HPPD抑制剂类除草剂抗性相关基因及其编码蛋白和应用

本发明属于生物，主要涉及hppd抑制剂类除草剂抗性相关基因及其编码蛋白和在培育广谱抗hppd抑制剂类除草剂植物中的应用。

背景技术：

1、作物在生长发育过程中不可避免的会遭受各种生物胁迫和非生物胁迫的干扰，其中，杂草作为一种最常见的生物胁迫，不仅和作物竞争阳光、水分、营养和生长空间等资源，而且可作为病虫害的宿主，传播病虫害，严重影响作物生长，造成作物减产。化学除草剂是目前最经济有效的防控杂草的方式之一，在过去的数十年时间里对保障作物的稳产增收具有重大贡献。

2、对羟基苯丙酮酸双加氧酶(4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase，简称hppd)，是生物体内重要的酶，其能够参与酪氨酸代谢过程，几乎存在于所有需氧生物体内。在生物体内，在酪氨酸氨基转移酶(tyrosine aminotransferase，简称tat)的催化作用下，酪氨酸能够生成对羟基苯丙酮酸(p-hydroxyphenylpyruvic acid，简称hppa)，并且hppd作为一种亚铁依赖性的非血红素加氧酶，能够在氧气的参与下进一步将hppa催化生成尿黑酸(2,5-dihydroxyphenylacet ate，简称hga)，尿黑酸是质体醌和生育酚的重要前体物质。质体醌和生育酚是植物体抵御氧化胁迫和促进光合作用的重要组分，其代谢紊乱会导致植物体内类胡萝卜素的匮乏，光合作用减弱，从而导致植物因白化而死亡。

3、自上世纪九十年代hppd首次被确定为除草剂的靶标以来，hppd抑制剂类除草剂因具有高效、低毒、不易产生交互抗性等优点而逐渐兴起。常见的hppd抑制剂类除草剂包括但不局限于双唑草酮(bipyrazone，cas号：1622908-18-2)、硝磺草酮(mesotrione，cas号：104206-82-8)、环磺酮(tembotrione，cas号：335104-84-2)和苯唑草酮(topramezone，cas号：210631-68-8)等。

4、然而随着近年来特定除草剂的大量重复使用，抗性杂草也随之产生。因此，开发新型除草剂及培育新型除草剂抗性作物意义重大且应用前景广阔。

5、目前，hppd抑制剂类除草剂抗性作物的培育主要通过转基因等方法提高同源或异源hppd基因表达水平，或通过基因编辑技术等对植物内源hppd基因改造，减少hppd除草剂结合位点与hppd抑制剂类除草剂的结合，降低对除草剂的敏感性，从而提高植物对hppd抑制剂类除草剂的抗性。其他的hppd抑制剂类除草剂抗性基因极少有报道，迄今仅报道了his1(hppd inhibitor sensitive 1)对三酮类除草剂具有显著抗性。因此，挖掘hppd抑制剂类除草剂抗性相关基因，对培育抗性作物意义重大。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种bpr1基因与编码蛋白、及其在培育抗hppd抑制剂类除草剂植物中的应用，所述植物的bpr1基因或其同源基因编码蛋白在功能丧失或减弱后，使植物具有显著增强的hppd抑制剂类除草剂抗性。

2、具体地，本发明提供了以下技术方案。

3、一方面，本发明提供了hppd抑制剂类除草剂相关抗性蛋白质在培育或选育与野生型植物相比具有增强hppd抑制剂类除草剂抗性的植物中的应用，所述蛋白质的氨基酸序列如下：

4、1)seq id no:2所示的氨基酸序列；或

5、2)与seq id no:2所示的氨基酸序列相比存在经过一个或几个氨基酸残基的置换、缺失和/或添加，且具有seq id no:2所示的氨基酸序列相同的活性的衍生蛋白的氨基酸序列。

6、在一些实施方案中，所述衍生蛋白的氨基酸序列与seq id no:2所示的氨基酸序列具有至少60％，65％，例如67％-99％(如68％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％)的同源性，优选地，所述衍生蛋白的氨基酸序列为如seq id no:3至26中任一项所示的氨基酸序列。

7、在一些实施方案中，编码所述蛋白质的基因的核苷酸序列如下：

8、1)seq id no:1所示的dna序列；

9、2)与seq id no:1所示的dna序列相比存在保守置换、缺失或添加一个以上碱基，且与seq id no:1所示的dna序列具有相同功能的dna序列；或

10、3)在高严谨条件下能够与seq id no:1所示的dna序列杂交的核苷酸序列。

11、在一些实施方案中，其中，所述与seq id no:1所示的dna序列具有相同功能的dna序列与seq id no:1所示的dna序列具有至少60％的同一性，优选至少65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％的同一性。

12、另一方面，本发明提供了培育广谱抗hppd抑制剂类除草剂植物的方法，所述方法包括在野生型植物或者植物细胞中使hppd抑制剂类除草剂相关抗性蛋白质功能完全丧失或减弱，从而达到增强植物对hppd抑制剂类除草剂的广谱抗性的目的，其中，所述蛋白质的氨基酸序列如下：

13、1)seq id no:2所示的氨基酸序列；或

14、2)与seq id no:2所示的氨基酸序列相比存在经过一个或几个氨基酸残基的置换、缺失和/或添加，且具有seq id no:2所示的氨基酸序列相同的活性的衍生蛋白的氨基酸序列。

15、在一些实施方案中，所述衍生蛋白的氨基酸序列与seq id no:2所示的氨基酸序列具有至少60％，65％，例如67％-99％(如68％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％)的同源性，优选地，所述衍生蛋白的氨基酸序列为如seq id no:3至26中任一项所示的氨基酸序列。

16、在一些实施方案中，使所述hppd抑制剂类除草剂相关抗性蛋白质功能完全丧失或减弱是通过以下方式实现的：

17、1)通过分子手段(例如，基因编辑、rnai干扰)将所述蛋白质氨基酸序列通过一个或多个氨基酸残基的置换、缺失和/或增加，导致所述蛋白质功能完全丧失或减弱；

18、2)通过基因编辑(例如，crispr/cas基因编辑)，敲除植物体内编码所述蛋白质的基因，导致植物体内不能翻译具有生物学活性的所述蛋白质；或

19、3)通过蛋白质修饰作用(例如，泛素化、乙酰化、蛋白水解)，将所述蛋白质氨基酸序列进行蛋白质修饰，从而导致所述蛋白质功能完全丧失或减弱。

20、还一方面，本发明提供了制备广谱抗hppd抑制剂类除草剂植物的方法，其包括使野生型植物或植物细胞中已有的编码所述hppd抑制剂类除草剂相关抗性蛋白质的基因部分或完全缺失或者在其中置换、引入和/或缺失一个或多个碱基，培养所述植物或植物细胞并筛选出与野生型植物相比具有广谱抗hppd抑制剂类除草剂的植物，其中，所述基因的核苷酸序列如下：

21、1)seq id no:1所示的dna序列；

22、2)与seq id no:1所示的dna序列相比存在保守置换、缺失或添加一个以上碱基，且与seq id no:1所示的dna序列具有相同功能的dna序列；或

23、3)在高严谨条件下能够与seq id no:1所示的dna序列杂交的核苷酸序列。

24、在一些实施方案中，其中，所述与seq id no:1所示的dna序列具有相同功能的dna序列与seq id no:1所示的dna序列具有至少60％的同一性，优选至少65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％的同一性。

25、在一些实施方案中，所述植物为双子叶或单子叶植物，优选为水稻、大豆、玉米、小麦、高粱、大麦、谷子、燕麦、拟南芥、烟草、棉花、葡萄、油菜。