基因OsPIL16在降低水稻株高、提高分蘖数中的应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及农业科学领域，具体而言，本发明涉及通过提高水稻0SPIL16基因的 表达来提高水稻分蘖能力和降低水稻株高。
【背景技术】
[0002] 水稻是全球最主要的粮食作物，全球有50%的人口以稻米为主食。水稻生产对保 障全球粮食安全，减少贫困人口和农村就业发挥着重要的作用。长期以来，水稻是我国播种 面积最大、总产量最多、单产最高的粮食品种，是我国65%左右人口的主食，在粮食生产和 消费中处于主导地位。我们知道决定水稻产量的三要素是穗数、穗粒数和千粒重，而穗数由 分蘖数决定，所以分蘖数是决定水稻产量的性状之一。此外，水稻株高是指水稻植株茎基 部到穗尖（不包括芒长）的高度。传统的高杆水稻品种抗倒伏性较差，在自然界逆境条件 下（如风和雨）容易倒伏并造成不同程度的产量损失。因此株高性状虽然不直接构成水稻 的产量，却是水稻高产稳产的基本前提（许学等，原子核物理评论，2008, 25:171-175 ;魏灵 珠等，生物工程学报，2012, 28:144-153)。近年来，越来越多的遗传学证据表明，许多植物 的株高与赤霉素（Gibberellin，GA)途径密切相关。此外，其他植物激素包括油菜素内酯 (Brassinosteriod，BR)和生长素（Indole-3-acetic acid，IAA)以及开花相关转录因子、 细胞壁形成基因也会影响植物的株高。随着水稻分蘖和株高调控机制研究的不断深入，利 用基因工程改良水稻株高和分蘖数是提高水稻产量的有效途径。
[0003] 水稻分蘖的生长发育受遗传因素的严格调控。水稻的分蘖在基部未延伸的节间 上的叶腋处起始，而后独立于主茎生长。最早克隆的调控分蘖的基因是M0C1 (MONO⑶LM1)， M0C1编码一个GRAS家族转录因子。M0C1基因缺失突变体没有分蘖，而该基因的过表达 植株的分蘖数显著增多，据此推测M0C1是调控水稻分蘖的主要因子（Li et al.Nature 2003,422:618 - 21)。LAX PANICLE2(LAX2)基因编码一个新的核蛋白，该基因的缺失突 变体与mocl突变体表型相似。Lax2mocl双突变体的表型更为严重，推测LAX2和M0C1 通过不同途径起作用，或者在同一个蛋白复合体中起作用（Tabuchi et al. Plant Cell 2011,23:3276 - 87.)。M0C1的活性是如何被调节的？ M0C1是如何激活下游基因的？ tilleringand dwarf 1/tiller enhancer(tadl/te)突变体的表型与 mocl 突变体相反， 分蘖数增多。TAD1/TE TAD1编码一个细胞分裂后期启动复合物（anaphase-promoting complex，简称APC/C)的共激活子。APC/C是一个在真核生物中功能高度保守的E3泛素连接 酶。TAD1与M0C1互作，与OsAPCIO形成一个复合体，作为APC/C的一个共激活子，通过细胞 周期依赖的方式降解革G标 M0C1 (Xu et al.2012Nature Communications, 2012, 3:750)。随 后下调分生组织决定基因 homeobox 1的表达，从而抑制侧芽分生组织的起始和形成。M0C1 调节下游两个2个转录因子基因0SH1和OsTBl的表达，从而参与调节分生组织的起始和腋 芽生长（Li et al. Nature 2003;422:618 - 621)。与此一致的是，OsTBl拮抗分蘖负调节 子 0sMADS57 的活性（Guo et al. Nat Commun 2013;4:1566 - 1577)。0sMADS57 能够直接 作用于 DWARF14(D14,又称作 D88 或 HTD2-HIGH TILLERING AND DWARF 2) ;D14/D88/HTD2 通过调控植物激素独角金内酯信号途径而调节分蘖数（Gao, et al. Plant Mol Biol 2009; 71:265 - 76. ;Liu et al.Planta 2009;230:649 - 58·)。0sMADS57 对 D14/D88/HTD2 的阻 遏活性依赖于与OsTBl之间的相互作用。0sMADS57的表达也受miR444a的调控（Guo et al. Nat Commun 2013;4:1566 - 77.)。因此，M0C1调控的分蘖可能是通过调节独角金内酯 (strigolactone，SL)信号途径而实现的。
[0004] 分蘖是一种复杂的性状，受多个途径或基因调控，其中植物激素起着关键性作 用，除了典型的植物激素生长素和细胞分裂素外，最近发现的独角金内酯SL负调控分蘖 的形成。SL在植物根部合成，由根向上运输至茎，从而抑制水稻分蘖。因此参与SL合 成和信号途径的基因均影响了水稻分蘖数，如D27(DWARF27)、D17、D10和OsMAXl (MORE AXILLARY GROWTH)介导SL合成，D3、D14和D53调控了 SL信号（黎舒佳等，植物学报， 2015,50:539-548)〇 IDEAL PLANTARCHITECTURE1/WEALTHY FARMER, S PANICLE(IPAl/WFP) 编码转录因子0sSPL14,其表达受0smiR156调节。IPA1通过正调控OsTBl而抑制分蘖 (Lu，et al· Plant Cell 2013;25:3743 _ 3759.)〇
[0005] 近年来，越来越多的遗传学证据表明，许多植物的株高与赤霉素（Gibberellin， GA)途径密切相关。此外，其他植物激素包括油菜素内酯（BrassinosteriocbBR)和生长素 (Indole-3-acetic acid，IAA)以及开花相关转录因子、细胞壁形成基因也会影响植物的株 高。GA是调控植物株高的重要激素 （Kazan and Manners，J Exp Bot, 2011，62:4087-4100)。 在水稻中发现的3个GA缺陷型半矮化突变体d35、sdl (semidwarfl)和dl8分别是由GA 合成途径上基因0sK02、0sGA20ox2和0sGA3ox2位点变异引起的（Itoh et al.，Plant Cell, 2002, 14:57-70 ；Sasaki et al. , Nature, 2002, 416:701-702 ；Itoh et al. , Plant Mol Biol, 2004, 533-547)。GA 信号途径 GID1 (GA-INSENSITIVE DWARF1)基因编码 GA受体蛋白，该基因功能缺失突变体水稻gidl植株显著矮化（Ueguchi-Tanaka et al.，Nature, 2005, 437:693-698)。DELLA蛋白是GA信号传导途径的负调控因子，在水稻中 编码 DELLA 蛋白的两个基因是 SLR1(SLENDER RICE-1)和 SLRL1(SLR1-LIKE 1)。SLR1 和 SLRL1基因过表达水稻的株高显著降低（Itoh et al·，Plant Cell, 2002, 14:57-70)。近来， Kovi等人（Theor Appl Genet, 2011，123:705-714)定位到一个调节水稻株高的基因，该基 因编码几丁质诱导的赤霉素应答蛋白。其他植物激素如油菜素内酯和生长素途径的基因均 影响株高。
[0006] 本发明从水稻日本晴中分离克隆到一个编码bHLH结构域的基因。Nakamura等人 (2006)在水稻基因组中预测到该基因序列，将其命名为0sPIL16。但是目前该基因在调控 水稻农艺性状中的功能未知。
【发明内容】
[0007] 本发明申请人在一个干旱和盐胁迫耐性提高的水稻突变体中，利用基因表达图谱 鉴定到一个序列号为AK287958、编码bHLH结构域的0sPIL16基因。水稻0sPIL16基因0RF 区序列为1515个碱基，编码504个氨基酸和一个终止密码子。本发明通过PCR方法，扩增 出水稻0sPIL16基因的全长编码区（cDNA，包含1515个碱基），将该基因正向转入水稻中， 提高0sPIL16基因的表达水平，得到水稻0sPIL16基因表达提高的转基因水稻植株。在转 基因的T3代植株纯合株系中发现，阳性植株的株高降低，分蘖数提高。
[0008] 本发明用于构建过量表达0sPIL16基因的cDNA植物表达载体、增强0sPIL16基因 表达的基因0sPIL16的cDNA序列如SEQ ID N0 :1所示，氨基酸序列如SEQ ID N0 :2所示。
[0009] 本发明还涉及基因0sPIL16在降低水稻株高、提高分蘖数中的应用方法，具体方 法如下：它首先通过PCR方法扩增水稻0sPI