一种改善植物钾素吸收效率,对抗缺钾胁迫的方法及其中使用的重组表达载体的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种改善植物钾素吸收效率，对抗缺钾胁迫的方法及其使用中的重组表达载体在水稻上的应用。用特异地响应缺钾信号的启动子调控植物根发育相关基因表达的重组表达载体转化到植物中获得转基因植物，在钾素供应充足时，转基因植物即具有旺盛生长的根系；在钾素养分缺乏时，启动子特异的在根部驱动根发育基因的过量表达，增强转基因植物的根系生长，根系生物量和根系活力均显著提高，从而增加对钾素等营养元素的吸收利用，提高对缺钾胁迫的适应继而显著增加产量，达到直接通过根系构型的改变来提高植物钾素养分吸收的目的。本发明方法可特异且直接的改善植物的根系生长，在田间钾素养分供应缺乏的环境下，高效的提高钾素吸收，缓解低钾对植物生长的不利影响，从而减少钾肥的施用以提高经济效益。
【专利说明】一种改善植物钾素吸收效率，对抗缺钾胁迫的方法及其中 使用的重组表达载体
【技术领域】
[0001] 本发明属于基因工程【技术领域】，涉及一种改善植物钾素吸收效率，对抗缺钾胁迫 的方法及其中使用的重组表达载体。
【背景技术】
[0002] 钾是植物生长发育过程中非常重要的大量矿质营养元素之一，占到了植物干重的 10% [1-3]。钾对维持离子稳态、渗透调节、蛋白代谢、酶活、膜极化和繁多的代谢过程有关 键的作用[4-6]。此外，植物体中重要的生理过程：光合、光呼吸以及生长，都受到可利用 钾的影响[7, 8]。土壤中钾浓度范围在0. 1 -ImM，由于局部耗竭，在植物根际土壤中的钾浓 度会显著低于上述水平[9]。钾可用性受到植物生长环境的限制，钾缺乏会导致植物体内总 钾量降低，尤其在根部快速发生[10 - 14]。长期缺钾，植物会呈现生长抑制和黄化病，尤其 在老叶中首先出现[15]。在农艺生产上，发展中国家经常采取施用化肥来提高作物的产量 和质量，然而大量使用化肥，不仅不会提高产量，反而会导致土壤中营养元素的流失并造成 环境污染。与此相反，在很多资源有限的国家，不充分的施肥限制了作物的最优产量[16]。 因此通过有效的生物技术手段，提高植物自身对土壤中有效钾的利用，减少与完善钾肥的 使用与管理，对于生态环境的保护和资源的可持续利用有重要意义。
[0003] 随着生物技术的迅速发展，植物体中参与钾吸收和转运的分子机制以及对有效钾 不同程度上的分子响应机制越来越多的被研究发现。基于目前的研究进展，植物采取4大 策略来提高对钾的利用效率：（1)增加根系体积；(2)提高土壤中钾的吸收效率和在植物体 内的转运；（3)增加土壤中钾的可移动性；(4)通过对与钾利用有关的数量性状的研究，用 分子标记辅助的分子遗传育种手段创建钾高效利用的新品种[17]。缺钾不仅影响植物侧根 的发生和发育[18]，也抑制了主根的生长[19 - 21]。在拟南芥中，低钾胁迫对侧根和主根 的生长有拮抗作用[22]。在水稻中，钾饥饿降低了植株的根冠比[23]。因此，改善根系生 长是植物提高对缺钾胁迫的适应最直接和有效途径。
[0004]KT/HAK/KUP基因家族在众多植物中先后被发现，该家族中的很多基因，例如AtHA K5,CaHAKl,HvHAKl,LeHAK5,ThHAK5在缺钾胁迫时显著诱导表达[24 -27]。在水稻的27个 HAK基因中，OsHAKl, 0sHAK5, 0sHAK7和0sHAK16在钾饥饿胁迫下，根系中的表达量显著上调 [28-31]
[0005]WUSCHEL相关的同源异形盒基因W0X是发育的调控的因子[32]。W0X基因家族在 拟南芥和水稻中至少分别有15和13个成员组成，它们中的一些参与了调控植物根系发育 过程中细胞的分裂和分化过程[33 -35]。例如，在拟南芥中，W0X2和W0X8调控了胚根形成 过程中细胞的分化[36]。W0X5对茎顶端分生细胞的维持有重要作用[37]。W0X9参与了根 尖早期的胚性生长[38]。在水稻中，W0X3A对侧根和根毛的发育都起作用[33, 34]。W0X11 通过直接抑制不定根原基中A型细胞分裂素相应因子RR2的表达，对不定根的发生和生长 起关键作用[39]。将根发育相关基因在植物根系中特异受缺钾胁迫诱导表达，使植物在钾
【权利要求】
1. 一种改善植物钾素吸收效率，对抗缺钾胁迫的方法，其特征在于用特异的在根系中 响应缺钾信号的启动子调控植物根发育相关基因表达的重组表达载体转化到植物中获得 转基因植物，在钾素养分缺乏时，响应缺钾信号的启动子特异的驱动所述的根发育相关基 因的过量表达，提高转基因植物根系生长，从而达到改善植物钾素吸收效率，对抗缺钾胁迫 的目的。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于将水稻高亲和钾离子转运蛋白基因 OsHAK16启动子特异调控根发育基因 W0X11的植物重组表达载体转化到植物中获得转基因 植物，在钾素缺乏时水稻高亲和钾离子转运蛋白基因0sHAK16启动子特异地驱动根发育基 因 W0X11在植物根系中过量表达，使转基因植物根系大量生长，从而达到改善植物钾素吸 收效率，对抗缺钾胁迫的目的。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的植物为粮食作物，优选水稻。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于水稻高亲和钾离子转运蛋白基因 OsHAK16启动子特异调控根发育基因 W0X11的植物重组表达载体为重组表达载体 PTCK303 -0sHAK16 -W0X11，是将OsHAK16启动子和W0X11基因分别插入到pTCK303表达载 体的Hind III /BamHI和BamHI/SacI酶切位点所得。
5. -种用于特异诱导根系生长发育的重组表达载体，其特征在于含有水稻高亲和钾离 子转运蛋白基因0sHAK16启动子及根发育基因 W0X11，且所述的根发育基因 W0X11位于水 稻高亲和钾离子转运蛋白基因0sHAK16启动子的下游，受水稻高亲和钾离子转运蛋白基因 OsHAK16启动子特异调控。
6. 根据权利要求5所述的重组表达载体，其特征在于所述的重组表达载体以pTCK303 质粒为出发质粒，在Hind III，BamHI酶切位点插入所述的水稻磷酸盐转运蛋白基因 OsHAK16 启动子得重组载体PTCK303 - OsHAK16,在重组载体pTCK303 - OsHAK16的BamHI, SacI酶切 位点插入所述的根发育基因 W0X11得所述的重组表达载体。
7. 权利要求5所述的重组表达载体在改善植物钾素吸收效率，对抗缺钾胁迫中的应 用。
【文档编号】A01H5/00GK104450777SQ201410540077
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】徐国华, 陈 光 申请人:南京农业大学