[发明专利]一种蜈蚣草植酸酶及其应用

说明书

本发明公开了一种蜈蚣草植酸酶及其应用。该基因的核苷酸序列如SEQ ID NO：1所示。该蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO：2所示。本发明首次公开了一种在蜈蚣草根系表达的HAP型植酸酶PvPHY1基因和/或蛋白及其在促进植物吸收和利用磷及促进植物生长的应用。本发明利用蜈蚣草植酸酶基因，促进植物吸收磷、促进植物利用磷和/或促进植物生长，对实现土壤磷营养的高效利用，及遏制由于农业磷肥低效化导致的水体富营养化问题具有重要意义。

技术领域

本发明涉及植物基因工程技术领域，具体地，涉及一种蜈蚣草植酸酶及其应用。

背景技术

磷对于植物的生长至关重要，但土壤中磷的有效性低。有机磷是土壤中磷的重要组成部分，通常占土壤总磷的30～80％。在有机磷中，植酸的占比最高，占有机磷的50％，土壤总磷的25％。在低磷土壤中，植物可以有效地通过合成磷酸酶水解土壤中的有机磷来增强对磷的吸收。植酸酶是植物利用植酸的基础，但大部分植物难以利用外部土壤中的植酸，这是由于大部分植物的根系不具有高效合成植酸酶进而水解土壤中植酸的能力。

植物中的植酸酶可以分为两类：组氨酸酸性磷酸酶(HAP)和紫色酸性磷酸酶(PAP)。PAP水解底物比较广泛，大部分PAP不能水解植酸，仅有少部分PAP可以同时水解植酸和其他有机磷酸盐。而HAP对植酸的水解专一性更强，是一种以植酸为唯一底物的具有较强特异性的植酸酶。目前，在植物中已鉴定出的几种HAP主要包括小麦(TaPhys)、大麦(HvPhys)、百合(LlALP1/LlALP2)和玉米(ZmphyS11/ZmPHYTI/ZmPHYTII)。这些HAP主要在种子萌发中发挥作用。现有技术中，仅有小麦中的TaPhyIIa2和大麦中的HvPhyIIb得到了基因功能鉴定，有关其他HAP的公开技术非常罕见。

蜈蚣草(Pteris vittata L.)是第一种被发现能超富集砷(As)的植物。除了表现出极强的砷吸收、转运及富集能力外，蜈蚣草的磷营养利用机制也非常独特。因为蜈蚣草通常生长在低磷的土壤环境中，长期的低磷限制帮助蜈蚣草进化出了高效的磷获取策略，其中最具有代表性的就是可以高效地利用植酸。现有技术公开了，在植酸作为唯一的磷源时，蜈蚣草生长良好；而普通植物难以在单一的植酸环境中生长。此外，与大多数植物不同的是，蜈蚣草的植酸酶在根系中发挥重要作用。现有技术公开了蜈蚣草根系的蛋白提取物具有较高的植酸酶活性，蜈蚣草根系植酸酶具有从土壤中的有机磷中获取磷的重要潜力(Lessl,Jason T et al.“Novel phytase from Pteris vittata resistant toarsenate,high temperature,and soil deactivation.”Environmental ScienceTechnology vol.47,5(2013):2204-11.)。专利CN106164275A公开了蜈蚣草根系蛋白提取物具有耐高温耐砷的植酸酶活性，也公开了整体或部分编码蜈蚣草根系植酸酶的核苷酸序列及其对应的氨基酸序列。但现有技术公开的植酸酶中没有HAP型植酸酶，也没有明确这些公开序列的蛋白是否具有植酸酶活性，更没有公开蜈蚣草公开序列的植酸酶基因在异种植物中表达时对吸收利用磷的影响。因此，目前在蜈蚣草根系中发挥作用的HAP型植酸酶蛋白尚未得到鉴定，限制了利用根系植酸酶提高植物对土壤中磷利用效率的实际应用。

烟草是重要的经济作物，烟草的正常生长和农业生产对矿质营养元素的需求也很大。其中，磷素营养对烟草的生长发育有重要的作用。一方面，磷营养能够有效地改善根系生理性状，并提高根系活力，显著改善烟草抗病、抗逆能力。另一方面，磷营养对烟叶的生长和品质有非常大的影响。适当提高磷营养，能够改善烟草叶片组织结构，使烟叶适时落黄；足够的磷素养分是维持烟草正常光合作用的关键。总的来说，充足的磷营养是保障烟草正常生长、收获高品质烟叶必不可少的条件之一。此外，烟草也是生物学研究的重要模式植物，以烟草为研究对象的实验结果对理解其他植物的矿质营养代谢、植物生理机制等有重要的意义。