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Effects of high temperature on Bt proteins expression and nitrogen metabolic physiology in square of Bt cotton at the peak squaring stage.

高温对Bt棉盛蕾期蕾中Bt蛋白表达及氮代谢生理的影响


以来源于中国的Bt棉品种泗抗1号(常规种)、泗抗3号(杂交种)和来源于美国的Bt棉品种99B(常规种)、岱杂1号(杂交种)为材料,研究了不同高温对Bt棉盛蕾期蕾中Bt蛋白表达量变化及氮代谢生理特征的影响.结果表明: 与对照(32 ℃)相比,在38 ℃以上高温时,4个品种棉蕾中Bt蛋白表达量均显著下降,且随温度升高,Bt蛋白含量下降幅度增大.杂交种棉蕾中Bt蛋白表达量要高于常规种,且受高温影响较小.Bt杀虫蛋白表达量下降幅度大的品种,其可溶性蛋白含量、谷氨酸丙酮酸转氨酶(GPT)活性、谷氨酸草酰乙酸转氨酶(GOT)活性下降幅度也大,游离氨基酸含量、蛋白酶活性、肽酶活性增加幅度较大.

Taking Bt cotton Sikang 1 (a conventional cultivar), Sikang 3 (a hybrid cultivar) from China and 99B (a conventional cultivar), Daiza 1 (a hybrid cultivar) from USA as test materials, the effects of different high temperatures on the square Bt proteins expression and nitrogen metabolic physiology were investigated. The results showed that the square Bt protein contents of the four cultivars decreased significantly above 38 ℃ compared with that at 32 ℃. The higher the temperature was above 38 ℃, the greater the reduction extent of the Bt protein content was. The square Bt protein contents of the hybrid cultivars were higher than that of the conventional cultivars, and were less reduced under the high temperature stress. The cultivars with bigger reductions in Bt protein content also showed greater reductions in the square soluble protein contents, pyruvic transaminase activities and glutamic oxaloacetic transaminase activities, while larger increments were detected for the square free amino acid contents, proteinsase activities and peptidase activities.


全 文 :高温对 Bt棉盛蕾期蕾中 Bt蛋白表达
及氮代谢生理的影响*
陈摇 源1 摇 韩摇 勇1 摇 王摇 俊1 摇 花明明1 摇 顾摇 超1 摇 李国生2 摇 张摇 祥1 摇 陈德华1**
( 1扬州大学江苏省作物遗传生理国家重点实验室, 江苏扬州 225009; 2扬州大学实验农牧场, 江苏扬州 225009)
摘摇 要摇 以来源于中国的 Bt棉品种泗抗 1 号(常规种)、泗抗 3 号(杂交种)和来源于美国的
Bt棉品种 99B(常规种)、岱杂 1 号(杂交种)为材料,研究了不同高温对 Bt 棉盛蕾期蕾中 Bt
蛋白表达量变化及氮代谢生理特征的影响.结果表明: 与对照(32 益)相比,在 38 益以上高温
时,4 个品种棉蕾中 Bt蛋白表达量均显著下降,且随温度升高,Bt 蛋白含量下降幅度增大.杂
交种棉蕾中 Bt蛋白表达量要高于常规种,且受高温影响较小. Bt杀虫蛋白表达量下降幅度大
的品种,其可溶性蛋白含量、谷氨酸丙酮酸转氨酶(GPT)活性、谷氨酸草酰乙酸转氨酶(GOT)
活性下降幅度也大,游离氨基酸含量、蛋白酶活性、肽酶活性增加幅度较大.
关键词摇 Bt棉摇 高温摇 Bt蛋白摇 氮代谢生理
文章编号摇 1001-9332(2014)09-2623-06摇 中图分类号摇 S152. 7, S512. 1摇 文献标识码摇 A
Effects of high temperature on Bt proteins expression and nitrogen metabolic physiology in
square of Bt cotton at the peak squaring stage. CHEN Yuan1, HAN Yong1, WANG Jun1, HUA
Ming鄄ming1, GU Chao1, LI Guo鄄sheng2, ZHANG Xiang1, CHEN De鄄hua1 ( 1 Key Laboratory of
Crop Genetics and Physiology of Jiangsu Province, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiang鄄
su, China; 2Experiment Farm, Yangzhou University,Yangzhou 225009, Jiangsu, China) . 鄄Chin. J.
Appl. Ecol. , 2014, 25(9): 2623-2628.
Abstract: Taking Bt cotton Sikang 1 (a conventional cultivar), Sikang 3 (a hybrid cultivar) from
China and 99B (a conventional cultivar), Daiza 1 (a hybrid cultivar) from USA as test materials,
the effects of different high temperatures on the square Bt proteins expression and nitrogen metabolic
physiology were investigated. The results showed that the square Bt protein contents of the four cul鄄
tivars decreased significantly above 38 益 compared with that at 32 益 . The higher the temperature
was above 38 益, the greater the reduction extent of the Bt protein content was. The square Bt pro鄄
tein contents of the hybrid cultivars were higher than that of the conventional cultivars, and were
less reduced under the high temperature stress. The cultivars with bigger reductions in Bt protein
content also showed greater reductions in the square soluble protein contents, pyruvic transaminase
activities and glutamic oxaloacetic transaminase activities, while larger increments were detected for
the square free amino acid contents, proteinsase activities and peptidase activities.
Key words: Bt cotton; high temperature; Bt protein; nitrogen metabolic physiology.
*国家自然科学基金项目(31171479,31301263)、高等学校博士学科
点科研基金专项(20113250110001)、江苏省高校优势学科建设工程
项目、江苏省重点实验室重大项目(10KJA210057)和扬州大学科技
创新培育基金项目(2012CXJ053,2012CXJ055)资助.
**通讯作者. E鄄mail: cdh@ yzu. edu. cn
2013鄄12鄄12 收稿,2014鄄06鄄12 接受.
摇 摇 棉铃虫是危害世界棉花生产的重要农业害
虫[1-3] . Bt棉对它具有明显的抗虫性,可减少农药的
使用[4-7],因此种植面积不断扩大. 我国自 1997 年
在生产上大面积推广应用 Bt转基因抗虫棉以来,目
前 Bt 棉种植面积已占我国植棉面积的 80% 以
上[8-10] .但截至目前,国内外一致认为 Bt 棉的抗虫
性表现不稳定,温度、湿度等环境因素的变化对其抗
虫性表达具有较大的影响[11-15] . 如夏兰芹等[16]发
现,高温促使 Bt 蛋白表达降低的时间提前. 本课题
组前期研究表明,在结铃盛期 37 益的高温胁迫使棉
花叶片中 Bt 杀虫蛋白含量和抗虫性明显下降[17] .
进一步研究表明,随着温度的升高,铃壳中的 Bt 蛋
白含量下降幅度更大[18] . 在盛蕾期,长江流域棉区
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 9 月摇 第 25 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2014, 25(9): 2623-2628
二代棉铃虫大量发生,严重危害棉蕾.而盛蕾期蕾中
Bt蛋白的表达量对其抗虫性及开花成铃的影响很
大,直接影响到优质铃的数量.但高温对该期花蕾中
Bt蛋白含量及其氮代谢生理的影响如何? 目前还
未见报道.因此,本文拟通过人工模拟棉花生育过程
中可能出现的不同高温逆境条件,探讨高温对 Bt棉
蕾中 Bt蛋白表达量及其相关氮代谢生理的影响,以
期为我国 Bt棉在全球气候变暖条件下的抗虫性安
全应用,特别是棉铃虫防治的预警决策方面提供生
理生态理论基础.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 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),分别以 SK鄄1 和 SK鄄3 表示;Bt 基因来源
于美国的棉花品种 99B(常规种)、岱杂 1 号(杂交
种),分别以 99B 和 DZ鄄1 表示. 两年试验均为盆栽
棉花.供试土壤为沙壤土,含有机质 18. 8 g·kg-1、
水解氮 134. 7 mg·kg-1,速效磷 22. 5 mg·kg-1,速
效钾 81郾 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. 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 年试验选 SK鄄1、SK鄄3、99B 和 DZ鄄1 4 个品
种,在盛蕾期(6 月 20 日),应用人工气候室设 4 个
高温梯度(34、36、38、40 益),空气湿度均设置为
70% ,选取长势相近的棉花植株,每个品种选 20 株,
每个温度下培养 4 株;另取 4 株置于温度为 32 益、
空气湿度为 70%的人工气候箱中作为对照.在人工
气候箱达到预定温度后,移入盆栽棉花并开始计时,
进行 24 h的高温逆境胁迫后取样,同时对照也进行
取样. 2012 年试验选 SK鄄1 和 SK鄄3 2 个品种,设计 6
个高温梯度(34、36、38、40、42、44 益).
1郾 2摇 取样方法
于 6 月 15 日选取长势相近的棉花植株,标记中
部果枝 1 ~ 2 果节位当日蕾,现蕾后 15 d 进行相应
的高温胁迫处理,24 h 的高温逆境胁迫结束后,取
事先标记过的蕾,液氮速冻后放入超低温冰箱中保
存待测.
1郾 3摇 测定项目与方法
1郾 3郾 1 Bt 蛋白含量摇 称取一定量的蕾鲜样(以下项
目取样相同),经提取液研磨提取一段时间后,离
心,取上清液备用. 用酶联免疫法(ELISA)进行测
定,试剂盒由中国农业大学提供.测定方法参见文献
[19].
1郾 3郾 2 氮代谢相关物质和酶活性测定 谷氨酸丙酮酸
转氨酶(GPT)和谷氨酸草酰乙酸转氨酶(GOT)活性
采用赖氏比色法测定[20] .游离氨基酸含量采用茚三
酮比色法测定[21] . 棉蕾蛋白酶、肽酶活性和可溶性
蛋白含量测定方法参见文献[20].
1郾 4摇 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鄄way ANOVA)和最小显著差异法( LSD,
琢=0. 05)比较同一品种不同处理间的差异显著性.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 高温对棉蕾中 Bt杀虫蛋白含量的影响
由表 1 可知,与对照(32 益)相比,2011 年 4 个
Bt棉品种在不同高温胁迫 24 h 后,棉蕾中 Bt 杀虫
蛋白含量均下降,并且随着温度的升高下降幅度增
大.品种间则表现为常规种的下降速度稍大于杂交
种,SK鄄1 在 34、36、38 和 40 益胁迫 24 h 后,Bt 杀虫
蛋白的表达量比对照分别下降了 3. 8% 、8. 2% 、
35郾 4%和 47. 2% ;SK鄄3 的 Bt 杀虫蛋白表达量比对
照分别下降了 1. 7% 、4. 5% 、34郾 2%和 42. 7% ,说明
杂交种对高温具有较强的抗性.不同 Bt基因来源品
种间,DZ鄄1 和 99B 的 Bt 蛋白表达量明显高于 SK鄄1
和 SK鄄3,而且下降幅度较小.
不同温度处理间,38 益高温胁迫下蕾中 Bt 杀
虫蛋白表达量极显著低于 32、34、36 益时的表达量,
而 32、34、36 益温度梯度相邻处理间没有显著差异.
由此推测,棉蕾 Bt杀虫蛋白高温临界点可能出现在
表 1摇 2011 年不同高温下棉蕾中 Bt杀虫蛋白含量
Table 1摇 Bt protein contents in cotton square under diffe鄄
rent high temperatures in 2011
温度
Temperature
(益)
Bt杀虫蛋白含量
Bt protein contents (ng·g-1 FM)
SK鄄1 SK鄄3 DZ鄄1 99B
32 508. 7a 505. 3a 607. 2a 589. 8a
34 489. 1ab 496. 6ab 602. 5a 580. 8a
36 466. 9b 482. 5b 594. 3a 574. 3a
38 328. 8c 332. 4c 434. 5b 414. 3b
40 268. 7d 289. 3d 383. 0c 356. 4c
同列不同字母表示差异显著(P<0. 05) Different small letters within
the same column meant significant difference at 0. 05 level.
4262 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
36 益或 38 益 .
摇 摇 2012 年试验结果(图 1)与 2011 年趋势一致,2
个不同类型国产 Bt 棉品种在 6 个不同高温水平下
胁迫 24 h后,蕾中 Bt杀虫蛋白含量均下降,并且随
着温度的升高下降幅度增大.其中 32、34、36 益处理
间杀虫蛋白含量差异不显著,而温度达到 38 益后,
Bt杀虫蛋白含量开始明显下降,进一步表明 38 益
可能是棉蕾杀虫蛋白含量大幅下降的高温临界点.
2郾 2摇 高温对棉蕾中游离氨基酸含量的影响
在不同高温胁迫 24 h 后,SK鄄1 和 SK鄄3 棉蕾中
游离氨基酸含量比各自对照均有所增加,且随着温
度的升高增加幅度增大.但 SK鄄1 在 34 和 36 益温度
下游离氨基酸含量差异均未达到显著水平,当温度
上升至 38 益时才显著增加;SK鄄3 也表现出相同的
趋势.可见,无论是常规种还是杂交种,温度在逸38
益时均会造成棉蕾中游离氨基酸含量的快速增加
(图 2).
不同品种间表现为:SK鄄1 在高温条件下游离氨
基酸含量上升幅度较大,在 34 ~ 44 益胁迫 24 h 后,
分别比相应对照增加了 5. 6% 、10. 7% 、73. 0% 、
80郾 8% 、91. 7% 、101. 5% ;SK鄄3 则分别比对照增加
3郾 5% 、8. 8% 、64. 7% 、70. 9% 、74. 5% 、81. 2% .杂交
种 SK鄄3 游离氨基酸含量始终高于常规种 SK鄄1.
2郾 3摇 高温对棉蕾中可溶性蛋白含量的影响
与对照相比,2 个不同类型 Bt 棉品种在 6 个高
温水平下胁迫 24 h后,棉蕾中可溶性蛋白含量都明
显下降,且随着温度的升高下降幅度增大. 但 SK鄄1
在 32、34 和 36 益温度下可溶性蛋白含量差异均未
达到显著水平,当温度上升至 38 益时,才显著下降;
图 1摇 不同高温下棉蕾中 Bt杀虫蛋白含量(2012)
Fig. 1摇 Bt protein contents in cotton square under different high
temperatures in 2012.
不同字母表示同一品种不同温度处理间差异显著(P<0. 05) Differ鄄
ent small letters meant significant difference among temperatures for the
same cultivar at 0. 05 level. 下同 The same below.
SK鄄3 表现出相同的趋势. 可见,无论是常规种还是
杂交种,温度在逸38 益时会造成棉蕾中可溶性蛋白
含量的显著下降.
不同品种间表现为:常规种在高温条件下可溶
性蛋白含量下降幅度较大,其中 SK鄄1 在 34、36、38、
40、42、44 益胁迫 24 h后,可溶性蛋白含量比对照分
别下降了 4. 6% 、6. 8% 、31. 8% 、32郾 9% 、36. 0% 、
39. 8% ;杂交种 SK鄄3 的可溶性蛋白含量比对照分别
下降了 1. 0% 、 2. 1% 、 20. 1% 、 22. 1% 、 23郾 0% 、
25郾 2% . SK鄄3 含量始终高于 SK鄄1(图 2).
2郾 4摇 高温对棉蕾中 GPT和 GOT活性的影响
由图 3 可知,与对照相比,2 个不同类型国产 Bt
棉品种在 6 个高温水平下胁迫 24 h 后棉蕾中 GPT、
GOT活性均明显下降,且随着温度的升高下降幅度
增大,其变化趋势与可溶性蛋白含量相似.进一步分
析发现,在 38 益时 GPT、GOT 活性开始显著低于
32、34、36 益3 个处理.
2郾 5摇 高温对棉蕾中蛋白酶和肽酶活性的影响
由图 4 可知,与对照相比,SK鄄1 和 SK鄄3 在 6 个
高温水平下胁迫 24 h后,棉蕾中蛋白酶活性和肽酶
活性都明显上升,且随着温度水平的升高上升幅度
增大.尤其在 38 益时,无论是常规种还是杂交种,棉
蕾中两种酶活性上升速度明显加快,且与 32、34、36
益时差异达显著水平.说明温度在 38 益以上时会造
成棉蕾中蛋白酶活性的快速上升.品种间则表现为
图 2摇 高温对棉蕾中游离氨基酸和可溶性蛋白含量的影响
(2012)
Fig. 2摇 Effects of high temperatures on free amino acids and sol鄄
uble protein contents in cotton squares in 2012.
52629 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈摇 源等: 高温对 Bt棉盛蕾期蕾中 Bt蛋白表达及氮代谢生理的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 高温对棉蕾中 GPT和 GOT活性的影响(2012)
Fig. 3摇 Effects of high temperatures on GPT and GOT activities
in cotton squares in 2012.
图 4摇 高温对棉蕾中蛋白酶和肽酶活性的影响(2012)
Fig. 4摇 Effects of high temperatures on protease and peptidase
activities in cotton squares in 2012.
常规种的上升速度大于杂交种.
2郾 6摇 棉蕾中生理指标与 Bt杀虫蛋白含量相关关系
相关分析(表 2)表明,棉蕾中游离氨基酸含量、
蛋白酶活性和肽酶活性与 Bt 杀虫蛋白含量存在极
显著的负相关关系,而可溶性蛋白含量、GPT 和
GOT活性与杀虫蛋白含量存在极显著的正相关
关系.
表 2摇 棉蕾中各生理指标与 Bt杀虫蛋白含量的相关系数
Table 2 摇 Correlation coefficients of physiological indexes
and Bt protein contents in cotton squares
游离
氨基酸
Free
amino
acids
content
可溶性
蛋白含量
Soluble
protein
content
GPT活性
GPT
activity
GOT活性
GOT
activity
蛋白酶
活性
Protease
activity
肽酶
活性
Peptidase
activity
Bt蛋白含量
Bt protein
content
-0. 774**0. 929** 0. 856** 0. 762** -0. 741**-0. 734**
** P<0. 01.
3摇 讨摇 摇 论
前人研究表明,高温下 Bt 棉叶片中 Bt 蛋白表
达量下降,从而引起抗虫性的降低[22] . 本研究进一
步表明,高温可导致棉蕾中 Bt杀虫蛋白表达量的下
调,这与前人研究结果一致. 说明在 Bt 棉生长发育
过程中高温是引起其抗虫性降低的重要原因.此外,
初步明确了 38 益是引起棉蕾中 Bt杀虫蛋白下降的
临界温度.这与陈德华等[17]认为 37 益是 Bt 棉叶片
杀虫蛋白表达量下降的临界温度略有不同. 这可能
是由于棉蕾对高温适应程度高于叶片所致,但其机
理还有待进一步研究.
关于高温对 Bt 棉抗虫性下降的机理国内外学
者有几种推断: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 Bt 基因表达关闭[23];第
二种推断认为,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[24-26];第三种推断
认为,在不良逆境下蛋白质合成下降,从而使 Bt 蛋
白表达量下降[27-29] . 本研究发现,高温主要引起了
Bt棉棉蕾中可溶性蛋白含量、GPT、GOT活性大幅下
降,且它们与 Bt杀虫蛋白含量均呈极显著正相关关
系,而游离氨基酸含量、蛋白酶活性、肽酶活性大幅
增加,且它们与 Bt 蛋白含量均呈极显著负相关关
系.其中,可溶性蛋白含量、GPT 活性、GOT 活性越
高,蛋白质的合成越强;而游离氨基酸含量、蛋白酶
活性、肽酶活性越大,则蛋白质的分解越强[28] .说明
高温是通过降低蛋白质合成和加快蛋白质分解两方
面共同作用,从而引起 Bt 杀虫蛋白表达量下降. 但
本试验仅从棉花生理角度解释了高温引起 Bt 棉棉
蕾中 Bt杀虫蛋白表达下降的机理,并未从分子生物
学角度进行深入分析.此方面还有待进一步研究.
此外,4 个不同类型棉花品种杀虫蛋白含量下
降趋势有一定的差异,岱杂 1 号和 99B 的抗虫性受
高温影响小于泗抗 3 号和泗抗 1 号,杂交种小于常
规种.这可能是由于不同品种的抗逆性不同引起的.
6262 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
综上所述,转 Bt基因抗虫棉在盛蕾期受到高温
胁迫后杀虫蛋白含量和氮代谢生理活性均会受到影
响,而这一阶段是棉花生长发育的关键时期,而且经
常会遇到 38 益以上的高温天气,因此,在栽培上可
以选用抗虫效果较好的杂交种作为主要种植对象,
提高 Bt棉的抗虫性能.此外,还可以通过合理施肥、
喷施化学调节剂等方式实现 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 摇 陈 摇 源,男,1973 年生,博士,副教授. 主要从事
棉花栽培与生理生态研究. E鄄mail: nxx@ yzu. edu. cn
责任编辑摇 张凤丽
8262 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷