[發明專利]調節根瘤植物的固氮能力的基因及其應用

有效

• 申請號: 201710239950.3
• 申請日: 2017-04-13
• 公開（公告）號: CN108728425B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 謝芳;孔祥曉;李曉琳
• 申請（專利權）人: 中國科學院分子植物科學卓越創新中心
• 主分類號: C12N9/12
• 分類號: C12N9/12
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 陳靜

本發明涉及調節根瘤植物的固氮能力的基因及其應用。本發明揭示一個新的編碼LRR類受體激酶的基因，命名為RINRK基因。RINRK基因可以調節根瘤植物的固氮能力，從而可以將RINRK基因應用于植物的培育中，選育出改良的植物新品種；或者，可以將RINRK基因應用于植物根瘤固氮的科學研究。

技術領域

本發明屬于植物分子生物學領域，更具體地，本發明涉及調節根瘤植物的固氮能力的基因及其應用。

背景技術

隨著世界人口的增長，人們對糧食的需求也與日俱增。在耕地有限的情況下，提高農作物產量就格外重要。氮是植物生長發育過程中最重要的營養元素，也是作物產量的限制性因素之一。氮素主要來源于空氣中的氮氣，但這種含量豐富的氮氣卻不能被植物直接吸收利用，而需要被還原為氨，即氮氣的固定，才能被植物吸收利用。固氮作用主要有化學固氮和生物固氮兩種方式。在過去的近百年中，通過Haber–Bosch方法生產并大量施用工業氮肥，大幅度提高了農作物的產量。但當前，包括我國在內的眾多國家，氮肥用量已經遠遠超過了作物高產的需要，氮肥過量施用產生了一系列的負面影響，如土壤板結酸化、水資源污染以及近海赤潮等已經成為不爭的事實。與此同時，氮肥的生產也耗費了大量的不可再生能源。因此，在能源短缺、環境日益惡化的今天，少施肥并穩定產量是亟待解決的問題。

除工業氮肥外，生物固氮作用(包括自生、共生和聯合固氮三種)為地球生態系統提供了主要的(超過2/3)氮素。而豆科植物與根瘤菌之間的共生固氮，是固氮效率最高、研究最為深入的體系。豆科植物包括大豆、豌豆、鷹嘴豆、綠豆、三葉草和苜蓿等主要的糧食和飼料作物。世界上的豆科植物大約有19,700多種，是世界上第三大被子植物，第二大糧食和飼料作物，其中己知的可以結瘤固氮的約有2,800多種，約占15％。目前，全球豆科植物的種植面積達1.8億公頃，占地球可耕地面積的12-15％，其每年產量大約為2.47億噸，約占世界主要農作物產量的25％。豆科植物非凡的共生固氮能力使其成為人類食物蛋白的一個重要來源，同時也是自然界和農業生態系統的主要氮素來源之一。據聯合國糧農組織統計，全球每年生物固氮約2億噸，豆科植物與根瘤菌間的共生固氮量約占65％～80％，提供豆科植物生長發育所需50～100％的氮素。

豆科植物與根瘤菌間的共生固氮是一個對共生雙方都有利的過程，共生雙方對此過程都有著精細的調控機制。宿主植物為根瘤菌提供其光合作用的產物-碳水化合物，為根瘤菌所需；反之，根瘤菌在根瘤中將空氣中的氮氣還原為氨，為宿主植物提供生長發育所需的氮源。豆科植物形成根瘤的基本過程包括：1)豆科植物與根瘤菌間早期分子對話：豆科植物的根系分泌類黃酮類的物質到土壤，被特定的根瘤菌感知并激活根瘤菌的轉錄因子NodD表達，NodD進而激活NodA、B、C的表達并合成一種多糖信號分子，被稱作結瘤因子(Nodfactor)。2)植物中的結瘤因子受體(LjNFR1，LjNFR5)感知并識別結瘤因子信號，從而激活根瘤菌侵染和根瘤器官形成兩個過程。3)根瘤菌附著在根毛頂端，引起根毛膨脹變形，并包裹根瘤菌，進而宿主植物質膜內陷，形成一管狀結構-侵染線，根瘤菌沿著侵染線從表皮細胞向皮層細胞延伸，最后到達根瘤原基，將根瘤菌從侵染線中釋放出來，形成可以固氮的類菌體。而根瘤菌能否成功侵入宿主植物，是共生固氮能否完成的限制性步驟之一。

在過去近20年中，利用模式豆科植物百脈根和蒺藜苜蓿，通過大規模遺傳突變體的篩選，通過對這些突變體的表型觀察及基因的定位和功能的研究，初步建立了結瘤因子信號轉導通路，但對根瘤菌侵染的了解還相對較少。

發明內容

本發明的目的在于提供調節根瘤植物的固氮能力的基因及其應用。

在本發明的第一方面，提供一種調節根瘤植物的固氮能力的方法，所述方法包括：調節根瘤植物中RINRK蛋白的表達。

在一個優選例中，所述方法包括：上調根瘤植物中RINRK蛋白的表達，從而提高根瘤植物的固氮能力，促進根瘤植物與根瘤菌之間的共生固氮。

在另一優選例中，所述的根瘤植物是RINRK蛋白表達不足的植物。