[发明专利]玉米Opaque1基因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Opaque1基因的分子标记及其应用。

技术背景

全球正经历着持续的冲击：粮食危机、螺旋式上升的能源消费、气候变暖的加剧以及近来的经济衰退。粮食危机引发的骚乱在各大洲时有发生。作为食品、饲料和燃料的重要来源，农作物的全球需求和消耗正在急剧增加。特别是，新兴国家饮食结构的调整：肉类消费不断增加；以及发达国家利用粮食生产生物燃料的加速。这使得粮食问题日益凸现，已成为制约世界经济发展及安全的关键因素之一。因此，只有通过不断提高农作物的产量，在世界有限的耕地上生产出更多的粮食，才能满足社会需求，维持世界安全和全球经济可持续发展。

玉米是世界上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。它是世界上同时也是我国主要的粮食和饲料作物。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。我国从1995年开始玉米的总产量已超过小麦，成为仅次于水稻的第二大粮食作物。预计到2017年，全球玉米和小麦的年产量需要再增加2亿吨才能满足全世界的需求。为应对世界粮食危机，保证国家粮食安全，我国提出了构建粮食核心区、到2020年再增产粮食1000亿斤的战略目标，其中需要新增玉米400亿斤(全国新增1000亿斤粮食生产能力规划2009-2020年, 2009, 国务院)。因此，这对玉米产量和品质的改良与创新提出了更高的要求。

玉米(Zea mays)，亦称包谷、苞米、棒子，属于禾本科(Gramineae)玉蜀黍族 (Maydeae)一年生草本植物。与其它作物相比，玉米具有以下优点：巨大的突变体库、较大的异染色质区段、很高的核苷酸多态性以及其基因与近缘草本共线(colinearity)。因此，玉米已成为遗传学、细胞学和基因组学研究的中心系统。同时，作为光合高效的C4植物，玉米已被列为研究生物产量和质量相关机制生物质能源的模式系统。2009年，随着2.3Gb玉米B73自交系草图序列在Science杂志上发表，这将对玉米驯化以及农艺性状的研究起着里程碑式的作用。

籽粒是玉米营养物质的重要储存器官。它主要由来源于双受精的胚和胚乳组成，并且表面有种皮包被。在典型的马齿(dent)玉米品种中，胚乳由物理特性不同的几个部分组成。其最外层是糊粉层(aleurone)，由一些特化的细胞组成，在种子萌发过程中能够分泌水解酶。糊粉层下面就是粉质胚乳细胞(starchy endosperm cells)，充斥着淀粉和储藏蛋白，这些细胞形成两种结构不同的区域：分布于外围的玻璃质(vitreous)胚乳和内部的粉质(starchy)胚乳。

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)。然而，这些含量丰富的醇溶蛋白营养成分却很不平衡。它缺乏一些单胃动物必需的氨基酸，尤其是赖氨酸；它仅含有1.5-2%的赖氨酸，而最佳的人类营养比例是5%。而大多数粉质胚乳突变体都有一个共同的特征：赖氨酸的含量显著增加，从而改良了蛋白品质。其中，以opaque2的突变尤为显著，赖氨酸含量增加接近2倍。研究表明，大多数此类突变体蛋白品质的改善得益于非醇溶蛋白与醇溶蛋白的比例的增加。

玉米胚乳突变体o2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。但是，这种类型的突变会导致籽粒密度低、质地柔软、以及硬度下降。随之而来的是一些不利的农艺性状，例如籽粒很脆、易受虫害及不易储藏，产量也随之减低，极大降低了该类型突变体的商业价值。

于是，玉米育种学家开始寻找能够改变o2胚乳松软、粉质表型的修饰基因(modifier gene)，从而获得必需氨基酸含量增加且物理性质正常的籽粒。研究表明：调控o2的修饰基因的位点有好几个；这些位点都能够有效地改善粉质胚乳突变体的不利农艺性状。南非和国际玉米和小麦改良中心的育种学家，通过将o2修饰基因系统渗入o2种质的方法，最终获得了胚乳坚硬的o2突变体，称为“优质蛋白玉米”(QPM, quality protein maize)。QPM表型和产量与正常玉米相似，但却保持了o2的赖氨酸含量。这种种质创新极大地增加了玉米的商业价值，极大推动了玉米产业的发展。