本发明专利技术公开了玉米C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因在提高小麦氮素利用效率中的应用。本发明专利技术提供了C4型植物的pepc或其编码基因或表达该编码基因的重组载体在促进C3型植物对氮的吸收、促进C3型植物根系生长和提高C3型植物产量中的应用。本发明专利技术利用基因枪介导法将玉米C4型pepc基因导入普通小麦周麦19，创制出了可稳定遗传与表达，氮素吸收利用效率较受体对照显著提高的转基因小麦材料，为利用该基因改良小麦等C3作物的养分吸收利用效率，选育高产优质节本高效转基因小麦新品种提供了材料和技术支撑。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及生物
，尤其涉及玉米C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因在提高小麦氮素利用效率中的应用。
技术介绍
氮是植物生长发育所必需的第一大矿质营养元素。氮肥作为最重要的农业生产投入品之一，为农作物产量的大幅度提高做出了重要贡献。自上世纪七十年代以来，我国化肥施用量迅速增加，目前已成为世界上化肥消费第一大国，其中氮肥占化肥消费比重的60％左右，每年氮肥用量占全世界氮肥用量的35％以上。化肥的施用量已十分惊人，已显现出对环境、农业生产力、生产效益和农产品安全十分不利的严峻态势。发达国家规定的化肥施用量安全上限是225公斤/公顷，我国已制定的生态县标准为250公斤/公顷，但目前我国化肥实际平均施用量已超过440公斤/公顷。目前，世界发达国家氮肥的平均利用率为40％-60％，我国却仅为30％-35％。化肥的大量施用已造成了严重的环境污染，我国每年有120万吨氮流入江河，50万吨氮渗透到地下水中，这些氮主要来自于农业，而农业中有50％来自于化肥，另外还有300万吨氮由土壤直接进入大气。同时过量的施用化肥还造成农业生产成本上升和能源消耗的增加，农产品安全问题也日趋严峻。肥料减施已列为国家“十三五”发展规划和国家中长期发展规划，同时也列为科技部“十三五”提前启动的重大专项。今年1月农业部通过《化肥使用量零增长行动方案》，力争到2020年，主要农作物化肥施用量实现零增长。小麦是世界上种植最广的粮食作物之一，其总产量居三大主产作物第二位。因此，大力提高小麦氮素营养效率、节约资源、保护环境、避免或减轻大气和地下水的污染，已成为我国当前实现农业可持续发展的迫切任务之一。氮肥高效利用小麦新品种的培育是解决这一迫切问题的重要技术途径。早在1971年Wilson和Haydock就研究了包括C3和C4植物的21种牧草中氮磷对生长的效应，发现C4植物生长优于C3植物，特别是在氮磷都不足的情况下，C4植物表现了其优越性。C4植物在碳代谢的生化途径和叶片解剖结构上与C3植物相比有着明显差异，碳代谢途径与氮代谢是相联系的，诸多实验证据表明C4植物的氮素利用率高于C3植物。比较C3植物(Festuca arundinacea)、C4植物(Panicum maximum)及C3-C4中间型植物(Panicum milioides)在不同氮素水平对光合速率响应的研究表明，叶片低氮素浓度下C4植物的光合速率明显高于后两者。何新华和李明启(1995)证实供给NO3-作为氮源，玉米比大麦更能有效的转运NO3-，在低浓度NO3-条件下表现更明显，还指出NO3-
和/或蛋白质的积累与NR活性无关。通过有性杂交的方法难以使C3植物获得C4植物特性，随着分子生物学技术特别是重组DNA技术的快速发展，为使C4途径关键酶基因在C3植物中表达提供了契机。PEPC、PPDK和RuBisco三个酶为C4途径主要的限速酶(Matsuoka et al.,2001)。目前，利用转基因手段，将一个或多个C4途径关键酶基因转化到C3植物(小麦、水稻、马铃薯、拟南芥等)已有多例的研究报道。C3植物中pepc为非光合型，对光合作用影响较小，但在其它代谢过程中起着重要的作用。如参与碳骨架的回补作用，补充TCA循环中因氨基酸合成损失的碳骨架；调节气孔运动；重新固定所释放的CO2；参与豆科植物的固氮作用等(Melzer and O'Leary,1987；Deroche and Carrayol,1988)。同时C3植物中存在C4途径酶基因，较C4植物中同工酶的活性低很多。外源PEPC在C3植物高表达存在两种可能的代谢途径：一是PEPC在胞质溶胶中催化HCO3-和PEP反应产生OAA；OAA经转运到叶绿体在NADP-MDH作用下产生Mal；Mal经苹果酸酶(NADP-ME)催化下产生丙酮酸(Pyr)，并释放出CO2进入Calvin循环，进行光合碳同化作用；Pyr在PPDK催化下产生PEP，经转运至胞质溶胶中；二是PEPC催化PEP与HCO3-产生OAA，OAA经NAD-MDH作用下产生Mal；OAA与Mal由胞质溶胶转运至线粒体中，进入TCA循环，从而增强呼吸作用和为氨基酸的合成提供丰富的碳骨架。pepc与初级氮代谢基因的表达是相联系的，pepc的过表达使C3植物叶片可溶性蛋白含量、有机酸和氨基酸含量发生改变。在转入蓝藻pepc的豆科植物中，发现PEPC的回补作用增强，子叶中代谢物流向发生改变，使淀粉和糖类更多流向有机酸和游离氨基酸，籽粒中蛋白含量也增加了15-25％，进一步分析特异表达的PEPC使种子的库容增大而提高蛋白含量，种子的成熟度有所改变，认为增加的有机酸和氨基酸激活了更广泛的氮代谢途径(Radchuk et al.,2007；Rolletschek et al.,2004)。转玉米C4型pepc水稻中高水平活性的PEPC增强了碳素流向TCA循环并为氨基酸的合成提供前体，从而提高转基因植株的氮素利用水平，显著降低C/N值(Agarie et al.,2002)。转pepc水稻在不同氮水平碳、氮代谢的影响发现，低氮水平下转基因株系的产量高于对照，并且有较高的碳、氮同化能力，还表明转基因水稻植株的氨基酸合成流向发生改变(陈冉冉,2012)。Ku等人将玉米C4型pepc转入到水稻中，发现PEPC酶活提高的同时可溶性蛋白含量提高了12％(Ku et al.,1999)。转高粱C4型pepc拟南芥，种子干重和总蛋白含量提高了30％(Leboutei ller et al.,2007)。长期以来，国内外开展玉米C4型高光效基因导入小麦的主要技术途径为通过同室筛选、细胞融合和远缘杂交等方法，但一直未获得突破性进展。其主要原因为玉米、高粱、甘蔗等C4作物与小麦等C3作物存在着物种间的生殖隔离。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供C4型植物的pepc或其编码基因或表达该编码基因的重组载体的用途。本专利技术提供了C4型植物的pepc或其编码基因或表达该编码基因的重组载体在如下1)-10)中至少一种中的应用：1)促进C3型植物对氮的吸收；2)提高C3型植物各器官的含氮量；3)促进C3型植物根系生长；4)提高C3型植物根系长度；5)增加C3型植物根系表面积；6)提高C3型植物产量；7)提高C3型植物的有效穗数；8)提高C3型植物的穗粒数；9)提高C3型植物的千粒重；10)提高C3型植物的亩产。上述应用中，所述应用均在氮胁迫下进行。上述应用中，所述氮胁迫为高氮胁迫或低氮胁迫；或，所述提高C3型植物各器官的含氮量为提高C3型植物在生育期地上部分含氮量；或，所述提高C3型植物产量体现在提高有效穗数、穗粒数、千粒重和/或亩产。上述应用中，所述C3型植物为单子叶植物或双子叶植物，或，所述单子叶植物具体为小麦。本专利技术另一个目的是提供C4型植物的pepc或其编码基因或表达该编码基因的重组载体的另一个用途。本专利技术提供了C4型植物的pepc或其编码基因或表达该编码基因的重组载体在培育具有如下1)-9)中至少一种特征的C3型植物中的应用：1)对氮的吸收增加；2)各器官的含氮量增加；3)根系生长增加；4)根系长度增加；5)根系表面积增加；6)产量增加；7)有效穗数增加；8)穗粒数增加；9本文档来自技高网...
【技术保护点】
C4型植物的pepc或其编码基因或表达该编码基因的重组载体在如下1)‑10)中至少一种中的应用：1)促进C3型植物对氮的吸收；2)提高C3型植物各器官的含氮量；3)促进C3型植物根系生长；4)提高C3型植物根系长度；5)增加C3型植物根系表面积；6)提高C3型植物产量；7)提高C3型植物的有效穗数；8)提高C3型植物的穗粒数；9)提高C3型植物的千粒重；10)提高C3型植物的亩产。
【技术特征摘要】
1.C4型植物的pepc或其编码基因或表达该编码基因的重组载体在如下1)-10)中至少一种中的应用：1)促进C3型植物对氮的吸收；2)提高C3型植物各器官的含氮量；3)促进C3型植物根系生长；4)提高C3型植物根系长度；5)增加C3型植物根系表面积；6)提高C3型植物产量；7)提高C3型植物的有效穗数；8)提高C3型植物的穗粒数；9)提高C3型植物的千粒重；10)提高C3型植物的亩产。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述应用均在氮胁迫下进行。3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于：所述氮胁迫为高氮胁迫或低氮胁迫；或，所述提高C3型植物各器官的含氮量为提高C3型植物在生育期地上部分含氮量；或，所述提高C3型植物产量体现在提高有效穗数、穗粒数、千粒重和/或亩产。4.根据权利要求1-3中任一所述的应用，其特征在于：所述C3型植物为单子叶植物或双子叶植物，或，所述单子叶植物具体为小麦。5.C4型植物的pepc或其编码基因或表达该编码基因的重组载体在培育具有如下1)-9)中至少一种特征的C3型植物中的应用：1)对氮的吸收增加；2)各器官的含氮量增加；3)根系生长增加；4)根系长度增加；5)根系表面积增加；6)产量增加；7)有效穗数增加；8)穗粒数增加；9)千粒重增加；10)亩产增加。6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述C3型植物为单子叶植物或双子叶植物，和/或，所述单子叶植物具体为小麦。7.一种培育氮吸收高效、根系生长快和/...
【专利技术属性】
技术研发人员：许为钢，李艳，王会伟，齐学礼，方宇辉，张磊，
申请(专利权)人：河南省农业科学院小麦研究所，
类型：发明
国别省市：河南;41
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