[发明专利]玉米bHLH类转录因子基因ZmMIT1及其编码蛋白的应用

说明书

技术领域

本发明涉及植物基因工程领域，特别涉及一种玉米bHLH类转录因子编码基因ZmMIT1及其编码蛋白的应用。

背景技术

随着人口增长和工业化的发展，废渣废水的排放及矿山废弃地的增加，加之各种化学物质的广泛使用，重金属污染对人类健康和农作物生产造成的危害日益突出。锰作为一种分布极其广泛的重金属，是植物生长发育必需的微量元素，直接参与植物光合作用中电子传递系统的氧化还原过程，但过量的锰会污染土壤，对植物生长发育造成胁迫和毒害。目前，锰毒已成为酸性土壤中作物产量和品质提高的主要限制因子。

国内外学者对植物耐受锰毒机制进行了大量研究，归纳起来主要有以下三个方面：第一，有机化合物螯合作用(Plant Soil，1996，180：57-66)。根系分泌的有机酸等有机物通过螯合重金属或酸化根际来促进土壤重金属的溶解和根系的吸收。其中，有机物对金属的螯合作用一般通过两种方式实现，一种是外部解毒即有机化合物进入根际后能与金属形成稳定的复合体，阻止锰进入共质体，达到体外解除锰毒的目的；另一种属于内部解毒即有机物与金属在植物体内结合形成更为稳定的络合物，消除锰对植物的毒害。第二，氧化、外排与积累(Plant Mol Biol，1998，49：643-668；Plant Cell Environ，1998，11：383-394)。植物在锰毒害时，有时通过将锰氧化成非有效态而限制过量锰的吸收和运输，这在一些渍水条件下生长的植物上表现尤为明显。一些植物抗性品种的锰通常在体内均匀分布，并积累在非代谢区域如液泡中。液泡隔离一直是植物耐重金属毒性的重要机制之一。锰除了被积累外，还可能被转化成其他形态贮存在植物体内，通过衰老机制排出体外。第三，金属转运蛋白和金属结合蛋白参与对锰毒害的解除作用。拟南芥ZIP(ZincRegulated Protein/Iron Regulated Protein，ZRT/IRT)基因家族中的IRT1编码金属转运蛋白，能够转运锰离子来增强对锰毒的耐性(Plant Mol Biol，1999，40：37-44)。在细胞膜上还存在一类与金属转运有关的Nramp基因家族(Natural resistance associated macrophage proteins)，其中SMF1能跨膜转运锰离子，从而减轻锰毒害。在液泡膜上也存在一类转运蛋白CDF(Cation diffuse facilitator)，通过将锰离子转运到液泡中积累来增强耐性(Plant Cell，2003，15：1131-1142)。另外，金属结合蛋白如金属硫蛋白和植物螯合肽在增强植物对重金属抗性方面发挥着重要作用。

bHLH(basic helix-loop-helix，bHLH)类转录因子是一段具有螺旋-环-螺旋结构域的蛋白质。它由一个能与DNA结合的碱性区域(Basic region)和两个α螺旋组成的结构，在生物的生长发育及适应环境等过程中起着重要的调控作用(Proc Natl Acad Sci USA，1997，94：5172-5176)。目前已知拟南芥和水稻基因组中bHLH基因家族分别有147个和167个成员(Plant Cell，2003，15：1749-1770)。已有的研究表明：bHLH类转录因子能提高植物对低温、干旱、高盐和氧化胁迫的抗性及低铁胁迫的适应性。水稻OsbHLH1基因编码bHLH类转录因子，受低温诱导表达。将OsbHLH1导入拟南芥，发现2-4度条件下处理2周后，虽然二者的生长发育较正常生长条件下均明显延缓，但是与对照相比，转基因植株抽苔时间较早、生长快，基叶衰老速度明显低于对照。这表明过量表达OsbHLH1能显著提高转基因植株的耐低温和抗氧化胁迫能力(高技术通讯，2004，14：35-38)。拟南芥FIT1基因作为bHLH类转录因子家族中的成员，参与了植物对铁吸收的调控。在缺铁条件下，AtFIT1能与其它的bHLH蛋白相互作用，形成异源二聚体而启动下游功能基因三价铁还原酶AtFRO2和高亲和力亚铁离子转运蛋白AtIRT1等的表达，提高植物的吸铁效率。

玉米作为我国重要的粮食作物，有关bHLH类转录因子研究的报道并不多。最近Li等(2011)在玉米中克隆了一个bHLH类转录因子基因ZmPTF1，过量表达该基因能提高玉米对低磷胁迫的耐受性(Planta，2011，233：1129-1143)。然而，目前玉米中尚未见受锰胁迫诱导表达的bHLH类转录因子基因的克隆与功能鉴定的报道。

发明内容