3種不同抗除草劑轉基因大豆對田間節肢動物多樣性的影響

楊曉然,劉 靖,姚淑軍,沈文靜,郭 慧,劉 標①,薛 堃② 〔1.民族地區生態環境國家民委重點實驗室(中央民族大學),北京 100081;.中央民族大學生命與環境科學學院,北京 100081;.生態環境部南京環境科學研究所,江蘇 南京 1004〕

根據國際農業生物技術應用服務組織(International Service for the Acqui-sition of Agri-biotech Applications,ISAAA)統計,截至2021年,全球累計44個國家和地區批準了32種轉基因作物的540個轉化事件。應用最多的轉基因作物分別是大豆、玉米、棉花、油菜,其中轉基因大豆是商業化規模最大的轉基因作物,轉基因大豆種植面積從1996年的50萬hm2增至2020年的9 590萬hm2,占大豆總種植面積的78%[1]。轉基因大豆的商業化釋放始于1994年,抗除草劑轉基因大豆在美國獲得商業化許可,1996年開始進行商業化種植?？钩輨┺D基因大豆能對特定除草劑產生耐受性,充分利用優良除草劑來防除大豆田間雜草,提高產量,簡化了田間雜草管理,降低種植成本,促進了大豆的保護性種植,可增加收益[2-3]。轉基因大豆中導入的外源基因主要是解決其高產、高營養、抗逆境、品質改良、雄性不育、改變花形和花色、抗除草劑和抗病蟲等問題[4-5]。其中抗除草劑基因的研究仍然是目前大豆轉基因研究中最成功的,這種類型是占比最高[6]、商業化最早、類型最多的轉基因大豆。

在產生巨大效益的同時,轉基因作物向環境釋放后可能帶來的潛在生態風險和環境問題越來越受到人們的重視[7-10],其中轉基因作物對田間節肢動物多樣性的影響是相關領域的研究熱點,也是轉基因作物是否會產生潛在環境風險的重要評估指標[11-13]。節肢動物群落是生態系統的重要組成部分,尤其是昆蟲群落,在維持農田生態系統正常功能上發揮著重要作用[14]。目前國內外關于轉基因作物對節肢動物影響的研究已進行了多年,絕大部分研究表明,轉基因作物對節肢動物群落多樣性不會產生明顯影響[15-18];也有研究顯示,轉基因作物對田間節肢動物群落多樣性有明顯影響[19-21]。轉基因作物具有非預期效應,這也是安全性評價中需要特別注意的。耐除草劑轉基因作物雖然不會直接作用于田間節肢動物,但是會對整個農田生態系統產生影響。因此,對于任何轉基因作物品種來說,需要遵循“逐案(case by case)”原則進行研究,充分了解其安全性后才能進行商業化釋放。

該研究于安徽合肥、吉林長春、內蒙古興安盟分別調查了3種轉基因抗除草劑大豆(ZUTS-33、S4003.14、豐豆0262)及其非轉基因受體(華春3號、Jack、合豐50)的田間節肢動物生物多樣性,評價抗除草劑轉基因大豆對田間節肢動物多樣性的影響,為明確轉EPSPS+PAT基因抗除草劑大豆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 試驗材料與試驗地點

由于不同品種的轉基因抗除草劑大豆和受體大豆適宜種植的地點不同,研究試驗材料包括安徽合肥種植的耐草甘膦轉化體大豆ZUTS-33及其受體華春3號、吉林長春種植的耐草甘膦和草銨膦轉化體大豆S4003.14及其受體Jack、內蒙古興安盟種植的耐草甘膦和草銨膦轉化體豐豆0262及其受體合豐50(表1)。

1.2 試驗處理及小區設計

該研究參照文獻[22]的試驗方法,每種材料設3個重復,分別種植在3個小區。試驗采用完全隨機分組設計,小區間設有 1.0 m寬的隔離帶。

1.3 調查方法

使用直接觀察法對植株上的節肢動物進行調查。在大豆始花期、結莢期、始粒期、鼓粒期和成熟期各調查1次。調查時每個小區采用對角線5點取樣法設置5個采樣點,每個取樣點調查10株大豆,每小區合計調查50株大豆。為了避免邊緣效應,采樣點距離小區邊緣>2 m。記錄整株大豆上所有節肢動物的種類和數量,對田間不能識別的種類進行編號,帶回室內鑒定。

1.4 統計分析方法

統計分析各個調查時期不同處理節肢動物的發生數量,計算不同處理各個時期節肢動物的4個指標,即物種豐富度(S)、Shannon-Wiener多樣性指數(H)、 Pielou均勻度指數(J)和Simpson優勢集中性指數(C)。分析比較各大豆材料田間整個昆蟲群落的動態,以此研究轉化體對田間節肢動物群落多樣性是否產生影響。

節肢動物群落的Shannon-Wiener多樣性指數計算公式為

(1)

Pi=Ni/N。

(2)

式(1)～(2)中,Ni為第i個物種的個體數;N為總個體數;S為物種數。

Pielou均勻度指數計算公式為

J=H/lnS。

(3)

優勢集中性指數計算公式為

(4)

數據計算與分析使用Excel 2010和SPSS 25.0軟件,文中所有變異性數據均為均值的標準偏差。試驗差異顯著性水平設為0.05。

2 結果與分析

2.1 大豆田間節肢動物群落物種及功能群組成

對供試大豆材料在全生育期內田間節肢動物種類進行調查,大豆田間節肢動物群落由14目68科組成(表2)。大豆生育期田間節肢動物主要功能群統計見表3。3組大豆材料田間主要節肢動物種類基本相似,但這些類群的豐度具有較大的組間差異。大豆田間主要害蟲是蚜科(Aphididae)、葉甲科(Chrysomelidae)、葉蟬科(Cicadellidae)和鱗翅目(Lepidoptera)的節肢動物,其中T1和NT1田間主要害蟲為葉甲、葉蟬, T2和NT2田間主要害蟲為蚜蟲、葉甲, T3和NT3田間主要害蟲為葉甲、鱗翅目害蟲。大豆蚜(Aphisglycines)和雙斑螢葉甲(Monoleptahieroglyphica)是大豆全生育期的主要害蟲。捕食性天敵主要包括瓢蟲科(Coccinellidae)、草蛉科(Chrysopidae)、蜘蛛目(Araneae)的節肢動物。寄生性天敵主要是寄生蜂類的昆蟲,記錄種類和數量較少。中性節肢動物主要包括蟻科動物。 T1與NT1大豆田間葉甲數量存在顯著差異(P=0.016),其他轉基因大豆與非轉基因大豆田間節肢動物種類數量均無顯著差異。

表2 大豆田間節肢動物群落的目、科分布Table 2 The order and family patterns of the arthropod community in soybean field

表3 不同大豆處理節肢動物各功能群中主要類群的累積數量Table 3 The cumulative number of main arthropods in the functional groups of six soybean treatments 頭·(100 株)-1

2.2 大豆田間節肢動物物種豐富度

物種豐富度可以直觀地表征農田生態系統中生物多樣性的高低。大豆生育期田間節肢動物的物種豐富度動態見圖1。轉基因品系與對照相比,田間節肢動物的物種豐富度無顯著性差異,但是不同品種的變化趨勢存在差異,峰值所處的大豆生長期也不同。

T1—ZUTS-33;NT1—華春3號;T2—S4003.14;NT2—Jack;T3—豐豆0262;NT3—合豐50。同一組數據直方柱上方小寫字母相同表示不同處理間某指標不存在顯著性差異(P>0.05)。圖1 不同大豆處理田間節肢動物群落的豐富度動態Fig.1 The species richness dynamics of arthropods community of different soybean treatments

2.3 大豆田間節肢動物的生物多樣性指數

Shannon-Wiener 指數是反映農田系統中生物多樣性情況的綜合指數,既包括該系統中物種的豐富度,又包括該群落結構的相關信息[23]。T1與NT1田間節肢動物群落的生物多樣性指數呈雙峰模式,在鼓粒期達到最高;T2與NT2田間節肢動物群落的生物多樣性指數呈單峰模式,始粒期達到最高;T3和NT3田間節肢動物群落的生物多樣性指數呈緩慢下降趨勢。盡管3種轉基因大豆田間節肢動物群落的Shannon-Wiener指數變化趨勢各不相同,但是轉基因大豆與其對照相比無顯著差異(圖2)。

T1—ZUTS-33;NT1—華春3號;T2—S4003.14;NT2—Jack;T3—豐豆0262;NT3—合豐50。同一組數據直方柱上方小寫字母相同表示不同處理間某指標不存在顯著性差異(P>0.05)。圖2 不同大豆處理田間節肢動物群落的多樣性指數動態Fig.2 The diversity index dynamics of arthropod community of the six soybean treatments

2.4 大豆田間節肢動物的均勻度指數

均勻度指數可表征群落中物種的相對豐度或比例。Pielou均勻度指數的動態變化如圖2所示。3種轉基因大豆對田間節肢動物群落的均勻度指數與對照相比無顯著差異,不同地區不同品系表現出不同的變化趨勢。

2.5 大豆田間節肢動物的優勢集中性指數

優勢集中性指數反映的是節肢動物在整個群落中的種類優勢度的總體情況,指數越大,群落中優勢物種越突出,相對物種量越低。優勢集中性指數來源于辛普森指數,對樣本中最豐富的物種變化最敏感,而對物種豐富度的敏感性較低[24]。優勢集中性指數的動態變化如圖2所示。3種轉基因大豆田間節肢動物群落的優勢集中性指數與相應對照相比無顯著差異,不同轉基因品種的變化趨勢存在差異,T1、T2和T3分別在始粒期、始花期和成熟期達最高。

3 討論與結論

筆者研究表明,3種轉基因大豆對田間節肢動物群落物種豐富度、多樣性、優勢集中性和均勻度指數均無顯著性影響,不同區域種植的不同品系轉基因大豆的田間節肢動物多樣性存在一定差異。

近年來國內外在轉基因大豆的安全性研究方面已經取得很大進展,相關研究多數支持轉基因大豆的種植對田間節肢動物無不利影響。陳偉等[25]對抗草甘膦轉基因大豆SHZD32-01調查發現,轉基因大豆田間節肢動物多樣性與受體大豆無差異。李凡等[20]研究表明,抗除草劑轉基因大豆HRS田間節肢動物與受體大豆RS兩者間的多樣性無顯著差異。AMIN等[26]研究表明,耐除草劑草甘膦的轉基因大豆(IGF)對田間節肢動物多樣性沒有負面影響。YU等[27]研究表明,轉基因Cry1Ac大豆與受體品種、常規大豆或噴灑的常規大豆相比,田間節肢動物多樣性沒有顯著差異。筆者研究結果與上述研究一致,即3種轉基因抗除草劑大豆對田間生物多樣性無顯著影響。此外,也有研究認為轉基因作物的種植對于生態系統具有非預期效應,既有正向的,如BHATTI等[28]研究表明轉基因抗蟲作物可能會提高田間節肢動物群落的豐富度和多樣性,進而使生態系統的穩定性提高;也有負向的,如夏敬源等[19]研究表明,轉Bt基因棉對優勢寄生性天敵造成危害。不同的轉基因事件和不同的轉基因品系在不同的環境中有不同的表現,這也是“逐案原則”的初衷,而在應用轉基因作物時,商業化范圍的確定應有不同階段的安全性評價結果的支持。

田間節肢動物群落的多樣性受許多生物和非生物變量的影響,如食物、溫度、降雨量和天敵等。XING等[29]根據研究結果推測Bt玉米小區中非靶標節肢動物的變化可能與小氣候變化有關。PRIESTLEY等[30]則認為氣候變化本身(例如強降雨)可能比Bt玉米在群落多樣性和均勻性方面發揮更重要的作用。不同地點轉基因作物的田間節肢動物種群各類多樣性指數受環境影響變化很大[26, 30-31]。該研究中,大豆田間節肢動物群落各類多樣性指數的分析結果表明,各類抗除草劑轉基因大豆與其非轉基因對照大豆田植株的各類多樣性指數動態基本趨于一致,但在不同的地點,各類多樣性指數整體上會出現明顯的波動,這主要受大豆田優勢害蟲(雙斑螢葉甲、大豆蚜)以及氣候的影響。T1與NT1田間試驗地點位于安徽省合肥市,緯度偏低,溫度較高。始粒期葉甲、蚜蟲數量較高,導致大豆植株節肢動物的豐富度、多樣性和均勻度均在始粒期明顯下降,鼓粒期緩慢上升,成熟期出現輕微波動。T2與NT2田間試驗地點位于吉林省長春市,緯度偏高,調查期間降雨頻繁。始花期前后降水過多,部分節肢動物受雨水沖刷影響較大,蚜蟲集中在葉片背面,種群數量顯著增多,調查期間多樣性指數、均勻性指數普遍偏低,而優勢集中性指數則偏高。T3與NT3田間試驗地點位于內蒙古自治區興安盟,緯度偏高,降溫較快。結莢期前期降雨,使大豆植株上節肢動物的豐富度輕微下降。從鼓粒期到成熟期,氣溫開始下降,豐富度和多樣性指數降低,均勻性指數和優勢集中性指數出現輕微波動。綜上,筆者認為大豆生態系統并沒有形成穩定的節肢動物群落組成,相比于復雜氣候環境對田間節肢動物群落的較大影響,轉基因大豆對田間節肢動物群落的影響是微乎其微的。轉基因大豆的生物安全評價是一個長期研究的過程,需要不斷擴大范圍,進行多次多年多點的監測,未來應當積累不同品種轉基因大豆田間節肢動物群落的變化數據,作為轉基因大豆生態安全評價的參考范圍。這有助于更好地理解和預測轉基因大豆對田間節肢動物群落可能的生態影響,為后續轉基因育種和商業化推廣提供數據支撐,有助于為人們的生產生活提供更加科學和安全的建議。