[发明专利]异位表达的载体及其在提高植物营养组织油含量的应用

说明书

本发明涉及异位表达的不同基因组合及其在提高植物营养组织油含量的应用，属于基因工程领域。选择四种分别参与不同油脂合成和积累过程的基因，即拟南芥LEC2、DGAT1和OLEO2以及酵母GAT1基因，与能驱使基因在植物营养组织中表达的启动子连接，构建不同的由单个或多个基因组成的表达载体，导入植物组织中，使目的基因在植物营养组织中异位或异源表达，最后通过筛选获得营养组织内油含量显著提高的转基因植株，用于各种与植物油相关联的物质生产与应用，包括改善动物饲料的营养以及促进生物燃料的生产。

技术领域

本发明属于基因工程技术领域，具体涉及异位表达的不同基因组合及其在提高植物营养组织油含量的应用。

背景技术

植物油用途广泛，不仅是食用油的主要来源，而且可用于动物饲料、肥皂、表面活性剂、化妆品、涂料、润滑油，以及生物柴油的生产。据报道，食用油的消耗量在2030年之前将翻倍；化学工业界还寄望在20年后，植物油能取代40％的原油，因而对植物油的需求正急剧增加。然而，由于人口的增长和可耕地面积的减少，中国将面临食用油和化工原油短缺的严峻局面。人们寄希望通过提高和改变油料植物的农艺和品质性状(其中包括种子产量、油脂的含量及其脂肪酸组分)，使植物不仅是食用油的主要来源，而且还成为可持续地生产生物能源和化工原料的潜在工厂。

通常情况下，油料植物生产植物油的主要场所在种子和果实中，营养器官中有的含量则很低，不足种子中油含量的百分之一，然而在某些逆境条件下或植物衰老过程中，叶片或茎秆中的油含量呈显著增加的趋势，这表明，营养器官中也存在“产油机器”，且在某些特定条件下，其运转效率可以得到增加。普遍认为，植物种子内油脂的合成和积累取决于以下四个关键因素：(1)将光合产物转化为脂肪酸的调控因子；(2)将脂肪酸链连接在甘油骨架上的脂肪酸酰基转移酶；(3)参与油脂降解的脂酶活性；(4)参与油滴形成和稳定的油脂蛋白。上述关键酶基因和调控因子在不同的亚细胞上被精确地调控，具有高度的时空协同性，而在营养组织中，尽管存有部分上述基因和调控因子，但表达量极低，且相互之间缺乏协同性(Chapman et al.2013)。因此，若通过基因工程手段，在不同的亚细胞器内协同、有序地表达相关基因，同时降低脂肪酶的活性，能否将油料种子中的高效“产油机器”整合到植物营养器官中从而提高其产油能力成为本发明的研究课题。

在经典的Kennedy途径中，Acyl-CoA：二酰甘油酰基转移酶(DGAT)被认为是参与种子油脂合成的关键限速酶，且发现衰老叶片中，此酶参与了TAG的合成，因此，为了剖析营养组织中脂肪酸组装到甘油骨架上的机制，一些研究致力于调查DGAT基因在组成型表达的启动子(如35S)调控下对植物营养器官中油合成的影响，结果显示，AtDGAT1基因在烟草幼苗中的过表达可使其TAG含量增至野生型的5.9倍，而转基因叶片中，TAG含量高达野生型的7倍。

亦有研究表明，在营养组织中过表达脂肪酸合成途径中的关键酶基因或转录因子，能加速光合产物向脂肪酸的转化以及油脂的合成。丙二酰辅酶A是脂肪酸合成的重要前体，Klaus等发现，丙二酰辅酶A合成途径中的限速酶—乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)的过表达可使马铃薯块茎积累中性的三酰甘油(TAG)。随后，Mendoza等在拟南芥中过表达参与种子成熟和油脂积累调控过程的转录因子LEAFY COTYLEDON2(LEC2)，发现在营养组织中积累了种子特异的mRNA，并且储存性TAG含量有所增加，但与此同时，幼苗出现体细胞胚胎发生现象，且组织扭曲变形，影响转基因植株的正常生长。这说明，关键基因与合适启动子的有机结合对操控植物营养组织中油脂的合成和积累至关重要。但是，基于载体承受性和表达量的限制，选择何种基因组合并怎样合理地构建转录单元从而更好地实现基因均衡表达仍然是需要首先考虑和解决的技术问题。

发明内容