全 文 ：转基因植物根系分泌物对土壤微生态的影响 3
王忠华1 3 3 　叶庆富1 　舒庆尧1 　崔海瑞1 　夏英武1 　周美园2
(1 浙江大学农业与生物技术学院核农学研究所 ,杭州 310029 ;2 浙江华川专修学院 ,杭州 310020)
【摘要】　随着转基因植物商品化进程的加快 ,对其进行生态风险性评价日益引起学者的重视. 诸如转基因
逃逸到其它亲缘物种中、产生超级杂草和病毒、昆虫产生耐受性及生物多样性遭受破坏等问题已在部分转
基因作物中显现. 本文综述了转基因植物中根系分泌物对土壤微生态的影响.
关键词 　转基因植物 　根系分泌物 　根际微生物 　基因水平转移
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 03 - 0373 - 03 　中图分类号 　Q93 ,S336 　文献标识码 　A
Impact of root exudates from transgenic plants on soil micro2ecosystems. WAN G Zhonghua , YE Qingfu ,SHU
Qingyao ,CU I Hairui and XIA Yingwu ( Institute of N uclear A gricultural Sciences , A gricultural and Biotech2
nology College , Zhejiang U niversity , Hangz hou 310029) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (3) :373～375.
With the commercialization of transgenic plants ,ecological risk assessment of transgenic plants has been sche2
duled. Many problems such as gene transfer from transgenic plants to related wild species ,production of super
weeds and super virus , tolerance to insect2resistant transgenic plants ,and distruption of biodiversity have been
taken place in some transgenic plants. The influences of root exudates from transgenic plants on soil micro2
ecosystems were reviewed.
Key words 　Transgenic plant , Root exudates , Rhizospheric microorganism , Gene2level transfer.
3 国家自然科学基金项目 (30070156) 和美国洛克菲勒基金资助项
目 (2000FSO20) .3 3 通讯联系人.
2000 - 03 - 21 收稿 ,2000 - 05 - 08 接受.
1 　引 　　言
自 20 世纪 70 年代重组 DNA 技术创建到 1983 年首次
获得转基因烟草、马铃薯以来 ,植物基因工程技术的发展日
新月异 ,转基因植物的研究和开发取得了一系列令人瞩目的
进展 ,已培育成功一批抗虫、抗病、耐除草剂和高产优质的农
作物新品种. 到 1998 年 1 月底 ,在美国已有 30 例转基因植
物被批准进行商业化生产 ,我国目前也有 6 种转基因植物被
批准进行商业化生产 [12 ] . 这些基因工程作物在农业生产中
的应用会引起农业生产方式的巨大变革和经济效益的大幅
度提高 ,并为人类解决目前所面临的人口膨胀、资源匮乏、环
境恶化和效益衰减等问题提供了一条新的思路和途径. 与此
同时 ,其造成的负面影响已引起世界各国政府和科学家的关
注 ,尤其是欧美发达国家. 综合近十年的研究来看 ,转基因植
物的生态风险性评价主要集中在转基因植物与野生亲缘种
间的基因漂移及转基因植物对生物多样性的影响问题
上[8 ,24 ,27 ,28 ,31 ,39 ] . 而其根系分泌物对土壤微生态的影响尚未
引起足够的重视.本文从转基因植物根系分泌物对根际微生
物数量和种类、理化性质和养分释放及有效性的影响方面作
一简要综述 ,希望能起到抛转引玉的作用.
2 　根系分泌物的组成和种类
根系分泌物 (Root exudate)是植物根系在生命活动过程
中向外界环境分泌的各种有机化合物的总称. 据 Curl [7 ]估
计 ,植物根系分泌的有机化合物一般有 200 种以上 ,按分子
量的大小可分为低分子量分泌物和高分子量分泌物 ,前者主
要是有机酸、糖类、酚类和各种氨基酸 (包括非蛋白氨基酸) ,
国内外有关根系分泌物中低分子量化合物组成的鉴定工作
已有许多报道 , Tagagi 等[34 ]发现水稻的根系分泌物主要成
分为酒石酸等 ,小麦根系分泌物的主要成分为草酸、乙酸和
丙酸等[4 ] ,玉米根系分泌物的主要组成为草酸、富马酸和苹
果酸等[37 ] . 高分子量根系分泌物主要包括粘胶和外酶 ,其中
粘胶有多糖和多糖醛酸两类. 由于高分子量根系分泌物中的
组分极为复杂 ,对这类组分的分离、纯化和结构鉴定工作进
展缓慢.
3 　根系分泌物对土壤微生态的影响
311 　外源基因的水平转移
外源基因不仅可以通过重组、复制、转导、转化和转位等
途径在微生物之间相互转移 ,在作物与微生物之间也会自然
发生. 如根瘤菌与豆科植物结合可形成肿瘤 ,并可固氮 ,供豆
科植物生长发育之用. 土壤根瘤农杆菌能引起植物产生肿
瘤.这种肿瘤基因可转化到植物基因组中而稳定遗传 ,这就
是植物基因重组技术的基本原理. Hoffmann 等 [15 ]证实了转
基因植物中的外源基因也会水平转移到其它微生物中. 他们
发现 ,转基因油菜、黑芥菜、蒺藜和甜豌豆中抗生素基因可通
过转基因植株的根系分泌物转移到一种能与植物共生的黑
曲霉微生物中.
应 用 生 态 学 报 　2002 年 3 月 　第 13 卷 　第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Mar. 2002 ,13 (3)∶373～375
312 　对土壤微生物种类和数量的影响
国内外许多文献报道了转基因植物会产生一系列的性
状变异. Lynch 等[18 ]报道转基因水稻的植株变小、花期推迟
和育性降低. 崔海瑞等 [6 ]将转基因水稻与对照做了比较 ,发
现转基因抗虫水稻的农艺性状发生了明显变化. 在大田生长
的条件下 ,转基因抗虫水稻的株高、穗长、育性、单株产量和
千粒重明显降低 ,而单株单株分蘖数增多 ,落粒性增强 ,转基
因植株一般推迟 3 ～ 5d 开花 , 后期叶片转色速度慢.
Hayashimoto 等[14 ]和 Peng 等[25 ] 的研究也发现相类似的现
象.究其原因 ,目前普遍认为有两个方面 :1)体细胞无性系变
异.由于转化过程中 ,需要经受较长时间的组织培养和再生
过程以及选择标记基因试剂的筛选诱变 ,势必增加了变异的
频率 ,引起较为广泛的体细胞无性系变异 [1 ,32 ,42 ] ;2) T2DNA
插入的位置效应. T2DNA 的插入会破坏受体基因的活性 ,影
响受体植物的代谢过程 ,从而使表型发生了改变 [2 ,17 ,38 ] . 这
两个方面固然能引起转基因植物性状发生变异 ,其根系分泌
物的差异是否会影响土壤有益微生物的种类和数量 ,进而影
响转基因植物的生长发育. Donegan 等[9 ,10 ]在研究转 Bt 棉
花和马铃薯根系分泌物对土壤细菌的影响时 ,发现根际细菌
的数量在转基因植物与对照间无显著差异. Oger 等[22 ]对转
基因植物对根际细菌的影响进行了研究 ,结果发现转基因植
物可改变根际细菌的生物学环境. Donegan 等[11 ]就转蛋白酶
抑制剂基因烟草对土壤微生物种类和数量的潜在影响进行
了研究 ,结果发现转基因植物根际土壤中存在更多的线虫 ,
而 Collembola 的数量则显著降低. Glandorf 等[13 ]研究了抗真
菌和细菌转基因烟草对腐生型土壤细菌 (如菌根和根瘤菌
等)的影响 ,发现抗真菌和细菌蛋白会残留在根际土壤中 ,从
而影响腐生型土壤细菌的数量. 钱迎倩等 [26 ]报道 ,带有几丁
质酶的抗真菌的转基因作物可通过残枝落叶的降解和根系
分泌物减少土壤中菌根的种群. 菌根是一种真菌与植物的共
生联合体 ,对作物的生长发育和保持土壤的肥力极其重
要[3 ] .
313 　对土壤理化性质的影响
根系分泌物组分的差异对土壤理化性质如团聚体大小
和分布、酸碱度、阳离子交换量和吸附性能等均有不同程度
的影响. Morel 等[20 ]发现根系分泌物中的粘胶对土壤微团聚
体的稳定性及团聚体大小分布等物理性质有显著影响. 甲
酸、乙酸和草酸则能降低土壤的酸碱度从而加速土壤的酸
化[19 ] . Oades 等[21 ]报道根系分泌物中的粘胶和聚糖醛酸因
为含有大量的羧基使土壤阳离子交换量显著增加. 目前转基
因植物在这方面的报道还很少 ,仅限于对外源基因和蛋白在
土壤中的残余量及毒性进行检测和试验. Smalla 等 [30 ]利用
PCR 技术分析了转基因甜菜和马铃薯外源 DNA 在土壤中
的残留情况 ,发现此种 DNA 可在土壤中持续存在. Palm
等[23 ]将转 Bt 棉花叶枝埋入 5 种不同微生态系统土壤中 ,发
现 140d 后在 3 种土壤中仍能检测到 Bt 毒素 ,含量分别为起
始浓度的 3、16 和 35 %. Widmer 等[40 ]利用叶枝埋入土壤法
对转基因烟草中抗生素基因在土壤微生态系统中的残留进
行了研究 ,发现 120d 后仍能检测到 0. 14 %的外源抗生素序
列. Donegan 等[11 ]对转蛋白酶抑制剂基因烟草中蛋白酶抑制
剂在土壤中的残留进行了分析 ,发现含转基因植物叶片的垃
圾袋埋入土壤中 57d 后仍能检测到 0. 05 %的蛋白酶抑制
剂. James[16 ]报道 ,Bt 毒素可通过枯枝落叶和根系分泌物残
留在土壤中 ,与土壤粘粒结合毒性难以降解可持续 2～3 个
月. Tapp 等[36 ]和 Crecchio 等[5 ]的研究表明 ,Bt 杀虫蛋白能
快速和紧密地与土壤粘粒和腐殖酸结合 ,其毒性在土壤中滞
留期内最长达 234d. 最近美国纽约大学 Saxena 等[29 ]对转 Bt
玉米的根系分泌物进行喂虫 (烟草天蛾幼虫)试验 ,结果发现
转Bt 玉米组的幼虫停止进食 , 5d 后死亡率高达 95 %～
100 % ,而对照组无一死亡.
314 　对土壤养分释放及有效性的影响
根系分泌物组分的差异对土壤养分的释放及有效性会
产生影响 ,如 Subbarao 等[33 ]发现根系分泌物中的有机酸可
溶解难溶性磷化合物 ,有助于植物对磷的吸收利用. Takagi
等[35 ]发现水稻等禾本科植物的根液可溶解螯合 Fe Ⅲ,且缺
铁时这种溶解螯合能力更强. 张福锁 [41 ]则报道根表 K的富
集现象与根系分泌物的作用密切相关. 转基因植物根系分泌
物在这方面的研究未见直接报道. James[16 ]认为 ,Bt 毒素从
转基因作物的残枝落叶和根系分泌物进入土壤和水中 ,会对
土壤和水中的无脊椎动物以及养分循环过程 (如 N 循环等)
产生负面影响.
4 　展 　　望
由上可知 ,转基因作物中不少外源基因 (如 Bt 杀虫结晶
蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、抗生素基因等)可通过根系分
泌物或残枝落叶残留在土壤中 ,引起土壤微生物种类、数量
及土壤理化性质的变化 ,同时有可能对土壤养分的释放和有
效性产生负面影响. 因此转基因植物在进入田间释放和商业
化应用前必须进行土壤微生态方面的研究. 但目前人们对这
方面的研究还相当肤浅 ,研究方法和手段也比较落后. 随着
人们安全性意识的不断加强 ,必将加快这方面研究的投入和
开发 ,使转基因植物朝有利于人类生存与发展的方向前进.
我国是一个人口众多、资源相对匮乏 (尤其是土地资源)
的农业大国 ,虽然在转基因水稻、棉花和番茄等方面的研究
已达到国际领先水平 ,但对转基因作物的生态环境效应 (包
括根系分泌物对土壤微生态的影响) 的研究开发却很少 ,希
望能引起有关政府和科研部门的重视 ,使我国的转基因作物
向有利于可持续性农业的健康方向发展.
参考文献
1 　Altman DW ,Benedict J H Sachs ES , et al . 1991. Quantitative trait
variation in phenotypically normal regenerants of cotton. In V it ro
Cell Dev Biol ,27 :132～138
2 　Benedict J H ,Sachs ES ,Altman DW , et al . 1996. Field performance
of cottons expressing transgenic CryIA insecticidal proteins for re2
sistance to Heliothis vi rescens and Helicoverpa zea. J Econ Ent ,
89 :230～238
3 　Chen W2X (陈文新) . 1989. Soil and Environment Microbiology.
473 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
Beijing : Beijing Agricultural University Press. 210～226 (in Chi2
nese)
4 Cieslinski G , Van Rees KCJ , Szmigielska AM , et al . 1997. Low
molecular weight organic acids released from roots of Durum wheat
and flax into sterile nutrient solutions. J Plant N ut r ,20 (6) :753～
764
5 　Crecchio C and Stotzky G. 1998. Insecticidal activity and biodegra2
dation of the toxin from Bacill us thuringiensis subsp. kurstaki
bound to humic acids from soil. Soil Biol Biochem ,30 (4) : 463～
470
6 　Cui H2R(崔海瑞) ,Shu Q2Y(舒庆尧) , Ye G2Y(叶恭银) , et al .
1998. Field performance of transgenic cry1 A b gene rice. In : Zhu
M2Y(朱睦元) and Li Y2N (李亚楠) eds. Research and Improve2
ment on Bioscience. Hangzhou : Hangzhou University Press. 810～
816 (in Chinese)
7 　Curl EA. 1986. The Rhizosphere. Berlin :Springer2Verlag. 28
8 　Deng X2P(邓西平) . 1999. Ecological and environmental assessment
on the effects of transgenic crops. Res Dev World Sci Technol (世
界科技研究与发展) ,21 (2) :73～77 (in Chinese)
9 　Donegan KK ,Palm CJ , Fieland VJ , et al . 1995. Changes in levels ,
species and DNA fingerprints of soil microorganisms associated with
cotton expressing the Bacill us thuringiensis var. kurstaki endoto2
xin. A ppl Soil Ecol ,2 :111～124
10 　Donegan KK ,Schaller DL ,Stone J K , et al . 1996. Microbial popula2
tions ,fungal species diversity and plant pathogen levels in field plots
of potato plants expressing the Bacill us thuringiensis var. tenebri2
onsis endotoxin. Transgenic Res ,5 :25～35
11 　Donegan KK ,Seidler RJ ,Fieland VJ , et al . 1997. Decomposition of
genetically engineered tobacco under field conditions : persistence of
the proteinase inhibitor I product and effects on soil microbial respi2
ration and protozoa , nematode and microarthropod populations. J
A ppl Ecol ,34 (3) :767～777
12 　Fang Y2L (范云六) and Zhang C2Y(张春义) . 1999. Greeting the
challenges of crop biotechnology in the 21st century. Biotechnol Inf
(生物技术通报) ,5 :1～6 (in Chinese)
13 　Glandorf DCM ,Bakker PAHM ,Van Loon LC , et al . 1997. Influ2
ence of the production of antibacterial and antifungal proteins by
transgenic plants on the saprophytic soil microflora. Acta Bot Neer2
landica ,46 (1) :85～104
14 　Hayashimoto A ,Jian L ,Murai N , et al . 1990. A ployethylene gly2
col2mediated protoplast transformation system for the production of
fertile transgenic rice plants. Plant Physiol ,93 :857～863
15 　Hoffmann T , Golz C and Schieder O. 1994. Foreign DNA sequences
are received by a wild2type strain of A . niger after co2culture with
transgenic higher plants. Curr Genet ,27 :70～76
16 　James RR. 1997. Utilizing a social ethic toward the environment in
assessing genetically engineered insect2resistance in trees. A gric
Human V alues ,14 :237～249
17 　Leuhrsen KR. 1990. Insertion of M ul elements in the first intron of
the A dh 12S gene of maize results in novel RNA processing events.
Plant Cell , (2) :1225～1238
18 　Lynch PT ,Jones J , Blackhall NW , et al . 1995. The phenotypic
characterisation of R2 generation transgenic rice plants under field
and glasshouse conditions. Euphytica ,85 :395～401
19 Marscher H , Romheld V and Cakmak I. 1987. Root2induced
changes of nutrient availability in the rhizosphere. J Plant N ut r ,
10 :1175～1184
20 　Morel JL , Habib L , Plantureux S , et al . 1991. Influence of maize
root mucilage on soil aggregate stability. Plant and Soil ,136 : 111
～119
21 　Oades J M. 1978. Mucilages at the root surface. J Soil Sci ,29 :1～
16
22 　Oger P ,Petit A and Dessaux Y. 1997. Genetically engineered plants
producing opines alter their biological environment . Nat ure
Biotechnol ,15 (4) :369～372
23 　Palm CJ ,Schaller DL ,Donegan KK , et al . 1996. Persistence in soil
of transgenic plant produced Bacill us thuringiensis var. kurstaki
delta2endotoxin. Can J Microbiol ,42 (12) :1258～1262
24 　Paoletti M G and Pimentel D. 1996. Genetic engineering in agricul2
ture and the environment . Bioscience ,46 (9) :665～673
25 　Peng J , Kononowicz H and Hodges TK. 1992. Transgenic indica
rice plants. Theor A ppl Genet ,83 :855～863
26 　Qian Y2Q (钱迎倩) and Ma K2P (马克平) . 1998. Progress in the
study on genetically modified organisms ,and the impact of its re2
lease on environment . Acta Ecol S in (生态学报) ,18 (1) :1～9 (in
Chinese)
27 　Qian Y2Q (钱迎倩) . 1999. Analysis of advantages and disadvan2
tages on transgenic crops. Biotechnol Inf (生物技术通报) ,5 :7～
11 (in Chinese)
28 　Rogers HJ and Parkes HC. 1995. Transgenic plants and the envi2
ronment . J Ex p Bot ,46 :467～488
29 　Saxena D ,Florest S and Stotzky G. 1999. Insecticidal toxin in root
exudates from Bt corn. Nat ure ,402 :480
30 　Smalla K , Gebhard F , Elsas JD , et al . 1994. Bacterial communities
influenced by transgenic plants. The biosafety results of field tests of
genetically modified plants and microorganisms. Proceedings of the
3rd International Symposium , Monterey , California , USA ,13～16
November ,157～167
31 Snow AA and Palma PM. 1997. Commercialization of transgenic
plants : Potential ecological risks. Bioscience ,47 (2) :86～96
32 　Stelly DM ,Altman DW , Kohel RJ , et al . 1989. Cytogenetic abnor2
malities of cotton somaclones from callus cultures. Genome ,32 :762
～770
33 　Subbarao GV ,Ae N and Otani T. 1997. Genotypic variation in Iron
and Aluminum2phosphate solubilizing activity of pigenonpea root
exudates under P. Defient conditions. Soil Sci Plant N ut r ,43 (2) :
295～305
34 　Tagagi S ,Nomoto K and Takemoto T. 1984. Physiological aspect of
muginetic acid ,a possible phytosiderophore of graminaceous plants.
J Plant N ut r ,7 :469～477
35 　Takagi SI. 1976. Naturally occurring iron2chelating compounds in
oat and rice roots washings. Plant N ut r ,22 :423～433
36 　Tapp H and Stotzky G. 1998. Persistence of the insecticidal toxin
from Bacill us thuringiensis super. kurstaki in soil. Soil Biol
Biochem ,30 (4) :471～476
37 　Tyler G and Strom L . 1995. Differing organic acid exudation pat2
tern explains calcifuge and Acidifuge behaviour of plants. A nnal
Bot ,75 :75～78
38 　Van Lijsebetens M ,Vanderhaeghen R and Van Montagu M. 1991.
Insertional mutagenesis in A rabidopsis thaliana : isolation of a T2
DNA linked mutation that alters leaf morphology. Theor A ppl
Genet ,81 :277～284
39 　Wei W (魏 　伟) ,Qian Y2Q (钱迎倩) ,Ma K2P (马克平) . 1999.
Gene flow between transgenic crops and their wild related species.
Acta Bot S in (植物学报) ,41 (4) :343～348 (in Chinese)
40 　Widmer F ,Seidler RJ and Watrud LS. 1996. Sensitive detection of
transgenic plant marker gene persistence in soil microcosms. Mole2
cular Ecol ,5 (5) :603～613
41 　Zhang F2S (张福锁) . 1998. Abiotic Stress and Plant Root Nutri2
tion. Beijing :China Agricultural Press. (in Chinese)
42 　Zhang S ,Warkentin D ,Sun B , et al . 1996. Variation in the inheri2
tance of expression among subclones for unselected ( uidA ) and se2
lected ( bar ) transgenes in maize ( Zea mays L . ) . Theor A ppl
Genet ,92 :752～761
作者简介 　王忠华 ,男 ,1972 年生 ,博士生 ,主要从事水稻生
物技术育种及安全性评价研究 ,发表论文 23 篇. Tel : 05712
86971405 ,E2mail :zhonghuawang @hotmail. com
5734 期 　　　　　　　　　　　　王忠华等 :转基因植物根系分泌物对土壤微生态的影响