GCS基因调控植物磷脂代谢的用途

本发明属于基因工程，涉及葡萄糖神经酰胺合成酶（glucosylceramidesynthase， gcs）基因在调控植物磷脂代谢中的用途。

背景技术：

1、磷是植物生长发育所必需的大量营养元素之一，是细胞内各种生物大分子（蛋白质、核酸等）和各类代谢物（磷脂、三磷酸腺苷等）的重要组成成分，其在细胞内能量转化和细胞信号转导等众多生理生化过程中发挥着重要作用。农业生产过程中需大量施用磷肥来保障农作物的产量，但作物产量的提升往往伴随着磷肥的过量使用，导致大量磷元素流入江河湖泊中，最终出现水体富磷化等诸多环境问题。

2、磷脂是植物细胞磷素的重要存储库之一，植物细胞膜磷脂中储存的磷占细胞总磷素的1/3~1/2。在缺磷胁迫条件下，植物细胞膜磷脂重塑是植物磷素来源的主要途径之一，但细胞膜磷脂重塑调控植物磷高效利用的分子机制尚不清楚。鞘脂是细胞质膜中的重要组成，缺磷胁迫条件下，鞘糖脂随着鞘磷脂含量下降而上升。解析缺磷条件下植物细胞磷脂代谢的分子机制及挖掘该过程中磷素代谢关键基因，可为作物磷素高效利用提供理论依据。

3、gcs是植物唯一的一类鞘糖脂合成酶，其基因功能在植物和动物中十分保守，该酶催化glc（glucosylc）从udp-glc转移到神经酰胺，在动植物中其酶活均已都被证实。植物中， gcs突变体幼苗大大减小，并且不能在幼苗期之后发育成完整植株， gcs幼苗可产生缺乏鞘糖脂glccer未分化的愈伤组织，可以愈伤组织的方式增殖，但 gcs愈伤组织无法分化发育成正常器官。gcs对于细胞类型分化和器官发生是必不可少的，但gcs在植物生长其他时期或逆境胁迫中的功能是未知的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供 gcs基因调控植物磷脂代谢的功能和用途，并提供一种促进植物缺磷胁迫条件下磷脂代谢的方法。

2、研究表明， gcs基因主要在根中和衰老组织中中表达，且其表达受缺磷胁迫诱导。缺磷胁迫期间， gcs表达量下调导致拟南芥生长受阻，细胞质鞘脂代谢紊乱以及无机磷含量减少。而超表达 gcs可以促进拟南芥的生长和鞘脂代谢，使无机磷含量增加。通过脂质组分析，发现超表达植株叶片中鞘磷脂水平显著低于野生型，鞘糖脂水平显著高于野生型，无机磷含量则显著升高。 gcs基因的高表达促进了缺磷胁迫期间细胞内脂质磷的代谢，致使磷素加速释放，从而提高了细胞中无机磷的含量，促进了植物的生长。而 gcs表达水平的下调阻止了脂质磷中磷素的释放和植物的生长。这些结果表明 gcs基因可以调控缺磷胁迫期间植物的磷脂代谢。

3、本发明涉及的 gcs基因编码一种葡萄糖神经酰胺合成酶，该基因在拟南芥第二号染色体上有一个拷贝，at2g19880，编码该基因的核苷酸序列如seq id no:1所示，由1563bp组成；该基因编码的蛋白质序列如序列表seq id no:2所示，编码519个氨基酸。申请人从拟南芥中克隆了 gcs基因，构建植物表达载体并使用农杆菌介导的遗传转化方法将含有所述 gcs基因的超表达载体转化到拟南芥的基因组中，获得 gcs基因超表达的拟南芥品系。具体步骤如下：

4、（1）提取拟南芥rna 并反转录成cdna；

5、（2）以上述cdna为模板，设计pcr引物扩增以上所述的 gcs基因；

6、（3）将扩增产物酶切连接到植物表达载体并转化感受态细胞，构建植物过表达载体；

7、（4）使用农杆菌介导的遗传转化方法，将所述过表达载体转化到植物的基因组中，获得 gcs基因过表达的植株。

8、另外，本发明还利用rnai干扰技术获得 gcs基因功能下调品系，使用农杆菌介导的遗传转化方法将该功能下调突变体转化到拟南芥的基因组中，获得基因 gcs功能下调的拟南芥品系。

9、本发明利用过表达和表达下调的拟南芥转化材料，分析了转化植株的生长状况和鞘脂代谢以及磷素利用情况，发现 gcs基因的超表达显著提高了拟南芥在缺磷胁迫条件下的生长，促进了植物鞘脂代谢和磷素含量，而 gcs基因的表达下调则显著抑制了拟南芥在缺磷胁迫条件下的生长，降低了植物鞘脂代谢和磷素含量。

10、本发明的有益效果是：

11、首次发现了 gcs基因在调控植物在缺磷胁迫条件下磷脂代谢的新功能，利用该基因获得的植物品系可促进植物在缺磷胁迫下的生长和磷素利用效率，有利于减少磷肥的使用，减轻水体富磷化，在产业中具有很好的应用价值。

技术特征：

1.gcs基因、或其编码蛋白或含有所述gcs基因的表达载体或重组菌在调控植物缺磷胁迫条件下磷脂代谢的用途，所述gcs基因的核苷酸序列如seq id no:1所示，编码蛋白的氨基酸序列如seq id no:2所示。

2.如权利要求1所述的用途，其特征在于：所述gcs基因的过表达能促进缺磷胁迫条件下的磷脂代谢，使磷素加速释放，从而提高细胞中无机磷的含量并促进植物生长。

3.一种促进植物缺磷胁迫条件下磷脂代谢的方法，其特征在于包括以下步骤：

4. 如权利要求3所述促进植物缺磷胁迫条件下磷脂代谢的方法，其特征在于：所述pcr引物的序列如seq id no:3、4所示。

5.如权利要求3所述促进植物缺磷胁迫条件下磷脂代谢的方法，其特征在于：所述植物表达载体为pmdc83。

技术总结
本发明公开了GCS基因在调控植物缺磷胁迫条件下磷脂代谢的用途，该基因的核苷酸序列如SEQ ID NO:1所示。通过获得过表达和RNAi干扰材料，分析了遗传转化材料的生长状况和磷素利用情况，发现GCS基因在调控植物在缺磷胁迫条件下的鞘脂代谢和无机磷含量中发挥关键作用，该基因的过表达可促进植物在缺磷胁迫条件下的生长，有利于减少磷肥的使用和水体富磷化，在产业中具有较大的应用价值。

技术研发人员：郭亮,杨报
受保护的技术使用者：华中农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/4