转基因作物对土壤酶活性影响的研究进展

梁晋刚 栾颖 焦悦

摘要：土壤酶能够催化土壤中复杂的有机物转化为简单的无机化合物，参与生态系统物质循环和能量流动，可以有效地反映土壤肥力，然而其活性受到多方面因素的影响。本文综述了不同转基因作物对土壤酶活性的影响，结果发现，转基因作物的种植对土壤酶活性没有显著性影响，作物生育期是土壤酶活性的主要影响因素。同时，本文还对今后的研究进行了展望，以期为转基因作物环境安全评价提供参考。

关键词：转基因作物;土壤酶;酶活性;棉花;玉米;水稻

中图分类号：S154.2   文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）14-0023-03

土壤酶是土壤生化反應过程中的重要组成，包括胞内酶和胞外酶，主要来源于动植物残体分解、植物根系分泌和土壤生物的代谢[1]。土壤酶活性受地域差异、植物品种、土壤类型、土壤理化性质等多种环境因素的影响，其在一定程度上反映了土壤微生物的活性，是土壤质量的生物活性指标[2]。与其他土壤质量参数相比，土壤酶对土壤环境变化更为敏感，因此，评价不同转基因作物对土壤酶活性的影响具有重要的生态学意义[3]。

转基因作物通过其残留物和根系分泌物影响土壤微生物群落生理特性、代谢活性和土壤酶活性，从而对土壤理化性质、土壤养分的释放及有效性产生影响[4]。研究发现，转基因作物的种植可能会导致土壤理化性质及土壤酶活性发生变化[5-7]。转基因作物对土壤酶活性的影响机制可能是转基因表达蛋白与土壤酶竞争土壤颗粒活跃表面的结合位点，从而影响土壤酶的活性[8]。由于土壤中包含了多种多样的酶，因此在研究时有必要选取具有代表性的酶进行分析。

1 主要土壤酶

土壤酶主要包括氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶等4类。不同土壤酶的来源及其活性的主要影响因素如表1所示。

2 转基因作物对土壤酶活性的影响

2.1 转基因棉花对土壤酶活性的影响

Chen等分析了连续种植转基因抗虫棉和秸秆还田对土壤酶活性的影响，结果发现，在连续种植的条件下，脱氢酶活性显著提高;在秸秆还田的条件下，脱氢酶活性被抑制，β-葡萄糖苷酶、硝酸还原酶、磷酸单酯酶、芳香基硫酸酯酶等的活性显著性提高;可能是由于Cry1Ac蛋白吸附在土壤微粒上，直接影响了β-葡萄糖苷酶、硝酸还原酶、芳香基硫酸酯酶的活性[10]。Xie等通过连续3年的田间试验发现，转基因抗虫棉GK12对脱氢酶、脲酶、磷酸酶活性无显著性影响[11]。Mina等通过3年田间试验发现，转基因抗虫棉Mech 162对碱性磷酸酶、硝酸还原酶、脲酶活性无显著性影响，对脱氢酶有显著性影响，但这种影响小于季节变化带来的影响[12]。Tarafdar等在印度维达尔巴棉花种植区，分析了25个至少3年连续种植转基因抗虫棉的样地土壤酶活性，结果发现，脱氢酶、酸性磷酸酶、植酸酶、固氮酶活性在转基因抗虫棉根际土壤中显著降低[13]。Singh等发现，在种植覆盖作物花生的条件下，转基因抗虫棉对脱氢酶活性没有显著性影响[14]。Zhang等通过2年田间试验发现，转CrylAc和CpTI基因抗虫棉花SGK321对脱氢酶、脲酶、磷酸酶活性没有显著性影响，且作物生育期和不同棉花品种是影响酶活性变化的主要因素[15]。Chen等通过连续4年盆栽试验发现，连续多年种植转基因抗虫棉对土壤酶活性有消极影响，即转CrylAc基因抗虫棉ZM30抑制了硝酸还原酶、酸性磷酸单酯酶、芳香基硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶活性，转CrylAc和CpTI基因抗虫棉ZM41抑制了β-葡萄糖苷酶活性，转CrylAc和CpTI基因抗虫棉SGK321抑制了硝酸还原酶、蛋白酶、酸性磷酸单酯酶、芳香基硫酸酯酶活性，上述3类转基因抗虫棉均对脲酶和磷酸二酯酶没有显著性影响;另外，研究者还发现，相比于CpTI蛋白，CrylAc蛋白对酶活性的影响更大[16]。在随后的研究中，Chen等证实，由于CpTI蛋白抑制了蛋白酶活性，从而影响了土壤中Cry1Ac蛋白的降解，进而增加了土壤中Cry1Ac蛋白的含量，最后致使土壤酶活性被抑制[17]。Luo等通过2年的试验发现，转基因抗虫棉GK19对土壤脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶、中性磷酸酶活性没有显著性影响，且酶活性随着土壤盐浓度增加而逐渐减小，土壤盐浓度随着时间变化导致了土壤酶活性在不同生育期间的变化[18]。

在研究转基因抗虫棉对土壤酶活性的影响中，研究人员主要测定了脱氢酶、β-葡萄糖苷酶、硝酸还原酶、磷酸单酯酶、芳香基硫酸酯酶、脲酶、磷酸酶（酸性、中性、碱性）、蛋白酶、磷酸二酯酶等的活性。多个研究都已证明，脱氢酶活性会受到转基因抗虫棉连作的影响，其活性上升或下降对β-葡萄糖苷酶、硝酸还原酶、磷酸单酯酶、芳香基硫酸酯酶、磷酸酶、蛋白酶活性的影响各异，几个研究发现，转基因抗虫棉连续种植对脲酶和磷酸二酯酶的活性基本没有影响[10-15]。因此，在今后可通过检测脱氢酶的活性以及β-葡萄糖苷酶、硝酸还原酶、磷酸单酯酶、芳香基硫酸酯酶、磷酸酶、蛋白酶的活性研究转基因抗虫棉对土壤酶活性的影响，并且可以将脱氢酶作为主要的指示酶。

2.2 转基因玉米对土壤酶活性的影响

Jenkins等发现，种植耐除草剂玉米后，喷施的草甘膦对空白土壤和根际土壤中的磷酸酶、β-1，4-葡萄糖苷酶、β-1，4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶、L-亮氨酸氨基肽酶等胞外酶有短暂性影响，但影响不显著[19]。de Oliveira等发现，在花期，转基因抗虫玉米30F35Y（Cry1Ab）和30F35H（Cry1F）对土壤脲酶、精氨酸酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶活性没有显著性影响[20]。Zeng等通过连续3年分析发现，转基因耐盐玉米 WL-73 对碱性磷酸酶、脲酶、脱氢酶、蔗糖酶活性没有显著性影响[21]。van Wyk等发现，转基因抗虫玉米MON810对土壤脲酶活性无显著性影响，但显著降低了酸性磷酸酶和 β-葡萄糖苷酶活性，且土壤酶活性的变化与有机碳含量密切相关[22]。

在研究转基因玉米对土壤酶活性的影响中，研究人员主要测定了磷酸酶（酸性、碱性）、β-1，4-葡萄糖苷酶、β-1，4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、L-亮氨酸氨基肽酶、脲酶、精氨酸酶、脱氢酶、蔗糖酶等的活性结果发现，只有酸性磷酸酶和β-葡萄糖苷酶活性有显著性的降低[19-22]。因此，在今后研究转基因玉米对酶活性的影响时，可重点检测磷酸酶和β-葡萄糖苷酶的活性，并将其作为主要的指示酶。

2.3 转基因水稻对土壤酶活性的影响

Lee等采集已连续8年种植转基因抗虫水稻Kefeng-6的土壤，分析发现，Kefeng-6对过氧化氢酶、脱氢酶、酸性磷酸酶、脲酶活性无显著性影响[23]。Fang等發现，在水稻分蘖期、抽穗期、灌浆期、成熟期以及秸秆还田97、128、158、189 d后，抗虫水稻Huachi B6和TT51对土壤过氧化氢酶、脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶活性没有显著性影响[24]。Wei等发现，在水稻苗期、分蘖期、孕穗期、抽穗期、成熟期，抗虫水稻SHK601对脱氢酶、蔗糖酶、酚氧化酶、酸性磷酸酶、脲酶、蛋白酶活性没有显著性影响[25]。Li等发现，在水稻苗期、分蘖期、抽穗期、成熟期，转β-胡萝卜素基因水稻AH33对过氧化氢酶、蔗糖酶、蛋白酶、脲酶活性没有显著性影响，且发现作物生育期是影响酶活性变化的主要因素[26]。

在研究转基因水稻对土壤酶活性的影响中，研究人员主要测定了过氧化氢酶、脱氢酶、磷酸酶（酸性和中性）、脲酶、蔗糖酶、酚氧化酶、蛋白酶等的活性，结果发现，种植转基因水稻对这些酶的活性均没有显著性影响[23-26]。在今后可以通过检测过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶等的活性研究转基因水稻对酶活性的影响。

2.4 其他转基因作物对土壤酶活性的影响

Nakatani等通过连续2年6个地点的田间试验发现，在大豆盛花期，转基因耐除草剂大豆和草甘膦对β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶活性没有显著性影响[27]。Bezirganoglu等通过温室试验发现，转基因抗病甜菜对芳香基硫酸酯酶、脲酶、脱氢酶、磷酸酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶、蛋白酶、β-葡萄糖苷酶活性有影响[28]。Wang等通过1年盆栽试验发现，转基因烟草 T-Chit和T-Vi抑制了紫色土中过氧化氢酶和脲酶活性[29]。Zhou等通过1年田间试验发现，转Cry1Ac基因抗虫甘蔗对脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、酸性磷酸单酯酶活性没有显著性影响[30]。Wu等通过连续2年田间试验发现，转基因抗病小麦N12-1对脲酶、蔗糖酶、脱氢酶活性没有显著性影响，且作物生育期和年份是影响酶活性变化的主要因素[31]。Khan等发现，转基因抗病油菜NiC Brassica napus对碱性磷酸单酯酶、芳香基硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶、蔗糖酶的活性没有影响[32]。

在其他转基因作物比如转基因大豆、甜菜、烟草、甘蔗、小麦、油菜等对酶活影响的研究中，主要检测了以下酶活性的变化：β-葡萄糖苷酶、芳香基硫酸酯酶、脲酶、脱氢酶、磷酸酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶、蛋白酶、蔗糖酶、磷酸单酯酶，结果发现，转基因抗病甜菜会显著影响芳香基硫酸酯酶、脲酶、脱氢酶、磷酸酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶、蛋白酶、β-葡萄糖苷酶的活性，转基因烟草的种植会抑制过氧化氢酶和脲酶的活性，其他转基因作物的种植对检测的土壤酶活性没有显著性影响。

3 展望

土壤功能酶对土壤新陈代谢和营养物质循环具有重要的作用。目前，有很多研究人员将土壤酶活性作为衡量土壤健康状况和土壤活性的一个重要参量[33-34]，并将其大量应用到转基因作物的环境安全评价中，大量研究结果表明，转基因作物的种植对土壤主要功能酶活性没有产生显著性的影响[35-40]。从酶活性角度上看，土壤酶活性的大小主要与土壤类型和作物生育期有关，而转基因品种的种植对其影响较小[41-44]。

土壤酶活性会受到很多方面的影响，如土壤状况（土壤理化性质、土壤类型）、作物不同的生育期、不同的种植方式和耕作方式等。因此，在研究转基因作物对土壤酶活性的影响时要严格控制变量，可主要检测脱氢酶、芳香基硫酸酯酶、磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、蛋白酶、过氧化氢酶、脲酶、多酚氧化酶等的活性。

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