[发明专利]miR397在培育高产水稻中的应用

说明书

 

技术领域

    本发明涉及植物育种，具体涉及miR397的新应用。

背景技术

粮食问题是当今世界所面临的几个难题之一。寻找影响水稻产量相关特性的基因一直以来都是提高粮食产量的研究重点。目前已经发现了不少影响水稻产量的基因，对提高水稻产量提供了理论基础。但为了解决不断增长的人口与逐渐减少的耕地面积的矛盾，发现更多调节水稻产量的基因仍是急需解决的大问题。因此，不断寻找新的提高水稻产量基因，已成为农业进一步增产的重要基础研究，倍受世界各国政府和科学家的关注，也是当前生命科学研究的热点。

miRNA(microRNA)是一组非编码单链RNA，广泛存在于动物和植物等多细胞生物中，它可以通过与靶基因mRNA的特定位点结合，诱导该mRNA的降解或抑制该蛋白质的合成，在转录水平或转录后水平导致基因沉默，从而参与基因的表达调控。miRNAs参与了几乎所有的生命活动，并起着重要作用。

在植物中，DCL1 酶在细胞核内识别miRNA 前体(pre-miRNA)的茎环结构，将其切割成 miRNA：miRNA* 双体，然后由 HST 蛋白将其转运到细胞质中进行进一步的加工。在不同的植物组织、器官和发育时期，miRNA的表达谱是不同的，并且部分miRNA在不同的外界环境下也有着不同的表达水平。因此，研究miRNA表达谱对miRNA生物功能的研究是非常重要的。

植物miRNA主要参与植物逆境抵抗，发育调控、信号转导、自身生物合成调控等。例如：miR393与生长素信号介导的病原菌抗性，miR393的靶蛋白为F-box类的生长素因子（TIR1, AFB2, AFB3），这些蛋白是生长素信号的转导的重要节点，miR393的表达量提高会减少TIR1的表达，并进一步抑制生长素信号转导，从而使植物对病菌感染产生抵抗能力；miR398的表达受氧化胁迫的作用下下调表达，在拟南芥中，miR398的靶蛋白是超氧化物岐化酶CSD1和CSD2，它们在植物中可以清除氧负离子自由基，在植物抗氧化作用中起重要作用，组成型表达抗miR398切断CSD基因的转基因植物，对强紫光照射、重金属等高氧化状态的逆境有更好的抗性；miR399与植物无机磷吸收存在联系，miR399的表达受磷（Pi）饥饿的诱导而上调，这种上调在额外加入Pi之后马上被抑制，miR399的靶基因为一种UBC （Ubiquitin-conjugating E2 enzyme）蛋白，组成型表达miR399会引起植物体内Pi的代谢失调，使植物体内积累过多的Pi，导致植物呈现Pi中毒的症状； miR165/166调控叶子的极性、维管组织的发育，拟南芥有五个HD-ZIP III基因（REV、PHB、PHV、ATHB-8及ICU4）参与调节发育方面重要的方面，比如维管束的形成、在器官中建立或维持离轴及近轴的极性，所有这些基因内部都存在miR165/miR166的靶位点，miRNA调节对于维持正常器官的极性，维管系统及分生组织的发育是必不可少的。

有趣的是，还有一些植物miRNA参与调控水稻产量。例如：miR167可以通过调控其靶基因ARF8，来调节生长素信号通路，并最终影响植物产量；miR159切割一类受赤霉素调控的MYB家族基因，组成型表达miR159会引起短日照情况下开花的推迟和花粉的不正常发育；近期更有报道，水稻中miR156通过对下调其靶基因OsSPL14，显著降低水稻分蘖，穗分支及种子数量，直接负调控水稻产量。

    因此，从miRNA角度寻找新的调节水稻产量的基因有着充分的理论基础，并将成为新的研究热点，有着广阔的发展空间。

发明内容

本发明的目的是针对当前粮食紧缺与不断增长的人口这一主要矛盾，将miRNA调控技术引入水稻的品种改良中，从而提供miR397在培育高产水稻中的应用。

本发明的上述目的是通过如下方案予以实现的：

通过分析水稻种子和胚胎中特异表达的miRNAs，发现miR397在种子和胚胎中均高表达，并且在胚后发育时表达量显著下调。这暗示了miR397可能有调节水稻种子发育的潜在功能。

为了进一步验证miR397与水稻种子的关系，本发明构建了过表达miR397的水稻突变株，该突变株生长迅速，提前抽穗，并且在成熟期时稻穗明显比野生型下垂。对该突变株进行详细的表型分析后发现，该突变株的水稻谷粒显著大于野生型谷粒，并且每穗粒数与千粒重都也明显高于野生型。最终每穗产量约高出野生型37%。除了对水稻产量的影响外，该突变株还具有提前抽穗，提高有效分蘖率的表型，非常适宜于投入生产使用。