CN1267333A - 在转基因植物中表达果糖1,6二磷酸醛缩酶 - Google Patents
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Abstract
果糖-1,6-二磷酸醛缩酶(FDA)是一种能可逆地催化将丙糖磷酸转化成果糖-1,6-二磷酸的反应的酶。在叶片中,这种酶存在于叶绿体(淀粉合成)和细胞质(蔗糖生物合成)中。制备了能在叶绿体中表达大肠杆菌fda的转基因植物,以便通过具体提高叶片的淀粉生物合成能力和一般提高蔗糖产量而提高植物的产量。与表达无效载体的对照植物相比,来自表达fda转基因的植物的叶片特别是在光周期的早期,表现出明显较高的淀粉积累,但具有较低的叶片蔗糖。转基因植物还具有明显较高的根质量。另外,能表达fda的转基因马铃薯具有改善了的固体均一性。
Description
本发明涉及在转基因植物中表达果糖1,6二磷酸醛缩酶(FDA),以便加强或改善植物生长和发育,产量,活力,抗逆性,碳分配和向各种贮存器官的贮存,以及淀粉的分配。表达FDA的转基因植物在植物源器官和贮存器官中具有增强的碳同化,输出和贮存,由此导致农作物生长、产量和品质的改善。
遗传工程的最新进展提供了转化植物使其含有外源(通常称之为“异源”)或改进的内源基因的必要工具。所述基因可导致在植物组织中业已存在的途径的改进或者导入一种新的途径,以便改变产量水平,提高代谢效率,和或节省细胞的能量消耗。目前,有可能生产出特殊生理学和生物化学特征和较高的农艺和作物加工重要性的性状的植物。在植物生长和发育、作物产量潜力和稳定性、以及作物品质和组成方面起着重要作用的特征包括增强了的碳同化、有效的碳贮存、和增强了的碳输出和分配。
由植物进行的大气碳的固定(光合作用)是支持所有生活生物的过程的主要能量来源。光合活性的主要部位(一般被称为“能源器官”)是成熟的叶片和在较低的程度上是绿色茎杆。能源叶片的主要碳产物是淀粉,它是叶绿体中糖类的转运贮存形式,以及蔗糖,它是在高等植物中转运的碳的主要形式。被称为“贮存器官”的其他植物部分(例如,根、果实、花、种子、块茎、和球茎)通常是非自养的,并依靠输入蔗糖或其他主要可转运糖类维持其生长和发育。所述贮存器官贮存输入的代谢产物,如蔗糖和其他寡聚糖,淀粉和其他多糖,蛋白,和甘油三酯。
在叶片中,卡尔文循环(导致碳同化的生物化学途径)的主要产物是甘油醛3-磷酸(G3P)和二羟基丙酮磷酸(DHAP),又被称为丙糖磷酸(丙糖-P),由G3P和DHAP缩合成果糖1,6二磷酸(FBP)的过程是由酶果糖1,6二磷酸醛缩酶(FDA),和各种已知同工酶可逆地催化的。酸性同工酶似乎来源于叶绿体,并且占总叶片醛缩酶活性的大约85%。其碱性同工酶来源于细胞质。这两种同工酶似乎是由核基因组编码的,并且是由不同基因编码的(Lebherz等,1984)。
在叶片中,叶绿体FDA是卡尔文循环中的一种重要酶,在该循环中,其活性产生用于淀粉生物合成的代谢物。通过反义技术可消除40%以上的质体醛缩酶酶促活性,减少叶片淀粉积累,以及可溶性蛋白和叶绿素含量,但也会减弱植物生长和根的形成(Sonnewald等,1994)。相反,细胞质FDA是蔗糖生物合成途径的一部分,在该途径中,它催化生成FBP的反应。而且,细胞质FDA还是源组织和贮存植物组织中的糖酵解和糖异生途径中的一种关键的酶。
在马铃薯产业中,生产较高淀粉和均匀固体的块茎是高度理想的和有价值的。用于法国式油炸马铃薯生产的现有马铃薯品种,如Russet Burbank和Shepody,其缺陷是在块茎髓质(内芯)和皮层(外芯)之间固体的非均匀沉积。法国式炸薯条取自髓组织,与外部皮层法国式炸薯条相比,具有较高的水分含量。皮层组织通常具有24%的固体含量,而髓组织通常具有17%的固体含量。因此,法国式油炸马铃薯生产工艺中,髓质薯条需要漂白、干燥、和较长时间的标准煎炸,以便清除多余的水分。对髓质炸薯条的适当加工会导致来自高固体的皮层的炸薯条的过度烹饪。所述法国式炸薯条处理器的漂白、干燥、和标准煎炸时间需要相应调整,以便适应低固体的髓质薯条和高固体的皮层薯条。在髓质和皮层之间具有均匀的淀粉分布的较高固体的马铃薯能够生产出更均匀的成品油炸食品,具有较高的植物产量,并因为漂白、干燥、和标准煎炸时间的减少而具有较低成本。
尽管以前业已鉴定了各种果糖1,6二磷酸醛缩酶,业已发现,这种酶在转基因植物中的超量表达可在植物中产生有利结果,增强同化作用,输出和贮存碳,提高该植物的油类和/或蛋白产量,并改善块茎固体的均一性。
本发明提供了编码果糖1,6二磷酸醛缩酶(FDA)酶的结构性DNA结构,该结构可用于增强植物中的碳同化、输出和贮存。
为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种生产一种遗传转化的植物的方法,该植物具有较高的碳同化作用、贮存、输送,和改善的固体均一性,该方法包括以下步骤:
(a)将一种重组的双链DNA分子插入植物基因组,该分子包括
(i)能在目标植物组织的细胞中起作用的启动子,
(ii)能导致编码果糖1,6二磷酸醛缩酶的RNA序列产生的结构性DNA序列,
(iii)能在植物细胞中起作用,导致转录终止并在RNA序列的3’末端添加聚酰苷酸化核苷酸的3’非翻译DNA序列;
(b)获得转化的植物细胞;和
(c)由转化的植物细胞再生遗传转化的植株,该植株具有较高的FDA活性。
在另一方面,提供了一种重组双链DNA分子,该分子依次包括
(i)能在目标植物组织的细胞中起作用的启动子,
(ii)能导致编码果糖1,6二磷酸醛缩酶的RNA序列产生的结构性DNA序列,
(iii)能在植物细胞中起作用,导致转录终止并在RNA序列的3’末端添加聚酰苷酸化核苷酸的3’非翻译DNA序列;
本发明的另一方面,所述导致编码果糖1,6二磷酸醛缩酶的RNA序列产生的DNA序列与一种叶绿体转运肽连接,以便将该酶转移到质体中。
根据本发明,提供了用于在各种植物的源组织中增强碳同化、贮存和输出的改进方法。还提供了在贮存组织(如根、块茎、种子、茎、和球茎)中改善碳积累的方法,以便增加各贮存器官的体积(较大的根、块茎等),并因此提高产量和作物生产力。对所述贮存器官的提高了的碳可利用性,还可以改善在贮存器官中的组成和使用效率(油类、蛋白、淀粉和/或蔗糖产量,和/或固体均一性)。
通过本发明的目的可以获得各种优点,包括:
首先,加强FDA酶在叶绿体中的表达,可以通过卡尔文循环加强碳的流动,并加强在光周期早期大气碳的同化作用。这将导致光合效率的加强和叶绿体淀粉产量的提高(在光合作用较低或缺乏期间被降解的叶片碳贮存形式)。以上反应会导致叶片蔗糖产量的提高,和在特定光周期中碳输出的净增加。这种源能力的增加是作物的一种理想特征,并可以导致植物生长、贮存能力、产量、活力和抗逆性的加强。
第二,在光合作用细胞胞质中增加FDA表达会导致能源叶片中蔗糖产量和输出量的提高。能源能力的这种提高是作物的一种理想特征,并会导致加强的植物生长、贮存能力、产量、活力和抗逆性。
第三,在贮存组织中表达FDA可以具有若干理想特征,例如在种子或其他贮存器官中通过糖酵解将碳流通提高(因此提高丙酮酸含量)从而具有提高的氨基酸和/或脂肪酸量,并加强了种子、根、茎、和块茎中葡萄糖6-磷酸的生产而提高淀粉量,其中,淀粉是主要的贮存非结构性糖类(反向酵解)。这种贮存强度的加强是作物的理想性状,并使得植物生长、贮存能力、产量、活力、和抗逆性增强。
第四,本发明特别适用于源于马铃薯的食品的商业生产。用于生产法国式炸马铃薯和其他食品的马铃薯所存在的缺陷是,固体在块茎髓质(内芯)和皮层(外芯)之间的非均匀分布。因此,与来自相同块茎的皮层薯条相比,这种块茎的髓质部的法国式炸薯条具有低的固体物含量和高的水分含量。因此,法国式油炸马铃薯加工者试图调整加工参数,以使得最终的内层薯条被充分煮熟,而外层薯条不会煮的太过。不过,所述调整的结果是高度可变的,并会导致劣质产品。表达fda的转基因马铃薯可以为法国式油炸马铃薯和马铃薯片的加工者提供一种原材料,该材料一致地具有较高的块茎固体均一性,具有可接受的农艺形状。在法国式油炸马铃薯植物生产工艺中,来自具有较高固体均一性块茎的内层油炸薯条需要较少的时间漂白,需要的较少的时间干燥至特定的固体含量,以及需要较少的时间进行标准煎炸,然后冷冻并销售给零售商和社会上的直接用户。
因此,就马铃薯而言,本发明提供了1)一种较高质量的、较均匀的成品油炸制品,其中,来自所有块茎部位的油炸马铃薯在加工时几乎相同,2)由于较少的加工时间,在法国式油炸马铃薯加工工厂中具有较高的产量,和3)由于需要投入较少的能量进行较少的漂白、干燥、和标准煎炸时间节省了加工成本。一种具有较高固体均一性的生的块茎产品,还能生产具有较低的鞍形卷曲、和降低了的中央起泡倾向的马铃薯片,以上两种情况是马铃薯行业中的不希望的质量。还会导致脂肪含量的降低;这会增加对消费者的吸引力,并减少加工者对油料的使用(并降低成本)。上述固体均一性的提高还可以表现为总体块茎固体物的增加。对于法国式油炸马铃薯和切片行业来说,这种总的块茎固体的增加还会导致加工厂的产量较高,因为减少了加工时间,并由于降低了进行漂白、干燥、标准煎炸和最终煎炸需要投入的能量而节省了成本。
图1表示源于大肠杆菌的果糖1,6二磷酸醛缩酶基因的核苷酸序列和推测的氨基酸序列(序列1)。
图2表示植物转化载体pMON 17524的质粒图谱。
图3表示植物转化载体pMON 17542的质粒图谱。
图4表示在表达fda转基因的(pMON17524)和对照(pMON17227)的烟草叶片中,蔗糖、葡萄糖、和淀粉含量在白天的波动变化。光照周期为7:00至19:00点。仅对充分展开的、并且未老化的叶片进行取样。
图5表示植物转化载体pMON13925的质粒图谱。
图6表示植物转化载体pMON17590的质粒图谱。
图7表示植物转化载体pMON13936的质粒图谱。
图8表示植物转化载体pMON17581的质粒图谱。
图9表示Segal Russet Burbank品系的改良的固体均一性(上面一排)与未改良的非转基因Russet Burbank(下面一排)的马铃薯块茎截面。
本发明涉及一种用于生产表现增强的或改善的生长和发育、产量、品质、淀粉贮存均一性、活力、和/或抗逆性的植物细胞和植物的方法。该方法利用通过遗传工程整合到植物细胞基因组中的编码fda(果糖1,6二磷酸醛缩酶)基因的DNA序列,并导致FDA酶在由此产生的转基因植物中的表达。超量表达FDA酶的植物具有增加了的碳通过卡尔文循环,并且在光周期早期具有加强了的大气碳同化作用,导致光合效率和淀粉产量的增加。因此,所述植物具有较高水平的由叶片产生的蔗糖,以及在特定光周期中获得碳输出的净增加的能力。这种能源能力的增加会导致植物生长的加强,并导致产生较大的生物量和/或增加贮存器官的大小,并最终提供较高的转基因植物产量。这种较大的生物量或增加的贮存器官的大小可以根据超量表达FDA酶的植物的具体植物种或生长条件以不同方式或植物部分证实。因此,由于FDA超量表达所致的增加的大小可以根据植物种及其在特定生长阶段的主要贮存器官并根据由某些生长条件,例如,干旱、高温或其他逆境引起的环境作用而在种子、果实、茎、叶、块茎、球茎或其他植物部分中见到。因此,超量表达FDA的转基因植物可能在植物能源和贮存器官部分具有增强的碳同化、输出和贮存,这会导致生长、产量、和均一性及品质的改善。
根据超量表达FDA的植物的种,超量表达FDA的植物可能还具有理想的品质特征,如提高了的淀粉、油类和/或蛋白产量。因此,FDA在特定植物种中的超量表达可能影响或改变碳流动的方向,因此通过FDA在糖酵解和糖异生代谢途径中的作用指导淀粉生产、蛋白生产或油类生产的代谢利用和贮存。
外源FDA表达改变碳关系的机制被认为源于能源贮存关系。叶片组织是蔗糖源,而且如果由于增强的FDA表达的活性所导致的更多的蔗糖被输送用于贮存,它会导致每一特定重量的贮存组织的贮存碳(糖、淀粉、油类、蛋白等)或氮(蛋白等)的增加。
以双链DNA形式存在的基因在植物中的表达,涉及由所述DNA的一股链通过RNA聚合酶进行的信使RNA(mRNA)的转录,以及随后在细胞核中进行的mRNA初级转录物的加工。该加工涉及3’非翻译区,将聚腺苷酸化核苷酸添加到该RNA的3’。DNA向RNA的转录,是受通常被称作启动子的一段DNA调控的。所述启动子区含有一个指示RNA聚合酶与DNA结合的碱基序列,并利用所述DNA链之一作为模板启始mRNA转录,以便产生相应的RNA互补链。该RNA随后被细胞蛋白生物合成器用作生产由它所编码的蛋白的模板。
在文献中业已披露了在植物细胞中有活性的大量启动子。其中,包括胭脂氨酸合酶(NOS)和章鱼氨酸合酶(OCS)启动子(所述启动子携带在根癌农杆菌的根瘤诱导质粒上),诸如花椰菜花叶病毒(CaMV)19S和35S的启动子和玄参花叶病毒(FMV)35S-启动子,来自一种非常丰富的植物多肽核糖体-1,5-二磷酸羧化酶小亚基(ssRUBISCO)的光诱导启动子,以及叶绿素a/b结合蛋白基因启动子等。所有上述启动子业已被用于生产业已在植物中表达的DNA结构;例如,参见PCT公开WO84/02913。
已知的或被证实的能在植物细胞中导致DNA转录的启动子可被用于本发明。所述启动子可以获自诸如植物和植物病毒的各种来源,并且包括,但不限于增强的CaMV35S启动子和从诸如ssRUBISCO基因的植物基因中分离的启动子。如下文所述,所选择的特定启动子优选能够导致充分的表达,以便产生有效量的果糖1,6二磷酸醛缩酶,导致所期望的碳同化、输出或贮存的增加。本发明双链DNA分子的表达可以由组成型启动子驱动,在所述植物的所有或大部分组织中表达所述DNA分子。另外,优选导致fda基因在所述植物的特定组织中表达,如叶、茎、根、块茎、种子、果实等。启动子的选择具有理想的组织和发育专一性。本领域技术人员可以理解,诱导碳同化、输出或贮存的理想增加所需要的果糖1,6二磷酸醛缩酶的量可以随着植物的种类而改变。因此,应当通过选择具有理想的组织表达能力和合适的启动子强度的启动子,和选择产生理想的果糖1,6二磷酸醛缩酶活性或在目标组织中具有糖类代谢的理想变化的转化体对启动子功能进行优化。这种从转化体库中进行选择的方法通常被用于在植物中表达外源结构基因,因为在含有相同外源基因的转化体之间由于基因在该植物基因组中的插入位点而有差异(通常称为“位置效应”)。除了已知能在植物细胞中导致DNA转录(组成型或组织特异型)的启动子之外,可以通过在植物cDNA文库中筛选选择性地或优选地在感兴趣的目标组织中表达的基因,然后通过本领域已知方法分离其启动子区鉴定其他用于本发明的启动子。具体地讲,将维管束鞘细胞特异性(或细胞增强的表达)的启动子用于诸如玉米、高粱、和甘蔗的C4植物,以便获得FDA超量表达的产量效益可能是有利的,而不使用组成型启动子或具有叶肉细胞增强表达特性的启动子。
为了在诸如叶或茎的植物能源组织中表达fda基因,用于本发明双链DNA分子上的启动子优选在所述特定组织中具有较高的表达。为此,人们还可以从多种启动子中选择,用于具有叶片专一性或叶片增强表达的基因。从文献中了解到的所述基因的例子有源于豌豆的叶绿体谷氨酰胺合成酶GS2(Edwards等,1990),源于小麦的叶绿体果糖1,6二磷酸酶(FBPase)(Lloyd等,1991),源于马铃薯的核光合ST-LS1(Stockhaus等,1989),和源于拟南芥(Arabidopsisthaliana)的苯丙氨酸氨裂合酶(PAL)和查耳酮合酶(CHS)基因(Leyva等,1995)。同样被证实在光合作用活跃的组织中具有活性的有从美州落叶松(Larix laricina)中提取的核糖体-1,5-二磷酸羧化酶(RUBI SCO)(Campbell等,1994);编码PSII的叶绿素a/b-结合蛋白的cab基因,从松树(cab6;Yamamoto等,1994)、小麦(Cab-1;Fe.jes等,1990)、菠菜(CAB-;Luebberstedt等,1994)、和稻(cab1R;Luan等,1992)中分离;源于玉米的丙酮酸正磷酸二激酶(PPDK)(Matsuoka等,1993);烟草Lhcb1*2基因(Cerdan等,1997);拟南芥SUC2蔗糖-H+同向转运基因(Truernit等,1995);从菠菜中提取的类囊体膜蛋白(psaD、psaF、psaE、PC、FNR、atpC、atpD、cab、rbcS;Oelmueller等,1992)。在所述文献中研究并披露了其他叶绿素a/b-结合蛋白,如源于白芥(Sinapis alba;Kretsch等,1995)的LhcB和PsbP。本文所披露的所述启动子的同源启动子还可以通过标准分子生物学方法从目标或相关作物中提取,并在这些作物中进行试验。
为了在植物的贮存组织中表达fda,例如,在马铃薯植物的块茎中;番茄的果实中;或玉米、小麦、稻、或大麦的种子中表达,用于本发明双链DNA分子的启动子优选在所述特定组织中具有较高的表达。多种具有块茎特异性或块茎增强型表达的基因是已知的,包括I型patatin启动子(Bevan等,1986;Jefferson等,1990);马铃薯块茎ADPGPP基因的大亚基和小亚基(Muller等,1990);蔗糖合酶(Salanoubat和Belliard,1987,1989);主要块茎蛋白,包括22kDa蛋白复合体和蛋白酶抑制剂(Hannapel,1990);颗粒结合淀粉合酶基因(GBSS)(Rohde等,1990),和其他I型和II型patatins(Rocha-Sosa等,1989;Mignery等,1988)。还可用其他启动子在诸如种子或果实的特定组织中表达果糖1,6-二磷酸醛缩酶基因。β-conglycinin的启动子(Tierney,1987)或其他种子特异性启动子,如napin和菜豆蛋白启动子可用于在种子中特异超量表达fda基因。玉米醇溶蛋白是存在于玉米胚乳中的一类贮存蛋白。业已分离了玉米醇溶蛋白基因的基因组克隆(Pedersen等,1982),和源于这些克隆的启动子,包括15kDa、16kDa、19kDa、22kDa、27kDa、和γ基因也可用于在玉米和其他植物的种子中表达fda基因。其他已知能在玉米、小麦、或稻中起作用的启动子包括以下基因的启动子:waxy、Brittle、Shrunken2,分支酶I和II、淀粉合酶、脱支酶、油质蛋白、谷蛋白、和蔗糖合酶。用于玉米胚乳表达,以及小麦和稻的fda基因表达的特别优选的启动子是源于稻谷蛋白基因的启动子,更优选为Osgt-1启动子(Zheng等,1993);玉米颗粒结合淀粉合酶(waxy)基因(zmGBS):稻小亚基ADPGPP启动子(osAGP);和玉米醇溶蛋白启动子,特别是玉米27kDa玉米醇溶蛋白基因启动子(zm27)(一般参见Russell等,1997)。适于在小麦中表达fda基因的启动子的例子包括ADP葡萄糖焦磷酸酶(ADPGPP)亚基基因的启动子,颗粒结合和其他淀粉合酶的启动子,分支和脱支酶的启动子,胚胎发生丰余蛋白的启动子,麦醇溶蛋白启动子,和麦谷蛋白启动子。水稻上的启动子的例子包括ADPGPP亚基基因的启动子,颗粒结合和其他淀粉合酶的启动子、分支酶的启动子、脱支酶的启动子、蔗糖合酶启动子、谷蛋白启动子。特别优选的启动子是稻谷蛋白启动子Osgt-1。大麦启动子的例子包括ADPGPP亚基基因的启动子,颗粒结合和其他淀粉合酶的启动子、分支酶的启动子、脱支酶的启动子、蔗糖合酶的启动子、大麦醇溶蛋白启动子、胚胎球蛋白启动子、和糊粉特异蛋白启动子。
通过表达位于根特异性启动子后面的fda基因,可以提高根组织中的固体含量。所述启动子的一个例子是源于酸性壳多糖酶基因的启动子(Samac等,1990)。还可以通过使用业已鉴定的CaMV35S启动子的根特异亚域实现在根组织中的表达(Benfey等,1989)。
由本发明DNA结构产生的RNA还可以含有5’非翻译前导序列,该序列可以源于被选择用于表达所述基因的启动子,并可以进行特异性修饰,以便增强mRNA的翻译。所述5’非翻译区还可以获自病毒RNAs、合适的真核基因、或合成基因序列。本发明并不局限于以下实施例中所列举的结构,其中,所述非翻译区源于伴随所述启动子序列的5’非翻译序列。而且,所述非翻译前导序列可源于不相关的启动子或编码序列。
在单子叶植物中,在所述基因结构中优选包括一个内含子,以便有利于或增强所述编码序列的表达。合适内含子的例子包括HSP70内含子和稻肌动蛋白内含子,这两种内含子在本领域中都是已知的。另一种合适的内含子是蓖麻籽过氧化氢酶内含子(Suzuki等,1994)。
聚腺苷酸化信号
所述嵌合的植物基因的3’非翻译区含有一个聚腺苷酸化信号,该信号在植物中起作用,导致在所述RNA的3’末端添加聚腺苷酸化核苷酸。合适的3’区的例子有(1)3’转录、非翻译区,含有诸如胭脂氨酸合酶(NOS)基因的农杆菌属根瘤诱导(Ti)质粒基因的聚腺苷酸化信号,和(2)诸如大豆贮存蛋白基因和核糖体-1,5-二磷酸羧化酶小亚基(ssRUBI SCO)基因的植物基因。质体指导的果糖-1,6-二磷酸醛缩酶活性的表达
在本发明的一种实施方案中,fda基因可以融合到叶绿体转运肽上,以便将FDA蛋白定向在质体上。在以下说明中,叶绿体和质体意在包括各种形式的质体,包括造粉体在内。很多定位于质体的蛋白是以前体形式由核基因表达的,并通过叶绿体转运肽(CTP)定向于质体,所述转运肽在输入步骤中被除去。所述叶绿体蛋白的例子包括核糖体-1,5-二磷酸羧化酶的小亚基(ssRUBISCO,SSU),5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合酶(EPSPS),铁氧还蛋白,铁氧还蛋白氧化还原酶,集光复合蛋白I和蛋白II,和硫氧还蛋白F。业已证实,通过使用具有CTP的蛋白融合体可以将非质体蛋白定向于叶绿体,并且一段CTP序列就足于将一种蛋白定向于所述质体。本领域技术人员还可以了解,各种其他嵌合结构可以利用一种具体质体转运肽的功能,将果糖-1,6-二磷酸醛缩酶输入植物细胞质体。还可以通过将所述基因转化到叶绿体基因组中将fda基因定向于所述质体(Daniell等,1998)。果糖1,6-二磷酸醛缩酶
在本文中,术语“果糖1,6-二磷酸醛缩酶”是指酶(E.C.4.1.2.13),它能催化果糖1,6-二磷酸的可逆裂解,以生成甘油醛3-磷酸(G3P)和二羟基丙酮磷酸(DHAP)。醛缩酶被分成两种类型,被称为I型和II型(Witke和Gotz,1993)。像很多蛋白一样,业已对编码所述酶的各种fda基因进行了测序,如源于玉米的胞质酶(GenBank保藏号S07789;S10638),源于稻的胞质酶(GenBank保藏号JQ0543),源于菠菜的胞质酶(GenBank保藏号S31091;S22093),源于拟南芥的酶(GenBank保藏号S11958),源于菠菜叶绿体(GenBank保藏号S31090;A21815;S22092)的酶,源于酵母(酿酒酵母)的酶(GenBank保藏号S07855;S37882;S12945;S39178;S44523;X75781),源于类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)的酶(GenBank保藏号B40767;D41080),源于枯草芽孢杆菌(B.subtilis)的酶(GenBank保藏号S55426;D32354;E32354;D41835),源于豌豆的酶(GenBank保藏号S29048;S34411),源于豌豆叶绿体的酶(GenBank保藏号S29047;S34410),源于玉米的酶(GenBank保藏号S05019),源于莱哈衣滴虫的酶(GenBank保藏号S48639;S58485;S58486;S34367),源于谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)的酶(GenBank保藏号S09283;X17313),源于空肠弯曲杆菌(Campylobacter jejuni)的酶(GenBank保藏号S52413),源于流感嗜血菌(Haemophilus influenzae)(菌株Rd KW20)的酶(GenBank保藏号C64074),源于肺炎链球菌(Streptococcus pneumonia)的酶(GenBank保藏号AJ005697),源于稻的酶(GenBank保藏号X53130),和源于玉米厌氧调节基因的酶(GenBank保藏号X12872)。
I型酶可以从诸如动物和植物的高等真核生物中提取,并存在于某些原核生物中,包括产气消化球菌(Peptococcus aerogens)(Lebherz和Rutter,1973),干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)(London和Kline,1973),大肠杆菌(E.coli)(Stribling和Perham,1973),耻垢分支杆菌(Mycobacterium smegmatis)(Bai等,1975),和大部分葡萄球菌(Gotz等,1979)。编码FDA酶的基因可以通过已知方法获得,并且业已在诸如兔(Lai等,1974)、人(Besmond等,1983)、大鼠(Tsutsumi等,1984)、锥虫(Clayton,1985)、和拟南芥(Chopra等,1990)的若干生物中实现。所述I型酶总是四聚体蛋白,总分子量大约为160kDa,并通过在底物和活性位点上的赖氨酸残基之间形成亚胺起作用(Alifounder等,1989)。
在动物中,有三种被分类为A、B、和C的I型同工酶,这些酶分别在肌肉、肝、和大脑组织的细胞质中表达,并且在其表达和区室化形式方面与植物醛缩酶不同(Joh等,1986)。在高等植物的叶片中,FDA是I型酶,并且在该类型中业已发现了两种不同的同工酶。一种包含在叶绿体中,另一种包含在细胞质中(Lebherz等,1984)。酸性植物同工酶似乎是包含在叶绿体中的,并且含有大约85%的总的叶片醛缩酶活性。碱性植物同工酶是细胞质中的,而且这两种同工酶似乎是由核基因组编码的,并且是由不同基因编码的(Lebherz等,1984)。
II型醛缩酶通常是二聚体,其分子量大约为80kDa,其活性取决于二价金属离子。II型酶还可以从诸如蓝绿藻和细菌的原核生物中提取,并可从真核绿色藻类和真菌中提取(Baldwin等,1978)。可以通过已知方法获得编码FDA II型酶的基因,并且业已从若干生物中获得了该基因,所述生物包括酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)(Jack和Harris,1971),嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillusstearothermophilus)(Jack,1973),和大肠杆菌(Baldwin等,1978)。
人们相信具有类似催化活性、高度同源的II型果糖1,6-二磷酸醛缩酶也存在于其他微生物种中,如酵母属(酿酒酵母);芽孢杆菌属(枯草芽孢杆菌);红细菌属(类球红细菌);疟原虫(恶性疟原虫,贝氏疟原虫);锥虫属(布氏锥虫);衣滴虫属(莱哈衣滴虫);念珠菌属(白色念珠菌);棒杆菌属(谷氨酸棒杆菌);弯曲杆菌属(空肠弯曲杆菌);和嗜血菌属(流感嗜血菌)。
所述序列可以通过本领域众所周知的方法提取,例如,通过核酸杂交方法。特定核酸对的杂交特性是其相似性或相同性的指标。可以根据其与已知fda序列杂交的能力筛选核酸序列。可以用低严格性的条件筛选具有较低同源性或相同性的序列。人们希望采用诸如大约0.15M-大约0.9M氯化钠,大约20℃-大约55℃范围内的温度的条件。可以用高严格性条件筛选与公开的序列具有较高相同程度的核酸序列。通常采用的条件可以包括大约0.02M-大约0.15M氯化钠,大约0.5%-大约5%酪蛋白,大约0.02%SDS或大约0.1N-十二烷基肌氨酸,大约0.001M-大约0.03M柠檬酸钠,杂交温度为大约50℃-大约70℃。更优选的高严格性条件为大约0.02M氯化钠,大约0.5%酪蛋白,大约0.02%SDS,大约0.001M柠檬酸钠,温度为大约50℃。技术人员可以理解,用于提取与本领域已知的fda序列具有相似性的fda序列的核酸杂交的条件和方法可以有多种变化,并且不局限于本文所明确披露的内容。所述方法优选用于分离与公开的大肠杆菌fda序列的同源性超过大约60%的fda序列,更优选同源性高于大约70%,最优选同源性高于大约80%。
根据生长条件,小眼虫,Chlamydomonas mundana,和莱哈衣滴虫产生I型或II型醛缩酶(Cremona,1968;Russell和Gibbs,1967;Guerrini等,1971)。
在以下例子中披露了从大肠杆菌中分离II型fda基因的方法。其DNA序列在序列1中给出,并且如图1所示。其氨基酸序列示于序列2中,并且如图1所示。该基因可以分离形式使用,将其插入适于所述选择的转化方法的植物表达载体中。大肠杆菌FDA酶的表观pH最佳范围接近pH7-9,并可以在5-7的较低pH范围内保持活性(Baldwin等,1978;Alfounder等,1989)。
因此,可以分离编码果糖1,6-二磷酸醛缩酶活性的很多不同基因,并用于本发明中。合成基因构建
本发明所涉及的糖类代谢酶包括任何氨基酸序列,如蛋白、多肽、或肽片段,所述序列具有催化与淀粉或蔗糖合成或分解相关的反应的能力。所述序列可以是从诸如藻类、细菌、真菌、和原生动物的外源来源中获得的序列,或是内源植物序列,就是说,可以是天然存在于植物细胞中的任何序列,包括天然(土生)植物序列,以及源于植物病毒或植物病原性细菌的序列。
本领域普通技术人员可以理解,还可以用诸如定点诱变或PCR的标准技术对糖类代谢酶基因序列进行修饰,或者通过生产合成核酸序列实现对所述序列的修饰,并且修饰以后仍然被视为本发明的糖类生物合成酶核酸序列。例如,可以改变密码子中的“摆动”位点,以使得所述核酸序列编码相同的氨基酸序列,或者,对密码子进行改变,以便产生保守性氨基酸取代。在任一种情况下,所述肽或蛋白保留了希望的酶促活性,并因此被视为本发明的一部分。
编码糖类代谢酶的核酸序列可以是源于基因组DNA、cDNA、mRNA的DNA或RNA序列,或者可以是全部或部分合成的。可以克隆所述结构基因序列,例如,通过从合适的来源分离基因组DNA,利用聚合酶链式反应(PCR)扩增并克隆感兴趣的序列。另外,可以完全或部分地合成所述基因序列,特别是在需要提供植物优选的序列时。因此,可以用被选定的植物宿主偏好的密码子合成需要的结构基因的全部或一部分。例如,可以从特定植物宿主种中蛋白表达最常用的密码子中确定植物优选的密码子。所述基因序列的其他修饰可以导致具有略微改变的活性的突变型。
如果需要,可以改变fda基因的基因序列,而不改变其蛋白序列,以加强表达,并因此更有可能正向影响转化植物中的糖类含量。在所述基因序列中产生所述改变的一种优选方法披露于PCT公开WO90/10076中。将通过本文下面所披露的方法合成的基因按下文所披露的方式导入植物中,并导致以较高含量表达FDA酶。该方法特别适用于诸如玉米、稻、小麦、甘蔗、和大麦的单子叶植物。与其他转基因的组合
通过与正向影响糖类同化或含量的基因组合可以增强fda在转基因植物中的作用,所述其他基因如披露于PCT公开WO96/24679中的编码蔗糖磷酸化酶的基因,或ADPGPP基因,如大肠杆菌g1gC基因及其突变型glgC16。PCT公开WO91/19806披露了如何将所述基因整合到很多植物种中,以便增加淀粉或固体。可以与fda组合以便加强碳同化、输出或贮存的另一个基因是编码蔗糖磷酸合酶(SPS)的基因。PCT公开WO92/16631披露了一种上述基因,及其在转基因植物中的应用。植物转化/再生
在开发本发明的核酸结构时,其结构或片段的各种成分通常被插入常见的克隆载体,例如,能够在诸如大肠杆菌的细菌宿主中复制的质粒。在有关文献中披露了多种现有的载体,其中,很多可以通过商业渠道获得。在每一次克隆之后,可以分离具有需要的插入片段的克隆载体,并进行进一步的操作,如限制性消化,插入新的片段或核苷酸,连接,缺失,突变,重新切断等,以便对所述需要的序列的成分进行修饰。一旦完成所述结构,即可将其转移到合适的载体上,按照转化宿主细胞的方法进行进一步的操作。
本发明的重组DNA分子通常包括一个选择标记,以便容易从非转化细胞中鉴定并选择转化过的细胞。所述选择标记的例子包括,但不限于新霉素磷酸转移酶(nptII)基因(Potrykus等,1985),该基因能产生卡那霉素抗性。可以用诸如卡那霉素或G418的合适抗生素筛选表达nptII基因的细胞。其他常用选择标记包括bar基因,该基因能产生bialapho s抗性,突变型EPSP合酶基因(Hinchee等,1988),该基因能产生glyphosate抗性;腈水解酶基因,该基因能产生bromoxynil抗性(Stalker等,1988);突变型乙酰乳酸合酶基因(ALS),该基因能产生咪唑啉酮或磺酰脲抗性(欧洲专利申请154,204,1985);和氨甲蝶呤抗性DHFR基因(Thillet等,1988)。
可以用本发明方法制备成具有增强的碳同化、增强的碳输出和分配的植物包括,但不限于阿拉伯橡胶树、苜蓿、aneth、苹果树、杏树、洋蓟、arugula、芦笋、鳄梨、香蕉、大麦、菜豆、甜菜、黑莓、欧洲越橘、花茎甘蓝、抱子甘蓝、甘蓝、canola、罗马甜瓜、胡萝卜、木薯、花椰菜、芹菜、樱桃、cilantro、柑橘、clementines、咖啡树、玉米、棉花、黄瓜、道格拉斯冷杉、茄子、苦苣、escarole、桉树、茴香、无花果、葫芦、葡萄、葡萄柚、蜜瓜、jicama、kiwifruit、莴苣、韭葱、柠檬、酸橙、火炬松、芒果、甜瓜、蘑菇、坚果、燕麦、油菜籽油菜、秋葵、洋葱、橙子、观赏植物、番木瓜、欧芹、豌豆、桃树、花生、梨、胡椒、柿树、松树、菠萝、芭蕉、李树、石榴、白杨、马铃薯、南瓜、榅桲树、辐射松、radicchio、萝卜、树莓、稻、黑麦、高粱、长叶松、大豆、菠菜、西葫芦、草莓、甜菜、甘蔗、向日葵、甘薯、甜树胶、红橘、茶、烟草、番茄、黑小麦、草坪草、葡萄树、西瓜、小麦、大薯、和小西葫芦。
本发明的含有fda基因的双链DNA分子可以通过任何合适的方法插入植物基因组。合适的植物转化载体包括源于根癌农杆菌Ti质粒的载体,以及由Herrera-Estrella等(1983)、Bevan(1984)、Klee等(1985)、和EPO公开120,516中所披露的载体。除了源于农杆菌属的Ti或根诱导(Ri)质粒的植物转化载体之外,还可用其他方法将本发明的DNA结构插入植物细胞中。例如,所述方法可以包括使用脂质体、电穿孔、能增强游离DNA摄取的化合物,通过微粒轰击输送游离DNA,并使用病毒或花粉转化。还可将DNA插入叶绿体基因组(Daniell等,1998)。
适用于用微粒轰击将fda基因导入单子叶植物的质粒表达载体包括以下部分:一种能特异或增强在单子叶植物的淀粉贮存组织,通常为胚乳中表达的启动子,如发现于玉米胚乳中的玉米醇溶蛋白基因的启动子(Pedersen等,1982);能提供一个剪接位点,以利于所述基因表达的内含子,如Hsp70内含子(PCT公开WO93/19189);和3’聚腺苷酸化序列,如胭脂氨酸合酶3’序列(NOS3’;Fraley等,1983)。该表达框可以适于生产大量DNA的高拷贝复制子的形式组装。
用于转化双子叶植物的特别有用的基于农杆菌属的植物转化载体是质粒载体pMON530(Rogers等,1987)。质粒pMON530源于pMON505,是通过将pMON316的2.3kb StuI-HindIII片段(Rogers等,1987)转移到pMON526中制备的。pMON526是pMON505的简单衍生物,其中,通过用XmaI消化、用Klenow聚合酶处理并连接除去了SmaI位点。质粒pMON530保留了pMON505和CaMV35S-NOS表达框的所有特征,而且,现在包括一个位于所述启动子和腺苷酸化信号之间的单一SmaI裂解位点。
二元载体pMON505是pMON200的衍生物(Rogers等,1987),其中,Ti质粒同源区、LIH业已被小型RK2质粒、pTJS75的3.8kbHindIII-SmaI片段所取代(Schmidhauser和Helinski,1985)。该片段含有RK2复制起点,oriV,以及转移起点oriT,以便利用三亲交配方法结合到农杆菌属上(Horsch和Klee,1986)。质粒pMON505保留了pMON200的所有重要特征,包括用于插入需要的DNA片段的合成多接头,用于在植物细胞中产生卡那霉素抗性的嵌合NOS/NPTII’/NOS基因,用于在大肠杆菌和根癌农杆菌中选择的壮观霉素/链霉素抗性决定子,便于统计转化体和在子代中的遗传性的、完整的胭脂氨酸合酶基因,以及便于在大肠杆菌中制备大量载体的pBR322复制起点。质粒pMON505含有源于pTiT37胭脂氨酸型T-DNA的右侧末端的单一T-DNA臂。Southern印迹分析业已证实质粒pMON505以及它所携带的任何DNA整合到植物基因组中,就是说整个质粒是T-DNA,它被插入植物基因组中。整合的DNA的一端位于所述右臂序列和胭脂氨酸合酶基因之间,而另一端位于所述臂序列和pBR322序列之间。
另一种特别有用的Ti质粒框载体是pMON17227。该载体披露于PCT公开WO92/04449中,并含有一个编码能产生glyphosate抗性的酶的基因(被命名为CP4),该基因是包括马铃薯和番茄在内的许多植物的优良选择标记基因。该基因与拟南芥属EPSPS叶绿体转运肽(CTP2)融合,并由所披露的FMV启动子表达。
当获得了合适数量的含有fda基因或cDNA的细胞(或原生质体)时,将细胞(或原生质体)再生成全植株。再生步骤的筛选方法并不重要,有合适的方法用于源于豆科(苜蓿、大豆、三叶草等)、伞形科(胡萝卜、芹菜、欧洲防风)、十字花科(甘蓝、萝卜、canola、油菜等)、葫芦科(甜瓜和黄瓜)、禾本科(小麦、大麦、稻、玉米等)、茄科(马铃薯、烟草、番茄、胡椒)、诸如向日葵的各种开花植物,和长坚果的树木,如杏仁、腰果、胡桃、和大胡桃的宿主。例如,参见Ammirato等(1984);Shimamoto等(1989);Fromm(1990);Vasil等(1990);Vasil等(1992);Hayashimoto(1990);和Datta等(1990)。
提供以下定义是为了本领域技术人员理解本发明的详细说明。
术语“启动子”或“启动子区”是指通常存在于编码序列的上游(5’)的核酸序列,该序列通过提供RNA聚合酶的识别位点或在正确的位点上开始转录所必须的其他因子,通过控制信使RNA(mRNA)的产生控制所述编码序列的表达。如在本文中,启动子或启动子区包括通过与各种调控序列连接,随机或控制诱变,和添加或重复增强子序列产生的启动子变体。本文所披露的启动子区及其生物学功能等同物在作为合适的重组载体的一部分导入宿主中之后控制编码序列的转录,正如通过其产生mRNA的能力所证实的。
“再生”是指由植物细胞(例如,植物原生质体或外植体)生长植株的过程。
“转化”是指将外源核酸序列(例如,载体,重组核酸分子)导入细胞或原生质体的过程,其中,所述外源核酸被整合到染色体中或者能够自主复制。
“转化的细胞”是其DNA业已通过将外源核酸分子导入所述细胞而改变过的细胞。
术语“基因”是指编码肽、多肽、蛋白的染色体DNA、质粒DNA、cDNA、合成DNA、或其他DNA,或RNA分子,和位于参与表达的调控的编码序列旁侧的片段。
“相同性”是指两个核酸或蛋白序列之间的相似程度。两个序列的比较是通过合适的计算机程序进行的。用于进行序列比较的得到广泛使用和普遍接受的计算机程序是CLUSTALW v1.6(Thompson等,1994)。用匹配的碱基或氨基酸数除以碱基或氨基酸的总数,并乘以100,以获得百分相同性。例如,如果两个有580个碱基对的序列具有145个匹配的碱基,则它们具有25%的相同性。如果两个比较的序列长度不同,用匹配的数目除以两种长度中较短的一个。例如,如果在有200和400个氨基酸的蛋白之间有100个匹配的氨基酸,相对较短的序列而言具有50%的相同性。如果较短的序列的长度少于50个碱基或氨基酸,用匹配的数目除以50,并乘以100,以便获得百分相同性。
“C-末端区”是指从肽、多肽、或蛋白链的中间到携带氨基酸的末端的具有游离羧基的区域。
短语“与启动子区不同源的DNA片段”是指编码DNA片段与其现在所连接的启动子,在天然状态下不存在于同一个基因上。
术语“编码DNA”是指编码本文所披露的任何酶的染色体DNA、质粒DNA、cDNA、或合成DNA。
术语“基因组”在用于细菌上时包括细菌宿主细胞中的染色体和质粒。因此,导入细菌宿主细胞中的本发明的编码DNA可以是染色体整合的或质粒定位的。术语“基因组”在用于植物细胞时,不仅包括存在于细胞核中的染色体DNA,而且包括存在于该细胞的亚细胞部分中的细胞器DNA。因此,导入植物细胞的本发明DNAs可以是染色体整合的或细胞器定位的。
术语“微生物”是指藻类、细菌、真菌、和原生动物。
“突变蛋白”是指肽、多肽、或蛋白的突变形式。
“N-末端区”是指肽、多肽、或蛋白链从具有游离氨基的氨基酸到该链中部的区域。
“超量表达”是指由导入宿主细胞的DNA编码的多肽或蛋白的表达,其中,所述多肽或蛋白要么通常不存在于宿主细胞中,或者,其中所述多肽或蛋白在所述宿主细胞中的含量高于由编码所述多肽或蛋白的内源基因正常表达的含量。
术语“质体”是指一类植物细胞器,包括造粉体、叶绿体、色质体、油质体、eoplasts、黄化质体、白色体、和前质体。所述细胞器是自主复制的,并含有通常被称为“叶绿体基因组”的遗传物质,该基因组是大小为大约120kb-217kb的环状DNA分子,其大小取决于植物的种类,而且通常含有一个反向重复区。
短语“简单的糖类底物”是指单糖或寡聚糖,而不是多糖;简单的糖类底物包括葡萄糖、果糖、蔗糖、乳糖。常用于培养基中的更复杂的糖类底物,如玉米糖浆、淀粉、和糖蜜可以分解成简单的糖类底物。
术语“固体”是指块茎(如马铃薯)或果实(如番茄)的非水成分,主要包括淀粉和其他多糖、简单的糖类、非结构性碳水化物、氨基酸、和其他有机分子。
提供以下例子是为了更好地说明本发明的操作,但不应当理解成是以任何形式对本发明范围的限定。本领域技术人员可以理解,在不脱离本发明的构思和范围的前提下,可以对本文所披露的方法和基因进行各种改进、截短。
实施例例1cDNA克隆和超量表达
除非另有说明,基本DNA操作和遗传学技术,如PCR、琼脂糖电泳、限制性消化、连接、大肠杆菌转化、菌落筛选、和Western印迹基本上是按照Sambrook等(1989)或Maniatis(1982)披露的方法进行的。
大肠杆菌fda基因序列(序列1)获自Genbank(保藏号X14682),并设计用于PCR扩增的与其5’和3’末端同源的核苷酸引物。提取大肠杆菌染色体DNA,并使用5’寡核苷酸5’GGGGCCATGGCTAAGATTTTTGATTTCGTA3’(序列3)和3’寡核苷酸5’CCCCGAGCTCTTACAGAACGTCGATCGCGTTCAG3’(序列4)通过PCR扩增大肠杆菌fda基因。PCR循环条件如下:94℃,5分钟(1轮);添加聚合酶;94℃,1分钟,60℃,1分钟,72℃,2分30秒(35轮)。对1.08kb PCR产物进行凝胶纯化,并连接到大肠杆菌表达载体pMON5723中,以便形成用于转化冷冻感受态大肠杆菌JM101细胞的载体结构。pMON5723载体含有大肠杆菌recA启动子和T7基因10前导(G10L)序列,它能在大肠杆菌中大量表达(Wong等,1988)。在诱导转化过的细胞之后,在SDS PAGE凝胶上出现大约40kDa的明显蛋白带,这一大小相当于二聚体醛缩酶II的亚基多肽链的大小,已证实大多数诱导蛋白存在于可溶相中。分离含有高度诱导的蛋白的凝胶条,并在山羊体内产生抗体,给山羊注射了所述匀化凝胶条(乳化在弗氏完全佐剂中)。
然后将所述fda基因序列克隆到另一种大肠杆菌表达载体上,受taq启动子的控制。用IPTG诱导用该载体转化过的JM11细胞,证实了相同的40kDa超量表达蛋白带。将该新的克隆用于FDA活性的酶测定。将用该载体结构转化过的细胞生长在液体培养基中,用IPTG诱导,并再生长3小时。接着,对3mL细胞培养物进行离心沉淀,溶解在1.00mM Tris中,并进行超声处理。将所述细胞团离心沉淀,测定粗制细胞提取物上清液的FDA活性,使用由Baldwin等(1978)披露的偶联酶促测定。该测定通常是在30℃下进行。
所述反应是在1mL的最终体积中进行。在反应混合物中含有过量丙糖三磷酸异构酶(TIM)和α-磷酸甘油脱氢酶(GDH),还含有终浓度为100mM Tris pH8.0,4.75mM果糖1,6二磷酸,0.15mM NADH,500U/mL TIM,和30U/mL GDH。
在添加所述细胞提取物上清液之后使用HP二极管阵列分光光度计,记录在340nm波长下吸收的减弱。一个国际单位(I.U.)的醛缩酶活性是在该测定系统中每分钟导致2μmol NADH氧化的活性。
含有具有fda序列的载体的细胞提取物的醛缩酶活性(13.1I.U./mg蛋白)比用对照载体转化过的细胞的醛缩酶活性(0.15I.U./mg蛋白)有显著提高。所述活性被证实受EDTA的抑制,已知EDTA能特异抑制II型醛缩酶。例2植物转化和fda在烟草中表达FDA蛋白定向
将大肠杆菌果糖1,6二磷酸醛缩酶定向于植物中的质体,以便分析其对所述植物细胞器中糖类代谢和淀粉生物合成的影响。为了实现将大肠杆菌醛缩酶输入质体,构建一种载体,其中,将所述醛缩酶融合在拟南芥属小亚基转运肽(CTP1)(Stark等,1992)或玉米小亚基CTP(Russell等,1993)上,所形成的结构上所述CTP-fda融合基因位于源于玄参花叶病毒的35S启动子(P-FMV35S;Gowda等,1989)和胭脂氨酸合酶基因的3’-非翻译区(NOS3’;Fraley等,1983)序列之间。然后将含有表达框[P-FMV/CTP1/fda/NOS3’]的载体结构用于烟草原生质体转化,所述转化是按照Fromm等(1987)披露的方法进行的,并进行了以下改进。将烟草栽培品种Xanthi品系D(Txd)细胞悬浮液生长于250mL烧瓶中,在25℃下,以138rpm的速度转动,在黑暗中生长。为了维持,每隔3-4天将9mL的继代培养体积取出,并添加到40mL Txd培养基中,该培养基含有MS盐,3%蔗糖,0.2g/L肌醇,0.13g/L天冬酰胺,80μl的50mg/mL PCPA母液,5μl的1mg/mL的细胞分裂素母液,和1mL 1000x维生素(1.3g/L烟酸,0.25g/L硫胺素,0.25g/L吡哆醇HCl,和0.25g/L泛酸钙)。从来自2日龄培养物的1日龄悬浮细胞中分离原生质体。将16mL的细胞加入40mL新鲜Txd培养基中,并生长24小时,然后消化并分离原生质体。取消了所述酶混合物的离心阶段。对电穿孔缓冲液和原生质体分离培养基进行过滤消毒,而不是高压灭菌。所述电穿孔缓冲液没有添加的4mM氯化钙。将悬浮细胞在酶中消化1小时。在血细胞计数器上计数原生质体,仅计数看上去完整和圆形的原生质体。将具有0.4cm间隙和最大体积为0.8mL的Bio-rad Gene Pulser样品池(目录#165-2088)用于电穿孔。在每个样品池中添加50-100μg含有感兴趣的基因的DNA,同时加入含有萤光素酶基因的5μg内部对照DNA。在电穿孔时的最终原生质体密度为2×106/mL,并且,Bio-rad Gene Pulser电穿孔仪电容设定为500μ Farad,和140伏。将原生质体重新悬浮在电穿孔缓冲液中,然后放在冰上,并在电穿孔之后,将样品池中在冰上继续保持10分钟。在电穿孔之后将原生质体加入7mL Txd培养基+0.4M甘露醇中,并调节培养基。在该阶段不再使用椰子水。让所述原生质体在26℃下以1小时昼/夜的光周期方案生长,并在电穿孔之后离心沉淀分析或冷冻20-24小时。
用转化之后获得的原生质体提取物进行的Western印迹分析证实在烟草原生质体中加工成了成熟FDA。检测到在大约40kDa左右迁移的蛋白表达,该分子量是所述醛缩酶亚基的分子量。在所述醛缩酶在大肠杆菌中超量表达之后,也观察到所述大小的蛋白。
然后将表达框[P-FMV/CTP1/fda/NOS3’]以与选择标记表达框相同的取向克隆到质粒pMON17227的NotI位点(披露于PCT公开WO92/04449),以便形成如图2所示的植物转化载体pMON17524(序列5)。
制备另一种结构,并用于烟草原生质体转化,将fda基因与拟南芥属EPSPS转运肽(CTP2)融合,所述转运肽披露于US5,463,175中。将所述转运肽克隆到(通过SphI位点)位于CTP1-fda融合体(如上文所述)上的fda基因序列的N-末端上游的SphI位点上。然后将这种新的CTP2-fda融合基因克隆到一种载体上的FMV启动子和NOS 3’序列之间。当将这种含有CTP2/fda基因序列的结构用于烟草原生质体转化时,检测到以大约40kDa大小迁移的蛋白的表达,该大小是所述醛缩酶亚基的分子量,并且,在大肠杆菌中超量表达所述醛缩酶之后,观察到这种大小的蛋白。
然后,将源于该结构的NotI框[P-FMV/CTP2/fda/NOS3’]以与选择标记表达框相同的取向克隆到pMON17227的NotI位点,以形成图3所示的植物转化载体pMON17542(序列6)。
为了在烟草原生质体进行FDA的原生质体表达,制备一种结构,其中,将fda基因序列(没有与转运肽连接)克隆到一个载体主链的FMV启动子和NOS3’序列之间。用该结构进行的烟草原生质体转化也证实了相同大小的蛋白的表达,该蛋白以大约40kDa大小迁移。
在烟草植物中表达fda
如在US5,463,175所披露的,将含有与拟南芥属小亚基CTP1(pMON17524)(序列5,图2)和拟南芥属EPSPS(CTP2)转运肽(pMON17542)(序列6,图3)融合的fda基因的两种结构用于烟草植物转化。将没有CTP-fda序列的载体pMON17227(披露于PCT公开WO92/04449中)用作负对照。将所述植物转化载体转移到ABI农杆菌属菌株中。通过三亲结合系统用辅助质粒pRK201 3将所述植物载体杂交到ABI菌株中(Ditta等,1980)。
制备生长箱生长的烟草转化品系,并首先通过Western印迹分析进行筛选,以便用抗大肠杆菌表达的fda的山羊抗体鉴定表达子。然后,对于pMON17524表达烟草品系来说,通过YSI仪器,2700型选择生物化学分析仪分析叶片非结构性糖类(蔗糖、葡萄糖、和将淀粉水解成葡萄糖)。从开花期开始,还要从所述植株上取叶片样品,并分析叶片非结构性糖类的日间变化。
收获500mg-1g新鲜烟草叶片组织样品,并通过用Polytron匀浆在5mL热的磷酸钠缓冲液(40g/L磷酸二氢钠和10g/L磷酸二氢二钠,溶于双去离子水中)提取。然后将试管放在85℃的水浴中保持15分钟。以3000rpm的速度将所述试管离心12分钟,保留上清液用于可溶性糖的分析。将沉淀重新悬浮在5mL热的磷酸钠缓冲液中,用涡旋搅拌器混合,并按上述方法离心。小心除去上清液,并加入以前的上清液组分中,用于通过YSI、用合适的膜进行可溶性糖(蔗糖和葡萄糖)分析。
用Megazyme试剂盒(Megazyme,澳大利亚)从沉淀中提取淀粉。向所述沉淀中加入200μl 50%的乙醇和3mL热稳定性α-淀粉酶(300U),并对该混合物进行涡旋搅拌。然后,将样品放在沸水中温育6分钟,并在2分钟和4分钟之后搅拌。将所述试管放入50℃的水浴中,加入4mL 200mM乙酸缓冲液(pH4.5),然后再加入0.1mL淀粉葡糖苷酶(20U)。进行1小时的温育。然后以3000rpm的速度对所述试管进行15分钟的离心。从所述上清液中取出等分式样,并通过YSI分析葡萄糖。将游离葡萄糖调节成无水葡萄糖(与在淀粉中的情况一样,通过乘以162/182的比例完成)。每只试管的总体积为7.1mL。
如表1所示,fda基因在烟草中的表达与叶片淀粉含量的显著增加相关。不过,参见图4,当在表达fda的叶片中建立淀粉含量的日间曲线时,这种增加主要出现在光周期的初期,该阶段是已知的叶片具有最大光合活性的时期。所述淀粉含量的增加对植物没有明显的副作用,因为增加的淀粉在黑暗期间会被转化。与对照相比,在表达大肠杆菌fda的烟草叶片中,蔗糖或葡萄糖的稳态水平没有明显增加。
表1
表达fda转基因1(pMON17524)的植物的叶片糖类含量高表达子 低表达子 负对照(>0.01%总蛋白) (<0.01%)
(mg/g鲜重)淀粉 35.08±2.84 23.25±3.20 16.69±2.92蔗糖 0.97±0.17 0.86±0.25 0.66±0.19葡萄糖 1.88±0.17 1.58±0.20 1.68±0.261叶片样品是在中午采集的
将用结构pMON17542转化过的第二组转基因烟草植物生长在温室中。将含有一种载体的烟草植物用作负对照,该载体是不具备CTP-fda序列的pMON17227。在通过Western印迹分析进行表达筛选的所有pMON17542品系中,有18个是高表达子(>总细胞蛋白的0.01%),有15个品系是低表达子(<0.01%)。将含有无效载体pMON17227的15个植株用作对照。通过从切除的叶片系统的韧皮溢泌物检测来自表达fda转基因的植株和负对照的完全展开的叶片的蔗糖输出。所述韧皮溢泌技术由Groussol等(1986)披露。在上午11:30收集叶片,并放入含有5mM EDTA(pH6.0)的溢泌培养基,并在充分光照和高湿度下进行为期4小时的溢泌。马上通过上文所述的糖类分析方法分析所述溢泌溶液的蔗糖含量。如表2所示,在表达fda转基因的植物中观察到了源叶片的蔗糖输出增加。
由表达fda的叶片输出的蔗糖的增加是源能力增加的一个证明,很有可能是由于通过卡尔文循环的碳流量的增加(对加强了的丙糖-P利用的反映),并因此导致叶片对净碳利用的增加。如表2所示,韧皮中蔗糖含量的增加与fda表达水平相关。
表2
来自fda转基因烟草植物(pMON17542)
的离体叶片的韧皮部溢泌物中的蔗糖含量
水摄入 韧皮部溢泌物中的蔗糖
(μl/g F.Wt./h) (ng/叶片) (ng/g F.Wt)fda高表达子 320±20 330±60 108±22fda低表达子 340±10 210±10 77±3对照 390±30 160±10 56±3
参见表3,对植物生长和发育的初步分析发现在特定生长和分析条件下,在表达fda基因和载体对照的植物之间,每个植株的叶片或荚果数量、植株高度、茎杆直径、或每个植株的表观种子重量没有明显差异。不过,如表4所示,fda转基因植株具有明显较高的根质量。这可能表明,在上述条件下,根是更主要的贮存器官,它吸收了通过所述源叶片产生的过量的糖类。另外,本说明书证实,在存在大肠杆菌fda基因的条件下根质量的增加是在对芽的生长、开花期、或结实没有明显副作用的情况下实现的。因此,所述根生长和最终根干重的增加是理想的植物性状,因为它可以在萌发之后导致幼苗的快速形成,并具有忍受干旱、冷害、或其他环境侵害和移植的较强的植物能力。在不同生长条件下和不同植株上,预计会在其他植株部分(如种子、果实、茎、叶、块茎、球茎等)中出现在超量表达fda转基因的烟草根中观察到的重量增加。
表3
在表达fda转基因1的烟草(pMON17542)
中评价某些植物生长和发育参数
#豆荚/植物 #叶片/植物 植株高度 种子重量
(g/株)高表达子 162±40 25.4±0.8 65.3±3.1 18.8±2.4对照 156±28 24.4±0.5 65.8±5.1 17.3±2.61为了完成该分析,将14个高表达子品系与15个对照植株进行比较。在收获种子之前进行测定(大部分荚果已达到成熟)。通过计数节数确定叶片的数量,这样做可以统计出掉落的叶片数。
表4
表达大肠杆菌fda转基因1(pMON17524)
的植物的烟草根干重
根干重
(g/株)fda高表达子 64.0±3.9fda低表达子 62.7±5.4对照 31.7±1.61切除来自5个高表达品系和7个低表达品系以及6个对照植株的根,小心洗净,然后放置在65℃的干燥箱中,干燥至少48小时。从所述干燥箱中取出根,并让其在实验室中平衡2小时,然后测定干重。例3植物转化和fda在玉米植物中的表达FDA蛋白定向
制备有和没有质体定向肽的、含有fda基因的载体,用于转化玉米,而且也适用于转化包括稻、小麦、大麦、甘蔗、黑小麦等在内的其他单子叶植物。
为了进行fda基因在玉米植株中的细胞质表达,制备一种结构,其中,fda基因序列与一种含有增强的CaMV35S启动子(e35S;Kay等1987)、HSP70内含子(US5,593,874)、和NOS3’聚腺苷酸化序列(Fraley等,1983)的载体的主链融合。将由此产生的NotI框[P-e35S/HSP70内含子/fda/NOS3’]克隆到一种单子叶植物转化载体pMON30460的NotI位点上,以便形成图5所示的植物转化载体pMON13925。PMON30460含有一个用于选择标记青霉素磷酸转移酶II型基因(nptII)的表达框[P-35S/NPTII/NOS3’]和一个用于克隆感兴趣的基因的单一NotI位点。构建最终载体(pMON13925),以便所述感兴趣的基因和所述选择标记基因被以相同的取向克隆。可以将含有所述基因序列的表达框的载体片段从细菌选择基因(Kan)和ori中切除,凝胶纯化,并用于植物转化。
为了在玉米植株中进行fda基因的叶绿体定向表达,制备一种结构,其中,将与玉米RUBISSCO小亚基CTP(Russell等,1993)连接的fda基因序列与含有增强的(CaMV)35S启动子、HSP70内含子、和NOS3’聚腺苷酸化序列的载体的主链融合。将由此产生的NotI框[P-e35S/HSP70内含子/mzSSuCTP/fda/NOS3’]克隆到单子叶植物转化载体pMON30460的NotI位点(与选择标记框[[P-35S/NPTII/NOS3’]处于相同取向),以便形成如图6所示的载体pMON17590。将该载体上的一个含有fda基因表达框和选择标记框的片段从细菌选择基因(Kan)和ori上切除,凝胶纯化,并用于植物转化。
为了在玉米中进行醛缩酶基因的细胞质胚乳特异性表达,将fda基因序列克隆到含有谷蛋白基因启动子P-osgt1(Zheng等,1993)、HSP70内含子、和NOS3’聚腺苷酸化序列的载体上(与选择标记框[[P-35S/NPTII/NOS3’]处于相同取向),以便形成如图7所示的载体pMON13936。可以将该载体上的一个含有fda基因表达框[P-osgt1/HSP70内含子/fda/NOS3’]和选择标记框的片段从细菌选择基因(Kan)和ori上切除,凝胶纯化,并用于植物转化。玉米植物转化
用一种本领域众所周知的方法——微粒轰击法(Fromm,1990;Gordon-Kamm等,1990;Walters等,1992)生产用载体pMON13925(如上文所述)或pMON17590(如上文所述)转化过的转基因玉米植物。将由未成熟的玉米胚胎产生的胚胎发生愈伤组织用作目标组织。用大体上由Klein等(1988)披露的氯化钙/亚精胺方法将以1mg/mL的浓度溶解在TE缓冲液中的质粒DNA沉淀到M10钨颗粒上。除了感兴趣的基因之外,所述质粒还含有由源于花椰菜花叶病毒35S启动子驱动的新霉素磷酸转移酶II基因(nptII)。在轰击之前,在用0.2M甘露醇+0.2M山梨醇渗透缓冲的培养基上对所述胚胎发生愈伤组织目标组织进行大约4小时的预处理(Vain等,1993)。用涂有DNA的钨颗粒轰击组织两次,使用BioRad颗粒输送系统(PDS)1000装置的火药形式。在轰击之后大约16小时,将所述组织继代培养到相同组成的培养基上,所不同的是该培养基不含甘露醇或山梨醇,而且,它含有一种合适的氨基糖苷抗生素,如G418”,以筛选含有并表达35S/nptII基因的细胞。大约每隔3周将生长活跃的组织部分转移到新鲜选择培养基上。在轰击之后大约3个月,大体上按由Duncan和Widholm(1988)披露的方法从存活的胚胎发生愈伤组织再生植株。源于转基因玉米的醛缩酶活性
为了测定叶片醛缩酶活性,取玉米叶片样品,并马上在干冰上冷冻。通过在4℃下在1.2mL的提取缓冲液(100mM Hepes,pH8.0,5mM氯化镁,5mM氯化锰,100mM氯化钾,10mM DTT,1%BSA,1mM PMSF,10μg/mL亮抑酶肽,10μg/mL抑蛋白酶肽)中研磨叶片组织,从所述叶片组织中提取醛缩酶。在4℃下以15,000xg的速度离心所述提取物3分钟,并分析未脱盐的上清液的酶活性。该提取方法能提供大肠杆菌FDA活性的大约60%的回收率。
在0.98mL反应混合物中测定总醛缩酶活性,所述混合物包括100mM EPPS-NaOH,pH8.5,1mM果糖-二磷酸,0.1mM NADH,5mM氯化镁,4个单位的α-磷酸甘油脱氢酶,和15个单位的丙糖磷酸异构酶。通过添加20μl的叶片提取物开始反应。在表5中提供了在一次实验中所产生的数据。
表5
转基因玉米叶片的醛缩酶活性
品系 | A340/分钟/20μL | 活性% |
H99(对照)pMON17590pMON13925 | 0.1130.2330.251 | 100206222 |
当蛋白被定向于叶绿体时,在表达大肠杆菌FDA的原始转化体(RO植物)中可以看到一种表型。其叶片是缺氯的,但结实正常。在大田和温室实验中种植R1植株。用碘染色不能在叶片中检测到淀粉,而且授粉期推迟。据信在所述玉米植株上的上述表型可能是由于用于pMON17590和pMON13925载体上的启动子(e35S)不是在玉米中导致FDA表达所优选的启动子。因为e35S被认为引起叶肉的增强表达,而且在诸如玉米的C4植物中的卡尔文循环主要发生在维管束鞘细胞中,优选使用在维管束鞘细胞中指导增强表达的启动子(如ssRUBISCO启动子)。业已制备了含有所述启动子并能启动FDA表达的载体,并在玉米中进行了实验。
具体地讲,业已将玉米RuBISCO小亚基(PmzSSU,一种维管束鞘细胞特异性启动子)用于构建用于在玉米中进行细胞特异性fda表达的载体。将I型醛缩酶(fdaI)(一种不具备铁硫簇并具有不同于fdaII的特性的fda)用于在C4作物(如玉米)中改善碳代谢。从金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的基因组中扩增编码I型醛缩酶的基因,并证实其活性。然后构建转化载体,以便在玉米中以细胞特异性方式表达两种类型的醛缩酶(fdaI和fdaII)。制备了以下框:
pMON13899:PmzSSU/hsp70/mzSSU CTP/fdaI
pMON13990:PmzSSU/hsp70/mzSSU CTP/fdaII
pMON13988:p35S/hsp70/fdaI。
大体上按上文所述的方法将所述载体用于玉米转化。对原始转化体进行的生物化学和生理学分析可以鉴定会在玉米中导致生长和发育加强的醛缩酶基因的超量表达。
另外,被用于转化玉米的两种载体可以在玉米胚乳中定向表达大肠杆菌fdaII基因。载体pMON13936使用稻gt1启动子启动醛缩酶在胚乳细胞的细胞质中表达。另一个载体(pMON36416)使用与玉米RuBISCO小亚基转运肽相同的启动子将所述蛋白定位于造粉体中。确定了细胞质醛缩酶转化体的纯合系(用Western印迹分析证实了37个植株的纯合性)并收集来自所述植株的种子进行谷物组成分析(水分、蛋白、淀粉、和油份)。在造粉体定向醛缩酶表达筛选的53个pMON36416原始转化体中,有11个是阳性的。对所述植株进行纯合性筛选/繁殖试验,并将来自纯合体的种子用于组成分析。例4植物转化和fda在马铃薯植物中的表达定向fda表达
将植物表达载体pMON17542(如上文所述)用于农杆菌属介导的马铃薯转化,fda基因是在FMV启动子之后表达,并且醛缩酶与叶绿体转运肽CTP2融合。
通过将NotI框[P-FMV/CTP2/fda/NOS3’](如上文所述)克隆到pMON23616的单一NotI位点上构建第二种马铃薯转化载体。PMON23616是含有胭脂氨酸类型T-DNA右臂区(Fraley等,1985)、一个新霉素磷酸转移酶II型基因的表达框[P-35S/NPTII/NOS3’](选择标记)、一个用于克隆感兴趣的基因表达框的单一NotI位点、和T-DNA左臂区(Barker,1983)的马铃薯转化载体。将NotI框[P-FMV/CTP2/fda/NOS3’](如上文所述)克隆到pMON23616的NotI位点上,得到如图8所示的马铃薯转化载体pMON17581。构建载体pMON17581,以便所述感兴趣的基因和所述选择标记基因以相同的方向转录。马铃薯植物转化
将所述植物转化载体转移到ABI农杆菌属菌株中。通过三亲接合系统使用辅助质粒pRK2013(Ditta等,1980)将所述植物载体杂交到ABI菌株中。通过用农杆菌属转化Russet Burbank马铃薯愈伤组织,将载体pMON17542用于马铃薯转化,按照PCT公开WO96/03513中披露的方法进行转化品系的glyphosate选择。
用载体pMON17542转化之后,通过在glyphosate上筛选获得转基因马铃薯小植株,通过叶片Western印迹分析进行大肠杆菌醛缩酶表达筛选。在112个独立品系中,鉴定了50个fda表达品系(45%),fda表达水平为总的可提取蛋白的0.12-1.2%。
将植物转化载体pMON17581用于农杆菌属介导的HS31-638马铃薯愈伤组织的转化,HS31-638是事先用来自大肠杆菌的突变型ADP葡萄糖焦磷酸酶(glgC16)基因(US5,498,830)转化过的RussetBurbank马铃薯品系。按照PCT公开WO96/03513中披露的方法转化马铃薯愈伤组织,用卡那霉素(使用浓度为150-200mg/L)取代glyphosate作为选择剂。
通过分析来自组织培养小植株的穿孔样品,分析所述转基因马铃薯植株的fda基因表达。对来自pMON17581转化过的品系的叶片组织进行Western印迹分析(使用抗大肠杆菌醛缩酶的抗体),从56个品系中鉴定了12个表达品系。检测到以大约40kDa迁移的蛋白的表达,该大小是大肠杆菌(II型)醛缩酶亚基的分子量,并且是醛缩酶在大肠杆菌中超量表达之后观察到的蛋白的大小。转基因马铃薯植物的比重测定
在用pMON17542转化之后获得的50个fda-表达马铃薯品系中的7个最高表达品系在组织培养中进行微量繁殖,将每个品系的8个重复种植在直径为14英寸、深度为12英寸的盆中,所述盆中装有以下混合物:1/2 Metro350盆栽培养基,1/4细沙,1/4现成土壤盆栽培养基。栽培来自组织培养的野生型Russet Burbank小植株作为对照。在温室中将所有植株栽培大约5个月,其中,日间温度大约为21-23℃,而夜间温度为大约13℃。在活跃生长期间每隔1天对植株进行浇水,并且每周1次用Peter’s 20-20-20市售肥料进行施肥,施肥量类似于商业应用。施肥仅在头2个半月进行,到2个半月时完全停止施肥。让植株自然衰老,在大约50%的植株衰老时,收获块茎。
在收获时,对于每一个品系来说,收集来自8个花盆的所有块茎,并获得总重量。然后对于每一个品系来说,收集30克或30克以上的块茎,并对这一组块茎进行比重测定。比重是块茎在空气中的重量除以在空气中的重量减去在水中的重量。所述重量测定结果在表6中给出。
表6
转基因马铃薯的比重测定
品系# | 总重量 | 总%产量的增加 | 超过30克的块茎的总重量 | 总重量的增长%(超过30克的块茎) | 超过30克的块茎的总重量(占总重量的%) | 比重 |
RB40652406114060840632406144063140610 | 66095138717074707776868888009746 | neg8.5%13.0%21.8%31.5%33.2%47.0% | 44771307453310705453546861887777 | neg1.3%neg21.8%22.2%38.2%73.0% | 67.70%25.40%63.20%14.30%70.10%62.90%70.30%80% | 1.0871.081.0831.0811.0881.0831.0841.087 |
该表归纳了生长在温室中的所有7个品系的块茎产量和比重。以上结果表明,与对照相比,fda品系都表现出总块茎产量的增加,只有一个例外,在4个品系中,重量超过30g的块茎百分比相应增加。对于超过30克的混合块茎来说,总重量的百分比接近对照的百分比,而有两个品系高于对照。这表明在6个品系中有5个表现出较高的总产量,并且不形成较小的块茎。换句话说,随着总产量的增加,较大块茎(超过30克)的百分比也相应增加。不过,块茎的比重没有增加。
总之,似乎fda在马铃薯中表达能使每个植株产生较大数量的块茎,而且不损害块茎的大小。这意味着存在着产量利益,即农民可以使用较少的土地面积生产相同量的块茎。还可以通过与诸如glgC16的其他糖代谢基因一起共表达fda进行类似的实验,以便确定这种组合将对块茎产量、块茎固体沉积和总块茎比重产生何种影响。来自转基因马铃薯的醛缩酶活性
在温室中栽培3个月(种植后)之后,从6个最大fda表达马铃薯品系中采取叶片样品,所述样品是在用pMON17542转化之后获得的,并分析醛缩酶活性。
为了测定马铃薯叶片醛缩酶活性,从每一个品系重复获取叶片样品,并马上在干冰上冷冻。在1.2mL的提取缓冲液中4℃研磨从0.2g叶片组织中提取醛缩酶,提取缓冲液为:100mM Heps,pH8.0,5mM氯化镁,5mM氯化锰,100mM氯化钾,10mM DTT,1%BSA,1mM PMSF,10μg/mL亮抑酶肽,10μg/mL抑蛋白酶肽。按上文所述方法测定所述提取物的醛缩酶活性。
测定6个独立的表达fda的转基因马铃薯品系的醛缩酶活性。fda在叶片中的表达是其在整个植株中表达的标记,因为用于启动相应的编码DNA表达的FMV启动子能以组成形式在马铃薯植株的大部分组织(如果不是全部的话)中指导基因表达。
表7归纳了每一个品系的定量蛋白表达数据,以及每一个独立品系的百分比活性。
表7
来自转基因Russet Burbank马铃薯叶片的醛缩酶活性
转基因马铃薯中固体的均一性
品系 | 实验1 | 实验2 | 平均%活性 | ||
活性(U/gFW) | %活性 | 活性(U/gFW) | %活性 | ||
对照406084061040652406324063140611 | 4.4616.9698.4895.8125.2575.7645.715 | 100156190130118129128 | 4.7328.0557.3266.3674.2444.9685.836 | 10017015513590105123 | 100163173132104117126 |
在两个不同地点对用pMON17542转化之后获得的25个表达fda的Russet Burbank品系(马铃薯品系,被命名为“Maestro”)和15个还含有glgC16(PCT公开WO91/19806和US5,498,830)的表达fda的Russet Burbank Simple Solid品系(马铃薯品系,被命名为“Segal”)进行大田试验。对每一个大田位点来说,评价每一个品系的36个植株(每个品系做12个植株的3次重复)的块茎固体分布。在收获时,在每一个大田位点将块茎预分选成10-12盎司的类型,分3组分析来自每一个重复小区的9个块茎。
对于直径为7-8cm的典型10-12盎司块茎来说,通过从每一个块茎上取中央纵向切片(13mm)评价淀粉分布。然后将切片去皮,并且平放在切割板上,在这里通过14mm的软木打孔器去掉内部块茎部位(髓质区)。通过一个高达2英寸的软木打孔器去掉髓质到皮层(环髓区)的组织。剩余的皮层组织是所述切片的最外部的大约8mm宽的环。
然后通过在空气中和在水中称量收集到的髓质打孔材料和收集到的皮层打孔材料的重量测定其比重:
比重=空气中的重量/(空气中的重量-水中的重量)
在计算出比重以后,通过以下公式测定固体含量:
-214.9206+(218.1852*比重)
通过髓质与皮层固体比例(髓质固体÷皮层固体)测定固体均一性程度(固体均一指数)。对每个小区的3个块茎一组的3组进行平均,此时,计算每个大田位点的3个小区重复的平均。
对若干现有固体均一性大田试验的分析(数据未显示)证实,根据生长区域和农业措施,非转基因的野生型Russet Burbank马铃薯通常具有的髓质与皮层块茎固体的比例为68-72%。表8-11提供了植物品系号的髓质与皮层固体比例,较高的髓质与皮层固体比例表明具有较大程度的固体均一性。
表8和9分别表示来自一个大田位点(位点1)的Segal和Magstro,并表明大部分Segal和Magstro品系具有高于RussetBurbank对照68.4%的髓质与皮层固体比例,某些品系的髓质与皮层固体比例接近82%。
表10和11分别表示来自另一个大田位点(位点2)的Segal和Magstro的数据,并表明大部分Segal和Magstro品系具有高于对照Russet Burbank的髓质与皮层固体比例,某些品系髓质与皮层固体比例接近88%。在大田试验的位点2处,Russet Burbank对照具有不典型、异常高的髓质与皮层比79.3%,这可能是由于环境环境生长条件所致。位点2的结果证实Russet Burbank马铃薯中大肠杆菌fda的单独表达或与glgC16的共表达,即使在非转基因Russet Burbank中块茎固体均一性已相当高的生长季节也增加了块茎固体均一性。也就是说,在农艺条件已经导致固体均一性异常高时,fda基因还继续起作用。表8.固体物均一性指数:髓质固体和皮层固体之比。Segal Russet Burbank品系。位点1品系 比例S-29 79.1S-9 75.8S-20 71.3S-15 71.3S-21 70.5S-5 70.2S-18 70.0RB对照 68.4S-32 68.3S-16 65.6表9.固体物均一性指数:髓质固体和皮层固体之比。Maestro Russet Burbank品系。位点1品系 比例M-13 74.0M-12 73.6M-1 73.4M-3 73.0M-6 72.4M-9 71.2M-11 70.6M-18 70.5M-17 69.9M-19 69.4M-5 69.3M-20 68.9RB对照 68.4M-8 68.3M-43 67.7M-23 67.3M-7 67.0M-39 66.6M-22 66.0M-10 65.4M-27 61.4表10.固体物均一性指数:髓质固体和皮层固体之比Segal Russet Burbank品系。位点2品系 比例S-33 87.4S-54 87.1S-05 86.8S-29 85.1S-21 84.3S-16 83.2S-20 81.5S-18 80.7S-32 80.6RB对照 79.3S-09 79.0表11.固体物均一性指数:髓质固体和皮层固体之比。Maestro Russet Burbank品系。位点2品系 比例M-04 87.7M-18 83.9M-17 83.8M-03 83.7M-09 83.4M-15 83.2M-29 82.9M-44 82.3M-08 82.2M-43 81.6M-22 81.1M-05 80.8M-01 80.5M-20 80.2M-45 79.6M-39 79.5M-27 79.5RB对照 79.3M-13 78.9M-22 78.8M-19 78.7M-07 78.2M-12 77.9M-23 77.3M-06 76.5M-10 75.0M-11 74.1
醛缩酶对髓质与皮层固体比例的影响在Segal品系中略高于在Maestro品系。我们认为这种表型是由于fda在背景中的表达所致,其中,Russet Burbank宿主以较低至中等水平表达glgC16,而fda加上glgC16的组合能够提供改善的效果。三个Segal品系的横向截面块茎切片(图9)具有改善的固体均一性,这表明,在块茎的内部区具有更多的淀粉沉积。具体地讲,在所述转基因品系中证实了由于淀粉密度的增加引起的伴随木质部环向着块茎中央重新定位的皮层体积的增加,以及髓质组织的透明性更低。这种生理学改变可能是由于从源器官转运到储存器官的蔗糖的增加,这有可能影响韧皮因子在块茎发育期间的分布或该块茎上可用于淀粉生物合成的蔗糖量。例5植物转化和FDA在棉花植株中的表达
按照Umbeck等(1987)和US5004863披露的方法用农杆菌属将大肠杆菌fda载体pMON17524[FMV/CTP1/fda](图2)和pMON17542[FMV/CTP2/fda](图3)转入棉花中。用拟南芥属SSUCTP1(pMON17524)或拟南芥属EPSPS(pMON17542)叶绿体转运肽将所述蛋白定向于叶绿体中。在棉花中表达醛缩酶
通过Western印迹分析和醛缩酶测定分析用以上两种载体转化的5周龄愈伤组织。Western印迹分析表明在完整长度FDA标准物的位置上有大量的蛋白,而对照愈伤组织提取物中在相同的部位有较少量的蛋白。似乎所述蛋白被充分加工过了。为了证实FDA在所述组织中的表达并比较其活性,在可以防止所述转基因产物失去活性的缓冲液中提取用两种载体转化的愈伤组织。以1mg/ml的最终浓度加入BSA,它限制了Western印迹对输入加工的分析。通过加或减25mM EDTA进行醛缩酶测定,EDTA可以抑制大肠杆菌酶,但不能抑制植物酶。该测定的结果如表12所示。
表12
在棉花愈伤组织和棉叶中的醛缩酶活性
ΔA340e-3/mg蛋白/5分钟
群体# -EDTA +EDTA 增加倍数对照棉叶(Coker) 4.0 4.2 -未接种的愈伤组织 7.7 5.6 1.3X接种的愈伤组织(E35S/GUS) #1 6.8 6.1 -
#2 3.5 4.0 -FDA愈伤组织pMON17542 #1 3.5 2.3 1.5X
#3 5.5 2.6 2.1X
#5 9.2 3.8 2.4X
#4 19.8 3.6 5.5XpMON17542 #2 15.2 5.8 2.6X
#3 12.5 4.0 3.1X
#5 14.4 2.9 4.9X
#6 4.1 1.2 3.5X
以上结果表明,fda基因在棉花愈伤组织中能良好表达。几乎所有的愈伤组织都具有至少高出2倍的醛缩酶活性,而且,这种增加对于EDTA的抑制敏感。用所述样品进行的Western印迹分析表明处理似乎是完善的。
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序列表(1)一般资料:(i)申请人:Gerard Barry
NordineCheikh
Ganesh Kishore(ii)发明名称:在转基因植物中表达果糖1,6二磷酸醛缩酶(iii)序列数:6(iv)通讯地址:
(A)收件人:Arnold,White&Durkee
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(D)州:德克萨斯
(E)国家:美国
(F)邮编:77210-4433(v)计算机可读形式:
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(B)申请日:
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(A)申请号:美国临时申请流水号60/049,995
(B)申请日:1997年6月17日(viii)律师/代理人资料:
(A)姓名:Patricia A.Kammerer
(B)注册号:29775
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(A)电话:(713)787-1400
(B)传真:(713)787-1440(2)序列1资料:(i)序列特征:
(A)长度:1080个碱基对
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(B)类型:核酸
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CAGCGCAATG ACATTCTTGC AGGTATCTTC9301 GAGCCAGCCA CGATCGACAT TGATCTGGCT ATCTTGCTGA CAAAAGCAAG9351 AGAACATAGC GTTGCCTTGG TAGGTCCAGC GGCGGAGGAA CTCTTTGATC9401 CGGTTCCTGA ACAGGATCTA TTTGAGGCGC TAAATGAAAC CTTAACGCTA9451 TGGAACTCGC CGCCCGACTG GGCTGGCGAT GAGCGAAATG TAGTGCTTAC9501 GTTGTCCCGC ATTTGGTACA GCGCAGTAAC CGGCAAAATC GCGCCGAAGG9551 ATGTCGCTGC CGACTGGGCA ATGGAGCGCC TGCCGGCCCA GTATCAGCCC9601 GTCATACTTG AAGCTAGGCA GGCTTATCTT GGACAAGAAG ATCGCTTGGC9651 CTCGCGCGCA GATCAGTTGG AAGAATTTGT TCACTACGTG AAAGGCGAGA9701 TCACCAAGGT AGTCGGCAAA TAATGTCTAA CAATTCGTTC AAGCCGACGC9751 CGCTTCGCGG CGCGGCTTAA CTCAAGCGTT AGATGCTGCA GGCATCGTGG9801 TGTCACGCTC GTCGTTTGGT ATGGCTTCAT TCAGCTCCGG TTCCCAACGA9851 TCAAGGCGAG TTACATGATC CCCCATGTTG TGCAAAAAAG CGGTTAGCTC9901 CTTCGGTCCT CCGATCGAGG ATTTTTCGGC GCTGCGCTAC GTCCGCKACC9951 GCGTTGAGGG ATCAAGCCAC AGCAGCCCAC TCGACCTCTA GCCGACCCAG10001 ACGAGCCAAG GGATCTTTTT GGAATGCTGC TCCGTCGTCA GGCTTTCCGA10051 CGTTTGGGTG GTTGAACAGA AGTCATTATC GTACGGAATG CCAAGCACTC10101 CCGAGGGGAA 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Claims (23)
1.一种重组双链DNA分子,含有
a)一个在植物细胞中起作用的启动子,和
b)一个编码具有果糖-1,6-二磷酸醛缩酶活性的多肽并以有义方向可操作地连接于所述启动子上的DNA序列。
2.如权利要求1的DNA分子,其中,所述编码具有果糖-1,6-二磷酸醛缩酶活性的多肽的DNA序列源于原核生物。
3.如权利要求2的DNA分子,其中,所述原核生物是大肠杆菌。
4.如权利要求1的DNA分子,其中,所述编码具有果糖-1,6-二磷酸醛缩酶活性的多肽的DNA序列与编码II型果糖-1,6-二磷酸醛缩酶的原核生物DNA序列至少有大约60%的相同性。
5.如权利要求1的DNA分子,其中,所述编码具有果糖-1,6-二磷酸醛缩酶活性的多肽的DNA序列是一个能够与序列1所示的编码区杂交的序列。
6.如权利要求1的DNA分子,其中,所述编码具有果糖-1,6-二磷酸醛缩酶活性的多肽的DNA序列与序列1所示的编码区至少有大约60%的相同性。
7.如权利要求1的DNA分子,其中,所述编码具有果糖-1,6-二磷酸醛缩酶活性的多肽的DNA序列与序列1所示的编码区至少有大约70%的相同性。
8.如权利要求1的DNA分子,其中,所述编码具有果糖-1,6-二磷酸醛缩酶活性的多肽的DNA序列与序列1所示的编码区至少有大约80%的相同性。
9.如权利要求1的DNA分子,其中,所述编码具有果糖-1,6-二磷酸醛缩酶活性的多肽的DNA序列具有序列1所示编码区,或者根据遗传密码的简并性编码与序列1相同的肽。
10.一种在其基因组中含有如权利要求1-9中任一项所述的重组DNA分子的转基因植物细胞。
11.一种含有权利要求10所示植物细胞的转基因植物。
12.如权利要求11的转基因植物,其中,所述植物具有选自下列一组的特性:与不含有所述重组DNA分子的植物相比具有增强的光合速度、提高了的产量、提高了的生长速度和改善了的固体均一性。
13.如权利要求11的转基因植物,它是一种作物类植物。
14.如权利要求11的转基因植物,选自下列一组:玉米、小麦、稻、番茄、马铃薯、胡萝卜、甘薯、大薯、洋蓟、苜蓿、花生、大麦、棉花、大豆、canola、向日葵、甜菜、苹果、梨、橙、桃、甘蔗、草莓、树莓、香蕉、葡萄、芭蕉、烟草、莴苣、木薯、十字花科蔬菜、树种和园艺种。
15.如权利要求11的转基因植物,其中,所述植物是马铃薯。
16.一种由权利要求15的马铃薯生产的食品。
17.如权利要求16的食品,它是法国式油炸马铃薯或马铃薯片。
18.源于权利要求11的转基因植物的繁殖材料。
19.用于在植物中提高光合速度的方法,该方法包括用权利要求1-9中任一项所述的DNA分子转化植物细胞,并再生所述转化细胞,产生转基因植物。
20.一种用于提高植物产量的方法,该方法包括用权利要求1-9中任一项所述的DNA分子转化植物细胞,并再生所述转化细胞,产生转基因植物。
21.一种用于提高植物生长速度的方法,该方法包括用权利要求1-9中任一项所述的DNA分子转化植物细胞,并再生所述转化细胞,产生转基因植物。
22.一种用于改善植物的固体均一性的方法,该方法包括用权利要求1-9中任一项所述的DNA分子转化植物细胞,并再生所述转化细胞,产生转基因植物。
23.一种用于将马铃薯加工成油炸马铃薯或马铃薯片的方法,其改进包括使用能超量表达fda转基因的马铃薯,所述fda基因在该马铃薯中提供较高的固体均一性。
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