JP2006006122A - Method for selecting transgenic plant using ethanol-resistant gene and transforming vector therefor - Google Patents

Method for selecting transgenic plant using ethanol-resistant gene and transforming vector therefor Download PDF

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Takashi Hirayama
隆志 平山
Kazuo Shinozaki
一雄 篠崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for efficiently selecting a transgenic plant by solving difficulty of discrimination between a transgenic plant and a non-transgenic plant in the case of selecting a transgenic plant by using a medicine-resistant gene. <P>SOLUTION: The method for selecting a transgenic plant comprises a process for transducing a recombinant DNA containing a GEK1 gene to an ethanol-sensitive plant, a process for cultivating the plant to collect seeds and a process for sowing the seeds in an ethanol-containing medium for plant growth to germinate a transgenic plant. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、組換えDNAを導入した形質転換植物を選抜する方法及びそのための植物の形質転換用ベクターに関し、特に、エタノール耐性を指標として形質転換植物を選抜する方法及びベクターに関する。   The present invention relates to a method for selecting a transformed plant into which a recombinant DNA has been introduced and a vector for transforming the plant, and more particularly to a method and a vector for selecting a transformed plant using ethanol resistance as an index.

近年、遺伝子組換え技術を用いて植物に外来遺伝子を導入し、優れた形質、例えば、環境ストレスに対する耐性等を付与する品種改良が行われている。このような形質転換植物を作製するには、目的とする遺伝子(DNA断片)がゲノム上に挿入された細胞または個体を選択する必要がある。現在では、ハイグロマイシン耐性遺伝子(非特許文献1参照)、カナマイシン耐性遺伝子、クロラムフェニコール耐性遺伝子(非特許文献2参照)などの微生物由来の抗生物質耐性遺伝子が主に利用されている。これらのマーカー遺伝子を保持した形質転換体を選抜するには、一般的には種子を抗生物質などの薬剤を含んだ寒天培地上に播種し、数週間生育させる。薬剤耐性遺伝子を持たない個体は、発芽はするものの生育が阻害され次第に枯死するようになる。一方、薬剤耐性遺伝子を持つ個体は、よりよく生育し薬剤による影響はあるものの、枯死するようなことはない。   In recent years, varieties have been improved by introducing exogenous genes into plants using gene recombination techniques and imparting superior traits such as resistance to environmental stress. In order to produce such a transformed plant, it is necessary to select a cell or an individual in which the target gene (DNA fragment) is inserted on the genome. At present, microorganism-derived antibiotic resistance genes such as hygromycin resistance gene (see Non-Patent Document 1), kanamycin resistance gene, chloramphenicol resistance gene (see Non-Patent Document 2) are mainly used. In order to select transformants carrying these marker genes, seeds are generally sown on an agar medium containing drugs such as antibiotics and grown for several weeks. Individuals that do not have a drug resistance gene will germinate but gradually die out as growth is inhibited. On the other hand, individuals with drug resistance genes grow better and are affected by drugs, but do not die.

シロイヌナズナ(Arabidopsis)はアブラナ科の小型雑草で、ゲノムサイズも約1.3×10塩基対と高等植物で最も小さいこと、一世代に要する時間が約2ヶ月と短いことなどから植物研究のモデルとして世界的に広く使用されている。国際プロジェクトによりゲノムの全塩基配列も既に解読されている。この植物のゲノム内に存在する1つの遺伝子GEK1の塩基配列(例えば、非特許文献3参照)はすでに知られているが、その推定遺伝子産物の機能や植物における生理的な役割については未だ解明されていない。 Arabidopsis is a small weed of the Brassicaceae family, and its genome size is about 1.3 × 10 8 base pairs, which is the smallest among higher plants, and the time required for one generation is as short as about 2 months. As widely used worldwide. The entire base sequence of the genome has already been decoded by an international project. The base sequence of one gene GEK1 existing in the genome of this plant (for example, see Non-Patent Document 3) is already known, but the function of its putative gene product and the physiological role in the plant have not yet been elucidated. Not.

Gene、第25巻2−3号、179頁−188頁、1983年Gene, 25-25, 179-188, 1983 Nucleic Acids Research、第11巻13号、6981頁−6998頁、1985年Nucleic Acids Research, Vol. 11, No. 13, pp. 6981-6998, 1985 GenBank Accession No. AB091252[gi:28812212]、2004年2月14日GenBank Accession No. AB091252 [gi: 28812212], February 14, 2004

上記従来技術において、薬剤耐性遺伝子をマーカーとして形質転換植物を選択する場合の問題点は、第1に、耐性植物(耐性遺伝子を持つ植物)と非耐性植物(耐性遺伝子を持たない植物)を区別するためには、少なくとも7日ほど植物を生育させなければならないことである。また、場合によっては、選抜には訓練された識別能力が必要となる。第2に、薬剤耐性遺伝子と共に導入した目的遺伝子により生育が遅れるような場合、または緑化が抑制されるような場合、形質転換植物とそうでないものの判別が難しくなる。第3に、薬剤耐性遺伝子は、元々他の生物種の遺伝子であり、遺伝子組換え作物を作製する上で消費者の嗜好にあわない場合がある、等が挙げられる。   In the above-mentioned prior art, the problem when selecting a transformed plant using a drug resistance gene as a marker is first to distinguish between a resistant plant (a plant having a resistant gene) and a non-resistant plant (a plant having no resistant gene). To do this, the plant must be grown for at least 7 days. In some cases, selection requires a discriminating ability that has been trained. Second, when growth is delayed by a target gene introduced together with a drug resistance gene, or when greening is suppressed, it becomes difficult to distinguish between a transformed plant and a non-transformed plant. Third, the drug resistance gene is originally a gene of another biological species, and may not be suitable for consumers in producing a genetically modified crop.

本発明者らは、上記課題を解決するために、高等植物が元々持っている1つの遺伝子GEK1が植物のエタノール耐性に関わっていること、及びこのGEK1遺伝子を用い、エタノール耐性能を指標として形質転換植物を効率よく選抜できることを見出して本発明を完成した。例えば、この遺伝子産物が働かなくなった高等植物シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana Heinth L.)は、野生型に比べ、100倍ほどエタノールに対する感受性が高まっており、0.003%という低濃度のエタノールを含んだ培地上でも発芽が阻害される。ところが、この破壊株は他には表現型がなく、通常に生育し種子を形成する。この変異植物に、アグロバクテリウムを介した方法で、GEK1遺伝子を導入すると、野性株と同様なエタノール耐性が復帰し、1%エタノール存在下でも、発芽できるようになる。本発明は、このシロイヌナズナGEK1遺伝子または他の植物のGEK1類似遺伝子に突然変異を持った植物体と、ベクターに組み込んだGEK1遺伝子を組み合わせて使用することにより、発芽時点で形質転換植物を選抜できる系を提供するものである。   In order to solve the above problems, the present inventors have found that one gene GEK1 originally possessed by higher plants is involved in ethanol tolerance of plants, and that this GEK1 gene is used to characterize ethanol tolerance as an index. The present invention was completed by finding that a converted plant can be selected efficiently. For example, Arabidopsis thaliana Heinth L., a plant in which this gene product has stopped functioning, is about 100 times more sensitive to ethanol than the wild type, and a medium containing ethanol at a low concentration of 0.003%. Germination is also inhibited above. However, this disrupted strain has no other phenotype and grows normally to form seeds. When the GEK1 gene is introduced into this mutant plant by an Agrobacterium-mediated method, ethanol resistance similar to that of the wild strain is restored, and germination can be achieved even in the presence of 1% ethanol. The present invention is a system in which a transformed plant can be selected at the time of germination by using a plant having a mutation in the Arabidopsis GEK1 gene or a GEK1-like gene of another plant and a GEK1 gene incorporated in a vector. Is to provide.

すなわち、本発明の1つの視点における形質転換植物の選抜方法は、GEK1遺伝子を含む組換えDNAをエタノール感受性植物に導入する工程と、前記植物を栽培して種子を採取する工程と、エタノールを含む植物育成用培地に前記種子を播種して形質転換植物を発芽させる工程と、を含むことを特徴とする。前記エタノール感受性植物はゲノム内在性のGEK1遺伝子に突然変異を有することが好ましい。また、前記植物は単子葉植物又は双子葉植物であって、例えば、ヒマワリ、ウマゴヤシ、ジャガイモ、ワタ、ダイズ、トマト、イネ、ニラ、トウモロコシ、オオムギ、又はコムギであることが好ましい。   That is, the method for selecting a transformed plant according to one aspect of the present invention includes a step of introducing a recombinant DNA containing a GEK1 gene into an ethanol-sensitive plant, a step of growing the plant and collecting seeds, and ethanol. And sowing the seed in a plant growth medium to germinate the transformed plant. The ethanol-sensitive plant preferably has a mutation in the genomic endogenous GEK1 gene. The plant is a monocotyledonous plant or a dicotyledonous plant, and is preferably, for example, sunflower, sunflower, potato, cotton, soybean, tomato, rice, leek, corn, barley, or wheat.

本発明の他の視点に係る植物の形質転換用ベクターは、配列番号2に示したアミノ酸配列をコードするDNA又は前記アミノ酸配列と少なくとも70%の相同性を有し、かつ植物にエタノール耐性能を付与するタンパク質をコードするDNAを含むことを特徴とする。前記ベクターは、前記植物内で発現させる目的遺伝子を更に含むことが好ましい。   A plant transformation vector according to another aspect of the present invention is a DNA encoding the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 or has at least 70% homology with the amino acid sequence, and the plant has ethanol resistance. It contains DNA encoding the protein to be imparted. The vector preferably further contains a target gene to be expressed in the plant.

本発明の方法によれば、植物由来の遺伝子を用いて、発芽の有無での選抜が可能になる。発芽の有無による選抜は、視覚的に非常に区別しやすく、画像認識装置による選抜の自動化も可能となる。また、すべての個体を生育させる必要がないので、単位面積当たりより多くの個体を選抜にかけることができる。更に、本発明の方法に用いるGEK1遺伝子は、元々宿主植物が有する遺伝子であるから、遺伝子交雑(introgression)によって形質転換植物から野生型植物へ異種生物の薬剤耐性遺伝子が浸透(移入)することがなく、遺伝子組換え作物への適用にも安全性が高いと考えられる。   According to the method of the present invention, selection with or without germination can be performed using a plant-derived gene. Selection based on the presence or absence of germination is very easy to distinguish visually, and the selection by an image recognition apparatus can be automated. Further, since it is not necessary to grow all the individuals, more individuals can be selected per unit area. Furthermore, since the GEK1 gene used in the method of the present invention is a gene originally possessed by the host plant, the drug resistance gene of a heterologous organism can penetrate (transfer) from the transformed plant to the wild type plant by gene introgression. It is also considered to be highly safe for application to genetically modified crops.

本発明に係る形質転換植物の選抜方法(「本発明の選抜方法」という)及び該方法に用いられる形質転換用組換えベクターの最良の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A best mode of a method for selecting transformed plants according to the present invention (referred to as “selection method of the present invention”) and a recombinant vector for transformation used in the method will be described in detail with reference to the drawings.

<植物にエタノール耐性を付与する遺伝子>
本発明において、「GEK1遺伝子」とは、配列番号2に示したアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするDNA又は当該アミノ酸配列と少なくとも50%、好ましくは70%、80%、85%、90%、97%、98%以上の相同性を有するタンパク質をコードし、かつ前記植物にエタノール耐性能を付与する遺伝子をいう。タンパク質の相同性(ホモロジー)の程度は、2つのタンパク質のアミノ酸配列同士を適切に整列(アライメント)したときの同一性のパーセント値で表わすことができ、当該配列間の正確な一致の出現率を意味する。同一性比較のための配列間での適切な整列は種々のアルゴリズム、例えば、BLASTアルゴリズムを用いて決定することができる(Altschul SF J Mol Biol 1990 Oct 5; 215(3):403-10)。このGEK1遺伝子は、本発明者らにより、シロイヌナズナにおいて最初に見出された遺伝子であって、GEKO1と名付けられた遺伝子座に存在する(日本語でお酒が飲めない人のことを称する「下戸」に由来する)。なお、本明細書において、「GEK1」と表記した場合は、植物にエタノール耐性を付与し得る野生型(優性)の遺伝子又はタンパク質を意味し、「gek1」と表記した場合は、前記遺伝子に突然変異、例えば、塩基配列の欠失、付加、又は置換等が起こることによって機能が抑制(減衰)され、又は損なわれた変異体(劣性)の遺伝子又はタンパク質を意味する。
<Gene conferring ethanol tolerance on plants>
In the present invention, “GEK1 gene” means DNA encoding a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 or the amino acid sequence and at least 50%, preferably 70%, 80%, 85%, 90%, 97 %, A gene encoding a protein having a homology of 98% or more and imparting ethanol tolerance to the plant. The degree of protein homology can be expressed as a percentage of identity when the amino acid sequences of two proteins are properly aligned, and the rate of occurrence of exact matches between the sequences can be expressed as means. Appropriate alignment between sequences for identity comparison can be determined using various algorithms, such as the BLAST algorithm (Altschul SF J Mol Biol 1990 Oct 5; 215 (3): 403-10). This GEK1 gene was first discovered by the present inventors in Arabidopsis thaliana and exists in a locus named GEKO1 (refers to a person who cannot drink alcohol in Japanese. ”). In the present specification, the expression “GEK1” means a wild type (dominant) gene or protein that can confer ethanol tolerance to a plant, and the expression “gek1” suddenly indicates the gene. It means a mutant (recessive) gene or protein whose function is suppressed (attenuated) or impaired by mutation, for example, deletion, addition, or substitution of a base sequence.

シロイヌナズナ由来のゲノムGEK1遺伝子から推定されるタンパク質は、361個のアミノ酸からなるが、このうちN末端から45番目のメチオニン残基から始まる317個のアミノ酸をコードするcDNA配列を配列番号1に示した。GEK1遺伝子は、双子葉植物、単子葉植物にかかわらず様々な植物種のゲノムに存在することが、データーベースを用いた解析により明らかになっている。現在までに、部分的にせよ配列が決定されたcDNAのうち、シロイヌナズナ由来のGEK1タンパク質(配列番号2)と類似のタンパク質(比較できるアミノ酸配列の70%以上が同一)をコードしていると思われるものが、ヒマワリ、ウマゴヤシ、ジャガイモ、ワタ、ダイズ、トマト、イネ、ニラ、トウモロコシ、オオムギ、コムギ、から見つかっている。アミノ酸配列の類似性が高いことから、これらの遺伝子産物はシロイヌナズナ由来のGEK1タンパク質と同様の機能を持っていると考えられる。よって、GEK1遺伝子の突然変異体を分離することにより、上記植物についても本発明の方法によりシロイヌナズナと同様な選抜方法を使用できると考える。例として、トマト(BE432622及びAW650002の2つのトマトEST塩基配列から推定)及びイネ(GenBank accession BAD03648)の類似遺伝子との配列相同性を示す(図1)。図1に示したように、GEK1タンパク質の45番目のメチオニン残基以降の配列は、これらの植物の間で高い相同性を示す。また、45番目のメチオニンをN末端として発現させたタンパク質は、1番目のメチオニンから始まるタンパク質と同様の活性を有することが実験的に確認されている。一方、これまで全ゲノム配列が解読された動物や微生物、例えば、ヒトやマウス、及び大腸菌や酵母にはGEK1類似遺伝子は存在しない。なお、GEK1タンパク質の構造は、これまで知られている如何なるモチーフも含んでいない。   The protein deduced from the genomic GEK1 gene derived from Arabidopsis thaliana consists of 361 amino acids. Among these, the cDNA sequence encoding 317 amino acids starting from the 45th methionine residue from the N-terminus is shown in SEQ ID NO: 1. . It has been clarified by analysis using a database that the GEK1 gene exists in the genomes of various plant species regardless of dicotyledonous or monocotyledonous plants. To date, it seems to encode a similar protein (more than 70% of comparable amino acid sequences) to GEK1 protein (SEQ ID NO: 2) derived from Arabidopsis thaliana among cDNAs that have been partially sequenced Found in sunflower, sunflower, potato, cotton, soybean, tomato, rice, leek, corn, barley and wheat. Since the similarity of amino acid sequences is high, these gene products are considered to have a function similar to that of GEK1 protein derived from Arabidopsis thaliana. Therefore, it is considered that the same selection method as that of Arabidopsis thaliana can be used for the above-mentioned plant by the method of the present invention by isolating the mutant of the GEK1 gene. As an example, sequence homology with tomato (estimated from two tomato EST base sequences of BE432622 and AW650002) and a similar gene of rice (GenBank accession BAD03648) is shown (FIG. 1). As shown in FIG. 1, the sequence after the 45th methionine residue of GEK1 protein shows high homology among these plants. Further, it has been experimentally confirmed that a protein expressed with the 45th methionine as the N-terminus has the same activity as a protein starting from the 1st methionine. On the other hand, there are no GEK1-like genes in animals and microorganisms whose whole genome sequences have been decoded so far, such as humans and mice, E. coli and yeast. Note that the structure of the GEK1 protein does not contain any known motif.

更に、上記各タンパク質において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ植物にエタノール耐性能を付与するタンパク質もGEK1タンパク質に含まれる。例えば、配列番号2に示したタンパク質のアミノ酸配列に当該タンパク質の生物学的機能を実質的に変化させることなく数個のアミノ酸に変更を加えて生物学的に等価なタンパク質を生成できることは当業者に良く知られている。本発明の1つの側面では、GEK1タンパク質は保存的アミノ酸置換によって野生型GEK1タンパク質と異なるタンパク質を含みうる。用語「保存的アミノ酸置換」はタンパク質の特定の位置におけるあるアミノ酸の他のアミノ酸による置換を意味する。このような置換は類似するアミノ酸による置換であり、アミノ酸の側鎖置換基の相対的類似度、例えば、大きさ、電荷、疎水性、親水性等に基づいて実行される。   Further, in each of the above proteins, a protein having an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted or added, and imparting ethanol tolerance to plants is also included in the GEK1 protein. For example, those skilled in the art are able to produce a biologically equivalent protein by changing several amino acids to the amino acid sequence of the protein shown in SEQ ID NO: 2 without substantially changing the biological function of the protein. Well known. In one aspect of the invention, the GEK1 protein may comprise a protein that differs from the wild type GEK1 protein by conservative amino acid substitutions. The term “conservative amino acid substitution” refers to the replacement of one amino acid with another amino acid at a particular position in the protein. Such a substitution is a substitution with a similar amino acid, and is performed based on the relative similarity of the side chain substituents of the amino acid, such as size, charge, hydrophobicity, hydrophilicity, and the like.

上記GEK1タンパク質の生物学的役割は未だ明らかではないが、このGEK1遺伝子が欠損した変異体の感受性はエタノール特異的であることから、エタノールの代謝産物との関連性が示唆された。培地中のエタノールはアルデヒドデヒドロゲナーゼ(ADH)によってアセトアルデヒドに変換されると考えられる。そこで、gek1表現形とADH活性について調べたところ、GEK1遺伝子の欠損によりエタノール感受性となるためには、ADH活性が必須であることが明らかとなった。即ち、ADH欠損株ではGEK1の変異によるエタノール感受性が消失することから、gek1変異株では、エタノールが代謝されて生じるアセトアルデヒドによる毒性が原因でエタノール高感受性となると考えられる。   Although the biological role of the GEK1 protein has not yet been clarified, the sensitivity of the mutant lacking the GEK1 gene is ethanol-specific, suggesting an association with ethanol metabolites. Ethanol in the medium is thought to be converted to acetaldehyde by aldehyde dehydrogenase (ADH). Thus, when the gekl phenotype and ADH activity were examined, it was found that ADH activity is essential for ethanol sensitivity due to the deletion of the GEK1 gene. That is, in the ADH-deficient strain, the ethanol sensitivity due to the GEK1 mutation disappears, and therefore the gek1 mutant strain is considered to be highly ethanol-sensitive due to the toxicity due to acetaldehyde produced by ethanol metabolism.

<組換えベクターの作製>
本発明において、植物、又は植物細胞の形質転換に用いられるベクターとしては、当該細胞内で挿入遺伝子を発現させることが可能なものであれば特に制限はない。例えば、植物細胞内で恒常的に遺伝子を発現させるためのプロモーター(例えば、カリフラワーモザイクウイルスの35Sプロモーターやイネアクチンプロモーター等)を有するベクターや、外的な刺激により誘導的に活性化されるプロモーターを有するベクターを用いることもできる。また、本発明のベクターには、遺伝子発現調節機構やターミネーター領域を含んでいることが好ましい。ターミネーター領域としては、ノパリンターミネーターや35Sターミネーター等を組み入れることができる。
<Production of recombinant vector>
In the present invention, the vector used for transformation of a plant or plant cell is not particularly limited as long as the inserted gene can be expressed in the cell. For example, a vector having a promoter (eg, cauliflower mosaic virus 35S promoter or rice actin promoter) for constitutive gene expression in plant cells, or a promoter that is inducibly activated by an external stimulus. It is also possible to use a vector having the same. The vector of the present invention preferably contains a gene expression regulatory mechanism and a terminator region. As the terminator region, a nopaline terminator, a 35S terminator, or the like can be incorporated.

本発明の1つの実施形態として、バイナリーベクターを使用することができる。バイナリーベクターは、アグロバクテリウムを介する形質転換法において用いられるベクターであって、T−DNAが植物細胞の染色体DNAに組み込まれるのに必要なT−DNAの境界配列の間に目的とする外来遺伝子を挿入するように構築される。一方、T−DNAが植物細胞へ移行するのに必要なTiプラスミドのvir領域を含む別個のプラスミドを構築し、この2つのプラスミドをアグロバクテリウムに導入しこのアグロバクテリウムを植物に感染させて、目的とする外来遺伝子を植物細胞の染色体DNAに組み込むことができる。このようなバイナリーベクター の例としては、例えばpBI121〔EMBO.J.,6,3901−3907(1987)〕がある。pBI121は、T−DNAの境界配列の間にネオマイシンフォスフォトランスフェラーゼ遺伝子とGUS遺伝子とを有し、この両者の遺伝子の間に外来遺伝子挿入用のクローニングサイトを有し、大腸菌及びアグロバクテリウム中で増殖可能なバイナリーベクターである。他のバイナリーベクター としては、例えばpUCD2340〔E.Zyprian et al.,Plant Mol. Biol.,15,245−256(1990)〕がある。pUCD2340はT−DNAの境界配列の間にhph遺伝子を有し、hph遺伝子の下流側にマルチクローニングサイトを持っている。   As one embodiment of the present invention, a binary vector can be used. A binary vector is a vector used in an Agrobacterium-mediated transformation method, and is a target foreign gene between T-DNA border sequences necessary for integration of T-DNA into chromosomal DNA of plant cells. Built to insert. On the other hand, a separate plasmid containing the vir region of the Ti plasmid necessary for the transfer of T-DNA into plant cells is constructed, and these two plasmids are introduced into Agrobacterium to infect the plant with this Agrobacterium. The desired foreign gene can be incorporated into the chromosomal DNA of the plant cell. As an example of such a binary vector, for example, pBI121 [EMBO. J. et al. 6, 3901-3907 (1987)]. pBI121 has a neomycin phosphotransferase gene and a GUS gene between the boundary sequences of T-DNA, and has a cloning site for insertion of a foreign gene between these genes, in E. coli and Agrobacterium. It is a binary vector that can be propagated. Examples of other binary vectors include pUCD2340 [E. Zyprian et al. , Plant Mol. Biol. 15, 245-256 (1990)]. pUCD2340 has an hph gene between the border sequences of T-DNA, and has a multiple cloning site downstream of the hph gene.

更に本発明の好ましい実施形態において、上記組換えベクターは、上記植物内で発現させる目的遺伝子を更に含む。目的遺伝子としては、種々の外来遺伝子を導入することができ、元の植物の特性の他に、導入した外来遺伝子が発現することによる種々の特性が発揮されうる。例えば、導入した外来遺伝子が耐冷性遺伝子の場合には、耐冷性を有する形質転換植物が提供され、農薬耐性遺伝子の場合には、特定の農薬に対する耐性を有する形質転換植物が提供され、ウイルス耐性遺伝子の場合には、特定のウイルスの感染に対して抵抗性のある形質転換植物が提供されうる。   Furthermore, in a preferred embodiment of the present invention, the recombinant vector further comprises a target gene to be expressed in the plant. As the target gene, various foreign genes can be introduced. In addition to the characteristics of the original plant, various characteristics due to the expression of the introduced foreign gene can be exhibited. For example, when the introduced foreign gene is a cold resistance gene, a transformed plant having cold resistance is provided. In the case of an agricultural chemical resistance gene, a transformed plant having resistance to a specific agricultural chemical is provided, and virus resistance is provided. In the case of genes, transformed plants can be provided that are resistant to infection with a particular virus.

<植物の形質転換>
形質転換とは、細胞が保有する遺伝情報を1又は2以上の外来性核酸を当該細胞に導入することによって改変するプロセスである。例えば、本発明の組換えベクターをポリエチレングリコール法、エレクトロポレーション法、アグロバクテリウムを介する方法、パーティクルガン法等、当業者に公知の種々の方法(細胞工学別冊、新版モデル植物の実験プロトコール、2001年、秀潤社発行等参照)により植物又は植物細胞に導入し形質転換することができる。例えば、減圧浸潤(vacuum infiltration)法を用いたin planta形質転換法は、まず、健康な植物を生育させ、抽台後、摘心により側枝を誘導する。誘導した側枝についた花が咲き始めたところで、植物体の地上部を導入したい組換えDNAをもつアグロバクテリウムの懸濁液に浸して弱い減圧下におき、懸濁液の花の内部への浸透を図る(減圧浸潤)。減圧浸潤後、アグロバクテリウムの感染とT−DNAの移入が起こるが、花で起こったT−DNAの移入のみが結実を経て次世代の種子に伝えられ、種子中にある頻度で形質転換第1世代(ヘミ接合体)が含まれることになる。Clough, S.J. and Bent, A.F. (1998), Plant J. 16:735-743によれば、減圧は必ずしも必要ではない。このフローラルディップ(floral dip)法は、減圧浸潤法の場合と同様に、植物体地上部をアグロバクテリウムの懸濁液に浸けるが、3〜5秒間程度浸けて軽く揺するのみで植物をひきあげる。浸潤懸濁液の表面活性剤(Silwet L-77)の濃度を上げることで、減圧しなくても十分に高い形質転換体頻度が得られる。
<Plant transformation>
Transformation is a process in which genetic information held by a cell is altered by introducing one or more exogenous nucleic acids into the cell. For example, various methods known to those skilled in the art, such as polyethylene glycol method, electroporation method, Agrobacterium-mediated method, particle gun method, etc. (cell engineering separate volume, experimental protocol for new edition model plant, 2001, published by Shujunsha, etc.) and can be introduced into a plant or plant cell and transformed. For example, the in planta transformation method using the vacuum infiltration method first grows a healthy plant and induces a side branch by pinching after drawing. When the flower on the induced side branch begins to blossom, place the above-ground part of the plant body in a suspension of Agrobacterium with the recombinant DNA that you want to introduce and place it under a weak vacuum, and place it inside the flower of the suspension. Infiltration (reduced pressure infiltration). After infiltration under reduced pressure, Agrobacterium infection and T-DNA transfer occur, but only the T-DNA transfer that occurs in the flowers is transmitted to the next-generation seeds through fruiting, and is transformed at a certain frequency in the seeds. One generation (hemizygote) will be included. According to Clough, SJ and Bent, AF (1998), Plant J. 16: 735-743, decompression is not always necessary. In the floral dip method, as in the case of the vacuum infiltration method, the above-ground part of the plant body is immersed in the suspension of Agrobacterium, but the plant is lifted up by just immersing for about 3 to 5 seconds and lightly shaking. By increasing the concentration of the surfactant (Silwet L-77) in the infiltration suspension, a sufficiently high transformant frequency can be obtained without reducing the pressure.

また、組織培養法は、ポリエチレングリコール法、エレクトロポレーション法、アグロバクテリウムを介する方法、パーティクルガン法を用いて胚由来のカルスに組換えDNAを導入し、この胚由来カルスを増殖、再分化させる。本発明の方法には、これら何れの形質転換法も用いることができるが、前者のin planta形質転換法が、簡便、迅速であり、実験者の熟練を特に必要としない点で好ましい。   Tissue culture methods include polyethylene glycol method, electroporation method, Agrobacterium-mediated method, and particle gun method to introduce recombinant DNA into embryo-derived callus, and proliferate and redifferentiate this embryo-derived callus Let Any of these transformation methods can be used in the method of the present invention. However, the former in planta transformation method is preferred because it is simple and rapid and does not require the skill of an experimenter.

<エタノール耐性能を指標とした選抜方法>
GEK1遺伝子が欠損した変異体植物は、野生型植物と比べて10〜100倍もエタノールに対する感受性が増大するが、このエタノール感受性以外の形質は野生型と変わりがない。また、他の生物、例えば、動物や微生物では、このような大きなエタノール感受性を示す変異体は知られていない。酵母ではいくつかのエタノール高感受性変異体が取得され、その性質が明らかにされているが、これらの変異体は熱ショックタンパク質や細胞壁の完全性に関与することが知られている。しかしながら、本発明に係るGEK1遺伝子はこれらの何れのメカニズムにも関係ないことが分かっている。
<Selection method using ethanol resistance as an index>
Mutant plants lacking the GEK1 gene are 10 to 100 times more sensitive to ethanol than wild type plants, but traits other than this ethanol sensitivity are no different from wild type. In other organisms, such as animals and microorganisms, such a mutant exhibiting such a large ethanol sensitivity is not known. In yeast, several ethanol-sensitive mutants have been obtained and their properties have been clarified, but these mutants are known to be involved in heat shock proteins and cell wall integrity. However, it has been found that the GEK1 gene according to the present invention is not related to any of these mechanisms.

従って、本発明の方法によれば、1つの形態として、上記GEK1遺伝子に何らかの突然変異が生ずることによってエタノール感受性植物又は植物細胞を得ることができるが、これに限定されない。例えば、アンチセンスRNAの発現やsiRNAの導入等のGEK1遺伝子以外の要因により、結果としてゲノム内在性GEK1遺伝子の発現が抑制されていてもよい。これらのエタノール感受性植物、又は植物細胞に外来性のGEK1遺伝子を含む組換えDNAを導入し、エタノールを含む植物育成用培地を用いて形質転換された植物細胞を培養することにより、前記組換えDNAが導入された細胞を選択的に選抜することができる。本発明において、「植物細胞」とは、種々の形態の植物細胞、例えば、培養細胞、プロトプラスト、葉の切片、カルス等が含まれる。「植物」とは、これらの植物細胞から構成されるか、又はこれらの植物細胞が増殖、再分化して形成される植物の個体をいう。本発明の方法によりエタノール含有培地にて選抜される形質転換細胞としては種々の植物細胞を用いることができるが、形質転換第1世代の種子(ヘミ接合体)を用いることが好ましい。カルスなどと異なり保存が容易な状態で、一時的に保存することができるからである。しかも後述する実施例において具体的に示されるように、エタノール含有培地上で発芽した種子のみを回収することによって容易に形質転換体を選別することができる。培地中のエタノール濃度は、0.001〜1容量%の範囲において効率よく選抜することができ、好ましい濃度範囲は0.01〜0.1容量%である。   Therefore, according to the method of the present invention, as one form, an ethanol-sensitive plant or plant cell can be obtained by causing some mutation in the GEK1 gene, but it is not limited thereto. For example, the expression of the endogenous GEK1 gene may be suppressed as a result by factors other than the GEK1 gene such as expression of antisense RNA or introduction of siRNA. By introducing a recombinant DNA containing an exogenous GEK1 gene into these ethanol-sensitive plants or plant cells and culturing the transformed plant cells using a plant growth medium containing ethanol, the recombinant DNA is obtained. Can be selectively selected. In the present invention, the “plant cell” includes various forms of plant cells such as cultured cells, protoplasts, leaf sections, callus and the like. “Plant” refers to an individual plant composed of these plant cells or formed by proliferation and redifferentiation of these plant cells. Although various plant cells can be used as the transformed cells selected in the ethanol-containing medium by the method of the present invention, it is preferable to use the first generation seeds (hemizygotes) for transformation. This is because, unlike callus, etc., it can be stored temporarily in an easy state. Moreover, as specifically shown in the examples described later, transformants can be easily selected by collecting only seeds germinated on an ethanol-containing medium. The ethanol concentration in the medium can be efficiently selected in the range of 0.001 to 1% by volume, and the preferred concentration range is 0.01 to 0.1% by volume.

<形質転換植物の製造方法>
本発明の1つの実施形態において、形質転換植物の製造方法が提供される。この方法は、まず、植物のゲノム内在性GEK1遺伝子又はその遺伝子産物の機能が抑制された変異体植物を用意し、前記変異体植物にGEK1遺伝子を含む組換えDNAを導入する工程と、前記植物を栽培して種子を採取する工程と、エタノールを含む植物育成用培地に前記種子を播種する工程と、を含み、前記組換えDNAが導入された形質転換植物が前記エタノール含有培地で選択的に発芽することに基づく。ここで、宿主として用いる植物のGEK1遺伝子又はGEK1遺伝子産物の機能は、野生型と比較して50%以上、好ましくは70%、80%、又は90%以上抑制されていることが好ましく、最も好ましくはGEK1遺伝子が欠損していることである。このような変異体GEK1遺伝子は種々の形態で存在することができ、例えば、コーディング領域内における塩基の付加、置換又は欠失によるGEK1タンパク質の1次構造の変化が挙げられる。タンパク質中の1つのアミノ酸が置換されることにより、前記タンパク質の機能が大きく損なわれる可能性があることはよく知られている。あるいは、GEK1遺伝子のプロモーターやイントロン/エキソン境界領域等の発現調節領域に変異が生ずることによって、生成する遺伝子産物の量や機能が大きく変化することも知られている。
<Method for producing transformed plant>
In one embodiment of the present invention, a method for producing a transformed plant is provided. This method first comprises preparing a mutant plant in which the function of the plant endogenous GEK1 gene or its gene product is suppressed, introducing a recombinant DNA containing the GEK1 gene into the mutant plant, And the step of sowing seeds in a plant growth medium containing ethanol, and the transformed plant introduced with the recombinant DNA is selectively used in the ethanol-containing medium. Based on germination. Here, the function of the GEK1 gene or GEK1 gene product of the plant used as the host is preferably suppressed by 50% or more, preferably 70%, 80%, or 90% or more compared to the wild type, and most preferably Is the lack of the GEK1 gene. Such a mutant GEK1 gene can exist in various forms, such as a change in the primary structure of the GEK1 protein due to the addition, substitution or deletion of a base in the coding region. It is well known that substitution of one amino acid in a protein can greatly impair the function of the protein. Alternatively, it is also known that the amount and function of a gene product to be generated are greatly changed by causing a mutation in an expression regulatory region such as a promoter of GEK1 gene or an intron / exon boundary region.

このような変異体植物の作製方法としては、当業者に公知の方法を用いることができ特に制限されないが、例えば、化学的方法、物理的方法及び生物学的方法により突然変異誘発処理を行って突然変異体を選択する。突然変異誘発処理は、通常、種子に対して行い、変異原処理された種子をM1種子、育った植物をM1世代の植物とよぶ。この植物から自家受粉によって得られた種子をM2種子、その種子から育てた植物をM2世代とよぶ。2倍体ゲノムを有する植物においては、M1種子に生じたgek1変異は、M2世代の植物を調べたときにはじめてエタノール高感受性が観察される。   A method for producing such a mutant plant can be a method known to those skilled in the art and is not particularly limited. For example, mutagenesis treatment is performed by a chemical method, a physical method and a biological method. Select mutants. Mutagenesis is usually performed on seeds, and the mutagen-treated seeds are called M1 seeds and the grown plants are called M1 generation plants. The seed obtained by self-pollination from this plant is called M2 seed, and the plant grown from the seed is called M2 generation. In plants having a diploid genome, the gekl mutation generated in M1 seeds is observed for ethanol sensitivity only when M2 generation plants are examined.

化学的突然変異誘発法としては、EMS等のアルキル化剤、核酸塩基アナログ、アジ化ナトリウム等が、物理的方法としては電離放射線や紫外線等を用いる。生物学的方法は、T−DNAやトランスポゾンによって挿入突然変異を作製する方法である。GEK1相同遺伝子の塩基配列が未知の植物においては、この方法で得られた突然変異体からトランスポゾンをプローブとして周辺のDNA断片を単離し、その断片近傍からGEK1相同遺伝子をクローン化することもできる(トランスポゾンタギング法)。このようにして作製した突然変異体は、エタノールを含有する培地上に種子を播種して発芽の有無を確認することによりgek1変異株を容易に分離することができる。   As chemical mutagenesis methods, alkylating agents such as EMS, nucleobase analogs, sodium azide and the like are used, and as physical methods, ionizing radiation, ultraviolet rays and the like are used. The biological method is a method of creating an insertion mutation by T-DNA or transposon. In plants in which the base sequence of the GEK1 homologous gene is unknown, surrounding DNA fragments can be isolated from the mutant obtained by this method using a transposon as a probe, and the GEK1 homologous gene can be cloned from the vicinity of the fragment ( Transposon tagging method). The mutant produced in this manner can easily isolate the gekl mutant by seeding seeds on a medium containing ethanol and confirming the presence or absence of germination.

本発明の他の1つの実施形態において、上記変異体植物を用いる代わりに野生型の植物を用いることも可能である。この場合には、宿主植物のゲノムDNAに存在する内在性GEK1遺伝子と、部分的に塩基配列の異なるGEK1遺伝子を用いて前記植物を形質転換し、その際、内在性のGEK1遺伝子の発現を特異的に抑制しておけばよい。このような抑制方法としては、例えば、siRNAやアンチセンスRNAを用いることができる。   In another embodiment of the present invention, a wild type plant can be used instead of the mutant plant. In this case, the plant is transformed with an endogenous GEK1 gene present in the genomic DNA of the host plant and a GEK1 gene having a partially different base sequence, and the expression of the endogenous GEK1 gene is specifically determined. It should be suppressed. As such a suppression method, for example, siRNA or antisense RNA can be used.

本発明の更に異なる実施形態において、上記形質転換方法によって得られた又は得られうる形質転換植物が提供される。「形質転換体」又は「形質転換植物」とは、外来性核酸、例えば、本発明の組換えベクターの取り込みによって遺伝子的に改変された細胞又はその集合体若しくは子孫である。これらの用語は、他の突然変異又は改変の有無に関わらず、目的の遺伝子的改変が後の細胞の数世代に亘って保持されている形質転換細胞の子孫にも適用される。   In still another embodiment of the present invention, a transformed plant obtained or obtainable by the transformation method is provided. A “transformant” or “transformed plant” is a cell or an aggregate or progeny thereof that has been genetically modified by incorporation of an exogenous nucleic acid, eg, a recombinant vector of the present invention. These terms also apply to progeny of transformed cells in which the genetic modification of interest is retained for several subsequent generations of cells, with or without other mutations or modifications.

以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]エタノール高感受性を示すシロイズナズナ変異株の作製
シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)コロンビア型(Col:Columbia)又はランズバーグ型(Ler:Landsberg erecta)は、MS培地(ムラシゲ・スクーグ培地用混合塩類、2%(w/v)スクロース、0.5mMのMES(pH5.8)、及び0.8%(w/v)寒天を含む)、又は土壌にて、22〜23℃、昼16時間/夜8時間のサイクルで生育させた。播種した種子は、発芽を促すため生育器でインキュベートする前に3日又は4日間、4℃に保った。
[Example 1] Production of mutant strains of high-sensitivity ethanol The Arabidopsis thaliana Columbia type (Col: Columbia) or the Landsberg type (Ler: Landsberg erecta) is an MS medium (mixed salt for Murashige-Skoog medium) 2% (w / v) sucrose, 0.5 mM MES (pH 5.8), and 0.8% (w / v) agar) or in soil, 22-23 ° C., 16 hours / night Grow in an 8 hour cycle. Seeded seeds were kept at 4 ° C. for 3 or 4 days before incubating in the incubator to promote germination.

速中性子変異誘発M種子は、LEHLE Seeds(米国テキサス州)から購入した。エチルメタンスルホネート(EMS:Ethylmethanesulfonate)処理は以下のように行った。種子を室温にて0.3%(v/v)EMSで16時間処理し、水で完全に洗浄した後、土壌に播種し、M世代の種子を収穫した。変異誘発したM種子を、0.04%(v/v)エタノールとアブサイシン酸等の種々の化学薬品を含むMS培地に播種した。5〜7日間インキュベーションした後、発芽しなかった種子を集め、MS培地に移して発芽させた。このような方法で得られた変異体候補、即ち、EMS処理したコロンビア型のM集団、速中性子変異誘発コロンビア型のM集団、及びEMS処理したランズバーグ型のM集団から、gek1−1、gek1−2、及びgek1−3の3つの独立したエタノール高感受性変異株を同定した。単離された変異株は3回戻し交配を行った。 Fast neutron mutagenesis M 2 seed, was purchased from LEHLE Seeds (Texas, USA). Ethyl methanesulfonate (EMS) treatment was performed as follows. Seed treated 0.3% (v / v) 16 hours at EMS at room temperature, after thorough washing with water, seeded in soil were harvested M 2 generation seeds. The M 2 seeds mutagenized, were plated on MS medium containing 0.04% (v / v) Various chemicals such as ethanol and abscisic acid. After incubation for 5-7 days, seeds that did not germinate were collected and transferred to MS medium for germination. From the mutant candidates obtained by such a method, namely, the EMS-treated Columbia-type M 2 population, the fast-neutron mutagenized Columbia-type M 2 population, and the EMS-treated Landsburg-type M 2 population, Three independent ethanol hypersensitive mutants were identified: 1, gek1-2, and gek1-3. The isolated mutant was backcrossed 3 times.

このようにして得られたエタノール高感受性株(gek1)と野生型株との間で検定交配(test-cross)を行った子孫を解析した結果、この突然変異(gek1)は劣性変異であり、染色体遺伝子にコードされていることが分かった(耐性:感受性=307:105、χ=0.02、P=0.89)。図2(A)に示したように、上記3つのgek1変異株は何れもエタノール存在下では発芽できなかったが、エタノール非存在下では正常に発芽した。3種類の対立遺伝子の間でエタノール高感受性の程度は異なり、gek1−3が最も感受性が高く、gek1−1が最も感受性が低かった。gek1−2、及びgek1−3変異株の発芽率は、0.003%(v/v、約0.5mM)のエタノール存在下で顕著に低下したが、野生株は少なくとも0.3%(v/v)エタノール存在下で正常に発芽した(図2(B)参照)。 As a result of analyzing the offspring obtained by test-crossing between the ethanol-sensitive strain (gek1) thus obtained and the wild-type strain, this mutation (gek1) is a recessive mutation. It was found to be encoded by a chromosomal gene (resistance: sensitivity = 307: 105, χ 2 = 0.02, P = 0.89). As shown in FIG. 2 (A), none of the three gekl mutants could germinate in the presence of ethanol, but germinated normally in the absence of ethanol. The degree of ethanol sensitivity was different among the three alleles, with gek 1-3 being the most sensitive and gek 1-1 being the least sensitive. The germination rate of gek1-2 and gek1-3 mutants was significantly reduced in the presence of 0.003% (v / v, about 0.5 mM) ethanol, whereas the wild type was at least 0.3% (v / V) Germinated normally in the presence of ethanol (see FIG. 2 (B)).

[実施例2]エタノール高感受性(gek1)変異株の性質
gek1の表現型は発芽段階に限定されない。gek1突然変異を有する実生(seedlings)を通常の培地で生育させた後0.03〜0.1%(v/v)のエタノールを含む培地に移すと、それらの生育は著しく阻害され、gek1−2及びgek1−3変異株は0.1%(v/v)のエタノール存在下において最終的に死滅した。このgek1表現型は、エタノール及びその代謝産物に特異的であり、メタノール、ブタノール、イソプロパノール、ジメチルスルフォキシド、パラコート、過酸化水素、アブサイシン酸、1−アミノシクロプロパン−1−カルボン酸(ACC、エチレンの前駆物質)又はジベレリンは、当該変異株の発芽や生育に影響を与えなかった。gek1変異株の高エタノール感受性は、日照条件や培地中のスクロース利用能によって影響を受けなかった。エタノール非存在下においてはその他の表現型を見出すことができなかった。
[Example 2] Properties of ethanol-sensitive (gek1) mutant The phenotype of gekl is not limited to the germination stage. When seedlings having a gekl mutation are grown in normal medium and then transferred to a medium containing 0.03-0.1% (v / v) ethanol, their growth is markedly inhibited, and gek1- The 2 and gek1-3 mutants eventually died in the presence of 0.1% (v / v) ethanol. This gekl phenotype is specific for ethanol and its metabolites, methanol, butanol, isopropanol, dimethyl sulfoxide, paraquat, hydrogen peroxide, abscisic acid, 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC, Ethylene precursor) or gibberellin did not affect germination and growth of the mutant. The high ethanol sensitivity of the gekl mutant was not affected by sunshine conditions or sucrose availability in the medium. No other phenotype could be found in the absence of ethanol.

gek1突然変異が極めてエタノール特異的であることから、エタノールの代謝経路に与える影響について調べた。培地中のエタノールは細胞内でADHによって毒性のアセトアルデヒドに変換されると考えられる。タバコのADH欠損変異株ではエタノール耐性能が亢進していることが報告されており、このことはエタノールからADHによって変換されたアセトアルデヒドが植物におけるエタノールストレスの原因であることが示唆される。そこで、gek1表現型とADH活性との間に関連性があるかどうかを確認した。   Since the gekl mutation is extremely ethanol-specific, the influence of ethanol on the metabolic pathway was examined. It is thought that ethanol in the medium is converted into toxic acetaldehyde by ADH in the cells. It has been reported that the ADH-deficient mutant of tobacco has enhanced ethanol tolerance, suggesting that acetaldehyde converted from ethanol by ADH is responsible for ethanol stress in plants. Therefore, it was confirmed whether there was a relationship between the gekl phenotype and the ADH activity.

まず最初に、gek1変異が起こった染色体上の位置を、PCRに基づく遺伝的マーカーを用いて調べ、第2染色体の上部(top)に存在することを見出した。この位置には、これまでエタノール代謝に関与する遺伝子は見つかっていない。そこで、gek1と、adhとの間の遺伝的関連性について調べた。これら2つの劣性変異株の間で検定交配を行って得られたF2世代を、発芽におけるエタノール感受性について調べたところ、エタノール耐性株と感受性株との割合で表わした分離割合が13:3となり、adh変異がgek1を抑制することが示された。この結果は、gek1のエタノール高感受性表現型はADH活性を必要とすることを示す。   First, the position on the chromosome where the gekl mutation occurred was examined using a PCR-based genetic marker and found to be present at the top of the second chromosome. No gene involved in ethanol metabolism has been found at this position. Therefore, the genetic relationship between gekl and adh was examined. When the F2 generation obtained by performing test mating between these two recessive mutant strains was examined for ethanol sensitivity in germination, the separation ratio represented by the ratio of ethanol resistant strain and sensitive strain was 13: 3, It was shown that the adh mutation suppresses gekl. This result indicates that the ethanol-sensitive phenotype of gekl requires ADH activity.

[実施例3]gek1遺伝子の同定
シロイヌナズナgek1遺伝子は、遺伝子地図に基づく染色体歩行により同定した。コロンビア型由来のgek1−1及びgek1−2をLerと交雑させ、複数のFの子孫を取得した。エタノール高感受性株を0.1%(v/v)エタノールを含む培地で選択し、通常のMS培地で発芽及び生育させた。これらのF子孫からゲノムDNAを抽出し、PCR法に基づくマーカー、例えば、単純塩基配列長多型(Bell, C. and Ecker, J.R. (1994) Arabidpsis. Genomics 19:137-144)を用いてマッピングを行った。その結果を図3に示した。図3(A)はgek1遺伝子の染色体上の位置と構造を模式的に示す。黒抜きの三角で示した数字は、遺伝子マーカーとGEK1遺伝子との間で起きた組換え比率を表わす。例えば、5/1152という表記は、調べた1152本の第2染色体のうち5本で、このマーカーとgek1遺伝子との間で組換えが起きたことを表わす。組換えの数が少なくなればなるほど、マーカーが目的遺伝子に近いことを示す。gek1対立遺伝子の変異部位は一番下の棒線上に示した。「atg」はArabidopsis Genome Initiative(2000)によって推定された翻訳開始コドンを示し、小さな白抜きの三角形は、図3(B)で示すRT−PCR実験に用いたオリゴヌクレオチドプライマーに対応する塩基配列の位置を示す。図3(B)は各種変異株におけるGEK1遺伝子の発現を示す。GEK1コーディング領域の5’側の半分を増幅するためにF19-25.1(配列番号3)とF19-25.11(配列番号4)の2つのプライマーを用い、一方、GEK1コーディング領域の全体を増幅するためにはF19-25.1(配列番号3)とF19-25.R(配列番号5)の2つのプライマーを用いてそれぞれRT−PCRを行った。独立して行った上記2つのPCR産物を図2(B)の各レーンに示した。β−チューブリンはコントロールとして用いた。
[Example 3] Identification of gekl gene The Arabidopsis gekl gene was identified by chromosome walking based on a genetic map. Columbia-derived gek1-1 and gek1-2 were crossed with Ler to obtain a plurality of F 2 progeny. Ethanol-sensitive strains were selected on a medium containing 0.1% (v / v) ethanol, and germinated and grown on a normal MS medium. Genomic DNA is extracted from these F 2 progeny, and a marker based on PCR, for example, simple nucleotide sequence length polymorphism (Bell, C. and Ecker, JR (1994) Arabidpsis. Genomics 19: 137-144) is used. Mapping was performed. The results are shown in FIG. FIG. 3 (A) schematically shows the position and structure of the gekl gene on the chromosome. The numbers indicated by open triangles represent the recombination ratio that occurred between the genetic marker and the GEK1 gene. For example, the notation 5/1152 indicates that recombination occurred between this marker and the gekl gene in 5 out of 1152 second chromosomes examined. The smaller the number of recombination, the closer the marker is to the target gene. The mutation site of the gekl allele is indicated on the bottom bar. “Atg” indicates a translation initiation codon estimated by the Arabidopsis Genome Initiative (2000), and a small white triangle indicates the nucleotide sequence corresponding to the oligonucleotide primer used in the RT-PCR experiment shown in FIG. Indicates the position. FIG. 3 (B) shows GEK1 gene expression in various mutant strains. To amplify the 5 ′ half of the GEK1 coding region, two primers F19-25.1 (SEQ ID NO: 3) and F19-25.11 (SEQ ID NO: 4) were used, while to amplify the entire GEK1 coding region. RT-PCR was performed using two primers F19-25.1 (SEQ ID NO: 3) and F19-25.R (SEQ ID NO: 5), respectively. The two PCR products performed independently are shown in each lane of FIG. β-tubulin was used as a control.

F19-25.1: 5'-TTACGTTGGGAAGAAGCTACCG-3'(配列番号3)
F19-25.11: 5'-CTGCCTCCTAGCCCAAGACC-3'(配列番号4)
F19-25.R: 5'-ATGTTTTTAAGGGGGTCTCTCTAGA-3'(配列番号5)
βTUB-F:5'-ATCCCACCGGACGTTACAACG-3'(配列番号6)
βTUB-R:5'-TTCGTTGTCGAGGACCATGC-3'(配列番号7)
F19-25.1: 5'-TTACGTTGGGAAGAAGCTACCG-3 '(SEQ ID NO: 3)
F19-25.11: 5'-CTGCCTCCTAGCCCAAGACC-3 '(SEQ ID NO: 4)
F19-25.R: 5'-ATGTTTTTAAGGGGGTCTCTCTAGA-3 '(SEQ ID NO: 5)
βTUB-F: 5'-ATCCCACCGGACGTTACAACG-3 '(SEQ ID NO: 6)
βTUB-R: 5'-TTCGTTGTCGAGGACCATGC-3 '(SEQ ID NO: 7)

図3に示したように、GEK1遺伝子は第2番染色体のBACクローンF19B11上に局在していた(Arabidopsis Genome Initiative 2000)。実施例1で作製した3種類の変異株から、独立したgek1対立遺伝子gek1−1、gek1−2、及びgek1−3を単離した。さらに別の変異株より異なる対立遺伝子gek1−4も単離された。gek1−2遺伝子は、推定翻訳開始コドンのAから数えて1977位のAt2g03800からAt2g03810までの欠失があり、欠失部位に隣接してインフレームで終止コドンが生じていた。同一遺伝子上において、gek1−1ではG135からAへの一塩基置換が、gek1−3ではG1685からAへの一塩基置換が、さらにgek1−4ではG1389からAへの一塩基置換が見出された。gek1−1における一塩基置換はMet45からIleへのアミノ酸置換を引き起こし、gek1−3における一塩基置換は第7イントロンのスプライシングアクセプター部位を破壊し、さらにgek1−4における一塩基置換はTrp229のコドンが終止コドン(TGA)に変化し、ここで翻訳が終結していた。 As shown in FIG. 3, the GEK1 gene was localized on the BAC clone F19B11 of chromosome 2 (Arabidopsis Genome Initiative 2000). Independent gek1 alleles gek1-1, gek1-2, and gek1-3 were isolated from the three mutant strains prepared in Example 1. Furthermore, a different allele gek1-4 from another mutant strain was also isolated. The gek1-2 gene had a deletion from At2g03800 to At2g03810 at position 1977 counted from A of the putative translation start codon, and a stop codon was generated in frame adjacent to the deletion site. On the same gene, the single base substitution to A G 135 in Gek1-1, single base substitution from G 1685 in gek1-3 to A is, the single base substitution to A further gek1-4 the G 1389 It was found. A single base substitution at gek1-1 causes an amino acid substitution from Met 45 to Ile, a single base substitution at gek1-3 destroys the splicing acceptor site of the seventh intron, and a single base substitution at gek1-4 is Trp 229 Was changed to a stop codon (TGA), where the translation was terminated.

[実施例4]GEK1cDNAクローン及びゲノムクローンの単離
GEK1cDNAクローンは、ラムダZapベクターに構築されたcDNAライブラリーから、GEK1ゲノムのPCR増幅DNA断片をプローブとして単離した。得られたcDNAクローンの塩基配列を、アプライドバイオケミカルズ社のシーケンサー3100により決定したところ、推定される最初のATGコドン(Met)を含んでいなかったので、当該cDNAクローンの5’末端からMscI切断部位までの領域をゲノムDNAの対応する領域、即ち、推定翻訳開始コドンの上流83bpからMscI切断部位までの領域と置換した。一方、GEK1遺伝子を含む3.5kbのゲノムクローンは、下記の2種類のオリゴヌクレオチドGEK1gEco(配列番号8)とGEK1gBam(配列番号9)をプライマーとして、高精度Taqポリメラーゼ(KOD-Plus;東洋紡株式会社製)を用いたPCRにより取得した。PCR増幅反応によって得られたDNA断片の塩基配列を決定したところ塩基配列の変化は認められなかった。
[Example 4] Isolation of GEK1 cDNA clone and genomic clone The GEK1 cDNA clone was isolated from a cDNA library constructed in the lambda Zap vector using a PCR amplified DNA fragment of the GEK1 genome as a probe. When the nucleotide sequence of the obtained cDNA clone was determined by the sequencer 3100 of Applied Biochemicals, it did not contain the estimated first ATG codon (Met 1 ). The region up to the cleavage site was replaced with the corresponding region of genomic DNA, ie, the region from 83 bp upstream of the putative translation initiation codon to the MscI cleavage site. On the other hand, a 3.5 kb genomic clone containing the GEK1 gene is a high-precision Taq polymerase (KOD-Plus; Toyobo Co., Ltd.) using the following two types of oligonucleotides GEK1gEco (SEQ ID NO: 8) and GEK1gBam (SEQ ID NO: 9) as primers. Obtained by PCR. When the base sequence of the DNA fragment obtained by the PCR amplification reaction was determined, no change in the base sequence was observed.

GEK1gEco: 5'-GAGACGAATTCAATAGGTGGGTG-3'(配列番号8)
GEK1gBam: 5'-ATATGGATCCGTGGACTTACTTGGTC-3'(配列番号9)
GEK1gEco: 5'-GAGACGAATTCAATAGGTGGGTG-3 '(SEQ ID NO: 8)
GEK1gBam: 5'-ATATGGATCCGTGGACTTACTTGGTC-3 '(SEQ ID NO: 9)

[実施例5]GEK1遺伝子の発現とエタノール耐性の付与
シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)のGEK1遺伝子を含む約3500bpの染色体DNA断片を、アグロバクテリウムーバイナリーベクターpBI101のHIndIII-BamHI制限酵素認識部位に挿入した。この組換え体プラスミド(pNH677)により、アグロバクテリウム(Agrobacterium tumefacience, GV3101)を形質転換した。形質転換は、エレクトロポレーション法を用い、処理後菌液を25mg/lのカナマイシンを含むLBアガープレートに広げ、カナマイシンに耐性を示す菌を選抜した。形質転換したアグロバクテリウムをLB液体培地で振盪培養した。培養液を遠心分離(5000g、10分、4度)し、菌を沈殿させた。沈殿した菌を、5%スクロース、44nMの6benzylaminopurine、0.5mMのMESを含むムラシゲ・スクーク培地(pH5.8)に懸濁した。菌懸濁液に0.05%silwet L-77を添加し、感染用菌液とした。花芽を複数持ったシロイヌナズナgek1−2植物体を感染用菌液に数分間浸すことで、感染を行った。感染させたシロイヌナズナを生育させ、第1世代の種子を得た。得られた種子を、0.1%エタノールを含む植物育成用培地に播種し、発芽を促した。その結果、図4に示したように、発芽する個体が認められた。図4(A)は、茶色の小さな種子を上記培地に播種して発芽を誘導後、1週間後の写真である。図4(B)はその拡大図であり、緑色の形質転換植物(葉が展開した幼植物体)が生長し、形質転換体でない種子は発芽がほぼ完全に抑制されていることが分かる。発芽した個体を生育させ、ゲノムDNAを抽出し導入された遺伝子の確認を行った。その結果、予想通り発芽した植物体のゲノムにはGEK1遺伝子が挿入されていることを示唆する結果が得られた。
[Example 5] Expression of GEK1 gene and conferring ethanol resistance An approximately 3500 bp chromosomal DNA fragment containing the GEK1 gene of Arabidopsis thaliana was inserted into the HIndIII-BamHI restriction enzyme recognition site of the Agrobacterium binary vector pBI101. Agrobacterium (Agrobacterium tumefacience, GV3101) was transformed with this recombinant plasmid (pNH677). For transformation, electroporation was used, and the bacterial solution after treatment was spread on an LB agar plate containing 25 mg / l kanamycin, and bacteria resistant to kanamycin were selected. The transformed Agrobacterium was cultured with shaking in LB liquid medium. The culture solution was centrifuged (5000 g, 10 minutes, 4 degrees) to precipitate the bacteria. The precipitated bacteria were suspended in Murashige sukuk medium (pH 5.8) containing 5% sucrose, 44 nM 6benzylaminopurine and 0.5 mM MES. 0.05% silwet L-77 was added to the bacterial suspension to obtain a bacterial solution for infection. Infection was carried out by immersing an Arabidopsis gek1-2 plant body having a plurality of flower buds in a bacterial solution for infection for several minutes. Infected Arabidopsis thaliana was grown to obtain first generation seeds. The obtained seeds were sown in a plant growth medium containing 0.1% ethanol to promote germination. As a result, germinating individuals were observed as shown in FIG. FIG. 4A is a photograph one week after inducing germination by sowing small brown seeds in the medium. FIG. 4B is an enlarged view thereof, and it can be seen that a green transformed plant (a young plant body in which leaves are expanded) grows, and germination of seeds that are not transformed is almost completely suppressed. Germinated individuals were grown, genomic DNA was extracted and the introduced genes were confirmed. As a result, a result suggesting that the GEK1 gene was inserted into the genome of the plant body germinated as expected was obtained.

シロイヌナズナ、トマト、及びイネのGEK1類似タンパク質のアミノ酸配列を比較、整列化した図である。アミノ酸残基を示す一文字略号の下に示した記号は、*が3種類すべての植物で保存されているアミノ酸残基を、:は類似したアミノ酸残基で保存されている残基を、.は3つの配列のうち2つで保存されているアミノ酸残基をそれぞれ示す。It is the figure which compared and aligned the amino acid sequence of the GEK1-like protein of Arabidopsis thaliana, tomato, and rice. The symbols shown below the single letter abbreviations indicating amino acid residues are: * is an amino acid residue conserved in all three types of plants,: is a residue conserved with similar amino acid residues,. Indicates amino acid residues conserved in two of the three sequences, respectively. シロイヌナズナの各種変異体の種子をエタノール含有培地で発芽させた写真(A)及び発芽効率を示すグラフ(B)である。●:gek1-1、■:gek1-2、▲:gek1-3、○:野生型、エラーバーはn=4の標準偏差を示す。It is the graph (B) which shows the photograph (A) which germinated the seed of various mutants of Arabidopsis thaliana in the ethanol containing medium, and germination efficiency. ●: gek1-1, ■: gek1-2, ▲: gek1-3, ○: wild type, error bars indicate standard deviation of n = 4. GEK1遺伝子のマッピング及び構造を示した模式図(A)及び各種変異体植物におけるGEK1遺伝子の発現をRT−PCRにより検出した結果を示す図(B)である。It is the schematic diagram (A) which showed the mapping and structure of GEK1 gene, and the figure (B) which shows the result of having detected the expression of GEK1 gene in various mutant plants by RT-PCR. エタノール含有培地で発芽させることによりGEK1遺伝子が導入されたシロイヌナズナを選抜した結果(A)及びその拡大図(B)である。It is the result (A) and the enlarged view (B) which selected Arabidopsis thaliana into which GEK1 gene was introduced by germination in an ethanol containing medium.

Claims (11)

GEK1遺伝子を含む組換えDNAをエタノール感受性植物に導入する工程と、前記植物を栽培して種子を採取する工程と、エタノールを含む植物育成用培地に前記種子を播種して形質転換植物を発芽させる工程とを含むことを特徴とする形質転換植物の選抜方法。   A step of introducing a recombinant DNA containing the GEK1 gene into an ethanol-sensitive plant; a step of cultivating the plant to collect seed; and seeding the seed in a plant growth medium containing ethanol to germinate the transformed plant And a process for selecting a transformed plant. 前記エタノール感受性植物が、ゲノム内在性GEK1遺伝子に突然変異を有する請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the ethanol-sensitive plant has a mutation in a genomic endogenous GEK1 gene. 前記植物が単子葉植物又は双子葉植物である請求項1又は2に記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the plant is a monocotyledonous plant or a dicotyledonous plant. 前記植物がヒマワリ、ウマゴヤシ、ジャガイモ、ワタ、ダイズ、トマト、イネ、ニラ、トウモロコシ、オオムギ、又はコムギである請求項1〜3の何れか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the plant is sunflower, sunflower, potato, cotton, soybean, tomato, rice, leek, corn, barley, or wheat. 前記GEK1遺伝子が、配列番号2に示したアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするDNA、又は前記アミノ酸配列と少なくとも70%の相同性を有し、かつ前記植物にエタノール耐性能を付与するタンパク質をコードするDNAを含む請求項1〜4の何れか一項に記載の方法。   The GEK1 gene encodes a DNA encoding a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 or a protein having at least 70% homology with the amino acid sequence and imparting ethanol tolerance to the plant The method according to any one of claims 1 to 4, comprising DNA. 前記植物育成用培地が、0.001〜1容量%のエタノールを含む請求項1〜5の何れか一項に記載の方法。   The method as described in any one of Claims 1-5 in which the said culture medium for plant growth contains 0.001-1 volume% ethanol. 配列番号2に示したアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするDNA、又は前記アミノ酸配列と少なくとも70%の相同性を有し、かつ植物にエタノール耐性能を付与するタンパク質をコードするDNAを含むことを特徴とする植物の形質転換用ベクター。   DNA comprising a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 or DNA encoding a protein having at least 70% homology with the amino acid sequence and imparting ethanol tolerance to plants A plant transformation vector. 前記植物内で発現させる目的遺伝子を更に含む請求項7に記載の形質転換用ベクター。   The transformation vector according to claim 7, further comprising a target gene to be expressed in the plant. 植物のゲノム内在性GEK1遺伝子又はその遺伝子産物の機能が抑制された変異体植物を用意し、
前記変異体植物にGEK1遺伝子を含む組換えDNAを導入する工程と、
前記植物を栽培して種子を採取する工程と、
エタノールを含む植物育成用培地に前記種子を播種する工程と、
前記エタノール含有培地で発芽した植物を選抜する工程と、を含むことを特徴とする植物の形質転換方法。
Preparing a mutant plant in which the function of the plant endogenous GEK1 gene or its gene product is suppressed,
Introducing a recombinant DNA containing the GEK1 gene into the mutant plant;
Cultivating the plant and collecting seeds;
Sowing the seeds in a plant growth medium containing ethanol;
Selecting a plant germinated in the ethanol-containing medium, and a method for transforming the plant.
前記組換えDNAが、前記植物内で発現させる目的遺伝子を更に含む請求項9に記載の方法。   The method according to claim 9, wherein the recombinant DNA further comprises a target gene to be expressed in the plant. 請求項9又は10に記載の方法により形質転換したことを特徴とする形質転換植物。   A transformed plant, which has been transformed by the method according to claim 9 or 10.
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