来源于拟南芥和小麦的氮素调控基因GDS1及其用途

本发明涉及植物基因工程，具体涉及来源于拟南芥和小麦的氮素调控基因gds1及其用途。

背景技术：

1、氮素是植物生长发育所必需的大量元素之一，能够调控植物代谢和生长发育的诸多过程，如氮素的吸收和同化(xu et al.,2016)、次生代谢(如花青苷合成)(fritz etal.,2006)、根系构型(gan et al.,2012)、种子萌发(alboresi et al.,2005)和叶片衰老(aguera et al.,2010；zhao et al.,2011；meng et al.,2016；liu et al.,2017；park etal.,2014,2018,2019)等。叶片衰老是叶片发育的最后阶段，是由叶绿素和叶绿体降解、大分子物质分解和营养物质重新分配引起的发育过程(sakuraba et al.,2014)。

2、目前已经鉴定了多个调控衰老的基因家族，如nac、wrky、bhlh、myb、c2h2 zincfinger、ap2-erebp和bzip家族等(miao et al.,2004；buchanan-wollaston et al.,2005；guo etal.,2006；smykowski et al.,2010；song et al.,2014；guo et al.,2017；wang etal.,2021；yu etal.,2021；zhang et al.,2021；zhang et al.,2022)。自然界中多种生物和非生物胁迫会引起植物叶片衰老，如干旱、高温、高盐、黑暗、激素、病原菌侵染和营养缺乏等(lim et al.,2007；aguera et al.,2010；balazadeh et al.,2010；song et al.,2014；liebsch et al.,2016；zhang et al.,2018；yu et al.,2021；li et al.,2021)。

3、前人的研究表明低氮会诱导叶片衰老，以满足幼嫩和发育中的组织对氮的需求(aguera et al.,2010)。在农业生产上，缺氮往往会引起作物早衰，导致产量下降；施用氮肥则能够抑制低氮引起的衰老，保证作物的高产和稳产。另一方面，大量施氮导致作物的氮素利用效率降低，造成一系列的环境问题，如土壤酸化和水体富营养化等(guo et al.,2010；zhang et al.,2015；shin et al.,2020；wu et al.,2020；liu et al.,2021)。因此，培育低氮晚衰高产的新品种对于提高较低供氮条件下作物的产量和氮素利用效率、推动现代农业绿色高质量发展至关重要。

技术实现思路

1、针对上述现有技术，本发明的目的是提供来源于拟南芥和小麦的氮素调控基因gds1及其用途。

2、本发明的第一方面，提供gds1基因作为氮素调控基因在如下(1)-(4)至少一项中的应用：

3、(1)延缓低氮和高氮下植物的叶片衰老；

4、(2)提高低氮和高氮条件下植物的株高、果荚长度、籽粒大小和粒重；

5、(3)提高低氮和高氮条件下植物的单株产量和氮素利用率；

6、(4)培育高氮效作物品种；

7、所述gds1基因的核苷酸序列如seq id no.1、seq id no.3-seq id no.8任一所示。

8、上述应用中，所述植物优选为拟南芥或小麦。

9、上述应用中，所述gds1基因来源于拟南芥或小麦；优选的，所述gds1基因为atgds1基因，其核苷酸序列如seq id no.1所示；或者，所述gds1基因为tagds1基因，其核苷酸序列如seq id no.3-seq id no.8所示。

10、本发明的第二方面，提供gds1基因编码的蛋白在如下(1)-(3)至少一项中的应用：

11、(1)延缓低氮和高氮下植物的叶片衰老；

12、(2)提高低氮和高氮条件下植物的株高、果荚长度、籽粒大小和粒重；

13、(3)提高低氮和高氮条件下植物的单株产量和氮素利用率。

14、上述应用中，gds1基因编码的蛋白的氨基酸序列如seq id no.2、seq id no.9-seq id no.14任一所示。

15、本发明的第三方面，提供含有gds1基因的重组表达载体或重组菌在如下(1)-(4)至少一项中的应用：

16、(1)延缓低氮和高氮下植物的叶片衰老；

17、(2)提高低氮和高氮条件下植物的株高、果荚长度、籽粒大小和粒重；

18、(3)提高低氮和高氮条件下植物的单株产量和氮素利用率；

19、(4)培育高氮效作物品种。

20、上述应用中，所述重组表达载体采用现有的植物表达载体构建。例如ppzp211-gfp、pcambia3301、pc186或其它衍生植物表达载体。

21、所述重组菌的宿主细胞可以为大肠杆菌、农杆菌等。

22、本发明的第四方面，提供一种提高植物对氮素利用率的方法，包括：使植物中gds1基因过表达的步骤。

23、上述方法中，使植物中gds1基因过表达可以通过外源转入gds1基因的方法；或者上调植物基因组中gds1基因或其同源基因的表达。

24、本发明的第五方面，提供一种高氮效作物品种的培育方法，包括以下步骤：

25、将gds1基因基因转入野生型植株并使其过量表达，筛选得到氮素利用率提高的植株，获得高氮效作物。

26、上述方法中，所述gds1基因也是来源于拟南芥或小麦；优选的，所述gds1基因为atgds1基因，其核苷酸序列如seq id no.1所示；或者，所述gds1基因为tagds1基因，其核苷酸序列如seq id no.3-seq id no.8所示。

27、本发明的有益效果：

28、本发明首次在拟南芥中发现了一个新的能够在低氮和高氮条件延缓叶片衰老的氮素调控基因atgds1；该atgds1基因提同时还能提高低氮和高氮条件下植物的株高、果荚长度、籽粒大小、千粒重、单株产量以及氮素利用率。基于atgds1基因，本发明进一步在小麦中发现了tagds1基因，其能提高低氮和高氮下小麦的粒子大小，百粒重和单株产量。本发明为低氮和高氮条件下均具有较高氮素利用效率的高氮效作物品种的培育提供了新的思路和方向。

技术特征：

1.gds1基因作为氮素调控基因在如下(1)-(4)至少一项中的应用：

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述植物为拟南芥或小麦。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述gds1基因来源于拟南芥或小麦；所述gds1基因为atgds1基因，其核苷酸序列如seq id no.1所示；或者，所述gds1基因为tagds1基因，其核苷酸序列如seq id no.3-seq id no.8所示。

4.gds1基因编码的蛋白在如下(1)-(3)至少一项中的应用：

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，gds1基因编码的蛋白的氨基酸序列如seqid no.2、seq id no.9-seq id no.14任一所示。

6.含有gds1基因的重组表达载体或重组菌在如下(1)-(4)至少一项中的应用：

7.一种提高植物对氮素利用率的方法，其特征在于，包括：使植物中gds1基因过表达的步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使植物中gds1基因过表达的方法包括：外源转入gds1基因；或者上调植物基因组中gds1基因或其同源基因的表达。

9.一种高氮效作物品种的培育方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了来源于拟南芥和小麦的氮素调控基因GDS1及其用途，属于植物基因工程技术领域。本发明首次在拟南芥中发现了一个新的能够在低氮和高氮条件延缓叶片衰老的氮素调控基因AtGDS1；该AtGDS1基因同时还能提高低氮和高氮条件下植物的株高、果荚长度、籽粒大小、千粒重、单株产量以及氮素利用率。基于AtGDS1基因，本发明进一步在小麦中发现了TaGDS1基因，其能提高低氮和高氮下小麦的粒子大小、百粒重和单株产量。本发明为低氮和高氮条件下均具有较高氮素利用效率的高氮效作物品种的培育提供了新的思路和方向。

技术研发人员：王勇,樊红梅,权姝璇,叶晴,刘玮,朱宁,张晓琪,齐盛东
受保护的技术使用者：山东农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12