具有增強的產(chǎn)量相關(guān)性狀的植物和用于制備該植物的方法
【專利說明】具有增強的產(chǎn)量相關(guān)性狀的植物和用于制備該植物的方法
[0001] 本申請是中國專利申請200880022592. X的分案申請，原申請的申請日是2008年 5月2日，發(fā)明名稱是"具有增強的產(chǎn)量相關(guān)性狀的植物和用于制備該植物的方法"。
[0002] 本發(fā)明總體上涉及分子生物學領(lǐng)域并涉及用于通過調(diào)節(jié)編碼GRP(生長調(diào)節(jié) 蛋白）的核酸在植物中表達而增強產(chǎn)量相關(guān)性狀和/或改進多種植物生長特征的方 法。GRP選自本文中縮寫為LBD多肽的包含LOB結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)（L0B:側(cè)生器官邊界）、 JMJC(JUM0NJI-C)多肽、CKI (酪蛋白激酶I)多肽、bHLHll樣（堿性螺旋-環(huán)-螺旋11)蛋 白、植物同源域指-同源域（PHDf-HD)多肽、ASR(脫落酸、脅迫和成熟誘導的）多肽和/或 鱗部（Squamosa)啟動子結(jié)合蛋白樣Il(SPLll)轉(zhuǎn)錄因子多肽。本發(fā)明還涉及具有編碼GRP 的核酸的受調(diào)節(jié)表達的植物，所述植物相對于對應的野生型植物或其他對照植物具有改善 的生長特征。本發(fā)明還提供了新GRP核酸和GRP多肽以及用于本發(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)用可耕地供應萎縮刺激了有關(guān)提高農(nóng)業(yè)效率的研宄。 常規(guī)的作物及園藝學改良手段利用選擇育種技術(shù)以鑒定具有受歡迎特征的植物。但是，此 類選擇育種技術(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) 常含有異源的遺傳組分，其可能不總是導致從親代植物中傳遞的受歡迎性狀。分子生物學 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、農(nóng)學或園藝學改良性狀的作物或植物的能力。
[0004] 具有特殊經(jīng)濟意義的性狀是提高的產(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)分攝入 量、脅迫耐受性和早期生長勢（early vigor)也可以是決定產(chǎn)量的重要因素。優(yōu)化前述因 素因而可以對提高作物產(chǎn)量有貢獻。
[0005] 種子產(chǎn)量是特別重要的性狀，因為許多植物的種子對人與動物營養(yǎng)是重要的。作 物如玉米、稻、小麥、卡諾拉油菜和大豆占超過一半的人類總熱量攝入，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 許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)期間及籽苗早期 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] 對于許多作物的另一個重要性狀是早期生長勢。改進早期生長勢是現(xiàn)代稻育種計 劃在溫帶和熱帶稻品種上的重要目標。長根在水栽稻中對于正確土壤固定是重要的。在稻 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 生長勢相關(guān)。在實施條播的情況下，較長的中胚軸和胚芽鞘對于良好出苗是重要的。將早 期生長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，不良的早期生長勢已 經(jīng)限制了基于玉米帶種質(zhì)（Corn Belt germplasm)在歐洲大西洋地區(qū)引種玉米（Zea mayes L.)雜種。
[0007] 又一個重要性狀是改進的非生物脅迫耐受性。非生物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、 Planta (2003) 218:1-14)。非生物脅迫可以由干旱、鹽度、極端溫度、化學毒性和氧化脅迫引 起。提高植物對非生物脅迫耐受性的能力將在世界范圍對農(nóng)民而言是巨大經(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)化前述因素之一而提高。
[0009] 取決于最終用途，對某些產(chǎn)量性狀的改良可能優(yōu)先于其它產(chǎn)量性狀。例如對于應 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 用如面粉、淀粉或油生產(chǎn)而言，種子參數(shù)的提高可能是特別希望的。即便在種子參數(shù)當中， 某些參數(shù)可以更優(yōu)先于其它參數(shù)，這取決于應用。多種機制可以對提高種子產(chǎn)量有貢獻，無 論形式為增加的種子大小或是提高的種子數(shù)目。
[0010] 提高植物中產(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途徑。
[0011] 出人意料地，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：調(diào)節(jié)編碼GRP多肽的核酸表達產(chǎn)生了相對于對照 植物而言具有增強的產(chǎn)量相關(guān)性狀和/或改善的多種植物生長特征的植物，其中所述的 GRP多肽選自本文中縮寫為LBD多肽的包含LOB結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)（L0B :側(cè)生器官邊界）、 JMJC(JUMONJI-C)多肽、酪蛋白激酶多肽、植物同源域指-同源域（PHDf-HD)多肽、bHLHll 樣（堿性螺旋-環(huán)-螺旋11)蛋白、ASR(脫落酸-、脅迫-和成熟誘導的）多肽和/或鱗部 啟動子結(jié)合蛋白樣Il(SPLll)轉(zhuǎn)錄因子多肽。
[0012] 根據(jù)一個實施方案，提供了用于相對于對照植物改善或增強植物的產(chǎn)量相關(guān)性狀 和/或改善多種植物生長特征的方法，包括調(diào)節(jié)植物中編碼GRP多肽的核酸表達，其中所述 的GRP多肽選自本文中縮寫為LBD多肽的包含LOB結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)（L0B :側(cè)生器官邊界）、 JMJC(JUMONJI-C)多肽、酪蛋白激酶多肽、植物同源域指-同源域（PHDf-HD)多肽、bHLHll 樣（堿性螺旋-環(huán)-螺旋11)蛋白、ASR(脫落酸-、脅迫-和成熟誘導的）多肽和/或鱗部 啟動子結(jié)合蛋白樣Il(SPLll)轉(zhuǎn)錄因子多肽。
[0013] 背景
[0014] I.包含LOB結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)（L0B:側(cè)生器官邊界）
[0015] LBD蛋白（或LOB結(jié)構(gòu)域蛋白）均共有在氨基端區(qū)域中的一個保守結(jié)構(gòu)域，稱作 LOB 結(jié)構(gòu)域。LOB 結(jié)構(gòu)域蛋白（Shuai 等人，Plant Physiol. 129, 747-761，2002)存在于多 個植物物種中并且構(gòu)成一個龐大基因家族：據(jù)報道擬南芥屬（Arabidopsis)具有超過40種 編碼LOB結(jié)構(gòu)域蛋白的基因，在稻中發(fā)現(xiàn)了至少35種基因稻和在玉米中發(fā)現(xiàn)了至少15種 基因。LBD多肽可以是轉(zhuǎn)錄因子（其中有KNOX轉(zhuǎn)錄因子）的調(diào)節(jié)物并且推測在玉米中的 玉米雄穗和玉米穗分枝（Bortiri等人，Plant Cell 18, 574-587, 2006)、不定根形成（Liu 等人，Plant J. 43, 47-56, 2005 ;Inukai 等人，Plant Cell 17, 1387-1396, 2005)、雌配子體 增殖（Evans 等人，Plant Cell 19, 46-62, 2007)、花瓣近-遠端模式形成（Chalfun-Junior 等人，植物 Mol. Biol. 57, 559-575, 2005);葉形態(tài)學和葉脈型（Iwakawa 等人，Plant Cell Physiol. 43, 467-478, 2002)中發(fā)揮作用?；?Iwakawa 等人（2005)和 Shuai 等人（2002) 的分類，Yang 等人（Molecular Phylogenetics and Evolution 39,248-262,2006)區(qū)分了 稻中三個類別的LBD蛋白。對I類LOB基因表達的調(diào)節(jié)（表達的上調(diào)或下調(diào)）經(jīng)常產(chǎn)生多 效作用，導致異常植物形狀和不育。例如，US20060218674公開了用于通過表達I類LOB多 肽而增加植物種子中胚乳大小的方法，但是，胚的大小成比例地降低。
[0016] 出人意料地，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：調(diào)節(jié)編碼LBD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、尤其提高的生物量和種子產(chǎn)量的植物。
[0017] 根據(jù)一個實施方案，提供了用于相對于對照植物而言改善植物的產(chǎn)量相關(guān)性狀的 方法，包括調(diào)節(jié)植物中編碼LBD多肽的核酸表達。這種改善的產(chǎn)量相關(guān)性狀包含提高的生 物量和提高的種子產(chǎn)量。
[0018] II. JMJC(JUM0NJI-C)多肽
[0019] 首次報道的JUM0NJI(其意指日文的十字形）基因通過小鼠中的基因截獲法鑒定， 其中該基因在多種組織的發(fā)育中起到重要作用。迄今，JUM0NJI多肽構(gòu)成一個獨特類別的 蛋白質(zhì)，其存在于原核生物以及存在于真核生物中，包括細菌、真菌和植物。
[0020] JUM0NJI多肽家族的大多數(shù)成員以存在JmjC或JUM0NJI-C結(jié)構(gòu)域為特征。猜想 在進化期間，僅包含Jm jC結(jié)構(gòu)域的遠古蛋白質(zhì)獲得了拓寬JMJC多肽在自然界中存在范 圍的額外結(jié)構(gòu)域。特別有意義的是這樣的JMJC多肽，它們獲得參與DNA、RNA和蛋白質(zhì)結(jié) 合的保守結(jié)構(gòu)域如鋅指、FY豐富、RING指蛋白和F盒結(jié)構(gòu)域，這提示JUM0NJI家族的多 肽可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄、染色質(zhì)功能和/或蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換。因而，已經(jīng)報道動物中的許多JUM0NJI 蛋白通過控制基因表達和染色質(zhì)活性影響發(fā)育。例如，小鼠 JUM0NJI基因起到阻抑胚中 細胞周期蛋白Dl的作用并且這種活性是正常心臟發(fā)生所需要的（Toyoda等人2003Dev Cell. 5(1) :85-97.) 〇
[0021] 在理解含有jmjC結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)的作用模式方面已經(jīng)取得大量進展。對于其 生物學功能關(guān)鍵的可能是JMJC多肽中一些最近揭示的酶活性，例如，一種人源JMJC多 肽-JHDMl (Tsukada，Nature. 2006 ;439 (7078) :811-6)具有組蛋白去甲基化酶活性，并且已 經(jīng)報道了一種參與細胞低氧應答的轉(zhuǎn)錄因子FIH(因子抑制性HIF-I α )中的天冬酰胺酰羥 化酶活性（Linke 等人（2004) J. Biol. Chem.，Vol. 279, 14391-14397)。
[0022] JmjC結(jié)構(gòu)域一般具有與一些金屬酶中存在的那些結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)。對JUM0NJI 蛋白FIH中存在的JmjC結(jié)構(gòu)域的最近結(jié)構(gòu)分析揭示了參與結(jié)合輔因子2-酮戊二酸和鐵 Fe (II)的氨基酸殘基（Dann 等；Proc Natl AcadSci U S Α. 2002 ;99 (24) : 15351 - 15356) 〇 FIH具有大多數(shù)2-酮戊二酸加氧酶的HXD/E鐵結(jié)合基序特征。此外并且與水解酶活性相一 致，F(xiàn)IH二級結(jié)構(gòu)由圍繞Fe(II)-結(jié)合部位的β-鏈薄卷餅型核心構(gòu)成。這些特點在含有 JmjC結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)中是保守的（Trewick等人EMBO R印.2005(4) :315-20)。
[0023] 在植物中，報道了兩種JMJC多肽參與控制開花時間。它們均作為擬 南芥（Arabidopsis thaliana)中開花途徑的阻遏物發(fā)揮作用（Noh等人Plant Cell. 2004. 16(10) :2601-13)。仍沒有實驗地確定所述植物蛋白的酶活性。
[0024] 出人意料地，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：在植物中調(diào)節(jié)編碼JUM0NJI-C或JMJC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、尤其提高的產(chǎn)量的植物。
[0025] 根據(jù)一個實施方案，提供了用于相對于對照植物而言改善植物的產(chǎn)量相關(guān)性狀 的方法，包括調(diào)節(jié)植物中編碼JMJC多肽的核酸表達。改善的產(chǎn)量相關(guān)性狀包含在最佳生 長條件和次優(yōu)的輕度干旱條件下的以下一項或多項：提高的每株植物種子總重量、千粒核 (1000顆種子）重、種子充實率、收獲指數(shù)、早期生長勢和根/冠比率。
[0026] III.酪蛋白激酶I
[0027]