轉(zhuǎn)基因大豆秸稈還田對土壤酶活性的影響

陶波　王小琴　李相全

摘要：秸稈還田是有效利用秸稈資源的重要途徑。轉(zhuǎn)基因大豆轉(zhuǎn)入的目的基因及表達蛋白可通過根系分泌物和植株殘體2種方式在土壤中富集，從而導(dǎo)致土壤中酶活性的變化。通過利用生物學試驗方法，研究抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆呼交06-698及其非轉(zhuǎn)基因親本蒙豆12不同量秸稈還田后對土壤酶活性的影響。結(jié)果表明：在秸稈還田初期土壤脲酶、脫氫酶、蔗糖酶活性基本表現(xiàn)為親本秸稈還田>轉(zhuǎn)基因大豆秸稈還田>秸稈未還田，并在個別時期差異達顯著水平，但45 d后土壤脲酶、脫氫酶、蔗糖酶活性均與親本差異不顯著。同時，不同還田量之間土壤酶活性也存在一定差異，秸稈還田量越大，土壤酶活性變化越大。

關(guān)鍵詞：抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆；秸稈還田；脲酶；脫氫酶；蔗糖酶

中圖分類號： S154.2 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0503-03

自從1996年第一個轉(zhuǎn)基因植物的商品化種植距今已經(jīng)20年，這20年中，全球種植轉(zhuǎn)基因植物的面積每年都有顯著的增加。根據(jù)國際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)組織（ISAAA）2015年發(fā)布報告稱，全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積從1996年的 170萬hm2 增長到2014年的1.815億hm2。農(nóng)作物的秸稈含有豐富的碳、氮、磷、鉀等作物生長必需的營養(yǎng)元素[1]，秸稈還田作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的一項重要技術(shù)，是改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、發(fā)展有機可持續(xù)農(nóng)業(yè)的有效途徑[2]。

伴隨著轉(zhuǎn)基因作物在全球范圍內(nèi)大面積種植，轉(zhuǎn)基因作物的生態(tài)安全也逐漸進入人們的視線。轉(zhuǎn)基因作物對土壤微生物生態(tài)安全性的影響可以是外源導(dǎo)入基因表達蛋白對非靶標土壤微生物的直接影響，也可以是因外源基因?qū)攵鴮?dǎo)致的植物根系分泌物組分變化或因轉(zhuǎn)基因作物種植導(dǎo)致的耕作制度變化引起的間接影響[3]。國內(nèi)外已有較多文獻報道了土壤微生物在秸稈腐解和營養(yǎng)元素釋放過程中的作用[4]。目前針對轉(zhuǎn)基因作物秸稈還田的研究主要集中在玉米和水稻上，顏世磊等研究表明，轉(zhuǎn)Bt基因玉米秸稈還田的土壤中，脲酶、蔗糖酶和蛋白酶的活性明顯增強，而酸性磷酸酶活性則沒有什么明顯的改變[5]。王建武等也對轉(zhuǎn)基因玉米及常規(guī)同源玉米秸稈分解后的土壤酶活性變化進行分析，指出與常規(guī)同源玉米相比較，轉(zhuǎn)Bt基因玉米秸稈分解后的某些時間段內(nèi)顯著地提高或降低了土壤脲酶、蔗糖酶、脫氫酶的活性，且不同玉米品種對土壤酶活性的影響不同[6]。吳偉祥等則對不同生育期的轉(zhuǎn)Bt基因克螟稻淹水土壤中酶的活性進行了研究，發(fā)現(xiàn)相同時期的轉(zhuǎn)基因水稻與其親本相比對土壤脫氫酶活性的影響非常顯著，不同生育期轉(zhuǎn)基因水稻秸稈對脫氫酶的作用效果差異也很明顯[7]。關(guān)于轉(zhuǎn)基因大豆秸稈還田的研究還未見報道。本研究采用生物試驗的方法，以抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆及其受體為試材，針對抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆的植株殘體，探討其秸稈還田對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響，以期建立起系統(tǒng)的環(huán)境安全評價體系，為我國轉(zhuǎn)基因大豆商業(yè)化提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試大豆由中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所提供，品種為抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆呼交06-698及其親本受體蒙豆12。秸稈還田土壤本底值為：有機質(zhì)0.81%，全氮0.73 g/kg，速效鉀113.21 mg/kg，速效磷31.27 mg/kg，pH值7.18。

1.2 試驗設(shè)計

以轉(zhuǎn)基因大豆呼交06-698及其親本蒙豆12為試驗材料，種植于東北農(nóng)業(yè)大學轉(zhuǎn)基因試驗基地。除草方式為人工除草，秸稈取成熟期大豆地上部分。以秸稈心土還田方式，設(shè)秸稈不還田、0.5倍還田、1.0倍還田、2.0倍還田4個處理，每個處理3次重復(fù)。在500 mL廣口瓶中裝入風干土150 g，土壤取自材料種植基地，室溫下風干。0.5倍還田處理的秸稈還田量為4 g（6.25 t/ hm2），1.0倍還田處理的秸稈還田量為8 g（12.50 t/hm2），2.0倍還田處理的秸稈還田量為16 g（2500 t/hm2），用封口膜封口，在培養(yǎng)箱中25 ℃培養(yǎng)，分別于15、30、45、60、75、90 d取出土樣，分析土壤酶活性。

1.3 測定項目與方法

利用靛酚比色法[8]測定脲酶活性；利用TTC分光光度法[8]測定土壤脫氫酶活性；利用3，5-二硝基水楊酸法[8]測定土壤蔗糖酶活性。土壤酶活性測定全部采用過1 mm篩的風干土壤，每種活性測定時均做標準曲線和無土對照、無基質(zhì)對照試驗。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2007整理后，應(yīng)用SAS 9.1 軟件進行方差分析，采用 Duacans 測驗方法進行 5%水平差異顯著性分析。2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田量對土壤脲酶活性的影響

脲酶是土壤中主要酶類之一，是一種廣泛存在于細菌、真菌和高等植物中的酰胺酶，在尿素轉(zhuǎn)化過程中起關(guān)鍵作用；另外，脲酶還與土壤有機質(zhì)含量、微生物數(shù)量關(guān)系密切，其活性的高低反映了土壤的供氮水平[9-11]。由圖1可見，不同秸稈還田量下，轉(zhuǎn)基因大豆及其親本土壤脲酶活性波動趨勢相似，整體上轉(zhuǎn)基因大豆及其親本還田土壤脲酶活性均不同程度高于未還田土壤，轉(zhuǎn)基因大豆秸稈還田土壤脲酶活性略低于親本，在個別時期差異顯著。經(jīng)方差分析可知，0.5倍秸稈還田量下，非轉(zhuǎn)基因大豆還田土壤脲酶活性在45 d時顯著高于轉(zhuǎn)基因大豆；1.0倍秸稈還田量下，非轉(zhuǎn)基因大豆還田土壤脲酶活性在15 d時顯著高于轉(zhuǎn)基因大豆；2.0倍秸稈還田量下，非轉(zhuǎn)基因大豆還田土壤脲酶活性在15 d和45 d時顯著高于轉(zhuǎn)基因大豆；在0～90 d內(nèi)，轉(zhuǎn)基因大豆及其親本土壤脲酶活性的差異大多出現(xiàn)在還田初期，45 d后二者還田對土壤脲酶活性的影響基本一致。

2.2 不同秸稈還田量對土壤脫氫酶活性的影響

土壤脫氫酶是一種重要的氧化還原酶，能從基質(zhì)中析出氫或氫供體進行氧化反應(yīng)，反映土壤微生物新城代謝的整體活性，可作為微生物氧化還原能力指標[12]。由圖2可見，不同秸稈還田量轉(zhuǎn)基因大豆及其親本土壤脫氫酶活性波動趨勢相似，整體上轉(zhuǎn)基因大豆及其親本還田土壤脫氫酶活性均不同程度高于未還田土壤，轉(zhuǎn)基因大豆還田土壤脫氫酶活性略低于親本，在個別時期差異顯著。經(jīng)方差分析可知，0.5倍、2.0倍秸稈還田量下，非轉(zhuǎn)基因大豆還田土壤脫氫酶活性在15 d和30 d顯著高于轉(zhuǎn)基因大豆；1.0倍秸稈還田量下，非轉(zhuǎn)基因大豆還田土壤脫氫酶活性在15 d和45 d顯著高于轉(zhuǎn)基因大豆；在0～90 d內(nèi)，轉(zhuǎn)基因大豆及其親本土壤脫氫酶活性的差異大多出現(xiàn)在還田初期，45 d后二者還田對土壤脫氫酶活性的影響基本一致。

2.3 不同秸稈還田量對土壤蔗糖酶活性的影響

蔗糖酶是參與土壤有機碳循環(huán)的酶，是衡量土壤肥力的重要指標之一，正常情況下，肥力較好、有機質(zhì)含量較高的土壤，蔗糖酶活性也較高[13]。由圖3可見，不同秸稈還田量轉(zhuǎn)基因大豆及其親本土壤蔗糖酶活性波動趨勢相似，整體上轉(zhuǎn)基因大豆及其親本還田土壤蔗糖酶活性均不同程度高于未還田土壤，轉(zhuǎn)基因大豆秸稈還田土壤蔗糖酶活性低于親本，在個別時期差異顯著。經(jīng)方差分析可知，0.5倍、1.0倍秸稈還田量下，非轉(zhuǎn)基因大豆還田土壤蔗糖酶活性在15 d和30 d顯著高于轉(zhuǎn)基因大豆；2.0倍秸稈還田量下，非轉(zhuǎn)基因大豆還田土壤蔗糖酶活性在15～45 d顯著高于轉(zhuǎn)基因大豆；在0～90 d內(nèi)，轉(zhuǎn)基因大豆及其親本土壤脫氫酶活性的差異大多出現(xiàn)在還田初期，45 d后二者還田對土壤蔗糖酶活性的影響基本一致。

3 討論

轉(zhuǎn)基因作物影響土壤微環(huán)境的途徑分2種：一是轉(zhuǎn)基因作物轉(zhuǎn)入的目的基因的表達蛋白或其根部分泌產(chǎn)物直接對土壤微環(huán)境的影響；二是轉(zhuǎn)基因作物殘枝落葉或其轉(zhuǎn)入的目的基因表達蛋白的富集與降解導(dǎo)致土壤微生物種類及數(shù)目的改變，從而造成土壤酶活性也產(chǎn)生新的變化[14-15]。有研究證明轉(zhuǎn)基因作物植株殘體可使Bt蛋白殘留在土壤中，需要數(shù)周才

能完全降解，并且在特定的條件下Bt蛋白的活性可保持200 d[16]。因此，研究轉(zhuǎn)基因作物秸稈還田對土壤生態(tài)環(huán)境所帶來的影響，有利于更好的維持土壤生態(tài)的平衡。

本研究探討不同秸稈還田量下抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆對土壤脲酶、蔗糖酶、脫氫酶活性的影響，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因大豆及其親本與對照土壤相比，秸稈還田后土壤酶活性顯著提高，并隨著還田量的增加，提高幅度增大，這與顏世磊等的研究結(jié)果[5]相似。而整體上轉(zhuǎn)基因大豆與其親本相比，秸稈還田對土壤酶活性的影響在0～45 d內(nèi)個別時間段存在顯著性差異，45 d后二者土壤酶活性的差異逐漸消失。造成二者差異的原因，初步推斷可能與轉(zhuǎn)基因大豆及其親本秸稈自身在土壤中的降解規(guī)律差異有關(guān)。筆者在對抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆植株殘體的降解規(guī)律研究時發(fā)現(xiàn)，相同培養(yǎng)條件下抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆及其親本的葉片和豆莢的降解率，在0～49 d內(nèi)個別時間段存在顯著性差異，這與本研究秸稈還田對土壤酶活性影響的研究結(jié)果相符。而且相關(guān)研究還得出，不同大豆品種秸稈在土壤中的降解規(guī)律也存在很大的差異，可能導(dǎo)致秸稈還田土壤環(huán)境的差異，這與王建武等得出的不同品種轉(zhuǎn)基因玉米秸稈降解對土壤酶活性影響存在差異的研究結(jié)果[6]相符，間接地證實了本研究的推斷。但抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆秸稈還田對土壤酶活性的影響是短時間的，是否會對農(nóng)田土壤環(huán)境造成負面影響，仍需進一步研究。

4 結(jié)論

在秸稈還田初期土壤酶活性表現(xiàn)為親本秸稈還田>轉(zhuǎn)基因大豆秸稈還田>秸稈未還田，并在個別時期差異達顯著水平，但45 d后土壤酶活性與親本差異不顯著。不同還田量之間土壤酶活性存在一定差異，秸稈還田量越大，土壤酶活性變化越大。

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