[发明专利]OsLUT2基因在水稻光保护中的应用

说明书

本发明属于植物基因工程技术领域，具体涉及OsLUT2基因在水稻光保护中的应用。OsLUT2基因的核苷酸序列如序列表SEQ ID NO:1所示。本发明通过CRISPR技术，研究了水稻OsLUT2基因功能丧失后突变体的表型，验证了该基因在水稻中的生理功能，证明了在水稻中OsLUT2基因控制中文名称NPQ表型，OsLUT2基因对水稻的光保护发挥了重要作用。

技术领域

本发明属于植物基因工程技术领域，具体涉及OsLUT2基因在调控水稻光保护中的应用。所述的OsLUT2基因是一种水稻番茄红素ε环化酶(lycopene epsilon cyclase)基因(登陆号为Os01g0581300)，本发明验证该基因的功能及其在水稻光保护中的应用，为水稻的遗传改良提供了新的遗传资源的应用途径。

背景技术

光是植物光合作用所必需的，植物光合机构中叶绿体色素吸收的光能通过光化学过程转化为稳定的化学能。然而，大多数情况下植物接受的能量要超过其所能转化的能量，如果过量的光能不及时耗散掉，光合功能会降低，导致光合作用的光抑制，甚至出现光氧化、光破坏。当高温、低温、水分亏缺、营养不足等环境胁迫因素同时存在时，植物对光抑制条件的敏感性增加，在中、低光强下便会发生光抑制。植物在进化过程中形成多种保护机制，其中依赖于叶黄素循环(Xanthophyll cycle)的热耗散作用在近年来受到普遍关注。它在耗散激发能中起着重要的作用，被认为是光保护的主要途径。然而，除了叶黄素循环色素外，α-胡萝卜素衍生的黄体素，作为捕光复合体亚基的结构组分，通过促进植物吸收的过剩光能的耗散保护植物避免光氧化损伤。此外，许多体外研究证明，黄体素的抗氧化功能主要是通过淬灭单线态氧和清除氧自由基来保护光合机构避免光氧化损伤。水稻中番茄红素ε环化酶(lycopene epsilon cyclase)由OsLUT2所编码，是黄体素合成途径的重要酶之一。因此，研究OsLUT2基因与植物光保护之间的关系具有重要意义。

当植物吸收的光能超过其所需时，过剩的光能会导致光抑制现象，从而明显降低光合效率。研究表明，当照射在叶片的光量子流量密度达到最大阳光辐射强度的1/4时，叶片光合速率A即已趋于饱和。不能用于光化学反应，也不能以荧光及热的形式耗散的激发能将转移到氧分子，产生对光合机构具高度破坏性的活性氧自由基。热耗散是以反馈去激发机制介导进行的，可以通过测量叶绿素荧光非光化淬灭(Non-photochemical quenching,NPQ)参数来衡量。非光化淬灭调节着光系统II的能量转换，保护植物免受或减轻光抑制。非光化淬灭由高光强诱导产生，随着关闭高光强而弛豫。根据其弛豫动力学(Relaxationkinetics)特性，非光化淬灭可以分为至少3个组分：依赖能量的淬灭qE、状态转换淬灭qT及光抑制淬灭qI，其中qE是高等植物中的最主要组分。对模式植物拟南芥的研究表明，类囊体跨膜pH梯度、叶黄素循环中合成积累的玉米黄素、光系统ⅡPsbS蛋白及其表达量是控制非光化淬灭产生以及决定qE及整个NPQ容量大小的重要因子。现阶段认为qE的作用模式如下：当光合作用中光反应产生的化学能超过了同化反应如CO₂固定的能力时，叶绿体类囊体腔内酸性逐渐增强。pH值不断下降激活了紫黄素脱环氧酶(Violaxanthin de-epoxidase)，在强光下该酶促进紫黄素转变为玉米黄素。玉米黄素具双重功能，它一方面参与了非光化淬灭的形成，另外还具有直接的抗氧化剂功能。叶绿体类囊体腔pH值下降还促进了光系统ⅡPsbS蛋白的质子化，接着导致与叶绿素及类胡萝卜素结合的捕光蛋白复合体构象的改变。过剩激发能的耗散是通过类胡萝卜素自由基阳离子电荷传递机制以及叶绿素与类胡萝卜素之间的能量传递进行的。