[發明專利]一種創制高鋅低鎘水稻的植物表達載體及其應用

在審

• 申請號: 202210918014.6
• 申請日: 2022-08-01
• 公開（公告）號: CN115197332A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 張紅曉;鄭佳;胥華偉;呂淑芳;侯典云;宋鵬
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: C07K19/00
• 分類號: C07K19/00;C12N15/62;C12N15/82;C12N15/84;A01H5/00;A01H6/46
• 代理公司: 洛陽公信知識產權事務所(普通合伙) 41120
• 代理人: 王艷艷

本發明涉及一種創制高鋅低鎘水稻的植物表達載體、構建方法及應用，屬于分子生物學技術領域，提供一種導入兩個目標基因表達框的植物表達載體pCactF?HMA3?MT2c，目標之一是水稻金屬轉運蛋白OsHMA3表達框pRcc3?HMA3?OCS，目標之二是金屬硫蛋白OsMT2c表達框pActin?OsMT2c?OCS。該載體系統可通過農桿菌介導法轉入水稻或其他植物，可以限制轉基因植物根系吸收的鎘離子向地上部分運輸，促進鋅離子向地上部分及籽粒運輸，從而降低籽粒中的鎘含量，增加籽粒中是鋅含量，為中低鎘污染地區的糧食作物的種植提供可能，為低鎘高鋅作物品種的選育提供新的技術手段。

技術領域

本發明屬于分子生物學技術領域，具體涉及一種創制高鋅低鎘水稻的植物表達載體及其應用。

背景技術

隨著礦產資源的開發利用、污水灌溉、以及各種化學產品和農藥的廣泛使用等，農田及農產品的重金屬污染，已經成為危害生態環境和人類健康的突出問題。稻米是膳食中鎘的主要來源，占我國人均鎘攝入量的55-65%。減少水稻根系對鎘的吸收，或者減少鎘向地上部分運輸，從而降低籽粒鎘含量，減少鎘污染帶來的健康風險，是當前亟需解決的科學技術問題。

另一方面，植物細胞中有超過300個酶或轉錄因子是依賴鋅起作用的，缺鋅或者鋅過量均導致農作物減產及品質下降。目前世界上有三分之一人口，由于膳食中鋅供給不足而導致營養不良。不少育種家提出，生物強化提高稻米鋅含量，是解決人類鋅缺乏最經濟有效的途徑。

利用分子遺傳學方法能夠快速將這些特定性狀導入，以培育適應重金屬輕/中度污染土壤的水稻品種，生產出合格的稻米，實現“邊治理邊生產”。

OsHMA3是位于水稻根液泡膜上的鎘/鋅轉運蛋白，它能夠將根吸收的鎘或鋅運至液泡內隔離起來，解除細胞內的鎘毒害并限制其向地上部分的運輸，降低地上部分及籽粒的鎘含量。Lu等（2019, Environment International, 126:619-626）利用35S強啟動子調控OsHMA3過表達，能夠使水稻籽粒的鎘含量下降10倍左右。但35S為組成型表達的強啟動子，它啟動OsHMA3過量表達的后果是，導致水稻全身細胞將胞內絕大部分鎘和鋅都轉至液泡隔離起來，限制鎘轉運的同時，也限制水稻對必需元素鋅的利用。并且當鎘污染程度增加時，引起的植物缺鋅癥狀會表現得更為突出。

金屬硫蛋白 (MTs) 是一類廣泛存在于生物體內、低分子量、富含半胱氨酸的誘導性金屬結合蛋白，具有螯合金屬及抗氧化等特性。我們的前期研究發現（Zhang et al.,2017, Int. J. Mol. Sci. 18:2083），OsMT2c過表達顯著增加水稻對鎘的耐性，稻桿和籽粒中鋅含量均顯著高于野生型，而鎘含量則沒有明顯變化；另一方面，OsMT2c在莖節部位表達最為豐富，對鋅的長距離運輸以及再分配起著至關重要的作用（Lei et al., 2021, NewPhytol. 229:1007–1020）。

傳統的轉基因植物絕大多數是通過單個目的基因的遺傳轉化來定向改良單一性狀獲得的。而長期以來，培育具備生產上有用的多種優良品質的作物品種，一直是科學家進行植物遺傳改良的終極目標。因此，我們考慮將植物耐重金屬代謝途徑的兩個關鍵基因克隆，整合進入一個新的植株中，可以實現植物的多目標分子聚合育種。

發明內容

針對上述問題，本發明提供一種創制高鋅低鎘水稻的植物表達載體，以及其在高鋅低鎘作物品種創制和選育中的應用，將所述植物表達載體導入植株中，獲得的陽性植株能限制鎘離子向地上部分運輸、同時促進鋅離子向籽粒運輸。

本發明的第一方面，是提供一種水稻金屬轉運蛋白OsHMA3表達框，所述表達框為pRcc3-HMA3-OCS，是將水稻組織特異表達基因OsCc3的啟動子pRcc3，與液泡膜上的金屬轉運蛋白基因OsHMA3的CDS以及終止子OCS組合而成。