[发明专利]一种水稻类病变衰老调控基因及应用

说明书

本发明公开了一种水稻类病变衰老调控基因及应用。水稻类病变衰老调控基因，命名为水稻类病变衰老调控基因LEMS3，核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示。本发明通过图位克隆技术从水稻类病变早衰突变体lmes3中克隆控制水稻类病变衰老基因LMES3，功能互补实验证明LMES3是控制水稻衰老相关基因。通过透射电镜和光合速率，以及光反应和暗反应检测技术的观察，证明了本发明克隆的早衰基因对于水稻的生长发育，叶绿体中类囊体的完整性等均具有明显的调节作用。本发明还同时提供了上述基因的用途：利用基因工程技术可以把衰老基因的一些特异标记性状应用于水稻品种改良、产量增加和抗性筛选。

技术领域

本发明涉及农业生物技术领域，特别是涉及一种水稻类病变衰老调控基因及应用。

背景技术

水稻是世界上重要的粮食作物，稻米的总产量占世界粮食作物产量第三位，仅低于玉米和小麦，但它加工简单，食用方便，可以维持较多人口的生活。全球约有35亿人，有一半的人口食用稻米，主要分布在亚洲、欧洲南部和热带美洲及非洲部分地区，就我国而言就有60％以上的人口以稻米为主食。

植物叶片衰老是叶片发育的最终阶段，也是植物在长期进化过程中形成的适应性机制。作为叶片生长发育的最后阶段，叶片衰老由外部和内部信号引起，该过程包括细胞结构和生理变化，导致大分子(如叶绿素、蛋白质、核酸和脂质)的降解、营养物质的再分布和细胞结构的破坏，并受植物激素、一些代谢物的内源性因素以及光合作用的状态等调控。已有研究表明，植物衰老过程可划分为2个阶段：(1)可逆衰老阶段，该阶段细胞以活体状态存在，依然具备相关功能。当外界胁迫或内部信号消失后细胞便能很快恢复正常状态。(2)不可逆衰老阶段，此时细胞内的细胞器发生裂解，细胞膜通透性降低，细胞增殖与分化能力和生理功能逐渐衰退，同时染色质开始降解，PCD发生，即产生的影响无法恢复。叶片作为水稻重要的源器官，为植株提供各种营养组分，包括大量的能量和有机物，以保证水稻正常的生长发育。而水稻的衰老亦最早体现在叶片上。经过大量的育种实践，发现叶片的早衰造成水稻叶片功能期的缩短，可利用营养物质的缺乏并严重影响籽粒的发育，从而导致水稻产量与品质的下降。因此，衰老进程在很大程度上决定了作物的产量及品质。水稻叶片衰老的形态学变化主要有3种：(1)由于叶绿素缺失导致大部分水稻叶片过早失绿而黄化，已精细定位的相关基因有etl1、etl2及pse1等；(2)叶片卷缩，从叶缘延伸至叶尖，进而扩展至整片叶，相关基因有rel2、es-t及wlt1；(3)病程相关蛋白(PRS)等导致叶片中部逐渐产生斑点，甚至局部坏死，相关基因有psl3和spl7等。水稻的衰老过程伴随着许多复杂的生理生化反应。其中，叶细胞显示出一些独特的结构和生理生化变化。最早的结构变化主要从叶绿体开始，首先是细胞质收缩和质膜破裂降解，接下来基粒片层和基质片层结构紊乱，以及形成一种被称为“质体小球”的脂滴，嗜锇颗粒的数量和体积也逐渐增加；同时，相关运输蛋白被激活，可利用的营养物质活化后被运输至库器官贮存；而RuBP羧化酶迅速降解导致光合能力急剧下降，叶片内蛋白质含量降低到正常水平以下；随之液泡崩裂，细胞器数量减少；然后在各种溶解酶的作用下，胞内不正常的酶活反应造成细胞液电解质紊乱，导致叶片气孔缩小、光合及蒸腾速率降低及运输能力下降等，最终导致细胞死亡。

科学家利用物理辐射、化学诱变以及T-DNA插入等技术创造了大量的水稻叶片早衰相关突变体，且随着图位克隆技术的发展，水稻叶片早衰的相关研究快速发展。叶片衰老过程中，一些基因的表达会被抑制，也有的基因会促使其表达，这些在RNA或者蛋白的表达水平上发生明显变化的基因称为衰老相关基因(senescence-associated genes，SAGs)。主要包括激素途径相关基因、叶绿体发育及叶绿素降解相关基因、蛋白酶或物质转运代谢相关基因、转录因子家族相关基因以及光敏色素等其他途径相关基因。目前只有少数的水稻衰老基因被鉴定，仍有大量的植物衰老相关的基因有待鉴定。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的水稻类病变衰老调控蛋白LMES3及其编码基因与应用。