转基因植物对土壤生态系统的影响

1、基金项目江苏省自然科学基金项目 (BK2006501 ; 环保科研专项 ; 公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目 。作者简介 李孝刚 (1983- , 男 , 山东菏泽人 , 硕 士研 究生 , 研 究方 向 :转基因抗虫棉的生物安全及土壤微生物 。 *通讯作者 。收稿日期 2007! 10! 17众多转基因作物的商品化和在生产上的大面积推广使 用 , 引起了农业生产方式的巨大变革并使经济效益得以大 幅度提高 , 为人类解决人口膨胀 、 资源匮乏等世界问题提供 了 新的 思 路 和 解 决 途 径 。 但 与 此 同 时 , 农 业 生 态 安 全 问 题 (基因漂移导致的遗传污染 ,

2、 转基因逃逸 , 转基因的非靶标 效应 , 抗病虫性衰退及生物多样性下降 , 碳 、 氮 、 磷等元素循 环发生变化等 越来越引起人们的重视 。 外源基因的插入可 能会打破植物内部固有的连锁群和蛋白质组群 , 进而改变 植物的生理生化特性 。 若长期重复种植转基因作物 , 就有可 能影响植物 、 土壤及土壤生物三者之间的平衡 , 并最终威胁 到整个土壤生态系统 。 笔者对转基因作物表达产物在土壤 中的残留特性及其对土壤微生物 、 土壤其他生物及土壤理化 性质的影响进行了综述 , 为系统评价转基因植物可能引起 的生态风险提供可用信息 , 也为今后进一步研究提供参考 。1转基因植物中外源基因表达产

3、物在土壤中的残留特性 1.1进入 土 壤 的 途 径转 基 因 植物 释 放 的 外 源 基 因 表 达蛋白进入土壤的途径有 2条 。 一是通过转基因作物在收割 前后遗留在田间的植株残体及花粉向土壤中释放 , 这是外 源蛋白进入土壤的主要途径 。 研究发现 , 收获前 转 Bt 基 因 棉花残体的 1g 新鲜组织中含有 34.0g Cry A 蛋白 , 把 Bt 棉花基质均匀地埋入土壤后 , 检测到土壤中 Cry A 蛋白的 最高浓度为 1.6g /g (干土 1。 MON863玉米在其生长期花 粉中的 Cry3Bb1表达水平较高 , 1g 鲜重花粉平均含有 77.189.2g Cry3Bb1

4、蛋白 2, 因此其携带的外源蛋白就有可能进入土壤 。 二是通过转基因植物根系分泌物进入土壤 。 例如 , 无菌土培和水培转 Bt 基因玉米 、 马铃薯和水稻能通过根系 分泌物的形式分泌 Bt 蛋白 , 并且根据存活烟草天蛾幼虫的 重量 、 致死率及免疫测定试验发现 , 其分泌 Bt 蛋 白 的 量 也不一样 3。但是在无菌土培和水培的转基因抗虫棉花 、 油菜 和烟草根系分泌物中没有检测到杀虫蛋白 3。 目前尚不清楚 造成这种现象的原因 , 需要进一步研究 。1.2在土壤中的吸附和降解 土壤颗粒如粘土矿物 、 腐殖酸 、 有机矿物聚合体等可吸附外源蛋白 。 Muchaonyerwa 等研 究发现

5、 , 外源蛋白的吸附水平与土壤的亲和力有关 , 变性土 的吸附能力最大 , 淋溶土次之 , 氧化土最小 。 粘性颗粒组分 中的有机物质增加了吸附性 , 然而氧化铁减少了其吸附性 , 其 中 矿 物 质 的 角 色 起 主 要 作 用 ; 对 于 Bt 毒 素 的 吸 附 能 力 , 蒙脱石明显高于高岭土 , 并且与其表面积和带电荷量有 关 4。 腐殖酸对 Bt 毒素的吸附能力与其功能基的含量有关 , 酸度较高和酚基含量高的腐殖酸吸附能力较高 5。 Bt 毒素与 蒙脱石 -腐殖酸 -A1羟基聚合体混合物的稳态吸附和结合 ,1h 内达到总吸附量的 70%, 在 8h 内产生了最大吸附 , 且吸附常

6、量随毒素量的增加而增加 6。在土壤生态系统中 , 外源蛋白可直接被土壤微生物降 解 , 太阳光中紫外线照射也可使外源蛋白分解 , 其中土壤微 生物是影响其降解的最关键因子 。 研究发现 , 外源蛋白在有 菌土壤中的降解速度快于无菌土 , 加快其降解的主要原因 可能是土壤微生物把外源蛋白作为一种碳源或氮源分解所 致 7-8。 克螟稻 1号茎和叶片中 Cry1Ab 蛋白降解动态与土壤 类型密切相关 , 其中在青紫泥田中降解最快 , 黄筋泥田中次 之 , 黄松田中最慢 8。 另外 , 土壤中外源蛋白的降解还与土壤 的 pH 值和温度有关 。 在 pH 值为中性的土 壤 中 , 生 物 测 定 法显示

7、 , 转 Bt 棉花和玉米中的 Bt 蛋白活性被很快降解 , pH 值较低和粘土矿物质含量高的土壤不利于生物的降解 9。 土 壤温度的升高引起了土壤微生物活性的增加 , 从而提高了 外源蛋白在土壤中的降解速率 10。1.3在土壤中的存留 目前 , 外源基因毒蛋白在土壤中存留时间因采用不同的材料 、 试验方法和条件而有所不同 。 用 转 Bt 玉米含有 CryIA (b 蛋白的根系分泌物和 植 株 体的 试 验显示 , 这种毒蛋白在土壤中可存留并保持杀虫活性 180d转基因植物对土壤生态系统的影响李孝刚 1, 刘 标 2*, 韩正敏 1, 郑央萍 2(1. 南京林业大学森林资源与环境学院 , 江

8、苏南京 210037; 2. 国家环保总局南京环境科学研究所 , 江苏南京 210042摘要 土壤生态系统的功能是否正常直接关系到农业系统的稳定 。 随着转基因技术的发展和转基因作物商品化应用的增多 , 转基因 植物对土壤生物存在的潜在危害及可能造成的对土壤生态系统的影响成为研究热点 , 但至今并没有确切证据证实当前释放的转基因植物 (包括抗除草剂和抗虫作物 对土壤生态系统具有重大的直接影响 。文章综述了转基因植物表达产物在土壤中的残留特性及 其对土壤微生物 、 土壤其他生物及土壤理化性质的影响 , 并对研究方向进行了展望 。 关键词 转基因植物 ; 外源蛋白 ; 土壤生态系统 ; 研究进展中

9、图分类号 S154.1文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2008 05-01957-04Impact of Transgenic Plants on Soil EcosystemsLI Xiao ! gang et al (College of Forest Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing, Jiangsu 210037Abstract Soil ! ecosystem has done much with the stability of agriculture system. Wit

10、h the development of GMO technology and commercial use increasing of transgenic crops, it becomes a hot topic about the potential harm from transgenic plants to soil organisms and their effects on soil ecosystem. But it has not proven that if the transgenic plants have great influence on soil ecosys

11、tem at present. The research progress of the persistence characteristics in soil of expression products from transgenic plants and their influences on soil microbials , other soil organisms and physical and chemical properties of soil are summarized. And some proposals are provided for future resear

12、ch in this area. Key words Transgenic plant; Foreign protein; Soil ecosystem; Research progress安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri. Sci. 2008, 36(5 :1957-1960责任编辑 金琼琼 责任校对 王 淼以上 11。 盆栽种植转 Bt 水稻试验及土埋转 Bt 棉花残体组织 的试验结果也证明了转 Bt 基因作物确实能通 过 根 系分 泌 物和残体组织向土壤中导入外源蛋白 , 导入量与植株生长 发 育 时 间 有关 , 并 且 50%的 Bt 毒 素 能 在 土

13、壤中 至 少 存 在 56d 12-13。 然而大 田 试验 结 果 与 实 验 室 结 果 有很 大 的 差 异 , 在连续种植多年的转 Bt 基因作物田中 , 用 ELISA 法未检测 到 CrylAc 毒蛋白 , Dubelman 等认为 , 残 留 在 田 中 的 植 株 残 体等通过耕作方式向土壤中释放的外源蛋白的量很低 , 生 物活性也不足以达到能检测到的水平 14-15。 同样 , 在分别种 1和 3年的 Bt 玉米和非 Bt 玉米田中 , 用 ELISA 法在多数土 样中没有检测到 Cry3Bb1蛋白 , 仅在种植 1年的 Bt 玉米田 块 中检 测 到 3.386.89ng/

14、g (干 土 的 Cry3Bb1蛋 白 16。 虽 然 在很多研究中 , 外源蛋白在土壤中的存留时间有所不同 , 但 是这些结果在本质上并不矛盾 。 外源蛋白在土壤中的存留 时间不仅与外源蛋白的类型 、 形式 (孢子 、 晶体 、 浓度有关 , 而且与土壤类型 、 土壤湿度 、 土壤微生物的构成 、 耕作的深 度和气候等因素有关 。外源蛋白会通过植物残体 、 根系分泌物 、 花粉等形式进 入土壤生态系统 , 但当今研究结果仅总体表明了 Bt 蛋白在 土 壤 中 的 存 留 特 性 , 短 时 期 内 Bt 蛋 白 会 在 土 壤 中 迅 速 降 解 , 长时期 Bt 蛋白在土壤中的残留水平非常

15、低 , 往 往 低 于 检测极限 14, 17-18, 有关其他转基因表达蛋白在土壤中的残留 特性报道的还很少 。 总之 , 转基因作物商业化种植以来 , 还 没有实验室和大田试验研究表明外源蛋白会在土壤中不断 积累而增加 。2转基因植物对土壤微生物的影响土壤微生物是土壤的重要组成部分 , 在土壤有机物质 的降解 、 营养物质的矿化与固定 、 植物病理的调控及土壤结 构的改善等方面发挥着重要作用 。 转基因作物在农业土壤 中的大面积种植后 , 就与土壤中整个微生物区系相互作用 , 有可能对土壤中微生物的种类 、 数量以及生命活动状况施 加影响 。一些研究结果显示 , 转基因植物对土壤微生物区系

16、没 有显著影响 。 温 室 试 验研 究 发 现 , Bt 玉 米 生 长 期 分 泌的 Bt 蛋 白 对 土 壤 微 生 物 没有 影 响 19-21。 在 田 间 水 平 上 研究 转 Bt 基 因 棉 花 和 马 铃 薯 的 根 系 分 泌 物 对 土 壤 细 菌 和 真 菌 的 数 量 、 种类 、 丰富度及植物病原水平的影响时发现 , 根际微生 物的数量在转基因与对照间差异不显著 22-24。 但也有研究显 示 , 转基因作物对土壤微生物具有明显影响 。 很多实验室试 验表明 , Bt 作物对根际土壤的菌根真菌的生长具有明显影 响 25-27, 在克螟稻整个生育期 , 其根际土壤中的

17、细菌数量显 著低于非转基因亲本根际土壤 , 而真菌数量则相反 28。 大田 栽培试验发现 , 转基因抗虫棉根际微生物和细菌生理群的数 量发生了变化 , 根际细菌生理群的 Simpson 指数 、 Shannow ! Wiener 指数和细菌生 理 群 分 布 的均 匀 度 均 下 降 29。 转 基 因 作物对土壤微生物的影响可能是由于转基因作物释放到土 壤中的外源蛋白引起的 , 但是到目前为止 , 还没有文献报道 过外源基因表达产物在土壤中的积累和增加 。 因此 , 土壤中 的少量外源产物的存在不足以影响土壤微生物的活性 。 很 多研究人员认为 , 转基因作物对土壤特定微生物产生的显 著影响

18、可能是由转基因植株的生理生化特性的改变及其表 达产物化学和生物学特性引起的 30-32。总之 , 大部分研究都表明 , 转基因作物对土壤微生物没 有产生显著影响 , 一些研究结果则显示 , 转基因作物对特定 土壤微生物有一定的影响 。 但是 , 转基因植物对土壤微生物 的影响没有环境因素 (农田干旱 、 作物病害 、 气候变化等 和 农业管理措施 (杀虫剂的应用 、 轮作 、 翻耕及有机和无机化 肥的施用等 对农业土壤微生物影响显著 33-34。3转基因植物对土壤其他生物的影响转基因作物在生长过程中会通过植物残体和根系分泌 物产生外源基因表达蛋白 , 这些毒蛋白与土壤活性颗粒结 合在一起并不断

19、富集而持续产生毒性 , 因而有可能对土壤 中其他的非目标生物产生影响 。 当今在研究转基因作物对 土壤生物的影响时 , 主要研究转基因作物对土壤中线虫和 蚯蚓的影响 。3.1线虫 除了土壤细菌和真菌外 , 线虫是土壤中数目最 多 的 生 物 体 。 由 于 线 虫 移 动 性 差 且 种 类 繁 多 (例 如 食 草 线 虫 、 食细菌线虫 、 食真菌线虫 、 食昆虫线虫及腐解线虫等 , 外源毒蛋白就很有可能对其有直接或间接的影响 。 很多大 田试验研究发现 , 转 Bt 玉米和其亲本常规玉米的根际线虫 数量没有明显的差异 35-36。 然而 , 也有一些研究发现 , 转基因 作 物 对 土

20、壤 线 虫 有 一 定 的 影 响 。 在 转 几 丁 质 酶 基 因 白 桦 (Betulapendula 的 土 壤 中 发 现 , 线虫 数 量 显 著 低 于 对 照 37。 温室试验研究转 Bt 基因玉米对土壤动物区系影响时发现 , Bt 的特性导致了土壤中含有较多的线虫 20。 而 大 田试 验 研 究发现 , 与对照相比 , Bt 玉米田中的线虫数反而减少 , 但是 这种 Bt 效应没有具体影响到线虫种类 33。 由于减少的线虫 数目并不表现在具体的个别采样点和营养类群上 , 并且每 个采样点的线虫区系也都有显著差异 , 所以这种影响与 Bt 玉米作物的种植没有关系 。 总体上转

21、 Bt 作物的种植对线虫 造成的影响没有超过由种植不同的传统作物 、 不同采样点 的差异而造成的影响的范围 33。3.2蚯蚓 蚯蚓在植物残体降解 、 土壤营养物质循环中起 着重要作用 , 并影响着土壤的疏松性和通气性 。 目前大部分 研 究 表 明 , 转 基 因 作 物 对 蚯 蚓 的 影 响 是 不 明 显 的 35, 38-39。 Zwahlen 等 40在实验室中模拟大田条件研究转 Bt 玉米 (表达 Cry1Ab 蛋白 对蚯蚓影响 , 结果表明 , 转 Bt 玉米对蚯蚓没有 持续性影响 。 与对照相比 , 实验室条件下用转 Bt 玉 米 残 体 喂养的蚯蚓体重没有明显差异 。 采用不

22、同的接触方法和时 间研究 Bt 玉米的根和秸秆对蚯蚓的重量和致死率的影响 , 并用 ELISA 法检测土壤和蚯蚓体内的 Cry3Bb1蛋白 。 结 果 显示 :种植过 Bt 玉米和常规玉米的土壤及添加了其残体的 土壤对蚯蚓的重量和致死率的影响没有明显的差异 41。 与 对照相比 , Bt 玉米叶对蚯蚓的各个生理期没有毒害影响 , 甚 至使用高浓度的玉米叶影响也较小 39。 研究表明 , 转基因作 物对蚯蚓的生长和繁殖影响很小 , 原因可能是外源蛋白对蚯 蚓没有活性或者外源蛋白不能与蚯蚓肠道的细胞膜结合 39。 4转基因植物对土壤理化性质的影响根际是植物与土壤最主要的相互作用区域 , 而根际土

23、壤中含有许多难溶的养分元素 , 植物可通过根系分泌物的 作用将其转化为有效养分 。 由于外源基因的插入 , 转基因植 物的根系分泌物化学组成和 数量 就 有 可 能 发 生 变 化 42, 这 种差异会对土壤理化性质如团聚体的大小和分布 、 酸碱度 、 阳离子交换量及吸附性能等有不同程度的影响 。 另外 , 外源安徽农业科学 2008年 1958基因的导入也会造成转基因植物在农艺性状和化学成分等 方面与亲本非转基因植物之间存在较大甚至显著差异 43-44。 这些差异可能会导致植物组织在土壤中的自然降解 、 土壤 有机质含量等方面发生变化 , 进而影响土壤理化性质 。 研 究 发 现 , 克 螟

24、 稻 根 系 分 泌 物 中 有 机 酸 (主 要 为 酒 石 酸 的含量显著低于其非转基因亲本 28, 这样会使作物根系 土壤 pH 值升高 , 从而影响对酸性 pH 值敏感的微生物调控 过程 (如硝化作用 的速率和土壤营养元素的释放 。 转 Bt 植 物的种植可能改变尿 酶 、 脱 氢 酶 、 磷 酸 酶的 活 性 12, 然 而 土 壤尿酶能促进土壤有机物氮的分解 , 碱性磷酸酶在碱性土 壤有机磷的矿化中发挥重要作用 。 但也有一些文献报道 , 转 基因植物对土壤理化性质没有明显影响 。 在转基因棉花和 水 稻 的 盆 栽 种 植 试 验 中 发 现 , 种 植 1个 月 的 转 基 因

25、 水 稻 和 1个生长季的转基因棉花土壤 中 , 全 碳 和 全 氮 以 及碱 解 氮 、 速效磷 、 有效硫 含量 与 非 转 基 因 对 照 均 无 显著 差 异 13。 转双价抗真菌基因水稻对根际土壤中可溶性有机质 、 氮 、 磷 含量均无显著影响 45。 与对照相比 , 转 Bt 基因的玉米秸秆分 解后对土壤中有机质 、 碱解氮 、 全磷含量没有显著影响 , 而 对土壤全氮 、 速效磷 、 全钾 、 速效钾含量则有显著影响 46。 从 数据上看 , 上面的一些研究结果是相互矛盾的 , 原因可能是 所用试验材料中植物特性的不同引起的 , 但与外源基因的 插 入 无 直接的联系 47。 对

26、于商业 化 的 转 基 因 植 物 是 否会 对 土壤理化性质产生影响 , 至今没有确切性的结论 。5展望土壤是生态系统中物质循环和能量转化过程的主要场 所 。 转基因植物的外源基因表达产物可以通过多种形式 (植 物残体 、 根系分泌物及花粉等 进入土壤生态系统中 , 但其 在土壤中的降解规律依赖多种因素 , 例如土壤类型 、 蛋白类 型 、 温度等 。 短时期内外源蛋白会在土壤中迅速降解 , 经过 1个生长季 , 其在土壤中的残留水平非常低 , 往往低于检测 极限 。 虽然粘土矿物 、 腐殖酸 、 有机矿物聚合体等土壤颗粒 可吸附外源蛋白 , 但目前还没有文献报道外源蛋白会在土 壤中积累增加

27、 。 土壤生物的数量及区系结构易受季节变化 和农业系统 (土壤类型 、 作物类型及轮作等 的影响 , 实验室 和大田试验还没有发现外源蛋白对土壤生物 (例如蚯蚓 、 线 虫等 有致命影响 。 一些研究发现 , 转基因作物对土壤特定 微生物的数量有一定的影响 , 但这种影响是否具有重要的 生态意义还不清楚 。 研究中所发现的差异与自然条件的变 化 、 不同传统作物的种植及杀虫剂施用等引起的差异相比 , 还是微乎其微的 。 但随着时间的积累及生物富集作用的不 断扩大 , 其危害性是否会逐步显现出来 , 存在着高度的不可 预见性 。 目前 , 该领域在研究方法 、 试验设计 、 研究内容及结 果解释

28、上还存在很多缺陷 , 今后应在以下领域展开更深入 的研究 。(1 转基因植物向土壤中释放的外源蛋白来源于植 物 体本身 , 有必要对外源基因表达蛋白在植物体内存在的状 态 、 消长时间 、 毒性强度 , 尤其是对植物凋落物 、 残余物的化 学 组 成 、 外 源蛋 白 含 量 及 活 性 变 化 (酸 碱 溶 性 、 生 物 活 性 开展研究 。(2 土壤颗粒与外源蛋白的结合在很大程度上决定 着 外源蛋白的归趋 。 不同土壤类型对外源蛋白的吸附能力各 不相同 , 而不同土壤在不同温度 、 不同 pH 值条件下对外源 蛋白的吸附 、 降解规律的影响是否一致有待进一步研究 。 (3 目前国内外研究

29、转基因植物的外源基因表达蛋 白 在土壤中的存留时间都是通过室内模拟试验进行研究并得 出结论 。 少数研究是在大田条件下进行的 , 研究周期较短 。 但随着转基因作物的长期重复种植 , 外源基因表达蛋白可 能会在土壤中残留并积累增加 。 为此 , 应对转基因作物释放 的外源蛋白在土壤中残留及积累情况进行长期的追踪和监 控研究 。(4 在转基因植物对土壤微生物影响的研究中 , 研究的 对象主要是对占土壤微生物种类不到 1%的可培养微生物 种类 , 今后还应该加强转基因植物对土壤微生物群落 、 微生 物多样性及功能的长期定位和跟踪研究 。 在转基因植物对 土壤其他生物影响方面 , 需要开展对土壤生物

30、的长期定位 研究和生殖毒理学研究 。(5 目前转基因植物对土壤理化性质影响的研究还 存 在很多不足 , 仅涉及到转基因植物秸秆降解对土壤部分养 分的影响 。 今后还应开展转基因植物的种植对土壤质地 、 容 重 、 结构 、 温度 、 持水特性和土壤侵蚀状况等土壤物理性质 影响的研究 , 及其对土壤养分含量 、 CEC 、 pH 值和盐基饱和 度等土壤化学性质影响的研究 。目前 , 人们对转基因植物对土壤生态系统影响的研究 还非常肤浅 。 研究中不仅要考虑转基因作物与常规作物的 差异 , 还应考虑到土壤生态系统中其他因素所带来的影响 , 例如土壤的类型 、 植物的遗传类型 、 植物种植的变更 、

31、 气候 条件的改变及管理措施的不同等 。 因此 , 必须理性认识和客 观对待转基因植物 , 努力摸索出能够快速 、 准确检测转基因 植物生态风险的新方法和新技术 , 尽快建立土壤生态安全 评价的技术体系 。参考文献1SIMS S R , REAM J E.Soil inactivation of the Bacillus thuringiensis subsp.kurstaki CryIIA insecticidal protein within transgenic cotton tissue :laboratory microcosm and field studiesJ.Journal

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