抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆對土壤酶活性的影響

劉慧璐，范巧蘭，王 慧，李永山，席吉龍 ，楊 娜 ，席天元 ，常鐵牛 ，陶民剛

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所，山西運城044000）

大豆作為重要的經(jīng)濟作物之一，由于其具有豐富的營養(yǎng)價值，因而有著很大市場。隨著世界人口規(guī)模的增長，人們對大豆的需求越來越大，但傳統(tǒng)非轉(zhuǎn)基因大豆由于一些基因?qū)傩浴h(huán)境條件脅迫、種植面積限制等，難以滿足新增人口的需求，因此，轉(zhuǎn)基因大豆受到了越來越多的重視。根據(jù)國際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應用服務組織（ISAAA）報告，1993年美國批準轉(zhuǎn)基因大豆商業(yè)化種植，次年孟山都培育的抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆在美國、巴西和阿根廷進行大面積推廣。到2016年，全球轉(zhuǎn)基因大豆面積已經(jīng)達到9 140萬hm2，占大豆總面積的78%，其中，抗草甘膦大豆是種植最為廣泛的轉(zhuǎn)基因大豆[1]。隨著轉(zhuǎn)基因作物大面積推廣及人們環(huán)境意識的提高，轉(zhuǎn)基因作物生態(tài)安全得到了越來越多的重視，轉(zhuǎn)基因作物對土壤環(huán)境的影響成為其中的研究熱點。孫彩霞等[2]早在2003年就研究了轉(zhuǎn)Bt基因水稻對土壤酶的影響。前人進行了許多關(guān)于轉(zhuǎn)基因作物對土壤環(huán)境影響的研究[3-6]，還有關(guān)于轉(zhuǎn)基因大豆對土壤微生物影響的研究[7-8]。李相全[9]、陶波[10]、梁晉剛[11]、吳凡[12]、章秋艷[13]和喬琦[14]也研究了種植轉(zhuǎn)基因大豆對土壤酶活性的影響。陶波等[15]還研究了轉(zhuǎn)基因大豆秸稈不同施入量對土壤脲酶、脫氫酶以及蔗糖酶的影響。但由于試驗采用的材料、選測的酶種類、試驗環(huán)境及管理不統(tǒng)一，最終獲得的結(jié)果也不盡相同。有關(guān)山西省種植草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆對土壤酶活性的影響尚未見報道。

本試驗選用2個常用的抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆品種和1個傳統(tǒng)大豆品種為試材，在盆栽試驗條件下研究其對土壤酶活性的影響，旨在為轉(zhuǎn)基因大豆生態(tài)安全評價提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在山西省農(nóng)科院棉花研究所內(nèi)進行，所用土壤取自山西省農(nóng)科院棉花研究所農(nóng)場，從未種植過任何轉(zhuǎn)基因作物。土壤為黃壤土，有機質(zhì)0.89%，速效氮65 mg/kg，速效磷7 mg/kg，速效鉀86 mg/kg。播種前過2 mm篩并充分混勻，進行盆栽試驗。

1.2 試驗材料

供試大豆品種為抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆TN1和94Y20以及傳統(tǒng)大豆運豆101共3個品種。

1.3 試驗設計

試驗設3個處理，分別為3個大豆品種，每個處理設15次重復，于2016年5月12日和2017年6月12日進行盆栽試驗。試驗前進行篩土、去雜質(zhì)、混勻，每盆裝土7 kg，播前施肥，每千克土按N 0.15 g，P2O50.1 g和K2O 0.1 g施肥，出苗后要定期隨機變換盆的位置（15 d一次），定期澆水。每個品種設15盆，試驗實施時，分別在苗期（7月18日）、鼓粒期（8月18日）及成熟期（10月29日）進行破壞性采樣，各處理分別取3個盆，用土鉆環(huán)繞植株的根際周圍鉆孔，鉆取深度為20 cm，每盆取3孔，將土樣合并，作為1個重復，去雜質(zhì)混勻，裝入自封袋，一部分貯存在-80℃冰箱，一部分風干進行土壤酶測定分析。

1.4 土壤酶活性測定方法

脲酶測定采用苯酚-次氯酸鈉比色法（NH4+-N，37℃，24 h）[16]；過氧化氫酶測定采用高錳酸鉀滴定法（0.1 mol/L KMnO4，mL/g）[4]；蔗糖酶測定采用 3，5-二硝基水楊酸比色法（glu，mg/g，37 ℃，24 h）[16]；堿性磷酸酶測定采用磷酸苯二鈉比色法（PhOH，37℃，24 h）[16]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所得數(shù)據(jù)通過Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 20.0進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)基因大豆對土壤脲酶的影響

由表1可知，種植3種大豆的土壤脲酶活性均表現(xiàn)為隨生育期推后逐漸減小的趨勢，表現(xiàn)為苗期＞鼓粒期＞成熟期。2種轉(zhuǎn)基因大豆TN1和94Y20在苗期土壤脲酶活性相近，分別比傳統(tǒng)大豆運豆101高23.95%和33.33%；在鼓粒期，酶活性大小依次為TN1＞94Y20＞運豆101；在成熟期，轉(zhuǎn)基因大豆品種TN1，94Y20和傳統(tǒng)大豆的土壤脲酶活性大小順序不同，酶活性排序為運豆101＞94Y20＞TN1，不同生育期的3個處理間的差異均未達到顯著水平。

表1 轉(zhuǎn)基因大豆對土壤脲酶的影響 mg/kg

2.2 轉(zhuǎn)基因大豆對土壤蔗糖酶的影響

從表2可以看出，3個生育期內(nèi)，3種大豆蔗糖酶活性呈波動趨勢，均在鼓粒期達到低值，先降低再升高。苗期和鼓粒期蔗糖酶活性均表現(xiàn)為TN1＞運豆101＞94Y20；TN1和94Y20均與運豆101之間差異不顯著，TN1與94Y20之間差異達到顯著水平；成熟期蔗糖酶活性94Y20＞運豆101＞TN1，但三者間差異不顯著。

表2 轉(zhuǎn)基因大豆對土壤蔗糖酶的影響 mg/g

2.3 轉(zhuǎn)基因大豆對土壤過氧化氫酶的影響

從表3可以看出，3種大豆鼓粒期的過氧化氫酶活性最高，呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢。轉(zhuǎn)基因品種TN1整個生育期酶活性都高于另外2種大豆。各生育期3個處理之間差異均不顯著。

表3 轉(zhuǎn)基因大豆對土壤過氧化氫酶的影響 mL/g

2.4 轉(zhuǎn)基因大豆對土壤堿性磷酸酶的影響

表4 轉(zhuǎn)基因大豆對土壤堿性磷酸酶影響 mg/kg

從表4可以看出，大豆94Y20和傳統(tǒng)大豆運豆101各生育期酶活性趨勢為先升高再降低，3種大豆在成熟期堿性磷酸酶活性最低。試驗結(jié)果顯示，苗期活性大小依次為TN1＞運豆101＞94Y20；鼓粒期活性大小依次為運豆101＞94Y20＞TN1；成熟期的規(guī)律為TN1＞94Y20＞運豆101。不同生育期各處理間均無統(tǒng)計學差異。

3 討論與結(jié)論

轉(zhuǎn)基因作物會直接和間接地影響土壤環(huán)境，直接影響是轉(zhuǎn)基因成分通過地上部凋落和根系分泌的方式將外源基因成分導入土壤；間接影響是轉(zhuǎn)基因成分在作物體內(nèi)引起作物生理性狀發(fā)生改變，生理代謝活動對土壤環(huán)境的影響[14]。土壤酶是土壤環(huán)境重要的組成部分之一，與土壤環(huán)境的動態(tài)變化密不可分。脲酶、磷酸酶、蔗糖酶等是指示土壤養(yǎng)分元素循環(huán)的重要指標；過氧化氫酶起到協(xié)調(diào)土壤過氧化氫毒素的作用，可以保護土壤環(huán)境[14]。已有研究表明，種植轉(zhuǎn)基因大豆對土壤脫氫酶、脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶、纖維素酶活性均無影響[9，11，13-14]。吳凡等[12]試驗結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因大豆對盛花期根際土酸性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和脲酶活性無影響。陶波等[10]的盆栽試驗結(jié)果表明，抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆對根際和非根際土壤酶活性具有一定的影響，出苗后轉(zhuǎn)基因大豆脲酶活性高于非轉(zhuǎn)基因大豆，并達到極顯著水平。

本研究表明，抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆在同時期對土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性影響不顯著，個別生育期土壤蔗糖酶活性在轉(zhuǎn)基因大豆品種之間有顯著差異，但均與傳統(tǒng)大豆沒有差異。轉(zhuǎn)基因大豆對土壤酶活性的影響有無，與生育期有關(guān)。原因可能是轉(zhuǎn)基因大豆受外界環(huán)境和內(nèi)部基因表達影響，生理機制不同導致根系分泌物也不一樣，所以不同生育期的土壤酶活性存在差異。