CN112574288B

CN112574288B - 小麦TaFBX113基因在调控粒厚发育中的应用

Info

Publication number: CN112574288B
Application number: CN202011612366.6A
Authority: CN
Inventors: 耿帅锋; 廖如意; 李爱丽; 毛龙
Original assignee: Institute of Crop Sciences of Chinese Academy of Agricultural Sciences
Current assignee: Institute of Crop Sciences of Chinese Academy of Agricultural Sciences
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: CN112574288A

Abstract

本发明涉及小麦TaFBX113基因在调控粒厚发育中的应用，属于作物分子生物学领域。本发明提供小麦TaFBX113蛋白及其编码基因或TaFBX113蛋白的编码基因的抑制因子在调控植物粒厚中的应用。本发明在EMS诱变库中证实了TaFBX113基因翻译提前终止的小麦突变株系的籽粒粒厚显著增加。本发明所提供的TaFBX113基因具有调控植株籽粒粒厚发育的功能，对改进和改良小麦等作物的种质资源有重要作用。

Description

小麦TaFBX113基因在调控粒厚发育中的应用

技术领域

本发明涉及作物分子生物学和分子育种领域，更具体地，涉及小麦TaFBX113基因在调控籽粒粒厚中的应用。

背景技术

小麦是世界重要的粮食作物，也是全世界约1/3以上人口的主粮。近年来，我国已成为世界上最大的小麦生产国和消费国，因此小麦的产量与国家的粮食安全密切相关。随着人口的增加，耕地面积的减少，生产成本的增加，如何增加小麦产量来保障粮食安全成为亟待解决的问题。小麦籽粒粒厚作为千粒重的构成要素，对产量的形成有重要的影响，研究籽粒粒厚发育的遗传规律有助于了解产量形成的作用机制，对利用籽粒粒厚基因，选育高产的小麦品种，进而提高小麦的产量具有重要意义。

F-box家族是植物中最大的蛋白家族之一，广泛地参与植物生长发育、自交不亲和、衰老及生物/非生物胁迫等多个生物学过程。F-box是由大约40-50个氨基酸组成的蛋白结构基序。正常情况下，F-box蛋白的N端至少存在一个F-box结构域，可以与SKP1相互作用。C-末端的一些结构域，如FBA、FBD、Kelch、Leucine-rich(LRR)、WD40、Cupin、Tub、DUF295、PAS、PP2、SNF2_N/zf-CW等，可以介导其与待降解底物的特异性识别。在拟南芥中，已经鉴定出694个F-box基因；在水稻中，已鉴定出687个F-box基因；在小麦中，已鉴定出409个F-box基因。根据C-末端结构域的不同，可以将F-box家族分为多个亚家族，其中最大的亚家族为FBX(即FBU)。

目前，植物F-box家族研究主要集中在拟南芥和水稻中，如拟南芥的FBL17、UFO、ORE9、EID1、COI1、EBF1、EBF2、FBS1、FOA1、AFBA1、DOR、MAX2、COI1、MAX2、CPR30、SON1等，水稻的OsFBK12、OsCOI1、RIFP1、Ctb1、CIDM7等，在植物的生长发育、光形态建成、激素信号传导、干旱和盐碱胁迫、低温和高温胁迫、重金属胁迫、抗/感病等生物过程中发挥作用。在小麦中F-box家族的研究较少，其中，TaFBA1是目前研宄比较深入的小麦F-box蛋白之一。过表达TaFBA1的拟南芥在抗旱性、抗氧化胁迫、耐盐性和耐热性方面都得到明显提高。同时TaFBA1作为ABA诱导气孔运动的负调节因子，可以与ABA受体RCAR1和ABI5相互作用。另外一个F-box基因是TaFKOR23，其不仅具有组织表达特异性，而且还受ABA、SA、MeJA和盐的诱导表达。但关于TaFBX113基因与籽粒粒厚的关系还未见报道，对该基因在影响小麦籽粒粒厚中的生物学功能和分子机制尚不清楚。本发明通过TaFBX113基因的B同源染色体基因与籽粒粒厚的关联，及其四倍体突变体的表型，证明该基因翻译提前终止能够显著增加小麦籽粒的粒厚，为研究该基因影响籽粒粒厚的分子机理和应用提供了基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种与小麦籽粒粒厚相关的基因TaFBX113及其应用。

本发明选择分布于我国不同麦区的小麦微核心种质材料(105份育成品种和157份地方品种)作为多态性SNP位点的发掘材料；获得与小麦材料的粒厚性状显著相关的TaFBX113基因的SNP位点。

通过小麦基因组数据库，获得TaFBX113基因编码区序列在B、D同源染色体中的序列，分别如SEQ ID NO.3-4所示(其编码蛋白序列分别如SEQ ID NO.1-2所示)。进一步利用TaFBX113-B基因翻译提前终止的突变体系，获得了显著增加粒厚的表型，验证了TaFBX113基因能够调控植物粒厚，该基因翻译提前终止后植株籽粒粒厚显著增加。

具体地，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供小麦TaFBX113蛋白、其编码基因或TaFBX113蛋白的编码基因的抑制因子在调控植物粒厚中的应用。

第二方面，本发明提供小麦TaFBX113蛋白、其编码基因或TaFBX113蛋白的编码基因的抑制因子在粒厚增加的植物遗传育种中的应用。

第三方面，本发明提供小麦TaFBX113蛋白、其编码基因或TaFBX113蛋白的编码基因的抑制因子在粒厚增加的植物种质资源改良中的应用。

第四方面，本发明提供小麦TaFBX113蛋白、其编码基因或TaFBX113蛋白的编码基因的抑制因子在粒厚增加的转基因植物构建中的应用。

在本发明的上述应用中，通过降低所述TaFBX113蛋白的表达量和/或活性，增加所述植物的粒厚。

所述TaFBX113蛋白具有如下任一种氨基酸序列：

(1)如SEQ ID NO.1-2任一所示的氨基酸序列

(2)如SEQ ID NO.1-2任一所示的氨基酸序列经一个或多个氨基酸的替换、插入或缺失得到的具有相同功能蛋白的氨基酸序列；

(3)与如SEQ ID NO.1-2任一所示的氨基酸序列具有至少90％同源性的氨基酸序列；

优选地，所述同源性为至少95％；更优选为99％。

在本发明的上述应用中，所述TaFBX113蛋白的编码基因具有如下任一种核苷酸序列：

(1)如SEQ ID NO.3-4任一所示的核苷酸序列；

(2)如SEQ ID NO.3-4任一所示的核苷酸序列经一个或多个碱基的替换、插入或缺失得到的编码相同功能蛋白的核苷酸序列；

(3)与如SEQ ID NO.3-4任一所示的核苷酸序列具有至少70％同源性的核苷酸序列；优选地，所述同源性为至少80％；更优选为90％。

在小麦基因组数据库中，可得到TaFBX113基因在B、D同源染色体上的基因序列，该基因定位于第三染色体同源群上，其在小麦3B同源染色体的序列如SEQ ID NO.3所示，其在小麦3D同源染色体的序列如SEQ ID NO.4所示。

优选地，本发明所述的TaFBX113基因为在小麦3B同源染色体的小麦TaFBX113-B基因，其核苷酸序列如SEQ ID NO.3所示，编码蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示。

本发明的上述应用中，所述TaFBX113蛋白的编码基因的抑制因子包括能够抑制TaFBX113蛋白表达的蛋白质、DNA或RNA；

优选地，所述抑制因子为干扰RNA或sgRNA。

第五方面，本发明提供一种调控植物粒厚的方法，包括调控植物中TaFBX113蛋白的表达量和/或活性的步骤；

所述TaFBX113蛋白具有如下任一种氨基酸序列：

(1)如SEQ ID NO.1-2任一所示的氨基酸序列；

(3)与如SEQ ID NO.1-2任一所示的氨基酸序列具有至少90％同源性的氨基酸序列；优选地，所述同源性为至少95％；更优选为99％。

具体地，所述调控植物粒厚的方法是，通过基因编辑、杂交、回交、自交或无性繁殖的方法降低所述植物中所述TaFBX113蛋白的表达量，以增加所述植物的粒厚。

本发明中，所述植物为单子叶植物或双子叶植物，包括但不限于小麦、水稻、大豆、玉米、棉花、花生、拟南芥等；

优选地，所述植物为小麦。

本发明的有益效果：本发明提供了小麦TaFBX113蛋白以及小麦FBX113基因在调控小麦籽粒粒厚方面的生物学功能，本发明实验发现小麦FBX113基因翻译提前终止后，植株籽粒表现为粒厚显著增加。本发明的小麦TaFBX113基因可广泛应用于小麦遗传育种、种质资源改良和培育编辑TaFBX113基因的植物领域，对改进和改良小麦等作物种质资源具有重要作用。

附图说明

图1是本发明TaFBX113基因在授粉后的小麦植株中的表达情况。

图2是本发明野生型Kronos与突变体株系kronos1360的籽粒粒厚比较。

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，实施例中所用的化学试剂均为常规市售试剂，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。

实施例1 TaFBX113-B基因在核心种质材料中的基因分型

1、选择分布于我国不同麦区的小麦微核心种质材料(105份育成品种和157份地方品种)作为多态性SNP位点的发掘材料。

2、外显子捕获获得微核心种质材料的SNP，利用罗氏外显子捕获试剂盒(SeqCapPure Capture Bead Kit,06977952001,Roche)对262份材料的DNA进行建库测序，具体方法参见试剂盒说明书。

3、通过BWA软件进行全基因组序列比对，使用GATK软件进行变异检测和基因分型，获得该基因在262材料中的基因型。

实施例2 TaFBX113-B基因SNP位点与籽粒粒厚性状的关联分析

利用262份微核心种质材料三年三点(2002年于河南洛阳，2005年于河南洛阳，2006年于北京)的粒厚表型数据，进行关联分析。TaFBX113-B基因与籽粒粒厚的关联结果如表1所示，可以看出，TaFBX113-B基因的SNP位点与小麦材料的粒厚性状显著相关。

表1粒厚显著关联SNP位点

实施例3小麦TaFBX113-B基因的序列

根据TraesCS3B02G145100基因号，在小麦基因组数据库网站比对，获得其同源基因号TraesCS3D02G127000，得到TaFBX113-B基因在D同源染色体上的基因序列，如SEQ IDNO.4所示，该基因定位于第三染色体同源群上。

实施例4 TaFBX113-B基因的表达

根据基因号，在小麦转录组数据库中查询TraesCS3B02G145100的表达情况，该基因在授粉后2天、14天、30天的籽粒中的表达情况如图1所示，从图1中可以看出该基因在授粉后2天和授粉后30天的籽粒中高表达。

实施例5 TaFBX113-B基因突变体表型统计

为验证TaFBX113-B基因的功能与粒厚相关，我们利用四倍体小麦的EMS诱变库，获得了该基因B拷贝的突变体，该突变体的TaFBX113-B基因突变信息如表2所示，该突变导致TaFBX113-B蛋白的第300个氨基酸变成终止密码子，使该基因的翻译提前终止。

表2FBX113-B基因突变信息

和野生型Kronos籽粒粒厚相比，突变体株系kronos1360籽粒的粒厚增加了8.73％，见图2，说明FBX113-B基因的翻译提前终止能够显著增加小麦籽粒的粒厚。

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。

序列表

<110> 中国农业科学院作物科学研究所

<120> 小麦TaFBX113基因在调控粒厚发育中的应用

<130> KHP201118824.7

<160> 4

<170> SIPOSequenceListing 1.0

<210> 1

<211> 330

<212> PRT

<213> 人工序列(Artificial Sequence)

<400> 1

Met Ala Glu Glu Ser Trp Glu Glu Gly Arg Gly Leu Asp Phe Leu Glu

1 5 10 15

Ser Leu Gly Pro Asp Ile Ser Ala Thr Val Phe Ser Leu Leu Asp Asp

20 25 30

Pro Ala Asp Leu Ala Arg Ala Thr Thr Val Ser Arg Ser Trp Arg Arg

35 40 45

Phe Val Ile Ala Asn Gln Phe Ser Lys Ile Leu Cys Leu Arg Val Tyr

50 55 60

Pro Glu Val Ser Asn Phe Thr Arg Val Glu Leu Ser Ser Ile Ser Ser

65 70 75 80

Ala His Arg Asn Ala Gly Ser Ser Ala Cys Ala Gly Leu Glu Lys Leu

85 90 95

Trp Arg Asp His Arg Val Tyr Met His Leu Ser His Gly Leu Leu Ser

100 105 110

Pro Tyr Asp Pro Lys Asp Cys Ile Ser His Cys Met Gly Ala Ser Ser

115 120 125

Thr Asp Arg Phe Pro Glu Glu Ala Ile Glu Asn Thr Ile Glu Pro Val

130 135 140

Asp Arg Gln Glu Ser Lys Leu Ser Tyr Trp Ser Ser Gly Gly Gln Lys

145 150 155 160

Asp Pro Ala Val Pro Glu Cys Leu Ile Tyr Ser Leu Gln Ser Glu Leu

165 170 175

Cys Leu Val Asp Glu Ile Arg Ile Arg Pro Leu Lys Ala Phe Phe Arg

180 185 190

Tyr Gly His Pro Ile Tyr Ser Ala Lys His Val Arg Phe Arg Leu Gly

195 200 205

Tyr Leu Lys Pro Pro His Trp Ser Glu Thr His Val Tyr Val Glu Ser

210 215 220

Asp Ala Glu Leu Ile Asp Asp Ser Asn Tyr Ile Trp Thr Tyr Thr Ser

225 230 235 240

Pro Glu Phe Pro Met Leu Gln Glu Asn Val Met Gln Ser Phe Lys Leu

245 250 255

Pro His Ser Val Leu Cys Ile Gly Gly Val Val Lys Ile Glu Leu Leu

260 265 270

Gly Arg Val His Lys Asp Thr Phe Asp Gly Arg Tyr Tyr Ile Cys Val

275 280 285

Ser His Val Gln Leu Val Gly Lys Pro Leu Ser Glu Asp Phe Gly Val

290 295 300

Ala Pro Ser Lys Asn Asp Val Val Leu Ser Tyr Tyr Leu Asp Tyr Arg

305 310 315 320

Arg Phe Gly Gly Arg Ser Gln Gln Ser Thr

325 330

<210> 2

<211> 354

<212> PRT

<213> 人工序列(Artificial Sequence)

<400> 2

Met Glu Arg Arg Arg Glu Ser Pro Ala Met Ala Arg Glu Glu Gly Arg

1 5 10 15

Gly Leu Asp Phe Leu Glu Ser Leu Gly Pro Asp Ile Ser Ala Thr Val

20 25 30

Phe Ser Leu Leu Asp Asp Pro Ala Asp Leu Ala Arg Ala Thr Ala Val

35 40 45

Ser Arg Ser Trp Arg Arg Phe Val Ile Ala Asn Gln Phe Ser Lys Ile

50 55 60

Leu Cys Leu Trp Val Tyr Pro Glu Val Ser Asn Phe Thr Arg Val Glu

65 70 75 80

Leu Ser Ser Ile Ser Ser Ala His Arg Asn Ala Gly Ser Ser Ala Phe

85 90 95

Ala Gly Leu Glu Lys Leu Gly Arg Asp His Arg Val Tyr Met His Leu

100 105 110

Ser His Asp Leu Leu Ser Pro Tyr Asp Pro Lys Asp Cys Ile Ser Cys

115 120 125

Cys Val Gly Ala Ser Ser Thr Asp His Leu Pro Glu Glu Ala Ile Glu

130 135 140

Asn Thr Leu Glu His Asp Glu Glu Trp Arg Pro Ser Tyr Trp Ser Ser

145 150 155 160

Gly Gly Gln Lys Asp Pro Ala Val Pro Glu Cys Leu Ile Tyr Ser Leu

165 170 175

Gln Ser Glu Leu Cys Leu Val Asp Glu Ile Arg Ile Arg Pro Leu Lys

180 185 190

Ala Phe Phe Arg Tyr Gly His Pro Ile Tyr Ser Ala Lys His Val Arg

195 200 205

Phe Arg Leu Gly Tyr Leu Lys Pro Pro His Trp Ser Glu Thr His Val

210 215 220

Tyr Val Gln Ser Asp Ala Glu Leu Thr Asp Asp Ser Asn Tyr Val Trp

225 230 235 240

Thr Tyr Thr Ser Pro Glu Phe Pro Met Leu Gln Glu Asn Val Met Gln

245 250 255

Ser Phe Lys Leu Pro His Ser Val Leu Cys Ile Gly Gly Val Val Lys

260 265 270

Ile Glu Leu Leu Gly Arg Val His Lys Asp Thr Phe Asp Gly Leu Tyr

275 280 285

Tyr Ile Cys Val Ser His Ile Gln Ile Val Gly Lys Pro Leu Ser Glu

290 295 300

Asp Phe Gly Val Ala Pro Ser Lys Asn Asp Val Val Leu Ser Tyr Tyr

305 310 315 320

Leu Asp Tyr Arg Arg Phe Gly Gly Arg Ser Gln Gln Ser Thr Trp Leu

325 330 335

Cys Asp Glu Asp Leu Ala Leu Arg Tyr Gly Ser Arg Asp Arg Arg Thr

340 345 350

Glu Pro

<210> 3

<211> 993

<212> DNA

<213> 人工序列(Artificial Sequence)

<400> 3

atggcagagg agtcgtggga ggagggtcgg gggttggact tcctcgagag cctgggcccg 60

gacatctccg ccaccgtctt cagcctgctc gacgaccccg ccgacctcgc gcgcgccacc 120

accgtctccc gctcctggcg ccgattcgtt attgcaaacc agttcagcaa gatcctgtgc 180

ctgcgggttt atccggaggt gtccaacttc acacgtgttg agttgagcag catcagcagt 240

gcacaccgaa atgctggatc aagtgcttgt gctgggctgg agaagctctg gagggatcat 300

agggtgtata tgcatcttag ccatggcctt ctctcgccgt acgaccccaa ggattgcatc 360

agtcactgca tgggcgcatc cagcactgat cgtttccctg aggaggccat agaaaatacc 420

attgaaccgg ttgatcgtca ggagagtaaa ctgtcttatt ggtcgagtgg tggccagaaa 480

gatcctgctg tgccagaatg cctgatatat agccttcagt cagagctgtg tcttgttgat 540

gaaatcagga tacggccatt aaaagcattt tttcgatatg gtcatccgat atattcagca 600

aaacacgtcc ggttccgctt gggctatcta aaaccacccc actggtctga aacacatgta 660

tatgttgaaa gtgatgcgga gctgattgat gatagcaact atatctggac gtacacatct 720

ccagaatttc caatgctaca ggaaaatgtg atgcagtctt ttaagctacc acactcagtt 780

ctatgtattg gtggagtggt gaagattgag cttcttggca gggtccacaa ggacacgttt 840

gatggtcggt actacatatg tgtgtctcat gtccaactag tcgggaagcc actgtcagaa 900

gattttgggg tcgccccgag caaaaatgat gtagttctca gttactatct ggattatcgt 960

agattcgggg gacgatcaca gcaaagtaca tga 993

<210> 4

<211> 1065

<212> DNA

<213> 人工序列(Artificial Sequence)

<400> 4

atggagagga gaagagaatc gcctgcgatg gcgcgggagg agggtcgggg gttggacttc 60

ctcgagagcc tgggcccgga catctccgcc accgtcttca gcctgctcga cgaccccgcc 120

gacctcgcgc gcgccaccgc cgtctcccgc tcctggcgcc gattcgttat tgcaaaccag 180

ttcagcaaga tcctgtgcct gtgggtttac ccggaggttt ccaacttcac gcgtgttgag 240

ctgagcagca tcagcagtgc acaccgaaat gctgggtcaa gtgcttttgc tgggctggag 300

aagctcggga gggatcacag agtgtatatg catcttagcc atgatcttct ctcgccgtat 360

gaccccaagg attgcatcag ttgctgcgta ggtgcgtcca gcactgatca tttgcctgaa 420

gaggccatag aaaataccct tgaacatgat gaggagtgga gaccgtctta ttggtcgagc 480

ggtggccaga aagatcctgc tgtgccagaa tgcctgatat atagccttca gtcagagctg 540

tgtctcgttg atgaaatcag gatacggcca ttaaaagcat ttttccgata tggtcatccg 600

atatattcag caaaacacgt ccggttccgc ctgggctatc taaaaccacc ccactggtct 660

gaaacacatg tatatgttca aagtgacgcg gagctgactg atgatagcaa ctatgtctgg 720

acgtacacat ctccggaatt tccaatgttg caggaaaatg tgatgcagtc ttttaagcta 780

ccacactcag ttctatgtat tggtggagtg gtaaagattg agcttcttgg gagggtccac 840

aaggacacgt ttgacggtct gtactacata tgtgtgtctc atatccaaat agtggggaag 900

ccactgtcag aagattttgg ggtcgctcct agcaaaaatg atgtagttct cagttactat 960

ctggattatc gtagattcgg gggacgatca caacaaagta cttggctttg cgatgaggat 1020

ctggcacttc ggtatggctc gagggatagg aggactgaac catga 1065

Claims

1.小麦TaFBX113蛋白、其编码基因在增加小麦粒厚中的应用；所述小麦TaFBX113蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO.1-2任一所示。

2.小麦TaFBX113蛋白、其编码基因在粒厚增加的小麦遗传育种中的应用；所述小麦TaFBX113蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO.1-2任一所示。

3.小麦TaFBX113蛋白、其编码基因在粒厚增加的小麦种质资源改良中的应用；所述小麦TaFBX113蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO.1-2任一所示。

4.小麦TaFBX113蛋白、其编码基因在粒厚增加的转基因小麦构建中的应用；所述小麦TaFBX113蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO.1-2任一所示。

5.根据权利要求1-4任一项所述的应用，其特征在于，通过降低所述TaFBX113蛋白的表达量或活性，增加小麦的粒厚。

6.根据权利要求1-4任一项所述的应用，其特征在于，所述TaFBX113蛋白的编码基因的核苷酸序列如SEQ ID NO.3-4任一所示。

7.一种增加小麦籽粒粒厚的方法，其特征在于，包括降低小麦中TaFBX113蛋白的表达量或活性的步骤；

所述TaFBX113蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO.1-2任一所示。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过基因编辑、杂交、回交、自交或无性繁殖的方法降低小麦中所述TaFBX113蛋白的表达量，以增加小麦籽粒的粒厚。