[发明专利]一种水稻根系构型调控基因OsVST1及其应用

说明书

本发明公开了一种水稻根系构型调控基因OsVST1及其应用，所述的应用是将水稻根系构型调控基因OsVST1敲除或敲低，使水稻根系变短，但不定根数目增加，粒重提高，但对产量没有明显的负面影响，具有较大的潜在商业应用价值。

(一)技术领域

本发明涉及植物基因工程领域，特别涉及一种正向遗传学途径克隆的水稻OsVST1基因，以及利用该基因调控水稻根系构型，从而调控水稻产量。

(二)背景技术

水稻根系将植株固着在土壤中，吸收水分和矿质营养元素，同时与根际微生物相互作用。根系构型影响水稻的生长发育和产量。研究控制水稻根系构型的分子机理可 以更好地改良水稻根系构型，提高对水肥的利用效率，增加水稻抗逆性和产量 (Hochholdingerand Zimmermann,2008；Rogers and Benfey,2015)。

水稻根系由种子根，不定根，以及种子根和不定根上长出的侧根构成(Coudert etal., 2010)。深根系植物有利于植物的固着和土壤深层水分的吸收，增加植物的抗旱能力。水稻根系的深浅主要由种子根和不定根的伸长生长决定。目前为止，已经有多个影响 水稻根系伸长生长的基因被克隆，但详细的分子机理还不清楚。

生长素信号影响水稻生长发育的多个方面，同样也影响水稻根系的伸长生长。OsARF12作为生长素信号途径的关键调控因子，通过生长素信号途径影响水稻根的伸 长。osarf12突变体中生长素合成和转运相关基因的表达量降低，导致根尖伸长区生 长素浓度降低。osarf12突变体根长变短主要由伸长区变短导致(Qi et al.,2012)。 DEEPERROOTING 1(DRO1)编码一个未知的蛋白，受生长素负调控。DRO1促进根 尖细胞的伸长，这种伸长是不对称的，会导致根向下弯曲，根系生长到更深层的土壤 中。过表达DRO1有利于水稻抗旱，可以在干旱胁迫下提高水稻产量(Uga et al.,2013)。 除生长素信号外，其它激素信号也影响水稻根系的伸长生长，如赤霉素信号通路。 SHOEBOX(SHB)编码AP2/ERF类转录因子，通过直接调控赤霉素合成基因KS1的表 达影响水稻根的伸长。shb突变体根尖分生区细胞变短，皮层细胞数目减少，导致分 生区变小，根长变短(Li et al.,2015)。

细胞壁多糖的合成对于植物的生长发育十分关键，相关基因的突变会严重抑制根系的伸长。如OsGLU3编码一种葡聚糖酶。Osglu突变体根细胞壁的结晶纤维素含量 降低，根细胞长度变短，根变短(Zhang et al.,2012)。

除此之外，一些功能蛋白，蛋白激酶和氨基酸等对水稻根系的生长也十分关键。OsSPR1编码一种新的线粒体蛋白，突变体成熟区细胞长度变短，导致根长变短。该 基因同时调控水稻金属离子的平衡(Jia et al.,2011)。OsSPR1基因影响根伸长可能与生 长素信号调控。已报道osarf12突变体中OsSPR1表达量发生明显变化。 Phosphorus-starvationtolerance 1(PSTOL1)编码蛋白激酶，促进水稻根系伸长，提高 水稻对缺磷胁迫的耐受。PSTOL1主要在茎基部紧邻维管束外围的薄壁细胞，以及新 生的不定根原基处表达。该基因在非栽培稻中发现，在主要的栽培稻中没有，已公布 的水稻基因组注释中也没有。将该基因导入栽培稻，可增加栽培稻对低磷胁迫的耐受， 有望在低磷条件下增加水稻产量(Gamuyao et al.,2012)。OsASL1编码精氨酸裂解酶， 该酶催化精氨酸生物合成的最后一步反应。OsASL1突变导致水稻分生区细胞减少， 分生区变小，根系变短。外源施加精氨酸可以回复osasl1突变体表型(Xia et al.,2014)。

以往水稻育种主要关注地上性状。上述结果表明地下根构型对水稻产量也有很大的影响。挖掘控制根系伸长生长的关键基因，研究其作用的分子机理，改良水稻根系 构型，增加水肥的吸收效率，减少灌溉和肥料的使用量，可能是未来绿色农业发展的 一个重要方向。