[发明专利]与BM1表型有关的基因和变异、分子标志物、及其用途

说明书

优先权要求

本申请要求2011年1月3日提交的美国临时专利申请流水号61/429,390关于“GENE AND VARIATIONS ASSOCIATED WITH BM1 PHENOTYPE,MOLECULAR MARKERS,AND THEIR USE”的提交日(filing date)权益。

发明领域

本公开内容涉及玉米褐色中脉(bm)表型。在具体的实施方案中，本公开内容关注玉米中特定的改变的CAD2基因、包含改变的CAD2基因的核酸分子、和/或源自此类核酸分子翻译的蛋白质产物，所述改变的基因促成一些玉米品种的bm1表型。

发明背景

木质素是植物中与碳水化合物，诸如细胞壁中的半纤维素形成交联的通用组分。木质素和纤维素是植物细胞壁的两种主要成分。植物细胞壁提供一种针对胞外环境的天然屏障。许多研究已经表明植物对生物应激(例如，病原性感染)或非生物应激(例如，干旱、机械应激，等等)的响应之一由植物细胞壁的加强(特别是通过增加植物细胞壁中的木质素含量实现)组成。许多农艺学或工业应用关注期望的植物产物(例如，用于纸生产、青贮饲料生产、和产生例如生物燃料形式的能量的产物)，其产量与植物细胞壁中木质素的含量和/或组成直接相联系。

木质素聚合物限制玉米植物中纤维的消化率(digestibility)。木质素聚合物在反刍类中降低纤维消化，并且木质化的程度可以与饲料作物消化率成反比。Cherney等(1991)Adv.Agron.46:157-98。调控木质素含量和组成对于提高草料的消化率可以是期望的。木质素含量调控例如对于加强植物壁，并且由此改善对应激的抗性；或相反地，减弱植物壁以促进纤维素或其它化学化合物的提取也可以是期望的。Baucher等(1998)Plant Mol.Biol.39:437-47。

然而，难以知道如何修饰木质素生物合成途径，以及预测修饰的后果会是什么。这至少部分是因为木质素生物合成途径是一种牵涉大量酶促反应的复杂途径。参见例如Dixon等(2001)Phytochemistry 57(7):1069-84。可以在生理学上改变所述途径，例如以补充通过对该途径的修饰引入的变化的可能的机制是未知的。

木质素是一种3种醇单体或单体木质醇(monolignols)：对香豆醇(H亚单位)、松柏醇(G亚单位)、和芥子醇(S亚单位)(其源自类苯丙烷(phenylpropanoid)途径)的不溶性聚合物。Neish(1968)Constitution and Biosynthesis of Lignin,eds.New York,Springer Verlag 1-43。每类亚单元可以与其它亚单元形成多种键，并且由此构成木质素。也可以与其它同壁化合物(例如多糖和蛋白质)建立其它键，从而形成复杂的三维网络。

复杂的木质素生成途径中的步骤包括羟基化、芳香环的O-甲基化、和羧基侧链转化成醇官能。目前关于单体木质醇生物合成途径的假说包括在代谢网络中在侧链的多个氧化水平上的连续羟基化和O-甲基化反应，由此导致S和G亚单位的形成。网络的酶包括咖啡酸3-O-甲基转移酶(COMT)；羟基肉桂酸(hydroxyxinamate)辅酶A连接酶(4CL)；细胞色素P450依赖性阿魏酸5-羟化酶(F5H)；和肉桂酰CoA还原酶(CCR)的和肉桂醇脱氢酶(CAD)的几种同等型。

几年来，已经尝试通过过表达或表达不足木质素生物合成途径的一种或多种基因来修饰植物的木质素含量和组分。Anterola and Lewis(2002)Phytochemistry 61:221-94。虽然已经设想各种策略，但是木质素生物合成途径中的一种或多种酶的过表达或表达不足不总是给出可靠且可预测的结果。

另一种策略由在选择方案中使用木质素生物合成途径中靶定基因的突变体构成。含有褐色中脉(bmr)突变的植物展现出改变的木质素组成和消化率。在玉米中，已经鉴定出至少四处独立的褐色中脉突变。Kuc等(1968)Phytochemistry 7:1435-6。在与对照玉米相比时，这些突变(称作“bm1、bm2、bm3和bm4”)都展现出降低的木质素含量。褐色中脉玉米植物的特征在于V4至V6阶段的叶中脉中的褐色色素沉着和抽穗后髓的浅褐色着色。一种表征的bmr突变是COMT酶中的插入突变(bm3)。