玉米HSF21蛋白在提高植物耐冷性中的应用

本发明涉及生物，具体地说，涉及玉米hsf21蛋白在提高植物耐冷性中的应用。

背景技术：

1、玉米(zea mays l.)是一种起源于热带低纬度地区的经济作物，尽管在人类驯化和种植过程中，其逐渐进入高纬度和高海拔的温带地区，但是玉米对于低温寒害依旧十分敏感，因此在温带地区扩大玉米种植时仍有必要进行耐冷抗寒玉米的培育。玉米对低温的敏感性主要是由于光合作用能力减弱和自身新陈代谢紊乱造成的。玉米幼苗短期暴露于低温度下会导致光合作用活性降低，随后耗散机制和抗氧化系统的参与，影响同化物的输运。

2、现有的转基因技术可以把植物的抗逆基因导入需要改良的玉米遗传物质中，并使其后代表现出稳定遗传的抗逆能力，为农业生产提供优良品种资源。研究出新的调控玉米耐冷性的基因对玉米育种和后期生产具有很大意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供hsf21蛋白在玉米耐冷调控上的新应用。

2、本发明提供了玉米耐冷基因hsf21及其编码蛋白的应用。玉米hsf21与拟南芥中的hsfb1同源性最高，但目前未发现拟南芥中的hsfb1具有低温表型。本发明通过对玉米冷相关基因hsf21的研究，发现过表达该基因的转基因植株较野生型植株具有明显耐冷表型。本发明为培育耐冷植物新品种提供了新的基因资源。

3、本发明提供了hsf21蛋白及其编码基因在玉米耐冷抗寒中的应用。为发掘玉米耐冷抗寒相关基因，本发明筛选了转基因过表达株系的玉米库，并且观察它们的表型，发现不同的过表达基因株系的表型各异，进一步发现过表达hsf21基因的若干株系，都表现为明显的耐冷表型。

4、具体地，本发明对过表达玉米群体进行筛选，以叶片相对受伤面积为指标，进行低温表型的初步筛选，对初筛有表型的过表达株系进行复筛，确定其低温相关表型，通过查阅过表达信息表发现该株系过表达基因的基因号为grmzm2g139535，进一步根据maizegdb网站上的基因注释确定为玉米转录因子hsf21，统一比对发现hsf21属于b类hsf转录因子，但其功能未见任何报道。通过本发明研究确定了hsf21基因可能为玉米耐冷抗寒的关键基因。进而本发明通过在玉米中过表达hsf21基因，获得了耐冷抗寒的转基因植物。

5、本发明中涉及的玉米hsf21蛋白的cdna序列为：i)seq id no.1所示的核苷酸序列；或ii)seq id no.1所示的核苷酸序列经取代、缺失和/或增加一个或多个核苷酸且表达相同功能蛋白质的核苷酸序列；或iii)与seq id no.1所示的核苷酸序列完全互补的核苷酸序列。

6、玉米hsf21 cdna由1671个碱基组成，序列如seq id no.1所示。该基因读码框由2个外显子组成。由玉米hsf21基因编码的氨基酸序列如seq id no.2所示。

7、本发明所述的玉米hsf21蛋白具有以下任意一种氨基酸序列：

8、1)seq id no.2所示的氨基酸序列；

9、2)seq id no.2所示的氨基酸序列经过一个或多个氨基酸残基的替换、缺失或插入获得的具有相同功能蛋白的氨基酸序列。

10、应当理解，本领域技术人员可根据本发明公开的氨基酸序列，在不影响其活性的前提下，取代、缺失和/或增加一个或几个氨基酸，得到所述蛋白的突变序列。

11、本发明提供了玉米hsf21蛋白或其编码基因、或含有其编码基因的生物材料在以下任一方面中的应用：

12、(1)改变植物耐冷性能；

13、(2)提高植物低温环境下的存活率；

14、(3)选育耐冷性提高的转基因植物；

15、(4)改良植物耐冷种质资源。

16、优选，改变植物耐冷性能为提高植物耐冷性能。

17、所述生物材料为表达盒、载体、宿主细胞或重组菌。

18、本发明还提供含有植物耐低温的hsf21基因序列或其片段的克隆载体或各类表达载体，含有所述载体的宿主细胞，含有所述基因序列或其特异片段的转化植物细胞和转基因植物。其中，含有hsf21基因的过表达载体为含有ubi启动子的pbcxun载体。

19、本发明还提供了一种转基因植物的制备方法，通过转基因方法提高hsf21基因的表达量，获得具有抗寒能力提高的植物。

20、具体所述转基因植物的制备方法包括如下步骤：

21、(1)扩增hsf21基因的全长基因cdna序列(如seq id no.1所示)；

22、(2)构建hsf21基因的过表达载体；

23、(3)构建含有hsf21基因的过表达载体的重组农杆菌；

24、(4)采用农杆菌侵染法，构建hsf21基因过表达的转基因植物。

25、本发明所述的植物为单子叶植物或双子叶植物，优选为水稻、小麦、大豆、高粱、小米、棉花、大麦或玉米，更优选为玉米。

26、本发明还提供了改变植物抗低温性能的方法，其通过转基因、杂交、回交、自交或无性繁殖的方法，控制植物对玉米hsf21基因的表达。

27、所述转基因包括利用dna同源重组技术、cre/loxp技术、crispr/gas9技术使玉米hsf21基因沉默表达或表达量降低，获得转基因植物株系。

28、所述转基因还包括利用ti质粒、植物病毒载体、直接dna转化、显微注射、基因枪、电导、农杆菌介导的方法将包含所述玉米hsf21基因的重组表达载体导入玉米，获得转基因玉米株系。

29、作为本发明的一个实施方式，构建抗低温的转基因植物的具体方法为：

30、1)提取玉米总rna，反转录获得cdna，以cdna为模板，通过引物扩增hsf21基因，将扩增产物构建到表达载体pbcxun上，获得的重组表达载体命名为pbcxun-hsf21；

31、2)用pbcxun-hsf21转化农杆菌eha105，然后利用转化的农杆菌侵染玉米愈伤组织，获得抗低温的转基因玉米幼苗。

32、其中，步骤1)中所述引物的核苷酸序列如seq id no.3和4所示。

33、被侵染的玉米优选为lh244纯合基因型的玉米植株。将本发明的hsf21基因过表达后，玉米表现为抗低温的表型。

34、所述表达载体为pbcxun载体，该pbcxun载体改造自质粒pcambia1300，为在pcambia1300中连入潮霉素抗性基因得到。

35、本发明克隆了hsf21基因，构建了hsf21的过表达转基因植物和crispr/cas9突变体材料，并验证了hsf21参与调控玉米耐冷性，过表达hsf21能够使玉米获得更强的低温耐受能力。本发明为培育耐低温植物新品种提供了新的基因资源，同时为研究玉米应答低温胁迫的机制奠定一定的理论基础。

技术特征：

1.玉米hsf21蛋白或其编码基因、或含有其编码基因的生物材料在以下任一方面中的应用：

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，改变植物耐冷性能包括提高植物耐冷性能。

3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述玉米hsf21蛋白具有seq id no.2所示的氨基酸序列。

4.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述玉米hsf21蛋白的cdna具有以下任一种核苷酸序列：

5.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述生物材料为表达盒、载体、宿主细胞或重组菌。

6.如权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述植物为单子叶植物或双子叶植物；优选水稻、小麦、大豆、高粱、小米、棉花、大麦或玉米。

7.改变植物抗低温性能的方法，其特征在于，通过转基因、杂交、回交、自交或无性繁殖的方法，控制植物对玉米hsf21基因的表达。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述转基因包括利用dna同源重组技术、cre/loxp技术、crispr/gas9技术使玉米hsf21基因沉默表达或表达量降低，获得转基因植物株系。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述转基因包括利用ti质粒、植物病毒载体、直接dna转化、显微注射、基因枪、电导、农杆菌介导的方法将包含所述玉米hsf21基因的重组表达载体导入玉米，获得转基因玉米株系。

技术总结
本发明涉及生物技术领域，具体公开了玉米HSF21蛋白在提高植物耐冷性中的应用。本发明发现在玉米中过表达HSF21基因，可增强植物的耐低温能力，进而提出了玉米HSF21蛋白或其编码基因、或含有其编码基因的生物材料在以下任一方面中的应用：(1)改变植物耐冷性能；(2)提高植物低温环境下的存活率；(3)选育耐冷性提高的转基因植物；(4)改良植物耐冷种质资源。本发明为培育耐低温植物新品种提供了新的基因资源。

技术研发人员：杨淑华,张晓燕,高磊
受保护的技术使用者：中国农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27