专利名称：增强了蔗糖磷酸酯合成酶表达的转基因产纤维植物的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过改变蔗糖磷酸酯合成酶表达提高植物产品的产量或品质的方法。具体地讲，本发明提供了相对非转基因棉花植物而言具有较高含量的蔗糖磷酸酯合成酶的转基因棉花植物。还提供了用于提高由棉花植物所产生的棉纤维的产量或品质以及棉籽产量的方法。提供用于调节细胞壁厚度、用于提高产量和其他植物纤维品质、用于调节植物的纤维素与其他干重成分的比例，用于提高种子产量、以及用于提高光合效率对夜晚低温的承受能力的通用方法。
背景技术：
通过温度控制纤维素生产的高比例及其调控对于农业来说是重要的，因为所有植物生长(以及所有粮食作物的生产)取决于由植物的营养部分或生殖部分进行的用于建造细胞壁的纤维素的合成。植物体的原始细胞壁中的纤维素还具有直接的商业价值，它可以作为动物饲料的可消化部分，并用于生产增稠剂、乙醇、以及其他纤维素基或纤维素衍生产品。另外，基于次级细胞壁的具有高纤维素含量的植物部分包含在经济上重要的植物产品中或构成了经济上重要的植物产品，包括棉纤维、木材、以及饲料作物中的纤维。木材和棉花，以及诸如大麻和亚麻的其他纤维作物的农业产量和产品品质在很多程度上是由纤维素的生物合成决定的。因此，了解纤维素合成的基础调控基质以及它是如何对温度胁迫做出反应的，可以通过遗传工程对作物进行有利的改变(改善产品产量和品质)。
由于棉纤维重量中超过90％是纤维素，因此棉花是一种特殊的作物，通过增加流向纤维素生产的碳可以提高产量和品质，如果能在包括会妨碍棉纤维发育的夜晚低温在内的在棉花生产大田中会遇到的各种环境条件下实现上述目的的话，将是特别有利的结果。例如，已知夜晚低温会妨碍棉纤维的季节性产量和品质(Gipson，温度对生长、发育和纤维特性的影响，参见Mauney著，棉花生理学，棉花结晶孟菲斯，47-56页)，因为夜晚低温会妨碍纤维素合成的效率(Roberts等，循环温度对培养的棉花胚珠中的纤维代谢的影响，植物生理学，100979-986，1992)。操纵棉花产量和纤维品质参数和在不同和/或胁迫性环境条件下保持或改善上述参数的能力，使得能够通过遗传工程对作物进行有利的改变(概述产品品质)。
对生产者来说，棉纤维的产量是作物价值的最重要的决定因素。著名的棉花育种家最近已经指出，棉花生产已经达到了纤维产量的平台区，这预示着生产者将无法在经济上获得成功，因为要投入更高的成本。造成这一问题的潜在因素包括棉纤维和种子发育对环境的敏感性，商业化棉花的窄的遗传学基础，以及最近通过与转化过的陆地棉Coker312栽培种回交而导入的诸如抗除草剂和抗虫的转基因特征。Coker312(C312)是一种因为其高的再生能力而经常被用于转化的老的栽培种。通过遗传工程使得棉花作物生产对胁迫更有承受能力，增强栽培棉花的遗传学潜力，以及改善具有各种新性状的转化过的棉花的产量，将必然导致作物产量的提高。
类似地，对于棉花生产者来说种子产量是具有价值的，因为种子被出售用于油料生产和动物饲料生产。其他微量成分，每一粒种子上的短绒纤维提供了种子作物的附加的经济价值。在不损害皮棉纤维产量或品质的前提下提高种子和短绒纤维产量将有利于生产者在每英亩棉花生产中获得更高的收益。对于棉花种子来说，提高任何种子作物的产量对于农业都有重大好处。
改善了的棉纤维品质参数，如纤维细度、成熟比例、长度、长度均匀度、纤维束强度和单纤维强度是纺织工业生产高品质产品并充分利用现代纺织技术所需要的。对于棉花生产者来说，纤维品质参数也应当高到足以避免在它将棉花卖给轧棉人时使价格打折扣的程度。例如，在德克萨斯南部高原的短的生长期中，生产者经常会由于纤维细度低而在价格上遭受损失。通过育种技术能获得的越来越高的品质业已成为棉花工业的必要标准，并且市场压力可能改变，因此，生产者越来越需要通过优质棉花获得更高价格的报偿。因此，通过遗传工程稳定或提高在各种环境条件下纤维的品质可以提高棉花作物生产的收益，并提供可以被加工行业所利用的新型材料特性。
其他植物纤维，尽管通常具有不同的组织来源，但它与棉纤维具有相同的结构特征，那就是它们是具有富含纤维素的细胞壁的拉长了的细胞。与棉纤维一样，具有工业用途的其他植物纤维也必须具有由以下因素所决定的高品质，如纤维素含量和细胞壁厚度、直径、细度(或粗糙度)、长度、强度、耐用度、均匀度、弹性和延伸性。对于每一种特定的纤维来源和工业用途来说，都有一个最佳的上述参数的范围。以在造纸中进行纸浆生产以后的木材纤维为例，较长的纤维长度和较高的单纤维拉伸度都能提高纸张的抗拉强度。另外，纤维壁的厚度能提高纸浆产量和具有高的抗拉强度的吸水纸的产量。不过，较薄的纤维壁可以改善纤维的收缩，并有利于纤维间的相互结合，这有助于生产优质输血用纸。因此，有必要沿负方向或正方向控制各种纤维的细胞壁厚度和其他纤维品质参数，以便改善其产量或品质或拓宽其工业应用范围。
提高每英亩作物产量和用途是可持续农业的关键因素。提高同一种作物的多种产物的产量，如种子和纤维产量将是有用的。类似地，提高进行成功地作物收获的可能性，例如，在不损害种子作物产量的前提下通过生产具有能更好地抗倒伏的具有较坚固的茎干的植物也是有利的。
增加空气中的二氧化碳含量是受到关注的问题，因为预测它与地球温度升高有关。需要能通过将二氧化碳转化成有用产物而更好地固定二氧化碳的植物，特别是转化成在燃烧后通常不会再生二氧化碳的产物。
在白天，棉花叶片将大部分碳同化成淀粉，并在夜晚将淀粉转化成蔗糖以便转运到储存器官。正如上文所述，棉纤维不能很好地适应在寒冷的夜晚将蔗糖有效用于纤维素合成。因此，在随后的温暖的白天，寒冷的夜晚会降低棉花光合效率(Warner等，棉花碳代谢对夜晚温度的反应，农艺杂志，871193-1197，1995)，这可能是由于在夜晚妨碍了碳水化合物的利用。所导致的叶片的碳水化合物的积累对会发出下调光合基因的信号。在寒冷的夜晚之后，保留在叶片中的过多的淀粉可能与某些负反馈基质相关，由于这种基质即使在回暖之后也会降低光合效率。有必要利用遗传工程手段减轻在随后的温暖的白天时间与寒冷的夜晚相关的对光合作用的抑制。
蔗糖磷酸酯合成酶(SPS)是参与植物碳代谢的一种关键蛋白(参见
图1)。SPS能催化由UDP-葡萄糖和果糖6-磷酸酯形成蔗糖磷酸酯。在叶片中，SPS在控制还原碳在淀粉和可转运的蔗糖之间的分配方面起着重要作用(Huber等，蔗糖磷酸酯合成酶在高等植物中的作用和调控，植物生理学植物分子生物学年度综述，47431-44，1996)。在生长中的储存细胞中，本发明的数据表明了SPS参与指导碳向纤维素的流动。其活性水平可以调节流向纤维素合成与流向呼吸的代谢流量(参见图2)。根据这一模型，纤维素储存细胞中的SPS可以在下面一种或两种情况下促进蔗糖合成提高纤维素合成的速度而增强储存强度(a)如果从叶片中转运来的蔗糖在进入储存细胞之前或之后被分解，释放出葡萄糖和果糖的话，和/或(b)将在蔗糖合成酶的作用下释放的果糖重新用在由纤维素合成酶催化的UDP-葡萄糖和果糖通道上。较低的SPS活性水平能以类似的基质减弱储存强度，在任何情况下，储存填充是受蔗糖含量影响的。
在番茄上，业已证实SPS的超量表达有时候总的果实干重提高32％。这种提高不是由于单个果实重量的增加，而是由于果实数量增加了50％(Micallef等，在具有增强了的蔗糖合成能力的转基因番茄植物中改变了的光合作用、开花和结果，植物，196327-334，1995)。业已证实这些番茄植物有时候每一个果实具有较高的鲜果重量和较高的可溶性固体(糖)(Laporte等，用玉米蔗糖磷酸酯合成酶转化过的番茄植物的蔗糖磷酸酯合成酶活性和产量分析，植物，203253-259，1997)。这些报导没有提供有关种子产量的信息，因为相对番茄果实而言番茄种子的重量很小，并且没有将种子与果实分离进行称重。
应当指出的是，尽管棉铃和番茄在植物学上都被分类成果实，但这两种果实的性质以及它们所包含的种子的相对重要性有很大不同。番茄果实主要是充满了水的初级细胞壁的液囊，并以可溶性葡萄糖、果糖和蔗糖作为储存碳水化合物。这些糖在干燥时结晶，构成果实的干重。在果实中，番茄种子由于其体积小而不是主要的储存器官，并且除了用于繁殖番茄之外它们没有经济价值。在番茄上果实是主要的储存器官；它构成了几乎所有的番茄产量，并且是具有明显经济价值的唯一的番茄部分。
相反，棉花果实比较干燥并且壁也较薄。果实本身并不构成棉花的主要储存器官或者是决定棉花产量。它保护着种子直到棉铃打开，随后它就枯萎。果实没有或者少有经济价值(综合而言)。棉籽以及所附着的纤维构成了棉花作物上的重要经济价值的两个主要部分。棉纤维是棉籽壳的伸长了的表皮细胞。在植物学上将其定义为毛。因此，组织上的两个主要储存器官是(1)种子胚胎的子叶，它储存油和蛋白；和(2)种子表皮毛(棉纤维)的次级细胞壁，它储存不可溶性纤维素。成熟的棉籽或果实中没有储存大量的可溶性糖。棉籽以及棉籽上所粘接的纤维构成了棉花作物的全部产量。因此，棉花以及其他产纤维的植物与番茄明显不同。
在番茄叶片上业已证实了能超量表达SPS的植物的营养部分的较高的总的干重。在同一个研究中，没有发现茎干重和根干重降低的变化(Galtier等，较高的蔗糖磷酸酯合成酶活性对番茄(番茄UC82B变种)光合作用、同化分配和生长的营养，植物生理学，101535-543，1993)。番茄叶片不含有大量的主要由叶肉细胞和导管组织组成的纤维。相同的植物有时候表现出在整株植物基础上具有较高的干重(Ferrario-Mery等，在转化过的植物中控制蔗糖合成和氮同化途径以便改善光合作用和产量，Foyer著，高等植物初级代谢的分子途径，Taylor和Francis纽约，125-153页，1997)，并且在包括叶片和茎干的地上部分表现出较高的干重(Laporte等，用玉米蔗糖磷酸酯合成酶转化过的番茄植物的蔗糖磷酸酯合成酶活性和产量分析，植物，203253-259，1997)。在超量表达SPS的马铃薯上，业已证实提高了的块茎的总的干重(Shewmaker，利用蔗糖磷酸酯合成酶编码序列改变可溶性固体，PCT国际
发明者C·H·海格勒, A·S·霍拉迪 申请人:得克萨斯技术大学