转基因番茄对土壤生物学性质及养分吸收的影响

1、山东农业大学硕士学位论文转基因番茄对土壤生物学性质及养分吸收的影响 姓名:郭文文申请学位级别:硕士专业:土壤学指导教师:诸葛玉平;李建勇20100612山东农业大学硕士学位论文摘 要随着科学技术的发展,转基因技术已经涉及到我们生活的方方面面, 转基因植物的普遍种植对土壤理化性质及生物学特性的影响也逐渐引起 人们的重视。本试验采用室内模拟和盆栽试验相结合的方法,分别以转抗线虫基 因、转耐贮基因番茄和普通番茄为试材,研究了转基因番茄栽培过程及 其秸秆等残体分解对土壤微生物量碳、土壤微生物数量、土壤酶活性以 及土壤养分含量等的影响,并初步研究了转耐贮基因对番茄的养分吸收 的影响。主要研究结果如下:1

2、.转基因番茄秸秆残留物对土壤生物学性质具有一定的影响。添加 低量(2%转抗线虫基因番茄秸秆,在降解前期显著提高了土壤脲酶活 性,后期显著提高了土壤微生物量碳含量,对细菌和放线菌数量均无显 著影响,对真菌数量仅在第二个取样时期有显著提高的作用;添加高量 (4%转抗线虫基因番茄秸秆,初期显著提高脲酶活性,末期则显著降 低其活性,仅在前期对细菌、真菌、放线菌的数量具有显著性影响。在 两种秸秆添加量下,对蔗糖酶活性均无显著影响。2.与普通番茄相比,种植转耐贮基因番茄对土壤脲酶活性无显著影 响,初期显著提高了土壤碱性磷酸酶活性,中期显著降低了土壤过氧化 氢酶活性。转耐贮基因番茄显著降低了土壤真菌数量,其

3、中苗期降低幅 度最大,与普通相比降低了 31.82%,某些取样时期显著地降低了土壤细 菌数量,而对土壤中放线菌的数量无一致性影响规律。3.在高施肥量条件下,转耐贮基因番茄在初期提高了土壤速效钾含 量,其余时期均降低土壤速效钾含量,对土壤铵态氮含量无显著影响, 在番茄生长初期和末期降低了土壤速效磷含量;在中量施肥条件下,转 耐贮基因番茄在初期显著提高了土壤铵态氮、速效磷和速效钾含量;在 低量施肥条件下,转耐贮基因番茄在盛花期显著降低了土壤铵态氮、速 效磷以及速效钾含量;不施肥时,种植转耐贮基因番茄对土壤硝态氮含 量无显著影响,土壤速效磷和速效钾含量在初期均显著降低,在末期均 显著升高。1转基因番

4、茄对土壤生物学性质及养分吸收的影响4.转耐贮基因番茄在不同的肥力水平下对养分有不同的吸收特征。 与普通番茄相比,施肥量高时,整个生长期内番茄植株对全氮的吸收无 明显差异,末期显著降低了对磷的吸收,提高了对钾的吸收。中量施肥 时,对磷和钾的吸收均无显著影响,仅在结果初期显著降低了全氮含量。 低量和不施肥条件下,对全氮的含量均无显著影响,而对磷和钾的吸收 均在前期显著提高,盛果期显著降低。关键词:转基因作物;番茄;秸秆;土壤微生物量碳;土壤酶活性;土 壤微生物;养分吸收2山东农业大学硕士学位论文Effect of Transgenic Tomato on Soil Biological Chara

5、cteristics and Nutrients AbsorptionAbstractWith development of science and technology, transgenic technology has been involved in many aspects of our lives. Effects of transgenic crops on soil physical, chemical and biological properties have gradually drawn peoples attention.In this paper, lab simu

6、lated experiment and pot experiment were conducted, with tomato with nematode-resistance gene, shelf stable tomato and ordinary tomato as materials, to systematically study the effects of transgenic tomato and their straw decomposition on soil microbial biomass carbon, number of soil microbe, soil e

7、nzymatic activity, as well as the content of soil nutrients. And effect of tomato with stockpile gene to nutrient absorption were studied tentatively. The main results are as follows:1. Residues of transgenic tomato straw had some effects on soil biological properties. When adding low amount of toma

8、to straw with nematode-resistance gene (2%, at early stage, soil urease activity was significantly higher than that in ordinary treatments, and at late stage, soil microbial biomass carbon was significantly higher than that in ordinary treatments. During the whole time, there were no significant dif

9、ferences in the number of bacteria and actinomycete between the two treatments, and in the second sampling time, soil fungal number was significant higher in nematode resistance treatments than that in ordinary treatments. When adding high amount of tomato straw with nematode-resistance gene (4%, so

10、il urease activity in nematode resistance treatments was significantly increased at early stage, while the activity was significantly decreased at late stage. Only at early stage, were there significant effects on the numbers of bacteria, fungus and actinomycete in nematode resistance treatments. Wh

11、ether applied low or3转基因番茄对土壤生物学性质及养分吸收的影响high amount of straw, there was no significant effects on soil invertase activity.2. Compared to ordinary tomato, transgenic treatment had no significant effect on soil urease activity. At early stage, soil alkaline phosphatase activity was significantly inc

12、reased in transgenic treatments, and at middle stage, soil hydrogen peroxidase activity was significantly decreased. In the whole cultivation period, transgenic treatments reduced the number of fungi significantly, and at seeding stage, the number of fungi reduced most and reduced 31.82% compared wi

13、th ordinary treatments. Transgenic treatments reduced the number of bacteria in some sampling times. There was no significant difference in soil actinomycetic number between the two treatments.3. With high level of fertilizer, transgenic tomato increased the content of soil available K significantly

14、 at early stage, while in the other sampling time the content of soil available K decreased significantly. Transgenic tomato had no significant effect on the content of soil ammoniacal nitrogen with high level of fertilizer, and reduced the content of soil available P in the first and last periods;

15、With middle level of fertilizer, transgenic tomato increased the content of soil ammoniacal nitrogen, soil available P and soil available K significantly; With low level of fertilizer, transgenic tomato reduced the content of soil ammoniacal nitrogen, soil available P and soil available K significan

16、tly at full-bloom stage; With no fertilizer, transgenic tomato had no significant effect on the content of soil nitrate nitrogen, and the content of soil available P and soil available K were reduced significantly at first stage but were increased significantly at last stage.4. Transgenic tomato had

17、 different nutrient absorption properties wuth different fertilization levels. Compared to ordinary tomato, with high level of fertilizer, there was no significant effect on the content of plant total N in transgenic tomato in the whole cultivation period. Transgenic tomato reduced the absorption of

18、 total P but increased the absorption of total K significantly at4山东农业大学硕士学位论文last stage. With middle level of fertilizer, in the whole cultivation period, there were no significant effects on the absorption of total P and total K. At young fruit period, transgenic tomato reduced the content of plan

19、t total N significantly; With low level of fertilizer and no fertilizer, transgenic tomato had no significant effect on the content of plant total N. The content of plant P and total K were increased significantly in transgenic tomato at first stage but reduced at full fruit period.Key Words: Transg

20、enic crops; Tomato; Straw; Soil microbial biomass carbon; Soil enzyme activity; edaphon; nutrient absorption5符号或缩略词说明缩写 英文 中文说明 APA Alkaline phosphatase activity 碱性磷酸酶活性 HPA Hydrogen peroxidase avtivity 过氧化氢酶活性 IA Invertaseactivity蔗糖酶活性 UA Ureaseavtivity 脲酶活性 h hour 小时g Gram 克kg Kilogram 千克mg Millig

21、ram 毫克cm Centimeter 厘米mm Millimeter 毫米L Liter 升ml Milliliter毫升Avail. Available 有效的OM Organicmatter 有机质SMBC Soil microbial biomass carbon土壤微生物量碳 K potassium 钾N nitrogen 氮P phosphorous 磷关于学位论文原创性和使用授权的声明本人所呈交的学位论文, 是在导师指导下, 独立进行科学研究所 取得的成果。 对在论文研究期间给予指导、 帮助和做出重要贡献的个 人或集体,均在文中明确说明。本声明的法律责任由本人承担。 本人完全了解

22、山东农业大学有关保留和使用学位论文的规定, 同 意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质本和电子 版, 允许论文被查阅和借阅。 本人授权山东农业大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索, 可以采用影印、 缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文, 同时授权中国科学技术 信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库 ,并向 社会公众提供信息服务。保密论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名:导 师 签 名:日 期:转基因番茄对土壤生物学性质及养分吸收的影响1引言转基因植物是指人们应用重组 DNA 技术, 将外源基因导入植物细胞, 并在其中整合、 表达和传代,

23、 从而创造出的新型植物 (钱海丰, 等, 2001 。 转基因技术始于 20世纪 70年代,到 80年代许多基本的操作技术、目的 基因的构建模式等都基本完成,因而水到渠成,诞生了转基因植物。转 基因植物的出现是现代分子生物学和植物组织培养技术发展的结果。随 着社会的进步以及科学技术的发展,转基因生物的生产和应用范围日益 扩大。转基因生物已从科学家的实验室走进了我们的生活,从转基因棉 花到转基因大豆,从转耐贮基因番茄到转基因禽流感疫苗,都与我们息 息相关(韩梅, 2007 。随着转基因作物的商品化和在生产上的大面积种 植,转基因作物在自然环境释放后的潜在生态风险问题也日益引起人们 的重视(王忠华

24、,等, 2002 。转基因作物对土壤安全的影响是不容忽视 的,它关系到农业的可持续发展,进而关系到人类的生存。土壤是农业 生产的基础,是生态系统中物质循环和能量转化过程的重要场所,土壤 质量的好坏直接影响到植物的产量和品质,随着转基因植物的大规模种 植,其是否会对土壤生态系统的安全产生影响已经成为当前研究的新热 点(钱迎倩, 1999;孙彩霞,等, 2002;王洪兴,等, 2002;鄂志国, 等, 2004;张美俊,等, 2005 。1.1转基因作物的发展现状1.1.1世界转基因作物的发展转基因技术的出现是农业历史上的一次重大改革,随着科学技术的 发展,转基因技术在农业生产中得到了越来越广泛的

25、应用。 1983年世界 第一例转基因植物(烟草问世, 1986年转基因作物(抗虫和抗除草剂 棉花 进入田间试验, 1994年第一个转基因植物产品 延熟番茄 “Flavr Savr” 获得美国食品与药物管理局(FDA 批准进入市场(徐征, 2004 。 转基因作物商业化种植始于 1996年,当年全世界的种植面积仅为 174万 hm 2(郑宇,等, 2003 ,而到 2007年,世界转基因作物的耕作面积已高6山东农业大学硕士学位论文达 1.143亿 hm2(刘治先,等, 2008 ,短短的十年其普及速度之快是惊 人的,其原因在于转基因作物具有重要的社会和经济效益。目前,种植 转基因作物面积较大的

26、10个国家依次是:美国、 阿根廷、 巴西、 加拿大、 印度、中国、巴拉圭、南非、乌拉圭和菲律宾(刘治先,等, 2008 。世 界转基因作物包括小麦、水稻、玉米、棉花、油菜、大豆等重要的粮油 和纤维作物,以及蔬菜、水果、牧草和花卉。 2007年世界种植面积最大 的 4种农作物,分别是大豆 5860万 hm2,占世界作物总面积的 51%;玉 米 3520万 hm2,占 31%;棉花为 1500万 hm2,占 13%;油菜则为 550万 hm2,占 5%。1.1.2我国转基因作物的发展我国作为世界上人口最多的发展中国家,解决好自身农业发展问题 不仅关系到国计民生,同时对世界和平与进步也是一大贡献。入

27、世后, 我国政府出台一系列的政策和措施,加强了对农业植物新品种权的保护。 1996年 12月,农业部制定的农业生物基因工程安全管理实施办法对 转基因生物技术从试验研究、中间试验、环境释放和商品化生产各阶段 应遵循的原则给予了明确的规定,并实行申报、审批制度(王玉秋,等, 2003 。我国自 1997年 3月以来,共受理转基因生物安全评价申请 703项, 批准 517项,申请单位涉及国内科研教学单位 41家,国外公司 2家。批 准环境释放的有棉花、大豆、烟草、番茄、甜椒、马铃薯、水稻、黄瓜、 杨树、玉米 10种植物和 4种微生物(杨崇良,等, 2002 ,并批准 6种 转基因作物进行商品化生产,

28、包括华中农业大学的转耐贮基因番茄,北 京大学的转查尔酮合成酶基因矮牵牛、抗病毒甜椒、抗病毒番茄、中国 农科院的抗虫棉花和美国孟山都公司的保铃棉(陈章良, 1999 。1.1.3转基因作物的优越性转基因作物的应用引起了农业生产方式的巨大变革和经济效益的大 7转基因番茄对土壤生物学性质及养分吸收的影响幅度提高,并为人类解决人口膨胀、环境恶化、资源匮乏和效益衰减等 问题提供了一条新的思路和途径(叶庆富, 2003 。由于导入的目的基因 千变万化,转基因作物给人类带来的好处也多种多样。转基因植物目的 基因能在后代中稳定遗传、抗除草剂基因和抗虫害基因减少了农药的用 量、转基因作物为人类带来客观的经济效益

29、、利用转基因作物生产稀有 蛋白等产品、减少化工业所造成的污染(席景会,等, 2002 。如抗虫转 基因棉花不仅可以抵抗棉铃虫等害虫的危害,提高棉花产量,而且因大 量减少了农药施用量,保护了人类赖以生存的生态环境。中国科学院农 业政策研究中心研究表明,一般 Bt (转抗虫基因棉花比传统棉花品种 平均增产 9.6%,杀虫剂使用量降低 60%,不仅减少了环境污染和对人类 健康的危害,而且还增加了农民的收入。转基因植物在清除重金属污染 物方面也有一定的作用。例如,高表达谷肮甘肪合成酶的油菜可以在体 内积累镉,高表达锌转运蛋白的拟南芥菜可以大量积累锌,因而这些转 基因植物将有望用于抵抗诸如镉、锌等重金属

30、离子的毒害,并有效清除 环境中的重金属污染物(徐征, 2004 。1.2转基因作物生态环境风险评价的意义转基因作物的产生使得基因交流的范围无限扩大, 可从细菌、 病毒、 动物、人类、植物甚至人工合成的基因导入作物,人们就有了这样的疑 虑:转基因作物的外源基因释放到环境中后是否产生严重的环境影响, 这一疑虑使人们忧心忡忡,而消除这种担心,就要对转基因作物进行环 境影响评价。通过环境影响评价来判断转基因作物的田间释放或者大规 模商业化生产对环境没有影响,则这些转基因作物可放心大胆地应用于 农业生产,如果存在某些问题,则要加以注意,以避免对人类生存与环 境产生危害(葛大兵, 2004 。1.3转基因

31、作物生态环境风险评价现状转基因生物安全,是指防范农业转基因生物对人类、动植物、微生 物和生态环境构成的危险或潜在风险(陈永红,等, 2003 。目前存在的 潜在风险主要有:(1转基因作物可能变为具有侵害性的“超级杂草” ; (2转基因作物的基因漂移问题; (3害虫对转基因作物的抗性; (48山东农业大学硕士学位论文转基因作物对非靶标生物的影响(赵和,等, 2003 ; (5转基因作物对 天敌的影响; (6转基因作物对土壤生态安全的影响。1.3.1转基因作物的种植是否会产生“超级杂草”美国杂草科学委员会将杂草定义为“对人类行为或利益有害或有干 扰的任何植物” 。 杂草的通性是适应性和可逆性强、

32、种子休眠、 无限生长、 连续开花和结籽以及种子扩散 (贾士荣, 2004 , 由于杂草具有以上特征, 所以常常给世界农业生产造成巨大损失(张永军,等, 2002 。转基因作 物是如何导致“超级杂草”的出现,一般认为有两种情况:一是转基因 作物本身成为“超级杂草” ,二是发生基因污染,即转基因作物中的某些 基因漂移到其它植物中而导致其变成“超级杂草” (陆群峰,等, 2009 。 它能入侵和改变其他植物栖息地,而许多性状的改变都可能增加转基因 植物杂草化趋势,例如种子休眠期的改变、种子萌发率的提高、对有害 生物和逆境的耐受性,以及植株具有的生长优势,都有可能提高转基因 植物生存和繁殖能力,从而可

33、能导致转基因植物理论上的杂草化。 目前,对作物杂草化比较一致的观点是,杂草化是多个基因共同作 用的结果,一个基因的变化不可能导致作物变成杂草。如果一种作物本 身没有杂草特性,增加一个或几个基因后杂草化的可能性不大;若该作 物已经存在杂草特性, 再增加基因就会进一步提高其杂草化的可能 (Fitter et al.,1990;Boudry et al.,1993 。在农业生态环境条件下,造成植物种类减 少的主要原因是各种强度较大的农业措施和人类活动的干预,遗传因素 只起很微小的作用(Bartsch &Schuphan,2002 。Crawley 等在 12种不同的生态环境下,对转基因油菜、

34、玉米、甜菜 和马铃薯及其传统对照品种的命运进行了连续年的监测试验,没有一例 转基因作物比对照活得更长、侵害性更大(Crawley et al.,2000 。 Swea 等 的研究也表明,转抗除草剂基因作物在自然界条件下与普通作物没有区 别。上述试验涉及的外源基因是抗除草剂和抗虫的,它们在自然生态环 境下缺乏相应的选择压力,不可能增强作物的生长竞争力。若转入的是 抗逆境基因如抗旱、抗有害生物等,在一些特殊的生态环境下其生长势、9转基因番茄对土壤生物学性质及养分吸收的影响竞争力应有所增强。1.3.2转基因作物的基因漂移转基因技术对环境具有潜在的影响,特别是对生态环境带来了前所 未有的风险。某种转基

35、因作物作为一个新的物种出现,如果其带来的外 来基因在栽培过程中“漂移” ,就有可能进入野生植物种群,使其遗传性 状改变,进而对其他生物产生不利影响,破坏自然环境的生态平衡,同 时转基因作物也可能会对人类健康带来危害(徐征, 2004 。基因漂移是 指来自一个或多个居群基因库的基因转移到某一居群基因库中的过程 (ELLSTRAND N C et al.,2003 。基因漂移的主要途径包括:(1通过转 基因植物的种子或组织扩散到新的生境中,并生存下来。一般通过自然 媒介(风力、水流或动物或者人类的活动进行传播; (2通过花粉向 同种或近缘种的非转基因植物转移。主要通过自然媒介如风力和动物进 行传播

36、(卢宝荣, 2006;樊龙江,等, 2001 。如抗除草剂的基因通过花粉漂移转到可配的杂草上,使杂草获得除 草剂抗性,特别在同一地区推广抗不同除草剂作物时,若多种除草剂抗 性基因都转到同一杂草上将使所有的除草剂失效(杨崇良,等, 2002 。 目前资料表明这种基因流动是存在的,但是风险不大,受多种环境因素 制约,有效的隔离带可控制基因流动,而且随着安全性标记基因系统及 终止子技术 (terminator technology的建立和完善(赵艳, 2002 ,有关这 种威胁的担忧会越来越少。张宝红等 (2000利用转 Bt 基因抗虫棉花和转 tfdA 基因抗除草剂棉花进行基因流动研究表明,引入到

37、棉花体内的外源 基因均可以向周围环境漂流,其最高漂流频率为 10.48%,最远距离可达 50 m。有效防止外源基因向周围环境扩散的方法是,设置适当的隔离带, 隔离带的距离以 50-100 m为好,可将基因漂流频率降低为 0,并能保证 其中的外源基因不向外扩散。转基因通过传粉在空间上逃逸的程度是由 不同方向的不同距离上转基因花粉与非转基因作物杂交的频率来确定 的,随着距离的增加,杂交的频率降低。在转基因作物周围留出一定距 离的生殖隔离区作为缓冲带, 可显著降低由基因漂移引起的生态危险 (王10山东农业大学硕士学位论文劲,等, 2006;魏伟,等, 1999 。依据不同作物品种之间基因漂移频率 的

38、研究结果来制定相应的转基因水稻生物安全监测和管理措施。在自然界,植物之间的基因交流经常发生,通过种内和种间杂交产 生新的基因型或植物类型(陈佩度, 2001 。世界上 13种主要农作物中, 有 12种曾与野生种发生过天然杂交,其中 2种作物与野生近缘植物的杂 交在某些杂草物种的进化中起到了作用(Wolfenbarger &Phifer , 2000 。 玉米是目前转基因作物商品化的第二大作物,玉米可以与其近缘植物杂 交,已证明玉米的基因漂移到了杂草墨西哥类蜀黍中,然而,由于玉米 的近缘植物只分布在北美洲墨西哥一带,所以发生全球性基因漂移漂流 几乎为零(Darmency , 1997 。

39、水稻是世界上重要的粮食作物,有 2个栽 培种、 20个野生种。栽培种与野生种之间杂交率因材料差异很大,晚熟 类型品种常与数个野生种花期同步,使野生群体的异交率高达 52% (Langevin et al.,1990 。华南及云贵高原分布着丰富的水稻野生近缘种, 在我国推广转基因水稻应慎重。植物间的基因漂流,特别是种内品种间的基因漂流,是必然要发生 的,问题的关键是基因漂流后对生态环境能不能引起实质性的改变(宋 小玲, 2002 。通过多年实验证明,在与近缘物种的杂交能力以及杂交后 代的表现方面,转基因甜菜与非转基因甜菜相比较没有差异(Bartsch & Schuphan,2002 。当

40、然,基因漂流的风险分析需要考虑到不同基因、不同 物种或品种在不同国家或地区来逐例进行。1.3.3害虫对转基因作物的抗性抗性是一个种群对一种杀虫剂敏感度的降低,这种降低是以遗传为 基础的。抗性使得种群中等位基因的频率发生变化,所以可以定义为一 种进化现象(Tabashnik B E,1994 。在转基因作物广泛推广后,会逐步提 高靶标昆虫的抗性。害虫对 Bt 毒蛋白产生抗性的机制包括行为躲避、生 理生化机制及遗传机制(魏伟,等, 1999 。1985年, McGaughey (1985首次发现了仓库谷物害虫印度谷螟对 药剂的抗性可以在几代内产生。其中一个品系在用 Bt 处理的饲料上饲养11转基因

41、番茄对土壤生物学性质及养分吸收的影响2代,抗性增加近 30倍, 5代之后抗性达到 100倍。其抗性随后呈稳定 状态不再增加,当选择作用中断后,抗性保持稳定。经过若干代连续选 择,红铃虫对毒蛋白 CrylAc 制剂的抗性可提高 100倍以上(Liu et al.,2001 。 因此有人担心在转基因抗虫作物广泛推广后, 靶标昆虫的抗性 会逐步提高, 作物抗虫性降低, 最终难以控制靶标害虫。 赵建周等 (1998 人用棉叶片逐代汰选棉铃虫初孵幼虫 6, 11, 17代后,对单一 Bt 毒素蛋 白 CrylAc 的抗性指数分别提高 1.5, 4.0和 7.1倍,比用 Bt 粉剂汰选的抗 性发展速度明显

42、加快。 Andow 等(1998认为,即使在实验室模拟条件 下玉米螟抗性提高也罕见,在大田中尚未发现抗 Bt 的玉米螟品系。 昆虫具有很强的适应性,产生对转基因作物抗性增强的群体是必然 趋势。但通过采取高剂量、庇护所和多种抗虫基因结合等策略,与化学 杀虫剂相比,昆虫对转基因抗虫作物的抗性发展比较缓慢(万小羽, 2007 。1.3.4转基因作物对非靶标生物的影响生态学家认为,转基因作物是非自然进化的物种,它们都具有很强 的“选择优势” ,可以取代原来栖息地上的物种,最终导致区域生态的结 构变化,继而引起一些连锁反应,进而影响以原来植物为食的植食性昆 虫、天敌、昆虫捕食者(如蜘蛛、瓢虫、鸟类等的分

43、布和生长发育。 在生存竞争中,转基因作物可能会给己有的动植物带来很大的灾难(张 秀娟, 2002 。目前,对非靶标生物及生物多样性影响的研究主要集中在 抗虫转基因作物上。对非靶标生物的直接影响是指转基因作物的毒性。 Bt 蛋白专一性地 针对某些昆虫如鳞翅目昆虫,而不是专一性地针对某一种昆虫,因此对 同一类昆虫仍可产生影响。 如 Bt 玉米的花粉对大斑蝶幼虫的影响。 在 1999年 5月 Losey 等(1999在 Nature 上发表转 Bt 基因抗虫玉米引起大斑蝶 死亡的报道,从而引发了 Bt 玉米环境风险的争论。许多人提出质疑,大 斑蝶虽然以取食马利筋为主,但马利筋却生长在玉米田的边缘地带

44、,因 此认为 Losey 等的试验并不能反映田间情况。随后,在田间环境下的多12山东农业大学硕士学位论文个研究证明,大斑蝶及其他一些非靶标鳞翅目昆虫在玉米地周围取食不 到大量 Bt 的玉米花粉, Bt 玉米对它们的影响即使存在也很小 (Wraight et al.,2000; Pleasants et al.,2001 。有研究表明,抗虫基因除直接杀死靶标害 虫,进而导致靶标害虫的专性寄生性天敌在数量上有所减少外,对非靶 标害虫、害虫的天敌以及节肢动物的生物多样性均没有显著影响(刘志 诚,等, 2002;傅强,等, 2003;白耀宇,等, 2005;陈文滨,等, 2007; 刘雨芳,等, 20

45、05;姜永厚,等, 2005 。 Schuler 等 (2003报道,在抗 Bt 的菜蛾体内, Bt 毒素的有无对寄生蜂的寄生行为和生存没有影响。 评估转基因抗虫作物的应用对非靶标昆虫的影响应与使用化学杀虫 剂比较。美国每年因使用杀虫剂而杀死的鸟和昆虫分别达数百和数十亿 (Pimentel &Raven,2000 。 由此可见, 转基因抗虫作物的大规模生产对其 它昆虫的多样性保持不会产生很大的影响。1.3.5转基因作物对天敌的影响转基因作物对农田生态系统中天敌的影响是其生态风险评价的重要 内容之一。农田生态系统中作物一害虫一天敌三营养层通过营养流和化 学信息流的互作而协同共存,转基因作

46、物是否会通过第二营养层的靶标 或非靶标害虫而对天敌产生影响?绝大多数的研究表明转基因作物对天 敌昆虫无明显的负作用。在田间,转基因植物各组织器官都表达 Bt 杀虫 蛋白,植食性昆虫取食这些组织便摄取了 Bt 杀虫蛋白,捕食性昆虫又通 过捕食植食性猎物而间接地与 Bt 杀虫蛋白接触并有可能在体内富积(吴 研, 等, 2007 。 刘志诚等 (2003 在室内评价了拟水狼蛛对取食转 cryIAb 基因水稻的稻纵卷叶螟幼虫和褐飞虱若虫的捕食量及功能反应,认为转 cryIAb 基因水稻对拟水狼蛛捕食作用无明显的负作用。陈小娟等(2003 报道转 Bt 抗虫基因水稻生育期内稻田蜘蛛和田间水生生物的种类和

47、数量 没有发生显著变化。转 cryIAb/sck双基因抗虫水稻对稻田寄生蜂的物种 丰富度、多样性指数、均匀性指数和优势集中性指数的总体情况与时间 动态以及个体总数无明显负面影响,但在生长中期转基因水稻可降低稻 田寄生蜂的个体数量(刘雨芳,等, 2006 。以 Bt 棉田的棉蚜饲喂龟纹13转基因番茄对土壤生物学性质及养分吸收的影响瓢虫时,龟纹瓢虫的生长发育、存活以及繁殖等基本没有受到影响(张 桂芬,等, 2004 。用转基因抗虫棉花粉处理(花粉密度约 1000粒 /cm2和 10000粒 /cm2 的辽东栋叶片分别饲养蚁蚕至 3龄末, 结果显示, 与非 转基因棉花粉处理相比, 1-3龄期柞蚕的死

48、亡率、发育历期、以及食物利 用率、食物转化率、相对代谢速率、相对取食量和近似消化率等营养指 标均无显著差别(李文乐,等, 2003 。转 Bt 玉米、 Bt 棉花和 Bt 马铃薯 通过第二营养层的靶标或非靶标害虫并未对天敌生存、生长发育与繁殖 产生不良影响。也有研究证明转基因作物对天敌具有明显的负作用。普通草岭取食 了 Bt 玉米上的猎物时幼虫死亡率有明显增加(Hilbeck A et al.,1998 。用 转 GNA 基因马铃薯上的桃蚜饲喂大丽二斑瓢虫成虫后,雌虫寿命下降 50%,繁殖力下降 38%,卵的孵化率明显下降(Birch ANE et al.,1999 。 姜永厚等(2004在室

49、内对转基因水稻“克螟稻 1”中的 CryIAb 毒蛋白 经食物链传递在捕食性天敌拟水狼蛛体内的积累情况进行了研究,表明 CryIAb 可以沿水稻一害虫一天敌食物链传递,饲喂取食过“克螟稻 1” 二化螟或稻眼蝶幼虫的拟水狼蛛体内都含有一定浓度的 cryIAb ,其中, 拟水狼蛛体内的含量以饲喂取食“克螟稻 1”稻眼蝶幼虫的含量最高,约 为饲喂取食“克螟稻 1”二化螟幼虫的 60倍。1.3.6转基因作物对土壤生态安全的影响1.3.6.1转基因作物外源基因在土壤中的残留土壤是生态系统中物质循环和能量转化过程的重要场所,转基因植 物释放的外源基因是通过其表达蛋白残留在土壤中的。表达蛋白进入土 壤的途径

50、有 2条:一是通过转基因作物在生长过程中或收割后遗留在田 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 1 g新鲜组织中含有 34.0 µg 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 1.6 µg/g(干土 (SIMS S R, 1997 。 MON863玉米在其 生长期花粉中的 Cry3Bb1表达水平较高, 1 g鲜重花粉平均含有 77.189.214山东农业大学硕士学位论文µgCry3Bb1蛋白,因此其携带的外源蛋白就有可能进入土壤。二是通

51、过 转基因植物根系分泌物进入土壤。例如,通过无菌土培和水培试验表明, 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一定数量的 Bt 蛋白。转基因毒素在杀伤目标生物的同时,也会对非目标生物产生影响。 因此,转基因作物外源基因在环境中尤其是土壤环境中的累积已经引起 人们的广泛关注。转基因毒素能通过吸附作用与土壤活性颗粒结合在一 起,在土壤中会逐渐富集。如粘土矿物、腐殖酸、有机矿物聚合体等可 吸附外源蛋白(李孝刚, 2008 。 Crecchio 等(Crecchio C et al.,2001研 究了 Bt 亚种 kurstaki 产生的毒素蛋白(Btk 与蒙脱石 -腐殖酸 -Al

52、羟基聚 合体混合物的稳态吸附和结合, 结果表明, 在 1 h内吸附达到总吸附量的 70 %,在 8 h内产生了最大吸附,吸附量随毒素量的增加而提高,稳态 吸附的等温线为 L-型。 Tapp 等 (Tapp H et al.,1998研究发现,土壤中 Bt 毒素蛋白仅在很短时间内呈游离态,土壤黏粒和腐殖酸能迅速吸附 Bt 蛋 白并紧紧地结合, 234天后的结合态 Bt 蛋白对烟草甲虫和天蛾幼虫仍有 毒害作用, 而且其杀虫活性比游离态 Bt 蛋白还强, 但结合态 Bt 蛋白的结 构并未被修饰。 Btk 与 4种不同土壤纯化的腐殖酸的结合试验亦证实了 Btk 毒素蛋白能快速与胡敏酸结合,结合能力与腐

53、殖酸的各种功能团有 关,并且结合态 Btk 毒素保持较高的杀虫活性 (Crecchio C et al.,1998。研 究表明,与土壤黏粒、腐殖物质等组分结合的转基因毒素比游离态毒素 更不易被微生物降解,土壤中结合态的毒素蛋白不能作为微生物生长所 需的 C 源, 只有极少部分可作为 N 源被利用 (Tapp H et al.,1998; Crecchio C et al.,1998; Stotzky G et al.,2000。由此可见,土壤中的毒素蛋白可通过与 土壤各组分的结合而被积累并长期存在,残留的结合态毒素能对非目标 生物造成危害和增加目标昆虫的选择抗性,这将会增加转基因作物释放 可能

54、引起的生态环境风险。转基因作物外源基因在土壤中行为的研究较少,目前以转 Bt 基因作 物表达产物 Bt 蛋白的研究为主。转 Bt 基因作物长期种植可能使 Bt 蛋白 在土壤生态系统中富集,从而影响土壤特异生物种群、功能类群、生物 多样性和土壤生态学过程。 用转 Bt 玉米含有 CryIA (b蛋白的根系分泌物15转基因番茄对土壤生物学性质及养分吸收的影响和植株体的试验显示, 根系分泌物中的 Bt 蛋白在土壤中存在 180天以后, 仍有杀虫活性 (SAXENA D et al.,2002。而转 Bt 基因作物中的 Bt 蛋白在 土壤中消失的时间更长, 如根茬中的 Bt 杀虫蛋白在转 Bt 基因玉

55、米收获后 1447 d后才消失 (SIMS S R et al.,1997。 Rui 等发现 Bt 棉根系分泌的 Bt 毒素的高活性可持续 2个月 (RUI Y K et al.,2005。当然,也有研究表明, 在连续种植了 6年的转 Bt 棉花田中,用 ELISA 和生物检测法未检测到 Bt 毒蛋白 (GRAHAM H et al.,2002,因而得到转 Bt 棉花植株残体向土壤 释放的 Bt 毒蛋白含量很低,生物活性也不足以达到能检测到的水平的相 反结论。1.3.6.2转基因作物对微生物多样性的影响土壤微生物是维持土壤生物活性的重要组成,参与有机质分解、腐 殖质形成、养分转化和循环等多种土

56、壤生化过程,微生物活性和群落结 构的变化是土壤环境评价不可缺少的重要生物学指标 (滕应, 等, 2004 。 土壤微生物对外界干扰比较灵敏,转基因作物的外源基因和基因表达产 物的累积必然会对土壤微生物产生影响。转基因作物影响土壤微生物群 落有两条途径:一是通过转基因作物根系分泌物和转基因作物残体降解 的途径进入土壤生态系统,直接影响土壤微生物群落的构成、功能与稳 定性;二是转基因作物的遗传改良可能会影响到植物本身的分解速度和 碳、氮水平,进而间接影响土壤生物、生态过程。随着优质、抗病虫、耐逆境的转基因作物不断育成和释放应用,农 田植被类型与特征随之发生了变化。由此引发了农田生物多样性 (包括土

57、 壤微生物多样性 的变化及其对农业生态系统的健康与稳定的影响。转 Bt 作物在一定程度上能够改变土壤微生物的群落构成、微生物数量及其活 性。 Yudina 等发现 4种不同转 Bt 基因棉花促使了土壤中细菌和真菌数量 发生短暂性的显著增加 (YUDINA T G et al.,1997。 Watrud 和 Seidie 也报 道,转 Bt 基因棉花可以提高土壤中细菌和真菌的数量 (WATRUD L S et al.,1998 。但也有一些报道表明,转基因植物对土壤微生物区系没有显著 影响。例如,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

58、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 (Kathen A,1996; 钱迎16山东农业大学硕士学位论文倩,等, 1998; Firbank L G et al.,2000。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。 1.3.6.3转基因作物对土壤酶的影响土壤酶是土

59、壤中具有化学催化活性的物质,来源于动植物残体分解、 植物根系分泌和土壤生物的代谢,其活性体现了土壤中各种生物化学过 程的强度和方向,在一定程度上反映了土壤微生物的活性 (曹慧,等, 2005 。转基因作物种植在一定程度上改变土壤酶的活性,转凝集素和内切 几丁质酶基因的马铃薯释放后, 提高了土壤脱氢酶的活性 (Griffiths BS et al.,2000 ; 而转 -淀粉酶和木质素过氧化物酶基因的紫花苜蓿使得土壤脱 氢酶和碱性磷酸酶活性下降 (Donegan KK et al.,1995 。 种植转 Bt 基因水 稻后,土壤酶活性发生了显著变化,而且变化幅度与土壤酶的类型和转 Bt 基因水稻的生长发育时间有关,转