Bt基因导入影响玉米地上部和地下部诱导防御反应间相互作用的机制研究

The effect of Bt(Bacillus thuringiensis) gene introduction on induced defense responses between aboveground and belowground parts of corn has been a key to the ecological safety assessment in transgenic Bt corn. The underlying mechanism is a hotspot both at home and abroad, but it is still unclear. In this project, Bt corns 5422Bt1(Bt11) and 5422CBCL(Mon810) from two transformation events, together with their conventional corn 5422, were used. Damages by insect pest and disease were simulated by applying jasmonic acid and salicylic acid to the aboveground (or belowground) parts of corn. Parameters measured in the treated leaves (or roots) including Bt protein content, activities of defense related protection enzymes, direct defense substances DIMBOA and total phenolic contents and their synthesis mediated genes, direct defense protein mediated genes and indirect defense volatile mediated genes. The similarities and differences in direct defense of aboveground (or belowground) parts, or indirect defense of belowground (or aboveground) parts of corns were compared; the effect of Bt gene introduction on interactions of aboveground and belowground induced defense responses of corn were clarified; the possible physiochemical and molecular mechanisms are revealed. The results can provide an important base for ecological safety assessment in transgenic Bt corn.

Bt基因导入如何影响玉米地上部和地下部诱导防御反应间相互作用是转Bt基因玉米生态安全评价的重要内容之一，而其内在机制一直是国内外研究的焦点，但至今尚未清晰。本项目以不同转化事件的Bt玉米5422Bt1（Bt11）和5422CBCL（Mon810），及其常规近等基因系玉米5422为材料，分别利用茉莉酸和水杨酸模拟虫害和病害作用于玉米的地上部（或地下部），检测处理部位叶片（或根系）和非处理部位根系（或叶片）中Bt蛋白含量、防御相关保护酶活性、直接防御物质丁布和总酚含量及其合成调控基因、直接防御蛋白调控基因以及间接防御挥发物调控基因的变化，比较Bt玉米及其同源常规玉米在其地上部（或地下部）直接诱导效应或地下部（或地上部）间接诱导效应之间的异同，阐明Bt基因导入对玉米地上部和地下部诱导防御反应间相互作用的影响，揭示相关生理生化及分子机制，旨在为科学全面地开展转基因玉米生态安全评价提供重要理论依据。

Bt玉米是全球商品化程度最快的抗虫转基因作物之一，Bt基因导入如何影响玉米地上部和地下部诱导防御反应间相互作用是转基因玉米生态安全评价的重要内容之一。本项目首先以常规玉米为材料，对信号物质的最佳作用浓度和时间进行了筛选；然后以两个Bt玉米品种5422Bt1、5422CBCL及同源常规玉米5422为试验材料，待玉米长至两叶一心期时，用2.5 mM水杨酸处理地上部、1.0 mM水杨酸处理地下部、100 μM茉莉酸处理地上部和1.0 μM茉莉酸处理地下部，于24 h后取样测定叶片和根系的Bt蛋白含量、防御物质含量以及防御酶活性，同时分析了叶片基因的表达谱情况，从而揭示Bt玉米品种人工导入抗性与自身诱导防御机制的互作关系，旨在为全面利用植物自身抗性与导入抗性，更好开展Bt作物抗性综合管理提供科学依据。主要研究结果有：. 1）外源茉莉酸处理玉米地上部对玉米叶片和根系的诱导防御具有一定的时间和浓度效应；水杨酸酸处理玉米地上部对玉米叶片和根系的诱导防御也具有一定的时间和浓度效应。. 2）100 μM茉莉酸处理地上部对Bt玉米5422Bt1叶片的防御反应强于常规玉米5422，但对常规玉米根系防御反应的系统诱导效果强于Bt玉米。. 3）2.5 mM水杨酸处理地上部对Bt玉米5422CBCL叶片防御反应的诱导效果强于常规玉米5422，对Bt玉米5422CBCL根系的系统诱导效果强于常规玉米5422和Bt玉米5422Bt1。. 4）外源茉莉酸处理玉米地下部对玉米根系和叶片的诱导防御具有一定的时间和浓度效应；水杨酸酸处理玉米地下部对玉米根系和叶片的诱导防御也具有一定的时间和浓度效应。. 5）1.0 μM茉莉酸处理地下部对Bt玉米5422Bt1根系防御反应的诱导效果强于常规玉米5422和Bt玉米5422CBCL，对Bt玉米5422CBCL叶片防御反应的系统诱导效果弱于常规玉米5422和Bt玉米5422Bt1。. 6）1.0 mM水杨酸处理地下部对Bt玉米5422CBCL根系防御反应的诱导效果弱于常规玉米5422和Bt玉米5422Bt1，对三个品种叶片的防御反应均有系统诱导效果。. 由此可见，在外源水杨酸和茉莉酸的诱导防御反应过程中，Bt基因导入与玉米自身的诱导防御反应具有一定的协同效应。