林业科学  2018, Vol. 54 Issue (10): 73-79   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20181009
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文章信息

姜文虎, 张德健, 刘军侠, 李超丽, 路战远, 杨敏生.
Jiang Wenhu, Zhang Dejian, Liu Junxia, Li Chaoli, Lu Zhanyuan, Yang Minsheng
转Bt基因和非转基因杨树-棉花复合系统中节肢动物群落比较分析
Comparative Analysis of Arthropod Communities in Transgenic Bt and Non-Transgenic Poplar-Cotton Composite Systems
林业科学, 2018, 54(10): 73-79.
Scientia Silvae Sinicae, 2018, 54(10): 73-79.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20181009

文章历史

收稿日期:2016-12-17
修回日期:2018-03-21

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姜文虎
张德健
刘军侠
李超丽
路战远
杨敏生

转Bt基因和非转基因杨树-棉花复合系统中节肢动物群落比较分析
姜文虎1, 张德健1,2, 刘军侠1,4, 李超丽1, 路战远3, 杨敏生1,4     
1. 河北农业大学林学院 保定 071000;
2. 内蒙古大学生命科学学院 呼和浩特 010021;
3. 内蒙古自治区农牧业科学院 呼和浩特 010031;
4. 河北省林木种质资源与森林保护重点实验室 保定 071000
摘要:【目的】分析转Bt基因杨棉复合系统节肢动物群落组成和结构,评价转基因杨棉复合系统生态安全性。【方法】在河北省涿州市义和庄乡国家务村林场构建未转基因杨棉复合系统Ⅰ和转基因杨棉复合系统Ⅱ,连续3年运用群落生态学研究方法,对节肢动物群落、亚群落和不同功能类群组成和结构以及群落时间动态变化进行调查研究。【结果】2个系统在节肢动物群落物种个体总数上差异显著,在物种总数以及多样性指数上差异不显著; 转基因杨棉复合系统的害虫亚群落物种数较之对照有显著降低(P < 0.05),天敌亚群落和中性节肢动物亚群落的物种数差异不显著; 2个系统的害虫、天敌和中性节肢动物亚群落多样性指数差异均不显著; 2个系统节肢动物群落物种数和个体数时间动态以及年季动态差异均未达显著水平。【结论】转基因杨棉复合系统对靶标害虫具有较好的毒杀以及控制种群数量的作用,对系统中非目标昆虫以及天敌和中性昆虫作用不明显,但表现出对这些功能类群相对较好的生态效应趋势。总体上看,转基因杨棉复合系统对节肢动物群落没有负面效应,且对整个生态系统的功能发挥有一定的促进作用,但其生态安全性有待长期监测。
关键词:转基因生物    杨棉复合系统    群落结构    森林昆虫    生物安全         
Comparative Analysis of Arthropod Communities in Transgenic Bt and Non-Transgenic Poplar-Cotton Composite Systems
Jiang Wenhu1, Zhang Dejian1,2, Liu Junxia1,4, Li Chaoli1, Lu Zhanyuan3, Yang Minsheng1,4    
1. Forestry College, Agricultural University of Hebei Baoding 071001;
2. College of Life Sciences, Inner Mongolia University Huhhot 010021;
3. Inner Mongolia Academy of Agriculture and Animal Husbandry Science Huhhot 010031;
4. Hebei Province Key Laboratory of Forest Germplasm Resources and Protection Baoding 071000
Abstract: 【Objective】This study aims to analyse the composition and structure of arthropod community in the Bt gene poplar-cotton composite system, in order to evaluate ecological safety of transgenic poplar-cotton composite system.【Method】The non-transgenic poplar-cotton composite system Ⅰ and transgenic poplar-cotton composite system Ⅱ were constructed in a forest farm at Guojiawu village, Yihezhuang town, Zhuozhou City of Hebei Province.The composition and structure of arthropod community, sub community and different functional groups as well as community time dynamic changes were investigated for three consecutive years by using the method of community ecology.【Result】The two systems had significant differences in the total number of species in arthropod communities, and there was no significant difference in the total number of species and the diversity index.The number of pest sub-community species in the transgenic poplar-cotton composite system was significantly lower than that of the control(P < 0.05), while species number of natural enemy sub-community and neutral arthropod sub-community was not significant; the diversity indices of pests, natural enemies, and neutral arthropod sub-communities in the two systems were not significantly different.There were no significant difference in the temporal and seasonal dynamics of species and individuals in arthropod communities between the two systems.【Conclusion】Transgenic poplar cotton composite system had better toxicity and control population effect to target pests, and had no obvious effect on non-target insects, natural enemies and neutral insects, but showed a relatively good ecological effect on these functional groups.Generally speaking, transgenic poplar-cotton composite system had no negative effect on arthropod community, and played a role in promoting the function of the whole ecosystem, however its ecological safety needs to be monitored for a long time.
Key words: transgenic organism    poplar-cotton ecosystem    arthropods    community structure    forest insect    biosafety    

转基因植物及其产品已进入商业化应用阶段, 如转抗虫基因棉(Gossypium)、转抗虫基因杨(Populus)、抗除草剂的转基因水稻(Oryza sativa)等。随着转基因植物研究和应用的不断深入, 人们也越来越关注转基因植物产业化对自身健康和生态环境可能带来的影响(盛耀等, 2013; 杨君, 2010; 郭三堆等, 2015)。一般认为, 转基因植物的问题主要包括目标生物体对转入的基因产生耐受性即抗性(卢宝荣等, 2008; 孙厚俊, 2007)、基因逃逸污染环境(纪逸媚, 2014)、生物多样性下降以及对非目标生物的间接危害风险(杨君, 2010)等。目前, 国内外对转基因植物对节肢动物群落安全性, 特别是转抗虫基因杨树和棉花对靶标害虫以及非靶标和天敌的影响进行了大量研究(姚丽等, 2016; 陈辉惶等, 2012; 陆苗, 2012; 刘军侠, 2004; 高素红等, 2003; 郭建英, 2007; 肖留斌, 2005; 刘慧, 2005), 结果表明, 抗虫基因的转入对靶标害虫的控制作用明显, 对非靶标和天敌的影响结论不一, 对于田间整体群落的生态分析和相互影响的研究尚缺乏定论。

随着转基因棉花和转基因杨树的推广应用, 转基因杨棉复合系统的应用成为可能。有关农林复合生态系统的节肢动物群落方面, 国内学者对荔枝(Litchi chinensis)-牧草复合系统、枣(Ziziphus)-麦(Triticum)间作系统、枣-草间作系统、农牧林复合系统节肢动物群落进行了研究(刘德广等, 2001; 王海霞等, 2003; 曾利民等, 2008), 结果表明, 农林复合系统可营造更为复杂的生态环境, 较之单一系统增加了生物多样性, 物种间的关系更为复杂。关于转基因杨棉复合系统的生态安全性, 有研究显示, 该系统对靶标害虫有着较好的控制作用, 对天敌以及整个系统相对安全(李超丽, 2011; 陆苗, 2012), 但转基因植物安全性评价需要长期监测。本文以转Bt基因杨棉复合系统为研究对象, 通过3年连续调查, 系统分析了转基因杨棉复合系统中节肢动物群落变化规律, 研究结果有助于转基因杨棉复合系统安全合理的推广和应用。

1 材料与方法 1.1 试验材料

试验材料为转抗虫基因741杨[Populus alba ×(P. davidiana+P. simoniiP. tomentosa cl.741]高抗虫株系Pb29, 对照为未转基因741杨。转抗虫基因棉花品种邯郸109(Gossypium cl.Handan109), 对照为未转基因棉花品种新陆早36号(Gossypium cl.Xinluzao36)。

转基因741杨是采用农杆菌介导法将构建在同一载体上的Bt杀虫蛋白基因(Cry1Ac)和慈菇蛋白酶抑制基因(API)同时转入优良白杨杂种无性系741杨获得的, 本试验采用的Pb29为转基因741杨高抗虫株系之一(郑均宝等, 2000)。转抗虫基因棉花邯郸109是邯郸市农科院与中国农科院生物技术研究所合作育成的高产优质抗病虫棉新品种(刘景山等, 2000; 班战军, 2005)。对照棉花品种新陆早36是新疆石河子棉花研究所培育的杂交新品种(秦江鸿等, 2007)。

1.2 杨树-棉花复合系统的构建

试验地选择在河北省涿州市义和庄乡国家务村林场, 该林地为国家林业局批准的转基因杨树环境释放试验地。试验地为平坦农耕地, 地势、地貌、土质、降雨、气温和植被等条件一致。在试验地种植转抗虫基因741杨高抗株系Pb29和未转基因741杨各10排, 每排长50 m, 株行距5 m×4 m。Pb29和对照741杨试验林间隔距离100 m, 中间以侧柏(Platycladus orientalis)作为隔离带。毗邻株系Pb29和CK741杨的地块每年种植棉花。毗邻Pb29种植转基因棉花邯郸109, 毗邻对照741杨种植对照棉花新陆早36。棉花种植地长度50 m, 宽度25 m, 种植密度60 cm×40 cm。整个试验地外围栽植107杨(Peuramericana cv.74/76)各10排, 株行距5 m×4 m, 把试验地与周围环境隔开。非转基因对照杨棉复合系统命名为系统Ⅰ, 转基因杨棉复合系统命名为系统Ⅱ。开始试验时杨树年龄为6年生, 连续3年春季种植棉花并进行调查。试验地管理条件一致, 不施用任何农药。

1.3 研究方法

调查连续进行3年, 于每年6月至10月进行, 每10天调查1次。系统Ⅰ和系统Ⅱ中分别调查杨树和棉花上节肢动物群落, 复合系统中杨树和棉花上数据综合用于群落分析, 连续3年调查的数据作为重复进行数据统计分析。对2个复合系统样地中杨树和棉田节肢动物群落进行调查, 并作详细记载, 未知种类按统一标号编号记载, 带回实验室鉴定。具体调查方法如下。

1.3.1 杨树林节肢动物群落调查

1) 植株节肢动物群落调查:采用随机抽样的方法, 在CK杨和高抗Pb29样地内分别随机抽取5株样树, 对每株样树在东、南、西、北4个方位上分上、中、下3个层次各剪取一约15 cm长的枝条, 记录上面节肢动物的种类和数量。同时调查距地表 5 m内的主干上的节肢动物的种类和数量。特殊处理:对于样枝上的蚜虫类(Aphidoidea)和螨类(Tetranychidae)等动物, 选取此样枝顶尖倒数第3片叶子上的虫体进行数量统计和记录。对于暂不能鉴别的节肢动物种类, 装入酒精试管和装有乙酸乙酯的毒瓶, 带回实验室进行鉴定。

2) 林灌层节肢动物群落调查:用捕虫网在各样地对林灌层随机扫网50次, 随后将昆虫用乙酸乙酯熏杀10 min后倒入纸包中包好并作标记, 带回实验室统计林灌层节肢动物的种类和数量。

3) 地表层节肢动物群落调查:在各样地地表随机选取5个0.5 m×0.5 m的样方, 分别调查并记录地表节肢动物的种类和数量。

1.3.2 棉田节肢动物群落调查

1) 植株节肢动物群落调查:采用随机抽样的方法, 对CK棉和Bt棉分别随机选取5个1 m×1 m的样方, 每个样方内约5~6株棉花, 调查并记录每个样方内所有棉株上节肢动物的种类和数量。特殊处理:对于样枝上的蚜虫类、螨类等动物, 选取此样枝顶尖倒数第3片叶子上的虫体进行数量统计并记录。对于暂不能鉴别的节肢动物种类, 装入酒精试管和毒瓶, 带回实验室进行鉴定。

2) 棉田样地飞行节肢动物群落调查:对各棉田随机扫网50次, 收集飞行的节肢动物, 用乙酸乙酯熏杀10 min后倒入纸包中, 带回实验室进行分离鉴定。

3) 地表层节肢动物群落调查:在各样地内随机选取5个0.5 m×0.5 m样方, 调查并记录棉田地表节肢动物的种类和数量。

1.3.3 数据分析处理方法

Shannon-Wiener多样性指数(Diversity Index): ${H^\prime } = - \sum\limits_{i = 1}^S {{P_i}} {\rm{ln}}{P_i}$式中:S为物种数; Pi=Ni/N; Ni为第i种的个体数; N为群落中总的个体数。

Pielou均匀度指数(Evenness Index):

J=H′/Hmax, Hmax=lnS。式中:H′为Shannon-Wiener多样性指数, Hmax为给定物种完全均匀时的群落多样性指数, S为物种数。

Berger-Parker优势度指数(Dominance Index):

I=Nmax/N。式中:Nmax为优势类群的数量, N为群落中总的个体数。

采用SPSS 23.0对数据进行统计分析, 并用多重比较(Multiple comparisons)和最小显著差数法(LSD)分析节肢动物群落多样性, 显著性水平设定为P < 0.05, 利用Excel 2010软件作图, 表格中的误差是标准误(SE)。

2 结果与分析 2.1 2个系统中节肢动物群落组成和结构的对比分析

表 1所示:系统Ⅱ的物种数与个体数较系统Ⅰ, 分别降低了8.38%与10.6%, 2个系统在节肢动物群落个体数上差异显著, 而物种数差异不显著。H′JC分析显示, 系统Ⅱ与系统Ⅰ在多样性指数上差异不显著。

表 1 2个系统节肢动物群落组成和结构变化 Tab.1 The composition and structure changes of arthropod communities in two systems
2.2 2个系统中节肢动物群落亚群落组成和结构对比分析

表 2可知, 与系统Ⅰ相比, 系统Ⅱ在害虫亚群落物种数上差异显著; 系统Ⅱ的害虫亚群落的个体数较系统Ⅰ降低14.99%, 但未达到差异显著水平, 这是由于虽然靶标害虫—鳞翅目害虫数量减少, 但2个系统在调查期间蚜虫和粉虱类发生量均较大; 2个系统中天敌亚群落和中性节肢动物亚群落在个体数量上差异均不显著。系统Ⅱ与系统Ⅰ相比, 害虫亚群落和天敌亚群落以及中性节肢动物亚群落的H′、JC差异均不显著。

表 2 2个系统节肢动物群落亚群落组成和结构变化 Tab.2 The subcommunity composition and structure changes of arthropod communities in two systems
2.3 2个系统中节肢动物功能类群组成和结构对比分析

表 3所示:系统Ⅱ与系统Ⅰ在食叶昆虫个体数和刺吸昆虫物种数上差异显著。而在表 2中, 系统Ⅱ和系统Ⅰ相比, 害虫亚群落中物种数差异显著, 主要是由于刺吸昆虫物种数上差异显著, 而食叶昆虫个体数虽然差异显著, 但由于相对于刺吸类昆虫数量, 食叶昆虫个体数较少, 整体上导致害虫亚群落个体数量差异不显著。由表 3可见, 2个杨棉复合系统食叶昆虫个体数差异显著, 主要是由于转基因741杨主要针对的靶标害虫—鳞翅目杨扇舟蛾(Clostera anachoreta)、美国白蛾(Hyphantria cunea)、杨卷叶野螟(Pyrausta diniasalis)等在群落调查中数量均明显少于对照杨树, 转基因棉田中的棉铃虫(Helicoverpa armigera)、棉大卷叶螟(Notarcha derogata)等靶标害虫数量均明显少于未转基因棉田, 总体上转基因复合系统中的靶标害虫数量明显减少; 杨棉复合系统刺吸昆虫主要是白杨毛蚜(Chaitophorus populeti)、棉蚜(Aphis gossypii)数量较多。2个系统在其他各类群物种数和个体数上差异均不显著; 从多样性指数分析来看, 各类群多样性指数差异均不显著, 转基因杨棉复合系统对这些功能类群亦未表现出负面的的生态效应。

表 3 2个系统节肢动物功能类群组成和结构变化 Tab.3 The function clusters composition and structure changes of arthropod communities in two systems
2.4 2个系统中节肢动物群落组成的季节动态比较 2.4.1 物种数季节变化

当杨树分别为6、7、8年生时, 系统Ⅰ、Ⅱ中节肢动物群落的物种数季节动态如图 1所示:2个系统中节肢动物物种数在3种树龄条件下的变化趋势基本一致, 其中, 杨树6年生和7年生时系统Ⅰ的物种数略高于系统Ⅱ, 8年生时2个系统的物种数基本持平。表明2个系统间节肢动物群落物种数动态差异不明显, 年度间有差异。

图 1 杨棉复合系统节肢动物群落物种数动态 Figure 1 Dynamics of species of arthropod communities in the poplar-cotton systems(8a) 系统中杨树年龄 Tree age of poplar in systems: a.6年生 6-year-old; b.7年生 7-year-old; c.8年生 8-year-old.下同 The same below.
2.4.2 个体数量季节变化

当杨树分别为6、7、8年生时, 系统Ⅰ、Ⅱ中节肢动物群落的个体数量季节动态如图 2所示。从图 2a可以看出, 7月中旬群落个体数量系统Ⅱ比统Ⅰ少, 主要是由于系统Ⅱ中食叶害虫和刺吸类害虫均较少, 8月下旬系统Ⅱ的个体数量明显高于系统Ⅰ, 调查抽样中发现了美国白蛾聚集危害的幼虫网幕。从图 2b可见, 系统Ⅰ于9月上旬出现了峰值, 主要是由于棉蚜大量发生。图 2c表明, 2个系统在6月的个体数量均较低, 7月下旬至9月初数量达到高峰, 棉花上的棉蚜和杨树上的膜肩网蝽(Hegesidemus habrus)数量均较多。综合分析, 2个系统年度间节肢动物群落个体数量变化较大, 可能与气候、环境等宏观因素关系较为密切, 具体原因有待长期持续监测。

图 2 杨棉复合系统节肢动物群落个体数动态 Figure 2 Dynamics of individual of arthropod communities in the poplar-cotton systems(8a)
3 讨论

从本研究的结果看, 与未转基因的对照林分相比, 由转抗虫基因741杨和转基因棉花形成的转基因杨棉复合系统对系统中的害虫亚群落组成和结构有一定影响, 主要表现在对其中的靶标食叶害虫数量上的明显控制作用以及非靶标刺吸类害虫物种数上的明显减少, 其他植食性昆虫、捕食性及寄生性天敌昆虫、中性昆虫群落组成和结构在转基因和未转基因杨棉复合系统中无明显差异。本结论同以往转基因741杨和转基因棉花单一系统研究结论一致(刘军侠, 2004; 高素红等, 2003), 表明转基因杨棉复合系统对其他节肢动物群落没有负面生态效应。从转基因杨棉复合系统节肢动物群落的时间动态上来看, 节肢动物群落在系统中表现明显的季节性, 从物种数和个体数量上来看, 转基因杨棉复合系统和未转基因杨棉复合系统表现相同的变化趋势; 从年季动态上来看, 2个系统在不同昆虫类群的种类和数量上无明显差异, 与转基因杨或转基因棉单一系统研究结论一致(姚丽等, 2016)。陈辉惶等(2012)研究了转基因杨和转基因棉复合系统对节肢动物群落的影响, 表明转基因杨棉复合系统对靶标昆虫有较好的控制作用, 此结果与本文研究结果一致, 但会造成其他非靶标害虫种类和数量的增加, 并引起天敌的增殖, 与本文研究结果不同, 可能由于欧洲黑杨(Populus nigra)和毛白杨对转入的基因表现效应不同, 也可能由于地域、年份等差别。由于在不同年份对节肢动物群落进行调查, 受到年际气候条件影响较大, 节肢动物群落组成和结构在年际间变化较大, 因此, 对于转基因杨棉复合系统对节肢动物群落影响的研究有待于长期多年连续监测, 才能更好地了解节肢动物群落的年际变化, 对当前转基因植物生态风险评价及利用提供更翔实可靠数据。

转基因杨棉复合系统节肢动物群落是多种害虫、天敌昆虫和中性节肢动物通过食物链的营养流和化学通讯的信息流而发生相互关系并共存的复杂网络系统, 相对于对照杨棉复合系统, 转基因杨棉复合系统对靶标害虫有较好的抑制作用, 能够有效减缓靶标害虫危害, 非靶标害虫数量上也没有增加趋势, 天敌昆虫亦能在系统中发挥较好的效能, 中性昆虫在系统中作为害虫和天敌中间的类群, 在系统中有着很重要的作用, 为天敌提供了食物资源, 起着间接保护和增殖天敌的作用。目前有关转Bt基因抗虫棉的生态安全性问题的研究多数是建立在室内观察或短期的田间试验小区调查基础上, 还需要结合实验室研究进一步验证及进行长期系统的生态效能跟踪研究, 在转基因生态安全性评价中更多地关注非靶标害虫的动态变化, 以及天敌效能的发挥和中性昆虫的变化, 这将为转基因植物安全性评价和风险分析提供更有力的数据支撑。

4 结论

2个系统在节肢动物群落个体数上差异显著, 在物种数以及多样性指数上差异不显著。转基因杨棉复合系统的害虫亚群落物种数较之对照有显著降低(P < 0.05), 天敌亚群落和中性节肢动物亚群落的物种数均有所降低, 但差异不显著; 害虫亚群落、天敌亚群落和中性节肢动物亚群落的多样性指数和均匀度指数、优势集中性指数在2个系统间差异均不显著; 2个系统中节肢动物群落物种数和个体数季节动态差异未达显著水平。

转抗虫基因植物所转的抗虫基因对目标害虫具有较好的毒杀以及控制种群数量的作用, 对系统中非目标昆虫以及天敌和中性昆虫影响不大, 且表现出了对这些功能类群相对较好的生态效应趋势。这与以往单纯的转基因杨树以及转基因棉花对靶标害虫的控制作用一致, 表明转基因杨树和转基因棉花在复合系统中对靶标害虫的抗性没有减弱, 有增强效应。

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