專利名稱：具有受調(diào)節(jié)的碳分配的植物及其制備方法
具有受調(diào)節(jié)的碳分配的植物及其制備方法本發(fā)明一般涉及分子生物學(xué)領(lǐng)域并涉及用于在植物中調(diào)節(jié)碳分配(carbon partitioning)的方法。更具體地，本發(fā)明涉及在通過(guò)調(diào)節(jié)編碼特定類型的NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸在植物中表達(dá)而在植物中調(diào)節(jié)碳分配的方法。本發(fā)明還涉及具有編碼NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸的受到調(diào)節(jié)表達(dá)的植物，所述植物相對(duì)于對(duì)照植物具有受調(diào)節(jié)的碳分配。本發(fā)明也提供用于本發(fā)明方法的構(gòu)建體。持續(xù)增長(zhǎng)的世界人口和農(nóng)業(yè)用可耕地供應(yīng)萎縮刺激了有關(guān)增加農(nóng)業(yè)效率的研究。 常規(guī)的作物及園藝學(xué)改良手段利用選擇育種技術(shù)以鑒定具有受歡迎特性的植物。然而，此類選擇育種技術(shù)具有幾個(gè)缺陷，即這些技術(shù)一般耗費(fèi)很多勞動(dòng)并且產(chǎn)生這樣的植物，其經(jīng)常含有異源性遺傳組分，其可能不總是導(dǎo)致從親代植物中傳遞的所希望性狀。分子生物學(xué)進(jìn)展已經(jīng)允許人類改良動(dòng)物及植物的種質(zhì)。植物的遺傳工程使得可以分離和操作遺傳物質(zhì) (一般以DNA或RNA的形式)并且隨后引入該遺傳物質(zhì)至植物中。此類技術(shù)具有產(chǎn)生具備多種經(jīng)濟(jì)學(xué)、農(nóng)學(xué)和園藝學(xué)改良性狀的作物或植物的能力。本發(fā)明涉及特定類型的NAC轉(zhuǎn)錄因子在植物中調(diào)節(jié)碳分配的用途。轉(zhuǎn)錄因子通常定義為顯示序列特異性DNA結(jié)合，和能夠激活和/或抑制轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)。擬南芥基因組編碼至少1533個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子，這占其估計(jì)的基因總數(shù)的 5. 9%。報(bào)導(dǎo)大約45%的這些轉(zhuǎn)錄因子來(lái)自植物特異性家族(Riechmann等人，2000 Science Vol. 290, 2105-2109)) 這種植物特異性家族轉(zhuǎn)錄因子的一個(gè)實(shí)例是NAC家族。NAC是取自首次描述為包含NAC結(jié)構(gòu)域的三個(gè)基因的首字母的縮寫詞，所述三個(gè)基因即NAM(無(wú)頂端分生組織)、ATAF1，2和⑶C2 (杯狀子葉)。NAC蛋白質(zhì)似乎在植物中廣泛分布，估計(jì)擬南芥基因組至少含有100個(gè)NAC-編碼基因，但是至今沒(méi)有在其他真核生物中發(fā)現(xiàn)任何實(shí)例(Riechmann等人，2000)。NAC蛋白質(zhì)家族包含多個(gè)植物蛋白質(zhì)，它們通過(guò)存在高度保守的N-末端NAC結(jié)構(gòu)域以及不同的C-末端結(jié)構(gòu)域鑒定。NAC蛋白質(zhì)的DNA-結(jié)合能力通常定位在NAC結(jié)構(gòu)域， C-末端區(qū)組成轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域。已發(fā)現(xiàn)幾個(gè)NAC基因是激素誘導(dǎo)的。已提示NAC結(jié)構(gòu)域與其他蛋白質(zhì)相互作用，所述蛋白質(zhì)例如病毒蛋白質(zhì)和環(huán)指蛋白(RING finger protein) 0 還已提示NAC蛋白質(zhì)在多種植物過(guò)程的轉(zhuǎn)錄控制(中起作用)，所述植物過(guò)程包括莖端分生組織和花器官的發(fā)育，以及側(cè)根的形成。還已提示NAC蛋白質(zhì)響應(yīng)脅迫和病毒感染，Ernst 等人，2004 (EMBO Reports 5，3，297-303)。US專利6，844，486描述了分離自擬南芥的NAC家族成員、NACI。據(jù)報(bào)道NACl涉及子葉和側(cè)生根的發(fā)育調(diào)控。據(jù)報(bào)導(dǎo)nacl基因的過(guò)表達(dá)產(chǎn)生相對(duì)于野生型植物的更大的植物，其具有更大的根和更多的側(cè)生根。令人驚訝的是，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在植物中調(diào)節(jié)編碼特定類型的NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸的表達(dá)產(chǎn)生相對(duì)于對(duì)照植物，具有受調(diào)節(jié)的碳分配的植物。適合于在植物中調(diào)節(jié)碳分配的特定類型的NAC轉(zhuǎn)錄因子詳述于下。本發(fā)明提供相對(duì)于對(duì)照植物，在植物中調(diào)節(jié)碳分配的方法，其包括在植物中調(diào)節(jié)編碼特定類型的NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸的表達(dá)。
選擇合適的對(duì)照植物是實(shí)驗(yàn)設(shè)置的常規(guī)部分，并且可以包括對(duì)應(yīng)的野生型植物或無(wú)目的基因的對(duì)應(yīng)植物。對(duì)照植物一般是與待評(píng)估植物相同的植物物種或甚至是相同的品種。對(duì)照植物也可以是待評(píng)估植物的失效合子。如文中所用的“對(duì)照植物”不僅指整株植物，還指植物部分，包括種子及種子部分。調(diào)節(jié)(優(yōu)選增加)NAC轉(zhuǎn)錄因子的編碼核酸表達(dá)的優(yōu)選方法是通過(guò)在植物中引入并表達(dá)如下進(jìn)一步定義的特定類型NAC轉(zhuǎn)錄因子的編碼核酸。待引入植物(并因此用于實(shí)施本發(fā)明的方法)的核酸是編碼文中所述類型的NAC 轉(zhuǎn)錄因子的任意核酸。文中定義的“NAC轉(zhuǎn)錄因子”意指任何氨基酸序列，當(dāng)其用于構(gòu)建NAC 系統(tǒng)樹(shù)(例如

圖1所示的)時(shí)，趨向聚簇于包含SEQ ID NO: 2所示的氨基酸序列的NAC組， 而不是聚簇于任何其他NAC組。本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易地利用制作此類系統(tǒng)樹(shù)的已知技術(shù)和軟件，例如GCG、EBI 或CLUSTAL軟件包，利用默認(rèn)參數(shù)來(lái)確定任何所研究的氨基酸序列是否落入“NAC轉(zhuǎn)錄因子”的定義中。圖1的系統(tǒng)樹(shù)來(lái)自O(shè)oka等人，2003 (DNA Research 10，239-247，2003)。建立此類系統(tǒng)樹(shù)的方法由Ooka等人，2003描述。在圖1的系統(tǒng)樹(shù)中，發(fā)現(xiàn)SEQ ID NO :2位于從下往上的第3組中，標(biāo)記為“0sNAC7”。任何聚簇于包括SEQ IDNO 2的這一組中的序列將被認(rèn)為落入上述NAC轉(zhuǎn)錄因子的定義并適用于本發(fā)明的方法。額外地或者備選地，文中定義的“NAC轉(zhuǎn)錄因子”包含任意一個(gè)或多個(gè)下述基序?；騃 :KIDLDIIQELD，或與基序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遞增的優(yōu)選順序?yàn)橹辽?0 %、60 %、70 %、80 %或90 %?；騃 優(yōu)選是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?；騃I :CKYGXGHGGDEQTEW，或與基序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遞增的優(yōu)選順序?yàn)橹辽?0%、60 %、70%、80 %或90%，其中“X”是任意氨
基酸或空位。基序II 優(yōu)選是 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?；騃II :GWVVCRAFQKP，或與基序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遞增的優(yōu)選順序?yàn)橹辽?0 %、60 %、70 %、80 %或90 %。基序III優(yōu)選是GWVVCR A/V F X1K X2，其中“X1”和“X2”可以是任意氨基酸，優(yōu)選 X1 是 Q/R/K，優(yōu)選 X2 是 P/R/K?；騃至III見(jiàn)于SEQ ID NO 2所示的NAC中，并一般也見(jiàn)于聚簇于包含SEQ ID NO :2的NAC組(在NAC系統(tǒng)樹(shù)中)而不聚簇于任何其他NAC組的NAC中?；騃至III中的任一個(gè)在任何位置均可包含一個(gè)或多個(gè)保守氨基酸的取代。文中定義的NAC轉(zhuǎn)錄因子(S卩，任意氨基酸序列，當(dāng)其用于用于構(gòu)建NAC系統(tǒng)樹(shù) (例如圖1所示的)時(shí)，趨向聚簇于包括SEQ ID NO :2所示氨基酸序列的NAC的組，而不是聚簇于任何其他NAC組)的實(shí)例示于下表1中。表1 (在系統(tǒng)樹(shù)中)聚簇于SEQ ID NO 2所示的NAC組，而不是聚簇于任何其他 NAC組的NAC轉(zhuǎn)錄因子的實(shí)例
權(quán)利要求
1.一種調(diào)節(jié)植物中碳分配的方法，其包括調(diào)節(jié)編碼NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸在植物中的表達(dá)，其中當(dāng)所述NAC轉(zhuǎn)錄因子的氨基酸序列用于構(gòu)建諸如圖1所示的NAC系統(tǒng)樹(shù)時(shí)，趨向聚簇于包含SEQ ID NO 2所示的氨基酸序列的NAC組，而不是聚簇于任何其他NAC組。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述NAC轉(zhuǎn)錄因子包含任意一個(gè)或多個(gè)以下基序基序I :KIDLDIIQELD，或與基序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優(yōu)選順序?yàn)橹辽?0 %、60 %、70 %、80 %或90 % ；基序II :CKYGXGHGGDEQTEW，或與基序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遞增的優(yōu)選順序?yàn)橹辽?0%、60(%、70(%、80(%或90(%，其中“乂”是任意氨基酸或空位；基序III :GWVVCRAFQKP，或與基序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遞增的優(yōu)選順序?yàn)橹辽?0 %、60 %、70 %、80 %或90 %。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其中所述編碼NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸是表1中給出的任一SEQ ID NO的核酸或其部分，或能夠與表1中給出的任一 SEQ ID NO的核酸雜交的序列。
4.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的方法，其中所述調(diào)節(jié)表達(dá)通過(guò)T-DNA激活標(biāo)簽化、TILLING 和同源重組中的任何一種或多種方法實(shí)現(xiàn)。
5.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的方法，其中所述調(diào)節(jié)表達(dá)通過(guò)在植物中引入并表達(dá)編碼 NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸實(shí)現(xiàn)，其中當(dāng)所述NAC轉(zhuǎn)錄因子的氨基酸序列用于構(gòu)建諸如圖1所示的 NAC系統(tǒng)樹(shù)時(shí)，趨向聚簇于包含SEQ ID NO :2所示的氨基酸序列的NAC組，而不是聚簇于任何其他NAC組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的方法，其中所述調(diào)節(jié)表達(dá)是在植物中過(guò)表達(dá)編碼NAC 轉(zhuǎn)錄因子的核酸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的方法，其中所述調(diào)節(jié)表達(dá)是減少或基本上消除編碼 NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸在植物中的表達(dá)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的方法，其中所述受調(diào)節(jié)的碳分配使植物顯示下述一種或多種增加的分蘗(桿)數(shù)；減小的分蘗直徑；增加的鮮重；更小的植株；增加的穗數(shù)；增加的穗長(zhǎng)；增加的每植株籽粒重；增加的籽粒大?。辉黾拥那ЯＶ?TKW)；增加的籽粒充盈； 減小的旗葉寬；旗葉中改變的維管束(大維管束數(shù)目的減少且小維管束數(shù)目的增加)；改變的葉脈數(shù)；更薄的葉片；增加的氣孔數(shù)；改變的糖含量、組成、品質(zhì)；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(特別是在抽穗期)；增加的旗葉中的轉(zhuǎn)化酶(特別是在成熟期)；降低的β淀粉酶活性；增加的葉中淀粉(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)；增加的維管結(jié)構(gòu)和氣孔密度；改變的植物生長(zhǎng)素通量/糖通量；增加的木質(zhì)素積累；通過(guò)延遲的糖降解而延遲的衰老。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-5和7中任一項(xiàng)的方法，其中所述具有減少的或基本上消除的NAC 轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)的植物顯示下述一種或多種減少的分蘗(桿)數(shù)；增加的分蘗直徑；更大的分蘗；減少的穗數(shù)；減少的穗長(zhǎng)；減少的每植株籽粒重；增加的籽粒大??；減少的籽粒充盈或可育性(每穗可育性籽粒％ )；增加的旗葉寬；更薄的葉片；改變的維管束(大維管束數(shù)目的增加且小維管束數(shù)目的減少)；改變的葉脈數(shù)；減少的氣孔數(shù)；減少的光合作用；減少的鮮重；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)；減少的旗葉中的轉(zhuǎn)化酶(抽穗期和成熟期)；增加的β淀粉酶活性(特別是在抽穗期)，減少的旗葉中的淀粉(特別是在抽穗期)；減少的蔗糖、增加的葡萄糖、成熟期增加的果糖；減少的阿拉伯糖(特別是在衰老期)；減少的維管結(jié)構(gòu)和氣孔密度，改變的植物生長(zhǎng)素通量/糖通量；減少的木質(zhì)素積累；通過(guò)更快的糖降解和向壑的較少轉(zhuǎn)移(更有效的壑產(chǎn)生)而加速的老化。
10.權(quán)利要求5或6的方法，其中所述核酸與組成型啟動(dòng)子有效連接，優(yōu)選與泛素啟動(dòng)子有效連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)的方法，其中所述編碼NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸是植物來(lái)源，優(yōu)選來(lái)自單子葉植物，更優(yōu)選來(lái)自禾本科，進(jìn)一步優(yōu)選來(lái)自稻屬，最優(yōu)選來(lái)自稻。
12.權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)的方法獲得的植物，或包括種子的植物部分，其中所述植物或植物部分包含編碼NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸。
13.構(gòu)建體，其包含(a)編碼NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸，其中當(dāng)所述NAC轉(zhuǎn)錄因子的氨基酸序列用于構(gòu)建諸如圖1所示的NAC系統(tǒng)樹(shù)時(shí)，趨向聚簇于包含SEQ IDNO 2所示的氨基酸序列的NAC組，而不是聚簇于任何其他NAC組；(b)能夠驅(qū)動(dòng)(a)的核酸序列表達(dá)的一種或多種調(diào)控序列；和任選地(c)轉(zhuǎn)錄終止序列。
14.權(quán)利要求13的構(gòu)建體，其中所述一種或多種調(diào)控序列至少是組成型啟動(dòng)子，優(yōu)選是泛素啟動(dòng)子。
15.權(quán)利要求12-14中任一項(xiàng)的構(gòu)建體在制備相對(duì)于對(duì)照植物具有受調(diào)節(jié)的碳分配的植物中的用途。
16.植物、植物部分或植物細(xì)胞，其由權(quán)利要求12-15中任一項(xiàng)的構(gòu)建體轉(zhuǎn)化。
17.用于產(chǎn)生相對(duì)于對(duì)照植物具有受調(diào)節(jié)的碳分配的轉(zhuǎn)基因植物的方法，所述方法包括(i)在植物中引入并表達(dá)編碼NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸，其中當(dāng)所述NAC轉(zhuǎn)錄因子的氨基酸序列用于構(gòu)建諸如圖1所示的NAC系統(tǒng)樹(shù)時(shí)，趨向聚簇于包含SEQ ID NO :2所代表的氨基酸序列的NAC組，而不是聚簇于任何其他NAC組；以及 ( )在促進(jìn)植物生長(zhǎng)和發(fā)育的條件下培育植物細(xì)胞。
18.相對(duì)于合適的對(duì)照植物具有受調(diào)節(jié)的碳分配的轉(zhuǎn)基因植物，所述增加的產(chǎn)量來(lái)自編碼NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸的增加的表達(dá)，其中當(dāng)所述NAC轉(zhuǎn)錄因子的氨基酸序列用于構(gòu)建諸如圖1所示的NAC系統(tǒng)樹(shù)時(shí)，趨向聚簇于包含SEQ ID NO 2所代表的氨基酸序列的NAC 組，而不是聚簇于任何其他NAC組。
19.權(quán)利要求12、17或17中任一項(xiàng)的轉(zhuǎn)基因植物，其中所述植物是作物植物、單子葉植物或谷物，例如稻、玉米、小麥、大麥、粟、黑麥、高粱和燕麥。
20.權(quán)利要求9、17、19或20中任一項(xiàng)的植物的可收獲部分，其中所述可收獲部分優(yōu)選是種子。
21.產(chǎn)物，其來(lái)自權(quán)利要求19的植物和/或權(quán)利要求20的植物的可收獲部分。
22.編碼NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸在植物中調(diào)節(jié)碳分配中的用途，其中當(dāng)所述NAC轉(zhuǎn)錄因子的氨基酸序列用于構(gòu)建諸如圖1所示的NAC系統(tǒng)樹(shù)時(shí)，趨向聚簇于包含SEQ ID NO 2所代表的氨基酸序列的NAC組，而不是聚簇于任何其他NAC組。
全文摘要
本發(fā)明一般涉及分子生物學(xué)領(lǐng)域并涉及用于在植物中調(diào)節(jié)碳分配的方法。更具體地，本發(fā)明涉及在通過(guò)調(diào)節(jié)編碼特定類型的NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸在植物中表達(dá)而在植物中調(diào)節(jié)碳分配的方法。本發(fā)明還涉及具有編碼NAC轉(zhuǎn)錄因子的核酸的受調(diào)節(jié)表達(dá)的植物，所述植物相對(duì)于對(duì)照植物具有受調(diào)節(jié)的碳分配。本發(fā)明也提供用于本發(fā)明方法的構(gòu)建體。
文檔編號(hào)C07K14/435GK102471374SQ201080030444
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者C-D·韓, S·H·樸, Y·D·崔 申請(qǐng)人:巴斯夫植物科學(xué)有限公司, 植物功能基因組中心