CN115851636A - 一种突变的pds多肽及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了抗除草剂基因、多肽及其在植物育种中的应用，具体地，本发明提供了一种突变的PDS多肽，所述突变的PDS多肽与亲本PDS多肽相比，在对应于SEQ ID No.1第538位氨基酸发生突变。突变后的PDS多肽对除草剂具有很强的耐受性，在提高和培育抗PDS抑制剂性除草剂植物领域具有非常广阔的应用前景。

Description

一种突变的PDS多肽及其应用

技术领域

本发明属于基因工程领域，具体涉及赋予植物对PDS抑制剂性除草剂产生抗性或耐受性的突变型PDS多肽、其编码核酸以及应用。

背景技术

农田杂草是作物生产中的主要危害之一，而施用化学除草剂是防治农田杂草最经济有效的手段。然而，随着除草剂的持续和大量使用，近年来越来越多的杂草对除草剂产生抗性，抗性杂草已经发展成为全球性问题。开发能够有效应对抗性杂草的具有不同作用机制的除草剂成为应对全球杂草危害最经济有效的解决方法。

八氢番茄红素脱氢酶PDS(phytoene desaturase)，是植物体内类胡萝卜素合成途径中的首要限速酶，参与以异戊二烯焦磷酸(IPP)和二甲基丙烯焦磷酸(DMAPP)为前体生成类胡萝卜素的过程。

PDS抑制剂类除草剂包括，氟草敏、氟丁酰草胺、氟吡酰草胺、吡氟酰草胺、氟啶草酮、氟咯草酮、呋草酮、达草灭、氟啶酮，这些除草剂能够于PDS结合，抑制其活性，使八氢番茄红素大量累积，导致叶绿素不能稳定的存在，使植物失去光合作用能力而停止生长。

吡氟酰草胺(Diflufenican)是一种取代吡啶基酰苯胺类除草剂，主要用于玉米、大豆及麦田防除多种一年生禾本科杂草和某些阔叶杂草。吡氟酰草胺通过抑制八氢番茄红素脱氢酶(PDS)，阻碍类胡萝卜素生物合成，导致叶绿素破坏及细胞破裂，这引起明显的漂白症状和易感植物组织坏死，最终导致植物死亡。

发明内容

为了增强植物对PDS抑制剂类除草剂的解毒能力，培育强抗性品种，我们对PDS基因进行定向进化并获得了对PDS抑制剂类除草剂具有抗性或耐受性的突变PDS多肽。

本发明的目的是提供一种可提高植物对PDS抑制性除草剂产生抗性或耐受性的突变型PDS多肽；本发明还涉及突变型PDS的生物学活性片段，编码所述蛋白或片段的多核苷酸及其应用。

本发明中，所述PDS蛋白，在水稻中，该基因编号为LOC_Os03g08570，编码八氢番茄红素脱氢酶，氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。

一方面，本发明提供了一种PDS(phytoene desaturase)的突变多肽，所述突变多肽与亲本PDS的氨基酸序列相比，在对应于SEQ ID No.1所示氨基酸序列的第538位氨基酸位点处存在突变。

在另一优选例中，所述的突变为氨基酸的插入、缺失或替换。

在另一优选例中，所述的突变多肽为除草剂抗性/耐受性多肽，尤其是针对PDS抑制剂类除草剂的抗性/耐受性。

在一个实施方式中，所述第538位氨基酸位点为L。

在一个实施方式中，所述第538位氨基酸突变为非L的氨基酸，例如，A，V，G，Q，F，W，Y，D，N，E，K，M，T，C，P，H，R，I，S；优选，V。

在一个实施方式中，所述第538位氨基酸突变为V。

另一方面，本发明提供了一种突变型的PDS多肽，所述突变型的PDS多肽选自以下I-III任意一组：

I、由SEQ ID No.1所示氨基酸序列第538位氨基酸位点处产生突变得到的突变型的PDS多肽；

II、与I所述的突变型的PDS多肽相比，具有I中所述的突变位点；并且，与I所述的突变型的PDS多肽相比，具有至少80％、至少85％、至少90％、至少91％、至少92％、至少93％、至少94％、至少95％、至少96％、至少97％、至少98％、或至少99％的序列同一性的突变型的PDS多肽，并且保留了除草剂抗性的活性；

III、与I所述的突变型的PDS多肽相比，具有I中所述的突变位点；并且，与I所述的突变型的PDS多肽相比，具有一个或多个氨基酸的置换、缺失或添加的序列，并且保留了除草剂抗性的活性；所述一个或多个氨基酸包括1个，2个，3个，4个，5个，6个，7个，8个，9个或10个氨基酸的置换、缺失或添加。

在另一优选例中，所述的突变型PDS多肽进一步包括其他突变位点，所述的其他突变位点为对应于SEQ ID No.1所示氨基酸序列的第288、409、493、526位点中的一种或多种，所述的其他突变位点能够保持或增强突变多肽对PDS抑制性除草剂的耐受性或抗性或增加突变型PDS多肽对除草剂的适用范围。优选的，所述的其他突变位点为对应于SEQ ID No.1所示氨基酸序列的R288H、L409P、V493G、L526R突变。

在另一优选例中，所述亲本PDS多肽来源于单子叶植物和/或双子叶植物。

在另一优选例中，所述亲本PDS多肽来源于选自下组的一种或多种植物：禾本科、豆科、藜科、十字花科植物。

在另一优选例中，所述亲本PDS多肽来源于选自下组的一种或多种植物：拟南芥、水稻、烟草、玉米、高粱、大麦、小麦、小米、大豆、番茄、马铃薯、藜麦、生菜、油菜、白菜、草莓。

在另一优选例中，所述亲本PDS多肽来源于水稻，所述水稻包括籼稻、粳稻，优选的，所述PDS的氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。

在另一优选例中，所述亲本PDS多肽的氨基酸序列与SEQ ID No.1所示的氨基酸序列具有至少80％、至少85％、至少90％、至少95％、至少96％、至少97％、至少98％、至少99％的序列同一性。

在另一优选例中，所述突变多肽(除草剂抗性多肽)为SEQ ID No.1所示的多肽经突变形成的。

在另一优选例中，所述的突变多肽除所述上述突变外，其余的氨基酸序列与SEQID No.1所示的序列相同或基本相同。

在另一优选例中，所述的基本相同是至多有50个(较佳地为1-20个，更佳地为1-10个、更佳地1-5个)氨基酸不相同，其中，所述的不相同包括氨基酸的取代、缺失或添加，且所述的突变蛋白具有除草剂耐受活性(PDS抑制剂类除草剂)。

本领域技术人员清楚，可以改变蛋白质的结构而不对其活性和功能性产生不利影响，例如可以在蛋白质氨基酸序列中引入一个或多个保守性氨基酸取代，而不会对蛋白质分子的活性和/或三维结构产生不利影响。本领域技术人员清楚保守性氨基酸取代的实例以及实施方式。具体的说，可以用与待取代位点属于相同组的另一氨基酸残基取代该氨基酸残基，即用非极性氨基酸残基取代另一非极性氨基酸残基，用极性不带电荷的氨基酸残基取代另一极性不带电荷的氨基酸残基，用碱性氨基酸残基取代另一碱性氨基酸残基，和用酸性氨基酸残基取代另一酸性氨基酸残基。这样的取代的氨基酸残基可以是也可以不是由遗传密码编码的。只要取代不导致蛋白质生物活性的失活，则一种氨基酸被属于同组的其他氨基酸替换的保守取代落在本发明的范围内。因此，本发明的蛋白可以在氨基酸序列中包含一个或多个保守性取代,这些保守性取代最好根据表1进行替换而产生。另外，本发明也涵盖还包含一个或多个其他非保守取代的蛋白，只要该非保守取代不显著影响本发明的蛋白质的所需功能和生物活性即可。保守氨基酸置换可以在一个或多个预测的非必需氨基酸残基处进行。“非必需”氨基酸残基是可以发生改变(缺失、取代或置换)而不改变生物活性的氨基酸残基，而“必需”氨基酸残基是生物活性所需的。“保守氨基酸置换”是其中氨基酸残基被具有类似侧链的氨基酸残基替代的置换。氨基酸置换可以在PDS的非保守区域中进行。一般而言，此类置换不对保守的氨基酸残基，或者不对位于保守基序内的氨基酸残基进行，其中此类残基是蛋白质活性所需的。然而，本领域技术人员应当理解，功能变体可以具有较少的在保守区域中的保守或非保守改变。

本领域熟知，可以从蛋白质的N和/或C末端改变(置换、删除、截短或插入)一或多个氨基酸残基而仍保留其功能活性。因此，从PDS蛋白的N和/或C末端改变了一或多个氨基酸残基、同时保留了其所需功能活性的蛋白，也在本发明的范围内。这些改变可以包括通过现代分子方法例如PCR而引入的改变，所述方法包括借助于在PCR扩增中使用的寡核苷酸之中包含氨基酸编码序列而改变或延长蛋白质编码序列的PCR扩增。

应认识到，蛋白质可以以各种方式进行改变，包括氨基酸置换、删除、截短和插入，用于此类操作的方法是本领域通常已知的。例如，可以通过对DNA的突变来制备PDS蛋白的氨基酸序列变体。还可以通过其他诱变形式和/或通过定向进化来完成，例如，使用已知的诱变、重组和/或改组(shuffling)方法，结合相关的筛选方法，来进行单个或多个氨基酸取代、缺失和/或插入。

领域技术人员能够理解，本发明PDS蛋白中的这些微小氨基酸变化可以出现(例如天然存在的突变)或者产生(例如使用r-DNA技术)而不损失蛋白质功能或活性。如果这些突变出现在蛋白的催化结构域、活性位点或其它功能结构域中，则多肽的性质可改变，但多肽可保持其活性。如果存在的突变不接近催化结构域、活性位点或其它功能结构域中，则可预期较小影响。

本领域技术人员可以根据本领域已知的方法，例如定位诱变或蛋白进化或生物信息系的分析，来鉴定PDS蛋白的必需氨基酸。蛋白的催化结构域、活性位点或其它功能结构域也能够通过结构的物理分析而确定，如通过以下这些技术：如核磁共振、晶体学、电子衍射或光亲和标记，结合推定的关键位点氨基酸的突变来确定。

表1

在一个实施方式中，所述的PDS抑制剂类除草剂(或者，称之为PDS抑制性除草剂)包括哒嗪酮类、酰胺类、吡啶类、吡咯烷酮类、苯基呋喃酮类或其组合。哒嗪酮类除草剂优选氟草敏；酰胺类除草剂优选氟丁酰草胺、氟吡酰草胺、吡氟酰草胺中的一种或任意几种；吡啶类除草剂优选氟啶草酮；吡咯烷酮类除草剂优选氟咯草酮；苯基呋喃酮类除草剂优选呋草酮。

在另一优选例中，所述的PDS抑制性除草剂为三酮类除草剂，优选氟草敏、氟丁酰草胺、氟吡酰草胺、吡氟酰草胺、氟啶草酮、氟咯草酮、呋草酮、达草灭、氟啶酮中的一种或任意几种。

在另一优选例中，所述的突变多肽与亲本PDS多肽相比，其对最大PDS抑制性除草剂的耐受浓度，提高至少1.5倍，优选提高至少2倍，优选提高至少3倍，优选提高至少4倍，优选提高至少5倍，优选提高至少6倍，优选提高至少10倍。

在另一优选例中，含有突变多肽的植物相比亲本型植物对PDS抑制性除草剂的最大耐受浓度至少提高了2倍，优选提高了3倍，优选提高了4倍，优选提高了5倍，优选提高了6倍，优选提高了7倍，优选提高了8倍，优选提高了10倍，优选提高了12倍，优选提高了14倍，优选提高了16倍。

在另一优选例中，所述突变型PDS多肽赋予植物至少0.01mg/L，优选至少0.02mg/L，优选至少0.03mg/L，优选至少0.05mg/L，优选至少0.08mg/L，优选至少0.1mg/L，优选至少0.2mg/L，优选至0.5mg/L，优选至少0.8mg/L，优选至少1mg/L，优选至少2mg/L，优选至少5mg/L，优选至少10mg/L-50mg/L浓度的PDS抑制性除草剂的耐受性。

本发明另一方面，提供了一种多核苷酸，编码所述突变多肽或其活性片段的多核苷酸，或者编码所述融合蛋白。

在另一优选例中，所述的多核苷酸选自下组：基因组序列、cDNA序列、RNA序列、或其组合。

在另一优选例中，所述的多核苷酸优选是单链的或双链的。

在另一优选例中，所述的多核苷酸在所述突变多肽的ORF的侧翼还额外含有选自下组的辅助元件：信号肽、分泌肽、标签序列(如6His)、核定位信号或其组合。

在另一优选例中，该多核苷酸还包含与所述突变多肽的ORF序列操作性连接的启动子。

在另一优选例中，所述的启动子选自下组：组成型启动子、组织特异性启动子、诱导型启动子、或者强启动子。

本发明另一方面，提供一种核酸构建体，含有所述的多核苷酸以及与之可操作连接的调控元件。

在另一优选例中所述的调控元件选自下组中的一种或多种：增强子、转座子、启动子、终止子、前导序列、多腺苷酸序列、标记基因。

另一方面，本发明还提供了一种载体，所述载体包含有编码本发明的突变型PDS多肽或者融合蛋白的核酸序列，优选的，所述载体还包括与上述核酸序列可操作连接的表达调控元件。

在另一优选例中，所述的载体包括克隆载体、表达载体、穿梭载体或整合载体。

在一个实施方式中，所述表达载体中还至少含有一个复制起点，以实现自我复制。

在一个实施方式中，所述载体可以是当引入宿主细胞时被整合入基因组中并与其所整合入的染色体一起复制的载体。

载体可以是质粒、病毒、粘粒、噬菌体等类型，它们是本领域技术人员所熟知的。

优选地，本发明中的载体是质粒。

另一方面，本发明提供了一种赋予植物对PDS抑制剂性除草剂产生抗性/耐受性的组合物或者复合物，所述组合物或者复合物能够在植物中产生PDS突变多肽。

本发明还提供了上述组合物或者复合物在制备具有PDS抑制性除草剂抗性/耐受性的植物中的应用。

本发明另一方面，提供一种宿主细胞，所述的宿主细胞含有所述突变型PDS、所述编码突变型PDS的基因、所述融合蛋白、载体和核酸构建物中的一种或多种；或者，所述的宿主细胞基因组中整合有所述的多核苷酸。

在另一优选例中，所述的宿主细胞为真核细胞，如酵母细胞或动物细胞或植物细胞。

在另一优选例中，所述的宿主细胞为原核细胞，如大肠杆菌。

在另一优选例中，所述植物包括被子植物和裸子植物。

在另一优选例中，所述植物包括单子叶植物和双子叶植物。

在另一优选例中，所述植物包括草本植物和木本植物。

在另一优选例中，所述植物包括拟南芥、烟草、水稻、玉米、高粱、大麦、小麦、小米、大豆、番茄、马铃薯、藜麦、生菜、油菜、白菜、草莓。

本发明另一方面，提供一种耐受PDS抑制性除草剂或对PDS抑制性除草剂具有抗性/耐受性的植物细胞、植物组织、植物部分、植物，其中，所述植物细胞、植物组织、植物部分、植物含有所述的突变多肽或其多核苷酸序列。

本发明另一方面，提供一种赋予植物对PDS抑制性除草剂产生抗性或耐受性的方法，所述方法包括在植物细胞、植物组织、植物部分或植物中引入所述PDS突变多肽的步骤。

在另一优选例中，所述的方法中，引入PDS突变多肽包括将PDS突变多肽在植物细胞、植物组织、植物部分或植物中进行表达，例如，通过表达载体对所述突变多肽进行表达的，或者将所述编码突变多肽的多核苷酸整合到植物基因组上进行表达。

在另一优选例中，所述的方法中，引入PDS突变多肽包括自然变异、物理诱变(如紫外线诱变、X射线或Y射线诱变)、化学诱变(如亚硝酸、羟胺、EMS、亚硝基胍等)、生物诱变(如病毒或细菌介导的诱变)、基因编辑。

在另一优选例中，上述方法包括以下步骤：

(1)提供携带表达载体的农杆菌，所述的表达载体含有所述的突变多肽或其活性片段的DNA编码序列；

(2)将植物细胞、植物组织、植物部分与步骤(1)中的农杆菌接触，从而使所述突变多肽或其活性片段的DNA编码序列转入植物细胞，并且整合到植物细胞的染色体上；和

(3)选择已转入所述突变多肽或其活性片段的DNA编码序列的植物细胞。

在另一优选例中，所述的方法中，引入突变的方法包括自然变异、物理诱变(如紫外线诱变、X射线或Y射线诱变)、化学诱变(如亚硝酸、羟胺、EMS、亚硝基胍等)、生物诱变(如病毒或细菌介导的诱变)、基因编辑。

本发明另一方面，提供一种试剂，所述试剂可用于提高植物细胞、植物组织或植物的除草剂抗性或耐受性，所述的试剂含有本发明所述的突变多肽或编码突变多肽的核苷酸。

本发明另一方面，提供了所述突变多肽、所述多核苷酸、所述核酸构建体或所述载体在培育(制备)对PDS抑制性除草剂具有抗性或耐受性的植物、或制备用于培育对PDS抑制性除草剂具有抗性或耐受性的植物的试剂或试剂盒中的用途。

本发明另一方面，提供一种鉴定或选择转化的植物细胞、植物组织、植物或其部分的方法，包括：(i)提供转化的植物细胞、植物组织，植物或其部分，其中所述转化的植物细胞、植物组织、植物或其部分包含所示的多核苷酸或其变体或衍生物，其中多核苷酸编码作为选择标记使用的突变多肽，并且其中所述转化的植物细胞、植物组织、植物或其部份可以包含另一种分离的多核苷酸；(ii)使转化的植物细胞、植物组织、植物或其部份与至少一种PDS抑制性除草剂接触；(iii)确定植物细胞、植物组织、植物或其部分是否受抑制性除草剂影响；和(iv)鉴定或选择转化的植物细胞、植物组织、植物或其部分。

本发明另一方面提供一种在植物栽培地点控制不想要的植物有效量的方法，所述方法包括：

(1)在所述的栽培地点提供包含所述的突变多肽或所述的多核苷酸或所述的核酸构建体或所述载体的植物；

(2)将植物进行栽培，在所述的栽培地点施用有效量的PDS抑制性除草剂。

在一个实施方式中，所述不想要的植物为杂草。

另一方面，本发明还提供了一种控制植物附近杂草生长的方法，其包括：

a)提供上述对除草剂具有抗性的植物；

b)向所述植物和其附近的杂草施用有效量的除草剂，从而控制所述植物附近的杂草。

在另一优选例中，所述植物包括被子植物和裸子植物。

在另一优选例中，所述植物包括单子叶植物和双子叶植物。

在另一优选例中，所述植物包括草本植物和木本植物。

在另一优选例中，所述植物包括拟南芥、烟草、水稻、玉米、高粱、大麦、小麦、小米、大豆、番茄、马铃薯、藜麦、生菜、油菜、白菜、草莓。

一般定义

除非本申请定义，本发明中所使用的科学术语或专业名词具有本领域技术人员所理解的含义，当本领域技术人员理解的含义与本申请所定义的含义出现矛盾时，以本申请所定义的含义为准。

如本文所用，术语“AxxB”表示第xx位的氨基酸A变为氨基酸B，例如“S242G”表示第242位的氨基酸S突变为G，以此类推。对于同一位点的多种突变类型，各类型之间以“/”隔开，例如L538V表示相对于SEQ ID No.1的氨基酸序列而言，第538位的L被V取代。

如本文所用，术语“PDS”是指对八氢番茄红素脱氢酶(phytoene desaturase，PDS)，是植物体内类胡萝卜素合成途径中的首要限速酶。PDS的抑制会阻碍类胡萝卜素生物合成，导致叶绿素破坏及细胞破裂，这引起明显的漂白症状和易感植物组织坏死，最终导致植物死亡。

如本文所用，术语“PDS抑制剂”、“PDS除草剂”“PDS抑制性除草剂”、“PDS抑制类除草剂”可互换使用，是指本身有除草活性的物质或者与能改变其效果的其他除草剂和/或添加剂合用的物质，其通过抑制PDS而起作用，表现为抑制植物生长甚至使植物死亡的制剂。本身能够通过抑制PDS而起除草作用的物质在本领域中是熟知的，包括许多类型，除草剂优选1)哒嗪酮类，例如，氟草敏(Norflurazon，CAS号：27314-13-2)；2)酰胺类，例如，氟丁酰草胺(Beflubutamid,CAS号：113614-08-7)；氟吡酰草胺(Picolinafen,CAS号：137641-05-5)；吡氟酰草胺(Diflufenican,CAS号：83164-33-4)；3)吡啶类，例如，氟啶草酮(Fluridone，CAS号：59756-60-4)；4)吡咯烷酮类，例如，氟咯草酮(Flurochloridone，CAS号：61213-25-0)；5)苯基呋喃酮类,例如呋草酮(Flurtamone，CAS号：96525-23-4)；优选地，所述除草剂是酰胺类；优选地，所述除草剂是吡氟酰草胺。所述的除草剂可以综合考虑所适用作物或杂草的类型，在于出苗前、出苗后、种植前和种植时控制不想要植物(如杂草)。

术语“有效量”或“有效浓度”分别意指这样的量或浓度，所述量或浓度足够杀死相似的亲本(或野生型)植物、植物组织、植物细胞或宿主细胞或抑制其生长，但是所述量不杀死本发明的抗除草剂植物、植物组织、植物细胞和宿主细胞或不严重抑制其生长。一般地，除草剂的有效量是农业生产系统中例行用来杀死目的杂草的量。这种量是本领域普通技术人员已知的。本发明所述的除草剂是在任何生长阶段或在种植或出苗之前直接施加至植物或施加至植物的地点时，它们显示除草活性。观察到的效果取决于待控制的植物物种、植物的生长阶段、稀释物的施加参数和喷雾液滴大小、固态组分的粒度、使用时的环境条件、所用的具体化合物、使用的具体辅助剂和载体、土壤类型等，以及施加的化学品的量。如本领域已知，可以调节这些因素和其他因素以促进非选择性或选择性除草作用。

术语“亲本核苷酸或多肽”指的是可以在自然界中被发现存在的核酸分子或多肽(蛋白质)，其包括未经人工改造的野生型核酸分子或蛋白质(多肽)，也可以包括经过人工改造但不含有本发明内容的核酸分子或蛋白质(多肽)。其核苷酸可以通过基因工程技术来获得，如基因组测序、聚合酶链式反应(PCR)等，其氨基酸序列可由核苷酸序列推导而得到。所述“亲本植物”即含有亲本核苷酸或多肽的植物。所述“亲本核苷酸或多肽”可以根据本领域技术人员所熟知的技术从亲本植物中进行提取，亦可通过化学合成的方法获得。所述亲本PDS多肽的氨基酸序列，例如SEQ ID No.1所示。

本发明所述的“耐受性”或“抗性”是指PDS蛋白或含有蛋白的细胞、组织或植物体，在保持酶活性或生存力或植物生长情况下，所能承受除草剂的能力，一般可以用除草剂的使用量或使用浓度等参数进行表征。本发明所述的提高“耐受性”或“抗性”的最佳程度为在同等除草剂使用量或浓度下，可以减少或抑制或杀死不想要植物但不影响含有本发明所述突变蛋白的植物的生长或生存能力。

本发明所述“赋予植物对PDS抑制性除草剂产生抗性或耐受性”是包括针对亲本植物中没有对PDS抑制性除草剂的抗性或耐受性，或亲本植物对PDS抑制性除草剂有一定或较低的耐受性(在同等除草剂的浓度下)，通过向植物中引入本发明所述的突变多肽或编码突变多肽的核苷酸，从而给予没有抗性的植物一定程度的除草剂抗性或耐受性，提高具有一定或较低耐受性的植物对除草剂的耐受性。

术语“蛋白”、“多肽”和“肽”在本发明中可以互换使用，指的是氨基酸残基聚合物，包括其中一个或多个氨基酸残基是天然氨基酸残基的化学类似物的聚合物。本发明的蛋白和多肽可以重组产生，也可以通过化学合成。术语“突变蛋白”或“突变型蛋白”指的是这样的蛋白质，其与亲本蛋白质的氨基酸序列相比，具有一个或多个氨基酸残基的取代、插入、缺失和/或添加。如本文所用，术语“除草剂抗性多肽”、“突变的PDS多肽”、“突变型PDS多肽”、“突变PDS蛋白”、“突变PDS酶”、“突变蛋白”、“突变多肽”、“本发明多肽”等可互换使用。

术语“编码”是指多核苷酸中特定核苷酸序列的固有特性，例如基因，cDNA或mRNA，作为在具有限定的核苷酸序列(即rRNA，tRNA和mRNA)或限定的氨基酸序列及其产生的生物学特性的生物学过程中合成其它聚合物和大分子的模板。因此，如果对应于该基因的mRNA的转录和翻译在细胞或其它生物系统中产生蛋白质，则该基因编码该蛋白质。

术语“氨基酸”是指含有氨基的羧酸。生物体内的各种蛋白质是由20种基本氨基酸构成的。

术语“突变蛋白”或“突变型蛋白”指的是这样的蛋白质，其与亲本蛋白质的氨基酸序列相比，具有一个或多个氨基酸残基的取代、插入、缺失和/或添加。

本发明中，氨基酸残基可以用单字母表示，也可以用三字母表示，例如：丙氨酸(Ala，A)，缬氨酸(Val，V)，甘氨酸(Gly，G)，亮氨酸(Leu，L)，谷酰胺酸(Gln，Q)，苯丙氨酸(Phe，F)，色氨酸(Trp，W)，酪氨酸(Tyr，Y)，天冬氨酸(Asp，D)，天冬酰胺(Asn，N)，谷氨酸(Glu，E)，赖氨酸(Lys，K)，甲硫氨酸(Met，M)，丝氨酸(Ser，S)，苏氨酸(Thr，T)，半胱氨酸(Cys，C)，脯氨酸(Pro，P)，异亮氨酸(Ile，I)，组氨酸(His，H)，精氨酸(Arg，R)。

术语“多核苷酸”、“核苷酸序列”、“核酸序列”、“核酸分子”和“核酸”可以互换使用，包括DNA、RNA或者其杂交体，可以是双链或单链的。

如本文中所使用的，术语“可操作地连接”旨在表示感兴趣的核苷酸序列以一种允许该核苷酸序列的表达的方式被连接至该一种或多种调节元件(例如，处于一种体外转录/翻译系统中或当该载体被引入到宿主细胞中时，处于该宿主细胞中)。

在本发明中，“宿主生物”应理解为可以引入突变型PDS蛋白编码核酸的任何单细胞或多细胞生物，包括例如细菌如大肠杆菌，真菌如酵母(例如酿酒酵母)、霉菌(例如曲霉菌)，植物细胞和植物等。

术语“调控元件”又称“调节元件”，如本文中所使用的，旨在包括启动子、终止子序列、前导序列、多聚腺苷酸化序列、信号肽编码区、标记基因、增强子、内部核糖体进入位点(IRES)、和其他表达控制元件(例如转录终止信号，如多聚腺苷酸化信号和多聚U序列)，其详细描述可参考戈德尔(Goeddel)，《基因表达技术：酶学方法》(GENE EXPRESSIONTECHNOLOGY:METHODS IN ENZYMOLOGY)185，学术出版社(Academic Press)，圣地亚哥(SanDiego)，加利福尼亚州(1990)。在某些情况下，调控元件包括指导一个核苷酸序列在许多类型的宿主细胞中的组成型表达的那些序列以及指导该核苷酸序列只在某些宿主细胞中表达的那些序列(例如，组织特异型调节序列)。组织特异型启动子可主要指导在感兴趣的期望组织中的表达，所述组织例如肌肉、神经元、骨、皮肤、血液、特定的器官(例如肝脏、胰腺)、或特殊的细胞类型(例如淋巴细胞)。在某些情况下，调控元件还可以时序依赖性方式(如以细胞周期依赖性或发育阶段依赖性方式)指导表达，该方式可以是或者可以不是组织或细胞类型特异性的。在某些情况下，术语“调控元件”涵盖的是增强子元件，如WPRE；CMV增强子；在HTLV-I的LTR中的R-U5’片段((Mol.Cell.Biol.，第8(1)卷，第466-472页，1988)；SV40增强子；以及在兔β-珠蛋白的外显子2与3之间的内含子序列(Proc.Natl.Acad.Sci.USA.，第78(3)卷，第1527-31页，1981)。

如本文中所使用的，术语“启动子”具有本领域技术人员公知的含义，其是指一段位于基因的上游能启动下游基因表达的非编码核苷酸序列。组成型(constitutive)启动子是这样的核苷酸序列：当其与编码或者限定基因产物的多核苷酸可操作地相连时，在细胞的大多数或者所有生理条件下，其导致细胞中基因产物的产生。诱导型启动子是这样的核苷酸序列，当可操作地与编码或者限定基因产物的多核苷酸相连时，基本上只有当对应于所述启动子的诱导物在细胞中存在时，其导致所述基因产物在细胞内产生。组织特异性启动子是这样的核苷酸序列：当可操作地与编码或者限定基因产物的多核苷酸相连时，基本上只有当细胞是该启动子对应的组织类型的细胞时，其才导致在细胞中产生基因产物。

“核定位信号”或“核定位序列”(NLS)是对蛋白质“加标签”以通过核转运导入细胞核的氨基酸序列，即，具有NLS的蛋白质被转运至细胞核。典型地，NLS包含暴露在蛋白质表面的带正电荷的Lys或Arg残基。示例性核定位序列包括但不限于来自以下的NLS：SV40大T抗原，EGL-13，c-Myc以及TUS蛋白。

如本文中所使用的，术语“可操作地连接”旨在表示感兴趣的核苷酸序列以一种允许该核苷酸序列的表达的方式被连接至该一种或多种调控元件(例如，处于一种体外转录/翻译系统中或当该载体被引入到宿主细胞中时，处于该宿主细胞中)。

术语“载体”是包含允许载体整合入宿主细胞基因组或在细胞内不依赖于基因组而自主复制的元件。该载体可能包含保证自我复制的任何元件。其通常携带不是细胞中心代谢的一部分的基因，并且通常是双链DNA的形式。载体的选择通常取决于载体与该载体待引入之宿主细胞的相容性。如果使用载体，则载体的选择取决于本领域技术人员众所周知的用于转化宿主细胞的方法。例如，可以使用质粒载体。

术语“植物”应理解为能够进行光合作用的任何分化的多细胞生物，在包括处于任何成熟或发育阶段的作物植物，特别是单子叶或双子叶植物，蔬菜作物，包括洋蓟、球茎甘蓝、芝麻菜、韭葱、芦笋、莴苣(例如，结球莴苣、叶莴苣、长叶莴苣)、小白菜(bok choy)、黄肉芋、瓜类(例如，甜瓜、西瓜、克伦肖瓜(crenshaw)、白兰瓜、罗马甜瓜)、油菜作物(例如，球芽甘蓝、卷心菜、花椰菜、西兰花、羽衣甘蓝、无头甘蓝、大白菜、小白菜)、刺菜蓟、胡萝卜、洋白菜(napa)、秋葵、洋葱、芹菜、欧芹、鹰嘴豆、欧洲防风草、菊苣、胡椒、马铃薯、葫芦(例如，西葫芦、黄瓜、小西葫芦、倭瓜、南瓜)、萝卜、干球洋葱、芜菁甘蓝、紫茄子(也称为茄子)、婆罗门参、苣菜、青葱、苦苣、大蒜、菠菜、绿洋葱、倭瓜、绿叶菜类(greens)、甜菜(糖甜菜和饲料甜菜)、甘薯、唐莴苣、山葵、西红柿、芜菁、以及香辛料；水果和/或蔓生作物，如苹果、杏、樱桃、油桃、桃、梨、李子、西梅、樱桃、榅桲、杏仁、栗子、榛子、山核桃、开心果、胡桃、柑橘、蓝莓、博伊增莓(boysenberry)、小红莓、穗醋栗、罗甘莓、树莓、草莓、黑莓、葡萄、鳄梨、香蕉、猕猴桃、柿子、石榴、菠萝、热带水果、梨果、瓜、芒果、木瓜、以及荔枝；大田作物，如三叶草、苜蓿、月见草、白芒花、玉米/玉蜀黍(饲料玉米、甜玉米、爆米花)、啤酒花、荷荷芭、花生、稻、红花、小粒谷类作物(大麦、燕麦、黑麦、小麦等)、高粱、烟草、木棉、豆科植物(豆类、小扁豆、豌豆、大豆)、含油植物(油菜、芥菜、罂粟、橄榄、向日葵、椰子、蓖麻油植物、可可豆、落花生)、拟南芥属、纤维植物(棉花、亚麻、大麻、黄麻)、樟科(肉桂、莰酮)、或一种植物如咖啡、甘蔗、茶、以及天然橡胶植物；和/或花坛植物，如开花植物、仙人掌、肉质植物和/或观赏植物，以及树如森林(阔叶树和常绿树，如针叶树)、果树、观赏树、以及结坚果的树(nut-bearing tree)、以及灌木和其他苗木。

术语“不想要的植物”理解为影响所需植物(如农作物)正常生长的、没有实用或应用价值的植物，可以包括杂草，例如双子叶和单子叶杂草。双子叶杂草包括，但不限于以下属的杂草：白芥属(Sinapis)、独行菜属(Lepidium)、拉拉藤Galium)、繁缕属(Stellaria)、母菊属(Matricaria)、春黄菊属(Anthemis)、牛膝菊属(Galinsoga)、藜属(Chenopodium)、荨麻属(Urtica)、千里光属(Senecio)、苋属(Amaranthus)、马齿苋属(Portulaca)、苍耳属(Xanthium)、旋花属(Convolvulus)、番薯属(Ipomoea)、蓼属(Polygonum)、田菁属(Sesbania)、豚草属(Ambrosia)、蓟属(Cirsium)、飞廉属(Carduus)、苦苣菜属(Sonchus)、茄属(Solanum)、蔊菜属(Rorippa)、节节菜属(Rotala)、母草属(Lindernia)、野芝麻属(Lamium)、婆婆纳属(Veronica)、苘麻属(Abutilon)、三棘果属(Emex)、曼陀罗属(Datura)、堇菜属(Viola)、鼬瓣花属(Galeopsis)、罂粟属(Papaver)、矢车菊属(Centaurea)、车轴草属(Trifolium)、毛莨属(Ranunculus)和蒲公英属(Taraxacum)。单子叶杂草包括，但不限于以下属的杂草：稗属(Echinochloa)、狗尾草属(Setaria)、黍属(Panicum)、马唐属(Digitaria)、梯牧草属(Phleum)、早熟禾属(Poa)、羊茅属(Festuca)、穇属(Eleusine)、臂形草属(Brachiaria)、黑麦草属(Lolium)、雀麦属(Bromus)、燕麦属(Avena)、莎草属(Cyperus)、高粱属(Sorghum)、冰草属(Agropyron)、狗牙根属(Cynodon)、雨久花属(Monochoria)、飘拂草属(Fimbristyslis)、慈姑属(Sagittaria)、荸荠属(Eleocharis)、藨草属(Scirpus)、雀稗属(Paspalum)、鸭嘴草属(Ischaemum)、尖瓣花属(Sphenoclea)、龙爪茅属(Dactyloctenium)、剪股颖属(Agrostis)、看麦娘属(Alopecurus)和阿披拉草属(Apera)。所述的不想要植物还可以包括与所要栽培植物不同的其他植物，例如在水稻栽培地自然生长的部分或少量大豆等作物。

在本发明中，术语“植物组织”或“植物部分”包括植物细胞、原生质体、植物组织培养物、植物愈伤组织、植物块以及植物胚、花粉、胚珠、种子、叶、茎、花、枝、幼苗、果实、核、穗、根、根尖、花药等。

在本发明中，“植物细胞”应理解为来自或发现于植物的任何细胞，其能够形成例如：未分化组织如愈伤组织，分化组织如胚胎，植物的组成部分，植物或种子。

术语“同源性”或“同一性”用于指两个多肽之间或两个核酸之间序列的匹配情况。因此，本发明的组合物和方法还包含本发明的核苷酸序列和多肽序列的同源物。可以通过包括但不限于以下的已知方法计算“同源性”：Computational Molecular Biology[计算分子生物学](Lesk,A.M.编辑)Oxford University Press[牛津大学出版社],纽约(1988)；Biocomputing:Informatics and Genome Projects[生物运算：信息学和基因组项目](Smith,D.W.编辑)Academic Press[学术出版社],纽约(1993)；Computer Analysis ofSequence Data,Part I[序列数据的计算机分析，第I部分](Griffin,A.M.和Griffin,H.G.编辑)Humana Press[胡马纳出版社],新泽西州(1994)；Sequence Analysis in MolecularBiology[分子生物学中的序列分析](von Heinje,G.编辑)Academic Press[学术出版社](1987)；以及Sequence Analysis Primer[序列分析引物](Gribskov,M.和Devereux,J.编辑)Stockton Press[斯托克顿出版社],纽约(1991)。

本发明所述蛋白质内的特定氨基酸位置(编号)是利用标准序列比对工具通过将目标蛋白质的氨基酸序列与SEQ ID NO.1进行比对而确定的，譬如用Smith-Waterman运算法则或用CLUSTALW2运算法则比对两个序列，其中当比对得分最高时认为所述序列是对准的。比对得分可依照Wilbur,W.J.and Lipman,D.J.(1983)Rapid similarity searchesofnucleic acid and protein data banks.Proc.Natl.Acad.Sci.USA,80:726-730中所述的方法进行计算。在ClustalW2(1.82)运算法则中优选使用默认参数：蛋白质缺口开放罚分＝10.0；蛋白质缺口延伸罚分＝0.2；蛋白质矩阵＝Gonnet；蛋白质/DNA端隙＝-1；蛋白质/DNAGAPDIST＝4。优选采用AlignX程序(vectorNTI组中的一部分)，以适于多重比对的默认参数(缺口开放罚分:10og缺口延伸罚分0.05)通过将蛋白质的氨基酸序列与SEQ ID No.1进行比来确定本发明所述蛋白质内特定氨基酸的位置。

应理解，本发明突变蛋白中的氨基酸编号基于SEQ ID No.1作出，当某一具体突变蛋白与SEQ ID No.1所示序列的同源性达到80％或以上时，突变蛋白的氨基酸编号可能会有相对于SEQ ID No.1的氨基酸编号的错位，如向氨基酸的N末端或C末端错位1-5位，而采用本领域常规的序列比对技术，本领域技术人员通常可以理解这样的错位是在合理范围内的，且不应当认为由于氨基酸编号的错位而使同源性达80％(如90％、95％、98％)的、具有相同或相似的除草剂耐受活性的突变蛋白不在本发明突变蛋白的范围内。

在本发明中，亲本PDS可以来源于任何植物，特别是前述单子叶或双子叶植物。现有技术文献中已经公开了一些来源的亲本(如野生型)PDS蛋白序列以及编码序列，这些现有技术文献在此引入本文作为参考。

优选地，本发明的亲本PDS蛋白来源于稻属，特别是水稻。本发明中，PDS(phytoenedesaturase)，基因编号为LOC_Os03g08570，编码八氢番茄红素脱氢酶。更优选地，所述亲本PDS具有SEQ ID NO.1所示的氨基酸序列，或者与SEQ ID NO.1所示氨基酸序列有至少80％、至少85％、至少90％、至少95％、至少96％、至少97％、至少98％或至少99％序列同一性的氨基酸序列。

根据本发明的教导，本领域技术人员还可以根据SEQ ID No.1所示的PDS，通过序列比对的方式获得水稻或者其他植物中的其他的PDS，并根据与SEQ ID No.1所对应的氨基酸位点，获得对应于SEQ ID No.1所示氨基酸序列的第538位的氨基酸位点，并进行相应的突变，已获得对除草剂具有抗性/耐受性的PDS突变多肽。

本发明还包括所述突变多肽(蛋白)还包括其活性片段、变体、衍生物和类似物包括以下所述的蛋白的任何取代、突变或修饰所产生的物质。

例如，本领域技术人员还清楚，可以改变蛋白质的结构而不对其活性和功能性产生不利影响，例如可以在蛋白质氨基酸序列中引入一个或多个保守性氨基酸取代，而不会对蛋白质分子的活性和/或三维构型产生不利影响。本领域技术人员清楚保守性氨基酸取代的实例以及实施方式。具体的说，可以用与待取代位点属于相同组的另一氨基酸残基取代该氨基酸残基，即用非极性氨基酸残基取代另一非极性氨基酸残基，用极性不带电荷的氨基酸残基取代另一极性不带电荷的氨基酸残基，用碱性氨基酸残基取代另一碱性氨基酸残基，和用酸性氨基酸残基取代另一酸性氨基酸残基。这样的取代的氨基酸残基可以是也可以不是由遗传密码编码的。只要取代不损害蛋白质的生物活性，则一种氨基酸被属于同组的其他氨基酸替换的保守取代落在本发明的范围内。因此，本发明的突变型PDS蛋白除了包含上述突变之外，还可以在氨基酸序列中包含一个或多个其他突变例如保守性取代。另外，本发明也涵盖还包含一个或多个其他非保守取代的突变型PDS蛋白，只要该非保守取代不显著影响本发明的蛋白质的所需功能和生物活性即可。

如本领域中所熟知的，可以从蛋白质的N和/或C末端缺失一或多个氨基酸残基而仍保留其功能活性。因此，在另一方面，本发明还涉及从突变型PDS蛋白的N和/或C末端缺失了一或多个氨基酸残基、同时保留了其所需功能活性的片段(比如含有本发明突变位点的氨基酸片段)，它们也在本发明的范围内，被称为生物活性片段。在本发明中，“生物活性片段”是指本发明的突变型PDS蛋白的一部分，其保留了本发明的突变型PDS蛋白的生物学活性、同时对PDS抑制剂的耐受性或抗性相比于不具有所述突变的PDS片段有所提高。例如，突变型PDS蛋白的生物学活性片段可以是在所述蛋白质的N和/或C末端缺失了一个或多个(例如1-50个、1-25个、1-10个或1-5个，例如1、2、3、4或5个)氨基酸残基的部分，但其仍然保留了全长蛋白的生物学活性。

此外，还可以对本发明突变蛋白进行修饰。修饰(通常不改变一级结构)形式包括：体内或体外的突变蛋白的化学衍生形式如乙酰化或羧基化。修饰还包括糖基化，如那些在突变蛋白的合成和加工中或进一步加工步骤中进行糖基化修饰而产生的突变蛋白。这种修饰可以通过将突变蛋白暴露于进行糖基化的酶(如哺乳动物的糖基化酶或去糖基化酶)而完成。修饰形式还包括具有磷酸化氨基酸残基(如磷酸酪氨酸，磷酸丝氨酸，磷酸苏氨酸)的序列。还包括被修饰从而提高了其抗蛋白水解性能或优化了溶解性能的突变蛋白。

本发明还提供编码所述突变型PDS多肽的多核苷酸，也可以是还包括附加编码和/或非编码序列的多核苷酸。本领域技术人员十分清楚，由于遗传密码的简并性，有多种不同的核酸序列可以编码本文公开的氨基酸序列。产生编码相同蛋白质的其他核酸序列在本领域普通技术人员的能力范围内，因此本发明涵盖因遗传密码子的简并性而编码相同氨基酸序列的核酸序列。例如，为了在目标宿主生物例如植物中实现异源基因的高表达，可以对所述基因采用宿主生物偏好的密码子进行优化，以使其更好地表达。

本发明还包括严格条件下与上述多核苷酸序列杂交且两个序列之间具有至少50％，较佳地至少70％，更佳地至少80％匹配度的多核苷酸。优选地，所述严谨条件可以指6M尿素、0.4％SDS、0.5×SSC的条件或与其同等的杂交条件，也可以指严谨性更高的条件，例如6M尿素、0.4％SDS、0.1×SSC或与其同等的杂交条件，或杂交时加有变性剂，如50％(v/v)甲酰胺，0.1％小牛血清/0.1％ Ficoll，42℃等。在各种条件中，温度可约为40℃以上，如需要严谨性更高的条件时，温度例如可约为50℃，进一步可约为65℃。

本发明的突变蛋白和多核苷酸优选以分离的形式提供，更佳地，被纯化至均质。

本发明多核苷酸全长序列通常可以通过PCR扩增法、重组法或人工合成的方法获得。对于PCR扩增法，可根据本发明所公开的有关核苷酸序列，尤其是开放阅读框序列来设计引物，并用市售的cDNA库或按本领域技术人员已知的常规方法所制备的cDNA库作为模板，扩增而得有关序列。当序列较长时，常常需要进行两次或多次PCR扩增，然后再将各次扩增出的片段按正确次序拼接在一起。所获得的核苷酸序列可将其克隆入载体，再转入细胞，然后通过常规方法从增殖后的宿主细胞中分离得到大批量有关序列。本发明突变位点亦可通过人工合成引入。

本发明还提供了一种核酸构建体，其中包含编码本发明的突变型PDS蛋白或其生物活性片段或者融合蛋白的核酸序列以及与之可操作连接的一个或多个调控元件。

术语“调控元件”在本发明中指的是能够调节与之可操作连接的核酸的转录和/或翻译的核酸序列。所述的调控元件包括启动子序列、终止子序列、前导序列、多聚腺苷酸化序列、信号肽编码区、标记基因等。

本发明所述的启动子可以是在选定宿主细胞内显示转录活性的任何核苷酸序列，包括突变的、截短的和杂合的启动子，并且可能获自与宿主细胞同源或异源的编码细胞外或细胞内多肽的基因。作为在植物细胞或植物中表达的启动子，可使用PDS天然的启动子，或者在植物中具有活性的异源启动子。所述启动子可以是组成型表达的，或者可以是诱导型表达的。启动子的实例包括例如组蛋白启动子，水稻肌动蛋白启动子，植物病毒启动子例如花椰菜花叶病毒启动子等。

本发明还提供了一种表达载体，其中包含有编码本发明的突变型PDS蛋白或其生物活性片段或者融合蛋白的核酸序列以及与之可操作连接的表达调控元件。表达载体中还至少含有一个复制起点，以实现自我复制。载体的选择通常取决于载体与该载体待引入之宿主细胞的相容性。载体可能是自主复制载体，即作为染色体外实体存在的载体，它的复制不依赖于染色体的复制，例如质粒、染色体外元件、微型染色体或人工染色体。该载体可能包含保证自我复制的任何元件。或者，所述载体可能是当引入宿主细胞时被整合入基因组中并与其所整合入的染色体一起复制的载体。此外，可使用单个载体或质粒或者一起包含待引入宿主细胞基因组之总DNA的两个或更多个载体或质粒，或者转座子。或者，所述载体也可以是对宿主细胞内源性的PDS基因进行基因编辑的载体。

载体可以是例如质粒、病毒、粘粒、噬菌体等类型，它们是本领域技术人员所熟知的，在本领域中众多描述。优选地，本发明中的表达载体是质粒。表达载体可包含启动子、翻译起始的核糖体结合位点、聚腺苷酸化位点、转录终止子、增强子等。表达载体中也可以含有一个或多个可选择标记基因以便用于选择包含载体的宿主细胞。这种可选择的标记包括编码二氢叶酸还原酶的基因，或赋予新霉素耐受性的基因，赋予对四环素或氨苄青霉素耐受性的基因等。

本发明的载体可以包含允许载体整合入宿主细胞基因组或在细胞内不依赖于基因组而自主复制的元件。对于整合进入宿主细胞基因组的方面，所述载体可依靠编码多肽的多核苷酸序列或适于通过同源或非同源重组整合入基因组的载体的任何其它元件。或者，载体可包含用于指导在染色体的准确位置通过同源重组整合入宿主细胞基因组的附加的核苷酸序列。为了提高在准确位置处整合的可能性，整合元件应优选包含足够数目的核酸，譬如100至10,000个碱基对，优选400至10,000个碱基对，更优选800至10,000个碱基对，它们与相应的靶序列具有高度的同一性以提高同源重组的概率。整合元件可能是与宿主细胞基因组内靶序列同源的任何序列。此外，整合元件可能是非编码的或编码的核苷酸序列。另一方面，载体可能通过非同源重组整合入宿主细胞的基因组内。对于自主复制而言，载体可能进一步包含能使载体在所述宿主细胞内自主复制的复制起点。复制起点可能是在细胞内发挥作用的介导自主复制的任何质粒复制子。术语"复制起点"或"质粒复制子"在此定义为能使质粒或载体在体内进行复制的核苷酸序列。

可将一拷贝以上的本发明之多核苷酸插入宿主细胞中以提高基因产物的产量。可通过将至少一个额外拷贝的序列整合入宿主细胞基因组中或者通过将可扩增的可选择标记基因与所述多核苷酸包含在一起来达到多核苷酸拷贝数目的增加，在后一情形下，包含扩增拷贝的选择标记基因以及由此而来的附加拷贝的多核苷酸的细胞可通过在适当的可选择制剂存在的条件下人工培养所述细胞进行选择。

本领域的技术人员熟知的方法能用于构建含除草剂抗性多肽编码DNA序列和合适的转录/翻译控制信号的载体。这些方法包括体外重组DNA技术、DNA合成技术、体内重组技术等。所述的DNA序列可有效连接到载体中的适当启动子上，以指导mRNA合成。载体还包括翻译起始用的核糖体结合位点和转录终止子。

本发明中适用的载体包括可从商业渠道获得的质粒，例如但不限于：pBR322(ATCC37017)，pKK223-3(Pharmacia Fine Chemicals，Uppsala，Sweden)，GEM1(PromegaBiotec，Madison，WI，USA)pQE70，pQE60，pQE-9(Qiagen)，pD10，psiX174pBluescript IIKS，pNH8A，pNH16a，pNH18A，pNH46A(Stratagene)，ptrc99a，pKK223-3，pKK233-3，pDR540，pRIT5(Pharmacia)，pKK232-8，pCM7，pSV2CAT，pOG44，pXT1，pSG(Stratagene)，pSVK3，pBPV，pMSG，和pSVL(Pharmacia)等。

本发明还提供了包含本发明核酸序列、核酸构建体或表达载体的宿主细胞。将包含编码本发明的载体引入宿主细胞中使得载体作为染色体整合体的一部分存在或如早先所述作为自我复制的染色体外载体存在，或者载体可以对宿主细胞内源性的PDS基因进行基因编辑。宿主细胞可以是本领域技术人员熟悉的任何宿主细胞，包括原核生物细胞和真核生物细胞。

本发明的核酸序列、核酸构建体或表达载体可以通过多种技术导入宿主细胞，包括转化、转染、转导、病毒感染、基因枪或Ti-质粒介导的基因传递，以及钙磷酸盐转染、DEAE-葡聚糖介导的转染、脂转染或电穿孔等。

本发明还涉及产生突变型PDS蛋白或其生物活性片段的方法。包括：(a)在有助于所述突变型PDS蛋白或其生物活性片段或融合蛋白生产的条件下培养上述宿主细胞；和(b)分离所述突变型PDS蛋白或其生物活性片段或融合蛋白。

在本发明的生产方法中，用本领域众所周知的方法将所述细胞培养于适于所述多肽产生的营养培养基上。若所述多肽被分泌入营养培养基中，则可直接从培养基中回收该多肽。若所述多肽不分泌到培养基中，则可从细胞裂解物中回收它。

可用本领域已知特异于所述多肽的方法检测该多肽。这些检测方法可包括使用特异抗体、形成酶产物或酶底物的消失。

产生的多肽可用本领域已知的方法回收。例如，可以通过离心收获细胞，用物理的或化学的方法使之破碎，并保留得到的粗提取液以进一步纯化。可以用任何方便的方法裂解表达本发明的突变型PDS蛋白或其生物活性片段或融合蛋白的转化宿主细胞，包括冻融循环、超声波、机械破碎或使用细胞溶解剂。这些方法是本领域技术人员熟知的。可以从转化宿主细胞的培养物中回收和纯化本发明的突变型PDS蛋白或其生物活性片段，采用的方法包括硫酸铵或乙醇沉淀、酸提取、阴离子或阳离子交换层析、磷酸纤维素层析、疏水作用层析、亲合层析、羟磷灰石层析和植物血凝素层析等等。

本发明还涉及一种制备对PDS抑制型除草剂具有耐受性或抗性的宿主生物特别是植物细胞、植物组织、植物部分或植物的方法，其中包括用包含本发明的突变型PDS蛋白或其生物活性片段的编码核酸序列、包含所述核酸序列的核酸构建体或表达载体对所述宿主生物进行转化，合适的载体和选择标记是本领域技术人员所熟知的。宿主细胞例如植物细胞的转化方法是现有技术中已知的，包括例如原生质体转化、融合、注射、电穿孔、PEG介导的转化、离子轰击、病毒转化、农杆菌介导的转化、电穿孔或轰击等。现有技术中描述了一系列这样的转化方法，例如EP1186666中描述了大豆转化的技术，WO 92/09696中描述了单子叶植物特别是水稻转化的合适技术等。还可以有利地用根癌农杆菌或发根农杆菌培养植物外植体，以将DNA转移进植物细胞。然后可以在合适的培养基中从感染的植物材料部分(如叶碎片、茎节段、根以及原生质体或悬浮培养的细胞)再生完整植物，所述培养基可以含有用于选择的抗生素或杀虫剂。转化细胞以通常的方式在植物中生长，它们可以形成生殖细胞并将转化的性状传递到子代植物。这样的植物能以正常方式培养并与具有相同转化遗传因子或其他遗传因子的植物杂交。得到的杂合个体具有相应的表型特性。

本发明还提供了一种提高植物细胞、植物组织、植物部分或植物的PDS抑制性除草剂耐受性或抗性的方法，其中包括用包含本发明的突变型PDS蛋白或其生物活性片段或者融合蛋白的编码核酸序列的核酸分子转化所述植物或其部分，并使之表达。所述核酸分子可以作为染色体外实体存在而进行表达，或者可以整合到植物细胞的基因组中实现表达，特别是通过同源重组整合到植物细胞的内源基因位置处实现表达。

发明还提供了一种提高植物或其部分的PDS抑制性除草剂耐受性或抗性的方法，其中包括将表达本发明的突变型PDS蛋白或其生物活性片段或者融合蛋白的植物与另一植物杂交，以及筛选具有提高的PDS抑制性除草剂抗性或耐受性的植物或其部分。

本发明还提供了一种提高植物细胞、植物组织、植物部分或植物中的PDS抑制性除草剂耐受性或抗性的方法，其中包括对所述植物细胞、植物组织、植物部分或植物的内源性PDS蛋白进行基因编辑，以实现在其中表达本发明的突变型PDS蛋白或其生物活性片段或者融合蛋白。

本发明进一步涉及通过上述方法获得的植物细胞、植物组织、植物部分和植物，及其后代。优选地，可以将转化了本发明多核苷酸的植物细胞、植物组织或植物部分再生为整个植株。本发明包括细胞培养物，包括组织细胞培养物、液体培养物和固体平板培养物。由本发明植物所产生和/或用于再生本发明植物的种子也包括在本发明范围内。其他植物组织和部分也包括在本发明中。本发明同样包括产生含有本发明核酸分子的植物或细胞的方法。产生这类植物的一种优选方法为通过种植本发明的种子。以这种方式转化的植物可以获得对多种具有不同作用模式的除草剂的抗性。

本发明还提供了一种在植物栽培地控制不想要植物有效量的方法，或者控制植物附近杂草生长的方法，其包括：对包含本发明的植物或种子的栽培地施用控制不想要植物有效量的一种或多种PDS抑制性除草剂。

在本发明中，术语“栽培地”包括栽培本发明植物的场地例如土壤，也包括例如植物种子、植物苗以及长成的植物。术语“控制不想要植物有效量”指的是除草剂的量足以影响不想要植物，如杂草，的生长或发育，例如阻止或抑制不想要植物的生长或发育，或者杀灭所述不想要植物。有利地，所述控制不想要植物有效量不会显著影响本发明植物种子、植物苗或植物的生长和/或发育。本领域技术人员可以通过常规实验确定这样的控制不想要植物有效量。

本发明的主要优点：

本发明筛选出了一种对PDS抑制剂类除草剂具有较高抗性的PDS突变多肽，可以用于制备对PDS抑制剂类除草剂具有抗性或耐受的植物。

附图说明

图1.图1A和图1B分别示出了载体OE-PDS-WT(P2128)图谱、载体OE-PDS-L538V(P2127)图谱。

图2.植株5、6、7、25、26、27、45、46、47和对照组植株CK(野生型、非转基因)施用吡氟酰草胺除草剂后45天的生长状态。其中，植株5、6、7施用吡氟酰草胺除草剂后能够正常生长，为绿苗；植株25、26、27施用吡氟酰草胺除草剂后为中等白化苗；植株45、46、47施用吡氟酰草胺除草剂后为严重白化苗；对照组的野生型植株CK白化死亡。

图3.植株1、2、3、4、16、17、18、19、36和对照组植株CK(野生型、非转基因)施用吡氟酰草胺除草剂后45天的生长状态。其中，植株1、2、3、4、16、17、18、19、36施用吡氟酰草胺除草剂后能够正常生长，为绿苗；对照组植株CK白化死亡。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，以下所述，仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以下实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本发明的保护范围内。

以下实验内容结合实施例子对本发明作进一步的解释说明。在这些实施例中描述的所有方法和操作是以举例方式提供的，其不应被理解为限制性的。有关DNA的操作的方法可以参照Current Protocols in Molecular Biology，第1和2卷，Ausubel F.M.GreenePublishing Associates and Wiley Interscience,1989,Molecular Cloning,T.Maniatis et al.,1982，或者Sambrook J.and Russell D.,2001，Molecular Cloning:alaboratory manual,version 3。

实施例1、过表达PDS植株的获得

1、靶点设计及载体构建

水稻内源PDS基因(LOC_Os03g08570)的氨基酸序列如SEQ ID No.1所示，其基因序列如SEQ ID No.2所示。

MDTGCLSSMNITGTSQARSFAGQLPTHRCFASSSIQALKSSQHVSFGVKSLVLRNKGKRFRRRLGALQVVCQDFPRPPLENTINFLEAGQLSSFFRNSEQPTKPLQVVIAGAGLAGLSTAKYLADAGHKPILLEARDVLGGKIAAWKDEDGDWYETGLHIFFGAYPNIQNLFGELGINDRLQWKEHSMIFAMPNKPGEFSRFDFPETLPAPLNGIWAILRNNEMLTWPEKVKFALGLLPAMVGGQAYVEAQDGFTVSEWMKKQGVPDRVNDEVFIAMSKALNFINPDELSMQCILIALNRFLQEKHGSKMAFLDGNPPERLCMPIVDHVRSLGGEVRLNSRIQKIELNPDGTVKHFALTDGTQITGDAYVFATPVDILKLLVPQEWKEISYFKKLEKLVGVPVINVHIWFDRKLKNTYDHLLFSRSSLLSVYADMSVTCKEYYDPNRSMLELVFAPAEEWVGRSDTEIIEATMQELAKLFPDEIAADQSKAKILKYHVVKTPRSVYKTIPDCEPCRPLQRSPIEGFYLAGDYTKQKYLASMEGAVLSGKLCAQSVVEDYKMLSRRSLKSLQSEVPVAS(SEQ ID No.1)。

(1)、构建野生型PDS基因过表达载体OE-PDS-WT(P2128)：

a、骨架载体p3021用BamHI/SpeI进行双酶切，切胶回收载体14097bp；

b、PCR扩增水稻PDS基因(水稻PDS的核酸序列如SEQ ID No.2所示，其编码的氨基酸序列如SEQ ID No.1所示)，引物为P2127-F1/P2127-R2，回收1785bp片段；

P2127-F1：ttacttctgcaggtcgactctagagATGGATACTGGCTGCCTGTCATCTA；

P2127-R2：ggggaaattcgagctctctagaaCTAGGAGGCAACAGGAACTTCAGACTGCA；

c、上述a+b组片段同源重组连接；

d、转入LB+Kan平板培养，挑单克隆分别液体(1ml LB+Kan)培养2h，PCR菌液检测选择正确的单克隆，测序。

e、选择测序正确的单克隆进行扩繁、保菌、提质粒。

(2)、构建突变型PDS基因过表达载体OE-PDS-L538V(P2127)：

a、骨架载体p3021用BamHI/SpeI进行双酶切，切胶回收载体14097bp；

b、PCR扩增PDS基因(本实施方式中，突变型PDS为SEQ ID No.1所示序列的第538位的L突变为V)，引物为P2127-F1/P2127-R1-1，回收1645bp片段；

P2127-F1：ttacttctgcaggtcgactctagagATGGATACTGGCTGCCTGTCATCTA；

P2127-R1-1：CGAAGCCACATATTTCTGCTTTGTGTAGTCACCAG；

c、PCR扩增PDS基因(本实施方式中，突变型PDS为SEQ ID No.1所示序列的第538位的L突变为V)，引物为P2127-F2-1/P2127-R2，回收159bp片段；

P2127-F2-1：GCAGAAATATGTGGCTTCGATGGAGGGTGCAGTTC

P2127-R2：ggggaaattcgagctctctagaaCTAGGAGGCAACAGGAACTTCAGACTGCA

d、上述a+b+c组片段同源重组连接；

e、转入LB+Kan平板培养，挑单克隆分别液体(1ml LB+Kan)培养2h，PCR菌液检测，选择正确的单克隆，测序。

f、选择测序正确的单克隆进行扩繁、保菌、提质粒。

图1A和图1B分别示出了载体OE-PDS-WT(P2128)图谱、载体OE-PDS-L538V(P2127)图谱。

2、农杆菌转化

通过电转法将含有靶点的质粒转化农杆菌EHA105。

3、农杆菌浸染和分化培养

挑取水稻愈伤组织用农杆菌浸染，愈伤组织接种于含40mg/L Hygromycin和400mg/L Carbenicillin的筛选培养基上筛选，然后将筛选的愈伤组织转移到含30mg/LHygromycin、100mg/L Carbenicillin和70nM吡氟酰草胺除草剂的分化培养基上培养。最后将分化出的幼苗留1cm左右的根，其余部分用镊子截掉，转移至含20mg/L Hygromycin、100mg/L Carbenicillin和0.1mg/l吡氟酰草胺的生根培养基中生根培养。

过表达载体OE-PDS-WT(P2128)转化得到的转基因植株和过表达载体OE-PDS-L538V(P2127)转化得到的转基因植株种植在人工气候室，成熟后收种，利用T1代转基因植株进行吡氟酰草胺除草剂抗性验证。T1代过表达载体OE-PDS-WT(P2128)转基因植株编号为5、6、7、25、26、27、45、46、47，均为野生型PDS的过表达植株；T1代过表达载体OE-PDS-L538V(P2127)转基因植株编号为1、2、3、4、16、17、18、19、36，均为突变型PDS(L538V)的过表达植株。

实施例2、吡氟酰草胺除草剂抗性的鉴定

各转基因植株水稻发芽后7天开始施用吡氟酰草胺除草剂。各转基因植株水稻于30cmx45cmx8cm大盘中，浇灌8mg/L吡氟酰草胺2L，处理45天后取样，观察生长情况并检测PDS基因表达水平，内源性PDS基因表达水平是植株本身的PDS表达量，外源性PDS基因表达水平是过表达的PDS表达量。

图2为植株5、6、7、25、26、27、45、46、47和对照组植株CK(野生型、非转基因)施用吡氟酰草胺除草剂后45天的生长状态。其中，植株5、6、7施用吡氟酰草胺除草剂后能够正常生长，为绿苗；植株25、26、27施用吡氟酰草胺除草剂后为中等白化苗；植株45、46、47施用吡氟酰草胺除草剂后为严重白化苗；对照组的野生型植株CK白化死亡。

表2OE-PDS-WT(P2128)转基因株系PDS基因qPCR定量结果

上表中的CK为非转基因的野生型水稻植株，为对照组。

结合图2和表2可知，在PDS基因总表达量提高不足1倍时(植株45、46、47)，植株施用吡氟酰草胺除草剂后严重白化。在PDS基因总表达量提高7倍以上时(植株5、6、7、25、26、27)，某些植株施用吡氟酰草胺除草剂后表现绿色无药害，而有些植株施用吡氟酰草胺除草剂后表现出中等白化症状。这说明，提高PDS表达量可以一定程度上提高吡氟酰草胺除草剂抗性。

图3为植株1、2、3、4、16、17、18、19、36和对照组植株CK(野生型、非转基因)施用吡氟酰草胺除草剂后45天的生长状态。其中，植株1、2、3、4、16、17、18、19、36施用吡氟酰草胺除草剂后能够正常生长，为绿苗；对照组植株CK白化死亡。

表3OE-PDS-L538V(P2127)转基因株系PDS基因qPCR定量结果

上表中的CK为非转基因的野生型水稻植株，为对照组。

结合图3和表3可知，在PDS基因总表达量提高不足1倍和1倍以上时(植株1、2、3、4、16、17、18、19、36)，植株施用吡氟酰草胺除草剂后表现绿色无药害。

综合分析可知，植株45(WT)与植株36(L538V)相比，同样是PDS基因过表达，PDS总表达量提高不足1倍，植株45(WT)的PDS总表达量为1.75，植株36(L538V)的PDS总表达量为1.80，植株45施用吡氟酰草胺除草剂后严重白化，植株36施用吡氟酰草胺除草剂后表现绿色无药害；这说明，对于过表达PDS植株来说，PDS突变(L538V)后，植株对吡氟酰草胺除草剂抗性显著提高。

实施例3、在水稻中验证PDS突变对除草剂的抗性

基于上述的PDS第538位突变位点，通过基因编辑或者突变的方式，在水稻中对内源的PDS进行以下突变：L538V，L538A,L538G,L538Q,L538F,L538W,L538Y,L538D,L538N,L538E,L538K,L538M,L538T,L538C,L538P,L538H,L538R,L538I,L538S。

具体的，利用ABE或CBE单碱基编辑器对相关的位点进行突变，例如，基于突变的位点，设计合适的sgRNA，形成靶向水稻内源PDS基因的碱基编辑器；然后，以水稻品种作为实验材料，把以上构建好的碱基编辑器分别通过农杆菌转化，获得基因编辑植株。生出的苗用含有PDS抑制剂类除草剂(例如，嗪酮类、酰胺类、吡啶类、吡咯烷酮类、苯基呋喃酮类除草剂)的培养基进行验证；结果显示，通过以下突变形式L538V，L538A,L538G,L538Q,L538F,L538W,L538Y,L538D,L538N,L538E,L538K,L538M,L538T,L538C,L538P,L538H,L538R,L538I,L538S编辑后的水稻植株与野生型相比可以不同程度的耐受PDS抑制剂类除草剂。

另外，分别在大田种植L538V，L538A,L538G,L538Q,L538F,L538W,L538Y,L538D,L538N,L538E,L538K,L538M,L538T,L538C,L538P,L538H,L538R,L538I,L538S突变的编辑水稻植株，进行PDS抑制剂类除草剂抗性测试，相较于野生型，上述编辑植株均表现除了不同程度的除草剂抗性。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (11)

1.一种PDS(phytoene desaturase)的突变多肽，所述突变多肽与亲本PDS的氨基酸序列相比，在对应于SEQ ID No.1所示氨基酸序列的第538位氨基酸位点处存在突变；

优选地，第538位氨基酸突变为非L的氨基酸。

2.根据权利要求所述的突变多肽，其特征在于，所述亲本PDS来源于单子叶植物或双子叶植物；

优选地，所述亲本PDS来源于水稻。

3.一种多核苷酸，所述多核苷酸编码权利要求1-2任一所述的突变多肽。

4.一种核酸构建体，其特征在于，所述核酸构建体含有权利要求3所述的多核苷酸；

任选的，还含有与之可操作连接的调控元件；

优选地，所述调控元件选自下组中的一种或任意几种：增强子、转座子、启动子、终止子、前导序列、多核苷酸序列、标记基因。

5.一种宿主细胞，其特征在于，所述宿主细胞包括权利要求1-2任一所述的突变多肽，或权利要求3所述的多核苷酸，或权利要求4所述的核酸构建体。

6.一种赋予植物对PDS抑制剂性除草剂产生抗性/耐受性的组合物或者复合物，其特征在于，所述组合物或者复合物能够在植物中产生权利要求1-2任一所述的突变多肽。

7.权利要求6所述的组合物或者复合物在制备具有PDS抑制剂性除草剂抗性/耐受性的植物中的应用。

8.一种赋予植物对PDS抑制剂性除草剂产生抗性/耐受性的方法或者制备具有PDS抑制剂性除草剂抗性/耐受性的植物的方法，所述方法包括在植物细胞、植物种子、植物组织、植物部分或植物中引入权利要求1-2任一所述的突变多肽的步骤。

9.权利要求1-2任一所述的突变多肽，或权利要求3所述的多核苷酸，或权利要求4所述的核酸构建体、或权利要求5所述的宿主细胞在制备具有PDS抑制剂性除草剂抗性/耐受性的植物中的用途。

10.一种植物细胞、植物种子、植物组织、植物部分或植物，其包含权利要求1-2任一所述的突变多肽，或权利要求3所述的多核苷酸，或权利要求4所述的核酸构建体、或权利要求5所述的宿主细胞。

11.一种在植物栽培地点控制不想要的植物的方法，所述方法包括：

(1)提供包含权利要求1-2任一所述的突变多肽，或权利要求3所述的多核苷酸，或权利要求4所述的核酸构建体、或权利要求5所述的宿主细胞的植物，或者提供由权利要求8方法得到的植物；

(2)将步骤(1)的植物进行栽培，并向所述栽培地点施用PDS抑制剂性除草剂。

Images