[發(fā)明專(zhuān)利]提高水稻氮肥利用效率和產(chǎn)量的基因及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711498519.7
• 申請(qǐng)日: 2017-12-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107937416B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 傅向東;李?yuàn)?/a>;吳昆;田永航;葉亞峰;劉倩
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所
• 主分類(lèi)號(hào): C12N15/29
• 分類(lèi)號(hào): C12N15/29;C12N1/21;C12N15/113;C12Q1/6895;C07K14/415;A01H5/00;A01H1/02;A01H6/46;C12R1/01;C12R1/19
• 代理公司: 中科專(zhuān)利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 陳曉娜

本發(fā)明公開(kāi)一種控制氮肥利用效率和產(chǎn)量性狀的基因OsGRF4與其等位基因及其應(yīng)用。OsGRF4可以促進(jìn)水稻氮肥吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和同化基因的表達(dá)和酶活性，進(jìn)而提高水稻氮肥利用效率；同時(shí)，OsGRF4可以促進(jìn)細(xì)胞分裂，提高光合作用效率，進(jìn)而提升水稻產(chǎn)量。等位基因OsGRF4^ngr2在不影響株高性狀的條件下，實(shí)現(xiàn)水稻氮肥利用效率和產(chǎn)量的協(xié)同提高。本發(fā)明還公開(kāi)了OsGRF4^ngr2在小麥高產(chǎn)品種中表達(dá)可進(jìn)一步提升小麥氮肥利用效率和產(chǎn)量增加。OsGRF4基因的啟動(dòng)子和編碼區(qū)的SNP多態(tài)性可以作為鑒定水稻氮肥高效利用和高產(chǎn)品種的分子標(biāo)記。OsGRF4對(duì)基于提高水稻和小麥氮肥利用效率及產(chǎn)量的育種有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于生物技術(shù)領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及一種控制作物氮肥利用效率和產(chǎn)量的基因與其等位基因及其應(yīng)用。本發(fā)明還涉及該基因的啟動(dòng)子序列和該基因編碼的多肽序列，以及利用分子標(biāo)記輔助選育、基因組編輯和轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育高產(chǎn)和氮肥高效利用水稻品種的方法。

背景技術(shù)

水稻(Oryza sativa L.)是世界上十分重要的糧食作物，其總產(chǎn)量占世界糧食總產(chǎn)量的1/4，全球一半以上的人口以水稻為主食。一方面，因世界人口逐年增加，糧食剛性需求也不斷增加；另一方面，耕地面積逐年減少、水資源短缺、自然災(zāi)害頻繁發(fā)生、工業(yè)化程度加劇和人類(lèi)活動(dòng)造成環(huán)境破壞等問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。因此，如何持續(xù)提高水稻單產(chǎn)是目前育種面臨的巨大挑戰(zhàn)。

上世紀(jì)60年代初，掀起了以半矮化育種為特征的第一次“綠色革命”。在過(guò)去的50年，半矮桿基因semi-dwarf(sd1)在秈稻育種中被廣泛利用。半矮桿基因sd1增加了水稻的種植密度和抗倒伏能力，提高了收獲指數(shù)，解決了因大量施肥導(dǎo)致的植株倒伏和減產(chǎn)問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了水稻單產(chǎn)的大幅度提升。但是，半矮桿水稻品種表現(xiàn)出其生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)氮肥響應(yīng)的減弱，也降低了水稻對(duì)氮肥的利用效率(nitrogen use efficiency，NUE)。半矮桿水稻品種的大面積推廣與應(yīng)用，導(dǎo)致化肥、農(nóng)藥的大量使用和土壤退化。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，中國(guó)的氮肥使用量快速增長(zhǎng)，從1980年每年施氮肥量為1269.4萬(wàn)噸增加到2014年每年施氮肥量為5995.9萬(wàn)噸，增長(zhǎng)了3.7倍，年均增長(zhǎng)率為4.67％。這期間，糧食產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)主要是由于施氮量的增加引起的。但是，過(guò)多的施加氮肥，不僅使農(nóng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)成本提高，經(jīng)濟(jì)效益下降，而且會(huì)引起大氣、江河、湖泊被污染等一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。因此，在不減產(chǎn)的條件下，如何減少氮肥的使用量是水稻育種與生產(chǎn)中必須要考慮的因素，以便于解決水稻產(chǎn)量提升與生態(tài)環(huán)境沖突問(wèn)題。

目前，人們對(duì)植物氮吸收與利用的遺傳調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)獲得了較大的進(jìn)展，例如，氮的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Crawford and Glass 1998；Forde 2000；Howitt and Udvardi 2000；Glasset al.2001；Williams and Miller 2001)的發(fā)現(xiàn)，以及負(fù)責(zé)將氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘被岷推渌衔锏拿割?lèi)的功能研究(Campbell 1988；Lam et al.1996；Hirel and Lea 2001)。近年來(lái)，隨著植物分子生物學(xué)和功能基因組學(xué)的迅速發(fā)展，利用QTL定位、GWAS分析和基因圖位克隆等技術(shù)，成功地分離并鑒定了多個(gè)參與氮吸收與代謝調(diào)控相關(guān)的關(guān)鍵基因/主效QTL。例如，在玉米中，鑒定到一些參與低氮脅迫應(yīng)答響應(yīng)的QTL位點(diǎn)(Agrama et al.1999)；在水稻中，檢測(cè)到了幾個(gè)參與氮同化的酶(Yamaya et al.2002；Obara et al.2001，2004)、不同氮水平下植物劍葉中蛋白及氮含量、植物株高以及幼苗期耐低氮脅迫響應(yīng)相關(guān)的一些QTL位點(diǎn)(Fang and Wu 2001；Lian et al，2005)等。盡管在水稻和玉米中已獲得了幾個(gè)氮高效利用相關(guān)的候選基因(Gallais and Hirel，2004；Martin et al.，2006；Obara et al.2001；Tabuchi et al.，2005)，但是人們對(duì)控制植物氮吸收與利用效率的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)還非常有限。

發(fā)明內(nèi)容