大量蓄積無機(jī)磷酸鹽的植物及其利用制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供可使編碼參與磷酸鹽饑餓反應(yīng)的基因的轉(zhuǎn)錄因子的基因表達(dá)的轉(zhuǎn)基因磷酸鹽高蓄積植物體、其生產(chǎn)方法、生產(chǎn)使用的重組表達(dá)載體以及利用方法。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及大量蓄積無機(jī)磷酸鹽的植物體(例如矮牽牛、夏堇等)及其利 用。特別是，本專利技術(shù)涉及以將編碼參與磷酸鹽饑餓反應(yīng)的基因的轉(zhuǎn)錄因子的基 因?qū)胫参矬w內(nèi)為特征的大量蓄積磷酸鹽的植物體的生產(chǎn)方法、利用該生產(chǎn)方 法得到的植物體、以及水質(zhì)凈化中該植物體的利用。
技術(shù)介紹
近年來，環(huán)境意識在逐步提高，同時(shí)水質(zhì)污染已成為很大的問題，對河川、 湖沼等水圈的水質(zhì)凈化的要求在不斷提高。水質(zhì)污染的主要原因是二惡英(dioxin)、重金屬等毒性物質(zhì)的混入以及磷、氮等的過剩流入等。過剩量的磷、氮是由農(nóng)田排水、家畜糞尿、生活污水、工業(yè)廢水等產(chǎn)生的， 其促使水圈富營養(yǎng)化，導(dǎo)致成為藍(lán)藻、赤潮等發(fā)生的直接原因的藻類、微生物 等自養(yǎng)生物增殖。通常自養(yǎng)生物的限制因素是氮或磷元素，而水中普遍存在固 氮藻類，并且因?yàn)閺年懙亓鞒龅乃脑颍源蠖嗲闆r下硝酸離子含量豐富。 因此，限制自養(yǎng)生物生長的元素通常是磷。磷不可能從大氣供給，并且?guī)в卸?價(jià)負(fù)電荷的磷酸鹽離子牢固結(jié)合土壤中的礦物粒子，從未施肥的土地流出的水 中不可能含有磷(地球環(huán)境化學(xué)，T.G.Spiro等著、學(xué)會出版中心、2000年)。 反過來說，通過除去水中的磷，可有效地抑制自養(yǎng)生物的增殖。人類日常生產(chǎn)活動導(dǎo)致的湖沼、河川、海洋的富營養(yǎng)化問題由來己久，但 現(xiàn)實(shí)狀況是，利用污水處理廠等通常采用的活性污泥法進(jìn)行污水處理幾乎不能 除去磷、氮等無機(jī)離子，不能改善富營養(yǎng)化問題。從水域中除去磷、氮是解決水質(zhì)污染的有效方法，已采用物理方法、化學(xué) 方法、生物學(xué)方法等各種方法進(jìn)行水質(zhì)凈化以除去磷、氮，但仍期待有低成本 高效率的方法(水質(zhì)凈化指南、本橋敬之助著、海文堂出版、2001年)(日語原 名「水質(zhì)浄化7二二7A」、本橋敬之助著、海文堂出版、2001年)。物理和化學(xué)方法(電解法、晶析法、凝集分離法等)，從除去效率方面來看， 非常優(yōu)異，但需要大型設(shè)備，并且因持續(xù)使用藥品等，所以出現(xiàn)成本高的問題。此外，對于生物學(xué)方法來說，活性污泥法、生物-化學(xué)沉淀除磷法(Phostrip)(組合使用活性污泥法和添加凝集劑的方法)等雖然被廣泛應(yīng)用，但近年來在 凈化能力提高的同時(shí)也出現(xiàn)了成本提高的問題。另一方面，被稱為植物修復(fù)(Phytoremediation)的使用植物的環(huán)境凈化 法已被普遍采用，在水質(zhì)凈化方面利用植物的試驗(yàn)也正在盛行。因?yàn)槌蔀樗|(zhì) 污染的原因的磷、氮是植物必需的營養(yǎng)素，所以植物積極地從根部吸收這些物 質(zhì)。因此，使用磷、氮等吸收能力比較強(qiáng)的生長旺盛的鳳眼蘭、葦子等水生植 物，試驗(yàn)植物修復(fù)的例子已有大量報(bào)道(水質(zhì)凈化指南、本橋敬之助著、海文 堂出版、2001年)(日語原名「水質(zhì)浄化7二-7》」、本橋敬之助著、海文堂出版、2001年)。但是，有人認(rèn)為回收鳳眼蘭等水生植物時(shí)存在花費(fèi)成本、管理 困難、影響生態(tài)體系等問題(水質(zhì)凈化指南、本橋敬之助著、海文堂出版、2001 年)(日語原名「水質(zhì)浄化7 二 - 7 A」、本橋敬之助著、海文堂出版、2001年)。 此外，回收的植物生物質(zhì)幾乎不能進(jìn)行有效利用，為了廢棄生物質(zhì)還需要多余 的花費(fèi)，這也是很大的問題。如果回收的生物質(zhì)能夠直接作為肥料利用，就可 成為低成本的處理方法，但現(xiàn)狀是因?yàn)橛糜趦艋默F(xiàn)有植物的吸收能力有限， 磷、氮的含量低，所以不能作為肥料用途使用。為了實(shí)現(xiàn)美觀和凈化，又開發(fā)出了使用陸生花卉植物的水上栽培裝置等(例 如日本特開平9-56278)，但是對于開花后植物生物質(zhì)的處理方法，目前還沒有 有效的方法。此外，已知還有使用食用蔬菜等進(jìn)行水質(zhì)凈化，以有效利用回收的植物的 例子，但是使一般消費(fèi)者容易地接受在水質(zhì)污染的水圈栽培的蔬菜是難于想象 的。關(guān)于磷在植物內(nèi)如何被吸收，蓄積、利用，到目前為止還在進(jìn)行研究。磷 是植物所必需的營養(yǎng)素，磷酸鹽首先被根部吸收，輸送到導(dǎo)管后，供給地上部 利用。磷酸鹽與許多生命現(xiàn)象有關(guān)，除轉(zhuǎn)化為磷脂、核苷酸、磷酸鹽化蛋白質(zhì) 等形式利用外，還蓄積在細(xì)胞內(nèi)的液胞中，根據(jù)需要供給細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。此外，種 子中蓄積有更穩(wěn)定形態(tài)的肌醇-6磷酸鹽(植酸)。植物可吸收的磷的形態(tài)，只有無機(jī)磷酸鹽(以下稱"磷酸鹽")，無法吸收 其他不溶性有機(jī)磷酸鹽等。通常土壤中的磷酸鹽濃度低，對于植物來說是磷酸 鹽缺乏狀態(tài)，因此使植物積極吸收磷酸鹽的系統(tǒng)發(fā)達(dá)。將磷酸鹽從根部吸收到 植物體內(nèi)的重要蛋白質(zhì)是細(xì)胞膜上存在的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。巳知擬南芥中具有9 種高親和性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和1種定位于葉綠體的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。已報(bào)道通過使高親和性 的定位于細(xì)胞膜的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PHT1在煙草培養(yǎng)細(xì)胞內(nèi)過剩表達(dá)，磷酸鹽的吸收性提高，細(xì)胞的生長速度增加(Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94， 7098-7102， 1997)。但是，也有報(bào)道稱使磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在大麥植物體內(nèi)過 剩表達(dá)時(shí)，并沒有增加磷酸鹽吸收性(Func. Plant Biol. 31,141-148,2004)， 認(rèn)為僅單純增加了磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的數(shù)量，而與增加磷酸鹽的吸收量無關(guān)。此 外，已確認(rèn)9種高親和性磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中，在根部進(jìn)行強(qiáng)表達(dá)的有2種，其 他轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在花器官等部位表達(dá)，認(rèn)為在植物內(nèi)輸送方面磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也發(fā) 揮作用(Plant Physiol. 130， 221-233， 2002)。在植物體內(nèi)為了有效利用磷酸 鹽，磷酸鹽會從老葉轉(zhuǎn)移到新葉上，認(rèn)為這種現(xiàn)象也與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有關(guān)。除轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白之外，根據(jù)對使用擬南芥的突變體的分析，又鑒定出數(shù)個(gè)磷酸 鹽關(guān)連基因(Trends Plant Sci. 9,548-555,2004)。從根部吸收的磷酸鹽大多 經(jīng)導(dǎo)管被輸送到地上部利用，但PH01突變體則阻斷了向地上部的輸送。這表明 將吸收的磷酸鹽從根部細(xì)胞輸送到導(dǎo)管時(shí)PH01蛋白質(zhì)在發(fā)揮作用。此外，認(rèn)為 pho2突變體是磷酸鹽在地上部過剩蓄積的突變體，PH02基因編碼調(diào)控從根部 向地上部輸送的蛋白質(zhì)。這樣雖然明確了數(shù)個(gè)涉及磷酸鹽在植物內(nèi)輸送的基因， 但是，有關(guān)植物吸收磷酸鹽的分子水平的詳細(xì)機(jī)理還有許多不明之處。應(yīng)對磷酸鹽缺乏狀態(tài)，植物采用各種方法力爭從外界吸收更多的磷酸鹽 (Annals Botany, 94 323-332,2004)。感知磷酸鹽缺乏狀態(tài)的植物，將枸櫞酸 等有機(jī)酸、酸性磷酸鹽酯酶從根部釋放到土壤中，將不溶性有機(jī)磷酸鹽轉(zhuǎn)化為 可溶性無機(jī)磷酸鹽吸收。磷酸鹽缺乏時(shí)，根部形態(tài)也發(fā)生改變，側(cè)根增加，根 毛伸展，盡可能地吸收更大范圍的磷酸鹽。此外，已知磷酸鹽缺乏也影響植物 內(nèi)的代謝系統(tǒng)，或抑制光合作用系統(tǒng)的基因表達(dá)，或增加花色素苷的蓄積。細(xì) 胞內(nèi)的核酸酶、磷酸鹽酯酶活性也會提高，再利用細(xì)胞內(nèi)存在的磷。這種應(yīng)對磷酸鹽缺乏的植物反應(yīng)，是植物感知磷酸鹽缺乏狀態(tài)后所產(chǎn)生的一連串的反應(yīng)，期待能夠闡明該反應(yīng)的調(diào)控因子和調(diào)控機(jī)理，但目前還沒有明確的解釋。雖然已鑒定出很多磷酸鹽關(guān)連基因(Trends Plant Sci. 9， 548-555， 2004 )，但還沒有通過將其導(dǎo)入植物內(nèi)使磷酸鹽吸收能力提高的報(bào) 道。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
在上述情況下，期待有低成本高效率的水質(zhì)凈化方法。特別是期待有增大 凈化使用的植物的磷蓄積能力的方法、以及蓄積能力增大的植物。本專利技術(shù)者對上述課題精心研究的結(jié)果，將來自擬南芥的Myb類轉(zhuǎn)錄因子PHRl 基因連接本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
植物體，其為可使編碼參與磷酸鹽饑餓反應(yīng)的基因的轉(zhuǎn)錄因子的基因表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植物體。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：松井啟祐，戶上純一，
申請(專利權(quán))人：三得利株式會社，
類型：發(fā)明
國別省市：JP[日本]