转基因耐草甘膦大豆对豆田节肢动物群落多样性的影响

张 卓， 黄文坤， 刘茂炎， 彭德良＊， 刘二明

（1.中国农业科学院植物保护研究所，植物病虫害生物学国家重点实验室，北京 100193；2.湖南农业大学生物安全科学技术学院，长沙 410128）

转基因耐草甘膦大豆对豆田节肢动物群落多样性的影响

张 卓1，2， 黄文坤1， 刘茂炎1， 彭德良1＊， 刘二明2

（1.中国农业科学院植物保护研究所，植物病虫害生物学国家重点实验室，北京 100193；2.湖南农业大学生物安全科学技术学院，长沙 410128）

在田间试验条件下，采用直接观察法，通过对多样性指数、优势集中性指数、均匀性指数、物种数的分析比较，研究转基因耐草甘膦大豆对豆田节肢动物群落多样性的影响。结果显示，大豆生长期转基因耐草甘膦大豆和受体的节肢动物多样性指数、均匀性指数、物种数均显著低于当地常规品种，优势集中性指数显著高于当地常规品种，但转基因抗草甘膦大豆与对照受体间各指标无显著性差异，说明转基因耐草甘膦大豆对豆田节肢动物群落无明显影响。

转基因耐草甘膦大豆； 节肢动物； 多样性

大豆是中国的五大农作物之一，也是重要的油料作物，是主要食用蛋白和工业原料的来源。在大豆栽培中，杂草的防除是一个重要环节。在杂草防治过程中，农民最重要的考虑是节省劳力、简单性和灵活性［1－2］。通过化学方法来控制杂草已成为现代化农业不可缺少的一环，除草剂的合理使用，可减少杂草危害、节省劳力、增加作物产量、提高作物品质和价格［3］，其年产量已居农药之首，美国每年用在除草剂上的费用大约是50亿美元［4］。草甘膦具有高效、杀草谱广、低毒、易分解、低残留、对环境影响相对低等特点，近年来一直是世界销量第一的农药［5－6］。但草甘膦在除草的同时，也会杀死大豆，从而限制了其使用范围，然而转基因作物具有更便利的杂草防治时间和模式［2，7－8］，所以选育耐草甘膦的大豆品种已成为大豆育种的一个热门领域［9］。

2010年，耐除草剂作物占转基因作物总面积的61%，是世界上商品化最早、推广应用最快的转基因作物［10］。耐除草剂转基因大豆通过降低生产成本，增加了生产效率［11－12］，使用时间更加灵活［13］。在对转基因植物的环境安全性评估研究中，美国食品和药物管理局认为转基因大豆和非转基因大豆没有差异［14］。Appenzeller等通过斯普拉格大鼠（Sprague-Dawley rats）亚慢性饲喂试验，认为耐除草剂转基因大豆的安全性与常规非转基因大豆没有显著差异［15］，很多研究集中在与同源基因的农艺性状指标和成分分析的比较［15－17］。有关抗除草剂转基因作物对田间节肢动物群落多样性影响的报道相对较少。本研究旨在通过耐草甘膦转基因大豆对豆田节肢动物种群影响的评价，为转基因大豆的环境安全评价提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点设在河北省廊坊市安次区炊庄的中国农业科学院廊坊科研中试基地，位于东经E116°36.287′～E116°36.332′，北纬 N39°30.625′～E39°30.678′。2010年试验期间，5－10月各月的平均气温分别为20.6、23.7、27.4、25.0、19.4、14.5 ℃，平均降雨量分别为 50.0、67.9、75.2、75.2、74.3、68.0mm。

1.2 供试大豆品种

转基因耐草甘膦大豆‘呼交03-263’，‘呼交06－698’及转基因大豆受体‘蒙豆12’由中国农业科学院作物科学研究所提供；当地常规品种‘中黄13’，由中国农业科学院廊坊科研中试基地提供。

1.3 试验设计

2010年5月25日种植两种转基因大豆、亲本和对照，每个品种设置4次重复，共16个小区，随机排列，小区面积11.5m×13m，小区间设有1.5m宽的空白隔离带。栽培管理措施按当地常规方式进行，全生育期田间管理除必要的农事操作（如锄草、灌水）外，不使用除草剂，以减少人为影响；人工精细收获试验材料，单脱单藏，按转基因大豆生产要求统一管理。

1.4 调查方法

大豆封行后，各小区从7月中旬到10月上旬，采用直接观察法，每5d调查1次。每次调查时，每小区对角线5点取样，每点调查1m2以内的20株大豆，记载大豆上、中、下3个叶位的节肢动物的种类和数量。

1.5 统计分析方法

群落结构与动态分析采用Krebs的方法，分别计算各小区节肢动物群落的有关参数［28］。

物种丰富度（S），为群落中物种数。

Shannon Wiener多样性指数 （H′），评估群落丰富度：

式中，Pi＝，S为群落中物种数；Pi为群落中第i个物种个体数量（Ni）占群落中总个体数（N）的比例。

Simpson优势集中性指数（C），评估某些常见种的优势度：

式中，S为群落中物种数；N为群落中所有物种的个体数之和；Ni为第i种个体的个体数。

均匀性指数（evenness）（J），反映群落中物种均一性：

式中，H′为Shannon Wiener多样性指数，H′max为最大理论值，即假定群落中各个物种以相同比例存在时的H′值。

原始数据经过EXCEL 2010整理，再用Origin 8.0数据分析软件对试验数据进行方差分析，平均数进行LSD测验。

2 结果与分析

2.1 多样性指数动态

在大豆生长期，当地常规品种‘中黄13’的多样性指数均高于转基因大豆‘呼交03-263’和‘呼交06-698’及转基因大豆受体‘蒙豆12’，各品种的多样性指数变化趋势基本一致，均低于2.5，且随时间推移呈降低态势（图1，图2）。9月3日之前，大豆生长旺盛，节肢动物种类较多，多样性指数较高，当地常规品种多样性指数均在1.0以上，转基因大豆‘呼交03-263’和‘呼交06-698’及受体‘蒙豆12’多样性指数均在0.5以上，‘中黄13’与其他3个品种间存在极显著差异（p＜0.01）。7月24日至8月3日，‘呼交03-263’的多样性指数显著低于受体大豆‘蒙豆12’的（p＜0.05），之后两者多样性指数无显著性差异。‘呼交06-698’的多样性指数略高于受体大豆‘蒙豆12’的，但两者之间不存在显著性差异（p＞0.05）。9月3日之后，随着生长期的结束，节肢动物种类较少，多样性指数较低，各品种的多样性指数低于0.5，且不存在显著性差异（p＞0.05）。

2.2 优势集中性指数动态

各品种的优势集中性指数变化趋势基本一致，呈曲折上升态势，大豆生长旺盛，田间节肢动物物种数较多，优势集中性指数较低，且当地常规品种‘中黄13’的优势集中性指数均低于其他3个品种（图3，图4）。生长期结束，田间节肢动物物种数较少，优势集中性指数基本呈直线状，趋近于1.0。9月3日之前，‘中黄13’的优势集中性指数均低于‘蒙豆12’和‘呼交03-263’，差异达极显著水平，8月23日至8月28日存在显著性差异。7月24日、7月29日和8月3日‘呼交03-263’的优势集中性指数均显著高于‘蒙豆12’，其他调查时间均不存在显著性差异。9月3日之后，各品种的优势集中性指数接近于1.0，且不存在显著性差异。9月3日之前，‘中黄13’的优势集中性指数均低于‘蒙豆12’和‘呼交03－263’，差异达极显著水平，‘蒙豆12’除了8月18日显著高于‘呼交03-263’外，其他时间段两者之间不存在显著性差异。9月3日之后，各品种的优势集中性指数接近于1.0，且不存在显著性差异。

2.3 均匀性指数动态

在大豆生长期，当地常规品种‘中黄13’的均匀性指数基本高于另外3个品种，各品种的均匀性指数变化趋势基本一致，均随时间推移呈波浪状降低态势（图5，图6）。7月29日至8月18日，‘中黄13’的均匀性指数均高于‘蒙豆12’和‘呼交03－263’，且差异达极显著水平，其余时间，3个品种间无显著性差异。7月29日，‘蒙豆12’的均匀性指数显著高于‘呼交03-263’，8月3日，‘蒙豆12’的均匀性指数极显著高于‘呼交03-263’，其余时间，两者无显著性差异。7月29日、8月3日、8月13日和8月18日，‘中黄13’的均匀性指数均高于‘蒙豆12’和‘呼交06-698’，且差异达极显著水平；其余时间，3个品种间无显著性差异；整个调查阶段，‘蒙豆12’和‘呼交06-698’间均匀性指数不存在显著性差异。

2.4 物种数指数动态

当地常规品种‘中黄13’、转基因大豆‘呼交03－263’、‘呼交06-698’及受体‘蒙豆12’的物种数均呈抛物线状，基本是7月下旬至8月下旬较高，‘中黄13’几乎均在10.0以上，其他3个品种均在5.0以上，且当地常规品种‘中黄13’高于其他3个品种（图7，图8）。由图7可知，除7月14日、8月3日、8月8日和8月13日，‘中黄13’的物种数与‘呼交03－263’和‘蒙豆12’无显著性差异外，其他时间均存在显著性差异，且7月24日、8月28日、9月13和9月23日达极显著水平；除7月24日，‘蒙豆12’物种数显著高于‘呼交03-263’外，其余时间两者均无显著性差异。由图8可知，除7月14日、8月8日、8月13日和8月23日，‘中黄13’的物种数与‘呼交06-698’和‘蒙豆12’无显著性差异外，其他时间均存在显著性差异；在整个调查阶段，‘呼交06-698’与‘蒙豆12’间物种数无显著性差异。

3 讨论

世界经济合作与发展组织认为转基因植物释放后影响的大小，不仅取决于转入的基因，还取决于植物的性质、原产地［19］。Buckelew等指出转基因耐除草剂大豆对田间豆叶甲（Ceratoma trifurcata）和马铃薯叶蝉（Empoasca fabae）的种群数量没有影响［20］。吴孔明等和王关林等经过多年的研究证实，转Bt抗虫棉不但没有破坏生物多样性，反而显著改善了环境，增加了生态系统多样性［21－22］。王忠华等室内研究发现家蚕幼虫（Bombyx mori）取食撒有Bt水稻花粉的桑叶时体重受影响，但对致死率无影响［23］。刘志诚等认为Bt水稻对稻田节肢动物群落无明显影响，其影响作用明显弱于化学杀虫剂［24－25］。Mark等研究了Bt玉米花粉对黑脉金斑蝶（Danaus plexippus）的影响［26］，Wraight等研究了Bt玉米花粉对香芹黑凤蝶（Papilio polyxenes）的影响［27］，Lozzia等研究了Bt玉米对草蛉（Chrysoperla sinica）的影响［28］，Manacini等研究了其对禾谷缢管蚜（Rhopalosiphum padi）种群数量的影响［29］，均认为转基因植物对环境是安全的。McPherson等观察到转基因耐除草剂大豆对昆虫群落的影响较小，转基因豆田中节肢动物害虫的丰富度和普通田中的没有差异，对季节性的大豆节肢动物的为害没有不利影响［30］。Bitzer等试验表明转基因耐除草剂大豆对弹尾虫种类的丰富度短期内没有不利影响［31］。吴奇等研究了耐草甘膦转基因大豆对节肢动物的影响，发现转基因大豆田节肢动物的多样性指数、物种丰富度等与亲本大豆的相似程度极高，对豆田害虫和天敌的多样性没有显著影响［32－33］。群落中的物种多样性与群落的年龄有关，一个年龄较老的群落，比一个年龄较轻的群落具有更大的物种多样性［34］。本研究中，常规品种‘中黄13’经过长期的种植驯化，已适应当地的环境，其节肢动物多样性指数明显高于其他品种，但耐草甘膦转基因大豆‘呼交03-263’和‘呼交06-698’的物种多样性指数，与转基因大豆受体‘蒙豆12’间均不存在显著性差异，这说明节肢动物多样性指数的高低主要受栽培品种与栽培历史的影响。

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Effects of glyphosate tolerant soybean on the biodiversity of arthropods communities in soybean fields

Zhang Zhuo1，2， Huang Wenkun1， Liu Maoyan1， Peng Deliang1， Liu Erming2
（1.State Key Laboratory for Biology of Plant Diseases and Insect Pests，Institute of Plant Protection，Chinese Academy of Agriculture Sciences，Beijing100193，China；2.College of Bio-Safety Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha410128，China）

In natural fields，the effects of glyphosate tolerant soybean on Shannon-Winner diversity index，Simpson index，evenness and number of species were analyzed using direct observation method.The results showed that the Shannon-Winner diversity index，evenness and number of species of arthropods in glyphosate tolerant soybean fields and its receptor were significantly lower than those of the local conventional variety during the growing period.The Simpson index of arthropods in glyphosate tolerant soybean fields was significantly higher than that of the local conventional variety.There was no significant difference between glyphosate tolerant soybean and receptor.It was concluded that glyphosate tolerant soybean had no significant effects on arthropod communities in soybean fields.

glyphosate tolerant soybean； arthropod community； biodiversity

S 435.651

A

10.3969／j.issn.0529-1542.2011.06.022

2011-08-31

2011-09-28

转基因生物新品种培育科技重大专项（2008ZX08011-003）

＊ 通信作者 E-mail：dlpeng＠ippcaas.cn