本发明专利技术公开了一种玉米ZmWx基因在提高玉米产量和改良籽粒性状中的应用。是从玉米胚乳cDNA中克隆ZmWx基因序列，所述ZmWx基因编码玉米颗粒结合型淀粉合成酶GBSSI，将其与胚乳特异性启动子形成融合基因，用转基因技术将融合基因重组到植物表达载体中转化玉米，获得产量提高和籽粒性状改良的玉米转基因植株；或将GBSSI过表达玉米与突变型AGPase过表达的高淀粉玉米杂交，筛选获得转基因聚合体，产生籽粒产量、淀粉含量和百粒重显著高于受体材料的玉米转基因株系。本发明专利技术的应用为高淀粉玉米和高直链淀粉玉米的开发创制提供了基础和手段，也为玉米产量提高和淀粉品质改良探索出一条新途径。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属作物生物工程育种领域，具体说，涉及一种玉米ZmWx基因在提高玉米产 量和改良籽粒性状中的应用。
技术介绍
淀粉是人类食物不可或缺的组成成分，也是食品工业和化学工业的重要原材料， 在人类生活中扮演着重要角色。随着淀粉加工工业的快速发展，淀粉的用途不断扩宽，特别 是燃料乙醇的生产，致使淀粉的需求量急剧攀升。玉米作为全世界第一大作物，其产量高于 小麦和水稻，并且在各种作物淀粉中，玉米淀粉具有最佳的化学组成，产量最高。2013年全 球淀粉产量约6880万吨，其中玉米淀粉约6100万吨，占总量的89%。我国淀粉加工业90% 以上以玉米为原材料。在普通玉米籽粒中，淀粉含量一般在65%左右。淀粉含量高于74% 的高淀粉玉米具有良好工业用途。目前我国主要推广的高淀粉玉米以混合型高淀粉玉米为 主，其粒重、胚乳重均高于普通玉米，且胚乳所占比例较大，籽粒蛋白含量与普通玉米差异 不大，但粗脂肪含量低于普通玉米。 淀粉是葡萄糖分子通过α-1，4糖苷键或α-1，6糖苷键聚合而成的大分子碳水化 合物，根据结构的不同，可分为直链淀粉和支链淀粉。普通玉米籽粒淀粉中，直链淀粉一般 占25-30%，支链淀粉占70-75%。直链淀粉分子量较小，一般是由200-5000个葡萄糖单 位以α-1，4糖苷键构成的线性分子，只含少量分支（平均每1000个葡萄糖单位中少于一 个）。普通玉米直链淀粉的聚合度一般为230-2370,与水稻直链淀粉类似，而马铃薯直链淀 粉的聚合度较大，一般为970-9770(HanashiroandTakeda1998)。支链淀粉多数分子量 大，一般由5000个以上葡萄糖单位组成，含有较多分支，分支点处以α-1，6糖苷键连接，分 支链的长度从6-100DP(聚合度，degreeofpolymerization)不等。玉米支链淀粉的数均 聚合度（DPn)为15900,其大型、中型和小型分子的DPn分别为26500、8400、1100,摩尔分数 分别为54%、16%、30%;质量分数分别为90%、8%、2%〇^1?5(^6丨31.2003)。直链淀粉 与支链淀粉的结构特点决定了二者具有较大的理化特性差异。 淀粉的分子结构决定了淀粉的蒸煮品质和工业用途，结构参数包括直链淀粉/支 链淀粉比例（直/支比）、直链淀粉聚合度以及支链淀粉分支链长和分布。其中直/支比 对淀粉特性和用途影响最大，高纯度的支链淀粉或直链淀粉更能满足食品和工业加工的不 同需求。支链淀粉具有较大的粘度和膨胀系数，应用于食品加工中能增加粘糯口感和膨化 食品的体积，并且在工业领域多作为粘合剂使用。直链淀粉相比于支链淀粉，用途更加广 泛，以其具有不溶于水特性、低粘度、较高的糊化温度、良好的成膜性、抗润胀性、高稳定性， 成为了糖果、造纸、纺织、制药、和塑料生产领域理想的原材料。尤其是直链淀粉可以被应用 于生产光解型农用塑料薄膜，能够取代传统的不可降解塑料，有效减少"白色污染"，是全球 都关注的热点产品。近年来，以直链淀粉为原料生产的抗性淀粉成为饮食健康方面的新焦 点。抗性淀粉具有类似膳食纤维的结构特性，在小肠内不能被消化水解为葡萄糖，不易进入 循环系统而使血糖增高。因此，抗性淀粉是糖尿病人的理想食品，同时也可被开发为健康有 效的减肥食品。由此，越来越多的研究人员致力于直链淀粉的提纯和高直链淀粉作物的育 种工作。 在禾谷类胚乳中淀粉的合成是一个多酶催化的复杂过程，主要涉及四大类酶： ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase)、淀粉合成酶（SSs)、淀粉分支酶（SBEs)、淀粉去分支酶 (DBEs)。这四大类酶都包括许多家族成员，各成员又有精细分工，在淀粉合成过程中发挥不 同的作用。近年来，随着大量淀粉合成相关酶类突变体的发现和基因工程技术的迅猛发展， 结合正向遗传学与反向遗传学分析，学者们对各类酶及家族成员的表达模式、结构、亚细胞 定位、催化特性以及表达调控等的研究取得了长足进展。 直链淀粉主要是由颗粒结合型淀粉合成酶GBSSI负责合成的。淀粉合成酶将 ADPG(ADP-葡萄糖）中的葡萄糖基添加到支链淀粉的分支链或直链淀粉的非还原性末端。 淀粉合成酶可分为5个家族：SSI、SSII、SSIII、SSIV和GBSS。它们分别延伸支链淀粉中 不同聚合度的支链，或者延伸线性的直链淀粉链。GBSS家族有两个成员：GBSSI和GBSSII。 GBSSI由Wx基因编码，主要负责胚乳和花粉粒中直链淀粉的合成。GBSSII主要在叶片中表 达，负责非储藏器官中的直链淀粉的合成。在玉米、小麦、水稻、马铃薯的GBSSI缺失突变体 中，贮藏器官淀粉粒中仅含有支链淀粉组分，几乎不含有直链淀粉成分。在这些突变体中， 直链淀粉的缺失不影响淀粉粒的表型，这表明只有支链淀粉是淀粉粒结构不可或缺的组成 部分（Zeemanetal. 2010)。GBSSI区别于其他家族淀粉合成酶的两大特征是它仅限于淀 粉粒的严格亚细胞定位和它发挥作用的模式。与可溶性淀粉合成酶不同，GBSSI是唯一能 够连续地延伸直链淀粉的淀粉合成酶，生成长的寡糖链。与此相反，其它淀粉合成酶在淀粉 粒中和淀粉体基质中均有定位，只负责支链淀粉分支链的合成，不能合成直链淀粉。 越来越多的证据表明，在高等植物中，GBSSI负责的直链淀粉合成起始于引子 M0S(Denyeretal. 1996)。68331合成直链淀粉的能力表现为既能够利用低聚麦芽糖（105) 为引物合成直链淀粉，也能够作用于支链淀粉的侧链，负责超长链的合成。在碘结合法测定 直链淀粉含量时，支链淀粉中的超长链也被算作为表观直链淀粉含量的一部分。将正常的 Wx基因导入水稻wx突变体中，胚乳表观直链淀粉含量增加至22 %左右，而其中真正的直链 淀粉含量为16%左右，其它部分为超长链，表明Wx基因的导入对支链淀粉最大的影响是增 加了超长链含量（Hanashiroetal.2008)。在小麦和马铃薯中也有类似的报道（Kitahara etal. 2007) 〇 在高等植物淀粉储存器官发育中，直链淀粉含量的增加开始于发育中后期。在玉 米中，胚乳直链淀粉的含量在授粉后14天到28天中由18%增加到26. 5%。有4类因素影 响GBSSI合成直链淀粉的能力，即有功能的Wx基因拷贝数及其转录本、对引物M0S的亲和 力、底物ADPG含量和淀粉粒中支链淀粉的结构特性。在玉米突变体胚乳中，有功能的Wx基 因拷贝数与GBSSI酶活性以及直链淀粉含量（AC)成正相关，其中Wx基因拷贝数与酶活性 成线性关系（Tsai1974)。尽管其它淀粉合成酶也能在M0S上添加一个葡萄糖基，但这之后 淀粉合成酶（SS)与低聚麦芽糖解离，不能再继续延长，而GBSSI能够一个接一个地连续将 葡萄糖基连入M0S直至合成直链淀粉。GBSSI对M0S的亲和力是其它淀粉合成酶的20倍以 上，因此，在体内M0S浓度很低的情况下GBSSI仍能够有效地结合M0S并使之延伸。Denyer 等还发现离体的可溶性GBSSI对M0S的亲和力非常低并且不再能持续地延伸M0S，然而当 向体系中加入少量支链淀粉时，GBSSI对M0S的亲和力提高并能够持续延伸。这表明GBSSI 对MOS的重要且独特的特性可能依赖于与淀粉粒中本文档来自技高网...
【技术保护点】
玉米ZmWx基因在提高玉米产量和改良籽粒性状中的应用。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张举仁，赵丫杰，王慧，李朝霞，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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