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制造技术

本发明专利技术公开了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。本发明专利技术采用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。本发明专利技术提高了小麦产量，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。具有重大的应用推广价值。具有重大的应用推广价值。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及生物
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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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 et al.2005)。利用CRISPR
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Cas9技术敲除OsCKX2亦显著增加了水稻的穗粒数(Li et al.2016)。最近浙江大学的研究者利用CRISPR
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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
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zeatin)和顺式玉米素(cis
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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
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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)。
[0004]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
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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
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D1在小麦种质资源中存在5种等位变异，TaCKX6
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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。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是如何提高小麦产量。
[0006]为了解决以上技术问题，本专利技术提供了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，所述TaCKX5编码TaCKX5蛋白，所述TaCKX5蛋白是如下A1、A2或A3的蛋白质：
[0007]A1、氨基酸序列是序列表中序列2、序列4和序列6中任一种所示的氨基酸序列的蛋白质；
[0008]A2、将序列表中序列2、序列4和序列6中任一种所示的氨基酸序列经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加得到的与A1)所示的蛋白质具有80％以上的同一性且具有细胞分裂素氧化酶基因活性的蛋白质；
[0009]A3、在A1)或A2)的N末端或/和C末端连接蛋白标签得到的融合蛋白质。
[0010]上述应用中，序列表中的序列2由530个氨基酸残基组成，序列表中的序列4由531个氨基酸残基组成，序列表中的序列6由531个氨基酸残基组成。
[0011]上述应用中，同一性是指氨基酸序列的同一性。可使用国际互联网上的同源性检索站点测定氨基酸序列的同一性，如NCBI主页网站的BLAST网页。例如，可在高级BLAST2.1中，通过使用blastp作为程序，将Expect值设置为10，将所有Filter设置为OFF，使用BLOSUM62作为Matrix，将Gap existence cost，Perresidue gap cost和Lambda ratio分别设置为11，1和0.85(缺省值)并进行检索一对氨基酸序列的同一性进行计算，然后即可获得同一性的值(％)。
[0012]上述应用中，所述80％以上的同一性可为至少81％、85％、90％、91％、92％、95％、96％、98％、99％或100％的同一性。
[0013]上述应用中，所述TaCKX5蛋白可来源于小麦。
[0014]上述应用中，所述TaCKX5基因具体可为如下D1或D2所示的基因：
[0015]D1、编码链的编码序列是序列表中序列1、序列3、序列5中任一种的DNA分子；
[0016]D2、核苷酸序列是序列表中序列1、序列3、序列5中任一种的DNA分子。
[0017]上述应用中，所述调控可通过抑制或降低所述TaCKX5基因的表达进行。具体可为通过CRISPR
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Cas9敲除所述TaCKX5基因实现。
[0018]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了提高小麦产量的试剂，所述试剂的活性成分为抑制编码所述TaCKX5蛋白的基因的表达、降低所述TaCKX5蛋白的丰度、和/或敲除编码所述TaCKX5蛋白的基因的物质。
[0019]上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.调控TaCKX5基因的物质在提高小麦产量中的应用，所述TaCKX5编码TaCKX5蛋白，所述TaCKX5蛋白是如下A1、A2或A3的蛋白质：A1、氨基酸序列是序列表中序列2、序列4和序列6中任一种所示的氨基酸序列的蛋白质；A2、将序列表中序列2、序列4和序列6中任一种所示的氨基酸序列经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加得到的与A1)所示的蛋白质具有80％以上的同一性且具有细胞分裂素氧化酶基因活性的蛋白质；A3、在A1)或A2)的N末端或/和C末端连接蛋白标签得到的融合蛋白质。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述TaCKX5基因具体为如下D1或D2所示的基因：D1、编码链的编码序列是序列表中序列1、序列3、序列5中任一种的DNA分子；D2、核苷酸序列是序列表中序列1、序列3、序列5中任一种的DNA分子。3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于：所述调控通过抑制或降低所述TaCKX5基因的表达进行。4.提高小麦产量的试剂，其特征在于：所述试剂的活性成分为抑制编码权利要求1中所述TaCKX5蛋白的基因的表达、降低所述TaCKX5蛋白的丰度、和/或敲除编码所述TaCKX5蛋白的基因的物质。5.权利要求4所述的方法，其特征在于：所述物质含有下述F1、F2或F3：F1、靶向所述基因的sgRNA、siRNA、shRNA、miRNA或反义RNA；F2、产生靶向所述基因的sgRNA的DNA分子、产生靶向所述基因的siRNA的DNA分子、产生靶向所述基因的shRNA的DNA分子、产生靶向所述基因的miRNA的DNA分子或产生靶向所述基因的反义RNA的DNA分子；F3、产生靶向所述基因的sgRNA的表达载体、产生靶向所述基因的siRNA的表达载体、产生靶向所述基因的shRNA的表达载体、产生靶向所述基因的miR...

【专利技术属性】
技术研发人员：童依平，滕婉，王辉，王亚州，赵学强，何雪，
申请(专利权)人：中国科学院遗传与发育生物学研究所，
类型：发明
国别省市：