[发明专利]氨基酸转运基因OsATL4及其在水稻选育中的应用

说明书

本发明公开了一种氨基酸转运基因OsATL4及其在水稻选育中的应用，属于植物基因工程领域。OsATL4基因编码蛋白质的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示，cDNA序列如SEQ ID NO.2所示。本发明通过构建水稻OsATL4基因超表达植株、OsATL4基因突变体植株，发现通过提高OsATL4基因表达，可以使正常的水稻单株分蘖数减少，并使叶片衰老加速，还使水稻每株籽粒数量和重量降低。通过敲除OsATL4基因表达，可以使正常的水稻单株分蘖数增加，并使叶片衰老延缓，还使水稻每株籽粒数量和重量增加。因此OsATL4基因可用于水稻选育中以提高水稻产量。OsATL4基因在水稻单株分蘖数、叶片衰老，单株籽粒数量和重量等方面具有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于植物基因工程领域，具体涉及一种氨基酸转运基因OsATL4及其在水稻选育中的应用。

背景技术

高效利用氮素的作物对于全球粮食供应和环境可持续发展至关重要(Oldroyd GE D,Leyser O.A plant's diet,surviving in a variable nutrientenvironment.Science,2020,368(6486):eaba0196)。氮素中的氨基酸是水稻氮素营养吸收、转运、储存和利用的重要形式，能被各种氨基酸转运蛋白进行运输。有研究指出，氮转运蛋白是提高作物生产力和氮利用效率的有效靶点(TegederM,Masclaux-DaubresseC.Source and sink mechanisms of nitrogen transport and use.NewPhytologist.2018,217(1):35-53.)。水稻中氨基酸转运蛋白(AAT)成员有85个(Zhao H,MaH,Yu L,Wang X,Zhao J.Genome-wide survey and expression analysis of amino acidtransporter gene family in rice(Oryza sativa L.).PLoS One,2012,7(11):e49210.)，在水稻生长发育的各个时期，及各个组织部位，分别扮演不同的作用。到目前为止，已报道了水稻氨基酸转运蛋白基因家族中氨基酸通透酶基因OsAAP6在种子中表达，与籽粒蛋白含量的正关联，影响稻米品质(Peng B,Kong H,Li Y,Wang L,Zhong M,Sun L,GaoG,Zhang Q,Luo L,Wang G,Xie W,Chen J,Yao W,Peng Y,Lei L,Lian X,Xiao J,Xu C,LiX,He Y.OsAAP6 functions as an important regulator of grain protein contentand nutritional quality in rice.Nature Communication,2014,5(1),4847.)。而氨基酸通透酶OsAAP3特异性转运碱性和芳香族氨基酸(Taylor MR,ReindersA,WardJM.Transport function ofrice amino acid permeases(AAPs).PlantCellPhysiology,2015,56(7):1355-1363.)，降低或者敲除OsAAP3基因的表达，可使水稻分蘖芽伸长加快进而形成更多的分蘖数，增加水稻产量和氮利用效率(LuK,WuBW,Wang J,ZhuW,Nie HP,QianJJ,Huang WT,Fang ZM.Blocking amino acid transporter OsAAP3improves grain yield by promoting outgrowth buds and increasing tiller numberin rice.Plant Biotechnology Journal,2018,16(10):1710-1722.)。近期研究表明，OsAAP5主要调控碱性氨基酸(赖氨酸、精氨酸)和中性氨基酸(缬氨酸、丙氨酸)的转运，降低OsAAP5的表达能导致分蘖和籽粒产量增加，过表达导致的表型则相反，说明OsAAP5是一个负调控水稻生长发育的基因(Wang J,WuBW,Lu K,Wei Q,Qian JJ,Chen YP,Fang ZM.Theamino acid permease 5(OsAAP5)regulates tiller number and grain yield inrice.PlantPhysiology,2019,180(2):1031-1045.)。新近研究表明OsLHT1是一个底物非特异的、高亲和的氨基酸转运蛋白，更倾向转运中性和酸性氨基酸，功能缺失导致水稻根系对氨基酸的吸收减少，减少氨基酸向地上部分分配，降低水稻生物量和籽粒产量(Wang X,Yang G,Shi M.Disruption of an amino acid transporter LHT1 leads to growthinhibition and low yields in rice.BMC Plant Biology 2019,19:268.；Guo N,Hu J,Yan M,Luo L,Qu H,Tegeder M,Xu G.Oryza sativa Lysine-Histidine-typeTransporter 1functions in root uptake and root-to-shoot allocation of aminoacids in rice.Plant Journal,2020.doi:10.1111/tpj.14742.)。可见，不同氨基酸转运蛋白对水稻生长发育差异较大，有些可能是正向调控作用，有些可能是负向调控作用，且调控生长发育的表型也不尽不同，有些影响水稻品质，有些影响水稻分蘖，需要进一步实验研究才能揭示其可能的生物学功能。水稻中有85个氨基酸转运蛋白成员，其中ATLs亚家族共有17个成员(OsATL1-17)，OsATL1-7属于ATLa亚家族，OsATL8-17属于ATLb亚家族。到目前为止，ATLs亚家族基因的功能没有被任何报道，对水稻生长发育的影响也未被任何研究，甚至在拟南芥中也未有ATLs同源基因的生物学功能被揭示。本发明发现水稻中OsATL4基因敲除能提高水稻分蘖数，并延缓叶片衰老，还能够提高单株种子灌浆粒数和单株灌浆籽粒重量，而基因超表达导致的效果则相反。所以OsATL4基因敲除可应用于水稻株型和产量的遗传改良的各个方面。