CN106868019A - 控制水稻分蘖基因OsHT1及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制水稻分蘖基因OsHT1,来源于水稻(Oryza sativa L.) cv. 中花 11,其核苷酸序列为SEQ ID NO.1,其基因开放阅读框的核苷酸序列为SEQ ID NO.2,其cDNA编码的氨基酸序列为SEQ ID NO.3。表型分析显示,超表达OsHT1基因后,水稻的分蘖数从约 20‑27 个增加到 135‑145个,株高降低,结实率不变。OsHT1基因是水稻分蘖的关键调控基因,表明可以利用基因工程技术调节水稻的分蘖性状,在利用生物工程技术有目的调控植物株型性状,调整植物群体结构以达到高产、优质方面具有非常重要的应用价值。该基因可以用于水稻、小麦等禾谷类作物高产品种的培育。
Description
技术领域
本发明属于植物生物技术领域,它涉及一种植物分蘖必需基因及其应用,具体涉及一种控制水稻分蘖基因OsHT1及其应用。
背景技术
水稻是我国主要粮食作物之一,在我国农业生产上举足轻重。随着我国人口的急剧增长和耕地面积的不断减少,提高水稻产量对保证我国的粮食安全、促进国民经济的发展有举足轻重的作用。培育具有理想株型的高产水稻品种是提高水稻单产的一个重要方面,也是粮食生产者一直追求的目标。水稻产量是复杂的数量性状,主要取决于有效分蘖数、穗粒数和千粒重。分蘖是水稻等单子叶禾本科作物的一种特殊的分枝现象,它是决定水稻等禾本科作物穗数多少进而影响单产的重要因素之一,更是优良高产植物株型建成的重要组成因素。因此,对水稻分蘖相关基因的挖掘,并使其应用于水稻、小麦等禾谷类作物高产品种的培育,具有重要的理论意义和生产应用前景。水稻分蘖新基因的挖掘及其研究不仅可以为丰富水稻等禾谷类作物分蘖的分子机理积累资料,为水稻、小麦等禾谷类作物的高产分子模块设计育种提供理论依据;同时也为揭示水稻、小麦等禾谷类作物产量遗传改良的分子奥秘和育种提供新的基因资源。
分枝是植物株型发育的主要决定因素。在水稻和小麦等主要禾本科作物中,分枝通常被称为分蘖,是与产量密切相关的重要农艺性状之一。分枝与单子叶植物分蘖的本质区别如下:分枝没有不定根且在茎秆上部的伸长节间产生,不能与主茎分离单独存活,而分蘖生有不定根且由茎秆基部的不伸长节间产生,可以脱离主茎单独存活(Hussien et al.,2014; Tavakol et al., 2015)。水稻分蘖作为着生稻穗的特殊分枝直接决定着水稻的产量,是培育“超级水稻”的一个重要方面(李家洋,2008)。在水稻等禾本科作物中,分蘖的形成过程可分为三个主要的步骤,即腋生分生组织(axillary meristem)的建立、腋芽(axillary bud)的形成和腋芽的伸长(Tavakol et al., 2015)。腋芽形成后面临两种不同的命运,直接发育成分蘖,或者进入休眠状态,在适宜的条件下恢复生长发育形成分蘖。腋生分生组织的建立和腋芽的形成受到一系列基因的复杂调控,而腋芽的生长和发育来自植物内源的遗传因素以及外界环境信号的影响,植物激素处于诸多调控信号途径网络的中心,在植物株型发育与建立过程中发挥及其重要的作用(Hussien et al., 2014)。
腋芽的形成起始于来自腋生分生组织叶原基(leaf primordia)的形成。水稻中的MONOCULM1(MOC1)基因、LAXPANICLE (LAX)基因及大麦中的Uniculm2(Cul2)基因,Cul4基因是调控腋生分生组织形成的重要基因(Hussien et al., 2014;Li et al., 2003;Tabuchi and Sato, 2011;Tavakol et al., 2015)。MOC1基因是第一个被鉴定的控制水稻分蘖的基因,该基因编码一个植物特异的GRAS转录因子,MOC1功能丧失导致植株株高降低、腋芽原基不能正常起始,分蘖不能形成,表明MOC1是水稻分蘖芽形成和伸长所必需的(Liet al., 2003)。TAD1(Tillering and Dwarf1)基因编码一个细胞分裂后期启动复合物(anaphase-promoting complex,简称APC/C)的共激活蛋白,它作用于MOC1的上游,能够特异的识别MOC1并将MOC1募集到APC/C复合体,导致MOC1发生泛素化修饰,以依赖于细胞周期进程的方式降解,进而导致腋生分生组织不能正常的起始,分蘖数目减少(Xu et al.,2011)。玉米中的TEOSINTE BRANCHED 1 (TB1)基因及其在水稻中的同源基因FineClum1 (FC1/OsTB1)、拟南芥中的同源基因 BRANCHED 1 (BRC1),柳枝稷中的同源基因PvTB1是目前报道的为数不多特异调节腋芽或者侧芽伸长的基因(Aguilar-Martínez et al., 2007;Hussien et al., 2014; Takeda et al., 2003; Xu et al., 2016)。这些基因均编码包括TCP结构域的转录因子,负调控腋芽或者侧芽的生长,其功能丧失会导致分枝或者分蘖的大量产生,超表达则抑制侧芽或者腋芽的伸长。
植物腋芽或者侧芽的起始和生长是一个复杂、精细的过程。对影响腋芽起始、伸长及其分蘖的关键基因的克隆和功能分析,初步揭示了调控植物分蘖/分枝的分子机理。水稻分蘖是一个复杂的基因表达调控过程,分蘖数目是由多基因控制的数量性状。水稻其遗传学上的研究优势为高等植物分蘖/分枝的分子机理研究提供了非常重要的研究模式。因此,挖掘新的控制水稻分蘖基因、对禾谷类作物分子育种及高产品种的培育具有重要的应用价值和理论意义。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种控制水稻分蘖基因OsHT1及其应用,该基因是水稻分蘖的关键调控基因,它可以用于水稻、小麦等禾谷类作物高产品种的培育。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明提供一种控制水稻分蘖基因OsHT1,来源于水稻(Oryza sativa L.) cv. 中花11,其核苷酸序列为SEQ ID NO.1,其基因开放阅读框的核苷酸序列为SEQ ID NO.2,其cDNA编码的氨基酸序列为SEQ ID NO.3。
一种重组构建体,包括控制水稻分蘖基因OsHT1的核苷酸序列,所述构建体用的载体为用于克隆的pMD18-T载体或者用于表达的pCAMBIA1301载体。
控制水稻分蘖基因OsHT1的核苷酸序列的转基因农杆菌为EHA105。
控制水稻分蘖基因OsHT1的核苷酸序列在植物组织表达中的应用。
所述植物组织为根、茎、叶、花、分蘖芽或种子。
所述植物为单子叶植物或双子叶植物。
所述单子叶植物为水稻、小麦、大麦、高粱或玉米,所述双子叶植物为拟南芥、番茄、烟草、大豆或土豆。
所述基因或上述一种水稻分蘖或分枝控制基因OsHT1编码的蛋白质,或其他物种中的功能类似蛋白,其氨基酸序列与Seq ID No.3所示的氨基酸序列具有至30%的同源性。所述功能类似蛋白在培育高产品种植物中的应用,所述高产为增加禾谷类作物有效分蘖数,进而增加单产。
控制水稻分蘖基因OsHT1的核苷酸序列如下;
GCAGCGAACCAAGCCCAACAACACACGGCGCCGCCCACCCATCCACACACCCACCGGCACACGCAACGCCATCATCGTCGCTCGTAGCAGCAGTAGCGTACCACACTTCGCACCGCGATCGTCCGTGTTTGTGTCGTCCACGGGAAGGGACCGAGAGGCTTGGAGGAAAGGAGGGGAGACTCACTCGGCATGGATTTGTACGGCGCGGCGGCGGGCGGGGGACCGGTGGCGAGGCGACCGTGGAGCAAGGTGGAGGACAAGGTGTTCGAGAGCGCGCTGGTGCTGTGCCCGGAGGACGTCCCCGACCGGTGGGCGCTCGTCGCGGCGCAGCTCCCAGGGCGCACGCCGCAGGAGGCCTTGGAGCACTACCAGGTGCTCGTCGCCGACATCGATCTCATCATGCGCGGCGCCGAGCGGCGCCGCGGCGTACCCTGGTCCGAAGACGAGCACAGGTTGTTTCTCGAGGGGTTGGACAGGTACGGGCGGGGAGACTGGAGGAACATCTCGCGGTTCTCGGTGAGGACGCGGACGCCGACGCAGGTGGCGAGCCACGCGCAGAAGTACTTCATCCGGCAGGCCAACGCCGGCGCCCGCGACTCCAAGCGCAAGAGCATCCATGACATCACCACCCCTTGACCAGCGTCGGCGACGGCGACCCACCCCCTTTCTTTGCAACTCTTTGGATTAAGTGAAACAAGCAAGGGGTAGGCGATGACGTGTACATTATATCCTACACCACAACATAGGCAAGTAGTACTGTCAAACCGTTTGTCACTTGGGGCTCTCTGATCCATAACCGTGGACGGCCTACTTGCCGGAAACAGAGGCTGTTGAGAGCTCCGGTCGGCACACGGTTTGGGCTTTAGGTTTTTCAGCATTAATTAGGATTAGCTAAGTCAAGGACTAATGGGGTTTGACGTGGCAACGTCGTGTCTAGGTTTGGTTGATGCAGACGAAGATGTCACTGTTAATATGGGTTTTGTGCTTTTGTTTTGATGAATGATGCTGTCGAAATCATTTTACATAG
所述基因开放阅读框SEQ ID NO.2,其核苷酸序列如下:
ATGGATTTGTACGGCGCGGCGGCGGGCGGGGGACCGGTGGCGAGGCGACCGTGGAGCAAGGTGGAGGACAAGGTGTTCGAGAGCGCGCTGGTGCTGTGCCCGGAGGACGTCCCCGACCGGTGGGCGCTCGTCGCGGCGCAGCTCCCAGGGCGCACGCCGCAGGAGGCCTTGGAGCACTACCAGGTGCTCGTCGCCGACATCGATCTCATCATGCGCGGCGCCGTCGACGCCCCCGGGTCCTGGGACGATAACGACGGCAACGACCGCCGCGGCGGCGGCGGCAAGCCCCGCGGCGAGGAGCGGCGCCGCGGCGTACCCTGGTCCGAAGACGAGCACAGGTTGTTTCTCGAGGGGTTGGACAGGTACGGGCGGGGAGACTGGAGGAACATCTCGCGGTTCTCGGTGAGGACGCGGACGCCGACGCAGGTGGCGAGCCACGCGCAGAAGTACTTCATCCGGCAGGCCAACGCCGGCGCCCGCGACTCCAAGCGCAAGAGCATCCATGACATCACCACCCCTTGA
所述基因编码的蛋白质SEQ ID NO.3,其氨基酸序列如下:
MDLYGAAAGGGPVARRPWSKVEDKVFESALVLCPEDVPDRWALVAAQLPGRTPQEALEHYQVLVADIDLIMRGAVDAPGSWDDNDGNDRRGGGGKPRGEERRRGVPWSEDEHRLFLEGLDRYGRGDWRNISRFSVRTRTPTQVASHAQKYFIRQANAGARDSKRKSIHDITTP*。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
首先对OsHT1基因进行了组织特异性表达分析,qRT-PCR 结果表明OsHT1 基因在水稻分蘖芽(腋芽)处高效表达;然后将OsHT1基因构建到以35S启动子启动的植物表达载体pCAMBIA1301中,获得重组载体pCAMBIA1301-OsHT1,将重组载体转入农杆菌用于进一步的转化。以水稻愈伤为受体,利用农杆菌介导法将构建好的载体转入到水稻愈伤组织中,获得OsHT1转基因纯合体株系;然后对OsHT1转基因株系进行表型分析。表型分析显示,超表达OsHT1基因后,水稻的分蘖数从约 20-27 个增加到 135-145个,株高降低,结实率不变。此外,我们已经种植了4代转基因株系,并且从T1代开始分蘖数目都显著性的增加,说明我们获得的OsHT1转基因植株是可以稳定遗传的。OsHT1基因是水稻分蘖的关键调控基因,表明可以利用基因工程技术调节水稻的分蘖性状,在利用生物工程技术有目的调控植物株型性状,调整植物群体结构以达到高产、优质方面具有非常重要的应用价值。该基因可以用于水稻、小麦等禾谷类作物高产品种的培育。
附图说明
图1表示OsHT1基因在野生型水稻不同组织中的表达量。
图2是OsHT1基因超表达植株和对照植株的表型。
图3是OsHT1基因超表达植株和对照植株的分蘖数。
图4是OsHT1基因在野生型和转基因株系中的表达量检测。
图5是OsHT1基因超表达植株和对照植株株高。
图6是OsHT1基因超表达植株和对照植株第二节间分蘖数。
图7是OsHT1基因超表达植株和对照植株第三节间分蘖数。
图8是对照植株花粉萌发分析。
图9是OsHT1基因超表达植株OE1花粉萌发分析。
图10是OsHT1基因超表达植株OE2花粉萌发分析。
图11是OsHT1基因超表达植株OE3花粉萌发分析。
图12是OsHT1基因超表达植株和对照植株每个节间长度统计学分析。
图13是OsHT1基因超表达植株和对照植株结实率统计学分析。
具体实施方式
以下本发明拟进一步对OsHT1基因的上下游基因及其参与的相关调控信号通路进行分析,并分析OsHT1基因是否具有更广泛的增产作用。通过分析该基因在水稻分蘖调控机理研究及高产品种培育中的作用,以期丰富水稻等禾谷类作物分蘖的分子机理积累资料,通过基因工程手段为水稻、小麦等禾谷类作物的高产分子模块设计育种提供新的基因资源。
一水稻转基因株系获得及表型分析实验
1材料与方法
1.1 植物材料及种植方式
供试的水稻品种为水稻粳稻品种中花 11即水稻(Oryza sativa L.) cv. 中花 11,保存在周口师范学院植物遗传与分子育种重点实验室。新收的种子种植前先用质量百分比浓度为5% 次氯酸钠消毒40 min或者用1/1000的多菌灵消毒12 h,再用0.1 mol/L HNO3浸种16 h,自来水冲洗干净后将消毒后的种子置于28°C环境下浸种1 d,然后将种子均匀的平铺在培养皿中,其中培养皿中放置一层滤纸,并用水湿润;盖上盖子,然后放入32°C下培养,每天换水两到三次,看到大多数种子破壳出根后转入30°C下培养。保存半年以上的种子播种前先晒种2d,消毒后浸种,消毒方法:55°C温汤浸种30min,待水稻芽长到4.8-5.2 mm长的时候播种到纱窗布上(水稻营养液中培养),3叶期后,将水稻幼苗移入土壤中并做好对应的标签进行表型观察和后续的试验分析。水稻每间隔8或者10d进行一次施肥。
1.2 所用试剂及载体
本实验所采用的大肠杆菌为DH5α,农杆菌为EHA105,这些菌株为周口师范学院植物遗传与分子育种重点实验室保存,植物表达载体为pCAMBIA1301;其中,限制性内切酶、克隆载体pMD18-T、T4 DNA连接酶、Taq DNA聚合酶购自于TaKaBa生物公司;DNA回收试剂盒为Magen生物公司产品;潮霉素(Hyg)、卡那霉素(Kan)和氨卡霉素(Amp)等购自北京鼎国生物技术有限公司,试验所有引物均由北京奥克鼎盛生物公司合成。
1.3 RNA的提取、cDNA合成和RT-PCR扩增目的基因
RNA提取使用Magen公司的植物RNA提取试剂盒,参考方法为较易提取植物组织RNA小量提取法。以1 μg的RNA 做模板,按照 cDNA 合成试剂盒(TaKaRa)操作说明合成第一链cDNA。根据OsHT1基因cDNA全长序列设计特异引物,特异引物序列见表1。RT-PCR 反应体系(20 μL):10×PCR 反应缓冲液 2 µL,dNTP(2.5 mmol/L)1 µL,引物(10 pm/μL)各1 µL,Taq聚合酶(5 U/µL)0.2 µL,模板 cDNA 2 µL,ddH2O 12.8 µL。PCR 反应条件:94℃预变性 5min;94℃变性30 s,54℃退火30 s,72℃延伸 1 min,33个循环;72℃延伸 10 min,4℃保存。
1.4 OsHT1基因组织特异性表达分析
OsHT1基因表达量检测选用实时荧光定量PCR (qRT-PCR)。qRT-PCR结果表明:OsHT1基因在水稻分蘖芽处表达量最高,如图 1所示。用于qRT-PCR分析的引物根据基因全长序列设计,选用水稻的Ubiquitin1(Ubi1;Os06g0681400)作为定量PCR内参引物,如表2所示。
1.5 OsHT1基因植物表达载体的构建
目的基因的PCR产物,按照宝生物(Takara)Agarose Gel DNA Purification Kit试剂盒操作进行纯化。限制性内切酶KpnI和XbaI双酶切连接有目的基因片段的pMD18-T质粒或pCAMBIA1301质粒后,用T4 DNA连接酶将目的基因连接到植物表达载体pCAMBIA1301上,反应体系如下:T4 DNA连接酶(5 U/µL)1 μL,10×buffer 1 μL,目的基因片段5 μL,pCAMBIA1301载体3μL;反应条件:16℃,2 h。连接产物转化感受态E.coli DH5α,涂布LB平板(50 mg/L Kan)培养,37℃过夜倒置培养形成单菌落。
1.6 OsHT1基因植物表达载体的鉴定
挑取OsHT1基因植物表达载体质粒转化E.coli DH5α 后形成的单克隆,提取质粒进行PCR鉴定。阳性质粒转化至感受态农杆菌EAH105,涂布LB平板(50mg/L Kan、50mg/L Rif)培养,28℃倒置培养2d,挑选阳性克隆提取质粒并进行酶切验证。
1.7农杆菌侵染和转基因苗的获得
以水稻愈伤组织为实验材料。OsHT1基因植物表达载体(质粒)通过冻融法转化农杆菌EHA105。分别挑取含有OsHT1基因植物超表达载体的农杆菌单克隆于28℃培养过夜,取10mL培养液,3000 rpm,20 min,离心收集菌体沉淀,分别重悬于AAI溶液(AA培养液,30 g/L蔗糖,70g/L葡萄糖,200 μmol/L 乙酰丁香酮,PH 5.2)内,OD600=1.0,然后将悬浮液在摇床上28℃振荡培养3-5 h。将长到一定大小的水稻愈伤组织挑出,放入农杆菌悬浮液浸染30min;然后将愈伤组织取出,置于灭菌滤纸上沥干50 min;将愈伤组织置于共培养基(2N6,10g/L葡萄糖,200 μmol/L 乙酰丁香酮,PH 5.5)上,28℃暗培养3 d。三天后用500 mg/L头孢美素的灭菌水清洗6遍,100mL灭菌水(包含16μL吐温)清洗5遍,然后用无菌水清洗一遍。将沥干的水稻愈伤转移到筛选培养基(2N6,500 mg/L头孢美素,50 mg/L潮霉素),28℃暗培养30 d。将新长出的抗性愈伤组织转入分化培养基(MS+30 g/L蔗糖+30 g/L山梨醇+2 mg/L6-BA(花之舞用KT)+0.8%琼脂+1.0 mg/L NAA+250 mg/L头孢霉素+50 mg/L潮霉素+2 g/L水解酪蛋白,PH 5.8)。挑取出现绿芽的水稻愈伤移入装有生根培养基(MS/2+30g/L蔗糖+250 mg/L头孢霉素+50 mg/L潮霉素)的三角瓶中,放入恒温培养箱28℃光培养15d。准备移栽。首先通过潮霉素抗性基因和GUS活性分析对阳性转基因植株进行初步筛选,然后通过qRT-PCR技术检测目的基因在野生型和转基因植株中的表达情况,进一步对初次筛选的阳性植株进行再次筛选。
1.8 OsHT1基因在野生型和转基因水稻中的表达情况检测
取14 d的野生型和转基因水稻叶片进行RNA提取,以1 μg的RNA 做模板,按照 cDNA 合成试剂盒(TaKaRa)操作说明合成第一链 cDNA。以OsHT1基因cDNA设计特异定量PCR引物,见表2,通过qRT-PCR检测OsHT1在野生型和转基因株系中的表达情况。
1.9 OsHT1基因在野生型和转基因水稻中的表型分析
通过qRT-PCR检测了OsHT1基因在野生型和转基因株系OvOsHT1(OE1, OE2和OE3)中表达情况,如图4所示;超表达OsHT1基因后水稻分蘖数从20-27个增加到135-145个,如图2,3,6和7所示,株高降低,如图5和图12所示,结实率不变,如图13所示,此外超表达OsHT1基因并不影响花粉萌发,如图8-11所示。该结果为进一步使OsHT1基因应用于水稻、小麦高产品种改良奠定了良好的基础和新的基因资源。
2 OsHT1序列对应基因的全长
OsHT1序列对应基因的全长序列为1 027bp,其中包含完整读码框序列长度为522bp,序列如下SEQ ID NO.1;
采用NCBI ORF-finder预测其编码蛋白质为173个氨基酸,序列如SEQ ID NO.3所示。
根据序列分析,OsHT1为一个功能未知的新的和水稻分蘖相关的基因,尚没有与其同源的任何功能已知的基因被发现。
以上实施例仅用以说明,而非限制本发明的技术方案,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明进行修改或者等同替换,而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
序列表
<110> 周口师范学院
<120> 控制水稻分蘖基因OsHT1及其应用
<130> 3
<160> 3
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 1027
<212> DNA
<213> 控制水稻分蘖基因OsHT1的核苷酸序列
<400> 1
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Arg Leu Phe Leu Glu Gly Leu Asp Arg Tyr Gly Arg Gly Asp Trp Arg
115 120 125
Asn Ile Ser Arg Phe Ser Val Arg Thr Arg Thr Pro Thr Gln Val Ala
130 135 140
Ser His Ala Gln Lys Tyr Phe Ile Arg Gln Ala Asn Ala Gly Ala Arg
145 150 155 160
Asp Ser Lys Arg Lys Ser Ile His Asp Ile Thr Thr Pro
165 170
Claims (8)
1.一种水稻分蘖控制基因OsHT1,其核苷酸序列为SEQ ID NO.1,其基因开放阅读框的核苷酸序列为SEQ ID NO.2,其cDNA编码的氨基酸序列为SEQ ID NO.3。
2.一种重组构建体,其特征在于包括权利要求1的基因的核苷酸序列,所述构建体用的载体为用于克隆的pMD18-T载体或者用于表达的pCAMBIA1301载体。
3.如权利要求1所述的基因的核苷酸序列的转基因农杆菌为EHA105。
4.如权利要求1所述的基因的核苷酸序列在植物组织表达中的应用。
5.如权利要求4所述的基因的核苷酸序列在植物组织表达中的应用,其特征在于:所述植物组织为根、茎、叶、花、分蘖芽或种子。
6.如权利要求4所述的基因的核苷酸序列在植物组织表达中的应用,其特征在于:所述植物为单子叶植物或双子叶植物。
7.如权利要求6所述的基因的核苷酸序列在植物组织表达中的应用,其特征在于:所述单子叶植物为水稻、小麦、大麦、高粱或玉米,所述双子叶植物为拟南芥、番茄、烟草、大豆或土豆。
8. 一种功能类似蛋白,其特征在于:它的氨基酸序列与SEQ ID No.3所示的氨基酸序列具有不小于30%的同源性,该蛋白在培育高产品种植物中的应用。
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