耐干旱植物的制作方法[0001]编档数据[0002]本申请与提交于2010年11月15日的美国临时申请号61/413，902相关，其全部内容通过引用并入本文。发明领域[0003]本说明书教导了耐干旱植物的生成。本公开使得能够对本文称作“持绿”的表型特征进行操作以通过重组、诱变和/或杂交和选择方法生成耐干旱植物。本文还教导了一种植物管理实践系统以增加水分有限的环境中的作物产率和收获效率。[0004]发明背景[0005]本说明书中作者参考的出版物的书目详情在说明书后以字母顺序进行汇总。[0006]本说明书中对任何在先技术的参考不被视为承认或任何形式的暗示所述在先技术形成任何国家的通用一般知识的一部分。[0007]人的日益增长需要作物产率得到提高。这成为植物培育者和遗传学者的主要目标。一种提高作物产 率的方法包括对促进更高谷物产率和稳定性的植物性状进行选择(Springer, Nature Genetics42:475-476，2010)。这种方法被称为“绿色革命”。其他方法包括，开发理想的植物株型，例如，所述株型可鉴定出数量性状基因座(QTL)，所述QTL编码水稻的鳞部启动子结合蛋白质样14(0sSPL14),并促进水稻产率的提高(Jiao等人,NatureGenetics42:541-544，2010;Miura 等人，Nature Genetics42:545-549，2010)。
[0008]干旱是世界范围内谷物生产的一个最重要的限制。高粱是一种耐干旱机制的系统，其包括C4光合作用、深根系统、厚的叶蜡，这使得其能在干热环境中生长。耐干旱的特性使得高粱在干燥区域尤其重要，如撒哈拉以南的非洲、印度中西部、澳大利亚东北部、以及美国的南部平原。因为水分缺乏，水分获得的压力日益增加，对干旱条件下谷物产率相关的形状的鉴定变得更加重要。
[0009]在高粱中鉴定出的干旱适应机制使得绿叶在干旱条件下的灌浆过程中能保持更长时间，这称为“持绿”。已经将持绿现象与高粱(Borrell等人，CropSc1.40:1037-1048, 2000b; Kassahun 等人，Euphytica72:351-362，2010)，小麦(普通小麦(Triticum aestivum L.) )[Spano 等人，J.Exp.Bot.54:1415-1420，2003;Christopher 等人，Aust.J.Agric.Res.59:354-364，2008],水稻(亚洲栽培稻(Oryza sativaL.) )[Kashiwagi 等人，Plant Physiology and Biochemistry44:152-157, 2006]以及玉米(玉蜀黍(Zea mays L.) ) [Zheng 等人，Plant Breedl28:54-62, 2009]在开花期后干旱条件下还能有高的谷物产率相联系。此外，其可通过提高木炭腐病(菜豆壳球孢(Macrophomina phaseolina[Tassi]Goid.))抗性间接影响干旱条件下的谷物产率(Tenkouano 等人，Theor.Appl.Genet.85:644-648, 1993; Garud 等人，Int.Sorghum and Millets Newsl.43:63-65，2002)。这会减少倒伏现象(Reddy 等人，Euphytical59:191-198, 2008)，使植物培育者发现植物高度和谷物产率之间的正相关性(Jordan 等人，Theor.Appl.Genet.106:559-567, 2003)。持绿在美国(Rosenow 等人，Agric.Water Manag.7:207-222，1983)和澳大利亚(Henzell 等人，Australia Int.Sorghum andMillets Newsl.38:1-9，1997)的干旱适应性高粱育种项目中都是重要的选择标准。
[0010]大量支持此项形状的生理学证据正在不断积累中(Borrell等人，CropSc1.40:1026-1037, 2000a;Borrell and Hammer, Crop Sc1.40:1295-1307, 2000;Harris等人，J.Exp.Bot.58:327-338，2007;Christopher 等人，2008 见上文；Van Oosterom等人，Field Crops Res.115:19-28, 2010a 及 Van Oosterom 等人，Field CropsRes.115:29-38, 2010b)。尽管美国和澳大利亚的高粱育种者已经研究此项干旱耐受机制超过25年，而且此项性状的大量生理学基础也越来越好地得到理解，然而相关的原因机制及遗传位点都还是未知的。
[0011]在水分有限的条件下，谷物产率是蒸腾作用(T)，蒸腾作用效率(TE)及收获指数(HI)的函数[Passioura, J.Aust.1nst.Agric.Sc1.43:117-120, 1977] ? 在此框架内，谷物产率与开花期后的 T 有关(Turner, J.Exp.Bot.55:2413-2425，2004;Manschadi 等人，Funct.Plant.Biol.33:823-837, 2006)，因为HI随着开花期后使用的作物总的T部分的增加而增加(Passioura, 1977,见上文；Sadras and Connor, Field Crops Res.26:227-239，1991;Hammer, Agric.Sc1.19:16-22, 20 06)。开花期后T的增加与开花期附近干旱压力的减少相关，这对作物在稻谷开花期的作物生长速率有正面影响，因此影响所得的谷物数量(Andrade 等人，Crop Sc1.42:1173-1179, 2002;Van Oosterom and Hammer, FieldCrops Res.108:259-268,2008)。如果可得的水的总量是有限的，则开花期后的T可通过限制开花期前的T而增加。这可通过限制冠层大小而完成，可以在遗传学上或通过作物管理而达到。然而，更小的冠层仅仅在TE不足的情况下减少总的T。已有报道，高粱的TE存在显著的基因型的差异(Hammer 等人，Aust.J.Agric.Res.48:649-655，1997;Henderson等人，Aust.J.Plant Physiol.25:111-123, 1998;Mortlock and Hammer, J.CropProd.2:265-286，1999;Xin 等人，Field Crops Res.1ll: 74-80，2009)。备选地，开花期后的水分利用可通过增加作物可得到的水分总量而增加，这可通过扎根加深或减少水浸提的下限而达到(Manschadi等人,2006,见上文)。
[0012]持绿这一性状影响高粱中上述大量过程。首先，持绿在开花期前阶段通过限制冠层大小(通过减少分蘖和更小的叶片)减少水分利用。
[0013]第二，持绿通过增加生根:发芽比率提高水分利用度。有一些实验证据证明持绿品系中水提取会更好，但是还需要更多研究加以证明，这些生根的应答也可通过生长素传输增强得到解释(Wang等人，Molecular Plant2 (4): 823-831，2009)。第三,持绿增加叶子在开花期的绿度，有效地增加了光合能力，因此，增加了 TE (如果光合作用比导气性的增加是成比例的)。叶片绿度的增加是叶片质量减少间接影响的，即为氮在叶片中浓缩。
[0014]使用更少的水分生产更多的食物是人类目前面临的主要挑战。在发展中和发达国家，都有对鉴定出控制作物植物中干旱适应性的基因和基因网络的现实和迫切的需要。这能够增加大范围的作物种属在全世界的水分有限的环境中的干旱适应性。
[0015]发明概述
[0016]本公开教导了与持绿表型相关和/或促进持绿表型的数量性状基因座(QTL)。这些QTL在本文被称为〃持绿(Stg)X"，其中X是由I增加的数字，代表染色体上与持绿表型相关的区域。[0017]如本文所说明的，这些QTL鉴定出高粱中的遗传区域，其携带基因座，编码一个以至多个的促进持绿表型的蛋白质或调控试剂(如微小RNA)。对作物植物中一个或多个这些基因座的表达的调制生成了一种冠层结构，其促进植物中的水分利用转移至开花后阶段，或促进作物生长过程中水分的利用度的增加，或促进蒸腾作用效率的增加，并由此增加水分有限的条件下的收获指数(HI)和谷物产率。
[0018]在一个实施方式中，所述基因座编码与生长素相关的PIN蛋白质。PIN蛋白质为生长素输出载体，其含有跨膜结构域，主要位于细胞质膜中。术语“PIN”来源于“针样花序”。
[0019]术语"SbPINn〃被用于描述高粱中这样的基因，其中η为限定生长素输出载体组分的数字，并且η为1-11。指代"SbPINn"时包括在其他植物中的其同源物和直系同源物。高粱中SbPINn基因座的实例包括表IA中列出的那些，例如但不限于SbPIM和SbPIN2或其他植物中其的等价物。对PIN的表达或具有具体的多形性变化的PIN的表达的调制在本文有所说明，这可促进持绿表型显现出来。本公开教导了来自其他植物如水稻的PIN。PIN的字母前缀说明其来源(例如，Sb，高粱；0s，水稻；等等)。高粱中SbPIN的定位是通过基因ID号确定的(见表1A)。例如，SbPIM对应0sPIN5，而SbPIN2对应0sPIN3a。
[0020]SbPIM和SbPIN2是本文教导的SbPIN的实例，其负责高粱中的持绿性状，分别与Stgl和Stg2相关，其产生大量赋予干旱适应性的表型，这是通过降低开花前的水分利用(降低分蘖及减小叶片而致)、增加水分利用度(增加生根:发芽比率而致)、增加轻度水分不足情况下蒸腾作用效率(叶片氮浓度增高而致)、增加终极水分不足情况下每叶片面积的生物质(每叶片面积蒸腾作用增加而致)以及增加谷物产率、谷物大小和抗倒伏性。其他实例列于表1A，还包括其他植物中其的等价物。
[0021]本公开教导了用于生成遗传修饰植物的方法，其中所述植物比相同种属的非遗传修饰植物更能有效地利用水分，所述方法包括调制所述植物中所有或选定组织中的存在的或引入的针样花序(PIN)基因座的表达水平，以促进持绿表型，所述表型包括水分利用转移至开花后阶段或作物生长过程中 水分的利用度的增加或蒸腾作用效率的增加，由此使得水分有限的条件下的收获指数和谷物产率增加。
[0022]本文描述了用于生成遗传修饰植物的方法，其中所述植物比相同种属的非遗传修饰植物更有效地利用水分，所述方法包括向植物或亲本植物中引入编码选自SbPINl-1l的PIN蛋白质或来自其他植物的其的等价物或其功能同源物或直向同源物的遗传试剂；或调制内源PIN蛋白质的表达的遗传试剂；其中PIN表达的水平和定位促进持绿表型的形成，所述表型尤其包括这样的冠层结构，其促进水分利用转移至开花后阶段，或促进作物生长过程中水分的利用度的增加，由此使得水分有限的条件下的收获指数和谷物产率增加。
[0023]本公开进一步教导了用于生成遗传修饰植物的方法，所述植物比相同种属的非遗传修饰植物更有效地利用水分，所述方法包括向植物或亲本植物中引入编码选自SbPIM和SbPIN2的高粱PIN蛋白质或其他植物中其的等价物的遗传试剂或调制内源PIN的表达的遗传试剂。提到调制，包括增加或降低表达水平。进一步地，可选择具有在植物中所有或选定组织中有所需的表达谱的PIN。
[0024]本文还教导了生成遗传修饰植物的方法，所述植物比相同种属的非遗传修饰植物更有效地利用水分，所述方法包括向植物或亲本植物中引入编码与持绿表型相关或促进持绿表型的产物的遗传试剂，所述持绿表型包括水分利用转移至开花后阶段或作物生长中水的利用度的增加，或蒸腾作用效率的增加，其导致水分有限条件下收获指数和谷物产率的增加，其中所述产物选自SbPINl-1l或其他植物中其的等价物，或调制植物内源PIN的表达的试剂。
[0025]本文还教导了生成遗传修饰植物的方法，所述所述植物比相同种属的非遗传修饰植物更有效地利用水分，所述方法包括向植物或亲本植物中引入编码选自S b PIN4和SbPIN2或其他植物中其的等价物的遗传试剂或调制植物中内源PIN的表达的试剂。通过“引入”，包括经由重组干预以及通过诱变或杂交操作流程并随后进行选择的方法。
[0026]本公开对于生成比相同种属的非遗传修饰植物更能有效利用水分的遗传修饰植物的方法进行说明，所述方法包括向植物/亲本植物中引入编码两种或更多种PIN蛋白质或调制植物中两种或更多种内源PIN蛋白质表达的遗传试剂。高粱中PIN的实例包括SbPINl-1l如SbPIM和SbPIN2或其他植物中其的等价物。例如SbPIM对应0sPIN5，而SbPIN2 对应 0sPIN3a。表 IA 中说明了 SbPIN 和 OsPIN0
[0027]本文还教导了显现出持绿性状的遗传修饰的植物及其子代，以及其种子、果实、花以及其他生殖或繁殖材料。
[0028]编码与持绿表型相关或促进持绿表型的PIN蛋白质或其功能同源物或直向同源物的遗传材料以及调制PIN表达的试剂也在本文进行说明，所述持绿表型包括冠层结构，其促进水分利用转移至开花后阶段或作物生长中水的利用度的增加或蒸腾作用效率的增力口，其导致水分有限条件下收获指数和谷物产率的增加。
[0029]一个实施例中，所述遗传材料选自(i)编码SbPIM的试剂；以及(ii)调制SbPIM或其他植物中其等价物的表达水平的试剂。在另一个实施例中，所述遗传材料选自(i)编码SbPIN2的试剂；以及(ii)调制SbPIN2或其他植物中其等价物的表达水平的试剂。
[0030]遗传材料包括编码与持绿表型相关或促进持绿表型的SbPIM或SbPIN2蛋白质或其他植物中其的功能同源物或直`向同源物或其等价物的试剂，其中持绿表型包括冠层结构，其促进水分利用转移至开花后阶段或作物生长中水的利用度的增加或蒸腾作用效率的增加，其使得水分有限条件下收获指数和谷物产率得到增加；还包括调制SbPIM或SbPIN2或其他植物中其等价物的表达水平的试剂。
[0031]本文教导了植物管理系统，可减少作物对水分的依赖，或提高水分利用效率并增加谷物或产品产率。所述植物管理系统包括生产干旱适应作物(包括稻谷植物)，这是通过仅仅根据本文限定的方法或结合其他有用性状如谷物大小、根大小、盐耐受性、除草剂耐受性、害虫耐受:性等等的导入，对PIN基因座或其功能等价物表达的选择和调制进行的。备选地或此外地，所述植物管理系统包含生成干旱适应性植物以及农业步骤，如灌溉、营养要求、控制作物密度和几何形状、杂草控制、虫害控制、翻土、减少耕耘、高位栽培等等。PIN基因座的实例包括SbPINl-ll(表1A)，如SbPIM和SbPIN2，及其他植物中其的等价物。
[0032]本文还说明了用于提高作物产率的经济回报的商业模型，所述模型包含生成具有冠层结构的作物植物，所述冠层结构促进植物对水的利用转移至开花后阶段或作物生长中水分利用度的增加或蒸腾作用增加，或由此促进水分有限条件下HI及谷物产率的增加，由所生成的作物植物获得种子并将这些种子分配至谷物生产商，以增强的产率和收益。
[0033]以下缩写使用于说明书主体部分:
[0034]Cl,置信区间[0035]CffU,作物水分利用
[0036]Dff,干重
[0037]GLA,绿叶面积
[0038]HD,高密度
[0039]HI,收获指数
[0040]HT,高度分蘖
[0041]HW,高水分
[0042]HWHD,高水分、高密度(轻度水分压力)
[0043]HWLD,高水分，低密度(最低水分压力)
[0044]LA,叶片面积
[0045]LD,低密度
[0046]LT,低分蘖
[0047]Lff,低水分
[0048]LffHD,低水分、高密度(最高水分压力) [0049]LffLD,低水分、低密度(轻度水分压力)
[0050]NIL,近等基因系
[0051]OsPIN,来自水稻的PIN
[0052]PAB,开花期后生物质
[0053]PASM,开花期后茎质量
[0054]PIN,针样花序
[0055]PPBR,开花期前生物质:开花期后生物质
[0056]QTL,数量性状基因座
[0057]R0S,防雨棚
[0058]RffC,相对水含量
[0059]SbPIN,来自高粱的PIN
[0060]SLff,比叶重量
[0061]SML,统计机器学习
[0062]Stg,持绿
[0063]T,蒸腾作用
[0064]T2,叶片2叶腋的分蘖
[0065]T3,叶片3叶腋的分蘖
[0066]T4,叶片4叶腋的分蘖
[0067]T5,叶片5叶腋的分蘖
[0068]T6,叶片6叶腋的分蘖
[0069]TE,蒸腾作用效率
[0070]TS,终极压力
[0071]VPD,蒸汽压差
[0072]Wff,灌溉良好
[0073]表IA提供了来自高粱和水稻的PIN的信息