转Bt水稻及毒蛋白对水稻土反硝化作用的影响和作用机制

转Bt基因水稻可通过根系分泌、秸秆还田等方式向土壤中释放Bt毒蛋白，它们是否对水稻土反硝化作用产生影响，关系到土壤N素循环及温室气体氧化亚氮的排放，是急需解答的科学和实际问题。本项目将以硝酸还原酶基因作为功能标志物，从分子水平研究转Bt基因水稻的种植和秸秆还田对我国几种不同母质类型水稻土中反硝化细菌种群结构和多样性的影响，结合气压过程分离（BaPS）技术探讨转Bt基因水稻对土壤反硝化速率及氧化亚氮排放的影响。同时还将采用模拟实验研究不同纯Bt毒蛋白对水稻土反硝化作用的影响，明确不同Bt毒蛋白对土壤反硝化作用影响的临界浓度及累积效应，初步阐明转Bt基因水稻对水稻土反硝化作用的影响和机制。本项目旨在为分析和调控转Bt基因水稻对土壤反硝化作用的影响及氮素养分管理提供理论依据，为转Bt基因水稻的土壤环境质量评价提供参考。

转Bt水稻生育期可通过根系分泌Bt蛋白到土壤中，收获后也会通过根系残茬、秸秆还田等方式释放Bt蛋白，进入土壤中的Bt蛋白是否会影响土壤N素循环及微生物多样性，是土壤学、环境科学和生物学等学科共同关心的科学问题。本项目研究了种植1季转Bt水稻对土壤微生物、酶活，特别是N素循环相关微生物的影响，探讨了转Bt水稻秸秆还田及不同种类纯Bt蛋白（Cry1Ab，Cry1Ac， Cry1Ab/Cry1Ac）对土壤反硝化及微生物多样性的影响。结果表明：（1）转Bt水稻的种植降低了根际土中性磷酸酶的活性，显著提高了过氧化氢酶和亚硝酸还原酶等的活性；种植转Bt水稻显著降低根际土细菌和放线菌的数量，显著提高根际土真菌的数量；降低了其利用碳源的速率，且对碳源的利用选择发生了转移；转Bt水稻的种植，降低了微生物群落丰富度、最常见种群优势度和均匀度，改变了根际微生物种群多样性。（2）秸秆还田后Bt蛋白的残留动态分3个阶段：前期大量释放（1-4d）、中期快速降解（4-30d）和后期缓慢降解（30-60d）；与常规水稻相比，转Bt基因水稻秸秆还田后对土壤全氮、有机质、C/N、 NO3-和NH4+养分含量并无明显差异。与常规水稻相比，转Bt水稻秸秆还田后硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性并无显著影响；秸秆还田降低了反硝化速率，但转Bt水稻释放的Bt蛋白不是主要影响因素。常规水稻和转Bt水稻秸秆还田后土壤微生物对碳源的利用方式存在显著差异；与常规水稻相比，转Bt水稻秸秆还田后提高物种的丰富度指数、优势度指数和McIntosh指数，降低均匀度指数。（3）Bt蛋白抑制水稻土反硝化酶的活性，长期培养之后Bt蛋白对土壤反硝化速率影响较小，可能是因为Bt蛋白并不是反硝化速率的主要影响因素。Bt蛋白能提高供试水稻土的细菌丰富度指数，且测序结果表明Cry1Ab和Cry1Ac两种蛋白都能改变水稻土中微生物优势物种类型。本研究旨在为分析和调控转Bt水稻对土壤反硝化的影响提供理论依据，为转Bt 水稻的土壤环境质量评价提供参考。