水稻std1基因、其编码蛋白及应用
【技术领域】
[0001] 本发明设及生物技术领域，具体的，设及一种水稻极度矮化基因 STD1、其编码蛋白 及应用。
【背景技术】
[0002] 水稻是世界上重要的农作物之一，其产量性状是育种家比较关屯、的重要农艺性 状，然而可用耕地面积正在逐步的减少，因此水稻产量的提高主要依赖于单产的增加，水稻 株型改良对提高单产具有重要的作用。水稻株型的形成主要取决于植株高度、分葉数目、分 葉角度W及穗形态等因素，其中每一个性状都是由非常复杂且了解甚少的机制所调控。因 此掲示作物(如水稻)株型发育调控机制就成为亟待解决的重要科学命题。
[0003] 近年来，对水稻矮化相关基因的遗传学、矮化突变体的激素调控W及矮化相关基 因的克隆和利用等方面开展了广泛而深入的研究，但矮杆基因单一化可能还是近年来国内 外许多新育成的矮杆品种产量潜力停滞不前的原因。因此发掘、克隆和利用新的矮化基因 是水稻研究的重要内容。
[0004] 水稻矮化性状的遗传主要有两种类型：一类由单基因控制的质量性状遗传，另一 类由多基因控制的数量性状遗传，多数矮化突变体由一对隐性基因控制。矮杆基因按照其 矮化效应不同，一般分为2种:矮杆基因和半矮杆基因。关于水稻矮化的机理，W往研究表 明，多种激素如油菜素内醋、赤霉素、生长素及细胞分裂素等均与植物矮化相关，在运些激 素中，赤霉素和油菜素内醋对植物的株高影响最大。水稻的矮化除与赤霉素和油菜素内醋 相关外，还有一些矮化突变体可能是由于其他因素，包括细胞分裂或生长缺陷，植物细胞的 分裂与细胞骨架结构密切相关。细胞骨架的主要组成成分包括微管和微丝。许多蛋白设及 到微管网络的建成、重排，并与微管相互作用，其中驱动蛋白化inesin)便是其中很重要的 一种，它可W沿着微管运输囊泡，也可微管作为支架错定在上面作为信号分子。目前研 究表明，已有几个驱动蛋白分别在周质微管、早前期带、纺键体W及成膜体微管组织方面发 挥功能。
[0005] 因此有必要对影响水稻株高的驱动蛋白基因和作用机制进行深入研究，从而为通 过直接调控细胞分裂速度进行水稻株高控制提供新的技术途径。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种与水稻株高相关的编码基因，从而为控制提高水稻产 量提供新的研究方向。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的发明人对丫射线福射诱变的梗稻品种F2-285进行研 究，得到了极度矮化且无茎的突变体stdUstemless and severely dwarfed 1)，其表型上 与野生型F2-285相比有多方面的改变。将杂合状态的stdl突变体与表型正常且多态性高的 釉稻品种Dular杂交，F1收种后次季播种，观察突变性状分离情况。发现该突变性状受一对 隐性基因控制。WF2的58个突变体为材料，利用均匀分布于水稻12条染色体上的170个 Indel标记，将候选基因定位于第2染色体长臂上C3-2和C3-3之间。运两个标记之间的物理 距离约为55Kb，预测该定位区间内的基因，共得到7个开放读码框，其中一个阅读框 0s02巧6540是编码类驱动蛋白的基因。W往的研究表明驱动蛋白是细胞内部运输系统的关 键组分，对于细胞学功能及形态建成是必须的，因此将0s02巧6540确定为候选基因。为了进 一步明确候选基因，对野生型和突变体的开放阅读框〇s〇2巧6540对应的基因组序列进行了 测序分析，发现stdl突变体中，该阅读框从ATG计数第119个碱基发生了由T到A的碱基置换， 密码子由GTG变为GAG，导致第40位氨基酸由鄉氨酸(Val)突变成谷氨酸(Glu)。因此确定 0s02巧6540为候选基因 STD1。设计引物扩增获得了该基因的全长基因组序列及CDS序列，发 现该基因组由6个外显子5个内含子组成，全长4052bp，编码区长度269化P，编码的类驱动蛋 白由896个氨基酸组成，该基因的核巧酸序列如SEQ ID NO. 1所示。该基因的突变体主要表 型为极度矮化，不能结实，只能W杂合体形式保存。另外，该突变体中更多的细胞被阻滞在S 期和G2/M期，细胞形状和排列异常。STD1主要在分裂旺盛的组织表达。通过转化水稻stdl突 变体，发现可W恢复突变体的表型。STD1基因通过调控细胞分裂直接控制水稻株高，有助于 改善矮杆基因单一化的性状，并可作为新的矮化基因资源，应用于水稻株高的调控。
[0008] 本发明还提供了本发明所述的基因所编码的蛋白，所述蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示;应当注意的是，SEQ ID No.2所示的氨基酸序列经替换、缺失或添加一个或几 个氨基酸形成的具有同等功能(控制水稻株高的功能）的氨基酸序列也属于本发明的保护 范围。例如，在非活性区段的碱基改变、缺失，均不会影响蛋白的功能。
[0009] 本发明还提供了含有所述基因 STD1的表达载体，所述表达载体可W为将STD1基因 克隆进真核表达载体获得的，例如所述真核表达载体可W为pCAMBIA 1305.1。
[0010] 本发明还提供了含有所述表达载体的宿主。
[0011] 可选的所述宿主为水稻。
[0012] 本发明还提供了本发明所述的水稻极度矮化基因 STD1或所述表达载体在水稻株 型改良中的应用。所述应用包括将含有STD1基因的质粒转染水稻细胞从而培育获得转基因 植株。
[0013] 所述水稻株型改良包括通过调控水稻细胞分裂速度进而控制水稻株高。
[0014] 借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点及有益效果：
[0015] (1)本发明提供了水稻极度矮化基因 STDU核巧酸序列如SEQ ID No.1所示)及其 编码的蛋白（氨基酸序列如SEQ ID No.2所不）。
[0016] (2)通过观察stdl突变体的表型，发现STD1基因突变后会直接影响细胞的分裂速 度，进而影响株高。STD1-GFP转化水稻stdl突变体，发现可W恢复正突变体常株高的表型， 因而STD1基因可W直接调控细胞分裂速度而被应用于水稻株高的控制，W提高水稻生产 力。
【附图说明】
[0017] 图1为stdl突变体与野生型F2-285的表型。
[0018] 图2为stdl突变体的矮化表型与GA3的关系。
[0019] 图3为STD1基因定位与结构图。
[0020] 图4为载体pCAMBIA 1305.1: :GFP的结构示意图。
[0021] 图5为STDl-GFP转化水稻stdl突变体后可恢复其表型。
[0022] 图6为载体pCAMBIA 1305.1: :GUS结构示意图。
[0023] 图7为STD1基因在水稻各组织中表达模式分析。
[0024] 图8为水稻stdl突变体细胞分裂进程受阻。
【具体实施方式】
[0025] 下面将通过【具体实施方式】对本发明进行详细说明，但实施例的给出并不用来限制 本发明的范围。
[00%] W下实施例中使用的水稻(OiTza sativa)品种F2-285，Shioka;ri为标准品种，水 稻极度矮化突变体stdl来自中国农业科学院作物科学研究所李学勇课题组。
[0027] 实施例1突变体的获得与表型分析
[0028] 对丫射线福射诱变的梗稻品种F2-285进行筛选，获得极度矮化且无茎的突变体 stdl (stemless and severely dwarfed 1)，表型上它与野生型F2-285相比有多方面的改 变。在苗期，stdl突变体的茎和主根被严重抑制（图1A)。营养生长过程中，stdl突变体并没 有茎的伸长但其叶片却持续增加（图1B)。对stdl突变体的根、叶銷及叶片表皮细胞的形态 进行了观察。野生型的根部、叶銷及叶片的表皮细胞呈规则的矩形纵向平行排列（图1C、1E、 IG) 。与之相比，stdl突变体运些部位的表皮细胞在大小、形状及排列方面均不规则，除矩形 细胞外，还存在大量的梯形、Ξ角形及菱形状的细胞，并且呈交叉或分岔排列（图1D、1F、 IH) 。另外，stdl突变体不开花没有种子的发育，因此只能W杂合体的形式保存。
[0029] 进一步统计纵向上根部、叶銷及叶片表皮细胞的长度及数目。统计结果如图II、 IjaK所示，stdl突变体根部细胞长度大于野生型，而叶片表皮细胞的面积及叶銷表皮细胞 的长度低于野生型，降低的幅度分别为野生型的9.3%、29%"stdl突变体运Ξ个部位的细 胞数目均极显著的低于野生型，与野生型相比减少的幅度分别为83%、70%和71 %。因此 stdl突变体矮化及根部变短主要是由于细胞数目减少所致，细胞长度或大小的改变是次要 因素。