专利名称：具有增强的产量相关性状的植物和用于产生该植物的方法
具有增强的产量相关性状的植物和用于产生该植物的方法以下优先申请US 61/315437、EP 10157064. 6、US 61/382936、EP10176777. O 引
入作为参考。本发明一般地涉及分子生物学领域，并涉及通过调节编码果糖磷酸激酶(PFK)的核酸在植物中的表达而增强产量相关性状的方法。本发明还涉及具有调节了编码果糖磷酸激酶(PFK，EC :2. 7. I. 11)之核酸的表达的植物，所述植物相对于相应的野生型植物或其他对照植物而言具有增强的产量相关性状。本发明还提供可用于本发明方法的构建体。具有特殊经济意义的性状涉及增加的产量。产量通常定义为作物生产的可测量的经济价值。这可以就数量和/或品质方面进行定义。产量直接取决于几个因素，例如器官的数目和大小、植物构造(例如枝的数目)、种子生产，以及叶衰老等等。根发育、养分摄入量、胁迫耐性和早期萌发势(early vigor)也可以是决定产量的重要因素。因此，优化前述 因素可以对增加作物产量有贡献。在田间条件下，植物性能，例如就生长、发育、生物量积累和种子生产而言，取决于植物对大量环境条件、改变和胁迫的耐受性和适应性能力。农业生物技术人员使用几种参数的测量，其指示转基因对作物产量的可能影响。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，对于谷物作物，已经将其他参数用于估计产量，例如植物大小，如通过植物总干重和鲜重、地上和地下干重和鲜重、叶面积、茎体积、植物高度、叶长、根长、分蘖数和叶数所测量。早期发育阶段的植物大小通常将与晚期发育阶段的植物大小有关。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。植物大小和生长速率存在着强遗传组分，因此，种种多样化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。以这种方式，可以将标准环境用于模拟(approximate)田地中作物所遭遇的多样化动态环境。表现出一种非生物胁迫耐受性的植物通常表现出另一种环境胁迫耐受性。在机制水平还不能理解这种交叉耐受的现象。然而，合理的期望是由于转基因的表达，表现出对低温，例如寒冷温度和/或冰冻温度增强的耐受性的植物还表现出对干旱和/或盐和/或其他非生物胁迫的耐受。已经表征了植物中参与胁迫应答、水使用和/或生物量的一些基因，但到目前为止，研发具有改进产量的转基因作物植物的成功还是受限的。因此，存在鉴定在最佳和/或亚最佳培育条件下，当过表达或下调时，赋予对多种胁迫增加的耐受性和/或改进产量的基因的需求。目前发现，可以通过调节植物中编码果糖磷酸激酶(PFK)多肽之核酸的表达而增加产量和改进植物的多种产量相关性状。发明概述目前已令人惊讶地发现，调节编码果糖磷酸激酶(PFK)之核酸的表达产生相对于对照植物具有增强的产量和改进的产量相关性状，特别是增加的种子生物量、饱满种子数和枝条生物量的植物，优选在低氮条件下产生这样的植物。根据一个实施方案，提供了相对于对照植物改进植物产量相关性状的方法，所述方法包括在植物中调节编码果糖磷酸激酶(PFK)之核酸的表达。
因此，根据本发明，此处鉴定的基因可以相对于对照植物用于增强产量相关性状，例如增加的种子生物量、饱满种子数和枝条生物量，优选在低氮条件下。可以在转基因植物及其合适的对照植物的田间试验中测定增加的产量。备选地，可以在最佳的可控生长条件下在模式植物中测定转基因增加产量的能力。可以通过与对照植物比较，测量以下表型的任意之一或者任意组合，来测定增加的产量性状植物的干可收获部分的产量、植物的地上干可收获部分的产量、植物的地下干可收获部分的产量、植物的鲜重可收获部分的产量、植物的地上鲜重可收获部分的产量、植物的地下鲜重可收获部分的产量、植物的果实(鲜的和干的二者)的产量、种子(鲜的和干的)的产量、粒干重等。可以通过改善的种子产量、固有生长和发育的修饰来证明植物增加的固有生产力，改善的种子产量例如是增加的种子/粒大小、增加的穗数、每穗增加的种子数、改善的种子饱满/改善的种子组分等，固有生长和发育例如是植物高度、植物生长速率、荚数、节间数、开花时间、炸荚性(podshattering)、结瘤和氮固定的效率、碳同化的效率、幼苗萌发势/早期萌发势的改善、增强的萌发效率、植物结构的改善、细胞周期修饰等。产量相关性状还可以被改善以增加植物对非生物环境胁迫的耐受性。非生物胁迫包括干旱、低温、盐度、渗透胁迫、遮光、高植物密度、机械胁迫和氧化胁迫。可以监测以测定·对非生物环境胁迫增强的耐受的其他表型，包括但不限于枯萎；叶变褐；涨压；叶或针状叶下垂和/或脱落；叶或针状叶早衰；叶或针状叶中叶绿素的丢失和/或叶变黄。可以在田间试验中的作物植物中或者在可控培育条件下的模式植物中监测上述任一产量相关的表型，以证明转基因植物具有对非生物环境胁迫增加的耐受性。定义多肽/蛋白质术语“多肽”和“蛋白质”在本文中可互换使用，指通过肽键连接在一起的处于任意长度的氨基酸聚合形式。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”在本文中可互换使用并且指任意长度聚合无分支形式的核苷酸，即核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸或这二者组合。同源物蛋白质的“同源物”包括这样的肽、寡肽、多肽、蛋白质及酶，它们相对于非修饰的所讨论蛋白质具有氨基酸替换、缺失和/或插入并且与其所源自的非修饰蛋白质具有相似生物学活性和功能活性。缺失指从蛋白质中移除一个或多个氨基酸。插入指一个或多个氨基酸残基在蛋白质中预定位点内的引入。插入可以包含氨基端融合和/或羧基端融合以及单个或多个氨基酸的序列内插入。通常，在氨基酸序列内部的插入会比氨基端融合或羧基端融合小，约1-10个残基的级别。氨基端或羧基端融合蛋白或融合肽的例子包括如酵母双杂交系统中所用转录激活物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A、麦芽糖结合蛋白、二氢叶酸还原酶、Tag *100表位、c-myc表位、FLAG "表位、lacZ、CMP( |丐调蛋白结合肽)、HA表位、蛋白C表位和VSV表位。
替换指以具有相似特性(如相似疏水性、亲水性、抗原性、形成或破坏α -螺旋结构或折叠结构的倾向)的其它氨基酸替换蛋白质的氨基酸。氨基酸替换一般是单个残基的，不过可以是簇集性的，这取决于置于多肽的功能性约束，并且可以在1-10个氨基酸的范围内；插入通常会是约1-10个氨基酸残基级别。氨基酸替换优选地是保守性氨基酸替换。保守性替换表是本领域众所周知的(见例如Creighton (1984)Proteins, ff. H. Freeman和Company (编著)和下表I)。表I :保守性氨基酸替换的例子
权利要求
1.用于在植物中相对于对照植物增强产量的方法，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Interpro结构域IPR000023或Interpro结构域IPR012004结构域，优选地含有二者，并且其中所述多肽在氨基端氨基酸序列中包含SAT区。
2.权利要求I的方法，其中所述多肽包含一个或多个以下基序基序 I (SEQ ID NO 82)PKTIDNDI[LPA][VL]ID[KR][ST]FGFDTAVEEAQRAIN[AS]A[HY][VI]EAE ； 基序 2 (SEQ ID NO 83)A[VI][PR][SA]NASDN[VI][YL]CT[LV]L[AG][QH][SN]A[VI]HGA[MF]AG[YF] [TS]G[FI]T ;或基序 3(SEQ ID NO :84) A[AC] IVTCGGLCPGLN[TD]VIRE[IL]V ； 优选地，所述多肽包含一个或多个以下基序基序 4 (SEQ ID NO 85)PKTIDNDILL[MI]DKTFGFDTAVEEAQ[RK]AIN[SA]A[YK][IV]EA[HR]SAY[HN]G ；基序 5 (SEQ ID NO 86)[AS] [CV]R[AT]NASD[AGR]I[LY]CT[VI]LGQNAVH[GA]AFAG[FY][ST]GITVG[IL][CV]NTHY [VA];或基序 6 (SEQ ID NO 87)RAGPR[KE][EK]IY[FY][ED]PEEVKAAIVTCGGLCPGLNDV[IV]RQ[IL]V[IF]TLE。
3.权利要求I或2的方法，其中所述受调控的表达通过在植物中引入和表达果糖磷酸激酶(PFK)之编码核酸分子而实现。
4.权利要求1-3中任一项的方法，其中所述多肽通过核酸分子编码，所述核酸分子包含选自下述的核酸分子(i)SEQID NO :80、1、3、5、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35、37、47、49、.51、53、55、57、59、61、63、65、67、69、71、73 或 75 的任意之一所示的核酸；(ii)SEQID NO :80、1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35、37、39、.41、43、45、47、49、51、53、55、57、59、61、63、65、67、69、71、73 或 75 的任意之一所示的核酸的互补序列；(iii)SEQID NO :81、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、.40、42、44、46、48、50、52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、72、74 或 76 的任意之一所示的多肽的编码核酸，优选地，由于遗传密码的简并性，所述分离的核酸可以衍生自SEQ ID NO.81、2、4、6、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、48、50、52、54、56、58、60、.62、64、66、68、70、72、74或76的任意之一所示的多肽序列，并进一步优选地赋予相对于对照植物而言增强的产量相关性状。
(iv)核酸，其以递增优选顺序与SEQ ID NO :80、1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、.25、27、29、31、33、35、37、39、41、43、45、47、49、51、53、55、57、59、61、63、65、67、69、71、73 或.75 的核酸序列的任一具有至少 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，并进一步优选地赋予相对于对照植物而言增强的产量相关性状，其中所述核酸编码的多肽不是SEQ ID NO :8、40、42、44、46的任意之一所示的任一多肽序列的多肽； (v)第一核酸分子，其在严格杂交条件下与第二核酸分子杂交，并优选地赋予相对于对照植物而言增强的产量相关性状，其中所述第一核酸编码的多肽不是SEQ ID NO :8,40,42,.44,46的任意之一所示的任一多肽序列的多肽，并且所述第二核酸分子是(i)至(iv)的核酸分子； (vi)编码所述多肽的核酸，所述多肽以递增优选顺序与SEQID NO :81、2、4、6、10、12、.14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、48、50、52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、.72、74或76的任意之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%,7172%,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，其中所述核酸编码的多肽不是SEQ ID N0:8、40、42、44、46的任意之一所示的任一多肽序列的多肽，并优选地赋予相对于对照植物而言增强的产量相关性状。
5.任一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而言增加的产量，优选增加的种子产量和/或枝条生物量。
6.权利要求1-5中任一项的方法，其中所述增强的产量相关性状是在非胁迫条件下获得的。
7.权利要求1-5中任一项的方法，其中所述增强的产量相关性状是在干旱胁迫、盐胁迫或氮缺乏条件下获得的。
8.权利要求1-7中任一项的方法，其中所述核酸与组成型启动子，优选地与GOS2启动子，最优选地与来自稻的GOS2启动子有效连接。
9.权利要求1-8中任一项的方法，其中所述核酸分子或所述多肽分别是植物来源的，优选来自双子叶植物，进一步优选来自杨柳科(Salicaceae),更优选来自杨属(Populus),最优选来自毛果杨(Populustrichocarpa)。
10.通过权利要求1-9中任一项方法可获得的植物或其部分，包括种子，其中所述植物或其部分包含编码如在权利要求1-9中任一项所定义的所述多肽之重组核酸。
11.构建体，包含 (i)编码如权利要求1-7中任一项所定义的所述多肽的核酸； ( )能够驱动(a)的核酸序列表达的一个或多个控制序列；和任选的 (iii)转录终止序列。
12.权利要求11的构建体，其中所述控制序列之一是组成型启动子，优选G0S2启动子，最优选来自稻的G0S2启动子。
13.权利要求11或12的构建体在用于制造植物的方法中的用途，其中所述植物相对于对照植物而言具有增加的产量，特别是增加的种子产量和/或枝条生物量。
14.用权利要求11或12的构建体转化的或者通过权利要求1-9中任一项的方法可获得的植物、植物部分或植物细胞，其中所述植物或其部分包含编码如在权利要求ι- ο中任一项所定义的所述多肽之重组核酸。
15.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，包括 (i)在植物中引入和表达如权利要求1-7中任一项所定义的所述多肽之编码核酸；和 ( )在促进植物生长和发育的条件下培养植物细胞。
16.相对于对照植物而言具有增加的产量，特别是增加的生物量和/或增加的种子产量的植物，获得自权利要求3中所定义的核酸受调控的表达，所述核酸编码权利要求I或2中所定义的多肽，或者源于权利要求10或14的转基因植物的转基因植物细胞。
17.权利要求10、14或16的植物，或源自它的转基因植物细胞，其中所述植物是作物植物，例如糖萝卜、苜蓿、三叶草、菊苣、胡萝卜、木薯、棉花、大豆、低芥酸油菜或者单子叶植物，例如甘蔗或者谷物，例如稻、玉米、小麦、大麦、粟、黑麦、黑小麦、高粱、野小麦、德国小麦、黑麦属、一粒系小麦、teff、蜀黍和燕麦。
18.用于生产产品的方法，所述方法包括培养权利要求10、14、16或17的植物，以及从(i)所述植物或(ii)所述植物的部分，包括种子中生产所述产品或者通过(i)所述植物或( )所述植物的部分，包括种子生产所述产品的步骤。
19.权利要求10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。
20.来自权利要求10的植物和/或权利要求18的植物的可收获部分的产品。
21.如在权利要求1-7中任一项所定义的多肽之编码核酸相对于对照植物在增加产量，特别是增加种子产量和/或生物量中的用途。
22.包含在植物细胞中的权利要求11或12的构建体。
23.前述权利要求中的任一项，其中所述核酸编码的多肽不是选自如下所示的序列的多肽 (i)SEQID NO :8、40、42、44、46 的任意之一，和 / 或 (ii)表3或表4或表5的任一多肽，和/或 (iii)在UniProtKB/TrEMBL数据库中公开为B9HFR9的序列。
全文摘要
本发明提供了核酸和编码的果糖磷酸激酶(PFK)。本发明还提供了用于在植物中通过调节编码果糖磷酸激酶的核酸分子的表达而增强产量相关性状的方法。具有编码果糖磷酸激酶的核酸的受调节表达的植物相对于对照植物具有增加的产量相关性状。
文档编号C12N15/82GK102971427SQ201180024343
公开日2013年3月13日 申请日期2011年3月18日 优先权日2010年3月19日
发明者Y·海茨费尔德 申请人:巴斯夫植物科学有限公司