水稻粒型相关蛋白及其编码基因和应用的制作方法

本发明涉及一种水稻粒型相关蛋白及其编码基因和应用。
背景技术：
：水稻不仅是重要的模式植物，更是作为重要的粮食作物，养活了超过三分之一的世界人口。人口的增长，耕地面积缩减以及全球环境恶化，使得水稻生产面临越来越大的压力。同时随着生活水平的提高，人们对稻米品质的要求不断提高。单位面积有效穗数、每穗粒数和千粒重是构成水稻产量的三要素。粒型与千粒重正相关，同时，粒型也是重要的品质性状，直接影响稻米的市场价值。因此对水稻粒型的研究具有重要的意义。泛素化在真核生物的生命过程重扮演至关重要的角色。并且泛素化是一个可逆的过程，称之为去泛素化。去泛素酶(deubiquitinatingenzymes，dubs)在去泛素化过程中行使功能。去泛素酶的功能主要包括：1)将泛素前提切割成单个的泛素分子；2)将泛素链从降解的蛋白上切下来，进而切割成单个的泛素分子；3)对错误的泛素化进行校正，从而使靶蛋白免于被降解或错误调控。因此去泛素酶在真核生物生命活动调控中起着重要的作用。技术实现要素：本发明的目的是提供一种水稻粒型相关蛋白及其编码基因和应用。本发明提供了一种培育转基因植物的方法(方法甲)，是将泛素羧基末端水解酶的编码基因导入目的植物中，得到转基因植物；所述转基因植物满足如下(a1)-(a5)中至少一种性状：(a1)籽粒粒宽大于所述目的植物；(a2)籽粒粒长大于所述目的植物；(a3)籽粒粒重大于所述目的植物；(a4)籽粒粒厚大于所述目的植物；(a5)产量大于所述目的植物。所述方法甲中，所述泛素羧基末端水解酶的编码基因可以通过重组表达载体导入目的植物。所述重组表达载体可通过ti质粒、ri质粒、植物病毒载体、直接dna转化、显微注射、电导、农杆菌介导等常规生物学方法转化到目的植物中。可用现有的植物表达载体构建含有所述基因的重组表达载体。所述植物表达载体包括双元农杆菌载体和可用于植物微弹轰击的载体等。使用所述基因构建重组表达载体时，可在其转录起始核苷酸前加上任何一种增强型、组成型、组织特异型或诱导型启动子，它们可单独使用或与其它的植物启动子结合使用；此外，使用所述基因构建重组表达载体时，还可使用增强子，包括翻译增强子或转录增强子，这些增强子区域可以是atg起始密码子或邻接区域起始密码子等，但必需与编码序列的阅读框相同，以保证整个序列的正确翻译。所述翻译控制信号和起始密码子的来源是广泛的，可以是天然的，也可以是合成的。翻译起始区域可以来自转录起始区域或结构基因。为了便于对转基因植物细胞或植物进行鉴定及筛选，可对所用植物表达载体进行加工，如加入在植物中表达可产生颜色变化的酶或发光化合物的基因、具有抗性的抗生素标记物或是抗化学试剂标记基因等。所述重组表达载体具体可为在pcambia1305.1载体的多克隆位点中插入了序列表的序列3所示的双链dna分子得到的重组质粒。所述重组表达载体具体可为将pcambia1305.1载体的ecori和ncoli酶切位点之间的小片段取代为了序列表的序列3所示的dna分子得到的重组质粒。本发明还保护所述方法甲在植物育种中的应用。所述植物育种是为了选育籽粒粒宽大和/或籽粒粒长大和/或籽粒粒重大和/或籽粒粒厚大和/或产量大的植物。本发明还保护一种培育转基因植物的方法，是抑制目的植物中泛素羧基末端水解酶的编码基因的表达，得到转基因植物；所述转基因植物满足如下(b1)-(b5)中至少一种性状：(b1)籽粒粒宽小于所述目的植物；(b2)籽粒粒长小于所述目的植物；(b3)籽粒粒重小于所述目的植物；(b4)籽粒粒厚小于所述目的植物；(b5)产量小于所述目的植物。所述方法乙中，所述“抑制目的植物中蔗糖合成酶的编码基因的表达”是通过干扰载体实现的。所述干扰载体可通过ti质粒、ri质粒、植物病毒载体、直接dna转化、显微注射、电导、农杆菌介导等常规生物学方法转化到目的植物中。所述干扰载体具体可为含有干扰片段的重组表达载体。所述干扰片段包括区段甲和区段乙。所述区段甲和所述区段乙为反向互补序列。所述区段甲的序列如序列表的序列4所示。所述干扰载体具体可为将pcubi1390-△fad2载体的sac1ⅰ酶切位点之间插入序列表的序列4所示的双链dna分子，并且在snabⅰ酶切位点之间插入序列表的序列5所示的双链dna分子得到的重组表达载体。本发明还保护所述方法乙在植物育种中的应用。所述植物育种是为了选育籽粒粒宽小和/或籽粒粒长小和/或籽粒粒重小和/或籽粒粒厚小和/或产量小的植物。以上任一所述目的植物为单子叶植物或双子叶植物。所述单子叶植物可为禾本目植物。所述禾本目植物可为禾本科植物。所述禾本科植物可为稻属植物。所述稻属植物具体可为水稻，例如粳稻品种kitaake。本发明还保护泛素羧基末端水解酶的应用，为如下(e1)-(e10)中的至少一种：(e1)调控植物籽粒粒宽；(e2)调控植物籽粒粒长；(e3)调控植物籽粒粒重；(e4)调控植物籽粒粒厚；(e5)调控植物产量；(e6)提高植物籽粒粒宽；(e7)提高植物籽粒粒长；(e8)提高植物籽粒粒重；(e9)提高植物籽粒粒厚；(e10)提高植物产量。所述植物为单子叶植物或双子叶植物。所述单子叶植物可为禾本目植物。所述禾本目植物可为禾本科植物。所述禾本科植物可为稻属植物。所述稻属植物具体可为水稻，例如粳稻品种kitaake。本发明还保护一种特异dna分子，包括区段甲和区段乙；所述区段甲和所述区段乙为反向互补序列；所述区段甲的序列如序列表的序列4所示。所述区段乙如序列表的序列5所示。本发明还保护一种干扰载体，是含有所述特异dna分子的重组表达载体。所述干扰载体具体可为将pcubi1390-△fad2载体的sac1ⅰ酶切位点之间插入序列表的序列4所示的双链dna分子，并且在snabⅰ酶切位点之间插入序列表的序列5所示的双链dna分子得到的重组表达载体。本发明还保护所述特异dna分子或所述的干扰载体在培育转基因植物中的应用；所述转基因植物满足如下(f1)-(f5)中至少一种性状：(f1)籽粒粒宽小于所述出发植物；(f2)籽粒粒长小于所述出发植物；(f3)籽粒粒重小于所述出发植物；(f4)籽粒粒厚小于所述出发植物；(f5)产量小于所述出发植物。所述出发植物为单子叶植物或双子叶植物。所述单子叶植物可为禾本目植物。所述禾本目植物可为禾本科植物。所述禾本科植物可为稻属植物。所述稻属植物具体可为水稻，例如粳稻品种kitaake。以上任一所述粒重具体可为千粒重。以上任一所述泛素羧基末端水解酶具体可为osubp15蛋白。所述osubp15蛋白，获自水稻，是如下(c1)或(c2)：(c1)由序列表中序列1所示的氨基酸序列组成的蛋白质；(c2)将序列1的氨基酸序列经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加且具有相同功能的由序列1衍生的蛋白质。为了使(c1)中的osubp15蛋白便于纯化和检测，可在由序列表中序列1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标签的序列标签残基序列poly-arg5-6(通常为5个)rrrrrpoly-his2-10(通常为6个)hhhhhhflag8dykddddkstrep-tagii8wshpqfekc-myc10eqkliseedl上述(c2)中的osubp15蛋白可人工合成，也可先合成其编码基因，再进行生物表达得到。上述(c2)中的osubp15蛋白的编码基因可通过将序列表中序列2所示的dna序列中缺失一个或几个氨基酸残基的密码子，和/或进行一个或几个碱基对的错义突变，和/或在其5′端和/或3′端连上表1所示的标签的编码序列得到。以上任一所述泛素羧基末端水解酶具体可为osubp15基因。所述osubp15基因为如下(d1)-(d4)中任一所述的dna分子：(d1)编码区如序列表中序列2所示的dna分子；(d2)序列表中序列3所示的dna分子；(d3)在严格条件下与(d1)或(d2)限定的dna序列杂交且编码泛素羧基末端水解酶的dna分子；(d4)与(d1)或(d2)或(d3)限定的dna序列具有90％以上同源性且编码泛素羧基末端水解酶的dna分子。上述严格条件可为用0.1×sspe(或0.1×ssc)，0.1％sds的溶液，在dna或者rna杂交实验中65℃下杂交并洗膜。本发明提供了一种水稻粒型相关蛋白及其编码基因，影响植物的细胞增值，从而通过调控颖壳宽度控制籽粒粒宽、粒长、粒厚和粒重；将所述蛋白的编码基因导入籽粒正常的植物中可以使粒宽、粒长、粒重增加；降低或抑制所述蛋白的表达，使转基因植物的粒宽、粒长和粒重降低。本发明可以应用于植物遗传改良。附图说明图1为野生型kitaake和突变体osubp15的籽粒性状比较。a：野生型kitaake和突变体osubp15的籽粒比较；b：野生型kitaake和突变体osubp15的糙米比较；c：野生型kitaake和突变体osubp15的粒宽统计比较；d：野生型kitaake和突变体osubp15的粒长统计比较；e：野生型kitaake和突变体osubp15的粒厚统计比较；f：野生型kitaake和突变体osubp15的千粒重统计比较。图2为野生型kitaake和突变体osubp15的颖壳石蜡切片组织观察比较。a：野生型kitaake和突变体osubp15的颖壳；b：野生型kitaake和突变体osubp15的颖壳石蜡横切切片组织观察；c：野生型kitaake和突变体osubp15的颖壳横切面外围薄壁细胞总长度；d：野生型kitaake和突变体osubp15的颖壳横切面外围薄壁细胞数目；e：野生型kitaake和突变体osubp15的颖壳横切面外围薄壁细胞平均细胞长度。图3精细定位和基因结构示意图。a：基因精细定位和图位克隆；b：基因结构和突变位点示意图。图4为pcambia1305.1-gosubp15转化野生型kitaake阳性株系籽粒性状。a：野生型与转基因阳性植株突变位点测序；b：野生型与转基因阳性植株籽粒比较；c：野生型与转基因阳性植株籽粒粒宽，粒长，粒厚和千粒重统计比较。图5为pcubi1390-△fad2-osubp15转化野生型kitaake阳性株系籽粒性状比较。a：野生型与转基因阳性干扰植株籽粒；b：野生型与转基因阳性干扰植株osubp15基因相对表达量；c：野生型与转基因阳性干扰植株籽粒粒宽、粒长和粒厚统计比较。图6为pcubi1390-△fad2-osubp15转化突变体osubp15阳性株系籽粒性状比较。a：突变体osubp15与转基因阳性干扰植株籽粒；b：突变体osubp15与转基因阳性干扰植株osubp15基因相对表达量；c：突变体osubp15与转基因阳性干扰植株籽粒粒宽、粒长和粒厚统计比较。具体实施方式以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，结果取平均值。粳稻品种kitaake：参考文献：吴言唐宁张边江.缺氮对不同粳稻品种光合特性的影响[j].湖北农业科学,2014(8):1762-1764.；公众可以从中国农业科学院作物科学研究所获得。籼稻品种协青早b：参考文献：张慧廉；邓应德高异交率优质不育系优ⅰa的选育及应用[j].杂交水稻,1996(2):4-6.,公众可以从中国农业科学院作物科学研究所获得。实施例1、水稻中与粒宽相关蛋白及其编码基因的发现一、水稻与粒宽相关突变体的发现在粳稻品种kitaake组织培养后代中发现一个籽粒明显变宽的突变体(命名为突变体osubp15)。通过测量发现突变体的粒宽、粒长、粒厚均有极显著增加，同时千粒重增加了30％以上(图1)。石蜡切片观察发现突变体颖壳横向上细胞长度和细胞数目都有所增加，但主要是细胞数目的增加(图2)。二、突变基因定位1、突变基因初步定位用突变体osubp15给粳稻品种kitaake进行了人工辅助授粉，所得f1植株上的籽粒粒宽与突变体osubp15粒宽接近，f1自交后，f2植株上的籽粒粒宽呈现3:1分离(宽粒为3，窄粒为1)，因此该粒宽突变体为显性单基因突变。用突变体osubp15与籼稻品种协青早杂交，在f2植株中随机挑选出10个极端隐形单株，提取各株的叶片中的基因组dna建混池，利用覆盖水稻全基因组的175对indel引物进行连锁分析，将突变体基因定位在第2染色体上标记lk47和lk10之间。2、突变基因精细定位根据初步定位的结果，在突变基因所在区域附近寻找公共图谱上的分子标记，并自行开发indel标记。用f2群体中的极端隐形单株验证，在该染色体的相关区段筛选更多标记进一步定位突变体基因。从f2分离群体中挑出确认为隐形单株569株(用于突变基因精细定位。利用公共图谱上的分子标记和基于水稻基因组序列数据自行开发的indel分子标记对突变基因进行了精细定位(用于精细定位的分子标记见表2)。表2用于精细定位的分子标记最终把osubp15基因精细定位在标记lk13和lk48之间，物理距离约为89kb(图3)。经过对89kb区间内基因进行测序，发现了突变体基因最后一个外显子上存在一个单碱基的突变使蛋白翻译提前终止(图3)。三、水稻中与粒宽相关蛋白及其编码基因的获得提取粳稻品种kitaake叶片cdna，以cdna为模板，采用引物primer1和引物primer2进行pcr扩增，对扩增产物进行测序，测序结果如序列表的序列2所示，其编码的蛋白质如序列表的序列1所示。primer1：5'-atgctccaaccaagggaatccga-3'；primer2：5'-ttacatttgacaaaatccagatgtttgaacaa-3'。将序列表的序列1所示的蛋白质命名为osubp15蛋白，由975个氨基酸残基组成。将编码osubp15蛋白的基因命名为osubp15基因，其开放阅读框如序列表的序列2所示。实施例2、osubp15蛋白及其编码基因的应用一、过表达载体的构建将pcambia1305.1载体(参考文献:hegao.,mingnajin.,etal.daystoheading7,amajorquantitativelocusdeterminingphotoperiodsensitivityandregionaladaptationinrice.procnatlacadsciusa,2014,111(46):16337-16342)的ecori和ncoli酶切位点之间的小片段替换为序列表的序列3所示的双链dna分子(包括osubp15基因上游3kb和下游3.2kb，含有osubp15基因启动子)，得到pcambia1305.1-gosubp15过表达载体(已经测序验证)。二、rnai干扰载体的构建将pcubi1390-△fad2载体(参考文献：tan,j.,tan,z.,etal.anovelchloroplast-localizedpentatricopeptiderepeatproteininvolvedinsplicingaffectschloroplastdevelopmentandabioticstressresponseinrice.mol.plant,2014,7:1329–1349.)的sac1ⅰ酶切位点之间插入序列表的序列4所示的双链dna分子(正义片段)，同时在snabⅰ酶切位点之间插入序列表的序列5所示的双链dna分子(反义片段)，得到rnai干扰载体pcubi1390-△fad2-osubp15(已经测序验证)。三、过表达转基因植物的获得1、将步骤一得到的pcambia1305.1-gosubp15过表达载体导入农杆菌eha105菌株(美国英俊公司)，得到重组农杆菌。2、采用步骤1得到的重组农杆菌转化粳稻品种kitaake(野生型)，具体步骤如下：(1)取步骤1得到的重组农杆菌菌体，采用n6液体培养基(sigma公司，c1416)重悬并调整菌液od600nm为0.5。(2)将培养至一个月的粳稻品种kitaake(野生型)成熟胚胚性愈伤组织在步骤(1)得到的菌液中侵染30min，滤纸吸干菌液后转入含有10g/l琼脂的固体n6培养基(sigma公司，c1416)中，24℃共培养3天；(3)将步骤(2)培养的愈伤组织接种在含有10g/l琼脂，100mg/l潮霉素的固体筛选n6固体培养基(sigma公司，c1416)上培养16天(第一次筛选)；(4)将步骤(3)培养后的健康愈伤组织接种在含有10g/l琼脂，100mg/l潮霉素的固体筛选n6培养基(sigma公司，c1416)上培养15天(第二次筛选)；(5)将步骤(4)培养后的健康愈伤组织接种在含有10g/l琼脂，100mg/l潮霉素的固体筛选n6培养基(sigma公司，c1416)上培养15天(第三次筛选)；(6)将步骤(4)培养后的健康愈伤组织接种在分化培养基(phytotechnologylaboratories公司，m524)上分化，得到t0代植株。3、对步骤2得到的t0代植株进行鉴定，提取待测植株叶片的总dna，采用引物primer3和引物primer4进行pcr扩增，对扩增产物进行测序，在突变位点为a/t双峰的为过表达转基因阳性植株(结果如图4a所示)。primer3：5'-gggagcatctttgattcaactgg-3'；primer4：5'-gcttgtgcttgtgtggtaataatcat-3'。t0代植株自交，得到t1代植株。4、采用pcambia1305.1载体代替pcambia1305.1-gosubp15过表达载体，按照步骤1-3进行操作，得到转空载体植株(过表达对照)。四、rnai干扰植物的获得1、将步骤二得到的rnai干扰载体pcubi1390-△fad2-osubp15导入农杆菌eha105菌株(美国英俊公司)，得到重组农杆菌。2、分别采用步骤1得到的重组农杆菌转化kitaake(野生型)和突变体osubp15，具体步骤如下：(1)取步骤1得到的重组农杆菌菌体，采用n6液体培养基(sigma公司，c1416)重悬并调整菌液od600nm为0.5。(2)将培养至一个月的kitaake(野生型)或突变体osubp15，成熟胚胚性愈伤组织在步骤(1)得到的菌液中侵染30min，滤纸吸干菌液后转入n6固体共培养培养基中，24℃共培养3天；(3)将步骤(2)培养的愈伤组织接种在含有100mg/l潮霉素的n6固体筛选培养基上培养16天(第一次筛选)；(4)将步骤(3)培养后的健康愈伤组织接种在含有100mg/l潮霉素的n6固体筛选培养基上培养15天(第二次筛选)；(5)将步骤(4)培养后的健康愈伤组织接种在含有50mg/l潮霉素的n6固体筛选培养基上培养15天(第三次筛选)；(6)将步骤(4)培养后的健康愈伤组织接种在分化培养基上分化，得到t0代rnai干扰植株。t0代植株自交，得到t1代植株。3、对步骤2得到的t1代rnai干扰植株进行osubp15基因表达量检测。提取待测植株叶片的总rna，并反转录为cdna，以cdna为模板，进行定量pcr，采用引物primer5和引物primer6检测osubp15基因表达，采用物primer7和引物primer8检测ubiquitin基因(内参)表达。primer5：5'-tccttgcaagatgctttgac-3'；primer6：5'-acctcatgcacgcttaattg-3'；primer7：5'-accctggctgactacaacatc-3'；primer8：5'-agttgacagccctagggtg-3'。结果如图5b和图6b所示。结果表明，rnai干扰植株(转野生型)和rnai干扰植株(转突变体)中的osubp15基因表达量均明显降低。4、采用pcubi1390-△fad2载体代替rnai干扰载体pcubi1390-△fad2-osubp15，按照步骤1-3进行操作，得到转空载体植株(rnai-转野生型对照)和转空载体植株(rnai-转突变体对照)。五、表型鉴定待测植株：粳稻品种kitaake(野生型)、突变体osubp15、t1代过表达转基因阳性植株、t1代rnai干扰植株(转野生型)、t1代rnai干扰植株(转突变体)、t1代转空载体植株(过表达对照)、t1代转空载体植株(rnai-转野生型对照)和t1代转空载体对照植株(rnai-转突变体对照)。取待测植株(每个株系20株)，种植收获后统计籽粒千粒重、粒宽、粒长和粒厚。结果如图4、图5和图6所示。结果表明，与野生型相比，过表达转基因阳性植株籽粒明显变宽(图4b)，千粒重也显著提高。与野生型相比，rnai干扰植株(转野生型)籽粒粒宽、粒长、粒厚都显著降低(图5)；与突变体osubp15，rnai干扰植株(转突变体)籽粒粒宽、粒长、粒厚都显著降低(图6)；转空载体植株(过表达对照)和转空载体植株(rnai-转野生型对照)的表型与粳稻品种kitaake(野生型)无显著性差异，转空载体对照植株(rnai-转突变体对照)的表型与突变体osubp15无显著性差异。<110>中国农业科学院作物科学研究所<120>水稻粒型相关蛋白及其编码基因和应用<160>5<210>1<211>975<212>prt<213>粳稻(oryzasativasubsp.keng)<400>1metleuglnproarggluseraspvalprovalleuphevalvalphe151015ilevalleuprovalilealatyrpheleuleuglyargtrphisasp202530alavalserlyslysalaargvalservalleualaglnargalaala354045glugluthrphelysvalgluthrmetalathrproaspvalileleu505560proglyproserleuargprometprotyrmetargseralaproser65707580alaargproglutyrhisglucysalathrcyshisglyproalalys859095thrargcysserargcyslysservalargtyrcysserglylyscys100105110glnileilehistrpargglnglyhislysglnthrcysglnglntrp115120125asnglypheglythrserserserglyglyleuproprothrgluasn130135140thrgluglnmetpropheleuserasnleuasnserproleuarggly145150155160seraspvalhisleuhisaspmetasppheaspthrmetserglupro165170175serphevalthrthraspsertyrasnleuaspthrserpropheleu180185190seraspargserasnmetasnlysproasnglnpheleuhisthrser195200205gluasnglyalaalaileglysertyrglulysasnasptyrserile210215220aspglygluvalprosersergluileleuserglyasnlysglyleu225230235240asnasnserserglyserglygluasncysglyasnargaspvalile245250255tyrproleuasnservalvalhisglnproasnasntyralaproglu260265270ilearglysargprolysalaserilethrvaltyrgluserasplys275280285glyvaltyrleuthrseraspmetileserserglygluglyprotyr290295300alaseralaalagluserleuglnargserasnserserglyasnval305310315320thrglylysglyasnmetile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