[发明专利]水稻茎秆机械强度和粒重控制基因BC14及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及植物基因工程领域，更具体地，本发明涉及水稻茎秆机械强度和粒重控制基因BC14，该基因编码的蛋白质及其功能类似物，编码其的核苷酸序列，含有该核苷酸的载体和含有该载体的宿主细胞；另外，本发明还涉及控制植物茎秆机械强度和籽粒重量的方法。

背景技术

植株茎秆的机械强度是植物、尤其是农作物重要的农艺性状。而茎秆的机械强度又与茎秆组织中相关细胞的细胞壁厚度直接有关，是组成植物细胞壁各种多聚物物理特性的综合体现。植物细胞壁是一种复杂的纤维网络结构，由不同的结构多糖、芳香族物质和蛋白质高度有序地组成[1](参考文献编号，以下同)，其结构对保持细胞形态，维持植株直立生长的机械支撑力具有重要作用。植物细胞壁的生物合成是一个非常复杂的代谢过程，涉及纤维素、木质素和一些非纤维素成分的合成途径。因此，细胞壁中纤维素、木质素等主要成分的合成与分布以及沉积是影响植株茎秆支撑力的主要影响因素。对不同细胞壁突变体的研究是揭示与茎秆机械强度有关的细胞壁生物合成生理生化以及分子生物学机理的有效途径。

植物茎秆机械强度首先与纤维素的合成与沉积密切相关。1996年Pear等人对EST随机测序，首先从棉花中克隆了植物纤维素合酶催化亚基CesA^[2]。而纤维素合酶在植物体中行使功能最直接的证据则来自于对拟南芥突变体rsw的研究^[3]，该突变体侧根发育异常，且纤维素含量大幅降低，从中以图位克隆的方法分离到拟南芥中第一个纤维素合酶催化亚基基因AtCesA1。生物信息学分析表明，CesA基因是一个庞大的基因家族，它的各成员之间具有极高的保守性^[4]。近年来的研究发现，任何一个目前已克隆的CesA基因发生突变后，都会引起比较严重的表型，这暗示着植物基因组中存在着诸多CesA基因在功能上并不冗余，它们可能分别在不同的发育时期和部位起作用，也可能共同参与了同一个复合体的形成，协同作用完成纤维素的合成、晶体化和沉积^[5]，但分子机理还很不清楚。关于纤维素的沉积，尽管目前已发现一些蛋白在纤维素的沉积中起着至关重要的作用，例如拟南芥脆性纤维基因FRA1(Fragile feber 1)编码的一个kenesin-like蛋白^[6]；FRA2编码的Katanin-like蛋白^[7]以及COBRA蛋白^[8]。但作为细胞壁最主要的组份，纤维素是高度有序并与细胞壁的其他组份有机连接在一起的，目前人们所了解的只是“冰山的一角”。此外，还有大量的糖基转移酶(GT)参与了非纤维素多糖和蛋白多糖的合成与修饰。以拟南芥为例，预测具有415个GT^[9]，但只有极少数被证明具有生化活性和功能^[10-12]。

植物茎秆机械强度也与细胞次生壁的木质化有关。在拟南芥的研究中，发现一些木质化异常的突变体。如Jones在2001年^[13]对一不正常木质部突变体irx4研究证实，木质素代谢途径中的一个关键酶即肉桂酰辅酶A还原酶(Cinnamoyl-CoAreductase，CCR)。由于CCR基因的突变，导致木质素合成途径提前终止，细胞壁中木质素含量较正常植株减少了50％，从而导致茎秆支撑力度的下降。