本发明专利技术涉及控制水稻穗大小基因SSP1(Small?and?Sheathed?Panicle?1)及其突变基因ssp1，以及它们在调控植物株高、叶夹角和穗大小等方面的作用机理，其中来源于控制水稻穗大小基因突变体ssp1基因的序列SEQ?IDNO：3。本发明专利技术还涉及控制水稻穗大小基因突变体ssp1基因在大麦、小麦、玉米、高粱、大豆、棉花、油菜、或拟南芥等植物中的同源基因，它们统称为控制穗大小基因。本发明专利技术还涉及SSP1基因和突变体ssp1基因在控制植物株高、提高耐倒伏能力、减小叶夹角提高光合效率、改变赤霉素响应抑制穗发芽等育种方面的应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及控制水稻穗大小基因SSPl (Small and Sheathed Panicle I)和突变体sspl基因，以及它们在调控植物株高、叶夹角和穗型等方面的作用机理。本专利技术还涉及控制水稻穗大小基因SSPl和突变体sspl基因在降低株高提高抗倒能力、减小叶夹角提高光合效率、改变赤霉素响应抑制种子穗发芽等育种方面的应用。
技术介绍
“农以种为先”，提高产量一直是作物遗传育种研究的主要目标。水稻株型由株高、分蘖数目、分蘖角度叶片夹角以及穗型等构成，也是影响水稻产量的重要因素之一。上世纪60年代以株型改良为特征的矮化育种使得小麦和水稻的产量大幅度提高，而水稻“绿色革命”就是利用了半矮杆sdl基因。SDl编码赤霉素(Gibberellin，GA)合成基因，其突变使得水稻体内有活性的赤霉素含量下降，导致株高降低，提高植株抗倒伏能力，进而提高产量。目前研究表明，赤霉素促进植物生长发育是通过降解DELLA蛋白而实现的。在植物体内，GA首先与赤霉素受体GIDl蛋白结合，活化的GA-GIDl能与DELLA蛋白相结合，促进GID1-GA-DELLA复合体与GID2 (F-Box)蛋白结合，被泛素化后的DELLA蛋白经由26S蛋白酶解途径降解，解除了 DELLA蛋白的阻遏作用来促进植物生长的(Jiang and Fu，2007)。小麦的“绿色革·命”基因是赤霉素信号途径的关键元件一DELLA蛋白。目前在黄淮海平原大部分小麦新品种单产可达500公斤/亩，部分品种具有超过600公斤/亩产量的潜力。但在全国范围的大面积生产中，小麦的平均单产远低于350公斤/亩。据统计近30年来，小麦产量提高速度缓慢，平均年增长仅为0.7%左右。而根据预测，到2020年，我国小麦单产平均年增加2%以上才能基本满足需求。因此，要实现小麦自给，必须进一步提高小麦产量潜力，培育出高产、稳产的小麦新品种。同样，水稻的产量自上世纪60年代水稻“绿色革命”即矮化育种使得中国水稻单产比原有高杆品种提高20-30%。70年代成功采用以杂种优势利用为手段的杂交稻育种，使水稻单产在矮杆品种的基础上再增产20%左右，实现水稻产量上的飞跃，为解决我国13亿人口的吃饭问题做出了巨大贡献。然而，目前水稻生产中所应用的矮杆基因都是sdl，来源相当狭窄。矮杆基因利用单一化以及矮杆基因遗传隐性化，导致了水稻品种遗传背景单一和狭窄，影响了水稻品种特别是杂交水稻组合的产量潜力进一步挖掘和提高。所以发掘和利用新型矮杆基因十分重要。
技术实现思路
本专利技术涉及控制水稻穗大小基因SSPl基因和突变体sspl基因，以及它们在调控植物株高、叶夹角和穗型等方面的作用及其作用机制。本专利技术还涉及控制水稻穗大小基因SSPl和突变体sspl在植株半矮化提高抗倒能力、减小叶夹角提高光合效率、改变赤霉素响应抑制种子穗发芽等育种方面的应用。本专利技术人在中国水稻所收集的水稻资源材料中发现其中一个材料具有植株矮化、包穗等表型，通过遗传杂交，确定这个性状是受一个显性基因控制的。进一步遗传回交，构建了近等基因系，对近等基因系的比较分析发现，该基因除了控制株高外(降低株高对农作物抗倒伏，利于农作物密植增产)，还控制水稻的剑叶和叶夹角的大小，剑叶变短、叶夹角也变小的性状对提高作物光合效率很重要，控制水稻的穗部性状(包穗且穗也变小)。根据穗部的突出表型，本专利技术人将这个突变体命名为水稻穗型突变体sspl (Small andSheathed Panicle I)。sspl穗部性状不是农业直接应用的优良性状，但是它的株型和叶型性状对农业生产非常有利:1)，降低株高，可提高农作物的抗倒伏能力；2)，株型紧凑，可密植；3)，叶片深绿色，本身光合效率较高；4)，叶夹角变小，可提高群体光合效率；5)，改变赤霉素应答反应，可用于抑制种子穗发芽遗传改良。本专利技术人的研究工作正是针对上述五个优良性状开展的。产量是由复杂数量性状位点QTL(Quantitative Trait Loci)和环境互作所控制，并最终通过调节单位面积的穗粒数和粒重来影响产量。穗型(包括穗长、枝梗数、穗粒数、籽粒大小和结实率等)是影响水稻产量的重要因素之一，而株高和叶片夹角对提高水稻种植密度、提高光能转换效率和耐肥抗倒性以及提高产量非常重要。水稻穗型突变体sspl表现为植株半矮化和叶片直立等特征，属典型的nl类矮化类型。为了弄清该突变体矮化株型的遗传控制基础，我们利用图位克隆的方法，克隆了SSPl基因(Small and Sheathed Panicle I)。该基因编码一个GRAS蛋白，它与水稻SLRl蛋白(水稻中的DELLA蛋白)C端氨基酸序列有较高的相似性。突变的sspl是由2个氨基酸置换突变造成的(参见SEQ ID NO:4)。SSPl基因几乎在水稻不同发育阶段的各个器官和组织部位都有表达，尤其在穗部和穗下节的居间分生组织中表达量最高。转基因水稻植株中SSPl-GFP融合蛋白定位于细胞核中。赤霉素诱导糊粉层细胞α -淀粉酶活性实验表明突变的sspl蛋白能抑制赤霉素应答反应，表明sspl参与GA信 号传导过程，是赤霉素信号传导中的一个关键元件。进一步的酵母双杂交实验结果显示,突变的sspl和野生的SSPl蛋白均不能与赤霉素受体GIDl蛋白相互作用，这说明sspl/SSPl是一个参与赤霉素信号途径但不依赖于GIDl功能的新的负调控因子。sspl和SSPl蛋白也不能与参与DELLA蛋白降解的F-Box蛋白(GID2)和U-Box蛋白互作，说明sspl/SSPl蛋白稳定性的调控机制与DELLA蛋白SLRl的降解途径不同。另外，比较氨基酸序列发现，SSPl蛋白与另外一个参与油菜素内酯(BR)的调控因子DLT相似性较高。当利用外源油菜素内酯BR处理sspl突变体时，sspl突变体的第二叶鞘长度和叶夹角能够恢复到野生型对照植株接近的水平。在sspl突变体背景下，DLT表达量被明显上调，而另外一个油菜素内酯信号途径的关键基因BUl表达量略有下调。这表明SSPl基因也参与调控油菜素内酯的应答反应。以上实验结果说明，SSPl可能既参与赤霉素信号传导，又参与油菜素内酯信号传导，是两激素互作的一个关键调控元件。具体地，本专利技术包括下述方面:1.鉴定了水稻穗型突变体sspl的表型。水稻sspl突变体表现为包穗(抽穗不完全)、叶片直立，是一个赤霉素不敏感的半矮杆突变体。遗传分析表明，植株矮化(抽穗不完全)是受一对显性基因控制的。树脂切片实验结果表明，sspl突变体倒一节茎杆的细胞数目和细胞伸长都受到明显抑制，表明sspl抑制茎杆的细胞分裂和细胞伸长；同时，sspl突变体叶夹角明显变小，外源施加油菜素内酯能使叶夹角表型恢复到野生型水平，这说明，SSPl基因参与油菜素内酯的应答反应。2.克隆了 SSPl基因。sspl突变体分别与南京6号(NJ6，一种籼稻)和中花11号(ZH11，一种粳稻)杂交，构建了 SSPl基因的粗(精细)定位群体。通过图位克隆方法，获得了 SSPl候选基因。SSPl基因编码一个GRAS蛋白，其C端与水稻DELLA蛋白SLRl具有较高的序列保守性。获得候选基因后，通过以下实验对该候选基因进行了互补验证:a.遗传互补实验:构建自身启动子+sspl cDNA+3’U本文档来自技高网...
【技术保护点】
控制水稻穗大小基因突变体ssp1基因，其编码的氨基酸序列为SEQ?ID?NO：4。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：傅向东，刘正斌，刘学英，吴昆，
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：
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