專利名稱：與植物根系發育相關的蛋白ZmNR1及其編碼基因的制作方法
技術領域：
本發明涉及基因工程技術領域，具體涉及一種能夠改良植物根系的MADS-box轉 錄因子及其編碼基因與應用。
背景技術：
氮素是植物必須的礦質營養元素之一，也是農業生產中植物生長發育的重要限制 因素，與作物產量、品質有著密切的關系。我國是世界上氮肥生產和消費大國。大量施用 氮肥，對我國作物產量的提高產生了巨大的貢獻。但是隨著我國糧食作物的化肥施用量逐 漸增加，糧食作物的施肥增產效應和化肥的養分利用效率不斷的降低，20世紀90年代之 后這一問題更加顯著。對于禾谷類作物而言，世界氮肥的平均利用率僅33% (Raun and Johnson, 1999, Agron. J. 91 :357_363)氮肥中近70%左右的氮素通過硝酸鹽淋失、氨揮發 和反硝化三大作用從土壤中損失，這不僅造成了巨大的資源浪費，還產生了嚴重的環境污 染和生態問題。基于生態環境保護與經濟效益的雙重要求，提高養分利用效率，特別是提高氮肥 利用率已成為農業可持續發展的重要課題。為了減少氮素損失，可以通過減少氮肥用量，也 根據作物的生長特性適時施肥，或通過改善氮肥特性，改進施肥方法等來提高氮肥利用率； 更重要的是從作物本身的生理特性考慮，利用作物本身的生物學潛能也可以提高肥料利用 率，在同一肥力的生態環境中，作物種類或品種的不同，其產量常有很大差異。在肥料高投 入的今天，仍需要不斷提高作物產量的條件下，充分挖掘作物的生物學潛能，提高作物對養 分的吸收能力勢在必行。在農業生態系統中，根系大小和形態是決定植物獲取氮素的重要因素。總根長 越長，根系表面積越大，吸取的氮素越多(Sattelmacher et al. ,1990, Plant Soil, 123 131-137)。植物根系的形態建成既受基因的控制，但又有很大的可塑性，即根系發育不僅受 外界環境因素的影響，也受植株本身生理狀況的內部因素的調節。營養元素在決定根系大 小和形態方面具有重要作用，首先，養分在土壤中的分布具有不均衡性，大部分植物的根系 在養分分布較多的區段生長較大；另外，當土壤養分缺乏時(除K，Fe、B、Ca外)，植物往往 通過降低地上部生長，增加根系生長來適應環境，以獲取更多的養分滿足植物生長。植物根系尤其是側根能夠在養分富集區的大量增加，這對于最大程度地利用有限 的養分資源具有重要的意義(Drew and Saker，1975，J. Exp. Bot.，26 :79_90)。硝態氮能 刺激根系的生長，使得整個根系統的形態構型發生變化。對于單子葉植物，低濃度硝酸鹽 不僅促進側根的發生，還促進側根的延伸。70年代初，Drew等(Drew etal. , 1973, J Exp. Bot. ,24 =1189-1202)對大麥的研究表明，局部供應硝酸鹽能顯著增加一級側根和二級側 根的數量和伸長速率。玉米的分根實驗中，局部供硝酸鹽后，側根的伸長和數目都受到硝 酸鹽的誘導，此外，供硝酸鹽側根系的生理活性和物質流分配都得到了加強(Granto and Raper, 1989，J. Exp. Bot. ,40 =263-275)。在雙子葉植物擬南芥中，低濃度硝酸鹽通過增加 了側根根尖分生組織的活性的方式增加了側根的伸長速率(Zhang et al.，1999，PNAS，96
36529-6534)。Forde和Zhang在以擬南芥為實驗材料鑒定硝酸鹽誘導表達的基因中發現了 一個MADS-box轉錄因子ANRl基因，抑制ANRl基因的表達后，植物側根不再對局部供應硝 酸鹽刺激作出反應。這表明ANRl基因對于局部硝酸鹽促進植物側根生長發育有著至關重 要的作用(Zhang andForde, 1998，Science, 279 407-409)。玉米是世界范圍內的重要糧食作物、經濟作物及飼料作物。玉米的產量需求與日 俱增。提高玉米養分利用效率，對玉米總產及單產的提高有著重要的意義。一個強大的根 系統的建成能夠為玉米提供生長需要的所有的礦質營養和水分。大量研究表明，根系的形 態和空間分布以及生理性狀在植株養分高效利用方面起著決定性作用。因此，在生產上克 隆和利用調控植物根系生長發育的相關基因，將為主要農作物的養分高效吸收利用研究提 供了更有特色和效果的基因資源，在基因工程改良植物的養分高效吸收利用研究中將發揮 重要作用，具有重要的實用價值和直接的經濟效益。
發明內容
本發明的目的是提供一種與植物根系發育相關的蛋白及其編碼基因。本發明所提供的與植物根系發育相關的蛋白，名稱為ZmNRl，來源于玉米屬的玉米 (zea mays L.)，是如下1)或2)的蛋白質1)由序列表中序列2所示的氨基酸序列組成的蛋白質；2)將序列表中序列2的氨基酸殘基序列經過一個或幾個氨基酸殘基的取代和/或 缺失和/或添加且與植物根系發育相關的由1)衍生的蛋白質。為了使1)中的ZmNRl便于純化，可在由序列表中序列2所示的氨基酸序列組成的 蛋白質的氨基末端或羧基末端連接上如表1所示的標簽。表1.標簽的序列
權利要求
1.一種蛋白，是如下1)或2)的蛋白質1)由序列表中序列2所示的氨基酸序列組成的蛋白質；2)將序列表中序列2的氨基酸殘基序列經過一個或幾個氨基酸殘基的取代和/或缺失 和/或添加且與植物根系發育相關的由1)衍生的蛋白質。
2.權利要求1所述蛋白的編碼基因。
3.根據權利要求2所述的編碼基因，其特征在于所述蛋白的編碼基因為如下1)_4) 中任一所述的基因1)其編碼序列是序列表中序列1的自5'末端第230到第499位；2)其核苷酸序列是序列表中的序列1；3)在嚴格條件下與1)或2)的基因雜交且編碼權利要求1所述蛋白的基因；4)與1)或2)的基因具有90%以上的同源性且編碼權利要求1所述蛋白的基因。
4.含有權利要求2或3所述基因的重組載體、轉基因細胞系或重組菌。
5.根據權利要求4所述的重組載體，其特征在于所述重組載體為在載體PPT-Hyg的 多克隆位點間插入序列表中序列1的第230-499位脫氧核苷酸得到的重組表達載體；所述載體PPT-Hyg是將潮霉素抗性基因插入pPTKan的多克隆位點間得到的載體。
6.一種培育根系發育增強的轉基因植物的方法，是將權利要求2或3所述的編碼基因 轉入目的植物中，得到根系發育強于所述目的植物的轉基因植物。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于權利要求2或3所述的編碼基因是通過 權利要求4或5所述的重組載體導入所述目的植物中。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其特征在于所述根系發育增強是主根根長、總側 根根長和/或側根數大于所述目的植物。
9.權利要求2或3所述的編碼基因或者權利要求4或5所述的重組載體在培育地上部 生物量高于目的植物的轉基因植物中的應用。
10.根據權利要求6-9中任一所述的方法或應用，其特征在于所述目的植物為雙子葉 植物或單子葉植物，優選是擬南芥。
全文摘要
本發明公開了一種與植物根系發育相關的蛋白ZmNR1及其編碼基因。本發明所提供的蛋白是如下1)或2)的蛋白質1)由序列表中序列2所示的氨基酸序列組成的蛋白質；2)將序列表中序列2的氨基酸殘基序列經過一個或幾個氨基酸殘基的取代和/或缺失和/或添加且與植物根系發育相關的由1)衍生的蛋白質。將該還蛋白的編碼基因在擬南芥中的表達可以顯著增加擬南芥的根系大小。本發明從玉米中克隆了一個能夠受硝酸鹽調控，并控制植物根系生長發育的MADS-box轉錄因子ZmNR1基因，為主要農作物的根系改良和養分高效吸收利用研究提供了更有特色和效果的基因資源，在基因工程改良植物的根系和養分高效吸收利用研究中將發揮重要作用。
文檔編號A01H5/00GK102002101SQ20101056420
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月24日 優先權日2010年11月24日
發明者劉鷹, 張福鎖, 米國華, 袁力行, 顧日良 申請人:中國農業大學