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
【专利说明】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
[0001] 本申请是中国专利申请201080061334. X的分案申请，原申请的申请日是2010年 11月10日，发明名称是"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"。
[0002] 本发明总体上涉及分子生物学领域并且涉及用于通过调节植物中编码岩藻糖蛋 白〇-岩藻糖基转移酶（0-FUT)多肽、或旁路（BPS)多肽、或SIZ1多肽、或bZIP-S多肽、 或SPA15样多肽的核酸表达而增强植物中产量相关性状的方法。本发明还涉及具有编码 0-FUT多肽的核酸的受调节表达的植物，所述植物相对于对应野生型植物或其他对照植物 具有增强的产量相关性状。本发明也提供用于本发明方法中的构建体。
[0003] 持续增长的世界人口和农业用可耕地供应萎缩刺激了有关增加农业效率的研究。 常规的作物及园艺学改良手段利用选择性育种技术以鉴定具有受欢迎特性的植物。然而， 此类选择性育种技术具有几个缺陷，即这些技术一般耗费很多劳动并且产生这样的植物， 其经常含有异源性遗传组分，其可能不总是导致从亲代植物中传递下去的所希望性状。分 子生物学进展已经允许人类改良动物及植物的种质。植物的遗传工程使得可以分离和操作 遗传物质（一般处于DNA或RNA形式）并且随后导入该遗传物质至植物中。此类技术具有 产生具备多种经济学、农学或园艺学改良性状的作物或植物的能力。
[0004] 具有特殊经济意义的性状是增加的产量。产量通常定义为来自作物的经济价值的 可测量结果。该结果可以就数量和/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）、种子产生、叶衰老等。根发育、养分摄入、 胁迫耐受性和早期萌发势（early vigor)也可以是确定产量的重要因素。优化前述因素因 而可以对增加作物产量有贡献。
[0005] 种子产量是特别重要的性状，因为众多植物的种子对人和动物营养是重要的。作 物如谷物、稻、小麦、卡诺拉油菜和大豆占超过一半的人类总热量摄入量，无论通过直接消 费种子本身或通过消费基于加工的种子而产生的肉产品。作物也是糖、油及工业加工中所 用众多类型代谢物的来源。种子含有胚（新苗和新根的起源）和胚乳（萌发期间及幼苗早 期生长期间用于胚生长的营养来源）。种子发育涉及多种基因并且需要代谢物从根、叶和茎 转移至正在生长的种子中。胚乳尤其同化糖类、油和蛋白质的代谢前体并且将它们合成为 贮藏大分子以灌满籽粒。
[0006] 众多作物的另一个重要性状是早期萌发势。改进早期萌发势是现代稻育种计划在 温带和热带稻品种上的重要目标。长根在水栽稻中对于正确土壤固定是重要的。在将稻直 接播种至被淹没田地的情况下，以及在植物必须从水中迅速出苗的情况下，较长的苗与萌 发势相关。在实施条播的情况下，较长的中胚轴和胚芽鞘对于幼苗良好出苗是重要的。将 早期萌发势人工改造到植物内的能力将在农业中是极其重要的。例如，不良的早期萌发势 已经限制了基于谷物带种质（Corn Belt germplasm)的玉米（Zea mayes L.)杂种在欧洲 大西洋地区的引种。
[0007] 又一个重要性状是改进的非生物性胁迫耐受性。非生物性胁迫是世界范围作物损 失的主要原因，对于大多数主要作物植物而言降低平均产量超过50% (Wang等人，Planta 218:1-14, 2003)。非生物性胁迫可以由干旱、盐度、极端温度、化学毒性和氧化胁迫引起。改 善植物对非生物性胁迫耐受性的能力将在世界范围对农民而言是巨大的经济优势并且会 允许在不利条件期间及在作物栽培否则是不可能的陆地上栽培作物。
[0008] 作物产量因而可以通过优化前述因素之一而增加。
[0009] 取决于最终用途，对某些产量性状的改良可能优先于其它的产量性状。例如对于 应用如饲料或木材生产或生物燃料资源而言，增加植物营养体部分可能是希望的，而对于 应用如面粉、淀粉或油生产而言，增加种子参数可能是尤其希望的。即便在种子参数当中， 某些参数可以更优先于其它参数，这取决于应用。多种机制可以对增加种子产量有贡献，无 论其形式为增加的种子大小或是增加的种子数目。
[0010] 增加植物中产量（种子产量和/或生物量）的一种方法可以是通过调节植物的内 在生长机制如细胞周期或参与植物生长或参与防御机制的多种信号传导途径。
[0011] 现在已经发现，可以通过调节植物中编码岩藻糖蛋白0-岩藻糖基转移酶（0-FUT) 多肽、或旁路（BPS)多肽、或SIZ1多肽、或bZIP-S多肽、或SPA15样多肽的核酸的表达而改 善植物中的产量相关性状。
[0012] 背景
[0013] 植物小遍在蛋白样调节物（SUMO)E3连接酶是Pi饥饿依赖性反应的焦点控制者。 所述多肽也是SA和PAD4介导的R基因信号传导所需要的，所述R基因信号传导转而在植 物中赋予先天免疫。PIAS/SIZ家族的SUMO E3连接酶促进SUM0与位于蛋白质底物中SUM0 共有基序YKXE/D (Y，大的疏水性残基；K，受体赖氨酸；X，任何氨基酸；E/D，谷氨酸或天冬氨 酸）内的赖氨酸（K)残基缀合（Jin等人，2008)。
[0014] 酵母和后生动物中靶蛋白的SUM0修饰形式已经参与先天免疫调节、细胞周期进 展和有丝分裂、DNA修复、染色质稳定性、核质运输、亚细胞核祀向、遍在蛋白化拮抗和转录 性调节（Johnson，2004 ;Gill，2005)。据报道植物中的SUM0化参与生物性和非生物性胁迫 应答、开花和发育（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] 全部生物的生长和发育均取决于基因表达的正确调节。通过转录因子（TF)控制 转录起始速率代表了调苄基因表达的最重要手段之一。TF可以根据它们在DNA结合结构 域和多聚化结构域中一级和/或三级结构相似性分成不同的蛋白质家族。转录因子（TFs) 在几乎全部生物学过程中发挥关键作用。在结构上，碱性区/亮氨酸拉链（bZIP)类TF通 常借助它们的DNA结合结构域、碱性区和亮氨酸拉链二聚化基序来分类。二聚化可以以同 型二聚化或异源二聚化方式发生。bZIP TF二聚化中的常见配偶物是bHLH家族的TF。具 有bZIP结构域的蛋白质存在于迄今分析过的全部真核生物中。一些蛋白质，如Jun/Fos或 CREB，已经在动物中广泛地研究并且充当理解TF-DNA相互作用、三元复合物形成和TF翻译 后修饰的模型（Jakoby 等人 2002TRENDS in Plant Science第 7卷，第 3 期，106-111)。 在植物中，碱性区/亮氨酸拉链基序（bZIP)转录因子调节多个过程，包括病原体防御、光及 胁迫信号传导、种子成熟和花发育。拟南芥（Arabidopsis)基因组序列含有多于75个不同 bZIP家族成员。使用系统发生分析和常见结构域，开花植物的bZIP TF家族已经再划分成 13个同源组。在bZIP的组S的拟南芥、稻和毛果杨（black cottonwood)成员中，TF共有 两个特征：它们携带一个长亮氨酸拉链（八至九个七残基体）并且由内含子较少的基因编 码。
[0016] 自20世纪90代晚期以来，已经研究了与叶衰老相关的基因，其目的是更好 地理解作为叶衰老基础的分子机制。因此鉴定、克隆和表征了来自不同植物源如拟南 芥（A. thaliana)、欧洲油菜（B.napus)、番爺、玉米、大麦、甘薯、稻等的类型广泛的衰 老相关基因（SAG)。然而，多种其他SAG仍是未知的。克隆和表征了几个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 (甘薯中叶衰老上调基因的克隆 和表征）.Physiolog.Planta，113:384-391)。SPA15的表达模式表明，它在正在衰老的 叶中高度特异地表达，并且SPA15蛋白是细胞壁结合蛋白。所述表达不受增强生长的 激素如植物生长激素、细胞分裂素、赤霉素影响，但是受乙烯强烈诱导。（Yap M.N.等 人,(2003)-Molecular characterization of a novel senescence-associated gene SPA15induced during leaf senescence in sweet-potato (甘薯中叶衰老期间诱导的一种 新衰老基因 SPA15 的分子表征）.Plant Molecular Biology 51:471-481)。
[0017] 概述
[0018] 1. 0-FUT 样多狀
[0019] 出人意料地，现在已经发现，调节编码0-FUT多肽的核酸表达产生了相对于对照 植物具有增强的产量相关性状、尤其增加的产量的植物。
[0020] 根据一个实施方案，提供了用于相对于对照植物改善植物中产量相关性状的方 法，所述方法包括调节植物中编码0-FUT多肽的核酸表达。
[0021] 2.旁路样多狀
[0022] 出人意料地，现在已经发现，调节编码BPS多肽的核酸表达产生了相对于对照植 物具有增强的产量相关性状、尤其增加的种子产量的植物。
[0023] 根据一个实施方案，提供了用于相对于对照植物改善植物中产量相关性状的方 法，所述方法包括调节植物中编码BPS多肽的核酸表达。
[0024] 3. SIZ1 样多狀
[0025] 出人意料地，现在已经发现，调节编码SIZ1多肽的核酸表达产生了相对于对照植 物具有增强的产量相关性状、增加的种子产量的植物。
[0026] 根据一个实施方案，提供了用于相对于对照植物改善植物中产量相关性状的方 法，所述方法包括调节植物中编码SIZ1多肽的核酸表达。
[0027] 4. bZIP-S 样多狀
[0028] 出人意料地，现在已经发现，调节编码bZIP-S多肽的核酸的表达产生了相对于对 照植物具有增强的产量相关性状的植物。
[0029] 根据一个实施方案，提供了用于相对于对照植物改善植物中产量相关性状的方 法，所述方法包括调节植物中编码bZIP-S多肽的核酸表达。
[0030] 5. SPA15 样多狀
[0031] 出人意料地，现在已经发现，调节编码SPA15样多肽的核酸表达产生了相对于对 照植物具有增强的产量相关性状、尤其增加的种子产量的植物。
[0032] 根据一个实施方案，提供了用于相对于对照植物改善植物中产量相关性状的方 法，所述方法包括调节植物中编码SPA15样多肽的核酸表达。
[0033] 定义
[0034] 多狀/蛋白质
[0035] 术语"多肽"和