植物倒伏和花器官發育調控蛋白ZmLA1及其編碼基因與應用的製作方法
2024-01-21 12:14:15
植物倒伏和花器官發育調控蛋白ZmLA1及其編碼基因與應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種植物倒伏和花器官發育調控蛋白ZmLA1及其編碼基因與應用。所述蛋白ZmLA1來源於玉米（Zea?mays?L.），由序列表序列1所示的胺基酸序列組成。本發明所提供的蛋白質或所述基因可用於調控目的植物如下四種性狀中至少一種的應用：生長素向基極性運輸效率、生長素側向運輸效率、莖稈抗倒伏能力和花器官發育；所述花器官發育性狀包括雌穗花期、雄穗花期、雄穗分枝數、雌穗穗柄長度、雌穗花絲數目、雌穗鮮重、果穗長度和結實率中的至少一種。本發明所提供的基因和蛋白在植物莖稈抗倒伏性、理想株型、花器官形態等一系列與產量直接相關性狀的改良中具有廣闊的應用前景。
【專利說明】植物倒伏和花器官發育調控蛋白ZmLAI及其編碼基因與應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種植物倒伏和花器官發育調控蛋白ZmLAl及其編碼基因與應用。
【背景技術】
[0002]作為最早為人類認識的植物激素，生長素廣泛參與植物生長發育過程的各個階段。生長素的合成主要以兩種方式進行:色氨酸依賴途徑和非色氨酸依賴途徑。其合成部位主要包括植物頂端分生組織、葉原基、萌發的種子及花粉等新形成的組織。相較於生長素局部區域合成這一特性，生長素極性運輸( PAT)是引起植物生長素不均一分布的更主要原因。生長素運輸不同於其它植物激素，是以一種極性運輸的方式進行，即體內運輸方向是單向的，只能從植物體形態學上端向形態學下端運輸。通過這種極性運輸建立起的生長素濃度梯度特異介導了植物一系列生物學反應，如:細胞伸長、細胞分化、根的伸長、向光性、重力性、頂端優勢、花分化和果實形成等。這個過程需要兩類生長素運輸載體:輸入載體和輸出載體。擬南芥中已鑑定的生長素輸入載體主要有四類:AUX1，LAX1，LAX2和LAX3(類AUXl蛋白)。而輸出載體主要包括PIN蛋白家族，在擬南芥中現已鑑定出8個PIN基因，它們可分為兩類:長PIN蛋白(PIN1，2，3，4和7)主要定位於細胞質膜上，介導生長素細胞間極性運輸；短PIN蛋白(PIN5, 6和8)則定位於內膜系統上,介導生長素的胞內運輸。
[0003]擬南芥輸出載體除了 PIN蛋白家族外，最近研究發現多重抗藥性/磷酸糖蛋白家族(multidrug-resistant/P-glycoprotein,MDR/PGP,ABCB)也參與了生長素極性運輸。它是ATP結合盒(ATP—binding cassette, ABC)轉運蛋白超級家族中的一個亞家族。其中，PGPl (ABCBl)是最早被發現與生長素極性運輸相關的PGP家族成員。另外，PGP4 (MDR4)和PGP19 (MDR1/ABCB19)也分別被證明作用於植物生長素的極性運輸。
[0004]植物重力性反應體現為地上部正向重力性反應和根負向重力性兩部分，正常的重力性反應對根和地上部各器官的形態發育和生物學功能是必需的。早在近一個世紀之前，人們就提出Cholodny-Went假說，認為生長素的不對稱分布是導致植物向重性和向光性等向性運動的原因。Li等也證明菸草向性運動相應部位發生了生長素的不對稱分布。生長素還參與調節擬南芥根的重力性反應，這些結果都正面支持了 Cholodny-Went假說的正確性。
[0005]近年來對於生長素介導植物根重力性生長的研究報導不斷湧現。根中生長素的極性分布依賴於AUXl蛋白，auxl突變體表現為根重力性完全喪失。PGP4也參與擬南芥根中生長素運輸，pgp4突變體根中生長素向基運輸速度明顯降低，根向重性反應也隨之鈍化。最近root growth factors (RGFs)分泌妝家方矣成員和phosphatidylinositol monophosphate5-kinase 2 (PIP5K)分別被證明通過調控生長素輸出載體的胞內循環來調節植物地上和地下多器官的重力性反應。水稻LAZYl負向調控生長素極性運輸，相應的水稻和擬南芥Iazyl突變體都表現為地上部重力性反應減弱並伴隨分枝角度增大。最近研究者提出一個「tipping point」機制，證明在重力性彎曲生長過程中，一定傾斜角度可作為觸發點，引起生長素極性運輸流向發生反轉，充分證明了生長素極性運輸與重力性反應的直接相關性。
[0006]生長素極性運輸參與的另外一個重要生物學過程是調控分生組織發育和花器官形態建成。以玉米為例，花器官包含雄穗，發育自頂端分生組織；雌穗，發育自雄穗數個節下的腋生分生組織。除著生位置不同外，雌雄穗表現出不完全相同的發育模式，其中雄穗發育包含四種類型的分生組織:特異的分枝分生原基(branch meristem, BM),小穗對分生原基(spikelet pair meristems, SPMs),小穗分生原基(spikelet meristems, SMs)和小花分生原基(floral meristems, FMs),然而雌穗發育僅包含SPMs, SMs和FMs。通過對一系列玉米雌雄穗生長素運輸相關基因的研究，發現特異的生長素濃度梯度對各級分生原基的生長分化都是必不可少的。玉米生長素輸出載體ZmPINla和ZmPINlb特異定位於頂端分生組織和腋生組織的表皮細胞層中，預示著生長素極性運輸在花器官起始發育中的重要作用。玉米Barren inflorescence2 (Bif2)編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶PINOID (PID)同源蛋白，通過調控PIN蛋白亞細胞極性定位控制生長素極性運輸，且此作用過程在玉米和擬南芥中是保守的。bif2突變則引起雌穗籽粒數減少且雄穗分枝數和小花數明顯減少。另外一個半顯性bifl突變體中，腋生分生組織的生長素運輸速率降低，造成與bif2相似的表型。basichelix - loop - helix (bHLH)轉錄因子Barren stalkl (Bal)參與了玉米腋生分生組織的起始過程，且bal突變體表現為雌穗、雄穗分枝、小花完全缺失。BAl特異表達於花器官分生組織的邊界處，並介導形成了局部的生長素濃度梯度，但BAl在生長素極性運輸調控途徑中的上下遊位置尚存爭議。
[0007]除了生長素極性運輸，通過生長素的局部合成建立的生長素濃度梯度也在玉米花器官發育中起重要作用。玉米sparse inflorescencel (spil)編碼黃素單氧酶,其介導催化Trp依賴性生長素合成途徑中的限速步驟，與擬南芥YUCCA基因同源，參與腋生分生組織和側生器官的生長分化，最終完成花器官的形態建成。另一個生長素合成基因vanishingtassel2(vt2)同樣為花器官的腋生分生組織發育所必需。遺傳學分析表明生長素極性運輸與局部組織中的生物合成能協同作用於調控玉米花器官發育過程。
[0008]儘管大量研究已明確表明生長素在重力性反應和花器官發育中的重要作用，但還沒有同時參與這兩個過程調控基因的報導。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是提供一種植物倒伏和花器官發育調控蛋白ZmLAl及其編碼基因與應用。
[0010]本發明所述蛋白質ZmLAl,來源於玉米(Zea mays L.),是如下a)或b)的蛋白質:
[0011]a)由序列表序列I所示的胺基酸序列組成的蛋白質；
[0012]b)將序列表序列I的胺基酸序列經過一個或幾個胺基酸殘基的取代和/或缺失和/或添加且與植物倒伏和/或花器官發育相關的由(a)衍生的蛋白質。
[0013]序列表序列I所示的胺基酸序列由413個胺基酸殘基組成，其中，第70-90位胺基酸肽段為跨膜結構域，第275-298位、第338-345位兩段肽段為羅賓遜(Robinson)核定位信號。
[0014]為了使上述(a)中的蛋白便於純化，可在由序列表序列I所示的胺基酸序列組成的蛋白質的氨基末端或羧基末端連接上如表1所示的標籤。
[0015]表1標籤的序列
[0016]
【權利要求】
1.一種蛋白質，是如下a)或b)的蛋白質: a)由序列表序列I所示的胺基酸序列組成的蛋白質； b)將序列表序列I的胺基酸序列經過一個或幾個胺基酸殘基的取代和/或缺失和/或添加且與植物倒伏和/或花器官發育相關的由(a)衍生的蛋白質。
2.權利要求1所述蛋白質的編碼基因； 所述基因具體可為如下I)-4)基因中的任意一種: 1)其核苷酸序列是序列表序列2所示的DNA分子； 2)其核苷酸序列是序列表序列3所示的DNA分子； 3)與I)或2)限定的DNA序列至少具有70%、至少具有75%、至少具有80%、至少具有85%、至少具有90%、至少具有95%、至少具有96%、至少具有97%、至少具有98%或至少具有99%同源性且編碼權利要求1所述蛋白質的DNA分子； 4)在嚴格條件下與I)或2)或3)限定的DNA序列雜交且編碼權利要求1所述蛋白質的DNA分子。
3.含有權利要求2所述基因的重組載體、表達盒、轉基因細胞系、重組菌或重組病毒； 所述重組載體具體可為在pCAMBIA3301-UbiN的BamH I和Kpn I酶切位點之間插入權利要求2所述基因得到的重組載體。
4.權利要求1所述的蛋白質或權利要求2或3所述的基因在調控目的植物如下四種性狀中至少一種的應用:生長素向基極性運輸效率、生長素側向運輸效率、莖杆抗倒伏能力和花器官發育； 所述花器官發育性狀包括雌穗花期、雄穗花期、雄穗分枝數、雌穗穗柄長度、雌穗花絲數目、雌穗鮮重、果穗長度和結實率中的至少一種。
5.一種獲得具有如下至少一種表型植物的方法，包括降低所述植物中權利要求1所述蛋白表達、和/或抑制權利要求2所述基因的轉錄的步驟:生長素向基極性運輸效率提高，生長素側向運輸效率降低，莖杆抗倒伏能力降低，雌穗花期延遲、雄穗花期延遲、雄穗分枝數減少、雌穗穗柄長度降低、花絲鮮重降低、果穗長度降低、結實率降低。
6.一種獲得具有如下至少一種表型植物的方法，包括提高所述植物中權利要求1所述蛋白表達、和/或促進權利要求2所述基因的轉錄的步驟:生長素向基極性運輸效率降低，生長素側向運輸效率提高，莖杆抗倒伏能力增強，莖杆受外力傾斜後恢復直立速度的提高，雌穗花期提早、雄穗花期提早、雄穗分枝數增加、雌穗穗柄長度增加、花絲鮮重增加、果穗長度增加、結實率提高。
7.一種培育轉基因植物的方法，是將權利要求2所述基因導入目的植物中，得到與所述目的植物相比具有如下至少一種表型的轉基因植物: 生長素向基極性運輸效率降低，生長素側向運輸效率提高，莖杆抗倒伏能力增強，莖杆受外力傾斜後恢復直立速度的提高，雌穗花期提早、雄穗花期提早、雄穗分枝數增加、雌穗穗柄長度增加、花絲鮮重增加、果穗長度增加、結實率提高。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於:所述導入是通過權利要求4所述重組載體實現的。
9.根據權利要求5—8中任一所述的方法或應用，其特徵在於:所述植物和所述目的植物為單子葉植物或雙子葉植物，所述單子葉植物具體可為玉米。
10.如下A) — C)中任一種引物對或引物對組合物及其在玉米育種中的應用:A)引物對M4和引物對M5；B)引物對M4；C)引物對M5；所述引物對M4由序列表序列4所示的單鏈DNA和序列表序列5所示的單鏈DNA組成；所述引物對M5由序列表序列6所 示的單鏈DNA和序列表序列7所示的單鏈DNA組成。
【文檔編號】C12N5/10GK104177481SQ201310189177
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年5月21日 優先權日:2013年5月21日
【發明者】金危危, 董朝斌, 陳曉陽 申請人:中國農業大學