[發明專利]調控水稻鎘砷積累的突變基因OsABCC1及其應用有效

申請號：	202011292545.6	申請日：	2020-11-18
公開（公告）號：	CN112500460B	公開（公告）日：	2021-08-17
發明（設計）人：	陳銘學;楊歡;牟仁祥;曹趙云;朱智偉	申請（專利權）人：	中國水稻研究所
主分類號：	C07K14/415	分類號：	C07K14/415;C12N15/29;C12N15/82;A01H5/10;A01H6/46
代理公司：	杭州求是專利事務所有限公司 33200	代理人：	林松海
地址：	310006 ***	國省代碼：	浙江;33
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摘要：
搜索關鍵詞：	調控水稻積累突變基因 osabcc1 及其應用
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【說明書】：

本發明公開了一種調控水稻鎘砷積累的突變基因OsABCC1及其應用。調控水稻鎘砷積累的突變基因OsABCC1，其編碼核苷酸序列如SEQ ID No.1所示，突變體hca1的水稻籽粒中鎘砷含量均高于野生型水稻籽粒中的鎘砷含量。所述的突變基因OsABCC1的氨基酸序列如SEQ ID No.2所示。所述的突變基因OsABCC1的應用，使水稻包含所述的突變基因OsABCC1；或使水稻包含所述的突變基因OsABCC1的氨基酸。本發明獲得的突變體材料hca1的籽粒中鎘和砷含量分別增加1倍和5倍左右。

技術領域

本發明屬于作物遺傳育種領域，具體涉及了一種調控水稻鎘砷積累的突變基因OsABCC1及其應用。

背景技術

鎘（Cadmium，Cd）和砷（Arsenic，As）是影響我國農用地土壤環境質量的首要污染物，對動植物具有強烈毒害作用。水稻作為我國最主要的糧食作物，與小麥、玉米等旱糧作物相比，水稻對鎘砷的吸收與富集能力更強，對水稻高食用量人群構成潛在健康風險。農田重金屬污染治理有利于降低其植物有效性，阻控重金屬向水稻籽粒轉運，保障農業正常生產和稻米質量安全。其中，植物修復技術是一項新興的高效治理農田污染的綠色可持續發展生物修復途徑，該技術主要利用超累積植物（如遏藍菜、伴礦景天和蜈蚣草等）對重金屬元素的超富集能力去除環境中的污染物，達到污染物治理和生態修復目的。植物修復技術的關鍵是深入理解植物對重金屬的吸收積累分子機制，尋找合適的有特殊富集能力的植物種或基因型，結合基因工程改造技術，提高植物修復效率。

植物分子遺傳學在作物重金屬積累相關基因的挖掘和分子遺傳機理研究等方面的應用，為鎘砷污染土壤的植物修復工作提供新思路。近年來，隨著對水稻中重金屬積累機制的研究不斷加深，大量參與水稻鎘和砷吸收、轉運、代謝基因相繼被發掘出來。Sasaki等人和Ishimaru等人分別采用反向和正向遺傳學方法在水稻中克隆到OsNRAMP5基因，對OsNRAMP5的作用機制研究結果表明，鎘與Mn²⁺、和Fe²⁺等二價金屬離子一起經根部OsNRAMP5吸收并向上轉運，該基因突變可大幅降低水稻根系對Cd²⁺的吸收，進而降低籽粒中的鎘含量，應用于低鎘水稻育種。Cd²⁺通過植物根部吸收進入植物體內后通常被區隔化到液泡中。Ueno等人和Miyadate等人分別通過QTL定位克隆到在水稻第7號染色體上的重金屬ATP酶基因OsHMA3，該基因功能負責將鎘儲存到液泡中。水稻多種OsHMA3基因功能喪失的突變體，都表現出地上部和籽粒鎘含量的升高，而通過強啟動子驅動其過量表達，可以將鎘截留在根部液泡中，從而減少鎘向地上部的運輸和在籽粒的積累。雖然OsNRAMP5的功能缺失和過量表達OsHMA3可以有效降低籽粒鎘的積累，但是污染農田中的鎘仍然滯留于農田土壤中。Luo克隆到了一個特異調控鎘在水稻葉片中積累的主效QTL基因CAL1，該基因編碼一個定位在細胞壁上植物防御素類似蛋白，可定向調控鎘在葉片等營養器官的積累而不影響籽粒中鎘的積累，可以應用于培育秸稈鎘高積累而籽粒鎘含量達標的“修復型”水稻品種。其他OsNRAMPs、OsHMAs、OsIRTs等家族基因也均被報道不同程度參與調控水稻對鎘的積累。與此同時，植物對砷的吸收積累機制也取得顯著進展。水稻通過不同機制吸收不同形態的砷，在氧化和還原條件下，水稻根系分別通過細胞膜上的磷酸鹽轉運子（OsPHTs）和水通道蛋白（OsNIPs）吸收As(Ⅴ)和As(Ⅲ)。而大多數的植物能夠將 As(V) 還原為As(III)，最近 Chao等人和 Sánchez -Bermejo 等人在擬南芥中克隆了根系砷酸還原酶基因HAC1或ATQ1，隨后在水稻中相繼克隆得到多個砷酸還原酶基因OsHAC1;1、OsHAC1;2、OsHAC4。還原的As(III)與植物螯合態螯合，隨后經OsABCC1編碼的ATP 結合盒（ABC）轉運蛋白運輸到液泡中，從而阻控砷向籽粒中轉運。Song等人和Park等人對擬南芥中的AtABCC1和AtABCC2功能研究表明，這兩個轉運蛋白同時參與調控擬南芥對鎘和砷的轉運積累，過表達或敲除其他植物液泡上ABCC轉運體，可能有助于植物修復或減少可食器官中鎘砷的積累。然而，目前關于ABCC基因家族在參與水稻鎘砷轉運積累的機制研究較少。