具有不易變化的高光適應(yīng)表型的藻類突變體制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)的名稱是具有不易變化的高光適應(yīng)表型的藻類突變體。本發(fā)明專利技術(shù)提供具有減少的葉綠素及增加的光合效率的突變光合微生物。所述突變體具有不易變化的高光適應(yīng)表型，其中當(dāng)使LIHLA突變體適應(yīng)低光時(shí)，在LIHLA突變體中發(fā)現(xiàn)高光適應(yīng)野生型細(xì)胞特有的許多光合參數(shù)，諸如葉綠素減少、NPQ減少、qP較高、E

Algal mutants with an unchangeable photoadaptive phenotype

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
具有不易變化的高光適應(yīng)表型的藻類突變體本申請(qǐng)是分案申請(qǐng)，原申請(qǐng)的申請(qǐng)日為2013年12月6日、申請(qǐng)?zhí)枮?013800636398、專利技術(shù)名稱為“具有不易變化的高光適應(yīng)表型的藻類突變體”。相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)根據(jù)U.S.C.§119(e)要求2012年12月6日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/733,956號(hào)的優(yōu)先權(quán)；2013年4月9日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/810,216號(hào)的優(yōu)先權(quán)；2013年8月23日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/869,590號(hào)的優(yōu)先權(quán)；以及2013年9月23日提交的第61/881,342號(hào)的優(yōu)先權(quán)，所述各個(gè)專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容均以引用的方式并入本文中。序列表的引用本申請(qǐng)包含對(duì)已作為在2013年12月6日創(chuàng)建的文件大小331千字節(jié)(kb)的序列表文本文件“SGI1700-4WOSequenceListing_ST25.txt”同時(shí)隨附提交的核酸序列的參考。前述序列表依據(jù)37C.F.R.§1.52(e)(iii)(5)以引用的方式全文并入本文中。專利
本專利技術(shù)涉及葉綠素含量減少且光合效率增加的藻類突變體。在一些實(shí)施方案中，本專利技術(shù)還涉及編碼具有光適應(yīng)的調(diào)節(jié)子的基因，包括所述調(diào)節(jié)子基因的至少一部分的構(gòu)建體，以及使用此類構(gòu)建體工程化光合微生物的方法。背景本專利技術(shù)涉及具有新穎光合特性的突變?cè)逯辏a(chǎn)生、鑒別和/或分離此類突變體的方法，以及編碼調(diào)節(jié)光合作用的蛋白質(zhì)的基因。在大規(guī)模開(kāi)放的藻類生長(zhǎng)系統(tǒng)中，培養(yǎng)物必須以相當(dāng)高的培養(yǎng)密度和20-30cm左右的深度生長(zhǎng)。這個(gè)培養(yǎng)環(huán)境提供顯著的自遮蔽，確保每個(gè)細(xì)胞只經(jīng)歷較低的平均輻照水平。在這些條件下，藻類細(xì)胞的主要光合生理狀態(tài)是低光適應(yīng)狀態(tài)，其特征在于與光合反應(yīng)中心相關(guān)的相對(duì)大的輔助光捕集天線系統(tǒng)。然而，在每個(gè)個(gè)體細(xì)胞中較大的光捕集天線使培養(yǎng)物的自遮蔽加劇，導(dǎo)致甚至更低的平均輻照水平，這進(jìn)一步引起反應(yīng)中藻細(xì)胞的天線尺寸的增加。整體結(jié)果是培養(yǎng)物的光透射極低，確保開(kāi)放生長(zhǎng)系統(tǒng)的大部分在黑暗中。此外，大且有效的光捕集天線驅(qū)動(dòng)在相對(duì)低的光強(qiáng)度下光合作用的飽和。因此在可獲得光的池塘的表層中，顯著部分的入射光超過(guò)驅(qū)動(dòng)最大光合速率所要求的光。此過(guò)量輻照通過(guò)熱通道消散且作為熱失去。在開(kāi)放的生長(zhǎng)系統(tǒng)中光的利用效率很低，且已表明入射到池塘表面上的光合活性輻照的至多80％作為熱失去。因此，低光適應(yīng)反應(yīng)通過(guò)增加自遮蔽和降低光合作用的飽和輻照水平來(lái)減少池塘培養(yǎng)物的整體光利用效率。用于減少藻類中光捕集天線尺寸的先前方法僅僅集中于天線上，直接靶向光捕集多肽的生物合成，或通過(guò)破壞葉綠素生物合成、蛋白質(zhì)翻譯控制或蛋白質(zhì)定位機(jī)制來(lái)間接減少它們的裝配或功能。因此，所獲得的色素減少的藻株常常在光捕集、電子傳遞和碳固定方面不平衡，這可不利地影響培養(yǎng)物生產(chǎn)率。大多數(shù)光合自養(yǎng)生物適應(yīng)不同水平的輻照以便在光有限條件下最大化光捕獲或避免在高輻照下過(guò)量捕集激發(fā)能量的潛在地有害影響。對(duì)輻照的適應(yīng)反應(yīng)最明顯的特征是色素沉著水平的變化，通常與輔助光捕集天線的豐度變化有關(guān)。然而，適應(yīng)輻照很大程度上是一種多效性反應(yīng)，涉及在光合作用機(jī)構(gòu)和整個(gè)有機(jī)體內(nèi)的多個(gè)程度的組成和功能的變化。在產(chǎn)氧光合自養(yǎng)生物中適應(yīng)輻照的調(diào)節(jié)定義不清，且對(duì)潛在的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的更多了解可使光合作用機(jī)構(gòu)的組成和功能得以有益操縱。概述本專利技術(shù)描述了一種篩選程序的結(jié)果，所述程序偏向于分離保留天然高光適應(yīng)的光合生理狀態(tài)的盡可能多的特征的突變體，包括減少的光捕集天線，與光合過(guò)程的所有其它方面相當(dāng)。這種正向遺傳篩選(稱為不易變化的高光適應(yīng)(LIHLA)篩選)，經(jīng)特別設(shè)計(jì)用來(lái)分離與對(duì)輻照的光合適應(yīng)相關(guān)的全局調(diào)節(jié)組分。基于LIHLA篩選的實(shí)施，我們提供編碼新穎的光適應(yīng)調(diào)節(jié)子的基因(LAR1、LAR2和LAR3)。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)和光合生理分析，這些基因表明是對(duì)輻照的光合適應(yīng)的全局調(diào)節(jié)子。在一個(gè)方面，本文中提供了具有“不易變化的高光適應(yīng)”或“LIHLA”表型的藻類突變體，其中所述突變體在高和低的光強(qiáng)度下均表現(xiàn)出高光適應(yīng)藻細(xì)胞的光合特性。突變體的特征在于每個(gè)細(xì)胞葉綠素量減少，并且與野生型細(xì)胞比較，在低光條件下可表現(xiàn)出，例如，每個(gè)細(xì)胞葉綠素減少20％或更多，且優(yōu)選地每個(gè)細(xì)胞葉綠素減少25％或更多、30％或更多、40％或更多或50％或更多。此外，當(dāng)LIHLA突變體和野生型細(xì)胞均適應(yīng)低光時(shí)，相對(duì)于野生型細(xì)胞，LIHLA突變體具有以下光合特性的至少一種：在大于400μE·m-2·s-1的所有生理相關(guān)光強(qiáng)度下光化學(xué)淬滅(qP)增加(例如，在大于350μE·m-2·s-1、大于300μE·m-2·s-1、大于250μE·m-2·s-1或大于200μE·m-2·s-1的所有生理相關(guān)光強(qiáng)度下)；基于每個(gè)葉綠素，最大光合速率(Pmax)增加，其中基于每個(gè)細(xì)胞，突變體具有野生型細(xì)胞的Pmax的至少70％，且優(yōu)選具有75％或更多、80％或更多、85％或更多、90％或更多，或與野生型細(xì)胞基本上相同的最大光合速率(Pmax)或基于每個(gè)細(xì)胞，與野生型細(xì)胞相比具有更高的Pmax；在較高的輻照水平下光合作用飽和(較高的Ek)；響應(yīng)于增加的光強(qiáng)度，非光化學(xué)淬滅(NPQ)延遲發(fā)生；在大于500μE·m-2·s-1，例如，在大于450μE·m-2·s-1、大于400μE·m-2·s-1、大于350μE·m-2·s-1、大于300μE·m-2·s-1、大于250μE·m-2·s-1、大于200μE·m-2·s-1、大于150μE·m-2·s-1或大于100μE·m-2·s-1的所有生理相關(guān)輻照下NPQ的水平減少。此外，LIHLA突變體可具有對(duì)于光合系統(tǒng)II而言最大的電子傳遞速率(ETRPSII)，至少與野生型細(xì)胞的ETRPSII一樣高，且優(yōu)選為野生型ETRPSII的速率的至少約1.5倍，或野生型ETRPSII的速率的至少約2倍。在一些例子中，LIHLA突變體相對(duì)于野生型細(xì)胞具有至少20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％的葉綠素減少，相對(duì)于野生型細(xì)胞在大于400μE·m-2·s-1的所有生理相關(guān)光強(qiáng)度下表現(xiàn)出光化學(xué)淬滅(qP)增加；基于每個(gè)葉綠素，最大光合速率(Pmax)增加(例如為野生型細(xì)胞的Pmax的至少1.5倍，例如為野生型細(xì)胞的Pmax的至少2倍)，以及基于每個(gè)細(xì)胞，具有野生型細(xì)胞的Pmax的至少75％或至少80％；與野生型相比，在較高的輻照水平下經(jīng)歷光合作用飽和(較高的Ek)；與野生型細(xì)胞相比，響應(yīng)于增加的光強(qiáng)度，表現(xiàn)出NPQ延遲發(fā)生；且當(dāng)LIHLA突變體和野生型細(xì)胞均適應(yīng)低光時(shí)，與野生型細(xì)胞相比，在大于約500μE·m-2·s-1的所有輻照下具有較低的NPQ水平。此外，LIHLA突變體可具有最大的PSII電子傳遞速率(ETRPSII)，其至少與野生型PSII電子傳遞速率相等，且可例如為野生型PSII電子傳遞速率的大約1.5倍或更大。此外，LIHLA突變體可具有最大的PSI電子傳遞速率(ETRPSI)，其與野生型PSI電子傳遞速率基本上相等或比野生型PSI電子傳遞速率更高。此外，包含LIHLA突變體的培養(yǎng)物(其中培養(yǎng)物暴露于來(lái)自光源的光)與包含可比較的本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種在適應(yīng)低光時(shí)解除調(diào)節(jié)的藻類突變體，其中所述藻類突變體相對(duì)于相同株的野生型藻類表現(xiàn)出在低光條件下葉綠素減少，并且表現(xiàn)出在高于300μE·m

【技術(shù)特征摘要】
20121206 US 61/733,956;20130409 US 61/810,216;20131.一種在適應(yīng)低光時(shí)解除調(diào)節(jié)的藻類突變體，其中所述藻類突變體相對(duì)于相同株的野生型藻類表現(xiàn)出在低光條件下葉綠素減少，并且表現(xiàn)出在高于300μE·m-2·s-1的所有生理相關(guān)輻照下較高的光化學(xué)淬滅(qP)；進(jìn)一步其中所述藻類突變體在編碼光適應(yīng)的調(diào)節(jié)子的基因中突變，其中所述光適應(yīng)的調(diào)節(jié)子是：
LAR2蛋白(SEQIDNO:6)、No-LAR2蛋白(SEQIDNO:21)或與SEQIDNO:6或SEQIDNO:21具有至少60％同一性的所述LAR2蛋白的同源物；或
LAR3蛋白(SEQIDNO:63)、No-LAR3蛋白(SEQIDNO:66)或與SEQIDNO:63或SEQIDNO:66具有至少60％的同一性的所述LAR3蛋白的同源物。


2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類突變體，其中所述葉綠素的減少是相對(duì)于相同株的野生型藻類的至少20％減少。


3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的藻類突變體，其中所述葉綠素的減少是相對(duì)于相同株的野生型藻類的至少30％減少。


4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類突變體，其中所述突變體與在其下非光化學(xué)淬滅(NPQ)的發(fā)生在相同株的野生型藻類中發(fā)生的所述輻照相比在較高輻照下表現(xiàn)出NPQ的發(fā)生。


5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的藻類突變體，其中所述突變體與相同株的野生型藻類所表現(xiàn)出的NPQ相比在高于400μE·m-2·s-1的所有生理輻照下表現(xiàn)出較低的NPQ。


6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類突變體，其中所述突變體具有與相同株的野生型藻類相比大致相同的最大光合速率(Pmax)或更高的Pmax。


7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類突變體，其中所述突變體具有與相同株的野生型藻類相比較高的飽和輻照用于光合作用(Ek)。


8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類突變體，其中所述突變體的培養(yǎng)物與相同株的野生型藻類的培養(yǎng)物相比具有更多光透射進(jìn)入所述培養(yǎng)物中。


9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類突變體，其中所述突變體表明至少20個(gè)光響應(yīng)性基因的解除調(diào)節(jié)。


10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的藻類突變體，其中所述光響應(yīng)性基因的轉(zhuǎn)錄物豐度在所述突變體中相對(duì)于野生型細(xì)胞相差至少log21.0。


11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類突變體，其中所述突變體已通過(guò)UV照射、γ照射或化學(xué)誘變產(chǎn)生。


12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類突變體，其中所述突變體是基因工程化的突變體。


13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的藻...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：S·貝利，J·邁凱倫，S·L·利伯曼，J·E·穆澤，A·E·羅馬諾，D·伊，L·索里亞戈，R·C·布朗，J·C·威絲曼，R·C·普林斯，R·D·尼耳森，A·S·施瓦茲，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：合成基因組股份有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：美國(guó);US