梁晉剛，焦 悅，劉鵬程，張秀杰

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技發(fā)展中心，北京 100176)

從1994年到2016年，全世界40個(gè)國家共有26種轉(zhuǎn)基因作物的392個(gè)轉(zhuǎn)化體被批準(zhǔn)可用作糧食和/或飼料，以及釋放到環(huán)境中，主要集中在玉米、棉花、馬鈴薯、油菜和大豆等作物上[1]。轉(zhuǎn)基因作物在給人類帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí)，也可能會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成潛在的風(fēng)險(xiǎn)。因此，轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化種植之前都必須通過系統(tǒng)深入的環(huán)境安全性評(píng)價(jià)[2]。其中，轉(zhuǎn)基因作物種植對(duì)土壤微生物帶來的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[3-4]。

評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響時(shí)，可選取一些具有重要指示及生態(tài)功能的土壤微生物來開展研究[5-7]。叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi， AMF)是一類廣泛分布在土壤中、與寄主植物根系共生的真菌，可為寄主提供氮、磷、硫源和水分，并保護(hù)寄主免受病原體的侵害，作為回饋，寄主植物則將光合作用的產(chǎn)物以脂肪酸的形式傳遞給AMF[8]。AMF對(duì)于寄主植物的生理變化比獨(dú)立生存的土壤真菌更加敏感，其侵染狀況、孢子活性及菌絲量隨著作物類型、農(nóng)田管理措施和天氣條件等因素的變化而變化，其中，寄主植物類型是最主要的決定因素[9-10]。有猜測(cè)認(rèn)為，抗蟲或耐除草劑轉(zhuǎn)基因作物不能形成有效的菌根共生體，轉(zhuǎn)基因作物與AMF間的共生關(guān)系已成為土壤生態(tài)學(xué)關(guān)注的問題之一[11-13]。有研究表明，轉(zhuǎn)基因作物會(huì)延緩AMF的侵染、減少共生菌絲生長、影響附著胞的形成[14-15]。

從2001年起，分類學(xué)上已將AMF歸屬到球囊菌門(Glomeromycota)，下設(shè)1綱4目7科9屬[16]。2013年，Redecker等[17]對(duì)AMF的分類系統(tǒng)做了統(tǒng)一的劃分，形成了1綱4目11科25屬的最新分類系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)基因作物對(duì)AMF 影響的研究主要集中在大豆、玉米和棉花等作物上，主要評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因作物對(duì)AMF侵染率、孢子數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)與多樣性等方面的影響。目前，國內(nèi)外已有轉(zhuǎn)基因作物對(duì)AMF影響的研究報(bào)道，本文基于這些報(bào)道綜述了主要轉(zhuǎn)基因作物對(duì)AMF的影響和作用機(jī)制，并認(rèn)為可將叢枝菌根真菌作為評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的指示生物。

1 轉(zhuǎn)基因大豆對(duì)AMF的影響

1.1 品質(zhì)性狀轉(zhuǎn)基因大豆對(duì)AMF的影響

Liang等[18]研究了轉(zhuǎn)基因高蛋氨酸大豆ZD91對(duì)AMF群落結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)AMF群落結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)基因高蛋氨酸大豆和非轉(zhuǎn)基因大豆間無顯著性差異，且在已知范圍內(nèi)，影響AMF群落結(jié)構(gòu)的主要因素是不同種植年限和作物生育期，而非轉(zhuǎn)基因。

1.2 耐除草劑轉(zhuǎn)基因大豆對(duì)AMF的影響

Powell等[19]通過溫室試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)cp4-epsps基因耐除草劑大豆在始莢期和始熟期對(duì)AMF侵染率無顯著性影響。Vilvert等[20]在盛花期，收集了連續(xù)8 a免耕種植過轉(zhuǎn)基因大豆的土壤，通過體視顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，抗咪唑啉酮除草劑的轉(zhuǎn)基因大豆BRS245對(duì)AMF孢子濃度無顯著性影響。

2 轉(zhuǎn)基因玉米對(duì)AMF的影響

2.1 抗逆性狀轉(zhuǎn)基因玉米對(duì)AMF的影響

Colombo等[21]分別在30%和100%田間持水量的情況下研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)Hahb-4基因抗旱玉米對(duì)AMF侵染率無影響，且在干旱的條件下，菌根共生率更高。

2.2 抗蟲性狀轉(zhuǎn)基因玉米對(duì)AMF的影響

Cheeke等[22-26]通過盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米根系A(chǔ)MF的侵染率顯著低于常規(guī)玉米，但田間試驗(yàn)進(jìn)一步表明，Bt基因的導(dǎo)入并未影響玉米根系的AMF侵染率。Castaldini等[27]對(duì)轉(zhuǎn)Cry1Ab基因玉米的研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因品系Bt11、Bt176和非轉(zhuǎn)基因玉米的根際真細(xì)菌群落間存在顯著差異，而且轉(zhuǎn)基因玉米品系Bt176根部定殖的Glomusmosseae顯著減少。任禛等[10]研究了接種Glomusmosseae對(duì)Bt玉米與常規(guī)玉米生長的影響，發(fā)現(xiàn)接種處理對(duì)Bt玉米的生長促進(jìn)作用強(qiáng)于常規(guī)玉米。鐘旺等[28]分析了Bt玉米與常規(guī)玉米對(duì)接種AMF響應(yīng)的異同，發(fā)現(xiàn)Bt基因的導(dǎo)入促進(jìn)了AMF對(duì)玉米的侵染，但對(duì)玉米中磷轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá)和磷的吸收利用沒有影響。Verbruggen等[29]同時(shí)運(yùn)用454焦磷酸測(cè)序技術(shù)和末端限制性片段長度多樣性(T-RFLP)技術(shù)分析了轉(zhuǎn)Cry1Ab基因抗蟲玉米對(duì)AMF群落結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米對(duì)AMF群落結(jié)構(gòu)無顯著性影響，且發(fā)現(xiàn)不同地點(diǎn)和時(shí)間點(diǎn)是造成AMF群落結(jié)構(gòu)變化的主要因素。Zeng等[30]在溫室大棚中連續(xù)5次種植轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲玉米，發(fā)現(xiàn)Cry1Ab蛋白對(duì)AMF群落無顯著性影響。

3 轉(zhuǎn)基因棉花對(duì)AMF的影響

Knox等[31]通過田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)Cry1Ac/Cry2Ab基因棉花、轉(zhuǎn)EPSPS基因棉花，以及轉(zhuǎn)Cry1Ac/Cry2Ab/EPSPS基因棉花均對(duì)AMF侵染率無影響，且AMF侵染率在播種后3周迅速增加，其侵染根系長度比率最終達(dá)到70%～80%。劉紅梅等[32]研究了接種蘇格蘭球囊霉(Glomuscaledonium)對(duì)轉(zhuǎn)雙價(jià)(Bt+CpTI)基因抗蟲棉和常規(guī)棉品種石遠(yuǎn)321侵染率的影響，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)雙價(jià)棉與同源常規(guī)棉之間根系A(chǔ)MF侵染率無顯著差異。尹念輔等[33]采用盆栽試驗(yàn)的方法，研究了轉(zhuǎn)Bt基因棉和接種Glomusmosseae對(duì)植物根際土壤中營養(yǎng)物質(zhì)含量，以及土壤酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)Bt棉會(huì)降低AMF對(duì)植物根際環(huán)境的影響。

4 其他轉(zhuǎn)基因作物對(duì)AMF的影響

4.1 抗病轉(zhuǎn)基因作物對(duì)AMF的影響

Meyer等[34]通過3 a田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，抗白粉病轉(zhuǎn)pm3b基因小麥對(duì)AMF侵染率無顯著性影響。Kahlon等[35]通過田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，抗真菌病害的轉(zhuǎn)基因豌豆對(duì)AMF侵染率無影響。幾丁質(zhì)酶和β-1，3-葡聚糖酶等病程相關(guān)蛋白的表達(dá)可增強(qiáng)植物對(duì)病原真菌的抗病性。種植于砂土和黏土混合滅菌土中的產(chǎn)幾丁質(zhì)酶轉(zhuǎn)基因煙草品系不影響Glomusmosseae定殖的時(shí)間進(jìn)程和最終水平，而產(chǎn)β-1，3-葡聚糖酶轉(zhuǎn)基因煙草品系卻延緩了Glomusmosseae的定殖[36-37]。小麥葉銹病是由葉銹菌(Pucciniatriticina)侵染所引起的真菌性氣傳病害，是小麥銹病中分布最廣、發(fā)生最普遍的一種病害。Kaur等[38]發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)MtDef4.2基因抗葉銹病小麥對(duì)Rhizophagusirregularis的侵染無影響。

4.2 固氮轉(zhuǎn)基因作物對(duì)AMF的影響

劉平等[39]發(fā)現(xiàn)，將百脈根的固氮共生相關(guān)基因POLLUX和NFR1-NFR5轉(zhuǎn)入野生型日本晴水稻中，對(duì)AMF的前期侵染起到了不同程度的促進(jìn)作用。Shrawat等[40]在水稻的根中特異性表達(dá)大麥來源的丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶，轉(zhuǎn)基因水稻的氮代謝能力顯著增強(qiáng)。營養(yǎng)效率增加的轉(zhuǎn)基因作物可減少對(duì)AMF的依賴，因而可能會(huì)改變AMF群落結(jié)構(gòu)，并進(jìn)而影響它們?cè)谕寥乐械淖饔谩?/p>

5 討論

轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響主要有4種方式：1)直接影響，如外源基因表達(dá)蛋白對(duì)非靶標(biāo)生物的影響；2)間接影響，如通過營養(yǎng)相互作用的影響；3)作物的代謝活動(dòng)和根系分泌物非預(yù)期變化帶來的影響；4)由種植轉(zhuǎn)基因作物所帶來的農(nóng)事操作變化引發(fā)的影響[41]。目前，評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤微生物及其生化過程的影響仍是一件耗時(shí)耗力的工作，因此評(píng)價(jià)時(shí)有必要選取一些具有代表性和敏感性的特定土壤微生物進(jìn)行分析[5，42]。AMF從孢子萌發(fā)，到侵染根系和共生發(fā)育，以及產(chǎn)孢等主要過程都可能受到來自根外或者根內(nèi)表達(dá)的外源蛋白的影響[43]。轉(zhuǎn)基因作物和AMF間的相互作用應(yīng)被密切監(jiān)控，特別是那些主要依賴健康土壤微生物來維持植物健康和營養(yǎng)的低投入農(nóng)田系統(tǒng)更應(yīng)被關(guān)注[13]。

作物生長階段、試驗(yàn)地點(diǎn)、土壤類型、季節(jié)和不同作物品種等因素已被用來研究轉(zhuǎn)基因作物對(duì)AMF的影響，且被證實(shí)這些因素是影響AMF變化的主要因素而非轉(zhuǎn)基因[18]。另外，Liu[5]也證實(shí)修飾基因在根部的表達(dá)水平、根系分泌物組成、外源蛋白在土壤中的存留時(shí)間、轉(zhuǎn)基因作物非預(yù)期效應(yīng)等因素，是轉(zhuǎn)基因作物影響AMF的潛在決定因素。目前，關(guān)于轉(zhuǎn)基因作物對(duì)AMF影響的研究還相對(duì)較少，且針對(duì)某一具體轉(zhuǎn)基因作物對(duì)環(huán)境的影響，應(yīng)當(dāng)采取個(gè)案分析的原則，具體問題具體分析[9，44]。目前，關(guān)于轉(zhuǎn)基因作物對(duì)AMF侵染率、豐富度和群落結(jié)構(gòu)影響的研究中，有55%的研究為中性結(jié)果，36%的研究表明有消極影響，9%的研究表明有積極影響[45-58]。

土壤生態(tài)系統(tǒng)中的許多因素彼此間相互作用和相互依賴，因此需要對(duì)生物多樣性及其生化過程開展多維度研究，以綜合考評(píng)轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響。現(xiàn)有的轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的研究大多數(shù)僅考慮了在一個(gè)地點(diǎn)、一個(gè)生長季節(jié)的影響，多地點(diǎn)且長期種植的影響仍須進(jìn)一步監(jiān)控[13]。另外，運(yùn)用PCR技術(shù)擴(kuò)增真菌基因組中的18S rDNA或ITS序列已經(jīng)普遍應(yīng)用于探討微生物的多樣性、鑒定微生物的種類，以及系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系等領(lǐng)域，LSU rRNA基因和SSU rRNA基因已被用來研究抗蟲轉(zhuǎn)基因玉米對(duì)AMF群落結(jié)構(gòu)的影響[29]。作者團(tuán)隊(duì)前期也利用擴(kuò)增SSU rRNA基因的方法分析了轉(zhuǎn)基因高蛋氨酸大豆ZD91在2 a時(shí)間內(nèi)不同作物生育期對(duì)AMF的影響。該方法克服了現(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)通量低、規(guī)模小、對(duì)不可培養(yǎng)微生物的覆蓋度低等不足，為不同基因型作物，包括轉(zhuǎn)基因作物及其受體品種對(duì)AMF影響的準(zhǔn)確評(píng)估提供了一種新方法。