[发明专利]转基因植物

说明书

本发明涉及表达硝酸盐转运蛋白基因的具有改善的生长和氮利用效率的转基因植物，制备所述植物的方法和用于改善生长和氮利用效率的方法。

发明领域

本发明涉及表达硝酸盐转运蛋白基因的具有改善的特性的转基因植物，例如，改善的生长和氮利用效率，制备所述植物的方法和用于改善生长和氮利用效率的方法。

介绍

在过去的五十年间，全球农作物生产率已经显著提高了，这主要是由于改良的农作物品种和大量化学肥料的输入，尤其是氮(N)^1,2。然而，许多种农作物的肥料N利用效率仅约为30-50％^2-4，大部分损失在环境中，这导致多种有害的影响，诸如空气和水质量的下降和生物多样性的丧失^5,6。已经估算目前环境中过量的N每年花费欧盟€700亿-€3200亿元⁷。在中国，在过去的30年间，已经通过由55kg谷物/kg施用的肥料N减少至20kg谷物/kg施用的肥料N的N利用效率(NUE)的显著减少实现了谷物产量的增加³。在亚洲，水稻提供人口超过70％的日常卡路里摄入，但是随着可用于农业的田地逐渐减少，仅能通过增加生产率来管理增加的需求。

因此，鉴定控制植物NUE的关键步骤是特别重要的。NUE可以定义为土壤中每单位可用的N(包括土壤中存在的残留N和肥料)的谷物产量。由此，NUE可以分成两个过程：摄入效率(NupE；植物从土壤中去除作为硝酸盐和铵离子的N的能力)和利用效率(NutE；利用N产生谷物产量的力)。该挑战对于谷物特别相关，原因在于其需要大量的N肥来获得最大的产量，并且估测其NUE远远低于50％(Hirel等)。

氮(N)对农作物发育是重要的，原因在于其形成多种有机分子、核酸和蛋白的基本成分。N营养影响植物功能的所有水平，从代谢到资源分配、生长和发育。植物根获得N的最丰富的来源是天然有氧土壤中的硝酸盐(NO3-)，其由于所施用的有机物和肥料N的加强硝化作用产生。相比之下，铵(NH4+)是灌水稻田土壤(flooded paddy soils)中可用的主要形式，其是由于无氧土壤条件形成的(Sasakawa和Yamamoto，1978)。

因此，土壤无机氮(N)主要作为在有氧高地和充分排水土壤中的硝酸盐和作为排水差的土壤和灌水无氧稻田中的铵用于植物。在多种植物中，由根获取的硝酸盐在被同化之前被转运到茎干(Smirnoff和Stewart，1985)。相比之下，来源于硝酸盐还原或直接来源于铵摄入的铵优先在根中被同化，然后以有机形式转运到茎干(Xu等，2012)。为了应付土壤中变化的硝酸盐浓度，植物根已经发育了至少三个硝酸盐摄入系统、两个高亲和力转运系统(HATS)和一个低-64亲和力转运系统(LATS)，负责获取硝酸盐(Crawford和Glass，1998)。组成型HATS(cHATS)和硝酸盐诱导性HATS(iHATS)运作在饱和在0.2-0.5mM范围内的外部介质中低硝酸盐浓度时摄入硝酸盐。相比之下，LATS起作用在较高的外部硝酸盐68浓度进行硝酸盐获取。经由LATS和HATS的摄入分别由属于NRT1和NRT2家族的硝酸盐转运蛋白介导(Forde，2000；Miller等，2007)。根部摄入通过联系表达和硝酸盐摄入活性与植物的N状态的负反馈进行调节(Miller等，2007)。几种不同的N代谢物(包括谷氨酰胺)已经被提议为N状态的细胞感受器(Fan等，2006；Miller等，2008)，并且一个膜型具有根液泡硝酸盐作为反馈信号，由于这些储池(pools)随着植物N状态而增加。