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(详细)转Bt基因水稻对稻纵卷叶螟幼虫体内三种保护酶活性的影响

来源:步遥情感网
昆虫学报ActaEntomologicaSinica,October2008,51(10):1022-1027ISSN045426296

转Bt基因水稻对稻纵卷叶螟幼虫体内

三种保护酶活性的影响

张 巍,张志罡,付秀芹,刘立军,颜亨梅

(湖南师范大学生命科学学院,长沙 410081)#

#

3

摘要:用转Cry1AbΠCry1Ac基因水稻的叶片饲喂稻纵卷叶螟Cnaphalocrocismedinalis(Guenée)幼虫,采用酶活力测定方法研究了转基因水稻对稻纵卷叶螟幼虫体内3种保护酶(SOD,CAT和POD)活性的影响。结果表明:取食转基因水稻叶片4h后,幼虫体内SOD酶活性比对照提高了9115%,与对照有显著差异;36h后活性达到最大值,但与对照差异不显著。取食转基因水稻叶片24h后,幼虫体内CAT酶活性达到最大值且高于对照,但与对照差异不显著;

48h后酶活性受到显著抑制,与对照差异显著。取食转基因水稻叶片12h后,幼虫体内POD酶活性达到最大值,与

对照差异不显著;48h后酶活性逐渐下降达到最小值,比对照下降68105%。实验同时测定了幼虫体内及其粪便中Bt毒蛋白含量的变化,结果表明取食转基因水稻叶片12h后,随着大量取食进入体内的毒蛋白随粪便排出,幼虫体

内的毒蛋白含量一直低于粪便中的含量,且在24h时两者差异达到最大。由于Bt毒蛋白在幼虫体内的积累,扰乱了稻纵卷叶螟幼虫体内SOD,CAT和POD3种保护酶的动态平衡,使虫体内自由基的清除遇到障碍,从而对其产生毒害作用。

关键词:转基因水稻;稻纵卷叶螟;保护酶;SOD;CAT;POD

中图分类号:Q966  文献标识码:A  文章编号:045426296(2008)1021022206

EffectsoftransgenicBtriceontheactivitiesofthreeprotectiveenzymesin

larvaeofthericeleaffolder,Cnaphalocrocismedinalis(Lepidoptera:Pyralidae)

ZHANGWei

#

#3

,ZHANGZhi2Gang,FUXiu2Qin,LIULi2Jun,YANHeng2Mei(CollegeofLifeScience,

HunanNormalUniversity,Changsha410081,China)

Abstract:TheeffectsoftransgenicriceontheactivitiesofSOD,CATandPODinCnaphalocrocismedinalislarvaewerestudiedbyassayingenzymeactivitiesafterthe3rdinstarlarvaehadbeenfedwithleavesoftransgenicandnon2tarnsgenicrice(control)fordifferenttime.TheresultsshoweditsSODactivitywassignificantlyhigher(9115%)thanthatofcontrolafterthelarvaefedontransgenicricefor4handreachedthemaximumwithalittledifferencefromthatofcontrolafterthelarvaefedfor36h.TheCATactivityoflarvaefedwithleavesoftransgenicricereachedthemaximumandwasalittlehigherthanthatofcontrolafterfeedingfor24h,butsignificantlylowerthanthatofcontrolafterthelarvaefedfor48h.ThePODactivityoflarvaefedwithleavesoftransgenicricereachedthemaximumwithalittledifferencefromthatofcontrolafterfeedingfor12h,butdecreasedby68105%afterfeedingfor48h.MeanwhilewealsoassayedthevariationoftheBtproteininthelarvalbodyanddejecta.Byvoidanceofdejecta,thelevelofBtproteininthelarvalbodywasalwayslowerthanthatindejectaafterfeedingfor12h,andthedifferencebetweenbothreachedthehighestat24hafterfeeding.ItwassoinferredthatthegradualaccumulationofBtproteininthelarvalbodydisturbedthedynamicbalanceofSOD,CATandPOD,baffledtheclearanceoffreeradicalsandproducedtoxiceffects

基金项目:国家自然科学基金项目(30570226)

作者简介:张巍,男,1982年生,江苏泰州人,硕士,研究方向为生物安全评价,E2mail:froghappy1982@yahoo.com.cn;张志罡,男,1981年生,甘肃

通渭人,硕士,研究方向为生物安全评价,E2mail:zhangzhigangxyzy@163.com

#同为第一作者Authorswithequalcontribution

3通讯作者Authorforcorrespondence,E2mail:yanhm03@1261com收稿日期Received:2008205221;接受日期Accepted:2008209203

10期张 巍等:转Bt基因水稻对稻纵卷叶螟幼虫体内三种保护酶活性的影响

1023

onC.medinalislarvae.

Keywords:Transgenicrice;Cnaphalocrocismedinalis;protectiveenzymes;SOD;CAT;POD;enzymeactivity

  水稻Oryzasativa是世界上种植面积最大的粮食作物之一,全球大约有三分之一以上的人口以稻

米为主食,中国是世界水稻种植大国,年种植面积约

2

3000万hm,占粮食作物种植面积近1Π3,稻谷产量占粮食总产量的45%左右(杨友才和周清明,2003)。全国每年水稻因病虫害危害造成的损失约400~500万t,所以对水稻害虫的防治一直都是国内外十分关注的问题(王艳青,2006)。

稻纵卷叶螟Cnaphalocrocismedinalis(Guenée),是水稻生产中的一种主要害虫,幼虫在分孽期、孕穗期和抽穗期危害叶片,一般可造成减产2~3成,严重时可达5成以上(艾国民和王恒亮,1998)。通过化学杀虫剂控制水稻害虫,不仅生产成本高,对生态平衡造成破坏,对人、畜健康危害严重,且导致害虫产生抗药性,加大了农药的用量,造成生态系统累积性污染的恶性循环(朱新生和朱玉贤,1997)。因此,培育具有抗虫能力的转基因水稻已成为控制水稻害虫的重要途径,转苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis,Bt)基因水稻就是其中一种,其对水稻鳞翅目等害虫具有较高的抗性。转Bt基因水稻导入的是经过人为修饰的δ2内毒素基因活性片段部分,且带有增强的表达启动子,编码的活性杀虫蛋白无需活化即可与靶标害虫中肠上皮细胞的受体结合,并发生作用而使细胞膜穿孔。消化道细胞内的离子浓度和渗透压平衡遭到破坏,使上皮细胞裂解,最终导致昆虫死亡(韩兰芝等,2006)。目前关于Bt杀虫蛋白对昆虫的作用机制大多数研究主要集中在昆虫组织病理学观察和杀虫蛋白与中肠上皮细胞膜之间的结合作用上,对昆虫的保护酶活性影响的研究报道虽有涉及但相对较少。保护酶是昆虫体内最主要的三大酶系之一,已经有报道证实昆虫的保护酶受Bt的影响而变化,可能直接参与了Bt杀虫蛋白的代谢作用并与抗性的产生有关(Dingetal.,2001;徐艳聆等,2006)。超氧化物歧化酶(SOD),过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)是生物体内普遍存在的3种防御氧化损伤的重要保护酶,SOD的

-作用是把超氧阴离子(O2・)歧化成H2O2,H2O2能与),但细胞内的O2・形成毒性更强的羟基自由基(HO・

CAT可以将H2O2转化成水,生物体内的几种保护酶

-

平,起到保护生物机体的作用(李周直等,1994;

Lozinskayaetal.,2004)。但当靶标害虫取食转Bt基因植物机体受到损伤后这种动态平衡可能受到破

-坏,从而过量的O2・对生物产生损伤。

本文以稻纵卷叶螟作为稻田鳞翅目害虫的代表,研究了稻纵卷叶螟幼虫取食转Bt基因水稻后,体内Bt毒蛋白的含量变化及其对3种保护酶活性的影响,同时又进一步研究了Bt毒蛋白含量变化与酶活性变化之间的关系,旨在初步探明转Bt基因水稻对稻纵卷叶螟的杀虫机理。1 材料与方法111 供试水稻及虫源

转Cry1AbΠCry1Ac基因水稻汕优63(以下简称Bt水稻)与对照品种普通汕优63由华中农业大学生命科学学院提供。供试水稻在湖南师范大学动物生态实验室试验田种植,生长期不使用任何农药,其他为常规管理。稻纵卷叶螟采自湖南宁乡县植保站试验田,未使用任何杀虫剂。112 稻纵卷叶螟幼虫的饲喂处理

取Bt水稻3cm长的主茎顶端叶片用清水冲洗晾干后放入指管内,每管放1片叶片。取田间采集的个体大小基本一致的稻纵卷叶螟3龄幼虫,饥饿24h后每管接1头幼虫。饲喂至4,12,24,36和48h后取样,每个时间段取4头幼虫,其中2头用作酶源制备,另外2头用于Bt蛋白的提取并收集其粪便。样品置于-20℃冰箱中冷冻贮存,每天投入新鲜叶片。对照用普通水稻的叶片饲养至相应的时间取样,其他实验条件相同。113 幼虫体内及其粪便中Bt蛋白提取和含量测定

将待匀浆的稻纵卷叶螟幼虫用流动的蒸馏水冲洗,然后放在滤纸上吸干,用液氮快速冷却,置于匀浆器中,加015mLPBST提取液,200rΠmin振荡1min混匀,12000rΠmin离心2min,取上清液10μL,用提取液稀释51倍待测。粪便中Bt蛋白的提取省去蒸馏水冲洗及液氮冷却两步骤,其余操作同上。Bt2Cry1AbΠAcELISA平板试剂盒由美国EnviroLogix

处于一种动态平衡状态,使自由基维持在一个低水

公司提供,包括96孔包被抗体的微孔板和配套试剂,按照试剂盒说明的方法进行测定。所有结果均

1024昆虫学报ActaEntomologicaSinica51卷

由酶标仪读取,设置波长为450nm测定OD值,重复3次。以OD450值的大小表示Bt蛋白含量的高低。114 酶源制备

2 结果与分析

211 Bt毒蛋白在稻纵卷叶螟体内及粪便中的累积

将待匀浆的稻纵卷叶螟幼虫(各时间段处理均取2头幼虫)用流动的蒸馏水冲洗,然后放在滤纸上吸干,用液氮快速冷却,置于匀浆器中,加入0102mo1ΠLpH值为714的PBS缓冲液(含1%聚乙烯吡咯烷酮)015mL冰浴匀浆,匀浆液于高速冷冻离心

)离心20min,取上清液作机上以10000rΠmin(4℃为酶源,稀释10倍冰浴待用。

115 酶活性测定

11511 SOD活性:反应总体积3mL,反应液中含0102molΠL磷酸盐缓冲液(pH714),26mmolΠL蛋氨酸,0177molΠL氮蓝四唑(NBT),012mL酶液,最后加018molΠL核黄素(含1mmolΠL的EDTA)。置于4000lx日光下进行光化学反应,反应温度25℃,15min,然后用黑暗终止反应,立即在550nm下比色,

动态

用Bt水稻叶片及对照水稻叶片饲喂稻纵卷叶

螟幼虫4,12,24,36和48h后,测定其体内及粪便中Bt毒蛋白的含量,其变化规律见图1。

重复3次。以NBT被抑制50%为一个酶活力单位。11512 CAT活性:按略改进的程鲁京和孟泽(1994)方法测定。在最佳酶反应条件下,酶促反应后剩余的H2O2与钼酸铵形成稳定的黄色复合物,其颜色深浅与酶活性成反比。反应总体积220μL,在酶标板的空白孔1中加入预温的100μL基液(65μmolΠmLH2O2),100μL钼酸铵,20μL酶液。空白孔2中加入100μL基液,100μL钼酸铵,20μL0102molΠL磷酸盐缓冲液(pH714)。测定孔加入20μL酶液,100μLL钼酸基液,37℃准确保温60s后,立即加入100μ

铵摇匀,排气泡,用Bio2Tek808型酶标仪在405nm波长下测定OD值,重复3次。在本测定条件下,以每分钟分解1μmol过氧化氢为一个酶活力单位。11513 POD活性:按略改进的Simon等(1974)的方

图1 稻纵卷叶螟幼虫体内及粪便中Bt毒蛋白表达的

时间动态

Fig.1 ThetemporaldynamicsofexpressionofBt2toxinintheCnaphalocismedinalislarvaeanditsdejecta

同一时间数据具有相同小写字母表示数据之间差异水平未达到显著(t2检验,P>0105)。下同。Data(Mean±SD)atthesametime

followedbythesamesmallletterisnotsignificantlydifferentatP>0105levelbyt2test.Thesamebelow.

由图1可知,稻纵卷叶螟幼虫取食Bt水稻叶片后不同时间段,在其体内及粪便中均能检测到Bt毒蛋白:4~24h,幼虫体内的Bt蛋白含量缓慢下降,与此同时,粪便中Bt蛋白含量缓慢上升,说明大部分毒蛋白被排出了体外;24~48h,粪便中蛋白含量平缓下降,幼虫体内含量先上升,然后下降。取食12h后,随着大量取食进入体内的毒蛋白随粪便排出,幼虫体内的毒蛋白含量一直低于粪便,且在24h时两者差异达到最大,表明被取食进入稻纵卷叶螟幼虫体内的Bt毒素仅有少部分被降解,还有一部分留在体内,对害虫形成毒害作用。

212 Bt水稻对稻纵卷叶螟幼虫体内SOD活性的影响

用Bt水稻叶片及对照水稻叶片饲喂不同时间后测定稻纵卷叶螟幼虫体内超氧化物歧化酶活性的结果见图2。

由图2可知,稻纵卷叶螟幼虫取食Bt水稻后,其中肠SOD活性的变化规律为:前24h内酶活性

法测定。反应总体积为3mL,反应液中含0102molΠL磷酸盐缓冲液(pH714),90mmolΠL愈创木酚,72μmolΠmLH2O2,015mL酶液,在30℃下反应30min后,在470nm波长下测定OD值,重复3次。酶活力单位以每毫克蛋白每分钟在470nm下的OD值表示。116 酶源蛋白质含量测定

采用考马斯亮蓝G2250染色法(王淳本,2003)测定各处理的酶源蛋白质含量。117 数据分析

采用SPSS1310分析软件进行采用统计和分析。

10期张 巍等:转Bt基因水稻对稻纵卷叶螟幼虫体内三种保护酶活性的影响

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曲线平缓,24~36h活性上升,随后逐渐下降。用Bt

水稻叶片处理4h后,幼虫SOD活力比对照提高了9115%且显著高于对照组(P<0105),此后趋于平缓下降,24h后平缓上升并在36h时活性达到最大值,且与对照相比差异不显著(P>0105)。

0105)。由此可见,在处理后期,Bt水稻中的Bt毒蛋

白能明显抑制幼虫体内CAT活性。

图2 Bt水稻对稻纵卷叶螟幼虫体内超氧化物歧化酶活性的影响Fig.2 TheinfluenceofBtriceontheactivityofSOD

intheCnaphalocismedinalislarvae

图3 Bt水稻对稻纵卷叶螟幼虫体内过氧化氢酶

活性的影响

Fig.3 TheinfluenceofBtriceontheactivityofCAT

intheCnaphalocismedinalislarvae

214 Bt水稻对稻纵卷叶螟幼虫体内POD活性的影

用Bt水稻叶片及对照水稻叶片饲喂不同时间后测定稻纵卷叶螟幼虫体内POD活性,结果见图4。

上述结果表明,稻纵卷叶螟幼虫取食Bt水稻后,在摄入Bt毒素的初期,可能由于毒素在其体内含量较少,故其SOD活性显著上升,后期虽然SOD活力有上升趋势且高于对照组,但差异未达显著水平(P>0105)。该结果表明Bt水稻中的Bt毒蛋白抑制了SOD清除体内产生的O2・,因而导致害虫中毒。

213 Bt水稻对稻纵卷叶螟幼虫体内CAT活性的影

-

用Bt水稻叶片及对照水稻叶片饲喂不同时间后测定稻纵卷叶螟幼虫体内CAT活性,结果见图3。

由图3可知,稻纵卷叶螟幼虫在取食Bt水稻叶片4~12h后,其体内CAT活性均低于对照且呈缓慢下降趋势,此后活性上升,并在24h时达到最大值,此后一路下降并在48h时低于对照组(图3),且达到显著水平(P<0105)。稻纵卷叶螟在取食Bt水稻4~12h内,其体内CAT活性逐渐受到抑制,但抑制能力不强,并未达到显著水平。之后活力逐渐上升,在24h达到顶峰,虽然高于对照组,但差异不显著。此后,取食Bt水稻与对照水稻叶片的幼虫体内CAT活性均下降。在36h时,取食对照水稻的幼虫体内CAT活性急速上升,显著高于处理组(P<

图4 Bt水稻对稻纵卷叶螟幼虫体内过氧化物酶

活性的影响

Fig.4 TheinfluenceofBtriceontheactivityofPOD

intheCnaphalocismedinalislarvae

幼虫取食Bt水稻4h后,其体内的POD活力显著低于对照组(P<0105);当试验持续4~12h,其体内POD活性快速上升并达到最大值,且高于对照组;12~24hPOD活性缓慢下降,均高于对照;24~36h后急速下降,与对照组相比,在36和48h时分

1026昆虫学报ActaEntomologicaSinica51卷

别下降了60104%和68105%,且达到了显著水平(P<0105)。依据生化原理,POD主要作用是清除生物体内代谢后期的有害物质。由此可见,随着取食时间的推移,Bt毒蛋白在体内积累增多,抑制了幼虫体内的POD活性,从而打破了3种保护酶的动态平衡,干扰了机体的正常生理功能,最终导致幼虫中毒死亡。

虫取食Bt水稻叶片初期,体内SOD活力显著上升,而CAT和POD的活力低于对照,受到了抑制,其中POD活性受到显著抑制,这与上述研究结果一致。

-SOD能清除幼虫体内的O2・生成H2O2,H202与O2・形成毒性更强的HO・,此时必须由CAT和POD

-

来分解H2O2,防止产生自由基毒害。因此,在取食中期,CAT和POD活性有所上升,而在取食后期,随着取食叶片时间的延长及取食量的增加,由于SOD一直处于一个较高的水平,导致体内产生了大量的H2O2,而此时CAT和POD活力受到抑制,活力显著低于对照,造成体内清除自由基遇到了障碍。因此,转基因杨树叶片表达的杀虫蛋白在被害虫摄入后,可扰乱幼虫中肠SOD,CAT,POD3种保护酶系统的动态平衡,对害虫机体产生毒害作用。

结合Bt水稻中表达的Bt毒蛋白在稻纵卷叶螟幼虫体内积累和降解的试验结果,可以帮助分析稻纵卷叶螟幼虫体内Bt毒蛋白含量变化与保护酶活性变化之间存在的关系。本文发现稻纵卷叶螟幼虫对毒蛋白的防御代谢的临界点在取食后24h左右,24h前处于主动防御代谢状态,表现在体内的保护酶系活性有上升趋势,究其原因,幼虫对毒蛋白的刺激表现出应激反应,采取主动防御对策,以升高保护酶活性的方式来保护和维持机体的正常功能;24h后,体内不断累积的毒蛋白量超过了其正常的保护能力,破坏了体内的防御系统,表现出体内保护酶系活性下降,加之取食量递减,导致36h后体内和粪便中的毒蛋白含量呈下降趋势。随着Bt毒蛋白在虫体内的水解作用,所产生的毒素量不断积累,形成了虫体中毒状态的恶性循环,最终导致其死亡。

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3 讨论

  人们对Bt伴胞晶体蛋白的杀虫机理已进行了

较为详尽的研究,但它们与转基因植物所表达的Bt蛋白的杀虫机理可能在毒蛋白的数量和组分上存在差异。Bt伴胞晶体蛋白经昆虫摄食后,毒蛋白的量可能远远大于转基因植物的表达量,而且Bt伴胞晶体蛋白经中肠碱性环境溶解、蛋白酶激活,释放出的活性毒素可能含有多个毒性组分。而转基因植物中表达的Bt蛋白的量是极低的,一般只占植物总可溶性蛋白的01001%~011%(Boulteretal.,1990;Babuetal.,2003)。其表达的杀虫蛋白均为单一组分,害虫必须取食一定量叶片,经过杀虫蛋白在体内的累积后导致中毒进而对其产生杀伤作用(姜永厚等,2004)。

本文通过对稻纵卷叶螟幼虫体内及其粪便中Bt毒蛋白含量的测定发现,稻纵卷叶螟幼虫取食Bt水稻叶片不同时间段后,其体内及粪便中均能检测到Bt毒蛋白。整体趋势表现为:幼虫体内的Bt蛋白含量缓慢下降,与此同时,粪便中Bt蛋白含量缓慢上升,12h后,粪便中含量一直高于幼虫体内含量,说明大部分毒蛋白被排出了体外。结果表明取食进入稻纵卷叶螟幼虫体内的Bt毒素大部分随粪便排出,少部分被降解,其余一部分留在体内,对害虫形成毒害作用。

Ding等(2001)研究了美国白蛾幼虫在取食转Bt和转CpTI基因杨树叶片后,中肠SOD,CAT和POD3种保护酶活力在饲喂数小时后逐渐增加,随后下降;饲喂转Bt基因杨树叶片的幼虫,其中肠SOD和CAT活性峰值出现在饲喂后的24h,POD活性峰值出现在饲喂后的12h;饲喂转CpTI基因杨树叶片的幼虫,其中肠3种保护酶活性高峰出现时间均较前者滞后12h。郭同斌等(2006)研究了转基因杨树对杨小舟蛾体内3种保护酶活力的影响,结果显示幼虫中肠SOD活力显著升高,而CAT和POD活力受到了显著抑制。本试验研究结果表明,稻纵卷叶螟幼

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(责任编辑:赵利辉)

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