[发明专利]玉米中调节器官大小的与拟南芥ARGOS同源的基因ZmAl1及应用

说明书

技术领域

本发明涉及玉米中调节器官大小的与拟南芥ARGOS同源的基因ZmAl1及应用，属于分子生物学和生物技术领域。

背景技术

玉米是我国重要粮食作物和经济作物，玉米单株籽粒数和粒重与玉米产量关系重大，经典遗传学和育种学将以上两个指标归结为微效多基因控制的数量性状。长期以来，经典遗传学和育种学将以上两个指标归结为微效多基因控制的数量性状(QT)。育种学家因此努力通过杂交手段集中较多的数量性状座位(QTLs)，来达到增加玉米产量性状的目的。

随着分子生物学和基因组学的发展，现代遗传学和分子育种学已逐渐被应用于作物产量和品质性状的改良。育种学家希望对传统作物QTLs的分子标记和定位，来逐渐接近并最终找到与性状相关性最大的座位或候选基因，或称之为主效基因，进而通过基因工程等农业生物技术手段改良作物，以缩短育种周期，加速获得新种质或品种。

转基因育种技术被认为是未来玉米育种的主要发展趋势和方向，转基因玉米已成为仅次于大豆的第二大转基因作物。美国转基因玉米面积已由1996年占玉米总种植面积的4％增至2005年的50％左右，生物科技应用于美国玉米生产不仅大幅度提高了玉米产量，而且还降低了杀虫剂和除草剂的用量。我国的玉米育种工作者也利用转基因技术将外源基因导入玉米获得了高蛋白高赖氨酸含量的优质玉米，创造了巨大的经济效益和社会效益。

模式生物拟南芥、水稻、苜蓿等基因组序列的破译，为利用作物自身的基因而不引进外源性基因以对产量品质等进行改良，继而研制生物安全性高的“绿色遗传改造食品”提供了强有力的平台。通常采用的技术路线，其一是直接利用模式植物的某些功能基因，把它们移植到需改良目的作物中，这比用病毒或其他微生物的基因要安全得多；其二是以模式植物为参照系，参照其基因位点，利用各种分子标记和比较基因组学手段，在目的作物中找到相应基因(如抗病虫害或高产)，“就地取材”的改造作物。

植物体的器官大小是构成植物生物产量的重要因素，植物器官的增大或减小往往导致植物体生物产量产生相应的增减。不仅植物的生物产量是农业生产关注的首要目标，而且植物特定器官的增大也是园艺花卉等产业关心的重要性状。

越来越多的研究发现，植物体器官的大小由细胞增殖引起的细胞数量变化和细胞生长引起的细胞体积的变化所决定。虽然植物体存在着内在的发育机制调节着细胞数量和细胞体积的动态平衡并以此严格的控制着植物器官的体积，但许多研究也显示细胞数目的变化是影响植物器官大小的关键因素，体积较大的器官往往含有更多的细胞，对突变体struwwelpeter和phantastica的研究也发现细胞数目的增减导致了器官的体积发生了相应变化。

植物器官由起源于顶端或侧生分生组织的器官原基发育而来，器官的生长、细胞数目的增多依赖于器官内部分生组织细胞持续交互的分裂，因此植物器官细胞分生能力显得尤为关键。拟南芥ANT基因编码一个Ap2结构域的转录因子，可以通过维持D类细胞周期蛋白表达而增强细胞的持续分裂能力，过量表达ANT基因导致细胞的增殖和器官的增大。新近的研究发现，拟南芥器官大小控制基因ARGOS基因是一个作用于ANT上游的植物所特有的基因，参与生长素信号转导途径，并影响器官的发育。过量表达拟南芥ARGOS基因可以导致ANT基因和D类细胞周期蛋白Cycd3；1基因的转录水平提高和表达时间延长，同时增强了细胞的增殖能力。相应的，过量表达ARGOS基因的拟南芥植株表现出了因细胞数目增多而导致的器官增大，其鲜重相对于对照植株增加50％～120％，植株角果内种子数目比对照植株增加20％以上，这种表型与人们所关心的作物产量性状密切相关。

ARGOS基因为植物所特有并仅在模式植物拟南芥中克隆得到，GeneBank中基因组数据库内仅有类似的水稻基因组序列，玉米中是否也有类似的同源序列还是未知的。

发明内容

本发明首次从玉米(Zea mays)中分离得到与拟南芥(Arabidopsis thaliana)器官大小控制基因ARGOS同源基因的全编码区cDNA，并命名为ZmAL1(ZeamaysARGOSLikegene1)基因。构建正义表达载体，利用农杆菌侵染法转化拟南芥，转基因植株侧生器官较之对照明显增大。该基因可用于作物转基因育种，提高作物生物产量。