一个栽培大豆SDR家族基因GmGAE47的应用

本发明属于植物基因工程领域,涉及一个栽培大豆sdr蛋白家族基因gmgae47的应用，具体涉及来源于栽培大豆与种子发育相关的sdr蛋白家族基因gmgae47在调控株高、千粒重及粒宽等性状相关方面的应用。

背景技术：

1、籽粒发育是作物生长发育过程中的关键环节，粒重性状与作物的产量和农产品质量关系紧密，直接影响到农业生产效益。因此提高作物粒重对于高产育种及农业生产有着重要的意义。

2、sdr(short-chain dehydrogenase/reductase)家族又称短链脱氢酶/还原酶家族，广泛存在于各种生物形式中，如古细菌，原核生物，真核生物以及病毒，是目前已知的最古老、最大的蛋白超家族之一(jornvall et al.,1995；kallberg et al.,2002)。大多数sdr成员是nad(p)(h)依赖型的氧化还原酶，它们催化功能多样，其底物包括多元醇、类维生素、类固醇、脂肪酸的衍生物和异源物质等(oppermann et al.,2003；张月婷等，2020)。该超家族包含了视黄醛脱氢酶(rdh，retinol dehydrogenases)、羟基类固醇脱氢酶(hsd，hydroxysteroid dehydrogenases)、羰基还原酶(cbr，carbonyl reductases)、15羟基前列腺素脱氢酶(15-pgdh，15-hydroxyprostaglandin dehydrogenase)、udp-葡萄4-糖异构酶(gae，udp-glucose 4-epimerase)以及gdp甘露糖4,6-脱水酶(gmds，gdp-mannose4,6-dehydratase)等，在脂类、氨基酸、碳水化合物、激素类、异生物质代谢和氧化还原反应传感机制中发挥重要作用。

3、其中gae属于是催化udp-葡萄糖醛酸向udp-半乳糖醛酸转化的关键酶，而半乳糖醛酸作为果胶合成必需的前体物质，该酶在植物中广泛存在，影响植物的生长发育。拟南芥atgaes基因家族含有6个成员，属于sdr家族的ii型膜蛋白，被预测均无内含子，该家族所有成员均含有与nad(p)+结合相关的保守基序gxxgxg(gu et al.,2004)。将atgae04反义基因分别转化拟南芥和烟草，转基因拟南芥形成的愈伤组织较小且时间较晚；转基因烟草多数生长明显受限，表现为植株矮小，生长缓慢，叶片长而细，难以形成完整的植株并最终死亡，只有极少数转基因烟草生长正常，说明反义atgae04基因的确能够干扰gae家族基因的正常表达，减少了果胶含量，影响了烟草细胞的正常粘连(rhee et al.,1998)。pang等(2008)证明ghgae1在棉花纤维的伸长期表达量显著增高，ghgae3在棉纤维快速伸长期高效表达，说明ghgaes对棉纤维的长度有重要影响。li等(2020)研究发现控制大豆粒厚的基因gmst1，其拟南芥同源基因为atgae06，通过影响果胶生物合成和糖酵解途径影响种子饱满度，过表达st1大豆种子比对照含有更多和更大的细胞。而本文中涉及的gmgae47其拟南芥的同源基因为atgae01，有研究表明gae1和gae6进化上比其他gae家族成员更古老，其相似度达76％，并且可能具有不同于其他gae家族成员的重叠功能，推测其可能在大豆籽粒发育中有着重要功能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供公开一个大豆sdr家族基因gmgae47。

2、本发明的另一目的是提供该基因在植株株高、千粒重及粒宽等基因工程应用。

3、本实验室通过对186份重组自交家系群体的百粒重性状数据进行连锁分析，在17号染色体上的候选区段内挖掘出一个来自sdr蛋白家族基因glyma.17g069600，其编码udp-葡萄4-糖异构酶，在本文中命名为gmgae47。其蛋白在第2到152个氨基酸有一个跨膜结构域，c末端有一个差向异构酶(epimerase)结构域，该结构域广泛存在于利用nad作为辅因子和利用核苷酸-糖底物进行各种化学反应的蛋白质中。nad作为代谢网络中的关键辅酶，参与糖酵解、脂质生物合成等多个代谢途径。对拟南芥tdna插入突变体gae47(salk_085554c)表型观察显示,相突变体千粒重显著下降、粒宽降低。推测其可能通过参与植物糖类及脂质代谢过程来调控籽粒发育，因此初步研究gmgae47的生物学功能。

4、本发明的目的可通过如下技术方案实现:

5、栽培大豆sdr家族基因gmgae47,核苷酸序列为seq id no.1。

6、本发明所述的栽培大豆sdr家族基因gmgae47编码的蛋白质，其氨基酸序列为seqid no.2。

7、含有本发明所述的栽培大豆sdr家族基因gmgae47的表达载体。

8、本发明所述的栽培大豆gmgae47基因编码蛋白在降低拟南芥的株高，增加千粒重和粒宽中的应用。

9、本发明所述的重组表达载体在降低拟南芥株高，增加千粒重和粒宽中的应用。

10、使用gmgae47构建植物表达载体时,在其转录起始核苷酸前可加上任何一种增强型启动子或诱导型启动子。为了便于对转基因植物细胞或植物进行鉴定及筛选,可对所用植物表达载体进行加工,如加入可在植物中表达的选择性标记基因(gus基因、gfp基因等)或者抗生素标记物(庆大霉素标记物、卡那霉素标记物、潮霉素标记物等)的抗性基因。从转基因植物的安全性考虑，可不加任何选择性标记基因，直接以表型性状筛选转化植株。

11、携带有本发明gmgae47的植物表达载体可通过使用ti质粒、ri质粒、植物病毒载体、直接dna转化、显微注射、电导、农杆菌介导等常规生物学方法转化植物细胞或组织,并将转化的植物组织培育成植株。被转化的植物宿主既可以是水稻、小麦、玉米等单子叶植物,也可以是烟草、拟南芥、大豆、油菜、黄瓜、番茄、杨树、草坪草、苜蓿等双子叶植物。

12、有益效果:

13、本发明的目的在于公开大豆sdr家族基因gmgae47的高产基因工程应用。gmgae47基因在大豆各组织中均有表达。亚细胞定位结果表明gmgae47定位于细胞核、细胞膜。拟南芥中过表达gmgae47基因降低拟南芥株高、提高千粒重及粒宽。gmgae47作为目的基因通过基因工程手段过表达从而改变拟南芥的株高和千粒重、粒宽。

14、本发明中gmgae47属于sdr家族，其蛋白在第2到152个氨基酸有一个跨膜结构域，c末端有一个差向异构酶(epimerase)结构域。通过组织表达分析发现gmgae47在各组织均有表达，亚细胞定位显示gmgae47蛋白于细胞质、细胞核、细胞膜中都有被定位到。拟南芥中过表达gmgae47，发现与对照相比，转基因拟南芥的株高降低。转基因拟南芥千粒重、粒长、粒宽统计分析表明gmgae47转基因株系与对照相比能够显著提高种子的千粒重、粒宽。本发明公开了该基因在调控植株生长发育的效用，以及在产量性状中的变化。可以通过定向地改造作物的株高及粒重、粒宽,为农作物提高产量。

15、利用植物过表达载体pba002-gmgae47,将本发明的gmgae47导入植物体内,可以调控植株生长发育情况，获得转基因植株。