[发明专利]产生形成具有高固氮活性根瘤的植物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种产生形成具有固氮活性根瘤的结瘤植物的方法。

背景技术

诸如大豆(Glycine max)、赤豆(Phaseolus angularis)以及菜豆(Phaseolus vulgaris)的豆科作物通过感染根瘤菌形成根瘤(结瘤)，其是共生器官。在这种根瘤中的共生根瘤菌的类菌体固定大气氮，使得即使在土壤低含氮量的情况下植物也能生长得很好。因此，当栽培豆科作物时，除施加常规肥料之外常用预培养的根瘤菌处理作物种子。为进一步增强豆科作物根瘤的固氮能力，已开发了具有增强的固氮能力的根瘤菌(JP 2003-33174 A)。

除豆科作物之外，人们知道共生固氮细菌能侵入诸如金合欢属(Acacia)和合欢(Albizia julibrissin)的豆科树木以及诸如日本桤木(Alnusjaponica)和夜叉桤木(Alnus firma)的非豆科树木的根部并在其中增殖，形成根瘤，有效地固定大气氮，从而提供氮给宿主树木。这些结瘤树木在其活的树叶中具有高氮浓度，因而在落叶中具有高氮浓度。因此，结瘤树木能有效地增加土壤中微生物水平并改善土壤品质，使得土壤肥沃。因此，这样的树木也作为所谓的改善土壤树木用于绿化荒地。

不仅在农业方面，而且在环境保护方面，增强这样的植物的根瘤的固氮能力都被认为是非常有用的。

其间，人们知道在豆科植物根瘤细胞中，只存在于豆科植物中的共生珠蛋白基因表达非常强。共生血红蛋白(也称为豆血红蛋白)由作为上述共生珠蛋白基因的基因产物的珠蛋白和血红素组成，据称占根瘤中所有可溶性蛋白的20％-30％。但是在根瘤之外的组织中共生血红蛋白却是完全不存在的。如同动物血液中的血红蛋白一样，共生血红蛋白对氧等具有强亲和力。人们认为共生血红蛋白在根瘤细胞中起调节氧分压至足以满足根瘤中根瘤菌呼吸的水平并阻止固氮酶失活的作用，因为固氮酶是根瘤菌固氮能力所需要的，但能通过氧被失活。

随着近来基因分析技术的发展，已揭示了除豆科植物之外的植物也具有珠蛋白基因。在除豆科植物之外的植物中所发现这样的珠蛋白基因与豆科植物的共生珠蛋白基因不同。因此，已将这样的珠蛋白基因称为“非共生珠蛋白基因”(也称为非共生血红蛋白基因)。人们普遍相信所有的植物都具有非共生珠蛋白基因。换句话说，豆科植物具有共生珠蛋白基因和非共生珠蛋白基因，但非豆科植物则仅具有非共生珠蛋白基因。已报道了属于豆科的模式植物百脉根(Lotus japonicus)的非共生珠蛋白基因(Uchiumi等，Plant Cell Physiol.(2002)43(11)：pp.1351-1358)。

不象共生珠蛋白基因，人们知道非共生珠蛋白基因在所有植物组织中表达。已报道了当植物暴露于低温(4℃)或低氧分压(5％或更低的氧浓度)下，其非共生珠蛋白基因的表达水平增加。还已报道了在非共生珠蛋白基因已导入且过表达的拟南芥(Arabidopsis thaliana)中抗低氧胁迫的抗性得到增强(Hunt，P.W.，等，Proc.Natl.Acad.Sci.(2002)U.S.A.99：pp.17197-17202)。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种产生形成具有增强的固氮活性的根瘤的结瘤植物的方法，以及一种显示其根瘤高固氮活性的结瘤植物。

作为对获得上述目的深入研究的结果，本发明人已发现已导入并过表达百脉根非共生珠蛋白基因的百脉根，以及已导入并过表达夜叉桤木非共生珠蛋白基因的百脉根能形成具有高固氮活性的根瘤。本发明人基于这样的研究结果完成了本发明。

本发明包括如下。

[1]一种产生能形成具有增强的固氮活性的根瘤的结瘤植物的方法，包括在结瘤植物中使非共生珠蛋白基因过表达。

更优选地，该方法中的非共生珠蛋白基因包含选自下列(a)-(e)的DNA：

(a)包含SEQ ID NO：1或8所示核苷酸序列的DNA；

(b)在严格条件下与包含和SEQ ID NO：1或8所示核苷酸序列互补的核苷酸序列的DNA杂交、并编码具有非共生珠蛋白活性的蛋白的DNA；

(c)编码包含SEQ ID NO：2或9所示氨基酸序列的蛋白的DNA；

(d)编码包含下述氨基酸序列、并具有非共生珠蛋白活性的蛋白的DNA，所述的氨基酸序列是在SEQ ID NO：2或9所示氨基酸序列的基础上通过缺失、取代或添加1-50个氨基酸所衍生的氨基酸序列；和

(e)包含SEQ ID NO：3或10所示核苷酸序列的DNA。