[发明专利]GmPIN1基因突变调控大豆结瘤和密植的方法及其应用

说明书

本发明公开了GmPIN1基因突变调控大豆结瘤和密植的方法及其应用。本发明所提供的应用具体为由GmPIN1编码的其中三个同源基因GmPIN1a，GmPIN1b，GmPIN1c在调控大豆根瘤形成和株型建成中的应用。本发明的实验证明，大豆蛋白GmPIN1a，GmPIN1b，GmPIN1c及其编码基因与大豆共生结瘤的发生密切相关，基因敲除后减少大豆的结瘤数目并显著减弱地上部分的侧枝夹角。并且，转基因大豆Gmpin1abc‑L1的纯合三突变体后代中筛选到不含CRISPR/Cas9载体片段的植株，为调节大豆共生固氮和密植、高产育种提供优良的种质资源储备。

技术领域

本发明涉及植物基因工程领域，具体涉及GmPIN1基因突变调控大豆结瘤和密植的方法及其应用。

背景技术

大豆作为我国重要的经济作物之一，它富含蛋白质和油脂，有非常高的营养价值。然而，随着我国居民生活水平的不断提高，我国的大豆产量已无法满足自身的需求，以至于我国每年需要从国外进口大量的大豆。据统计，我国的大豆进口量已从2001的1394万吨快速增加到 2018年的8806万吨^[1]。进一步的分析发现，在这近20年的时间里，我国大豆的单位面积产量几乎没有变化,而且我国的大豆单产产量远低于同期的美国、巴西和阿根廷的大豆单产产量^[1]。因此，提高我国大豆的单位面积产量是非常必要的。

过去几十年的农业生产实践已经表明，肥料的施用能够有效的提高作物的产量。联合国粮农组织的统计数据表明，化肥的施用对农作物增产的贡献率达到40％-60％^[2]。在1952年至1992 年期间，我国肥料施用量与粮食产量之间的相关系数高达92％以上^[2]。然而，作物对肥料的吸收和利用的效率不高。统计数据表明，作物对氮的利用率为30％-60％，磷的利用率为2％-25％，钾的利用率为30％-60％^[3]。肥料的大量施用不仅造成浪费而且还会对周边的生态环境和人体健康带来危害。自然界中固氮微生物能够将大气中的氮气转化成植物能够吸收利用的氨。其中豆科植物与根瘤菌形成的根瘤所固定的氮约占生物固氮总固氮量的60％^[4]。有研究表明，在相同种植条件下，大豆是固氮量最多的豆科作物^[5]。大豆的固氮量在大豆吸收的总氮量中占比高达 50％以上^[5]。进一步的研究表明，大豆根瘤共生固氮对与种子的发育有着重要的作用^[6]。研究者也发现，根瘤菌的接种可以使得大豆的产量大幅度的增加^[7]。此外，提高根瘤中氮素的输出也能够显著的提高大豆的产量^[8]。综上所述，合理的利用大豆结瘤固氮有利于提高大豆的产量，并且合理的利用生物固氮可有效的减少肥料的施用。因此，深入的了解大豆根瘤的生长发育是非常有必要的。生长素作为调控植物生长发育的重要激素，在豆科植物例如百脉根、苜蓿的根瘤发育过程中已被报道发挥着至关重要的作用^[9-12]。然而有关PIN基因在根瘤发育中的研究仍比较少，且在大豆中未见相关报道^[13]。因此，在大豆中开展PIN基因相关的研究对深入的了解根瘤形成机理是必要的。同时，这也为获得高效结瘤的大豆植株提供了必要的理论基础。

此外，株型是决定大豆高产的一个重要性状，几十年来，通过优化大豆株型来培育理想株型的高产大豆一直是育种家及科研工作者的目标，然而调控大豆理想株型的主效基因报道较少^[14]。理想株型的一个重要指标是侧枝与主茎之间的夹角，夹角大小影响植物地上部分的冠层结构、整体受光面积，最终影响光合作用和产量。夹角越小，其叶面必能向上伸展，整株占用空间面积就小，这样不但有利合理利用光源、通风良好，还能够通过密植促使平均亩产量提高。众所周知，生长素在控制植物的顶端优势和侧枝生长过程中发挥关键的作用，顶芽产生的大量生长素向下运输到侧芽，导致侧芽的生长受抑制^[15,16]。因而，利用生长素运输控制侧枝夹角在植物密植中有重要的应用意义^[17]。

发明内容