[发明专利]调节根瘤植物的固氮能力的基因及其应用

说明书

本发明涉及调节根瘤植物的固氮能力的基因及其应用。本发明揭示一个新的编码LRR类受体激酶的基因，命名为RINRK基因。RINRK基因可以调节根瘤植物的固氮能力，从而可以将RINRK基因应用于植物的培育中，选育出改良的植物新品种；或者，可以将RINRK基因应用于植物根瘤固氮的科学研究。

技术领域

本发明属于植物分子生物学领域，更具体地，本发明涉及调节根瘤植物的固氮能力的基因及其应用。

背景技术

随着世界人口的增长，人们对粮食的需求也与日俱增。在耕地有限的情况下，提高农作物产量就格外重要。氮是植物生长发育过程中最重要的营养元素，也是作物产量的限制性因素之一。氮素主要来源于空气中的氮气，但这种含量丰富的氮气却不能被植物直接吸收利用，而需要被还原为氨，即氮气的固定，才能被植物吸收利用。固氮作用主要有化学固氮和生物固氮两种方式。在过去的近百年中，通过Haber–Bosch方法生产并大量施用工业氮肥，大幅度提高了农作物的产量。但当前，包括我国在内的众多国家，氮肥用量已经远远超过了作物高产的需要，氮肥过量施用产生了一系列的负面影响，如土壤板结酸化、水资源污染以及近海赤潮等已经成为不争的事实。与此同时，氮肥的生产也耗费了大量的不可再生能源。因此，在能源短缺、环境日益恶化的今天，少施肥并稳定产量是亟待解决的问题。

除工业氮肥外，生物固氮作用(包括自生、共生和联合固氮三种)为地球生态系统提供了主要的(超过2/3)氮素。而豆科植物与根瘤菌之间的共生固氮，是固氮效率最高、研究最为深入的体系。豆科植物包括大豆、豌豆、鹰嘴豆、绿豆、三叶草和苜蓿等主要的粮食和饲料作物。世界上的豆科植物大约有19,700多种，是世界上第三大被子植物，第二大粮食和饲料作物，其中己知的可以结瘤固氮的约有2,800多种，约占15％。目前，全球豆科植物的种植面积达1.8亿公顷，占地球可耕地面积的12-15％，其每年产量大约为2.47亿吨，约占世界主要农作物产量的25％。豆科植物非凡的共生固氮能力使其成为人类食物蛋白的一个重要来源，同时也是自然界和农业生态系统的主要氮素来源之一。据联合国粮农组织统计，全球每年生物固氮约2亿吨，豆科植物与根瘤菌间的共生固氮量约占65％～80％，提供豆科植物生长发育所需50～100％的氮素。

豆科植物与根瘤菌间的共生固氮是一个对共生双方都有利的过程，共生双方对此过程都有着精细的调控机制。宿主植物为根瘤菌提供其光合作用的产物-碳水化合物，为根瘤菌所需；反之，根瘤菌在根瘤中将空气中的氮气还原为氨，为宿主植物提供生长发育所需的氮源。豆科植物形成根瘤的基本过程包括：1)豆科植物与根瘤菌间早期分子对话：豆科植物的根系分泌类黄酮类的物质到土壤，被特定的根瘤菌感知并激活根瘤菌的转录因子NodD表达，NodD进而激活NodA、B、C的表达并合成一种多糖信号分子，被称作结瘤因子(Nodfactor)。2)植物中的结瘤因子受体(LjNFR1，LjNFR5)感知并识别结瘤因子信号，从而激活根瘤菌侵染和根瘤器官形成两个过程。3)根瘤菌附着在根毛顶端，引起根毛膨胀变形，并包裹根瘤菌，进而宿主植物质膜内陷，形成一管状结构-侵染线，根瘤菌沿着侵染线从表皮细胞向皮层细胞延伸，最后到达根瘤原基，将根瘤菌从侵染线中释放出来，形成可以固氮的类菌体。而根瘤菌能否成功侵入宿主植物，是共生固氮能否完成的限制性步骤之一。

在过去近20年中，利用模式豆科植物百脉根和蒺藜苜蓿，通过大规模遗传突变体的筛选，通过对这些突变体的表型观察及基因的定位和功能的研究，初步建立了结瘤因子信号转导通路，但对根瘤菌侵染的了解还相对较少。

发明内容

本发明的目的在于提供调节根瘤植物的固氮能力的基因及其应用。

在本发明的第一方面，提供一种调节根瘤植物的固氮能力的方法，所述方法包括：调节根瘤植物中RINRK蛋白的表达。

在一个优选例中，所述方法包括：上调根瘤植物中RINRK蛋白的表达，从而提高根瘤植物的固氮能力，促进根瘤植物与根瘤菌之间的共生固氮。

在另一优选例中，所述的根瘤植物是RINRK蛋白表达不足的植物。