[发明专利]玉米穗粒重和产量调控基因KWE2、其编码蛋白、功能标记、表达载体及应用

说明书

本发明公开了一种玉米穗粒重和产量调控基因KWE2、其编码蛋白、功能标记、表达载体及应用；本发明克隆了控制玉米穗粒重和产量的KWE2基因，并鉴定到导致KWE2基因差异表达的功能核苷酸序列，开发了其功能分子标记InDel1，提供了其利用途径；另一方面，对KWE2基因进行CRISPR/Cas9敲除，并利用敲除突变体（KN5585背景）和Mu插入突变体（W22背景）与常规自交系杂交，明确了KWE2基因对穗粒重、百粒重、产量、株高等性状表现的影响；并基于玉米KWE2在水稻、拟南芥中的同源基因，创制相应的敲除突变，明确其在多个重要农艺性状上对产量的提高作用和对杂种优势表现的增强作用；为利用KWE2基因提高多种农作物产量和调节杂种优势提供了技术支撑。

技术领域

本发明涉及生物基因工程技术领域，具体涉及一种玉米穗粒重和产量调控基因 KWE2、其编码蛋白、功能标记、表达载体及其在植物性状改良中的应用。

背景技术

玉米作为全球第一大粮食作物和重要的饲料、工业原料，在保证世界和我国的粮食安全中发挥着举足轻重的作用（Gore et al., 2009; Prasanna 2012）。近年来，随着我国农业生产结构调整，玉米种植面积在不断减少。同时，由于畜牧业及深加工产业的快速发展，我国玉米的消费需求急剧增加，进口量呈现爆发式增长。因此，在耕地有限的情况下，大幅提高玉米单产是提高总产，尽快摆脱进口玉米的依赖性，解决玉米供需矛盾，确保粮食安全的首要任务。

亩穗数、穗粒数和百粒重是构成玉米产量的三要素，而在特定种植密度下，穗粒数和百粒重决定玉米单产(Lopez-Reynoso and Hallauer 1998)。穗粒数又由穗行数（KernelRow Number, KRN）和行粒数（Kernel Number per Row, KNR）构成，已克隆并解析其功能的穗行数基因如编码WD40蛋白的 KRN2，通过与未知功能蛋白DUF1644协同作用，负调控玉米和水稻的产量，敲除该基因可使玉米和水稻产量分别增加~10%和~8%，且对其它农艺性状无负面效应（Chen et al., 2022）。位于SBP-box基因 Unbranched3（ UB3）下游60 Kb的基因间隔区的 KRN4，是 UB3的远端调控元件，其敲除突变体穗行数和穗粗增加（Liu et al., 2015）。编码AP2结构域蛋白的 KRN1与小麦关键驯化基因Q同源，该基因上调表达增加成对小穗分生组织数和穗行数（Wang et al., 2019）。 KRN5（Zm00001d016075）负调控行粒数，对穗粒数和穗粒重也有一定的负调控作用（An et al., 2022）。已克隆的穗长 qEL7基因编码1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶2通过乙烯信号负调控小穗数、小花育性和穗长，敲除该基因能使杂交种穗粒重提高~13.4%（Ning et al., 2021）。控制玉米行粒数的KNR6编码丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，通过磷酸化其互作蛋白GTPase激活蛋白（AGAP）影响穗长和行粒数，其启动子区转座子的缺失能显著提高产量（Jia et al., 2020）。穗长QTL（YIGE1）候选基因编码一种未知蛋白，通过影响雌蕊小花数目调控玉米产量，过表达YIGE1增加雌穗花序分生组织大小、增加穗长和行粒数，进而提高玉米产量（Luo et al., 2022）。控制雌穗顶端退化突变体（earapical degeneration1,  ead1)的基因编码铝激活的苹果酸外排转运体蛋白，过表达该基因可以显著增加穗长和行粒数（Pei et al., 2022）。