一种增加禾本科植物籽粒产量的新基因及其应用

本发明属于生物技术和植物学领域，更具体地，本发明涉及一种增加禾本科植物籽粒产量的新基因及其应用。

背景技术：

1、禾本科植物中，与水稻、小麦相比，玉米具有较强的耐旱性、耐寒性、耐贫瘠性以及极好的环境适应性，因此玉米的种植面积在作物中占比很高。但也可以看到，玉米的单位面积产量要显著低于水稻等，推进玉米种质资源研究，开发高产玉米新品种还有很大潜力。玉米单株理论产量由穗粒数和粒重共同决定，而粒重又由籽粒长度、宽度、厚度及籽粒的充实度四个指标决定。玉米果穗由于籽粒排列紧密、相互挤压，粒长，粒宽，粒厚三个考种指标之间连锁较为紧密，且受穗粒数影响大，因此玉米产量相关qtl定位相对水稻进展缓慢。2019年，华中农大以一个热带小粒玉米品种(sk)为材料，应用pacbio测序技术，组装了三代基因组，并通过重组自交系定位了一个同时控制粒型和粒重的数量遗传位点qhkw1，克隆了zmbam1d基因，该基因编码clv1/bam受体激酶蛋白，正调控粒型和粒重(yang et al.,2019)。2020年，华中农大克隆了数量性状基因座qkw9，其编码一个dyw基序五肽重复蛋白，参与了叶绿体nadh脱氢酶样复合物亚单位ndhb的c-u编辑，影响母体光合作用，进而影响玉米灌浆(huang et al.,2020)。

2、通过qtl定位获得的玉米粒重相关基因资源比较有限，采用转基因手段提高玉米籽粒产量是另一种途径。目前通过转基因方法提高玉米产量，主要利用了两类基因：1.提高玉米体内碳水化合物转运入籽粒的效率，如过量表达zmgif1/mn1(li et al.,2013)；2.提高玉米胚乳淀粉合成能力，如过量表达agpase大小亚基或大肠杆菌agpase(boehlein etal.,2014；tuncel and okita,2013)。

3、胚乳(endosperm)一般是指被子植物在双受精过程中精子与极核融合后形成的滋养组织，也称内胚乳。这种组织既不是配子体，也不是孢子体，其染色体倍性一般为三倍体；为许多植物(如禾本科植物)种子的重要组成部分。

4、目前转基因利用的基因资源主要集中在碳水化合物的运输和储藏，但从胚乳发育的角度，胚乳细胞体积增加是一个被动的过程。协同调控胚乳细胞扩张和储藏物质运输合成，有利于获得更高产的种质资源。因此，本领域亟待从这一出发点考虑，挖掘可实现有效调控的靶基因。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种增加禾本科植物籽粒产量的新基因及其应用。

2、在本发明的第一方面，提供一种提高禾本科植物的产量或胚乳品质的方法，包括：在植物中上调gras11或其下游分子expb15的表达或活性。

3、在一个或多个实施方式中，所述的gras11包括其同源物，较佳地包括其在禾本科植物中的同源物。

4、在一个或多个实施方式中，所述的expb15包括其同源物，较佳地包括其在禾本科植物中的同源物。

5、在一个或多个实施方式中，所述的gras11包括蛋白或基因。

6、在一个或多个实施方式中，所述的expb15包括蛋白或基因。

7、在一个或多个实施方式中，所述的gras11藉由可与其互作的转录因子而间接发挥调控下游分子expb15的作用。

8、在一个或多个实施方式中，所述提高禾本科植物的产量包括：提高籽粒重量(粒重)，提高籽粒宽度(粒宽)，提高籽粒厚度(粒厚)。

9、在一个或多个实施方式中，所述提高禾本科植物的胚乳品质包括：增加胚乳厚度和/或宽度，促进胚乳细胞扩张和/或增大(包括宽度增加)。

10、在一个或多个实施方式中，所述的“促进胚乳细胞扩张和/或增大”包括时间上细胞扩张和/或增大的提前。

11、在一个或多个实施方式中，所述的“促进胚乳细胞扩张和/或增大”包括植物成熟时或成熟后，细胞发生增大。

12、在一个或多个实施方式中，所述的“胚乳细胞扩张和/或增大”是起始于灌浆期的胚乳细胞扩张和/或增大。

13、在一个或多个实施方式中，所述的“胚乳细胞扩张和/或增大”使得植物成熟后籽粒增大(包括宽度或厚度)和/或粒重增加。

14、在一个或多个实施方式中，所述上调包括：在植物中表达外源的gras11或其下游分子expb15；较佳地，以胚乳特异性启动子表达；更佳地，所述胚乳特异性包括(但不限于)：27-kdγ-醇溶蛋白启动子，10-kdδ-醇溶蛋白启动子等。

15、在一个或多个实施方式中，所述上调包括：在植物中提高gras11或其下游分子expb15的转录或翻译的效率。

16、在一个或多个实施方式中，所述上调包括：以与gras11或其下游分子expb15相互作用的上调分子进行调控，从而提高gras11或其下游分子expb15的表达或活性。

17、在一个或多个实施方式中，在植物中上调gras11或其下游分子expb15的表达或活性后，还包括：将所获得的植物进行自交、杂交或测交，获得后代植物。

18、在本发明的另一方面，提供一种gras11、其下游分子expb15或它们的上调分子的用途，用于：(a)提高禾本科植物的产量，或(b)提高禾本科植物的胚乳品质。

19、在一个或多个实施方式中，(a)中，包括：提高籽粒重量(粒重)，提高籽粒宽度(粒宽)，提高籽粒厚度(粒厚)。

20、在一个或多个实施方式中，(b)中，包括：增加胚乳厚度和/或宽度，促进胚乳细胞扩张和/或增大(包括宽度增加)。

21、在一个或多个实施方式中，所述的上调分子包括：表达所述gras11或其下游分子expb15的表达盒或表达构建物(包括表达载体)；提高所述gras11或其下游分子expb15翻译效率的表达盒或表达构建物；或，与所述gras11或其下游分子expb15相互作用、从而提高其表达或活性的上调分子。

22、在本发明的另一方面，提供一种表达构建体，包括操作性连接的：胚乳特异性表达启动子，gras11和/或其下游分子expb15；较佳地，所述表达构建体包括操作性连接的：胚乳特异性表达启动子，gras11和其下游分子expb15；更佳地，所述胚乳特异性表达启动子包括(但不限于)：27-kdγ-醇溶蛋白启动子或其片段，10-kdδ-醇溶蛋白启动子等。

23、在一个或多个实施方式中，所述的27-kdγ-醇溶蛋白启动子包括seq id no:5或其中第1-453位的核苷酸序列。

24、在本发明的另一方面，提供一种禾本科植物细胞、组织或器官，其中含有外源的gras11蛋白的上调分子，所述上调分子为前面所述的表达构建体。

25、在一个或多个实施方式中，所述的植物细胞、组织或器官不具有繁殖能力，不是植物繁殖材料，不能直接繁育为植物。

26、在一个或多个实施方式中，所述禾本科植物为表达gras11或其下游分子expb15或它们的同源物的植物；较佳地，所述禾本科植物包括选自(但不限于)：玉米、高粱、水稻、大麦、小麦、燕麦、黑麦、二穗短柄草。

27、在一个或多个实施方式中，所述的禾本科植物是禾本科作物。

28、在一个或多个实施方式中，所述的禾本科植物是具有籽粒的植物，所述的籽粒具有胚乳结构。

29、在一个或多个实施方式中，所述的禾本科植物是gras11或其下游分子expb15相对低表达(如显著低于该种植物的该基因的表达水平)或不表达的植物，通过提高gras11或其下游分子expb15的表达或活性，提高植物的产量或胚乳品质。

30、在一个或多个实施方式中，所述的gras11的多肽的氨基酸序列选自下组：(i)seqid no:2所示氨基酸序列的多肽；(ii)将如seq id no:2所示的氨基酸序列经过一个或几个(如1-20个，1-10个，1-5个，1-3个)氨基酸残基的取代、缺失或添加而形成的，具有(i)多肽功能的、由(i)衍生的多肽；(iii)氨基酸序列与seq id no:2所示氨基酸序列的同源性≥70％(如同源性70％～99.5％；较佳地同源性≥75％，≥80％、≥85％，≥90％，≥95％、≥98％或≥99％)，具有所述调控性状功能的多肽；(iv)seq id no:2所示氨基酸序列的多肽的活性片段；或(v)在seq id no:2所示氨基酸序列的多肽的n或c末端添加标签序列或酶切位点序列，或在其n末端添加信号肽序列后形成的多肽。

31、在一个或多个实施方式中，所述的expb15的多肽的氨基酸序列选自下组：(i)seqid no:4所示氨基酸序列的多肽；(ii)将如seq id no:4所示的氨基酸序列经过一个或几个(如1-20个，1-10个，1-5个，1-3个)氨基酸残基的取代、缺失或添加而形成的，具有(i)多肽功能的、由(i)衍生的多肽；(iii)氨基酸序列与seq id no:4所示氨基酸序列的同源性≥70％(如同源性70％～99.5％；较佳地同源性≥75％，≥80％、≥85％，≥90％，≥95％、≥98％或≥99％)，具有所述调控性状功能的多肽；(iv)seq id no:4所示氨基酸序列的多肽的活性片段；或(v)在seq id no:4所示氨基酸序列的多肽的n或c末端添加标签序列或酶切位点序列，或在其n末端添加信号肽序列后形成的多肽。

32、在本发明的另一方面，提供gras11或其下游分子expb15(包括蛋白或基因)的用途，用作鉴定禾本科植物性状的分子标记物；所述性状包括：产量性状或胚乳性状。

33、在本发明的另一方面，提供一种定向选择或鉴定产量高、胚乳品质高的禾本科植物的方法，包括：鉴定测试植物体内gras11或其下游分子expb15的表达或活性，若该测试植物中gras11或其下游分子expb15的表达或活性高于或等于该类植物(对照植物)中gras11或其下游分子expb15的表达或活性的平均值，则其为产量高、胚乳品质高的禾本科植物。

34、在一个或多个实施方式中，所述的产量性状包括：籽粒重量(粒重)，籽粒宽度(粒宽)，籽粒厚度(粒厚)。较佳地，若gras11或其下游分子expb15高表达或高活性(如显著高于同类或同种植物的表达或活性的平均值)，则籽粒重量(粒重)高，籽粒宽度(粒宽)高，籽粒厚度(粒厚)高；若gras11或其下游分子expb15低表达或低活性(如显著低于同类或同种植物的表达或活性的平均值)，则籽粒重量(粒重)低，籽粒宽度(粒宽)低，籽粒厚度(粒厚)低。

35、在一个或多个实施方式中，所述的胚乳性状包括：胚乳厚度和/或宽度，促进胚乳细胞扩张和/或增大能力。较佳地，若gras11或其下游分子expb15高表达或高活性(如显著高于同类或同种植物的表达或活性的平均值)，则其胚乳厚度和/或宽度大，胚乳细胞扩张和/或增大能力高；若gras11或其下游分子expb15低表达或低活性(如显著低于同类或同种植物的表达或活性的平均值)，则其胚乳厚度和/或宽度小，胚乳细胞扩张和/或增大能力低。

36、在一个或多个实施方式中，所述高表达或高活性，是指与同类或同种植物的表达或活性的平均值相比，表达或活性具有统计学意义的提高，如提高10％、20％、40％、60％、80％、90％或更高。

37、在一个或多个实施方式中，所述低表达或低活性，是指与同类或同种植物的表达或活性的平均值相比，表达或活性具有统计学意义的降低，如降低10％、20％、40％、60％、80％、90％或更低。

38、在一个或多个实施方式中，所述“量高”/“品质高(或好)”是指与同类或同种植物的量相比，有统计学意义的高，如高10％、20％、40％、60％、80％、90％或更高。

39、在一个或多个实施方式中，所述量低是指与同类或同种植物的量相比，有统计学意义的低，如低10％、20％、40％、60％、80％、90％或更低。

40、在本发明的另一方面，提供一种筛选促进禾本科植物性状改良的物质(潜在物质)的方法，所述性状改良包括：产量高、胚乳品质高，所述方法包括：(1)将候选物质加入到表达gras11或其下游分子expb15的体系中；(2)检测所述体系，观测其中gras11或其下游分子expb15的表达或活性，若其表达或活性提高(显著提高，如提高10％、20％、40％、60％、80％、90％或更高)，则表明该候选物质为促进禾本科植物性状改良的物质。

41、在一个或多个实施方式中，所述方法还包括：设置不添加所述候选物质的对照组，从而明确分辨测试组中所述gras11或其下游分子expb15表达或活性与对照组的差异。

42、在一个或多个实施方式中，所述的候选物质包括(但不限于)：针对所述gras11或其下游分子expb15或其上游或下游蛋白或基因设计的调控分子(如上调剂、小分子化合物基因编辑构建物等。

43、在本发明的另一方面，提供一种鉴定过表达植物材料的方法，所述过表达植物材料包含27-kdγ-醇溶蛋白启动子及由其驱动表达的gras11或expb15，所述方法包括鉴定该过表达材料中是否存在seq id no:6所示核苷酸序列或seq id no:9所示核苷酸序列。

44、在一个或多个实施方式中，以seq id no:7和seq id no:8的引物鉴定鉴定该过表达材料中是否存在seq id no:6所示核苷酸序列(包含gras11序列)；

45、在一个或多个实施方式中，以seq id no:10和seq id no:11的引物鉴定鉴定该过表达材料中是否存在seq id no:9所示核苷酸序列(包含expb15序列)。

46、本发明的其它方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。