[发明专利]耐受非蛋白质氨基酸的转基因植物

说明书

发明领域

本发明涉及耐受生物除草剂特别是植物毒性非蛋白质氨基酸包括间-酪氨酸氨基酸类似物和其盐的转基因植物，并涉及用于制备该转基因植物的方法。

发明背景

“化感作用(allelopathy)”是指植物通过该植物向环境中释放的化学物质(化感物质(allelochemical))对周围的物种的影响(抑制或刺激)的术语。化感物质通常是可在任何植物部分被合成的并可对靶生物体具有有利(正向化感作用)或不利(负面化感作用)影响的次生代谢物。化感物质不是化感作用(耐受)植物的代谢(即生长、发育和繁殖)所需要的，而干扰非耐受物种的重要代谢途径，为耐受植物提供相对优势。化感作用效应在希腊时代已被意识到。数种广泛使用的作物植物诸如小麦、水稻和黄瓜的化感作用效应的优势是已知的并被使用。最近，在杂草管理方面实施这一现象的可能性的意识已出现。在其它观察到的化感物质中，显示有前景的植物毒性活性的间-酪氨酸，被提议作为可能的环境友好的杂草抑制剂(Bertin C.等人,2007.Proceedings of the National Academy of Sciences of U.S.A104,16964-16969)。

间-酪氨酸(m-Tyr)是天然存在的非蛋白质氨基酸。其可通过两种可能的合成途径被生产：通过多巴胺合成的通路或通过苯丙氨酸被活性氧(reactive oxygen species)的氧化。常见蛋白质氨基酸酪氨酸(对-酪氨酸)的异构体(isomer)m-Tyr，已在番樱桃大戟(Euphorbia myrsinites)(驴尾大戟)和一些羊茅草物种中被发现。源自植物的m-Tyr被发现对广泛的物种是有毒的。以低至2μM的浓度添加至琼脂介质的m-Tyr抑制拟南芥(Arabidopsis thaliana)根的生长的50％，且50μM的浓度完全阻止种子萌发(Bertin C.等人2007，同上)。

蛋白质中间-酪氨酸(m-Tyr)连同邻-酪氨酸(o-Tyr)和左旋多巴(L-dopa)的出现已被广泛用作针对蛋白质造成的氧化损伤的程度的指标。已证明，在真核细胞中，某些外源提供的氧化的氨基酸包括m-Tyr，可通过生物合成通路而不是经由化学反应掺入蛋白质。因此，在许多情况下，体内受损的氨基酸可用于蛋白质的从头合成是可能的。该理论被以下的发现支持：暴露于m-Tyr导致宽范围的植物物种包括商业上重要的单子叶和双子叶作物植物的生长抑制。已进一步表明，m-Tyr的植物毒性是通过在蛋白质合成期间其代替苯丙氨酸掺入蛋白质导致的。

苯丙氨酰-tRNA合成酶(PheRS)属于氨酰-tRNA合成酶(aaRS)家族，其在遗传密码的翻译中起关键作用。aaRS确保遗传密码翻译的保真度，将适当的氨基酸共价附着至相应的核酸接头分子(adaptor molecule)-tRNA。aaRS是众所周知的多样化酶家族，在一级序列、亚基大小和低聚组织方面显著不同。系统发生和结构分析揭示了PheRS的三种主要形式：a)异源四聚的(αβ)2细菌PheRS；b)异源四聚的(αβ)2古细菌/真核-细胞质PheRS；和c)单体线粒体PheRS。

由aaRS且特别是PheRS促进的氨酰化反应的精确度，基于氨基酸底物的精确识别。然而，由于由数个氨基酸共享立体化学相似性，发生识别错误。苯丙氨酸(Phe)和酪氨酸(Tyr)仅通过芳环的一个羟基基团被区分，并因此Phe和Tyr之间的区分并非总是被实现。PheRS以1:1000的错误率成功地区分这些氨基酸。通过PheRS连同其它aaRS的校正活性(editing activity)确保了蛋白质生物合成的总精确度的较高水平。校正活性与特异性位点相关，其中错酰化(misacylated)的tRNA被水解。