的貢獻，但伴隨這些潛在惠益的同時也可能對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一些消極的影響。土壤是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程的重要場所，隨著轉(zhuǎn)基因作物的大面積推廣及種植，其植株殘體、根系分泌物和花粉等不斷向土壤中釋放Bt毒蛋白，且進入土壤的Bt毒素可被土壤粘粒吸附而不易被微生物降解，引起B(yǎng)t毒素在土壤中的累積，從而會對土壤中的生物造成危害，進而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的安全，因此研究轉(zhuǎn)基因作物外源基因在土壤中的殘留，以及對土壤酶活性、土壤動物和土壤微生物的影響，可為轉(zhuǎn)基因作物對土壤生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險和安全性評價提供依據(jù)。

2 轉(zhuǎn)基因作物外源基因在土壤中的殘留

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，它是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化的重要場所，轉(zhuǎn)基因作物外源基因進入土壤的途徑有2條：一是通過轉(zhuǎn)基因作物在生長過程中或收割后遺留在田間的植株殘體及花粉向土壤中釋放，這是外源蛋白進入土壤的主要途徑。二是通過轉(zhuǎn)基因植物根系分泌物進入土壤。如秸稈還田的耕作方式為外源蛋白進入土壤提供了有利的條件[1-3]。Sims和 Ream的研究表明，收獲前轉(zhuǎn)Bt基因棉花殘體的1g新鮮組織中含有3410gCryⅡA蛋白，把Bt棉花基質(zhì)均勻地埋入土壤后，檢測到土壤中CryⅡA蛋白的最高濃度為116g/g(干土)[4]。蘇云金芽孢桿菌產(chǎn)生的Bt毒素蛋白可通過枯枝落葉殘留在土壤中，并與土壤黏粒結(jié)合而不易降解，其毒性可持續(xù)2個～3個月[5]。通過根系分泌物向土壤中釋放外源蛋白是轉(zhuǎn)基因作物向土壤中釋放的主要方式。植物可通過根系分泌多種不同的物質(zhì),轉(zhuǎn)基因作物的根系則可能不斷地向根際周圍的土壤生物圈中釋放著外源蛋白。如轉(zhuǎn)Bt基因玉米通過根系向土壤分泌具有殺蟲活性的Bt毒素蛋白[6]。Saxena等[7]的認為，雖然Bt毒素都可以從轉(zhuǎn)Bt基因玉米、水稻和馬鈴薯的根系分泌物中釋放出來，但各物種分泌Bt毒素的量并不一樣，在轉(zhuǎn)Bt基因油菜、棉花和煙草的根系分泌物中并沒有檢測到Bt毒素。Saxena等[8]還對轉(zhuǎn)Bt基因玉米生物體及其根系分泌物釋放的毒素對土壤蚯蚓、線蟲、原生動物、細菌和真菌的影響進行了研究，結(jié)果表明轉(zhuǎn)Bt玉米生物體和根系分泌物釋放的Bt毒素蛋白在土壤中至少保持180d的殺蟲活性，但毒素的降解中間產(chǎn)物對土壤蚯蚓、線蟲、原生動物、細菌和真菌沒有毒性。盆栽種植實驗結(jié)果也證明了轉(zhuǎn) Bt基因水稻確實能通過根系分泌物向土壤中導(dǎo)入殺蟲晶體蛋白，而且導(dǎo)入量與植株生長發(fā)育時間有關(guān)[9]。

3 轉(zhuǎn)基因作物對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤中具有化學(xué)催化活性的物質(zhì)，它主要來源于動植物殘體分解、植物根系分泌和土壤生物的代謝，活性體現(xiàn)了土壤中各種生物化學(xué)過程的強度和方向，是土壤重要的生物學(xué)特性，在一定程度上反映了土壤微生物的活性，在土壤營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和能量轉(zhuǎn)移中起著關(guān)鍵性的作用[10]。轉(zhuǎn)Bt基因作物的種植可能改變尿酶、脫氫酶、磷酸酶的活性[11]。盆栽試驗表明，轉(zhuǎn)凝集素和內(nèi)切幾丁質(zhì)酶基因的馬鈴薯釋放后,提高了土壤脫氫酶的活性[12]；而轉(zhuǎn)木質(zhì)素過氧化物酶基因的紫花苜蓿使得土壤脫氫酶和堿性磷酸酶活性下降[13]。孫彩霞等（2003）的研究表明，種植轉(zhuǎn)Bt基因水稻后，土壤酶活性發(fā)生了顯著變化，且變化幅度與土壤酶的類型和轉(zhuǎn)Bt基因水稻的生長發(fā)育時間有關(guān)。與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ战M相比，轉(zhuǎn)Bt基因水稻種植15d，土壤脲酶活性降低了2.47%，土壤酸性磷酸酶活性提高了8.91%，土壤芳基硫酸酯酶活性有所下降，而脫氫酶活性有所增加，但差異不顯著[9]。吳偉祥等[14-17]也報道了淹水條件下轉(zhuǎn)Bt基因水稻(克螟稻)秸稈還田對土壤酶活性的影響，其研究結(jié)果表明，與相同生長期的親本水稻秸稈相比，孕穗期和成熟期克螟稻秸稈對磷酸酶活性的影響較小，而對脫氫酶活性的影響非常顯著，同時對脫氫酶的影響也存在較大的差異；而在非淹水條件下，克螟稻秸稈還田對土壤蛋白酶、中性磷酸酶、脲酶活性和土壤呼吸強度雖然沒有顯著性影響，但土壤脫氫酶對添加克螟稻秸稈極其敏感，培養(yǎng)前63d內(nèi)其活性明顯高于對照處理,但此后兩種秸稈處理間的土壤脫氫酶活性差異逐漸消失。葉飛等[18]采用大田試驗方法研究了雙價抗蟲棉SGK321和中棉所41兩種轉(zhuǎn)基因棉花的種植對根際土壤酶活性的影響，研究發(fā)現(xiàn)，種植兩種轉(zhuǎn)基因棉花在花鈴期對根際土壤脲酶活性的影響表現(xiàn)出顯著抑制作用，對土壤磷酸單脂酶活性表現(xiàn)出顯著促進作用，而衰老期對磷酸單脂酶活性則表現(xiàn)抑制作用顯著，對根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性的影響表現(xiàn)為顯著抑制作用。馬麗穎等[19]也證明種植雙價抗蟲棉SGK321對土壤酶活性的影響較大：對脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶和中性磷酸酶活性的影響差異均達到了極顯著水平。Wu等（2004）研究發(fā)現(xiàn)，在實驗室條件下，添加水稻秸稈粉碎組織后，土壤脫氫酶和磷酸酶活性均得到顯著提高，但轉(zhuǎn)Cry1Ab基因克螟稻和非轉(zhuǎn)基因親本稻間沒有差異[14]。

4 轉(zhuǎn)基因作物對土壤動物的影響

土壤動物是表征土壤質(zhì)量變化的敏感生物學(xué)指標之一。轉(zhuǎn)基因作物的外源基因及其表達產(chǎn)物進入土壤后對土壤動物的影響尤為受到關(guān)注。轉(zhuǎn)凝集素基因馬鈴薯的盆栽試驗和大田試驗均表明，原生動物類群、鞭毛蟲和變形蟲數(shù)量與對照相比都有顯著降低；葉的分解試驗表明，轉(zhuǎn)凝集素基因馬鈴薯原生動物類群明顯減少，原生動物總生物量、鞭毛蟲生物量與對照間的差異達到極顯著水平，變形蟲生物量差異顯著；但與對照相比，轉(zhuǎn)凝集素基因馬鈴薯土壤線蟲在生長期沒有差異，殘茬分解對線蟲也沒有很大影響[12]。Donegan等[20]實驗結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)蛋白酶抑制劑基因番茄周圍的土壤與親本和空白土壤相比，彈尾目種群數(shù)量下降，線蟲數(shù)量顯著增加，但原生動物無顯著差異，且轉(zhuǎn)Bt基因玉米對原生動物也無顯著影響[21，22]，轉(zhuǎn)蛋白酶抑制劑基因番茄和轉(zhuǎn)木質(zhì)素過氧化物酶基因紫花苜蓿對原生動物沒有影響[6]。種植轉(zhuǎn)Bt基因煙草土壤中線蟲數(shù)量顯著增加[23]。轉(zhuǎn)蛋白酶抑制劑基因番茄與親本相比線蟲數(shù)量明顯增加[20]。與對照相比，轉(zhuǎn)凝集素基因馬鈴薯土壤線蟲在生長期以及殘差分解對土壤線蟲都沒有明顯影響[12]，轉(zhuǎn)Bt基因玉米的種植與根茬的分別對線蟲總數(shù)沒有影響[21，22]。而Romeis等[24]研究也表明，與常規(guī)作物相比，轉(zhuǎn)基因小麥的種植和根茬分解對土壤線蟲的生長沒有不良影響。Bottjer等（1985）推測Bt伴胞晶體蛋白作用線蟲的機制可能與作用于昆蟲的方式相似，線蟲吞人的毒素蛋白與線蟲腸道內(nèi)膜結(jié)合引起腸內(nèi)膜滲透性增大，從而破壞了線蟲腸道組織使線蟲致死[1]。

5 轉(zhuǎn)基因作物對土壤微生物的影響

土壤微生物是維持土壤生物活性的重要組成部分，參與有機質(zhì)分解、腐殖質(zhì)形成、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)等多種土壤生化過程,微生物活性和群落結(jié)構(gòu)的變化是土壤環(huán)境評價不可缺少的重要生物學(xué)指標[25]。轉(zhuǎn)基因作物及其產(chǎn)物進入土壤后，可能與土壤微生物相互作用，而影響微生物活動過程[26]。Donegan等[20]關(guān)于轉(zhuǎn)蛋白酶抑制劑基因煙草對土壤微生物種類和數(shù)量的潛在影響的研究表明，轉(zhuǎn)基因植物根際土壤中Collembola的數(shù)量顯著降低。Glandorf等[27]研究發(fā)現(xiàn)，抗真菌和細菌蛋白會殘留在根際土壤中，從而影響腐生型土壤細菌的數(shù)量。轉(zhuǎn)Bt基因作物在一定程度上能夠改變土壤微生物的群落構(gòu)成、微生物數(shù)量及其活性。Yudina等[28]發(fā)現(xiàn)4種不同轉(zhuǎn)Bt基因棉花品種促使了土壤中細菌和真菌數(shù)量發(fā)生短暫性的顯著增加。Watrud和Seidler[29]也報道，轉(zhuǎn)Bt基因棉花可以提高土壤中細菌和真菌的數(shù)量。王洪興[30]在對轉(zhuǎn)Bt基因水稻秸稈降解對土壤真菌和細菌的影響時發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)Bt基因水稻秸稈降解對這兩種菌類都有顯著增加的作用，而對放線菌和反硝化細菌活性則顯著降低，同時也發(fā)現(xiàn)對解磷細菌的活性無明顯的作用。錢迎倩等[31]也曾報道，帶有幾丁質(zhì)酶的抗真菌轉(zhuǎn)基因作物會通過殘枝落葉的降解物或根系分泌物減少土壤中菌根的種群。帶有抗真菌和細菌蛋白的轉(zhuǎn)基因作物，在提高了對有害菌抵抗能力的同時，也會對土壤中其他有益菌造成一定威脅，破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)和物種群落結(jié)構(gòu)，對作物帶來不利影響[28]。但也有一些報道表明，轉(zhuǎn)基因作物對土壤微生物區(qū)系沒有顯著影響，如轉(zhuǎn)Bt基因棉花和馬鈴薯的根系分泌物對土壤細菌和真菌的數(shù)量、種類、豐富度及植物病原水平的研究發(fā)現(xiàn)，根際微生物的數(shù)量在轉(zhuǎn)基因與對照間差異不顯著[32，33]。

6 結(jié)語

轉(zhuǎn)基因作物對土壤微生態(tài)環(huán)境的影響依賴于許多因素，迄今的研究結(jié)果也尚無定論。因此，轉(zhuǎn)基因作物對土壤生物的毒素殘留作用，其給環(huán)境帶來的潛在風(fēng)險乃是今后人類在推廣轉(zhuǎn)基因作物時所面臨的重大挑戰(zhàn)之一。同時，轉(zhuǎn)基因作物對土壤生物的作用，隨著時間的積累及生物富集作用的不斷擴大，其危害性是否會逐步顯現(xiàn)卻存在高度的不可預(yù)見性。因此，今后還應(yīng)加強轉(zhuǎn)基因作物對土壤環(huán)境或農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險監(jiān)測和評估，特別要重點開展敏感指標的篩選和評價，使轉(zhuǎn)基因作物對環(huán)境的負面影響減少到最低限度。

[1]Bottjer KP,Bone LW,Gill SS.1985.Nematoda：susceptibility of theeggto Bacillus thuring iensistoxins.Experimental Parasitology,60:239-244.

[2]Palm CJ,Schalleer DL,Donegan KK,et al.Persistence in soil of transgenic plantsproduced Bacillu sthuring iensisvar.kurstari-enrdotoxin.Can.J.Microbiol.,1996,42:1258-1262.

[2]Tapp H,Stotzky G.Persistence of the insecticidal toxin from Bacillus thuringiensissubsp.kurstakiin soil.Soil Biol.Biochem.,1998,30(4):471-476.

[3]白耀宇，蔣明星，程家安，等.轉(zhuǎn)Bt基因作物Bt毒蛋白在土壤中的安全性研究.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2003，14(11):2062-2066.

[4]Sims SR,Ream JE.Soil inactivation of the Bacillus thuringiens is subsp.Kurstaki CryⅡA insecticidal protein within transgenic cotton tissue:laboratory microcosm and field studies.Journal of Agricultural and Food Chemistry.,1997,45:1502-1505.

[5]James RR.Utilizingasocial ethic toward the environ mentinassessing genetically engineered insect-resistance in trees.Agriculture and Human Value.,1997,14:237-249.

[6]Saxena D,Flores S,Stotzky G.Insecticidal toxin in root exudates from Bt corn.Nature,1999,402-480.

[7]Saxena D,Stewart CN,Altosaar I,et al.Larvicidal Cry proteins from Bacillus thuringiensisarere leased inroot exudates of transgenic B.thuring iensiscorn,potato,and ricebutnot of B.thuringiensis canola,cotton,and tobacco.Plant Physiol.Biochem.,2004,42:83-387.

[8]Saxena D,Florest S,Stotzky G.Bttoxinisreleased inrootexudates from transg-enic corn hybrids representing three transformation events.Soil Biology and Biochemistry.,2002,34:133-137.

[9]孫彩霞，陳利軍，武志杰，張玉蘭，張麗莉.種植轉(zhuǎn)Bt基因水稻對土壤酶活性的影.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2003，14(12):2261-2264.

[10]曹慧，孫輝，楊浩，等.土壤酶活性及其對土壤質(zhì)量的指示研究進展.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2005，9(1):105-109.

[11]Jepson PC,Croft B A,Pratt GE.Test systems to determine the ecological risks posed by toxin release for Bacillus thuringiensis genesin crop plants.Mol.Ecol.,1994,3:81-89.

[12]Griffiths BS,Geoghegan IE,RobertsonWM.Testing genetically engineered potato,producing thelectins GNA and ConA,on nontarget soil organismsand processes.Journal of Applied Ecology.,2000,37(1):159-170.

[13]Donegan KK,Palm CJ,Fieland VJ,et al.Changesin levels,species,and DNA finger prints of soil microorganisms associated with cotton exp ressing the Bacillus thuringiensissubsp.Kurstaki endotoxin.Applied Soil Ecology.,1995,2(2):11-124.

[14]Wu WX,Ye QF,Min H.etal.Bt-transgenic ricestra waffects the culturable microbiotaand dehydrogenase and phosphatase activities in a flooded paddy soil.Soil Biol.Biochem.,2004,36:289-295.

[15]吳偉祥，葉慶富，閔航.不同生長期轉(zhuǎn)Bt基因水稻秸稈還土對淹水土壤酶活性的影響.生態(tài)學(xué)報，2003，23(11):2353-2358.

[16]Wu WX,Ye QF,Min H.Effect of strawsfrom Bt-transgenic rice on selected biological activities in water-flooded soil.Soil Biol.,2004,40:15-22.

[17]吳偉祥，葉慶富，閔航，等.克螟稻秸稈cry1Ab基因表達產(chǎn)物對土壤生物學(xué)活性的影響.土壤學(xué)報，2003，40(4):606-611.

[18]葉飛，牛高華，劉慧芬，等.轉(zhuǎn)基因棉花種植對根際土壤酶活性的影響.華北農(nóng)學(xué)報.2008.23(4):201-203.

[19]馬麗穎，崔金杰，陳海燕.種植轉(zhuǎn)基因棉對4種土壤酶活性的影響.棉花學(xué)報.2009，21(5):383-387.

[20]Donegan KK,Seidler RJ,Fieland VJ,Schaller DL,PalmCJ,Ganio LM Cardwell D M,Steinberger Y.Decomposition of genetically engineered tobaccounder field conditions:Persistenceof the proteinaseinhibitor Iproduct and effectson soil microbial respiration and protozoa,nematode and microarthropod populations.Journal of Applied Ecology.,1997,34(3):767-777.

[21]Stotzky G.Persisitance and biological activity in soil insecticidal proteinsfrom Bacillus thuringiensis and of bacterial DNA bound on clays and humic acids.Enviruml.Qual.,2000,29:691-705.

[22]Saxena D,Flores S,Stotzky G.Bacillusthuringiensis(Bt)toxinreleased from root exudatesand biomassof Bt corn hasno apparent effectonearthworms,nemato-des,protozoe,bacteria,and fungiin soil.Soil Biol Biochem.,2001,33:1225-1230.

[23]Saxena D,Flores S,Stotzky G.Insecticidal toxin from Bacillus thuringiensis is released from root of transgenic Bt corn in vitro and in situ.FEMSMicrobiol.Ecol.,2000,33:35-59.

[24]Romeis J,Battini M,Bigler F.Transgenic wheat with enhanced fungal resistancecausesno effectson Folsomiacandida(Collembola:Isotomidae).Pedobiologia.,2003,47:141-147.

[25]滕應(yīng)，黃昌勇.重金屬污染土壤的微生物生態(tài)效應(yīng)及其修復(fù)研究進展.土壤與環(huán)境，2002，11(1):85-89.

[26]Morra MJ.Assessing the impact of transgenic plant products on soil organisms.Mol.Ecol.1994,3:53-55.

[27]Glandorf DCM,Bakker PAHM,Van Loon LC,et al.Influence of theproduction of antibacterial and antifungal proteins by transgenic plants on the saprophytic soil microflora.Acta Bot Neerlandica.,1997,46(1):85-104.

[28]Yudina TG,Burtsev ALI.Activity of deltaendotoxinsof four Bacillu thuringiensis subspecies against rokaryotes.Microbiol.,1997,66:25-31.

[29]Watrud LS,Seidler RJ.Nontarget ecological effects of plant,microbial,and chem-ical introductions to terrestrial systems,soil chemistry and ecosystem health.Wisonsin:Special Publication 52.Soil Science Society of America.,1998,313-340.

[30]王洪興，陳欣，唐建軍，葉慶富，王忠華.轉(zhuǎn)Bt基因水稻秸稈降解對土壤微生物可培養(yǎng)類群的影響.生態(tài)學(xué)報，2004，24(1):89-94.

[31]錢迎倩，馬克平.經(jīng)遺傳修飾生物體的研究進展及其釋放后對環(huán)境的影響.生態(tài)學(xué)報，1998，18(1):1-9.

[32]Kathen A,The impact of transgenic crop releases on biodiversity in developing countries.Biotechnology Development and Monitor.,1996,28:10-15.

[33]Firbank LG,Forcella F.Genetically modified crops and farmland biodiversity.Science.,2000,289:1481-1482.