1、第42卷 第4期2023年 7月Vol.42 No.4July 2023，125131华中农业大学学报Journal of Huazhong Agricultural University不同施氮处理下转Cry2A*基因水稻根系特性李雪雪，凌霖，王康旭，蔡明历，曹凑贵，江洋华中农业大学植物科学技术学院，武汉 430070 摘要 为探究转Cry2A*基因水稻品系根系特性，为抗虫转基因水稻的栽培调控提供技术支撑，通过盆栽试验，以常规粳稻与其转Cry2A*基因水稻品系、常规籼稻与其转Cry2A*基因水稻品系为试验材料，探究施氮、不施氮处理下转Cry2A*基因水稻品系的根系特性。结果表明：转Cry2A
2、*基因水稻品系的根长、根表面积、根体积在成熟期不施氮处理下显著低于亲本对照，在施氮处理下与亲本对照无显著差异；KY（Cry2A*）的根系活跃吸收面积在花期显著高于亲本对照，而MH86（Cry2A*）的根系活跃吸收面积与其亲本对照无显著差异；与不施氮处理相比，施氮能显著提高 KY（Cry2A*）的根直径，对 MH86（Cry2A*）的根直径无显著影响。本研究结果表明，转 Cry2A*基因水稻根系特性与其亲本之间存在一定差异，且这种差异在不施氮处理条件下更为明显。关键词 抗虫转基因水稻；氮肥；根系形态；根系活力中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 1000-2421（2023）04-01
3、25-07水稻是我国的主要粮食作物之一，同时也易受到虫害的侵袭，造成严重的产量损失。据不完全统计，每年全球因虫害而导致的水稻减产量占总产量的5%以上，达100万 t1，其中50%以上的损失是由螟虫造成的2。螟虫中危害最大的是二化螟，在我国南北稻区均有分布3。长期以来主要依靠化学农药进行虫害防治，但这种方式易造成环境污染，培育抗虫水稻品种是目前最有效且不污染环境的防治螟虫的措施。由于栽培水稻品种及其近缘种中缺少抗螟虫的基因，通过转基因技术来改良水稻的抗虫性是最有效的措施4。近些年来抗虫转基因水稻的研究取得了一些重要进展，成功培育出多个抗虫转基因材料5-8。然而，由于转入了非传统基因库的外源基因，
4、转基因水稻的某些生理代谢过程发生了改变，进而引起转基因水稻的生物学特性、营养需求特性、生态适应性等与普通水稻有所差异9-13。多项研究结果表明，与非转基因受体亲本相比，转基因水稻表现出结实率降低、株高变矮、根系长度变短、每穗粒数变少等变异9，12-14。前人关于抗虫转基因水稻的研究多集中在地上部，对于转基因水稻根系性状的研究较少。而水稻根系是吸收水分和养分的重要器官，同时还是氨基酸、植物激素等多种物质的合成场所，还有支撑地上部、防止倒伏的作用15。水稻根系的生长状况与地上部的生长状况密切相关，根系的生长情况与活性对整个植株的生长发育有重要的影响16。本研究以常规粳稻与其转Cry2A*基因水稻品
5、系、常规籼稻与其转Cry2A*基因水稻品系为试验材料，探究施氮、不施氮处理下转Cry2A*基因水稻品系的根系特性，以期为抗虫转基因水稻的栽培提供理论基础。1材料与方法1.1试验材料试验使用常规粳稻空育 131（KY131）与其转Cry2A*基 因 水 稻 品 系 KY（Cry2A*）-1、KY（Cry2A*）-2 以及常规籼稻明恢 86（MH86）与其转Cry2A*基因水稻品系MH86（Cry2A*）为试验材料。1.2试验设计2019 年在湖北省武汉市华中农业大学盆栽场进行盆栽试验。土壤与沙按m土壤 m沙=2 1混合均匀后装入长24 cm、宽18 cm、高27cm的桶中，每桶收稿日期：2022
6、 08 15基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFD0301401）李雪雪，E-mail：通信作者：江洋，E-mail：李雪雪，凌霖，王康旭，等.不同施氮处理下转Cry2A*基因水稻根系特性 J.华中农业大学学报，2023，42（4）：125131.DOI：10.13300/ki.hnlkxb.2023.04.014第 42 卷 华 中 农 业 大 学 学 报装入混合后的土 12 kg。土壤背景值为：总氮 510 mg/kg，速效磷37.5 mg/kg，速效钾167.8 mg/kg。采用秧田水育秧，20 d后选择长势一致的秧苗移栽到桶中，每桶移栽 1株秧苗。试验为随机区组设计，设置施氮（
7、RN）和不施氮（N0）2个氮肥处理，每处理 3 次重复。氮肥 CO（NH2）2 用量为每株2.14 g，按基肥分蘖肥幼穗分化肥=5 2 3的质量比施用；磷肥（NaH2PO4）用量为每株1.94 g，全部作基肥施用；钾肥（KCl）用量为每株1.91 g，按基肥 幼穗分化肥=1 1的质量比施用。1.3根系特性测定根系形态使用根系扫描仪（Epson LA2400 Scanner，USA）测定，将冲洗干净的根扫描成TIF图像文件后采用根系分析软件（WinRHIZO，Canada）进行计算，分析得出每株根系的总根长、总根表面积、总根体积和根直径。根系活跃吸收面积用甲烯蓝比色法进行测定。根冠比为根干质量/
8、地上部干物质质量。1.4数据分析用 Microsoft Excel 2016 进行试验数据整理，用SAS 9.1进行方差分析，使用最小极差法（LSD）进行差异显著性检验。2结果与分析2.1转Cry2A*基因水稻品系根系形态由图1可知，花期转基因粳稻品系的根直径与其亲本 KY131 无显著差异，成熟期不施氮处理下 KY（Cry2A*）-2的根直径高于亲本KY131 14.1%，施氮处理下 KY（Cry2A*）-1 的根直径低于亲本 KY131 15.8%。花期KY（Cry2A*）的总根长、总根表面积、总根体积高于亲本KY131，而在成熟期不施氮处理下低于亲本KY131，施氮处理下无显著差异。与不
9、施氮处理相比，施氮显著增加了 KY（Cry2A*）及其亲本KY131的根直径、总根长、总根表面积、总根体积。如图 2 所示，籼稻品系 MH86（Cry2A*）的根直径、根长在施氮、不施氮处理下与其亲本MH86均无显著差异。成熟期不施氮处理下转基因品系MH86（Cry2A*）的根表面积、根体积分别比其亲本MH86低25.7%、28.7%，在其他条件下无显著差异。氮肥处理显著增加了MH86（Cry2A*）及其亲本的根长、柱子上不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著（P0.05）。Different lowercase letters in the columns indicate signif
10、icant differences among different treatments in the same period（P 0.05）.图1 施氮（RN）、不施氮（N0）处理下不同时期粳稻KY131与KY（Cry2A*）的根直径（A）、总根长（B）、总根表面积（C）和总根体积（D）Fig.1 Root diameter（A），total root length（B），total root surface area（C）and total root volumes（D）of japonica rice KY131 and KY（Cry2A*）at different stages und
11、er nitrogen（RN）and no nitrogen（N0）treatments126第 4 期李雪雪 等：不同氮肥条件下转 Cry2A*基因水稻根系特性根表面积、根体积，对根直径无显著影响。2.2转Cry2A*基因水稻品系根系活跃吸收面积由图3可知，在花期，粳稻品系 KY（Cry2A*）-1的根系活跃吸收面积在不施氮处理下比亲本KY131高129%，KY（Cry2A*）-2的根系活跃吸收面积在施氮处理下比亲本KY131高46.2%。与不施氮处理相比，施氮显著增加了转Cry2A*基因水稻品系及其亲本的根系活跃吸收面积，降低了活跃吸收面积/总吸收面积。由图 4 可知，籼稻品系 MH86（
12、Cry2A*）的根系图2 施氮（RN）、不施氮（N0）处理下不同时期籼稻MH86与MH86（Cry2A*）的根直径（A）、总根长（B）、总根表面积（C）和总根体积（D）Fig.2 Root diameter（A），total root length（B），total root surface area（C）and total root volumes（D）of indica rice MH86 and MH86（Cry2A*）at different stages under nitrogen（RN）and no nitrogen（N0）treatments图3 施氮（RN）、不施氮（N0）处
13、理下不同时期粳稻KY131与KY（Cry2A*）的根系活跃吸收面积（A）和活跃吸收面积/总吸收面积（B）Fig.3 Root active absorption area（RAAA）（A）and the ratio of RAAA to total root absorption area（RAAA/RTAA）（B）of japonica rice KY131and KY（Cry2A*）at different stages under nitrogen（RN）and no nitrogen（N0）treatments127第 42 卷 华 中 农 业 大 学 学 报活跃吸收面积和活跃吸收面积
14、/总吸收面积其与亲本籼稻品种 MH86 均无显著差异。与不施氮处理相比施氮能显著提高花期 MH86的活跃吸收面积，对 MH86（Cry2A*）的活跃吸收面积无显著影响。2.3转Cry2A*基因水稻品系根冠比由表 1 可知，粳稻品系 KY（Cry2A*）-1 的的总生 物 量、根 生 物 量 在 花 期、花 后 15 d 高 于 亲 本KY131。KY（Cry2A*）-2的总生物量、根生物量，花期在施氮处理下比亲本 KY131 分别高 18.63%、16.37%，在不施氮处理下与亲本 KY131 无显著差异。KY（Cry2A*）-1的根冠比在成熟期不施氮处理下比亲本 KY131 低 43.3%，
15、在施氮处理下比亲本KY131高10.8%。KY（Cry2A*）-2的根冠比在成熟期不施氮处理下比亲本KY131低48.9%，在其他条件下无显著差异。氮肥处理显著增加了KY131与其转Cry2A*基因水稻品系的总生物量与根生物量，对根冠比无显著影响。图4 施氮（RN）、不施氮（N0）处理下不同时期籼稻MH86与MH86（Cry2A*）的根系活跃吸收面积（A）和活跃吸收面积/总吸收面积（B）Fig.4 Root active absorption area（RAAA）（A）and the ratio of RAAA to total root absorption area（RAAA/RTAA）（
16、B）of indica rice MH86 and MH86（Cry2A*）at different stages under nitrogen（RN）and no nitrogen（N0）treatments表1施氮（RN）、不施氮（N0）处理下KY131与KY（Cry2A*）的生物量与根冠比Table 1Biomass and root-shoot ratio of japonica rice KY131 and KY（Cry2A*）under nitrogen（RN）and no nitrogen（N0）treatments品系VarietyKY131KY(Cry2A*)-1KY(Cry2A*)-2KY131KY(Cry2A*)-1KY(Cry2A*)-2方差分析Analysis of variance氮处理N treatment品系Variety氮处理N treatment品系 Variety氮处理N treatmentN0RN花期 Flowering stage总生物量/gBiomass1.10b2.62a1.34b23.93b26.14ab28.29a*NS根干质量/gRo