[發明專利]玉米C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因及其在小麥生產中的應用

無效

• 申請號: 200910064323.6
• 申請日: 2009-03-04
• 公開（公告）號: CN101492689A
• 公開（公告）日: 2009-07-29
• 發明（設計）人: 許為鋼;李艷;張磊;胡琳
• 申請（專利權）人: 河南省農業科學院
• 主分類號: C12N15/60
• 分類號: C12N15/60;C12N9/88;C12N15/82
• 代理公司: 鄭州大通專利商標代理有限公司
• 代理人: 張愛軍

技術領域

本發明屬于生物基因領域，具體涉及一種玉米(禾本科玉米屬，Zea?mays?L.) 中C₄型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate?carboxylase，PEPC)基 因及其在小麥生產中的應用。

背景技術

小麥、水稻等農作物是我國主要的糧食作物，其生產能力及供需狀況始終 關系到我國國民經濟發展和糧食安全等重大戰略問題。從世界范圍來看，世界 糧食生產狀況始終與各國政治、經濟發展狀況緊密聯系，糧食生產量和儲備量 一有下降，國際糧價就大幅攀升，恐慌情緒就大勢蔓延，對各國的政治經濟形 勢造成重大影響；從國內來看，隨著我國人口的增長，工業化和城鎮化的快速 發展，對糧食的需求將持續加大。同時，由于我國糧食作物種植面積不可能大 幅度恢復增長，因此要保障我國糧食安全，唯一的出路是持續提高單產，這就 要求在小麥、水稻等主要糧食作物的產量性狀遺傳改良方面獲得跨越性的進展。

光合作用是一切綠色植物物質生產的基礎，據估計，植物地上部干物質的 90％來自于光合作用。因此，提高作物產量的關鍵是提高光能利用效率，從而提 高單位面積的產量。而要大幅度提高光能利用率和實現超高產，必須采取合理 株型(外在光合效率)和高光效(內在光合效率)相結合的技術路線。目前小 麥、水稻等農作物單產水平的提高，主要是由于品種產量潛力遺傳改良和生產 條件改善的結果，而產量潛力的遺傳改良主要是通過形態性狀的改良和雜種優 勢等途徑來實現的，在現有小麥、水稻等農作物品種產量水平已相對較高，且 都已具有良好的形態結構，葉面積指數和收獲系數都已接近極限的情況下，再 單純依靠上述途徑已很難實現產量潛力的跨越式提高。在此背景下，國內外許 多學者把目光紛紛投向光能利用效率的遺傳改良研究，希望通過提高光合效率 來實現生物學產量的大幅度提高，進而獲得產量潛力改良的突破性進展。

根據光合作用途徑的不同，植物可分為C₃型、C₄型和CAM(景天酸)型。 C₄和CAM植物是在逆境下經過長期馴化，從C₃植物進化而來的。與小麥、水稻、 大豆等C₃植物相比，玉米、高粱、甘蔗等C₄植物具有CO₂濃縮機制，光補償點高， CO₂補償點低，光呼吸弱，特別在高溫、干旱等逆境條件下具有明顯的光合優勢。 由于C₄植物具有高光合、高水分、高氮素利用效率以及高生物學產量，因此將 C₄途徑引入C₃植物以提高其光合效率和籽粒產量，一直是國內外生物學研究領 域的重大科學命題。以前此方面的研究主要途徑是同室篩選、細胞融合和遠緣 雜交等方法，但一直未獲得突破性進展。近年來日趨成熟的轉基因技術由于可 以打破物種間的生殖隔離，實現基因在不同物種中的交流，因此已成為解決農 作物重要性狀遺傳改良瓶頸問題的主要技術途徑。

PEPC是C₄光合途徑中第一個也是最關鍵的酶，其主要分布在C₄植物葉肉細 胞的葉綠體內，形成CO₂濃縮機制，為維管束鞘細胞進行的C₃途徑提供CO₂。1999 年Maurice?S.B.Ku等將玉米pepc基因轉入水稻，獲得的轉基因植株PEPC活性較 未轉化對照高110倍，轉pepc基因水稻已具備初級的CO₂濃縮機制，CO₂補償點降 低，光呼吸顯著減弱，光飽和點、凈光合速率及羧化效率明顯提高，耐光抑制 和光氧化能力顯著增強，產量較未轉化對照可提高10％-30％。但是，該項研究 所利用的pepc基因全長接近9kb，目的片段過大，對于小麥、水稻等農作物的規 模化遺傳轉化研究難度較大。因此，通過篩選不同玉米自交系材料，獲得高光 效玉米種質資源作為pepc基因的供體材料，并從中克隆C₄型pepc基因的cDNA序 列，可獲得優異的C₄型pepc基因供體材料，并可克隆出片段顯著減小、適合于小 麥、水稻等農作物規模化遺傳轉化的目的基因，為C₃農作物高光效基因工程研 究提供重要的基因來源。

發明內容