[发明专利]具有提高的光呼吸效率的植物

说明书

本文提供的是具有改变的光呼吸特性的植物。破坏涉及穿梭乙醇酸和/或甘油酸的转运蛋白导致光合作用速率降低，植物生长降低以及基因表达和光合作用代谢产物谱改变。此类破坏还与引入的表达可供选择的光呼吸酶途径的组件的基因组合，以提高光合作用效率。

交叉引用

本申请根据35U.SC§119(e)要求于2017年3月7日提交的美国临时序列号62/467,993的优先权，并且其通过引用在此并入。

技术领域

本公开提供了具有改变的光呼吸特征的植物。参与穿梭乙醇酸和/或甘油酸的转运蛋白的破坏导致光合作用速率降低、植物生长减少以及基因表达和光合代谢物谱的改变。这种破坏在与引入的表达另外的光呼吸酶途径的组分的基因组合时，提高了光合作用效率。

背景技术

核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RubisCO)催化核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)与CO₂的固定，产生两个分子的3-磷酸甘油酸(3-PGA)。然而，在25℃和当前的CO₂水平下，具有C3光合作用代谢的植物中约25％的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RubisCO)催化活性是对竞争性底物氧气而非二氧化碳的固定，导致RuBP转化为一个分子的1-PGA和一个分子的2-磷酸乙醇酸(2-PG)(Bowes等人,Biochem Bioph.Res.Co(1971)45:716-22；Ogren和Bowes,Nature-New Biol.(1971)230:159-60；Lorimer,G.H.,Ann.Rev.PlantPhysiol.Plant Mol.Biol.(1981)32:349-83；Ogren,W.L.,Ann.Rev.Plant Physiol.PlantMol.Biol.(1984)35:415-42；Sharkey,T.D.,植物生理学(Physiologia Plantarum)(1988)73:147-52)。叶绿体基质中的2-PG积累可以抑制磷酸丙糖异构酶和磷酸果糖激酶，从而降低RuBP再生能力(Anderson,L.E.,Biochim Biophys Acta(1971)235:237-44；Kelly和Latzko,Febs Lett(1976)68:55-58)。尽管2-PG被2-磷酸甘油酸磷酸酶快速去磷酸化，但产生的乙醇酸还可以抑制叶绿体中的光合作用速率，并且被认为对细胞有毒(Kelly和Latzko，同上；GonzalezMoro等人,J.Plant Physiol.(1997)150:388-94)。防止2-PG/乙醇酸对光合作用的抑制，并通过涉及叶绿体、过氧化物酶体、线粒体和细胞质中的步骤的C2光呼吸途径实现还原碳的部分回收(Somerville和Ogren,Plant Physiol(1979)63:152；Eisenhut等人,Plant Biol.(2013)676-85)。光呼吸将两个分子的2-PG转化为一个分子的3-PGA并释放一个分子的CO₂。

此外，光呼吸循环利用ATP，并且作为甘氨酸转化为丝氨酸的副产物，在线粒体中产生氨(NH₃)。然后植物使用还原当量NAD(P)H再循环NH₃。结果，在当前大气CO₂浓度下的光呼吸导致取决于区域生长季温度的季节性C3光合作用效率的约15至50％的降低(Ogren,同上；Peterhansel等人,Photorespiration.The Arabidopsis Book(2010),20130)。仅在美国中西部的大豆和小麦生产中，由于光呼吸导致的产量损失每年增加高达约150万亿卡路里(Walker等人,Ann.Rev.Plant Biol.(2016)107-29)，并对其他主要的C3作物如水稻和马铃薯具有类似的负面影响(Sharkey,T.D.,同上,Zhu等人,Ann.Rev.Plant Biol.(2010)61:235-61)。