[发明专利]改变稻米贮藏蛋白分布的表达载体及其制法和用途

说明书

技术领域

本发明属于植物基因工程技术领域，具体说，是涉及改变稻米贮藏蛋白分布的表达载体及其制法和用途。

背景技术

我国是一个人口众多的发展中国家，为满足我国不断增长人口对农作物的需求，采用增加种植面积来达到增产的目的已经不符合当前我国的基本国策，而通过在现有单产基础上提高农作物蛋白质的生产率获得更有营养的农作物，是一种更为科学和经济的增产方式。

水稻是我国最重要的粮食作物，水稻的营养品质与人民生活之间的关系最为密切。水稻营养品质主要指稻米蛋白质和必需氨基酸含量。人体对于蛋白质的摄取主要以直接或间接方式从植物种子中获得。中国是水稻种植和消费大国，对于这样一个以稻米为主食的国家来说，许多地区的人们从植物种子中摄取的蛋白质较大部分来自于稻米。目前常规水稻栽培品种稻米总蛋白质含量较低，一般为7％～9％。张瑞品等人认为在以稻米为主食的地区，精米提供了至少40％的蛋白质，如果把我国稻米蛋白质含量在现有基础上再提高1％～2％，无疑对改善我国人民的营养水平将是很大的贡献(张瑞品等，水稻品质育种，农作物品质育种(刘后利主编)，湖北科学技术出版社，2001，PP：27，37)。对于有些不能食用动物蛋白的特殊疾病患者，高蛋白稻米对这样的人群更为重要。

水稻高蛋白育种对于动物、水稻早期自身的生长以及环境等多方面都会带来一定的益处。以高蛋白水稻作为饲养家畜的饲料，减少和避免使用动物饲料，将更有助于家畜的生长，也可改变我国每年需进口玉米、豆类饲料而消耗大量外汇的状况。稻米的贮藏蛋白在种子萌动发芽中是一种氮源，具有非常重要的作用。如果以高蛋白水稻稻谷作为种子，内源氮素丰富，就有可能减少早期氮肥的使用，从而将会降低肥料对环境的污染以及降低种植成本。种植高蛋白水稻还可提高单位土地面积蛋白质生产量，提高土地的生产率。

水稻稻米蛋白质的营养价值，不仅受含量的影响，更重要取决于组成它的各种必需氨基酸之间的平衡。在水稻稻米蛋白质中，赖氨酸为第一限制性氨基酸，苏氨酸为第二限制氨基酸，甲硫氨酸、色氨酸仅次于前两者。因此，这四种必需氨基酸的含量的高低决定了稻米所含蛋白质品质的优劣(张瑞品等，水稻品质育种，农作物品质育种(刘后利主编)，湖北科学技术出版社，2001，PP：27，37)。在19世纪末，著名的植物蛋白化学之父TB·Osborne基于种子蛋白的特性提出了植物种子蛋白质分类方法。根据溶解度不同，可将种子蛋白分为四类：溶于水的清蛋白，溶于稀盐溶液的球蛋白，溶于醇溶液的醇溶蛋白和溶于稀酸或稀碱溶液的谷蛋白。作为水稻种子重要的贮藏蛋白，谷蛋白在水稻种子缺乏的重要氨基酸含量方面相对较好(赵则胜等，中国特种稻，上海：上海科学技术出版社.1995，PP：149)。目前较多研究者都认为水稻谷蛋白(Glutelin)和豆球蛋白(Legumin)之间有相似之处，具有类似的分子结构和类似的翻译后加工程序(Shotwell，Oat globulins.In.Shewry PR，Casey R，eds.Seed proteins.Dordrecht：Kluwer Academic Publishers，1999：pp389-400；Takaiwa等，Richglobulins.In.Shewry PR，Casey R，eds.Seed proteins.Dordrecht：Kluwer AcademicPublishers，1999，Pp：401～405)，以及两者的氨基酸序列具有较高的同源性。赵文明研究认为(实验生物学报，1998，21(2)：239～243)，在水稻谷蛋白β亚基与豆球蛋白(Legumin)β亚基的氨基酸顺序中，有47％的氨基酸顺序完全相同。这表明，水稻谷蛋白还是一个比较优质的贮藏蛋白。

在20世纪80年代人们在对稻米蛋白质分布的研究中发现，水稻胚乳中存在两种蛋白体，PB-I和PB-II。PB-I含醇溶蛋白，不能被人体消化利用，而PB-II主要含有谷蛋白和球蛋白，易于被消化。这两种蛋白体主要富集于近糊粉层的周围，很少在米粒的中心区域出现。我们实验室选取开花后20天(谷蛋白表达已过高峰时期)未成熟的水稻种子，在经过常规制样操作后采用电镜观察，结果也显示蛋白体主要分布于稻米的周围。张宪银等(作物学报，2002，28(1)：110～114)也曾对水稻谷蛋白Gt1基因启动子进行研究，从他们的报道显示由Gt1启动子引导的gus报告基因也只在稻米的周边显色，这说明Gt1谷蛋白只在稻米的周边积累。在糙米加工成精米时，稻米中的大量蛋白质会因此而流失。