[发明专利]用于提高植物产量的磷酸盐转运蛋白的表达

说明书

本发明涉及增加植物产量的方法，所述方法包含增加编码磷酸盐转运蛋白(PT7)多肽的核酸的表达。本发明还涉及制备此类植物和显示增加的产量的遗传改变的植物的方法。

发明领域

本发明涉及增加植物产量的方法，包含增加编码磷酸盐转运蛋白(PT7)多肽的核酸的表达。本发明还涉及制备此类植物和展示增加的产量的遗传改变的植物的方法。

发明背景

可持续地增加作物产量且具有较低的环境成本以养活世界上不断增长的人口是一个非常紧迫的问题。然而，目前产量的增加主要地取决于肥料的广泛应用，特别是氮(N)和磷(P)肥料^1,2。另一方面，豆科植物通过生物固N₂(BNF)提供必需的氮源，从而充当农业生态系统中的核心参与者³。在N₂固定过程中产生巨大能量成本，并且小瘤的快速发育对豆科植物来说都需要足够的P供应⁴。有研究报道，磷酸盐(Pi)饥饿严重抑制结瘤和BNF⁵，伴随着大豆小瘤数量、小瘤尺寸和固氮酶活性降低^6,7。因此，将Pi转运到小瘤中是豆科植物中对于有效的BNF和小瘤器官发生的关键过程。

植物中P运输和/或转运的过程依赖于各种Pi转运蛋白(Pht)⁸。植物Pi转运蛋白已被分为五个家族：Pht1、Pht2、Pht3、Pht4和pPT^9-13。在这些Pi转运蛋白中，Pht1家族的成员被广泛研究并且被充分表征。已经从几种植物物种中分离出许多低亲和力和高亲和力的Pht1家族成员，包括拟南芥(Arabidopsis)¹⁴、水稻¹⁵、玉米¹⁶和大豆¹⁷。通常，低亲和力的Pi转运蛋白参与器官内的Pi转运¹⁸，而高亲和力的Pi转运蛋白主要参与从根际的Pi吸收，并且在Pi饥饿的根的表皮和中柱¹⁹，以及菌根定植后的皮质细胞²⁰中表达最强烈。然而，较少的Pi转运蛋白被报道参与豆科植物-根瘤菌共生系统中的Pi运输和/或转运。

小瘤中有两条Pi进入通路，包括来自根际的直接通路，和自宿主根到小瘤的间接通路²¹。先前的报道已经描述了高亲和力的Pi转运蛋白GmPT5，其控制在大豆中从宿主根到小瘤的Pi运输⁶。同时，尚未发现允许小瘤从根际直接获得Pi的机制。此外，一旦Pi被运输和/或被吸收进小瘤中，为了BNF和细菌需求，其中一些Pi需要转运到类菌体中。作为这种共生的一部分，受感染的小瘤细胞中的类菌体被来源于植物的共生体膜(SM)包围，所述共生体膜是共生体之间的营养交换界面²²。已经使用一些生物化学和分子方法研究了大豆²³、蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)²⁴、百脉根(Lotus japonicas)^25,26和其他豆科植物²⁷中的SM运输蛋白。已经在分离的共生体中证实了钙的运输²⁸，并且还鉴定了编码用于跨越SM移动铁(GmDMT1)²⁹、硝酸盐(N70)³⁰、铵(GmAMF3)³¹、硫酸盐(SST1)³²和锌(GmZIP1)³³的转运蛋白的基因。最近，详细介绍大豆中SM蛋白质组的工作为鉴定转运蛋白候选物提供了宝贵的资源²³。然而，在SM中起作用的Pi转运蛋白并没有在功能上表征。

因此，存在增加豆类植物的产量，特别是谷粒(grain)产量的需求。还存在增加这些植物的氮含量，从而增加它们作为农业生态系统中绿肥来源的价值的需求。本发明解决这两种需求。

发明内容