产量相关基因GmGAPCp1a及其生物材料和应用

本发明具体涉及遗传工程中产量相关基因gmgapcp1a及其生物材料和应用领域。

背景技术：

1、大约90-95％的植物干重来自光合作用的产物---碳水化合物。因此，提高植物光合固碳效率，以及光合产物的分配、利用效率，是提高作物产量的主要途径。糖酵解是碳水化合物代谢的中心枢纽，它分解葡萄糖生成丙酮酸、atp和还原力nadh，并为其他合成代谢提供前体。植物中糖酵解在细胞质和质体中均有发生，甘油醛-3-磷酸脱氢酶(gapdh)是其中的关键酶。根据亚细胞定位不同，胞质和质体中的甘油醛-3-磷酸脱氢酶分别用gapc和gapcp表示。已有的报道表明，质体甘油醛-3-磷酸脱氢酶gapcp与拟南芥植株发育、气孔开闭、花粉成熟、小麦的非生物胁迫响应以及草莓成熟过程有关。目前关于gapcp对作物光合和产量的影响尚无报道。如何发现与产量相关基因及其生物材料和应用是本领域人员待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是提供一种提高植物产量相关的基因，尤其是大豆属植物。

2、为解决上述问题，本发明提供了下述应用。

3、蛋白质、上调或增强或提高所述蛋白质的编码基因表达的物质或上调或增强或提高所述蛋白质的活性或含量的物质在下述任一种的应用：

4、a1)提高植物产量和/或制备提高植物产量的产品中的应用；

5、a2)提高植物株高和/或制备提高植物株高的产品中的应用；

6、a3)植物育种和/或制备植物育种产品中的应用；

7、所述蛋白质为如下任一种：

8、b1)氨基酸序列是序列2或4的蛋白质；

9、b2)将b1)所述蛋白质的经过氨基酸残基的取代和/或缺失和/或添加得到的与b1)所示的蛋白质具有80％以上的同一性且相同功能的蛋白质；

10、b3)将b1)或b2)的n末端或/和c末端连接蛋白质标签得到的融合蛋白质。

11、上文中，所述产量的指标可为光合固碳能力、单株产量、种子体积和/或种子重量。

12、上文中，所述种子重量可为种子百粒重。

13、上文中，种子体积可为种子长度和/或宽度。

14、上文中，所述光合固碳能力可为在光照强度为100、200、500、900和1500μmolphotons m-2s-1下的净光合速率。

15、上述蛋白质中，所述蛋白标签(protein-tag)是指利用dna体外重组技术，与目的蛋白一起融合表达的一种多肽或者蛋白，以便于目的蛋白的表达、检测、示踪和/或纯化。所述蛋白标签可为flag标签、his标签、mbp标签、ha标签、myc标签、gst标签和/或sumo标签等。

16、上述蛋白质中，同一性是指氨基酸序列的同一性。可使用国际互联网上的同源性检索站点测定氨基酸序列的同一性，如ncbi主页网站的blast网页。例如，可在高级blast2.1中，通过使用blastp作为程序，将expect值设置为10，将所有filter设置为off，使用blosum62作为matrix，将gap existence cost，per residue gap cost和lambda ratio分别设置为11，1和0.85(缺省值)并进行检索一对氨基酸序列的同一性进行计算，然后即可获得同一性的值(％)。

17、上述蛋白质中，所述80％以上的同一性可为至少81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或100％的同一性。

18、上述蛋白质中，序列2(seq id no.2)由418个氨基酸残基组成。将其命名为gmgapcp1a蛋白或蛋白质gmgapcp1a或蛋白gmgapcp1a。其编码基因为gmgapcp1a基因。

19、上述蛋白质中，序列4(seq id no.4)由463个氨基酸残基组成。其中，序列4第1-418位氨基酸为gmgapcp1a蛋白，序列4第419-463位氨基酸为flag标签。

20、上述的应用中，所述蛋白来源于大豆。

21、上文中，所述大豆可为大豆品种williams 82(wm82)。

22、上文中，所述调控基因表达的物质可为进行如下6种调控中至少一种调控的物质：1)在所述基因转录水平上进行的调控；2)在所述基因转录后进行的调控(也就是对所述基因的初级转录物的剪接或加工进行的调控)；3)对所述基因的rna转运进行的调控(也就是对所述基因的mrna由细胞核向细胞质转运进行的调控)；4)对所述基因的翻译进行的调控；5)对所述基因的mrna降解进行的调控；6)对所述基因的翻译后的调控(也就是对所述基因翻译的蛋白质的活性进行调控)。

23、上述的应用中，所述调控所述蛋白质的编码基因表达的物质为下述任一种：

24、b1)、编码上述蛋白质的核酸分子；

25、b2)、含有b1)所述核酸分子的表达盒；

26、b3)、含有b1)所述核酸分子的重组载体、或含有b2)所述表达盒的重组载体；

27、b4)、含有b1)所述核酸分子的重组微生物、或含有b2)所述表达盒的重组微生物、或含有b3)所述重组载体的重组微生物；

28、b5)、含有b1)所述核酸分子的转基因植物细胞系、或含有b2)所述表达盒的转基因植物细胞系、或含有b3)所述重组载体的转基因植物细胞系；

29、b6)、含有b1)所述核酸分子的转基因植物组织、或含有b2)所述表达盒的转基因植物组织、或含有b3)所述重组载体的转基因植物组织；

30、b7)、含有b1)所述核酸分子的转基因植物器官、或含有b2)所述表达盒的转基因植物器官、或含有b3)所述重组载体的转基因植物器官。

31、b1)所述核酸分子中，本领域普通技术人员可以很容易地采用已知的方法，例如定向进化或点突变的方法，对本发明的编码蛋白质gmgapcp1a的核苷酸序列进行突变。那些经过人工修饰的，具有与本发明分离得到的蛋白质gmgapcp1a的核苷酸序列80％或80％以上同一性的核苷酸，只要编码蛋白质gmgapcp1a且具有蛋白质gmgapcp1a功能，均是衍生于本发明的核苷酸序列并且等同于本发明的序列。

32、上述80％或80％以上同一性，可为81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％的同一性。

33、本文中，同一性是指氨基酸序列或核苷酸序列的同一性。可使用国际互联网上的同源性检索站点测定氨基酸序列的同一性，如ncbi主页网站的blast网页。例如，可在高级blast2.1中，通过使用blastp作为程序，将expect值设置为10，将所有filter设置为off，使用blosum62作为matrix，将gap existence cost，per residue gap cost和lambda ratio分别设置为11，1和0.85(缺省值)并进行检索以对氨基酸序列的同一性进行计算，然后即可获得同一性的值(％)。

34、本文中，所述载体是本领域技术人员公知的，包括但不限于：质粒、噬菌体(如λ噬菌体或m13丝状噬菌体等)、黏粒(即柯斯质粒)、ti质粒或病毒载体。具体可为ptf101载体；

35、上述生物材料中，b2)所述的表达盒是指能够在宿主细胞中表达所述基因的dna，该dna不但可包括启动基因转录的启动子，还可包括终止基因转录的终止子。进一步，所述表达盒还可包括增强子序列。可用于本发明的启动子包括但不限于：组成型启动子，组织、器官和发育特异的启动子，和诱导型启动子。启动子的例子包括但不限于：花椰菜花叶病毒的组成型启动子35s；来自西红柿的创伤诱导型启动子，亮氨酸氨基肽酶("lap",chao等人(1999)plant physiol 120:979-992)；来自烟草的化学诱导型启动子，发病机理相关(pr1)(由水杨酸和bth(苯并噻二唑-7-硫代羟酸s-甲酯)诱导)；西红柿蛋白酶抑制剂ii启动子(pin2)或lap启动子(均可用茉莉酮酸曱酯诱导)；热休克启动子(美国专利5，187，267)；四环素诱导型启动子(美国专利5，057,422)；种子特异性启动子，如谷子种子特异性启动子pf128(cn101063139b(中国专利200710099169.7))，种子贮存蛋白质特异的启动子(例如，菜豆球蛋白、napin,oleosin和大豆beta conglycin的启动子(beachy等人(1985)emboj.4:3047-3053))。它们可单独使用或与其它的植物启动子结合使用。此处引用的所有参考文献均全文引用。合适的转录终止子包括但不限于：农杆菌胭脂碱合成酶终止子(nos终止子)、花椰菜花叶病毒camv 35s终止子、tml终止子、豌豆rbcs e9终止子和胭脂氨酸和章鱼氨酸合酶终止子(参见，例如：odell等人(i985)nature 313:810；rosenberg等人(1987)gene,56:125；guerineau等人(1991)mol.gen.genet,262:141；proudfoot(1991)cell,64:671；sanfacon等人genes dev.,5:141；mogen等人(1990)plant cell,2:1261；munroe等人(1990)gene,91:151；ballad等人(1989)nucleicacids res.17:7891；joshi等人(1987)nucleicacid res.,15:9627)。

36、上述b3)中，所述重组载体可为用植物表达载体构建含有所述基因表达盒的重组表达载体。所述植物表达载体可为gateway系统载体或双元农杆菌载体等，如pgwb411、pgwb412、pgwb405、pbin438、pcambia1302、pcambia2301、pcambia1301、pcambia1300、pbi121、pcambia1391-xa、pmdc85或pcambia1391-xb。使用gmgapcp1a构建重组表达载体时，在其转录起始核苷酸前可加上任何一种增强型、组成型、组织特异型或诱导型启动子，如花椰菜花叶病毒(camv)35s启动子、泛生素基因ubiqutin启动子(pubi)等，它们可单独使用或与其它的植物启动子结合使用；此外，使用本发明的基因构建植物表达载体时，还可使用增强子，包括翻译增强子或转录增强子，这些增强子区域可以是atg起始密码子或邻接区域起始密码子等，但必需与编码序列的阅读框相同，以保证整个序列的正确翻译。所述翻译控制信号和起始密码子的来源是广泛的，可以是天然的，也可以是合成的。翻译起始区域可以来自转录起始区域或结构基因。作为一个具体实施例，本技术使用ptf101载体作为表达载体。

37、上述的应用中，b1)所述的核酸分子为核苷酸序列为序列1或3所示的dna分子。

38、如上任一所述的应用，所述植物为如下任一种：

39、g1)豆科植物；

40、g2)大豆属植物；

41、g3)大豆。

42、上文中，所述大豆可为大豆品种jack。

43、为解决上述问题，本发明还提供了一种提高植物产量和/或株高的方法。

44、所述方法包括通过上调或增强或提高植物中上述蛋白质的编码基因的表达，和/或，所述上述蛋白质的活性和/或含量来提高植物种子重量和/或产量。

45、为解决上述问题，本发明还提供了一种培育产量高和/或高株高植物的方法。

46、所述方法包括上调或增强或提高目的植物中上述蛋白质的编码基因的表达量，和/或，所述蛋白质的活性和/或含量得到产量高和/或高株高植物，所述产量高和/或高株高植物的产量和/或株高高于所述目的植物。

47、上文中，所述产量的指标可为光合固碳能力、单株产量、种子体积和/或种子重量。

48、上文中，所述种子重量可为种子百粒重。

49、上文中，种子体积可为种子长度和/或宽度。

50、上文中，所述光合固碳能力可为在光照强度为100、200、500、900和1500μmolphotons m-2s-1下的净光合速率。

51、上述的方法中，所述上调或增强或提高植物中上述蛋白质的编码基因的表达包括向所述目的植物中导入如上b1)所述的核酸分子、b2)所述的表达盒或b3)所述的重组载体。

52、上文中，所述核酸分子可为序列1或3所述的核酸。

53、如上任一所述应用、所述的方法中，所述育种的指标可为产量或株高。

54、如上任一所述的应用、如上所述的方法或如上所述的应用或方法中，所述植物为如下任一种：

55、j1)豆科植物；

56、j2)大豆属植物；

57、j3)大豆。

58、上文中，所述大豆可为大豆品种jack。

59、上文中，所述产量的指标可为光合固碳能力、单株产量、种子体积和/或种子重量。

60、上文中，所述种子重量可为种子百粒重。

61、上文中，种子体积可为种子长度和/或宽度。

62、上文中，所述光合固碳能力可为在光照强度为100、200、500、900和1500μmolphotons m-2s-1下的净光合速率。

63、有益效果

64、我们从williams 82(wm82)中克隆了大豆质体糖酵解关键酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶基因glyma.03g092700(命名为gmgapcp1a)的cds，并构建gmgapcp1a基因过表达载体，转化大豆品种jack。从转化植株中鉴定到2个gmgapcp1a过表达株系，并对其光合和籽粒表型进行观察。我们发现相比于野生型jack，过表达gmgapcp1a植株具有更高的净光合速率，株高和生物量增加，叶片淀粉含量增加，同时gmgapcp1a过表达植株的籽粒大小、百粒重和单株产量显著大于野生型。这些结果表明gmgapcp1a基因对于促进植株光合作用和增加作物产量具有正向调节作用。

65、本发明公开了产量相关基因gmgapcp1a及其生物材料和应用。具体公开了1.蛋白质、上调或增强或提高所述蛋白质的编码基因表达的物质或上调或增强或提高所述蛋白质的活性或含量的物质在下述任一种的应用：a1)提高植物产量和/或制备提高植物产量的产品中的应用；a2)提高植物株高和/或制备提高植物株高的产品中的应用；a3)植物育种和/或制备植物育种产品中的应用。过表达gmgapcp1a蛋白质编码基因的植株，产量和株高明显高于野生型植株，可用于工业生产和植物育种。

技术特征：

1.蛋白质、上调或增强或提高所述蛋白质的编码基因表达的物质或上调或增强或提高所述蛋白质的活性或含量的物质在下述任一种的应用：

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述蛋白来源于大豆。

3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述调控所述蛋白质的编码基因表达的物质为下述任一种：

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，b1)所述的核酸分子为核苷酸序列为序列1所示的dna分子。

5.如权利要求1-4中任一所述的用途，其特征在于，所述植物为如下任一种：

6.一种提高植物产量和/或株高的方法，其特征在于，所述方法包括通过上调或增强或提高植物中权利要求1或2中所述蛋白质的编码基因的表达，和/或，所述权利要求1或2中所述蛋白质的活性和/或含量来提高植物种子重量和/或产量。

7.一种培育产量高和/或高株高植物的方法，包括上调或增强或提高目的植物中权利要求要求1或2中所述蛋白质的编码基因的表达量，和/或，所述蛋白质的活性和/或含量得到产量高和/或高株高植物，所述产量高和/或高株高植物的产量和/或株高高于所述目的植物。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述上调或增强或提高植物中权利要求1或2中所述蛋白质的编码基因的表达包括向所述目的植物中导入权利要求3中b1)所述的核酸分子、b2)所述的表达盒或b3)所述的重组载体。

9.权利要求1-5任一所述应用或权利要求6-8任一所述的方法，其特征在于，所述育种的指标可为产量或株高。

10.如权利要求1-5任一所述的应用、权利要求6-8任一所述的方法或利要求9所述的应用或方法，其特征在于，所述植物为如下任一种：

技术总结
本发明公开了产量相关基因GmGAPCp1a及其生物材料和应用。具体公开了蛋白质、上调或增强或提高所述蛋白质的编码基因表达的物质或上调或增强或提高所述蛋白质的活性或含量的物质在下述任一种的应用：A1)提高植物产量和/或制备提高植物产量的产品中的应用；A2)提高植物株高和/或制备提高植物株高的产品中的应用；A3)植物育种和/或制备植物育种产品中的应用。过表达GmGAPCp1a蛋白质编码基因的植株，产量和株高明显高于野生型植株，可用于工业生产和植物育种。

技术研发人员：杨文强,徐勤朕,杨志攀
受保护的技术使用者：中国科学院植物研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23