全 文 ：中国生态农业学报 2010年 3月 第 18卷 第 2期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, March 2010, 18(2): 307−311


* 山西省自然科学基金项目(20051073)和山西农业大学博士科研启动基金项目资助
** 通讯作者: 杨武德(1960~), 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事作物生态和信息技术研究。E-mail: sxauywd@126.com
张美俊(1970~), 女, 博士, 讲师, 主要从事作物生态研究。E-mail: meijunz@126.com
收稿日期: 2009-07-20 接受日期: 2009-09-29
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00307
转 Bt基因棉叶对土壤微生物多样性的影响*
张美俊 杨武德**
(山西农业大学农学院 太谷 030801)
摘 要 应用 Biolog 方法研究了转 Bt 基因棉粉碎叶腐解对土壤微生物群落结构功能多样性的影响。取腐解
10 d、25 d、40 d、55 d、70 d土样分析土壤微生物群落多样性指数及土壤微生物对聚合物、胺类、氨基酸、
糖、羧酸和其他类碳源利用情况。结果表明: 在腐解过程中, 转 Bt基因棉粉碎叶土壤微生物群落丰富度下降,
群落多样性显著降低, 而群落优势集中性明显提高; 转 Bt 基因棉粉碎叶影响了土壤微生物群落对碳源的利用
程度, 表现为可显著增加对糖类、胺类和氨基酸类碳源的利用, 初期显著降低对羧酸类碳源的利用, 对聚合物
类和其他类碳源的利用率无显著影响; 主成分分析表明转 Bt基因棉粉碎叶对土壤微生物群落原有结构功能影
响具有持续性。
关键词 转 Bt基因棉 腐解 土壤微生物 群落多样性 碳源 主成分分析
中图分类号: S183 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)02-0307-05
Effect of transgenic Bt cotton leaves on soil microbial community diversity
ZHANG Mei-Jun, YANG Wu-De
(College of Agronomy, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China)
Abstract The diversity of soil microbial community and utilization pattern of polymer, amine, amino acid, carbohydrate, carbox-
ylic acid and miscellaneous carbons were assessed via Biolog method on the 10th, 25th, 40th, 55th and 70th day of transgenic Bt
cotton ground leaves decomposition. The results show decrease in soil microbial community richness and diversity, and increase in
concentration index with ground leaves of transgenic Bt cotton. Ground leaves of transgenic Bt cotton has no effect on polymer and
miscellaneous carbon utilization by soil microbes. It, however, obviously improves amine, amino acid and carbohydrate carbon utili-
zation and also significantly debases carboxylic acid carbon utilization at the early stage of decomposition. Principal component
analysis indicates that transgenic Bt cotton ground leaves have a sustained influence on indigenous soil microbial community struc-
ture and function.
Key words Transgenic Bt cotton, Decomposition, Soil microbe, Community diversity, Carbon resources, Principal compo-
nent analysis
(Received July 20, 2009; accepted Sept. 29, 2009)
土壤是生态系统中物质循环和能量转化过程的
重要场所, 转 Bt 基因作物的外源基因表达产物 Bt
蛋白可通过不同途径如根系分泌物、残体分解、秸
秆还田或花粉飘落等进入土壤生态系统 [1−5]。棉花
蕾、花、铃脱落严重, 且在生长发育过程中要进行
打顶、整枝等栽培措施, 以及收获后秸秆还田, 使棉
花残体较长时间存留于土壤, 可使转 Bt基因棉的外
源基因产物 Bt蛋白释放到土壤生态系统中, 增加了
外源基因表达产物在环境中的释放量。同时这些残
体在土壤中存留相对延长了土壤生物群体与植株组
织内存在的外源基因表达产物的接触时间, 可能引
起土壤微生物种群活性、数量的变化 [6]。Donegan
等[7−8]研究显示, 转Bt Cry1Ac基因棉和Cry3基因马
铃薯种植或组织添加土壤可促使土壤细菌和真菌数
量短暂性显著增加。Yudina等[9]发现 4种转 Bt基因
棉叶片及其Bt蛋白对土壤细菌和真菌数量有一定影
响。转 Bt基因棉种植对根际土壤微生物量碳不会产
生显著影响[10]。微生物数量和活性指标(如微生物生
308 中国生态农业学报 2010 第 18卷


物量碳)可作为土壤环境质量评价的生物活性参数,
但无法表征土壤微生物群落结构组成和功能上的变
化, 因此要全面揭示转 Bt基因作物种植或组织还土
后的土壤环境质量状况, 还需进行土壤微生物群落
结构功能多样性研究。
Biolog 方法比平板计数法、微生物生物量能更
实际、直观地反映微生物生理活动的强度, 且能反
映微生物群落结构的生理轮廓以及微生物功能多样
性的变化情况[11−12], 对探讨转 Bt基因棉土壤微生物
生态效应具有重要意义。本试验以转 Bt Cry1Ac 基
因棉为材料, 模拟地上部组织还土, 采用 Biolog 测
试系统研究了转Bt基因棉粉碎叶腐解过程中土壤微
生物群落结构功能多样性的变化。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试转 Bt基因棉为“Bt新彩 1”, 对照为常规
棉“新彩 1”。“Bt新彩 1”是通过农杆菌介导技术将
Bt基因(Cry1Ac)导入“新彩 1”而选育的转 Bt基因
棉品系 , 种子由山西省农业科学院棉花研究所提
供。供试土样取自山西农业大学农场实验田小麦地
表 0~15 cm 土层, 土壤为黄土母质上发育而成的石
灰性褐土。土壤有机质含量 14.90 g·kg−1, 全氮 0.97
g·kg−1, 碱解氮 55.41 mg·kg−1, 速效磷 73.86
mg·kg−1, 速效钾 188.43 mg·kg−1。
在山西农业大学农场实验田种植“Bt 新彩 1”
和“新彩 1”。蕾期取“Bt 新彩 1”和“新彩 1”主
茎叶片倒 3 叶和倒 4 叶, 收获期收集同一生长部
位衰老程度一致的叶片。所取样风干, 经旋风捣碎
器磨碎 , 过筛 (2 mm)后置于 4 ℃冰箱存放 , 待
试验。
1.2 研究方法
试验设 4个处理: 蕾期“Bt新彩 1”粉碎叶+土
壤(BtT1)、蕾期“新彩 1”粉碎叶+土壤(NBtT1)、收
获期“Bt新彩 1”粉碎叶+土壤(BtT2)、收获期“新
彩 1”粉碎叶+土壤(NBtT2)。20 g 风干蕾期和收获
期粉碎叶与 150 g 供试土样充分混匀后, 蒸馏水调
节含水量至最大持水量的 60%, 分别装入高 10 cm、
直径 8 cm 的塑料杯中, 各塑料杯加盖, 盖上打有
2~3 mm的小孔允许气体交换。每处理 15次重复, 共
60 个塑料杯, 放入恒温 25 ℃培养室黑暗培养, 培
养过程中通过称重法保持土壤含水量一致。在腐解
的 10 d、25 d、40 d、55 d、70 d 5次取样, 每次每
处理随机选取 3 个塑料杯作为 3 个重复, 每重复 9
点法取样, 混合为 1个土样, 过 2 mm筛, 用于土壤
微生物群落功能多样性分析。
1.3 Biolog测定
采用 GN系统测试[11, 13−15]。10 g土样外加 95 mL
无菌的 0.145 mol·L−1 NaCl 溶液在摇床上振荡 15
min, 之后将土样稀释至 10−3, 从中取 125 µL 该悬
浮液接种到平板的每个孔中, 并将接种好的板放至
25 ℃恒温培养箱中培养, 72 h时在波长 590 nm的酶
标仪下读取数据, 数值小于 0.06时按 0处理。
1.4 数据分析
采用Biolog微平板培养 72 h的数据进行数据统计。
土壤微生物群落多样性指数 (H)用 Shannon-
Wiener公式计算: H=－∑Pi·㏑ Pi, 其中 Pi为第 i孔
相对光密度值与整个平板相对光密度值总和的比
率; 微生物群落优势集中性指数(C)用 Simpson 公式
计算: C = ∑Pi2; 代谢剖面反应孔的数目可代表微生
物群落丰富度(S)[14]。
将 Biolog 微平板中 95 种碳源进行主成分分析,
其中胺类 6种, 氨基酸类 20种, 糖类 28种, 羧酸类
24种, 聚合物类 5种, 其他类 12种。
采用 SAS 9.0进行差异显著性和主成分分析。
2 结果与分析
2.1 不同粉碎叶处理土壤微生物群落多样性指数
变化
由表 1可知, 转 Bt基因棉蕾期和收获期粉碎叶
处理的土壤微生物群落丰富度在腐解的第 10 d、40
d、70 d与常规棉处理均有明显差异, 腐解 10 d时蕾
期和收获期转Bt基因棉粉碎叶处理的土壤微生物群
落丰富度分别为常规棉的 83.33%和 82.43%, 腐解
40 d时为 84.44%和 82.56%, 腐解 70 d时达 86.17%
和 83.52%。在腐解的第 10 d、40 d、70 d, 转 Bt基
因棉蕾期和收获期粉碎叶处理的土壤微生物群落多
样性均比各自对照常规棉处理显著降低, 而微生物
群落优势集中性显著提高。
2.2 不同粉碎叶处理土壤微生物群落对各类碳源
的利用情况
从图 1 可以看出, 随腐解时间的延长, 各粉碎
叶处理的土壤微生物对 6 类碳源的利用率可归为 3
种情况: 对聚合物类和其他类碳源的利用率呈逐渐
降低趋势, 且各处理间无显著差异; 对糖类和羧酸
类碳源的利用率呈 S型变化趋势, 转 Bt基因棉蕾期
和收获期粉碎叶处理的土壤微生物对糖类的利用率
均显著大于各自对照常规棉处理, 蕾期处理提高幅
度为 44.84%~59.20%, 收获期处理提高幅度为
41.90%~50.32%, 而对羧酸类的利用却表现为转 Bt
基因棉蕾期和收获期粉碎叶处理均低于各自对照常
规棉处理, 在腐解第 10 d土壤微生物利用率蕾期处
第 2期 张美俊等: 转 Bt基因棉叶对土壤微生物多样性的影响 309


理降低 37.30%, 收获期降低 34.12%; 对胺类和氨基
酸类碳源利用率先升高后有所下降, 也均表现出在整
个腐解期转 Bt 基因棉蕾期和收获期粉碎叶处理土壤
微生物的利用率显著高于各自对照常规棉处理, 蕾

表 1 不同粉碎叶处理对土壤微生物群落多样性指数的影响
Tab. 1 Diversity index of soil microbial communities from different ground leaves soils
腐解天数
Decomposition days (d)
处理
Treatment
群落丰富度 (S)
Richness of community
群落多样性指数 (H)
Diversity index of community
群落优势集中性指数 (C)
Concentration index of community
BtT1 65 1.667±0.035b 0.269±0.001a
NBtT1 78 1.750±0.046a 0.197±0.002c
BtT2 61 1.657±0.031b 0.211±0.003b
10
NBtT2 74 1.733±0.035a 0.195±0.002c
BtT1 76 1.610±0.020b 0.229±0.002a
NBtT1 90 1.707±0.015a 0.209±0.005c
BtT2 71 1.600±0.030b 0.223±0.003b
40
NBtT2 86 1.687±0.015a 0.205±0.001c
BtT1 81 1.594±0.045b 0.284±0.003a
NBtT1 94 1.689±0.051a 0.223±0.001c
BtT2 76 1.579±0.038b 0.246±0.003b
70
NBtT2 91 1.693±0.056a 0.209±0.002d
同一腐解时间同列不同字母表示差异显著(P<0.05) Different letters in a column on same decomposition time show that the differences among
treatments are statistically significant at 0.05 level.


图 1 不同粉碎叶处理对土壤微生物群落同类碳源利用的影响
Fig. 1 Utilization of the same carbon source by soil microbial community from different ground leaves soils
310 中国生态农业学报 2010 第 18卷


期处理对胺类利用率提高幅度为 33.11%~43.19%,
收获期处理提高幅度为 30.42%~37.08%, 蕾期处理
对氨基酸类利用率提高幅度为 22.40%~57.14%, 收
获期处理提高幅度为 24.73%~55.37%。
2.3 不同粉碎叶处理土壤微生物群落代谢功能主
成分分析
为进一步探讨转Bt基因棉粉碎叶处理土壤微生
物群落的代谢变化, 对腐解过程中的 Biolog 数据进
行主成分分析, 微生物利用 95种碳源构建的主成分
坐标体系如图 2所示。从腐解 10 d时的因子载荷可
以明显看出, 在 PCA2 轴上转 Bt基因棉蕾期和收获
期粉碎叶处理和各自对照常规棉处理无明显差异 ,
在 PCA1 轴方向上, 转 Bt基因棉蕾期和收获期粉碎
叶处理均落在正端, 而常规棉处理分别有两个重复
均落在负端; 从腐解 40 d时的因子载荷也可以明显
看出, 在 PCA2 轴上, 转 Bt 基因棉蕾期和收获期粉
碎叶处理和各自对照常规棉无明显差异, 在 PCA1
方向上, 转 Bt基因棉蕾期和收获期粉碎叶处理落在
正端, 而常规棉处理均落在负端; 从腐解 70 d 时的
因子载荷可以看出, 4个处理分别处于不同象限, 转
Bt 基因棉蕾期和收获期粉碎叶处理与各自对照均在
PCA1和 PCA2轴方向上差异显著。


图 2 不同粉碎叶处理土壤微生物群落利用碳源能力主成分分析
Fig. 2 Principal component analysis of carbon utilization potential of soil microbial community from different ground leaves soils

3 结论与讨论
土壤微生物多样性是表征土壤生态系统群落结
构和稳定性的主要参数之一。本研究表明, 转 Bt基
因棉粉碎叶腐解土壤微生物群落丰富度有所下降 ,
群落多样性显著降低, 而群落优势集中性显著提高,
说明转Bt基因棉粉碎叶腐解可诱导某些微生物快速
生长繁殖, 同时抑制另一些微生物生长, 土壤微生
物群落结构稳定性差。该结果与转 Bt基因棉种植对
根际土壤微生物功能类群多样性影响研究一致[16]。
微生物群落多样性反映群落总体的变化, 未能
反映微生物群落组成的详细信息[17]。研究微生物群
落对不同碳源利用能力的差异, 可深入了解微生物
群落的功能[18]。研究结果显示, 腐解过程中转 Bt基
因棉粉碎叶处理的土壤微生物对聚合物类和其他类
碳源的利用率无显著影响; 可显著增加对糖类、胺
类和氨基酸类碳源的利用; 初期显著降低对羧酸类
碳源的利用。表明转 Bt基因棉粉碎叶处理腐解影响
了土壤微生物群落对碳源的利用程度, 也暗示转 Bt
基因棉粉碎叶处理土壤微生物群落结构及其功能多
样性发生了一定改变 , 产生了代谢变异性 , 对能
源碳的利用选择发生了转移。从另一角度而言, 转
Bt 基因棉粉碎叶处理土壤微生物群落对有机质的转
化能力发生了改变 , 从而可能进一步影响其养分
循环。
Biolog 数据的因子载荷通常反映微生物群落的
生理轮廓 , 是其群落结构和功能多样性的具体表
现[19]。主成分分析表明, 处理间随粉碎叶腐解时间
的延长, 在因子载荷图上的区别越来越明显。表明
转Bt基因棉粉碎叶还土对土壤微生物群落原有结构
功能影响的持续性。考察主成分分析的特征向量相
关矩阵, 可知与主成分 1 和 2 相关程度较高的碳源
有胺类、氨基酸类、糖类和羧酸类, 表明转 Bt基因
棉粉碎叶处理可能诱导或抑制了糖类、胺类、氨基
酸类和羧酸类碳源微生物的生长, 因而提高或降低
了对这些碳源的利用率。
目前, 转 Bt基因作物残体对土壤微生物多样性
影响解释主要倾向于两个方面: 一是经残留物腐解
进入土壤的 Bt蛋白可能引起的直接或间接作用; 二
是外源 Bt 基因的导入可能引发基因表达的多效性,
进而引起受体作物化学组成发生转变。国内研究报
道转 Bt 基因棉可溶性过氧化物酶显著高于常规棉,
脂酶活性和酶谱也存在差异[20]。Escher 等[21]研究发
现, 与相应非转基因玉米相比, 转 Bt 基因玉米叶片
第 2期 张美俊等: 转 Bt基因棉叶对土壤微生物多样性的影响 311


的 C/N 和木质素含量下降, 可溶性碳水化合物含量
上升。植株残体分解是微生物作用为主的复杂过程,
残体的化学成分构成以及 C/N、木质素含量、氮含
量、可溶性氮含量等指标的不同均会影响土壤微生
物活性、多样性乃至养分循环过程[22]。Donegan等[7]
采用转Bt基因棉为试材, 研究了Bt蛋白对土壤微生
物的影响, 结果表明纯化的 Bt蛋白对土壤微生物没
有直接影响, 认为转 Bt基因作物对土壤微生物的影
响是由于遗传操作、组培或基因表达的多效性效应
导致植株生化特性的变化所致。MacGregor 和
Turner[23]也认为转基因作物对土壤生物种群的影响
是由转基因作物的生理生化特性和表达产物化学和
生物学特性共同引起的。因此, 深入研究转 Bt基因
作物组织还土后对土壤生态系统的影响, 特别是对
土壤微生物群落结构功能多样性的影响以及Bt基因
插入引发的交错效应将会有重大意义。
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