转cry1Ac基因玉米对地表节肢动物群落的影响

陈红星，王仁杰，邵春瑞，旷忠芬，顾俊杰

（四川农业大学农学院，成都 611130）

转基因玉米是世界上第二大商业化种植的转基因作物。至2018年Bt玉米已在全球26个国家商业化种植，种植面积已达5 890万hm2，占全球转基因作物种植面积的30%[1](Global Status of Commercial⁃ized Biotech/GM Crops：2018，2019)。目前，转基因抗虫作物大部分表达源自苏云金芽孢杆菌的杀虫蛋白基因，其杀虫晶体蛋白对敏感昆虫有强烈的毒性，而对高等动物和人没有毒性[2]。转基因抗虫作物的大面积推广应用，降低了农药施用量，从而保护了环境和田间自然天敌，使得害虫得以持续控制。与普通玉米相比，转基因玉米增加了产量，保护了生物多样性，能更有效地利用外部投入，更好地发展和保护环境，从而提高经济效益和社会效益。

随着转基因作物商品化进程加快，转基因作物的生态安全性问题已成为人们关注的焦点之一。转基因玉米田中多种害虫、天敌、中性昆虫以及非昆虫纲生物群落共存，它们之间联系紧密，一个物种的数量变化可能会通过食物链和化学信号影响其他物种。据报道，转Bt基因作物的根部、叶片以及花粉等部位都能够表达Bt蛋白[3-5]。例如，Bt棉花和玉米产生的Bt毒素可通过根系分泌物、植株残体分解及花粉飘落等多种途径进入土壤中并可能长期保持活性。腐生昆虫和地下害虫，通过取食等途径均可接触到Bt蛋白，而捕食性昆虫如虎甲、步甲、蜘蛛和蠼螋等，可通过捕食植食性昆虫等途径接触Bt蛋白。目前研究均认为Bt植株及残留组织对地表及土壤中的非靶标物种没有任何不良影响[6-8]。但李保平等认为，现有的研究持续时间一般为1～2年，持续时间相对较短。由于转Bt作物向土壤中释放的Bt蛋白量较少，因此客观评价转基因作物对田间节肢动物群落的影响，需要多年、多地持续系统研究[9]。其中节肢动物群落是玉米田生态系统的主要组成部分，因此，转基因玉米的种植是否会对其种群组成和数量产生影响是环境安全性评价的重要内容之一[10]。迄今，国内外有关转Bt基因抗虫作物的生态安全性评价与研究多集中于：对非靶标生物和生物多样性的影响、基因漂移风险、对土壤微生物的影响、靶标害虫产生抗性的风险及其治理等方面[2]。因此对地表节肢动物群落的研究显得非常必要。本研究于2019和2020年通过系统调查转cry1Ac基因玉米田地表节肢动物群落结构组成、群落特征参数及其动态，旨在通过转Bt基因抗虫玉米对地表节肢昆虫群落影响的评价，为转基因玉米的环境安全评价提供科学参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料与试验设计

转Cry1Ac基因玉米材料Bt-799和非转基因对照玉米品种Z58、ZD958，均由中国农业大学玉米中心提供。

试验分别于2019和2020年在中国农业大学上庄试验站进行。每个玉米品种为一个处理，每处理3次重复，共9个小区，随机区组排列，小区面积为30 m2（5 m×6 m），行距60 cm，株距25 cm。整个生育期内，田间除正常的农耕操作外，不采取其他任何防治措施。

调查时间：2019年7月16日—9月25日，2020年6月21日—8月30日。

1.2 调查方法

采用陷阱调查法。在玉米定苗后10 d开始调查，以后每隔7 d调查1次，直至玉米成熟。各处理小区采用5点取样法，每点放置3个塑料杯（高15 cm，口径10 cm）作为陷阱，各陷阱间隔0.5 m，塑料杯中倒入洗涤剂水溶液，陷阱壁沿与土表齐平，24 h后检查陷阱，将标本放入75%乙醇溶液保存，带回实验室鉴定。

1.3 数据分析

本试验数据均采用SPSS软件进行分析，差异显著性比较采用T测验。

Shannon-Wienner物种多样性指数[11]

式(1)中：H为多样性指数；Pi为第i种个体占总个体数的比例；S为物种数。

Pielou均匀度指数(evenness)[11]

式(2)中：J为均匀性指数，其取值范围是0～1。

Simpson优势集中性指数[11]

式(3)中：C为优势集中性指数，S为物种数；Ni为第i个物种个体数；N为群落全部物种的总个体数。

2 结果与分析

2.1 不同品种玉米地表节肢动物群落组成及其结构参数

通过连续两年的调查发现，玉米地表节肢动物分属4纲7目17科。我们以玉米为中心形成的地表节肢动物划分为3个营养层、4个功能集团、11个类群（表1）。其中植食类昆虫分属2目6科，主要有螽斯科（Tettigoniidae）、蟋蟀科（Gryllidae）、蝗科（Acrididae）、蝼蛄科（Gryllotalpidae）、金龟科（Scarabaeidae）、拟步甲科（Tenebrionidae）；捕食性昆虫分属5目7科，主要有虎甲科（Cicindelidae）、步甲科（Carabidae）、蠼螋科（Forficulidae）、蚁科（Formicidae）、跳蛛科（Salticidae）、蟹蛛科（Thomis⁃idae）和蚰蜒科（Thereuopoda）；腐食性昆虫分属2目2科，主要有山蛩科（Spirobolida）和鼠妇科（Ar⁃madillididae）。

表1 玉米田地表节肢动营养层功能集团及优势物种的组成Table1 The composition of dominant guilds and the biodiversity of Arthropod community in zea mays

转Cry1Ac基因玉米Bt-799与非转基因对照玉米品种Z58、ZD958的节肢动物群落结构参数（S、H、J、C）如表2所示，2019年不同玉米间的地表节肢动物群落丰富度指数Z58＞Bt-799＞ZD958，多样性指数为Bt-799＞Z58＞ZD958，均匀性指数为ZD958＞Bt-799＞Z58，优势集中性指数为ZD958和Z58值相同且均高于Bt-799，说明Bt-799群落结构稳定性高于对照ZD958和Z58；2020年丰富度指数ZD958＞Z58＞Bt-799，多样性指数Bt-799＞ZD958＞Z58，均匀性指数Bt-799＞Z58＞ZD958，优势集中性指数为Bt-799＞Z58＞ZD958。其中，Bt-799多样性指数和ZD958很接近，高于Z58，但差异不显著；均匀性指数和优势集中性高于对照田，无显著性差异。

表2 Bt玉米与对照田地表节肢动物群落结构特征比较Table 2 Comparison of the Arthropod community Structure in Bt and non-Bt corn

2.2 物种丰富度指数动态

由图1可知，2019年7月16日―9月19日，转Bt基因玉米和非转基因常规玉米的物种丰富度指数变化趋势基本一致，且不存在显著性差异。在玉米生长末期，ZD958玉米田物种丰富度S显著低于其他两个玉米品种；2020年整个玉米生育期内，各品种玉米的物种丰富度指数随着时间的推移呈降低趋势，各品种间变化趋势不一致，但相互间不存在显著性差异。对比图1发现，2019和2020年的玉米地物种丰富度指数变化趋势基本一致，其指数变化均在玉米生长初期呈降低趋势，此后指数呈波浪状变化，但相互间并无显著差异，在生长末期，玉米地表节肢动物物种丰富度指数变化均呈上升趋势。

图1 Bt玉米田与对照田地表非靶标节肢动物群落丰富度时间动态Figure 1 Species richness of the non-target arthropod community on earth surface in Bt and non-Bt corn

2.3 多样性指数动态

由图2可知，2019和2020年各品种的多样性指数变化趋势基本一致，呈曲折下降趋势。2019年8月20日至9月5日间玉米生长旺盛，节肢动物物种数较多，多样性指数较高；2020年7月19日，Bt-799的多样性指数显著高于ZD958和Z58，8月5日―8月13日，Bt-799的多样性指数均低于ZD958和Z58,差异达显著水平，其他时间段三者之间不存在显著性差异。8月21日之后，随着生长期的结束，节肢动物种类较少，多样性指数较低，各品种的多样性指数低于0.4，且不存在显著性差异(P>0.05)。

图2 Bt玉米田与对照田物种多样性指数时间动态Figure 2 The diversity index of the non-target arthropod community on earth surface in Bt and non-Bt corn

2.4 均匀性指数动态

2019年各品种的均匀性指数变化趋势基本一致，三者间无显著性差异，全生长期节肢动物群落均匀性指数在0.7～0.9范围内；2020年均匀性指数波动较大，7月19日，Bt-799的均匀性指数显著高于ZD958和Z58，8月21日—8月30日，均匀性指数降低从1.2降至0.2，其余时间三者之间无显著性差异（如图3）。

图3 Bt玉米田与对照田均匀性指数时间动态Figure 3 The evenness index of the non-target arthropod community on earth surface in Bt and non-Bt corn

2.5 优势集中度指数动态

如图4所示，2019年各品种的优势集中性指数波动较大，8月6日的优势集中度指数Bt799和Z58均显著高于ZD958。8月27日―9月19日，Bt-799的优势集中性指数均低于ZD958和Z58，差异呈显著性水平；2020年6月21日―7月26日，三者的优势集中性指数变化趋势基本一致，相互间差异不显著。8月5日―8月13日，Bt-799的优势集中度指数显著低于其他两者。8月21日―8月30日，三者的优势集中性指数均呈上升趋势，8月21日的优势集中度指数三者间无显著差异。8月30日，Bt-799和Z58的优势集中度指数显著高于ZD958（图4）。

图4 Bt玉米田与对照田地表非靶标节肢动物群落优势集中性指数时间动态Figure 4 The dominent concerntration index of the nontarget arthropod community on earth surface in Bt and non-Bt corn

3 讨论

J.E.Losey等[12]在《自然》杂志上报道转cry1Ab玉米花粉对帝王斑蝶（Danaus plexippus）造成伤害后，在世界范围内掀起了一场有关Bt玉米是否会影响帝王斑蝶生存的争论，同时引发了相关学者对非靶标生物安全性问题的关注。对非靶标生物安全性研究现已成为转基因生物风险评估的重要内容[13-14]。

目前国内外有关转Bt基因抗虫作物的生态性安全评价与研究，主要集中在对非靶标生物安全评价及其群落多样性的影响、基因漂移风险、靶标害虫产生抗性的风险及其治理等方面[2]。对转Bt基因水稻、玉米和大豆等作物对节肢动物群落影响的研究表明，转基因作物对田间节肢动物群落无显著影响[15-17]。本研究结果表明，转cry1Ac基因玉米与非转基因常规玉米田地表节肢动物群落的结构与组成无明显差异，虽然2019和2020年的节肢动物群落结构参数变化趋势虽不尽相同，但差异不显著。其中，转基因玉米地表节肢动物群落的物种丰富度、均匀度、优势集中度和多样性指数动态变化较常规对照玉米平缓。表明转基因玉米田地表节肢动物群落的稳定性高于非转基因常规玉米，这与前人所做研究结果[15-18]相似。

本研究仅为两年田间调查研究的结果，初步认为转cry1Ac基因玉米对田间地表节肢动物群落无安全风险，要全面认识和了解转Bt基因的生物安全性，还需进行连续多年多代的安全性评价和田间调查，以为其田间释放和应用提供更为全面的生物安全性评价结果。