水稻DPS1基因及其编码蛋白的应用制造技术

本发明专利技术提供了水稻DPS1基因及其编码蛋白与应用。水稻DPS1基因序列如SEQ ID No.2所示，其编码蛋白序列如SEQ ID No.1所示。本发明专利技术发现水稻DPS1基因的突变体开花前顶端小穗干瘪坏死，紧临顶部退化小穗的中间小穗不育，导致结实率和穗粒数均极显著降低。本发明专利技术将野生型DPS1基因转化水稻dps1突变体，可以恢复突变体穗顶部退化的表型，说明DPS1基因通过调控细胞程序性死亡而直接控制水稻穗顶部退化，可应用于水稻穗型的定向设计，并可作为重要的基因资源，有助于在分子育种实践中开发分子标记对穗顶部退化进行早期识别和淘汰，对水稻产量的提高具有重要的指导意义。

Application of DPS1 Gene and Its Encoding Protein in Rice

【技术实现步骤摘要】
水稻DPS1基因及其编码蛋白的应用
本专利技术属于基因工程领域，具体地说，涉及水稻DPS1基因、其编码蛋白及应用。
技术介绍
水稻是我国乃至世界上最重要的粮食作物之一，在我国有超过60％的人口以水稻作为主食，同时随着城市化进程的加快，耕地面积的减少以及生物能源的应用等，对粮食的需求也日益增加。因此，增加水稻产量对解决日益严重的粮食问题具有重要意义。稻穗产量是形成水稻产量的最基本单元，穗大粒多一直是世界水稻育种的重要目标之一。然而穗顶部退化在水稻育种和大田生产中是比较普遍的生物学现象，造成穗子体积减小每穗粒数显著减少，严重影响水稻单产。由于穗顶部退化遗传基础复杂，易受穗分化期间温度、湿度等环境条件的影响，表型鉴定困难或不稳定，目前对于穗顶部退化的分子机制还知之甚少。因此分离水稻穗顶部退化调控新基因，并研究其作用机制，有助于阐明小穗顶部退化的遗传调控机理，克服育种和生产实践中因穗顶部退化引起的产量损失，对于水稻的高产稳产育种具有重要的理论和实践意义。水稻产量的主要构成因素包括单位面积有效穗数、每穗着粒数、千粒重及结实率等穗部性状。水稻穗的形成起始于茎尖分生组织，在转化为穗轴分生组织后，再经过一级和二级枝梗的分化，最终形成小穗。虽然关于小穗发育阶段的划分目前并无统一标准，但其过程基本一致。水稻在幼穗分化前为营养生长期，当外界环境条件和内部因素适合成花诱导时，顶端分生组织(shootapicalmeristem,SAM)上形成若干小的凸起，茎顶端分生组织SAM转变为花序分生组织(inflorescencemeristem，IM)水稻便进入生殖生长阶段。一些小的凸起转化为一级枝梗分生组织(primarybranchmeristem,PBM)和花序的主穗轴；一段时间后，花序顶端分生组织便停止发育形成退化点，继而一级枝梗分生组织形成二级枝梗分生组织(secondarybranchmeristem,SBM)和小穗分生组织(spikeletmeristem,SM)，它们分别发育为枝梗和小穗。最后，在小穗分生组织上相继形成颖壳、护颖、内稃和外稃、以及雄蕊和雌蕊等花器官原基。穗部结构形成后，水稻进入生殖细胞形成期，雌性生殖细胞(胚囊)发育和雄性生殖细胞(花粉)发育同时进行，这个过程完成后形成一个完整的小穗。随着分子生物学的研究和发展，目前鉴定和克隆的关于水稻小穗发育的基因越来越多，这些基因很多是参与调控各种分生组织转换和起始的基因如腋生分生组织起始的调控基因LAX1、LAX2、MONOCULM1(MOC1)等，分生组织分化时间的调控基因APO1(ANICLEORGANIZATION1)、TAW1(TAWAWA1)、FZP(frizzypanicle)等，另外生长素、细胞分裂素等激素对小穗发育过程中分生组织的活性也具有重要的调控作用。水稻的穗分枝数直接决定着穗粒数,而穗粒数是与水稻产量直接相关的关键因素。然而，当水稻穗处于小花发育阶段时，已经形成的小穗容易发生退化，主要表现为出穗后部分颖花及枝梗退化变白，穗成熟后败育脱落。水稻穗部退化主要包括两种类型，分别是穗基部小穗退化和穗顶部小穗退化。影响水稻小穗退化的环境因素主要包括外界的温度、湿度、光照及土壤中营养条件的变化等。角质层发育缺陷及活性氧积累是导致小穗不育退化的两个重要生理因素，角质层除了具有对外界刺激的保护作用外，它还作为交换水和营养物质的选择性渗透膜，避免过度失水。此外，它通过调节信号分子的通道来影响细胞间的通信。角质层缺陷突变体往往表现出部分或完全不育，因此导致种子结实率降低。植物体内活性氧(ROS)的异常积累，也会对细胞及其细胞器造成损害，导致细胞程序性死亡。穗顶部小花退化突变体paab1-1，其退化部位积累了过高的过氧化氢和MDA。然而，目前关于小穗退化的遗传调控和分子机制却知之甚少。关于水稻穗基部的遗传机制研究，Yamagishi等利用温带粳稻Akihikari和非洲旱稻IRAT109的回交自交系群体为材料，在第1、10和11染色体上发现了3个关于开花前水稻穗基部小花败育的主效QTL。Li等(2009)克隆了穗基部退化相关基因SP1，该基因编码一个含有PTR结构域的转运蛋白，在幼穗的韧皮部中表达水平较高，该基因的突变体一级枝梗原基能正常起始和分化，但基部一级枝梗的伸长出现严重障碍，导致基部枝梗和小花退化死亡，最终突变体表现为短穗和千粒重降低，但是SP1调控基部颖花退化的具体分子机理还不是很清楚。系统进化分析表明，SP1与拟南芥中硝酸根转运蛋白AtNRT1.2的同源性较高，因此推测SP1可能通过转运硝酸盐向幼穗提供氮素，从而维持小穗的正常生长发育。与水稻基部小穗退化相比，水稻顶部小穗退化现象在农业生产中更为常见。例如早期高产品种农垦58的小穗退化率达到15％-20％，严重影响了水稻产量，另外已经测序并在生产上广泛应用的优良籼稻品种9311也存在严重的穗顶部退化现象。近年来，穗顶部退化相关的数量性状基因座(QTL)被相继报道。徐华山等(2007)利用日本晴和9311代换系群体，在第1、2、4、7和9染色体上中检测到了5个QTL，其中第9染色体的ds-9位点对穗顶部小穗退化的效应相对较大。Tan等在第3染色体上检测到一个qPDS3/qMDS3位点，该位点对顶部小穗退化贡献率可达11％，并且该位点和第9染色体上的QTL位点在调控穗顶退化方面存在互作效应。王斌等利用重组自交系群体，在第1、2、3、5、6和7染色体上发现了6个控制穗顶部退化的QTL。任三娟等在4号染色体上检测到了与顶部小穗退化相关的QTL位点。高素伟等利用穗顶部退化突变体L-05261发现了5个控制穗顶部退化的QTL，分布在第3、4、5、8染色体上，利用3,3,-氨基联苯胺(3,3'-diaminobenzidine,DAB)检测，发现退化小穗中积累了大量过氧化氢物质，推测可能是导致顶部小穗退化的主要原因。Z.Cheng等发现了一个受光照条件影响的穗顶部退化QTLqPAA8，并将其定位在68kb的范围内，同时也发现穗顶部退化与过氧化氢的积累有关。活性氧作为信号分子，在植物体内的量受到严格调控，在过度积累的情况下，可导致水稻的雄性不育。由于穗顶部退化受环境因素影响较大，因此精细定位QTL位点并进行候选基因的分离难度很大。近几年国内外研究者利用突变体，鉴定了一系列调控顶部小穗退化的候选基因。Qi等(2013)报道了OsPUP7基因突变后，导致水稻株高增加，抽穗期延长，同时顶部小穗完全退化不育。化学诱变韩国粳稻品种Hwacheongbyeo获得穗顶端退化突变体paa-h，该突变体植株变矮，籽粒变小，穗型小且直立，顶部小穗退化，导致穗粒数和千粒重均显著降低。通过图位克隆的方法，将候选基因定位在第4染色体上71kb的区间内，测序发现该区间LOC_Os04g56160基因编码区存在G到A的碱基突变，导致甘氨酸变为谷氨酸。但该基因调控顶端小穗退化的分子机制还有待进一步研究。水稻穗退化突变体tut1(tutou1)表现为根变短，叶片顶端细胞死亡，株高降低和分蘖减少等，而其最显著的表型是花序顶端小穗退化缺陷。利用图位克隆方法将TUT1基因定位于第1染色体上，在小穗、种芽、根、胚芽鞘、茎节和叶片中均有表达，在花本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.水稻DPS1蛋白，其特征在于，其具有：1)如SEQ ID No.3所示的氨基酸序列；或2)SEQ ID No.3所示的氨基酸序列经取代、缺失和/或增加一个或多个氨基酸且具有同等活性的由1)衍生的蛋白质。

【技术特征摘要】
1.水稻DPS1蛋白，其特征在于，其具有：1)如SEQIDNo.3所示的氨基酸序列；或2)SEQIDNo.3所示的氨基酸序列经取代、缺失和/或增加一个或多个氨基酸且具有同等活性的由1)衍生的蛋白质。2.编码权利要求1所述蛋白的基因，其具有：1)SEQIDNo.2所示的核苷酸序列；或2)SEQIDNo.2所示核苷酸序列经取代、缺失和/或增加一个或几个核苷酸；或3)在严格条件下与1)限定的DNA序列杂交的核苷酸序列。3.含有权利要求2所述基因的生物材料，所述生物材料为载体、转基因细胞系、工程菌、宿主细胞或表达盒。4.权利要求1所述水稻DPS1蛋白或其编码基因或权利要求3所述的生物材料在制备转基因植物、水稻穗型改良或遗传育种中的应用。5.水稻DPS1蛋白或其编码基因或权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学勇，房静静，赛义德·阿德尔·扎法尔，赵金凤，袁守江，
申请(专利权)人：中国农业科学院作物科学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11