JP2005245296A - Gene involving symbiosis with rhizobium and/or mycorrhizal fungi and its utilization - Google Patents

Gene involving symbiosis with rhizobium and/or mycorrhizal fungi and its utilization Download PDF

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誠 林
Masayoshi Kawaguchi
正代司 川口
Tetsuyuki Tabata
哲之 田畑
Parniske Martin
パニスキー マーチン
Shinji Kawasaki
信二 川崎
Atsuko Imaizumi
温子 今泉
Yasuhiro Murakami
泰弘 村上
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To isolate/identify genes or proteins involving symbiosis of a plant with rhizobium and/or mycorrhizal fungi and to provide a method for utilizing the genes or the proteins. <P>SOLUTION: Two genes involving symbiosis with rhizobium and/or mycorrhizal fungi were acquired from Lotus japonicus by using a variant which is incomplete to symbiosis with rhizobium and/or mycorrhizal fungi. Since symbiosability with rhizobium and/or mycorrhizal fungi can be imparted to other plants by using these genes and/or the proteins encoded by the genes, these genes and proteins are extremely useful. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、植物と根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与する遺伝子、並びに当該遺伝子及び遺伝子がコードするタンパク質の利用に関するものである。   The present invention relates to the use of genes involved in the symbiosis between plants and rhizobia and / or mycorrhizal fungi, and the proteins encoded by the genes.

多くの陸上植物の根には糸状菌(菌根菌)が共生している。菌根は、その形態から外生菌根と内生菌根とに分けられ、内生菌根の中でも最も普遍的に見られるものは、VA(Vesicular-Arbuscular)菌根菌の共生したものである。VA菌根菌は、主に土壌中のリンなどの養分を吸収し、それを植物に供給している。VA菌根菌は土壌病害や乾燥ストレスに対する抵抗を高める他、宿主特異性をほとんど示さないため、異種間植物に同時感染することができ、植物同士をつなぎ合わせることができる。   The filamentous fungi (mycorrhizal fungi) are symbiotic to the roots of many land plants. Mycorrhiza is divided into ectomycorrhizae and endomycorrhizae according to its form, and the most universally seen endomycorrhiza is VA (Vesicular-Arbuscular) mycorrhizal fungi is there. VA mycorrhizal fungi mainly absorb nutrients such as phosphorus in the soil and supply them to plants. VA mycorrhizal fungi increase resistance to soil diseases and drought stress and exhibit little host specificity, so they can co-infect different species of plants and connect plants together.

また、上述のような細菌と植物との共生関係のもう一つの例として、マメ科植物と根粒菌との共生を挙げることができる。根粒菌は、マメ科植物の根に感染して根粒を形成し、窒素固定を行うという、農業分野において非常に有用な性質を有している。このことから、根粒菌とマメ科植物との共生関係については、多くの研究者に注目されている。   Another example of the symbiotic relationship between bacteria and plants as described above is symbiosis between legumes and rhizobia. Rhizobium has a very useful property in the agricultural field of infecting legume plant roots to form nodules and nitrogen fixation. For this reason, many researchers have focused on the symbiotic relationship between rhizobia and legumes.

マメ科植物の根粒共生システムにおける宿主側(すなわち、マメ科植物)の遺伝子の単離は、近年ミヤコグサ(Lotus japonicus)やタルウマゴヤシ(Medicago truncatula)などのモデル植物を活用することによって、ようやく緒についたばかりである。本願発明者等も、日本に自生するマメ科植物ミヤコグサに着目し、これについて突然変異の誘発を行い、根粒菌共生系に異常をきたした変異体の単離を試みている。   In recent years, the isolation of host-side (ie, legume) genes in the legume nodule symbiosis system has finally begun by using model plants such as Lotus japonicus and Medicago truncatula. It is just new. The inventors of the present application have also focused on the legume plant Miyakogusa, which grows naturally in Japan, and induced mutations to try to isolate mutants that caused abnormalities in the rhizobial symbiosis system.

また、タルウマゴヤシから根粒菌共生系に関与する遺伝子としてDMI1、DMI2,DMI3が単離されている(非特許文献1、2参照)。なかでも、DMI1遺伝子は、根粒菌共生のメカニズムと考えられているcalcium spikingの誘導に必須と考えられる新規なイオンチャネルとして最近単離されたものである。
G.Endre et al., Nature 417,962 (2002) Jean-Michel Ane, Gyorgy B. Kiss, Brendan K. Riely, R. Varma Penmetsa, Giles E. D. Oldroyd, Celine Ayax, Julien Levy, Frederic Debelle, Jong-Min Baek, Peter Kalo, Charles Rosenberg, Bruce A. Roe, Sharon R. Long, Jean Denarie, and Douglas R. Cook共著、「Medicago truncatula DMI1 Required for Bacterial and Fungal Symbioses in Legumes」、Science Feb 27 2004: 1364-1367. Published online February 12, 2004, Volume 303, Number 5662
Further, DMI1, DMI2, and DMI3 have been isolated from Taruma palm as genes involved in the rhizobial symbiosis system (see Non-Patent Documents 1 and 2). Among these, the DMI1 gene has recently been isolated as a novel ion channel considered to be essential for induction of calcium spiking, which is considered to be a mechanism of rhizobial symbiosis.
G. Endre et al., Nature 417,962 (2002) Jean-Michel Ane, Gyorgy B. Kiss, Brendan K. Riely, R. Varma Penmetsa, Giles ED Oldroyd, Celine Ayax, Julien Levy, Frederic Debelle, Jong-Min Baek, Peter Kalo, Charles Rosenberg, Bruce A. Roe, Sharon R. Long, Jean Denarie, and Douglas R. Cook, "Medicago truncatula DMI1 Required for Bacterial and Fungal Symbioses in Legumes", Science Feb 27 2004: 1364-1367. Published online February 12, 2004, Volume 303, Number 5662

上述したように、多くの陸上植物にとって菌根菌や根粒菌との共生系は非常に重要であるにもかかわらず、この共生系に関与する因子については、十分に特定されていない。すなわち、植物と根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与する因子をコードする遺伝子は、未だ十分に明らかになっておらず、その同定が強く望まれていた。   As described above, although the symbiotic system with mycorrhizal fungi and rhizobia is very important for many terrestrial plants, the factors involved in this symbiotic system have not been sufficiently specified. That is, a gene encoding a factor involved in the symbiosis between a plant and rhizobia and / or mycorrhizal fungi has not been clarified yet, and its identification has been strongly desired.

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、植物と根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与する遺伝子を同定するとともに、得られた該遺伝子又は該遺伝子がコードするタンパク質を用いて、根粒菌及び/又は菌根菌との共生能を賦与した植物体を生産する方法などを提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to identify a gene involved in the symbiosis between a plant and rhizobia and / or mycorrhizal fungi, and to obtain the gene or the gene It is to provide a method for producing a plant body imparted with a symbiotic ability with rhizobia and / or mycorrhizal fungi using a protein encoded by

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、ミヤコグサの根粒菌共生系に異常をきたした変異体を作製し、該変異体から植物と根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与する新規な遺伝子を2つ単離することができ、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have produced a mutant having an abnormality in the rhizobial symbiosis system of Lotus japonicus, and the plant, rhizobia and / or mycorrhizal fungus from the mutant Two new genes involved in the symbiosis with can be isolated, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は産業上有用な物質または方法として、下記1)〜12)の発明を含むものである。   That is, the present invention includes the following 1) to 12) as industrially useful substances or methods.

1)以下(a)または(b)のタンパク質をコードする遺伝子。
(a)配列番号1または3に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質。
(b)上記アミノ酸配列において、1個またはそれ以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ植物と根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質。
1) A gene encoding the following protein (a) or (b).
(A) A protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3.
(B) In the above amino acid sequence, the amino acid sequence comprises an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and is involved in the symbiosis between plants and rhizobia and / or mycorrhizal fungi Protein.

2)配列番号2または4に示される塩基配列をオープンリーディングフレーム領域として有する遺伝子。   2) A gene having the base sequence shown in SEQ ID NO: 2 or 4 as an open reading frame region.

3)配列番号2または4に示される塩基配列、もしくは配列番号1または3に示されたアミノ酸配列をコードする塩基配列、またはそれら塩基配列の一部分に対して、ストリンジェンシーな条件下で、ハイブリダイズし、植物と根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質をコードする遺伝子。   3) Hybridization under stringent conditions to the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2 or 4, or the nucleotide sequence encoding the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3, or a part of the nucleotide sequence And a gene encoding a protein involved in symbiosis between the plant and rhizobia and / or mycorrhizal fungi.

4)ミヤコグサ由来である上記1)〜3)のいずれかに記載の遺伝子。   4) The gene according to any one of 1) to 3) above, which is derived from Lotus japonicus.

5)上記1)〜4)のいずれかに記載の遺伝子によりコードされるタンパク質。   5) A protein encoded by the gene according to any one of 1) to 4) above.

6)以下(a)または(b)のタンパク質。
(a)配列番号1または3に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質。
(b)上記アミノ酸配列において、1個またはそれ以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ植物と根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質。
6) The following protein (a) or (b).
(A) A protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3.
(B) In the above amino acid sequence, the amino acid sequence comprises an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and is involved in the symbiosis between plants and rhizobia and / or mycorrhizal fungi Protein.

7)上記5)または6)に記載のタンパク質を認識する抗体。   7) An antibody that recognizes the protein according to 5) or 6) above.

8)上記1)〜4)のいずれかに記載の遺伝子を含有する組換え発現ベクター。   8) A recombinant expression vector containing the gene according to any one of 1) to 4) above.

9)上記1)〜4)のいずれかに記載の遺伝子を含有する組換え発現ベクターを含む形質転換体。   9) A transformant comprising a recombinant expression vector containing the gene according to any one of 1) to 4) above.

10)上記1)〜4)のいずれかに記載の遺伝子が導入された植物もしくはこれと同じ性質を有する該植物の子孫またはそれらの組織。   10) A plant into which the gene according to any one of 1) to 4) above is introduced, or a progeny of the plant having the same properties, or a tissue thereof.

11)上記1)〜4)のいずれかに記載の遺伝子、あるいは上記5)または6)に記載のタンパク質を用いて、根粒菌及び/又は菌根菌との共生能を賦与する工程を有する、植物体の生産方法。   11) using the gene according to any one of 1) to 4) above or the protein according to 5) or 6) above, which has a step of imparting symbiotic ability with rhizobia and / or mycorrhizal fungi, Plant production method.

12)上記1)〜4)のいずれかに記載の遺伝子における少なくとも一部の塩基配列またはその相補配列をプローブとして用いた遺伝子検出器具。   12) A gene detection instrument using, as a probe, at least a part of the base sequence of the gene according to any one of 1) to 4) or a complementary sequence thereof.

本発明に係る遺伝子又はタンパク質は、陸上植物にとって非常に重要な根粒菌及び/又は菌根菌との共生系に関与する因子であるため、例えば、マメ科植物だけでなく、その他の陸上植物に対しても、根粒菌及び/又は菌根菌との共生能を賦与することにより共生的窒素固定能を賦与することができたり、またはマメ科植物の共生的窒素固定能を調節できたり、あるいは植物体と根粒菌との共生効率の制御、植物体の菌根菌共生能を調節なども可能になるという効果を奏する。   Since the gene or protein according to the present invention is a factor involved in a symbiotic system with rhizobia and / or mycorrhizal fungi that is very important for land plants, for example, not only legumes but also other land plants On the other hand, by providing symbiotic ability with rhizobia and / or mycorrhizal fungi, symbiotic nitrogen fixation ability can be imparted, or symbiotic nitrogen fixation ability of legumes can be adjusted, or Controlling the symbiotic efficiency between the plant body and the rhizobia, and controlling the mycorrhizal symbiotic ability of the plant body are also possible.

本発明の実施の形態について以下に説明するが、本発明は以下の記載に限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following descriptions.

(1)本発明に係る遺伝子および該遺伝子がコードするタンパク質の構造
本発明に係る遺伝子は、根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質をコードする遺伝子である。ここでいう「根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与する」について説明すると、まず「根粒菌」とは、Bradyrhizobium、Mesorhizobium、Rhizobium、Sinorhizobium属に代表される微生物であって、植物の根に侵入して根粒を形成する微生物の一群をいい、特に窒素固定に有用な微生物である。なお、Bradyrhizobiumはダイズと、Mesorhizobiumはミヤコグサと、Sinorhizobiumはアルファルファと共生する種である。「菌根菌」とは、植物の根に侵入し、外生菌根、内生菌根、内外生菌根のうちいずれかの形態の菌根を形成する微生物のことをいい、特に、窒素、リン、カリウムの固定に有用な微生物である。そして、本遺伝子はこれらの微生物との共生に必須の遺伝子である。本実施の形態では、本発明に係る遺伝子として、ミヤコグサ由来の根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与する新規タンパク質をコードする遺伝子CASTOR(配列番号2に示す塩基配列)およびPOLLUX(配列番号4に示す塩基配列)を挙げて説明する。
(1) The gene according to the present invention and the structure of the protein encoded by the gene The gene according to the present invention is a gene encoding a protein involved in symbiosis with rhizobia and / or mycorrhizal fungi. To explain about "involved in symbiosis with rhizobia and / or mycorrhizal fungi" here, first, "rhizobium" is a microorganism represented by the genus Bradyrhizobium, Mesorhizobium, Rhizobium, Sinorhizobium, A group of microorganisms that invade roots to form nodules and are particularly useful for nitrogen fixation. Bradyrhizobium is a species that coexists with soybean, Mesorhizobium is a species that coexists with Miyakogusa, and Sinorhizobium is a species that coexists with alfalfa. “Mycorrhizal fungi” refers to microorganisms that invade plant roots and form mycorrhiza in any form of ectomycorrhizae, endomycorrhizae or endomycorrhizae, especially nitrogen. It is a microorganism useful for fixing phosphorus and potassium. This gene is an essential gene for symbiosis with these microorganisms. In the present embodiment, as the gene according to the present invention, genes CASTOR (base sequence shown in SEQ ID NO: 2) and POLLUX (sequence) encoding a novel protein involved in symbiosis with rhizobia derived from Lotus japonicus and / or mycorrhizal fungi The base sequence shown in No. 4 will be described.

(1−1)本発明に係る遺伝子
本発明の遺伝子としては、例えば配列番号1または3に示されるアミノ酸配列をコードするものが挙げられる。しかしながら、複数個のアミノ酸の付加、欠失および/または他のアミノ酸との置換によって修飾されたアミノ酸配列を有するタンパク質も、もとのタンパク質と同様の機能を維持することが知られている。すなわち本発明には、根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質をコードする遺伝子である限り、(a)配列番号1または3に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質をコードする遺伝子、(b)上記アミノ酸配列において、1個またはそれ以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質をコードする遺伝子も含まれる。このような遺伝子として、例えば、配列番号2または4に示される塩基配列をオープンリーディングフレーム(ORF)として有する遺伝子が挙げられる。なお本願では、オープンリーディングフレーム領域を、開始コドンから終止コドン直前までの領域とする。
(1-1) Gene according to the present invention Examples of the gene of the present invention include those encoding the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3. However, it is known that a protein having an amino acid sequence modified by addition, deletion and / or substitution with another amino acid of a plurality of amino acids maintains the same function as the original protein. That is, in the present invention, as long as it is a gene encoding a protein involved in symbiosis with rhizobia and / or mycorrhizal fungi, (a) a gene encoding a protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1 or 3, (B) a protein that is composed of an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted, and / or added in the amino acid sequence and that is involved in symbiosis with rhizobia and / or mycorrhizal fungi The gene encoding is also included. Examples of such a gene include a gene having the base sequence shown in SEQ ID NO: 2 or 4 as an open reading frame (ORF). In the present application, the open reading frame region is a region from the start codon to immediately before the stop codon.

ここで、「1個又はそれ以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加された」とは、部位特異的突然変異誘発法(Hashimoto-Gotoh,Gene 152,271-275(1995)他)等の公知の変異タンパク質作製法により置換、欠失、挿入、及び/又は付加できる程度の数(好ましくは10個以下、より好ましくは7個以下、さらに好ましくは5個以下)のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されることを意味する。したがって、上記(b)のタンパク質をコードする遺伝子は、上記(a)のタンパク質の変異タンパク質をコードする遺伝子である。また、ここでいう「変異」は、主として公知の変異タンパク質作製法により人為的に導入された変異を意味するが、天然から単離精製された同様の変異タンパク質をコードする遺伝子であってもよい。   Here, “one or more amino acids are substituted, deleted, inserted, and / or added” means site-directed mutagenesis (Hashimoto-Gotoh, Gene 152, 271-275 (1995), etc.) The number of amino acids (preferably 10 or less, more preferably 7 or less, more preferably 5 or less) that can be substituted, deleted, inserted, and / or added by a known mutant protein production method such as It means being deleted, inserted and / or added. Therefore, the gene encoding the protein (b) is a gene encoding a mutant protein of the protein (a). Further, the “mutation” here means a mutation artificially introduced mainly by a known mutant protein production method, but may be a gene encoding a similar mutant protein isolated and purified from nature. .

以下、本発明に係る遺伝子として、配列番号2または4に示す塩基配列を有する遺伝子(それぞれ、CASTOR遺伝子、POLLUX遺伝子と称する場合もある)を例に挙げて説明する。   Hereinafter, as a gene according to the present invention, a gene having the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2 or 4 (sometimes referred to as CASTOR gene and POLLUX gene, respectively) will be described as an example.

まず、菌根菌及び/又は根粒菌等の微生物と植物との共生は、植物の根の細胞を形態変化させる一連の共通のシグナル伝達を必要とする。このような共生刺激の後数秒以内に、植物の根の細胞に生じる最も初期段階の反応として、カルシウムスパイキング(calcium spiking)と呼ばれるカルシウム濃度の変化によって生じる細胞内イオン濃度の変動が挙げられる。   First, symbiosis between a mycorrhizal fungus and / or a microorganism such as a rhizobia and a plant requires a series of common signal transductions that change the morphology of the plant root cells. Within a few seconds after such symbiotic stimulation, the earliest stage reaction that occurs in plant root cells is a change in intracellular ion concentration caused by a change in calcium concentration called calcium spiking.

本発明者らは、このような菌根菌及び/又は根粒菌等の微生物と植物との共生に関与する遺伝子として、ミヤコグサから、イオンの流れを調整するゲートとして機能すると思われるカルシウム結合領域を有する、新規なイオンチャネルをコードする2つの遺伝子、CASTORとPOLLUXとを単離した。これら2つの遺伝子は、一連のカルシウムスパイキングや植物細胞への微生物の侵入に必要不可欠なものであると思われる。以下に、より詳細に説明する。   As a gene involved in the symbiosis between microorganisms such as mycorrhizal fungi and / or rhizobia and plants, the present inventors provide a calcium-binding region that seems to function as a gate for regulating the flow of ions from Miyakogusa. Two genes encoding a novel ion channel, CASTOR and POLLUX, were isolated. These two genes appear to be essential for a series of calcium spiking and microbial invasion into plant cells. This will be described in more detail below.

微生物の共生のシグナル分子である“Nod-factor”を認識することによって、植物の根毛は自己の形態を変化させる。例えば、根毛の先端は、感染糸の形成を開始させる微生物の微小コロニーを捉えるため、カールを形成するように生長する。このような根毛の形態変化は、カルシウムスパイキングの約10分前に生じる、プロトン、カリウム、塩素、及びカルシウムイオンの一過性的な細胞内濃度勾配の急激な形成後に生じる。本発明者らは、後述の実施例に示すように、この共生の前段階に生じる電気化学的変化に関与する因子を同定すべく、微生物との共生ができない変異体を用いた。   By recognizing the “Nod-factor”, a symbiotic signal molecule for microorganisms, plant root hairs change their own morphology. For example, the tip of the root hair grows so as to form a curl in order to catch the microcolonies of microorganisms that initiate the formation of the infected thread. Such root hair morphological changes occur after the rapid formation of a transient intracellular concentration gradient of protons, potassium, chlorine, and calcium ions, which occurs approximately 10 minutes before calcium spiking. As shown in the examples described later, the present inventors used a mutant that cannot coexist with microorganisms in order to identify a factor involved in an electrochemical change that occurs in the previous stage of symbiosis.

CASTOR、POLLUX遺伝子に変異を有する植物変異体は非常に良く似た形態を示す。これらは根粒を形成できないか、または菌根菌と共生できない。例えば、図1に示すように、野生型の遺伝子を有する根毛をMesorhizobium lotiまたはNod-factorで処理した場合、先端が膨らみ、続いて分岐するが、変異遺伝子を有する根毛も同様の処理によって分岐する。しかし、変異体は、感染糸が形成されない。同様に、菌根菌の共生において、表皮細胞への微生物の侵入がうまく起こらないため、菌の感染がうまくいかない。   Plant mutants with mutations in CASTOR and POLLUX genes show very similar morphology. They cannot form nodules or cannot coexist with mycorrhizal fungi. For example, as shown in FIG. 1, when a root hair having a wild type gene is treated with Mesorhizobium loti or Nod-factor, the tip swells and then branches, but a root hair having a mutant gene also branches by the same treatment. . However, the mutant does not form an infected thread. Similarly, in the symbiosis of mycorrhizal fungi, since the invasion of microorganisms into epidermal cells does not occur well, the infection of fungi does not work.

また、CASTOR遺伝子またはPOLLUX遺伝子の変異体はカルシウムスパイキング反応に影響を与える。つまり、図2に示すように、野生型の根毛ではNod-factor処理後10分後からカルシウム濃度の変動が開始されるが、CASTOR遺伝子またはPOLLUX遺伝子の変異体ではカルシウムスパイキングが生じない。   In addition, mutants of CASTOR gene or POLLUX gene affect calcium spiking reaction. That is, as shown in FIG. 2, in the wild-type root hairs, the calcium concentration starts to change 10 minutes after the Nod-factor treatment, but in the CASTOR gene or POLLUX gene mutant, calcium spiking does not occur.

なお、カルシウムスパイキングと独立して根毛の分岐が生じるため、初期の植物における反応は遺伝的に共役していないと考えられる。これらの結果は、CASTORとPOLLUX遺伝子がカルシウムスパイキングの活性化のためのNod-factorの認識からはじまるシグナル伝達の連鎖において、かなり初期の段階に関与していることを示している。また、CASTOR遺伝子またはPOLLUX遺伝子の変異体では、根毛の分岐や変形のみが観察され、カールや感染糸の形成が観察されないことから、CASTOR遺伝子またはPOLLUX遺伝子は根毛の適切な形態学的変化にも必要であると思われる。   In addition, since root hair branching occurs independently of calcium spiking, reactions in early plants are considered not genetically coupled. These results indicate that CASTOR and POLLUX genes are involved in a fairly early stage in the signal transduction chain that begins with Nod-factor recognition for calcium spiking activation. In addition, in CASTOR gene or POLLUX gene mutants, only root hair divergence and deformation are observed, and curling and infection thread formation are not observed, so CASTOR gene or POLLUX gene is also responsible for appropriate root hair morphological changes. It seems necessary.

また、CASTOR、POLLUX遺伝子は、ポジショナルクローニング及び相同性によってクローニングされた。ミヤコグサに適したマイクロサテライトマーカーを広範囲に収集し解析したところ、CASTOR遺伝子とPOLLUX遺伝子はそれぞれ、染色体1と染色体6の底末端近傍に位置しており、CASTOR遺伝子とPOLLUX遺伝子は相同性が高いことがわかった。なお、CASTOR遺伝子は配列番号2に示す塩基配列(2559kb)をORFとして有する遺伝子であり、配列番号1に示すアミノ酸配列を有するタンパク質をコードしている。また、POLLUX遺伝子は配列番号4に示す塩基配列(2751kb)をORFとして有する遺伝子であり、配列番号3に示すアミノ酸配列を有するタンパク質をコードしている。   CASTOR and POLLUX genes were cloned by positional cloning and homology. As a result of extensive collection and analysis of microsatellite markers suitable for Lotus japonicus, CASTOR gene and POLLUX gene are located near the bottom end of chromosome 1 and chromosome 6, respectively, and CASTOR gene and POLLUX gene have high homology I understood. The CASTOR gene is a gene having the base sequence (2559 kb) shown in SEQ ID NO: 2 as an ORF, and encodes a protein having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1. The POLLUX gene is a gene having the base sequence (2751 kb) shown in SEQ ID NO: 4 as an ORF, and encodes a protein having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 3.

また、図4(b)に示すように、CASTOR遺伝子とPOLLUX遺伝子のホモログは、他の双子葉植物および単子葉植物に1または2コピー存在していることがわかった。特に、ミヤコグサと同様の大きさのゲノムサイズであるマメ科植物のタルウマゴヤシにおいては1コピーのみ同定された。さらに、植物の各器官における共生の初期段階において、CASTOR遺伝子のmRNAの発現レベルをRT−PCRにて解析したところ(図4(c),(d),(e))、CASTOR遺伝子及びPOLLUX遺伝子は全ての器官で発現しており、なかでも、CASTOR遺伝子は非感染の根において最も発現しており、POLLUX遺伝子は根粒(nodule)において最も発現していた。また、M.lotiの接種またはNod-factor処理によって、CASTOR遺伝子及びPOLLUX遺伝子の発現は減少した(図4(d),(e))。この結果より、微生物の共生によってCASTOR遺伝子の発現は抑制されることがわかった。   Moreover, as shown in FIG.4 (b), it turned out that the homolog of CASTOR gene and POLLUX gene exists in other dicotyledonous plants and monocotyledons. In particular, only one copy was identified in the leguminous plant, Tarumago palm, which has the same genome size as Miyakogusa. Furthermore, when the expression level of the CASTOR gene mRNA was analyzed by RT-PCR at the initial stage of symbiosis in each organ of the plant (FIGS. 4 (c), (d), (e)), the CASTOR gene and the POLLUX gene Is expressed in all organs, with the CASTOR gene being most expressed in uninfected roots and the POLLUX gene being most expressed in nodules. Moreover, the expression of CASTOR gene and POLLUX gene was decreased by M.loti inoculation or Nod-factor treatment (FIGS. 4 (d) and (e)). From these results, it was found that the expression of CASTOR gene is suppressed by the symbiosis of microorganisms.

なお、本発明に係る遺伝子は、2本鎖DNAのみならず、それを構成するセンス鎖およびアンチセンス鎖といった各1本鎖DNAやRNAを包含する。アンチセンス鎖は、プローブとして又はアンチセンス薬剤として利用できる。DNAには、例えばクローニングや化学合成技術、又はそれらの組み合わせで得られるようなcDNAやゲノムDNAなどが含まれる。さらに、本発明に係る遺伝子は、上記(a)又は(b)のアミノ酸をコードする配列以外に、非翻訳領域(UTR)の配列やベクター配列(発現ベクター配列を含む)などの配列を含むものであってもよい。   The gene according to the present invention includes not only double-stranded DNA but also single-stranded DNA and RNA such as sense strand and antisense strand constituting the gene. The antisense strand can be used as a probe or as an antisense agent. DNA includes, for example, cDNA and genomic DNA obtained by cloning, chemical synthesis techniques, or a combination thereof. Furthermore, the gene according to the present invention includes a sequence such as a sequence of an untranslated region (UTR) and a vector sequence (including an expression vector sequence) in addition to the sequence encoding the amino acid (a) or (b). It may be.

また本発明に係る遺伝子には、配列番号1または3に示されるアミノ酸配列に対して、20%以上、好ましくは50%以上、さらに好ましくは60%または70%以上の相同性を有するタンパク質であって、かつ根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質をコードする遺伝子も含まれ、かかる遺伝子も根粒菌及び/又は菌根菌との共生系の制御や窒素固定能などの栄養固定能を高めた植物の作製・育種へ利用することができる。なおここで「相同性」とは、アミノ酸配列中に占める同じ配列の割合であり、この値が高いほど両者は近縁であるといえる。   The gene according to the present invention is a protein having a homology of 20% or more, preferably 50% or more, more preferably 60% or 70% or more with respect to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3. And a gene encoding a protein involved in the symbiosis with rhizobia and / or mycorrhizal fungi, and the gene also includes nutrition such as control of the symbiotic system with rhizobia and / or mycorrhizal fungi and nitrogen fixing ability. It can be used for the production and breeding of plants with enhanced fixing ability. Here, “homology” is the ratio of the same sequence in the amino acid sequence, and the higher this value, the closer the two are.

また、本発明に係る遺伝子には、配列番号2または4に記載の塩基配列もしくは配列番号1または3に示されたアミノ酸配列をコードする塩基配列、またはそれらの塩基配列の一部分、例えばコンセンサス領域の6個以上のアミノ酸をコードする塩基配列に対して、ストリンジェンシーな条件下で、ハイブリダイズし、かつ根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質をコードする遺伝子も含まれる。なお、上記「ストリンジェンシーな条件」とは、少なくとも80%の同一性、好ましくは少なくとも95%の同一性、最も好ましくは少なくとも97%の同一性が配列間に存在するときにのみハイブリダイゼーションが起こることを意味する。具体的には、例えば、5×SSC、50℃の条件下でハイブリダイズして得られるという条件を挙げることができる。   In addition, the gene according to the present invention includes the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2 or 4, the nucleotide sequence encoding the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3, or a part of those nucleotide sequences, for example, the consensus region A gene that encodes a protein that hybridizes to a base sequence encoding 6 or more amino acids under stringent conditions and is involved in symbiosis with rhizobia and / or mycorrhizal fungi is also included. The above “stringency conditions” means that hybridization occurs only when at least 80% identity, preferably at least 95% identity, most preferably at least 97% identity exists between sequences. Means that. Specifically, for example, it can be mentioned that it is obtained by hybridization under conditions of 5 × SSC and 50 ° C.

上記ハイブリダイゼーションは、J.Sambrook et al. Molecular Cloning,A Laboratory Manual,2d Ed.,Cold Spring Harbor Laboratory(1989)に記載されている方法等、従来公知の方法で行うことができる。通常、温度が高いほど、塩濃度が低いほどストリンジェンシーは高くなる(ハイブリダイズし難くなる)。なお、適切なハイブリダイゼーション温度は塩基配列やその塩基配列の長さによって異なり、例えばアミノ酸6個をコードする18塩基からなるDNAフラグメントをプローブとした場合には50℃以下の温度が好ましい。   The hybridization can be performed by a conventionally known method such as the method described in J. Sambrook et al. Molecular Cloning, A Laboratory Manual, 2d Ed., Cold Spring Harbor Laboratory (1989). Usually, the higher the temperature and the lower the salt concentration, the higher the stringency (harder to hybridize). An appropriate hybridization temperature varies depending on the base sequence and the length of the base sequence. For example, when a DNA fragment consisting of 18 bases encoding 6 amino acids is used as a probe, a temperature of 50 ° C. or lower is preferable.

このようなハイブリダイゼーションによって選択される遺伝子としては、天然由来のもの、例えば植物由来のもの、例えば、コケ科植物由来の遺伝子が挙げられるが、植物以外の由来であってもよい。また、ハイブリダイゼーションによって選択される遺伝子はcDNAであってもよく、ゲノムDNAであってもよい。   Examples of genes selected by such hybridization include genes derived from nature, such as those derived from plants, such as genes derived from bryophytes, but may be derived from sources other than plants. Further, the gene selected by hybridization may be cDNA or genomic DNA.

(1−2)本発明に係るタンパク質
本発明に係るタンパク質は、上記(1−1)欄で説明した遺伝子にコードされるタンパク質であればよい。このようなタンパク質であれば、植物と根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与する機能を有する。なお、本発明には、かかるタンパク質として、例えば、上述の(a)配列番号1または3に示されるアミノ酸配列を有するタンパク質、または(b)上記アミノ酸配列において、1個またはそれ以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質を挙げることができる。
(1-2) Protein according to the present invention The protein according to the present invention may be a protein encoded by the gene described in the section (1-1) above. If it is such protein, it has a function in connection with a symbiosis with a plant, a rhizobia, and / or a mycorrhizal fungus. In the present invention, as such a protein, for example, (a) a protein having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3 above, or (b) one or more amino acids in the amino acid sequence are substituted. , Deletions, insertions, and / or additions of amino acid sequences, and proteins involved in symbiosis with rhizobia and / or mycorrhizal fungi.

ここで、本発明に係るタンパク質として、配列番号1または3に記載のアミノ酸配列を有するタンパク質(以下、それぞれCASTORタンパク質、POLLUXタンパク質と称する場合もある)を例に挙げて説明する。   Here, as a protein according to the present invention, a protein having the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 3 (hereinafter sometimes referred to as CASTOR protein and POLLUX protein, respectively) will be described as an example.

CASTORタンパク質は、配列番号1に示すアミノ酸配列を有する853アミノ酸残基からなる、95kDaのタンパク質である。また、POLLUXタンパク質は、配列番号3に示すアミノ酸配列を有する917アミノ酸残基からなる、102kDaのタンパク質である。これらの両タンパク質はN末端において、それぞれ69アミノ酸残基、57アミノ酸残基からなる葉緑体移行ペプチドを有する(TargetP score: 0.953と0.959)。このことから、これらタンパク質は葉緑体に局在すると考えられる。   The CASTOR protein is a 95 kDa protein consisting of 853 amino acid residues having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1. The POLLUX protein is a 102 kDa protein consisting of 917 amino acid residues having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 3. Both these proteins have chloroplast transit peptides consisting of 69 amino acid residues and 57 amino acid residues, respectively, at the N-terminus (TargetP score: 0.953 and 0.959). This suggests that these proteins are localized in the chloroplast.

また、両タンパク質は、N末端領域を除き、全体的に非常に相同性が高い(図5(a)参照)。イネとシロイヌナズナにおいて、これら2つのタンパク質と相同性のある推定タンパク質をデータベースにより検索したところ、CASTOR、POLLUX両タンパク質は、少なくとも4つの膜貫通領域(TM)を有する膜貫通タンパク質であると推定された。FUGUE(Shi, J., Blundell, T. L. & Mizuguchi, K. FUGUE: sequence-structure homology recognition using environment-specific substitution tables and structure-dependent gap penalties. J Mol Biol
310, 243-57 (2001).)を用いてタンパク質の構造比較をしたところ、CASTOR、POLLUXタンパク質は、ヒトBKやMethanobacterium thermoautotrophicmのMTHKのような、カルシウムゲートのカリウムチャネルと最も構造的に近いことがわかった(図5(b),(c)参照)。結晶構造解析によって解析されたMTHKとの構造比較の結果、本新規タンパク質において、チャネルポアの側面に位置するTM領域が、特によく保存されていた(図5(b)参照)。このことから、本新規タンパク質は、多重結合のイオンチャネルであると強く示唆された。
Moreover, both proteins are very highly homologous as a whole except for the N-terminal region (see FIG. 5 (a)). In rice and Arabidopsis thaliana, a database of putative proteins homologous to these two proteins revealed that both CASTOR and POLLUX proteins were transmembrane proteins with at least four transmembrane regions (TM). . FUGUE (Shi, J., Blundell, TL & Mizuguchi, K. FUGUE: sequence-structure homology recognition using environment-specific substitution tables and structure-dependent gap penalties. J Mol Biol
310, 243-57 (2001).) CASTOR and POLLUX proteins are structurally closest to calcium-gated potassium channels such as human BK and Methanobacterium thermoautotrophicm MTHK. Was found (see FIGS. 5B and 5C). As a result of structural comparison with MTHK analyzed by crystal structure analysis, the TM region located on the side surface of the channel pore was particularly well preserved in the novel protein (see FIG. 5B). This strongly suggested that the novel protein is a multiple bond ion channel.

また、図5(b)に示すように、MTHKと、CASTORおよびPOLLUX両タンパク質との最も顕著なアミノ酸配列上の相違点は、フィルター領域におけるグリシン残基である。すなわち、MTHKの61〜63番目のアミノ酸配列は、正式なカリウムチャネルのモチーフであるGly−Tyr−Glyであるのに対して、CASTORとPOLLUXタンパク質では、このモチーフに相当する領域のアミノ酸配列は、Ser−Gly−Asnである。   Further, as shown in FIG. 5 (b), the most remarkable difference in amino acid sequence between MTHK and both CASTOR and POLLUX proteins is a glycine residue in the filter region. That is, the 61st to 63rd amino acid sequence of MTHK is Gly-Tyr-Gly which is a formal potassium channel motif, whereas in CASTOR and POLLUX protein, the amino acid sequence of the region corresponding to this motif is Ser-Gly-Asn.

このカリウムチャネル(MTHK)のX線結晶構造解析において、ラマチャンドランプロット(Ramachandran plot)領域に位置する63番目のグリシンは唯一の接近可能なグリシンであることがわかっているため、これは重要な相違点であると思われる。図5(c)に示すように、CASTORタンパク質におけるフィルター領域のホモロジーモデリングによれば、これらの相違点は、イオンチャネルにおけるポアの直径と静電気特性との両性質を変化させていることがわかる。それゆえ、CASTOR、POLLUXタンパク質と、MTHKのようなカリウムチャネルとは、異なるイオン選択性を示すと考えられる。   This is important because in the X-ray crystallographic analysis of this potassium channel (MTHK), the 63rd glycine located in the Ramachhandran plot region has been found to be the only accessible glycine. This seems to be a difference. As shown in FIG. 5 (c), according to the homology modeling of the filter region in the CASTOR protein, it can be seen that these differences change both the properties of the pore diameter and the electrostatic property in the ion channel. Therefore, it is considered that CASTOR, POLLUX protein and potassium channels such as MTHK show different ion selectivity.

しかしながら、図5(c)に示すように、イオンチャネル中央のポアは、この新しいアミノ酸の側鎖によって、遮られることは無い。また、CASTOR、POLLUXタンパク質は、RCKドメインと相同性のある領域を有している。このRCKドメインとは、細胞質のカルシウムの変化に応じたカリウムチャネルの伝導性を制御するものである(Jiang, Y., Pico, A., Cadene, M., Chait, B. T. & MacKinnon, R. Structure of the RCK domain from the E. coli K+ channel and demonstration of its presence in the human BK channel. Neuron 29, 593-601 (2001).)。これらのアミノ酸配列の相同性は、ポアやRCKドメインにおける5つのアミノ酸残基の置換が、変異形質として現れることから、非常に重要なものであると考えられる(図5(a)、図6参照)。   However, as shown in FIG. 5 (c), the pore in the center of the ion channel is not blocked by this new amino acid side chain. CASTOR and POLLUX proteins have a region homologous to the RCK domain. The RCK domain controls the conductivity of potassium channels in response to changes in cytoplasmic calcium (Jiang, Y., Pico, A., Cadene, M., Chait, BT & MacKinnon, R. Structure). of the RCK domain from the E. coli K + channel and demonstration of its presence in the human BK channel. Neuron 29, 593-601 (2001).). The homology of these amino acid sequences is considered to be very important because substitution of five amino acid residues in the pore and RCK domain appears as a mutant trait (see FIG. 5 (a) and FIG. 6). ).

また、植物において、カリウムチャネルが属する3つの構造上のクラスは、膜貫通領域の数とポアの数とに基づいて決定される。ここで、CASTOR、POLLUXタンパク質は、他の植物におけるイオンチャネルとドメイン構造が異なっており(4TM)、KCOチャネルのようなものと推定される。しかし、図5に示すように、CASTOR、POLLUXタンパク質では、第3と第4のTMの間に、ポア領域が1つだけ存在している。さらに、RCKドメインは、原核生物のK+チャネルや哺乳動物のBKチャネルの調節領域と相同性が高いが、従前に見つかっている植物タンパク質とは異なっている。   In plants, the three structural classes to which potassium channels belong are determined based on the number of transmembrane regions and the number of pores. Here, CASTOR and POLLUX proteins have different domain structures from ion channels in other plants (4TM), and are presumed to be like KCO channels. However, as shown in FIG. 5, CASTOR and POLLUX proteins have only one pore region between the third and fourth TMs. In addition, the RCK domain is highly homologous to the regulatory regions of prokaryotic K + channels and mammalian BK channels, but differs from previously found plant proteins.

また、CASTORタンパク質とPOLLUXタンパク質とは、お互いに高い相同性を示すにもかかわらず、互いに補完することができない。構造的に類似するタンパク質は、4量体として機能することが示されているが、Shaker様植物カリウムチャネルのように、CASTORとPOLLUXタンパク質もヘテロ多重的なチャネルを形成する可能性がある。ミヤコグサにおいて、CASTORとPOLLUXタンパク質がヘテロ4量体として機能する場合、タルウマゴヤシのようなマメ科の近縁種がこのチャネル遺伝子を1つしか有しない理由がなぜかという問題が残るが、この点については、解明に向けて現在鋭意検討中である。   In addition, CASTOR protein and POLLUX protein cannot complement each other despite showing high homology to each other. Although structurally similar proteins have been shown to function as tetramers, CASTOR and POLLUX proteins, like Shaker-like plant potassium channels, may also form heteromultiplex channels. In Miyakogusa, if CASTOR and POLLUX proteins function as heterotetramers, there remains a question as to why leguminous species such as Taruma have only one channel gene. Is currently under scrutiny for elucidation.

このように、CASTORとPOLLUXという2つのタンパク質は、イオンのゲートキーパー(門番)として機能し、微生物との共生において必須のイオンの流れを調整する、新たなイオンチャネルである。これらのタンパク質は、菌根菌及び/又は根粒菌の共生に不可欠な役割を有する。また、これらのタンパク質は、根粒着生を示さない単子葉植物や双子葉植物にも、これらタンパク質と高い相同性を有するタンパク質をコードする遺伝子が存在する。   Thus, the two proteins CASTOR and POLLUX are new ion channels that function as ion gatekeepers and regulate the flow of ions essential for symbiosis with microorganisms. These proteins have an essential role in the symbiosis of mycorrhizal fungi and / or rhizobia. In addition, genes encoding these proteins having high homology with monocotyledonous plants and dicotyledonous plants that do not exhibit nodulation are also present.

上述のように、CASTORタンパク質とPOLLUXタンパク質とは、植物と微生物との共生に関与するイオンチャネルとして既に報告されているタルウマゴヤシ由来のDMI1タンパク質(非特許文献2)と類似しているようにも思われるが、該DMI1タンパク質のアミノ酸配列や該遺伝子の塩基配列は一部分しか公開されていない。このため、本発明に係るタンパク質とDMI1タンパク質とが同一の機能を有するか否か判定することは困難であるが、上記DMI1タンパク質の報告には開示されていない新たな機能を、本発明に係るタンパク質は有している。   As described above, CASTOR protein and POLLUX protein are similar to DMI1 protein derived from Taruma palm (Non-patent Document 2) that has already been reported as an ion channel involved in the symbiosis between plants and microorganisms. It seems that only a part of the amino acid sequence of the DMI1 protein and the base sequence of the gene are disclosed. For this reason, it is difficult to determine whether the protein according to the present invention and the DMI1 protein have the same function, but a new function not disclosed in the report of the DMI1 protein is related to the present invention. Protein has.

まず、本発明に係るタンパク質は、上述のように、N末端側に葉緑体移行シグナルを有しているため、葉緑体に局在化していると考えられる。また、タルウマゴヤシにおける、本発明に係るタンパク質のホモログは、DMI1タンパク質1つしか存在しない。通常、1植物種の保有する相同遺伝子がそれぞれ機能を保持する(つまりその変異が表現型の違いをもたらす)場合、明らかにそれらの遺伝子には別個の役割があると考えられる。つまり、本発明のように、CASTOR遺伝子とPOLLUX遺伝子とが同一の植物種から単離・同定されたことと、タルウマゴヤシにホモログとしてDMI1遺伝子が1つしか存在しないことが、明らかになったことは非常に大きな生物学的意義を有すると考えられる。また、本発明に係るタンパク質にはカルシウム結合領域、RCKドメインを有しているのに対して、DMI1タンパク質がこれらのドメインを有することは報告されていない。以上のように、本発明に係るタンパク質を単離・同定し、その機能を解析することにより、DMI1タンパク質の報告だけでは不十分だった種々の有用な情報を明らかにすることができたことから、本発明に係るタンパク質や遺伝子を単離・同定することは、発明としても非常に重要な意義を有するものであるといえる。   First, since the protein according to the present invention has a chloroplast migration signal on the N-terminal side as described above, it is considered that the protein is localized in the chloroplast. In addition, there is only one DMI1 protein as the homologue of the protein according to the present invention in Taruma palm. Usually, when homologous genes possessed by one plant species retain their functions (that is, the mutation causes a phenotypic difference), it is apparent that these genes have distinct roles. That is, as in the present invention, it has been clarified that the CASTOR gene and the POLLUX gene were isolated and identified from the same plant species, and that only one DMI1 gene exists as a homologue in Taruma palm. Is considered to have very great biological significance. In addition, while the protein according to the present invention has a calcium binding region and an RCK domain, it has not been reported that the DMI1 protein has these domains. As described above, by isolating and identifying the protein according to the present invention and analyzing its function, it was possible to clarify various useful information that was not sufficient for the DMI1 protein report alone. Thus, it can be said that isolating and identifying the protein or gene according to the present invention has very important significance as an invention.

また、本発明に係るタンパク質は、上記(1−1)欄で説明した遺伝子を宿主細胞に導入して、そのタンパク質を細胞内発現させた状態であってもよいし、細胞、組織などから単離精製された状態であってもよい。また、上記宿主細胞での発現条件によっては、本発明に係るタンパク質は、他のタンパク質とつながった融合タンパク質であってもよい。さらに本発明に係るタンパク質は、化学合成されたものであってもよい。   In addition, the protein according to the present invention may be in a state where the gene described in the above section (1-1) is introduced into a host cell and the protein is expressed in the cell. It may be in a separated and purified state. Further, depending on the expression conditions in the host cell, the protein according to the present invention may be a fusion protein linked to other proteins. Furthermore, the protein according to the present invention may be chemically synthesized.

なお、本発明に係るタンパク質は、アミノ酸がペプチド結合してなるポリペプチドであればよいが、これに限定されるものではなく、ポリペプチド以外の構造を含む複合タンパク質であってもよく、付加的なポリペプチドを含むものであってもよい。ポリペプチドが付加される場合としては、例えば、HisやMyc、Flag等によって本発明に係るタンパク質がエピトープ標識されるような場合が挙げられる。   The protein according to the present invention may be a polypeptide in which amino acids are peptide-bonded, but is not limited thereto, and may be a complex protein containing a structure other than a polypeptide. Such a polypeptide may be included. Examples of the case where the polypeptide is added include a case where the protein according to the present invention is epitope-tagged by His, Myc, Flag or the like.

(2)本発明に係る遺伝子およびタンパク質の取得方法
本発明に係る遺伝子およびタンパク質の取得方法(生産方法)は特に限定されるものではないが、代表的な方法として次に示す各方法を挙げることができる。
(2) Gene and protein acquisition method according to the present invention The gene and protein acquisition method (production method) according to the present invention is not particularly limited, but representative methods include the following methods. Can do.

(2−1)遺伝子の取得方法
本発明に係る遺伝子の取得方法は、生来の塩基配列を有する遺伝子については、後述する実施例に具体的に示すように、例えばcDNAライブラリーのスクリーニングによって得られる。
(2-1) Gene Acquisition Method The gene acquisition method according to the present invention is obtained by screening a cDNA library, for example, for a gene having a native base sequence, as specifically shown in the Examples described later. .

また、本発明に係る遺伝子を取得する方法として、PCR等の増幅手段を用いる方法を挙げることができる。例えば、本発明に係る遺伝子のcDNA配列のうち、5’側および3’側の配列(またはその相補配列)の中からそれぞれプライマーを調製し、これらプライマーを用いてゲノムDNA(またはcDNA)等を鋳型にしてPCR等を行い、両プライマー間に挟まれるDNA領域を増幅することで、本発明に係る遺伝子を含むDNA断片を大量に取得できる。   Moreover, as a method for obtaining the gene according to the present invention, a method using an amplification means such as PCR can be mentioned. For example, among the cDNA sequences of the gene according to the present invention, primers are prepared from the 5 ′ side and 3 ′ side sequences (or their complementary sequences), and genomic DNA (or cDNA) or the like is prepared using these primers. By performing PCR or the like as a template and amplifying a DNA region sandwiched between both primers, a large amount of DNA fragments containing the gene according to the present invention can be obtained.

また遺伝子配列情報をもとにして、該配列を持つポリヌクレオチドを、公知の化学合成を用いて合成してもよい。   Further, based on gene sequence information, a polynucleotide having the sequence may be synthesized using known chemical synthesis.

修飾されたアミノ酸配列を有するタンパク質をコードするDNAについては、生来の塩基配列を有するDNAを基礎として、常用の部位特定変異誘発やPCR法を用いて合成することができる。例えば、修飾を導入したいDNA断片を生来のcDNAまたはゲノムDNAの制限酵素処理によって得て、これを鋳型にして、所望の変異を導入したプライマーを用いて部位特異的変異誘発またはPCR法を実施し、所望の修飾を導入したDNA断片を得る。その後、この変異を導入したDNA断片を目的とする酵素の他の部分をコードするDNA断片と連結すればよい。あるいはまた、短縮されたアミノ酸配列からなる酵素をコードするDNAを得るには、例えば目的とするアミノ酸配列より長いアミノ酸配列、例えば全長アミノ酸配列をコードするDNAを所望の制限酵素により切断し、その結果得られたDNA断片が目的とするアミノ酸配列の全体をコードしていない場合は、不足部分の配列からなるDNA断片を合成し、連結すればよい。   A DNA encoding a protein having a modified amino acid sequence can be synthesized using a conventional site-directed mutagenesis or PCR method based on a DNA having a native nucleotide sequence. For example, a DNA fragment to be modified is obtained by restriction enzyme treatment of native cDNA or genomic DNA, which is used as a template, and site-directed mutagenesis or PCR is performed using a primer into which a desired mutation is introduced. A DNA fragment into which a desired modification is introduced is obtained. Thereafter, the DNA fragment into which this mutation has been introduced may be ligated with a DNA fragment encoding another part of the target enzyme. Alternatively, in order to obtain a DNA encoding an enzyme consisting of a shortened amino acid sequence, for example, an amino acid sequence longer than the target amino acid sequence, for example, a DNA encoding a full-length amino acid sequence is cleaved with a desired restriction enzyme, and the result When the obtained DNA fragment does not encode the entire target amino acid sequence, a DNA fragment consisting of the missing portion sequence may be synthesized and ligated.

また、得られた遺伝子を大腸菌または酵母などでの遺伝子発現系を用いて発現させ、例えば、タンパク質の機能を測定することにより、得られた遺伝子が目的のタンパク質をコードするか否かを確認することができる。さらに、当該遺伝子を発現させることにより、遺伝子産物である根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質を得ることができる。   In addition, the obtained gene is expressed using a gene expression system in Escherichia coli or yeast and, for example, the function of the protein is measured to confirm whether or not the obtained gene encodes the target protein. be able to. Furthermore, by expressing the gene, a protein involved in symbiosis with the rhizobia and / or mycorrhizal fungi that are gene products can be obtained.

さらに、配列番号1または3に記載のアミノ酸配列の一部または全部に対する抗体を用いて他の生物における根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与する遺伝子をクローン化することもできる。   Furthermore, a gene involved in symbiosis with rhizobia and / or mycorrhizal fungi in other organisms can be cloned using an antibody against part or all of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3.

(2−2)タンパク質の取得方法
本発明に係るタンパク質を取得する方法(タンパク質の生産方法)は、特に限定されるものではないが、例えば、まず本発明に係るタンパク質を発現する細胞、組織などから単純精製する方法を挙げることができる。なお、本発明に係るタンパク質を発現する細胞、組織は、自然発生型のものでもかまわないし、例えば、組み換えバキュロウイルスに感染した細胞、組織であってもかまわない。精製方法も特に限定されるものではなく、上述したように本発明に係る遺伝子を含む発現ベクターによって形質転換された宿主を培養、栽培または飼育し、培養物から常法に従って、例えば濾過、遠心分離、細胞の破砕、ゲル濾過クロマトグラフィー、イオン交換クロマトグラフィー等により目的とするタンパク質を回収、精製すればよい。
(2-2) Protein Acquisition Method The method for acquiring the protein according to the present invention (protein production method) is not particularly limited. For example, first, cells, tissues, etc. that express the protein according to the present invention. And a simple purification method. The cells and tissues that express the protein according to the present invention may be naturally occurring types, for example, cells or tissues infected with a recombinant baculovirus. The purification method is not particularly limited, and the host transformed with the expression vector containing the gene according to the present invention is cultured, cultivated or raised as described above, and the culture is subjected to, for example, filtration or centrifugation according to a conventional method. The target protein may be recovered and purified by cell disruption, gel filtration chromatography, ion exchange chromatography or the like.

また、本発明に係るタンパク質を取得する方法として、遺伝子組み換え技術等を用いる方法も挙げられる。この場合、例えば、本発明に係る遺伝子をベクターなどに組み込んだ後、公知の方法により、発現可能に宿主細胞に導入し、細胞内で翻訳されて得られる上記タンパク質を精製するという方法などを採用することができる。遺伝子の導入(形質転換)や遺伝子の発現等の具体的な方法については後述する。   In addition, as a method for obtaining the protein according to the present invention, a method using a gene recombination technique or the like may be mentioned. In this case, for example, a method in which the gene according to the present invention is incorporated into a vector or the like, then introduced into a host cell so that it can be expressed by a known method, and the protein obtained by translation in the cell is purified is employed. can do. Specific methods such as gene introduction (transformation) and gene expression will be described later.

あるいはまた、配列番号1または3に記載のアミノ酸配列を有するタンパク質の一部または全部を認識する抗体を用いても、根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質を得ることができる。さらに抗体を用いて、他の生物の根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与する遺伝子をクローニングすることもできる。   Alternatively, a protein involved in symbiosis with rhizobia and / or mycorrhizal fungi can also be obtained using an antibody that recognizes part or all of the protein having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3. . Furthermore, genes involved in symbiosis with rhizobia and / or mycorrhizal fungi of other organisms can also be cloned using antibodies.

なお、このように宿主に外来遺伝子を導入する場合、外来遺伝子の発現のため宿主内で機能するプロモーターを組み入れた発現ベクター及び宿主には様々なものが存在するので、目的に応じたものを選択すればよい。産生されたタンパク質を精製する方法は、用いた宿主、タンパク質の性質によって異なるが、タグの利用等によって比較的容易に目的のタンパク質を精製することが可能である。   When introducing a foreign gene into the host in this way, there are various expression vectors and hosts that incorporate a promoter that functions in the host for the expression of the foreign gene, so choose the one that suits your purpose. do it. The method for purifying the produced protein varies depending on the host used and the nature of the protein, but the target protein can be purified relatively easily by using a tag or the like.

変異タンパク質を作製する方法についても、特に限定されるものではない。例えば、部位特異的突然変異誘発法(Hashimoto-Gotoh,Gene 152,271-275(1995)他)、PCR法を利用して塩基配列に点変異を導入し変異タンパク質を作製する方法、あるいはトランスポゾンの挿入による突然変異株作製法などの周知の変異タンパク質作製法を用いることができる。これら方法を用いることによって、上記(a)のタンパク質をコードするcDNAの塩基配列において、1またはそれ以上の塩基が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されるように改変を加えることによって作製することができる。また、変異タンパク質の作製には、市販のキットを利用してもよい。   The method for producing the mutant protein is not particularly limited. For example, site-directed mutagenesis (Hashimoto-Gotoh, Gene 152, 271-275 (1995), etc.), a method of introducing a point mutation into a base sequence using PCR method, or a method of creating a mutant protein, or by inserting a transposon A well-known mutant protein production method such as a mutant strain production method can be used. By using these methods, the base sequence of the cDNA encoding the protein of (a) above is prepared by modifying so that one or more bases are substituted, deleted, inserted, and / or added. can do. Moreover, you may utilize a commercially available kit for preparation of a mutein.

また、本発明に係るタンパク質の取得方法は、上述に限定されることなく、例えば、市販されているペプチド合成器等を用いて化学合成されたものであってもよい。またその他の例としては、無細胞系のタンパク質合成液(Proc.Natl.Acad.Sci.USA, 78, 5598―5602 (1981)、J.Biol.Chem.、253, 3753―3756 (1978)など)を利用して、本発明に係る遺伝子から本発明に係るタンパク質を合成してもよい。   In addition, the method for obtaining a protein according to the present invention is not limited to the above-described method, and may be chemically synthesized using, for example, a commercially available peptide synthesizer. Other examples include cell-free protein synthesis solutions (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 78, 5598-5602 (1981), J. Biol. Chem., 253, 3753-3756 (1978), etc. ) May be used to synthesize the protein according to the present invention from the gene according to the present invention.

(3)本発明に係る抗体
本発明に係る抗体は、上記(1−2)欄で説明したタンパク質、例えば、上記(a)又は(b)のタンパク質、またはその部分タンパク質、あるいは部分ペプチドを抗原として、公知の方法によりポリクローナル抗体またはモノクローナル抗体として得られる抗体であればよい。公知の方法としては、例えば、文献(Harlowらの「Antibodies : A laboratory manual(Cold Spring Harbor Laboratory, New York(1988))、岩崎らの「単クローン抗体 ハイブリドーマとELISA、講談社(1991)」」に記載の方法が挙げられる。このようにして得られる抗体は、本発明に係るタンパク質の検出・測定などに利用できる。
(3) Antibody according to the present invention The antibody according to the present invention comprises the protein described in the above section (1-2), for example, the protein of (a) or (b) above, or a partial protein thereof, or a partial peptide as an antigen. As long as it is an antibody obtained as a polyclonal antibody or a monoclonal antibody by a known method. Known methods include those described in the literature (Harlow et al., “Antibodies: A laboratory manual (Cold Spring Harbor Laboratory, New York (1988))”, Iwasaki et al., “Monoclonal antibody hybridoma and ELISA, Kodansha (1991)”. The antibody thus obtained can be used for detection and measurement of the protein of the present invention.

(4)本発明に係る組換えベクター
本発明に係る組換え発現ベクターは、上記(1−1)欄で説明した遺伝子、例えば、上記(a)又は(b)のタンパク質をコードする本発明の遺伝子を含むものである。例えば、cDNAが挿入された組換え発現ベクターが挙げられる。組換え発現ベクターの作製には、プラスミド、ファージ、又はコスミドなどを用いることができるが特に限定されるものではない。また、作製方法も公知の方法を用いて行えばよい。
(4) Recombinant vector according to the present invention The recombinant expression vector according to the present invention is a gene of the present invention encoding the gene described in the above section (1-1), for example, the protein of the above (a) or (b). It contains a gene. For example, a recombinant expression vector into which cDNA is inserted can be mentioned. For the production of the recombinant expression vector, a plasmid, phage, cosmid or the like can be used, but it is not particularly limited. In addition, a manufacturing method may be performed using a known method.

ベクターの具体的な種類は特に限定されるものではなく、ホスト細胞(宿主細胞)中で発現可能なベクターを適宜選択すればよい。すなわち、ホスト細胞の種類に応じて、確実に遺伝子を発現させるために適宜プロモーター配列を選択し、これと本発明に係る遺伝子を各種プラスミド等に組み込んだものを発現ベクターとして用いればよい。   The specific type of vector is not particularly limited, and a vector that can be expressed in a host cell (host cell) may be appropriately selected. That is, according to the type of the host cell, a promoter sequence may be appropriately selected in order to reliably express the gene, and this and the gene according to the present invention incorporated into various plasmids may be used as an expression vector.

本発明に係る遺伝子がホスト細胞に導入されたか否か、さらにはホスト細胞中で確実に発現しているか否かを確認するために、各種マーカーを用いてもよい。例えば、ホスト細胞中で欠失している遺伝子をマーカーとして用い、このマーカーと本発明に係る遺伝子とを含むプラスミド等を発現ベクターとしてホスト細胞に導入する。これによってマーカー遺伝子の発現から本発明に係る遺伝子の導入を確認することができる。あるいは、本発明に係るタンパク質を融合タンパク質として発現させてもよく、例えば、オワンクラゲ由来の緑色蛍光タンパク質GFP(Green Fluorescent Protein)をマーカーとして用い、本発明に係るタンパク質をGFP融合タンパク質として発現させてもよい。   In order to confirm whether or not the gene according to the present invention has been introduced into the host cell, and further whether or not it is reliably expressed in the host cell, various markers may be used. For example, a gene deleted in the host cell is used as a marker, and a plasmid or the like containing this marker and the gene according to the present invention is introduced into the host cell as an expression vector. Thereby, the introduction of the gene according to the present invention can be confirmed from the expression of the marker gene. Alternatively, the protein according to the present invention may be expressed as a fusion protein. For example, the green fluorescent protein GFP (Green Fluorescent Protein) derived from Aequorea jellyfish may be used as a marker, and the protein according to the present invention may be expressed as a GFP fusion protein. Good.

上記ホスト細胞は、特に限定されるものではなく、従来公知の各種細胞を好適に用いることができる。具体的には、原核生物としては細菌、例えばエシェリヒア(Escherichia)属に属する細菌、例えば大腸菌(Escherichia coli)、バシルス(Bacillus)属微生物、例えばバシルス.スブシルス(Bacillus subtilis)など常用の宿主を用いることができる。真核性宿主としては、下等真核生物、例えば真核性微生物、例えば真菌である酵母または糸状菌が使用できる。酵母としては例えばサッカロミセス(Saccharomyces)属微生物、例えばサッカロミセス.セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)等が挙げられ、また糸状菌としてはアスペルギルス(Aspergillus)属微生物、例えばアスペルギルス.オリゼ(Aspergillus oryzae)、アスペルギルス.ニガー(Aspergillus niger)、ペニシリウム(Penicillium)属微生物が挙げられる。さらに動物細胞または植物細胞が使用でき、植物細胞としては、マメ科植物、イネ科植物など種々の植物細胞が利用可能であり、また動物細胞としては、マウス、ハムスター、サル、ヒト等の細胞系が使用される。さらに昆虫細胞、例えばカイコ細胞、またはカイコの成虫それ自体も使用される。   The host cell is not particularly limited, and various conventionally known cells can be suitably used. Specifically, as a prokaryote, a conventional host such as a bacterium, for example, a bacterium belonging to the genus Escherichia, for example, Escherichia coli, a microorganism belonging to the genus Bacillus, for example, Bacillus subtilis, or the like is used. Can do. As eukaryotic hosts, lower eukaryotes such as eukaryotic microorganisms such as yeast or filamentous fungi can be used. Examples of the yeast include microorganisms belonging to the genus Saccharomyces, such as Saccharomyces cerevisiae, and examples of the filamentous fungi include microorganisms belonging to the genus Aspergillus, such as Aspergillus oryzae and Aspergillus niger. niger) and microorganisms belonging to the genus Penicillium. Furthermore, animal cells or plant cells can be used, and various plant cells such as legumes and gramineous plants can be used as plant cells, and cell systems such as mice, hamsters, monkeys, humans, etc. can be used as animal cells. Is used. Furthermore, insect cells such as silkworm cells or adult silkworms themselves are also used.

本発明の組換え発現ベクターは、それらを導入すべき宿主の種類に依存して発現制御領域、例えばプロモーターおよびターミネーター、複製起点等を含有する。細菌用発現ベクターのプロモーターとしては、常用のプロモーター、例えばtrcプロモーター、tacプロモーター、lacプロモーター等が使用され、酵母用プロモーターとしては、例えばグリセルアルデヒド3リン酸デヒドロゲナーゼ(GAPDH)プロモーター、PH05プロモーター等が使用され、糸状菌用プロモーターとしては例えばアミラーゼ、trpC等が使用される。また動物細胞宿主用プロモーターとしてはウイルス性プロモーター、例えばSV40アーリープロモーター、SV40レートプロモーター等が使用される。発現ベクターの作製は制限酵素、リガーゼ等を用いて常用に従って行うことができる。また、発現ベクターによる宿主の形質転換も常法に従って行うことができる。   The recombinant expression vector of the present invention contains expression control regions such as a promoter and terminator, an origin of replication and the like depending on the type of host into which they are to be introduced. Conventional promoters such as trc promoter, tac promoter, and lac promoter are used as promoters for bacterial expression vectors, and examples of yeast promoters include glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) promoter and PH05 promoter. As the promoter for filamentous fungi, for example, amylase, trpC and the like are used. As a promoter for animal cell hosts, viral promoters such as SV40 early promoter and SV40 rate promoter are used. An expression vector can be prepared according to common usage using restriction enzymes, ligases and the like. In addition, transformation of a host with an expression vector can be performed according to a conventional method.

上記発現ベクターをホスト細胞に導入する方法、すなわち形質転換方法も特に限定されるものではなく、電気穿孔法、リン酸カルシウム法、リポソーム法、DEAEデキストラン法、マイクロインジェクション法等の従来公知の方法を好適に用いることができる。   A method for introducing the expression vector into a host cell, that is, a transformation method is not particularly limited, and a conventionally known method such as an electroporation method, a calcium phosphate method, a liposome method, a DEAE dextran method, or a microinjection method is preferably used. Can be used.

(5)本発明に係る形質転換体
本発明に係る形質転換体は、上記(1−1)欄で説明した本発明に係る遺伝子、例えば、上記(a)又は(b)のタンパク質をコードする遺伝子が導入された形質転換体である。ここで、「遺伝子が導入された」とは、公知の遺伝子工学的手法(遺伝子操作技術)により、対象細胞(宿主細胞)内に発現可能に導入されることを意味する。また、上記「形質転換体」とは、細胞・組織・器官のみならず、生物個体を含む意味である。
(5) Transformant According to the Present Invention The transformant according to the present invention encodes the gene according to the present invention described in the section (1-1) above, for example, the protein of (a) or (b) above. A transformant having a gene introduced therein. Here, “gene introduced” means that the gene is introduced into a target cell (host cell) so as to be expressed by a known genetic engineering technique (gene manipulation technique). The “transformant” means not only cells / tissues / organs but also individual organisms.

本発明に係る形質転換体の作製方法(生産方法)は、上述の(4)欄で説明した組換え発現ベクターを形質転換する方法を挙げることができる。すなわち、少なくとも、上記組換え発現ベクターを構築する工程と、該組換え発現ベクターを宿主に導入する工程とを有する方法により、形質転換体を生産することができる。また、形質転換の対象となる生物も特に限定されるものではなく、上記ホスト細胞で例示した各種微生物や植物を挙げることができる。また、プロモーターやベクターを選択すれば、動物、昆虫も形質転換の対象とすることが可能である。   Examples of the method for producing a transformant (production method) according to the present invention include a method for transforming the recombinant expression vector described in the above section (4). That is, a transformant can be produced by a method having at least a step of constructing the above recombinant expression vector and a step of introducing the recombinant expression vector into a host. In addition, the organism to be transformed is not particularly limited, and examples thereof include various microorganisms and plants exemplified in the host cell. In addition, if a promoter or vector is selected, animals and insects can be transformed.

また、ここでいう形質転換体には、本発明に係る遺伝子が導入された植物もしくはこれと同じ性質を有する該植物の子孫またはそれらの組織、種子なども含まれる。   The transformant herein includes a plant into which the gene of the present invention has been introduced, or a progeny of the plant having the same properties, or a tissue or seed thereof.

(6)本発明に係る遺伝子検出器具
本発明に係る遺伝子検出器具は、本発明に係る遺伝子における少なくとも一部の塩基配列またはその相補配列をプローブとして用いたものである。遺伝子検出器具は、種々の条件下において、本発明に係る遺伝子の発現パターンの検出・測定などに利用することができる。
(6) Gene detection instrument according to the present invention The gene detection instrument according to the present invention uses at least a part of the base sequence or its complementary sequence in the gene according to the present invention as a probe. The gene detection instrument can be used for detection and measurement of the expression pattern of the gene according to the present invention under various conditions.

本発明に係る遺伝子検出器具としては、例えば、本発明の遺伝子と特異的にハイブリダイズする上記プローブを基盤(担体)上に固定化したDNAチップが挙げられる。ここで「DNAチップ」とは、主として、合成したオリゴヌクレオチドをプローブに用いる合成型DNAチップを意味するが、PCR産物などのcDNAをプローブに用いる貼り付け型DNAマイクロアレイをも包含するものとする。   Examples of the gene detection instrument according to the present invention include a DNA chip in which the probe that specifically hybridizes with the gene of the present invention is immobilized on a substrate (carrier). Here, the “DNA chip” mainly means a synthetic DNA chip using a synthesized oligonucleotide as a probe, but also includes an affixed DNA microarray using a cDNA such as a PCR product as a probe.

プローブとして用いる配列は、cDNA配列の中から特徴的な配列を特定する従来公知の方法によって決定することができる。具体的には、例えば、SAGE:Serial Analysis of Gene Expression法(Science 276:1268, 1997; Cell 88:243, 1997; Science 270:484, 1995; Nature 389:300, 1997; 米国特許第5,695,937 号)等を挙げることができる。   The sequence used as a probe can be determined by a conventionally known method for specifying a characteristic sequence from a cDNA sequence. Specifically, for example, SAGE: Serial Analysis of Gene Expression method (Science 276: 1268, 1997; Cell 88: 243, 1997; Science 270: 484, 1995; Nature 389: 300, 1997; US Pat. No. 5,695,937) Etc.

なお、DNAチップの製造には、公知の方法を採用すればよい。例えば、オリゴヌクレオチドとして合成オリゴヌクレオチドを使用する場合には、フォトリソグラフィー技術と固相法DNA合成技術との組み合わせにより、基盤上で該オリゴヌクレオチドを合成すればよい。一方、オリゴヌクレオチドとしてcDNAを用いる場合には、アレイ機を用いて基盤上に貼り付ければよい。   In addition, what is necessary is just to employ | adopt a well-known method for manufacture of a DNA chip. For example, when a synthetic oligonucleotide is used as an oligonucleotide, the oligonucleotide may be synthesized on a substrate by a combination of a photolithography technique and a solid phase DNA synthesis technique. On the other hand, when cDNA is used as an oligonucleotide, it may be pasted on a substrate using an array machine.

また、一般的なDNAチップと同様、パーフェクトマッチプローブ(オリゴヌクレオチド)と、該パーフェクトマッチプローブにおいて一塩基置換されたミスマッチプローブとを配置して遺伝子の検出精度をより向上させてもよい。さらに、異なる遺伝子を並行して検出するために、複数種のオリゴヌクレオチドを同一の基盤上に固定してDNAチップを構成してもよい。   Similarly to a general DNA chip, a perfect match probe (oligonucleotide) and a mismatch probe in which one perfect base substitution is performed in the perfect match probe may be arranged to further improve the accuracy of gene detection. Furthermore, in order to detect different genes in parallel, a plurality of types of oligonucleotides may be fixed on the same substrate to constitute a DNA chip.

(7)本発明に係る遺伝子およびタンパク質等の利用方法(有用性)
ここまでは主にミヤコグサ由来の根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質及び該タンパク質をコードする遺伝子について述べてきたが、本発明はミヤコグサ由来の遺伝子等のみに限定されるものではなく、根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与する他の遺伝子・タンパク質も含まれる。以下に、本発明に係る遺伝子及びタンパク質等の利用法について説明する。
(7) Utilization method (usefulness) of gene and protein according to the present invention
Up to this point, we have mainly described the rhizobia derived from Lotus japonicus and / or the proteins involved in symbiosis with mycorrhizal fungi and the gene encoding the protein. Instead, other genes and proteins involved in symbiosis with rhizobia and / or mycorrhizal fungi are also included. Below, the utilization method of the gene which concerns on this invention, protein, etc. is demonstrated.

本発明に係る遺伝子またはタンパク質等は、植物と根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与し、かつ、陸上植物の多くに保存されている。このため、これら遺伝子を宿主(植物体)に導入することにより、例えば、根粒菌及び/又は菌根菌との共生能を賦与した植物体を生産することができる。これ以外にも、例えば、マメ科植物の共生的窒素固定能を調節する方法、マメ科植物以外に共生的窒素固定能を賦与する方法、植物体と根粒菌との共生効率の制御方法、植物体の菌根菌共生能を調節する方法、などの新たな機能を付与した植物体の生産方法等への応用が可能であると考えられる。   The gene or protein according to the present invention is involved in the symbiosis between plants and rhizobia and / or mycorrhizal fungi, and is conserved in many land plants. Therefore, by introducing these genes into a host (plant body), for example, a plant body imparted with symbiotic ability with rhizobia and / or mycorrhizal fungi can be produced. Other than this, for example, a method for adjusting symbiotic nitrogen fixation ability of legumes, a method for imparting symbiotic nitrogen fixation ability other than legumes, a method for controlling the symbiotic efficiency between plant bodies and rhizobia, plants It is considered that it can be applied to a production method of a plant having a new function such as a method for regulating the mycorrhizal symbiosis ability of the body.

いうまでもなく、根粒菌や菌根菌との共生は、植物にとって栄養素の固定という面から非常に重要なものであるため、本利用法は、農業・植物育種の面で非常に価値が高いと考えられる。   Needless to say, symbiosis with rhizobia and mycorrhizal fungi is very important for plants in terms of fixing nutrients, so this method is very valuable in terms of agriculture and plant breeding. it is conceivable that.

なお、上記いずれかの方法を実施する場合は、本発明に係る遺伝子、またはタンパク質、あるいは組換えベクターなどを用いる工程を含んでいればよく、その他の具体的な構成や条件、材料等は特に限定されるものではない。例えば、本発明に係る組換えベクターを、宿主植物体にて発現可能な状態で形質転換する工程が含まれていればよい。また、例えば、CASTOR遺伝子とPOLLUX遺伝子の双方を宿主に導入してもよいし、どちらか一方の遺伝子のみを導入してもよい。   In the case of carrying out any of the above methods, it is only necessary to include a step of using the gene, protein, or recombinant vector according to the present invention, and other specific configurations, conditions, materials, etc. It is not limited. For example, it is only necessary to include a step of transforming the recombinant vector according to the present invention in a state in which it can be expressed in a host plant. Further, for example, both the CASTOR gene and the POLLUX gene may be introduced into the host, or only one of the genes may be introduced.

また、上述の本発明に係る遺伝子等を用いて、マメ科植物の共生的窒素固定能を調節する方法、マメ科植物以外に共生的窒素固定能を賦与する方法、植物体と根粒菌との共生効率の制御方法、植物体の菌根菌共生能を調節する方法を実施した場合に得られる植物体も本発明に含まれる。   In addition, using the gene according to the present invention described above, a method for regulating the symbiotic nitrogen fixing ability of legumes, a method for imparting symbiotic nitrogen fixing ability other than legumes, a plant body and a rhizobia A plant obtained by carrying out a method for controlling the symbiotic efficiency and a method for controlling the mycorrhizal symbiosis ability of the plant is also included in the present invention.

なお、形質転換可能な植物の例としては、マメ科植物だけでなく、ゴマ、イネ、レンギョウ、タバコ、シロイヌナズナ、ミヤコグサ、オオムギ、小麦、ナタネ、ポテト、トマト、ポプラ、バナナ、ユーカリ、サツマイモ、ダイズ、アルファルファ、ルーピン、トウモロコシ、カリフラワー、バラ、キク、カーネーション、金魚草、シクラメン、ラン、トルコギキョウ、フリージア、ガーベラ、グラジオラス、カスミソウ、カランコエ、ユリ、ペラルゴニウム、ゼラニウム、ペチュニア、トレニア、チューリップ、などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。   Examples of plants that can be transformed include not only legumes but also sesame, rice, forsythia, tobacco, Arabidopsis thaliana, barley, wheat, rapeseed, potato, tomato, poplar, banana, eucalyptus, sweet potato, soybean , Alfalfa, lupine, corn, cauliflower, rose, chrysanthemum, carnation, goldfish grass, cyclamen, orchid, eustoma, freesia, gerbera, gladiolus, gypsophila, kalanchoe, lily, pelargonium, geranium, petunia, torenia, tulip, etc. However, it is not limited to these.

また、「遺伝子またはタンパク質を用いて」とは、in vivo、in vitro、ex vivoなど種々の条件で遺伝子またはタンパク質を用いる場合が含まれる。   In addition, “using a gene or protein” includes cases where the gene or protein is used under various conditions such as in vivo, in vitro, and ex vivo.

以下添付した図面に沿って実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   Embodiments will be described below in more detail with reference to the accompanying drawings. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims, and the present invention is also applied to the embodiments obtained by appropriately combining the disclosed technical means. It is included in the technical scope of the invention.

〔実験手法および材料〕
(1)Plant material.
Ljsym71-1、Ljsym71-2 23 、 N5、 N10、29-2A (M.K., unpublished data)、Ljsym4-2 11 、 Ljsym22-1、 Ljsym23-1、 Ljsym23-2 10 および SL3251-2、SL820-3、 SL1715-2、SL1966-3、 SL3169-3変異体は、ミヤコグサB-129GifuをEMS変異処理して、単離した。G00472、G00716、G00862 (B-129由来)、およびM89-27 (MG-20由来)は、ミヤコグサの培養細胞を起源とする再生植物体からスクリーニングし取得した。Ljsym4-1変異体は、ミヤコグサB-129GifuのT−DNA形質転換によって作製したが、遺伝子には挿入されていない。
[Experimental methods and materials]
(1) Plant material.
Ljsym71-1, Ljsym71-2 23, N5, N10, 29-2A (MK, unpublished data), Ljsym4-2 11, Ljsym22-1, Ljsym23-1, Ljsym23-2 10 and SL3251-2, SL820-3, SL1715 -2, SL1966-3, and SL3169-3 mutants were isolated from Miyakogusa B-129Gifu by EMS mutation treatment. G00472, G00716, G00862 (derived from B-129), and M89-27 (derived from MG-20) were obtained by screening from regenerated plants originating from the cultured cells of Lotus japonicus. The Ljsym4-1 mutant was produced by T-DNA transformation of C. japonica B-129Gifu, but not inserted into the gene.

(2)Root hair deformation assay
根毛の形態変化処理は、論文(Niwa, S. et al. Responses of a model legume Lotus japonicus to lipochitin oligosaccharide nodulation factors purified from Mesorhizobium loti JRL501. Mol. Plant-Microbe Interact. 14, 848-856 (2001).)に従い行った。簡単に説明すると、3日生育させた幼植物体をM. loti TONOとともに培養し、3日間アガー培地(B&D、窒素源欠乏)上に配置したフィルター紙の上で生育させた。Nod-factorを添加後、2日間生育させた幼植物体を、B&D液体培地に端部を浸した、アガーで覆われたスライドガラス上で1日生育させた。その後、10-7MのNod-factorを添加し、さらに24時間培養した。根は、0.001%のトルイジンブルー(Toluidin Blue)にて染色し、双眼顕微鏡の元で観察した。
(2) Root hair deformation assay
The root hair morphological change treatment is described in a paper (Niwa, S. et al. Responses of a model legume Lotus japonicus to lipochitin oligosaccharide nodulation factors purified from Mesorhizobium loti JRL501. Mol. Plant-Microbe Interact. 14, 848-856 (2001). ). Briefly, seedlings grown for 3 days were cultured with M. loti TONO and grown on filter paper placed on agar medium (B & D, lack of nitrogen source) for 3 days. After adding Nod-factor, seedlings grown for 2 days were grown for 1 day on agar-covered slide glass dipped in B & D liquid medium. Thereafter, 10 −7 M Nod-factor was added and further cultured for 24 hours. The roots were stained with 0.001% Toluidin Blue and observed under a binocular microscope.

(3)Ca spiking
ミヤコグサの幼植物体を発芽させ、採取し、オレゴングリーンデキストラン染色をマイクロインジェクションした(Harris, J. M., Wais, R. & Long, S. R. Rhizobium-induced calcium spiking in Lotus japonicus. Molecular Plant-Microbe Interactions 16, 335-341 (2003).)。蛍光は、浜松フォトニクスのデジタルCCDカメラに連動した、ニコンTE2000U倒立顕微鏡を用いて解析した。11nmのバンドパスを有する488nmの励起光の波長は、Optoscan Monochromator (Cairn Research, Faversham, Kent, UK)を用いて選択し、545nmの放射フィルターを用いた。画像は、MetaFluor ソフトウェアを用いて、200ミリ秒の露出時間で、5秒毎に集めた。波形はMicrosoft Excelを用いて作成した。マイクロインジェクション後、根毛は、Nod-factor添加20分前に除去し、解析には、活性状態の細胞内変化を示す細胞のみを用いた。Nod-factorは終濃度10-8Mとなるように、培養チャンバーに直接加えた。
(3) Caspiking
Seedlings of Lotus japonicus germinated, harvested and microinjected with Oregon Green Dextran staining (Harris, JM, Wais, R. & Long, SR Rhizobium-induced calcium spiking in Lotus japonicus. Molecular Plant-Microbe Interactions 16, 335 -341 (2003).) Fluorescence was analyzed using a Nikon TE2000U inverted microscope linked to a Hamamatsu Photonics digital CCD camera. The wavelength of excitation light at 488 nm with an 11 nm bandpass was selected using an Optoscan Monochromator (Cairn Research, Faversham, Kent, UK) and a 545 nm emission filter was used. Images were collected every 5 seconds using MetaFluor software with an exposure time of 200 milliseconds. The waveform was created using Microsoft Excel. After microinjection, root hairs were removed 20 minutes before the addition of Nod-factor, and only cells showing intracellular changes in the active state were used for analysis. Nod-factor was added directly to the culture chamber to a final concentration of 10 −8 M.

(4)Positional cloning
CASTOR遺伝子は、ミヤコグサ B-129 Gifu 変異体 Ljsym71-2、 N5、 Ljsym4-2、またはG00472、G00716、及びMG-20 ミヤコジマ、及び Ljsym4-2 とL. filicaulisとの交配種を交配した結果得られた、6つの独立したF2マッピング集団を用いてマッピングされた。各F2集団のサイズは、1563 (Ljsym71-2)、 190 (N5)、 180(Ljsym4-2x MG-20)、 40 (G00472 & G00716) 、そして 1514 (Ljsym4-2 x L. filicaulis)である。全体として、3527のF2個体に対して、CASTOR遺伝子の側方にあるマーカーを用いて解析した。POLLUXは、Ljsym23-2 と MG20との交配によって得られた531のF2個体、及びLjsym23-1 とL. filicaulisとの交配によって得られた409のF2個体を用いてマップされた。
(4) Positional cloning
The CASTOR gene is obtained as a result of mating the Lotus japonica B-129 Gifu mutants Ljsym71-2, N5, Ljsym4-2, or G00472, G00716, and MG-20 Miyakojima, and the hybrid of Ljsym4-2 and L. filicaulis. In addition, 6 independent F2 mapping populations were used for mapping. The size of each F2 population is 1563 (Ljsym71-2), 190 (N5), 180 (Ljsym4-2x MG-20), 40 (G00472 & G00716), and 1514 (Ljsym4-2 x L. filicaulis). As a whole, 3527 F2 individuals were analyzed using a marker on the side of the CASTOR gene. POLLUX was mapped using 531 F2 individuals obtained by crossing Ljsym23-2 and MG20 and 409 F2 individuals obtained by crossing Ljsym23-1 and L. filicaulis.

(5)Southern blot and expression analysis.
CASTOR遺伝子の573bp断片はプライマー1:TCAAAGAAGGATTACGAGGA(配列番号5に示すに示す塩基配列)、プライマー2:AATTTTACCACCATAAGATGC(配列番号6に示す塩基配列)を用いて増幅した。ゲノムDNA(10μg)は葉から抽出し、XbaIまたはBamHIにて切断した。プローブの標識とシグナル検出は、AlkPhos Direct (Amersham)を用いて行った。
(5) Southern blot and expression analysis.
The 573 bp fragment of the CASTOR gene was amplified using primer 1: TCAAAGAAGGATTACGAGGA (base sequence shown in SEQ ID NO: 5) and primer 2: AATTTTACCACCATAAGATGC (base sequence shown in SEQ ID NO: 6). Genomic DNA (10 μg) was extracted from the leaves and cut with XbaI or BamHI. Probe labeling and signal detection were performed using AlkPhos Direct (Amersham).

CASTOR遺伝子の発現は、以下のプライマーを用いて、量的RT−PCRにて解析した。
・ポリユビキチン遺伝子
(ATGCAGATCTTCCGTCAAGACCTTGAC / ACCTCCCCTCAGACGAAGGA)(配列番号7/配列番号8)
・LjENOD40-1
(CCTCTGAACCAATCCATCAAATCCA / GTGGAGGAGTGTGAGAGGTGACAGC)(配列番号9/配列番号10)
・CASTOR遺伝子
(ATGGTGGCCTTGACATAAG / AGTGACGACGTATAACAGCA)(配列番号11/配列番号12)
トータルRNAはRNeasy Mini kit (Qiagen)を用いて抽出し、DNaseI(Takara)にて処理した。リアルタイムRT−PCRは、Quantitect SYBR Green RT-PCR kit (Qiagen)を用い、GeneAmp 5700 (Applied Biosystems)にて実施した。発現レベルは、ポリユビキチンの転写産物の両をベースとして標準化した。
CASTOR gene expression was analyzed by quantitative RT-PCR using the following primers.
・ Polyubiquitin gene
(ATGCAGATCTTCCGTCAAGACCTTGAC / ACCTCCCCTCAGACGAAGGA) (SEQ ID NO: 7 / SEQ ID NO: 8)
・ LjENOD40-1
(CCTCTGAACCAATCCATCAAATCCA / GTGGAGGAGTGTGAGAGGTGACAGC) (SEQ ID NO: 9 / SEQ ID NO: 10)
・ CASTOR gene
(ATGGTGGCCTTGACATAAG / AGTGACGACGTATAACAGCA) (SEQ ID NO: 11 / SEQ ID NO: 12)
Total RNA was extracted using RNeasy Mini kit (Qiagen) and treated with DNase I (Takara). Real-time RT-PCR was performed with GeneAmp 5700 (Applied Biosystems) using Quantitect SYBR Green RT-PCR kit (Qiagen). Expression levels were normalized based on both polyubiquitin transcripts.

(6)Computer analysis.
配列は、BLAST (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/)、GENSCAN v.1.0 (http://genes.mit.edu/GENSCAN.html)を用いて解析した。マルチアライメントおよび進化系統樹は、Clustal W (http://www.ebi.ac.uk/clustalw/)を用いた。標的タンパク質および膜貫通領域の推定は、TargetP v.1.01 (http://www.cbs.dtu.dk/services/TargetP/)、およびTMHMM v.2.0 (http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM-2.0/)を用いて行った。ドメインと構造解析は、Pfam (http://www.sanger.ac.uk/Software/Pfam/) 、およびFUGUE v.2.0 (http://www-cryst.bioc.cam.ac.uk/~fugue/)の両方を用いて行った。
(6) Computer analysis.
The sequence was analyzed using BLAST (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/) and GENSCAN v.1.0 (http://genes.mit.edu/GENSCAN.html). Clustal W (http://www.ebi.ac.uk/clustalw/) was used for multi-alignment and evolutionary tree. Target protein and transmembrane region estimation is available in TargetP v.1.01 (http://www.cbs.dtu.dk/services/TargetP/) and TMHMM v.2.0 (http://www.cbs.dtu.dk) /services/TMHMM-2.0/). Domain and structural analysis is available from Pfam (http://www.sanger.ac.uk/Software/Pfam/) and FUGUE v.2.0 (http://www-cryst.bioc.cam.ac.uk/~fugue /) Both.

〔実験結果〕
図1は、Mesorhizobium loti TONOの接種、またはNod-factor(NFs)処理によって誘導される根毛の反応について調べた結果を示す図である。野生型(B-129 Gifu)およびCASTOR変異体の根毛のそれぞれに対して、M. loti TONO接種したもの(パネルb,e)、10-7MのNFs処理したもの(パネルc,f)を示す。パネルa,dにはそれぞれ、野生型とLjsym71-1のコントロールを示す。パネルbに示すように、野生型にM. loti TONO接種した場合、根毛にカールが生じた(図中矢印で示す部分)。また、パネルeに示すように、M. loti TONO接種したLjsym71-2変異体には、根毛の膨張(図中アローヘッドで示す部分)、先端の生長(図中ダブルアローヘッドで示す部分)、分岐(図中小さな矢印で示す部分)が観察された。また、パネルc,fに示すように、野生型とLjsym71-1変異体にNFs処理した場合、それぞれにおいて根毛の形態変化が誘導された。なお、スケールバーは50μmである。
〔Experimental result〕
FIG. 1 is a graph showing the results of examining root hair reaction induced by inoculation with Mesorhizobium loti TONO or Nod-factor (NFs) treatment. The wild-type (B-129 Gifu) and CASTOR mutant root hairs were inoculated with M. loti TONO (panels b and e) and treated with NFs of 10 −7 M (panels c and f). Show. Panels a and d show wild type and Ljsym71-1 controls, respectively. As shown in panel b, when wild type was inoculated with M. loti TONO, curling occurred in the root hairs (part indicated by an arrow in the figure). In addition, as shown in panel e, the Ljsym71-2 mutant inoculated with M. loti TONO includes root hair expansion (part indicated by arrowhead in the figure), tip growth (part indicated by double arrowhead in the figure), Bifurcations (portions indicated by small arrows in the figure) were observed. In addition, as shown in panels c and f, when wild-type and Ljsym71-1 mutants were treated with NFs, root hair morphological changes were induced in each. The scale bar is 50 μm.

図2は、根毛におけるカルシウムスパイキングの解析結果を示す図である。この実験は、野生型(B-129 Gifu)、またはLjsym4-1、Ljsym23-1、Ljsym23-2の対立遺伝子を有する変異体の幼植物体における1本の根毛にて行った。根毛はカルシウム感受性の色素;オレゴングリーンデキストランを注入して約20分後、NFsを10-8M添加した。5秒間隔で蛍光強度を測定し、グラフ化した。その結果、図2に示すように、本実験に用いた変異体ではカルシウムスパイキングが少なくとも60分間生じなかった。 FIG. 2 is a diagram showing an analysis result of calcium spiking in root hair. This experiment was carried out on one root hair in a wild type (B-129 Gifu) or mutant seedling body having an allele of Ljsym4-1, Ljsym23-1, or Ljsym23-2. About 20 minutes after injection of Oregon green dextran, the root hair was a calcium sensitive pigment; NFs was added at 10 -8 M. The fluorescence intensity was measured at intervals of 5 seconds and graphed. As a result, as shown in FIG. 2, the mutant used in this experiment did not cause calcium spiking for at least 60 minutes.

図3は、CASTOR、POLLUX遺伝子のポジショナルクローニングを模式的に示す図であり、(a)は、CASTOR遺伝子座の近傍の遺伝子地図を示す図である。線上のマーカーの位置は、マップ上の距離(cM)で示す。マップ集団における組換え植物の数を示す。   FIG. 3 is a diagram schematically showing the positional cloning of CASTOR and POLLUX genes, and (a) is a diagram showing a gene map in the vicinity of the CASTOR gene locus. The position of the marker on the line is indicated by a distance (cM) on the map. The number of recombinant plants in the map population is indicated.

また、(b)には、CASTOR遺伝子座の物理地図を示す。BACおよびTAC(LjT)クローンは、それぞれB-129とMG-20に由来する。BAC末端は、開いた楕円のTB21R、閉じた楕円のTA3F、閉じた長方形のTB7F、閉じた菱形のTC1F、開いた長方形のTB2Rとして示される。B-129とMG-20の間の“反転領域(inverted region)”は145kbまで延びており、CASTOR遺伝子座から0cMの領域である。TB7Rマーカーのみ、CASTOR遺伝子座の境界から240kb北側に位置している。   (B) shows a physical map of the CASTOR locus. BAC and TAC (LjT) clones are derived from B-129 and MG-20, respectively. The BAC ends are shown as open elliptical TB21R, closed elliptical TA3F, closed rectangular TB7F, closed diamond TC1F, open rectangular TB2R. The “inverted region” between B-129 and MG-20 extends to 145 kb and is 0 cM from the CASTOR locus. Only the TB7R marker is located 240 kb north from the boundary of the CASTOR locus.

そして(c)に示すように、候補遺伝子は同定された。なお、図中の記号は、以下のタンパク質を示す。LRRPK(leucine-rich repeat protein kinase)、26SP(26S proteasome regulatory subunit 7)、RE(retro-element)、EP(Avr9/Cf-9 elicited protein)、PUM(pumilio-family RNA-binding protein)、RHZF(Ring H2 zinc finger protein)、PME(pectin methyl esterase)、IF2(initiation factor 2 subunit)、OXY(oxydoreductase)、PP(polyprotein)、MYB(myb family protein)、GAG(gag-pol polyprotein)、FIP(VirF-interacting protein FIP1)、ANK(ankyrin-like protein)、REV(reverse transcriptase)、無表記(hypothetical protein)。   And as shown in (c), the candidate gene was identified. In addition, the symbol in a figure shows the following proteins. LRRPK (leucine-rich repeat protein kinase), 26SP (26S proteasome regulatory subunit 7), RE (retro-element), EP (Avr9 / Cf-9 elicited protein), PUM (pumilio-family RNA-binding protein), RHZF ( Ring H2 zinc finger protein), PME (pectin methyl esterase), IF2 (initiation factor 2 subunit), OXY (oxydoreductase), PP (polyprotein), MYB (myb family protein), GAG (gag-pol polyprotein), FIP (VirF -interacting protein FIP1), ANK (ankyrin-like protein), REV (reverse transcriptase), no description (hypothetical protein).

(d)は、CASTOR遺伝子のエクソン−イントロン構造を示す図である。cDNAスプライシングによって、複数の選択的スプライシングのバリアントが得られた。第1エキソンの3’末端に4塩基挿入、第2エキソンの5’末端に9塩基挿入されている。第7イントロンは、17cDNAクローン中、15のクローンにて保存されていた。   (D) is a diagram showing the exon-intron structure of the CASTOR gene. cDNA splicing resulted in multiple alternative splicing variants. Four bases are inserted into the 3 'end of the first exon, and nine bases are inserted into the 5' end of the second exon. The seventh intron was conserved in 15 out of 17 cDNA clones.

また、(e)−(f)は、POLLUX遺伝子の周辺のゲノム領域を示す図である。(e)は、POLLUX遺伝子座の遺伝子地図および物理地図を示す図である。マッピング集団におけるマーカーの位置と組換え植物の数とを示す。BAC及びTAC(LjT)クローンは、B-129とMG-20に由来する。候補遺伝子は、TACクローンLjT45B09上で同定された。また、図中の記号は以下のタンパク質を示す。WD40(WD40 repeat protein)、NifU(NifU like putative N-fixing protein)、PPR(pentatricopeptide repeat protein)、DNA BP(DNA binding protein family)、LRR−PK(leucine-rich repeat protein kinase)、無表記(hypothetical protein)。   Moreover, (e)-(f) is a figure which shows the genomic region around a POLLUX gene. (E) is a diagram showing a genetic map and a physical map of the POLLUX locus. The position of the marker in the mapping population and the number of recombinant plants are indicated. BAC and TAC (LjT) clones are derived from B-129 and MG-20. Candidate genes were identified on TAC clone LjT45B09. Moreover, the symbol in a figure shows the following proteins. WD40 (WD40 repeat protein), NifU (NifU like putative N-fixing protein), PPR (pentatricopeptide repeat protein), DNA BP (DNA binding protein family), LRR-PK (leucine-rich repeat protein kinase), no description (hypothetical protein).

(f)は、POLLUX遺伝子のエキソン−イントロン構造を示す図である。1つの選択的スプライシング部位は、第10エクソンの上流域で検出された。   (F) is a diagram showing the exon-intron structure of the POLLUX gene. One alternative splicing site was detected upstream of exon 10.

また、CASTOR及びPOLLUX遺伝子に相当する完全長のcDNAの配列は、5’と3’末端のRACE(rapid amplification of cDNA ends)とcDNAクローンのイシークエンスによって得た。ゲノム配列におけるcDNAの配置は、両遺伝子とも12のエクソンからなることがわかった(図3d、f)。両遺伝子は、cDNAクローンの配列解析から明らかになったように、選択的スプライシングの対象となる。   The full-length cDNA sequence corresponding to the CASTOR and POLLUX genes was obtained by RACE (rapid amplification of cDNA ends) at the 5 'and 3' ends and cDNA sequencing. The arrangement of cDNA in the genomic sequence was found to consist of 12 exons for both genes (Fig. 3d, f). Both genes are subject to alternative splicing as revealed by sequence analysis of cDNA clones.

図4は、CASTOR遺伝子のサザンハイブリダイゼーション及びRT−PCR解析の結果を示す図である。(a)は、野生型(B-129 Gifu)およびCASTOR変異体(N-5、G00472、及びG00716)に対して、CASTOR遺伝子のサザンハイブリダイゼーションを行った結果を示す図である。同図に示すように、野生型とN-5(点変異対立遺伝子)では、CASTORプローブによって2つの明確なバンドが検出された(CAS、POL)。これは、2つの相同性の高い遺伝子が存在することを示している。しかしながら、G00472やG00716のような欠失変異体の場合は、これらのフラグメントのうち、1つしか検出されなかった。   FIG. 4 is a diagram showing the results of Southern hybridization and RT-PCR analysis of CASTOR gene. (A) is a figure which shows the result of having performed the Southern hybridization of the CASTOR gene with respect to the wild type (B-129 Gifu) and the CASTOR mutant (N-5, G00472, and G00716). As shown in the figure, in the wild type and N-5 (point mutation allele), two distinct bands were detected by CASTOR probe (CAS, POL). This indicates that there are two highly homologous genes. However, in the case of deletion mutants such as G00472 and G00716, only one of these fragments was detected.

また(b)はマメ科植物およびマメ科以外の植物について、CASTOR遺伝子のサザンハイブリダイゼーションを行った結果を示す図である。なお、ゲノムDNAは(a)図の場合はXbaIで、(b)図の場合はBamHIにて切断した。同図に示すように、CASTOR-POLLUXホモログは、他の双子葉植物および単子葉植物に1または2コピー存在している。特に、ミヤコグサと同様の大きさのゲノムサイズであるマメ科植物のタルウマゴヤシにおいては1コピーのみ同定された。つまり、CASTOR遺伝子のホモログは、マメ科植物だけでなく、マメ科以外の植物にも広く存在することがわかった。   (B) is a diagram showing the results of Southern hybridization of CASTOR gene for legumes and non-legumes. Genomic DNA was cleaved with XbaI in the case of (a), and BamHI in the case of (b). As shown in the figure, one or two copies of CASTOR-POLLUX homolog are present in other dicotyledonous plants and monocotyledonous plants. In particular, only one copy was identified in the leguminous plant, Tarumago palm, which has the same genome size as Miyakogusa. In other words, we found that CASTOR gene homologs exist not only in legumes but also in plants other than legumes.

また(c)は、ミヤコグサB-129 Gifuの種々の器官におけるCASTOR遺伝子の発現を調べた結果を示す図である。なお、本図では、非感染の根と比較した相対的な量を示す。同図に示すように、CASTOR遺伝子のmRNAは、非感染の根毛において最もよく発現していることがわかった。また、POLLUX遺伝子は、根粒において最もよく発現していることがわかった。   (C) is a diagram showing the results of examining the expression of CASTOR gene in various organs of Lotus japonicus B-129 Gifu. In addition, in this figure, the relative quantity compared with the non-infected root is shown. As shown in the figure, it was found that the mRNA of CASTOR gene was most well expressed in uninfected root hair. It was also found that the POLLUX gene was most expressed in the nodules.

また(d)は、M. loti接種した後、0〜48時間後までのNIN遺伝子、CASTOR遺伝子、及びPOLLUX遺伝子の発現の誘導を調べた結果を示す図である。また(e)は、NFs処理した後、0〜48時間後までのNIN遺伝子、CASTOR遺伝子、及びPOLLUX遺伝子の発現の誘導を調べた結果を示す図である。なお本図では未処理の根と比較した相対的な量を示す。同図に示すように、NIN遺伝子は、M. loti接種またはNFs処理のいずれを行っても発現量が経時的に増加しているのに対して、CASTOR遺伝子、及びPOLLUX遺伝子は、その発現量がM. loti接種またはNFs処理のいずれを行っても増加せず、かえって経時的に減少することがわかった。これは、共生によってCASTOR遺伝子の発現が抑制されることを示していると思われる。   (D) shows the results of examining the induction of NIN gene, CASTOR gene, and POLLUX gene expression from 0 to 48 hours after inoculation with M. loti. (E) shows the results of examining the induction of NIN gene, CASTOR gene, and POLLUX gene expression from 0 to 48 hours after NFs treatment. This figure shows the relative amount compared to the untreated root. As shown in the figure, the expression level of NIN gene increased with time regardless of M. loti inoculation or NFs treatment, whereas the expression level of CASTOR gene and POLLUX gene However, it was found that there was no increase with either M. loti inoculation or NFs treatment, but it decreased over time. This seems to indicate that symbiosis suppresses CASTOR gene expression.

図5は、CASTORタンパク質またはPOLLUXタンパク質の構造、ドメインおよびホモログを示す図であり、(a)は、CASTOR、POLLUXタンパク質間の局所的な配列の相同性を示す図である。なお、TMは膜貫通ヘリックス、RCKはカリウムチャネルで見つかっている伝導性を制御する領域と相同性のある領域を示す。共生不全に関与する変異の位置と種類をCASTORタンパク質の配列上に示す。同図に示すように、CASTOR、POLLUXタンパク質は、相同性が高いことがわかった。   FIG. 5 shows the structure, domain and homologue of CASTOR protein or POLLUX protein, and (a) shows the local sequence homology between CASTOR and POLLUX protein. TM represents a transmembrane helix, and RCK represents a region homologous to the region controlling conductivity found in the potassium channel. The location and type of mutations involved in symbiosis are indicated on the CASTOR protein sequence. As shown in the figure, CASTOR and POLLUX proteins were found to have high homology.

また(b)は、CASTOR、POLLUXタンパク質とMTHKの植物ホモログとのフィルター領域およびインナーヘリックス領域のアライメントを示す図である。この配列は、図cで示すポアの中央部を形成する。同図に示すように、CASTOR、POLLUXタンパク質とMTHKの植物ホモログとは、フィルター領域およびインナーヘリックス領域において高い相同性を有することがわかった。   (B) shows the alignment of the filter region and inner helix region of CASTOR, POLLUX protein and plant homologue of MTHK. This arrangement forms the central part of the pore shown in FIG. As shown in the figure, it was found that CASTOR and POLLUX proteins and MTHK plant homologs had high homology in the filter region and the inner helix region.

(c)は、CASTORタンパク質のイオンポアの仮想構造を示す図である。左側にMTHKのX線結晶構造を示し、右側に相同性モデルを示す。結晶構造におけるGly61とGly63残基と、CASTORタンパク質において対応するSerとAsn残基は、ポアの直径や静電気特性に対してこれらのアミノ酸残基の置換が与える影響を計算すべく、空間充填モードで示されている。同図に示すように、CASTORタンパク質のイオンポアとMTHKのイオンポアとは、類似しているといえる。   (C) is a figure which shows the virtual structure of the ion pore of CASTOR protein. The X-ray crystal structure of MTHK is shown on the left side, and the homology model is shown on the right side. The Gly61 and Gly63 residues in the crystal structure and the corresponding Ser and Asn residues in the CASTOR protein are calculated in space-filling mode to calculate the effect of substitution of these amino acid residues on the pore diameter and electrostatic properties. It is shown. As shown in the figure, it can be said that the CASTOR protein ion pore and the MTHK ion pore are similar.

(d)は、CASTOR、POLLUXホモログの系統樹を示す図である(Clustal W)。なお、O. sativa_1はイネ(AK068216から推定)、O. sativa_2もイネ(AK072312 、L179Qから推定)、M. truncatula (ゲノム配列AC140550からcDNAを推定)はタルウマゴヤシ、A. thaliana (At5g49960)はシロイヌナズナである。同図に示すように、CASTOR、POLLUXホモログは、種々の陸上植物に保存されていることがわかった。さらに、タルウマゴヤシにおけるホモログはPOLLUXに相当するものであり、CASTORとは系統的にやや異なることがわかった。   (D) is a diagram showing a phylogenetic tree of CASTOR and POLLUX homologs (Clustal W). O. sativa_1 is rice (estimated from AK068216), O. sativa_2 is also rice (estimated from AK072312, L179Q), M. truncatula (estimated cDNA from genomic sequence AC140550) is A. thaliana (At5g49960) is Arabidopsis It is. As shown in the figure, it was found that CASTOR and POLLUX homologs are conserved in various land plants. Furthermore, it was found that the homologue in Taruma palm corresponds to POLLUX and is slightly different from CASTOR systematically.

また、図6は、CASTOR、POLLUX遺伝子に変異を有する変異体をまとめた表を示すものである。同図に示すように、ゲノムDNAのシークエンスの結果、CASTOR遺伝子に変異を有する16変異体は、全てノンサイレンスの変異体、つまりアミノ酸配列の置換・欠失・挿入等を伴う変異であることがわかった。また、組織培養によって得られた4つの独立した変異体は、1bp〜20kb以上の大きさの領域が欠損しており、他の体細胞変異体に見られるレトロトランスポゾンの挿入が無い。   FIG. 6 shows a table summarizing mutants having mutations in CASTOR and POLLUX genes. As shown in the figure, as a result of genomic DNA sequencing, 16 mutants having mutations in the CASTOR gene are all non-silence mutants, that is, mutations involving substitution, deletion, insertion, etc. of amino acid sequences. all right. In addition, four independent mutants obtained by tissue culture lack a region having a size of 1 bp to 20 kb or more, and do not have the retrotransposon insertion found in other somatic mutants.

以上ように、本発明に係る遺伝子等は、根粒菌及び/又は菌根菌との共生に必須の因子であるため、かかる遺伝子等を用いることにより、植物と微生物との共生系を制御し、より有用な植物体を作製することができる等の利点がある。したがって、本発明は、農業や植物育種の分野およびこれらの関連産業に利用可能である。   As described above, since the genes and the like according to the present invention are essential factors for the symbiosis with rhizobia and / or mycorrhizal fungi, by using such genes and the like, the symbiotic system between plants and microorganisms is controlled, There is an advantage that a more useful plant body can be produced. Therefore, the present invention can be used in the fields of agriculture and plant breeding and related industries.

Mesorhizobium loti TONOの接種、またはNod-factor(NFs)処理によって誘導される根毛の反応について調べた結果を示す図である。It is a figure which shows the result investigated about the reaction of the root hair induced | guided | derived by inoculation of Mesorhizobium loti TONO, or Nod-factor (NFs) treatment. 根毛におけるカルシウムスパイキングの解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the calcium spiking in a root hair. CASTOR、POLLUX遺伝子のポジショナルクローニングを模式的に示す図であり、(a)はCASTOR遺伝子座の近傍の遺伝子地図を示す図であり、(b)はCASTOR遺伝子座の物理地図を示す図であり、(c)は候補遺伝子の周辺を示す図であり、(d)はCASTOR遺伝子のエクソン−イントロン構造を示す図であり、(e)−(f)はPOLLUX遺伝子の周辺のゲノム領域を示す図である。It is a figure which shows typically the positional cloning of CASTOR and POLLUX gene, (a) is a figure which shows the genetic map of the vicinity of CASTOR locus, (b) is a figure which shows the physical map of CASTOR locus, (C) is a diagram showing the periphery of the candidate gene, (d) is a diagram showing the exon-intron structure of the CASTOR gene, and (e)-(f) are diagrams showing the genomic region around the POLLUX gene. is there. (a)は、野生型(B-129 Gifu)およびCASTOR変異体(N-5、G00472、及びG00716)に対して、CASTOR遺伝子のサザンハイブリダイゼーションを行った結果を示す図であり、(b)はマメ科植物およびマメ科以外の植物について、CASTOR遺伝子のサザンハイブリダイゼーションを行った結果を示す図であり、(c)は、ミヤコグサB-129 Gifuの種々の器官におけるCASTOR遺伝子の発現を調べた結果を示す図であり、(d)は、M. loti接種した後、0〜48時間後までのNIN遺伝子、CASTOR遺伝子、及びPOLLUX遺伝子の発現の誘導を調べた結果を示す図であり、(e)は、NFs処理した後、0〜48時間後までのNIN遺伝子、CASTOR遺伝子、及びPOLLUX遺伝子の発現の誘導を調べた結果を示す図である。(A) is a diagram showing the results of Southern hybridization of CASTOR gene to wild type (B-129 Gifu) and CASTOR mutants (N-5, G00472, and G00716), (b) FIG. 6 is a diagram showing the results of Southern hybridization of CASTOR gene for legumes and plants other than legumes, and (c) examined the expression of CASTOR gene in various organs of Lotus japonicus B-129 Gifu It is a figure which shows a result, (d) is a figure which shows the result of having investigated the induction | guidance | derivation expression of the NIN gene, CASTOR gene, and POLLUX gene from 0 to 48 hours after inoculating M. loti, e) is a figure which shows the result of having investigated the induction | guidance | derivation induction | guidance | derivation of the NIN gene, CASTOR gene, and POLLUX gene from 0 to 48 hours after NFs treatment. (a)は、CASTOR、POLLUXタンパク質間の局所的な配列の相同性を示す図であり、(b)は、CASTOR、POLLUXタンパク質とMTHKの植物ホモログとのフィルター領域およびインナーヘリックス領域のアライメントを示す図であり、(c)は、CASTORタンパク質のイオンポアの仮想構造を示す図であり、(d)は、CASTOR、POLLUXホモログの系統樹を示す図である。(A) is a figure which shows the homology of the local arrangement | sequence between CASTOR and POLLUX protein, (b) shows alignment of the filter area | region and inner helix area | region of the plant homologue of CASTOR, POLLUX protein, and MTHK. (C) is a figure which shows the virtual structure of the ion pore of CASTOR protein, (d) is a figure which shows the phylogenetic tree of CASTOR and POLLUX homolog. CASTOR、POLLUX遺伝子に変異を有する変異体をまとめた表を示すものである。A table summarizing mutants having mutations in the CASTOR and POLLUX genes is shown.

Claims (12)

以下(a)または(b)のタンパク質をコードする遺伝子。
(a)配列番号1または3に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質。
(b)上記アミノ酸配列において、1個またはそれ以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ植物と根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質。
A gene encoding the protein (a) or (b) below.
(A) A protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3.
(B) In the above amino acid sequence, the amino acid sequence comprises an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and is involved in the symbiosis between plants and rhizobia and / or mycorrhizal fungi Protein.
配列番号2または4に示される塩基配列をオープンリーディングフレーム領域として有する遺伝子。   A gene having the base sequence shown in SEQ ID NO: 2 or 4 as an open reading frame region. 配列番号2または4に示される塩基配列、もしくは配列番号1または3に示されたアミノ酸配列をコードする塩基配列、またはそれら塩基配列の一部分に対して、ストリンジェンシーな条件下で、ハイブリダイズし、植物と根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質をコードする遺伝子。   Hybridizes under stringency conditions to the base sequence shown in SEQ ID NO: 2 or 4, or the base sequence encoding the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3, or a part of the base sequence; A gene encoding a protein involved in symbiosis between a plant and rhizobia and / or mycorrhizal fungi. ミヤコグサ由来である請求項1〜3のいずれか1項に記載の遺伝子。   The gene according to any one of claims 1 to 3, which is derived from Lotus japonicus. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の遺伝子によりコードされるタンパク質。   A protein encoded by the gene according to any one of claims 1 to 4. 以下(a)または(b)のタンパク質。
(a)配列番号1または3に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質。
(b)上記アミノ酸配列において、1個またはそれ以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ植物と根粒菌及び/又は菌根菌との共生に関与するタンパク質。
The following protein (a) or (b).
(A) A protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3.
(B) In the above amino acid sequence, the amino acid sequence comprises an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and is involved in the symbiosis between plants and rhizobia and / or mycorrhizal fungi Protein.
請求項5または6に記載のタンパク質を認識する抗体。   An antibody that recognizes the protein according to claim 5 or 6. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の遺伝子を含有する組換え発現ベクター。   A recombinant expression vector containing the gene according to any one of claims 1 to 4. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の遺伝子を含有する組換え発現ベクターを含む形質転換体。   The transformant containing the recombinant expression vector containing the gene of any one of Claims 1-4. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の遺伝子が導入された植物もしくはこれと同じ性質を有する該植物の子孫またはそれらの組織。   A plant into which the gene according to any one of claims 1 to 4 is introduced, or a progeny of the plant having the same properties, or a tissue thereof. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の遺伝子、あるいは請求項5または6に記載のタンパク質を用いて、根粒菌及び/又は菌根菌との共生能を賦与する工程を有する、植物体の生産方法。   A plant having a step of imparting symbiosis with rhizobia and / or mycorrhizal fungi using the gene according to any one of claims 1 to 4 or the protein according to claim 5 or 6. Production method. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の遺伝子における少なくとも一部の塩基配列またはその相補配列をプローブとして用いた遺伝子検出器具。


The gene detection instrument which used the at least one part base sequence in the gene of any one of Claims 1-4, or its complementary sequence as a probe.


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