JP2004105136A - Gramineous plant having improved cold resistance prepared by increasing expression of active oxygen scavenging enzyme gene - Google Patents

Gramineous plant having improved cold resistance prepared by increasing expression of active oxygen scavenging enzyme gene Download PDF

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林 泰行
Takahiko Hayakawa
早川 孝彦
Hitoshi Miyasaka
宮坂 均
Shigeru Shigeoka
重岡 成
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Kansai Electric Power Co Inc
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SHOKUBUTSU KOGAKU KENKYUSHO KK
Kansai Electric Power Co Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prepare a gramineous plant having increased cold resistance. <P>SOLUTION: The gramineous plant having increased cold resistance is prepared by increasing the expression of an active oxygen scavenging enzyme gene of a gramineous plant. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性酸素消去系酵素遺伝子の発現を増強させることにより作製した耐冷性が強化されたイネ科植物体に関する。詳しくは、本発明はクラミドモナス(Chlamydomonous)由来アスコルビン酸パーオキシダーゼ(Ascorbate peroxidase)(以後、APXと略することがある)遺伝子の導入により低温脱色耐性が強化されたイネ科植物に関するものである。本発明により、低温脱色の原因である葉緑体内の活性酸素が高効率に除去されるので、冷害時の遅延型冷害による被害が軽減でき、さらに直播栽培を安定化させることが可能となる。
【0002】
【従来の技術】
イネ(Oryza sativa)は熱帯原産の植物であり低温に弱く、寒冷地での稲作は古くから低温障害の問題に直面してきた。特に数年おきに遭遇する低温による被害はイネの生育の各時期において影響を及ぼしてきた。例えば平成5年の冷害は穂孕み期の低温による障害不稔からくる減収と、生育初期から長期間低温に曝されたため生育遅延がおきたことによる登熟不良と、いもち病による被害が相まって作柄を著しく低下させることとなった。これまでも各育成地での耐冷性品種の育種など冷害克服のための改善対策が取られてきたが、それらの諸施策だけでは十分に対処できないことが明らかになっていた。冷害の被害をできるだけ小さくするためにも、穂孕み期の低温耐性のみならず幼苗期の低温耐性の強化が求められている。
【0003】
一方、稲作の現場では良質米の生産指向が強まるとともに、生産コストの低減が強く求められ、直播栽培技術の確立が急務となってきた。直播では施設費、労働費の節減、大型化が容易であるなどの利点がある反面、初期成育が不安定となりやすいという問題点がある。特に、幼苗期に遭遇する低温により葉身萎凋による葉枯れ、葉の黄化・白化等の被害が大きい。直播においても幼苗期の低温耐性の強化が求められている。
【0004】
イネにおける幼苗期の低温障害は低温下での吸水阻害によると考えられる低温萎凋と、特に光照射下での低温暴露により葉や茎が黄化する低温脱色の2つに大別される。
耐冷性関連遺伝子の遺伝子導入によって植物の低温耐性を強化しようとする試みがいくつかなされている。例えば、浸透圧調節物質のプロリンを鍵酵素遺伝子の過剰発現あるいは分解系遺伝子の発現抑制によってアラビドプシスに蓄積させ低温耐性を強化した例(例えば、非特許文献1を参照。)、環境ストレス応答性遺伝子の発現調節に関わる転写制御因子DREBの過剰発現によってもアラビドプシスの低温ストレス耐性が強化された研究例(例えば、非特許文献2を参照。)もある。これらは、植物の低温ストレス化での萎凋障害を軽減するのに適した技術である。
【0005】
一方、光照射下での低温暴露により葉や茎が黄化する低温脱色は、葉緑体中の光化学系IおよびII近傍で生じた活性酸素により生体膜の過酸化がおきるためであると考えられている。葉緑体内では、光合成系Iで常時活性酸素分子種の一つO −・が生成している。O −・は非常に短い時間で自発的に消滅するが、その間にも生体高分子を過酸化する可能性がある。本来、このような活性酸素による障害を防御する機構が植物の葉緑体内には存在しており、この経路の主要な機能としては、Cu/Zn−スーパーオキシドディスムターゼ(superoxide dismutase)(以後、SODと略することがある)とAPXによる活性酸素の消去があげられる。前者はチラコイド膜近傍で発生したO −・を不均化しHにする反応を触媒し、後者はそのHを水と酸素に分解する反応を触媒する。光照射下で低温ストレスが植物に加わった場合、気孔が閉じられているために炭酸ガスの供給が十分ではなくなり、葉緑体内が還元力過剰の状態になる。この状態では、活性酸素消去系酵素による消去能力を超過するほど活性酸素が多量に発生するため、その結果膜および蛋白分子の過酸化が進行し葉緑体が破壊されると考えられている。BowlerあるいはGupta等は植物由来SOD遺伝子の過剰発現により低温脱色障害が軽減できる可能性を示した(非特許文献3および4を参照。)。しかしながら、SOD遺伝子の導入のみでは生成する過酸化水素が問題となる。この過酸化水素を消去する酵素遺伝子を植物に導入し、植物の低温脱色耐性が強化されることを示した例はなかった。
【0006】
さらに、イネでは穂孕み期の耐冷性とともに幼苗期の耐冷性が実用上重要であるが、遺伝子導入により耐冷性を強化した例としては、Ca2+−依存性プロテインキナーゼ(dependent protein kinase)遺伝子の過剰発現による西条らの研究例(非特許文献5を参照。)、ベタイン合成系遺伝子の過剰発現による坂本らの研究例(非特許文献6を参照。)がある。西条らの研究においては、過剰発現させたプロテインキナーゼ遺伝子産物の標的蛋白が必ずしも明らかではなく、このようなシグナル伝達は複数のストレスを受容して発生するシグナルが同一のシグナル伝達因子を経由する事も多く、イネ幼苗が被る低温条件によってはうまく機能しないことが考えられる。また、このようなプロテインキナーゼ遺伝子のシグナルの下流に葉緑体内の活性酸素消去系酵素遺伝子があるという報告はこれまでなく、低温による萎凋障害の軽減には役だっても、光障害の軽減には繋がらない可能性が高い。
また、坂本らの研究においてはコリンオキシダーゼを高発現させるため、分子状酸素に電子が受け渡された結果、活性酸素がコリンと等モル生じてしまう。これは、特に幼苗期の低温光障害にとっては好ましくない形質であり、活性酸素消去系の強化の方がはるかに効果が高いと考えられる。
しかし、これまで活性酸素消去系酵素遺伝子の導入によりイネやイネ科植物の低温脱色耐性を強化した例はなかった。
【0007】
【非特許文献1】
T. Nanjo et al., 461(3), 205−210, (1999) FEBS Lett.
【非特許文献2】
M. Kasuga et al., 17, 287−291, (1999) Nature Biotechnol.
【非特許文献3】
C. Bowler et al., 10(7), 1723−1732, (1991) EMBO Journal
【非特許文献4】
A. S. Gupta et al., 90, 1629−1633, (1993) Proc. Natl. Acad. Sci. USA
【非特許文献5】
Y. Saijo et al., 42(11), 1228−1233, (2001) Plant Cell Physiol.
【非特許文献6】
A. Sakamoto et al., 38(6), 1011−1019, (1998) Plant Mol. Biol.
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、耐冷性が強化されたイネ科植物体を作製することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、イネ科植物体において活性酸素消去系酵素遺伝子の発現を増強させることにより、耐冷性を強化すること、また、葉緑体中の活性酸素分子種の一つである過酸化水素を消去するAPX遺伝子を過剰発現させることによりイネ科植物の低温脱色耐性を強化することに成功した。高等植物の葉緑体中のAPXは不安定な酵素で、活性酸素が多量に生成してその消去のために基質のアスコルビン酸が欠乏すると速やかに失活することが明らかになっている。本願発明者らは大腸菌に塩耐性を与えるクラミドモナス由来遺伝子を新たに単離し、その一つが葉緑体型APXであること、その酵素のアスコルビン酸欠乏時の失活に対する安定性が、高等植物のそれに比べて高いことを明らかにした(T. Takeda et al., 376(1), 82−90, (2000) Arch. Biochem. Biophys.)。さらに、本発明者らはクラミドモナス由来の安定型APX遺伝子をイネ科植物に導入し葉緑体で発現させることによりイネの低温光障害耐性を強化することによりイネ科植物の低温脱色耐性を強化することに成功した。加えて、高等植物では選択的スプライシングによってストロマ型APXにチラコイド膜近傍局在配列が付加されチラコイド膜型APXが生成することが明らかにされているが、ストレス下での活性酸素消去にはこのチラコイド膜型APXの方が効果が高いと考えられている。本発明者らは、さらに、クラミドモナスの安定型APX遺伝子にチラコイド膜近傍局在配列を付加し発現させることによりイネ科植物の低温脱色耐性を強化することに成功した。本発明はこのようにして達成されたものである。
【0009】
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
(1) 活性酸素消去系酵素遺伝子の発現を増強させることにより作製した耐冷性が強化されたイネ科植物体。
(2) イネ科植物がイネである(1)に記載の植物体。
(3) 活性酸素消去系酵素遺伝子がアスコルビン酸パーオキシダーゼ遺伝子である(1)に記載の植物体。
(4) アスコルビン酸パーオキシダーゼ遺伝子がクラミドモナス由来である(3)に記載の植物体。
(5) アスコルビン酸パーオキシダーゼ遺伝子が、下記の何れかの塩基配列を有する(3)に記載の植物体。
(A)配列番号1に記載の塩基配列のうち、塩基番号32〜991からなる塩基配列;
(B)配列番号1に記載の塩基配列のうち、塩基番号32〜991からなる塩基配列において1から複数個の塩基が欠失、付加または置換されている塩基配列であって、アスコルビン酸パーオキシダーゼ活性を有するタンパク質をコードする塩基配列;または
(C)配列番号1に記載の塩基配列のうち、塩基番号32〜991からなる塩基配列もしくはその相補配列またはそれらの一部とストリンジェントな条件下でハイブリダイズする塩基配列であって、アスコルビン酸パーオキシダーゼ活性を有するタンパク質をコードする塩基配列。
(6)アスコルビン酸パーオキシダーゼ遺伝子に葉緑体移行配列が付与されており、該遺伝子翻訳産物が葉緑体に局在することを特徴とする(3)〜(5)のいずれかに記載の植物体。
(7)アスコルビン酸パーオキシダーゼ遺伝子にチラコイド膜近傍移行配列が付加されており、該遺伝子翻訳産物が葉緑体のチラコイド膜近傍に局在することを特徴とする(3)〜(6)のいずれかに記載の植物体。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
<1>本発明の植物体
本発明の植物体は、活性酸素消去系酵素遺伝子の発現を増強させることにより作製した耐冷性が強化されたイネ科植物体である。
「活性酵素消去系酵素遺伝子」としては、活性酵素種を消去する酵素をコードする遺伝子であれば、特に限定されないが、アスコルビン酸パーオキシダーゼ遺伝子、カタラーゼ遺伝子、スーパーオキシドディスムターゼ遺伝子などが挙げられ、アスコルビン酸パーオキシダーゼ遺伝子が好ましい。なお、「活性酵素消去系酵素遺伝子」は、1種を用いてもよいし、複数を組み合わせて用いてもよい。「発現の増強」は、目的植物と同じ/または異なる植物由来の活性酸素消去系酵素遺伝子を目的植物に導入・発現させることによって、目的の植物に元々存在する活性酸素消去系酵素遺伝子のコピー数を増加させることによっておこなうことができ、また目的植物と同じ/または異なる植物由来のより安定性の高い活性酸素消去系酵素遺伝子を目的植物に導入・発現させることによっても行うこともできる。また目的植物と同じ/または異なる植物由来のより比活性の高い活性酸素消去系酵素遺伝子を目的植物に導入・発現させることによっても行うこともできる。また目的の植物に元々存在しない活性酸素消去系酵素遺伝子を、目的植物に導入・発現させることによってもおこなうこともできる。さらに、目的の植物に元々存在する活性酸素消去系酵素遺伝子の発現を増強させることによっても行うこともできる。なお、「発現の増強」は、これらのうち、1種の方法を用いて行ってもよいし、複数の方法を組み合わせてもよい。
【0011】
形質転換体イネ科植物の「耐冷性」が強化されているかどうかは以下の実施例において詳細に記載されている方法により検定することにより、確認することができる。簡単には形質転換体および非形質転換体から切り取った葉切片を吉田水耕液中に浮かべ4℃で強光下で3日間インキュベートし、葉の脱色度合いを比較することで明らかにすることができる。非形質転換体に比べ、形質転換体の脱色の程度が抑えられていれば「耐冷性」が強化されたということができる。
本発明に用いられるイネ科植物としては、活性酸素消去系酵素遺伝子の発現を増強することができるものであれば、特に限定されないが、イネが好ましく挙げられる。
【0012】
本発明の好ましい一形態はAPX遺伝子の発現を増強させることにより作製した耐冷性が強化されたイネ科植物体である。APX遺伝子は目的の植物内で発現を増強させることが可能な限り、特に制限はないが、アスコルビン酸欠乏下でも安定なAPX酵素の遺伝子が特に好ましい。このような遺伝子としてアスコルビン酸欠乏下で安定であれば特に制限はないが、例えば、クラミドモナス由来のものが好ましく例示できる。クラミドモナス由来APX遺伝子として、例えば、クラミドモナス(Chlamydomonas sp. W80)の葉緑体型遺伝子(ジェンバンクアクセッション番号 AB009084)が特に好適に用いられる。この遺伝子は、例えば、該配列をもとに適当なプライマーを作製し、該プライマーを用いて、植物のcDNAを鋳型としてPCR等によって得ることができる。
【0013】
また、通常遺伝子においては、種、属、個体等の違いによって、1から複数の位置での1から複数個の塩基の欠失、付加または置換などの変異が当然存在する。本発明に用いることができる遺伝子には、コードするタンパク質のアスコルビン酸パーオキシダーゼ活性が損なわれない範囲において、このような変異を含む遺伝子も含まれる。すなわち、本発明の別の好ましい一形態は、コードするタンパク質のアスコルビン酸パーオキシダーゼ活性が損なわれない範囲において、配列番号1に記載の塩基配列のうち、塩基番号32〜991からなる塩基配列において1から複数個の塩基が欠失、付加または置換されている塩基配列を有する遺伝子の発現を増強させることにより作製した耐冷性が強化されたイネ科植物体である。ここで「複数個」とは、具体的には2から480個、好ましくは、2から384個、より好ましくは2から192個である。
【0014】
このような欠失、付加または置換されている塩基配列は、クラミドモナス sp.W80の葉緑体型APX遺伝子の配列をもとに適当なプライマーを作製し、該プライマーを用いて、他の生物のcDNAを鋳型としてPCR等によって得ることができる他、例えば部位特異的変異法によって得ることができる。また、他の従来知られている変異処理によっても取得され得る。
【0015】
上記のような変異を有する塩基配列を、目的の植物において発現させ、該植物のアスコルビン酸パーオキシダーゼ活性を調べることにより、本発明に用いることができる塩基配列が得られる。アスコルビン酸パーオキシダーゼ活性は以下の実施例に詳細に示す方法に従って確認することができる。また、変異を有するDNAまたはこれを保持する細胞から、例えば配列番号1に記載の塩基配列のうち少なくとも塩基番号32〜991からなる塩基配列もしくはその相補配列、またはそれらの一部を有するプローブとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ、アスコルビン酸パーオキシダーゼ活性を有するタンパク質をコードするDNAを単離することによっても、本発明に用いられるDNAが得られる。なお、ここでいう「一部」とはプローブとして使用するのに有効な長さのことである。また、「ストリンジェントな条件」とは、いわゆる特異的なハイブリッドが形成され、非特異的なハイブリッドが形成されない条件をいう。この条件を明確に数値化することは困難であるが、例えば、相同性が高いDNA同士、例えば、配列番号1に示す塩基配列のうち、少なくとも塩基番号32〜991と約50%以上、好ましくは60%以上、より好ましくは80%以上の相同性を有するDNA同士がハイブリダイズし、それより相同性が低いDNA同士がハイブリダイズしない条件、あるいは65℃、0.1×SSC、0.1%SDSに相当する塩条件でハイブリダイズする条件が挙げられる。なお、相同性はBLASTにより計算した場合である。
【0016】
上記のような条件でハイブリダイズする遺伝子の中には途中にストップコドンが発生したものや、活性中心の変異により活性を失ったものも含まれるが、それらについては、目的の植物に導入し、アスコルビン酸パーオキシダーゼ活性を以下の実施例で詳細に述べられる方法で測定することによって容易に取り除くことができる。
【0017】
<2>本発明に用いられるベクター
APX遺伝子をイネ科植物体に導入する方法としては、例えば、APX遺伝子を含むベクターを構築し、該ベクターでイネ科植物を形質転換する方法が挙げられる。
本発明に用いることができるベクターはAPX遺伝子をイネ植物中で発現することができるプロモーターとターミネーターをプラスミドベクターに組み込んだベクター、もしくは必要に応じてイントロンを有するプラスミドベクターに組み込んだベクターである。
【0018】
本発明の好ましい一形態はAPX遺伝子をイネ科植物に導入し、葉緑体で発現させることによりイネの低温光障害耐性を強化することを特徴とする耐冷性、好ましくは低温脱色耐性を強化したイネ科植物体である。加えて、本発明の別の好ましい一形態はAPX遺伝子にチラコイド膜近傍局在配列を付加し、イネ科植物に遺伝子導入し発現させることを特徴とする耐冷性好ましくは低温脱色耐性を強化したイネ科植物体である。
【0019】
APX遺伝子を適当な葉緑体移行配列と連結し、発現させることにより、該遺伝子発現産物を目的植物の葉緑体内で発現させることができる。または、元々葉緑体移行配列をもっている遺伝子を用いてもよい。または、元々葉緑体移行配列をもっている遺伝子を用いる場合であっても、より効率のよい移行配列と連結させて用いてもよい。クラミドモナス由来のAPX遺伝子を用いる場合、クラミドモナス由来のAPX遺伝子は、本来葉緑体移行配列を5’側末端にもっている遺伝子であるので、そのまま発現させることでも遺伝子産物をイネ科植物の葉緑体に移行させることができるが、特に好ましくはクラミドモナスAPX遺伝子の葉緑体移行配列をイネ科植物のグルタミン合成酵素遺伝子(Plant Molecular Biology, 13, 611 (1989))の葉緑体移行配列部分で置き換えることで、高効率にAPX遺伝子産物を葉緑体中に局在させることができる。
【0020】
さらに葉緑体移行配列のついたAPX遺伝子にチラコイド膜近傍移行配列を連結させ、発現させることにより、該遺伝子産物を形質転換体植物の葉緑体チラコイド膜近傍に局在させることができる。または、元々チラコイド膜近傍移行配列をもっている遺伝子を用いてもよい。または、元々チラコイド膜近傍移行配列をもっている遺伝子を用いる場合であっても、より効率のよい移行配列と連結させて用いてもよい。クラミドモナス由来のストロマ型APX遺伝子を用いる場合、クラミドモナス由来のAPX遺伝子に、好ましくはタバコやほうれん草のチラコイド膜型APX遺伝子産物のc末側に存在するチラコイド膜近傍移行配列を付加したプラスミドをイネ科植物体に遺伝子導入し発現させることによって遺伝子産物を形質転換体植物の葉緑体チラコイド膜近傍に局在させることができる。
【0021】
利用するプロモーターとしては、例えばCaMV35S(pBI221:EMBO. J., 6, 3901−3907 (1987))等のカリフラワーモザイクウイルス由来のプロモーター、rbcS(riburose 1,5−bisphosphate carboxylase)、Cab(chlorophyll a/b binding protein)(Science, 244, 174 (1989))等植物中で発現することが確認されたプロモーターがあげられる。ターミネーターとしては、例えばカリフラワーモザイクウイルス由来のターミネーター、NOS(ノパリン合成酵素)遺伝子由来のターミネーター等があげられる。また、プロモーターと構造遺伝子の間にイントロンを配するベクターも高発現ベクターとして利用でき、イントロンとしてはヒマCat(カタラーゼ遺伝子)の第一イントロン(A. Tanaka et al., Nucleic Acid Research,18, 6767−6770, (1990))等があげられる。
【0022】
<3>本発明のイネ科植物およびその製造法
以下本発明の植物を取得する方法を例示する。
本発明の植物体は、活性酸素消去系酵素遺伝子、好ましくはAPX遺伝子の発現を増強させることにより作製した耐冷性が強化されたイネ科植物体である。
本発明の植物体は、例えば、APX遺伝子を含むベクターを構築し、該ベクターでイネ科植物を形質転換し、APX遺伝子の発現を増強することにより、作製することができる。
また、本発明においては更に、ハイグロマイシンフォスフォトランスフェラーゼ遺伝子等の選択マーカー遺伝子を使用するのが好ましい。選択マーカー遺伝子はAPX遺伝子と同一のベクター中に有するものを使用しても良いし、選択マーカー遺伝子を有するベクターとAPX遺伝子を有するベクターを併用しても良い。これらのベクターはイネ科植物を形質転換するのに用いられるベクターを用いることができる。
【0023】
形質転換の方法としては、たとえば、イネ科植物由来のプロトプラストを液体培地に懸濁し、電気パルスを印加して当該ベクターを導入した後、イネ培養細胞を含有する培地で培養しコロニーを形成させ、該コロニーから植物体を再生させることができる(K. Shimamoto et al., 337, 274−276, (1989) Science)。
具体的には、イネへの遺伝子導入は例えば次のようにして行うことができる。ササニシキの種子を2,4−Dを2μg/ml含む培地上でインキュベートしカルスを誘導する。得られたカルスから懸濁培養細胞を作出し、それを4%セルラーゼ、0.5%ペクトリアーゼを含む酵素液で処理しプロトプラストを得ることができる。プロトプラストをハイグロマイシン耐性遺伝子ベクターおよびAPX遺伝子を含むベクターDNAをそれぞれ60μg/ml含む電気穿孔法用低電解質バッファーに懸濁し、Kartel社製キュベット(電極間距離4mm用)に入れて、初期電圧1KV/cm、電気容量1000μF、τ= 30msecの電気条件で電気穿孔法による遺伝子導入を行う。遺伝子導入処理を行ったプロトプラストは氷上で30分さらにインキュベートした後、低融点アガロースを0.8%含むR2P培地に包埋し、寒天片ごとR2P液体培地に浮かべて培養するアガロースビーズ法で、28℃の培養室で振とう培養を行う。培養中、R2P液体培地にはイネの培養細胞(Oc細胞)を入れて保護培養するが、培養を始めて3日目に保護培養用の細胞を除去し、7日目にハイグロマイシンを30μg/ml含む液体培地に寒天片ごと細胞を移し選抜を開始する。選抜開始後7日目に寒天片をハイグロマイシンを30μg/ml含むR2SA選抜寒天培地に移し培養を続けることでハイグロマイシン耐性カルスを得ることができる。
【0024】
形質転換細胞もしくは形質転換植物に遺伝子が組み込まれていることは、これらからDNAを、例えばMol. Gen. Genet., 211, 27, (1988)に準じた方法で単離し、PCR法(Am. J. Hum. Genet., 37, 172, (1985))もしくはサザン法(J. Mol. Biol., 98, 505, (1980))により確認できる。また形質転換細胞が植物ゲノムに組み込まれたクラミドモナスAPX遺伝子を発現していることは、例えばAPX遺伝子の配列またはその一部をプローブとしたノーザン法(P. Thomas et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 77, 5201, (1980))、導入した遺伝子産物(クラミドモナスAPXタンパク質)に対する特異的抗血清を用いたウェスタン法(Towbin et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 76, 4350, (1979))により明らかにできる。導入した遺伝子の翻訳産物であるAPXタンパク質の酵素活性は、以下実施例に詳細に記載する、Zilinskas等の方法(R. Mittler, and B. A. Zilinskas, Analytical Biochemistry, 212, 540−546 (1993))により測定できる。形質転換イネの葉緑体中の活性酸素除去能力が強化されているかどうかは、形質転換体および非形質転換体から切り取った葉切片をパラコート[メチルビオロゲン(Methylviologen)]を含む吉田水耕液中に浮かべ強光下でインキュベートし、クロロフィル蛍光測定装置(Waltz, Germany)を用いて光合成系II活性の経時的変化を測定し、比較することで明らかにすることができる。非形質転換体に比べ、形質転換体のFv/Fmの低下の程度が抑えられていれば「活性酸素除去能力」が強化されたということができる。形質転換体イネの低温脱色耐性が強化されているかどうかは前記のとおり形質転換体および非形質転換体から切り取った葉切片を吉田水耕液中に浮かべ4℃で強光下で3日間インキュベートし、葉の脱色度合いを比較することで明らかにすることができる。非形質転換体に比べ、形質転換体の脱色の程度が抑えられていれば「耐冷性」が強化されたということができる。
【0025】
Fv/Fmの計算方法について説明する。植物の光合成は明反応と暗反応からなりたっている。明反応では、2つの活性中心光合成系IIおよび光合成系Iを電子が光エネルギーにより励起されながら運ばれる間に、チラコイド膜をはさんで水素イオン濃度勾配が形成され、そのエネルギーを用いて暗反応に用いるATPやNADPHなどの高エネルギー化合物が生産される。
【0026】
光合成系のうち明反応の状態は光合成系IIの活性中心P680から出る蛍光量の増減と光合成系Iの活性中心P700の赤外光吸収を調べることで非破壊的に知ることができる。特に光合成系IIからでる蛍光はアンテナ色素が受けた光エネルギー強度、電子伝達系の電子の流れやすさ(暗反応の状態)により大きく変化する。例えば、暗黒条件に適応した植物は、暗反応に関わる酵素群は不活化されており電子の流れるスピードは最も遅くなる。一方光合成II活性中心は集光性複合体(Light harvesting complex)と最も良く複合体を形成して活性型となっている。また、強光に対する適応経路であるキサントフィルサイクル(Xanthophyll cycle)も不活化しており熱としての光エネルギーの放出も最小の状態になっている。従って暗黒条件に適応した植物の葉を明所に移したとき、最大量の蛍光が放出される。この状態の葉から放出される蛍光を測定するとき、励起光に対して最大の蛍光Fmが記録される。植物の葉からは主にクロロフィルaから自家蛍光が常時出ており、励起光をあてない状態でもF値として一定の値を示す。そこで、Fm値からF値を引いた値をFv値とし、光合成活性の指標Fv/Fm値(相対値)を求めるとほぼ一定の0.7〜0.8の値を示す。
【0027】
ついで、光照射下で光合成系が動き始めると、水素イオン濃度勾配が形成され、その度合いに応じてキサントフィルサイクルが働きはじめ熱としての光エネルギー放出が始まる。また、葉緑体内が還元状態になるに応じておもにリン酸化により光合成II活性中心と集光性複合体の乖離がおき活性型光合成系II活性中心の数は減少する。さらに暗反応の諸酵素が活性化されて電子の流れがスムーズになるため、葉の放出する蛍光の量Fm’は一時減少する。Fv/Fm値も減少する。
【0028】
植物が光障害を受けて、活性酸素などにより光合成系がダメージを受ける(多くは酸化による蛋白の分解)と、光合成に参加できる活性中心の数自体が減少していく。ストレスが著しいと、この減少は不可逆的でストレスがない状態になっても、元の数には戻らなくなる。このとき蛍光を観察すると、非ストレス時よりも蛍光の減少速度が速く、ストレスがない状態になったとき暗黒条件で適応させても最大蛍光Fmはもはや出なくなる。
【0029】
光障害を軽減する遺伝子操作を行った植物と非形質転換体のクロロフィル蛍光を比較すると、障害の軽減効果を、ストレス時の蛍光相対値Fv/Fmの落ち方の差、およびストレス付加をやめたときに蛍光相対値の回復度合いの差として検定できる。
【0030】
【実施例】
以下に実施例を挙げて更に具体的に本発明を説明するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。
(1)ベクター構築用DNA断片の合成
クラミドモナス(Chlamydomonas sp. W80)の葉緑体型遺伝子配列をもとに、プライマー1 APX5BAM36 : GCC CAT GGC CGG ATC CAA GGC CTC CGC CGC GAC ACT(配列番号3)、プライマー2 APX3BAM36 : CTC GAG GTG CGA GCT CTT ACT CAAACG TCG AGC CCA(配列番号4)、プライマー3 APX3STOPSAC36 : G AG GTG CTT AGG ATC CCT CAA ACG TCG AGC CCA(配列番号5)、プライマー4 STUCK5BAM : ATC TAA CAA GGG ATC CAG ATC AGA GCT TTC GGA TTC(配列番号6)、プライマー5 STUCK3STOPSAC : AAA CCA CAA AGA GCT CTC A AT TTC CCG CAA GAT ATG(配列番号7)の 5種類のプライマーを合成し(それぞれのプライマーのAPX遺伝子上の位置は図1の通り。)、Tmを47〜54℃の範囲で設定し、正しいAPX断片を得るために特にPyrobest DNA polymerase(TAKARA社)を用いて、大腸菌発現用プラスミドpET/C(T. Takeda et al., 376(1), 82−90, (2000) Arch. Biochem. Biophys.)を鋳型として25〜35サイクル PCR増幅反応を行った。プライマー1,2、1,3の組み合わせで約900bpのAPX遺伝子断片を得た(図1a,b:断片Aおよび断片B)。プライマー4,5ではTmを50℃に設定し25サイクル反応を行うことで、約150bpのチラコイド膜近傍局在配列(以後、stuckと略することがある)の遺伝子断片を得た(図1b:断片C)。
【0031】
(2)葉緑体ストロマ用発現カセットへのAPX遺伝子断片の組込み
ストロマ移行配列付きの発現カセットpHSG/35SI/chl//Nos(H. Hoshida et al., 43, 103−111, (2000) Plant Mol. Biol.)と断片Aをそれぞれ制限酵素BamHIとSacIで切断した後、Takara ligation kit(TAKARA社)を用いてライゲーションを行った。ライゲーション反応産物を用いて大腸菌を形質転換し、発現ベクターpHSG/35SI/chl/clAPX/Nos(以後pAPXと略する)を得た(図1a)。pHSG/35SI/chl//Nos と断片CをBamHI−SacIで切断した後ライゲーションを行い、中間ベクターpHSG/35SI/chl/stuck/Nosを得た。この中間ベクターと断片BをBamHIで切断し、ライゲーションして多数の候補クローンを得た。選られたクローンについて、HindIIIとNheI(APX内部に切断部位を持つ)で切断し正しい切れ方(1.3Kb+3.1Kb)をするものを選抜し、発現ベクターpHSG/35SI/chl/clAPX/stuck/Nos(以後pAPXstと略する)を得た(図1b)。
【0032】
(3)作製したベクターのイネへの導入
ササニシキの種子を2,4−Dを2μg/ml含む培地上でインキュベートしカルス誘導を行った。得られたカルスから懸濁培養細胞を作出し、それを4%セルラーゼ、0.5%ペクトリアーゼを含む酵素液で処理しプロトプラストを得た。プロトプラストをハイグロマイシン耐性遺伝子ベクターおよび各ベクターDNA(pAPXまたはpAPXst)をそれぞれ60μg/ml含む電気穿孔法用低電解質バッファーに懸濁し、Kartel社製キュベット(電極間距離4mm用)に入れて、初期電圧1KV/cm、電気容量1000μF、τ= 30msecの電気条件で電気穿孔法による遺伝子導入を行った。遺伝子導入処理を行ったプロトプラストは氷上で30分さらにインキュベートした後、低融点アガロースを0.8%含むR2P培地に包埋し、寒天片ごとR2P液体培地に浮かべて培養するアガロースビーズ法で、28℃の培養室で振とう培養を行った。培養中、R2P液体培地にはイネの培養細胞(Oc細胞)を入れて保護培養した。培養を始めて3日目に保護培養用の細胞を除去し、7日目にハイグロマイシンを30μg/ml含む液体培地に寒天片ごと細胞を移し選抜を開始した。選抜開始後7日目に寒天片をハイグロマイシンを30μg/ml含むR2SA寒天培地に移し選抜ハイグロマイシン(Hyg)耐性カルスを多数得た。
【0033】
(4)形質転換カルスのPCRによる選抜
Hyg耐性カルスからゲノムDNAを抽出し、プライマー6:ACACTGGCCGAGTGCCA(配列番号8)、プライマー7:ACGTCGAGCCCAGCTCC(配列番号9)の組合せでPCRを行ったところ形質転換体を検出できた。ベクターpAPXstを導入した形質転換体に関しては、特にチラコイド膜近傍局在配列の存在を確認するために、ポジティブであったクローンについて、プライマー6(前出)、プライマー8:AGTTTGTTGGTAGAGGC(配列番号10)の組み合わせでPCRを行ったところ、プラスミドと同位置にバンドが確認できた。PCRによって、pAPXについては12系統、pAPXstについては38系統の形質転換体カルスを選抜した。
【0034】
(5)サザン分析による遺伝子導入の確認
PCRで遺伝子導入が確認できた形質転換体カルスについて、ベクターの発現カセット全長が導入されているか確認するためにサザン分析を行った。APX遺伝子cDNA全長をプローブとし、APXst形質転換体植物のサザン分析を行った。定法に従って抽出したゲノムDNAは制限酵素Hind III−Nhe Iで切断しゲノム中に挿入されたコピー数がわかるようにした。例えば図2のように、pAPXStベクター形質転換体植物には、APX遺伝子が導入されていることがわかった。
【0035】
(6)ノザン分析によるクラミドモナスAPX遺伝子発現の確認
導入したクラミドモナスAPX遺伝子からの転写を調べるためにノザン分析を行った。pAPX、pAPXst形質転換体植物から定法に従ってトータル RNAを抽出し、30μgずつ電気泳動した後ナイロンメンブレンにブロッティングした。プライマー6,7で増やしたAPX遺伝子断片をプローブとしノザン分析を行った。ベクターpAPXを導入した形質転換体植物で1.2kbの APX遺伝子転写産物が確認できた。また、pAPXstを遺伝子導入した形質転換体においても1.4kbの転写産物が確認できた。遺伝子の発現量は、導入遺伝子のコピー数と良い相関があった(図3)。
【0036】
(7)ウェスタン分析によるAPX遺伝子の翻訳レベルでの発現確認
クラミドモナスAPX特異的抗体((T. Takeda et al., 376(1), 82−90, (2000)Arch. Biochem. Biophys.))を用いて、ウェスタン分析により翻訳レベルの遺伝子発現確認を行った。カルス100mgに、氷上で、2〜3倍量の抽出バッファー(100mM Tris−HCl, pH7.8, 1%SDS, プロテアーゼインヒビターカクテル)を加えて磨砕し、4℃、15000rpmで5〜10分遠心分離し上清(S)とペレットを得た。ペレットには50〜100μlの可溶化バッファー(抽出バッファー+0.1% TritonX−100)を加え懸濁し、4℃、15000rpmで5−10分再度遠心分離し、上清を膜画分サンプル(P)とした。得られたサンプルのS画分とP画分を用いて定法に従いウェスタン分析を行った。植物体からの蛋白抽出は定法に従って行い、pAPXst形質転換体は上清と沈殿画分を分析に用いた。抗クラミドモナス抗体を1次抗体としウェスタン分析を行ったところ、転写レベルで遺伝子発現が確認できた系統全てで翻訳レベルの遺伝子発現が確認できた(図4)。この発現量は転写量と良い相関があった。また、上清と沈殿画分の遺伝子発現量を比較したところ、沈殿膜画分の方がバンドが濃く、チラコイド膜近傍局在配列によりAPX遺伝子翻訳産物がチラコイド膜に局在していることが明らかになった。
【0037】
(8)活性染色による翻訳産物の活性確認
氷上で、100〜200mgのカルスに、2〜3倍量の抽出バッファー(100mM Na−P、1mM EDTA、5mM アスコルビン酸、0.1% Triton−X100、プロテアーゼインヒビターカクテル)を加えて磨砕し、4℃、15000rpmで5分遠心し上清を得た。ネイティブアクリルアミドゲルゲル(SDSを含まない。濃縮ゲル5%、分離ゲル12.5%)を作成し、2mMのアスコルビン酸を含む泳動バッファー(Tris 6g/l,グリシン 28g/l)で4℃で30分プレランした。その後、60〜80μgのサンプル(同じセットのレーンを2つ作った)を載せ、3〜4時間泳動した。泳動終了後、同じサンプルのセットが泳動されたゲルを半分に切断し、半分は定法に従ってメンブレンにブロッティングし、以後ウェスタン分析に用いた。もう半分のゲルは、2mMのアスコルビン酸を含む50mM Na−Pバッファー(pH7.0)に浸し30分インキュベートした後、2mMのHと4mMのアスコルビン酸を含む50mM Na−Pバッファー(pH7.0)に漬けて20分インキュベートした後、28mM TEMEDと2.45mM NBTを含む50mM Na−Pバッファー(pH7.8)に漬けて3〜5分反応させた。活性染色において、形質転換体APXst8、APXst27では、内生のAPX由来と考えられるバンド以外に導入遺伝子由来APX活性と考えられるバンドが検出された。このバンドはウェスタン分析のメンブレン(並行して泳動したゲルから転写したもの)上で、抗クラミドモナスAPX抗体と反応するバンドの位置と一致した(図5a)。このことから、形質転換体カルスの細胞内では活性のあるクラミドモナス型APXが発現していることが明らかになった。植物体からの蛋白を抽出し行った活性染色においても、内生のAPX由来と考えられるバンド以外に、導入したクラミドモナスAPX遺伝子由来バンドが検出できた(図5b)。このバンドの濃さは活性の強さを示していると考えられるが、翻訳産物の量と良い相関があった。
【0038】
(9)形質転換体カルスからの当代植物体再生および次世代植物体の作出
PCRで選抜して得た12系統のpAPXカルスから6系統の植物体が得られた。これらを鉢上げし、組換え温室で生育させ4系統についてT1世代の種子を得た。PCRで選抜して得た38系統のpAPXstカルスの遺伝子発現を調べたところ、18系統がウェスタン分析ポジティブであった。このうち8系統から形質転換体が再生した。形質転換体は組換え温室内で鉢上げし生育させ、T1世代の種子を得た。その種子を発芽させT1形質転換体植物を育成した。
【0039】
(10)形質転換体当代植物でのAPX活性測定
Zilinskas等の方法に従って0.5mM アスコルビン酸, 1mM PMSFを含む50mM K−Pバッファーで形質転換体植物から蛋白を抽出し、1mM PMSFを含む50mM K−Pバッファーに0.5mMのアスコルビン酸を加えた透析液と加えていない透析液を用い、3時間以上透析を行った。透析した抽出液の蛋白量を測定し200μg、400μg(煮沸して失活させたサンプルも作製した)相当を含む蛋白抽出液1mlを用いて活性測定を行った。活性測定は終濃度で0.5mM アスコルビン酸, 1mM PMSF, 0.1mM過酸化水素を含む50mM K−P バッファーで行った。反応は過酸化水素の添加で開始し、アスコルビン酸のΔ290吸収の単位時間あたりの減少を測定した。蛋白量が倍になると活性も倍になること、サンプルを煮沸すると活性が失われることから、この系で正しくAPX活性が測定できていると考えられた。形質転換体ではコントロールの約5倍総APX活性が増加していた(図6)。
【0040】
(11)形質転換体植物後代での遺伝子発現解析
当代で遺伝子発現が確認できた5系統のpAPXst組換え植物体について4系統では種子が得られたので、それらを順次発芽させ後代での遺伝子発現を解析した。定法に従ってAPXst89系統後代植物体のウェスタン分析を行った。系統APXst89の分離後代T1世代においても、翻訳レベルの遺伝子発現が確認できた(図7)。このことから導入したAPX遺伝子は安定に次世代に遺伝しうることが明らかになった。
【0041】
(12)APX遺伝子導入植物体のパラコート耐性
APX遺伝子導入により形質転換体イネのアスコルビン酸パーオキシダーゼ活性を最大で5倍強化することに成功したが、その活性の強化により葉緑体内の活性酸素除去能が向上しているかどうかパラコート(メチルビオロゲン)耐性を調べた。温度26℃、湿度55%、光強度600μmolE(昼14時間、夜10時間)の組換え温室で生育させたイネから最上位の展開葉を切り出した。切り出した葉の中央部(下端の5cm部分は用いない)から長さ8mm×幅8〜10mmの葉切片を切り出し吉田氏水耕液に浮かべた。0、0.1、0.5、1、2、5、10μM(この濃度条件のいずれかを採用)メチルビオロゲンを含む吉田氏水耕液(0.1%のTween−20を含む。)を入れた24穴ディッシュに入れ10分間脱気処理を行った。葉切片を入れたディッシュを温度26℃、光強度1200μmolE(常に明条件)のインキュベーターに移し、定期的にPAM(Waltz, Germany)を用いてFv/Fm値を測定し、活性酸素発生に伴う障害の度合いを調べた。また、2〜3日後に葉切片の写真を撮り、脱色の度合いを記録した。PAMによる障害度合いの測定:当代植物(89はウェスタン+、103はウェスタン−)について調べたところ、10 μM処理区では遺伝子発現のある系統の方が、障害の程度が有意に少なかった(図8a)。遺伝子発現の強い89の後代に関して、遺伝子発現のある個体とない個体に分離していることが見いだされていたが、それらを比較した結果遺伝子発現のある個体はない個体よりも活性酸素障害の度合いが有意に軽減されていた(図8b)。また、パラコート処理3日後に葉の脱色度合いを観察したところAPX遺伝子導入により、葉の脱色(葉緑体の崩壊)が軽減されることが明らかになった(図9)。以上のパラコート耐性検定は当代・後代ともに2回以上繰り返し検定を行ったが、再現性良く遺伝子導入の効果を検証することができた。
【0042】
(13)APX遺伝子導入植物体の耐冷性検定
ウェスタン分析で遺伝子発現がある個体(APXst103とAPXst106)と発現のない個体(APXst76とAPXst89)を2個体ずつ用意し、最上位から2番目の葉をサンプリングした。各葉の中央部から幅1.2cm、長さ1.5cmの葉切片を8枚ずつ切り出した。葉切片を12枚ずつ10cm径のディッシュ(水耕液を含ませたキムタオルを敷く)に挟み込み、氷上で1200μmol Eの光を照射しながら4℃でインキュベートした。
低温強光照射条件を保ったまま、3日間インキュベートした葉切片では、遺伝子発現が強い個体のものが緑色をよりよく保っていた(図10)。このことから、クラミドモナスAPX遺伝子をイネに遺伝子導入し、葉緑体チラコイド膜近傍に局在させて発現させることにより、イネの低温脱色耐性が強化できることが明らかになった。
【0043】
【発明の効果】
本発明により、イネ科植物体において活性酸素消去系酵素遺伝子の発現を増強させることにより、耐冷性が強化されたイネ科植物体が提供される。
【配列表】

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【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、ベクターの構築の模式図である。図1Aは、pHSG/35SI/chl/clAPX/Nos(pAPX)の構築を示す。図1Bは、pHSG/35SI/chl/clAPX/stuck/Nos(pAPXst)の構築を示す。
【図2】図2は、APX遺伝子導入イネ植物体のサザン分析の結果を示す図(写真)である。コントロールは、 非形質転換体、27,75,76,77,78,89は、形質転換体。
【図3】図3は、APX遺伝子導入イネ植物体のノザン分析の結果を示す図(写真)である。図3Aは、pAPX導入個体における結果である。コントロールは非形質転換体、3,8,13,17は形質転換体。図3Bは、pAPXst導入個体における結果である。コントロールは非形質転換体、27,75,76,77,78,89は形質転換体。
【図4】図4は、APX遺伝子導入イネ植物体のウェスタン分析の結果を示す図(写真)である。ペレットはペレット画分、上清は上清画分。コントロールは非形質転換体、75,76,77,78は形質転換体。
【図5】図5は、APX遺伝子導入イネの翻訳レベルの発現確認の結果を示す図(写真)である。図5Aは活性染色とウェスタン分析の比較を示す図である。SASは非形質転換体、APXst8,APXst21,APXst27は形質転換体。図5Bは形質転換体植物の活性染色分析の結果を示す図である。コントロールは非形質転換体、76,89は形質転換体。
【図6】図6は、APX遺伝子導入イネ植物体のAPX活性測定の結果を示す図である。
【図7】図7は、APX遺伝子導入イネ植物体の後代(T1)のウェスタン分析の結果を示す図(写真)である。コントロールは非形質転換体、Mは分子量マーカー、APXst89  1〜5は形質転換体。
【図8】図8は、APX遺伝子導入植物体のパラコート耐性(Fv/Fm値の変化)の検定結果を示す図である。図8Aは当代(T)植物の比較(89は遺伝子発現あり、103は遺伝子発現なし)。図8Bは分離後代の比較(89−33は遺伝子発現あり、89−39は遺伝子発現なし)。
【図9】図9は、APX遺伝子導入イネ植物体のパラコート耐性の検定結果を示す図(写真)である。分離後代(T1)葉切片を用いたパラコート(メチルビオロゲン)耐性検定。89−33は遺伝子発現あり、89−39は遺伝子発現なし。メチルビオロゲン処理は0, 5, 10 mMの3条件。
【図10】図10は、APX遺伝子導入イネ植物体の低温脱色耐性の検定結果を示す図(写真)である。1200μmolEの光を照射しながら、葉切片を4℃で3日間低温処理した。APXst103およびAPXst106は非形質転換体、APXst76およびAPXst89は形質転換体。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a grass plant with enhanced cold resistance, which is produced by enhancing the expression of an active oxygen scavenging enzyme gene. More specifically, the present invention relates to a Poaceae plant in which low-temperature decolorization resistance is enhanced by introducing a gene for ascorbate peroxidase (hereinafter sometimes abbreviated as APX) derived from Chlamydomonas. According to the present invention, active oxygen in chloroplasts, which is a cause of low-temperature decolorization, is efficiently removed, so that damage due to delayed-type cold damage during cold damage can be reduced, and direct sowing cultivation can be stabilized.
[0002]
[Prior art]
Rice (Oryza @ sativa) is a plant native to the tropics and is vulnerable to low temperatures, and rice cultivation in cold regions has long been facing the problem of cold injury. In particular, the low temperature damage encountered every few years has affected each stage of rice growth. For example, the cold damage in 1993 was due to a combination of reduced yield due to sterility due to low temperature during the ear birth season, poor ripening due to long-term exposure to low temperature from the early growth stage, and poor ripening due to blast disease. Was significantly reduced. Up until now, measures have been taken to overcome cold damage, such as breeding cold-tolerant varieties at each breeding site, but it has been clarified that these measures alone are not sufficient. In order to minimize the damage caused by the cold damage, it is required to strengthen not only the low-temperature tolerance in the panicle stage but also the low-temperature tolerance in the seedling stage.
[0003]
On the other hand, in the field of rice cultivation, the production orientation of high-quality rice has been strengthened, and the reduction of production costs has been strongly demanded. Although direct sowing has the advantages of saving facility costs and labor costs and making it easy to increase the size, there is a problem that initial growth tends to be unstable. In particular, the low temperature encountered during the seedling stage causes great damage such as leaf withering due to leaf blade wilting and yellowing and whitening of leaves. Even in direct sowing, enhancement of low temperature tolerance in the seedling stage is required.
[0004]
Low-temperature injury at the seedling stage in rice is broadly classified into two types: low-temperature withering, which is considered to be due to inhibition of water absorption at low temperatures, and low-temperature decolorization, in which leaves and stems are yellowed by low-temperature exposure under light irradiation.
Several attempts have been made to enhance cold tolerance of plants by introducing a gene related to cold tolerance. For example, an example in which proline, an osmotic pressure regulating substance, is accumulated in Arabidopsis by overexpression of a key enzyme gene or suppression of expression of a degradation system gene to enhance low temperature tolerance (for example, see Non-Patent Document 1), an environmental stress responsive gene There is also a research example in which the overexpression of the transcriptional regulatory factor DREB involved in the regulation of the expression of Arabidopsis enhances the cold stress resistance of Arabidopsis (for example, see Non-Patent Document 2). These are techniques suitable for reducing wilt damage caused by cold stress of plants.
[0005]
On the other hand, low-temperature decolorization in which leaves and stems turn yellow due to low-temperature exposure under light irradiation is thought to be due to peroxidation of biological membranes caused by active oxygen generated near photosystems I and II in chloroplasts. Have been. In chloroplasts, one of the active oxygen molecular species O2 − ・Has been generated. O2 − ・Spontaneously disappears in a very short period of time, but may also peroxidize biopolymers during that time. Originally, a mechanism that protects against such reactive oxygen-induced damage exists in chloroplasts of plants. The main function of this pathway is Cu / Zn-superoxide dismutase (hereinafter referred to as SOD). May be abbreviated) and elimination of active oxygen by APX. In the former, O generated near the thylakoid membrane2 − ・Disproportionate and H2O2Which catalyzes the reaction2O2Catalyzes the reaction of decomposing water and oxygen. When low-temperature stress is applied to a plant under light irradiation, the supply of carbon dioxide gas is not sufficient because the pores are closed, and the chloroplast is in a state of excessive reducing power. In this state, it is considered that active oxygen is generated in a large amount as the capacity of the active oxygen scavenging enzyme exceeds the scavenging ability, and as a result, peroxidation of the membrane and protein molecules progresses, and chloroplasts are destroyed. Bowler, Gupta, and others have shown that overexpression of a plant-derived SOD gene can reduce cold discoloration damage (see Non-Patent Documents 3 and 4). However, the introduction of the SOD gene alone poses a problem with the generated hydrogen peroxide. There has been no example showing that the enzyme gene for eliminating hydrogen peroxide was introduced into plants to enhance the resistance of plants to low-temperature decolorization.
[0006]
Furthermore, in rice, the cold resistance at the seedling stage as well as the cold resistance at the panicle stage is practically important.2+-A research example of Saijo et al. (See Non-Patent Document 5) due to overexpression of a dependent protein kinase (dependent protein kinase) gene, and a research example of Sakamoto et al. (See Non-Patent Document 6) due to overexpression of a betaine synthesis gene. )). In the study of Saijo et al., The target protein of the over-expressed protein kinase gene product is not always clear, and such signal transduction is based on the fact that signals generated by receiving multiple stresses pass through the same signal transduction factor. It may not work well depending on the low-temperature conditions that rice seedlings suffer. In addition, there has been no report that there is an active oxygen scavenging enzyme gene in the chloroplast downstream of the signal of such a protein kinase gene. There is a high possibility that it will not be connected.
In addition, in the study of Sakamoto et al., In order to highly express choline oxidase, electrons are transferred to molecular oxygen, and as a result, active oxygen is produced in an equimolar amount with choline. This is an unfavorable trait especially for low-temperature light damage in the seedling stage, and it is considered that enhancement of the active oxygen scavenging system is much more effective.
However, there has been no example in which the resistance to low-temperature decolorization of rice and gramineous plants has been enhanced by introducing an active oxygen scavenging enzyme gene.
[0007]
[Non-patent document 1]
T. {Nanjo et al. 461 (3), 205-210, (1999) FEBS Lett.
[Non-patent document 2]
M. {Kasuga et al. , {17, {287-291,} (1999)} Nature {Biotechnol.
[Non-Patent Document 3]
C. {Bowler et al. , 10 (7), 231723-1732, (1991) EMBO Journal
[Non-patent document 4]
A. S. {Gupta et al. , {90, {1629-1633, (1993)} Proc. {Natl. {Acad. {Sci. USA
[Non-Patent Document 5]
Y. {Saijo et al. , {42 (11), {1228-1233}, {(2001)} Plant {Cell} Physiol.
[Non-Patent Document 6]
A. {Sakamoto et al. , {38 (6), {1011-1010, {(1998)} Plant {Mol. {Biol.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to produce a Poaceae plant with enhanced cold resistance.
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, by enhancing the expression of an active oxygen-scavenging enzyme gene in a Gramineous plant, to enhance cold resistance, By overexpressing the APX gene that eliminates hydrogen peroxide, one of the reactive oxygen species in the plant, we succeeded in enhancing the resistance to cold decolorization of grasses. APX in the chloroplasts of higher plants is an unstable enzyme, and it has been shown that APX is rapidly deactivated when a large amount of active oxygen is generated and the substrate ascorbic acid is deficient for its elimination. The present inventors have newly isolated a Chlamydomonas-derived gene that confers salt tolerance to Escherichia coli, one of which is chloroplast APX, and the stability of the enzyme against inactivation during ascorbic acid deficiency is higher than that of higher plants. (T. Takeda et al., 376 (1), 82-90, (2000) Arch. Biochem. Biophys.). Furthermore, the present inventors enhance the low-temperature photobleaching resistance of rice by introducing a stable APX gene derived from Chlamydomonas into a gramineous plant and expressing it in chloroplasts, thereby enhancing the low-temperature bleaching resistance of the rice plant. Succeeded. In addition, it has been shown that, in higher plants, a thylakoid-membrane-localized sequence is added to the stromal-type APX by alternative splicing to generate a thylakoid-membrane-type APX. It is considered that the film type APX is more effective. The present inventors have further succeeded in enhancing the low-temperature decolorization resistance of gramineous plants by adding and expressing a thylakoid-membrane localization sequence to the stable APX gene of Chlamydomonas. The present invention has been achieved in this manner.
[0009]
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) Poaceae plants with enhanced cold resistance produced by enhancing the expression of active oxygen-scavenging enzyme genes.
(2) The plant according to (1), wherein the Poaceae plant is rice.
(3) The plant according to (1), wherein the active oxygen-scavenging enzyme gene is an ascorbate peroxidase gene.
(4) The plant according to (3), wherein the ascorbate peroxidase gene is derived from Chlamydomonas.
(5) The plant according to (3), wherein the ascorbate peroxidase gene has any one of the following nucleotide sequences.
(A) a base sequence consisting of base numbers 32 to 991 in the base sequence described in SEQ ID NO: 1;
(B) a base sequence in which one to a plurality of bases are deleted, added or substituted in the base sequence consisting of base numbers 32 to 991 in the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1, wherein ascorbate peroxidase is A nucleotide sequence encoding a protein having activity; or
(C) a base sequence that hybridizes under stringent conditions to a base sequence consisting of base numbers 32 to 991 or a complementary sequence thereof or a part thereof among the base sequences set forth in SEQ ID NO: 1, ascorbic acid A nucleotide sequence encoding a protein having peroxidase activity.
(6) The method according to any of (3) to (5), wherein a chloroplast translocation sequence is added to the ascorbate peroxidase gene, and the gene translation product is localized in the chloroplast. Plant.
(7) any of (3) to (6), wherein a thylakoid translocation sequence is added to the ascorbate peroxidase gene, and the gene translation product is localized near the thylakoid membrane of the chloroplast. The plant according to the present invention.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
<1> Plant of the present invention
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The plant of the present invention is a Poaceae plant having enhanced cold resistance, which is produced by enhancing the expression of an active oxygen scavenging enzyme gene.
The “active enzyme elimination enzyme gene” is not particularly limited as long as it encodes an enzyme that eliminates an active enzyme species, and examples thereof include an ascorbate peroxidase gene, a catalase gene, and a superoxide dismutase gene. Acid peroxidase genes are preferred. The “active enzyme elimination enzyme gene” may be used singly or in combination of two or more. "Enhanced expression" refers to the copy number of the active oxygen-scavenging enzyme gene originally present in the target plant by introducing and expressing the active oxygen-scavenging enzyme gene derived from the same or different plant as the target plant in the target plant. Can also be carried out by introducing and expressing a more stable active oxygen scavenging enzyme gene derived from the same or different plant as the target plant into the target plant. It can also be carried out by introducing and expressing in the target plant an active oxygen scavenging enzyme gene having a higher specific activity derived from the same or different plant as the target plant. In addition, it can also be carried out by introducing and expressing in the target plant an active oxygen scavenging enzyme gene which is not originally present in the target plant. Furthermore, it can also be carried out by enhancing the expression of an active oxygen scavenging enzyme gene originally present in the target plant. In addition, "enhancement of expression" may be performed using one of these methods, or a plurality of methods may be combined.
[0011]
Whether or not the “Cold Tolerance” of the transformed grass plant is enhanced can be confirmed by assaying by the method described in detail in the following Examples. Briefly, leaf sections cut from transformants and non-transformants can be clarified by floating in Yoshida hydroponic solution, incubating at 4 ° C under high light for 3 days, and comparing the degree of decolorization of the leaves. it can. If the degree of decolorization of the transformant is suppressed as compared with the non-transformant, it can be said that the "cooling resistance" is enhanced.
The gramineous plant used in the present invention is not particularly limited as long as it can enhance the expression of the active oxygen-scavenging enzyme gene, and rice is preferable.
[0012]
A preferred embodiment of the present invention is a grass plant with enhanced cold resistance, which is produced by enhancing the expression of the APX gene. The APX gene is not particularly limited as long as its expression can be enhanced in a target plant, but a gene of an APX enzyme that is stable even under ascorbic acid deficiency is particularly preferable. Such a gene is not particularly limited as long as it is stable under ascorbic acid deficiency. For example, a gene derived from Chlamydomonas can be preferably exemplified. As the Chlamydomonas-derived APX gene, for example, a chloroplast-type gene (Genbank Accession Number: AB009084) of Chlamydomonas (Sp. W80) is particularly preferably used. This gene can be obtained, for example, by preparing appropriate primers based on the sequence and using the primers by PCR using plant cDNA as a template.
[0013]
Further, in a normal gene, naturally, mutations such as deletion, addition or substitution of one or more bases at one or more positions are present depending on differences in species, genera, individuals, and the like. Genes that can be used in the present invention also include genes containing such mutations as long as the ascorbate peroxidase activity of the encoded protein is not impaired. That is, another preferred embodiment of the present invention provides a nucleotide sequence consisting of nucleotide numbers 32 to 991 in the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 as long as the ascorbate peroxidase activity of the encoded protein is not impaired. A plant having enhanced cold resistance by enhancing the expression of a gene having a nucleotide sequence in which a plurality of bases have been deleted, added or substituted from the plant. Here, the “plurality” specifically means 2 to 480, preferably 2 to 384, and more preferably 2 to 192.
[0014]
Such a deleted, added or substituted nucleotide sequence can be found in Chlamydomonas sp. Appropriate primers are prepared based on the sequence of the chloroplast APX gene of W80, and the primers can be used to obtain cDNAs of other organisms as a template by PCR or the like. Obtainable. It can also be obtained by other conventionally known mutation treatments.
[0015]
By expressing a nucleotide sequence having the above mutation in a target plant and examining the ascorbate peroxidase activity of the plant, a nucleotide sequence that can be used in the present invention can be obtained. Ascorbate peroxidase activity can be confirmed according to the method described in detail in the following examples. In addition, from a DNA having a mutation or a cell holding the same, for example, a probe having a base sequence consisting of at least base numbers 32 to 991 of the base sequence of SEQ ID NO: 1 or its complementary sequence, or a probe having a part thereof and a string The DNA used in the present invention can also be obtained by isolating a DNA that hybridizes under gentle conditions and encodes a protein having ascorbate peroxidase activity. Here, the “part” is a length effective for use as a probe. Further, “stringent conditions” refer to conditions under which a so-called specific hybrid is formed and a non-specific hybrid is not formed. Although it is difficult to quantify these conditions clearly, for example, DNAs having high homology, for example, at least about 50% or more, preferably at least base numbers 32 to 991 of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1, preferably DNAs having a homology of 60% or more, more preferably 80% or more hybridize with each other, and DNAs with lower homology do not hybridize with each other, or at 65 ° C., 0.1 × SSC, 0.1% Conditions for hybridization under salt conditions corresponding to SDS are mentioned. Note that the homology is calculated by BLAST.
[0016]
Some of the genes that hybridize under the conditions described above include those in which a stop codon has been generated in the middle and those that have lost activity due to mutation of the active center, but these are introduced into the target plant, Ascorbate peroxidase activity can be easily removed by measuring in the manner detailed in the examples below.
[0017]
<2> Vector used in the present invention
Examples of a method for introducing the APX gene into a plant of the grass family include a method of constructing a vector containing the APX gene and transforming the grass with the vector.
A vector that can be used in the present invention is a vector in which a promoter and a terminator capable of expressing the APX gene in a rice plant are incorporated in a plasmid vector, or a vector in which an intron is incorporated into a plasmid vector, if necessary.
[0018]
In a preferred embodiment of the present invention, the APX gene is introduced into a gramineous plant and the chloroplast is expressed in the chloroplast, thereby enhancing the low-temperature light damage resistance of rice. It is a Poaceae plant. In addition, another preferred embodiment of the present invention provides a rice plant having enhanced cold resistance, preferably low temperature bleaching resistance, characterized in that a thylakoid membrane localization sequence is added to the APX gene and the gene is introduced and expressed in a grass plant. Family plant.
[0019]
By linking and expressing the APX gene with an appropriate chloroplast translocation sequence, the gene expression product can be expressed in the chloroplast of the target plant. Alternatively, a gene originally having a chloroplast translocation sequence may be used. Alternatively, even when a gene originally having a chloroplast translocation sequence is used, it may be used by being linked to a more efficient translocation sequence. When an APX gene derived from Chlamydomonas is used, the APX gene derived from Chlamydomonas is originally a gene having a chloroplast translocation sequence at the 5 'end, so that the gene product can be expressed as it is in a chloroplast of a grass plant. In particular, the chloroplast translocation sequence of the Chlamydomonas APX gene is replaced with a chloroplast translocation sequence of a glutamine synthase gene (Plant Molecular Biology, {13, {611} (1989)) of a Gramineae plant. Thus, the APX gene product can be localized in the chloroplast with high efficiency.
[0020]
Furthermore, the gene product can be localized in the vicinity of the chloroplast thylakoid membrane of the transformed plant by linking and expressing the thylakoid membrane localization sequence to the APX gene having the chloroplast translocation sequence. Alternatively, a gene originally having a thylakoid membrane proximal translocation sequence may be used. Alternatively, even when a gene that originally has a thylakoid-membrane translocation sequence is used, it may be used by being linked to a more efficient translocation sequence. When a stromal APX gene derived from Chlamydomonas is used, a plasmid obtained by adding a thylakoid membrane-proximal translocation sequence, which is preferably located on the c-terminal side of a thylakoid membrane-type APX gene product of tobacco or spinach, to a Chlamydomonas-derived APX gene is added to a plant belonging to the family Gramineae The gene product can be localized near the chloroplast thylakoid membrane of the transformed plant by introducing the gene into the body and expressing it.
[0021]
As a promoter to be used, for example, a promoter derived from a cauliflower mosaic virus such as CaMV35S (pBI221: EMBO. J., 6, 3901-3907) (1987)), rbcS (ribulose 1,5-bisphosphophosphate carboxylase), Cab (chlorophyllla /) Promoters that have been confirmed to be expressed in plants, such as b \ binding \ protein (Science, {244, {174} (1989)). Examples of the terminator include a terminator derived from a cauliflower mosaic virus, a terminator derived from a NOS (nopaline synthase) gene, and the like. In addition, a vector having an intron between the promoter and the structural gene can also be used as a high expression vector. As the intron, the first intron of castor Cat (catalase gene) (A. Tanaka et al., Nucleic Acid Research, 18, 6767). -6770, (1990)).
[0022]
<3> Gramineous plant of the present invention and method for producing the same
Hereinafter, a method for obtaining the plant of the present invention will be exemplified.
The plant of the present invention is a Poaceae plant having enhanced cold resistance, which is produced by enhancing the expression of an active oxygen scavenging enzyme gene, preferably an APX gene.
The plant of the present invention can be produced, for example, by constructing a vector containing the APX gene, transforming a grass plant with the vector, and enhancing the expression of the APX gene.
Further, in the present invention, it is preferable to use a selection marker gene such as a hygromycin phosphotransferase gene. As the selectable marker gene, one having the same vector as the APX gene may be used, or a vector having the selectable marker gene and a vector having the APX gene may be used in combination. As these vectors, vectors used for transforming gramineous plants can be used.
[0023]
As a method of transformation, for example, a protoplast derived from a gramineous plant is suspended in a liquid medium, the vector is introduced by applying an electric pulse, and then cultured in a medium containing rice cultured cells to form colonies. Plants can be regenerated from the colonies (K. Shimamoto et al., 337, 274-276, (1989) Science).
Specifically, gene transfer into rice can be performed, for example, as follows. The callus is induced by incubating Sasanishiki seeds on a medium containing 2,4-D at 2 μg / ml. Suspension cultured cells are produced from the obtained calli, and the suspension is treated with an enzyme solution containing 4% cellulase and 0.5% pectylase to obtain protoplasts. The protoplasts were suspended in a low-electrolyte buffer for electroporation containing 60 μg / ml of the vector DNA containing the hygromycin resistance gene vector and the vector DNA containing the APX gene, respectively, and placed in a Kartel cuvette (for a distance between electrodes of 4 mm). Gene transfer by electroporation is performed under the electrical conditions of cm, an electric capacity of 1000 μF, and τ = 30 msec. The protoplasts subjected to the gene transfer treatment were further incubated on ice for 30 minutes, then embedded in an R2P medium containing 0.8% of low-melting-point agarose, and agarose pieces were floated on an R2P liquid medium and cultured in an agarose bead method. Perform shaking culture in a culture room at ℃. During the cultivation, rice culture cells (Oc cells) are put into the R2P liquid medium for protection culture. On the third day after the start of the culture, the cells for protection culture are removed, and on the seventh day, 30 μg / ml of hygromycin is added. Transfer the cells together with the agar pieces to a liquid medium containing them and start selection. Seven days after the start of the selection, the agar pieces are transferred to an R2SA selection agar medium containing 30 μg / ml of hygromycin, and the culture is continued, whereby hygromycin-resistant calli can be obtained.
[0024]
The fact that a gene has been integrated into a transformed cell or a transformed plant means that DNA can be obtained therefrom using, for example, Mol. @Gen. {Genet. , 211, 27, 1988 (PCR) (Am. J. Hum. Genet., 37, 172, 1985) or the Southern method (J. Mol. Biol., 98, 505). , (1980)). The fact that the transformed cells express the Chlamydomonas APX gene integrated into the plant genome can be confirmed, for example, by the Northern method using the APX gene sequence or a part thereof as a probe (P. {Thomas et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 77, 5201, (1980)) and a Western method using a specific antiserum against the introduced gene product (Chlamydomonas APX protein) (Towbin al., Proc. Natl. Acad. Sci., 76, 4350). , (1979)). The enzymatic activity of the APX protein, which is a translation product of the introduced gene, can be determined by the method of Zilinska et al. (R. @Mittler, \ and \ B.A. \ Zilinskas, \ Analytical \ Biochemistry, \ 212, \ 540-546), described in detail in the Examples below. )). Whether the ability to remove active oxygen in the chloroplasts of the transformed rice plants was enhanced was determined by examining leaf sections cut from the transformants and non-transformants using paraquat [methyl viologen] in Yoshida hydroponic solution. It can be revealed by measuring the change over time of photosynthetic system II activity using a chlorophyll fluorescence measuring device (Waltz, Germany) and comparing the results. If the degree of decrease in Fv / Fm of the transformant is suppressed as compared with the non-transformant, it can be said that the "active oxygen removing ability" is enhanced. As described above, whether or not the transformant rice has enhanced resistance to low-temperature decolorization is as described above. Leaf sections cut from the transformant and the non-transformant are floated in Yoshida hydroponic solution and incubated at 4 ° C for 3 days under strong light. Can be clarified by comparing the degree of decolorization of leaves. If the degree of decolorization of the transformant is suppressed as compared with the non-transformant, it can be said that the "cooling resistance" is enhanced.
[0025]
A method of calculating Fv / Fm will be described. Plant photosynthesis consists of light and dark responses. In the light reaction, a hydrogen ion concentration gradient is formed across the thylakoid membrane while electrons are transported through the two active center photosynthesis systems II and photosynthesis system I while being excited by light energy, and the energy is used to perform a dark reaction. High energy compounds such as ATP and NADPH used for the production are produced.
[0026]
The state of the bright reaction in the photosynthetic system can be known nondestructively by examining the increase / decrease of the amount of fluorescence emitted from the active center P680 of the photosynthetic system II and the infrared light absorption of the active center P700 of the photosynthetic system I. In particular, the fluorescence emitted from the photosynthetic system II greatly changes depending on the light energy intensity received by the antenna dye and the ease with which electrons flow in the electron transfer system (dark reaction state). For example, in plants adapted to dark conditions, enzymes involved in dark reactions are inactivated and electrons flow at the lowest speed. On the other hand, the photosynthetic II active center forms the complex best with the light-harvesting complex (Light @ harvesting @ complex) and is active. In addition, a xanthophyll cycle, which is an adaptation route to strong light, is also inactivated, and the emission of light energy as heat is in a minimum state. Thus, the maximum amount of fluorescence is emitted when the leaves of a plant adapted to the dark conditions are transferred to the light. When measuring the fluorescence emitted from the leaves in this state, the maximum fluorescence Fm for the excitation light is recorded. Autofluorescence is always emitted mainly from chlorophyll a from the leaves of the plant, and even when excitation light is not applied, F0Indicates a constant value. Therefore, from the Fm value, F0When the value obtained by subtracting the value is used as the Fv value and the index Fv / Fm value (relative value) of the photosynthetic activity is determined, the value shows a substantially constant value of 0.7 to 0.8.
[0027]
Then, when the photosynthesis system starts to move under light irradiation, a hydrogen ion concentration gradient is formed, and according to the degree, the xanthophyll cycle starts to work and light energy emission as heat starts. Also, as the chloroplast enters a reducing state, phosphorylation causes a separation between the photosynthetic II active center and the light-harvesting complex, and the number of active photosynthetic system II active centers decreases. Furthermore, since the enzymes of the dark reaction are activated and the flow of electrons becomes smooth, the amount of fluorescence Fm 'emitted from the leaves temporarily decreases. The Fv / Fm value also decreases.
[0028]
When a plant is photo-damaged and the photosynthetic system is damaged by active oxygen or the like (mostly protein degradation by oxidation), the number of active centers that can participate in photosynthesis decreases. If the stress is significant, this decrease is irreversible and does not return to the original number, even in the absence of stress. When observing the fluorescence at this time, the decrease rate of the fluorescence is faster than that in the non-stress state, and the maximum fluorescence Fm no longer comes out even when the state is adjusted to a dark state when there is no stress.
[0029]
Comparing the chlorophyll fluorescence of the non-transformed plants with the genetically engineered plant to reduce the light damage, the effect of reducing the damage is indicated by the difference in the fall of the relative fluorescence value Fv / Fm during stress, and when the addition of stress is stopped. Can be tested as a difference in the degree of recovery of the relative fluorescence value.
[0030]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
(1) Synthesis of DNA fragment for vector construction
Based on the chloroplast-type gene sequence of Chlamydomonas (Chlamydomonas sp. W80), primer 1 APX5BAM36: GCC CAT GGC CCG ATC CAA GGC CTC CGC CGC GACT GCT GCT GCT GCT C ACT CAAACG TCG AGC CCA (SEQ ID NO: 4), primer 3 APX3STOPSAC36: G AG GTG CTT AGG ATC CCT CAA ACG TCG AGC CCA (SEQ ID NO: 5), Primer 4 STUC5GAT GAT GA GATCAGGA GA SEQ ID NO: 6), Primer 5 {STUCK3STOPSAC}: Synthesizes 5 types of primers: AAA AAA CCA CAA AGA GCT CTC A AT ATTC CCG CAA GAT ATG (SEQ ID NO: 7) (The position of each primer on the APX gene is as shown in FIG. 1) ), The Tm is set in the range of 47 to 54 ° C, and a plasmid pET / C for expression of E. coli (T. Takeda et al., 376) is obtained by using Pyrobest DNA polymerase (TAKARA) to obtain a correct APX fragment. (1), {82-90, {(2000)} Arch. {Biochem.} Biophys.) Was used as a template to perform a PCR amplification reaction for 25 to 35 cycles. An APX gene fragment of about 900 bp was obtained by combining the primers 1, 2, 1, and 3 (FIGS. 1a and 1b: fragment A and fragment B). With primers 4 and 5, the Tm was set to 50 ° C., and a reaction was performed for 25 cycles to obtain a gene fragment of about 150 bp of a thylakoid-membrane-localized sequence (hereinafter sometimes abbreviated as stack) (FIG. 1b: Fragment C).
[0031]
(2) Integration of APX gene fragment into chloroplast stroma expression cassette
Expression cassette pHSG / 35SI / chl // Nos with stromal transfer sequence (H. Hoshida et al., 43, 103-111, (2000) Plant Mol. Biol.) And fragment A cut with restriction enzymes BamHI and SacI, respectively. After that, ligation was performed using Takara ligation kit (TAKARA). Escherichia coli was transformed with the ligation reaction product to obtain an expression vector pHSG / 35SI / chl / clAPX / Nos (hereinafter abbreviated as pAPX) (FIG. 1a). After cutting pHSG / 35SI / chl // Nos and the fragment C with BamHI-SacI, ligation was performed to obtain an intermediate vector pHSG / 35SI / chl / stack / Nos. This intermediate vector and fragment B were cut with BamHI and ligated to obtain a large number of candidate clones. The selected clones were cut with HindIII and NheI (having a cleavage site inside APX) and cut correctly (1.3 Kb + 3.1 Kb), and the expression vector pHSG / 35SI / chl / clAPX / stack / Nos (hereinafter abbreviated as pAPXst) was obtained (FIG. 1b).
[0032]
(3) Introduction of the prepared vector into rice
Callus induction was carried out by incubating Sasanishiki seeds on a medium containing 2,4-D at 2 μg / ml. Suspension cultured cells were produced from the obtained calli, and treated with an enzyme solution containing 4% cellulase and 0.5% pectylase to obtain protoplasts. The protoplasts were suspended in a low-electrolyte buffer for electroporation containing 60 μg / ml of the hygromycin resistance gene vector and each vector DNA (pAPX or pAPXst), and placed in a Kartel cuvette (for a distance between electrodes of 4 mm). Gene transfer was performed by electroporation under the electrical conditions of 1 KV / cm, electric capacity of 1000 μF, and τ = 30 msec. The protoplasts subjected to the gene transfer treatment were further incubated on ice for 30 minutes, then embedded in an R2P medium containing 0.8% of low-melting-point agarose, and agarose pieces were floated on an R2P liquid medium and cultured in an agarose bead method. Shaking culture was performed in a culture room at ℃. During the culture, rice culture cells (Oc cells) were placed in the R2P liquid medium and the culture was protected. On the third day after the start of the culture, the cells for protection culture were removed, and on the seventh day, the cells were transferred together with the agar pieces to a liquid medium containing 30 μg / ml of hygromycin to start selection. Seven days after the start of the selection, the agar pieces were transferred to an R2SA agar medium containing 30 μg / ml of hygromycin to obtain a number of selected hygromycin (Hyg) -resistant calli.
[0033]
(4) Selection of transformed callus by PCR
Genomic DNA was extracted from Hyg-resistant calli, and PCR was performed with a combination of primer 6: ACACTGGCCGAGTGCCA (SEQ ID NO: 8) and primer 7: ACGTCGAGGCCCAGCTCC (SEQ ID NO: 9). A transformant was detected. Regarding the transformant into which the vector pAPXst was introduced, in particular, in order to confirm the presence of a thylakoid-membrane-localized sequence, primer 6 (described above) and primer 8: AGTTTTGTTGTAGGAGGC (SEQ ID NO: 10) were used for positive clones. When PCR was performed in combination, a band was confirmed at the same position as the plasmid. By PCR, transformants callus of 12 lines for pAPX and 38 lines for pAPXst were selected.
[0034]
(5) Confirmation of gene transfer by Southern analysis
For the transformant callus in which gene introduction was confirmed by PCR, Southern analysis was performed to confirm whether the full length of the expression cassette of the vector had been introduced. Using the full length APX gene cDNA as a probe, APXst transformant plants were subjected to Southern analysis. Genomic DNA extracted according to a conventional method was cut with a restriction enzyme Hind III-Nhe I so that the number of copies inserted into the genome could be determined. For example, as shown in FIG. 2, it was found that the APX gene was introduced into the plant transformed with the pAPXSt vector.
[0035]
(6) Confirmation of Chlamydomonas APX gene expression by Northern analysis
Northern analysis was performed to examine transcription from the introduced Chlamydomonas APX gene. Total RNA was extracted from pAPX and pAPXst transgenic plants according to a standard method, electrophoresed in 30 μg portions, and blotted on a nylon membrane. Northern analysis was performed using the APX gene fragment increased by the primers 6 and 7 as a probe. A 1.2 kb ΔAPX gene transcript was confirmed in the transformed plant into which the vector pAPX was introduced. Also, a 1.4 kb transcript was confirmed in the transformant into which pAPXst was introduced. The gene expression level had a good correlation with the copy number of the transgene (FIG. 3).
[0036]
(7) Confirmation of APX gene expression at translation level by Western analysis
Using a Chlamydomonas APX specific antibody ((T. Takeda et al., 376 (1), 82-90, (2000) Arch. Biochem. Biophys.)), The gene expression at the translation level was confirmed by Western analysis. . To 100 mg of callus, 2-3 times the amount of extraction buffer (100 mM @ Tris-HCl, @pH 7.8, @ 1% SDS, @protease inhibitor cocktail) is added on ice to grind, and centrifuged at 4 ° C., 15000 rpm for 5 to 10 minutes. Separation gave a supernatant (S) and a pellet. The pellet is added with 50 to 100 μl of a solubilization buffer (extraction buffer+0.1%@Triton X-100), suspended, and centrifuged again at 4 ° C. and 15000 rpm for 5 to 10 minutes. And Western analysis was performed using the S and P fractions of the obtained sample according to a standard method. Protein extraction from plants was performed according to a standard method, and the pAPXst transformant was used for analysis of the supernatant and the precipitate fraction. When Western analysis was performed using the anti-Chlamydomonas antibody as the primary antibody, gene expression at the translation level was confirmed in all lines in which gene expression was confirmed at the transcription level (FIG. 4). This expression level had a good correlation with the transcription level. In addition, when the gene expression levels of the supernatant and the precipitate fraction were compared, the band of the precipitate membrane fraction was deeper, indicating that the APX gene translation product was localized on the thylakoid membrane by the localization sequence near the thylakoid membrane. It was revealed.
[0037]
(8) Confirmation of translation product activity by activity staining
On ice, 100-200 mg of callus is ground with 2-3 volumes of extraction buffer (100 mM Na-P, 1 mM EDTA, 5 mM ascorbic acid, 0.1% Triton-X100, protease inhibitor cocktail), The mixture was centrifuged at 4 ° C. and 15000 rpm for 5 minutes to obtain a supernatant. A native acrylamide gel gel (containing no SDS; 5% concentrated gel, 12.5% separation gel) was prepared and subjected to 30 minutes at 4 ° C. in a running buffer (Tris @ 6 g / l, glycine @ 28 g / l) containing 2 mM ascorbic acid. Pre-run. Thereafter, a sample of 60 to 80 μg (two lanes of the same set were made) was loaded and electrophoresed for 3 to 4 hours. After completion of the electrophoresis, the gel on which the same set of samples had been electrophoresed was cut in half, and half was blotted on a membrane according to a standard method, and used for Western analysis thereafter. The other half of the gel was immersed in 50 mM Na-P buffer (pH 7.0) containing 2 mM ascorbic acid and incubated for 30 minutes, and then 2 mM H2O2And 4 mM ascorbic acid in 50 mM Na-P buffer (pH 7.0), incubated for 20 minutes, and then immersed in 50 mM Na-P buffer (pH 7.8) containing 28 mM TEMED and 2.45 mM NBT for 3 to 3 hours. The reaction was performed for 5 minutes. In the activity staining, in the transformants APXst8 and APXst27, a band considered to be APX activity derived from the transgene was detected in addition to a band considered to be derived from endogenous APX. This band was consistent with the position of the band reacting with the anti-Chlamydomonas APX antibody on the Western analysis membrane (transcribed from the gel run in parallel) (FIG. 5a). From this, it was revealed that active Chlamydomonas-type APX was expressed in the cells of the transformant callus. In the activity staining obtained by extracting proteins from the plant, a band derived from the introduced Chlamydomonas APX gene was detected in addition to the band considered to be derived from endogenous APX (FIG. 5b). The intensity of this band is considered to indicate the intensity of the activity, but had a good correlation with the amount of the translation product.
[0038]
(9) Regeneration of modern plants from transformed calli and production of next-generation plants
Six lines of plants were obtained from the 12 lines of pAPX callus selected by PCR. These were picked up and grown in a recombinant greenhouse to obtain T1 generation seeds for four lines. When gene expression of pAPXst callus of 38 lines obtained by PCR was examined, 18 lines were positive for Western analysis. Transformants regenerated from eight of these lines. Transformants were raised in a recombinant greenhouse and grown to obtain T1 generation seeds. The seeds were germinated to grow T1 transformed plants.
[0039]
(10) Measurement of APX activity in transgenic plants
According to the method of Zilinskas et al., A protein was extracted from the transformed plant with a 50 mM KP buffer containing 0.5 mM ascorbic acid and 1 mM PMSF, and 0.5 mM ascorbic acid was added to a 50 mM KP buffer containing 1 mM PMSF. Dialysis was performed for 3 hours or more using a dialysate and a dialysate not added. The amount of protein in the dialyzed extract was measured, and the activity was measured using 1 ml of the protein extract containing 200 μg and 400 μg (samples inactivated by boiling were also prepared). The activity was measured at a final concentration of 50 mM KP buffer containing 0.5 mM ascorbic acid, 1 mM PMSF, and 0.1 mM hydrogen peroxide. The reaction was started with the addition of hydrogen peroxide and the decrease per unit time in the Δ290 absorption of ascorbic acid was measured. Since the activity doubled when the amount of protein doubled, and the activity was lost when the sample was boiled, it was considered that APX activity could be measured correctly in this system. In the transformant, the total APX activity was increased about 5 times as compared with the control (FIG. 6).
[0040]
(11) Gene expression analysis in transgenic plant progeny
Seeds were obtained from four lines of the pAPXst recombinant plants of which the gene expression was confirmed in the current generation, and the seeds were obtained in the four lines. The seeds were sequentially germinated and the gene expression in the progeny was analyzed. Western analysis of APXst89 line progeny plants was performed according to a standard method. In the isolated progeny T1 generation of the line APXst89, gene expression at the translation level was confirmed (FIG. 7). This revealed that the introduced APX gene could be stably inherited in the next generation.
[0041]
(12) Paraquat resistance of APX transgenic plants
We succeeded in enhancing the ascorbate peroxidase activity of the transformant rice by up to 5-fold by the APX gene transfer, but we examined whether the enhanced activity could improve the ability to remove active oxygen in chloroplasts by using paraquat (methyl viologen). ) Resistance was examined. The highest developed leaves were cut out from rice grown in a recombinant greenhouse at a temperature of 26 ° C., a humidity of 55%, and a light intensity of 600 μmolE (day 14 hours, night 10 hours). A leaf section of 8 mm in length and 8 to 10 mm in width was cut out from the central portion of the cut out leaf (a 5 cm portion at the lower end was not used) and floated in Yoshida's hydroponic solution. 0, 0.1, 0.5, 1, 2, 5, 10 μM (adopt any of these concentration conditions) Yoshida's hydroponic solution (containing 0.1% Tween-20) containing methyl viologen. The dish was placed in a 24-hole dish and degassed for 10 minutes. The dish containing the leaf slices was transferred to an incubator at a temperature of 26 ° C. and a light intensity of 1200 μmolE (always bright conditions), and the Fv / Fm value was periodically measured using a PAM (Waltz, @Germany). Was examined. Also, a photograph of the leaf section was taken 2-3 days later, and the degree of bleaching was recorded. Measurement of the degree of damage by PAM: When the current plants (89 for Western + and 103 for Western-) were examined, the degree of damage was significantly lower in the lines with gene expression in the 10 μM treatment group (FIG. 8a). ). For 89 progeny with strong gene expression, it was found that they were segregated into individuals with gene expression and individuals without gene expression. Was significantly reduced (FIG. 8b). Further, three days after the paraquat treatment, the degree of decolorization of the leaves was observed, and it was revealed that the introduction of the APX gene reduced the decolorization of the leaves (collapse of chloroplasts) (FIG. 9). The above-mentioned paraquat resistance test was repeated twice or more for both the current generation and the progeny, and the effect of gene transfer could be verified with good reproducibility.
[0042]
(13) Cold resistance test of APX transgenic plants
In Western analysis, two individuals with gene expression (APXst103 and APXst106) and two individuals without expression (APXst76 and APXst89) were prepared, and the second leaf from the top was sampled. Eight leaf sections of 1.2 cm wide and 1.5 cm long were cut from the center of each leaf. Twelve leaf sections were sandwiched between 12-cm dishes (laid with Kim towels containing a hydroponic solution) and incubated on ice at 4 ° C. while irradiating with 1200 μmol E light.
In leaf sections incubated for 3 days while maintaining the low-temperature intense light irradiation conditions, individuals with strong gene expression maintained green color better (FIG. 10). From this result, it was revealed that by introducing the Chlamydomonas APX gene into rice and expressing it by localizing it near the chloroplast thylakoid membrane, the resistance of rice to low-temperature decolorization can be enhanced.
[0043]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is provided a grass plant having enhanced cold resistance by enhancing the expression of an active oxygen-scavenging enzyme gene in the grass plant.
[Sequence list]
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[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of the construction of a vector. FIG. 1A shows the construction of pHSG / 35SI / chl / clAPX / Nos (pAPX). FIG. 1B shows the construction of pHSG / 35SI / chl / clAPX / stuck / Nos (pAPXst).
FIG. 2 is a view (photograph) showing the results of Southern analysis of APX-transgenic rice plants. Controls are non-transformants, and 27, 75, 76, 77, 78 and 89 are transformants.
FIG. 3 is a diagram (photograph) showing the results of Northern analysis of APX-transgenic rice plants. FIG. 3A shows the results of a pAPX-introduced individual. Controls are non-transformants, and 3, 8, 13, 17 are transformants. FIG. 3B shows the results of a pAPXst-introduced individual. Controls are non-transformants, and 27, 75, 76, 77, 78, 89 are transformants.
FIG. 4 is a view (photograph) showing the results of Western analysis of APX-transgenic rice plants. The pellet is the pellet fraction, and the supernatant is the supernatant fraction. Controls are non-transformants, and 75, 76, 77 and 78 are transformants.
FIG. 5 is a diagram (photograph) showing the results of confirming the expression of the translation level of APX-transgenic rice. FIG. 5A is a diagram showing a comparison between activity staining and Western analysis. SAS is a non-transformant, and APXst8, APXst21, and APXst27 are transformants. FIG. 5B is a diagram showing the results of activity staining analysis of transformed plants. Controls are non-transformants, and 76 and 89 are transformants.
FIG. 6 is a view showing the results of APX activity measurement of APX-transgenic rice plants.
FIG. 7 is a view (photograph) showing the results of Western analysis of progeny (T1) of APX-transgenic rice plants. Control is a non-transformant, M is a molecular weight marker, APXst89 # 1-5 is a transformant.
FIG. 8 is a view showing the test results of paraquat resistance (change in Fv / Fm values) of APX-transgenic plants. FIG. 8A shows the current generation (T0) Plant comparison (89 with gene expression, 103 without gene expression). FIG. 8B is a comparison of the progeny of the separation (89-33 has gene expression, 89-39 has no gene expression).
FIG. 9 is a diagram (photograph) showing the test results of paraquat resistance of APX-transgenic rice plants. Paraquat (methyl viologen) resistance assay using isolated progeny (T1) leaf sections. 89-33 has gene expression, 89-39 has no gene expression. Methyl viologen treatment is performed under three conditions of 0, {5, and {10} mM.
FIG. 10 is a diagram (photograph) showing the results of assaying the low-temperature decolorization resistance of APX-transgenic rice plants. The leaf sections were subjected to low-temperature treatment at 4 ° C. for 3 days while irradiating 1200 μmol E of light. APXst103 and APXst106 are non-transformants, and APXst76 and APXst89 are transformants.

Claims (7)

活性酸素消去系酵素遺伝子の発現を増強させることにより作製した耐冷性が強化されたイネ科植物体。A grass plant with enhanced cold resistance produced by enhancing the expression of an active oxygen scavenging enzyme gene. イネ科植物がイネである請求項1に記載の植物体。The plant according to claim 1, wherein the gramineous plant is rice. 活性酸素消去系酵素遺伝子がアスコルビン酸パーオキシダーゼ遺伝子である請求項1に記載の植物体。The plant according to claim 1, wherein the active oxygen-scavenging enzyme gene is an ascorbate peroxidase gene. アスコルビン酸パーオキシダーゼ遺伝子がクラミドモナス由来である請求項3に記載の植物体。The plant according to claim 3, wherein the ascorbate peroxidase gene is derived from Chlamydomonas. アスコルビン酸パーオキシダーゼ遺伝子が、下記の何れかの塩基配列を有する請求項3に記載の植物体。
(A)配列番号1に記載の塩基配列のうち、塩基番号32〜991からなる塩基配列;
(B)配列番号1に記載の塩基配列のうち、塩基番号32〜991からなる塩基配列において1から複数個の塩基が欠失、付加または置換されている塩基配列であって、アスコルビン酸パーオキシダーゼ活性を有するタンパク質をコードする塩基配列;または
(C)配列番号1に記載の塩基配列のうち、塩基番号32〜991からなる塩基配列もしくはその相補配列またはそれらの一部とストリンジェントな条件下でハイブリダイズする塩基配列であって、アスコルビン酸パーオキシダーゼ活性を有するタンパク質をコードする塩基配列。
The plant according to claim 3, wherein the ascorbate peroxidase gene has any one of the following nucleotide sequences.
(A) a base sequence consisting of base numbers 32 to 991 in the base sequence described in SEQ ID NO: 1;
(B) a base sequence in which one to a plurality of bases are deleted, added or substituted in the base sequence consisting of base numbers 32 to 991 in the base sequence described in SEQ ID NO: 1, wherein the ascorbate peroxidase is A base sequence encoding a protein having activity; or (C) a base sequence consisting of base numbers 32 to 991 or a complementary sequence thereof or a part thereof among the base sequences set forth in SEQ ID NO: 1 under stringent conditions. A nucleotide sequence that hybridizes and encodes a protein having ascorbate peroxidase activity.
アスコルビン酸パーオキシダーゼ遺伝子に葉緑体移行配列が付与されており、該遺伝子翻訳産物が葉緑体に局在することを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の植物体。The plant according to any one of claims 3 to 5, wherein a chloroplast translocation sequence is added to the ascorbate peroxidase gene, and the gene translation product is localized in the chloroplast. アスコルビン酸パーオキシダーゼ遺伝子にチラコイド膜近傍移行配列が付加されており、該遺伝子翻訳産物が葉緑体のチラコイド膜近傍に局在することを特徴とする請求項3〜6のいずれか一項に記載の植物体。7. The thylakoid translocation sequence is added to the ascorbate peroxidase gene, and the gene translation product is localized near the thylakoid membrane of the chloroplast, 7. The method according to any one of claims 3 to 6, wherein Plants.
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