任敏霞 李 探 張子恒 曾月霞 王利峰 楊敏生,4 劉軍俠,4
(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 保定 071000; 2.河北省承德市興隆縣行政審批局 承德 067000;3.湖南省衡陽市林業(yè)科學(xué)研究所 衡陽 421200; 4.河北省林木種質(zhì)資源與森林保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 保定 071000)
長期采用常規(guī)農(nóng)藥防治農(nóng)林害蟲,會導(dǎo)致害蟲產(chǎn)生抗藥性、害蟲再猖獗及殺蟲劑污染環(huán)境等嚴(yán)重問題,轉(zhuǎn)基因植物應(yīng)用為防治蟲害提供了一條新途徑(周曉靜等, 2018; 趙蓬暉等, 2010)。目前已成功將抗蟲基因轉(zhuǎn)入多種植物,且部分已進(jìn)入田間釋放與商業(yè)化種植階段(楊雙, 2018),但其對靶標(biāo)、非靶標(biāo)生物及生態(tài)環(huán)境的影響存在爭論(姜韜, 2018; 夏敬源等, 1999; 武二忠, 2011; 凌閔, 2020),轉(zhuǎn)基因植物在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),其生態(tài)安全性問題不容忽視。對其生態(tài)安全性研究主要集中于: 外源基因的穩(wěn)定性、靶標(biāo)害蟲是否產(chǎn)生抗性、對非靶標(biāo)生物的影響、對群落結(jié)構(gòu)的影響、對土壤微生物的影響、是否會產(chǎn)生基因漂移與水平轉(zhuǎn)移及其直接或間接的環(huán)境影響。有研究發(fā)現(xiàn)外源基因能穩(wěn)定存在于植物中(李立, 2009),也有研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因楊樹外源基因表達(dá)量產(chǎn)生變化,發(fā)生了基因沉默現(xiàn)象(呂威等, 2018)。目前研究表明轉(zhuǎn)基因楊樹對靶標(biāo)害蟲表現(xiàn)出較高抗性,個(gè)體數(shù)量顯著減少(任亞超, 2013; 王璞等, 2020),且抗蟲性可以持續(xù)到下一代,延緩下一代幼蟲的發(fā)育(劉冬艷等, 2015)。轉(zhuǎn)基因楊樹(Populus)在抑制靶標(biāo)害蟲的同時(shí),對非靶標(biāo)生物的影響存在一定爭論,多數(shù)研究結(jié)果表明未對非靶標(biāo)害蟲及天敵產(chǎn)生明顯不利影響(胡建軍等, 2010; 田亞坤, 2014),甚至對天敵具有一定增殖作用(姚麗等, 2016),但也有研究表明轉(zhuǎn)基因楊樹對靶標(biāo)害蟲的持續(xù)控制作用導(dǎo)致非靶標(biāo)害蟲葉蜂(李探等, 2018)及刺吸類害蟲數(shù)量有所增加(陳輝惶等, 2012),寄生性天敵種類與數(shù)量相對減少(張芳, 2004; 胡建軍等, 2007)。到目前為止的研究未發(fā)現(xiàn)對群落、土壤微生物及環(huán)境的明顯不利影響(Wangetal., 2018; 胡建軍等, 2010)。
楊樹因其速生、用途廣泛、基因組小、易離體操作等特點(diǎn),被用作轉(zhuǎn)基因林木研究的模式樹種(睢韡等, 2019; 丁莉萍, 2016)。轉(zhuǎn)基因林木生態(tài)安全性及對環(huán)境的影響,可能需較長時(shí)間才能顯現(xiàn)出來,因此需對其進(jìn)行長期監(jiān)測。此外,采用常規(guī)方式及嫁接方式繁殖的轉(zhuǎn)基因楊樹抗蟲性均較高; 嫁接繁殖的轉(zhuǎn)基因楊樹還可有效避免或降低外源基因發(fā)生漂移及轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn),提高其環(huán)境安全性(王智, 2014)。目前對嫁接繁殖轉(zhuǎn)基因楊樹的群落影響研究較少,本研究以嫁接轉(zhuǎn)基因107楊(Populus×euramericana‘Neva’)為對象,探討嫁接轉(zhuǎn)基因楊樹對節(jié)肢動物的群落組成、多樣性及穩(wěn)定性的影響,為轉(zhuǎn)基因楊樹生態(tài)安全性評價(jià)積累數(shù)據(jù),并為其推廣與應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
本試驗(yàn)林分為伐根嫁接的轉(zhuǎn)基因107楊(BtCry1Ac和API基因),株系#1、#2、#3、#9均為經(jīng)室內(nèi)篩選,對鱗翅目害蟲美國白蛾(Hyphantriacunea)和楊扇舟蛾(Closteraanachoreta)等具有高抗蟲性,轉(zhuǎn)入基因的毒蛋白表達(dá)水平為#1>#2>#9>#3(楊艷麗等, 2012)。于2014年在107楊伐根上嫁接轉(zhuǎn)基因107楊各株系及對照(未轉(zhuǎn)基因107楊為歐美楊107號,屬于美洲黑楊×歐洲黑楊“無性系”,P.×euramericanacv.‘74/76’)1年生枝條,成林后用于試驗(yàn)調(diào)查。2015—2019年的林齡分別為2、3、4、5、6年。
試驗(yàn)地位于唐山市灤南縣國營林場苗圃,灤南縣屬暖溫帶沿海半濕潤區(qū)大陸性氣候,年均氣溫11℃,年均降水量約660 mm,年均日照2 853 h,無霜期186 天。試驗(yàn)樣地采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),劃分為4個(gè)區(qū)組,每個(gè)區(qū)組種植轉(zhuǎn)基因107楊株系#1、#2、#3、#9及對照107楊(CK)各30 株(5 列× 6 行),區(qū)組內(nèi)株系間隨機(jī)塊狀排列,株距為2 m,行距5 m,區(qū)塊面積為300 m2,不同區(qū)組以黑楊(美洲黑楊×歐洲黑楊“無性系”)作為隔離帶,隔離帶寬度4 m,整塊地地形地貌氣候一致,除正常的水肥管理外,均未施用化學(xué)農(nóng)藥。
調(diào)查于2015—2019年4—10月進(jìn)行,每20~25天調(diào)查1次。采用隨機(jī)取樣方法,在每個(gè)區(qū)組中各株系分別隨機(jī)選取5株樣樹,調(diào)查其上節(jié)肢動物種類與數(shù)量。樹冠調(diào)查: 在選取的植株東、西、南、北4個(gè)方向,上下各選取50 cm樣枝,觀察并記錄樣枝上節(jié)肢動物種類與數(shù)量。主干調(diào)查: 調(diào)查樣株距地表3 m內(nèi)主干上節(jié)肢動物種類與數(shù)量。地面調(diào)查: 在選取的樣地內(nèi)按照五點(diǎn)式取樣法,選取5個(gè)1 m×1 m的樣方,記錄節(jié)肢動物種類與數(shù)量。對于野外調(diào)查不能鑒定的種類,將其編號,裝入酒精試管中,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定(張巍巍等, 2011; 胡金林,1983)。
采用隨機(jī)取樣的方法,每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5株樹,共100株,對試驗(yàn)林基本生長狀況進(jìn)行了調(diào)查。隨年份的變化,樹高、胸徑及枝下高均表現(xiàn)為一定程度的增長,不同年份轉(zhuǎn)基因107楊生長量產(chǎn)生波動,#2株系相對穩(wěn)定,#3株系生長量相對較低。
通過以下公式進(jìn)行群落特征指數(shù)分析。
1)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(diversity index):
式中:S為物種數(shù);Pi為相對多度。
2)Pielou均勻度指數(shù)(evenness index):
J=H′/Hmax,Hmax=lnS。
式中:Hmax為給定物種完全均勻時(shí)的群落多樣性指數(shù);S為物種數(shù)。
3)Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)(dominance index) :
C=Nmax/N。
式中:Nmax為優(yōu)勢類群的數(shù)量;N為群落中總的個(gè)體數(shù)。
4)通過以下指標(biāo)比較群落中不同株系的穩(wěn)定性,值越大說明在種間數(shù)量上的制約作用相對較大,天敵物種數(shù)相對較多,對植食性昆蟲有較強(qiáng)的制約作用,表明群落相對穩(wěn)定。Ss/Si: 總?cè)郝湮锓N數(shù)與群落總個(gè)體數(shù)比值;Sn/Sp: 捕食性天敵與植食性昆蟲物種數(shù)比值;Sa/Sb: 捕食性天敵與植食性昆蟲個(gè)體數(shù)比值;Sp/Sb: 植食性昆蟲物種數(shù)和個(gè)體數(shù)比值;Sn/Sa: 天敵物種數(shù)和個(gè)體數(shù)的比值。
依據(jù)轉(zhuǎn)基因107楊調(diào)查數(shù)據(jù),逐年統(tǒng)計(jì)節(jié)肢動物組成以及節(jié)肢動物不同功能類群種類和數(shù)量,比較不同株系不同年度間轉(zhuǎn)基因107楊節(jié)肢動物群落及各功能類群組成、群落特征指數(shù)及穩(wěn)定性差異。
采用PAST2.17計(jì)算轉(zhuǎn)基因107楊群落特征指數(shù),利用SPSS 21.0中單因素(One-way ANOVA)方差分析對轉(zhuǎn)基因107楊亞群落組成、群落特征指數(shù)進(jìn)行差異顯著性分析。雙因素(Two-way ANOVA)方差分析對轉(zhuǎn)基因107楊不同株系和不同年份亞群落組成及群落特征指數(shù)進(jìn)行差異顯著性分析。相關(guān)數(shù)據(jù)整理、繪圖與制表在Microsoft Excel 2010中完成。
節(jié)肢動物群落基本組成見表1。共獲得節(jié)肢動物54 091頭,分屬13個(gè)目。節(jié)肢動物群落物種數(shù)以鱗翅目(Lepidoptera)、鞘翅目(Coleoptera)、雙翅目(Diptera)、膜翅目(Hymenoptera)與蜘蛛目(Araneida)占優(yōu)勢。個(gè)體數(shù)量以鱗翅目占優(yōu)勢,其次為半翅目(Hemiptera)、膜翅目、蜘蛛目、鞘翅目、雙翅目,分別占5年數(shù)據(jù)總和的48.2%、15.0%、14.2%、8.5%、8.4%、4.1%。脈翅目(Neuroptera)、直翅目(Orthoptera)與其他類群個(gè)體數(shù)量相對較少,趨于穩(wěn)定。
表1 節(jié)肢動物群落基本組成①Tab.1 The basic composition of arthropod community
2.2.1 不同年份轉(zhuǎn)基因107楊亞群落組成 分析轉(zhuǎn)基因107楊亞群落組成,包括害蟲、天敵和中性節(jié)肢動物物種數(shù)和個(gè)體數(shù)。
1)轉(zhuǎn)基因107楊害蟲亞群落組成 轉(zhuǎn)基因107楊害蟲亞群落物種及個(gè)體數(shù)如圖1、2所示。由圖1可見,在同一年份,轉(zhuǎn)基因107楊與對照107楊的物種數(shù)無顯著差異,隨年份變化物種數(shù)表現(xiàn)為一定增長趨勢。由圖2可見,同一年份的轉(zhuǎn)基因107楊各株系的害蟲亞群落個(gè)體數(shù)量均顯著低于對照107楊(P<0.05)。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示: 主要靶標(biāo)害蟲楊扇舟蛾、美國白蛾數(shù)量為對照107楊林分較多,各株系總體低于對照。個(gè)體數(shù)量隨林齡變化有一定波動,各株系間楊扇舟蛾個(gè)體數(shù)量在林齡2 、4、5年相對較多,3、6年相對較少; 美國白蛾個(gè)體數(shù)量在林齡2、5年相對較多,林齡6 年明顯減少。綜合以上分析,轉(zhuǎn)基因107楊對害蟲亞群落的物種數(shù)影響不顯著,但能有效控制靶標(biāo)害蟲的個(gè)體數(shù)量,表現(xiàn)出持續(xù)抗蟲效果。
圖1 轉(zhuǎn)基因107楊害蟲亞群落物種數(shù)Fig. 1 Quantity of species of pest sub-community in transgenic poplar 107同一林齡不同小寫字母代表同一指標(biāo)不同株系在0.05水平下差異顯著,下同。Different lowercase letters in the same age mean that different strains of the same index have significant differences at the level of 0.05, the same below.
圖2 轉(zhuǎn)基因107楊害蟲亞群落個(gè)體數(shù)Fig. 2 Quantity of individual of pest sub-communityin transgenic poplar 107
2)轉(zhuǎn)基因107楊天敵亞群落組成 轉(zhuǎn)基因107楊天敵亞群落物種及個(gè)體數(shù)見圖3、4。由圖3可見,同一年份轉(zhuǎn)基因107楊天敵亞群落物種數(shù)與對照107楊無顯著性差異(P>0.05),物種數(shù)在林齡2、4年相對穩(wěn)定,5、6年增多。由圖4可見,同一年份轉(zhuǎn)基因107楊天敵亞群落個(gè)體數(shù)與對照107楊差異不顯著(P>0.05),個(gè)體數(shù)量在林齡6年相對較多,與其余年份相比呈上升趨勢,主要是由于瓢蟲(Coccinellidae)類及蜘蛛類節(jié)肢動物類群個(gè)體數(shù)量增多如異色瓢蟲(Harmoniaaxyridis)個(gè)體數(shù)量在林齡3、6年相對較多,2、4、5 年相對較少,狼蛛(Tarantula)個(gè)體數(shù)量隨年份變化呈現(xiàn)明顯增長趨勢。上述結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因107楊在抑制靶標(biāo)害蟲的同時(shí),天敵亞群落物種及個(gè)體數(shù)量沒有減少,后期呈現(xiàn)一定增加趨勢。
圖3 轉(zhuǎn)基因107楊天敵亞群落物種數(shù)Fig. 3 Quantity of species of natural enemy sub-community in transgenic poplar 107
圖4 轉(zhuǎn)基因107楊天敵亞群落個(gè)體數(shù)Fig. 4 Quantity of individuals of natural enemysub-community in transgenic poplar 107
3)轉(zhuǎn)基因107楊中性節(jié)肢動物亞群落組成 轉(zhuǎn)基因107楊中性節(jié)肢動物亞群落物種及個(gè)體數(shù)見圖5、6。由圖5可見,同一年份轉(zhuǎn)基因107楊與對照107楊物種數(shù)不存在差異顯著性(P>0.05),隨年份變化物種數(shù)略有下降。由圖6可見,同一年份轉(zhuǎn)基因107楊與對照107楊中性節(jié)肢動物個(gè)體數(shù)量無顯著差異性(P>0.05)。隨年份的變化個(gè)體數(shù)量產(chǎn)生波動,林齡5、6 年個(gè)體數(shù)量與其余各年份相比呈明顯增長趨勢,其他年份表現(xiàn)為林齡3年與2、4 年相比個(gè)體數(shù)量增多,2、4年波動較小變化不明顯。例如家蟻(Monamoriumpharaonis)、家蠅(Muscadomestica)在林齡2、4年個(gè)體數(shù)量相對穩(wěn)定,變化不大,林齡5、6年與2、4年相比個(gè)體數(shù)量呈增長趨勢。綜上所述,轉(zhuǎn)基因107楊對中性節(jié)肢動物群落物種及個(gè)體數(shù)量無顯著影響,隨年份變化個(gè)體數(shù)量表現(xiàn)為一定程度的增加。
圖5 轉(zhuǎn)基因107楊中性節(jié)肢動物亞群落物種數(shù)Fig. 5 Quantity of species of neutral arthropod sub-community in transgenic poplar 107
圖6 轉(zhuǎn)基因107楊中性節(jié)肢動物亞群落個(gè)體數(shù)Fig. 6 Quantity of individuals of neutral arthropod sub-community in transgenic poplar 107
2.2.2 轉(zhuǎn)基因107楊亞群落組成雙因素方差分析轉(zhuǎn)基因107楊亞群落組成雙因素方差分析見表2。轉(zhuǎn)基因107楊不同株系對害蟲亞群落物種及個(gè)體數(shù)影響顯著(P<0.05),對天敵與中性節(jié)肢動物亞群落物種、個(gè)體數(shù)量影響均不顯著(P>0.05)。年份對各亞類群落物種、個(gè)體數(shù)影響均顯著(P<0.05),株系與年份交互影響不顯著(P>0.05)。上述分析表明,轉(zhuǎn)基因107楊對害蟲亞群落個(gè)體數(shù)量影響較大,對天敵及中性節(jié)肢動物亞群落無顯著影響,年份間各亞類群落物種、個(gè)體數(shù)變化較大。
轉(zhuǎn)基因107楊節(jié)肢動物群落特征指數(shù)見表3。同一年份轉(zhuǎn)基因107楊節(jié)肢動物群落多樣性、均勻度指數(shù)均顯著高于對照107楊,優(yōu)勢度指數(shù)顯著低于對照107楊(P<0.05),各株系間差異不顯著(P>0.05)。整體來看,#2株系隨年份變化波動較小,多樣性、均勻度指數(shù)較高,優(yōu)勢度指數(shù)較低,群落結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。轉(zhuǎn)基因107楊節(jié)肢動物群落特征指數(shù)隨年份的變化表現(xiàn)為林齡2、4年波動較小,5、6年多樣性、均勻度指數(shù)上升,優(yōu)勢度指數(shù)降低。綜合以上分析表明,轉(zhuǎn)基因107楊對群落特征指數(shù)未產(chǎn)生顯著不利影響,隨年份變化表現(xiàn)出更為穩(wěn)定的趨勢。
表2 轉(zhuǎn)基因107楊亞群落組成雙因素方差分析①Tab.2 Two-factor analysis of variance for sub-community composition in transgenic 107 poplar
表3 轉(zhuǎn)基因107楊節(jié)肢動物群落特征指數(shù)①Tab.3 Community characteristic index of transgenic 107 poplar arthropods
轉(zhuǎn)基因107楊節(jié)肢動物群落特征指數(shù)雙因素方差分析表見表4??梢?,轉(zhuǎn)基因107楊群落特征指數(shù)受不同株系及林齡影響顯著,株系與林齡的交互作用對多樣性指數(shù)影響顯著(P<0.05),而對均勻度及優(yōu)勢度指數(shù)無顯著影響(P>0.05)。
表4 轉(zhuǎn)基因107楊節(jié)肢動物群落特征指數(shù)雙因素方差分析表Tab.4 Two-factor analysis of variance of index in transgenic 107 poplar arthropod community characteristics
轉(zhuǎn)基因107楊節(jié)肢動物群落穩(wěn)定性結(jié)果見表5??芍?轉(zhuǎn)基因107楊Ss/Si,Sp/Sb,Sa/Sb指標(biāo)均顯著高于對照107楊(P<0.05),表明轉(zhuǎn)基因107楊物種數(shù)多,個(gè)體數(shù)量少,轉(zhuǎn)基因107楊在種間數(shù)量上制約作用強(qiáng)于對照107楊,轉(zhuǎn)基因107楊Sn/Sa,Sn/Sp指標(biāo)與對照相比差異不顯著(P>0.05),表明轉(zhuǎn)基因107楊與對照107楊捕食性天敵物種數(shù)與個(gè)體數(shù)無明顯差異。在林齡5、6 年,#3株系穩(wěn)定性有所下降,與其他株系差異顯著,其余年份各株系間差異不顯著,#2株系隨年份變化保持較高穩(wěn)定性。綜上所述,轉(zhuǎn)基因107楊穩(wěn)定性高于對照107楊。
表5 轉(zhuǎn)基因107楊穩(wěn)定性分析①Tab.5 Stability analysis of transgenic 107 poplars
利用不同方式進(jìn)行轉(zhuǎn)基因楊樹繁殖均具有較高抗蟲性,嫁接繁殖還可提高其環(huán)境安全性(陳盼飛, 2016),因此本研究以嫁接轉(zhuǎn)基因107楊為對象,通過研究轉(zhuǎn)基因107楊對節(jié)肢動物群落多樣性及穩(wěn)定性的影響,為其生態(tài)安全性評價(jià)提供依據(jù)。轉(zhuǎn)入基因能否穩(wěn)定存在與表達(dá)是其能否高效抗蟲及保持較高環(huán)境安全性的重要因素,且轉(zhuǎn)基因楊樹對靶標(biāo)害蟲的抗蟲效果是其應(yīng)用的關(guān)鍵,目前研究表明轉(zhuǎn)不同類型的抗蟲基因均對靶標(biāo)害蟲保持較高抗蟲性(胡建軍等, 2010),且毒蛋白的表達(dá)量越高,抗蟲效果越好(夏蘭芹等, 2000)。本研究表明轉(zhuǎn)抗蟲基因楊能有效抑制靶標(biāo)害蟲,對靶標(biāo)害蟲具有持續(xù)的抗蟲效果,原因可能是由于轉(zhuǎn)入基因中的毒蛋白在植株體內(nèi)穩(wěn)定持續(xù)高效表達(dá)。轉(zhuǎn)基因107楊在抑制靶標(biāo)害蟲的同時(shí),對非靶標(biāo)生物的影響同樣是生態(tài)安全性評價(jià)的重要內(nèi)容,任何一個(gè)物種的變化都會對其他物種產(chǎn)生直接或間接的影響,進(jìn)一步對群落產(chǎn)生影響,因此轉(zhuǎn)基因楊樹在抑制靶標(biāo)害蟲的同時(shí),對非靶標(biāo)害蟲的影響同樣不容忽視。本研究發(fā)現(xiàn)同一林齡轉(zhuǎn)基因107楊害蟲亞群落個(gè)體數(shù)量低于對照,天敵及中性節(jié)肢動物亞群落物種及個(gè)體數(shù)量無明顯差異,隨林齡的變化部分天敵與中性昆蟲個(gè)體數(shù)量表現(xiàn)出一定程度增多,表明轉(zhuǎn)基因107楊對天敵及中性節(jié)肢動物亞群落種類與數(shù)量未造成不利影響,與Zhang等(2011)研究結(jié)果相似,原因可能是由于轉(zhuǎn)入的抗蟲基因具有選擇性,在抑制靶標(biāo)害蟲的同時(shí)對非靶標(biāo)生物不具有抑制或致死效應(yīng)。
節(jié)肢動物群落的多樣性、均勻度指數(shù)越高,優(yōu)勢度指數(shù)低,表明群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,物種分布越均勻,群落結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。本研究結(jié)果顯示轉(zhuǎn)基因107楊節(jié)肢動物群落多樣性、均勻度指數(shù)高于對照,優(yōu)勢度指數(shù)低于對照,表明轉(zhuǎn)基因107楊對節(jié)肢動物群落未產(chǎn)生顯著負(fù)面影響,這與他人(姜文虎等, 2018; Zuoetal., 2018; Zhangetal., 2011)的研究結(jié)果相似。轉(zhuǎn)基因107楊群落特征指數(shù)隨年份變化產(chǎn)生波動,年份對其影響較大,差異顯著,可能是由于調(diào)查期間選取的調(diào)查時(shí)間、天氣、溫度等其他因素的影響。對轉(zhuǎn)基因107楊穩(wěn)定性進(jìn)行分析,轉(zhuǎn)基因107楊穩(wěn)定性顯著高于對照107楊,表明轉(zhuǎn)基因107楊相對穩(wěn)定,這與劉潔(2015)的研究一致。
轉(zhuǎn)基因107楊對主要靶標(biāo)害蟲具有持續(xù)的抗蟲效果,對天敵及中性節(jié)肢動物群落未產(chǎn)生不利影響,生態(tài)安全性相對較高。溫度、濕度等氣候因素、毒蛋白的表達(dá)及其他各種因素同樣會對天敵、害蟲及中性昆蟲的種類與數(shù)量產(chǎn)生影響,今后的研究中需結(jié)合其他各方面因素進(jìn)行長期監(jiān)測,為進(jìn)一步評價(jià)轉(zhuǎn)基因107楊生態(tài)安全性提供依據(jù)。