[发明专利]用于在植物根部调节基因表达的启动子

说明书

发明领域

本发明总体上涉及植物分子生物学领域以及植物中基因表达的调节。本发明披露了来自玉蜀黍（玉米）的核苷酸序列，这些核苷酸序列包括一个调节元件，例如启动子。更具体地，本发明涉及植物根部对根冠具有特异性的基因表达的调节。

发明背景

操纵作物植物以改变和/或改进表型特性（例如产率或品质）要求在植物组织中表达异源基因。此类遗传操纵由于两个发现而成为可能：将异源遗传材料转化到植物细胞中的能力，以及存在能够促进该异源遗传材料表达的启动子。

有利的是拥有各种不同的启动子选择，以便在转基因植物中给出所希望的效果。可以选择适当的启动子用于特定的基因、构建体、细胞、组织、植物或环境。对植物转基因表达有用的启动子包括以下类型：可诱导型、病毒型、合成型、组成型（Odell et al.,1985,Nature 313:810-812;Granger & Cyr,2001,Plant Cell Repo.20:227-234），时间性调节型、空间性调节型、组织特异型以及时空调节型的启动子（Kuhlemeier et al.1987,Ann.Rev.Plant Physiol.Plant Mol.Biol.38:221-257）。来自细菌、真菌、病毒以及植物的启动子已经用于控制植物细胞中的基因表达。

启动子由该启动子全部功能所必须的几个区域构成。这些区域中有一些是模块式的，换言之它们可以用于分离以给予启动子活性或者它们可以与其他元件进行组装以构建新的启动子。这些启动子区域中的第一个紧靠在编码序列的上游，并且形成“核心启动子区域”，该区域包含几个共有序列，通常是紧接在编码序列上游的20-70个碱基对。核心启动子区域包括一个TATA盒，并且通常包括一个起始子元件和一个起始位点。核心启动子区域的精确长度不是固定的，但通常很好识别。这种区域通常存在于大部分启动子中，并且有一些变异。存在于不同的表征良好的元件之间的碱基序列似乎不太重要。核心启动子区域通常是指一个最小启动子区域，因为它本身具有功能可以启动基线水平的转录。

这种核心启动子区域的存在将一个序列定义为启动子。如果该区域不存在，则该启动子没有功能。该核心区域发挥作用使该启动子使用通用转录机制进行转录起始。然而，该核心启动子区域不足以提供全部的启动子活性。一系列调节序列（通常位于该核心的上游）构成了该启动子的剩余部分。这些调节序列决定了表达水平、表达的空间与时间形式、以及一个子集启动子在诱导条件下（通过诸如光线、温度、化学物质以及激素等外部因素调节）的表达。调节序列可以是6-100个碱基对的短DNA序列区域，这些区域限定了反式作用因子（例如转录因子）的结合位点。调节序列还可以是增强子，与该核心启动子区域具有一定距离时（有时距离该核心区域超过数千个碱基）能发挥作用的较长的DNA序列区域。调节序列的活性可以受到反式作用因子的影响，这些因子包括通用转录机制、转录因子以及染色体组装因子。

通常，希望的是感兴趣的基因在植物中具有组织特异性表达。组织特异型启动子专门启动一组组织的表达，而不是整个植株的表达；组织偏好型启动子促进一个子集组织的较高水平的表达，而该表达在该植物的其他组织中是显著较低的。例如，可能希望的是仅在玉米种子中而非该植物的其余部分表达一个增值产物。另一个例子是通过组织特异性消除来产生雄性不育。在这种情况下，表达只限于根部，更具体地是根冠。农业生物技术中有很多方面使用并要求组织特异性表达。

玉米根冠可以由多达10,000个细胞构成。这些帽细胞起源于分生组织，它的作用仅是产生新的帽细胞。分生组织具有约12小时的细胞周期。细胞由分生组织产生之后，经过根冠并最终溶解成为黏胶。玉蜀黍的根冠细胞从分生组织到成为黏胶这一过程花费五到八天。

依据根尖的结构，分生组织已被分为开放的或封闭的。玉蜀黍具有封闭的根系统，这意味着细胞列在根锥顶点会合，这使得可以清晰地分辨根部的不同部分。这是相对于开放的根系统而言的，开放的根系统在根本身与根冠之间没有单独的边界，使得很难追踪细胞列（(Lim The Plant Cell 12:1307-1318(2000)）。玉蜀黍的根系统与草的根系统相似，由发育过程中在不同阶段与位置形成的不同类型的根构成。胚胎发生时，形成主根和侧根。胚后发育时，冠根以及支持/支柱根由茎组织产生。