用于改善植物性能的化合物和方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年8月16日提交的美國臨時申請No. 61 /866，681的權(quán)益，該申請的 全部內(nèi)容以引用方式并入本文。
[0003] 政府的權(quán)利
[0004] 本發(fā)明是在美國能源部授予的合同編號NO.DE-AC52-06NA25396下由政府資助完 成的。政府具有本發(fā)明的某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明涉及用于改善植物生長特征、增加植物的營養(yǎng)物利用效率或者改善植物克 服脅迫的能力的組合物和方法。
【背景技術(shù)】
[0006] 隨著全世界人口的增長以及可利用的耕地持續(xù)被破壞或以其他方式損害，對更有 效且可維持的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的需要越來越成為人類種族的首要關(guān)注。在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（可以更有效 地對環(huán)境和經(jīng)濟挑戰(zhàn)作出應(yīng)答)的發(fā)展中，改善生物質(zhì)生產(chǎn)、農(nóng)作物產(chǎn)率、蛋白質(zhì)含量、植物 生長率等代表了主要的目標。
[0007]在植物的生長和生產(chǎn)中，氮被認為是重要的限制生長的元素。其為葉綠素和氨基 酸的主要成分，并且在三磷酸腺苷(ATP)和核酸中發(fā)現(xiàn)。植物由大氣(N2氣體形式）和/或由 土壤（例如肥料和有機物質(zhì)的分解）中獲取氮，但是僅可以使用該元素的還原形式（例如 NH3)。大氣中的氮(N2)轉(zhuǎn)化成氨(NH3)為"氮固定"，并且通過與植物具有共生關(guān)系的特定的 一組原核生物的酶"固氮酶"來實施。植物可以容易地同化NH 3,并使用該分子作為生產(chǎn)促進 植物生長和生產(chǎn)的重要生物學(xué)成分(例如葉綠素和氨基酸)的基礎(chǔ)。
[0008] 遺憾地，氮固定是植物獲取NH3的限制步驟，因此現(xiàn)代農(nóng)業(yè)便補充工業(yè)生產(chǎn)的氮 肥。肥料的廣泛使用導(dǎo)致了全世界的生態(tài)問題，例如形成了沿海死亡區(qū)（主要是由于流入至 河流和海洋中），這對海洋野生生物具有劇烈的影響。
[0009] 因此，繼續(xù)需要改善的、成本有效的且生態(tài)健康的組合物和方法以改善植物生長、 生物質(zhì)生產(chǎn)、谷粒產(chǎn)率等。
[0010] 發(fā)明概述
[0011] 本發(fā)明涉及提高植物生長特征、增加植物的營養(yǎng)物利用效率或者改善植物克服脅 迫的能力的方法，其包括給植物或植物的繁殖材料施加包含酮基琥珀酸酯、其衍生物或其 鹽的組合物。此外，本發(fā)明還涉及組合物，其包含酮基琥珀酸酯或其衍生物或其鹽;載體；以 及任選存在的刺激植物生長的化合物。
[0012] 附圖簡述
[0013] 圖1描繪了本領(lǐng)域所了解的，在植物中氮的同化作用的代謝圖。氮的同化作用和初 級代謝(實線)開始于谷氨酰胺合成酶(GS)-催化谷氨酸酯與氨的組合而形成谷氨酰胺。來 自谷氨酰胺的1個氮然后被提供至2-酮戊二酸，從而形成谷氨酸酯。天冬氨酸酯和天冬酰胺 由草酰乙酸酯的碳主鏈形成，并且1個氮來自谷氨酸酯，另1個來自谷氨酰胺。2-酮戊二酸和 酮基琥珀酸酯分別由谷氨酰胺和天冬酰氨形成(虛線）。
[0014] 示意性實施方案的詳細描述
[0015] 本發(fā)明通過使植物利用可用氮的能力最大化、由此減少所需補充的量，從而消除 或減少向農(nóng)作物提供工業(yè)氮補充的目前存在的生態(tài)和成本的缺點。本發(fā)明涉及通過向植物 或植物的繁殖材料施加包含酮基琥珀酸酯或其鹽的組合物來改善植物性能的某些方面的 方法。此外，酮基琥珀酸酯的衍生物或其鹽也可以用于本發(fā)明的方法中。
[0016] 酮基琥珀酸酯(在本領(lǐng)域中還稱為2-氧代琥珀酸酯、L-氧代琥珀酸酯、α-酮基琥珀 酸酯、3-氨基甲酰基-2-氧代丙酸酯和4-氨基-2，4-二氧代丁酸酯)具有以下結(jié)構(gòu)：
[0017]
[0018] 此外，酮基琥珀酸酯還以二聚體的形式存在，其也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。Ralph A Stephani and Alton Meister 1971^Structure of the dimeric a-ketoanalogue of &8口3瓜8；[116〃]\13;[01016111.246:7115-7118。如本文所用，"酮基琥泊酸酯的衍生物"是指通 過化學(xué)或物理方法由酮基琥珀酸酯衍生的化學(xué)化合物。該衍生物可以為結(jié)構(gòu)和/或功能類 似物。酮基琥珀酸酯的衍生物包括例如表1中列出的化合物。
[0019] 表1
[0020]
[0021]
[0022] 酮基琥珀酸酯及其衍生物可以購買或者如本文所述或通過本領(lǐng)域那些普通技術(shù) 人員已知的手段來合成。例如參見Meister A.，J. Biol .Chem.，（1953)200:571-589; ffeygand,Freidrich and Heinz-Jurgen Dietrich 1954Synthese von 1.5-diaza-cyclooctan-dion-(4.8)-dicarbonsaure-(2.6)Chemische Berichte 87(4):482-488。
[0023] 可以使用本領(lǐng)域已知的任何方法來施加本發(fā)明的組合物，例如噴霧、灌溉、涂敷、 浸沒(emers ion)、注射或它們的任意的組合。
[0024] 本發(fā)明的方法包括提高植物的生長特征，所述的方法包括給植物或植物的繁殖材 料施加包含酮基琥珀酸酯或其衍生物或其鹽的組合物。本領(lǐng)域那些技術(shù)人員所理解的"生 長特征"包括例如生物質(zhì)、葉組織重量、結(jié)瘤數(shù)量、結(jié)瘤質(zhì)量、結(jié)瘤活性、種子穗的數(shù)量、分蘗 的數(shù)量、花的數(shù)量、塊莖的數(shù)量、塊莖的質(zhì)量、鱗莖質(zhì)量、油含量、種子的數(shù)量、種子的總質(zhì) 量、種子的平均質(zhì)量、出葉率、根的質(zhì)量、地下組織的總重量、可收獲的果實或堅果的產(chǎn)率、 植物蛋白質(zhì)和淀粉含量、生物質(zhì)累積率、分蘗萌發(fā)率、分蘗生長率、果實的平均重量、發(fā)芽 率、出苗率或它們的任意的組合。在本發(fā)明的示例性實施方案中，所述的方法使得生物質(zhì)、 葉組織重量、結(jié)瘤數(shù)量、結(jié)瘤質(zhì)量、結(jié)瘤活性、種子穗的數(shù)量、分蘗的數(shù)量、花的數(shù)量、塊莖的 數(shù)量、塊莖的質(zhì)量、鱗莖質(zhì)量、種子的數(shù)量、種子的總質(zhì)量、出葉率、分蘗萌發(fā)率、種子萌發(fā)率 或它們的任意的組合增加。通過采用本發(fā)明的組合物和方法，與缺乏本發(fā)明的組合物和方 法的植物生長相比，植物的生長特征提高。
[0025] 本發(fā)明的其他實施方案涉及增加植物的營養(yǎng)物利用效率的方法，其包括給植物或 植物的繁殖材料施加包含酮基琥珀酸酯或其衍生物或其鹽的組合物。如本文所用，"氮利用 效率(NUE)"是指每單位氮肥料的輸入所產(chǎn)生的農(nóng)作物的量度。對于大部分的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)而 言，超過50%至多達75%的施加于田地中的氮沒有被植物利用，并丟失而濾入土壤或流入 地表水中。因此，增加 NUE會增加效率。
[0026]可以通過本領(lǐng)域任一普通技術(shù)人員已知的方法來測量NUE。與NUE有關(guān)的一個農(nóng)作 物生產(chǎn)的量度為肥料氮的利用效率。與NUE有關(guān)的另一個農(nóng)作物生產(chǎn)的量度為總氮利用效 率。NUE的其他量度包括產(chǎn)率的不同的量度。例如NUE可以指在葉、谷?；蛘咂渌参锝M織或 器官中的蛋白質(zhì)含量或濃度增加。NUE還可以指在葉、谷粒或者其他植物組織或器官中的氨 基酸含量或濃度增加。此外，在葉、谷?；蛘咂渌参锝M織或器官中的蛋白質(zhì)和氨基酸含量 或濃度的組合也是NUE的量度。
[0027] 本發(fā)明的其他實施方案涉及改善植物克服脅迫的能力的方法，其包括給植物或植 物的繁殖材料施加包含酮基琥珀酸酯或其衍生物或其鹽的組合物。如本文所用，"脅迫"是 指任何不理想的外部因素。例如本發(fā)明的方法增加了植物克服生物脅迫的能力。"生物脅 迫"是指由其他活的有機體(例如昆蟲、病毒、真菌、寄生蟲、雜草和動物)對植物造成損害而 發(fā)生的脅迫。此外，本發(fā)明的方法還增加了植物克服生物脅迫的能力。"非生物脅迫"是指非 活的因素(例如太陽、風(fēng)、火、洪水和干旱)所形成的脅迫。此外，本發(fā)明的方法還增加了植物 克服化學(xué)脅迫的能力，例如由于殺蟲劑、殺真菌劑、除草劑、抗細菌劑或抗病毒組合物的化 學(xué)脅迫。
[0028] 可以受益于本文所述的方法的植物包括單子葉植物和雙子葉植物。這些植物包括 但不限于谷物、豆科植物、產(chǎn)纖維植物、產(chǎn)油植物、產(chǎn)塊莖植物、產(chǎn)淀粉植物、草、藤本植物、 水果、蔬菜、開花植物和樹。在本發(fā)明的范圍內(nèi)的植物的具體類型包括例如小麥、燕麥、水 稻、玉米、豆、大豆、大麥、棉花、加拿大油菜(canola)、亞麻、豆科植物、葡萄、漿果、番茄、藤 本植物、橙、堅果、煙草、苜蓿、馬鈴薯、花生和擬南芥。
[0029] 本發(fā)明的組合物可以在植物出苗前（pre-emergent)(在苗突出或出現(xiàn)于地上之 前)或出苗后(post-emergent)(在苗突出或出現(xiàn)于地上之后)施加。本發(fā)明的組合物可以直 接施加至植物或植物的一部分，例如葉（1 eaf)、根、葉(fo 1 iar)、葉(fo 1 iage)、分蘗、花、植 物細胞、植物組織或它們的組合。此外，本發(fā)明的組合物還施加于生長介質(zhì)中。
[0030] 此外，本發(fā)明的組合物還可以施加于植物的繁殖材料。例如本發(fā)明的組合物可以 施加于種子、谷粒、果實、塊莖、根莖、孢子、插枝、接枝（slip)、分生組織、植物細胞、堅果或 胚。
[0031] 本發(fā)明的組合物包含酮基琥珀酸酯或其衍生物或其鹽，以及載體(例如本領(lǐng)域常 用的那些）。所述的組合物可以為水性溶液、非水性溶液、懸液、凝膠、泡沫、糊劑、散劑、粉 劑、固體或乳液。特別優(yōu)選地為水性配制物。
[0032] 酮基琥珀酸酯、或其衍生物或其鹽的濃度為實現(xiàn)所需效果所必需的濃度，其可以 由本領(lǐng)域的技術(shù)人員無需過度的試驗來說明。例如本發(fā)明的組合物可以包含濃度為大約