转基因抗草甘膦抗虫棉对棉田冠层节肢动物群落的影响

姜伟丽，马 艳，马小艳，奚建平，马亚杰，李希风

中国农业科学院棉花研究所，棉花生物学国家重点实验室，河南安阳455000

草甘膦作为一种高效、低毒、广谱的非选择性叶面喷施除草剂，已成为当今世界上生产量最大的农药品种之一。但草甘膦在除草的同时会杀死农作物，因此，选育耐草甘膦的转基因作物成为大家所关注的一个热门领域(梁雪莲等，2001)。目前，已经商品化的转基因抗草甘膦作物主要有大豆、棉花、玉米、油菜、甜菜等。至2011年，耐除草剂作物已占转基因作物总面积的61%以上，是世界上商品化最早、推广应用最快的转基因作物(James，2011)。

人们在关注转基因抗草甘膦作物经济、社会效益的同时，非常重视对其生态风险的评估，研究内容主要包括基因漂移、对草甘膦的抗性及对土壤生态系统的影响。节肢动物群落是农田生态系统的重要组成部分，也是转基因作物安全性评价的重要内容之一。目前，研究最多的是转基因抗草甘膦大豆对田间节肢动物群落结构的影响(吴奇等，2008;张卓等，2011)，而有关转基因抗草甘膦棉对田间节肢动物群落多样性影响的报道甚少(马艳等，2011)。因此，笔者研究了转基因抗草甘膦抗虫棉对棉田冠层节肢动物群落的影响，以期为转基因棉田的环境安全性评价提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

转基因抗草甘膦抗虫棉品种KCM201001、转Bt基因(Cry1Ac)棉品种中棉所44号、常规棉品种中棉所49号均由中国农业科学院棉花研究所遗传育种研究室提供。

1.2 试验处理

试验于2010～2011年在中国农业科学院棉花研究所试验农场进行，试验地四周有围墙隔离。试验设3个处理:(1)转基因抗草甘膦抗虫棉田(以下简称双抗棉田);(2)转Bt基因棉田(以下简称Bt棉田);(3)常规棉田。每个处理种植3个小区，共9个小区，小区间随机排列，小区面积200 m2(8 m×25 m)，棉花种植密度为5.5万株·hm－2。3种棉田全生育期不使用任何化学农药，其他农事操作按常规进行。

1.3 调查方法

采用对角线5点取样方法，每个小区每次调查5个样点，每个样点连续调查2行(20株)棉花，共100株。5月上旬～9月中旬，每5 d调查1次，采用目测法详细调查、记载棉株冠层上所有昆虫的种类和数量，未知种类按统一编号进行记载。对于棉蚜Aphis gossyptzGlover、僵蚜、烟粉虱Bemisia tabaci(Gennadius)、棉叶螨Tetranychus truncatus(Ehara)，仅调查植株上、中、下部3片展开叶上的数量;随机调查1朵花内的蓟马Thrips tabaciLindeman数量。

1.4 分析方法

统计3种棉田节肢动物群落组成的目、科、属及个体数。群落相似性采用群落系数(C')进行比较(赵志模和郭依泉，1990)。

式中，w为A、B群落样本中共有物种的2个个体数相对低值的总和，a、b分别为A、B群落样本中所有物种个体数的总和。

节肢动物群落的特征参数用物种丰富度(S)、Shannon-Wiener多样性指数(H')、均匀性指数(J)和Simpson优势集中性指数(C)表示(何洪俊，1991;赵志模和郭依泉，1990)。

S为节肢动物群落中的种类数;

式中，Pi为第i种物种个体数占群落个体数的比例;J=H'/lnS

式中，N为群落中所有物种的个体数之和，Ni为第i种物种的个体数。

通过SPSS 13.0统计分析软件对调查结果进行Duncan's差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 群落的组成

2年的研究结果表明，双抗棉田节肢动物群落主要由11目19科22属组成，其中，害虫亚群落主要由7目9科10属组成，天敌亚群落主要由8目9科12属组成;Bt棉田节肢动物群落主要由10目18科20属组成，其中，害虫亚群落主要由7目9科10属组成，天敌亚群落主要由6目8科10属组成;常规棉田节肢动物群落主要由10目17科19属组成，其中，害虫亚群落主要由7目9科10属组成，天敌亚群落主要由5目8科9属组成。由此可见，双抗棉田、Bt棉田和常规棉田三者间的节肢动物群落、害虫亚群落和天敌亚群落的组成无明显差异，但双抗棉田的物种丰富度略高于其他2种棉田。

2.2 对害虫种群数量的影响

双抗棉田、Bt棉田和常规棉田害虫的口器可以分为刺吸式和咀嚼式2种。其中，常规棉田刺吸式害虫主要有棉蚜、棉叶螨、烟粉虱、棉叶蝉Empoasca biguttula(Shiraki)、棉蓟马、绿盲蝽Apolygus lucorum(Meyer-Dür)、中黑盲蝽Adelphocoris suturalisJakovlev等;咀嚼式害虫主要有棉铃虫Helicoverpa armigera(Hubner)、隆背花薪甲Cortinicara gibbosa(Herbst)、啮虫Corrodentia等。双抗棉田和Bt棉田的害虫主要为刺吸式和除棉铃虫外的咀嚼式害虫。

由表1可以看出，在不同年份，由于受气候环境和栽培条件的影响，3种棉田害虫的发生数量有所不同。2010年，与常规棉田相比，双抗棉田的刺吸式害虫和害虫总数明显减少，差异达显著水平，而其咀嚼式害虫数量略多，差异不显著;与Bt棉田相比，双抗棉田的刺吸式害虫、咀嚼式害虫和害虫总数均无明显差异。2011年，与常规棉田相比，双抗棉田的刺吸式害虫和害虫总数同样明显减少，差异达极显著水平，其咀嚼式害虫数量也极显著增多;与Bt棉田相比，双抗棉田的刺吸式害虫和害虫总数明显减少，差异达显著水平，而其咀嚼式害虫数量略多，无明显差异。

表1 不同类型棉田冠层害虫亚群落的组成和数量Table 1 Species composition and quantity of pest sub-community in different cotton treatments

2年的试验结果表明，双抗棉田和Bt棉田的刺吸式害虫的发生数量显著少于常规棉田，而咀嚼式害虫数量多于常规棉田。这主要是由于常规棉棉苗易早发，苗期长势旺盛，导致其棉蚜发生数量高于其他2种棉田;同时，由于双抗棉田和Bt棉田中棉铃虫发生数量减少，而一些次要害虫如隆背花薪甲、啮虫等种群数量上升，导致这2种棉田中咀嚼式害虫数量多于常规棉田。

2.3 对天敌种群数量的影响

双抗棉田、Bt棉田和常规棉田的天敌种类主要包括草蛉类、瓢虫类、蜘蛛类、蝽类和寄生蜂类(表2)。

表2 不同类型棉田冠层的天敌种类和数量Table 2 Species and amount of the natural enemy in different cotton treatments

2010年，双抗棉田瓢虫类、蜘蛛类、蝽类和寄生蜂类的数量及天敌总数略高于常规棉田，差异不显著，而草蛉类数量显著低于常规棉田;双抗棉田草蛉类、瓢虫类、蜘蛛类和寄生蜂类的数量及天敌总数均高于Bt棉田，但差异不显著，而蝽类数量显著高于Bt棉田。2011年，双抗棉田草蛉类、蝽类的数量及天敌总数与常规棉田差异不显著，其蜘蛛类数量高于常规棉田，差异达显著水平，其瓢虫类和寄生蜂类数量却显著低于常规棉田;双抗棉田的各类天敌数量均低于Bt棉田，其中，草蛉类数量和天敌总数显著低于Bt棉田，其他天敌数量差异不显著。

2年的试验结果表明，双抗棉田的天敌总数与常规棉田相当，差异不显著;但与Bt棉田相比，年度间差异明显，主要是由于不同年份间害虫发生种类及数量不同。

2.4 对节肢动物群落相似性的影响

群落的相似性系数是群落组成相似程度的定量指标。由表3可以看出，2010年，3种棉田的害虫亚群落、天敌亚群落及节肢动物群落的相似性系数均较高，其中，双抗棉田与Bt棉田的害虫亚群落的结构最相似，相似性系数达0.9315;Bt棉田与常规棉田天敌亚群落的相似性系数最低，为0.8953。但是，双抗棉田与Bt棉田的害虫亚群落、天敌亚群落及节肢动物群落的相似性系数均略高于双抗棉田与常规棉田及Bt棉田与常规棉田，说明双抗棉田与Bt棉田节肢动物群落的相似程度略高于常规棉田，这可能与双抗棉和Bt棉均含有抗虫基因有关。

2011年，3种棉田节肢动物群落结构的相似程度低于2010年，相似性系数为 0.6636～0.8973。双抗棉田与Bt棉田害虫亚群落和节肢动物群落的相似性系数(分别为0.8959和0.8962)高于这2种棉田与常规棉田(0.6636～0.7613)，说明双抗棉田与Bt棉田害虫亚群落和节肢动物群落的相似程度高于常规棉田;但是，3种棉田天敌亚群落的相似性系数均较高，且差异较小，分别为0.8973(双抗棉田与Bt棉田)、0.8589(双抗棉田与常规棉田)和0.8089(Bt棉田与常规棉田)。可见，3种棉田节肢动物群落结构虽然存在较大的差异，但田间转移活动较频繁的天敌亚群落的结构比较相似。

表3 不同类型棉田冠层节肢动物群落结构的相似性系数Table 3 Comparability coefficient of arthropod community structure in different cotton treatments

由表3还可以看出，同一类型棉田不同年份间节肢动物群落的结构差异大于同一年内不同类型棉田间的差异。2010年与2011年双抗棉田害虫亚群落、天敌亚群落和节肢动物群落的相似性系数为0.5742、0.5647 和 0.5734;2 年间 Bt棉田与常规棉田节肢动物群落的相似性系数仅为0.4420～0.6357。

2.5 对节肢动物群落特征参数的影响

生物多样性是生态系统抗干扰能力和恢复能力的物质基础。一般而言，多样性指数和均匀性指数较高而优势集中性指数较低的群落，其稳定性较好，对于环境变化或来自群落内部种群波动的缓冲作用较强，这样的节肢动物群落优势种不太突出，害虫不易大发生(崔金杰和夏敬源，2000a;夏敬源等，1995)。

2010年试验结果(表4)表明，3种棉田节肢动物群落和害虫亚群落的多样性指数和均匀性指数相似，差异不显著;而优势集中性指数则以Bt棉田较高，但与双抗棉田和常规棉田均无显著差异，说明2010年3种棉田节肢动物群落和害虫亚群落在稳定性方面均无明显差异。比较3种棉田天敌亚群落的参数发现，除了Bt棉田的多样性指数高于双抗棉田和常规棉田外，均匀性指数和优势集中性指数均相当，差异不明显，说明3种棉田在天敌亚群落稳定性方面也无明显差异。

表4 不同类型棉田冠层节肢动物群落的结构参数Table 4 Parameters of arthropod communities in different cotton treatments

2011年试验结果(表4)表明，双抗棉田和Bt棉田节肢动物群落和害虫亚群落的多样性指数和均匀性指数均显著高于常规棉田，而优势集中性指数却极显著低于常规棉田，说明2011年双抗棉田和Bt棉田节肢动物群落和害虫亚群落的稳定性优于常规棉田，出现某种害虫大暴发的可能性较小。从天敌亚群落的参数来看，双抗棉田天敌亚群落的多样性指数和均匀性指数均极显著低于Bt棉和常规棉田，而其优势集中性指数与Bt棉田相当，极显著高于常规棉田，说明2011年双抗棉田的天敌亚群落在稳定性方面不及Bt棉和常规棉田。

由此可见，与Bt棉和常规棉田相比，双抗棉田节肢动物群落和害虫亚群落稳定性较好，害虫大发生的可能性低。

3 讨论

转基因作物在直接作用靶标生物的同时，可能通过食物链等对非靶标生物产生影响。Taylor(1999)对于转基因抗除草剂大豆和玉米的广泛推广和应用表示担忧，认为其会造成田间马利筋种群的减少，进而对以马利筋为惟一食物源的大斑蝶Danaus plexippusL.幼虫产生严重影响，最终威胁大斑蝶的生存。Mcphersonet al.(2003)报道，转基因抗除草剂大豆对昆虫群落的影响很小，转基因豆田害虫的丰富度与常规豆田没有差异，对阶段性发生的害虫也没有不利影响。

本研究表明，抗草甘膦抗虫棉、转Bt基因棉及常规棉田中节肢动物群落、害虫亚群落和天敌亚群落的结构与组成无明显差异;与常规棉田相比，抗草甘膦抗虫棉和转Bt基因棉不仅可以显著减少害虫数量，而且能有效保护自然天敌，这与曾华兰等(2009)对转基因抗虫棉的研究结果一致。2010年，抗草甘膦抗虫棉田节肢动物群落、害虫亚群落和天敌亚群落的各项特征参数(相似性系数、多样性指数、均匀性指数、优势集中性指数)与转Bt基因棉田和常规棉田相比均无明显差异，这与蔡万伦等(2005)、崔金杰和夏敬源(1999、2000b、2002)、吴奇等(2006、2008)、张永军等(2002)的研究结果一致;由于棉田节肢动物群落的发生和变动受环境气候条件、作物布局、病虫基数及人为活动等多种因素的影响，2011年抗草甘膦抗虫棉田节肢动物群落的各项特征参数与常规棉田相比，存在较大差异，表现为抗草甘膦抗虫棉田节肢动物群落和害虫亚群落的稳定性优于常规棉田，而其天敌亚群落的稳定性不及常规棉田，这与杨国正等(2005)的研究结果一致。

2年的调查结果表明，与转Bt基因棉田和常规棉田相比，转基因抗草甘膦抗虫棉田物种丰富度有所增大，其害虫的优势度和优势种与其他2种棉田相比略有不同，节肢动物群落、害虫亚群落和天敌亚群落多样性指数在不同年份受外界环境条件的影响较大，总体表现为种群变化比较有规律，群落结构稳定性较好，具有良好的生态效应，对棉田生态环境的不良影响较小。

转多基因作物涉及多个转入基因，基因之间可能存在相互作用，从而引发协同效应或拮抗作用，国内外尚未见相关报道。因此，抗草甘膦基因与Bt基因间的相互作用尚需进一步研究。

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