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氮高效转基因水稻OsNRT2.3b对土壤氨氧化细菌群落多样性的影响

2018-06-13 | 作者: 魏琳琳 杨殿林 侯萌瑶 倪土 李刚 修伟明 王慧 赵建宁 | 标签: 转基因水稻

来源:《农业环境科学学报》2017 年 06 期
作者:魏琳琳 杨殿林 侯萌瑶 倪土 李刚 修伟明 王慧 赵建宁
单位:农业部环境保护科研监测所,东北农业大学资源与环境学院


文章以氮高效转基因水稻OsNRT 2.3b 两个不同株系N-04 和N-08 为研究对象,以非转基因亲本日本晴(Nipp)为对照,在田间小区试验条件下,设施氮和不施氮两种处理,采用变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术,分析了氮高效转基因水稻在生长期对土壤氨氧化细菌群落多样性的影响。

研究发现,水稻土壤氨氧化细菌丰富度指数在各生长期内品种间均不存在显著差异。两种处理条件下N-04 的土壤氨氧化细菌香农-威纳指数仅在拔节期与Nipp 有显著差异,其余生育期均无显著差异;在施氮条件下N-08 的土壤氨氧化细菌香农-威纳指数在拔节期和抽穗扬花期与Nipp 存在显著差异,不施氮条件下仅拔节期出现显著差异。两种处理条件下,N-04 的土壤氨氧化细菌均匀度指数与Nipp 相比整个生长期均无显著差异,而N-08 在拔节期显著低于Nipp。测序结果表明,施氮和不施氮处理下氮高效转基因水稻(N-08 和N-04)与Nipp 相比土壤中拥有更多的亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira)和亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)。

研究表明,氮高效转基因水稻在个别生育期对香农-威纳指数和均匀度指数有显著差异,且其更有利于促进土壤铵态氮向硝态氮的转化。

前言

从1996 年到2015 年,全球转基因作物累计种植面积达到空前的20 亿hm2,转基因作物已经成为现代农业史上推广最为迅速的农作物,但转基因作物在给人们带来巨大经济效益的同时,其所带来的生态安全性问题也日益引起公众的广泛关注,尤其是对土壤微生物群落多样性的影响。有研究表明,转基因棉花的种植能使土壤细菌和真菌的数量明显增加,使其群落组成发生变化,也有文献报道转基因作物的种植未对土壤微生物群落结构产生显著影响。然而,要更为深入评价转基因植物对土壤微生物的影响,在研究分析整体微生物群落的过程中,还应研究转基因植物对土壤指示性微生物的影响。

氨氧化细菌作为微生物生态学研究的指示性微生物,同时也是执行硝化作用第一步(将氨氧化为亚硝酸盐即硝化速率限制性步骤)的关键微生物,在土壤氮素循环中占有重要地位,但其群落组成容易受气候条件、土壤利用方式和植被类型等的影响,因此受到相关领域科学家的广泛关注。

氮高效转基因水稻OsNRT 2.3b 是利用转基因技术将水稻高亲和硝酸盐转运蛋白OsNRT 2.3b 基因导入受体而获得的超表达材料。Fan 等和唐仲研究发现,与常规稻相比,OsNRT 2.3b 超表达株系中积累的氮素总量提高了21%,铵态氮吸收速率提高了12%,氮素利用效率提高了40%,单株产量提高了30%。由于土壤氮循环长期处于一个动态平衡的状态,氮高效转基因水稻的种植势必会从土壤中吸收更多的氮素,改变土壤氮素动态特征,进而可能影响土壤氨氧化细菌群落结构。

本研究采用PCR-DGGE 技术,以氮高效转基因水稻OsNRT2.3b 的两个不同株系N-04 和N-08 为对象,研究其土壤氨氧化细菌16S rDNA 基因群落结构及多样性组成,为科学评价氮高效转基因水稻对土壤微生物的影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1试验地概况与试验设计


试验在农业部环境保护科研监测所网室内进行,种植小区四周及底部为混凝土结构,内部长、宽、高均为1 m,小区内土壤为天津市津南区未种植过作物的潮土,全磷含量1.19 g·kg-1,全氮含量0.96 g·kg-1,有机质含量24.55 g·kg-1,pH 8.21。

试验采用完全随机区组设计,设施氮和不施氮两种处理,5 次重复。氮源(20 g·m-2)为尿素[CO(NH2)2],其中50%用作基肥,50%作追肥,追肥在水稻分蘖后期施用。分别以磷酸二氢钾(P2O5:15 g·m-2)和硫酸钾(K2O:18 g·m-2)作为磷肥和钾肥,全部用作基肥。

1.2供试材料

试验所用水稻为氮高效转基因水稻OsNRT 2.3b的两个不同株系N-04 和N-08 及非转基因亲本日本晴Nipp,均由南京农业大学资源与环境科学学院植物营养分子生物学实验室提供。水稻种子于2015 年5 月8 日播种于培养盘中,每穴5 粒,于6 月25 日移苗,挑选长势一致的水稻苗,每个小区内移栽水稻20 株。

1.3土壤样品采集

分别于水稻分蘖期(7 月27 日)、拔节期(9 月8 日)、抽穗扬花期(10 月10 日)和成熟期(11 月12 日)采集土样。采集土样时,去除表面杂草和枯枝落叶,用直径3.5 cm 的土钻在距水稻主茎2 cm 处取20 cm 深的土样,每小区3 个取样点。将各个小区的样品分别混合,置于-20 ℃冰箱,用于土壤氨氧化细菌群落多样性分析。

1.4测定方法

1.4.1土壤微生物总DNA 提取

本研究采用Mo Bio 公司的Powerlyzer powersoil DNA isolation kit(Mo Bio laboratories,Solana Beach,CA,USA)试剂盒,取0.5 g 鲜土置于Glass Bead Tube 中,按操作说明逐步进行提取,将提取到土壤的DNA 用1.5%的琼脂糖凝胶检测样品质量,并于-20 ℃保存。

1.4.2PCR 扩增

采用巢式PCR(Nested PCR)方法扩增氨氧化细菌16S rDNA 基因序列,引物及反应条件见表1。第一轮PCR 反应产物大小为465 bp,PCR 反应体系为50 μL(两种引物各0.5 μL,Premix Ex Taq 25 μL,稀释2 倍的土壤DNA 模板5 μL,用灭菌水补足至50 μL);第二轮PCR 反应产物大小为250 bp,PCR 反应体系为50 μL(两种引物各0.5 μL,Premix Ex Taq 25 μL,第一轮PCR 产物5 μL,用灭菌水补足至50 μL)。



1.4.3变形梯度凝胶电泳(DGGE)检测及条带回收

PCR 产物采用Bio-Rad 公司的DcodeTM 通用突变检测系统(Bio-Rad,USA),按照操作说明进行检测。主要步骤如下:浓度为8%的聚丙烯酰胺,变性梯度为40%~60%(100%变性剂含有7 mol·L-1 尿素和40%(V/V)去离子甲酰胺),60 ℃预热,将30 μL PCR 产物(与loading buffer 预混好)加入胶孔,先在60 ℃、60 V 恒定电压下预跑30 min,然后在60 ℃、150 V 电泳6 h。电泳完毕后用SYBR Green Ⅰ(1∶10 000)染色30 min,再用Gel Dox XR 凝胶成像系统(Bio-Rad)进行观察与拍照,选取主要条带割胶回收。

1.4.4条带纯化克隆及测序比对


回收后的条带用不带GC 夹子的338f 和518r 引物进行扩增,PCR 产物经过电泳分析确定为单一条带后,采用Wizad R SV Gel and PCR Clean-Up system 试剂(Progema,USA)纯化,并与载体pGEM -T EasyVector(Progema,USA)连接转化(4 ℃培养8 h),挑取培养后的白色菌落接种到LB 液体培养基中,37 ℃摇床培养8 h,阳性克隆送出测序。测序结果在NCBI 上经Blast 比对分析,获得相近典型菌株序列。

1.5数据分析

采用SAS 9.1.3(Tukey′s test)对试验数据进行分析,Quantity One 4.6.2 软件进行数字化处理并进行聚类分析。土壤氨氧化细菌16S rDNA 基因多样性采用香农-威纳指数(Shannon-Wiener index,H)、均匀度(Evenness index,En)和丰富度(Richness,S)来评价,其计算公式如下:

H=-ΣPi lnPi
En=H/lnS

式中:H 代表香农-威纳指数;Pi 代表第i 条带占总强度的比值;En 代表均匀度指数;S 代表丰富度指数。

2 结果与分析

2.1土壤氨氧化细菌16S rDNA 基因DGGE 图谱分析

DGGE 结果表明,各生长期N-04、N-08 和Nipp 在施氮和不施氮处理条件下DGGE 指纹图谱多为共有条带,只有少部分属于差异条带。在施氮条件下(图1),N-04 仅在拔节期与Nipp 有2 条差异条带(1B-2 和1B-4);N-08 在分蘖期、抽穗扬花期和成熟期与Nipp 有4 条差异条带(1A-3 和1A-5;1C-4;1D-5)。




不施氮处理条件下(图2),N-04 在分蘖期、抽穗扬花期和成熟期与Nipp 各有1 条差异条带(2A-2;2C-5;2D-4);N-08 在4 个生长期与Nipp 共有8 条差异条带(2A-5 和2A-7;2B-1;2C-3、2C-4、2C-6 和2C-8;2D-6)。




2.2土壤氨氧化细菌16S rDNA 基因多样性分析

根据DGGE 指纹图谱中每条条带的灰度比率,对种植N-04、N-08 和Nipp 的土壤氨氧化细菌16S rDNA 基因丰富度指数(S)、香农-威纳指数(H)和均匀度指数(En)进行分析。结果发现,在施氮和不施氮条件下,N-04 和N-08 的土壤丰富度指数与Nipp 在各生长期内均未出现显著差异(表2 和表3)。



施氮条件下,N-08 的土壤氨氧化细菌香农-威纳指数在拔节期时显著低于Nipp,而在抽穗扬花期显著高于Nipp,N-04 的在分蘖期、拔节期和成熟期均未出现显著差异,仅在抽穗扬花期显著低于Nipp(表2);不施氮条件下,N-08 的土壤氨氧化细菌香农-威纳指数在分蘖期、抽穗扬花期和成熟期均未出现显著差异,仅在拔节期显著高于Nipp,N-04 除抽穗扬花期显著低于Nipp 外,其余各时期与Nipp 均无显著差异(表3)。




在施氮和不施氮条件下,N-04 各生长期土壤氨氧化细菌均匀度指数与Nipp 均无显著差异(表2);N-08 仅在拔节期显著低于Nipp,其余生育期未与Nipp 产生显著差异(表3)。

2.3土壤氨氧化细菌16S rDNA 基因测序结果及系统发育分析

根据土壤氨氧化细菌DGGE 指纹图谱(图1 和图2)及条带灰度比率值大小,在施氮条件下选取32 条条带,不施氮条件下选取29 条条带,进行克隆测序,并经NCBI 序列比对分析。结果发现各选取条带与已知序列相似度均在96%~100%之间(表4 和表5),将测序获得的基因序列与Genbank 其他相似序列对比,绘制系统发育树并进行系统发育分析(图3 和图4)。



从系统发育树可以看出,施氮处理条件下32 个阳性克隆和不施氮处理条件下29 个阳性克隆主要属于不可培养β-变形菌纲(Uncultured beta proteobacterium)、亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira sp.)和亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas sp.),其中N-08 的优势属为亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira sp.),N-04 和Nipp 的优势属均为不可培养β-变形菌纲(Uncultured beta proteobacterium)。






根据土壤氨氧化细菌DGGE 指纹图谱及条带比对结果发现,在施氮处理条件下,各生长期内N-08 属于β-变形菌门的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas sp.)的条带共有6 条,属于β-变形菌门的亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira sp.)的有3 条,N-04 属于上述菌属的条带共有6 条,而Nipp 有5 条(表4)。不施氮条件下,N-08 属于β-变形菌门的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas sp.)和亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira sp.)的条带共有6 条,N-04 则有5 条,Nipp 仅有1 条属于亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira sp.)的条带,未发现属于亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira sp.)的条带,且该条带属于三种水稻品种共有条带(表5)。由此可以看出,N-08 和N-04 属于亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira sp.)和亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas sp.)的条带数量显著高于Nipp。





3 讨 论

目前关于转基因水稻生态环境安全性评价的研究主要集中在基因漂移、靶标及非靶标生物的影响以及农业生态环境等方面。转基因生物释放后是否对土壤微生物产生影响,近年已成为研究热点。陈丽华等研究发现抗真菌转基因水稻秸秆降解对土壤细菌数量的影响不显著,且转基因土壤样品与非转基因土壤样品中土壤细菌的丰富度、多样性指数、均匀度指数均不存在显著差异。但陈晓雯等却发现转Cry1Ac 基因和转Cry1Ab 基因水稻在生长旺盛时期,土壤中细菌数量显著高于非转基因亲本水稻,不过这种影响的持续时间较短。陈丽华等也证实了广谱抗真菌蛋白转基因水稻秸秆降解对土壤可培养真菌数和真菌群落结构有影响,但所产生的影响是短暂的、不持续的。

本研究发现,N-08 的土壤氨氧化细菌香农-威纳指数在施氮条件下的抽穗扬花期和不施氮条件下的拔节期均显著高于Nipp,其余时期无显著差异。这与Jin 等的研究结果一致,其也发现转基因大豆的土壤氨氧化细菌香农-威纳指数仅在收获期显著增高。本研究还发现N-04 与Nipp 的土壤氨氧化细菌香农-威纳指数在施氮和不施氮处理条件下均无显著差异(除抽穗扬花期外),说明氮高效转基因水稻本身对土壤氨氧化细菌的影响也是短暂的,但不同施肥处理、不同生长期之间土壤氨氧化细菌香农-威纳指数差异较大。这与金凌波等对转基因大豆土壤微生物群落水平的研究结果相似。Heuer 等对转T4 溶菌酶基因土豆根际微生物群落结构的研究,也发现其主要与季节、种植地点和年份有关。

本文对土壤氨氧化细菌均匀度指数的研究发现,在两种供氮处理条件下,N-08 与Nipp 的土壤氨氧化细菌均匀度指数在分蘖期、抽穗扬花期和成熟期均无显著差异,仅在拔节期显著低于Nipp。邵婧鑫、徐广惠也证明了这一现象,其发现转基因大豆的土壤氨氧化细菌均匀度指数仅在生长旺盛时期显著低于非转基因品种。董莲华等的研究也发现,转Bt+CpTI 基因抗虫棉的土壤氨氧化细菌均匀度指数在花铃期显著低于非转基因材料,且其余时期均未发现明显差异,与本研究结果也一致,说明氮高效转基因水稻对土壤氨氧化细菌均匀度指数的影响是短暂的。

亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas sp.)在硝化作用第一阶段亚硝化作用中起主导作用,可以促进NH4+ 氧化成NO2-,具有限制二氧化碳固定的能力,亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira sp.)可作为硝化细菌,将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。本研究中施氮和不施氮处理下,氮高效转基因水稻(N-04 和N-08)土壤中属于亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira sp.)和亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas sp.)的氨氧化细菌显著多于Nipp。因此,N-04 和N-08 的种植存在促进土壤中铵态氮氧化为硝态氮的可能。本研究对各生长期土壤硝态氮和铵态氮含量也进行了分析(研究结果未在文中列出),结果发现N-08 和N-04 在生长旺盛时期土壤硝态氮含量确实显著高于Nipp,而铵态氮含量显著低于Nipp,也进一步证明了氮高效转基因水稻的种植有利于土壤铵态氮向硝态氮的转化。

4 结 论


(1)各生长期内氮高效转基因水稻(N-04 和N-08)和非转基因水稻(Nipp)在施氮和不施氮处理条件下DGGE 指纹图谱多为共有条带。

(2)N-04 和N-08 的土壤氨氧化细菌香农-威纳指数和均匀度指数仅在个别时期与Nipp 产生显著差异,说明氮高效转基因水稻本身对土壤氨氧化细菌群落多样性的影响是短暂的。

(3)氮高效转基因水稻(N-04 和N-08)土壤中属于亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira sp.)和亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas sp.)的氨氧化细菌显著多于Nipp,说明氮高效转基因水稻的种植有利于土壤铵态氮向硝态氮的转化。
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