[发明专利]水稻OsWRKY74基因在调控种子萌发和穗发芽中的应用

说明书

本发明公开了水稻OsWRKY74基因在调控种子萌发和穗发芽中的应用。本发明实验表明，过表达OsWRKY74基因可明显加快水稻种子萌发，而敲除OsWRKY74基因株系则表现为穗发芽抑制表型及种子发芽迟缓。本发明可为解决水稻种子直播过程中的萌发迟缓、种子发芽不整齐以及克服水稻成熟后期的穗上发芽问题提供基因资源，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于植物基因工程技术领域，具体涉及水稻OsWRKY74基因在调控种子萌发和穗发芽中的应用。

背景技术

水稻是世界重要粮食作物之一，也是我国的第一大粮食作物，全国有近三分之二的人口以稻米为主食。水稻种子萌发的质量在很大程度上决定着植株的生产状况和产量。特别是在水稻种子直播过程中，种子在大田条件下能够迅速萌发并长成根系发达的健壮幼苗的能力与高产量有着直接的关系。因此，播种过程中种子具备的迅速、健壮、整齐的发芽能力有利于粮食生产。而另一方面，水稻种子休眠性状的过早丧失及萌发能力的提前获得也同样对于水稻生产是不利的。比如，我国华南地区因受夏秋季节长期阴雨气候影响，超过6％的水稻种植区出现穗发芽，杂交稻穗萌率最高可达20％，对于穗发芽的种子，基本丧失了种用价值，而对于尚未出现穗萌表型的，其籽粒内部已经开始营养物质的动员，在种子贮藏过程中更容易发生裂变，种子活力迅速下降，严重影响播种质量和加工品质。因此，在水稻穗发育后期，适当程度的休眠对于预防穗子早萌，保证制种和粮食生产的质量和产量是积极有力的。

发掘调控水稻种子萌发和穗上发芽的基因并致力于在生产上的应用一直以来都是分子生物学家和遗传育种学家们研究的热点。ABA生物合成基因OsABA1(NCED)突变后导致ABA合成受阻，成熟期的种子中ABA含量减少，出现种子提早萌发和穗发芽表型(Agrawalet al.,2001；Fang et al.,2008)。Fan et al.(2007)认为OsVP1(ABI3)基因的大部分转录本在外显子区域的错误剪切导致了水稻种子早萌和穗发芽表型。Sugimoto et al.(2010)克隆得到一个休眠基因Sdr4，该基因在转录水平受OsVP1调控，所编码的蛋白与已知功能蛋白的同源性低，推测可能为调控水稻萌发的特异性转录因子。近年来，我国科学家在水稻萌发和穗发芽研究方面取得了较好的成绩，Du et al.(2018)利用图位克隆技术获得淀粉脱脂酶基因PHS8，发现在突变体phs8种子胚乳内糖原分解和糖积累加快，并抑制ABA信号通路中两个重要转录因子OsABAI3和OsABI5的表达，种子出现早萌的表型。Liu et al.(2019)发现水稻钼辅因子基因OsCNX6参与调控ABA的合成，该基因在调控水稻籽粒发育、尤其是种子休眠、萌发和穗发芽控制方面中发挥重要作用。中科院储成才课题组发现穗发芽基因PHS9在水稻种子胚胎发育晚期特异性表达，该基因编码一类谷氧还蛋白，可与ABA受体RCAR结合，负调控ABA信号转导(Xu et al.,2019)。中国水稻研究所种子发育团队近期揭示了SAPK10-bZIP72-AOC通路介导脱落酸和茉莉酸协同抑制水稻种子萌发的分子机制，该研究为改良水稻种子萌发特性和提高穗发芽抗性提供了重要的理论依据(Wang et al.,2020)。华南农业大学王洲飞团队发现水稻种子萌发过程中，异丙基苹果酸脱氢酶合酶基因OsIPMS1与淀粉水解、糖酵解活性及能量代谢密切相关，该基因或可作为预测种子萌发能力的分子标记(He et al.,2019)。

WRKY蛋白是一类植物特有的序列特异性的DNA结合转录因子，其家族基因也是高等植物最大的基因家族之一，在调控植物生长发育、对抗生物和非生物胁迫等许多过程中发挥着重要的作用(Rushton et al.,2010；黎家和李传友,2019)。在调控种子萌发的过程中，WRKY蛋白既可作为阻遏物，又可作为激活物与靶基因的启动子结合。研究表明，在拟南芥中WRKY往往通过正调节或负调节ABA代谢与信号转导途径相关基因的表达起作用，比如AtWRKY6、AtWRKY18、AtWRKY41、AtWRKY60、AtWRKY63被认为是ABA信号过程的正调控因子(伍静辉等,2018)。另一些WRKY转录因子如AtWRKY2、AtWRKY40、OsWRKY24则通过负调控ABA信号起作用。