提高水稻氮肥利用效率和产量的基因及其应用制造技术

本发明专利技术公开一种控制氮肥利用效率和产量性状的基因OsGRF4与其等位基因及其应用。OsGRF4可以促进水稻氮肥吸收、转运和同化基因的表达和酶活性，进而提高水稻氮肥利用效率；同时，OsGRF4可以促进细胞分裂，提高光合作用效率，进而提升水稻产量。等位基因OsGRF4

【技术实现步骤摘要】
提高水稻氮肥利用效率和产量的基因及其应用
本专利技术属于生物
具体地，本专利技术涉及一种控制作物氮肥利用效率和产量的基因与其等位基因及其应用。本专利技术还涉及该基因的启动子序列和该基因编码的多肽序列，以及利用分子标记辅助选育、基因组编辑和转基因技术培育高产和氮肥高效利用水稻品种的方法。
技术介绍
水稻(OryzasativaL.)是世界上十分重要的粮食作物，其总产量占世界粮食总产量的1/4，全球一半以上的人口以水稻为主食。一方面，因世界人口逐年增加，粮食刚性需求也不断增加；另一方面，耕地面积逐年减少、水资源短缺、自然灾害频繁发生、工业化程度加剧和人类活动造成环境破坏等问题越来越严重。因此，如何持续提高水稻单产是目前育种面临的巨大挑战。上世纪60年代初，掀起了以半矮化育种为特征的第一次“绿色革命”。在过去的50年，半矮杆基因semi-dwarf(sd1)在籼稻育种中被广泛利用。半矮杆基因sd1增加了水稻的种植密度和抗倒伏能力，提高了收获指数，解决了因大量施肥导致的植株倒伏和减产问题，从而实现了水稻单产的大幅度提升。但是，半矮杆水稻品种表现出其生长发育对氮肥响应的减弱，也降低了水稻对氮肥的利用效率(nitrogenuseefficiency，NUE)。半矮杆水稻品种的大面积推广与应用，导致化肥、农药的大量使用和土壤退化。20世纪70年代以来，中国的氮肥使用量快速增长，从1980年每年施氮肥量为1269.4万吨增加到2014年每年施氮肥量为5995.9万吨，增长了3.7倍，年均增长率为4.67％。这期间，粮食产量的快速增长主要是由于施氮量的增加引起的。但是，过多的施加氮肥，不仅使农产业的生产成本提高，经济效益下降，而且会引起大气、江河、湖泊被污染等一系列的生态环境问题。因此，在不减产的条件下，如何减少氮肥的使用量是水稻育种与生产中必须要考虑的因素，以便于解决水稻产量提升与生态环境冲突问题。目前，人们对植物氮吸收与利用的遗传调控机制的认识获得了较大的进展，例如，氮的转运蛋白(CrawfordandGlass1998；Forde2000；HowittandUdvardi2000；Glassetal.2001；WilliamsandMiller2001)的发现，以及负责将氮转变为氨基酸和其他化合物的酶类的功能研究(Campbell1988；Lametal.1996；HirelandLea2001)。近年来，随着植物分子生物学和功能基因组学的迅速发展，利用QTL定位、GWAS分析和基因图位克隆等技术，成功地分离并鉴定了多个参与氮吸收与代谢调控相关的关键基因/主效QTL。例如，在玉米中，鉴定到一些参与低氮胁迫应答响应的QTL位点(Agramaetal.1999)；在水稻中，检测到了几个参与氮同化的酶(Yamayaetal.2002；Obaraetal.2001，2004)、不同氮水平下植物剑叶中蛋白及氮含量、植物株高以及幼苗期耐低氮胁迫响应相关的一些QTL位点(FangandWu2001；Lianetal，2005)等。尽管在水稻和玉米中已获得了几个氮高效利用相关的候选基因(GallaisandHirel，2004；Martinetal.，2006；Obaraetal.2001；Tabuchietal.，2005)，但是人们对控制植物氮吸收与利用效率的遗传调控网络的认识还非常有限。
技术实现思路
本专利技术人利用15N同位素标记的铵根离子(15NH4+)，筛选并鉴定了一些具有较高氮肥吸收能力的水稻品种。在此基础上，利用QTL定位和图位克隆的方法，分离并克隆了提高水稻氮肥利用效率和产量的基因OsGRF4及其优异等位变异OsGRF4ngr2和OsGRFRD23，鉴定了一批携带OsGRF4不同等位变异的近等基因系材料。通过对水稻近等基因系材料的表型分析及遗传互补实验，证明了该基因的功能。本专利技术人的研究将为从分子水平揭示植物氮肥利用效率的遗传调控网络，为包括水稻、小麦在内的主要农作物氮高效利用和高产分子育种提供理论依据及具有重要育种利用价值的新基因资源。因此，总的来说，本专利技术提供一种控制水稻氮肥利用效率和产量性状的基因及其应用。具体地，本专利技术涉及OsGRF4及其优异等位变异OsGRF4ngr2和OsGRFRD23，在不影响株高性状的条件下，实现水稻氮肥利用效率和产量的协同提升。本专利技术的目的在于提供一个可同时提高主要农作物(例如，水稻、小麦等)产量和氮肥利用效率的重要功能基因及其应用。具体而言，本专利技术人利用15N同位素标记的铵根离子，通过对携带“绿色革命”基因sdl的半矮杆高产水稻品种材料进行铵态氮吸收速率的测定，鉴定到一个育种中间材料NM73(安徽荃银高科种业股份有限公司提供)具有较高的铵态氮吸收速率。利用NM73与籼稻品种南京6号(NJ6，中国水稻研究所钱前研究员提供)杂交所构建的遗传群体，通过QTL定位和图位克隆技术，成功地分离并克隆了一个控制水稻氮肥利用效率的关键基因OsGRF4(Growth-RegulatingFactor4)。在此基础上，构建了水稻NJ6品种背景下的一对近等基因系NJ6-OsGRF4和NJ6-OsGRF4ngr2，以及高产水稻品种9311背景下的一对近等基因系9311-OsGRF4和9311-OsGRF4ngr2。通过多年多点的大田试验，证实了优异等位基因OsGRF4ngr2能显著提高水稻氮肥利用效率和产量。本专利技术人还将优异等位基因OsGRF4ngr2导入到高产粳稻品种武运粳7号(WYJ7-dep1，江苏武进水稻研究所钮中一研究员提供)和小麦高产品种科农199(KN199，中国科学院遗传发育所李俊明研究员提供)中。大田试验结果表明，在高产水稻和高产小麦中导入OsGRF4ngr2，能实现氮肥高效利用和产量进一步提升。本专利技术的第一方面，通过对携带“绿色革命”基因sd1的不同水稻资源材料进行15N同位素标记的铵态氮吸收速率的测定，鉴定到了一个水稻新品系NM73，它具有较高的铵态氮吸收速率。利用NM73与铵态氮吸收速率较低的籼稻品种南京6号杂交所构建的群体，通过QTL分析，鉴定到了两个控制水稻铵态氮吸收能力的主效QTL位点，qNGR1(NitrogenGrowthResponsesinChromosomel)和qNGR2(NitrogenGrowthResponsesinchromosome2)。在此基础上，我们对qNGR1的卡位区间进行精细定位和图位克隆，候选区段所有基因测序比较分析发现qngr1就是控制水稻株高的“绿色革命”基因sd1。同时，我们通过回交NJ6，开展qngr2的精细定位和图位克隆，并将qngr2卡位到了水稻第二条染色体的长臂端的一个2.7kb的物理范围内。对候选基因测序分析发现qngr2就是基因OsGRF4。通过构建南京6号背景下的近等基因系NJ6-OsGRF4ngr2和遗传互补实验证实OsGRF4基因就是控制水稻氮肥吸收的关键基因。本专利技术的第二方面涉及控制水稻氮肥利用效率和产量的基因OsGRF4及其优异等位基因，本专利技术人将所述优异等位基因命为OsGRF4ngr2和OsGRF4RD23。在一个实施方案中，提供所述控制水稻氮肥利用效率和产量的基因OsGRF4及其等位基因，其为一种分离的本文档来自技高网...

【技术保护点】
控制氮肥利用效率和产量的基因，其编码SEQ ID NO：9或10示的氨基酸序列。

【技术特征摘要】
1.控制氮肥利用效率和产量的基因，其编码SEQIDNO：9或10示的氨基酸序列。2.根据权利要求1所述的基因，其中所述基因如SEQIDNOs：2-3、5-6或8中任一个所示。3.包含权利要求1或2所述的基因的重组构建体。4.包含权利要求1或2所述的基因或权利要求3所述的重组构建体的宿主细胞，其中所述宿主细胞为微生物细胞，优选为大肠杆菌细胞或农杆菌细胞。5.一种培育具有高氮肥利用率和高产量的作物的方法，所述方法包括：将权利要求1或2所述的基因转染到作物细胞中获得转基因作物植株，使得在所述转基因作物中权利要求1或2所述的控制氮肥利用效率和产量的基因的表达量增加，从而获得具有高氮肥利用率和高产量的作物，其中所述作物为水稻或小麦。6.一种培育具有高氮肥利用率和高产量的作物的方法，所述方法包括：将含有权利要求1或2所述的控制氮肥利用效率和产量的基因的作物植株与该作物另一植株杂交得到杂交作物植株，使得在所述杂交作物中权利要求1或2所述的控制氮肥利用效率和产量的基因的表达量增加，从而获得具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅向东，李姍，吴昆，田水航，叶亚峰，刘倩，
申请(专利权)人：中国科学院遗传与发育生物学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11