具有增強的產量相關性狀的植物和用于產生該植物的方法
【專利說明】具有增強的產量相關性狀的植物和用于產生該植物的方法
[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，發明名稱是"具有增強的產量相關性狀的植物和用于產生該植物的方法"。
[0002] 本發明總體上涉及分子生物學領域并且涉及用于通過調節植物中編碼巖藻糖蛋 白〇-巖藻糖基轉移酶（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量相關性狀的方法。本發明還涉及具有編碼 0-FUT多肽的核酸的受調節表達的植物，所述植物相對于對應野生型植物或其他對照植物 具有增強的產量相關性狀。本發明也提供用于本發明方法中的構建體。
[0003] 持續增長的世界人口和農業用可耕地供應萎縮刺激了有關增加農業效率的研究。 常規的作物及園藝學改良手段利用選擇性育種技術以鑒定具有受歡迎特性的植物。然而， 此類選擇性育種技術具有幾個缺陷，即這些技術一般耗費很多勞動并且產生這樣的植物， 其經常含有異源性遺傳組分，其可能不總是導致從親代植物中傳遞下去的所希望性狀。分 子生物學進展已經允許人類改良動物及植物的種質。植物的遺傳工程使得可以分離和操作 遺傳物質（一般處于DNA或RNA形式）并且隨后導入該遺傳物質至植物中。此類技術具有 產生具備多種經濟學、農學或園藝學改良性狀的作物或植物的能力。
[0004] 具有特殊經濟意義的性狀是增加的產量。產量通常定義為來自作物的經濟價值的 可測量結果。該結果可以就數量和/或品質方面進行定義。產量直接取決于幾個因素，例 如器官的數目和大小、植物構造（例如枝的數目）、種子產生、葉衰老等。根發育、養分攝入、 脅迫耐受性和早期萌發勢（early vigor)也可以是確定產量的重要因素。優化前述因素因 而可以對增加作物產量有貢獻。
[0005] 種子產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生的肉產品。作物也是糖、油及工業加工中所 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（萌發期間及幼苗早 期生長期間用于胚生長的營養來源）。種子發育涉及多種基因并且需要代謝物從根、葉和莖 轉移至正在生長的種子中。胚乳尤其同化糖類、油和蛋白質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勢。改進早期萌發勢是現代稻育種計劃在 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 發勢相關。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 早期萌發勢人工改造到植物內的能力將在農業中是極其重要的。例如，不良的早期萌發勢 已經限制了基于谷物帶種質（Corn Belt germplasm)的玉米（Zea mayes L.)雜種在歐洲 大西洋地區的引種。
[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，對于大多數主要作物植物而言降低平均產量超過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民而言是巨大的經濟優勢并且會 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] 作物產量因而可以通過優化前述因素之一而增加。
[0009] 取決于最終用途，對某些產量性狀的改良可能優先于其它的產量性狀。例如對于 應用如飼料或木材生產或生物燃料資源而言，增加植物營養體部分可能是希望的，而對于 應用如面粉、淀粉或油生產而言，增加種子參數可能是尤其希望的。即便在種子參數當中， 某些參數可以更優先于其它參數，這取決于應用。多種機制可以對增加種子產量有貢獻，無 論其形式為增加的種子大小或是增加的種子數目。
[0010] 增加植物中產量（種子產量和/或生物量）的一種方法可以是通過調節植物的內 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] 現在已經發現，可以通過調節植物中編碼巖藻糖蛋白0-巖藻糖基轉移酶（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 善植物中的產量相關性狀。
[0012] 背景
[0013] 植物小遍在蛋白樣調節物（SUMO)E3連接酶是Pi饑餓依賴性反應的焦點控制者。 所述多肽也是SA和PAD4介導的R基因信號傳導所需要的，所述R基因信號傳導轉而在植 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修飾形式已經參與先天免疫調節、細胞周期進 展和有絲分裂、DNA修復、染色質穩定性、核質運輸、亞細胞核祀向、遍在蛋白化拮抗和轉錄 性調節（Johnson，2004 ;Gill，2005)。據報道植物中的SUM0化參與生物性和非生物性脅迫 應答、開花和發育（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育均取決于基因表達的正確調節。通過轉錄因子（TF)控制 轉錄起始速率代表了調芐基因表達的最重要手段之一。TF可以根據它們在DNA結合結構 域和多聚化結構域中一級和/或三級結構相似性分成不同的蛋白質家族。轉錄因子（TFs) 在幾乎全部生物學過程中發揮關鍵作用。在結構上，堿性區/亮氨酸拉鏈（bZIP)類TF通 常借助它們的DNA結合結構域、堿性區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生。bZIP TF二聚化中的常見配偶物是bHLH家族的TF。具 有bZIP結構域的蛋白質存在于迄今分析過的全部真核生物中。一些蛋白質，如Jun/Fos或 CREB，已經在動物中廣泛地研究并且充當理解TF-DNA相互作用、三元復合物形成和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/亮氨酸拉鏈基序（bZIP)轉錄因子調節多個過程，包括病原體防御、光及 脅迫信號傳導、種子成熟和花發育。擬南芥（Arabidopsis)基因組序列含有多于75個不同 bZIP家族成員。使用系統發生分析和常見結構域，開花植物的bZIP TF家族已經再劃分成 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）并且由內含子較少的基因編 碼。
[0016] 自20世紀90代晚期以來，已經研究了與葉衰老相關的基因，其目的是更好 地理解作為葉衰老基礎的分子機制。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。（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，現在已經發現，調節編碼0-FUT多肽的核酸表達產生了相對于對照 植物具有增強的產量相關性狀、尤其增加的產量的植物。
[0020] 根據一個實施方案，提供了用于相對于對照植物改善植物中產量相關性狀的方 法，所述方法包括調節植物中編碼0-FUT多肽的核酸表達。
[0021] 2.旁路樣多狀
[0022] 出人意料地，現在已經發現，調節編碼BPS多肽的核酸表達產生了相對于對照植 物具有增強的產量相關性狀、尤其增加的種子產量的植物。
[0023] 根據一個實施方案，提供了用于相對于對照植物改善植物中產量相關性狀的方 法，所述方法包括調節植物中編碼BPS多肽的核酸表達。
[0024] 3. SIZ1 樣多狀
[0025] 出人意料地，現在已經發現，調節編碼SIZ1多肽的核酸表達產生了相對于對照植 物具有增強的產量相關性狀、增加的種子產量的植物。
[0026] 根據一個實施方案，提供了用于相對于對照植物改善植物中產量相關性狀的方 法，所述方法包括調節植物中編碼SIZ1多肽的核酸表達。
[0027] 4. bZIP-S 樣多狀
[0028] 出人意料地，現在已經發現，調節編碼bZIP-S多肽的核酸的表達產生了相對于對 照植物具有增強的產量相關性狀的植物。
[0029] 根據一個實施方案，提供了用于相對于對照植物改善植物中產量相關性狀的方 法，所述方法包括調節植物中編碼bZIP-S多肽的核酸表達。
[0030] 5. SPA15 樣多狀
[0031] 出人意料地，現在已經發現，調節編碼SPA15樣多肽的核酸表達產生了相對于對 照植物具有增強的產量相關性狀、尤其增加的種子產量的植物。
[0032] 根據一個實施方案，提供了用于相對于對照植物改善植物中產量相關性狀的方 法，所述方法包括調節植物中編碼SPA15樣多肽的核酸表達。
[0033] 定義
[0034] 多狀/蛋白質
[0035] 術語"多肽"和