基于生物负担假说的BT水稻氮素利用与代谢特征变化研究

In recent years,the cultivation of insect-resistant tansgenic rice has made great progress.And many cultivated strains have obvious advantage on the target trait over non-transgenic rice.However,exogenous gene causes some varies in agricultural and physiological and biochemical characteristics of some srtains.There is a bio-burden hypothesis about the causes of these varies:insect-resistant tansgenic rice needs more energy and matter for synthesis of BT protein,therefore the insertion of BT gene may brought additional burden. Under the premise that differences in agronomic traits,leaf senescence,nitrogen utilization and synthesis of BT protein among transgenic rice with BT gene Cry1C,Cry2A and CryAb/Ac and its non-transgenic the parent have been observed .By field and pots experiments,we set different amount,proportion,type of nitrogen fertilizer and the simulation of nitrogen nutrition adversity.Focus on the nitrogen utilization,metabolism characteristics and spatial and temporal synthesis of BT protein of transgenic rice.Combined with observation of photosynthetic characteristics,yield and agronomic traits,determine whether it has the nitrogen nutrition bio-burden and seek appropriate nitrogen management.

近年来，抗虫转基因水稻新品系的培育取得了较大进展，不少成功培育转基因抗虫新品系在目标性状上较非转基因水稻有明显优势。然而外源抗虫基因的转入使一些水稻品系产生了一系列农艺性状和生理生化特性上的变化。关于这些变化产生的原因存在一个生物负担假说，即抗虫转基因水稻需要更多的营养物质和能量来合成BT蛋白，所以转基因水稻可能会产生额外的负担。本项目预采取大田和盆栽试验相结合的方式，在已知转Cry1C,Cry2A和CryAb/Ac抗虫基因水稻品系在农艺性状，叶片衰老率，氮素利用率与BT蛋白表达上相互之间以及与非转基因对照品系之间存在一些差异的情况下，设置不同氮肥施用水平，不同施用比例，不同氮源氮肥及氮素营养逆境模拟处理，重点研究在不同氮素营养条件下抗虫转基因水稻氮素利用与代谢以及BT蛋白的时空表达变化特征，结合光合特性和产量与农艺性状的考察，探明其是否存在氮素营养生物负担，寻求合适的氮肥管理措施。

近些年, 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CryAb/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。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）处理，对转Cry1C*、Cry2A* 或CryAb/Ac Bt基因的水稻新品系的产量及农艺性状表现、N素利用与代谢特征和Bt蛋白表达规律进行了研究，并分析了转Bt基因的水稻新品系产量变化的原因。研究结果表明：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%。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%。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。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。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。