[发明专利]一种水稻谷氨酰胺氨基转移酶基因OsGAT2的基因工程应用

说明书

本发明公开了一种水稻谷氨酰胺氨基转移酶基因OsGAT2的基因工程应用。水稻谷氨酰胺氨基转移酶基因OsGAT2在提高水稻产量与氮素利用效率的应用。本发明所述的水稻谷氨酰胺氨基转移酶基因OsGAT2，在水稻根茎结合处表达。以日本晴水稻为背景，通过基因工程CRISPR‑Cas9技术对该基因进行敲除后，株高显著增高，氮素利用效率提高。在低氮肥施用土地中，突变体分蘖数和单株产量显著增加。对水稻增产和提高氮素生理利用效率具有重要意义。

技术领域

本发明属于基因工程技术和植物学领域，涉及一种水稻谷氨酰胺氨基转运酶基因OsGAT2 及其在低氮肥施用时水稻提高产量及氮素利用效率中的应用。

背景技术

氮素是植物中最重要的大量矿质元素之一，是植物体内构成叶绿素、核酸、酶等重要有机化合物的必需元素。禾本科植物缺氮时，会导致植株分蘖减少，茎秆细长，穗粒数少，籽粒不饱满，并且易出现早衰现象从而导致产量下降(S K De Datta,1986)。在实际农业生产中，施加氮肥是使农作物高产优产的保障。但氮肥的过量施加，也造成了许多环境和生产上的问题。过度施用氮肥不仅会加速土壤酸化，破坏环境生态稳定。同时也会降低植株对氮素的利用效率，影响生育期发育，导致贪青晚熟，使植株的营养生长过长，生殖生长延后，扰乱了正常的生长时期，从而导致产量和氮素生理利用效率降低。因此，分析植株氮素吸收的途径和机制，研究相关基因的功能，对于实际生产中产量的提高和氮肥的施用具有重要作用。

氨基转移酶(EC 2.6.1.x)是一类普遍存在于动植物及微生物中的重要且多样的蛋白质，这类酶的生理功能是催化氨基供体转移到氨基受体化合物：一般来说，氨基酸作为氨基供体， 2-氧代酸作为氨基受体，反应产物则分别是相应的2-氧代酸和氨基酸(Givan,1980)。这类酶在新陈代谢中起着核心作用，它们将氨基转入氨基酸，氨基糖，嘌呤和嘧啶核苷酸，辅酶和抗生素中。目前已知氨基转移酶家族成员至少有16个，所催化的反应在植物的氨基酸合成和代谢、次生代谢、碳氮同化、光呼吸、乙醛酸解毒以及抗胁迫等多种代谢途径中起着不可或缺的作用(Liepman A H et al.,2004)。

水稻中氮素在水稻体内的运输形式主要为氨基酸和少量的硝态氮(NO₃^-)。其中，天冬酰胺(Asparagine,Asn)和谷氨酰胺(Glutamate,Gln)是有效的氮储存和转运化合物，也是氮素从根向地上运输的最重要的形式。在水稻的木质部和韧皮部汁液中，谷氨酰胺是运输氮的最丰富的氨基酸(P.J.Lea et al.,2007)。水稻中谷氨酰胺氨基转移酶家族(GATs)成员较多，且功能大多不同。其中报道较多的是天冬酰胺合成酶(Asparagine synthetase)和谷氨酸合成酶(Glutamate synthetase,GOGAT)。天冬酰胺合成酶(Asparaginesynthetase)的水稻编码基因是OsASN1和OsASN2(Ohashi M et al.,2015)，OsASN1过表达可以促进水稻幼苗对氮的吸收和同化，增强幼苗对缺氮的耐受性，缺氮条件下产量增加(Lee S et al.,2020)。谷氨酸合成酶(Glutamate synthetase,GOGAT)在水稻中的编码基因中，OsNADH-GOGAT2的突变将导致小穗数显著减少，产量和生物量显著降低(Tamura W etal.,2011)。

发明内容

本发明的目的是提供水稻谷氨酰胺氨基转移酶基因OsGAT2的工程应用，主要是在低氮肥条件下增加分蘖，提高产量及提高氮素养分利用效率的功能。

水稻谷氨酰胺氨基转移酶基因OsGAT2在提高水稻产量与氮素利用效率的应用；所述的水稻谷氨酰胺氨基转移酶基因OsGAT2基因组序列在MSU数据库中的登录号为Os06g48620，编码的蛋白序列在MSU数据库中的登录号为Os06g48620。

作为本发明的一种优选，所述的水稻谷氨酰胺氨基转移酶基因OsGAT2在提高水稻株高、分蘖数和/或氮素利用效率的应用。