ZmST1蛋白及其编码基因在调控植物持绿性、抗病性和产量中的应用

本发明属于生物基因，具体涉及zmst1蛋白及其编码基因在调控植物持绿性、抗病性和产量中的应用。

背景技术：

1、玉米作为三大主要粮食作物之一，是目前种植面积最广、产量最高的作物；此外，玉米也是重要的饲料作物和工业原料。因此，提高玉米产量对保障粮食安全和满足市场需求具有举足轻重的作用。目前提高作物产量的关键主要包括三个方面：1.提高“源”组织的光合作用能力；2.提高韧皮部糖的卸载能力；3.提高“库”组织中糖的卸载和储存能力。植物作为自养生物，主要通过叶绿体进行光合作用将光能转化为化学能，并主要以糖的形式存在，为植物生长发育提供能量。糖从“源”组织到“库”组织的运输影响着植物营养生长和生殖生长的各个阶段，特别是光合作用产物的再分配及向“库”组织的运输能力直接影响着“库”器官的大小和作物产量的高低。而植物体内糖从“源”组织向“库”组织运输的过程中糖转运蛋白发挥着关键作用。

2、atp结合盒转运蛋白作为植物中最大蛋白亚家族类群之一，转运底物包括糖类、金属离子、生长素等物质，参与众多生理生化过程。玉米中共含有133个atp结合盒转运蛋白成员，但玉米中atp结合盒转运蛋白的功能研究较少，特别是在光合作用产物的运输和糖的分配过程中扮演怎样的角色仍需要进一步地探究。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供zmst1蛋白或与zmst1蛋白相关的生物材料的新用途。

2、本发明提供了zmst1蛋白或与zmst1蛋白相关的生物材料在如下1)-5)中任一种中的应用：

3、1)调控植物持绿性；

4、2)调控植物产量；

5、3)调控植物抗病性；

6、4)培育持绿性提高和/或产量提高和/或抗病性提高的转基因植物；

7、5)植物育种；

8、所述zmst1蛋白为a1)或a2)或a3)或a4)：

9、a1)氨基酸序列是序列3所示的蛋白质；

10、a2)在序列3所示的蛋白质的n端或/和c端连接标签得到的融合蛋白质；

11、a3)将序列3所示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/或添加得到的与植物持绿、抗病或产量相关的蛋白质；

12、a4)与序列3所示的氨基酸序列具有90％同一性、来源于玉米且与植物持绿、抗病或产量相关的蛋白质。

13、其中，序列3由220个氨基酸残基组成。

14、上述a2)所述的蛋白质中，所述标签是指利用dna体外重组技术，与目的蛋白一起融合表达的一种多肽或者蛋白，以便于目的蛋白的表达、检测、示踪和/或纯化。所述标签可为flag标签、his标签、mbp标签、ha标签、myc标签、gst标签和/或sumo标签等。

15、上述a3)所述的蛋白质中，所述一个或几个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加为不超过10个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加或不超过9个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加或不超过8个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加或不超过7个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加或不超过6个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加或不超过5个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加或不超过4个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加或不超过3个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加或不超过2个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加或不超过1个氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加。

16、上述a4)所述的蛋白质中，所述同一性是指氨基酸序列的同一性。可使用国际互联网上的同源性检索站点测定氨基酸序列的同一性，如ncbi主页网站的blast网页。例如，可在高级blast2.1中，通过使用blastp作为程序，将expect值设置为10，将所有filter设置为off，使用blosum62作为matrix，将gap existence cost，per residue gap cost和lambdaratio分别设置为11，1和0.85(缺省值)并进行检索一对氨基酸序列的同一性进行计算，然后即可获得同一性的值(％)。所述同一性包括与本发明的序列3所示的氨基酸序列具有90％或更高，或91％或更高，或92％或更高，或93％或更高，或94％或更高，或95％或更高，或96％或更高，或97％或更高，或98％或更高，或99％或更高同源性的氨基酸序列。

17、上述a1)或a2)或a3)或a4)所述的蛋白质可人工合成，也可先合成其编码基因，再进行生物表达得到。

18、所述生物材料为下述a1)至a8)中的任一种：

19、a1)编码zmst1蛋白的核酸分子；

20、a2)含有a1)所述核酸分子的表达盒；

21、a3)含有a1)所述核酸分子的重组载体；

22、a4)含有a2)所述表达盒的重组载体；

23、a5)含有a1)所述核酸分子的重组微生物；

24、a6)含有a2)所述表达盒的重组微生物；

25、a7)含有a3)所述重组载体的重组微生物；

26、a8)含有a4)所述重组载体的重组微生物。

27、进一步的，a1)所述核酸分子为如下b1)或b2)或b3)或b4)所示的基因：

28、b1)序列1所示的dna分子；

29、b2)序列2所示的dna分子；

30、b3)与b1)或b2)限定的核苷酸序列具有75％或75％以上同一性，且编码上述zmst1蛋白的dna分子；

31、b4)在严格条件下与b1)或b2)或b3)限定的核苷酸序列杂交，且编码上述zmst1蛋白的dna分子。

32、其中，所述核酸分子可以是dna，如cdna、基因组dna或重组dna；所述核酸分子也可以是rna，如mrna或hnrna等。

33、本领域普通技术人员可以很容易地采用已知的方法，例如定向进化和点突变的方法，对本发明的编码上述zmst1蛋白的核苷酸序列进行突变。那些经过人工修饰的，具有编码上述zmst1蛋白的核苷酸序列75％或者更高同一性的核苷酸，只要编码上述zmst1蛋白且具有相同功能，均是衍生于本发明的核苷酸序列并且等同于本发明的序列。

34、这里使用的术语“同一性”指与天然核酸序列的序列相似性。“同一性”包括与本发明的编码序列3所示的氨基酸序列组成的蛋白质的核苷酸序列具有75％或更高，或85％或更高，或90％或更高，或95％或更高同一性的核苷酸序列。同一性可以用肉眼或计算机软件进行评价。使用计算机软件，两个或多个序列之间的同一性可以用百分比(％)表示，其可以用来评价相关序列之间的同一性。

35、上述75％或75％以上同一性，可为80％、85％、90％或95％以上的同一性。

36、上述应用中，所述严格条件是在2×ssc，0.1％ sds的溶液中，在68℃下杂交并洗膜2次，每次5min，又于0.5×ssc，0.1％ sds的溶液中，在68℃下杂交并洗膜2次，每次15min；或，0.1×sspe(或0.1×ssc)、0.1％sds的溶液中，65℃条件下杂交并洗膜。

37、上述应用中，a2)所述的含有编码zmst1蛋白的核酸分子的表达盒(zmst1基因表达盒)是指能够在宿主细胞中表达zmst1蛋白的dna，该dna不但可包括启动zmst1转录的启动子，还可包括终止zmst1转录的终止子。进一步，所述表达盒还可包括增强子序列。可用于本发明的启动子包括但不限于：组成型启动子；组织、器官和发育特异的启动子及诱导型启动子。合适的转录终止子包括但不限于：农杆菌胭脂碱合成酶终止子(nos终止子)、花椰菜花叶病毒camv 35s终止子、tml终止子、豌豆rbcs e9终止子和胭脂氨酸和章鱼氨酸合酶终止子。

38、可用现有的表达载体构建含有所述zmst1基因表达盒的重组载体。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。如pahc25、pbin438、pcambia1302、pcambia2301、pcambia1301、pcambia1300、pbi121、pcambia1391-xa或pcambia1391-xb等。所述植物表达载体还可包含外源基因的3′端非翻译区域，即包含聚腺苷酸信号和任何其它参与mrna加工或基因表达的dna片段。所述聚腺苷酸信号可引导聚腺苷酸加入到mrna前体的3′端，如农杆菌冠瘿瘤诱导(ti)质粒基因(如胭脂碱合成酶基因nos)、植物基因(如大豆贮存蛋白基因)3′端转录的非翻译区均具有类似功能。使用本发明的基因构建植物表达载体时，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，如加入可在植物中表达的编码可产生颜色变化的酶或发光化合物的基因(gus基因、萤光素酶基因等)、抗生素的标记基因(如赋予对卡那霉素和相关抗生素抗性的nptii基因，赋予对除草剂膦丝菌素抗性的bar基因，赋予对抗生素潮霉素抗性的hph基因，和赋予对氨甲喋呤抗性的dhfr基因，赋予对草甘磷抗性的epsps基因)或是抗化学试剂标记基因等(如抗除莠剂基因)、提供代谢甘露糖能力的甘露糖-6-磷酸异构酶基因。从转基因植物的安全性考虑，可不加任何选择性标记基因，直接以逆境筛选转化植株。

39、上述应用中，所述载体可为质粒、黏粒、噬菌体或病毒载体。

40、上述应用中，所述微生物可为酵母、细菌、藻或真菌，如农杆菌。

41、上述应用中，所述调控植物持绿性为提高植物持绿性，具体为提高植物叶片持绿性，如提高植物成熟期叶片持绿性。

42、所述调控植物产量为提高植物产量，具体为提高植物籽粒重量。

43、所述调控植物抗病性为提高植物抗病性，具体可为提高植物对穗粒腐病的抗性。

44、所述植物育种的目的为培育高持绿性和/或高产量和/或高抗病性的植物品种。

45、本发明最后一个目的是提供一种培育持绿性提高和/或产量提高和/或抗病性提高的转基因植物的方法。

46、本发明提供的培育持绿性提高和/或产量提高和/或抗病性提高的转基因植物的方法包括如下步骤：提高受体植物中zmst1蛋白的含量和/或活性，得到转基因植物；所述转基因植物的持绿性、产量和/或抗病性高于所述受体植物。

47、进一步的，所述提高受体植物中zmst1蛋白的含量和/或活性的方法为在受体植物中过表达zmst1蛋白。

48、所述过表达的方法为将zmst1蛋白的编码基因导入受体植物中。

49、更进一步的，所述zmst1蛋白的编码基因序列如序列表中序列2所示。

50、上述任一所述应用或方法中，所述转基因植物理解为不仅包含将所述zmst1基因转化受体植物得到的第一代转基因植物，也包括其子代。对于转基因植物，可以在该物种中繁殖该基因，也可用常规育种技术将该基因转移进入相同物种的其它品种，特别包括商业品种中。所述转基因植物包括种子、愈伤组织、完整植株和细胞。

51、上述任一所述应用或方法中，所述植物为双子叶植物或单子叶植物。进一步的，所述单子叶植物可为玉米。更进一步的，所述玉米的品种为玉米自交系nd101。

52、本发明通过在玉米中过表达zmst1蛋白，构建得到zmst1过表达株系，并通过对zmst1过表达株系在成熟期叶片持绿性和抗病性的表型及产量进行分析发现：与野生型相比，zmst1过表达株系表现出可见的功能性持绿延长，田间抗病性增强，籽粒变大，产量增加，说明zmst1蛋白或其编码基因可通过参与玉米叶绿体内光合作用产物的转运来调控玉米成熟期叶片的持绿性和抗病性，延缓叶片衰老进程，延长植物叶片持绿功能期，提高玉米产量。本发明对培育高产玉米有重要意义。