转BADH基因耐盐碱玉米对根际土壤酶活性的影响

邸宏，周成生，曾兴，王术敏，王禹贺，王振华

（东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

转BADH基因耐盐碱玉米对根际土壤酶活性的影响

邸宏，周成生，曾兴，王术敏，王禹贺，王振华

（东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

试验在田间种植条件下研究转BADH基因耐盐碱玉米在不同生育期对盐碱土和普通耕土中三种土壤酶活性的影响。结果表明，在整个生育期内，两种类型土壤的土壤脲酶活性均呈现“升高-降低-升高”趋势，蔗糖酶均呈现“升高-降低”趋势，而脱氢酶在盐碱土壤中呈现“升高-降低”趋势，在普通耕土中始终是降低的；盐碱土壤的脲酶和脱氢酶高于普通耕土，蔗糖酶活性低于普通耕土；与非转基因受体对照相比，转基因玉米株系种植在盐碱土中促进土壤脲酶活性，抑制土壤蔗糖酶活性，拔节期时达到差异显著（P＜0.05）和极显著水平（P＜0.01），分别提高26.77%和降低53.73%，对土壤脱氢酶起促进作用；在普通耕土中，转基因玉米种植对土壤脲酶活性有促进作用，对土壤脱氢酶起抑制作用，分别在拔节期和吐丝期时达到差异显著（P＜0.05），分别提高46.95%和降低28.79%，对土壤蔗糖酶起抑制作用。

转基因玉米；BADH基因；根际土壤；土壤酶活性

利用转基因技术培育耐盐碱新种质是开发利用盐渍化土壤、提高玉米总产量的有效途径[1]。转基因植物环境安全性受到关注，主要包括：转基因作物释放到田间后，外源基因是否会漂移到环境中使生态环境受到破坏，打破原有生态种群的平衡，对生态系统的物种多样性、生物群落结构和种群动态以及土壤生态系统等产生影响，其中土壤微生态环境的稳定性是重要的评价内容之一[2]。

土壤酶是土壤物质循环和能量流动的重要参与者，土壤中一切生化反应都是在土壤酶的参与下完成的，是土壤生态系统中最活跃的组分之一，是衡量土壤肥力的重要指标，因此土壤酶活性能反映土壤生态系统变化[3]。目前已有的关于转基因作物对土壤酶活性影响报道多集中于Bt抗虫基因，而对耐盐碱、抗旱、耐冷等转基因作物少有报道。

东北农业大学玉米研究所在前期的试验中，获得遗传稳定的转甜菜碱醛脱氢酶BADH基因耐盐碱玉米株系。甜菜碱醛脱氢酶是合成甜菜碱的关键酶，转基因玉米在盐碱胁迫条件下，积累与细胞代谢有关的渗透调节物质——甜菜碱，提高植物耐受性[4]。

本试验以转BADH基因耐盐碱玉米T5代株系及其受体亲本为试材，分别种植在盐碱土和普通耕土中，通过比较分析玉米不同生育期根际土壤脲酶、蔗糖酶、脱氢酶等活性变化，研究转BADH基因玉米的种植对土壤酶活性影响规律，为转基因耐盐碱玉米的生态风险评价提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

植物材料为转BADH基因的玉米T7代株系BQ-2，受体对照材料为玉米常规自交系齐319，由东北农业大学玉米研究所提供。盐碱土取自黑龙江省肇东市盐碱化草地，属于碱土[5]，普通耕土取自东北农业大学试验田黑土，土壤基础肥力见表1。

表1 土壤的基础肥力Table 1 The basal soil fertility （mg·kg-1）

1.2 试验方法

将转BADH基因玉米株系BQ-2与受体自交系分别种植于盐碱池与普通耕土中，5行区，每行10株，3次重复。分别于玉米的播种前期、拔节期、吐丝期和成熟期进行取样，播种前期取地面下5～20 cm土壤，其他时期参照陶波等方法[6]，每次取样3次重复随机选取3株玉米作为重复对照，取带有土块的完整玉米植株根系，用硫酸纸包好带回实验室，用灭菌的小刀将外围土除去，离根系1 cm以内的土壤为根际土壤。整理挑出土壤中的根、残渣等，将土壤磨细、风干后，过1 mm筛后作为试验的土壤材料。土壤脲酶活性采用苯酚钠比色法；土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸法；土壤脱氢酶活性采用TTC分光光度法。每种酶活性的测定时均做标准曲线和无土对照（CK1）、无基质对照（CK2）试验。上述3种酶的酶活性分别用37℃培养24 h后每克干土中NH3-N的微克数（NH3-N μg·1 g-1·24 h-1）、葡萄糖毫克数（葡萄糖mg·1 g-1·24 h-1）、TPF毫克数（TPF mg·1 g-1·24 h-1）表示[7]。数据取3次处理重复的平均值，经Excel整理后，SPSS 19.0软件进行方差分析，多重比较采用邓肯氏新复极差检验法。

2 结果与分析

2.1 转BADH基因耐盐碱玉米对根际土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶是催化尿素水解生成氨、二氧化碳和水的酶，其活性变化与土壤氮素状况和理化性状有关，其活性提高有利于土壤有机氮向有效氮的转化，提高土壤中氮素的供应水平[8]。

本试验结果如图1所示，两种土壤类型中，土壤脲酶活性的变化一致，随着生育期的推移，均呈现“升高-降低-升高”趋势，成熟期达到最高值。与各自对照比较，两种土壤类型中，转基因材料土壤脲酶活性均高于对照，且均在拔节期达到差异显著水平（P＜0.05），分别提高26.77%和46.95%，其他时期差异不显著。将两种土壤中脲酶活性进行比较，盐碱土壤中脲酶活性显著高于普通耕土，是后者的2.67倍。

从上述结果可见，转BADH基因耐盐碱玉米对土壤脲酶活性有促进作用，在盐碱条件下这种影响更加明显。

图1 转BADH基因玉米对土壤脲酶活性的影响Fig.1 Effects of transgenic maize with BADH gene on soil urease activity

2.2 转BADH基因耐盐碱玉米对根际土壤蔗糖酶活性的影响

图2 转BADH基因玉米对土壤蔗糖酶活性的影响Fig.2 Effects of transgenic maize with BADH gene on soil sucrase activity

土壤蔗糖酶催化蔗糖水解成葡萄糖和果糖，该酶活性提高有利于土壤中易溶性营养物质的增加[8]。如图2所示，两种土壤类型中，土壤蔗糖酶的活性随着时间的推移，均呈现“升高-降低”趋势，在拔节期达到最大值。与各自对照相比：盐碱土壤中，播种前期转基因材料的土壤蔗糖酶活性高于对照，其他时期都低于对照，且在拔节期（15.13 mg·1 g-1·24 h-1）极显著低于对照（23.26 mg·1 g-1·24 h-1）（P＜0.01），降低53.73%，其他时期差异不显著。普通耕土中，播种前期转基因材料土壤蔗糖酶活性高于对照，其他时期低于对照材料，且全部时期均差异不显著。将两种土壤的蔗糖酶进行比较，播种前期盐碱土蔗糖酶活性高于普通耕土，其他时期均低于普通耕土。从上述结果可见，在两种土壤类型中，转BADH基因玉米均对土壤蔗糖酶有一定抑制作用。

2.3 转BADH基因耐盐碱玉米对根际土壤脱氢酶活性的影响

土壤脱氢酶作为重要的氧化还原酶，能从基质中析出氢或氢供体进行氧化作用，反映土壤微生物新陈代谢的整体活性，可作为微生物氧化还原能力指标[8]。如图3所示，两种土壤类型中，土壤脱氢酶活性随时间推移变化不一致，盐碱土中土壤脱氢酶活性呈现“升高-降低”趋势，拔节期达最大值。普通耕土中土壤脱氢酶活性始终是降低的。与各自对照相比，盐碱土壤中，前3个时期转基因材料的土壤脱氢酶活性高于对照，只在成熟期略小于对照，所有时期均差异不显著。普通耕土中，所有时期转基因材料土壤脱氢酶活性均低于对照，在吐丝期（12.33 mg·1 g-1·24 h-1）显著低于对照（15.88 mg·1 g-1·24 h-1）（P＜0.05），降低28.79%，其他时期均差异不显著。将两种土壤中的土壤脱氢酶活性进行比较，只有播种前期盐碱土壤中的脱氢酶活性小于普通耕土，其他时期均高于普通耕土。从上述结果知，在两种土壤类型中，转BADH基因耐盐碱玉米对根际土壤脱氢酶的活性影响变化不一致，在盐碱土壤中起促进作用，在普通土壤中起抑制作用。

图3 转BADH基因玉米对土壤脱氢酶活性的影响Fig.3 Effects of transgenic maize with BADH gene on soil dehydrogenase activity

3 讨论与结论

土壤酶是一个敏感指标，施肥种类、管理与耕作方式、作物种类、土壤水分和环境条件等均可能影响土壤酶活性，土壤酶活性变化反映转基因耐盐碱玉米对土壤微生态环境影响。颜世磊等研究发现转Bt基因玉米秸秆还田后提高土壤脲酶活性[9]；Jepson等论述转Bt基因作物的种植可能改变尿酶、脱氢酶、磷酸酶活性[10]；袁红旭等对转双价抗真菌基因水稻根际土壤中土壤酶活性进行研究，发现转基因水稻土壤蔗糖酶活性均与对照无显著差异[11]；转α-淀粉酶和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[12]；Saxena等研究发现转Bt基因玉米和水稻的秸秆分解使土壤的总代谢活性降低，但对酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、脱氢酶、蛋白酶和芳香基硫酸脂酶的活性无影响[13]。目前相关报道大多集中在Bt基因，关于转BADH基因耐盐碱玉米尚未见其对土壤酶影响的报道。

本研究结果表明，转BADH基因耐盐碱玉米种植，拔节期时显著提高土壤脲酶活性，这与颜世磊等[9]结果相符合；拔节期极显著降低土壤蔗糖酶活性，这与袁红旭等结果不相同[11]，这可能是基因以及作物品种等因素造成；普通耕土的吐丝期显著降低土壤脱氢酶活性，这与Donegan等结果相同[12]。但盐碱土中提高土壤脱氢酶活性，关于在盐碱土中种植转基因作物报道很少，有待后续试验验证。

比较两种土壤的土壤酶活性进行，可见转基因玉米对土壤脲酶、蔗糖酶和脱氢酶影响，因土壤类型和生育时期变化不一致。本试验结果只是针对BADH基因耐盐碱玉米在盐碱土与普通耕土两种土壤类型中，对土壤酶活性影响初步研究，因为其对土壤生态系统功能的影响是个长期过程，还需进行多年定点监测，以期获得更加准确的安全性评价结果。

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[2]张永军,吴孔明,彭于发,等.转基因植物的生态风险[J].生态学报,2002,22(11):1951-1959.

[3]Visser S,Parkinson D.Soil biological criteria as indicators of soil quality[J].Soil Microorganisms,1992(7):33-37.

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[5]鲍士旦,土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2000.

[6]陶波,蒋凌雪.抗草甘膦转基因大豆对根际和非根际土壤酶活性的影响[J].作物杂志,2011(1):45-50.

[7]关松荫.土壤酶及其研究法[M].北京:农业出版社,1986.

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[9]颜世磊,赵蕾,孙红炜,等.大田环境下转Bt基因玉米对土壤酶活性的影响[J].生态学报,2011,31(15):4244-4250.

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[12]Donegan K K,Palm C J,Fieland V J,et al,Changes in levels,spe⁃cies,and DNA fingerprints of soi1 microorganisms associated with cotton expressing theBacillus thuringiensisvar.Kurstaki endotoxin[J].Applied Soil Ecology,1995,2(2):111-124.

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Effect of genetically modified salt-tolerant maize with geneBADH(Zea maysL.)on soil enzymes activity

DI Hong,ZHOU Chengsheng,ZENG Xing,WANG Shumin,WANG Yuhe,WANG Zhenhua
(School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

The effects of genetically modified salt-tolerant maize with the geneBADHon soil urease,sucrase and dehydrogenase activity at different growth stages in saline-alkali soil and common soil under the filed condition.The results showed that during the whole growth period,urease activity increased at first and then decreased and increased finally in two types of soil.Sucrase activity increased at first and then decreased,dehydrogenase activity increased at first and then decreased in saline-alkali soil,and always decreased in common soil.Compared to common soil,the urease and dehydrogenase activity of saline-alkali soil were higher and sucrose activity was lower.The planting of transgenic maize in saline-alkali soil increased（26.77%）urease and dehydrogenase activity and decreased(53.73%)sucrose activity compared with non-transgenic maize,and the differences reached the significant level(P＜0.05)and the great significant level(P＜0.01)separately in jointing stage.In the common soil,it had an increased(46.95%)effect on urease activity and a decreased(28.79%)effect on dehydrogenase activity.The differences reached the significant level(P＜0.05)in jointing and silking stage,respectively.And the sucrose activity decreased in common soil.

transgenic maize;BADHgene;rhizosphere soil;soil enzyme activity

S513

A

1005-9369（2014）04-0025-05

2013-11-25

国家转基因生物新品种培育重大专项（2014ZX08011003）；东北农业大学科学研究基金资助（2012RCB21）

邸宏（1974-），女，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为玉米遗传转化和转基因环境安全性评价。E-mail:dihongdh@ 163.com

时间2014-4-21 13:21:58[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140421.1322.008.html

邸宏,周成生,曾兴,等.转BADH基因耐盐碱玉米对根际土壤酶活性的影响[J].东北农业大学学报,2014,45(4)∶25-29.

Di Hong,Zhou Chengsheng,Zeng Xing,et al.Effect of genetically modified salt-tolerant maize with geneBADH(Zea maysL.)on soil enzymes activity[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(4)∶25-29.(in Chinese with English abstract)