CN103975057A - 通过施用海藻糖提高作物产量的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在植物生长过程的任何时间(如作物播种前、播种期间或植物定植期间)通过外施海藻糖和/或海藻糖衍生物来提高和/或保持作物物种(包括马铃薯、甜菜、甘蔗、玉米、大豆等)的产量和/或生物量的方法。在作物生产早期应用所述方法，导致母代植物更健康且更具活力，从而从母代植物获得还原糖水平较低的更健康产物。

Description

通过施用海藻糖提高作物产量的方法
发明背景
1.技术领域
本发明涉及向作物外施海藻糖和/或海藻糖衍生物以显示光合物和光合物的衍生物从“母代”植物至作物经济部分(如种子、块茎、果实等)的转运增强(光合物是经光合作用形成的化合物)。此外，所述外施可最优选在收获前不久进行，以从母体植物收回可用的光合物，否则这些光合物将最终成为田间废弃物而非纳入子细胞和下一代植物中。
所述海藻糖和/或海藻糖衍生物分子也可在种植时或在作物植物生长过程中的其他时间施用。这一早期施用导致作物更加健康、不易发生疾病和致死早衰。此外，对某些植物(如马铃薯)早期施用海藻糖导致植物的还原糖含量较低。当作物植物产物(如马铃薯片等)高温油炸时，还原糖含量高的植物会导致潜在的不健康情形。此外，若在作物植物生长的早期阶段施用，外源性信号分子不仅提高产量，还明显增强植物表观健康并提高经处理食物的健康性。
2.现有技术描述
海藻糖是由2个相连葡萄糖分子组成的二糖，其由植物、昆虫和其他生物广泛产生。海藻糖由某些昆虫和少数植物大量产生，但在多数植物中仅痕量存在。迄今为止，其已知的主要生物活性是以相对较高的天然丰度存在于某些生物的细胞中时作为冷冻保护剂，或者在冷冻保存过程中作为添加物。然而，近年来发现海藻糖和/或其相关形式即使以非常低丰度存在时也作为植物中极有力的信号分子起作用。海藻糖功能的一种形式是作为植物中碳水化合物生成和流通的中心协调物。部分地，它显示碳水化合物可用性的信号以促进生长或储备物的积累。它还抑制激酶SnRK1的活性，从而减少限制生长的关键因子。
先前公开的专利申请US2010/0024066描述了海藻糖-6-磷酸合酶在调节植物生长中的应用。该专利申请的背景部分指出，海藻糖是一种广泛分布的二糖，其存在于细菌、真菌、昆虫和植物中。
在多数情况下，海藻糖合成是两步过程，其中海藻糖-6-磷酸合酶(TPS)合成海藻糖-6-磷酸(T6P)，随后由T6P磷酸酶(TPP)去磷酸化成海藻糖。多数植物中虽然难以检测到海藻糖，但存在TPS和TPP基因的多种同源物。欧洲专利EP0901527公开了通过改变T6P水平来调节植物新陈代谢。更具体地，该欧洲专利描述了通过提高细胞内T6P可用性来增加植物产量。
上述模型是植物中的一条单向代谢通路：
1)通过酶海藻糖磷酸合酶(TPS)使UDP-葡萄糖和葡萄糖-6-磷酸(G6P)合并以形成海藻糖-6-磷酸(T6P)。
2)通过酶海藻糖磷酸磷酸酶(TPP)使T6P去磷酸化成海藻糖(Tre)。
3)通过酶海藻糖酶将海藻糖分解为2个葡萄糖分子。
欧洲专利EP0901527指出，通过用能够影响T-6-P水平的基因构建体进行生物体遗传工程改造或者通过外源性供给能够影响该水平的化合物，可影响T-6-P水平(尽管并未提及或描述这类外源性化合物的实例)。
根据上述模型，预期向植物外施海藻糖可通过对TPP的反馈抑制来增加T6P累积。据悉，在没有可用碳的情况下，T6P的累积可抑制拟南芥种子的生长(Schluepmann等，Plant Physiology,2004年6月,第135卷,第879-890页)。
3.本发明目的确定
本发明的一个主要目的是提供一种方法和组合物，以提高农业生产中的植物产量并促进植物生长；
另一个目的是提供一种方法，该方法用于(甚至在植物成熟和衰老时)增加农业植物的产量；
另一个目的是提供一种方法和组合物，以提高生长在恶劣环境胁迫下的作物植物的产量并促进作物植物生长；
另一个目的是提供一种方法和组合物，以通过将留在母代植物或甚至正在衰老的母代植物体内的任何有用的光合物和/或光合物衍生物更完全地转移至“子代”种子或所述母代植物上生长的子代植物的其他经济部分中，来提高作物植物的产量并促进作物植物生长；
另一个目的是提供一种方法和组合物，以通过避免生长季期间光合物或光合物的衍生物从种子或植物的其它“子代”经济部分至“母代”植物的损失，来提高作物植物的产量、促进作物植物生长且增加作物植物生物量；
另一个目的是提供一种方法和组合物，以通过避免生长季期间(尤其是母代植物在各种形式的非生物或生物胁迫下时)光合物或光合物的衍生物从种子或植物的其他“子代”经济部分至“母代”植物的损失，来提高作物植物产量并促进作物植物生长；
另一个目的是提供一种方法和组合物，以减少植物内的细胞死亡；
另一个目的是提供一种方法和组合物，以增加植物内ABA和/或乙烯生成；
另一个目的是提供一种方法和组合物，以加强植物对昆虫和害虫的抵抗力；
另一个目的是提供一种方法和组合物，所述方法和组合物用于在母代植物生长期间的任何时间以最大限度增加光合物向子胚及其贮藏器官的传输；
另一个目的是提供一种方法和组合物，所述方法和组合物在母代植物生长期间的任何时间增强所有及任何细胞(包括分生组织细胞)对光合物的摄取，以加强所有及任何细胞(包括干细胞)的性能；
本发明的另一个目的是提供一种方法和组合物，以避免光合物过度累积在临时贮藏器官(如母代植物的叶和茎)内，而将其转移至植物的可收获的贮藏器官内；
本发明的另一个目的是提供一种方法和组合物，以降低临时贮藏器官(如母代植物的叶和茎)中残余的过量光合物的负反馈；
本发明的另一个目的是提供一种方法和组合物，以通过光合物的适当累积来增强所有植物细胞的活力，以使所有细胞(包括干细胞)的生长最优且最大化。
考虑到旨在提高“食物”产量的研究的庞大数量，对于提高作物产量，仍存在持续且未满足的需求，其远远超出了当前的知识水平。
发明内容
本发明的确定的目的以及其他特点和优势被整合为一种方法和组合物，通过将光合物和/或母代植物中产生的光合物转移至所有细胞(包括干细胞)和转移至种子或正在形成的“子代”植物的其他经济部分或与正在发育的子代植物相关的贮藏器官中，使生长中的植物(尤其是作物，但不限于作物)由于更完全和有效地使用这类物质而更加高产。
已发现，某些“信号”分子能够通过将光合物或光合物的衍生物更完全或甚至最完全地从正在衰老的母代植物的本质上的“尸体”转移至“子代”胚和胚储存组分(甚至晚至收获前不久)来提高作物产量。此外，如果在作物发育的较早期和另外在作为“最后机会”情形的收获之前使用这些特定信号分子，使得光合物或光合物衍生物近于完全地转移至生长中的胚和胚“食物”贮藏器官，则可预防产量的明显损失。甚至在作物发育期间较早地施用这些信号分子也能够有益地转移光合物，不仅提高产量或收获，还能有更健康的母代植物和更健康的食物生产。
对植物外施信号分子(如海藻糖和海藻糖衍生物)获取了光合物，否则这些物质会损失在母代植物的衰老尸体中而非整合至生长于母代植物上的小且未成熟的子代植物的子胚或贮藏器官中。此外，可在播种前、播种期间或植物定植期间和/或母代植物生长的任何阶段外施信号海藻糖分子。较早地施用信号分子导致母代植物的健康和活力的提升，同时生产更加健康的食物(尤其当母代植物所生成的食物的组合物中还原糖含量过高时)。甚至在种植前处理种子也能实现对母代植物的健康益处。
具体实施方式
传统上，影响作物生长的概念常限于作物定植开始时，持续直至作物的经济部分发育较充分，此后认为该作物开始衰老(即变老)并准备成熟和散播种子等。此外，尽管随着生长季的推进，还会发生多种类型的胁迫，由此不同水平的自噬会从“子代”(即作物的种子和类似的可收获部分)清除光合物。(自噬是通过特定植物体组织的代谢分解来维持植物营养的方式)
这些清除自子胚及其贮藏器官的光合物通常会作物“受感知的”必需品返回母代植物来保持母代植物的“健康”，以完成子代植物的孕育周期(尤其在不同水平的非生物或生物胁迫下)。这一自噬作用导致收获时产量“减少”或损失。这种预期产量的损失或表观减少在作物中十分常见，且通常代表激素失衡和将光合物输送至子胚及贮藏器官的信号不充分。
本发明的一个优选实施方式克服现有技术中的一个或多个缺陷，并进一步实现了上文所确定的一个或多个目的。根据本发明，将包含海藻糖或海藻糖衍生物的水性溶液以低浓度外施至作物植物以实现接近生长季末期时的大量光合物的转移，这些物质原本会全部损失在母代植物的废物堆内，而非累积在初期和未成熟子胚和子胚的贮藏器官中。此外，所述信号糖处理也阻止了极早期胚和所述胚贮藏器官的自噬，需求来自母代植物对光合作物产物(即光合物)为完成所附子代植物的生殖周期的受感知需求。与母代植物无需为后续年份额外储备的多年生作物(如水果、坚果)不同，一年生植物(玉米、马铃薯、大豆等)中的光合物可完全且不可逆地转移至所附的子代植物，该转移以最完全的方式进行，甚至能达到母代植物除了高度纤维化的尸体外不残留任何物质的程度。如此，一年生植物在收获时的产量会大幅提高，从而就已形成的待用的光合物而言使作物生产效率最大化。
此外，可在母代植物生长期间较早地外施海藻糖信号分子，这会对母代植物的产量和健康以及母代植物所生成食物的健康程度产生巨大的积极影响。这可通过改变植物内的生成、新陈代谢和糖流通的特性来实现，其部分由受T6P和/或海藻糖调节的植物激酶SnRK1和TOR介导。
信号分子的疾病抑制作用通过马铃薯中斑马片病(zebra chip disease)的大幅显著减少而体现。经信号糖处理的马铃薯中还原糖含量的降低也显示更健康的食物。对未处理和经处理马铃薯以热油煎炸的的目测结果显示对两种正在生长的马铃薯施用海藻糖的益处。
下文提供实施例，显示海藻糖的施用对作物产量的增强作用。
实施例1
饲料玉米(品种Asgrow7371)在收获前经叶处理两次，在V16生长期之后4周以100克海藻糖/英亩比率用海藻糖水性溶液处理，并在V16生长期之后5周以相同比率再经叶处理一次。海藻糖处理使产量提高最多达125％(表1)。
实施例2
在德克萨斯州南部，在V16生长期或V16生长期之前3周，以100克海藻糖/英亩的比率用海藻糖水性溶液经叶处理饲料玉米(品种Dekalb C6805)。该地区该品种饲料玉米的产量从155蒲式耳/英亩提高至前所未有的337蒲式耳/英亩，该地区特征为炎热多风气候、土壤贫瘠且有害物(包括疾病和昆虫)水平高。玉米粒种子的重量增加。
实施例3
在收获前4周以100克/英亩的比率经叶外施海藻糖水性溶液后提高了马铃薯(品种Eva)的产量(表3)。如果在收获前4周施用，则作物发育中有足够时间抑制还原糖浓度，从而得到更健康的食物产品(表3)。
表3在收获前4周以4种比率用海藻糖经叶处理的Eva马铃薯品种的产量。
实施例4
在收获前4或2周以100克/英亩的比率用海藻糖经叶处理马铃薯(品种Eva，宾夕法尼亚州)。收获马铃薯并将其运送至德克萨斯州大学城进行还原糖分析。在收获前4周的较积极生长期间，马铃薯块茎中的还原糖减少；更接近生长季末期和作物植物末期时，糖似乎被更直接地输送至块茎中(表4)。
实施例5
在收获前4或2周以100克/英亩的比率用海藻糖经叶处理马铃薯(品种Snowden，威斯康辛州)。收获马铃薯并将其运送至德克萨斯州大学城进行还原糖分析。还原糖含量降低，降低程度与对植物施用的海藻糖剂量呈反比。下表5中显示了海藻糖的施用比率对于马铃薯块茎中还原糖含量的影响。
平均值齐性的T检验汇总
样本组 所比较的样本 显著性(双尾)
威斯康辛2011 对照组对比40克Sto13 0.527
威斯康辛2011 对照组对比80克Sto13 0.008
威斯康辛2011 对照组对比120克Sto13 0.039
表5海藻糖施用比率对马铃薯块茎中还原糖含量的影响
实施例6
在科罗拉多州尤马，以300克/英亩的比率用海藻糖经叶处理甜菜。该处理每英亩转移接近半吨的额外糖分至甜菜；此外，收获前仅2周时糖信号的％SLM明显降低(表6)。
实施例7
在收获前4周以450克/英亩的比率用海藻糖水性溶液处理生长于德克萨斯州南部的甘蔗，能够从蔗糖生产中得到额外的897磅糖。
实施例8
在收获前4周以100克/英亩的比率用海藻糖水性溶液经叶处理生长在加拿大安大略的小麦。
作用机制与模式
如上所述，植物中海藻糖合成的现有模型指示存在一条单向代谢通路：
1)通过酶海藻糖磷酸合酶(TPS)使UDP-葡萄糖和葡萄糖-6-磷酸(G6P)合并以形成海藻糖-6-磷酸(T6P)。
2)通过酶海藻糖磷酸磷酸酶(TPP)使T6P去磷酸化成海藻糖(Tre)。
3)通过酶海藻糖酶将海藻糖分解为2个葡萄糖分子。
根据这一单向模型，不会预期对植物施用海藻糖能增加T6P的生成量。然而，对植物施用海藻糖所产生的生物活性至少部分归因于对植物施用海藻糖后植物中T6P的增加。这可能是因为较高量的新增Tre对TPP活性的反馈抑制作用，或者这可能是因为由目前尚未知晓的酶活性或激酶活性催化的Tre向T6P的转化。
T6P/Tre活性在植物中头等重要性在于其对糖相关信号转导的影响。正因如此，在植物生长和发育(包括发芽、生长、分化、开花、果实/谷粒形成和碳水化合物储存)中，Tre/T6P起主要控制作用。海藻糖还抑制淀粉分解，导致淀粉累积增加。这可能是所观察到的淀粉储存作物(如马铃薯和玉米)产量提高的基础。
对植物施用海藻糖后植物产量的提升可能是因为海藻糖分子本身或者T6P或海藻糖的其他可能的衍生物是海藻糖施用中的有效成分。如果对植物施用海藻糖增加了植物中T6P的丰度，则已知植物将以下文所述方式响应T6P。
这是植物中由施用海藻糖所致的可能生物化学机制：
海藻糖/T6P作为植物中糖状态的有力信号，这能够改变光合物分配、初步碳固定、碳水化合物留存和/或植物生长；
海藻糖/T6P增加植物中脱落酸(ABA)和/或乙烯的生成，这加快或改善果实、谷粒或其他植物产物的成熟过程；
海藻糖/T6P提高甜菜、甘蔗和其他作物中糖分的生成和储存；
海藻糖/T6P提高产量并抑制淀粉分解，增加马铃薯和其他作物中储存的碳水化合物的留存；和/或
海藻糖/T6P作为糖状态的信号诱导植物开花，使植物准备进入开花转型。

Claims (12)

1.一种提高作物植物产量的方法，所述方法包含以下步骤，
制备分子信号溶液，所述分子信号溶液包含海藻糖和水或者海藻糖的改性形式和水或者水中的海藻糖衍生物，
向所述作物植物的叶或所述作物生长的土壤中或播种前的种子上施用所述分子信号溶液，
以一定比率施用所述分子信号溶液，从而使海藻糖或改性海藻糖或海藻糖衍生物的含量不足以作为所述植物的重要碳骨架或能量组分，但足以提高植物产量，
其中，所述分子信号溶液以每英亩10～500克海藻糖或改性海藻糖或海藻糖衍生物的比率施用。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述海藻糖或海藻糖的改性形式或海藻糖衍生物以每英亩50～500克的比率施用。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述作物植物的生长季末期向所述作物施用所述分子信号溶液。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述植物生长从种子发芽至作物发育完全的任何时期施用所述分子信号溶液。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
对所述作物植物施用的所述分子信号溶液提高植物中T-6-P的水平，由此增强从一年生作物植物中母代植物至所述母代植物上生长的未成熟子胚和子代植物的贮藏器官的近于完全的光合物转移。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述作物植物是饲料玉米植物，且所述方法包括以下步骤
在约V16生长期之后以约100克海藻糖/英亩的比率向所述饲料玉米植物的叶上施用所述分子信号溶液。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述作物植物是饲料玉米植物，且所述方法包括以下步骤
在约V16生长时或之前以约100克海藻糖/英亩的比率向所述饲料玉米植物的叶上施用所述分子信号溶液。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述作物植物是马铃薯植物，且所述方法包括以下步骤
在收获前约2周以约100克/英亩的比率向所述马铃薯植物施用所述分子信号溶液。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述作物是马铃薯植物，且所述方法包括以下步骤
在收获前约4周以约100克/英亩的比率向所述马铃薯植物喷洒所述分子信号溶液，
其中，所述方法对所述马铃薯植物中的还原糖浓度有效。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述作物植物是甜菜植物，且所述方法包括以下步骤
在收获前约2周以约300克/英亩的比率向所述甜菜植物的叶喷洒所述分子信号溶液。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述作物植物是甘蔗植物，且所述方法包括以下步骤
在收获前约4周以约450克/英亩的比率向所述植物的叶喷洒所述分子信号溶液。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述作物植物是小麦植物，且所述方法包括以下步骤
在收获前约4周以约100克/英亩的比率向所述小麦植物喷洒所述分子信号溶液。
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