用于增强植物光合活性的组合物和方法
【专利说明】用于増强植物光合活性的组合物和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 根据美国专利法119(e)本申请要求2012年6月7日提交的临时申请61/656, 794 和2012年7月17日提交的61/672,500的优先权。各前述临时申请以其整体通过参考并 入本文。
[0003] 序列表
[0004] 本申请包含序列表，其以ASCII格式经由EFS-Web提交，通过参考以其整体并入 本文。所述ASCII副本创建于2013年6月7日，名称为30407-0005W01_SL.txt，大小为 118, 885 字节。
技术领域
[0005] 本发明涉及光合性能增强的转基因植物，并更特别地涉及在低光条件下光合能力 增强的此类植物。
【背景技术】
[0006] 光合植物（photosyntheticplants)依靠光，例如，日光作为其能量来源。在农 业种植中公认的是光合作用的光捕获和光反应一般不制约植物的生产性。然而，这种认知 源于典型的学术上的温室研宄且通常不正确。植物经常遭遇对于生长次优的光条件。比 如，黎明和下午晚些时段的特征在于具有较低光强度并相应地较低的光合速率。光合速率 的昼夜变化受到光合光子通量密度（photosyntheticphotonfluxdensity,PPFD)的影 响。植物也经常为日光而竞争。生长高大的植物（taller-growingplants)经常形成树冠 (canopy)，树冠吸收光并影响未达到树冠的生长低矮的植物的光合速率和生长速率。被其 它叶遮荫的叶子具有低得多的光合速率。当高密度种植耕作物时也观察到遮荫。
[0007] 光合活性还可受到植物不能有效利用全光谱的限制。驱动光合作用的光化反应的 光首先被植物叶绿体色素吸收。叶绿素为典型的光合生物的色素。叶绿素a具有最佳效率 的两个峰，一个在谱的蓝色部分（约430nm)和一个在谱的红色部分（680nm)。各种"相关 色素（associatedpigments)"吸收可见光谱的其它部分的光，大部分吸收的能量通过一系 列受体直至能量相当于在700nm处吸收的能量。然而，光合作用不会被谱的绿-黄色部分 的光，即被具有520-550nm范围波长的光所有效驱动。在密集林分（forestrystands)中 到达较低树叶的光非常绿，使得这类光对于驱动光合作用进一步次优。部分光谱因此不能 用于驱动光合作用或低效地驱动光合作用。
[0008] 植物光合活性可因此受到光强度的制约，并受到优化植物内源色素以吸收光并 驱动光合过程的光波长谱的制约。本发明通过提供具有吸收和发射光的非内源发色团 (chromophores)(即，发光团（photophores))的植物，来提供用于改善植物光合活性的方 法和组合物。本发明提供改善次优条件下，例如低光条件下植物的生长。
【发明内容】
[0009] 本发明涉及用于改善植物生长的组合物和方法。
[0010] 在某些方面，提供光合活性改善的转基因植物，其中植物包含外源发色团，外源发 色团吸收在对于光合活性为次优范围内的第一波长的光，并且当吸收该波长的光时，发射 在对于植物的光合活性有效的范围内的波长下的光。
[0011] 在某些方面，提供光合活性改善的转基因植物，其中植物包含发色团的链（a chainofchromophores)，所述链吸收对于光合活性为次优的范围中的波长的光，然后使 能量通过该链直至发色团发射对于植物光合活性有效的范围内的波长下的光。比如，转基 因植物可包含第二外源发色团，其吸收对于植物光合活性为次优范围内的波长的光，并且 当吸收所述波长的光时发射对于光合活性为次优范围内的第一波长的光，并且该波长的光 被第一外源发色团吸收，然后发射对于植物光合活性有效的波长的光。在某些实施方案中， 第二外源发色团具有等于或接近于第一发色团最大吸收波长的最大发射波长。
[0012] 在某些方面，上述外源发色团位于植物的叶绿体，优选位于植物的类囊体膜。
[0013] 在某些方面，提供共栽培植物的方法，其中使光合性能改善的转基因植物与另外 的植物在使转基因植物遮荫的条件下共栽培。
[0014] 在某些方面，提供增加土壤氮含量的方法，所述方法包括在土壤中生长转基因固 氮植物，例如，表达外源发色团的豆类（legume)。
【附图说明】
[0015] 图1为发色团链（chromophorechain)的示意性代表图，所述发色团链可用于捕 获野生型植物利用不良的绿色波长谱中的光，并通过级联能量转移，将光转化为被野生型 植物中的捕光机制（lightharvestingmechanisms)有效利用的红色波长谱中的光。
[0016] 图2为野生型和mCherry转基因桉属（eucalyptus)叶的一组焚光立体图像（激 发滤片BP530-550,阻挡滤片BA575IF)。mCherry转基因桉属叶显示比野生型桉属叶明显更 大的焚光强度。
[0017] 图3为野生型和mCherry(系11)转基因桉属植物在生长36天后的一组照片。
[0018] 图4为显不在生长36天后，野生型和转基因mCherry植物（系9和11)从树干 底部至顶部的平均高度的图表。所示数据为至少37个复现检验的平均值±1. 96标准差 (*，p< 0? 05 ;AN0VA之后为邓尼特法（Dunnett'smethod)) 〇
[0019] 图5为用于在转基因植物中表达一个发色团的构建体的示意图。
[0020] 图6为用于在转基因植物中表达一个发色团的构建体的示意图。
[0021] 图7为用于在转基因植物中表达一个发色团的构建体的示意图。
[0022] 图8为用于在转基因植物中表达多个发色团的构建体的示意图。
[0023] 图9为用于在转基因植物中表达多个发色团的构建体的示意图。
[0024] 图10为用于在转基因植物中表达多个发色团的构建体的示意图。
[0025] 图11为用于在转基因植物中表达多个发色团的构建体的示意图。
[0026] 图12示出在15s照明间隔和1-1. 5分钟遮盖间隔下的10min反应时间之后得到 的希尔反应（Hillreaction)斜率。
【具体实施方式】
[0027] 光合植物依靠日光作为其能量来源。因此，它们需要探测该关键环境因素的强度、 质量、持续时间和方向，并通过优化其生长和发育来适当地响应。
[0028] 叶绿素a和b富含于绿色植物中。叶绿素具有化学上与血红蛋白和细胞色素中发 现的卟啉类基团（porphyrin-likegroups)相关的复杂的环结构。类胡萝卜素是具有多个 共轭双键的线型分子，其吸收400至500nm区域的光，赋予类胡萝卜素其特征性橙色。大多 数色素吸收某些波长的光并反射非吸收的波长，并且起到作为天线复合物的部分的作用， 收集光并转移吸收的能量到反应中心复合物中的叶绿素，在此化学氧化和还原反应导致发 生长期能量储存。
[0029] 天线系统起到将能量有效地递送到与其关联的反应中心的作用。天线色素的分子 结构完全不同，虽然它们全部以某些