[发明专利]一种提高植物产量的方法及其表达盒

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高植物产量的方法及其专用表达盒。

背景技术

绿色植物通过光合作用制造有机物，植物光合作用固定CO₂产生的原初光合同化产物(primary photoassimilates)一部分在叶绿体转化为淀粉，另一部分则以三碳糖的形式输送到细胞质用于蔗糖的合成及其它代谢反应。

光合作用的效率及其两大原初同化产物——淀粉和蔗糖的分配方式对农作物的产量有着很大的影响。目前，增加作物的产量主要从三个方面来操作：(1)增加源叶片中蔗糖的合成；(2)增加蔗糖的运输能力，即提高H+/蔗糖转运载体的表达量或酶活性；(3)改善库的利用。

植物的光合速率一方面取决于光强，二氧化碳浓度等因素，另一方面也受参与CO₂的固定卡尔文循环(Calvin cycle)的各种酶(如1，5二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(RubisCO)、叶绿体型1，6-二磷酸果糖酶)的活性、原初同化产物的分配、碳水同化产物的运输及在库器官的利用等自身代谢的影响。

叶绿体与细胞质间的物质交流对于调节光合速率以满足植物组织对光合产物的需求起着重要作用，这一过程是通过叶绿体膜系统来完成的。在叶绿体的内膜上，有一特异的磷酸丙糖转运载体(triose phosphate translocator，TPT)负责磷酸丙糖的运输。在正常生理条件下，TPT的运输严格遵循1∶1反向交换，即一个分子物质运入叶绿体，则另一个分子物质以相反的方向运出叶绿体。磷酸丙糖从叶绿体中运出之后，在细胞质中参与蔗糖、氨基酸等的合成反应。蔗糖在细胞质中合成的主要限速酶是细胞质型1，6-二磷酸果糖酶(cytosolic fructose-1，6-bisphosphatase，cyFBPase)和磷酸蔗糖合成酶(SPS)，前者与6-磷酸果糖激酶(PFK)和焦磷酸：6-磷酸果糖磷酸转移酶(pyrophosphate：fructose-6-phosphate-1-phosphotransferase，PFP)共同调控1，6-二磷酸果糖(FBP)向6-磷酸果糖(F6P)的转化；后者催化蔗糖合成的最后一步。通过改变这些酶的活性或者打破这些反应的平衡，就可以使反应向增加蔗糖合成的方向移动。在无机磷酸存在时，PFP催化FBP脱磷形成F6P和无机焦磷酸(PPi)，蔗糖合成反应中由葡萄-1-磷酸(G1P)到UDP-葡萄糖的转化反应也释放出PPi。焦磷酸水解酶(Pyrophosphatase，PPase)可将1个分子的无机焦磷酸(PPi)水解成2个分子的无机磷(Pi)。因此根据化学平衡原理，通过表达外源焦磷酸水解酶不断的去除细胞质中的焦磷酸将会刺激细胞质中反应向蔗糖合成的方向进行，同时也为磷酸丙糖向细胞质转移提供了充足的交换体-无机磷酸。为了提高碳水同化产物向蔗糖的分配比，大肠杆菌的焦磷酸水解酶基因被克隆到35S启动子下转入马铃薯和烟草，Northern杂交证明在转基因植物中存在此焦磷酸水解酶的转录产物。与野生型相比，两种转基因植株源叶片中可溶性糖与淀粉的比例都增加了3-4倍。与非转基因相比烟草中葡萄糖含量提高68倍，果糖提高24倍，蔗糖提高12倍，淀粉提高8倍；在马铃薯中碳水同化产物分配的改变是因为蔗糖提高了2倍，淀粉含量降低造成的(Sonnewald U(1992)Expression of E.coli inorganic pyrophosphatase in transgenicplants alters photoassimilate partitioning.Plant J 2：571-581)。