转Bt基因杨—棉农林复合系统节肢动物群落的生态安全性研究

【摘要】：近年来,随着国内外转基因杨、棉的先后研制成功,以其复合配置为特点的转基因农林复合系统即将在我国尤其是北方得到大力推广,与单一的转基因作物系统相比,该农林复合系统综合性、复杂性更高,亦更近自然界特征,应用前景广阔。因此,揭示该复合系统的生态安全性,尤其是对节肢动物群落结构、害虫和天敌的生长发育及其种群数量消长等的影响,是我国乃至全球目前亟待研究和明确的重大热点问题,且迄今未见相关报道。鉴于此,本研究采用群落生态学、统计生态学方法,结合室内生物学、形态学研究及酶联免疫等技术,系统调查和比较研究了4个农林复合系统—非转基因杨树+非转基因棉花(系统一—Ⅰ)、非转基因杨树+转基因棉花(系统二—Ⅱ)、转基因杨树+非转基因棉花(系统三—Ⅲ)、转基因杨树+转基因棉花(系统四—Ⅳ)对节肢动物群落和害虫、天敌亚群落物种组成、个体数量及其动态变化的影响,研究了转基因杨树、棉花对其中捕食性天敌优势种—异色瓢虫生物学、形态学特征及其捕食行为的影响,以及该转基因杨棉复合系统中Bt毒素蛋白在害虫—天敌二级营养层间的数量变化、转移和富积效应等,以期为明确转基因杨棉复合系统的生态安全性及其未来的科学利用、大面积推广提供科学依据。 主要研究结果如下: (1)不同转基因杨棉复合系统对节肢动物群落结构的影响调查发现,系统Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中节肢动物物种丰度较系统Ⅰ有一定差异,分别下降6.00%、5.00%、9.00%;就个体数量而言,与Ⅰ相比,Ⅱ、Ⅲ分别增加26.36%、25.12%,Ⅳ下降10.34%。其中害虫亚群落的物种丰度由高到低依次为:Ⅰ(65)Ⅱ=Ⅲ(59)Ⅳ(57),其丰富度依次分别下降9.23%、12.30%;个体数量高低依次为:Ⅱ(7243)Ⅲ(7165)Ⅰ(5657)Ⅳ(5094),其中Ⅱ、Ⅲ分别增加28.04%、26.66%,Ⅳ下降9.95%。天敌亚群落的物种丰度由高到低依次为:Ⅲ(36)Ⅱ(35)Ⅰ=Ⅳ(34),各系统间物种丰度差异不明显;个体数量依次为:Ⅰ(298)Ⅱ(282)Ⅲ(267)Ⅳ(245),分别下降5.37%、4.03%、17.79%。 各系统节肢动物群落的多样性指数和均匀度指数依次为:Ⅳ( 2.9127和0.6246)Ⅰ(2.7534和0.5772)Ⅱ(2.6635和0.5656)Ⅲ(2.6327和0.5601),优势集中性指数依次为:Ⅱ(0.1516)Ⅲ(0.1480)Ⅰ(0.1199)Ⅳ(0.0918)。其中,害虫亚群落的多样性指数和均匀度指数高低依次为:Ⅳ( 2.4119和0.5966)Ⅰ(2.1477和0.5145)Ⅱ(2.0926和0.5132)Ⅲ(2.0497和0.5027),优势集中性指数依次为:Ⅱ(0.2247)Ⅲ(0.2235)Ⅰ(0.1921)Ⅳ(0.1401);天敌亚群落的多样性指数和均匀度指数高低依次为:Ⅱ(3.3298和0.8347)Ⅰ(3.2762和0.8333)Ⅳ(3.1695和0.8326)Ⅲ(2.9329和0.7951),优势集中性指数分别为:Ⅲ(0.0708)Ⅳ(0.0672)Ⅱ(0.0629)Ⅰ(0.0574)。 四个系统中,各两个系统间节肢动物群落、食叶害虫类群、刺吸害虫类群、捕食性天敌类群的相似性系数均在0.50-0.75,处于中等相似水平。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ间寄生性天敌的相似性系数在0.75-1.00,处于极相似水平,Ⅰ与Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ间的相似性系数在0.50-0.75,处于中等相似水平。 从四个系统节肢动物群落物种数及其个体数量消长动态来看,棉花生长前期各系统节肢动物群落物种数均较少,6月中旬麦收后,呈逐渐上升趋势;棉花生长中期,各系统节肢动物群落物种数下降,8月16号开始逐渐增多;棉花生长后期,各系统节肢动物群落物种数未出现下降趋势。害虫、天敌亚群落物种数,仅在棉花吐絮后期呈逐渐上升趋势,其他时期物种数较少且波动较小。就个体数量而言,在棉花生长中期Ⅰ与Ⅱ、Ⅲ与Ⅳ的节肢动物群落个体数量变化基本一致,Ⅰ、Ⅱ在7月20号出现峰值,Ⅲ、Ⅳ个体数量与Ⅰ、Ⅱ相差不多,Ⅰ、Ⅱ在8月2号均处于低谷,Ⅲ、Ⅳ的个体数均达到最高,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ、Ⅳ间差异较大;在棉花生长后期,Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的个体数变化趋势基本一致,但Ⅱ的个体数量较其他3个系统高。害虫亚群落个体数量的变化与节肢动物群落个体数量变化趋势相似。天敌亚群落的个体数量在棉花生长前期和中期较少,后期较多。随着田间棉花和杨树的生长进程,4个系统间节肢动物群落、害虫和天敌亚群落的多样性指数的变化趋势均基本一致。 综上表明,与Ⅰ相比,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中节肢动物群落物种丰度及其个体数均较低,4个系统间的物种丰度、个体数量、群落多样性指数和均匀度指数差异均不明显,群落相似性较高。初步表明转Bt基因杨棉复合系统对节肢动物群落影响不明显。 (2)转基因杨树、棉花对异色瓢虫生物学、形态指标及其捕食功能的影响试验研究发现,分别饲食转基因杨上白杨毛蚜(Chaitophorus populeti)和转基因棉上棉蚜(Aphis gossypii)的异色瓢虫发育历期(幼虫期+蛹期)依次为14.86、15.23d,产卵量分别为552.3、517.0粒,孵化率依次为91.50、92.99%,幼虫死亡率分别为11.40、9.50%,蛹重依次为0.4604、0.4931g,折翅率分别为7.62、5.98%,成虫性比(雌:雄)依次为1.23: 1、1.12: 1,与饲食非转基因杨、棉同种蚜虫的相比,各项数值的差异均不显著(P0.05)。 与饲食非转基因杨上白杨毛蚜的异色瓢虫相比,饲食转基因杨上白杨毛蚜的异色瓢虫各龄期幼虫的体长、体宽差异不显著(P0.05)。与饲食非转基因棉花上棉蚜的异色瓢虫相比,饲食转基因棉花上棉蚜的1、2龄异色瓢虫小幼虫的体长依次缩短0.30mm和0.27mm,差异显著,体宽差异不显著;3龄幼虫体长差异不显著,体宽缩短0.22mm,差异显著(P0.05);4龄大幼虫体长差异不显著,体宽增加0.15mm,差异显著(P0.05)。 饲食白杨毛蚜(分别采自转基因杨和非转基因杨)和棉蚜(分别采自转基因棉和非转基因棉)的异色瓢虫各虫龄、虫态的捕食功能曲线均符合HollingⅡ型模型。其1、3龄幼虫的日最大捕食量依次均达30头、200头以上,4龄幼虫及其雌雄成虫均达400头以上,其中饲喂转基因棉上棉蚜和转基因杨上白杨毛蚜的1、3、4龄幼虫及其雌雄成虫的日最大捕食量均略小,但其瞬时攻击率和对猎物处理时间差异均不明显。 综上表明,分别与非转基因杨树、棉花相比,转基因杨树与转基因棉花对害虫优势天敌—异色瓢虫的生长发育和繁殖影响不显著;转基因杨树对异色瓢虫各龄幼虫的体长、体宽等形态指标的生长量影响不显著,但转基因棉花对其各龄幼虫的体长、体宽等形态指标生长量影响显著;转基因杨树、棉花对异色瓢虫的捕食功能影响不明显。初步表明转Bt基因杨棉复合系统对害虫优势天敌—异色瓢虫的生长发育、繁殖及其控害能力影响不明显。 (3)转基因杨棉复合系统对非靶标害虫—天敌食物链中Bt毒素蛋白含量变化、转移和富集效应的影响研究发现,系统Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中的非靶标害虫—杨蚜、棉蚜(均为无翅成蚜)和优势天敌—龟纹瓢虫、异色瓢虫成虫体内均未检测到Bt毒素蛋白,仅测得系统Ⅳ中龟纹瓢虫成虫体内含有6.6 ng/g的Bt毒素蛋白。 综上初步表明,转基因杨棉复合系统难以经由Bt毒素蛋白含量在非靶标害虫—天敌食物链中转移、富集对非靶标害虫和优势天敌产生不利影响。 目前,单一转基因作物生态安全性仍存争议,值得继续深入研究。在此背景下,本文系统调查研究了综合性和复杂性更强,亦更近自然界特征的转Bt基因杨棉复合系统的生态安全性,视角新颖,立题明确,发现该转基因复合系统对节肢动物群落结构及其捕食性天敌优势种生长发育及繁殖无明显影响。该研究不仅为该转基因杨棉复合系统的生态安全性评价奠定了基础,亦为该栽培模式的科学应用、大面积推广等提供了科学依据,并为同类复合系统相关研究提供了借鉴,具有重要的学术价值和广阔的应用前景。本文仅为初步研究结果,尚需继续深入研究和验证。