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CN104520954A - 通过修饰持绿stgx基因座而生产的耐旱植物 - Google Patents

通过修饰持绿stgx基因座而生产的耐旱植物 Download PDF

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CN104520954A
CN104520954A CN201280065782.6A CN201280065782A CN104520954A CN 104520954 A CN104520954 A CN 104520954A CN 201280065782 A CN201280065782 A CN 201280065782A CN 104520954 A CN104520954 A CN 104520954A
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CN201280065782.6A
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A·K·博雷尔
D·R·乔丹
J·穆勒特
P·科莱恩
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Texas A&M University System
Original Assignee
STATE OF QUEENSLAND ACTING THROUGH Department OF AGRICULTURE FISHERIES AND FORESTRY
Grains Research and Development Corp
Texas A&M University
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Abstract

本发明公开的内容教导了耐旱植物的形成。本发明公开的内容能够通过重组、诱变和/或育种和选择方法而调控被称为“持绿”的表型特征，从而有利于适应干旱，所述方法调控StgX基因，包括Stg1、Stg2、Stg3a、Stg3b和Stg4。此外，本发明还教导了用于在水有限的环境下增加农作物产率和收获效率的植物管理实施系统。

Description

通过修饰持绿STGX基因座而生产的耐旱植物
案件资料
本申请涉及并要求2011年11月16日提交的、题为“Drought tolerantplants”的美国临时专利申请号61/560,763的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本公开的内容教导了耐旱植物的形成。本公开的内容能够通过重组、诱变、育种和/或选择方法来调控被称为“持绿”的表型特征，从而有利于植物对干旱的适应。此外，本公开还教导了在水有限的环境下增加农作物产率和收获效率的植物管理系统。
背景技术
在本说明书中，被作者称为出版物的目录详情在发明详述的结尾处按照字母顺序收集。
在本说明书中参考的任何现有技术并非、并且不应该被看作为承认或任何形式的表明：这些现有技术在任何国家构成了普通一般知识的一部分。
越来越多的人类人口需要改善农作物的生产率。这已经成为植物育种者和遗传学者的主要目标。改善农作物生产率的一种方法涉及选择有利于更高的谷物产率和稳定性的植物性状(Springer(2010)NatureGenetics 42:475-476)。该方法已经被称为“绿色革命”。其他方法包括研发理想的植物结构体系，其导致鉴定例如数量性状基因座(QTL)，该数量性状基因座在稻中编码squamosa启动子结合类蛋白质14(OsSPL14)并有利于改善稻的产率(Jiao et al.(2010)Nature Genetics42:541-544；Miura et al.(2010)Nature Genetics 42:545-549)。
干旱是全世界范围内谷类作物生产的单一最重要的限制。高粱是抗干旱机制的储藏库，其包括C4光合作用、深根和厚叶蜡，从而能够在热且干燥的环境中生长。耐旱使得高粱在干燥地区(例如撒哈拉沙漠以南的非洲、印度中西部地区、澳大利亚东北地区和美国的南部平原)特别重要。随着在缺乏的水资源的利用性方面的压力增加，识别在干旱条件下与谷物产率有关的性状变得更加重要。
在高粱中所鉴定的干旱适应机制被称为“持绿”，这种机制使得在在干旱条件下在灌浆期间保持绿叶状态。高粱(Borrell et al.(200b)CropSci.40:1037-1048；Kassahun et al.(2010)Euphytica 72:351-362)、小麦(Triticum aestivum L.)(Spano et al.(2003)J.Exp.Bot.54:1415-1420；Christopher et al.(2008)Aust.J.Agric.Res.59:354-364)、稻(Oryzasativa L.)(Kashiwagi et al.(2006)Plant Physiology and Biochemistry44:152-157)和玉米(Zea mays L.)(Zheng et al.(2009)Plant Breed128:54-62)中，持绿与开花后干旱条件下的谷物高产率有关。此外，持绿可以通过改善炭腐病(Macrophomina phaseolina[Tassi]Goid.)抗性而间接影响谷物的产率(Tenkouano et al.(1993)Theor.Appl.Genet.85:644-648；Garud et al.(2002)Int.Sorghum and Millets Newsl.43:63-65)。这会减少倒伏(Reddy et al.(2008)Euphytica 159:191-198)，从而允许植物育种者利用植物高度与谷物产率之间的正相关系(Jordanet al.(2003)Theor.Appl.Genet.106:559-567)。在美国(Rosenow et al.(1983)Agric.Water Manag.7:207-222)和澳大利亚(Henzell et al.(1997)Australia Int.Sorghum and Millets Newsl.38:1-9)，对于目标在于适应干旱的高粱育种程序而言，持绿是重要的选择标准。
相当多的生理证据越来越支持这种性状(Borrell et al.(2000a)CropSci.40:1026-1037；Borrell and Hammer(2000)Crop Sci.40:1295-1307；Harris et al.(2007)J.Exp.Bot.58:327-338；Christopher et al.(2008)supra；Van Oosterom et al.(2010a)Field Crops Res.115:19-28 and VanOosterom et al.(2010b)Field Crops Res.115:29-38)。尽管在过去25年，这种抗干旱机制已经被美国和澳大利亚的高粱育种者所利用，并且该性状的广泛的生理基础已经被更好地理解，但是所涉及的因果机制和遗传基因座迄今为止仍是未知的。
在水有限的条件下，谷物的产率是蒸发(T)、蒸发效率(TE)和收获指数(HI)的函数(Passioura(1977)J.Aust.Inst.Agric.Sci.43:117-120)。在这种框架内，谷物的产率与开花后的T有关(Turner(2004)J.Exp.Bot.55:2413-2425；Manschadi et al.(2006)Funct.Plant.Biol.33:823-837)，这是因为随着开花后所使用的农作物的总T份数的增加，HI也增加(Passioura,(1977)supra；Sadras and Connor(1991)Field Crops Res.26:227-239；Hammer(2006)Agric.Sci.19:16-22)。开花后T的增加与开花时前后干旱应激的降低有关，其可以有利地影响谷类作物开花时农作物的生长速率，并由此影响谷物的数量(Andrade et al.(2002)Crop Sci.42:1173-1179；Van Oosterom and Hammer(2008)FieldCrops Res.108:259-268)。如果可利用的水的总量是有限的，则开花后的T可以通过限制开花前的T而增加。可以通过限制冠层尺寸(以遗传方式或通过农作物管理方式)而达到上述效果。但是，如果未累及较小的冠层的TE，则将仅降低总T。就高粱而言，已经报道了TE的显著的遗传差异(Hammer et al.(1997)Aust.J.Agric.Res.48:649-655；Henderson et al.(1998)Aust.J.Plant Physiol.25:111-123；Mortlock andHammer(1999)J.Crop Prod.2:265-286；Xin et al.(2009)Field CropsRes.111:74-80)。备选地，可以通过增加农作物所获取的水的总量(通过更深的扎根或降低的水提取的下限)来增加开花后的水的使用(Manschadi et al.(2006)supra)。
在高粱中，持绿会影响一些上述的过程。首先，在开花前期，持绿通过限制冠层的尺寸(通过分蘖的减少和较小的叶)而减少水的利用。
第二，持绿通过增加根:芽比而改善水的可获得性。在持绿系中，有一些试验证据针对于更好的水提取，但是需要更多的研究。此外，还可以通过增强的植物生长素的运输来解释这些根的应答(Wang et al.(2009)Molecular Plant 2(4):823-831)。第三，持绿增加开花时叶的绿度，从而有效地增加光合能力，并由此增加TE(前提条件是与电导率相比，光合作用成比例地增加)。叶的绿度的增加是叶质量减少的间接效果，即，氮在叶中是浓缩的。
使用较少的水来生产更多的食物是当前人类所面对的主要挑战之一。发达和发展中国家都现实且急切地需要识别农作物中控制干旱适应的基因和基因网络。这能够使在全世界水有限的环境中生长的多种农作物物种对干旱的适应增强。
发明概述
数量性状基因座(QTL)用于识别高粱中与持绿表型有关的和/或除此以外还有利于持绿表型的基因组区域。QTL识别持绿(Stg)X，其中X为由1开始增加的数值，其表示染色体上的区域，其中所述的染色体包含与持绿表型相关的基因座。StgX内的区域称为StgXm，其中m以字母命名，例如Stg3a和Stg3b。在一个实施方案中，X为1，并且所述的区域为染色体3上、高粱的标志物txp581和txp38之间的Stg1或其在另一种植物基因组中的等价物。在另一个实施方案中，X为2，并且所述的区域为染色体3上、高粱的标志物txp530和txp31之间的Stg2或其在另一种植物基因组中的等价物。在另一个实施方案中，X为3，并且所述的区域为染色体2上、高粱的标志物txp471和txp179之间的Stg3或其在另一种植物基因组中的等价物。Stg3可分为Stg3a(txp298和sPb-2568之间的区域)和Stg3b(sPb-2568和txp179之间的区域)。在另一个实施方案中，X为4，并且所述的区域为染色体5上、高粱的标志物txp283和txp15之间的Stg4或其在另一种植物基因组中的等价物。
表1A至1C提供了与持绿表型有关的基因列表。图68提供了这样的图：Stg1、Stg2、Stg3a、Stg3b和Stg4中的多少基因会影响持绿表型。
如本文所教导，StgX包含编码蛋白质或调节因子(例如microRNA)的基因座，其表达水平会有利于持绿表型。已经提出选择农作物植物中StgX处的基因座或基因区域(包括增加或减少固有基因座的表达)将植物的水利用转向至开花后期、农作物生长过程中水的可获得性增加、或蒸发效率增加，由此在水有限的条件下增加收获指数(HI)和谷物产率。此外还提出StgX为与适应干旱有关的遗传和生理网络的一部分。StgX中的基因座的多态性变体还可以影响表达水平。因此，本公开的内容教导选择植物育种亲本，其表达特定的多态性，并通过任何手段(包括重组手段或通过标准的育种方法)将StgX引入到植物中。此外，本发明还考虑了现有(即，固有)基因座的诱变。
本发明教导了用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括调控在植物的所有或所选组织中已有的或引入的StgX基因座的表达水平，所述的StgX对应于高粱植物中染色体上的位置或其在另一种植物中的等价物，该StgX编码如下产物，其水平与持绿表型有关或者有利于持绿表型，所述的持绿表型包括将水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率，其中StgX通过精细结构图谱来识别。
本发明实现了用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括将因子引入到植物或植物亲本中，其中所述的因子选自：(i)包含一个或多个基因座的遗传因子，其位于选自以下的区域：高粱的染色体3上的txp581和txp38之间的Stg1；染色体3上的txp530和txp31之间的Stg2；Stg3a(txp298和sPb-2568之间的区域)；Stg3b(sPb-2568和txp179之间的区域)；以及染色体5上的txp283和txp15之间的Stg4，或其在另一种植物中的等价物；其表达水平与持绿表型有关，或者有利于持绿表型，所述的持绿表型包括将水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率；以及(ii)上调或下调固有形式的基因座的因子。就“Stg3”而言，包括位于txp298和sPb-2568之间的Stg3a和位于sPb-2568和txp179之间的Stg3b。
这一方面涵盖了使用重组技术将一个或多个基因座引入到植物中，以及使用育种方法来选择具有一个或多个基因座的特定表达图谱的植物。此外，还可以通过诱变后选择来改变固有基因座的表达图谱或模式。
此外，本发明教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括调控在植物的所有或所选的组织中已有的或引入的StgX基因座的表达水平，其中所述的StgX基因座对应于高粱植物中染色体上位于Stg1、Stg2、Stg3(包括Stg3a和Stg3b)和/或Stg4处的基因座，或者是其在另一种植物中的等价物，该StgX基因座编码产物，该产物的水平与持绿表型有关或有利于持绿表型，所述的表型包括水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可利用性、或增加蒸发效率，使得在水有限的条件下收获指数和谷物产率增加，并且其中StgX通过精细的结构图谱识别。
本发明教导了StgX区域的一个或多个基因座的表达水平尤其有利于特定植物冠层的结构，该结构能够使植物变得更加水有效的。因此，StgX中的基因座在本发明中被称为“干旱适应基因”或“干旱适应基因座”。基因座的实例列于表1A至1C中。在实例中，基因座选自表1B。在另一个实例中，基因座编码与植物生长素(例如针状花序(PIN)蛋白质)有关的蛋白质。PIN蛋白质为植物生长素输出载体，其包含跨膜结构域并主要定位于细胞质膜上。编码PIN蛋白质的基因座在本发明中以PIN表示。基因座的其他实例为IPA-1(理想的植物结构体系1)、WFP(富民基因(Wealthy Farmers Panicle))、squamosa Sp1(启动子结合类蛋白质)和CCD7/8。
本发明公开的内容教导将一个或多个持绿基因座引入到植物中，或将功能等价物(例如固有基因座的cDNA、或者上调或下调表达)引入到植物中。这包括重组技术、育种、杂交、选择方法和诱变方法。
本发明中，表1B(和表1C)中所列的一组持绿基因能够通过重组DNA技术和/或育种、交换和杂交方法而用于形成干旱不敏感的植物。这包括在Stg1、Stg2、Stg3a、Stg3b和/或Stg4的一种或多种中，上调或下调基因(如表1B和1C中举例说明)。
在本发明中，表1A所列的一组持绿基因能够通过重组DNA技术和/或通过育种、交换和杂交方法而用于形成干旱不敏感的植物。
术语“SbPINn”用于描述在高粱中产生的SbPIN蛋白质，其中n为定义植物生长素输出载体成分的数，并且n为1至11。就“SbPINn”而言，包括其他植物中的其同源物和直系同源物。SbPINn基因座的实例为编码SbPIN4和SbPIN2的那些、以及它们在其他植物中的等价物。在本发明中提出PIN的表达水平或位置、或者具有特定多态性改变的PIN的表达水平有利于持绿表型的表达。可以通过重组手段、标准的育种方法和诱变方法引入PIN或改变其表达水平。SbPIN4对应于OsPIN5，而SbPIN2对应于OsPIN3a。术语“Os”是指稻(参见表1A)。
在另一个实施方案中，基因座为IPA-1。在本发明中提出IPA-1的表达水平、或者具有特定多态性改变的IPA-1的表达水平或位置有利于持绿表型。
在另一个实施方案中，基因座为WFP。在本发明中提出WFP的表达水平或位置、或者具有特定多态性改变的WFP的表达水平有利于持绿表型。
在另一个实施方案中，基因座为Sp1。在本发明中提出Sp1的表达水平或位置、或者具有特定多态性改变的Sp1的表达水平有利于持绿表型的水平。在另一个实施方案中，基因座为CCD7/8。在本发明中提出CCD7/8的表达水平或位置、或者具有特定多态性改变的CCD7/8的表达水平有利于持绿表型的表达。
持绿基因座可以在所有的植物组织或所选的组织中表达。此外，可以选择差异性表达。
本发明教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括将以下物质引入到植物或植物亲本中，其中所述的物质为：对应于如表1A至1C中所列定位在Stg1、Stg2、Stg3a、Stg3b或Stg4处的基因座的一个或多个基因座，或其功能等价物；或者调控这些基因座中的一个或多个基因座的固有形式的表达的因子，其中一个或多个基因座的表达水平和/或位置使得对水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或者增加蒸发效率，从而在水有限的条件下收获指数和谷物的产率增加。
本发明教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括将以下物质引入到植物或植物亲本中，其中所述的物质为：对应于如表1B中所列定位在Stg1、Stg2、Stg3a、Stg3b或Stg4处的基因座的一个或多个基因座，或其功能等价物，或者调控这些基因座中的一个或多个基因座的固有形式的表达的因子，其中一个或多个基因座的表达水平和/或位置使得对水的利用转向至开花后期、农作物生长过程中水的可获得性增加、或者使蒸发效率增加，从而在水有限的条件下收获指数和谷物的产率增加。
在一个实施方案中，本发明教导了SbPIN2(就高粱(Sorghum bicolor)而言，为植物生长素输出载体成分2家族的成员)和SbPIN4形成了高粱的持绿特征，从而得到多种表型，这些表型通过以下过程而赋予对干旱的适应性，所述的过程为：在开花时水利用的增加(由于分蘖的减少及较小的叶)；水的可获得性增加(由于根:芽比增加)；在轻微水份亏缺条件下蒸发效率增加(由于叶氮含量较高)；在最终水份亏缺条件下每叶面积的生物质增加(由于每叶面积的蒸发增加)；以及谷物的产率、谷物的尺寸和倒伏抗性均增加，其中SbPIN2为染色体3上的Stg2，其精细绘图于标志物txp512和txp530之间的区域，而SbPIN4为然实体3上的Stg1，其精细绘图于标志物txp563和txp442之间的区域。参照高粱中的txp标志物，扩展至其他植物基因组中的等价标志物。
本发明的另一个方面教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括将以下物质引入到植物或植物亲本中，其中所述的物质为：对应于SbPIN1至11、IPA-1、WFP、Spl和/或CCD7/8的一个或多个基因座，或其功能等价物，或者调控这些基因座中的一个或多个基因座的固有形式的表达的因子，其中一个或多个基因座的表达水平和/或位置使得对水的利用转向至开花后期、农作物生长过程中水的可获得性增加、或者使蒸发效率增加，从而在水有限的条件下收获指数和谷物的产率增加。
基因座的“功能等价物”包括cDNA分子或由另一种植物物种得到的同源物。这一方面包括重组方法从而引入基因座，或者育种方法从而在特定的表达图谱中引入或选择基因座。
本发明公开进一步教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括将以下物质引入到植物或植物亲本中，所述的物质为：Stg1中的基因座或编码基因座的cDNA，或调控固有基因座的表达的分子。实例列于表1A至1C中，例如表1B。
本发明公开进一步教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括将以下物质引入到植物或植物亲本中，所述的物质为：Stg2中的基因座或编码基因座的cDNA，或调控固有基因座的表达的分子。实例列于表1A至1C中，例如表1B。
本发明公开进一步教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括将以下物质引入到植物或植物亲本中，所述的物质为：Stg3a中的基因座或编码基因座的cDNA，或调控固有基因座的表达的分子。实例列于表1A至1C中，例如表1B。
本发明公开进一步教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括将以下物质引入到植物或植物亲本中，所述的物质为：Stg3b中的基因座或编码基因座的cDNA，或调控固有基因座的表达的分子。实例列于表1A至1C中，例如表1B。
本发明公开进一步教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括将以下物质引入到植物或植物亲本中，所述的物质为：Stg4中的基因座或编码基因座的cDNA，或调控固有基因座的表达的分子。实例列于表1A至1C中，例如表1B。
本发明公开进一步教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括将以下物质引入到植物或植物亲本中，所述的物质为：编码PIN蛋白质的cDNA或基因座，或调控固有PIN基因座的表达的分子。PIN的实例为SbPIN1至11，其包括SbPIN4和SbPIN2、以及表1A中所列的其他SbPIN、及它们在其他植物中的等价物。
在另一个实施方案中，本发明公开的内容教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括将以下物质引入到植物或植物亲本中，所述的物质为：编码IPA-1的cDNA或基因座、或者它们的功能同源物或直系同源物，或因子，其调控固有IPA-1的表达水平，使得对水的利用转向至开花后期、农作物生长过程中水的可获得性增加、或者使蒸发效率增加，从而在水有限的条件下收获指数和谷物的产率增加。
在另一个实施方案中，本发明公开的内容教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括将以下物质引入到植物或植物亲本中，所述的物质为：编码WFP的cDNA或基因座、或者它们的功能同源物或直系同源物，或因子，其调控固有WFP的表达水平，使得对水的利用转向至开花后期、农作物生长过程中水的可获得性增加、或者使蒸发效率增加，从而在水有限的条件下收获指数和谷物的产率增加。
在另一个实施方案中，本发明公开的内容教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括将以下物质引入到植物或植物亲本中，所述的物质为：编码Sp1的cDNA或基因座、或者它们的功能同源物或直系同源物，或因子，其调控固有Sp1的表达水平，使得对水的利用转向至开花后期、农作物生长过程中水的可获得性增加、或者使蒸发效率增加，从而在水有限的条件下收获指数和谷物的产率增加。
在另一个实施方案中，本发明公开的内容教导了形成基因修饰的植物的方法，与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水，所述的方法包括将以下物质引入到植物或植物亲本中，所述的物质为：编码CCD7/8的cDNA或基因座、或者它们的功能同源物或直系同源物，或因子，其调控固有CCD7/8的表达水平，使得对水的利用转向至开花后期、农作物生长过程中水的可获得性增加、或者使蒸发效率增加，从而在水有限的条件下收获指数和谷物的产率增加。
在一个实施方案中，所述的植物经修饰或选择，从而改变了表1B或1C中所列的两个或多个基因座的表达水平。
在一个实施方案中，所述的植物经修饰或选择，从而改变了PIN、IPA-1、WFP、Sp1和/或CCD7/8、和/或两个或多个PIN的二者或多者的表达水平。
此外，表现出持绿性状的基因修饰的植物及它们的后代、以及种子、果实、花和它们的生殖或繁殖材料在本发明中也是可行的。此类“基因修饰的植物”包括通过重组手段修饰的植物，以及通过育种方法选择的植物和/或经历诱变和选择的植物。
遗传材料在本发明中是可行的，其中所述的遗传材料编码这样的产物，该产物与持绿表型有关或有利于持绿表型，该表型包括使得对水的利用转向至开花后期、农作物生长过程中水的可获得性增加、或者使蒸发效率增加，从而在水有限的条件下收获指数和谷物的产率增加；并且所述的产物由StgX区域中的基因座所编码，其中X为对应于染色体上的位置的数字，并且其中通过精细结构图谱所识别的StgX在其上能够作为StgX的功能等价物。所述的遗传材料用于形成基因修饰的植物以及用于研发用于在育种方法过程中选择性状的标志物，其中与同一物种的未经基因修饰的植物相比，所述的基因修饰的植物更有效地利用水。
本发明所考虑的遗传材料包括cDNA、基因组DNA以及编码表1A至1C例如表1B中所列的一个或多个基因座的种质。
本发明所考虑的遗传材料包括cDNA、基因组DNA以及编码PIN、IPA-1、WFP、Sp1和/或CCD7/8中的一者或多者的种质。就“PIN”而言，包括一种或多种PIN。
本发明教导了植物管理系统，从而降低农作物对水的依赖，或者改善水的利用效率，并增加谷物或产物的产率。植物管理系统包括使用选择和表达单独的StgX基因座或其功能等价物、或与引入其他有用的性状(例如谷物尺寸、根的尺寸、耐盐性、抗除草剂、抗杀虫剂等)相结合的方法来形成适应干旱的农作物(包括谷类作物植物)。备选地或此外，植物管理系统包括形成适应干旱的植物和农业程序，例如灌溉、营养需求、农作物密度和形状、杂草控制、昆虫控制、土壤通气、减少耕地、种植床等。高粱中StgX基因座的实例包括SbPIN1至11、IPA-1、WFP、Sp1和CCD7/8、以及它们在其他植物中的等价物。基因座的实例包括位于Stg1、Stg2、Stg3a、Stg3b和/或Stg4(参见表1A至1C，例如表1B)。
此外，本发明还教导了在农作物产率方面具有改善的经济报酬的商业模式，该模式包括形成具有所选的StgX性状、或者提升的或降低的StgX性状的农作物植物，从而得到植物对水的利用转向至开花后期的农作物植物，从而在水有限的条件下增加HI和谷物产率，由所形成的农作物植物得到种子，并将该种子分配给谷物生产者以增加产率和收益。
本发明公开进一步教导了用于在耐旱植物育种过程中使用的持绿表型的标志物，该标志物包括持绿X(StgX)基因座或其在另一种植物中的等价物，其中X为对应于高粱植物中染色体上的位置的数字，其中所述的持绿X基因座编码产物，其与持绿表型有关或者有利于持绿表型，所述的持绿表型包括将水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率。合适的标志物的实例包括染色体3上txp581和txp38之间的Stg1；染色体3上txp530和txp31之间的Stg2；Stg3被分为Stg3a(txp298和sPb-2568之间的区域)和Stg3b(sPb-2568和txp179之间的区域)；以及染色体5上txp283和txp15之间的Stg4。实例包括表1B和1C中所列的那些。这些标志物是以高粱的基因组为基础的，但是扩展至另一种植物基因组中的等价物。此外，与上文给定的基因组的位置相邻或接近的标志物也可以在育种过程中用于筛选特定的后代。
因此，本发明教导了一组生物标志物，其包括染色体3上txp581和txp38之间的Stg1；染色体3上txp530和txp31之间的Stg2；Stg3被分为Stg3a(txp298和sPb-2568之间的区域)和Stg3b(sPb-2568和txp179之间的区域)；以及染色体5上txp283和txp15之间的Stg4；或者在另一种植物的基因组中的等价物。此类标志物可用于育种方法，该方法被设计用于形成表现出持绿表型的植物。基因座的实例列于表1A至1C中。特定实例在表1B中。
在一个实施方案中，所述的基因座在选自PIN5、GID1L2、P45098A1、吲哚-3-乙酸酯和油菜素类固醇不敏感物的Stg1中。
在一个实施方案中，所述的基因座在Stg2中，并且为植物生长素输出载体成分3a(PIN3a)。
在一个实施方案中，所述的基因座在选自下述的Stg3a中：叶片衰老类蛋白质(Sb02g023510)、叶片衰老类蛋白质(Sb02g023520)、RAMOSA1C2H2锌指转录因子(Sb02g024410)、推定的不依赖植物生长素的生长促进因子(Sb02g024540)、脱水应答类蛋白质的类似物(Sb02g024670)、葡萄糖转运蛋白的类似物(Sb02g024690)、WRKY转录因子76(Sb02g024760)、谷氨酰胺合成酶样蛋白质(Sb02g025100)、衰老相关蛋白质DH(Sb02g025180)、推定的丙氨酸转氨酶(Sb02g025480)、植物生长素诱导的类蛋白质(Sb02g025610)、植物生长素诱导的类蛋白质(Sb02g025620)、推定的远红光损害应答的蛋白质(Sb02g025670)、细胞色素P450单加氧酶CYP92A1类似物(Sb02g025820)、不依赖植物生长素的生长促进因子(Sb02g025960)、天门冬氨酸氨基转移酶(Sb02g026430)、脱落酸8'-羟化酶3的类似物(Sb02g026600)、乙烯结合类蛋白质的类似物(Sb02g026630)以及推定的植物生长素诱导的蛋白质家族(Sb02g027150)。
在一个实施方案中，所述的基因座在选自下述的Stg3b中：推定的不依赖植物生长素的生长促进因子(Sb02g027470)、squamosa启动子结合类蛋白质17(Sb02g028420)、Os09g0505400(OsPIN9)蛋白质(Sb02g029210)的类似物、squamosa启动子结合类蛋白质17(Sb02g029300)、植物生长素诱导的类蛋白质(Sb02g029630)的类似物。
在一个实施方案中，所述的基因座在选自下述的Stg4中：油菜素类固醇LRR受体(Sb05g006842)、油菜素类固醇LRR受体(Sb05g006860)、推定的远红光损害应答的蛋白质(Sb05g007130)、细胞色素P45084A1(Sb05g007210)、赤霉素受体GID1L2(Sb05g007270)、赤霉素受体GID1L2(Sb05g007290)、蔗糖磷酸合成酶(Sb05g007310)、水通道蛋白SIP1-1(Sb05g007520)、赤霉素20氧化酶2(Sb05g008460)、对OsIAA29-植物生长素产生应答的(Sb05g008510)、对OsIAA29-植物生长素产生应答的(Sb05g008512)、蛋白质赤霉素受体GID1L2(Sb05g008610)、转氨酶类似物、推定的(Sb05g009410)、吲哚-3-乙酸-氨基(Sb05g010310)、吲哚-3-乙酸-氨基(Sb05g010320)、吲哚-3-乙酸-氨基(Sb05g010326)、细胞色素P450 86A2(Sb05g010360)、细胞色素P450 51、推定的(Sb05g011296)、细胞色素P450 51、推定的(Sb05g011430)、三酰甘油脂肪酶、叶片衰老、茉莉酸生物合成工艺_GO(Sb05g013160)、类生长调节剂(Sb05g015590)、细胞色素P45078A4(Sb05g016750)、ABC转运家族蛋白质的类似物、表达的(Sb05g017120) 以及squamosa启动子结合类蛋白质 19(Sb05g017510)。
以下缩写用于题述说明书：
CCD7/8,   赋予持绿表型的基因
CI,       置信区间
CWU,      农作物水利用
DW,       干重
GLA,      绿叶面积
HD,       高密度
HI,       收获指数
HT,       高分蘖
HW,       高水份
HWHD,     高水份,高密度(过渡带水应激)
HWLD,     高水份,低密度(最小应激水)
IPA-1,    理想的植物结构体系1
LA,      叶面积
LD,      低密度
LT,      低分蘖
LW,      低水份
LWHD,    低水份,高密度(最多应激水)
LWLD,    低水份,低密度(过渡带水应激)
NIL,     近等基因系
OsPIN,   稻PIN
PAB,     开花后的生物质
PASM,    开花后的茎质量
PIN,     针状花序
PPBR,    开花前:开花后的生物质比
QTL,     数量性状基因座
ROS,     避雨架
RWC,     相对水含量
SbPIN,   高粱PIN
SLW,     比叶重
SML,     统计机器学习
Spl,     squamosa启动子结合类蛋白质
Stg,     持绿
Stg1,    txp563和txp581之间的精细绘图区域，包含60个注释基因txp440和txp580之间的较大的中部区域，包含307个注释基因txp580和txp38之间的尾部中的候选物，包含178个注释基因
Stg2,    txp512和txp2之间的精细绘图区域，包含15个注释基因txp31和txp530之间的较大的区域，包含241个注释基因
Stg3a,   txp298和sPb-2568之间的完整区域，包含520个注释基因
Stg3b,   sPb-2568和txp179之间的完整区域，包含291个注释基因
Stg4,    由txp283和txp15定义的完整区域，包含306个注释基因
T,       蒸发
T2,      叶2的叶腋中的分蘖
T3,      叶3的叶腋中的分蘖
T4,      叶4的叶腋中的分蘖
T5,      叶5的叶腋中的分蘖
T6,      叶6的叶腋中的分蘖
TE,      蒸发效率
TS,      终末应激
VPD,     蒸汽压亏缺
WPA,     富民锥状花序
WW,      充分给水
附图简述
一些图包含颜色表示或实体。彩色照片根据要求得自专利权人，或者得自适当的专利局。如果得自专利局，可以征收费用。
图1为显示在包含多种Stg基因渗入的NIL范围内，在开花时，杆数/m2与绿叶面积之间的关系的图示。
图2为显示在2个农作物密度生长的RTx7000背景下，在开花时就一定范围的Stg基因渗入而言，杆数/m2与绿叶面积之间的关系的图示(LD＝10植株/m2；HD＝20植株/m2)。
图3为显示在平均跨越3个季节的Stg1精细绘图的种群中，杆数/植株的预测值的柱状图图示。
图4为显示就Stg1精细绘图的种群而言的标志物数据(BB/TT)的平面图。BB是指两个等位基因类似于持绿亲本的等位基因，TT是指两个等位基因类似于衰老亲本的等位基因，x是指无标志物数据可利用。用于标志物的黑色和红色字体颜色分别是指实际和推断的标志物状态。跨越顶部的用于表型的绿色和褐色阴影分别是指持绿(低分蘖)和衰老(高分蘖)表型。以粉色突出的标志物表示“低分蘖”基因的可能位置。
图5为显示就在两种水方案下生长的5种表型而言，在44DAE下杆数/植株的柱状图图示。表型包括RTx7000(回交亲本)、6078-1(供体亲本)和得自Stg1精细绘图种群的3种选择。HWLD＝高水份，低密度(10植株/m2)。LWLD＝低水份,低密度(10植株/m2)。
图6为显示就Stg1精细绘图的种群的子集而言的标志物数据(BB/TT)的平面图。BB是指两个等位基因类似于持绿亲本的等位基因，TT是指两个等位基因类似于衰老亲本的等位基因，BT是指一个等位基因类似于持绿亲本的等位基因，另一个则类似于衰老亲本的等位基因，x是指无标志物数据可利用。跨越顶部的用于表型的绿色和褐色阴影分别是指持绿(低分蘖)和衰老(高分蘖)表型。以粉色突出的标志物表示“低分蘖”基因的可能位置。
图7为显示在存在T2的Stg1精细绘图的种群中，表型改变的图示。
图8为显示在存在T3的Stg1精细绘图的种群中，表型改变的图示。
图9为显示由Stg1精细绘图的种群中得到的8个高分蘖和8个低分蘖重组子而言，T2存在的柱状图的图示。
图10为显示就Stg1精细绘图的种群而言的标志物数据(BB/TT)的平面图。BB是指两个等位基因类似于持绿亲本的等位基因，TT是指两个等位基因类似于衰老亲本的等位基因，BT是指一个等位基因类似于持绿亲本的等位基因，另一个则类似于衰老亲本的等位基因，x是指无标志物数据可利用。用于标志物的黑色和红色字体颜色分别是指实际和推断的标志物状态。跨越顶部的用于表型的绿色和褐色阴影分别是指持绿(低分蘖)和衰老(高分蘖)表型。以粉色突出的标志物表示“低分蘖”基因的可能位置。
图11为显示由Stg1精细绘图的种群中得到的5个高分蘖和3个低分蘖重组子而言，总分蘖数量/植株的柱状图图示。选择值2.5作为高分蘖和低分蘖的任意临界值。
图12为显示就Stg1精细绘图的种群而言的标志物数据(BB/TT)的平面图。BB是指两个等位基因类似于持绿亲本的等位基因，TT是指两个等位基因类似于衰老亲本的等位基因，BT是指一个等位基因类似于持绿亲本的等位基因，另一个则类似于衰老亲本的等位基因，x是指无标志物数据可利用。用于标志物的黑色和红色字体颜色分别是指实际和推断的标志物状态。跨越顶部的用于表型的绿色和褐色阴影分别是指持绿(低分蘖)和衰老(高分蘖)表型。以粉色突出的标志物表示“低分蘖”基因的可能位置。
图13A至D为显示就在低和高VPD状态下在测渗计中生长的RTx7000和6078-1(Stg1NIL)而言，主茎和分蘖的叶尺寸分布的图示。
图14为显示RTx7000、6078-1(Stg1NIL)和由Stg1精细绘图的种群得到的3种重组子的主茎的叶尺寸分布的图示，其中所述的植物在田地中在水有限且高密度的条件下生长(HD＝20个植株/m2)。
图15为显示就Stg1精细绘图的种群而言的标志物数据(BB/TT)的平面图。BB是指两个等位基因类似于持绿亲本的等位基因，TT是指两个等位基因类似于衰老亲本的等位基因，BT是指一个等位基因类似于持绿亲本的等位基因，另一个则类似于衰老亲本的等位基因，x是指无标志物数据可利用。用于标志物的黑色和红色字体颜色分别是指实际和推断的标志物状态。跨越顶部的用于表型的绿色和褐色阴影分别是指持绿(低分蘖)和衰老(高分蘖)表型。以粉色突出的标志物表示“小叶尺寸”基因的可能位置。
图16为显示对在圆顶屋(igloo)中生长的Stg1精细绘图的种群的亲本而言，叶的尺寸分布(L1-6)的图示。
图17为显示对在圆顶屋中生长的Stg1精细绘图的种群的亲本而言，叶的长度分布(L1-6)的图示。
图18为显示对在圆顶屋中生长的Stg1精细绘图的种群的亲本而言，叶的宽度分布(L1-6)的图示。
图19为显示对在圆顶屋中生长的Stg1精细绘图的种群的亲本而言，叶的尺寸分布(L1-11)的图示。
图20为显示对在圆顶屋中生长的Stg1精细绘图的种群的亲本而言，叶的长度分布(L1-10)的图示。
图21为显示在圆顶屋中生长的Stg1精细绘图的种群的子集中，就L10的长度而言，表型改变的柱状平面图。
图22为显示就Stg1精细绘图的种群的子集而言的标志物数据(BB/TT)的平面图。BB是指两个等位基因类似于持绿亲本的等位基因，TT是指两个等位基因类似于衰老亲本的等位基因，BT是指一个等位基因类似于持绿亲本的等位基因，另一个则类似于衰老亲本的等位基因，x是指无标志物数据可利用。用于标志物的黑色和红色字体颜色分别是指实际和推断的标志物状态。跨越顶部的用于表型的绿色和褐色阴影分别是指持绿(短叶)和衰老(长叶)表型。以粉色突出的标志物表示“小叶尺寸”基因的可能位置。
图23为显示在Stg1区域中赋予“低分蘖”和“小叶尺寸”表型的基因的可能标志物位置(粉色阴影)的图示。
图24为在包含Stg1区域的植物中，通过2种机制(分蘖减少且叶较小)使得水的利用减少而获得在开花时水的可利用性的增加的图示。
图25为显示在Stg1区域中，通过由基因控制的组成性和适应性应答而调控的冠层尺寸的平面图。
图26为显示RTx7000、6078-1(Stg1 NIL)和由Stg1精细绘图的种群得到的3种重组子的主茎的叶尺寸分布的图示，其中所述的植物在田地中在水有限且高密度的条件下生长(HD＝20个植株/m2)。
图27为显示就2种亲本(6078-1和RTx7000)和由Stg1精细绘图的种群得到的3种重组子而言，在开花时，叶12的面积与总的绿叶面积之间的关系的图示。
图28为显示就2种亲本(6078-1和RTx7000)和由Stg1精细绘图的种群得到的3种重组子而言，在开花时，总的绿叶面积(cm2/m2)与农作物水利用(mm)之间的关系的图示。
图29为显示在渗漏(lysimetry)研究中，在2种VPD水平下，在4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中绿叶面积与水利用(T)之间的关系的图示。
图30为显示对在圆顶屋中生长的Stg1精细绘图的种群中，在L6下，就“根:芽比”而言表型改变的柱状图图示。
图31为显示在低水和低密度(20个植株/m2)条件下生长的RTx7000和Stg1而言，累积的农作物水利用的时程分配型式的图示。垂直线表示开花。
图32为显示对在圆顶屋中生长的Stg1精细绘图的种群中，叶10的长度(mm)与绿色(SPAD)之间的关系的图示。
图33为显示在由Stg1精细绘图的种群的植物系的子集(包括亲本)中，叶的绿色(SPAD)与叶的光合作用之间的关系的图示。
图34为显示在由Stg1精细绘图的种群的植物系的子集(包括亲本)中，叶的绿色(SPAD)与WUE(Licor)之间的关系的图示。
图35为显示在4种Stg Nil(Stg1、Stg2、Stg3和Stg4)和回交亲本(RTx7000)中，叶的绿色(SPAD)与WUE(Licor)之间的关系的图示。
图36为显示在渗漏研究中，在2种VPD水平下，在4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，蒸发/叶面积与蒸发效率面积之间的关系的图示。
图37为显示在由高密度(HD)和低密度(HD)条件下生长的Stg1精细绘图的种群(包括亲本)得到的植物系的子集中，在开花前和开花后的CWU(mm)之间的关系的图示。
图38A和B为显示在LWHD和多种条件下生长的Stg1和RTx7000而言，累积的水利用的模式图。
图39为显示在低水份(LW)和低密度(LD)条件下生长的4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，在开花前和开花后的CWU(mm)之间的关系的图示。
图40为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，PPBR和PAB之间的关系的图示。
图41为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，GLAA和PPBR之间的关系的图示。
图42为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，GLAA和PASB之间的关系的图示。
图43为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，PPBR和PAB之间的关系的图示。
图44为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，PPBR和PASM之间的关系的图示。
图45为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，PPBR和谷物产率之间的关系的图示。
图46为显示用于RTx7000(回交亲本)、6078-1(包含完整的Stg1区域的NIL)、10709-5(包含Stg1区域的下1/3的NIL)、10604-5(包含Stg1区域的上3/4的NIL)和10568-2(包含Stg1区域的上1/2的NIL)的标志物数据(BB/TT)的平面图。BB是指两个等位基因类似于持绿亲本的等位基因，TT是指两个等位基因类似于衰老亲本的等位基因，BT是指一个等位基因类似于持绿亲本的等位基因，另一个则类似于衰老亲本的等位基因，x是指无标志物数据可利用。用于标志物的黑色和红色字体颜色分别是指实际和推断的标志物状态。
图47为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的Stg QTL与回交亲本(RTx7000)的多种组合中，灌浆中期(FL-2)时的RWC和叶片衰老的相对速率之间的关系的图示。
图48为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的各种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，叶片衰老的相对速率与成熟时的绿叶面积之间的关系的图示。
图49为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的Stg QTL与回交亲本(RTx7000)的各种组合中，在灌浆中期(FL-2)时的相对水含量(RWC)与成熟时的茎质量之间的关系的图示。
图50为显示在2004年生长的试验中，在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的Stg QTL与回交亲本(RTx7000)的各种组合中，开花后的茎生物质与开花后的生物质之间的关系的图示。
图51为显示在2004年生长的试验中，在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的Stg QTL与回交亲本(RTx7000)的各种组合中，开花后的茎生物质与谷物产率之间的关系的图示。
图52为显示在2005年生长的试验中，在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的4种StgQTL和回交亲本(RTx7000)中，开花后的茎质量(PASM)与开花后的生物质(PAB)之间的关系的图示。
图53为显示在2005年生长的试验中，在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的4种StgQTL和回交亲本(RTx7000)中，开花后的茎质量(PASM)与谷物产率之间的关系的图示。
图54为显示在2006年生长的试验中，在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的多种Stg1精细绘图的系和回交亲本(RTx7000)中，开花后的茎质量(PASM)与开花后的生物质(PAB)之间的关系的图示。
图55为显示在2004年生长的试验中，在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的Stg QTL和回交亲本(RTx7000)的各种组合中，灌浆中期(FL-2)时的相对水含量(RWC)与谷物产率之间的关系的图示。
图56为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的Stg1 QTL(6078-1)和回交亲本(RTx7000)中，灌浆中期时的FL-2的叶水势(LWP，bars)与谷物产率(g/m2)之间的关系的图示。
图57为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，在灌浆期间PPBR与CWU之间的关系的图示。
图58为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，在灌浆期间的CWU(mm)与谷物产率(g/m2)之间的关系的图示。
图59为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，PPBR与谷物产率之间的关系的图示。
图60为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，在灌浆期间的CWU(mm)与谷物尺寸(mg)之间的关系的图示。
图61为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的4种Stg QTL和回交亲本(RTx7000)中，PPBR与谷物尺寸之间的关系的图示。
图62为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的多种Stg1精细绘图的系和回交亲本(RTx7000)中，PPBR与灌浆期间CWU之间的关系的图示。
图63为显示在2种农作物密度(LD＝10个植株/m2；HD＝20个植株/m2)下，在水有限的条件下生长的多种Stg1精细绘图的系和回交亲本(RTx7000)中，灌浆(mm)期间CWU与谷物产率(g/m2)之间的关系的图示。
图64A至C为显示由运行高粱农作物刺激模型得到的结果的图示，其中所述的模型在良好给水(WW)和终末应激(TS)的虚拟环境中分别使用了用于通常的2分蘖/植株(HT)的普通品种Buster和仅用于1分蘖/植株(LT)的Buster。对于2种虚拟环境，使用以下参数：植物密度为5个植株/m2，并且行距为1m；土壤深度＝1800mm；土壤PAWC＝324mm；N为未限定。图64A显示经过一段时间(在播种后0-120天)后模拟的叶面积指数(LAI)。图64B显示经过一段时间(在播种后0-120天)后模拟的土壤可提取水(EWS)。图64C显示经过一段时间(在播种后0-120天)后模拟的生物质和谷物产率(kg/ha)。
图65为显示对于高粱染色体1至5而言，与用于持绿的QTL比对的PIN、SPL和CCD7/8直系同源物的比较的概图。
图66为显示对于高粱染色体6至10而言，与用于持绿的QTL比对的PIN、SPL和CCD7/8直系同源物的比较的概图。
图67A为在良好给水的条件下，SbPIN4(Stg1候选物)的差异表达的图示。在良好给水的条件下，与Tx7000相比，在Tx642和Stg1 NIL的幼嫩根尖中，所述的基因是下调的。
图67B为在良好给水的条件下，SbPIN4(Stg1候选物)的差异表达的图示。在水缺乏的条件下，所述的基因在多数的组织中是上调的，而且特别是在Tx642和Stg1NIL的展开的叶中(与Tx7000相比)。
图67C为在良好给水的条件下，SbPIN2(Stg2候选物)的差异表达的图示。在良好给水的条件下，与Tx7000相比，所述的基因在Tx642和Stg1NIL的茎和根组织中是轻微上调的。
图67D为在水缺乏的条件下，SbPIN2(Stg2候选物)的差异表达的图示。在水缺乏的条件下，与Tx7000相比，所述的基因在Tx642和Stg1NIL的多数组织中是上调的。
图68为在Stg1、Stg2、Stg3a、Stg3b和Stg4中识别的基因网络以及所提出的对持绿表型的影响的图示。
发明详述
在整个说明书中，除非内容另外需要，否则词语“包括”或其变体(例如“包含”或“含有”)经理解为暗示包含了一个所陈述的元件、整数或方法步骤；或者原件、整数或方法步骤的组，但是不排除任何其他的原件、整数或方法步骤；或者原件、整数或方法步骤的组。
如在题述说明书中所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数方面，除非内容中另外做出清楚的说明。因此，例如提及“基因座”，包括单一的基因座，以及两个或更多个基因座；提及“生长素”，包括单一的植物生长素，以及两种或更多种植物生长素；提及“公开”，包括由本发明公开所教导的单一或多个方面。本文所教导、描述和/或要求的方面由术语“本发明”所涵盖。本文所教导的所有方面均在本发明公开及其权利要求书的范围内。
本发明公开的内容教导了与农作物(包括谷类作物植物)中的持绿表型有关或有利于该表型的基因座。该基因座通常称为StgX，其中X为对应于农作物植物中特定染色体上的遗传基因座或遗传基因座区域的大于等于1的数字。亚区域称为StgXm，其中m为在StgX内按字母顺序的区域名称。本发明教导StgX基因座的表达水平和/或位置有利于生理和基因网络，该网络诱导或促进农作物植物的水利用转向至开花后期、在农作物生长过程中水的可获得性增加、或者蒸发效率增加，由此在水有限的条件下增加收获指数(HI)和谷物产率。StgX的“表达”包括上调或下调表达水平、以及选择多态性变体，该变体以较高的水平表达或者编码更高活性或效率的产物。“生理网络”的实例包括植物冠层结构体系，其诱导或促进农作物植物的水利用转向至开花后期、在农作物生长过程中水的可获得性增加、或者蒸发效率增加，由此在水有限的条件下增加收获指数(HI)和谷物产率。基因座本身或其功能等价物(例如编码基因座所编码的蛋白质的cDNA)可以赋予这种表型。因此，持绿表型的调控可以通过重组改造、育种和选择，以及通过化学、放射性或基因诱变后进行选择来进行。
在一个实施方案中，X为1，并且所述的区域为高粱染色体3上的标志物txp581与txp38之间的Stg1或其在另一种植物基因组中的等价物。在另一个实施方案中，X为2，并且所述的区域为高粱染色体3上的标志物txp530与txp31之间的Stg2或其在另一种植物基因组中的等价物。在另一个实施方案中，X为3，并且所述的区域为Stg3被分为高粱的Stg3a(txp298与sPb-2568之间的区域)和Stg3b(sPb-2568与txp179之间的区域)，或其在另一种植物基因组中的等价物。在另一个实施方案中，X为4，并且所述的区域为高粱染色体5上的标志物txp583与txp15之间的Stg4或其在另一种植物基因组中的等价物。这些标志物或与它们相邻或接近的标志物还用于育种过程，从而在高粱或其他植物中形成显示持绿表型的植物。
因此，本发明可以提供用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括将选自以下列表的因子引入到植物或植物的亲本中，所述的因子的列表为：(i)包含一个或多个基因座的遗传因子，所述的基因座位于以下区域：高粱的染色体3上txp581与txp38之间的Stg1，染色体3上txp530与txp31之间的Stg2；Stg3a(txp298与sPb-2568之间的区域)，Stg3b(sPb-2568与txp179之间的区域)，以及染色体5上txp283与txp15之间的Stg4，或其在另一种植物中的等价物，该遗传因子的表达水平与持绿表型有关或有利于持绿表型，这种持绿表型包括将水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率；以及(ii)上调或下调基因座的固有形式的因子。
在一个实施方案中，StgX区域如下定义，Stg1：txp563与txp581之间的包含60个注释基因的精细绘图的区域，txp440与txp580之间的包含307个注释基因的较大的中部区域，txp580与txp38之间的包含178个注释基因的候选物；Stg2：txp512与txp2之间的包含15个注释基因的精细绘图的区域，txp31与txp530之间的包含241个注释基因的较大的区域；Stg3a：txp298与sPb-2568之间的包含520个注释基因的完整区域；Stg3b：sPb-2568与txp179之间的包含291个注释基因的完整区域；Stg4：txp283与txp15之间的包含306个注释基因的完整区域。这些标志物或与它们相邻或接近的标志物还用于育种过程，从而在高粱或其他植物中形成显示持绿表型的植物。
因此，本发明可以提供用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括将选自以下列表的因子引入到植物或植物的亲本中，所述的因子的列表为：高粱的Stg1：txp563与txp581之间的包含60个注释基因的精细绘图的区域，txp440与txp580之间的包含307个注释基因的较大的中部区域，txp580与txp38之间的包含178个注释基因的候选物；Stg2：txp512与txp2之间的包含15个注释基因的精细绘图的区域，txp31与txp530之间的包含241个注释基因的较大的区域；Stg3a：txp298与sPb-2568之间的包含520个注释基因的完整区域；Stg3b：sPb-2568与txp179之间的包含291个注释基因的完整区域；Stg4：txp283与txp15之间的包含306个注释基因的完整区域，或其在其他植物中的等价物，该遗传因子的表达水平与持绿表型有关或有利于持绿表型，这种持绿表型包括将水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率；以及上调或下调基因座的固有形式的因子。
因此，本发明可以提供用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括将选自以下基因座列表的因子引入到植物或植物的亲本中，所述的基因座的列表为：高粱的表1B或其在另一种植物中的等价物，该基因座的表达水平与持绿表型有关或有利于持绿表型，这种持绿表型包括将水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率；以及上调或下调基因座的固有形式的因子。
因此，本发明可以提供用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括将选自以下基因座列表的因子引入到植物或植物的亲本中，所述的基因座的列表为：高粱的表1A或其在另一种植物中的等价物，该基因座的表达水平与持绿表型有关或有利于持绿表型，这种持绿表型包括将水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率；以及上调或下调基因座的固有形式的因子。
无意于将本发明的教导限定于任何理论或作用模式，单独的StgX或与基因或生理网络的操作相结合的StgX的表达水平均会改变植物的结构体系(包括植物冠层的结构体系)，从而增强或以其他方式促进有效的水利用。在一个方面中，改性的结构体系为改性的植物冠层结构体系。
术语“后代”包括植物的直系后代以及远亲，前提是它稳定地表达最初被引入到较早的亲本中的StgX性状即可。
参照“农作物植物”，包括谷类作物植物。本发明可以使用的农作物植物包括高粱、小麦、燕麦、玉米、大麦、黑麦和稻、麻蕉、苜蓿、杏仁、苹果、芦笋、香蕉、菜豆、黑莓、蚕豆、卡诺拉油菜、腰果、木薯、鹰嘴豆、柑橘、椰子、咖啡、谷物、棉、无花果、亚麻、葡萄、落花生、大麻、洋麻、薰衣草、mano、蘑菇、橄榄、洋葱、豌豆、花生、梨、珍珠稷、马铃薯、苎麻、油菜籽、黑麦草、大豆、草莓、甜菜、甘蔗、向日葵、甘薯、芋头、茶、烟草、西红柿、黑小麦、松露和山药。在一个实例中，利用高粱的耐干旱机制来促进高粱和其他农作物植物的耐干旱。在一个实例中，基因修饰的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水。“基因修饰的植物”可以通过重组DNA生产，通过育种方法选择和/或根据诱变程序选择。
“耐干旱”包括避旱性，干旱适应性，干旱抗性，对干旱条件的敏感性降低，干旱不敏感，水利用效率增强以及将水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率的能力，由此在水有限的条件下增加HI和谷物产率。表现耐干旱的植物可描述为“干旱适应性植物”或“表现出对水有限条件的敏感性降低的植物”。本发明教导耐干旱由持绿表型所诱导、促进或以其他方式与持绿表型有关。
就植物而言，“基因修饰的”包括原始衍生的基因修饰的植物，以及稳定地表达持绿的直系或远亲的任何后代。因此，本发明公开的内容教导了两种传统的育种技术、以及基因改造技术，其中所述的育种技术引入遗传因子，即，持绿基因座或其功能等价物，例如cDNA、遗传片段或因子，它们能改变基因座或它们所编码的蛋白质的表达。基因改造技术涵盖在术语“基因改造手段”和“重组手段”的范围内。此外，还可以在育种方法中筛选定义StgX的标志物，从而监测特定基因区域的转移。此外，可以通过重组手段以遗传方式将特定的StgX或StgX区域插入到植物细胞或植物愈合组织中以及再生的幼苗中。“基因修饰的”植物包括亲本或任何后代、以及植物的产物，例如谷物、种子、繁殖材料、花粉和卵。高粱中定义StgX的区域定位于染色体3上txp581与txp38之间的Stg1；染色体3上txp530与txp31之间的Stg2；Stg3被分为高粱的Stg3a(txp298与sPb-2568之间的区域)和Stg3b(sPb-2568与txp179之间的区域)；以及染色体5上txp283与txp15之间的Stg4。具体而言，高粱中定义Stg的区域定位于，Stg1：txp563与txp581之间的包含60个注释基因的精细绘图的区域，txp440与txp580之间的包含307个注释基因的较大的中部区域，txp580与txp38之间的包含178个注释基因的候选物；Stg2：txp512与txp2之间的包含15个注释基因的精细绘图的区域，txp31与txp530之间的包含241个注释基因的较大的区域；Stg3a：txp298与sPb-2568之间的包含520个注释基因的完整区域；Stg3b：sPb-2568与txp179之间的包含291个注释基因的完整区域；Stg4：txp283与txp15之间的包含306个注释基因的完整区域。本发明公开扩展至非高粱植物中这些区域中的等价区域或等价基因座。
提及“持绿表型”，包括选自增强的冠层结构体系可塑性、减小的冠层尺寸、开花时增大的生物质/单位叶面积、较高的增发效率、灌浆期间增强的水利用、灌浆期间增多的植物水状态、减小的开花前:开花后的生物质比、延迟衰老、增加的谷物产率、较大的谷物尺寸以及减少倒伏的特征。
“StgX”包括位于Stg1、2、3(包括Stg3a和Stg3b)、4等等的QTL，其表示与干旱适应性有关的特定基因座或者基因座的组或区域。在一个实施方案中，StgX为位于高粱染色体3上标志物txp581与txp38之间的Stg1。在另一个实施方案中，StgX为位于高粱染色体3上标志物txp530与txp31之间的Stg2。在另一个实施方案中，StgX为高粱的Stg3a(txp298与sPb-2568之间的区域)或Stg3b(sPb-2568与txp179之间的区域)。在另一个实施方案中，StgX为位于高粱染色体5上标志物txp283与txp15之间的Stg4。在一个实施方案中，Stg1定义为：txp563与txp581之间的包含60个注释基因的精细绘图的区域，txp440与txp580之间的包含307个注释基因的较大的中部区域，txp580与txp38之间的包含178个注释基因的候选物；Stg2定义为：txp512与txp2之间的包含15个注释基因的精细绘图的区域，txp31与txp530之间的包含241个注释基因的较大的区域；Stg3a：txp298与sPb-2568之间的包含520个注释基因的完整区域；Stg3b：sPb-2568与txp179之间的包含291个注释基因的完整区域；Stg4：txp283与txp15之间的包含306个注释基因的完整区域。本发明考虑使用的StgX可以为经分离的天然形成的基因元件，或者人工诱导的或通过传统的或重组育种实践而选择的特定变体。例如，特定的多态性变体可以得到高的表达水平、更稳定的表达产物或者在基因或生理网络内具有或多或少的多效性的产物。参照StgX，包括编码产物的cDNA以及基因组基因座或区域，其可以包括或不包括启动子区域、5耐旱植物'和3'的非翻译区域、内含子、外显子等。“cDNA”为StgX的功能等价物的实例。
本发明公开进一步教导了在耐旱植物育种过程中使用的、用于持绿表型的标志物，该标志物包含数量性状基因座(QTL)、持绿X(StgX)，其中X为对应于高粱植物中在染色体上的位置或其在另一种植物中的等价物的数字，其中所述的位置编码与持绿表型有关或促进持绿表型的产物，所述的持绿表型包括将水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率。合适的标志物的实例包括：染色体3上txp581与txp38之间的Stg1；染色体3上txp530与txp31之间的Stg2；被分为Stg3a(txp298与sPb-2568之间的区域)或Stg3b(sPb-2568与txp179之间的区域)的Stg3；以及染色体5上txp283与txp15之间的Stg4。这些标志物基于高粱的基因组，但是扩展至另一种植物基因组中的等价物。合适的标志物的实例包括，Stg1：txp563与txp581之间的包含60个注释基因的精细绘图的区域，txp440与txp580之间的包含307个注释基因的较大的中部区域，txp580与txp38之间的包含178个注释基因的候选物；Stg2：txp512与txp2之间的包含15个注释基因的精细绘图的区域，txp31与txp530之间的包含241个注释基因的较大的区域；Stg3a：txp298与sPb-2568之间的包含520个注释基因的完整区域；Stg3b：sPb-2568与txp179之间的包含291个注释基因的完整区域；Stg4：txp283与txp15之间的包含306个注释基因的完整区域。
合适的标志物的实例包括列于表1A至1C中的基因座。
合适的标志物的实例包括列于表1B中的基因座。
因此，本发明可以提供的一组生物标志物，其包含高粱染色体3上的txp581至txp38；高粱染色体3上的txp530至txp31；高粱染色体2上的txp298至sPb-2568、以及sPb-2568至txp179；和高粱染色体5上的txp283至txp15；或另一种植物基因组中的等价物。本发明可以进一步提供一组生物标志物，其包含，Stg1：txp563与txp581之间的包含60个注释基因的精细绘图的区域，txp440与txp580之间的包含307个注释基因的较大的中部区域，txp580与txp38之间的包含178个注释基因的候选物；Stg2：txp512与txp2之间的包含15个注释基因的精细绘图的区域，txp31与txp530之间的包含241个注释基因的较大的区域；Stg3a：txp298与sPb-2568之间的包含520个注释基因的完整区域；Stg3b：sPb-2568与txp179之间的包含291个注释基因的完整区域；Stg4：txp283与txp15之间的包含306个注释基因的完整区域。本发明进一步教导的一组生物标志物列于表1B中。此类标志物可用于被设计用于形成表现出持绿表型的植物的育种方法。备选地，与这些区域相邻或接近的标志物可以用于育种方法。
本发明公开的内容教导了对应于StgX的遗传材料或改变固有StgX基因座或其基因等价物的表达从而有利于持绿表型的遗传材料的用途。“固有”基因座是指在育种、重组干预或诱变之前存在于亲本植物中的基因座。“改变”包括“调控”。
本发明公开可以提供根据本文所教导的方法进行基因修饰的植物、以及种子、果实、及其他生殖或其他繁殖材料。此外，本发明公开的内容教导了根茎和繁殖茎的用途。这基于这样的前提：种子、果实、花、生殖和繁殖材料表现出持绿表型或者可以将被引入到最终亲本中的持绿表型传递下去。
提及“上调StgX的因子”，包括可以促进StgX的表达增加或StgX产物的活性增加的启动子、microRNA、基因和化学化合物。此外，所述的因子可以为基因组StgX的内含子，其中所述的基因组StgX为促进表达的天然基因网络的一部分。此外，所述的因子还可以为StgX(或QTL)(例如cDNA)的功能等价物。
在一个实施方案中，StgX编码选自如表1B(和表1A)中所列的Stg1、Stg2、Stg3a、Stg3b和Stg4的基因座。这些基因座的一部分在多种网络途径中的相互作用示于图68中。
在一个实施方案中，StgX编码选自如表1B(和表1C)中所列的Stg1、Stg2、Stg3a、Stg3b和Stg4。
在一个实施方案中，StgX编码PIN蛋白质。
PIN蛋白质在细胞内形成植物生长素梯度，包含跨膜结构域，并主要定位于质膜中。PIN蛋白质是植物生长素转运的速率限定因素，并提供植物生长素流动的载体方向。本发明教导StgX编码PIN蛋白质。将StgX重新引入到植物中、或者提高其表达或提供其同源物或直系同源物的表达有利于与持绿表型有关的一种或多种特征或亚特征的表现。
如上文所示，PIN蛋白质为植物生长素的输出载体，与植物生长素通过木质部转运相对，所述的输出载体调节由细胞至细胞的植物生长素转运(PAT)(Rashotte et al.(2000)Plant Cell 13:1683-1697；Friml et al.(2003)Current Opinion in Plant Biology 6:7-12)。术语“PIN”衍生自针状花序，当植物生长素转运亏缺时，所述的针状花序在拟南芥中发育。多种PIN蛋白质是已知的(参见Forestan and Varotto(2009)PlantPhysiology；and Wang et al.(2009)supra)。本发明公开的内容教导了SbPINn，其中n为1至11的数字(表1A)。而且，本发明公开的内容教导了由其他植物得到的等价物或同源PIN。
在一个实施方案中，本发明教导了SbPIN2(就高粱而言，为双色植物生长素输出载体成分2)和SbPIN4形成了高粱的持绿，从而得到多种表型，这些表型通过以下过程而赋予对干旱的适应性，所述的过程为：在开花时水利用的增加(由于分蘖的减少及较小的叶)；水的可获得性增加(由于根:芽比增加)；在轻微水份亏缺条件下蒸发效率增加(由于叶氮含量较高)；在最终水份亏缺条件下每叶面积的生物质增加(由于每叶面积的蒸发增加)；以及谷物的产率、谷物的尺寸和倒伏抗性均增加，其中SbPIN2为染色体3上的Stg2，其精细绘图于标志物txp512和txp530之间的区域，而SbPIN4为然实体3上的Stg1，其精细绘图于标志物txp563和txp442之间的区域。参照高粱中的txp标志物，扩展至其他植物基因组中的等价标志物。SbPIN4对应于OsPIN5，而SbPIN2对应于OsPIN3a。术语“Os”是指稻(参见表1A)。
本发明所教导的另一个方面为用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括将功能等价物的一个或多个基因座或因子引入到植物或植物的亲本中，所述的基因座或试剂调节固有的一个或多个基因座的表达，其中一个或多个基因座的表达水平使得水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率。
本发明公开进一步教导了用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括将由表1B中提供的列表中选择得到的基因座或调节固有基因座的表达的分子引入到植物或植物的亲本中。
本发明公开进一步教导了用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括将编码PIN蛋白质的基因座或cDNA或者调节固有PIN基因座的表达的分子引入到植物或植物的亲本中。PIN的实例包括SbPIN4和SbPIN2、表1A中列举的其他SbPIN、以及它们在其他植物中的等价物。
本发明公开的内容教导，高粱SbPIN4和SbPIN2为主要的干旱适应性基因，这些基因在多个研究中精细绘图于染色体3上标志物txp536与txp442之间的区域(Stg1)以及染色体3上标志物txp512与txp530之间的区域(Stg2)。植物生长素信号传导的差异解释了在包含SbPIN4或SbPIN2的植物中所观察到的所有这些表型。另一个基因为SbPIN5。由SbPIN4和SbPIN2植物所表现的表型可以由植物生长素输出的改变直接解释，并且这些表型包括分蘖的减少、较小的叶(长度和宽度)、叶质量的减少以及根:芽比增加。此外，由SbPIN4和SbPIN2植物所表现的表型(或者作为这些直接作用的紧急后果)还可以间接解释，并且这些表型包括开花时水的可利用性的增加、开花时叶N浓度更高、每单位叶面积的蒸发和生物质增加、蒸发效率更高、灌浆过程中绿叶面积延迟、收获指数增大、谷物产率增加、谷物尺寸更大以及倒伏抗性增加。在本发明中可以的是SbPIN4或SbPIN2是单独操作的，或者与其他主要的谷类作物或农作物物种一起操作，从而增强在全世界范围内多个地区(其中水限制了农作物开花后的生长)的干旱适应性。
根据本说明书的教导，StgX(例如Stg1、Stg2、Stg3a、Stg3b和/或Stg4(如表1B中所定义)、(SbPIN4)和/或Stg2(SbPIN2)[参见表1A])在所有或某些植物组织中的表达水平直接及间接地赋予了干旱适应性，最终在水有限的条件下得到较高的谷物产率、较大的谷物尺寸以及倒伏抗性。
根据本说明书的教导，StgX(例如Stg1(SbPIN4)和/或Stg2(SbPIN2))在所有或某些植物组织中的表达水平直接及间接地赋予了干旱适应性，最终在水有限的条件下得到更高的谷物产率、更大的谷物尺寸以及倒伏抗性。这方面扩展至对应于SbPIN4的OsPIN5和对应于SbPIN2的OsPIN3a。
本发明所教导的其他PIN蛋白质包括表1A中所列举的那些以及它们在其他植物中的等价物。
在另一个实施方案中，StgX编码例如Sp1(squamosa启动子结合类蛋白质)，但是不限于Sp114。
Sp1控制嫩芽的分枝和更高的谷物产率(参见Jiao et al.(2010)supra；Miura et al.(2010)supra)。
在另一个实施方案中，本发明公开的内容教导了用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括将编码CCD7/8的基因座或cDNA或者其功能同源物或直系同源物、或者调节固有CCD7/8的表达水平的因子引入到植物或植物的亲本中，使得水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率。
在另一个实施方案中，本发明公开的内容教导了用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括将编码WFP的基因座或cDNA或者其功能同源物或直系同源物、或者调节固有WFP的表达水平的因子引入到植物或植物的亲本中，使得水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率。
在另一个实施方案中，本发明公开的内容教导了用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括将编码Sp1的基因座或cDNA或者其功能同源物或直系同源物、或者调节固有Sp1的表达水平的因子引入到植物或植物的亲本中，使得水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率。
在另一个实施方案中，本发明公开的内容教导了用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括将编码CCD7/8的基因座或cDNA或者其功能同源物或直系同源物、或者调节固有CCD7/8的表达水平的因子引入到植物或植物的亲本中，使得水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率。
在一个实施方案中，对所述的植物进行修饰或选择，从而改变SbPIN1至11、IPA-1、WFP、Sp1和/或CCD7/8的两种或多种的表达水平。这包括两种或多种SbPIN。“两种或多种”包括2、3、4、5、6、7、8、9、10和11。
由于在包含Stg1或Stg2区域的植物中的两种机制(分蘖的减少和较小的叶)，开花时水的可利用性的增加可以通过水利用的减少来实现。这两种机制单独地显示将冠层的尺寸平均减少大约9％。当分蘖潜力高时，“低分蘖”机制在低密度环境中占主导。当分蘖潜力低时，“小叶”机制在高密度环境中占主导。这两种机制结合，提供了具有相当可塑性的农作物植物，从而响应于水有限的严重程度而修改冠层的结构体系。
持绿通过组成性和适应性应答而增强冠层结构体系的可塑性。在Stg1或Stg2中冠层的尺寸减小大约5％，即使在水并非有限时也是如此(组成性应答)。在轻微干旱(～10％)及更严重的干旱(～15％)时，冠层的尺寸进一步减小(适应性应答)。低分蘖主要是结构组成性应答。小的叶尺寸为组成性和适应性应答。
此外，本发明提出Stg1或Stg2区域通过减小冠层的尺寸(通过分蘖的减少和较小的叶)和减少开花时农作物的水利用而赋予干旱的适应性。这可以通过在人工干旱(避雨架[ROS])和测渗计研究中冠层尺寸与农作物的水利用之间的高度相关性(r2＝0.9)而显示。
此外，开花时水的可利用性的增加还可以通过水的可获得性的增加(较好的水提取、以及较深或较大的横向扩展)而实现。
持绿增加开花时每单位叶面积的生物质。假设根质量是相当的(或至少未显著更少)，则这些差异可以通过蒸发(T)/单位叶面积[LA](T/LA)和/或蒸发效率(TE)的差异来解释。测渗计研究表明T/LA增加，而非TE增加，驱使生物质/叶面积发生可观察到的增加。注意仅在水份亏缺时发生的T/LA的增加便足以减少叶面积。当水份亏缺不严重(即，不足以减少叶面积)时，则T/LA降低，使得TE较高。
此外，当水份亏缺不严重时，还观察到StgX系(例如Stg1或Stg2系)中的TE更高。提出通过基因渗入Stg1或Stg2而增加的TE是由于a)与气孔导度相比，光合作用能力成比例的升高，这是因为叶更小、更薄且更绿；和/或b)在保持生物质的同时蒸发降低。测渗计研究表明这两种机制都有助于在蒸发减少(主要机制)的条件下使Stg1或Stg2系中的TE更高。
提出蒸发/单位叶面积的改变是由于a)气孔的数量、b)气孔口的尺寸、c)相对于VPD，气孔开放和关闭的定时的改变、和/或d)毛基细胞的数量(其会影响边界层，并由此影响T/LA)。例如，通过增加围绕维管束的维管束鞘细胞的数量而将Stg1基因渗入到RTx7000修饰的叶解剖结构中。
RTx7000与Stg1或Stg2之间的叶的心态学差异是明显的。在这种情况下，在Stg1或Stg2中具有更多且更小的围绕维管束的维管束鞘细胞。此外，与RTx7000相比，Stg1或Stg2中每单位叶面积(叶7和10)上的气孔更少、毛基细胞更多。
灌浆过程中水利用的增加是通过(i)开花时水的可获得性的增加和(ii)灌浆过程中水的可利用性增加(较好的水提取、以及较深或较大的横向扩展)而实现。
在人工干旱(避雨架[ROS])试验中，开花前农作物的水利用(CWU)与开花后的CWU呈负相关。总之，开花后的水利用增加25％(80对比60mm)使得谷物的产率增加25％(400对比300g/m2)。这转化为每额外mm的可利用的水便得到50kg/ha谷物。
在避雨架(ROS)试验中，在低和高密度的处理下，灌浆期过程中水利用的增加是通过Stg1和Stg2来展现的。这主要是由于(i)在开花时，在高密度下，水利用减少；和(ii)在灌浆过程中，在低密度下，水的可获得性增加。
如本发明所教导，诸如Stg1或Stg2之类的StgX通过与开花前和开花后的生物质生产相关联而赋予干旱适应性。例如，Stg1或Stg2区域将开花前:开花后的生物质比降低至低于临界水平，从而增加谷物产率增加和倒伏抗性。
根据本教导，诸如Stg1、Stg2、Stg3(包括Stg3a和Stg3b)和/或Stg4(例如表1B中所定义)之类的StgX的表达水平和位置有利于以下表型的一种或多种：
(i)叶片衰老的延迟(持绿)、更高的谷物产率和倒伏抗性是灌浆过程中植物水状态更高的结果(由于在灌浆过程中水利用增多)；
(ii)StgX基因渗入到例如RTx7000背景中会增加灌浆中期的植物水状态，这可通过a)更高的相对水含量(RWC)和b)更低的叶水势(LWP)来表明；
(iii)更高的谷物产率和更大的谷物尺寸是灌浆过程中水的可利用性的增加的结果；
(iv)更高的谷物产率、更大的谷物尺寸和增加的倒伏抗性并非相互排斥(即，所有三个性状均通过StgX表现)；
(v)与轻微的终末干旱相比，在严重的终末干旱条件下，产率和谷物尺寸的优点相对更高；
(vi)持绿基因在例如RTx7000背景(近亲繁殖)中的益处(12-22％)在产率为1-3t/ha的情况下发生，然后在3-4t/ha产率范围内发生较小但仍显著的益处(8-10％)。但是，由于润湿条件，在更高的产率水平(5-8t/ha)下具有与这些区域相关的小的罚分(2-4％)。注意，在杂交体中这些产率的范围是相当更高的。由于对于北方谷物带的杂交体而言，高粱的平均谷物产率为大约2.5t/ha，所以持绿基因的益处应该是显著的。在杂交体中未观察到在润湿条件(水不受限制)下谷物产率的减少(由于持绿)；
(vi)此外，在严重的终末干旱条件下，StgX基因渗入到例如RTx7000中还将谷物的尺寸平均增大11％。在轻微的终末干旱或在不干旱的条件下，StgX QTL对谷物的尺寸不产生影响；以及
(viii)各个重要的StgX机制绘制于所定义的区域，表明单一基因的作用具有多效性效果。
本发明进一步考虑了商业模式以增加由农作物生产产生的经济收益。根据这种实施方案，还提供了本发明所教导的用于在农作物产率上得到改善的经济收益的商业模式，该模式包括：形成具有所选的StgX性状、或者提升的或降低的StgX性状的农作物植物，从而得到农作物植物，该农作物植物将植物的水利用转向至开花后期，由此在水有限的条件下增加HI和谷物产率；由所形成的农作物植物得到种子；以及将该种子分配给谷物生产者，从而增加产率和收益。
本发明教导了植物管理系统，从而降低农作物对水的依赖，或者以其他方式改善水的利益效率，并增加谷物或产物的产率。植物管理系统包括使用选择和表达单独的StgX基因座或其功能等价物、或与引入其他有用的性状(例如谷物尺寸、根的尺寸、耐盐性、抗除草剂、抗杀虫剂等)相结合的方法来形成适应干旱的农作物(包括谷类作物植物)。备选地或此外，植物管理系统包括形成适应干旱的植物和农业程序，例如灌溉、营养需求、农作物密度和形状、杂草控制、昆虫控制、土壤通气、减少耕地、种植床等。StgX的实例包括，Stg1：txp563与txp581之间的包含60个注释基因的精细绘图的区域，txp440与txp580之间的包含307个注释基因的较大的中部区域，txp580与txp38之间的包含178个注释基因的尾部的候选物；Stg2：txp512与txp2之间的包含15个注释基因的精细绘图的区域，txp31与txp530之间的包含241个注释基因的较大的区域；Stg3a：txp298与sPb-2568之间的包含520个注释基因的完整区域；Stg3b：sPb-2568与txp179之间的包含291个注释基因的完整区域；Stg4：txp283与txp15之间的包含306个注释基因的完整区域。在这些区域中的基因座的实例列于表1B(和表1C)中。StgX基因座的实例包括SbPIN1至11、IPA-1、WFP、Spl和CCD7/8，以及它们在其他植物中的等价物。
本发明公开的内容教导了诱导或增强植物的干旱适应性能力的方法，其通过以下方式实施：将持绿表型的一个或多个特征重新引入到植物中，或提升一个或多个现有的StgX基因座在植物中的表达，和/或选择具有改善的或增强的表达或产物活性的StgX多态性变体。持绿表型的调控可以单独进行，或者作为整合植物管理系统的一部分进行，其中所述的整合植物管理系统可以进一步包括性状的选择和/或改善的农艺技术。所得的农作物更有效地利用水，并且具有更高的谷物产率和增大的谷物尺寸。
所述的商业模式扩展至由适应干旱的或增强的农作物植物得到用于分配给种植者的种子，以便最终增加谷物的产率。
本发明公开进一步教导了遗传因子在制造适应干旱的植物中的用途，其中所述的遗传因子选自(i)StgX基因座；(ii)StgX基因座的功能等价物；以及(iii)调节固有StgX基因座表达的因子。“功能等价物”包括cDNA。
如本发明所教导，鉴定了StgX基因座编码表1B中所列举的一个或多个基因座，当该基因座在植物所有组织或所选的组织中表达或者受到上调或下调时，或者在育种或通过基因改造而选择任何一个或多个基因座的特定的多态性变体时，所述的基因座促进持绿表型。
如本文所教导，鉴定了StgX基因座编码SbPIN1至11、IPA-1、WFP、SPL和/或CCD7/8中的一个或多个基因座，当该基因座在植物所有组织或所选的组织中表达或者受到上调或下调时，或者在育种或通过基因改造而选择任何一个或多个基因座的特定的多态性变体时，所述的基因座促进持绿表型。
此外，本发明还可以提供表现出持绿表型的基因修饰的植物及它们的后代、以及种子、果实、花以及其他生殖或繁殖材料。
在一个实施方案中，所述的基因座在选自PIN5、GID1L2、P45098A1、吲哚-3-乙酸酯和油菜素类固醇不敏感物的Stg1中。
在一个实施方案中，所述的基因座在Stg2内，并且为植物生长素输出载体成分3a(PIN3a)。
在一个实施方案中，所述的基因座在选自下述的Stg3a中：叶片衰老类蛋白质(Sb02g023510)、叶片衰老类蛋白质(Sb02g023520)、RAMOSA1C2H2锌指转录因子(Sb02g024410)、推定的不依赖植物生长素的生长促进因子(Sb02g024540)、脱水应答类蛋白质的类似物(Sb02g024670)、葡萄糖转运蛋白的类似物(Sb02g024690)、WRKY转录因子76(Sb02g024760)、谷氨酰胺合成酶样蛋白质(Sb02g025100)、衰老相关蛋白质DH(Sb02g025180)、推定的丙氨酸转氨酶(Sb02g025480)、植物生长素诱导的类蛋白质(Sb02g025610)、植物生长素诱导的类蛋白质(Sb02g025620)、推定的远红光损害应答的蛋白质(Sb02g025670)、细胞色素P450单加氧酶CYP92A1类似物(Sb02g025820)、不依赖植物生长素的生长促进因子(Sb02g025960)、天门冬氨酸氨基转移酶(Sb02g026430)、脱落酸8'-羟化酶3的类似物(Sb02g026600)、乙烯结合类蛋白质的类似物(Sb02g026630)以及推定的植物生长素诱导的蛋白质家族(Sb02g027150)。
在一个实施方案中，所述的基因座在选自下述的Stg3b中：推定的不依赖植物生长素的生长促进因子(Sb02g027470)、squamosa启动子结合类蛋白质17(Sb02g028420)、Os09g0505400(OsPIN9)蛋白质(Sb02g029210)的类似物、squamosa启动子结合类蛋白质17(Sb02g029300)、植物生长素诱导的类蛋白质(Sb02g029630)的类似物。
在一个实施方案中，所述的基因座在选自下述的Stg4中：油菜素类固醇LRR受体(Sb05g006842)、油菜素类固醇LRR受体(Sb05g006860)、推定的远红光损害应答的蛋白质(Sb05g007130)、细胞色素P45084A1(Sb05g007210)、赤霉素受体GID1L2(Sb05g007270)、赤霉素受体GID1L2(Sb05g007290)、蔗糖磷酸合成酶(Sb05g007310)、水通道蛋白SIP1-1(Sb05g007520)、赤霉素20氧化酶2(Sb05g008460)、对OsIAA29-植物生长素产生应答的(Sb05g008510)、对OsIAA29-植物生长素产生应答的(Sb05g008512)、蛋白质赤霉素受体GID1L2(Sb05g008610)、转氨酶类似物、推定的(Sb05g009410)、吲哚-3-乙酸-氨基(Sb05g010310)、吲哚-3-乙酸-氨基(Sb05g010320)、吲哚-3-乙酸-氨基(Sb05g010326)、细胞色素P450 86A2(Sb05g010360)、细胞色素P450 51、推定的(Sb05g011296)、细胞色素P450 51、推定的(Sb05g011430)、三酰甘油脂肪酶、叶片衰老、茉莉酸生物合成工艺_GO(Sb05g013160)、类生长调节剂(Sb05g015590)、细胞色素P45078A4(Sb05g016750)、ABC转运家族蛋白质的类似物、表达的(Sb05g017120)以及squamosa启动子结合类蛋白质19(Sb05g017510)。
实施例
通过以下非限定性实施例进一步描述本发明所教导的且可行的方面。
实施例1
StgX基因的鉴定
已经鉴定了被称为Stg1(其为StgX的实例)的数量性状基因座(QTL)，该基因座会增加或增强高粱植物的水的利用效率，Stg1编码高粱的植物生长素输出载体成分4家族的双色成员，PIN4(或SbPIN4)。
在多个研究中，这种主要的干旱适应性基因精细绘图于标志物txp563与txp442之间的152个基因的区段。植物生长素输出的改变解释了在包含SbPIN4的植物中所观察到的所有多个表型。在精细绘图的群体的两个亲本(RTx7000和Tx642)中，对候选物基因(和启动子区域)进行测序，从而识别单核苷酸多态性。此外，针对品系、时间和器官的子集，绘制Stg1精细绘图群体的RNA表达图谱。由SbPIN4植物所表现的表型(其可以通过增强的植物生长素的可利用性来解释)包括分蘖减少、更小的叶(长度和宽度)、叶质量的减少以及根:芽比增加。由SbPIN4植物所表现的、可以间接解释的表型(或者作为这些直接作用的紧急后果)包括开花时水的可利用性的增加、开花时叶N浓度更高、每单位叶面积的蒸发和生物质增加、开花前:开花后的生物质比降低、蒸发效率较高、灌浆过程中绿叶面积延迟、收获指数增大、谷物产率增加、谷物尺寸较大以及倒伏抗性增加。提出SbPIN4与其他主要的谷类作物或农作物物种交叉工作，从而增强在全世界范围内多个地区(其中水限制了农作物开花后的生长)的干旱适应性。
Stg1(SbPIN4)直接或间接地赋予了干旱适应性，最终在水有限的条件下使谷物的产率较高、谷物的尺寸更大及倒伏抗性。
其他StgX区域如下定义，Stg1：txp563与txp581之间的包含60个注释基因的精细绘图的区域，txp440与txp580之间的包含307个注释基因的较大的中部区域，txp580与txp38之间的包含178个注释基因的尾部的候选物；Stg2：txp512与txp2之间的包含15个注释基因的精细绘图的区域，txp31与txp530之间的包含241个注释基因的较大的区域；Stg3a：txp298与sPb-2568之间的包含520个注释基因的完整区域；Stg3b：sPb-2568与txp179之间的包含291个注释基因的完整区域；Stg4：txp283与txp15之间所定义的包含306个注释基因的完整区域。
基因座的实例列于表1B和1C中，并且这些基因中的一些基因的网络途径中的相互作用示于图68中。
由于在包含Stg1区域的植物中的两种机制(分蘖的减少和较小的叶)，开花时水的可利用性的增加可以通过水利用的减少来实现。这两种机制单独地显示将冠层的尺寸平均减少大约9％。当分蘖潜力高时，“低分蘖”机制在低密度环境中在主导。当分蘖潜力低时，“小叶”机制在高密度环境中占主导。这两种机制结合，提供了具有相当可塑性的农作物植物，从而响应于水有限的严重程度而修改冠层的结构体系。
持绿通过组成性和适应性应答而增强冠层结构体系的可塑性。在Stg1中冠层的尺寸减小大约5％，即使在水并非有限时也是如此(组成性应答)。在轻微干旱(～10％)及更严重的干旱(～15％)时，冠层的尺寸进一步减小(适应性应答)。低分蘖主要是组成性应答。小叶尺寸为组成性和适应性应答。
在冠层尺寸(通过分蘖的减少和较小的叶)的减小与开花时农作物的水利用的减少之间具有一定的关联。在ROS和测渗计研究中冠层尺寸与农作物的水利用之间是高度相关的(r2＝0.9)。
此外，开花时水的可利用性的增加还可以通过水的可获得性的增加(较好的水提取、以及更深或更大的横向扩展)而实现。
持绿增加开花时每单位叶面积的生物质。假设根质量是相当的(或至少未显著更少)，则这些差异可以通过蒸发(T)/单位叶面积[LA](T/LA)和/或蒸发效率(TE)的差异来解释。渗漏研究表明T/LA增加，而非TE增加，驱使生物质/叶面积发生可观察到的增加。注意T/LA的增加仅在低VPD条件下发生；在高VPD条件下，T/LA实际是降低的，推测为水保留机制。
此外，在VPD更高的条件下，还观察到TE在Stg1系中更高。通过基因渗入Stg1而增加的TE是由于a)与气孔导度相比，光合作用能力成比例的更高，这是因为叶更小、更薄且更绿；和/或b)在保持生物质的同时蒸发降低。渗漏研究表明这两种机制都有助于在蒸发减少(主要机制)的条件下使Stg1系中的TE更高。
蒸发/单位叶面积的改变是由于a)气孔的数量、b)气孔口的尺寸、c)相对于VPD，气孔开放和关闭的定时的改变、和/或d)毛基细胞的数量(其会影响边界层，并由此影响T/LA)。在叶7和10中，Stg1基因渗入到RTx7000中会减少气孔的数量并增加毛基细胞的数量/叶面积；两种机制都可以通过降低T/LA而保留水。
Stg1基因渗入到RTx7000通过增加围绕维管束的维管束鞘细胞的数量而修饰叶解剖结构。维管束鞘中细胞数量的增加还可以有助于光合同化作用增强，并由此有助于TE。
叶的形态学差异(例如叶7和10)在Tx7000与Stg1之间是明显的。在这种情况下，在Stg1中，具有更多且较小的围绕维管束的维管束鞘。此外，维管束鞘中细胞数量的增加还可以有助于光合同化作用的增加，并由此有助于TE。
灌浆过程中水利用的增加可以通过(i)开花时水的可获得性的增加和(ii)灌浆过程中水的可利用性的增加(较好的水提取、以及更深或更大的横向扩展)而实现。
a)开花时水的可利用性的增加
在ROS试验中，开花前农作物的水利用(CWU)与开花后的CWU呈负相关。总之，开花后的水利用增加25％(80对比60mm)使得谷物的产率增加25％(400对比300g/m2)。这转化为每额外mm的可利用的水便得到50kg/ha谷物。
b)灌浆过程中水的可获得性增加
在ROS试验中，在低和高密度的处理下，灌浆期过程中水利用的增加是通过Stg1来展现的。这主要是由于(i)在开花时，在高密度下，水利用减少；和(ii)在灌浆过程中，在低密度下，水的可获得性增加。
Stg1区域通过开花前和开花后的生物质生产的关联而赋予干旱适应性。Stg1区域将开花前:开花后的生物质比降低至低于临界水平，从而增加谷物产率和倒伏抗性。
叶片衰老的延迟(持绿)、更高的谷物产率和倒伏抗性是灌浆过程中植物水状态更高的结果(由于在灌浆过程中水利用增多)。
Stg1基因渗入到RTx7000背景中会增加灌浆中期的植物水状态，这可通过a)更高的相对水含量(RWC)和b)更低的叶水势(LWP)来表明。
更高的谷物产率和更大的谷物尺寸是灌浆过程中水的可利用性的增加的结果；
更高的谷物产率、更大的谷物尺寸和增加的倒伏抗性并非相互排斥(即，所有三个性状均通过Stg1表现)。
与轻微的终末干旱相比，在严重的终末干旱条件下，产率和谷物尺寸的优点相对更高；
研究表明持绿基因在RTx7000背景(近亲繁殖)中的最大益处(12-22％)在产率为1-3t/ha的情况下发生，然后在3-4t/ha产率范围内发生较小但仍显著的益处(8-10％)。但是，由于润湿条件，在更高的产率(5-8t/ha)下具有与这些区域相关的小的罚分(2-4％)。注意，在杂交体中这些产率的范围是相当更高的。由于对于北方谷物带的杂交体而言，高粱的平均谷物产率为大约2.5t/ha，所以持绿基因的益处应该是显著的。在杂交体中未观察到在润湿条件(水不受限制)下谷物产率的减少(由于持绿)。
此外，在严重的终末干旱条件下，Stg1基因渗入到RTx7000中还将谷物的尺寸平均增大11％。在轻微的终末干旱或在不干旱的条件下，这种QTL对谷物的尺寸不产生影响。
各个重要的Stg1机制绘制于同一区域，表明单一基因的作用具有多效性效果。
实施例2
减少的分蘖(在田地中对NIL的生理研究)
数据显示在高水份(HW)和低水份(LW)条件下Stg1对分蘖的影响。开花前冠层发育的差异很大程度上是在多个品系中分蘖变化的结果。开花时茎数量/m2为分蘖作用对冠层动力学的最佳总体量度。茎数量/m2在两种水方案下是相当的(12.89)，表明分蘖减少是组成性性状。在该参数(范围为8.59至16.67)下，基因型显著改变(P<0.001)。但是，对于该参数而言，基因型和处理不会显著地相互作用。
根据Stg状态来分析茎数量/m2，并且分类手段示于表2中。与B35相比，RTx7000产生了高出41％(P<0.05)的茎/m2(14.07对比10.00)。与RTx7000相比，单独的Stg1区域基因渗入到RTx7000(6078-1)显著地减少茎/m2(P<0.05)(9.40对比14.07)。仅与Stg1相比，额外地基因渗入Stg2或Stg4将茎数量增加至10.49(1与2结合)和10.74(1与4结合)。此外，注意不包含Stg区域的3个近等值线(2212-3、2235-11和6120-16)还表现出与Tx7000相当的高分蘖。因此，在这些系中，分蘖的全部等级为Stg1<B35<Stg4<Stg2<Stg3<无<RTx7000。
开花时，茎数量与总的绿叶面积高度相关(r2＝0.71)(GLAA；图1)。
表2
Stg状态 系的序号 茎/m2A
Stg1区域
1 1 9.40
1,2 2 10.49
1,4 1 10.74
RTx7000 7 14.07
LSD(0.05) 4.06
在回交亲本(RTx7000)和包含基因渗入的Stg1 QTL(单独的和与其他Stg QTL结合的)多个系中的茎/m2。
因为GLAAt与GLAA高度相关(r2＝0.78)，而主茎的叶面积并非如此，所以开花时绿叶面积(GLAA)的差异主要是由于开花时分蘖的绿叶面积(GLAAt)。
根据Stg状态来分析开花时分蘖的绿叶面积，并且分类手段示于表3中。与B35相比，RTx7000产生了几乎8倍以上(P<0.05)的GLAAt(15460对比1980)。与RTx7000相比，单独的Stg1区域基因渗入到RTx7000(6078-1)会显著地减少GLAAt(P<0.05)(3121对比15460)。仅与Stg1相比，额外地基因渗入Stg2或Stg4将GLAAt增加至4187(1与2结合)和4797(1与4结合)。包含Stg1的所有品系(任何结合)与由单独的Stg1得到的GLAAt都不具有显著差异(P<0.05)。注意在不包含Stg区域的3个近等值线(2212-3、2235-11和6120-16)中的GLAAt与RTx7000不具有显著性差异。因此，在这些系中，GLAAt的显著性差异(P<0.05)的等级为B35＝Stg1＝Stg4<Stg2＝Stg3<无＝RTx7000。
表3
在回交亲本(RTx7000)和包含基因渗入的Stg1 QTL(单独的和与其他Stg QTL结合的)多个系中的开花时分蘖的绿叶面积。
在避雨架试验中，在高(HD)和低(LD)密度处理下，开花时的绿叶面积与茎/m2是高度相关的(图2)。Stg1或Stg1a区域基因渗入到RTx7000中在两种密度下都会减少茎/m2和GLAA。
实施例3
减少的分蘖-精细绘图研究
连续3年，使Stg1精细绘图的群体在高密度和低密度下在田地中生长。每年开花时都测量茎的数量/植株，并在跨年时进行综合分析。总之，与6078-1相比，RTx7000产生了高出47％的茎/植株(1.85与1.26，图3)。
在这些田地研究中，所述的性状(茎的数量/植株)绘制于标志物txp563与txp581之间的60个基因区段(图4)。就绘制目的而言，任意值1.54个茎/植株得到高分蘖与低分蘖之间的最佳分离(即，茎少于1.54的重组子为BB基因型，而茎多于1.54的重组子为TT基因型)。步降通过标志物表明在3种基因型(10564-2、10704-1和10620-4)中在标志物txp542或txp563处实现的功能获得(低分蘖)。数据说明断裂点位于txp563和txa3676之间，这是因为一个重组子(10568-2)表现为高分蘖表型，而3个其他的重组子(10620-4、10704-1和10564-2)在该断裂点处表现为低分蘖表型。植物生长素输出载体成分5的基因位于目标区域，因此为强有力的候选物(表4)，这是因为已知植物生长素会影响植物附加萌芽的生长。
表4
表4为位于标志物txp581与txp563之间的基因的列表。注意用于低分蘖的强有力的候选物(植物生长素输出载体成分5)位于标志物txp563与txp441之间的18个基因的区段。
实施例4
减少的分蘖(在ROS中，Stg1的精细绘图的研究)
在田地中，在避雨架(ROS)下，在高水份和低水份的条件下，使Stg1精细绘图的群体的子集生长，并且各种水处理划分为高密度和低密度。这创建了4种水方案，其中水份亏缺的水平呈增加状态：HWLD(最少应激)<HWHD<LWLD<LWHD(最多应激)。在各区中形成之后的第44天测量茎的数量/植株。在低密度(LD)处理中，差异最明显，这是因为在该处理中，分蘖的表达最大。平均而言，在LWLD条件(2.05对比1.62；图5)下，与6078-1和10604-5相比，RTx7000、10568-2和10709-5产生高出27％的茎/植株；而在HWLD条件(1.49对比1.22)下，则产生高出23％的茎/植株。“低分蘖”基因绘制于txp563与txp442之间的152个基因区段(在田地精细绘图研究中所识别的同一区域；图6)，其包含候选物基因(植物生长素输出载体成分5)。
实施例5
减少的分蘖(在圆顶屋中进行Stg1精细绘图的研究)
在圆顶屋中，在受控的条件下，对Stg1群体进行3个额外的精细绘图的研究。在这些研究中，对分蘖进行比之前田地研究更详细的分析。计数分蘖的总数量，更具体而言，计数由叶2(T2)、3(T3)和4(T4)的叶腋出现的分蘖的数量。就给定的重组子而言，T2的存在或缺失是总体分蘖潜力的最佳指示剂。此外，T2还是用于精细绘图基因的最佳性状。
在该试验中，分蘖的总数量为T2、T3和T4的总和，其中T2为由叶2的叶腋出现的分蘖(T3和T4依此类推)，包括二级分蘖。在该研究中，对于与分蘖有关的所有性状都观察到明显的基因型改变(表5)，且遗传可能性通常高于30。
表5
表5提供了在L11收获时测量的分蘖性状的预测平均值、P-值和遗传可能性的总结。显著性差异(P<0.05)以黄色阴影表示，遗传可能性>20以绿色阴影表示。
T2、T3和T4的分开分析发现在任意的4个重复中，6078-1均不产生T2分蘖，而在4个重复中的2个重复中，RTx7000产生T2分蘖(图7)。
此外，T3的数量差异不明显。在4个重复中的1个重复中，6078-1产生T3分蘖，而RTx7000在所有4个重复中均产生T3分蘖(图8)。
此外，T4分蘖的数量在基因型中不同。在4个重复的3个重复中，6078-1产生T4分蘖，而RTx7000在所有4个重复中均产生T4分蘖。因此，Stg1基因渗入基本上阻止了T2和T3分蘖在RTx7000背景中的生长。
“标志物x性状”分析识别了txa3676与txp442之间的包含大约60个基因的7cM，除了存在的T4以外，所述的性状对于所有重要的分蘖性状而言都是显著的(P<0.05)(表6)，表明分蘖基因位于该区段。注意该区段的上部与由田地精细绘图研究已经识别的断裂点(txa3676与txp536之间)相同，证明在受控的条件下具有更特异的表型(T2)的早期结果。
表6
                P<0.05
                P<0.10
表6为为在L11收获时测量的各个分蘖性状的P-值的总结。显著性差异(P<0.05)以黄色阴影表示，差异(P<0.1)以绿色阴影表示。
对这些品系进行的断裂点分析进一步突出低分蘖基因，其中根据这些品系的基因型(BB或TT)，所述的分析“步升”或“步降”通过所关注的区域。极清楚的断裂是明显的，从而将在0-2个重复(低分蘖组；8个重组子)中产生T2分蘖的品系与在3-4个重复(高分蘖组；8个重组子)中产生T2分蘖的那些分开(表7，图9)。
表7
表7示出了存在由Stg1精细绘图的群体得到的分蘖(T1-T3)，以及8个高分蘖重组子(褐色阴影)和8个低分蘖重组子(绿色阴影)的总分蘖数量。
在图10中步升通过标志物，在重组子10604-1-157-5中在标志物txp587处实现功能获得(低分蘖)。这意味着低分蘖基因存在于向下延伸至txp446(但是不包括)且向上延伸至txp581(但是不包括)的区段中。步降通过标志物，在3种重组子(10604-1-195-5、10604-1-56-7、10604-1-477-4)中在3种标志物(txp563、txa3676或txa2986(失去标志物数据阻止更确切地定位))之一中得到功能获得性(低分蘖)。然而，如果直到txa3676仍未实现功能获得，则所述的基因仅存在于向下延伸至txa2986(但是不包括)的区段中。因此，所述的区域不与通过10604-1-157-5突出的区域重叠，表明基因型分型或表型分型对于该重组子而言是不正确的。假设10604-1-157-5是不正确的(无论什么原因)，则所有其他的重组子均将该基因绘制于txp563与txp581之间包含候选物基因(植物生长素输出载体成分5)的区段中。
在该试验中使用品系的子集来证明分蘖的区域。每个重组子使用更多的重复(20)来进一步降低误差方差，及增加在这些品系中的分辨力。初步结果表明在标志物txa3676与txp536之间存在分蘖基因(与之前所识别区域相同的区域)。因此，5种精细绘图研究，包括3种田地研究和2种圆顶屋研究，均表明在相同的位置处存在低分蘖基因。
对这些系进行的断裂点分析进一步突出低分蘖基因，其中根据这些系的基因型(BB或TT)，所述的分析“步升”或“步降”通过所关注的区域。极清楚的断裂是明显的，从而将产生总分蘖数量>2.5的品系(高分蘖组；5个重组子)与产生总分蘖数量<2.5那些(低分蘖组；3个重组子)分开(表8，图11)。
表8
表8示出存在由Stg1精细绘图的群体得到的分蘖(T1-T4)包括第二分蘖，以及5个高分蘖重组子(褐色阴影)和3个低分蘖重组子(绿色阴影)的总分蘖数量。
在图12中步升通过标志物，在重组子10604-1-157-5中在标志物txp587处实现功能获得(低分蘖)。然而，进一步步升通过标志物txp581和可能的txa2986和txa3676在10604-1-359-3或10604-1-318-1中仍未赋予功能，表明10604-1-157-5的基因型分型或表型分型是错误的。在10604-1-8-1中在标志物txp563处实现功能获得，表明低分蘖基因存在于由txp563向上延伸至txp542(但不包括)且向下延伸至txa3676(但不包括)的区段中。这与在3种田地研究和在之前的圆顶屋研究中突出的区域相同。因此，双色高粱中的PIN4基因(在本文中也称为“SbPIN4”)为Stg1低分蘖基因的强有力的候选物。
实施例6
更小的叶
总之，在良好给水和水有限的条件下，将Stg1区域基因渗入到RTx7000中会减小叶的尺寸(长度和宽度)，表明为组成性基因。但是，叶尺寸的减小程度通常在水有限的条件下更大，表明除了组成性应答以外，在某种程度上还具有适应性(可诱导的)应答。因此，就减小冠层尺寸而言，Stg1赋予两种机制：a)分蘖减少；以及b)叶的尺寸减小。这两种机制结合，为植物提供了相当程度的可塑性，从而响应于环境和/或管理因素而修改冠层的结构体系。
在蒸汽压亏缺(VPD)水平改变的条件下，在评估叶尺寸的模式中，一系列测渗计研究特别有指导性(图13A至D)。尽管在2个试验中规律地向罐中给水，冠层的尺寸在各季节间有差异，推测这是由于温度和VPD的季节差异造成的，从而创建了高(1.8kPa)和低(1.3kPa)VPD条件。对于主茎和最大的分蘖(T3)而言，叶尺寸的减小程度在高和低VPD条件下是显著的(图13A至D)，但是在主茎(L12与L9)和T3(L7与L5)中，与高VPD相比，叶尺寸的减小在低VPD的条件下开始的较晚。
然而，对于剩余的分蘖(T4-T6)而言，叶尺寸的分布在各试验之间差异显著。尽管在高VPD条件下，RTx7000与6078-1之间叶的尺寸无差异，但是6078-1的叶在低VPD条件下明显更小。这表明分蘖T4-T6在某些环境条件下对叶尺寸的减小产生适应性(可诱导的)应答。
实施例7
更小的叶(避雨架研究)
在避雨架(ROS)下进行试验，以评估在2种农作物密度下，Stg1区域的影响，因此创建2种水份亏缺的水平(高密度＝高应激；低密度＝低应激)。总之，在HD(20棵植株/m2)下，分蘖低或缺乏，而在LD(10棵植株/m2)下，分蘖正常。
在高密度(HD)处理下，冠层的尺寸在2年内更小，反映了由这种处理产生的水份亏缺更大。在轻微(Ld)和更严重(HD)的水份亏缺下，在2年内，6078-1(Stg1)的叶的尺寸通常比RTx7000更小。例外是在轻微的水份亏缺(LD)的条件下，对于6078-1和RTx7000而言，叶尺寸的分布模式是相似的，而在更高的水份亏缺(HD)的条件下，在6078-1中，叶明显更小(最多更小18％)，表明Stg1植物对增加的水份亏缺产生适应性应答。事实上，在更严重的水份亏缺(HD)的条件下，将Stg1区域基因渗入到RTx7000中会将4种最大的叶(L10-L13)的尺寸平均减小16.5％。由于在该处理中，在任一种基因型中均具有较少的分蘖，6078-1中叶尺寸的减小会显著地减小冠层的尺寸，并由此减少农作物的水利用(假设蒸发/单位叶面积是相似的)。
注意与Stg1有关的叶尺寸的减小表现出在存在分蘖(LD)和不存在分蘖(HD)的条件下进行，但是在HD的条件下显出最好表达，其中在HD的条件下，单株和高水份亏缺的条件通常会发生。
实施例8
更小的叶(在避雨架下，Stg1精细绘图的研究)
在田地中，在避雨架(ROS)下，在高水份和低水份的条件下，使Stg1精细绘图的群体的子集生长，并且各种水处理划分为高密度和低密度。这创建了4种水方案，即，水份亏缺的水平呈增加状态：HWLD(最少应激)<HWHD<LWLD<LWHD(最多应激)。在所有处理中，针对所有基因型测量各个完全膨胀的主茎叶的面积。
基因渗入整个Stg1区域(6078-1)，更具体而言，基因渗入命名为10604-5的较小区域，使得在低水和低密度条件下叶9-13的尺寸减小(图14)。例如，与RTx7000相比，L11在10604-5和6078-1中分别小9％和16％。由于在该处理中分蘖是可忽略的，所以冠层尺寸的差异基本上是由于叶尺寸的差异所造成的。
在低密度的条件下，叶尺寸的分布受到分蘖的影响，从而与高密度处理相比，会产生一些杂合(参见图14)。但是，注意在HD和LD处理中，相对于10709-5、10568-2和RTx7000，10604-5产生了更小的叶9-13。
“小的叶尺寸”基因绘制于txp563与txp442之间的包含候选物基因(植物生长素输出载体成分5)的152个基因区段(低分蘖基因所识别的相同区域)中，参见图15。
实施例9
更小的叶(在圆顶屋中，精细绘图的研究)
就叶4和5而言，在遗传可能性接近60的基因型中，叶面积显著改变(P<0.001)。将Stg1区域基因渗入到RTx7000中减小叶1-6的面积(图16)。例如，L6面积在RTx7000(67.4cm2)中比在6078-1(55.3cm2)中高22％，但是这种差异在P＝0.05水平时是不显著的。L6的面积在47.8cm2至93.9cm2的范围内(LSD[0.05]＝21)，并且遗传可能性为42。
叶面积的差异更多是由于叶长度的差异(图17)，而非叶宽度的差异(图18)。尽管叶面积随着叶数量呈指数增加(图21)，但是叶的长度呈线性增加(图17)。叶宽度与数量之间的关系呈抛物线状(图18)。因此，6078-1与RTx7000之间的叶面积随着叶数量的增加而产生的背离主要是由于这些基因型之间叶长度的背离。这表明减小叶小大的基因的功能更可能与细胞膨胀(叶长度)有关，而非分裂(叶宽度)。
在Stg1精细绘图的群体中，叶(n)的面积与叶(n+1)的面积之间的异速生长关系表明在大约叶8处的显著性改变(与花蕾形成同时发生)。因此，叶小大的增加以较低的速率进行。
将Stg1区域基因渗入到RTx7000中减小叶9-11(图19)及叶1-6(如上文所讨论)的面积。L9的面积在各基因型中显著改变(P＝0.06)，其范围为234至300cm2，且遗传可能性为21(表8)。L9的面积在RTx7000(263cm2)中比在6078-1(244cm2)中高8％(图19)。叶10和11表现出相似的趋势。
表9
表9为在L11收获时测量的预测平均值、P-值和遗传可能性的总结。显著性差异(P<0.05)以黄色阴影表示，遗传可能性>20以绿色阴影表示。GLA＝绿叶面积。DW＝干重。SLW_L9_L11＝比叶重。
在叶11收获时绿叶面积中大部分改变是由于分蘖的差异。但是，叶9-11在6078-1中比RTx7000在中更小。这些差异在txp114(134.7-135.6cM)处、以及标志物txa3676与txp442之间(149.1-156.2cM)是显著的(P<0.05)(表10)。注意“低分蘖”和“小的叶”均与标志物txa3676与txp442之间的相同区域有关，表明了单一基因控制2中冠层结构体系的性状的可能性。
表10
                P<0.05
                P<0.10
表10为在L11收获时测量的各个叶尺寸性状的P-值的总结。显著性差异(P<0.05)以黄色阴影表示，差异(P<0.1)以绿色阴影表示。GLA＝绿叶面积。DM＝干质量。DW＝干重。SLW＝比叶重。
实施例10
更小的叶(在圆顶屋中，精细绘图的研究)
对于Stg1精细绘图的群体的亲本而言，叶的数量与长度呈线性相关(图20)。Stg1基因渗入到RTx7000中使得叶8-10的长度减小，并且L10在6078-1中比在RTx7000中短7％(550与592mm)。
为了进行绘制，选择Stg1精细绘图的群体的“尾部”。2种基因型特别表现出长叶(10604-1-157-5和10604-1-318-1)，而3种基因型特别表现出短叶(10604-1-222-1、10604-1-501-327-3和6078-1)。
在10604-1-222-1重组子中，在标志物txa2986与txp542之间实现功能获得(短叶)。这意味着小叶基因存在于向下延伸至txp581(但是不包括)且向上延伸至txp440(但是不包括)的区段中。因此，“小叶”基因绘制于与“低分蘖”基因相同的区域中。
为了进行绘制，选择Stg1精细绘图的群体的“尾部”(图21)。3种基因型特别表现出长叶(10604-1-157-5、10604-1-318-1和RTx7000)，而2种基因型特别表现出短叶(10604-1-222-1和6078-1)。
在图22中，步进通过标志物，在重组子10604-1-222-1中在标志物txa2986与txp542之间实现功能获得(短叶)。这意味着小叶基因存在于向下延伸至txp581(但是不包括)且向上延伸至txp440(但是不包括)的区段中。因此，“小叶”基因再次绘制于与“低分蘖”基因相同的区域中。注意L9和L10中的叶长度绘制于相同的区域中。
多个研究表明产生低分蘖和小叶表型的一个基因(或多个基因)位于标志物txp563与txa2986之间(图23)。解释为具有多效性效果的单一基因。增强的植物生长素的可利用性解释了在包含上述区域的植物中所观察到的低分蘖和小的叶尺寸的表型。植物生长素输出载体成分5基因位于目标区域中，因此识别为候选物。
实施例11
持绿通过组成性和适应性应答增强冠层结构体系的可塑性
由于在包含Stg1区域的植物中的两种机制(分蘖的减少和较小的叶)，开花时水的可利用性的增加可以通过水利用的减少来实现(图24)。这两种机制单独地显示将冠层的尺寸平均减少大约9％。当分蘖潜力高时，“低分蘖”机制在低密度环境中占主导。当分蘖潜力低时，“小叶”机制在高密度环境中占主导。这两种机制结合，提供了具有相当可塑性的农作物植物，从而响应于水有限的严重程度而修改冠层的结构体系。
持绿表现为组成性和适应性应答(图25)。在Stg1中冠层的尺寸减小大约5％，即使在水并非有限时也是如此(组成性应答)。在轻微干旱及更严重的干旱时，冠层的尺寸进一步减小(适应性应答)，分别减少～10％和～15％。低分蘖主要是组成性应答，但是响应于水份亏缺的增加而在分蘖中形成的更小的叶尺寸为适应性应答。小的叶尺寸是组成性和适应性应答。
实施例12
开花时冠层尺寸的减小(通过分蘖的减少与更小的叶)与农作物水利用的减少之间的关联
开花时农作物水利用的减少可以通过以下引起：a)具有相当的蒸发/单位叶面积的、更小的冠层尺寸，b)具有更低的蒸发/单位叶面积的、相当的冠层尺寸，或c)更小的冠层尺寸和更低的蒸发/单位叶面积。ROS研究表明在高水份应激的条件下，Stg1区域特别是包含Stg1候选物基因的重组子(10604-5)，表现出更低的农作物水利用，这是由于冠层尺寸更小，而非蒸发/单位叶面积更低。冠层尺寸与农作物水利用之间的高度关联(r2＝0.9)在ROS和测渗计研究中观察到。
(a)由于更小的叶尺寸而节水
由于农作物的密度高，所以在该试验中分蘖是可忽略的。因此，冠层尺寸的差异是由于叶尺寸的差异(图27)，这可通过叶12的尺寸与开花时总的绿叶面积之间的高度相关性来证明(图28)。
进而，开花时的绿叶面积与开花时农作物的水利用高度相关(图29)。相对于RTx7000，包含Stg1候选物基因的2个品系(6078-1和10604-5)均表现出更小的叶(L10-L13)、开花时更小的绿叶面积(GLAA)和开花时更低的农作物水利用。
(b)由于蒸发/单位叶面积的降低而节水(渗漏研究)
蒸发(T)是叶面积(LA)与蒸发/叶面积(T/LA)的结果。在高VPD条件下，Stg1与RTx7000的LA相似(11795与11628cm2)，但是T/LA在Stg1中比在Tx7000中更低(2.60对比2.85)，使得Stg1中的水利用/植株(T)比在RTx7000中更低(30.7对比32.81)。因此，Stg1中的节水(在高VPD环境下)是完全通过降低T/LA而实现的，表明这是由Stg1赋予的组成性水保留策略。在这种情况下，Stg1中更高的蒸发效率(TE)是生物质相当和蒸发更低的结果。
将4种Stg QTL(Stg1、Stg2、Stg3和Stg4)与RTx7000相比较的更广泛的分析有助于正确地推动Stg1应答。在高VPD条件下，T/LA与T呈正相关，而在低VPD条件下，T/LA与T呈负相关(r2＝0.52)。绿叶面积与蒸发在低和高VPD条件下均呈正相关(图29)。在2个试验中，与RTx7000相比，Stg QTL减小了绿叶面积和蒸发。
(c)由于叶面积减小而节水
蒸发(T)是LA与T/LA的结果。在低VPD条件下，LA在Stg1中比在RTx7000中低31％(4898对比7082cm2)。与RTx7000相比，由于在Stg1中T/LA增加9％而稍微抵消了上述结果(5.15对比4.70)。净结果是，与RTx7000相比，在Stg1中水利用/植株(T)减少22％(25.6对比32.7l)，这主要是由于冠层的尺寸减小。由Stg1所展现的T/LA的增加本身可以是干旱适应性机制，从而冷却叶子并使光合作用持续。
在植物水状态的调节中，T/LA中的可塑性似乎是特别重要的。在高VPD条件下，Stg1中T/LA的降低是降低T和增加TE的重要的机制。在低VPD条件下，Stg1中T/LA的增加可以有助于通过冷却来保持叶的功能。
针对Stg1精细绘图的子集所进行的渗漏研究提供了对该区域的洞察。在高VPD条件下，与RTx7000相比，LA/植株在10604-5(Stg1候选物基因的位置)中更低(10283对比11628cm2)，而T/LA在10604-5和RTx7000中是相当的(～2.86)，使得10604-5中水利用/植株低于RTx7000中的水利用(28.0对比32.81)。因此，通过减小冠层的尺寸而在10604-5中彻底地节水。
在低VPD条件下，与RTx7000相比，LA/植株在所有的Stg1系中均更低，从而在所有的Stg1系中均是节水的。因此，由于所有的重组子以与6078-1相似的方式应答，所以难以精细绘图该区域。
(d)农艺学模仿
以1m的行距及5植株/m2进行buster种植。土壤深度＝1800mm；土壤PAWC＝324mm；N是非限定的。结果示于图64A至C中。
处理
HT    高分蘖  (2个分蘖/植株)
LT    低分蘖  (1个分蘖/植株)
WW  充分给水  (以100％图谱开始，并供给雨水)
TS  终末应激  (以全长图谱的一半[162mm]开始，并在建立后无雨水)。
实施例13
由于在包含Stg1区域的植物中水提取更好和/或根的横向扩展更深或更大，所以还可以通过增加的水的可利用性而取得开花时增加的水的可获得性
在叶6阶段，根质量和根:芽比(图30)在Stg1比在RTx7000中更高。在Stg1精细绘图的群体中，就所述的这些性状而言，具有相当程度的越亲分离。根质量与根:芽比之间的关系突显了这些性状中进一步遗传进化的机会。
由于根质量/叶面积比将植物获取水的能力(根质量)与植物利用水的能力(叶面积)相整合，所以其可以用作幼苗阶段干旱适应性指数。更高的指数表明每单位叶面积获取水的能力更高。由于根质量更高且叶面积更小，所以Stg1展现出比RTx7000更高的根质量/叶面积比。
在Stg1精细绘图研究中，L6阶段的根收获指数(根:总生物质比)绘制于txa3676和txa2986，与Stg1候选物基因的位置相同(表11)。
表11为在L6和L11收获时测量的各种叶尺寸(蓝色阴影)、分蘖(褐色阴影)和生物质(灰色阴影)性状的P-值的总结。显著性差异(P<0.05)以黄色阴影表示，差异(P<0.1)以绿色阴影表示。
在L6阶段由Stg1展现的更高的根质量/叶面积比可以解释为什么在LWLD处理下与RTx7000相比，Stg1在农作物生长(20-50DAE)的早期更多地利用水(图31)。然而不清楚的是与RTx7000相比由Stg1展现的灌浆过程中水的可获得性的增加(图31)是否是由于较好的水提取和/或较大的根扩展的原因。
在Gatton、Queensland、Australia(Van Oosterom et al.(2010)上文)进行的根室试验中，A35(持绿)的水提取的比重下限比AQL39(衰老)杂交子低0.26％。A35包含Stg1区域，而AQL39不包含该区域。假设容积密度为1.3g cm-3且土壤深度为150cm，在农作物的整个生命周期中，这可以有效地将田地中可利用的水增加>5mm。
实施例14
持绿增加开花时生物质/单位叶面积。假设根质量相当(或者至少非显著的少)，则这些差异可以通过蒸发/单位叶面积和/或蒸发效率来解释
在低水份应激(35.2对比26.2g/m2/cm2)与高水份应激(40.6对比31.4g/m2/cm2)的条件下，开花时主茎生物质/单位叶面积(B/LA)在Stg1比在RTx7000中高～24％(表12)。对于Stg1和RTx7000而言，开花时主茎B/LA在高水份应激的条件下比在低水份应激的条件下低～14％，即，B/LA随着水份的亏缺而增加。注意在低水份应激和高水份应激的条件下，分蘖B/LA在Stg1和RTx7000中是相当的。
表12
表12显示出在Biloela、Queensland和Australia，在高水份和低水份应激的条件下生长的RTx7000(回交亲本)和多种包含各种Stg1基因渗入的近等基因系的主茎、分蘖和总的生物质/叶面积。
水利用的测量详情表明在Biloela、在Stg1系中观察到的更高的生物质/单位叶面积可能是由于蒸发/单位叶面积更高，而非TE更高。
低水份应激
在低水份应激的条件下，Stg1和RTx7000显示出相等的B/LA。然而，由于在Stg1中T/LA低～10％，所以T低～7％，这进而使TE增加～9％(图53)。因此，Stg1保持了生物质，但是使用了比RTx7000更少的水。
高水份应激
在高水份应激的条件下，B/LA在Stg1中比在RTx7000中高～6％。B/LA与T/LA呈正相关，但是与TE未呈正相关。因此，由Stg1显示的更高的B/LA是由于更高的T/LA。通常，在高水份应激的条件下，B/LA与T/LA呈正相关，与TE呈负相关。
在这种情况下，在开花前期，Stg1使用了比RTx7000少～22％的水。因此，尽管在开花时生物质更少，但是Stg1仍具有显著更多的可利用的水来填满谷物。
实施例15
通过基因渗入Stg1而增加的TE可以是由于a)与气孔导度相比，光合作用能力成比例的更高，这是因为叶更小、更薄且更绿；或b)在保持生物质/叶面积的同时蒸发/叶面积降低
在Stg1精细绘图的群体中，叶10的长度和绿度(SPAD)是高度负相关的(r2＝0.72，图32)。因此，减小该群体中叶的尺寸增加叶中氮的浓度。将Stg1基因渗入到RTx7000背景中将L10的长度减小～7％(592至550mm)，并将L10SPAD增加～4％(47.1至48.9)。
更绿的叶可以增加光合作用的能力，并因此增加水利用的效率。在Stg1精细绘图的群体的子集中，光合作用随着SPAD值增加，直到达到SPAD为～48.5的平台(图33)。但是，SPAD值最高(51.6)的品系(6078-1)展现出速率相对低的光合作用(32.1MJ/m2/d)。该结果为是a)不恰当的，或b)表明在高SPAD值下，光合作用确实降低。
叶绿度(SPAD)与WUE(基于Licor软件计算的指数)在Stg1精细绘图的群体的子集中是呈正相关的(图34)。尽管在10604-5和10709-5NIL中具有相对高的SPAD，但是Stg1基因渗入物均不接近6078-1的值(0.8)。
与RTx7000和其他Stg QTL相比，Stg1展现出更绿的叶(更高的SPAD值)和更高的WUE(基于Licor软件计算的指数)(图35)。
实施例16
通过基因渗入Stg1而增加的TE可以是由于a)与气孔导度相比，光合作用能力成比例的更高，这是因为叶更小、更薄且更绿；或b)在保持生物质/叶面积的同时蒸发/叶面积降低
在一组Stg NIL(包括回交亲本(RTx7000))中，在低和高VPD条件下，蒸发效率(TE)与蒸发/叶面积(T/LA)呈负相关(图36)。然而，Stg NIL相对于RTx7000的等级与VPD条件相互作用。例如，在高VPD条件下，Stg1中的T/LA比RTx7000低，而在低VPD条件下，Stg1中的T/LA比RTx7000高。
在高VPD条件下，T/LA与TE之间的负相关的斜率是陡峭的，这样T/LA由2.9mm/cm2(Stg4)稍微降低至2.6mm/cm2(Stg1)会使TE由4.2g/m2/mm(Stg4)显著升高至5.1g/m2/mm(Stg1)(图36)。在低VPD条件下，梯度稍微陡峭，这样与高VPD条件相比，TE每升高1个单位，T/LA必须降低6倍(1.2对比0.2单位)。注意对于相等的TE而言，在低VPD条件下，Stg1展现出比RTx7000更高的T/LA(5.1对比4.6mm/cm2)。这可以提供在某些环境条件下，Stg1叶保持较冷却的机制。
实施例17
蒸发/单位叶面积的改变可能是由于a)气孔的数量、b)气孔口、c)相对于VPD，气孔开放和关闭的定时的改变、和/或d)毛基细胞的数量(其会影响边界层，并由此影响T/LA)
将Stg1基因渗入到RTx7000中根据VPD条件而不同地影响T/LA。相对于RTx7000，在低VPD条件下Stg1将T/LA升高～9％，而在高VPD条件下Stg1将T/LA降低～10％。T/LA以及其他可以通过a)气孔的数量/单位叶面积、b)气孔口的尺寸、c)气孔开放和关闭的定时和/或d)毛基细胞的数量(其会影响边界层，并由此影响T/LA)来调节。已经对这4种要素中的2种(a和d)进行了测量。在一个避雨架试验中，在灌溉对照、除去外皮和除去外皮后的成像中，通过高密度的处理而收获的单独的叶。这些成像用于测定a)气孔/单位叶面积的数量、b)表皮细胞的数量/单位叶面积和c)毛基细胞/单位叶面积的数量。
同时取得叶的横切面。这些数据的初步分析表明将Stg1基因渗入到RTx7000中修饰叶的解剖结构。RTx7000与Stg1的叶的形态学差异(例如叶7和10)是明显的。在这种情况下，在Stg1中具有更多且更小的围绕维管束的维管束鞘。此外，维管束鞘中细胞数量的增多还可以有助于增加光合同化作用(PNAS2007)，并由此增加TE。
实施例18
灌浆过程中水利用的增加是通过(i)开花时水的可利用性增加和(ii)灌浆过程中水的可获得性增加(更好的水提取、以及更深或更大的横向扩展)而实现的
a)开花时水的可利用性增加
在ROS试验中，开花前的农作物水利用(CWU)与开花后的CWU呈负相关(图37)。例如，开花前节省20mm水(165对比185mm)能够在开花后利用额外的20mm水(80mm对比60mm)。因此，开花前所保存的所有的水都由农作物在开花后利用。总之，在该试验中，开花后的水利用增加25％使得谷物产率增加25％(400对比300g/m2)。这转化为每额外mm的可利用的水便得到50kg/ha谷物。尽管这些数据支持这样的观念：灌浆过程中水利用的增加是通过开花时水的可利用性的增加而取得的，但是其并未告诉我们任何关于灌浆过程中增加的水的可获得性。
b)灌浆过程中水的可获得性增加
灌浆过程中水利用的增加是通过在ROS试验中低密度和高密度处理下的Stg1展现的。这主要是由于(i)在高密度下在开花时水的可利用性增加，和(ii)在低密度下在灌浆过程中水的可利用性的增加(图38a和b)。
在RTx7000和4种Stg NIL(Stg1、Stg2、Stg3和Stg4)的研究中，在ROS试验中在低密度的条件下，开花前的CWU与开花后的CWU是负相关的(图39)。在这种情况下，开花前节省～25mm水(168对比191mm)有助于开花后利用～50mm水(135mm对比86mm)，表明水的可利用性(～25mm)和水的可获得性(～25mm)的增加是同样重要的。然而，在该实施例中Stg1是不恰当的，这是因为开花后的高的水利用与开花后高的水利用有关。对Stg1中这种异常的解释为a)在开花前水的数据是错误的、b)在开花后水的数据是错误的、或c)水的测量是错误的(简单而言，Stg1不同地响应于其他NIL)。生物质数据的检测表明，由于某种原因，在LWLD条件下，Stg1在开花前产生了比其他NIL更多的生物质，表明在该试验中，开花前水利用模式简单地反应了生物质的生产。而且，本实施例提供了在灌浆期间通过Stg1增加的水的可获得性的证据。
实施例19
开花前与开花后的生物质生产之间的关联
在低密度(LD)条件下，开花前生物质减少23％(由700减少至640g/m2)将开花后的生物质增加2倍以上(由～200增加至425g/m2)。在LD下，Stg1产生了与RTx7000相似的开花前生物质(～610g/m2)，但是产生更少的开花后的生物质(265对比327g/m2)。但是，在HD条件下，Stg1和RTx7000产生了相似的开花前生物质(～840g/m2)，但是Stg1产生了更多的开花后的生物质(195对比17g/m2)。
GLAA与开花前:开花后的生物质比的关系在Stg1的描述中是重要的。GLAA必须减少至<3，以确保灌浆所用的足够的水的可利用性，并且这是Stg1基因的重要作用。在该试验中，在LD而非HD条件下，Stg1充分地减少GLAA，从而使开花前:开花后的生物质比<3。在HD条件下，注意将Stg1基因渗入到RTx7000中将GLAA由31200减少至29300cm2/m2，从而将开花前:开花后的生物质比由8.2减少至6.5(但是仍不会减少至<3)。这突出了合适的管理策略的重要性，例如在最大限度地利用有限的水来源中农作物的密度。
此外，GLAA与开花后的茎质量之间的负相关性对于Stg1的描述也是重要的。更低的GLAA以及由此减少的开花时的水利用与更高的开花后的茎质量(倒伏抗性的因素)有关。在LD(最低限度的增高)和HD(显著增高)的条件下，将Stg1基因渗入到RTx7000中会增加开花后的茎质量。
开花前:开花后的生物质比(PPBR)与开花后的生物质之间的关系是具有指导性的。2种密度处理提供了PPBR由<2至>8的范围内的连续统。将PPBR由>8降低至～3使得开花后的生物质逐渐升高。但是，将PPBR进一步降低至3以下使得开花后的生物质相对急剧地升高，推测是因为当PPBR比降至3以下时，在灌浆过程中有更多的水是可利用的。在HD而非LD的条件下，将Stg1基因渗入到RTx7000中增多开花后的生物质。
开花前:开花后的生物质比(PPBR)与开花后的茎质量之间的关系具有相等的指导性。开花后的茎质量是倒伏抗性的因素。对该因素进行分析提供了Stg基因渗入如何影响倒伏抗性的一些理解。将PPBR由>8降低至～4使得开花后的茎质量逐渐升高。但是，将PPBR进一步降低至4以下使得开花后的茎质量相对急剧地升高。在LD(最低限度的增高)和HD(显著增高)的条件下，将Stg1基因渗入到RTx7000中增加开花后的茎质量。
在该试验中，PPBR与谷物产率之间的关系是不更清楚的。尽管在2种密度下，谷物产率在Stg1中比在RTx7000中高，但是更高的产率仅可以通过在HD条件下Stg1中更低的PPBR来解释。
在该试验中，检验2种Stg1基因渗入：a)6078-1(整个Stg1区域)、和b)10946-5(覆盖标志物Sb03QGM116与Sb03QGM106之间的1/3Stg1区域的重组子)。
将开花前生物质降低20％(由920降低至735g/m2)将开花后的生物质升高大约100％(由200升高至400g/m2)(图40)。总之，开花前生物质为RTx7000＝Stg2>Stg3＝Stg4>Stg1，而开花后的生物质为Stg1>Stg3＝Stg4>Stg2>RTx7000。在LD的条件下，Stg1的数据是不恰当的。
通过GLAA证明的冠层的尺寸主要测定开花前:开花后的生物质的比(图41)。在高密度和低密度处理的条件下，将Stg1基因渗入到RTx7000背景中降低GLAA，这进而将开花前:开花后的生物质的比降低至<3，从而确保在这些水有限的条件下灌浆所用的足够的水的可利用性。
通过GLAA证明的冠层的尺寸是开花后的茎质量(PASM)的决定因素(图42)。在高密度和低密度处理下，将Stg1或Stg1a基因渗入到RTx7000背景中降低GLAA，这进而会升高PASM。与LD相比，在HD的条件下，大约40g/m2以上的茎储备物被利用，从而反映该处理所施加的较高的应激。
开花前:开花后的生物质比(PPBR)与开花后的生物质(PAB)之间的关系是强烈的(图43)。2种密度处理提供了PPBR由<1.5至>4的范围内的连续统。将PPBR由～4.5降低至～3.5对PAB无影响。但是，将PPBR进一步降低至～3.5以下使得PAB相对急剧地升高，推测是因为当PPBR比降至3.5以下时，在灌浆过程中有更多的水是可利用的。在HD和LD的条件下，将Stg1基因渗入到RTx7000中会将PPBR降低至3以下，由此在2种密度处理下增加PAB。
此外，开花前:开花后的生物质比(PPBR)还会影响倒伏抗性(图44)。在这种情况下，开花后的茎质量(PASM)用作倒伏抗性的代用物。在高密度和低密度的条件下，PPBR与开花后的茎生物质呈负相关。即，高的开花前:开花后的生物质比增加灌浆过程中再次动员的茎储备物的量，由此减少茎生物质并增加倒伏的可能性。与RTx7000相比，Stg1a显著地减少了在LD(～5对比65g/m2)和HD(～80对比140g/m2)的条件下动员的茎储备物的量。与RTx7000相比，Stg1显著地减少在HD(～80对比140g/m2)而非LD条件下动员的茎储备物的量。在HD的条件下所动员的茎储备物的程度高于在LD的条件下所动员的茎储备物的程度，从而反映了在HD的条件下水份亏缺更多。例如，在RTx7000中，在HD与LD之间茎储备物动员的差异为2倍(大约140对比70g/m2)。
谷物产率保持低(在基准为～4.2t/ha时)，直到开花前:开花后的生物质比降至～3(HD)或～2.5(LD)以下(图45)。在这些临界值以下，在所述的开花前:开花后的生物质比呈增量式降低的各种情况下，谷物的产率显著增加，并且在LD的条件下谷物产率的增长率稍微高于HD条件下的增长率。这表明开花后水的可利用性与开花前GLAA和生物质密切相关，并且GLAA必须具有一定程度的降低，从而确保灌浆所用的足够的水的可利用性。在2种密度条件下，Stg1将开花前:开花后的生物质比降低至低于临界水平以下，使得相对于RTx7000而言，产率增加28％(LD)和22％(HD)。这些数据为终末干旱的条件下Stg1基因作用(开花时减小的冠层尺寸)与谷物产率之间提供了重要关联。注意相对于RTx7000而言，Stg1a基因渗入对降低PPBR(HD和LD)和增加谷物产率(仅LD)具有一定的影响，但是未达到与Stg1相同的程度。因此，通过这些试验不具有强烈的证据表明重要的Stg1基因存在于Stg1a区域内。这支持了早期提出的证据，由于Stg1的最强的候选物(SbPIN4)位于Stg1a基因渗入物之上。
在该试验中检测了4种Stg1基因渗入物：a)6078-1(标志物txa2179与txp38之间的整个Stg1区域)、b)10709-5(覆盖标志物Sb03QGM106与txp38之间的大约1/3Stg1区域的重组子)、c)10604-5(覆盖标志物txa2506与txp565之间的大约3/4Stg1区域的重组子)、以及d)10568-2(覆盖标志物txa2506与txp563之间的大约1/2Stg1区域的重组子)(图46)。
在低密度(LD)的条件下，开花前生物质在多种基因型中改变仅～5％(由522至552g/m2)，但是开花后的生物质几乎改变2倍(由173至313g/m2)。这表明开花后的生物质的相当大的差异受到除了开花前生物质以外的其他一些事物的影响，例如水的可获得性的差异。例如，10709-5和RTx7000均产生～550g/m2的开花前生物质，但是Stg1重组子(10709-5)产生～60％以上的开花后的生物质(310与130g/m2)。
在高密度(HD)的条件下，开花前和开花后的生物质是高度负相关的。将Stg1基因渗入到RTx7000中将开花前生物质减少9％，并将开花后的生物质增加23％。
开花时农作物的水利用(CWU)比开花前生物质在多种基因型之间更好地区别。将HD和LD数据结合起来，开花后的生物质(PAB)保持低(基准为～150g/m2)，直到开花时CWU降低至～180mm。在该临界值以下，就CWU呈增量式降低达到175mm水平的各种情况而言，PAB增加，并且在PAB的平台期为大约310g/m2。开花时CWU进一步降低至175mm以下不会得到额外的PAB。
通过GLAA证明的冠层的尺寸主要测定了开花前:开花后的生物质(PPBR)比。在高密度和低密度处理下，将Stg1(或特定的重组子，例如10709-5)基因渗入到RTx7000背景中降低GLAA，这进而降低开花前:开花后的生物质比，由此在这些水有限的条件下增加灌浆所用的水的可利用性。6078-1的PPBR值似乎是不恰当的(太高)，这是因为该基因型良好地置于GLAA/PPBR回归线之上。
通过GLAA证明的冠层的尺寸是开花后的茎质量(PASM)的决定因素。在高密度处理下，将Stg1(或Stg1重组子，例如10604-5和10709-5)基因渗入到RTx7000背景中降低GLAA，这进而升高PASM。与LD相比，在HD的条件下，大约60g/m2以上的茎的储备物被利用，反应了由该处理所施加的更高的应激。此外，在LD下6078-1的数据似乎是不恰当的。
开花前:开花后的生物质比(PPBR)与开花后的生物质(PAB)之间的关系是强烈的。2种密度处理提供了PPBR由<2至>5的范围内的连续统，但是LD的回归斜率比HD的回归斜率大。在HD的条件下，将PPBR由～6降低至～3.5会使PAB由～130g/m2(RTx7000)至～180g/m2(10604-5)逐渐升高。在LD的条件下PPBR进一步降低至～3以下使得PAB急剧升高，推测这是因为当PPBR比降低至3以下时，在灌浆过程中更多的水是可利用的。
此外，开花前:开花后的生物质比(PPBR)还会影响倒伏抗性。在这种情况下，开花后的茎质量(PASM)用作倒伏抗性的代用物。在高密度和低密度的条件下，PPBR与开花后的茎生物质呈负相关。即，高的开花前:开花后的生物质比增加灌浆过程中再次动员的茎储备物的量，由此减少茎生物质并增加倒伏的可能性。与RTx7000相比，Stg1显著地减少了在HD(～100与160g/m2)的条件下动员的茎储备物的量。在HD的条件下所动员的茎储备物的程度高于在LD的条件下所动员的茎储备物的程度，从而反映了在HD的条件下水份亏缺更多。例如，在RTx7000中，在HD与LD之间茎储备物动员的差异为2倍(大约160对比60g/m2)。有趣的是，在PPBR(1.5-6)的整个范围内，PASM随着PPBR的降低而升高，而谷物产率及PAB(程度较轻)仅在PPBR降低至～3以下时才升高。这表明开花前相对较少地节水仍能够改善倒伏抗性，但是在谷物产率产生应答之前必须较大量地节水。
谷物产率保持较低(基准为～3.1t/ha)，直到开花前:开花后的生物质比降低至～3以下。在该临界值以下，就开花前:开花后的生物质比呈增量式降低的各种情况而言，谷物产率显著增加。由于在HD的条件下无Stg1基因渗入将PPBR降低至<3，所以在该处理中未由Stg1实现产率益处。在LD的条件下，一些Stg1基因渗入将PPBR降低至临街水平以下，从而相对于RTx7000而言使得产率增加12％(10568-2)和5％(10709-5)。这些数据为终末干旱的条件下Stg1基因作用(开花时减小的冠层尺寸)与谷物产率之间提供重要的关联。
灌浆过程中CWU保持低(基准为～60mm)，直到开花前:开花后的生物质比降低至～3.5以下(图47)。在该临界值以下，就开花前:开花后的生物质比呈增量式降低的各种情况而言，灌浆过程中CWU显著增加。由于在HD的条件下无Stg1基因渗入将PPBR降低至<3.5，所以在该处理中未由Stg1实现灌浆过程中CWU的增加。在LD的条件下，一些Stg1基因渗入(和RTx7000)会将PPBR降低至临街水平以下，从而与HD基线(～60mm)相比，会将灌浆过程中CWU升高至～80mm。
灌浆过程中CWU与谷物产率之间的关系是正的(图48)。但是，这些参数之间的相关性将对低(r2＝0.23)，可能是由于现场中土壤水分测量的高度可变性。
实施例20
延迟的叶片衰老(持绿)是灌浆过程中更高的植物水状态的结果(由于水利用增加)
使用2种方法：叶水势(LWP)和相对水含量(RWC)在灌浆中期测量FL-2(标志以下的2片叶)的植物水状态。使用压力室法现场测量LWP。根据现场LWP测定，将相同的叶样品置于冰上，并在几分钟内取至大约300m远的试验室以通过标准的方法测定RWC。
在一组StgNIL(包括回交亲本)中，在高密度和低密度的条件下，在灌浆中期FL-2的RWC与叶片衰老的相对速率呈负相关。对于HD和LD，相关性是平行的，但是抵消了大约0.35单位的叶片衰老，即，对于给定的RWC水平(说明为70)，叶片衰老的相对速率在LD和HD的条件下分别为2.1和2.45。在HD和LD的条件下，将Stg1区域基因渗入到RTx7000中增加灌浆中期的RWC(FL-2)，并降低叶片衰老的相对速率，但是在HD的条件下影响更大。
相应地，在HD和LD的条件下，叶片衰老的相对速率与成熟时的绿叶面积(GLAM)呈高度的负相关(图49)，并且在HD的条件下展现出更高的叶片衰老的速率。在HD的条件下，Stg1产生了如RTx7000的2倍以上的GLAM(2106对比859cm2/m2)，并且在LD的条件下，产生了如RTx7000的19％以上的GLAM(2145对比1725cm2/m2)，同样参见图50。
实施例21
增加的倒伏性状是灌浆过程中更高的植物水状态的结果(由于水利用增加)
成熟时更高的茎质量是倒伏抗性的因素。在2种农作物密度下，在水有限的条件下生长的一组Stg NIL中，灌浆中期的RWC(FL-2)与成熟时的茎质量呈高度的负相关(图51)。在HD和LD的条件下，将Stg1基因渗入到RTx7000中会增加灌浆中期的RWC(FL-2)和成熟时的茎质量，并且在HD的条件下具有更大的影响。相对于RTx7000，在LD的条件下Stg1会将成熟时的茎质量增加9％(224对比203g/m2)，而在HD的条件下Stg1会将成熟时的茎质量增加29％(286对比204g/m2)。因此，就倒伏抗性而言，Stg1的益处随着水份亏缺的水平而增加。
开花后的生物质主要包括：a)开花后的茎质量(PASM)，其为茎储备物动员情况的量度及倒伏抗性的因素；和b)谷物产率。谷物种植者必须使谷物产率和倒伏抗性最大化，即，他们不想在损失某种事物的情况下获得另一种事物。在HD和LD的条件下，开花后的茎质量与PAB呈高度的线性相关(图52)。尽管在轻微干旱(LD)的条件下Stg1对PASM具有较小的影响，但是在更严重的干旱(HD)的条件下，在灌浆过程中由茎转移的干质量的量在Stg1中比RTx7000中低很多(85与139g/m2)。这使得Stg1中成熟时的茎质量比RTx7000中更大(286与204g/m2)，这进而应该具有增强的倒伏抗性。
尽管在HD和LD的条件下PASM与PAB之间的相关性高(图51)，但是在2种密度下谷物产率与PAB之间的相关性低(图52)。在HD和LD的条件下，将Stg1基因渗入到RTx7000中增加谷物产率，但是PAB仅在HD的条件下较高。注意在HD的条件下Stg1中的谷物产率比RTx7000中的谷物产率更高(290对比184g/m2)，并且Stg1中茎的储备物比RTx7000中茎的储备物明显低(85对比139g/m2)，表明灌浆过程中需要的碳在Stg1中很大程度上通过普遍的光合同化作用满足，而在RTx7000中很大程度上通过茎的储备物满足。
PASM与谷物产率之间的潜在的权衡在图53中突出显示。在HD的条件下，Stg1达到了任何基因渗入的最高谷物产率(290g/m2)，同时将茎的损失保持至85g/m2。相对于RTx7000，Stg1优化了PASM与谷物产率之间的权衡。Stg24所利用的茎的储备物的进一步减少(38g/m2)使得谷物产率更低(263g/m2)。此外，在LD的条件下，Stg1在稍少地利用茎的储备物的同时(46与50g/m2)，还会取得比RTx7000更高的谷物产率(282对比214g/m2)。因此，在2种密度下，Stg1获得了比RTx7000更高的谷物产率和倒伏性状。
在HD和LD的条件下，对于各种Stg基因渗入而言，PASM与成熟时的茎质量之间的关联相对平坦，但是在2种情况下RTx7000均降低至回归线以下。就给定的茎储备物的利用水平(例如在HD的条件下为～140g/m2，而在LD的条件下为50g/m2)而言，将Stg区域基因渗入到RTx7000中会显著地增加成熟时的茎质量，表明除了所利用的茎储备物的量以外，一些其他的因素(例如茎的强度)也是重要的。
在HD和LD的条件下，开花后的茎质量(PASM)与PAB高度线性相关(图54)。HD与LD的相关性几乎是平行的，但是抵消了大约50g/m2，即，对于给定的PAB水平，就是说300g/m2，PASM在HD下比LD低～50g/m2(-100对比-50g/m2)。这反映了在HD处理中更高水平的应激。在HD的条件下，与RTx7000中几乎140g/m2相比，Stg1和Stg1a利用～80g/m2茎的储备物，但是对于相当的茎储备物的利用而言，Stg1产生了比Stg1a多～28％的PAB。在LD的条件下，Stg1a及Stg1(程度较轻)相对于RTx7000均升高PAB。但是，尽管Stg1a比RTx7000少利用了～60g/m2茎的储备物，但是Stg1比RTx7000多利用了～20g/m2茎的储备物。
在HD和LD的条件下，谷物产率与PAB呈正相关。在HD的条件下，Stg1比RTx7000产量超过24％，但是在谷物产率中，Stg1a与RTx7000相当。在LD的条件下，Stg1和Stg1a的产量分别超过RTx7000为42％和20％。
在该试验中，在PASM与谷物产率之间未进行权衡，这是因为对于2种农作物密度而言，这些参数之间的相关性呈正相关且线性的(图55)。在HD的条件下，在所有的Stg基因渗入中，Stg1展现出最高的茎质量和谷物产率，从而突出了谷物产率和倒伏抗性并非是相互排斥的。
PASM与成熟时的茎质量之间的相关性在HD的条件下呈正相关，在LD的条件下呈负相关。在HD的条件下，PASM和成熟时的茎质量在Stg1中均明显高于在RTx7000中的PASM和成熟时的茎质量。在LD的条件下，成熟时的茎质量在Stg1中高于在RTx7000中(314与271g/m2)，但是Stg1比RTx7000利用了更多的茎的储备物(87与66g/m2)。总之，相对于RTx7000，Stg1将成熟时的茎质量增加22％(HD)和16％(LD)。此外，在2种农作物密度下，Stg1a比RTx7000利用了明显更少的茎的储备物。
在HD和LD的条件下，开花后的茎质量(PASM)与PAB呈高度的线性相关(图56)。在开花后的茎储备物的利用中的遗传改变，在LD的条件下范围为～30-110g/m2，在HD的条件下范围为～100-160g/m2，反应了在HD处理中更高水平的应激。在HD的条件下，Stg1亲本(6078-1)和2种Stg1重组子(10604-5和10709-5)比RTx7000利用了明显更少的茎的储备物(～100对比160g/m2)，而且比RTx7000产生了更多的PAB(～170与130g/m2)。在LD的条件下，仅一种Stg1重组子(10568-2)比RTx7000利用了明显更少的茎的储备物(～30对比60g/m2)，并且比RTx7000产生了更多的PAB(～310对比230g/m2)。
在LD的条件下谷物产率与PAB呈正相关，而在HD的条件下呈负相关，但是总体而言(HD与LD相结合)，关系呈正相关，并且RTx7000(HD)作为离群值。
在该试验中，PASM与谷物产率之间未进行权衡，这是因为对于2种农作物密度而言，这些参数之间的相关性呈正相关且线性的。在HD的条件下，Stg1亲本(6078-1)展现出比其他Stg1基因渗入更高的茎质量和谷物产率。HD的条件下，RTx7000是不恰当的，展现出较低的茎质量和较高的谷物产率。在LD的条件下，10709-5和10568-2比RTx7000展现出高的茎质量和谷物产率。
在2种密度下，PASM与成熟时的茎质量之间的相关性呈正相关。在HD的条件下，PASM与成熟时的茎质量在6078-1和10709-5中均比在RTx7000中明显更高。在LD的条件下，仅1种Stg1重组子(10568-2)的PASM和成熟时的茎质量超过了RTx7000。
实施例22
更高的谷物产率是灌浆过程中更高的植物水利用状态的结果
将Stg1基因渗入到RTx7000背景中增加灌浆中期植物的水状态，表现为a)在LD和HD的条件下FL-2中更高的相对水含量(RWC)及LD和HD的条件下FL-2中更低的叶水势(LWP)来表明。总之，在该试验中，植物在LD的条件下比在HD的条件下是更加应激的，这可通过LD的条件下更低的RWC来证明。但是，在HD的条件下，Stg1对植物水状态的有益影响是更显著的，其中RWC在Stg1比在RTx7000中高出26％。
在HD和LD的条件下，FL-2中，在灌浆中期的RWC与谷物产率呈正相关。在更高水平的植物水应激的条件(RWC<73)下，对于给定的RWC水平而言，谷物产率在LD的条件下比在HD的条件下更高。在2种农作物密度下，RWC和谷物产率在Stg1中比RTx7000更高。例如，在HD的条件下的Stg1中，相对于RTx7000而言，RWC增加26％与谷物产率增加58％有关。
在HD和LD的条件下，在灌浆中期，FL-2的叶水势(LWP)与谷物产率呈负相关(图57)。在2种密度下，Stg1展现出比RTx7000更低的LWP(更低的应激)和更高的谷物产率。这些数据，与RWC数据一起为灌浆过程中更高的植物水状态与增加的谷物产率(由于Stg1区域)之间的关联提供了强有力的证据。
实施例23
更高的谷物产率和更大的谷物尺寸是灌浆过程中增加的水的可利用性的结果
对于Stg1功能的假说重要的是开花前与开花后的水利用之间的关联、以及随后的开花后的水利用与谷物产率之间的关联。Stg1基因在田地水平下几乎无价值，在灌浆过程中增加的水的可利用性与谷物产率(或谷物尺寸)之间无关联。
首先，重要的是在开花前:开花后的生物质比(PPBR)与灌浆过程中农作物水利用(CWU)之间建立关联。灌浆过程中CWU保持低(LD和HD的基准分别为～85和95mm)，直到开花前:开花后的生物质比在LD和HD的条件下分别降低至～3和2.5以下(图58)。在该临界值以下，在该比例呈增量式降低的各种情况下，灌浆过程中的CWU显著升高。在2种密度下，相对于RTx7000，Stg1基因渗入会显著降低PPBR，从而显著升高CWU。
其次，重要的是显示灌浆过程中的CWU与谷物产率之间的关联。一般而言，在ROS试验中，这些参数呈正相关，脱离了LD的条件下的2个明显的离群值(Stg2和Stg3)(图59)。将Stg1基因渗入到RTx7000中增加灌浆过程中的CWU及2种农作物密度下的谷物产率。
最后，在水有限的条件下，PPBR与谷物产率之间的关联完成了图画(图59)。谷物产率保持低(基准为～410g/m2)，直到开花前:开花后的生物质比降低至～2.7以下(图59)。在该临界值以下，在该比例呈增量式降低的各种情况下，谷物产率显著升高。在2种密度下，相对于RTx7000，Stg1基因渗入会显著降低PPBR，从而显著升高谷物产率。这些数据为Stg1基因作用(开花时减小的冠层尺寸)与终末干旱条件下的谷物产率之间提供重要的关联。
在HD和LD处理下，灌浆过程中的CWU与谷物尺寸呈正相关(图60)。在HD而非LD的条件下，将Stg1基因渗入到RTx7000中显著地减小谷物尺寸。
在水有限的条件下PPBR与谷物尺寸之间的关系突显了开花前水保留情况作为谷物尺寸的决定因素的重要性(图61)。谷物尺寸保持低(HD和LD的基准分别为～17和17.5mg)，直到开花前:开花后的生物质比降低至～2.7以下(图61)。在该临界值以下，在该比例呈增量式降低的各种情况下，谷物尺寸显著升高。在HD而非LD的条件下，Stg1基因渗入相对于RTx7000而言，显著地降低PPBR，从而显著地增大谷物尺寸。这些数据为Stg1基因作用(开花时减小的冠层尺寸)与终末干旱条件下谷物尺寸之间提供重要的关联。
灌浆过程中CWU保持低(HD的基准为～58mm)，直到开花前:开花后的生物质比降低至～3.5以下(图62)。注意在HD的条件下，在任何基因型中，PPBR不降低至临界阈值以下，因此在该处理中，在所有的基因型中，灌浆过程中CWU保持相对低。然而，在LD处理中，当基因型降低至所述的临界值以下时，在该比例呈增量式降低的各种情况下，灌浆过程中CWU显著升高。相对于RTx7000而言，仅1种Stg1重组子(10709-5)会增加灌浆过程中的CWU。
一般而言，在LD的条件下，使用由HD和LD处理得到的结合数据组，灌浆过程中的CWU和谷物产率与使用了更多的水和产生更多的谷物的基因型呈正相关(图63)。但是，这些参数之间的关系并非是强有力的。在HD和LD处理中，特定的Stg1重组子的产量均未一贯地超过RTx7000。
实施例24
QTL与PIN基因分析
QTL分析
由7个研究得到持绿QTL数据(Crasta et al.(1999)Molecular andGeneral Genetics 262:579-588；Hausmann et al.(2002)theroretical andApplied Genetics 106:133-142；Kebede et al.(2001)Theoretical andApplied Genetics 103:266-276；Srininvas et al.(2009)Theor Appl Genet118:703-717；Subudhi et al.(2000)Theor App Genet 101:733-741；Tao etal.(2000)Theor Appl Genet 100:1225-1232；Xu et al.(2000)Genome43:461-469)。通过7个研究，识别出47个单个的QTL，并投影至高粱一致性图谱中(Mace et al.(2009)BMC Plant Biol.9:13)。就相同的性状而言，在所估计的QTL的置信区间(CI)有所重叠的情况下，这些QTL被分组到元QTL中。按照这种方式，持绿的9种元QTL被识别。如果CI无一般意义上的区域并且平均QTL位置彼此小于或等于15cM，则这些相同性状的QTL则被分类为分离的QTL。
对DEEDI高粱pyt雄性性状的、一组超过500个的输入值进行Statistical Machine Learning(SML)QTL分析(Bedo et al.(2008)BMCGenetics 9:35)。所识别的可能性<0.05的23个QTL也被绘制于一致性图谱中。
PIN基因分析
通过NCBI(www.ncbi.org)搜索稻和拟南芥中的所有可得的PIN基因。总体而言，识别出9种稻PIN基因(OsPIN1、OsPIN1b、OsPIN1c、OsPIN2、OsPIN3a、OsPIN3b、OsPIN4、OsPIN5、OsPIN6)和3种拟南芥PIN基因(AtPIN1、AtPIN2、AtPIN4)的序列。将所有基因(蛋白质序列)对高粱WGS进行BLAST序列比对(www.gramene.org)，并识别顶部100个hit(组氨酸三联体)。针对1200个hit的每一个，均收集得分(S值：查询序列与所示的序列的相似性的量度)、E值(由于偶然在形成的另一个比对的可能性，其中相似性高于给定的S得分)、％ID和同源序列的长度。分析4次量度之间的关系，并选择S得分作为获得序列相似性的可能性的主要量度。根据S得分值的分布的分析，识别3个S得分的分类(>1000；>499且<1000；<499)，并产生了得分>499的11个高粱基因(即，在最初的2类中)的列表。参见表13。
表13
高粱基因ID 目标基因 JGI注释
Sb02g029210 OsPIN6 "Os09g0505400蛋白质的类似物"
Sb03g029320 OsPIN3a "可能的植物生长素输出载体成分3a类似物"
Sb03g032850 OsPIN1 "推定的未表征的蛋白质的类似物"
Sb03g037350 OsPIN5 "可能的植物生长素输出载体成分5类似物"
Sb03g043960 OsPIN6 "可能的植物生长素输出载体成分6类似物"
Sb04g028170 OsPIN1 "植物生长素输出载体成分1类似物"
Sb05g002150 OsPIN1b "可能的植物生长素输出载体成分1b类似物"
Sb07g026370 OsPIN4 "可能的植物生长素输出载体成分4类似物"
Sb10g004430 OsPIN1 "推定的植物生长素输出载体成分3b类似物"
Sb10g008290 OsPIN1c "可能的植物生长素输出载体成分1c类似物"
Sb10g026300 OsPIN2 "可能的植物生长素输出载体成分2类似物"
比较
在所识别的11种PIN直系同源物中，将其中的10种(90.9％)针对持绿与已知的QTL比对。11种高粱PIN基因(SBI-03上的Sb03g043960，图65和66中用灰色的星号标记)中的仅仅1种未与任何所报告的QTL比对。在所绘制的79种QTL中(23种为SML-QTL，56种得自文献/meta-QTL)，将30种(38％)与PIN直系同源物比对。
实施例25
PIN2、PIN3、PIN4和PIN5的分析
使持绿来源BTx642(B35)和近等位基因品系(NIL)(包括Stg1、Stg2、Stg4QTL)以及对比作用的衰老系Tx7000在温室的根管中生长。
试验目的是测量基因的表达水平以及在将干旱应激施加给植物后，查看与衰老植物相比，在持绿中是否具有任何表达差异，其中所述的基因在良好供水的条件下，在本发明中被识别为持绿基因候选物。
将试验分为2部分：早期干旱应激(Exp1)和晚期干旱应激(Exp2)。
由早期干旱应激试验得到的结果示于表14中。
表14
基因 基因ID 稻同源物 Stg QTL 注释
SbPIN2 Sb03g029320 OsPIN3a Stg2 Stg2候选物
SbPIN3 Sb03g032850 OsPIN1 Stg1 上方Stg1 QTL
SbPIN4 Sb03g037350 OsPIN5 Stg1 Stg1候选物
SbPIN5 Sb03g043960 OsPIN6 Stg1 下方Stg1 QTL
在这些PIN基因的表达中，主要差异概况如下(表15和图67A至D中)。
表15
分别针对SbPIN4和SbPIN2、Stg1和Stg2识别显露模式。
在2种情况下，与衰老系相比，所述的这些基因的表达在持绿品系中对水份亏缺的应答更高。
这2种PIN基因显示出组织特异性的差异。SbPIN4通常(跨越所有的条件)在根和茎中更高度的表达、在叶中低表达，而SbPIN2通常显示为在叶中更高表达、在根中更低表达。
实施例26
StgX基因座的确定
表1B和1C提供了基因座的实例，其中所述的基因座位于，Stg1：txp563与txp581之间的包含60个注释基因的精细绘图的区域，txp440与txp580之间的包含307个注释基因的较大的中部区域，txp580与txp38之间的包含178个注释基因的候选物；Stg2：txp512与txp2之间的包含15个注释基因的精细绘图的区域，txp31与txp530之间的包含241个注释基因的较大的区域；Stg3a：txp298与sPb-2568之间的包含520个注释基因的完整区域；Stg3b：sPb-2568与txp179之间的包含291个注释基因的完整区域；Stg4：txp283与txp15之间的包含306个注释基因的完整区域。这些不同的基因座适应于各种生物化学和生理学通路的方式示于图68中。
在一个实施方案中，所述的基因座为选自PIN5、GID1L2、P45098A1、吲哚-3-乙酸酯和油菜素类固醇不敏感物的Stg1中。
在一个实施方案中，所述的基因座在Stg2中，并且为植物生长素输出载体成分3a(PIN3a)。
在一个实施方案中，所述的基因座为选自叶片衰老类蛋白质(Sb02g023510)、叶片衰老类蛋白质(Sb02g023520)、RAMOSA1C2H2锌指转录因子(Sb02g024410)、推定的不依赖植物生长素的生长促进因子(Sb02g024540)、脱水应答类蛋白质的类似物(Sb02g024670)、葡萄糖转运蛋白的类似物(Sb02g024690)、WRKY转录因子76(Sb02g024760)、谷氨酰胺合成酶样蛋白质(Sb02g025100)、衰老相关蛋白质DH(Sb02g025180)、推定的丙氨酸转氨酶(Sb02g025480)、植物生长素诱导的类蛋白质(Sb02g025610)、植物生长素诱导的类蛋白质(Sb02g025620)、推定的远红光损害应答的蛋白质(Sb02g025670)、细胞色素P450单加氧酶的类似物CYP92A1(Sb02g025820)、不依赖植物生长素的生长促进因子(Sb02g025960)、天门冬氨酸氨基转移酶(Sb02g026430)、脱落酸8'-羟化酶3的类似物(Sb02g026600)、乙烯结合类蛋白质的类似物(Sb02g026630)以及推定的植物生长素诱导的蛋白质家族(Sb02g027150)的Stg3a中。
在一个实施方案中，所述的基因座为选自推定的不依赖植物生长素的生长促进因子(Sb02g027470)、squamosa启动子结合类蛋白质17(Sb02g028420)、Os09g0505400(OsPIN9)蛋白质的类似物(Sb02g029210)、squamosa启动子结合类蛋白质17(Sb02g029300)、植物生长素诱导的类蛋白质的类似物(Sb02g029630)的Stg3b中。
在一个实施方案中，所述的基因座为选自油菜素类固醇LRR受体(Sb05g006842)、油菜素类固醇LRR受体(Sb05g006860)、推定的远红光损害应答的蛋白质(Sb05g007130)、细胞色素P450 84A1(Sb05g007210)、赤霉素受体GID1L2(Sb05g007270)、赤霉素受体GID1L2(Sb05g007290)、蔗糖磷酸合成酶(Sb05g007310)、水通道蛋白SIP1-1(Sb05g007520)、赤霉素20氧化酶2(Sb05g008460)、对OsIAA29-植物生长素产生应答的(Sb05g008510)、对OsIAA29-植物生长素产生应答的(Sb05g008512)、蛋白质赤霉素受体GID1L2(Sb05g008610)、转氨酶的类似物、推定的(Sb05g009410)、吲哚-3-乙酸-氨基(Sb05g010310)、吲哚-3-乙酸-氨基(Sb05g010320)、吲哚-3-乙酸-氨基(Sb05g010326)、细胞色素P45086A2(Sb05g010360)、细胞色素P450 51、推定的(Sb05g011296)、细胞色素P450 51、推定的(Sb05g011430)、三酰甘油脂肪酶、叶片衰老、茉莉酸生物合成工艺_GO(Sb05g013160)、类生长调节剂(Sb05g015590)、细胞色素P450 78A4(Sb05g016750)、ABC转运家族蛋白质的类似物、表达的(Sb05g017120)和squamosa启动子结合类蛋白质19(Sb05g017510)的Stg4中。
本领域的那些技术人员将理解的是，除了具体描述的那些以外，本发明所述的这些方面可以被改变和修改。应该理解的是这些方面包括所有此类的改变和修改。本发明所述的方面还包括本说明书中单独或共同参照或指示的所有的步骤、特征、组合物和化合物，以及步骤或特征的任何两种或多种的任何及所有的组合。
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Claims (41)

1.一种用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括调控已有的或引入的StgX基因座在植物的所有或所选组织中的表达水平，所述的StgX对应于高粱植物中染色体上的位置或其在另一种植物中的等价物，该StgX编码产物，该产物的水平与持绿表型有关或者有利于持绿表型，所述的持绿表型包括将水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下增加收获指数和谷物产率，并且其中StgX通过精细结构图谱所鉴定。
2.权利要求1所述的方法，其中所述的StgX为高粱的Stg1：txp563与txp581之间的包含60个注释基因的精细绘图的区域，txp440与txp580之间的包含307个注释基因的较大的中部区域，txp580与txp38之间的包含178个注释基因的尾部候选物；或者其在另一种植物中的等价物。
3.权利要求1所述的方法，其中所述的StgX为高粱的Stg2：txp512与txp2之间的包含15个注释基因的精细绘图的区域，txp31与txp530之间的包含241个注释基因的较大的区域；或者其在另一种植物中的等价物。
4.权利要求1所述的方法，其中所述的StgX为高粱的Stg3a：txp298与sPb-2568之间的包含520个注释基因的完整区域；或者其在另一种植物中的等价物。
5.权利要求1所述的方法，其中所述的StgX为高粱的Stg3b：sPb-2568与txp179之间的包含291个注释基因的完整区域；或者其在另一种植物中的等价物。
6.权利要求1所述的方法，其中所述的StgX为高粱的Stg4：txp283与txp15之间的包含306个注释基因的完整区域；或者其在另一种植物中的等价物。
7.权利要求1所述的方法，其中所述的StgX为高粱Stg1、Stg2、Stg3(包括Stg3a和Stg3b)或Stg4的非高粱同源物或直系同源物。
8.权利要求1至7的任意一项所述的方法，其中所述的StgX编码选自表1B中所提供的列举物中的蛋白质。
9.权利要求8所述的方法，其中所述的StgX编码Stg1蛋白质或其在另一种植物中的等价蛋白质。
10.权利要求8所述的方法，其中所述的StgX编码Stg2蛋白质或其在另一种植物中的等价蛋白质。
11.权利要求8所述的方法，其中所述的StgX编码Stg3a蛋白质或其在另一种植物中的等价蛋白质。
12.权利要求8所述的方法，其中所述的StgX编码Stg3b蛋白质或其在另一种植物中的等价蛋白质。
13.权利要求8所述的方法，其中所述的StgX编码Stg4蛋白质或其在另一种植物中的等价蛋白质。
14.权利要求1所述的方法，其中所述的StgX被引入，或者其表达由传统的育种所调控。
15.权利要求1所述的方法，其中所述的StgX被引入，或者其表达由基因改造手段或诱变所调控。
16.权利要求1所述的方法，其中所述的基因修饰的植物为高粱植物。
17.权利要求1所述的方法，其中所述的基因修饰的植物选自小麦、燕麦、玉米、大麦、黑麦和稻。
18.权利要求1所述的方法，其中所述的基因修饰的植物选自麻蕉、苜蓿、杏、苹果、芦笋、香蕉、菜豆、黑莓、蚕豆、卡诺拉油菜、腰果、木薯、鹰嘴豆、柑橘、椰子、咖啡、谷物、棉、无花果、亚麻、葡萄、落花生、大麻、洋麻、薰衣草、mano、蘑菇、橄榄、洋葱、豌豆、花生、梨、珍珠稷、马铃薯、苎麻、油菜籽、黑麦草、大豆、草莓、甜菜、甘蔗、向日葵、甘薯、芋头、茶、烟草、西红柿、黑小麦、松露和山药。
19.权利要求1所述的方法，其中所述的持绿表型进一步包括选自增强的冠层结构体系可塑性、减小的冠层尺寸、开花时增大的生物质/单位叶面积、更高的蒸发效率、灌浆过程中增强的水利用、减少的开花前和开花后的生物质生产、以及延迟衰老的表型。
20.权利要求1所述的方法，其中所述的持绿表型进一步包括更大的谷物尺寸。
21.通过权利要求1至20的任意一项所述的方法形成的植物。
22.权利要求21所述的植物的后代，其表现出持绿表型。
23.权利要求21所述的植物的种子、果实、或者其他生殖或繁殖部分，其表现出持绿表型。
24.一种用于形成基因修饰的植物的方法，其中所述的植物与相同物种的非基因修饰的植物相比，更有效地利用水，所述的方法包括将因子引入到植物或植物亲本中，其中所述的因子选自：(i)包含一个或多个基因座的遗传因子，所述基因座位于选自以下的区域：高粱的染色体3上的txp581和txp387之间的Stg1；染色体3上的txp530和txp31之间的Stg2；被分为Stg3a(txp298和sPb-2568之间的区域)和Stg3b(sPb-2568和txp179之间的区域)的Stg3；以及染色体5上的txp283和txp15之间的Stg4，或其在另一种植物中的等价物；其表达水平与持绿表型有关，或者有利于持绿表型，所述的表型包括将水的利用转向至开花后期、增加农作物生长过程中水的可获得性、或增加蒸发效率，由此在水有限的条件下得到增加的收获指数和谷物产率；(ii)Stg1：txp563与txp581之间的包含60个注释基因的精细绘图的区域，txp440与txp580之间的包含307个注释基因的较大的中部区域，txp580与txp38之间的包含178个注释基因的尾部候选物；(iii)Stg2：txp512与txp2之间的包含15个注释基因的精细绘图的区域，txp31与txp530之间的包含241个注释基因的较大的区域；(iv)Stg3a：txp298与sPb-2568之间的包含520个注释基因的完整区域；(v)Stg3b：sPb-2568与txp179之间的包含291个注释基因的完整区域；(vi)Stg4：txp283与txp15之间定义的包含306个注释基因的完整区域；以及(vii)上调或下调固有形式的基因座的因子。
25.权利要求24所述的方法，其中所述的基因座编码表1B中所列的蛋白质。
26.权利要求24所述的方法，其中所述的基因座编码Stg1蛋白质或其在另一种植物中的等价物。
27.权利要求24所述的方法，其中所述的基因座编码Stg2蛋白质或其在另一种植物中的等价物。
28.权利要求24所述的方法，其中所述的基因座编码Stg3a蛋白质或其在另一种植物中的等价物。
29.权利要求24所述的方法，其中所述的基因座编码Stg3b蛋白质或其在另一种植物中的等价物。
30.权利要求24所述的方法，其中所述的基因座编码Stg4蛋白质或其在另一种植物中的等价物。
31.经分离的遗传材料，其选择为编码或包含表1B中所列的Stg1、2、3a、3b或4基因座。
32.权利要求30所述的经分离的遗传材料，其中在所述的基因修饰的植物中使用的材料选自小麦、燕麦、玉米、大麦、黑麦和稻。
33.权利要求32所述的经分离的遗传材料，其中所述的基因修饰的植物选自麻蕉、苜蓿、杏、苹果、芦笋、香蕉、菜豆、黑莓、蚕豆、加拿大油菜、腰果、木薯、鹰嘴豆、柑橘、椰子、咖啡、谷物、棉、无花果、亚麻、葡萄、落花生、大麻、洋麻、薰衣草、mano、蘑菇、橄榄、洋葱、豌豆、花生、梨、珍珠稷、马铃薯、苎麻、油菜籽、黑麦草、大豆、草莓、甜菜、甘蔗、向日葵、甘薯、芋头、茶、烟草、西红柿、黑小麦、松露和山药。
34.一种在农作物产率方面具有改善的经济报酬的商业模式，该模式包括形成具有StgX基因座性状的农作物植物，从而得到植物对水的利用转向至开花后期、农作物生长过程中增加的水的可获得性或增加的蒸发效率的农作物植物，由此在水有限的条件下增加HI和谷物产率；由所述的所形成的农作物植物得到种子；并将所述的种子分配给谷物生产者以增加产率和收益。
35.一组用于形成表现出持绿表型的植物的标志物，该组标志物包括以下的一种或多种：(i)高粱的染色体3上的txp581至txp38或其在另一种植物中的等价物；(ii)高粱的染色体3上txp530至txp31或其在另一种植物中的等价物；(iii)高粱的染色体2上txp298至sPb-2568、以及sPb-2568至txp179或其在另一种植物中的等价物；和/或(iv)高粱的染色体5上的txp283至txp15或其在另一种植物中的等价物。
36.一组用于形成表现出持绿表型的植物的标志物，该组标志物包括高粱的以下的一种或多种：(i)Stg1：txp563与txp581之间的包含60个注释基因的精细绘图的区域，txp440与txp580之间的包含307个注释基因的较大的中部区域，txp580与txp38之间的包含178个注释基因的尾部候选物；(ii)Stg2：txp512与txp2之间的包含15个注释基因的精细绘图的区域，txp31与txp530之间的包含241个注释基因的较大的区域；(iii)Stg3a：txp298与sPb-2568之间的包含520个注释基因的完整区域；(iv)Stg3b：sPb-2568与txp179之间的包含291个注释基因的完整区域；(v)Stg4：txp283与txp15之间定义的包含306个注释基因的完整区域；或其在另一种植物中的等价物。
37.权利要求2所述的方法，其中Stg1中的基因座选自PIN5、GID1L2、P45098A1、吲哚-3-乙酸酯和油菜素类固醇不敏感物。
38.权利要求3所述的方法，其中Stg2中的基因座为植物生长素输出载体成分3a(PIN3a)。
39.权利要求4所述的方法，其中Stg3a中的基因座选自叶片衰老类蛋白质(Sb02g023510)、叶片衰老类蛋白质(Sb02g023520)、RAMOSA1C2H2锌指转录因子(Sb02g024410)、推定的不依赖植物生长素的生长促进因子(Sb02g024540)、脱水应答类蛋白质的类似物(Sb02g024670)、葡萄糖转运蛋白的类似物(Sb02g024690)、WRKY转录因子76(Sb02g024760)、谷氨酰胺合成酶样蛋白质(Sb02g025100)、衰老相关蛋白质DH(Sb02g025180)、推定的丙氨酸转氨酶(Sb02g025480)、植物生长素诱导的类蛋白质(Sb02g025610)、植物生长素诱导的类蛋白质(Sb02g025620)、推定的远红光损害应答的蛋白质(Sb02g025670)、细胞色素P450单加氧酶的类似物CYP92A1(Sb02g025820)、不依赖植物生长素的生长促进因子(Sb02g025960)、天门冬氨酸氨基转移酶(Sb02g026430)、脱落酸8'-羟化酶3的类似物(Sb02g026600)、乙烯结合类蛋白质的类似物(Sb02g026630)以及推定的植物生长素诱导的蛋白质家族(Sb02g027150)。
40.权利要求5所述的方法，其中Stg3b中的基因座选自推定的不依赖植物生长素的生长促进因子(Sb02g027470)、squamosa启动子结合类蛋白质17(Sb02g028420)、Os09g0505400(OsPIN9)蛋白质的类似物(Sb02g029210)、squamosa启动子结合类蛋白质17(Sb02g029300)、植物生长素诱导的类蛋白质的类似物(Sb02g029630)。
41.权利要求6所述的方法，其中Stg4中的基因座选自油菜素类固醇LRR受体(Sb05g006842)、油菜素类固醇LRR受体(Sb05g006860)、推定的远红光损害应答的蛋白质(Sb05g007130)、细胞色素P45084A1(Sb05g007210)、赤霉素受体GID1L2(Sb05g007270)、赤霉素受体GID1L2(Sb05g007290)、蔗糖磷酸合成酶(Sb05g007310)、水通道蛋白SIP1-1(Sb05g007520)、赤霉素20氧化酶2(Sb05g008460)、对OsIAA29-植物生长素产生应答的(Sb05g008510)、对OsIAA29-植物生长素产生应答的(Sb05g008512)、蛋白质赤霉素受体GID1L2(Sb05g008610)、转氨酶的类似物、推定的(Sb05g009410)、吲哚-3-乙酸-氨基(Sb05g010310)、吲哚-3-乙酸-氨基(Sb05g010320)、吲哚-3-乙酸-氨基(Sb05g010326)、细胞色素P45086A2(Sb05g010360)、细胞色素P45051、推定的(Sb05g011296)、细胞色素P45051、推定的(Sb05g011430)、三酰甘油脂肪酶、叶片衰老、茉莉酸生物合成工艺_GO(Sb05g013160)、类生长调节剂(Sb05g015590)、细胞色素P45078A4(Sb05g016750)、ABC转运家族蛋白质的类似物、表达的(Sb05g017120)和squamosa启动子结合类蛋白质19(Sb05g017510)。
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