植物氨基酸通透酶及其编码基因在调控植物耐高温性能中的应用制造技术

本发明专利技术涉及植物生物技术和遗传育种技术领域，具体涉及植物氨基酸通透酶及其编码基因在调控植物耐高温性能中的应用。本发明专利技术公开了玉米氨基酸通透酶ZmAAPa基因参与调控玉米花粉对高温胁迫的耐受性。ZmAAPa基因的敲除可以显著提高玉米花粉对高温胁迫的耐受性。本发明专利技术通过CRISPR/Cas9技术及玉米遗传转化获得了ZmAAPa基因敲除的玉米材料，ZmAAPa基因的敲除显著提高了玉米花粉在高温胁迫条件下的萌发率，且不影响花粉和花药的正常发育。

【技术实现步骤摘要】
植物氨基酸通透酶及其编码基因在调控植物耐高温性能中的应用
本专利技术涉及植物生物技术和遗传育种
，具体涉及植物氨基酸通透酶及其编码基因在调控植物耐高温性能中的应用。
技术介绍
全球气候变暖对生态环境的影响日益严重，联合国政府间气候变化专门委员会(IntergovernmentalPanelonClimateChange，IPCC)的研究报告指出，相比二十世纪末，目前全球气温已经增加约4℃，而温度升高将严重影响农作物生长，威胁粮食安全(Lobelletal.,2011)。研究发现植物在生殖生长阶段对高温更加敏感，而花粉作为植物的雄配子体，比雌配子体更易受到高温影响(Lizasoetal.,2018)，通常在高于最适温度5℃的环境中，花粉即会遭受高温胁迫。在遭受高温天气时，花粉发育异常、育性下降，是导致粮食减产的直接原因。许多重要农作物，如小麦、水稻和玉米，其开花期多集中在夏季，极易受到高温天气影响(Barnabásetal.,2008)。玉米是重要的粮食作物和饲料作物，在世界各地广泛种植。单位面积穗数、穗粒数和千粒重是构成玉米产量的三大要素(Cenetal.,1994)。随着玉米产量的提高，穗粒数对玉米产量的影响愈加明显。花粉活力是影响穗粒数的重要因素之一。研究表明，遭遇到33℃以上中度热害，可导致减产52.9％；遭遇36℃以上严重热害，可导致绝产。气温持续高于35℃，会影响花粉形成和花粉活力，受害程度随温度升高和持续时间延长而加剧(李少昆，玉米抗逆减灾栽培[M]，2010)。研究表明，高于38℃的温度能够阻止玉米花粉的萌发(Carberryetal.,1989；Sánchezetal.,2014)。针对高温热害，目前在生产上采取的主要措施包括：1、选育和推广耐热品种：为适应不同的种植需求，育种家们培育了很多的玉米品种，不同的玉米品种之间耐热性存在较大差异，可以通过选育耐热品种来应对夏季的高温天气。2、调节播种期，规避高温天气：根据天气调整播种期，使对高温敏感的抽丝散粉期避开夏季高温热害天气。3、降低种植密度：合理的种植密度，一方面能够减少作物之间的水肥竞争，使作物生长的更加健壮，同时也能够改善通风透光条件，增强作物抵御胁迫的能力。4、加强田间管理：秸秆还田、深松蓄水保墒、培肥地力及科学施肥等田间管理措施，可以改善田间小气候，增强植株抵御高温的能力。5、通过外施植物激素，以及通过转基因的方法在花粉中表达热激蛋白(BurkeandChen,2015)，或者调节microRNA的表达(Dingetal.,2017)，从而提高花粉在高温下的耐受力。然而，上述方法都存在一些问题：耐热品种的选育需要投入大量的人力、物力以及时间，从众多的品种中利用多种鉴定方式进行选育，最终选出耐热品种进行推广种植。王安乐等以雄花小穗的减少程度、花粉败育程度和花丝伸长程度为指标对来自国内外的816份玉米自交系及其资源材料进行了耐高温特性鉴定和筛选，发现目前拥有的耐高温材料很少(王安乐等，2003)。通过田间合理的管理来增强植株耐受力的方法需要实施者具有成熟的田间管理经验，而且只能在较小的程度抵御高温的侵害。而由于激素调节涉及植物生长发育的各个方面，因此在喷洒激素时需要谨慎且合理。通过转基因的手段增强作物的抗逆性是现在的一种普遍思路，确实很多研究表明转基因作物抗逆性增强较为明显，但是玉米作为一种重要的粮食作物，转基因玉米的安全性值得关注，需要经历严格的安全评价和中间实验过程才可以获得安全证书。因此，开发有效且易于实施的提高植物耐高温性能的方法具有重要意义。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供植物氨基酸通透酶及其编码基因在调控植物耐高温性能中的应用。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术的专利技术人在利用玉米基因敲除突变体研究氨基酸通透酶ZmAAP的功能时，发现了耐高温性能提高的ZmAAPa基因敲除材料，表明ZmAAPa可能与玉米耐高温性能相关。ZmAAPa基因的编码区核苷酸序列如SEQIDNO.2所示，其编码氨基酸通透酶(氨基酸序列如SEQIDNO.1所示)。ZmAAPa是玉米花药和花粉中特异表达的一个氨基酸通透酶基因。本专利技术利用CRISPR/Cas9技术敲除了玉米的氨基酸通透酶ZmAAPa基因，证明了ZmAAPa的敲除能够显著提高玉米在高温条件下的花粉活力等耐高温性能。具体地，本专利技术的技术方案如下：第一方面，本专利技术提供植物氨基酸通透酶、其编码基因、其编码基因的抑制因子或含有其编码基因或其编码基因的抑制因子的生物材料在调控植物对高温胁迫的耐受性中的应用。优选地，所述植物对高温胁迫的耐受性为植物的花粉对高温胁迫的耐受性。第二方面，本专利技术提供植物氨基酸通透酶、其编码基因、其编码基因的抑制因子或含有其编码基因或其编码基因的抑制因子的生物材料在调控植物在高温条件下的花粉活力中的应用。所述花粉活力可表现为花粉的萌发率。第三方面，本专利技术提供植物氨基酸通透酶、其编码基因、其编码基因的抑制因子或含有其编码基因或其编码基因的抑制因子的生物材料在调控植物在高温条件下的花粉形成中的应用。第四方面，本专利技术提供植物氨基酸通透酶、其编码基因、其编码基因的抑制因子或含有其编码基因或其编码基因的抑制因子的生物材料在植物耐高温遗传育种中的应用。优选地，上述应用中，通过失活所述植物氨基酸通透酶或降低所述植物氨基酸通透酶的表达量和/或活性，提高所述植物对高温胁迫的耐受性，或提高所述植物在高温条件下的花粉活力或花粉形成。本专利技术通过基因功能互补实验证明了玉米氨基酸通透酶ZmAAPa可转运精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、脯氨酸、γ-氨基丁酸和瓜氨酸。第五方面，本专利技术提供植物氨基酸通透酶、其编码基因、其编码基因的抑制因子或含有其编码基因或其编码基因的抑制因子的生物材料在调控植物对氨基酸的转运能力中的应用。优选地，所述氨基酸为选自精氨酸(Arg)、天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、脯氨酸(Pro)、γ-氨基丁酸(GABA)、瓜氨酸(Cit)中的一种或多种。具体地，通过提高所述植物氨基酸通透酶的表达量和/或活性，提高植物对所述氨基酸的转运能力。本专利技术中，所述植物氨基酸通透酶具有如SEQIDNO.1所示的氨基酸序列，或者，为具有如SEQIDNO.1所示氨基酸序列的蛋白在除玉米之外的植物中的氨基酸通透酶家族同源蛋白。具体地，所述植物氨基酸通透酶具有如下任一氨基酸序列：(1)如SEQIDNO.1所示的氨基酸序列；(2)如SEQIDNO.1所示的氨基酸序列经一个或多个氨基酸的替换、插入或缺失得到的植物氨基酸通透酶家族同源蛋白的氨基酸序列；(3)与如SEQIDNO.1所示的氨基酸序列具有至少80％同源性且为植物氨基酸通透酶家族同源蛋白的氨基酸序列；优选地，所述同源性为至少90％；更优选为95％。如SEQIDNO.1所示的氨基酸序列为玉米氨基酸通透酶Zm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.植物氨基酸通透酶、其编码基因、其编码基因的抑制因子或含有其编码基因或其编码基因的抑制因子的生物材料在调控植物对高温胁迫的耐受性中的应用。/n

【技术特征摘要】
1.植物氨基酸通透酶、其编码基因、其编码基因的抑制因子或含有其编码基因或其编码基因的抑制因子的生物材料在调控植物对高温胁迫的耐受性中的应用。


2.植物氨基酸通透酶、其编码基因、其编码基因的抑制因子或含有其编码基因或其编码基因的抑制因子的生物材料在调控植物在高温条件下的花粉活力中的应用。


3.植物氨基酸通透酶、其编码基因、其编码基因的抑制因子或含有其编码基因或其编码基因的抑制因子的生物材料在调控植物在高温条件下的花粉形成中的应用。


4.植物氨基酸通透酶、其编码基因、其编码基因的抑制因子或含有其编码基因或其编码基因的抑制因子的生物材料在植物耐高温遗传育种中的应用。


5.根据权利要求1～4任一项所述的应用，其特征在于，通过失活所述植物氨基酸通透酶或降低所述植物氨基酸通透酶的表达量和/或活性，提高所述植物对高温胁迫的耐受性，或提高所述植物在高温条件下的花粉活力或花粉形成。


6.植物氨基酸通透酶、其编码基因、其编码基因的抑制因子或含有其编码基因或其编码基因的抑制因子的生物材料在调控植物对氨基酸的转运能力中的应用；...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵倩，袁晓红，于静娟，朱登云，樊柳，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11