[发明专利]PLDα1基因在增加作物抗旱性及种子产量中的应用

说明书

技术领域

本发明属于植物分子育种和生物技术领域，具体涉及PLDα1基因在增加作物抗旱性及种子产量中的应用和一种增加作物抗旱性及种子产量的方法。

背景技术

随着气候的变化和干旱面积的逐年增加，干旱成为制约农作物产量的主要因素之一，灌溉农业已成为提高农业生产的重要措施。据统计，现代农业灌溉用水约占淡水资源的70%，农业生产的水资源的高效利用成为了现代植物学家关注的焦点。人们希望通过增加植物的灌溉用水来提高农业产量，然而地球上的淡水资源却在逐渐减少，提高作物自身的抗旱能力及对水分的利用效率成为了解决农业产量与自然资源之间矛盾的重要举措。陆地植物体内的绝大部分水分是通过气孔的蒸腾作用而散失的，研究表明相关基因的突变引起植物气孔丧失关闭功能可导致植物流失更多水分，从而使植物的抗旱能力显著下降。因此，通过调控气孔关闭减少水分蒸腾作用是提高植物水分利用及耐旱能力的重要策略之一。

有关植物应答水分胁迫的生物过程及其调控机制已进行了大量的研究，并取得了显著进展。脱落酸（ABA）是植物应答逆境胁迫包括干旱和盐胁迫过程中产生的植物激素，其在调控植物气孔关闭中起了重要的正调控作用。植物响应水分缺失而累积的ABA可有效促进气孔的关闭，从而降低植物体内水分经气孔的流失，提高其抗旱能力。近期的研究表明，磷脂酸(PA)在参与ABA调控气孔关闭过程中起了重要作用。研究表明PA与ABA信号过程中的负调控因子ABI1（属于phosphatase 2C）存在互作，并将ABI1蛋白锚定在质膜上，从而抑制ABI1对ABA信号的负调控效应，促进了ABA关闭气孔的效应。此外，PA可与NADH的氧化还原酶结合而增加植物中ROS或者NO的含量。最近研究还表明PA可直接结合并激活鞘氨醇激酶，导致鞘氨醇磷酸化而诱导气孔的关闭。

植物PA可直接源自于磷脂酶D(PLD)催化的磷脂。植物PLD比动物PLD更为复杂多样，哺乳动物和人类基因组仅含有2个PLD，而拟南芥基因组含有12个PLD基因，水稻含有17个PLD。拟南芥PLD可分为PLDα(1,2,3)、PLDβ(1,2)、PLDγ(1,2,3)、PLDδ、PLDε和PLDζ(1,2)(Wang et al.,2006,Qin and Wang,2002)。其中，除PLDζ1和PLDζ2含动物PLD所特有的pleckstrin homology(PH)和phox homology(PX)结构域(Qin and Wang,2002)，其它10个PLDs的N端均具Ca²⁺依赖性的磷脂结合位点C2结构域。近期对拟南芥PLD家族进行系统研究，表明不同的PLD的分子调控各不相同，包括酶激活因子的差异（如Ca²⁺、游离脂肪酸和磷脂酰肌醇等）(Wang et al.,2006)、底物的偏好性(Hong et al.,2009a)、亚细胞定位和组织表达的特异性(Qin and Wang,2002,Zhao and Wang,2004)。其生化特性和时空分布的差异性暗示了植物PLD的生物学的显著效应。不同种类的PA（酰基种类）具有不同的生物学效应。近来通过分子遗传操作结合多种技术已经逐步阐明了植物PLD广泛参与多种生物学过程，例如PLDα1调控气孔导度、水分胁迫、叶片衰老和激素响应过程(Fan et al.,1997,Sang et al.,2001,Zhang et al.,2004)；PLDδ参与细胞凋亡、糖代谢、低温和冻害胁迫反应(Li et al.,2004)；PLDα3正调控高渗透胁迫过程(Hong et al,2008b)；PLDε介导植物的氮信号响应和生长调控（Hong et al.,2009a)；PLDζs参与植物磷的循环利用、生长素转运和根毛发生等过程（Li et al.,2006a,Li etal.,2006b,Cruz-Ramírez et al.,2006)。植物中，PLDα1和PLDδ都可以在植株响应ABA及促进气孔关闭方面起到调节作用，然而，它们却发生在该信号途径的不同阶段(Guo et al.,2012b)。PLDδ的作用主要发生在植物对活性氧（ROS）的响应阶段(Zhang et al.,2003)，并且PLDδ的超表达植株对冻害的耐受能力增强(Li et al.,2004)；而PLDα1的作用却发生在PLDδ的上游并促进ROS的产生(Zhang et al.,2009)。