CO_2浓度、温度和氮肥水平对Bt水稻和稻飞虱（褐飞虱和白背飞虱）种群动态的影响

【摘要】当前,大气CO2浓度升高对生态系统的影响已成为全球气候变化生物学研究的热点问题。根据全球气候模型预测,预计在本世纪末将达到540-970p.p.m。大气C02浓度的升高,加速了全球变暖的进程,而且也对整个生态系统产生影响。氮素作为植物体内基本组成元素,对植物的生长起着重要作用,它不仅直接参与植物体内的各项生理活动,而且对与转Bt作物来说,更要参与Bt蛋白的合成。而水稻作为世界主要粮食作物,在未来倍增CO2条件下,其生长发育必然也会受到影响。现在大多数实验研究已经表明,在高CO2环境下,虽然植物体内C含量基本不变或者升高,但是N含量则会显著下降,导致C：N比增加,进而可能改变植物体内的组织液成分,影响植食性昆虫的取食,可能引发农业害虫大规模爆发危害。此外N缺乏,还会引起植物体内物质代谢和影响成分的发生改变,导致农作物由于缺乏影响营养而不能正常生长或则降低自身抗虫性引发害虫的取食。因此在气候变化条件下,对转Bt水稻的影响如何,以及对水稻的非靶标害虫又会产生什么影响呢?C02-转Bt水稻-稻飞虱之间的交互作用是怎样进行的?这些问题都值得我们深入研究。由此,本文以取食转Bt基因抗虫水稻华恢(HH1)及其对照亲本明恢(MH63)的褐飞虱为研究对象,通过开顶式气室(Open-TopChamber;OTC)CO2控制试验,系统研究了高C02、不同温度、不同氮肥环境条件下转Bt水稻的对非靶标害虫种群的影响,并进一步分析转Bt水稻组织内次级代谢产物总酚和草酸的合成,来未来大气CO2浓度升高,全球温度升高环境下转Bt.水稻种植对非靶标害虫的种群动态的影响。主要结果如下：1.通过开顶式气室(OTC)CO2控制试验,以转Bt水稻及其亲本水稻上褐飞虱和白背飞虱取食为研究对象,系统研究了褐飞虱和白背飞虱在环境条件下的种群动态和不同虫龄的发生动态的影响。结果表明：CO2浓度作为主效因子,显著影响着稻飞虱的种群动态,发现随着CO2浓度的升高,褐飞虱的种群数量显著下降,但只对白背飞虱的成虫有显著作用,而对白背飞虱的若虫和总虫量没有显著作用。2.通过开顶式气室(OTC)CO2控制试验,以转Bt水稻及其亲本水稻上褐飞虱和白背飞虱取食为研究对象,系统研究了褐飞虱和白背飞虱在环境条件下的翅型分化的影响。结果表明：CO2浓度、温度水平、氮素水平对褐飞虱和白背飞虱的翅型分化的影响基本相同的。褐飞虱的翅型分化与CO2×温度和温度×氮素之间的交互作用有显著相关,而与水稻品种无关。在高温、低氮条件下,随着CO2浓度升高,褐飞虱长翅型在成虫中的比例显著下降(P=0.0104<0.05),而短翅型比例提高,但是并没有达到显著差异；同时在对照CO2浓度下,长翅型在成虫中的比例显著高于短翅型的比例。白背飞虱的翅型分化与转Bt作物×CO2浓度×氮素水平之间的交互作用显著相关。在高温低氮条件下,转Bt水稻和亲本水稻上的白背飞虱翅型比例表现不同。在亲本水稻上,随着CO2浓度提高,短翅型比例提高,长翅型比例降低；而在转Bt水稻上则相反；在高温高氮条件下,随着CO2浓度的提高,短翅型比例显著下降,而长翅型比例提高,但是并没有达到显著差异；同时在倍增CO2浓度下,转Bt水稻和亲本水稻上的白背飞虱长翅型比例显著高于短翅型的比例。因此,在此条件下,白背飞虱成虫趋向于向想长翅型扩展。3.通过开顶式气室OTC)CO2控制试验,以转Bt水稻为研究对象,分析测定水稻植株体内C：N比,Bt蛋白含量、草酸含量以及总酚含量,来研究气候变化条件下的转Bt水稻Bt蛋白产量和次级代谢产物的产量,试图通过微观角度来解释气候变化下对稻飞虱种群动态的变化。结果表明：通过研究发现,本实验结果部分支持碳氮平衡假说。温度和氮肥水平之间存在着显著的交互作用(表3-1)。在高温条件下,CO2浓度升高,转Bt作物叶鞘中的氮的百分含量下降,但增施氮肥可以削弱CO2浓度带来的负效应,。但是,在低温条件下,则表现出与碳氮平衡假说不一致的结果。在分蘖期,高氮条件下,使得倍增CO2浓度条件下转Bt水稻叶鞘中的氮的百分含量提高了2.76%,但在低氮条件下,倍增CO2浓度则使得转Bt水稻叶鞘中的氮含量下降7.45%,这与高温状态下转Bt水稻叶鞘中的氮百分含量一致。而且在抽穗期,低温条件下,则又发生变化,高氮处理使得转Bt水稻叶鞘中的氮百分含量在倍增CO2浓度下下降,而在低氮条件下,却又表现出上升的趋势。转Bt水稻在不同生育期不同组织部位的Bt蛋白产量受不同环境因子影响。在分蘖期,施氮肥能增强CO2浓度升高对Bt蛋白产量的影响,同时叶片中Bt蛋白产量随着氮素水平的提高而减低；而对于叶鞘中的Bt蛋白而言,并没有像叶片中Bt蛋白一样表现出一致的趋势。CO2×温度水平×氮素水平的交互作用使得叶鞘中Bt蛋白产量在相同温度水平下不同氮素条件下表现出完全相反的情况；在高温下,经过低氮处理后,叶鞘中Bt蛋白随着cO2浓度的提高升高了0.074%,但是经过高氮处理后,叶鞘中Bt蛋白产量则随CO2浓度升高降低了11.03%,且达到了显著水平。在抽穗期,发现增施氮肥能削弱CO2浓度升高对叶片中Bt蛋白产量的影响,同时转Bt水稻叶片中Bt蛋白产量随着氮素水平的提高而升高。叶鞘中的Bt蛋白含量整体上随着cO2浓度升高而下,但在在高温、高氮条件下则表现相反,随着CO2浓度的升高而升高,但是并没有达到显著差异。草酸是植物体内的重要次级代谢产物。本研究发现,Bt、氮素水平、氮素水平对水稻组织中的草酸含量具有显著影响。研究发现,高温、倍增C02条件下,转Bt水稻和亲本水稻中的草酸含量会随着氮素水平升高而升高；但在对照C02浓度条件下,草酸含量会与Bt因子的存在与否具有相关性。同时水稻生育期不同,水稻组织中的草酸含量也不同。与分蘖期相比,抽穗期中草酸含量要高于分蘖期中草酸含量,但是却受到氮素水平和cO2浓度的影响。在低氮处理下,CO2浓度升高,组织内草酸含量会随着生育期而降低,且在分蘖期得到显著水平；而在高氮条件下,却与此相反,随着CO2浓度升高,组织内的草酸含量会随着生育期而显著提高,且在抽穗期达到显著水平。
【作者】党志浩；
【导师】陈法军；
【作者基本信息】南京农业大学，农业昆虫与害虫防治，2013，硕士
【关键词】气候变化；转Bt水稻；褐飞虱；白背飞虱；草酸；氮素；温度；

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