Zm5023基因在调控玉米株高和节间距中的应用

：本发明属于生物，尤其涉及一种zm5023基因在调控玉米株高和节间距中的应用。

背景技术

0、
背景技术：

1、玉米是我国第一大粮食作物，但我国玉米的单位面积的平均产量却不及美国，这充分说明我国玉米单产还有巨大的提高潜力和空间。玉米是集食用、饲料、工业用途为一体的多功能作物。发掘玉米增产潜力、提高玉米产量是社会发展的必然趋势，也是玉米育种学家追求的永恒目标。随着我国人口数量的不断增加，我国玉米产量已经不能够满足人民的需求，并且伴随着玉米进口量的增加，粮食安全问题就显得格外突出。我国耕地面积的严重短缺，因此培育具有高产潜力的杂交种仍然是提高单产的最主要途径。近年来，随着玉米种植密度的提高，玉米的株型改良成为玉米遗传育种研究的重点之一(doebley,1990)。玉米株高性状的调控研究越来越受到育种家的关注。株高是影响作物产量和倒伏的重要农艺性状，是衡量优良玉米品种的重要指标之一(salas fernandez et al.,2009)。植株过高会造成种植密度下降,不抗倒伏，收获质量降低，过矮则会影响整个群体生物量和生长结构(peiffer et al.,2014)。另外，玉米株高还影响光在群体冠层中的合理分布、截光能力和群体合理光能利用等(benz and iltis,1992)。因此，研究玉米株高关键基因以及调控机理就变得非常重要。但是调控玉米株高发育的关键基因以及调控机制并不清楚。

2、自1975年mock(mock and pearce,1975)提出玉米理想株型的概念以后，许多植物学家先后做了大量的玉米株型研究。美国19世纪30年代以来的统计数据显示：玉米耐密性的改良对增产的贡献远高于单株产量的增加(duvick,2005)。普通的玉米品种在种植密度较大的条件下，株高会因为植株间对光的竞争而增加，进而加重植株倒伏的风险，因此，植株较高的品种不适合密植(biswas and salokhe,1989)。合适的株高以及株高与穗位比值可以降低植株的重心而增强其抗倒伏性，调控株高与挖掘作物的增产潜力具有极高的关联性(khush,1999)。玉米植株过高会使栽培密度降低、引起倒伏、收货指数下降，过低又会影响田间通透性、易感染病虫害，不利于光合产物向穗部的有效运转，降低生物产量，只有合理的株高才能促成高产。

3、近年来，国内外研究者通过使用不同的研究群体和研究方案，发现了大量的玉米株高数量性状位点(qtl)。目前为止，maizegdb(http://www.maizegdb.org/)网站已经收录了200多个株高qtl，分布在玉米10条染色体上。比如peiffer等(peiffer et al.,2014)用2815个自交系、包含4892个重组自交系的巢式关联作图(nested association mapping，nam)群体以及2个近等基因系(near isogenic lines，nils)，结合13种环境的表型数据进行了玉米株高相关性状遗传基础的研究，发现株高qtl在10条染色体上都存在，且多是微效qtl。另外，在maizegdb上已经成功报道了大约50多个参与调控玉米株高基因，这些基因大部分都是参与赤霉素、油菜素内酯、生长素、独脚金内酯等激素的合成、运输和信号传导等过程。这些基因包括玉米dwarf3(d3)(winkler and helentjaris,1995)，dwarf8(d8)(thornsberry et al.,2001)等以及玉米中应用研究较为广泛的矮化单基因br2(multaniet al.,2003)和zmga3ox2(teng et al.,2013)。尽管这些基因都能调控玉米的株高，但是由于玉米矮化基因导入均引起植株极端矮化而不能成功应用于玉米育种实践。

4、在玉米育种上，合适的株高与穗位、最佳的生育期和适当的穗分枝数、叶夹角是获得理想株型、产量和生物量的一个关键指标，也是适宜机械化作业新品种培育的基础(shinet al.,2014)。因此，挖掘、鉴定和利用新的株高基因成为玉米育种中备受重视的研究内容。随着分子生物学的发展，通过剖析玉米株高的遗传结构，可以对调控株高的关键基因进行定位、克隆和功能研究，这些结果又进一步可以指导育种家选育株高适中的新品种，为玉米增产提供重要的理论依据。

技术实现思路

1、本发明的目的是发现具有调控玉米株高和/或节间距功能的基因。

2、本发明发现，如下1)-3)中任一种物质具有调控玉米株高和/或节间距功能的功能：

3、1)zm5023蛋白，其氨基酸序列如seq id no:2所示；

4、2)编码zm5023蛋白的dna分子zm5023，其核苷酸序列如seq id no:1所示；

5、3)含有编码zm5023蛋白的dna分子的重组载体、表达盒、转基因细胞系或重组菌；

6、本发明另一个目的是提供抑制zm5023蛋白活性的物质或抑制zm5023基因表达的物质的用途。

7、本发明提供了抑制zm5023蛋白活性的物质或抑制zm5023基因表达的物质在如下a)-e)中任一中的应用；

8、a)降低玉米株高；

9、b)培育低株高玉米；

10、c)培育低杆玉米；

11、d)降低玉米节间距；

12、e)培育短节间距玉米；

13、上述应用中，所述抑制zm5023蛋白活性的物质或抑制zm5023基因表达的物质为如下a或b：

14、a)sgrna，是由seq id no:3编码的rna；

15、b)表达sgrna的载体或重组菌或重组病毒。

16、本发明第4个目的是提供培育降低株高或缩短节间距的转基因玉米的方法，其特征是：降低野生型玉米中zm5023的表达量和/或活性；或者降低野生型玉米中zm5023蛋白的含量/或活性，得到株高低于野生型或节间距小于出发植物的转基因玉米。

17、上述方法中，所述降低野生型玉米中zm5023的表达量和/或活性；或者降低野生型玉米中蛋白zm5023的含量/或活性，是将表达cas9和seq id no:3编码的sgrna导入出发植物中。

18、crispr(规律成簇的间隔短回文重复)和crispr-cas9，共同组成了一套系统，是细菌用来防御噬菌体dna注入和质粒转移的天然防御系统。链球菌的spycas9，是一个含有1368个氨基酸的多结构和多功能的dna核酸内切酶。它的切割位点在pam上游的第三个碱基，通过hnh(sgran互补的目标序列)和ruvc核酸酶结构域(非目标序列)。要识别特定序列并进行剪切，sgrna与cas9组合成一个复合体，其中sgrnay与cas9结合起着关键的作用，能够使得cas9构象重构，变得具有活性。但现在被人类所重新利用，构建了很强的rna引导的dna靶向平台—主要用来基因组编辑、转录扰乱、表观遗传调控等

19、经实验证实，影响玉米株高的基因是zm5023，将其编码基因在玉米中敲除，得到zm5023突变株系，该植株与正常玉米相比表现出明显的株高降低，说明该基因与玉米株高发育调控密切相关，这有助于明确zm5023在玉米株高中的作用机制，对此基因的研究可以进一步丰富作物株型形成的生物学意义，获得株型改变或品种改良的植物。