温湿度逆境、棉铃大小和生长物质对Bt棉Bt蛋白表达量的影响及其生理机制

摘要

本文以不同Bt基因来源不同基因型品种，采用盆栽和大田试验相结合，研究探明了温湿度逆境胁迫对叶片Bt蛋白表达量以及不同种质及人工调节的棉铃大小、生长物质GA3和缩节安对棉铃虫首选取食的器官棉铃Bt蛋白表达量的影响及其相关生理机制。
　　 主要研究结果如下：
　　 1.温湿度互作胁迫对Bt棉3个生育期叶片Bt蛋白表达量及胁迫解除后Bt蛋白表达量恢复的影响。
　　 随着棉花生育进程，温湿度胁迫下Bt蛋白含量下降幅度呈逐渐加大的趋势，3个生育期在高温高湿、高温低湿、低温高湿和低温低湿4种逆境下，盛蕾期叶片Bt蛋白下降不大，盛花期有一定程度下降，盛铃期则显著下降。盛铃期低温低湿胁迫48h后，Bt蛋白含量比对照下降43.2％～51.3％。在高湿或低湿条件下，高温胁迫24h内叶片Bt蛋白下降幅度较低温小，24h后随着胁迫时间的延长，Bt蛋白含量降幅明显增大，而低温胁迫24h内Bt蛋白含量下降快，24h后Bt蛋白含量降幅变缓。胁迫至48h，高温处理的叶片Bt蛋白含量或低于低温处理，或与低温相差不大。总体表现为，3个生育期胁迫相同时间，低温比高温对Bt蛋白的表达量影响大。在高温或低温条件下，高湿度和低湿度胁迫叶片Bt蛋白含量下降幅度表现为低湿度＞高湿度。不同类型品种间，盛蕾和盛花期温湿度逆境胁迫后Bt棉杂交种Bt蛋白含量下降幅度小于常规品种。盛铃期杂交种和常规品种相比，逆境胁迫后下降幅度差异较小。美棉品种在低温胁迫下受到的影响较小。
　　 不同生育期温湿度胁迫解除后，叶片Bt蛋白表达量的恢复程度不同，具体表现为盛蕾期＞盛花期＞盛铃期。盛蕾期温湿度胁迫24h或48h解除胁迫后，在96h内Bt蛋白表达量可以完全恢复甚至Bt蛋白恢复后含量超过未胁迫前水平，且胁迫时间越长，胁迫解除后Bt蛋白含量越高；高温高湿度和高温低湿度胁迫解除后叶片Bt蛋白含量恢复时间早，提高幅度分别大于相应的低温高湿度和低温低湿度处理，如高温高湿度胁迫48h解除胁迫96h后，叶片Bt蛋白含量比未胁迫前提高了18.4％～31.7％；低温高湿度胁迫48h解除胁迫96h后，叶片Bt蛋白含量比未胁迫前提高了6.8％～14.3％。盛花期温湿度胁迫24h解除胁迫后，不同品种叶片Bt蛋白恢复后含量同样超过了未胁迫前水平，但与盛蕾期相应处理相比，提高幅度较小，叶片Bt蛋白含量比未胁迫前仅提高了8.6％～16.2％，且在高湿或低湿条件下，高温和低温处理胁迫解除后叶片Bt蛋白恢复后含量差异较小；胁迫48h解除胁迫后，叶片Bt蛋白的表达量不能恢复到未胁迫前水平。盛铃期温湿度胁迫24h或48h解除胁迫后，不同品种叶片Bt蛋白表达量不但不能恢复，而且Bt蛋白含量随着恢复时间的延长而下降，其中胁迫24h解除胁迫后，高温高湿和高温低湿度处理的Bt蛋白降幅较小，但胁迫48h解除胁迫后Bt蛋白含量大幅度下降。随着解除胁迫时间的延长，Bt蛋白表达量的继续下降，下降程度高温处理明显大于低温处理，如高温高湿度和低温高湿度胁迫48h，解除胁迫后96h，泗杂3号Bt蛋白含量分别比对照下降了33.1％和19.2％。温湿度逆境胁迫解除后，不同品种Bt蛋白表达量的恢复水平不同。抗虫棉杂交种在盛蕾期和盛花期恢复能力强于常规品种，在盛铃期高温低湿度胁迫下Bt蛋白含量下降幅度大于常规品种。
　　 2.温湿度胁迫对Bt棉3个生育期叶片氮代谢的影响。
　　 盛蕾期在高湿或低湿条件下，高温胁迫对丙谷氨酸转氨酶活性、可溶性蛋白含量和全氮含量影响较小，胁迫24h内处理与对照之间无明显差异，胁迫24h后稍有下降。高温处理下叶片游离氨基酸含量明显增加。与高温相比，低温胁迫显著降低GPT酶活性，游离氨基酸、可溶性蛋白和全氮含量也显著低于对照。高温和低温都提高了谷氨酰胺合成酶(GS)活性。在高温或低温条件下，高低湿度处理间氮代谢关键酶活性差异较小。
　　 盛花期在高湿或低湿条件下，高温胁迫24h内对GPT、GS酶活性，可溶性蛋白和全氮含量影响较小，24h后4个品种以上酶活性和可溶性蛋白和全氮含量都随着胁迫时间的延长逐渐下降，高温胁迫提高了叶片游离氨基酸含量，且提高幅度要大于盛蕾期。低温胁迫12h后GPT、GS酶活性都随胁迫时间延长呈不断下降的趋势，在胁迫12-36h内，高温和低温处理的叶片GPT、GS酶活性、可溶性蛋白和全氮含量差异较大，又以胁迫至24h时差异最大。在高温或低温条件下，低湿度胁迫的氮代谢强度低。
　　 盛铃期在高湿或低湿条件下，高温胁迫GPT、GS酶活性，可溶性蛋白和全氮含量在24h内呈缓慢下降的趋势，24h后快速下降；低温胁迫正好相反，24h前呈快速下降的特征，24h后降幅变缓。高、低温下均促进了叶片蛋白酶含量的提高，游离氨基酸含量大幅度提高，其中以高温处理更为明显。高温条件下，高湿度和低湿度胁迫处理在24h内对氮代谢影响差异较小，24h后差异逐渐变大，至48h低湿度处理叶片氮代谢强度显著低于高湿度处理。低温下一直以低湿度处理酶活性、可溶性蛋白和全N含量低。
　　 盛蕾和盛花期都以杂交种叶片氮代谢强度受到温湿度胁迫的影响明显小于常规品种。相关分析表明，盛蕾期温湿度胁迫下叶片Bt蛋白含量与GPT酶活性呈显著正相关。盛花和盛铃期叶片Bt蛋白含量与GS、GPT酶活性呈显著或极显著正相关关系。3个生育期叶片Bt蛋白含量与全氮含量、可溶性蛋白含量都呈极显著正相关关系。在温湿度胁迫条件下，叶片蛋白酶活性与可溶性蛋白均呈负相关，与游离氨基酸含量均呈正相关关系。
　　 3.温湿度胁迫对Bt棉3个生育期叶片氨基酸组分的影响。
　　 高温低湿和低温低湿对叶片中Bt蛋白分子的八种主要氨基酸成分的含量在3个生育期有不同的影响，其中对酸性氨基酸(天冬氨酸和谷氨酸)含量影响最大。盛蕾期胁迫酸性氨基酸含量在48h内虽有所波动，但增加的幅度较小，盛花期和盛铃期逆境胁迫后酸性氨基酸含量明显增加，且增加幅度以高温下较大，盛铃期更为明显。盛花和盛铃期叶片Bt蛋白主要氨基酸组分总量与Bt蛋白含量呈显著或极显著负相关关系，高温低湿度胁迫下叶片Bt蛋白主要氨基酸组分的总量与Bt蛋白含量的相关系数分别为r1=-7918**，r2=-8537**；低温低湿度胁迫下叶片Bt蛋白主要氨基酸组分的总量与Bt蛋白含量的相关系数分别为r3=-5703，r4=-7806**。
　　 4.温湿度胁迫对Bt棉3个生育期叶片糖代谢的影响。
　　 盛蕾期在高湿或低湿条件下，高温和低温胁迫都降低了蔗糖酶(Inv)活性，提高了蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性，增加蔗糖和可溶性总糖含量，且低温比高温影响更大。无论在高温还是在低温条件下，湿度对糖代谢影响较小。盛花期在高湿或低湿条件下，高温胁迫提高了SPS活性，增加了蔗糖和可溶性总糖含量；低温胁迫提高了叶片Inv、SPS活性，增加了蔗糖和可溶性总糖含量，其中Inv酶活性和可溶性总糖含量明显大于高温处理；在高温或低温条件下，高湿度和低湿度处理间叶片糖代谢差异较小。盛铃期在高湿或低湿条件下，高温或低温都显著提高了叶片Inv和SPS酶活性，蔗糖和可溶性总糖含量大幅度上升，且以高温胁迫效果更为明显；在高温条件下，低湿度胁迫的叶片糖代谢强度明显大于高湿度处理；低温条件下，高、低湿度间无显著性差异。
　　 3个生育期温湿度逆境胁迫后叶片C/N比值增加，盛蕾期增加幅度小，盛铃期大；胁迫时间越长，C/N比值越高。在高湿或低湿条件下，盛蕾和盛花期低温胁迫对C/N比值影响较大；盛铃期以高温胁迫的C/N值更大。相关性分析表明在温湿度胁迫下，盛蕾期、盛花期和盛铃期叶片C/N值与Bt蛋白含量呈负相关关系，相关系数分别为r1=-0.5192，r2=-0.7601*，r3=-0.9158**。
　　 5.不同棉铃大小的种质及其人工调节对棉铃Bt蛋白表达量及氮代谢的影响。
　　 杂交种泗杂3号和岱杂1号在整个棉铃发育时期铃重、铃体积、铃壳体积、铃壳干重和子指都显著高于常规品种泗抗1号和DP410B；与之相反，铃壳和棉籽中Bt蛋白含量表现为常规品种Bt蛋白最高；杂交种最低。相关分析表明铃体积、铃壳体积、铃重与铃壳干重与铃壳Bt蛋白含量呈显著正相关关系，相关系数分别为r1=-0.704*，r2=-0.739*，r3-0.706*，r4-0.675*，子指与棉籽Bt蛋白含量极显著负关系，相关系数为r=-0.869**。人工调节棉铃发育的结果进一步表明，当通过剪叶方法使棉铃变小时，铃壳和棉籽中Bt蛋白含量增加。反之，通过去蕾使棉铃变大时，铃壳和棉子中Bt蛋白含量下降。对大小不同的棉铃的氮代谢研究进一步表明，棉铃变小时氮代谢增强，棉铃变大时氮代谢减弱。以上结果说明了棉铃的大小影响Bt棉棉铃中Bt蛋白的表达。
　　 6.GA3及DPC对棉铃Bt蛋白的表达量和氮代谢的影响。
　　 生长延缓剂DPC能明显提高花后10d和30d(DPA)铃壳和棉籽中Bt蛋白的含量，其中又以10 DPA铃壳和棉籽中Bt蛋白含量增加更为显著；生长促进剂GA3降低10 DPA铃壳和棉籽中Bt含量，但显著提高了30 DPA棉铃Bt蛋白含量。对棉铃氮代谢研究进一步表明，DPC提高了铃壳和棉籽中GS、GPT和GOT酶活性并增加了游离氨基酸、可溶性蛋白和全氮的含量。GA3在10 DPA降低了铃壳、棉籽上述酶活性和物质含量，但30DPA棉铃氮代谢却与之正好相反，氮代谢明显加强。相关分析表明，棉铃中Bt蛋白含量与GS、GPT和GOT酶活性呈极显著正相关关系r1=0.7786**，r2=0.7325**，r3=0.7023**。表明GA3和DPC通过影响棉铃的氮代谢，从而影响Bt蛋白的表达。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：中英文对照词

声明

第一章文献综述

1.1国内外Bt棉研究与发展现状

1.2影响Bt基因在棉花中表达的因素

1.2.1棉花的生长发育对Bt蛋白表达及抗虫性的影响

1.2.2环境因素对Bt蛋白表达及抗虫性的影响

1.2.3植物生长调节物质对Bt蛋白表达及抗虫性的影响

1.2.4外源基因的稳定性与受体遗传背景对Bt蛋白表达及抗虫性的影响

1.2.5次生代谢产物对Bt蛋白表达及抗虫性的影响

1.2.6氮肥及其他因子对Bt蛋白表达及抗虫性的影响

1.3温度、水分和生长调节剂对Bt蛋白表达影响的生理基础

1.3.1温度、水分胁迫对氮代谢的影响

1.3.2温度、水分胁迫对碳代谢及碳、氮平衡的影响

1.3.3植物生长调节物质对氮代谢的影响。

1.4氨基酸代谢及在逆境胁迫中的作用

1.5研究的目的和意义

第二章温湿度胁迫对Bt棉Bt蛋白表达量及胁迫解除后恢复的影响

2.1材料与方法

2.1.1试验设计

2.1.2取样方法及测定内容

2.1.3数据分析

2.2结果与分析

2.2.1温湿度胁迫对Bt棉叶片Bt蛋白含量的影响

2.2.2不同温湿度胁迫持续时间解除后抗虫棉叶片Bt蛋白表达量恢复特征

2.3小结

第三章温湿度胁迫对Bt棉叶片氮代谢的影响

3.1材料与方法

3.1.1试验设计及取样方法

3.1.2测定项目

3.1.3数据分析

3.2结果与分析

3.2.1温湿度胁迫对叶片GPT活性的影响

3.2.2温湿度胁迫对叶片GS活性的影响

3.2.3温湿度胁迫对叶片可溶性蛋白含量的影响

3.2.4温湿度胁迫对叶片游离氨基酸含量的影响

3.2.5温湿度胁迫对叶片蛋白酶活性的影响

3.2.6温湿度胁迫对叶片全氮含量的影响

3.2.7不同生育期温湿度胁迫叶片毒蛋白含量与相关酶活性和氮代谢物质的关系

3.3小结

第四章温湿度胁迫对Bt棉叶片氨基酸组分的影响

4.1材料与方法

4.1.1试验设计

4.1.2取样方法及测定方法

4.1.3数据分析

4.2结果与分析

4.2.1盛蕾期温湿度胁迫对叶片氨基酸组分的影响

4.2.2盛花期温湿度胁迫对对叶片氨基酸组分的影响

4.2.3盛花期Bt蛋白主要氧基酸组分的总含量与Bt蛋白含量的关系

4.2.4盛铃期温湿度胁迫对对叶片氨基酸组分的影响

4.2.5盛铃期Bt蛋白主要氨基酸组分的总含量与Bt蛋白含量的关系

4.3小结

第五章温湿度胁迫对糖代谢的影响及其与Bt蛋白表达的关系

5.1材料与方法

5.1.1试验设计

5.1.2测定项目

5.1.3数据分析

5.2结果与分析

5.2.1温湿度胁迫对叶片蔗糖酶(Inv)活性的影响

5.2.2温湿度胁迫对叶片蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的影响

5.2.3温湿度胁迫对叶片蔗糖含量的影响

5.2.4温湿度胁迫对叶片可溶性总糖含量的影响

5.2.5温湿度胁迫对叶片C／N的影响

5.2.6不同生育期温湿度胁迫下C／N与Bt蛋白表达量的关系

5.3小结

第六章棉铃大小对棉铃Bt蛋白表达量及氮代谢的影响

6.1材料与方法

6.1.1试验设计

6.1.2取样及其测定方法

6.2结果与分析

6.2.1不同Bt基因来源不同类型品种棉铃发育的动态特征

6.2.2剪叶、去蕾处理对不同基因型品种棉铃性状的影响

6.2.3剪叶、去蕾处理对不同基因型品种子指的影响

6.2.4不同Bt基因来源不同类型品种铃壳和棉籽Bt蛋白含量的动态变化特征

6.2.5剪叶、去蕾处理下不同基因型品种铃壳和棉籽Bt蛋白含量的影响

6.2.6 Bt蛋白含量与棉铃性状的关系

6.2.7不同Bt基因来源不同类型品种棉铃氮代谢生理活性

6.2.8剪叶、去蕾处理对不同基因型品种铃壳和棉籽氮代谢的影响

6.2.9 Bt蛋白含量与氮代谢酶和相关物质的关系

6.3结论

第七章GA3及其延缓剂缩节胺对Bt棉棉铃Bt蛋白表达量及氮代谢生理的影响

7.1材料与方法

7.1.1试验设计

7.1.2测定内容和方法

7.2结果与分析

7.2.2 DPC和GA3对棉铃发育的影响

7.2.1 DPC和GA3对棉铃Bt蛋白含量的影响

7.2.3 DPC和GA3对N代谢过程相关物质的影响

7.2.4 DPC和GA3对N代谢过程关键酶活性影响

7.3小结

第八章综合讨论

8.1温湿度胁迫下Bt棉Bt蛋白表达量所受的影响及其生产意义

8.2棉铃大小对Bt棉Bt蛋白表达量的影响及其生产意义

8.3 GA3和DPC对Bt棉Bt蛋白表达量的影响及其生产意义

8.4 Bt棉抗虫性受到温湿度、棉铃大小及生长物质GA3和DPC的影响与氮代谢密切相关

8.4.1 Bt棉抗虫性受到温湿度的影响与氮代谢密切相关

8.4.2 Bt棉抗虫性受到棉铃大小的影响与氮代谢密切相关

8.4.3 Bt棉抗虫性受到生长物质GA3及DPC的影响也与氮代谢密切相关

参考文献

致谢

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