转基因作物对土壤生态系统影响的研究概况

李俊生 关 潇 吴 刚 赵彩云 刘勇波

（1.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室 北京 100012；2.华中农业大学植物科技学院 武汉 430070）

1 引言

自20世纪70年代重组DNA技术创建，到1983年首次获得转基因烟草、马铃薯以来，植物基因工程技术得到日新月异的发展，转基因植物的研究及新品种的开发取得了飞速的进展，已经成功培育出一批抗虫、抗病、耐除草剂和高产优质的农作物新品种。随着转基因技术的不断发展，转基因植物的生产和应用范围的不断扩大，转基因作物已从实验室走进了我们日常生活如转基因抗虫棉已得到商业化生产，并在全国大范围、大面积种植；转基因抗虫水稻、转植酸酶基因玉米已取得安全证书。

转基因生物技术对农业可持续发展做出了宝贵的贡献，但伴随这些潜在惠益的同时也可能对农业生态环境产生一些消极的影响。土壤是生态系统中物质循环和能量转化过程的重要场所，随着转基因作物的大面积推广及种植，其植株残体、根系分泌物和花粉等不断向土壤中释放Bt毒蛋白，且进入土壤的Bt毒素可被土壤粘粒吸附而不易被微生物降解，引起Bt毒素在土壤中的累积，从而会对土壤中的生物造成危害，进而影响土壤生态系统的安全，因此研究转基因作物外源基因在土壤中的残留，以及对土壤酶活性、土壤动物和土壤微生物的影响，可为转基因作物对土壤生态系统的潜在风险和安全性评价提供依据。

2 转基因作物外源基因在土壤中的残留

土壤是农业生产的基础，它是生态系统中物质循环和能量转化的重要场所，转基因作物外源基因进入土壤的途径有2条：一是通过转基因作物在生长过程中或收割后遗留在田间的植株残体及花粉向土壤中释放，这是外源蛋白进入土壤的主要途径。二是通过转基因植物根系分泌物进入土壤。如秸秆还田的耕作方式为外源蛋白进入土壤提供了有利的条件[1-3]。Sims和 Ream的研究表明，收获前转Bt基因棉花残体的1g新鲜组织中含有3410gCryⅡA蛋白，把Bt棉花基质均匀地埋入土壤后，检测到土壤中CryⅡA蛋白的最高浓度为116g/g(干土)[4]。苏云金芽孢杆菌产生的Bt毒素蛋白可通过枯枝落叶残留在土壤中，并与土壤黏粒结合而不易降解，其毒性可持续2个～3个月[5]。通过根系分泌物向土壤中释放外源蛋白是转基因作物向土壤中释放的主要方式。植物可通过根系分泌多种不同的物质,转基因作物的根系则可能不断地向根际周围的土壤生物圈中释放着外源蛋白。如转Bt基因玉米通过根系向土壤分泌具有杀虫活性的Bt毒素蛋白[6]。Saxena等[7]的认为，虽然Bt毒素都可以从转Bt基因玉米、水稻和马铃薯的根系分泌物中释放出来，但各物种分泌Bt毒素的量并不一样，在转Bt基因油菜、棉花和烟草的根系分泌物中并没有检测到Bt毒素。Saxena等[8]还对转Bt基因玉米生物体及其根系分泌物释放的毒素对土壤蚯蚓、线虫、原生动物、细菌和真菌的影响进行了研究，结果表明转Bt玉米生物体和根系分泌物释放的Bt毒素蛋白在土壤中至少保持180d的杀虫活性，但毒素的降解中间产物对土壤蚯蚓、线虫、原生动物、细菌和真菌没有毒性。盆栽种植实验结果也证明了转 Bt基因水稻确实能通过根系分泌物向土壤中导入杀虫晶体蛋白，而且导入量与植株生长发育时间有关[9]。

3 转基因作物对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤中具有化学催化活性的物质，它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，活性体现了土壤中各种生物化学过程的强度和方向，是土壤重要的生物学特性，在一定程度上反映了土壤微生物的活性，在土壤营养物质的循环和能量转移中起着关键性的作用[10]。转Bt基因作物的种植可能改变尿酶、脱氢酶、磷酸酶的活性[11]。盆栽试验表明，转凝集素和内切几丁质酶基因的马铃薯释放后,提高了土壤脱氢酶的活性[12]；而转木质素过氧化物酶基因的紫花苜蓿使得土壤脱氢酶和碱性磷酸酶活性下降[13]。孙彩霞等（2003）的研究表明，种植转Bt基因水稻后，土壤酶活性发生了显著变化，且变化幅度与土壤酶的类型和转Bt基因水稻的生长发育时间有关。与非转基因对照组相比，转Bt基因水稻种植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，而脱氢酶活性有所增加，但差异不显著[9]。吴伟祥等[14-17]也报道了淹水条件下转Bt基因水稻(克螟稻)秸秆还田对土壤酶活性的影响，其研究结果表明，与相同生长期的亲本水稻秸秆相比，孕穗期和成熟期克螟稻秸秆对磷酸酶活性的影响较小，而对脱氢酶活性的影响非常显著，同时对脱氢酶的影响也存在较大的差异；而在非淹水条件下，克螟稻秸秆还田对土壤蛋白酶、中性磷酸酶、脲酶活性和土壤呼吸强度虽然没有显著性影响，但土壤脱氢酶对添加克螟稻秸秆极其敏感，培养前63d内其活性明显高于对照处理,但此后两种秸秆处理间的土壤脱氢酶活性差异逐渐消失。叶飞等[18]采用大田试验方法研究了双价抗虫棉SGK321和中棉所41两种转基因棉花的种植对根际土壤酶活性的影响，研究发现，种植两种转基因棉花在花铃期对根际土壤脲酶活性的影响表现出显著抑制作用，对土壤磷酸单脂酶活性表现出显著促进作用，而衰老期对磷酸单脂酶活性则表现抑制作用显著，对根际土壤转化酶活性的影响表现为显著抑制作用。马丽颖等[19]也证明种植双价抗虫棉SGK321对土壤酶活性的影响较大：对脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶和中性磷酸酶活性的影响差异均达到了极显著水平。Wu等（2004）研究发现，在实验室条件下，添加水稻秸秆粉碎组织后，土壤脱氢酶和磷酸酶活性均得到显著提高，但转Cry1Ab基因克螟稻和非转基因亲本稻间没有差异[14]。

4 转基因作物对土壤动物的影响

土壤动物是表征土壤质量变化的敏感生物学指标之一。转基因作物的外源基因及其表达产物进入土壤后对土壤动物的影响尤为受到关注。转凝集素基因马铃薯的盆栽试验和大田试验均表明，原生动物类群、鞭毛虫和变形虫数量与对照相比都有显著降低；叶的分解试验表明，转凝集素基因马铃薯原生动物类群明显减少，原生动物总生物量、鞭毛虫生物量与对照间的差异达到极显著水平，变形虫生物量差异显著；但与对照相比，转凝集素基因马铃薯土壤线虫在生长期没有差异，残茬分解对线虫也没有很大影响[12]。Donegan等[20]实验结果显示，转蛋白酶抑制剂基因番茄周围的土壤与亲本和空白土壤相比，弹尾目种群数量下降，线虫数量显著增加，但原生动物无显著差异，且转Bt基因玉米对原生动物也无显著影响[21，22]，转蛋白酶抑制剂基因番茄和转木质素过氧化物酶基因紫花苜蓿对原生动物没有影响[6]。种植转Bt基因烟草土壤中线虫数量显著增加[23]。转蛋白酶抑制剂基因番茄与亲本相比线虫数量明显增加[20]。与对照相比，转凝集素基因马铃薯土壤线虫在生长期以及残差分解对土壤线虫都没有明显影响[12]，转Bt基因玉米的种植与根茬的分别对线虫总数没有影响[21，22]。而Romeis等[24]研究也表明，与常规作物相比，转基因小麦的种植和根茬分解对土壤线虫的生长没有不良影响。Bottjer等（1985）推测Bt伴胞晶体蛋白作用线虫的机制可能与作用于昆虫的方式相似，线虫吞人的毒素蛋白与线虫肠道内膜结合引起肠内膜渗透性增大，从而破坏了线虫肠道组织使线虫致死[1]。

5 转基因作物对土壤微生物的影响

土壤微生物是维持土壤生物活性的重要组成部分，参与有机质分解、腐殖质形成、养分转化和循环等多种土壤生化过程,微生物活性和群落结构的变化是土壤环境评价不可缺少的重要生物学指标[25]。转基因作物及其产物进入土壤后，可能与土壤微生物相互作用，而影响微生物活动过程[26]。Donegan等[20]关于转蛋白酶抑制剂基因烟草对土壤微生物种类和数量的潜在影响的研究表明，转基因植物根际土壤中Collembola的数量显著降低。Glandorf等[27]研究发现，抗真菌和细菌蛋白会残留在根际土壤中，从而影响腐生型土壤细菌的数量。转Bt基因作物在一定程度上能够改变土壤微生物的群落构成、微生物数量及其活性。Yudina等[28]发现4种不同转Bt基因棉花品种促使了土壤中细菌和真菌数量发生短暂性的显著增加。Watrud和Seidler[29]也报道，转Bt基因棉花可以提高土壤中细菌和真菌的数量。王洪兴[30]在对转Bt基因水稻秸秆降解对土壤真菌和细菌的影响时发现，转Bt基因水稻秸秆降解对这两种菌类都有显著增加的作用，而对放线菌和反硝化细菌活性则显著降低，同时也发现对解磷细菌的活性无明显的作用。钱迎倩等[31]也曾报道，带有几丁质酶的抗真菌转基因作物会通过残枝落叶的降解物或根系分泌物减少土壤中菌根的种群。带有抗真菌和细菌蛋白的转基因作物，在提高了对有害菌抵抗能力的同时，也会对土壤中其他有益菌造成一定威胁，破坏土壤生态系统和物种群落结构，对作物带来不利影响[28]。但也有一些报道表明，转基因作物对土壤微生物区系没有显著影响，如转Bt基因棉花和马铃薯的根系分泌物对土壤细菌和真菌的数量、种类、丰富度及植物病原水平的研究发现，根际微生物的数量在转基因与对照间差异不显著[32，33]。

6 结语

转基因作物对土壤微生态环境的影响依赖于许多因素，迄今的研究结果也尚无定论。因此，转基因作物对土壤生物的毒素残留作用，其给环境带来的潜在风险乃是今后人类在推广转基因作物时所面临的重大挑战之一。同时，转基因作物对土壤生物的作用，随着时间的积累及生物富集作用的不断扩大，其危害性是否会逐步显现却存在高度的不可预见性。因此，今后还应加强转基因作物对土壤环境或农业生态系统的风险监测和评估，特别要重点开展敏感指标的筛选和评价，使转基因作物对环境的负面影响减少到最低限度。

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