[发明专利]一种通过提高光合效率增加植物生物量或产量的方法

说明书

本发明公开了一种通过提高光合效率来增加植物生物量或产量的方法，所述方法是在植物叶绿体中过表达乙醇酸脱氢酶(GDH)基因和苹果酸合酶(MS)基因实现的。本发明利用过表达GDH基因和MS基因来提高植物光合效率，进而提高生物量或产量的方法，在同时过表达MS基因的前提下，在植物叶绿体中过表达大肠杆菌来源的GDH与在植物叶绿体中过表达绿藻来源的GDH相比，生物量或者产量增加3％‑50％。

(一)技术领域

本发明涉及一种提高植物产量的方法，特别涉及一种利用光合效率提高植物产量的方法。

(二)背景技术

人类数量的增加和生活水平的提高，需要消耗更多的粮食和饲料，这就要求在有限的土地上收获更多粮食。因此，培育新的高产植物品种非常重要。

植物整体的光合作用产物全部来源于酶催化CO₂转化为有机碳化合物。1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(RubisCO)是卡尔文循环(Calvin-Benson(CB)cycle)中的羧化酶。由于RubisCO与CO₂或O₂都能反应，RubisCO与O₂反应产生磷酸乙醇酸，进入光呼吸循环，光呼吸导致植物中固定的碳和氮的浪费。在全球范围内，这一过程每年将大约29GT的新鲜同化碳被重新释放到大气中(Anav A，etal.Spatiotemporal patterns of terrestrial grossprimary production:a review.Rev Geophys 2015,53:785-818.)。

为了减少光呼吸造成的损失，提高植物的光合效率，目前常用的方法是通过新的光呼吸支路来回收乙醇酸中的CO₂，从而达到减少光呼吸提高光合效率的目的(Peterhansel C,Blume C,Offermann S.Photorespiratory bypasses:how can theywork？[J].Journal of Experimental Botany,2013,64(3):709-715.)。

乙醇酸脱氢酶(glycolate dehydrogenase，GDH)可以将乙醇酸转换成乙醛酸。目前用于植物转基因研究和应用的乙醇酸脱氢酶主要是来源于低等植物绿藻(Chlamydomonas reinhardtii)或者大肠杆菌。绿藻中的乙醇酸脱氢酶由一个基因编码，而大杆菌中的乙醇酸脱氢酶分别由3个基因编码的D、E、F三个亚基构成。有报到通过在土豆中过表达D、E、F三个亚基的编码基因的融合基因后，植株中的DEFp融合蛋白表达量增加，葡萄糖、果糖和蔗糖等糖分成倍增加，生物量也显著增加(Nolke G,Houdelet M,Kreuzaler F,et al.The expression of a recombinant glycolate dehydrogenase polyprotein inpotato(Solanum tuberosum)plastids strongly enhances photosynthesis and tuberyield[J].Plant Biotechnology Journal,2014,12(6):734-742.)。但是大肠杆菌来源和绿藻来源的乙醇酸脱氢酶在功能和活性方面都有显著差异，所以在转基因植物中的表现也有很大的差异。

苹果酸合酶(malate synthase，MS)能催化乙酰-CoA与乙醛酸转换成苹果酸与CoA。苹果酸合酶参与了乙醛酸循环，广泛存在于不同植物体内。有研究报道在烟草中过表达绿藻的GDH和南瓜(C.maxima)的MS可以提高其光合效率和生物量(PF South,APCavanagh,HW Liu,etal.Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate cropgrowth and productivity in the field,Science,2019:363(6422):eaat9077.)。