[發明專利]OsLUT2基因在水稻光保護中的應用

有效

• 申請號: 201711302425.8
• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN109112150B
• 公開（公告）日: 2021-02-23
• 發明（設計）人: 王功偉;劉暢
• 申請（專利權）人: 華中農業大學
• 主分類號: C12N15/61
• 分類號: C12N15/61;C12N15/82
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 張紅兵

本發明屬于植物基因工程技術領域，具體涉及OsLUT2基因在水稻光保護中的應用。OsLUT2基因的核苷酸序列如序列表SEQ ID NO:1所示。本發明通過CRISPR技術，研究了水稻OsLUT2基因功能喪失后突變體的表型，驗證了該基因在水稻中的生理功能，證明了在水稻中OsLUT2基因控制中文名稱NPQ表型，OsLUT2基因對水稻的光保護發揮了重要作用。

技術領域

本發明屬于植物基因工程技術領域，具體涉及OsLUT2基因在調控水稻光保護中的應用。所述的OsLUT2基因是一種水稻番茄紅素ε環化酶(lycopene epsilon cyclase)基因(登陸號為Os01g0581300)，本發明驗證該基因的功能及其在水稻光保護中的應用，為水稻的遺傳改良提供了新的遺傳資源的應用途徑。

背景技術

光是植物光合作用所必需的，植物光合機構中葉綠體色素吸收的光能通過光化學過程轉化為穩定的化學能。然而，大多數情況下植物接受的能量要超過其所能轉化的能量，如果過量的光能不及時耗散掉，光合功能會降低，導致光合作用的光抑制，甚至出現光氧化、光破壞。當高溫、低溫、水分虧缺、營養不足等環境脅迫因素同時存在時，植物對光抑制條件的敏感性增加，在中、低光強下便會發生光抑制。植物在進化過程中形成多種保護機制，其中依賴于葉黃素循環(Xanthophyll cycle)的熱耗散作用在近年來受到普遍關注。它在耗散激發能中起著重要的作用，被認為是光保護的主要途徑。然而，除了葉黃素循環色素外，α-胡蘿卜素衍生的黃體素，作為捕光復合體亞基的結構組分，通過促進植物吸收的過剩光能的耗散保護植物避免光氧化損傷。此外，許多體外研究證明，黃體素的抗氧化功能主要是通過淬滅單線態氧和清除氧自由基來保護光合機構避免光氧化損傷。水稻中番茄紅素ε環化酶(lycopene epsilon cyclase)由OsLUT2所編碼，是黃體素合成途徑的重要酶之一。因此，研究OsLUT2基因與植物光保護之間的關系具有重要意義。

當植物吸收的光能超過其所需時，過剩的光能會導致光抑制現象，從而明顯降低光合效率。研究表明，當照射在葉片的光量子流量密度達到最大陽光輻射強度的1/4時，葉片光合速率A即已趨于飽和。不能用于光化學反應，也不能以熒光及熱的形式耗散的激發能將轉移到氧分子，產生對光合機構具高度破壞性的活性氧自由基。熱耗散是以反饋去激發機制介導進行的，可以通過測量葉綠素熒光非光化淬滅(Non-photochemical quenching,NPQ)參數來衡量。非光化淬滅調節著光系統II的能量轉換，保護植物免受或減輕光抑制。非光化淬滅由高光強誘導產生，隨著關閉高光強而弛豫。根據其弛豫動力學(Relaxationkinetics)特性，非光化淬滅可以分為至少3個組分：依賴能量的淬滅qE、狀態轉換淬滅qT及光抑制淬滅qI，其中qE是高等植物中的最主要組分。對模式植物擬南芥的研究表明，類囊體跨膜pH梯度、葉黃素循環中合成積累的玉米黃素、光系統ⅡPsbS蛋白及其表達量是控制非光化淬滅產生以及決定qE及整個NPQ容量大小的重要因子。現階段認為qE的作用模式如下：當光合作用中光反應產生的化學能超過了同化反應如CO₂固定的能力時，葉綠體類囊體腔內酸性逐漸增強。pH值不斷下降激活了紫黃素脫環氧酶(Violaxanthin de-epoxidase)，在強光下該酶促進紫黃素轉變為玉米黃素。玉米黃素具雙重功能，它一方面參與了非光化淬滅的形成，另外還具有直接的抗氧化劑功能。葉綠體類囊體腔pH值下降還促進了光系統ⅡPsbS蛋白的質子化，接著導致與葉綠素及類胡蘿卜素結合的捕光蛋白復合體構象的改變。過剩激發能的耗散是通過類胡蘿卜素自由基陽離子電荷傳遞機制以及葉綠素與類胡蘿卜素之間的能量傳遞進行的。