Bt毒素介导的金属离子在土壤-微生物界面迁移行为及微生物菌群响应

With the popularization and application of commercial Bt transgenic crops in large areas, the potential hazards to the farmland ecosystem have attracted more and more attention. A large number of studies at home and abroad show that the toxic proteins expressed in transgenic Bt crops can be released into soil in different ways and remain in soil for a long time, thus affecting the soil ecosystem. The residues of Bt transgenic crops had a large amount of toxic residues. The transference of Bt protein complex with metal ions on soil and microbial interfaces raises a concern on the subsequent straw composting process and the safety considerations of soil ecosystem. This study intends to investigate the transference of Bt toxin complex with metal ions on soil-microorganisms interface, and then further discussing the variation of microbial flora, so as to reveal that the environmental fates of Bt toxin complex with metal ions, as well as clarify the response mechanisms of key functional microorganisms in soil system.

随着商业化转Bt基因作物大面积的推广和应用，其对农田生态系统的潜在危害日益引起人们的关注。国内外大量研究结果表明，转Bt基因作物表达的毒蛋白会以不同方式释放到土壤并在土壤中长期残留，从而对土壤生态系统造成影响。转Bt基因作物的秸秆残茬带毒量巨大，Bt络合金属离子后，所产生的络合物在土壤微生物界面的迁移行为，对后续秸秆堆肥化过程的有效进行和土壤生态安全考量具有重要影响。本研究拟考察Bt毒素与金属离子络合后在土壤微生物界面的迁移及微生物菌群变化，从而拟阐明土壤与微生物界面上生物毒素与金属离子复合作用的环境行为及关键功能微生物的响应机制。

转Bt基因作物是全球商品化程度最高的抗虫转基因作物，在其生长过程中会大量表达和释放Bt蛋白。最新研究指出，Bt蛋白因其结构上具有丰富的氨基酸基团，能与环境中的金属离子发生络合，进而影响金属离子在土壤-微生物体系中的迁移。但迄今为止，关于Bt蛋白介导下金属离子在土壤-微生物界面上的迁移机制研究尚浅。本研究通过多光谱法、分子对接法等技术深入探究了Bt蛋白与金属离子间相互作用机制，证实了Bt蛋白能与金属离子产生络合作用。并在此基础上进一步采用耗散石英晶体微天平（QCM-D）技术实时监测此络合产物在矿物、微生物表面的吸附动态行为及微观作用机制，监测结果表明Bt蛋白-金属离子络合产物在矿物、微生物表面的吸附主要受静电作用影响。而通过观察不同条件下Bt蛋白-金属离子络合产物对细菌生长及毒性的影响，发现单体金属离子或蛋白均对细菌生长具有抑制作用，但Bt蛋白与金属离子络合后能在一定程度上缓解金属离子对细菌的毒性。同时，有前期文献研究表明，Bt蛋白进入环境后能与土壤活性颗粒结合保持活性。考虑到自然界中Bt蛋白主要以结合态存在，选择腐殖酸（HA）作为自然土壤活性颗粒，开展了HA协同Bt蛋白对金属离子的吸附行为特性影响研究。研究结果表明，Bt蛋白能与HA稳定结合，且结合产物对金属离子的吸附性能强于单体Bt蛋白。本研究通过系列科学实验，明确了Bt蛋白与金属离子间的相互作用机制，并辨析了Bt蛋白介导下金属离子在土壤-微生物表面的交互作用及迁移机制，在一定程度上为环境中Bt蛋白与金属离子相互作用及其可能引发的生态毒理控制奠定理论基础。