轉Cry1Ac基因抗蟲玉米Bt-799對田間節(jié)肢動物群落多樣性的影響

尹俊琦， 武奉慈， 周 琳， 宋新元*吉林省農(nóng)業(yè)科學院； 吉林省農(nóng)業(yè)生物技術重點實驗室，吉林 長春 00；哈爾濱師范大學，黑龍江 哈爾濱 5005

轉Cry1Ac基因抗蟲玉米Bt-799對田間節(jié)肢動物群落多樣性的影響

尹俊琦1，2， 武奉慈1，2， 周 琳3， 宋新元1，2*
1吉林省農(nóng)業(yè)科學院；2吉林省農(nóng)業(yè)生物技術重點實驗室，吉林 長春 130033；3哈爾濱師范大學，黑龍江 哈爾濱 150025

【目的】安全評價是轉基因品種研發(fā)的重要保障，為明確轉基因玉米Bt-799在生物多樣性影響方面的安全性，并為其在吉林春玉米區(qū)種植提供安全保證，開展了轉基因玉米Bt-799對田間節(jié)肢動物群落多樣性影響的研究?！痉椒ā烤C合利用直接觀察法和地面陷阱法，以多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)等參數(shù)以及主要種群動態(tài)作為評價指標，系統(tǒng)研究轉基因玉米Bt-799對田間節(jié)肢動物群落多樣性的影響?！窘Y果】轉基因玉米Bt-799較之對應的非轉基因對照鄭58在田間節(jié)肢動物群落結構參數(shù)、主要種群動態(tài)等方面均無顯著差異。【結論】轉Cry1Ac基因玉米Bt-799在吉林省種植，不會對田間節(jié)肢動物群落多樣性造成顯著不良影響。

轉Cry1Ac基因抗蟲玉米； 節(jié)肢動物； 群落結構； 種群動態(tài)

玉米在我國大部分地區(qū)廣泛種植，是主要的糧食作物與經(jīng)濟作物，其對保持農(nóng)業(yè)結構穩(wěn)定乃至糧食安全具有重要作用。玉米螟OstriniafurnacalisGuenée是限制玉米產(chǎn)量提升的重要因素，由于其具有發(fā)生代數(shù)不穩(wěn)定,鉆蛀能力強,藥劑不易到達取食位置，抗藥性較強等特點，化學方法對玉米螟的防治效果并不理想(王振營等，2004)。同時，現(xiàn)有玉米種質缺少抗蟲資源，傳統(tǒng)抗性育種途徑亦很難取得突破?；蚬こ碳夹g為解決玉米螟危害提供了重要途徑(Ishidaetal.,1996)。由中國農(nóng)業(yè)大學研制的轉Cry1Ac基因抗蟲玉米Bt-799已在吉林省完成生產(chǎn)性實驗，進入申請安全應用證書階段，具有重要的應用前景。

研發(fā)與安評同步是轉基因育種的重要原則，轉基因植物及其產(chǎn)品的安全性亦備受關注(Andow & Zwahlen，2006)。節(jié)肢動物是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，作物的品種、布局和栽培方式都會影響其多樣性組成(郭建英等，2008； 劉雨芳等，2000)。轉基因玉米對農(nóng)田節(jié)肢動物群落多樣性的影響一直是環(huán)境安全評價關注的重點。關于轉基因作物對節(jié)肢動物多樣性影響的研究已陸續(xù)開展，如通過對轉Bt基因大豆MON87701RR2Y、轉Cry1Ie基因抗蟲玉米及對轉EPSPS基因抗除草劑玉米CC-2與其非轉基因對照的研究，均表明轉基因作物田與非轉基因作物田的節(jié)肢動物各特征參數(shù)無顯著差異(郭井菲等，2014； 王尚等，2014； Yuetal.，2014)。目前，有關轉Cry1Ac基因抗蟲玉米Bt-799對于田間節(jié)肢動物多樣性影響的研究并不多。

吉林省地處世界黃金玉米帶，又是我國主要的春玉米產(chǎn)區(qū)(王陽，2010)。本研究選址吉林省，選取轉Cry1Ac基因抗蟲玉米Bt-799及其對應的非轉基因對照鄭58為研究對象，利用直接觀察法和地面陷阱法，以多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)等群落特征參數(shù)及主要種群動態(tài)為評價指標，系統(tǒng)研究Bt-799對田間節(jié)肢動物群落的影響，旨在為該品種未來在吉林省的推廣提供一定的基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗材料 轉Cry1Ac基因抗蟲玉米Bt-799(B)，對應的非轉基因對照鄭58(B-CK)，均由中國農(nóng)業(yè)大學提供。

1.1.2 實驗地點 本研究選址吉林省公主嶺市吉林省農(nóng)業(yè)科學院“國家轉基因玉米大豆中試與產(chǎn)業(yè)化基地(公主嶺)”轉基因植物環(huán)境安全研究實驗圃場(總面積10 hm2，43°30′N、124°49′E)。

1.1.3 小區(qū)設計與管理 實驗種植參考當?shù)赜衩状筇锷a(chǎn)方式，分區(qū)設計，每小區(qū)面積150 m2(10 m × 15 m)，每個處理3次重復，隨機區(qū)組排列。2013年5月15日播種，采用人工播種方式，2～3?！ぱ?1，按常規(guī)農(nóng)事耕作管理，整個生長季節(jié)不施用殺蟲劑。

1.2 實驗方法

1.2.1 直接觀察法 自玉米定苗后10 d開始，直至成熟為止，每隔10 d調查一次，每個小區(qū)利用對角線5點取樣法，每一點選取5株玉米，對整株玉米(蚜蟲和葉螨，收集上、中、下3葉)及其地面1 m2范圍內(nèi)的各種節(jié)肢動物進行調查。調查時，先快速觀察記錄活潑易動的昆蟲和(或)蜘蛛數(shù)量，對于不易分類的類群，保存到裝有95%乙醇溶液的膠卷盒中，做好標記，帶回實驗室做進一步鑒定。

1.2.2 地面陷阱法 自玉米定苗后10 d開始，直至植株成熟為止，每10 d調查一次，每小區(qū)采用對角線5點取樣，每點埋設3個塑料杯(Φ15 cm×10 cm)，杯中放5%的洗滌劑水(不超過杯容積的1/3)，間隔0.5 m。在埋杯的第2天，調查杯中節(jié)肢動物的種類和數(shù)量，不易識別的種類進行編號，放入95%乙醇溶液保存，供進一步鑒定。

記錄所有通過直接觀察法和地面陷阱法得到的節(jié)肢動物的名稱、發(fā)育階段和數(shù)量。

1.3 統(tǒng)計分析

根據(jù)各類群的捕獲量占捕獲總量的百分比來劃分節(jié)肢動物的數(shù)量等級：10%以上者為優(yōu)勢類群；1%～10%為常見類群；小于1%為稀有類群。

節(jié)肢動物群落結構特征值采用下列公式計算(趙志模和郭依泉，1990; Magurran，2004)。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：H′=-∑PilnPi

式中：Pi為i類群占總個體數(shù)的比率；Pi=Ni/N，Ni為第i個類群的個體數(shù)；N為全部類群的個體總數(shù)。

Pielou 均勻度指數(shù)：J=H′/lnS

式中：H′為多樣性指數(shù)；S為類群數(shù)。

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)：D=∑(ni/N)2

式中：N為節(jié)肢動物個體總數(shù)；ni為i類群的個體數(shù)。

利用EXCEL 2003對原始數(shù)據(jù)進行整理，通過SPSS 19.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 節(jié)肢動物類群及數(shù)量組成

2013年7—9月，8次直接觀察法和地面陷阱法調查共采集樣本480份，鑒定出節(jié)肢動物個體總數(shù)4362頭。其中，直接觀察法采集節(jié)肢動物2866頭，分屬2綱11目35種(或類)，優(yōu)勢類群為蚜蟲，在轉基因玉米田(B)與非轉基因對照田(B-CK)中分別占個體總數(shù)的60.47%和65.13%，常見類群包括蜘蛛、龜紋瓢蟲Propylaeajaponica、異色瓢蟲Harmoniaaxyridis、瓢蟲幼蟲、雙斑螢葉甲Monoleptahieroglyphica、蟻科和嚙蟲科等，其余為稀有類群。地面陷阱法采集節(jié)肢動物1496頭，分屬4綱14目40種(或類)，優(yōu)勢類群有蚜蟲、銀川油葫蘆Teleogryllusinfernalis和蠼螋Labidurajaponica，在轉基因玉米田(B)分別占個體總數(shù)的18.64%、13.74%和19.05%，非轉基因對照田(B-CK)中分別占個體總數(shù)的30.35%、11.04%和19.05%，常見類群包括蜘蛛、家蟋蟀Achetadomesticus、蠋步甲Dolichushalensis、婪步甲Harpalussinicus、瓢蟲幼蟲、雙斑螢葉甲、黃斑青步甲Chlaeniusmicans、蟻科、中華草蛉Chrysoperlasinica、蜱螨和家蠅Muscadomestica等，其余為稀有類群。方差分析表明，不論是直接觀察法還是地面陷阱法，2種類型玉米田的節(jié)肢動物類群基本一致，發(fā)生數(shù)量無顯著差異(表1、表2)。

2.2 對節(jié)肢動物主要種群動態(tài)的影響

2.2.1 直接觀察法 分析直接觀察法統(tǒng)計的田間優(yōu)勢類群和常見類群的季節(jié)動態(tài)變化發(fā)現(xiàn)，蜘蛛的發(fā)生量較為平穩(wěn)，從調查初期到調查末期，呈緩慢下降的趨勢。異色瓢蟲、瓢蟲幼蟲、龜紋瓢蟲、嚙蟲科、雙斑螢葉甲等物種的變化趨勢較為一致，均在7月末—8月初發(fā)生量達到最大。蚜蟲和蟻科數(shù)量變化趨勢較為一致，發(fā)生數(shù)量較大的時期集中在7月中下旬和9月末。作為蚜蟲的主要天敵昆蟲，異色瓢蟲、龜紋瓢蟲等瓢甲科昆蟲的發(fā)生與蚜蟲呈現(xiàn)此消彼長的規(guī)律，季節(jié)動態(tài)密切相關，從中可體現(xiàn)瓢甲科對蚜科有明顯的控制作用。差異顯著性分析表明，轉基因玉米田與對應的非轉基因玉米田優(yōu)勢類群和常見類群在各個調查時期的發(fā)生量均無顯著差異(p>0.05，t-test)(圖1)。

表1 玉米田內(nèi)節(jié)肢動物個體數(shù)(I)及分布頻率(F)(直接觀察法)Table 1 Abundance (I) and frequency (F)of selected arthropod groups of the two types of maize, sampled by direct observation

B:轉基因玉米田；B-CK:非轉基因玉米對照田。數(shù)據(jù)為平均個體數(shù)±標準誤。

B: Transgenic maize; B-CK: Non-transgenic maize. Data are mean no of individuals per plot±SE.

表2 玉米田內(nèi)節(jié)肢動物個體數(shù)(I)及分布頻率(F)(地面陷阱法)Table 2 Abundance (I) and frequency (F) of selectes arthropod groups of the two types of maize, sampled by pitfall traps

B:轉基因玉米田；B-CK:非轉基因玉米對照田。數(shù)據(jù)為平均個體數(shù)±標準誤。

B: Transgenic maize; B-CK: Non-transgenic maize. Data are mean no of individuals per plot±SE.

2.2.2 地面陷阱法 分析地面陷阱法捕獲的優(yōu)勢類群和常見類群的季節(jié)動態(tài)變化發(fā)現(xiàn)，蜘蛛、蠋步甲、瓢蟲幼蟲、雙斑螢葉甲、蚜蟲、蟻科和中華草蛉等的變化趨勢較一致，均在7月末發(fā)生量達最大。家蠅、蠼螋、家蟋蟀和黃斑青步甲在8月中下旬發(fā)生量較大。銀川油葫蘆的發(fā)生量整體呈上升趨勢，蜱螨僅在8月中上旬少量發(fā)生，婪步甲的發(fā)生時期主要集中在8月中旬到9月初。方差分析表明，2種玉米田優(yōu)勢類群和常見類群在各個調查時期的發(fā)生量均無顯著差異(p>0.05,t-test)(圖2)。

2.3 對節(jié)肢動物群落結構的影響

對整個玉米生育期內(nèi)2種玉米田節(jié)肢動物群落結構進行分析，結果表明，2種玉米田多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)發(fā)生趨勢基本一致，只有直接觀察法中7月末和9月(圖3)、地面陷阱法中7月末和9月末出現(xiàn)輕微的波動(圖4)。方差分析結果表明，各個調查時期，2種玉米田多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)盡管在個別時期存在輕微波動，但均未達到顯著水平(p>0.05,t-test)。因此，實驗表明，轉Cry1Ac基因玉米的種植對田間節(jié)肢動物群落結構無顯著影響。

數(shù)據(jù)為平均個體數(shù)±SE。Data are mean no of individuals per plot±SE.圖1 轉基因玉米及其對應的非轉基因玉米田間主要節(jié)肢動物類群個體數(shù)量季節(jié)變化(直接觀察法)Fig.1 Seasonal changes of the dominant arthropod groups in transgenic vs non-transgenic maize fields， sampled by direct observation

數(shù)據(jù)為平均個體數(shù)±SE。 Data are mean no of individuals per plot±SE.圖2 轉基因玉米及其對應的非轉基因玉米田間主要節(jié)肢動物類群個體數(shù)量季節(jié)變化(地面陷阱法)Fig.2 Seasonal changes of the dominant arthropod groups in transgenic vs non-transgenic maize fields, sampled by pitfall traps

數(shù)據(jù)為平均個體數(shù)±SE。Data are means per plot ±SE.圖3 轉基因玉米田及其對應的非轉基因玉米田節(jié)肢動物群落結構(直接觀察法)Fig.3 Seasonal changes in the diversity of arthropod communities in transgenic vs non-transgenic maize fields, sampled by direct observation

數(shù)據(jù)為平均個體數(shù)±SE。Data are means per plot ±SE.圖4 轉基因玉米田及其對應的非轉基因玉米田節(jié)肢動物群落結構(地面陷阱法)Fig.4 Seasonal changes in the diversity of arthropod communities in transgenic vs non-transgenic maize fields, sampled by pitfall traps

3 討論

亞洲玉米螟是限制我國玉米產(chǎn)量與品質提升的重要害蟲，其寄主植物種類多，年發(fā)生代數(shù)不一，同時穗期玉米密度大，植株高，造成防治效果不理想(周大榮和何康來，1995)。轉基因技術的產(chǎn)生和發(fā)展及優(yōu)良抗蟲基因的不斷研發(fā)成功，為玉米螟的防治提供了可能(Ishidaetal.,1996)。同時，人們對轉基因玉米食用安全和環(huán)境安全十分關注，對轉基因玉米進行安全性評價勢在必行(宋新元等，2011)。

對農(nóng)田生物多樣性的影響是環(huán)境安全性評價的重要指標，相關的調查方法也較多，主要包括直接觀察法、地面陷阱法、吸蟲器法、解剖法和空中水盆誘捕法等(郭井菲等，2014)。為了保證數(shù)據(jù)的準確性和結論的可靠性，一般選取2種或2種以上的調查方法來考察田間節(jié)肢動物的多樣性。本實驗選用直接觀察法和地面陷阱法對轉Cry1Ac基因抗蟲玉米Bt-799田間節(jié)肢動物進行調查。其中，直接觀察法比較靈活，且操作簡單，但容易漏掉體型小、速度快的物種，且調查時間局限在白天，所以選取地面陷阱法對其進行補充和完善，地面陷阱法收集節(jié)肢動物時間長，包括白天和夜晚2個時間段，可以在收集節(jié)肢動物種類上彌補直觀法的不足(杜開書等，2010； 劉慧等，2012； 徐洪富等，2000)。

通過對田間節(jié)肢動物生物多樣性影響的觀察與統(tǒng)計分析表明，轉基因玉米Bt-799與其對應的非轉基因玉米鄭58相比，田間節(jié)肢動物群落組成、群落結構大體相似，其中優(yōu)勢類群和常見類群的季節(jié)發(fā)生動態(tài)也基本一致，對田間主要節(jié)肢動物種群的發(fā)生規(guī)律等指標均無顯著影響，這與目前大量相關研究結果相符(李麗莉等，2007)。對轉基因玉米和非轉基因玉米田間節(jié)肢動物的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)進行計算并比較，雖然在個別調查時期存在輕微波動，但總體并無顯著差異。

綜上所述，較之非轉基因對照鄭58，轉Cry1Ac基因抗蟲玉米Bt-799對田間節(jié)肢動物多樣性未產(chǎn)生顯著的影響，該實驗結果為轉基因抗蟲玉米的進一步研發(fā)提供一定基礎數(shù)據(jù)。由于本實驗僅是一年單點實驗，若要獲得更加準確、全面、可靠的實驗數(shù)據(jù)，應進行連續(xù)多年多點實驗，以便更好地進行環(huán)境安全風險評估。

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(責任編輯:郭瑩)

Impacts of a transgenic insect-resistant maize (Bt-799) containing aCry1Acgene on arthropod biodiversity

YIN Junqi1,2， WU Fengci1,2， ZHOU Lin3， SONG Xinyuan1,2*
1JilinAcademyofAgriculturalSciences;2JilinMainLabofAgriculturalBiotechnology,Changchun,Jilin130033,China;3HarbinNormalUniversity,Harbin,Heilongjiang150025,China

【Aim】 Bio-safety assessment is an important requirement during the development of genetically modified varieties. We aimed to carry out research on the influence of transgenic Bt-799 maize on the diversity of arthropod communities in Jilin Province, and provide security assurance for its planting in Jilin spring maize region. 【Method】 We censused the arthropod community by direct observations and by using pitfall traps. Diversity was evaluated with the Shannon-Wiener, Pielou and Simpson indices. 【Result】 Compared with the non-transgenic maize cv. Zheng 58, as control, the arthropod communities sampled in the transgenic cultivar showed no significant difference in diversity. 【Conclusion】Growing the genetically modified maize Bt-799 in Jilin Province is not expected to cause significant negative effects on the diversity of arthropod communities.

transgenic insect-resistant maize withCry1Acgene； arthropod； community structure； seasonal dynamics

2016-09-12 接受日期(Accepted)： 2017-01-20

國家自然科學基金(31301329); 轉基因生物新品種培育重大專項(2016ZX08011-003)

尹俊琦， 女， 研究實習員， 碩士。 研究方向: 轉基因植物環(huán)境安全評價。 E-mail: yin_junqi@163.com

*通信作者(Author for correspondence), E-mail: songxinyuan1980@163.com

10. 3969/j.issn.2095-1787.2017.02.009