一种烟草NtHCF90基因及其在增强植物的光保护能力中的应用的制作方法

本发明涉及植物基因工程，具体涉及烟草nthcf90基因以及该基因在提高植物光保护能力、增强高光与波动光环境适应性、改善光合效率及促进生长发育中的应用。

背景技术：

1、光合作用是植物将光能转化为化学能的核心代谢过程，是作物产量形成和生物量积累的物质基础。在自然环境条件下，光照强度往往处于频繁波动状态，云层移动、冠层遮荫以及日出日落等因素均可导致植物接受的光能在短时间内发生剧烈变化。当光照强度突然增强超过植物光合系统的利用能力时，过剩的光能会导致光合系统ii（psii）反应中心产生大量活性氧，引发光抑制甚至光氧化损伤，表现为psii反应中心受损、电子传递链受阻、光合效率下降，最终抑制植物生长与生物量积累。因此，植物在长期进化过程中形成了一系列光保护机制，以耗散过剩光能并维持光合系统的稳定性。

2、非光化学猝灭（non-photochemical quenching, npq）是植物最重要的光保护机制之一，其通过将psii反应中心捕获的过剩光能以热能形式安全耗散，从而降低反应中心周围的活性氧积累，减轻光氧化损伤，维持光合系统的结构与功能稳定。npq过程涉及多个层面的调控，包括天线复合体的构象变化、叶黄素循环的参与以及psii反应中心周边蛋白的调控等。在自然界中，植物不仅需要应对持续的高光胁迫，还需要在光照强度频繁波动的环境中快速启动和解除光保护机制，以实现光能的高效利用与光合结构的保护之间的动态平衡。当光保护机制启动迟缓或解除缓慢时，植物在光强骤变时容易遭受光损伤或浪费光能；因此，光保护机制的动态调控能力对于植物在波动光环境下的生存和生长至关重要。

3、在植物光保护机制的分子调控研究中，已有一些关键组分被鉴定。例如，psbs蛋白作为npq的主要调控因子，通过感应类囊体腔的酸化状态触发天线复合体的构象变化，从而促进过剩光能的热耗散。d1蛋白是psii反应中心的核心组分，其周转修复效率直接影响psii在光抑制后的恢复能力。然而，上述已知基因多在模式植物拟南芥中被鉴定和功能解析，其在烟草等经济作物中的功能保守性尚未得到系统验证。

4、此外，更为重要的是，单一已知基因的过表达往往只能部分缓解光抑制，难以同时提升psii修复效率与npq响应速度，且对于植物在波动光照条件下的快速适应能力的改善效果有限，难以满足大田生产条件下作物高产稳产的实际需求。

5、烟草作为重要的经济作物和模式植物，其光合特性与产量品质密切相关，挖掘烟草中调控高光适应性和光保护能力的关键基因，对于培育耐高光、适应波动光照的优良品种具有重要的理论意义和实践价值。

技术实现思路

1、针对现有技术中缺乏能够同时提高植物高光适应性、增强光保护动态调控能力并促进波动光照下生长发育的有效基因资源的问题，本发明提供了一种烟草nthcf90基因及其在增强植物光保护能力及高光适应性中的应用。本发明提供了一种烟草nthcf90基因，并构建了nthcf90基因的过表达转基因株系，系统研究了该基因在调控光合特性、光保护机制和生长发育中的功能，明确了nthcf90基因在正向调控烟草高光适应性与光保护效能中的关键作用。

2、本发明的具体技术方案为：

3、本发明从烟草中筛选并克隆得到一种烟草nthcf90基因，其cdna核苷酸序列如seqid no.1所示，该基因编码的蛋白质氨基酸序列如seq id no.2所示。

4、经本发明研究发现，如seq id no.1所示nthcf90基因的编码蛋白定位于叶绿体及叶绿体相关膜结构，在烟草叶片与腋芽中高表达，根部表达量较低，参与psii功能调控与光保护过程。

5、在一实施例中显示，构建如seq id no.1所示nthcf90基因过表达的转基因株系，其在高光强和波动光照环境下的环境适应性增强，具体为，相比于未进行nthcf90基因过表达的株系，显著地提升烟草高光环境下的净光合速率、最大光合速率与光饱和点，增强电子传递效率与非光化学猝灭能力，提高psii热耗散水平，加快光保护的启动与缓解动态，减轻光损伤；在波动光照下，转基因植株叶片数量增多、叶面积增大、长势更旺盛，光适应与光保护能力显著增强。

6、进一步地，本发明提供了烟草nthcf90蛋白的编码基因。

7、本发明还提供包含上述基因的重组表达载体及重组宿主细胞。所述重组表达载体可通过将nthcf90基因的编码区序列连接至植物过表达载体构建获得；所述重组宿主细胞可通过将重组表达载体转化至农杆菌等宿主中获得，用于后续的植物遗传转化。

8、进一步地，本发明提供了上述促进植物生长的编码基因的重组表达载体，所述重组表达载体包含上述基因。

9、进一步地，本发明提供了一种重组宿主细胞，所述重组宿主细胞包含上述重组表达载体。

10、作为优选，所述重组宿主细胞选自为大肠杆菌、根癌农杆菌细胞、植物细胞。

11、本发明还提供所述nthcf90基因或蛋白在提高植物高光适应性和光保护能力中的应用。

12、一实施例中，植物高光适应性和光保护能力提高，其表现为自然条件的波动光照环境下，转基因植株表现出叶片数量增多、叶面积增大、整体长势更旺盛的营养生长优势。或者，在高光强和波动光照环境下的环境适应性增强，显著地提升烟草高光环境下的净光合速率、最大光合速率与光饱和点，增强电子传递效率与非光化学猝灭能力，提高psii热耗散水平，加快光保护的启动与缓解动态，减轻光损伤。

13、本发明还提供一种提高植物高光适应性和光保护能力的方法，其包括将上述基因的或上述基因的重组表达载体导入植物中，获得过表达nthcf90蛋白的转基因植物，从而提高植物在高光强环境下的高光适应性和波动光照环境下的光保护能力。所述植物包括但不限于烟草、番茄、水稻或拟南芥。所述导入优选通过农杆菌介导的遗传转化方法进行。

14、与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

15、本发明过表达seq id no.2所示的nthcf90蛋白或seq id no.1所示的nthcf90基因，显著提高了烟草在高光强下的净光合速率、最大光合速率和光饱和点，增强了高光环境下的光合能力，同时通过提高气孔导度和蒸腾速率促进了气体交换过程中的热量散失；显著提升了高光强下非光化学猝灭的诱导速度与峰值，加快了光保护解除后的恢复速率，增强了psii反应中心的热耗散能力，有效减轻了光抑制损伤；在模拟自然条件的波动光照环境下，转基因植株表现出叶片数量增多、叶面积增大、整体长势更旺盛的营养生长优势。

1.一种烟草nthcf90基因，其特征在于：核苷酸序列如seq id no.1所示。

2.一种烟草nthcf90蛋白，其特征在于：氨基酸序列如seq id no.2所示。

3.如权利要求2所述的烟草nthcf90蛋白的编码基因。

4.一种重组表达载体，其特征在于：所述重组表达载体包含权利要求1或3所述的基因。

5.一种重组宿主细胞，其特征在于：所述重组宿主细胞包含权利要求4所述的重组表达载体。

6.如权利要求5所述的重组宿主细胞，其特征在于：所述重组宿主细胞选自为大肠杆菌、根癌农杆菌细胞、植物细胞。

7.权利要求1或3所述的基因、权利要求2所述的蛋白在提高植物光保护能力中的应用。

8.一种提高植物高光适应性和光保护能力的方法，其特征在于：包括将权利要求1或3所述的基因或权利要求5所述的重组表达载体导入植物中，获得过表达nthcf90蛋白的转基因植物，从而提高植物在高光强环境下的高光适应性和波动光照环境下的光保护能力。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述植物为烟草、番茄、水稻或拟南芥。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述导入通过农杆菌介导的遗传转化方法进行。