提高植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的材料和方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 政府專持的聲巧
[0002] 本發(fā)明利用美國(guó)能源部授予的合同號(hào)DE-FG02-0祀R64114的政府資助完成。美國(guó) 政府在本發(fā)明中具有一定權(quán)利。
[0003] 巧關(guān)申請(qǐng)的引用
[0004] 本申請(qǐng)要求2013年1月11日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/751,648的利益，且其 全文通過(guò)引用并入本文中。
[000引序列表的并入
[0006] 包含在名稱為"UFFL042W0_ST25.txt"的文件中的序列表與本文一起電子提交并 通過(guò)引用并入本文，該文件在微軟視窗操作系統(tǒng)中測(cè)量為3千字節(jié)大小且于2014年1月4 日生成。
技術(shù)領(lǐng)域
[0007] 本發(fā)明總體設(shè)及分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的領(lǐng)域。更特別地，本發(fā)明設(shè)及提高植物的 生長(zhǎng)和產(chǎn)量的方法。
【背景技術(shù)】
[0008] 水缺乏和干旱是限制作物產(chǎn)量和生產(chǎn)率的主要因素，且是對(duì)全世界糧食安全的主 要威脅。植物品種可W繁育成為每單位水供應(yīng)具有更高的生產(chǎn)率，即更高的水利用效率 (WUE)。但是，我們?nèi)狈υ斐蒞UE的遺傳機(jī)制的知識(shí)阻礙了運(yùn)一性狀的改善。水利用效率可 受到多種因素的影響，包括氣孔導(dǎo)度（其部分地受到導(dǎo)水率的調(diào)節(jié)）。導(dǎo)水率隨著更大的木 質(zhì)部導(dǎo)管直徑快速地提高，因?yàn)榱髁颗c導(dǎo)管直徑的四次方成比例。調(diào)節(jié)分生組織細(xì)胞分化 成導(dǎo)管的基因直到最近仍是未知的，但它們的操作可W提高導(dǎo)水率并因此提高光合作用率 和植物生產(chǎn)率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明設(shè)及用于調(diào)節(jié)植物中的生長(zhǎng)率、產(chǎn)量和/或耐旱性的材料和方法。在一個(gè) 實(shí)施方式中，本發(fā)明的方法包括上調(diào)植物中導(dǎo)水率l(hcl)基因（或提供基本上相同活性的 其同源基因）的表達(dá)或提高其hcl基因編碼的蛋白質(zhì)的表達(dá)或活性，其中提高的hcl基因 表達(dá)或提高的hcl基因編碼的蛋白質(zhì)的表達(dá)或活性導(dǎo)致植物生長(zhǎng)的增加。在一個(gè)實(shí)施方式 中，hcl基因編碼含有SEQIDN0:2所示的氨基酸序列的蛋白質(zhì)或具有基本上相同的活性 的其片段或變體。在特定的實(shí)施方式中，hcl基因包含SEQIDNO: 1或SEQIDNO:3所示 的核巧酸序列。在一個(gè)實(shí)施方式中，植物用編碼Hcl蛋白或具有基本上相同的活性的其片 段或變體的多核巧酸轉(zhuǎn)化，其中Hcl蛋白在植物中表達(dá)。
[0010] 在另一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明的方法提供本發(fā)明的hcl基因（或提供基本上相同 活性的其同源基因）的提高的表達(dá)或者h(yuǎn)cl基因（或其同源基因）編碼的蛋白質(zhì)的提高的 表達(dá)或活性。在一個(gè)實(shí)施方式中，多個(gè)拷貝的本發(fā)明的hcl基因或其蛋白質(zhì)編碼部分并入 植物中。在一個(gè)實(shí)施方式中，hcl基因編碼含有SEQIDN0:2所示的氨基酸序列的蛋白質(zhì)或 具有基本上相同的活性的其片段或變體。在特定的實(shí)施方式中，hcl基因包含SEQIDNO: 1 或SEQIDNO:3所示的核巧酸序列。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1 -顯示線性回歸圖，其表明葉比導(dǎo)水率（specifichy化aulicconductivity) og和直徑增量值iJ之間的正相關(guān)性（r2= 0. 4164,P= 0. 0012)。點(diǎn)是后代基因型平均 值。
[0012] 圖2-顯不線性回歸圖，其表明導(dǎo)水管直徑化y化aulicvesseldiameter) (Dh)和 直徑增量值iJ之間的正相關(guān)性（r2= 0. 7196,P<0. 0001)。點(diǎn)是后代基因型平均值。
[0013] 圖3-顯示了使用DeltaDeltaCT分析描繪與野生型（表達(dá)水平=1)相比hcl 表達(dá)的最多90倍的提高。肌動(dòng)蛋白用作對(duì)照基因。
[0014] 圖4-顯示了表明與野生型相比過(guò)表達(dá)hcl的轉(zhuǎn)基因株系明顯更高的生長(zhǎng)的生長(zhǎng) 比較。
[0015] 圖5-顯示木質(zhì)部橫截面的光學(xué)顯微照片，其表明與野生型（圖B)相比過(guò)表達(dá)hcl 的轉(zhuǎn)基因株系（圖A)中更高的導(dǎo)管數(shù)和直徑。
[0016] 圖6-顯示表明與野生型相比過(guò)表達(dá)P0PTR_0001s33660的轉(zhuǎn)基因株系中導(dǎo)管平均 直徑（圖A)和數(shù)目（圖B)的柱狀圖。
[0017] 序列簡(jiǎn)要說(shuō)巧
[001引SEQIDNO: 1 -編碼SEQIDN0:2的氨基酸序列的hcl基因編碼區(qū)域的核巧酸序 列。
[0019] SEQIDN0:2-具有SEQIDN0:1的核巧酸序列的hcl基因編碼的蛋白質(zhì)的氨基 酸序列。
[0020] SEQIDNO: 3-包含編碼SEQIDNO: 2的氨基酸序列的hcl基因編碼區(qū)域的基因組 核巧酸序列。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 本發(fā)明設(shè)及用于調(diào)節(jié)植物生物量和產(chǎn)量的材料和方法。在一個(gè)方面，本發(fā)明設(shè)及 用于提高植物的生長(zhǎng)率和/或生物量的材料和方法。本發(fā)明還在植物中提供對(duì)于干旱條件 的改善的耐受性。在一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明的方法包括在植物中提高h(yuǎn)cl基因（或提供基 本上相同活性的其同源基因）或者其hcl基因編碼的蛋白質(zhì)的表達(dá)，其中hcl基因的表達(dá) 導(dǎo)致植物中提高的生物量水平（相對(duì)于具有較低hcl表達(dá)水平的植物的生物量水平）。在 一個(gè)實(shí)施方式中，hcl基因編碼包含SEQIDN0:2所示的氨基酸序列的蛋白質(zhì)或者具有與 全長(zhǎng)序列基本上相同的活性的其片段或變體。在特定的實(shí)施方式中，hcl基因包含SEQID NO: 1或SEQIDN0:3所示的核巧酸序列。在一個(gè)實(shí)施方式中，植物用編碼化1蛋白或具有 基本上相同活性的其片段或變體的多核巧酸轉(zhuǎn)化，其中Hcl蛋白在植物中表達(dá)。
[0022] 在另一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明的方法提供本發(fā)明的hcl基因（或提供基本上相同 活性的其同源基因）或者其蛋白質(zhì)編碼部分的提高的表達(dá)。在一個(gè)實(shí)施方式中，多個(gè)拷貝 的本發(fā)明hcl基因或其蛋白質(zhì)編碼部分并入植物中。在一個(gè)實(shí)施方式中，hcl基因編碼包 含SEQIDN0:2所示的氨基酸序列的蛋白質(zhì)或者具有與全長(zhǎng)序列基本上相同的活性的其片 段或變體。在特定的實(shí)施方式中，hcl基因包含SEQIDNO: 1或SEQIDNO:3所示的核巧 酸序列。
[0023] 在一個(gè)實(shí)施方式中，異源的hcl-編碼多核巧酸并入植物中且該多核巧酸在其中 表達(dá)。在一個(gè)實(shí)施方式中，多核巧酸編碼的Hcl蛋白包含SEQIDN0:2所示的氨基酸序列， 或者具有與全長(zhǎng)序列基本上相同的活性的其片段或變體。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，多核巧 酸包含SEQIDN0:1或SEQIDN0:3所示的核巧酸序列。多核巧酸可W包含在植物中用于 提高h(yuǎn)cl的表達(dá)的調(diào)控元件如啟動(dòng)子等。
[0024] 在另一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明的方法包括將多核巧酸引入植物中，其中該多核巧 酸或其表達(dá)產(chǎn)物相對(duì)于其中未引入多核巧酸的植物（例如，野生型植物）提供hcl基因或 蛋白質(zhì)的提高的表達(dá)。在另一個(gè)實(shí)施方式中，可W引入編碼表現(xiàn)出提高的活性的化1蛋白 的多核巧酸。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，可W引入編碼具有Hcl活性的蛋白質(zhì)的多核巧酸，其 中該多核巧酸包含用于提高多核巧酸和/或由此編碼的蛋白質(zhì)的表達(dá)的調(diào)控元件。包含多 核巧酸的植物或其后代任選地可W篩選hcl基因和/或蛋白質(zhì)的提高的表達(dá)或者蛋白質(zhì)的 提高的活性。
[00巧]本發(fā)明還設(shè)及編碼楊屬（Populus)hcl基因或具有基本上相同的活性的其同源基 因的基因產(chǎn)物的分離的多核巧酸。在一個(gè)實(shí)施方式中，多核巧酸編碼包含SEQIDN0:2所 示的氨基酸序列的蛋白質(zhì)或具有基本上相同活性的其片段或變體。在特定的實(shí)施方式中， 多核巧酸包含SEQIDNO: 1或SEQIDNO:3所示的核巧酸序列。
[0026] 本發(fā)明還設(shè)及表現(xiàn)出hcl基因（或其同源基因）或者由此編碼的蛋白質(zhì)的提 高的表達(dá)的本發(fā)明的植物、植物組織和植物細(xì)胞。在一個(gè)實(shí)施方式中，植物、植物組織 或植物細(xì)胞是木本樹(shù)木。本發(fā)明的范圍內(nèi)設(shè)想的植物包括，但不限于冷杉屬（Abies)、 金合歡屬（Acacia)、械屬（Acer)、屯葉樹(shù)屬（Aesculus)、臭椿屬（Ailanthus)、檔木 屬（Alnus)、唐棟屬（Amelanchier)、樹(shù)替屬（A;rbu1:us)、熊果屬（Arctostaphylos)、葛 屬（Artemisia)、泡泡樹(shù)屬（Asiminia)、濱襲屬（Atriplex)、桃葉珊瑚屬（Aucuba)、 小築屬度erberis)、枠屬度etula)、醉魚(yú)草屬度uddleia)、黃楊屬度imis)、翠柏 屬Kaloce化US)、山茶屬（Camellia)、凌霄屬（Campsis)、碟耳栃屬（Ca巧inus)、山 核桃屬（Carya)、栗屬（Castanea)、梓屬（Catalpa)、斂茶樹(shù)屬（Ceanothus)、雪松屬 (Ce化US)、南蛇藤屬（Celastrus)、樸屬（Celtis)、風(fēng)箱樹(shù)屬（Ce地alanthus)、假紫荊 屬（Cercidium)、紫荊屬（Cercis)、木瓜屬（Qiaenomeles)、扁柏屬（Qiamaecyparis)、沙 漠蔵屬（化ilopsis)、流蘇樹(shù)屬（化ionanthus)、橡膠草屬K虹ysothamnus)、巖菩薇屬 (Cistus)、香槐屬（Cla化astis)、鐵線蓮屬（Clematis)、Coleogynia、山榮英屬（Cornus)、 棲屬（Co巧lus)、黃護(hù)屬（Cotinus)、構(gòu)子屬（Cotoneaste;r)、Cowania、山植屬（Crataegus)、 山植屬（Crataegus)、柏木屬（Qipressus)、金雀花屬（切tisus)、瑞香屬值aphne)、瘦 疏屬值eutzia)、柿屬值iospyros)、胡顏?zhàn)訉偾蒷aeagnus)、麻黃屬巧地e化a)、鼠刺 屬巧sealIonia)、按樹(shù)屬巧ucalyp1:us)、衛(wèi)矛屬巧uonymus)、水青岡屬（Fagus)、連翅 屬（Forsythia)、樓屬（Rraxinus)、白珠樹(shù)屬（Gaultheria)、銀杏屬（Ginkgo)、皂芙屬 (Gleditsia)、銀枠屬（Grevillea)、肥皂芙屬（Gymnocladus)、金縷梅屬化amamelis)、長(zhǎng)階 花屬化ebe)、木穫屬化ibiscus)、繡球花屬化y化angea)、金絲桃屬化yperi州m)、冬青屬 (Ilex)、胡桃屬（Juglans)、檢屬（Juniperus)、山月桂屬化almia)、棟棠屬（Kerria)、架樹(shù) 屬化oelreuteria)、紫薇屬（Xagerstroemia)、落葉松屬（Xarix)、拉瑞阿屬（Xarrea)、甜柏 屬（Xiboce化US)、女貞屬（Xigustrum)、楓香屬（Xiquidambar)、碟掌揪屬（Xirioden化on)、 忍冬屬化onicera)、桑澄屬（Maclura)、木蘭屬（Ma即olia)、十大功勞屬（Mahonia)、蘋果屬 (Malus)、騙幅葛屬（Menispermum)、桑屬（Morus)、楊梅屬（Myrica)、紫樹(shù)屬（Nyssa)、木犀 屬（Osmanthus)、鐵木屬（Ost;rya)、酸木樹(shù)屬（(kyden化on)、爬山虎屬（Parthenocissus)、 山梅花屬（Philadelphus)、石楠屬（Photinia)、風(fēng)箱果屬任hysoca巧us)、云杉屬 (Picea)、松屬（Pinus)、海桐花屬（Pittosporum)、懸鈴木屬（Platanus)、楊屬、牧豆 樹(shù)屬（Prosopis)、李屬（Primus)、黃杉屬（Pseudotsuga)、愉橘屬（Ptelea)、潘而希屬 (Purshia)、梨屬（Pyrus)、棟屬（如ercus)、鼠李屬（Miamnus)、石斑木屬（Miaphiolepis)、 杜酷花屬巧hododen化on)、漆樹(shù)屬巧bus)、醋粟屬巧ibes)、刺槐屬（Robinia)、菩薇屬 (Rosa)、懸鉤子屬（Rubus)、柳屬（Salix)、接骨木屬（Sambu州S)、黃精屬（Sassafras)、 紅杉屬（Sequoia)、水牛果屬（Siepherdia)、費(fèi)奠屬（Smilax)、槐屬（Sophora)、花揪屬 (Sorbus)、繡線菊屬（Spiraea)、省沾油屬（Staphylea)、紫莖屬（Stewartia)、毛核木屬 (Symphorica巧OS)、下香屬（Syringa)、落羽松屬CTaxodium)、紅豆杉屬（Taxus)、崖柏屬 (Thuja)、鍛樹(shù)屬（Tilia)、鐵杉屬（Tsuga)、愉屬扣Imus)、傘桂屬（Umbellularia)、越枯 屬（Vaccinium)、芙蓮屬（Viburnum)、葡萄屬（Vitis)、花椒屬狂antho巧lum)和樣樹(shù)屬 狂e化ova)的植物。本發(fā)明的植物、植物組織或植物細(xì)胞可W是雜種植物或來(lái)自雜種植物。 本發(fā)明的植物可W具有提高的生長(zhǎng)率、生物量和/或改善的對(duì)干旱條件的耐受性。在一個(gè) 實(shí)施方式中，本發(fā)明的植物表現(xiàn)出提高的he1表達(dá)。在一個(gè)實(shí)施方式中，植物包含引入植物 的hcl基