在拟南芥—昆虫互作模式系统下综合寄主植物抗性和生物防治的研究

论文摘要

寄主植物抗性和生物防治是两种主要的可持续的害虫防治方法。这些方法通常是独立发展的。然而寄主植物的特征能够显著地影响生物防治的效力,因此当在一个育种程序中改变了植物的特性时,其对生物防治的意义也应被加以研究。此外,这也可以为选育与生物防治极好兼容的植物提供机会。以寄主植物抗性为目标的育种有着悠久的历史。然而在过去数十年中一个新的发展就是利用转基因技术产生抗虫抗病的植物。在最近几年,植物基因工程使得外源基因转入寄主植物成为可能,使它具有抗虫性或使寄主植物产生遭到植食性昆虫攻击后可以吸引害虫天敌的挥发物。在本论文中通过转基因方法改进了拟南芥植物对植食性昆虫的直接和间接防御,旨在评价带有不同基因的转基因拟南芥对植食性昆虫小菜蛾直接防御和间接防御的影响。来自芥菜的蛋白酶抑制剂(芥菜胰蛋白酶抑制剂2,MTI2)被用于对小菜蛾(Plutella xylostella)影响的研究,MTI2转基因拟南芥不影响小菜蛾的荷兰种群和中国种群的表现。我们的数据表明,小菜蛾的肠道酶对MTI2是不敏感的,这可以被解释为MTI2的特定失活。很显然,小菜蛾通过使MTI2失活来保护自己免受这种蛋白酶抑制剂的作用。而这具有生态学意义,因为MTI2是其芸薹属寄主植物防御的组成部分。萜类化合物是参与许多植物间接防卫的植物挥发物的一种。本研究开发了芳樟醇合酶基因在害虫诱导产生转基因拟南芥植物中的可用性,并且创造了由来自马铃薯蛋白酶抑制剂2启动子PI2控制的LIS基因的转基因拟南芥。结果显示芳樟醇合成酶可以被茉莉酮酸甲酯的应用所诱导,但不能被小菜蛾侵害所诱导。为研究一种利用转基因方法综合植物的直接防御和间接防御,一个编码产生Bt毒素的基因和一个编码产生芳樟醇合酶的基因被整合到拟南芥中作为模型。数据显示,在拟南芥中携带Bt和LIS基因的杂交系结合了对小菜蛾幼虫的毒性(由于Bt)和对小菜蛾成虫的排斥性(由于LIS)。此外当植物受到伤害时,芳樟醇的释放也会影响寄生蜂的行为。被小菜蛾侵害的双转基因植物比完好无损的双转基因植物对半闭弯尾姬蜂(Diadegma semiclausum)的吸引力更强,但是比受小菜蛾侵害的非转基因植物吸引力要弱。寄生蜂对转基因植物上饲喂的小菜蛾幼虫寄生率的百分比不受转基因的影响。总之,本论文的数据提供了对发展转基因作物的令人感兴趣的可能性,它在干扰了害虫生物学的同时增强了害虫天敌的效力。以这种方式可以发展综合寄主植物抗性和生物防治的转基因作物。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 寄主植物抗性和生物防治
• 1.3 植食性昆虫诱导的植物挥发物在三重营养中的纽带作用
• 1.4 拟南芥作为模式植物的重要性
• 1.5 本研究所用的植食性昆虫及肉食性昆虫:小菜蛾与半闭弯尾姬蜂及大菜粉蝶与菜粉蝶盘绒茧蜂
• 1.6 利用转基因方法综合植物直接抗性和间接抗性
• 1.7 植物蛋白酶抑制剂
• 1.8 苏云金芽胞杆菌内毒素（Bt）
• 1.9 芳樟醇合成酶（LIS）
• 1.10 研究目的
• 1.11 论文概要
• 第二章 小菜蛾（Plutella xylostella）使芥菜胰蛋白酶抑制剂（MTI2）特异性失活而克服寄主植物抗性
• 2.1 前言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 昆虫品系
• 2.2.2 植物材料
• 2.2.3 转基因拟南芥MTI2表达的检测
• 2.2.4 昆虫生物测定
• 2.2.5 蛋白酶活性分析
• 2.2.6 统计分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 MTI2在转基因拟南芥中的表达水平
• 2.3.2 MTI2对小菜蛾死亡率及生长发育的影响
• 2.3.3 小菜蛾克服MTI2抑制作用的途径
• 2.3.4 在离体和活体条件下MTI2都可以抑制小菜蛾80%的胰蛋白酶活性
• 2.3.5 蛋白酶抑制剂的不敏感性是非特异性诱导的
• 2.3.6 小菜蛾肠提取物使MTI2特异性失活
• 2.4 结论
• 第三章 由受伤诱导型马铃薯PI2启动子控制的芳香醇合成酶基因在拟南芥中的表达
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 昆虫饲养
• 3.2.2 转化载体构建
• 3.2.3 拟南芥转化与后代筛选
• 3.2.4 拟南芥DNA提取
• 3.2.5 芳樟醇合酶（LIS'）基因整合及表达的检测
• 3.2.6 芳樟醇表达的诱导和GC—MS测定
• 3.3 结果
• 3.3.1 获得初始转基因植株
• 3.3.2 芳樟醇合酶基因转化及表达的分析
• 3.3.3 茉莉酮酸甲酯诱导产生芳樟醇
• 35S—LIS与P_PI2—LIS'转基因拟南芥生长比较'>3.3.4 P_35S—LIS与P_PI2—LIS'转基因拟南芥生长比较
• 3.4 讨论
• 第四章 结合芳樟醇合成酶基因与苏云金芽孢杆菌毒素基因在拟南芥中对小菜蛾幼虫生存和发育以及成虫产卵的影响
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 植物材料
• 4.2.2 昆虫材料
• 4.2.3 纯合转基因株系的卡那霉素筛选
• 4.2.4 不同转基因拟南芥株系间的杂交
• 4.2.5 用SPME—GC—Ms方法检测转基因拟南芥
• 4.2.6 小菜蛾幼虫饲虫试验
• 4.2.7 小菜蛾成虫产卵试验
• 4.2.8 统计分析
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 转基因纯合系及杂交系的获得
• 4.3.2 芳樟醇合酶转基因系中芳樟醇的释放
• 4.3.3 同时表达的Bt与芳樟醇合酶基因对小菜蛾幼虫死亡率的影响
• 4.3.4 同时表达的Bt与芳樟醇合酶基因对小菜蛾成虫产卵的影响
• 4.4 讨论
• 第五章 持续释放芳樟醇的转基因拟南芥对寄生天敌的吸引及存活的影响
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 植物
• 5.2.2 昆虫
• 5.2.3 植物处理
• 5.2.4 Y型管嗅觉仪生物测定
• 5.2.5 飞行选择的生物测定
• 5.2.6 半闭弯尾姬蜂的寄生实验
• 5.3 结果
• 5.3.1 半闭弯尾姬蜂对未受损伤的BwLc转基因植物（Bt×Lc）和未受损伤的CwCc对照植物（WS×Col）的选择反应
• 5.3.2 半闭弯尾姬蜂对未半闭弯尾姬蜂对机械损伤的BwLc转基因植物（Bt×Lc）与机械损伤的CwCc对照植物（WS×Col）的选择反应
• 5.3.3 半闭弯尾姬蜂对小菜蛾幼虫损伤的LIS转基因植物与未受损伤的LIS转基因植物的选择反应
• 5.3.4 半闭弯尾姬蜂对小菜蛾幼虫损伤的LIS转基因植物与小菜蛾幼虫损伤的非转基因植物的选择反应
• 5.3.5 菜蛾盘绒茧蜂对大菜粉蝶幼虫损伤的LIS转基因植物与大菜粉蝶幼虫损伤的非转基因植物的选择反应
• 5.3.6 半闭弯尾姬蜂对小菜蛾幼虫的实际寄生
• 5.4 讨论
• 第六章 结论与讨论
• 6.1 植物抗虫性
• 6.1.1 Bt转基因植物
• 6.1.2 表达蛋白酶抑制剂的转基因植物
• 6.2 植物对植食性昆虫的间接防卫
• 6.2.1 挥发物在植物防卫中作为信息化合物
• 6.2.2 释放萜类化合物的转基因植物
• 6.2.3 利用转基因植物综合寄主植物抗性和挥发物的释放
• 6.3 综合转基因植物对害虫和天敌昆虫的影响
• 6.3.1 综合的转基因植物对特异性害虫小菜蛾的影响
• 6.3.2 双转基因植物对寄生天敌的影响
• 6.4 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历