[发明专利]玉米双调控模块在调控植物生长和抗病平衡中的应用

说明书

本发明属于农业生物技术领域，具体涉及一种玉米双调控模块在调控植物生长和抗病平衡中的应用，所述玉米双调控模块包括ZmTBF1a基因的启动子和uORF序列，即pZmTBF1a:uORFsupgt;ZmTBF1a/supgt;，其核苷酸序列参见SEQ ID No.1；还包括ZmTBF1b基因的启动子和uORF序列，即pZmTBF1b:uORFsupgt;ZmTBF1b/supgt;，其核苷酸序列参见SEQ ID No.2。在此基础上，本发明克隆了这两个基因上游的启动子pZmTBF1和uORFsupgt;ZmTBF1/supgt;双调控元件，组成适用于玉米的病原诱导型基因调控模块；构建了两个基于pCAMBIA3301的植物表达载体，用于调控抗病基因在玉米中的诱导表达，对培育高抗和稳产的玉米转基因新品种具有应用价值。

技术领域

本发明属于农业生物技术领域，具体涉及一种玉米双调控模块在调控植物 生长和抗病平衡中的应用，更具体是涉及一种TBF1基因启动子和uORF元件在 调控植物生长和抗病平衡中的应用。

背景技术

玉米作为我国主要的粮食和饲料作物之一，在农业生产中占有重要地位。 近年来，伴随着气候变化和品种更替，玉米病害的发生呈现出持续加重的趋势， 严重威胁我国的粮食安全。因此，品种的抗病性改良，成为目前玉米育种工作 的重要目标。进入21世纪，植物抗病的分子机制研究有了突破性进展，建立了植物免疫系统的基本框架，为玉米抗病分子改良奠定了良好的理论基础。然而， 生产实践和实验研究发现，植物生长和抗病之间存在紧密的拮抗关系，导入抗 病基因是提高玉米抗病性的有效手段，但是抗病基因过量表达时常常引起不可 预期的生长缺陷，比如抗病基因在改良作物抗性的同时，往往会抑制植物的生 长，进而影响作物产量。因此，生长和抗病的平衡问题，成为制约抗病基因在 玉米育种应用中的瓶颈。

在长期的进化和适应过程中，植物形成了复杂的调控网络和分子机制，用 来平衡自身的生长发育和抗病性。其中，拟南芥TBF1基因作为关键的开关分子， 在植物的生长和抗病转换过程中发挥重要作用。

作为生长和抗病转换的关键开关分子，TBF1的表达受到上游开放阅读框 (uORF，upstream Open Reading Frame)在翻译水平的精确调控。研究表明， TBF1基因起始密码子上游区域含有2个富含苯丙氨酸密码子的uORF^TBF1。当正 常生长时，适量的苯丙氨酸能够满足正常的代谢需求，此时，未磷酸化的翻译 起始因子eIF2α会结合在uORF^TBF1处，抑制TBF1的翻译起始；而在病原菌入 侵时，植物对苯丙氨酸的需求增加，导致大量空载苯丙氨酸转运核糖体(tRNA^Phe) 的积累和随后eIF2α的磷酸化修饰促进其结合到TBF1的翻译起始位点，激活 TBF1表达的同时促进植物转换到抗病模式。因此，uORF^TBF1的存在使TBF1的 表达在正常生长的拟南芥中被严格抑制，而在病原菌入侵时可以快速启动，从 而发挥其生长和抗病转换的开关作用(Pajerowska-Mukhtar,K.M.,Wang,W.,Tada,Y.,et al.(2012)The HSF-like transcription factor TBF1 is a major molecular switch for plant growth-to-defense transition.Curr Biol 22,103-112)。

基于TBF1基因转录和翻译水平上受到植物双重调控的分子机制，董欣年教 授和王石平教授团队在拟南芥和水稻中，成功克服了抗病基因表达引起的生长 缺陷(Xu,G.,Yuan,M.,Ai,C.,et al.(2017)uORF-mediated translation allows engineered plantdisease resistance without fitness costs.Nature 545,491-494.)。然 而，这种机制在其他作物中的保守性，尤其是在玉米对抗其特有病害中的作用 目前仍不清楚。