专利名称：与植物根系发育相关的蛋白ZmNR1及其编码基因的制作方法
技术领域：
本发明涉及基因工程技术领域，具体涉及一种能够改良植物根系的MADS-box转 录因子及其编码基因与应用。
背景技术：
氮素是植物必须的矿质营养元素之一，也是农业生产中植物生长发育的重要限制 因素，与作物产量、品质有着密切的关系。我国是世界上氮肥生产和消费大国。大量施用 氮肥，对我国作物产量的提高产生了巨大的贡献。但是随着我国粮食作物的化肥施用量逐 渐增加，粮食作物的施肥增产效应和化肥的养分利用效率不断的降低，20世纪90年代之 后这一问题更加显著。对于禾谷类作物而言，世界氮肥的平均利用率仅33% (Raun and Johnson, 1999, Agron. J. 91 :357_363)氮肥中近70%左右的氮素通过硝酸盐淋失、氨挥发 和反硝化三大作用从土壤中损失，这不仅造成了巨大的资源浪费，还产生了严重的环境污 染和生态问题。基于生态环境保护与经济效益的双重要求，提高养分利用效率，特别是提高氮肥 利用率已成为农业可持续发展的重要课题。为了减少氮素损失，可以通过减少氮肥用量，也 根据作物的生长特性适时施肥，或通过改善氮肥特性，改进施肥方法等来提高氮肥利用率； 更重要的是从作物本身的生理特性考虑，利用作物本身的生物学潜能也可以提高肥料利用 率，在同一肥力的生态环境中，作物种类或品种的不同，其产量常有很大差异。在肥料高投 入的今天，仍需要不断提高作物产量的条件下，充分挖掘作物的生物学潜能，提高作物对养 分的吸收能力势在必行。在农业生态系统中，根系大小和形态是决定植物获取氮素的重要因素。总根长 越长，根系表面积越大，吸取的氮素越多(Sattelmacher et al. ,1990, Plant Soil, 123 131-137)。植物根系的形态建成既受基因的控制，但又有很大的可塑性，即根系发育不仅受 外界环境因素的影响，也受植株本身生理状况的内部因素的调节。营养元素在决定根系大 小和形态方面具有重要作用，首先，养分在土壤中的分布具有不均衡性，大部分植物的根系 在养分分布较多的区段生长较大；另外，当土壤养分缺乏时(除K，Fe、B、Ca外)，植物往往 通过降低地上部生长，增加根系生长来适应环境，以获取更多的养分满足植物生长。植物根系尤其是侧根能够在养分富集区的大量增加，这对于最大程度地利用有限 的养分资源具有重要的意义(Drew and Saker，1975，J. Exp. Bot.，26 :79_90)。硝态氮能 刺激根系的生长，使得整个根系统的形态构型发生变化。对于单子叶植物，低浓度硝酸盐 不仅促进侧根的发生，还促进侧根的延伸。70年代初，Drew等(Drew etal. , 1973, J Exp. Bot. ,24 =1189-1202)对大麦的研究表明，局部供应硝酸盐能显著增加一级侧根和二级侧 根的数量和伸长速率。玉米的分根实验中，局部供硝酸盐后，侧根的伸长和数目都受到硝 酸盐的诱导，此外，供硝酸盐侧根系的生理活性和物质流分配都得到了加强(Granto and Raper, 1989，J. Exp. Bot. ,40 =263-275)。在双子叶植物拟南芥中，低浓度硝酸盐通过增加 了侧根根尖分生组织的活性的方式增加了侧根的伸长速率(Zhang et al.，1999，PNAS，96
36529-6534)。Forde和Zhang在以拟南芥为实验材料鉴定硝酸盐诱导表达的基因中发现了 一个MADS-box转录因子ANRl基因，抑制ANRl基因的表达后，植物侧根不再对局部供应硝 酸盐刺激作出反应。这表明ANRl基因对于局部硝酸盐促进植物侧根生长发育有着至关重 要的作用(Zhang andForde, 1998，Science, 279 407-409)。玉米是世界范围内的重要粮食作物、经济作物及饲料作物。玉米的产量需求与日 俱增。提高玉米养分利用效率，对玉米总产及单产的提高有着重要的意义。一个强大的根 系统的建成能够为玉米提供生长需要的所有的矿质营养和水分。大量研究表明，根系的形 态和空间分布以及生理性状在植株养分高效利用方面起着决定性作用。因此，在生产上克 隆和利用调控植物根系生长发育的相关基因，将为主要农作物的养分高效吸收利用研究提 供了更有特色和效果的基因资源，在基因工程改良植物的养分高效吸收利用研究中将发挥 重要作用，具有重要的实用价值和直接的经济效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种与植物根系发育相关的蛋白及其编码基因。本发明所提供的与植物根系发育相关的蛋白，名称为ZmNRl，来源于玉米属的玉米 (zea mays L.)，是如下1)或2)的蛋白质1)由序列表中序列2所示的氨基酸序列组成的蛋白质；2)将序列表中序列2的氨基酸残基序列经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或 缺失和/或添加且与植物根系发育相关的由1)衍生的蛋白质。为了使1)中的ZmNRl便于纯化，可在由序列表中序列2所示的氨基酸序列组成的 蛋白质的氨基末端或羧基末端连接上如表1所示的标签。表1.标签的序列
权利要求
1.一种蛋白，是如下1)或2)的蛋白质1)由序列表中序列2所示的氨基酸序列组成的蛋白质；2)将序列表中序列2的氨基酸残基序列经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失 和/或添加且与植物根系发育相关的由1)衍生的蛋白质。
2.权利要求1所述蛋白的编码基因。
3.根据权利要求2所述的编码基因，其特征在于所述蛋白的编码基因为如下1)_4) 中任一所述的基因1)其编码序列是序列表中序列1的自5'末端第230到第499位；2)其核苷酸序列是序列表中的序列1；3)在严格条件下与1)或2)的基因杂交且编码权利要求1所述蛋白的基因；4)与1)或2)的基因具有90%以上的同源性且编码权利要求1所述蛋白的基因。
4.含有权利要求2或3所述基因的重组载体、转基因细胞系或重组菌。
5.根据权利要求4所述的重组载体，其特征在于所述重组载体为在载体PPT-Hyg的 多克隆位点间插入序列表中序列1的第230-499位脱氧核苷酸得到的重组表达载体；所述载体PPT-Hyg是将潮霉素抗性基因插入pPTKan的多克隆位点间得到的载体。
6.一种培育根系发育增强的转基因植物的方法，是将权利要求2或3所述的编码基因 转入目的植物中，得到根系发育强于所述目的植物的转基因植物。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于权利要求2或3所述的编码基因是通过 权利要求4或5所述的重组载体导入所述目的植物中。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述根系发育增强是主根根长、总侧 根根长和/或侧根数大于所述目的植物。
9.权利要求2或3所述的编码基因或者权利要求4或5所述的重组载体在培育地上部 生物量高于目的植物的转基因植物中的应用。
10.根据权利要求6-9中任一所述的方法或应用，其特征在于所述目的植物为双子叶 植物或单子叶植物，优选是拟南芥。
全文摘要
本发明公开了一种与植物根系发育相关的蛋白ZmNR1及其编码基因。本发明所提供的蛋白是如下1)或2)的蛋白质1)由序列表中序列2所示的氨基酸序列组成的蛋白质；2)将序列表中序列2的氨基酸残基序列经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加且与植物根系发育相关的由1)衍生的蛋白质。将该还蛋白的编码基因在拟南芥中的表达可以显著增加拟南芥的根系大小。本发明从玉米中克隆了一个能够受硝酸盐调控，并控制植物根系生长发育的MADS-box转录因子ZmNR1基因，为主要农作物的根系改良和养分高效吸收利用研究提供了更有特色和效果的基因资源，在基因工程改良植物的根系和养分高效吸收利用研究中将发挥重要作用。
文档编号A01H5/00GK102002101SQ20101056420
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者刘鹰, 张福锁, 米国华, 袁力行, 顾日良 申请人:中国农业大学