高CO-,2-環(huán)境下轉(zhuǎn)Bt棉花的氮素代謝生理及其非靶標(biāo)抗蟲性研究.pdf

1、目前，轉(zhuǎn)Bt棉花的推廣和應(yīng)用被認(rèn)為可從根本上減輕其靶標(biāo)鱗翅目害蟲的發(fā)生和危害；但相應(yīng)的也會(huì)導(dǎo)致其非靶標(biāo)害蟲（如棉蚜Aphis gossypii Glover和煙粉虱Bemisia tabaci Gennadius）的危害加重等新問題.有研究表明，轉(zhuǎn)Bt棉花外源Bt基因的導(dǎo)入會(huì)改變其氮素代謝生理.對(duì)轉(zhuǎn)Bt棉花而言，氮素既是核酸、蛋白質(zhì)等生命物質(zhì)的重要組成成分，又是生物堿和Bt毒素的主要構(gòu)成物質(zhì)；此外，棉蚜和煙粉虱的個(gè)體生理和種群發(fā)生又與寄

2、主植物組織內(nèi)的氮素營養(yǎng)密切相關(guān)。因此，通過土壤氮肥的優(yōu)化管理將有望提高轉(zhuǎn)Bt棉花氨基酸合成和硝酸還原酶等氮素代謝關(guān)鍵酶活性，進(jìn)而促進(jìn)蛋白質(zhì)合成及其有效表達(dá)（包括Bt蛋白）.目前，國內(nèi)外這方面研究還很薄弱.另一方面，大氣CO2濃度急劇升高已成為當(dāng)前全球氣候變化生物學(xué)研究的“熱點(diǎn)”問題之一.大氣CO2濃度升高有利于提高作物光合作用和生產(chǎn)力，進(jìn)而影響植物光合產(chǎn)物的分配，如導(dǎo)致植物次生抗蟲物質(zhì)組成和含量變化等.現(xiàn)已證實(shí)，高CO2環(huán)境下轉(zhuǎn)Bt棉花

3、組織內(nèi)的化學(xué)防衛(wèi)物質(zhì)，如單寧和棉酚等增加，Bt毒素表達(dá)量降低.可見，高CO2環(huán)境下，轉(zhuǎn)Bt棉花氮素營養(yǎng)及其抗蟲性都將發(fā)生改變，而明確這種變化的內(nèi)在機(jī)制必將有助于充分發(fā)揮全球氣候變化背景下轉(zhuǎn)Bt棉花的抗蟲效果，進(jìn)而服務(wù)于轉(zhuǎn)Bt棉花的生態(tài)可持續(xù)利用.
　　 由此，本文以轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉花（新棉33B）及其對(duì)照親本棉花DP5415,棉蚜和煙粉虱（分子鑒定為Q型煙粉虱）為研究對(duì)象，通過室內(nèi)培養(yǎng)箱（Closed-dynamic CO2 c

4、hamber; CDCC）試驗(yàn)和大田開頂式氣室(Open-top chamber; OTC) CO2控制試驗(yàn)，在轉(zhuǎn)Bt棉花的氮素代謝生理指標(biāo)和棉蚜個(gè)體生理指標(biāo)測(cè)定，以及非靶標(biāo)害蟲種群發(fā)生和種間競爭等方面，系統(tǒng)研究了高CO2環(huán)境下轉(zhuǎn)Bt棉花的生理指標(biāo)（尤其是氮素代謝）變化對(duì)非靶標(biāo)害蟲的影響，以期進(jìn)一步研討未來大氣CO2濃度升高環(huán)境下轉(zhuǎn)Bt棉花對(duì)非靶標(biāo)害蟲的抗蟲機(jī)制.主要結(jié)果如下：
　　 1、通過CDCC試驗(yàn)，分別對(duì)不同氮素處理下（

5、100和200mgN/kg）苗期的轉(zhuǎn)Bt棉花新棉33B及其親本DP5415的物質(zhì)含量（包括營養(yǎng)物質(zhì)含量和Bt毒素含量）及谷氨酰胺合成酶(GS)和硝酸還原酶(NR)活力進(jìn)行測(cè)定，并調(diào)查了害蟲（棉蚜和煙粉虱）的種群發(fā)生量.結(jié)果表明，不同氮素水平對(duì)棉花的株高、干物質(zhì)量、可溶性蛋白和游離氨基酸含量影響不顯著，但顯著增加其組織鮮重和含水量.同時(shí)，氮素營養(yǎng)提高對(duì)轉(zhuǎn)Bt棉花組織內(nèi)Bt毒素表達(dá)量不利，根和葉中Bt毒素含量都顯著降低。此外，氮素營養(yǎng)水平提

6、高有利于提高氮素代謝酶活力.抗蟲試驗(yàn)表明，氮素營養(yǎng)提高顯著促進(jìn)煙粉虱種群的發(fā)生，而對(duì)棉蚜種群的發(fā)生影響不顯著；同時(shí)，棉花品種間害蟲發(fā)生也存在顯著差異.轉(zhuǎn)Bt棉花較之親本具有更高的抗蟲性，且高的氮素水平不僅不能有效提高其干物質(zhì)積累，還導(dǎo)致其非靶標(biāo)害蟲種群的發(fā)生量增加，因此，對(duì)轉(zhuǎn)Bt棉花而言，生產(chǎn)中應(yīng)力求以最小的氮肥供給獲得最大的物質(zhì)產(chǎn)量（尤其是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量）和最佳的抗蟲效果.
　　 2、通過OTC試驗(yàn)研究了盛蕾期轉(zhuǎn)Bt棉花新棉33B及

7、其對(duì)照親本DP5415的生長勢(shì)和氮素代謝特征對(duì)土壤氮素水平(100mgN/kgvs.200mgN/kg)和CO2濃度倍增（750μl/Lvs.375μl/L）的生理生態(tài)響應(yīng).結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高可顯著提高兩種棉花的株高和莖粗，增加生物產(chǎn)量。N素水平提高可顯著提高轉(zhuǎn)Bt棉花的株高、莖粗，以及莖和蕾的鮮重，而對(duì)親本棉花DP5415的影響不顯著。對(duì)照棉花DP5415的谷氨酰胺合成酶(GS)活力隨大氣CO2濃度的升高而顯著降低，隨氮素營養(yǎng)的

8、提高而升高；而轉(zhuǎn)Bt棉花新棉33B在低氮條件下，GS活力隨大氣CO2濃度是升高而顯著增加。大氣CO2濃度升高及氮素營養(yǎng)的增加使盛蕾期轉(zhuǎn)Bt棉花的硝酸還原酶(NR)活力顯著提高，DP5415的NR活力也隨大氣CO2濃度的升高而顯著提高.大氣CO2濃度對(duì)兩種棉花的亞硝酸還原酶(NiR)活力都有明顯的抑制作用，其中高CO2濃度條件下，DP5415的NiR活力還隨氮素營養(yǎng)的增加而顯著下降.可見，大氣CO2濃度升高下，土壤氮素水平變化對(duì)轉(zhuǎn)Bt棉花

9、的生長勢(shì)影響顯著，但對(duì)其氮素代謝生理的影響較對(duì)照親本棉花小。生產(chǎn)中（尤其是高CO2環(huán)境下），應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)轉(zhuǎn)Bt棉花的氮肥優(yōu)化管理。
　　 3、通過開項(xiàng)式CO2氣室試驗(yàn)研究了CO2濃度倍增（750μl/Lvs.375μ.l/L）下生長的轉(zhuǎn)Bt棉花新棉33B及其對(duì)照親本DP5415對(duì)棉蚜體內(nèi)可溶性蛋白及兩種保護(hù)酶--超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)的影響.結(jié)果表明，轉(zhuǎn)Bt棉花棉葉內(nèi)可溶性蛋白含量隨CO2濃度升高而顯著下

10、降，兩種棉花的棉葉內(nèi)游離氨基酸含量都隨CO2濃度升高而顯著下降，棉蚜體內(nèi)可溶性蛋白含量隨CO2濃度升高也顯著下降，但棉花品種對(duì)棉蚜體內(nèi)可溶性蛋白含量的影響不顯著.表明高CO2濃度下，棉花組織內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)含量變化也會(huì)影響到棉蚜體內(nèi)的物質(zhì)含量變化。此外，取食轉(zhuǎn)Bt棉的蚜蟲體內(nèi)的POD和SOD活力高于對(duì)照；且高CO2濃度下，蚜蟲體內(nèi)的POD和SOD的活力都顯著增加；而轉(zhuǎn)Bt棉花組織內(nèi)Bt毒素含量隨CO2濃度升高而顯著下降.Bt毒蛋白和高CO2

11、濃度對(duì)蚜蟲體內(nèi)的保護(hù)酶的動(dòng)態(tài)平衡都有干擾，且高CO2濃度因子比Bt毒素因子的干擾作用更大.推測(cè)，取食高CO2下生長的寄主植物的昆蟲體內(nèi)氧自由基明顯增多，棉蚜則通過提高酶活力以提高其清除氧自由基的能力.
　　 4、通過OTC試驗(yàn)研究了CO2濃度倍增（750μl/Lvs.375μl/L）下生長的45日齡和60日齡轉(zhuǎn)Bt棉花新棉33B及其對(duì)照親本DP5415上棉蚜和Q型煙粉虱的種群動(dòng)態(tài)變化。研究表明，單獨(dú)接種時(shí)，大氣CO2濃度升高有利

12、于棉蚜和Q型煙粉虱種群的發(fā)生（P＜0.05）；轉(zhuǎn)Bt棉花對(duì)棉蚜和Q型煙粉虱種群發(fā)生有顯著的抑制作用（P＜0.05），尤其是在高CO2濃度下這種抑制作用更大；同時(shí)，與棉蚜相比，轉(zhuǎn)Bt棉花對(duì)Q型煙粉虱種群增長的抑制作用更強(qiáng)，且隨著棉花日齡的增加，Q型煙粉虱種群增長明顯大于棉蚜種群?；旌辖臃N時(shí)（即競爭處理下），Q型煙粉虱明顯處于優(yōu)勢(shì)地位（P＜0.05）.此外，轉(zhuǎn)Bt棉花能顯著抑制Q型煙粉虱種群的發(fā)生，而CO2濃度增加卻有利于促進(jìn)Q型煙粉虱的種