轉(zhuǎn)基因亞麻根系分泌物對土壤酶活性的影響

劉 巖

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，黑龍江哈爾濱 150086)

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轉(zhuǎn)基因亞麻根系分泌物對土壤酶活性的影響

劉 巖

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，黑龍江哈爾濱 150086)

[目的]針對轉(zhuǎn)基因亞麻對土壤多酚氧化酶、脲酶和磷酸酶活性的影響進(jìn)行研究，為系統(tǒng)評價(jià)轉(zhuǎn)基因植物對土壤生態(tài)環(huán)境造成的風(fēng)險(xiǎn)提供參考。[方法]比較了轉(zhuǎn)基因、非轉(zhuǎn)基因亞麻種植20 d后與種植80 d后的根際土壤多酚氧化酶、脲酶和磷酸酶活性差異。3種酶活性分別利用鄰苯三酚比色法、奈氏比色法與苯磷酸二鈉比色法測定，同時(shí)設(shè)立空白土對照。[結(jié)果]與種植20 d后的土壤相比，種植80 d后的土壤酶活性均有不同程度的變化，土壤脲酶活性升高，而土壤磷酸酶和多酚氧化酶活性下降。轉(zhuǎn)基因亞麻對土壤多酚氧化酶、脲酶、磷酸酶活性有一定影響，但是并未達(dá)到統(tǒng)計(jì)上的顯著水平或極顯著水平。[結(jié)論]這可能說明土壤多酚氧化酶、脲酶及磷酸酶活性受到轉(zhuǎn)基因亞麻根系分泌物的影響較小。

轉(zhuǎn)基因亞麻；根系；分泌物；酶活性

隨著植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)的日益成熟，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高糧食產(chǎn)量，進(jìn)而解決人類的溫飽問題。轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物對環(huán)境的影響尤其是土壤動植物、微生物、土壤養(yǎng)分及酶活性的影響，已成為轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物是否安全的研究新熱點(diǎn)。土壤酶活性是土壤生態(tài)環(huán)節(jié)中舉足輕重的指標(biāo)，其活性大小直接決定土壤的肥力水平。微小的變化就會使農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生巨大變化。究其本質(zhì)，土壤酶是由土壤中有生命活性的動物、植物和微生物產(chǎn)生的具有催化活性的高分子蛋白質(zhì)，為土壤代謝提供源源不斷的動力。它不僅是農(nóng)作物的養(yǎng)分活性庫，而且在環(huán)境的物質(zhì)循環(huán)過程中起載體的作用[1]。轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的種植強(qiáng)化了作物本身與土壤環(huán)境的聯(lián)系。外源基因及表達(dá)產(chǎn)物很有可能隨根系分泌物、葉片凋落物等對土壤微生物、養(yǎng)分及酶活性產(chǎn)生影響，進(jìn)而造成土壤腐殖質(zhì)、理化性質(zhì)等一系列變化，最終改變土壤生態(tài)系統(tǒng)[2]。目前，大多數(shù)研究還停留在轉(zhuǎn)基因食品的生態(tài)安全研究方面。大多數(shù)研究是針對轉(zhuǎn)基因食品能否對人類和動物造成影響，而對土壤生態(tài)系統(tǒng)的安全性研究較少。土壤酶活性又是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此研究轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的種植是否對土壤酶活性造成影響迫在眉睫。

轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物根系分泌物是轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物與土壤生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)結(jié)的紐帶和橋梁，最終可通過改變土壤的固有屬性影響生態(tài)系統(tǒng)。土壤酶是土壤的組成成分之一，主要來自于高等植物的根系和土壤生物，數(shù)量少，作用大。土壤酶直接參與土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分釋放和固定過程，與土壤供肥密切相關(guān)。通過研究土壤酶活性的變化，可以間接地研究土壤生態(tài)系統(tǒng)。筆者以轉(zhuǎn)基因亞麻為材料，研究轉(zhuǎn)基因亞麻的根系分泌物對土壤多酚氧化酶、脲酶和磷酸酶活性的影響，為轉(zhuǎn)基因亞麻大面積種植的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及來源

供試轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因材料均來自同一亞麻品種，其中包括2份轉(zhuǎn)基因材料(AT1、AT2)、1份非轉(zhuǎn)基因材料(CK)。

在試驗(yàn)樣品材料種植20、80 d后，于距離主根1～5 cm、距離表層土4～7 cm處取土。取樣后，根據(jù)各個(gè)土壤酶測定的不同要求進(jìn)行預(yù)處理。每份土樣設(shè)3次重復(fù)。該試驗(yàn)完全模擬自然條件下轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因亞麻種植，研究根系分泌物對土壤多酚氧化酶、脲酶和磷酸酶等重要土壤酶活性的影響。同時(shí)，設(shè)置一空白土壤對照，以減小誤差。

1.2 測定方法

多酚氧化酶活性測定采用鄰苯三酚比色法；脲酶活性測定采用奈氏比色法；土壤磷酸酶活性的測定以苯磷酸二鈉為基質(zhì)，培養(yǎng)后采用比色法測定酚的生成量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，處理得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)基因亞麻種植后不同時(shí)期根系附近土壤多酚氧化酶活性比較

植物中的酚類物質(zhì)如兒茶酚、單寧酸等對昆蟲等生物有抑制或毒害作用。它通過凋落物分解與根系分泌等途徑進(jìn)入土壤中，改變土壤微生物種群的分布及營養(yǎng)物質(zhì)的有效形態(tài)[3]。它是一種重要的土壤酶，對土壤環(huán)境的變化比較敏感，可作為土壤肥力變化和生態(tài)恢復(fù)的監(jiān)測指標(biāo)[4-5]。由圖1可知，在亞麻種植20 d后，空白土的多酚氧化酶含量最低，為0.051 5 mg/(g·h)，CK稍高，為0.057 67 mg/(g·h)，兩種轉(zhuǎn)基因亞麻的根際土壤多酚氧化酶活性高于CK，分別為0.092 167、0.084 167 mg/(g·h)，在亞麻種植80 d后，土壤多酚氧化酶的活性均有不同程度的下降，但兩種轉(zhuǎn)基因亞麻的根際土壤多酚氧化酶活性仍高于空白土和CK，分別為0.061 11、0.071 22 mg/(g·h)，而空白土為0.048 67 mg/(g·h)，CK為0.046 67 mg/(g·h)。經(jīng)雙因素方差分析，發(fā)現(xiàn)各個(gè)處理間差異未達(dá)到顯著水平，F(xiàn)值為6.41(P=0.08>0.05)，說明轉(zhuǎn)基因與非轉(zhuǎn)基因亞麻根系分泌物對土壤多酚氧化酶活性影響間差異并不顯著。

2.2 轉(zhuǎn)基因亞麻種植后不同時(shí)期根系附近土壤脲酶活性比較

土壤脲酶是作用于線型酰胺的C-N鍵(非肽)的水解酶，能酶促土中尿素水解成氨[6]。土壤脲酶活性過低， 勢必影響尿素的利用率；脲酶活性過高，對土壤肥力、作物生長也不利。脲酶是土壤中的主要酶類之一，間接反映土壤肥力狀況。因此，脲酶是衡量生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)[7]。由圖2可知，在亞麻種植20 d后，空白土的脲酶含量最低，為0.243 mg/(g·d)，CK稍高，為0.256 mg/(g·d)，兩種轉(zhuǎn)基因亞麻的根際土壤脲酶活性高于CK，且相差不大，分別為0.370 1、0.380 3 mg/(g·d)。在亞麻種植80 d后，土壤脲酶活性均有不同程度的上升。這是因?yàn)殡S著亞麻生育期的延后，根系變得健壯，亞麻物質(zhì)積累逐漸增加，代謝活力也逐漸增加，間接促進(jìn)土壤活性，脲酶活性隨之增加。非轉(zhuǎn)基因?qū)φ盏母H土壤脲酶活性高于兩種轉(zhuǎn)基因亞麻，而空白土的脲酶活性最低，為0.297 mg/(g·d)。這可能是由于與非轉(zhuǎn)基因亞麻相比，轉(zhuǎn)基因亞麻的根系分泌物可能抑制土壤脲酶活性。經(jīng)雙因素方差分析，各個(gè)處理間差異未達(dá)到顯著水平，F(xiàn)值為1.496(P=0.374>0.05)，說明轉(zhuǎn)基因與非轉(zhuǎn)基因亞麻根系分泌物對土壤脲酶活性影響間差異并不顯著。

2.3 轉(zhuǎn)基因亞麻種植后不同時(shí)期根系附近土壤磷酸酶活性比較

土壤磷酸酶是催化含磷有機(jī)酯和酐水解的一類酶的總稱[8]， 是一類催化土壤礦化有機(jī)磷的酶，可以表征土壤磷的狀況。土壤有機(jī)磷對植物的供磷起到一定的貢獻(xiàn)[9-10]。植物品種、土壤有效磷、土壤腐殖質(zhì)可以影響土壤磷酸酶活性的差異[11]。由圖3可知，在亞麻種植20 d后，空白土和非轉(zhuǎn)基因亞麻的土壤磷酸酶含量相仿，分別為0.208和0.213 mg/(g·h)，兩種轉(zhuǎn)基因亞麻的根際土壤磷酸酶活性偏高，分別為0.289、0.313 mg/(g·h)。在亞麻種植80 d后，土壤磷酸酶活性均有不同程度的下降。這可能是由于土壤磷酸酶活性在亞麻生長過程中受到抑制，最終4種處理的土壤磷酸酶活性基本降到同一水平，CK、轉(zhuǎn)基因和兩種非轉(zhuǎn)基因亞麻的磷酸酶含量分別為0.195、0.206、0.205和0.202 mg/(g·h)。經(jīng)雙因素方差分析，各個(gè)處理間差異未達(dá)到顯著水平，F(xiàn)值為1.108(P=0.467>0.05)，說明轉(zhuǎn)基因與非轉(zhuǎn)基因亞麻根系分泌物對土壤磷酸酶活性影響間差異并不顯著。

3 結(jié)論與討論

研究表明，種植20 d后，轉(zhuǎn)基因亞麻3種酶的活性均高于空白土和對照，而在亞麻生長后期，土壤多酚氧化酶與磷酸酶活性均有所下降，脲酶活性呈上升趨勢。這說明隨著亞麻的生長，根系分泌物抑制土壤多酚氧化酶與磷酸酶的活性，而隨著亞麻生育期的延后，亞麻物質(zhì)積累逐漸增加，代謝活力也逐漸增加，間接促進(jìn)土壤活性，脲酶活性隨之升高。

土壤多酚氧化酶、脲酶與磷酸酶是3種重要的土壤酶，在土壤的物質(zhì)代謝、能量轉(zhuǎn)化過程中扮演者舉足輕重的角色，能夠加快土壤中有毒廢物的快速分解，保持生態(tài)平衡。研究土壤酶活性的變化，就是在間接研究土壤的理化功能和土壤的生態(tài)平衡，是評價(jià)土壤健康狀況、土壤肥力的重要指標(biāo)[12]。經(jīng)過雙因素方差分析，各個(gè)處理土壤多酚氧化酶、脲酶及磷酸酶活性間差異均未達(dá)到顯著水平，說明轉(zhuǎn)基因與非轉(zhuǎn)基因亞麻根系分泌物對土壤多酚氧化酶、脲酶及磷酸酶活性影響差異并不顯著。可見，在種植轉(zhuǎn)基因亞麻過程中，亞麻根系分泌物對土壤多酚氧化酶、脲酶及磷酸酶活性沒有造成嚴(yán)重的影響。土壤中多酚氧化酶對研究土壤有機(jī)質(zhì)的形成有著很重要的理論意義；脲酶反映了尿素的利用率；磷酸酶的大小可以直接反映土壤肥力，是土壤生態(tài)系統(tǒng)得以穩(wěn)定的重要支柱。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，該研究僅對轉(zhuǎn)基因亞麻對土壤3種酶的活性進(jìn)行了研究，所說明的問題還不夠全面。由于土壤生態(tài)系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)、功能復(fù)雜的多樣性，長期、系統(tǒng)、全面開展生態(tài)安全性的研究非常必要。轉(zhuǎn)基因植物的長期種植是否會對土壤其他酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分產(chǎn)生顯著性影響目前尚無定論。因此，開展轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物對土壤生態(tài)系統(tǒng)的研究，獲得較全面的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物安全性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可為轉(zhuǎn)基因植物大面積生產(chǎn)應(yīng)用給出更多的指導(dǎo)性建議。

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Influence of Transgenic Flax’s Root Secretion on Soil Enzyme Activity

LIU Yan

(Research Institute of Economic Crops, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin, Heilongjiang 150086)

[Objective] The research studied the influence of transgenic flax on soil polyphenol oxidasein, upease and phosphatase activity to provide references for transgenic plants’ evaluating risk to ecological environment. [Method] The research compared the transgenic and non-transgenic flax’s soil polyphenol oxidasein, urease and phosphatase activity after planting 20 days and 80 days. Three enzyme activities were measured by pyrogallol colorimetry, nesslerization and disodium phenyl phosphate colorimetry. Blank soil control was also set. [Result] Ater planting 80 days, the soil enzyme activity varied compared with them after planting 20 days. The activity of phosphatase and polyphenol oxidasein activities declined while the urease activity increased. The transgenic flax affected the polyphenol oxidasein, urease and phosphatase activities to some extent，but they weren’t markedly different with control in statistical level. [Conclusion] The polyphenol oxidasein, urease and phosphatase activities aren’t influenced by the transgenic flax to a large extent.

Transgenic flax; Root; Secretion; Enzyme activity

哈爾濱市科學(xué)技術(shù)局科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目(2013RFQYJ034)；國家麻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系試驗(yàn)站資助項(xiàng)目(CARS-19-S03)。

劉巖(1983- )，男，山東陽谷人，助理研究員，碩士，從事亞麻遺傳育種研究工作。

2015-11-12

S 154.2

A

0517-6611(2015)35-264-03