转BtCry1Ac基因对107杨材性的非预期影响.pdf

/转 基因对 杨材性的非预期影响李洪瑞 赵志明 张津 门艳阔 张子杨 王进茂(河北农业大学 林学院 河北 保定 河北省洪崖山国有林场 河北 易县)摘要:为了探究外源 基因对 杨材性性状产生的非预期影响 以转 基因 杨 个株系(和)和野生型株系()为材料 对其木材化学组分、物理和力学性质及纤维形态指标进行了定量测定 结果显示:基因的转入使 杨木材材性发生了非预期变化 具体表现为 和 的纤维素、灰分、苯醇抽出物及 抽出物组分含量均显著低于()和 的气干干缩性、全干干缩性显著低于()且 和 的气干密度、全干密度显著高于()和 的冲击韧性、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度均显著高于()和 的纤维长度显著低于()总体表现为转基因株系的木材有着更小的干缩性 更高的密度和强度 其材性发生了非预期性改变 研究结果为转基因杨树的推广与应用提供了参考关键词:杨 基因 木材材性 纤维形态 非预期效应中图分类号:文献标识码:文章编号:()/():/().()()()(/)()/()/()().:/第 卷 期 年 月 西 部 林 业 科 学 收稿日期:基金项目:河北重点研发计划()第一作者简介:李洪瑞()男 硕士研究生 主要从事林木遗传育种研究:通信作者简介:王进茂()男 博士 教授 主要从事林木遗传育种研究:杨树()为杨柳科()杨属()多年生落叶乔木 在我国是重要的绿化及工业用材树种 目前我国杨树林总面积达到了 居世界首位 杨(/)是北方欧美杨主栽杨树品种之一 杨树大规模单一品种的应用导致了日益严重的病虫害问题 利用基因工程技术加快杨树抗虫新品种研发进程显得尤为重要 迄今为止 已有近 个转 基因抗虫杨树品种被培育出来 并被批准进行小规模田间试验和环境释放 转基因生物非预期效应是指由于外源基因整合于基因组 整合行为或整合后的转录产物与翻译产物会对宿主原有的基因表达造成干扰导致的非目标性的性状改变 张德建等在研究转基因 杨与非转基因 杨的材性差异时发现 转基因 杨的密度、部分力学性质和化学组分含量均与对照有显著差异 有研究表明 转 基因 杨在株高和胸径的生长上弱于对照 植物激素转导和木质素合成相关基因产生了差异表达 等在对转基因杨与非转基因杨的形成层组织代谢组学分析比较中表明 共发现了 种丰度不同的代谢物 其中包括与生长和胁迫相关的精氨酸和谷氨酸 与细胞壁相关的蔗糖、尿苷二磷酸葡萄糖及其衍生物和与抗虫相关的儿茶酚 木材的性质是影响杨木应用的关键因素 为了探究转基因株系的生产应用相关性状是否发生了改变 本研究以转 基因 杨的两个株系(、)和野生型株系()为实验材料 对其物理及力学性质、化学组分、纤维形态四个方面的差异进行研究 旨在表型上评估 和 在木材质量性状上展现的非预期效应 并为转 基因 杨的应用提供参考 材料与方法 试验地概况试验 林 栽 植 地 点 在 衡 水 市 枣 强 县 林 场(、)位于河北省中南部平原 年平均气温为 属大陆性季风气候年平均降水量为 平均无霜期为 四季分明 冷暖差异大 采样所在试验林营建于 年 试验林均采用完全随机区组设计 分为 个处理 均重复 次 共 个小区 每小区 株 东西行距 、南北株距 采用苗圃扦插繁殖的当年生苗木造林 栽植时苗高、地径基本一致 且试验地内不进行施肥除草等人工抚育 试验材料试验材料取自栽植于衡水市枣强县林场的转 抗虫基因 杨 个株系(编号为、)及非转基因野生型株系()的 年生苗木 个转基因株系已被国家林业和草原局批准环境释放化学组分中抽出物测定所用材料取自 个株系的胸径处厚度 的圆盘 将圆盘劈成较为均匀的木片 按照四分法取样片 放置于粉碎机中使其粉碎 然后将粉碎的样木置于 目筛进行筛选至完全通过且留于 目筛得到用于进行抽出物试验的粉末样品 测定纤维素、半纤维素、木质素所用的材料为除去抽出物后的材料物理及力学性质测定所用材料取自 个株系的胸径处往上 的木段 将圆木段锯成规定厚的木板 室内放置进行自然干燥 将木材的含水率调至左右 然后将木板加工成试验需要的无疵小试样进行木材物理力学性质的测定制备纤维形态测定的材料需采用富兰克林离析法进行木材的离析 离析后即可进行纤维形态测定 各指标测定方法化学组分中 纤维素与半纤维素按照/测 定 木 质 素 按 照/测 定 苯 醇 抽 出 物 按 照/测定 灰分按照/测定 氢氧化钠抽出物按照/测定物理 及 力 学 性 质 中 冲 击 韧 性 按 照/测定 抗弯强度按照/测定 抗弯弹性模量按照/测定 顺纹抗压强度按照/测定 干缩性按照/测定 木材密度按照/测定纤维形态测定采用富兰克林离析法 将处理好的试验材料进行木材的离析 番红染色后置于显微镜上观察 数据分析采用 进行数据处理、分析 软件进行方差分析和差异显著性检验()软件绘图 第 期 李洪瑞等:转 基因对 杨材性的非预期影响 结果与分析 木材化学组分差异分析由表 可知 和 与 的纤维素、灰分、苯醇抽出物及 抽出物组分含量存在显著性差异()其余性质差异不显著在 和 与 的化学组分含量比较中发现 和 的纤维素、灰分、苯醇抽出物及 抽出物组分含量均明显低于 和 的纤维素、灰分、苯醇抽出物及 抽 出 物 组 分 含 量 的 均 值 分 别 为 的、由此可知 和 与 在化学组分含量上差异最大的为灰分 其余依次为为苯醇抽出物、抽出物、纤维素表 不同株系 杨化学组分含量 株系统计量纤维素半纤维素木质素苯醇抽出物灰分 抽出物平均值/变异系数/平均值/变异系数/平均值/变异系数/注:不同株系同一指标小写字母不同表示差异显著()下同 木材力学性质差异分析通过表 可知 和 与 在冲击韧性、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度方面存在显著性差异()与 间无显著差异 且 和 的各项指标均高于、木材的冲击韧性分别为、/和 木材的冲击韧性比 分别提高了 、沿木材顺纹方向施加压力 木材能承受的最大能力即为木材顺纹抗压强度 的顺纹抗压强度为 和 的顺纹抗压强度分别为、两个转基因株系顺纹抗压强度较 分别提高 、木材抗弯强度和抗弯弹性模量在木梁设计家具弯曲等方面可提供重要的参考价值 的抗弯强度和抗弯弹性模量分别为 、两个转基因株系抗弯强度和抗弯弹性模量平均值为 、转基因株系的抗弯强度和抗弯弹性模量分别较 提高 、和 的木材强度在总体上优于 表 不同株系 杨力学性质 力学性质平均值变异系数/平均值变异系数/平均值变异系数/冲击韧性/抗弯强度/抗弯弹性模量/顺纹抗压强度/木材物理性质差异分析木材密度是木材物理性质的一个重要指标 木材密度又分为气干、全干和基本密度 和 的气干密度、全干密度与 均存在显著性差异()的基本密度与 存在显著性差异()的基本密度与 和 无显著性差异(表)两个转基因株系的气干、全干和基本密度比 的提高了 、根据气干密度的大小又可以将木材分为很轻(/)个等级 根据气干密度大小可将 个株系的木材划分为 级(轻)和 的气干干缩和全干干缩与 西 部 林 业 科 学 年存在显著性差异()且均为转基因株系小于(表)与 的径向气干、弦向气干、体积气干的干缩率的平均值分别为 、的径向气干、弦向气干、体积气干的干缩率分别为 、的径向气干、弦向气干、体积气干的干缩 率 均 值 分 别 比 小 、木材干缩率是评价木材稳定性的重要指标 干缩率越小木材越不容易出现开裂等情况 说明木材更加的稳定 和 的气干干缩和全干干缩均小于 因此表明 和 的木材的稳定性高于 表 各株系物理性质 物理性质平均值变异系数平均值变异系数平均值变异系数干缩性/径向气干 弦向气干 体积气干 径向全干 弦向全干 体积全干 密度/气干密度 全干密度 基本密度 木材纤维形态差异分析通过对 个株系纤维长度进行方差分析 和 与 存在显著显异()表现为 和 小于 、之间纤维长度无显著性差异、三个株系的纤维宽度无显著差异(图)由图 可知 的纤维长度范围为()和 的纤维长度范围分别为()和()可以看出 的最短纤维长度和最长纤维长度均大于转基因株系 的平均纤维长度为 而 纤维长度为 纤维长度为 和 的纤维长度分别为 纤维长度的 、通过图 可得 的纤维长宽比最高为 与 相比 转基因株系长宽比略有降低 分别为 、图 不同株系 杨纤维形态注:图中小写字母完全不同表示差异显著()讨论与结论 讨论()基因的转入对 杨木材化学组分的影响木材化学组分含量对木材材性有重要影响 是影响木材加工利用的重要因素 尤其影响其在造纸方面的应用 在本研究中 纤维素、灰分、苯醇抽出物、抽出物含量和纤维长度差异显著 表现为 和 小于 等对 年 生 转 基 因 黑 杨()的 个无性系进行了生长和材性性状分析 第 期 李洪瑞等:转 基因对 杨材性的非预期影响发现与非转基因株系相比 转基因株系的纤维素含量降低 木质素含量增加 与本研究结果一致 张德建等以转抗虫基因 杨和非转基因 杨为研究材料 对其木材的化学组分含量进行了测定与分析 发现转基因 杨纤维素含量小于非转基因 杨 而抽出物含量变化与此相反 纤维素含量与本研究结果一致 抽出物含量与本研究结果不一致 导致该研究与本研究有差异的原因可能是不同种杨树受体转入不同的外源基因造成的 也有可能是插入位点不同或外源基因的拷贝数不同或整合时使固有基因发生了断裂、激活或沉默()基因的转入对 杨木材物理及力学性质的影响木材的物理及力学性质与木材稳定性、木材强度以及木材品质关系紧密 对 个株系物理及力学性质的各指标进行测定发现 和 的冲击韧性、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、气干密度和全干密度均显著高于 说明 和 在外界压力下抵抗弹性变形的能力强于 张德建等对转基因 杨木材的物理及力学性质进行测定并与非转基因 杨进行比较发现 转基因 杨的密度、力学性质均高于非转基因 杨 且全干密度、冲击韧性、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度差异显著 研究结果与本文相符 本研究中 个无性系的基本密度分布于 /范围内 王嘉楠等经过测定发现 杨不同部位的平均基本密度在 /之间 于东阳等以 个杨树新杂种无性系为材料进行木材的基本密度测定 发现 个无性系的整株基本密度在 /之间 与本研究结果基本一致抗弯强度与顺纹抗压强度之和为木材综合强度值 木材综合强度与基本密度比值为木材综合品质系数 根据木材综合强度与木材综合品质系数划分标准和计算方法、和 的木材综合强度分别为 、均在 之间 属于中等强度、和 的 木 材 的 综 合 品 质 系 数 分 别 为、均超过 属于高等级材 因此 个株系的木材综合强度属于中等强度 木材属于高等级材 木材的差异干缩为弦径向干缩率之比 一般用于评价易变形程度 本研究中 和 与 的差异干缩分别为 、和 均大于 划分为大 说明、在干燥加工中木材容易出现开裂的情况 总体而言 基因的转入使 杨的木材强度得到了提高 但木材稳定性依旧较差 在加工过程中易开裂()基因的转入对 杨纤维形态的影响木材的纤维形态是影响造纸质量的重要因子纤维长宽比越大 纤维就拥有更大的弹性、柔韧性、撕裂强度 形成的纸张质量 就 越 好 和 的纤维长度、纤维宽度和纤维长宽比较 均有不同程度的降低 其中纤维长度差异显著 朱文旭对 个转多基因库安托杨()无性系和 个非转基因无性系的纤维形态进行测定后发现其中 个转基因无性系的纤维长度、纤维长宽比较非转基因株系均有不同程度的降低 与本研究结果一致 中级长度纤维的长度范围是 且长宽比高于 个株系的纤维长度和纤维长宽比均满足中级长度纤维的标准 纤维长宽比在 以下的纤维不适合造纸 长宽比大于 的纤维是优良的造纸材料 个株系的纤维长宽比均在 以上 因此 可以认为、和 的木材是较适合造纸的原材料 但转基因株系较差些 结论转入 基因后 杨木材的化学组分含量、物理和力学性质及纤维形态相关的多项相关指标较 发生了显著的非预期性变化 转基因株系的综合强度好于野生型 属于中等强度木材 但因差异干缩值高 木材易于开裂 转基因株系纤维素、灰分含量、纤维长度、纤维宽度、纤维长宽比均低于野生型 因此与野生型相比转基因 杨表现出较低的造纸适应性 杨树为长生命周期树种基于市场对杨树大径材的需求 应对转 基因 杨 大 径 材 形 成 进 行 持 续 观 测 为 转 基因杨树的生产应用提供参考参考文献:董世林王战.中国杨树地理分布规律的研究.生态学杂志():.陈赢男胡传景诸葛强等.杨树农杆菌遗传转化研究 年.林业科学():.:.西 部 林 业 科 学 年 .:/.张德健孙照斌张晓燕等.转基因 杨与非转基因 杨木材物理力学性质差异.西部林业科学():.张德健孙照斌杨敏生.转基因 杨与非转基因 杨木材化学组成与化学性质研究.河北农业大学学报():.():.().:.马莉.浅谈枣强县季节性休耕情况.河北农业():.国家技术监督局.造纸原料综纤维素含量的测定:/.北京:中国标准出版社.国家技术监督局.造纸原料酸不溶木素含量的测定:/.北京:中国标准出版社.国家技术监督局.造纸原料有机溶剂抽出物含量的测定:/.北 京:中 国 标 准 出 版社.国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会.造纸原料、纸浆、纸和纸板灼烧残余物(灰分)的测定(和 ):/.北京:中国标准出版社.国家技术监督局.造纸原料 氢氧化钠抽出物含量的测定:/.北京:中国标准出版社.国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会.木材冲击韧性试验方法:/.北京:中国标准出版社.国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会.木材抗弯强度试验方法:/.北京:中国标准出版社.国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会.木材抗弯弹性模量测定方法:/.北京:中国标准出版社.国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会.木材顺纹抗压强度试验方法:/.北京:中国标准出版社.国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会.木材干缩性测定方法:/.北京:中国标准出版社.国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会.木材密度测定方法:/.北京:中国标准出版社.():.李坚.木材科学研究.北京:科学出版社.张友元夏玉芳许建初等.香椿木材解剖构造及其物理力学性质.植物分类与资源学报():.周凡付宗营高鑫等.黑木相思木材化学性质株内变异研究.木材科学与技术():.():.():.:.():.黄平升赵春梅卢庸等.黄果厚壳桂木材物理力学性能评价.广西林业科学():.王嘉楠查朝生刘盛全.人工林杨树木材纤维形态特征及其变异的研究.安徽农业大学学报():.于东阳梅芳王军辉等.杨树新杂种无性系生长与材性的联合选择.东北林业大学学报():.何啸宇孔繁旭王艳伟等.国产人工林柚木材性及木地板应用研究.森林工程():.徐有明.木材学.北京:中国林业出版社.:.尹思慈.木材学.北京:中国林业出版社.朱文旭.转多基因库安托杨生态安全性评价及非预期效应研究.北京:中国林业科学研究院.鲍甫成江泽慧.中国主要人工林树种木材性质.北京:中国林业出版社.尹思慈.木材品质和缺陷.北京:中国林业出版社.(责任编辑:刘永刚)第 期 李洪瑞等:转 基因对 杨材性的非预期影响