[发明专利]表达C4植物光合酶的C3植物

说明书

本发明涉及一种C3植物，这种植物包含C4光合作用途径中所涉及的酶的基因(此后称为C4光合作用基因)，并以高水平表达C4光合作用基因。

基于在二氧化碳的光合固定中的初始固定产物的种类，植物分成C3植物、C4植物和景天酸代谢(CAM)植物。地球上百分之九十或更多的植物属于C3植物，这包括，例如，农业上重要的植物(如水稻和大麦)。C3植物的光合途径也称为加尔文途径，在这一途径中二氧化碳的光合固定所涉及的酶是核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶。这种酶对二氧化碳具有低的亲和性，对氧气具有高的亲和性。因此，光合反应以及二氧化碳的光合固定的效率在C3光合途径中是低的。

C4植物是那些进化得克服了二氧化碳低效光合固定的植物。C4植物具有浓缩二氧化碳的机制和高的光合能力，C4植物光合途径中二氧化碳的光合固定所涉及的酶是烯醇丙酮酸磷酸羧化酶。这种酶具有高的光合固定二氧化碳的能力，其活性不受氧气抑制。

CAM植物具有适合于干燥环境的光合系统，该光合系统被认为是C3光合系统的一种进化的形式。

可以预期，通过向C3植物提供C4植物的光合功能，农业上重要的C3植物(例如水稻)的光合能力和生产力可以得到极大地提高。已有把C4光合作用基因引入C3植物的一些尝试。

为了表达C4植物的光合作用基因，已使用了连接到其上的叶绿素a/b结合蛋白质启动子或花椰菜花叶病毒(CaMV)35S启动子。例如，Kogami等，转基因研究3：237-96(1994)报道：将可以在C3植物的叶片组织中高水平表达的(CaMV)35S启动子连接到C4植物的光合作用基因(烯醇丙酮酸磷酸羧化酶(PEPC)基因)上，以产生重组DNA，然后将重组DNA引入C3植物烟草；然而，在C3植物中的PEPC活性至多仅增加2至3倍。另外，Matsuoka等，植物生理学，111：949-957(1996)报道：为了研究C4光合作用基因启动子的功能，将大肠杆菌的β-葡糖醛酸酶(GUS)基因和PEPC基因的5’-侧翼区(启动子区)的融合基因引入烟草，由此GUS基因以高水平表达。Hudspeth等，植物生理学，98：458-464(1992)也报道：将包含表达控制区(启动子区)的玉米PEPC基因组基因作为C4光合作用基因引入烟草；然而，PEPC活性仅增加2至3倍。

这样，本发明的发明人清楚地了解到，在日本专利申请9-56742(本申请要求了该申请的优先权)之前，尚没有报道指出在光合作用中所涉及的酶以高水平表达。因此，需要在C3植物中以高水平表达C4植物的光合作用基因，从而增强C3植物光合能力的技术。

本发明旨在克服上述的问题，其目的是在C3植物中以高水平表达C4植物的光合作用基因。

如以上所述，已有尝试将C4植物玉米(早熟禾科(poaceae))光合途径中所涉及的PEPC基因组基因引入C3植物烟草(茄科)中导致低表达效率的例子。本发明人发现，通过将含有(a)系统发育上与C3植物相关的C4植物的光合途径中所涉及的酶的基因的表达控制区，和(b)系统发育上与C3植物相关的C4植物的光合途径中所涉及的酶的结构基因的这样一种基因引入到C3植物中，C4植物的光合途径中所涉及的酶的表达效率得到极大的提高，进而完成了本发明。

本发明的表达系统发育上相关的C4植物的基因的C3植物包含这样的DNA，该DNA含有(a)系统发育上相关的C4植物光合途径中所涉及的酶的基因的表达控制区，和(b)C4植物光合途径中所涉及的酶的结构基因，其中所说的C3植物以高水平表达由所说结构基因编码的酶。

一种产生表达系统发育上相关的C4植物之基因的C3植物的方法包括以下步骤：

用含有(a)系统发育上相关的C4植物光合途径中所涉及的酶的基因的表达控制区，和(b)C4植物光合途径中所涉及的酶的结构基因的DNA转化C3植物细胞；使转化的C3植物细胞再生为C3植物；其中所说的再生的C3植物以高水平表达由所说结构基因编码的酶。

在本发明的一个实施方案中，所说的C4植物是单子叶植物，并且所说的C3植物是单子叶植物。

在本发明的另一个实施方案中，所说的C4植物是双子叶植物，并且所说的C3植物是双子叶植物。

在本发明的另一个实施方案中，所说的DNA是C4植物的基因组基因。

在本发明的另一个实施方案中，所说的C4植物的基因组基因是C4早熟禾科植物的基因组基因，并且所说的C3植物是C3早熟禾科植物。