专利名称：小麦抗除草剂蛋白及其在植物育种中的应用的制作方法
技术领域：
本发明属于植物蛋白质领域，具体而言，本发明涉及能赋予植物(尤其是小麦)除草剂抗性(耐受性)的蛋白及其在植物育种中的应用。
背景技术：
农田中杂草是影响农作物产量的最重要因素之一，而人工除草所需要消耗的人力资源和成本很高，而且不便于农业集约化生产，严重制约了农作物种植向高产、优质和低成本方向的发展进程。因此，除草剂就应运而生，其使用为解决农田草害、促进栽培方式的革新及增产中起了很大的作用。常见的除草剂，包括有磺酰脲类、咪唑啉酮类、嘧啶并三唑类、水杨酸嘧啶类等除草剂，目前已经大面积商业推广使用。然而，由于这些除草剂通常也能杀死农作物本身，因此对一般不具有除草剂抗性(耐受性)的农作物而言，除草剂的使用在时间和空间上受到了极大限制，如需要在农作物播种前一段时间使用除草剂。为此，人们研究开发具有除草剂抗性(耐受性)的植物(农作物)，这样可以在种植期间使用除草剂，杀死杂草，但不影响植物本身的生长，由此拓宽了除草剂的使用范围。然而，具有除草剂抗性的植物及其起决定性的物质(如蛋白、基因等)目前还没有理论来定向设计出，只能依赖于科研人员艰苦实践而获得，尤其是依赖长期筛选，并且凭借一些运气才能获得。本发明人正是长期而艰苦的研究实践，偶然地在小麦宁春4号突变植株中发现了一系列(突变)蛋白，其能够在除草剂存在的条件下基本保持原有蛋白的正常植物生理功能，从而使得植物具有除草剂抗性(耐受性)。本发明人还开发了这些蛋白及其编码基因在转基因或者非转基因植物育种中的应用，可用于培育具有除草剂抗性的植物，尤其是农作物，如小麦等。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供新的使植物具有除草剂抗性的蛋白质。另外， 本发明还提供了编码这些蛋白质的核酸以及基因工程中间体(如，表达盒、载体和细胞等)， 获得具有除草剂抗性的植物的方法和应用，并且提供了判断植物是否采用本发明方法获得的鉴定方法。具体而言，在第一方面，本发明提供了使植物具有除草剂抗性的ALS蛋白质，其带有Alal79和/或kr627突变，即带有Alal79突变、或者kr627突变、或者Alal79和kr627 双突变。在本文中，ALS就是乙酰乳酸合成酶(acetolactate synthase)的简称，其酶分类编号为EC4，1. 3. 18。乙酰乳酸合成酶是支链氨基酸合成中的一个关键酶，如在缬氨酸和亮氨酸的合成中催化丙酮酸生成乙酰乳酸和二氧化碳，在异亮氨酸的合成中催化丙酮酸与丁酮酸生成2-乙酸基-2-羟基丁酸(James C. Global Status of Commercialized Biotech/ GM Crops: 2006. ISAAA Briefs. Ithaca, NY)。
本发明第一方面的蛋白质是从本发明人突变的水稻植株中发现的。目前，已经发现ALS突变蛋白在不同植物(包括玉米、小麦、水稻、油菜、和向日葵等)的同源蛋白的第 122、155、197、205、574、653、和/或肪4等位点会产生突变，从而使得相应植物对咪唑啉酮类、磺酰脲类、三唑嘧啶类和嘧啶水杨酸类等除草剂产生抗性(Tan S, Evzns R R, Dahmer M L, et al. Imidazolinone-tolerant crops History, current status and Future. Pest Management Science. 2005, 61: 246-257 ；Tan S, Evzns R R, Dahmer M L, et al. Imidazolinone-tolerant crops: History, current status and Future [J]· Pest Management Science. 2005，61: 246-257)。然而，没有报道表明，在来自水稻的ALS的第 179和/或627位突变，会使得相应植物(尤其是水稻)具有除草剂抗性。优选本发明第一方面的蛋白质带有Alal79Val和/或kr627ASn突变，即带有 Alal79Val突变、或者kr627Asn突变、或者Alal79Val和Ser627Asn双突变，即从原有氨基酸序列的第179位的Ala突变为Val和/或第627位的Ser突变为Asn。除了本发明具体实施方式
所述的突变植株筛选和扩增方法之外，在蛋白质序列已知的情况下，本领域技术人员有能力通过改变已知蛋白质的编码基因序列并将其导入表达载体，就可以制备出取代、添加或缺失了氨基酸残基的蛋白质，这些方法记载于《分子克隆实验指南》(北京科学出版社，2002年)等文献中。在本发明的具体实施方式
中，本发明第一方面的蛋白质的氨基酸序列如SEQ ID NO :2、4或6所示。这些蛋白质经证实是对除草剂不敏感的乙酰乳酸合成酶。目前，以抑制ALS为靶位的除草剂包括磺酰脲类、咪唑啉酮类、嘧啶并三唑类、水杨酸嘧啶类等除草剂(Peter Babczinski, Thomas Zelinski. Mode of action herbicidal ALS-inhibitors on acetolactate synthase from green plant cell cultures, yeast, and Escherichia coli. Pesticide science, 1991, 31: 305-323;郑培忠，沈健英.乙酰乳酸合成酶抑制剂的种类及其耐药性研究进展.杂草科学，2009， 2: 4-8)。因此，在本文中，除草剂抗性指的是对包括磺酰脲类、咪唑啉酮类、嘧啶并三唑类、 水杨酸嘧啶类在内的除草剂具有耐受性。优选在本发明中，除草剂是咪唑啉酮类除草剂， 如在本发明的具体实施方式
中，除草剂是咪草烟(其化学名称为(RS)5-乙基-2-(4-异丙基-4-甲基-5-氧代-3-咪唑啉-2-基)烟酸，CAS号为81335-77-5)。即优选在本发明中，除草剂抗性是咪唑啉酮类除草剂抗性，更优选是咪草烟抗性。在第二方面，本发明提供了核酸，其编码本发明第一方面的蛋白质。在本文中，核酸可以是DNA，也可以是RNA，优选是DNA。在知晓所编码蛋白序列或核酸序列的前提下，通过常规的密码子对应关系和宿主表达频率，运用PCR方法、DNA重组法或人工合成的方法， 本领域技术人员有能力获得并优化编码本发明第一方面的蛋白质的核酸。一旦获得该核酸，就可以将其克隆入载体，再转化或转染入相应的细胞，然后通过常规的宿主细胞进行增殖，从中分离得到大量的核酸。优选本发明第二方面的核酸的核苷酸序列如SEQ ID NO=U 3或5所示。在第三方面，本发明提供了表达盒(cassette)，其包含本发明第二方面的核酸。本发明第三方面的表达盒优选在5’ -3’的转录方向上包含启动子区、本发明第二方面的核酸和转录和翻译的终止区。本发明第三方面的表达盒优选适合在植物中表达本发明第二方面的核酸。示例性的启动子包括来自CaMV 35S启动子或者稻肌动蛋白I基因、玉米醇脱氢酶基因、玉米矮缩I基因或烟草花叶病毒(TMV) Ω元件的启动子；示例性的转录和翻译的终止区包括转录终止元件或多聚腺苷酸化信号等。本发明第三方面的表达盒还可以包括，在细菌中复制所需的复制起点(例如，来自PBR322或Ρ15Α ori的ORI区)，土壤杆菌T-DNA转移所需要的元件(例如，T-DNA的左边界和/或右边界)，从而方便从细菌往植物中的转化过程。另外，本发明第三方面表达盒还可以包含增强子、内含子、多克隆位点、操纵基因、阻遏物结合位点、转录因子结合位点等，例如来自TMV、玉米褪绿斑点病毒(MCMV)或苜蓿花叶病毒(AMV)的前导序列等作为增强子，又如可以包括来自Adh Ubronze 1、肌动蛋白1或肌动蛋白2的内含子。在第四方面，本发明提供了载体，其包含本发明第二方面的核酸。在本文中，载体是指本领域中常用的细菌质粒、粘粒、噬菌粒、酵母质粒、植物细胞病毒、动物病毒及其它各种病毒载体。根据所应用的目的不同，载体可以分为克隆载体、表达载体和转化载体，指的是所使用的目的分别针对克隆并验证基因、表达相应基因和将相应基因转化。本发明中可用的载体包括但不限于在细菌中表达用的载体(原核表达载体)、在酵母中表达用的载体 (如毕赤酵母载体)、在昆虫细胞中表达的杆状病毒载体、在哺乳动物细胞中表达用的载体 (痘苗病毒载体、逆转录病毒载体、腺病毒载体、腺伴病毒载体等)、在植物中表达用的植物病毒载体以及在哺乳动物乳腺中表达用的各种载体。本发明第四方面的载体是转化载体， 尤其是植物转化载体，特别是适合农杆菌转化植物的载体。这些载体很多已经商品化了。在第五方面，本发明提供了细胞，其包含本发明第二方面的核酸。细胞可以是原核细胞，也可以是真核细胞，如，细菌细胞、酵母细胞、植物细胞、昆虫细胞、哺乳动物细胞等。 在本文中，植物细胞指的是来自植物的细胞(可以包括细胞群，但优选是单个细胞)，但是这些细胞不能仅仅借助光合作用而以水、二氧化碳和无机盐等无机物合成碳水化合物、蛋白质来发育成存活的单个植株。植物细胞可以是必须使用有机物(如某些植物激素)才能发育的植物细胞或细胞群，也可以是完全无发育成植株能力的植物细胞或细胞群，通俗地说，即死亡的植物细胞或细胞群，如干燥粉碎过的市售小麦面等。本发明的第二方面的核酸可被插入转化进细胞中的任何载体中。优选的细胞是细菌细胞，尤其是用于克隆或储存核酸、或是用于转化植物细胞的细菌细胞，例如农杆菌、大肠杆菌，包括根瘤土壤杆菌和毛根土壤杆菌等。另外优选的细胞是植物细胞，优选是小麦细胞，更优选是宁春4号细胞，所述植物细胞中包含的本发明第二方面的核酸可以是通过转基因技术导入植物细胞的，包括导入到植物细胞的核、叶绿体、线粒体和/或质体中，也可以是通过突变技术(如本发明具体实施方式
所述的技术)使得本发明第二方面的核酸存在于植物细胞中的。在第六方面，本发明提供了植物，其包含本发明第二方面的核酸，和/或其表达本发明第一方面的蛋白质。由于引入了本发明第二方面的核酸和本发明第一方面的蛋白质， 本发明第六方面的植物具有除草剂抗性。在本文中，植物指的是借助光合作用，以水、二氧化碳和无机盐等无机物就能合成碳水化合物、蛋白质来维系生存的单个植株、植株群或其繁殖材料，包括植物、植物品种、植株、植物事件、植物后代、植物种子或其他植物的可繁殖部分。其中，植物后代本身就是植物，包括通过转基因技术产生的植物后代、与其他植物品种杂交产生的植物后代、以及回交或自交产生的植物后代。本发明第六方面的植物可以是双子叶植物，也可以是单子叶植物。示例性的植物包括小麦、水稻、玉米、黑麦、燕麦、大麦、大豆、马铃薯、油菜、甜菜、甘蔗、高粱、西红柿、南瓜、辣椒、生菜、向日葵、咖啡、茶、棉花、苜蓿、烟草、或拟南芥等。在本发明的具体实施方式
中，优选本发明第六方面的植物是小麦，更优选是宁春4号。其中，宁春4号是我国在1980 年代初期就在宁夏培育出的非转基因小麦品种，已经可以在我国推广使用了 30年，是我国解放以来累计种植面积最大的小麦品种，其品种审定编号为宁审种8101。本发明第六方面优选的植物，可以继承了宁春4号丰产性突出、适应性广泛、品质优良等特性，并具有除草剂抗性，尤其具有咪唑啉酮类除草剂抗性，特别是咪草烟抗性。在第七方面，本发明提供了本发明前述各方面在获得具有除草剂抗性的植物过程中的应用。在获得具有除草剂抗性的植物过程中，可以应用到本发明前述各方面。本发明第七方面所提供的应用包括，本发明第一方面的蛋白质在获得具有除草剂抗性的植物过程中的应用，本发明第二方面的核酸在获得具有除草剂抗性的植物过程中的应用，本发明第三方面的表达盒在获得具有除草剂抗性的植物过程中的应用，本发明第四方面的载体在获得具有除草剂抗性的植物过程中的应用，本发明第五方面的细胞在获得具有除草剂抗性的植物过程中的应用，本发明第六方面的植物在获得具有除草剂抗性的植物过程中的应用。优选在本发明的第七方面中，除草剂是咪唑啉酮类除草剂，优选是咪草烟。在本文中，获得包括制备、培育、生产或以其他方式产生得到，包括通过转基因育种方式获得，如将本发明第二方面的核酸转化入植物后使之表达本发明第一方面的蛋白质；也包括通过非转基因育种方式获得，如通过杂交、回交、自交或无性繁殖本发明第六方面的植物并分选出仍旧包含本发明第二方面的核酸并表达本发明第一方面的蛋白质的植物。因此，本发明的第七方面提供的应用包括，在获得具有除草剂抗性的转基因植物过程中的应用和在获得具有除草剂抗性的非转基因植物过程中的应用。在第八方面，本发明提供了获得具有除草剂抗性的植物的方法，其包括如下步骤
(1)使植物包含本发明第二方面的核酸；和/或，
(2)使植物表达本发明第一方面的蛋白质。可以采用前述或者本领域技术人员能获知的转基因和非转基因方法，使植物包含本发明第二方面的核酸，或者使植物表达本发明第一方面的蛋白质。实施本发明第八方面的方法，能够获得本发明第六方面的植物。优选在本发明的第八方面中，可以采用的步骤包括转基因、杂交、回交、自交或无性繁殖步骤。这些步骤本身对于转基因或非转基因育种领域的技术人员来说，都是可以获知并实施的。在第九方面，本发明提供了鉴定本发明第六方面的植物或者本发明第八方面的方法获得的植物的方法，其包括如下步骤
(1)测定所述植物是否包含本发明第二方面的核酸；和/或，
(2)测定所述植物是否表达本发明第一方面的蛋白质。通过该方法，可以判断植物是否属于本发明的植物，即是否属于本发明第六方面的植物，或者是否属于本发明第八方面的方法获得的植物。测定的步骤可以通过常规的核酸检测和/或蛋白质检测方法来进行，只需要能够检测出蛋白质或其编码核酸带有Trp548 突变或其相应核酸突变的方法都可以，优选能够检测TrpMSCys或TrpMSMet突变或其相应核酸突变。示例性的方法包括蛋白质测序、核酸测序、聚合酶链式反应(PCR)检测、探针杂交检测等。本发明取得的有益效果在于获得可替代现有技术的使植物具有除草剂抗性的蛋白质、核酸、表达盒、载体、细胞、植物、获得具有除草剂抗性的植物的应用和方法、以及鉴定本发明的植物的方法，并且可以通过转基因或非转基因方法获得具有除草剂抗性的植物品种，尤其是能继承宁春4号优良特性的小麦品种。本发明引用了公开文献，这些文献是为了更清楚地描述本发明，它们的全文内容均纳入本文进行参考，就好像它们的全文已经在本文中重复叙述过一样。为了便于理解，以下将通过具体的附图和实施例对本发明进行详细地描述。需要特别指出的是，这些描述仅仅是示例性的描述，并不构成对本发明范围的限制。依据本说明书的论述，本发明的许多变化、改变对所属领域技术人员来说都是显而易见的了。
图1显示了抗咪唑啉酮类除草剂的小麦突变植株。
具体实施例方式下述实施例中所用方法如无特别说明，均为常用分子生物学、组织培养技术和农学手册所记载的方法。例如，具体步骤可参见《Molecular Cloning: A Laboratory Manual (3rd edition))) (Sambrook, J. ,Russell, David W. , 2001,Cold Spring Harbor), ((Plant Propagation by Tissue Culture)) (Edwin F. George, Michael A. Hall, Geert-Jan De Klerk, 2008， Springer)。实施例1从宁春4号突变植株中提取抗咪唑啉酮类除草剂的蛋白突变体
取市售的小麦品种——宁春4号种子400kg，用水浸没种子4小时，将种子捞出，控干水分。然后，用0.5% (w/w)甲磺酸乙酯(EMS)浸泡种子12小时，保证液面浸没种子。12小时后弃去EMS溶液，换自来水浸泡种子，弃自来水，浸泡共重复5次，每次浸泡5分钟，然后用自来水冲洗种子2小时，冲洗过程中翻动种子，从而将EMS洗净，稍微风干后播种，待植株成熟后收割。将收割的种子在田间种植，待长至三叶期时，用咪唑啉酮类除草剂咪草烟 ((RS) 5-乙基-2- (4-异丙基-4-甲基-5-氧代-3-咪唑啉-2-基)烟酸，CAS号81335-77-5) 以640g/公顷的用药量田间喷施。调查秧苗枯死情况，发现其中有绿色秧苗持续生长(图 1)，保留并繁殖这些绿色秧苗，其为抗咪唑啉酮类除草剂的宁春4号突变植株3株。分别取各宁春4号突变植株的叶片，连同野生型的宁春4号植株叶片，分别提取它们的基因组DNA，委托北京三博远志生物技术有限公司进行测序，发现突变植株1相对于野生型宁春4号，在乙酰乳酸合成酶(ALS)基因的第536位点发生突变，由C变为T，导致相应编码蛋白的第179位由丙氨酸变为缬氨酸，即该突变植株的ALS基因的核苷酸序列如SEQ ID NO :1所示，其编码的ALS蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO :2所示；突变植株2相对于野生型宁春4号，在ALS基因的第1880位点发生突变，由G变为A，导致相应编码蛋白的第 627位由丝氨酸变为天冬酰胺，即该突变植株的ALS基因的核苷酸序列如SEQ ID NO :3所示，其编码的ALS蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO :4所示；突变植株3相对于野生型宁春4 号，在ALS基因的第536和1880位点发生突变，在第536位由C变为T，且在第1880位由G变为A，导致相应编码蛋白的第179位由丙氨酸变为缬氨酸，且第627位由丝氨酸变为天冬酰胺，即该突变植株的ALS基因的核苷酸序列如SEQ ID NO :5所示，其编码的ALS蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO 6所示。实施例2蛋白突变体的抗咪唑啉酮类除草剂的离体活性测定
参照 Fan ZJ 等的方法(Specific activity determination of acetolactate synthase from maize (Zea mays L.).参见 Han WN 等编· The Proceedings of the 18 th Asia-Pacific Weed Science Society Conference . 515 - 522 . May 28 -June 2, 2001 . Beijing Standards Press of China.)，提取上述宁春4号的野生型和各突变植株的ALS酶，并测定相应酶活性被咪唑啉酮类除草剂抑制的比率。过程简而言之，分别取各植株苗5g切碎后，加入IOmL pH 7的50 mmol/L K2HPO4-KH2PO4缓冲液(其中含lmmol/L丙酮酸钠，0. 5mmol/L MgCl2,0. 5mmol/L TPP,10ymol/L FAD)，用石英砂研磨粉碎后用 8 层纱布过滤，滤液于4°C、20000rpm离心30分钟。取上清液，加入硫酸铵使之达到50%饱和度，然后0°C放置2小时后，于4°C、20000rpm离心30分钟。弃上清液，将沉淀溶解于5mL pH 7 的 50 mmol/L K2HPO4-KH2PO4 缓冲液(其中含 20mmol/L 丙酮酸钠，0. 5 mmol/L MgCl2), 分别得各植株的ALS酶液。将0. ImL 0. 5%咪草烟水剂(对照用水替代)、0. 5mL酶反应液 (其中含 24mmol/L 丙酮酸钠，0. 6mmol/L MgCl2, lmmol/L TPP,20ymol/L FAD, 50 mmol/L K2HPO4-KH2PO4,pH 7)和0. 4mL ALS酶液混合，于35°C避光静置反应1小时，然后加入0. ImL 3mol/L硫酸终止反应，于60°C放置15分钟脱羧。然后加入显色剂(0. 5ml 0. 5% (w/w)肌酸和0. 5 ml 5% (w/w) α -萘酚的混合溶液(溶于2. 5mol/L的NaOH溶液))于60°C放置15 分钟显色，测定525 nm处的吸光度。将加入对照的野生型宁春4号的ALS酶活性分别记为 100%,计算咪唑啉酮类除草剂对宁春4号的野生型和各突变ALS酶的活性的影响。结果如下表所示，宁春4号的各突变ALS酶都基本保持了野生型ALS酶的活性，而且在存在咪唑啉酮类除草剂的情况下，野生型ALS酶的活性都有十分显著的下降，而各突变ALS酶却都保持了原有酶活性，表明突变ALS酶能够带来抗咪唑啉酮类除草剂的性能。咪唑啉酮类除草剂对宁春4号的野生型和突变ALS酶活性的影响表
权利要求
1.使植物具有除草剂抗性的ALS蛋白质，其带有Alal79和/或kr627突变，优选带有 Alal79Val 和 / 或 kr627Asn 突变。
2.权利要求1所述的蛋白质，其中除草剂是咪唑啉酮类除草剂，优选是咪草烟。
3.权利要求1或2所述的蛋白质，其氨基酸序列如SEQID NO :2、4或6所示。
4.核酸，其编码权利要求广3之任一所述的蛋白质，优选其核苷酸序列如SEQID NO 1、3或5所示。
5.表达盒、载体或细胞，其包含权利要求4所述的核酸。
6.植物，其包含权利要求4所述的核酸，或者其表达权利要求广3之任一所述的蛋白质，优选所述植物是小麦。
7.权利要求广3之任一所述的蛋白质、权利要求4所述的核酸、权利要求5所述的表达盒、载体或细胞、或权利要求6所述的植物在获得具有除草剂抗性的植物中的应用，优选其中除草剂是咪唑啉酮类除草剂，优选是咪草烟。
8.获得具有除草剂抗性的植物的方法，其包括如下步骤(1)使植物包含权利要求4所述的核酸；或，(2)使植物表达权利要求广3之任一所述的蛋白质。
9.权利要求8所述的方法，其包括转基因、杂交、回交、自交或无性繁殖步骤。
10.鉴定权利要求6所述的植物或者权利要求8或9所述的方法获得的植物的方法，其包括如下步骤(1)测定所述植物是否包含权利要求4所述的核酸；或，(2)测定所述植物是否表达权利要求广3之任一所述的蛋白质。
全文摘要
本发明提供了使植物具有除草剂抗性的ALS蛋白质，其衍生自小麦品种宁春4号，其带有Ala179和/或Ser627突变。另外，本发明还提供了相应的核酸、表达盒、载体、细胞、植物、获得具有除草剂抗性的植物的应用和方法、以及鉴定本发明的植物的方法。
文档编号A01H5/00GK102559646SQ20121004216
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月22日 优先权日2011年11月24日
发明者周宽基, 王晓雪, 邓兴旺, 马力耕 申请人:未名兴旺系统作物设计前沿实验室(北京)有限公司