轉基因番茄栽培對土壤生物學特性的影響

摘 要:在盆栽條件下，研究了轉基因番茄和非轉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菌、真菌、放線菌數量的影響。結果表明:與非轉基因番茄相比，一個栽培周期內，轉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)，轉基因番茄顯著降低了土壤過氧化氫酶活性，轉基因番茄在苗期(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，種植轉基因番茄極顯著地降低了土壤真菌數量，在苗期和結果初期(97 d)，轉基因番茄極顯著地降低了土壤細菌數量，而對土壤中放線菌數量的影響無顯著性差異。

關鍵詞:轉基因番茄;非轉基因番茄;酶活性;土壤微生物量碳;細菌;真菌;放線菌

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

轉基因植物是指利用生物技術，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，產生新的農藝性狀的植物。隨著社會的進步以及科學技術的發展，轉基因作物在培育抗蟲、抗病、抗逆境、抗除草劑和高產優質等農作物新品種方面取得了令人矚目的成績。轉基因生物的生產和應用范圍也日益擴大，到2007年，世界轉基因作物的耕作面積已高達1.143×10⁸ hm²[1]。轉基因作物的生態風險評估中，除了轉基因作物與野生親緣種間的基因漂流、靶標生物的抗性及對非目標生物物種多樣性的影響之外，還應包括對土壤生態環境、土壤微生物群落結構和多樣性影響的研究[2～5]。目前，轉基因植物的釋放物是否會對土壤生態安全造成影響已經成為當前研究的新熱點。

轉基因作物在栽培過程中其外源基因的表達產物(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]等途徑進入土壤生態系統，被土壤粘粒吸附而不易被微生物降解[9]，從而可能導致土壤的特異生物功能類群以及生物多樣性的改變。實驗室研究表明，轉Bt基因水稻秸稈降解對土壤真菌和細菌有顯著影響，對土壤的放線菌和反硝化細菌活性有一定負面影響[10]。沈法富等(2004)[4]大田栽培試驗證實了轉基因抗蟲棉根際微生物和細菌生理群的數量發生了變化。隨著轉基因蔬菜種植面積的增加，轉基因蔬菜對土壤生態安全的效應受到越來越多的關注。目前，國內有關種植轉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，研究了轉基因番茄及非轉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菌、真菌和放線菌數量的影響，可為評價轉基因番茄對土壤生態系統的影響提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自山東農業大學南校區教學實驗基地，其基本化學性狀見表1。供試番茄(Lycopersicum esculentum)品種為華番1號(轉基因耐儲藏番茄)和改良毛粉802F1(非轉基因)。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 試驗設計

將兩品種番茄種子分別進行熱水燙種和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。于移栽當天及隨后的4天內每天澆水，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3次，共12盆。分別于苗期(37 d)、盛花期(63 d)、結果初期(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，同時測定土壤中細菌、真菌和放線菌數目。

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溶液的毫升數表示;脲酶活性用靛酚藍比色法[11]測定，以每克土24 h產生的NH3-N毫克數表示;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產生的葡萄糖(Glucose)毫克數表示;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產生的酚(PhOH)毫克數表示;土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸K2SO4浸提法測定[13];微生物采用常規的培養方法，細菌用牛肉膏蛋白胨培養基、放線菌用高氏培養基、真菌用馬丁培養基，用平板計數法統計數量[14];土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值測定采用常規方法[15]。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2003和DPS軟件對數據進行處理。

2 結果與分析

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物的生物化學氧化反應產生的，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弱[13]。

由圖1可見，兩個番茄品種在生長期內土壤過氧化氫酶活性變化趨勢一致，隨著生長發育時期的延長呈先降低后升高的趨勢，并于盛花期(63 d)達到最低值。非轉基因番茄土壤過氧化氫酶活性在各個生育期內均不同程度地高于轉基因番茄，但只在盛花期和盛果期(127 d)時差異達到顯著水平，與相應時期的非轉基因番茄相比，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，從而使尿素轉化為銨供作物利用，其活性反映土壤有機態氮向有效態氮的轉化能力和土壤無機氮的供應能力。在生長前期，兩個番茄品種土壤脲酶活性均呈現升高趨勢，盛花期土壤脲酶活性達到最大值，隨后逐漸降低，隨著生長發育期延長降低幅度逐漸增大。與非轉基因相比，除苗期(37 d)外，其余取樣時期，轉基因番茄均提高了土壤脲酶活性，但二者差異不顯著，表明與非轉基因番茄相比，轉基因番茄對土壤的供氮水平沒有明顯的影響。

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物質起著重要的作用，它能使蔗糖水解成葡萄糖和果糖，轉化為植物和微生物能夠利用的營養物質。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，轉基因番茄土壤蔗糖酶活性均高于非轉基因番茄，但二者之間差異不顯著，說明轉基因番茄的種植在促進碳水化合物轉化，為微生物提供更多營養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

磷酸酶能促進有機磷酯水解為無機磷酸，對土壤磷素的轉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狀況[13，16，17]。在番茄的整個生育期內，兩個番茄品種土壤堿性磷酸酶活性均呈現升高趨勢，種植轉基因番茄土壤堿性磷酸酶活性與種植非轉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，與此時期非轉基因番茄相比提高了19.61%，說明轉基因番茄在苗期顯著促進了土壤有機磷的礦化。

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碳最活躍和最易變化的部分，是土壤養分的儲存庫和物質循環的調節者，參與土壤中有機物質、養分的轉化和土壤腐殖質的形成與分解過程。土壤微生物量碳被認為是土壤變化前最敏感的指標，同時被用來預測土壤質量的長期變化趨勢。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，然后趨于穩定的趨勢，并且在盛花期達到最高值。各生育期非轉基因番茄土壤微生物量碳含量均高于轉基因番茄，在苗期和盛花期二者之間達到極顯著差異，與非轉基因番茄相比，轉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，土壤細菌數量具有相似的變化趨勢，即先升高后下降(表2)。非轉基因番茄在結果初期(97 d)土壤細菌數量達到最大值，而轉基因番茄在盛花期土壤細菌數量達到最大值，雖然兩個品種的番茄土壤細菌數量達到最大值的時間不一致，但土壤細菌最大值的數量相當。非轉基因番茄盛果期土壤細菌數量低于苗期，與苗期相比，降低幅度為9.30%，轉基因番茄盛果期土壤細菌數量則高于苗期，提高幅度為26.82%。在番茄的整個生長過程中，苗期和結果初期非轉基因番茄土壤細菌數量極顯著高于轉基因番茄。

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

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

3 討論與結論

土壤是生態系統中物質循環和能量轉化過程的重要場所，土壤酶直接參與了土壤營養元素的有效化過程，在一定程度上反映了土壤養分轉化的動態情況，對維持土壤生態系統的碳、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保持健康穩定的基礎。

3.1 本文通過番茄盆栽試驗，研究轉基因番茄及非轉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菌、真菌和放線菌數量的影響。與非轉基因番茄相比，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基因番茄顯著降低了土壤過氧化氫酶活性，轉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，施肥種類、管理與耕作方式、作物種類、土壤水分和環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基因作物對土壤生物學特性的影響情況比較復雜，目前沒有一個統一的研究結果，在評價轉基因作物對土壤的影響時必須堅持個案評價的原則，即根據不同的試驗結果做不同的分析。

3.2 土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分，它能較早預測土壤養分及環境質量的變化過程，是表征土壤生態系統群落結構和穩定性的主要參數之一，轉基因作物的種植不可避免的會影響土壤微生物區系的組成和結構，進而影響整個土壤生態系統的功能和農業生態系統的健康和穩定。在對土壤主要微生物的影響上，本試驗研究結果表明，與非轉基因番茄相比，種植轉基因番茄極顯著地降低了土壤真菌數量，在苗期和結果初期，轉基因番茄極顯著地降低了土壤細菌數量，而對土壤中放線菌數量的影響沒有顯著性差異。

3.3 土壤生態系統是一個復雜的系統，轉基因物質進入土壤后，所引起的變化依賴眾多因素，不同類型轉基因作物對土壤生物學特性的影響尚無定論，需要針對不同的轉基因作用機理進行進一步研究。本試驗的結果是通過番茄盆栽獲得的，轉基因作物對土壤生態系統的潛在風險仍需要通過田間試驗進行長期的跟蹤研究，以便作出更精確的評價。

參 考 文 獻:

[1] 劉治先，喬 峰，張銘堂，等.世界轉基因農作物的應用現狀和發展趨勢[J].山東農業科學，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， 范術麗. 轉 Bt 基因抗蟲棉根際微生物區系和細菌生理群多樣性的變化[J].生態學報， 2004， 24 (3):432-437.

[5] 聶建榮， 王建武， 駱世明. 轉基因植物對農業生物多樣性的影響[J]. 應用生態學報， 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Bt基因水稻秸稈降解對土壤微生物可培養類群的影響[J]. 生態學報，2004， 24 (1): 89-94

[11]關松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京:農業出版社，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.微生物學實驗(第3版)[M].北京:高等教育出版社，1996，6.

[15]鮑士旦.土壤農化分析[M].北京:中國農業出版社，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[M].北京:科學出版社，1987.

[18]許光輝，鄭洪元.土壤微生物分析方法手冊[M] .北京:農業出版社，1986.