[发明专利]玉米气孔开放型钾离子吸收通道Zmk2-1分子及其应用

说明书

玉米气孔开放型钾离子吸收通道Zmk2‑1分子及其应用，本发明通过将玉米气孔开放型钾离子吸收通道Zmk2‑1基因转入水稻，获得了超表达水稻材料，该材料在高氮及高钾条件下气孔开度、光合速率及蒸腾速率较野生型显著增加，同时植株（关键功能叶）含氮量显著增加，并展现出良好的增产效果和应用前景。

技术领域

本发明属于植物基因工程技术领域，具体涉及一种玉米气孔开放型钾离子通道Zmk2-1 分子及其应用。

背景技术

水稻是重要的粮食作物，对国家的粮食安全战略起着极其重要的作用(黄建晔等，2004)。 现有的水稻高产主要以氮素化肥的大量投入来保证，如水稻主产区太湖流域水稻生长季单季 施氮量最高达到366kg N hm^-2(Wang et al.,2004)，年施氮量最高达520kg氮hm^-2(李伟波 等，1997)，而我国稻田的氮肥利用效率仅在30％或以下(王光火等,2003)，高量氮肥投入虽 能一定程度的保证产量，但过多的氮肥投入会造成施肥后短期氮营养过量，而植物不能及时 利用(Dobermann et al.,2002；Wang et al.,2007)，一方面,会通过淋溶、挥发、反硝化、径流 等途径损失到环境中从而造成环境风险(Galloway et al.,2008；刘丽颖等，2013；巨晓棠等， 2014)。另一方面，短时期内植物不能及时利用过量氮肥，造成氮素吸收利用率和农学利用率 降低(蔡贵信等，1995；张福锁等，2008)，氮肥利用与农学效应之间出现不同步现象，这些 将严重阻碍我国农业的可持续发展同时也不符合国家的粮食安全战略。

针对水稻氮肥利用率低引发的能源浪费、环境污染及生产效率降低等系列问题，近年来 通过挖掘基因资源以改变水稻的遗传特性成为提高氮素利用效率的一条新途径。铵态氮和硝 态氮是土壤中存在的两大主要无机氮源，淹水条件下水稻吸收的硝态氮占总氮吸收量的 25％-40％(Kirk and Kronzucker et al.,2005)，水稻对硝态氮的吸收主要是通过硝酸根转运体 (Nitrate Transporter，NRT)介导的，对水稻中硝酸转运体生理生化机制的研究并不少见，但 是目前为止，仅仅OsNRT2.3b展现出较好的应用前景(Fan etal.,2016)。

铵(NH₄⁺)是水稻偏好的氮源(Kronzucker et al.,2001；Yang et al.,2015)，因此调控铵 转运体的功能曾被寄予厚望，研究试图从增强单个NH₄⁺吸收基因(AMT)途径探讨提高水稻 氮素利用效率的方法，结果表明，这一分子调控设想，仅在NH₄⁺供应不足情况下才有细微效 果(Hoque et al.,2006；Ranathunge et al.,2014)，这一特征与我国当前高量施肥的集约化生产模 式不匹配；另一方面的努力是通过增强铵同化基因GS的活性促进NH₄⁺的同化过程，以期获 得较高的氮同化效率并达到增产目的，结果发现超量表达水稻根部铵同化主效基因OsGS1；2 及地上部铵同化主效基因OsGS1；1的转基因水稻，其GS活性和叶片可溶性蛋白含量增加， 整个植株的总氨基酸和总氮含量增加，但籽粒产量和籽粒总氨基酸含量却降低(Cai et al., 2009)，同时超量表达GS1；1和GS1；2的转基因水稻，其植物生长和发育、产量均下降(Bao et al.,2014)。而超表达OsAMT1；3的水稻在低氮和高氮营养条件下均表现出生长受阻的表型， 可能是由于铵的过量吸收打破了水稻体内的碳氮平衡(Bao etal.,2015)。由此可见，力求通 过改变水稻遗传形状来提高水稻氮素利用效率的设想，基因资源匮乏是重要的限制因素，多 角度多方位寻找提高水稻氮素利用效率且有较好应用前景的基因资源仍然为当前现状所需。