[发明专利]γ-聚谷氨酸在植物中异源合成提高植物抗逆性和产量的方法

说明书

本发明公开了一种γ‑聚谷氨酸在植物中异源合成提高植物抗逆性和产量的方法，是从产γ‑PGA的菌株中克隆合成γ‑PGA的3个关键酶基因PgsA、PgsB、PgsC，并根据植物中的密码子偏好性重新合成密码子优化后的PgsA、PgsB、PgsC基因序列，并连入载体pU130‑bar，获得植物表达载体PGA001，通过农杆菌介导转入到植物中，获得产γ‑聚谷氨酸的转基因植物新品系。实验证实本发明方法获得的新品系转基因玉米不仅可以提高抗旱性同时还可以提高抗盐性，并且在干旱胁迫条件下、正常生长条件下还可以显著提高玉米的生物量。上述结果预示本发明方法是一种绿色、高效、可持续的解决作物在干旱、缺水、盐碱胁迫下稳产或少减产的有效途径，可广泛应用于植物的抗旱、耐盐分子育种与新品种培育。

技术领域

本发明涉及一种提高植物抗逆性和产量的方法，尤其涉及一种γ-聚谷氨酸在植物中异源合成提高植物抗逆性和产量的方法，属于基因工程、遗传育种、合成生物学技术领域。

背景技术

干旱、土壤盐渍化等非生物胁迫已经成为世界上许多国家、地区农作物生产的主要限制因素。在中国，约一半的国土面积处于干旱和半干旱区。随着全球气温升高，我国水资源愈发短缺，干旱对农作物产量的影响越来越大。此外，土壤盐渍化也是影响作物产量的主要环境因素。目前世界上约20％耕地和近50％灌溉用地受到盐渍的严重危害，中国盐渍化土地约占全球盐渍土面积的10％。利用现代生物学技术培育抗旱、抗盐的优质高产作物新品种具有重要的战略意义，是提高作物产量、保障粮食安全和农业可持续发展的重要选择。而开发抗逆且高产的优质基因并通过转基因工程改造农作物是避免其在逆境条件下减产的有效途径。

植物转基因技术应用十分广泛，主要应用在抗虫、抗除草剂、抗逆和提高产量等方面。随着1995年世界第一例转基因抗虫玉米在美国获得商业化种植批准，越来越多的转基因作物在美国、巴西等国家开始大面积推广种植。

目前，国际上转基因抗旱作物的研究大部分来自于一些渗透调节物质合成相关的基因、转录因子、抗逆信号传导途径中的相关基因等，还有一些水通道蛋白基因、伴侣蛋白基因、ABA合成途径中的相关酶基因等。例如，2007年Qin等在玉米中过表达转录因子ZmDREB2A显著提高了玉米的抵抗干旱和高温的能力；2010年Zhang等将盐芥中的转录因子TsCBF1转入玉米中从而提高了玉米的抗旱性；将来自细菌的渗透调节物质甜菜碱合成途径中的酶GSMT2、DMT2、betA转入玉米中提高了玉米的抗旱性；将来自大麦的LEA蛋白家族的HAV1基因导入玉米显著提高了玉米的抗旱性；ZmCIPK2作为响应逆境的信号途径中的一个蛋白激酶，在玉米中过表达后能明显改善玉米的抗旱性；在玉米中异源表达拟南芥LOS5基因，可以显著提高玉米中的ABA含量和抗旱性。

研究报道表明，盐胁迫信号途径主要可以分为渗透和离子平衡信号途径、细胞损伤与修复以及生长调节过程。目前为止，许多参与渗透保护物质合成、离子平衡、活性氧清除以及转录因子等过程的关键耐逆基因已被克隆，并且这些基因都不同程度的提高了转基因植物的耐逆性。例如，将合成甜菜碱的CMO(胆碱单氧化酶)基因转入烟草后，可以显著提高烟草的抗盐性(Wu等，2010)；过表达拟南芥AtSOS1显著提高了转基因植物的耐盐性(Qiuet al.,2002；Shi et al.,2003)；过表达拟南芥液泡膜Na⁺/H⁺反向转运蛋白(AtNHX1)基因可以显著提高转基因拟南芥、番茄的抗盐性(Zhang and Blumwald,2001；Zhang et al.,2001)；过表达拟南芥ANAC019、ANAC055和ANAC072/RD26能显著提高转基因植物的抗盐性；在棉花中过量表达拟南芥H⁺-PPase基因AtAVP1增加了转基因棉花的耐盐性和抗旱能力(Pasapula et al.,2011)；转TsVP基因玉米可以显著提高玉米的抗旱和抗盐性(wei等，2008)。上述研究结果表明，虽然已经有许多植物耐盐基因被克隆和表达，但是仍主要集中在拟南芥、烟草和番茄等模式植物中，在作物中并未广泛应用。