轉基因抗蟲棉對根際土壤Bt蛋白殘留和養分含量的影響

陳彥君++任夢云+關瀟++杜樂山++劉方++戚春林

摘要：以轉基因抗蟲棉SGK321及其親本常規棉石遠321為研究對象，采用ELISA試劑盒法檢測其在不同生育期根際土壤的Bt蛋白殘留量，同時比較根際土壤速效養分含量的變化。結果表明：轉基因抗蟲棉SGK321根際土壤Bt蛋白殘留量在整個生長期呈先上升后下降的趨勢，且在各生育期均與親本差異顯著，其中蕾期轉基因較親本高99609%。在整個生長期，2種棉花根際土壤各養分含量的變化不同，二者根際土壤硝態氮含量均呈下降趨勢，僅在苗期、花鈴期差異顯著；轉基因抗蟲棉SGK321根際土壤中銨態氮含量呈下降趨勢，在蕾期、花鈴期與親本差異顯著；其速效磷含量呈先下降后上升趨勢，親本常規棉呈上升趨勢，其中苗期轉基因較親本低40.13%。研究發現，轉基因抗蟲棉SGK321根際土壤Bt蛋白殘留量和養分含量主要受轉基因棉花種植及生育期的影響。

關鍵詞：轉基因抗蟲棉；Bt蛋白；根際土壤；土壤養分；生育期

中圖分類號： S181文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2017）06-0305-03

據國際農業生物技術應用服務局（International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications，簡稱ISAAA）最新報道，從1996年到2015年的20年期間全球轉基因作物累計種植面積達到20億hm2。20年的商業化種植充分證明，轉基因作物已經實現了先前的承諾，為農民乃至全社會帶來了農業、環境、經濟、健康和社會效益。

棉花是全球主要經濟、纖維作物之一，是我國種植面積最大的轉基因作物。2015年，我國棉花總種植面積為380萬hm2，其中370萬hm2為轉基因棉花。轉基因棉花在為社會帶來巨大經濟效益的同時，對生態環境潛在的安全風險也越來越多地被關注[1-4]。到目前為止，轉基因抗蟲棉的大面積種植是否會破壞原有生態環境和動態平衡，是轉基因棉生態安全性研究的重點。

土壤生態系統是轉基因植物外源基因及其產物表達的主要場所，已有研究表明，轉基因抗蟲作物釋放的Bt蛋白可通過根系分泌物、花粉飄落、秸稈還田等多種途徑進入土壤生態系統，在作物生長過程中，根系分泌是殺蟲晶體蛋白進入土壤的重要方式[5]。土壤速效養分是植物生長發育過程中必不可少的營養物質來源，可直接參與土壤的生物化學轉化過程[6]，是衡量土壤各項水平的重要指標。轉基因抗蟲棉的外源基因及其表達產物可通過不同途徑進入土壤生態系統，引起一系列生態過程的變化，從而影響土壤養分轉化過程[7-8]。

目前，國內外對轉基因抗蟲棉環境安全評價的研究主要集中在基因漂移、土壤微生物數量種類和結構及對非靶標動物的影響等方面，對土壤Bt蛋白的殘留降解和速效養分含量變化的研究尚未得到明確定論[6-9]，不利于為農民田間種植提供科學指導。本研究以轉基因抗蟲棉SGK321（以下簡稱SGK321）及其親本常規棉石遠321（以下簡稱石遠321）為研究對象，重點討論兩者在不同生育期根際土壤Bt蛋白殘留及對根際土壤速效養分含量的影響，旨在指導農民田間作業，提高棉花產量。

1材料與方法

1.1研究區域概況

試驗地位于天津市武清區梅廠鎮周莊村我國農業部環境保護所基地（117°11′38″E，39°21′08″N），屬暖溫帶半濕潤大陸季風型氣候，年均氣溫14.0 ℃，年日照時數2 750 h，年均降水量為606.8 mm，無霜期212 d，供試土壤類型為潮土。

1.2供試材料

所試棉花為轉基因抗蟲棉SGK321（GFMCry1A/CpTI雙價基因）及其親本常規棉石遠321，2個棉花品種均由中國農業科學院棉花研究所提供。試驗采用隨機區組設計，每個處理4個重復。2015年4月播種，水肥管理采用常規管理。

1.3樣品采集

分別在各塊棉田棉花生長的苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期進行樣品采集。按五點取樣法混合取樣，同時避開道路等可能影響因素，采樣時去除表面雜草，用“抖根法”取根際土壤，用冰盒保存，帶回實驗室，進行Bt蛋白殘留檢測及土壤速效養分含量測定。

1.4各項指標測定方法

1.4.1Bt蛋白殘留的測定采用美國Envirologix公司的ELISA試劑盒AP003，測定棉花根際土壤的Bt蛋白殘留量。

1.4.2土壤養分含量的測定土壤養分含量的測定參照已有的方法[10]：硝態氮含量的測定采用紫外分光光度法；銨態氮含量的測定采用靛酚藍比色法；速效磷含量的測定采用鉬銻抗比色法。

1.5數據統計與分析

采用SPSS 22.0軟件進行統計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和LSD多重比較分析試驗數據的差異顯著性。采用Origin 9.0軟件制圖。

2結果與分析

2.1轉基因抗蟲棉根際土壤中Bt蛋白含量

由圖1可知，石遠321在4個生育期的根際土壤中均未檢測到Bt蛋白殘留（檢測所得值低于試劑盒的檢測限 0.1 ng/g）。SGK321根際土壤Bt蛋白殘留量在整個生育期呈現先升高后降低的趨勢，且在各個生育期均與親本差異顯著（P<0.05）。其中，苗期殘留量0.319 9 ng/g，較親本同期高429.64%；蕾期殘留量0.504 2 ng/g，較親本同期高 996.09%；花鈴期殘留量0.349 7 ng/g，較親本同期高 648.82%；吐絮期殘留量0.255 0 ng/g，較親本同期高 246.94%。

2.2轉基因抗蟲棉對根際土壤速效養分含量的影響

2.2.1轉基因抗蟲棉對根際土壤硝態氮含量的影響由圖2可知，在棉花的整個生育期，SGK321與石遠321根際土壤硝態氮含量均呈下降趨勢，二者在苗期、花鈴期差異顯著（P<0.05），苗期SGK321較親本同期低10.75%，花鈴期較親本同期高18.37%；而在蕾期和吐絮期，二者差異不顯著（P>0.05）。

2.2.2轉基因抗蟲棉對根際土壤銨態氮含量的影響由圖3可知，在棉花的整個生育期，SGK321根際土壤中銨態氮含量呈下降趨勢，石遠321呈先下降后上升的趨勢，但前期下降幅度與后期上升幅度均不顯著，其中花鈴期含量最低。在蕾期、花鈴期，SGK321與石遠321根際土壤中銨態氮含量差異顯著（P<0.05），蕾期SGK321較親本同期低4.49%，花鈴期較親本同期高9.18%。而在苗期和吐絮期，二者差異不顯著（P>0.05）。

2.2.3轉基因抗蟲棉對根際土壤速效磷含量的影響在棉花的整個生育期，SGK321根際土壤速效磷含量呈上升趨勢，石遠321呈先下降后上升的趨勢。SGK321根際土壤中速效磷的含量始終低于石遠321，在苗期、蕾期二者差異顯著（P<0.05），苗期SGK321較親本同期低40.13%，蕾期較親本同期低13.45%（圖4）。

3結論與討論

通過對武清區試驗站SGK321根際土壤中Bt蛋白殘留量的檢測發現，在棉花整個生育期呈先升高后降低的趨勢，最高殘留量出現在蕾期，而石遠321根際土壤的Bt蛋白殘留量均低于試劑盒檢測限。在各個生育期SGK321根際土壤中Bt蛋白殘留量均顯著高于石遠321，這與已有研究結果[11-13]一致。但也有試驗得出了不同的結果，如張莉等檢測不同地區不同生育期Bt-SY63稻田土壤Bt蛋白的殘留，大部分都未檢測到Bt蛋白[14]；劉蔸蔸檢測經3種不同方法處理過的轉基因抗蟲棉土壤，均未檢測到Bt蛋白的殘留[15]。造成試驗結果差異的可能原因：試驗所用不同ELISA試劑盒的檢測限不同，低于檢測限的濃度都不能被準確檢測；試驗選用的棉花品種不同，Bt蛋白的表達規律也不盡相同；試驗地不同，土壤微生物組成、土壤水分、環境條件等均可能影響土壤中Bt蛋白的降解；土壤粒徑成分不同對土壤的吸附程度不同，進而造成蛋白殘留量的不同[16-17]。

在棉花的整個生育期，SGK321與石遠321根際土壤中硝態氮、銨態氮、速效磷含量的變化趨勢存在差異，具體變化幅度因生育期而異。二者根際土壤中硝態氮含量在苗期、花鈴期差異顯著，但在蕾期和吐絮期差異不顯著，2種棉花根際土壤硝態氮含量在生長后期低于前期，且二者均在吐絮期的硝態氮含量最低。這說明生育期是影響棉花根際土壤硝態氮含量的主要因素[9，18]，且隨生育期推進，根際土壤硝態氮含量降低[19]。建議農民在棉花生長前期適當減少硝態氮肥的施用，吐絮期適當增加硝態氮肥的施用，為棉花植株生長提供充足養分，從而提高產量。SGK321根際土壤硝態氮的含量在苗期顯著低于親本，可能是因為棉花生長初期外源基因的導入促進根系更多地吸收土壤中的硝態氮[19]，從而提高了對硝態氮的利用。

在棉花的整個生育期，SGK321根際土壤銨態氮含量呈下降趨勢。這表明，隨棉花生育期的推進，對銨態氮的需求量不斷增加[9]。為減少浪費和污染，建議農民在棉花生長前期適當減少銨態氮肥的施用量。在棉花生長的蕾期、花鈴期，SGK321與石遠321根際土壤銨態氮含量差異顯著。但有研究得出了與本試驗不一致的結論，娜日蘇研究發現，在山東省、山西省棉花播種后的60、90 d，2種棉花銨態氮含量無顯著差異[20]。根際土壤銨態氮含量可能通過土壤微生物的氨化強度或根系分泌物化學成分的變化這2個途徑發生改變，本試驗與其他研究結論不同，可能是因為不同的氣候和土壤狀況對根系分泌的Bt外源基因及其表達產物產生了影響，從而影響了這2個途徑，使根際土壤銨態氮的含量發生了變化[21]。

在整個生育期中，SGK321根際土壤速效磷含量呈上升趨勢，親本則呈先下降后上升的趨勢。建議農民在轉基因抗蟲棉的生長前期適當加強、后期適當減少磷肥的施用。試驗結果也得出，SGK321根際土壤速效磷的含量在苗期、蕾期顯著低于親本，在其他2個時期與親本差異不顯著，這與趙云麗等的研究結果部分一致[22]。但也有研究得出了不同的結論，Yang等通過盆栽試驗得出，轉基因棉花的種植可顯著降低花鈴期根際土壤中速效磷的含量[23]。孫彩霞等通過盆栽試驗得出，轉Bt基因棉花土壤中速效磷含量在苗期和吐絮期與親本均無顯著差異[6]，本試驗結果與其存在差異，造成差異的原因可能是不同地區、不同年份土壤狀況和氣候狀況等不同，使種植轉基因作物對土壤營養物質轉化的影響不同[24]。

綜上所述，轉基因抗蟲棉SGK321的種植對棉花根際土壤Bt蛋白的殘留和土壤養分含量都有一定程度的影響，但生育期也是重要影響因素之一。根據目前已有研究，關于轉基因抗蟲棉種植對土壤Bt蛋白殘留量及土壤養分含量影響的研究結果存在不同程度的差異，這可能與棉田生態條件、材料選取等因素有關，缺少一定的可比性。在未來的研究中，仍需通過長期田間試驗進行跟蹤研究，保證這一系列試驗條件的統一，增加試驗重復性，更好地解釋轉基因作物對土壤生態系統的影響，從而為農民田間耕作提供更科學的指導。

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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.079