[發明專利]PLDα1基因在增加作物抗旱性及種子產量中的應用

有效

• 申請號: 201410007616.1
• 申請日: 2014-01-08
• 公開（公告）號: CN103773784A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 魯少平;王學敏;洪月云
• 申請（專利權）人: 華中農業大學
• 主分類號: C12N15/55
• 分類號: C12N15/55;C12N15/84;A01H5/00;A01H4/00
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 徐紹新

技術領域

本發明屬于植物分子育種和生物技術領域，具體涉及PLDα1基因在增加作物抗旱性及種子產量中的應用和一種增加作物抗旱性及種子產量的方法。

背景技術

隨著氣候的變化和干旱面積的逐年增加，干旱成為制約農作物產量的主要因素之一，灌溉農業已成為提高農業生產的重要措施。據統計，現代農業灌溉用水約占淡水資源的70%，農業生產的水資源的高效利用成為了現代植物學家關注的焦點。人們希望通過增加植物的灌溉用水來提高農業產量，然而地球上的淡水資源卻在逐漸減少，提高作物自身的抗旱能力及對水分的利用效率成為了解決農業產量與自然資源之間矛盾的重要舉措。陸地植物體內的絕大部分水分是通過氣孔的蒸騰作用而散失的，研究表明相關基因的突變引起植物氣孔喪失關閉功能可導致植物流失更多水分，從而使植物的抗旱能力顯著下降。因此，通過調控氣孔關閉減少水分蒸騰作用是提高植物水分利用及耐旱能力的重要策略之一。

有關植物應答水分脅迫的生物過程及其調控機制已進行了大量的研究，并取得了顯著進展。脫落酸（ABA）是植物應答逆境脅迫包括干旱和鹽脅迫過程中產生的植物激素，其在調控植物氣孔關閉中起了重要的正調控作用。植物響應水分缺失而累積的ABA可有效促進氣孔的關閉，從而降低植物體內水分經氣孔的流失，提高其抗旱能力。近期的研究表明，磷脂酸(PA)在參與ABA調控氣孔關閉過程中起了重要作用。研究表明PA與ABA信號過程中的負調控因子ABI1（屬于phosphatase?2C）存在互作，并將ABI1蛋白錨定在質膜上，從而抑制ABI1對ABA信號的負調控效應，促進了ABA關閉氣孔的效應。此外，PA可與NADH的氧化還原酶結合而增加植物中ROS或者NO的含量。最近研究還表明PA可直接結合并激活鞘氨醇激酶，導致鞘氨醇磷酸化而誘導氣孔的關閉。

植物PA可直接源自于磷脂酶D(PLD)催化的磷脂。植物PLD比動物PLD更為復雜多樣，哺乳動物和人類基因組僅含有2個PLD，而擬南芥基因組含有12個PLD基因，水稻含有17個PLD。擬南芥PLD可分為PLDα(1,2,3)、PLDβ(1,2)、PLDγ(1,2,3)、PLDδ、PLDε和PLDζ(1,2)(Wang?et?al.,2006,Qin?and?Wang,2002)。其中，除PLDζ1和PLDζ2含動物PLD所特有的pleckstrin?homology(PH)和phox?homology(PX)結構域(Qin?and?Wang,2002)，其它10個PLDs的N端均具Ca²⁺依賴性的磷脂結合位點C2結構域。近期對擬南芥PLD家族進行系統研究，表明不同的PLD的分子調控各不相同，包括酶激活因子的差異（如Ca²⁺、游離脂肪酸和磷脂酰肌醇等）(Wang?et?al.,2006)、底物的偏好性(Hong?et?al.,2009a)、亞細胞定位和組織表達的特異性(Qin?and?Wang,2002,Zhao?and?Wang,2004)。其生化特性和時空分布的差異性暗示了植物PLD的生物學的顯著效應。不同種類的PA（酰基種類）具有不同的生物學效應。近來通過分子遺傳操作結合多種技術已經逐步闡明了植物PLD廣泛參與多種生物學過程，例如PLDα1調控氣孔導度、水分脅迫、葉片衰老和激素響應過程(Fan?et?al.,1997,Sang?et?al.,2001,Zhang?et?al.,2004)；PLDδ參與細胞凋亡、糖代謝、低溫和凍害脅迫反應(Li?et?al.,2004)；PLDα3正調控高滲透脅迫過程(Hong?et?al,2008b)；PLDε介導植物的氮信號響應和生長調控（Hong?et?al.,2009a)；PLDζs參與植物磷的循環利用、生長素轉運和根毛發生等過程（Li?et?al.,2006a,Li?etal.,2006b,Cruz-Ramírez?et?al.,2006)。植物中，PLDα1和PLDδ都可以在植株響應ABA及促進氣孔關閉方面起到調節作用，然而，它們卻發生在該信號途徑的不同階段(Guo?et?al.,2012b)。PLDδ的作用主要發生在植物對活性氧（ROS）的響應階段(Zhang?et?al.,2003)，并且PLDδ的超表達植株對凍害的耐受能力增強(Li?et?al.,2004)；而PLDα1的作用卻發生在PLDδ的上游并促進ROS的產生(Zhang?et?al.,2009)。