[发明专利]控制水稻株高和穗颈长的基因及应用

说明书

技术领域

本发明涉及植物基因工程技术领域。具体涉及利用一个人工microRNA(artificial microRNA，amiRNA)和人工target mimic基因所构成的双因子系统来控制水稻不育系及其杂种的株高和穗颈长。本发明利用amiRNA技术在转基因水稻不育系中特异性的沉默赤霉素(GA)合成代谢途径中的Eui1(elongated uppermost internode 1)基因的表达。Eui1基因的产物可以失活具有生物活性的赤霉素GA4。抑制Eui1的表达就可以提高水稻内源GA4的含量，从而提高其株高和穗颈长，缓解水稻不育系的包穗特性。Target mimicry是植物中天然存在的一种抑制特定miRNA作用的机制。利用人工设计的target mimic基因，转化水稻恢复系。当含有amiRNA的水稻不育系和含有人工target mimic的水稻恢复系杂交，在其所配的杂种一代(F₁)中，人工target mimic可以特异性抑制amiRNA的效果，使得杂交种的株高和抽穗性恢复到接近野生型杂种的水平。 

背景技术

杂交水稻的发明使水稻增产20％左右(袁隆平，1996)，为保障中国乃至世界粮食的安全做出了巨大贡献。目前，中国的杂交水稻种植面积占总水稻种植面积的50％左右(张红林等，2009)。杂交水稻的雄性不育系具有“包穗”(即穗子大部分被包裹在叶鞘内)的特性，因而在杂交水稻制种时难以受粉。水稻不育系的包穗特性是生产上制约杂交水稻发展的重要障碍之一(张红林等，2009)。Yin等(2007)对水稻不育系ZS97A包穗现象机理的研究表明，当水稻细胞质雄性不育发生时，其最上部茎间GA1水平的降低是导致不育系包穗的主要原因。在杂交水稻制种的过程中，育种家需要通过外施“920”(有效成分为GA3)来解除或缓解不育系的包穗现象。然而，920的施用不仅导致一系列的问题如增加了制种成本、降低了种质量并导致环境污染；其效果还要取决于喷施者的技术、施用的时期以及施用时的天气状况(张红林等，2009)。 

Rutger和Carnahan(1981)在粳稻杂交的后代中发现了一株节间伸长，高秆的突变体，命名为76：4512。遗传分析表明，该节间伸长性状由隐性单基因控制，并将该隐性突变基因命名为eui(elongated uppermost internode)。Eui突变基因可以导致水稻最上部节间的长度增加约一倍，穗长增加12％。Rutger和Carnahan(1981)提出，利用eui隐性突变基因来培育杂交水稻的高秆恢复系。因为高秆的株型对于作为父本的恢复系可以利于其花粉的传播以及杂交种的商业化制种。恢复系的高秆性状为隐性基因，因而不影响杂交组合的半矮杆性状。Eui基因也被称为杂交水稻生产中除了不育系、保持系和恢复系外的第4遗传因子(Rutger和Carnahan 1981)。 

Yang等(1999)通过辐射诱变协青早B，获得两种不同的高秆隐性突变体协青早eB1和协青早eB2。等位试验证明，协青早eB1的隐性基因与Rutger发现的eui突变体为等位基因，命名为eui1；而协青早eB2中的隐性基因与eui1不等位，命名为eui2(Yang et al.1999)。eui1和eui2的显性等位基因EUI1和EUI2已经被分离，其基因功能也已经被阐明。EUI1的基因组序列为9804bp，由2个外显子和1个内含子组成，其全长cDNA为1931bp，包含110bp的5’-UTR，87bp的3’-UTR和1734bp的读码框(open reading frame，ORF)(Ma et al.，2006)。EUI1编码一个含有577个氨基酸的细胞色素CYP714D1蛋白，可以使GA4失活(Luo et al.，2006；Zhu et al.，2006)。EUI2的基因组序列为1576bp，包含5个外显子，4个内含子。其ORF长为933bp，编码310个氨基酸，同源性分析初步认为该基因产物与环氧化物 酶有关(朱宏波，2003；马洪丽，2007)。