[發明專利]GmPIN1基因突變調控大豆結瘤和密植的方法及其應用

有效

• 申請號: 202011261356.2
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112501179B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 陳栩;崔原原;柯美玉;高震;黃來妹;陳嬌梅
• 申請（專利權）人: 福建農林大學
• 主分類號: C12N15/29
• 分類號: C12N15/29;C12N15/82;A01H4/00;A01H5/00;A01H6/54
• 代理公司: 廈門智慧呈睿知識產權代理事務所(普通合伙) 35222
• 代理人: 楊唯

本發明公開了GmPIN1基因突變調控大豆結瘤和密植的方法及其應用。本發明所提供的應用具體為由GmPIN1編碼的其中三個同源基因GmPIN1a，GmPIN1b，GmPIN1c在調控大豆根瘤形成和株型建成中的應用。本發明的實驗證明，大豆蛋白GmPIN1a，GmPIN1b，GmPIN1c及其編碼基因與大豆共生結瘤的發生密切相關，基因敲除后減少大豆的結瘤數目并顯著減弱地上部分的側枝夾角。并且，轉基因大豆Gmpin1abc?L1的純合三突變體后代中篩選到不含CRISPR/Cas9載體片段的植株，為調節大豆共生固氮和密植、高產育種提供優良的種質資源儲備。

技術領域

本發明涉及植物基因工程領域，具體涉及GmPIN1基因突變調控大豆結瘤和密植的方法及其應用。

背景技術

大豆作為我國重要的經濟作物之一，它富含蛋白質和油脂，有非常高的營養價值。然而，隨著我國居民生活水平的不斷提高，我國的大豆產量已無法滿足自身的需求，以至于我國每年需要從國外進口大量的大豆。據統計，我國的大豆進口量已從2001的1394萬噸快速增加到 2018年的8806萬噸^[1]。進一步的分析發現，在這近20年的時間里，我國大豆的單位面積產量幾乎沒有變化,而且我國的大豆單產產量遠低于同期的美國、巴西和阿根廷的大豆單產產量^[1]。因此，提高我國大豆的單位面積產量是非常必要的。

過去幾十年的農業生產實踐已經表明，肥料的施用能夠有效的提高作物的產量。聯合國糧農組織的統計數據表明，化肥的施用對農作物增產的貢獻率達到40％-60％^[2]。在1952年至1992 年期間，我國肥料施用量與糧食產量之間的相關系數高達92％以上^[2]。然而，作物對肥料的吸收和利用的效率不高。統計數據表明，作物對氮的利用率為30％-60％，磷的利用率為2％-25％，鉀的利用率為30％-60％^[3]。肥料的大量施用不僅造成浪費而且還會對周邊的生態環境和人體健康帶來危害。自然界中固氮微生物能夠將大氣中的氮氣轉化成植物能夠吸收利用的氨。其中豆科植物與根瘤菌形成的根瘤所固定的氮約占生物固氮總固氮量的60％^[4]。有研究表明，在相同種植條件下，大豆是固氮量最多的豆科作物^[5]。大豆的固氮量在大豆吸收的總氮量中占比高達 50％以上^[5]。進一步的研究表明，大豆根瘤共生固氮對與種子的發育有著重要的作用^[6]。研究者也發現，根瘤菌的接種可以使得大豆的產量大幅度的增加^[7]。此外，提高根瘤中氮素的輸出也能夠顯著的提高大豆的產量^[8]。綜上所述，合理的利用大豆結瘤固氮有利于提高大豆的產量，并且合理的利用生物固氮可有效的減少肥料的施用。因此，深入的了解大豆根瘤的生長發育是非常有必要的。生長素作為調控植物生長發育的重要激素，在豆科植物例如百脈根、苜蓿的根瘤發育過程中已被報道發揮著至關重要的作用^[9-12]。然而有關PIN基因在根瘤發育中的研究仍比較少，且在大豆中未見相關報道^[13]。因此，在大豆中開展PIN基因相關的研究對深入的了解根瘤形成機理是必要的。同時，這也為獲得高效結瘤的大豆植株提供了必要的理論基礎。

此外，株型是決定大豆高產的一個重要性狀，幾十年來，通過優化大豆株型來培育理想株型的高產大豆一直是育種家及科研工作者的目標，然而調控大豆理想株型的主效基因報道較少^[14]。理想株型的一個重要指標是側枝與主莖之間的夾角，夾角大小影響植物地上部分的冠層結構、整體受光面積，最終影響光合作用和產量。夾角越小，其葉面必能向上伸展，整株占用空間面積就小，這樣不但有利合理利用光源、通風良好，還能夠通過密植促使平均畝產量提高。眾所周知，生長素在控制植物的頂端優勢和側枝生長過程中發揮關鍵的作用，頂芽產生的大量生長素向下運輸到側芽，導致側芽的生長受抑制^[15,16]。因而，利用生長素運輸控制側枝夾角在植物密植中有重要的應用意義^[17]。

發明內容