全 文 ：第 35 卷第 5 期
2015年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.5
Mar.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放课题(0812201218); 转基因生物新品种培育重大专项(2013ZX08012鄄 005); 南京农业大
学 SRT项目(201206); 江苏高校优势学科(PAPD)
收稿日期:2013鄄05鄄14; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄04鄄17
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: liumq@ njau.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201305141061
戚琳,刘满强,蒋林惠,张楗峤,李修强,陈法军,胡锋.基于根际与凋落物际评价转 Bt水稻对土壤线虫群落的影响.生态学报,2015,35(5):1434鄄1444.
Qi L, Liu M Q, Jiang L H, Zhang J Q, Li X Q, Chen F J, Hu F.Influences of rhizosphere and detritusphere of Bt rice on soil nematode communities.Acta
Ecologica Sinica,2015,35(5):1434鄄1444.
基于根际与凋落物际评价转 Bt 水稻对土壤线虫群落
的影响
戚摇 琳1,刘满强1,2,*,蒋林惠1,张楗峤1,李修强1,陈法军3,胡摇 锋1
1 南京农业大学资源与环境科学学院土壤生态实验室, 南京摇 210095
2 中国科学院南京土壤研究所 /土壤与农业可持续发展国家重点实验室, 南京摇 210008
3 南京农业大学植物保护学院, 南京摇 210095
摘要:转基因作物在商业化推广前,有必要评价其对非靶标土壤生物的生态影响。 根系和凋落物与土壤的界面是代表植物直接
影响土壤的两个典型活性微域,即根际和凋落物际。 基于室内盆栽实验构建水稻根际和凋落物际,比较了这两个高活性微域中
转 Bt水稻克螟稻(KMD)与亲本水稻秀水 11(XSD)对土壤可利用资源、微生物学性质和线虫群落的影响。 结果表明:转 Bt水稻
对土壤性质的影响依赖于水稻生育期和微域的变化。 与 XSD 相比,KMD 在苗期和拔节期显著提高了凋落物际土壤可溶性有
机氮含量(P<0.05);在苗期显著降低了凋落物际土壤铵态氮含量,但在成熟期显著提高了凋落物际与交互微域土壤的铵态氮
含量(P<0.05)。 与亲本水稻相比,转 Bt水稻分别在苗期和成熟期显著提高了凋落物际土壤微生物生物量碳和活性,而在拔节
期和成熟期显著降低了根际土壤微生物生物量氮含量(P<0.05)。 微域间的交互作用显著影响土壤微生物生物量、可溶性有机
碳和氮、线虫总数和各食性线虫的数量(P<0.05)。 转 Bt水稻总体上降低了土壤线虫总数,尤其在苗期和拔节期的凋落物际土
壤中达到显著水平。 重复测量方差分析表明转 Bt水稻显著影响土壤食细菌(P<0.01)和食真菌(P<0.05)线虫数量,及线虫群
落的通道指数和富集指数。 水稻收获后 KMD秸秆的 Bt蛋白含量显著高于亲本,全部 KMD处理的土壤样品中 Bt 蛋白含量无
显著变化,因而转 Bt水稻对土壤生物学性质的影响可能并非来源于 Bt蛋白的作用,而更可能来自于水稻生长性状和凋落物性
质的差异。
关键词:转 Bt水稻;根际;凋落物际;Bt蛋白;线虫群落
Influences of rhizosphere and detritusphere of Bt rice on soil nematode
communities
QI Lin1, LIU Manqiang1,2,*, JIANG Linhui1, ZHANG Jianqiao1, LI Xiuqiang1, CHEN Fajun3, HU Feng1
1 Soil Ecology Lab, College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China
3 Department of Entomology, College of Plant Protection, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
Abstract: It is important to evaluate the ecological risks of transgenic Bt rice on soil non鄄target organisms before it is widely
released in the market. Rhizosphere and detritusphere formed by plant roots and organic residues that contact soil directly,
and represent two distinct microsites that are highly affected by plants. Pot experiments were established to investigate the
effects of rice, a variety genetically modified to express the Bt protein, KMD, and its parental line, XSD, on soil chemical,
microbial properties and nematode assemblages of the two microsites. Results indicated that effects of transgenic Bt rice on
soil properties varied with plant growth stage and microsite type. Compared with XSD, KMD increased the concentrations of
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soil dissolved organic nitrogen in detritusphere ( D) at seedling and elongation stages, whereas the concentrations of
ammonium in the detritusphere were decreased significantly by KMD at seedling stage (P<0.05). At maturing stage, KMD
increased the concentrations of ammonium in the detritusphere and overlapped microsite (DR, i.e. the area that affected by
both rhizosphere and detritusphere) significantly (P < 0. 05). With regard to soil microbial biomass, KMD significantly
increased the concentrations of soil microbial biomass carbon (MBC) in detritusphere at seedling and maturing stages (P<
0.05), whereas significantly decreased microbial biomass nitrogen (MBN) in rhizosphere at elongation and maturing stages
(P<0.05). Integrated effects of the two microsites had a significant effect on concentrations of microbial biomass carbon and
nitrogen as well as dissolved organic matter, total nematode numbers and nematode numbers of different feeding groups (P<
0.05). Generally, KMD decreased the total nematode numbers, especially there were significantly fewer nematodes in the
detritusphere of KMD than XSD at seedling and elongation stages (P<0.05). Repeated鄄measure ANOVA indicated that
transgenic Bt rice KMD had significant effects on numbers of bacterial feeders (P<0.01) and fungal feeders (P<0.05),
nematode channel ratio (NCR) and enrichment index ( EI). In addition, the genetically modified KMD significantly
decreased (P<0.05) the proportions of bacterial feeders and fungal feeders in detritusphere at seedling and elongation
stages, and such trends were consistent to the responses of ammonium concentrations of the same microsite and growth stage.
In light of soil Bt protein concentrations under KMD treatments after maturing stage, Bt rice showed no significant effect,
though the content of Bt protein in straw of KMD was significantly higher than that of XSD, indicating that significant
differences of effects of KMD from XSD might not result from Bt protein itself, but from the difference of other traits such as
rice growth and residue chemical composition. Together, we found that microsite studies combining the rhizosphere and
detritusphere would facilitate to demonstrate the responses of soil microbial properties and nematode assemblages to explore
the ecological impacts and mechanisms of growing genetically modified rice.
Key Words: transgenic Bt rice; rhizosphere; detrisphere; Bt protein; nematode assemblage
水稻是我国主要的粮食作物之一,却因长期遭受病虫害的严重侵袭造成大量减产。 传统化学防治既会增
加生产成本又会造成环境污染。 转基因水稻抗虫蛋白的表达能够减少农药施用量,在我国粮食安全保障中具
有重要的地位[1]。 转 Bt水稻由于外源基因的插入,改变了作物组织的化学成分组成和生理生化性状[2],在生
长期间可能影响农田生物群落组成和多样性。 目前,有关转 Bt 水稻生态风险评价的研究大多集中于地上部
非靶标生物[3鄄5],土壤食物网中处于较高营养级的土壤动物正逐渐受到关注[6鄄10]。
线虫是农田土壤中多样性较为丰富的优势生物类群[11],在评价农田土壤生态系统方面具很大优势[12]。
首先,线虫可敏感地反映土壤环境的细微变化[13];其次,线虫食性多样,在土壤食物网中扮演重要角色,对维
持土壤生态系统物质循环等功能起着重要作用,其营养类群结构的改变与土壤生态系统过程紧密联系[14];且
其分离、鉴定较为简单[15],有助于评价转 Bt水稻对土壤生态环境的潜在风险。 目前,利用线虫群落研究转基
因作物对土壤生态系统的影响多集中在玉米[16鄄18]和棉花[19]等作物上,研究结果各异。 例如,Griffiths等[16]在
3个不同试验地种植转 Bt及亲本玉米,发现二者之间的土壤线虫群落无显著差异;而 Mina 等[19]发现几乎全
部采样时期 Bt棉花根际土壤的微型、中型和大型土壤动物数量均高于非 Bt棉花根际土壤。 以往的相关研究
主要关注土体土壤[16鄄17],针对植物影响较为直接和强烈的微域土壤研究较少。 以往的研究中,较多关注单一
的根系生长或凋落物分解过程对土壤的影响,而综合根际和凋落物际对土壤生物群落的影响鲜有报道[20]。
根际(根系鄄土壤界面)代表空间小尺度的高活性微域,受作物根系生长过程的直接影响而形成,对根际的
研究有利于理解土壤生态系统结构和功能[14]。 凋落物际(凋落物鄄土壤界面)与凋落物直接接触,受凋落物分
解过程直接影响,对土壤有机碳的矿化贡献很大[21]。 二者都是资源丰富和生物活性极高的微域[22],其养分
状况和生物群落结构与土体土壤的大为不同[20]。 转 Bt 水稻对土壤的影响主要通过作物根系生长和残体分
解两个途径,根际和凋落物际代表进行这两个途径的微域。 根际土壤生物与植物根系相互作用,对根际生态
环境和生态功能、地上部群落具有强烈的影响[14],在土壤养分转化和土壤微生物的调节过程中发挥着重要作
用[23]。 鉴于根际和凋落物际是直接受到转 Bt水稻根系生长和凋落物分解影响的高活性微域,土壤线虫群落
在这两个微域内的响应可能比土体土壤内的响应更灵敏,因此,综合这两个微域的线虫群落分析可对评估转
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Bt水稻的土壤生态风险起到预警作用。
本文通过构建水稻根系鄄土壤和凋落物鄄土壤的活性界面(即根际和凋落物际),研究转 Bt 水稻种植过程
中不同生育期内的根际和凋落物际的微生物学性质和线虫群落结构的变化,以期深入评价转 Bt 水稻短期种
植后对不同微域中土壤生物群落的生态风险影响。 预期结果有助于构建转 Bt 水稻生态安全监测指标,全面
了解转 Bt水稻对土壤生态系统的影响。
1摇 材料和方法
1.1摇 实验材料
实验选用转 Bt水稻克螟稻及其非转 Bt亲本秀水 11。 其中,转 Cry1Ab纯合基因抗虫恢复系克螟稻(简称
克螟稻,KMD)是将 Bt(Bacillus thuriengsis)杀虫蛋白基因(Cry1Ab)导入晚粳稻秀水 11(简称秀水稻,XSD)后
选育出的 Bt水稻,对 8种鳞翅目害虫具有高抗性,稻种由浙江大学原子能研究所提供。
供试土壤采自江西鹰潭余江县长期耕作的双季稻稻田,属于河流冲积土发育而成的潴育型水稻土,耕层
土壤(0—15 cm)有机质含量 25.5 g / kg,全氮 1郾 54 g / kg,有效氮 95.1 mg / kg,有效磷 16.1 mg / kg,速效钾 34.2
mg / kg,pH值 5.5。
1.2摇 研究方法
摇 图 1摇 盆钵内构建凋落物际和根际的凋落物网袋及水稻根系分布
示意图
Fig.1摇 Schematic view of detritusphere and rhizosphere set鄄up via
the spatial layout of litter mesh bags and roots of rice plants in
the pots
星号为采样点
1.2.1摇 实验设计
水稻种植盆钵选用高 19 cm,直径 17 cm 的圆形塑
料桶,将两个品种的水稻凋落物(即水稻收获后的地上
部秸秆,包含茎杆和叶片)分别烘干研磨,称取 50 g 凋
落物与 50 g鲜土混匀后装入孔径 2 mm 的网袋中。 网
袋平整地压实,竖直摆放在桶的直径剖面上(图 1),周
围填满土,每个盆钵装土 5 kg。 网袋中凋落物与种植的
水稻品种一致,此网袋边际为凋落物际的采样点。 不添
加凋落物际的处理中,网袋中仅装 50 g 鲜土。 水稻种
子在 30% H2O2溶液中浸种 30 min 后再用大量清水反
复冲洗。 在去离子水中避光浸泡 24 h 后平铺在湿润纱
布上室温避光培养,2—3 d 种子出芽,5 d 后移栽长势
健壮一致的水稻幼苗。
于 2011年 6月 1日移栽水稻幼苗,创建 3 种微域:淤 不种植水稻,土壤中仅添加凋落物(D,凋落物际);
于 种植水稻,土壤中不添加凋落物(R,根际);盂种植水稻,土壤中添加对应品种的凋落物(DR,复合微域,即
包含凋落物际和根际的复合影响),每个处理设 4重复。 每桶分别种植 8株转 Bt或其非转 Bt亲本水稻,水稻
与凋落物袋的距离为 2 cm,播种前基肥施入量为脲 1.0 g、NH4H2PO4 0.5 g、KCl 0.5 g(相当于田间施肥水平:N
150 kg / hm2,P 75 kg / hm2,K 150 kg / hm2),并于拔节期同水平追肥一次,盆钵置于南京农业大学日光温室中,
日常管理保持土壤水分饱和。 随着水稻根系的生长,根系逐渐插伸在网袋中形成了与密集的“根系网冶,因此
在没有凋落物的盆钵中形成根际。 同样,没有种植水稻的盆钵中,网袋内凋落物分解过程中形成了凋落物际,
而在同时种植水稻和含有凋落物袋的盆钵中形成了受到根系和凋落物共同影响的复合微域。 分别在 7 月 13
日(苗期)、9月 3日(拔节期)和 10月 28日(成熟期)用内径 2 cm的土钻紧贴凋落物网袋采集土壤样品,每次
采样用标签记录,以便不干扰下次采样。 在水稻成熟期收获水稻地上部植株鲜样并保存在-70 益冰箱,用于
测定 Cry1Ab蛋白含量。 挑出土壤中的植物残体后放入 4 益冰箱保存,尽快进行土壤微生物学性质、线虫群落
分析和速效养分的测定。
1.2.2摇 测定方法
Bt蛋白含量的测定采用美国 Agdia 公司生产的 Enzyme鄄linked immunosorbent assay (ELISA)Bt鄄CrylAb 酶
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联免疫试剂盒。 试剂盒每个孔中加入 100 滋L 酶连接液,在酶标板的前两列中加入 8 个不同浓度(0、0.125、
0郾 25、0.5、1、2、4、8 ng / mL)的 Bt 标准蛋白,秸秆样品稀释液以及土壤样品上清液按顺序分别加入板中,将酶
标板放入铺有湿纸巾的密闭容器中,室温孵育 2 h后洗板并加入 TMB显色底物和 3 mol / L的 H2SO4作为反应
终止液,用酶标仪在 450 nm下读数,测定酶标板中每个测试孔的光密度值。 根据标准曲线求出 Cry1Ac / Ab杀
虫蛋白的含量,换算成 ng / g鲜重来表示。
可溶性有机碳和氮采用 0.5 mol / L K2SO4溶液浸提,8000 r / min 离心 10 min 后上清液过孔径 0.45 滋m 的
醋酸纤维滤膜,滤液中碳氮含量测定分别用K2Cr2O4外加热法和半微量凯氏定氮法测定。 铵态氮和硝态氮采
用 2 mol / L KCl 溶液浸提,充分震荡后过滤取滤液用连续流动分析仪(Auto Analyzer 芋,Bran and Luebbe,
Germany)进行测定。
用氯仿熏蒸鄄K2SO4溶液浸提法测定新鲜土样的微生物生物量碳和氮,熏蒸土样与未熏蒸土样的有机碳和
氮差值的转换系数分别是 KC = 0.38,KN = 0郾 54[24]。 土壤基础呼吸采用呼吸瓶 22益黑暗培养 3 h,收集气体样
品用气象色谱分析(Agilent 7890A, USA)。 微生物代谢熵为土壤基础呼吸与微生物生物量碳的比值。 采用
蔗糖浮选离心法分离线虫[25],在立体显微镜下直接计数并换算成 100 g干土的线虫数量。 在生物显微镜下进
行线虫属种鉴定,根据线虫的头部形态学特征和取食习性划分为植食、食细菌、食真菌和捕食 /杂食线虫[26]。
自由生活线虫成熟度指数:
MI=移vi伊fi
式中,vi为自由生活线虫的 c鄄p值,fi为某科 /属( i)在自由生活线虫(不包括植食线虫)总数中所占的比重。
线虫通道指数 NCR为食细菌线虫与食微线虫(食细菌+食真菌)数量之比。
Shannon多样性指数:
H忆= -移P i lnP i
式中,P i为第 i个分类单元中个体占线虫总数的比例。
富集指数:
EI= 100伊(e / (e+b))
结构指数:
SI= 100伊( s / (b+s))
式中,e为食物网中的富集成分,主要指食细菌线虫中 c鄄p值为 1和食真菌线虫中 c鄄p 值为 2的类群,b 为食物网
中的基础成分,主要指食细菌线虫和食真菌线虫中 c鄄p值为 2的类群,s为食物网中的结构成分群,分别为食细菌
线虫、食真菌线虫和捕食 /杂食线虫中 c鄄p值为 3—5的类群以及捕食性线虫中 c鄄p值为 2—5的类群[27]。
1.2.3摇 数据分析
采用重复测量方差分析法(ANOVA)分析不同采样时期 KMD 和 XSD 种植条件下土壤微生物学性质、线
虫群落和养分的变化。 同一采样时间同种微域土壤的 KMD和 XSD之间的差异采用独立样本 t 检验,不同微
域、相同水稻品种之间的差异比较采用最小显著极差法(LSD),显著性水平设 琢= 0.05。
KMD和 XSD种植下线虫群落结构的差异采用非度量多变量排序(nMDS),用以检验各采样时期不同水
稻品种的微域土壤线虫群落组成的总体变化。 上述分析方法基于各线虫属相对丰度的 Bray鄄Curtis 相似性矩
阵,所有分析采用 SPSS 16.0和 PRIMER 5.0统计软件处理。
2摇 结果与分析
2.1摇 转 Bt水稻及亲本对土壤养分、Bt蛋白含量及微生物学性质的影响
土壤 Bt蛋白、可溶性养分含量及微生物学性质均随采样时间发生显著变化;不同微域对土壤可溶性有机
碳(DOC)和氮(DON)、铵态氮(NH+4 鄄N)和微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)、微生物代谢熵(qCO2)有显著
影响(P<0.05)。 与亲本相比,转 Bt水稻对 DON、硝态氮(NO-3 鄄N)、土壤 Bt蛋白和 MBC、qCO2含量的影响达到
7341摇 5期 摇 摇 摇 戚琳摇 等:基于根际与凋落物际评价转 Bt水稻对土壤线虫群落的影响 摇
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显著水平。 微域间的交互作用对微生物生物量及 DOC、DON 有显著影响,土壤基础呼吸(BR)受水稻生长期
的显著影响(表 1)。
表 1摇 转 Bt水稻及亲本对不同微域土壤 Bt蛋白、有效养分含量和微生物学性质影响的重复测量方差分析结果
Table 1摇 Repeated鄄measure ANOVA results for the effects of different rice varieties ( transgenic Bt and non鄄Bt lines) and microsites on soil Bt
protein, available nutrients content and microbial properties
效应
Effect
自由度
df
可溶性碳
DOC
可溶性氮
DON
铵态氮
NH+4 鄄N
硝态氮
NO-3 鄄N
Bt蛋白
Bt protein
微生物
量碳
MBC
微生物量氮
MBN
基础呼吸
BR
微生物
代谢熵
qCO2
微域(M)Microsite 2 7.01** 38.7** 4.65* 2.09 1.35 20.12** 8.15** 1.87 15.29**
水稻品种(V) Variety 1 0.18 10.43** 0.00 6.08* 8.82** 9.32** 2.15 0.01 8.28**
M伊V 2 0.79 5.40* 5.03* 1.08 0.19 0.40 4.25* 0.31 0.06
error 18
采样时间(T) Time 2 5.06* 434.42** 22.91** 52.92** 3.6* 185.03** 76.45** 238.94** 343.44**
T伊M 4 4.55** 16.48** 0.37 0.43 0.32 26.61** 2.66* 7.81** 12.91**
T伊V 2 0.26 7.58** 5.32** 0.44 1.11 2.95 0.34 3.37* 6.75**
T伊M伊V 4 0.70 2.82 2.59 1.66 0.05 0.75 0.77 1.62 1.00
error 36 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
DOC: Dissolved organic carbon; DON: Dissolved organic nitrogen; MBC: Microbial biomass carbon; MBN: Microbial biomass nitrogen; BR: Basal
respiration;qCO2: Microbial metabolic quotient;*表示差异显著; **表示差异极显著
水稻生长期内转 Bt水稻相比于亲本对所有微域土壤中的 DOC影响不显著;苗期和拔节期凋落物际(D)
土壤 DON含量显著增加,到了成熟期差异消失;KMD 相比于 XSD 显著降低了水稻苗期 D 土壤 NH+4 鄄N,在成
熟期 D和交互微域(DR)土壤中,NH+4 鄄N 含量显著高于亲本,成熟期根际(R)土壤中,NO
-
3 鄄N 显著低于亲本
(P<0.05,图 2)。
图 2摇 转 Bt水稻(KMD)及亲本(XSD)对不同微域土壤可溶性养分含量的影响(平均值依标准误)
Fig.2摇 Effects of transgenic Bt and non鄄Bt rice varieties on soil dissolved nutrients contents (mean依SE)
XSD: 秀水 11号; KMD: 克螟稻; D: 凋落物际, Detritusphere; R: 根际, Rhizosphere; DR: 交互微域, Detritusphere+ Rhizosphere; *表示转
Bt水稻与亲本水稻相比差异达到显著;不同小写字母表示所有采样时间秀水稻在不同微域之间差异达到显著水平,不同大写字母表示所有
采样时间克螟稻在不同微域之间差异达到显著水平(P<0.05)
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所有采样时期各微域 KMD 土壤样品中均能检测到 Bt 蛋白,但含量很低,土壤 Bt 蛋白含量在 0.105—
0郾 108 ng / g范围内,最小值和最大值分别出现在水稻苗期和成熟期的根际土壤,且不同微域土壤间的 Bt蛋白
含量无显著差异(图 3)。 水稻成熟期收获的水稻植株中,KMD 秸秆 Bt 蛋白含量显著高于亲本,根际和交互
微域处理的同一品种的水稻秸秆中 Bt蛋白含量无显著差异(P>0.05,图 3)。
图 3摇 转 Bt水稻(KMD)不同微域土壤 Bt蛋白及成熟期转 Bt水稻(KMD)、亲本水稻(XSD)秸秆 Bt蛋白含量
Fig.3摇 Contents of soil Bt protein of transgenic Bt and non鄄Bt rice varieties and Bt protein content in straw after maturing stage (mean依SE)
不同采样时期 KMD土壤 Bt蛋白含量,各微域土壤 Bt蛋白含量无显著差异;水稻收获后 XSD和 KMD秸秆中的 Bt蛋白含量,小写字母代表
仅种植水稻的处理中 XSD和 KMD间的显著差异,大写字母代表既种植水稻又添加凋落物际的处理中 XSD和 KMD间的显著差异,*代表
不同微域中相同水稻品种水稻秸秆之间的显著差异(P<0.05)
相比于亲本,转 Bt水稻总体上提高了土壤 MBC,仅在成熟期 D土壤中 KMD比 XSD降低了 MBC,但未达
到显著水平(P>0.05),KMD显著提高了苗期 D土壤 MBC;转 Bt 水稻对土壤 MBN 的影响因水稻生长期和微
域而异,3个时期 KMD比 XSD降低了 R土壤 MBN,在拔节期和成熟期达到显著水平(P<0.05),成熟期 D 土
壤 BR显著提高(图 4)。
图 4摇 转 Bt水稻(KMD)及亲本(XSD)对不同微域土壤微生物生物学性质的影响(平均值依标准误)
Fig.4摇 Effects of transgenic Bt and non鄄Bt rice varieties on soil microbial properties (mean依SE)
2.2摇 转 Bt水稻及亲本对土壤线虫数量及群落结构的影响
土壤线虫总数受微域和转 Bt水稻品种及其交互作用影响显著;其中,食微线虫(食细菌和食真菌线虫)
数量受水稻品种影响显著,自由生活线虫(食微线虫+捕食 /杂食线虫)受微域及水稻生长期影响显著(P<
0郾 05),微域间的交互作用对土壤线虫数量和各食性线虫数量影响显著。 线虫通道指数(NCR)和富集指数
(EI)受微域和水稻品种的显著影响,而水稻品种对成熟度指数(MI)影响显著,微域间的交互作用对 MI、
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NCR、EI和 SI的影响达到显著水平(表 2)。
表 2摇 转 Bt水稻及亲本在不同微域下线虫数量及生态指标的重复测量方差分析结果
Table 2摇 Repeated鄄measure ANOVA results for the effects of different rice varieties ( transgenic Bt and non鄄Bt lines) and microsites on soil
nematode abundance and ecological indices
效应
Effect
自由度
df
线虫总数
Nematode
abundance
植食线虫
PF
食细菌
线虫
BF
食真菌
线虫
FF
捕食 /杂
食线虫
O&C
成熟度
指数
MI
多样性
指数
H忆
通道指数
NCR
富集指数
EI
结构指数
SI
微域(M) Microsite 2 28.72** 0.42 20.26** 4.73* 19.35** 1.97 4.3* 6.11** 8.85** 1.65
水稻品种(V) Variety 1 8.64** 1.88 36.33** 5.66* 1.68 12.08** 3.07 9.61** 6.32* 0.41
M伊V 2 4.00* 4.94* 8.01** 6.95** 1.71 6.88** 2.34 0.34 2.90 1.72
error 18
采样时间(T) Time 2 33.32** 0.65 69.79** 3.69* 33.7** 78.20** 64.88** 14.11** 29.24** 2.96
T伊M 4 15.56** 2.74* 16.93** 3.81* 12.56** 9.96** 1.78 4.48** 3.55* 4.51**
T伊V 2 0.61 2.19 17.63** 4.02* 1.94 11.87** 1.03 1.93 1.79 1.39
T伊M伊V 4 0.50 0.14 5.05** 3.22* 1.53 3.89** 1.03 0.99 1.04 0.41
error 36
摇 摇 PF: Plant feeders; BF: Bacterial feeders; FF: Fungal feeders; O&C: Omnivorous & Carnivorous; MI: Maturity index; H忆: Shannon鄄Wiener index; NCR: Nematode
channel ratio; EI: Enrichment index; SI: Structure index; * P<0.05, ** P<0.01
摇 图 5摇 转 Bt水稻(KMD)及亲本(XSD)对不同微域土壤线虫总数
和营养类群结构的影响(平均值依标准误)
Fig.5摇 Effects of transgenic Bt and non鄄Bt rice varieties on soil
nematode abundance and trophic groups (mean依SE)
正误差线代表各处理线虫总数的标准误,负误差线代表各食性线
虫数量的标准误
转 Bt水稻的种植增加了拔节期和成熟期 R土壤的
线虫数量,但增量很小,在其他处理中线虫数量均降低,
并在苗期和拔节期的 D土壤中达到显著水平(P<0.05)
(图 5)。 在苗期和拔节期 D土壤中 KMD显著降低了食
微线虫比例,在拔节期 R 土壤中显著增加了植食线虫
比例。
非度量多变量排序(nMDS)结果表明,整个水稻生
育期内、不同微域土壤中转 Bt 水稻与亲本相比线虫群
落结构无显著差异(图 6),D和 R土壤线虫群落结构在
3次采样时间下区分明显,说明 D和 R微域中采样时间
对线虫群落结构的影响达到显著水平 ( P < 0. 05,
图 6a,b);拔节期和成熟期的根际鄄凋落物际(DR)土壤
线虫群落结构区分不明显(图 6c)。 而在苗期和拔节
期,R 处理与其他两处理差异显著,D 和 DR 土壤中
XSD和 KMD区分明显(图 6d,e);水稻成熟期时,D 处
理与其他两处理差异显著(图 6f)。
3摇 讨论
3.1摇 转 Bt水稻对不同微域土壤 Bt蛋白及可利用资源的影响
Bt杀虫蛋白在土壤中能否长期残留取决于 Bt蛋白含量的释放量、微生物降解速率和非生物的钝化速率
等[28鄄29],一些研究发现转 Bt水稻杀虫蛋白不会在土壤中积累[30鄄31]。 本实验发现在水稻苗期和拔节期,KMD
的凋落物际和交互微域土壤中 Bt蛋白含量高于根际。 这可能是由于水稻生长前期土壤中凋落物迅速分解,
向土壤中释放了少量的 Bt蛋白[32]。 而 3个采样时期 KMD全部微域土壤之间的 Bt 蛋白含量无显著差异,认
为种植转 Bt水稻并不会造成土壤 Bt蛋白含量的增加。 转 Bt抗虫水稻秸秆还田后只要经一定时间的充分降
解,秸秆中的 Bt蛋白一般不会在土壤中形成明显的残留[33鄄34]。 Saxena 等[35]认为 Bt 蛋白的残留视作物类型
0441 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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而定,一些抗虫作物(如玉米、马铃薯等)通过根系分泌使土壤中有 Cry蛋白,而 Bt棉花、油菜和烟草却没有。
图 6摇 不同微域(a, b, c)和采样时间(d, e, f)条件下土壤线虫群落的非参数多变量排序图
Fig.6 摇 Non鄄metric multidimensional scaling ordination of soil nematode community structure under different microsites ( a, b, c) and
sampling dates (d,e,f)
图 a、b、c分别代表凋落物际(Detritusphere,D)、根际(Rhizosphere,R)和凋落物际与根际的交互微域(overlapped microsites,DR)3种微域土壤
线虫群落的非参数多变量排序图,图标 1、2、3分别代表苗期、拔节期、成熟期 3次采样;图 d、e、f 分别代表表苗期、拔节期、成熟期 3 次采样
土壤线虫群落的非参数多变量排序图,图标 D、R、DR分别代表凋落物际、根际和凋落物际与根际的交互微域
本研究发现土壤可溶性有机碳含量仅受到微域和采样时间的显著影响,而非水稻品种的影响。 有机物与
土壤的界面往往含有更高的来自凋落物和根系的可溶性碳氮资源[36鄄37]。 李修强等[38]通过连续两年田间种植
也没有发现转 Bt水稻对土壤可溶性有机碳和氮产生持续的显著影响,而采样时间对其影响显著,玉米的研究
中也得到相同的结论[39鄄40]。 土壤矿质氮受采样时间影响显著,说明随着水稻根系的生长,根际的效应逐渐强
化,对土壤矿质氮的作用不断加强。 转 Bt水稻相比于亲本对土壤矿质氮的影响因微域的不同而变化,推测由
于水稻苗期根系不发达,且网袋内的凋落物迅速分解,到了成熟期水稻根系旺盛、凋落物分解渐缓,这两个过
程交互作用影响土壤矿质氮的变化。 刘玲等[41]发现种植转 Bt玉米 2 个月左右后,根际土壤铵态氮含量较亲
本玉米显著降低,硝态氮含量与亲本无显著差异。
3.2摇 转 Bt水稻对不同微域土壤微生物学性质的影响
土壤微生物生物量碳能够快速反映土壤有机碳的数量和质量变化[42]。 本研究结果表明转 Bt 水稻显著
提高了苗期凋落物际土壤微生物生物量碳,而在水稻拔节期和成熟期显著降低了根际土壤微生物生物量氮,
可能是由于添加的转 Bt和亲本水稻凋落物在有机物组成上的差异所致[20];上述结果也暗示转 Bt 水稻种植
后土壤微生物群落结构可能也发生了变化。 李修强等[38]通过大田实验发现,相比各自的亲本,克螟稻和华恢
1号显著降低了苗期土壤 MBC,而 Bt汕优稻则效果相反;戚琳等[43]通过 1a 的田间实验发现不同转基因水稻
品种对土壤微生物量的影响不同,种植 HH1比亲本水稻 MH63显著增加了土壤微生物生物量碳含量,而种植
另外两种转 Bt水稻 T2A鄄1和 T1C鄄19与亲本相比没有差异;3种转 Bt水稻种植后与亲本相比对土壤微生物生
物量氮含量没有影响;而万小羽等[44]和 Sarkar等[45]均研究发现 Bt棉花的根际土壤微生物生物量碳显著高于
对照。 这些研究结果间的分歧说明土壤生物受到的影响因素非常复杂,尚不能确定是 Bt蛋白的影响。
种植转 Bt水稻与亲本水稻对土壤基础呼吸无显著影响,在其他植物(如玉米)上也发现了类似的结
果[39鄄45, 46]。 但也有研究得出相反的结论,李修强等[38]研究发现转 Bt 水稻与各自亲本相比,对土壤基础呼吸
的影响达到显著水平。 本研究发现土壤中添加转 Bt水稻凋落物后,成熟期凋落物际土壤基础呼吸与亲本凋
落物际存在显著差异。 这是因为凋落物是土壤生物可利用物质和能量的主要来源,添加的转 Bt 和亲本水稻
1441摇 5期 摇 摇 摇 戚琳摇 等:基于根际与凋落物际评价转 Bt水稻对土壤线虫群落的影响 摇
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凋落物在有机物组成不同,对凋落物际的微生物群落活性产生了不同的影响。 土壤微生物代谢熵(qCO2)为
土壤微生物呼吸释放的 CO2鄄C量与土壤微生物生物量碳的比值,其值的变化能够反映土壤有机碳源的生物
有效性或者微生物对有机碳的利用效率。 土壤微生物代谢熵显著受到水稻品种的影响,但各采样时间内,转
Bt水稻对其影响不显著,说明转 Bt水稻对土壤有机碳生物有效性及微生物碳源利用效率的影响主要依赖于
水稻生长期和微域类型。
3.3摇 转 Bt水稻对不同微域土壤线虫群落的影响
本研究发现苗期交互微域土壤线虫总数显著高于根际土壤,说明土壤中添加水稻凋落物显著提高了苗期
土壤线虫总数,而在拔节期和成熟期,根际和交互微域土壤间各个水稻品种下线虫总数无显著差异,与微生物
学性质变化的原因基本一致,推测在水稻成熟期由于凋落物处于分解的后期,凋落物际作用的弱化导致两个
处理间的差异逐渐消失[47鄄48]。 转 Bt水稻短期内对食微线虫和植食线虫的数量产生了显著的影响,由于微域
土壤内 Bt蛋白含量的差异不明显,上述结果更可能是由于转 Bt作物外源基因的插入导致根系分泌物成分发
生变化,或作物生理生化性状改变了土壤中化学物质的比例,进而影响线虫群落的数量和组成[28]。 转 Bt 作
物对土壤线虫影响的研究有诸多不同结果,Griffiths等[16]发现在 3 个不同地点大田种植 Bt 玉米与非 Bt 玉米
相比,线虫数量表现出显著而短暂的降低趋势,而温室实验结论相反[49]。 戚琳等[43]发现田间种植转 Bt 与非
Bt水稻,二者土壤线虫总数无显著差异,植食线虫和捕食 /杂食线虫的比例增加。 李修强等[8]发现各采样时
期 BtSY63和 SY63土壤线虫数量差异均未达到显著水平,而线虫群落的 Shannon 多样性指数、线虫通道指数
和成熟度指数均受采样时间影响显著。 此外,不同作物种类、土壤类型、气候条件和土样采集方式对土壤线虫
群落也存在影响,今后仍需长期定位实验才能更全面系统地评价转 Bt水稻对土壤非靶标生物的影响。
4摇 结论
转 Bt水稻对线虫群落结构的影响依赖于水稻生育期和微域的差异,土壤有效资源、微生物学性质和线虫
总数及群落结构受到的显著影响更主要是来源于微域及微域间的交互作用。 伴随水稻的生长及分解进程,根
际的作用逐渐加强,而凋落物际的作用减弱。 这两个过程共同影响微域内土壤生物群落的数量和活性。 转
Bt水稻与亲本相比,对根际土壤微生物生物量氮、硝态氮和凋落物际土壤的微生物生物量碳、基础呼吸、可溶
性有机氮的影响达到显著水平。 转 Bt水稻总体上降低了线虫的数量,尤其在苗期和拔节期的凋落物际土壤
中达到显著水平;苗期凋落物际和交互微域内土壤食微线虫数量受水稻品种的显著影响。 由于根系和凋落物
是作物直接影响土壤群落的重要因素,因此结合二者进行评价能够更全面地反映和预警转 Bt 作物对土壤生
物的影响。 今后有必要结合大田以及微域实验的长期研究,以评估转基因作物对土壤非靶标生物群落的生态
风险。
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