能量感受器SnRK1α4蛋白及其相关生物材料在调控植物共生固氮中的应用

本发明属于生物，特别涉及能量感受器snrk1α4蛋白及其相关生物材料在调控植物共生固氮中的应用。

背景技术：

1、氮素对植物生长至关重要，尽管在大气中占比达到79％，但无法被植物直接吸收利用。农业系统中氮素的需求量极大，人们往往通过施加氮肥促进作物生产、提高作物产量品质；但是，大量施用氮肥会造成严重的环境压力并降低生产效率。

2、生物固氮将大气中游离态氮元素转变为可吸收利用的氨，每年为农业系统提供50-70tg的固定态氮源。其中，共生固氮是生物固氮中固氮量最多的一大分支，尤其是豆科植物与根瘤菌的共生固氮体系，缓解土壤压力，促进大气圈氮素循环，对于农业可持续发展有重要意义。

3、因此，提高植物共生固氮能力、培育高效固氮作物具有重要的生产应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供能量感受器snrk1α4蛋白及其相关生物材料在调控植物共生固氮中的应用。

2、本发明提供了一种蛋白质，来源于蒺藜苜蓿(medicago truncatula)，命名为snrk1α4蛋白，为如下(a1)或(a2)或(a3)或(a4)：

3、(a1)seq id no：1所示的蛋白质；

4、(a2)在(a1)所述蛋白质的n端或/和c端连接标签得到的融合蛋白；

5、(a3)将(a1)经过一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加得到的与植物共生固氮能力相关的蛋白质；

6、(a4)来源于苜蓿且与(a1)具有98％以上同一性且与植物共生固氮相关的蛋白质。

7、所述标签具体可如表1所示。

8、表1标签的序列

9、 标签 残基 序列 poly-arg 5-6(通常为5个) rrrrr poly-his 2-10(通常为6个) hhhhhh flag 8 dykddddk strep-tag ii 8 wshpqfek c-myc 10 eqkliseedl

10、编码snrk1α4蛋白的核酸分子也属于本发明的保护范围。

11、所述的核酸分子具体可为snrk1α4基因，为如下(b1)或(b2)或(b3)或(b4)：

12、(b1)编码区如seq id no：2所示的dna分子；

13、(b2)seq id no：3所示的dna分子；

14、(b3)来源于苜蓿且与(b1)或(b2)具有95％以上同一性且编码所述蛋白质的dna分子；

15、(b4)在严格条件下与(b1)或(b2)限定的核苷酸序列杂交且编码所述蛋白质的dna分子。

16、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。

17、含有所述核酸分子的表达盒、重组载体、重组微生物或转基因植物细胞均属于本发明的保护范围。

18、本发明还保护snrk1α4蛋白或编码snrk1α4蛋白的核酸分子的应用，为如下(c1)至(c3)中的至少一种：

19、(c1)正调控植物的共生固氮能力；

20、(c2)正调控植物与固氮菌的共生固氮能力；

21、(c3)正调控植物在低氮环境中的生长性能。

22、本发明还保护一种培育共生固氮能力提高的植物的方法，包括如下步骤：在受体植物中导入编码snrk1α4蛋白的核酸分子，得到共生固氮能力提高的转基因植物。所述核酸分子具体可通过重组质粒导入受体植物。所述重组质粒具体可为：将载体pcambia1307中sali和spei酶切位点之间的小片段取代为snrk1α4基因得到的重组质粒。

23、本发明还保护一种培育共生固氮能力降低的植物的方法，包括如下步骤：抑制目的植物中的编码snrk1α4蛋白的核酸分子表达，得到共生固氮能力降低的转基因植物。所述抑制目的植物中的编码snrk1α4蛋白的核酸分子表达具体可通过向目的植物中导入以编码snrk1α4蛋白的核酸分子为靶标的干扰载体实现。所述抑制目的植物中的编码snrk1α4蛋白的核酸分子表达具体可通过向目的植物中导入以编码snrk1α4蛋白的核酸分子为靶标的基因编辑载体实现。具体的，所述基因编辑载体为基于cas9基因编辑技术的载体。具体的，所述基因编辑载体表达sgrna和cas9蛋白。所述sgrna以编码snrk1α4蛋白的核酸分子为靶标。具体的，所述sgrna的靶标为：gctaacctcaccttgccag。

24、本发明还提供了一种培育共生固氮能力提高的植物的方法，包括如下步骤：增加植物中snrk1α4蛋白的含量，得到共生固氮能力提高的植物。

25、本发明还提供了一种培育共生固氮能力降低的植物的方法，包括如下步骤：降低植物中snrk1α4蛋白的含量，得到共生固氮能力降低的植物。

26、本发明还保护以上任一所述方法在植物育种中的应用。

27、所述正调控植物的共生固氮能力体现为：snrk1α4蛋白丰度提高，植物与根瘤菌共生时的共生固氮能力提高。

28、所述正调控植物的共生固氮能力体现为：snrk1α4蛋白丰度降低，植物与根瘤菌共生时的共生固氮能力降低。

29、所述正调控植物的共生固氮能力体现为：snrk1α4蛋白丰度提高，植物与根瘤菌共生时，植物的根瘤变大和/或根瘤数目增多和/或根瘤鲜重增加和/或根瘤固氮酶活性增加。

30、所述正调控植物的共生固氮能力体现为：snrk1α4蛋白丰度降低，植物与根瘤菌共生时，植物的根瘤变小和/或根瘤数目减少和/或根瘤鲜重减少和/或根瘤固氮酶活性降低。

31、所述正调控植物的共生固氮能力体现为：snrk1α4基因丰度提高，植物与根瘤菌共生时的共生固氮能力提高。

32、所述正调控植物的共生固氮能力体现为：snrk1α4基因丰度降低，植物与根瘤菌共生时的共生固氮能力降低。

33、所述正调控植物的共生固氮能力体现为：snrk1α4基因丰度提高，植物与根瘤菌共生时，植物的根瘤变大和/或根瘤数目增多和/或根瘤鲜重增加和/或根瘤固氮酶活性增加。

34、所述正调控植物的共生固氮能力体现为：snrk1α4基因丰度降低，植物与根瘤菌共生时，植物的根瘤变小和/或根瘤数目减少和/或根瘤鲜重减少和/或根瘤固氮酶活性降低。

35、所述生长性能为：株高和/或根长和/或鲜重。

36、所述根长为主根根长。

37、所述鲜重为地上部分鲜重。

38、所述共生固氮能力提高体现为：植物与根瘤菌共生时，植物的根瘤变大和/或根瘤数目增多和/或根瘤鲜重增加和/或根瘤固氮酶活性增加和/或株高增加和/或根长增加和/或鲜重增加。

39、所述共生固氮能力提高为在低氮环境中共生固氮能力提高。

40、所述共生固氮能力降低体现为：植物与根瘤菌共生时，植物的根瘤变小和/或根瘤数目减少和/或根瘤鲜重减少和/或根瘤固氮酶活性降低和/或株高降低和/或根长减少和/或鲜重降低。

41、所述共生固氮能力降低为在低氮环境中共生固氮能力降低。

42、以上任一所述低氮环境指的是培养基质中氮元素含量为0.5mm以下。

43、以上任一所述低氮环境指的是培养基质中不含氮元素。

44、以上任一所述植物为豆科植物。

45、以上任一所述植物为苜蓿属植物。

46、以上任一所述植物为蒺藜苜蓿。

47、以上任一所述植物为蒺藜苜蓿r108生态型。

48、以上任一所述根瘤菌可为中华根瘤菌。

49、以上任一所述根瘤菌可为中华根瘤菌sm1021。

50、发明人试验发现：snrk1α4过表达植株，表现为全营养条件下生长正常，缺氮条件下接种根瘤菌后根瘤数目增多，根瘤大小和鲜重增加，固氮酶活性增加，植株整体生长优于野生型对照；snrk1α4突变体植株(snrk1α4功能缺失)，表现为全营养条件下生长正常，缺氮条件下接种根瘤菌后根瘤数目减少，根瘤大小和鲜重减小，固氮酶活性减弱，植株整体生长差于野生型对照。因此，snrk1α4正向调控植物共生固氮，过表达snrk1α4显著提高植物共生固氮能力，具有重要应用价值。本发明为豆科植物固氮机制研究提供宝贵证据，为培育高效固氮植物新品种提供了重要基因资源，在农业生产上有重要应用前景。