用于增強植物光合活性的組合物和方法
【專利說明】用于増強植物光合活性的組合物和方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 根據(jù)美國專利法119(e)本申請要求2012年6月7日提交的臨時申請61/656, 794 和2012年7月17日提交的61/672,500的優(yōu)先權(quán)。各前述臨時申請以其整體通過參考并 入本文。
[0003] 序列表
[0004] 本申請包含序列表，其以ASCII格式經(jīng)由EFS-Web提交，通過參考以其整體并入 本文。所述ASCII副本創(chuàng)建于2013年6月7日，名稱為30407-0005W01_SL.txt，大小為 118, 885 字節(jié)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明涉及光合性能增強的轉(zhuǎn)基因植物，并更特別地涉及在低光條件下光合能力 增強的此類植物。
【背景技術(shù)】
[0006] 光合植物（photosyntheticplants)依靠光，例如，日光作為其能量來源。在農(nóng) 業(yè)種植中公認的是光合作用的光捕獲和光反應(yīng)一般不制約植物的生產(chǎn)性。然而，這種認知 源于典型的學(xué)術(shù)上的溫室研宄且通常不正確。植物經(jīng)常遭遇對于生長次優(yōu)的光條件。比 如，黎明和下午晚些時段的特征在于具有較低光強度并相應(yīng)地較低的光合速率。光合速率 的晝夜變化受到光合光子通量密度（photosyntheticphotonfluxdensity,PPFD)的影 響。植物也經(jīng)常為日光而競爭。生長高大的植物（taller-growingplants)經(jīng)常形成樹冠 (canopy)，樹冠吸收光并影響未達到樹冠的生長低矮的植物的光合速率和生長速率。被其 它葉遮蔭的葉子具有低得多的光合速率。當高密度種植耕作物時也觀察到遮蔭。
[0007] 光合活性還可受到植物不能有效利用全光譜的限制。驅(qū)動光合作用的光化反應(yīng)的 光首先被植物葉綠體色素吸收。葉綠素為典型的光合生物的色素。葉綠素a具有最佳效率 的兩個峰，一個在譜的藍色部分（約430nm)和一個在譜的紅色部分（680nm)。各種"相關(guān) 色素（associatedpigments)"吸收可見光譜的其它部分的光，大部分吸收的能量通過一系 列受體直至能量相當于在700nm處吸收的能量。然而，光合作用不會被譜的綠-黃色部分 的光，即被具有520-550nm范圍波長的光所有效驅(qū)動。在密集林分（forestrystands)中 到達較低樹葉的光非常綠，使得這類光對于驅(qū)動光合作用進一步次優(yōu)。部分光譜因此不能 用于驅(qū)動光合作用或低效地驅(qū)動光合作用。
[0008] 植物光合活性可因此受到光強度的制約，并受到優(yōu)化植物內(nèi)源色素以吸收光并 驅(qū)動光合過程的光波長譜的制約。本發(fā)明通過提供具有吸收和發(fā)射光的非內(nèi)源發(fā)色團 (chromophores)(即，發(fā)光團（photophores))的植物，來提供用于改善植物光合活性的方 法和組合物。本發(fā)明提供改善次優(yōu)條件下，例如低光條件下植物的生長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明涉及用于改善植物生長的組合物和方法。
[0010] 在某些方面，提供光合活性改善的轉(zhuǎn)基因植物，其中植物包含外源發(fā)色團，外源發(fā) 色團吸收在對于光合活性為次優(yōu)范圍內(nèi)的第一波長的光，并且當吸收該波長的光時，發(fā)射 在對于植物的光合活性有效的范圍內(nèi)的波長下的光。
[0011] 在某些方面，提供光合活性改善的轉(zhuǎn)基因植物，其中植物包含發(fā)色團的鏈（a chainofchromophores)，所述鏈吸收對于光合活性為次優(yōu)的范圍中的波長的光，然后使 能量通過該鏈直至發(fā)色團發(fā)射對于植物光合活性有效的范圍內(nèi)的波長下的光。比如，轉(zhuǎn)基 因植物可包含第二外源發(fā)色團，其吸收對于植物光合活性為次優(yōu)范圍內(nèi)的波長的光，并且 當吸收所述波長的光時發(fā)射對于光合活性為次優(yōu)范圍內(nèi)的第一波長的光，并且該波長的光 被第一外源發(fā)色團吸收，然后發(fā)射對于植物光合活性有效的波長的光。在某些實施方案中， 第二外源發(fā)色團具有等于或接近于第一發(fā)色團最大吸收波長的最大發(fā)射波長。
[0012] 在某些方面，上述外源發(fā)色團位于植物的葉綠體，優(yōu)選位于植物的類囊體膜。
[0013] 在某些方面，提供共栽培植物的方法，其中使光合性能改善的轉(zhuǎn)基因植物與另外 的植物在使轉(zhuǎn)基因植物遮蔭的條件下共栽培。
[0014] 在某些方面，提供增加土壤氮含量的方法，所述方法包括在土壤中生長轉(zhuǎn)基因固 氮植物，例如，表達外源發(fā)色團的豆類（legume)。
【附圖說明】
[0015] 圖1為發(fā)色團鏈（chromophorechain)的示意性代表圖，所述發(fā)色團鏈可用于捕 獲野生型植物利用不良的綠色波長譜中的光，并通過級聯(lián)能量轉(zhuǎn)移，將光轉(zhuǎn)化為被野生型 植物中的捕光機制（lightharvestingmechanisms)有效利用的紅色波長譜中的光。
[0016] 圖2為野生型和mCherry轉(zhuǎn)基因桉屬（eucalyptus)葉的一組焚光立體圖像（激 發(fā)濾片BP530-550,阻擋濾片BA575IF)。mCherry轉(zhuǎn)基因桉屬葉顯示比野生型桉屬葉明顯更 大的焚光強度。
[0017] 圖3為野生型和mCherry(系11)轉(zhuǎn)基因桉屬植物在生長36天后的一組照片。
[0018] 圖4為顯不在生長36天后，野生型和轉(zhuǎn)基因mCherry植物（系9和11)從樹干 底部至頂部的平均高度的圖表。所示數(shù)據(jù)為至少37個復(fù)現(xiàn)檢驗的平均值±1. 96標準差 (*，p< 0? 05 ;AN0VA之后為鄧尼特法（Dunnett'smethod)) 〇
[0019] 圖5為用于在轉(zhuǎn)基因植物中表達一個發(fā)色團的構(gòu)建體的示意圖。
[0020] 圖6為用于在轉(zhuǎn)基因植物中表達一個發(fā)色團的構(gòu)建體的示意圖。
[0021] 圖7為用于在轉(zhuǎn)基因植物中表達一個發(fā)色團的構(gòu)建體的示意圖。
[0022] 圖8為用于在轉(zhuǎn)基因植物中表達多個發(fā)色團的構(gòu)建體的示意圖。
[0023] 圖9為用于在轉(zhuǎn)基因植物中表達多個發(fā)色團的構(gòu)建體的示意圖。
[0024] 圖10為用于在轉(zhuǎn)基因植物中表達多個發(fā)色團的構(gòu)建體的示意圖。
[0025] 圖11為用于在轉(zhuǎn)基因植物中表達多個發(fā)色團的構(gòu)建體的示意圖。
[0026] 圖12示出在15s照明間隔和1-1. 5分鐘遮蓋間隔下的10min反應(yīng)時間之后得到 的希爾反應(yīng)（Hillreaction)斜率。
【具體實施方式】
[0027] 光合植物依靠日光作為其能量來源。因此，它們需要探測該關(guān)鍵環(huán)境因素的強度、 質(zhì)量、持續(xù)時間和方向，并通過優(yōu)化其生長和發(fā)育來適當?shù)仨憫?yīng)。
[0028] 葉綠素a和b富含于綠色植物中。葉綠素具有化學(xué)上與血紅蛋白和細胞色素中發(fā) 現(xiàn)的卟啉類基團（porphyrin-likegroups)相關(guān)的復(fù)雜的環(huán)結(jié)構(gòu)。類胡蘿卜素是具有多個 共軛雙鍵的線型分子，其吸收400至500nm區(qū)域的光，賦予類胡蘿卜素其特征性橙色。大多 數(shù)色素吸收某些波長的光并反射非吸收的波長，并且起到作為天線復(fù)合物的部分的作用， 收集光并轉(zhuǎn)移吸收的能量到反應(yīng)中心復(fù)合物中的葉綠素，在此化學(xué)氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致發(fā) 生長期能量儲存。
[0029] 天線系統(tǒng)起到將能量有效地遞送到與其關(guān)聯(lián)的反應(yīng)中心的作用。天線色素的分子 結(jié)構(gòu)完全不同，雖然它們?nèi)恳阅承?