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水稻Os05g26890.1蛋白、编码该蛋白的基因及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水稻Os05g26890.1蛋白，其氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。本发明还提供一种新的可用于控制作物籽粒大小和矮杆的水稻小粒矮秆基因Os05g26890.1及其应用。所述水稻小粒矮秆基因Os05g26890.1的核苷酸序列如SEQ ID No.2所示。本发明首次克隆了控制水稻小粒矮秆性状的Os05g26890.1基因，为阐明粒型遗传的复杂分子机制提供了新思路，为水稻育种提供了可利用的新基因资源。

Description

水稻Os05g26890.1蛋白、编码该蛋白的基因及其应用
技术领域
本发明属于基因工程及分子生物学领域，具体地说，涉及一种水稻Os05g26890.1蛋白、编码该蛋白的水稻小粒矮秆基因及其应用。
背景技术
水稻是世界上重要的粮食作物之一，其籽粒形状和大小直接影响着水稻的产量,也直接影响水稻品质,因而对水稻籽粒形状的遗传研究是水稻遗传育种工作的重中之重。决定籽粒形状的因素主要有谷粒长、宽、厚以及长宽比,其中谷粒长影响籽粒形状最大(Tkada,1991)，粒长主要表现为数量性状，大量的研究结果表明，粒长QTL遍布水稻各号染色体上。
在籽粒性状基因控制研究上，多数研究认为粒长、粒宽、长宽比是一个复杂、由多基因控制的数量性状。因此，分析其QTL(Quantitative Trait Loci)位点及效应是研究籽粒性状的一个重要方法和途径。但正是由于粒型遗传的复杂机制，目前仅有少数的与粒型相关的基因被分离和克隆。为此，突变体材料的构建和应用应运而生。水稻突变体为水稻育种提供了具有重要意义的材料。到目前为止，利用突变体材料已在水稻第3号染色体上定位了1个不完全显性小粒基因(Mi)和2个隐性矮秆小粒基因(dwf33和dwf37)，在第4号染色体上定位了1个隐性圆小粒基因(rk1)，在第1号染色体上定位了1个隐性矮秆小粒基因(dwf35)、1个隐性矮秆圆小粒基因(dwf2)和1个隐性矮秆圆大粒基因(dwf36)；在第11号染色体上定位了1个隐性小粒基因；在第5、6和10号染色体上分别定位了1个隐性矮秆小粒基因(dwf1)、1个隐性矮秆小粒基因(dwf39)和1个隐性圆小粒基因(rk2)。由此可见，控制水稻小粒基因的机制复杂，小粒基因并没有因为定位和克隆了诸多基因而被完全解析，尚需要发掘新的与小粒基因相关的突变体，研究小粒基因的遗传机制和机理。
株高是评价水稻株型的重要农艺性状之一,适度矮化有利于水稻品种的耐肥、抗倒、高产。20世纪50年代至60年代，随着“矮脚南特”、“矮仔占”、“IR8”等一批携带半矮秆基因“sdl0”的釉型矮秆品种的育成与推广,水稻产量较原推广品种提高了20%-30%，引发了水稻育种的一场绿色革命(朱立宏等,1980;熊振民等,1988;林世成等,1991;ChangTT等,1985)。对现有矮秆水稻品种系谱分析的结果表明,这些材料及其衍生品种的矮生性主要由同一位点半矮杆主基因sdi控制,同一矮秆基因的广泛利用潜伏着由遗传单一带来的风险。因此,加强水稻新矮源的挖掘、筛选和利用研究不仅有利于扩大水稻品种的遗传多样性,还有利于为水稻育种提供新材料新方法,保障水稻生产可持续发展。
矮秆是由水稻突变而获得，1922年印度学者Parnell等报道了1个由隐性单基因控制的自然矮秆突变系，这是有关水稻矮生性遗传的最早报道(Parnell FR等,1922)。明峰正夫对水稻赤毛品种矮杆突变体进行遗传分析,提出高秆对矮秆为显性(明锋正夫,1925)。Ichijima首先报道了用x射线诱导粳稻品种产生矮秆突变(Ichijima K.，1932)。自20世纪60年代以来，伴随着水稻矮化育种的发展,新发现的水稻矮秆基因不断增加。迄今为止，已在水稻遗传协会登记，影响株高的基因有158个，其中矮秆基因已经达到74个。
稻种资源是水稻育种工作的生命线，优良种质的发现、创造和利用是水稻育种工作能够不断发展的前提条件。水稻杂交制种中，把小粒矮秆基因转入到不育系中，因其为隐性遗传，小粒性状及矮生性不会在杂交稻组合中表现出来，同时小粒矮秆材料往往穗粒数较多，而该性状属于显性或偏显性遗传。选育小粒型不育系，培育杂交稻可以获得大穗的优良性状。由于小粒矮秆材料的颖花数量多，667m2可达到4500万朵以上颖花，为提高杂交稻制种种子数量提供了新的途径。此外，小粒矮秆不育系籽粒千粒重仅为普通品种的1/2到1/3，这种形态的差异易于鉴别种子的真伪及纯度，为机械化制种提供了可能。
发明内容
本发明的目的是提供一种水稻Os05g26890.1蛋白。
本发明的另一目的是提供一种新的可用于控制作物籽粒大小和矮杆的水稻小粒矮秆基因Os05g26890.1及其应用。
为了实现本发明目的，本发明的一种水稻Os05g26890.1蛋白，来源于水稻(Oryza sativa L.），其氨基酸序列如SEQ ID No.1所示，或该序列经替换、缺失或添加一个或几个氨基酸形成的具有同等功能的氨基酸序列。
本发明还提供编码所述水稻Os05g26890.1蛋白的基因，即水稻小粒矮秆基因Os05g26890.1，其核苷酸序列为：1）如SEQ ID No.2所示的核苷酸序列；2）在严格条件下与1）所示的核苷酸序列杂交的核苷酸序列。其中，所述严格条件是指在0.1×SSPE或0.1×SSC，0.1%SDS的溶液中，65℃下进行杂交，并用该溶液洗膜。
本发明还提供含有水稻小粒矮秆基因Os05g26890.1的载体。
本发明还提供含有水稻小粒矮秆基因Os05g26890.1的转基因细胞系。
本发明还提供含有水稻小粒矮秆基因Os05g26890.1的工程菌。
本发明还提供含有水稻小粒矮秆基因Os05g26890.1的转化植物细胞。
本发明还提供所述水稻小粒矮秆基因Os05g26890.1在控制作物籽粒大小和矮杆性状中的应用。优选所述作物为水稻。
本发明进一步提供一种与水稻小粒矮秆性状相关的分子标记，其位于编码水稻Os05g26890.1蛋白的基因序列第880-882bp处，此处碱基为AAG的水稻正常（SEQ ID No.7）；此处3个碱基AAG缺失的水稻呈小粒矮秆性状；所述编码水稻Os05g26890.1蛋白的基因序列如SEQID No.2所示。
本发明还提供上述与水稻小粒矮秆性状相关的分子标记在水稻分子标记辅助育种中的应用。
本发明首次克隆了控制水稻小粒矮秆性状的Os05g26890.1基因，为阐明粒型遗传的复杂分子机制提供了新思路，为水稻育种提供了可利用的新基因资源。
本发明还开发了与水稻小粒矮秆性状相关的分子标记。可以准确、快捷地用于遗传分析或基因诊断及后期分子辅助育种工作中。
附图说明
图1为本发明实施例1中突变体‘2338（小）’株高、谷粒、穗大小（左侧）与‘9311’的谷粒、穗大小（右侧）比较；其中，a为株高比较，b为穗大小比较，c为谷粒比较。
图2为本发明实施例1中突变体‘2338（小）’（左侧）与‘9311’（右侧）的株高比较。
图3为标记RM18451在F2部分小粒植株中的分离情况；其中，P1：‘9311’，P2：‘2338（小）’，1-21号为F2部分小粒植株的编号。
图4为Os05g26890.1基因在突变体与‘9311’中的序列比较，突变体‘2338（小）’与‘9311’的DNA序列比较，有3个碱基缺失。
图5为为本发明实施例1中功能互补实验结果；a图为互补载体构建示意图；b图为水稻‘9311’的Os05g26890基因转化‘2338（小）’的T0代阳性转基因植株（右）与‘9311’（左）在抽穗时期的表型比较，转基因植株恢复到了‘9311’的表型。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。
实施例1水稻小粒矮秆基因Os05g26890.1的基因定位
将水稻小粒矮杆突变体‘2338（小）’与正常籼稻品种‘9311’进行杂交，所有F1植株种子大小正常。调查F2分离群体植株的种子大小，发现种子正常植株与小粒种子植株的分离比符合3:1，说明该性状由一对隐性基因控制。
利用‘2338（小）’与‘9311’之间表现出多态性的分子标记分析正常DNA池和突变体DNA池，发现位于第5号染色体的RM18451与目标性状连锁，进一步利用这个标记对‘2338（小）’/‘9311’F2群体中的100个隐性单株进行连锁分析，发现其与突变表型紧密连锁，因此目标基因初步定位在水稻第5号染色体上。
图1为突变体‘2338（小）’谷粒、穗大小与‘9311’的谷粒、穗大小比较。
图2为突变体‘2338（小）’与‘9311’的株高比较。
图3为标记RM18451在F2部分小粒植株中的分离情况（P1：‘9311’，P2：‘2338（小）’，1-21号为F2部分小粒植株的编号）。
图4为Os05g26890.1基因在突变体与‘9311’中的序列比较，突变体‘2338（小）’与‘9311’的DNA序列比较，有3个碱基缺失。
功能互补实验：利用野生型‘9311’的Os05g26890基因构建互补载体并转化‘2338（小）’，T0代转基因植株在株高和籽粒大小上均恢复了正常。结果如图5所示，a图为互补载体构建示意图，b图为水稻‘9311’的Os05g26890基因转化‘2338（小）’的T0代阳性转基因植株（右）与水稻‘9311’（左）在抽穗时期的表型比较，转基因植株恢复到了‘9311’的表型。
实施例2导致‘2338（小）’突变表型的候选基因的鉴定
利用http://rice.plantbiology.msu.edu/index.shtml，对RM18451附近的区间进行基因预测，发现有个开放阅读框Os05g26890.1编码G蛋白的alpha亚基，文献报道其突变后的表型与‘2338（小）’相似，于是发明人共设计了4条引物（表1），从‘9311’和‘2338（小）’种中扩增出了Os05g26890.1的基因全序列，经过测序发现：Os05g26890.1的基因序列在‘2338（小）’中发生了突变，Os05g26890.1的基因序列的第11个外显子上少了3个核苷酸：AAG。因此，确定Os05g26890.1为导致‘2338（小）’突变表型的候选基因，将其命名为水稻小粒矮秆基因Os05g26890.1，其核苷酸序列SEQ ID No.2所示，其编码蛋白的氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。
表1引物序列
引物 引物序列（5′-3′）
HX2410 GTGAAACTTTGTTCCTCT
HX2411 TCTCCTTGTTTCAAAGTG
HX2412 TAGGGTACAGACCTGAACAG
HX2413 CCTCTAAAATAATGTCCGTG
实施例3培育携带隐性小粒基因的温敏不育系
培育携带实施例1中所述水稻小粒矮秆基因Os05g26890.1的温敏不育系的操作过程如下：
2004年，在长沙暮云基地获得突变体‘2338（小）’，其千粒重为14.5g(原亲本为30g/1000粒)。2006年用稳定的‘2338（小）’与两用核不育系‘湘陵628S’杂交选育，于2010年在长沙暮云基地得到稳定遗传的‘2338S’两用核不育系，其千粒重为15g。而一般水稻不育系‘Y58S’(商品名)和‘广占63S’(商品名)的千粒重为25g左右。假设‘2338S’(千粒重15g小粒)不育系与‘广占63S’(千粒重25g大粒）不育系制种，每亩制种田生产的F1杂交种分别为175kg和200kg，则F1代种子数量分别为1167万粒/亩和800万粒/亩。我国稻农在种植杂交稻时，一般每亩1.5万穴，每穴2谷苗，按成秧率70%计算，每亩需播种4.28万粒F1种子，那么，每亩制种田所产杂交水稻种子分别能种植272亩和186亩。每亩按3万粒用种量折算，‘2338S’与‘广占63S’杂种F1每亩用种子重量分别为0.64kg、1.07kg，当种子价格(按重量)同为40元/kg时，则每亩种子成本分别为25.6元、42.8元，每亩节省种子成本17.2元。由于该小粒性状系隐性基因控制，对水稻杂种F1的千粒重没有影响，不仅保证杂种F1的杂种优势，而且显著提高制种繁殖系数。
‘2338S’的粒长为6.0-6.5mm，粒宽为2.8-3.0mm，而常用恢复系‘蜀恢527’（粒长为10.5-11.0mm，粒宽为3.3-3.5mm）、‘扬稻6号’（粒长为10.0-10.5mm，粒宽为3.2-3.4mm）等父本与‘2338S’粒型差异明显。‘2338S’比常用恢复系的粒长减少41%-43%，粒宽减少15%左右。利用筛选机械可以使水稻杂种一代种子与父本种子完全分离，实现父母本机械混播混栽混收的水稻杂交种子生产全程机械化，不仅可以保证杂交种子质量，而且能大幅度降低杂交种子的生产成本。
涉及携带与控制隐性小粒基因紧密连锁的标记基因的光温敏不育系，利用该不育系实现全程机械化制种，生产高纯度两系杂交水稻种子，不仅可以节约大量的制种稻田，提高搜种子生产成本，而且可以减少仓储、运输和包装成本，同时可以大幅度降低稻农水稻生产的种子成本。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.水稻Os05g26890.1蛋白，其特征在于，其氨基酸序列如SEQ IDNo.1所示，或该序列经替换、缺失或添加一个或几个氨基酸形成的具有同等功能的氨基酸序列。
2.编码权利要求1所述蛋白的基因，其核苷酸序列为：
1）如SEQ ID No.2所示的核苷酸序列；
2）在严格条件下与1）所示的核苷酸序列杂交的核苷酸序列；
所述严格条件是指在0.1×SSPE或0.1×SSC，0.1%SDS的溶液中，65℃下进行杂交，并用该溶液洗膜。
3.含有权利要求2所述基因的载体。
4.含有权利要求2所述基因的工程菌。
5.权利要求2所述基因在控制作物籽粒大小和矮杆性状中的应用。
6.权利要求2所述基因在控制水稻小粒矮秆性状中的应用。
7.一种与水稻小粒矮秆性状相关的分子标记，其特征在于，其位于编码水稻Os05g26890.1蛋白的基因序列第880-882bp处，此处碱基为AAG的水稻正常；此处3个碱基AAG缺失的水稻呈小粒矮秆性状；所述编码水稻Os05g26890.1蛋白的基因序列如SEQ ID No.2所示。
8.权利要求7所述与水稻小粒矮秆性状相关的分子标记在水稻分子标记辅助育种中的应用。
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