以Bt基因来源于中国的棉花品种泗抗1 号(常规种)、泗抗3 号(杂交种)和来源于美国的棉花品种99B(常规棉)、岱杂1 号(杂交棉)为材料,研究了不同高温水平下Bt 棉盛铃期铃壳中Bt 蛋白含量变化及氮代谢生理特征.结果表明: 铃壳中Bt 蛋白含量随温度升高而降低,与对照相比(32 ℃),常规棉品种在38 ℃、杂交棉品种在40 ℃以上时,铃壳中Bt 蛋白含量大幅度下降.其中,常规种泗抗1号和99B在38 ℃时分别下降53.0%和69.5%;杂交种泗抗3号和岱杂1号在40 ℃时下降64.8%和54.1%.铃壳Bt 杀虫蛋白含量下降显著时,其可溶性蛋白含量明显下降,游离氨基酸含量明显提高,GPT活性显著下降,蛋白酶活性显著增加.高温影响铃壳的氮代谢引起Bt蛋白的分解加剧,合成减弱,从而造成Bt蛋白含量减少,抗虫性下降.
Bt cotton cultivar Sikang 1 (a conventional cultivar) and Sikang 3 (a hybrid cultivar) from China, and 99B (a conventional cultivar) and Daiza 1 (a hybrid cultivar) from USA were selected as experimental materials, the ball wall Bt protein content and nitrogen metabolic physiology were investigated under different high temperature levels at peak boll stage. The results showed that the Bt protein content of boll wall decreased with the increasing temperature. Compared with the control (32 ℃), the boll wall Bt protein content decreased significantly when the temperature was above 38 ℃ for the conventional cultivars and above 40 ℃ for the hybrid cultivars. The Bt protein contents of cultivar Sikang 1 and 99B decreased by 53.0% and 69.5% respectively with the temperature at 38 ℃, and that of cultivar Sikang 3 and Daiza 1 decreased by 64.8% and 54.1% respectively with the temperature at 40 ℃. Greater reductions in the boll wall soluble protein contents and GPT activities, larger increments for the boll wall free amino acid contents and proteinsase activities were also observed when the boll wall Bt protein content was significantly reduced. Therefore, high temperature resulted in the reduction of Bt protein synthesis and increase of the insecticidal protein degradation in the boll wall significantly, which caused the reductions in boll wall Bt protein content and insect resistance.
全 文 :高温胁迫对 Bt棉铃壳中 Bt蛋白含量
及氮代谢的影响∗
王 俊1 Eltayib H.M.A. Abidallah1,2 花明明1 衡 丽1 吕春花1 陈德华1∗∗
( 1扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室,江苏扬州 225009; 2喀土穆大学森林管理系林学院, 苏丹喀土穆 13314)
摘 要 以 Bt基因来源于中国的棉花品种泗抗 1 号(常规种)、泗抗 3 号(杂交种)和来源于
美国的棉花品种 99B(常规棉)、岱杂 1 号(杂交棉)为材料,研究了不同高温水平下 Bt 棉盛铃
期铃壳中 Bt 蛋白含量变化及氮代谢生理特征.结果表明: 铃壳中 Bt 蛋白含量随温度升高而
降低,与对照相比(32 ℃),常规棉品种在 38 ℃、杂交棉品种在 40 ℃以上时,铃壳中 Bt 蛋白含
量大幅度下降.其中,常规种泗抗 1号和 99B在 38 ℃时分别下降 53.0%和 69.5%;杂交种泗抗
3号和岱杂 1号在 40 ℃时下降 64.8%和 54.1%.铃壳 Bt 杀虫蛋白含量下降显著时,其可溶性
蛋白含量明显下降,游离氨基酸含量明显提高,GPT 活性显著下降,蛋白酶活性显著增加.高
温影响铃壳的氮代谢引起 Bt蛋白的分解加剧,合成减弱,从而造成 Bt 蛋白含量减少,抗虫性
下降.
关键词 Bt棉; 高温; Bt蛋白; 氮代谢
文章编号 1001-9332(2015)10-3202-05 中图分类号 S317; X705 文献标识码 A
Effects of high temperature on Bt protein content and nitrogen metabolic physiology in boll
wall of Bt cotton. WANG Jun1, Eltayib H.M.A. Abidallah1,2, HUA Ming⁃ming1, HENG Li1, LYU
Chun⁃hua1, CHEN De⁃hua1 ( 1Jiangsu Province Key Laboratory of Genetics and Physiology, Yang⁃
zhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu, China; 2Faculty of Forestry, Department of Forest
Management, Khartoum University, Khartoum 13314, Sudan) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26
(10): 3202-3206.
Abstract: Bt cotton cultivar Sikang 1 (a conventional cultivar) and Sikang 3 (a hybrid cultivar)
from China, and 99B (a conventional cultivar) and Daiza 1 (a hybrid cultivar) from USA were se⁃
lected as experimental materials, the ball wall Bt protein content and nitrogen metabolic physiology
were investigated under different high temperature levels at peak boll stage. The results showed that
the Bt protein content of boll wall decreased with the increasing temperature. Compared with the
control (32 ℃), the boll wall Bt protein content decreased significantly when the temperature was
above 38 ℃ for the conventional cultivars and above 40 ℃ for the hybrid cultivars. The Bt protein
contents of cultivar Sikang 1 and 99B decreased by 53.0% and 69.5% respectively with the tempe⁃
rature at 38 ℃, and that of cultivar Sikang 3 and Daiza 1 decreased by 64.8% and 54.1% respec⁃
tively with the temperature at 40 ℃ . Greater reductions in the boll wall soluble protein contents and
GPT activities, larger increments for the boll wall free amino acid contents and proteinsase activities
were also observed when the boll wall Bt protein content was significantly reduced. Therefore, high
temperature resulted in the reduction of Bt protein synthesis and increase of the insecticidal protein
degradation in the boll wall significantly, which caused the reductions in boll wall Bt protein content
and insect resistance.
Key words: Bt cotton; high temperature; Bt protein; nitrogen metabolic physiology.
∗国家自然科学基金项目(31171479,31301263,31471435)、高等学校博士学科点专项科研基金博导项目(20113250110001)、江苏省高校优势
学科建设工程项目、江苏省三新工程项目[SXGC(2014)317]、扬州大学科技创新培育基金项目(2012CXJ053,2012CXJ055)和国家产业化体系
棉花岗位专家项目(CARS⁃18⁃18)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: cdh@ yzu.edu.cn
2014⁃12⁃31收稿,2015⁃06⁃04接受.
应 用 生 态 学 报 2015年 10月 第 26卷 第 10期
Chinese Journal of Applied Ecology, Oct. 2015, 26(10): 3202-3206
Bt转基因棉花是针对危害棉花生产的主要害
虫棉铃虫的生物技术产物[1-3],它具有明显的杀虫
效果,能减少农药的使用[4-5],近年来其全球种植面
积不断扩大,目前我国种植面积已占棉花生产面积
的 80%以上[6-8] .但 Bt 棉的抗虫性表现不稳定,温
度、水分等逆境对其抗虫性表达具有较大的影
响[9-11] .王留明等[12]研究指出,土壤干旱和涝渍显
著降低棉株各器官的 Bt 蛋白含量,而且干旱对 Bt
蛋白含量影响更大.周冬生等[13]通过棉铃虫饲喂研
究了温度对 Bt棉的抗虫性影响,指出高低温都影响
Bt棉抗虫性,且低温对抗虫棉抗虫性影响更大.夏兰
芹等[14]发现,高温使 Bt 基因表达沉默的时间提前.
上述结果主要是以叶片为研究对象,由于棉铃虫危
害棉花首选对象为蕾铃等生殖器官,因此生殖器官
的 Bt杀虫蛋白的表达更能反映 Bt棉抗虫性变化.为
此,探讨逆境对 Bt 棉蕾铃抗虫性更为重要.前期研
究表明,盛蕾期 38 ℃以上的高温显著影响蕾的抗虫
性[15] .在此基础上本文进一步研究盛铃期高温对棉
铃抗虫性影响,特别是棉铃虫危害棉铃的第一器官
铃壳的抗虫性影响及相关的生理机制,对于高温逆
境下棉铃虫防治的预警和防治决策具有重要意义.
1 材料与方法
1 1 试验材料与试验设计
试验于 2011—2012 年在扬州大学江苏省遗传
栽培生理重点实验室进行.
试验材料为:Bt基因来源于中国的棉花品种泗
抗 1号(常规种)、泗抗 3 号(杂交种),以及 Bt 基因
来源于美国的棉花品种 99B(常规种)、岱杂 1 号
(杂交种).两年试验均为盆栽棉花.供试土壤为沙壤
土,含有机质 1 9%、水解氮 134 7 mg·kg-1,速效磷
22 5 mg·kg-1,速效钾 81.3 mg·kg-1 .试验所用盆
钵直径 30 cm,高 27 cm,每盆装土 11 kg,将取自大
田的土壤自然风干、过筛去杂后装盆,用水沉实.每
年的 4月 7 日营养钵育苗,5 月 20 日移栽盆中,每
天保持盆中土壤含水量接近田间持水量,定期浇水,
肥料与其他管理措施按照当地高产栽培要求进行.
2011年试验以品种泗抗 1号、泗抗 3号、99B和
岱杂 1号为材料,于盛铃期(7 月 20 日),在人工气
候室设 4个高温处理,分别为 34、36、38、40 ℃,以温
度 32 ℃作为对照.空气湿度均保持在 70%,每品种
每个处理重复 4次.在人工气候箱达到预定温度后,
移入盆栽棉花并开始计时,24 h 的高温逆境胁迫后
取样.2012年试验以品种泗抗 1 号和泗抗 3 号为材
料,设 6 个高温处理,分别为 34、36、38、40、42、44
℃,以 32 ℃作为对照.其他管理措施与 2011年相同.
于 7 月 10 日选取长势一致的棉花植株,标记
1~2果节位当日花,花后 10 d 进行高温处理,胁迫
24 h后,取标记过的铃,液氮速冻后放入-40 ℃超低
温冰箱中保存待测.
1 2 测定项目与方法
1 2 1 Bt 蛋白含量 采用酶联免疫法(ELISA)测
定,试剂盒由中国农业大学提供.测定方法参见文献
[16].
1 2 2氮代谢相关物质和酶活性测定 谷氨酸丙酮
酸转氨酶(GPT)活性采用赖氏比色法测定[17],游离
氨基酸含量应用茚三酮比色法测定[18],可溶性蛋白
含量采用考马斯亮蓝比色法[19] .蛋白酶活性的测定
方法参见文献[19].
1 3 数据处理
采用 Excel 2003软件进行数据处理和作图,采
用 SPSS 13.0软件进行统计分析.采用单因素方差分
析(one⁃way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较
同一品种不同处理间的差异显著性(α = 0.05).图表
中数据为平均值±标准误.
2 结果与分析
2 1 高温对铃壳中 Bt杀虫蛋白含量的影响
由表 1 可见,与对照(32 ℃)相比,4 个不同类
型 Bt棉品种在不同高温胁迫24 h后,铃壳中Bt杀
表 1 不同高温处理下铃壳 Bt杀虫蛋白含量(2011年)
Table 1 Bt protein contents in cotton boll wall under different high temperature treatments in 2011 (ng·g-1 FM)
温度
Temperature (℃)
泗抗 1号
Sikang 1
泗抗 3号
Sikang 3
岱杂 1号
Daiza 1
99B
32 (CK) 324.81±5.46a 328.71±1.04a 364.16±1.95a 345.83±0.64a
34 303.60±2.05ab 315.58±0.51ab 357.53±2.11ab 334.57±1.23ab
36 283.53±0.38b 301.96±1.32bc 348.80±3.60ab 319.94±2.51b
38 152.59±1.97c 281.81±0.83c 334.27±1.16b 191.94±0.96c
40 99.24±0.31d 115.85±0.90d 167.15±0.53c 118.24±0.54d
同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)Different small letters in the same column meant significant difference at 0.05 level.
302310期 王 俊等: 高温胁迫对 Bt棉铃壳中 Bt蛋白含量及氮代谢的影响
虫蛋白含量均随着温度的升高,其下降幅度明显增
大.其中,常规种棉泗抗 1 号和 99B 在 38 ℃下降幅
明显加大,显著减少了 53.0%和 44.5%;杂交种棉泗
抗 3号和 DZ⁃1的 Bt 杀虫蛋白含量在 40 ℃下降幅
明显加大,显著减少了 64.8%和 54.1%.
可以推测,常规种棉棉铃 Bt蛋白含量大幅降解
的高温临界点可能是 38 ℃,而杂交种棉棉铃 Bt 蛋
白含量大幅降解的高温临界点可能是 40 ℃,常规种
的下降速度大于杂交种,这说明杂交种棉 Bt蛋白稳
定性对高温的抗性强于常规种棉.
2012年试验结果(图 1)与 2011 年趋势一致,2
个不同类型 Bt棉品种在不同高温水平下胁迫 24 h
后,铃壳中 Bt杀虫蛋白含量都有明显下降,且随着
温度的升高,下降幅度增大.其中,常规种泗抗 1 号
在 34、36、38、40、42和 44 ℃胁迫 24 h后,Bt杀虫蛋
白的表达量与对照相比分别下降了 3.0%、13.0%、
53.3%、65.5%、66.2%、68.6%,杂交种泗抗 3 号的 Bt
杀虫蛋白表达量与对照相比分别下降了 4. 7%、
8 1%、13.9%、57.8%、61.2%、62.8%.其中,常规棉泗
抗 1号的 Bt 蛋白含量在 38 ℃下降幅明显加大;杂
交棉泗抗 3号的 Bt杀虫蛋白含量在 40 ℃下降幅明
显加大.可见,38 ℃可能是常规种棉棉铃 Bt 蛋白大
幅降解的高温临界点,而 40 ℃可能是杂交种棉棉铃
Bt蛋白大幅降解的高温临界点.常规种棉在 38 ℃以
上、杂交种棉在 40 ℃以上时,Bt 蛋白含量下降缓慢
可能与相关合成或降解酶活性相应地降低或上升缓
慢有关.
2 2 高温对铃壳中游离氨基酸含量的影响
由图 1可见,在不同高温胁迫 24 h 后,泗抗 1
号和泗抗 3号铃壳中游离氨基酸含量比对照均有所
增加,且随着温度的升高,增加幅度增大.常规种泗
抗 1号在 38 ℃时铃壳中游离氨基酸含量上升速度
明显加快,比 36 ℃显著上升 120.2%;杂交种泗抗 3
号在 40 ℃时铃壳中游离氨基酸含量上升速度明显
加快,比 38 ℃显著上升 121.1%.说明常规种游离氨
基酸含量在 38 ℃及以上下降较快,杂交种在 40℃
及以上下降较快.
2 3 高温对铃壳中可溶性蛋白含量的影响
由图 1可见,在不同高温胁迫 24 h 后,泗抗 1
号和泗抗 3号铃壳中可溶性蛋白含量比对照均有所
降低,随着温度的升高,降低幅度增大.常规种泗抗 1
号在 38 ℃时铃壳中可溶性蛋白含量下降速度明显
加快,比 36 ℃显著降低 44.4%;杂交种泗抗 3 号在
40 ℃时铃壳中可溶性蛋白含量降低速度明显加快,
图 1 不同高温处理下铃壳 Bt杀虫蛋白含量、游离氨基酸含
量、可溶性蛋白含量、GPT活性和蛋白酶活性(2012)
Fig.1 Bt protein contents, free amino acid content, soluble
protein contents, GPT activity and protease activity in cotton boll
wall under different high temperature treatments in 2012.
SK⁃1: 泗抗 1号 Sikang 1; SK⁃3:泗抗 3号 Sikang 3. 不同字母表示同
一品种不同温度处理间差异显著(P < 0. 05) Different small letters
meant significant difference among different temperature treatments in the
same cultivar at 0.05 level.
比 38 ℃显著降低 44.9%.说明常规种可溶性蛋白含量
在>38 ℃时下降较快,杂交种在>40 ℃时下降较快.
2 4 高温对铃壳中谷氨酸丙酮酸转氨酶(GPT)活
性的影响
与对照相比,2个不同类型的 Bt 棉品种不同高
4023 应 用 生 态 学 报 26卷
温胁迫 24 h后铃壳中 GPT活性都明显下降,且随着
温度升高,下降幅度增大,其变化趋势与可溶性蛋白
含量相似.常规种棉在 38 ℃及以上,铃壳中 GPT 活
性显著低于 32、34、36 ℃3个处理;杂交种棉在40 ℃
及以上,铃壳中的 GPT 活性显著低于 32、34、36、
38 ℃ 4个处理.
常规种棉在高温条件下 GPT 活性下降幅度较
大,其中,常规种棉泗抗 1 号在 34、36、38、40、42、
44 ℃高温胁迫 24 h 后,铃壳中 GPT 活性与对照相
比分别下降了 11.3%、15.5%、37.6%、45.0%、45.7%、
55 9%;杂交种棉泗抗 3 号的 GPT 活性则与相应对
照相比分别下降了 5. 8%、9. 2%、11. 1%、41. 6%、
43 1%、50.7%.杂交种棉泗抗 3 号活性始终高于常
规种棉泗抗 1号(图 1).
2 5 高温对铃壳中蛋白酶活性的影响
与对照相比,2个不同类型的 Bt 棉品种在不同
高温胁迫 24 h后铃壳中蛋白酶活性明显上升,且随
着温度升高,上升幅度增大.常规种棉在 38 ℃及以
上时,铃壳中的蛋白酶活性增加速度明显加快,且温
度越高,增长幅度越大;杂交种棉在 40 ℃及以上时,
铃壳中的蛋白酶活性增加速度明显加快,且温度越
高,增长幅度越大.
常规种棉泗抗 1 号在 34、36、38、40、42、44 ℃高
温胁迫 24 h 后,铃壳中蛋白酶活性与对照(3. 55
mg pro·g-1 FM·h-1)相比分别上升了 6.5%、14.5%、
63.2%、75.4%、89 8%、104.4%;杂交种棉泗抗 3 号的
蛋白酶活性则与对照(4.10 mg pro·g-1FM·h-1)相
比分别上升了 5.8%、10.3%、18.5%、58.1%、77 4%、
89 3%(图 1).
3 讨 论
高温胁迫会引起 Bt棉 Bt蛋白含量下降.周冬生
等[20]通过棉铃虫饲喂发现高温条件下 Bt 棉抗虫性
下降.本研究中,通过不同高温水平下胁迫棉株 24 h
生殖器官 Bt蛋白含量的影响研究发现:不同高温水
平下,不同来源 Bt基因不同类型品种生殖器官中杀
虫蛋白含量在盛铃期呈明显下降趋势,且随着温度
升高,下降幅度越大.常规种棉棉铃中杀虫蛋白含量
在 38 ℃以上时,温度越高,影响越大;杂交种棉棉铃
中杀虫蛋白含量在 40 ℃以上高温处理下显著低于
其他温度处理.由此推测,38~40 ℃可能是棉铃在高
温胁迫下 Bt 杀虫蛋白含量下降的临界点.因此,在
Bt棉生产上,特别要注意在棉花铃期可能出现的 38
℃以上的高温天气,这会引起生殖器官抗虫性的大
幅度下降,从而引起棉铃虫危害程度的加大,对棉花
生产造成损失.
高温对 Bt 棉抗虫性下降机理,目前有几种推
断:一种推断认为,在不良逆境下,Bt 基因的启动子
甲基化失活,使得 Bt 基因表达关闭[21]; 第二种推
断,Bt蛋白在不良环境下可能与棉株体内产生的单
宁等物质结合而失活[22-23];第三种推断认为,在不
良逆境下,蛋白质合成下降,从而 Bt 蛋白含量也下
降[24-25] .本研究发现,高温引起可溶性蛋白含量、
GPT活性大幅下降,游离氨基酸含量和蛋白酶活性
大幅增加,下降趋势与 Bt杀虫蛋白含量下降基本一
致;相关分析表明,高温条件下,铃壳中可溶性蛋白
含量、谷氨酸丙酮酸转氨酶(GPT)与杀虫蛋白含量
呈显著正相关,游离氨基酸含量、蛋白酶活性与杀虫
蛋白含量呈显著负相关.说明高温条件下,促进蛋白
酶活性的增强,可能加快蛋白质的分解,导致游离氨
基酸的积累,不利于 Bt 蛋白的稳定表达,导致抗虫
性下降.4 个类型棉花品种的杀虫蛋白含量下降趋
势有一定的差异,岱杂 1 号的抗虫性受高温影响小
于泗抗 3号、泗抗 1号和 99B,杂交种棉小于常规种
棉.这可能是由于不同品种抗逆性不同引起的.
综上所述,转 Bt基因抗虫棉在盛铃期受到高温
胁迫后引起铃壳氮代谢生理活性变化,导致 Bt蛋白
分解,从而引起杀虫蛋白含量下降.棉花的盛铃阶段
既是产量品质形成关键时期,又经常遇到 38 ℃及以
上的高温天气.因此,在栽培上应通过选择对高温逆
境适应能力强的 Bt 棉品种,同时通过氮肥、喷施具
有抗逆作用的调节剂[26-28]等方式保持 Bt 蛋白的稳
定、高效表达,提高 Bt棉的抗虫性,减少高温逆境对
转 Bt 基因棉的伤害,为转 Bt 基因棉的优质高产栽
培提供有效保证.
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作者简介 王 俊,男,1991年生,硕士研究生. 主要从事棉
花栽培生理相关研究. E⁃mail: 505417379@ qq.com
责任编辑 孙 菊
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