[发明专利]油菜光合作用相关基因BnGLK1及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及植物基因工程领域，具体地说，本发明涉及一种油菜光合作用相关基因BnGLK1。本发明提供了该基因的核苷酸序列、蛋白序列及其同源序列，同时还涉及该基因在作物含油量育种中的用途。

背景技术

油料作物生产不仅在国民经济和社会发展中占有重要地位，也是促进中国农业可持续发展的主要因素之一。目前中国的植物油生产量仅能满足国内1/2-2/3的消费需求，大量依赖进口，是世界上最大的油料进口国。油菜是中国最主要的油料作物之一，菜籽油在中国的食用油约占40％。中国油菜年种植面积700万公顷，菜籽产量超过1,000万吨，面积和总产均为世界第一位，分别占全世界的1/3。目前经过几代育种学家的努力，通过传统育种途径已经使油菜单产提高了许多，进一步通过传统育种途径大幅度提高产量的难度很大。但中国的菜籽比其它国家生产的含油量低，长江流域油菜质量普查结果显示，2004年油菜商品籽含油量为39.1％，比同年加拿大商品籽(42.6％)的低3.5个百分点。因此，大幅提高中国油菜含油量成为油菜育种的主要目标，也是解决中国对菜籽油需求量增加最有效的途径之一。油菜种子含油量属数量性状，其遗传受微效多基因控制，并且环境影响很大，在传统育种方法上有一定难度。现在人们越来越多地把重点放在含油量相关功能基因的分离上，并利用这些基因进行相关的基因工程品种改良争取从根本上改善种子的品质，提高油含量。

脂肪酸和油脂的生物合成途径在植物体内研究的已较为透彻，从不同物种中已经有相当多的相关基因得到分离和鉴定，研究也表明不同物种脂肪酸和油脂合成的化学途径基本上是相同的(Lung and Weselake 2006，Snyder 2009)。种子油脂合成的主要前体包括乙酰辅酶A，NAD(P)H和ATP。这些合成前体的来源和调控直接影响油脂积累的速率和数量(Voelker 2001)。它们的来源也一直被重点研究，但由于代谢途径的复杂性和冗余性，它们的具体来源仍还存在许多争议(Rawsthorne 2002)。乙酰辅酶A是所有脂肪酸碳骨架合成的最初底物，同样也是许多细胞代谢的重要中间产物，在细胞中大量合成也大量消耗。叶绿体内的丙酮酸脱氢酶，乙酰辅酶A合成酶，肉碱乙酰转移酶以及细胞质的ATP柠檬酸裂合酶都有可能参与了乙酰辅酶A的合成(Neuhaus and Emes 2000)。Schwender等(2004)的研究证明油菜油脂合成所需的丙酮酸并不像以前所认为的全部是通过糖酵解途径产生，而是核酮糖二磷酸羧化酶(Rubisco)在菜籽中独立于Calvin循环(光合作用的暗反应)发挥作用，使从胚珠光合作用产物中制造的脂肪酸更多，暗示CO2在油脂合成过程可能也起着很重要的前体作用。脂肪酸合成所需的ATP和NAD(P)H，在光照条件下一般认为是由光反应提供(Ruuska等2004)，但也存在一定争议，如Eastmond(1998)证明在脂肪酸合成中所需ATP和NAD(P)H仅靠光的贡献是不够的，还需要从细胞质中获得。在黑暗中及缺乏叶绿体的组织中，磷酸戊糖氧化途径是还原态NAD(P)H最有可能的来源，但也有研究表明同时还需要其他几个途径如糖酵解等才能提供足够的还原力(Schwender等2003)。最近在油菜和拟南芥中的研究结果显示，种子内的光合作用对含油量的贡献率在40％左右(Fernando 2005，Setsuko 2008)。而对磷酸戊糖途径的抑制反而增加了种子的含油量，表明相对于其提供用于脂肪酸合成的还原力NADPH，抑制磷酸戊糖途径来增加碳源可以更有效的增加油脂含量(Setsuko 2008)。

虽然单一的改变脂肪酸和油脂合成途径中的一系列酶如ACCase，GPAT，DGAT等可以调控含油量的变化(Roesler 1997，Jain 2000，Weselake 2008，Zheng2008)，但也有一些基因能够在代谢途径的上游位置以一种更有效的方式来对脂肪酸和油脂的合成进行整体的调控。最近研究表明，植物胚胎发育相关的转录因子通过影响一系列的生化途径包括糖酵解、脂肪酸代谢、蛋白质合成等中的众多酶类，来调控种子成熟过程中储藏产物的增加(Gutierrez 2007，Verdier andThompson 2008，Santos 2008)。通过对模式植物拟南芥突变体的筛选，鉴定了一系列调控种子油脂积累的转录因子如LEC1、LEC2、WRI1、GLABRA2等(Shen 2006，Baud 2007b，Mu 2008)。然而，由于多数转录因子的功能丰余性增加了研究其调控油脂含量的复杂性，目前为止仍有一些转录因子的作用机制未知(To 2008，Gao 2009)。