CN105452198A - 用于改善植物性能的化合物和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于增加植物的生长特征、增加植物的营养物利用效率或者改善植物克服胁迫的能力的方法和组合物，其包括将包含酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐的组合物施加给所述的植物或所述的植物的繁殖材料。

Description

用于改善植物性能的化合物和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年8月16日提交的美国临时申请No.61/866,681的权益，该申请的全部内容以引用方式并入本文。
政府的权利
本发明是在美国能源部授予的合同编号No.DE-AC52-06NA25396下由政府资助完成的。政府具有本发明的某些权利。
技术领域
本发明涉及用于改善植物生长特征、增加植物的营养物利用效率或者改善植物克服胁迫的能力的组合物和方法。
背景技术
随着全世界人口的增长以及可利用的耕地持续被破坏或以其他方式损害，对更有效且可维持的农业系统的需要越来越成为人类种族的首要关注。在农业系统(可以更有效地对环境和经济挑战作出应答)的发展中，改善生物质生产、农作物产率、蛋白质含量、植物生长率等代表了主要的目标。
在植物的生长和生产中，氮被认为是重要的限制生长的元素。其为叶绿素和氨基酸的主要成分，并且在三磷酸腺苷(ATP)和核酸中发现。植物由大气(N2气体形式)和/或由土壤(例如肥料和有机物质的分解)中获取氮，但是仅可以使用该元素的还原形式(例如NH3)。大气中的氮(N2)转化成氨(NH3)为“氮固定”，并且通过与植物具有共生关系的特定的一组原核生物的酶“固氮酶”来实施。植物可以容易地同化NH3，并使用该分子作为生产促进植物生长和生产的重要生物学成分(例如叶绿素和氨基酸)的基础。
遗憾地，氮固定是植物获取NH3的限制步骤，因此现代农业便补充工业生产的氮肥。肥料的广泛使用导致了全世界的生态问题，例如形成了沿海死亡区(主要是由于流入至河流和海洋中)，这对海洋野生生物具有剧烈的影响。
因此，继续需要改善的、成本有效的且生态健康的组合物和方法以改善植物生长、生物质生产、谷粒产率等。
发明概述
本发明涉及提高植物生长特征、增加植物的营养物利用效率或者改善植物克服胁迫的能力的方法，其包括给植物或植物的繁殖材料施加包含酮基琥珀酸酯、其衍生物或其盐的组合物。此外，本发明还涉及组合物，其包含酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐；载体；以及任选存在的刺激植物生长的化合物。
附图简述
图1描绘了本领域所了解的，在植物中氮的同化作用的代谢图。氮的同化作用和初级代谢(实线)开始于谷氨酰胺合成酶(GS)-催化谷氨酸酯与氨的组合而形成谷氨酰胺。来自谷氨酰胺的1个氮然后被提供至2-酮戊二酸，从而形成谷氨酸酯。天冬氨酸酯和天冬酰胺由草酰乙酸酯的碳主链形成，并且1个氮来自谷氨酸酯，另1个来自谷氨酰胺。2-酮戊二酸和酮基琥珀酸酯分别由谷氨酰胺和天冬酰氨形成(虚线)。
示意性实施方案的详细描述
本发明通过使植物利用可用氮的能力最大化、由此减少所需补充的量，从而消除或减少向农作物提供工业氮补充的目前存在的生态和成本的缺点。本发明涉及通过向植物或植物的繁殖材料施加包含酮基琥珀酸酯或其盐的组合物来改善植物性能的某些方面的方法。此外，酮基琥珀酸酯的衍生物或其盐也可以用于本发明的方法中。
酮基琥珀酸酯(在本领域中还称为2-氧代琥珀酸酯、L-氧代琥珀酸酯、α-酮基琥珀酸酯、3-氨基甲酰基-2-氧代丙酸酯和4-氨基-2,4-二氧代丁酸酯)具有以下结构：
此外，酮基琥珀酸酯还以二聚体的形式存在，其也在本发明的范围内。RalphAStephaniandAltonMeister1971"Structureofthedimerica-ketoanalogueofasparagine"J.BiolChem.246:7115-7118。如本文所用，“酮基琥珀酸酯的衍生物”是指通过化学或物理方法由酮基琥珀酸酯衍生的化学化合物。该衍生物可以为结构和/或功能类似物。酮基琥珀酸酯的衍生物包括例如表1中列出的化合物。
表1
酮基琥珀酸酯及其衍生物可以购买或者如本文所述或通过本领域那些普通技术人员已知的手段来合成。例如参见MeisterA.,J.Biol.Chem.,(1953)200:571-589；Weygand,FreidrichandHeinz-JurgenDietrich1954Synthesevon1.5-diaza-cyclooctan-dion-(4.8)-dicarbonsaure-(2.6)ChemischeBerichte87(4):482-488。
可以使用本领域已知的任何方法来施加本发明的组合物，例如喷雾、灌溉、涂敷、浸没(emersion)、注射或它们的任意的组合。
本发明的方法包括提高植物的生长特征，所述的方法包括给植物或植物的繁殖材料施加包含酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐的组合物。本领域那些技术人员所理解的“生长特征”包括例如生物质、叶组织重量、结瘤数量、结瘤质量、结瘤活性、种子穗的数量、分蘖的数量、花的数量、块茎的数量、块茎的质量、鳞茎质量、油含量、种子的数量、种子的总质量、种子的平均质量、出叶率、根的质量、地下组织的总重量、可收获的果实或坚果的产率、植物蛋白质和淀粉含量、生物质累积率、分蘖萌发率、分蘖生长率、果实的平均重量、发芽率、出苗率或它们的任意的组合。在本发明的示例性实施方案中，所述的方法使得生物质、叶组织重量、结瘤数量、结瘤质量、结瘤活性、种子穗的数量、分蘖的数量、花的数量、块茎的数量、块茎的质量、鳞茎质量、种子的数量、种子的总质量、出叶率、分蘖萌发率、种子萌发率或它们的任意的组合增加。通过采用本发明的组合物和方法，与缺乏本发明的组合物和方法的植物生长相比，植物的生长特征提高。
本发明的其他实施方案涉及增加植物的营养物利用效率的方法，其包括给植物或植物的繁殖材料施加包含酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐的组合物。如本文所用，“氮利用效率(NUE)”是指每单位氮肥料的输入所产生的农作物的量度。对于大部分的农业系统而言，超过50％至多达75％的施加于田地中的氮没有被植物利用，并丢失而滤入土壤或流入地表水中。因此，增加NUE会增加效率。
可以通过本领域任一普通技术人员已知的方法来测量NUE。与NUE有关的一个农作物生产的量度为肥料氮的利用效率。与NUE有关的另一个农作物生产的量度为总氮利用效率。NUE的其他量度包括产率的不同的量度。例如NUE可以指在叶、谷粒或者其他植物组织或器官中的蛋白质含量或浓度增加。NUE还可以指在叶、谷粒或者其他植物组织或器官中的氨基酸含量或浓度增加。此外，在叶、谷粒或者其他植物组织或器官中的蛋白质和氨基酸含量或浓度的组合也是NUE的量度。
本发明的其他实施方案涉及改善植物克服胁迫的能力的方法，其包括给植物或植物的繁殖材料施加包含酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐的组合物。如本文所用，“胁迫”是指任何不理想的外部因素。例如本发明的方法增加了植物克服生物胁迫的能力。“生物胁迫”是指由其他活的有机体(例如昆虫、病毒、真菌、寄生虫、杂草和动物)对植物造成损害而发生的胁迫。此外，本发明的方法还增加了植物克服生物胁迫的能力。“非生物胁迫”是指非活的因素(例如太阳、风、火、洪水和干旱)所形成的胁迫。此外，本发明的方法还增加了植物克服化学胁迫的能力，例如由于杀虫剂、杀真菌剂、除草剂、抗细菌剂或抗病毒组合物的化学胁迫。
可以受益于本文所述的方法的植物包括单子叶植物和双子叶植物。这些植物包括但不限于谷物、豆科植物、产纤维植物、产油植物、产块茎植物、产淀粉植物、草、藤本植物、水果、蔬菜、开花植物和树。在本发明的范围内的植物的具体类型包括例如小麦、燕麦、水稻、玉米、豆、大豆、大麦、棉花、加拿大油菜(canola)、亚麻、豆科植物、葡萄、浆果、番茄、藤本植物、橙、坚果、烟草、苜蓿、马铃薯、花生和拟南芥。
本发明的组合物可以在植物出苗前(pre-emergent)(在苗突出或出现于地上之前)或出苗后(post-emergent)(在苗突出或出现于地上之后)施加。本发明的组合物可以直接施加至植物或植物的一部分，例如叶(leaf)、根、叶(foliar)、叶(foliage)、分蘖、花、植物细胞、植物组织或它们的组合。此外，本发明的组合物还施加于生长介质中。
此外，本发明的组合物还可以施加于植物的繁殖材料。例如本发明的组合物可以施加于种子、谷粒、果实、块茎、根茎、孢子、插枝、接枝(slip)、分生组织、植物细胞、坚果或胚。
本发明的组合物包含酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐，以及载体(例如本领域常用的那些)。所述的组合物可以为水性溶液、非水性溶液、悬液、凝胶、泡沫、糊剂、散剂、粉剂、固体或乳液。特别优选地为水性配制物。
酮基琥珀酸酯、或其衍生物或其盐的浓度为实现所需效果所必需的浓度，其可以由本领域的技术人员无需过度的试验来说明。例如本发明的组合物可以包含浓度为大约0.1μΜ至大约10mM的酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐。在优选的实施方案中，所述的浓度为大约0.1mΜ至大约10mM。在其他的实施方案中，所述的浓度为大约0.1μΜ至大约2000μΜ。在仍其他的实施方案中，所述的浓度为大约1μΜ至大约250μΜ。
除了酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐以外，本发明的组合物可以任选地包含至少一种其他的刺激植物生长的化合物。酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐与其他的刺激植物生长的化合物可以以任何比例存在。例如酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐与其他的刺激植物生长的化合物的比例可以为99:1至1:99。在其他的实施方案中，所述的比例为90:10。在其他的实施方案中，所述的比例为80:20。在其他的实施方案中，所述的比例为70:30。在其他的实施方案中，所述的比例为60:40。在其他的实施方案中，所述的比例为50:50。在另外的实施方案中，所述的比例为40:60。在其他的实施方案中，所述的比例为30:70。在其他的实施方案中，所述的比例为20:80。在其他的实施方案中，所述的比例为10:90。
这种其他的刺激生长的化合物本身是本领域已知的。用于本发明的组合物的特别优选的刺激植物生长的化合物包括例如(R)-2-羟基-5-氧代吡咯烷-2-羧酸,(S)-5-氧代吡咯烷-2-羧酸和它们的组合。例如参见美国申请公开No.2007/0105719。
-2-羟基-5-氧代吡咯烷-2-羧酸
-5-氧代吡咯烷-2-羧酸
此外，本发明的组合物还可以进一步包含本领域常用的额外成分，例如湿润剂、佐剂、抗氧化剂、稳定剂、植物常量营养物、植物微量营养物、杀虫剂、杀真菌剂、抗病毒剂、抗细菌剂、除草剂和它们的组合。
此外，本发明的组合物还可以进一步包含微生物，例如固氮微生物或菌根(microrrhizae)。
此外，本发明的组合物还可以进一步包含植物繁殖材料，例如种子、谷粒、孢子等。
例如可以按照使用酮基琥珀酸酯、其衍生物或其盐，以及任选的另一种刺激植物生长的化合物来处理植物、其一部分、其繁殖材料和/或其生长底物的方式，来完成对植物、其繁殖材料和/或生长底物的处理。可以对植物、其繁殖材料和/或其生长底物处理1次或1次以上。例如在包括处理1次以上的处理方案中，处理之间的时间间隔必须使得可以发生所需的作用。所述的时间间隔可以为秒(多秒)、分钟(多分钟)、小时(多小时)、天(多天)、周(多周)和月(多个月)。
或者，可以使用酮基琥珀酸酯、或其衍生物或其盐，以及另一种刺激植物生长的化合物以分开的形式来处理植物、其繁殖材料和/或其生长底物，从而使得使用单个的活性化合物的处理可能同时完成或依次完成。在依次处理的情况下，处理之间的时间间隔必须使得可以发生所需的作用。所述的时间间隔可以为秒(多秒)、分钟(多分钟)、小时(多小时)、天(多天)、周(多周)和月(多个月)。
对于本文所述的任何处理方案而言，可以将所述的化合物施加给不同的对象(在本发明的内容中，该对象为植物、繁殖材料和生长底物)，换言之，例如使用酮基琥珀酸酯、或其衍生物或其盐来处理种子，以及将刺激植物生长的化合物施加给由种子发育来的植物和/或使用它们来处理植物生长的底物。或者，使用刺激植物生长的化合物来处理种子，和将酮基琥珀酸酯、或其衍生物或其盐施加给由种子发育来的植物和/或使用它们来处理植物生长的底物。此外，还可以实施上述2种方法的组合。
在另一个处理方案中，可以使用酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐并与微量营养物、常量营养物、其他促进植物生长特征的化合物、杀虫剂和/或除草剂相组合来处理所述的种子。
在另一个处理方案中，可以在播种之前来处理种子，或者另外地，例如在以已知为犁沟内施加(in-furrowapplication)的形式的播种过程中，通过播种种子的生长底物来处理种子。在这种施加形式中，将酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐和/或其他的刺激植物生长的化合物与种子基本同时放置于犁沟中。
此外，还可以实施一定范围的处理比例。例如酮基琥珀酸酯化合物与刺激植物生长的化合物的比例可以为99:1至1:99(或者99:1、98:2、97:3、96:4、95:5、94:6、93:7、92:8、91:9、90:10、89:11、88:12、87:13、86:14、85:15、84:16、83:17、82:18、81:19、80:20、79:21、78:22、77:23、76:24、75:25、74:26、73:27、72:28、71:29、70:30、69:31、68:32、67:33、66:34、65:35、64:36、63:37、62:38、61:39、60:40、59:41、58:42、57:43、56:44、55:45、54:46、53:47、52:48、51:49、50:50、49:51、48:52、47:53、46:54、45:55、44:56、43:57、42:58、41:59、40:60、39:61、38:62、37:63、36:64、35:65、34:66、33:67、32:68、31:69、30:70、29:71、28:72、27:73、26:74、25:75、24:76、23:77、22:78、21:79、20:80、19:81、18:82、17:83、16:84、15:85、14:86、13:87、12:88、11:89、10:90、9:91、8:92、7:93、6:94、5:93、4:96、3:97、2:98或1:99)。所述的比例可以适用于摩尔浓度比例或重量比例。
酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物可以共同地或分开地配制成悬浮的、乳化的或溶解形式的即用型制备物。使用形式完全取决于预期目的。
酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物可以原样使用，以它们的配制物形式或者由此制备成的使用形式使用，例如直接可喷射的溶液、泡沫、散剂、悬液、分散液、还可以为高度浓缩的水性、油性或其他悬液或分散液、乳液、油分散液、糊剂、粉剂、追踪粉末或粒子。所述的施加通常通过喷射、喷雾、雾化、分散或倾倒来完成。使用形式和使用方法取决于预期目的。
根据酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物所呈现的表象，它们包含一种或多种液体或固体载体，任选存在的表面活性物质和常用于配制植物处理剂的任选存在的其他佐剂。用于此类配制物的组成是本领域任一普通技术人员所公知的。
例如由乳液浓缩物、悬液、糊剂、可湿润的粉末或水分散性粒子开始，通过加入水来制备水性使用形式。为了制备乳液、糊剂或油的分散液，通过润湿剂、粘合剂、分散剂或乳化剂将酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物以原样或者溶解于油或溶剂中的方式在水中均质化。而且，还可以制备浓缩物，该浓缩物由酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物、润湿剂、粘合剂、分散剂或乳化剂，以及溶剂或油(如果合适)组成，并且此类浓缩物适用于使用水来稀释。
酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物在即用型制备物中的浓度可以在较大的范围内改变。通常，它们可以为0.0001至10％，优选为0.01至1％(酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物的总重量占即用型制备物的总重量的％)。
如果合适，仅在使用前，可以向酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物中加入各种类型的油、润湿剂、佐剂、除草剂、杀真菌剂和杀虫剂(其为除了根据本发明的使用的酮基琥珀酸酯、或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物，杀线虫剂、其他杀虫剂(例如杀细菌剂)、肥料和/或生长调节剂以外的)。这些物质可以与根据本发明使用的酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物以以下比例预混：99:1至1:99(或者99:1、98:2、97:3、96:4、95:5、94:6、93:7、92:8、91:9、90:10、89:11、88:12、87:13、86:14、85:15、84:16、83:17、82:18、81:19、80:20、79:21、78:22、77:23、76:24、75:25、74:26、73:27、72:28、71:29、70:30、69:31、68:32、67:33、66:34、65:35、64:36、63:37、62:38、61:39、60:40、59:41、58:42、57:43、56:44、55:45、54:46、53:47、52:48、51:49、50:50、49:51、48:52、47:53、46:54、45:55、44:56、43:57、42:58、41:59、40:60、39:61、38:62、37:63、36:64、35:65、34:66、33:67、32:68、31:69、30:70、29:71、28:72、27:73、26:74、25:75、24:76、23:77、22:78、21:79、20:80、19:81、18:82、17:83、16:84、15:85、14:86、13:87、12:88、11:89、10:90、9:91、8:92、7:93、6:94、5:93、4:96、3:97、2:98或1:99)。所述的比例可以适用于摩尔浓度比例或重量比例。
可以向酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物中加入各种类型的油、润湿剂、佐剂、除草剂、杀真菌剂和杀虫剂(其为除了根据本发明的使用的酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物，杀线虫剂、其他杀虫剂(例如杀细菌剂)、肥料和/或生长调节剂以外的)。在一个方面中，酮基琥珀酸酯、或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物可以与杀线虫剂、其他杀虫剂(例如杀细菌剂)、肥料和/或生长调节剂组合，然后将所述的组合施加给植物或植物繁殖材料。
所述的配制物是按照已知的方式例如通过用溶剂和/或载体(如果需要，使用表面活性物质，即，乳化剂和分散剂)扩展酮基琥珀酸酯、或其衍生物或其盐，和/或刺激植物生长的化合物来制备的。合适的溶剂/辅助物质基本为：水、芳香族溶剂(例如Solvesso产品、二甲苯)、石蜡(例如矿物质级份)、醇(例如甲醇、丁醇、戊醇、苄醇)、酮(例如环己酮、甲基羟基丁基酮、双丙酮醇、亚异丙基丙酮、异佛乐酮)、内酯(例如γ-丁内酯)、吡咯烷酮(吡咯烷酮、N-甲基吡咯烷酮、N-乙基吡咯烷酮、n-辛基吡咯烷酮)、乙酸酯(乙二醇二乙酸酯)、二醇、甘油、脂肪酸二甲酰胺、脂肪酸和脂肪酸酯。原则上，还可以使用溶剂混合物。
载体例如为磨碎的天然矿物质(例如高岭土、粘土、滑石、白垩)和磨碎的合成矿物质(例如高度分散的硅石、硅酸盐)；乳化剂例如为非离子型和阴离子型乳化剂(例如聚氧乙烯脂肪醇醚、烷基磺酸酯和芳基磺酸酯)；分散剂例如为木质素-亚硫酸盐废液和甲基纤维素。
合适的表面活性剂为碱金属、碱土金属、木质素-磺酸的铵盐、萘磺酸、酚磺酸、二丁基萘磺酸、烷基芳基磺酸盐、SDS、烷基硫酸盐、烷基磺酸盐、脂肪醇硫酸盐、脂肪酸和硫化脂肪醇乙二醇，另外的磺化萘和萘的衍生物与甲醛的缩合物、萘或萘磺酸与苯酚和甲醛的缩合物、聚氧乙烯辛基-苯基醚、乙氧基化的异辛基苯酚、辛基苯酚、壬基苯酚、烷基苯基聚乙二醇醚、三丁基苯基聚乙二醇醚、三硬脂酰基苯基聚乙二醇醚、烷基芳基聚醚醇、醇和脂肪醇/氧化乙烯浓缩物、乙氧基化的蓖麻油、聚氧乙烯烷基醚、乙氧基化的聚氧丙烯、月桂醇、聚乙二醇醚乙缩醛、山梨醇酯、木质素-亚硫酸盐废液和甲基纤维素。
适用于制备可直接喷射的溶液、乳液、糊或油的分散液的物质为中等至高沸点的矿物油级份，例如煤油或柴油、另外的煤焦油以及植物或动物来源的油、环状和芳香族烃(例如甲苯、二甲苯、石蜡、四氢化萘、烷化萘或它们的衍生物)、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、环己醇、环己酮、亚异丙基丙酮、异佛乐酮、强极性溶剂(例如二甲基亚砜、2-吡咯烷酮、N-甲基吡咯烷酮、丁内酯和水)。
可以通过将活性物质与固体载体混合或同时研磨来制备散剂、用于散布的材料和粉剂。
可以通过将活性组分粘结至固体载体中来制备粒子，例如涂敷的粒子、浸渍的粒子和均化的粒子。固体载体的实例为矿物土，例如矿物土，例如硅石、凝胶、硅酸盐、滑石、高岭土、镁质粘土、石灰石、莱姆、白垩、红玄武土、黄土、粘土、白云石、硅藻土、硫酸钙、硫酸镁、氧化镁、土地合成材料；肥料，例如硫酸铵、磷酸铵、硝酸铵、尿素；以及植物来源的产物，例如谷物粉、树皮粉、木粉、坚果壳的粉、纤维素粉末和其他固体载体。
用于处理种子的配制物可以额外包含粘结剂和/或胶凝剂，如果合适，可以包含着色剂。
通常，所述的配制物包含以重量计0.01％-95％、优选为以重量计0.1％-90％、特别是以重量计5％-50％的活性物质。所述的活性物质以90％至100％、优选为95％至100％(根据NMR光谱)的纯度而使用。
就种子的处理而言，相关配制物将在即用型制备物中给予浓度为以重量计0.001％至80％(或者0.001％、0.005％、0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％、0.07％)、优选为以重量计0.1％至40％的酮基琥珀酸酯或其衍生物或盐，和/或刺激植物生长的化合物。
如本文所用，“生长底物”还称为“生长介质”，其是指植物在其中生长或即将生长的任何类型的底物，例如土壤(例如盆、花坛或田地中)、水、或人工介质以及与生长(例如肥料)或保护植物(例如杀虫剂)有关的任何额外的补充物。
如本文所用，“NPKS常量营养物”或“常量营养物”是指氮(N)、磷(P)、钾(K)和硫(S)的营养物。
如本文所用，微量营养物是指植物生长和/或繁殖所需的任何营养物。
如本文所用，“固氮细菌”是指具有固定或还原大气中的氮气(N2)、从而形成氨(NH3)的能力的细菌。
如本文所用，“氮利用效率(NUE)”是指每单位氮肥料的输入所产生的农作物的量度。本领域任一普通技术人员可以通过多种不同的方法来测量NUE。此外，NUE可以是指肥料氮的利用效率或总氮利用效率。此外，其还可以包括产率的不同的量度。例如其可以用于指植物中含氮化合物增加，例如叶、谷粒或其他植物组织或器官中蛋白质的含量或浓度增加。对于大部分的农作系统而言，施加至田地中的超过50％至至多75％的氮没有被植物利用，并丢失而滤入土壤或流入地表水中。
如本文所用，“结瘤”是指结瘤重量、结瘤的数量和结瘤生长率。
如本文所用，“刺激植物生长的化合物”是指当使用有效量的所述的化合物来处理植物和/或植物繁殖材料时，能够改善植物性能或提高植物的生长特征的化合物。
如本文所用，“植物性能”是指以下一种或多种特征的量度：分蘖的数量、叶的生物质(重量)和种子穗。当对于植物而言，上述特征的任意一种增加时，可以推断植物的性能改善。例如本领域那些技术人员广泛接受的是农作物中，增加分蘖的数量，会增加种子的产率。此外，增加叶的生物质的量和比率会增加植物生长的大小和速率。
如本文所用，“繁殖材料”是指可以生长成完整植物的材料。繁殖材料的非限定性实例包括种子、谷粒、果实、块茎、根茎、孢子、插枝、接枝、分生组织、个体植物细胞以及可以生长成完整植物的任何形式的植物组织。
如本文所用，“盐”是指本发明的任何化合物的离子形式与任何合适的抗衡离子的组合。所述的盐在本发明的组合物中应该是可溶的或可悬浮的。例如本发明的化合物的盐可以由所述的化合物的阴离子与金属阳离子形成，其中所述的阳离子例如为碱金属阳离子(锂、钠、钾、铯和铷)、碱土金属阳离子(镁、钙、锶、钡等)以及重金属阳离子(铜、银、汞、锌、镉、铬、锰、铁、钴、镍、铝、锡和铅)。此外，所述的化合物的盐还可以由鎓阳离子形成，例如铵阳离子、锍阳离子、sufoxonium阳离子、和鏻阳离子。此外，本发明的化合物的盐还可以由所述的化合物的阳离子与阴离子(例如氯化物、溴化物等)形成。
如本文所用，“共生细菌”是指固氮细菌，其与它们特定的宿主植物(豆科植物)形成关系。其非限定性实例包括大豆慢生根瘤菌(Bradyrhizobiumjaponicum)与其宿主大豆(Glycinemax)(大豆)、以及苜蓿中华根瘤菌(Sinorhizobiummeliloti)与其宿主紫苜蓿(Medicagosativa)(苜蓿)之间的共生关系。在这些关系中，相结合的各成员受益于彼此的存在；植物接受细菌固定的氮，而细菌共生生物接受植物的碳骨架。这些结合存在于称为结瘤的专化的根结构中，该结构在所述关系开始时开始形成。
本文所提供的范围可以理解为该范围内所有值的简写。例如范围1至50可以理解为包括任何数值、数值的组合或者得自1、2、3、4、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、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49或50的子范围(以及它们的分数，除非内容中另外清楚地说明)。除非另作说明，任何浓度范围、百分率范围、比例范围或整数范围都可以理解为包括所述的范围内的任何整数值及其分数(在合适时)(例如整数的十分之一和百分之一)。此外，除非另作说明，本文所述的与任何物理特征(例如聚合物的亚单元、大小或厚度)的任何数量范围都可以理解为包括在所述的范围内的任何整数。如本文所用，除非另作说明，“大约”或者“基本由……组成”是指所述的范围、值或结构的平均值±20％。如本文所用，除非另作说明，术语“包括”和“包含”是开放式的，并且以同义词使用。应该理解的是如本文所用，术语“一(a)”和“一(an)”是指“一个或多个”所列举的成分。使用备选物(例如“或”)应该理解为是指一个、两个或更多个备选物的任意的组合。
尽管与本文所述的那些类似或相当的方法和材料可以用于实践或检验本公开，但合适的方法和材料如下文所述。本文所提及的所有的公开、专利申请、专利和其他参考文献均以引用方式全文并入本文。在矛盾的情况下，以本说明书(包括术语的说明)为准。此外，材料、方法和实例仅是示意性的，并且无意于进行限制。
除非另作说明，在本说明书的全文中使用的技术术语均依惯例使用，除非另外陈述。分子生物学中的普通术语的定义可以在BenjaminLewin,GenesV,publishedbyOxfordUniversityPress,1994(ISBN0-19-854287-9)；Kendrewetal.(eds.),TheEncyclopediaofMolecularBiology,publishedbyBlackwellScienceLtd.,1994(ISBN0-632-02182-9)；以及RobertA.Meyers(ed.),MolecularBiologyandBiotechnology:aComprehensiveDeskReference,publishedbyVCHPublishers,Inc.,1995(ISBN1-56081-569-8)中找到。
实施例
实施例1：4-氨基-2,4-二氧代硼酸的合成
例如参见MeisterA.,J.Biol.Chem.,(1953)200:571-589。
实施例2：小麦植物的处理
本实施显示，使用单独的或者与另一种刺激植物生长的化合物组合的酮基琥珀酸酯来处理小麦植物会增加生物质、分蘖长度和种子穗，这通常是指改善植物性能或提高植物的生长特征。
对照组和处理组均使用Glenn，其为一种春小麦品种。对照组和各处理组均由15株植物组成。
对照配制物为基础水性溶液，其具有表面活性剂(700mg/L的十二烷基硫酸钠，SDS)和湿润剂(2ml/L的甘油)，pH7(下文称为“基础溶液”)。
处理配制物包含基础溶液及酮基琥珀酸酯(处理配制物#1)，基础溶液及L-焦谷氨酸酯(处理配制物#2)，或者酮基琥珀酸酯和L-焦谷氨酸酯(处理配制物#3；L-焦谷氨酸酯:酮基琥珀酸酯的比例为60:40)。这些配制物概括于下表2中。
表2
组 酮基琥珀酸酯的浓度 L-焦谷氨酸酯的浓度
对照配制物 0μM 0μM
处理配制物#1 100μM 0μM
处理配制物#2 0μM 100μM
处理配制物#3 40μM 60μM
在第1天种植春小麦，并使其在自然日间长度下在温室中生长。所有的植物均提供市售可得的完全营养物混合物(FloraGroBloom；GenHydro)，其提供了比例为10:1的NO3和NH4(作为氮源)。从第10天开始，每天通过叶喷使用它们各自的配制物处理各组。
在种植后大约70天，计算对照组和处理组配制物#1组(单独的酮基琥珀酸酯化合物)中的分蘖的数量。分蘖数量/组(15株植物)示于下表3中。
表3
组 分蘖数量/组15株植物
对照配制物 127
处理配制物#1 145
表4中的数据显示与对照组的分蘖的数量相比，使用酮基琥珀酸酯(处理配制物#1)处理的植物具有增加的分蘖数量。
在第91天收获植物，并测量叶组织的重量(以克计)以及种子穗的数量/植物。下表4概括了所进行的测量。
表4
组 叶组织的鲜重 种子穗的数量/植物
对照配制物 11.0g 4.3
处理配制物#1 12.6g 4.6
处理配制物#2 13.3g 6.3
处理配制物#3 13.2g 5.3
表5中的数据显示使用单独的酮基琥珀酸酯(处理配制物#1)、单独的L-焦谷氨酸酯(处理配制物#2)、以及比例为60:40的L-焦谷氨酸酯:酮基琥珀酸酯(处理配制物#3)来处理植物比对照组具有增加的叶组织的重量，并且比对照组具有增加的种子穗数量/植物。
实施例3：大豆植物的处理
本实施例显示使用酮基琥珀酸酯处理大豆植物会增加叶和结瘤的生物质，这统称为改善植物的性能。
对照组和处理组使用市售可得的大豆品种。对照组和处理组均由15株植物组成。对照配制物为基础溶液(参加实施例2)。处理配制物包含基础溶液以及酮基琥珀酸酯(处理配制物#1)。这些配制物概括于下表5中。
表5
组 酮基琥珀酸酯浓度
对照配制物 0μM
处理配制物#1 100μM
使大豆植物在自然日间长度下在温室中生长。生长底物为等体积的泥煤苔(潮湿的)、园艺蛭石(潮湿的)以及沙。使土壤湿度百分率保持为大约20％至大约30％的饱和度。所有植物每周都供入市售可得的完全营养物混合物(FloraGro)，其中KCl替代氮，并加入CoCl2以提供这种痕量元素。将接种物混合至底物中，然后种植大豆。在种植/接种10天后，每天通过叶喷用各自配制物处理各组。
在种植后91天时收获所述的植物，并测量叶组织重量(以克计)和结瘤重量(mg)/植物。下表6概括了所取得的测量。
表6
组 叶组织的鲜重 结瘤/植物
对照配制物 2.1g 24.8mg
处理配制物#1 2.6g 85.6mg
表7中的数据显示与对照组相比，使用单独的酮基琥珀酸酯(处理配制物#1)来处理植物使得叶组织重量增加，并且与对照组相比，结瘤重量/植物增加。
实施例4：苜蓿植物的处理
本实施例显示使用单独的或者与另一种刺激植物生长的化合物(例如L-焦谷氨酸酯)组合的酮基琥珀酸酯来处理苜蓿植物会增加生物质，这统称为改善植物的性能。
对照组和处理组使用苜蓿的Ladak品种。对照组和各处理组由15株植物组成。对照配制物为基础溶液。参见实施例2。处理配制物包含基础溶液及酮基琥珀酸酯(处理配制物#1)，基础溶液及L-焦谷氨酸酯(处理配制物#2)，或者酮基琥珀酸酯和L-焦谷氨酸酯(处理配制物#3；L-焦谷氨酸酯:酮基琥珀酸酯的比例为50:50)。这些配制物概括于下表7中。
表7
组 酮基琥珀酸酯的浓度 L-焦谷氨酸酯的浓度
对照配制物 0μM 0μM
处理配制物#1 100μM 0μM
处理配制物#2 0μM 100μM
处理配制物#3 50μM 50μM
使苜蓿植物在自然日间长度下在温室中生长。所有植物都供入不含氮的培养基(不含氮的Columbia)。生长底物为等体积的泥煤苔(潮湿的)、园艺蛭石(潮湿的)以及沙。使土壤湿度百分率保持为大约20％至大约30％的饱和度。将NDURE接种物混合至底物中，然后种植苜蓿种子。在种植10天后，使用各自配制物每天通过叶喷来处理各组。每隔一天进行处理。
在种植后的85天时收获植物，并测量叶组织重量(以克计)。下表8概括了所取得的测量。
表8
组 叶组织鲜重
对照配制物 8.6g
处理配制物#1 9.2g
处理配制物#2 12.4g
处理配制物#3 14g
表8中的数据显示与对照组相比，使用单独的酮基琥珀酸酯(处理配制物#1)、单独的L-焦谷氨酸酯(处理配制物#2)、以及比例为50:50的L-焦谷氨酸酯:酮基琥珀酸酯(处理配制物#3)具有增加的叶组织重量。
实施例5：测量植物蛋白质含量
叶蛋白质为植物中氮利用效率的指示，其为植物完全发育并使其种子和果实的生产达到最大的潜力。此外，其还为植物组织的营养值的量度。例如豆科植物苜蓿叶组织被用作用于富集动物饮食的蛋白质组成的饲料。在根据本发明处理的植物中测量叶蛋白质，而且将其与在相同的条件并提供相同组成和水平的营养物下生长的相同物种的未处理对照植物相比较。
叶样品将取自华盖中相同位置处并处于相同发育阶段的叶。它们均为完全展开的生叶，为该物种最大叶大小的至少三分之一。举例说明的植物为至少一种单子叶植物(例如小麦、水稻或大麦)和至少一种双子叶植物(例如大豆、苜蓿、莴苣或辣椒)。根据制造商提供的说明书，使用Bradford试剂，采用标准的Bradford蛋白质测试方法来测量蛋白质。所述的试剂基于考马斯亮蓝G染料，并且所形成的蛋白质染料复合物与595nm下的光密度定量相关。
使用酮基琥珀酸酯、或其衍生物或者与另一种营养物或刺激植物生长的化合物组合来处理的植物比未处理的植物具有增加的生长植物特征(例如蛋白质含量增加)。
实施例6：测量植物的氨基酸含量
将根据本发明处理的植物叶中的游离氨基酸池与相同物种的而且在相同生长条件并提供相同组成和水平的营养物下生长的未处理植物的那些氨基酸池相比较。氨基酸池反映了植物中氮代谢的整体状态。
氨基酸池的大小反映了植物代谢的整体稳健性，并提供通过某些氨基酸生物合成途径(对于此类重要的性质而言，其是重要的，降低某些类型的除草剂的毒性)的流量的观察。具体而言，改善氨基酸生物合成的任何试剂都提供了降低除草剂(其靶向氨基酸的生物合成)作用的量度。降低毒性是农作物高度需要的，其保护农作物免于除草剂的作用(其用于降低杂草与农作物的竞争)。
对于靶向乙酰乳酸合成酶(例如Osprey)的除草剂而言，会增加异亮氨酸以及缬氨酸的生物合成的任何试剂都将提供降低毒性的作用。相同的情况适用于靶向芳香族氨基酸生物合成(草甘膦)的除草剂，并且预计增加芳香族氨基酸生物合成的任何试剂都会提供针对这些除草剂的降低毒性的作用。
预计刺激谷氨酰胺合成的任何试剂都会提供针对含有草铵膦(靶向谷氨酰胺合成酶的除草剂)的除草剂的降低毒性作用。它们在市场上的商品名例如为BASTA、RELY、FINALE和其他名称。
将根据本发明以及靶向氨基酸生物合成的除草剂代表处理的植物的生长与仅使用除草剂处理的植物相比较。使用标准的有效剂量和方案来检验酮基琥珀酸酯；在范围为低于所建议的完全致死剂量至所建议的完全致死剂量的水平下来使用除草剂。检验剂量为所建议的致死剂量的10％至100％。使用标准的方法来表征植物的生长，其中所述的方法包括最终生物质(叶的区域、根或整个植物)以及追踪叶、分蘖或花的出现。所检验的植物物种代表了单子叶植物(小麦、水稻或大麦)和双子叶植物(大豆、棉花、辣椒、莴苣和其他蔬菜)。
预期根据本发明处理的植物、根据本发明处理的植物的种子或者根据本发明处理的植物生长的土壤比未处理的植物、未处理的种子或未处理的土壤具有增加的生长植物特征(例如氨基酸生物合成增加和/或改善)。
实施例7：发芽和种子发育
用于种子处理的方法
将所需处理浓度的酮基琥珀酸酯加入至0.01％Tween80水性溶液中，并使用KOH将pH调节至中性。将种子浸渍于该溶液中，将它们润湿，并在种植前风干，该过程需要不到15min。
发芽
苜蓿(Ladak品种)
在65-75℉下，在潮湿的卫生纸上开始发芽后的3天，观察如下的发芽百分率。对照未处理种子：80％；使用0.1mM酮基琥珀酸酯处理的种子：88％；使用1mM酮基琥珀酸酯处理的种子：93％。在各组中使用至少30个种子。
大豆(Viking品种)
在75-85℉下，在潮湿的卫生纸上在处理后且开始发芽后的22hr，观察如下的发芽。20个对照中的2个突破种皮，而20个酮基琥珀酸酯(10mM)处理种子的9个突破种皮。在24小时后，20个对照的6个突破种皮，而20个酮基琥珀酸酯处理的种子的12个突破种皮。
温室出苗
大豆(Viking品种)
将种子种植于温室中的蛭石、沙、泥煤苔(1:1:1)中并追踪出苗。发芽/生长底物的水份保持在15-20％饱和度。温室中的温度为72-82℉。将大豆慢生根瘤菌(市售的接种物)混合至底物中，然后种植。
在种植后3天，观察随后的出苗情况。20个对照中的12个从土壤中出现。20个酮基琥珀酸酯(1mM)处理的16个从土壤中出现。
苜蓿(Ladak品种)
将种子种植于温室中的蛭石、沙、泥煤苔(1:1:2)中并追踪出苗。温室中的温度为72-82℉。将苜蓿中华根瘤菌(市售的接种物)混合至底物中，然后种植。
在种植后3天，观察随后的出苗情况。对照中，为58％；酮基琥珀酸酯(1mM)处理中，为79％。

Claims (37)

1.一种用于提高植物的生长特征、增加植物的营养物利用效率或改善植物克服胁迫的能力的方法，其包括向所述植物或所述植物的繁殖材料施加包含酮基琥珀酸酯、其衍生物或其盐的组合物。
2.权利要求1所述的方法，其中所述酮基琥珀酸酯或其衍生物被施加于所述植物的一部分，该部分为叶、根、叶(foliar)、叶(foliage)、分蘖、花、植物细胞、植物组织或它们的组合。
3.前述权利要求任意一项所述的方法，其中所述植物的繁殖材料为种子、谷粒、果实、块茎、根茎、孢子、插枝、接枝、分生组织、植物细胞、坚果或胚。
4.前述权利要求任意一项所述的方法，其中在出苗前或出苗后进行所述施加。
5.前述权利要求任意一项所述的方法，其中所述的生长特征为生物质、叶组织重量、结瘤数量、结瘤质量、结瘤活性、种子穗的数量、分蘖的数量、花的数量、块茎的数量、块茎质量、鳞茎质量、油含量、种子的数量、种子总质量、种子平均质量、出叶率、根质量、地下组织总重量、可收获的果实或坚果的产率、植物蛋白质和淀粉含量、生物质累积率、分蘖萌发率、分蘖生长率、果实平均重量、发芽率、出苗率或它们的组合。
6.权利要求5所述的方法，其中所述的生长特征为生物质、叶组织重量、结瘤数量、结瘤质量、结瘤活性、种子穗的数量、分蘖的数量、花的数量、块茎的数量、块茎质量、鳞茎质量、种子的数量、种子总质量、出叶率、分蘖萌发率、出苗率或它们的组合。
7.权利要求1至4任意一项所述的方法，其中所述增加的营养物利用效率为增加的蛋白质含量、增加的氨基酸含量或它们的组合。
8.权利要求1至4任意一项所述的方法，其中所述胁迫为生物胁迫、非生物胁迫、化学胁迫或除草胁迫。
9.权利要求8所述的方法，其中所述生物胁迫是由于昆虫、病毒、真菌、寄生虫、杂草或动物的原因。
10.权利要求8所述的方法，其中所述非生物胁迫是由于太阳、风、火、洪水或干旱的原因。
11.权利要求8所述的方法，其中所述的化学胁迫是由于杀虫剂、杀真菌剂、除草剂、抗细菌或抗病毒组合物。
12.前述权利要求任意一项所述的方法，其中所述组合物为水性溶液、非水性溶液、悬液、凝胶、泡沫、糊剂、散剂、粉剂、固体或乳液。
13.权利要求12所述的方法，其中所述的组合物为水性配制物。
14.前述权利要求任意一项所述的方法，其中酮基琥珀酸酯或其衍生物在所述组合物中的浓度为大约0.1μΜ至大约10mM。
15.权利要求14所述的方法，其中酮基琥珀酸酯、或其衍生物或其盐在所述组合物中的浓度为大约0.1mM至大约10mM。
16.权利要求14所述的方法，其中酮基琥珀酸酯、或其衍生物或其盐在所述组合物中的浓度为大约1μΜ至大约250μΜ。
17.前述权利要求任意一项所述的方法，其中所述组合物进一步包含表面活性剂、润湿剂、佐剂、抗氧化剂、稳定剂、植物常量营养物、植物微量营养物、杀虫剂、杀真菌剂、抗病毒剂、抗细菌剂、除草剂或它们的组合。
18.前述权利要求任意一项所述的方法，其中所述组合物进一步包含刺激植物生长的化合物。
19.权利要求18所述的方法，其中所述刺激植物生长的化合物为(R)-2-羟基-5-氧代吡咯烷-2-羧酸、(S)-5-氧代吡咯烷-2-羧酸或它们的组合。
20.权利要求18或权利要求19所述的方法，其中所述酮基琥珀酸酯或其衍生物与所述刺激植物生长的化合物的比例为大约99:1至大约1:99。
21.前述权利要求任意一项所述的方法，其中所述植物为单子叶植物或双子叶植物。
22.前述权利要求任意一项所述的方法，其中所述植物为谷物、豆科植物、产纤维植物、产油植物、产块茎植物、产淀粉植物、草、藤本植物、水果、蔬菜、开花植物和树。
23.前述权利要求任意一项所述的方法，其中所述的植物为小麦、燕麦、水稻、玉米、豆、大豆、大麦、棉花、加拿大油菜、亚麻、豆科植物、葡萄、浆果、番茄、藤本植物、橙、坚果、烟草、苜蓿、马铃薯、花生或拟南芥。
24.前述权利要求任意一项所述的方法，其中所述酮基琥珀酸酯衍生物为3-氨基甲酰基-2,4-二羟基-6-氧代哌啶-2,4-二羧酸酯；4-氨基-2,4-二氧代丁酸；(S)-4-氧代吖丁啶-2-羧酸；4,8-二氧代-l,5-二氮杂环辛烷-2,6-二羧酸；或它们的组合。
25.一种组合物，其包含
酮基琥珀酸酯、或其衍生物或其盐；
载体；以及
任选存在的刺激植物生长的化合物。
26.权利要求25所述的组合物，其中所述配制物为水性溶液、非水性溶液、悬液、凝胶、泡沫、糊剂、散剂、粉剂、固体或乳液。
27.权利要求25或权利要求26所述的组合物，其中所述刺激植物生长的化合物与酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐的比例为大约99:1至大约1:99。
28.权利要求25至27任意一项所述的组合物，其中所述酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐的浓度为大约0.1μΜ至大约10mM。
29.权利要求28所述的组合物，其中所述酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐的浓度为大约0.1mM至大约10mM。
30.权利要求28所述的方法，其中所述酮基琥珀酸酯或其衍生物或其盐的浓度为大约1μΜ至大约250μΜ。
31.权利要求25至30任意一项所述的组合物，其中所述刺激植物生长的化合物的浓度为大约0.1μΜ至大约2000μΜ。
32.权利要求25至31任意一项所述的组合物，其中所述刺激植物生长的化合物为(R)-2-羟基-5-氧代吡咯烷-2-羧酸、(S)-5-氧代吡咯烷-2-羧酸或它们的组合。
33.权利要求25至32任意一项所述的组合物，其中所述酮基琥珀酸酯衍生物为3-氨基甲酰基-2,4-二羟基-6-氧代哌啶-2,4-二羧酸酯；4-氨基-2,4-二氧代丁酸；(S)-4-氧代吖丁啶-2-羧酸；4,8-二氧代-l,5-二氮杂环辛烷-2,6-二羧酸或它们的组合。
34.权利要求25至33任意一项所述的组合物，其进一步包含表面活性剂、润湿剂、佐剂、抗氧化剂、稳定剂、植物常量营养物、植物微量营养物、杀虫剂、杀真菌剂、抗病毒剂、抗细菌剂、除草剂或它们的组合。
35.权利要求25至34的任意一项所述的组合物，其进一步包含微生物。
36.权利要求35所述的组合物，其中所述的微生物为固氮微生物或菌根。
37.权利要求25至36任意一项所述的组合物，其进一步包含植物繁殖材料。
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