转Bt基因水稻氮素利用特征及其抗性表达研究

发布时间：2018-03-22 03:36

本文选题：Bt水稻　切入点：产量　出处：《华中农业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近几十年转Bt(Bacillus Thuringiensis)基因作物,主要是Bt棉花和Bt玉米,由于其在抗靶标害虫性状上的明显优势在全球范围内得以广泛推广与应用,带来了巨大的经济和环境效应。近些年科学家开始研究和培育转Bt基因水稻,不少转Bt基因水稻品系被成功转化和培育出来,其中转Cry1C*、Cry2A*和Cry1Ab/Ac基因的水稻新品系被作为重要的育种和推广应用的候选品系。然而不少研究发现一些转Bt基因作物相比授体亲本出现了农艺性状和生理特征的变化,这些变化往往导致转Bt基因作物产量的降低,目前转Bt基因作物发生这些变化的原因并不完全清楚。转Bt基因作物中Bt蛋白的合成是一个需要氮(N)素参与的新的代谢过程,因此,转入Bt基因后作物的N素利用与代谢是否会受到影响成为科学家们关注的一个重点。另外,N素会影响Bt蛋白的表达,所以对于在不同N素营养条件下转Bt基因作物中Bt蛋白表达变化的研究也非常必要。同时,对于转Bt基因水稻新品系大田抗性持续性和稳定性的考察也是评价转基因新品系的重要方面。本研究通过设置不同N素营养条件(N肥水平、N肥比例和N肥种类)和不同虫害防治模式(防治害虫和不防治害虫)处理,对转Cry1C*、Cry2A*或Cry1Ab/Ac Bt基因的水稻新品系的产量及农艺性状表现、N素利用与代谢特征、Bt蛋白表达规律和大田抗性表现进行了研究,并分析了转Bt基因的水稻新品系产量变化的原因。主要的研究结果如下:(1)MH63(Cry1C*)在不同N素营养条件下产量相比对照MH63要低出16.9%-31.0%。从产量构成来看,MH63(Cry1C*)产量降低的主要原因是结实率降低了;MH63(Cry2A*)仅在不施N肥和N肥前施条件下产量相比对照MH63要低出12.3%-26.0%,从产量构成来看,MH63(Cry2A*)产量降低的主要原因也是结实率降低了。进一步研究发现MH63(Cry2A*)在不施N肥和N肥前施条件下相比对照MH63生育后期发生了叶片早衰的现象,这可能是其结实率降低的重要原因;三个转Bt基因品系在不同施N比例和施N种类条件下相比对照MH63普遍存在产量下降的现象;常规施N条件下转Bt基因水稻品系主要“源”性状和稻米品质与对照无显著差异。(2)三个转Bt基因水稻品系N素吸收积累总量与对照MH63无显著差异,但是MH63(Cry1C*)的N肥偏生产力(PFPN)和N肥内部利用率(IEN)均要低于对照品系MH63,MH63(Cry2A*)在不施N肥条件下N肥内部利用率(IEN)也显著低于对照MH63;MH63(Cry2A*)在不施N肥和N肥前施条件下灌浆期叶片N素代谢特征相比对照MH63发生了一些变化,主要表现为可溶性蛋白含量降低。(3)三个转Bt基因水稻品系叶片中Bt蛋白表达量基本随N肥施用水平的增加而提高。三个转Bt基因品系对不同施N种类响应不一,MH63(Cry1C*)和MH63(Cry1Ab/Ac)在施用硝氨平衡N源N肥(NH4NO3)条件下Bt蛋白表达量最高,而MH63(Cry2A*)在施用氨态N源N肥((NH4)2SO4)条件下Bt蛋白表达量最高。MH63(Cry2A*)和MH63(Cry1Ab/Ac)叶片中Bt蛋白表达量要分别高出MH63(Cry1C*)Bt蛋白表达量10倍和8倍左右。三个转Bt基因品系Bt蛋白表达量随生育期先逐渐增高,后随植株衰老而逐渐降低,其中MH63(Cry2A*)生育后期Bt蛋白表达量下降的程度要低于MH63(Cry1Ab/Ac)和MH63(Cry1C*)。完全展开的绿色成熟叶片中Bt蛋白表达量要高于衰老叶片和幼嫩叶片中Bt蛋白表达量。(4)转Cry1C*、Cry2A*或Cry1Ab/Ac基因的MH63和杂交稻品系在不防治靶标害虫的条件下相对于其非转基因对照品系产量要高出9.1%-38.0%。转Bt基因水稻品系产量优势的变化也受到品系自身的产量潜力和靶标害虫发生程度的影响。所有转Cry1C*、Cry2A*或Cry1Ab/Ac基因的品系在大田条件下均表现出对靶标害虫高于90%的抗性。MH63(Cry2A*)在只防治靶标害虫条件下相比对照MH63产量降低,可能是由于MH63(Cry2A*)田间非靶标害虫侵害加重。转入Cry1Ab/Ac基因后,不同遗传背景的常规稻和杂交稻品系没有发生农艺性状的变化,且获得了一致的和稳定的高抗性。(5)MH63(Cry1C*)和低N肥条件下MH63(Cry2A*)产量降低的直接原因均为结实率降低。MH63(Cry1C*)结实率降低的主要生理原因是物质向穗部的转移效率降低,具体表现为降低的干物质向穗部转移效率(RDM)和非结构性碳水化合物向穗部表观转移效率(ARNSC)以及减少的穗颈小维管束数目(SVB)。MH63(Cry2A*)在低N肥条件下结实率降低的主要原因则是生育后期叶片发生了早衰现象,但这种现象可通过增加施N量而消除。作为Bt蛋白含量(BTC)的表示方法之一,Bt蛋白/总蛋白(BTC/SPC)对于N肥的响应更为敏感。在低N肥条件下,生育后期MH63(Cry2A*)叶片中BTC/SPC值较高,可达到4.3‰,且与MH63(Cry2A*)的叶片衰老指标表现出相关关系。转Cry1C*、Cry2A*或Cry1Ab/Ac Bt基因水稻品系均获得了稳定的高抗性,在不防治靶标害虫的情况下具有明显的产量优势。然而,MH63(Cry1C*)和MH63(Cry2A*)出现了结实率降低的变化,MH63(Cry1C*)结实率降低的主要原因为变弱的“流”性状,而MH63(Cry2A*)结实率降低的主要原因为提前衰老的“源”性状,并且MH63(Cry2A*)这种变化可通过增施N来消除。由于MH63(Cry1C*)和MH63(Cry2A*)的产量对于N肥响应与对照不一致,MH63(Cry1C*)和MH63(Cry2A*)的N肥利用率(NUE)也发生了变化。同时也发现MH63(Cry2A*)出现了一些N素代谢特征上的变化。三个转Bt基因水稻品系Bt蛋白表达量存在品系间和时空上的差异,同时也受到植株N素营养状况的显著影响。BTC/SPC可作为反映不同N素营养条件下植株Bt蛋白表达情况的重要指标。通过育种方法和N素养分管理措施的调整,提高转Bt基因水稻品系的产量和NUE,并使转Bt基因水稻品系Bt蛋白适时和适量表达,才能充分发挥转Bt基因水稻品系的产量和抗性潜力。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S511

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