轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對(duì)根際土壤Bt蛋白殘留和養(yǎng)分含量的影響

陳彥君++任夢云+關(guān)瀟++杜樂山++劉方++戚春林

摘要：以轉(zhuǎn)基因抗蟲棉SGK321及其親本常規(guī)棉石遠(yuǎn)321為研究對(duì)象，采用ELISA試劑盒法檢測其在不同生育期根際土壤的Bt蛋白殘留量，同時(shí)比較根際土壤速效養(yǎng)分含量的變化。結(jié)果表明：轉(zhuǎn)基因抗蟲棉SGK321根際土壤Bt蛋白殘留量在整個(gè)生長期呈先上升后下降的趨勢，且在各生育期均與親本差異顯著，其中蕾期轉(zhuǎn)基因較親本高99609%。在整個(gè)生長期，2種棉花根際土壤各養(yǎng)分含量的變化不同，二者根際土壤硝態(tài)氮含量均呈下降趨勢，僅在苗期、花鈴期差異顯著；轉(zhuǎn)基因抗蟲棉SGK321根際土壤中銨態(tài)氮含量呈下降趨勢，在蕾期、花鈴期與親本差異顯著；其速效磷含量呈先下降后上升趨勢，親本常規(guī)棉呈上升趨勢，其中苗期轉(zhuǎn)基因較親本低40.13%。研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉SGK321根際土壤Bt蛋白殘留量和養(yǎng)分含量主要受轉(zhuǎn)基因棉花種植及生育期的影響。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)基因抗蟲棉；Bt蛋白；根際土壤；土壤養(yǎng)分；生育期

中圖分類號(hào)： S181文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-1302（2017）06-0305-03

據(jù)國際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)局（International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications，簡稱ISAAA）最新報(bào)道，從1996年到2015年的20年期間全球轉(zhuǎn)基因作物累計(jì)種植面積達(dá)到20億hm2。20年的商業(yè)化種植充分證明，轉(zhuǎn)基因作物已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了先前的承諾，為農(nóng)民乃至全社會(huì)帶來了農(nóng)業(yè)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、健康和社會(huì)效益。

棉花是全球主要經(jīng)濟(jì)、纖維作物之一，是我國種植面積最大的轉(zhuǎn)基因作物。2015年，我國棉花總種植面積為380萬hm2，其中370萬hm2為轉(zhuǎn)基因棉花。轉(zhuǎn)基因棉花在為社會(huì)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)生態(tài)環(huán)境潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)也越來越多地被關(guān)注[1-4]。到目前為止，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的大面積種植是否會(huì)破壞原有生態(tài)環(huán)境和動(dòng)態(tài)平衡，是轉(zhuǎn)基因棉生態(tài)安全性研究的重點(diǎn)。

土壤生態(tài)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)基因植物外源基因及其產(chǎn)物表達(dá)的主要場所，已有研究表明，轉(zhuǎn)基因抗蟲作物釋放的Bt蛋白可通過根系分泌物、花粉飄落、秸稈還田等多種途徑進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)，在作物生長過程中，根系分泌是殺蟲晶體蛋白進(jìn)入土壤的重要方式[5]。土壤速效養(yǎng)分是植物生長發(fā)育過程中必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)來源，可直接參與土壤的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程[6]，是衡量土壤各項(xiàng)水平的重要指標(biāo)。轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的外源基因及其表達(dá)產(chǎn)物可通過不同途徑進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)，引起一系列生態(tài)過程的變化，從而影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程[7-8]。

目前，國內(nèi)外對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉環(huán)境安全評(píng)價(jià)的研究主要集中在基因漂移、土壤微生物數(shù)量種類和結(jié)構(gòu)及對(duì)非靶標(biāo)動(dòng)物的影響等方面，對(duì)土壤Bt蛋白的殘留降解和速效養(yǎng)分含量變化的研究尚未得到明確定論[6-9]，不利于為農(nóng)民田間種植提供科學(xué)指導(dǎo)。本研究以轉(zhuǎn)基因抗蟲棉SGK321（以下簡稱SGK321）及其親本常規(guī)棉石遠(yuǎn)321（以下簡稱石遠(yuǎn)321）為研究對(duì)象，重點(diǎn)討論兩者在不同生育期根際土壤Bt蛋白殘留及對(duì)根際土壤速效養(yǎng)分含量的影響，旨在指導(dǎo)農(nóng)民田間作業(yè)，提高棉花產(chǎn)量。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

試驗(yàn)地位于天津市武清區(qū)梅廠鎮(zhèn)周莊村我國農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)所基地（117°11′38″E，39°21′08″N），屬暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)型氣候，年均氣溫14.0 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 750 h，年均降水量為606.8 mm，無霜期212 d，供試土壤類型為潮土。

1.2供試材料

所試棉花為轉(zhuǎn)基因抗蟲棉SGK321（GFMCry1A/CpTI雙價(jià)基因）及其親本常規(guī)棉石遠(yuǎn)321，2個(gè)棉花品種均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所提供。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)。2015年4月播種，水肥管理采用常規(guī)管理。

1.3樣品采集

分別在各塊棉田棉花生長的苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期進(jìn)行樣品采集。按五點(diǎn)取樣法混合取樣，同時(shí)避開道路等可能影響因素，采樣時(shí)去除表面雜草，用“抖根法”取根際土壤，用冰盒保存，帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行Bt蛋白殘留檢測及土壤速效養(yǎng)分含量測定。

1.4各項(xiàng)指標(biāo)測定方法

1.4.1Bt蛋白殘留的測定采用美國Envirologix公司的ELISA試劑盒AP003，測定棉花根際土壤的Bt蛋白殘留量。

1.4.2土壤養(yǎng)分含量的測定土壤養(yǎng)分含量的測定參照已有的方法[10]：硝態(tài)氮含量的測定采用紫外分光光度法；銨態(tài)氮含量的測定采用靛酚藍(lán)比色法；速效磷含量的測定采用鉬銻抗比色法。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和LSD多重比較分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異顯著性。采用Origin 9.0軟件制圖。

2結(jié)果與分析

2.1轉(zhuǎn)基因抗蟲棉根際土壤中Bt蛋白含量

由圖1可知，石遠(yuǎn)321在4個(gè)生育期的根際土壤中均未檢測到Bt蛋白殘留（檢測所得值低于試劑盒的檢測限 0.1 ng/g）。SGK321根際土壤Bt蛋白殘留量在整個(gè)生育期呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且在各個(gè)生育期均與親本差異顯著（P<0.05）。其中，苗期殘留量0.319 9 ng/g，較親本同期高429.64%；蕾期殘留量0.504 2 ng/g，較親本同期高 996.09%；花鈴期殘留量0.349 7 ng/g，較親本同期高 648.82%；吐絮期殘留量0.255 0 ng/g，較親本同期高 246.94%。

2.2轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對(duì)根際土壤速效養(yǎng)分含量的影響

2.2.1轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對(duì)根際土壤硝態(tài)氮含量的影響由圖2可知，在棉花的整個(gè)生育期，SGK321與石遠(yuǎn)321根際土壤硝態(tài)氮含量均呈下降趨勢，二者在苗期、花鈴期差異顯著（P<0.05），苗期SGK321較親本同期低10.75%，花鈴期較親本同期高18.37%；而在蕾期和吐絮期，二者差異不顯著（P>0.05）。

2.2.2轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對(duì)根際土壤銨態(tài)氮含量的影響由圖3可知，在棉花的整個(gè)生育期，SGK321根際土壤中銨態(tài)氮含量呈下降趨勢，石遠(yuǎn)321呈先下降后上升的趨勢，但前期下降幅度與后期上升幅度均不顯著，其中花鈴期含量最低。在蕾期、花鈴期，SGK321與石遠(yuǎn)321根際土壤中銨態(tài)氮含量差異顯著（P<0.05），蕾期SGK321較親本同期低4.49%，花鈴期較親本同期高9.18%。而在苗期和吐絮期，二者差異不顯著（P>0.05）。

2.2.3轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對(duì)根際土壤速效磷含量的影響在棉花的整個(gè)生育期，SGK321根際土壤速效磷含量呈上升趨勢，石遠(yuǎn)321呈先下降后上升的趨勢。SGK321根際土壤中速效磷的含量始終低于石遠(yuǎn)321，在苗期、蕾期二者差異顯著（P<0.05），苗期SGK321較親本同期低40.13%，蕾期較親本同期低13.45%（圖4）。

3結(jié)論與討論

通過對(duì)武清區(qū)試驗(yàn)站SGK321根際土壤中Bt蛋白殘留量的檢測發(fā)現(xiàn)，在棉花整個(gè)生育期呈先升高后降低的趨勢，最高殘留量出現(xiàn)在蕾期，而石遠(yuǎn)321根際土壤的Bt蛋白殘留量均低于試劑盒檢測限。在各個(gè)生育期SGK321根際土壤中Bt蛋白殘留量均顯著高于石遠(yuǎn)321，這與已有研究結(jié)果[11-13]一致。但也有試驗(yàn)得出了不同的結(jié)果，如張莉等檢測不同地區(qū)不同生育期Bt-SY63稻田土壤Bt蛋白的殘留，大部分都未檢測到Bt蛋白[14]；劉蔸蔸檢測經(jīng)3種不同方法處理過的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉土壤，均未檢測到Bt蛋白的殘留[15]。造成試驗(yàn)結(jié)果差異的可能原因：試驗(yàn)所用不同ELISA試劑盒的檢測限不同，低于檢測限的濃度都不能被準(zhǔn)確檢測；試驗(yàn)選用的棉花品種不同，Bt蛋白的表達(dá)規(guī)律也不盡相同；試驗(yàn)地不同，土壤微生物組成、土壤水分、環(huán)境條件等均可能影響土壤中Bt蛋白的降解；土壤粒徑成分不同對(duì)土壤的吸附程度不同，進(jìn)而造成蛋白殘留量的不同[16-17]。

在棉花的整個(gè)生育期，SGK321與石遠(yuǎn)321根際土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷含量的變化趨勢存在差異，具體變化幅度因生育期而異。二者根際土壤中硝態(tài)氮含量在苗期、花鈴期差異顯著，但在蕾期和吐絮期差異不顯著，2種棉花根際土壤硝態(tài)氮含量在生長后期低于前期，且二者均在吐絮期的硝態(tài)氮含量最低。這說明生育期是影響棉花根際土壤硝態(tài)氮含量的主要因素[9，18]，且隨生育期推進(jìn)，根際土壤硝態(tài)氮含量降低[19]。建議農(nóng)民在棉花生長前期適當(dāng)減少硝態(tài)氮肥的施用，吐絮期適當(dāng)增加硝態(tài)氮肥的施用，為棉花植株生長提供充足養(yǎng)分，從而提高產(chǎn)量。SGK321根際土壤硝態(tài)氮的含量在苗期顯著低于親本，可能是因?yàn)槊藁ㄉL初期外源基因的導(dǎo)入促進(jìn)根系更多地吸收土壤中的硝態(tài)氮[19]，從而提高了對(duì)硝態(tài)氮的利用。

在棉花的整個(gè)生育期，SGK321根際土壤銨態(tài)氮含量呈下降趨勢。這表明，隨棉花生育期的推進(jìn)，對(duì)銨態(tài)氮的需求量不斷增加[9]。為減少浪費(fèi)和污染，建議農(nóng)民在棉花生長前期適當(dāng)減少銨態(tài)氮肥的施用量。在棉花生長的蕾期、花鈴期，SGK321與石遠(yuǎn)321根際土壤銨態(tài)氮含量差異顯著。但有研究得出了與本試驗(yàn)不一致的結(jié)論，娜日蘇研究發(fā)現(xiàn)，在山東省、山西省棉花播種后的60、90 d，2種棉花銨態(tài)氮含量無顯著差異[20]。根際土壤銨態(tài)氮含量可能通過土壤微生物的氨化強(qiáng)度或根系分泌物化學(xué)成分的變化這2個(gè)途徑發(fā)生改變，本試驗(yàn)與其他研究結(jié)論不同，可能是因?yàn)椴煌臍夂蚝屯寥罓顩r對(duì)根系分泌的Bt外源基因及其表達(dá)產(chǎn)物產(chǎn)生了影響，從而影響了這2個(gè)途徑，使根際土壤銨態(tài)氮的含量發(fā)生了變化[21]。

在整個(gè)生育期中，SGK321根際土壤速效磷含量呈上升趨勢，親本則呈先下降后上升的趨勢。建議農(nóng)民在轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的生長前期適當(dāng)加強(qiáng)、后期適當(dāng)減少磷肥的施用。試驗(yàn)結(jié)果也得出，SGK321根際土壤速效磷的含量在苗期、蕾期顯著低于親本，在其他2個(gè)時(shí)期與親本差異不顯著，這與趙云麗等的研究結(jié)果部分一致[22]。但也有研究得出了不同的結(jié)論，Yang等通過盆栽試驗(yàn)得出，轉(zhuǎn)基因棉花的種植可顯著降低花鈴期根際土壤中速效磷的含量[23]。孫彩霞等通過盆栽試驗(yàn)得出，轉(zhuǎn)Bt基因棉花土壤中速效磷含量在苗期和吐絮期與親本均無顯著差異[6]，本試驗(yàn)結(jié)果與其存在差異，造成差異的原因可能是不同地區(qū)、不同年份土壤狀況和氣候狀況等不同，使種植轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響不同[24]。

綜上所述，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉SGK321的種植對(duì)棉花根際土壤Bt蛋白的殘留和土壤養(yǎng)分含量都有一定程度的影響，但生育期也是重要影響因素之一。根據(jù)目前已有研究，關(guān)于轉(zhuǎn)基因抗蟲棉種植對(duì)土壤Bt蛋白殘留量及土壤養(yǎng)分含量影響的研究結(jié)果存在不同程度的差異，這可能與棉田生態(tài)條件、材料選取等因素有關(guān)，缺少一定的可比性。在未來的研究中，仍需通過長期田間試驗(yàn)進(jìn)行跟蹤研究，保證這一系列試驗(yàn)條件的統(tǒng)一，增加試驗(yàn)重復(fù)性，更好地解釋轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，從而為農(nóng)民田間耕作提供更科學(xué)的指導(dǎo)。

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