一种调控作物矮化、抗倒、产量的基因及其应用的制作方法

1.本发明涉及植物基因工程和育种技术领域，尤其涉及一种调控作物矮化、抗倒、产量的基因及其应用。


背景技术：

2.水稻是我国最主要的粮食作物之一，中国60％以上人口以稻米为主食。培育抗倒伏水稻是实现水稻高产稳产有力保证，培育矮杆水稻是提升水稻抗倒伏能力的有效手段，水稻矮化育种已被证明是解决水稻高产与倒伏矛盾的理想途径。目前，水稻生产上主要依赖绿色基因sd1及其各等位基因降低株高，矮源较单一。矮源的单一易造成潜在的遗传背景狭窄风险，也限制了品种产量的进一步提高。另外，水稻育种实践发现，即使含有sd1基因，有些水稻品种的株高也过高，加上穗部的重量重，导致水稻倒伏和减产常年发生。因此，挖掘新的矮杆基因资源仍然是水稻遗传育种研究中的一个重要内容。


技术实现要素：

3.本发明提供一种调控作物矮化、抗倒、产量的基因及其应用，用以解决现有技术中矮源较单一的缺陷。
4.本发明提供sdlr5突变蛋白、其编码基因或含有其编码基因的生物材料；所述生物材料为表达盒、载体、宿主细胞、重组菌或杂合型矮杆杂交水稻。
5.所述sdlr5突变蛋白具有以下任一项氨基酸序列：
6.(1)如seq id no.5所示的氨基酸序列；
7.(2)与seq id no.5所示的氨基酸序列具有至少85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％同一性的氨基酸序列，所述蛋白具有调控植物矮化的功能；
8.(3)在seq id no.5所示的氨基酸序列中取代和/或缺失和/或增加一个或多个氨基酸残基所得的氨基酸序列，所述蛋白具有调控植物矮化的功能。
9.本发明所述突变蛋白为非天然蛋白。
10.本发明提供sdlr5突变基因、其编码的蛋白或含有sdlr5突变基因的生物材料，所述sdlr5突变基因为在序列a所示的基因序列中的第4492位-4505位的14个碱基缺失的基因；或所述sdlr5基因的cdna序列为在seq id no.3所示的cdna序列中的914-927位的14个碱基缺失的序列；所述生物材料为表达盒、载体、宿主细胞、重组菌或杂合型矮杆杂交水稻。
11.本发明中序列a是由seq id no.1和seq id no.2顺序连接组成的，其第1-6660bp为seq id no.1，第6661-10389bp为seq id no.2。
12.本发明提供sdlr5蛋白、其编码基因或含有其编码基因的生物材料；所述生物材料为表达盒、载体、宿主细胞或重组菌；
13.所述sdlr5蛋白具有以下任一项氨基酸序列：
14.(1)如seq id no.4所示的氨基酸序列；
15.(2)与seq id no.4所示的氨基酸序列具有至少85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％同一性的氨基酸序列，所述蛋白具有调控植物矮化的功能；
16.(3)在seq id no.4所示的氨基酸序列中取代和/或缺失和/或增加一个或多个氨基酸残基所得的氨基酸序列，所述蛋白具有调控植物矮化的功能。相较于sd1，sdlr5可以进一步降低株高提高抗倒性，且对产量无不利影响。
17.本发明提供sdlr5基因、其编码的蛋白或含有sdlr5基因的生物材料，所述sdlr5基因具有以下任一核苷酸序列：
18.(1)序列a或seq id no.3所示的核苷酸序列或其互补序列；
19.(2)与序列a或seq id no.3所示的核苷酸序列具有至少85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％同一性的序列，其编码的多肽具有调控植物矮化的功能；
20.(3)在严格条件下与序列a或seq id no.3杂交的序列；
21.(4)由序列a或seq id no.3所示的核苷酸序列通过取代和/或缺失和/或增加一个或多个核苷酸而获得的序列，其编码的多肽具有调控植物矮化的功能。
22.所述生物材料为表达盒、载体、宿主细胞或重组菌。
23.本发明所述载体为植物表达载体。
24.本发明所述载体可以为质粒。
25.本发明提供蛋白、基因或生物材料在以下任一个、两个、三个或四个方面中的应用：
26.(1)在调控水稻株高中的应用；
27.(2)在水稻抗倒伏中的应用；
28.(3)在调控水稻结实率中的应用；
29.(4)在调控水稻产量中的应用。
30.优选的，所述应用为下述任一个、两个、三个或四个方面：
31.(1)在降低水稻株高中的应用；
32.(2)在提高水稻抗倒伏能力的应用；
33.(3)在不降低(优选提高)水稻结实率中的应用。
34.(4)在提高水稻产量中的应用。
35.所述蛋白、基因或生物材料选自以下任一种：
36.(1)所述sdlr5突变蛋白、其编码基因或含有其编码基因的生物材料；
37.(2)所述sdlr5突变基因、其编码的蛋白或含有sdlr5突变基因的生物材料；
38.(3)所述sdlr5蛋白、其编码基因或含有其编码基因的生物材料；
39.(4)所述sdlr5基因、其编码的蛋白或含有sdlr5基因的生物材料。
40.根据所述应用，所述调控为负调控。
41.本发明提供一种水稻矮杆抗倒株系创制的方法，包括以下任一种：
42.(1))敲除或者改变编码如序列a或seq id no.3所示的核苷酸序列，使所示序列发生缺失或变异，进而使得所述基因的活性水平下降或功能丧失。
43.(2)抑制或者降低编码如seq id no.4所示氨基酸序列的核苷酸序列的表达，降低
所述氨基酸序列对应多肽的表达水平。
44.优选的，选择常规水稻品种，处理，培育，即得所述水稻矮杆株系，所述处理为，
45.(a)采用自然变异、诱变或常规基因工程方法，敲除或者改变编码如序列a或seq id no.3所示的核苷酸序列，使所示序列发生缺失或变异，进而使得所述基因的活性水平下降或功能丧失。
46.或者(b)采用常规基因工程方法，抑制或者降低编码如seq id no.4所示氨基酸序列的核苷酸序列的表达，降低所述氨基酸序列对应多肽的表达水平。
47.根据本发明提供所述水稻矮杆抗倒株系创制的方法，所述核苷酸序列如seq id no.3所示.
48.根据本发明提供所述水稻矮杆抗倒株系创制的方法，包括缺失seq id no.3所示序列中的914-927位的14个碱基。
49.根据本发明提供所述水稻矮杆抗倒株系创制的方法，包括缺失序列a所示序列中的第4492位-4505位的14个碱基。
50.本发明提供一种水稻茎秆矮化控制突变体在常规水稻改良中的应用，所述突变体通过杂交育种手段导入常规水稻品种，降低株高提高抗倒性。
51.优选的，所述突变体通过杂交育种手段将突变基因转移到常规水稻品种，使水稻株高降低到合适范围，提高抗倒性。
52.所述水稻茎秆矮化控制由所述水稻矮杆抗倒株系创制的方法创制得到。
53.本发明提供一种杂合矮杆杂交水稻的培育方法，包括，(1)使不育系携带矮化控制突变基因，恢复系携带矮化控制基因，不育系和恢复系配组产生杂合型杂交稻。
54.或者(2)使恢复系携带矮化控制突变基因，不育系携带矮化控制基因，不育系和恢复系配组产生杂合型杂交稻。
55.或者(3)使不育系携带矮化控制突变基因，恢复系携带矮化控制突变基因，不育系和恢复系配组产生纯合型矮杆杂交稻。
56.以上培育方法可以实现降低水稻株高、提高水稻抗倒伏能力、不降低(优选提高)水稻结实率、提高水稻产量。
57.所述矮化控制突变基因为sdlr5突变基因。
58.所述矮化控制基因为sdlr5基因。
59.所述矮化控制基因为编码具有如seq id no.4所示氨基酸序列的核苷酸序列。
60.根据本发明所述杂合矮杆杂交水稻的培育方法，所述矮化控制基因的核苷酸序列如seq id no.3所示。
61.本发明的有益效果：
62.本发明克隆了一个新的调控水稻茎秆矮化基因loc_os05g34854(sdlr5-序列a所示的基因序列)，其编码赤霉素20氧化酶(cdna序列如seq id no.3，蛋白质序列如seq id no.4)。本发明的突变基因sdlr5为荃9311b经突变在序列a所示的基因序列中14个碱基缺失而获得。本发明的上述茎秆矮化控制基因、蛋白、其突变基因、突变体可用来降低水稻的株高，实现水稻矮化育种，提高水稻的抗倒伏能力和提高水稻产量。本发明的上述基因可在常规水稻和杂交水稻中直接应用，将水稻株高降低到合适范围，提高抗倒性，且对结实率和产量无显著影响，在水稻育种中具有重要应用价值。为水稻抗倒育种提供新的思路和方法。
附图说明
63.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
64.图1为荃9311b与矮杆突变体矮11b的表型对比图；a为矮11b,b为荃9311b。
65.图2为mutmap方法基因定位结果图。
66.图3为荃9311b和矮11b的定位区间内突变位点；a为参考基因组(http://www.elabcaas.cn/rice/index.html)在chr5上的位置，b为矮11b的重测序结果，缺失14个碱基，c为荃9311b的重测序结果,d为参考基因组9311的序列。
具体实施方式
67.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
68.实施例1水稻矮化突变体的获得
69.荃9311a是优良的三系不育系，其配组的杂交稻具有产量高、米质优等特点，已有140多个组合通过审定，并在生产上大面积应用。但是，以荃9311a为母本的部分杂交组合抗倒性较差，在恶劣天气条件下，常有倒伏发生。矮11b是荃9311a的保持系荃9311b经ems诱变筛选变异获得的矮杆突变体。矮11b的株高为77.02
±
3.02厘米，荃9311b的株高为98.42
±
4.12厘米，矮11b和荃9311b的杂交f1代(以下简称f1)株高为89.03
±
4.55厘米，三者之间的差异达极显著水平，说明矮11b的矮杆性状为半显性性状。
70.进一步测量穗长和倒一节间至倒六节间长度，发现矮11b穗长为20.11厘米，与荃9311b(22.44厘米)和f1(22.72厘米)差异达到显著水平，而荃9311b和f1的穗长差异不显著；三者在倒一节间长度的差异均未达到显著水平，而在倒二和倒三节间长度的差异均为显著差异；在倒四、倒五、倒六节间长度上，矮11b与f1差异不显著，但均显著低于荃9311b。同时，调查发现在分蘖数、每穗粒数、结实率上，三者没有显著差异。
71.检测矮11b和荃9311b的单分蘖鲜重、基部抗折力和倒伏指数，发现矮11b和荃9311b的单分蘖鲜重和基部抗折力之间的差异不显著，但是矮11b的倒伏指数(6.11)极显著小于荃9311b(9.61)(倒伏指数越小，抗倒性越强)，这主要是由于矮11b显著矮于荃9311b导致。
72.实施例2基因初步定位
73.为了定位控制矮11b矮化表型的基因，用矮11b与荃9311b杂交，获得f2群体。种植f2群体，选择矮杆和高杆单株各30株叶片混合，提取dna,并分别抽提母本样本dna，父本样本dna。根据bsa法(分离体分组混合分析法或混合分组分析法,又称集团分离分析法,bulked segregation analysis)进行基因组重测序，通过mutmap方法定位矮杆基因，结果如图2。由图2知，snp-index只在第五染色体的21mb位置呈现明显的峰，且突破了95％和99％的置信线。这说明矮11b的矮杆性状由单个主效基因控制，将该突变基因命名为sdlr5
(semi-dwarfandlodgingresistance5)。
74.实施例3基因进一步定位、测序与克隆
75.矮11b为荃9311b的突变体，两者在基因组上差异的位点数较少。比较荃9311b和矮11b的重测序数据发现，在初定位区间内，矮11b相对于荃9311b存在14bp的缺失突变(图3)，通过msu7.0的注释基因组(rice genome annotation project(uga.edu))发现14bp(tccaggacggcgac)的缺失发生在loc_os05g34854的第二外显子上。结合一代测序验证了矮11b在序列a所示的基因序列中的第4492位-4505位，缺失了14个碱基。loc_os05g34854编码一个推定的赤霉素20氧化酶(gibberellin 20oxidase 2,putative)。进一步以1388个矮11b/荃9311b的f3家系验证，缺失了14个碱基的家系或单株，均表现为矮杆。
76.实施例4突变基因和突变体在常规水稻改良上的应用
77.应用上述突变基因改良19香和农香32，使其降低株高提高抗倒性。用矮11b分别与19香、农香32杂交，种植f2群体，选择矮杆的单株，并提取dna,检测发现选择的矮杆单株均含有14bp的缺失突变，且能挑选到农艺性状较好的单株，矮杆单株株高较19香或农香32株高可降低5-30厘米不等。说明sdlr5可以应用于不同背景的水稻株高改良，特别是株高较高的水稻品种，且对农艺性状无明显的劣势影响。
78.实施例5突变基因和突变体在杂交水稻改良上的应用
79.以荃9311a为母本，矮11b为父本，通过连续回交育成矮杆优良三系不育系矮11a。以矮11a和荃9311a为母本，以r4-3、27占、筑农占110、19117r和钰禾为父本，分别配置10个杂交组合。种植这些杂交组合，以矮11a为母本的杂交组合均较荃9311a为母本的组合矮8-12厘米，平均株高降低9.89厘米。且矮11a配组后代的倒二、三、四节间长度极显著短于相同父本荃9311a的配组后代。倒伏指数测量发现矮11a配组后代的倒伏指数均小于荃9311a的后代(倒伏指数越小，抗倒性越好)。同时测量了分蘖数、每穗粒数、结实率和平均单株谷重，矮11a配组后代和荃9311a的配组后代之间无显著差异。成熟后期，组合荃9311a/27占发生倾斜，呈倒伏趋势，而矮11a/27占仍保持直立姿态，抗倒性明显提升。
80.由上述应用可知，本发明利用sdlr5上的14个碱基缺失突变，以及利用该缺失突变导入其它常规水稻或杂交水稻材料中，能产生植株矮化表型，可以直接在育种上利用。
81.实施例6其他应用
82.由于本发明克隆了sdlr5基因，证明了该基因具有水稻茎秆矮化控制的作用，且无明显的连锁累赘，因此，该基因可以直接应用于水稻矮化育种，抗倒伏育种和高产育种。矮杆水稻的培育可提高抗倒伏能力，回避或减少倒伏带来的减产、穗发芽、米质下降等一系列问题。该基因为负调控基因，可以通过诱变、基因敲除等手段，或者通过基因工程手段下调sdlr5基因的表达或下调sdlr5蛋白的翻译水平来实现上述育种目的。也可直接利用上述基因，及含有上述基因的各种生物材料通过转基因的方式来进行水稻育种改良。另外，也可以直接采用含有上述突变基因的突变体，与其他水稻材料进行杂交来进行水稻育种改良，尤其是那些本身株高较高、抗倒性较差的常规水稻或杂交水稻，将水稻株高降低到合适范围，在水稻育种中具有重要应用价值。
83.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；
而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.sdlr5突变蛋白、其编码基因或含有其编码基因的生物材料；所述生物材料为表达盒、载体、宿主细胞或重组菌；所述sdlr5突变蛋白具有以下任一项氨基酸序列：(1)如seq id no.5所示的氨基酸序列；(2)与seq id no.5所示的氨基酸序列具有至少85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％同一性的氨基酸序列，所述蛋白具有调控植物矮化的功能；(3)在seq id no.5所示的氨基酸序列中取代和/或缺失和/或增加一个或多个氨基酸残基所得的氨基酸序列，所述蛋白具有调控植物矮化的功能。2.sdlr5突变基因、其编码的蛋白或含有sdlr5突变基因的生物材料，其特征在于，所述sdlr5突变基因为在序列a所示的基因序列中的第4492位-4505位的14个碱基缺失的基因；或所述sdlr5基因的cdna序列为在seq id no.3所示的cdna序列中的914-927位的14个碱基缺失的序列；序列a是由seq id no.1和seq id no.2顺序连接组成的，其第1-6660bp为seq id no.1，第6661-10389bp为seq id no.2；所述生物材料为表达盒、载体、宿主细胞或重组菌。3.sdlr5蛋白、其编码基因或含有其编码基因的生物材料；所述生物材料为表达盒、载体、宿主细胞或重组菌；所述sdlr5蛋白具有以下任一项氨基酸序列：(1)如seq id no.4所示的氨基酸序列；(2)与seq id no.4所示的氨基酸序列具有至少85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％同一性的氨基酸序列，所述蛋白具有调控植物矮化的功能；(3)在seq id no.4所示的氨基酸序列中取代和/或缺失和/或增加一个或多个氨基酸残基所得的氨基酸序列，所述蛋白具有调控植物矮化的功能。4.sdlr5基因、其编码的蛋白或含有sdlr5基因的生物材料，其特征在于，所述sdlr5基因具有以下任一核苷酸序列：(1)序列a或seq id no.3所示的核苷酸序列或其互补序列；(2)与序列a或seq id no.3所示的核苷酸序列具有至少85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％同一性的序列，其编码的多肽具有调控植物矮化的功能；(3)在严格条件下与序列a或seq id no.3杂交的序列；(4)由序列a或seq id no.3所示的核苷酸序列通过取代和/或缺失和/或增加一个或多个核苷酸而获得的序列，其编码的多肽具有调控植物矮化的功能；序列a是由seq id no.1和seq id no.2顺序连接组成的，其第1-6660bp为seq id no.1，第6661-10389bp为seq id no.2；所述生物材料为表达盒、载体、宿主细胞或重组菌。5.蛋白、基因或生物材料在以下任一个、两个、三个或四个方面中的应用：(1)在调控水稻株高中的应用；(2)在水稻抗倒伏中的应用；(3)在调控水稻结实率中的应用；(4)在调控水稻产量中的应用；
所述蛋白、基因或生物材料选自以下任一种：(1)权利要求1所述sdlr5突变蛋白、其编码基因或含有其编码基因的生物材料；(2)权利要求2所述sdlr5突变基因、其编码的蛋白或含有sdlr5突变基因的生物材料；(3)权利要求3所述sdlr5蛋白、其编码基因或含有其编码基因的生物材料；(4)权利要求4所述sdlr5基因、其编码的蛋白或含有sdlr5基因的生物材料；优选的，所述应用为下述任一个、两个、三个或四个方面：(1)在降低杂交水稻株高中的应用；(2)在提高杂交水稻抗倒伏能力的应用；(3)在不降低杂交水稻结实率中的应用；(4)在提高杂交水稻产量中的应用；优选的，所述调控为负调控。6.一种水稻矮杆抗倒株系创制的方法，其特征在于，包括以下任一种：(1)敲除或者改变编码如序列a或seq id no.3所示的核苷酸序列，使所示序列发生缺失或变异，进而使得所述基因的活性水平下降或丧失；(2)抑制或者降低编码如seq id no.4所示氨基酸序列的核苷酸序列的表达，降低所述氨基酸序列对应多肽的表达水平；序列a是由seq id no.1和seq id no.2顺序连接组成的，其第1-6660bp为seq id no.1，第6661-10389bp为seq id no.2。7.根据权利要求6所述水稻矮杆抗倒株系创制的方法，其特征在于，包括缺失序列a所示序列中的第4492位-4505位的14个碱基。8.根据权利要求6所述水稻矮杆抗倒株系创制的方法，其特征在于，包括缺失seq id no.3所示序列中的914-927位的14个碱基。9.一种水稻茎秆矮化控制突变体在常规水稻改良中的应用，其特征在于，所述突变体通过杂交育种手段将突变基因转移到常规水稻品种，使水稻株高降低到合适范围，提高抗倒性；所述水稻茎秆矮化控制由权利要求6-8任一项方法创制得到。10.一种杂合矮杆杂交水稻的培育方法，其特征在于：包括，(1)使不育系携带矮化控制突变基因，恢复系携带矮化控制基因，不育系和恢复系配组产生杂合型杂交稻；或者(2)使恢复系携带矮化控制突变基因，不育系携带矮化控制基因，不育系和恢复系配组产生杂合型杂交稻；或者(3)使不育系携带矮化控制突变基因，恢复系携带矮化控制突变基因，不育系和恢复系配组产生纯合型矮杆杂交稻：所述矮化控制突变基因为权利要求1-2任一项中的基因；所述矮化控制基因为权利要求3-4任一项中的基因；优选的，所述矮化控制基因为编码具有如seq id no.4所示氨基酸序列的核苷酸序列；优选的，所述矮化控制基因的核苷酸序列如seq id no.3所示。

技术总结
本发明涉及植物基因工程和育种技术领域，尤其涉及一种调控作物矮化、抗倒、产量的基因及其应用。所述基因如序列A所示的基因序列，所述应用包括：调控水稻株高、水稻抗倒伏能力、水稻结实率和水稻产量。本发明还公开了一种水稻茎秆矮化控制突变基因，为在序列A所示的基因序列中的第4492位-4505位的14个碱基缺失的基因。本发明的茎秆矮化控制基因、蛋白、其突变基因、突变体可用来降低常规水稻和杂交水稻的株高，提高水稻的抗倒伏能力，降低因倒伏导致的产量损失，具有重要应用价值。具有重要应用价值。具有重要应用价值。


技术研发人员：陈金节 高用明 宋丰顺 赵辉 江正发 党云岳 包成 周辉 田松 王健 李长安 苟成飞 杨靖宇 张忠云 张连香 杨刚 简兴伟 李唐军 李祖一 杨勇
受保护的技术使用者：贵州筑农科种业有限责任公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/6