3種不同抗除草劑轉(zhuǎn)基因大豆對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物多樣性的影響

楊曉然,劉 靖,姚淑軍,沈文靜,郭 慧,劉 標(biāo)①,薛 堃② 〔1.民族地區(qū)生態(tài)環(huán)境國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中央民族大學(xué)),北京 100081;.中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,北京 100081;.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 1004〕

根據(jù)國(guó)際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)組織(International Service for the Acqui-sition of Agri-biotech Applications,ISAAA)統(tǒng)計(jì),截至2021年,全球累計(jì)44個(gè)國(guó)家和地區(qū)批準(zhǔn)了32種轉(zhuǎn)基因作物的540個(gè)轉(zhuǎn)化事件。應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)基因作物分別是大豆、玉米、棉花、油菜,其中轉(zhuǎn)基因大豆是商業(yè)化規(guī)模最大的轉(zhuǎn)基因作物,轉(zhuǎn)基因大豆種植面積從1996年的50萬(wàn)hm2增至2020年的9 590萬(wàn)hm2,占大豆總種植面積的78%[1]。轉(zhuǎn)基因大豆的商業(yè)化釋放始于1994年,抗除草劑轉(zhuǎn)基因大豆在美國(guó)獲得商業(yè)化許可,1996年開始進(jìn)行商業(yè)化種植?？钩輨┺D(zhuǎn)基因大豆能對(duì)特定除草劑產(chǎn)生耐受性,充分利用優(yōu)良除草劑來防除大豆田間雜草,提高產(chǎn)量,簡(jiǎn)化了田間雜草管理,降低種植成本,促進(jìn)了大豆的保護(hù)性種植,可增加收益[2-3]。轉(zhuǎn)基因大豆中導(dǎo)入的外源基因主要是解決其高產(chǎn)、高營(yíng)養(yǎng)、抗逆境、品質(zhì)改良、雄性不育、改變花形和花色、抗除草劑和抗病蟲等問題[4-5]。其中抗除草劑基因的研究仍然是目前大豆轉(zhuǎn)基因研究中最成功的,這種類型是占比最高[6]、商業(yè)化最早、類型最多的轉(zhuǎn)基因大豆。

在產(chǎn)生巨大效益的同時(shí),轉(zhuǎn)基因作物向環(huán)境釋放后可能帶來的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境問題越來越受到人們的重視[7-10],其中轉(zhuǎn)基因作物對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物多樣性的影響是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),也是轉(zhuǎn)基因作物是否會(huì)產(chǎn)生潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的重要評(píng)估指標(biāo)[11-13]。節(jié)肢動(dòng)物群落是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,尤其是昆蟲群落,在維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正常功能上發(fā)揮著重要作用[14]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于轉(zhuǎn)基因作物對(duì)節(jié)肢動(dòng)物影響的研究已進(jìn)行了多年,絕大部分研究表明,轉(zhuǎn)基因作物對(duì)節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性不會(huì)產(chǎn)生明顯影響[15-18];也有研究顯示,轉(zhuǎn)基因作物對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性有明顯影響[19-21]。轉(zhuǎn)基因作物具有非預(yù)期效應(yīng),這也是安全性評(píng)價(jià)中需要特別注意的。耐除草劑轉(zhuǎn)基因作物雖然不會(huì)直接作用于田間節(jié)肢動(dòng)物,但是會(huì)對(duì)整個(gè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此,對(duì)于任何轉(zhuǎn)基因作物品種來說,需要遵循“逐案(case by case)”原則進(jìn)行研究,充分了解其安全性后才能進(jìn)行商業(yè)化釋放。

該研究于安徽合肥、吉林長(zhǎng)春、內(nèi)蒙古興安盟分別調(diào)查了3種轉(zhuǎn)基因抗除草劑大豆(ZUTS-33、S4003.14、豐豆0262)及其非轉(zhuǎn)基因受體(華春3號(hào)、Jack、合豐50)的田間節(jié)肢動(dòng)物生物多樣性,評(píng)價(jià)抗除草劑轉(zhuǎn)基因大豆對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物多樣性的影響,為明確轉(zhuǎn)EPSPS+PAT基因抗除草劑大豆對(duì)農(nóng)田生物多樣性的影響提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地點(diǎn)

由于不同品種的轉(zhuǎn)基因抗除草劑大豆和受體大豆適宜種植的地點(diǎn)不同,研究試驗(yàn)材料包括安徽合肥種植的耐草甘膦轉(zhuǎn)化體大豆ZUTS-33及其受體華春3號(hào)、吉林長(zhǎng)春種植的耐草甘膦和草銨膦轉(zhuǎn)化體大豆S4003.14及其受體Jack、內(nèi)蒙古興安盟種植的耐草甘膦和草銨膦轉(zhuǎn)化體豐豆0262及其受體合豐50(表1)。

1.2 試驗(yàn)處理及小區(qū)設(shè)計(jì)

該研究參照文獻(xiàn)[22]的試驗(yàn)方法,每種材料設(shè)3個(gè)重復(fù),分別種植在3個(gè)小區(qū)。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)分組設(shè)計(jì),小區(qū)間設(shè)有 1.0 m寬的隔離帶。

1.3 調(diào)查方法

使用直接觀察法對(duì)植株上的節(jié)肢動(dòng)物進(jìn)行調(diào)查。在大豆始花期、結(jié)莢期、始粒期、鼓粒期和成熟期各調(diào)查1次。調(diào)查時(shí)每個(gè)小區(qū)采用對(duì)角線5點(diǎn)取樣法設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)取樣點(diǎn)調(diào)查10株大豆,每小區(qū)合計(jì)調(diào)查50株大豆。為了避免邊緣效應(yīng),采樣點(diǎn)距離小區(qū)邊緣>2 m。記錄整株大豆上所有節(jié)肢動(dòng)物的種類和數(shù)量,對(duì)田間不能識(shí)別的種類進(jìn)行編號(hào),帶回室內(nèi)鑒定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)調(diào)查時(shí)期不同處理節(jié)肢動(dòng)物的發(fā)生數(shù)量,計(jì)算不同處理各個(gè)時(shí)期節(jié)肢動(dòng)物的4個(gè)指標(biāo),即物種豐富度(S)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、 Pielou均勻度指數(shù)(J)和Simpson優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)(C)。分析比較各大豆材料田間整個(gè)昆蟲群落的動(dòng)態(tài),以此研究轉(zhuǎn)化體對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性是否產(chǎn)生影響。

節(jié)肢動(dòng)物群落的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)計(jì)算公式為

(1)

Pi=Ni/N。

(2)

式(1)～(2)中,Ni為第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù);N為總個(gè)體數(shù);S為物種數(shù)。

Pielou均勻度指數(shù)計(jì)算公式為

J=H/lnS。

(3)

優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)計(jì)算公式為

(4)

數(shù)據(jù)計(jì)算與分析使用Excel 2010和SPSS 25.0軟件,文中所有變異性數(shù)據(jù)均為均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。試驗(yàn)差異顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆田間節(jié)肢動(dòng)物群落物種及功能群組成

對(duì)供試大豆材料在全生育期內(nèi)田間節(jié)肢動(dòng)物種類進(jìn)行調(diào)查,大豆田間節(jié)肢動(dòng)物群落由14目68科組成(表2)。大豆生育期田間節(jié)肢動(dòng)物主要功能群統(tǒng)計(jì)見表3。3組大豆材料田間主要節(jié)肢動(dòng)物種類基本相似,但這些類群的豐度具有較大的組間差異。大豆田間主要害蟲是蚜科(Aphididae)、葉甲科(Chrysomelidae)、葉蟬科(Cicadellidae)和鱗翅目(Lepidoptera)的節(jié)肢動(dòng)物,其中T1和NT1田間主要害蟲為葉甲、葉蟬, T2和NT2田間主要害蟲為蚜蟲、葉甲, T3和NT3田間主要害蟲為葉甲、鱗翅目害蟲。大豆蚜(Aphisglycines)和雙斑螢葉甲(Monoleptahieroglyphica)是大豆全生育期的主要害蟲。捕食性天敵主要包括瓢蟲科(Coccinellidae)、草蛉科(Chrysopidae)、蜘蛛目(Araneae)的節(jié)肢動(dòng)物。寄生性天敵主要是寄生蜂類的昆蟲,記錄種類和數(shù)量較少。中性節(jié)肢動(dòng)物主要包括蟻科動(dòng)物。 T1與NT1大豆田間葉甲數(shù)量存在顯著差異(P=0.016),其他轉(zhuǎn)基因大豆與非轉(zhuǎn)基因大豆田間節(jié)肢動(dòng)物種類數(shù)量均無(wú)顯著差異。

表2 大豆田間節(jié)肢動(dòng)物群落的目、科分布Table 2 The order and family patterns of the arthropod community in soybean field

表3 不同大豆處理節(jié)肢動(dòng)物各功能群中主要類群的累積數(shù)量Table 3 The cumulative number of main arthropods in the functional groups of six soybean treatments 頭·(100 株)-1

2.2 大豆田間節(jié)肢動(dòng)物物種豐富度

物種豐富度可以直觀地表征農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性的高低。大豆生育期田間節(jié)肢動(dòng)物的物種豐富度動(dòng)態(tài)見圖1。轉(zhuǎn)基因品系與對(duì)照相比,田間節(jié)肢動(dòng)物的物種豐富度無(wú)顯著性差異,但是不同品種的變化趨勢(shì)存在差異,峰值所處的大豆生長(zhǎng)期也不同。

T1—ZUTS-33;NT1—華春3號(hào);T2—S4003.14;NT2—Jack;T3—豐豆0262;NT3—合豐50。同一組數(shù)據(jù)直方柱上方小寫字母相同表示不同處理間某指標(biāo)不存在顯著性差異(P>0.05)。圖1 不同大豆處理田間節(jié)肢動(dòng)物群落的豐富度動(dòng)態(tài)Fig.1 The species richness dynamics of arthropods community of different soybean treatments

2.3 大豆田間節(jié)肢動(dòng)物的生物多樣性指數(shù)

Shannon-Wiener 指數(shù)是反映農(nóng)田系統(tǒng)中生物多樣性情況的綜合指數(shù),既包括該系統(tǒng)中物種的豐富度,又包括該群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息[23]。T1與NT1田間節(jié)肢動(dòng)物群落的生物多樣性指數(shù)呈雙峰模式,在鼓粒期達(dá)到最高;T2與NT2田間節(jié)肢動(dòng)物群落的生物多樣性指數(shù)呈單峰模式,始粒期達(dá)到最高;T3和NT3田間節(jié)肢動(dòng)物群落的生物多樣性指數(shù)呈緩慢下降趨勢(shì)。盡管3種轉(zhuǎn)基因大豆田間節(jié)肢動(dòng)物群落的Shannon-Wiener指數(shù)變化趨勢(shì)各不相同,但是轉(zhuǎn)基因大豆與其對(duì)照相比無(wú)顯著差異(圖2)。

T1—ZUTS-33;NT1—華春3號(hào);T2—S4003.14;NT2—Jack;T3—豐豆0262;NT3—合豐50。同一組數(shù)據(jù)直方柱上方小寫字母相同表示不同處理間某指標(biāo)不存在顯著性差異(P>0.05)。圖2 不同大豆處理田間節(jié)肢動(dòng)物群落的多樣性指數(shù)動(dòng)態(tài)Fig.2 The diversity index dynamics of arthropod community of the six soybean treatments

2.4 大豆田間節(jié)肢動(dòng)物的均勻度指數(shù)

均勻度指數(shù)可表征群落中物種的相對(duì)豐度或比例。Pielou均勻度指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化如圖2所示。3種轉(zhuǎn)基因大豆對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落的均勻度指數(shù)與對(duì)照相比無(wú)顯著差異,不同地區(qū)不同品系表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

2.5 大豆田間節(jié)肢動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)

優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)反映的是節(jié)肢動(dòng)物在整個(gè)群落中的種類優(yōu)勢(shì)度的總體情況,指數(shù)越大,群落中優(yōu)勢(shì)物種越突出,相對(duì)物種量越低。優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)來源于辛普森指數(shù),對(duì)樣本中最豐富的物種變化最敏感,而對(duì)物種豐富度的敏感性較低[24]。優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化如圖2所示。3種轉(zhuǎn)基因大豆田間節(jié)肢動(dòng)物群落的優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)與相應(yīng)對(duì)照相比無(wú)顯著差異,不同轉(zhuǎn)基因品種的變化趨勢(shì)存在差異,T1、T2和T3分別在始粒期、始花期和成熟期達(dá)最高。

3 討論與結(jié)論

筆者研究表明,3種轉(zhuǎn)基因大豆對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落物種豐富度、多樣性、優(yōu)勢(shì)集中性和均勻度指數(shù)均無(wú)顯著性影響,不同區(qū)域種植的不同品系轉(zhuǎn)基因大豆的田間節(jié)肢動(dòng)物多樣性存在一定差異。

近年來國(guó)內(nèi)外在轉(zhuǎn)基因大豆的安全性研究方面已經(jīng)取得很大進(jìn)展,相關(guān)研究多數(shù)支持轉(zhuǎn)基因大豆的種植對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物無(wú)不利影響。陳偉等[25]對(duì)抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆SHZD32-01調(diào)查發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因大豆田間節(jié)肢動(dòng)物多樣性與受體大豆無(wú)差異。李凡等[20]研究表明,抗除草劑轉(zhuǎn)基因大豆HRS田間節(jié)肢動(dòng)物與受體大豆RS兩者間的多樣性無(wú)顯著差異。AMIN等[26]研究表明,耐除草劑草甘膦的轉(zhuǎn)基因大豆(IGF)對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物多樣性沒有負(fù)面影響。YU等[27]研究表明,轉(zhuǎn)基因Cry1Ac大豆與受體品種、常規(guī)大豆或噴灑的常規(guī)大豆相比,田間節(jié)肢動(dòng)物多樣性沒有顯著差異。筆者研究結(jié)果與上述研究一致,即3種轉(zhuǎn)基因抗除草劑大豆對(duì)田間生物多樣性無(wú)顯著影響。此外,也有研究認(rèn)為轉(zhuǎn)基因作物的種植對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)具有非預(yù)期效應(yīng),既有正向的,如BHATTI等[28]研究表明轉(zhuǎn)基因抗蟲作物可能會(huì)提高田間節(jié)肢動(dòng)物群落的豐富度和多樣性,進(jìn)而使生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高;也有負(fù)向的,如夏敬源等[19]研究表明,轉(zhuǎn)Bt基因棉對(duì)優(yōu)勢(shì)寄生性天敵造成危害。不同的轉(zhuǎn)基因事件和不同的轉(zhuǎn)基因品系在不同的環(huán)境中有不同的表現(xiàn),這也是“逐案原則”的初衷,而在應(yīng)用轉(zhuǎn)基因作物時(shí),商業(yè)化范圍的確定應(yīng)有不同階段的安全性評(píng)價(jià)結(jié)果的支持。

田間節(jié)肢動(dòng)物群落的多樣性受許多生物和非生物變量的影響,如食物、溫度、降雨量和天敵等。XING等[29]根據(jù)研究結(jié)果推測(cè)Bt玉米小區(qū)中非靶標(biāo)節(jié)肢動(dòng)物的變化可能與小氣候變化有關(guān)。PRIESTLEY等[30]則認(rèn)為氣候變化本身(例如強(qiáng)降雨)可能比Bt玉米在群落多樣性和均勻性方面發(fā)揮更重要的作用。不同地點(diǎn)轉(zhuǎn)基因作物的田間節(jié)肢動(dòng)物種群各類多樣性指數(shù)受環(huán)境影響變化很大[26, 30-31]。該研究中,大豆田間節(jié)肢動(dòng)物群落各類多樣性指數(shù)的分析結(jié)果表明,各類抗除草劑轉(zhuǎn)基因大豆與其非轉(zhuǎn)基因?qū)φ沾蠖固镏仓甑母黝惗鄻有灾笖?shù)動(dòng)態(tài)基本趨于一致,但在不同的地點(diǎn),各類多樣性指數(shù)整體上會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng),這主要受大豆田優(yōu)勢(shì)害蟲(雙斑螢葉甲、大豆蚜)以及氣候的影響。T1與NT1田間試驗(yàn)地點(diǎn)位于安徽省合肥市,緯度偏低,溫度較高。始粒期葉甲、蚜蟲數(shù)量較高,導(dǎo)致大豆植株節(jié)肢動(dòng)物的豐富度、多樣性和均勻度均在始粒期明顯下降,鼓粒期緩慢上升,成熟期出現(xiàn)輕微波動(dòng)。T2與NT2田間試驗(yàn)地點(diǎn)位于吉林省長(zhǎng)春市,緯度偏高,調(diào)查期間降雨頻繁。始花期前后降水過多,部分節(jié)肢動(dòng)物受雨水沖刷影響較大,蚜蟲集中在葉片背面,種群數(shù)量顯著增多,調(diào)查期間多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)普遍偏低,而優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)則偏高。T3與NT3田間試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟,緯度偏高,降溫較快。結(jié)莢期前期降雨,使大豆植株上節(jié)肢動(dòng)物的豐富度輕微下降。從鼓粒期到成熟期,氣溫開始下降,豐富度和多樣性指數(shù)降低,均勻性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)出現(xiàn)輕微波動(dòng)。綜上,筆者認(rèn)為大豆生態(tài)系統(tǒng)并沒有形成穩(wěn)定的節(jié)肢動(dòng)物群落組成,相比于復(fù)雜氣候環(huán)境對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落的較大影響,轉(zhuǎn)基因大豆對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落的影響是微乎其微的。轉(zhuǎn)基因大豆的生物安全評(píng)價(jià)是一個(gè)長(zhǎng)期研究的過程,需要不斷擴(kuò)大范圍,進(jìn)行多次多年多點(diǎn)的監(jiān)測(cè),未來應(yīng)當(dāng)積累不同品種轉(zhuǎn)基因大豆田間節(jié)肢動(dòng)物群落的變化數(shù)據(jù),作為轉(zhuǎn)基因大豆生態(tài)安全評(píng)價(jià)的參考范圍。這有助于更好地理解和預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)基因大豆對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落可能的生態(tài)影響,為后續(xù)轉(zhuǎn)基因育種和商業(yè)化推廣提供數(shù)據(jù)支撐,有助于為人們的生產(chǎn)生活提供更加科學(xué)和安全的建議。