CN105188349A

CN105188349A - 改变农作物的开花时间和种子产量的方法

Info

Publication number: CN105188349A
Application number: CN201480014389.3A
Authority: CN
Inventors: D·奥瓦德雅; K·史密斯; S·奥尔特曼斯-迪尔多夫; R·佩雷斯
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co; Monsanto Technology LLC
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2015-12-23
Also published as: WO2014150948A3; US11122753B2; CR20200023A; MX2015012724A; CN111165298A; CR20150546A; WO2014150948A2; US20220030781A1; MX2019011244A; MX368860B; US20140259905A1; BR112015021777A2

Abstract

提供操控农田环境中生长的短日照植物产量和生殖时间的方法。该方法包括操控外部信号，例如光周期，以增加每株植物的种子产量。还提供使不同成熟组的植物开花时间同步的方法。

Description

改变农作物的开花时间和种子产量的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年3月15日提交的美国临时申请序列号61/788,709的优先权，在此通过引用整体并入。

技术领域

本发明涉及到植物育种和作物科学领域。更具体地说，本发明涉及操控农田生长植物的开花和种子产量的方法。

发明背景

培育任何新型、理想的植物种质有许多阶段。植物育种以对当前种质问题和弱点进行分析和定义、建立项目目标以及对特定育种目标进行定义开始。下一步是选择拥有所述特质的种质以满足项目目标。该目标在于将亲代种质的理想特性的改进组合到单一变种上。可能需要数代育种才能获得理想的成果，多种因素如不同遗传模式、筛选有效性和开花时间差异及很多其它因素可使其成功复杂化。

大豆(Glycinemax)是一种光周期植物，其被广泛种植以获得它的豆，其具有许多用途。全季大豆的典型物候学始于营养生长持续期。营养阶段始于单叶阶段(V0)，且随着每个新三叶叶子展开，在V1、V2、V3、V4等阶段而继续，从而V2植物具有展开的V2三叶叶子，V3植物具有展开的V3三叶叶子，以此类推。北美典型的种植日期在5月1日，大豆生长的营养期持续55-65天。繁殖期(简称为R1)始于在植物的任何节点的花的存在，对于大多数北美农田环境中已适应生长的成熟大豆，该期发生在七月中旬。繁殖发育继续进行通过50％开花、花谢、种子填充以及种子成熟。

发明概要

在一方面，本发明提供一种增加农田生长植物的种子产量的方法。在一个实施方案中，该方法包括以下步骤：(a)使植物在营养条件下在农田生长；(b)将植物幼苗进行成花诱导处理以引导开花；以及(c)将该植物恢复至营养生长条件。在某些实施方案中，通过使用人工光照提供部分(a)和部分(c)的营养生长条件。在具体实施方案中，成花诱导处理是早期处理。在特定实施方案中，在日出前可对该植物提供人工光照。在一些实施方案中，该植物是光周期的短日照植物。该方法所使用的植物类型的非限定性实例包括大豆、棉花、大米、高粱、玉米、甘蔗、烟草、油菜、苜蓿、草莓、小麦、大麦及番茄。在一个实施方案中，该植物是大豆植物。

在具体实施方案中，本发明的方法包括成花诱导处理，其包括每晚约10至14小时的黑暗处理，包括约10.5至约14、约11至约14、约12至约14、约10至约13.5、约10至约13或可从其推论出的任何范围。在其它实施方案中，本发明的方法包括为期约3至约28天的成花诱导处理，包括约3至约25、约3至约20、约3至约14、约10至约28、约10至约20、约10至约14、约14至约28、约14至约21以及约20至约28天。在另一个实施方案中，该成花诱导处理在约VE至约V4的生长阶段开始，包括VE、V1、V2、V3或V4中的任一个。在又一个实施方案中，本发明方法包括每日光照约14小时至约24小时的营养生长条件，包括每日约14、15、16、17、18、19、20、21、22、23或24小时以及可从其推论出的任何范围，包括从约14至约20小时、从约14至约18小时以及从16小时至约18小时。在又一个实施方案中，本发明方法包括对植物进行人工光照的营养生长条件，人工光照的强度为至少约2μmol/m·s，包括从至少约为2、5、10、15、20、25、35、50、100、200、300或500μmol/m·s的低强度或以上。在某些实施方案中，该人工光照定义为具有低于约5、10、15、25、50、75、100、150、250、400、500、750或1,000μmol/m·s的强度。在又一具体实施方案中，本发明的方法包括在限制营养生长及促进开花的条件下种植植物。在又一个实施方案中，部分(a)和部分(c)中的任一者或两者包括日出前提供约1小时、约2小时、约3小时、约4小时或约5小时的人工光照。

另一方面，本发明提供一种操控多种农田生长植物的开花时间的方法。在一个实施方案中，该方法包括以下步骤：(a)在营养生长条件下引发多种植物的生长；(b)使该植物在成花诱导处理下生长以引发开花；和(c)将植物恢复至营养生长条件。在该方法中，通过使用人工光照提供部分(a)和部分(c)中的任一者或两者的营养生长条件。在特定实施方案中，在日出前提供人工光照。在其它实施方案中，人工光照可包括至少约2、5、10、15、25或50μmol/m的强度。在其它实施方案中，人工光照可包括至少为约50、75、100、150、250、500或1,000μmol/m·s的强度。在另一个实施方案中，该多种植物包括至少两种不同基因型的植物，包括不同的成熟度。在一个实施方案中，该植物均为同一物种。在又一某个实施方案中，本方法可使该至少两种不同基因型的植物的开花时间同步，以允许杂交植物。在又一个实施方案中，该多种植物包括光周期的短日照植物。

在其它实施方案中,在本发明方法中的多种植物包括大豆、棉花、水稻、高粱、玉米、甘蔗、烟草、油菜、苜蓿、草莓、小麦、大麦或番茄植物。在一个实施方案中，该多种植物包括大豆植物。在一个实施方案中，部分(b)的成花诱导处理条件包括每晚约11小时至约13小时的黑暗处理。在具体实施方案中，部分(b)的该成花诱导处理可保持约7天至约28天，包括约7、10、12、14、17、20、23、26和28天。在其它实施方案中，处于步骤(a)至步骤(c)中的任一个的植物被定义为处在约VE至约V4的生长阶段，包括VE、V1、V2、V3和V4中的任一个。在其它实施方案中，部分(a)和部分(c)中的任一者或两者的营养生长条件包括每日约14至约18小时的光照，且在其它实施方案中，部分(a)和部分(c)中的任一者或两者包括日出前提供约1小时、约2小时、约3小时、约4小时或约5小时的人工光照。本方法也可进一步包括在限制营养生长和促进开花的条件下种植该多种植物，且该多种农田生长植物中的至少两种在不同时间种植。

在另一方面，本发明提供一种增加大豆植物的种子产量的方法，该方法包括：(a)通过使用人工光照使农田中的大豆植物处于营养生长条件下；(b)使植物在为期3-28天的成花诱导处理下生长以引起开花，其中所述成花诱导处理从约VE至约V4的生长阶段开始，且其中所述成花诱导处理包括每晚约10至约14小时的黑暗处理；以及(c)将该植物恢复至为期14-60天的营养生长条件下，其中所述营养生长条件包括日出前提供人工光照，使该植物处于每日约10小时至约16小时的光照下。在本方法的一个实施方案中，人工光照可包括至少约2、5、10、15、25或50μmol/m·s的强度。在其它实施方案中，人工光照包括至少约50、75、100、150、250、500或1,000μmol/m·s的强度。

另一个实施方案涉及一种增加农田生长植物的种子产量的方法，其包括以下步骤：(a)引发生长，并使植物在成花诱导处理下在农田生长以引发开花；以及(b)使该植物处在营养生长条件下。在另一方面，提供一种操控多种农田生长植物的开花时间的方法，其包括以下步骤：(a)引发生长，并使多种植物在成花诱导处理下生长以引发开花；以及(b)使该植物处于营养生长条件下。在某些实施方案中，通过使用人工光照提供部分(b)的营养生长条件。在又一个实施方案中，部分(b)包括日出前提供约1小时、约2小时、约3小时、约4小时或约5小时的人工光照。

在另一方面,本发明提供一种使植物生长的方法，其包括：(a)在农田中引发至少第一株植物的生长；(b)确定该农田生长植物的自然光周期；(c)用人工光源调节该农田生长植物所处的光周期，以产生营养生长条件；(d)使植物在营养生长条件下在农田生长至幼苗阶段；(e)将幼苗进行成花诱导处理，从而引发开花反应；(f)用人工光源调节该农田生长植物的所处的光周期，以产生营养生长条件；以及(g)使该植物在营养生长条件下生长。

在另一方面，本发明提供一种使植物生长方法，其包括：(a)在农田中引发至少第一株植物的生长；(b)确定该农田生长植物的自然光周期；(c)使该植物在自然光周期条件下生长来提供成花诱导处理，从而引发开花反应；(d)用人工光源调节处该农田生长植物所处的光周期，以产生营养生长条件；以及(e)使该植物在营养生长条件下生长。

在另一方面，本发明提供一种使植物生长方法，其包括：(a)在农田中引发至少第一株植物的生长；(b)确定该农田生长植物的自然光周期；(c)使该植物在营养生长条件下生长；(d)调节该农田生长植物所处的光周期，以提供成花诱导处理，从而引发开花反应；以及(e)将该植物恢复至营养生长条件。

附图简述

图1:显示在120天周期中诱导大豆幼苗开花的全周期生殖发育图。对于大豆的全周期生殖发育，在进行成花诱导处理之前，植物在营养条件下典型生长到V0-V3阶段。与早成熟组相比，晚成熟组的成花诱导处理的持续时间延续到获得更高的繁殖剂量。此外，为保证繁殖剂量的持续性，每个成熟组成花诱导处理前后的营养光周期有所不同。成花诱导处理后，植物恢复至营养态，辅以人工光照。

图2：显示图表，其表明成花诱导处理诱导利用补充光周期(黎明前)夜间中断应用来提供与日落后延长光周期相比更强的营养反应。该技术将植物从黑暗(夜间)转移到补充光，到自然日。

图3：该图表显示成花诱导处理后农田中生长的2,329株植物的单株产量平均数和分布。每株植物平均产量为262粒种子，而相同周期内的历史产量指标为100粒。此外，相比在历史方法的处理下，40％的植物没有达到最低产量目标，在成花诱导处理的植物中，没有达到100粒种子的最低产量目标的植物数(“逸数”(escape))只有4％。

图4：显示一个测试，其表明对于特定成熟组，该成花诱导处理剂量呈现个体化，且在剂量不充足时，无法达到产量效应。在该实施例中，在成熟度为0和2.5组中，7天成花诱导处理可以在恢复至18小时营养光周期时充分诱导产量效应增加，而在成熟度为4.7时，则不能。

图5：显示在幼苗期成花诱导处理应用来诱导杂交株早期开花的处理示意图。在固定时间进行处理，且在成花诱导处理中，每个种植期将会有不同的植物发育阶段。这会在每个种植期对植物产生不同剂量反应，这允许在成花诱导处理后使用更多光照来增加开花持续期。历史方法使用营养信号来推迟开花，且与成花诱导处理方法相比，这种方法会缩短开花期。

图6：显示每株供体亲本大豆植物的产花量的图表。历史上，每株供体亲本植株生产40株花。本文所述的本发明增加每株供体亲本大豆植物的产花量，有助于实现交叉授粉。实现每株供体亲本大豆植物平均226朵花，产量相应增加了565％。

图7：显示平均单株植物产量增加以及使用成花诱导处理达到100粒种子的植物百分比增加。该植物高产表型与接受处理情况一致。

图8：显示在幼苗期进行成花诱导处理来诱导在100天周期内早期开花的应用的处理示意图。它也显示多成熟组的成花诱导处理如何呈现个体化差异，在营养光周期下，晚成熟度组接受更多成花诱导剂量来实现持续性开花反应。该历史方法使用营养信号来推迟开花，且该方法会缩短该开花期。

图9：显示形成谱系中的平均产量。每个谱系内，成花诱导处理使该平均种子产量增加一倍以上。

具体实施方式

以下对本发明进行详细描述以帮助本领域技术人员使用该发明。在不偏离本发明的精神或范围的情况下，本领域普通技术人员可对本文所述的实施方案进行修改和变型。

定义

除另有规定外，本文所使用的全部技术和科学术语的含义与通常本领域普通技术人员所理解的含义相同。如果一个术语以单数形式出现，除非另有说明，也考虑了该术语的复数形式。如果通过引用并入本文的参考文献中使用的术语和定义存在分歧，则在本申请所使用的该术语应当在此给出定义。

在下面的描述中，很多术语被广泛使用。提供以下定义有助于理解本实施方案。

本文所使用的术语“光周期”意为24小时时内期的光照时间。术语“自然光周期”意为特定日期的特定位置的正常日长度。通过使用人工光照或阻挡光线照射的覆盖物可改变自然光周期。

本文所使用的短语“成花诱导处理”意为使植物处于诱导开花反应的光周期长度。

本文所使用的短语“营养生长条件”意为足以促进营养生长和抑制繁殖成熟的光周期长度。

本文所使用的“周期”是指处于给定光周期长度的一天。

本文所使用的“V”或“V阶段”是指植物生长的营养阶段。例如，本文所使用的“Ve”或“Ve阶段”是指植物从土壤表面出现；“V1或“V1阶段”是第一组三叶叶子展开的时间；“V2或“V2阶段”是植物第一组三叶叶子完全展开的时间；“V3或“V3阶段”是第二组三叶叶子完全展开的时间；以及“V4或“V4阶段”是第三组三叶叶子完全展开的时间。根据本发明，植物可处在任何V阶段，包括VE、V1、V2、V3、V4、V5等。该系统为本领域技术人员所熟知。

本文所使用的“活力“或“植物活力”是指植物生长或枝叶量、茎尺寸以及根系发育的测量。例如，低活力的V3植物可相当于具有良好活力的V2植物。在同一天种植的植物通常具有不同的发育速度。例如，对照植物在播种后11天达到V2，而一些R1转基因种子可能需要21天才能达到V2阶段。

本文所使用的术语“变种”意为一组相似的植物，根据它们的遗传谱系和性能可以将其从同种的其它变种鉴定。

术语“约”用来表明一个数值，其包括采用该设备或方法来确定该值的误差的标准偏差。

虽然本公开支持仅指两者选一的且为“和/或”的定义，但除非明确表示只是指两者选一或该两者选一是互相排斥的，否则在权利要求书中使用术语“或”用于意为“和/或”。

当与词语“包括(comprising)”或权利要求书中的其它公开语言联用时，除非有特别注明，词语“一”(“a”和“an”)表示“一个或多个”。术语“包括(comprise)”“具有(have)”和“包含(include)”是开放式连接动词。这些动词的一个或多个时态的任何形式，如“包括(comprises),”“包括(comprising),”“具有(has),”“具有(having),”“包含(includes)”和“包含(including),”也是开放式的。例如，任何“包括(comprises),”“具有(has)”或“包含(includes)”一个或多个步骤的方法并不局限于只含有这些一个或多个步骤，且还包括其它未列出的步骤。同样，任何“包括(comprises)”、“具有(has)”或“包含(includes)”一个或多个特性的植物并不局限于只含有这些一个或多个特性，且还包括其它未列出的特性。

一般说来，本文所使用的命名法和下文所描述的制造或实验过程是本领域所熟知并普遍采用的。将常规方法用于这些过程中，如本领域和各种通用参考中提供的那些。

本发明者不打算将其限定为一种机制或作用方式。另外提供参考文献仅是出于举例说明的目的

描述

本文所述的实施方案涉及通过操控农田生长植物的开花和营养生长阶段的时间和持续时间而增加农田生长植物的种子产量的方法。还描述了操控(如同步)多种农田生长植物的开花时间的方法，包括多种成熟组的植物。在某些申请中，对处于幼苗期的农田生长植物提供成花诱导(短日照)光周期处理来诱导开花，随后进行为期一天的光周期处理以在延长开花反应时刺激营养生长。在某些实施方案中，可辅以人工光照或通过覆盖物以阻挡光照来改变农田生长植物的白天长度。

本发明的几个实施方案涉及一种方法，其包括：(a)在营养生长条件下引发至少一种植物的生长。(b)控制该植物的环境以提供一段时间的成花诱导生长条件，例如，约3至约28天；以及(c)在成花诱导处理生长条件时期后恢复至营养生长条件。

本发明的几个实施方案涉及一种方法，其包括：(a)在农田中引发至少第一株植物的生长；(b)确定该农田生长植物的自然光周期；(c)通过人工光源调节该农田生长植物所处的光周期，以产生营养生长条件；(d)在营养生长条件下在农田种植植物至幼苗阶段；(e)将该幼苗进行成花诱导处理，从而引发开花反应；(f)通过人工光源调节该农田生长植物所处的光周期，以产生营养生长条件；以及(g)在营养生长条件下种植该植物。

本发明的几个实施方案涉及一种方法，其包括：(a)在农田中引发至少第一株植物的生长；(b)确定该农田生长植物的自然光周期；(c)在自然光周期条件下生长该植物以提供成花诱导处理，从而引发开花反应；(d)通过人工光源调节该农田生长植物所处的光周期，以产生营养生长条件；以及(e)在营养生长条件下种植该植物。

本发明的几个实施方案涉及一种方法，其包括：(a)在农田中引发至少第一株植物的生长；(b)确定该农田生长植物的自然光周期；(c)在营养生长条件下种植该植物；(d)调节该农田生长植物所处的光周期以提供成花诱导处理，从而引发开花反应；以及(e)将该植物恢复至营养生长条件。

具有不同基因型的植物能以不同的速率成熟，且即使当同时种植该植物时，开花时间差异也能防止异花传粉。本文所述的几个实施方案涉及促使两种或多种具有不同成熟水平的植物的异花授粉的方法，其中使开花同步。在一些实施方案中，同一时间种植该植物。在其它实施方案中，不同时间种植该植物。在某些实施方案中，至少两种不同基因型的植物以不同的成熟期种植，且因此，在正常条件下，可在可以阻碍异花传粉时间开花。因此，本发明通过使一组不同成熟水平的植物更好的同步开花，克服了现有技术的局限，甚至当同时种植该植物时。在本发明的一个实施方案中，这一组植物可包括在单块农田上或在附近授粉近距离内至少2、3、4或更多不同成熟度的植物。在一个实施方案中，可以将待同步化的一种或两种植物种植在并不适合的范围内。值得注意的是，对于不同成熟组的植物，根据本方法，对成花诱导处理作出反应而引发的开花信号可以是持续性的，甚至在成花诱导处理后恢复至营养生长条件后仍持续发生。

在一些实施方案中，通过使用人工光照提供给植物营养生长诱导条件(长日照)。人工光照的非限制性实例包括，使用放置在植物上方的1000瓦的金属卤化物手提光塔。还可提供其它类型的光源，如高压钠或发光二极管(LED)。在一些实施方案中，通过黎明前对农田生长植物进行人工光照(黎明前的光照)和/或从黄昏到后来夜间的某个时候对该农田生长植物(连续光照，也被称为白天延长光照)进行人工光照可以延长自然日长从而可为该农田生长植物提供营养生长条件。日长可人工延长约1小时、2小时、3小时、4小时、5小时或6小时或更多小时。在其它实施方案中，通过在夜间对农田生长植物进行人工光照(夜间间断光照)可对该农田生长植物营养生长条件。通过夜间间断光照，农田生长植物可处于人工光照约1小时进入黑暗时期、约2小时进入黑暗时期、约3小时进入黑暗时期、约4小时进入黑暗时期、约5小时进入黑暗时期、约6小时进入黑暗时期、约7小时进入黑暗时期、约8小时进入黑暗时期、约9小时进入黑暗时期、或约10个小时或更多小时进入黑暗时期，以及处于人工光照可持续约30秒、约1分钟、约2分钟、约3分钟、约4分钟、约5分钟、约6分钟、约7分钟、约8分钟、约9分钟、约10分钟、约15分钟、约20分钟、约25分钟、约30分钟、约35分钟、约40分钟、约45分钟、约50分钟、约55分钟、约1小时、约1.5小时、约2小时、约3小时或更多小时。在一些实施方案中，在夜间农田生长植物处于人工光照1次、2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次或更多次。

在某些实施方案中，通过黎明前的增加人工光照(称为“夜间间断”)来提供营养生长条件。当通过“夜间间断”信号提供营养生长条件时，该植物从完全黑暗的环境转移到补充光到自然光。对黎明前而不是日落后提供的人工光照响应的植物可用于提供令人吃惊的有益结果，从而该植物表现出营养活力增强、开花增强和/或种子产量增加。

不限于特定理论，在经过一段时期的诱导开花的成花诱导处理后营养生长条件的恢复可给已经繁殖的植物传递营养信号，且导致分支增加、节间变短、遮蔽减少及每个节间更多豆荚。本文所述的方法可解决关心的直到种子生产，而且可在研究、监管、育种和产品开发的商业阶段进行应用。例如，种子产量和生产此类种子所需的时间随着特定产品开发期的需求而不同。利用本文所述的方法，可增加单株种子产量，且同时使不同成熟组的不同植物的开花时间同步化。这也可以增加至少产生所需的最少种子量的植物的数量。这通过使育种者实现多种成熟度的植物的杂交缓解植物育种，这在正常情况下由于时间繁殖隔离是不可能实现的。在另一个实施方案中，此类方法为研究者和种植者提供在农田和受控环境中为植物集中授粉的方式。与历史方法相比，这些育种过程的优点是基本上能导致任何商业特性更快的投放和在市场上商业特性更迅速的采用。

某些实施方案涉及通过使用黎明前应用的人工光照，在农田环境中改变植物的光周期。在一个实施方案中，可以操控大豆植物以在特定项目的规定时间内使种子产量增加。这可能对加快新变种的开发时间或新特性的引进是有用的，这对给定育种项目中可能涉及的给定年数是至关重要的。

本文所述的方法的特定应用中，增加单株植物的种子产量能减少用于商业测试和生产的纯种子的分子特征所需的工作量。比如，传统上12-18同科系混合以生成遗传纯度明确的商业种批。但是，使用本文所述的方法，只有一种或两种植物可需要生产商业种批，因此大大减少了同科系所需要的质量保证和/或质量控制测定。增加单株植物的种子产量也可能是有益的，从而使用单株植物的种子能完成归档、如油脂酸分析的生化分析和发芽研究，因此减少了使用一株以上植物时所产生的原材料偏倚。

在另一个实施方案中，本发明的更进一步的益处可通过从单株植物生产更多正在发育的豆荚而实现。更多发育中的豆荚提供更多幼胚，这反过来能供应进行研究调控档案通常所需的相当多的蛋白质。

从单株植物生产更多的种子能在大量种子内找到所需种子的概率较低的情况下，进一步从通过2T构建体或多种特性的转化的植物中识别更多的具有可接受分子特征的子代种子。例如，无需表达有效水平的目的基因的载体骨架具有单拷贝插入的种子。例如，256粒种子中只有1粒可能包含三倍纯合的无标记物植物。通过单株植物产生的大量的种子，更容易识别该种子。F2代中单株植物产量增加也降低生产大量F1种子的需求，从而节省进行人工授粉的大量的土地和时间。

本文所述的几个实施方案涉及大豆变种的成熟组000与大豆变种成熟组X杂交方法，其包括共同种植成熟组000的一种或多种大豆和成熟组X的一种或多种大豆。大豆变种成熟度范围较广，从成熟组000(很早)到成熟组X(很晚)，且因此，成熟度不同的变种之间的杂交是困难的。在很多情况下，雌花的接受能力不与雄亲本花粉的可用性一致。传统上，这意味着必须进行需要使用大量的土地的复杂连续种植，以确保父母亲本的花均能用于杂交。因此，如本文所述，在一组植物中诱导同时开花可为种植者提供传统方法不能实现的新的杂交。此外，使用本文所提供的人工光照的方法可用于均衡不同成熟度的植物的植物高度，从而控制营养生长和繁殖结构，使光照更好地进入花蕾，且更好地渗透到植物冠层，且在落荚中减少。控制植物高度和叶冠可减少植物之间对光线的竞争，以及随后的植物倒伏和材料损失。

本文所述的方法可进一步降低传代时间，这使种子快速发育以满足具体农田种植期限，获得可接受分子特性和充足种子产量，并由于高密度植物提供大型生长的改进效率。不限于特定理论，当前的经验表明本文所述的方法似乎破坏、增强或与违反植物正常昼夜节律，促使生理上幼小的植物早期开花。通过调节(entrainment)昼夜节律和延长黑暗-光照转换(即黎明)传递更有效的营养信号，该方法可能通过诱导不定开花、分支增多、节间变短、以及花更多和每节间结豆荚而提高产量。

本发明的方法允许种植者控制种子产量和生产时间以满足特定商业需求。在与历史方法相同的周期内，通过使用本方法单植物产量可增加20倍(2000％)或更多。大块农田豆荚的产量分布也得到改善，从而超过95％的单株植物完成或超过最低产量目标。在本发明的一个实施方案中，在育种苗圃地利用所描述的光照可使种植者省略在标记辅助回交(MarkerAssistedBackCrossing，MABC)苗圃地中的回交(backcross,BC)步骤，例如3F4代。省略该步骤可通过例如，BC3F1、BC3F2和BC3F4产量增加(导致以200-300％增长)导致更及时进行新产量测试。因此，利用所描述的种植方法，结合花粉保存，可使MABC杂交地中每供体植物更持续地生产更多花粉。然后，可选择两种主要基因型的植物作为供体以进行下一轮的回交，而不是由于花粉数量有限，需要使用十株供体植物的典型实践。历史数据表明，来自供体1或供体2的成功种系超过当时的90％。本发明可生产单雄供体植物，其可以产生1000或更多花，这些花具有有活力花粉，并可连续开花100天或更长。这可使生产工艺更为有效。

本文所述的方法可使单一地点待进行的田间试验比目前短日照方法生产的种子快几个月。目前短日照方法需要在农田额外增加生殖步骤以获得足够的种子来进行随后一年内在单一地点的田间试验。节省数月时间可使商业投放日期较早，且最终增加产品收入。

根据本发明，营养生长条件可包括，例如，每日至少约14小时的光照，包括至少约14、15、16、17、18、19、20、21或22小时或更多小时的光照。在本发明的某些实施方案中，人工光照的强度范围可从约0.13μmol/m·s至约450μmol/m·s，包括约0.13、约0.15、约0.20、约0.25、约0.30、约0.40、约0.50、约1、约2、约3、约4、约5、约10、约15、约20、约30、约40、约45、约50、约60、约70、约80、约90、约100、约150、约200、约250、约300、约350、约400、约410、约415、约420、约425、约430、约435、约440、约445、约446、约447、约448、约449、约450或更多μmol/m·s。

在一个实施方案中，运行时间少于6000小时的1000-W金属卤化物灯可用于试验以产生相当于80％最高流明的产出。在5000ft2的农田，两个1000-W金属卤化物灯的平均SLC强度估计可为7.6μmol/m²/s，而最低SLC强度可为1.0μmol/m²/s，且最高SLC强度可为33μmol/m²/s。

在另一个实施方案中，1000-W金属卤化物灯可表现包括在400-700纳米的光合有效范围(photosyntheticallyactiverange，PAR)内的红色和蓝色波长的光的平衡的光谱输出。基于进行日长处理的受控环境测试、文献、以及MSP现场数据，其它具有足够PAR强度的高强度放电灯可有望重现该产量反应，包括高压钠灯和发光二极管。

成花诱导处理条件范围为10-14小时，且可在某些实施方案中提供，例如，为约5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或30天以诱导开花。在例如从约VE至约V4的植物生长阶段的成花诱导处理时期，其包括在VE阶段、V1阶段、V2阶段、V3阶段和V4阶段。与较老的植物相比，较幼小的植物(即处在较低生长阶段的植物)可更容易对成花诱导处理产生反应。因此，在一个实施方案中，表现出非确定性生长方式的植物变种可更容易在V2植物生长阶段对成花诱导条件产生反应，而表现出确定生长方式的变种更容易在V4阶段对成花诱导条件产生反应。在本发明的一个实施方案中，成花诱导处理可包括每晚在黑暗中持续约10小时至约14小时，包括每晚约10、约11、约12、约13或约14小时的黑暗处理。

根据本发明适用的植物可是短日照或中等日照或长日照的植物。短日照植物可能包括但不局限于大豆、棉花、水稻、高粱、玉米、甘蔗、烟草、油菜、苜蓿、草莓、小麦、大麦和番茄。根据本方法使用的植物可在任何成熟组中，即1组、2组、3组、4组、5组，诸如此类。

在南纬度地区，对于大豆植物，日长比“正常”时间要短，且因此，在北纬度地区可使用补充光以防止开花。如果在北纬度地区不使用补充光，则大豆植物开花过快，且植物尺寸保持非常小。因此，在本发明的一个实施方案中，通过关灯以提供成花诱导处理，且然后转为打开补充光来提供营养生长条件，使比“正常”短的日长用于诱导植物早开花。本文考虑了产生高产量表型的此类光照方法。

成花诱导处理持续时间确定该植物的繁殖剂量，更多的成花诱导处理周期可产生更强的开花反应和更快的生命周期。本文所述的方法改变正常的大豆物候学，并通过使用光照信号使成熟度和开花时间解耦，以激发重叠的营养生长和繁殖生长反应。植物在单叶阶段可对成花诱导处理变得可接受，随着时间的推移，植物可变得对成花诱导处理较不敏感。例如，与V5植物的相似一周成花诱导处理相比，V2植物的一周成花诱导处理将产生更多诱导物。因此，不限于特定理论，成花诱导处理可产生在全部植物组织中可确定的剂量依赖性、移动信号，从而具有更多叶组织的较老的植物可能需要更强的成花诱导信号来产生等效繁殖剂量。成花诱导处理可产生开花反应的强度和持续性。本文所述的几个实施方案涉及降低生命周期时间的方法，其包括使植物进行更多周期的成花诱导处理，从而提供一个更高强度、持续时间更长的开花剂量。本文所述的其它实施方案涉及一种增加种子产量的方法，其包括使植物进行更少周期的成花诱导处理，从而提供一个更低强度的开花剂量以及延长的繁殖期。在本发明的一个实施方案中，改变成花诱导处理的持续时间来产生一定范围的种子产量和成熟时间。也可改变成花诱导处理的持续时间以在对开花抑制敏感度不同的大量不同成熟组中获得恰当的开花反应。因此，短暂的繁殖处理可能是有益的，以引发植物发育过程中恰当且持久的改变。

实施例

本文所公开和要求保护的所有材料和方法都可按照以上公开的指示进行制造和使用,而无需过多的实验。虽然本发明的材料和方法是以优选实施方案和说明性实施例来描述，但是对本领域技术人员而言,显然在不偏离本发明的理念、精神和范围的情况下，可对本文所述的材料和方法应用变型。所有这些对本领域技术人员显而易见的相似代替物和改变被认为在该发明精神、范围和概念之内，正如所附权利要求所限定的。

实施例1

全周期生殖发育

在成花诱导处理之前，农田生长的大豆幼苗植物(V0-V4)在营养条件下生长到V0-V3阶段(图1)。与早成熟组相比，晚成熟组处理的持续时间延续以获得更高的繁殖剂量。此外，为保证繁殖剂量是持续性的，每个成熟组处理前后的营养光周期有所不同。成花诱导后，该植物恢复至营养生长。借助于黎明前补充光提供营养信号。

实施例2

夜间中断

借助于计时器进行大豆植物的夜间中断，该计时器在自然日出前打开补充光冠层数小时。如图2所示，结果表明，与日落后延长光周期相比，农田光周期的夜间中断提供对植物的营养反应的更好的控制。

实施例3

操控大豆植物的产量和周期长度

本实施例描述一种操控大豆植物的营养和开花反应的方法，大豆通常是一种短日照植物，具有增加种子产量和操控开花时间的外部信号。该方法导致始终如一的高产量表型，并使周期时间缩短。为达到相对的营养和繁殖途径的适宜平衡，需要操控三个因素：(1)初始繁殖剂量的强度和持续性(成花诱导处理)；(2)引发开花后非诱导(营养)信号的强度；以及(3)大豆种质的相对成熟度。

在南纬度地区，育种设施用来做以下实验，在最成熟组中，自然光周期引起早期开花。在这些地区，整个季节中夜间长度范围为10小时至14小时。大豆植物被调节到自然短日照，且补充光必须与该调节相对抗。

大豆种子种植于3月14日，每英尺3粒种子，并在20小时光周期的长日照条件下发芽生长，直到该植物达到V1阶段(当第一组三叶叶子展开时)。将使用放置在植物上方的1,000瓦金属卤化物手提光塔给植物提供光照。在黎明前而非日落后给植物光照。

在长日照条件后，V1植物然后在成花诱导处理条件下生长(非人工光照，即自然短日长)为期10天，之后该植物在18小时的光周期下生长14天，且然后，通过使用人工光照，该植物在16小时的光周期下生长16天。在本实施例中，种植者将成花诱导处理后的光周期从18小时减少至16小时，以获得更多开花反应。为获得必需的光周期，按上文描述使用人工光照和自然太阳光。

该植物在7月5日(在种植后113天)收获。该植物的生长周期为7天，比“正常”光照下生长的植物要短。此外，按照该方法种植的植物显示出明显的产量优势，平均产量为每单株选择植物生产464.8粒种子(图3)，96％的植物生产的种子数超过100粒。在相同对比密度下，与历史光照实践相比，使用此类方法减少植物密度似乎导致产量潜力增加。使用所描述的光照方法之前，在典型光照条件下生长的植物产量平均为每SPS100-150粒种子，只有60％的植物生产的种子数超过100粒。

实施例4

操控大豆植物的产量和周期长度

成花诱导处理剂量测试的结果如图4所示。大豆种子种植于4月5日，每英尺3粒种子，且在20小时光周期的长日照条件下发芽生长，直到该植物达到V2阶段(当第一组三叶叶子完全展开时)。通过放置在植物上方的1,000瓦金属卤化物手提光塔提供给植物光照。通过黎明前提供人工光照延长光周期。

在长日照条件后，V2植物然后在eSDI条件下生长(非人工光照，即自然短日长)为期7天，之后该植物在18小时的光周期下生长35天，且然后，且在16小时的光周期下生长7天。为获得需要的光周期，按上文描述使用人工光照和自然太阳光。

该植物在2012年8月2日收获(在种植后119天)。按所描述的方法生长的植物在周期长度内表现出极其高的产量表型，平均产量为每单株选择植物生产510.7例种子(SPS)(图5-7)。

实施例5

开花时间同步

使用本文所述的方法，通过农田生长植物接受南纬度地区自然短日照并根据成花诱导处理时期的持续时间控制开花的强度来诱导早期开花。产生花繁殖剂量后，特定数量的低强度的补充光传递营养信号。基于成熟组和项目需要，改变该方法的关键参数。在这种方式下，在两种或多种待杂交的植物变种间使开花时间同步，从而避免了使亲本同时具有繁殖力所需的复杂种植计划，亲本即是给定杂交种的父本和母本，特别是在不同成熟度的变种情况下。

由于幼年植物对短日照条件的敏感性(图5)，eSDI方法为种植者提供更多促使且因而协调开花的能力。此外，该方法允许延长的花期、每节间更多花、花的质量更高、花节间的遮蔽更少以及减少的短日照引发的人工授粉后荚脱落。最后，该方法大大增加待用于花粉保存项目中的父本供体花的供应量，在该项目中，将父本花收集，在干燥剂上以-80℃冷冻，并之后用于农田人工授粉。

实施例6

在MABC中亲本供体花产量的增加

与标准生长条件下的传统大豆育种相比，使用本文所述的方法种植植物，可导致回交模型中供体种系产花量增加560％(图6)。当最佳选择的供体植物被用来育种时，所得后代植物显示出在转化中回交亲本恢复的较高百分比。

以上实施例所描述的用来种植大豆植物的方法产生足够种子，以完全跳过F1BC2代，从而节省时间和资源(图7)。这可产生育种项目中更快的发育特性。增加单株产量也会减少对F1种子的需求，因为更多的F2种子被生产和纯系固化。

实施例7

多成熟组的成花诱导处理

表1、2和3显示某些多成熟组优化的成花诱导处理。成熟组对营养能力和成花诱导处理剂量的持续性具有主要的影响，晚成熟组需要更多的成花诱导和较短的营养光周期。如果在一个光塔下存在多于一个的多成熟组，然后能使用折中处理并认识到结果不会是最佳的。用于平衡成花诱导剂量以导致产量增加的最有效的营养信号似乎相当于或稍大于每个成熟组适应的最大非诱导光周期。比如，成熟组(MG)3.5的植物在北纬38°生长，该植物将在6月21日接受约16小时的光周期，那天是全年最长的一天。在受控环境中，在确定成花诱导处理剂量后，在16-18小时的光周期下，MG3.5生长最佳。必须使用成花诱导处理剂量和成熟组的强度适当地平衡成花的抑制信号。高营养信号：低成花诱导处理剂量比率会引起过度营养生长、周期时间延长及产量减少。相反，高成花诱导处理剂量：低营养信号比率会导致早熟、节间产物减少以及产量减少。因此，补充光周期似乎与自然日长信号相对抗，这被植物的昼夜节律和叶子内的光感受器所追踪。换句话说，即使在非诱导性补充光周期下生长时，当在季节性短日照生长时，植物接受诱导信号。这种自然的昼夜诱导可通过减少初始成花诱导处理剂量或通过采用较长时间的开花后光周期来对抗。与日落后提供的延长光周期相比，在自然黎明前而非在日落后也可补充成花抑制性光周期(黑暗到光照过渡)，使植物产生更大的反应。

为找到合适的成花诱导处理条件，将成熟组进一步分为多成熟组，如下表1-3所示。

表1.多成熟组的全周期生长条件

表2.多成熟组的快速周期生长条件(以下生殖改善改为：生殖发育)

实施例8

用补充光冠层(SLC)优化光照的大豆苗圃田和农田区域设计

所使用的典型的光照苗圃田区域相当于两块相邻的5000ft²(465m²)的农田，最大尺寸为宽度100英尺，深度50英尺。所使用的补充光冠层(SLC)是手提光塔，其包括具有反射器的4个1000-W金属卤化灯、柴油发动机、臂架、电气系统、柜子和包括定时器的控制面板。具有合适强度输出和区域覆盖物的任何SLC预期将发挥作用，如固定体育场灯或太阳能充电电池供电的灯。具有反射器的两个1000-W金属卤化物灯泡是用来处理每块5000ft²的农田的最小数量。根据农田区域和大豆冠层高度，SLC被调整到高度为12-16ft，灯泡反射器定位在与臂架呈45-60°角。

实施例9

在整个大豆成熟期间操控产量和周期时间

本实施例描述了使用以上实施例所描述的条件在南部地区生长的一些不同晚期成熟组大豆的快速发育。通常情况下，并不适应南纬度地区的成熟组的大豆在南部地区生长时，此类大豆完成一个周期时间短至90天，但每株植物只会产生大约50梨种子。

并不适应南纬度(见下表4)地区的具有成熟组的大豆使用补充光周期在南部地区生长，从而使植物接受诱导信号，然后调整诱导后光周期长度。晚成熟组的成花诱导信号始终如一，确保在长营养生时期内的开花持续性。在此类条件下生长的植物获得低于100天的理想的周期时间。表4说明结果并显示产量增加2.3至7倍。

表4.多成熟度大豆中增加产量和周期时间的条件

Claims

1.一种增加农田生长植物的种子产量的方法，所述方法包括：

(a)使植物在营养生长条件下在农田生长；

(b)将所述植物幼苗进行成花诱导处理，以引发开花反应；以及

(c)将所述植物恢复至营养生长条件。

2.如权利要求1所述的方法，其中部分(a)和部分(c)中的任一者或两者的所述营养生长条件包括使用人工光照。

3.如权利要求2所述的方法，其中在日出前给所述植物提供所述人工光照。

4.如权利要求1所述的方法，其中使农田植物处于营养生长条件包括使所述植物在长日照条件下生长，无需人工光照。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述植物是一种光周期的短日照植物。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述植物选自由大豆、棉花、大米、高粱、玉米、甘蔗、烟草、油菜、苜蓿、草莓、小麦、大麦及番茄组成的组。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述植物是大豆植物。

8.如权利要求1所述的方法，其中部分(b)的所述成花诱导处理进一步包括每晚约11小时至约13小时的黑暗处理。

9.如权利要求1所述的方法，其中部分(b)的所述成花诱导处理可保持为约7至约28天的时期。

10.如权利要求1所述的方法，其中部分(b)的所述成花诱导处理在约VE至约V4的生长阶段开始。

11.如权利要求1所述的方法，其中部分(a)和部分(c)中的任一者或两者的所述营养生长条件进一步包括每日约14至约18小时的光照。

12.如权利要求1所述的方法，其中部分(a)和部分(c)中的任一者或两者的所述营养生长条件进一步包括提供以至少约2、5、10、15、25或50μmol/m·s的强度的人工光照。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述人工光照包括低于约50、75、100、150、250、500或1,000μmol/m·s的强度。

14.如权利要求1所述的方法，其包括使所述植物在限制营养生长及促进开花的条件下生长。

15.如权利要求1所述的方法，其中部分(a)和部分(c)中的任一者或两者包括日出前每天提供约1小时、约2小时、约3小时、约4小时或约5小时的人工光照。

16.一种操控多种农田生长植物的开花时间的方法，所述方法包括：

(a)在营养生长条件下引发多种植物的生长；

(b)将所述植物进行成花诱导处理，以引发开花；以及

(c)将所述植物恢复至营养生长条件。

17.如权利要求16所述的方法，其中通过使用人工光照提供部分(a)和部分(c)中任一者或两者的所述营养生长条件。

18.如权利要求17所述的方法，其中在日出前提供所述人工光照。

19.如权利要求16所述的方法，其中部分(a)和部分(c)中的任一者或两者的所述营养生长条件包括提供给所述植物以至少约2、5、10、15、25或50μmol/m·s的强度的人工光照。

20.如权利要求16所述的方法，其中部分(a)和部分(c)中的任一者或两者的所述营养生长条件包括提供给所述植物以低于约50、75、100、150、250、500或1,000μmol/m·s的强度的人工光照。

21.如权利要求16所述的方法，其中所述多种植物包括至少两种不同基因型的植物。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述方法使所述至少两种不同基因型的植物的开花时间同步，以允许杂交植物。

23.如权利要求16所述的方法，其中所述多种植物包括光周期的短日照植物。

24.如权利要求16所述的方法，其中所述多种植物包括大豆、棉花、大米、高粱、玉米、甘蔗、烟草、油菜、苜蓿、草莓、小麦、大麦或番茄植物。

25.如权利要求16所述的方法，其中所述多种植物包括大豆植物。

26.如权利要求16所述的方法，其中部分(b)的所述成花诱导处理包括每晚约11小时至约13小时的黑暗处理。

27.如权利要求16所述的方法，其中部分(b)的所述成花诱导处理保持约7至约28天的时期。

28.如权利要求16所述的方法，其中至少一种植物处在约VE至约V4的生长阶段。

29.如权利要求16所述的方法，其中部分(a)和部分(c)中的任一者或两者的所述营养生长条件包括每日约14至约18小时的光照。

30.如权利要求16所述的方法，其中部分(a)和部分(c)中的任一者或两者包括日出前提供约1小时、约2小时、约3小时、约4小时或约5小时的人工光照。

31.如权利要求16所述的方法，其进一步包括使所述多种植物在限制营养生长及促进开花的条件下生长。

32.如权利要求16中所述的方法，其中所述多种农田生长植物中至少两种在不同时间进行种植。

33.一种增加大豆植物的种子产量的方法，所述方法包括：

(a)通过使用人工光照，使农田大豆植物处于营养生长条件下；

(b)将所述植物进行为期7-28天的成花诱导处理以引发开花，其中所述成花诱导处理在约VE至约V4的生长阶段开始，且其中所述成花诱导处理包括每晚约11至约13小时的黑暗处理；以及

(c)将所述植物恢复至为期14-60天的营养生长条件，其中所述营养生长条件包括日出前提供人工光照，以使所述植物处于每日约14小时至约18小时的光照。

34.如权利要求33所述的方法，其中所述人工光照包括至少约2、5、10、15、25或50μmol/m·s的强度。

35.如权利要求33所述的方法，其中所述人工光照包括约50、75、100、150、250、500或1,000μmol/m·s的强度。

36.一种使植物生长的方法，其包括：

(a)在农田中引发至少第一株植物的生长；

(b)确定所述农田生长植物的自然光周期；

(c)用人工光源调节所述农田生长植物所处的所述光周期，以产生营养生长条件；

(d)使植物在营养生长条件下在农田生长至幼苗阶段；

(e)将所述植物幼苗进行成花诱导处理，以引发开花反应；

(f)用人工光源调节所述农田生长植物所处的所述光周期，以产生营养生长条件；以及

(g)使所述植物在营养生长条件下生长。

37.一种使植物生长的方法，其包括：

(a)在农田中引发至少第一株植物的生长；

(b)确定所述农田生长植物的自然光周期；

(c)使所述植物在自然光周期条件下生长来提供成花诱导处理，从而引发开花反应；

(d)用人工光源调节所述农田生长植物所处的所述光周期，以产生营养生长条件；以及(e)使所述植物在营养生长条件下生长。

38.一种使植物生长的方法，其包括：

(a)在农田中引发至少第一株植物的生长；

(b)确定所述农田生长植物的自然光周期；

(c)使所述植物在营养生长条件下生长；

(d)调节所述农田生长植物所处的所述光周期以提供成花诱导处理，从而引发开花反应；以及

(e)将所述植物恢复至营养生长条件。