[发明专利]使植物具有除草剂抗性的水稻ALS突变型蛋白及其应用

说明书

技术领域

本发明属于植物蛋白和植物抗除草剂领域，涉及使植物具有除草剂抗性的水稻ALS 突变型蛋白、基因及其应用；具体而言，本发明涉及水稻的乙酰乳酸合成酶(ALS)突变蛋白，该蛋白能赋予植物尤其水稻抗乙酰乳酸合成酶抑制剂类除草剂的特性。本发明公开了该蛋白的序列，以及它们在植物抗除草剂领域中的应用。

背景技术

杂草是制约农业生产稳产高产的不利因素。与传统依靠栽培措施、人工除草和机械除草等方法相比，化学除草剂的使用是一种高效的、简便的和经济的治理杂草方法。

植物和微生物支链氨基酸(缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸)的生物合成需要4种酶共同催化作用，乙酰乳酸合成酶(acetolactate synthase，ALS)、酮醇还原异构酶(ketol-acid reductoisomerase)、二羟基酸脱水酶(dihydroxyavid dehydratase)、支链氨基酸转氨酶 (branched-chain amino acidtransaminase)。乙酰乳酸合成酶是生物合成过程中第一阶段的关键酶，在缬氨酸和亮氨酸的合成中催化2分子丙酮酸生成乙酰乳酸和二氧化碳，在异亮氨酸的合成中催化1分子丙酮酸与1分子α丁酮酸生成2-乙醛基-2-羟基丁酸和二氧化碳。ALS抑制剂类除草剂通过抑制植物体内的ALS酶活性，从而阻止支链氨基酸的合成，导致蛋白质的合成受到破坏，阻碍细胞分裂期的DNA合成，从而使植物细胞的有丝分裂停止在Gl阶段的S期(DNA合成期)和G2阶段的M期，干扰了DNA的合成，细胞因此不能完成有丝分裂，进而使植物停止生长，最终导致植物个体死亡。

乙酰乳酸合成酶(ALS)(也称乙酰羟酸合成酶，AHAS；EC 4.1.3.18)抑制剂类除草剂以ALS作为靶标而导致杂草死亡，主要包括磺酰脲类(Sulfonylureas,SU)、咪唑啉酮类(Imidazolinones,IMI)、三唑嘧啶类(Triazolopyrimidines,TP)、嘧啶氧(硫)苯甲酸类[Pyrimidinylthio(or oxy)–benzoates,PTB；pyrimidinyl-carboxyherbicides；PCs]和磺酰胺基羰基三唑啉酮类(Sulfonylamino-carbonyltriazolinones,SCT)等13类化合物。乙酰乳酸合成酶，存在于植物生长过程中，它能以高度专一性和极高的催化效率催化丙酮酸为乙酰乳酸，从而导致支链氨基酸的生物合成。

ALS抑制剂类除草剂具有选择性强、杀草谱广、低毒高效等特点，目前已大面积推广使用。但这些除草剂对一般不具有抗(耐)除草剂特性的农作物本身也产生药害，极大限制了其使用时间和使用空间，如需要在农作物播种前一段时间使用除草剂才能避免农作物遭受药害。培育抗(耐)除草剂作物品种可减少作物药害、拓宽除草剂的使用范围。

目前，水稻已知的抗ALS抑制剂突变位点包括Gly 95、Ala 96、Ala 122、Trp 548、 Ser 627、Ser 653和Gly 654。ALS突变体抗除草剂水平与ALS氨基酸突变的位置有关，还与突变后的氨基酸种类及突变氨基酸的数目有关。

目前，ALS抑制剂类除草剂的作用机理尚未确定，很难提前预测ALS蛋白其它氨基酸位点的突变是否会产生除草剂抗性，只能依赖于科研人员长期、艰苦的实践探索，并凭借一些运气才可能发现ALS蛋白新的除草剂抗性位点。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的第一个技术问题是提供使植物具有除草剂抗性的蛋白。

本发明还要解决的技术问题是提供了编码该蛋白的核酸以及表达盒、载体和细胞等。

本发明还要解决的技术问题是提供了获得具有除草剂抗性的植物的方法和应用。

本发明还要解决的技术问题是提供了判断植物是否采用本发明方法获得的鉴定方法。

本发明人通过长期、艰苦的研究，对野生型水稻为籼型常规水稻种子合肥不育系的 EMS突变植株进行长期、不断地筛选，发现了一系列ALS突变蛋白，包括前文所述的某些已知ALS突变蛋白和新ALS突变蛋白，其对ALS抑制剂类除草剂不敏感，从而使得植物具有ALS抑制剂类除草剂抗性。本发明在植物育种中的应用，可用于培育具有除草剂抗性的植物，尤其是农作物，还开发了这些蛋白及其编码基因在转基因或者非转基因如水稻等作物中的应用。