[发明专利]苹果酸酶(NADP-ME)基因及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及分子生物学领域，具体的涉及一种苹果酸酶(NADP-ME)基因及其应用。 

背景技术

小麦是我国主要的粮食作物，其生产能力及供需状况始终关系到我国国民经济发展和粮食安全等重大战略问题。从世界范围来看，世界粮食生产状况始终与各国政治、经济发展状况紧密联系，粮食生产量和储备量一有下降，国际粮价就大幅攀升，恐慌情绪就大势蔓延，对各国的政治经济形势造成重大影响；从国内来看，随着我国人口的增长，工业化和城镇化的快速发展，对粮食的需求将持续加大。同时，由于我国粮食作物种植面积不可能大幅度恢复增长，因此要保障我国粮食安全，唯一的出路是持续提高单产，这就要求在小麦、水稻等主要粮食作物的产量性状遗传改良方面获得跨越性的进展。 

光合作用是一切绿色植物物质生产的基础，据估计，植物地上部干物质的90％来自于光合作用。因此，提高作物产量的关键是提高光能利用效率，从而提高单位面积的产量。而要大幅度提高光能利用率和实现超高产，必须采取合理株型(外在光合效率)和高光效(内在光合效率)相结合的技术路线。目前小麦、水稻等农作物单产水平的提高，主要是由于品种产量潜力遗传改良和生产条件改善的结果，而产量潜力的遗传改良主要是通过形态性状的改良和杂种优势等途径来实现的，在现有小麦、水稻等农作物品种产量水平已相对较高，且都已具有良好的形态结构，叶面积指数和收获系数都已接近极限的情况下，再单纯依靠上述途径已很难实现产量潜力的跨越式提高。在此背景下，国内外许多学者把目光纷纷投向光能利用效率的遗传改良研究，希望通过提高光合效率来实现生物学产量的大幅度提高，进而获得产量潜力改良的突破性进展。 

根据光合作用途径的不同，植物可分为C₃型，C₄型和CAM(景天酸)型。 C₄和CAM植物是在逆境下经过长期驯化，从C₃植物进化而来的。与小麦、水稻、大豆等C₃植物相比，玉米、高粱、甘蔗等C₄植物具有CO₂浓缩机制，光补偿点高，CO₂补偿点低，光呼吸弱，特别在高温、干旱等逆境条件下具有明显的光合优势。由于C₄植物具有高光合、高水分、高氮素利用效率以及高生物学产量，因此将C₄途径引入C₃植物以提高其光合效率和籽粒产量，一直是国内外生物学研究领域的重大科学命题。以前此方面的研究主要途径是同室筛选、细胞融合和远缘杂交等方法，但一直未获得突破性进展。近年来日趋成熟的转基因技术由于可以打破物种间的生殖隔离，实现基因在不同物种中的交流，因此已成为解决农作物重要性状遗传改良瓶颈问题的主要技术途径。 

目前将C₄途径关键酶基因已有一些报道，但C₄途径高光效关键基因导入C₃作物后，其作用机理一直尚未明确。因此，以导入C₄型高光效基因的C₃作物为研究材料，深入研究C₄高光效基因的导入对受体材料相关代谢途径产生的影响，揭示C₄途径关键基因在C₃作物中的作用机理，可为利用C₄途径关键基因改良C₃作物的光合效能与产量潜力提供坚实的理论基础。 

叶绿体内的NADP-苹果酸酶是C₄型光合途径中的关键酶之一，它存在于维管束鞘细胞的叶绿体中。目前，在玉米、高粱、黄花菊属、拟南芥等多种植物中已克隆分离了C₄型nadp-me的cDNA均已被克隆。玉米nadp-me的cDNA全长2184bp，编码636个氨基酸残基，前体蛋白分子量为69.8KD，除去转运肽后，成熟蛋白分子量为60或63KD，翻译起始点在转录起始点的下游115bp处。高粱中克隆出的nadp-me基因的cDNA全长2139bp，含有1911bp的开放阅读框，编码636个氨基酸和一个终止密码子，其N末端含有一段转运肽序列，负责将ME的蛋白前体转运至叶绿体内部，剪接生成成熟蛋白。