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脂氧合酶基因LOX6在调控水稻颖花发育中的应用

花匠小妙招
2025-09-27 01:41

本发明属于基因工程领域，特别涉及一种脂氧合酶基因lox6在调控水稻颖花发育中的应用。

背景技术：

1、“民为国基，谷为民命”，粮食安全是“国之大者”。但是近年来受新冠疫情、气候变化、地缘政治冲突等多种因素影响，全球粮食安全面临严峻挑战。根据联合国粮食与农业组织等权威机构报告，2021年全球受饥饿影响的人口已高达8.28亿，保障粮食安全刻不容缓。水稻是目前世界上大部分人口赖以生存的主粮之一，提高其产量是保障粮食安全的有效途径。水稻花器官既是繁殖器官，也是形成籽粒的基础，其发育直接影响稻谷产量和稻米品质。因此，研究水稻花器官的形态建成和调控机理，不仅对其它作物具有指导意义，对粮食生产也至关重要。

2、典型双子叶植物由外到内的四轮花器官依次为萼片、花瓣、雄蕊和心皮。早在1991年科学家们就提出了用于解释调控拟南芥四轮花器官发育机制的“abc”模型，而后又进一步发展为包括d类和e类基因的“abcde”模型。研究表明双子叶植物的“abcde”模型也部分适用于单子叶植物。水稻是单子叶植物的重要模式作物，其花器官的基本结构单位是小穗，1个小穗包含1朵小花，小花由外向内依次为1枚外稃、1枚内稃、2枚浆片、6枚雄蕊和1枚雌蕊。水稻花器官的变异不仅包括各轮结构的同源异型转化，而且包括各轮结构数目的变化，甚至产生新的轮结构。

3、近年来许多国内外研究者对水稻花器官发育的分子机理进行了系统研究，多个控制水稻花器官发育的基因被相继克隆，大部分属于mads-box基因家族。例如，a类基因osmads14、osmads15、osmads18以及osmads20主要调控水稻内稃、外稃和浆片的发育；b类基因osmads2、osmads4和osmads16主要作用于浆片和雄蕊的发育；c类基因osmads3、osmads58主要负责调控雄蕊和雌蕊的发育等。除了这些mads-box家族基因之外，一些其他类型的基因也参与了水稻花器官的发育过程。例如c类基因drooping leaf属于yabby基因家族，控制水稻外稃和心皮的发育。

4、植物激素可响应遗传和外界环境信号，在植物体特定的发育时期合成，是植物正常生长发育和适应环境生存的重要信号源。虽然“abcde”模型部分解释了水稻花器官的形态建成，但人们对该模型中关键调控基因是如何感应生长发育信号，又是如何参与调控花器官的后期形态建成等问题仍缺乏深入的认识。茉莉酸(jasmonic acid,ja)及其衍生物(统称为jas)作为重要的脂质衍生激素，广泛存在于发育初期小花和发育中的生殖器官等植物幼嫩组织中，茉莉酸合成和信号转导途径能够参与调控水稻花器官的发育。例如，拟南芥defective anther dehiscence1(dad1)编码叶绿体磷脂酶a1蛋白，催化ja生物合成的起始步骤，dad1突变导致花药开裂、花粉粒成熟和角果发育不良。水稻基因eg1是dad1的同源基因，eg1突变体护颖数目增加，浆片发育成类似护颖的结构，或者在心皮处长出类似于颖壳的重复结构或新的花器官原基。

5、脂氧合酶(loxs)是一类含有非血红素铁蛋白的脂肪酸双加氧酶家族，俗称：肪氧化酶、脂肪加氧酶或类胡萝卜素氧化酶，在植物、动物、微生物中都有广泛的分布。脂氧合酶(loxs)能参与多种代谢途径，研究表明lox能催化氧化多不饱和脂肪酸(pufas)形成氢过氧化物(hydroperoxides hpos)代谢产物，从而开启下游反应。在lox途径的众多代谢途径中，目前阐述较为清晰的是aos途径，即茉莉酸合成途径，lox能够催化ja的生物合成，且lox活性直接影响植物体内ja的水平。

技术实现思路

1、本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供脂氧合酶基因lox6在调控水稻颖花发育中的应用。

2、本发明的另一目的在于提供所述一种脂氧合酶基因lox6的突变体。

3、本发明的再一目的在于提供所述脂氧合酶基因lox6的突变体的应用。

4、本发明的目的通过下述技术方案实现：

5、脂氧合酶基因lox6在调控水稻颖花发育中的应用。

6、所述的脂氧合酶基因lox6在ncbi(national center for biotechnology information)上的基因编号(登录号)为loc9267158(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/9267158)，该基因位于水稻第4号染色体，该基因突变后可以使含有该突变的植株颖花发育异常，在同一穗上同时出现不同类型的颖花，依据突变体的颖壳形态，突变体的颖花可以分为4种类型：正常型(突变体和野生型无差别)、退化型(内稃存在不同程度的退化或缺失)、不闭型(两个稃片顶端呈弯钩状，不能闭合)、多稃型(与野生型相比，多一片类外稃结构)；其中，退化型颖花和不闭型颖花的雄蕊数目发生改变，相比于野生型(雄蕊6枚)，退化型颖花雄蕊数量≤6枚，不闭型颖花的雄蕊数量≥6枚，且不闭型颖花的雌蕊也出现异常，在突变体中出现多子房籽粒。

7、所述的调控水稻颖花发育通过脂氧合酶基因lox6突变的方式使水稻植株的颖花发育异常。

8、所述的颖花发育异常包括改变颖壳形态、改变雄蕊和雌蕊数目等。

9、所述的脂氧合酶基因lox6突变可通过甲基磺酸乙酯(ems)诱变的方式和/或基因编辑(如crispr/cas9等)的方式在脂氧合酶基因lox6序列中添加、取代、插入或缺失一个或多个核苷酸，或在脂氧合酶基因lox6编码蛋白序列中添加、取代、插入或缺失一个或多个氨基酸，以抑制脂氧合酶基因lox6或其编码蛋白的表达，进而影响到水稻颖花的发育；优选为通过如下任一种方式实现：

10、(a)脂氧合酶基因lox6第七个外显子的第735位碱基c替换为碱基t；

11、(b)脂氧合酶基因lox6第一个外显子的第11位与第12位之间插入1个碱基t；

12、(c)脂氧合酶基因lox6第七个外显子的第729位与第730位之间插入1个碱基g；

13、(d)脂氧合酶基因lox6第一个外显子的第14位至第17位缺失4个碱基agtt。

14、一种脂氧合酶基因lox6的突变体，核苷酸序列为如下任意一种：

15、(a)脂氧合酶基因lox6第七个外显子的第735位碱基c替换为碱基t；

16、(b)脂氧合酶基因lox6第一个外显子的第11位与第12位之间插入1个碱基t；

17、(c)脂氧合酶基因lox6第七个外显子的第729位与第730位之间插入1个碱基g；

18、(d)脂氧合酶基因lox6第一个外显子的第14位至第17位缺失4个碱基agtt。

19、含有所述脂氧合酶基因lox6的突变体的表达载体、重组微生物或转基因细胞系。

20、所述的宿主细胞包括大肠杆菌细胞、农杆菌细胞或植物细胞。

21、所述的植物优选为水稻。

22、所述的脂氧合酶基因lox6的突变体在调控水稻颖花发育中的应用。

23、所述的脂氧合酶基因lox6的突变体在制备转基因水稻中的应用。

24、所述的转基因水稻包括多花小穗水稻等。

25、一种用于编辑所述脂氧合酶基因lox6的grna靶序列在调控水稻颖花发育中的应用，其中，所述脂氧合酶基因lox6的grna靶序列如下：

26、(1)位于脂氧合酶基因lox6第一个外显子的第1位至第23位，其核苷酸序列如seqid no.3所示；

27、(2)位于脂氧合酶基因lox6第七个外显子的第720位至第741位，其核苷酸序列如seq id no.4所示。

28、本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

29、(1)本发明通过ems诱变获得水稻颖花发育异常突变体，通过mutmap+方法分离到了颖花发育控制基因lox6，该基因编码一个脂氧合酶，该基因发生突变后导致lox6的第917位氨基酸由脯氨酸变为亮氨酸(即脂氧合酶基因lox6第七个外显子的第735位碱基c替换为碱基t)，造成水稻颖花发育异常，为培育多花小穗提供理论基础。

30、(2)本发明中获得的颖花发育突变体lox6，会造成水稻颖花发育异常，说明脂氧合酶基因lox6的正常功能对水稻颖花的发育很重要，对脂氧合酶基因lox6的研究为后续研究水稻颖花发育提供了新的基因资源。

31、(3)本发明可采用crispr/cas9系统实现对水稻脂氧合酶基因lox6的编辑，提供了可行的grna靶序列。

32、(4)本发明通过crispr/cas9敲除的方式获得脂氧合酶基因lox6突变体，发现其敲除植株的颖花发育异常，即脂氧合酶基因lox6突变会影响到水稻颖花发育，因此，对脂氧合酶基因lox6的研究有助于阐明和丰富水稻颖花发育的分子机制。