用于提高谷物產(chǎn)量的育種方法及相關(guān)材料與方法
【專利說明】用于提高谷物產(chǎn)量的育種方法及相關(guān)材料與方法
[0001] 發(fā)明人：石丸努（Tsutomo Ishimaru)，伊內(nèi)茲?霍滕斯·薩爾梅-勒丁（Inez Salmet-Loedin)，藤田大輔（Daisuke Fujita)，庫爾尼亞萬?魯?shù)?特里亞特米科 (Kumiawan Trijatmiko)，小出陽平（Yohei Koide)，佐佐木和浩（Kazuhiro Sasaki)，尼古 勞斯·Κ·察基爾帕洛格盧（Nikolaos Tsakipaloglou)，福田善道（Yoshimichi Fukuta)， 小林伸哉（Nobuya Kobayashi)
[0002] 相關(guān)申請引用
[0003] 本申請要求2013年2月1日提交的美國臨時申請?zhí)?1/759,408的優(yōu)先權(quán)，其全 部公開內(nèi)容在此通過引用明確并入本文以用于所有目的。
[0004] 序列表
[0005] 本申請含有已經(jīng)通過EFS-網(wǎng)提交的序列表并且其在此通過引用以其整體并入。 在2014年2月3日制作的ASCII副本命名為53-55557-IRRI-13-002_SL且大小為103, 543 由一K- 字Tl。
【背景技術(shù)】
[0006] 預(yù)計世界人口在2050年將超過90億。其中大部分增長將發(fā)生在亞洲和非洲的發(fā) 展中國家。到2035年，增加26%的水稻產(chǎn)量對于養(yǎng)活不斷增加的人口將是至關(guān)重要的。盡 管在1960年代的綠色革命導(dǎo)致了增加的糧食生產(chǎn)，但是從那以后在增產(chǎn)水稻潛力上并沒 有取得什么大的進(jìn)展。
[0007] 水稻（Oryza sativa L.)為超過30億人的主食，主要在亞洲。秈稻（Indica)品種 種植于中國南方、東南亞和南亞，占世界水稻主產(chǎn)區(qū)的約70%，而粳稻（japonica)品種主 要種植在東亞。由于城市化和工業(yè)化，在東南亞和南亞迫切需要增加秈稻品種的產(chǎn)量。此 外，對于局部地區(qū)所采用的新品種，谷物品質(zhì)好（影響市場價值）和產(chǎn)量高是至關(guān)重要的。
[0008] 水稻谷物產(chǎn)量（谷粒產(chǎn)量、糧食產(chǎn)量，grain yield)由每穗小穗數(shù)、單株穗數(shù)、粒 重和小穗育性確定。盡管已經(jīng)確定了產(chǎn)量構(gòu)成因素的許多數(shù)量性狀基因座（QTL)，但是迄 今很少被分離。到目前為止，已經(jīng)從天然變異中分離出了至少九個水稻產(chǎn)量相關(guān)性狀的 基因或基因座：對于谷粒數(shù)量的Gnla和APOl ;對于谷粒大小的GS3、GW2和qSW5 ;對于穗 (panicle)結(jié)構(gòu)的DEPl和WFP ;對于壯桿（strong culm)的SCM2 ;和對于晚抽穗（heading) 和谷粒數(shù)的Ghd7。在田間試驗中，AP01、SCM2和DEPl增加了粳稻遺傳背景中的谷物產(chǎn)量。 但是，還未報道為提高秈稻品種的谷物產(chǎn)量的新克隆基因。
[0009] 為了產(chǎn)生更高產(chǎn)量的品種以有助于滿足日益增長的水稻生產(chǎn)需求，識別能夠提高 秈稻品種谷物產(chǎn)量的基因是必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明提供了用于生產(chǎn)具有提高的谷物產(chǎn)量的子代水稻植物的方法，包含：提供 包含基因 SPIKE的第一水稻植物；使該第一水稻植物與第二水稻植物雜交，以生產(chǎn)子代水 稻植物；分析所述第二水稻植物的基因 SPIKE ;識別并選擇包含基因 SPIKE并且相對于所述 第二水稻植物具有提高的谷物產(chǎn)量的子代水稻植物。
[0011] 還提供這樣的方法，其中所述基因 SPIKE包含選自于由SEQ ID NO: I ;SEQ ID NO:2 ；SEQ ID NO:94 ；SEQ ID NO:95 ；SEQ ID NO:96 ；SEQ ID NO:97 ；SEQ ID NO:98 ；SEQ ID N0:99;SEQIDN0:100;SEQIDN0:101;和SEQIDN0:102構(gòu)成的組的多核苷酸序列。
[0012] 還提供這樣的方法，其中所述基因 SPIKE包含一種多核苷酸序列，該多核苷酸 序列至少70%、至少75 %、至少80 %、至少85 %、至少90 %、至少95 %、至少96 %、至少 97%、至少 98%、至少 99%、或 100% 同一于選自于由 SEQ ID N0:1;SEQ ID N0:2;SEQ ID N0:94 ；SEQ ID N0:95 ；SEQ ID N0:96 ；SEQ ID N0:97 ；SEQ ID N0:98 ；SEQ ID N0:99 ；SEQ ID NO: 100 ;SEQ ID NO: 101;和 SEQ ID NO: 102 構(gòu)成的組的序列。
[0013] 還提供這樣的方法，其中所述基因 SPIKE包含一種多核苷酸序列，該多核苷酸序 列至少70%、至少75%、至少80%、至少85%、至少90%、至少95%、至少96%、至少97%、 至少 98%、至少 99%、或 100% 同一于 SEQ ID N0:2。
[0014] 還提供這樣的方法，其中所述基因 SPIKE是通過檢測如下來識別的：第一上游分 子標(biāo)記，其選自于由RM5503 ;RM3423 ;和Ind4構(gòu)成的組；以及第二下游分子標(biāo)記，其選自于 由 RM6909 ;AGT3 ;RM17487 ;RM17486 ;和 Indl2 構(gòu)成的組。
[0015] 還提供這樣的方法，其中所述基因 SPIKE是通過檢測選自于由RM3423和Ind4構(gòu) 成的組的第一上游分子標(biāo)記以及選自于由AGT3、RM17487、RM17486和Indl2構(gòu)成的組的第 二下游分子標(biāo)記來識別的，其中所述第一上游和第二下游分子標(biāo)記是使用表1中所列的相 應(yīng)正向和反向引物來檢測的。
[0016] 還提供這樣的方法，其中所述基因 SPIKE是通過檢測約105個堿基對的 第一分子標(biāo)記 Ind2(正向引物：ACAAGAAGCCGGGAAACCTA(SEQ ID N0:27);反向引 物：CTCCTCCGGTCCTCCTTAAC(SEQ ID N0:28))以及約252個堿基對的第二分子標(biāo) 記 RM17487(正向引物：CGGAGCATGTGGAGAGGAACTCG(SEQ ID N0:55);反向引物： GGAGAGGGCAAGGGCTTCTTCG(SEQ ID NO:56))來識別的。
[0017] 本發(fā)明還提供了生產(chǎn)具有提高的谷物產(chǎn)量（grain yield)的近交水稻植物 (inbred rice plant)的方法，其包含：根據(jù)本文提供的方法生產(chǎn)具有提高的谷物產(chǎn)量的水 稻植物；將產(chǎn)生的所述水稻植物與其自身或另一種水稻植物雜交（cross)，以產(chǎn)生子代水 稻種子；種植所述子代水稻種子以產(chǎn)生具有提高的谷物產(chǎn)量的額外水稻植物；和重復(fù)所述 雜交和種植步驟0~7次以產(chǎn)生具有提高的谷物產(chǎn)量的近交水稻植物。
[0018] 還提供這樣的方法，其中分析所述第二水稻植物的基因 SPIKE的步驟進(jìn)一步包含 步驟：識別并選擇表現(xiàn)出提高的谷物產(chǎn)量的水稻植物。
[0019] 還提供這樣的方法，其中所述方法進(jìn)一步包含步驟：選擇純合子近交水稻植物。
[0020] 本發(fā)明還提供了用于生產(chǎn)具有提高的谷物產(chǎn)量的水稻植物的方法，所述方法包 含：提供包含基因 SPIKE的第一水稻植物；將編碼基因 SPIKE的核酸從所述第一水稻植 物轉(zhuǎn)移至第二水稻植物中；分析所述第二水稻植物的基因 SPIKE ;識別并且選擇包含基因 SPIKE并且當(dāng)與所述轉(zhuǎn)移之前的第二水稻植物相比時表現(xiàn)出提高的谷物產(chǎn)量的第二水稻植 物。
[0021] 還提供這樣的方法，其中所述核酸從第一水稻植物向第二水稻植物的轉(zhuǎn)移是通過 使第一水稻植物與第二水稻植物雜交以生產(chǎn)包含基因 SPIKE的后代植物來實施的，并且其 中對一個或多個后代植物進(jìn)行步驟：分析第二水稻植物的基因 SPIKE，以及識別并選擇包 含基因 SPIKE并且當(dāng)與所述轉(zhuǎn)移之前的第二水稻植物相比時表現(xiàn)出提高的谷物產(chǎn)量的第 二水稻植物。
[0022] 還提供這樣的方法，其中所述核酸從第一水稻植物向第二水稻植物的轉(zhuǎn)移是通過 轉(zhuǎn)基因方法、通過雜交、通過回交、通過原生質(zhì)體融合（protoplast fusion)、通過雙單倍體 技術(shù)（doubled haploid technique)或通過胚極救（embryo rescue)來實施的。
[0023] 還提供這樣的方法，其中回交引起基因 SPIKE的基因滲入（漸滲， ;[111：1'08代88；[011)，以及第二水稻植物基因組的至少85%、至少87%、至少90%、至少92%、 至少94 %、至少96 %、或至少98 %的恢復(fù)（recovery)。
[0024] 還提供這樣的方法，其中第二水稻植物基因組的恢復(fù)為92%~97%。
[0025] 還提供這樣的方法，其中識別并選擇包含基因 SPIKE并且當(dāng)與轉(zhuǎn)移之前的第二水 稻植物相比時表現(xiàn)出提高的谷物產(chǎn)量的第二水稻植物的步驟進(jìn)一步包含：使第二水稻植物 經(jīng)受生物測定以測量谷物產(chǎn)量。
[0026] 本發(fā)明還提供了通過本文的方法產(chǎn)生的具有提高的谷物產(chǎn)量的水稻植物或其部 分，其中所述水稻植物或其部分包含基因 SPIKE，并且其中所述基因 SPIKE不處于其天然遺 傳背景中。
[0027] 還提供這樣的方法，其中所述第一水稻植物選自于來源于新株型（NPT，New Plant Type)品種YP9的水稻植物的等基因系（isogenic line)。
[0028] 還提供這樣的方法，其中所述第一水稻植物選自于水稻（Oryza sativa)亞種熱帶 梗稻（tropical japonica) 〇
[0029] 還提供這樣的方法，其中所述第一水稻植物為Daringan。
[0030] 還提供這樣的方法，其中所述第二水稻植物選自于水稻（Oryza sativa)亞種秈稻 (indica)〇
[0031] 還提供這樣的方法，其中所述第二水稻植物選自于由PSBRcl8、Ciherang、TDK1、 BRl 1、和Swarna組成的組。
[0032] 本發(fā)明還提供了轉(zhuǎn)基因植物細(xì)胞，其包含：至少一種植物啟動子；和至少一種編 碼至少70%同一于蛋白質(zhì)SPIKE的多肽序列（SEQ ID N0:3)的多肽序列的多核苷酸；其中 所述啟動子和多核苷酸被可操作地連接并并入到所述植物細(xì)胞的染色體DNA中。
[0033] 還提供這樣的方法，其中所述細(xì)胞的類型選自于由水稻、小麥、高粱和玉米所構(gòu)成 的組。
[0034] 還提供這樣的方法，其中所述植物細(xì)胞對于基因 SPIKE是純合的。
[0035] 本發(fā)明還提供了包含本文植物的多個細(xì)胞的轉(zhuǎn)基因植物。
[0036] 本發(fā)明還提供了轉(zhuǎn)基因植物，其包含：至少一種植物啟動子；和至少一種至少 70%同一于SPIKE的多核苷酸序列的多核苷酸序列；其中所述啟動子和多核苷酸可操作地 連接并并入到所述植物的染色體DNA中。
[0037] 本發(fā)明還提供了植物，其中所述植物選自于由水稻、小麥、高粱和玉米構(gòu)成的組。
[0038] 還提供這樣的植物，其中所述植物為水稻植物。
[0039] 還提供這樣的植物，其中所述多核苷酸序列至少70%、至少75%、至少80%、至少 85%、至少90%、至少95%、至少96%、至少97%、至少98%、至少99%、或100%同一于 SPIKE的多核苷酸序列。
[0040] 還提供這樣的植物，其中所述植物對于基因 SPIKE是純合的。
[0041] 本發(fā)明還提供了本文的植物的種子。
[0042] 本發(fā)明還提供了本文的植物的植物部分。
[0043] 本發(fā)明還提供了本文的植物，其中所述植物表現(xiàn)出選自于由如下構(gòu)成的組的表 型：相對于相應(yīng)非轉(zhuǎn)基因植物的增加的谷物產(chǎn)量/m 2;相對于相應(yīng)非轉(zhuǎn)基因植物的增加的總 小穗數(shù)/穗；和相對于相應(yīng)非轉(zhuǎn)基因植物的增加的旗葉（flag leaf)寬度。
[0044] 本發(fā)明還提供了用于選擇轉(zhuǎn)基因植物的方法，包含：篩選群體中提高的谷物產(chǎn)量， 其中所述群體中的植物包含至少一種轉(zhuǎn)基因植物細(xì)胞，該細(xì)胞具有并入到其染色體DNA中 的重組DNA，其中所述重組DNA包含啟動子，該啟動子在在植物細(xì)胞中是功能性的并且功能 性地連接至至少70%同一于SPIKE的多核苷酸序列的多核苷酸序列的開放閱讀框，其中所 述群體中的包含至少一種轉(zhuǎn)基因植物細(xì)胞的個體植物與不包含至少一種轉(zhuǎn)基因植物細(xì)胞 的對照植物的谷物產(chǎn)量相比表現(xiàn)出相同或更高的谷物產(chǎn)量；以及從所述群體中選擇一種或 多種植物，所述植物表現(xiàn)出比不包含至少一種轉(zhuǎn)基因植物細(xì)胞的對照植物的谷物產(chǎn)量更高 的谷物產(chǎn)量。
[0045] 還提供這樣的方法，其進(jìn)一步包含步驟：從所述一種或多種植物收集種子，所述植 物是在從所述群體中選擇表現(xiàn)出比不包含至少一種轉(zhuǎn)基因植物細(xì)胞的對照植物的谷物產(chǎn) 量更高的谷物產(chǎn)量的一種或多種植物的步驟中選擇的。
[0046] 還提供這樣的方法，其進(jìn)一步包含：驗證所述重組DNA被穩(wěn)定地整合到所選擇的 植物中；和分析所選擇的植物的組織以確定至少70%同一于SPIKE的多核苷酸序列的多核 苷酸序列的表達(dá)。
[0047] 本發(fā)明還提供了提高谷物草（禾谷植物，cereal grass)的谷物產(chǎn)量的方法，包 含：使第一種類（品種，variety)谷物草的植物與第二種類（品種，variety)的谷物草雜 交，其中所述第一種類包含包括相應(yīng)于基因 SPIKE的多核苷酸序列的染色體DNA，其中所述 第二種類不包含包括相應(yīng)于基因 SPIKE的多核苷序列的染色體DNA ;選擇一個或多個子代 植物，該植物具有包括相應(yīng)于基因 SPIKE的多核苷酸序列的染色體DNA ;回交所選擇的子 代植物以生產(chǎn)回交子代植物；選擇一個或多個回交子代植物，該植物具有包括相應(yīng)于基因 SPIKE的多核苷酸序列的雜色體DNA ;重復(fù)步驟'回交所選擇的子代植物以生產(chǎn)回交子代植 物'和步驟'選擇具有包括相應(yīng)于基因 SPIKE的多核苷酸序列的染色體DNA的一個或多個 回交子代植物'一次或多次，以生產(chǎn)第三或更高代回交子代植物，該植物具有包括相應(yīng)于基 因 SPIKE的多核苷酸序列的染色體DNA、以及在與所述第一種類谷物草雜交之前的所述第 二種類谷物草的全部生理和形態(tài)特性。
[0048] 還提供這樣的方法，其中所述谷物草選自于由水稻、小麥、高粱和玉米構(gòu)成的組。
[0049] 還提供這樣的方法，其中所述谷物草為水稻。
[0050] 還提供這樣的方法，其中所述第一種類的谷物草選自于源于新株型（NPT)品種 YP9的水稻植物的等基因系。
[0051] 還提供這樣的方法，其中所述第一種類的谷物草選自于水稻亞種熱帶粳稻。