[发明专利]玉米C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因及其在小麦生产中的应用

说明书

技术领域

本发明属于生物基因领域，具体涉及一种玉米(禾本科玉米属，Zea mays L.) 中C₄型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase，PEPC)基 因及其在小麦生产中的应用。

背景技术

小麦、水稻等农作物是我国主要的粮食作物，其生产能力及供需状况始终 关系到我国国民经济发展和粮食安全等重大战略问题。从世界范围来看，世界 粮食生产状况始终与各国政治、经济发展状况紧密联系，粮食生产量和储备量 一有下降，国际粮价就大幅攀升，恐慌情绪就大势蔓延，对各国的政治经济形 势造成重大影响；从国内来看，随着我国人口的增长，工业化和城镇化的快速 发展，对粮食的需求将持续加大。同时，由于我国粮食作物种植面积不可能大 幅度恢复增长，因此要保障我国粮食安全，唯一的出路是持续提高单产，这就 要求在小麦、水稻等主要粮食作物的产量性状遗传改良方面获得跨越性的进展。

光合作用是一切绿色植物物质生产的基础，据估计，植物地上部干物质的 90％来自于光合作用。因此，提高作物产量的关键是提高光能利用效率，从而提 高单位面积的产量。而要大幅度提高光能利用率和实现超高产，必须采取合理 株型(外在光合效率)和高光效(内在光合效率)相结合的技术路线。目前小 麦、水稻等农作物单产水平的提高，主要是由于品种产量潜力遗传改良和生产 条件改善的结果，而产量潜力的遗传改良主要是通过形态性状的改良和杂种优 势等途径来实现的，在现有小麦、水稻等农作物品种产量水平已相对较高，且 都已具有良好的形态结构，叶面积指数和收获系数都已接近极限的情况下，再 单纯依靠上述途径已很难实现产量潜力的跨越式提高。在此背景下，国内外许 多学者把目光纷纷投向光能利用效率的遗传改良研究，希望通过提高光合效率 来实现生物学产量的大幅度提高，进而获得产量潜力改良的突破性进展。

根据光合作用途径的不同，植物可分为C₃型、C₄型和CAM(景天酸)型。 C₄和CAM植物是在逆境下经过长期驯化，从C₃植物进化而来的。与小麦、水稻、 大豆等C₃植物相比，玉米、高粱、甘蔗等C₄植物具有CO₂浓缩机制，光补偿点高， CO₂补偿点低，光呼吸弱，特别在高温、干旱等逆境条件下具有明显的光合优势。 由于C₄植物具有高光合、高水分、高氮素利用效率以及高生物学产量，因此将 C₄途径引入C₃植物以提高其光合效率和籽粒产量，一直是国内外生物学研究领 域的重大科学命题。以前此方面的研究主要途径是同室筛选、细胞融合和远缘 杂交等方法，但一直未获得突破性进展。近年来日趋成熟的转基因技术由于可 以打破物种间的生殖隔离，实现基因在不同物种中的交流，因此已成为解决农 作物重要性状遗传改良瓶颈问题的主要技术途径。

PEPC是C₄光合途径中第一个也是最关键的酶，其主要分布在C₄植物叶肉细 胞的叶绿体内，形成CO₂浓缩机制，为维管束鞘细胞进行的C₃途径提供CO₂。1999 年Maurice S.B.Ku等将玉米pepc基因转入水稻，获得的转基因植株PEPC活性较 未转化对照高110倍，转pepc基因水稻已具备初级的CO₂浓缩机制，CO₂补偿点降 低，光呼吸显著减弱，光饱和点、净光合速率及羧化效率明显提高，耐光抑制 和光氧化能力显著增强，产量较未转化对照可提高10％-30％。但是，该项研究 所利用的pepc基因全长接近9kb，目的片段过大，对于小麦、水稻等农作物的规 模化遗传转化研究难度较大。因此，通过筛选不同玉米自交系材料，获得高光 效玉米种质资源作为pepc基因的供体材料，并从中克隆C₄型pepc基因的cDNA序 列，可获得优异的C₄型pepc基因供体材料，并可克隆出片段显著减小、适合于小 麦、水稻等农作物规模化遗传转化的目的基因，为C₃农作物高光效基因工程研 究提供重要的基因来源。

发明内容