[发明专利]一种叶绿体蛋白和ATPase酶活性突变体在提高植物抗逆性中的应用

说明书

本发明提供了一种苔藓PpHsp70基因和PpHsp70基因编码的叶绿体蛋白及其ATPase酶突变体PpHsp70m在提高植物耐高温、耐旱、耐盐胁迫等综合抗逆性中的应用。本发明通过对PpHsp70基因及其酶活突变体PpHsp70m在苔藓和水稻中的过表达转基因植株进行分子鉴定和胁迫试验，检测PpHsp70和PpHsp70m基因表达量变化及抗性改变等，结果发现与野生型相比，PpHsp70和PpHsp70m基因过表达转基因植株分别对高温、干旱和盐胁迫更耐受。这说明PpHsp70基因编码的蛋白质及其酶活突变体是影响植物综合抗逆性的关键因子，能够应用于植物抗逆品质改良中。

技术领域

本发明属于基因工程技术领域，具体涉及一种PpHsp70基因和PpHsp70基因编码的叶绿体蛋白及其ATPase酶突变体PpHsp70m在提高植物综合抗逆性中的应用。

背景技术

环境压力造成植物细胞水平上大量蛋白质机能失调，细胞广泛采取的最有效修复措施之一是热激蛋白(又叫伴侣蛋白，Hsps)与变性蛋白结合，维持蛋白质的可溶状态，帮助解折叠蛋白质重新组装成有活性的构像(2000)。最初是在热激条件下发现这类特异性蛋白的积累，直至今天，人们认识到它们所参与的细胞活动远远不止在热激处理下维护蛋白质的稳定构像。在植物中的研究显示，超量表达Hsp26显著增强拟南芥和水稻的耐热性(Xue et al.,2010；Kim et al.,2012)。玉米叶绿体sHsp26在高温和干旱联合处理下显著提高，干涉实验的蛋白质组分析表明sHsp26能够稳定叶绿体蛋白质组和PSII的蛋白质构像增强玉米的耐旱性(Hu et al.,2010)。小立碗藓中至今仅一例关于Hsps参与非生物逆境胁迫的报道来自于PpHsp16.4，该基因响应脱落酸(ABA)、盐胁迫和水杨酸诱导，蛋白质通常以低聚复合体的形式聚集在叶绿体周围，对其研究证明小立碗藓的抗逆能力得自于逆境中保护细胞完整性逆境后修复重建机制(Ruibal et al.,2013)。

Hsp70是真核生物广泛存在的一类伴侣蛋白，进化上结构和功能高度保守，主要行使帮助其他蛋白质折叠和组装、阻止蛋白质错误聚合、和帮助蛋白质跨膜转运的功能(Stetler et al.,2010)。Hsp70可以参与蛋白质折叠的内稳态以及与ATP结合和水解紧密结合的蛋白相互作用影响整个蛋白系统的稳定性(Preissler et al.,2017)，还会参与MEP途径中第一步酶错误折叠聚合后的降解，维持细胞功能的正常发挥(Llamas et al.,2017)。Hsp70家族在果蝇的发现已超过半个世纪(Ritossa,1962)，近年来人们逐渐认识到Hsp70家族在抗逆境方面的作用，玉米幼苗经100μM ABA处理后H₂O₂水平迅速升高导致细胞质Hsp70显著累积引起抗旱性和抗高温能力增强(Hu et al.,2010)。动物细胞(Guo etal.,2007)或植物细胞(Dat et al.,2000；Mittler,2002)内均发现H₂O₂的积累会导致Hsp70家族成员大量表达，显示Hsp70参与细胞防护工作。Hsp70作为水解酶，具有水解ATP底物的能力，与Hsp40、GrpE组成一个系统共同完成前体蛋白质转运工作，Hsp40负责招募前体蛋白形成复合体，结合到Hsp70/ATP完成水解反应，所产生的能量驱动底物进入叶绿体基质GrpE协助释放出ADP，新的ATP进入Hsp70，开始下一个循环(Liu et al.,2014)。改变Hsp70水解酶的活性，是改变蛋白质活性和功能的一个重要方法。