一种玉米种子铁营养强化及灌浆调控基因ZmQK1及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种玉米种子铁营养强化及灌浆调控基因ZmQK1及应用。该基因位于2号染色体上，包括如SEQ ID NO.1所示的核苷酸序列，编码一个叶绿体、线粒体定位的MTP家族蛋白MTPC4，负责质体铁的外排，所述蛋白MTPC4的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。该基因的6个等位突变体分别在3‑10号外显子上存在G>A的变异。通过对该基因突变体研究，发现该基因是一个铁特异性转运蛋白，突变将造成玉米种子铁的积累，ROS积累增强，导致线粒体呈现铁死亡的特征，进而导致玉米胚乳部分损失，影响种子灌浆及降低玉米种子重量。阐明该基因通过影响玉米种子铁吸收及分布进而影响种子发育及种子灌浆的功能。

Zmqk1 gene and its application in Maize Seeds

【技术实现步骤摘要】
一种玉米种子铁营养强化及灌浆调控基因ZmQK1及应用
本专利技术属于基因工程
，具体地说，涉及一种玉米种子铁营养强化及灌浆调控基因ZmQK1及应用。
技术介绍
种子灌浆是一个重要的生物学过程，玉米作为主要粮食、饲料及工业原料，在我国国民经济中占有重要的地位。尽管玉米作为我国第一大作物，种植面积全世界第一，却依旧难以满足玉米在全球范围内不断上涨的需求量。玉米的产量是受多基因调控的复杂数量性状，主要取决于粒重和穗粒数，而灌浆是影响粒重的重要因素，灌浆是指将光合作用产生的淀粉、蛋白质和积累的有机物质通过同化作用储存在种子中的过程，研究发现谷物干重基本与灌浆时间呈线性增长关系，表明种子粒重受灌浆速率和持续时间的影响，灌浆速率快、持续时间长的品种，种子就越饱满，百粒重也越高。种子灌浆是一个复杂的生理代谢过程，受多基因调控，具有复杂的遗传效应；同时还受光照、温度、水分、矿质元素、金属离子转运等多种因素的协同影响，表现出复杂的动态变化特征。目前玉米种子灌浆(图1)的研究主要集中在淀粉和蛋白的合成、积累，胚乳细胞的发育以及蔗糖转运等方面，但在矿质元素、金属离子转运协同调控方面的研究还很少，完整的灌浆调控机制仍需进一步深入研究。淀粉合成缺陷影响种子灌浆：玉米种子胚乳中含有约70％的淀粉，淀粉是种子干重的主要构成部分。淀粉作为灌浆过程中主要的同化物，也是植物中重要的碳水化合物储存介质，淀粉合成是一个复杂的过程，涉及一系列生物合成酶的共同作用(图1，2)。蔗糖合酶SUS是调控种子灌浆的关键酶，SUS催化蔗糖裂解成果糖和UDP-葡萄糖，为淀粉合成提供原料，SUS活性与灌浆速率和淀粉积累量显著相关，在灌浆早期，优质种子的SUS活性高于的劣质种子，Tang等研究发现谷粒中蔗糖及ABA浓度的增加可增强种子中SUS活性和SUS蛋白的表达。ADP葡萄糖焦磷酸化酶AGPase是催化所有高等植物淀粉生物合成途径中的一个关键酶，玉米中AGPase的大亚基(LSU)突变后产生种子灌浆不饱满突变体shrunken2(sh2)，小亚基(SSU)突变后也会造成类似表型的突变体brittle2(bt2)。颗粒结合淀粉合成酶GBSS有两种类型，GBSSI主要在贮藏组织如种子胚乳中发挥作用，GBSSII在瞬时淀粉的积累及非贮藏植物组织中起作用，谷类作物中的GBSSI由Waxy(wx)基因编码，在水稻、玉米、大麦、小麦中，一旦Wx突变后将导致直链淀粉含量降低甚至完全缺失。淀粉分支酶BE也称为Q-酶，通过切割α-1,4-葡聚糖键并通过α-1,6-葡聚糖键重新连接来形成分支点，玉米ae1突变体内BE酶的缺失，使支链淀粉产量减少，导致直链淀粉积累高达50％。淀粉脱支酶DBE有两类，异淀粉酶(ISA)及支链淀粉酶(PUL)，两类酶通过水解1,6-葡萄糖键发挥作用，ISA主要去除植物糖原和支链淀粉，PUL仅作用于支链淀粉。水稻ISA1突变体su1支链淀粉生物合成降低，可能与DP12支链淀粉的比例下降有关。玉米种子灌浆相关基因的研究进展：玉米中Mn1(Miniature1)编码胚乳特异性细胞壁转化酶2(INCW2)，INCW2蛋白完全定位于基部胚乳转移细胞BETL，INCW2的主要生理功能是水解蔗糖，代谢释放的己糖。相对于正常发育的种子，mn1突变体中的基部胚乳的葡萄糖、果糖和山梨糖醇水平大大降低，蔗糖水平增加。另外，与mn1表型相似的Rgf1(Reducedgrainfilling1)也在玉米种子基部胚乳转移细胞中特异表达，rgf1为一种有种子发育缺陷的突变体，厚壁细胞层(TWCL)缺失，导致粒重降低30％，rgf1种子具有不完整的纸质果皮的小胚乳，但胚发育不受影响，突变使花梗发育缺陷并大大降低基因在胚乳转移层的表达。虽然rgf1与mn1突变体表型十分相似，等位验证表明这两者由不同的基因调控(图3)。种子必须高效地从成熟组织中吸收营养物质，以促进自身的发育。在玉米驯化的过程中，种子的大小是人们选育过程重点关注的性状，但糖类代谢和转运能力相关的研究却较少。研究表明可溶性糖转运到发育中种子的转运能力决定了种子细胞的大小和数目，最终影响种子的大小。SWEET通过介导己糖转运调控了种子灌浆过程，ZmSWEET4c编码一类糖转运蛋白，负责将韧皮部运输的糖类转运至周边的库器官，原位杂交及酵母缺陷互补实验表明该基因在转移层细胞膜上特异表达，介导葡萄糖和果糖等六碳糖向种子内部转运，SWEET基因的Mu转座子插入突变体zmsweet4c-umu1表现为“空果皮”的表型，即胚乳较胚与野生型相比变得更小，但胚仍能发育成一个可育的个体，表明ZmSWEET4c特异地影响种子的灌浆过程(图4)。比较发现ZmSWEET4c启动子序列在玉米和玉蜀黍中存在较大的差异，并在种子中高丰度表达，表明该基因可能是玉米驯化过程中的一类重要的糖类代谢或转运功能位点，参与调控种子的灌浆过程。金属耐受蛋白家族(MTP)研究进展：植物需要金属离子时，根会从土壤表面吸收，并经过维管系统转移到叶片、果穗、种子中。当植物面对土壤和环境中过量金属离子的胁迫时，为防止重金属中毒带来的电子传递破坏，叶绿体膜受损，活性氧(ROS)增加，脂质过氧化、生物大分子退化、膜分解、离子泄漏和DNA链断裂等后果，植物依靠一系列防御机制来控制这些危险元素的吸收、积累和迁移，并通过排出细胞质中的游离离子形式来解毒。锌、锰、铁等二价金属微量元素对植物的新陈代谢和发育至关重要。阳离子扩散促进剂(Cationdiffusionfacilitator，CDF)家族蛋白是二价金属阳离子转运蛋白，负责金属离子的稳态，该家族在植物中称为金属耐受蛋白家族(Metaltoleranceprotein，MTP)，MTP蛋白可将金属离子封存到液泡或囊泡中，也可通过细胞排出到胞外区域，在植物金属离子耐受和金属解毒方面发挥着关键作用。植物MTP家族包括12个成员，根据金属特异性可分为三个不同的系统发育亚组：Zn-CDF，Fe/Zn-CDF和Mn-CDF亚组。这三个亚组分别承担不同的金属离子转运，Zn-CDF主要包括MTP1、2、3、4、5和12成员，负责Zn的转运；Fe/Zn-CDF主要包括MTP6和MTP7成员，负责Fe或者Fe、Zn转运；Mn-CDF主要包括MTP8、9、10和11成员，负责Mn、Fe的转运。Zn-CDF的MTP1定位在质膜或液泡膜上，MTP3定位在液泡膜上，在缺铁和锌供应过剩的情况下，可通过调节外排锌来维持金属稳态。细菌和酵母的MTP蛋白属于Fe/Zn-CDF；植物Fe/Zn-CDF家族仅有黄瓜MTP7蛋白得到验证，CsMTP7是一种线粒体转运蛋白，参与线粒体中铁的增加。Mn-CDF亚组的CsMTP8均定位在液泡膜上，CsMTP8参与了黄瓜根细胞内Mn稳态的维持；OsMTP11定位于高尔基体，AtMTP11定位于液泡膜前质体(PVC)，在减轻Mn毒性方面具有重要作用。铁在地壳中的含量丰富,但地球上许多生物的生存却受缺铁在土壤中溶解度低的限制。铁作为植物的营养元素之一，其缺乏会影响植物的生长，植物缺铁不仅影响植物的生长发育,造成巨大的经济损失,而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种玉米种子铁营养强化及灌浆调控基因ZmQK1，其特征在于，其位于2号染色体上，包括如SEQ ID NO.1所示的核苷酸序列。/n

【技术特征摘要】
20190430 CN 20191036467611.一种玉米种子铁营养强化及灌浆调控基因ZmQK1，其特征在于，其位于2号染色体上，包括如SEQIDNO.1所示的核苷酸序列。


2.根据权利要求1所述的基因ZmQK1，其特征在于，编码一个叶绿体、线粒体定位的MTP家族蛋白MTPC4。


3.根据权利要求2所述的基因ZmQK1，其特征在于，所述蛋白MTPC4的氨基酸序列如SEQIDNO.2所示。


4.一种玉米种子铁营养强化及灌浆调控基因ZmQK1的突变体，其特征在于，包括突变体qk1，qk1-1，qk1-2，qk1-3，qk1-4，qk1-5，qk1-6，分别在3-10号外显子上存在G>A的变异。


5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志明，聂术君，王玉娇，张斌，梁安平，术琨，贾茗荟，王晓彤，刘迎，吴庆钰，徐芳，丁海萍，
申请(专利权)人：山东农业大学，四川农业大学，
类型：发明
国别省市：山东;37