[发明专利]一种增加水稻产量的长链非编码RNA基因及其应用

说明书

本发明公开了一种增加水稻产量的长链非编码RNA基因及其应用。该水稻长链非编码RNA(lncRNA)基因，命名为XLOC_050158，其在初级颖果开花后5天时高表达，在次级颖果开花后12天高表达，属于典型的水稻颖果发育中期延迟表达lncRNA。通过构建XLOC_050158的过表达水稻并观察其表型发现，过表达水稻次级颖果的粒重增大，并接近于初级颖果的粒重，而过表达水稻的株高、穗长和单穗总颖花数、初级颖花数与次级颖花数均没有明显变化。本发明为获得高产水稻提供了重要的科学依据和技术支撑。

技术领域

本发明涉及一种改善水稻产量构成因素而显著提高产量的长链非编码RNA(lncRNA)，特别涉及调控水稻次级颖果发育状态而增加其粒重的lncRNA及其应用。

背景技术

水稻是重要的粮食作物，占我国粮食总产的三分之一以上。因此，增加水稻产量对确保我国粮食安全与可持续性发展具有十分重要的战略意义。水稻库容量(产量潜力)的扩增是实现其超高产的重要前提。近十余年间，我国、日本及国际水稻研究所等国内外诸多研究机构，已成功培育出许多新的短秆穗重型和大粒型的新株型水稻，其库容量获得极大增加，从而奠定了超高产的潜力基础。这些超高产潜力水稻品种拥有良好的株型与冠层结构，又具有优异的单叶光合生产力，从而决定了它们高的物质生产能力。然而，超高潜力水稻产量水平的实现被其次级颖果发育所形成籽粒的充实性所左右和限制。研究表明，相较于初级颖果而言，水稻次级颖果胚乳细胞的增殖速率、胚乳细胞数目及后期物质蓄积速率明显低下，成为导致水稻次级颖果充实率低下进而影响产量水平实现的根本原因。

贾生华等(Journal of Plant Physiology,2021,256:153310)利用高通量测序技术对水稻开花后0、5、12和20天的初级与次级颖果进行全转录组水平的基因表达分析，获得了次级颖果中比初级颖果同期表达延迟的基因。对这些延迟表达基因进行功能富集分析，发现生长素信号通路调控基因存在显著富集，暗示生长素可能是影响这些基因在次级颖果延迟表达的关键信号。进一步对次级颖果进行开花前生长素外施实验处理，结果表明外施生长素使得次级颖果胚乳细胞增殖速率加大、籽粒长度宽度增加和籽粒重量明显增加，而且延迟表达基因的整体表达模式也明显恢复。昌姝等(PLoS Genetics,2020,16:e1009157)针对初级和次级颖果发育早期(开花后0天和5天)的表达基因进行了系统性比较分析，对其中一个延迟表达基因——天冬氨酸蛋白酶1基因(OsAsp1)进行了系统研究。结果表明，初级与次级颖果中OsAsp1差异性表达决定了初次级颖果中生长素含量的差异，而这一过程是由OsAsp1与生长素合成关键基因OsTAA1转录抑制因子(OsTIFs)的互作，解除OsTIF1对OsTAA1转录抑制实现的。同时，生长素可以解除OsTIF1与OsAsp1互作，使OsTIF1从内质网转移入核，形成反馈抑制通路抑制OsTAA1转录，从而达到精细调控初级与次级颖果间生长素水平的差异。另外，水稻开花后OsAsp1的转录受开花当天初级颖果中高水平的生长素通过转录因子OsMADS29激活来实现的。由此形成了生长素-MADS29-OsAsp1-OsTIF1-OsTAA1-生长素的反馈调控环通路，决定了初级与次级颖果中生长素含量的差异分布，从而最终决定了初级与次级颖果籽粒重量的差异。在该项研究中，虽然发现osasp1突变体次级颖果粒重与初级颖果接近，但由于突变体为纯合致死导致其结实率下降，因此不能实现使水稻产量增加的目标。

随着高通量测序技术的发展，越来越多lncRNA的功能被解析，揭示了其在植物生长与生殖发育过程、生物胁迫与非生物胁迫响应中发挥重要作用。有研究报道，某些lncRNAs参与调控水稻颖果发育并影响籽粒大小与重量。然而，关于调控水稻初级与次级颖果差异性发育的lncRNA未见任何报道。

发明内容

本发明的目的在于寻找一种调控水稻颖果籽粒发育并能够提高次级颖果粒重的相关lncRNA，进而提供一种提高水稻产量的应用价值性功能基因及有效方法与技术。