轉(zhuǎn)cry1Ac基因玉米對地表節(jié)肢動物群落的影響

陳紅星，王仁杰，邵春瑞，曠忠芬，顧俊杰

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，成都 611130）

轉(zhuǎn)基因玉米是世界上第二大商業(yè)化種植的轉(zhuǎn)基因作物。至2018年Bt玉米已在全球26個國家商業(yè)化種植，種植面積已達(dá)5 890萬hm2，占全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積的30%[1](Global Status of Commercial?ized Biotech/GM Crops：2018，2019)。目前，轉(zhuǎn)基因抗蟲作物大部分表達(dá)源自蘇云金芽孢桿菌的殺蟲蛋白基因，其殺蟲晶體蛋白對敏感昆蟲有強(qiáng)烈的毒性，而對高等動物和人沒有毒性[2]。轉(zhuǎn)基因抗蟲作物的大面積推廣應(yīng)用，降低了農(nóng)藥施用量，從而保護(hù)了環(huán)境和田間自然天敵，使得害蟲得以持續(xù)控制。與普通玉米相比，轉(zhuǎn)基因玉米增加了產(chǎn)量，保護(hù)了生物多樣性，能更有效地利用外部投入，更好地發(fā)展和保護(hù)環(huán)境，從而提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

隨著轉(zhuǎn)基因作物商品化進(jìn)程加快，轉(zhuǎn)基因作物的生態(tài)安全性問題已成為人們關(guān)注的焦點之一。轉(zhuǎn)基因玉米田中多種害蟲、天敵、中性昆蟲以及非昆蟲綱生物群落共存，它們之間聯(lián)系緊密，一個物種的數(shù)量變化可能會通過食物鏈和化學(xué)信號影響其他物種。據(jù)報道，轉(zhuǎn)Bt基因作物的根部、葉片以及花粉等部位都能夠表達(dá)Bt蛋白[3-5]。例如，Bt棉花和玉米產(chǎn)生的Bt毒素可通過根系分泌物、植株殘體分解及花粉飄落等多種途徑進(jìn)入土壤中并可能長期保持活性。腐生昆蟲和地下害蟲，通過取食等途徑均可接觸到Bt蛋白，而捕食性昆蟲如虎甲、步甲、蜘蛛和蠼螋等，可通過捕食植食性昆蟲等途徑接觸Bt蛋白。目前研究均認(rèn)為Bt植株及殘留組織對地表及土壤中的非靶標(biāo)物種沒有任何不良影響[6-8]。但李保平等認(rèn)為，現(xiàn)有的研究持續(xù)時間一般為1～2年，持續(xù)時間相對較短。由于轉(zhuǎn)Bt作物向土壤中釋放的Bt蛋白量較少，因此客觀評價轉(zhuǎn)基因作物對田間節(jié)肢動物群落的影響，需要多年、多地持續(xù)系統(tǒng)研究[9]。其中節(jié)肢動物群落是玉米田生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，因此，轉(zhuǎn)基因玉米的種植是否會對其種群組成和數(shù)量產(chǎn)生影響是環(huán)境安全性評價的重要內(nèi)容之一[10]。迄今，國內(nèi)外有關(guān)轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲作物的生態(tài)安全性評價與研究多集中于：對非靶標(biāo)生物和生物多樣性的影響、基因漂移風(fēng)險、對土壤微生物的影響、靶標(biāo)害蟲產(chǎn)生抗性的風(fēng)險及其治理等方面[2]。因此對地表節(jié)肢動物群落的研究顯得非常必要。本研究于2019和2020年通過系統(tǒng)調(diào)查轉(zhuǎn)cry1Ac基因玉米田地表節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)組成、群落特征參數(shù)及其動態(tài)，旨在通過轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲玉米對地表節(jié)肢昆蟲群落影響的評價，為轉(zhuǎn)基因玉米的環(huán)境安全評價提供科學(xué)參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與試驗設(shè)計

轉(zhuǎn)Cry1Ac基因玉米材料Bt-799和非轉(zhuǎn)基因?qū)φ沼衩灼贩NZ58、ZD958，均由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米中心提供。

試驗分別于2019和2020年在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗站進(jìn)行。每個玉米品種為一個處理，每處理3次重復(fù)，共9個小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為30 m2（5 m×6 m），行距60 cm，株距25 cm。整個生育期內(nèi)，田間除正常的農(nóng)耕操作外，不采取其他任何防治措施。

調(diào)查時間：2019年7月16日—9月25日，2020年6月21日—8月30日。

1.2 調(diào)查方法

采用陷阱調(diào)查法。在玉米定苗后10 d開始調(diào)查，以后每隔7 d調(diào)查1次，直至玉米成熟。各處理小區(qū)采用5點取樣法，每點放置3個塑料杯（高15 cm，口徑10 cm）作為陷阱，各陷阱間隔0.5 m，塑料杯中倒入洗滌劑水溶液，陷阱壁沿與土表齊平，24 h后檢查陷阱，將標(biāo)本放入75%乙醇溶液保存，帶回實驗室鑒定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本試驗數(shù)據(jù)均采用SPSS軟件進(jìn)行分析，差異顯著性比較采用T測驗。

Shannon-Wienner物種多樣性指數(shù)[11]

式(1)中：H為多樣性指數(shù)；Pi為第i種個體占總個體數(shù)的比例；S為物種數(shù)。

Pielou均勻度指數(shù)(evenness)[11]

式(2)中：J為均勻性指數(shù)，其取值范圍是0～1。

Simpson優(yōu)勢集中性指數(shù)[11]

式(3)中：C為優(yōu)勢集中性指數(shù)，S為物種數(shù)；Ni為第i個物種個體數(shù)；N為群落全部物種的總個體數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種玉米地表節(jié)肢動物群落組成及其結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過連續(xù)兩年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，玉米地表節(jié)肢動物分屬4綱7目17科。我們以玉米為中心形成的地表節(jié)肢動物劃分為3個營養(yǎng)層、4個功能集團(tuán)、11個類群（表1）。其中植食類昆蟲分屬2目6科，主要有螽斯科（Tettigoniidae）、蟋蟀科（Gryllidae）、蝗科（Acrididae）、螻蛄科（Gryllotalpidae）、金龜科（Scarabaeidae）、擬步甲科（Tenebrionidae）；捕食性昆蟲分屬5目7科，主要有虎甲科（Cicindelidae）、步甲科（Carabidae）、蠼螋科（Forficulidae）、蟻科（Formicidae）、跳蛛科（Salticidae）、蟹蛛科（Thomis?idae）和蚰蜒科（Thereuopoda）；腐食性昆蟲分屬2目2科，主要有山蛩科（Spirobolida）和鼠婦科（Ar?madillididae）。

表1 玉米田地表節(jié)肢動營養(yǎng)層功能集團(tuán)及優(yōu)勢物種的組成Table1 The composition of dominant guilds and the biodiversity of Arthropod community in zea mays

轉(zhuǎn)Cry1Ac基因玉米Bt-799與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ沼衩灼贩NZ58、ZD958的節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)參數(shù)（S、H、J、C）如表2所示，2019年不同玉米間的地表節(jié)肢動物群落豐富度指數(shù)Z58＞Bt-799＞ZD958，多樣性指數(shù)為Bt-799＞Z58＞ZD958，均勻性指數(shù)為ZD958＞Bt-799＞Z58，優(yōu)勢集中性指數(shù)為ZD958和Z58值相同且均高于Bt-799，說明Bt-799群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高于對照ZD958和Z58；2020年豐富度指數(shù)ZD958＞Z58＞Bt-799，多樣性指數(shù)Bt-799＞ZD958＞Z58，均勻性指數(shù)Bt-799＞Z58＞ZD958，優(yōu)勢集中性指數(shù)為Bt-799＞Z58＞ZD958。其中，Bt-799多樣性指數(shù)和ZD958很接近，高于Z58，但差異不顯著；均勻性指數(shù)和優(yōu)勢集中性高于對照田，無顯著性差異。

表2 Bt玉米與對照田地表節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)特征比較Table 2 Comparison of the Arthropod community Structure in Bt and non-Bt corn

2.2 物種豐富度指數(shù)動態(tài)

由圖1可知，2019年7月16日―9月19日，轉(zhuǎn)Bt基因玉米和非轉(zhuǎn)基因常規(guī)玉米的物種豐富度指數(shù)變化趨勢基本一致，且不存在顯著性差異。在玉米生長末期，ZD958玉米田物種豐富度S顯著低于其他兩個玉米品種；2020年整個玉米生育期內(nèi)，各品種玉米的物種豐富度指數(shù)隨著時間的推移呈降低趨勢，各品種間變化趨勢不一致，但相互間不存在顯著性差異。對比圖1發(fā)現(xiàn)，2019和2020年的玉米地物種豐富度指數(shù)變化趨勢基本一致，其指數(shù)變化均在玉米生長初期呈降低趨勢，此后指數(shù)呈波浪狀變化，但相互間并無顯著差異，在生長末期，玉米地表節(jié)肢動物物種豐富度指數(shù)變化均呈上升趨勢。

圖1 Bt玉米田與對照田地表非靶標(biāo)節(jié)肢動物群落豐富度時間動態(tài)Figure 1 Species richness of the non-target arthropod community on earth surface in Bt and non-Bt corn

2.3 多樣性指數(shù)動態(tài)

由圖2可知，2019和2020年各品種的多樣性指數(shù)變化趨勢基本一致，呈曲折下降趨勢。2019年8月20日至9月5日間玉米生長旺盛，節(jié)肢動物物種數(shù)較多，多樣性指數(shù)較高；2020年7月19日，Bt-799的多樣性指數(shù)顯著高于ZD958和Z58，8月5日―8月13日，Bt-799的多樣性指數(shù)均低于ZD958和Z58,差異達(dá)顯著水平，其他時間段三者之間不存在顯著性差異。8月21日之后，隨著生長期的結(jié)束，節(jié)肢動物種類較少，多樣性指數(shù)較低，各品種的多樣性指數(shù)低于0.4，且不存在顯著性差異(P>0.05)。

圖2 Bt玉米田與對照田物種多樣性指數(shù)時間動態(tài)Figure 2 The diversity index of the non-target arthropod community on earth surface in Bt and non-Bt corn

2.4 均勻性指數(shù)動態(tài)

2019年各品種的均勻性指數(shù)變化趨勢基本一致，三者間無顯著性差異，全生長期節(jié)肢動物群落均勻性指數(shù)在0.7～0.9范圍內(nèi)；2020年均勻性指數(shù)波動較大，7月19日，Bt-799的均勻性指數(shù)顯著高于ZD958和Z58，8月21日—8月30日，均勻性指數(shù)降低從1.2降至0.2，其余時間三者之間無顯著性差異（如圖3）。

圖3 Bt玉米田與對照田均勻性指數(shù)時間動態(tài)Figure 3 The evenness index of the non-target arthropod community on earth surface in Bt and non-Bt corn

2.5 優(yōu)勢集中度指數(shù)動態(tài)

如圖4所示，2019年各品種的優(yōu)勢集中性指數(shù)波動較大，8月6日的優(yōu)勢集中度指數(shù)Bt799和Z58均顯著高于ZD958。8月27日―9月19日，Bt-799的優(yōu)勢集中性指數(shù)均低于ZD958和Z58，差異呈顯著性水平；2020年6月21日―7月26日，三者的優(yōu)勢集中性指數(shù)變化趨勢基本一致，相互間差異不顯著。8月5日―8月13日，Bt-799的優(yōu)勢集中度指數(shù)顯著低于其他兩者。8月21日―8月30日，三者的優(yōu)勢集中性指數(shù)均呈上升趨勢，8月21日的優(yōu)勢集中度指數(shù)三者間無顯著差異。8月30日，Bt-799和Z58的優(yōu)勢集中度指數(shù)顯著高于ZD958（圖4）。

圖4 Bt玉米田與對照田地表非靶標(biāo)節(jié)肢動物群落優(yōu)勢集中性指數(shù)時間動態(tài)Figure 4 The dominent concerntration index of the nontarget arthropod community on earth surface in Bt and non-Bt corn

3 討論

J.E.Losey等[12]在《自然》雜志上報道轉(zhuǎn)cry1Ab玉米花粉對帝王斑蝶（Danaus plexippus）造成傷害后，在世界范圍內(nèi)掀起了一場有關(guān)Bt玉米是否會影響帝王斑蝶生存的爭論，同時引發(fā)了相關(guān)學(xué)者對非靶標(biāo)生物安全性問題的關(guān)注。對非靶標(biāo)生物安全性研究現(xiàn)已成為轉(zhuǎn)基因生物風(fēng)險評估的重要內(nèi)容[13-14]。

目前國內(nèi)外有關(guān)轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲作物的生態(tài)性安全評價與研究，主要集中在對非靶標(biāo)生物安全評價及其群落多樣性的影響、基因漂移風(fēng)險、靶標(biāo)害蟲產(chǎn)生抗性的風(fēng)險及其治理等方面[2]。對轉(zhuǎn)Bt基因水稻、玉米和大豆等作物對節(jié)肢動物群落影響的研究表明，轉(zhuǎn)基因作物對田間節(jié)肢動物群落無顯著影響[15-17]。本研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)cry1Ac基因玉米與非轉(zhuǎn)基因常規(guī)玉米田地表節(jié)肢動物群落的結(jié)構(gòu)與組成無明顯差異，雖然2019和2020年的節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)參數(shù)變化趨勢雖不盡相同，但差異不顯著。其中，轉(zhuǎn)基因玉米地表節(jié)肢動物群落的物種豐富度、均勻度、優(yōu)勢集中度和多樣性指數(shù)動態(tài)變化較常規(guī)對照玉米平緩。表明轉(zhuǎn)基因玉米田地表節(jié)肢動物群落的穩(wěn)定性高于非轉(zhuǎn)基因常規(guī)玉米，這與前人所做研究結(jié)果[15-18]相似。

本研究僅為兩年田間調(diào)查研究的結(jié)果，初步認(rèn)為轉(zhuǎn)cry1Ac基因玉米對田間地表節(jié)肢動物群落無安全風(fēng)險，要全面認(rèn)識和了解轉(zhuǎn)Bt基因的生物安全性，還需進(jìn)行連續(xù)多年多代的安全性評價和田間調(diào)查，以為其田間釋放和應(yīng)用提供更為全面的生物安全性評價結(jié)果。