[发明专利]调控细胞分裂素氧化酶基因TaCKX5的物质在提高小麦产量中的应用

说明书

本发明公开了TaCKX5基因在调控小麦产量中的应用，所述基因为细胞分裂素氧化酶基因TaCKX5，编码TaCKX5蛋白。本发明采用CRISPR/Cas9技术敲除了小麦TaCKX5基因，获得了低磷条件下和正常氮磷条件下产量明显提高的小麦新种质。本发明提高了小麦产量，创新了小麦种质资源，对新品种培育、环境保护和粮食安全具有重要意义，具有重大的应用推广价值。

技术领域

本发明涉及生物技术领域中调控细胞分裂素氧化酶基因TaCKX5的物质在提高小麦产量中的应用。

背景技术

小麦是主要粮食作物，提高小麦产量对于保障粮食安全具有极其重要的作用。磷肥是小麦获得高产所需的大量元素肥料之一。生产磷肥的磷矿资源为不可再生资源，因此如能提高小麦在少施磷肥下的产量对于促进农业可持续发展具有重要意义。

细胞分裂素是一类重要的植物激素，通过控制细胞分裂、诱导促进芽萌发生长等方面控制植物发育。在植物体内细胞分裂素含量受到合成和降解通路基因的调控，其中细胞分裂素氧化酶(CKX)是降解细胞分裂素的关键酶，通过调控细胞分裂素氧化酶活性可以改变植物体内细胞分裂素含量，进而影响植物的生长发育。自1971年在烟草中首次发现CKX以来，相继在拟南芥、玉米、小麦、水稻等植物中被发现。植物生长不同阶段和不同部位CKX基因的表达模式存在较大差异，因此CKX基因作为下调植物内源细胞分裂素水平的重要基因，在定向改良作物性状、培育优良品种方面具有发掘的研究潜力。在拟南芥中敲除CKX3和CKX5显著增加了籽粒产量(Bartrina et al.2011)。水稻中已知CKX基因家族共有11个成员，日本的科学家发现OsCKX2基因的一个突变体导致细胞分裂素氧化酶降低，增加了水稻穗中细胞分裂素的含量和穗粒数，是在水稻中控制穗粒数的主效基因(Ashikari etal.2005)。利用CRISPR-Cas9技术敲除OsCKX2亦显著增加了水稻的穗粒数(Li etal.2016)。最近浙江大学的研究者利用CRISPR-Cas9基因编辑技术创制了水稻11个CKX成员的突变体，发现其中osckx11突变体不仅表现出叶片适度延缓衰老表型，而且分蘖数和穗粒数均显著增加。体外重组OsCKX11蛋白催化多种类型细胞分裂素的降解，但对反式玉米素(trans-zeatin)和顺式玉米素(cis-zeatin)表现出较强的偏好性。与野生型(WT)相比，osckx11突变体旗叶的细胞分裂素水平显著升高(Zhang et al.,2020)。但是由于组织表达特异性的不同，或者是因为基因冗余，并不是任何一个CKX成员被敲除后都能表现出农艺性状改良。比如利用CRISPR-Cas9技术敲除水稻的OsCKX9基因，增加了穗数，却显著降低了株高、穗长和穗粒数(Duan et al.,2019)。利用RNAi降低水稻中OsCKX4的表达量，显著抑制了根系生长，但可能是基因冗余的原因并未显著影响地上部的生长(Gao et al.,2015)。

细胞分裂素氧化酶基因对小麦农艺性状的调控：普通小麦每个亚基因组携有11-13个CKX基因(Chen et al.,2020)，其中绝大部分的功能未被研究。通过遗传连锁分析，发现位于3D染色体上的TaCKX6a02与籽粒大小、千粒重和灌浆速率显著关联，加性效应来自于小麦品种京411(Lu et al.,2015)。中国农科院作科所贾继增研究员研究发现TaCKX6-D1在小麦种质资源中存在5种等位变异，TaCKX6-D1a与高千粒重关联，并在小麦育种中受到选择(Zhang et al.,2012)。小麦中3A染色体上的TaCKX4存在拷贝数变异，这种变异影响了千粒重和旗叶叶绿素含量(Chang et al.,2015)。利用RNAi技术降低TaCKX2的表达量，显著增加了小麦的穗粒数和产量(Li et al.,2018)。对小麦全基因组CKX基因与农艺性状进行关联分析，发现小麦中的CKX基因主要与千粒重和株高关联(Shoaib et al.,2020)。大麦是小麦的近缘物种，利用RNAi技术降低HvCKX1的表达显著增加了大麦的产量(Zalewski et al.,2010)。由于CKX在调控小麦农艺性状方面的重要作用，科学家认为调控小麦中CKX酶活性可以创制小麦理想株型。但目前未见对小麦中CKX5基因功能的报道，也未见报道利用基因组编辑技术调控小麦CKX基因功能以提高小麦产量和养分利用效率。