轉(zhuǎn)基因番茄栽培對土壤生物學(xué)特性的影響

摘 要:在盆栽條件下，研究了轉(zhuǎn)基因番茄和非轉(zhuǎn)基因番茄栽培對土壤酶活性、土壤微生物量碳含量以及土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量的影響。結(jié)果表明:與非轉(zhuǎn)基因番茄相比，一個栽培周期內(nèi)，轉(zhuǎn)基因番茄土壤脲酶活性無顯著性差異，在盛花期(63 d)和盛果期(127 d)，轉(zhuǎn)基因番茄顯著降低了土壤過氧化氫酶活性，轉(zhuǎn)基因番茄在苗期(37 d)極顯著地提高了土壤堿性磷酸酶活性，苗期和盛花期顯著降低了土壤微生物量碳含量，種植轉(zhuǎn)基因番茄極顯著地降低了土壤真菌數(shù)量，在苗期和結(jié)果初期(97 d)，轉(zhuǎn)基因番茄極顯著地降低了土壤細(xì)菌數(shù)量，而對土壤中放線菌數(shù)量的影響無顯著性差異。

關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)基因番茄;非轉(zhuǎn)基因番茄;酶活性;土壤微生物量碳;細(xì)菌;真菌;放線菌

中圖分類號:S154.3;S641.2 文獻(xiàn)標(biāo)識號:A 文章編號:1001-4942(2010)03-0046-05

轉(zhuǎn)基因植物是指利用生物技術(shù)，把從動物、植物或微生物等生物體中鑒定、分離的目的基因插入植物基因組中，改變其遺傳組成，產(chǎn)生新的農(nóng)藝性狀的植物。隨著社會的進(jìn)步以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)基因作物在培育抗蟲、抗病、抗逆境、抗除草劑和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)等農(nóng)作物新品種方面取得了令人矚目的成績。轉(zhuǎn)基因生物的生產(chǎn)和應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大，到2007年，世界轉(zhuǎn)基因作物的耕作面積已高達(dá)1.143×10⁸ hm²[1]。轉(zhuǎn)基因作物的生態(tài)風(fēng)險評估中，除了轉(zhuǎn)基因作物與野生親緣種間的基因漂流、靶標(biāo)生物的抗性及對非目標(biāo)生物物種多樣性的影響之外，還應(yīng)包括對土壤生態(tài)環(huán)境、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性影響的研究[2～5]。目前，轉(zhuǎn)基因植物的釋放物是否會對土壤生態(tài)安全造成影響已經(jīng)成為當(dāng)前研究的新熱點(diǎn)。

轉(zhuǎn)基因作物在栽培過程中其外源基因的表達(dá)產(chǎn)物(如Bt毒素)可通過根系分泌物[6，7]、植物殘體分解或秸稈還田以及花粉飄落[8]等途徑進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)，被土壤粘粒吸附而不易被微生物降解[9]，從而可能導(dǎo)致土壤的特異生物功能類群以及生物多樣性的改變。實(shí)驗(yàn)室研究表明，轉(zhuǎn)Bt基因水稻秸稈降解對土壤真菌和細(xì)菌有顯著影響，對土壤的放線菌和反硝化細(xì)菌活性有一定負(fù)面影響[10]。沈法富等(2004)[4]大田栽培試驗(yàn)證實(shí)了轉(zhuǎn)基因抗蟲棉根際微生物和細(xì)菌生理群的數(shù)量發(fā)生了變化。隨著轉(zhuǎn)基因蔬菜種植面積的增加，轉(zhuǎn)基因蔬菜對土壤生態(tài)安全的效應(yīng)受到越來越多的關(guān)注。目前，國內(nèi)有關(guān)種植轉(zhuǎn)基因番茄對土壤生物活性和土壤微生物影響的研究尚未見報道，本文通過番茄盆栽試驗(yàn)，研究了轉(zhuǎn)基因番茄及非轉(zhuǎn)基因番茄不同生育階段對土壤中酶活性、微生物量碳含量以及土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量的影響，可為評價轉(zhuǎn)基因番茄對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)教學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，其基本化學(xué)性狀見表1。供試番茄(Lycopersicum esculentum)品種為華番1號(轉(zhuǎn)基因耐儲藏番茄)和改良毛粉802F1(非轉(zhuǎn)基因)。供試盆缽為上口直徑28 cm，下口直徑24 cm，高19 cm的塑料桶。供試肥料:尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、氯化鉀(含K2O 60%)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

將兩品種番茄種子分別進(jìn)行熱水燙種和0.1%高錳酸鉀溶液浸種之后，用紗布包好分放兩個白色塑料盤中，放在30℃的恒溫培養(yǎng)箱中恒溫催芽，定期噴水，待種子“露白”后，將其移入裝有育苗基質(zhì)的穴盤中，用噴壺定期噴水，待幼苗長出兩片真葉后，選擇長勢一致的幼苗，分別在2009年6月12日定植于裝土12 kg并混有肥料(尿素3.47 g，過磷酸鈣7.1 g，氯化鉀3.38 g)的供試盆缽中，每個供試盆缽移栽2株，于6月20日留苗1株。于移栽當(dāng)天及隨后的4天內(nèi)每天澆水，每盆澆水量保持一致，以后視土壤干濕狀況澆水。每個品種種植12盆;每品種4個取樣時期，每個取樣時期重復(fù)3次，共12盆。分別于苗期(37 d)、盛花期(63 d)、結(jié)果初期(97 d)、盛果期(127 d)取樣，測定土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性和土壤微生物量碳含量，同時測定土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)目。

1.3 測定方法

土壤過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定，其活性以每克土所消耗的0.1 mol/L KMnO4溶液的毫升數(shù)表示;脲酶活性用靛酚藍(lán)比色法[11]測定，以每克土24 h產(chǎn)生的NH3-N毫克數(shù)表示;蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸比色法[11]測定，以每克土24 h產(chǎn)生的葡萄糖(Glucose)毫克數(shù)表示;堿性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法[12]測定，以每克土24 h產(chǎn)生的酚(PhOH)毫克數(shù)表示;土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸K2SO4浸提法測定[13];微生物采用常規(guī)的培養(yǎng)方法，細(xì)菌用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、放線菌用高氏培養(yǎng)基、真菌用馬丁培養(yǎng)基，用平板計數(shù)法統(tǒng)計數(shù)量[14];土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值測定采用常規(guī)方法[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003和DPS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄生長期間對土壤過氧化氫酶活性的影響

過氧化氫是由生物呼吸過程和有機(jī)物的生物化學(xué)氧化反應(yīng)產(chǎn)生的，它對生物和土壤均具有毒害作用。過氧化氫酶能夠促進(jìn)土壤中過氧化氫分解為水和氧氣，有利于防止它對生物體的毒害作用。土壤過氧化氫酶的活性在一定程度上可以表征土壤生物氧化過程和氧化還原能力的強(qiáng)弱[13]。

由圖1可見，兩個番茄品種在生長期內(nèi)土壤過氧化氫酶活性變化趨勢一致，隨著生長發(fā)育時期的延長呈先降低后升高的趨勢，并于盛花期(63 d)達(dá)到最低值。非轉(zhuǎn)基因番茄土壤過氧化氫酶活性在各個生育期內(nèi)均不同程度地高于轉(zhuǎn)基因番茄，但只在盛花期和盛果期(127 d)時差異達(dá)到顯著水平，與相應(yīng)時期的非轉(zhuǎn)基因番茄相比，分別降低了8.24%和3.34%。

2.2 番茄生長期間對土壤脲酶活性的影響脲酶是土壤中最活躍的水解酶類之一，能催化土壤中尿素的水解，從而使尿素轉(zhuǎn)化為銨供作物利用，其活性反映土壤有機(jī)態(tài)氮向有效態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力和土壤無機(jī)氮的供應(yīng)能力。在生長前期，兩個番茄品種土壤脲酶活性均呈現(xiàn)升高趨勢，盛花期土壤脲酶活性達(dá)到最大值，隨后逐漸降低，隨著生長發(fā)育期延長降低幅度逐漸增大。與非轉(zhuǎn)基因相比，除苗期(37 d)外，其余取樣時期，轉(zhuǎn)基因番茄均提高了土壤脲酶活性，但二者差異不顯著，表明與非轉(zhuǎn)基因番茄相比，轉(zhuǎn)基因番茄對土壤的供氮水平?jīng)]有明顯的影響。

2.3 番茄生長期間對土壤蔗糖酶活性的影響

蔗糖酶對增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)起著重要的作用，它能使蔗糖水解成葡萄糖和果糖，轉(zhuǎn)化為植物和微生物能夠利用的營養(yǎng)物質(zhì)。在番茄的整個生長期中，兩個番茄品種土壤蔗糖酶活性均呈降低趨勢，但降低幅度較小。各生長期，轉(zhuǎn)基因番茄土壤蔗糖酶活性均高于非轉(zhuǎn)基因番茄，但二者之間差異不顯著，說明轉(zhuǎn)基因番茄的種植在促進(jìn)碳水化合物轉(zhuǎn)化，為微生物提供更多營養(yǎng)源上沒有明顯的作用。

2.4 番茄生長期間對土壤堿性磷酸酶活性的影響

磷酸酶能促進(jìn)有機(jī)磷酯水解為無機(jī)磷酸，對土壤磷素的轉(zhuǎn)化利用具有重要作用，土壤磷酸酶活性的高低可以反映土壤速效磷的供應(yīng)狀況[13，16，17]。在番茄的整個生育期內(nèi)，兩個番茄品種土壤堿性磷酸酶活性均呈現(xiàn)升高趨勢，種植轉(zhuǎn)基因番茄土壤堿性磷酸酶活性與種植非轉(zhuǎn)基因番茄相比均有不同程度的提高，并且在苗期顯著提高了土壤堿性磷酸酶活性，與此時期非轉(zhuǎn)基因番茄相比提高了19.61%，說明轉(zhuǎn)基因番茄在苗期顯著促進(jìn)了土壤有機(jī)磷的礦化。

2.5 番茄生長期間對土壤微生物量碳的影響

土壤微生物量碳是土壤有機(jī)碳最活躍和最易變化的部分，是土壤養(yǎng)分的儲存庫和物質(zhì)循環(huán)的調(diào)節(jié)者，參與土壤中有機(jī)物質(zhì)、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和土壤腐殖質(zhì)的形成與分解過程。土壤微生物量碳被認(rèn)為是土壤變化前最敏感的指標(biāo)，同時被用來預(yù)測土壤質(zhì)量的長期變化趨勢。由圖5可見，在番茄生長期，兩種番茄土壤微生物量碳含量均呈先升高后降低，然后趨于穩(wěn)定的趨勢，并且在盛花期達(dá)到最高值。各生育期非轉(zhuǎn)基因番茄土壤微生物量碳含量均高于轉(zhuǎn)基因番茄，在苗期和盛花期二者之間達(dá)到極顯著差異，與非轉(zhuǎn)基因番茄相比，轉(zhuǎn)基因番茄土壤微生物量碳含量分別降低了49.06%和11.38%。

2.6 番茄生長期間對土壤主要微生物的影響

在番茄整個生長過程中，土壤細(xì)菌數(shù)量具有相似的變化趨勢，即先升高后下降(表2)。非轉(zhuǎn)基因番茄在結(jié)果初期(97 d)土壤細(xì)菌數(shù)量達(dá)到最大值，而轉(zhuǎn)基因番茄在盛花期土壤細(xì)菌數(shù)量達(dá)到最大值，雖然兩個品種的番茄土壤細(xì)菌數(shù)量達(dá)到最大值的時間不一致，但土壤細(xì)菌最大值的數(shù)量相當(dāng)。非轉(zhuǎn)基因番茄盛果期土壤細(xì)菌數(shù)量低于苗期，與苗期相比，降低幅度為9.30%，轉(zhuǎn)基因番茄盛果期土壤細(xì)菌數(shù)量則高于苗期，提高幅度為26.82%。在番茄的整個生長過程中，苗期和結(jié)果初期非轉(zhuǎn)基因番茄土壤細(xì)菌數(shù)量極顯著高于轉(zhuǎn)基因番茄。

非轉(zhuǎn)基因番茄的土壤真菌數(shù)量在苗期到盛花期期間呈現(xiàn)降低趨勢，而轉(zhuǎn)基因番茄土壤真菌數(shù)量則在此時期呈現(xiàn)升高趨勢，從盛花期開始，這兩個品種的番茄土壤真菌數(shù)量均呈降低趨勢，至盛果期，二者土壤真菌數(shù)量的降低幅度基本相同。番茄整個生長過程中，轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因兩個品種間，土壤真菌的數(shù)量存在極顯著差異，即各個生育期，轉(zhuǎn)基因的土壤真菌數(shù)量均極顯著低于非轉(zhuǎn)基因處理。

由表2看出，在番茄的整個生長過程中，土壤放線菌數(shù)量無明顯變化規(guī)律，轉(zhuǎn)基因番茄各生長期土壤放線菌數(shù)量的升高降低趨勢交替進(jìn)行(升高-降低-升高)。在苗期和盛果期轉(zhuǎn)基因番茄土壤放線菌數(shù)量顯著高于非轉(zhuǎn)基因番茄，而在盛花期則為轉(zhuǎn)基因番茄顯著低于非轉(zhuǎn)基因番茄;結(jié)果初期，二者之間差異不顯著;二者土壤放線菌數(shù)量達(dá)到最大值的時期均為盛果期。

3 討論與結(jié)論

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程的重要場所，土壤酶直接參與了土壤營養(yǎng)元素的有效化過程，在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的動態(tài)情況，對維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮平衡起著重要的作用[13，16～18]，而土壤生物多樣性與活性是該系統(tǒng)保持健康穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

3.1 本文通過番茄盆栽試驗(yàn)，研究轉(zhuǎn)基因番茄及非轉(zhuǎn)基因番茄不同生育階段對土壤中酶活性、微生物量碳含量以及土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量的影響。與非轉(zhuǎn)基因番茄相比，土壤脲酶活性沒有顯著性差異，說明對土壤的供氮能力沒有顯著影響，在盛花期和盛果期轉(zhuǎn)基因番茄顯著降低了土壤過氧化氫酶活性，轉(zhuǎn)基因番茄在苗期極顯著地提高了土壤堿性磷酸酶活性，苗期和盛花期顯著降低了土壤微生物量碳含量。土壤酶是一個非常敏感的指標(biāo)，施肥種類、管理與耕作方式、作物種類、土壤水分和環(huán)境條件等均可能影響土壤中酶的活性，因此，用土壤酶活性作為評價轉(zhuǎn)基因作物對土壤生物學(xué)特性的影響情況比較復(fù)雜，目前沒有一個統(tǒng)一的研究結(jié)果，在評價轉(zhuǎn)基因作物對土壤的影響時必須堅(jiān)持個案評價的原則，即根據(jù)不同的試驗(yàn)結(jié)果做不同的分析。

3.2 土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它能較早預(yù)測土壤養(yǎng)分及環(huán)境質(zhì)量的變化過程，是表征土壤生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的主要參數(shù)之一，轉(zhuǎn)基因作物的種植不可避免的會影響土壤微生物區(qū)系的組成和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響整個土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定。在對土壤主要微生物的影響上，本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，與非轉(zhuǎn)基因番茄相比，種植轉(zhuǎn)基因番茄極顯著地降低了土壤真菌數(shù)量，在苗期和結(jié)果初期，轉(zhuǎn)基因番茄極顯著地降低了土壤細(xì)菌數(shù)量，而對土壤中放線菌數(shù)量的影響沒有顯著性差異。

3.3 土壤生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)基因物質(zhì)進(jìn)入土壤后，所引起的變化依賴眾多因素，不同類型轉(zhuǎn)基因作物對土壤生物學(xué)特性的影響尚無定論，需要針對不同的轉(zhuǎn)基因作用機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步研究。本試驗(yàn)的結(jié)果是通過番茄盆栽獲得的，轉(zhuǎn)基因作物對土壤生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險仍需要通過田間試驗(yàn)進(jìn)行長期的跟蹤研究，以便作出更精確的評價。

參 考 文 獻(xiàn):

[1] 劉治先，喬 峰，張銘堂，等.世界轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，7:113-115.

[2] Romeis J， Battini M， Bigler F. Transgenic wheat with enchanced fungal resistance causes no effects on Folsomia candida (Collembola: Isotomidae)[J]. Pedobiologia， 2003， 47:141-147.

[3] Lachnicht S L， Hendrix P F， Potter R L， et al. Winter decomposition of transgenic cotton residue in conventional-till and no-till systems[J]. Applied Soil Ecology， 2004， 27: 135-142.

[4] 沈法富， 韓秀蘭， 范術(shù)麗. 轉(zhuǎn) Bt 基因抗蟲棉根際微生物區(qū)系和細(xì)菌生理群多樣性的變化[J].生態(tài)學(xué)報， 2004， 24 (3):432-437.

[5] 聶建榮， 王建武， 駱世明. 轉(zhuǎn)基因植物對農(nóng)業(yè)生物多樣性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 2003， 14 (8): 1369-1373.

[6] Saxena D， Florest S， Stotzky G. Insecticidal toxin in root exudates from Bt corn[J]. Nature， 1999， 402: 480.

[7] Saxena D， Florest S， Stotzky G. Bt toxin is released in root exudates from 12 transgenic corn hybrids representing three transformation events[J].Soil Biology and Biochemistry， 2002， 34: 133-137.

[8] Losey J E， Rayor L S， Cartet M E.Transgenic pollen harmsmonarch larvae[J].Nature， 1999， 399: 214.

[9] Tapp H， Calamai L，Stotzky G. Adsorption and binding of the insecticidal proteins from Bacillus thuringiensis Subsp.Kurstaki and subsp. tenebrionis on clay minerals[J].Soil Biology and Biochemistry， 1994， 26: 663-679.

[10]王洪興， 陳 欣， 唐建軍，等. 轉(zhuǎn)Bt基因水稻秸稈降解對土壤微生物可培養(yǎng)類群的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報，2004， 24 (1): 89-94

[11]關(guān)松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社，1986，12.

[12]趙蘭坡，姜 巖.土壤磷酸酶活性測定方法的探討[J].土壤通報，1986，6(3):138-141.

[13]Vance E D， Brookes P C， Jenkinson D S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C [J]. Soil Biol. Biochem.， 1987， 19: 703-707.

[14]沈 萍，范秀容，李廣斌.微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)(第3版)[M].北京:高等教育出版社，1996，6.

[15]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000，12.

[16]Alef K.Methods in Applied Soil Microbiology and Biochemistry[M]. New York: Academic Press，1995，229-355.

[17]周禮愷.土壤酶學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，1987.

[18]許光輝，鄭洪元.土壤微生物分析方法手冊[M] .北京:農(nóng)業(yè)出版社，1986.