[发明专利]玉米基因Opaque1的分子标记及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种玉米基因的分子标记及其应用，特别是一种玉米基因Opaque1的分子标 记及其应用。

技术背景

谷类作物提供了人类摄取蛋白的50％左右，而在发展中国家则占到了70％(Gibbon and  Larkins，2005)。随着世界人口的持续增长、以及发展中国家饮食结构的不断调整，在世界 有限的耕地上需要生产出更多的粮食。因此，粮食问题日益凸现、急需解决。

玉米(Zea mays L.)是世界上分布最广的作物之一，栽培面积仅次于小麦和水稻位居世 界第三位。它是全世界同时也是我国主要的粮食和饲料作物。据FAO统计，从1998年起，玉米 总产量已超过小麦和水稻成为世界第一大粮食作物(史桂荣，2002)。玉米目前最主要的用途 是作物饲料。作为饲料，玉米的蛋白含量和品质是育种的重要目标。

通常，玉米胚乳含有90％的淀粉和10％的蛋白。而这些蛋白中70％的成分是醇溶蛋白，也称 作玉米蛋白(zein)。它是一类在种子发育过程中特异表达的蛋白，主要起贮存自由氨基酸的 作用。醇溶蛋白又可以进一步分为四类，分别是α、β、γ和δ醇溶蛋白。其中最大的一类 是α醇溶蛋白。α醇溶蛋白基因家族根据所编码蛋白的分子大小，又分为22kDa醇溶蛋白和 19kDa醇溶蛋白两个部分。α醇溶蛋白约占醇溶蛋白总量的80％以上，是决定种子蛋白含量的 重要因素。各种类型的醇溶蛋白形成不可溶的组织，称为蛋白体(protein body)，分布于粗 面内质网的内腔中。在籽粒成熟过程中，蛋白体堆积于玻璃质胚乳区域的淀粉粒间。玉米虽 然含有较好的蛋白含量，但其蛋白品质却并不理想。这主要表现在玉米的必需氨基酸含量并 不均衡，特别是缺乏必需氨基酸赖氨酸。

氨基酸是组成蛋白质的基本单位，是蛋白质水解的最终产物。有8种氨基酸在人体内不能 合成，必须从外界食物中摄取。它们是苏氨酸、色氨酸、赖氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸、苯丙 氨酸、亮氨酸、异亮氨酸，统称“必需氨基酸”。8种必需氨基酸中，以赖氨酸影响最大，但 在普通玉米中缺乏也最多。因此高赖氨酸玉米的培育是提高玉米蛋白品质的重点。高赖氨酸 玉米与普通玉米最本质的区别是胚乳中各种蛋白质组成及蛋白质氨基酸组成的差异。高赖氨 酸玉米营养价值提高的原因是其醇溶蛋白含量下降；而谷蛋白、白蛋白、球蛋白等非醇溶蛋 白含量相对提高。由此表明，玉米种子中储藏蛋白的相对表达量显著地影响着玉米作为动物 饲料的营养价值，因此对蛋白质含量以及成分的改变是培育高蛋白品质玉米的关键途径。

玉米的一些籽粒突变对储藏蛋白的氨基酸含量有很大的影响，其中最为显著的是玉米的 粉质籽粒突变体(Opaque突变体)。这些籽粒突变体都定位在不同的玉米染色体位点，都不 同程度地改变了储藏蛋白的积累和必需氨基酸的含量，因此在玉米蛋白品质的遗传育种上都 具有潜在的价值。其中Opaque-2(O2)是一种能够显著改变胚乳储藏蛋白氨基酸含量的突变类 型。玉米胚乳粉质突变体opaque2的发现为玉米品质改造创新提供了极为重要的基础。研究发 现：o2通过减少醇溶蛋白的合成、增加其它富含赖氨酸的蛋白质，从而最终提高胚乳中赖氨 酸的含量。

除o2外，玉米中还存在大量其它的Opaque突变体，它们都在不同程度上影响了储藏蛋白 的含量和必需氨基酸的含量，在玉米高必需氨基酸的遗传育种上具有潜在的应用价值。 opaque1(o1)是玉米经典的粉质胚乳突变体，最早由Singleton和Jones发现，呈现出柔软、 粉质的籽粒表型。o1突变体在特定遗传背景下(如A69Y等)，能产生o2突变体类似的效应， 赖氨酸含量增加，蛋白品质提高(Balconi et al.，1998)。经典遗传学将o1是定位于玉米第 四号染色体长臂的一个基因。已有的实验证据表明其引起赖氨酸含量增加的机制有别于o2等 其他突变体。因此可以在多重突变的情况下，通过效应叠加，进一步增强赖氨酸等必需氨基 酸的含量。所以o1无论是单独使用，或是和o2等其他高赖氨酸突变体联合使用，都将对高赖 氨酸或高必需氨基酸含量的高品质玉米的培养起到很好的作用。