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转基因抗虫棉对土壤生态系统影响的研究

李孝刚  
【摘要】:本研究以中国农业科学研究院棉花研究所(河南,安阳)的棉花农场中同一土壤类型一直种植传统非转基因常规棉(CK)和2块连续多年种植转基因抗虫棉的棉田(T-1、T-2)为对象,于棉花生长的苗期、蕾期、花铃期和吐絮期分别采集棉田表层土壤(0—20 cm),研究和比较了3块棉田土壤中可培养微生物数量、细菌群落多样性、微生物代谢功能多样性、无脊椎动物群落以及土壤线虫群落结构的变化。以2组转基因抗虫棉和其亲本常规棉为实验材料,研究转基因抗虫棉根系分泌物的成分及其对枯萎病菌生长的影响,分析转基因抗虫棉及其亲本常规棉受病原菌侵染后的生理生化特性的变化,构建转基因抗虫棉受枯萎病菌诱导后的抑制差减cDNA文库,探讨棉花抗枯萎病所涉及的信号转导、参与抗病反应的相关基因的种类与数量。以下为主要研究结果: (一)转基因抗虫棉对土壤微生物群落数量和多样性的影响 随着棉花生长期的不同,棉田土壤中细菌、真菌、放线菌、反硝化细菌、亚硝化细菌和固氮菌数量都呈显著性季节变化。在全年采样过程中,不同棉田土壤中细菌、真菌、好气性固氮菌、反硝化细菌及亚硝化细菌的数量变化规律基本一致,而不同的微生物种群在生长期间的变化规律则不同。但是,与常规棉田(CK)相比,连续多年种植转基因抗虫棉(T-1、T-2)对土壤微生物群落中上述各类微生物数量没有显著影响。 采样PCR-DGGE的方法,分析了3块棉田土壤中细菌群落多样性,结果表明与种植常规棉相比,不同年限种植转基因抗虫棉对土壤细菌群落构成和多样性没有产生明显影响,而不同采样时期对棉田土壤细菌群落构成和多样性具有明显影响。 采用Biolog ECO平板测定了各棉田土壤微生物群落代谢特征,结果表明长期种植转基因抗虫棉在土壤微生物活性及功能多样性方面未见显著差异,但不同采样时期对土壤微生物存在一定影响。主成分分析显示糖类和酯类物质是该试验点土壤微生物主要利用的碳源,但不同采样时期微生物所利用的糖类和酯类物质各不相同,可作为区分各棉花时期对微生物影响的依据。 (二)转基因抗虫棉对土壤动物数量和多样性的影响 采用改良的Tullgren法收集3块棉田土壤中的中小型无脊椎动物种群,2年8次采样结果表明,2种转基因抗虫棉田和常规棉田中的土壤中小型无脊椎动物的群落构成一致,没有产生明显变化。广义混合线性模型分析证明,与种植常规棉相比,长期种植转基因抗虫棉对土壤中小型无脊椎动物的数量、群落多样性指数没有显著的影响,但是,随着棉花生长期的不同,棉田土壤无脊椎动物数量和多样性都呈显著性季节变化,并且各棉田中的土壤无脊椎动物多样性指数在棉花整个生长期内变化趋势一致。弹尾目、蜱螨目和后孔寡毛目在综合主成分中得分较高,为土壤无脊椎动物群落中的主导因子,可作为本地区未来转基因抗虫棉环境影响监测的指示物种。 采用蔗糖梯度离心法研究了常规棉田和2种转基因抗虫棉田土壤中线虫群落组成,结果表明与种植常规棉相比,长期种植转基因抗虫棉对土壤各营养团体线虫的数量和线虫多样性都没有显著性影响,但是不同采样时期对其有显著影响。不同年限种植转基因抗虫棉田中的土壤线虫的群落结构组成没有发生明显变化。转基因抗虫棉田和常规棉田中土壤线虫成熟指数和植物寄生指数在各采样时期没有显著性差异,说明种植转基因抗虫棉对土壤自由生活线虫和植物寄生线虫没有显著影响。 (三)转基因抗虫棉对棉花枯萎病抗性下降及其机理研究 2种转基因抗虫棉对棉花枯萎病菌的抗性低于亲本常规棉,转基因抗虫棉的根系分泌物对枯萎病菌孢子萌发和菌丝生长均表现出显著的促进作用。棉花根系分泌物中检测出烷烃类、醇类、酸类、酯类、苯酚类、醛酮类、烯烃类、杂环类等8类物质。与亲本常规棉相比,转基因抗虫棉根系分泌物的种类及相对含量减少、出现某些烷烃类和减少某些特异物质这3种情况。 采用扫描电镜研究了棉花苗期气孔结构,与亲本常规棉相比,转基因抗虫棉叶片气孔密度发生了显著降低,而气孔大小发生显著增加。枯萎病菌侵染后,转基因抗虫棉体内中的各种生理生化指标都发生了显著性变化,其中SOD酶、MDA和可溶性蛋白的含量较亲本显著升高,而POD酶、PAL和可溶性糖的含量较亲本显著下降。 转基因抗虫棉和亲本常规棉花受病菌侵染后许多基因都发生了显著的变化,多数为上调基因。转基因棉花和常规棉花受枯萎病菌诱导的反应基因的种类和数量都有明显的差异:亲本常规棉受病菌侵染后发生上调的一些基因类型主要是涉及生物过程功能和分子功能,而受病原菌侵染后转基因抗虫棉体内中的上述基因功能的表达受到相应的抑制。枯萎病菌诱导后,转基因抗虫棉和常规棉体内中过氧化氢酶、乙醇脱氢酶、p-半乳糖苷酶和叶绿素A-B结合蛋白基因表达量都发生了显著性升高,但是病菌诱导后常规棉体内中上述各种酶基因表达量显著高于转基因抗虫棉。 (四)转基因抗虫植物对土壤生态系统影响的监测技术指南 本技术指南涵盖了转基因抗虫植物对土壤生态系统影响的布点采样、监测指标、监测技术、数理统计及结果评估等监测技术内容。可用于监测转基因抗虫植物对土壤生态系统影响。


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