低温胁迫对Bt 棉纤维中杀虫蛋白含量及氮代谢的影响

戴雨阳 岳 野 刘震宇 何 润 刘雨婷 张 祥 陈德华 陈 媛

扬州大学 / 江苏省作物遗传生理国家重点实验室培育点, 江苏扬州 225009

自1997 年转Bt 基因抗虫棉在我国进行商品化种植以来, Bt 棉面积已占中国棉花种植面积的90%以上[1]。种植Bt 棉能有效地降低棉铃虫等害虫的危害, 从而减少农药的用量, 具有良好的经济和生态效益[2-3]。棉花原产于热带和亚热带, 是喜温作物, 对低温极其敏感, 更易受到低温冷害的影响。目前, 我国棉花产区逐渐向新疆寒凉地带转移, 因此低温逆境在棉花生产中发生更为频繁[4], 并且极端低温发生的频率和强度也呈上升趋势。在7 月至8 月, 新疆地区夜晚经常出现15℃左右的低温, 甚至出现连续3 d 及以上平均气温小于20℃的障碍性冷害现象[5]。2022 年7 月9 日, 喀什出现了9℃的低温; 2022 年8月中旬, 阿勒泰出现了持续一个星期的平均气温低于15℃的天气。低于15℃的温度会使棉花生长发育速度减缓或者是停止生长; 后期温度在20℃以下,对纤维成熟不利[6]。纤维是棉花的主要产物, 在棉铃纤维生长发育的重要时期受到棉铃虫危害, 会对产量形成造成极大的影响[7]。

国内外的研究普遍认为Bt 棉花的抗虫性是不稳定的, 并且呈现出明显的时空动态规律。陈松等[8]对转Bt 抗虫棉32B 不同生育时期抗虫性测定表明,整个苗期抗虫性表现较强, 但到了现蕾期则有所下降, 在生长中后期更是显著下降至最低值。李汝忠等[9]研究表明, 全展开的功能叶中杀虫蛋白含量是最高的, 而根、茎和叶柄中含量相对较低。Bt 棉的抗虫性还受各种环境因素影响, 在不良的环境胁迫下, Bt 棉会表现出抗虫性显著下降甚至抗虫性消失的情况[10]。张祥等[11]通过盆栽试验研究发现当低于田间持水量的60%时, 棉花植株不同器官中杀虫蛋白的含量会显著降低。夏兰芹等[12]研究表明高温使Bt 基因沉默时间提前, 杀虫蛋白表达量减少, 进而导致杀虫蛋白含量急剧下降。周冬生等[13]通过棉铃虫饲喂研究了温度对 Bt 棉的抗虫性影响, 指出高低温都影响Bt 棉抗虫性, 且低温对Bt 棉抗虫性影响更大。钟信念等[14]通过温室试验发现低于20℃的低温会对棉花的生长发育产生影响, 并且低温持续时间也是重要的影响因素之一。周青[15]研究发现在棉纤维加厚期日均温低于19.5℃时, 纤维中的可溶性蛋白含量逐渐降低, 并且可溶性蛋白含量随着温度的降低会进一步的降低。Fitt 等[16]在对Bt 棉进行田间试验发现连续的低温会使杀虫蛋白含量下降, 导致棉铃虫危害。陈德华等[17]研究表明在低温条件下,叶片的杀虫蛋白含量发生变化的时间较早, 并且在整个胁迫期间下降幅度大。

以往的研究主要集中在叶片, 而棉铃虫危害棉花纤维会对产量造成直接影响。因此在纤维生长发育时期, 纤维杀虫蛋白含量保持稳定具有十分重要的意义。此外Bt 棉低温胁迫的研究多以特定胁迫温度对棉花不同生育时期的影响为主, 然而不同程度的低温及低温持续时长对Bt 棉抗虫性的影响却很少涉及。针对棉花生产实践中低温影响抗虫性的问题,本研究通过人工模拟生产上可能出现的低温, 探讨铃期不同水平低温及持续时间对Bt 棉纤维杀虫蛋白表达量及其氮代谢特征的影响, 从而为Bt 棉抗虫性安全应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为: 转Bt 基因(Cry I Ac)抗虫棉(Bt 棉)常规品种泗抗1 号(Sikang 1, SK1)和杂交种泗抗3 号(Sikang 3, SK3)。

1.2 试验设计

试验于2020—2021 年在扬州大学江苏省遗传栽培生理重点实验室进行。2 年试验均为盆栽试验, 所用盆钵直径35 cm, 盆高30 cm, 每盆装20 kg 过筛的砂壤土(取自大田试验田), 含有机物17.3 g kg-1、水解氮129.9 mg kg-1、速效磷25.4 mg kg-1和速效钾81.0 mg kg-1。采用育苗移栽方式种植, 每年的4 月17 日营养钵育苗, 5 月22 日选择长相一致的壮苗移栽盆中, 每盆1 株。保持盆中土壤含水量接近田间持水量, 肥料与其他管理措施按照当地高产栽培要求进行。

2020 年试验, 每个品种每个处理设6 次重复。于盛花期时(7 月18 日)标记棉株第7～8 果枝, 第1～2果节当日花, 待标记铃长至15 日龄时移至人工气候室以16℃、17℃、18℃、19℃、20℃和27 ℃ ( 对照)进行不同低温水平胁迫试验和12 h、24 h、48 h 不同低温胁迫持续时间试验。2021 年(除去20℃处理)并重复2020 年试验, 温度控制情况见表1。处理结束后, 取盛花期标记相同部位相同日龄的棉铃, 液氮冷冻后在低温条件下用镊子从铃壳中剥离纤维并进行相关指标测定。

表1 人工气候室48 h 内各处理最低温度和最高温度Table 1 Lowest and highest temperatures of each treatment within 48 hours in the artificial climate chamber ( ℃)

1.3 测定指标

采用酶联免疫分析法(ELISA)测定[18]杀虫蛋白含量。采用G-250 考马斯亮蓝比色法测定[19]可溶性蛋白含量。采用抗坏血酸茚三酮染色法测定[20]游离氨基酸含量。采用赖氏比色法测定[21]谷丙转氨酶和谷草转氨酶活性。采用福林酚法测定蛋白酶活性[22]; 肽酶活性测定是在粗酶液中加入底物牛血红蛋白和酪蛋白(干酪素), 反应一段时间后, 离心获得上清液, 上清液中的氨基酸含量采用茚三酮染色法进行测定[20]。

1.4 数据分析

用SPSS 25.0 软件进单因素方差分析, 在P≤0.05 时LSD 检验各处理间差异的显著性, 采用皮尔逊相关分析, 用Microsoft Excel 2017 进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 低温对Bt 棉纤维中杀虫蛋白含量的影响

与对照(27 ℃)相比, 低温处理下纤维中杀虫蛋白含量降低, 且随着温度的降低, 其含量呈现下降趋势(图1)。2020 年, 低温处理12 h 后, SK1 和SK3均仅在16℃处理下存在显著差异, SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃的处理下分别比对照降低13.64%、3.43%、1.23%、1.69%、1.57%和9.91%、3.12%、0.96%、0.19%、0.61%。低温处理24 h 后, SK1 在19℃和20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃、17℃和18℃处理下存在显著差异;SK3 在18℃、19℃和20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃和17℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃的处理下分别比对照降低25.11%、16.63%、8.65%、6.47%、5.12%和18.73%、10.71%、3.17%、2.55%、2.22%。低温处理48 h 后, SK1 在19℃和20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃、17℃和18℃处理下存在显著差异; SK3 在18℃、19℃和20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃和17℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃的处理下分别比对照降低27.78%、19.09%、18.17%、3.47%、3.22%和29.69%、20.31%、11.81%、3.45%、2.12%。导致SK1 中杀虫蛋白含量显著降低的温度在胁迫12 h 后为16 ℃, 24 h 和48 h 后为18 ℃, SK3在胁迫12 h 后为16 ℃, 24 h和48 h 后为17℃。2021年, 纤维中杀虫蛋白含量的变化趋势与2020 年相似,SK1 在低温处理12 h、24 h 和48 h 后发生显著变化的温度分别为16℃、18℃和18 ℃, SK3在低温胁迫12 h、24 h、48 h 后发生显著变化的温度分别为16℃、17℃和18℃。品种间相比, SK1 的杀虫蛋白含量的下降幅度整体上比SK3 更大。2021 年也观察到了相似的趋势。导致杀虫蛋白含量显著降低的温度随低温持续时间的延长而增加, 并且还进一步降低了杀虫蛋白的含量。

图1 低温对Bt 棉纤维中杀虫蛋白含量的影响Fig. 1 Effect of low temperature stress on insecticidal protein content in fibers

2.2 低温对Bt 棉纤维中氮代谢的影响

2.2.1 低温胁迫对Bt 棉纤维中可溶性蛋白含量的影响 可溶性蛋白是重要的渗透调节物质和营养物质, 随着温度的降低, 其含量呈现下降趋势(图2)。2020 年, SK1 和SK3 在低温胁迫12 h 后, 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维可溶性蛋白含量分别比对照下降14.11%、11.62%、8.62%、2.29%、4.37%和14.48%、4.93%、7.03%、2.93%、2.27%。在低温处理24 h 后, SK1 在18℃、19℃、20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃和17℃处理下存在显著差异; SK3 在19℃和20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃、17℃、18℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维可溶性蛋白含量分别比对照下降31.46%、19.54%、5.12%、0.79%、1.65%和17.04%、14.46%、9.92%、8.82%、6.00%。在低温处理48 h后, SK1 在各处理下与对照均存在显著差异; SK3 在20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃、17℃、18℃、19℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维可溶性蛋白含量分别比对照下降33.72%、27.29%、23.58%、9.82%、10.49%和26.52%、28.98%、19.73%、7.76%、5.46%。品种间相比, SK1 的可溶性蛋白含量的下降幅度整体上比SK3 更大。2021 年也观察到相似的趋势。引起纤维内可溶性蛋白含量显著下降的温度随着低温处理时间的延长而升高, 并且还进一步降低了可溶性蛋白含量。

2.2.2 低温对Bt 棉纤维中游离氨基酸含量的影响

纤维中游离氨基酸含量在低温处理下升高, 且随处理温度的降低, 其含量整体上呈现上升趋势(图3)。2020 年, SK1 和SK3 在低温处理12 h 后, 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维游离氨基酸含量分别比对照升高8.24%、5.30%、6.34%、4.37%、1.16%和20.33%、2.05%、1.75%、1.40%、-0.68%。在低温处理24 h 后, SK1 和SK3 均在18℃、19℃、20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃和17℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维游离氨基酸含量分别比对照升高21.49%、14.53%、7.19%、3.56%、0.73%和33.5%、15.03%、8.69%、5.46%、3.93%。在低温处理48 h 后, SK1 和SK3 均在19℃和20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃、17℃、18℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维游离氨基酸含量分别比对照升高35.20%、24.77%、21.92%、7.97%、5.03%和37.06%、18.50%、19.45%、5.64%、4.42%。品种间相比, SK1的游离氨基酸含量的升高幅度整体上比SK3 更大。2021 年也观察到相似的趋势。引起纤维内游离氨基酸含量显著升高的温度随着低温处理时间的延长而升高, 并且还进一步升高了游离氨基酸含量。

图3 低温对Bt 棉纤维游离氨基酸含量的影响Fig. 3 Effect of low temperature stress on free amino acid content in fibers

2.2.3 低温对Bt 棉纤维中谷草转氨酶活性的影响

作为氨基酸合成的关键酶, 谷草转氨酶的活性在低温处理下降低, 且随处理温度的降低, 其含量整体上呈现降低趋势(图4)。2020 年, 低温处理12 h后, SK1 和SK3 均仅在16℃处理下与对照存在显著差异。SK1 和SK3 胁迫在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维谷草转氨酶活性分别比对照下降13.32%、8.27%、6.43%、1.01%、0.64%和13.63%、9.66%、7.37%、3.66%、2.00%。在低温处理24 h 后,SK1 在18℃、19℃、20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃和17℃处理下存在显著差异; SK3 在17℃、18℃、19℃、20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维谷草转氨酶活性分别比对照下降19.73%、15.90%、6.87%、4.57%、2.35%和20.96%、11.97%、3.33%、0.94%、1.26%。在低温处理48 h 后, SK1 和SK3 均仅在19℃和20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃、17℃、18℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维谷草转氨酶活性分别比对照下降31.31%、20.58%、16.90%、4.45%、3.41%和28.29%、20.88%、18.32%、4.60%、2.52%。品种间相比, SK1 的谷草转氨酶活性的降低幅度整体上比SK3 更大。2021 年也观察到了相似的趋势。引起纤维内谷草转氨酶活性显著下降的温度随着低温处理时间的延长而升高, 并且还进一步降低了谷草转氨酶活性。

图4 低温对Bt 棉纤维谷草转氨酶活性的影响Fig. 4 Effect of low temperature stress on GOT activity in fibers

2.2.4 低温胁迫对纤维中谷丙转氨酶活性的影响

作为氨基酸合成的关键酶, 谷丙转氨酶的活性在低温处理下降低, 且随处理温度的降低, 其含量整体上呈现降低趋势(图5)。2020 年, 在低温处理12 h 后, SK1 和SK3 均仅在16℃处理与对照存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和 20℃处理下纤维谷丙转氨酶活性分别比对照下降16.41%、7.68%、6.82%、5.77%、2.76%和12.55%、5.57%、4.33%、1.61%、2.11%。在低温处理24 h后, SK1 在19℃和20℃的处理下与对照差异不显著,但在16℃、17℃、18℃处理下存在显著差异; SK3在18℃、19℃、20℃的处理下与对照差异不显著,但在16℃和17℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维谷丙转氨酶活性分别比对照下降28.17%、16.93%、8.79%、5.81%、3.35%%和21.31%、13.79%、6.08%、4.76%、3.87%。在低温处理48 h 后, SK1 在各处理下与对照均存在显著差异; SK3 在19℃和20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃、17℃、18℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维谷丙转氨酶活性分别比对照下降30.66%、27.20%、22.86%、7.57%、5.86%和25.78%、19.40%%、16.39%、6.21%、4.98%。品种间相比, SK1 的谷丙转氨酶活性的降低幅度整体上比SK3 更大。2021 年也观察到了相似的趋势。低温胁迫持续时间的延长不仅提高了使纤维内谷丙转氨酶活性显著下降的温度, 并且还进一步降低了谷丙转氨酶活性。

图5 低温对Bt 棉纤维谷丙转氨酶活性的影响Fig. 5 Effect of low temperature stress on GPT activity in fibers

2.2.5 低温对Bt 棉纤维中蛋白酶活性的影响

参与蛋白质分解的蛋白酶的活性在低温处理下升高, 且随处理温度的降低, 其含量整体上呈现上升趋势(图6)。2020 年, 在低温处理12 h 后, SK1和SK3 均仅在16℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维蛋白酶活性分别比对照升高 7.82%、3.48%、2.88%、0.58%、0.37%和7.54%、4.11%、3.44%、2.90%、0.84%。在低温处理24 h 后, SK1 在19℃和20℃的处理下与对照差异不显著, 但在 16℃、17℃、18℃处理下存在显著差异; SK3 在 18℃、19℃、20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃和17℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维蛋白酶活性分别比对照升高13.11%、7.98%、6.77%、1.24%、0.65%和14.08%、7.46%、4.75%、1.44%、0.61%。在低温处理48 h 后, SK1 在20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃、17℃、18℃、19℃处理下存在显著差异; SK3 在19℃和20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃、17℃、18℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维蛋白酶活性分别比对照升高 18.71%、14.02%、12.85%、4.93%、3.12%和19.25%、14.57%、13.10%、1.44%、0.31%。品种间相比, SK1 的蛋白酶活性的升高幅度整体上比SK3 更大。2021 年也观察到了相似的趋势。引起纤维内蛋白酶活性显著升高的温度随着低温处理时间的延长而升高, 并且还进一步升高了蛋白酶活性。

2.2.6 低温对Bt 棉纤维中肽酶活性的影响 参与蛋白质分解的肽酶的活性在低温处理下升高, 且随处理温度的降低, 其含量整体上呈现上升趋势(图7)。2020 年, 在低温处理12 h 后, SK1 在17℃、18℃、19℃、20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃处理下存在显著差异; SK3 在各处理下均与对照差异不显著。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维肽酶活性分别比对照升高11.19%、6.81%、3.79%、3.02%、2.21%和6.59%、2.53%、1.56%、2.46%、1.41%。在低温处理24 h 后,SK1 和SK3 均仅在18℃、19℃、20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃和17℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维肽酶活性分别比对照升高 23.74%、15.17%、8.83%、4.91%、3.42%和18.01%、10.47%、6.29%、3.67%、1.60%。在低温处理48 h 后, SK1 在19℃和 20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃、17℃、18℃处理下存在显著差异; SK3 在20℃的处理下与对照差异不显著, 但在16℃、17℃、18℃、19℃处理下存在显著差异。SK1 和SK3 在16℃、17℃、18℃、19℃和20℃处理下纤维肽酶活性分别比对照升高27.24%、19.07%、15.65%、6.57%、3.11%%和16.36%、11.04%、9.95%、6.72%、3.86%。2021 年也观察到了相似的趋势。品种间相比, SK1的肽酶活性的升高幅度整体上比SK3 更大。引起纤维内肽酶活性显著升高的温度随着低温处理时间的延长而升高, 并且还进一步升高了肽酶活性。

图7 低温对Bt 棉纤维肽酶活性的影响Fig. 7 Effect of low temperature stress on peptidase activity in fibers

2.3 Bt 棉纤维中杀虫蛋白含量与氮代谢关键物质含量和关键酶的相关性分析

对氮代谢关键物质含量和关键酶活性进行相关分析(表2)发现, 2020 年SK1 在低温处理12 h 后, 杀虫蛋白含量与可溶性蛋白含量以及游离氨基酸含量无显著关系, 与谷草转氨酶活性呈现显著正相关,与谷丙转氨酶活性呈极显著正相关, 与蛋白酶和肽酶活性呈极显著负相关。SK3 在低温处理12 h 后, 杀虫蛋白含量与可溶性蛋白含量和谷丙转氨酶活性呈极显著正相关, 与谷草转氨酶活性呈显著正相关,与游离氨基酸含量和肽酶活性呈显著负相关, 与蛋白酶活性呈显著负相关。SK1 在低温处理24 h 和48 h 后, 杀虫蛋白含量和可溶性蛋白含量、谷丙转氨酶活性、谷草转氨酶活性呈极显著正相关, 与游离氨基酸含量、蛋白酶活性、肽酶活性呈极显著负相关。SK3 在低温处理24 h 后, 杀虫蛋白含量和谷丙转氨酶活性、谷草转氨酶活性呈极显著正相关,与可溶性蛋白含量呈显著正相关, 与游离氨基酸含量、蛋白酶活性、肽酶活性呈极显著负相关。SK3在低温处理48 h 后, 杀虫蛋白含量和可溶性蛋白含量、谷丙转氨酶活性、谷草转氨酶活性呈极显著正相关, 与游离氨基酸含量、蛋白酶活性、肽酶活性呈极显著负相关。2021 年的数据也表现出相似的趋势。表明杀虫蛋白含量的变化受到氮代谢关键物质含量和关键酶活性变化的影响, 并且随着持续时间的延长变得更加显著。以杀虫蛋白含量为(Y)为因变量,可溶性蛋白含量(X1)、游离氨基酸含量(X2)、谷草转氨酶活性(X3)、谷丙转氨酶活性(X4)、蛋白酶活性(X5)和肽酶活性(X6)为自变量进行逐步回归分析, 回归方程决定系数为R2=0.968 (表3), 则谷草转氨酶活性和肽酶活性是能够反映杀虫蛋白含量的主要因素。

表2 杀虫蛋白含量与氮代谢关键物质含量和关键酶活性相关分析Table 2 Correlation analysis of insecticidal protein content with the content of key substances in nitrogen metabolism and the activity of key enzymes

表3 逐步回归分析结果Table 3 Results of stepwise regression analysis

3 讨论

3.1 低温胁迫对Bt棉纤维中杀虫蛋白含量的影响

前人研究表明。低于15℃的温度会严重影响棉花的生长发育[23]。Maho 等[24]通过生测试验也发现在低温(14～22 ℃)条件下棉铃幼虫存活率较高。周冬生等[25]研究温度对已表达于棉株中的杀虫蛋白抗虫活性的影响, 发现在16℃的低温下可明显降低转Bt基因离体器官的抗虫活性。张明伟等[26]研究表明Bt棉全生育期均会受低温高湿影响, Bt 棉叶片杀虫蛋白下降幅度因胁迫的程度和时期而异, 结铃期Bt 棉叶片杀虫蛋白含量下降速度快于盛花期。Chen 等[27]研究表明低温胁迫会降低铃壳以及叶片中杀虫蛋白含量, 并且延长低温持续时间会增加其发生显著变化的温度。由此可见, 在棉花生育阶段特别是结铃期出现低温胁迫会导致Bt 棉抗虫性的下降, 其原因可能是影响了自身杀虫蛋白表达量, 也可能直接影响了杀虫蛋白的活性。本文研究表明纤维中杀虫蛋白含量在低温胁迫下降低, 并且随着温度的降低,杀虫蛋白含量总体呈下降趋势。同时, 杀虫蛋白含量发生显著变化的温度随处理时间的延长而呈现上升趋势。与对照(27 ℃)相比。纤维中杀虫蛋白含量降低幅度随着胁迫时间的延长而增大。引起纤维中杀虫蛋白含量显著下降的温度, SK1 在低温处理12 h、24 h、48 h 后, 分别为16℃、18℃、18 ℃, SK3为16℃、17℃、17℃。品种间相比, SK1 的杀虫蛋白含量的下降幅度整体上比SK3 更大, 这可能是杂种优势的原因。

3.2 低温胁迫对氮代谢的影响

生物体内蛋白质代谢是一个动态平衡过程, 在合成新的蛋白质的同时, 也存在旧的蛋白质的降解,降解产生的氨基酸又可用于合成蛋白质[28]。刘志等[29]研究发现Bt 棉开始生殖生长后, 生殖器官发育需要大量的蛋白质和光合产物, 导致Bt 棉生长中后期杀虫蛋白含量显著下降, 且叶片中的杀虫蛋白含量与可溶性蛋白含量呈正相关。董双林等[30]研究发现Bt棉生育后期杀虫蛋白含量下降可能是蛋白酶降解的一部分作用。高温条件下, Bt 棉叶片中杀虫蛋白含量下降, 这可能是由于高温促进了叶片中可溶性蛋白的降解, 从而导致的下降[31]。温度在38℃以上时,昼夜变温持续7 d 以上时, 蕾铃中蛋白质的分解能力大于合成能力, 导致杀虫蛋白含量显著下降[32]。由此可见, 高温胁迫会加快蛋白质的分解, 延缓蛋白质的合成, 最终导致杀虫蛋白含量下降。本文研究发现在低温条件下也有相似的结果。在低温胁迫48 h 后, SK1 和SK3 中的杀虫蛋白与可溶性蛋白含量、谷丙转氨酶活性、谷草转氨酶活性呈极显著正相关, 与游离氨基酸含量、蛋白酶活性、肽酶活性呈极显著负相关。同时各项指标均表明, 低温条件下, 肽酶以及蛋白酶活性增强, 导致分解蛋白质能力增加, 游离氨基酸增多; 同时, 谷丙转氨酶、谷草转氨酶这2 种酶的活性下降直接导致合成蛋白质能力的下降, 使得可溶性蛋白含量下降, 进而导致杀虫蛋白含量下降。以上结果表明, 低温导致了蛋白质合成能力的减弱和分解能力的增强, 从而最终降低了杀虫蛋白含量。通过对杀虫蛋白含量做逐步回归分析发现谷草转氨酶活性和肽酶活性是能够反映杀虫蛋白含量的主要因素。

4 结论

低温胁迫降低了杀虫蛋白含量, 且随持续时间延长下降幅度增大, 杀虫蛋白发生显著变化的温度升高。低温胁迫还使蛋白质的合成功能下降, 分解能力增强, 导致可溶性蛋白含量下降, 游离氨基酸含量升高, 最终导致杀虫蛋白含量下降。因此生产上需要避免在铃期出现持续12 h 以上, 16℃到18℃的低温天气, 以免纤维中的杀虫蛋白含量显著降低,抗虫性降低, 产量减少。