[发明专利]一种水稻蜡质合成相关的蛋白质及其编码基因WSL5与应用

说明书

本发明公开了一种水稻蜡质合成相关的蛋白质及其编码基因WSL5与其在水稻育种中的应用。本发明提供了一种水稻蜡质合成相关的蛋白质，其氨基酸序列如SEQ ID NO：2所示。本发明还提供了一种编码权利上述蛋白质的基因WSL5，所述基因WSL5的核苷酸序列如SEQ ID NO：1所示。上述基因WSL5在在改良水稻蜡质含量以及水稻抗生物和非生物胁迫中的应用。本发明分离并克隆鉴定了控制水稻蜡质合成基因WSL5，并通过互补实验进行基因功能验证。图位克隆的结果表明，该基因编码了一个氧化还原酶。本发明为培育蜡质含量丰富、抗胁迫的新品种，对于解决目前水稻品种易出现后期早衰、生产受环境影响等问题具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于植物基因工程领域。具体的说，本发明涉及一种利用图位克隆技术克隆水稻WSL5(Wax Crystal-Sparse Leaf 5)基因，以及利用转基因互补实验鉴定该基因的功能；同时还涉及利用该基因对水稻叶片衰老的调控，用于改良水稻品种以提高产量。

背景技术

蜡质是植物抵御来自外来环境侵害的第一道防护层，也是植物表面重要的防水层，对陆生植物防止非气孔类的水分蒸发起到重要作用。蜡质还能保护植物免受来自各种生物和逆境胁迫，比如，紫外线、强辐射、细菌、真菌、害虫以及高温或者冷冻害。水稻是我国最重要的粮食作物之一，提高其抗逆性是保障水稻安全生产、国家粮食安全的重要手段。因此，对不同蜡质合成突变体的研究是揭示水稻叶片蜡质的合成和调控机理，为利用生物技术手段重建水稻的蜡质层来增强作物抗逆能力，对提高水稻在逆境条件下的产量提供新途径具有重要意义。

蜡质的主要成分是各种可溶解于有机物的脂类物质，主要是C20-C34的超长链脂肪酸及其相应的醇类、酯类、醛类、烷类以及酮类衍生物。水稻的叶片和叶鞘蜡质主要成分是伯醇、醛类以及脂肪酸，而烷类含量则不到蜡质总量的15％。而水稻花药表面蜡质的主要成分则是烷类和烯烃类，大约占总量的90％。植物表皮蜡质的合成是在表皮细胞内完成的，合成过程主要包括：脂肪酸在质体中从头合成C16和C18脂肪酸，随后转运到内质网上延伸为C20-C36的超长链脂肪酸(very long-chain fatty acid,VLCFA)，进一步通过醇合成途径和烷烃合成途径合成不同的蜡质组分。

随着一些蜡质缺失突变体的发现，在水稻中已经克隆出13个蜡质相关基因。Wax-Dificient Anther1(WDA1)基因是水稻中第一个被克隆的蜡质相关基因，在花药表皮细胞中特异表达，wda1突变体花药表面蜡质晶体减少，小孢子发育受阻，花粉外壁发育异常，导致雄性不育；而Crystal-Spares Leaf1(wsl1)突变体叶片表面蜡质减少，还表现生长迟缓、育性下降、叶片融合以及抗旱能力降低，表明WSL1基因还可能参与了水稻生长和发育相关脂类合成。ONION1和ONION2基因参与超长链脂肪酸的合成，在茎顶端分生组织和发育中的侧器官的最外层中特异表达。两个突变体外层表皮细胞发育异常，生长迟缓，最终死亡；gl1-2突变体表皮层变薄，表面蜡质晶体减少，耐旱能力下降。DWA1主要参与干旱胁迫下的蜡质合成。过表达DWA1的植株超长链脂肪酸含量上升；dwa1在干旱处理后表面蜡质含量下降，许多与蜡质相关基因表达受到抑制，对干旱更为敏感。wax synthesis regulatorygene 1(WR1)和WR2是两个蜡质调控类基因。WR1基因的表达受到干旱、ABA和盐胁迫的诱导，过表达WR1植株表面蜡质含量增加，RNAi干扰植株则下降，进一步研究表明，WR1基因能够结合到蜡质相关基因OsLACS1和OsFAE1-L启动子上，调控基因表达，影响水稻表面的蜡质合成代谢。而过表达WR2同样调控叶片表面蜡质以及角质含量，并能增强水稻的抗旱能力。WSL4编码β-ketoacyl-CoA合酶(KCS)，参与长链脂肪酸合成的第一步，WSL3基因编码β-ketoacyl-CoA还原酶(KCR)，催化脂肪酸链延长的第二步反应。WSL3和WSL4在水稻所有组织中均有表达，并都定位于内质网膜。wsl3和wsl4突变体叶片表面蜡质层变薄，脂肪酸组分发生变化(Gan et al.,2016；Wang et al.,2017)。