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?。↖nez 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胞的染色體DNA中。
[0033] 還提供這樣的方法，其中所述細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)基因植物細胞，該細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)基因植物細胞的個體植物與不包含至少一種轉(zhuǎn)基因植物細胞 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。
[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。