[发明专利]用于提高植物中非生物胁迫耐受性的核酸构建体

说明书

技术领域和背景技术

本发明在其一些实施方式中，涉及在胁迫相关启动子（stress-related promoter）下编码磷酸腺苷-异戊烯基转移酶（IPT）（adenosine phosphate-isopentenyltransferase）的核酸构建体，尤其但不唯一地涉及使用该核酸构建体来产生在正常或胁迫状态下具有提高的非生物胁迫耐受性和提高的产量、生物量和生长率（生长速率）的转基因植物的方法。

非生物胁迫是全世界作物损失的主要原因，对于主要作物植物降低超过50%的平均产量，每年引起价值数百万美元的损失。非生物胁迫导致一系列不利地影响植物生长和产率的形态学、生理学、生物化学和分子上的变化。

对骤冷（chilling）响应的表型症状包括诱导型损伤，如叶片扩展、萎蔫、萎黄、和坏死。骤冷也严重地阻碍植物的生殖发育，而且当骤冷时，植物可能遭受代谢功能障碍。

冷冻状态引起严重的膜损伤，而且响应冷冻胁迫而产生的活性氧簇（ROS）进一步促进膜损伤。

热胁迫扰乱细胞的自动调节，并可以导致严重的生长发育迟缓，甚至死亡。

高盐度，尤其是钠离子（Na⁺），可以消散膜电势，对细胞代谢是有毒的，对一些植物的酶的机能具有有害作用。此外，高浓度的Na⁺引起渗透失衡、膜组织破坏、生长降低、抑制细胞分裂/扩展，可以导致光合作用和活性氧簇生产量的降低。

严酷的干旱条件破坏正常的膜的双层结构。除膜损伤之外，当脱水时，细胞溶质蛋白和细胞器蛋白会表现出降低的活性或甚至会经历完全的变性。干旱也可以引起细胞的代谢瓦解并减少营养生长，尤其是芽生长。

脱落酸（ABA）在休眠的种子和芽的萌发和保持中以及在植物对胁迫（例如，冷冻、盐胁迫和水胁迫（缺水））的响应中起到初级（主要，primary）调控的作用。此外，ABA通常作为拮抗物通过与生长素、细胞分裂素、赤霉素、乙烯和油菜素甾醇类的相互作用，影响植物生长的许多其他方面。

几个胁迫诱导的基因的启动子的研究已经导致有关不同胁迫的基因的特异性调控序列的识别。已经报道在许多ABA应答基因中的保守序列充当ABA应答元件（ABAR），其可能结合至有关ABA调节基因活化所涉及的转录因子上。在这些基因的启动子中发现的第二序列元件是有关对脱水或盐的第一快速应答的脱水应答元件（DRE）。在转基因植物中DRE cDNA的过表达显示出在正常的生长条件下活化许多胁迫耐受性基因的表达，并改善对干旱、盐负荷和冷冻的耐受性。

缺乏大量营养元素导致矮化生长、降低生物量产量以及加速老化叶片的枯萎。抑制植物生长和降低生物量产出可以归因于光合作用的降低。受到不足的硫（S）和钙（Ca）供给的植物在生长中表现出比氮（N）缺乏的植物更大的抑制，可能由于S和Ca适当的固定性质。烟草植株中磷（P）缺乏已经表现出通过限制生长过程而降低片需求（sink demand）。由于矿质营养素缺乏而对下沉需求的改变可能影响光合产物的分配和干物质分布，导致降低的茎/根比（shoot/root ratio）。

预测在21世纪期间，营养缺乏是限制农作物产量的单独的最重要的因素，尤其是在发展中国家。土壤酸度、碱度和盐度，人为活动，单种栽培农田以及风和水侵蚀过程是对于耕作土壤的主要的退化因素。在酸和盐影响的土壤中生长的农作物的不良产率主要是由于结合了元素的毒性以及缺乏或不能利用必需营养素。为了达到适当的营养供给并使这些土壤的产率最大化，加入肥料和改良剂（尤其是石灰）是必要的。然而，施加肥料的效率非常低，并且随着农作物物种和物种内的基因型/栽培品种，以及它们与环境的相互作用而改变。到2030年，世界对食物的总需求可能接近其当前水平的两倍，而对于为了达到该生产量水平的耕作的扩张存在有限的可用的新土地。因此，提高每单位土地的农作物产量的潜力是急需考虑的。必须充分探究植物中较高的营养物利用效率，来增加食物生产量以供给增长的人口，并且要在不因过度使用肥料而加速环境退化的情况下将其实现。

植物枯萎（senescence），尤其是对于单次结实性（大部分是每年）物种，对于植物生活史的所有阶段是相关受控的发育过程。然而，某些胁迫（如干旱和营养缺乏）和激素能促进或抑制枯萎。在叶片枯萎期间，营养素再循环至植物的其他部分，如嫩叶或贮藏组织。从而，由于叶片光合同化作用的退化，枯萎对产量有消极影响。