[发明专利]提高植物耐旱能力的方法

说明书

本申请涉及转基因和基因编辑领域，特别地涉及植物例如作物中的转基因和基因编辑。本发明提供了一种通过特定表达ACC脱氨酶来提高植物耐旱性的方法。本发明提高了植物，例如作物，特别是玉米中的耐旱能力。

技术领域

本发明提供了一种通过特定表达ACC脱氨酶来提高植物耐旱性的方法。

背景技术

人口的持续增长，对于农业可持续发展带来了两个挑战。其一是，更多的人口需要消耗更多的农作物产品，而农作物生产需要大量的水资源。而另一个挑战是，人口增加会竞争性地占用更多的可用水，这会进一步加剧农业用水的缺口。要保证农业生产的持续性，就需要增加农作物水资源利用效率。培育耐旱作物，是维持农业可持续性的一个重要途径。

植物适应干旱胁迫进化出了三种不同的机制[1]。逃旱性植物一般可以通过调控生长时期，将用水较多的时期(例如，开花期)，通过滞后或是提前，来逃避干旱胁迫。避旱性植物一般会在干旱胁迫的时候，通过调控气孔提前关闭，减少蒸腾。气孔提前关闭会同时减少二氧化碳的摄入，影响植物生长。抗旱性植物是在一定的干旱条件下，通过调整自身的水势，降低活性氧的浓度，来耐受干旱并维持一定的生长。三种不同机制在不同植物上都有相应的进化价值；逃旱性植物一般会在干旱条件下花期或是生长期有所改变。避旱性机制可以通过气孔关闭的情况加以鉴定；往往在轻度干旱的情况下，避旱性机制起到很大作用。不同植物在不同干旱胁迫条件下，会采用一种或多种机制；对于作物上来讲，抗旱性机制更有应用价值。

植物干旱胁迫响应的分子机制非常复杂，根据信号通路的区分，可以区分为脱落酸(ABA)依赖和不依赖的两种途径。脱落酸是一种植物生长调节因子，在干旱条件下根部产生并富集，通过导管进入叶片调控水势或是抗氧化能力。另外有研究表明叶片中也可以产生脱落酸。脱落酸一般通过结合其受体并改变受体同蛋白磷酸酶的相互作用，进而调控下游磷酸激酶的磷酸化状态，激活依赖脱落酸的信号通路。不依赖脱落酸的信号通路往往会依赖一类特殊的AP2类的转录子，干旱响应元件结合蛋白(DREB，Dehydration dependedelement binding protein)。两种机制相互之间会协同参与抗旱性的增强；其中其它生长调节因子，例如乙烯，参与调节着两种机制的对话。

乙烯也参与了植物对干旱胁迫的响应。干旱胁迫下往往会影响乙烯的合成。植物体内乙烯合成起始于蛋氨酸(Methionine，Met)；在三磷酸腺苷(ATP)的参与下，腺苷蛋氨酸合成酶将蛋氨酸首先转变成S-腺苷蛋氨酸(SAM)。接着在氨基环丙烷羧酸合成酶(ACC合成酶)作用下将SAM转变成1-氨基环丙烷羧酸(ACC)和甲硫腺苷(MTA)。MTA可以通过水解和蛋氨酸途径重新合成蛋氨酸。ACC是乙烯生物合成的直接前体，ACC合成酶是乙烯合成的限速步骤。ACC氧化酶催化ACC产生乙烯，这个过程也很重要。在玉米中敲除ACC合成酶6，抑制了干旱诱导的叶片衰老；利用RNA沉默技术降低ACC合成酶6的表达，通过大田实验验证，基因沉默的株系对比与对照显著提高了干旱胁迫下的产量[2]。在玉米中过表达乙烯信号传递的负调控因子，ZmARGOS8，也提高了植物的抗旱性[3]。ACC脱氨酶(ACC deaminase)可以降解ACC产生氨和丁酮酸，降低乙烯的合成。ACC脱氨酶广泛存在真菌、细菌和酵母中；有一些土壤根际微生物，在同植物共生的时候，可以提高植物对干旱的耐受能力。在西红柿和辣椒根际施用皮氏无色杆菌ARV8，提高了抗旱性[4]；类似的结果也在玉米、小麦以及豌豆中发现。当将这些植物益生菌中的ACC脱氨酶基因敲出后，发现其对植物抗旱性的效果大幅降低，这就说明ACC脱氨酶在植物抗旱中起到了重要的作用。目前认为可能的机制是当益生菌同根系互作的时候，植物的ACC可以分泌到根际，通过微生物中的ACC脱氨酶降解ACC，间接地降低植物乙烯的合成。微生物中ACC脱氨酶在植物抗旱性的直接证据并没有太多报道和证明。另一方面ACC脱氨酶在植物中同源基因并没有报道。本发明通过过表达的方法，验证并筛选了一类微生物来源的ACC脱氨酶可以提高植物的耐旱能力，并且也预测了通过植物本身的氨基转移酶，通过合适的改造，可以提高耐旱能力。

发明内容

本发明的一些实施方案如下：