[发明专利]一种水稻穗茎节长度控制基因及其应用

说明书

技术领域   

本发明涉及植物基因工程领域。具体的说，涉及一种利用图位克隆技术克隆的水稻穗茎节长度控制基因CSP1 (Completely Sheathed Panicle 1)，并利用转基因互补实验验证了该基因的功能。同时，还涉及利用该基因调控水稻穗茎节的生长发育，解决杂交水稻制种过程中不育系的包穗，提高杂交稻产量和质量，降低杂交稻生产成本，并减少因施用植物外源激素而造成的环境污染。

背景技术   

水稻是我国主要粮食作物之一，全球约有40%人口以稻米作为主食。自上世纪60年代以来，世界人口急剧增长而耕地面积日益缩减，粮食安全问题已成为世界和平和发展的巨大挑战。高产一直是水稻育种的最主要目标。我国于1973年率先实现了杂交水稻的三系配套，使我国水稻的单产水平获得了第二次飞跃，为我国粮食的大幅度增产增收，解决我国13亿人口的温饱问题做出了巨大的贡献，被称为第二次绿色革命（张杰等，2006）。目前，我国杂交稻种植面积已达1733万hm²，占水稻种植面积的一半以上，每年需制种15万hm²左右（吴成等，2003；邓华凤等，2006）。然而，现在所应用的水稻籼型不育系均存在不同程度的包穗现象。在水稻生产中，无论是三系核质互作不育系或是两系光温敏核不育系，都存在一个共同的遗传障碍，即不育系抽穗不畅，亦称之为包穗。水稻包穗是穗颈节缩短，穗部约30％～60％的颖花被包裹在剑叶叶鞘中。水稻不育系的包穗一直是杂交稻生产中的一大难题，严重制约杂交稻种子的生产。生产上解决的办法是在不育系抽穗期采用剥苞、割叶或喷施赤霉酸（GA3）促使最上节间伸长，达到不育系稻穗全部伸出剑叶叶鞘而便于接受父本花粉，从而提高杂交制种产量。这极大地增加种子生产成本，同时喷施赤霉酸也加重了穗上发芽和稻粒黑粉病的发生，造成种子质量下降，并加剧了环境污染（李安祥等1995；Lu et al，1999）。因此，从遗传上消除不育系的包穗特性，一直是杂交稻育种的一个重要目标。

近年来，育种家通过培育携带最上节间伸长隐性突变基因eui1（elongated uppermost internode 1）和eui2的不育系，部分减轻了不育系包穗程度，但仍然没有彻底解决问题（申宗坦等，1987；Virmani，1988；梁康还等，1992a、1992b；何祖华和申宗坦，1994；杨仁崔等，2002）。Zhu（2003）和Zhu 等（2006）先后克隆了EUI2、EUI1基因。其中，EUI1基因是一个细胞色素P450家族成员，而EUI2基因与环氧化物酶有关。EUI1和EUI2的功能是使水稻的内源激素GA的合成减少。当其功能缺失时，会造成GA的积累，从而使水稻的穗颈节伸长。由于eui的最上节间异常伸长，在克服不育系包穗和提高恢复系传粉能力上可能具有重要的应用价值。因此，EUI基因的克隆为人们破解水稻包穗的难题提供了希望。美国学者Rutger等（1981）对EUI 基因的利用前景给予了极高的评价，认为EUI基因将是杂交水稻种子生产(制种)中的第四遗传要素 (相对于不育系、保持系和恢复系而言)。然而，实践证明，eui基因并不能完全解除水稻不育系的包穗现象。其原因是EUI1和EUI2的功能是使水稻的内源激素GA的合成减少。当其功能缺失时，会造成GA的积累，从而使水稻的穗颈节伸长。但水稻不育系最上节间中自身合成的GA含量低。 

因此，要解决水稻不育系的包穗问题，还应从促进不育系穗颈节的GA合成方面入手。为此，迫切需要发掘新的水稻包穗突变体，克隆水稻包穗基因，并深入研究包穗形成的原因。目前已发现了几个水稻包穗突变体shp1/2/5/6（sheathed panicle）和fsp（fully sheathed panicle），但对这些包穗突变体的研究还很少，未能对水稻穗颈节间伸长的根本原因进行深入研究(Kinoshita，1986；朱克明，2006；刘庄等，2006；王伟平等，2008)。