转EPSPS基因抗除草剂玉米‘CC2’对土壤动物群落的短期影响

发布时间: 2022-03-30 10:05:26 浏览：次

摘要

综合利用手捡法、干漏斗法和巴氏罐诱捕法3种方法，以群落组成、物种丰富度、个体数、多样性指数、均匀度指数和优势度指数为参数，系统研究转EPSPS基因抗除草剂玉米‘CC2’种植对土壤动物群落的短期影响。结果表明，无论是喷施除草剂处理还是不喷施除草剂处理，转基因玉米‘CC2’较之对应的非转基因对照‘郑58’，在土壤动物群落组成及群落结构参数等方面均无显著差异。可初步认定，转EPSPS基因抗除草剂玉米‘CC2’对土壤动物群落无不利影响。

关键词

转基因抗除草剂玉米；土壤动物；群落结构

中图分类号：

Q 819

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.05291542.2017.01.006

Abstract

Handsorting， Macfadyen and pitfall trap methods were used to investigate the effects of transgenic herbicideresistant EPSPS gene maize variety ‘CC2’ on community composition， species richness， individual number， ShannonWiener diversity index， Pielou index and Simpson index of soil fauna in maize fields. The results showed that the transgenic herbicideresistant maize ‘CC2’ with or without herbicide had no significant effects on community composition and community structure when compared with nontransgenic maize ‘Zheng58’. It indicated that no adverse effect of transgenic herbicideresistant maize with EPSPS gene on soil fauna community.

Key words

transgenic herbicideresistant maize；soil fauna；community structure

玉米是世界上分布最广泛的作物之一，是食品、化工、燃料、医药、饲料加工等行业的重要原料，在国民经济中起着十分重要的作用[1]。转基因玉米具有降低成本、促进增产、减少农药喷洒等诸多优点，其产业在全球范围内取得重要成功。截至2014年，全球转基因玉米种植面积超过5 000万hm2[2]。人们在享受转基因玉米种植带来的巨大经济与社会效益的同时，对于其安全性，尤其是对环境中生物多样性可能带来的潜在风险亦十分关注[34]。迄今，国内外学者针对转基因玉米生物多样性影响的研究主要集中在地上部分[57]。例如李凡等采用直接观察法研究发现转植酸酶基因玉米的短期种植对田间地上部节肢动物群落多样性没有明显影响[8]；王尚等通过直接观察法和陷阱法相结合研究发现，转EPSPS基因抗除草剂玉米‘CC2’对田间节肢动物多样性影响不显著[9]；与此类似，郭井菲等结合直接观察法、地面陷阱法、吸虫器调查法和空中水盆诱捕法4种方法，研究转cry1Ie基因抗虫玉米对田间节肢动物群落多样性的影响，亦未发现显著影响[10]。

土壤动物作为土壤生态系统中物质循环和能量流动的重要参与者，其种类丰富，数量众多，并且对环境变化敏感，其物种组成和生存密度会随着环境的变化而改变，因此土壤动物成为评价转基因植物生态安全性的重要生物指标[1112]。

本研究选址吉林省公主岭市，选材我国自主研发，具有知识产权的转EPSPS基因抗除草剂玉米‘CC2’，综合利用手捡法、干漏斗法和巴氏罐诱捕法3种调查方法，分析土壤动物群落结构中最具代表性参数之间的差异显著性，研究转基因玉米‘CC2’对土壤动物群落的影响，旨在为品种的未来推广积累安全数据。

1材料与方法

1.1试验材料

由中国农业大学研发的转EPSPS基因抗除草剂玉米‘CC2’，及其非转基因对照品种‘郑58’。

1.2试验地点

本试验在国家转基因玉米大豆中试与产业化基地（公主岭）环境安全研究试验圃场进行。公主岭市（124°02′～125°18′E，43°11′～44°09′ N）位于东辽河中游右岸，总面积4 027 km2，属于大陆性季风气候，年平均气温5.6℃，年平均降水量594.8 mm，无霜期144 d，地质肥沃，是地处松辽平原的黄金玉米带[1314]。

1.3试验设计与管理

本试验设置3个处理。处理1：不喷施除草剂转基因玉米（C）；处理2：喷施目标除草剂转基因玉米（目标除草剂为41%草甘膦异丙胺盐水剂，按照登记标签的推荐剂量1 230 g/hm2进行施用）（CH）；处理3：对照不喷施除草剂非转基因玉米（CK）；每个处理设置3个小区，采用随机区组排列，每个小区面积10 m×15 m（长×宽），2014年4月23日按照当地玉米田种植方式进行播种，采用常规耕作方式进行管理，不施用杀虫剂。

1.4调查方法

手撿法：2014年5月至9月进行，每月进行一次。每个小区随机选取3点，每个点用铁铲挖取长、宽、高各为0.5 m的样方，分离出土样中肉眼可直接观察到的土壤动物，置于10 mL离心管中乙醇保存，带回实验室进一步鉴定[15]。

干漏斗法：2014年5月至9月进行，每月进行一次。每个小区随机选取5点，每点用直径为8 cm，高为15 cm的取土器取土一钻（10 cm深，共约200 mL土）放入自封袋带回实验室。采用改良的干漏斗（Macfadyen）分离法进行土壤动物分类[16]，分离出的标本用装入95%乙醇溶液的收集瓶，4℃冰箱内保存，待进一步鉴定[17]。

巴氏罐诱捕法：2014年8月、10月各进行一次。由于8月份扬粉期过后，抗除草剂蛋白会在地表达到一定量的积累，同时10月份进入成熟期，玉米残体掉落地面，也会造成抗除草剂蛋白的积累，因此该方法选择在这2个时期进行。每小区随机选取5点，每点埋设3个口径为8 cm，深度為13 cm的杯子，杯内装有少量巴氏诱捕液（乙醇∶糖∶醋∶水=1∶2∶2∶20），杯口与地面平齐，采集地面活动的节肢动物[15]。

鉴定土壤动物过程中主要参照《中国土壤动物检索图鉴》[18]、《幼虫分类学》[19]、《中国昆虫生态大图鉴》[20]等相关著作，并记录土壤动物的种类和数量。

1.5数据处理

根据收集到的每个类群个体数占全部土壤动物数量的百分比进行数量等级的划分：优势类群为10%以上；常见类群为1%～10%；稀有类群为小于1%[21]。

本研究采用以下群落结构参数进行分析：物种丰富度用S表示；个体数用I表示；多样性指数：H′=-∑（ni/N）ln（ni/N）；均匀度指数：J=H′/lnS；优势度指数：D=∑（ni/N）2[22]。

运用EXCEL 2007和DPS软件对数据进行统计与整理，SPSS19.0软件进行试验数据的分析，采用单因素方差分析（oneway analysis， ANOVA）和最小差异显著法（LSD）分析不同处理间的差异显著性。

2结果与分析

2.1手捡法

2014年5-9月，5次手捡法采集到样本135份。不喷施除草剂转基因玉米田（C）中，鉴定出节肢动物4纲11目以及线蚓科和单向蚓目共计309头，优势类群为鞘翅目幼虫、单向蚓目、鞘翅目成虫；常见类群为线蚓科、蜘蛛目、地蜈蚣目、鳞翅目幼虫、半翅目、膜翅目、石蜈蚣目；稀有类群为直翅目、革翅目、等足目。喷施目标除草剂转基因玉米田（CH）中，鉴定出节肢动物4纲10目以及线蚓科和单向蚓目共计269头，优势类群为鞘翅目幼虫、单向蚓目、线蚓科；常见类群为鞘翅目成虫、蜘蛛目、地蜈蚣目、鳞翅目幼虫、膜翅目、石蜈蚣目、直翅目、等足目；稀有类群为半翅目。对应的非转基因对照玉米田（CK）中，鉴定出节肢动物4纲11目以及线蚓科和单向蚓目共计288头，优势类群为鞘翅目幼虫、单向蚓目、线蚓科、蜘蛛目；常见类群为鞘翅目成虫、地蜈蚣目、鳞翅目幼虫、膜翅目、石蜈蚣目、直翅目、等足目；稀有类群分别为半翅目、革翅目。统计分析结果显示，在土壤动物的发生种类和数量方面3种处理玉米田间无显著差异（P>0.05）（表1）。

对3种不同处理玉米田中的土壤动物群落结构动态变化进行分析，结果表明，各处理玉米田中土壤动物群落结构特征参数总体变化趋势相似。其中，物种丰富度、个体数和多样性指数在7月份下降，随后不断上升；优势度指数随着时间变化趋于平稳；均匀度指数则不断上升。利用重复方差对3种不同处理玉米田中的土壤动物群落物种丰富度（P=0.271）、个体数（P=0.85）、多样性指数（P=0.216）、均匀度指数（P=0.44）和优势度指数（P=0.11）进行分析，未发现显著差异（P>0.05，ttest）（表2）。

2.2干漏斗法

2014年5-9月，5次干漏斗法采集到样本225份。不喷施除草剂转基因玉米田（C）中，鉴定出节肢动物6纲9目以及线蚓科和单向蚓目共计5 094头，优势类群为蜱螨目、弹尾目；稀有类群共9类，分别是蚁科、啮虫目、线蚓科、双尾目、鞘翅目成虫、鞘翅目幼虫、地蜈蚣目、蠋科、单向蚓目。喷施目标除草剂转基因玉米田（CH）中，鉴定出节肢动物6纲9目以及线蚓科和单向蚓目共计4 832头，优势类群为蜱螨目、弹尾目；稀有类群共9类，分别是蚁科、啮虫目、线蚓科、双尾目、鞘翅目成虫、鞘翅目幼虫、地蜈蚣目、蠋科、单向蚓目。对应的非转基因对照玉米田（CK）中，鉴定出节肢动物3纲9目以及线蚓科和单向蚓目共计4 578头，优势类群为蜱螨目、弹尾目；稀有类群共9类，分别是蚁科、啮虫目、线蚓科、双尾目、鞘翅目成虫、鞘翅目幼虫、地蜈蚣目、蠋科、单向蚓目。统计分析结果显示，在土壤动物的发生种类和数量方面3种处理玉米田间没有明显差异（P>0.05）（表3）。

对3种不同处理玉米田中的土壤动物群落结构动态变化进行分析，结果表明，各处理玉米田土壤动物群落结构特征参数总体变化趋势一致。其中，物种丰富度在6月达到最高值后呈下降趋势；个体数在5月和7月数值相对较低；多样性指数、均匀度指数和优势度指数都是呈逐月平缓递减的趋势。利用重复方差对3种不同处理玉米田中的土壤动物群落物种丰富度（P=0.598）、个体数（P=0.451）、多样性指数（P=0.819）、均匀度指数（P=0.507）和优势度指数（P=0.344）进行分析，未发现显著性差异（P>0.05，ttest）（表4）。

2.3巴氏罐诱捕法

2014年8月和10月2次巴氏罐诱捕法采集到样本90份。不喷施除草剂转基因玉米田（C）中，鉴定出节肢动物4纲13目共计871头，优势类群为蜱螨目、弹尾目；常见类群为蚁科、鞘翅目成虫、缨翅目、直翅目、鞘翅目幼虫、蜘蛛目；稀有类群5类，分别是啮虫目、蠼螋科、地蜈蚣目、石蜈蚣目、鼠妇虫科。喷施目标除草剂转基因玉米田（CH）中，鉴定出节肢动物4纲13目共计904头，优势类群为蜱螨目、弹尾目；常见类群为蚁科、鞘翅目成虫、缨翅目、直翅目、鞘翅目幼虫、蜘蛛目；稀有类群5类，分别是啮虫目、蠼螋科、地蜈蚣目、石蜈蚣目、鼠妇虫科。对应的非转基因对照玉米田（CK）中，鉴定出节肢动物4纲13目共计1 005头，优势类群为蜱螨目、弹尾目、常见类群为蚁科、鞘翅目成虫、缨翅目、直翅目、鞘翅目幼虫、蜘蛛目；稀有类群5类，分别是啮虫目、蠼螋科、地蜈蚣目、石蜈蚣目、鼠妇虫科。统计分析结果显示，在土壤动物的发生种类和数量方面3种处理玉米田间没有显著性差异P>0.05（表5）。

对3种不同处理玉米田中的土壤动物群落结构动态变化进行分析，结果表明，各处理玉米田土壤动物群落结构特征参数总体变化趋势相似。其中，物种丰富度、个体数和多样性指数在调查期间呈下降趋势；均匀度指数则处于上升趋势；优势度指数随着时间变化趋于平稳。利用重复方差对3种不同处理玉米田中的土壤动物群落物种丰富度（P=0.381）、个体数（P=0.352）、多样性指数（P=0.7）、均匀度指数（P=0.52）和优势度指数（P=0.808）进行分析，未发现显著性差异（P>0.05，ttest）（表6）。

3讨论

迄今，转基因作物对生物多样性影响的研究多为针对地上部分，而地下部的相关研究较少。祝向钰等2012年用环刀取样法研究了转Bt基因水稻土壤跳虫的变化情况[23]；同年吴刚等采用环刀法和土钻法相结合的方式调查了转Bt基因水稻对土壤跳虫、线虫和螨类三大指示生物種群数量的影响情况[24]；2014年郭维维等和王柏凤等采用土钻法分别研究了转植酸酶基因玉米种植对土壤线虫群落和跳虫群落的影响[25，17]。刘新颖等2016采用手捡法和巴氏罐诱捕法就转cry1Ie基因抗虫玉米‘IE09S034’对田间大型土壤动物多样性的影响展开了研究[15]。以上研究，皆是抗虫或转植酸酶性状对于地下部大型或小型节肢动物的影响，关于抗除草剂玉米对于地下部大型和小型节肢动物的影响未见报道。

本试验中，选取最具产业化前景的转EPSPS基因抗除草剂玉米‘CC2’，将手捡法、干漏斗法和巴氏罐诱捕法3种方法相结合，来对玉米田大小型土壤动物的数量组成及群落结构进行全面调查。其中，手捡法用来收集真土层和半土层易于观察的较大体型土壤动物[26]。巴氏罐诱捕法用来搜集玉米田地表面活动能力较强的土壤动物。同时，由于巴氏罐诱捕法埋杯在第2天进行搜集，达到收集时间较长并且经历夜间，这也弥补了手捡法只能收集到白天活动的土壤动物的局限性。干漏斗法可以收集到真土层和表土层中肉眼难以分辨的小型土壤动物[27]。以上3种方法互相补充，可以较全面地收集玉米田间大小型土壤动物，确保田间调查的结果更为全面可靠。

本试验中3种不同处理玉米田之间物种丰富度、个体数、多样性指数、均匀度指数和优势度指数之间均无显著差异，即转EPSPS基因抗除草剂玉米的种植对地下部土壤动物的群落和多样性无不利影响。本试验为1年调查结果，试验数据缺少时间上的对比，因此未来还需要进行多年的跟踪调查，最终确定转基因玉米的环境安全性。

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