[發(fā)明專利]轉(zhuǎn)C4光合關(guān)鍵基因提高C3植物光合作用的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810025625.1
• 申請日: 2018-01-11
• 公開（公告）號: CN108165577A
• 公開（公告）日: 2018-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 路鐵剛;張治國;崔學(xué)安;吳金霞;孫學(xué)輝;谷曉峰;威廉保羅·奎克
• 申請（專利權(quán)）人: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所
• 主分類號: C12N15/82
• 分類號: C12N15/82;A01H5/00;A01H6/46;C12N1/21
• 代理公司: 北京紀凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 關(guān)暢;張立娜

本發(fā)明公開了一種轉(zhuǎn)C4光合關(guān)鍵基因提高C3植物光合作用的方法。本發(fā)明提供了一種增強植物光合作用和/或提高植物產(chǎn)量和/或提高植物生物量的方法，包括：采用不同的啟動子策略，向受體植物中導(dǎo)入5個C4光合關(guān)鍵基因，得到轉(zhuǎn)基因植物；所述轉(zhuǎn)基因植物與所述受體植物相比，光合作用增強和/或產(chǎn)量提高和/或生物量提高。利用本發(fā)明方法成功創(chuàng)制出具有光合效率顯著提高的材料，大輻提高植物的生物量和產(chǎn)量，且沒有附帶其它不利性狀。本發(fā)明對于培育C4水稻材料具有重大生產(chǎn)應(yīng)用價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于植物光合作用改進技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種轉(zhuǎn)C4光合關(guān)鍵基因提高C3植物光合 作用的方法，特別涉及利用多基因轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，改造獲得一個含5個光合基因的載體，利用不 同的啟動子驅(qū)動這些基因，創(chuàng)制可以顯著提高光合作用效率的水稻材料的方法。

背景技術(shù)

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的發(fā)展以及人口的增加，我國糧食需求將呈剛性增長，而耕地減少、 水資源短缺、氣候變化等對糧食生產(chǎn)的約束日益突出，我國糧食供需將長期處于“緊平衡” 狀態(tài)，保障糧食安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。農(nóng)作物的株型育種和雜種優(yōu)勢利用為我國糧食作物產(chǎn)量 的提高，保障國民經(jīng)濟的快速發(fā)展做出了巨大貢獻，但糧食產(chǎn)量的進一步提高難度越來越大。 在當前保障糧食安全作為我國長期國策的背景下，如何實現(xiàn)糧食作物產(chǎn)量水平的持續(xù)提升是 橫亙在我國社會經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)科技前進道路上的一道難題。作物收獲指數(shù)是衡量作物產(chǎn)量的主 要指標之一，目前水稻、小麥的收獲指數(shù)都接近0.5，這意味著這兩種作物的糧食產(chǎn)量占全部 生物量的近50％，通過傳統(tǒng)育種實現(xiàn)糧食產(chǎn)量的大跨度提高已不可能。

幸運的是，世界上還有另一些植物(C4植物，如玉米、高粱和甘蔗等)，它們的光合效 率要比C3植物高出50％。利用轉(zhuǎn)基因的手段，理論上轉(zhuǎn)化可以顯著地提高C4光合作用。

盡管C4途徑的酶及轉(zhuǎn)運蛋白在C3植物中的過表達研究取得了很大進展，在C3植物葉 片的特定區(qū)域高水平表達C4途徑酶的技術(shù)也很成熟，由于光合系統(tǒng)是一個復(fù)雜、分工明細 的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)單個基因并不能明顯提高C3植物的光合效率。一些研究表明，高水平表達C4基 因?qū)3植物光合效率提高和生理性狀改良的作用有限，有時甚至是不利的。Agarie等測定了 PEPC活性高于對照50倍的轉(zhuǎn)基因水稻株系，結(jié)果是其光合速率均略低于對照。Ku等發(fā)現(xiàn)部 分轉(zhuǎn)PEPC水稻植株顯示了不良的農(nóng)藝性狀，如株高矮化、葉片變窄、不育等。而試圖將PEPC、 NADP-ME、PPDK、NADP-MDH全部轉(zhuǎn)入水稻中，以期構(gòu)成一個完整C4循環(huán)的實驗也以失敗告終，該轉(zhuǎn)多基因水稻同樣表現(xiàn)生長受抑制，說明體內(nèi)所建立的是一個無效的循環(huán)，對C4特有的CO₂濃縮機制沒有貢獻。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明采用了不同的啟動子策略，將5個C4光合關(guān)鍵基因?qū)?水稻。

第一，本發(fā)明要求保護一種增強植物光合作用和/或提高植物產(chǎn)量和/或提高植物生物量 的方法。

本發(fā)明所提供的增強植物光合作用和/或提高植物產(chǎn)量和/或提高植物生物量的方法(或 稱為培育光合作用增強和/或產(chǎn)量提高和/或生物量提高的轉(zhuǎn)基因植物方法)，具體可包括如下 步驟：向受體植物中導(dǎo)入5個C4光合關(guān)鍵基因，得到轉(zhuǎn)基因植物；所述轉(zhuǎn)基因植物與所述 受體植物相比，光合作用增強和/或產(chǎn)量提高和/或生物量提高。

其中，所述5個C4光合關(guān)鍵基因為磷酸丙酮酸雙激酶(ZmPPDK1)的編碼基因、PEP羧化酶(ZmPEPC1)的編碼基因、蘋果酸脫氫酶(ZmMDH6)的編碼基因、NADP－蘋果酸 酶(ZmME2)的編碼基因，以及碳酸酐酶(ZmCA1)的編碼基因。