[发明专利]水稻3花小穗基因LF1在提高禾本科粮食作物产量中的用途

说明书

本发明属于分子生物学技术领域，尤其是涉及水稻3花小穗基因LF1在提高禾本科粮食作物产量中的用途。本发明还提供水稻3花小穗基因LF1在提高禾本科粮食作物产量中的用途以及提高禾本科粮食作物产量的制剂。本申请克隆分离了LF1基因，发现在lf1突变体中，LF1基因由于microRNA165/166调控位点突变而发生异位表达，从而导致小穗内2个“侧生小花”的恢复，这样加上原本的一个顶生可育小花，lf1突变体一个小穗的小花数目就达到了3个(称为“3花小穗”)。这提供了一种新的增加穗粒数的育种途径，对进一步提高水稻产量具有十分重要的意义。本发明为提高禾本科粮食作物产量提供一种新选择。

技术领域

本发明属于分子生物学技术领域，尤其是水稻3花小穗基因LF1在提高禾本科粮食作物产量中的用途。

背景技术

每穗粒数是水稻等禾本科粮食作物产量构成的重要因素之一，而穗(花序)形态性状，比如各级枝梗的数目以及其上小穗的着生密度等，都会影响每穗粒数的形成，目前克隆的与每穗粒数相关基因也主要是通过影响穗形态性状起作用。实际上每穗粒数的形成还有一个重要的影响因素——小穗内小花的数目，这一现象一直没有引起人们的重视，因为正常水稻一个小穗内小花数目是恒定的——只包含一个可育小花，只能产生一个籽粒，但根据前人和我们的研究结果表明，小穗内小花数目由基因调控，一些基因的改变会导致小穗内小花数目的增加(称之为―3花小穗”)，这提供了一种新的增加穗粒数的可能育种途径，理论上可以增加籽粒数3倍，对进一步提高水稻产量具有十分重要的意义。但目前这一现象产生的分子机制还不明确，还难以实现―3花小穗”的分子设计育种。

在水稻等禾本科植物中，花序结构(即稻穗)可以分为枝梗和小穗(颖花)两种类型。目前，已克隆的影响水稻每穗粒数的基因主要是通过调控一次/二次枝梗数目及小穗的着生密度来实现的。短穗基因SP1编码1个多肽转运蛋白家族的跨膜蛋白，正向调控水稻枝梗分生组织的伸长，sp1突变体枝梗原基的发育能够正常起始，但枝梗的延伸出现严重障碍，导致短穗(Li et al.,2009b)。直立穗基因DEP1编码G蛋白γ亚基，DEP1是显性的功能性获得性突变，能促进细胞分裂，降低穗颈节长度并使稻穗变密、枝梗数增加、每穗籽粒数增多，从而促进水稻增产(Huang et al.,2009；Yan et al.,2007)。DEP2基因编码一个植物特有的未知蛋白，正向调控穗轴和枝梗的伸长，突变后直立密穗，虽稻穗长度变短，但每穗粒数基本没变化(Li et al.,2010；Zhu et al.,2010)。OsSPL14/IPA1基因编码1个类Squamosal启动子结合蛋白的转录因子，OsSPL14的一个点突变扰乱了OsmiR156对OsSPL14的调控，使得水稻分蘖减少、穗粒数和千粒重增加，同时茎秆变得粗壮，抗倒伏能力增强，进而提高产量(Jiao et al.,2010；Miura et al.,2010)。OsCKX2/Gn1a基因编码一种降解细胞分裂素的酶，是产量的负向调控子，其突变后使得细胞分裂素在花序分生组织中累积，促进生殖器官数量的增加，从而增加了颖花数量，最终提高水稻的产量(Ashikari et al.,2005)。Ghd7基因编码的蛋白质为一含CCT结构域蛋白家族成员，其表达和功能受光周期调控，主要通过增加二次枝梗数来增加每穗粒数(Xueet al.,2008)。

小穗是所有禾本科作物特有的花序结构，根据前人的研究，将小穗发育过程大致分为八个阶段(Ikeda et al.,2004):

第一阶段，副护颖原基形成且发育不完全；

第二阶段，护颖原基形成和副护颖原基发育停止；

第三阶段，外稃原基形成和护颖继续伸长；

第四阶段，内稃原基形成，护颖和外稃继续伸长；

第五阶段，浆片原基形成，浆片原基位于外稃一侧，护颖和内外稃持续伸长；

第六阶段，雄蕊原基形成，排列呈环状，外稃一侧的雄蕊原基发育迟缓；