3种不同抗除草剂转基因大豆对田间节肢动物多样性的影响

杨晓然,刘 靖,姚淑军,沈文静,郭 慧,刘 标①,薛 堃② 〔1.民族地区生态环境国家民委重点实验室(中央民族大学),北京 100081;.中央民族大学生命与环境科学学院,北京 100081;.生态环境部南京环境科学研究所,江苏 南京 1004〕

根据国际农业生物技术应用服务组织(International Service for the Acqui-sition of Agri-biotech Applications,ISAAA)统计,截至2021年,全球累计44个国家和地区批准了32种转基因作物的540个转化事件。应用最多的转基因作物分别是大豆、玉米、棉花、油菜,其中转基因大豆是商业化规模最大的转基因作物,转基因大豆种植面积从1996年的50万hm2增至2020年的9 590万hm2,占大豆总种植面积的78%[1]。转基因大豆的商业化释放始于1994年,抗除草剂转基因大豆在美国获得商业化许可,1996年开始进行商业化种植。抗除草剂转基因大豆能对特定除草剂产生耐受性,充分利用优良除草剂来防除大豆田间杂草,提高产量,简化了田间杂草管理,降低种植成本,促进了大豆的保护性种植,可增加收益[2-3]。转基因大豆中导入的外源基因主要是解决其高产、高营养、抗逆境、品质改良、雄性不育、改变花形和花色、抗除草剂和抗病虫等问题[4-5]。其中抗除草剂基因的研究仍然是目前大豆转基因研究中最成功的,这种类型是占比最高[6]、商业化最早、类型最多的转基因大豆。

在产生巨大效益的同时,转基因作物向环境释放后可能带来的潜在生态风险和环境问题越来越受到人们的重视[7-10],其中转基因作物对田间节肢动物多样性的影响是相关领域的研究热点,也是转基因作物是否会产生潜在环境风险的重要评估指标[11-13]。节肢动物群落是生态系统的重要组成部分,尤其是昆虫群落,在维持农田生态系统正常功能上发挥着重要作用[14]。目前国内外关于转基因作物对节肢动物影响的研究已进行了多年,绝大部分研究表明,转基因作物对节肢动物群落多样性不会产生明显影响[15-18];也有研究显示,转基因作物对田间节肢动物群落多样性有明显影响[19-21]。转基因作物具有非预期效应,这也是安全性评价中需要特别注意的。耐除草剂转基因作物虽然不会直接作用于田间节肢动物,但是会对整个农田生态系统产生影响。因此,对于任何转基因作物品种来说,需要遵循“逐案(case by case)”原则进行研究,充分了解其安全性后才能进行商业化释放。

该研究于安徽合肥、吉林长春、内蒙古兴安盟分别调查了3种转基因抗除草剂大豆(ZUTS-33、S4003.14、丰豆0262)及其非转基因受体(华春3号、Jack、合丰50)的田间节肢动物生物多样性,评价抗除草剂转基因大豆对田间节肢动物多样性的影响,为明确转EPSPS+PAT基因抗除草剂大豆对农田生物多样性的影响提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地点

由于不同品种的转基因抗除草剂大豆和受体大豆适宜种植的地点不同,研究试验材料包括安徽合肥种植的耐草甘膦转化体大豆ZUTS-33及其受体华春3号、吉林长春种植的耐草甘膦和草铵膦转化体大豆S4003.14及其受体Jack、内蒙古兴安盟种植的耐草甘膦和草铵膦转化体丰豆0262及其受体合丰50(表1)。

1.2 试验处理及小区设计

该研究参照文献[22]的试验方法,每种材料设3个重复,分别种植在3个小区。试验采用完全随机分组设计,小区间设有 1.0 m宽的隔离带。

1.3 调查方法

使用直接观察法对植株上的节肢动物进行调查。在大豆始花期、结荚期、始粒期、鼓粒期和成熟期各调查1次。调查时每个小区采用对角线5点取样法设置5个采样点,每个取样点调查10株大豆,每小区合计调查50株大豆。为了避免边缘效应,采样点距离小区边缘>2 m。记录整株大豆上所有节肢动物的种类和数量,对田间不能识别的种类进行编号,带回室内鉴定。

1.4 统计分析方法

统计分析各个调查时期不同处理节肢动物的发生数量,计算不同处理各个时期节肢动物的4个指标,即物种丰富度(S)、Shannon-Wiener多样性指数(H)、 Pielou均匀度指数(J)和Simpson优势集中性指数(C)。分析比较各大豆材料田间整个昆虫群落的动态,以此研究转化体对田间节肢动物群落多样性是否产生影响。

节肢动物群落的Shannon-Wiener多样性指数计算公式为

(1)

Pi=Ni/N。

(2)

式(1)～(2)中,Ni为第i个物种的个体数;N为总个体数;S为物种数。

Pielou均匀度指数计算公式为

J=H/lnS。

(3)

优势集中性指数计算公式为

(4)

数据计算与分析使用Excel 2010和SPSS 25.0软件,文中所有变异性数据均为均值的标准偏差。试验差异显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 大豆田间节肢动物群落物种及功能群组成

对供试大豆材料在全生育期内田间节肢动物种类进行调查,大豆田间节肢动物群落由14目68科组成(表2)。大豆生育期田间节肢动物主要功能群统计见表3。3组大豆材料田间主要节肢动物种类基本相似,但这些类群的丰度具有较大的组间差异。大豆田间主要害虫是蚜科(Aphididae)、叶甲科(Chrysomelidae)、叶蝉科(Cicadellidae)和鳞翅目(Lepidoptera)的节肢动物,其中T1和NT1田间主要害虫为叶甲、叶蝉, T2和NT2田间主要害虫为蚜虫、叶甲, T3和NT3田间主要害虫为叶甲、鳞翅目害虫。大豆蚜(Aphisglycines)和双斑萤叶甲(Monoleptahieroglyphica)是大豆全生育期的主要害虫。捕食性天敌主要包括瓢虫科(Coccinellidae)、草蛉科(Chrysopidae)、蜘蛛目(Araneae)的节肢动物。寄生性天敌主要是寄生蜂类的昆虫,记录种类和数量较少。中性节肢动物主要包括蚁科动物。 T1与NT1大豆田间叶甲数量存在显著差异(P=0.016),其他转基因大豆与非转基因大豆田间节肢动物种类数量均无显著差异。

表2 大豆田间节肢动物群落的目、科分布Table 2 The order and family patterns of the arthropod community in soybean field

表3 不同大豆处理节肢动物各功能群中主要类群的累积数量Table 3 The cumulative number of main arthropods in the functional groups of six soybean treatments 头·(100 株)-1

2.2 大豆田间节肢动物物种丰富度

物种丰富度可以直观地表征农田生态系统中生物多样性的高低。大豆生育期田间节肢动物的物种丰富度动态见图1。转基因品系与对照相比,田间节肢动物的物种丰富度无显著性差异,但是不同品种的变化趋势存在差异,峰值所处的大豆生长期也不同。

T1—ZUTS-33;NT1—华春3号;T2—S4003.14;NT2—Jack;T3—丰豆0262;NT3—合丰50。同一组数据直方柱上方小写字母相同表示不同处理间某指标不存在显著性差异(P>0.05)。图1 不同大豆处理田间节肢动物群落的丰富度动态Fig.1 The species richness dynamics of arthropods community of different soybean treatments

2.3 大豆田间节肢动物的生物多样性指数

Shannon-Wiener 指数是反映农田系统中生物多样性情况的综合指数,既包括该系统中物种的丰富度,又包括该群落结构的相关信息[23]。T1与NT1田间节肢动物群落的生物多样性指数呈双峰模式,在鼓粒期达到最高;T2与NT2田间节肢动物群落的生物多样性指数呈单峰模式,始粒期达到最高;T3和NT3田间节肢动物群落的生物多样性指数呈缓慢下降趋势。尽管3种转基因大豆田间节肢动物群落的Shannon-Wiener指数变化趋势各不相同,但是转基因大豆与其对照相比无显著差异(图2)。

T1—ZUTS-33;NT1—华春3号;T2—S4003.14;NT2—Jack;T3—丰豆0262;NT3—合丰50。同一组数据直方柱上方小写字母相同表示不同处理间某指标不存在显著性差异(P>0.05)。图2 不同大豆处理田间节肢动物群落的多样性指数动态Fig.2 The diversity index dynamics of arthropod community of the six soybean treatments

2.4 大豆田间节肢动物的均匀度指数

均匀度指数可表征群落中物种的相对丰度或比例。Pielou均匀度指数的动态变化如图2所示。3种转基因大豆对田间节肢动物群落的均匀度指数与对照相比无显著差异,不同地区不同品系表现出不同的变化趋势。

2.5 大豆田间节肢动物的优势集中性指数

优势集中性指数反映的是节肢动物在整个群落中的种类优势度的总体情况,指数越大,群落中优势物种越突出,相对物种量越低。优势集中性指数来源于辛普森指数,对样本中最丰富的物种变化最敏感,而对物种丰富度的敏感性较低[24]。优势集中性指数的动态变化如图2所示。3种转基因大豆田间节肢动物群落的优势集中性指数与相应对照相比无显著差异,不同转基因品种的变化趋势存在差异,T1、T2和T3分别在始粒期、始花期和成熟期达最高。

3 讨论与结论

笔者研究表明,3种转基因大豆对田间节肢动物群落物种丰富度、多样性、优势集中性和均匀度指数均无显著性影响,不同区域种植的不同品系转基因大豆的田间节肢动物多样性存在一定差异。

近年来国内外在转基因大豆的安全性研究方面已经取得很大进展,相关研究多数支持转基因大豆的种植对田间节肢动物无不利影响。陈伟等[25]对抗草甘膦转基因大豆SHZD32-01调查发现,转基因大豆田间节肢动物多样性与受体大豆无差异。李凡等[20]研究表明,抗除草剂转基因大豆HRS田间节肢动物与受体大豆RS两者间的多样性无显著差异。AMIN等[26]研究表明,耐除草剂草甘膦的转基因大豆(IGF)对田间节肢动物多样性没有负面影响。YU等[27]研究表明,转基因Cry1Ac大豆与受体品种、常规大豆或喷洒的常规大豆相比,田间节肢动物多样性没有显著差异。笔者研究结果与上述研究一致,即3种转基因抗除草剂大豆对田间生物多样性无显著影响。此外,也有研究认为转基因作物的种植对于生态系统具有非预期效应,既有正向的,如BHATTI等[28]研究表明转基因抗虫作物可能会提高田间节肢动物群落的丰富度和多样性,进而使生态系统的稳定性提高;也有负向的,如夏敬源等[19]研究表明,转Bt基因棉对优势寄生性天敌造成危害。不同的转基因事件和不同的转基因品系在不同的环境中有不同的表现,这也是“逐案原则”的初衷,而在应用转基因作物时,商业化范围的确定应有不同阶段的安全性评价结果的支持。

田间节肢动物群落的多样性受许多生物和非生物变量的影响,如食物、温度、降雨量和天敌等。XING等[29]根据研究结果推测Bt玉米小区中非靶标节肢动物的变化可能与小气候变化有关。PRIESTLEY等[30]则认为气候变化本身(例如强降雨)可能比Bt玉米在群落多样性和均匀性方面发挥更重要的作用。不同地点转基因作物的田间节肢动物种群各类多样性指数受环境影响变化很大[26, 30-31]。该研究中,大豆田间节肢动物群落各类多样性指数的分析结果表明,各类抗除草剂转基因大豆与其非转基因对照大豆田植株的各类多样性指数动态基本趋于一致,但在不同的地点,各类多样性指数整体上会出现明显的波动,这主要受大豆田优势害虫(双斑萤叶甲、大豆蚜)以及气候的影响。T1与NT1田间试验地点位于安徽省合肥市,纬度偏低,温度较高。始粒期叶甲、蚜虫数量较高,导致大豆植株节肢动物的丰富度、多样性和均匀度均在始粒期明显下降,鼓粒期缓慢上升,成熟期出现轻微波动。T2与NT2田间试验地点位于吉林省长春市,纬度偏高,调查期间降雨频繁。始花期前后降水过多,部分节肢动物受雨水冲刷影响较大,蚜虫集中在叶片背面,种群数量显著增多,调查期间多样性指数、均匀性指数普遍偏低,而优势集中性指数则偏高。T3与NT3田间试验地点位于内蒙古自治区兴安盟,纬度偏高,降温较快。结荚期前期降雨,使大豆植株上节肢动物的丰富度轻微下降。从鼓粒期到成熟期,气温开始下降,丰富度和多样性指数降低,均匀性指数和优势集中性指数出现轻微波动。综上,笔者认为大豆生态系统并没有形成稳定的节肢动物群落组成,相比于复杂气候环境对田间节肢动物群落的较大影响,转基因大豆对田间节肢动物群落的影响是微乎其微的。转基因大豆的生物安全评价是一个长期研究的过程,需要不断扩大范围,进行多次多年多点的监测,未来应当积累不同品种转基因大豆田间节肢动物群落的变化数据,作为转基因大豆生态安全评价的参考范围。这有助于更好地理解和预测转基因大豆对田间节肢动物群落可能的生态影响,为后续转基因育种和商业化推广提供数据支撑,有助于为人们的生产生活提供更加科学和安全的建议。