[發明專利]具有提高的光呼吸效率的植物

在審

• 申請號: 201880029875.0
• 申請日: 2018-03-07
• 公開（公告）號: CN110678552A
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發明（設計）人: 唐納德·R·奧爾特;保羅·F·索思;伯克利·沃克
• 申請（專利權）人: 由農業部部長代表的美利堅合眾國
• 主分類號: C12N15/82
• 分類號: C12N15/82
• 代理公司: 11243 北京銀龍知識產權代理有限公司
• 代理人: 鐘海勝;宋琴芝

本文提供的是具有改變的光呼吸特性的植物。破壞涉及穿梭乙醇酸和/或甘油酸的轉運蛋白導致光合作用速率降低，植物生長降低以及基因表達和光合作用代謝產物譜改變。此類破壞還與引入的表達可供選擇的光呼吸酶途徑的組件的基因組合，以提高光合作用效率。

交叉引用

本申請根據35U.SC§119(e)要求于2017年3月7日提交的美國臨時序列號62/467,993的優先權，并且其通過引用在此并入。

技術領域

本公開提供了具有改變的光呼吸特征的植物。參與穿梭乙醇酸和/或甘油酸的轉運蛋白的破壞導致光合作用速率降低、植物生長減少以及基因表達和光合代謝物譜的改變。這種破壞在與引入的表達另外的光呼吸酶途徑的組分的基因組合時，提高了光合作用效率。

背景技術

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)與CO₂的固定，產生兩個分子的3-磷酸甘油酸(3-PGA)。然而，在25℃和當前的CO₂水平下，具有C3光合作用代謝的植物中約25％的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RubisCO)催化活性是對競爭性底物氧氣而非二氧化碳的固定，導致RuBP轉化為一個分子的1-PGA和一個分子的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.,植物生理學(Physiologia Plantarum)(1988)73:147-52)。葉綠體基質中的2-PG積累可以抑制磷酸丙糖異構酶和磷酸果糖激酶，從而降低RuBP再生能力(Anderson,L.E.,Biochim Biophys Acta(1971)235:237-44；Kelly和Latzko,Febs Lett(1976)68:55-58)。盡管2-PG被2-磷酸甘油酸磷酸酶快速去磷酸化，但產生的乙醇酸還可以抑制葉綠體中的光合作用速率，并且被認為對細胞有毒(Kelly和Latzko，同上；GonzalezMoro等人,J.Plant Physiol.(1997)150:388-94)。防止2-PG/乙醇酸對光合作用的抑制，并通過涉及葉綠體、過氧化物酶體、線粒體和細胞質中的步驟的C2光呼吸途徑實現還原碳的部分回收(Somerville和Ogren,Plant Physiol(1979)63:152；Eisenhut等人,Plant Biol.(2013)676-85)。光呼吸將兩個分子的2-PG轉化為一個分子的3-PGA并釋放一個分子的CO₂。

此外，光呼吸循環利用ATP，并且作為甘氨酸轉化為絲氨酸的副產物，在線粒體中產生氨(NH₃)。然后植物使用還原當量NAD(P)H再循環NH₃。結果，在當前大氣CO₂濃度下的光呼吸導致取決于區域生長季溫度的季節性C3光合作用效率的約15至50％的降低(Ogren,同上；Peterhansel等人,Photorespiration.The Arabidopsis Book(2010),20130)。僅在美國中西部的大豆和小麥生產中，由于光呼吸導致的產量損失每年增加高達約150萬億卡路里(Walker等人,Ann.Rev.Plant Biol.(2016)107-29)，并對其他主要的C3作物如水稻和馬鈴薯具有類似的負面影響(Sharkey,T.D.,同上,Zhu等人,Ann.Rev.Plant Biol.(2010)61:235-61)。