转基因大豆种植对根际土壤酶活性和养分的影响

ChineseJournalofOilCropSciences2014，36(3):409－413

doi:10．7505/j．issn．1007－9084．2014．03．019

转基因大豆种植对根际土壤酶活性和养分的影响

1，2

李章秋艳，

11，21，3

刚，杨志国，王丽娟，王

1

慧，常

211*泓，杨殿林，赵建宁

030801；（1．农业部环境保护科研监测所，300191；2．山西农业大学生命科学院，山西太谷，天津，

3．内蒙古师范大学生命科学与技术学院，010022）内蒙古呼和浩特，

摘要：采用盆栽试验，以耐草甘膦大豆M88、抗虫耐草甘膦大豆ZB及常规大豆中黄13为研究对象，比较分析ZB转基因大豆对根际土壤酶活性和养分含量的影响。结果表明，在大豆成熟期时，与常规大豆中黄13相比，M88、根际土壤碱性磷酸酶活性、过氧化氢酶活性、速效磷含量无显著差异，硝态氮含量显著下降。根际土壤脲酶活性、铵态氮含量则表现不同，其变化随大豆品种的不同而不同。相较于常规大豆中黄13，M88根际土壤脲酶活性和铵态氮含量无显著差异；ZB根际土壤脲酶活性显著下降，而铵态氮含量则显著上升。

关键词：转基因大豆；CP4epsps耐草甘膦基因；Btcry1Ab抗虫基因；酶活性；氮含量中图分类号：S565．1

文献标识码：A

文章编号：1007－9084（2014）03－0409－05

Effectsoftransgenicsoybeanonenzymeactivitiesandnutrientsinrhizospheresoil

223

，LIGang1，YANGZhi－guo1，，WANGLi－juan1，，ZHANGQiu－yan1，

WANGHui1，CHANGHong2，YANGDian－lin1，ZHAOJian－ning1*

（1．Agro－EnvironmentalProtectionInstitute，MinistryofAgriculture，Tianjin300191，China；

2．CollegeofLifeScience，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801，China；

3．CollegeofLifeScienceandTechnology，InnerMongoliaNormalUniversity，Hohhot010022，China）Abstract：Transgeniccropsweregrowninanincreasinglylargescalearoundworld，andaccompaniedbypub-licconcernabouttheirpotentialecologicalandenvironmentalimpacts．Evaluationoftheeffectofgeneticallymodi-fiedcropsonsoilenzymeactivityandnutrientcontentiscriticalforthesoilecosystem．Inordertoinvestigatetheeffectsofplantingtransgenicsoybeanonenzymeactivitiesandnutrientcontentsofrhizospheresoil，thechangesoftheenzymeactivities（urease，alkalinephosphataseandhydrogenperoxidase）andnutrientcontents（nitratenitro-gen，ammoniumnitrogen，availablephosphorus）inrhizospheresoilwereexaminedinmicrocosmexperiments．TwovarietiesoftransgenicsoybeanM88（CP4epsps），ZB（Btcry1Ab+CP4epsps）andaconventionalsoybeanZhong-huang13wereselected．Comparedwiththeconventionalvariety，thesoilenzymeactivities（alkalinephosphataseandhydrogenperoxidase）andavailablephosphoruscontentoftransgenicsoybeanhadnosignificantdifference，butthenitratecontentdecreasedsignificantly．However，remarkabledifferencesexistedbetweenM88andZBintermsofammoniumnitrogenandureaseactivityinrhizospheresoil．Comparedwiththeconventionalvariety，theureaseactivityandammoniumnitrogencontentoftransgenicsoybeanM88hadnosignificantdifference．Intransgenicsoy-beanZB，theureaseactivitydecreasedsignificantly，andtheammoniumnitrogencontentincreasedsignificantly．

Keywords：Transgenicsoybean；CP4epspsgene；Btcry1Abgene；Enzymeactivities；Nitrogennutrients

05-08收稿日期：2013-基金项目：转基因生物新品种培育重大专项（2014ZX08012－005）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（2012szjjwh）；农业部产地环境

质量重点实验室/天津市农业环境与农产品安全重点实验室开放基金

E－mail：zhangqiuyan147@163．com作者简介：章秋艳（1989－），女，硕士，研究方向为转基因作物生态安全评价，

*通讯作者：赵建宁（1981－），E－mail：zhaojianning@男，博士，副研究员，主要从事生物多样性与生态农业及转基因生物环境安全评价研究，

caas．cn

41036（3）中国油料作物学报2014，

根据国际农业生物技术应用服务组织

（ISAAA）的最新报道，2012年全球转基因作物种植面积达1．703亿公顷，较2011年增长了6%。在转基因作物商业化种植的17年间，转基因作物种植面积由170万公顷增长至1．7亿公顷，增长了100

［1］

倍，这是前所未有的突破。转基因大豆作为主要2011年种植面积达到7540万种植的转基因作物，公顷，占全球转基因作物种植面积的47%，其中耐

［2］

草甘膦大豆是种植最为广泛的转基因大豆。值得关注的是，转基因复合性状作物已经成为一个非

1

1．1

材料与方法

材料

土壤取自中国农业科学院武清转基因生物农田

试验前常年种生态系统影响野外科学观测试验站，

植普通小麦和玉米。质地为潮土，有机质含量为－1

11．11g·kg－1，全氮0．56g·kg，全磷0．65g·kg－1。播种前过2mm筛并充分混匀。

大豆品种为耐草甘膦转基因大豆M88（CP4ep-sps）、抗虫耐草甘膦转基因大豆ZB（Btcry1Ab+CP4epsps）和常规非转基因大豆中黄13。1．2试验设计及样品采集

盆栽试验在农业部环境保护科研监测研究所（39°5'N，117°8'E）网室中进行。气候属于温带大陆性季风气候，年平均降水量360～970mm，年平均气温约11．6～13．9℃。试验始于2011年8月，设3个

ZB和中黄13。盆中各装5．6kg处理，分别为M88、供试土壤，每种大豆分别种植20盆。每盆播5粒大

豆种子，待四叶期时，留苗3株。在种植及管理过程P、K各30mg·kg－1，以中均不施农药，施肥量为N、

（NH4）2SO4和KH2PO4配成液体形式施入。2011年11月大豆成熟期采集根际土壤样品。各处理随机选取5盆共15株植株，采用抖落法收集根际土壤并混匀，作为1个土壤样品，共4个重复。土壤样品装入灭菌封口袋中做好标记，放于低温冰盒中带回实验室。一部分土壤鲜样置于－20℃冰箱保存，剩余土壤除去根系后，经风干、磨碎和过筛后测定相应指标。鲜样用于土壤铵态氮、硝态氮含量的测定，风干土样用于测定土壤速效磷和酶活性（脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶）。1．3测定指标及方法1．3．1

土壤酶活性的测定土壤酶活性指标测定

［15］

《土壤酶及其研究方法》参照关松荫进行。土壤

2012年复合性状转基因作物的常重要的发展趋势，

种植面积是4370万公顷，占全球转基因作物种植面积的26%，其中抗虫耐除草剂作物是增长最快的

［1］

复合性状作物。在关注转基因大豆所带来的社会经济和环境效益的同时，其生态安全问题也受到了世界范围内的广泛关注。

土壤是生态系统中物质循环和能量转换的重要

［3］

场所，在农业生态系统中居于核心地位，因此转基因作物种植对土壤安全的影响是不容忽视的，它关系到农业的可持续发展。土壤酶是土壤代谢的动力，既参与包括土壤生物化学过程在内的自然界物

［4］

质循环，又是植物营养元素的活性库，其活性能较敏感地反映土壤中各种生物化学过程的强度和方［5］

向；土壤速效养分是植物生长发育过程中养分的重要来源，可以在土壤全量养分变化之前反映土壤

［6］

的微小变化，又直接参与土壤生物化学转化过

［8］

，它还是影响土壤酶活性高低的重要因素。因而，土壤酶活性和速效养分含量已成为评价土壤

程

［7］

养分平衡和土壤化学、生物化学肥力保持的重要指标。研究表明，转基因作物种植过程中外源基因及其表达产物可能通过根系分泌物、植物残体、花粉飘落等途径进入土壤生态系统而引起土壤微生物、酶活性的改变，进而引发一系列土壤生化过程的变化，

［9］

最终影响土壤养分转化过程及养分的有效性。目前国内外关于转基因耐草甘膦大豆的环境安全评价进行了较多的研究，但是主要集中在外源基因漂移

［10］

［11］［12］

、基因降解及对土壤微生物、非靶标

［13］

脲酶活性采用苯酚－次氯酸钠比色法测定，以每小

+

时每克风干土经尿素水解释放出的NH4－N的微克数来表示；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，以2h培养后100g土壤中P2O5的毫克数表示；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，以每

－1

克风干土壤滴定所需0．1mol·LKMnO4的毫升数来表示。

1．3．2土壤养分含量的测定壤硝态氮采用0．01mol·L

－1

节肢动物群落结构的影响和耐草甘膦杂草的产［14］

生等方面，针对耐草甘膦大豆对土壤酶活性和速效养分含量的影响报道较少。鉴于此，本研究以耐草甘膦大豆M88、抗虫耐草甘膦大豆ZB及非转基因常规大豆中黄13为材料，通过比较盆栽种植后转基因与非转基因大豆根际土壤酶活性和养分含量的变化，揭示转基因大豆对土壤酶活性和养分含量的影响，为转基因大豆生态风险评价提供理论依据。

土壤养分含量的测

［16］

《土壤农化分析》的方法进行。土定参照鲍士旦

CaCl2浸提－紫外分光

－1

光度法；铵态氮采用0．01mol·LCaCl2浸提－靛

－1

酚蓝比色法；速效磷采用0．5mol·LNaHCO3浸

章秋艳等:转基因大豆种植对根际土壤酶活性和养分的影响

提－钼锑抗比色法。1．4数据分析

采用MicrosoftExcel2003和SPSS16．0软件对试验数据进行统计分析（Duncan法）。

411

M88脲酶活性下降4．28%，基因大豆中黄13相比，

差异不显著（P＞0．05）；ZB脲酶活性显著下降19．17%（P＜0．05）。

磷酸酶是土壤中广泛分布的一类催化有机磷化合物的水解酶，其活性的高低直接影响着土壤中有机磷的生物有效性，对土壤磷素循环起重要作用［18］

。与非转基因大豆中黄13相比，M88和抗虫耐草甘膦大豆ZB碱性磷酸酶活性分别升高10．95%和17．12%，但差异均不显著（P＞0．05）（表1）。

2

2．1

结果与分析

转基因大豆种植对根际土壤酶活性的影响

脲酶是土壤中的主要酶类，它直接参与土壤中

含N有机化合物的转化，其活性的高低在一定程度

［17］

上反映了土壤的供氮水平。由表1可见，与非转

Table1

处理

Treatment中黄13（CK）

M88

表1不同品种大豆根际土壤酶活性的变化

Activitiesofsomesoilenzymesinrhizosphereofdifferentsoybean

碱性磷酸酶活性/（mg·hg－1·2h－1）

Alkalinephosphataseactivity

15．71±3．70a

17．43±1．12a

过氧化氢酶活性/（mL·g－1·20min－1）

Hydrogenperoxidaseactivity

2．46±0．04a

2．44±0．06a

脲酶活性/（μg·g－1·h－1）

Ureaseactivity25．04±2．81a

23．96±2．08a

ZB20．24±1．65b18．40±4．13a2．39±0．15a注：表中数据为平均数±标准差；同一列不同字母表示差异显著水平（P＜0．05）。下同

Note：CK，Zhonghunang13．DatainthetablewereMean±SE，differentlettersinthesamecolumnfollowingdataindicatedsignificantdifferencea-mongtreatmentsatP＜0．05．Sameasbelow

过氧化氢酶能够促进土壤中过氧化氢分解为水和氧气，有利于防止过氧化氢对植物体的毒害作用。过氧化氢酶的活性在一定程度上可以表征土壤生物

［19］

。由表1可氧化过程和氧化还原能力的强弱

M88和ZB过氧得，与非转基因大豆中黄13相比，

3．09%，化氢酶活性分别降低0．81%、但差异不显著（P＞0．05）。

2．2转基因大豆种植对根际土壤速效养分含量的

影响

土壤速效磷是土壤磷库中对作物最为有效的成分之一，是表征土壤供磷能力、确定磷肥用量和农田磷环境风险的重要指标

［20］

ZB速效磷含量分别下降豆中黄13相比，M88、

6%、16%，差异均不显著（P＞0．05）。土壤是植物氮素的主要来源，硝态氮和铵态氮作为有效氮素，可被植物直接吸收利用，其含量变化显著影响着土壤氮素的迁移转化和植物生产力。两种转基因大豆对土壤硝态氮和铵态氮含量的影响因大豆品种而异（表2）。相比于非转基因大豆中黄13，M88铵态氮含量下降9．11%，差异不显著（P＞0．05）；ZB铵态氮含量升高21．8%，差异显著（P＜0．05）。由表2可得，与常规大豆中黄13相比，M88、ZB硝态氮含量分别下降36．59%、30．64%，且差异显著（P＜0．05）。

。由表2可见，与常规大

Table2

处理

Treatment中黄13（CK）

M88ZB

表2不同大豆品种根际土壤速效养分含量变化

Soilavailablenutrientsinrhizosphereofdifferentsoybean

铵态氮/（mg·kg－1）Ammoniumnitrogen8．12±1．084b7．38±0．973b9．89±1．157a

速效磷/（mg·kg－1）Availablephosphorus24．33±2．242a22．87±7．116a20．44±3．251a

硝态氮/（mg·kg－1）Nitratenitrogen6．56±1．803a4．16±0．603b4．55±0．358b

3讨论

［23］［24］［25］

刘玲、马丽颖等性无显著影响，这与乔琦、

研究结果相一致，表明转基因大豆的种植短期内未

转基因作物种植对土壤潜在影响的核心是其可

［21］

。土壤酶活性可以能影响土壤生态系统的功能

反映土壤的生态功能、各种生物化学过程的强度和

动向，是土壤重要的生物学特性，在土壤营养物质的循环和能量的转移中起关键性作用，是评价土壤肥

［22］

力、土壤健康状况的重要指标。本研究发现转基ZB对土壤碱性磷酸酶和过氧化氢酶活因大豆M88、

对土壤酶活性造成明显变化。研究还发现相比于常

规大豆中黄13，耐草甘膦大豆M88对土壤脲酶活性无显著影响，但抗虫耐草甘膦大豆ZB土壤脲酶活性显著下降。本试验中ZB（Btcry1Ab+CP4epsps）成熟期时根际土壤脲酶活性下降的原因可能由以下两个方面引起：一是导入土壤中的Bt杀虫蛋白晶体可通过与土壤酶竞争土壤颗粒活跃表面的结合位点

412

［26］

36（3）中国油料作物学报2014，

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从而导致土壤脲酶活而对土壤酶活性产生影响，

性下降；二是由于转基因大豆种植影响了土壤微生物而间接导致土壤脲酶活性下降。

研究表明转基因作物的种植可能通过根系分泌物组成和质量的改变，直接或间接地影响土壤养分的含量和有效性

。赵哲等研究发现转DＲEB3基

［28］

因抗旱大豆对根际土壤速效磷无显著影响；刘红

［27］

梅等研究结果表明与同源常规棉相比，转双价棉根

［29］

；际土壤速效磷含量在同一时期均无显著差异孙彩霞等通过转Bt基因棉花和水稻的盆栽种植试

验结果表明，与非转Bt基因对照相比，转Bt基因作物速效磷含量均无显著差异。本研究结果发现M88、ZB和常规大豆中黄13根际土壤速效磷含量无显著差异。这一结果与上述研究结果一致，表明转基因大豆种植短期内对土壤速效磷含量的扰动是微小的。

土壤硝态氮是植物能直接吸收利用的速效氮，土壤硝态氮残留量的多少主要取决于作物根系对土

［30］

。成熟期时M88和ZB根际土壤硝态氮的吸收

壤硝态氮含量显著下降，说明外源基因的导入造成

大豆植株生理生化特性的改变，促进大豆根系更多地吸收土壤中的氮素并转移到大豆植株和籽粒中，

［31，32］

。土壤从而造成根际土壤硝态氮含量的变化

铵态氮来源于土壤含氮有机物的矿化和所施入的氮

肥，可被土壤胶体吸附，一般不易流失。本研究发现ZB根际土壤铵态氮与非转基因大豆中黄13相比，

［33］

含量显著升高，这与风春等研究发现的抗虫抗除草剂棉花根际土壤铵态氮含量显著下降的结果不同。ZB种植后根系分泌的Bt外源基因及其表达产物可能通过影响土壤微生物的氨化强度或改变根系分泌物化学成分两个途径来影响根际土壤的铵态氮

［34］

含量。具体的影响机制还有待于进一步研究。本文初步探讨了转基因大豆对根际土壤酶活性及养分含量的影响，试验选用了两个转基因大豆品种，分别是耐草甘膦大豆M88和抗虫耐草甘膦大豆ZB。由于所采用的转基因大豆的亲本难寻，本试验中对照采用了当地的普通大豆品种，在研究转基因大豆对土壤生态安全的影响时对照最好选用转基因大豆的亲本。再者本文只是在一年盆栽条件下对成熟期转基因大豆种植对根际土壤酶活性与养分含量的影响进行了初步研究，很难说明积累效应。对以上所涉及的不足在今后的试验中会进一步深入研究，以便更科学地评价转基因大豆对土壤酶活性及养分含量的影响。

［7］

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（责任编辑：王丽芳）

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