控制水稻茎秆粗度、分蘖数、穗粒数、千粒重和产量的理想株型基因NPT1及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种能增加水稻茎秆粗度、每穗穗粒数、千粒重及产量的理想株型基因NPT1及其应用。NPT1基因功能及其表达量高低与水稻茎秆粗度、每穗穗粒数、粒重及产量密切相关，该基因的一个优异等位变异类型npt1，造成该基因表达量显著下降，导致水稻茎秆增粗、每穗穗粒数和粒重增加，从而增加产量。进一步研究发现NPT1编码一个类似人类OTUB1蛋白的去泛素化酶，它通过调控OsSPL14蛋白稳定性，从而实现对水稻株(穗)型的调控。将npt1与优异农艺性状调控基因dep1‑1聚合，可以进一步提高水稻产量。NPT1作为控制重要水稻农艺性状的新基因，它的克隆为水稻分子聚合育种和产量改良提供一定的理论和技术支持。

【技术实现步骤摘要】
控制水稻茎秆粗度、分蘖数、穗粒数、千粒重和产量的理想株型基因NPT1及其应用
本专利技术属于植物生物
具体地，本专利技术涉及一种增加水稻茎秆粗度、每穗穗粒数、千粒重和产量的基因及其应用。
技术介绍
水稻是重要的粮食作物之一，养活了全球大约二分之一的人口。上个世纪60年代，半矮化育种的推广使得全世界水稻产量得到显著的提高。近30年以来，虽然水稻杂种优势利用及其新品种培育在水稻产量提升方面取得了较大的进展，但是产量的提高幅度依然不能满足日益增长人口对粮食的需求。预计2050年人口数量将达到89亿，这意味着2050年粮食生产需要提高50％。面对人口急剧增长，环境不断恶化，可耕地面积不断减少的严峻形势，如何有效地提高水稻单产已成为农业生产上的一项非常重要的任务。水稻产量主要由单位面积上的有效穗数、每穗穗粒数和千粒重等因素构成。分蘖数决定了有效穗数，分蘖是影响水稻穗数多少并进而影响其产量的重要农艺性状之一；一次枝梗、二次枝梗与结实率决定了每穗穗粒数；籽粒大小(长、宽、厚)决定了千粒重。同时，抽穗期，抗倒伏能力，抗病耐逆特性也影响着水稻产量。水稻穗型是指水稻穗的大小和生长姿态，是水稻株型的重要组成部分穗粒数与穗发育密切相关，小花数决定了每穗穗粒数；千粒重与谷粒大小和谷粒成熟过程中灌浆充实度密切相关，这些农艺性状都与植株产量紧密相关，并且这些重要农艺性状如株高、分蘖数、分蘖角度、穗部形态、粒型等都是典型的复杂农艺性状，受多个数量性状位点(QuantitativeTraitLocus，QTLs)和环境因子控制。在水稻育种中，理想株型塑造对水稻品种的遗传改良发挥了巨大的作用。传统的水稻株高较高，茎秆柔弱，对氮肥耐受力低，易倒伏，产量低；半矮杆基因sd1的引入，使株高显著降低，茎秆增粗，分蘖数增多，耐肥与抗倒伏能力提高，因此产量得到显著提高。为了进一步提高水稻单产，上个世纪80年代国际水稻所(InternationalRiceResearchInstitute，IRRI)提出了理想株型(NewPlantType)育种计划，即育成少蘖、大穗、茎秆粗壮的理想株型水稻。与此同时，我国育种家提出了北方粳型超级稻的理论，指出直立穗育种是继半矮化育种后适应超高产的又一重要的育种形态进化选择，并育成了以“辽粳5号”和“沈农265”等为代表的一批高产水稻新品种，显著地提高了我国粳稻的单产水平。前期，本实验室从高产粳稻品种“沈农265”中克隆了控制该直立穗型性状的基因DEP1，发现其优异等位基因dep1-1能够增加每穗穗粒数并提高产量，并已在我国的“超级稻”育种中起到了至关重要的作用。
技术实现思路
为了进一步解析水稻高产株型的分子调控机制，我们利用国际水稻所培育的具有理想株型特征的水稻亲本IR66167-27-5-1-6，通过QTL定位和图位克隆技术分离并克隆了控制该理想株型和产量的关键基因NPT1。在此基础上，综合利用了遗传学、分子生物学、生物化学等多种手段，深入研究了NPT1基因的生物学功能及其调控水稻产量的分子基础，为水稻高产育种提供相应的理论依据，也为水稻分子设计育种提供了重要基因资源。本专利技术涉及一种控制水稻茎秆粗度、分蘖数、每穗穗粒数、千粒重和产量的理想株型基因NPT1及其应用。具体地，本专利技术涉及NPT1在提高农作物(例如，水稻、小麦、大麦、玉米、高粱等)的分蘖数、每穗穗粒数、千粒重、产量、茎秆粗度和耐倒伏能力方面的新功能和应用。更具体地，本专利技术涉及的NPT1及其同源基因来源于水稻、小麦、大麦、玉米、高粱等农作物。本专利技术人利用一个来自国际水稻研究所的少蘖、大穗且茎秆粗壮的水稻亲本IR66167-27-5-1-6和我国粳稻品种春江06杂交所构建的重组自交系群体，发现其中一个株系RIL52表现出了理想株型特征，包括茎秆粗度增加，分蘖数目减少，单穗粒数和产量显著增加等性状。对RIL52与籼稻品种浙辐802杂交所构建的F2群体进行了完全随机的田间实验，分别考察了分蘖数、每穗穗粒数和茎秆粗度这3个性状，结合各性状的表型值和分子标记数据，QTL分析发现在8号染色体长臂上存在一个同时控制茎秆粗度、穗粒数及分蘖数的主效QTL，将其命名为qNPT1。随后利用RIL52与浙辐802构建的BC2F2和BC2F3群体，将qNPT1精细定位到水稻第八号染色体长臂末端4.1Kbp的物理范围内，该区段仅有一个预测的候选基因。在此基础上，通过IR66167-27-5-1-6和中花11杂交，并对目标性状构建了中花11背景(ZH11)近等基因系，发现ZH11-npt1茎秆更为粗壮，分蘖数略微减少，株高基本不变，但每穗穗粒数和千粒重都有明显增加，单株产量显著增加。水稻NPT1编码一个去泛素化酶(OsOTUB1)，是人类OTUB1在水稻中的同源基因，因此也将该基因称为OsOTUB1基因，在本专利技术中这两个术语缩写可互换使用。研究发现水稻OsOTUB1(SEQIDNO：15，即水稻NTP1基因编码的蛋白，在本专利技术中也称为NPT1蛋白，这两个术语也可以互换使用)具有催化K48位和K63泛素链解聚的活性。本专利技术人对OsOTUB1蛋白的亚细胞定位进行了研究，发现OsOTUB1-GFP融合蛋白定位在细胞质与细胞核中。另外，构建了OsOTUB1自身启动子驱动的pOsOTUB1：：GUS植物表达载体，通过农杆菌介导的方法获得了转基因植株。对转基因植株不同发育时期的器官和组织进行GUS染色发现，该基因在水稻的整个发育时期都有表达，尤其在维管束系统和分生组织中显著高表达。通过转基因的方法，验证了OsOTUB1基因功能。发现该基因适度降低表达或者失去功能突变均会导致分蘖数减少，但能增加茎秆粗度、每穗穗粒数、千粒重，进而显著增加产量。相反，过量表达该基因则会产生类病斑表型并引发细胞死亡。通过酵母双杂交筛选互作蛋白发现OsOTUB1蛋白能与泛素结合酶OsUBC13相互作用，并抑制其功能。进一步研究发现OsOTUB1与水稻株型和产量正调控因子OsSPL14蛋白互作，并通过影响OsSPL14蛋白稳定性来调控水稻株型及产量。同时，本专利技术人从小麦、大麦、玉米、高粱、小鼠及人类中分别克隆到了OsOTUB1同源基因的cDNA序列，并通过转基因研究证明了它们具有与OsOTUB1类似的控制水稻茎秆粗度、分蘖数、穗粒数、千粒重和产量的生物学功能。将优异等位基因npt1导入高产粳稻品种武运粳7号中，多年多点田间测产统计分析发现npt1和dep1-1聚合能在主栽品种高产基础上实现水稻产量进一步提升。本专利技术的目的在于提供一个可调控茎秆粗度、分蘖数、穗粒数、千粒重和产量的理想株型基因NPT1，为水稻高产分子设计育种提供具有重要育种利用价值的新基因资源。因此，本专利技术提供下述：在第一方面，本专利技术提供一种水稻理想株型基因NPT1及其等位基因npt1，其中npt1能够增加水稻的茎秆粗度、每穗穗粒数、千粒重及单株产量。这两种基因涉及到的核苷酸序列包括：(1)SEQIDNOs：1-4中的任何一个所示的核苷酸序列；(2)与(1)的核苷酸序列的互补序列在中等严格条件、优选高严格杂交条件下杂交的核苷酸序列；(3)与(1)的核苷酸序列具有至少70％、优选至少80％、更优选至少90％、尤其是至少95％或98％或99％同一性的核苷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分离的控制水稻分蘖数、茎秆粗度、每穗穗粒数、千粒重和产量的理想株型基因，其编码SEQ ID NO：15所示的氨基酸序列，将其命名为NPT1。

【技术特征摘要】
1.一种分离的控制水稻分蘖数、茎秆粗度、每穗穗粒数、千粒重和产量的理想株型基因，其编码SEQIDNO：15所示的氨基酸序列，将其命名为NPT1。2.权利要求1所述的基因，其包含SEQIDNOs：1或3所示的核苷酸序列。3.权利要求1的基因的等位基因，其包含SEQIDNOs：2或4所示的核苷酸序列，将其命名为npt1。4.权利要求1的基因或其等位基因的启动子序列，其如SEQIDNO：5或6所示。5.权利要求1的基因的同源基因，其编码SEQIDNOs：16-23中任一个所示的氨基酸序列。6.权利要求5所述的同源基因，其包含SEQIDNOs：7-14中任一个所示的核苷酸序列。7.一种分离的蛋白，其氨基酸序列如SEQIDNOs：15-23中任一个所示。8.一种重组构建体，其特征在于包含权利要求1-6中任一项所述的序列。9.一种重组宿主细胞，其特征在于包含权利要求1-6中任一项所述的序列；或包含权利要求8所述的重组构建体，其中所述细胞为微生物细胞，其中所述微生物细胞优选为大肠杆菌或农杆菌细胞。10.一种培育产量提高的水稻的方法，该方法包括：用包含权利要求3的等位基因npt1的重组宿主细胞转染水稻植株得到NPT1基因表达水平下降或者氨基酸序列改变导致蛋白功能下降的转基因水稻植株，或者将含有权利要求3所述的等位基因npt1的水稻植株与另一水稻植株杂交，其中所述另一水稻...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅向东，王拴锁，吴昆，刘倩，叶亚峰，
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