[发明专利]植物中经空间修饰的基因表达

说明书

本发明提供了工程改造植物的方法，所述植物具有基本上集中在植物的木质部组织导管的木质素沉积或木聚糖沉积。本发明也提供了工程改造植物以增加所需的生物合成产物的生产量的方法，例如，以获得增加的次生细胞壁沉积或增加的蜡/角质积累。本发明的经工程改造的植物可用于生物能生产，例如，通过提高源自所述植物的生物质的密度和可消化性和改善水利用要求。

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年1月28日提交的美国临时申请号61/437,569的权益，其通过引用并入本文用于所有目的。

关于在联邦资助的研究和开发下做出的发明权的声明

本发明在美国能源部授予的合同号DE-AC02-05CH11231的政府支持下完成。美国政府具有本发明的某些权利。

背景技术

植物细胞壁是造纸工业的唯一纤维素来源，并且是木质纤维素生物燃料的有前途的糖来源。植物将太阳能转化成可运输的和可储存的能量的利用，将对环境具有积极影响，因为使用植物可以帮助急剧减少化石衍生的燃料的利用，可以减少向大气中的碳排放，并且甚至可以促进碳隔离。但是，即使木质纤维素生物燃料对环境有益，生产它们的成本仍然是没有成本效益的，主要是由于源自植物细胞壁的昂贵粗糖。低密度、对酶促水解的不顺从和中等纤维素含量是糖成本的主要促成因素，因为它们会影响运输成本并需要大量能量和化学试剂。因此，提高粗生物质的密度和可消化性将对木质纤维素生物燃料生产成本产生重要的有益影响。

细胞壁不顺从主要由木质素的存在造成，所述木质素嵌入多糖聚合物中，并降低它们的可提取性和水解酶的可达性。植物细胞壁的木质素含量和糖化效率经常高度负相关(Vinzant等人,1997；Chen等人,2007；Jorgensen等人,2007)。不幸的是，大多数降低植物木质素含量的尝试导致了严重的生物质产量下降(Voelker等人,2010；Shadle等人,2007；Franke等人,2002)，并且因此，不容易获得具有显著木质素下降的作物。该细胞壁-生长关系不是木质素独有的；它经常被观察到，并与导管塌缩有关，并且大部分发生在半纤维素或纤维素生物合成所涉及的次生细胞壁基因有缺陷的情况下(Voelker等人,2010；Anterola和Lewis,2002；Brown等人,2005)。这些导管是给地上组织供给通过根系统吸收的水和营养物所必需的(Gomez等人,2008,Boyce等人,2004)。因此，使用沉默策略来减少植物中的木质素，所述沉默策略在酶促步骤抑制水平和生物质产量之间折中。

在木质组织中产生新细胞壁(即所谓的次生细胞壁)，并且所述新细胞壁是当除去水时促成生物质密度的主要组分。优化细胞壁沉积会增加生物质密度并由此增加能量密度。该提高将有益于降低生物质的运输成本，所述运输成本是在生物精炼厂门处递送的生物质价格的重要组分(Searcy等人,2007；Aden等人,2002；Kumar等人,2005)。因此，开发出允许木质组织细胞壁或髓心变厚而不改变植物生长的策略，可以增加生物质和能量密度，并且将有利于木质纤维素生物能生产的成本效益。

另外需要以特定方式工程改造路径中的不同生物合成途径，使得可以在目标组织中靶向生物合成产物的生产。

本发明解决了这些需要。

发明内容

不同的生物学过程存在于从原核生物至真核生物的生物体中，它们由小数目的转录因子调节。在一个方面，本发明提供了一种正反馈回路来增加目标产物在生物体(例如，植物)中的表达。根据本发明的人工正反馈回路(AFPL)采用转录因子/启动子构建体，典型地，其中所述转录因子是调控靶向的生物合成途径的所有或大部分组分的表达的“主要”转录因子。在转录因子诱导或增加基因的表达的情况下，在该途径下游的基因的启动子与编码所述转录因子的核酸可操作地连接，从而导致增加的转录因子表达。AFPL可以用于植物中的任何生物合成方法中，例如，用于控制细胞壁沉积、蜡/角质积累或脂质积累等。