轉(zhuǎn)Gbve1基因棉對(duì)棉田動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性影響

姜義平，肖留斌，陳天子，張保龍，趙 靜，譚永安

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所/江蘇省食品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,南京 210014；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種質(zhì)資源與生物技術(shù)研究所，南京 210014)

0 引 言

【研究意義】轉(zhuǎn)基因棉花是控制棉花病蟲害，提高棉花經(jīng)濟(jì)效益主要手段之一。經(jīng)統(tǒng)計(jì)到 2018 年，我國(guó)轉(zhuǎn)基因棉花種植面積達(dá)290×104hm2，其應(yīng)用率高達(dá)95%[1]。，對(duì)轉(zhuǎn)基因作物進(jìn)行環(huán)境安全性評(píng)價(jià)及對(duì)田間動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性評(píng)估變得尤為重要[2]。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院將抗黃萎病(Gbve1)基因?qū)朊藁?，增?qiáng)了棉花對(duì)黃萎病的抗性，但其對(duì)環(huán)境安全性特別是棉田節(jié)肢動(dòng)物群落的影響還需進(jìn)一步調(diào)查評(píng)估。【前人研究進(jìn)展】棉花是世界上重要的經(jīng)濟(jì)作物，也是我國(guó)傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)作物，它既可以生產(chǎn)天然的纖維，又是重要的油料作物之一[3]。據(jù)2016年統(tǒng)計(jì)我國(guó)棉花種植面積約占全世界種植面積的18%，總產(chǎn)量占全世界總產(chǎn)量的34%，是世界上第二大棉花生產(chǎn)國(guó)。棉花作物在我國(guó)農(nóng)業(yè)中具有重要的地位[4-6]。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，轉(zhuǎn)基因棉的引入，減輕病蟲危害而造成的經(jīng)濟(jì)損失[5, 7-8]。近年來(lái)，黃萎病在我國(guó)各大棉區(qū)屢次大面積發(fā)生，其中尤為嚴(yán)重的是1993年，黃萎病在中國(guó)棉區(qū)大暴發(fā)，近80%的棉花作物受到嚴(yán)重感染，皮棉產(chǎn)量損失近1×108kg[9-12]，影響棉花的產(chǎn)量與品質(zhì)，給棉花產(chǎn)業(yè)造成重大損失。通過(guò)轉(zhuǎn)基因培育抗黃萎病棉花品種來(lái)提高棉花產(chǎn)量已成為迫切需求。抗黃萎病基因早期主要研究對(duì)象為番茄等作物，2001年Kawchuk等[13]通過(guò)分子克隆方法得到可以跨種族介導(dǎo)的2個(gè)抗黃萎病抗病基因—Ve1和Ve2，而棉花抗黃萎病基因Gbve1是Zhang等[14]于2011年從海島棉中克隆得到，該基因與抗番茄黃萎病基因Ve1同源[15]，有研究利用基因敲除和轉(zhuǎn)基因技術(shù)證明該基因能夠顯著增強(qiáng)植物對(duì)黃萎病菌的抗性，并經(jīng)擬南芥證明Gbve1基因于物種間高度保守，驗(yàn)證了該基因具有較高的抗黃萎病菌利用價(jià)值[16]。李紅娟[17]通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)棉花Gbve1基因擬南芥表達(dá)譜的分析對(duì)Gbve1基因抗病機(jī)理進(jìn)行了初步探索研究，發(fā)現(xiàn)該基因進(jìn)入植物體內(nèi)后，參與許多與抗性相關(guān)基因的調(diào)控，當(dāng)病菌入侵時(shí)，轉(zhuǎn)基因植物能夠迅速地調(diào)控基因開啟防御反應(yīng)。【本研究切入點(diǎn)】江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所已驗(yàn)證轉(zhuǎn)Gbve1基因棉株具有較高的抗黃萎病能力[18]，但其對(duì)田間動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性尚不明確。新型轉(zhuǎn)基因棉花材料在商業(yè)化種植前，必須評(píng)估其潛在的環(huán)境安全性。研究轉(zhuǎn)Gbve1基因棉對(duì)棉田動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】試驗(yàn)以5組高品質(zhì)轉(zhuǎn)Gbve1基因棉花品系和親本為研究對(duì)象，通過(guò)定期調(diào)查記錄棉株上所有節(jié)肢動(dòng)物種類和數(shù)量，統(tǒng)計(jì)分析各棉田中節(jié)肢動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性，以期為轉(zhuǎn)Gbve1基因棉花生態(tài)安全進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，為其推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所提供。共有6份材料，編號(hào)為1～6，其中1～5號(hào)材料為不同的轉(zhuǎn)Gbve1基因株系，6號(hào)為親本。 試驗(yàn)地位于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所試驗(yàn)田(N32°02′15.33″，E118°52′9.43″)，試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，根據(jù)1～5號(hào)轉(zhuǎn)Gbve1基因株系和6號(hào)親本對(duì)應(yīng)設(shè)置6個(gè)處理， 每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共有18個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)10 m×9 m，棉田按照常規(guī)栽培管理，試驗(yàn)期間不噴施殺蟲劑，田周圍設(shè)有嚴(yán)格的隔離帶，試驗(yàn)完成后焚燒棉花秸稈，以防止目標(biāo)基因擴(kuò)散 。

1.2 方 法

從棉花出現(xiàn)第3片真葉開始，每7 d左右調(diào)查1次，調(diào)查采用5點(diǎn)取樣法，每小區(qū)調(diào)查6株。調(diào)查時(shí)目測(cè)整株植物所有器官，并記錄棉株上所有節(jié)肢動(dòng)物的種類和數(shù)量。記錄的數(shù)量均換算成百株蟲量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。

1.3 數(shù)據(jù)處理

群落參數(shù)計(jì)算采用Excel和DPSv8.01數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD(Least—Significant Difference )方法檢驗(yàn)差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉田物種組成和種群數(shù)量

研究表明，不同品系棉田的物種組成和數(shù)量除個(gè)別有顯著差異外，其余均無(wú)顯著差異且數(shù)值上相近。其中，品系1的害蟲亞群落中目和科的數(shù)量均顯著低于對(duì)照(目：F=3.429，Df= 2，5，P= 0.046；科：F=3.571，Df= 2，5，P= 0.041)；品系2中天敵亞群落個(gè)體數(shù)量顯著高于其他轉(zhuǎn)基因品系以及對(duì)照(F=22.083，Df= 2，5，P= 0.001)。表1

表1 不同品系棉田節(jié)肢動(dòng)物種數(shù)和個(gè)體數(shù)組成Table 1 The number of arthropod species and their individual numbers in different cotton fields

2.2 不同品系棉田中動(dòng)物群落相對(duì)多度

研究表明，棉田中害蟲以棉蚜 、煙粉虱、棉葉蟬、棉大卷葉螟等為主，其中蟲量較多的是棉蚜、棉葉蟬和煙粉虱等刺吸式害蟲，相對(duì)多度均大于0.93，極少數(shù)是咀嚼式口器害蟲。經(jīng)方差分析發(fā)現(xiàn)，不同品系棉田中的煙粉虱、朱砂葉螨和綠盲蝽 具有顯著差異(煙粉虱：F=4.335，Df= 2，5，P= 0.023；朱砂葉螨：F=4.996，Df= 2，5，P= 0.015；綠盲蝽 ：F=3.349，Df= 2，5，P= 0.049)，品系1和品系2田間煙粉虱Pi值分別顯著低于品系5和對(duì)照，分別降低了87.28%(1vs 5)、83.32%(1vs對(duì)照)、74.11%(2vs 5)、66.03%(2vs對(duì)照)；品系3田間的朱砂葉螨Pi值分別顯著高于品系4和對(duì)照，分別提高了95.66%(3vs 4)和94.80%(3vs對(duì)照)；品系5田間的綠盲蝽Pi值顯著高于品系1、2和3，分別提高了86.75%(5vs 1)、86.75%(5vs 2)和67.47%(5vs 3)，其余害蟲在品系間均沒有顯著差異(P>0.05)。然而從總體上看，不同品系棉田中刺吸式害蟲和咀嚼式害蟲之間并沒有顯著差異(P>0.05)。表2

表2 不同品系棉田主要害蟲占害蟲亞群落的相對(duì)多度Table 3 The relative abundance of the main pests to the pest sub-population in different cotton fields

蜘蛛、瓢蟲和草蛉等昆蟲是棉田中的主要天敵，不同品系棉田相對(duì)多度最高的是草蛉類，均在0.5左右。不同品系棉田中草蛉和捕食蝽類的相對(duì)多度有顯著差異(草蛉類：F=5.961，Df= 2，5，P= 0.008；捕食蝽類：F=5.893，Df= 2，5，P= 0.009)。品系4田間草蛉類天敵Pi值顯著低于品系2和對(duì)照，分別降低了57.66%(4vs 2)和58.46%(4vs對(duì)照)；品系1和品系2田間Pi值顯著高于對(duì)照，分別提高了1倍左右，其它品系田間天敵相對(duì)多度無(wú)顯著差異。表3

表3 不同品系棉田主要天敵占天敵亞群落的相對(duì)多度Table 3 The relative abundance of the main natural enemy to the natural enemy sub-population in different cotton fields

2.3 不同品系棉田動(dòng)物群落參數(shù)

研究表明，不同品系棉田的物種豐富度、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)均無(wú)顯著差異(P>0.05)，Gbve1基因的轉(zhuǎn)入對(duì)棉田中節(jié)肢動(dòng)物群落分布及多樣性無(wú)顯著影響。表4

表4 不同品系棉田節(jié)肢動(dòng)物群落參數(shù)Table 4 The parameters of arthropod community in different cotton fields

2.4 不同品系棉田動(dòng)物群落相似性

研究表明，不同品系棉田中害蟲亞群落的相似性為0.620 8 ～ 0.790 6；天敵亞群落的相似性為0.821 4 ～ 0.963 0，節(jié)肢動(dòng)物群落的相似性為0.681 4 ～ 0.820 9，轉(zhuǎn)Gbve1基因棉田與對(duì)照棉田動(dòng)物群落的相似性較高，表明轉(zhuǎn)Gbve1基因棉的種植對(duì)動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響并不大。表5

表5 不同品系棉田節(jié)肢動(dòng)物群落相似性Table 5 Similarity of arthropod community in different cotton fields

2.5 不同品系棉田主要昆蟲類群時(shí)序消長(zhǎng)動(dòng)態(tài)

研究表明，棉蚜和煙粉虱發(fā)生期主要集中于7至8月，其他害蟲主要發(fā)生在8月下旬至9月上旬。6種主要害蟲除品系2棉田中的煙粉虱和棉葉蟬 害蟲在個(gè)別時(shí)期發(fā)生量與其他品系間存在顯著差異(P<0.05)外，其他主要害蟲在不同品系棉田間均無(wú)顯著差異(P>0.05)。轉(zhuǎn)Gbve1基因株系棉花種植并不影響主要害蟲的發(fā)生危害。圖1

注：1.棉蚜 ，2.煙粉虱，3.花薊馬，4.棉大卷葉螟 ，5.綠盲蝽，6.棉葉蟬 。紅星代表該品系與其他品系之間有顯著差異，下同

天敵大發(fā)生主要集中在8月下旬至9月上旬，并且不同品系棉田中天敵的發(fā)生趨勢(shì)基本一致，其中蜘蛛種群在棉花整個(gè)生育期都發(fā)生。品系2和品系5棉田中的主要天敵在個(gè)別時(shí)期顯著差別于其他品系(P<0.05)，其余品系主要天敵間無(wú)顯著差異(P>0.05)，轉(zhuǎn)Gbve1基因不同品系棉田天敵種群的生長(zhǎng)繁衍未受到明顯影響。圖2

注：1.蜘蛛，2.瓢蟲，3.草蛉

3 討 論

隨著轉(zhuǎn)基因植物種植面積的擴(kuò)大，其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響也引起越來(lái)越多的關(guān)注。為了更好地保護(hù)生態(tài)環(huán)境，近年來(lái)許多學(xué)者就轉(zhuǎn)基因植物對(duì)田間生物多樣性等進(jìn)行了一系列的研究[19-24]，驗(yàn)證轉(zhuǎn)基因植物的安全性，嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)地評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因植物。以轉(zhuǎn)Gbve1基因棉花為研究對(duì)象，對(duì)其棉田動(dòng)物群落進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)查，從而探討新型轉(zhuǎn)基因棉花對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

研究對(duì)不同品系棉田中主要昆蟲群落進(jìn)行了消長(zhǎng)動(dòng)態(tài)分析，結(jié)果顯示，棉蚜 、煙粉虱、花薊馬和棉葉蟬 是田間的主要害蟲，其中煙粉虱和棉葉蟬 在品系2棉田個(gè)別生育期與對(duì)照或其他品系間存在顯著差異，而棉蚜和花薊馬 在不同品系棉田中差異均不顯著；田間的主要天敵蜘蛛、瓢蟲和草蛉在個(gè)別品系中的個(gè)別生育期內(nèi)有顯著差異，其余差異均不顯著。出現(xiàn)個(gè)別品系或個(gè)別蟲源的起伏有可能與降雨量有關(guān)，但是總體趨勢(shì)與孫紅煒等[24]對(duì)抗病轉(zhuǎn)基因棉田間研究趨勢(shì)基本一致，轉(zhuǎn)抗病基因?qū)γ尢锷餆o(wú)顯著性影響。由此可以推斷，短期內(nèi)轉(zhuǎn)抗黃萎病基因棉花品種對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)顯著影響。

在不施農(nóng)藥的前提下，調(diào)查了轉(zhuǎn)抗黃萎病基因棉田和常規(guī)棉田中的物種組成并對(duì)其群落相對(duì)多度、多樣性和均勻度等指標(biāo)進(jìn)行歸納總結(jié)，結(jié)果顯示，除害蟲亞群落和天敵亞群落在個(gè)別分類單元與對(duì)照相比差異顯著，節(jié)肢動(dòng)物群落和其他兩類在群落結(jié)構(gòu)和組成上均無(wú)顯著差異，棉田益害比也無(wú)顯著差異；與對(duì)照相比不同品系轉(zhuǎn)基因棉田害蟲相對(duì)多度除個(gè)別害蟲均無(wú)顯著差異，不同品系棉田天敵相對(duì)多度占比最高的均是草蛉，其次是蜘蛛；與常規(guī)棉相比不同品系轉(zhuǎn)基因棉田害蟲亞群落、天敵亞群落和節(jié)肢動(dòng)物群落的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)均無(wú)顯著差異，且群落相似性均在0.6以上，表明不同品系轉(zhuǎn)基因棉的物種組成、群落穩(wěn)定性和多樣性與常規(guī)棉相比均無(wú)明顯差異，說(shuō)明轉(zhuǎn)基因棉對(duì)棉田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性無(wú)顯著影響。上述結(jié)果基本與郭佳惠(2016)等[19]對(duì)3種轉(zhuǎn)非抗蟲基因棉的研究趨勢(shì)一致，轉(zhuǎn)抗病基因棉株對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物無(wú)顯著影響。

研究?jī)H對(duì)轉(zhuǎn)基因品系進(jìn)行了短時(shí)間的調(diào)查研究，長(zhǎng)時(shí)期種植對(duì)田間動(dòng)物群落穩(wěn)定性及生態(tài)環(huán)境的影響還尚未明確，因此，轉(zhuǎn)抗病基因棉對(duì)環(huán)境的影響還需要進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤調(diào)查研究，獲得更多的數(shù)據(jù)來(lái)支撐該產(chǎn)品在田間的推廣。

4 結(jié) 論

5組轉(zhuǎn)Gbve1基因棉花株系與對(duì)照之間未存在顯著差異，短期內(nèi)轉(zhuǎn)抗黃萎病基因棉花不影響棉田動(dòng)物群落的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，對(duì)生態(tài)環(huán)境未產(chǎn)生不利影響。