玉米產品及其生產方法
2023-04-26 21:02:26
玉米產品及其生產方法
【專利摘要】本發明涉及包含褐色中脈和粉狀胚乳基因型兩者的近交玉米植物和種子及雜種玉米植物和種子。
【專利說明】玉米產品及其生產方法
[0001]優先權要求
[0002]本申請要求基於2011年7月14日在美國專利和商標局提交的臨時申請61/507,624的優先權。
發明領域
[0003]本發明涉及包含褐色中脈和粉狀胚乳基因型的近交(inbred)玉米(corn)植物和種子及雜種玉米植物和種子。
[0004]發明背景 [0005]玉米植物(玉蜀黍(Zea mays L.))可以通過自花傳粉和異花傳粉兩者育種。這兩類傳粉牽涉玉米植物的花。玉米在同一植物上具有分開的雄花和雌花，分別位於雄穗和穗上。當風將花粉從雄穗刮到從穗枝上部伸出的穗時，在玉米中發生天然傳粉。育種技術利用植物的傳粉方法。如此，通過控制傳粉過程，植物育種容許明確來自選擇的親本植物的生成後代。
[0006]北美農民目前種植幾千萬英畝玉米，並且存在有廣泛的國家和國際商業玉米育種項目。多種天然存在的突變對於各種玉米品種是已知的，但是農藝學有利的性狀經常伴隨其它不想要的特徵。因此，玉米植物育種的一個目的是將有利的基因漸滲入農藝學卓越的遺傳背景中以生成具有更大商業價值的植物。
[0007]COMT基因編碼咖啡酸O-甲基轉移酶，其牽涉木質素生物合成。COMT基因中的褐色中脈-3 (bm3)突變引起玉米植物的根、莖和葉中的木質素含量降低，並且引起葉中脈中的微紅-褐色色素沉著。減少的木質素在用於草料的玉米作物中是期望的性狀，因為它在給家畜餵養時提高所述草料的消化率。
[0008]玉米醇溶蛋白是玉米種子胚乳中的谷醇溶蛋白貯存蛋白。玉米中的粉狀_2(fl2)等位基因引起蛋白質玉米醇溶蛋白的合成減少，產生粉狀胚乳，這是動物飼料中另一種期望的性狀(由於增加的消化率所致)。粉狀(floury)胚乳比透明胚乳更快速且更完全消化。
[0009]bm3和fl2的基因在玉米染色體4上相距約5cM遺傳距離緊密連鎖，bm3和fl2等位基因在玉米種質間為反式連鎖不平衡。這兩個基因座間的減數分裂交換是罕見的。bm3和fl2的特定隱性等位基因先前尚未以純合順式構造在一個基因型中固定，它們也尚未以此順式構造一起分散到育種系中以雜交在一起，從而生成如下的玉米雜種，該玉米雜種在這些等位基因方面是純合的，由此表達褐色中脈和粉狀胚乳性狀兩者。由於玉米種質在這兩種緊密連鎖的隱性等位基因間具有強烈的連鎖不平衡，迄今尚未知包含褐色中脈和粉狀胚乳基因型兩者的玉米種子。
[0010]發明概述
[0011]在以下的描述和實施例中，使用許多術語。為了對說明書和權利要求書(包括此類術語要給予的範圍)提供清楚且一致的理解，提供下列定義。
[0012]花葯顏色:當花葯主動裂開時花粉脫落時將花粉記錄為標準顏色名稱[亮(light)綠⑴、綠色-黃色(5)、淺黃(6)、黃色(7)、橙紅色(salmon) (9)、粉紅色(11)、櫻紅色(13)、紫色(17)、褐色(22)]和孟塞爾(Munsell)顏色代碼。
[0013]褐色中脈:隱性bm3等位基因(位於染色體4的短臂上)在有4至6片葉時在葉中脈開始中對植物給予微紅-褐色色素。另外，它影響兒茶酚O-甲基轉移酶的活性以降低木質素濃度，這改善反芻類的草料消化率。
[0014]消化率:動物消化的整個青貯飼料(青貯的乾草和穀物)或飼料-給糧組分的百分比。較大的消化率與較高的能量攝取有關。
[0015]胚乳類型:胚芽和種皮之間的籽粒區；評定為甜(sweet)、額外甜(extrasweet, sh2)、正常澱粉(normal starch)、高澱粉酶澱粉(high amylase starch)、臘質(waxy)、高蛋白質(high protein)、高賴氨酸(high lysine)、超甜(supersweet, se)、高油(high oil)及其它規格。
[0016]粉狀胚乳:特徵在於較低的谷醇溶蛋白含量和較少的澱粉包囊，給予胚乳軟的、白堊的質地和不透明外觀。
[0017]穎片顏色:暴露於日光後且剛在伸出花葯前的穎片顏色；記錄為標準的顏色名稱[亮綠(I)、中間綠色(2)、 深綠(3)、非常深綠(Very Dark Green) (4)、綠色-黃色(5)、橙紅色(9)、粉紅色(11)、櫻紅色(13)、紅色(14)、淡紫色(16)]和孟塞爾顏色代碼。
[0018]穀物光透射(Grain Light Transmission):會通過玉米籽粒的光的相對量。
[0019]NDF(中性去汙劑纖維):作為在非酸性、非鹼性去汙劑中消化後以乾物質計佔全植物的百分比的半纖維素、纖維素、木質素、和角質(植物結構材料)。
[0020]NDFD:可消化的中性去汙劑纖維的百分比；其在體外通過在活的瘤胃流體中溫育研磨的飼料樣品，並測量其消失以模擬在瘤胃中會發生的消化的量和速率來測定。
[0021]植物高度:從地面至雄穗頂部的以釐米計的植物高度。
[0022]穗絲顏色:穗絲出現後3天的其顏色；記錄為標準顏色名稱[亮綠(I)、綠色-黃色(5)、淺(pale)黃(6)、黃色(7)、橙紅色(9)、粉紅色-橙色(10)、粉紅色(11)、櫻紅色
(13)、紫色(17)、褐色(22)]和孟塞爾(Munsell)顏色代碼。
[0023]分櫱:從在玉米植物的下部5至7個莖節處的腋芽形成的分枝；它們在形態學上與主莖相同，並且能夠形成其自身的根系統、節、節間、葉、穗、和雄穗。
[0024]純育(True Breeding):若某種品系以一定的程度在某種性狀方面是遺傳上純合的，使得在將該品種自花傳粉時，沒有觀察到後代間顯著量的性狀獨立分離，則認為該品系對於所述特定的性狀是純育的。
[0025]本發明的目的是包含純合bm3和fl2基因型及褐色中脈和粉狀胚乳表型的玉米種子。
[0026]本發明的另一個目的是包含純合bm3和fl2基因型及褐色中脈和粉狀胚乳表型的玉米近交系的種子或其部分。
[0027]本發明的又一個目的是包含純合bm3和f 12基因型及褐色中脈和粉狀胚乳表型的雜種玉米種子。
[0028]本發明的別的目的和優點從以下詳細描述看對於本領域技術人員會變得容易顯而易見，其中本發明的實施方案僅通過例示實施本發明中涵蓋的最佳模式描述。如會認可的，本發明能夠有其它和不同實施方案，並且其幾種詳情都能夠在不偏離本發明的前提下在多個明顯方面修改。因而，應當認為描述本質上為例示性的而非限制性的。
[0029]發明詳述
[0030]本發明在下文會更為完整描述。實際上，這些發明可以在許多不同形式中體現，並且不應解釋為限於本文中所列的實施方案；取而代之，提供這些實施方案，使得此公開內容會滿足適用的法律要求。類似的數字遍及全文指類似的要素。
[0031]具有前述說明書中呈現的教導的益處，這些發明所屬領域技術人員會想起本文中所列的本發明的許多修改和其它實施方案。因此，應當理解，本發明不應限於公開的具體實施方案，並且修改和其它實施方案也意圖包含在所附權利要求書的範圍內。雖然本文中採用特定的術語，但是它們僅以通用且描述性意義而非為了限制使用。
[0032]依照本發明的一個方面，提供了展現出bm3和fl2基因型及褐色中脈和粉狀胚乳表型的近交玉米種子及其植物。本發明進一步涉及用於生成近交玉米種子的方法，其包括但不限於下列步驟:以與自身的接近性(in proximity to)種植髮明性玉米的種子,在適當分離的自花傳粉條件下種植出所得的玉米植物，並使用農業領域中標準的技術，諸如對於形成大量種子(諸如為了雜種生產)會必需的技術收穫從此類近交植物獲得的所得種子。本發明還涉及通過此類方法生成的近交種子。
[0033]本發明還涉及展現出褐色中脈基因型和粉狀胚乳基因型的玉米植物的一種或多種植物部分。玉米植物部分包括植物細胞、植物原生質體、可以再生出玉米植物的植物細胞組織培養物、植物愈傷組織、植物塊、和植物或植物部分中完整的植物細胞，諸如胚、花粉、胚珠、花、種子、籽粒(kernel)、穗、穗軸(cob)、葉、外皮(husk)、莖(stalk)、根、根尖、支柱根(brace root)、側生雄穗分枝(lateral tassel branch)、花葯、雄穗、穎片、穗絲(silk)、分櫱，等等。
[0034]在本發明的另一個方面，一般稱為回交，可以通過雜交近交玉米植物與攜帶編碼感興趣的特定褐色中脈和粉狀胚乳性狀的基因的另一玉米植物(稱為供體或非輪迴親本)以生成F1後代植物來將褐色中脈和粉狀胚乳性狀引入近交親本玉米植物(輪迴親本)中。可以通過回交轉移顯性和隱性等位基因兩者。供體植物也可以是近交物，但是在最廣義上，可以是與輪迴親本雜交能育的任何植物品種或群體的成員。接著，選擇具有期望的性狀的Fl後代植物。然後，將選擇的後代植物與近交親本植物雜交以生成回交後代植物。此後，選擇包含期望的褐色中脈和粉狀胚乳性狀及近交玉米植物的生理學和形態學特徵兩者的回交後代植物。將此循環重複約I至約8個周期，優選連續三次或更多次以生成選擇的較高的回交後代植物，其包含期望的性狀和玉米近交系的所有生理學和形態學特徵，如在相同環境條件中種植時以5%顯著性水平測定的。植物育種領域普通技術人員會領會育種人員使用多種方法來幫助測定哪些植物應當從分離群體選擇及最終哪些近交系會用於形成商業化的雜種。在育種人員使用的種質知識及其它技能外，選擇方法的一部分依賴於與統計學分析的使用偶聯的實驗設計。實驗設計和統計學分析用於幫助測定哪些植物，哪些植物家族，以及最終哪些近交系和雜種組合對於感興趣的一種或多種性狀是顯著較好或不同的。實驗設計方法用於評估誤差，使得兩種近交系或兩種雜種系之間的差異可以更為精確地測定。統計學分析包括計算均值數值，測定變化來源的統計學顯著性，以及計算合適的方差分量。5或1%顯著性水平通常用於測定給定性狀發生的差異是否是真正的或者是否由於環境或實驗誤差所致。植物育種領域普通技術人員會知道如何評估兩種植物品種的性狀以測定由那些品種表達的兩種性狀之間是否沒有顯著性差異。例如，參見Fehr，Walt，Principlesof Cultivar Development, p.261-286 (1987),其通過提及併入本文。可以使用均值性狀數值來測定性狀差異是否是顯著的，且優選地，對在相同環境條件下種植的植物測量性狀。
[0035]此方法導致產生具有輪迴親本的基本上所有期望的形態學和生理學特徵和感興趣的特定轉移性狀的近交玉米植物。由於此類近交玉米植物在控制感興趣的轉移性狀的基因座方面是雜合的，隨後會將最後的回交世代自交以提供轉移性狀方面的純育後代。
[0036]可以通過使用遺傳標誌物，諸如SSR、RFLP, SNP,AFLP或其它標誌物來加速回交以鑑定具有來自輪迴親本的最大遺傳互補物的植物。在本發明的又一個方面，提供了用於生成玉米種子或植物的方法，該方法一般包括雜交第一親本玉米植物與第二親本玉米植物，其中第一親本玉米植物和第二親本玉米植物都是展現出bm3和f 12基因型及褐色中脈和粉狀胚乳表型的近交玉米植物。
[0037]任何時間將依照本發明的兩種不同近交玉米植物彼此雜交，生成第一代(F1)玉米雜種植物。因而，展現出bm3和f!2基因型及褐色中脈和粉狀胚乳表型兩者的任何F1雜種玉米植物或玉米種子是本發明的一部分。
[0038]當將展現出bm3和f 12基因型及褐色中脈和粉狀胚乳表型兩者的近交玉米植物與展現出bm3和f 12基因型及褐色中脈和粉狀胚乳表型兩者的另一近交植物雜交以產生展現出bm3和f!2基因型及褐色中脈和粉狀胚乳表型兩者的雜種時，初始近交物可以充當在雜種中基本上具有相同特徵的母本或父本植物。有時，母本遺傳的特徵可以根據決定哪個親本用作雌性而不同表達。然而，親本植物之一作為母本植物經常是優選的，這是由於增加的種子產率和優選的生產特徵，諸如最佳的種子大小和雄穗除去的質量或容易。一些植物生成較緊密的穗皮，導致較多的損失，例如由於腐爛所致，或者穗皮可以緊密得使得穗絲不能完全推離尖端，阻止完全傳粉，導致較低的種子產率。可以有穗絲形成的延遲，這不利地影響親本近交物對的生殖周期的時機。種皮特徵在一個植物中可以是優選的，其可以影響雜種種子產品的貨架期。一個植物可以較好地脫落花粉，如此使所述親本成為優選的雄性親本。
[0039]在本發明的實施方案中，「雜交」第一和第二親本玉米植物的第一步包括優選以傳粉接近性，種植第一近交玉米植物和獨特的第二近交玉米植物的種子。可以用組合物處理第一近交玉米植物和/或第二近交玉米植物的種子，所述組合物使種子及自其種植的幼苗在暴露於不利條件時更為耐寒。
[0040]別的步驟包括將第一和第二親本玉米植物的種子栽培或種植成攜帶花的植物。若親本植物在性成熟的時機上不同，則可以採用技術來獲得合適的時機，即確保在稱作雌性的親本玉米植物上的穗絲可接受花粉的時間期間花粉從稱作雄性的親本玉米植物的利用度。可以用來獲得期望的時機的方法包括延遲較快成熟的植物的開花，諸如但不限於延遲較快成熟的種子的種植，切割或燒毀較快成熟的植物的頂部葉(而不殺死植物)或加速較慢成熟的植物的開花，諸如通過用設計為加速萌發和生長的膜覆蓋較慢成熟的植物或者通過切割幼穗枝的尖端以暴露穗絲進行。
[0041]在一個優選的實施方案中，用種植者認為合適的一種或多種農業化學品處理玉米植物。
[0042]後續步驟包括阻止植物的自花傳粉或同胞傳粉，即阻止植物穗絲被同一品種的任何植物，包括同一植物傳粉。優選地，這通過控制雄性能育性，例如處理花，從而阻止花粉生成或備選地，使用第一或第二親本玉米植物的雄性不育植物作為雌性親本(即處理或操作花，使得阻止花粉生成，以生成去雄的親本玉米植物或者使用玉米植物的胞質雄性不育型式作為雌性)在大規模生產中完成。此控制也可以通過從雌性植物物理除去雄穗在大規模生產中完成，所述物理除去通過手動，用旋轉切割機切割，或者用機械雄穗拉絲機拔除來拔除雄穗進行。在小規模生產中，為了在穗絲伸出前覆蓋穗枝應用的玉米育種人員的枝條袋(shoot bag)，通常為塑膠或玻璃紙提供不想要的自花傳粉或同胞傳粉的有效控制。
[0043]又一個步驟包括容許第一和第二親本玉米植物之間發生異花授粉。在植物不為傳粉接近性時，這通過在第一植物的雄穗上放置袋，通常為紙，並且在穗絲伸出前在第二植物上的初始穗(incipient ear)的穗枝上放置另一個枝條袋來完成。所述袋通常原地保持過夜。由於花粉每天停止脫落並且喪失存活力，且新的花粉每個早晨脫落，這確保穗絲不從其它花粉來源傳粉，第一植物的雄穗上的任何散落的花粉是死亡的，且僅轉移的花粉來自第一植物。然後，用力振蕩第一植物的雄穗上的花粉袋以增強花粉從雄穗的釋放，並從第一植物除去。最後，在一個連續的動作中，從第二植物上的初始穗的穗絲除去枝條袋，並且將含有捕獲的花粉的花粉袋置於第二植物的初始穗的穗絲上，再次搖動以分散捕獲的花粉，並且原地保持，覆蓋形成中的穗，以阻止來自任何不想要的新鮮風媒花粉的汙染。在大規模生產中，通過分離的開放傳粉雜交田地實現雜交，由此容許通過不同玉米類型的其它植物對稱為雌性的親本玉米植物(對其控制雄性能育性)傳粉，其中此類植物與稱為雌性親本的植物相鄰。
[0044]別的步驟包括接近成熟或成熟時從接受花粉的植物穗收穫種子。在一個具體的實施方案中，從雌性親本植物收穫種子，並且在期望時，可以種植收穫的種子以生成展現出褐色中脈基因型和粉狀胚乳基因型兩者的第一代(Fl)雜種玉米植物。
[0045]又一個步驟包括將種子乾燥和條件化，包括種子的處理、分篩(或分級)，以及包裝以出售給生產穀物或草料的種植者。與近交種子一樣，可以期望用組合物處理雜種種子，所述組合物使種子和自其種植的幼苗在暴露於不利條件時更為耐寒。應當提及，所得的雜種種子出售給種植者以生產穀物和草料，而不是為了育種或種子生產。
[0046]在雜交兩種不同近交親`本玉米植物以生成第一代F1雜種後代時產生單交雜種。一般地，每個近交親本玉米植物具有互補另一近交親本的基因型的基因型。通常，F1後代比相應的近交親本玉米植物更有活力。此雜合優勢或雜種優勢在許多多基因性狀上表現，所述多基因性狀包括明顯改善的產率和改善的莖、根、一致性及昆蟲和疾病抗性。單交Fl雜種一般是雜合後最嚮往的正是出於此原因。
實施例
[0047]包括以下實施例以演示本發明的某些優選實施方案。此實施例不應解釋為對權利要求書的限制。本領域技術人員應當領會，以下實施例中公開的技術代表用於例示其實施的優選模式的具體方法。然而，根據本公開內容，本領域技術人員應當領會可以在不偏離本發明的精神和範圍的前提下對這些具體實施方案做出許多變化而仍獲得類似或相似的結
果O
[0048]在一個優選的實施方案中，近交玉米種子及其植物是近交玉米系09SMA31BF的種子和植物。關於玉米植物09SMA31BF的生理學和形態學特徵的描述，包括那些涉及bm3和fl2基因型的描述在表1中呈現。
[0049]表1
【權利要求】
1.玉米種子，其包含純合褐色中脈-3(bm3)和純合粉狀-2 (f 12)基因型。
2.通過種植權利要求1的種子生成的玉米植物，其包含褐色中脈和粉狀胚乳表型。
3.權利要求2的玉米植物的部分，其選自下組:完整植物細胞、植物原生質體、胚、花粉、胚珠、花、籽粒(kernel)、種子、穗、穗軸(cob)、葉、外皮(husk)、莖(stalk)、根、根尖、支柱根、側生雄穗分枝(lateral tassel branch)、花葯、雄穗、穎片、分櫱和穗絲(silk)。
4.依照權利要求2的玉米植物，其中所述褐色中脈表型是純合隱性bm3基因型的結果。
5.依照權利要求2的玉米植物，其中所述粉狀胚乳表型是純合隱性fl2基因型的結果。
6.包含純合bm3和fl2基因型的玉米近交系種子或其部分。
7.通過種植權利要求6的種子生成的近交玉米植物，其包含純合bm3和fl2基因型。
8.權利要求7的玉米植物的部分，其選自下組:完整植物細胞、植物原生質體、胚、花粉、胚珠、花、籽粒、種子、穗、穗軸、葉、外皮、莖、根、根尖、支柱根、側生雄穗分枝、花葯、雄穗、穎片、分櫱和穗絲。
9.稱作09SMA31BF的玉米近交系的種子或其部分，該品系的代表性種子已經以ATCC登錄號PTA-13195保藏。
10.一種用於生成包含純合bm3和f 12基因型的近交玉米種子的方法，其包括: (a)以與自身的接近性(inproximity to itself)種植包含純合bm3和f 12基因型的近交玉米種子； (b)在傳粉條件下從所述種子種植出植物；並` (C)收穫所得的種子。
11.通過種植收穫的、所得的權利要求10的種子生成的玉米植物，其包含純合bm3和fl2基因型。
12.權利要求7的植物的花粉。
13.權利要求7的植物的胚珠。
14.一種用於生成包含純合bm3和fl2基因型的雜種玉米種子的方法，該方法包括下列步驟: (a)以傳粉接近性種植第一和第二近交親本玉米植物的種子,其中所述第一近交玉米植物和所述第二近交玉米植物都包含純合bm3和f!2基因型； (b)將所述第一和所述第二近交玉米植物的種子培育成攜帶花的植物； (c)控制所述第一或所述第二近交玉米植物的雄性能育性以生成雄性不育玉米植物； (d)容許所述第一和第二近交玉米植物之間發生異花傳粉；並 (e)收穫所述雄性不育玉米植物上生成的種子。
15.通過權利要求14的方法生成的雜種玉米種子。
16.通過種植權利要求15的雜種玉米種子生成的雜種玉米植物或其部分。
17.一種將褐色中脈性狀和粉狀胚乳性狀引入玉米近交系中的方法，其包括: (a)將輪迴近交玉米植物與包含期望的褐色中脈性狀和期望的粉狀胚乳性狀的另一玉米系的供體植物雜交以生成Fl後代植物； (b)將Fl後代植物與所述輪迴近交玉米植物雜交以生成回交(BCl)後代植物，然後，將該回交(BCl)後代植物自花傳粉以生成BClSl植物； (c)選擇如下的BClSl後代種子和植物，其分別包含所述期望的粉狀胚乳和褐色中脈性狀，和所述輪迴玉米近交系的生理學和形態學特徵；並將選擇的BClSl植物與所述輪迴近交玉米植物雜交以生成BC2S1後代植物，然後，將所述BC2S1後代植物自花傳粉以生成BC2S2植物； (d)將步驟(b)和(C)連續實施一次或多次以生成選擇的或更高等的回交後代植物，其包含所述期望的褐色中脈性狀和粉狀胚乳性狀和輪迴玉米近交系的所有所述生理學和形態學特徵，如在相同環境條件下種植時以5%顯著性水平確定的。
18.權利要求17的方法，其進一步包括使用遺傳標誌物來鑑定所述bm3和f!2等位基因，並且比較後代植物的遺傳互補物與所述輪迴玉米近交系的遺傳互補物。
19.一種用於生成衍生的玉米植物的方法，其包括: (a)將包含bm3和fl2基因型的近交玉米系與第二玉米植物雜交以產生後代玉米種子；並 (b)在植物生長條件下種植所述後代玉米種子以產生所述衍生的玉米植物。
20.通過權利要求19的方法生成的衍生的玉米植物或其部分。
21.權利要求19的方法，其進一步包括: (c)將所述衍生的玉米植物與自身或另一玉米植物雜交以產生別的衍生的後代玉米種子; (d)在植物生長條件下種植步驟c)的所述後代玉米種子以產生別的衍生的玉米植物；並 (e)將c)和d)的所述雜交和種植步驟重複0至7次以生成進一步衍生的玉米植物。
【文檔編號】A01H1/02GK103763915SQ201280043624
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年7月13日 優先權日:2011年7月14日
【發明者】S.J.普倫 申請人:農業基因遺傳學有限公司