轉(zhuǎn)基因抗草甘膦抗蟲棉對(duì)棉田冠層節(jié)肢動(dòng)物群落的影響

姜偉麗，馬 艷，馬小艷，奚建平，馬亞杰，李希風(fēng)

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南安陽455000

草甘膦作為一種高效、低毒、廣譜的非選擇性葉面噴施除草劑，已成為當(dāng)今世界上生產(chǎn)量最大的農(nóng)藥品種之一。但草甘膦在除草的同時(shí)會(huì)殺死農(nóng)作物，因此，選育耐草甘膦的轉(zhuǎn)基因作物成為大家所關(guān)注的一個(gè)熱門領(lǐng)域(梁雪蓮等，2001)。目前，已經(jīng)商品化的轉(zhuǎn)基因抗草甘膦作物主要有大豆、棉花、玉米、油菜、甜菜等。至2011年，耐除草劑作物已占轉(zhuǎn)基因作物總面積的61%以上，是世界上商品化最早、推廣應(yīng)用最快的轉(zhuǎn)基因作物(James，2011)。

人們?cè)陉P(guān)注轉(zhuǎn)基因抗草甘膦作物經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的同時(shí)，非常重視對(duì)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，研究內(nèi)容主要包括基因漂移、對(duì)草甘膦的抗性及對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響。節(jié)肢動(dòng)物群落是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是轉(zhuǎn)基因作物安全性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一。目前，研究最多的是轉(zhuǎn)基因抗草甘膦大豆對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響(吳奇等，2008;張卓等，2011)，而有關(guān)轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性影響的報(bào)道甚少(馬艷等，2011)。因此，筆者研究了轉(zhuǎn)基因抗草甘膦抗蟲棉對(duì)棉田冠層節(jié)肢動(dòng)物群落的影響，以期為轉(zhuǎn)基因棉田的環(huán)境安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

轉(zhuǎn)基因抗草甘膦抗蟲棉品種KCM201001、轉(zhuǎn)Bt基因(Cry1Ac)棉品種中棉所44號(hào)、常規(guī)棉品種中棉所49號(hào)均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所遺傳育種研究室提供。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)于2010～2011年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)地四周有圍墻隔離。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理:(1)轉(zhuǎn)基因抗草甘膦抗蟲棉田(以下簡(jiǎn)稱雙抗棉田);(2)轉(zhuǎn)Bt基因棉田(以下簡(jiǎn)稱Bt棉田);(3)常規(guī)棉田。每個(gè)處理種植3個(gè)小區(qū)，共9個(gè)小區(qū)，小區(qū)間隨機(jī)排列，小區(qū)面積200 m2(8 m×25 m)，棉花種植密度為5.5萬株·hm－2。3種棉田全生育期不使用任何化學(xué)農(nóng)藥，其他農(nóng)事操作按常規(guī)進(jìn)行。

1.3 調(diào)查方法

采用對(duì)角線5點(diǎn)取樣方法，每個(gè)小區(qū)每次調(diào)查5個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)連續(xù)調(diào)查2行(20株)棉花，共100株。5月上旬～9月中旬，每5 d調(diào)查1次，采用目測(cè)法詳細(xì)調(diào)查、記載棉株冠層上所有昆蟲的種類和數(shù)量，未知種類按統(tǒng)一編號(hào)進(jìn)行記載。對(duì)于棉蚜Aphis gossyptzGlover、僵蚜、煙粉虱Bemisia tabaci(Gennadius)、棉葉螨Tetranychus truncatus(Ehara)，僅調(diào)查植株上、中、下部3片展開葉上的數(shù)量;隨機(jī)調(diào)查1朵花內(nèi)的薊馬Thrips tabaciLindeman數(shù)量。

1.4 分析方法

統(tǒng)計(jì)3種棉田節(jié)肢動(dòng)物群落組成的目、科、屬及個(gè)體數(shù)。群落相似性采用群落系數(shù)(C')進(jìn)行比較(趙志模和郭依泉，1990)。

式中，w為A、B群落樣本中共有物種的2個(gè)個(gè)體數(shù)相對(duì)低值的總和，a、b分別為A、B群落樣本中所有物種個(gè)體數(shù)的總和。

節(jié)肢動(dòng)物群落的特征參數(shù)用物種豐富度(S)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H')、均勻性指數(shù)(J)和Simpson優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)(C)表示(何洪俊，1991;趙志模和郭依泉，1990)。

S為節(jié)肢動(dòng)物群落中的種類數(shù);

式中，Pi為第i種物種個(gè)體數(shù)占群落個(gè)體數(shù)的比例;J=H'/lnS

式中，N為群落中所有物種的個(gè)體數(shù)之和，Ni為第i種物種的個(gè)體數(shù)。

通過SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行Duncan's差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 群落的組成

2年的研究結(jié)果表明，雙抗棉田節(jié)肢動(dòng)物群落主要由11目19科22屬組成，其中，害蟲亞群落主要由7目9科10屬組成，天敵亞群落主要由8目9科12屬組成;Bt棉田節(jié)肢動(dòng)物群落主要由10目18科20屬組成，其中，害蟲亞群落主要由7目9科10屬組成，天敵亞群落主要由6目8科10屬組成;常規(guī)棉田節(jié)肢動(dòng)物群落主要由10目17科19屬組成，其中，害蟲亞群落主要由7目9科10屬組成，天敵亞群落主要由5目8科9屬組成。由此可見，雙抗棉田、Bt棉田和常規(guī)棉田三者間的節(jié)肢動(dòng)物群落、害蟲亞群落和天敵亞群落的組成無明顯差異，但雙抗棉田的物種豐富度略高于其他2種棉田。

2.2 對(duì)害蟲種群數(shù)量的影響

雙抗棉田、Bt棉田和常規(guī)棉田害蟲的口器可以分為刺吸式和咀嚼式2種。其中，常規(guī)棉田刺吸式害蟲主要有棉蚜、棉葉螨、煙粉虱、棉葉蟬Empoasca biguttula(Shiraki)、棉薊馬、綠盲蝽Apolygus lucorum(Meyer-Dür)、中黑盲蝽Adelphocoris suturalisJakovlev等;咀嚼式害蟲主要有棉鈴蟲Helicoverpa armigera(Hubner)、隆背花薪甲Cortinicara gibbosa(Herbst)、嚙蟲Corrodentia等。雙抗棉田和Bt棉田的害蟲主要為刺吸式和除棉鈴蟲外的咀嚼式害蟲。

由表1可以看出，在不同年份，由于受氣候環(huán)境和栽培條件的影響，3種棉田害蟲的發(fā)生數(shù)量有所不同。2010年，與常規(guī)棉田相比，雙抗棉田的刺吸式害蟲和害蟲總數(shù)明顯減少，差異達(dá)顯著水平，而其咀嚼式害蟲數(shù)量略多，差異不顯著;與Bt棉田相比，雙抗棉田的刺吸式害蟲、咀嚼式害蟲和害蟲總數(shù)均無明顯差異。2011年，與常規(guī)棉田相比，雙抗棉田的刺吸式害蟲和害蟲總數(shù)同樣明顯減少，差異達(dá)極顯著水平，其咀嚼式害蟲數(shù)量也極顯著增多;與Bt棉田相比，雙抗棉田的刺吸式害蟲和害蟲總數(shù)明顯減少，差異達(dá)顯著水平，而其咀嚼式害蟲數(shù)量略多，無明顯差異。

表1 不同類型棉田冠層害蟲亞群落的組成和數(shù)量Table 1 Species composition and quantity of pest sub-community in different cotton treatments

2年的試驗(yàn)結(jié)果表明，雙抗棉田和Bt棉田的刺吸式害蟲的發(fā)生數(shù)量顯著少于常規(guī)棉田，而咀嚼式害蟲數(shù)量多于常規(guī)棉田。這主要是由于常規(guī)棉棉苗易早發(fā)，苗期長勢(shì)旺盛，導(dǎo)致其棉蚜發(fā)生數(shù)量高于其他2種棉田;同時(shí)，由于雙抗棉田和Bt棉田中棉鈴蟲發(fā)生數(shù)量減少，而一些次要害蟲如隆背花薪甲、嚙蟲等種群數(shù)量上升，導(dǎo)致這2種棉田中咀嚼式害蟲數(shù)量多于常規(guī)棉田。

2.3 對(duì)天敵種群數(shù)量的影響

雙抗棉田、Bt棉田和常規(guī)棉田的天敵種類主要包括草蛉類、瓢蟲類、蜘蛛類、蝽類和寄生蜂類(表2)。

表2 不同類型棉田冠層的天敵種類和數(shù)量Table 2 Species and amount of the natural enemy in different cotton treatments

2010年，雙抗棉田瓢蟲類、蜘蛛類、蝽類和寄生蜂類的數(shù)量及天敵總數(shù)略高于常規(guī)棉田，差異不顯著，而草蛉類數(shù)量顯著低于常規(guī)棉田;雙抗棉田草蛉類、瓢蟲類、蜘蛛類和寄生蜂類的數(shù)量及天敵總數(shù)均高于Bt棉田，但差異不顯著，而蝽類數(shù)量顯著高于Bt棉田。2011年，雙抗棉田草蛉類、蝽類的數(shù)量及天敵總數(shù)與常規(guī)棉田差異不顯著，其蜘蛛類數(shù)量高于常規(guī)棉田，差異達(dá)顯著水平，其瓢蟲類和寄生蜂類數(shù)量卻顯著低于常規(guī)棉田;雙抗棉田的各類天敵數(shù)量均低于Bt棉田，其中，草蛉類數(shù)量和天敵總數(shù)顯著低于Bt棉田，其他天敵數(shù)量差異不顯著。

2年的試驗(yàn)結(jié)果表明，雙抗棉田的天敵總數(shù)與常規(guī)棉田相當(dāng)，差異不顯著;但與Bt棉田相比，年度間差異明顯，主要是由于不同年份間害蟲發(fā)生種類及數(shù)量不同。

2.4 對(duì)節(jié)肢動(dòng)物群落相似性的影響

群落的相似性系數(shù)是群落組成相似程度的定量指標(biāo)。由表3可以看出，2010年，3種棉田的害蟲亞群落、天敵亞群落及節(jié)肢動(dòng)物群落的相似性系數(shù)均較高，其中，雙抗棉田與Bt棉田的害蟲亞群落的結(jié)構(gòu)最相似，相似性系數(shù)達(dá)0.9315;Bt棉田與常規(guī)棉田天敵亞群落的相似性系數(shù)最低，為0.8953。但是，雙抗棉田與Bt棉田的害蟲亞群落、天敵亞群落及節(jié)肢動(dòng)物群落的相似性系數(shù)均略高于雙抗棉田與常規(guī)棉田及Bt棉田與常規(guī)棉田，說明雙抗棉田與Bt棉田節(jié)肢動(dòng)物群落的相似程度略高于常規(guī)棉田，這可能與雙抗棉和Bt棉均含有抗蟲基因有關(guān)。

2011年，3種棉田節(jié)肢動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的相似程度低于2010年，相似性系數(shù)為 0.6636～0.8973。雙抗棉田與Bt棉田害蟲亞群落和節(jié)肢動(dòng)物群落的相似性系數(shù)(分別為0.8959和0.8962)高于這2種棉田與常規(guī)棉田(0.6636～0.7613)，說明雙抗棉田與Bt棉田害蟲亞群落和節(jié)肢動(dòng)物群落的相似程度高于常規(guī)棉田;但是，3種棉田天敵亞群落的相似性系數(shù)均較高，且差異較小，分別為0.8973(雙抗棉田與Bt棉田)、0.8589(雙抗棉田與常規(guī)棉田)和0.8089(Bt棉田與常規(guī)棉田)?？梢?，3種棉田節(jié)肢動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)雖然存在較大的差異，但田間轉(zhuǎn)移活動(dòng)較頻繁的天敵亞群落的結(jié)構(gòu)比較相似。

表3 不同類型棉田冠層節(jié)肢動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的相似性系數(shù)Table 3 Comparability coefficient of arthropod community structure in different cotton treatments

由表3還可以看出，同一類型棉田不同年份間節(jié)肢動(dòng)物群落的結(jié)構(gòu)差異大于同一年內(nèi)不同類型棉田間的差異。2010年與2011年雙抗棉田害蟲亞群落、天敵亞群落和節(jié)肢動(dòng)物群落的相似性系數(shù)為0.5742、0.5647 和 0.5734;2 年間 Bt棉田與常規(guī)棉田節(jié)肢動(dòng)物群落的相似性系數(shù)僅為0.4420～0.6357。

2.5 對(duì)節(jié)肢動(dòng)物群落特征參數(shù)的影響

生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力和恢復(fù)能力的物質(zhì)基礎(chǔ)。一般而言，多樣性指數(shù)和均勻性指數(shù)較高而優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)較低的群落，其穩(wěn)定性較好，對(duì)于環(huán)境變化或來自群落內(nèi)部種群波動(dòng)的緩沖作用較強(qiáng)，這樣的節(jié)肢動(dòng)物群落優(yōu)勢(shì)種不太突出，害蟲不易大發(fā)生(崔金杰和夏敬源，2000a;夏敬源等，1995)。

2010年試驗(yàn)結(jié)果(表4)表明，3種棉田節(jié)肢動(dòng)物群落和害蟲亞群落的多樣性指數(shù)和均勻性指數(shù)相似，差異不顯著;而優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)則以Bt棉田較高，但與雙抗棉田和常規(guī)棉田均無顯著差異，說明2010年3種棉田節(jié)肢動(dòng)物群落和害蟲亞群落在穩(wěn)定性方面均無明顯差異。比較3種棉田天敵亞群落的參數(shù)發(fā)現(xiàn)，除了Bt棉田的多樣性指數(shù)高于雙抗棉田和常規(guī)棉田外，均勻性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)均相當(dāng)，差異不明顯，說明3種棉田在天敵亞群落穩(wěn)定性方面也無明顯差異。

表4 不同類型棉田冠層節(jié)肢動(dòng)物群落的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 4 Parameters of arthropod communities in different cotton treatments

2011年試驗(yàn)結(jié)果(表4)表明，雙抗棉田和Bt棉田節(jié)肢動(dòng)物群落和害蟲亞群落的多樣性指數(shù)和均勻性指數(shù)均顯著高于常規(guī)棉田，而優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)卻極顯著低于常規(guī)棉田，說明2011年雙抗棉田和Bt棉田節(jié)肢動(dòng)物群落和害蟲亞群落的穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)棉田，出現(xiàn)某種害蟲大暴發(fā)的可能性較小。從天敵亞群落的參數(shù)來看，雙抗棉田天敵亞群落的多樣性指數(shù)和均勻性指數(shù)均極顯著低于Bt棉和常規(guī)棉田，而其優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)與Bt棉田相當(dāng)，極顯著高于常規(guī)棉田，說明2011年雙抗棉田的天敵亞群落在穩(wěn)定性方面不及Bt棉和常規(guī)棉田。

由此可見，與Bt棉和常規(guī)棉田相比，雙抗棉田節(jié)肢動(dòng)物群落和害蟲亞群落穩(wěn)定性較好，害蟲大發(fā)生的可能性低。

3 討論

轉(zhuǎn)基因作物在直接作用靶標(biāo)生物的同時(shí)，可能通過食物鏈等對(duì)非靶標(biāo)生物產(chǎn)生影響。Taylor(1999)對(duì)于轉(zhuǎn)基因抗除草劑大豆和玉米的廣泛推廣和應(yīng)用表示擔(dān)憂，認(rèn)為其會(huì)造成田間馬利筋種群的減少，進(jìn)而對(duì)以馬利筋為惟一食物源的大斑蝶Danaus plexippusL.幼蟲產(chǎn)生嚴(yán)重影響，最終威脅大斑蝶的生存。Mcphersonet al.(2003)報(bào)道，轉(zhuǎn)基因抗除草劑大豆對(duì)昆蟲群落的影響很小，轉(zhuǎn)基因豆田害蟲的豐富度與常規(guī)豆田沒有差異，對(duì)階段性發(fā)生的害蟲也沒有不利影響。

本研究表明，抗草甘膦抗蟲棉、轉(zhuǎn)Bt基因棉及常規(guī)棉田中節(jié)肢動(dòng)物群落、害蟲亞群落和天敵亞群落的結(jié)構(gòu)與組成無明顯差異;與常規(guī)棉田相比，抗草甘膦抗蟲棉和轉(zhuǎn)Bt基因棉不僅可以顯著減少害蟲數(shù)量，而且能有效保護(hù)自然天敵，這與曾華蘭等(2009)對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的研究結(jié)果一致。2010年，抗草甘膦抗蟲棉田節(jié)肢動(dòng)物群落、害蟲亞群落和天敵亞群落的各項(xiàng)特征參數(shù)(相似性系數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù))與轉(zhuǎn)Bt基因棉田和常規(guī)棉田相比均無明顯差異，這與蔡萬倫等(2005)、崔金杰和夏敬源(1999、2000b、2002)、吳奇等(2006、2008)、張永軍等(2002)的研究結(jié)果一致;由于棉田節(jié)肢動(dòng)物群落的發(fā)生和變動(dòng)受環(huán)境氣候條件、作物布局、病蟲基數(shù)及人為活動(dòng)等多種因素的影響，2011年抗草甘膦抗蟲棉田節(jié)肢動(dòng)物群落的各項(xiàng)特征參數(shù)與常規(guī)棉田相比，存在較大差異，表現(xiàn)為抗草甘膦抗蟲棉田節(jié)肢動(dòng)物群落和害蟲亞群落的穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)棉田，而其天敵亞群落的穩(wěn)定性不及常規(guī)棉田，這與楊國正等(2005)的研究結(jié)果一致。

2年的調(diào)查結(jié)果表明，與轉(zhuǎn)Bt基因棉田和常規(guī)棉田相比，轉(zhuǎn)基因抗草甘膦抗蟲棉田物種豐富度有所增大，其害蟲的優(yōu)勢(shì)度和優(yōu)勢(shì)種與其他2種棉田相比略有不同，節(jié)肢動(dòng)物群落、害蟲亞群落和天敵亞群落多樣性指數(shù)在不同年份受外界環(huán)境條件的影響較大，總體表現(xiàn)為種群變化比較有規(guī)律，群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，具有良好的生態(tài)效應(yīng)，對(duì)棉田生態(tài)環(huán)境的不良影響較小。

轉(zhuǎn)多基因作物涉及多個(gè)轉(zhuǎn)入基因，基因之間可能存在相互作用，從而引發(fā)協(xié)同效應(yīng)或拮抗作用，國內(nèi)外尚未見相關(guān)報(bào)道。因此，抗草甘膦基因與Bt基因間的相互作用尚需進(jìn)一步研究。

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