谈棉花环境的研究进展
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1病虫害与钾、氮元素对种植转基因棉花生长发育影响
1.1病虫害对种植转基因棉花生长发育影响
病虫害严重影响棉花的生长与发育。棉花是重要经济作物，在生长发育过程中易受到真菌、细菌病害以及线虫的侵染，从而造成产量及品质的下降。黄萎病菌侵染严重影响着棉花的生长发育与产量的提高[3,24]。棉铃虫是棉花主要虫害，因而棉铃虫杀虫剂的使用间接抑制了盲蝽蟓种群的扩大，但种植Bt棉花使盲蝽蟓成为棉花的主要害虫。因此，转基因作物的地区种植可能会给不同生物的生态状况带来各种直接和间接的影响[25]。李海强等研究显示，取食转Bt基因棉花对棉蚜个体生长发育没有负面影响，转Bt基因棉花对棉蚜生长发育和繁殖是安全的[26]。在转基因棉田要把握好害虫的防治适期和防治指标，尽量减少农药的使用次数和使用量，以免甜菜夜蛾对Bt和化学农药都产生抗性，进而造成甜菜夜蛾大暴发的局面[10]。
1.2钾、氮元素对种植转基因棉花生长发育影响
钾、氮元素是转基因棉的必需元素，缺钾营养会引起棉花早衰加重，制约着棉花生产与发育[27]。Pettigrew研究指出，缺钾导致叶片中碳水化合物积累增加，而用于生殖器官发育并形成产量的碳水化合物必然减少，因缺钾导致棉花早衰、品质变劣及产量下降的主要原因之一[28]。适量的氮能够改善棉花叶片的光合作用，生育后期叶片保持较高生理活性，延缓植株中、下部叶片的衰老[29]。刘连涛等研究显示，缺氮引起整株叶片叶绿素、可溶性蛋白含量大幅度下降，丙二醛含量升高，加速衰老进程[30]。朱建芬等研究得出，维持一定氮钾营养水平利于保持棉花中后期主茎功能叶生理活性，从而有效延缓衰老[31]。因此，良好氮钾供应水平，有利于改善蛋白质代谢，促进棉花生育后期光合作用，清除活性氧及细胞膜保护系统等生理功能，防止或者延缓早衰[31]，也是维持土壤肥力水平，是棉花增产的保障。
2转基因棉花的杂草化及对土壤微生物的影响
2.1转基因棉花的杂草化
棉花是人们赖以生存的重要经济作物，中国棉田因杂草危害常年造成损失为14%-16%，严重制约棉花的生产品质[32]。虽然转基因较非转基因棉花的抗虫性、抗逆性及生存竞争力强，但棉花本身不具有杂草特性，不会入侵其他植物栖息地，破坏自然种群平衡，所以，一般情况下，转基因棉花不会出现杂草化问题[6]。但随着棉田除草剂的大量使用，令不同程度上地对棉花造成危害，如果抗除草剂基因从棉花漂移到杂草上，很可能出现抗(耐)除草剂的“超级杂草”[6]。棉田杂草研究存在的主要问题是，因除草剂的种类及技术使用不当，使得药害频繁发生；因杂草种替演变加快，使得防除技术滞后；因转基因抗除草剂棉花的研究技术水平滞后，使得杂草丛生。王振宇等对转基因棉花及其常规未转基因的棉花(受体)在野外自然条件下生存能力的研究得出，转抗病基因棉花较杂草的竞争中均处于弱势；转抗病基因棉花在荒地自然条件下的种子、植株残体(根或植株片段)均不能安全越冬，不会成为杂草[33]。王秀丽等人对除草剂造成转基因抗除草剂棉花雄性不育进行研究，其结果显示，喷洒除草剂不会造成抗性植物死亡，但对其育性造成明显影响，即结铃性相对较差，结铃后易脱落[34]。
2.2转基因棉花对土壤微生物的影响
转基因抗虫棉技术的飞速发展大大减少了杀虫剂的使用，并带来了巨大的经济与环境效益，同时也可能带来部分生态与环境风险，例如对土壤生物的非靶标生物产生的不利影响[35]。转基因抗虫棉在生长过程中可因植株残体、根系分泌物和花粉等向土壤中释放外源蛋白而成为土壤生物的食物[36-38]。多数研究表明转基因抗虫作物对土壤微生物群落不会造成影响[39,40]，或造成的一些影响不会在其生长期内持续出现[41]，但转基因棉花对土壤微生物的影响却比较明显。Donegan等通过DNA指纹分析发现美国2种Bt抗虫棉土壤中微生物数量、种类和组成与常规棉差异显著[36]。Shen等通过研究不同生育期、收获后以及转基因棉花不同秸秆还田量修饰土壤后，土壤微生物的群落结构没有发生变化[42]。Sun等研究认为土壤酶的变化可能是由转基因棉花组织施入土壤影响了土壤微生物所致[43]。范巧兰等人通过对转Bt基因棉与常规棉根际土壤的细菌、放线菌、真菌及不同生理菌群数量变化在不同的发育时期进行对比研究，结果显示转基因棉花对土壤微生物有明显的影响，但在各个生育期各种微生物种类及其生理群表现不太一致[44]。李孝刚等研究得出，随棉花生长期的不同，棉田土壤各种微生物数量呈明显季节变化；但是与种植非转基因棉对照相比，长期种植转基因抗虫棉对土壤微生物数量无显著影响[45]。Li等研究结果发现多年种植转基因棉花对土壤微生物没有影响[46]，与Chen等的研究结果相悖[47]。也有研究表明，转Bt基因棉花提高了土壤细菌和真菌的数量[48]。范巧兰等利用磷脂脂肪酸(Phospho-lipidfattyacid，PLFA)图谱分析法对转基因与非转基因棉花品种不同生物量对土壤微生物群落结构的影响研究得出，随着棉花生物量的增加，土壤微生物总量显著增加，而且土壤微生物群落结构发生明显变化，细菌和放线菌所占比例明显减少，真菌比例显著增加。转基因棉花与非转基因棉花的差异因品种和还田量而表现不同，随着种植年限的增加，根系分泌物和作物残体不断进入土壤系统，毒蛋白被土壤吸附并在土壤中积累影响着土壤生态系统[49]。美国种植的转Bt基因抗虫棉土壤微生物的数量与种类在不同品种中表现不一致，有的品种与常规棉花差异显著，有的不显著[49,50]。在连续种植转基因棉，会导致根系分泌物和秸秆残叶进入土壤生态系统，转基因棉花对土壤微生物的群落结构及其土壤生态安全的影响还有待进一步研究[44]。
3展望
转基因生物安全问题与民生及农业发展息息相关，转基因技术的发展与应用对棉花产生巨大促进与推动作用，植物转基因安全评价问题存在诸多研究争论，仍需要进一步研究与探讨。发达国家转基因技术较国内成熟，易于向全世界推广与普及，国内在转基因生物安全方面所作的研究仍处于初级阶段，实验结果仍需进一步的研究与实践。国家应加大对转基因棉的研究力度与资金投入，现在生物安全研究主要靠国家专项资金投入，来推动转基因棉的研究与发展，根据转基因棉生物安全的发展规划与趋势科学的改进转基因方法，严格界定转基因作物种类、培养更加专业的转基因的科研人才及规范转基因生物安全的法律法规的建设等对今后的转基因棉花的研究起到了积极的促进作用。在种植与管理上，要加大力度培育研发种植转(抗)多种基因的棉花，交叉或轮换种植具有不同特性的转基因棉类型，建立健全转基因棉的多种灾害的综合防治服务体系[6]。在转基因棉花的研究过程中，针对环境安全评价的文章较多，但对食品安全性评价研究较少。因此，需要加大力度对转基因棉花食品安全性研究工作，多方面进行试验与应用研究。于梦瑶等对小鼠食用转基因棉籽壳栽培毛木耳进行毒理学评价，初步说明利用转基因棉籽壳栽培毛木耳是安全的[51]。由于常年施用除草剂，不同种类的杂草选择抗性的能力增强，部分种类杂草产生抗性[52-54]的问题有待进一步研究与解决。研究应用抗草甘膦转基因棉花可以大量减少除草用工，降低植棉成本，对提升我国棉花育种水平、增加棉花产业的经济效益具有重要意义[55]。未来转基因棉花的的杂草防治研究趋势为，加强棉田杂草基础理论的研究；加强新型除草剂的研发与创新；加强杂草抗药性的监测与治理；推动生物除草剂的研发；提高转基因抗除草剂棉花研发与应用[32]。因此，未来发展主要以2种及2种以上基因融合重新获得抗除草剂转基因棉花品种，并充分结合当地的特点，在有效解决棉田中出现的杂草，保证提高棉花产量与质量的同时，增加棉农的经济效益。
作者：左娇 郭运玲 孔华 黄启星 徐林 周霞 郭安平 单位：中国热带农业科学院热带生物技术研究所