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能够产生Bacillus thuringiensis(Bt)结晶内毒素((δ-endotoxin)的转基因抗虫植物是第一批投入商业应用的转基因作物。这些作物的种植面积无论在发达国家还是发展中国家都持续增长。植物在生命周期中经常受到各种类型的物理胁迫和生物的胁迫。工业来源的镉环境污染作为一种物理胁迫对植物生产力的影响与对生态系统的损害及对人类健康的影响一样都受到了广泛的关注。作为重要的生物胁迫之一，玉米螟是重要的玉米害虫。不少报道已经表明，为了适应像镉和害虫这类环境胁迫因素以便在生存环境中更好地采取回避、竞争和适应策略，作物已经发展出一系列强有力的应变能力。然而，由于转入玉米的cry基因是否会作用于原有基因组从而产生非预期效应方面一直存在争议，目前在Bt玉米完成的研究工作大量集中在生态安全和食品安全方面，而忽略了对其他方面的研究，包括对于胁迫反映的影响分析。很少研究涉及不同氮素水平、干旱、CO2升高、盐碱等胁迫对于cry基因表达及其相关作物性状的影响。目前为了改善作物对多种逆境的抵抗能力，转入多个基因的作物类型获得了不断发展。这就使得有关转基因影响作物对胁迫响应的研究显得更为复杂了。 本论文的研究目的是希望揭示在不同氮水平条件下，Bt玉米与非Bt玉米是否对以镉污染为代表的物理胁迫和喷施茉莉酸甲酯模拟害虫取食的生物胁迫有不同的响应。研究采用的玉米包括表达CrylAb蛋白的转Bt玉米品系MON810(抗玉米螟)和Bt11(抗玉米螟和抗草铵膦)，以及他们非转基因的近等基因亲本。玉米受到镉胁迫的研究集中在污染物吸收、碳同化、养分吸收和受到胁迫后的氧化反应方面。玉米受到茉莉酸甲酯(JA)模拟昆虫取食胁迫的研究主要集中在不同的氮水平下对生长与防御的资源投入平衡的影响方面。研究在温室进行。第一个实验是2因子完全随机试验，研究使用了每天每植株添加的50ml营养液中有3个不同的镉浓度，即：对照(CK培养液中没有添加Cd)、中等浓度(MC培养液中添加Cd浓度为350μM)、高浓度(HC培养液中添加Cd浓度为700μM)，用来处理上述3个玉米品系。第二个实验是包括有3个氮水平、2个JA水平和3个品系的3因子完全随机试验设计。3个氮水平分别是：低氮处理(LN，在Hoagland培养液中氮浓度为8 mg/plant/week)、中氮处理(MN，氮浓度为40 mg/plant/week)、高浓度处理(HN，氮浓度为80 mg/plant/week)。茉莉酸甲酯的处理分别为：对照(不含JA)和JA处理(浓度为10μg/ml，总用量为每株30μl)。研究结果包括Bt与非Bt玉米的(1)Cd吸收与根系分泌物，(2)Cd与碳同化，(3)Cd与矿物养分吸收，(4)Cd诱导的氧化胁迫，以及(5)不同氮水平下JA的诱导抗性反应。 1.Cd与根系酸分泌：在中等浓度Cd处理中根系分泌的甲酸、苹果酸、柠檬酸和酒石酸量分别增加3.29，2.65，4.73和4.65倍，在高浓度Cd处理中分别增加6.47，4.13，6.96和7.15倍。高浓度Cd处理相对中等浓度Cd处理中，根系分泌这四种酸的浓度分别增加74％、40％、38％和44％。转cry基因对于杂交玉米品系的上述结果没有产生显著影响。 2.Cd与碳同化：叶绿素a和叶绿素b含量在中等浓度Cd处理(MC)中分别减少了47％和50％，在高浓度Cd处理(HC)中没有进一步减少或增加。叶绿素a/b不因为Cd水平或者是否为Bt玉米品系而变化。总叶绿素含量在MC中减少了48％，在HC中没有进一步减少。叶绿素含量读数(SPAD)在MC减少了35％，在HC比对照减少了50％，比MC进一步降低了22％。类胡萝卜素含量在MC下降了33％，然而HC并没有进一步下降。叶绿素最低荧光值(Fo)在MC没有显著变化，在HC降低了67％。叶绿素最高荧光值(Fm)在MC和HC分别减少27％和42％。HC的Fm值相对MC进一步下降了20％。Fv/Fm在MC和HC分别增加13％和56％。在HC相比MC，Fv/Fm进一步增加了49％。 气孔导度在MC下降了75％在HC下降了87％，HC的气孔导度相比MC进一步下降了48％。胞间CO2浓度分别下降20％(MC)和62％(HC)，其中HC比MC又下降了53％。呼吸强度下降65％(MC)和84％(HC)，HC比MC进一步降低50％。在MC条件下，净光合作用强度没有显著降低，但是高Cd处理(HC)显著下降达77％。核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶(RuBisCO)的活性在MC条件下降低了34％，在HC没有进一步下降。 总可溶性蛋白诱导Cd影响显著下降了59％(MC)和99％(HC)，其中HC比MC进一步下降达到95％。总可溶性糖却比对照(CK)分别增加112％(MC)和222％(HC)，其中HC又比MC增加52％。生长被Cd抑制导致地上部鲜重和地上部干重在MC分别下降41％和21％，在HC分别下降了66%和48％，其中HC分别比MC下降了21％和48％。地下部(根系)鲜重和干重在MC分别下降了54％和39％，在HC则下降了70％和53％，HC比MC进一步下降了34％和24％。受Cd影响，地上部高度和根系长度在MC处理分别下降了23％和37％，在HC处理下降了21％和32％。地上部高度在HC比MC下降了18％，但是根系长度的差异没有达到显著水平。总体来说，碳同化过程的抑制主要是由于Cd污染引起，无论是Bt基因单独的影响或者Bt基因与Cd的交互影响都不显著。 3.Cd与养分吸收：在三个水平的Cd处理中，MC处理的玉米含氮量最低，分别比对照(CK)下降34％，比HC下降15％。HC比CK下降24％。磷含量以MC最高，比CK和HC高20％。HC与CK的磷水平没有显著差异。钾含量在三个水平的Cd处理中没有显著差异。钙含量在MC和HC处理下都比CK下降了20％，两个浓度的Cd处理间没有显著差异。锰吸收在MC就下降了27％，在HC条件下没有进一步下降。硫的吸收在MC有不显著的下降，然后在HC又反弹到对照的水平，比MC显著增加114％。这些变化都仅仅与Cd毒性有关，Bt基因对所研究的养分吸收参数没有发生显著影响。 4.Cd与氧化及抗氧化：在HC相比MC和CK，玉米植株体内H2O2含量显著提高达70％，但是MC的H2O2含量升高与CK相比没有达到显著水平。相比CK，抗氧化酶之一的谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)活性水平在MC提高了28％，在HC提高了66％，其中HC比MC进一步提高了30％。在HC处理，另外两种抗氧化酶，超氧化物歧化酶(CAT)和过氧化氢酶(SOD)活性分别比对照增加了66％和76％，并与这两种酶在MC的活性水平相当。在这些氧化与抗氧化过程中，没有看到Bt与非Bt品系有值得注意的显著影响。 5.JA的影响：Bt基因修饰过的近等基因系Bt11(Bt2)相比MON810(Bt1)的Bt蛋白含量提高了29.36％。施用茉莉酸甲酯(JA)没有对其产生影响。Bt1、Bt2和对照近等基因系在干物质生产量上没有显著差异。总的来说，施用JA引起总蛋白不显著地下降了13％，总的可溶性酚类经过诱导增加了17.39％。由于JA的诱导，玉米与诱导抗性相关基因LOX2(脂氧合酶基因)，PAL(苯丙氨酸解氨酶基因)和Bx9(抗性物质丁布的一个调控基因)的表达都上调了。氮素增加使得植株蛋白含量从低氮水平处理(LN)的4.01 mg/g f.wt.，上升到中氮水平处理(MN)的13.106和高氮水平处理(HN)的17.96。Bt蛋白的含量在MN和HN处理分别比LN处理增加83.83％和106.84％，其中HN又比MN高12.51％。氮素对总酚的增加有促进作用，在MN比LN总酚含量增加25％，但是在氮素进一步增加的HN处理中总酚再没有显著上升。氮素对PAL基因的上调表达有促进作用，在MN增加了2.5倍，在HN增加了6.5倍，其中HN又比MN增加了2.6倍。增加氮素对木质素的增加有促进作用，在MN和HN处理下木质素含量分别比LN增加34％和13％，HN的木质素进一步增加达不到显著水平。在MN和HN处理中DIMBAO的含量比LN增加197％和246％，相比MN，HN的DIMBAO含量仅增加17％。氮素促进影响也出现在Bx9和LOX2基因的上调表达方面。由于氮素增加，植株体内的C/N比例在MN和HN分别比LN下降了24.23％和81.07％，HN比MN的C/N比例下降了44.29％。总干物重在LN为0.314g，在MN增加到0.416g，在HN进一步显著增加到0.490g。影响植株上述响应的因素与Bt基因无关。 三个玉米近等基因系为材料的研究表明转Bt事件未对所研究的物理胁迫和生物胁迫产生的响应造成显著的额外影响。有关的响应仅仅是由于相关的生态环境胁迫引起的植物在生理生化及分子水平的适应性变化。转Bt植株与非转Bt植株对环境胁迫产生了相同的响应，不同的仅仅在于转基因的玉米的目标基因产生了Bt蛋白。