提高薯类植物产量性状的方法及应用

本发明属于生物技术和植物学领域，更具体地，本发明涉及一种提高薯类植物产量性状的方法及应用。

背景技术：

1、薯类植物主要指具有可供食用块根或地下茎的一类陆生作物。有块根、块茎类，如番薯(红薯、甘薯)、木薯、马铃薯、薯蓣(山药)、脚板薯等，多行无性繁殖，只留薯块作种，并可以用藤本进行繁殖。这类植物一般耐寒力较弱，多在无霜季节栽培，低温会抑制薯类作物的生长，造成块根或块茎的减产，因此种植薯类作物应尽量避免长时间的低温期；此外，疏松、肥沃、深厚的土壤和多量钾肥有利于提高薯类作物产量及品质。

2、以甘薯为代表的薯类作物，具有高的光、热、水资源利用效率和单位面积生物量、淀粉含量高、适合种植于干旱瘠薄土地而不与粮食争地等特性，是目前最有开发前景的能源作物。甘薯是世界上重要的粮食、饲料和工业原料作物，在保证生物质能和粮食安全等方面具有重要作用。

3、甘薯属旋花科，甘薯属，甘薯种，为蔓生性草本植物。甘薯植株可分为根、茎、叶、花、果实、种子等部分。甘薯不仅是一种重要的粮食作物，也是食品加工业的重要原料，营养价值丰富。因此，甘薯品种优化以及培植、再生技术的研究具有重要的意义。常见的与甘薯一样具有块根结构的植物还有：木薯，紫薯，何首乌呢等，马铃薯为块茎植物。

4、薯类植物的储藏根是重要的储能器官，储藏根的发育是一个复杂的生物学过程，包括膨大启始和后续加厚等。这些过程不仅受内源激素和基因的调控，还受外界环境的影响。然而，目前对于调控储藏根膨大发育的分子机制还知之甚少。

5、因此，本领域有必要研究薯类植物中能够调控薯类植物的储藏根的优良基因，从而为植物的改良提供新的途径。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种提高薯类植物产量性状的方法及应用。

2、在本发明的第一方面，提供一种提高薯类植物产量性状的方法，包括：上调薯类植物中mads23的表达或活性；或调节薯类植物中ein3-mads23-cycb2；3或ein3-mads23-hb52信号通路，促进mads23响应乙烯信号。

3、在一种或多种实施方式中，所述提高薯类植物产量性状包括：提高产量；提高储藏根数量；促进根系发育和生长；提高直链淀粉含量；提高木质素含量或促进细胞分裂。

4、在一种或多种实施方式中，上调mads23的表达或活性包括：将mads23的编码基因或含有该编码基因的表达构建物或载体转入薯类植物中；对mads23进行功能获得性突变；以表达增强型启动子或组织特异性启动子促进mads23表达；或，以增强子促进mads23表达。

5、在一种或多种实施方式中，所述调节ein3-mads23-cycb2；3为调节通路蛋白的ein3与mads23的相互作用(如下调ein3以提高mads23表达)、进而上调cycb2；3的表达或活性。

6、在一种或多种实施方式中，所述调节ein3-mads23-hb52为调节通路蛋白的ein3与mads23的相互作用(如下调ein3以提高mads23表达)、进而下调hb52的表达或活性。

7、在一种或多种实施方式中，ein3与mads23的相互作用包括：ein3作用于mads23，较佳地结合于mads23基因的启动子，抑制mads23转录。也即，ibmads23作为乙烯受体ibein3的下游靶基因响应乙烯信号。

8、在一种或多种实施方式中，mads23与cycb2；3的相互作用包括：mads23作用于cycb2；3，较佳地结合于cycb2；3基因的启动子，促进mads23转录。也即mads23正调控cycb2；3的表达。

9、在一种或多种实施方式中，cycb2；3已知功能为控制细胞周期的细胞分裂；其表达提高有利于细胞的分裂增殖，促进薯类储藏根细胞分裂，储存淀粉，进而促进储藏根膨大，提高产量。

10、在一种或多种实施方式中，mads23与hb52的相互作用包括：mads23作用于hb52，较佳地结合于hb52基因的启动子，抑制hb52转录。也即mads23负调控hb52的表达。

11、在一种或多种实施方式中，hb52已知功能为促进韧皮部的分化；其表达下降有利于维管形成层细胞更多地向木质部分化，木质部占比增多，薄壁细胞增多，淀粉积累增多，储藏根膨大以提高产量。

12、在一种或多种实施方式中，下调ein3或hb52的表达或活性包括：对驱动ein3或hb52表达的启动子进行转录抑制；敲除或沉默ein3或hb52的编码基因，或抑制ein3或hb52的活性；较佳地，包括：以特异性干扰ein3或hb52的编码基因表达的干扰分子来沉默ein3或hb52，以crispr系统进行基因编辑从而敲除ein3或hb52的编码基因，以同源重组的方法敲除ein3或hb52编码基因，或在含有ein3或hb52的植物中将ein3或hb52进行功能丧失性突变。

13、在一种或多种实施方式中，所述的功能丧失性突变包括：使得ein3或hb52蛋白的翻译提前终止，从而丧失功能；较佳地，通过基因编辑，在ein3或hb52蛋白编码基因中进行碱基的插入、缺失或突变，使得ein3或hb52蛋白的翻译提前终止。

14、在一种或多种实施方式中，所述的方法还包括：在培养所述薯类植物时，添加乙烯或乙烯前体；较佳地所述乙烯前体为acc；较佳地所述乙烯前体(在培养基中)的添加量为0.5～50μmol/l(优选1～45μmol/l，更优选2～40μmol/l，更优选3～35μmol/l，更优选5～30μmol/l，更优选6～25μmol/l，更优选8～20μmol/l；如9、10、12、14、15、16、18μmol/l)。

15、在一种或多种实施方式中，所述乙烯或乙烯前体添加于薯类植物的培养基中。

16、在一种或多种实施方式中，所述的薯类植物在培养基中培养，所述培养基中添加naa，6-ba，蔗糖。

17、在一种或多种实施方式中，所述naa的添加量为0.05～0.5mg/l(较佳地0.06～0.4mg/l；更佳地0.07～0.3mg/l，如0.08、0.08、0.1、0.15、0.2、0.25mg/l)。

18、在一种或多种实施方式中，所述6-ba的添加量为0.1～1mg/l(较佳地0.12～0.8mg/l；更佳地0.15～0.6mg/l，如0.16、0.18、0.2、0.22、0.25、0.3、0.4、0.5mg/l)。

19、在一种或多种实施方式中，所述蔗糖的添加量为2～8％(w/v)(较佳地2～7％；更佳地3～6％，如3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％)。

20、在本发明的另一方面，提供一种mads23、包含其的ein3-mads23-cycb2；3或ein3-mads23-hb52信号通路或它们的调节剂的用途，用于提高薯类植物产量性状；其中，所述的调节剂包括mads23上调剂，或为调节薯类植物中ein3-mads23-cycb2；3或ein3-mads23-hb52信号通路、促进mads23响应乙烯信号的试剂。

21、在一种或多种实施方式中，所述的mads23上调剂包括：外源的mads23编码基因或含有该编码基因的表达构建物或载体；较佳地，所述表达构建体包括增强型启动子、组织特异性启动子或增强子；或，对mads23进行功能获得性点突变的试剂；较佳地，为在发生mads23突变的薯类植物中将突变体回复为mads23野生型的试剂。

22、在一种或多种实施方式中，所述的mads23、ein3、cycb2；3或、hb52包括cdna序列、基因组序列(gdna)，含启动子的cdna或gdna，或在它们基础上人工优化或改造的序列。

23、在一种或多种实施方式中，术语上调、促进、提高或增强表示显著性的上调、促进、提高或增强，如上调、促进、提高或增强20％、40％、60％、80％、90％或更高。

24、在一种或多种实施方式中，术语下调、降低、抑制、弱化或减弱表示显著性的下调、降低、抑制、弱化或减弱，如下调、降低、抑制、弱化或减弱20％、40％、60％、80％、90％或更低。

25、在一种或多种实施方式中，所述的mads23或包含其的ein3-mads23-cycb2；3或ein3-mads23-hb52信号通路中的蛋白或基因包括它们的同源物。

26、在一种或多种实施方式中，所述的薯类植物为含有mads23或其同源物的植物。

27、在一种或多种实施方式中，所述的薯类植物为含有ein3-mads23-cycb2；3或ein3-mads23-hb52信号通路或所述信号通路蛋白的同源物的植物。

28、在一种或多种实施方式中，所述的薯类植物包括(但不限于)：甘薯、紫薯、木薯、甘薯、马铃薯、山药、芋头、葛根、魔芋、洋姜、雪莲果。

29、在一种或多种实施方式中，所述的mads23的多肽的氨基酸序列选自下组：(i)具有mn510435.1所示氨基酸序列的多肽；(ii)将如mn510435.1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，具有所述调控性状功能的、由(i)衍生的多肽；(iii)氨基酸序列与mn510435.1所示氨基酸序列的同源性≥80％(较佳地≥85％，≥90％，≥95％或≥98％)，具有所述调控性状功能的多肽；(iv)mn510435.1所示氨基酸序列的多肽的活性片段；或，(v)在mn510435.1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。

30、在本发明的另一方面，提供一种定向选择或鉴定薯类植物的方法，所述方法包括：鉴定测试薯类植物中的mads23的表达或序列特征；若是该测试薯类植物的mads23高表达，则其为产量高的植株；若是该测试薯类植物的mads23低表达或不表达，则其为产量低的植株。

31、在一种或多种实施方式中，所述高表达或高活性，是指与同类或同种薯类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。

32、在一种或多种实施方式中，所述低表达或低活性，是指与同类或同种薯类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。

33、在本发明的另一方面，提供一种筛选提高薯类植物产量性状的物质(潜在物质)的方法，包括：(1)将候选物质加入到表达mads23的体系中；(2)检测所述体系，观测其中mads23的表达或活性，若其表达或活性提高，则表明该候选物质为可用于提高薯类植物产量性状的物质。

34、在一种或多种实施方式中，所述方法还包括设置对照组，从而明确分辨测试组中mads23表达或活性与对照组的差异。

35、在一种或多种实施方式中，所述的候选物质包括(但不限于)：针对ein3-mads23-cycb2；3或ein3-mads23-hb52通路蛋白或其编码基因或它们的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。

36、在本发明的另一方面，提供一种促进薯类植物根的生长的方法，包括：在培养所述薯类植物时，添加乙烯或乙烯前体；较佳地所述乙烯前体为acc；较佳地所述乙烯前体(在培养基中)的添加量为0.5～50μmol/l(优选1～45μmol/l，更优选2～40μmol/l，更优选3～35μmol/l，更优选5～30μmol/l，更优选6～25μmol/l，更优选8～20μmol/l；如9、10、12、14、15、16、18μmol/l)。

37、在一种或多种实施方式中，所述乙烯或乙烯前体添加于薯类植物的培养基中。

38、在一种或多种实施方式中，所述促进薯类植物根的生长，进一步提高薯类植物产量。

39、在一种或多种实施方式中，所述的薯类植物在培养基中培养，所述培养基中添加naa，6-ba，蔗糖。

40、在一种或多种实施方式中，所述naa的添加量为0.05～0.5mg/l(较佳地0.06～0.4mg/l；更佳地0.07～0.3mg/l，如0.08、0.08、0.1、0.15、0.2、0.25mg/l)。

41、在一种或多种实施方式中，所述6-ba的添加量为0.1～1mg/l(较佳地0.12～0.8mg/l；更佳地0.15～0.6mg/l，如0.16、0.18、0.2、0.22、0.25、0.3、0.4、0.5mg/l)。

42、在一种或多种实施方式中，所述蔗糖的添加量为2～8％(w/v)(较佳地2～7％；更佳地3～6％，如3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％)。

43、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。