土壤水分亏缺对Bt棉铃壳杀虫蛋白表达的影响

【目的】研究土壤水分亏缺对Bt棉杀虫蛋白含量及Bt基因表达、氮代谢酶活性的影响,为Bt棉抗虫性安全表达提供理论参考。【方法】2014—2015年以Bt棉常规品种泗抗1号、杂交种泗抗3号为材料,采用盆栽法,2014年设置5个土壤水分处理:G1、G2、G3、G4和CK,其土壤含水量分别为最大持水量的15%、30%、45%和75%。2015年设置4个处理:G2、G3、G4和CK。观察土壤水分亏缺对盛铃期Bt棉铃壳杀虫蛋白含量影响。所有处理于盛花期前10 d控制浇水,如遇下雨,将处理盆钵移入室内。使用WET土壤三参数速测仪监测土壤水分,用称重法控制土壤水分,即当监测发现土壤水分低于设计值时,于早晨、中午、傍晚进行定量补水。2015年进一步研究水分亏缺对Bt基因表达量、氮代谢相关合成酶(硝酸还原酶和谷氨酸丙酮酸转氨酶)活性、分解酶(肽酶和蛋白酶)活性的影响。【结果】与对照(土壤含水量为最大持水量75%)相比,泗抗1号和泗抗3号铃壳中Bt蛋白含量随土壤水分亏缺程度的增加而降低,且在土壤含水量为最大持水量60%时开始显著下降,但泗抗1号下降幅度低于泗抗3号,其中2014年泗抗1号下降22.5%,泗抗3号下降41.6%。在土壤含水量为最大持水量60%时,铃壳中Bt基因表达量增加,泗抗1号、泗抗3号分别比对照提高48.6%和22.1%。氮代谢相关酶活性变化表明,水分亏缺条件下,2个类型品种的硝酸还原酶(NR)和谷氨酸丙酮酸转氨酶(GPT)活性降低,肽酶和蛋白酶活性增加。且肽酶和蛋白酶活性变化幅度高于NR和GPT。相关分析表明,NR和GPT活性与铃壳中杀虫蛋白含量呈显著或极显著正相关;肽酶和蛋白酶活性与杀虫蛋白含量呈显著负相关。【结论】水分亏缺胁迫下,供试品种铃壳中杀虫蛋白质含量下降。但在转录水平,未发现Bt基因表达量下降。但氮代谢关键合成酶(NR和GPT)活性降低,分解酶(肽酶和蛋白酶)活性增加。因此,蛋白质合成减弱、分解加强可能导致铃壳中杀虫蛋白含量下降。     

喷施尿素对Bt棉蕾的杀虫蛋白含量影响及氮代谢机制

以常规种泗抗1号(SK-1)和杂交种泗抗3号(SK-3)作为试验材料,设置喷清水(CK)和不同浓度(1.0%～10.0%)尿素处理,研究喷施不同浓度尿素对Bt棉蕾中杀虫蛋白表达量的影响。结果表明：随着尿素浓度的增加,棉蕾中杀虫蛋白含量呈先增加后降低的趋势,尿素浓度7.0%～8.0%处理的棉蕾中杀虫蛋白含量最高,较对照增加14.9%～24.8%。氮代谢机制表明,棉蕾中可溶性蛋白质和游离氨基酸含量增加,谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)、谷草转氨酶(GOT)和谷丙转氨酶(GPT)活性提高,与Bt杀虫蛋白含量表现一致;蛋白酶和肽酶活性与Bt蛋白含量量呈相反特征。主成分分析进一步表明,两品种棉蕾的可溶性蛋白质和游离氨基酸含量,GS、GOGAT、GOT和GPT活性对Bt杀虫蛋白含量变化的贡献分别达71.8%和72.4%;蛋白酶和肽酶活性对Bt杀虫蛋白含量变化的贡献分别为23.4%和21.6%。综上,蕾期根外喷施尿素,Bt棉蕾的蛋白质合成提高是杀虫蛋白含量提高的主要原因。     

Bt棉功能叶氮代谢对Bt蛋白表达及氮肥调节的响应

为评价外源Bt基因插入以及氮肥对Bt棉功能叶Bt蛋白表达及氮代谢的影响,对Bt棉功能叶Bt蛋白含量,硝酸还原酶、谷丙转氨酶和蛋白酶活性,可溶性蛋白质和全氮含量等指标进行了测定。结果表明:Bt棉功能叶Bt蛋白含量在蕾期最高,此后,随生育进程呈显著下降。与常规棉相比,Bt棉功能叶硝酸还原酶活性提高,在前中期谷丙转氨酶活性显著提高且有利于可溶性蛋白质的合成,前期全氮含量显著增加,对蛋白酶活性没有明显影响。Bt棉功能叶Bt蛋白含量与硝酸还原酶活性、可溶性蛋白质和全氮含量呈显著正相关,表明Bt棉前期增强的氮代谢促进了Bt蛋白的表达。施氮肥明显提高Bt棉中后期功能叶硝酸还原酶活性、可溶性蛋白质含量和Bt蛋白的表达。基施和初花期各50%的效应显著大于全部基施,而在基施氮肥基础上,初花期增施50%的氮肥效应最明显。与常规棉比较,施氮肥更有利于Bt棉中后期功能叶硝酸还原酶活性、可溶性蛋白质含量提高。     

土壤增氮对棉花当日花Bt杀虫蛋白含量影响及相关生理机制

以Bt棉常规品种泗抗1号、杂交品种泗抗3号为材料,在常规施氮量(CK, 300 kg·hm^-2)水平上,设计增施氮素25%、50%、75%、100%4个处理,探讨土壤增氮对棉花当日花中Bt杀虫蛋白含量的影响及其蛋白质代谢机制。结果表明：两类型品种当日花中Bt杀虫蛋白含量均随施氮量增加呈先升高后降低的趋势,且在施氮量增加75%时当日花中Bt蛋白含量达最大值,较CK增加37.8%～85.2%。氮代谢生理机制表明,施氮量增加75%时当日花可溶性蛋白质含量、游离氨基酸含量、蛋白质合成关键酶[谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase, GS)、谷氨酸合成酶(glutamate synthase, GOGAT)]活性显著提高;蛋白质分解关键酶(蛋白酶、肽酶)活性则随施氮量增加呈下降趋势,但处理间差异不显著。在常规施氮水平上适量增氮有利于促进Bt杀虫蛋白合成,从而提高棉花Bt抗虫性。     

种植密度对转Bt棉纤维杀虫蛋白表达量及氮代谢的影响

为了探讨种植密度对转基因抗虫棉纤维中杀虫(Bt)蛋白表达量的影响及其氮代谢机制,以Bt棉常规种泗抗1号和Bt棉杂交种泗抗3号为试验材料,比较1.5× 104、3.0×104、4.5×104、6.0×104、7.5×104株·hm-2五个种植密度下转Bt棉杀虫蛋白表达量及其氮代谢的差异.结果 表明,纤维中Bt蛋白表达量随...     

高温干旱下缩节胺通过调节碳和氨基酸代谢提高Bt棉杀虫蛋白含量的生理机制

【目的】探讨高温干旱胁迫下缩节胺（mepiquat chloride,DPC）调控Bt(Bacillus thuringiensis)棉杀虫蛋白含量的生理机制,为高抗虫性Bt棉品种选育及高产高效栽培提供理论依据。【方法】2020—2021年以转Bt抗虫基因抗虫棉品种泗抗3号为材料,采用盆栽法,在人工气候室进行高温干旱胁迫,胁迫开始后立即用20 mg·L-1 DPC和清水（对照）喷施。7 d后测定铃壳杀虫蛋白含量、α-酮戊二酸含量、丙酮酸含量以及谷氨酸合酶活性、谷氨酸草酰乙酸转氨酶活性、可溶性蛋白含量、游离氨基酸含量。并进行转录组测序,利用DESeq进行差异基因分析,通过GO富集和KEGG Pathway数据库注释参与DPC调节杀虫蛋白含量的差异表达基因。【结果】与清水对照相比,DPC可显著提高高温干旱条件下Bt棉铃壳中杀虫蛋白含量,提高幅度达4.7%—11.9%。在碳代谢方面,α-酮戊二酸含量、丙酮酸含量提高46%—57%和25%—29%;在氨基酸代谢方面,谷氨酸合酶活性、谷氨酸草酰乙酸转氨酶活性、可溶性蛋白含量、游离氨基酸含量分别提高32%—44%、30%—40%、28%和22%—2...     

盐胁迫对转Bt基因棉苗期Bt蛋白表达量和氮代谢的影响

以棉花鲁18、鲁21为材料,以长期(播种时进行盐处理,长到4片真叶时取样)与短期(4片真叶时进行盐处理,10 d后取样)盐胁迫进行对比试验,发现长期盐胁迫后,鲁18、鲁21的Bt蛋白含量和可溶性蛋白含量在根、茎、叶中均增加,而游离氨基酸含量在根、茎、叶中均降低,盐质量分数越大,影响越显著,对叶的影响最大,其次是茎,对根的影响最小。Bt蛋白含量与游离氨基酸含量呈极显著负相关,与可溶性蛋白含量呈极显著正相关。短期盐胁迫棉苗根、茎、叶中的Bt蛋白含量、可溶性蛋白含量均降低,而游离氨基酸含量在根、茎、叶中均增加,盐质量分数越大,影响越明显,对根的影响最大,其次是叶,对茎的影响最小。短期盐胁迫的Bt蛋白含量与游离氨基酸含量呈极显著负相关,与可溶性蛋白含量呈极显著正相关。可见,与短期盐胁迫相比,长期盐胁迫棉苗抗虫性更强。     

源库调节对转Bt基因棉花中与抗虫性相关的棉铃氮代谢的影响

以转Bt基因抗虫棉小铃品种泗抗1号和大铃品种科棉6号为材料,于2009～2010年在扬州大学实验农牧场进行了源库调节对棉铃氮代谢影响的试验。结果表明,与对照相比,去除棉株每张叶片的一半后,体积膨大期棉铃铃重变小,氮代谢有关化合物含量和酶活性提高,且大铃品种科棉3号受影响较大;整株均匀去除一半蕾,则使得铃重变大,氮代谢有关化合物含量和酶活性下降,仍然是大铃品种受影响较大。相关分析结果表明,源库调节下体积增大期棉铃氮代谢强度与铃重基本上呈显著或极显著负相关。因此转Bt基因棉花群体源小库大或源大库小均不利于棉铃生理氮代谢与棉铃发育的协调,同样不利于产量和抗虫性的协同表达。     

Bt棉杀虫活性表达的研究

通过一个生长期内Bt棉不同组织对棉铃虫杀虫活性的研究.结果表明:Bt棉在苗期-吐絮期的杀虫活性在时间上有明显差异,且不同组织变化趋势不一致,花瓣的杀虫活性随着植株的生长逐渐增强,苞叶的杀虫活性随着植株的生长逐渐减弱,叶片、蕾、铃、花蕊的杀虫活性变化较复杂.对处理后的存活幼虫,继续用Bt棉的不同组织分别饲养,只有用叶片和花蕊饲养才能存活至化蛹.     

环境因素对转Bt基因棉Bt杀虫蛋白表达量的影响

对不同转Bt基因抗虫棉花品种的研究表明 ,花铃期田间渍涝或土壤缺水干旱 ,可显著降低棉株不同器官的Bt蛋白含量。与对照相比 ,渍涝后各器官Bt蛋白含量降低幅度 ,幼蕾 >主茎功能叶 >主茎老叶 ,干旱后降低幅度 ,主茎老叶 >幼蕾 >主茎功能叶。两因素相比 ,干旱对Bt蛋白合成的抑制作用更强。追施氮肥可显著提高主茎老叶的Bt蛋白含量 ,主茎功能叶与幼蕾的Bt蛋白含量有所提高 ,但不显著。因此 ,为充分发挥转Bt基因棉花品种自身的抗虫水平 ,应加强田间管理 ,合理施肥 ,及时防旱排涝     

Relationship Between Leaf C/N Ratio and Insecticidal Protein Expression in Bt Cotton as Affected by High Temperature and N Rate

Expression of insecticidal protein for transgenic Bacillus thuringiensis （Bt） cotton is unstable and related to nitrogen metabolism. The objective of this study was to investigate the relationship between leaf carbon nitrogen ratio （C/N） and insecticidal efficacy of two Bt cotton cultivars. C/N ratio and Bt protein content were both measured at peak square period and peak boll period respectively under 5-7 d high temperature and different nitrogen fertilizer rates on the Yangzhou University Farm and the Ludong Cotton Farm, China. All plants were grown in field. The results showed that the C/N ratio enhanced slightly and the Bt protein content remained stable at peak square period, but significant increases for the C/N ratio and decreases markedly for the leaf Bt protein concentration were detected at the peak boll period. The similar patterns at the two growth periods were found for the leaf C/N ratio and Bt protein content by different N fertilizer treatments. When nitrogen rate was from 0 to 600 kg ha-l, the C/N ratio was reduced by 0.017 and 0.006 for Sikang 1 and Sikang 3 at peak square period, compared to the 1.350 to 1.143 reduction for Sikang 1 and Sikang 3 at peak boll period, respectively. Correspondingly, the leaf Bt protein contents were bolstered by 2.6-11.8 and 26.9-36.9% at the two different growth periods, respectively. The results suggested that enhanced C/N ratio by high temperature and nitrogen application may result in the reduction of inseetiocidal efficacy in Bt cotton, especially in peak boll period.     

转Bt-cry1Ac基因棉花叶片中杀虫蛋白在环境中的降解动态

 采用ELISA方法研究了Bt棉花叶片中Cry1Ac杀虫蛋白在不同环境条件空气介质中和土壤介质中的降解规律。结果表明，不同环境下Bt杀虫蛋白降解趋势有明显差异。不同温湿度及光照条件的空气介质中，Bt杀虫蛋白的降解速度一般在初期较快，经过短暂的缓慢降解阶段后进入相对稳定状态（含量50 ng·g-1左右）。高温低湿条件下，Bt杀虫蛋白降解较快，达到稳定水平的时间短。Bt杀虫蛋白在光照和非光照环境下的的降解动态没有显著性差异。自然条件下Cry1Ac蛋白在土壤介质中初始阶段降解迅速，30 d后降解了85%左右。随着冬季的到来, 杀虫蛋白降解趋于缓慢。次年春天后，杀虫蛋白的降解加快，至 4月下旬检测不到Bt杀虫蛋白。     

Bt转基因棉氮代谢生理变化的研究

在田间条件下,对Bt杂交棉科棉1号和常规棉新洋822及其亲本的氮代谢生理情况进行研究。结果表明：Bt棉的氮代谢较强,以盛铃期最为明显,表现为叶片全氮含量明显升高,科棉1号和新洋822在盛铃期分别比亲本增加36．01％和18．96％．而棉铃全氮含量显著下降。氨基酸和可溶性蛋白质含量显著提高,盛铃期科棉1号和新洋822叶片游离氨基酸分别增加10．86％和9．44％,可溶性蛋白分别增加9．82％和8．31％。叶片硝酸还原酶(NR)、丙酮酸转氨酶(GPT)活性增强,科棉1号和新洋822盛蕾期NR活性比其亲本分别高28．37％和12．83％;GPT活性在盛蕾期和盛铃期比亲本分别增加10．51％、4．38％和39．04％、29．05％,蛋白酶活性则明显下降。因此对于Bt基因导入的棉花品种在推广应用过程中应及时调控棉株氮代谢生理强度,以保持营养生长和生殖生长的平衡。     

转Bt基因抗虫棉33B的氮素代谢特征

以转B t基因抗虫棉新棉33B及其常规棉对照品种泗棉3号为材料,探讨转B t基因抗虫棉氮素代谢特征。结果显示:转基因抗虫棉33B主茎功能叶片中的全N含量、可溶性蛋白含量、硝酸还原酶(NR)活性以及主要氨基酸总量和游离氨含量均高于常规棉,其氮代谢十分旺盛;转基因抗虫棉33B的棉铃对位叶、铃壳中的全N含量亦高于常规棉,表明转基因抗虫棉33B具有较强的源、库生理优势。但在棉铃发育中后期,转基因抗虫棉33B营养物质向棉铃运输速度比常规棉低,从而导致单铃重减轻,衣分下降。     

High plant density increases seed Bt endotoxin content in Bt transgenic cotton

Plant density is the cultivation practice usually employed to manipulate boll distribution, boll setting and yield in cotton production. In order to determine the effect of plant density on the insecticidal protein content of Bacillus thuringiensis(Bt) cotton plants, a study was conducted in Yangzhou University of China in 2015 and 2016. Five plant densities(PD1–PD5, representing 15 000, 30 000, 45 000, 60 000, and 75 000 plants ha–1) were imposed on two Bt cotton cultivars, Sikang 1(the conventional cultivar, SK-1) and Sikang 3(the hybrid cultivar, SK-3). The boll number per plant, boll weight and boll volume all decreased as plant density increased. As plant density increased from 15 000 to 75 000 plants ha~(–1), seed Bt protein content increased, with increases of 66.5% in SK-1 and 53.4% in SK-3 at 40 days after flowering(DAF) in 2015, and 36.8% in SK-1 and 38.6% in SK-3 in 2016. Nitrogen(N) metabolism was investigated to uncover the potential mechanism. The analysis of N metabolism showed enhanced soluble protein content, glutamic-pyruvic transaminase(GPT) and glutamate oxaloacetate transaminase(GOT) activities, but reduced free amino acid content, and protease and peptidase activities with increasing plant density. At 20 DAF, the seed Bt toxin amount was positively correlated with soluble protein level, with correlation coefficients of 0.825** in SK-1 and 0.926** in SK-3 in 2015, and 0.955** in SK-1 and 0.965** in SK-3 in 2016. In contrast, the seed Bt protein level was negatively correlated with free amino acid content, with correlation coefficients of –0.983** in SK-1 and –0.974** in SK-3 in 2015, and –0.996** in SK-1 and –0.986** in SK-3 in 2016. To further confirm the relationship of Bt protein content and N metabolism, the Bt protein content was found to be positively correlated with the activities of GPT and GOT, but negatively correlated with the activities of protease and peptidase. In conclusion, our present study indicated that high plant density elevated the amount of seed Bt protein, and this increase was associated with decreased boll number per plant, boll weight and boll volume. In addition, altered N metabolism also contributed to the increased Bt protein content under high plant density.