[发明专利]提高水稻氮肥利用效率和产量的基因及其应用

说明书

本发明公开一种控制氮肥利用效率和产量性状的基因OsGRF4与其等位基因及其应用。OsGRF4可以促进水稻氮肥吸收、转运和同化基因的表达和酶活性，进而提高水稻氮肥利用效率；同时，OsGRF4可以促进细胞分裂，提高光合作用效率，进而提升水稻产量。等位基因OsGRF4^ngr2在不影响株高性状的条件下，实现水稻氮肥利用效率和产量的协同提高。本发明还公开了OsGRF4^ngr2在小麦高产品种中表达可进一步提升小麦氮肥利用效率和产量增加。OsGRF4基因的启动子和编码区的SNP多态性可以作为鉴定水稻氮肥高效利用和高产品种的分子标记。OsGRF4对基于提高水稻和小麦氮肥利用效率及产量的育种有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于生物技术领域。具体地，本发明涉及一种控制作物氮肥利用效率和产量的基因与其等位基因及其应用。本发明还涉及该基因的启动子序列和该基因编码的多肽序列，以及利用分子标记辅助选育、基因组编辑和转基因技术培育高产和氮肥高效利用水稻品种的方法。

背景技术

水稻(Oryza sativa L.)是世界上十分重要的粮食作物，其总产量占世界粮食总产量的1/4，全球一半以上的人口以水稻为主食。一方面，因世界人口逐年增加，粮食刚性需求也不断增加；另一方面，耕地面积逐年减少、水资源短缺、自然灾害频繁发生、工业化程度加剧和人类活动造成环境破坏等问题越来越严重。因此，如何持续提高水稻单产是目前育种面临的巨大挑战。

上世纪60年代初，掀起了以半矮化育种为特征的第一次“绿色革命”。在过去的50年，半矮杆基因semi-dwarf(sd1)在籼稻育种中被广泛利用。半矮杆基因sd1增加了水稻的种植密度和抗倒伏能力，提高了收获指数，解决了因大量施肥导致的植株倒伏和减产问题，从而实现了水稻单产的大幅度提升。但是，半矮杆水稻品种表现出其生长发育对氮肥响应的减弱，也降低了水稻对氮肥的利用效率(nitrogen use efficiency，NUE)。半矮杆水稻品种的大面积推广与应用，导致化肥、农药的大量使用和土壤退化。

20世纪70年代以来，中国的氮肥使用量快速增长，从1980年每年施氮肥量为1269.4万吨增加到2014年每年施氮肥量为5995.9万吨，增长了3.7倍，年均增长率为4.67％。这期间，粮食产量的快速增长主要是由于施氮量的增加引起的。但是，过多的施加氮肥，不仅使农产业的生产成本提高，经济效益下降，而且会引起大气、江河、湖泊被污染等一系列的生态环境问题。因此，在不减产的条件下，如何减少氮肥的使用量是水稻育种与生产中必须要考虑的因素，以便于解决水稻产量提升与生态环境冲突问题。

目前，人们对植物氮吸收与利用的遗传调控机制的认识获得了较大的进展，例如，氮的转运蛋白(Crawford and Glass 1998；Forde 2000；Howitt and Udvardi 2000；Glasset al.2001；Williams and Miller 2001)的发现，以及负责将氮转变为氨基酸和其他化合物的酶类的功能研究(Campbell 1988；Lam et al.1996；Hirel and Lea 2001)。近年来，随着植物分子生物学和功能基因组学的迅速发展，利用QTL定位、GWAS分析和基因图位克隆等技术，成功地分离并鉴定了多个参与氮吸收与代谢调控相关的关键基因/主效QTL。例如，在玉米中，鉴定到一些参与低氮胁迫应答响应的QTL位点(Agrama et al.1999)；在水稻中，检测到了几个参与氮同化的酶(Yamaya et al.2002；Obara et al.2001，2004)、不同氮水平下植物剑叶中蛋白及氮含量、植物株高以及幼苗期耐低氮胁迫响应相关的一些QTL位点(Fang and Wu 2001；Lian et al，2005)等。尽管在水稻和玉米中已获得了几个氮高效利用相关的候选基因(Gallais and Hirel，2004；Martin et al.，2006；Obara et al.2001；Tabuchi et al.，2005)，但是人们对控制植物氮吸收与利用效率的遗传调控网络的认识还非常有限。

发明内容