轉BADH基因耐鹽堿玉米對根際土壤酶活性的影響

邸宏，周成生，曾興，王術敏，王禹賀，王振華

（東北農業(yè)大學農學院，哈爾濱 150030）

轉BADH基因耐鹽堿玉米對根際土壤酶活性的影響

邸宏，周成生，曾興，王術敏，王禹賀，王振華

（東北農業(yè)大學農學院，哈爾濱 150030）

試驗在田間種植條件下研究轉BADH基因耐鹽堿玉米在不同生育期對鹽堿土和普通耕土中三種土壤酶活性的影響。結果表明，在整個生育期內，兩種類型土壤的土壤脲酶活性均呈現“升高-降低-升高”趨勢，蔗糖酶均呈現“升高-降低”趨勢，而脫氫酶在鹽堿土壤中呈現“升高-降低”趨勢，在普通耕土中始終是降低的；鹽堿土壤的脲酶和脫氫酶高于普通耕土，蔗糖酶活性低于普通耕土；與非轉基因受體對照相比，轉基因玉米株系種植在鹽堿土中促進土壤脲酶活性，抑制土壤蔗糖酶活性，拔節(jié)期時達到差異顯著（P＜0.05）和極顯著水平（P＜0.01），分別提高26.77%和降低53.73%，對土壤脫氫酶起促進作用；在普通耕土中，轉基因玉米種植對土壤脲酶活性有促進作用，對土壤脫氫酶起抑制作用，分別在拔節(jié)期和吐絲期時達到差異顯著（P＜0.05），分別提高46.95%和降低28.79%，對土壤蔗糖酶起抑制作用。

轉基因玉米；BADH基因；根際土壤；土壤酶活性

利用轉基因技術培育耐鹽堿新種質是開發(fā)利用鹽漬化土壤、提高玉米總產量的有效途徑[1]。轉基因植物環(huán)境安全性受到關注，主要包括：轉基因作物釋放到田間后，外源基因是否會漂移到環(huán)境中使生態(tài)環(huán)境受到破壞，打破原有生態(tài)種群的平衡，對生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性、生物群落結構和種群動態(tài)以及土壤生態(tài)系統(tǒng)等產生影響，其中土壤微生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性是重要的評價內容之一[2]。

土壤酶是土壤物質循環(huán)和能量流動的重要參與者，土壤中一切生化反應都是在土壤酶的參與下完成的，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組分之一，是衡量土壤肥力的重要指標，因此土壤酶活性能反映土壤生態(tài)系統(tǒng)變化[3]。目前已有的關于轉基因作物對土壤酶活性影響報道多集中于Bt抗蟲基因，而對耐鹽堿、抗旱、耐冷等轉基因作物少有報道。

東北農業(yè)大學玉米研究所在前期的試驗中，獲得遺傳穩(wěn)定的轉甜菜堿醛脫氫酶BADH基因耐鹽堿玉米株系。甜菜堿醛脫氫酶是合成甜菜堿的關鍵酶，轉基因玉米在鹽堿脅迫條件下，積累與細胞代謝有關的滲透調節(jié)物質——甜菜堿，提高植物耐受性[4]。

本試驗以轉BADH基因耐鹽堿玉米T5代株系及其受體親本為試材，分別種植在鹽堿土和普通耕土中，通過比較分析玉米不同生育期根際土壤脲酶、蔗糖酶、脫氫酶等活性變化，研究轉BADH基因玉米的種植對土壤酶活性影響規(guī)律，為轉基因耐鹽堿玉米的生態(tài)風險評價提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

植物材料為轉BADH基因的玉米T7代株系BQ-2，受體對照材料為玉米常規(guī)自交系齊319，由東北農業(yè)大學玉米研究所提供。鹽堿土取自黑龍江省肇東市鹽堿化草地，屬于堿土[5]，普通耕土取自東北農業(yè)大學試驗田黑土，土壤基礎肥力見表1。

表1 土壤的基礎肥力Table 1 The basal soil fertility （mg·kg-1）

1.2 試驗方法

將轉BADH基因玉米株系BQ-2與受體自交系分別種植于鹽堿池與普通耕土中，5行區(qū)，每行10株，3次重復。分別于玉米的播種前期、拔節(jié)期、吐絲期和成熟期進行取樣，播種前期取地面下5～20 cm土壤，其他時期參照陶波等方法[6]，每次取樣3次重復隨機選取3株玉米作為重復對照，取帶有土塊的完整玉米植株根系，用硫酸紙包好帶回實驗室，用滅菌的小刀將外圍土除去，離根系1 cm以內的土壤為根際土壤。整理挑出土壤中的根、殘渣等，將土壤磨細、風干后，過1 mm篩后作為試驗的土壤材料。土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法；土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸法；土壤脫氫酶活性采用TTC分光光度法。每種酶活性的測定時均做標準曲線和無土對照（CK1）、無基質對照（CK2）試驗。上述3種酶的酶活性分別用37℃培養(yǎng)24 h后每克干土中NH3-N的微克數（NH3-N μg·1 g-1·24 h-1）、葡萄糖毫克數（葡萄糖mg·1 g-1·24 h-1）、TPF毫克數（TPF mg·1 g-1·24 h-1）表示[7]。數據取3次處理重復的平均值，經Excel整理后，SPSS 19.0軟件進行方差分析，多重比較采用鄧肯氏新復極差檢驗法。

2 結果與分析

2.1 轉BADH基因耐鹽堿玉米對根際土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶是催化尿素水解生成氨、二氧化碳和水的酶，其活性變化與土壤氮素狀況和理化性狀有關，其活性提高有利于土壤有機氮向有效氮的轉化，提高土壤中氮素的供應水平[8]。

本試驗結果如圖1所示，兩種土壤類型中，土壤脲酶活性的變化一致，隨著生育期的推移，均呈現“升高-降低-升高”趨勢，成熟期達到最高值。與各自對照比較，兩種土壤類型中，轉基因材料土壤脲酶活性均高于對照，且均在拔節(jié)期達到差異顯著水平（P＜0.05），分別提高26.77%和46.95%，其他時期差異不顯著。將兩種土壤中脲酶活性進行比較，鹽堿土壤中脲酶活性顯著高于普通耕土，是后者的2.67倍。

從上述結果可見，轉BADH基因耐鹽堿玉米對土壤脲酶活性有促進作用，在鹽堿條件下這種影響更加明顯。

圖1 轉BADH基因玉米對土壤脲酶活性的影響Fig.1 Effects of transgenic maize with BADH gene on soil urease activity

2.2 轉BADH基因耐鹽堿玉米對根際土壤蔗糖酶活性的影響

圖2 轉BADH基因玉米對土壤蔗糖酶活性的影響Fig.2 Effects of transgenic maize with BADH gene on soil sucrase activity

土壤蔗糖酶催化蔗糖水解成葡萄糖和果糖，該酶活性提高有利于土壤中易溶性營養(yǎng)物質的增加[8]。如圖2所示，兩種土壤類型中，土壤蔗糖酶的活性隨著時間的推移，均呈現“升高-降低”趨勢，在拔節(jié)期達到最大值。與各自對照相比：鹽堿土壤中，播種前期轉基因材料的土壤蔗糖酶活性高于對照，其他時期都低于對照，且在拔節(jié)期（15.13 mg·1 g-1·24 h-1）極顯著低于對照（23.26 mg·1 g-1·24 h-1）（P＜0.01），降低53.73%，其他時期差異不顯著。普通耕土中，播種前期轉基因材料土壤蔗糖酶活性高于對照，其他時期低于對照材料，且全部時期均差異不顯著。將兩種土壤的蔗糖酶進行比較，播種前期鹽堿土蔗糖酶活性高于普通耕土，其他時期均低于普通耕土。從上述結果可見，在兩種土壤類型中，轉BADH基因玉米均對土壤蔗糖酶有一定抑制作用。

2.3 轉BADH基因耐鹽堿玉米對根際土壤脫氫酶活性的影響

土壤脫氫酶作為重要的氧化還原酶，能從基質中析出氫或氫供體進行氧化作用，反映土壤微生物新陳代謝的整體活性，可作為微生物氧化還原能力指標[8]。如圖3所示，兩種土壤類型中，土壤脫氫酶活性隨時間推移變化不一致，鹽堿土中土壤脫氫酶活性呈現“升高-降低”趨勢，拔節(jié)期達最大值。普通耕土中土壤脫氫酶活性始終是降低的。與各自對照相比，鹽堿土壤中，前3個時期轉基因材料的土壤脫氫酶活性高于對照，只在成熟期略小于對照，所有時期均差異不顯著。普通耕土中，所有時期轉基因材料土壤脫氫酶活性均低于對照，在吐絲期（12.33 mg·1 g-1·24 h-1）顯著低于對照（15.88 mg·1 g-1·24 h-1）（P＜0.05），降低28.79%，其他時期均差異不顯著。將兩種土壤中的土壤脫氫酶活性進行比較，只有播種前期鹽堿土壤中的脫氫酶活性小于普通耕土，其他時期均高于普通耕土。從上述結果知，在兩種土壤類型中，轉BADH基因耐鹽堿玉米對根際土壤脫氫酶的活性影響變化不一致，在鹽堿土壤中起促進作用，在普通土壤中起抑制作用。

圖3 轉BADH基因玉米對土壤脫氫酶活性的影響Fig.3 Effects of transgenic maize with BADH gene on soil dehydrogenase activity

3 討論與結論

土壤酶是一個敏感指標，施肥種類、管理與耕作方式、作物種類、土壤水分和環(huán)境條件等均可能影響土壤酶活性，土壤酶活性變化反映轉基因耐鹽堿玉米對土壤微生態(tài)環(huán)境影響。顏世磊等研究發(fā)現轉Bt基因玉米秸稈還田后提高土壤脲酶活性[9]；Jepson等論述轉Bt基因作物的種植可能改變尿酶、脫氫酶、磷酸酶活性[10]；袁紅旭等對轉雙價抗真菌基因水稻根際土壤中土壤酶活性進行研究，發(fā)現轉基因水稻土壤蔗糖酶活性均與對照無顯著差異[11]；轉α-淀粉酶和木質素過氧化物酶基因的紫花苜蓿使得土壤脫氫酶和堿性磷酸酶活性下降[12]；Saxena等研究發(fā)現轉Bt基因玉米和水稻的秸稈分解使土壤的總代謝活性降低，但對酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、脫氫酶、蛋白酶和芳香基硫酸脂酶的活性無影響[13]。目前相關報道大多集中在Bt基因，關于轉BADH基因耐鹽堿玉米尚未見其對土壤酶影響的報道。

本研究結果表明，轉BADH基因耐鹽堿玉米種植，拔節(jié)期時顯著提高土壤脲酶活性，這與顏世磊等[9]結果相符合；拔節(jié)期極顯著降低土壤蔗糖酶活性，這與袁紅旭等結果不相同[11]，這可能是基因以及作物品種等因素造成；普通耕土的吐絲期顯著降低土壤脫氫酶活性，這與Donegan等結果相同[12]。但鹽堿土中提高土壤脫氫酶活性，關于在鹽堿土中種植轉基因作物報道很少，有待后續(xù)試驗驗證。

比較兩種土壤的土壤酶活性進行，可見轉基因玉米對土壤脲酶、蔗糖酶和脫氫酶影響，因土壤類型和生育時期變化不一致。本試驗結果只是針對BADH基因耐鹽堿玉米在鹽堿土與普通耕土兩種土壤類型中，對土壤酶活性影響初步研究，因為其對土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的影響是個長期過程，還需進行多年定點監(jiān)測，以期獲得更加準確的安全性評價結果。

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Effect of genetically modified salt-tolerant maize with geneBADH(Zea maysL.)on soil enzymes activity

DI Hong,ZHOU Chengsheng,ZENG Xing,WANG Shumin,WANG Yuhe,WANG Zhenhua
(School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

The effects of genetically modified salt-tolerant maize with the geneBADHon soil urease,sucrase and dehydrogenase activity at different growth stages in saline-alkali soil and common soil under the filed condition.The results showed that during the whole growth period,urease activity increased at first and then decreased and increased finally in two types of soil.Sucrase activity increased at first and then decreased,dehydrogenase activity increased at first and then decreased in saline-alkali soil,and always decreased in common soil.Compared to common soil,the urease and dehydrogenase activity of saline-alkali soil were higher and sucrose activity was lower.The planting of transgenic maize in saline-alkali soil increased（26.77%）urease and dehydrogenase activity and decreased(53.73%)sucrose activity compared with non-transgenic maize,and the differences reached the significant level(P＜0.05)and the great significant level(P＜0.01)separately in jointing stage.In the common soil,it had an increased(46.95%)effect on urease activity and a decreased(28.79%)effect on dehydrogenase activity.The differences reached the significant level(P＜0.05)in jointing and silking stage,respectively.And the sucrose activity decreased in common soil.

transgenic maize;BADHgene;rhizosphere soil;soil enzyme activity

S513

A

1005-9369（2014）04-0025-05

2013-11-25

國家轉基因生物新品種培育重大專項（2014ZX08011003）；東北農業(yè)大學科學研究基金資助（2012RCB21）

邸宏（1974-），女，副教授，博士，碩士生導師，研究方向為玉米遺傳轉化和轉基因環(huán)境安全性評價。E-mail:dihongdh@ 163.com

時間2014-4-21 13:21:58[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140421.1322.008.html

邸宏,周成生,曾興,等.轉BADH基因耐鹽堿玉米對根際土壤酶活性的影響[J].東北農業(yè)大學學報,2014,45(4)∶25-29.

Di Hong,Zhou Chengsheng,Zeng Xing,et al.Effect of genetically modified salt-tolerant maize with geneBADH(Zea maysL.)on soil enzymes activity[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(4)∶25-29.(in Chinese with English abstract)