磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶在提高再生稻再生率和再生季产量中的应用制造技术

本发明专利技术涉及植物基因工程技术领域，具体地说，涉及磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶在提高再生稻再生率和再生季产量中的应用。本发明专利技术首次发现C4型PEPC具有提高再生稻再生率和产量中的功能。通过在水稻中表达或过量表达来源于禾本科C4植物的C4型PEPC基因，可以促进碳水化合物特别是淀粉在茎秆中储存，为水稻再生季腋芽萌发提供充足的物质和能量供应，水稻再生芽萌发提前3

【技术实现步骤摘要】
磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶在提高再生稻再生率和再生季产量中的应用


[0001]本专利技术涉及植物基因工程
，具体地说，涉及磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶在提高再生稻再生率和再生季产量中的应用。

技术介绍

[0002]再生稻是利用水稻头季收割后留桩的腋芽，采取一定的栽培管理措施，使稻桩上休眠的腋芽迅速萌发成苗、抽穗结实并进行二季收获的水稻种植方式。再生稻具有一种两收，轻简化和资源高效利用的特点。近年来，随着社会发展和城镇化，农村劳动力向城市转移，再生稻成为了一种南方稻区缓解劳动力紧张、提高种粮效益的重要稻作制度。
[0003]提高再生稻产量首先是增加再生稻有效穗数，其次是增加穗实粒数。再生季有效穗数取决于头季的有效穗数及单茎的再生芽发生数。研究表明，通过合理的肥水和化学调控措施是提高再生稻再生率的有效技术措施；例如齐穗后10-15天增施催芽肥、头季收获前10-15天喷施赤霉素、芸苔素等都可以促进再生腋牙的发育。头季灌浆期土壤干湿交替的水分管理可以通过促进再生季根系生长和腋芽萌发提高再生率(陈鸿飞等，2017)。选择高再生率品种是再生稻生产的另一项关键技术。强再生力品种头季稻的农艺性状主要表现为分蘖力强、有效穗多、穗粒数偏少、齐穗期叶粒比大的特征(徐富贤等，2002)；对大量水稻杂交组合再生力与农艺性状的通径分析表明成熟期单茎茎鞘干重对再生力的直接效应最大(任天举等，2006)；收获后稻桩的干物质量与再生率和再生季产量具有显著的相关性(Chen et al.,2018)。通过去除部分叶片和/或小穗对头季稻进行源库调节的研究也表明其对再生季再生率的影响也与稻桩的干物质及非结构性碳水化合物含量的改变有关(He et al.,2019)。可见，茎鞘干物质很可能是其中储藏的养分物质对再生芽的发育起着重要作用。因此，利用生物技术手段改变水稻碳水化合物合成、积累与分配过程以调控水稻腋芽再生成为一种可能的解决办法。
[0004]磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)是广泛存在于植物、细菌和蓝藻中的一种蛋白。PEPC催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与CO2的羧化反应，形成四碳酸草酰乙酸，在光合组织中用于CO2的固定，而在非光合组织中用于回补三羧酸循环中用于氨基酸合成所损失的碳骨架。现有的PEPC基因转C3型植物的研究主要集中于提高植物光合效率和耐旱性两方面。王丽媛等虽然在“植物磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的研究进展”中提到了植物PEPC在种子发芽和种子萌发中的作用，但是，水稻再生腋芽萌发与种子萌发是两种完全不同的生理过程，其调控机理完全不一样——再生腋芽萌发与发育由细胞分裂素、BR及生长素共同调控，而种子萌发则由GA和ABA的平衡来调控。

技术实现思路

[0005]本专利技术首次发现，C4型PEPC可以促进碳水化合物在水稻(C3型植物)茎秆中的积累，同时提高再生稻再生率和再生季产量。
[0006]基于上述发现，本专利技术提供了如下技术方案：
[0007]C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶或其编码基因、或含有其编码基因的生物材料在提高再生稻再生率和再生季产量中的应用。
[0008]C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶或其编码基因、或含有其编码基因的生物材料在促进水稻再生腋芽萌发中的应用。
[0009]C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶或其编码基因、或含有其编码基因的生物材料在促进水稻茎秆碳水化合物积累中的应用。
[0010]优选地，所述碳水化合物为非结构性碳水化合物。
[0011]作为进一步说明，C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶在促进茎秆的非结构性碳水化合物(特别是淀粉)的积累中具有尤为显著的作用。
[0012]作为优选，所述禾本科C4植物选自玉米、甘蔗、高粱、谷子、稗草中的一种。
[0013]更优选的，所述禾本科C4植物为玉米、甘蔗、高粱、谷子、稗草中的一种。
[0014]作为优选，所述C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶具有以下任意一种氨基酸序列：
[0015]1)SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列；或，
[0016]2)SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列经过一个或多个氨基酸残基的替换、缺失或插入获得的具有相同功能蛋白的氨基酸序列。
[0017]所述C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的编码基因可以是CDS序列，也可以是基因组DNA序列。
[0018]作为优选，C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的编码基因具有以下任一种核苷酸序列：
[0019](1)SEQ ID NO.2-4中任一所示的核苷酸序列，或，
[0020](2)SEQ ID NO.2-4中任一所示的核苷酸序列经过一个或多个核苷酸的替换、缺失或插入获得的具有相同功能蛋白的编码核苷酸序列；或，
[0021](3)在严格条件下可以与SEQ ID NO.2-4中任一所示的核苷酸序列进行杂交的核苷酸序列。
[0022]其中，SEQ ID No.2所示的核苷酸序列为玉米C4型PEPC的基因组基因(gDNA)；SEQ ID No.3所示的核苷酸序列为甘蔗C4型PEPC的CDS序列；SEQ ID No.4所示的核苷酸序列为谷子C4型PEPC的CDS序列。
[0023]作为优选，所述生物材料为表达盒、载体、宿主细胞或重组菌。
[0024]本专利技术进一步提供一种构建再生稻再生率和产量高的水稻的方法，通过转基因，使水稻表达或过表达C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的编码基因。
[0025]其中，C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶及其编码基因的优选方案同上。
[0026]作为优选，当C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的编码基因具有SEQ ID NO.2所示的核苷酸序列时，表达载体为pCAMBIA1301；
[0027]当C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的编码基因具有SEQ ID NO.3或SEQ ID NO.4所示的核苷酸序列时，表达载体为pCB1301-Pubi。
[0028]作为优选方案，表达或过表达SEQ ID NO.2所示的核苷酸序列的方案如下：
[0029]将含有玉米PEPC基因(包含启动子，外显子、内含子和终止信号)的质粒pUC-Zmppc用限制性内切酶酶切，将目的基因片段连接入植物表达载体pCAMBIA1301的多克隆位点中
获得重组表达载体pCB1301-Zmppc，并用重组表达载体pCB1301-Zmppc转化水稻。
[0030]作为优选方案，表达或过表达SEQ ID NO.3所示的核苷酸序列的方案如下：
[0031]提取甘蔗叶片总RNA，反转录成cDNA，依据SEQ ID No.3序列，设计引物，PCR扩增出甘蔗的C4型PEPC基因的CDS序列，并将所述的CDS序列构建到植物表达载体pCB1301-Pubi上获得植物表达载体pCB1301-Pubi:Soppc，并用重组表达载体pCB1301-Pubi:Soppc转化水稻。
[0032]作为优选方案，表达或过表达SEQ ID NO.4所示的核苷酸序列的方案如下：
[0033]提取谷子叶片总R本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶或其编码基因、或含有其编码基因的生物材料在提高再生稻再生率和再生季产量中的应用。2.C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶或其编码基因、或含有其编码基因的生物材料在促进水稻再生腋芽萌发中的应用。3.C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶或其编码基因、或含有其编码基因的生物材料在促进水稻茎秆中碳水化合物积累中的应用。4.根据权利要求1-3中任一项所述的应用，其特征在于，所述C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶为禾本科C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶；所述禾本科C4植物优选为玉米、甘蔗、高粱、谷子、稗草中的一种。5.根据权利要求1-3中任一项所述的应用，其特征在于，所述C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶具有以下任意一种氨基酸序列：1)SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列；或，2)SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列经过一个或多个氨基酸残基的替换、缺失或插入获得的具有相同功能蛋白的氨基酸序列。6.根据权利要求1-3中任一项所述的应用，其特征在于，C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的编码基因具有以下任一种核苷酸序列：(1)SEQ ID NO.2-4中任一所示的核苷酸序列，或，(2)SEQ ID NO.2-4中任一所示的核苷酸序列经过一个或多个核苷酸的替换、缺失或插入获得的具有相同功能蛋白的编码核苷酸序列；或，(3)在严格条...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁在松，黄素华，周宝元，孙雪芳，赵明，
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：