轉(zhuǎn)基因抗蟲、耐除草劑低酚棉近等基因系生理特性與蛋白表達(dá)差異及抗蟲雜交棉生理與產(chǎn)量性狀的遺傳分析.pdf

1、蟲害和草害是制約棉花生產(chǎn)的兩大重要因素，防治蟲害和雜草的用工投入大，而培育抗蟲、耐除草劑棉花新品種將有助于進(jìn)一步簡(jiǎn)化棉花栽培體系，降低植棉投入，提高棉農(nóng)收入具有重要意義。低酚棉的誕生使棉花成為“棉、油、糧、飼”四位一體的新型作物，但低酚棉因棉酚和其它萜醛缺乏而易遭蟲害。因此，培育轉(zhuǎn)基因抗蟲和耐除草劑低酚棉品種對(duì)發(fā)展低酚棉生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。轉(zhuǎn)基因抗蟲雜交棉因兼具抗蟲高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，因此加速選育新的轉(zhuǎn)基因抗蟲雜交棉也成為熱

2、點(diǎn)。基于棉花生長(zhǎng)變化和遺傳發(fā)育，結(jié)合生理生化指標(biāo)評(píng)估外源基因?qū)雽?duì)低酚棉品系影響以及為選育潛力親本和雜交組合提供生育期篩選指標(biāo)。
　　 本研究通過分析比較轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲低酚棉和轉(zhuǎn)EPSPS-G6基因低酚棉近等基因系在生育、生理代謝上的差異，以期從形態(tài)學(xué)、生理學(xué)及蛋白表達(dá)譜方面探討外源基因?qū)雽?duì)低酚棉農(nóng)藝與生理性狀及蛋白表達(dá)譜的影響。另外，利用轉(zhuǎn)基因抗蟲棉和常規(guī)品種（系）進(jìn)行雙列雜交研究雜種F1優(yōu)勢(shì)利用潛力，通過多變量條件分析來評(píng)

3、估生理生化性狀對(duì)皮棉產(chǎn)量貢獻(xiàn)，尋找影響皮棉產(chǎn)量的關(guān)鍵生理生化指標(biāo)，以期為抗蟲棉的雜種優(yōu)勢(shì)利用和新品種培育提供理論依據(jù)及早期篩選指標(biāo)。主要研究結(jié)果如下:
　　 1.轉(zhuǎn)Bt基因低酚棉近等基因系生理生化性狀與蛋白表達(dá)差異
　　 以一對(duì)低酚棉近等基因系為材料（僅cry1Ac差異），分析比較生育、生理代謝的差異，結(jié)果表明，與其受體相比，轉(zhuǎn)Bt低酚品系有較高的株高和有效結(jié)鈴率，內(nèi)圍鈴較多;單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴重和單株產(chǎn)量較低。與其受體相

4、比，轉(zhuǎn)Bt低酚葉綠素含量和蒸騰速率較低、Ch1 a/b、初始熒光(F0)和最大熒光(Fm)較高。轉(zhuǎn)Bt低酚結(jié)鈴期可溶性蛋白顯著高于其受體，但初花期低于其受體;初花期Ca、 Mg、 Cu、Zn、Mn及Fe，結(jié)鈴期P和Cu顯著高于其受體，但初花期P、K和B，結(jié)鈴期K、S、Zn及Fe顯著低于其受體;結(jié)鈴期轉(zhuǎn)Bt低酚系膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)、初花結(jié)鈴期超氧化物歧化酶(SOD)均顯著低于其受體。蛋白質(zhì)組分析在轉(zhuǎn)Bt低酚系與其受體之間檢測(cè)到

5、20個(gè)顯著差異蛋白點(diǎn)，其中4個(gè)上調(diào)蛋白點(diǎn)，分別屬于信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、能量代謝、防御響應(yīng);另有16個(gè)下調(diào)點(diǎn)，可歸結(jié)為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和蛋白合成代謝。
　　 2.轉(zhuǎn)基因耐除草劑低酚棉近等基因系生理生化性狀與蛋白表達(dá)差異
　　 以一對(duì)低酚棉近等基因系為材料（僅EPSPS-G6差異），分析比較光合特性、礦質(zhì)元素吸收、活性氧代謝及蛋白表達(dá)譜差異，結(jié)果表明，與其受體相比，轉(zhuǎn)耐除草劑低酚棉轉(zhuǎn)5629結(jié)鈴期顯示高凈光合速率和低蒸騰速率，始絮期高氣孔導(dǎo)度

6、、胞間CO2濃度及蒸騰速率;結(jié)鈴期和始絮期葉綠素a、b及a+b含量顯著低于其受體。EPSPS基因?qū)敫淖兞嗽貭I(yíng)養(yǎng)吸收:與其受體相比，轉(zhuǎn)5629 N、Mg及K含量較低，P、Ca、Fe、K、Cu、Mn及Zn含量較高。結(jié)鈴期和始絮期可溶性糖含量、盛花結(jié)鈴期可溶性蛋白含量顯著高于其受體，但盛花期可溶性糖和蕾期可溶性蛋白低于其受體;與其受體相比，轉(zhuǎn)5629盛花始絮期SOD和過氧化氫酶(CAT)活性較高、過氧化物酶(POD)和抗壞血酸過氧化物酶(

7、APX)活性較低;除盛花期外，其它三個(gè)時(shí)期轉(zhuǎn)5629MDA含量顯著高于其受體;蛋白質(zhì)表達(dá)譜分析結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)5629與其受體之間共檢測(cè)到11個(gè)差異蛋白點(diǎn)，其中7個(gè)蛋白點(diǎn)上調(diào)、4個(gè)下調(diào)。轉(zhuǎn)5629顯示上調(diào)了核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO)大亞基、CP4EPSPS及ATP合成酶，下調(diào)了谷氨酸-1-半醛轉(zhuǎn)氨酶-2，1氨基酸變位酶以及錳穩(wěn)定蛋白。
　　 3.轉(zhuǎn)Bt抗蟲棉與常規(guī)棉不完全雙列雜交生理生化與產(chǎn)量性狀的遺傳效

8、應(yīng)分析
　　 2010年以6個(gè)常規(guī)陸地棉品系(P1-6)和3個(gè)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品系(P7-9)為親本進(jìn)行不完全雙列雜交設(shè)計(jì)配置16個(gè)組合，分析測(cè)定生理生化、農(nóng)藝與纖維品質(zhì)性狀，以AD模型和條件分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明，苗蕾期和初花期功能葉Ch1 a和Ch1 b含量可以考慮用于F1組合選擇，盛花始絮期可用選擇親本;苗蕾、初花期和始絮期功能葉C/N可以用于篩選F1組合，盛花期選擇親本指標(biāo);初花盛花始絮期功能葉N含量以顯性為主，可以

9、用于選擇F1組合;P和K含量四個(gè)時(shí)期均以顯性為主，可以用于選擇F1組合;抗氧化酶系(SOD、POD、APX及CAT)及MDA含量可考慮用于選擇F1組合。盛花期K含量表現(xiàn)正向極顯著超親優(yōu)勢(shì)。選擇Ch1 a、苗蕾初花盛花期C/N和N、初花盛花始絮期K加性效應(yīng)高的親本有利于獲得皮棉產(chǎn)量高的F1雜交組合。單株總鈴數(shù)、衣分、麥克隆值及纖維長(zhǎng)度主要受加性效應(yīng)控制，可以通過選擇純系來改良。皮棉產(chǎn)量的加性貢獻(xiàn)率主要來自衣分，顯性貢獻(xiàn)率最大的是單鈴重。衣

10、分對(duì)比強(qiáng)度、麥克隆值及纖維長(zhǎng)度的加性貢獻(xiàn)率最高，表明選擇衣分高的親本可以提高后代纖維主要品質(zhì)。親本1(P1，31)可以作為常規(guī)棉親本來提高后代皮棉產(chǎn)量和纖維品質(zhì)，親本8(P8，B7抗)可以作為轉(zhuǎn)Bt基因親本來提高后代衣分和皮棉產(chǎn)量。16個(gè)雜交組合中，皮棉產(chǎn)量正向達(dá)顯著或極顯著顯性效應(yīng)的組合有8個(gè):H18(P1× P8)、H28(P2×P8)、H29(P2×P9)、H37(P3×P7),H48(P4×用)、H59(P5×P9)、H67(P

11、6×P7)及H69(P6×P9)。
　　 4.轉(zhuǎn)Bt抗蟲棉與常規(guī)棉雙列雜交生理生化與產(chǎn)量性狀的遺傳效應(yīng)分析
　　 2011年以4個(gè)常規(guī)陸地棉品系和5個(gè)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品系為親本進(jìn)行NCⅡ設(shè)計(jì)配置20個(gè)組合，遺傳分析表明，參試的12個(gè)生理生化指標(biāo)三個(gè)時(shí)期均以顯性效應(yīng)為主;雜交組合K含量均有顯著的平均優(yōu)勢(shì)和超親優(yōu)勢(shì);C/N對(duì)皮棉產(chǎn)量在三個(gè)時(shí)期均有顯著的加性貢獻(xiàn)率。果枝數(shù)、鈴數(shù)、鈴重及皮棉產(chǎn)量主要受加性效應(yīng)控制，可以通過選擇純系來

12、改良。單株總鈴數(shù)加性貢獻(xiàn)率主要來自外圍鈴和中下部鈴，而顯性貢獻(xiàn)主要來自于外圍鈴和中部鈴。皮棉產(chǎn)量的加性貢獻(xiàn)率主要來自鈴數(shù)和衣分，顯性貢獻(xiàn)率主要來莖粗、株高和鈴重。衣分對(duì)比強(qiáng)度的加性貢獻(xiàn)率最大，株高和鈴數(shù)對(duì)麥克隆值的加性貢獻(xiàn)率最高，莖粗對(duì)纖維長(zhǎng)度的加性貢獻(xiàn)率最大。P3(慈96-21)可以作為常規(guī)棉親本來提高后代的皮棉產(chǎn)量，P9(黃崗抗)可以作為轉(zhuǎn)Bt基因親本來提高后代的皮棉產(chǎn)量。20個(gè)雜交組合中，皮棉產(chǎn)量正向達(dá)顯著或極顯著顯性效應(yīng)的組合有

13、:H39、H16、H35、H28、H47、H45。
　　 5.轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲雜棉與常規(guī)棉正反交生理生化與產(chǎn)量性狀的遺傳效應(yīng)分析
　　 常規(guī)陸地棉品系(慈-ZJ6，P1)和5個(gè)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品系（外4、B9抗、E29、太抗、黃崗抗）進(jìn)行正反交，遺傳分析表明，Ch1 a初花始絮期以加性為主，盛花期以顯性為主;Ch1 b初花以顯性為主，盛花始絮以加性為主;Ch1 a/b三個(gè)時(shí)期均以加性為主;N初花盛花以加性為主，始絮期以顯性為主

14、;P初花始絮期以顯性為主，盛花以加性為主;K初花以顯性為主，盛花始絮以加性為主;C/N初花始絮以加性為主，盛花以顯性為主?？寡趸赶岛蚆DA三個(gè)時(shí)期均以加性為主。F1雜交組合參試12個(gè)生理生化指標(biāo)在三個(gè)時(shí)期均有不同程度顯著的平均優(yōu)勢(shì)，但沒有正向顯著的超親優(yōu)勢(shì)。莖粗、外圍鈴數(shù)、上部鈴數(shù)、單株鈴重、衣分、纖維長(zhǎng)度、麥克隆值及纖維比強(qiáng)度主要受加性效應(yīng)控制，可以通過選擇純系來改良。對(duì)于親本而言，鈴數(shù)加性方差比率主要來自上部和外圍鈴。對(duì)于雜交組合

15、而言，鈴數(shù)加性方差比率主要來自外圍鈴及中下部鈴。皮棉產(chǎn)量的加性貢獻(xiàn)率主要來果枝數(shù)、莖粗、上部鈴及衣分。衣分對(duì)比強(qiáng)度和麥克隆值的加性貢獻(xiàn)率最大。常規(guī)棉親本P1具有衣分、單鈴重、纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度極顯著加性效應(yīng)，可以用來改良后代的衣分、單鈴重、纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度，P5(太抗)可以作為轉(zhuǎn)Bt基因親本來提高后代的果枝數(shù)和單株總鈴數(shù)，從而獲得正向皮棉產(chǎn)量。P4(E29)可以作為轉(zhuǎn)Bt基因親本來提高后代的單株總鈴數(shù)和纖維長(zhǎng)度，也獲得正向皮棉產(chǎn)量。10個(gè)