法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-07-11
授权
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2012-03-28
实质审查的生效 IPC(主分类):A01H5/00 申请日:20100212
实质审查的生效
2012-01-11
公开
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相关申请的交叉参考
本申请要求于2009年2月13日递交的美国临时申请No. 61/207,684的优先权,其为所有目的以参阅的方式并入于此。
背景技术
脱落酸(ABA)自从二十世纪六十年代被证实作为内源小分子生 长抑制剂和植物逆境(stress physiology)生理调节剂之后,一直以来都 是深入研究的热点(K.Ohkuma,J.L.Lyon,F.T.Addicott,O.E.Smith, Science 142,1592(1963);C.F.Eagles,P.E.Wareing,Physiologia Plantarum 17,697(1964);J.W.Cornforth,B.V.Milborrow,G.Ryback, Nature 206,715(1965);J.W.Cornforth,B.V.Milborrow,G.Ryback,P.F. Wareing,Nature 205,1269(1965);D.Imber,M.TaI,Science 169 592 (1970)。事实上,只要提高植物ABA敏感性,就会导致增强的耐旱性 及另外的抗逆性。例如,参见Wang等人,Plant J.43:413-424(2005);Pei 等人Science 282:287-290(1998);美国专利公开No.2004/0010821。遗 传分析已表明ABA信号转导涉及许多因子,包括2型蛋白磷酸酶 (PP2C)ABI1、ABI2及形成密切相关的ABI1/AHG1进化枝(clade)的 相关物质,该进化枝作为ABA信号转导的冗余负调节子(R.R. Finkelstein,S.S.L.Gampala,C.D.Rock,The Plant Cell 14,S 15(2002); P.McCourt,Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 50,219(1999);A.Schweighofer,H.Hirt,I.Meskiene,Trends in Plant Science 9,236(2004))。已报道了几种ABA结合蛋白,然而,尚 不清楚它们是如何调控ABA的多种效应,因为它们不通过已知的信号 转导通路的调节子发挥作用(X.Liu等人,Science 315,1712(Mar 23, 2007);F.A.Razem,A.El-Kereamy,S.R.Abrams,R.D.Hill,Nature 439, 290(2006);Y.Y.Shen等人,Nature 443,823(Oct 19,2006))。另外,特 征受体表现出与非天然立体异构体(-)-ABA1可忽略的结合,其浓度高 于它们的(+)-ABA2 Kds约1000倍。(-)-ABA在大多数ABA检测中是有 生物活性的(B.-L.Lin,H.-J.Wang,J.-S.Wang,L.I.Zaharia,S.R. Abrams,Journal of Experimental Botany 56,2935(2005);D.Huang等 人,The Plant Journal 50,414(2007)),且通过相同的信号转导通路以 (+)-ABA发挥作用(E.Nambara等人,Genetics 161,1247(Jul,2002)),表 明识别(-)和(+)-ABA的受体仍有待发现。
发明简述
本发明提供含有异源表达盒的植物(或这类植物的植物细胞、种 子、花、叶、果实或其它植物部位),该表达盒包括与编码PYR/PYL 受体多肽的核苷酸可操作连接的启动子,其中所述植物与缺少该表达 盒的植物相比,抗逆性增强。
在一些实施方案中,PYR/PYL受体多肽包括SEQ ID NOs:1、91、 92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、 106、107和/或138中的一个或多个。
在一些实施方案中,PYR/PYL受体多肽与SEQ ID NOs:2-90或 108-137中的任一序列具有至少70%(例如,至少70%、80%、90%、 95%)的同源性。
在一些实施方案中,PYR/PYL受体多肽为组成型活性 (constitutively-active)形式,使得受体在不存在脱落酸或ABA激动剂的 酵母双杂交检测中,可以结合2型蛋白磷酸酶(PP2C)。
在一些实施方案中,PYR/PYL受体多肽在存在而非缺乏脱落酸或 ABA激动剂的酵母双杂交检测中结合2型蛋白磷酸酶(PP2C)。
在一些实施方案中,所述植物与缺少该表达盒的植物相比,耐旱 性增强。
在一些实施方案中,启动子为根特异性启动子。
在一些实施方案中,启动子对植物的地上部分具有特异性。
在一些实施方案中,启动子是可诱导的。
本发明还提供增强上述植物的抗逆性的方法。在一些实施方案 中,该方法包括,使植物接触足量的化合物,从而与不接触该化合物 的植物相比,增强其抗逆性,其中所述化合物选自下式:
其中,R1选自由可任选被1-3个R1a基团取代的芳基和杂芳基组成 的组;
各R1a独立选自下组:H、卤素、C1-6烷基、C1-6卤代烷基、C2-6烯 基、C2-6炔基、C1-6烷氧基、C1-6卤代烷氧基、C1-6羟烷基、-NR′R″、-SR′、 -OH、-CN、-NO2、-C(O)R′、-C(O)OR′、-C(O)NR′R″、-N(R′)C(O)R″、 -N(R′)C(O)OR″、-N(R′)C(O)NR′R″、-OP(O)(OR′)2、-S(O)2OR′、 -S(O)2NR′R″、环烷基、杂环烷基、芳基和杂芳基,其中芳基基团可 任选被-NO2取代,且杂芳基可任选被C1-6烷基取代;
可选择地,相邻R1a基团可结合形成选自下组中的成员:环烷基、 杂环烷基、芳基和杂芳基,其中芳基基团可任选被-OH取代;
R′和R″各自独立选自由H和C1-6烷基组成的组;
R2选自下组:C2-6烯基、环烯基、芳基和杂芳基;
R3为H或任选与R2和各自连接的原子结合形成可任选被1-3个R1a基团取代的杂环烷基;
R4为可任选被1-3个R1a基团取代的杂芳基;
R5选自由C1-6烷基和芳基组成的组,其中所述芳基可任选被1-3个 R1a基团取代;
各R6和R7独立选自由芳基和杂芳基组成的组,各自可任选被1-3 个R1a基团取代;
R8选自由环烷基和芳基组成的组,各自可任选被1-3个R1a基团取 代;
R9为H或任选与R8的R1a基团和各自连接的原子结合形成杂环烷 基;下标n为0-2;
X不存在或选自由-O-和-N(R′)-组成的组;
Y不存在或选自由-C(O)-和-C(R′,R″)-组成的组;
Z不存在或选自由-N=和-C(S)-N(R′)-组成的组,使Y和Z之一不存 在;
各R10和R11独立选自由H、C1-6烷基、-C(O)OR′和C1-6烯基-C(O)OH 组成的组,其中R10和R11基团中至少两个为C1-6烷基,R10和R11基团 中至少一个为C1-6烯基-C(O)OH;
可选择地,连接于同一碳原子上的两个R10或R11基团结合形成 =O;
可选择地,一个R10基团和一个R11基团结合形成具有3至6个环成 员的环烷基;
各下标k和m为整数1-3,使k和m之和为3-4;
各下标p和r为整数1-10;
其中位于相邻碳原子上的R10或R11基团两者结合形成键;
R12为被=O取代的C1-6烷基;
R13为C1-6烯基-C(O)OH;
R14选自由H和C1-6烷基组成的组;以及
下标r为整数1-10;
条件是,当R1为4-溴-萘-1-基,且n为1时,R2为除未取代的吡啶-2- 基以外的基团。
本发明还提供含有与编码PYR/PYL受体多肽的核苷酸可操作连 接的启动子的表达盒,其中将该表达盒引入植物中使得该植物与缺少 该表达盒的植物相比,抗逆性增强。
在一些实施方案中,PYR/PYL受体多肽包括SEQ ID NOs:1、91、 92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、 106、107和/或138中的一个或多个。
在一些实施方案中,PYR/PYL受体多肽与SEQ ID NOs:2-90或 108-137中的任一序列具有至少70%(例如,至少70%、80%、90%、 95%)的同源性。
在一些实施方案中,PYR/PYL受体多肽为组成型活性形式,使受 体在不存在脱落酸或ABA激动剂的酵母双杂交检测中,可以结合2型 蛋白磷酸酶(PP2C)。
在一些实施方案中,PYR/PYL受体多肽在存在而非缺乏脱落酸或 ABA激动剂的酵母双杂交检测中结合2型蛋白磷酸酶(PP2C)。
在一些实施方案中,所述植物与缺少该表达盒的植物相比,耐旱 性增强。
在一些实施方案中,启动子为根特异性启动子。在一些实施方案 中,启动子对植物的地上部分具有特异性。在一些实施方案中,启动 子是可诱导的。
本发明还提供含有本发明表达盒(例如,上述的表达盒)的表达 载体。
本发明还提供制备抗逆性增强的植物的方法。在一些实施方案 中,该方法包括:
将本发明表达盒(例如,以上描述的表达盒)引入多株植物中; 以及
筛选含有所述表达盒的且与缺少该表达盒的植物相比抗逆性增 强的植株。
本发明还提供用于接触植物而配制的农用化学制剂,该制剂包括 选自下式的化合物:
其中,R1选自由可任选被1-3个R1a基团取代的芳基和杂芳基组成 的组;
各R1a独立选自下组:H、卤素、C1-6烷基、C1-6卤代烷基、C2-6烯 基、C2-6炔基、C1-6烷氧基、C1-6卤代烷氧基、C1-6羟烷基、-NR′R″、-SR′、 -OH、-CN、-NO2、-C(O)R′、-C(O)OR′、-C(O)NR′R″、-N(R′)C(O)R″、 -N(R′)C(O)OR″、-N(R′)C(O)NR′R″、-OP(O)(OR′)2、-S(O)2OR′、 -S(O)2NR′R″、环烷基、杂环烷基、芳基和杂芳基,其中所述芳基可 任选被-NO2取代,且所述杂芳基可任选被C1-6烷基取代;
可选择地,相邻R1a基团可结合形成选自下组中的成员:环烷基、 杂环烷基、芳基和杂芳基,其中芳基可任选被-OH取代;
R′和R″各自独立选自由H和C1-6烷基组成的组;
R2选自下组:C2-6烯基、环烯基、芳基和杂芳基;
R3为H或任选与R2和各自连接的原子结合形成可任选被1-3个R1a基团取代的杂环烷基;
R4为可任选被1-3个R1a基团取代的杂芳基;
R5选自由C1-6烷基和芳基组成的组,其中所述芳基可任选被1-3个 R1a基团取代;
各R6和R7独立选自由芳基和杂芳基组成的组,各自可任选被1-3 个R1a基团取代;
R8选自由环烷基和芳基组成的组,各自可任选被1-3个R1a基团取 代;
R9为H或任选与R8的R1a基团和各自连接的原子结合形成杂环烷 基;下标n为0-2;
X不存在或选自由-O-和-N(R′)-组成的组;
Y不存在或选自由-C(O)-和-C(R′,R″)-组成的组;
Z不存在或选自由-N=和-C(S)-N(R′)-组成的组,使Y和Z之一不存 在;
各R10和R11独立选自由H、C1-6烷基、-C(O)OR′和C1-6烯基-C(O)OH 组成的组,其中R10和R11基团中至少两个为C1-6烷基,R10和R11基团中 至少一个为C1-6烯基-C(O)OH;
可选择地,连接于相同碳原子上的两个R10或R11基团结合形成 =O;
可选择地,一个R10基团和一个R11基团结合形成具有3至6个环成 员的环烷基;
各下标k和m为整数1-3,使k和m之和为3-4;
各下标p和r为整数1-10;
其中位于相邻碳原子上的两个R10或R11基团结合形成键;
R12为被=O取代的C1-6烷基;
R13为C1-6烯基-C(O)OH;
R14选自由H和C1-6烷基组成的组;以及
下标r为整数1-10;
条件是,当R1为4-溴-萘-1-基,且n为1时,R2为除未取代的吡啶-2- 基以外的基团。
在一些实施方案中,所述制剂进一步包括除草剂、杀菌剂、杀虫 剂或肥料中的至少一种。在一些实施方案中,所述制剂进一步包括表 面活性剂。
本发明还提供增强植物抗逆性的方法,该方法包括,使植物接触 足够量的上述制剂,从而与不接触化合物的植物相比,增强其抗逆性。
在一些实施方案中,所述接触步骤包括通过飞机空洒或灌溉向植 物施用制剂。
本发明还提供鉴定激动PYR/PYL多肽的试剂的方法。在一些实施 方案中,该方法包括:
使一种或多种试剂接触PYR/PYL多肽;以及
测定一种或多种试剂是否结合和/或激活PYR/PYL受体多肽,其 中结合或激活表明该试剂为PYR/PYL多肽的激动剂。
在一些实施方案中,测定步骤包括:使试剂接触含有双杂交系统 的细胞,其中所述双杂交系统检测PYR/PYL多肽和2型蛋白磷酸酶 (PP2C)的相互作用,其中PYR/PYL多肽和PP2C的试剂依赖型相互 作用表明该试剂为PYR/PYL多肽的激动剂。
附图说明
图1、帕雷巴克汀(Pyrabactin)是种子选择性ABA激动剂。(A) 本研究中所述的分子结构。(B)帕雷巴克汀活性被abi1-1抑制。将上 方所示基因型的种子浸泡于含有25μM帕雷巴克汀的培养基中,层积 处理(stratification)后4天给种子萌发打分。底部所示为IC50值,用于评 价帕雷巴克汀作用于所述基因型种子的萌发效果。(C)帕雷巴克汀和 ABA处理的种子的微阵列比较。Y轴为探针对25μM帕雷巴克汀(相 对于未处理的对照)响应的log2转换值,X轴为探针对1μM ABA响应 的log2转换值。绘图所用数据为去除萌发响应转录产物(germination responsive transcripts)后,针对ABA或帕雷巴克汀具有显著响应的探 针组(probe sets)。(D)种子对放线菌酮和ABA响应的微阵列比较。该 图表示对在C组(panel)中分析的相同探针组的响应,但比较的是经放 线菌酮处理的种子的mRNA(y轴)。(E)幼苗对帕雷巴克汀和ABA响应 的微阵列比较。将7天大的幼苗转移到含有10μM ABA或50μM帕雷巴 克汀的平板中24h,然后绘制mRNA样本。各分散图中插入的是每个 比较的皮尔逊(Pearson)相关系数。详细的微阵列方法描述于实施例部 分。
图2、PYR1编码ABA响应的START-结构域(domain)蛋白。(A) Pyr1等位基因。示出了等位基因名称、植株名称(括号内)及通过筛 选帕雷巴克汀抗性突变鉴定得到的,由Pyr1突变等位基因引起的氨基 酸变化。(B)图示为公开的微阵列数据库中包括的Pyr1和Pyr1-Pyr4 表达值。右上方热图(heatmap)所示为首批上面的三个组(first upper three panels),底部热图为保卫细胞数据。绘图使用的是eFP浏览器(D. Winter等人,PLoS ONE 2,e718(2007))。(C)35S::GFP-PYR1互补 pyr1-1。所示基因型种子在25μM帕雷巴克汀培养基上层积处理4天, 然后在室温(RT)、90%相对湿度(RH)下置于黑暗处萌发3天。Columbia 野生型在这些条件下不能萌发,但pyr1-1由于其抗帕雷巴克汀,所以 能够萌发。将35S::GFP-PYR1构建体引入pyr1-1遗传背景中,能够恢 复帕雷巴克汀敏感性,表明GFP融合蛋白能够起作用。(D)Pyr/Pyls 对于正常幼苗中ABA诱导的基因表达是必需的。图示为ABA响应基因 RD29的qRT-PCR结果。L表示Ler,C表示对照,Q表示四倍体突变。 (E)Pyr/Pyls基因对于正常幼苗中ABA诱导的逆境诱导的 (stress-induced)基因表达是必需的。图示为实施例部分所述的两个 ABA响应taqman探针的qRT-PCR结果。L=Ler,C=对照,Q=四倍体 突变。
图3、ABA促进PYR/PYL与PP2Cs结合。(A)PYR/PYL蛋白与 HAB1相互作用的特点。图示为生长于含有上方所示化合物的平板上 的酵母菌落X-gal染色。拟南芥基因组全序列测序(Arabidopsis Genome Initiative,AGI)对每个PYR/PYL基因的注释示于图的右侧。 PYL8(AT5G53160)和PYL13(AT4G18620)未被检测。每个测试株表达 了AD-HAB1融合蛋白,BD融合示于左侧。除了表油菜素内酯(50nM) 外,化学物质测试为10μM。(B)PYR1突变蛋白不能与HAB1发生相 互作用。测试了在拟南芥种子中显示出帕雷巴克汀高敏感性的3个 PYR1氨基酸替换突变与HAB1在Y2H中发生的相互作用。(C)PYR1 与ABI1和ABI2发生相互作用,而不与abi2-1编码的突变蛋白发生作 用。
图4、GFP-PYR1定位于细胞质和核质中。共聚焦图象显示为在 pyr1-1突变体背景中的35S::GFP-PYR1构建体。该构建体补足了 (complement)pyr1-1突变体的帕雷巴克汀不敏感表型。
图5、Pyr1以及Pyr1、2和4在ABA敏感中发挥冗余功效。(A)三 倍体和四倍体突变系中的ABA响应在萌发期间改变。上方所示基因型 的种子在含有0.9μM(+)-ABA的培养基中层积处理4天,然后在黑暗处 萌发3天后拍照。由于与pyl2-1插入等位基因紧密相关的erecta突变的 存在,在(+)-ABA上萌发的四倍体突变上观察到短下胚轴。(B)三倍 体和四倍体突变系中的ABA响应在根生长期间改变。上方所示基因型 的种子层积处理4天,然后转移至暗处(常温,90%相对湿度)。30小 时后,将出现幼根的种子转移至含有10μM(+)-ABA的平板上,在黑暗 处再生长3天后对它们的根拍照。
图6、PYR1为调节PP2C活性的ABA受体。(A)体外ABA感受重 建。采用GST-HAB1和6xHis-PYR1(或突变体)对纯化的重组蛋白(左 侧)进行转蛋白试验(Pull-down assays)。另外采用纯化的6xHis-PYR11 (或突变体)及含有所示PP2C的粗细胞裂解物在转蛋白试验中测试 GST-ABI1和ABI2。使用10μM(+)-ABA。(B)在ABA存在下,PYR1 抑制PP2C活性。在PYR1或PYR1P88S存在下,以不同的ABA浓度,用 底物pNPP测试GST-HAB1的PP2C活性。(C)HAB1 PP2C活性的 ABA/PYL4型抑制。重组的PYL4(由包涵体重新折叠)和HAB1用于 所述的PP2C检测。使用磷酸酶底物pNPP测定GST-HAB1活性。采用 酶标仪(plate reader)监测一段时间的反应(3次),计算磷酸酶的起 始反应速率(3次),用于计算活性。上图显示为所研究的整个浓度范 围;下图显示为所测试的较低浓度的放大部分。这些试验中的 GST-HAB1特异活性为452.4±12.3μmol/min/mg。绘图使用±SD误差 线(error bar)。
图7、预测的PYR/PPYL调节ABA信号转导模型。不限于本发明 范围,我们设计了以下模型:在无ABA时(左侧),PYR/PYL蛋白与 PP2Cs结合弱,因此PP2C活性高,防止了SnRK2s以及下游因子(DFs) 的磷酸化和激活。在ABA存在时,PYR/PYL结合并抑制PP2Cs。使磷 酸化的下游因子和ABA转录响应得到积累。PYR/PYLs对SnRK2s的调 节可能是间接的,或可能涉及其它因子。
图8、ABA激动剂小分子的活性。该表概括了来自于筛选的小分 子对于PYR1、PYL1、PYL2、PYL3和PYL4受体活性的数据。
图9、在PP2C酵母双杂交检测中鉴定的一些化合物的IC50值。左 栏中所列化合物编号对应于表9中概括的检测时确定的化合物;化合 物7653159对应于图9中的化合物7;化合物6655097对应于图9中的化 合物6;以及化合物7561035对应于图9中的化合物9。对于每个化合物, 以pNPP为底物采用磷酸酶试验检测该化合物拮抗PYR/PYL抑制 PP2C HAB1的能力。
图10、PYL4过表达系中的ABA相关基因表型列表。检测了PYU4 过表达以及pyr1;pyl1;pyl2;pyl4四倍体突变拟南芥植株对于胁迫 响应的相关性状,包括开花时间、株高、叶绿素含量和萎蔫相对于对 照拟南芥植株的变化。突变植株构建的详细描述由实施例部分提供。
图11、来自拟南芥的PYR1及同系物的比对。该图提供了拟南芥 PYR/PYL蛋白序列的比对。比对显示了,例如绝对保守氨基酸以及处 于通常的保守位置的氨基酸。图中序列包括以下PYR/PYL多肽: PYL12(SEQ ID NO:77)、PYL8(SEQ ID NO:78)、PYL7(SEQ ID NO:79)、PYL9(SEQ ID NO:80)、PYL11(SEQ ID NO:81)PYL10(SEQ ID NO:82)、PYL13(SEQ ID NO:83)、PYL5(SEQ ID NO:84)、PYL4 (SEQ ID NO:85)、PYL6(SEQ ID NO:86)、PYL2(SEQ ID NO:87)、PYL3 (SEQ ID NO:88)、PYR1(SEQ ID NO:89)和PYL1(SEQ ID NO:90)。来 自特定成员的一致性序列列于比对下方。ALL_Con=SEQ ID NOs:93-95;1_12_Con=SEQ ID NOs:96-99;1_6_Con=SEQ ID NOs: 100、139和102;7_10_Con=SEQ ID NOs:103和140;11_13_Con=SEQ ID NOs:106和107。
图12、其它ABA激动剂的活性。所列化合物包括天然产生的植物 化合物青蒿酸及其类似物。
定义
本文中使用的术语“启动子”是指能够启动细胞中编码序列进行 转录的多核苷酸序列。因此,本发明中使用的启动子的多核苷酸结构 中包括顺式作用转录调控元件和涉及调控或调节基因的转录时间和/ 或速率的调控序列。例如,启动子可以是顺式作用转录调控元件,包 括涉及转录调控的增强子、启动子、转录终止子、复制起始位点、染 色体整合序列、5′和3′非翻译区或内含序列。这些顺式作用序列一般 与蛋白或其它分子作用实现(开启/关闭、调控、调节等)基因转录。 “植物启动子”是指能够在植物细胞中起始转录的启动子。“组成型 启动子”是指能够在几乎所有组织中起始转录的启动子,而“组织特 异性启动子”仅在一种或几种特定组织中起始转录。
术语“植物”包括整个植株、枝条的营养器官和/或结构(例如, 叶、茎和块茎)、根、花和花器官(例如,苞片、萼片、花瓣、雄蕊、 心皮、花药)、胚珠(包括卵细胞和中央细胞)、种子(包括受精卵、 胚胎、胚乳和种皮)、果实(例如,成熟的子房)、种苗、植物组织(例 如,维管组织、基本组织等)、细胞(例如,保卫细胞、卵细胞、毛 状体等)及其子代。可用于本发明方法中的植物种类一般是指可广泛 适合于转化技术的高等和低等植物种类,包括被子植物(单子叶和双 子叶植物)、裸子植物、蕨类植物和多细胞藻类植物。它包括多种倍 性水平的植物,包括非整倍体、多倍体、二倍体、单倍体和半合子。
如果多核苷酸序列来自外源物种,或如果来自经过修饰的相同物 种的原始形式,则它对于有机体是“异源的”或者是第二多核苷酸序 列(a second polynucleotide sequence)。例如,当说到启动子与外源编 码序列可操作连接时,是指所述编码序列来自一个物种,而启动子来 自另一不同物种;或如果二者来自相同物种,所述编码序列不是与该 启动子天然连接的(例如,遗传工程编码序列,如来自相同物种的不 同基因或来自不同生态型或品种的等位基因)。
某株植物的“外源的”多核苷酸,是指通过除了有性杂交以外的 任何方法将核苷酸引入该植株中的多核苷酸。可采用的方法的实例如 下,包括农杆菌介导转化法、基因枪法、电穿孔等。这类含有外源核 酸的植物此处称为T1(例如,通过真空渗透得到的拟南芥)或R0(从 体外转化细胞再生的植物)代转基因植物。
本文中使用的术语“转基因”描述了非天然存在的含有人工修饰 的基因组的植物,其中植物基因组中包括来自相同或不同植物物种的 外源核酸分子。所述外源核酸分子可以是基因调控元件,如启动子、 增强子或其它调控元件,或可含有可与异源基因调控元件连接的编码 序列。这类植物通过有性杂交或自交产生的转基因植物的后代,也被 称为“转基因的”。
“表达盒”是指核酸构建体,当引入至宿主细胞中时,分别导致 RNA或多肽的转录和/或翻译。不能被翻译的反义或正义构建体特别 地包括在该定义内。在转基因表达且内源基因抑制(例如,通过反义 或正义抑制)的情况下,本领域技术人员应知道插入的多核苷酸序列 不必相同,但可以仅与衍生该多核苷酸序列的基因序列“大体相同”。 如下面所解释的,这些大体相同的变体(variants)通过引用被特定核 酸序列专门涵盖。
“提高的”或“增强的”PYR/PYL表达或活性是指蛋白表达或活 性增强的变化。这种增强的活性或表达的实例包括,例如使PYR/PYL 的表达高于对照水平,和/或其在对照中不表达的例如某个位置或时 间上异位(ectopically)表达。在一些实施方案中,PYR/PYL表达或 活性高于其在野生型、非转基因对照植物中的水平(即,PYR/PYL 的活性或PYR/PYL基因的表达增强)。在一些实施方案中,PYR/PYL 的表达或活性可存在于,例如,野生型、非转基因对照植物中通常检 测不到的器官、组织或细胞中(即,PYR/PYL表达或活性在某些组织 中增强)。在一些实施方案中,当存在于器官、组织或细胞中的 PYR/PYL表达或活性的时间比在野生型、非转基因对照植物中的时间 长(即,PYR/PYL表达或活性的时间增加了),PYR/PYL的表达或活 性增强。
如果在进行下述最大对应的比对时,核苷酸或氨基酸残基序列中 两条序列中分别相同,则称两个核酸序列或多肽是“相同的”。两条 或多条核酸或多肽序列中的术语“相同的”或“相同”百分数,是指 在比较窗口中进行最大对应的比较和比对时,两条或多条序列或子序 列(subsequence)是相同的或有特定百分数的氨基酸或核苷酸是相同 的,测定采用的是以下一种序列比较算法或人工比对和目测比对。当 序列相同百分数被用于蛋白或多肽时,应认识到不同的残基位置通常 由于保守氨基酸的替换而不同,氨基酸残基被替换成其它具有相似化 学性质(例如,电荷或疏水性)的氨基酸残基,因此不改变该分子的 功能。由于保守替换导致序列不同,针对替换的保守性质可上调序列 相同百分数予以纠正。调整的方法是本领域技术人员所熟知的。一般 包括给部分而不是全部错配的保守替换打分,从而提高序列相同百分 数。因此,例如,相同的氨基酸给定分值为1,非保守替换给定分值 为0,保守替换给定分值为0-1。保守替换分值的计算根据,例如 Meyers & Miller,Computer Applic.Biol.ScL 4:11-17(1988)的算法,例 如,执行程序PC/GENE(Intelligenetics,Mountain View,California, USA)。
本文中使用的短语“大体相同”是指两条核酸或多肽,与对照序 列至少25%序列相同。或者,相同百分数可以是25%-100%之间的整 数。采用上述程序,与对照序列比较,一些实施方案包括至少25%、 30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、 85%、90%、95%或99%;优选BLAST采用下述标准参数。本发明提 供核酸编码的、与SEQ ID NO:2-90或108-137之一大体相同的多肽。
在进行序列比较时,一般以一条序列作为参考序列,待测序列与 其比较。当采用序列比较算法时,将待测序列和参考序列输入计算机, 进行序列匹配,如有必要,可设定序列算法程序参数。可使用默认程 序参数或可设定另外的参数。然后基于所述程序参数,序列比较算法 计算出待测序列相对于参考序列的序列相同百分数。
本文中使用的“比较窗口”包括在两条序列进行最优比对后,参 考任一选自由20-600,通常约50-约200,更通常为约100-约150个组成 的组的连续位置数目的区域,使序列与相同数目的连续位置的参考序 列相比较。比较序列的比对方法为本领域熟知。序列最优比对的比较 可按照Smith & Waterman,Adv.Appl.Math.2:482(1981)的局部同源性 算法进行,按照Needleman & Wunsch,J.Mol.Biol.48:443(1970)的同 源性比对算法进行,按照Pearson & Lipman,Proc.Nat′l.Acad.ScL USA 85:2444(1988)搜索相似性的方法进行,利用这些算法的计算机运行 (GAP,BESTFIT,FASTA,and TFASTA in the Wisconsin Genetics. Software Package,Genetics Computer Group,575 Science Dr.,Madison, WI),或通过人工比对和目测比对。
适合于测定序列相同百分数和序列相似百分数的算法的实例是 BLAST和BLAST 2.0算法,分别描述于Altschul等人(1990)/.Mol.Biol. 215:403-410和Altschul等人(1977)Nucleic Acids Res.25:3389-3402 中。用于进行BLAST分析的软件可通过美国国家生物技术信息中心 (NCBI)网站公开获得。所述算法包括首先通过在查询序列(query sequence)中确定长度W的短词,从而确定高分序列配对(HSPs), 当与数据库中的相同长度序列的词比对时,该查询序列或者匹配或者 达到满意的正阈分值T。T是指相邻词的分值阈值(Altschul等人,同 上)。以这些起始相邻词采样数(word hits)作为种词用于起始搜索找 到更长的含有它们的HSPs。然后,所述词采样数沿每条序列的两个 方向延伸,只要累计的比对分能够增加。采用参数M(匹配残基对则 加分;总是>0)和N(不匹配残基则罚分;总是<0)计算核苷酸序列的 累计分。对于氨基酸序列,分值矩阵用于计算累计分。当累计比对分 X量落入其最大获取值以外时;由于一个或多个负分残基比对的积 累,当累计分趋于零或更低时;或达到任一条序列的末端时,每个方 向上词采样数的延伸停止。BLAST算法参数W、T和X决定了比对的 敏感性和速度。BLASTN程序(用于核苷酸)使用默认的词大小(W) 为28,期望值(E)为10,M=1,N=2,比较两条链。对于氨基酸序 列,BLASTP程序使用默认的词大小(W)为3,期望值(E)为10, BLOSUM62分值矩阵(见Henikoff & Henikoff,Proc.Natl.Acad.ScL USA 89:10915(1989))。
BLAST算法还可进行两条序列间相似性的统计分析(见,例如 Karlin & Altschul,Proc.Nat′l.Acad.ScL USA 90:5873-5787(1993))。 BLAST算法提供的一种相似性测定是最小总和概率(P(N)),其根据 两条核苷酸或氨基酸序列之间随机产生的匹配提供概率的指示。例 如,如果待测核酸与参考核酸比较中,最小总和概率≤约0.01,更优 选≤约10-5,最优选≤约10-20,则认为核酸与参考序列相似。
“保守修饰的变体”适用于氨基酸和核苷酸序列。对于特定的核 酸序列,保守修饰的变体是指那些编码相同或基本相同氨基酸序列的 核苷酸,或所述核苷酸不编码基本相同的氨基酸序列。由于遗传密码 的简并性,大量功能相同的核苷酸编码任何给定的蛋白。例如,密码 子GCA、GCC、GCG和GCU都编码丙氨酸。因此,在每个位置,丙 氨酸由密码子限定,密码子可改变为任何所述相关密码子而不改变所 编码的多肽。这类核苷酸变化为“沉默变化(silent variation)”,是一种 保守修饰变化。本文中每条编码多肽的核苷酸序列还描述了各种可能 的核苷酸的沉默变化。本领域技术人员应知道每个核苷酸密码子(除 AUG之外,其通常仅编码甲硫氨酸)可被修饰以产生功能相同的分子。 因此,每个编码多肽的核苷酸的沉默变化在各所述序列中是隐含的。
至于氨基酸序列,本领域技术人员应知道,核苷酸、肽、多肽或 蛋白序列的单个替换改变单个氨基酸或编码序列中的少量氨基酸,其 为“保守修饰变体”,该变化导致氨基酸被替换成化学性质相似的氨 基酸。提供功能相似氨基酸的保守替换表是本领域熟知的。
以下六组,各含有彼此保守替换成另一氨基酸的氨基酸:
1)丙氨酸(A),丝氨酸(S),苏氨酸(T);
2)天门冬氨酸(D),谷氨酸(E);
3)天门冬酰胺(N),谷氨酰胺(Q);
4)精氨酸(R),赖氨酸(K);
5)异亮氨酸(I),亮氨酸(L),甲硫氨酸(M),缬氨酸(V);以及
6)苯丙氨酸(F),酪氨酸(Y),色氨酸(W)。
(见,例如Creighton,Proteins(1984))。
本文中使用的术语“抗旱性”或“耐旱性”,包括任何其变体, 是指植物从干旱胁迫期(即,很少水或没有水的天数)恢复的能力。 一般地,干旱胁迫至少为5天,也可长达例如18或20天或更长(例如, 至少6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20 天),取决于例如植物的物种。
发明详述
I.介绍
本发明部分基于对小有机分子选择性脱落酸(ABA)激动剂以及 需要ABA激动剂活性的PYR1蛋白的发现。还进一步发现PYR1是 PYR/PYL受体蛋白家族的一个成员。待测植物表达≥一种PYR/PYL 受体蛋白家族成员,且具有至少某些冗余活性。增强一种或多种 PYR/PYL蛋白在植物中的表达或活性,将导致ABA敏感性增强以及 相应提高的胁迫(例如,冷、热、盐或旱)响应和耐受以及其它期望 的ABA介导的表型。
脱落酸是一种多功能的植物激素,参与各种植物的保护功能,包 括芽休眠、种子休眠和/或成熟,叶片和果实的脱落,以及各种各样 的生物胁迫(例如冷、热、盐和旱)响应。通过一个独立于CO2浓度 的机制,ABA还负责调节气孔关闭。因此,由于PYR/PYL ABA受体 蛋白介导ABA信号转导,这些表型可通过调节PYR/PYL的表达进行 调节。植物中ABA诱导的表型可以通过增加的PYR/PYL表达来增加 或加速,而这样的植物表型,可以通过减少PYR/PYL的表达来减少或 减缓。PYR/PYL介导ABA信号转导作为例如,种子发芽、发芽后生 长、气孔运动和植物对胁迫的耐受性,包括但不限于干旱的正调节子。 因此,当通过过表达PYR/PYL使脱落酸敏感性增强时,可获得期望的 植物特点,如增加的胁迫(例如,干旱)耐受和延迟的种子发芽。其 它可在本发明的植物中产生的期望的特点包括,例如,开花时间的变 化和/或增加的叶绿素含量。
II.ABA激动剂
本发明提供小分子ABA激动剂,即激活PYR/PYL蛋白的化合物。 示例ABA激动剂包括,例如,选自下式的化合物:
其中,R1选自由可任选被1-3个R1a基团取代的芳基和杂芳基组成 的组;
各R1a独立选自下组:H、卤素、C1-6烷基、C1-6卤代烷基、C2-6烯 基、C2-6炔基、C1-6烷氧基、C1-6卤代烷氧基、C1-6羟烷基、-NR′R″、-SR′、 -OH、-CN、-NO2、-C(O)R′、-C(O)OR′、-C(O)NR′R″、-N(R′)C(O)R″、 -N(R′)C(O)OR″、-N(R′)C(O)NR′R″、-OP(O)(OR′)2、-S(O)2OR′、 -S(O)2NR′R″、环烷基、杂环烷基、芳基和杂芳基,其中芳基可任选 被-NO2取代,且杂芳基可任选被C1-6烷基取代;
可选择地,相邻R1a基团可结合形成选自下组中的成员:环烷基、 杂环烷基、芳基和杂芳基,其中芳基可任选被-OH取代;
R′和R″各自独立选自由H和C1-6烷基组成的组;
R2选自下组:C2-6烯基、环烯基、芳基和杂芳基;
R3为H或任选与R2和各自连接的原子结合形成可任选被1-3个R1a基团取代的杂环烷基;
R4为可任选被1-3个R1a基团取代的杂芳基;
R5选自由C1-6烷基和芳基组成的组,其中所述芳基可任选被1-3个 R1a基团取代;
各R6和R7独立选自由芳基和杂芳基组成的组,各自可任选被1-3 个R1a基团取代;
R8选自由环烷基和芳基组成的组,各自可任选被1-3个R1a基团取 代;
R9为H或任选与R8的R1a基团和各自连接的原子结合形成杂环烷 基;下标n为0-2;
X不存在或选自由-O-和-N(R′)-组成的组;
Y不存在或选自由-C(O)-和-C(R′,R″)-组成的组;
Z不存在或选自由-N=和-C(S)-N(R′)-组成的组,使Y和Z之一不存 在;
各R10和R11独立选自由H、C1-6烷基、-C(O)OR′和C1-6烯基-C(O)OH 组成的组,其中R10和R11基团中至少两个为C1-6烷基,R10和R11基团 中至少一个为C1-6烯基-C(O)OH;
可选择地,连接于相同碳原子上的两个R10或R11基团结合形成 =O;
可选择地,一个R10基团和一个R11基团结合形成3至6元的环烷基;
各下标k和m为整数1-3,使k和m之和为3-4;
各下标p和r为整数1-10;
其中位于相邻碳原子上的两个R10或R11基团结合形成键;
R12为被=O取代的C1-6烷基;
R13为C1-6烯基-C(O)OH;
R14选自由H和C1-6烷基组成的组;以及
下标r为整数1-10;
条件是,当R1为4-溴-萘-1-基,且n为1时,R2为除未取代的吡啶-2- 基以外的基团。
示例化合物进一步描述于实施例和附图中。参见,例如图9、10 和13。
本发明的ABA激动剂化合物可通过本领域技术人员已知的各种 方法制备得到。例如,磺胺化合物可由磺酰氯和胺反应以制备得到磺 胺。本发明的酰胺化合物可通过类似的方式,采用酰基氯替代磺酰氯 或本领域技术人员已知的碳二亚胺耦合试剂来制备。其它制备本发明 化合物的方法是本领域技术人员已知的,例如,描述于Comprehensive Organic Transformations,2d ed.,Richard C.Larock,1999的方法。上述 方法的起始原料为市售获得(Sigma-Aldrich),或采用本领域技术人 员已知的方法进行制备。
植物(或植物部位如种子)中ABA诱导的表型可通过使植物与足 量的本发明ABA激动剂接触以诱导ABA诱导型表型来增加或加速。 本发明的ABA激动剂是有益的,用作例如正增强剂,例如延迟种子发 芽、发芽后生长、气孔运动和植物抗逆性包括但不限于干旱。
III.ABA激动剂制剂
本发明提供用于接触植物而配制的农用化学制剂,其中该制剂包 括本发明的ABA激动剂。在一些实施方案中,与激动剂接触的植物不 含有或表达异源PYR/PYL多肽(例如,植物不是转基因植物,或植物 是转基因植物但表达异源蛋白而不是异源PYR/PYL蛋白)。在一些实 施方案中,与激动剂接触的植物含有或表达本文中所述的异源 PYR/PYL多肽。
根据本发明,例如在载体中,所述制剂适合用于处理植物或植物 繁殖材料,如种子。适合的添加剂包括缓冲剂、润湿剂、包膜剂、多 糖和研磨剂。示例载体包括水、水溶液、浆料、固体和干燥粉末(例 如泥炭、小麦、麸皮、蛭石、粘土、消毒的土壤、多种形式的碳酸钙、 白云石、各种档次的石膏、膨润土和其它粘土矿物、磷矿石和其它磷 化合物、二氧化钛、腐殖质、滑石、藻酸盐和活性炭。任何本领域技 术人员已知的农业上适合的载体是可接受的,且可用于本发明中。任 选地,所述制剂还可包括至少一种表面活性剂、除草剂、杀菌剂、杀 虫剂或肥料。
处理可采用已知的各种方法,例如,通过在繁殖材料上喷洒、喷 雾、喷粉或播撒该组合物,或涂刷或泼洒或以其它方式使植物接触组 合物,如果是种子,则通过涂布、包裹或以其它方式处理种子。另一 种在种植前直接处理植物或种子的方法,还可将本发明的制剂引入土 壤或其它待播种种子的培养基。在一些实施方案中,还可使用载体。 所述载体可以是如上所述的固态、液态。在一些实施方案中,泥炭悬 浮于水中,作为ABA激动剂的载体,在种植种子时,将这种混合物喷 洒入土壤或种植介质中和/或喷洒于种子表面。
IV.新ABA激动剂和拮抗剂的筛选
本发明还提供筛选ABA激动剂和拮抗剂的方法,其通过筛选在激 动剂情况下能够诱导PYR/PYL-PP2C结合的分子,或在拮抗剂情况下 能够破坏ABA和其它激动剂促进PYR/PYL-PP2C结合的能力的分子。 可使用许多不同的筛选方案以鉴定激动(agonize)或拮抗(antagonize) PYR/PYL多肽的试剂。
筛选可使用分离的、纯化的或部分纯化的试剂进行。在一些实施 方案中,可使用纯化的或部分纯化的PYR/PYL多肽。
或者,可使用基于细胞的方法。例如,可使用天然表达PYR/PYL 多肽的细胞或重组表达PYR/PYL多肽的细胞。在一些实施方案中,可 使用植物细胞,动物细胞,细菌细胞,真菌细胞,包括但不限于酵母 细胞,昆虫细胞或哺乳动物细胞。概括地,筛选方法包括筛选多种试 剂以鉴定能够调节PYR/PYL多肽活性的试剂,例如,通过结合 PYR/PYL多肽,或激活PYR/PYL多肽,或提高PYR/PYL多肽的表达, 或增加编码PYR/PYL多肽的转录物。
1、PYR/PYL多肽结合检测
任选地,初级筛选可通过筛选能够结合PYR/PYL多肽的试剂来进 行,因为至少其中一些这样鉴定出的试剂可能是PYR/PYL多肽调节 剂。
结合检测可包括用一种或多种检测试剂接触PYR/PYL多肽,用足 够长的时间使蛋白质和检测试剂形成结合复合物。可采用任何一种已 建立的分析技术检测任何形成的结合复合物。蛋白结合检测方法包 括,但不限于,在非变性SDS聚丙烯酰胺凝胶上测定共沉淀或共迁移, 以及在蛋白印迹(Western blots)上检测共迁移(见,例如Bennet,J.P. 和Yamamura,H.I.(1985)″Neurotransmitter,Hormone or Drug Receptor Binding Methods,″in Neurotransmitter Receptor Binding(Yamamura,H. L,等人,eds.),pp.61-89)。其它结合检测包括使用质谱或NMR技术鉴 定结合PYR/PYL多肽的分子或标记底物的置换(例如,标记的ABA)。 检测中使用的PYR/PYL多肽蛋白可以是天然表达的、克隆的或合成 的。
2、活性
可通过筛选能够激活或增强PYR/PYL多肽活性的试剂来鉴定 PYR/PYL多肽激动剂。可通过降低活性来鉴定拮抗剂。
一种活性检测包括测试候选激动剂是否能够诱导PYR/PYL蛋白 与2型蛋白磷酸酶(PP2C)多肽以激动剂特异的方式结合。哺乳动物 或酵母双杂交法(见,例如,Bartel,P.L.等人Methods Enzymol, 254:241(1995))可用于鉴定当共同表达于细胞中时,发生相互作用 或结合的多肽或其它分子。在一些实施方案中,在酵母双杂交检测中, 在PYR/PYL多肽和2型蛋白磷酸酶(PP2C)多肽之间鉴定激动 PYR/PYL多肽的试剂,其中能够激活或能够使PYR/PYL多肽与PP2C 多肽结合的试剂被鉴定为ABA激动剂。因此,两种多肽在该试剂存在 时结合,而在无该试剂的条件下不结合。
在一些实施方案中,在酵母双杂交检测中,在PYR/PYL多肽和2 型蛋白磷酸酶(PP2C)多肽之间鉴定拮抗PYR/PYL多肽的试剂,其 中能够降低PYR/PYL多肽与PP2C多肽结合的试剂被鉴定为ABA拮抗 剂,任选在ABA或PYR/PYL ABA激动剂存在的条件下。因此,拮抗 剂阻断在通常情况下受到ABA或其它激动剂促进的两种多肽的正常 结合,或者,观察到其与PYR/PYL蛋白发生的结构性相互作用。
3、表达检测
本发明还提供对能够增强PYR/PYL多肽表达的化合物的筛选。筛 选方法一般包括进行基于细胞的或基于植物的检测,受试化合物与一 种或多种表达PYR/PYL多肽的细胞接触,然后检测PYR/PYL表达(或 转录物或翻译产物)的增加。可采用天然表达PYR/PYL的细胞或经重 组改造的表达PYR/PYL的细胞,或经重组改造在PYR/PYL启动子的 控制下表达报告基因的细胞进行检测。
可进行各种对照试验以确保检测到的活性是真实的,包括用不含 该报告构建体的细胞,或通过使含有该报告构建体的细胞不与受试化 合物接触而设置平行反应。
4、验证
通过任一种前述筛选方法最初鉴定得到的试剂可进一步进行测 试以验证该试剂显著的活性和/或确定该试剂的其它生物学效果。在 一些实例中,测试所鉴定得到的试剂作用于植物逆境(plant stress)(例 如,耐旱性)、种子发芽或其它受ABA影响的表型的能力。许多这类 检测方法和表型是本领域已知的,且可用于本发明的方法中。
5、固相和可溶性高通量检测
在本发明的高通量检测中,一天中可筛选高达数千个不同的调节 剂或配体。特别是,每一个微孔板可用于单独检测所选的潜在调节剂, 或如果算上检测浓度或孵育时间的影响,每5-10孔可测试一个调节 剂。因此,一个标准的微孔板可检测约100(例如96)个调节剂。如 果使用1536个微孔板,然后每一个微孔板可容易地检测出约100-约 1500个不同的化合物。每天可以检测几个不同的微孔板,使用本发明 的集成系统,可检测筛选出高达约6,000-20,000个或更多的不同的化 合物。此外,试剂操作可使用微流体法(microfluidic approaches)。
目标分子(例如,PYR/PYL或表达PYR/PYL多肽的细胞)可以 直接或间接地,通过共价或非共价键结合于固相组分。
本发明提供高通量下在体外进行检测而鉴定能够调节PYR/PYL 表达或活性的化合物。
V.PYR/PYL受体多肽
本发明的多肽,当表达于植物中时,介导ABA和ABA类似物信 号转导。在一些实施方案中,PYR/PYL多肽与PP2C多肽(例如,ABI1 或2或它们的直系同源物,例如来自PP2Cs亚家族A组)以ABA、帕雷 巴克汀、或本发明所述的其它ABA激动剂依赖的方式发生作用(例如, 在酵母双杂交检测中)。
多种PYR/PYL多肽序列是本领域已知的,且可用于本发明的方法 和组合物。此处应注意的是,虽然PYR1起初在拟南芥中被鉴定为ABA 受体,实际上PYR1是拟南芥中相同蛋白家族的至少14个蛋白 (PYR/PYL蛋白)的组的成员,并且也介导ABA信号转导。该蛋白 家族还存在于其它植物中(见,例如序列表(SEQUENCE LISTING)), 其部分特征为存在一个或多个或全部的聚酮环化酶(polyketide cyclase)结构域2(PF10604)、聚酮环化酶结构域1(PF03364)和Bet V I结构域(PF03364)。START/Bet v 1超家族结构域描述于,例如, Radauer,BMC Evol.Biol.8:286(2008)。
在想获得上述序列的变体或直系同源物的情况下,可进行序列比 对以鉴定保守的氨基酸或基序(motif)(即,序列的变化可改变蛋白功 能)以及比对序列中发生变化的区域(即,序列的变化不显著影响蛋 白的活性)。SEQ ID NO:1、91和92提供一致性序列用于鉴定PYR/PYL 多肽。其它有用的一致性序列包括,例如 EXLXXXDXXXXXXXXXXXGGXHXL(SEQ ID NO:138); CxSxxxxxxxAPxxxxWxxxxxFxxPxxxxxFxxxC(SEQ ID NO:93), GxxRxVxxxSxxPAxxSxExLxxxD(SEQ ID NO:94)和/或 GGxHRLxNYxS(SEQ ID NO:95)。此外,更多特定的一致性序列可通 过比对拟南芥PYR/PYL蛋白14个成员的亚型(subsets)而呈现。这些 一致性序列的实例包括,例如,
PYR1-PYL12
CxSxxxxxxxAPxxxxWxxxxxFxxPxxxKxFxxxC(SEQ ID NO:96)
GxxRxVxxxSxLPAxxSxExLxxxD(SEQ ID NO:97)
GGxHRLxNYxS(SEQ ID NO:98)
ESxxVDxPxGNxxxxTxxFxxxxxxxNLxxL(SEQ ID NO:99)
PYR1-PYL6
HxxxxxxxxCxSxxxxxxxAPxxxxWxxxxxFxxPxxYKxFxxxC(SEQ ID NO:100)
VGRx Vx VxSGLP AxxSxExLxxxDxxxxxxxFxxxGGxHRLxNYxS VT(SEQ ID NO:101)
VxESYx VDxPxGNxxxxTxxFxDxxxxxNLQxL(SEQ ID NO:102)
PYL7-PYL10
HxHxxxxxQCxSxLVKxIxAPxHxVWSxVRRFDxPQKYKPFxSRC xVxGx(SEQ ID NO:103)
ExGxxREVxxKSGLPATxSTExLExLDDxEHILxIxIxGGDHRLKN YSSxxxxHxExIxGxxG Tx(SEQ ID NO:104)
xxESFVVDVPxGNTKxxTCxFVExLIxCNLxSLAxxxERL(SEQ ID NO:105)
PYL11-PYL13
CxSxxVxTIxAPLxLVWSILRxFDxPxxxxxFVKxCxxxSGxGG (SEQ ED NO:106)
GSVRxVTxVSxxPAxFSxERLxELDDESHVMxxSπGGxHRLVNY xSKT(SEQ ID NO:107)
因此,在一些实施方案中,本发明的PYR/PYL多肽包括一种或多 种上述一致性序列或它们的保守变体。
本领域技术人员应知道,上述一致性序列的变化位置可基于它们 在特定PYR1多肽(例如,在SEQ ID NOs:2-90中任一序列内出现)中 的相关位置所出现的氨基酸进行选择,或者也可以是它们的保守取 代。在一些实施方案中,本发明的PYR/PYL多肽与以下任一条序列大 体相同(例如,至少70%、75%、80%、85%、90%、95%相同),SEQ ID NO: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、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、 63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、 78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、108、109、 110、111、112、113、114、115、116、117、118、119、120、121、 122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、 134、135、136或137。
本发明提供上述蛋白和/或编码所述多肽的核酸序列在本发明方 法和组合物(例如,表达盒、植物等)中的应用。可采用多种技术, 分离编码植物PYR/PYL(例如,从尚未鉴定的植物PYR/PYL序列中) 的多核苷酸序列。例如,基于本文中公开的PYR/PYL编码序列(例如, 序列表中列出的序列)的寡核苷酸探针,可用于鉴定cDNA或基因组 DNA文库中想要的PYR/PYL基因。为了构建基因组文库,通过随机 片段化,例如,用限制性内切核酸酶产生大的基因组DNA片段,并与 DNA载体连接形成串联体(concatemer),其可被包装于适合的载体 中。为了制备cDNA文库,从想要的组织如特定植物物种的叶片中分 离mRNA,由该mRNA制备得到含有目标基因转录物的cDNA文库。 或者,cDNA可由从其它表达PYR/PYL基因的组织中提取的mRNA制 备得到。
然后用基于本文中公开的PYR/PYL基因序列设计的探针筛选 cDNA或基因组文库。探针可用于与基因组DNA或cDNA序列杂交以 分离相同或不同植物物种中的同源基因。或者,针对多肽设计的抗体 可用于筛选mRNA表达文库。
或者,编码PYR/PYL的核酸可采用扩增技术由核酸样品扩增得 到。例如,聚合酶链式反应(PCR)技术可用于直接从基因组DNA、 cDNA、基因组文库或cDNA文库扩增得到编码PYR/PYL的序列。PCR 及其它体外扩增方法还可用于,例如克隆编码表达PYR/PYL的核苷酸 序列,制备用作探针的核酸用于检测样品中目的mRNA存在,用于核 酸测序或用于其它目的。有关PCR的综述见PCR手册(PCR Protocols): A Guide to Methods and Applications.(Innis,M,Gelfand,D.,Sninsky,J. and White,T.,eds.),Academic Press,San Diego(1990)。用于鉴定植物 组织序列的适合的引物和探针,通过将本文中提供的序列与其它相关 基因进行比较而产生。
在一些实施方案中,许多植物的部分或全部基因组已经进行了测 序,且确定了开放阅读框。通过BLAST搜索,人们可以确定各种植物 中编码PYR/PYL的序列。
术语PYR/PYL多肽包括天然产生的PYR/PYL多肽(或编码此类 多肽的核酸)变体。变体包括,例如融合蛋白、仍保留活性的缺失或 突变。
在一些实施方案中,PYR/PYL多肽在ABA(或ABA激动剂)存 在下激活(例如,以PP2C进行双杂交检测或其它受体检测来测定), 但在无ABA或激动剂时不具有显著活性。另外,在一些实施方案中, 本发明的PYR/PYL多肽为组成型活性,即在ABA或ABA激动剂存在 时具有活性。如实施例中描述的,本发明人发现拟南芥中PYR1的 H60P、M158T、M158I、M158S或M158V突变将蛋白变为组成型活性 蛋白。由于这些位置(H60和M158)存在于PYR/PYL蛋白二聚体的 表面,可以认为通过在其它二聚体表面位置上(例如,F61、K63、I84、 S85、L87、P88、A89、S152、D155、T156、F159、T162、L166和/ 或K170)引入氨基酸变化可以产生其它组成型突变。尽管上述位置 是参考拟南芥PYR1蛋白设定的,然而其它PYR/PYL多肽中的相关位 置也包含于上述说明中。用标准比对软件如BLAST可以容易地确定其 它PYR/PYL多肽中的相关位置。尽管以上描述了特定的氨基酸变化, 本发明旨在包括上述特定氨基酸旁侧的其它氨基酸的突变。在一些实 施方案中,例如,保守氨基酸可包括在内取代上述突变。
有趣的是,本发明人观察到一些天然出现的PYR/PYL蛋白在H60 相关位置上天然具有一个P。例如,拟南芥PYL9在该位置上具有一个 P。本发明人发现PYL9为组成型活性。在一些实施方案中,通过将 “H60”位(参考拟南芥PYR1中的位置)上的脯氨酸改变为组氨酸或 其它非脯氨酸的氨基酸,使组成型活性PYR/PYL蛋白转化为受ABA 或ABA激动剂激活的蛋白。
因此,本发明提供组成型活性的且含有上述突变的PYR/PYL多 肽。在一些实施方案中,所述组成型多肽包括一条或多条上述一致性 序列和/或与SEQ ID NOs:2-90之一大体相同的序列。
VI.本发明PYR/PYL核酸和多肽的应用
本发明提供了通过改变PYR/PYL表达或活性,调节植物中ABA 敏感性的方法,例如,通过向植物中引入含有与PYR/PYL核苷酸可操 作连接的调控元件(例如,启动子)的重组表达盒,所述PYR/PYL 核苷酸即编码PYR/PYL的核酸或含有PYR/PYL mRNA或其互补序列 一部分的序列。
在一些实施方案中,本发明的方法包括增加和/或异位表达编码 植物中PYR/PYL多肽的一个或多个PYR/PYL多核苷酸。这种实施方 案可用于提高植物的ABA敏感性,并导致例如增强的胁迫(例如,干 旱)耐受和/或延迟的种子发芽(以避免过早萌发,例如可发生在潮 湿的环境中或因其它暴露在湿气中)。针对胁迫耐受,一般可选择组 成型且表达于大多数植物组织中,或者是叶或根特异的启动子。为了 影响种子发芽,一般使用能够导致在种子中,在一些实施方案中在花 器官或胚中表达的启动子。
在一些实施方案中,本发明方法包括降低植物中内源PYR/PYL 表达,从而降低植物中ABA敏感性。此类方法包括,例如植物中 PYR/PYL序列的遗传突变(例如,化学、辐射、转座子或其它诱变), 以降低PYR/PYL表达或活性,或引入与PYR/PYL cDNA序列或其互补 序列(例如,“RNAi构建体”)至少部分大体相同的多核苷酸以降低 PYR/PYL表达。下降的(或增强的)PYR/PYL表达可用于调控叶柄 脱落区的形成,从而控制叶片脱落,即如果叶片脱落区中的表达降低, 则延缓叶片脱落,如果叶子脱落区中的表达增加,则加速叶片脱落
A.增加PYR/PYL表达或活性
本文中制备的分离的序列还可用于制备能够增强或提高 PYR/PYL基因表达的表达盒。当期望过表达目的基因时,可使用来自 相同物种或不同物种(或与来自另一个物种的编码PYR/PYL多肽的基 因或核苷酸大体相同)的目的基因(或至少编码PYR/PYL多肽的多核 苷酸)。在一些实施方案中,为了降低潜在的正义抑制影响,可使用 来自不同物种(或与来自另一个物种的编码PYR/PYL多肽的基因或多 核苷酸大体相同)的编码PYR/PYL多肽的多核苷酸。
可采用本领域熟知的众多方法中的任何一种来增强植物中 PYR/PYL活性。任何器官或植物部位可作为靶标,如枝条的营养器官 /结构(例如叶、茎和块茎)、根、花和花器官/结构(例如苞片、萼片、 花瓣、雄蕊、心皮、花药和胚珠)、种子(包括胚、胚乳和种皮)、果 实、脱落区等。或者,一个或几个PYR/PYL基因可组成型地表达(例 如,使用CaMV 35S启动子或其它组成型启动子)。
本领域技术人员应知道由本发明基因编码的多肽,像其它蛋白一 样,具有行使不同功能的不同结构域。因此,过表达或异位表达的多 核苷酸序列不必是全长,只需表达想要的蛋白的结构域。或者,或此 外,活性PYR/PYL蛋白可以是在不必大大改变PYR/PYL活性下的融 合表达。融合表达参与者(partners)的实例包括,但不限于,多组 氨酸或其它标签序列。
B.降低PYR/PYL表达或活性
可采用许多方法抑制植物中基因表达。各种抑制基因表达的方法 是已知的,并可用于抑制多个PYR/PYL基因之一的表达。见,例如美 国专利Nos.5,759,829、5,107,065、5,231,020、5,283,184、6,506,559、 6,573,099,6,326,193、7,109,393。例如,可方便地使用反义技术。为 了实现该技术,克隆来自目的基因的一段核酸,并与启动子可操作地 连接,使RNA的反义链能够被转录。然后将表达盒转入植物中并生产 RNA的反义链。在植物细胞中,已表明反义RNA通过阻止编码目的 酶的mRNA的累积而抑制基因表达,见,例如Sheehy等人,Proc.Nat. Acad.ScL USA,85:8805-8809(1988);Pnueli et al.,The Plant Cell 6:175-186(1994);and Hiatt et al,U.S.Patent No.4,801,340。
转入植物中的反义核酸序列应与内源基因或被抑制的基因至少 部分大体相同。然而,该序列不必与被抑制表达的基因完全相同。因 此,仅编码PYR/PYL多肽的一部分或PYR/PYL cDNA的一部分的反义 或正义核酸分子,可用于生产PYR/PYL表达受到抑制的植物。可设计 本发明的载体,使抑制效果可应用于显示出与靶基因同源或基本同源 的基因家族中的其它蛋白。在一些实施方案中,可使用一种或多种反 义或正义或其它siRNA核酸分子同时抑制多于一个PYR/PYL多肽的 表达。
用于反义抑制,相对于初级转录物或完全加工的rnRNA而言,所 引入的序列可不必是全长。一般地,更高的同源性可用于补偿短序列 的使用。而且,所引入的序列不必具有相同的内含子或外显子结构, 且非编码区的同源性可同样有效。例如,可使用约30或40个核苷酸之 间的序列,在一些实施方案中,尽管可以使用至少约20、50、100、 200或500个核苷酸的序列,然而应当使用约全长的核苷酸。
还可使用催化RNA分子或核酶抑制PYR/PYL的表达。可设计与 几乎任何靶RNA特异配对的核酶,并在特定位置切断磷酸二酯骨架, 从而功能性灭活靶RNA。在进行切割时,核酶本身不发生变化,因此 能够循环使用并切割其它分子,使其成为真正的酶。反义RNA中含有 的核酶序列使其具有RNA切割活性,从而提高了该构建体的活性。
已确定了许多类别的核酶。一类核酶衍生自植物中能够自切割并 复制的许多小环状RNA。RNA或者单独复制(类病毒RNA)或者随 辅助病毒(卫星mRNA)一起复制。具体实例包括来自鳄梨日斑类病 毒的RNA和来自烟草环斑病毒、卢塞恩瞬态条纹病毒、烟草绒斑驳病 毒、茛菪斑驳病毒和地下三叶草斑驳病毒的卫星RNA。靶RNA特异 核酶的设计和使用描述于Haseloff等人Nature,334:585-591(1988)。
抑制的另一种方法为正义抑制(又称为共抑制)。引入含有沿启 动子正向上配置的核酸的表达盒,已证明是一种有效的阻断靶基因转 录的方法。采用该方法调节内源基因表达的实例见,Napoli等人,The Plant Cell 2:279-289(1990);Flavell,Proc.Natl.Acad.ScI,USA 91:3490-3496(1994);Kooter and Mol,Current Opin.Biol.4:166-171 (1993);以及美国专利Nos.5,034,323、5,231,020和5,283,184.。
一般地,只要抑制基因表达,就会出现一些引入序列的转录。该 效果可能出现于本身不含编码序列、而仅含有内含子或与内源序列的 初级转录物中存在的序列同源的非翻译序列的引入序列。一般引入序 列与要被抑制的内源序列大体相同。最小同源性一般高于约65%,更 高的同源性能够更有效地抑制内源序列的表达。在一些实施方案中, 使用具有较高同源的序列,例如,使用具有至少约80%,至少约95% 或100%同源性的序列。根据反义调控,可设定并检测效果,应用于 显示出同源或大体同源的相似基因家族中的任何其它蛋白中。
用于正义抑制,表达盒中所引入的序列相对于初级转录物或完全 加工的mRNA而言,不需要完全一致,也不需要全长一致。优选避免 同时产生一些过表达的植物。比全长序列短的同源性更高的序列补偿 了长的、同源性较低的序列。而且,引入序列不必含有相同的内含子 或外显子结构,且非编码区的同源性同等有效。在一些实施方案中, 使用上述提到的用于反义调控的序列大小范围,即30-40,或至少约 20、50、100、200、500或更多核苷酸。
还可以通过RNA干扰(RNAi)(事实上可以认为共抑制是RNAi 的一种类型)抑制内源基因表达,其使用具有与靶基因序列相同或近 似序列的双链RNA。在RNAi现象中,当具有与靶基因相同或近似序 列的双链RNA被引入细胞中时,插入的外源基因和靶内源基因都受到 抑制。所述双链RNA可由两条互补的RNA形成,或可以是一条具有 内部互补序列的RNA所形成的双链RNA。尽管RNAi机制的详情还不 完全清楚,可以认为引入的双链RNA起始切割成小片段,然后以某些 方式成为靶基因的指示(indexes),从而降解靶基因。已知RNAi在植 物中也是有效的(见,例如Chuang,C.F.& Meyerowitz,E.M.,Proc. Natl.Acad.ScL USA 97:4985(2000);Waterhouse等人,Proc.Natl.Acad. ScL USA 95:13959-13964(1998);Tabara等人Science 282:430-431 (1998);Matthew,Comp Funct Genom 5:240-244(2004);Lu等人, Nucleic Acids Research 32(21):e171(2004))。例如,为了抑制编码蛋白 的DNA的表达,采用RNAi,其具有编码蛋白的DNA序列的双链RNA, 或使用其大体相同的序列(包括那些通过基因工程改造而不翻译蛋白 的序列)或其片段,被引入到目标植物中。然后从所得植物中筛选与 靶蛋白相关的表型和/或通过监测编码蛋白的转录物的稳态RNA水 平。尽管用于RNAi的基因不必完全与靶基因相同,它们可以与靶基 因序列(例如,PYR/PYL)具有至少70%、80%、90%、95%或更高 的同源性,见,例如美国专利公开No.2004/0029283。与靶基因不相 关且位于目的基因的特异性序列远端、带有茎环结构的编码RNA分子 的构建体也可用于抑制靶基因表达。参见,例如美国专利公开No. 2003/0221211。
RNAi多核苷酸可包括全长靶RNA或与靶RNA的片段相对应。在 一些实例中,所述片段含有不到100、200、300、400、500、600、700、 800、900或1000个与靶序列对应的核苷酸。此外,在一些实施方案中, 这些片段至少为,例如50、100、150、200或更长的核苷酸。在一些 实例中,用于RNAi的片段应至少与在有机体的其它蛋白中不出现的 靶蛋白区大体相似,或可选择与其它有机转录物尽可能不相似,例如, 通过分析公众可获得的序列数据库而比较序列进行选择。
将瞬时和稳定转染中不断表达siRNA的表达载体改造成表达小 发夹RNA,其在体内加工成为能够实现基因特异沉默的siRNA分子 (Brummelkamp等人,Science 296:550-553(2002),以及Paddison等 人,Genes & Dev.16:948-958(2002))。由双链RNA引起的转录后基因 沉默进一步详细论述于Hammond等人,Nature Rev Gen 2:110-119 (2001),Fire等人,Nature 391:806-811(1998)以及Timmons和Fire Nature 395:854(1998)中。
本领域技术人员应知道,使用基于特定核苷酸序列的技术(例如, 反义或正义抑制技术),同源基因家族可被一条正义或反义转录物抑 制。例如,如果将正义或反义转录物设计成含有基因家族中保守的序 列,那么基因家族中的众多成员可被抑制。反之,如果目标仅为抑制 同源基因家族中的一个成员,那么正义或反义转录物应靶向家族成员 之间差异最大的序列。
另一种抑制植物中PYR/PYL功能的方法是通过产生显性负突变 (dominant negative mutation)。在该方法中,将仍保留与野生型亚单 位发生作用的能力的非功能性PYR/PYL多肽突变引入植物中。显性负 构建体还可用于抑制植物中PYR/PYL表达。本发明中使用的显性负构 建体通常含有完整PYR/PYL编码序列的一部分,其足以,例如,用于 DNA结合或用于蛋白-蛋白相互作用,如同源二聚体或异源二聚体蛋 白-蛋白相互作用,但其缺少野生型蛋白的转录活性。
VII.重组表达载体
一旦获得了PYR/PYL的编码或cDNA序列,还可将它用于制备在 转基因植物中由异源启动子指导的表达PYR/PYL蛋白的表达盒。增加 的PYR/PYL多核苷酸表达是有益的,例如,生产抗旱性增强的植物。 或者,如上所述,表达载体也可用于表达PYR/PYL多核苷酸及其能够 抑制内源PYR/PYL表达的变体。
任何本领域熟知的方法可用于提高或降低植物中PYR/PYL活性 或表达。任何器官可被靶定位,如枝条营养器官/结构(例如叶、茎 和块茎)、根、花和花器官/结构(例如苞片、萼片、花瓣、雄蕊、心 皮、花药和胚珠)、种子(包括胚、胚乳、种皮)和果实。或者,PYR/PYL 基因可以组成型表达(例如,用CaMV 35S启动子)。
为了在上述技术中使用PYR/PYL编码或cDNA序列,制备适用于 植物细胞转化的重组DNA载体。用于转化多种高等植物物种的技术是 众所周知的,并描述于技术和科学文献中。参见,例如,Weising等 人Ann.Rev.Genet.22:421-477(1988)。编码PYR/PYL多肽的DNA序 列优选与转录和翻译起始调控序列结合,该调控序列指导转化植物的 目标组织中基因序列的转录。
例如,植物启动子片段可用于指导PYR/PYL基因在再生植株所有 组织中的表达。本文中所指的这类启动子为“组成型”启动子,且在 大多数环境条件下以及发育或细胞分化状态下具有活性。组成型启动 子的实例包括花椰菜花叶病毒(CaMV)35S转录起始区,来自根癌农 杆菌T-DNA的1′-或2′-启动子,以及来自本领域技术人员熟知的各种植 物基因的其它转录起始区。
另外,植物启动子可指导PYR/PYL蛋白在特定组织(组织特异性 启动子)中或在更严格的环境控制下(诱导型启动子)的表达。受到 发育控制的组织特异性启动子包括仅在特定组织,如叶子或保卫细胞 (包括但不限于所描述于WO/2005/085449;美国专利No.6,653,535; Li等人,Sci China C Life Sci.2005 Apr;48(2):181-6;Husebye等人, Plant Physiol,April 2002,Vol.128,pp.1180-1188;以及Plesch等人, Gene,Volume 249,Number 1,16 May 2000,pp.83-89(7))中起始转录 的启动子。可影响诱导型启动子转录的环境条件实例包括缺氧条件、 升高的温度或有光照。
如果想要得到正确的蛋白表达,应包括编码区3′末端的多腺苷酸 区。多腺苷酸区可来自天然基因,来自其它植物基因或来自T-DNA。
含有所述序列(例如,启动子或PYR/PYL编码区)的载体一般包 括植物细胞中具有选择表型的标记基因。例如,标记基因可编码抗微 生物剂(biocide)抗性,特别是抗生素抗性,如卡那霉素、G418、博莱 霉素、潮霉素或除草剂抗性,如绿黄隆(chlorosluforon)或Basta抗性,
在一些实施方案中,PYR/PYL核酸序列在植物细胞中重组表达以 增强或提高总PYR/PYL多肽的水平。可制备多种不同的表达构建体, 如表达盒及适于植物细胞转化的载体。用于转化多种高等植物物种的 技术是众所周知的,并描述于技术和科学文献中。见,例如,Weising 等人Ann.Rev.Genet.22:421-477(1988)。编码PYR/PYL蛋白的DNA 序列可与顺式作用(启动子)和反式作用(增强子)转录调控序列结 合以指导转化植物目标组织中转录的时间、组织类型和转录水平。还 可以使用翻译调控元件。
本发明提供可以与在一些实施方案中能够驱动植物中PYR/PYL 编码序列转录的启动子可操作连接的PYR/PYL核酸。所述启动子可以 是,例如来自植物或病毒。所述启动子可以是,例如,组成型活性、 诱导型或组织特异性。在构建本发明的重组表达盒、载体、转基因时, 可选择不同启动子,并用于差异指导基因表达,例如,在植物或动物 的一些或全部组织中。
A.组成型启动子
启动子片段可以用来指导PYR/PYL核酸在所有转化细胞或组织, 例如,那些再生植物中的表达。术语“组成型调控元件”表示能够使 可操作连接的核酸分子,其相对独立于该组成型调控元件表达的细胞 或组织类型,具有表达水平的调控元件。表达于植物中的组成型调控 元件一般广泛表达于大量细胞和组织类型中。在生理条件下驱动连续 表达的启动子是指“组成型”启动子,且在大多数环境条件下以及发 育或细胞分化状态下具有活性。
用于转基因植物中异位表达的多种组成型调控元件是本领域熟 知的。例如,花椰菜花叶病毒35S(CaMV 35S)启动子,是一种很有特 点的的组成型调控元件,其能够在所有植物组织中产生高水平的表达 (Odell等人,Nature 313:810-812(1985))。由于CaMV 35S启动子在 许多不同的植物物种中具有活性,因此它是特别有益的(Benfey和 Chua,Science 250:959-966(1990);Futterer等人,Physiol.Plant 79:154 (1990);Odell等人,同上,1985)。串联35S启动子(其中内部启动子元件 被复制)与未修饰的35S启动子相比具有更高的表达水平(Kay等人, Science 236:1299(1987))。其它有用的组成型调控元件包括,例如花 椰菜花叶病毒19S启动子、玄参花叶病毒启动子以及胭脂碱合酶(nos) 基因启动子(Singer等人,Plant Mol Biol.14:433(1990);An,Plant Physiol.81:86(1986))。
其它组成型调控元件包括那些本领域已知的在单子叶植物中有 效表达的调控元件,例如pEmu启动子和基于水稻肌动蛋白-1 (Actin-1)5′区的启动子(Last等人,Theor.Appl Genet.81:581(1991); Mcelroy等人,Mol Gen.Genet.231:150(1991);Mcelroy等人,Plant Cell 2:163(1990))。结合来自不同基因的元件的嵌合型调控元件,也可以 用于异位表达编码PYR/PYL蛋白的核酸分子(Comai等人,Plant Mol. Biol.15:373(1990))。
其它组成型启动子的实例包括衍生自根癌农杆菌T-DNA的1′-或 2′-启动子(见,例如Mengiste(1997)同上;O′Grady(1995)Plant Mol. Biol.29:99-108);肌动蛋白启动子,如拟南芥肌动蛋白基因启动子 (见,例如Huang(1997)Plant Mol.Biol.199733:125-139);乙醇脱氢 酶(Adh)基因启动子(见,例如Millar(1996)Plant Mol.Biol 31:897-904);来自拟南芥的ACT11(Huang等人,Plant Mol Biol. 33:125-139(1996)),来自拟南芥的Cat3(GenBank No.U43147,Zhong 等人,Mol Gen.Genet.251:196-203(1996)),来自甘蓝型油菜的编码硬 脂酰-酰基载体蛋白脱饱和酶的基因(Genbank No.X74782, Solocombe等人,Plant Physiol.104:1167-1176(1994)),来自玉米的 Gpc1(GenBank No.X15596,Martinez等人J.Mol.Biol 208:551-565 (1989)),来自玉米的Gpc2(GenBank No.U45855,Manjunath等人, Plant Mol.Biol.33:97-112(1997)),其它来自各种植物基因的本领域技 术人员已知的转录起始区。还参见HoltorfPlant Mol.Biol.29:637-646 (1995)。
B.诱导型启动子
另外,植物启动子可指导PYR/PYL基因在改变的环境条件或发育 条件的影响下的表达。可由诱导型启动子影响转录的环境条件的实例 包括缺氧条件、升高的温度、干旱或有光照。这类启动子在本文中是 指“诱导型”启动子。例如,本发明可以整合干旱特异启动子如玉米 的干旱诱导型启动子(Busk(1997)同上);或其它来自马铃薯的寒 冷、干旱及高盐诱导型启动子(Kirch(1997)Plant Mol.Biol. 33:897-909)。
另外,暴露于植物激素,如植物生长激素的诱导型植物启动子可 用于表达PYR/PYL基因。例如,本发明可以使用大豆(Glycine max L) 中的植物生长激素响应元件E1启动子片段(AuxREs)(Liu(1997) Plant Physiol.115:397-407);植物生长激素响应拟南芥GST6启动子 (也对水杨酸和过氧化氢有响应)(Chen(1996)Plant J.10:955-966); 来自烟草的植物生长激素诱导型parC启动子(Sakai(1996) 37:906-913);植物生物素响应元件(Streit(1997)Mol.Plant Microbe Interact.10:933-937);以及对逆境激素(stress hormone)脱落酸响应的 启动子(Sheen(1996)Science 274:1900-1902)。
暴露于可用于植物的化学试剂,如除草剂或抗生素的植物诱导型 启动子,也可用于表达PYR/PYL基因。例如,可以使用由苯磺酰胺除 草安全剂(benzenesulfonamide herbicide safeners)激活的玉米In2-2启 动子(De Veylder(1997)Plant Cell Physiol.38:568-577);应用不同的 除草安全剂诱导不同的基因表达模式,包括在根、排水孔以及芽分生 组织中的表达。PYR/PYL编码序列还可以在例如四环素诱导型启动子 的控制下,例如所述含有燕麦L.(燕麦)精氨酸脱羧酶基因(Masgrau (1997)Plant J.11:465-473)的转基因烟草;或水杨酸响应元件(Stange (1997)Plant J.11:1315-1324;Uknes等人,Plant Cell 5:159-169(1993); Bi等人,Plant J.8:235-245(1995))。
有用的诱导型调控元件的实例包括铜诱导型调控元件(Mett等人, Proc.Natl.Acad.ScL USA 90:4567-4571(1993);Furst等人,Cell 55:705-717(1988));四环素和氯四环素诱导型调控元件(Gatz等人, Plant J.2:397-404(1992);Roder等人,Mol.Gen.Genet.243:32-38 (1994);Gatz,Meth.Cell Biol.50:411-424(1995));蜕皮激素诱导型调 控元件(Christopherson等人,Proc.Natl.Acad.ScL USA 89:6314-6318 (1992);Kreutzweiser等人,Ecotoxicol.Environ.Safety 28:14-24(1994)); 热休克诱导型调控元件(Takahashi等人,Plant Physiol.99:383-390 (1992);Yabe等人,Plant Cell Physiol.35:1207-1219(1994);Ueda等人, Mol.Gen.Genet.250:533-539(1996));以及lac操纵子元件,其用于与 组成型表达的lac阻遏剂结合以实现,例如IPTG诱导型表达(Wilde等 人,EMBO J.11:1251-1259(1992))。用于本发明转基因植物中的诱导 型调控元件还可以是,例如来自菠菜亚硝酸盐还原酶基因的硝酸盐诱 导型启动子(Back等人,Plant Mol.Biol.17:9(1991))或光诱导型启动 子,例如与RuBP羧化酶的小亚单位或LHCP基因家族结合的调控元件 (Feinbaum等人,Mol.Gen.Genet.226:449(1991);Lam和Chua, Science 248:471(1990))。
C.组织特异性启动子
另外,植物启动子可指导特异组织中(组织特异启动子)PYR/PYL 基因的表达。组织特异启动子是仅在植物发育的特定时期的特定细胞 或组织,如营养组织或生殖组织中具有活性的转录调控元件。
发育调控下的组织特异启动子的实例包括仅(或主要仅)起始特 定组织中的转录,如营养组织,例如根或叶,或繁殖组织,如果实、 胚珠、种子、花粉、柱头(pistol)、花或任何胚组织(embryonic tissue) 或表皮或叶肉。繁殖组织特异启动子可以是,例如,胚珠特异、胚特 异、胚乳特异、珠被特异、种子及种皮特异、花粉特异、花瓣特异、 萼片特异或一些它们的组合。在一些实施方案中,所述启动子为细胞 型特异,例如保卫细胞特异。
其它组织特异启动子包括种子启动子。适合的种子特异启动子来 自以下基因:玉米MAC1基因(Sheridan(1996)Genetics 142:1009-1020); 玉米Cat3基因(GenBank No.L05934,Abler(1993)Plant Mol..Biol. 22:10131-1038);拟南芥vivparous-1基因(Genbank No.U93215);拟 南芥atmyc 1基因(Urao(1996)Plant Mol.Biol.32:571-57;Conceicao (1994)Plant 5:493-505);甘蓝型油菜napA基因(GenBank No.J02798, Josefsson(1987)JBL 26:12196-1301);以及甘蓝型油菜napin基因家族 (Sjodahl(1995)Planta 197:264-271)。
在营养组织,如叶、茎、根和块茎中具有特异活性的多种启动子 也可用于表达编码PYR/PYL多肽的多核苷酸(或RNAi或反义或正义 构建体)。例如,可使用控制马铃薯块茎中主要贮藏蛋白patatin的启 动子,见,例如Kim(1994)Plant Mol.Biol.26:603-615;Martin(1997) Plant J.11:53-62。还可以使用来自毛根农杆菌,在根中显示高活性的 ORF13启动子(Hansen(1997)Mol.Gen.Genet.254:337-343)。其它有 用的营养组织特异启动子包括:来自主要的芋头(Colocasia esculenta L.Schott)球茎蛋白家族的编码球蛋白的基因的tarin启动子,tarin (Bezerra(1995)Plant Mol.Biol.28:137-144);芋头球茎发育期间有活 性的仙茅甜蛋白启动子(de Castro(1992)Plant Cell 4:1549-155)以及 马铃薯根特异基因TobRB7启动子,其表达位于根分生组织和未成熟 的中轴区(Yamamoto(1991)Plant Cell 3:371-382)。
可以使用叶特异启动子,如核酮糖二磷酸羧化酶(RBCS)启动 子。例如,马铃薯RBCS1、RBCS2和RBCS3A基因表达于叶子和光种 植苗中,仅RBCS1和RBCS2表达于发育的马铃薯果实(Meier(1997) FEBS Lett.415:91-95)中。可以使用几乎仅在叶片的叶肉细胞和叶鞘 中高水平表达的核酮糖二磷酸羧化酶启动子,描述于Matsuoka(1994) Plant J.6:311-319。另一种叶特异启动子是集光叶绿素a/b结合蛋白基 因启动子,见,例如Shiina(1997)Plant Physiol.115:477-483;Casal (1998)Plant Physiol.116:1533-1538。拟南芥myb相关基因启动子 (Atmyb5),描述于Li(1996)FEBS Lett.379:117-121,是叶特异启动 子。Atmyb5启动子表达于发育的叶毛、托叶及丛生(rosette)和茎生 (cauline)嫩叶边缘的表皮细胞中,并表达于未成熟的种子中。Atmyb5 mRNA出现在受精和胚发育的16细胞阶段并持续至心形期(heart stage)之后。可以使用由Busk(1997)Plant J.11:1285-1295,在玉米 中鉴定的叶启动子。
另一类有用的营养组织特异启动子是分生组织(根尖和茎尖)启 动子。例如,可以使用由Di Laurenzio(1996)Cell 86:423-433;以及 Long(1996)Nature 379:66-69描述的“SHOOTMERISTEMLESS”和 “SCARECROW”启动子,其在发育的茎尖或根尖分生组织中具有活 性。另一种有用的启动子可以控制3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 HMG2基因,其表达限于分生组织和花(气孔的分泌区、成熟花粉粒、 雌蕊群的维管组织和受精的胚珠)组织中(见,例如Enjuto(1995) Plant Cell.7:517-527)。还可以使用的是玉米kn-1相关基因以及具有分 生特异表达的其它物种,见,例如Granger(1996)Plant Mol.Biol. 31:373-378;Kerstetter(1994)Plant Cell 6:1877-1887;Hake(1995) Philos.Trans.R.Soc.Lond.B.Biol.Sci 350:45-51。例如,拟南芥KNAT1 启动子(见,例如Lincoln(1994)Plant Cell 6:1859-1876)。
本领域技术人员应知道组织特异启动子可以促使可操作连接序 列在组织中表达,而不仅仅是在靶组织中表达。因此,本文中使用的 组织特异启动子是能够优先促使在靶组织表达的启动子,但是也可以 导致在其它组织中的一些表达。
在另一实施方案中,PYR/PYL多核苷酸通过转座元件表达。这允 许组成型活性多肽的组成性、然而是周期性和不频繁的表达。本发明 还提供衍生自病毒的组织特异启动子的应用,所述启动子包括例如烟 草花叶病毒亚基因组启动子(Kumagai(1995)Proc.Natl.Acad.ScL USA 92:1679-1683);水稻东格鲁杆状病毒(RTBV),其仅在感染的 水稻植株的韧皮细胞中复制,它的启动子驱动韧皮特异报告基因的高 表达;木薯脉花叶病毒(CVMV)启动子,其在维管元件、叶子的叶 肉细胞和根尖中具有高活性(Verdaguer(1996)Plant Mol.Biol. 31:1129-1139)。
VIII.转基因植株的生产
如本文中详细描述的,本发明提供含有用于在植物中表达 PYR/PYL蛋白或用于抑制或降低内源PYR/PYL表达的重组表达盒的 转基因植物。因此,在一些实施方案中,生产转基因植物,其含有内 源PYR/PYL编码多核苷酸的完整或部分序列,用于增强或降低 PYR/PYL表达及活性。在一些实施方案中,生产转基因植物,其含有 与内源PYR/PYL编码多核苷酸基本上同源的多核苷酸的完整或部分 序列,用于增强或降低PYR/PYL表达及活性。在一些实施方案中,生 产转基因植物,其含有来自物种而不仅仅是转基因植物物种的多核苷 酸的完整或部分序列。应理解的是,转基因植物包括引入表达盒的植 物或植物细胞以及这些植物或植物细胞的含有所述表达盒的后代,包 括表达盒已稳定整合至染色体中的后代。
含有由异源启动子驱动的PYR/PYL编码序列的重组表达载体可 以通过各种常规技术引入目的植物宿主的基因组中。例如,采用技术 如电穿孔以及植物细胞原生质的基因枪法,可以将DNA构建体直接引 入植物细胞的基因组DNA中,或采用轰击的方法,如DNA粒子轰击, 将DNA构建体直接引入植物组织中。或者,DNA构建体可以与适合 的T-DNA旁侧区结合并转入常规的根癌农杆菌宿主载体中。根癌农杆 菌宿主的侵入功能将指导构建体和相邻标记,在当细胞受到细菌侵染 时,插入到植物细胞DNA中。本发明还包括PYR/PYL的瞬时表达, 一般本发明构建体的表达是将表达盒插入植物基因组中,例如,使至 少一些植物后代也含有整合的表达盒。
为了实现本发明目的,还可以使用基因枪技术。这些技术是本领 域熟知的,且完整地描述于文献中。采用聚乙二醇沉淀的方法引入 DNA构建体描述于Paszkowski等人EMBO j.3:2717-2722(1984)中。 电穿孔技术描述于Fromm等人Proc.Natl.Acad.ScL USA 82:5824 (1985)。轰击转化技术描述于Klein等人Nature 327:70-73(1987)。
根癌农杆菌介导的转化技术,包括解毒(disarming)和使用双元 载体,详细地描述于科学文献中。见,例如Horsch等人Science 233:496-498(1984),和Fraley等人Proc.Natl.Acad.ScL USA 80:4803 (1983)。
由上述转化技术得到的转化的植物细胞可培养再生成为具有转 化的基因型的整株植物,因此获得了想要的表型如增强的抗旱性。此 类在再生技术有赖于组织培养生长培养基中含有的特定的植物激素, 一般有赖于与目的核苷酸序列一起引入的抗微生物剂和/或除草剂标 记。从培养的原生质体再生的植物描述于Evans等人,Protoplasts Isolation and Culture,Handbook of Plant Cell Culture,pp.124-176, MacMillilan Publishing Company,New York,1983;以及Binding, Regeneration of Plants,Plant Protoplasts,pp.21-73,CRC Press,Boca Raton,1985。再生还可以由植物愈伤组织、外植体、器官或它们的部 位获得。这种再生技术一般描述于Klee等人Ann.Rev.of Plant Phys. 38:467-486(1987)。
本领域技术人员应知道,在表达盒稳定地整合至转基因植物并确 定是可操作的之后,可通过有性杂交引入其它植物中。可根据待杂交 的物种,使用任何一种标准的繁殖技术。
本发明的表达盒可用于赋予几乎任何植物抗旱性。因此,本发明 使用了大量植物,包括以下属的物种,天门冬属、颠茄属、燕麦属、 芸薹属、柑桔属、西瓜属、辣椒属、黄瓜属、南瓜属、胡萝卜属、草 莓属、大豆属、棉花属、向日葵属、萱草属、大麦属、天仙子属、莴 苣属、亚麻属、黑麦草属、番茄属、苹果属、木薯属、墨角兰属、苜 蓿属、烟草属、稻属、稷属、狼尾草属、鳄梨属、豌豆属、犁属、李 属、萝卜属、黑麦属、千里光属、白芥属、茄属、高梁属、胡芦巴属、 小麦属、葡萄属、豇豆属和玉蜀黍属。在一些实施方案中,所述植物 选自下组:水稻、玉米、小麦、大豆、棉花、油菜、草坪草和苜蓿。 在一些实施方案中,所述植物为观赏植物。在一些实施方案中,所述 植物为蔬菜型或产果实的植物。
本领域技术人员应知道,许多植物品种可用作模型来预测在其它 植物中的转基因表达的表型效果。例如,应知道烟草(烟草属)和拟 南芥是很有用的转基因表达模型,特别是在其它双子叶植物中。
本发明的植物具有增强的或降低的脱落酸敏感性,与其它植物相 比除表达PYR/PYL外,别的方面是一样的。脱落酸敏感性的监测可通 过观察或测定由ABA介导的任何表型。本领域技术人员应知道,ABA 是经过了深入研究的植物激素,ABA介导了许多特征的变化,可监测 任何一种特征的变化以确定ABA敏感性是否已被调节。在一些实施方 案中,被调节的ABA敏感性是通过改变的种子发芽时间及改变的胁迫 (例如,干旱)耐受呈现出来的。
可以根据任何一种众所周知的技术检测抗旱性。例如,植物能够 在低于最适供给植物水分的条件下生长。可采用任何一种标准方法测 定抗旱性,包括膨胀压力、长势、产量等。在一些实施方案中,所述 方法描述于实施例部分,以下方法可被方便地使用。
实施例
以下提供的实施例用于说明,但不限制所要保护的发明。
实施例1:PYR/PYL调节ABA信号转导
与针对ABA结合蛋白的生物化学筛选不同,集中于ABA感知的 遗传分析尚未鉴定出蛋白组装受体,这表明受体可能功能性冗余,具 有重叠功能或不能突变产生活配子或种苗(P.McCourt,Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 50,219(1999))。作为 补充的方法,我们在植物中采取了化学遗传策略(Y.Zhao等人,Nat Chem Biol 3,716(2007))。该方法适用于具有高冗余基因组的有机体, 由于小分子可变的选择性能够产生单个基因突变所不能显现的表型 (N.Raikhel,M.Pirrung,PLANT PHYSIOLOGY 138,563(2005);S. Cutler,P.McCourt,Plant Physiol.138,558(2005))。例如,低敏感性的 拮抗剂能够干扰整个蛋白家族的功能(如采用微管拮抗剂观察到的), 而高敏感性激动剂能够揭示正常冗余受体的单独成员的功能,如本文 中我们用帕雷巴克汀3描述的(图1A)。
帕雷巴克汀(Pyrabactin)是种子选择型ABA激动剂
作为早期研究的一部分,我们鉴定了称为帕雷巴克汀的发芽抑制 剂(Y.Zhao等人,Nat Chem Biol 3,716(2007))。通过测定多个野生 材料(accessions)对帕雷巴克汀的敏感性,我们发现Cold Spring Harbor Lab野生型,其为ABA高敏感并可高度休眠(hyperdormant),还对帕 雷巴克汀高敏感,但不是一种阿帕雷巴克汀(apyrabactin)4灭活类似物 (图1A)。这表明帕雷巴克汀可通过ABA响应通路发生作用。为了验 证这一假设,我们检测了ABA信号转导、生物合成或赤霉酸(GA) 感知改变的帕雷巴克汀敏感性突变系。我们发现ABA感知而不是生物 合成突变株影响帕雷巴克汀敏感性(图1B)。此外,rgl2-1突变系,其 发芽期间不需要GA(S.Lee等人,Genes Dev.16,646(March 1,2002, 2002)),具有正常的帕雷巴克汀敏感性(图1B)。总之,这些观测表 明帕雷巴克汀通过激活ABA信号转导通路,而不是通过调节ABA或 GA生物合成来抑制发芽。
接下来我们进行了微阵列试验以评价由ABA和帕雷巴克汀处理 所诱导的转录响应的相似性。用于微阵列试验,我们制备了组织以及 从播种于0.5X MS培养基(每个150mm直径平板约2500个种子)的 Columbia野生型种子中提取RNA,所述培养基或者含有1μM ABA、 25μM帕雷巴克汀、25μM 2,4-二硝基苯酚(DNP)、1μM放线菌酮、2μM 甲氨喋呤或含有1%DMSO的对照平板(所有化学物质溶于DMSO中)。 根据剂量曲线分析,将这些实验使用的浓度进行标准化用于发芽抑制 活性,即当抑制后3天打分,所需的两种化合物的量确保100%发芽抑 制。ABA(±立体异构体)、DNP、放线菌酮和甲氨喋呤均购自Sigma Aldrich。将种子层积处理4天,置于黑暗处于室温培养24小时。收集 种子,在液氮中冷冻,然后用冷冻的研钵和研杵将种子研磨成细粉末, 然后用RNAqueous试剂盒(Ambion;Austin,USA)提取总RNA用于第一 套重复样品。随后RNA提取物用酚氯仿提取法进行提取,其描述于(Y. Suzuki,T.Kawazu,H.Koyama,Biotechniques,37,542(Oct,2004))。对 于每一份总RNA样品,根据GeneQuant RNA/DNA Calculator(定量仪) (GE Healthcare Bio-Sciences Corp.;New Jersey,USA),将1μl RNA定量 于99μl 10mM Tris-Cl(pH 7.4)中,在260nm和280nm下测定吸收值。根 据OD260/OD280比测定RNA纯度(比值在1.7和2.2之间才可以使用), 通过凝胶电泳测定RNA的量。根据制造商(Enzo kit;Affymetrix;Santa Clara,USA)的描述,采用寡dT引物将总RNA样品转化为生物素标记 的cRNA,并与22K ATH1 Affymetrix微阵列在CAGEF(University of Toronto)中杂交。双份生物复制样品用于DNP、放线菌酮和甲氨喋呤 杂交,三份用于对照,四份样品用于帕雷巴克汀和ABA处理杂交。通 过如GCOS/MAS5.0算法(Affymetrix;Santa Clara,USA)所述的用于微 阵列的统计算法,将带有表达信号的探针组称为表达(present)或临 界表达(marginal)。微阵列的显著性分析用于鉴定主要由处理所调节 的探针组,采用未取对数的数据(unlogged data),错误发现率(FDR) 约5%。将平均转录水平与对照值比较以计算倍数的变化,依次进行 log2转换,用于计算各实验之间的Pearson相关系数。
我们首先检查了用两种化合物处理24小时的种子。由于对幼苗发 育的抑制效应,任何两种发芽抑制剂都会有某些共同的响应;因此我 们使用之前定义的一套发芽响应转录物(G.W.Bassel等人,Plant Physiol 147,143(2008))使比较中的发育影响最小化。采用SAM分析 (V.G.Tusher,R.Tibshirani,G.Chu,Proc.Nat′I.Acad.ScL USA 98,5116 (2001)),在去掉403个发芽调节转录物后,鉴定出1225个探针组对ABA 或帕雷巴克汀有响应。比较探针对帕雷巴克汀和ABA响应的分散图显 示出高相关响应(r=0.98;图1C),与帕雷巴克汀激活ABA信号转导 的假设一致。作为对照,我们还绘制了三种发育抑制剂(G.W.Bassel 等人,Plant Physiol 147,143(2008))放线菌酮、甲氨喋呤和2,4-二硝 基苯酚的效果,与ABA处理(r=0.36、0.73和0.81;放线菌酮示于图1D) 相比,观察到微弱的转录物响应。这表明间接的发育影响不足以解释 (account for)帕雷巴克汀的类ABA转录效应。
为了证实帕雷巴克汀是否为一般的ABA激动剂,我们检测了其在 用任何一种化合物处理24小时的幼苗中的活性,显示出帕雷巴克汀诱 导了幼苗组织中(图1E)极其沉默的ABA响应(r=0.72)。为了进行幼 苗微阵列实验,将Columbia野生型种子进行表面杀菌并播种于0.5X MS,0.6%(w/v)琼脂平板(15mg种子,每个150mm直径大小的平板含有 25ml培养基)中,然后于4℃层级处理4天,并在24小时光照下于室温 生长9天。然后将40株幼苗转移至DMSO对照、10μM ABA或33μM帕 雷巴克汀平板中并返回至生长环境24小时,然后采用上述方法提取总 RNA。每种处理进行三份样品杂交。用于幼苗实验的浓度是基于所需 抑制初生根生长相等量的ABA或帕雷巴克汀浓度,即它们是根据测定 的生物活性而标准化的浓度,在这些实验中,57个转录物对帕雷巴克 汀和ABA显著响应,这表明帕雷巴克汀可诱导幼苗中ABA响应的各 个方面。然而,由于实验中3021个转录物对ABA而不是帕雷巴克汀显 示出显著的响应,我们推论与ABA相比,帕雷巴克汀对于种子途径 (seed pathway)更具有选择性。帕雷巴克汀确实能激活(agonize) 植物组织中的ABA响应。
PYR1,一种START蛋白,对于帕雷巴克汀发挥作用是必要的 为了分析帕雷巴克汀的作用机制,我们从筛选的约450,000EMS 诱变处理的M2种子中共分离出16株帕雷巴克汀不敏感突变系。将表 面杀菌的EMS种子播种于含有25μM帕雷巴克汀的0.33X MS培养基 (每个150mm直径大小的平板50mg种子)中。种子置于4℃层积处理 4天,在持续光照下室温生长4天,然后给平板打分,得到对帕雷巴克 汀的发芽抑制效应具有抗性的突变。完全展开子叶的幼苗被认为是具 有抗性的,然后对所有被鉴定为具有抗性的突变再检测它们的下一代 以鉴定真正的突变。用约400株植物群体(来自与Ler杂交产生的后代) 以强pyr1-7等位基因绘制Pyr1图谱。这将Pyr1限定为含有12个基因的 约150Kb大小的间隔。对该间隔的12个基因进行测序并在At4g17870 (Pyr1)鉴定出终止密码子后,首次证明了Pyr1的一致性。然后,对分 离的16株突变中的14株的Pyr1编码序列进行测序,通过基于克隆以及 对在相同座位,抗帕雷巴克汀1(PYRABACTIN RESISTANCE 1)(Pyr1) 上含有突变的进行测序而绘制的图谱来确定12株独立的植株。Pyr1 编码的蛋白是START/Bet v 1超家族中的一个成员,该家族中的成员 共同具有一个保守的配体结合螺旋夹结构(helix-grip architecture)(L. M.Iyer,E.V.Koonin,L.Aravind,Proteins:Structure,Function,and Genetics 43,134(2001);C.Radauer,P.Lackner,H.Breiteneder,BMC Evol Biol 8,286(2008))。PYR1位于与细菌聚酮合成酶/环化酶以及其 它非酶蛋白相似的Bet v 1亚家族中(C.Radauer,P.Lackner,H. Breiteneder,BMC Evol Biol 8,286(2008))。通过BLAST搜索,在拟南 芥基因组中有13个基因显示出与Pyr1具有显著的相似性,将它们命名 为PYL1-PYL13(对于类PYL1;它们的AGI列于表1中)。推测我们分 离出的帕雷巴克汀不敏感pyr1等位基因在PYR1中产生多种缺陷,包 括截短和非保守氨基酸替换(图2A)。将35S::GFP-PYR1表达构建体 转化至强pyr1-1突变系中,恢复种子的帕雷巴克汀敏感性(图2C), 其进一步支持了PYR1对于帕雷巴克汀发挥作用是必须的。没有一个 分离出的pyr1等位基因显示出高的ABA不敏感性,其如以下所述,解 释为由于冗余的Pyr1相关物(包括但不限于Pyr1、2、4)的作用。通 过查询公开的微阵列数据库(M.Schmid等人,Nat Genet 37,501(2005); K.Nakabayashi,M.Okamoto,T.Koshiba,Y.Kamiya,E.Nambara,Plant J 41,697(Mar,2005);H.Goda等人,Plant J 55,526(Aug,2008);D. Winter等人,PLoS ONE 2,e718(2007);Y.Yang,A.Costa,N.Leonhardt, R.S.Siegel,J.I.Schroeder,Plant Methods 4,6(2008)),可清楚地知道 Pyr1mRNA在种子和保卫细胞中高表达,且对ABA响应(图2B),与 PYR1在ABA信号转导中的作用一致。
表1:PYR/PYL家族成员及相应的拟南芥基因组测序计划(AGI)注释
PYR/PYL蛋白结合PP2Cs响应ABA
假设PYR1对于帕雷巴克汀发挥作用是必须的,并推测其为配体 结合蛋白,我们假定帕雷巴克汀通过诱导PYR1和下游效应物之间的 蛋白-蛋白相互作用激活ABA信号转导。为了验证这种假设,在含有 10μM帕雷巴克汀的培养基上,筛选约两百万作用于PYR1 Y2H诱饵 构建体的cDNA克隆。为了制备PYR1Y2H诱饵构建体,通过PCR从基 因组DNA中扩增Pyr1开放阅读框,将其克隆至pGem-T easy载体 (Promega)上。进行测序确认后,然后将Pyr1 ORF框内(in-frame)克 隆至pBD-GAL4 Cam载体(Stratagene)的EcoRI和SalI位点之间,并 转化至酵母菌株Y190中。使用黄化苗cDNA文库(J.Kim,K.,Harter,A., Theologis,Proc Natl Acad Sci U S A 94,11786(Oct 28,1997))(ABRC stock CD4-22)进行筛选。首先将该cDNA文库从噬菌体转化为质粒 DNA,产生7.6x 107个转化子。然后用由文库制备的质粒DNA转化 Y190,如GAL4双杂交系统手册(Stratagene)中所描述。用于每个筛 选,将40μg质粒转化至1ml带有诱饵构建体的感受态Y190细胞中,然 后在不含有His、Leu和Trp,但含有15mM 3-AT和10μM帕雷巴克 汀的SD琼脂平板上生长。于30℃培养4天后,收获长势好的菌落并采 用滤膜分析检测(filter lift assay)或氯仿琼脂覆盖法以及X-Gal染色,进 行交互验证。鉴定出两株帕雷巴克汀依赖型样本(hits),经测序确定 其编码PP2C HAB1的cDNA,与特点明显的ABA响应因子ABI1具有很 近的亲缘关系(A.Saez等人,The Plant Journal 37,354(2004);N. Leonhardt等人,THE PLANT CELL 16,596(2004))。然后,使表达 AD-HAB1融合蛋白和BD-PYR1融合蛋白的Y2H菌株生长于平板中, 并测试它们与各种化合物的相互作用,除了表油菜素内酯(50nM) 和二甲基亚砜(DMSO)(载体溶剂,1%)之外,其它化合物为10μM。 当在(+)-ABA测试帕雷巴克汀响应PYR1-HAB1Y2H菌株时,通过X-gal 染色观察到强烈的相互作用,但是在(-)-ABA、激动素、2,4-D、赤霉 酸(GA)、表油菜素内酯(BR)、茉莉酸甲酯(meJA)或阿帕雷巴克汀 (apyrabactin)中都没有显示出活性(图3A)。因此,PYR1与HAB1作用 是以(+)-ABA依赖的方式。
为了验证ABA及帕雷巴克汀响应对于PYR1是否是唯一的,我们 采用表达AD-HAB1融合蛋白和BD-PYR/PYL融合蛋白(列于图3A左 侧)的Y2H菌株测试了上述13个PYL蛋白中的11个。以与对于上述 BD-PYR1相同方式构建BD-PYR/PYL融合蛋白。该检测表明 PYL1-PYL4与HAB1以ABA激活方式发生作用(图3A)。还观察到帕 雷巴克汀的配体选择作用,其促进了HAB1和PYR1、PYL1或PYL3之 间的相互作用(图3A)。其中仅Pyr1在种子中高转录,这很好地解释 了Pyr1中的突变引起种子对帕雷巴克汀不敏感的原因。PYL2-PYL4 对(+)-ABA和(-)-ABA都有响应(图3A),这表明它们可能参与了 (+)-ABA和(-)-ABA响应。值得注意的是,余下的在酵母双杂交检测中 测试的PYL显示出与HAB1的组成型相互作用,这表明它们可能与来 自PYR1和PYLs1-4的PP2Cs的相互作用具有不同的阈值。然而, PYLs5-12与PP2Cs的相互作用表明,整个蛋白家族很可能与我们以下 描述的PP2C调节具有相似的作用机制。因此,我们推论整个家族通 过PP2C作用调节ABA响应。
为了进一步研究ABA/帕雷巴克汀响应,我们采用上述的Y2H检 测以测定引起植物中高的帕雷巴克汀不敏感表型的三种取代的突变 蛋白。受试突变中的两个,PYRIS152L和PYR1P88S,显著降低了ABA诱 导的PYR1-HAB1相互作用,而PYR1R157H突变不影响该相互作用(图 3B)。HAB1具有ABI1、ABI2和其它相关PP2Cs的基因冗余(T.Yoshida 等人,PLANT PHYSIOLOGY 140,115(2006))。因此,我们采用ABI1 和ABI2的公开可获得的已确定的cDNAs(分别为C104649和U24491), 在Y2H检测中测试了ABI1和ABI2。我们观察到PYR1与野生型ABI1 和ABI2发生作用,而与由abi2-1编码的ABA不敏感蛋白ABI2G168D不发 生作用(图3C)。因此,植物中对于PYR1和PP2C的功能起重要作用 的残基对于重组酵母中的ABA响应是重要的。这些PYR1和PP2C之间 的体内相互作用易于出现在细胞质和核质中,正像观察到的 GFP-PYR1定位模式所表明的(图4)。
PYR/PYL蛋白在ABA信号转导中的冗余作用
为了检测ABA响应PYL蛋白是否与ABA信号转导中的PYR1发生 冗余作用,我们从公开的插入等位基因库(public insertion-allele collections)中分离出纯合型插入等位基因PYL1、2和4(种子品种分别 =Salk_054640、GT_2864、Sail_517_C08)(J.M.Alonso等人,Science 301,653(2003);A.Sessions等人,THE PLANT CELL 14,2985(2002);V. Sundaresan等人,Genes and Development 9,1797(1995))。纯合型插入 系与pyr1-1杂交产生pyrl-1:pyl2-1和pyl1-1:pyl4-1杂合系,然后它们彼 此杂交。对约70株杂交后代通过PCR进行基因型分析,鉴定全部4个 突变的杂合系,鉴定出2株。为了评价这些系是否分离出ABA不敏感 植株,使源自四倍体杂合植株的F2代种子在0.7μM(+)-ABA上发芽。 观察发芽及生长的广泛变化,从约1000个种子中选出ABA抗性最强的 幼苗,并通过PCR和测序进行基因型分析。单独的纯合型突变亲本不 具有显著的ABA不敏感性,但三倍体(pyr1-1、pyl1-1、pyl4~1)和四 倍体(pyr1-1、pyl1-1、pyl2-1、pyU-1)突变系具有ABA不敏感性。通 过与abi1-1比较,分离并确定为ABA最不敏感型突变比较,检测四倍 体和三倍体突变系的根和发芽响应。为了发芽检测,将种子在含有 (+)-ABA的0.33X MS平板上于4℃层积处理4天,然后在黑暗处于23 ℃、90%相对湿度发芽3天。将根部伸长为1/2种子长度或更长的种子 打分为阳性发芽。为了研究根生长,允许种子在层积处理后4天,首 先在MS平板上发芽,然后转移至23℃、90%相对湿度的黑暗处发芽。 吸胀48小时后,将出现根部的幼苗转移至含有(+)-ABA或对照平板中, 再于黑暗处垂直生长4天,然后测定长出的新根。在发芽检测中,四 倍体突变比三倍体突变更不敏感,但二者均比abi1-1显示出更弱的表 型(图5A)。在根生长检测中,四倍体和三倍体突变系均比abi1-1显 示出更高的ABA不敏感性(图5B)。四倍体突变系还显示出ABA诱导 的基因表达缺陷。采用与Fujii等所描述的相同的taqman探针,如前所 述(H.Fujii,等人,Plant Cell,19,485(2007))进行定量RT-PCR实验。 简要地,将在连续光照下在0.3X MS平板上生长7天大的幼苗转移至含 有载体溶剂(0.1%DMSO)或100μM(+)-ABA的0.3X MS培养基中5 小时,然后用Qiagen plant RNeasy分离试剂盒分离总RNA。用 Superscript反转录酶,每20μL cDNA第一链合成反应使用5μg总RNA。 用TE将反应物稀释至100μl,取1.5μl用于15μL qRT-PCR反应,使用前 述(6)的taqman探针。显示的数值为三份测定的平均值。在(+)-ABA 存在下,四倍体突变显示出ABA响应基因RD29(图2D)、NCED3(图 2E)和P5CS1(图2E)转录下降。这些实验表明PYL1、PYL2和PYL4在 ABA诱导的基因表达的控制下与PYL1发生冗余作用,以及发芽和根 对ABA响应。
ABA感知的体外重组:ABA和PYR1抑制PP2C活性
为了研究PYR1-PP2C相互作用的功能含义,我们检测ABA响应是 否能够在体外重组。重组GST-HAB1、GST-ABI1和GST-ABI2表达于 E.coli中,并在转蛋白试验(pull-down assays)中测试与6xHis-PYR1 的配体依赖型相互作用。将纯化的6xHis-PYR1和GST-HAB1(分别为20 和100μg,8μM PYR1终浓度)结合于含有10μM(+)-ABA或1%DMSO 的100μl TBS中作为阴性对照。于室温孵育该反应物90分钟,加入5μl PrepEase(USB)His-标签蛋白纯化树脂。将树脂和反应混合物于室温 孵育30min,每隔5min轻轻摇动。用含有10μM(+)-ABA的TBS洗涤五 次。洗完后,结合的蛋白被洗脱于20μl SDS-PAGE缓冲液中,煮沸5 分钟并离心。在SDS-PAGE上分析5μl洗脱物。用ABI1和ABI2进行转 蛋白检测,除了将纯化的PP2C替换为澄清的E.coli裂解物,以相似的 方法使用粗裂解物。加入的裂解物的量通过SDS-PAGE分析测定以产 生约100μg PP2C,使其所用化学计量法与采用纯化蛋白的检测中所用 方法相同。我们发现(+)-ABA和帕雷巴克汀均促进PP2C与PYR1的相 互作用;然而,PYR1P88S在该检测中是不敏感的(图6A)。
由于ABI1及其相关物是ABA信号转导通路的负调节子,我们假 设ABA促进的PYR1-PP2C相互作用的功能是,抑制磷酸酶活性并去除 该通路的负输入(input),然后将促进信号转导。为了验证该假设, 我们用重组GST-HAB1、6xHis-PYR1或6xHis-PYR1P88S,以磷酸酶底物 pNPP检测(+)-ABA对PP2C酶动力学的影响。通过PCR从来自ABRC的 pUni克隆中扩增出拟南芥HAB1的ORF,并克隆至pGex-2T中产生 GST-HAB1融合蛋白。将两个构建体转化至BL21[DE3]pLysS中。用于 表达,使含有pGex-GST-HAB1的细胞在20ml LB中过夜生长,然后接 着于含有1mM MnCl2的700ml培养基中于室温继续振荡培养8hr。然后 通过加入IPTG至终浓度0.5mM诱导蛋白表达,细胞于室温过夜培养。 然后4500rpm离心20min收集细胞,重悬于含有10mM MnCl2的10ml TBS中。将细胞贮存于-80℃。为了制备澄清的裂解液,将细胞冷冻- 解冻两次并通过剪切降低裂解物的粘度。然后裂解物于12000X g旋 转(spun)10min,最后得到澄清的裂解液。将裂解液加入1ml固定化 的谷胱甘肽柱中,用20ml TBS洗涤,然后结合的蛋白用20mM还原的 谷胱甘肽洗脱。洗脱液在含有10mM MnCl2的TBS中透析。在纯化步 骤中使用MnCl2,发现对于高活性HAB1蛋白的复性是关键的,如前 述用于其它的PP2C(C.C.Fjeld,J.M.Denu,J Biol Chem,21 A,20336 (JuI 16,1999))。通过PCR,分别从野生型基因组DNA或pyrl-3突变中 扩增PYR1和PYR1P88S编码序列,并克隆至pET28中,产生各种 6xHis-PYR1蛋白,并通过测序确定。用于6xHis-PYR1和6xHis-PYR1p88S蛋白表达,将20ml过夜培养物接种于700ml LB中,于37℃振荡再生长 3小时。通过加入IPTG至1mM诱导蛋白表达。5hr后收集细胞,于5000 x g离心15min,沉淀重悬于5ml含有10mM咪唑(pH 8.0)的缓冲液A (50mM NaH2PO4,300mM NaCl)中。纯化前,将细胞贮存于-80℃。 解冻后,将细胞置于冰上超声破碎五次,每次30sec,超声间隔为30sec。 12,000x g离心10min后得到澄清的裂解液,加入1ml Ni-NTA柱(Qiagen) 中,用20个柱体积的含有30mM咪唑的缓冲液A洗柱。结合的蛋白用 10ml含有100mM咪唑的缓冲液A洗脱。将洗脱液置于TBS中透析。用 于pNPP检测,采用合成的磷酸酶底物pNPP测定GST-HAB 1的起始反 应速度。反应物中含有1μM GST-HAB1、1.5μM 6xHis-PYR1或 6xHis-PYR1p88S,反应缓冲液由33mM Tris-OAc,pH7.9,66mM KOAc, 0.1%BSA,25mM Mg(OAc)2,50mM pNPP和不同浓度的(+)-ABA组 成。通过向蛋白/ABA混合物中加入检测缓冲液起始反应。混合后立 即用Wallac酶标仪(plate reader)在A405t下每隔约10秒,监测pNPP的 水解,共监测20分钟。绘制反应进程曲线,计算起始反应速度并用4- 硝基酚标准曲线转化为具体的活性,该标准曲线以相同的缓冲体系体 积/用于测定酶反应的酶标仪制作。这些实验表明(+)-ABA在PYR1存在 下,而不是PYR1P88S存在下,作为潜在的HAB1磷酸酶活性抑制剂 (ICsO=0.18μM)(图6B)。
近似地,ABA在重组PYL4存在下具有饱和HAB1 PP2C活性抑制 作用。用公开的pUni克隆构建PYL4 6xHis-标签(SEQ ID NO:141)蛋 白。将其重组至His-标签表达载体pHB3。该构建体表达于BL21[DE3] pLysS,如以上对于PYR1所述,但是蛋白形成包涵体,纯化前将其溶 解于缓冲液B+8M尿素中。采用Ni-NTA树脂,根据制造商的说明在 变性条件下纯化蛋白。蛋白结合至树脂后,用20个柱体积的缓冲液 B(pH6.3)洗柱,并用缓冲液A(pH4.5)洗脱蛋白。洗脱的蛋白置于含有 2M尿素的TBS中缓慢透析,将10mM DTT加入含有1mM DTT的TBS 中透析三天,期间逐渐降低尿素浓度。用测定PYR1的体外转蛋白试 验确定重新折叠的PYL4的活性,表明PYL4结合HAB1响应ABA。用 于PP2C检测,使用重组的PYL4(由包涵体重新折叠)和HAB1。采用 磷酸酶底物pNPP,测定GST-HAB1的磷酸酶活性,我们发现在PYL4 存在下,(+)-ABA抑制HAB 1磷酸酶活性(图6C)。因此,PP2C抑制 为主要的ABA响应,其可在体外仅对蛋白进行重组。
讨论
我们已经证明PYR1具有期望的ABA受体性质,在配体存在时, 其结合并抑制PP2C活性。与之前鉴定的ABA结合蛋白(P.McCourt,R. Creelman,Current Opinion in Plant Biology 11,474(2008))相比,PYR1 直接与ABA信号转导通路的核心组成发生作用。ABI1与ABA响应通 路中的至少一种正向作用因子发生作用(R.Yoshida等人,Journal of Biological Chemistry 281,5310(2006)))。因此,在无信号时, ABI1/AHG1类PP2C的作用是抑制正向作用因子的作用。在该模型中, ABA作用于负调节通路的顶端,PP2C通过它们直接的靶标控制信号 输出。这使PP2C在控制信号输出的选择性中起到关键作用,这可以 解释PP2C基因家族在植物中的相对于在动物中的广泛多样化(A. Schweighofer,H.Hirt,I.Meskiene,Trends in Plant Science 9,236 (2004))。基于PP2Cs与SnRK2蛋白的相互作用,以及SnRK2对ABA信 号转导的关键作用(图7),我们提出以下ABA作用模型,其中ABA和 PYR/PYLs抑制PP2C,其反过来缓解了正向因子,如SnRK2的抑制。 这依次使阳性SnRK2激酶能够通过磷酸化调节下游因子的活性。
我们的实验表明PYR/PYL基因家族14个成员中的至少12个结合 PP2C,以下成员如PYL2s、3和4能够使酵母细胞对非天然立体异构体 (-)-ABA响应。我们认为整个家族为ABA受体,且一些还可以是 (-)-ABA受体。这一假设与较早的推论相一致,即两种立体异构体均 通过相同的信号转导通路发生作用(E.Nambara等人,Genetics 161, 1247(JuI,2002))。
PYR1不能结合由abil-1和abi2-l编码的蛋白,二者在两个保守的 PP2C金属结合位点之一附近的甘氨酸处均含有突变。这些突变降低 了但不消除PP2C活性(F.Gosti等人,The Plant Cell 11,1897(1999);N. Robert,S.Merlot,V.N′Guyen,A.Boisson-Dernier,J.I Schroeder,FEBS Letters 580,4691(2006)),完全消除abil-1的催化活性的第二个突变位 点抑制了它的显性表型(F.Gosti等人,The Plant Cell 11,1897(1999))。 连同我们对缺陷PYR1相互作用的观察,这些数据表明abil-1和abi2-l 突变主导的模型,是由它们逃避PYR/PYL蛋白负调节的能力所引起 的。在该模型中,ABA的主要功能是通过PYR/PYL蛋白降低 ABI1/AHG1类PP2C活性,但这没有恰当地出现于abil-1和abi2-l突变 系中,其在ABA感知到信号转导干扰后,保留了足够的PP2C活性。
还不清楚有关其它磷酸酶类的PP2C调节,鉴于它们在哺乳动物、 蠕虫、苍蝇和酵母中的重要作用这点令人吃惊(G.Lu,Y.Wang,Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology 35,107(2008))。我们 的观察提供了一个PP2C活性的受体介导调节的新机制。尽管PYR1抑 制PP2C的精确机制是未知的,PyR1R157H突变能够从体内下游功能中 分离出配体感知。因此该残基在感知信号后导致抑制PP2PC活性的步 骤中起到关键作用。无论PP2C抑制的精确细节如何,发现的新调节 机制表明值得在其它模型中研究受体介导的PP2C调控,假定缺少这 些重要磷酸酶的调节因子。
ABA信号转导通路成为遗传分析的课题已近30年,但是在遗传筛 选中,PYR/PYL蛋白从未作为ABA响应的必须因子出现。回想起来, 明显是由于必须用三倍体突变来观察ABA不敏感表型。当使用帕雷巴 克汀作为通路合成的激动剂时,然而,可容易地鉴定出Pyr1。其原因 是由于帕雷巴克汀对整个受体家族亚型的选择性,使我们能够绕过基 因冗余,其在单独的突变系中模糊了ABA表型。因此,我们的结果证 实了化学遗传法揭示正常冗余基因表型的能力。由于植物基因组是高 度冗余的,我们希望小分子方法能够对分类遗传分析提供有力的补 充。
实施例2:PYR/PYL激动剂的筛选
我们接着研究除了ABA和帕雷巴克汀之外的其它化合物是否可 以作为PYR/PYL蛋白的激动剂。在适合的载体中表达ABA受体和2型 C蛋白磷酸酶的酵母双杂交菌株可用于监测ABA受体的活性。因此, 这些酵母菌株产生方便的筛选系统用于鉴定作为ABA激动剂的渗透 化合物,即促进PYR/PYL家族成员与它们的靶蛋白磷酸酶结合的化合 物。当PYR/PYL蛋白结合于酵母双杂交中的靶PP2C时,报告基因被 激活,这取决于使用的菌株,能够导致报告构建体如LacZ/β半乳糖 苷酶标记的表达或导致能够使菌株在营养缺陷培养基上生长的营养 报告基因的表达。
为了进行这些激动剂检测,将筛选化合物加入微孔板中并加入适 合的酵母生长培养基。然后将孔播种PYR/PYL-PP2C菌株,待菌株生 长于含有化学物质的培养基之后,监测激动剂的活性。可采用多种方 法检测激活,包括X-gal检测的简单生长(通过营养报告基因表达的 恢复)比色法,其为本领域熟知的。另一种筛选方法,称为“Halo 检测”,也可用于鉴定激动剂。在该检测中,酵母菌可被包埋于适合 的含有琼脂糖的生长培养基中,然后用加样枪(pin replicator)将化 学物质点于平板上。缺少生长必需营养物的生长培养基阻止了酵母生 长,除非一种筛选的化学物质进入酵母细胞中并激活了PYR/PYL受 体,导致在酵母双杂交菌株中该营养标记基因的表达。激活的细胞显 示出细胞生长区域,并能够容易地通过目测鉴定。
采用常规方法和上述halo检测的结合,检测到65,000个激活酵母 双杂交菌株表达PYR1、PYL2、PYL3或PYL4的筛选化合物。激活任 一酵母菌的目标化合物(hit compounds)在全部4株酵母菌上再次测 试,采用X-gal染色检测对活性进行定量。这导致鉴定出图8所示的化 合物。这些化合物作用于PYR/PYL受体PYR1、PYL1、PYL2、PYL3 和PYL4的相关活性评价列于图8中。我们注意到用于这些筛选检测中 的PYL3酵母菌对ABA尤其敏感,因此ABA或其它化合物对PYL3受体 的相关活性将在随后的体外磷酸酶检测中进一步验证,描述如下。
为了进一步确定在酵母双杂交检测中鉴定的目标化合物,在重组 PYR/PYL受体蛋白PYR1、PYL1、PYL2或PYL3以及PP2C HAB1存在 下,我们进行体外PP2C检测。如实施例1所述制备重组蛋白。如实施 例1所述,用磷酸酶底物pNPP进行磷酸酶检测。根据IC50值所示,我 们发现化合物7653159,与图8中化合物7为同一化合物,是潜在的 HAB1的PYR1和PYL1抑制的激动剂,但不是PYL2或PYL3的激动剂 (图9)。近似地,化合物6655097,与图8中化合物6为同一化合物, 是潜在的HAB1的PYR1和PYL1抑制的激动剂,但不是PYL2或PYL3 的激动剂(图9)。化合物7561035,与图8中化合物9为同一化合物, 是潜在的HAB1的PYL2和PYL3抑制的激动剂,但不是PYR1或PYL1 的激动剂(图9)。
实施例3:PYR/PYL过表达的表型分析以及突变株的功能缺失
脱落酸是多功能植物激素,其参与了多种植物保护功能,包括芽 休眠、种子休眠和/或成熟、叶片及果实的脱落,并响应各种生物胁 迫(例如,冷、热、盐和旱)。根据独立于CO2浓度的机制,ABA还 负责调节气孔关闭。由于PYR/PYL受体蛋白调节ABA信号转导,这 些表型可通过调节PYR/PYL的表达进行调节。然而,如以上讨论的, 用单独的、三倍体和四倍体Pyr/Pyl突变株进行试验,表明PYL受体 PYL1、2和4在发芽的控制下与PYR1发生功能冗余,且根对ABA响应。 在这些试验中,我们想知道其它PYR/PYL受体在植物保护功能,如开 花时间、株高、叶绿素含量及萎蔫的控制下是否与PYR1发生功能冗 余。我们用实施例1中所述的pyrl;pyll;pyl2;pyl4四倍体突变检测多 倍PYR/PYL受体对这些植物保护功能的功能缺失的影响。我们发现 pyrl;pyll;pyl2;pyl4四倍体突变在开花时间、株高及萎蔫中显示出 缺陷(图10)。相对于对照拟南芥,pyrl;pyll;pyl2;pyl4四倍体突变 开花早,植株矮小且非常萎蔫。我们还检测了过表达PYR/PYL受体 PYL4对植物保护功能的影响。我们生产了在高表达启动子Rbcs的控 制下表达GFP-PYL4的转基因拟南芥,发现过表达PYL4的植株在植物 的开花时间、株高、萎蔫及叶绿素含量中显示出缺陷;相对于对照植 株,这些PYL4过表达植株开花晚,为深绿色且较少萎蔫(图10)。这 些结果表明PYR/PYL受体调节植物中多种ABA介导的活性。
实施例4:用于PYR/PYL激动剂的植物提取物的筛选
还使用表达PYR/PYL受体和2型C蛋白磷酸酶的酵母菌筛选 HPLC分离的植物提取物,以获得激活PYR/PYL受体PYR1、PYL2、 PYL3和/或PYL4的内源化合物。采用提取物的HPLC分离鉴定不同于 脱落酸(已知激动剂)的化合物。据此鉴定出来自贯叶连翘(Hypericum perforatum)地上部分组织提取物的PYL3/PYL4选择性激动剂。结合酵 母双杂交通过多轮色谱分离纯化该激动剂,使该组分在纯化的每一步 向前移。根据纯化的激动剂晶体的X-射线晶体学推断该纯化的激动剂 的结构,揭示了该化合物为已知的化合物青蒿酸。该化合物除了在蒿 属(菊科)之外,没有从其它属分离的报道,我们从金丝桃属(藤黄 科)分离出该化合物,表明该化合物广泛存在于植物中,在植物生理 中发挥重要的功能性作用。从商业来源得到的几种相关化合物,也发 现具有PYL3/PYL4选择性激动剂活性(图12)。按照与所述的青蒿酸 相似的方法,从Cola accumulata种子中鉴定出第二种天然存在的ABA 激动剂,并根据2D-NMR确定为未知的α-可巴烯(α-copaene)、 copaenoic acid(图12)。
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机译: 新型ABA受体蛋白和合成激动剂对植物抗逆性,水分利用效率和基因表达的控制。
机译: 新型ABA受体蛋白和合成激动剂对植物抗逆性,水分利用效率和基因表达的控制。
机译: 新型ABA受体蛋白和合成激动剂对植物耐逆性,水分利用效率和基因表达的控制。