JP2001505410A - トウモロコシの種子重量を増加させるための材料および方法 - Google Patents

トウモロコシの種子重量を増加させるための材料および方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、トウモロコシの遺伝子Shrunken2(Sh2)の新規の変異遺伝子と、該遺伝子の使用方法に関する。変異遺伝子Sh2-mIRev6は、タンパク質のアロステリック結合部位の中またはその近位に付加的なアミノ酸が挿入された、ADPグルコースピロホスホリラーゼ(AGP)酵素のサブユニットをコードしている。Sh2-mIRev6遺伝子を発現しているトウモロコシの種子は、野生型の種子に対して、約15%重量が増加する。種子重量の増加は、単に、種子のデンプン含有量の割合の増加に伴うものではない。

Description

【発明の詳細な説明】 トウモロコシの種子重量を増加させるための材料および方法 本発明は、国立科学財団の助成金番号第93052818号の支援の下に行われたもの である。政府は、本発明について、一定の権利を有する。 関連出願の相互参照 本出願は、1994年9月1日に提出された、同時係属中の特許出願第08/299,675号 の一部継続出願である。 発明の背景 ADPグルコースピロホスホリラーゼ(AGP)は、ATPとα-グルコース-1-リン酸 が、ADP-グルコースとピロリン酸に変換されるのを触媒する。ADP-グルコースは 、植物によるデンプンの生合成と、バクテリアによるグリコーゲンの生合成にお いて、グリコシル基の供与体として用いられる。デンプンの生合成の調節におけ るキー酵素としてのADPグルコースピロホスホリラーゼの重要性が、トウモロコ シ(Zeamays)の胚乳のデンプン欠失変異体の研究で明らかになった(サイ(Tsa i)とネルソン(Nelson)、1966;ディキンソン(Dickinson)とプレイス(Prei ss)、1969)。AGP酵素は、バクテリアからも、植物からも単離されている。バ クテリアのAGPは、ホモテトラマーでできているが、光合成組織と非光合成組織 からの植物のAGPは、2種類の異なるサブユニットからできたヘテロテトラマー である。この植物酵素は、2つの別々の遺伝子によってコードされており、一つ のサブユニットが、もう一つのサブユニットよりも大きい。多くの植物において 、この特徴が顕著である。ホウレンソウの葉の中のAGPのサブユニットは、SDS-P AGEによって推定すると、54kDaと51kDaの分子量をもっている。どちらのサブユ ニットも、ホウレンソウの葉から精製したAGPに対して作製した抗体と免疫反応 する(コープランド(Copeland)とプレイス(Preiss)、1981;モレル(Morell )ら、1987)。ホウレンソウの葉の大小のサブユニットに対して調製した抗血清 を用いた免疫学的解析によって、ジャガイモの塊茎のAGPも、2つの遺伝子によ ってコードされていることが明らかになった(オキタ(Okita)ら、1990)。ジ ャガイモの塊茎の2つのサブユニット(50kDaと51kDa)のcDNAクローンも、単離 されて、配列決定されている(ミュラーローバー(Muller-Rober)ら、1990;ナ カタ(Nakata)ら 、1991)。 ハンナ(Hannah)とネルソン(Nelson)(ハンナ(Hannah)とネルソン(Nels on)、1975、および1976)は、Shrunken-2(Sh2)(ブヘイブ(Bhave)ら、1990 )も、Brittle-2(Bt2)(バエ(Bae)ら、1990)も、トウモロコシの胚乳のADP グルコースピロホスホリラーゼの構造遺伝子であると推定した。Sh2とBt2は、そ れぞれ、この酵素の大サブユニットと小サブユニットをコードしている。cDNAの 配列決定から、Sh2とBt2のタンパク質の分子量は、それぞれ、57,179Da(ショー (Shaw)とハンナ(Hannah)、1992)と52,224Daと推定されている。胚乳は、ト ウモロコシの穀粒が成長している間、ほとんどのデンプンが蓄積される部位であ る。トウモロコシの胚乳のsh2とbt2の変異体は、AGP活性の欠損レベルに応じて 、デンプンのレベルを大きく低下させる。どちらかの遺伝子に突然変異が起きる と、AGP活性が、約95%まで下がることが明らかになっている(サイ(Tsai)とネ ルソン(Nelson)、1966;ディキンソン(Dickinson)とプレイス(Preiss)、1 969)。さらに、野生型Sh2とBt2の機能的な対立遺伝子の量に応じて、酵素活性 が上昇することが観察されているが、一方で、変異酵素では、動力学的性質が変 化していた。AGPは、植物における、デンプンの生合成の律速段階である。スタ ーク(Stark)らが、大腸菌(E.coli)のAGPの変異型をジャガイモの塊茎の中 に入れたところ、デンプン含量を35%増加させることができた(スターク(Star k)、1992)。 AGP酵素のサブユニットをコードする遺伝子のクローニングとキャラクタリゼ ーションが、さまざまな植物で報告されている。それらには、トウモロコシから のSh2 cDNA(ブヘイブ(Bhave)ら、1990)、Sh2ゲノムDNA(ショー(Shaw)と ハンナ(Hannah)、1992)、およびBt2 cDNA(バエ(Bae)ら、1990);イネか らの小サブユニットのcDNA(アンダーソン(Anderson)ら、1989)およびゲノム DNA(アンダーソン(Anderson)ら、1991);ならびにホウレンソウの葉(モレ ル(More11)ら、1987)とジャガイモの塊茎(ミュラー-ローバー(Muller-Robe r)ら、1990;ナカタ(Nakata)ら、1991)からの、小サブユニットと大サブユニ ットのcDNAが含まれる。さらに、コムギの胚乳と葉組織(オリーブ(Olive)ら 、1989)、およびシロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)の葉(リン(Lin) ら、1988)か ら、cDNAクローンが単離されている。 今までに調べられた組織および生物のすべてにおいて、AGPは、アロステリッ ク酵素として機能している。大腸菌ではじめて、AGPのアロステリック特性が重 要であることが示された。グリコーゲンを過剰発現する大腸菌の変異株が単離さ れて、その変異が、AGPの構造遺伝子にマップされ、glyCと名付けられた。glyC- 16として知られる、変異大腸菌は、アクチベーターのフルクトース1,6ビスホス フェートに対しては、感受性がより強く、インヒビターのcAMPに対しては、感受 性がより低いことが示された(プレイス(Preiss)、1969)。植物のAGPもアロ ステリックではあるが、バクテリアのAGPとは別のエフェクター分子に反応する 。植物においては、3-ホスホグリセリン酸(3-PGA)が、アクチベーターとして 機能し、一方、リン酸(PO4)が、インヒビターとして働く(ディキンソン(Dic kinson)とプレイス(Preiss)、1969)。 胚乳のデンプン含量が、種子の乾物重の約70%を占めるという事実から見ると 、デンプンの生合成における変化は、種子重量と相関する。残念なのは、この変 化に伴う望ましくない効果として、種子の相対的デンプン含量が増加するという ことである。したがって、種子のデンプンの相対的含量を増加させることなく、 植物の種子重量を増加させるための方法を開発することが、本発明の目的である 。 発明の簡単な概要 本発明は、トウモロコシのShrunken-2(Sh2)遺伝子の新規の変異体に関する。S h2の遺伝子は、穀物種子の主要な部分である胚乳におけるデンプンの生合成に関 係する重要な酵素である、ADP-グルコースピロホスホリラーゼ(AGP)をコード する。好ましい態様において、本発明の新規の遺伝子は、そのアミノ酸配列の中 に2個のさらに別のアミノ酸が挿入されているAGPの変異蛋白質をコードしている 。本明細書において説明されている変異遺伝子は、Sh2-mIRev6遺伝子と名付けら れている。驚くべきことに、穀草植物にSh2-mIRev6遺伝子が存在すると、野生型 の種子重量と較べて、穀物の種子の重量の実質的な増加がもたらされるが、穀粒 のデンプンの相対的含量を増加させることなく、このような結果がもたらされる 。 本発明は、さらに、種子重量を増加させるために、トウモロコシのsh2の変異 遺 伝子を用いる方法に関する。本発明は、また、sh2の変異遺伝子をもち、種子の 胚乳の中で該変異タンパク質を発現させる植物に関する。 本明細書で説明されているように、sh2の変異遺伝子Sh2-mIRev6は、インビボ で、部位特異的な突然変異誘発法を用いて製造することができる。転移因子を用 いて、この酵素をコードする遺伝子の配列に、一連の突然変異を作出した。その 結果、Sh2-mIRev6遺伝子は、このタンパク質のアロステリック結合部位の中、ま たは近傍に、付加的なアミノ酸対をコードしている。 配列の簡単な説明 配列番号:1は、Sh2-mIRev6遺伝子のゲノム塩基配列である。 配列番号:2は、Sh2-mIRev6のcDNAの塩基配列である。 配列番号:3は、配列番号:2の87番目から1640番目のヌクレオチドによってコ ードされているタンパク質のアミノ酸配列である。 配列番号:4は、配列番号:5に示されているアミノ酸配列をコードする塩基配 列である。 配列番号:5は、セリン1個の挿入を含む、ADP-グルコースピロホスホリラーゼ (AGP)酵素のサブユニットのアミノ酸配列である。 発明の詳細な説明 本発明は、Shrunken-2(Sh2)遺伝子の新規の変異遺伝子と、sh2変異遺伝子の発 現によって、植物の種子重量を増加させるための方法を提供する。Sh2遺伝子は 、トウモロコシの胚乳の酵素、ADP-グルコースピロホスホリラーゼ(AGP)のサ ブユニットをコードしている。本明細書でSh2-mIRev6と表示されている、変異遺 伝子の一つは、野生型タンパク質には見られない、チロシン:セリン、またはセ リン:チロシンという、付加的なアミノ酸対をコードする挿入突然変異を含んで いる。野生型DNAとタンパク質の配列が、ショー(Shaw)とハンナ(Hannah)、1 992で開示されている。チロシン:セリン、またはセリン:チロシンの挿入をも たらす、インビボでの部位特異的突然変異が、適当な条件の下で、Sh2遺伝子の 中に挿入したり、それから切り出したりすることのできる転移因子のdissociati on(Ds)を用いてSh2の中に作出された。Dsの切り出し部位で、遺伝子にヌクレ オチドが付加されることによって、この因子の切り出しは、遺伝子発現を変える ことができ る。 好ましい態様において、遺伝子からDsトランスポゾンを切り出した後、胚の復 帰変異体をスクリーニングすることにより、Sh2遺伝子の挿入突然変異体が得ら れた。Ds-Sh2変異対立遺伝子、この転移因子システムのActivator(Ac)因子、 および適当な外来マーカーを含む母本を自家受粉させて、復帰変異体を製造した 。Ds因子は、Ac因子が存在するときに、転移することができる。野生型の種子を 選抜して、植え、自家受粉させて、検定用の母本と交配させた。この検定交配の 結果を用いて、花粉の混入によって生じる野生型対立遺伝子を除去した。自殖後 代から、各復帰変異対立遺伝子についてホモ接合の種子が得られた。Dsに誘発さ れたsh2変異遺伝子の44個の胚復帰変異体を採集した。 Ds挿入部位のクローニングと配列決定によって、ヌクレオチドの挿入が、AGP のアクチベーターである3-PGAの結合部位をコードする遺伝子領域に存在するこ とが分かった(モレル(Morell)ら、1987)。得られた44個体の胚復帰変異体の うち、28個体の配列を決定した。配列を決定した復帰変異体は、5つのsh2と同 一座の対立遺伝子に分けられた。すなわち、13個体は、野生型配列に復帰してお り、11個体は、アミノ酸のチロシンの挿入が起きており、2個体はセリンの付加 (それぞれ、元のタンパク質の配列の494番目と495番目のアミノ酸残基の間に挿 入されていた)をもっており、1個体の復帰変異体が、チロシン:チロシンの2 アミノ酸の挿入をもっており、また、Sh2-mIRev6と名付けられた、最後の1個体 が、チロシン:セリンまたはセリン:チロシンという、2アミノ酸の挿入を含ん でいた。Sh2-mIRev6変異遺伝子は、本来のタンパク質の、それぞれ494番目と495 番目のアミノ酸残基であるグリシンとチロシンとの間に挿入された、セリン:チ ロシンのアミノ酸対をもつか、本来のタンパク質配列の495番目と496番目の位置 にある2つのチロシン残基の間に挿入された、セリン:チロシンのアミノ酸対を もつ、AGP酵素のサブユニットをコードしている。挿入領域にあるアミノ酸配列 のため、これらの挿入配列によってコードされているSh2-mIRev6変異アミノ酸の 配列は、互いに同一である。 驚いたことに、トウモロコシで、Sh2-mIRev6遺伝子を発現させると、野生型の Sh2対立遺伝子を発現させているトウモロコシから得られた種子重量よりも、有 意 に種子重量が増加する結果となった。さらに、Sh2-mIRev6遺伝子をもつ植物から の種子は、この他に作出された復帰変異体のいずれと比較しても、ほぼ同じ割合 のデンプン含量をもっていた。好ましい態様において、Sh2-mIRev6遺伝子は、植 物の種子のゲノムの中に、ホモ接合の形で含まれている。 本発明は、さらに、そのゲノムの中に、Sh2-mIRev6遺伝子が組み込まれている 植物に関する。本明細書において開示されている、この他の対立遺伝子も、植物 のゲノムの中に組み込むことができる。好ましい態様において、この植物は、単 子葉類の植物種である。より好ましくは、植物は、トウモロコシ(Zea mays)で ある。Sh2-mIRev6遺伝子をもつ植物を、そのゲノムの中に、この遺伝子をもつ種 子から成長させることができる。さらに、遺伝子によって植物を形質転換させる ための技術は、当技術分野において公知である。 遺伝子暗号に縮退があるため、さまざまな異なったポリヌクレオチド配列が、 本明細書で開示されている変異AGPのポリペプチドをコードすることができる。 それに加えて、本発明のポリペプチドと同じか、または本質的に同じポリペプチ ドをコードする、別のポリヌクレオチド配列を作出することは、当技術分野にお ける訓練を受けた当業者の技術の範囲に充分に含まれる。これらの変異体、また はそれに代わるポリヌクレオチドの配列は、本発明の範囲内に含まれる。本明細 書で用いられるとき、「本質的に同じ」配列というのは、Sh2-mIRev6、またはそ の他の対立遺伝子によってコードされているポリペプチドの機能的な活性を実質 的に変化させない、アミノ酸の置換、欠失、付加、または挿入をコードする配列 を意味する。本発明は、また、標準的な高ストリンジェンシー条件の下で、野生 型のSh2のDNA配列とのハイブリダイゼーションが可能になるよう、該野生型Sh2D NA配列に充分相同な配列をもつポリヌクレオチド分子をも企図している。そのよ うなハイブリダイゼーション条件は、当技術分野においては従来からある条件で ある(マニアティス(Maniatis)ら、1989を参照のこと)。 本発明のポリヌクレオチド分子を用いて、Sh2-mIRev6対立遺伝子、または本発 明の別の対立遺伝子を植物で発現させるために、植物を形質転換することができ る。さらに、本発明のポリヌクレオチドを用いて、組換えAGP変異酵素を発現さ せることができる。また、これらをプローブに用いて、関係する酵素を検出する こ とができる。このポリヌクレオチドは、DNAの分子量を測る標準として用いるこ ともできる。 本発明のポリヌクレオチドによってコードされているポリペプチドを用いて、 ATPとα-グルコース-1-リン酸からADP-グルコースとピロリン酸への変換を触媒 するか、または、AGP酵素およびその変異酵素に対する免疫原反応を生じさせる ことができる。また、分子量の標準として用いることや、あるアッセイにおける 不活性なタンパク質として用いることもできる。 以下は、処理手順と処理法を例示する実施例であり、本発明を実施するための 最良の形態を含んでいる。これらの実施例を、制限的なものと解すべきではなく 、本技術に対する、あらゆる可能な改変を詳細に述べることを意図したものでも ない。特段の記載がない限り、割合はすべて重量によるものであり、溶液の混合 比率はすべて容量によるものである。実施例1−トウモロコシの胚乳における、Sh2-mIRev6遺伝子の発現 Dsトランスポゾンを切り出した後に得られた各復帰変異遺伝子のホモ接合植物 を、F1雑種トウモロコシの「フロリダステイスウィート(Florida Stay Sweet) 」と交配した。このスウィートコーンは、sh2-Rと名付けられた、Sh2遺伝子のヌ ル対立遺伝子をもっている。その結果できた胚乳は、復帰変異体からの機能的な 対立遺伝子を一つもち、雌由来のヌル対立遺伝子を2つもっていて、次の遺伝子 型、Sh2-mIRevX/sh2-R/sh2-Rで表示された。ここで、Xは、復帰変異体の、さま ざまな同一の対立遺伝子を表している。2回の生育期間にわたって交配を行なっ た。 各復帰変異体と野生型の種子に関して、この結果できた種子の重量のデータを 表1に示す。1列目のカラムは、インビボの部位特異的な突然変異誘発の後に得 られたAGP酵素の中のアミノ酸挿入を示している。 表1に示されたデータは、2回の生育期間の過程にわたる、各復帰変異体の平均 の穀粒種子重量を示している。Rev6変異AGPサブユニットを産生させるために、S h2-mIRev6遺伝子を発現させると、野生型の復帰変異体と比較して、種子重量で 、ほぼ16%の増加が生じた。セリン1個の挿入をもつ復帰変異体も、野生型の種 子重量よりも高い平均種子重量を示した。 さらに、上記の解析を行なった穀粒について、さまざまな方法を用いて、デン プン含量を決定した。この解析によって、Sh2-mIRev6を含む穀粒は、上の表に示 された、別の対立遺伝子を発現させている穀粒と較べて、デンプンの割合は高く ないことが示された。したがって、種子重量の増加は、必ずしもデンプン含量に 相関したものではないと考えられる。 少なくとも一つの機能的なSh2-mIRev6対立遺伝子(チロシン、セリンの挿入) をもつトウモロコシの種子は、米国メリーランド州20852、ロックビル、パーク ローンドライブ12301(12301 Parklawn Drive,Rockville,Maryland 20852 USA )にある米国基準培養株コレクション(ATCC)に、1996年5月20日に寄託され、A TCC寄託番号ATCC97624を付与されている。少なくとも一つの機能的なSh2-mIRev2 0対立遺伝子(セリンの挿入)をもつ種子も、1996年5月20日にATCCに寄託されて おり、ATCC寄託番号ATCC97625が付与されている。 これらの種子は、特許庁長官によって、37CFR 1.14および35 U.S.C.122の下 で権限ありと決定された者に対する特許出願が未決の間は、この生物材料を利用 で きることを保証する条件の下に寄託されている。寄託物は、本出願に相当する出 願、またはその後継出願が提出されている国の外国特許法によって必要とされる ときには利用することができる。しかし、寄託物の利用可能性は、行政行為によ って付与される特許権を放棄して、本発明を実施する許可を与えるものではない ことと理解されるべきである。 さらに、本種子寄託物は、微生物の寄託に関するブダペスト条約(Budapest T reaty for the Deposit of Microoganisms)の規定にしたがって保存され、一般 に公開される。すなわち、最後に寄託物のサンプルの具備を必要とされた時から 少なくとも5年間、また、いかなる場合でも、寄託した日付より少なくとも30年 間、または、種子の開示を公布する特許が強制力を保持する期間は、それを生存 させ、かつ汚染されないよう、細心の注意をもって保存される。寄託者は、寄託 状態のために、要求に応じて寄託機関がサンプルを具備することができなくなっ たときには、要求に応じて、寄託物を入れ換える義務を承認している。本種子寄 託物の一般的な利用可能性に対する制限はすべて、それを開示する特許が認可さ れるとともに、取り消されることなく排除される。 当技術分野において、通常の技術をもつ当業者には明白なのは、Sh2-mIRev6対 立遺伝子またはSh2-mIRev20対立遺伝子についてホモ接合である種子および植物 は、当技術分野において標準的な技術を用いて、ヘテロ接合の種子から容易に調 製することができる。その上、Sh2-mIRev6遺伝子とSh2-mIRev20遺伝子は、寄託 された種子から容易に得ることができる。 熟練した当業者は、当技術分野において知られている標準的な技術を用いて、 本復帰変異体中の挿入位置に、セリンなどの付加的なアミノ酸残基をコードする ポリヌクレオチド分子を調製することもできる。このようなポリヌクレオチド分 子は、本発明の範囲内に含まれる。 本明細書で説明されている実施例および態様は例示のためにすぎないこと、ま た、それを鑑みてさまざまな修正や変更が当業者に示唆されるが、それらは、本 出願の範囲および精神ならびに添付の請求の範囲に含まれることを理解されるべ きである。
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Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.野生型のShrunken-2(Sh2)遺伝子の変異遺伝子を含むポリヌクレオチド分 子であって、該変異遺伝子が、ADPグルコースピロホスホリラーゼ(AGP)酵素の サブユニットのアロステリック結合部位の中またはその近位に挿入された少なく とも一つの付加的アミノ酸をコードしており、それにより、該ポリヌクレオチド 分子を発現させる植物の種子重量が、野生型Sh2遺伝子を発現させる植物の種子 重量と比較して増加する、ポリヌクレオチド分子。 2.ポリヌクレオチド分子が、本来のAGP酵素のサブユニットの494番目と495 番目のアミノ酸の間に挿入された少なくとも1個のセリン残基をコードしている 、請求項1記載のポリヌクレオチド分子。 3.ポリヌクレオチド分子がチロシン:セリンのアミノ酸対をコードしており 、該アミノ酸対が、本来のAGP酵素のサブユニットの494番目と495番目のアミノ 酸の間に挿入されている、請求項1記載のポリヌクレオチド分子。 4.ポリヌクレオチド分子がセリン:チロシンのアミノ酸対をコードしており 、該アミノ酸対が、本来のAGP酵素のサブユニットの495番目と496番目のアミノ 酸の間に挿入されている、請求項1記載のポリヌクレオチド分子。 5.ポリヌクレオチド分子によってコードされるAGP酵素が、本質的には、配 列番号:5および配列番号:3からなる群より選択されるアミノ酸配列からなる、 請求項1記載のポリヌクレオチド分子。 6.配列番号:3をコードする塩基配列が、配列番号:2に示された配列の87番 目から1640番目までのヌクレオチド、またはそれの縮重断片を含む、請求項5記 載のポリヌクレオチド分子。 7.請求項1記載のポリヌクレオチド分子を植物のゲノムに組み込むことと、 該ポリヌクレオチド分子によってコードされるタンパク質を発現させることとを 含む、植物の種子重量を増加させるための方法。 8.植物がトウモロコシ(Zea mays)である、請求項7記載の方法。 9.請求項1記載のポリヌクレオチド分子を、種子のゲノムの中に含んでいる 植物種子。 10.請求項1記載のポリヌクレオチド分子を発現させる植物。 11.植物がトウモロコシ(Zea mays)である、請求項10記載の植物。 12.植物が請求項9記載の種子から生育したものである、請求項10記載の植物 。 13.野生型AGPタンパク質のアロステリック結合部位の中またはその近位に挿 入された少なくとも1個の付加的なアミノ酸を有する、ADPグルコースピロホスホ リラーゼ(AGP)の変異タンパク質。 14.野生型AGPタンパク質の配列の494番目と495番目のアミノ酸の間に挿入さ れた少なくとも1個のセリン残基を有する、請求項13記載の変異AGPタンパク質 。 15.野生型AGPタンパク質の配列の494番目と495番目のアミノ酸の間に挿入さ れたチロシン:セリンのアミノ酸対を有する、請求項11記載の変異AGPタンパク 質。 16.野生型AGPタンパク質の配列の495番目と496番目のアミノ酸の間に挿入さ れたセリン:チロシンのアミノ酸対を有する、請求項11記載の変異AGPタンパク 質。 17.本質的には、配列番号:5および配列番号:3からなる群より選択されるア ミノ酸配列からなる、請求項13記載の変異AGPタンパク質。 18.種子の成長過程に植物の胚乳において発現される、請求項13記載の変異AG Pタンパク質。
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