[发明专利]一种拟南芥种子铁累积调控基因INO及其编码蛋白和应用

说明书

本发明提供了一种拟南芥种子铁累积调控基因INO及其编码蛋白和应用，属于植物基因工程技术领域。拟南芥种子铁累积调控基因INO的核苷酸序列如序列表中SEQ ID NO:1所示。拟南芥种子铁累积调控基因INO的编码231个氨基酸的蛋白。本发明实验证明基因INO通过负调控植物种子中铁的装载量，因此所述种子铁累积调控基因INO或其编码蛋白在植物种子铁累积调控中的应用；同时由于通过下调INO的表达可以明显促进铁在种子中的累积，同时提高了植物在苗期对缺铁环境的抗性。因此本发明还提供了所述种子铁累积调控基因INO或其编码蛋白在生物强化铁或在提高植物对缺铁抗性中的应用。

技术领域

本发明属于植物基因工程技术领域，具体涉及一种拟南芥种子铁累积调控基因INO及其编码蛋白和应用。

背景技术

铁是生物体维持生命和生长必不可缺少的微量元素，但由于土壤中铁的有效性和籽粒中铁含量很低，极易导致生命体缺铁^[1]。因此，铁缺乏是最常见的营养缺乏性疾病，其导致的缺铁性贫血至今仍然是全世界关注的问题^[2]。根据《中国居民膳食营养素推荐摄入量》^[3]显示，成年男性每天推荐的铁的摄入量为12mg，而成年女性则更多为20mg/d。种子，特别是谷类作物的种子是人类主粮。然而，种子作为异养器官，其储存的铁既依赖于作为源的母体的输入，同时也取决于作为库的种子自身吸纳铁的能力。虽然农业生产中可以通过施加铁肥来缓解植物缺铁，但由于可溶性铁极易被土壤固定而无效化，导致效果有限；此外，铁在植物体内的移动性较差，种子通常是植物所有器官中含铁量最低的，作为主粮的谷类作物的籽粒更是如此。这也是导致缺铁性贫血在以谷物为主粮的广大发展中国家更为严重的重要原因^[4]。研究表明，籽粒中微量元素的含量取决于根系吸收、体内迁移及向种子的装载^[5]，其中向种子的装载在很大程度上决定了种子中铁的含量。因此明确植物母体向种子装载铁过程及其调控元件是解决问题的关键所在，也为通过基因工程技术优化铁的装载过程提高种子中铁的含量提供了可能的改良途径。

转录因子是真核生物体内，一群可以与基因5'端上游特定序列专一性结合，从而调控基因在特定时空表达的蛋白分子，其在调控下游基因的表达上发挥重要作用。在高等植物中有多个转录因子参与了植物铁的吸收，转运和储存。以拟南芥为例，缺铁诱导转录因子FIT和另外四个碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)家族的转录因子可以共同作用调控下游的三价铁还原酶FRO2和二价铁转运蛋白IRT1对铁的吸收^[6]。此外，另一种bHLH转录因子POPEYE(PYE)通过调节铁转运蛋白ZIF1、FRO3和NAS4，帮助维持铁稳态^[7]。最近的研究表明，还有更多的bHLH基因，如bHLH34/104/105/115/121，存在一个复杂的转录调控网络，调控下游的转运蛋白，参与植物对铁的吸收和稳态^[8-11]，而这也说明转录因子在植物铁营养的不同环节都起到了重要的调节作用。然而，在植物种子形成过程中，转录因子如何调控转运蛋白将铁元素从母体装载进入种子这一过程还未见相关报道。

植物种子的外珠被是韧皮部的一种共塑延伸，营养物质到达韧皮部末端后通过外珠被卸载到发育中的种子中^[12]。研究结果显示，NRT1.6在胚胎发育早期，通过韧皮部与外珠被形成的共塑连续体向发育中的种子传递硝酸盐^[13]。同时表达在外珠被的SWEET15也可以将作为C源的糖类物质输入种子^[14]。说明通过韧皮部与外珠被联合体输送营养物质进入正在发育的种子是一条常见途径。使用可以表征铁分布的Perls/DAB染色观察发现，在植物胚发育的早期，少量的铁均匀分布在胚中，随着胚的成熟，铁和其他营养元素一样也随之被大量输入，并最终积累在原始维管系统周围的内胚层细胞中^[15]。有报道指出，转录因子INO在种子发育早期的外珠被^[16]中表达，且在胚发育的早期表达强烈，随着胚逐渐发育，基因表达降低。然而目前还没有关于转录因子INO参与植物胚的铁转运过程的报道。

参考文献