[发明专利]水稻长粒基因LOG1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LOG1的分离克隆、功能验证，及其在水稻生产实践中的应用。本发明公开了一种水稻长粒基因LOG1及其编码的蛋白质，本发明还同时公开了水稻长粒基因LOG1的用途：增加水稻籽粒的粒长和粒宽，从而提高水稻产量。

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LOG1的分离克隆、功能验证，及其在水稻生产实践中的应用。

背景技术

水稻是人类重要的粮食作物，养活了世界三分之一以上的人口。随着人口逐年增加，预测到2050年世界粮食产量必须增加70％才能满足日益增长的人口对粮食的需求。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(张健等，2020)。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，为提高水稻产量和改良稻米品质奠定了重要的基础(刘喜等，2018)。

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(Mao et 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)。qGL3/GL3.1位于第3染色体，编码一个Kelch重复结构域磷酸酶蛋白。qGL3/GL3.1主要通过改变颖壳细胞数目而改变颖壳长度，还影响水稻灌浆速率，从而改变籽粒的大小及产量，是水稻籽粒长度的负向调控因子(Zhang et al.,2012；Qi et al.,2012)。在水稻品种N411中，位于OsPPKL1蛋白第二个Kelch结构域内的发生了D364E稀有等位变异，导致了长粒表型(Zhang et al.,2012)。GL6位于第6染色体，编码一个AT富集和锌结合蛋白，正向调控粒长和粒重。GL6突变导致籽粒变短；其超表达籽粒变长(Wang et al.,2019)。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。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。GS9定位于第9染色体，编码一个未知结构域蛋白，作为转录激活因子调控了籽粒的大小及外观品质。GS9功能丧失后，导致籽粒变窄，其超表达籽粒变宽(Zhao et al.,2018)。植物激素和小分子RNA作为植物生长的重要调节因子，也参与粒形的发育与调控。TGW6能将吲哚乙酸-葡萄糖水解成游离的吲哚乙酸和葡萄糖，通过控制吲哚乙酸供应影响胚乳从合体到细胞化阶段的转变，从而限制细胞数目和籽粒长度。SG1编码一种功能未知的蛋白质，参与了油菜素类固醇(BR)的合成与信号转导。超表达SG1导致了短粒和矮化表型，SG1降低了对BR的应答，通过减少细胞增殖抑制籽粒的长度(Nakagawa et al.,2012)。BG1编码一个未知功能蛋白，参与生长素的转运，是生长素响应和转运的正调控因子，是植物特异的控制器官大小的调节因子，其过表达植株生长素极性运输能力增强，从而正调控籽粒大小(Liu et al.,2015)。GS2/GL2受OsmiR396调节，在OsmiR396靶位点发生了一个稀有显性突变，影响了OsmiR396对其的剪切，造成该基因的表达量显著上升，从而促进细胞的分裂和生长，产生长粒表型(Che et al.,2015；Duan etal.,2015；Hu et al.,2015)。