[发明专利]具有改变的生长特性的植物及其生产方法

说明书

本申请是申请日为2004年4月14日、申请号为200480010004.2、 发明名称为“具有改变的生长特性的植物及其生产方法”的发明专利 申请的分案申请。

发明领域

本发明涉及一种改变植物生长特性的方法。更为具体地说，本发 明涉及一种改变植物生长特性的方法，包括：向植物中引入编码金属 硫蛋白的核酸。本发明还涉及具有编码金属硫蛋白的核酸序列经调节 的表达和/或金属硫蛋白经调节的活性的植物，该植物相对于相应的 野生型植物具有改变的生长特性。本发明也提供适用于本发明的方法 的构建体。

发明背景

一些重金属，特别是铜和锌，是通过Cu-和Zn-依赖性酶的作用在 多种植物生理过程中扮演重要角色的必需微量营养物。这些和其它非 必需重金属离子，例如镉、铅和汞，具有高度反应性，并因此可对活 细胞具有毒性。因此植物同所有活的生物体一样，已经进化获得了一 套对必需和非必需重金属的摄入和聚积进行控制和反应的机制。这些 机制包括特定配体对重金属的螯合和多价螯合。两种在植物细胞中最 充分表征的重金属结合配体为植物螯合肽(PC)和金属硫蛋白(MT)。MT 为一族基因编码的富含半胱氨酸的多肽。相反，PC为一族酶合成的富 含半胱氨酸的多肽。

金属硫蛋白，mRNA翻译的产物，是低分子量，富含半胱氨酸的金 属结合蛋白。MT蛋白和基因在动物和植物王国以及原核生物聚球藻 (Synechococcus)中普遍存在。MT中大量的半胱氨酸残基通过硫醇键 结合多种金属。MT通常含有2个结合金属的、富含半胱氨酸的结构域， 赋予这些金属蛋白哑铃状的构象。现在可获得的数据倾向于支持MT 在铜耐受性中的作用(而PC防御镉)。

MT蛋白的分类基于Cys残基的排列。Cobbett和Goldsbrough (AnnuRevPlantBiol.53，159-82，2002)区分4种类别：1型到4 型。2型MT含有2个富含半胱氨酸的结构域，由一个大约40个氨基 酸的间隔分开，第一对半胱氨酸在氨基酸位置3和4作为Cys-Cys基 序存在。另外，2型MT的N末端结构域的序列(MSCCGGNCGCS-)高度保 守。

鼠耳芥、水稻和甘蔗含有编码所有4种类型的MT的基因。可以对 这些基因的表达模式进行通常的观察。4型MT限于发育的种子。1型 MT在根中的表达倾向于比芽苗中高，而2型MT的观察结果通常相反。 3型MT在肉果中或在非肉果生产植物(如鼠耳芥)的叶片中表达。多种 环境因素影响这些基因的表达。

已经生产了在AtMT2a启动子的控制下表达GUS的转基因植物。在 年幼植物中，染色仅仅在子叶和侧根尖发现。较老的植物中的GUS活 性在香毛簇的基底、排水器、萼片、花粉囊、柱头、根尖和侧根分枝 点的脉管组织中见到。随着叶子老化，GUS染色增强。

已经为两个目的生产出表达MT的转基因植物：

1)重金属污染的土壤的植物整治：转基因烟草和Brassica植 物，经工程改造以过表达MT，对镉等重金属的毒性具有中等抗性(Suh 等人，MolCells.8，678-684，1998)。

2)营养质量提高，当在水稻中与肌醇六磷酸酶和铁蛋白共表达 时，改善人类的铁膳食。金属硫蛋白样蛋白，富含半胱氨酸(富含硫的 氨基酸)有助于人体消化系统吸收铁(PotrykusI(2002)Nutritional improvementofricetoreducemalnutritionindeveloping countries.“PlantBiotechnology2002andBeyond”I.K.Vasil (ed.)pp401-406)。

鉴于不断增长的世界人口，提高农业效率和增加园艺学植物的多 样性仍然是农业研究的一个主要目标。农作物和园艺改进的传统方式 采用选择育种技术来鉴定具有需要的特性的植物。然而，这种选择育 种技术具有几个缺点，即，这些技术通常是劳动密集型的，并导致产 生经常含有异质性遗传补充的植物，其不总能导致期望的性状从亲本 植物传承。分子生物学的进展已经允许人类操纵动物和植物的胚质。 植物的遗传工程使分离和操纵遗传材料(通常以DNA或RNA的形式)以 及随后将该遗传材料引入植物成为可能。这种技术已经导致具有多种 改良的经济学、农艺学或园艺学性质的植物的产生。一种具有特别经 济利益的性状为高产量。

发明详述