专利名称：具有受调节的碳分配的植物及其制备方法
具有受调节的碳分配的植物及其制备方法本发明一般涉及分子生物学领域并涉及用于在植物中调节碳分配(carbon partitioning)的方法。更具体地，本发明涉及在通过调节编码特定类型的NAC转录因子的核酸在植物中表达而在植物中调节碳分配的方法。本发明还涉及具有编码NAC转录因子的核酸的受到调节表达的植物，所述植物相对于对照植物具有受调节的碳分配。本发明也提供用于本发明方法的构建体。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育种技术以鉴定具有受欢迎特性的植物。然而，此类选择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 (一般以DNA或RNA的形式)并且随后引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、农学和园艺学改良性状的作物或植物的能力。本发明涉及特定类型的NAC转录因子在植物中调节碳分配的用途。转录因子通常定义为显示序列特异性DNA结合，和能够激活和/或抑制转录的蛋白质。拟南芥基因组编码至少1533个转录调节子，这占其估计的基因总数的 5. 9%。报导大约45%的这些转录因子来自植物特异性家族(Riechmann等人，2000 Science Vol. 290, 2105-2109)) 这种植物特异性家族转录因子的一个实例是NAC家族。NAC是取自首次描述为包含NAC结构域的三个基因的首字母的缩写词，所述三个基因即NAM(无顶端分生组织)、ATAF1，2和⑶C2 (杯状子叶)。NAC蛋白质似乎在植物中广泛分布，估计拟南芥基因组至少含有100个NAC-编码基因，但是至今没有在其他真核生物中发现任何实例(Riechmann等人，2000)。NAC蛋白质家族包含多个植物蛋白质，它们通过存在高度保守的N-末端NAC结构域以及不同的C-末端结构域鉴定。NAC蛋白质的DNA-结合能力通常定位在NAC结构域， C-末端区组成转录活化结构域。已发现几个NAC基因是激素诱导的。已提示NAC结构域与其他蛋白质相互作用，所述蛋白质例如病毒蛋白质和环指蛋白(RING finger protein) 0 还已提示NAC蛋白质在多种植物过程的转录控制(中起作用)，所述植物过程包括茎端分生组织和花器官的发育，以及侧根的形成。还已提示NAC蛋白质响应胁迫和病毒感染，Ernst 等人，2004 (EMBO Reports 5，3，297-303)。US专利6，844，486描述了分离自拟南芥的NAC家族成员、NACI。据报道NACl涉及子叶和侧生根的发育调控。据报导nacl基因的过表达产生相对于野生型植物的更大的植物，其具有更大的根和更多的侧生根。令人惊讶的是，现已发现在植物中调节编码特定类型的NAC转录因子的核酸的表达产生相对于对照植物，具有受调节的碳分配的植物。适合于在植物中调节碳分配的特定类型的NAC转录因子详述于下。本发明提供相对于对照植物，在植物中调节碳分配的方法，其包括在植物中调节编码特定类型的NAC转录因子的核酸的表达。
选择合适的对照植物是实验设置的常规部分，并且可以包括对应的野生型植物或无目的基因的对应植物。对照植物一般是与待评估植物相同的植物物种或甚至是相同的品种。对照植物也可以是待评估植物的失效合子。如文中所用的“对照植物”不仅指整株植物，还指植物部分，包括种子及种子部分。调节(优选增加)NAC转录因子的编码核酸表达的优选方法是通过在植物中引入并表达如下进一步定义的特定类型NAC转录因子的编码核酸。待引入植物(并因此用于实施本发明的方法)的核酸是编码文中所述类型的NAC 转录因子的任意核酸。文中定义的“NAC转录因子”意指任何氨基酸序列，当其用于构建NAC 系统树(例如
图1所示的)时，趋向聚簇于包含SEQ ID NO: 2所示的氨基酸序列的NAC组， 而不是聚簇于任何其他NAC组。本领域技术人员可容易地利用制作此类系统树的已知技术和软件，例如GCG、EBI 或CLUSTAL软件包，利用默认参数来确定任何所研究的氨基酸序列是否落入“NAC转录因子”的定义中。图1的系统树来自Ooka等人，2003 (DNA Research 10，239-247，2003)。建立此类系统树的方法由Ooka等人，2003描述。在图1的系统树中，发现SEQ ID NO :2位于从下往上的第3组中，标记为“0sNAC7”。任何聚簇于包括SEQ IDNO 2的这一组中的序列将被认为落入上述NAC转录因子的定义并适用于本发明的方法。额外地或者备选地，文中定义的“NAC转录因子”包含任意一个或多个下述基序。基序I :KIDLDIIQELD，或与基序I的序列具有一定序列同一性的基序，所述序列同一性按照递增的优选顺序为至少50 %、60 %、70 %、80 %或90 %。基序I 优选是K/P/R/G I/S/M D/A/E/Q L/I/V D I/V/F I Q/V/R/K E/D L/I/V D。基序II :CKYGXGHGGDEQTEW，或与基序II的序列具有一定序列同一性的基序，所述序列同一性按照递增的优选顺序为至少50%、60 %、70%、80 %或90%，其中“X”是任意氨
基酸或空位。基序II 优选是 C K/R Y/L/I G XXX G/Y/N D/E E Q/R T/N/S EW，其中“X”是任意
氨基酸或空位。基序III :GWVVCRAFQKP，或与基序III的序列具有一定序列同一性的基序，所述序列同一性按照递增的优选顺序为至少50 %、60 %、70 %、80 %或90 %。基序III优选是GWVVCR A/V F X1K X2，其中“X1”和“X2”可以是任意氨基酸，优选 X1 是 Q/R/K，优选 X2 是 P/R/K。基序I至III见于SEQ ID NO 2所示的NAC中，并一般也见于聚簇于包含SEQ ID NO :2的NAC组(在NAC系统树中)而不聚簇于任何其他NAC组的NAC中。基序I至III中的任一个在任何位置均可包含一个或多个保守氨基酸的取代。文中定义的NAC转录因子(S卩，任意氨基酸序列，当其用于用于构建NAC系统树 (例如图1所示的)时，趋向聚簇于包括SEQ ID NO :2所示氨基酸序列的NAC的组，而不是聚簇于任何其他NAC组)的实例示于下表1中。表1 (在系统树中)聚簇于SEQ ID NO 2所示的NAC组，而不是聚簇于任何其他 NAC组的NAC转录因子的实例
权利要求
1.一种调节植物中碳分配的方法，其包括调节编码NAC转录因子的核酸在植物中的表达，其中当所述NAC转录因子的氨基酸序列用于构建诸如图1所示的NAC系统树时，趋向聚簇于包含SEQ ID NO 2所示的氨基酸序列的NAC组，而不是聚簇于任何其他NAC组。
2.权利要求1的方法，其中所述NAC转录因子包含任意一个或多个以下基序基序I :KIDLDIIQELD，或与基序I的序列具有一定序列同一性的基序，所述序列同一性按照增加的优选顺序为至少50 %、60 %、70 %、80 %或90 % ；基序II :CKYGXGHGGDEQTEW，或与基序II的序列具有一定序列同一性的基序，所述序列同一性按照递增的优选顺序为至少50%、60(%、70(%、80(%或90(%，其中“乂”是任意氨基酸或空位；基序III :GWVVCRAFQKP，或与基序III的序列具有一定序列同一性的基序，所述序列同一性按照递增的优选顺序为至少50 %、60 %、70 %、80 %或90 %。
3.权利要求1或2的方法，其中所述编码NAC转录因子的核酸是表1中给出的任一SEQ ID NO的核酸或其部分，或能够与表1中给出的任一 SEQ ID NO的核酸杂交的序列。
4.权利要求1-3中任一项的方法，其中所述调节表达通过T-DNA激活标签化、TILLING 和同源重组中的任何一种或多种方法实现。
5.权利要求1-3中任一项的方法，其中所述调节表达通过在植物中引入并表达编码 NAC转录因子的核酸实现，其中当所述NAC转录因子的氨基酸序列用于构建诸如图1所示的 NAC系统树时，趋向聚簇于包含SEQ ID NO :2所示的氨基酸序列的NAC组，而不是聚簇于任何其他NAC组。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中所述调节表达是在植物中过表达编码NAC 转录因子的核酸。
7.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中所述调节表达是减少或基本上消除编码 NAC转录因子的核酸在植物中的表达。
8.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中所述受调节的碳分配使植物显示下述一种或多种增加的分蘖(杆)数；减小的分蘖直径；增加的鲜重；更小的植株；增加的穗数；增加的穗长；增加的每植株籽粒重；增加的籽粒大小；增加的千粒重(TKW)；增加的籽粒充盈； 减小的旗叶宽；旗叶中改变的维管束(大维管束数目的减少且小维管束数目的增加)；改变的叶脉数；更薄的叶片；增加的气孔数；改变的糖含量、组成、品质；增加的蔗糖合酶活性 (抽穗期和成熟期)；增加的蔗糖磷酸合酶活性(特别是在抽穗期)；增加的旗叶中的转化酶(特别是在成熟期)；降低的β淀粉酶活性；增加的叶中淀粉(成熟期和抽穗期)；增加的葡萄糖、蔗糖、果糖(在抽穗期)；增加的阿拉伯糖和半乳糖(在成熟期)；增加的维管结构和气孔密度；改变的植物生长素通量/糖通量；增加的木质素积累；通过延迟的糖降解而延迟的衰老。
9.根据权利要求1-5和7中任一项的方法，其中所述具有减少的或基本上消除的NAC 转录因子表达的植物显示下述一种或多种减少的分蘖(杆)数；增加的分蘖直径；更大的分蘖；减少的穗数；减少的穗长；减少的每植株籽粒重；增加的籽粒大小；减少的籽粒充盈或可育性(每穗可育性籽粒％ )；增加的旗叶宽；更薄的叶片；改变的维管束(大维管束数目的增加且小维管束数目的减少)；改变的叶脉数；减少的气孔数；减少的光合作用；减少的鲜重；降低的蔗糖合酶活性(抽穗期和成熟期)；降低的蔗糖磷酸合酶活性(抽穗期和成熟期)；减少的旗叶中的转化酶(抽穗期和成熟期)；增加的β淀粉酶活性(特别是在抽穗期)，减少的旗叶中的淀粉(特别是在抽穗期)；减少的蔗糖、增加的葡萄糖、成熟期增加的果糖；减少的阿拉伯糖(特别是在衰老期)；减少的维管结构和气孔密度，改变的植物生长素通量/糖通量；减少的木质素积累；通过更快的糖降解和向壑的较少转移(更有效的壑产生)而加速的老化。
10.权利要求5或6的方法，其中所述核酸与组成型启动子有效连接，优选与泛素启动子有效连接。
11.根据权利要求1-10中任一项的方法，其中所述编码NAC转录因子的核酸是植物来源，优选来自单子叶植物，更优选来自禾本科，进一步优选来自稻属，最优选来自稻。
12.权利要求1-11中任一项的方法获得的植物，或包括种子的植物部分，其中所述植物或植物部分包含编码NAC转录因子的核酸。
13.构建体，其包含(a)编码NAC转录因子的核酸，其中当所述NAC转录因子的氨基酸序列用于构建诸如图1所示的NAC系统树时，趋向聚簇于包含SEQ IDNO 2所示的氨基酸序列的NAC组，而不是聚簇于任何其他NAC组；(b)能够驱动(a)的核酸序列表达的一种或多种调控序列；和任选地(c)转录终止序列。
14.权利要求13的构建体，其中所述一种或多种调控序列至少是组成型启动子，优选是泛素启动子。
15.权利要求12-14中任一项的构建体在制备相对于对照植物具有受调节的碳分配的植物中的用途。
16.植物、植物部分或植物细胞，其由权利要求12-15中任一项的构建体转化。
17.用于产生相对于对照植物具有受调节的碳分配的转基因植物的方法，所述方法包括(i)在植物中引入并表达编码NAC转录因子的核酸，其中当所述NAC转录因子的氨基酸序列用于构建诸如图1所示的NAC系统树时，趋向聚簇于包含SEQ ID NO :2所代表的氨基酸序列的NAC组，而不是聚簇于任何其他NAC组；以及 ( )在促进植物生长和发育的条件下培育植物细胞。
18.相对于合适的对照植物具有受调节的碳分配的转基因植物，所述增加的产量来自编码NAC转录因子的核酸的增加的表达，其中当所述NAC转录因子的氨基酸序列用于构建诸如图1所示的NAC系统树时，趋向聚簇于包含SEQ ID NO 2所代表的氨基酸序列的NAC 组，而不是聚簇于任何其他NAC组。
19.权利要求12、17或17中任一项的转基因植物，其中所述植物是作物植物、单子叶植物或谷物，例如稻、玉米、小麦、大麦、粟、黑麦、高粱和燕麦。
20.权利要求9、17、19或20中任一项的植物的可收获部分，其中所述可收获部分优选是种子。
21.产物，其来自权利要求19的植物和/或权利要求20的植物的可收获部分。
22.编码NAC转录因子的核酸在植物中调节碳分配中的用途，其中当所述NAC转录因子的氨基酸序列用于构建诸如图1所示的NAC系统树时，趋向聚簇于包含SEQ ID NO 2所代表的氨基酸序列的NAC组，而不是聚簇于任何其他NAC组。
全文摘要
本发明一般涉及分子生物学领域并涉及用于在植物中调节碳分配的方法。更具体地，本发明涉及在通过调节编码特定类型的NAC转录因子的核酸在植物中表达而在植物中调节碳分配的方法。本发明还涉及具有编码NAC转录因子的核酸的受调节表达的植物，所述植物相对于对照植物具有受调节的碳分配。本发明也提供用于本发明方法的构建体。
文档编号C07K14/435GK102471374SQ201080030444
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月1日 优先权日2009年7月7日
发明者C-D·韩, S·H·朴, Y·D·崔 申请人:巴斯夫植物科学有限公司, 植物功能基因组中心