高CO-,2-環(huán)境下轉(zhuǎn)Bt水稻的氮素代謝生理及其抗蟲性研究.pdf

1、目前，轉(zhuǎn)Bt水稻的推廣和應(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)影響其非靶標(biāo)害蟲（如褐飛虱）的取食等新問題。有研究表明，轉(zhuǎn)Bt水稻外源Bt基因的導(dǎo)入會(huì)改變其氮素代謝生理.對轉(zhuǎn)Bt水稻而言，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Bt毒素的主要構(gòu)成物質(zhì)。因此，通過土壤氮肥的優(yōu)化管理將有望提高轉(zhuǎn)Bt水稻氨基酸合成和氮素代謝關(guān)鍵酶谷氨酰胺合成酶的活性，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

2、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?，F(xiàn)已證實(shí)，高CO2環(huán)境下轉(zhuǎn)Bt水稻毒素表達(dá)量降低。可見，高CO2環(huán)境下，轉(zhuǎn)Bt水稻氮素營養(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水稻的抗蟲效果，進(jìn)而服務(wù)于轉(zhuǎn)Bt水

3、稻的生態(tài)可持續(xù)利用.
　　 由此，本文以轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲水稻克螟稻(KMD)及其對照親本秀水11(XSD),二化螟和褐飛虱為研究對象，通過室內(nèi)培養(yǎng)箱（Closed-dynamic CO2 chamber; CDCC）試驗(yàn)和大田開頂式氣室( Open-top chamber; OTC) CO2控制試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了高CO2環(huán)境下轉(zhuǎn)Bt水稻的生理指標(biāo)（尤其是氮素代謝）變化，及其對轉(zhuǎn)Bt水稻靶標(biāo)和非靶標(biāo)害蟲的影響，以期進(jìn)一步研討未來大氣C

4、O2濃度升高環(huán)境下轉(zhuǎn)Bt水稻對靶標(biāo)和非靶標(biāo)害蟲的抗蟲機(jī)制。主要結(jié)果如下：
　　 1、通過開頂式氣室研究了CO2濃度倍增(750 vs.375μl/L)對取食轉(zhuǎn)Bt水稻及其對照親本秀水11的二化螟Chilo suppreddalis幼蟲體內(nèi)代謝酶乙酰膽堿酯酶(AChE)和保護(hù)酶（超氧化物歧化酶SOD、過氧化物酶POD和過氧化氫酶CAT））活力的影響，以期明確該類害蟲對大氣CO2濃度升高及轉(zhuǎn)Bt水稻的生理響應(yīng)。研究結(jié)果表明：(1)A

5、ChE受CO2濃度水平影響顯著。與對照CO2處理相比，高CO2條件下該酶活力顯著降低；(2)高CO2水平及水稻中Bt毒素蛋白的存在均會(huì)導(dǎo)致二化螟幼蟲體內(nèi)POD活力顯著降低，SOD初期活力顯著升高，但不能維持較長時(shí)間，CAT活力表現(xiàn)為先升后降的特點(diǎn).(3)當(dāng)受到水稻品種、CO2濃度水平和取食時(shí)間的綜合影響時(shí)，以上代謝酶和保護(hù)酶活力會(huì)發(fā)生顯著變化.短時(shí)間內(nèi)二化螟幼蟲可通過體內(nèi)以上生理代謝調(diào)節(jié)減緩受CO2濃度升高和水稻中Bt毒素蛋白的不利影響

6、，但長時(shí)間環(huán)境脅迫下這種應(yīng)對不利環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制將會(huì)失去作用，最終導(dǎo)致種群適合度的降低。
　　 2、通過開頂式氣室研究了CO2濃度倍增（750vs.375μl/L）對取食轉(zhuǎn)Bt水稻及其對照親本秀水11的褐飛虱成蟲體內(nèi)代謝酶乙酰膽堿酯酶（AChE）和保護(hù)酶（超氧化物歧化酶SOD、過氧化物酶POD和過氧化氫酶CAT））活力以及對褐飛虱體內(nèi)酵母類共生菌大小和數(shù)目的影響。研究結(jié)果表明：(1)高CO2濃度僅顯著降低取食秀水11的褐飛虱體內(nèi)的

7、AChE活力。對取食克螟稻的褐飛虱高CO2濃度導(dǎo)致POD和SOD活力顯著升高，CAT活力顯著降低。而對取食秀水11的褐飛虱高CO2濃度會(huì)導(dǎo)致CAT活力顯著升高，POD活力顯著降低。(2)與對照秀水11比，取食克螟稻會(huì)顯著降低正常CO2濃度下POD和SOD的活力，但在高CO2濃度下僅會(huì)引起SOD活力的顯著升高。(3)高CO2濃度顯著降低每頭/每毫克褐飛虱雌成蟲體內(nèi)酵母類共生菌的大小，僅顯著降低取食克螟稻的雄成蟲體內(nèi)酵母類共生菌的大小。性別

8、不同，體內(nèi)酵母類共生菌的長度和寬度有顯著差異。高CO2濃度影響褐飛虱的生理代謝，繼而會(huì)對褐飛虱與體內(nèi)酵母類共生菌的共生關(guān)系產(chǎn)生顯著影響。
　　 3、通過密閉式CO2氣室試驗(yàn)研究了轉(zhuǎn)Bt水稻克螟稻及其對照親本“秀水11”的氮素代謝特征對土壤氮素水平(5、20、40mgN/L)和CO2濃度倍增（750μl/Lvs375μl/L）的生理生態(tài)響應(yīng)，結(jié)果表明：(1)隨著CO2濃度的升高，苗期Bt水稻中的游離氨基酸含量顯著增加，硝態(tài)氮含量下

9、降，可溶性蛋白含量顯著下降。(2)水稻苗期時(shí)，CO2濃度顯著影響蛋白質(zhì)、硝態(tài)氮含量和谷氨酰胺合成酶(GS)活力。(3)苗期水稻在中等氮素濃度水平下，游離氨基酸的含量最低，而谷氨酰胺合成酶活性最高，對CO2變化反應(yīng)敏感。GS只在中等氮素水平下受CO2濃度影響顯著，高二氧化碳濃度下活性增大。(4)中等濃度氮素水平下，SOD活性最高，GS活性最高，游離氨基酸含量最低，POD和SOD在CO2脅迫下活性沒有增大。
　　 4、通過OTC試驗(yàn)

10、研究了60及120天轉(zhuǎn)Bt水稻克螟稻(KMD)及其對照親本秀水11(XSD)在兩個(gè)CO2濃度（750μl/Lvs.375μl/L）處理下的生長情況和生理生化變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，(1)CO2濃度升高會(huì)引起植株含水量降低，葉綠素a和c含量普遍降低，葉綠素b的含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，可溶性蛋白含量普遍降低，游離氨基酸含量增加，谷氨酰胺合成酶活性初期變化不顯著，后期顯著降低.(2)可溶性蛋白含量和谷氨酰胺合成酶活力還受到水稻品種的顯著影響，但品