[发明专利]提高氮素利用率和作物产量的蛋白NGR5及其编码基因与应用

说明书

本发明属于生物技术领域，特别涉及提高氮素利用率和作物产量的蛋白NGR5及其编码基因与应用。更具体地，本发明涉及的基因NGR5来源于水稻，NGR5基因参与了氮素介导水稻生长发育的调控过程，提高NGR5的表达水平，能增加水稻的分蘖数，在减少氮素投入的水平下提高水稻产量，实现水稻氮素利用效率的提高。

技术领域

本发明属于生物技术领域，特别涉及提高氮素利用率和作物产量的蛋白NGR5及其编码基因与应用。

背景技术

水稻(Oryza sativa L.)是重要的粮食作物，其总产量占世界粮食总产量的1/4，全球一半以上的人口以水稻为主食。一方面，因全世界人口逐年增加，粮食刚性需求不断增加；另一方面，耕地面积逐年减少、水资源短缺、自然灾害频繁发生、工业化程度加剧和人类活动造成环境破坏等问题越来越严重。因此，如何持续提高单产是目前作物遗传育种面临的巨大挑战。

在农业生产中，大量施用氮肥一直是水稻高产的重要措施之一。在长达半个多世纪的农作物育种史上一直占据主导地位的“绿色革命”半矮化品种具有耐高肥、抗倒伏和高产的优良特性，但同时也存在氮肥利用效率(NUE)低的局限性，其高产量对于高水肥投入的依赖性很大。因此，为了提高农作物产量，不得不大量使用氮肥。但是，持续大量的氮肥投入不仅增加了种植成本，还导致了日益严重的环境污染问题。如何提高水稻氮肥利用效率，在适当降低氮肥施用量的条件下仍保持产量提升，是当前水稻育种中亟待解决的瓶颈问题。

氮素是植物生长发育所需的大量营养元素之一，是植物体内蛋白质、核酸、磷脂和激素等含氮物质的重要组分。氮素代谢作为植物基本代谢活动之一，关系着植物的生物量、农作物产量和品质等。近年来，随着遗传学、分子生物学、基因组学等学科的快速发展，氮吸收与同化等相关基因被相继克隆，这些基因在氮肥利用效率调控方面的功能验证也取得了很大进展。目前，有关植物对氮素的吸收和利用途径有了较为深入的研究，例如，氮的转运蛋白(Crawford and Glass 1998；Forde 2000；Howitt and Udvardi 2000；Glass etal.2001；Williams and Miller 2001)的发现，以及负责将氮转变为氨基酸和其他化合物的酶类的功能研究(Campbell 1988；Lam et al.1996；Hirel and Lea 2001)。水稻等淹水植物主要通过NH₄⁺转运蛋白(AMTs,Ammonium transporters)从土壤中吸收NH₄⁺。水稻中有5个基因家族(OsAMT1-OsAMT5)编码NH₄+转运蛋白，研究表明，过量表达OsAMT1；1能够增强水稻根系的NH₄⁺吸收能力，在外界合适或较低浓度NH₄⁺条件下，促进水稻生长发育；但在外界高浓度NH₄⁺条件下，则导致更明显的铵中毒表型(Ranathunge et al.2014)。过量表达OsAMT1；3则会导致水稻体内碳氮平衡失调，抑制植株生长发育，进而导致产量下降(Bao etal.2015)。谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GS)OsGS1；2和NADH-GOGAT1主要负责水稻根部吸收的NH₄⁺同化，而GS2和Fd-GOGAT主要负责叶片中的NH₄⁺同化。研究表明过量表达OsGS1；2可在高氮条件下提高水稻产量(Brauer et al.2014)，但是过量表达GS1:1可能破坏了碳-氮代谢平衡而严重影响水稻生长并降低水稻产量(Bao et al.2014)。近年来，利用GWAS分析、QTL定位和图位克隆等技术，成功地分离并鉴定了多个参与氮吸收与代谢调控相关的关键基因/主效QTL。例如，在水稻中，检测到了多个参与氮同化的酶(Yamaya etal.2002；Obara et al.2001,2004；Gao et al.2019)和氮肥高效利用相关的候选基因(Gallais and Hirel,2004；Martin et al.,2006；Obara et al.2001；Tabuchi et al.,2005；Sun et al.2014；Hu et al.2015；Wang et al.2018；Li et al.2018)，但是人们对控制植物氮肥利用效率的遗传调控网络的认识还非常有限。