一种通过催化内源糖转化成异源糖来提高总碳水化合物或可溶性碳水化合物含量或内源碳水制造技术

本发明专利技术涉及用于提高由生物体所产生的一种化合物的产量的方法。本发明专利技术具体涉及通过产生一种催化一种内源糖（所述植物中通常产生的）转化成一种异源糖（所述植物在相同发育阶段通常不产生的）的糖代谢酶来提高植物组织中总碳水化合物或可溶性碳水化合物的含量或甜度，或提高一种内源碳水化合物含量的方法。本发明专利技术也涉及产生一种糖代谢酶以生产一种异源糖从而具有更高的总的可发酵碳水化合物含量的植物和植物部分，并涉及可发酵的碳水化合物和由此所衍生的其他产品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主要涉及提高生物体所产生的一种化合物的产量的方法。本专利技术具体涉及通过产生一种催化一种内源糖(所述植物中通常产生的)转化成一种异源糖(所述植物在相同发育阶段通常不产生的)的糖代谢酶来提高植物组织中总碳水化合物或可溶性碳水化合物含量或甜度，或提高一种内源碳水化合物含量的方法。本专利技术也涉及产生一种糖代谢酶以生产一种异源糖从而具有更高的总的可发酵碳水化合物含量的植物和植物部分，并涉及以及可发酵的碳水化合物和由此所衍生的其他产品。本说明书所涉及的出版物的详细书目汇总在说明书最后。
技术介绍
植物是可再生的生物能源、生物材料和用于工业化生物转化的原料的主要来源。植物中所需糖类的产量和浓度是下游生产工艺的技术及经济可行性的关键因素。然而，植物用于合成糖类生物的代谢网络表现出充分的内部缓冲性和冗余性，其结果是一种糖类代谢中一个关键酶的改变对于所收获的这种糖类的产量通常没有有益的变化(Moore，1995；Nguyen-Quoc和Foyer，2001；Fernie等，2002)。例如，Botha等人(2001)的研究显示，在转基因甘蔗中，糖分解中的一个关键酶(酸性转化酶)活性70％的降低没有引起蔗糖的产量或纯度的显著变化。蔗糖异构酶是由包括多种微生物在内的生物体所产生的酶，具有将二糖蔗糖转化成诸如异麦芽酮糖或海藻酮糖等异构体的能力。蔗糖异构酶在其包括二糖反应产物、反应产物中诸如葡萄糖和果糖等单糖的比例、酶动力学性质、最佳反应条件以及酶对不同于最佳反应条件的敏感性在内的性质方面有所不同(Veronese和Perlot，1999)。蔗糖是植物内部供能(光合)组织和接收(生长及储存)组织之间碳流通的主要中间体，并是诸如甘蔗和甜菜等某些植物中的主要储存产物。许多报道指出，植物中引入的蔗糖异构酶基因的表达可以导致蔗糖转化成如异麦芽酮糖等异构体，并且认为这一转化可能有利于所述异构体的工业生产。研究重点是针对将蔗糖高水平地或完全转化成作为一种所需工业产品(Birch和Wu，2002；Brnke等，2002b)的或作为一种用于在植物中(in planta)转化成衍生工业材料的前体的异构体(Kunz等，2002)。通过将一种基础碳源和能量储备转化成无法利用的形式，所述转化也被认为对于植物可能是致命的，从而用于出于诸如工程化雄性不育目的的细胞脱离(Brnke和Sonnewald，2001)。的确，许多报道指出蔗糖异构酶转基因表达对于植物发育和生长是有害的，会引起严重的生长异常、淀粉含量降低以及可溶性碳水化合物含量降低(Brnke等，2002a，b)。在烟草中，由于从CaMV35S启动子开始的与将蔗糖异构酶靶向胞外间质区的马铃薯蛋白酶抑制剂II信号肽融合的蔗糖异构酶基因的组成型表达对植物发育存在着严重的破坏性作用。检测到低水平的异麦芽酮糖(每平方米叶组织0.3到0.6mM)，这相当于叶片淀粉中正常碳水化合物水平的约20％到44％或这一供能组织中正常的低的暂时蔗糖水平的10到45倍。对接收组织中存储的碳水化合物的影响没有报道。叶片和其他器官的生长受到了严重破坏，并且所述植物不能繁殖(Brnke等，2002a)。在马铃薯中，从块茎特异性马铃薯块茎蛋白B33启动子开始的相同的靶向质外体的蔗糖异构酶的表达对生长和发育没有带来明显的不利影响。异麦芽酮糖产量也较低(每克鲜重块茎10-15μM，相当于块茎淀粉中通常储存的碳水化合物水平的约4％到5％)，并稍低于这一淀粉存储接收组织中的通常蔗糖水平。此外，随着蔗糖、己糖和淀粉含量的降低，降低了改造的品系中总的可溶性碳水化合物(不包括淀粉)和总的可发酵碳水化合物(包括淀粉)的产量(Brnke等，2002b)。为了克服这些问题，本专利技术的专利技术人设计了一种新的方法，该方法组合了(i)一种蔗糖异构酶，特别是诸如UQ68J的高效蔗糖异构酶；(ii)使用一种诸如甘蔗的积累蔗糖作为储存的碳水化合物的植物种类；以及(iii)将引入的蔗糖异构酶靶向至例如甘蔗的成熟的茎内存储蔗糖的薄壁组织的巨大液泡等蔗糖存储部位。由于植物内不代谢异麦芽酮糖，本专利技术的专利技术人推测其与蔗糖不同，可能不是成熟的贮存组织中可能降低贮存效率和所收获产量的降解和合成的“无效循环”的对象。因此，与先前方法所报道的产量降低不同，本专利技术人的方法希望能在改造植物中达到更高的可溶性碳水化合物和可发酵碳水化合物的产量。与这一假设相一致的是，发现通过表达靶向至成熟的茎薄壁组织中的蔗糖存储液泡的蔗糖异构酶(例如高效蔗糖异构酶UQ68J)，甘蔗汁中异麦芽酮糖浓度能够达到500mM以上。这超过了从未改造的甘蔗中所获得的全部储存的碳水化合物含量，并且可以在内源糖类含量没有相当降低的情况下实现，这使得改造品系中总可溶性糖类含量高出许多。植物对于蔗糖具有高度适应性的传感器和转运器，但是通常认为这些蔗糖传感器和转运器不能以相同的方式对如异麦芽酮糖等异构体产生应答(Loreti等，2000；Sinha等，2002)。与蔗糖完全不同，植物不能将诸如异麦芽酮糖的一些异构体作为碳源和能量来源进行代谢(Sinha等，2002)。然而，异构体可以引起细胞基因表达谱的变化并改变参与植物蔗糖代谢或信号转导级联的某些酶的活性(Fernie等，2001；Sinha等，2002)。由于向马铃薯块茎组织切片外源补给异麦芽酮糖改变了其他外源补给的糖类的代谢，Fernie等(2001)提出向马铃薯块茎提供异麦芽酮糖是一种提高淀粉合成的新方法。然而，向诸如马铃薯块茎的植物器官外源补充如异麦芽酮糖的物质对于工业应用而言未必实用，并且没有这一方法已测试或应用于提高淀粉产量的报道。在Brnke等人(2002b)的研究中，从块茎特异性启动子开始表达质外体蔗糖异构酶基因的转基因马铃薯植物积累了接近于块茎中通常蔗糖含量的异麦芽酮糖，但表现出降低的淀粉和总可溶性糖类产量。基于植物感知相对诸如异麦芽酮糖等相关化合物的蔗糖的不同能力的考虑，本专利技术人设计了另一种通过适当表达一种引入的蔗糖异构酶以实现提高植物中内源糖类产量的方法。该方法与先前所研究的策略的目的(生产用于获得异麦芽酮糖或异麦芽酮糖衍生物的植物)及其结果(具有降低产量的内源碳水化合物的植物)相反。因为操纵植物新陈代谢的信号及控制机制没有完全明了，专利技术人进行了充分实验以确定产生其所需工业结果(具有提高的内源碳水化合物的植物)的条件范围。在这方面，发现在改造成低水平表达定向至胞质隔室或隔离在隔室之间的蔗糖异构酶的甘蔗品系中可以在果汁中达到介于700-900mM蔗糖当量的总可溶性糖含量。这大约是从未改造的甘蔗中通常所获得的总的储存的碳水化合物含量的两倍，并且所获的糖类成分几乎没有改变。所述方法不限于用作实例的蔗糖异构酶基因、异麦芽酮糖转化产物、或甘蔗植物。它包括生物体内更为广泛的引入的基因的表达，所述表达导致被所述生物体通常所感知的一种内源化合物底物部分转化成该生物体内不以相同方式所感知的一种产物化合物，并具有导致所需内源化合物的更高产量累积的改变代谢流的作用。专利技术概述本专利技术部分基于这样的发现，即植物内导致一种内源糖部分转化成该植物在相同发育阶段通常不产生的一种糖的一个基因适当的表达谱会改变糖接收信号并引起该植物内包括糖类在内的总的可溶性碳水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产具有与对照植物相应沉积组织相比有提高的总碳水化合物或可溶性碳水化合物含量或甜度或提高的内源碳水化合物含量的沉积组织的植物的方法，其特征在于，所述方法包括从多种在其核体中包含与转录控制元件以可操作方式相连并编码一种催化该植物一种内源糖转化成异源糖的糖代谢酶的多核苷酸的转基因植物中挑选以一定水平或功能活性产生所述糖代谢酶的转基因植物，从而与对照植物的相应沉积组织相比，该转基因植物沉积组织的总碳水化合物或可溶性碳水化合物含量或甜度或所述内源碳水化合物含量得以提高。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：RG伯奇，L吴，
申请(专利权)人：昆士兰大学，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]