轉基因抗蟲耐除草劑(Cry1Ac+EPSPS)玉米對草甘膦耐受性研究

江　帆,　劉凱強,　張天濤,　白樹雄,　王振營,　何康來

(中國農業科學院植物保護研究所,北京　100193)

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轉基因抗蟲耐除草劑(Cry1Ac+EPSPS)玉米對草甘膦耐受性研究

江帆,劉凱強,張天濤,白樹雄,王振營,何康來*

(中國農業科學院植物保護研究所,北京100193)

將具有我國自主知識產權的抗蟲、耐除草劑基因轉化到玉米中獲得兼具抗蟲和耐除草劑的復合性狀轉基因玉米,實現了玉米復雜性狀的有效改良,研究了轉耐除草劑CC-2基因和可表達Bt毒素的cry1Ac基因的雙抗玉米對除草劑的耐受性及目標蛋白表達量。通過調查噴施除草劑后玉米植株存活率及株高和生長發育情況,研究了轉抗蟲耐除草劑基因玉米‘CC-2×BT799’、抗蟲玉米‘BT799’、耐除草劑玉米‘CC-2’,以及常規玉米‘鄭58’在田間對除草劑的耐受性,并用ELISA測定了供試品種中CP4 EPSPS和Cry1Ac蛋白含量。對草甘膦的耐受性試驗表明,轉復合基因玉米‘CC-2×BT799’與單抗草甘膦品種‘CC-2’對草甘膦均具有良好的耐受性。心葉期噴施草甘膦推薦施用劑量中量和2倍劑量對其株高和后期生長發育無不良影響。ELISA檢測顯示,CP4 EPSPS蛋白在雄穗中的表達量較葉片稍高。且雙抗品種‘CC-2×BT799’較‘CC-2’中的CP4 EPSPS蛋白含量稍高。在雄穗中,‘BT799’的Cry1Ac蛋白含量與‘CC-2×BT799’相當。在葉片中,‘BT799’的Cry1Ac蛋白含量約為‘CC-2×BT799’的2倍?？瓜x耐除草劑玉米能夠有效抵御草甘膦的噴施,Cry1Ac蛋白含量在不同品種不同組織中存在差異。

抗蟲耐除草劑玉米;存活率;耐受性;ELISA

玉米是我國種植面積居首的重要的糧、飼和能源作物。蟲害和雜草是危害玉米生產的兩大重要生物災害因素[1-2]。雖然傳統的玉米害蟲防治技術和除草方法可取得良好的防治效果[3-4],但由于存在操作復雜、不易實施、成本高或費工費時等缺點,生產上推廣應用和實際效果都受到一定影響。作為現代生物技術的成果,轉基因作物為玉米田除草和害蟲防治開辟了新的途徑。自1996年具有抗蟲或耐除草劑單一性狀的轉基因玉米在北美商業化種植以來,全球種植轉基因玉米的國家迅速增加,現已達到17個,轉基因玉米的種植面積占全球玉米種植面積的32%。2013年,菲律賓有將近40萬農民從轉基因玉米種植中獲益[5]。隨著單一抗蟲或耐除草劑性狀轉基因玉米在生產上成功應用,兼具抗蟲和耐除草劑的轉基因玉米相繼在2001年用于生產,且種植面積迅速增長,到2007年種植抗蟲和耐除草劑復合性狀轉基因玉米的面積已超過轉單一性狀基因玉米的種植面積。2009年,陶氏益農公司研發了含有8個基因(pat、cp4epsps、cry1Fa2、cry1A.105、cry2Ab、cry3Bb1、cry34Ab1、cry35Ab1)的兼抗多種害蟲和耐除草劑轉基因玉米,該品種一方面可以防治鱗翅目和鞘翅目的害蟲,另一方面對含草甘膦和草銨膦的除草劑有很好的耐受性[6]。目前,抗蟲和抗除草劑的復合性狀轉基因玉米(包括BT/HTBT/BTBT/BT/HT 3種復合)種植面積達到3 730萬hm2,共有9個國家種植[7]。種植復合性狀轉基因玉米保護玉米免受蟲害,并促進田間雜草化學防除。

玉米螟是我國玉米上的主要害蟲。國外轉Bt基因玉米對亞洲玉米螟(Ostriniafurnacalis)和歐洲玉米螟(O.nubilalis)等鱗翅目害蟲具有良好的防治效果[7-10]。近年來,已有國產轉Bt基因玉米防治玉米螟效果的報道[4,11]。王月琴等[12]報道了通過傳統回交轉育方法將轉cry1Ac基因抗蟲玉米‘BT799’和轉epsps基因耐草甘膦(glyphosate)玉米‘CC-2’的2個基因導入到骨干自交系‘鄭58’中,獲得具有抗玉米螟和耐草甘膦的復合性狀轉基因玉米品系。

本研究以具有抗蟲、耐除草劑復合性狀轉基因玉米‘CC-2×BT799’為研究對象,從目標蛋白表達量、目標性狀的表達方面將其與單性狀轉基因玉米品系‘CC-2’及常規玉米進行了比較研究。

1　材料與方法

1.1供試轉基因玉米

試驗所用玉米品系包括表達mCry1Ac基因的轉基因抗蟲玉米‘BT799’,表達maroACC基因的轉基因耐除草劑玉米‘CC-2’和具有抗蟲、耐除草劑復合性狀轉基因玉米‘CC-2×BT799’,以及受體對照玉米‘鄭58’,均由中國農業大學玉米中心提供?！瓸T799’和‘CC-2’轉基因玉米轉化受體為HiIIA×HiIIB,后期以‘鄭58’為輪回親本進行回交,本試驗所使用的抗蟲試驗材料為‘BT799×鄭58 BC4F3’純合家系,耐除草劑試驗材料為‘CC-2×鄭58BC4F2’分離群體,群體中陽性植株占75%。抗蟲、耐除草劑復合性狀材料為(‘CC-2×鄭58BC4F1’)×(‘BT799×鄭58 BC4F3’)分離群體,群體中抗蟲陽性植株為100%,耐除草劑陽性植株為50%。供試玉米品系分別種植在河北省廊坊市中國農業科學院植物保護研究所科研中試基地和吉林省公主嶺市吉林省農業科學院果樹研究所試驗基地。

1.2供試除草劑

41%草甘膦異丙胺鹽(glyphosate-isopropylammonium)水劑,由美國孟山都公司生產。

1.3CP4 EPSPS和Cry1Ac蛋白表達量測定

將田間待檢植株標記、編號,采集待測玉米組織立即放于液氮中。冷凍干燥后轉入-80 ℃保存。采用Agdia公司的酶聯免疫吸附測定(enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)試劑盒測定。

1.4草甘膦耐受性試驗

試驗設置3個草甘膦濃度,0(清水對照)、3 000和6 000 mL/hm2,兌水525 L。用Agrolex新加坡利農噴霧器,在玉米生長至7～8葉期均勻噴施。噴施草甘膦前,記錄每小區的玉米植株數。在廊坊試驗田分別于噴施后1周、2周和4周記錄各小區內存活玉米植株數、藥害癥狀。于噴施草甘膦后第4周(播種后第62天)采用五點取樣法調查各小區存活的玉米株高15株。在公主嶺試驗田于噴施后1周記錄各小區內存活玉米植株數及藥害癥狀。

1.5試驗設計與數據分析

除草劑試驗小區面積24 m2,每個處理重復3次,小區間隔1.0 m。整個生育期不使用農藥,抗螟性鑒定小區面積24 m2,每個處理重復3次。

對除草劑試驗各處理存活植株數和株高,抗螟性鑒定各品系食葉級別、單株活蟲數、單株蛀孔數和單株隧道長度,各玉米品系蛋白表達量等的差異顯著性進行方差分析。平均數比較采用Duncan’s測驗。所有統計計算采用SAS分析軟件進行。

2　結果與分析

2.1轉基因玉米CP4 EPSPS和Cry1Ac蛋白表達量

在轉CP4 EPSPS基因耐除草劑玉米品系‘CC-2’中均能檢測出CP4 EPSPS蛋白表達?？瓜x耐除草劑復合性狀轉基因玉米品系‘CC-2×BT799’的CP4 EPSPS蛋白在葉片中檢出率為37.5%,在雄穗中的檢出率為50.0%?！瓹C-2’與‘CC-2×BT799’ 葉片中CP4 EPSPS蛋白的平均含量分別為35.42 μg/g(蛋白/組織干重)和49.85 μg/g,雄穗中平均為44.54 μg/g和58.63 μg/g(圖1)。

圖1　轉基因玉米不同部位中CP4 EPSPS蛋白的表達量Fig.1　Expression levels of CP4 EPSPS in different part of transgenic corn

在雄穗中,‘BT799’的Cry1Ac含量與‘CC-2×BT799’相當,分別為581.06 ng/g和585.23 ng/g。在葉片中,‘BT799’的Cry1Ac含量約為‘CC-2XBT799’的2倍,分別為1 146.82 ng/g和501.65 ng/g(圖2)。

在玉米組織中,CP4 EPSPS與Cry1Ac蛋白的含量比約為5∶1～7∶1之間。

2.2轉基因玉米對草甘膦的耐受程度

在廊坊和公主嶺實驗基地,噴施草甘膦1周后,常規玉米品系‘鄭58’和轉單基因抗蟲玉米品系‘BT799’

植株開始出現葉片失綠、萎蔫、下部葉片變黃、生長減緩甚至停滯等藥害癥狀,隨時間推移,藥害程度不斷加重,1周后絕大多數植株萎蔫、干枯直至死亡。2013年在廊坊種植的單抗草甘膦‘CC-2’在噴施草甘膦4周后,噴施正常劑量和2倍劑量的存活率分別為87.7%和86.5%以上(理論存活率75%)。雜交后未經篩選的抗蟲耐除草劑品種‘CC-2×BT7999’噴施除草劑正常劑量和2倍劑量的存活率分別為47.8%和43.8%,與理論存活率50%左右基本接近。存活的植株能正常生長發育,沒有表現出明顯的受害癥狀。2014年種植的單抗草甘膦‘CC-2’在噴施草甘膦正常劑量和2倍劑量4周后的存活率分別為74.4%和75.3%(表1,2)。

圖2　轉基因玉米不同部位中Cry1Ac的表達量Fig.2　Expression levels of Cry1Ac in different part of transgenic corn

噴施后第4周,噴施清水的4個玉米品系間株高無顯著差異,噴施草甘膦正常劑量和2倍劑量后,‘鄭58’和‘BT799’全部死亡,‘CC-2×BT799’和‘CC-2’間無顯著差異(表3)。

表1　噴施不同濃度草甘膦后轉基因玉米存活率1)Table 1　Survival rates of transgenic corn after spraying glyphosate at different concentrations

續表1Table 1(Continued)

品種Variety施藥劑量/mL·(667m2)-1Dosage玉米存活率/% Survivalrate廊坊(2013)Langfang公主嶺(2013)Gongzhuling1周后Oneweek2周后Twoweeks4周后Fourweeks1周后Oneweek鄭58400(0.0±0.0)c(0.0±0.0)c(0.0±0.0)c(0.0±0.0)cBT799(0.0±0.0)c(0.0±0.0)c(0.0±0.0)c(0.0±0.0)cCC-2(98.8±0.4)a(90.6±3.6)a(89.0±2.5)a(99.5±0.5)aCC-2×BT799(53.1±5.7)b(50.3±3.7)b(48.8±3.1)b(47.7±3.9)b

1) 表中數據為平均值±標準差。同一施藥劑量下不同品種后面有不同字母者表示差異顯著P<0.05。

Data are mean±SE, The lowercase letters in the same list indicate significant difference (LSD test,P<0.05).

表2　2014年于廊坊試驗田噴施不同濃度草甘膦4周后轉基因玉米存活率Table 2　Survival rates of transgenic corn four weeks after spraying glyphosate with different concentrations in Langfang, 2014

表3　噴施草甘膦4周后各玉米品系的株高1)Table 3　Plant heights of transgenic corn after spraying glyphosate with different concentrations

1) 表中數據為平均值±標準差。同一施藥劑量下不同品種后面有不同字母者表示差異顯著P<0.05。

Data are mean±SE; the lowercase letters in the same list indicate significant difference (LSD test,P<0.05).

3　討論

性狀復合有多種途徑[13]。然而,國際上已商業化應用的復合性狀轉基因作物大都是采用育種復合獲得的產品[5,14]。在一些國家,通過育種復合多個性狀的轉基因作物的商業化在監管上不需要再評估[15]。通過育種復合可獲得不同性狀如既抗蟲又耐除草劑或抗不同種類的害蟲或具有抗性治理功能的轉基因作物[16-18]。本研究選用的表達Cry1Ac抗蟲和CP4 EPSPS耐除草劑的轉基因玉米是通過常規育種復合獲得的既抗蟲又耐除草劑的玉米材料,既有良好的抗玉米螟性,又有良好的草甘膦耐受性。

本研究表明,CP4 EPSPS蛋白在雄穗中的表達較葉片稍高,且雙抗品種較‘CC-2’中的CP4 EPSPS蛋白含量稍高。在玉米組織中,CP4 EPSPS蛋白含量高達Bt蛋白的5倍。ELISA檢測,雄穗中‘CC-2×BT799’‘的Cry1Ac含量與BT799’近似,在葉片中 ‘CC-2×BT799’‘的Cry1Ac含量只有‘BT799’的1/2,較王月琴等[12]報道的‘BT799’的葉片、花絲、苞葉和籽粒中的含量均低,介于BT-X、BT-181、BT-38、BT-105和BT-43這幾個轉化事件之間[11]。根據葉片中‘CC-2×BT799’的Cry1Ac含量與‘BT799’中含量的比例關系推測,抗除草劑基因maroACC在一定程度上影響了Cry1Ac蛋白的表達,這在前人的研究中未見報道。而‘BT799’、‘CC-2×BT799’在各器官中Bt蛋白的時空表達與‘MON810’和‘BT11’也存在差異[18],說明不同品系的Bt蛋白時空表達存在差異,其抗蟲效果也有不同。

‘BT799’田間抗螟性鑒定表明,‘CC-2×BT799’和‘BT799’在心葉期和花絲期玉米螟為害比常規種‘鄭58’和單耐除草劑品種‘CC-2’顯著降低,與已報道的轉cry1Ac基因玉米‘BT-X’結果一致,說明‘CC-2×BT799’和‘BT799’均能有效防治亞洲玉米螟的一代和二代為害[12]。盡管雙抗品種葉片中的Cry1Ac含量比‘BT799’較低,但其也達到了良好的抗蟲效果。但本試驗結果也顯示,供試復合性狀的轉基因玉米‘CC-2×BT799’和單抗蟲轉基因玉米‘BT799’中的Cry1Ac蛋白含量與美國孟山都公司研發的第1代轉Bt基因玉米轉化事件MON810葉片中Cry1Ab蛋白的表達量還有一定差距[20]。

對草甘膦的耐受性試驗表明,轉復合基因玉米‘CC-2×BT799’與單耐草甘膦品種‘CC-2’對草甘膦均具有良好的耐受性。心葉期噴施草甘膦推薦劑量和2倍劑量對其株高和后期生長發育無不良影響。與赫福霞報道的同樣具有我國自主知識產權的轉cry1Ah、cry1Ie和耐草甘膦基因2mG2-epsps的多價轉基因玉米結果相似[21]。金丹也篩選得到了11個T0代高表達單拷貝的轉CrylAbNJB殺蟲蛋白基因和epsps抗草甘膦基因的抗蟲耐除草劑玉米 ‘G3-NJB’株系[22]。這都是我國通過植物轉基因技術成功培育的具有抗蟲耐除草劑優良性狀的轉基因玉米新品種,為加快推進我國抗蟲耐除草劑玉米的產業化進程邁出重要一步。

本研究通過蛋白表達量的測定以及對草甘膦耐受性的檢測證明,供試品系‘CC-2×BT799’盡管在表達量上與‘CC-2’和‘BT799’存在一定差異,但該品系‘BT799’能高效表達Cry1Ac和CP4 EPSPS蛋白,且對草甘膦的耐受性良好,具有應用和推廣價值。

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(責任編輯：田喆)

Tolerance of transgenic and herbicide-and insect-resistant corn to glyphosate

Jiang Fan,Liu Kaiqiang,Zhang Tiantao,Bai Shuxiong,Wang Zhenying,He Kanglai

(Institute of Plant Protection, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing100193, China)

Insect-resistantcry1Acgene and glyphosate-tolerant gene were used to construct an insect-resistant/glyphosate-tolerant bivalent plant which had been patented. It effectively improved complex traits in corn. This study mainly evaluated the tolerance of insect-resistant/glyphosate-tolerant bivalent corn and glyphosate-tolerant corn to glyphosate, and measured the quantity of Cry1Ac and CP4 EPSPS protein expressed in corn tissues, in order to provide the basis for the improvement and application of the maize varieties. Insect-resistant/glyphosate-tolerant bivalent corn ‘CC-2×BT799’, insect-resistant corn ‘BT799’, herbicide-resistant corn ‘CC-2’, and conventional corn ‘Zheng 58’ were compared by investigating the survival rates and heights of plants after spraying herbicides. Cry1Ac and CP4 EPSPS protein expression was measured by ELISA. ‘CC-2’ and ‘CC-2×BT799’ performed excellent tolerance to glyphosate after spraying glyphosate with recommended and double recommended rates at the whorl stage. ELISA detection showed that CP4 EPSPS protein expression in the tassel was slightly higher than in leaves. CP4 EPSPS protein expression in ‘CC-2×BT799’ was slightly higher than in ‘CC-2’. Cry1Ac protein expression in BT799 and ‘CC-2×BT799’ was nearly the same in the tassel. However, Cry1Ac protein expression in BT799 leaves was about 2 times of that in ‘CC-2×BT799’. Insect-resistant/glyphosate-tolerant corn showed strong resistance to glyphosate. Cry1Ac protein expression varied among the corn varieties and tissues.

insect-resistant/glyphosate-tolerant corn;survival rate;tolerance;ELISA

2015-02-25

2015-07-07

國家轉基因生物新品種培育科技重大專項(2013ZX08003-001)

E-mail:klhe@ippcaas.cn

S 435.13, Q 78

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2016.02.012