[发明专利]用于提高作物产量的双基因及其编码蛋白和应用

说明书

技术领域

本发明属于植物基因工程领域。具体涉及用于提高作物产量的双基因，以及双基因的编码蛋白，还有它们在提高作物产量上的应用。

背景技术

培育高产和抗逆性强的作物品种,是人类农业生产一直以来所追求的目标，随着环境不断恶化，极端天气增多，气候对农业的影响加大，农业面临着自然灾害多发的严峻考验，加之世界人口不断增长，粮食危机逐渐显现，培育高产、抗逆性强的作物新品种显得尤为紧迫。

Mason和Maskill(1928)提出光合生产中的源(source)库(sink)概念，之后为Evans等人所发展，植物的“源”是指植物能进行光合作用，合成植物生长所需的有机物质，为植物其他各组织器官和各项生理活动提供物质和能量的器官。比如成熟的叶片，幼茎等。“库”是植物消耗有机物质用于其自身的生长和代谢或者用于贮存有机物质形成作物产量的器官或组织。比如幼叶、果实、种子、块茎等。作物的“流”是指作物源器官形成的同化产物向库器官的转移过程，其主要的载体物质是蔗糖。从源、库与流的关系看，“源”的供应能力和“库”的需求水平对“流”分别起到推力和拉力的作用。源、库、流三者的平衡对于植物生长发育和作物产量形成有非常重要的意义。如果只是单一的考虑一方面的因素而忽略了其他因素的限制，就不能从最大程度上开发作物的生长潜力。所以在植物高产育种中必须全面协调三者的关系，使植物可以更加高效的利用有机物质，进而促进植物生长。

景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶（简写为：SBPase）是以景天庚酮糖-1，7-二磷酸为专一性底物酶(Breazeale等．1978)。是高等植物所特有的酶。SBPase在植物体内含量很低，主要负责CO₂受体核酮糖-1,5-二磷酸RuBP的再生，对卡尔文循环碳的流通有重要作用。SBPase由核基因编码，在细胞质中合成，在N端叶绿体靶向肽的引导下进入叶绿体。SBPase处在卡尔文循环核酮糖-1,5-二磷酸的再生途径中，催化SBP的脱磷酰基作用，控制碳源流向。

现在已经在很多的植物中克隆到了SBPase基因序列，如小麦、拟南芥、菠菜、玉米、水稻等，对序列进行比对分析发现SBPase在植物中有很强的保守性。其CDS序列保守性可达80%-90%，这也进一步说明了这个酶在植物生理过程中的重要性。

最近Feng等获得了过表达SBPase的转基因水稻，但是研究结果表明，该基因在水稻中的过表达对生物量和生长速率并没有很明显影响，却意外地发现其对高温和盐胁迫的抗性明显增强。另外，过表达SBPase基因的番茄植株在低温下的净光合速率和RuBP最大再生速率明显高于野生型，低温处理后电解质渗漏率降低，说明SBPase过量表达提高了番茄叶片的光合功能，增强了其对低温的耐受性。进一步研究表明，不同叶位和叶龄叶片中SBPase对碳同化的影响能力也不同。在同一株过表达SBPase的转基因植株中，通过对光合作用效率的测定，发现刚长出的新叶比野生型相同位置的新叶光合效率可提高12%，而老叶则只能比野生型提高约6%。

果糖-1,6-二磷酸酶，在植物细胞中存在两种类型，叶绿体果糖-1,6-二磷酸酶（cp-FBPase）和细胞质果糖-1,6-二磷酸酶（cy-FBPase），两种类型的酶不光作用位置不同，酶活性调节方式以及作用途径也不同。叶绿体果糖-1,6-二磷酸酶参与Calvin循环，是受光调控的酶，其活性不能被AMP抑制，最佳活性pH是8.8；而胞质FBPase活性则不受光调控，其活性被AMP所抑制，最佳活性的pH为8.0。但两个酶的结构相似，作用底物相同，都是催化果糖-1,6-二磷酸酶水解成为果糖-6-磷酸和无机磷酸。两个酶所催化的反应相同，都是催化果糖-1,6-二磷酸的水解反应，但是所处的调节位置不同，cp-FBPase处在卡尔文循环途径中有机物质分配的分支点上，对于调节碳元素的流向和分配有重要作用，cy-FBPase处于胞质蔗糖合成途径的较上游部位，蔗糖合成的限速酶。因此两个酶对于植物的生长和有机物质的分配都有重要作用。