[发明专利]sh2和bt2基因在提高玉米籽粒淀粉含量和增加籽粒重量中的应用

说明书

技术领域

本发明属农作物的生物工程育种领域，具体说，涉及一种通过转Sh2和Bt2基因使其在玉米胚乳中过表达提高籽粒的淀粉含量和增加籽粒重量的方案及应用。

背景技术

淀粉是人类食品和家畜饲料的主要碳水化合物组分，在工业及其他领域也有广泛应用，在国民经济中占有非常重要的地位，随着能源短缺和人口增长，对淀粉的需求日益增加，用遗传改良方法获得高淀粉含量玉米是满足这一条需求的途径。玉米是制造淀粉的重要原料之一，由于玉米具有产量高、适应性强、易于种植等特点，所以作为淀粉加工原料，具有如下特点：玉米淀粉的质量好；在相同的加工设备条件下，出粉率高2％～4％；玉米综合利用的潜力大，加工玉米淀粉后的废料可提取玉米油、玉米蛋白粉、胚芽饼和粗饲料，几乎玉米产品的99％都可得到利用。玉米淀粉约占世界淀粉总产量的81.8％。全世界淀粉产量为1100万吨，而玉米淀粉高达900万吨左右。

淀粉合成的主要场所是淀粉体和叶绿体，整个过程受到一系列酶活性的调控。ADP-葡萄糖焦磷酸化酶是在淀粉合成途径中起调控作用的主要的酶，是影响淀粉合成速率的关键因子。在淀粉合成过程中，ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)起着关键作用，它催化了淀粉合成反应中的第一步反应，生成有活性的葡糖基供体ADP-葡萄糖。在谷物的胚乳中的AGPase有85％-95％都是胞质型的，是由两个大亚基和两个小亚基组成的异源四聚体，大小亚基是由不同基因编码的。玉米胚乳中编码该酶大小亚基的基因分别是Sh2、Bt2。有研究表明，玉米的点突变的AGPase基因转入其他作物后，增强了亚基之间的相互作用，并且降低了磷的抑制效应，AGPase活力更强，最终增加了种子重量及总的生物量。但是也有证据证明在谷物的胚乳中，这种调节并没有在其它器官如叶子中重要。

高淀粉玉米是指籽粒淀粉含量达70％以上的专用型玉米，而普通玉米淀粉含量只60％～69％。玉米淀粉是各种作物中化学成分最佳的淀粉之一，有纯度高(达99.5％)、提取率高(达93％～96％)的特点，广泛应用于食品、医药、造纸、化学、纺织等工业，据调查，以玉米淀粉为原料生产的工业制品达500余种。因此，发展高淀粉玉米生产，不但可为淀粉工业提供含量高、质量佳、纯度好的淀粉，同时可获得较高的经济效益。高淀粉玉米不仅提高了籽粒中的淀粉含量，其籽粒的物理性状和营养成分也发生了变化。高淀粉玉米的籽粒粒重、胚乳重比普通玉米和高油玉米高，而胚重则较低，胚乳较大，胚/胚乳比值最小。目前生产上推广的高淀粉玉米品种籽粒淀粉含量达73％左右，显著高于普通玉米和高油玉米；淀粉成分中支链淀粉和直链淀粉含量都比普通玉米高，但支链/直链的值相差较小，即混合型高淀粉玉米同时提高了支链淀粉和直链淀粉的含量。

种植高淀粉玉米的经济效益是非常显著的，高淀粉玉米籽粒的淀粉含量在73％以上，出粉率比普通玉米增加2％以上。据庄铁成估算，若种植70万公顷高淀粉玉米，则比相同数量的普通玉米多生产35万吨淀粉，每吨淀粉以1700元计算，可增加效益5.95亿元。

ADP葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase，AGPase(EC 2.7.7.27))的基本特征

在光合器官细胞的叶绿体内，CO₂通过卡尔文循环固定，形成3一磷酸甘油酸(3一PGA)，然后转变为三碳糖磷酸(Trios-P)，Trios-P通过其转运体进入细胞质并形成蔗糖，或者留在叶绿体内形成果糖6磷酸(F-6-P)和葡糖1磷酸(G-1-P)。禾本科植物中，AGP主要为胞质型，在胞质中，G-1-P在(ADP-glucose pyrophosphorylase，AGPase)的作用下形成ADP葡萄糖(ADP-G)-淀粉合成的底物。在谷物的胚乳中，AGPase有85％-95％都是胞质型的，是由两个大亚基和两个小亚基组成的异源四聚体，玉米中编码该酶大亚基的基因是Sh2、小亚基的基因是Bt2。AGPase活性的变构调节在淀粉合成调节中起重要作用。正的变构效应因子是3-磷酸甘油酸(3-PGA)，负的效应因子是无机磷(Pi)。

提高淀粉含量的植物基因工程