[发明专利]提高光合生物的蛋白质水平的结构和方法

说明书

本发明的背景技术

所有的光合生物都是通过光合作用的捕获光的反应来提供能量，从而产生重要的生长和代谢化合物。光合生物产生的富含能量的碳水化合物、脂肪酸、基本氨基酸以及其它的化合物，是所有动物赖以生存的食物链的基础。光合生物还是大气中氧气的主要来源，并在该过程中对二氧化碳进行循环。因此，地球上的生命依赖的是光合生物，特别是植物。

植物的生产量受到各方面的限制，例如，资源的有限性以及植物对这些资源的利用能力等。光能转换成化学能需要复杂的系统将捕获光的色素结构和蛋白质结合起来。光能对植物的价值只有在其被光合作用有效地转换成化学能并被送入到各种生物化学过程中才可以得到实现。

负责将光转换成化学能量的光合反应的类囊体蛋白质器是叶绿体中最为复杂的机制，并且仍然是最为难以研究的生物系统之一。释放氧气的光合生物，例如，蓝细菌、藻类和植物，都具有两套光系统，即PSI和PSII，它们通过一系列的合作从水中获取电子并使它们的能级得到提高从而到达NADP⁺。然后，光合成产生的NADPH和ATP就被送到各种生物化学途径中。将这些电子推向更高能级的力量来自与这两个光系统有关的叶绿素100-300分子所吸收的能量。一对重要的叶绿素，即在每个光系统中心的分子调控着电子的运动。其余的叶绿素分子与蛋白质关联，然后组成获取光的天线，围绕着反应中心并向其传送光能[参见Green等人(1991)，TIBS 16：181]。

对光的吸收能力，特别是在阴凉处，主要依赖于类囊体膜上面的光获取复合体(Light Harvesting Complex，Lhc)的组成和大小。LhcII光获取复合体是叶绿素a/b结合蛋白质(Cab)的重要地方，对光系统II(PSII)起着天线的作用，并且在为了光合成进行的获取光的过程中起重要的作用[Kuhlbrandt，W.(1984)Nature 307：478]。植物可以根据可供生长的光的强度来调节天线的尺寸。在阴凉地方，通过降低1，5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rbc或Rubisco)的水平，氮气的分配从基质中的多肽转移到类囊体蛋白质。氮气的再次分配是对低照射的补偿反应，平衡光吸收及对二氧化碳的固定[Evans，J.R.(1989)Oecologia 78：9；Stitt，M.(1991)Plant，Cell and Environment 14：741]。

除了将氮气分配到不同的蛋白质中的这种转移之外，光合成生物还可以通过对光获取复合体的分子重组来适应低光亮的条件[Chowet al.(1990)Proc.Natl.Acad.Sci.USA 87：7502；Horton et al.(1994)Plant Physiol. 106：415；Melis，(1991)Biochim.Biophys.Acta.1058：87]。植物对光特性变化进行补偿所具有的重组能力决定其生产力。虽然存在着对低光亮条件的适应机制，但是，由于通过电子转移来产生ATP和NADPH的能力有限，所以，在不利光照条件下，植物生长中的光合成明显地降低[Dietz，K.J.and Heber，U.(1984)Biochim.Biophys.Acta.767：432；ibid(1986)848：392]。在这样的条件下，产生ATP和NADPH的能力，以及吸收力，将决定还原二氧化碳的能力。当光源有限时，植物将其光合成能力调整到最大；但是，这种适应能力是有限的，受到分子参数的限制，例如，基因表达，复合体的组合，以及基质和协作因子的来源等。

如果要提高植物和其它光合成生物的生产力，就必须要有提高光获取能力但又不限制二氧化碳固定能力的方法。

本发明概述

本发明提供嵌合性基因结构，它包括启动子区域，含有翻译促进子的5’未翻译区，对增强蛋白质输入的质体特异性转运肽编码的DNA，编码质体蛋白质的基因，含有功能性多聚腺苷酸化信号的3’未翻译区。该结构产生高水平的功能性蛋白质的表达和对其功能位点的输入。

在本发明的一个实施方案中，启动子是35S花椰菜镶嵌病毒(CaMV)启动子。在本发明的另一个实施方案中，转译增强子来自1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的豌豆小亚单位的5’未翻译区。在另一个实施方案中，编码蛋白质的基因是豌豆cab基因，编码叶绿素a/b结合蛋白质。在另一个实施方案中，含有功能性多聚腺苷酸化信号的3’未翻译区来自豌豆cab基因。