[发明专利]水稻大粒基因LG1及其应用

说明书

本发明属于植物基因工程领域，具体涉及一种控制水稻籽粒发育基因LG1的分离克隆、功能验证，及其在水稻在生产实践中的应用。本发明公开了一种水稻大粒基因LG1及其编码的蛋白质，本发明还同时公开了水稻大粒基因LG1的用途：增大禾本科植物籽粒以及增加产量。

技术领域

本发明属于植物基因工程领域，具体涉及一种控制水稻籽粒发育基因LG1的分离克隆、功能验证，及其在水稻在生产实践中的应用。

背景技术

水稻是人类重要的粮食作物，主要分布于亚洲、欧洲南部、美洲及非洲等地，养活了世界三分之一以上的人口。随着人口逐年增加，可用耕地面积减少,自然灾害频发，土地流转与非粮化趋势加剧，粮食安全成为困扰许多国家的重大问题，保持粮食的稳产和高产成了农作物育种的首要目标。

水稻产量主要由有效穗数、每穗实粒数和千粒重三个因素构成。水稻高产育种中，千粒重是决定产量的三要素之一，而粒形是决定千粒重的重要农艺性状。其中，反映粒形的指标主要包括粒长、粒宽、粒厚和长宽比。这些指标不但与水稻产量息息相关，同时也影响水稻的外观品质，决定其最终的商品价值。迄今为止，已有多个控制粒形的基因被克隆，它们主要参与细胞增殖与扩展、植物激素、泛素化、灌浆和小RNA等分子机制的调控，为提高水稻产量和改良稻米品质奠定了重要的基础。

水稻粒长、粒宽、粒厚和长宽比都是由多基因控制的数量性状，其多数相关的数量性状位点(QTL)主要是通过影响颖壳细胞的分裂来调控粒形，初步揭示了粒形的分子调控机理。GS3、GW6a和GL7/SLG7主要参与水稻粒长和粒重的调控。GS3位于第3染色体着丝粒附近，是影响粒长和粒重的主效QTL(Fan et al.,2006)。GS3编码一个含有3个结构域的跨膜蛋白，其中OSR结构域是影响粒长的必要元件，而VWFC结构域对OSR结构域有抑制作用(Maoet al.,2010)。GS3功能丧失后，导致籽粒变长、变窄及粒重增加；GS3超表达之后，籽粒变小、植株矮化、生长发育受到抑制，表明GS3是粒长的负调控因子。与短粒品种相比，长粒品种中该基因在第二个外显子发生了一个无义突变，造成蛋白质翻译提前终止。水稻品种基因组关联分析表明位于GS3第二个外显子的这个无义突变是造成水稻自然群体中粒长差异的重要原因(Fan et al.,2009)。GW6a位于第6染色体，编码一个拥有组蛋白乙酰转移酶活性的类GNAT蛋白OsglHAT1，正向调控粒长、粒重和植株生物量。GW6a超表达之后，籽粒变长，表达受抑制后籽粒则变短，同时该基因在拟南芥中超表达之后种子长度也增加(Song etal.,2015)。GL7/SLG7位于第7染色体，编码一个拟南芥LONGIFOLIA蛋白的同源蛋白，正向调控颖壳细胞的纵向伸长(Wang Y et al.,2015；Zhou et al.,2015)。研究发现美国长粒粳稻中发生了一个17.1Kb的串联重复，引起GL7表达水平上调，并下调GL7邻近负调控因子的表达，从而增加了粒长并显著改善稻米的外观品质(Wang Y et al.,2015)。GW2、GW5/qSW5和GS5主要参与调控水稻粒宽和粒重。GW2位于第2染色体，是粒宽和粒重的主效QTL，编码一个具有E3泛素连接酶活性的RING蛋白，通过将其底物锚定到蛋白酶体进行降解，从而负调节细胞的分裂。GW2主要是通过颖壳细胞数目增多使颖壳变大，同时也提高了水稻灌浆速率，从而改变籽粒的大小及产量(Song et al.,2007)。GW2基因除了影响了籽粒的发育，也调控了整个植株的发育。因此，与GS3基因一样，同属于多效性基因。GW5/qSW5是位于第5染色体上控制粒宽和粒重的主效基因，编码一个富含精氨酸区域的核定位蛋白。酵母双杂实验表明GW5/qSW5可能参与水稻的泛素蛋白酶降解途径，暗示了GW5/qSW5在种子发育过程中通过泛素-蛋白酶复合体途径调控颖壳的细胞分裂，从而影响籽粒宽度和粒重，功能上GW5/qSW5与GW2有相似的作用(Shomura et al.,2008；Weng et al.,2008)。GS5基因位于第5染色体上，编码一个丝氨酸羧肽酶，正向调控水稻粒宽和粒重(Li et al.,2011)。GS5基因通过影响细胞的数目和大小影响籽粒的宽度，其表达量的升高会促进颖壳细胞分裂，从而增加粒宽，反之则反。研究表明，宽粒和窄粒品种都编码完整的GS5蛋白，因此造成粒宽差异的原因可能是该基因表达量高低的差异。迄今为止，GS3、GW5/qSW5、GS5等已经被人为选择并广泛应用于水稻育种实践中。