新疆是中国重要的棉花生产区，地处荒漠区域，干旱少雨，降水极其不均匀^[1]。干旱缺水严重制约了西北内陆棉区棉花的生产，影响棉花产量及纤维质量，生产上迫切需要培育耐旱棉花品种。转基因抗旱棉花能够更好地适应干旱缺水环境，但在生产上的推广应用需要研究其在新疆的环境适应性、种间生存竞争能力以及种植区域群落多样性，为转基因抗旱棉花的环境安全性评价以及转基因抗旱棉花的推广提供理论依据。转基因KatG与SacB抗旱棉花^[2-3]的生存竞争能力尚无相关研究，本试验以转基因KatG与SacB抗旱棉花及受体高代材料天北为研究对象，研究转基因抗旱棉花在荒地生态系统以及栽培地条件下与杂草的生存竞争能力；通过研究栽培地生态条件下不同播种深度和不同种植密度对转基因抗旱棉花的生存竞争能力的影响，分析转基因抗旱棉花的环境适应能力。拟通过研究荒地与耕地条件下转基因抗旱棉花生存竞争能力，对转基因KatG与SacB抗旱棉花的安全性评价提供理论和实践依据。

1.   材料与方法

1.1   试验区概况

石河子地处新疆维吾尔自治区北部中段，东南高西北低，山地、沙漠和平原为石河子的主要地貌，全年降水稀少，气候干燥，属于温带大陆性干旱气候。石河子地区为灌溉农业区，冬季长而严寒，夏季短而炎热，年平均气温7~8 ℃，北部地区气温低，南部高。年日照时间2 300~2 700 h，年降雨量180~270 mm，年蒸发量1 000~1 500 mm。试验分别在石河子大学试验站栽培地(N44.33°，E85.83°)(A1)、弃耕1年苜蓿地(N44.34°，E86.05°)(A2)和弃耕2年以上玉米地(N44.36°，E85.96°)(A3)中进行。

1.2   试验材料

试验材料为石河子大学生命科学学院农业生物技术重点实验室通过花粉管通道法导入检测为阳性的转基因棉花，转入外源基因分别为大肠杆菌过氧化氢酶家族基因KatG与枯草芽孢杆菌果聚糖蔗糖转移酶编码基因SacB，转基因棉花株系名分别为天北-KatG (B1)和天北-SacB (B2)，受体为高代材料天北(B0)。

1.3   试验方法

小区试验随机设计布置，小区面积10 m² (2 m×5 m)，小区间设置1m宽度隔离带，各设3次重复。试验研究严格遵守《农业转基因生物安全评价管理办法》。

1.3.1   转基因抗旱棉花野外越冬能力及环境适应能力的研究

分别在A1、A2和A3选取小区进行地下播种及地表撒播试验。于2017年10月1日棉花采摘完毕，分别播种脱绒后的转基因抗旱棉花及受体棉花。人工点播播种深度3 cm，每小区播种300粒(约19000株/667 m²，下同)；地表撒播为每个区域撒播300粒。2018年4月棉花播种期调查棉花出苗率，分析转基因抗旱棉花野外越冬能力。采用同样的播种和撒播方式，于2018年4月22日分别在A1、A2和A3选取小区进行地下播种及地表撒播试验。播种2周后调查棉花出苗率，并于棉花生长花铃期调查株高和蕾数等农艺性状，分析转基因抗旱棉花荒地环境适应能力。

1.3.2   转基因抗旱棉花种植对杂草演化影响的研究

在转基因抗旱棉花荒地环境适应能力研究试验的基础上，对试验区域内杂草种类及数量进行调查，以分析转基因抗旱棉花的种植对荒地杂草演化的影响。采用样方法调查试验区内的杂草种类及数量，每个试验区随机选取3个1 m×1 m的样方，调查样方内所有杂草种类及数量，统计并计算试验区内杂草的物种丰富度、物种多度、香农—维纳指数及均匀度指数指标。

(1) 物种丰富度(species richness)：每个试验区域内物种数目的多少。物种丰富度的增加会引起生态位空间的进一步分化，导致种间性状差异性减小，对群落的功能多样性产生影响^[4-5]。

(2) 物种多度(species abundance)：每个试验区域内所有物种的个体数。

(3) 香农—维纳指数(Shannon-Wiener index)：是一种借用信息论方法，对试验区域内物种数和各种间个体分配的均匀性进行研究。用H表示，其值越大说明物种数越多、各物种间数量分配越均匀^[6-7]，计算公式为

式中，P_i为此物种个体数占总个体数比例。

(4) 均匀度指数(uniformity index)：物种均匀度是构成功能多样性的两个基本成分之一，用E表示，其值越大表示物种分布越均匀，计算公式为

式中，H'=实测多样性值，H_max=最大多样性值= log₂S。

1.3.3   播种深度对转基因抗旱棉花生存竞争能力的影响

在A1区设置2个播种深度(3和6 cm)，精选种质饱满健硕、完整和未作任何药剂处理的籽粒手工播种，每小区播种3行，行距0.8 m，每小区播种300粒。按照日常栽培管理进行正常灌水。棉花花铃期调查转基因抗旱棉花种植生态区的杂草种类、数量、株高以及对转基因抗旱棉花的农艺性状进行调查，每个小区按照5点取样法采集杂草，自然风干后测其生物量。物种多样性分析同1.3.2节。

1.3.4   播种密度对转基因抗旱棉花生存竞争能力的影响

在A1区设置2个播种密度(19000和22000株/667 m²)。播种试验设计、日常栽培管理、农艺性状调查和生物量测量同1.3.3节，物种多样性分析同1.3.2节。

1.4   数据分析

采用SPSS 19软件对数据进行显著性分析，相关图使用Excel 2003绘制。

2.   结果与分析

2.1   转基因抗旱棉花的野外环境适应能力

2017年10月1日，将转基因抗旱棉花材料收获脱绒后进行地下播种以及地表撒播模拟棉花自然状态下荒地条件生长，调查出苗率发现试验材料均未能发芽。结合新疆气候条件分析，新疆地区入冬时往往伴随降雨，导致地下播种材料吸水膨胀，入冬后温度较低，棉花种子没有适宜的温度而不能萌发；地表撒播材料虽然可能度过寒冷冬天，但新疆地区4—5月降水较少，地表干燥，缺少种子萌发所必需的水分，所以也不能萌发。说明棉花种子不能在荒地条件下完成整个生活史。

2018年4月22日，棉花播种时期试验材料在荒地按照一般栽培措施进行播种，整个生育期内无任何农业管理措施，虽然种子能够萌发，幼苗可以生长，但出苗率较低(表1)，生长发育过程中杂草的生存竞争能力处于优势，杂草与转基因抗旱棉花以及受体棉花抢占生态位，转基因抗旱棉花以及受体棉花生长发育受到严重的抑制，植株矮小，未生长果枝，在整个生长周期内生长营养体，未出现开花结铃情况。生育期结束后，转基因抗旱棉花与其受体棉花植株逐渐干枯死亡，第2年未发现植株生长出幼苗。说明转基因抗旱棉花荒地适应能力较弱，与生长区域内杂草竞争处于劣势，不能完成整个生活史，演变成超级杂草的可能性几乎没有。

表  1  各试验区棉花出苗率、株高和蕾铃数 (mean±SD)

Table  1.  The emergence rate, plant height and number of buds of cotton in the test areas

试验区域 test area	试验材料 experiment material	出苗率/% seedling rate	株高/cm plant height	蕾铃数/(个·株−1) bud number per plant
A1	B0	42.3 a	38.4±3.9 a	0
	B1	45.7 b	39.8±2.6 b	0
	B2	45.3 b	38.2±4.8 a	0
A2	B0	43.7 a	32.6±2.6 a	0
	B1	47.3 b	37.4±3.8 b	0
	B2	44.3 a	36.6±3.1 b	0
A3	B0	40.3 a	34.6±4.3 a	0
	B1	43.7 b	36.2±3.7 b	0
	B2	41.3 ab	37.4±3.9 b	0
注：同一列数据后的不同小写字母表示差异性显著(P<0.05)；下同。 Note: The lowercase letters in the same column data indicate significant difference (P<0.05); the same as below.

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2.2   转基因抗旱棉花种植对杂草演化的影响

通过对栽培地和荒地区域内棉花生长后期杂草种类和数量等的调查发现：不同区域内种植相同材料，杂草的物种多度差异较大；相同试验区域内种植不同试验材料，杂草的物种丰富度差异较小(图1)。相同研究区内，播种转基因抗旱棉花材料及受体材料与试验区域内杂草的多样性和物种丰富度无显著相关性。说明转基因抗旱棉花的种植对生态区域内杂草的多样性以及生物量影响较小。

图  1  不同试验区域杂草物种丰富度、物种多度、香农—维纳指数和均匀度指数差异

注：柱形图上方小写字母表示差异性显著(P<0.05)；下同。

Figure  1.  The differences in weed species richness, species abundance, Shannon-Wiener index and evenness index in different test areas

Note: The lowercase letters above the column chart indicate significant differences (P<0.05); the same as below.

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此外，同一区域种植不同的棉花材料，杂草的香农—维纳指数和均匀度指数差异均不显著(图1)，说明转基因抗旱棉花的种植并没有影响试验区域内群落环境的多样性及物种布局，对试验区域内的杂草种群演化影响不显著，转基因抗旱棉花的种植对于生态区域内的杂草物种多样性、丰富度以及均匀度均无显著影响。

2.3   不同播种深度对转基因抗旱棉花生存竞争能力的影响

由表2可知：不同播种深度对各棉花材料的出苗率都有较大影响；相同播种深度各试验材料的株高、果枝数、蕾铃数、第一果枝高度及结籽数相差均不显著(P>0.05)；不同播种深度条件下，播种深度为6 cm的棉花果枝数显著多于播种深度为3 cm的同种棉花(P<0.05)，且B1材料的结籽量存在明显差异(P<0.05)。另外，调查研究发现播种深度较高的转基因抗旱棉花以及受体棉花植株生长较茁壮，叶片相较于颜色较深。

表  2  不同播种深度对转基因抗旱棉花农艺性状的影响

Table  2.  The effects of different sowing depths on agronomic traits of transgenic drought-tolerant cotton

播种深度/cm sowing depth	试验材料 material	出苗率/% seedling rate	株高/cm plant height	果枝数/(个·株−1) fruit branches per plant	第一果枝高度/cm first fruit branch height	蕾铃数/(个·株−1) bud number per plant	结籽量/(粒·株−1) seed yield per plant
3	B0	97.3 b	83.6±10.0 b	7.6±1.2 a	30.2±6.9 b	11.4±3.3 ab	78.2±6.2 ab
	B1	96.7 b	82.6±6.3 b	8.0±2.8 a	28.6±4.5 b	9.8±1.6 a	74.6±4.2 a
	B2	98.3 b	82.4±4.3 b	7.6±2.8 a	29.2±4.5 b	10.6±1.9 a	80.8±3.3 ab
6	B0	70.7 a	77.0±6.1 a	8.4±1.4 b	21.0±9.4 a	11.8±4.2 ab	80.4±6.3 ab
	B1	72.3 a	76.8±4.7 a	8.8±1.3 b	21.6±8.6 a	10.0±1.4 a	82.3±5.4 b
	B2	73.0 a	78.4±3.2 a	8.6±1.6 b	19.4±3.6 a	12.0±2.0 ab	81.2±5.7 b

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由图2可知：播种深度对杂草的物种丰富度、物种多度和香农—维纳指数没有显著影响(P>0.05)。播种深度为3 cm时，B1种植区的杂草物种丰富度与B0和B2种植区的差异显著；播种深度为6 cm时，3种试验材料种植区的杂草物种丰富度则无显著差异。播种深度为3 cm时，3种试验材料种植区的杂草香农—维纳指数无显著差异；播种深度为6 cm时，B0与B1种植区的杂草香农—维纳指数差异显著。播种深度为3 cm时，B1种植区的杂草均匀度指数显著低于B0和B2种植区；播种深度为6 cm时，B1种植区的杂草均匀度指数略高于B0和B2种植区，但差异不显著，说明在不同播种深度条件下相同种植材料区内的杂草均匀度指数有差异，即群落分布不均匀。综上可知：播种深度对杂草的物种多样性及物种分布有影响但不显著，说明播种深度对转基因抗旱棉花生存竞争能力的影响较小。

图  2  不同播种深度对转基因棉花生态区域杂草物种丰富度、物种多度、香农—维纳指数和均匀度指数的影响

Figure  2.  The effects of different sowing depths on the weed species richness, species abundance, Shannon-Wiener index and evenness index in transgenic cotton ecological regions

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2.4   种植密度对转基因抗旱棉花生存竞争能力的影响

由表3可知：不同种植密度对相同试验材料的株高和结籽量具有显著影响，播种密度增加试验材料的株高，结籽量减少。种植密度为22 000株/667 m²时，各试验材料的株高、果枝数、第一果枝高度、蕾铃数及结籽量均没有显著差异，说明增加播种密度对于受体棉花材料并不能增加转基因抗旱材料的生存竞争能力。

表  3  不同种植密度转基因棉花以及受体棉花试验材料的农艺性状

Table  3.  The agronomic traits of different planting densities of transgenic cotton and recipient cotton test materials

种植密度/(株·667m−2) planting density	试验材料 material	株高/cm plant height	果枝数/(个·株−1) fruit branches per plant	第一果枝高度/cm first fruit branch height	蕾铃数/(个·株−1) bud number per plant	结籽量/(粒·株−1) seed yield per plant
19000	B0	83.6±10.0 a	7.6±1.2 ab	30.2±6.9 a	11.4±3.3 b	78.2±6.2 bc
	B1	82.6±6.2 a	8.0±2.8 ab	28.6±4.5 a	9.8±1.6 a	74.6±4.2 b
	B2	82.4±4.3 a	7.6±2.8 ab	29.2±4.5 a	10.6±1.9 ab	80.8±3.3 bc
22000	B0	88.2±7.9 b	6.9±2.4 a	32.2±5.0 ab	9.6±5.7 a	69.4±4.2 a
	B1	90.6±4.2 b	7.4±1.7 ab	37±4.6 b	9.9±2.6 a	71.6±5.5 a
	B2	90.8±2.5 b	7.6±1.6 ab	31±2.5 ab	9.2±2.3 a	70.8±4.0 a

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由图3可知：3种试验材料均表现为高密度棉花种植的杂草物种多度显著低于低密度棉花种植；不同种植密度对杂草香农—维纳指数无显著影响。种植B1材料后，杂草物种丰富度和均匀度在不同种植密度间存在显著性差异，B0和B2材料种植区域内的物种丰富度和均匀度则不受种植密度的影响。相对于B0和B2材料，低密度种植B1材料时均匀度指数显著减小，说明该试验区域内物种分布不均匀。种植密度为22000株/667 m²时，各试验材料种植区域间的物种丰富度、物种多度、香农—维纳指数及均匀度指数均无显著差异，说明增加播种密度对转基因抗旱棉花环境适应性无显著作用。试验区域内转基因抗旱棉花在群落结构上处于优势种群，转基因抗旱棉花B2的种植与受体棉花相比对杂草群落的物种多度、丰富度以及群落多样性分布没有显著性影响，说明即使转基因抗旱棉花是优势种群，对生态区的群落物种也不会产生显著影响。

图  3  不同种植密度对转基因棉花生态区域杂草物种丰富度、物种多度、香农—维纳指数和均匀度指数的影响

Figure  3.  The effects of different planting densities on the weed species richness, species abundance, Shannon- Wiener index and evenness index in transgenic cotton ecological regions

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3.   讨论

通过对转基因抗旱棉花野外环境适应能力研究发现：转基因棉花野外环境适应能力较弱，棉花落粒棉种没有越冬的可能，没有杂草化风险，这与已有研究^[8-10]的结果相一致。本研究结合地理气候条件分析棉花落粒棉种在新疆地区不能越冬的具体原因，可以对其他地区研究转基因棉花野外越冬能力提供理论依据。

在新疆石河子地区，选择不同荒地及栽培地研究转基因抗旱棉花种植对杂草演化的影响，试验区域内转基因抗旱棉花及其受体棉花生长缓慢，植株纤细矮小，未有果枝生长，生育期内未能开花结铃，研究结果与马小艳等^[11-12]的研究结果相一致；相同棉花材料在不同试验区域内种植对杂草群落有较大影响，但相同试验区域内转基因抗旱棉花及其受体棉花的种植对杂草群落的影响微乎其微，说明转基因抗旱棉花在不同程度的荒地及栽培地中种植对试验区域内的杂草演化影响较小。为了排除地理条件的影响，可以在同一试验区域连续多年种植转基因抗旱棉花，研究其对杂草演化的影响。

不同播种深度对转基因抗旱棉花生存竞争力及对种植区域内杂草群落影响的研究发现：播种深度对棉花出苗率影响较大，播种较深的棉花后期的生长较旺盛，与已有研究^[13-15]的结果一致。相同的试验材料，播种较深时出苗率较低，植株生长更加旺盛，具有较强的生存竞争能力，后期试验可以从棉花各个生理期调查棉花生理生化指标及相关酶活性来研究播种深度对转基因抗旱棉花生存竞争能力的影响。研究还发现：播种密度对棉花株型有调控作用，低密度种植株型松散，果枝长，株高较高；高密度株型紧凑，果枝上举，株高矮化^[16-18]，这与本试验结果相一致。低密度种植植株生长较旺盛，具有较强的生存竞争能力，试验区域内杂草数量较多，群落丰富度较高，分布较均匀，但相同试验材料没有显著差异。

此外，转基因抗旱棉花在栽培地种植，不同的栽培条件下，与受体棉花生长状态以及对农业生态系统中杂草多样性的影响几乎没有显著差异，依据生物安全的实质等同性原则，转基因抗旱棉花与受体棉花对农业生态的影响几乎没有区别。该研究对未来转基因抗旱棉花的研发起到推动作用，对转基因抗旱棉花的安全性评价研究技术体系的建立具有一定的指导意义。