转Gbve1基因棉对棉田动物群落结构及稳定性影响

姜义平，肖留斌，陈天子，张保龙，赵 静，谭永安

(1.江苏省农业科学院植物保护研究所/江苏省食品质量安全重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地,南京 210014；2.江苏省农业科学院种质资源与生物技术研究所，南京 210014)

0 引 言

【研究意义】转基因棉花是控制棉花病虫害，提高棉花经济效益主要手段之一。经统计到 2018 年，我国转基因棉花种植面积达290×104hm2，其应用率高达95%[1]。，对转基因作物进行环境安全性评价及对田间动物群落结构和稳定性评估变得尤为重要[2]。江苏省农业科学院将抗黄萎病(Gbve1)基因导入棉花，增强了棉花对黄萎病的抗性，但其对环境安全性特别是棉田节肢动物群落的影响还需进一步调查评估。【前人研究进展】棉花是世界上重要的经济作物，也是我国传统优势作物，它既可以生产天然的纤维，又是重要的油料作物之一[3]。据2016年统计我国棉花种植面积约占全世界种植面积的18%，总产量占全世界总产量的34%，是世界上第二大棉花生产国。棉花作物在我国农业中具有重要的地位[4-6]。自20世纪90年代以来，转基因棉的引入，减轻病虫危害而造成的经济损失[5, 7-8]。近年来，黄萎病在我国各大棉区屡次大面积发生，其中尤为严重的是1993年，黄萎病在中国棉区大暴发，近80%的棉花作物受到严重感染，皮棉产量损失近1×108kg[9-12]，影响棉花的产量与品质，给棉花产业造成重大损失。通过转基因培育抗黄萎病棉花品种来提高棉花产量已成为迫切需求。抗黄萎病基因早期主要研究对象为番茄等作物，2001年Kawchuk等[13]通过分子克隆方法得到可以跨种族介导的2个抗黄萎病抗病基因—Ve1和Ve2，而棉花抗黄萎病基因Gbve1是Zhang等[14]于2011年从海岛棉中克隆得到，该基因与抗番茄黄萎病基因Ve1同源[15]，有研究利用基因敲除和转基因技术证明该基因能够显著增强植物对黄萎病菌的抗性，并经拟南芥证明Gbve1基因于物种间高度保守，验证了该基因具有较高的抗黄萎病菌利用价值[16]。李红娟[17]通过对转棉花Gbve1基因拟南芥表达谱的分析对Gbve1基因抗病机理进行了初步探索研究，发现该基因进入植物体内后，参与许多与抗性相关基因的调控，当病菌入侵时，转基因植物能够迅速地调控基因开启防御反应。【本研究切入点】江苏省农业科学院生物技术研究所已验证转Gbve1基因棉株具有较高的抗黄萎病能力[18]，但其对田间动物群落结构和稳定性尚不明确。新型转基因棉花材料在商业化种植前，必须评估其潜在的环境安全性。研究转Gbve1基因棉对棉田动物群落结构及稳定性影响。【拟解决的关键问题】试验以5组高品质转Gbve1基因棉花品系和亲本为研究对象，通过定期调查记录棉株上所有节肢动物种类和数量，统计分析各棉田中节肢动物群落结构及稳定性，以期为转Gbve1基因棉花生态安全进行科学评价，为其推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料由江苏省农业科学院生物技术研究所提供。共有6份材料，编号为1～6，其中1～5号材料为不同的转Gbve1基因株系，6号为亲本。 试验地位于江苏省农业科学院植物保护研究所试验田(N32°02′15.33″，E118°52′9.43″)，试验采取随机区组设计，根据1～5号转Gbve1基因株系和6号亲本对应设置6个处理， 每个处理3个重复，共有18个小区，每个小区10 m×9 m，棉田按照常规栽培管理，试验期间不喷施杀虫剂，田周围设有严格的隔离带，试验完成后焚烧棉花秸秆，以防止目标基因扩散 。

1.2 方 法

从棉花出现第3片真叶开始，每7 d左右调查1次，调查采用5点取样法，每小区调查6株。调查时目测整株植物所有器官，并记录棉株上所有节肢动物的种类和数量。记录的数量均换算成百株虫量进行统计处理。

1.3 数据处理

群落参数计算采用Excel和DPSv8.01数据处理系统进行统计分析，采用LSD(Least—Significant Difference )方法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 棉田物种组成和种群数量

研究表明，不同品系棉田的物种组成和数量除个别有显著差异外，其余均无显著差异且数值上相近。其中，品系1的害虫亚群落中目和科的数量均显著低于对照(目：F=3.429，Df= 2，5，P= 0.046；科：F=3.571，Df= 2，5，P= 0.041)；品系2中天敌亚群落个体数量显著高于其他转基因品系以及对照(F=22.083，Df= 2，5，P= 0.001)。表1

表1 不同品系棉田节肢动物种数和个体数组成Table 1 The number of arthropod species and their individual numbers in different cotton fields

2.2 不同品系棉田中动物群落相对多度

研究表明，棉田中害虫以棉蚜 、烟粉虱、棉叶蝉、棉大卷叶螟等为主，其中虫量较多的是棉蚜、棉叶蝉和烟粉虱等刺吸式害虫，相对多度均大于0.93，极少数是咀嚼式口器害虫。经方差分析发现，不同品系棉田中的烟粉虱、朱砂叶螨和绿盲蝽 具有显著差异(烟粉虱：F=4.335，Df= 2，5，P= 0.023；朱砂叶螨：F=4.996，Df= 2，5，P= 0.015；绿盲蝽 ：F=3.349，Df= 2，5，P= 0.049)，品系1和品系2田间烟粉虱Pi值分别显著低于品系5和对照，分别降低了87.28%(1vs 5)、83.32%(1vs对照)、74.11%(2vs 5)、66.03%(2vs对照)；品系3田间的朱砂叶螨Pi值分别显著高于品系4和对照，分别提高了95.66%(3vs 4)和94.80%(3vs对照)；品系5田间的绿盲蝽Pi值显著高于品系1、2和3，分别提高了86.75%(5vs 1)、86.75%(5vs 2)和67.47%(5vs 3)，其余害虫在品系间均没有显著差异(P>0.05)。然而从总体上看，不同品系棉田中刺吸式害虫和咀嚼式害虫之间并没有显著差异(P>0.05)。表2

表2 不同品系棉田主要害虫占害虫亚群落的相对多度Table 3 The relative abundance of the main pests to the pest sub-population in different cotton fields

蜘蛛、瓢虫和草蛉等昆虫是棉田中的主要天敌，不同品系棉田相对多度最高的是草蛉类，均在0.5左右。不同品系棉田中草蛉和捕食蝽类的相对多度有显著差异(草蛉类：F=5.961，Df= 2，5，P= 0.008；捕食蝽类：F=5.893，Df= 2，5，P= 0.009)。品系4田间草蛉类天敌Pi值显著低于品系2和对照，分别降低了57.66%(4vs 2)和58.46%(4vs对照)；品系1和品系2田间Pi值显著高于对照，分别提高了1倍左右，其它品系田间天敌相对多度无显著差异。表3

表3 不同品系棉田主要天敌占天敌亚群落的相对多度Table 3 The relative abundance of the main natural enemy to the natural enemy sub-population in different cotton fields

2.3 不同品系棉田动物群落参数

研究表明，不同品系棉田的物种丰富度、多样性指数、均匀度指数和优势集中性指数均无显著差异(P>0.05)，Gbve1基因的转入对棉田中节肢动物群落分布及多样性无显著影响。表4

表4 不同品系棉田节肢动物群落参数Table 4 The parameters of arthropod community in different cotton fields

2.4 不同品系棉田动物群落相似性

研究表明，不同品系棉田中害虫亚群落的相似性为0.620 8 ～ 0.790 6；天敌亚群落的相似性为0.821 4 ～ 0.963 0，节肢动物群落的相似性为0.681 4 ～ 0.820 9，转Gbve1基因棉田与对照棉田动物群落的相似性较高，表明转Gbve1基因棉的种植对动物群落结构的影响并不大。表5

表5 不同品系棉田节肢动物群落相似性Table 5 Similarity of arthropod community in different cotton fields

2.5 不同品系棉田主要昆虫类群时序消长动态

研究表明，棉蚜和烟粉虱发生期主要集中于7至8月，其他害虫主要发生在8月下旬至9月上旬。6种主要害虫除品系2棉田中的烟粉虱和棉叶蝉 害虫在个别时期发生量与其他品系间存在显著差异(P<0.05)外，其他主要害虫在不同品系棉田间均无显著差异(P>0.05)。转Gbve1基因株系棉花种植并不影响主要害虫的发生危害。图1

注：1.棉蚜 ，2.烟粉虱，3.花蓟马，4.棉大卷叶螟 ，5.绿盲蝽，6.棉叶蝉 。红星代表该品系与其他品系之间有显著差异，下同

天敌大发生主要集中在8月下旬至9月上旬，并且不同品系棉田中天敌的发生趋势基本一致，其中蜘蛛种群在棉花整个生育期都发生。品系2和品系5棉田中的主要天敌在个别时期显著差别于其他品系(P<0.05)，其余品系主要天敌间无显著差异(P>0.05)，转Gbve1基因不同品系棉田天敌种群的生长繁衍未受到明显影响。图2

注：1.蜘蛛，2.瓢虫，3.草蛉

3 讨 论

随着转基因植物种植面积的扩大，其对生态环境的影响也引起越来越多的关注。为了更好地保护生态环境，近年来许多学者就转基因植物对田间生物多样性等进行了一系列的研究[19-24]，验证转基因植物的安全性，严谨、科学地评价转基因植物。以转Gbve1基因棉花为研究对象，对其棉田动物群落进行系统的调查，从而探讨新型转基因棉花对生态环境的影响。

研究对不同品系棉田中主要昆虫群落进行了消长动态分析，结果显示，棉蚜 、烟粉虱、花蓟马和棉叶蝉 是田间的主要害虫，其中烟粉虱和棉叶蝉 在品系2棉田个别生育期与对照或其他品系间存在显著差异，而棉蚜和花蓟马 在不同品系棉田中差异均不显著；田间的主要天敌蜘蛛、瓢虫和草蛉在个别品系中的个别生育期内有显著差异，其余差异均不显著。出现个别品系或个别虫源的起伏有可能与降雨量有关，但是总体趋势与孙红炜等[24]对抗病转基因棉田间研究趋势基本一致，转抗病基因对棉田生物无显著性影响。由此可以推断，短期内转抗黄萎病基因棉花品种对生态环境无显著影响。

在不施农药的前提下，调查了转抗黄萎病基因棉田和常规棉田中的物种组成并对其群落相对多度、多样性和均匀度等指标进行归纳总结，结果显示，除害虫亚群落和天敌亚群落在个别分类单元与对照相比差异显著，节肢动物群落和其他两类在群落结构和组成上均无显著差异，棉田益害比也无显著差异；与对照相比不同品系转基因棉田害虫相对多度除个别害虫均无显著差异，不同品系棉田天敌相对多度占比最高的均是草蛉，其次是蜘蛛；与常规棉相比不同品系转基因棉田害虫亚群落、天敌亚群落和节肢动物群落的多样性指数、均匀度指数和优势集中性指数均无显著差异，且群落相似性均在0.6以上，表明不同品系转基因棉的物种组成、群落稳定性和多样性与常规棉相比均无明显差异，说明转基因棉对棉田生态系统的稳定性无显著影响。上述结果基本与郭佳惠(2016)等[19]对3种转非抗虫基因棉的研究趋势一致，转抗病基因棉株对田间节肢动物无显著影响。

研究仅对转基因品系进行了短时间的调查研究，长时期种植对田间动物群落稳定性及生态环境的影响还尚未明确，因此，转抗病基因棉对环境的影响还需要进行长期的跟踪调查研究，获得更多的数据来支撑该产品在田间的推广。

4 结 论

5组转Gbve1基因棉花株系与对照之间未存在显著差异，短期内转抗黄萎病基因棉花不影响棉田动物群落的结构和稳定性，对生态环境未产生不利影响。