[发明专利]一种玉米籽粒体积突变体ks及其应用

说明书

技术领域

本发明属于植物基因工程和分子生物学技术领域，具体涉及一种玉米己糖转运蛋白基因(ZmSWEET4)缺失的玉米籽粒体积突变体ks及其应用。

背景技术

玉米是我国重要的粮食作物和典型的C4类模式植物，在粮食生产和单子叶植物功能基因组学研究中具有重要地位。随着全球玉米需求的快速增长，玉米在国民经济中的地位日益凸显。世界各国对玉米的需求量逐年增加，玉米消费结构发生了根本性变化，即由解决温饱的主要粮食作物，逐渐发展成为禽畜饲料、工业原料、餐桌副食、能源作物的多样化格局。特别是近年来再生能源与精深加工领域赋予了玉米新的内涵，使得玉米的工业加工比例迅速增长，多元需求使玉米成为21世纪举足轻重的战略资源。因此，玉米产量将直接影响到畜牧、轻工、能源及其相关行业的发展，关系到国家粮食安全以及人民生活水平的提高，在经济发展中具有特别重要的地位。

如何提高玉米的产量，是我国目前迫切需要解决的重大课题。除了优化种植环境和条件外，从作物自身的遗传因素入手，解析影响产量的遗传因子及其作用分子机理，也是进行农作物产量遗传改良的重要基础。高产是玉米遗传改良研究的一个永恒主题，而籽粒(种子)大小是与玉米产量指标相关的一个重要性状。因此，研究调控籽粒大小的分子机理和寻找控制籽粒大小的基因，对提高玉米产量具有非同寻常的意义。

近年来，随着分子生物学和基因组学研究技术的迅速发展，通过图位克隆、转座子标签等方法，已经鉴定并克隆了一些控制玉米籽粒发育的基因。1996年，Cheng等报道miniature 1编码一个细胞壁转化酶的同工酶，该酶在胚乳的发育中活性增加，该基因突变体的籽粒重量与野生型相比，减少了30％以上(Cheng et al.,1996)。另一个影响种子大小的基因rgf1，其突变将会影响籽粒的填充，使籽粒基部连接母体的部分发育异常，转移层细胞中基因表达减少，最终胚乳变小，产生小种子(Maitz et al.,2000)。另有ppr2263基因编码一个含有DYW结构域的PPR蛋白，此蛋白在nad5和cob转录后的RNA编辑中起作用，该基因突变也会导致小籽粒的产生(Sosso et al.,2012)。Li等也发现玉米Smk1基因编码定位于线粒体中的E类PPR蛋白，该基因的突变会阻遏胚及胚乳的发育，从而导致种子变小(Li et al.,2014)。此外，番茄的fw2.2基因在玉米中的同源基因家族CNRs(Cell Number Regulation)也会影响种子的发育，该家族基因含有一个富含半胱氨酸的保守基序，通过影响细胞的数目从而影响种子器官的大小。过表达该家族的CNR1基因会导致籽粒变小，而抑制或者敲除该基因能够使籽粒显著增大(Guo et al.,2010)。

在模式植物拟南芥和水稻中，对控制种子大小的基因也有一些研究。拟南芥的ANT和ARGOS是两个研究的相对较为清楚的基因，它们通过改变细胞数目来影响种子器官的大小。其中，ANT是一个含有AP2结构域的转录因子，而AGROS基因则通过作用于位于其上游的ANT基因来影响种子器官的大小。过表达ANT和ARGOS都会导致种子器官的增大(Elliott et al.,1996；Krizek et al.,1999)。另外，与ARGOS不同的是ARGOS-LIKE基因主要通过改变细胞的大小来影响种子的大小(Hu et al.,2006)。近年来，在水稻中也克隆到了控制种子大小的基因，例如：GS3(Fan et al.,2006,2009；Li et al.,2004)、GW2(Song et al.,2007)、qSW5/GW5(Wan et al.,2008；Weng et al.,2008；Shomura et al.,2008)、GL3.1(Qi et al.,2012)等，这些基因均可以通过不同作用机理调控水稻种子器官的大小，但其中大部分是负调控因子。GS3和GW2在玉米中的同源基因ZmGS3和ZmGW2也被证实与玉米产量决定因素有关联(Li et al.,2010a；Li et al.,2010b)。最近由张启发院士实验室克隆的GS5基因在调控水稻种子的大小和产量方面起着重要的作用，且实验证明该因子是一个正调控因子，并编码一个预测的丝氨酸羧肽酶，该基因过表达株系的种子与对照相比明显增大(Li et al.,2011)。