[发明专利]通过改进谷物产量和品质增加谷物价值的方法

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及表达转基因柠檬酸合酶(CS)的转基因植物和使用方法。与同基因品系对照(isoline control)相比较时，表达转基因CS的转基因植物、特别是在种子中表达或在种子中表达并进一步靶向细胞区室如质体时的转基因植物具有更高水平的谷物产量和/或氨基酸、尤其半胱氨酸、和/或油，其中所述的同基因品系对照不含有与种子偏好的启动子连接或还与细胞区室靶向序列有效连接的转基因。

背景技术

禾谷植物谷粒是人和动物的最重要可再生能量来源之一。随着世界人口增加并且可耕地有限，对食物、饲料、纤维和生物燃料的需求正在增加。增加每英亩谷物产量和增强每英亩谷物营养价值以满足这些需求是必需的和非常宝贵的。由于超过90％的谷物粒现今用于动物饲料和乙醇生产，谷物是动物营养的最重要作物之一。黄色凹陷谷物的谷粒由60-70％淀粉、8-10％蛋白质和3-4％油组成。但是，即便含有这些有价值的饲料组分，黄色凹陷谷物不含有充分的热量和必需氨基酸以支持大多数动物中的最佳生长和发育。因此，为弥补这些缺点，需要用其他养分补充基于黄色凹陷谷物的饲料。最常见地，黄色凹陷谷物与豆粕混合以改善饲料的氨基酸组成。不幸地，动物缺少消化豆粕中存在的非淀粉基于的多糖必需的酶，并且谷物和大豆饲料混合物产生高的粪便体积。此外，豆粕昂贵。另外，为改进热量含量，基于谷物的动物饲料也用脂肪补充，如动物内脏和饲料级动物脂肪和植物脂肪，所述的脂肪可以包括餐馆、制皂和精炼工业的副产品。使用动物下水来补充牛饲料已经停止了，因为它与有关牛海绵状脑病和克-雅氏病有关。改善谷物产量和谷物粒的营养品质将增加每英亩价值、每英亩能量，并且改善饲料效率并减少对环境的影响和与肉生产相关的其他成本。

呼吸作用，包括三羧酸(TCA)循环，不仅提供用于合成贮藏化合物的能量，还产生用于油和氨基酸生物合成的中间体。柠檬酸合酶(CS)催化柠檬酸从草酰乙酸和乙酰CoA形成。这是TCA循环中的第一关键步骤，所述的TCA循环通常存在于线粒体中。CS在TCA循环和代谢中发挥重要作用。已经尝试工程化柠檬酸合酶以改进作物生产力。US2005/0137386描述了用于获得具有改善的养分摄取能力和有毒化合物耐受性的转基因植物的方法，其中所述的有毒化合物存在于土壤中。de la Fuente等人所做的研究显示，烟草中铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)柠檬酸合酶基因的表达提高铝耐受性(Science 276：1566-1568，1997)。Lopez等人报道了因有机酸增溶磷酸盐的低可溶形式所致增强的磷摄取(Nature Biotech 18：450-453，2000)。但是，这种方法似乎受环境影响，因为使用这些相同的植物以及被工程化表达柠檬酸合酶基因至更高水平的植物，另一个研究小组不能够重复这些研究结果(Delhaize等人Plant Physiology 125：2059-2067，2001)。

WO 2004/056968公开了通过近红外光谱法测量时，与非转基因对照相比较，拟南芥属(Arabidopsis)柠檬酸合酶基因(At3g58750)的过量表达引起籽油增加多达7％。美国专利申请公开号2003/0233670和2005/0108791公开了来自苛养木杆菌(Xyllelafastidia)、大肠杆菌(E.coli)、稻、玉米和大豆的柠檬酸合酶和它们在改善转基因植物的磷酸盐摄取中的用途。已经报道了过量表达线粒体形式和胞质形式的柠檬酸合酶改善模型植物中的磷酸盐摄取(Lopez-Bucio等人，2000；Kayama等人，2000)。但是，存在以下报道：烟草中铜绿假单胞菌柠檬酸合酶基因的表达与增强的柠檬酸积累或流出不相关(Plant Physiology，2001，第125卷：2059-2067)。所述作者提出植物中的CS表达不太可能是用于增强作物的铝耐受性和磷营养的有力和轻易可再现策略。

尽管结合的氨基酸(蛋白质组成)占据谷物种子中90-99％的总氨基酸，但是游离氨基酸占据1-10％的总氨基酸。存在进一步增加必需氨基酸含量的严重挑战。一个挑战是增加游离氨基酸浓度不总是导致总氨基酸增加，因为游离氨基酸流和掺入蛋白质可以变得有限的。再者，游离氨基酸的积累经常与不利的农艺性能如矮化生长(因而影响销售性)相关。从营养品质角度看，理想谷粒将是具有改善含量的油、蛋白质和必需氨基酸如缬氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸和/或精氨酸的谷粒。