一种作物磷高效和高产基因及其应用制造技术

本发明专利技术提供了一种作物磷高效和高产基因及其应用，首次揭示PHO1；2基因对于作物籽粒的灌浆具有调控作用，在作物中上调该基因的表达，可以极为显著地促进作物籽粒的灌浆，增加作物籽粒粒重，增加穗粒数，增加分蘖数，增加籽粒厚度和/或促进作物粗壮；本发明专利技术人也发现，PHO1；2基因发挥着以向胞外输送磷为主的双向磷转运的功能，调节胞内磷积累，促进作物对磷的利用率，提高作物对低磷环境的耐受性。本发明专利技术为禾谷类作物的改良提供了新的途径，也为减少自然界磷肥的施用、改善土壤环境提供了新的思路。思路。

【技术实现步骤摘要】
一种作物磷高效和高产基因及其应用


[0001]本专利技术属于植物学和分子生物需领域，更具体地，本专利技术涉及一种作物磷高效和高产基因及其应用。

技术介绍

[0002]随着人口膨胀和可耕地面积的日趋减少，如何在有限的耕地上更高效地种植粮食，一直是研究者们的研究重心。传统育种的方法已不能满足这一需求，综合利用多种分子生物学及分子标记辅助育种等手段可以帮助人们最大程度提升作物产量。因此研究调节农作物株型、优化农作物种植的手段，是非常重要的工作。
[0003]禾本科植物，特别是水稻，是世界主要粮食作物，稻米也是中国居民的主要食粮和重要的出口农产品。水稻作为世界上最重要的粮食作物之一，近年来成为科技工作者的重要研究材料。水稻是中国第一大粮食作物，为中国绝大多数人口以及半数以上的世界人口提供了重要的粮食来源。然而，据报道称，从2005年到2050年，按照现在人类的需求估算，到2050年作物产量必须增长100％才能达到人类的需求。从分子角度研究稻米品质形成的机制和遗传特性，有利于为水稻优质品种选育提供理论和实践指导。
[0004]随着大量化肥的使用和种植环境的恶化，对农业生产的目标提出了重要的挑战。因此，在已有的众多研究基础之上，寻找新的增产因子且能保持粮食绿色发展迫在眉睫。上世纪五六十年代，半矮杆品种的发现和推广为世界粮食生产带来了第一次绿色革命，其半矮杆基因Sd1得到了生产上大量的应用，增加了水稻植株的抗倒伏和耐肥料能力。到2018年，Li等人报道了以GRF4为主介导的N高效利用率引发的新绿色革命，为世界粮食的可持续发展提供了重要保障。
[0005]籽粒灌浆是水稻生长的重要生理过程，灌浆好坏将直接影响水稻的结实和产量。水稻籽粒灌浆，即光合作用产物(营养物质)向籽粒运输的过程，是影响水稻种子结实率、品质以及最终产量的重要因素。因此，研究水稻籽粒灌浆调控机制及其影响因子对指导水稻高产稳产具有重要意义。目前对于籽粒灌浆直接相关的水稻基因研究较少，主要有本实验室报道的GIF1和最近发表的OsSWEET4c。GIF1是一个控制水稻蔗糖运输卸载、最终影响灌浆的关键基因(Wang et al.，2008)，该基因编码一个细胞壁蔗糖转化酶，其作用是将蔗糖转化为葡萄糖和果糖，在gif1中细胞壁蔗糖转化酶活性显著下降，而过表达GIF1发现细胞壁蔗糖转化酶活力显著升高。表明GIF1介导的糖分卸载在水稻灌浆及淀粉合成过程中起着重要的作用。2015年，Davide Sosso等人报道了另外一个玉米中的灌浆基因ZmSWEET4c/OsSWEET4，该基因编码一个己糖转运子，主要介导己糖从基部胚乳转移层(BETL)到种子的转运过程，该基因突变导致玉米胚乳严重皱缩，灌浆异常。同时，在水稻中敲除该基因之后，胚乳发育产生严重异常，无法正常灌浆(Sosso et al.，2015)，研究还表明，该基因在GIF1的下游因子，GIF1负责转运卸载蔗糖(二糖)分解成单糖，而OsSWEET4则负责转运单糖至胚乳中供其发育所需。有意思的是，GIF1和SWEET4这两个基因都在驯化过程中受到了选择，这也暗示着籽粒灌浆这一生理过程的重要性。
[0006]因此，本领域需要进一步研究开发作物增产相关的基因，特别是调节植物籽粒灌浆的基因，以期更高效地进行作物的种植，提高单位面积种植的作物的产量。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种作物磷高效和高产基因及其应用。
[0008]在本专利技术的第一方面，提供一种改良作物性状或制备性状改良的作物的方法，包括：在作物中上调PHO1；2的表达或活性；所述PHO1；2包括其同源物；其中，改良作物性状包括选自下组：(i)促进作物籽粒(种子)的灌浆；(ii)提高作物的产量或生物量，(iii)促进以向胞外输送磷为主的双向磷转运，调节胞内磷积累；(iv)增强ADP焦磷酸化酶(AGPase)活性；(v)促进作物对磷的利用率(从而减少作物对磷肥的需求量)；(vi)提高作物对低磷环境的耐受性。
[0009]在一个优选例中，所述的上调PHO1；2的表达或活性包括：在作物中过表达PHO1；2；较佳地，包括：将PHO1；2基因或含有该基因的表达构建物或载体引入作物中；以表达增强型启动子或组织特异性启动子，提高作物中PHO1；2基因表达；以增强子提高作物中PHO1；2基因表达；降低PHO1；2基因的组蛋白甲基化修饰水平，提高其表达水平；或，在不同水稻品种中筛选具有PHO1；2基因高表达的品种，通过杂交育种的方式将片段导入其他品种中。
[0010]在另一优选例中，所述的组织特异性启动子包括(但不限于)：珠心表皮(NE)和维管束(Vb)特异表达的启动子，膜特异性表达启动子。
[0011]在本专利技术的另一方面，提供一种PHO1；2或其上调分子的用途，用于：(a)改良作物的性状，(b)制备性状改良的作物，或(c)制备改良作物性状的制剂或组合物；其中，所述改良性状包括：(i)促进作物籽粒(种子)的灌浆；(ii)提高作物的产量或生物量，(iii)促进以向胞外输送磷为主的双向磷转运，调节胞内磷积累；(iv)增强ADP焦磷酸化酶活性；(v)促进作物对磷的利用率(从而减少作物对磷肥的需求量)；(vi)提高作物对低磷环境的耐受性；所述PHO1；2包括其同源物。
[0012]在另一优选例中，所述制剂或组合物包括农用制剂或组合物。
[0013]在另一优选例中，所述的上调分子包括：过表达PHO1；2的表达盒或表达构建物(如表达载体)；或与PHO1；2相互作用、从而提高其表达或活性的上调分子。
[0014]在本专利技术的另一方面，提供一种作物细胞，其表达外源的PHO1；2或其同源物的表达盒；较佳地，该表达盒包括：启动子，PHO1；2或其同源物的编码基因，终止子；较佳地，该表达盒被包含在构建物或表达载体中。
[0015]在另一优选例中，所述提高作物产量或生物量包括：增加粒重，增加分蘖数，增加穗粒数，增加籽粒厚度和/或促进作物粗壮。
[0016]在另一优选例中，所述以向胞外输送磷为主的双向磷转运包括向胞外转运磷和向胞内转运磷(不包括单向磷转运)。
[0017]在另一优选例中，所述以向胞外输送磷为主的双向磷转运还包括：促进磷的再分配和循环利用；更佳地，包括将作物籽粒的胞内多余的磷转出细胞，重新分配到营养器官中。
[0018]在另一优选例中，所述的磷为无机磷。
[0019]在另一优选例中，所述的低磷环境是指：相对于作物所需的正常磷环境相比，其能
提供的磷的含量低5％、10％、15％、20％、30％、40％、50％、60％、80％或99％以上或更低。
[0020]在另一优选例中，所述“以向胞外输送磷为主的双向磷转运”是指根据转运活性统计分析，磷的向胞外进行磷转运的活性明显强于(如胞外磷转运占总磷装运50％以上、60％以上，70％以上，80％以上)内运活性。
[0021]在另一优选例中，所述的作物为或所述PHO1；2或其同源物来自禾谷类作物；较佳地，所述的禾谷类作物包括禾本科植本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改良作物性状或制备性状改良的作物的方法，其特征在于，包括：在作物中上调PHO1；2的表达或活性；所述PHO1；2包括其同源物；其中，改良作物性状包括选自下组：(i)促进作物籽粒的灌浆；(ii)提高作物的产量或生物量，(iii)促进以向胞外输送磷为主的双向磷转运，调节胞内磷积累；(iv)增强ADP焦磷酸化酶活性；(v)促进作物对磷的利用率；(vi)提高作物对低磷环境的耐受性。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的上调PHO1；2的表达或活性包括：在作物中过表达PHO1；2；较佳地，包括：将PHO1；2基因或含有该基因的表达构建物或载体引入作物中；以表达增强型启动子或组织特异性启动子，提高作物中PHO1；2基因表达；以增强子提高作物中PHO1；2基因表达；降低PHO1；2基因的组蛋白甲基化修饰水平，提高其表达水平；或在不同水稻品种中筛选具有PHO1；2基因高表达的品种，通过杂交育种的方式将片段导入其他品种中。3.一种PHO1；2或其上调分子的用途，用于：(a)改良作物的性状，(b)制备性状改良的作物，或(c)制备改良作物性状的制剂或组合物；其中，所述改良性状包括：(i)促进作物籽粒的灌浆；(ii)提高作物的产量或生物量，(iii)促进以向胞外输送磷为主的双向磷转运，调节胞内磷积累；(iv)增强ADP焦磷酸化酶活性；(v)促进作物对磷的利用率；(vi)提高作物对低磷环境的耐受性；所述PHO1；2包括其同源物。4.如权利要求2所述的用途，其特征在于，所述的上调分子包括：过表达PHO1；2的表达盒或表达构建物；或与PHO1；2相互作用、从而提高其表达或活性的上调分子。5.一种作物细胞，其特征在于，其表达外源的PHO1；2或其同源物的表达盒；较佳地，该表达盒包括：启动子，PHO1；2或其同源物的编码基因，终止子；较佳地，该表达盒被包含在构建物或表达载体中。6.如权利要求1～5任一所述，其特征在于，所述提高作物产量或生物量包括：增加粒重，增加分蘖数，增加穗粒数，增加籽粒厚度和/或促进作物粗壮。7.如权利要求1～5任一所述，其特征在于，所述以向胞外输送磷为主的双向磷转运包括向胞外转运磷和向胞内转运磷；或所述以向胞外输送磷为主的双向磷转运还包括：促进磷的再分配和循环利用；更佳地，包括将作物籽粒的胞内多余的磷转出细胞，重新分配到营养器官中。8.如权利要求1～5任一所述，其特征在于，所述的作物为或所述PHO1；2或其同源物来自禾谷类作物；较佳地，所述的禾谷类作物包括禾本科植物；更佳地，包括：水稻(Oryza sativa)，玉米(Zea mays)，小米(Setaria italica)，大麦(Hordeum vulgare)，小麦(Triticum aestivum)，黍(Panicum miliaceum)，高粱(Sorghum bicolor)，黑麦(Secale cereale)，燕麦(Avena sativaL)等。9.如权利要求1～5任一所述，其特征在于，所述的PHO1；2的多肽的氨基酸序列选自下组：(i)具有SEQ ID NO:1～3任一所示氨基酸序列的多肽；
(ii)将如SEQ ID NO:1～3任一所示的氨基酸序...

【专利技术属性】
技术研发人员：权利要求书二页说明书二零页序列表八页附图一四页，
申请(专利权)人：中国科学院分子植物科学卓越创新中心，
类型：发明
国别省市：