轉Gbve1基因棉對棉田動物群落結構及穩定性影響

姜義平，肖留斌，陳天子，張保龍，趙 靜，譚永安

(1.江蘇省農業科學院植物保護研究所/江蘇省食品質量安全重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地,南京 210014；2.江蘇省農業科學院種質資源與生物技術研究所，南京 210014)

0 引 言

【研究意義】轉基因棉花是控制棉花病蟲害，提高棉花經濟效益主要手段之一。經統計到 2018 年，我國轉基因棉花種植面積達290×104hm2，其應用率高達95%[1]。，對轉基因作物進行環境安全性評價及對田間動物群落結構和穩定性評估變得尤為重要[2]。江蘇省農業科學院將抗黃萎病(Gbve1)基因導入棉花，增強了棉花對黃萎病的抗性，但其對環境安全性特別是棉田節肢動物群落的影響還需進一步調查評估。【前人研究進展】棉花是世界上重要的經濟作物，也是我國傳統優勢作物，它既可以生產天然的纖維，又是重要的油料作物之一[3]。據2016年統計我國棉花種植面積約占全世界種植面積的18%，總產量占全世界總產量的34%，是世界上第二大棉花生產國。棉花作物在我國農業中具有重要的地位[4-6]。自20世紀90年代以來，轉基因棉的引入，減輕病蟲危害而造成的經濟損失[5, 7-8]。近年來，黃萎病在我國各大棉區屢次大面積發生，其中尤為嚴重的是1993年，黃萎病在中國棉區大暴發，近80%的棉花作物受到嚴重感染，皮棉產量損失近1×108kg[9-12]，影響棉花的產量與品質，給棉花產業造成重大損失。通過轉基因培育抗黃萎病棉花品種來提高棉花產量已成為迫切需求。抗黃萎病基因早期主要研究對象為番茄等作物，2001年Kawchuk等[13]通過分子克隆方法得到可以跨種族介導的2個抗黃萎病抗病基因—Ve1和Ve2，而棉花抗黃萎病基因Gbve1是Zhang等[14]于2011年從海島棉中克隆得到，該基因與抗番茄黃萎病基因Ve1同源[15]，有研究利用基因敲除和轉基因技術證明該基因能夠顯著增強植物對黃萎病菌的抗性，并經擬南芥證明Gbve1基因于物種間高度保守，驗證了該基因具有較高的抗黃萎病菌利用價值[16]。李紅娟[17]通過對轉棉花Gbve1基因擬南芥表達譜的分析對Gbve1基因抗病機理進行了初步探索研究，發現該基因進入植物體內后，參與許多與抗性相關基因的調控，當病菌入侵時，轉基因植物能夠迅速地調控基因開啟防御反應。【本研究切入點】江蘇省農業科學院生物技術研究所已驗證轉Gbve1基因棉株具有較高的抗黃萎病能力[18]，但其對田間動物群落結構和穩定性尚不明確。新型轉基因棉花材料在商業化種植前，必須評估其潛在的環境安全性。研究轉Gbve1基因棉對棉田動物群落結構及穩定性影響。【擬解決的關鍵問題】試驗以5組高品質轉Gbve1基因棉花品系和親本為研究對象，通過定期調查記錄棉株上所有節肢動物種類和數量，統計分析各棉田中節肢動物群落結構及穩定性，以期為轉Gbve1基因棉花生態安全進行科學評價，為其推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料由江蘇省農業科學院生物技術研究所提供。共有6份材料，編號為1～6，其中1～5號材料為不同的轉Gbve1基因株系，6號為親本。 試驗地位于江蘇省農業科學院植物保護研究所試驗田(N32°02′15.33″，E118°52′9.43″)，試驗采取隨機區組設計，根據1～5號轉Gbve1基因株系和6號親本對應設置6個處理， 每個處理3個重復，共有18個小區，每個小區10 m×9 m，棉田按照常規栽培管理，試驗期間不噴施殺蟲劑，田周圍設有嚴格的隔離帶，試驗完成后焚燒棉花秸稈，以防止目標基因擴散 。

1.2 方 法

從棉花出現第3片真葉開始，每7 d左右調查1次，調查采用5點取樣法，每小區調查6株。調查時目測整株植物所有器官，并記錄棉株上所有節肢動物的種類和數量。記錄的數量均換算成百株蟲量進行統計處理。

1.3 數據處理

群落參數計算采用Excel和DPSv8.01數據處理系統進行統計分析，采用LSD(Least—Significant Difference )方法檢驗差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 棉田物種組成和種群數量

研究表明，不同品系棉田的物種組成和數量除個別有顯著差異外，其余均無顯著差異且數值上相近。其中，品系1的害蟲亞群落中目和科的數量均顯著低于對照(目：F=3.429，Df= 2，5，P= 0.046；科：F=3.571，Df= 2，5，P= 0.041)；品系2中天敵亞群落個體數量顯著高于其他轉基因品系以及對照(F=22.083，Df= 2，5，P= 0.001)。表1

表1 不同品系棉田節肢動物種數和個體數組成Table 1 The number of arthropod species and their individual numbers in different cotton fields

2.2 不同品系棉田中動物群落相對多度

研究表明，棉田中害蟲以棉蚜 、煙粉虱、棉葉蟬、棉大卷葉螟等為主，其中蟲量較多的是棉蚜、棉葉蟬和煙粉虱等刺吸式害蟲，相對多度均大于0.93，極少數是咀嚼式口器害蟲。經方差分析發現，不同品系棉田中的煙粉虱、朱砂葉螨和綠盲蝽 具有顯著差異(煙粉虱：F=4.335，Df= 2，5，P= 0.023；朱砂葉螨：F=4.996，Df= 2，5，P= 0.015；綠盲蝽 ：F=3.349，Df= 2，5，P= 0.049)，品系1和品系2田間煙粉虱Pi值分別顯著低于品系5和對照，分別降低了87.28%(1vs 5)、83.32%(1vs對照)、74.11%(2vs 5)、66.03%(2vs對照)；品系3田間的朱砂葉螨Pi值分別顯著高于品系4和對照，分別提高了95.66%(3vs 4)和94.80%(3vs對照)；品系5田間的綠盲蝽Pi值顯著高于品系1、2和3，分別提高了86.75%(5vs 1)、86.75%(5vs 2)和67.47%(5vs 3)，其余害蟲在品系間均沒有顯著差異(P>0.05)。然而從總體上看，不同品系棉田中刺吸式害蟲和咀嚼式害蟲之間并沒有顯著差異(P>0.05)。表2

表2 不同品系棉田主要害蟲占害蟲亞群落的相對多度Table 3 The relative abundance of the main pests to the pest sub-population in different cotton fields

蜘蛛、瓢蟲和草蛉等昆蟲是棉田中的主要天敵，不同品系棉田相對多度最高的是草蛉類，均在0.5左右。不同品系棉田中草蛉和捕食蝽類的相對多度有顯著差異(草蛉類：F=5.961，Df= 2，5，P= 0.008；捕食蝽類：F=5.893，Df= 2，5，P= 0.009)。品系4田間草蛉類天敵Pi值顯著低于品系2和對照，分別降低了57.66%(4vs 2)和58.46%(4vs對照)；品系1和品系2田間Pi值顯著高于對照，分別提高了1倍左右，其它品系田間天敵相對多度無顯著差異。表3

表3 不同品系棉田主要天敵占天敵亞群落的相對多度Table 3 The relative abundance of the main natural enemy to the natural enemy sub-population in different cotton fields

2.3 不同品系棉田動物群落參數

研究表明，不同品系棉田的物種豐富度、多樣性指數、均勻度指數和優勢集中性指數均無顯著差異(P>0.05)，Gbve1基因的轉入對棉田中節肢動物群落分布及多樣性無顯著影響。表4

表4 不同品系棉田節肢動物群落參數Table 4 The parameters of arthropod community in different cotton fields

2.4 不同品系棉田動物群落相似性

研究表明，不同品系棉田中害蟲亞群落的相似性為0.620 8 ～ 0.790 6；天敵亞群落的相似性為0.821 4 ～ 0.963 0，節肢動物群落的相似性為0.681 4 ～ 0.820 9，轉Gbve1基因棉田與對照棉田動物群落的相似性較高，表明轉Gbve1基因棉的種植對動物群落結構的影響并不大。表5

表5 不同品系棉田節肢動物群落相似性Table 5 Similarity of arthropod community in different cotton fields

2.5 不同品系棉田主要昆蟲類群時序消長動態

研究表明，棉蚜和煙粉虱發生期主要集中于7至8月，其他害蟲主要發生在8月下旬至9月上旬。6種主要害蟲除品系2棉田中的煙粉虱和棉葉蟬 害蟲在個別時期發生量與其他品系間存在顯著差異(P<0.05)外，其他主要害蟲在不同品系棉田間均無顯著差異(P>0.05)。轉Gbve1基因株系棉花種植并不影響主要害蟲的發生危害。圖1

注：1.棉蚜 ，2.煙粉虱，3.花薊馬，4.棉大卷葉螟 ，5.綠盲蝽，6.棉葉蟬 。紅星代表該品系與其他品系之間有顯著差異，下同

天敵大發生主要集中在8月下旬至9月上旬，并且不同品系棉田中天敵的發生趨勢基本一致，其中蜘蛛種群在棉花整個生育期都發生。品系2和品系5棉田中的主要天敵在個別時期顯著差別于其他品系(P<0.05)，其余品系主要天敵間無顯著差異(P>0.05)，轉Gbve1基因不同品系棉田天敵種群的生長繁衍未受到明顯影響。圖2

注：1.蜘蛛，2.瓢蟲，3.草蛉

3 討 論

隨著轉基因植物種植面積的擴大，其對生態環境的影響也引起越來越多的關注。為了更好地保護生態環境，近年來許多學者就轉基因植物對田間生物多樣性等進行了一系列的研究[19-24]，驗證轉基因植物的安全性，嚴謹、科學地評價轉基因植物。以轉Gbve1基因棉花為研究對象，對其棉田動物群落進行系統的調查，從而探討新型轉基因棉花對生態環境的影響。

研究對不同品系棉田中主要昆蟲群落進行了消長動態分析，結果顯示，棉蚜 、煙粉虱、花薊馬和棉葉蟬 是田間的主要害蟲，其中煙粉虱和棉葉蟬 在品系2棉田個別生育期與對照或其他品系間存在顯著差異，而棉蚜和花薊馬 在不同品系棉田中差異均不顯著；田間的主要天敵蜘蛛、瓢蟲和草蛉在個別品系中的個別生育期內有顯著差異，其余差異均不顯著。出現個別品系或個別蟲源的起伏有可能與降雨量有關，但是總體趨勢與孫紅煒等[24]對抗病轉基因棉田間研究趨勢基本一致，轉抗病基因對棉田生物無顯著性影響。由此可以推斷，短期內轉抗黃萎病基因棉花品種對生態環境無顯著影響。

在不施農藥的前提下，調查了轉抗黃萎病基因棉田和常規棉田中的物種組成并對其群落相對多度、多樣性和均勻度等指標進行歸納總結，結果顯示，除害蟲亞群落和天敵亞群落在個別分類單元與對照相比差異顯著，節肢動物群落和其他兩類在群落結構和組成上均無顯著差異，棉田益害比也無顯著差異；與對照相比不同品系轉基因棉田害蟲相對多度除個別害蟲均無顯著差異，不同品系棉田天敵相對多度占比最高的均是草蛉，其次是蜘蛛；與常規棉相比不同品系轉基因棉田害蟲亞群落、天敵亞群落和節肢動物群落的多樣性指數、均勻度指數和優勢集中性指數均無顯著差異，且群落相似性均在0.6以上，表明不同品系轉基因棉的物種組成、群落穩定性和多樣性與常規棉相比均無明顯差異，說明轉基因棉對棉田生態系統的穩定性無顯著影響。上述結果基本與郭佳惠(2016)等[19]對3種轉非抗蟲基因棉的研究趨勢一致，轉抗病基因棉株對田間節肢動物無顯著影響。

研究僅對轉基因品系進行了短時間的調查研究，長時期種植對田間動物群落穩定性及生態環境的影響還尚未明確，因此，轉抗病基因棉對環境的影響還需要進行長期的跟蹤調查研究，獲得更多的數據來支撐該產品在田間的推廣。

4 結 論

5組轉Gbve1基因棉花株系與對照之間未存在顯著差異，短期內轉抗黃萎病基因棉花不影響棉田動物群落的結構和穩定性，對生態環境未產生不利影響。