轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的研究概況

李俊生 關(guān) 瀟 吳 剛 趙彩云 劉勇波

（1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100012；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科技學(xué)院 武漢 430070）

1 引言

自20世紀(jì)70年代重組DNA技術(shù)創(chuàng)建，到1983年首次獲得轉(zhuǎn)基因煙草、馬鈴薯以來，植物基因工程技術(shù)得到日新月異的發(fā)展，轉(zhuǎn)基因植物的研究及新品種的開發(fā)取得了飛速的進(jìn)展，已經(jīng)成功培育出一批抗蟲、抗病、耐除草劑和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的農(nóng)作物新品種。隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)基因植物的生產(chǎn)和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，轉(zhuǎn)基因作物已從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)了我們?nèi)粘Ｉ钊甾D(zhuǎn)基因抗蟲棉已得到商業(yè)化生產(chǎn)，并在全國(guó)大范圍、大面積種植；轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻、轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米已取得安全證書。

轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出了寶貴的貢獻(xiàn)，但伴隨這些潛在惠益的同時(shí)也可能對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一些消極的影響。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(chǎng)所，隨著轉(zhuǎn)基因作物的大面積推廣及種植，其植株殘?bào)w、根系分泌物和花粉等不斷向土壤中釋放Bt毒蛋白，且進(jìn)入土壤的Bt毒素可被土壤粘粒吸附而不易被微生物降解，引起B(yǎng)t毒素在土壤中的累積，從而會(huì)對(duì)土壤中的生物造成危害，進(jìn)而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的安全，因此研究轉(zhuǎn)基因作物外源基因在土壤中的殘留，以及對(duì)土壤酶活性、土壤動(dòng)物和土壤微生物的影響，可為轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)和安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

2 轉(zhuǎn)基因作物外源基因在土壤中的殘留

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，它是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化的重要場(chǎng)所，轉(zhuǎn)基因作物外源基因進(jìn)入土壤的途徑有2條：一是通過轉(zhuǎn)基因作物在生長(zhǎng)過程中或收割后遺留在田間的植株殘?bào)w及花粉向土壤中釋放，這是外源蛋白進(jìn)入土壤的主要途徑。二是通過轉(zhuǎn)基因植物根系分泌物進(jìn)入土壤。如秸稈還田的耕作方式為外源蛋白進(jìn)入土壤提供了有利的條件[1-3]。Sims和 Ream的研究表明，收獲前轉(zhuǎn)Bt基因棉花殘?bào)w的1g新鮮組織中含有3410gCryⅡA蛋白，把Bt棉花基質(zhì)均勻地埋入土壤后，檢測(cè)到土壤中CryⅡA蛋白的最高濃度為116g/g(干土)[4]。蘇云金芽孢桿菌產(chǎn)生的Bt毒素蛋白可通過枯枝落葉殘留在土壤中，并與土壤黏粒結(jié)合而不易降解，其毒性可持續(xù)2個(gè)～3個(gè)月[5]。通過根系分泌物向土壤中釋放外源蛋白是轉(zhuǎn)基因作物向土壤中釋放的主要方式。植物可通過根系分泌多種不同的物質(zhì),轉(zhuǎn)基因作物的根系則可能不斷地向根際周圍的土壤生物圈中釋放著外源蛋白。如轉(zhuǎn)Bt基因玉米通過根系向土壤分泌具有殺蟲活性的Bt毒素蛋白[6]。Saxena等[7]的認(rèn)為，雖然Bt毒素都可以從轉(zhuǎn)Bt基因玉米、水稻和馬鈴薯的根系分泌物中釋放出來，但各物種分泌Bt毒素的量并不一樣，在轉(zhuǎn)Bt基因油菜、棉花和煙草的根系分泌物中并沒有檢測(cè)到Bt毒素。Saxena等[8]還對(duì)轉(zhuǎn)Bt基因玉米生物體及其根系分泌物釋放的毒素對(duì)土壤蚯蚓、線蟲、原生動(dòng)物、細(xì)菌和真菌的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明轉(zhuǎn)Bt玉米生物體和根系分泌物釋放的Bt毒素蛋白在土壤中至少保持180d的殺蟲活性，但毒素的降解中間產(chǎn)物對(duì)土壤蚯蚓、線蟲、原生動(dòng)物、細(xì)菌和真菌沒有毒性。盆栽種植實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了轉(zhuǎn) Bt基因水稻確實(shí)能通過根系分泌物向土壤中導(dǎo)入殺蟲晶體蛋白，而且導(dǎo)入量與植株生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間有關(guān)[9]。

3 轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤中具有化學(xué)催化活性的物質(zhì)，它主要來源于動(dòng)植物殘?bào)w分解、植物根系分泌和土壤生物的代謝，活性體現(xiàn)了土壤中各種生物化學(xué)過程的強(qiáng)度和方向，是土壤重要的生物學(xué)特性，在一定程度上反映了土壤微生物的活性，在土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和能量轉(zhuǎn)移中起著關(guān)鍵性的作用[10]。轉(zhuǎn)Bt基因作物的種植可能改變尿酶、脫氫酶、磷酸酶的活性[11]。盆栽試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)凝集素和內(nèi)切幾丁質(zhì)酶基因的馬鈴薯釋放后,提高了土壤脫氫酶的活性[12]；而轉(zhuǎn)木質(zhì)素過氧化物酶基因的紫花苜蓿使得土壤脫氫酶和堿性磷酸酶活性下降[13]。孫彩霞等（2003）的研究表明，種植轉(zhuǎn)Bt基因水稻后，土壤酶活性發(fā)生了顯著變化，且變化幅度與土壤酶的類型和轉(zhuǎn)Bt基因水稻的生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間有關(guān)。與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ战M相比，轉(zhuǎn)Bt基因水稻種植15d，土壤脲酶活性降低了2.47%，土壤酸性磷酸酶活性提高了8.91%，土壤芳基硫酸酯酶活性有所下降，而脫氫酶活性有所增加，但差異不顯著[9]。吳偉祥等[14-17]也報(bào)道了淹水條件下轉(zhuǎn)Bt基因水稻(克螟稻)秸稈還田對(duì)土壤酶活性的影響，其研究結(jié)果表明，與相同生長(zhǎng)期的親本水稻秸稈相比，孕穗期和成熟期克螟稻秸稈對(duì)磷酸酶活性的影響較小，而對(duì)脫氫酶活性的影響非常顯著，同時(shí)對(duì)脫氫酶的影響也存在較大的差異；而在非淹水條件下，克螟稻秸稈還田對(duì)土壤蛋白酶、中性磷酸酶、脲酶活性和土壤呼吸強(qiáng)度雖然沒有顯著性影響，但土壤脫氫酶對(duì)添加克螟稻秸稈極其敏感，培養(yǎng)前63d內(nèi)其活性明顯高于對(duì)照處理,但此后兩種秸稈處理間的土壤脫氫酶活性差異逐漸消失。葉飛等[18]采用大田試驗(yàn)方法研究了雙價(jià)抗蟲棉SGK321和中棉所41兩種轉(zhuǎn)基因棉花的種植對(duì)根際土壤酶活性的影響，研究發(fā)現(xiàn)，種植兩種轉(zhuǎn)基因棉花在花鈴期對(duì)根際土壤脲酶活性的影響表現(xiàn)出顯著抑制作用，對(duì)土壤磷酸單脂酶活性表現(xiàn)出顯著促進(jìn)作用，而衰老期對(duì)磷酸單脂酶活性則表現(xiàn)抑制作用顯著，對(duì)根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性的影響表現(xiàn)為顯著抑制作用。馬麗穎等[19]也證明種植雙價(jià)抗蟲棉SGK321對(duì)土壤酶活性的影響較大：對(duì)脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶和中性磷酸酶活性的影響差異均達(dá)到了極顯著水平。Wu等（2004）研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室條件下，添加水稻秸稈粉碎組織后，土壤脫氫酶和磷酸酶活性均得到顯著提高，但轉(zhuǎn)Cry1Ab基因克螟稻和非轉(zhuǎn)基因親本稻間沒有差異[14]。

4 轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤動(dòng)物的影響

土壤動(dòng)物是表征土壤質(zhì)量變化的敏感生物學(xué)指標(biāo)之一。轉(zhuǎn)基因作物的外源基因及其表達(dá)產(chǎn)物進(jìn)入土壤后對(duì)土壤動(dòng)物的影響尤為受到關(guān)注。轉(zhuǎn)凝集素基因馬鈴薯的盆栽試驗(yàn)和大田試驗(yàn)均表明，原生動(dòng)物類群、鞭毛蟲和變形蟲數(shù)量與對(duì)照相比都有顯著降低；葉的分解試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)凝集素基因馬鈴薯原生動(dòng)物類群明顯減少，原生動(dòng)物總生物量、鞭毛蟲生物量與對(duì)照間的差異達(dá)到極顯著水平，變形蟲生物量差異顯著；但與對(duì)照相比，轉(zhuǎn)凝集素基因馬鈴薯土壤線蟲在生長(zhǎng)期沒有差異，殘茬分解對(duì)線蟲也沒有很大影響[12]。Donegan等[20]實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)蛋白酶抑制劑基因番茄周圍的土壤與親本和空白土壤相比，彈尾目種群數(shù)量下降，線蟲數(shù)量顯著增加，但原生動(dòng)物無顯著差異，且轉(zhuǎn)Bt基因玉米對(duì)原生動(dòng)物也無顯著影響[21，22]，轉(zhuǎn)蛋白酶抑制劑基因番茄和轉(zhuǎn)木質(zhì)素過氧化物酶基因紫花苜蓿對(duì)原生動(dòng)物沒有影響[6]。種植轉(zhuǎn)Bt基因煙草土壤中線蟲數(shù)量顯著增加[23]。轉(zhuǎn)蛋白酶抑制劑基因番茄與親本相比線蟲數(shù)量明顯增加[20]。與對(duì)照相比，轉(zhuǎn)凝集素基因馬鈴薯土壤線蟲在生長(zhǎng)期以及殘差分解對(duì)土壤線蟲都沒有明顯影響[12]，轉(zhuǎn)Bt基因玉米的種植與根茬的分別對(duì)線蟲總數(shù)沒有影響[21，22]。而Romeis等[24]研究也表明，與常規(guī)作物相比，轉(zhuǎn)基因小麥的種植和根茬分解對(duì)土壤線蟲的生長(zhǎng)沒有不良影響。Bottjer等（1985）推測(cè)Bt伴胞晶體蛋白作用線蟲的機(jī)制可能與作用于昆蟲的方式相似，線蟲吞人的毒素蛋白與線蟲腸道內(nèi)膜結(jié)合引起腸內(nèi)膜滲透性增大，從而破壞了線蟲腸道組織使線蟲致死[1]。

5 轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物是維持土壤生物活性的重要組成部分，參與有機(jī)質(zhì)分解、腐殖質(zhì)形成、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)等多種土壤生化過程,微生物活性和群落結(jié)構(gòu)的變化是土壤環(huán)境評(píng)價(jià)不可缺少的重要生物學(xué)指標(biāo)[25]。轉(zhuǎn)基因作物及其產(chǎn)物進(jìn)入土壤后，可能與土壤微生物相互作用，而影響微生物活動(dòng)過程[26]。Donegan等[20]關(guān)于轉(zhuǎn)蛋白酶抑制劑基因煙草對(duì)土壤微生物種類和數(shù)量的潛在影響的研究表明，轉(zhuǎn)基因植物根際土壤中Collembola的數(shù)量顯著降低。Glandorf等[27]研究發(fā)現(xiàn)，抗真菌和細(xì)菌蛋白會(huì)殘留在根際土壤中，從而影響腐生型土壤細(xì)菌的數(shù)量。轉(zhuǎn)Bt基因作物在一定程度上能夠改變土壤微生物的群落構(gòu)成、微生物數(shù)量及其活性。Yudina等[28]發(fā)現(xiàn)4種不同轉(zhuǎn)Bt基因棉花品種促使了土壤中細(xì)菌和真菌數(shù)量發(fā)生短暫性的顯著增加。Watrud和Seidler[29]也報(bào)道，轉(zhuǎn)Bt基因棉花可以提高土壤中細(xì)菌和真菌的數(shù)量。王洪興[30]在對(duì)轉(zhuǎn)Bt基因水稻秸稈降解對(duì)土壤真菌和細(xì)菌的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)Bt基因水稻秸稈降解對(duì)這兩種菌類都有顯著增加的作用，而對(duì)放線菌和反硝化細(xì)菌活性則顯著降低，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)對(duì)解磷細(xì)菌的活性無明顯的作用。錢迎倩等[31]也曾報(bào)道，帶有幾丁質(zhì)酶的抗真菌轉(zhuǎn)基因作物會(huì)通過殘枝落葉的降解物或根系分泌物減少土壤中菌根的種群。帶有抗真菌和細(xì)菌蛋白的轉(zhuǎn)基因作物，在提高了對(duì)有害菌抵抗能力的同時(shí)，也會(huì)對(duì)土壤中其他有益菌造成一定威脅，破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)和物種群落結(jié)構(gòu)，對(duì)作物帶來不利影響[28]。但也有一些報(bào)道表明，轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤微生物區(qū)系沒有顯著影響，如轉(zhuǎn)Bt基因棉花和馬鈴薯的根系分泌物對(duì)土壤細(xì)菌和真菌的數(shù)量、種類、豐富度及植物病原水平的研究發(fā)現(xiàn)，根際微生物的數(shù)量在轉(zhuǎn)基因與對(duì)照間差異不顯著[32，33]。

6 結(jié)語

轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境的影響依賴于許多因素，迄今的研究結(jié)果也尚無定論。因此，轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤生物的毒素殘留作用，其給環(huán)境帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)乃是今后人類在推廣轉(zhuǎn)基因作物時(shí)所面臨的重大挑戰(zhàn)之一。同時(shí)，轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤生物的作用，隨著時(shí)間的積累及生物富集作用的不斷擴(kuò)大，其危害性是否會(huì)逐步顯現(xiàn)卻存在高度的不可預(yù)見性。因此，今后還應(yīng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤環(huán)境或農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，特別要重點(diǎn)開展敏感指標(biāo)的篩選和評(píng)價(jià)，使轉(zhuǎn)基因作物對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響減少到最低限度。

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