轉基因抗除草劑大豆對大豆田節肢動物及雜草多樣性的影響

陳彥君, 劉來盤, 關 瀟, 劉 標,*

(1. 中國環境科學研究院, 北京 100012; 2. 生態環境部南京環境科學研究所, 南京 210042;3. 海南大學熱帶作物學院, 海口 570228)

2019年是轉基因作物商業化種植的第24年。2018年國際農業生物技術應用服務組織(International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications, ISAAA)報告顯示，全球26個國家種植了1.917億公頃轉基因作物，與2017年相比增幅為1%，較1996年增長了約113倍;2018年全球種植面積相對較大的轉基因作物主要是大豆、玉米、棉花和油菜，其中轉基因大豆的種植面積最大，占全球轉基因作物種植總面積的50%，應用率為78%;抗除草劑、抗蟲和復合性狀是全球轉基因作物的主要目標性狀，1997-2018年種植面積最大的為抗除草劑轉基因作物，其2018年的種植面積占轉基因作物種植總面積的46%(國際農業生物技術應用服務組織, 2019)。

隨著生物技術的快速發展，轉基因作物潛在的生態風險越來越值得關注(Gilbert, 2013)。但目前由于對科學認知的局限性、生態系統的復雜性、生物技術的新穎性和部分領域的未知性，轉基因作物種植是否會帶來環境安全問題，尤其是對生物多樣性的影響，尚未得出明確結論(劉華鋒和沈海濱, 2013)。部分研究表明，轉基因作物種植對根際土壤微生物、昆蟲、雜草等的群落結構與組成無顯著影響(Leeetal., 2017; 尹俊琦等, 2017; 劉來盤等, 2019)；但也有研究認為其種植會影響田間生物多樣性(Turrinietal., 2015; 姜文虎等, 2018)。這表明，轉基因作物對生物多樣性的影響因受體、外源基因等的差異而有所不同，對其的安全評價應遵循“個案原則”(劉標等, 2016)。

大豆作為全球種植面積最大的油料作物，占據了油料總產量的50%以上。隨著對大豆需求的日益增長，轉基因大豆因成本低、產量大，成為全球大豆的主要來源，帶來了顯著的社會經濟效益(譚巍巍等, 2019)。g10-epsps基因因其對除草劑的優良抗性已逐漸應用于大豆、棉花、玉米等作物，轉g10-epsps基因抗除草劑大豆ZUTS-33是我國自主研發、具有知識產權的新型轉基因大豆材料，對我國轉基因作物發展具有深遠意義。但因其目前仍處于田間釋放階段，針對環境安全方面的研究較為有限，其是否會對田間生物多樣性產生影響仍未得到明確結論。本研究以轉g10-epsps基因抗除草劑大豆ZUTS-33為研究對象，重點探討其種植對田間節肢動物、雜草多樣性的影響，以期為其生態安全評價提供數據支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于安徽省農業科學院崗集生態農業試驗示范基地(31°57′49″N, 117°12′28″E)，實驗材料為轉g10-epsps基因耐除草劑大豆ZUTS-33(浙江大學提供)、受體華春3號(HC-3)、本地主栽大豆品種中黃13(ZH-13)。

實驗采取隨機區組設計，共種植4種處理大豆品種，分別為噴施清水的ZUTS-33, HC-3和ZH-13，以及噴施目標除草劑的轉基因大豆ZUTS-33；每處理4次重復，每個小區150 m2(10 m×15 m)，小區間設置1 m寬空白隔離帶，于2019年6月初播種，采用雙粒穴播，株距0.2 m，行距0.5 m。于2019年7月20日對需噴目標除草劑處理的小區噴施草甘膦除草劑農達(Roundup)，施用劑量為3 000 mL/hm2。其他3種處理均不噴施除草劑、不進行人工除草。根據《農業轉基因生物安全管理通用要求試驗基地》要求，本次轉基因大豆種植符合監管部門要求的隔離距離且隔離距離內無野生近緣種，同時符合要求的其他相關規定。

1.2 樣品采集

1.2.1田間節肢動物調查：從大豆出苗到成熟，即2019年6月11日-9月10日，采用直接觀察法，每7 d調查一次(具體調查時間可根據天氣情況做適當調整)，共調查13次。調查采用五點法，避開道路等影響因素，每點調查20株，記載田間節肢動物的種類和數量。

1.2.2田間雜草調查：每小區按照五點采樣法選取5個1 m×1 m樣方(避開節肢動物調查選取的點)，在噴施除草劑前(7月10日)調查1次、噴施除草劑后調查3次(7月30日、8月5日、8月27日)，記錄各樣方雜草種類和植株數量。

1.3 數據分析

統計分析各個調查時期節肢動物與雜草群落的結構與組成，計算其群落豐富度指數、多樣性指數、優勢集中性指數、均勻度指數。豐富度指數：Dmg=(S-1)/lnN；香農指數：H=-∑PilnPi；辛普森指數：D=1-∑Pi2；優勢集中性指數：C=∑(Ni/N)2；均勻度指數：J=H/lnS。式中，S為物種數，Pi=Ni/N，Ni為第i個物種的個體數，N為總個體數(Krebs, 1999)。

利用Excel 2010進行數據整理，利用SPSS 16.0軟件對實驗數據進行統計分析。使用Duncan氏復極差檢驗進行多重比較。

2 結果

2.1 轉g10-epsps基因抗除草劑大豆ZUTS-33對田間節肢動物的影響

圖1 2019年大豆田節肢動物數量(安徽合肥)

2.1.1對田間節肢動物多樣性的影響：2019年6-9月，13次調查安徽合肥大豆田節肢動物數量(百株蟲口數)的統計結果顯示(圖1)，大豆生長的前期至中期(6月11日-8月20日)，噴施清水的轉基因抗除草劑大豆ZUTS-33、受體大豆HC-3和本地主栽大豆ZH-13以及噴施除草劑的ZUTS-33上的百株蟲口數變化趨勢較為一致，僅8月13日噴施清水的ZUTS-33上百株蟲口數顯著高于其他3種處理(P<0.05)；大豆生長后期的3次(8月27日、9月3日和9月10日)調查結果顯示，4種處理間百株蟲口數存在一定差異，噴施清水和除草劑的ZUTS-33上百株蟲口數高于噴施清水的HC-3與ZH-13上的，這與不同品種生長周期的差異有關。

比較不同調查時期4種處理間田間節肢動物的多樣性指數(圖2)，發現各指標均表現為在大豆生長的前期、中期4種處理間差異不顯著(P>0.05)。從豐富度指數(圖2: A)來看，僅9月3日調查結果顯示4種處理間存在差異，表現為噴施清水的ZUTS-33與噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13之間差異不顯著(P>0.05)，但顯著高于噴施清水的HC-3(P<0.05)，噴施清水的HC-3、噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13間差異不顯著(P>0.05)。香農指數分析(圖2: B)顯示，13次調查4種處理間差異均不顯著(P>0.05)。辛普森指數分析(圖2: C)顯示，僅8月13日、9月3日、9月10日3次調查4種處理間存在顯著差異，8月13日表現為噴施清水的ZUTS-33顯著低于其他3種處理；9月3日表現為噴施清水的HC-3顯著低于其他3種處理(P<0.05)；9月10日則表現為噴施清水的ZUTS-33的辛普森指數與噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13間差異不顯著(P>0.05)，但顯著高于噴施清水的HC-3(P<0.05)，噴施清水的HC-3、噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13三者間差異不顯著(P>0.05)。優勢集中性指數分析(圖2: D)顯示，僅8月13日、9月3日、9月10日3次調查4種處理間存在顯著差異(P<0.05)，8月13日表現為噴施清水的ZUTS-33與噴施除草劑的ZUTS-33間差異不顯著(P>0.05)，但顯著高于噴施清水的HC-3和ZH-13(P<0.05)；9月3日表現為噴施清水的ZUTS-33與噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13三者間差異均不顯著(P>0.05)，但三者均顯著低于噴施清水的HC-3(P<0.05)；9月10日則表現為噴施清水的ZUTS-33與噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13間差異不顯著(P>0.05)，但顯著低于噴施清水的HC-3(P<0.05)，噴施清水的HC-3、噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13三者間差異不顯著(P>0.05)。均勻度指數分析(圖2: E)顯示，8月13日、8月20日2次調查4種處理間存在顯著差異(P<0.05)，8月13日表現噴施清水的ZUTS-33顯著低于噴施清水的HC-3、噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13(P<0.05)；8月20日表現為噴施清水的ZUTS-33與噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13間差異不顯著(P>0.05)，但這3種處理的均勻度指數均顯著低于噴施清水的HC-3。從整體上看，轉g10-epsps基因耐除草劑大豆ZUTS-33的種植對田間節肢動物各生態指標無顯著影響，生長后期存在一定差異可能與不同品種大豆生長周期的差異有關。

2.1.2對田間害蟲和天敵的影響：對大豆田粉虱(Aleyrodidae)、蚜蟲(Aphidoidea)、薊馬(Thripidae)、葉甲(Chrysomelidae)、葉蟬(Cicadellidae)和棉鈴蟲Helicoverpaarmigera6類害蟲數量進行統計分析，調查期間這6類害蟲的變化趨勢較為一致(圖3)。粉虱數量呈現先上升后期逐漸穩定的趨勢，8月13日噴施清水的ZUTS-33處理粉虱數量高于其他3種處理，8月27日開始不同處理間存在一定差異，噴施清水和除草劑的ZUTS-33均高于噴施清水的HC-3與ZH-13上的(圖3: A)；蚜蟲的發生高峰出現在7月23日、8月20日左右，4種處理變化趨勢較為一致，8月27開始不同處理間存在一定差異，噴施清水和除草劑的ZUTS-33均顯著高于噴施清水的HC-3與ZH-13(P<0.05)(圖3: B)；薊馬表現為先上升后降低的趨勢，發生高峰出現在7月11日左右(圖3: C)；葉甲數量在整個生育期較為穩定，9月3日、9月10日兩次調查結果顯示噴施清水的HC-3的葉甲數量顯著低于其他3種處理(圖3: D)；葉蟬表現為先上升后降低的趨勢，7月數量相對較多(圖3: E)；棉鈴蟲數量在整個生育期數量相對較少，各次調查均在20頭/百株以內(圖3: F)。

圖2 2019年大豆田節肢動物生物多樣性指數(安徽合肥)

圖3 2019年大豆田6類害蟲種群動態(安徽合肥)

對大豆田蜘蛛(Araneida)、瓢蟲(Coccinellidae)、草蛉(Chrysopidae)、花蝽(Anthocoridae)、盲蝽(Miridae)和造橋蟲Anomisflava6類天敵數量進行統計分析，調查期間這6類天敵的變化趨勢較為一致(圖4)。蜘蛛、瓢蟲和花蝽數量呈現先上升后降低的趨勢，蜘蛛發生高峰在7月23日左右，瓢蟲表現為7月末至8月中數量相對較大，花蝽發生高峰在6月末至7月初；草蛉呈現“升高-降低-升高-降低”的趨勢，7月中與8月末數量相對較大；盲蝽與造橋蟲數量較少，各處理均在15頭/百株以內。

2.2 轉g10-epsps基因抗除草劑大豆ZUTS-33對田間雜草的影響

2.2.1對田間雜草密度的影響：噴施除草劑前(7月10日)的調查結果顯示，4種處理的田間雜草密度差異均不顯著(P>0.05)；7月30日、8月5日和8月27日的調查結果則表現為噴施除草劑的ZUTS-33田間雜草密度顯著低于噴施清水的ZUTS-33, HC-3和ZH-13(P<0.05)，且該3次調查中4種處理大豆田雜草密度均低于7月10日的調查結果(圖5)。

2.2.2對田間雜草物種組成的影響：不同處理大豆田雜草發生種類有8科10種(表1和表2)。噴施除草劑前(7月10日)的調查結果顯示，4種處理間除蓮子草和牽牛存在一定差異外，田間其他種類雜草的植株數量差異均不顯著(P>0.05)；7月30日、8月5日、8月27日3次調查均顯示，噴施除草劑的ZUTS-33田間各類雜草數量均顯著低于其他3個噴施清水的處理(P<0.05)，且3個噴施清水的處理間整體上差異不顯著(P>0.05)，表明轉g10-epsps基因抗除草劑大豆ZUTS-33的種植對田間雜草數量無顯著影響，但噴施除草劑對田間雜草的控制效果顯著。

2.2.3大豆田雜草群落特征：對各處理大豆田雜草群落各多樣性指數進行分析(圖6)，豐富度指數顯示，7月10日與7月30日的調查結果均為4種處理間差異不顯著(P>0.05)；8月5日則表現為噴施除草劑的ZUTS-33的豐富度指數顯著低于噴施清水的HC-3和ZH-13(P<0.05)，但與噴施清水的ZUTS-33間差異不顯著(P>0.05)；8月27日的調查結果表現為噴施除草劑的ZUTS-33的豐富度指數顯著低于噴施清水的3種處理(P<0.05)。香農指數分析結果顯示，7月10日的調查結果為4種處理間差異均不顯著(P>0.05)；7月30日的調查則表現為噴施清水的ZUTS-33與HC-3和ZH-13間差異不顯著(P>0.05)，噴施除草劑的ZUTS-33的香農指數顯著低于噴施清水的3種處理(P<0.05)。8月5日、8月27日的調查結果均表現為噴施清水的3種處理間香農指數差異不顯著(P>0.05)，但噴施除草劑的ZUTS-33的香農指數顯著低于其他3種處理(P<0.05)。辛普森指數分析結果顯示，7月10日的調查結果為4種處理差異間均不顯著(P>0.05)；7月30日、8月5日、8月27日的調查則表現為噴施清水的ZUTS-33與HC-3和ZH-13間差異不顯著(P>0.05)，但噴施除草劑的ZUTS-33與噴施清水的3種處理間差異顯著(P<0.05)。均勻度指數分析結果顯示，7月10日的調查結果為4種處理間差異均不顯著(P>0.05)；7月30日、8月5日、8月27日均表現為噴施清水的ZUTS-33與HC-3和ZH-13間差異不顯著(P>0.05)，但噴施除草劑的ZUTS-33與其他處理間存在顯著差異(P<0.05)。分析結果表明，抗除草劑大豆ZUTS-33的種植對田間雜草各多樣性指數無顯著影響，但后期噴施除草劑會對其產生一定影響。

3 討論

節肢動物是生態系統的重要組成部分， 處于食物鏈中的關鍵位置，在維持農田生態系統正常功能上發揮著重要作用(戈峰等, 2014; 王尚等, 2014)，其多樣性可體現生物與生物、生物與環境之間的相互關系，被視為是評價轉基因作物生態風險的重要指標。本研究重點分析了轉g10-epsps基因抗除草劑大豆ZUTS-33對田間節肢動物的影響，從調查結果上來看，各處理間大豆生長前期至中后期田間百株蟲口數及各生態指標間差異不顯著(P>0.05)(圖1)，后期出現差異的主要原因可能是不同品種大豆生長周期有所不同，HC-3與ZH-13生長周期相對較短，完熟期出現較早，導致調查后期其田間節肢動物種類、數量出現不同程度的下降；其次，除草劑的施用會使田間與雜草關系緊密的節肢動物數量出現一定的波動(Cerdeiraetal., 2007)，噴施除草劑的處理在后期噴施農達后雜草的減少使田間節肢動物發生了一定變化。本研究得出的轉基因抗除草劑大豆的種植對田間節肢動物影響不顯著的結論與前人報道較為一致。已有研究表明，轉基因大豆(李凡等, 2013)、玉米(何浩鵬等, 2018; 張洵銘等, 2018; 任夢云等, 2019)等的種植對田間節肢動物多樣性的影響不顯著，轉基因作物的種植對農業生態系統不存在潛在風險(康嶺生等, 2014)。陳偉等(2019)對抗草甘膦轉基因大豆SHZD32-01的研究發現其對田間主要節肢動物數量、群落特征無顯著影響；Buckelew (2000)研究發現，與對照相比，抗除草劑大豆田葉甲和馬鈴薯葉蟬的數量未出現顯著變化；Mcpherson等(2003)亦認為轉基因抗除草劑大豆田節肢動物豐度與常規大豆相比無顯著差異；Marques等(2018)發現與非轉基因大豆相比，轉基因大豆DAS-81419-2對田間非靶標昆蟲多樣性無顯著影響。但是也有研究得出了不同的結論，認為轉基因抗蟲作物的種植會在一定程度上造成田間天敵昆蟲數量的下降及非靶標昆蟲數量的上升(劉清松等, 2014)；部分研究認為轉基因抗蟲作物可能影響田間節肢動物群落的豐富度和多樣性，從而提高生態系統穩定性(Bhattietal., 2005; Bitzeretal., 2005)。

表1 2019年大豆田發生雜草種類(安徽合肥)

從本研究的結果來看，無論是田間雜草密度還是各生態學指標，轉g10-epsps基因抗除草劑大豆ZUTS-33的種植并未對其產生顯著影響(P>0.05)(圖5; 表2)，這與已有的部分研究結果較為一致。劉來盤等(2019)研究發現，轉g10-epsps基因耐除草劑大豆田雜草多樣性與受體大豆差異不顯著；陳偉等(2019)指出，與受體中豆32相比，抗草甘膦轉基因大豆SHZD32-01種植1年后對田間雜草多樣性無顯著影響；張卓(2011)研究發現抗草甘磷轉基因大豆AG5601、呼交03-263、呼交06-698的種植對田間雜草密度、均度、頻率、豐富度均未產生顯著影響；趙思楠(2016)研究發現轉G10evo-epsps基因和cry1Ab/cry2Aj融合基因抗蟲耐草甘膦玉米雙抗12-6田間雜草種類、密度等均與對照無明顯差異，即雙抗12-6對田間雜草多樣性無顯著影響。但Bohan等(2005)研究發現，抗草甘膦油菜的種植使田間單子葉、雙子葉雜草比例發生了變化；也有研究認為轉基因作物的競爭優勢搶占生存空間，可能產生“化感”作用以抑制雜草生長(Inderjit and Keating, 1999)。

本研究得出，噴施草甘膦除草劑農達后對大豆田雜草的控制效果較為明顯，同時對雜草豐富度、多樣性等生態學指標產生了一定的影響(圖6)。已有研究表明應用草甘膦對轉基因大豆雜草防除效果明顯(陳銀竹等, 2018)；Shaner (2000)研究指出，噴施草甘膦會造成田間雜草群落結構的改變，使莧、藜等雜草的發生頻繁增加。

表2 2019年大豆田雜草物種數量調查結果(安徽合肥)

圖6 2019年大豆田雜草群落各生物多樣性指數(安徽合肥)

關于轉基因作物對生物多樣性影響的研究結果之所以存在差異，與轉基因作物本身受體的類型、導入的外源基因、選擇的評價指標以及研究方法等密切相關，在接下來的研究中，需遵循個案原則(劉標等, 2016)，擴大研究范圍，運用長期定位觀測模式，進行更深入的分析，注重監測轉基因作物對土壤生態系統的生態蠕變效應的有效性和及時性，明確其影響機制、強度及持續效應，更加科學、系統、準確地進行轉基因作物的生態安全評價，以得到更加明確的結論。