轉(zhuǎn)Bt基因水稻氮素利用特征及其抗性表達(dá)研究.pdf

1、近幾十年轉(zhuǎn)Bt(Bacillus Thuringiensis)基因作物，主要是Bt棉花和Bt玉米，由于其在抗靶標(biāo)害蟲性狀上的明顯優(yōu)勢在全球范圍內(nèi)得以廣泛推廣與應(yīng)用，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效應(yīng)。近些年科學(xué)家開始研究和培育轉(zhuǎn)Bt基因水稻，不少轉(zhuǎn)Bt基因水稻品系被成功轉(zhuǎn)化和培育出來，其中轉(zhuǎn)Cry1C*、Cry2A*和Cry1Ab/Ac基因的水稻新品系被作為重要的育種和推廣應(yīng)用的候選品系。然而不少研究發(fā)現(xiàn)一些轉(zhuǎn)Bt基因作物相比授體親本出現(xiàn)了農(nóng)藝

2、性狀和生理特征的變化，這些變化往往導(dǎo)致轉(zhuǎn)Bt基因作物產(chǎn)量的降低，目前轉(zhuǎn)Bt基因作物發(fā)生這些變化的原因并不完全清楚。轉(zhuǎn)Bt基因作物中Bt蛋白的合成是一個需要氮(N)素參與的新的代謝過程，因此，轉(zhuǎn)入Bt基因后作物的N素利用與代謝是否會受到影響成為科學(xué)家們關(guān)注的一個重點(diǎn)。另外，N素會影響B(tài)t蛋白的表達(dá)，所以對于在不同N素營養(yǎng)條件下轉(zhuǎn)Bt基因作物中Bt蛋白表達(dá)變化的研究也非常必要。同時，對于轉(zhuǎn)Bt基因水稻新品系大田抗性持續(xù)性和穩(wěn)定性的考察也是評

3、價轉(zhuǎn)基因新品系的重要方面。本研究通過設(shè)置不同N素營養(yǎng)條件（N肥水平、N肥比例和N肥種類）和不同蟲害防治模式（防治害蟲和不防治害蟲）處理，對轉(zhuǎn)Cry1C*、Cry2A*或Cry1Ab/Ac Bt基因的水稻新品系的產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀表現(xiàn)、N素利用與代謝特征、Bt蛋白表達(dá)規(guī)律和大田抗性表現(xiàn)進(jìn)行了研究，并分析了轉(zhuǎn)Bt基因的水稻新品系產(chǎn)量變化的原因。主要的研究結(jié)果如下:
　　(1) MH63(Cry1C*)在不同N素營養(yǎng)條件下產(chǎn)量相比對照MH6

4、3要低出16.9％-31.0％。從產(chǎn)量構(gòu)成來看，MH63(Cry1C*)產(chǎn)量降低的主要原因是結(jié)實(shí)率降低了;MH63(Cry2A*)僅在不施N肥和N肥前施條件下產(chǎn)量相比對照MH63要低出12.3％-26.0％，從產(chǎn)量構(gòu)成來看，MH63(Cry2A*)產(chǎn)量降低的主要原因也是結(jié)實(shí)率降低了。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)MH63(Cry2A*)在不施N肥和N肥前施條件下相比對照MH63生育后期發(fā)生了葉片早衰的現(xiàn)象，這可能是其結(jié)實(shí)率降低的重要原因;三個轉(zhuǎn)Bt基因

5、品系在不同施N比例和施N種類條件下相比對照MH63普遍存在產(chǎn)量下降的現(xiàn)象;常規(guī)施N條件下轉(zhuǎn)Bt基因水稻品系主要“源”性狀和稻米品質(zhì)與對照無顯著差異。
　　(2)三個轉(zhuǎn)Bt基因水稻品系N素吸收積累總量與對照MH63無顯著差異，但是MH63(Cry1C*)的N肥偏生產(chǎn)力(PFPN)和N肥內(nèi)部利用率(IEN)均要低于對照品系MH63，MH63(Cry2A*)在不施N肥條件下N肥內(nèi)部利用率(IEN)也顯著低于對照MH63; MH63(Cr

6、y2A*)在不施N肥和N肥前施條件下灌漿期葉片N素代謝特征相比對照MH63發(fā)生了一些變化，主要表現(xiàn)為可溶性蛋白含量降低。
　　(3)三個轉(zhuǎn)Bt基因水稻品系葉片中Bt蛋白表達(dá)量基本隨N肥施用水平的增加而提高。三個轉(zhuǎn)Bt基因品系對不同施N種類響應(yīng)不一，MH63(Cry1C*)和MH63(Cry1Ab/Ac)在施用硝氨平衡N源N肥(NH4NO3)條件下Bt蛋白表達(dá)量最高，而MH63(Cry2A*)在施用氨態(tài)N源N肥((NH4)2SO4)

7、條件下Bt蛋白表達(dá)量最高。MH63(Cry2A*)和MH63(Cry1Ab/Ac)葉片中Bt蛋白表達(dá)量要分別高出MH63(Cry1C*) Bt蛋白表達(dá)量10倍和8倍左右。三個轉(zhuǎn)Bt基因品系Bt蛋白表達(dá)量隨生育期先逐漸增高，后隨植株衰老而逐漸降低，其中MH63(Cry2A*)生育后期Bt蛋白表達(dá)量下降的程度要低于MH63(Cry1Ab/Ac)和MH63(Cry1C*)。完全展開的綠色成熟葉片中Bt蛋白表達(dá)量要高于衰老葉片和幼嫩葉片中Bt蛋

8、白表達(dá)量。
　　(4)轉(zhuǎn)Cry1C*、Cry2A*或Cry1Ab/Ac基因的MH63和雜交稻品系在不防治靶標(biāo)害蟲的條件下相對于其非轉(zhuǎn)基因?qū)φ掌废诞a(chǎn)量要高出9.1％-38.0％。轉(zhuǎn)Bt基因水稻品系產(chǎn)量優(yōu)勢的變化也受到品系自身的產(chǎn)量潛力和靶標(biāo)害蟲發(fā)生程度的影響。所有轉(zhuǎn)Cry1C*、Cry2A*或Cry1Ab/Ac基因的品系在大田條件下均表現(xiàn)出對靶標(biāo)害蟲高于90％的抗性。MH63(Cry2A*)在只防治靶標(biāo)害蟲條件下相比對照MH63產(chǎn)量

9、降低，可能是由于MH63(Cry2A*)田間非靶標(biāo)害蟲侵害加重。轉(zhuǎn)入Cry1Ab/Ac基因后，不同遺傳背景的常規(guī)稻和雜交稻品系沒有發(fā)生農(nóng)藝性狀的變化，且獲得了一致的和穩(wěn)定的高抗性。
　　(5) MH63(Cry1C*)和低N肥條件下MH63(Cry2A*)產(chǎn)量降低的直接原因均為結(jié)實(shí)率降低。MH63(Cry1C*)結(jié)實(shí)率降低的主要生理原因是物質(zhì)向穗部的轉(zhuǎn)移效率降低，具體表現(xiàn)為降低的干物質(zhì)向穗部轉(zhuǎn)移效率(RDM)和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物向

10、穗部表觀轉(zhuǎn)移效率（ARNSC）以及減少的穗頸小維管束數(shù)目(SVB)。MH63(Cry2A*)在低N肥條件下結(jié)實(shí)率降低的主要原因則是生育后期葉片發(fā)生了早衰現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象可通過增加施N量而消除。作為Bt蛋白含量(BTC)的表示方法之一，Bt蛋白/總蛋白(BTC/SPC)對于N肥的響應(yīng)更為敏感。在低N肥條件下，生育后期MH63(Cry2A*)葉片中BTC/SPC值較高，可達(dá)到4.3‰，且與MH63(Cry2A*)的葉片衰老指標(biāo)表現(xiàn)出相關(guān)關(guān)系

11、。
　　轉(zhuǎn)Cry1C*、Cry2A*或Cry1Ab/Ac Bt基因水稻品系均獲得了穩(wěn)定的高抗性，在不防治靶標(biāo)害蟲的情況下具有明顯的產(chǎn)量優(yōu)勢。然而，MH63(Cry1C*)和MH63（Cry2A*）出現(xiàn)了結(jié)實(shí)率降低的變化，MH63(Cry1C*)結(jié)實(shí)率降低的主要原因?yàn)樽內(nèi)醯摹傲鳌毙誀睿鳰H63(Cry2A*)結(jié)實(shí)率降低的主要原因?yàn)樘崆八ダ系摹霸础毙誀睿⑶襇H63(Cry2A*)這種變化可通過增施N來消除。由于MH63(Cry1C

12、*)和MH63(Cry2A*)的產(chǎn)量對于N肥響應(yīng)與對照不一致，MH63(Cry1C*)和MH63(Cry2A*)的N肥利用率(NUE)也發(fā)生了變化。同時也發(fā)現(xiàn)MH63(Cry2A*)出現(xiàn)了一些N素代謝特征上的變化。三個轉(zhuǎn)Bt基因水稻品系Bt蛋白表達(dá)量存在品系間和時空上的差異，同時也受到植株N素營養(yǎng)狀況的顯著影響。BTC/SPC可作為反映不同N素營養(yǎng)條件下植株Bt蛋白表達(dá)情況的重要指標(biāo)。通過育種方法和N素養(yǎng)分管理措施的調(diào)整，提高轉(zhuǎn)Bt基因