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Effects of transgenic alfalfa on soil microorganisms

转基因苜蓿对土壤微生物的影响



全 文 :书转基因苜蓿对土壤微生物的影响
燕丽萍1,2,刘翠兰1,2,李丽1,2,李双云1,2,杨庆山1,孙超1,2,
梁慧敏3,张颖4,张兆云4,夏阳1,2
(1.山东省林业科学研究院,山东 济南250014;2.山东省林木遗传改良重点实验室,山东 济南250014;
3.江苏农林职业技术学院,江苏 句容212400;4.山东省海阳市林业局,山东 海阳265100)
摘要:采用传统的平板计数法和PCR凝胶电泳技术,在大田栽培条件下,以转犅犃犇犎 基因苜蓿和非转基因苜蓿为
材料,于2009年和2010年连续2年测定苜蓿根际土壤细菌、放线菌和真菌数量的变化,并对外源基因是否转移到
土壤微生物中的可能性进行检测分析。结果表明,在不同年份和不同月份转基因植株与非转基因植株根部土壤3
大类微生物(细菌、放线菌和真菌)数量变化趋势一致;二者根部土壤3大类微生物数量无显著差异,2年间转基因
苜蓿的土壤3大类微生物数量无显著差异;并利用犅犃犇犎 基因特异引物对土样的总DNA,以及菌株DNA进行
PCR扩增,均未检测到外源基因扩增产物。初步研究结果表明,转基因苜蓿对土壤微生物系统尚没有明显的影响。
关键词:转基因苜蓿;土壤微生物;生态风险评价
中图分类号:S816;S551+.7;S154.3  文献标识码:A  文章编号:10045759(2012)05006306
  苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)被誉为“牧草之王”,是优良的经济生态植物,但现有的苜蓿品种,无论国内培育还是
国外引进,抗旱、耐盐能力仍然有限[1,2]。传统的苜蓿抗逆育种由于受种内抗逆基因资源的限制[3],育种难度不
断增大。利用转基因技术将抗逆基因导入苜蓿基因组中,是培育耐盐抗旱苜蓿新品种的有效方法。本课题组培
育的耐盐抗旱转犅犃犇犎 基因苜蓿新品种,推动饲草产业化发展、提升养殖业发展水平、带动区域经济快速发展、
促进农民增收具有重要的经济作用;特别是提高黄河三角洲和内陆盐碱干旱地区植被恢复,缓解生态恶化等方面
具有重要的生态和社会意义。
然而,随着转基因技术的飞速发展以及转基因植物的大面积种植,在关注转基因植物所带来的巨大社会、经
济和生态效益的同时,转基因植物的安全性问题也引起了世界范围内的广泛关注。目前,转基因植物风险评价主
要集中在转基因植物与近缘物种的基因流[4]、目标害虫的抗性[5]以及对非目标动植物的多样性和生态系统[6]的
影响,在其是否会导致严重的生态环境问题方面存在分歧。近年来,转基因植物对土壤生态环境、土壤微生物群
落结构和多样性的影响是转基因植物生态评价中一个很重要的内容,已成为一个研究热点。
土壤是农业生产中物质转化与能量交换的重要场所,在农业生态系统中居核心地位,土壤微生物是土壤生态
系统的重要组成部分[7,8]。因此开展转基因植物对土壤微生物影响方面的研究对科学评价转基因植物安全性潜
在的生态风险具有重要地位和生态学意义。为探讨转基因植株对土壤微生物种类和数量变化的影响程度,本研
究以实验室成功获得转犅犃犇犎 基因苜蓿[912],并于2008年获得国家林业局“转犅犃犇犎 基因苜蓿”环境释放和生
产试验行政许可证进入田间试验阶段的转基因苜蓿和非转基因亲本苜蓿对照(中苜1号)为材料,连续2年对其
根圈土壤微生物种类和数量进行监测,评估其潜在生物安全风险,以期为建立转基因植物对土壤生态风险评价体
系提供参考。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试材料为转犅犃犇犎 基因紫花苜蓿,对照为常规紫花苜蓿“中苜1号”。
第21卷 第5期
Vol.21,No.5
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
63-68
2012年10月
收稿日期:20110922;改回日期:20111117
基金项目:山东省良种工程农业生物资源创新利用研究(鲁农良种字〔2010〕117号)资助。
作者简介:燕丽萍(1980),女,甘肃定西人,工程师,硕士。Email:ylp_982@163.com
通讯作者。Email:xiayang0506@126.com
1.2 试验地
大田试验在山东省林业科学研究院东营分院实验基地进行。实验地的土壤类型包括潮土和盐化潮土,其土
壤盐分以NaCl为主,土壤为潮土和盐土,其含盐量介于3‰~5‰。
1.3 试验设计
转基因苜蓿和对照中苜1号,采用完全随机区组设计,每品种重复3次,小区面积为32m2(8m×4m),试验
地四周设1.5m保护行。2006年8月24日播种,条播,行距50cm,播深1~2cm,播种量为7.5kg/hm2,管理比
较粗放,种植当年灌水1次。
1.4 土壤取样和微生物培养
分别在2008和2009年的7,8,9月以东营转基因苜蓿和对照试验地作为土壤采样地。利用3点混合采样法
采集0~20cm的土壤,保鲜带回实验室。每份土壤样本各称10g放于90mL无菌水中,振荡30min后,依次稀
释为不同浓度的稀释液。分别取100μL,涂布不同培养基平板,细菌采用牛肉膏蛋白胨麦芽汁琼脂培养基,真菌
采用马丁氏孟加拉红琼脂培养基计数,放线菌采用淀粉铵盐琼脂培养基,每一处理重复3次,保温培养。细菌
37℃、培养2~3d,真菌25℃培养5~7d,放线菌28℃培养7~10d,记录菌落数在30~300内的平板菌落数。根
据下式计算:土壤微生物数量(个/g)=菌落平均数×稀释倍数/土壤重量(g)[13]。
1.5 土壤总DNA的提取
1.5.1 DNA的提取 土壤总DNA的提取采用Omega公司的SoilDNAKit试剂盒,分别称取混合好的土样
0.5g,按照操作说明书进行提取,制备好的DNA置于-20℃保存备用。
1.5.2 微生物菌株的DNA提取 细菌、真菌和放线菌基因组DNA的提取参考魏冰等[14]的方法提取。
1.6 土壤总DNA的PCR扩增反应
以土壤总DNA和菌株DNA为模板,质粒DNA为阳性对照,双蒸水(ddH2O)为阴性对照。根据犅犃犇犎 序
列设计特异引物(F:5’AGAATGGCGTTCCCAATTCCTGCTC3’;R:5’TTCAAGGAGACTTGT
ACCATCCCCA3’,由上海生工生物工程公司合成)进行PCR扩增,扩增片段的大小为1.5kb。PCR反应体
系总体积为25μL,2×TaqPCRMasterMix12.5μL(天根生化科技有限公司),F(10μmol/L)1μL,R (10
μmol/L)1μL,ddH2O10.5μL。扩增反应条件为:94℃预变性5min,94℃变性30s,55℃退火45s,72℃1.5
min,循环30次,72℃延伸10min。电泳Marker为TAKARA公司生产的DL15000,扩增后用1%的琼脂糖凝胶
电泳,EB染色后在紫外灯下观察拍照。
1.7 统计分析
本实验测定的数据均为3次重复的平均值,所有数据用SPPS13.0统计软件进行分析,平均数用LSD法进
行比较。
2 结果与分析
2.1 转基因苜蓿地土壤微生物的变化
分别对转基因苜蓿地和非转基因苜蓿地土壤微生物进行分类统计,计算平均数(表1)。通过连续2年6个
月的数据显示,转基因苜蓿地和未转基因苜蓿地土壤中微生物细菌、放线菌和真菌的数量变化趋势一致,表现为
8月微生物数量达到高峰,9月份下降,总体上7,8,9月份细菌、真菌和放线菌数量呈先升后降的趋势。2年间土
壤微生物细菌均占优势,其次为放线菌,真菌数量最少,这种现象与自然条件下土壤微生物数量的分布比例一致。
尽管不同年份这2个苜蓿品种种植地细菌、放线菌和真菌的数量有变化,2009年细菌和真菌数量比上一年下降,
放线菌数量比上一年增加,但是微生物数量变化趋势一致,没有发生某一类微生物数量骤增或骤减的现象。表明
转基因植株没有破坏主要微生物种类之间的平衡。
2.2 苜蓿地间土壤微生物的比较
分别对2年生转基因苜蓿地和3年生转基因苜蓿地在6个月内的3种土壤微生物数量进行单因素方差分析
与多重比较(表2)。结果表明,转基因植株地与非转基因植株地之间的细菌数量、放线菌和真菌数量无差异显
著。说明该试验地转犅犃犇犎 基因苜蓿的外源基因在调查的2年内尚未对种植地内的土壤微生物种类和数量造
成显著影响。
46 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.5
表1 不同年份不同月份土壤微生物数量
犜犪犫犾犲1 犘狅狆狌犾犪狋犻狅狀狊狅犳犿犻犮狉狅狅狉犵犪狀犻狊犿犻狀狋犺犲狊狅犻犾狅犳狋犺犲犱犻犳犳犲狉犲狀狋犿狅狀狋犺狊犻狀狋犺犲犱犻犳犳犲狉犲狀狋狔犲犪狉狊 个No./g
年份 Year月份 Month 株系Lines 细菌Bacteria 放线菌Actinomycetes 真菌Fungi
2008
7 转基因植株Transgenicplant (5.61±0.38)×105 (2.81±0.09)×104 (97.35±0.05)×102
非转基因植株Nontransgenicplant (5.54±0.52)×105 (2.89±0.29)×104 (6.39±0.27)×102
8 转基因植株Transgenicplan (9.31±0.20)×105 (3.87±0.25)×104 (7.47±0.32)×102
非转基因植株Nontransgenicplant (9.26±0.25)×105 (3.30±0.19)×104 (7.16±0.15)×102
9 转基因植株Transgenicplan (4.73±0.03)×105 (2.17±0.17)×104 (5.01±0.10)×102
非转基因植株Nontransgenicplant (4.65±0.54)×105 (2.17±0.06)×104 (5.13±0.15)×102
2009
7 转基因植株Transgenicplan (4.98±0.24)×105 (3.18±0.18)×104 (6.09±0.17)×102
非转基因植株Nontransgenicplant (4.98±0.44)×105 (3.98±0.08)×104 (5.89±0.18)×102
8 转基因植株Transgenicplan (7.32±0.32)×105 (4.99±0.28)×104 (7.17±0.17)×102
非转基因植株Nontransgenicplant (7.47±0.40)×105 (5.04±0.09)×104 (7.17±0.25)×102
9 转基因植株Transgenicplan (3.77±0.27)×105 (3.07±0.07)×104 (4.45±0.04)×102
非转基因植株Nontransgenicplant (3.69±0.08)×105 (3.11±0.12)×104 (4.62±0.47)×102
2.3 2年间土壤微生物数量对比
对2008和2009年不同年份同一月份的土壤3种
微生物数量进行单因素方差分析和多重比较(表3)。
结果表明,土壤细菌数量所有月份年份间的差异均不
显著(犘>0.05)。土壤真菌数量在7月份的差异达到
显著水平(犘<0.05),而其余月份均无显著差异。土
壤放线菌数量在所有月份年份间差异均不显著(犘>
0.05)。由此可见,不同种植年限的转基因苜蓿土壤细
菌数量、放线菌数量和真菌数量差异未达显著水平,个
别月份年份间虽有差异,推测可能为自然条件的差异
所致,说明转基因苜蓿种植年限的增加并未对土壤微
生物生态安全造成影响。
2.4 外源基因水平转移到根系土壤微生物可能性分析
以试验地内土壤微生物基因组DNA混合样品和
菌株DNA为模板、利用目的基因犅犃犇犎 基因特异性
引物进行PCR反应,所得结果见图1。阳性质粒对照
进行的PCR反应有目的条带的产生,而所有土壤微生
物DNA样品、各类培养菌株DNA和无模板水对照样
品均未检测到目的基因PCR扩增产物(图1),表明本
试验地内转基因苜蓿的目的基因犅犃犇犎 尚未水平转
移到土壤微生物中。
表2 株系间土壤微生物单因素方差分析
犜犪犫犾犲2 犃犖犗犞犃狉犲狊狌犾狋狊狅犳犿犻犮狉狅狅狉犵犪狀犻狊犿
犻狀狋犺犲狊狅犻犾狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犾犻狀犲狊
年月
YearMonth
细菌Bacteria
均方比F 概率P
放线菌Actinomycetes
均方比F 概率P
真菌Fungi
均方比F 概率P
200807 0.272 0.629 1.735 0.258 2.568 0.184
200808 0.098 0.770 0.115 0.752 0.926 0.391
200809 3.557 0.132 1.489 0.289 0.308 0.609
200907 0.637 0.470 1.031 0.367 0.007 0.939
200908 0.098 0.770 1.550 0.281 0.280 0.625
200909 1.821 0.249 0.581 0.511 3.324 0.142
表3 不同年份相同月份土壤微生物单因素方差分析
犜犪犫犾犲3 犃犖犗犞犃狉犲狊狌犾狋狊狅犳犿犻犮狉狅狅狉犵犪狀犻狊犿犻狀狋犺犲狊狅犻犾狅犳狋犺犲
狊犪犿犲犿狅狀狋犺狊犻狀狋犺犲犱犻犳犳犲狉犲狀狋狔犲犪狉狊
月份
Month
细菌Bacteria
均方比F 概率P
放线菌Actinomycetes
均方比F 概率P
真菌Fungi
均方比F 概率P
7 0.388 0.567 0.800 0.442 11.751 0.027
8 0.404 0.559 0.026 0.881 0.685 0.454
9 3.122 0.152 1.183 0.388 1.241 0.328
 :表示差异显著(犘<0.05)。Indicatesignificantdifferent(犘<
0.05).
3 讨论
转基因植物自商业化种植以来,其对环境的影响备受关注和争议,转基因植物对土壤生物可能造成的影响一
直是人们进行转基因植物安全性评价的焦点,转基因植物对土壤生态系统的影响列为风险评价的重要组成部分。
转基因植物外源基因表达产物经根系分泌后进入土壤生态系统从而影响土壤微生物群落,使土壤的特异生物功
能类群以及土壤生物多样性都有可能因此改变。一些研究表明,种植转基因植物对土壤微生物产生了明显的影
56第21卷第5期 草业学报2012年
响。沈法富等[15]发现在棉花(犌狅狊狊狔狆犻狌犿犺犻狉狊狌狋狌犿)
图1 犅犃犇犎基因在土壤微生物基因组犇犖犃中的犘犆犚扩增
犉犻犵.1 犘犆犚犪犿狆犾犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳犅犃犇犎犵犲狀犲犻狀犵犲狀狅犿犻犮
犇犖犃狅犳狊狅犻犾犿犻犮狉狅狅狉犵犪狀犻狊犿
   M:DL15000标记 Marker;0:双蒸水 ddH2O;P:质粒 DNAPlasmid
DNA.1~4:土壤、细菌、放线菌和真菌的基因组总DNAPCR扩增。1-
4:PCRamplificationofgenomicDNAinsoil,bacteria,actinomycetesand
fungi.
发育的花铃期和吐絮期,Bt棉根际细菌生理群的总
数量比常规棉增加,但是根际细菌生理群的Simp
son指数、Shannon-Wiener指数和细菌生理群分
布的均匀度下降。刘佳等[16]研究了抗草甘膦转基
因大豆(犌犾狔犮犻狀犲犿犪狓)不同程度上降低了根际土壤
微生物的数量和生化强度,并对根际土壤真菌生长
有一定的促进作用。Dunfield和Germida[17]研究了
在加拿大的4个不同田块连续2年种植4种转抗除
草剂基因的油菜(犅狉犪狊狊犻犮犪犮犪犿狆犲狊狋狉犻狊)和4种常规
油菜品种对根际微生物多样性的影响。转基因油菜
的根际微生物群落在一些脂肪酸上显著偏高,表明
其微生物群落组成发生了变化。
但多数研究结果表明,转基因植物对土壤生物
影响较小,周琳等[18]研究结果表明,几丁质酶和核
糖体失活蛋白双价基因的导入并没有对大豆根际可
培养细菌(含芽胞杆菌和产荧光假单胞)、真菌和放线菌的数量以及细菌和真菌的群落结构产生显著影响。
Donegan等[19,20]在研究转基因Bt棉花和转基因马铃薯(犛狅犾犪狀狌犿狋狌犫犲狉狅狊狌犿)的根系分泌物对土壤中细菌的影响
时,发现根系细菌数量短期内在转基因植物与对照组之间并无明显差异。Schmalenberger和Tebbe[21]等在研究
转基因玉米(犣犲犪犿犪狔狊)、转基因欧洲黑杨、转基因银腺杂种杨和转基因毛白杨杂种[14,2123]等转基因植物对根部
土壤微生物也没有显著影响。本研究通过对转基因草地与非转基因草地土壤微生物数量连续2年的调查分析,
结果证明转基因苜蓿尚未对土壤微生物数量造成影响。对不同年份同一月份的土壤微生物数量进行均值比较与
单因素方差分析,结果发现3种微生物数量无显著差异,初步说明转基因苜蓿种植年限的增加并未对土壤微生物
系统造成影响。
另外,由于不可培养的微生物占据微生物总数的90%以上[24],传统的平板培养方法的局限性,不能对土壤中
的微生物进行全面、系统的分析。本试验通过提取土壤中群体微生物总DNA和提取单个菌株DNA的方法,从
分子生态学角度检测了外源基因在土壤微生物中是否发生了基因水平转移。在菌株DNA和土壤总DNA中都
没有发现外源基因,充分证明了导入的外源基因没有引起土壤微生物群落数量和群落组成结构的变化,尚未水平
转移到土壤微生物中,该遗传操作是安全的。
综上所述,本试验结合传统的平板培养法和不依赖于培养的PCR技术,在多个月份对土壤细菌、真菌、放线
菌的数量进行了连续2年的监测,获得大量相关数据,进行了全面系统的研究。结果表明,犅犃犇犎 外源基因的导
入,并没有引起土壤微生物的数量和群落结构的显著变化,说明外源基因的转入对于土壤微生物的环境是安全
的。本研究初步为该转基因抗盐碱苜蓿的商业化种植提供了科学依据和理论基础,也为其他转基因植物土壤微
生物安全性研究提供了可靠的参考。然而,转基因植物安全性监测是一个重要的、长期而复杂的过程,因此对转
犅犃犇犎 基因苜蓿生态安全性的了解需要长期的跟踪、深入、系统的调查,未来的长期影响尚待进一步研究。
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fieldplotsofpotatoplantsexpressingthe犅犪犮犻犾犾狌狊狋犺狌狉犻狀犵犻犲狀狊犻狊var.狋犲狀犲犫狉犻狅狀犻狊endotoxin[J].TransgenicResearch,1996,
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76第21卷第5期 草业学报2012年
犈犳犳犲犮狋狊狅犳狋狉犪狀狊犵犲狀犻犮犪犾犳犪犾犳犪狅狀狊狅犻犾犿犻犮狉狅狅狉犵犪狀犻狊犿狊
YANLiping1,2,LIUCuilan1,2,LILi1,2,LIShuangyun1,2,YANGQingshan1,SUNChao1,2,
LIANGHuimin3,ZHANGYing4,ZHANGZhaoyun4,XIAYang1,2
(1.ShandongProvincialAcademyofForestryScience,Jinan250014,China;2.ShandongProvincialKey
LaboratoryofForestTreeGeneticImprovement,Jinan250014,China;3.JiangsuPolytechnic
ColegeofAgricultureandForestry,Jurong212400,China;4.HaiyangForestry
BureauofShandongProvince,Haiyang265100,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Afieldreleaseoftransgenicalfalfaandnontransgenicalfalfagrownundernormalagriculturalprac
ticewasmonitoredforchangesintotalbacterial,actinomyceticandfungalpopulationsin2009and2010.Clas
sicalplatecountingandPCRtechnologywereadoptedtoinvestigatetheamountsofmicroorganismsandhori
zontalgenetransfer.Wefoundthatthreekindsofsoilmicroorganismappearedwithidenticaltrendswithindif
ferentmonthsanddifferentyears.ANOVAandmultiplecomparisonanalysesrevealedthattherewasnosignif
icantdifferenceintermsofthemicroorganism numbersbetweenbothindividualplantsandbetweenthe
amountsofculturedsoilmicroorganismsintherhizospheresoilofthetransgenicalfalfaandnontransgenical
falfa.NoalientargetDNAwasdetectedfromPCRproductsoftotalsoilDNA,andstrainsDNAamplifiedwith
specificprimersof犅犃犇犎.Ourpreliminaryresultsindicatedthattherearestilnosignificanteffectsoftrans
genicalfalfaonthesoilmicroorganismsystem.
犓犲狔狑狅狉犱狊:transgenicalfalfa(犕犲犱犻犮犪犵狅)plants;soilmicroorganism;ecolog
檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵
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《草业学报》2013年征订启事
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《草业学报》由中国草学会、兰州大学草地农业科技学院共同主办,是国内外公开发行的高级学术期刊。2011
年《草业学报》的影响因子为2.908,在全国被统计的1998种期刊中排名第1位,在畜牧兽医类期刊中排名第1
位,现入编全国中文核心期刊,荣获“百种中国杰出学术期刊”,“中国精品科技期刊”,“中国科技论文在线优秀期
刊一等奖”。
《草业学报》主要报道国内外草业科学及其相关领域,如畜牧学、农学、林学、经济学等领域的高水平理论研究
和技术创新成果,发表国内外草业领域创新性的研究论文,刊载学术价值较高的草业科学专论、综述、评论等,探
讨草业发展的新理论与新构思,是草业新秀成长的园地,推动草业科学发展的论坛。其读者对象主要是从事农林
牧渔、园林绿化、生态环境、国土资源等领域的科研管理及教学等专业人员。
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86 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.5