[发明专利]一种控制水稻营养生长与花器官发育多效基因及其应用

说明书

技术领域   

本发明属于植物基因工程领域。具体的说，涉及一种利用图位克隆技术克隆水稻营养生长与花器官发育的多效基因DDF1 (Dwarf and Deformed Flower 1)，并利用转基因互补实验验证了该基因的功能。同时，还涉及利用该基因调控水稻营养生长和生殖发育，即通过利用遗传工程的方法调节DDF1基因的表达，从而控制水稻的株型和育性，创造水稻育种新种质。因此，本发明对遗传改良水稻具有很好的应用前景。

背景技术   

植物的生长发育是一个极其复杂的过程。通常认为，生长是植物体积的增大，而发育则是在整个生活史中，植物体的构造和机能从简单到复杂的变化过程。营养生长是生殖生长的基础，如果营养生长不良，直接影响生殖生长或使生殖器官发育不良。因此，合理调节植物的营养生长与生殖发育在生产上具有重要的意义。

花是植物的最显著特征，花的形成是植物生活史上的一个重大转折点，而且花器官的发育结果直接影响并决定农作物的产量和品质。因此，开展植物花发育研究具有重要意义。植物花器官的发育主要由花器官特征基因决定。利用大量花发育的同源异型突变体，植物花器官发育分子遗传机理的研究在模式双子叶植物中取得重大突破，先后提出了花器官发育的“ABC”、“ABCD”、“ABCDE”以及“四因子”模型。现已明确，这些功能基因绝大多数属于MADS-box转录因子基因。

植物花器官发育是一个复杂的过程，是由多种类型基因共同参与调控的复杂网络。除花器官发育特征基因外，其它花器官发育调节基因在花器官的形态建成中也发挥关键性的作用。近年来，越来越多的花器官发育调节基因相继被克隆。其中，F-box基因在植物中数量多、且分布广泛。它们通过泛素化蛋白酶体途径 (ubiquitin proteasome pathway，UPP)在细胞周期调控、转录调控、细胞凋亡和信号转导等过程中发挥了重要功能。目前已从植物中鉴定出大量的F-box蛋白，它们在植物激素调控、营养生长和花器官发育等多种生物学过程中发挥着重要作用。其中，拟南芥的UFO (Unusual Floral Organs) 是植物中鉴定出的第一个F-box基因(Levin et al.，1995；Ingram  et al.，1997)，ufo突变体的花发育明显异常 (Lee et al.，1997)，其生物学功能可能是“B”类花器官特征基因的正调控因子。此外，呢喃届拟南芥的ask1 和ask2 突变体表型也出现明显变异，且“B”类花器官特征基因的功能增强(Ni et al., 2004)。

有趣的是，植物中部分F-box基因的生物学功能表现出多效性，这些基因同时参与植物营养生长与生殖发育的调控。如水稻的APO1基因同时影响水稻的营养生长和生殖发育：在营养生长期，apo1突变体的出叶速度快，叶片数增多；在生殖生长期，apo1突变体的穗明显短小、一级枝梗数目和小穗数目变少，而且 apo1小穗发育明显异常（雄蕊转化为浆片、心皮畸形伸长、颖片心皮化）（Gonza et al., 2007）。拟南芥HWS基因的表型功能与水稻APO1类似，它在调控拟南芥生长与发育过程中也起着重要作用。HWS基因的功能缺失导致植株过量生长，而花瓣底部边缘出现融合；相反，HWS基因过量表达植株明显矮小，而花瓣底部边缘提前分裂（Lee et al.，1997）。而拟南芥的AtCUL1 基因的点突变可导致花器官数目减少、且4 个叶轮发育明显缺陷。总之，F-box类基因广泛参与了植物生长发育过程的调节，在均衡植物的营养生长与生殖发育中起关键性作用，对其开展深入研究具有重要的意义。