[发明专利]大豆紫色酸性磷酸酶基因GmPAP35的应用

说明书

本发明公开一种大豆紫色酸性磷酸酶基因GmPAP35的应用，属于基因工程领域。本发明通过GmPAP35在大豆整株转化材料中的功能分析，明确了GmPAP35在植物中参与碳代谢的功能。过量表达GmPAP35能够增加大豆株高、植株体内葡萄糖和果糖含量，从而增加大豆生物量和磷吸收量，提高大豆磷效率，为培育磷高效的转基因作物新品种奠定了理论基础。本发明具有通过转基因技术促进作物碳代谢能力，从而提高植株磷效率、达到节肥高产的新用途，对发展环境友好型可持续农业具有重要的理论和实践意义。

技术领域

本发明涉及已知基因的新功能及其新应用。具体地，本发明涉及紫色酸性磷酸酶基因GmPAP35在促进大豆碳代谢、培育磷高效转基因豆科植物、提高作物磷效率方面的应用，属于基因工程领域。

背景技术

磷是植物生长过程中必需的营养元素之一，在植物的整个新陈代谢过程中扮演着十分重要的角色。但是，磷易被土壤中的一些金属离子固定形成难溶化合物难以被植物直接吸收和利用，往往造成土壤有效磷缺乏，严重限制了作物的生长(Raghothama,1999；Vance et al.,2003)。在长期的进化过程中，植物发展了许多适应机制提高土壤中磷的利用，包括根系形态构型的改变、体内和外分泌的酸性磷酸酶活性的变化、根际微生物共生等(Wang et al.,2010)。其中，酸性磷酸酶是植物体和土壤中普遍存在的一种非常重要的水解酶，由能够水解磷酸单酯键释放出无机态磷的水解酶类组成，酸性磷酸酶也是一种诱导酶，在磷饥饿条件下，植物根系分泌酸性磷酸酶能够水解土壤中的有机磷供植物生长(delPozo et al.,1999；Hunter and McManus,1999；Wasaki et al.,1999；Hegeman andGrabau,2001)；另一方面，在植物体内，酸性磷酸酶在有机磷的代谢及再利用过程中也起着十分重要的作用，其活性的强弱直接影响着植物体内有机磷的有效性。

紫色酸性磷酸酶的研究大多集中在其与磷营养的关系上。在低磷胁迫下，一些紫色酸性磷酸酶基因表达增强在大豆、截型苜蓿、拟南芥和番茄等植物上均有报道(Hegemanand Grabau,2001；Bozzo et al.,2004；Xiao et al.,2006；Wang et al.,2011)。在拟南芥上，已有29个紫色酸性磷酸酶基因被鉴定(Li et al.,2002)。其中，来自拟南芥的紫色酸性磷酸酶AtPAP15具有较强的植酸酶活性，能促进肌醇六磷酸盐的水解产生水溶性磷酸盐(Zhang et al.,2008)。Wang等(2009)在大豆中过量表达AtPAP15，并利用外分泌的信号肽促使AtPAP15在根际的分泌增强，从而提高了大豆磷吸收效率和产量潜力。Liang等分析了5个菜豆紫色磷酸酶基因，发现都对低磷胁迫有响应，其中PvPAP1和PvPAP3可能参与胞外dNTPs的利用(Liang et al.,2012)。也有研究发现，酸性磷酸酶在拟南芥中通过从老叶中重新活化有机磷来提高植物对磷的利用效率，其直接参与了磷的代谢运转过程，对植物适应低磷胁迫具有重要作用(Hurley et al.2010)。

拟南芥中一共有29个紫色酸性磷酸酶基因被鉴定(Li et al.,2002)。Sun等(Sunet al.,2012)对拟南芥紫色酸性磷酸酶基因AtPAP2的研究，首次报道了紫色酸性磷酸酶还参与调节了植物体的碳(C)代谢过程。这是对紫色酸性磷酸酶功能研究的新发现。该基因具有独特的C-端疏水结构域，并双向通过C端的疏水尾巴靶向质体和线粒体，过量表达AtPAP2的转基因植株，使得拟南芥植株的抽薹提前，并显著提高了产量。分析其代谢过程发现，AtPAP2转基因植物地上部的糖类和三羧酸(TCA)代谢物含量明显增多。将AtPAP2转入亚麻里，与拟南芥相似，不仅表现出侧枝增加，提早开花，产量显著增加，蔗糖磷酸合酶活性等也是显著上调(Zhang et al.,2012)。