目前水稻對(duì)土壤性質(zhì)上有什么要求呢，要如何來(lái)推動(dòng)現(xiàn)在水稻種植管理方式呢?本文是一篇農(nóng)業(yè)科技論文。土壤是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的主要承載體,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了最原始的生產(chǎn)資料。隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的快速發(fā)展,轉(zhuǎn)基因水稻的研究雖取得了巨大的進(jìn)步,獲得了一大批抗蟲、抗病、抗除草劑和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的品種,但由于種植面積的不斷擴(kuò)大,轉(zhuǎn)基因水稻的外源表達(dá)產(chǎn)物能夠通過(guò)植物殘?bào)w和根系分泌物進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)中,可能影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　摘要：土壤微生物是維持土壤生物功能的重要組成部分,參與有機(jī)質(zhì)分解、腐殖質(zhì)形成、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)等多種土壤生化過(guò)程。微生物功能和群落結(jié)構(gòu)的變化是土壤環(huán)境評(píng)價(jià)不可缺少的重要生物學(xué)指標(biāo)。ANGLE曾強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)基因作物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)是土壤微生物,因?yàn)樗鼈兪菣z測(cè)土壤生物種群變化的最敏感指標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：水稻,土壤性質(zhì),農(nóng)業(yè)科技論文

　　1轉(zhuǎn)基因水稻外源物質(zhì)在土壤中的存留規(guī)律

　　目前普遍認(rèn)為轉(zhuǎn)基因作物外源物質(zhì)進(jìn)入土壤的途徑主要有2條:一是通過(guò)轉(zhuǎn)基因作物遺留在田間的植株殘?bào)w及花粉向土壤中釋放,這是外源蛋白進(jìn)入土壤的主要途徑。二是通過(guò)轉(zhuǎn)基因植物根系分泌物進(jìn)入土壤。如秸稈還田的耕作方式為外源蛋白進(jìn)入土壤提供了有利的條件[46-55]。Bt蛋白通過(guò)根的分泌作用而進(jìn)入土壤,已經(jīng)在很多轉(zhuǎn)基因作物(如Bt抗蟲棉,抗蟲玉米等)的研究中有報(bào)道,并且其在土壤中的含量各不相同[5,7,47,56-57]。WANG等[58]通過(guò)3年的田間和水培實(shí)驗(yàn),利用酶聯(lián)免疫反應(yīng)的方法,研究了兩個(gè)轉(zhuǎn)Bt水稻“明恢63”和“汕優(yōu)63”中釋放的Cry1Ab/1Ac蛋白在土壤中的積累和轉(zhuǎn)移變化。研究發(fā)現(xiàn)在水稻生長(zhǎng)期,種植轉(zhuǎn)Bt基因水稻的稻田水中能檢測(cè)到Cry1Ab/1Ac蛋白,而種植非Bt水稻稻田水中未檢測(cè)到該蛋白,并且在轉(zhuǎn)Bt水稻根際土壤中該蛋白的含量達(dá)到149ng/g,明顯高于非Bt水稻根際土壤中基本水平。盆栽種植實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了轉(zhuǎn)Bt基因水稻能通過(guò)根系分泌物向土壤中導(dǎo)入殺蟲晶體蛋白,而且不同生長(zhǎng)期的含量不同[49,51-52,54,59]。另外,王洪興等[60]在實(shí)驗(yàn)室條件下將轉(zhuǎn)Bt基因水稻秸稈埋入土壤后發(fā)現(xiàn)在其降解過(guò)程中,Bt毒蛋白濃度在前兩周迅速下降,隨后降解速度變慢,17~53d期間Bt濃度基本維持在6728~6196ng/g的水平[61-62],說(shuō)明了轉(zhuǎn)基因外源物質(zhì)可以通過(guò)植物殘?bào)w進(jìn)入土壤,而且其導(dǎo)入量明顯大于根系分泌的導(dǎo)入量,這也驗(yàn)證了轉(zhuǎn)基因作物植株殘?bào)w向土壤中釋放外源物,這是外源物進(jìn)入土壤的主要途徑。也有報(bào)道Cry1Ab蛋白在轉(zhuǎn)Bt水稻整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中,會(huì)在根際土壤中積累[63]。

　　農(nóng)業(yè)論文：《中國(guó)水稻科學(xué)》，《中國(guó)水稻科學(xué)》創(chuàng)刊于1986年，為中國(guó)水稻研究所主辦的學(xué)術(shù)性雙月刊。《中國(guó)水稻科學(xué)》還辦有姊妹刊《Rice Science》(英文版)，接受國(guó)內(nèi)外作者的投稿。《中國(guó)水稻科學(xué)》為中國(guó)水稻研究所主辦的全國(guó)性水稻科學(xué)學(xué)術(shù)性期刊。雙月刊，國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行。刊登以水稻為研究對(duì)象的未經(jīng)發(fā)表的專題研究報(bào)告、學(xué)術(shù)論文、綜述、新技術(shù)新方法研究成果、學(xué)術(shù)活動(dòng)簡(jiǎn)訊等。

　　2轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響特點(diǎn)

　　土壤是植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要載體,土壤理化性質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[64]。土壤的理化性質(zhì)一般分為土壤物理性質(zhì)和土壤化學(xué)性質(zhì),土壤物理性質(zhì)包括土壤pH值,含水率,電導(dǎo)率等;土壤化學(xué)性質(zhì)則包括土壤中各元素的含量(其中最主要是N,P,K這三大養(yǎng)分)和土壤酶性質(zhì)[65]。根際是植物與土壤最直接的相作區(qū)域,土壤中很多難溶的養(yǎng)分元素,可通過(guò)植物根系分泌物的作用轉(zhuǎn)化為有效養(yǎng)分。當(dāng)外源基因插入后,轉(zhuǎn)基因植物根系分泌物的化學(xué)組分和含量極有可能發(fā)生變化[66],從而對(duì)土壤理化性質(zhì)如團(tuán)聚體的大小和分布、pH、陽(yáng)離子交換量及吸附性能產(chǎn)生影響[50,52,54]。另外,轉(zhuǎn)基因植物在農(nóng)藝性狀和化學(xué)成分等方面與親本非轉(zhuǎn)基因植物之間也會(huì)存在較大甚至顯著差異[55,67-69],這些差異可能會(huì)使植物組織在土壤中的自然降解、土壤有機(jī)質(zhì)含量等方面發(fā)生變化,從而影響土壤理化性質(zhì)[50,52,54]。有研究表明,與非轉(zhuǎn)基因親本相比,克螟稻(轉(zhuǎn)Bt水稻)根系分泌物中有機(jī)酸(主要為酒石酸)的含量顯著降低[70],導(dǎo)致作物根系土壤pH值升高,進(jìn)而影響對(duì)酸性pH值敏感的微生物調(diào)控過(guò)程(如硝化作用)的速率和土壤營(yíng)養(yǎng)元素的釋放[52,54]。此外,種植轉(zhuǎn)Bt基因水稻后,土壤酶活性發(fā)生了顯著變化,且變化幅度與土壤酶的類型以及轉(zhuǎn)Bt基因水稻所處的生長(zhǎng)發(fā)育的階段有關(guān)[59];與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ战M相比,轉(zhuǎn)Bt基因水稻種植15d,土壤脲酶活性降低了247%,土壤酸性磷酸酶活性提高了891%,土壤芳基硫酸酯酶活性有所下降,而脫氫酶活性有所增加,但差異不顯著[49,53,55,59,69]。吳偉祥等[71-74]相繼報(bào)道了水淹條件下轉(zhuǎn)Bt基因水稻(克螟稻)秸稈還田對(duì)土壤酶活性的影響,其研究結(jié)果表明,與同期的親本水稻秸稈相比,孕穗期和成熟期克螟稻秸稈對(duì)磷酸酶活性的影響不大,但對(duì)脫氫酶活性的影響非常顯著,并且存在差異;而在非水淹條件下,克螟稻秸稈還田對(duì)土壤蛋白酶、中性磷酸酶、脲酶活性和土壤呼吸強(qiáng)度雖然沒(méi)有顯著性影響,但在培養(yǎng)過(guò)程中前63d內(nèi)土壤脫氫酶活性明顯高于對(duì)照處理,之后兩種秸稈處理間的土壤脫氫酶活性差異逐漸消失[49]。也有一些文獻(xiàn)報(bào)道,轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤理化性質(zhì)沒(méi)有明顯影響。LIU等[75]報(bào)道,在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中,轉(zhuǎn)基因水稻植株對(duì)根際土壤酶活性和微生物組成沒(méi)有影響。WEI等[76]利用DGGE法,通過(guò)分析了轉(zhuǎn)Bt基因和非轉(zhuǎn)基因水稻生長(zhǎng)發(fā)育各時(shí)期的土樣,結(jié)果表明,轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤脫氫酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、酸性磷酸酶、脲酶以及酵素均沒(méi)有顯著性影響。從以上的這些研究結(jié)果可以看出,轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響還沒(méi)有確切性的結(jié)論,這也體現(xiàn)了轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的復(fù)雜性以及對(duì)這方面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的必要性。

　　3轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤動(dòng)物的影響特點(diǎn)

　　土壤動(dòng)物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要成員,扮演著土壤物質(zhì)循環(huán)、提高土壤肥力、改善土壤理化性質(zhì)、維護(hù)土壤生物群落的角色,同時(shí)也在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)、污染監(jiān)測(cè)、污染土壤的生物修復(fù)等方面發(fā)揮著重要作用。然而,轉(zhuǎn)基因作物向土壤中產(chǎn)生的外源物質(zhì)(如Bt蛋白)很容易與土壤活性顆粒集合,在土壤中持續(xù)保留[77],并且Bt毒素能夠從非靶標(biāo)物種傳遞到更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物[78],因而可能對(duì)土壤動(dòng)物產(chǎn)生毒害,進(jìn)而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。吳剛[79]等以“華恢1號(hào)”為實(shí)驗(yàn)材料,研究了轉(zhuǎn)Bt基因水稻對(duì)土壤跳蟲、線蟲和螨類種群數(shù)量的影響,結(jié)果表明,轉(zhuǎn)Bt基因水稻可顯著降低長(zhǎng)角跳科長(zhǎng)角跳屬跳蟲、中桿屬線蟲和尖棱甲螨科尖棱甲螨屬螨類種群數(shù)量,能顯著增加等節(jié)跳科原等屬跳蟲、鉤唇屬線蟲種群數(shù)量,而對(duì)其他屬的跳蟲、線蟲和螨類種群數(shù)量無(wú)顯著影響。戚琳[80]等通過(guò)研究轉(zhuǎn)基因水稻HH1,T2A1,T1C19對(duì)土壤微生物學(xué)性質(zhì)及線蟲數(shù)量群落組成和生態(tài)指標(biāo)的影響,指出不同轉(zhuǎn)Bt水稻品種對(duì)土壤線蟲數(shù)量營(yíng)養(yǎng)類群組成、植物寄生線蟲成熟度指數(shù)均沒(méi)有顯著影響;而轉(zhuǎn)Bt水稻T2A1和HH1結(jié)構(gòu)指數(shù)SI均顯著增加,這些結(jié)果表明,轉(zhuǎn)Bt水稻對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能在短期內(nèi)有顯著影響。BAI等[81]進(jìn)行了大田和實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)后,揭示轉(zhuǎn)Bt水稻對(duì)彈尾目昆蟲及其天敵沒(méi)有負(fù)面影響。從目前的研究結(jié)果可以看出,轉(zhuǎn)Bt水稻對(duì)土壤動(dòng)物的影響可能存在選擇性,不同類型的土壤動(dòng)物所受影響各異。

　　4轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤微生物的影響特點(diǎn)

　　當(dāng)土壤中的生物體通過(guò)捕食、競(jìng)爭(zhēng)或共生等相互影響,使敏感生物的快速反應(yīng)達(dá)到一定程度后,會(huì)引起其他生物的連鎖反應(yīng),從而影響整個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)[69,82-83]。目前最常用于土壤微生物多樣性和生態(tài)學(xué)的技術(shù)主要有:變性梯度凝膠電泳(denaturinggradientgelelectrophoresis,DGGE)[6,85]、擴(kuò)增性核糖體DNA限制酶切片段分析(amplifiedribosomalDNArestrictionanalysis,ARDRA)[86]和末端限制性酶切片段長(zhǎng)度多態(tài)性(terminalrestrictionfragmentlengthpolymorphism,TRFLP)[87]。這些技術(shù)和方法的采用,使得在土壤微生物多樣性、微生物種群的結(jié)構(gòu)和功能、土壤微生物與污染土壤的相互作用及影響等多領(lǐng)域的研究上得以突破,為評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤微生物的影響提供了有力的技術(shù)支撐。近年來(lái),轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤微生物的影響常見報(bào)道。陳曉雯等[88]通過(guò)PCRDGGE和Biolog技術(shù)分析了轉(zhuǎn)Bt基因水稻對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能的影響,結(jié)果表明,在水稻不同生育期,轉(zhuǎn)Bt基因水稻與其對(duì)照對(duì)土壤細(xì)菌數(shù)量、土壤微生物遺傳多樣性及功能多樣性的影響存在一定差異,但這種差異并不持久。GLANDORF等[89]研究發(fā)現(xiàn),由于抗真菌和細(xì)菌蛋白會(huì)殘留在根際土壤中,腐生型土壤細(xì)菌的數(shù)量會(huì)受到影響,導(dǎo)致轉(zhuǎn)Bt基因作物在一定程度上改變土壤微生物的群落構(gòu)成、微生物數(shù)量及其活性[49]。王洪興等[60]研究了轉(zhuǎn)Bt基因水稻秸稈降解對(duì)土壤真菌和細(xì)菌所產(chǎn)生的影響,結(jié)果表明轉(zhuǎn)Bt基因水稻秸稈降解會(huì)顯著增加這兩種菌類,而會(huì)顯著降低放線菌和反硝化細(xì)菌活性。此外,還有研究表明轉(zhuǎn)Bt基因水稻秸稈對(duì)水田土壤反硝化細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌種群的抑制作用顯著,對(duì)厭氧發(fā)酵細(xì)菌種群具有明顯的刺激作用,但對(duì)厭氧固氮細(xì)菌種群的刺激作用卻低于顯著水平[90]。轉(zhuǎn)基因作物之所以會(huì)對(duì)特定微的土壤生物產(chǎn)生顯著影響,可能是因?yàn)檗D(zhuǎn)基因植株的生理生化特性以及表達(dá)產(chǎn)物化學(xué)和生物學(xué)特性的改變而造成的[91-93]。有些研究表明,轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤微生物沒(méi)有影響或影響不顯著。CHUN等[94]通過(guò)TRFLP的方法對(duì)原卟啉氧化酶抑制劑類除草劑轉(zhuǎn)基因水稻(PPOtransgenicrice)有關(guān)細(xì)菌和真菌群體進(jìn)行了評(píng)價(jià),研究發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因稻和非轉(zhuǎn)基因稻間并未發(fā)現(xiàn)存在微生物群落組成和多樣性指數(shù)差異,從而表明轉(zhuǎn)基因作物對(duì)稻田土壤微生物群落沒(méi)有負(fù)面影響。呂新等[95]研究表明外源抗真菌基因的導(dǎo)入對(duì)水稻根際土壤中真菌群落數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)均沒(méi)有明顯影響。也有報(bào)道雖然轉(zhuǎn)Bt水稻對(duì)微生物沒(méi)有負(fù)面影響,但是對(duì)土壤真菌群體的組成有顯著差異,意味著轉(zhuǎn)Bt水稻對(duì)非靶標(biāo)微生物有潛在的影響[75,96-97]。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　近年來(lái)國(guó)內(nèi)外也有很多轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響的相關(guān)的報(bào)道,因此本文從轉(zhuǎn)基因水稻外源物質(zhì)在土壤中的存留規(guī)律,以及對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤動(dòng)物和土壤微生物的影響特點(diǎn)等方面進(jìn)行了綜述。結(jié)果發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)是否會(huì)產(chǎn)生顯著影響仍沒(méi)有確切定論。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的可能原因有:(1)轉(zhuǎn)入水稻的基因有所不同,不同的外源基因所表達(dá)的外源產(chǎn)物可能對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響各異;(2)現(xiàn)有研究的條件不同,有的在實(shí)驗(yàn)室條件下而有的在大田環(huán)境下,這也可能導(dǎo)致不同的結(jié)果;(3)轉(zhuǎn)基因水稻不同時(shí)期表現(xiàn)的特征存在差異,從而出現(xiàn)不同的研究結(jié)果。綜上所述,今后研究轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)影響時(shí),應(yīng)該長(zhǎng)期跟蹤和監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)基因水稻釋放在土壤中的外源物質(zhì)的存留和積累規(guī)律,根據(jù)《農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全評(píng)價(jià)管理程序》,一般要監(jiān)測(cè)3~6年;擴(kuò)大土壤理化性質(zhì)的研究范圍,這些理化性質(zhì)還應(yīng)該包括土壤結(jié)構(gòu)、持水性、侵蝕性以及鹽堿化等方面。進(jìn)而更為全面的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響;轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤生物的影響方面,對(duì)土壤微生物進(jìn)行的長(zhǎng)期定位研究,對(duì)土壤動(dòng)物進(jìn)行生殖毒理學(xué)研究,通常需要檢測(cè)4代。只有通過(guò)這樣全方位、系統(tǒng)化的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響,才可能使轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)其負(fù)面影響減少到最低限度。