转bar基因水稻及其秸秆降解对土壤微生物的影响

Soil ecosystem is the important carrier of the agricultural ecosystem security and agricultural sustainable development. The development of genetic engineering and introduction of genetically modified crops have raised concerns over the potential impacts of these crops on soil ecosystem. This study is to investigate the possible impact of the exogenous gene products excreted by the root growth of transgenic rice and the products of straw degradation on the soil microbial community structure and function. On the basis of the experimental techniques of molecular biology, we study the proliferation and dispersal of the products from the root growth of bar-transgenic rice and the development of rice straw degradation on the molecular level by using collecting samples from soil for three consecutive years. By using PCR sequencing, we will detect and calculate the degradation rate of bar-transgenic rice straw biomass. Based on the degradation rate and the dispersal of the exogenous gene product, combing with soil and meteorological data, the mathematical model of the bar-transgenic rice straw degradation to paddy fields in winter's breeding season of Hainan would be established. By comparing the soil microbial community's structure of transgenic rice and common rice, we will analyze the influence of bar-transgenic rice on microbial community's structure and function. After the bar gene detection through soil extracellular and intracellular DNA recovery, we would attempt to find evidence of the plant exogenous gene transfer to the soil microorganisms through horizontal gene transfer, further we will describe the influence of transgenic rice on soil ecological security and possible consequences.

土壤生态系统是农业生态系统安全和农业可持续发展的重要载体，随着基因工程技术的应用和转基因作物的种植，可能会对农田土壤生态系统产生影响。本研究拟探讨转基因水稻的根系生长所分泌外源基因产物、秸秆降解产物对土壤微生物群落结构可能造成的影响。我们分别以生长发育的转bar基因水稻根系和还田的转bar基因秸秆为外源基因的供体，连续3年采集样品，通过分子生物学实验技术，在DNA分子水平上研究转基因水稻在土壤中的扩散、降解动态，结合土壤和气象资料，比较转基因秸秆生物量降解速率，用PCR监测bar基因的扩散和降解动态，建立转bar基因水稻秸秆在海南南繁稻田中的降解模型。通过分析比较转基因和非转基因土壤微生物群落结构，研究bar基因对土壤微生物群落的影响。通过检测土壤中细胞外和细胞内的bar基因，试图发现植物外源基因向土壤微生物水平转移的证据，进而阐释转bar基因水稻对土壤生态安全的影响。

基因工程技术的应用和转基因作物的种植对农田土壤生态系统的影响，是公众关注的问题之一。本课题以转基因水稻根系分泌物、秸秆降解产物对土壤微生物群落结构可能造成的影响为切入点开展研究，分别以转bar基因水稻生长根系和还田秸秆为外源基因供体，连续4年定期采集样品。首先通过差量法研究转基因与非转基因秸秆生物量在不同时间的降解速率，发现秸秆生物量的降解呈现出先快后慢的指数模型规律。在秸秆还田 850d后仍残留部分生物量。转bar基因水稻B2和非转基因水稻秀水63秸秆生物量的降解半衰期分别是36.7d和35.7d，转基因和非转基因水稻秸秆降解速率没有明显差别。在DNA及基因片段方面，采用PCR技术研究转基因水稻在土壤中的扩散、降解动态。从转基因水稻B2和常规水稻秀水63秸秆中DNA变化得到了相同的降解时间指数方程，两者的DNA降解半衰期同为35.36d。通过监测转基因水稻秸秆中的基因片段，发现在秸秆还田180d时，转基因材料中外源基因bar和内源基因sps以及非转基因组织中的sps基因仍有残留。利用Real-time PCR技术对秸秆中残留的目标基因进行定量分析，bar基因的降解半衰期是14.9d，sps基因在B2和秀水63中的半衰期则分别为14.3d和15.7d。转基因材料中bar和sps基因的降解都略快于非转基因材料中的sps基因。通过传统的可培养技术分析发现，转bar基因水稻根系及降解秸秆与相应的非转基因水稻在土壤可培养真菌、细菌和放线菌方面存在显著性差异。进一步通过DGGE-PCR和高通量测序分析等技术，综合比较研究转基因和非转基因水稻秸秆对土壤微生物群落结构组成、丰度和多样性的影响，结果表明，转bar基因材料对土壤细菌类的多样性指数和物种结构组成影响不显著，仅少数菌群的丰度与相应非转基因组有显著差异。通过PCR检测土壤中细胞外和细胞内的bar基因和sps基因，没有发现bar基因向土壤微生物水平转移的现象。综上说明转bar基因水稻及其秸秆降解对土壤微生物群落和生态安全没有明显影响。