一种基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法
本发明涉及作物遗传育种，尤其涉及一种基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法。
背景技术：
1、小麦为我国的重要粮食作物，其生产能力及供需状况始终关系到我国国民经济发展和粮食安全等重大战略问题。由于我国人口刚性增长、城市化和工业化进程的发展，小麦种植面积不可能大幅度恢复增长，要保障我国小麦的主体自给，唯一的出路是继续提高单产。目前小麦单产水平的提高，主要是由于品种产量潜力遗传改良和生产条件改善的结果，而产量潜力的遗传改良主要是通过小麦形态性状的改良来实现的，在现有小麦品种产量水平已相对较高，叶面积指数和收获系数都已接近极限的情况下，再单纯依靠形态性状的遗传改良已很难获得小麦产量潜力的跨越式提高。在此背景下，国内外许多学者把目光纷纷投向小麦光能转化效率的遗传改良研究，希望通过提高光合效率来实现生物学产量的大幅度提高，进而获得小麦产量潜力改良的突破性进展。
2、光合作用是一切绿色植物物质生产的基础，作物90％以上的干物质来源于光合作用。根据co2固定方式的不同，高等植物可分为c3、c4和景天酸(cam)植物。其中，玉米、高粱、甘蔗等c4植物具有co2浓缩机制，光补偿点高，co2补偿点低，光呼吸弱，特别在高温、干旱等逆境条件下具有明显的生长优势，因而生物学产量远远高于小麦、水稻等c3植物(一般高1.5-3倍)。因此，将c4途径高光效系统引入小麦、水稻等c3农作物中，改善c3作物光合作用的内在遗传基础，通过大幅度提高光合效率来带动生物学产量和籽粒产量的提高一直是植物生物科学研究的前沿课题。就技术途径而言，有性杂交方法难以克服c4与c3植物间因遗传距离造成的不育，转基因技术由于可以打破物种的生殖隔离，实现不同物种在基因水平的交流和多个优良性状的聚合，因此，将c4途径关键酶基因通过转基因途径导入c3作物已成为c3作物高光效育种研究的重要突破口。
3、本研究基于上述技术现状进一步开发了一整套技术体系和操作方法，以基于玉米高光效遗传特性对c3作物进行遗传改良。
技术实现思路
1、本发明为了解决上述的问题，提供了一种基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法，所采用的技术方案如下：
2、一种基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法，根据特定的数据指标筛选获取承载有玉米高光效遗传育种特性的高光效基因供体材料及高光效基因供体材料中的目标基因或目标基因组合，并基于上述目标基因或目标基因组合转化c3作物，获得与野生作物相比具有更高光和效率和/或具有更高产量潜力的目标c3作物。
3、作为本发明的一种优选技术方案，构建以光效基因酶活性和净光合速率为核心的数据指标，同时允许按需增加其他参考指标，然后依照上述数据指标，并基于大群体玉米自交系材料筛选的获得在光效基因酶活性和净光合速率这两个核心指标及其他参考指标上均表现优良的种质资源作为高光效基因供体材料，从中筛选获取一至多个承载玉米高光效遗传育种特性的目标基因或目标基因组合，并将上述一至多个承载玉米高光效遗传育种特性的目标基因导入c3作物中，以获得与野生作物相比具有更高光和效率和/或具有更高产量潜力的目标c3作物。
4、作为本发明的一种优选技术方案，该方法包括如下可选的操作步骤：
5、1)高光效基因供体材料及其目标基因组合的筛选；
6、2)高效表达载体的构建；
7、3)高光效基因分步转化普通c3作物。
8、作为本发明的一种优选技术方案，该所述方法还包括如下可选后续步骤：
9、4)转高光效基因c3作物植株的分子鉴定；
10、5)转高效基因c3作物植株的光合生理指标测定；
11、6)转高光效基因c3作物及受体产量指标测定；
12、7)选择具有高光效特性的转基因c3作物。
13、作为本发明的一种优选技术方案，从大量玉米自交系中筛选高光效基因酶活性和净光合速率均较高的材料作为高光效基因供体材料，利用便携式光合测定系统测定所述玉米自交系的叶片净光合速率，每株测定三次，取其平均值，测定时叶室温度为23℃左右，光照强度1300μmolm-2s-1左右。
14、作为本发明的一种优选技术方案，所述目标基因组合包括：来自高光效基因供体材料的玉米磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因基因pepc和丙酮酸磷酸双激酶基因ppdk。
15、作为本发明的一种优选技术方案，所述高效表达载体的构建是将高光效基因插入到高效表达载体pcambia3301中。
16、作为本发明的一种优选技术方案，所述高光效基因分步转化普通c3作物的操作步骤为：先利用基因枪介导法将高光效基因pepc导入普通c3作物中，选择转pepc基因阳性植株且光合速率较对照明显提高的转基因植株作为受体材料，再利用基因枪介导法转入另一高光效基因ppdk。
17、作为本发明的一种优选技术方案，所述转高光效基因c3作物植株的分子鉴定通过pcr、rt-pcr、westernblot等方法，鉴定外源基因在转基因c3作物植株中整合、转录和表达。
18、本发明还包括所述的方法中涉及到的重组表达载体、转基因细胞系、转化体和该方法所制备的转基因作物；所述转基因作物具体为：小麦、水稻及其他常规c3作物。
19、本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
20、总体上，本研究从大量玉米自交系中筛选获得了酶活性和光合速率均高的高光效基因供体材料，并从中分离克隆了高光效基因pepc，构建了高效表达载体，通过基因枪介导法将其导入普通小麦中，该转基因小麦的pepc酶活性、净光合速率和产量均明显高于对照。
21、进一步，本发明在获得高光效转基因小麦的过程中，发现高光效基因的来源在很大程度上影响转基因小麦光合特性的改善及其产量的提高，因此从大量玉米自交系中筛选高光效基因供体材料，获得的两个高光效基因分步导入普通小麦中，可明显改善转基因小麦的光合特性，且提高产量水平。
技术特征：
1.一种基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法，其特征在于，根据特定的数据指标筛选获取承载有玉米高光效遗传育种特性的高光效基因供体材料及高光效基因供体材料中的目标基因或目标基因组合，并基于上述目标基因或目标基因组合转化c3作物，获得与野生作物相比具有更高光和效率和/或具有更高产量潜力的目标c3作物。
2.根据权利要求1所述的一种基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法，其特征在于，构建以光效基因酶活性和净光合速率为核心的数据指标，同时允许按需增加其他参考指标，然后依照上述数据指标，并基于大群体玉米自交系材料筛选的获得在光效基因酶活性和净光合速率这两个核心指标及其他参考指标上均表现优良的种质资源作为高光效基因供体材料，从中筛选获取一至多个承载玉米高光效遗传育种特性的目标基因或目标基因组合，并将上述一至多个承载玉米高光效遗传育种特性的目标基因导入c3作物中，以获得与野生作物相比具有更高光和效率和/或具有更高产量潜力的目标c3作物。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法，其特征在于，该方法包括如下可选的操作步骤：
4.根据权利要求3所述的基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法，其特征在于，该所述方法还包括如下可选后续步骤：
5.根据权利要求3所述的一种基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法，其特征在于，从大量玉米自交系中筛选高光效基因酶活性和净光合速率均较高的材料作为高光效基因供体材料，利用便携式光合测定系统测定所述玉米自交系的叶片净光合速率，每株测定三次，取其平均值，测定时叶室温度为23℃左右，光照强度1300µmol m-2s-1左右。
6.根据权利要求5所述的一种基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法，其特征在于，所述目标基因组合包括：来自高光效基因供体材料的玉米磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因基因pepc和丙酮酸磷酸双激酶基因ppdk。
7.根据权利要求6所述的一种基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法，其特征在于，所述高效表达载体的构建是将高光效基因插入到高效表达载体pcambia3301中。
8.根据权利要求7所述的一种基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法，其特征在于，所述高光效基因分步转化普通c3作物的操作步骤为：先利用基因枪介导法将高光效基因pepc导入普通c3作物中，选择转pepc基因阳性植株且光合速率较对照明显提高的转基因植株作为受体材料，再利用基因枪介导法转入另一高光效基因ppdk。
9.根据权利要求4所述的一种基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法，其特征在于，所述转高光效基因c3作物植株的分子鉴定通过pcr、rt-pcr、western blot等方法，鉴定外源基因在转基因c3作物植株中整合、转录和表达。
10.权利要求1-9任一项所述中涉及到的重组表达载体、转基因细胞系、转化体和该方法所制备的转基因作物；所述转基因作物具体为：小麦、水稻及其他常规c3作物。
技术总结
本发明公开一种基于玉米高光效遗传育种特性的转基因作物培育方法，包括根据特定的数据指标筛选获取承载有玉米高光效遗传育种特性的高光效基因供体材料及高光效基因供体材料中的目标基因或目标基因组合，并基于上述目标基因或目标基因组合转化C3作物，获得与野生作物相比具有更高光和效率和/或具有更高产量潜力的目标C3作物。本申请，从大量玉米自交系中筛选获得了酶活性和光合速率均高的高光效基因供体材料，并从中分离克隆高光效基因PEPC，构建高效表达载体，通过基因枪介导法将其导入普通小麦中，该转基因小麦的PEPC酶活性、净光合速率和产量均明显高于对照，并获得了高光效转基因小麦，同时也为水稻等其它C3作物高光效育种研究提供很好的借鉴。
技术研发人员：焦付超,刘梦洁,陈景堂,王铭,张海艳
受保护的技术使用者：青岛农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/23
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