轉(zhuǎn)基因作物對土壤酶活性影響的研究進(jìn)展

梁晉剛 欒穎 焦悅

摘要：土壤酶能夠催化土壤中復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡單的無機(jī)化合物，參與生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動，可以有效地反映土壤肥力，然而其活性受到多方面因素的影響。本文綜述了不同轉(zhuǎn)基因作物對土壤酶活性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因作物的種植對土壤酶活性沒有顯著性影響，作物生育期是土壤酶活性的主要影響因素。同時(shí)，本文還對今后的研究進(jìn)行了展望，以期為轉(zhuǎn)基因作物環(huán)境安全評價(jià)提供參考。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)基因作物;土壤酶;酶活性;棉花;玉米;水稻

中圖分類號：S154.2 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）14-0023-03

土壤酶是土壤生化反應(yīng)過程中的重要組成，包括胞內(nèi)酶和胞外酶，主要來源于動植物殘?bào)w分解、植物根系分泌和土壤生物的代謝[1]。土壤酶活性受地域差異、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，其在一定程度上反映了土壤微生物的活性，是土壤質(zhì)量的生物活性指標(biāo)[2]。與其他土壤質(zhì)量參數(shù)相比，土壤酶對土壤環(huán)境變化更為敏感，因此，評價(jià)不同轉(zhuǎn)基因作物對土壤酶活性的影響具有重要的生態(tài)學(xué)意義[3]。

轉(zhuǎn)基因作物通過其殘留物和根系分泌物影響土壤微生物群落生理特性、代謝活性和土壤酶活性，從而對土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分的釋放及有效性產(chǎn)生影響[4]。研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因作物的種植可能會導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)及土壤酶活性發(fā)生變化[5-7]。轉(zhuǎn)基因作物對土壤酶活性的影響機(jī)制可能是轉(zhuǎn)基因表達(dá)蛋白與土壤酶競爭土壤顆?；钴S表面的結(jié)合位點(diǎn)，從而影響土壤酶的活性[8]。由于土壤中包含了多種多樣的酶，因此在研究時(shí)有必要選取具有代表性的酶進(jìn)行分析。

1 主要土壤酶

土壤酶主要包括氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂合酶等4類。不同土壤酶的來源及其活性的主要影響因素如表1所示。

2 轉(zhuǎn)基因作物對土壤酶活性的影響

2.1 轉(zhuǎn)基因棉花對土壤酶活性的影響

Chen等分析了連續(xù)種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉和秸稈還田對土壤酶活性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)種植的條件下，脫氫酶活性顯著提高;在秸稈還田的條件下，脫氫酶活性被抑制，β-葡萄糖苷酶、硝酸還原酶、磷酸單酯酶、芳香基硫酸酯酶等的活性顯著性提高;可能是由于Cry1Ac蛋白吸附在土壤微粒上，直接影響了β-葡萄糖苷酶、硝酸還原酶、芳香基硫酸酯酶的活性[10]。Xie等通過連續(xù)3年的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉GK12對脫氫酶、脲酶、磷酸酶活性無顯著性影響[11]。Mina等通過3年田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉Mech 162對堿性磷酸酶、硝酸還原酶、脲酶活性無顯著性影響，對脫氫酶有顯著性影響，但這種影響小于季節(jié)變化帶來的影響[12]。Tarafdar等在印度維達(dá)爾巴棉花種植區(qū)，分析了25個(gè)至少3年連續(xù)種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的樣地土壤酶活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，脫氫酶、酸性磷酸酶、植酸酶、固氮酶活性在轉(zhuǎn)基因抗蟲棉根際土壤中顯著降低[13]。Singh等發(fā)現(xiàn)，在種植覆蓋作物花生的條件下，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對脫氫酶活性沒有顯著性影響[14]。Zhang等通過2年田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)CrylAc和CpTI基因抗蟲棉花SGK321對脫氫酶、脲酶、磷酸酶活性沒有顯著性影響，且作物生育期和不同棉花品種是影響酶活性變化的主要因素[15]。Chen等通過連續(xù)4年盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，連續(xù)多年種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對土壤酶活性有消極影響，即轉(zhuǎn)CrylAc基因抗蟲棉ZM30抑制了硝酸還原酶、酸性磷酸單酯酶、芳香基硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶活性，轉(zhuǎn)CrylAc和CpTI基因抗蟲棉ZM41抑制了β-葡萄糖苷酶活性，轉(zhuǎn)CrylAc和CpTI基因抗蟲棉SGK321抑制了硝酸還原酶、蛋白酶、酸性磷酸單酯酶、芳香基硫酸酯酶活性，上述3類轉(zhuǎn)基因抗蟲棉均對脲酶和磷酸二酯酶沒有顯著性影響;另外，研究者還發(fā)現(xiàn)，相比于CpTI蛋白，CrylAc蛋白對酶活性的影響更大[16]。在隨后的研究中，Chen等證實(shí)，由于CpTI蛋白抑制了蛋白酶活性，從而影響了土壤中Cry1Ac蛋白的降解，進(jìn)而增加了土壤中Cry1Ac蛋白的含量，最后致使土壤酶活性被抑制[17]。Luo等通過2年的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉GK19對土壤脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶、中性磷酸酶活性沒有顯著性影響，且酶活性隨著土壤鹽濃度增加而逐漸減小，土壤鹽濃度隨著時(shí)間變化導(dǎo)致了土壤酶活性在不同生育期間的變化[18]。

在研究轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對土壤酶活性的影響中，研究人員主要測定了脫氫酶、β-葡萄糖苷酶、硝酸還原酶、磷酸單酯酶、芳香基硫酸酯酶、脲酶、磷酸酶（酸性、中性、堿性）、蛋白酶、磷酸二酯酶等的活性。多個(gè)研究都已證明，脫氫酶活性會受到轉(zhuǎn)基因抗蟲棉連作的影響，其活性上升或下降對β-葡萄糖苷酶、硝酸還原酶、磷酸單酯酶、芳香基硫酸酯酶、磷酸酶、蛋白酶活性的影響各異，幾個(gè)研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉連續(xù)種植對脲酶和磷酸二酯酶的活性基本沒有影響[10-15]。因此，在今后可通過檢測脫氫酶的活性以及β-葡萄糖苷酶、硝酸還原酶、磷酸單酯酶、芳香基硫酸酯酶、磷酸酶、蛋白酶的活性研究轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對土壤酶活性的影響，并且可以將脫氫酶作為主要的指示酶。

2.2 轉(zhuǎn)基因玉米對土壤酶活性的影響

Jenkins等發(fā)現(xiàn)，種植耐除草劑玉米后，噴施的草甘膦對空白土壤和根際土壤中的磷酸酶、β-1，4-葡萄糖苷酶、β-1，4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶、L-亮氨酸氨基肽酶等胞外酶有短暫性影響，但影響不顯著[19]。de Oliveira等發(fā)現(xiàn)，在花期，轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米30F35Y（Cry1Ab）和30F35H（Cry1F）對土壤脲酶、精氨酸酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶活性沒有顯著性影響[20]。Zeng等通過連續(xù)3年分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因耐鹽玉米 WL-73 對堿性磷酸酶、脲酶、脫氫酶、蔗糖酶活性沒有顯著性影響[21]。van Wyk等發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米MON810對土壤脲酶活性無顯著性影響，但顯著降低了酸性磷酸酶和 β-葡萄糖苷酶活性，且土壤酶活性的變化與有機(jī)碳含量密切相關(guān)[22]。

在研究轉(zhuǎn)基因玉米對土壤酶活性的影響中，研究人員主要測定了磷酸酶（酸性、堿性）、β-1，4-葡萄糖苷酶、β-1，4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、L-亮氨酸氨基肽酶、脲酶、精氨酸酶、脫氫酶、蔗糖酶等的活性結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有酸性磷酸酶和β-葡萄糖苷酶活性有顯著性的降低[19-22]。因此，在今后研究轉(zhuǎn)基因玉米對酶活性的影響時(shí)，可重點(diǎn)檢測磷酸酶和β-葡萄糖苷酶的活性，并將其作為主要的指示酶。

2.3 轉(zhuǎn)基因水稻對土壤酶活性的影響

Lee等采集已連續(xù)8年種植轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻Kefeng-6的土壤，分析發(fā)現(xiàn)，Kefeng-6對過氧化氫酶、脫氫酶、酸性磷酸酶、脲酶活性無顯著性影響[23]。Fang等發(fā)現(xiàn)，在水稻分蘗期、抽穗期、灌漿期、成熟期以及秸稈還田97、128、158、189 d后，抗蟲水稻Huachi B6和TT51對土壤過氧化氫酶、脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶活性沒有顯著性影響[24]。Wei等發(fā)現(xiàn)，在水稻苗期、分蘗期、孕穗期、抽穗期、成熟期，抗蟲水稻SHK601對脫氫酶、蔗糖酶、酚氧化酶、酸性磷酸酶、脲酶、蛋白酶活性沒有顯著性影響[25]。Li等發(fā)現(xiàn)，在水稻苗期、分蘗期、抽穗期、成熟期，轉(zhuǎn)β-胡蘿卜素基因水稻AH33對過氧化氫酶、蔗糖酶、蛋白酶、脲酶活性沒有顯著性影響，且發(fā)現(xiàn)作物生育期是影響酶活性變化的主要因素[26]。

在研究轉(zhuǎn)基因水稻對土壤酶活性的影響中，研究人員主要測定了過氧化氫酶、脫氫酶、磷酸酶（酸性和中性）、脲酶、蔗糖酶、酚氧化酶、蛋白酶等的活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，種植轉(zhuǎn)基因水稻對這些酶的活性均沒有顯著性影響[23-26]。在今后可以通過檢測過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶等的活性研究轉(zhuǎn)基因水稻對酶活性的影響。

2.4 其他轉(zhuǎn)基因作物對土壤酶活性的影響

Nakatani等通過連續(xù)2年6個(gè)地點(diǎn)的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在大豆盛花期，轉(zhuǎn)基因耐除草劑大豆和草甘膦對β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶活性沒有顯著性影響[27]。Bezirganoglu等通過溫室試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因抗病甜菜對芳香基硫酸酯酶、脲酶、脫氫酶、磷酸酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶、蛋白酶、β-葡萄糖苷酶活性有影響[28]。Wang等通過1年盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因煙草 T-Chit和T-Vi抑制了紫色土中過氧化氫酶和脲酶活性[29]。Zhou等通過1年田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)Cry1Ac基因抗蟲甘蔗對脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、酸性磷酸單酯酶活性沒有顯著性影響[30]。Wu等通過連續(xù)2年田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因抗病小麥N12-1對脲酶、蔗糖酶、脫氫酶活性沒有顯著性影響，且作物生育期和年份是影響酶活性變化的主要因素[31]。Khan等發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因抗病油菜NiC Brassica napus對堿性磷酸單酯酶、芳香基硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶、蔗糖酶的活性沒有影響[32]。

在其他轉(zhuǎn)基因作物比如轉(zhuǎn)基因大豆、甜菜、煙草、甘蔗、小麥、油菜等對酶活影響的研究中，主要檢測了以下酶活性的變化：β-葡萄糖苷酶、芳香基硫酸酯酶、脲酶、脫氫酶、磷酸酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶、蛋白酶、蔗糖酶、磷酸單酯酶，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因抗病甜菜會顯著影響芳香基硫酸酯酶、脲酶、脫氫酶、磷酸酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶、蛋白酶、β-葡萄糖苷酶的活性，轉(zhuǎn)基因煙草的種植會抑制過氧化氫酶和脲酶的活性，其他轉(zhuǎn)基因作物的種植對檢測的土壤酶活性沒有顯著性影響。

3 展望

土壤功能酶對土壤新陳代謝和營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)具有重要的作用。目前，有很多研究人員將土壤酶活性作為衡量土壤健康狀況和土壤活性的一個(gè)重要參量[33-34]，并將其大量應(yīng)用到轉(zhuǎn)基因作物的環(huán)境安全評價(jià)中，大量研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因作物的種植對土壤主要功能酶活性沒有產(chǎn)生顯著性的影響[35-40]。從酶活性角度上看，土壤酶活性的大小主要與土壤類型和作物生育期有關(guān)，而轉(zhuǎn)基因品種的種植對其影響較小[41-44]。

土壤酶活性會受到很多方面的影響，如土壤狀況（土壤理化性質(zhì)、土壤類型）、作物不同的生育期、不同的種植方式和耕作方式等。因此，在研究轉(zhuǎn)基因作物對土壤酶活性的影響時(shí)要嚴(yán)格控制變量，可主要檢測脫氫酶、芳香基硫酸酯酶、磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、蛋白酶、過氧化氫酶、脲酶、多酚氧化酶等的活性。

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