[发明专利]能在盐化土壤中生长的抗胁迫、超大转基因植物

说明书

相关申请

本申请要求以下相关申请的权益：由Roberto Gaxiola于1999年11月10日提出的名称为“质子转运蛋白及其在植物中的应用”的美国临时申请60/164,808；由Roberto Gaxiola于2000年8月22日提出的名称为“质子转运蛋白及其在植物中的应用”的美国专利申请09/644,039以及由Roberto Gaxiola于2000年8月18日提出的名称为“抗干旱、抗冷冻转基因植物”的美国临时申请60/226233，这些申请所包含的全部内容都以参考文献的形式被收录在此。政府支持

在此所描叙的发明全部或部分由国立卫生研究院(NationalInstitute of Health)批准号GM52414、DK54214、DK43495、DK51509、DK34845、GM35010及由国家科学基金批准号MCB9317175提供支持。政府在本发明中拥有一定的权利。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及遗传改良植物，它们对干旱和冷冻等环境胁迫具有很强抗性、具有超大营养和/或繁殖结构(与其正常表型的对应植物相比)，并能在高盐介质中生长。

2.相关领域背景

进入新世纪后，养活整个人类的前景堪优。随着世界人口的不断增长，农业研究一个主要目标是提高作物产量。同样，园艺研究的一个主要目标是培育作物以外的强抗性植物，如观赏植物、牧草、灌木以及其它发现有利于人类或能娱悦人的植物。

直到最近，作物和园艺植物的改良都有赖于对携带目标性状的植株进行选择育种。然而，这种选择育种技术通常不太令人满意，因为许多植株含有异种遗传成分而使其目标性状和亲本不一样。

分子生物学的发展已经允许人类对动植物种质进行操作。植物遗传工程需要分离和操作遗传物质(其典型形式为DNA或RNA)，其后将此遗传物质导入植物中去。使用这种技术培育了抗虫性增强的植物、能产生药物与其它化学物质的植物及表达有利性状的植物。有利的是，这种植物不仅包含有用基因，而且是可育的。

植物科学一个特别重要的新领域是培育胁迫抗性提高的植物。一般来说，植物都拥有和维持着保证其在不利环境条件下生存的适应机制。植物普遍遭受到的两类的胁迫是冷冻和干旱，它们都和细胞脱水有关。已知某些植物携带在寒冷或长期脱水条件下开启的基因，这些基因编码的产物直接或间接地使此植物的抗旱性和/或抗冻性比其许多类似植物高。现在已经表征了许多热胁迫和水分胁迫相关基因(见例如，美国专利5,837,545、5,071,962、4,707,359)。很多人相信，这些基因编码某种可能有利于植物生存的蛋白质，如“水分胁迫蛋白”。例如，某些植物在胁迫条件下产生名为脱落酸(ABA)的激素，此激素使植株气孔关闭，从而降低了其受胁迫的严重程度。不幸的是，已知ABA抑制新叶的形成，促进花和果实的脱落并导致减产。

据信，许多热带植物都不具备耐受长期干旱和/或冷冻条件的进化能力。相反，已知许多温带植物都形成了至少一些耐受此条件的能力。在干燥条件下及冷冻后，各植物种类的生产力有很大不同。例如，烟草(烟草属(Nicotiana spp.))的新叶对干旱高度敏感，因而其不能在水资源匮乏和蒸发量高的地区进行商业种植。与水分胁迫相比，对抗冻相关蛋白质和基因知之甚少。然而，已经假设了抗冻主成分可能和耐脱水有关(见例如，Yelenosky，G.C.，Guy，L.(1989)Plant Physiol.89：444-451)。

另一个特别重要的新领域是培育在盐化土壤中生长能力提高的植物。含溶解盐水分的供给使土壤发生盐化。水分蒸发后，盐类就在土壤中逐渐积累。在我们这个星球的大多数丰产地区，灌溉土地的不断盐化危及着农业的未来(Serrano，R.等，Crit.Rev.Plant Sci.，13：121-138(1994))。例如，干旱地区为大多数作物的生长提供了最适宜的光周期和温度条件，但其降雨量不太适宜。人工灌溉只能在短期内解决问题，因为已发现处于这样环境下的土壤往往很快被盐化。为了能在防碍包括粮食作物在内的许多植物生长的盐化环境下种植，植物必须在其胞质中维持比其生长土壤中存在的低得多的Na⁺/K⁺比率。