具有增強的產(chǎn)量相關(guān)性狀的植物和用于產(chǎn)生該植物的方法
【專利說明】具有增強的產(chǎn)量相關(guān)性狀的植物和用于產(chǎn)生該植物的方法
[0001] 本申請是中國專利申請201080061334. X的分案申請，原申請的申請日是2010年 11月10日，發(fā)明名稱是"具有增強的產(chǎn)量相關(guān)性狀的植物和用于產(chǎn)生該植物的方法"。
[0002] 本發(fā)明總體上涉及分子生物學(xué)領(lǐng)域并且涉及用于通過調(diào)節(jié)植物中編碼巖藻糖蛋 白〇-巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶（0-FUT)多肽、或旁路（BPS)多肽、或SIZ1多肽、或bZIP-S多肽、 或SPA15樣多肽的核酸表達而增強植物中產(chǎn)量相關(guān)性狀的方法。本發(fā)明還涉及具有編碼 0-FUT多肽的核酸的受調(diào)節(jié)表達的植物，所述植物相對于對應(yīng)野生型植物或其他對照植物 具有增強的產(chǎn)量相關(guān)性狀。本發(fā)明也提供用于本發(fā)明方法中的構(gòu)建體。
[0003] 持續(xù)增長的世界人口和農(nóng)業(yè)用可耕地供應(yīng)萎縮刺激了有關(guān)增加農(nóng)業(yè)效率的研究。 常規(guī)的作物及園藝學(xué)改良手段利用選擇性育種技術(shù)以鑒定具有受歡迎特性的植物。然而， 此類選擇性育種技術(shù)具有幾個缺陷，即這些技術(shù)一般耗費很多勞動并且產(chǎn)生這樣的植物， 其經(jīng)常含有異源性遺傳組分，其可能不總是導(dǎo)致從親代植物中傳遞下去的所希望性狀。分 子生物學(xué)進展已經(jīng)允許人類改良動物及植物的種質(zhì)。植物的遺傳工程使得可以分離和操作 遺傳物質(zhì)（一般處于DNA或RNA形式）并且隨后導(dǎo)入該遺傳物質(zhì)至植物中。此類技術(shù)具有 產(chǎn)生具備多種經(jīng)濟學(xué)、農(nóng)學(xué)或園藝學(xué)改良性狀的作物或植物的能力。
[0004] 具有特殊經(jīng)濟意義的性狀是增加的產(chǎn)量。產(chǎn)量通常定義為來自作物的經(jīng)濟價值的 可測量結(jié)果。該結(jié)果可以就數(shù)量和/或品質(zhì)方面進行定義。產(chǎn)量直接取決于幾個因素，例 如器官的數(shù)目和大小、植物構(gòu)造（例如枝的數(shù)目）、種子產(chǎn)生、葉衰老等。根發(fā)育、養(yǎng)分?jǐn)z入、 脅迫耐受性和早期萌發(fā)勢（early vigor)也可以是確定產(chǎn)量的重要因素。優(yōu)化前述因素因 而可以對增加作物產(chǎn)量有貢獻。
[0005] 種子產(chǎn)量是特別重要的性狀，因為眾多植物的種子對人和動物營養(yǎng)是重要的。作 物如谷物、稻、小麥、卡諾拉油菜和大豆占超過一半的人類總熱量攝入量，無論通過直接消 費種子本身或通過消費基于加工的種子而產(chǎn)生的肉產(chǎn)品。作物也是糖、油及工業(yè)加工中所 用眾多類型代謝物的來源。種子含有胚（新苗和新根的起源）和胚乳（萌發(fā)期間及幼苗早 期生長期間用于胚生長的營養(yǎng)來源）。種子發(fā)育涉及多種基因并且需要代謝物從根、葉和莖 轉(zhuǎn)移至正在生長的種子中。胚乳尤其同化糖類、油和蛋白質(zhì)的代謝前體并且將它們合成為 貯藏大分子以灌滿籽粒。
[0006] 眾多作物的另一個重要性狀是早期萌發(fā)勢。改進早期萌發(fā)勢是現(xiàn)代稻育種計劃在 溫帶和熱帶稻品種上的重要目標(biāo)。長根在水栽稻中對于正確土壤固定是重要的。在將稻直 接播種至被淹沒田地的情況下，以及在植物必須從水中迅速出苗的情況下，較長的苗與萌 發(fā)勢相關(guān)。在實施條播的情況下，較長的中胚軸和胚芽鞘對于幼苗良好出苗是重要的。將 早期萌發(fā)勢人工改造到植物內(nèi)的能力將在農(nóng)業(yè)中是極其重要的。例如，不良的早期萌發(fā)勢 已經(jīng)限制了基于谷物帶種質(zhì)（Corn Belt germplasm)的玉米（Zea mayes L.)雜種在歐洲 大西洋地區(qū)的引種。
[0007] 又一個重要性狀是改進的非生物性脅迫耐受性。非生物性脅迫是世界范圍作物損 失的主要原因，對于大多數(shù)主要作物植物而言降低平均產(chǎn)量超過50% (Wang等人，Planta 218:1-14, 2003)。非生物性脅迫可以由干旱、鹽度、極端溫度、化學(xué)毒性和氧化脅迫引起。改 善植物對非生物性脅迫耐受性的能力將在世界范圍對農(nóng)民而言是巨大的經(jīng)濟優(yōu)勢并且會 允許在不利條件期間及在作物栽培否則是不可能的陸地上栽培作物。
[0008] 作物產(chǎn)量因而可以通過優(yōu)化前述因素之一而增加。
[0009] 取決于最終用途，對某些產(chǎn)量性狀的改良可能優(yōu)先于其它的產(chǎn)量性狀。例如對于 應(yīng)用如飼料或木材生產(chǎn)或生物燃料資源而言，增加植物營養(yǎng)體部分可能是希望的，而對于 應(yīng)用如面粉、淀粉或油生產(chǎn)而言，增加種子參數(shù)可能是尤其希望的。即便在種子參數(shù)當(dāng)中， 某些參數(shù)可以更優(yōu)先于其它參數(shù)，這取決于應(yīng)用。多種機制可以對增加種子產(chǎn)量有貢獻，無 論其形式為增加的種子大小或是增加的種子數(shù)目。
[0010] 增加植物中產(chǎn)量（種子產(chǎn)量和/或生物量）的一種方法可以是通過調(diào)節(jié)植物的內(nèi) 在生長機制如細胞周期或參與植物生長或參與防御機制的多種信號傳導(dǎo)途徑。
[0011] 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以通過調(diào)節(jié)植物中編碼巖藻糖蛋白0-巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶（0-FUT) 多肽、或旁路（BPS)多肽、或SIZ1多肽、或bZIP-S多肽、或SPA15樣多肽的核酸的表達而改 善植物中的產(chǎn)量相關(guān)性狀。
[0012] 背景
[0013] 植物小遍在蛋白樣調(diào)節(jié)物（SUMO)E3連接酶是Pi饑餓依賴性反應(yīng)的焦點控制者。 所述多肽也是SA和PAD4介導(dǎo)的R基因信號傳導(dǎo)所需要的，所述R基因信號傳導(dǎo)轉(zhuǎn)而在植 物中賦予先天免疫。PIAS/SIZ家族的SUMO E3連接酶促進SUM0與位于蛋白質(zhì)底物中SUM0 共有基序YKXE/D (Y，大的疏水性殘基；K，受體賴氨酸；X，任何氨基酸；E/D，谷氨酸或天冬氨 酸）內(nèi)的賴氨酸（K)殘基綴合（Jin等人，2008)。
[0014] 酵母和后生動物中靶蛋白的SUM0修飾形式已經(jīng)參與先天免疫調(diào)節(jié)、細胞周期進 展和有絲分裂、DNA修復(fù)、染色質(zhì)穩(wěn)定性、核質(zhì)運輸、亞細胞核祀向、遍在蛋白化拮抗和轉(zhuǎn)錄 性調(diào)節(jié)（Johnson，2004 ;Gill，2005)。據(jù)報道植物中的SUM0化參與生物性和非生物性脅迫 應(yīng)答、開花和發(fā)育（Chosed 等人，2006 ;Downes 和 Vierstra, 2005 ;Kurepa 等人，2003 ;Lee 等人，2007 ;Miura 等人，2005, 2007 ;Novatchkova 等人，2004 ;Yoo 等人，2006)。
[0015] 全部生物的生長和發(fā)育均取決于基因表達的正確調(diào)節(jié)。通過轉(zhuǎn)錄因子（TF)控制 轉(zhuǎn)錄起始速率代表了調(diào)芐基因表達的最重要手段之一。TF可以根據(jù)它們在DNA結(jié)合結(jié)構(gòu) 域和多聚化結(jié)構(gòu)域中一級和/或三級結(jié)構(gòu)相似性分成不同的蛋白質(zhì)家族。轉(zhuǎn)錄因子（TFs) 在幾乎全部生物學(xué)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在結(jié)構(gòu)上，堿性區(qū)/亮氨酸拉鏈（bZIP)類TF通 常借助它們的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域、堿性區(qū)和亮氨酸拉鏈二聚化基序來分類。二聚化可以以同 型二聚化或異源二聚化方式發(fā)生。bZIP TF二聚化中的常見配偶物是bHLH家族的TF。具 有bZIP結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)存在于迄今分析過的全部真核生物中。一些蛋白質(zhì)，如Jun/Fos或 CREB，已經(jīng)在動物中廣泛地研究并且充當(dāng)理解TF-DNA相互作用、三元復(fù)合物形成和TF翻譯 后修飾的模型（Jakoby 等人 2002TRENDS in Plant Science第 7卷，第 3 期，106-111)。 在植物中，堿性區(qū)/亮氨酸拉鏈基序（bZIP)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)多個過程，包括病原體防御、光及 脅迫信號傳導(dǎo)、種子成熟和花發(fā)育。擬南芥（Arabidopsis)基因組序列含有多于75個不同 bZIP家族成員。使用系統(tǒng)發(fā)生分析和常見結(jié)構(gòu)域，開花植物的bZIP TF家族已經(jīng)再劃分成 13個同源組。在bZIP的組S的擬南芥、稻和毛果楊（black cottonwood)成員中，TF共有 兩個特征：它們攜帶一個長亮氨酸拉鏈（八至九個七殘基體）并且由內(nèi)含子較少的基因編 碼。
[0016] 自20世紀(jì)90代晚期以來，已經(jīng)研究了與葉衰老相關(guān)的基因，其目的是更好 地理解作為葉衰老基礎(chǔ)的分子機制。因此鑒定、克隆和表征了來自不同植物源如擬南 芥（A. thaliana)、歐洲油菜（B.napus)、番爺、玉米、大麥、甘薯、稻等的類型廣泛的衰 老相關(guān)基因（SAG)。然而，多種其他SAG仍是未知的。克隆和表征了幾個SAG基因，包 括 SPA15 基因（Huang, Y.-J?等人（2001)-Cloning and characterization of leaf senescence up-regulated genes in sweet potato (甘薯中葉衰老上調(diào)基因的克隆 和表征）.Physiolog.Planta，113:384-391)。SPA15的表達模式表明，它在正在衰老的 葉中高度特異地表達，并且SPA15蛋白是細胞壁結(jié)合蛋白。所述表達不受增強生長的 激素如植物生長激素、細胞分裂素、赤霉素影響，但是受乙烯強烈誘導(dǎo)。（Yap M.N.等 人,(2003)-Molecular characterization of a novel senescence-associated gene SPA15induced during leaf senescence in sweet-potato (甘薯中葉衰老期間誘導(dǎo)的一種 新衰老基因 SPA15 的分子表征）.Plant Molecular Biology 51:471-481)。
[0017] 概述
[0018] 1. 0-FUT 樣多狀
[0019] 出人意料地，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)編碼0-FUT多肽的核酸表達產(chǎn)生了相對于對照 植物具有增強的產(chǎn)量相關(guān)性狀、尤其增加的產(chǎn)量的植物。
[0020] 根據(jù)一個實施方案，提供了用于相對于對照植物改善植物中產(chǎn)量相關(guān)性狀的方 法，所述方法包括調(diào)節(jié)植物中編碼0-FUT多肽的核酸表達。
[0021] 2.旁路樣多狀
[0022] 出人意料地，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)編碼BPS多肽的核酸表達產(chǎn)生了相對于對照植 物具有增強的產(chǎn)量相關(guān)性狀、尤其增加的種子產(chǎn)量的植物。
[0023] 根據(jù)一個實施方案，提供了用于相對于對照植物改善植物中產(chǎn)量相關(guān)性狀的方 法，所述方法包括調(diào)節(jié)植物中編碼BPS多肽的核酸表達。
[0024] 3. SIZ1 樣多狀
[0025] 出人意料地，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)編碼SIZ1多肽的核酸表達產(chǎn)生了相對于對照植 物具有增強的產(chǎn)量相關(guān)性狀、增加的種子產(chǎn)量的植物。
[0026] 根據(jù)一個實施方案，提供了用于相對于對照植物改善植物中產(chǎn)量相關(guān)性狀的方 法，所述方法包括調(diào)節(jié)植物中編碼SIZ1多肽的核酸表達。
[0027] 4. bZIP-S 樣多狀
[0028] 出人意料地，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)編碼bZIP-S多肽的核酸的表達產(chǎn)生了相對于對 照植物具有增強的產(chǎn)量相關(guān)性狀的植物。
[0029] 根據(jù)一個實施方案，提供了用于相對于對照植物改善植物中產(chǎn)量相關(guān)性狀的方 法，所述方法包括調(diào)節(jié)植物中編碼bZIP-S多肽的核酸表達。
[0030] 5. SPA15 樣多狀
[0031] 出人意料地，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)編碼SPA15樣多肽的核酸表達產(chǎn)生了相對于對 照植物具有增強的產(chǎn)量相關(guān)性狀、尤其增加的種子產(chǎn)量的植物。
[0032] 根據(jù)一個實施方案，提供了用于相對于對照植物改善植物中產(chǎn)量相關(guān)性狀的方 法，所述方法包括調(diào)節(jié)植物中編碼SPA15樣多肽的核酸表達。
[0033] 定義
[0034] 多狀/蛋白質(zhì)
[0035] 術(shù)語"多肽"和