轉(zhuǎn)Bt基因棉根系水浸液和分泌物化感效應(yīng)

張美俊,楊武德

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,山西太谷 030801)

植物的化感效應(yīng),是指植物通過向環(huán)境釋放化學(xué)物質(zhì)而產(chǎn)生對其他植物體或微生物等有益或有害的作用[1]。轉(zhuǎn)基因作物的獲得需經(jīng)過較長時間的組織培養(yǎng)、再生過程以及選擇基因試劑的篩選誘變,這樣勢必增加體細(xì)胞的無性系變異,同時TDNA的插入和插入位點的不同都會影響受體基因的活性和表達(dá)[2～4],導(dǎo)致作物內(nèi)部生理生化代謝過程和表型的變化以及進(jìn)而可能引起根系分泌物化學(xué)組成發(fā)生轉(zhuǎn)變[5]。Escher等[6]研究發(fā)現(xiàn),與相應(yīng)非轉(zhuǎn)基因親本相比,轉(zhuǎn)Bt基因玉米葉片的C/N和木質(zhì)素含量下降,可溶性碳水化合物含量上升。聶呈榮[7]研究表明無論是幼苗期還是抽雄期,轉(zhuǎn)Bt基因玉米根系分泌物中草酸和酒石酸的分泌量都比非轉(zhuǎn)基因親本顯著減少,并且這種減少現(xiàn)象總是與其蘋果酸分泌量的增加聯(lián)系在一起。這些差異可能影響轉(zhuǎn)Bt基因作物殘體的腐解,如影響根茬在土壤中的腐解率和腐解物質(zhì)的釋放,也可能直接通過根系分泌物數(shù)量和組成的改變而影響與其間混套作作物甚至后茬作物的生長發(fā)育。

目前關(guān)于轉(zhuǎn)Bt基因棉根系水浸液和根系分泌物化感效應(yīng)的研究甚少,為此本研究采用根系水浸液和根系分泌物溶液培養(yǎng)試驗,力圖在排除土壤和微生物干擾條件下進(jìn)行模擬研究轉(zhuǎn)Bt基因棉對不同作物幼苗和苗期生長生理的化感效應(yīng),以期為制定合理的轉(zhuǎn)Bt基因棉間混套輪作等耕作制度提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗用轉(zhuǎn) Bt基因棉為“Bt冀668”,對照為常規(guī)棉“冀668”,“Bt冀668”是通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)技術(shù)將Bt基因(Cry1Ac)導(dǎo)入“冀668”而選育的轉(zhuǎn)Bt基因棉品系。受體作物為常規(guī)棉“冀668”、綠豆“中綠1號”。

1.2 試驗設(shè)計與方法

1.2.1 轉(zhuǎn)Bt基因棉根系水浸液對受體作物幼苗生長的化感效應(yīng)

將Bt冀668和冀668收獲期的根系洗凈、晾干,分別切成1 cm長的小段作為供試材料。稱取40 g根段放入燒杯中,添加400 mL蒸餾水,恒溫28℃置搖床上浸提48 h,過濾2次,即得到質(zhì)量濃度為0.1 g?mL-1的轉(zhuǎn)Bt基因棉和常規(guī)棉根系水浸液。稀釋為處理質(zhì)量濃度 0.025、0.050、0.100 g?mL-1,備用。

將硫酸脫絨后的冀668棉花種子和中綠1號種子用70%的酒精消毒5 min,用無菌水清洗3次,5%的雙氧水浸泡2 h,再在30℃水中繼續(xù)浸泡8 h。在鋪有兩層濾紙的直徑為10 cm培養(yǎng)皿中,分別加入獲得的Bt冀668和冀668根系水浸液7 mL。在濾紙上均勻播上處理過的冀668棉花種子和中綠1號種子。冀668種子每皿各20粒,中綠1號種子每皿40粒,每個處理5次重復(fù),共20個培養(yǎng)皿。置于光照培養(yǎng)箱中27℃培養(yǎng)。每天補充水浸液2 mL,并更換濾紙。1周后測量苗長、根長、苗鮮重和根鮮重。

1.2.2 轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物對受體作物苗期生長生理的化感效應(yīng)

將Bt冀668和冀668棉花種子以及中綠1號種子用70%的酒精消毒5 min,用無菌水清洗3次,5%的雙氧水浸泡2 h,再在30℃水中繼續(xù)浸泡12 h后,播于CaSO4溶液浸泡過的石英砂小杯中,在室內(nèi)光照充足處蒸餾水培養(yǎng),當(dāng)幼苗長出真葉時,小心取出生長一致的幼苗,用去離子水洗去石英砂,用脫脂棉固定在事先打有定植孔的泡沫塑料板上,置于1/2 Hoagland營養(yǎng)液中進(jìn)行水培試驗。水培容器采用30 cm×40 cm×40 cm長方體聚乙烯塑料盆,每盆裝培養(yǎng)液6 L。水培試驗設(shè)Bt冀668與冀668共培養(yǎng)(BtJi668-Ji668),對照為冀668與冀668共培養(yǎng)(Ji668-Ji668);Bt冀668與中綠1號共培養(yǎng)(BtJi668-Zhonglv 1),對照為冀668與中綠1號共培養(yǎng)(Ji668-Zhonglv 1)4種處理。每處理重復(fù)5次。每一水培盆定植2種作物各2株,定時通氣,每周更換一次營養(yǎng)液,1周后換成完全營養(yǎng)液。室溫20～25℃大棚內(nèi)培養(yǎng)。培養(yǎng)30 d時取樣調(diào)查冀668和中綠1號株高、根長、地上部鮮重和根鮮重以及根系活力、根系保護(hù)酶活性和MDA含量。

1.3 調(diào)查項目和測定方法

苗高、根長直尺法。鮮重用電子天平。根系活力用T TC法[8]。根系POD活性用愈創(chuàng)木酚比色法[9],SOD活性用核黃素法[9],MDA含量用硫代巴比妥酸法[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)Bt基因棉根系水浸液對常規(guī)棉和綠豆幼苗生長的影響

由表1可以看出,與常規(guī)棉根系同濃度水浸液相比,轉(zhuǎn)Bt基因棉根系水浸液對常規(guī)棉幼苗苗長、苗鮮重、根長、根鮮重均無顯著影響。且轉(zhuǎn)Bt基因棉不同濃度水浸液處理的常規(guī)棉幼苗苗長、苗鮮重、根長、根鮮重間均無顯著差異,這表明在所測試的濃度范圍內(nèi),轉(zhuǎn)Bt基因棉根系水浸液不會對常規(guī)棉幼苗生長產(chǎn)生顯著改變。

由表1還可以看出,轉(zhuǎn)Bt基因棉根系水浸液對綠豆生長的影響與對常規(guī)棉的影響有所不同,表現(xiàn)為與常規(guī)棉根系同濃度水浸液相比,轉(zhuǎn)Bt基因棉根系水浸液對綠豆幼苗苗長、苗鮮重?zé)o顯著影響。在0.025和0.050 g?mL-1濃度下,對綠豆根長和根鮮種也無顯著影響,但在0.100 g?mL-1濃度下,顯著降低了綠豆根長和根鮮重,降低幅度分別為27.23%和27.27%,且同一轉(zhuǎn) Bt基因棉處理下,0.100 g?mL-1濃度處理與0.025和0.050 g?mL-1濃度處理綠豆苗鮮重、根長和根鮮重也有差異,表現(xiàn)0.100 g?mL-1濃度處理顯著降低了綠豆苗鮮重、根長和根鮮重,如與0.025 g?mL-1濃度相比,0.100 g?mL-1濃度處理顯著降低,降幅分別為16.96%、28.09%和28.89%,以上分析結(jié)果表明,轉(zhuǎn)Bt基因棉高濃度根系水浸液對綠豆幼苗生長有抑制作用,且對地下部生長影響大于地上部。

表1 轉(zhuǎn)Bt基因棉根系水浸液對常規(guī)棉和綠豆幼苗生長的影響(M±SD)Table 1 Effect of transgenic Bt cotton root aqueous extracts on seedling growth of receiver crops

2.2 轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物對常規(guī)棉和綠豆生長的影響

由表2可看出,水培30 d后,與常規(guī)棉處理相比,轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物處理對常規(guī)棉和綠豆株高和地上部鮮重?zé)o明顯改變,但顯著提高了常規(guī)棉根長,提高幅度為21.30%,顯著降低了綠豆根長,降低幅度為18.07%,同時轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物處理還顯著降低了綠豆地下部鮮重,降低幅度為31.11%。

表2 轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物對常規(guī)棉和綠豆生長的影響(M±SD)Table 2 Effect transgenic Bt cotton root exudates on plant growth of receiver crops

2.3 轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物對常規(guī)棉和綠豆根系活力的影響

根系活力是指根系新陳代謝活動的強弱,是反映根系發(fā)育吸收功能的一項綜合指標(biāo),根系活力受到抑制,作物根系生長緩慢,對養(yǎng)分吸收能力降低,生長發(fā)育就會受阻[10]。從圖1看出,與常規(guī)棉處理相比,轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物處理顯著提高了常規(guī)棉根系活力,提高幅度為28.48%,但顯著降低了綠豆根系活力,降低幅度為15.14%,這說明轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物對不同作物根系活力影響不同。

2.4 轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物對常規(guī)棉和綠豆根系SOD、POD活性和MDA含量的影響

SOD(超氧化物歧化酶)和POD(過氧化物酶)均為細(xì)胞膜脂過氧化作用中氧自由基清除酶系統(tǒng)中的關(guān)鍵酶,其作用是催化細(xì)胞膜脂過氧化作用中產(chǎn)生的超氧陰離子自由基,使之發(fā)生歧化反應(yīng),從而解除或減輕膜脂過氧化作用對細(xì)胞膜的損傷,其活性的高低是植物抗逆性強弱的重要指標(biāo)。MDA(丙二醛)是生物系統(tǒng)內(nèi)膜脂過氧化產(chǎn)物之一,反映植株體內(nèi)膜脂過氧化的程度,MDA能強烈地與細(xì)胞內(nèi)各種成分發(fā)生反應(yīng),因而引起酶和膜的嚴(yán)重?fù)p傷,膜電阻及膜的流動性降低,最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)及生理完整性的破壞,MDA的增加對膜有毒害作用[10,11]。

由圖2可見,與常規(guī)棉處理相比,轉(zhuǎn)Bt基因棉處理共培養(yǎng)的常規(guī)棉根系SOD和POD活性以及MDA含量均有一定提高,但分析表明差異均沒有達(dá)顯著水平。說明轉(zhuǎn)Bt基因根系分泌物對與其共培養(yǎng)的常規(guī)棉根系保護(hù)酶活性和MDA含量沒有產(chǎn)生顯著影響。

圖1 轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物對常規(guī)棉和綠豆根系活力影響Fig.1 Effect transgenic Bt cotton root exudates on root activity of receiver crops

圖2 轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物對常規(guī)棉根系SOD,POD活力和MDA含量影響Fig.2 Effect transgenic Bt cotton root exudates on root SOD,POD activity and MDA content of general cotton

由圖3可見,與常規(guī)棉處理相比,與轉(zhuǎn)Bt基因棉共培養(yǎng)的綠豆根系SOD和POD活性以及MDA含量均顯著地增加,提高的幅度分別為31.16%、17.49%、30.58%。SOD和POD活性的增加可以看作是綠豆根系對轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物的一種應(yīng)激表現(xiàn),轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物激活了SOD和POD活性,但最終MDA含量的增加,暗示與轉(zhuǎn)Bt基因棉共培養(yǎng)的綠豆根系膜透性和膜結(jié)構(gòu)受到了傷害。

圖3 轉(zhuǎn)Bt基因棉根系分泌物對綠豆根系SOD,POD活力和MDA含量的影響Fig.3 Effect transgenic Bt cotton root exudates on root SOD,POD activity and MDA content of mung bean

3 結(jié)論與討論

轉(zhuǎn)Bt基因棉根系水浸液和根系分泌物對不同作物的化感效應(yīng)不同,對常規(guī)棉幼苗和苗期生長生理表現(xiàn)無影響或促進(jìn)作用,而對綠豆幼苗和苗期地下部生長生理卻有抑制作用,隨轉(zhuǎn)Bt基因棉的長期種植,根茬腐解物和根系分泌物會不斷積累,對其它作物生長生理的影響還需進(jìn)一步深入研究。

本試驗只是研究了轉(zhuǎn)Bt基因棉根系水浸液和根系分泌物對常規(guī)棉和綠豆幼苗和苗期生長生理的影響,轉(zhuǎn)Bt基因棉根系可表達(dá)Bt蛋白[12],根系也可分泌Bt蛋白,因此造成的影響是由于根系和根系分泌物中Bt蛋白引起的,還是轉(zhuǎn)Bt基因棉根系生理生化特性以及根系分泌物組分發(fā)生變化引起的,亦或是二者互作效應(yīng)的結(jié)果,也是今后研究工作的一項重點,這對明確和協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)Bt基因作物與環(huán)境之間的關(guān)系具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

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