[发明专利]具有叶中改变的硝酸盐水平的转基因植物

说明书

技术领域

本发明涉及可以用于制备转基因植物的遗传构建体。构建体可以具有降低植物特别是植物的叶中硝酸盐浓度的能力。本发明扩展至用此类构建体转化的植物细胞和转基因植物本身。本发明还涉及产生转基因植物的方法和在植物中降低硝酸盐含量的方法。本发明还提供用于改变植物氨基酸概况的方法。本发明还涉及已用遗传构建体转化的收获的植物叶(例如烟草叶)和包含此类收获的植物叶的各种烟草制品(诸如吸烟制品)。

背景

氮同化对于植物生长具有根本重要性。在植物所需的所有矿物质营养物中，氮是最大丰度需要的。在田间植物摄取的氮的主要形式是硝酸盐和氨，其是氮肥的主要组分。根据可用性，植物从土壤中摄取硝酸盐或铵离子。硝酸盐在充分氧化的非酸性土壤中会更丰富，而铵会在酸性或积水土壤中占优势。对烟草生长参数的实验清楚地表明，相对生长速率、叶绿素含量、叶面积和根面积响应于渐增的硝酸盐供应而急剧增加。

植物已经发展了高效氮摄取系统以处理耕种土壤的硝酸盐含量的巨大变化。植物根通过特定硝酸盐转运蛋白(NTR)的作用摄取硝酸盐和氨，所述硝酸盐转运蛋白(NTR)被分为两个基因家族，NRT1基因家族和NRT2基因家族。通常假定NRT1基因家族介导低亲和力硝酸盐转运系统(LATS，即当外部硝酸盐浓度>1 mM时)，除了AtNRT1.1，其既是双亲和力转运蛋白，又是硝酸盐传感器，而NRT2基因家族介导高亲和力硝酸盐转运系统(HATS，即当外部硝酸盐浓度<1 mM时)。在拟南芥中，53个基因属于NRT1家族，然而，这些基因中只有51个得到转录且各自在各种组织内。这暗示，它们编码的多肽具有专门的或独特的功能。例如，Atnrt1.2组成型表达，但仅在拟南芥的根表皮内，在那里它参与组成型低亲和力硝酸盐转运系统。

一旦在植物的根内，则硝酸盐被装载至维管柱(vascular stele)的木质部中，然后它在那里被分布到植物内的其它器官。已知低亲和力硝酸盐转运蛋白NRT1.5在将存在于根内的硝酸盐装载到木质部导管中发挥主要作用。一旦在细胞内部，当外部供应的可用性受限，或当成熟叶老化且变为源叶(source leaves)(即将它们的营养物传递至植物内的其它组织的叶)时，硝酸盐可被从液泡运出，并朝着正在生长的器官诸如嫩叶转运。

硝酸盐再动员(remobilization)负责将较老叶内存在的氮再循环。它将再循环的硝酸盐传递至较嫩叶，以维持正在发育的组织的生长。硝酸盐再动员还在叶和种子之间发生，并且对于籽粒产生和由衰老叶的氮再循环是重要的。据估计，叶氮再动员对于籽粒产生的贡献是栽培种依赖的，从50至90%变化。再动员的氮可以是由蛋白水解活性释放的氨基酸的形式。然而，以硝酸盐的形式的无机氮也可以被再动员。因此，膜蛋白必须通过质膜将硝酸盐朝着源器官(source organs)的维管组织转运。源器官内的硝酸盐然后被穿过质膜转运至叶肉细胞。在这里，它被储存在液泡中，或在细胞质中被还原，且进入主要氮同化通路。当硝酸盐过量存在时，它被储存在液泡中。这既充当渗压剂(即补充渗透压)，又充当在硝酸盐摄取最少时待使用的矿物质氮来源。存在于细胞质中的硝酸盐是主要氮同化的起点。

硝酸盐在细胞溶胶中被细胞质酶硝酸还原酶还原为亚硝酸盐，其本身在叶的叶绿体或非光合器官的质体中被亚硝酸还原酶(NiR)迅速还原为铵。在叶绿体中，然后铵进入谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合酶循环(GS/GOGAT)，在那里它被并入氨基酸库中。

硝酸盐转运蛋白、和硝酸还原酶及亚硝酸还原酶的活性调节在整个植物中控制主要氮同化中是关键的，且对于植物的生长和发育具有显著影响。然而，在某些条件下，硝酸盐可能积累，主要是在绿色光合活跃组织中积累，在那里它被储存在叶肉细胞的液泡中。当具有较少同化储存的硝酸盐的光合能力时，或作为土壤中高硝酸盐水平的结果，高水平的硝酸盐积累可以发生在低温和/或太阳辐射(例如，在冬季期间的温室作物中)期间。硝酸盐水平的增加可以具有许多有害后果，不仅在植物生长的方面，而且在消耗植物的人或动物健康以及环境后果的方面。硝酸盐积累的许多不利后果通过产生亚硝酸盐所介导。