抗草甘膦轉基因大豆‘ZH10-6’對田間生物多樣性的影響

陳景超 崔海蘭 于海燕 李政 賈芳 李香菊

摘要 ：轉基因大豆新品種在商業化之前必須進行環境安全評價，其中，轉基因大豆對田間生物多樣性的影響是環境安全評價的重要組成部分。本研究以轉G2-EPSPS和GAT雙價基因的抗草甘膦大豆‘ZH10-6及其受體大豆‘中黃10為材料，于2019年在北京順義地區進行了大田試驗，調查了不同處理對節肢動物多樣性、主要病害發生、根瘤菌及雜草多樣性的影響。結果表明：與非轉基因大豆‘中黃10相比，轉基因大豆‘ZH10-6不同處理田間節肢動物物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson優勢集中性指數、Pielou均勻性指數無顯著差異;大豆霜霉病與病毒病的發病率和病情指數無顯著差異;根瘤數差異不顯著，大豆田雜草多樣性無顯著差異。研究結果為抗草甘膦轉基因大豆‘ZH10-6的環境安全性評價提供了依據。

關鍵詞 ：轉基因大豆; 草甘膦; 生物多樣性; 節肢動物; 雜草

中圖分類號：

S 451.1

文獻標識碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2020405

Effects of transgenic glyphosate-resistant soybean ZH10-6 on

the biodiversity in the field

CHEN Jingchao， CUI Hailan， YU Haiyan， LI Zheng， JIA Fang， LI Xiangju*

（Institute of Plant Protection， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100193， China）

Abstract

Environmental safety assessment is a necessary step before commercialization for new transgenic soybean varieties， and evaluating the impacts of genetically modified soybean on biodiversity is an important part of environmental safety assessment. In this study， the effects of transgenic soybean ‘ZH10-6 pyramiding two genes （G2-EPSPS and GAT） and non-transgenic soybean of the receptor variety ‘ZH10 on arthropod diversity， disease occurrence， the number of soybean nodule and weed diversity were investigated in Shunyi district， Beijing in 2019. The results showed that there were no significant differences in arthropod diversity （the species number， Shannon-Wiener diversity index， Simpson index and Pielou index）， disease incidence rate and index， soybean nodules and weed diversity between ‘ZH10-6 and the non-transgenic soybean ‘ZH10. The results provide a basis for the environmental safety assessment of glyphosate-resistant transgenic soybean ‘ZH10-6.

Key words

transgenic soybean; glyphosate; biodiversity; arthropod; weeds

大豆Glycine max起源于中國，是重要的糧食和油料作物，也是養殖業蛋白質飼料的重要來源[1]。從20世紀90年代開始，我國對大豆的需求量猛增，而國內大豆產量無法滿足需求，逐漸依賴進口。近年來，我國大豆的進口量一直占需求量的80%以上，且進口大豆絕大部分為轉基因大豆[2]。轉基因大豆目前在國內主要用于榨油以及生產飼料用豆粕，國產非轉基因大豆主要用于直接食用和生產豆制品。進口轉基因大豆因其成本低、出油率高等優勢不斷擠壓著國產大豆的市場。國內大豆種植面積不斷萎縮以及對進口大豆的高度依賴對我國的糧食安全產生了潛在的威脅。2019年國家提出了大豆振興計劃，推出擴大種植面積等政策推動大豆生產實現“增產、提質、綠色”的目標[3]。

草害可造成作物減產，防治雜草在大豆栽培中尤為重要[4]。轉基因技術可以使大豆產生特定性狀，如高蛋白、高油酸等?？钩輨┺D基因大豆能對特定除草劑產生耐受性，種植轉基因大豆不僅可以充分利用優良除草劑防除大豆田間雜草，提高產量，還能簡化田間雜草管理，降低成本，增加收益[5]?？钩輨┺D基因大豆于1994年在美國獲得商業化許可，1996年開始商業化種植，到2018年全球轉基因大豆種植面積為9 633萬hm2，占全球轉基因作物種植面積的78%[6]。我國沒有批準轉基因大豆的種植，但一直通過轉基因專項等科研項目大力扶持相關研究，并取得了很大進展。其中就包括轉基因作物的生物安全問題，包括基因漂移、轉基因作物雜草化等[7]。

轉G2-EPSPS和GAT基因抗草甘膦大豆‘ZH10-6是我國自主研發的轉基因大豆材料，但此品種對大豆田間生物多樣性是否產生影響的研究還較少。本研究于2019年大豆生長季，系統調查了‘ZH10-6和非轉基因大豆‘中黃10田間節肢動物多樣性、主要病害、根瘤菌的發生情況以及雜草的多樣性，為明確轉G2-EPSPS和GAT基因抗草甘膦大豆‘ZH10-6對農田生物多樣性的影響提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究所用的大豆材料分別為：轉G2-EPSPS和GAT雙價基因大豆‘ZH10-6及其非轉基因受體大豆‘中黃10。兩種供試大豆均由中國農業科學院作物科學研究所提供。種子質量均不低于GB4404.2二級豆類種子標準。

1.2 試驗地點

試驗地位于中國農業科學院作物科學研究所順義區趙全營鎮試驗基地（40°13′N，116°33′E）。試驗基地年平均氣溫13.9℃，無霜期為200 d，年降水量650 mm，土壤類型為潮土。試驗使用的靶標除草劑草甘膦為41%草甘膦異丙胺鹽水劑（AS），拜耳股份公司。

1.3 試驗設計

試驗按照《轉基因植物及其產品環境安全檢測 耐除草劑大豆 第4部分：生物多樣性影響》（農業部2031號公告-4-2013）[8]的相關規范要求進行。采用隨機區組設計，重復3次。每小區面積150 m2。小區間設有1.0 m寬隔離帶。大豆播種前進行旋耕整地，機器開溝，人工條播方式播種，播種深度5 cm左右，行距45 cm，出苗后間苗留株距10 cm。

試驗設以下處理：1）‘ZH10-6不噴施除草劑;2）‘ZH10-6噴施靶標除草劑;3）‘中黃10不噴施除草劑。除草劑噴施時間為大豆V3期，劑量為900 g/hm2，噴液量450 L/hm2。

1.4 試驗調查與數據分析

1.4.1 大豆田節肢動物調查

從大豆出苗到成熟，每10 d調查1次，調查方法為直接觀察法，調查時采用每小區對角線5點取樣，每點調查20株，記錄大豆植株上節肢動物的種類和數量。

1.4.2 大豆主要病害調查

分別在大豆苗期、鼓粒期對大豆病毒病進行調查;在大豆出苗后30 d、始花期、鼓粒期各調查1次大豆霜霉病。不同處理大豆主要病害均采用對角線5點取樣，每點20株。調查時記錄各種病害的發病株數、發病級別，并計算發病率和病情指數[9]。

1.4.3 大豆根瘤菌調查

大豆R5至R6期，每小區采用對角線5點取樣，每點調查20株大豆，并記錄大豆根瘤數。

1.4.4 大豆田主要雜草調查

大豆田主要雜草調查方法根據《農藥田間藥效試驗準則（二）第125部分：除草劑防治大豆田雜草》（GB/T 17980.125-2004）的相關要求，采用隨機取樣調查，每小區取4點，每點1 m2。在噴施草甘膦當天（施藥前），施藥后14、21 d和42 d各調查1次，記錄各處理雜草種類，數量[10]。

1.5 統計分析

統計分析各個調查時期不同處理節肢動物的發生數量，計算不同處理各時期節肢動物Shannon-Wiener多樣性指數（H）、Pielou均勻性指數（J）和Simpson優勢集中性指數（C）：

H=-∑si=1PilnPi

J=H/lnS

C=∑si=1P2i

式中：Pi=Ni/N，Ni為第i個物種的個體數;N為群落中所有物種的總個體數;S為群落中的物種數。

大豆主要病害發病率按以下公式：D=N1/T1，式中D為發病率（%）;N1為發病植株數;T1為調查總株數。

病情指數計算公式為：I=100×[∑（N2×R）]/（T2×M），

式中：I為病情指數;N2為各級發病植株數;R為相應病級值;T2為調查總株數;M為分級的最高病級值。

用SPSS軟件對數據進行差異顯著性分析。比較不同大豆對節肢動物多樣性、大豆病害、大豆根瘤數及雜草群落結構的影響。

2 結果與分析

2.1 不同大豆品種對田間節肢動物多樣性的影響

調查結果顯示，轉基因大豆與受體大豆不同指標的變化趨勢相似（圖1～4）。在出苗期，大豆田間節肢動物的種類最少，僅有8～10種，隨著時間的推移，3種處理（‘ZH10-6噴施草甘膦，‘ZH10-6不噴施除草劑，‘中黃10不噴施除草劑）大豆田間節肢動物種類迅速上升，最多可達到21種（圖1）。7月中旬至8月中旬，不同處理的節肢動物種類及多樣性指數出現下降的趨勢。在大豆生長后期，隨著蚜蟲、蝽類等節肢動物種類及數量的增加，Shannon-Wiener多樣性指數也出現了波動（圖2）。在大豆整個生育期內，3種處理的田間節肢動物物種數及多樣性指數差異不顯著。

大豆苗期第1次調查時，由于田間主要節肢動物種類較少，主要為蚜蟲與薊馬，Simpson優勢集中性指數較高。隨后，田間節肢動物的種類和數量迅速上升，優勢集中性指數也緩慢下降（圖3）。在整個調查期間，3種不同處理的節肢動物群落優勢集中性指數無顯著差異。

在大豆生長初期，由于節肢動物種類較少且數量差異大，不同處理田間節肢動物的Pielou均勻性指數較小。7月上旬開始，隨著節肢動物種類和數量的增加，均勻性指數也緩慢上升（圖4）。在大豆生長后期，由于天氣等原因，均勻性指數出現波動，但是3種不同處理大豆田節肢動物的均勻性指數差異不顯著。

2.2 對大豆田主要病害發生的影響

3種處理大豆（‘ZH10-6噴施草甘膦，‘ZH10-6不噴施除草劑，‘中黃10不噴施除草劑）在生長前期，霜霉病沒有發生，雖然到生長后期（鼓粒期）有一定的發病率，但只是點片發生，不具有普遍性，且病情指數相對較低（表1）。整個大豆生長期，3種處理大豆田均沒有發生病毒病。在相同調查時間，轉

基因大豆‘ZH10-6‘ZH10-6噴施除草劑及‘中黃103種不同處理間，大豆霜霉病、病毒病的發病率及病情指數均無顯著差異。

2.3 對大豆根瘤菌的影響

大豆R5至R6期調查大豆根瘤數，結果發現，‘ZH10-6‘ZH10-6噴施草甘膦及‘中黃10平均根瘤數分別為（50±19）、（51±12）個和（57±20）個，三者之間無顯著差異。結果表明，轉基因大豆及轉基因大豆噴施草甘膦對根系大豆根瘤菌根瘤的個數無顯著影響。

2.4 對大豆田主要雜草發生的影響

調查結果表明，大豆田間的主要闊葉雜草有：反枝莧Amaranthus retroflexus、馬泡瓜Cucumis melo subsp. agrestis、藜Chenopodium album和馬齒莧Portulaca oleracea;禾本科雜草主要有牛筋草Eleusine indica、馬唐Digitaria sanguinalis。噴藥之前，3種不同大豆處理田間雜草的種類、數量均無顯著差異。噴藥當天，對‘ZH10-6與對照大豆‘中黃10進行了人工除草。施藥后2周調查，除反枝莧外，施用草甘膦的處理區雜草株數與人工除草無顯著差異。草甘膦處理后第3、4周調查，施用草甘膦的處理雜草種類與人工除草區無差異（表2）。

3 討論

轉基因抗除草劑作物對田間生物多樣性的影響是其安全性評價的重要組成部分，也是轉基因抗除草劑大豆商業化之前的必要環節。隨著國內對轉基因作物新品種研發投入的不斷增加，其對田間生物多樣性的影響也成為研究的熱點。目前，絕大多數相關研究支持轉基因抗除草劑作物的種植對田間生物多樣性無顯著影響。張卓等對抗草甘膦轉基因大豆‘呼交03-263和‘呼交06-698的調查結果均表明，轉基因大豆田間節肢動物的多樣性與受體無統計學差異[11]。李凡等認為抗除草劑轉基因大豆‘HRS田間節肢動物的多樣性與受體大豆‘RS無顯著差異[12]，相似的結果也在抗草甘膦轉基因大豆‘SHZD32-01中被發現[13]。與抗除草劑轉基因大豆相似，抗除草劑轉基因玉米對田間節肢動物多樣性的影響也大多與受體品種無顯著差異[1418]。然而，也有研究報道轉基因作物對田間生物多樣性產生影響，劉來盤等在對抗草甘膦轉基因大豆‘ZUTS-33調查時發現其田間生物多樣性與受體大豆無差異[19]，但是，郭慧等對相同的材料進行研究時卻發現其對節肢動物的多樣性有短暫的影響，該研究認為這種波動與轉基因大豆田噴施除草劑草甘膦有一定關系[20]。國外也有學者推測，部分與雜草關系密切的節肢動物數量在施用草甘膦之后可能出現波動[21]。

轉基因大豆對主要病害及根瘤菌發生的影響也是評價其生物安全性的重要指標。本研究發現大豆霜霉病在大豆生長后期發生，但是病情指數相對較低，這與轉基因大豆‘ZUTS-33的研究結果相似[1920]。由于霜霉病在大豆田發生不均勻，呈現點片發生特征，且不同重復之間發病率及病情指數差異較大，因此標準誤較大（表1）。本研究發現3種處理的大豆在不同時期均未發生病毒病，而轉基因大豆‘ZUTS-33的整個生長期都有病毒病發生[1920]。由于大豆品種、調查地點及調查期間天氣的不同，大豆主要病害在不同轉基因抗除草劑大豆田的發生狀況不同，但與共同試驗的非轉基因大豆相比，相關指標都無顯著差異[1920]。本研究發現轉基因大豆‘ZH10-6在有無噴施草甘膦的情況下，與非轉基因大豆‘中黃10根系的根瘤菌個數無顯著差異。研究結果與轉基因高油酸大豆‘HOA80的相關調查結果相似[22]。陶波等通過連續三年的試驗證實‘ZH10-6對土壤微生物數量及土壤酶活性的影響與受體大豆‘中黃10沒有差異[23]。與‘ZH10-6的調查結果不同，抗草甘膦轉基因大豆‘SHZD32-01在草甘膦處理之后（結莢期）根際土壤細菌和根瘤菌與非轉基因大豆‘中豆32有顯著差異，但其影響隨大豆生育期的推移而消失[24]。

草甘膦是一種優良的滅生性除草劑，可以有效地防除雜草。本研究發現噴施推薦劑量的草甘膦對轉基因大豆‘ZH10-6田間雜草的防除效果與人工除草相當。與非轉基因處理相比，主要發生雜草的種類在試驗當年也無顯著改變。這與轉基因抗草甘膦大豆‘SHZD32-01及抗蟲耐草甘膦玉米的相關研究結果一致[13， 25]。短期噴施草甘膦可能對雜草群落組成影響較小，但有研究指出，噴施草甘膦3年后，田間雜草群落結構發生改變，其中莧屬和藜等雜草發生更加頻繁[26]，因此評估草甘膦對雜草群落的影響仍需要長期全面的數據。

與抗除草劑轉基因作物不同，部分轉基因抗蟲作物或者兼具抗除草劑與抗蟲性狀的轉基因作物對田間節肢動物產生影響的相關報道較多。有研究發現，與‘中棉所16號相比，轉Bt基因抗蟲棉‘R936在麥套夏播條件下昆蟲群落、害蟲和天敵亞群落的多樣性指數和均勻度指數均降低，而優勢度則顯著升高[2728]。也有研究通過長期監測發現，轉Bt基因棉田中盲蝽種群因為殺蟲劑使用的減少而逐步增大，成為棉田害蟲優勢種[29]。以上研究結果表明，轉基因作物對生物多樣性的影響因轉基因類型及評價對象而異，因此，其環境安全評價應遵循“個案分析”原則。

本研究根據相關標準的規定，2019年在北京順義地區調查了轉G2-EPSPS和GAT雙價基因的抗草甘膦大豆‘ZH10-6對田間節肢動物多樣性、大豆主要病害、大豆根瘤菌及大豆田間雜草多樣性的影響。通過調查整個大豆生育期的相關參數，發現轉基因大豆‘ZH10-6在有無噴施草甘膦的情況下，與非轉基因大豆‘中黃10的各項參數均無顯著差異。

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（責任編輯：楊明麗）