[发明专利]植物生长和发育的遗传调控

说明书

本发明涉及植物生长和/或发育的遗传调控和与之有关的基因的克隆和表达。更详细地讲，本发明涉及普通小麦(Triticum Aestivum)Rht基因和来自其它物种的同源物的克隆和表达，以及这些基因在植物中的用途。

对影响包括开花等的植物生长和发育的遗传机制的了解，提供给人们改变靶植物特性的方法。对生长和/或发育特征的操作会使之有利的物种包括所有的农作物，重要的例子有禾谷类，在较温和气候带大概最具农艺重要性的水稻和玉米，以及在更温和气候带的小麦、大麦、燕麦和黑麦。产籽的重要农作物是油菜(oil seed rape)和canola、玉米、向日葵、大豆和高粱。许多收获其根部的作物当然每年从种子开始生长，且任何种类种子的生产非常依赖于植物开花、传粉和结籽的能力。在园艺上，控制包括开花等生长和发育的时间很重要。可控制其开花的园艺植物包括莴苣、菊苣和包括甘蓝、硬茎花椰菜及花椰菜的蔬菜类芸苔属(brassicas)以及康乃馨和天竺葵。一方面矮生植物和另一方面在大小上较高植物，还包括树、种植园作物和草，可能在各个园艺活农业方面是有利和/或被人们所期望。

近数十年来，由于将半矮生的Rht部分同源等位基因(homeoallele)引入育种程序，小麦谷粒的产量大幅度增加。这些增幅使得小麦产出能够与增长的世界人口的需求相持平。以前，我们描述了拟南芥属(Arabidopsis)gai等位基因的克隆(John Innes Centre InnovationsLimited于1997年2月12日提交并于1998年8月14日公开为WO97/29123的国际专利申请PCT/GB97/00390，其全文通过引用加入到本发明中)，象小麦(单子叶植物)中的Rht突变等位基因一样，拟南芥gai等位基因赋予拟南芥属(双子叶植物)半显性的矮生表型和对植物生长激素赤霉素(GA)反应性降低。gai编码突变蛋白(gai)，该突变蛋白缺乏在野生型(GAI)蛋白的N-端附近的17个氨基酸残基区段。该区段的序列在水稻cDNA序列(EST)中高度保守。在此我们表明，该cDNA作图至已知含有Rht基因座重叠禾谷类基因组图谱的短部分上，并我们用该cDNA分离出小麦的Rht基因。象拟南芥属和小麦属的基因组一样广泛趋异的基因组应该携有保守序列，该保守序列一旦突变，则影响GA的反应性，这揭示了在整个植物界中该序列在GA信号传递中保守的作用。进而，Rht的克隆使得可以将其转移至许多不同的作物物种中，目的就是达到象之前在小麦上获得的产量的大幅提高。

将半矮生Rht部分同源等位基因(最初称为Norin10基因，来源于日本变种Norin10)导入优良的普通小麦育种系中，是对所谓的“绿色革命”最重要的贡献之一(Gale等，1985，小麦中的矮生基因，发表于：植物育种进展，G.E.Russel(编辑)Butterworths，London第1-35页)。含有这些部分同源等位基因的小麦的产量总是高于缺乏这些基因的小麦，这种小麦现在占有世界小麦作物的80％左右。这种增产的生物学基础似乎为两点。首先，Rht等位基因所赋予的半矮生表型引起对倒伏(植物被风/雨打倒，使产量减少)的抗性增强。其次，这些等位基因引起光同化作用的重分配，使其更多地导向谷粒，而较少导向茎部(Gale等，1985)。在农民采用含有Rht的小麦期间，英国的小麦产量增产20％以上，这个事实表明这些特征对小麦产量有重要影响。

rht突变体矮生的原因是它们含有在遗传上显性的突变rht等位基因，该等位基因损害它们对赤霉素的反应(GA，一种内源性的植物生长调节剂)(Gale等，1976，Heredity 37：283-289)。因此rht突变体的胚芽鞘不象那些野生型小麦植株的一样，对GA的应用不反应。另外，rht突变体积累生物活性GA的水平比在野生型对照中发现的要高(Lenton等，1987，小麦的赤霉素不敏感性和缺失-发育的结果，发表于：植物发育中的激素作用-评论性评价。GV Hoad，JR Lenton，MB Jackson和RK Atkin(编辑)Butterworths，London第145-160页)。这些特征(遗传显性、退化的GA反应，以及高的内源性GA水平)为其它物种中的突变(玉米中的D8/D9，拟南芥中的gai)赋予的表型所共有的，这表明这些突变等位基因限定了这些不同物种中的定向进化同源基因；观察到在玉米和小麦的基因组中D8/D9和Rht是同线基因座，这进一步支持以上观点。