本发明专利技术涉及分子生物学领域，具体提供了一种玉米ZmSTP1蛋白(如SEQ ID No.1所示)及其编码基因(如SEQ ID No.2所示)在促进植物根系单糖吸收中的应用。本发明专利技术首次从重要粮食作物玉米中获得了一个具有糖吸收功能的蛋白，此基因在玉米的根尖表达，具有吸收和转运多种单糖的功能；将该基因转入模式植物拟南芥可提高转基因植株对特定糖的吸收能力，显著提高土培植株生物量和种子产量，具有重要的应用前景；同时从碳水化合物对氮效率提高的角度考虑，更是有望改善植物氮效率，培育氮高效农作物。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及分子生物学领域，具体地说，涉及玉米ZmSTP1蛋白及其编码基因在促进植物根系单糖吸收中的应用。
技术介绍
碳水化合物亦称糖类化合物，是自然界存在最多、分布最广的一类重要的有机化合物。糖类是光合作用的产物，又是呼吸作用的底物，为植物体内生理生化反应提供碳骨架和能量，因此糖的供应对碳氮代谢、干物质积累、作物产量形成至关重要。植物中的糖一部分来自光合作用和淀粉的降解，一部分由根系从土壤中直接吸收。其中根系直接吸收的糖类对植物总碳水化合物的积累意义重大。葡萄糖、果糖、蔗糖等中性糖由于分子量大、亲水性等性质，它们的跨膜运输需要膜运输蛋白的参与(Ludewig and Flügge，2013Frontiers in Plant Science 4，231)。目前在细胞膜上发现了一系列糖跨膜运输蛋白，它们的生化功能和分子特征不尽相同。在拟南芥中推测存在50多种单糖转运蛋白和20种二糖转运蛋白(Lalonde et al.，2004Annual Review of Plant Biology 55，341–372)。其中有14种单糖转运蛋白属于STP(Sugar Transporter Subfamily)蛋白家族(Johnson and Thomas，2007Molecular Biology and Evolution 24，2412–2423)。已有功能研究的STP蛋白主要在植物库器官表达，表现出了高亲和的运输特性(Km 10-100mm)(Buttner 2007FEBS Letters 581，2318–2324)，表明了它们向库中运输、积累光合产物的主要特征。AtSTP1可以重吸收根系排出的单糖(Sherson et al.，2000The Plant Journal 24，849–857)，Atstp1突变体单糖积累减少，对半乳糖、甘露糖不敏感(Sherson et al.，2000The Plant Journal 24，849–857)；AtSTP13主要在皮层、内皮层表达，负责重吸收非生物胁迫导致的表皮细胞受损而泄出的单糖类物质(Nour-Eldin et al.，2006Plant Methods 2，17–25；Yamada et al.，2011The Journal of
Biological Chemistry 286(50)，43577–43586)。超表达AtSTP13基因的拟南芥植株，对葡萄糖的吸收增加，含糖量显著提高，最终生物量显著提高(Schofield et al.，2009Plant，Cell and Environment 32，271–285)。因此，糖转运蛋白对糖的吸收和积累起到了十分重要的作用。糖类还调控昼夜节律钟，影响植物激素合成、防御系统及发育进程(Bolouri Moghaddam and Van den Ende，2013Journal of Experimental Botany 64(6)，1439–1449)。氮是与碳密切关联的植物必需矿物元素，2014年全球氮肥用量约为1.1亿吨，到2050年需求量预计达到2.25亿吨才能满足粮食安全的需求(Frink 1999P Natl Acad Sci USA.，96(4):1175-1180；Tilman et al.，2011P Natl Acad Sci USA.，108(50):20260-20264)。大量投入氮肥引起了土壤酸化、水体富营养化等一系列环境问题(Guo et al.，2010Science，327(5968):1008-1010)；另一方面，氮素缺乏仍然是发展中国家农业生产的主要制约因素(Diels et al.，2001Agronomy Journal，93:1191-1199；Vitousek 2009)。氮素不足会显著降低叶绿素合成和干物质积累，影响生殖器官的发育，最终导致严重减产(Marschner 1995Mineral Nutrition of Higher Plants，2nd edn)。碳氮代谢是植物体内最重要的代谢过程，碳代谢与氮同化关系密切(宋建民，1998植物生理学通讯)。空间上看，碳代谢与NO2-同化发生在叶绿体内，氮代谢需要碳代谢提供的碳源和能源，也需要碳代谢合成的酮酸作为骨架来合成氨基酸。硝酸还原酶(NR)的活性也受碳水化合物的影响(Cheng et al.，1986Metabolism 35，10–14；Cheng et al.，1992PAcad Sci 89，1861-1864；Vincentz et al.1993)。在番茄中研究表明通过增加蔗糖的吸收和利用，使得硝酸还原酶的表达量增加，进而加速了氮代谢过程，增加了氨基酸的合成速率(Morcuende et al.1998Planta 206，394–409；Halford et al.2004Journal of Experimental Botany 55，35-42)。另外，根系氮吸收也受根中可溶性碳水化合物供应影响(Tolley et al.，1988Journal of Experimental Botany 1988，39:613-622；Tolley et al.，1991Botanical Gazette 152:23-33)。作为重要的粮食作物，玉米在全球粮食安全中发挥重要的作用，
并且相对于其它粮食作物增产潜力巨大(Chen et al.，2014Nature)。然而目前为止，玉米中的糖转运蛋白鲜有报道，本研究从玉米中克隆到糖转运蛋白STP1基因，将其互补至酵母中表现出对葡萄糖(Glc)、果糖(Frc)、甘露糖(Man)强烈的响应，对半乳糖(Gal)有部分响应，表明ZmSTP1转入酵母体系中后可以吸收多种单糖，但对不同单糖的吸收能力不同。超表达至拟南芥上表现出，对多种糖处理具有响应。表现为营养生长及生殖生长受到影响，包括生物量，籽粒产量显著增加，糖含量增加，蔗糖转运蛋白AtSUC2，叶绿素a和叶绿素b合成相关蛋白AtCAB1表达量也明显增加。其可为玉米糖高效积累基因工程提供重要的候选基因，同时对于提高植物，特别是粮食作物的氮吸收利用效率也有一定的提高作用，具有重要的实用价值和直接的经济效益。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种玉米ZmSTP1蛋白及其编码基因在促进植物根系单糖吸收中的应用。为了实现本专利技术目的，本专利技术首先提供一种玉米ZmSTP1蛋白，来源于玉米属的玉米(zea mays L.)，所述蛋白的氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。本专利技术还提供了所述蛋白的编码基因ZmSTP1，其核苷酸序列如SEQ ID No.2所示。本专利技术还提供了所述ZmSTP1基因在促进植物根系单糖吸收中的应用。具体地，所述应用为将所述ZmSTP1基因转入植物中，促进植物根系单糖高效吸收积累，进而提高植物生物量和/或籽粒产量。进一步地，所述ZmSTP1基因通过重组表达载体转入植物细胞。可用现有的植物表达载体构建含有ZmSTP1基因的重组表达载体。使用ZmSTP1基因构建重组植物表达载体时，在其转录起始核苷酸前可加上任何一种增强本文档来自技高网...
【技术保护点】
玉米ZmSTP1蛋白，其特征在于，所述蛋白的氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。
【技术特征摘要】
1.玉米ZmSTP1蛋白，其特征在于，所述蛋白的氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。2.权利要求1所述蛋白的编码基因，其特征在于，所述基因的核苷酸序列如SEQ ID No.2所示。3.权利要求2所述的基因在促进植物根系单糖吸收中的应用。4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，将权利要求2所述基因转入植物中，促进植物根系单糖高效吸收积累，进而提高植物生物量和/或籽粒产量。5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述基因通过...
【专利技术属性】
技术研发人员：李学贤，韩洁楠，郑红艳，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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