轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米對根際土壤主要有機元素含量和酶活性的影響

梁晉剛 辛龍濤 欒穎 宋新元 張正光

摘要：為評估轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE09S034對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，開展轉(zhuǎn)基因玉米IE09S034對土壤主要有機元素含量和酶活性影響的試驗研究。連續(xù)2年，在玉米苗期、花期和成熟期，采用抖落法采集根際土壤樣品，通過室內(nèi)測定，分析轉(zhuǎn)基因玉米IE09S034對根際土壤含水量、pH值、主要有機元素含量和酶活性的影響。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因玉米IE09S034較對應的非轉(zhuǎn)基因玉米根際土壤含水量、pH值、主要有機元素含量和酶活性無顯著性差異，但不同生育期對各指標有顯著性影響。結(jié)果可為轉(zhuǎn)基因玉米IE09S034的環(huán)境安全提供新的依據(jù)。

關鍵詞：轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米;土壤有機元素;土壤酶活性力;土壤生態(tài)系統(tǒng)

中圖分類號： S153.6+2;S154.2? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）05-0196-03

收稿日期：2017-12-02

基金項目：國家轉(zhuǎn)基因生物新品種培育科技重大專項（編號：2016ZX08011-003）。

作者簡介：梁晉剛（1987—），男，山西陽泉人，博士，農(nóng)藝師，主要從事轉(zhuǎn)基因生物安全評價與檢測研究。E-mail：382408162@qq.com。

通信作者：張正光，博士，教授，主要從事轉(zhuǎn)基因生物安全評價與檢測研究。E-mail：zhgzhang@njau.edu.cn。

隨著轉(zhuǎn)基因作物在全球范圍內(nèi)的大規(guī)模種植，其對土壤生態(tài)系統(tǒng)的安全性問題逐漸得到重視[1]。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，對生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的植物多樣性及其健康狀況具有較大的影響[2-3]。轉(zhuǎn)基因作物可能會通過直接或間接的方式對土壤營養(yǎng)代謝循環(huán)產(chǎn)生影響，進而威脅土壤生態(tài)系統(tǒng)的安全性，因此評價轉(zhuǎn)基因作物對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響具有十分重要的意義[4-5]。

轉(zhuǎn)基因作物可通過其凋落物殘體或根際分泌物等影響土壤理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)及功能酶活性，從而在一定程度上對土壤生態(tài)系統(tǒng)中的生物化學反應進程產(chǎn)生影響[6-11]。土壤理化性質(zhì)對土壤酶活性具有深刻的影響，土壤水分、礦質(zhì)元素含量和pH值等影響著土壤酶的活性及穩(wěn)定性[12]。土壤酶是土壤新陳代謝的重要因素，對土壤中的營養(yǎng)元素循環(huán)具有重要的作用，其活性受地域差異、植物品種、土壤類型、土壤理化性質(zhì)等多種環(huán)境因素的影響[13-14]。由于土壤中包含了多種多樣的酶，因此在研究時有必要選取具有代表性的酶進行分析[15-17]。前人研究報道表明，轉(zhuǎn)基因作物的種植可能導致根際土壤營養(yǎng)狀況和酶活性發(fā)生變化[18-19]。梁晉剛等前期研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因高蛋氨酸大豆ZD91對根際土壤碳、氫、氮等有機元素含量和蔗糖酶、堿性磷酸酶等酶活性均沒有顯著性的影響[5，20]。

按照個案分析原則，本研究以轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE09S034和其對應的非轉(zhuǎn)基因玉米Zong31為試驗材料，對玉米根際土壤主要有機元素含量和酶活性進行2年的監(jiān)測，以期為轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE09S034的環(huán)境安全性提供新的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗材料為轉(zhuǎn)cry1Ie基因抗蟲玉米IE09S034（IE）以及與其對應的非轉(zhuǎn)基因玉米Zong31（IECK），由轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE的研發(fā)單位（中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所）提供。試驗地點為吉林省農(nóng)業(yè)科學院轉(zhuǎn)基因植物環(huán)境安全研究試驗圃場（43°30′N，124°49′E），試驗年份為2014—2015年，采用隨機區(qū)組設計，每個品種設置3次重復。整個試驗期間按照當?shù)仄胀ㄞr(nóng)事操作進行田間管理。

1.2 根際土壤樣品采集

土壤樣品采集分為3個階段，即苗期（seedling stage，簡稱SS）、花期（flowering stage，簡稱FS）和成熟期（maturity-setting stage，簡稱MS），采用抖落法采集根際土壤[20]。采用5點取樣法進行取樣，將每個小區(qū)5點的土壤樣品混合為1個重復，過2 mm篩，-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 根際土壤含水量、pH值和有機元素含量的測定

土壤含水量采用烘干稱質(zhì)量法測定[21]：取土壤樣品于105 ℃烘干至恒質(zhì)量，利用以下公式來計算土壤含水量：含水量=（濕土質(zhì)量-干土質(zhì)量）/干土質(zhì)量×100%。

土壤pH值測定：取風干土壤樣品10 g置于50 mL錐形瓶中（水土體積比2.5 ∶ 1），間歇性攪拌或搖動30 min，靜置 30 min，待澄清后，用pH計測定懸池液的pH值[22]。

土壤主要有機元素含量測定：根際土壤全碳含量、全氮含量測定委托南京大學現(xiàn)代分析中心完成，運用Vario MICRO元素分析儀進行檢測。

1.4 土壤主要酶活性測定

根際脲酶和堿性磷酸酶分別參照關松蔭等的方法[14，23]進行測定。脲酶活性以反應中釋放出的游離態(tài)氨含量表示，堿性磷酸酶活性以反應中釋放出的酚含量表示，單位為mg/（g·d）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)通過SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，多處理間差異分析采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncans多重比較。另外，在不同生育期、不同栽培品種間，選擇單因素方差分析對土壤酶進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 根際土壤主要理化性質(zhì)變化

由圖1可知，在相同生育期內(nèi)，轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE的根際土壤含水量、土壤pH值與受體玉米IECK之間均沒有顯著性差異，說明轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE對根際土壤含水量、土壤pH值無顯著性影響。通過表1的ANVOA分析發(fā)現(xiàn)，玉米不同生長時期之間土壤含水量、土壤pH值存在顯著性差異。

由圖2可知，在相同生育期內(nèi)，轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE的根

際土壤碳元素、氮元素含量與受體玉米IECK之間均沒有顯著性差異，說明轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米對根際土壤碳元素、氮元素含量無顯著性影響。通過表2的ANVOA分析發(fā)現(xiàn)，2014年，玉米不同生育期之間土壤碳元素含量存在顯著性差異。

2.2 根際土壤主要功能酶活性變化

由圖3可知，在相同生長時期內(nèi)，轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE的根際土壤脲酶、堿性磷酸酶活性與受體玉米IECK之間均沒有顯著性差異，說明轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE對根際土壤脲酶、堿性磷酸酶活性無顯著性影響。通過表3中的ANVOA分析發(fā)現(xiàn)，玉米根際土壤脲酶、堿性磷酸酶活性均受玉米生長時期的顯著性影響。

3 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE與受體玉米IECK之間土壤含水量、pH值、碳元素含量、氮元素含量等主要理化性質(zhì)沒有顯著性差異，土壤脲酶、堿性磷酸酶活性等主要功能酶活性沒有顯著性差異，說明轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE對土壤主要理化性質(zhì)和酶活性沒有產(chǎn)生顯著性影響。此外，進一步通過ANVOA分析發(fā)現(xiàn)，玉米不同生長時期之間，根際土壤含水量、土壤pH值、酶活性具有顯著性差異，說明玉米生長時期是主要影響因素。

有研究報道，轉(zhuǎn)基因作物與受體作物相比可能會在養(yǎng)分組成以及殘體降解方面存在一定的差異，進而對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響[21]。然而，杜鵑等發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因作物對根際土壤理化性質(zhì)各指標無顯著性影響[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE與對應的非轉(zhuǎn)基因受體玉米IECK之間根際土壤含水量、pH值以及碳、氮元素含量等均沒有顯著性差異。

目前，已有很多研究將土壤酶作為衡量土壤健康狀況的一個重要參量，并將其應用到轉(zhuǎn)基因作物的環(huán)境安全評價中，大量研究結(jié)果表明， 轉(zhuǎn)基因作物對土壤主要功能酶活性沒有產(chǎn)生顯著性影響[25-30]。土壤功能酶活性主要受土壤類型和

作物生長時期的影響[31]。本研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米IE對土壤脲酶、堿性磷酸酶活性沒有產(chǎn)生顯著性影響，且發(fā)現(xiàn)不同生育期是造成土壤酶活性產(chǎn)生差異的主要因素，這與之前轉(zhuǎn)基因作物對酶活性影響研究的結(jié)果相似。

參考文獻：

[1]Liu N，Zhu P，Peng C，et al. Effect on soil chemistry of genetically modified （GM） vs. non-GM maize[J]. GM Crops，2010，1（3）：157-161.

[2]梁晉剛，張秀杰. 轉(zhuǎn)基因作物對土壤微生物多樣性影響的研究策

[3]梁晉剛，張正光. 轉(zhuǎn)基因高蛋氨酸大豆對根際真菌群落碳代謝功能的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學報，2017，33（5）：993-997.

[4]梁晉剛，張正光. 轉(zhuǎn)基因作物種植對土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的研究進展[J]. 作物雜志，2017（4）：1-6.

[5]梁晉剛，孟 芳，張正光. 轉(zhuǎn)基因高蛋氨酸大豆對根際土壤主要有機元素和酶活性的影響[J]. 生物安全學報，2017，26（4）：301-306.

[6]劉根林. 轉(zhuǎn)基因大豆對根際土壤微生物群落的影響及其多樣性指數(shù)的度量[D]. 南京：南京大學，2012：10-14.

[7]劉根林，戚金亮，喻德躍，等. 根際箱種植富含硫氨基酸轉(zhuǎn)基因大豆對土壤硫轉(zhuǎn)化酶活性及微生物功能多樣性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2014，33（1）：103-110.

[8]李孝剛. 轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的研究[D]. 南京：南京林業(yè)大學，2011：5-10.

[9]Chen Z H，Chen L J，Zhang Y L，et al. Microbial properties，enzyme activities and the persistence of exogenous proteins in soil under consecutive cultivation of transgenic cottons （Gossypium hirsutum L.）[J]. Plant Soil Environ，2011，57（2）：67-74.

[10]Lupwayi N Z，Hanson K G，Harker K N，et al. Soil microbial biomass，functional diversity and enzyme activity in glyphosate-resistant wheat-canola rotations under low-disturbance direct seeding and conventional tillage[J]. Soil Biol Biochem，2007，39（7）：1418-1427.

[11]Sun C X，Chen L J，Wu Z J，et al. Soil persistence of Bacillus thuringiensis （Bt） toxin from transgenic Bt cotton tissues and its effect on soil enzyme activities[J]. Biol Fert Soils，2007，43：617-620.

[12]張詠梅，周國逸，吳 寧. 土壤酶學的研究進展[J]. 熱帶亞熱帶植物學報，2004，12（1）：83-90.

[13]Heuer H，Kroppenstedt R M，Lottmann J，et al. Effects of T4 lysozyme release from transgenic potato roots on bacterial rhizosphere communities are negligible relative to natural factors[J]. Appl Environ Microbiol，2002，68（3）：1325-1335.