水稻对土壤性质及生物的影响

1转基因水稻外源物质在土壤中的存留规律

目前普遍认为转基因作物外源物质进入土壤的途径主要有2条：一是通过转基因作物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［46－55］。Bt蛋白通过根的分泌作用而进入土壤，已经在很多转基因作物（如Bt抗虫棉，抗虫玉米等）的研究中有报道，并且其在土壤中的含量各不相同［5，7，47，56－57］。WANG等［58］通过3年的田间和水培实验，利用酶联免疫反应的方法，研究了两个转Bt水稻“明恢63”和“汕优63”中释放的Cry1Ab／1Ac蛋白在土壤中的积累和转移变化。研究发现在水稻生长期，种植转Bt基因水稻的稻田水中能检测到Cry1Ab／1Ac蛋白，而种植非Bt水稻稻田水中未检测到该蛋白，并且在转Bt水稻根际土壤中该蛋白的含量达到149ng／g，明显高于非Bt水稻根际土壤中基本水平。盆栽种植实验结果也证明了转Bt基因水稻能通过根系分泌物向土壤中导入杀虫晶体蛋白，而且不同生长期的含量不同［49，51－52，54，59］。另外，王洪兴等［60］在实验室条件下将转Bt基因水稻秸秆埋入土壤后发现在其降解过程中，Bt毒蛋白浓度在前两周迅速下降，随后降解速度变慢，17～53d期间Bt浓度基本维持在6728～6196ng／g的水平［61－62］，说明了转基因外源物质可以通过植物残体进入土壤，而且其导入量明显大于根系分泌的导入量，这也验证了转基因作物植株残体向土壤中释放外源物，这是外源物进入土壤的主要途径。也有报道Cry1Ab蛋白在转Bt水稻整个生长过程中，会在根际土壤中积累［63］。

2转基因水稻对土壤理化性质的影响特点

土壤是植物生长发育的主要载体，土壤理化性质是评价土壤质量的重要指标［64］。土壤的理化性质一般分为土壤物理性质和土壤化学性质，土壤物理性质包括土壤pH值，含水率，电导率等；土壤化学性质则包括土壤中各元素的含量（其中最主要是N，P，K这三大养分）和土壤酶性质［65］。根际是植物与土壤最直接的相作区域，土壤中很多难溶的养分元素，可通过植物根系分泌物的作用转化为有效养分。当外源基因插入后，转基因植物根系分泌物的化学组分和含量极有可能发生变化［66］，从而对土壤理化性质如团聚体的大小和分布、pH、阳离子交换量及吸附性能产生影响［50，52，54］。另外，转基因植物在农艺性状和化学成分等方面与亲本非转基因植物之间也会存在较大甚至显著差异［55，67－69］，这些差异可能会使植物组织在土壤中的自然降解、土壤有机质含量等方面发生变化，从而影响土壤理化性质［50，52，54］。有研究表明，与非转基因亲本相比，克螟稻（转Bt水稻）根系分泌物中有机酸（主要为酒石酸）的含量显著降低［70］，导致作物根系土壤pH值升高，进而影响对酸性pH值敏感的微生物调控过程（如硝化作用）的速率和土壤营养元素的释放［52，54］。此外，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以及转Bt基因水稻所处的生长发育的阶段有关［59］；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［49，53，55，59，69］。吴伟祥等［71－74］相继报道了水淹条件下转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，与同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不大，但对脱氢酶活性的影响非常显著，并且存在差异；而在非水淹条件下，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，但在培养过程中前63d内土壤脱氢酶活性明显高于对照处理，之后两种秸秆处理间的土壤脱氢酶活性差异逐渐消失［49］。也有一些文献报道，转基因水稻对土壤理化性质没有明显影响。LIU等［75］报道，在整个生长过程中，转基因水稻植株对根际土壤酶活性和微生物组成没有影响。WEI等［76］利用DGGE法，通过分析了转Bt基因和非转基因水稻生长发育各时期的土样，结果表明，转基因水稻对土壤脱氢酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、酸性磷酸酶、脲酶以及酵素均没有显著性影响。从以上的这些研究结果可以看出，转基因水稻对土壤理化性质的影响还没有确切性的结论，这也体现了转基因水稻对土壤理化性质影响的复杂性以及对这方面风险评价的必要性。

3转基因水稻对土壤动物的影响特点

土壤动物是土壤生态系统的重要成员，扮演着土壤物质循环、提高土壤肥力、改善土壤理化性质、维护土壤生物群落的角色，同时也在土壤质量评价、污染监测、污染土壤的生物修复等方面发挥着重要作用。然而，转基因作物向土壤中产生的外源物质（如Bt蛋白）很容易与土壤活性颗粒集合，在土壤中持续保留［77］，并且Bt毒素能够从非靶标物种传递到更高营养级生物［78］，因而可能对土壤动物产生毒害，进而影响土壤生态系统的稳定。吴刚［79］等以“华恢1号”为实验材料，研究了转Bt基因水稻对土壤跳虫、线虫和螨类种群数量的影响，结果表明，转Bt基因水稻可显著降低长角跳科长角跳属跳虫、中杆属线虫和尖棱甲螨科尖棱甲螨属螨类种群数量，能显著增加等节跳科原等属跳虫、钩唇属线虫种群数量，而对其他属的跳虫、线虫和螨类种群数量无显著影响。戚琳［80］等通过研究转基因水稻HH1，T2A1，T1C19对土壤微生物学性质及线虫数量群落组成和生态指标的影响，指出不同转Bt水稻品种对土壤线虫数量营养类群组成、植物寄生线虫成熟度指数均没有显著影响；而转Bt水稻T2A1和HH1结构指数SI均显著增加，这些结果表明，转Bt水稻对土壤生态系统结构和功能在短期内有显著影响。BAI等［81］进行了大田和实验室评价后，揭示转Bt水稻对弹尾目昆虫及其天敌没有负面影响。从目前的研究结果可以看出，转Bt水稻对土壤动物的影响可能存在选择性，不同类型的土壤动物所受影响各异。

4转基因水稻对土壤微生物的影响特点

土壤微生物是维持土壤生物功能的重要组成部分，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。微生物功能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［49］。ANGLE曾强调转基因作物风险评价的重点是土壤微生物，因为它们是检测土壤生物种群变化的最敏感指标［82－84］。当土壤中的生物体通过捕食、竞争或共生等相互影响，使敏感生物的快速反应达到一定程度后，会引起其他生物的连锁反应，从而影响整个土壤生态系统［69，82－83］。目前最常用于土壤微生物多样性和生态学的技术主要有：变性梯度凝胶电泳（denaturinggradientgelelectrophoresis，DGGE）［6，85］、扩增性核糖体DNA限制酶切片段分析（amplifiedribosomalDNArestrictionanalysis，ARDRA）［86］和末端限制性酶切片段长度多态性（terminalrestrictionfragmentlengthpolymorphism，TRFLP）［87］。这些技术和方法的采用，使得在土壤微生物多样性、微生物种群的结构和功能、土壤微生物与污染土壤的相互作用及影响等多领域的研究上得以突破，为评价转基因作物对土壤微生物的影响提供了有力的技术支撑。近年来，转基因水稻对土壤微生物的影响常见报道。陈晓雯等［88］通过PCRDGGE和Biolog技术分析了转Bt基因水稻对土壤微生物群落结构及功能的影响，结果表明，在水稻不同生育期，转Bt基因水稻与其对照对土壤细菌数量、土壤微生物遗传多样性及功能多样性的影响存在一定差异，但这种差异并不持久。GLANDORF等［89］研究发现，由于抗真菌和细菌蛋白会残留在根际土壤中，腐生型土壤细菌的数量会受到影响，导致转Bt基因作物在一定程度上改变土壤微生物的群落构成、微生物数量及其活性［49］。王洪兴等［60］研究了转Bt基因水稻秸秆降解对土壤真菌和细菌所产生的影响，结果表明转Bt基因水稻秸秆降解会显著增加这两种菌类，而会显著降低放线菌和反硝化细菌活性。此外，还有研究表明转Bt基因水稻秸秆对水田土壤反硝化细菌和产甲烷细菌种群的抑制作用显著，对厌氧发酵细菌种群具有明显的刺激作用，但对厌氧固氮细菌种群的刺激作用却低于显著水平［90］。转基因作物之所以会对特定微的土壤生物产生显著影响，可能是因为转基因植株的生理生化特性以及表达产物化学和生物学特性的改变而造成的［91－93］。有些研究表明，转基因水稻对土壤微生物没有影响或影响不显著。CHUN等［94］通过TRFLP的方法对原卟啉氧化酶抑制剂类除草剂转基因水稻（PPOtransgenicrice）有关细菌和真菌群体进行了评价，研究发现在转基因稻和非转基因稻间并未发现存在微生物群落组成和多样性指数差异，从而表明转基因作物对稻田土壤微生物群落没有负面影响。吕新等［95］研究表明外源抗真菌基因的导入对水稻根际土壤中真菌群落数量和群落结构均没有明显影响。也有报道虽然转Bt水稻对微生物没有负面影响，但是对土壤真菌群体的组成有显著差异，意味着转Bt水稻对非靶标微生物有潜在的影响［75，96－97］。

5结语

土壤是生态系统中物质循环和能量流动的主要承载体，为农业生产提供了最原始的生产资料。随着转基因技术的快速发展，转基因水稻的研究虽取得了巨大的进步，获得了一大批抗虫、抗病、抗除草剂和优质高产的品种，但由于种植面积的不断扩大，转基因水稻的外源表达产物能够通过植物残体和根系分泌物进入土壤生态系统中，可能影响生态系统的稳定性。近年来国内外也有很多转基因水稻对土壤生态系统的影响的相关的报道，因此本文从转基因水稻外源物质在土壤中的存留规律，以及对土壤理化性质、土壤动物和土壤微生物的影响特点等方面进行了综述。结果发现，转基因水稻对土壤生态系统是否会产生显著影响仍没有确切定论。产生这种现象的可能原因有：（1）转入水稻的基因有所不同，不同的外源基因所表达的外源产物可能对土壤生态系统的影响各异；（2）现有研究的条件不同，有的在实验室条件下而有的在大田环境下，这也可能导致不同的结果；（3）转基因水稻不同时期表现的特征存在差异，从而出现不同的研究结果。综上所述，今后研究转基因水稻对土壤生态系统影响时，应该长期跟踪和监测转基因水稻释放在土壤中的外源物质的存留和积累规律，根据《农业转基因生物安全评价管理程序》，一般要监测3～6年；扩大土壤理化性质的研究范围，这些理化性质还应该包括土壤结构、持水性、侵蚀性以及盐碱化等方面。进而更为全面的评价转基因水稻对土壤理化性质的影响；转基因水稻对土壤生物的影响方面，对土壤微生物进行的长期定位研究，对土壤动物进行生殖毒理学研究，通常需要检测4代。只有通过这样全方位、系统化的评价转基因水稻对土壤生态系统的影响，才可能使转基因水稻对其负面影响减少到最低限度。

作者：谷荣辉 成功 李建钦 刘博 单位：中央民族大学