外源基因在植物体内的表达受多种因素的影响,如插入位点、拷贝数、外界环境等。本实验室将人工修饰的Cry1Ab/Ac、CpTI等外源基因导入我国主要经济作物棉花中,成功培育出具有我国自主知识产权的单价、双价转基因抗虫棉,并有近200个品种通过了国家或省级审定。但是,研究发现,不同抗虫棉品种的杀虫蛋白表达量存在较大差异,且在近几年的媒体报道中,有少部分农户反映存在“转基因抗虫棉不抗虫”的现象,尤其在山东的个别地方甚至出现转基因抗虫棉田地中棉铃虫肆虐的景象。为了更好地服务于育种和生产,阐明不同抗虫棉品种中杀虫蛋白存在差异的主要原因、分析生产上“抗虫棉不抗虫”的本质,本文首先以我国主推的国产转基因抗虫棉花品种(31份)和美国转基因抗虫棉花品种(1份)为研究材料,深入分析了Bt杀虫蛋白在我国三大棉区目前推广品种的时空表达;其次,利用S25、P80两套遗传背景迥异的转基因世代材料、L2000-2系谱和鲁棉研系谱两套不同流域棉区的系谱材料,分析了遗传背景和环境等因素对杀虫蛋白表达量的影响;第三,通过人为混杂不同比例的非抗虫棉,研究了品种抗虫纯度对抗虫棉田间整体抗虫表现的影响;最后,对2008、2009年新选育的102份品种(系)进行了转基因安全评价,初步检测、监测了转基因抗虫棉环境释放的安全性。获得如下主要研究结果:1)我国转基因抗虫棉BT杀虫蛋白的表达具有时空特异性。三大棉区转基因抗虫棉BT杀虫蛋白时空表达趋势基本一致,即在时间上呈前期表达量高、后期表达量低的趋势;在空间上叶的表达量最高,蕾次之,之后是花,铃的表达量最低。三大棉区间BT杀虫蛋白表达量的平均水平在不同器官的各个时期差异不显著。美棉品种99B的蕾铃杀虫蛋白表达量低于国产转基因品种南抗3号及两个对照品种(GK12、sGK321),但高于大部分其他国产品种。2)利用S25、P80两套遗传背景不同的转基因世代材料进行杀虫蛋白表达量分析,结果表明:随着转基因材料选育世代数的增加,叶、蕾、花、铃等不同组织在棉花发育的不同时期,BT杀虫蛋白的表达量会呈现出一些变化,但多数相关性不显著,说明选育世代对BT杀虫蛋白表达量的影响程度可能较低。同时,两套不同遗传背景材料的变化存在一定差异,推断选育世代变化对BT杀虫蛋白表达量的影响可能存在遗传背景的互作效应。3)利用L2000-2系谱和鲁棉研系谱两套不同流域棉区的系谱材料进行杀虫蛋白表达量分析,结果表明西北内陆棉区的转基因品种L2000-2系谱的BT杀虫蛋白表达量极显著高于黄河流域的鲁棉研系谱品种,而同一系谱内的材料, BT杀虫蛋白表达量则较相似。由此说明遗传背景是引起BT杀虫蛋白表达量在不同材料中出现较大差异的主要原因之一。同时,对两套系谱材料在不同年份和地点的杀虫蛋白表达量进行分析,结果表明不同系谱材料受环境的影响程度不同,可能存在遗传背景与环境间的互作效应。4)品种抗虫纯合度试验结果表明:随着种子纯度的降低,棉铃虫的危害等级逐渐升高,棉铃虫的死亡率逐渐降低,致使品种的产量显著降低。解析产量降低的因素,发现主要是由于品种混杂使得抗虫性下降,果枝数减少,空果枝数增多,单株铃数减少,导致最终产量大幅降低。由此可见,种子抗虫纯度的高低直接影响抗虫棉的田间整体抗虫性,种子抗虫纯度降低,将会直接导致“抗虫棉不抗虫”的现象发生。5)对我国新选育的一些抗虫棉品种(系)进行转基因安全评价检测、监测,结果显示:这些抗虫棉品种中杀虫蛋白的表达量与当地主栽的抗虫棉品种(中棉45和GK19)差异不显著,即对棉铃虫具有较好的杀虫效果。棉铃虫的校正死亡率平均在80%以上,危害级别保持在2级以下,属于抗性水平。综上所述,本文对我国主推的抗虫棉品种中杀虫蛋白的表达量进行了较为全面的检测和分析,结果表明这些抗虫棉品种均具有较高的杀虫蛋白表达量,对棉铃虫具有较强的抑制性,能满足生产上防控棉铃虫的需求。但品种间在不同组织器官以及不同发育时期杀虫蛋白表达量存在差异。同时,本文跟踪的新选育的抗虫棉材料的安全性评价,也表明不同抗虫棉品系的杀虫蛋白表达量不同。以上两方面的数据均说明杀虫蛋白表达量与抗虫棉品种材料直接相关。在此基础上,本文选用了两套不同的转基因世代材料、两套不同棉区的抗虫棉系谱材料进行试验,首次明确了遗传背景是影响抗虫棉杀虫蛋白表达量的主要因素,这一结果为选育高抗虫棉花品种提供了理论依据。另外,本文还率先通过品种抗虫纯度试验,明确了引起生产上“抗虫棉不抗虫”的主要原因是品种的抗虫纯度低。