专利名称：具有增强的产量相关性状的植物及其制备方法
技术领域：
本发明一般地涉及分子生物学领域，涉及通过调节编码磷酸核糖焦磷酸合成酶(PRS1样，PRPP合成酶)的核酸在植物中的表达来增强产量相关性状的方法。本发明还涉及具有经调节的磷酸核糖焦磷酸合成酶(PRS1样，PRPP合成酶)编码核酸表达的植物，所述植物相对于相应的野生型植物或其它对照植物具有增强的产量相关性状。本发明还提供了可以用于本发明方法的构建体。
背景技术：
具有特别经济利益的性状涉及增加的产量。产量通常定义为作物的可测量的具有经济价值的产出。这可以以数量和/或质量的方式进行定义。产量直接取决于若干因素，例如器官的数量和大小、植物构造(例如，分枝的数量)、种子生产和叶子衰老。根的发育、营养吸收、胁迫耐受性和早期活力也可以是决定产量的重要因素。因此优化上述因素可以促进作物产量的增加。在田间条件下，植物的性能，例如就生长、发育、生物量积累和种子产生而言，取决于植物对许多环境条件、变化和胁迫的耐受性和适应能力。农业生物技术专家使用几个参数量度来指示转基因对作物产量的潜在影响。对于饲料作物如苜蓿、青贮谷物和干草，植物生物量与总产量相关。然而，对于粮食作物，使用其它参数来估计产量，所述参数例如植物大小，其通过植物总干重和鲜重、地上和地下部分干重和鲜重、叶面积、茎体积、植物高度、叶长、根长、分蘖数和叶数来测量。早期发育阶段时的植物大小通常将与发育后期的植物大小相关。具有更大叶面积的较大植物通常能够比较小的植物吸收更多的光和二氧化碳，因此很可能在同期增重更多。对于植物大小和生长速率，存在着强遗传组分，因此对于许多不同基因型，植物在一种环境条件下的大小很可能与另一种环境条件下的大小有关。由此，可以使用标准环境来近似于田间作物所遭遇到的多样和动态环境。对一种非生物胁迫表现出耐受性的植物常对另一种环境胁迫表现出耐受性。这种交叉耐受的现象还没有在机制水平上得到理解。尽管如此，可以合理地预期，由于表达转基因而对低温例如寒冷(chiling)温度和/或冰冻(freezing)温度表现出增强的耐受性的植物，也可以对干旱和/或盐和/或其它非生物胁迫表现出耐受性。一些在植物中涉及胁迫反应、水分利用和/或生物量的基因已得到了表征。但是至今，成功培育具有提高的产量的转基因作物仍受到限制。因此，需要鉴定这样的基因，所述基因在过量表达或下调时，赋予对各种胁迫增加的耐受性和/或在最优和/或次优生长条件下提高的产量。现已发现，可通过调节POI(目的蛋白)多肽编码核酸在植物中的表达来增加产量和改善植物的多种产量相关性状。发明概述
令人惊讶地，现已发现，调节磷酸核糖焦磷酸合成酶(PRS1样，PRPP合成酶)编码核酸的表达可以产生相对于对照植物具有增强的产量和改善的产量相关性状，特别是増加的枝条生物量和/或增加的根生物量的植物。根据ー个实施方案，本发明提供用于相对于对照植物改善植物产量相关性状的方法，包括调节磷酸核糖焦磷酸合成酶(PRS1样，PRPP合成酶)的编码核酸在植物中的表达。因此，依照本发明，可以利用本发明鉴定的基因，相对于对照植物以增强产量相关性状，特别是増加的枝条生物量和/或増加的根生物量。増加的产量可以通过转基因植物和它们合适的对照植物的田间试验来确定。或者，可以在模式植物中，于最优的、受控制的 生长条件下确定转基因增加产量的能力。可以通过測量下列表型之任一或任何组合，与对照植物进行比较来确定增加的产量性状植物干燥的可收获部分的产量、植物干燥的地上可收获部分的产量、植物干燥的地下可收获部分的产量、植物可收获部分鲜重的产量、植物地上可收获部分鲜重的产量、植物地下可收获部分鲜重的产量、植物果实(新鮮的和干燥的)的产量、种子(新鮮的和干燥的)的产量、谷粒干重等等。植物増加的内在生产能力可以表现为其种子产量的提高(例如，増加的种子/谷粒大小、増加的穗数、増加的每穗种子数、种子饱满度的改善、种子组成的改善等等)、其固有生长和发育的改变(例如，株高、植物生长速率、荚果数、节间数、开花时间、荚果落粒性、根瘤形成和固氮的效率、碳同化的效率、幼苗活力/早期活力的改善、增强的萌发效率、株型的改善、细胞周期的改变等等)。也可以改善产量相关性状来增加植物对非生物环境胁迫的耐受性。非生物胁迫包括干早、低温、盐度、渗透胁迫、遮光、高植株密度、机械胁迫和氧化胁迫。可以进行监测来确定对非生物环境胁迫增强的耐受性的另外表型包括但不限干萎蔫、叶片褐变、膨压、叶片或针叶的下垂或脱落、叶片或针叶的过早衰老、叶片或针叶中叶绿素的丧失和/或叶片发黄。任何上述产量相关表型均可以在田间试验中在作物中监测，或在受控制的生长条件下在模式植物中监测，以证明转基因植物对非生物环境胁迫具有増加的耐受性。定义多肽/蛋白质术语“多肽”和“蛋白质”在文中可互換使用，是指通过肽键连接起来的、任意长度的氨基酸的聚合物。多核苷酸/核酸/核酸序列/核苷酸序列术语“多核苷酸”、“核酸序列”、“核苷酸序列”、“核酸”、“核酸分子”在文中可互換使用，是指任何长度的无支链形式的核苷酸聚合物，所述核苷酸可以为核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸或者两者的组合。同源物蛋白质的“同源物”包括肽、寡肽、多肽、蛋白质和酶，其相对于所讨论的未修饰蛋白质具有氨基酸取代、缺失和/或插入，并且与其源自的未修饰蛋白质具有相似的生物活性和功能活性。缺失是指从蛋白质中除去一个或多个氨基酸。插入是指在蛋白质的预定位置引入一个或多个氨基酸残基。插入可以包括N-末端和/或C-末端融合，以及单个或多个氨基酸的序列内插入。一般，氨基酸序列内的插入将小于N-或C-末端的融合，约I到10个残基左右。N-或C-末端融合蛋白或肽的实例包括在酵母双杂交系统中应用的转录激活因子的结合结构域或激活结构域、噬菌体外壳蛋白、(组氨酸)-6-标签、谷胱甘肽S-转移酶标签、蛋白质A、麦芽糖结合蛋白、ニ氢叶酸还原酶、Tag · 100表位、c-myc表位、FL1 AG .表位、IacZ、CMP (I丐调蛋白结合肽)、HA表位、蛋白质C表位和VSV表位。取代是指蛋白质中的氨基酸用具有相似特性(如相似的疏水性、亲水性、抗原性、形成或打破α螺旋结构或β片层结构的倾向)的其它氨基酸替换。氨基酸取代一般是单残基的取代，但是视施加于多肽上的功能性限制而定也可以是成簇取代，并且可以是I到10个氨基酸；插入通常在大约I到10个氨基酸残基的数量级。氨基酸取代优选为保守氨基酸取代。保守取代表在本领域公知(參见例如Creighton (1984)Proteins, ff. H. Freemanand Company (编辑)和下表I)。表I :保守氨基酸取代的实例
权利要求
1.用于相对于对照植物增强植物产量相关性状的方法，包括调节编码多肽的核酸分子在植物中的表达，其中所述多肽包含至少一个以下结构域Interpro结构域IPR000842、Interpro 结构域 IPR000836 和 Interpro 结构域 IPR005946。
2.根据权利要求I的方法，其中所述多肽包含以下基序之一或多个基序 I (SEQ ID NO: 32): IKRFADGEIYVQLQESVRGCDV [FY] L [VL] QPTC [PT] P [AT] NENLMELUM [IV] DACRRA ；基序 2 (SEQ ID NO: 33):FAKKLSDAPLAIVDKRRHGHNVAEVMNLI⑶V[KR]GKVA[VI]MVDDMIDTAGTI ；或基序 3a(SEQ ID NO:35):H[QE]EGAREVYAC[CT]THAVFSPPAI ERLSSGL[FL]QEVI[IV]TNT[IL]P[VL][AS]EKN[HY]FPQL。
3.根据权利要求I或2的方法，其中所述调节的表达通过向植物中引入和表达编码磷酸核糖焦磷酸合成酶(PRS1样，PRPP合成酶)的核酸分子来实现。
4.根据权利要求I至3之任一的方法，其中所述多肽由包含选自以下的核酸分子的核酸编码 (i)SEQID N0:l、3、5、7、9、ll、13、15、17、19、21、23、25 或 27 (之任一)所示的核酸; (ii)SEQID N0:l、3、5、7、9、ll、13、15、17、19、21、23、25 或 27 (之任一)所示的核酸的互补序列； (iii)编码SEQ ID NO: 2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24 或 26 (之任一)所示的多肽的核酸，优选地由于遗传密码的简并性，所述分离的核酸可以自SEQ ID N0:2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24或26 (之任一)所示的多肽序列得到，且更优选地赋予相对于对照植物增强的产量相关性状； (iv)按照递增的优选次序与SEQ ID N0:l、3、5、7、9、ll、13、15、17、19、21、23、25 或27 的任何核酸序列具有至少 30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98% 或 99%的序列同一性，且更优选地赋予相对于对照植物增强的产量相关性状的核酸； (v)在严紧杂交条件下与(i)至(iv)的核酸分子杂交并优选赋予相对于对照植物增强的产量相关性状的核酸分子；或 (vi)编码所述多肽的核酸，所述多肽按照递增的优选次序与SEQID N0:2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24或26 (之任一)所示的氨基酸序列具有至少50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%或99%的序列同一性，且优选地赋予相对于对照植物增强的产量相关性状。
5.根据任何前述权利要求的方法，其中所述增强的产量相关性状包括相对于对照植物增加的产量，优选增加的生物量，更优选增加的枝条生物量和/或增加的根生物量。
6.根据权利要求I至5之任一的方法，其中在非胁迫条件下获得所述增强的产量相关性状。
7.根据权利要求I至5之任一的方法，其中在干旱胁迫、盐胁迫或缺氮的条件下获得所述增强的产量相关性状。
8.根据权利要求I至7之任一的方法，其中所述编码POI的核酸是植物来源的，优选来自双子叶植物，再优选来自双子叶乔木，更优选来自杨属(Populus),最优选来自毛果杨(Populus trichocarpa)。
9.根据权利要求I至8之任一的方法，其中所述编码POI的核酸编码表A中所列多肽之任一，或是这样的核酸的部分，或是能够与这样的核酸的互补序列杂交的核酸。
10.根据权利要求I至9之任一的方法，其中所述核酸序列编码表A中给出的任何多肽的直向同源物或旁系同源物。
11.根据权利要求I至10之任一的方法，其中所述核酸序列编码SEQID NO:2所示的多肽。
12.根据权利要求I至11之任一的方法，其中所述核酸有效地连接到组成型启动子，优选连接到中等强度组成型启动子，优选连接到植物启动子，更优选连接到G0S2启动子，最优选连接到来自稻的G0S2启动子。
13.可以通过根据权利要求I至12之任一的方法获得的植物、其植物部分，包括种子，或植物细胞，其中所述植物、植物部分或植物细胞包含编码如权利要求1、2、3、4、8、9、10、11或12之任一中所定义的POI多肽的重组核酸。
14.分离的核酸分子，其选自 (i)具有SEQID NO: I的序列的核酸分子； (ii)SEQID NO: I所不的核酸分子的互补序列； (iii)编码具有SEQID NO:2的序列的多肽的核酸分子，优选地由于遗传密码的简并性，所述分离的核酸分子可以自SEQ ID N0:2所示的多肽序列得到，且更优选地赋予相对于对照植物增强的产量相关性状； (iv)核酸分子，其按照递增的优选次序与SEQID NO: I的核酸分子序列具有至少30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98% 或 99% 的序列同一性，且更优选地赋予相对于对照植物增强的产量相关性状； (v)在严紧杂交条件下与(i)至(iv)的核酸分子杂交并优选赋予相对于对照植物增强的产量相关性状的核酸分子； (vi)编码所述多肽的核酸分子，所述多肽按照递增的优选次序与SEQIDN0:2所示的氨基酸序列具有至少 50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98% 或 99% 的序列同一性，且优选赋予相对于对照植物增强的产量相关性状； (vii)根据(i)至(vi)之任一的核酸分子，其编码多肽，所述多肽具有磷酸核糖焦磷酸合成酶活性；(viii)根据以上(i)至(viii)之任一的核酸分子，其中所述核酸分子不是序列表中SEQ ID NO: X所示的任何核酸分子，其中X是从3到27，且包括3和27，的范围中的奇数。
15.分离的多肽,其选自 (i)SEQ ID NO: I所示核酸分子编码的多肽； ( )具有SEQ ID NO:2的序列的多肽； (iii)核酸编码的多肽，所述核酸按照递增的优选次序与SEQID N0:1的核酸序列具有至少 30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98% 或 99% 的序列同一,注，且更优选地赋予相对于对照植物增强的产量相关性状； (iv)核酸分子编码的多肽，所述核酸分子在严紧杂交条件下与SEQID NO: I所示的核酸的互补序列杂交并优选地赋予相对于对照植物增强的产量相关性状； (vi)按照递增的优选次序与SEQ ID NO:2所示的氨基酸序列具有至少50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%或99%的序列同一性且优选地赋予相对于对照植物增强的产量相关性状的多肽； (vi)根据(i)至(V)之任一的多肽，其中所述多肽具有磷酸核糖焦磷酸合成酶活性； (vii)根据以上⑴至(vii)之任一的多肽，其中所述多肽不是序列表中SEQID NO:X所示的任何多肽，其中X是从4到28，且包括4和28的范围中的偶数。
16.构建体，其包含 (i)编码如权利要求1、2、3、4、8、9、10、11或12之任一中定义的所述多肽的核酸，或权利要求14的核酸分子，或编码权利要求15的多肽的核酸分子； ( )能够驱动(a)的核酸序列表达的一个或多个控制序列；和任选地 (iii)转录终止序列。
17.根据权利要求16的构建体，其中所述控制序列之一是组成型启动子，优选中等强度组成型启动子，优选植物启动子，更优选GOS2启动子，最优选来自稻的GOS2启动子(SEQID NO:28)。
18.根据权利要求16或17的构建体在用于制备相对于对照植物具有增加的产量，特别是增加的枝条生物量和/或增加的根生物量的植物的方法中的用途。
19.转化了根据权利要求16或17的构建体或可以根据权利要求1、2、3、4、8、9、10、11或12之任一的方法获得的植物、植物部分或植物细胞，其中所述植物或其部分包含编码权利要求1、2、3、4、8、9、10、11或12之任一中所定义的所述多肽的重组核酸。
20.用于生产相对于对照植物具有增加的产量，特别是增加的生物量和/或增加的种子产量的转基因植物的方法，其包括 (i)向植物中引入和表达编码如权利要求1、2、3、4、8、9、10、11或12之任一中定义的所述多肽的核酸、权利要求14的核酸分子或权利要求15的多肽；和( )在促进植物生长和发育的条件下培养所述植物细胞。
21.转基因植物或来自所述转基因植物的转基因植物细胞，其中所述转基因植物由于编码如权利要求1、2、3、4、8、9、10、11或12之任一中定义的POI多肽的核酸的经调节的表达，而具有相对于对照植物增强的产量相关性状，优选相对于对照植物增加的产量和更优选增加的种子产量和/或增加的生物量。
22.根据权利要求13、18、19或21的植物的可收获部分，其中所述可收获部分优选是枝条和/或根生物量和/或种子。
23.自根据权利要求13、18、19或21的植物和/或自根据权利要求20的植物的可收获部分产生的产品。
24.编码如权利要求1、2、3、4、8、9、10、11或12之任一中所定义的多肽的核酸、权利要求14的核酸分子或权利要求15的多肽在相对于对照植物增加产量，特别是增加生物量中的用途。
25.用于生产产品的方法，包括步骤生长根据权利要求13、18、19或21的植物，和从或由 (i)所述植物；或 ( )所述植物的部分，包括种子， 生产所述产品。
26.包含在植物细胞中的根据权利要求16或17的构建体。
27.任何前述权利要求，其中核酸编码多肽，该多肽不是选自下组序列的多肽 a.国际专利申请W02009/134339中SEQID NO:4016或由序列SEQ ID N0:292编码的序列；或 b.美国专利申请US2009/019601中SEQID NO:9451或由序列SEQ ID NO:3871编码的序列；或 c.美国专利申请US2009/094717 中 SEQ ID NO: 497 或 13893 或由序列 SEQ ID NO: 497或13893编码的序列。
全文摘要
本发明一般地涉及分子生物学领域，涉及增强植物的多种经济上重要的产量相关性状的方法。更具体地，本发明涉及通过调节编码POI(目的蛋白质)多肽的核酸在植物中的表达来增强产量相关性状的方法。本发明还涉及具有经调节的POI多肽编码核酸表达的植物，所述植物相对于对照植物具有增强的产量相关性状。本发明还提供了可以用于实施本发明方法的新POI编码核酸和包含该核酸的构建体。
文档编号C12N15/63GK102844438SQ201180015204
公开日2012年12月26日 申请日期2011年3月21日 优先权日2010年3月22日
发明者S·范德纳比利 申请人:巴斯夫植物科学有限公司