JP2007082557A - Gene encoding environmental stress-responding transcription factor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、環境ストレス応答性転写因子をコードする遺伝子に関する。 The present invention relates to a gene encoding an environmental stress responsive transcription factor.
遺伝子の配列決定プロジェクトによって、数種の生物について大量のゲノム配列及びcDNA配列が決定されており、植物モデルであるシロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)では、2つの染色体の完全なゲノム配列が決定されている(Lin, X. et al., (1999) Nature 402, 761-768.; Mayer, K. et al., (1999) Nature 402, 769-777.)。 Gene sequencing projects have determined large amounts of genomic and cDNA sequences for several organisms, and in the plant model Arabidopsis thaliana, the complete genomic sequence of two chromosomes has been determined ( Lin, X. et al., (1999) Nature 402, 761-768 .; Mayer, K. et al., (1999) Nature 402, 769-777.).
EST(expressed sequence tag)プロジェクトも、発現遺伝子の発見に大いに貢献している(Hofte, H. et al., (1993) Plant J. 4, 1051-1061.; Newman, T. et al., (1994) Plant Physiol. 106, 1241-1255.; Cooke, R. et al., (1996) Plant J. 9, 1O1-124. Asamizu, E. et al., (2000) DNA Res. 7, 175-180.)。例えば、dbEST(National Center for Biotechnology Information(NCBI)のESTデータベース)には部分cDNA配列が含まれており、全遺伝子の半分以上(即ち、約28,000遺伝子)が再現されている(完全に配列決定されたシロイヌナズナの2番染色体の遺伝子含有量から推定[Lin, X. et al., (1999) Nature 402, 761-768.])。
The expressed sequence tag (EST) project has also contributed greatly to the discovery of expressed genes (Hofte, H. et al., (1993) Plant J. 4, 1051-1061 .; Newman, T. et al., ( 1994) Plant Physiol. 106, 1241-1255 .; Cooke, R. et al., (1996) Plant J. 9, 1O1-124. Asamizu, E. et al., (2000) DNA Res. 7, 175- 180.). For example, dbEST (National Center for Biotechnology Information (NCBI) EST database) contains partial cDNA sequences, and more than half of all genes (i.e. about 28,000 genes) are reproduced (fully sequenced). Estimated from the gene content of
近年、ゲノムスケールの遺伝子発現を分析するのにマイクロアレイ(DNAチップ)技術が有用な手段となっている(Schena, M. et al., (1995) Science 270, 467-470.; Eisen, M. B. and Brown, P. O. (1999) Methods Enzymol. 303, 179-205.)。このDNAチップを用いる技術は、cDNA配列をスライドガラス上に1,000遺伝子/cm2以上の密度で配列させるものである。このように配列させたcDNA配列を、異なる細胞型又は組織型のRNAサンプルから調製した2色蛍光標識cDNAプローブ対に同時にハイブリダイズさせることで、遺伝子発現を直接かつ大量に比較分析することが可能となる。この技術は、最初、48個のシロイヌナズナ遺伝子を根及び苗条におけるディファレンシャル発現について分析することで実証された(Schena, M. et al., (1995) Science 270, 467-470.)。さらに、マイクロアレイは、熱ショック及びプロテインキナーゼC活性化に応答する新規な遺伝子を同定するため、ヒトcDNAライブラリーからランダムに採取した1,000個のクローンを調査するのに使用されている(Schena, M. et al., (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 10614-10619.)。 In recent years, microarray (DNA chip) technology has become a useful tool for analyzing genome-scale gene expression (Schena, M. et al., (1995) Science 270, 467-470 .; Eisen, MB and Brown, PO (1999) Methods Enzymol. 303, 179-205.). In this technique using a DNA chip, cDNA sequences are arranged on a slide glass at a density of 1,000 genes / cm 2 or more. By directly hybridizing the thus-arranged cDNA sequences to two-color fluorescently labeled cDNA probe pairs prepared from RNA samples of different cell types or tissue types, gene expression can be directly and comparatively analyzed in large quantities. It becomes. This technique was first demonstrated by analyzing 48 Arabidopsis genes for differential expression in roots and shoots (Schena, M. et al., (1995) Science 270, 467-470.). In addition, microarrays have been used to investigate 1,000 clones randomly picked from human cDNA libraries to identify novel genes that respond to heat shock and protein kinase C activation (Schena, M et al., (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 10614-10619.).
一方、このDNAチップを用いる方法によって、各種の誘導条件下における炎症性疾患関連遺伝子の発現プロフィールの分析が行われている(Heller, R. A. et al., (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, 2150-2155.)。さらに、マイクロアレイを用いて、6,000個を超えるコード配列からなる酵母ゲノムの動的発現についても分析が行われている(DeRisi, J.L. et al., (1997) Science 278, 680-686.; Wodicka, L. et al., (1997) Nature Biotechnol. 15, 1359-1367.)。 On the other hand, the expression profile of inflammatory disease-related genes under various induction conditions has been analyzed by the method using this DNA chip (Heller, RA et al., (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, 2150-2155.). In addition, the dynamic expression of yeast genome consisting of more than 6,000 coding sequences has been analyzed using microarrays (DeRisi, JL et al., (1997) Science 278, 680-686 .; Wodicka, L. et al., (1997) Nature Biotechnol. 15, 1359-1367.).
しかしながら、植物の分野では、マイクロアレイ分析に対しては若干の報告がなされているに過ぎない(Schena, M. et al., (1995) Science 270, 467-470.; Ruan, Y. et al., (1998) Plant J. 15, 821-833.; Aharoni. A. et al., (2000) Plant Cell 12, 647-661.; Reymond, P. et al., (2000) Plant Cell 12, 707-719.)。 However, in the field of plants, only a few reports have been made on microarray analysis (Schena, M. et al., (1995) Science 270, 467-470 .; Ruan, Y. et al. , (1998) Plant J. 15, 821-833 .; Aharoni. A. et al., (2000) Plant Cell 12, 647-661 .; Reymond, P. et al., (2000) Plant Cell 12, 707 -719.)
植物の生育は、乾燥、高塩濃度及び低温等の環境ストレスの影響を顕著に受ける。これらのストレスのうち乾燥又は水分欠乏が、植物の生育及び作物の生産にとって最も厳しい制限因子となる。乾燥ストレスは、植物に様々な生化学的及び生理学的な応答を引き起こす。 Plant growth is significantly affected by environmental stresses such as dryness, high salt concentration, and low temperature. Of these stresses, drought or water deficiency is the most severe limiting factor for plant growth and crop production. Drought stress causes various biochemical and physiological responses to plants.
植物は、これらのストレス条件下で生き抜くために、ストレスに対する応答性及び順応性を獲得する。近年、転写レベルで乾燥に応答する数種の遺伝子が記載されている(Bohnert, H.J. et al., (1995) Plant Cell 7, 1099-1111.; Ingram, J., and Bartels, D. (1996) Plant Mol. Biol. 47, 377-403.; Bray, E. A. (1997) Trends Plant Sci. 2, 48-54.; Shinozaki. K., and Yamaguchi-Shinozaki, K. (1997) Plant Physiol. 115, 327-334. ; Shinozaki, K., and Yamaguchi-Shinozaki, K. (1999). Molecular responses to drought stress. Molecular responses to cold, drought, heat and salt stress in higher plants. Edited by Shinozaki, K. and Yamaguchi-Shinozaki, K. R. G. Landes Company.;Shinozaki, K., and Yamaguchi-Shinozaki, K. (2000) Curr. Opin. Plant Biol. 3, 217-223.)。 Plants acquire responsiveness and adaptability to stress in order to survive under these stress conditions. Recently, several genes that respond to desiccation at the transcriptional level have been described (Bohnert, HJ et al., (1995) Plant Cell 7, 1099-1111 .; Ingram, J., and Bartels, D. (1996 ) Plant Mol. Biol. 47, 377-403 .; Bray, EA (1997) Trends Plant Sci. 2, 48-54 .; Shinozaki. K., and Yamaguchi-Shinozaki, K. (1997) Plant Physiol. 115, 327-334.; Shinozaki, K., and Yamaguchi-Shinozaki, K. (1999). Molecular responses to drought stress. Molecular responses to cold, drought, heat and salt stress in higher plants. Edited by Shinozaki, K. and Yamaguchi -Shinozaki, KRG Landes Company .; Shinozaki, K., and Yamaguchi-Shinozaki, K. (2000) Curr. Opin. Plant Biol. 3, 217-223.).
一方、遺伝子導入によって植物のストレス耐性を向上させるために、ストレス誘導性遺伝子が使用されている(Holmberg, N., and Bulow, L. (1998) Trends Plant Sci. 3, 61-66.; Bajaj, S. et al., (1999) Mol. Breed. 5, 493-503.)。高等植物のストレス耐性とストレス応答の分子機構をさらに解明するためだけでなく、遺伝子操作によって作物のストレス耐性を向上させるためにも、ストレス誘導性遺伝子の機能を分析することが重要である。 On the other hand, stress-inducible genes have been used to improve plant stress tolerance by gene transfer (Holmberg, N., and Bulow, L. (1998) Trends Plant Sci. 3, 61-66 .; Bajaj , S. et al., (1999) Mol. Breed. 5, 493-503.). It is important to analyze the function of stress-inducible genes not only to further elucidate the molecular mechanisms of stress tolerance and stress response in higher plants, but also to improve crop stress tolerance by genetic manipulation.
DRE/CRT(乾燥応答性エレメント/C-反復配列)は、乾燥、高塩分濃度及び低温ストレス応答性遺伝子のABA(アブシジン酸:植物ホルモンの一種で種子の休眠や環境ストレスのシグナル伝達因子として機能する。)に依存しない発現において重要なシス作動性エレメントとして同定されている(Yamaguchi-Shinozaki, K., and Shinozaki, K. (1994) Plant Cell 6, 251-264.; Thomashow, M.F. et al., (1999) Plant Mol. Biol. 50, 571-599.; Shinozaki, K., and Yamaguchi-Shinozaki, K. (2000) Curr. Opin. Plant Biol. 3, 217-223.)。また、DRE/CRT応答性遺伝子発現に関与する転写因子(DREB/CBF)がクローニングされている(Stockinger. E.J. et al., (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 1035-1040.; Liu, Q. et al., (1998) Plant Cell 10, 1391-1406.; Shinwari, Z.K. et al., (1998) Biochem. Biophys. Res. Commun. 250, 161-170.; Gilmour, S.J.et al., (1998) Plant J. 16, 433-443.)。DREB1/CBFは低温応答性遺伝子発現において機能すると考えられ、DREB2は乾燥応答性遺伝子発現に関与している。カリフラワーモザイクウイルス(CaMV)35Sプロモーターの制御下でCBF1(DREB1B)cDNAを過剰発現するトランスジェニック・シロイヌナズナ植物では、凍結ストレスに対する強力な耐性が観察されている(Jaglo-Ottosen, K.R. et al., (1998) Science 280, 104-106.)。 DRE / CRT (Dry Responsive Element / C-Repetitive Sequence) is a dry, high salinity and low temperature stress responsive gene ABA (abscisic acid: a plant hormone that functions as a signaling factor for seed dormancy and environmental stress) Has been identified as an important cis-acting element in independent expression (Yamaguchi-Shinozaki, K., and Shinozaki, K. (1994) Plant Cell 6, 251-264 .; Thomashow, MF et al. (1999) Plant Mol. Biol. 50, 571-599 .; Shinozaki, K., and Yamaguchi-Shinozaki, K. (2000) Curr. Opin. Plant Biol. 3, 217-223.). In addition, a transcription factor (DREB / CBF) involved in DRE / CRT-responsive gene expression has been cloned (Stockinger. EJ et al., (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 1035-1040. Liu, Q. et al., (1998) Plant Cell 10, 1391-1406 .; Shinwari, ZK et al., (1998) Biochem. Biophys. Res. Commun. 250, 161-170 .; Gilmour, SJet al., (1998) Plant J. 16, 433-443.). DREB1 / CBF is thought to function in cold-responsive gene expression, and DREB2 is involved in drought-responsive gene expression. Strong tolerance to freezing stress has been observed in transgenic Arabidopsis plants that overexpress CBF1 (DREB1B) cDNA under the control of the cauliflower mosaic virus (CaMV) 35S promoter (Jaglo-Ottosen, KR et al., ( 1998) Science 280, 104-106.).
本発明者らは、CaMV 35Sプロモーター又はストレス誘導性rd29Aプロモーターの制御下におけるトランスジェニック植物でのDREB1A(CBF3)cDNAの過剰発現によって、ストレス誘導性DREB1A標的遺伝子の強力な構成的発現が引き起こされ、凍結ストレス、乾燥ストレス及び塩ストレスに対する耐性が向上することを報告している(Liu, Q. et al., (1998) Plant Cell 10, 1391-1406.; Kasuga, M. et al., (1999) Nature Biotechnol. 17, 287-291.)。また、既に本発明者らは、rd29A/lti78/cor78、kin1、kin2/cor6.6、cor15a、rd17/cor47及びerd10等の6個のDREB1A標的遺伝子を同定している(Kasuga, M. et al., (1999) Nature Biotechnol. 17, 287-291.)。しかしながら、トランスジェニック植物におけるDREB1A cDNAの過剰発現が凍結、乾燥及び塩分に対するストレス耐性をどのように高めているのかは、十分には解明されていない。乾燥及び凍結耐性の分子機構を研究するためには、DREB1Aによって制御される遺伝子をより多く同定・分析することが重要である。 We over-expressed DREB1A (CBF3) cDNA in transgenic plants under the control of the CaMV 35S promoter or the stress-inducible rd29A promoter, causing a strong constitutive expression of the stress-inducible DREB1A target gene, It has been reported that tolerance to freezing, drought and salt stress is improved (Liu, Q. et al., (1998) Plant Cell 10, 1391-1406 .; Kasuga, M. et al., (1999 ) Nature Biotechnol. 17, 287-291.). In addition, the present inventors have already identified six DREB1A target genes such as rd29A / lti78 / cor78, kin1, kin2 / cor6.6, cor15a, rd17 / cor47 and erd10 (Kasuga, M. et al (1999) Nature Biotechnol. 17, 287-291.). However, it has not been fully elucidated how overexpression of DREB1A cDNA in transgenic plants increases stress tolerance to freezing, drying and salinity. In order to study the molecular mechanism of drought and freeze resistance, it is important to identify and analyze more genes regulated by DREB1A.
ところで、環境ストレスに対する応答性を示す転写因子としては、DREB1Aが知られている(特開2000-60558公報)。DREB1Aに関しては、植物体内でDREB1A遺伝子を過剰に発現させることによって、当該植物体の環境ストレス耐性を上昇させられることができる。しかしながら、植物体の環境ストレス耐性を上昇させられるような転写因子としては、あまり多く知られていないのが現状である。 Meanwhile, DREB1A is known as a transcription factor showing responsiveness to environmental stress (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-60558). Regarding DREB1A, by overexpressing the DREB1A gene in a plant body, the environmental stress resistance of the plant body can be increased. However, there are not many known transcription factors that can increase the environmental stress tolerance of plants.
そこで、本発明は、環境ストレス応答性転写因子をコードする遺伝子を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a gene encoding an environmental stress responsive transcription factor.
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、cDNAマイクロアレイ分析を応用して、低温ストレス、乾燥ストレス及び塩ストレス等の環境ストレスに特異的に応答性を示す、転写因子をコードする遺伝子を同定することに成功し、本発明を完成するに至った。 As a result of earnest research to solve the above-mentioned problems, the present inventor applied a cDNA microarray analysis to obtain a transcription factor that specifically responds to environmental stresses such as low temperature stress, drought stress, and salt stress. The present inventors have succeeded in identifying a gene to be encoded and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、以下を包含する。
(1)以下の(a)又は(b)のアミノ酸配列を含む環境ストレス応答性転写因子をコードする遺伝子。
(a) 配列番号2n(n=1〜36の整数)から選ばれるいずれかのアミノ酸配列
(b) 配列番号2n(n=1〜36の整数)から選ばれるいずれかのアミノ酸配列において1若しくは複数のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、環境ストレスに応答性を示し、かつ転写因子活性を有するアミノ酸配列
That is, the present invention includes the following.
(1) A gene encoding an environmental stress responsive transcription factor comprising the following amino acid sequence (a) or (b):
(a) any amino acid sequence selected from SEQ ID NO: 2n (n = integer from 1 to 36)
(b) It consists of an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted or added in any amino acid sequence selected from SEQ ID NO: 2n (n = integer from 1 to 36), and is responsive to environmental stress. And an amino acid sequence having transcription factor activity
(2)以下の(a)、(b)又は(c)のDNAを含む(1)記載の遺伝子。 (2) The gene according to (1), which comprises the following DNA (a), (b) or (c):
(a)配列番号2n-1(n=1〜36の整数)から選ばれるいずれかの塩基配列からなるDNA
(b)配列番号2n-1(n=1〜36の整数)から選ばれるいずれかの塩基配列において1若しくは複数の塩基が欠失、置換若しくは付加された塩基配列からなり、環境ストレス応答性転写因子をコードするDNA
(c)配列番号2n-1(n=1〜36の整数)から選ばれるいずれかの塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ環境ストレス応答性転写因子をコードするDNA
(A) DNA comprising any nucleotide sequence selected from SEQ ID NO: 2n-1 (n = 1 to 36)
(B) An environmental stress responsive transcription comprising a base sequence in which one or more bases are deleted, substituted or added in any base sequence selected from SEQ ID NO: 2n-1 (integer of n = 1 to 36). DNA encoding the factor
(C) DNA that hybridizes under stringent conditions with DNA consisting of any one of the nucleotide sequences selected from SEQ ID NO: 2n-1 (n = 1 to 36), and that encodes an environmental stress-responsive transcription factor
(3)環境ストレスが低温ストレス、乾燥ストレス及び塩ストレスからなる群から選択される少なくとも1つである(1)又は(2)記載の遺伝子。
(4)(1)又は(2)記載の遺伝子を含む発現ベクター。
(5)(4)記載の発現ベクターを含む形質転換体。
(6)(4)記載の記載の発現ベクターを含むトランスジェニック植物。
(3) The gene according to (1) or (2), wherein the environmental stress is at least one selected from the group consisting of low temperature stress, drought stress and salt stress.
(4) An expression vector comprising the gene according to (1) or (2).
(5) A transformant comprising the expression vector according to (4).
(6) A transgenic plant comprising the expression vector according to (4).
(7)植物が、植物体、植物器官、植物組織又は植物培養細胞である(6)記載のトランスジェニック植物。 (7) The transgenic plant according to (6), wherein the plant is a plant body, plant organ, plant tissue, or plant cultured cell.
(8)(6)又は(7)記載のトランスジェニック植物を培養又は栽培することを特徴とするストレス耐性植物の製造方法。 (8) A method for producing a stress-tolerant plant, comprising culturing or cultivating the transgenic plant according to (6) or (7).
本発明により、ストレス応答性転写因子をコードする遺伝子が提供される。本発明の遺伝子は、環境ストレス耐性植物の分子育種に使用できる点で有用である。 According to the present invention, a gene encoding a stress-responsive transcription factor is provided. The gene of the present invention is useful in that it can be used for molecular breeding of environmental stress resistant plants.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明者らは、乾燥処理植物及び低温処理植物等の条件の異なる植物から、ビオチン化CAPトラッパー法(Carninci. P. et al., (1996) Genomics, 37, 327-336.)によってシロイヌナズナの完全長cDNAライブラリーを構築し (Seki. M. et al., (1998) Plant J. 15, 707-720.)、ストレス誘導性遺伝子を含む約7,000個の完全長cDNAを用いてシロイヌナズナの完全長cDNAマイクロアレイをそれぞれ調製した。また、これらの乾燥・低温誘導性の完全長cDNAに加えて、ストレス応答性遺伝子の発現をコントロールする転写制御因子であるDREB1Aの標的となる遺伝子を用いてcDNAマイクロアレイを作成した。そして、乾燥ストレス及び低温ストレス下における遺伝子の発現パターンをモニターし、ストレス応答性遺伝子を網羅的に解析した。その結果、約7,000個の完全長cDNAを含むcDNAマイクロアレイから、277個の乾燥誘導性遺伝子、53個の低温誘導性遺伝子及び194個の高塩濃度ストレス誘導性遺伝子を単離した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The inventors of the present invention have used Arabidopsis thaliana from plants with different conditions, such as dry-treated plants and low-temperature treated plants, by biotinylated CAP trapper method (Carninci. P. et al., (1996) Genomics, 37, 327-336.). A full-length cDNA library was constructed (Seki. M. et al., (1998) Plant J. 15, 707-720.) And about 7,000 full-length cDNAs containing stress-inducible genes were used to complete Arabidopsis thaliana. Each long cDNA microarray was prepared. In addition to these dry / cold-inducible full-length cDNAs, a cDNA microarray was prepared using a gene targeted by DREB1A, a transcriptional regulator that controls the expression of stress-responsive genes. Then, the gene expression pattern under drought stress and low temperature stress was monitored, and the stress responsive genes were comprehensively analyzed. As a result, 277 drying-inducible genes, 53 cold-inducible genes, and 194 high-salt stress-inducible genes were isolated from a cDNA microarray containing about 7,000 full-length cDNAs.
そして、これら環境ストレス応答性遺伝子の核酸塩基配列をアミノ酸配列に変換したものをGenBank Databaseに登録されているアミノ酸配列Dataに対してblast Xサーチする事により、転写因子をコードするもの(既知の転写因子をコードする遺伝子とE-value:e-10よりも高いスコアで相同性を示すもの)を同定することに成功したものである。以下の説明において、本発明で同定された転写因子を環境ストレス応答性転写因子と称する場合もある。 Then, by encoding the nucleobase sequence of these environmental stress responsive genes into amino acid sequences, a blast X search is performed on the amino acid sequences Data registered in the GenBank Database, so that transcription factors are encoded (known transcriptions). It has succeeded in identifying the gene encoding the factor and E-value (which shows homology with a score higher than e- 10 ). In the following description, the transcription factor identified in the present invention may be referred to as an environmental stress responsive transcription factor.
以上のように、完全長cDNAマイクロアレイは、シロイヌナズナの乾燥・低温ストレス誘導性遺伝子の発現様式の解析やストレス関連転写制御因子の標的遺伝子の解析にとって有効なツールである。
1.転写因子の単離
転写因子は、遺伝子の上流に存在するシスエレメントと結合して、その下流の遺伝子の転写を活性化する機能を有するものである。本発明で単離された転写因子は、低温、乾燥、高塩濃度などの環境ストレスにより誘導される。
As described above, the full-length cDNA microarray is an effective tool for analyzing the expression pattern of a dry and low-temperature stress-inducible gene in Arabidopsis and the target gene of a stress-related transcriptional regulatory factor.
1. Isolation of transcription factor A transcription factor has a function of binding to a cis element existing upstream of a gene and activating transcription of the downstream gene. The transcription factor isolated in the present invention is induced by environmental stress such as low temperature, drying, and high salt concentration.
環境ストレス応答性転写因子は、DREBファミリーに属するもの、ERFファミリーに属するもの、ジンクフィンガーファミリーに属するもの、WRKYファミリーに属するもの、MYBファミリーに属するもの、bHLHファミリーに属するもの、NACファミリーに属するもの、ホメオドメインファミリーに属するもの及びbZIPファミリーに属するものに大別される。 Environmental stress responsive transcription factors are those belonging to the DREB family, those belonging to the ERF family, those belonging to the zinc finger family, those belonging to the WRKY family, those belonging to the MYB family, those belonging to the bHLH family, those belonging to the NAC family These are broadly classified into those belonging to the homeodomain family and those belonging to the bZIP family.
転写因子を単離するにあたり、まず、マイクロアレイを用いてストレス応答性遺伝子を単離する。マイクロアレイとしては、シロイヌナズナ(Arabidopsis)の全長cDNAライブラリーから単離した遺伝子のほか、RD(Responsive to Dehydration)遺伝子、ERD(Early Responsive to Dehydration)遺伝子、内部標準としてλコントロール鋳型DNA断片(TX803、宝酒造株式会社製)から得られたPCR増幅断片、さらにネガティブコントロールとしてマウスのニコチン酸アセチルコリンレセプターのエプシロンサブユニット(nAChRE)遺伝子及びマウスのグルココルチコイドレセプターの相同性遺伝子からなる計約7000のcDNAを用いることができる。 In isolating a transcription factor, first, a stress responsive gene is isolated using a microarray. Microarrays include genes isolated from the Arabidopsis full-length cDNA library, RD (Responsive to Dehydration) gene, ERD (Early Responsive to Dehydration) gene, and λ control template DNA fragment (TX803, Takara Shuzo) as an internal standard. As a negative control, a total of about 7000 cDNA consisting of mouse nicotinic acetylcholine receptor epsilon subunit (nAChRE) gene and mouse glucocorticoid receptor homologous gene should be used as negative controls. Can do.
Kurabo製プラスミド調製装置を用いて抽出したプラスミドDNAをシーケンス解析に用いて、DNAシーケンサー(ABI PRISM 3700. PE Applied Biosystems, CA, USA)により配列を決定する。GenBank/EMBLデータベースをもとに、BLASTプログラムを用いて配列のホモロジー検索を行う。 Plasmid DNA extracted using a Kurabo plasmid preparation apparatus is used for sequence analysis, and the sequence is determined by a DNA sequencer (ABI PRISM 3700. PE Applied Biosystems, CA, USA). Based on the GenBank / EMBL database, a sequence homology search is performed using the BLAST program.
次に、ポリAセレクション後,逆転写反応をおこない2本鎖DNAを合成し、cDNAをベクターに挿入する。 Next, after poly A selection, reverse transcription is performed to synthesize double-stranded DNA, and the cDNA is inserted into a vector.
cDNAライブラリー作成用ベクターに挿入されたcDNAを、cDNAの両側のベクターの配列と相補的なプライマーを用いてPCR法により増幅する。ベクターとしては、λZAPII、λPS等が挙げられる。 The cDNA inserted into the cDNA library creation vector is amplified by PCR using primers complementary to the vector sequences on both sides of the cDNA. Examples of the vector include λZAPII and λPS.
マイクロアレイは、通常の方法に従って作製することができ、特に限定されるものではない。例えば、gene tipマイクロアレイスタンプマシンGTMASS SYSTEM(Nippon Laser & Electronics Lab.製)を使って、上記PCR産物をマイクロタイタープレートからロードし、マイクロスライドガラスの上に所定間隔でスポットする。その後、非特異的なシグナルの発現を防ぐためにスライドをブロッキング・ソルーションに浸す。 The microarray can be produced according to a usual method, and is not particularly limited. For example, using the gene tip microarray stamp machine GTMASS SYSTEM (manufactured by Nippon Laser & Electronics Lab.), The PCR product is loaded from a microtiter plate and spotted on a micro slide glass at predetermined intervals. Thereafter, the slide is immersed in a blocking solution to prevent the expression of non-specific signals.
植物材料としては野生型のほか、特定の遺伝子の破壊株等が挙げられるが、DREB1AのcDNAが導入されたトランスジェニック植物を用いることができる。植物種は、シロイヌナズナ、タバコ,イネ等が挙げられるが、シロイヌナズナが好ましい。 Plant materials include wild-type strains and strains of specific genes, but transgenic plants into which DREB1A cDNA has been introduced can be used. Examples of the plant species include Arabidopsis thaliana, tobacco, rice and the like, but Arabidopsis thaliana is preferable.
乾燥及び低温ストレス処理は公知方法の方法で行うことができる(Yamaguchi-Shinozaki, K., and Shinozaki, K. (1994) Plant Cell 6, 251-264.)。 The drying and low-temperature stress treatment can be performed by a known method (Yamaguchi-Shinozaki, K., and Shinozaki, K. (1994) Plant Cell 6, 251-264.).
ストレス処理にさらした後は、植物体(野生型及びDREB1A過剰発現型形質転換体)をサンプリングし、液体窒素を用いて凍結保存する。野生型及びDREB1A過剰発現型形質転換体を、DREB1Aの標的遺伝子を同定するための実験に用いる。植物体から、公知方法又はキットを用いてmRNAを単離精製する。 After exposure to stress treatment, plant bodies (wild type and DREB1A overexpression transformants) are sampled and stored frozen using liquid nitrogen. Wild type and DREB1A overexpressing transformants are used in experiments to identify target genes for DREB1A. MRNA is isolated and purified from the plant using a known method or kit.
標識用Cy3 dUTP又はCy5 dUTP(Amersham Pharmacia)の存在下でそれぞれのmRNAサンプルの逆転写を行い、ハイブリダイゼーションに用いる。 Each mRNA sample is reverse-transcribed in the presence of Cy3 dUTP or Cy5 dUTP (Amersham Pharmacia) for labeling and used for hybridization.
ハイブリダイゼーション後は、走査レーザー顕微鏡等を用いてマイクロアレイをスキャンする。マイクロアレイのデータ解析用プログラムとして、Imagene Ver 2.0(BioDiscovery)とQuantArray(GSI Lumonics)等を用いることができる。 After hybridization, the microarray is scanned using a scanning laser microscope or the like. As a microarray data analysis program, Imagene Ver 2.0 (BioDiscovery), QuantArray (GSI Lumonics), or the like can be used.
スキャン後は、目的とする遺伝子をもつプラスミドを調製することにより、遺伝子が単離される。 After scanning, the gene is isolated by preparing a plasmid having the target gene.
転写因子の決定は、上記単離された遺伝子の塩基配列を解析し、データベース(GenBank/EMBL, ABRC)のゲノム情報をもとに、遺伝子解析用プログラムを用いて行われる。単離された遺伝子は、乾燥ストレス誘導性及び低温ストレス誘導性の両性質を有するもの、乾燥ストレス誘導性に特異的なもの、低温ストレス誘導性に特異的なものに分類することができる。遺伝子解析用プログラムによれば、上記遺伝子の中から36種の転写因子をコードする遺伝子が同定される。これら36種類の転写因子をコードする遺伝子の塩基配列を配列番号2n-1(nは1〜36の整数)、転写因子のアミノ酸配列を配列番号2n(nは1〜36の整数)に示す。配列番号と転写因子をコードする遺伝子の遺伝子名とを表1に示す The transcription factor is determined by analyzing the base sequence of the isolated gene and using a gene analysis program based on the genome information in the database (GenBank / EMBL, ABRC). The isolated genes can be classified into those having both drought stress-inducible and low-temperature stress-inducible properties, those specific to drought stress inducibility, and those specific to low-temperature stress inducibility. According to the gene analysis program, genes encoding 36 types of transcription factors are identified from the above genes. The nucleotide sequences of the genes encoding these 36 types of transcription factors are shown in SEQ ID NO: 2n-1 (n is an integer of 1 to 36), and the amino acid sequences of transcription factors are shown in SEQ ID NO: 2n (n is an integer of 1 to 36). Table 1 shows the sequence number and the gene name of the gene encoding the transcription factor.
但し、本発明の転写因子が環境ストレス応答性転写因子として機能する限り、配列番号2n-1(nは1〜36の整数)から選ばれるいずれかの塩基配列において1又は複数個、好ましくは1又は数個(例えば1〜10個、1〜5個)の塩基が欠失、置換又は付加された塩基配列を有するものでもよい。さらに、配列番号2n-1(nは1〜36の整数)から選ばれるいずれかの塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ環境ストレス応答性転写因子をコードするDNAも、本発明の転写因子に含まれる。ここで、ストリンジェントな条件とは、ナトリウム濃度が25〜500mM、好ましくは25〜300mMであり、温度が42〜68℃、好ましくは42〜65℃である。より具体的には、5×SSC(83mM NaCl、83mMクエン酸ナトリウム)、温度42℃である。 However, as long as the transcription factor of the present invention functions as an environmental stress responsive transcription factor, one or more, preferably 1 in any base sequence selected from SEQ ID NO: 2n-1 (n is an integer of 1 to 36). Alternatively, it may have a base sequence in which several (eg, 1 to 10, 1 to 5) bases are deleted, substituted, or added. Further, a DNA that hybridizes under stringent conditions with a DNA comprising any one of the nucleotide sequences selected from SEQ ID NO: 2n-1 (n is an integer of 1 to 36) and encodes an environmental stress responsive transcription factor And included in the transcription factor of the present invention. Here, the stringent conditions are a sodium concentration of 25 to 500 mM, preferably 25 to 300 mM, and a temperature of 42 to 68 ° C., preferably 42 to 65 ° C. More specifically, 5 × SSC (83 mM NaCl, 83 mM sodium citrate), temperature 42 ° C.
本発明で単離した36種類の転写因子については以下のように分類することができる。
1)DREBファミリー:RAFL05-11-M11、RAFL06-11-K21、RAFL05-16-H23、RAFL08-16-D16
2)ERFファミリー:RAFL08-16-G17、RAFL06-08-H20
3)ジンクフィンガーファミリー:RAFL07-10-G04、RAFL04-17-D16、RAFL05-19-M20、RAFL08-11-M13、RAFL04-15-K19、RAFL05-11-L01、RAFL05-14-C11、RAFL05-19-G24、RAFL05-20-N02
4)WRKYファミリー:RAFL05-18-H12、RAFL05-19-E19、RAFL06-10-D22、RAFL06-12-M01
5)MYBファミリー:RAFL05-14-D24、RAFL05-20-N17、RAFL04-17-F21
6)bHLHファミリー:RAFL09-12-N16
7)NACファミリー:RAFL05-19-I05、RAFL05-21-I22、RAFL08-11-H20、RAFL05-21-C17、RAFL05-08-D06
8)ホメオドメインファミリー:RAFL05-20-M16、RAFL11-01-J18、RAFL11-09-C20
9)bZIPファミリー:RAFL05-18-N16、RAFL11-10-D10、RAFL04-17-N22、RAFL05-09-G15
なお、RAFL05-21-L12については上記1)〜9)に分類できない。
The 36 types of transcription factors isolated in the present invention can be classified as follows.
1) DREB family: RAFL05-11-M11, RAFL06-11-K21, RAFL05-16-H23, RAFL08-16-D16
2) ERF family: RAFL08-16-G17, RAFL06-08-H20
3) Zinc finger family: RAFL07-10-G04, RAFL04-17-D16, RAFL05-19-M20, RAFL08-11-M13, RAFL04-15-K19, RAFL05-11-L01, RAFL05-14-C11, RAFL05- 19-G24, RAFL05-20-N02
4) WRKY family: RAFL05-18-H12, RAFL05-19-E19, RAFL06-10-D22, RAFL06-12-M01
5) MYB family: RAFL05-14-D24, RAFL05-20-N17, RAFL04-17-F21
6) bHLH family: RAFL09-12-N16
7) NAC Family: RAFL05-19-I05, RAFL05-21-I22, RAFL08-11-H20, RAFL05-21-C17, RAFL05-08-D06
8) Homeodomain family: RAFL05-20-M16, RAFL11-01-J18, RAFL11-09-C20
9) bZIP family: RAFL05-18-N16, RAFL11-10-D10, RAFL04-17-N22, RAFL05-09-G15
RAFL05-21-L12 cannot be classified into the above 1) to 9).
一旦本発明の転写因子をコードする遺伝子の塩基配列が確定されると、その後は化学合成によって、又はクローニングされたプローブを鋳型としたPCRによって、あるいは該塩基配列を有するDNA断片をプローブとしてハイブリダイズさせることによって、本発明の転写因子をコードする遺伝子を得ることができる。さらに、部位特異的突然変異誘発法等によって本発明の転写因子をコードする遺伝子の変異型であって変異前の転写因子をコードする遺伝子と同等の機能を有するものを合成することもできる。 Once the base sequence of the gene encoding the transcription factor of the present invention has been determined, it is then hybridized by chemical synthesis, by PCR using the cloned probe as a template, or by using a DNA fragment having the base sequence as a probe. By doing so, a gene encoding the transcription factor of the present invention can be obtained. Furthermore, a mutant form of the gene encoding the transcription factor of the present invention having a function equivalent to that of the gene encoding the transcription factor before mutation can also be synthesized by site-directed mutagenesis.
なお、転写因子をコードする遺伝子の塩基配列に変異を導入するには、Kunkel法、Gapped duplex法等の公知の手法又はこれに準ずる方法を採用することができる。例えば部位特異的突然変異誘発法を利用した変異導入用キット(例えばMutant-K(TAKARA社製)やMutant-G(TAKARA社製))などを用いて、あるいは、TAKARA社のLA PCR in vitro Mutagenesis シリーズキットを用いて変異の導入が行われる。 In order to introduce a mutation into the base sequence of a gene encoding a transcription factor, a known method such as the Kunkel method or the Gapped duplex method or a method equivalent thereto can be employed. For example, using a mutagenesis kit (for example, Mutant-K (TAKARA) or Mutant-G (TAKARA)) using site-directed mutagenesis, or TAKARA LA PCR in vitro Mutagenesis Mutation is introduced using a series kit.
ここで、「環境ストレス」とは、一般には非生物的ストレスを意味し、例えば乾燥ストレス、低温ストレス、高塩濃度ストレス、強光ストレス等をいう。「乾燥」とは水分が欠乏した状態を意味し、「低温」とはそれぞれの生物種の生活至適温度よりも低い温度にさらされた状態(例えばシロイヌナズナの場合-20〜+21℃の温度を継続的に1時間〜数週間さらすことをいう。また、「高塩濃度」とは、50mM〜600mMの濃度のNaClを継続的に0.5時間〜数週間処理したときの状態を意味する。「強光ストレス」とは、光合成能を超える強光が植物に照射された状態を意味し、例えば5,000〜10,000Lx以上の光が照射した場合が該当する。これらの環境ストレスは、1種類のものを負荷してもよく、複数種類のものを負荷してもよい。 Here, “environmental stress” generally means abiotic stress, such as drought stress, low temperature stress, high salt concentration stress, intense light stress, and the like. “Dry” means a state deficient in moisture, and “low temperature” means a state exposed to a temperature lower than the optimum temperature of each species (for example, a temperature of -20 to + 21 ° C. in Arabidopsis thaliana). In addition, “high salt concentration” means a state in which NaCl at a concentration of 50 mM to 600 mM is continuously treated for 0.5 hour to several weeks. “Intense light stress” means a state in which a plant is irradiated with strong light exceeding the photosynthetic ability, and for example, it is applied when light of 5,000 to 10,000 Lx or more is applied. May be loaded, or a plurality of types may be loaded.
2.発現ベクターの構築
本発明の発現ベクターは、適当なベクターに本発明の転写因子をコードする遺伝子を連結(挿入)することにより得ることができる。本発明の転写因子をコードする遺伝子を挿入するためのベクターは、宿主中で複製可能なものであれば特に限定されず、例えばプラスミド、シャトルベクター、ヘルパープラスミドなどが挙げられる。
2. Construction of Expression Vector The expression vector of the present invention can be obtained by linking (inserting) a gene encoding the transcription factor of the present invention to an appropriate vector. The vector for inserting the gene encoding the transcription factor of the present invention is not particularly limited as long as it can replicate in the host, and examples thereof include plasmids, shuttle vectors, helper plasmids and the like.
プラスミド DNAとしては、大腸菌由来のプラスミド(例えばpBR322、pBR325、pUC118、pUC119、pUC18、pUC19、pBluescript等)、枯草菌由来のプラスミド(例えばpUB110、pTP5等)、酵母由来のプラスミド(例えばYEp13、YCp50等)などが挙げられ、ファージDNAとしてはλファージ(Charon4A、Charon21A、EMBL3、EMBL4、λgt10、λgt11、λZAP等)が挙げられる。さらに、レトロウイルス又はワクシニアウイルスなどの動物ウイルス、バキュロウイルスなどの昆虫ウイルスベクターを用いることもできる。 As plasmid DNA, plasmids derived from E. coli (eg, pBR322, pBR325, pUC118, pUC119, pUC18, pUC19, pBluescript, etc.), plasmids derived from Bacillus subtilis (eg, pUB110, pTP5, etc.), yeast-derived plasmids (eg, YEp13, YCp50, etc.) And λ phage (Charon4A, Charon21A, EMBL3, EMBL4, λgt10, λgt11, λZAP, etc.). Furthermore, animal viruses such as retrovirus or vaccinia virus, and insect virus vectors such as baculovirus can also be used.
ベクターに本発明の転写因子をコードする遺伝子を挿入するには、まず、精製されたDNAを適当な制限酵素で切断し、適当なベクター DNAの制限酵素部位又はマルチクローニングサイトに挿入してベクターに連結する方法などが採用される。 In order to insert a gene encoding the transcription factor of the present invention into a vector, first, the purified DNA is cleaved with an appropriate restriction enzyme and inserted into a restriction enzyme site or a multicloning site of an appropriate vector DNA. The method of connecting is adopted.
本発明の転写因子をコードする遺伝子は、その3'末端にレポーター遺伝子、例えば、植物で広く用いられているGUS遺伝子を連結して用いれば、GUS活性を調べることで当該遺伝子の発現の強さを容易に評価することができる。なお、レポーター遺伝子としては、GUS遺伝子以外にも、ルシフェラーゼ、グリーンフルオレセイントプロテインなども用いることができる。 When the gene encoding the transcription factor of the present invention is used by linking a reporter gene, for example, a GUS gene widely used in plants, to its 3 ′ end, the intensity of expression of the gene can be determined by examining GUS activity. Can be easily evaluated. In addition to the GUS gene, luciferase, green fluorescein protein, and the like can be used as the reporter gene.
3.形質転換体の作製
本発明の形質転換体は、本発明の発現ベクターを宿主中に導入することにより得ることができる。ここで、宿主としては、本発明の転写因子をコードする遺伝子を発現できるものであれば特に限定されるものではないが、植物が好ましい。宿主が植物である場合は、形質転換植物(トランスジェニック植物)は以下のようにして得ることができる。
3. Production of transformant The transformant of the present invention can be obtained by introducing the expression vector of the present invention into a host. Here, the host is not particularly limited as long as it can express the gene encoding the transcription factor of the present invention, but a plant is preferable. When the host is a plant, a transformed plant (transgenic plant) can be obtained as follows.
本発明において形質転換の対象となる植物は、植物体全体、植物器官(例えば葉、花弁、茎、根、種子等)、植物組織(例えば表皮、師部、柔組織、木部、維管束等)又は植物培養細胞のいずれをも意味するものである。形質転換に用いられる植物としては、アブラナ科、イネ科、ナス科、マメ科等に属する植物(下記参照)が挙げられるが、これらの植物に限定されるものではない。
アブラナ科:シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)
ナス科:タバコ(Nicotiana tabacum)
イネ科:トウモロコシ(Zea mays) 、イネ(Oryza sativa)
マメ科:ダイズ(Glycine max)
Plants to be transformed in the present invention include whole plants, plant organs (e.g. leaves, petals, stems, roots, seeds, etc.), plant tissues (e.g. epidermis, phloem, soft tissue, xylem, vascular bundles, etc.) ) Or plant cultured cells. Examples of plants used for transformation include plants belonging to the Brassicaceae, Gramineae, Solanum, Legumes, etc. (see below), but are not limited to these plants.
Brassicaceae: Arabidopsis thaliana
Solanum: Tobacco (Nicotiana tabacum)
Gramineae: maize (Zea mays), rice (Oryza sativa)
Legumes: Soybean (Glycine max)
上記組換えベクターは、通常の形質転換方法、例えば電気穿孔法(エレクトロポレーション法)、アグロバクテリウム法、パーティクルガン法、PEG法等によって植物中に導入することができる。 The recombinant vector can be introduced into a plant by a conventional transformation method such as electroporation (electroporation), Agrobacterium method, particle gun method, PEG method and the like.
例えばエレクトロポレーション法を用いる場合は、パルスコントローラーを備えたエレクトロポレーション装置により、電圧500〜1600V、25〜1000μF、20〜30msecの条件で処理し、遺伝子を宿主に導入する。 For example, when the electroporation method is used, the gene is introduced into the host by treatment with an electroporation apparatus equipped with a pulse controller under conditions of a voltage of 500 to 1600 V, 25 to 1000 μF, and 20 to 30 msec.
また、パーティクルガン法を用いる場合は、植物体、植物器官、植物組織自体をそのまま使用してもよく、切片を調製した後に使用してもよく、プロトプラストを調製して使用してもよい。このように調製した試料を遺伝子導入装置(例えばBio-Rad社のPDS-1000/He等)を用いて処理することができる。処理条件は植物又は試料により異なるが、通常は1000〜1800psi程度の圧力、5〜6cm程度の距離で行う。 When the particle gun method is used, a plant body, a plant organ, and a plant tissue itself may be used as they are, or may be used after preparing a section, or a protoplast may be prepared and used. The sample thus prepared can be processed using a gene introduction apparatus (for example, PDS-1000 / He manufactured by Bio-Rad). The treatment conditions vary depending on the plant or sample, but are usually performed at a pressure of about 1000-1800 psi and a distance of about 5-6 cm.
また、植物ウイルスをベクターとして利用することによって、目的遺伝子を植物体に導入することができる。利用可能な植物ウイルスとしては、例えば、カリフラワーモザイクウイルスが挙げられる。すなわち、まず、ウイルスゲノムを大腸菌由来のベクターなどに挿入して組換え体を調製した後、ウイルスのゲノム中に、これらの目的遺伝子を挿入する。このようにして修飾されたウイルスゲノムを制限酵素によって組換え体から切り出し、植物宿主に接種することによって、目的遺伝子を植物宿主に導入することができる。 Moreover, a target gene can be introduced into a plant body by using a plant virus as a vector. Examples of plant viruses that can be used include cauliflower mosaic virus. That is, first, a virus genome is inserted into a vector derived from E. coli to prepare a recombinant, and then these target genes are inserted into the virus genome. The gene of interest can be introduced into a plant host by excising the viral genome thus modified from the recombinant with a restriction enzyme and inoculating the plant host.
アグロバクテリウムのTiプラスミドを利用する方法においては、アグロバクテリウム(Agrobacterium)属に属する細菌が植物に感染すると、それが有するプラスミドDNAの一部を植物ゲノム中に移行させるという性質を利用して、目的遺伝子を植物宿主に導入する。アグロバクテリウム属に属する細菌のうちアグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)は、植物に感染してクラウンゴールと呼ばれる腫瘍を形成し、また、アグロバクテリウム・リゾゲネス(Agrobacteriumu rhizogenes)は、植物に感染して毛状根を発生させる。これらは、感染の際にTiプラスミド又はRiプラスミドと呼ばれる各々の細菌中に存在するプラスミド上のT-DNA領域(Transferred DNA)と呼ばれる領域が植物中に移行し、植物のゲノム中に組み込まれることに起因するものである。 In the method using the Agrobacterium Ti plasmid, when a bacterium belonging to the genus Agrobacterium infects a plant, it takes advantage of the property of transferring a part of the plasmid DNA that it has into the plant genome. The target gene is introduced into the plant host. Among the bacteria belonging to the genus Agrobacterium, Agrobacterium tumefaciens infects plants to form a tumor called crown gall, and Agrobacterium u rhizogenes infects plants. To generate hairy roots. These are because the region called T-DNA region (Transferred DNA) on the plasmid that is present in each bacterium called Ti plasmid or Ri plasmid at the time of infection is transferred into the plant and integrated into the genome of the plant. This is due to
Ti又はRiプラスミド上のT-DNA領域中に、植物ゲノム中に組み込みたいDNAを挿入しておけば、アグロバクテリウム属の細菌が植物宿主に感染する際に目的とするDNAを植物ゲノム中に組込むことができる。 If the DNA to be incorporated into the plant genome is inserted into the T-DNA region on the Ti or Ri plasmid, the target DNA is transferred into the plant genome when Agrobacterium bacteria infect the plant host. Can be incorporated.
形質転換の結果得られる腫瘍組織やシュート、毛状根などは、そのまま細胞培養、組織培養又は器官培養に用いることが可能であり、また従来知られている植物組織培養法を用い、適当な濃度の植物ホルモン(オーキシン、サイトカイニン、ジベレリン、アブシジン酸、エチレン、ブラシノライド等)の投与などにより植物体に再生させることができる。 Tumor tissue, shoots, hairy roots, and the like obtained as a result of transformation can be used as they are for cell culture, tissue culture or organ culture, and can be used at an appropriate concentration using a conventionally known plant tissue culture method. Of plant hormones (auxin, cytokinin, gibberellin, abscisic acid, ethylene, brassinolide, etc.).
本発明のベクターは、上記植物宿主に導入するのみならず、大腸菌(Escherichia coli)等のエッシェリヒア属、バチルス・ズブチリス(Bacillus subtilis)等のバチルス属、又はシュードモナス・プチダ(Pseudomonas putida)等のシュードモナス属に属する細菌、サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)、シゾサッカロミセス・ポンベ(Schizosaccharomyces pombe)等の酵母、COS細胞、CHO細胞等の動物細胞、あるいはSf9等の昆虫細胞などに導入して形質転換体を得ることもできる。大腸菌、酵母等の細菌を宿主とする場合は、本発明の組換えベクターが該細菌中で自律複製可能であると同時に、本発明の転写因子をコードする遺伝子、当該遺伝子の上流に位置するリボソーム結合配列及びプロモーター配列、当該遺伝子の下流に位置する転写終結配列により構成されていることが好ましい。 The vector of the present invention is not only introduced into the plant host, but also Escherichia such as Escherichia coli, Bacillus such as Bacillus subtilis, or Pseudomonas putida such as Pseudomonas putida. Transformants are introduced into yeasts such as Saccharomyces cerevisiae and Schizosaccharomyces pombe, animal cells such as COS cells and CHO cells, or insect cells such as Sf9. It can also be obtained. When a bacterium such as E. coli or yeast is used as a host, the recombinant vector of the present invention can autonomously replicate in the bacterium, and at the same time, a gene encoding the transcription factor of the present invention, a ribosome located upstream of the gene It is preferably composed of a binding sequence, a promoter sequence, and a transcription termination sequence located downstream of the gene.
細菌への組換えベクターの導入方法は、細菌にDNAを導入する方法であれば特に限定されるものではない。例えばカルシウムイオンを用いる方法、エレクトロポレーション法等が挙げられる。 The method for introducing a recombinant vector into bacteria is not particularly limited as long as it is a method for introducing DNA into bacteria. Examples thereof include a method using calcium ions and an electroporation method.
酵母を宿主とする場合は、例えばサッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)、シゾサッカロミセス・ポンベ(Schizosaccharomyces pombe)などが用いられる。酵母への組換えベクターの導入方法は、酵母にDNAを導入する方法であれば特に限定されず、例えばエレクトロポレーション法、スフェロプラスト法、酢酸リチウム法等が挙げられる。 When yeast is used as a host, for example, Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe and the like are used. The method for introducing a recombinant vector into yeast is not particularly limited as long as it is a method for introducing DNA into yeast. Examples thereof include an electroporation method, a spheroplast method, and a lithium acetate method.
動物細胞を宿主とする場合は、サル細胞COS-7、Vero、チャイニーズハムスター卵巣細胞(CHO細胞)、マウスL細胞などが用いられる。動物細胞への組換えベクターの導入方法としては、例えばエレクトロポレーション法、リン酸カルシウム法、リポフェクション法等が挙げられる。 When animal cells are used as hosts, monkey cells COS-7, Vero, Chinese hamster ovary cells (CHO cells), mouse L cells and the like are used. Examples of methods for introducing a recombinant vector into animal cells include an electroporation method, a calcium phosphate method, and a lipofection method.
昆虫細胞を宿主とする場合は、Sf9細胞などが用いられる。昆虫細胞への組換えベクターの導入方法としては、例えばリン酸カルシウム法、リポフェクション法、エレクトロポレーション法などが挙げられる。 When insect cells are used as hosts, Sf9 cells and the like are used. Examples of the method for introducing a recombinant vector into insect cells include the calcium phosphate method, lipofection method, electroporation method and the like.
遺伝子が宿主に組み込まれたか否かの確認は、PCR法、サザンハイブリダイゼーション法、ノーザンハイブリダイゼーション法等により行うことができる。例えば、形質転換体からDNAを調製し、DNA特異的プライマーを設計してPCRを行う。PCRは、前記プラスミドを調製するために使用した条件と同様の条件で行われる。その後は、増幅産物についてアガロースゲル電気泳動、ポリアクリルアミドゲル電気泳動又はキャピラリー電気泳動等を行い、臭化エチジウム、SYBR Green液等により染色し、そして増幅産物を1本のバンドとして検出することにより、形質転換されたことを確認する。また、予め蛍光色素等により標識したプライマーを用いてPCRを行い、増幅産物を検出することもできる。さらに、マイクロプレート等の固相に増幅産物を結合させ、蛍光又は酵素反応等により増幅産物を確認する方法も採用してもよい。 Whether or not the gene has been incorporated into the host can be confirmed by PCR, Southern hybridization, Northern hybridization or the like. For example, DNA is prepared from the transformant, PCR is performed by designing a DNA-specific primer. PCR is performed under the same conditions as those used for preparing the plasmid. Thereafter, the amplified product is subjected to agarose gel electrophoresis, polyacrylamide gel electrophoresis, capillary electrophoresis, etc., stained with ethidium bromide, SYBR Green solution, etc., and the amplified product is detected as a single band, Confirm that it has been transformed. Moreover, PCR can be performed using a primer previously labeled with a fluorescent dye or the like to detect an amplification product. Furthermore, a method of binding the amplification product to a solid phase such as a microplate and confirming the amplification product by fluorescence or enzyme reaction may be employed.
4.植物の製造
本発明においては、上記形質転換植物細胞等から形質転換植物体に再生することができる。再生方法としては、カルス状の形質転換細胞をホルモンの種類、濃度を変えた培地へ移して培養し、不定胚を形成させ、完全な植物体を得る方法が採用される。使用する培地としては、LS培地、MS培地などが例示される。
4). Manufacture of a plant In this invention, it can reproduce | regenerate to a transformed plant body from the said transformed plant cell. As a regeneration method, a method is employed in which callus-like transformed cells are transferred to a medium with different hormone types and concentrations and cultured to form somatic embryos to obtain complete plants. Examples of the medium to be used include LS medium and MS medium.
本発明の「植物体を製造する方法」は、上記環境ストレス応答性転写因子をコードする遺伝子を挿入した植物発現ベクターを宿主細胞に導入して形質転換植物細胞を得て、該形質転換植物細胞から形質転換植物体を再生し、得られた形質転換植物体から植物種子を得て、該植物種子から植物体を生産する工程を含む。 The “method for producing a plant body” of the present invention comprises introducing a plant expression vector into which a gene encoding the environmental stress responsive transcription factor is inserted into a host cell to obtain a transformed plant cell, and the transformed plant cell. From which the plant is regenerated, plant seeds are obtained from the obtained transformed plants, and the plant is produced from the plant seeds.
形質転換植物体から植物種子を得るには、例えば、形質転換植物体を発根培地から採取し、水を含んだ土を入れたポットに移植し、一定温度下で生育させて、花を形成させ、最終的に種子を形成させる。また、種子から植物体を生産するには、例えば、形質転換植物体上で形成された種子が成熟したところで、単離して、水を含んだ土に播種し、一定温度、照度下で生育させることにより、植物体を生産する。このようにして育種された植物は、導入された環境ストレス応答性転写因子をコードする遺伝子のストレス応答性に応じた環境ストレス耐性植物となる。 In order to obtain plant seeds from transformed plants, for example, the transformed plants are collected from the rooting medium, transplanted to pots containing water-containing soil, and grown at a constant temperature to form flowers. And finally seeds are formed. In order to produce a plant from seeds, for example, when the seed formed on the transformed plant has matured, it is isolated, sown in water-containing soil, and grown under constant temperature and illuminance. As a result, a plant body is produced. The plant bred in this way becomes an environmental stress resistant plant according to the stress responsiveness of the gene encoding the introduced environmental stress responsive transcription factor.
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明はこれら実施例にその技術的範囲が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 technical scope of the present invention is not limited to these examples.
〔実施例1〕 環境ストレス応答性転写因子をコードする遺伝子の単離
1.材料と方法
(1) Arabidopsis cDNAクローン
Arabidopsisの全長cDNAライブラリーから単離した遺伝子に加えて、RD(Responsive to Dehydration)遺伝子、ERD(Early Responsive to Dehydration)遺伝子、kin1遺伝子、kin2遺伝子、cor15a遺伝子、また内部標準としてλコントロール鋳型DNAをPCRで増幅した断片、さらにネガティブコントロールとしてマウスのニコチン酸アセチルコリンレセプターのエプシロンサブユニット(nAChRE)遺伝子及びマウスのグルココルチコイドレセプターの相同性遺伝子の計約7000個のcDNAをマイクロアレイ作成に用いた。
陽性対照:乾燥誘導遺伝子(脱水応答性:rd、及び初期脱水応答遺伝子:erd)
内部標準:λコントロール鋳型DNAをPCRで増幅した断片(TX803、宝酒造社製、以下「コントロール断片」と称する)
陰性対照:非特異的ハイブリダイゼーションを評価するためにArabidopsisのデータベースにある任意の配列とは実質的にホモロジーを有さないニコチン性アセチルコリン受容体εサブユニット(nAChRE)遺伝子及びマウスグルココルチコイド受容体ホモログ遺伝子
[Example 1] Isolation of a gene encoding an environmental stress responsive transcription factor Materials and methods
(1) Arabidopsis cDNA clone
In addition to genes isolated from the full-length cDNA library of Arabidopsis, RD (Responsive to Dehydration) gene, ERD (Early Responsive to Dehydration) gene, kin1 gene, kin2 gene, cor15a gene, and λ control template DNA as internal standard As a negative control, a total of about 7000 cDNAs of a mouse nicotinic acetylcholine receptor epsilon subunit (nAChRE) gene and a mouse glucocorticoid receptor homologous gene were used for microarray preparation.
Positive control: desiccation-inducible gene (dehydration responsiveness: rd and initial dehydration responsive gene: erd)
Internal standard: Fragment obtained by PCR amplification of λ control template DNA (TX803, manufactured by Takara Shuzo Co., Ltd., hereinafter referred to as “control fragment”)
Negative control: nicotinic acetylcholine receptor ε subunit (nAChRE) gene and mouse glucocorticoid receptor homolog that has virtually no homology to any sequence in the Arabidopsis database to assess non-specific hybridization gene
(2) Arabidopsis 全長cDNAマイクロアレイ
ビオチニル化CAPトラッパー法を用いて、本発明者はArabidopsisの植物体から、異なる条件(例えば、発芽から成熟種子までの種々の成長段階における乾燥処理、低温処理及び未処理)で全長cDNAライブラリーを構築した。全長cDNAライブラリーから、本発明者は、約7000個の独立したArabidopsis全長cDNAをそれぞれ単離した。公知の手法(Eisen and Brown, 1999)に従って、PCRで増幅したcDNA断片をスライドグラス上の整列させた。本発明者は、以下の遺伝子を含む約7000個のArabidopsisの全長cDNAを含有する全長cDNAマイクロアレイを調製した。
(2) Arabidopsis full-length cDNA microarray Using the biotinylated CAP trapper method, the present inventor was able to analyze Arabidopsis plants from different conditions (for example, dry treatment, low temperature treatment and untreatment at various growth stages from germination to mature seeds). ) To construct a full-length cDNA library. From the full-length cDNA library, the present inventors isolated about 7000 independent Arabidopsis full-length cDNAs, respectively. According to a known method (Eisen and Brown, 1999), cDNA fragments amplified by PCR were aligned on a slide glass. The inventor prepared a full-length cDNA microarray containing about 7000 Arabidopsis full-length cDNAs containing the following genes.
(3) cDNAマイクロアレイを用いた乾燥誘導性遺伝子、低温誘導性遺伝子及び高塩濃度誘導性遺伝子
本例では、約7000個のArabidopsisの全長cDNAを含有する全長cDNAマイクロアレイを用いて、乾燥誘導性遺伝子、低温誘導性遺伝子及び高塩濃度誘導性遺伝子を単離した。
(3) Dryness-inducible gene, low-temperature-inducible gene, and high salt concentration-inducible gene using cDNA microarray In this example, a dryness-inducible gene using a full-length cDNA microarray containing about 7000 full-length Arabidopsis cDNAs A low temperature inducible gene and a high salt concentration inducible gene were isolated.
上述した各種ストレスを受けた植物及びストレスを受けていない植物のCy3及びCy5蛍光標識プローブを混合し、約7000個のArabidopsisの全長cDNAを含有する全長cDNAマイクロアレイとハイブリダイズさせた。一方のmRNAサンプルをCy3-dUTPで標識し、他方のmRNAサンプルをCy5-dUTPで標識するcDNAプローブ対の二重標識によって、マイクロアレイ上のDNAエレメントへの同時ハイブリダイゼーションが可能となり、2種の異なる条件間(即ち、ストレス有り又はストレス無し)における遺伝子発現の直接的な定量測定が容易になる。ハイブリダイズさせたマイクロアレイを、各DNAエレメントからのCy3及びCy5発光について2つの別個のレーザーチャネルによって走査した。次いで、各DNAエレメントの2つの蛍光シグナルの強度比を相対値として測定し、マイクロアレイ上のcDNAスポットで表される遺伝子のディファレンシャル発現の変化を判定した。本実施例では、分析を行う2種の実験条件下で発現レベルがほぼ同等であるα-チューブリン遺伝子を内部対照遺伝子として使用した。
約7000個のArabidopsisの全長cDNAを含有する全長cDNAマイクロアレイにおける、乾燥誘導性遺伝子、低温誘導性遺伝子及び高塩濃度誘導性遺伝子の同定手順を示す。
Cy3 and Cy5 fluorescently labeled probes of the above-mentioned various stressed plants and non-stressed plants were mixed and hybridized with a full-length cDNA microarray containing about 7000 full-length Arabidopsis cDNAs. Double labeling of a pair of cDNA probes that label one mRNA sample with Cy3-dUTP and the other mRNA sample with Cy5-dUTP allows for simultaneous hybridization to DNA elements on the microarray. Direct quantitative measurement of gene expression between conditions (ie stressed or unstressed) is facilitated. The hybridized microarray was scanned by two separate laser channels for Cy3 and Cy5 emission from each DNA element. Subsequently, the intensity ratio of the two fluorescent signals of each DNA element was measured as a relative value, and the change in differential expression of the gene represented by the cDNA spot on the microarray was determined. In this example, an α-tubulin gene whose expression level was almost equivalent under the two experimental conditions to be analyzed was used as an internal control gene.
The identification procedure of a drought-inducible gene, a low-temperature-inducible gene and a high salt concentration-inducible gene in a full-length cDNA microarray containing about 7000 Arabidopsis full-length cDNAs is shown.
上述したストレスのうち1種類のストレスを負荷した植物由来のmRNA及びストレスを受けていない野生型植物由来のmRNAを、それぞれCy3-標識cDNAプローブ及びCy5-標識cDNAプローブの調製に使用した。これらのcDNAプローブを混合し、cDNAマイクロアレイとハイブリダイズさせた。本実施例では、2種の条件下で発現レベルがほぼ同等であるコントロール断片を内部対照遺伝子として使用した。発現比率(乾燥/ストレス無し、低温/ストレス無し、又は高塩濃度/ストレス無し)がコントロール断片の5倍を超える遺伝子を、負荷したストレスによって誘導される遺伝子とした。 Among the stresses described above, mRNA derived from a plant loaded with one kind of stress and mRNA derived from an unstressed wild type plant were used for the preparation of a Cy3-labeled cDNA probe and a Cy5-labeled cDNA probe, respectively. These cDNA probes were mixed and hybridized with a cDNA microarray. In this example, a control fragment having almost the same expression level under the two conditions was used as an internal control gene. Genes whose expression ratio (dry / no stress, low temperature / no stress, or high salt concentration / no stress) exceeds 5 times that of the control fragment were determined to be genes induced by the applied stress.
(4) 配列の解析
遺伝子配列のホモロジー検索をおこなうため、DNA抽出装置(model Biomek、ベックマンコールター社製)を用いて抽出しマルチスクリーン96穴フィルタープレート(ミリポア社製)を用いて精製したプラスミドDNAを配列解析に用いた。配列解析は、DNAシーケンサー(ABI PRISM 3700. PE Applied Biosystems, CA, USA)を用いてダイターミネーターサイクルシーケンス法により決定した。GenBank/EMBLデータベースをもとに、BLASTプログラムを用いて配列のホモロジー検索を行った。
(4) Sequence analysis Plasmid DNA extracted using a DNA extractor (model Biomek, manufactured by Beckman Coulter) and purified using a multi-screen 96-well filter plate (manufactured by Millipore) for homology search of gene sequences Was used for sequence analysis. The sequence analysis was determined by the dye terminator cycle sequencing method using a DNA sequencer (ABI PRISM 3700. PE Applied Biosystems, CA, USA). Based on the GenBank / EMBL database, sequence homology searches were performed using the BLAST program.
(5) cDNAの増幅
cDNAライブラリー作製用ベクターとして、λZAP及びλFLC-1を用いた。ライブラリー用のベクターに挿入されたcDNAを、cDNAの両側のベクターの配列と相補的なプライマーを用いてPCR法により増幅した。
プライマーの配列は以下の通りである。
FL forward 1224:5'-CGCCAGGGTTTTCCCAGTCACGA(配列番号73)
FL reverse 1233:5'-AGCGGATAACAATTTCACACAGGA(配列番号74)
(5) cDNA amplification
λZAP and λFLC-1 were used as cDNA library production vectors. The cDNA inserted into the library vector was amplified by PCR using primers complementary to the vector sequences on both sides of the cDNA.
Primer sequences are as follows.
FL forward 1224: 5'-CGCCAGGGTTTTCCCAGTCACGA (SEQ ID NO: 73)
FL reverse 1233: 5'-AGCGGATAACAATTTCACACAGGA (SEQ ID NO: 74)
100 μl のPCR混合液(0.25 mM dNTP,0.2 μM PCRプライマー,1 X Ex Taq バッファー,1.25 U Ex Taqポリメラーゼ (宝酒造製))に、テンプレートとしてプラスミド(1-2 ng)を加えた。PCRは、最初に94℃で3分反応させた後、続いて95℃で1分、60℃で30秒及び72℃で3分のサイクルを35サイクル、最後に72℃で3分の条件で行った。PCR産物をエタノール沈澱させた後、25μlの3 X SSCに溶かした。0.7%アガロースゲルを用いた電気泳動により、得られたDNAの質とPCRの増幅効率を確認した。 Plasmid (1-2 ng) was added as a template to 100 μl of PCR mixture (0.25 mM dNTP, 0.2 μM PCR primer, 1 × Ex Taq buffer, 1.25 U Ex Taq polymerase (Takara Shuzo)). PCR was first reacted at 94 ° C for 3 minutes, followed by 35 cycles of 95 ° C for 1 minute, 60 ° C for 30 seconds and 72 ° C for 3 minutes, and finally 72 ° C for 3 minutes. went. The PCR product was ethanol precipitated and then dissolved in 25 μl of 3 × SSC. The quality of the obtained DNA and the amplification efficiency of PCR were confirmed by electrophoresis using 0.7% agarose gel.
(6) cDNAマイクロアレイの作製
gene tipマイクロアレイスタンプマシンGTMASS SYSTEM(Nippon Laser & Electronics Lab.製)を使って、0.5μlのPCR産物(500-1000 ng/ml)を384穴のマイクロタイタープレートからロードし、48枚のマイクロスライドガラス(model Super Aldehyde substrate、Telechem International製)の上に300μmの間隔で0.5nlずつスポットした。スポット後のスライドを、相対湿度30%以下の雰囲気中で乾燥処理し、架橋反応のための紫外線照射に供した。
(6) Preparation of cDNA microarray
Using a gene tip microarray stamp machine GTMASS SYSTEM (Nippon Laser & Electronics Lab.), 0.5 μl of PCR product (500-1000 ng / ml) was loaded from a 384-well microtiter plate, and 48 microslide glasses 0.5 nl each was spotted on a model Super Aldehyde substrate (manufactured by Telechem International) at intervals of 300 μm. The slide after spotting was dried in an atmosphere with a relative humidity of 30% or less and subjected to ultraviolet irradiation for a crosslinking reaction.
その後、スライドを0.2%SDS中で2分間震盪する処理を3回行った後、蒸留水中で浸透する処理を2回行った。その後、スライドをスライドラックに置き、熱湯を入れたチャンバーにスライドラックを入れて2分間放置した。その後、ブロッキング溶液(1gのホウ化水素、300mlのPBS及び90mlの100%エタノールを含む)チャンバー注いだ。スライドラックを入れたガラスチャンバーを緩やかに振った後、0.2%SDSを含むチャンバーにスライドラックを移して1分間静かに震盪する処理を3回行った。その後、蒸留水を入れたガラスチャンバーにスライドラックを移して1分間緩やかに振った後、20分間遠心処理することによって乾燥させた。 Thereafter, the slide was shaken in 0.2% SDS for 2 minutes three times, and then treated to penetrate in distilled water twice. Thereafter, the slide was placed on a slide rack, and the slide rack was placed in a chamber containing hot water and left for 2 minutes. The blocking solution (containing 1 g borohydride, 300 ml PBS and 90 ml 100% ethanol) was then poured into the chamber. After gently shaking the glass chamber containing the slide rack, the slide rack was transferred to a chamber containing 0.2% SDS and gently shaken for 1 minute three times. Thereafter, the slide rack was transferred to a glass chamber containing distilled water, gently shaken for 1 minute, and then dried by centrifuging for 20 minutes.
(7) 植物材料とRNAの単離
植物材料として、寒天培地に播種して3週間栽培した(Yamaguchi-ShinozakiとShinozaki,1994)野生型及びカリフラワーモザイクウイルスの35SプロモーターにDREB1AのcDNA(Kasugaなど,1999)をつないで導入したシロイヌナズナ(コロンビア種)の植物体を用いた。乾燥及び低温ストレス処理はYamaguchi-ShinozakiとShinozaki(1994)の方法で行った。すなわち、寒天培地から引き抜いた植物体をろ紙上に置き,22℃,相対湿度60%の条件で乾燥処理をおこなった。22℃で栽培した植物体を4℃に移すことにより低温処理をおこなった。また、高塩濃度ストレス処理は、250mMのNaClを含む水溶液内で水耕することによりおこなった。
(7) Isolation of plant material and RNA Plant material was seeded on agar medium and cultivated for 3 weeks (Yamaguchi-Shinozaki and Shinozaki, 1994). The wild type and cauliflower mosaic virus 35S promoter contains DREB1A cDNA (Kasuga et al. 1999) was used to introduce Arabidopsis plants (Colombia). Drying and low-temperature stress treatments were performed by the method of Yamaguchi-Shinozaki and Shinozaki (1994). That is, the plant body extracted from the agar medium was placed on a filter paper and dried under conditions of 22 ° C. and a relative humidity of 60%. The plant grown at 22 ° C was transferred to 4 ° C for low temperature treatment. The high salt concentration stress treatment was carried out by hydroponics in an aqueous solution containing 250 mM NaCl.
野生型の植物体を2時間又は10時間のストレス処理にさらした後サンプリングし、液体窒素を用いて凍結保存した。また、カナマイシンを加えない寒天培地で栽培した野生型及びDREB1A過剰発現型形質転換体を、DREB1Aの標的遺伝子を同定するための実験に用いた。DREB1A過剰発現型形質転換体に対しては、ストレス処理を行わなかった。植物体から、ISOGEN(Nippon gene, Tokyo, Japan)を用いてトータルRNAを単離し、Oligotex-dT30 mRNA精製キット(Takara,Tokyo,Japan)を用いてmRNAを単離精製した。 Wild-type plants were subjected to stress treatment for 2 hours or 10 hours, sampled, and stored frozen using liquid nitrogen. In addition, wild-type and DREB1A overexpressing transformants cultivated on an agar medium not added with kanamycin were used in experiments for identifying a target gene of DREB1A. The DREB1A overexpression type transformant was not subjected to stress treatment. From the plant body, total RNA was isolated using ISOGEN (Nippon gene, Tokyo, Japan), and mRNA was isolated and purified using Oligotex-dT30 mRNA purification kit (Takara, Tokyo, Japan).
(8) プローブの蛍光標識
Cy3 dUTP又はCy5 dUTP(Amersham Pharmacia)の存在下でそれぞれのmRNAサンプルの逆転写を行った。具体的に逆転写反応は、内部標準として1ngのλポリA+RNA-A(TX802、宝酒造社製)を含む1μgの変性ポリ(A)+、50ng/μlの12〜18merオリゴdTプライマー(ライフテクノロジー社製)、それぞれ0.5mMのdATP、dGDP及びdCTP、0.2mMのdTTP、0.1mMのCy3 dUTP若しくはCy5 dUTP、100UのRnase阻害剤、10mMのDTT及び200UのSuperscript II逆転写酵素を含む1×Superscript first-strand buffer(50mM Tris-HCl, pH8.3, 75mM KCl, 3mM MgCl2, 20mM DTTを含有。ライフテクノロジー社製)中で全量20μlとして行った。
(8) Probe fluorescent labeling
Each mRNA sample was reverse transcribed in the presence of Cy3 dUTP or Cy5 dUTP (Amersham Pharmacia). Specifically, the reverse transcription reaction was performed using 1 μg of denatured poly (A) + containing 1 ng of λ poly A + RNA-A (TX802, Takara Shuzo) as an internal standard, 50 ng / μl of 12-18mer oligo dT primer (life Technology 1), each containing 0.5 mM dATP, dGDP and dCTP, 0.2 mM dTTP, 0.1 mM Cy3 dUTP or Cy5 dUTP, 100 U Rnase inhibitor, 10 mM DTT and 200 U Superscript II reverse transcriptase Superscript first-strand buffer was performed to a total volume of 20μl (50mM Tris-HCl, pH8.3 , 75mM KCl, the 3mM MgCl 2, 20mM DTT-containing. Life technologies, Inc.) in.
上記組成の反応溶液を42℃で35分間インキュベーションした後、200UのSuperscript II逆転写酵素を加え、更に42℃で35分間インキュベーションした。その後、反応溶液に0.5MのEDTAを5μl、1Nの水酸化ナトリウムを10μl及び20μLの蒸留水を添加することで、当該反応溶液における酵素反応を停止させるとともに鋳型を分解した。その後、反応溶液を65℃で1時間インキュベーションした。その後、反応溶液を1MのTris-HCl(pH7.5)で中和した。 The reaction solution having the above composition was incubated at 42 ° C. for 35 minutes, 200 U of Superscript II reverse transcriptase was added, and further incubated at 42 ° C. for 35 minutes. Thereafter, 5 μl of 0.5M EDTA, 10 μl of 1N sodium hydroxide and 20 μl of distilled water were added to the reaction solution to stop the enzymatic reaction in the reaction solution and to decompose the template. Thereafter, the reaction solution was incubated at 65 ° C. for 1 hour. Thereafter, the reaction solution was neutralized with 1M Tris-HCl (pH 7.5).
反応溶液をMicrocon 30 micro concentrator(アミコン社製)に移した。250μlのTEバッファーを加えてバッファー量が10μlになるまで遠心し、流出液を捨てる工程を4回繰り返した。反応溶液に含まれるプローブを遠心によって回収し数μlの蒸留水を加えた。得られたプローブに、5.1μlの20 X SSC、2μg/μlの酵母 tRNA、4.8μlの2%SDSを加えた。さらに、サンプルを100℃で2分間変成処理し、室温に5分間置いた後ハイブリダイゼーションに用いた。
The reaction solution was transferred to a
(9) マイクロアレイハイブリダイゼーション及びスキャニング
プローブをbenchtop micro centrifugeを用いて1分間の高速遠心にかけた。泡の発生を避けるために、プローブをアレイの中央に置きその上にカバースリップをかぶせた。スライドガラス上に5μlの3 X SSCを4滴落として、チェンバーを適度な湿度に保ち、ハイブリダイゼーション中のプローブの乾燥を防いだ。スライドガラスをハイブリダイゼーション用のカセット(THC-1,BM機器)に入れて密封した後、65℃で12〜16時間処理した。スライドガラスを取り出してスライドラックに置き、溶液1(2X SSC,0.03%SDS)中でカバースリップを慎重にはずした後ラックを振って洗浄し、ラックを溶液2(1X SSC)中に移して2分間洗浄した。さらにラックを溶液3(0.05X SSC)に移して2分間放置し、遠心(2500g, 1min)にかけて乾燥させた。
(9) Microarray hybridization and scanning The probe was subjected to high-speed centrifugation for 1 minute using a benchtop micro centrifuge. To avoid bubble formation, the probe was placed in the center of the array and a cover slip was placed over it. Four drops of 5 μl of 3 × SSC were placed on the glass slide to keep the chamber at an appropriate humidity to prevent the probe from drying out during hybridization. The slide glass was sealed in a hybridization cassette (THC-1, BM instrument), and then treated at 65 ° C. for 12 to 16 hours. Remove the glass slide and place it on a slide rack. Carefully remove the coverslip in Solution 1 (2X SSC, 0.03% SDS), wash the rack by shaking, and move the rack into Solution 2 (1X SSC). Washed for minutes. Further, the rack was transferred to Solution 3 (0.05X SSC), allowed to stand for 2 minutes, and dried by centrifugation (2500 g, 1 min).
走査レーザー顕微鏡(ScanArray4000; GSI Lumonics,Watertown,MA)を用いて1ピクセルあたり10μmの解像度でマイクロアレイをスキャンした。マイクロアレイのデータ解析用プログラムとして、QuantArrayバージョン2.0(GSI Lumonics)を用いた。バックグラウンドの蛍光は、陰性対照遺伝子(ニコチン性アセチルコリン受容体εサブユニット(nAChRE)遺伝子及びマウスグルココルチコイド受容体ホモログ遺伝子)の蛍光シグナルに基づいて算出した。蛍光シグナル値が1000未満(この値はバックグラウンドの蛍光シグナル値の2倍未満を意味する)のサンプルに関しては分析対象としなかった。遺伝子クラスタリング分析はGenespring(シリコンジェネティック社製)を用いて行った。 The microarray was scanned at a resolution of 10 μm per pixel using a scanning laser microscope (ScanArray4000; GSI Lumonics, Watertown, Mass.). QuantArray version 2.0 (GSI Lumonics) was used as a microarray data analysis program. Background fluorescence was calculated based on the fluorescence signals of the negative control genes (nicotinic acetylcholine receptor ε subunit (nAChRE) gene and mouse glucocorticoid receptor homolog gene). Samples with a fluorescence signal value of less than 1000 (this value means less than twice the background fluorescence signal value) were not analyzed. Gene clustering analysis was performed using Genespring (Silicon Genetics).
(10) ノーザン解析
トータルRNAを用いてノーザン解析を行った(Yamaguchi-ShinozakiとShinozaki,1994)。シロイヌナズナの全長cDNAライブラリーからPCR法によって単離したDNA断片をノーザンハイブリダイゼーションのプローブとして用いた。
(10) Northern analysis Northern analysis was performed using total RNA (Yamaguchi-Shinozaki and Shinozaki, 1994). A DNA fragment isolated by PCR from a full-length cDNA library of Arabidopsis thaliana was used as a probe for Northern hybridization.
(11) 転写因子をコードする遺伝子の決定
データベース(GenBank/EMBL, ABRC)のシロイヌナズナのゲノム情報をもとに、遺伝子解析用プログラムBLASTを用いて転写因子をコードする遺伝子を解析した。
(11) Determination of gene encoding transcription factor Based on the genome information of Arabidopsis thaliana in the database (GenBank / EMBL, ABRC), the gene encoding the transcription factor was analyzed using the gene analysis program BLAST.
2.結果
(1) ストレス誘導性遺伝子の同定
ストレスを受けていないシロイヌナズナ植物から単離したmRNAから、Cy5-dUTPの存在下で逆転写を行って蛍光標識cDNAを調製した。乾燥処理、低温処理(2時間)或いは高塩濃度処理を行った植物から、Cy3-dUTPで標識した第2のプローブを調製した。両プローブを約7000個のシロイヌナズナcDNAクローンを含むcDNAマイクロアレイへ同時にハイブリダイズさせた後、疑似カラー像を作製した。
2. result
(1) Identification of stress-inducible gene From mRNA isolated from an unstressed Arabidopsis plant, reverse transcription was carried out in the presence of Cy5-dUTP to prepare fluorescently labeled cDNA. A second probe labeled with Cy3-dUTP was prepared from a plant that had been subjected to a drying treatment, a low temperature treatment (2 hours), or a high salt concentration treatment. Both probes were simultaneously hybridized to a cDNA microarray containing about 7000 Arabidopsis cDNA clones, and a pseudo color image was prepared.
ストレスによって誘導された遺伝子及び抑制された遺伝子は、それぞれ赤色及び緑色のシグナルで表される。両方の処理においてほぼ同レベルで発現した遺伝子は、黄色のシグナルとなる。各スポットの強度は、各遺伝子の発現量の絶対値に相当する。低温誘導性遺伝子(rd29A)は赤色のシグナルでとなり、コントロール断片(内部対照)は黄色シグナルとなる。 Genes induced and repressed by stress are represented by red and green signals, respectively. Genes that are expressed at approximately the same level in both treatments give a yellow signal. The intensity of each spot corresponds to the absolute value of the expression level of each gene. The cold-inducible gene (rd29A) has a red signal and the control fragment (internal control) has a yellow signal.
マイクロアレイをスキャンした結果、乾燥処理によって特異的に誘導された277個の遺伝子を同定し、低温処理によって特異的に誘導された53個の遺伝子を同定し、高塩濃度処理によって特異的に誘導された194個の遺伝子を同定した。なお、コントロール断片の発現比と比較して5倍以上の発現比で誘導された遺伝子を、各種ストレスによって誘導された遺伝子とした。
As a result of scanning the microarray, 277 genes specifically induced by drying treatment were identified, 53 genes specifically induced by low-temperature treatment were identified, and specifically induced by high salt concentration treatment 194 genes were identified. In addition, the gene induced | guided | derived by the
データベースを用いた解析の結果、以下のファミリーに分類できる35種類の転写因子を同定することができた。なお、RAFL05-21-L12については以下のファミリーに分類することはできなかったが、核酸塩基配列をアミノ酸配列に変換したものをGenBank Databaseに登録されているアミノ酸配列Dataに対してblast Xサーチしたところ、既知の転写因子をコードするもの(heat shock transcription factor-like protein)とE-value:e-100のスコアで相同性を示したことから転写因子として同定することができた。すなわち、本実施例によって、36種類の転写因子を同定できた。
1)DREBファミリー:RAFL05-11-M11、RAFL06-11-K21、RAFL05-16-H23、RAFL08-16-D06
2)ERFファミリー:RAFL08-16-G17、RAFL06-08-H20
3)ジンクフィンガーファミリー:RAFL07-10-G04、RAFL04-17-D16、RAFL05-19-M20、RAFL08-11-M13、RAFL04-15-K19、RAFL05-11-L01、RAFL05-14-C11、RAFL05-19-G24、RAFL05-20-N02
4)WRKYファミリー:RAFL05-18-H12、RAFL05-19-E19、RAFL06-10-D22、RAFL06-12-M01
5)MYBファミリー:RAFL05-14-D24、RAFL05-20-N17、RAFL04-17-F21
6)bHLHファミリー:RAFL09-12-N16
7)NACファミリー:RAFL05-19-I05、RAFL05-21-I22、RAFL08-11-H20、RAFL05-21-C17、RAFL05-08-D06
8)ホメオドメインファミリー:RAFL05-20-M16、RAFL11-01-J18、RAFL11-09-C20
9)bZIPファミリー:RAFL05-18-N16、RAFL11-10-D10、RAFL04-17-N22、RAFL05-09-G15
As a result of analysis using a database, 35 types of transcription factors that can be classified into the following families were identified. RAFL05-21-L12 could not be classified into the following families, but a blast X search was performed on the amino acid sequence data registered in the GenBank Database for the nucleobase sequence converted to the amino acid sequence. However, it was identified as a transcription factor because it showed homology with a score of a known transcription factor (heat shock transcription factor-like protein) and E-value: e- 100 . That is, according to the present example, 36 types of transcription factors could be identified.
1) DREB family: RAFL05-11-M11, RAFL06-11-K21, RAFL05-16-H23, RAFL08-16-D06
2) ERF family: RAFL08-16-G17, RAFL06-08-H20
3) Zinc finger family: RAFL07-10-G04, RAFL04-17-D16, RAFL05-19-M20, RAFL08-11-M13, RAFL04-15-K19, RAFL05-11-L01, RAFL05-14-C11, RAFL05- 19-G24, RAFL05-20-N02
4) WRKY family: RAFL05-18-H12, RAFL05-19-E19, RAFL06-10-D22, RAFL06-12-M01
5) MYB family: RAFL05-14-D24, RAFL05-20-N17, RAFL04-17-F21
6) bHLH family: RAFL09-12-N16
7) NAC Family: RAFL05-19-I05, RAFL05-21-I22, RAFL08-11-H20, RAFL05-21-C17, RAFL05-08-D06
8) Homeodomain family: RAFL05-20-M16, RAFL11-01-J18, RAFL11-09-C20
9) bZIP family: RAFL05-18-N16, RAFL11-10-D10, RAFL04-17-N22, RAFL05-09-G15
(2) 各種ストレス処理時間と発現比率との関係
上述したように単離された36種類の各種ストレス応答性転写因子をコードする遺伝子について、以下のように、各種ストレス処理時間と発現比率との関係を検討した結果を図1〜図57に示す。図1〜図57で示す遺伝子名とストレス処理との対応を表2に示した。
(2) Relationship between various stress treatment times and expression ratios For the genes encoding 36 types of stress-responsive transcription factors isolated as described above, the relationship between various stress treatment times and expression ratios is as follows. The results of studying the relationship are shown in FIGS. Table 2 shows the correspondence between the gene names shown in FIGS.
図1〜図57において、縦軸は遺伝子の発現比率を示しており、以下のように算出される。なお、下記式においてFIは、蛍光強度を示す。
発現比率=[(ストレス負荷条件での各cDNAのFI)/(ストレスを負荷しない条件での各cDNAのFI)]÷[(ストレス負荷条件でのコントロール断片のFI)/(ストレスを負荷しない条件でのコントロール断片のFI)]
1 to 57, the vertical axis represents the gene expression ratio, which is calculated as follows. In the following formula, FI represents fluorescence intensity.
Expression ratio = [(FI of each cDNA under stress load condition) / (FI of each cDNA under no stress condition)] ÷ [(FI of control fragment under stress load condition) / (Condition without stress application) Control fragment in FI)]
これら図1〜図57に示すように、本方法により単離されたストレス応答性転写因子をコードする遺伝子は、それぞれ異なるプロファイルであるが、各種ストレスの付加により発現誘導されていることが判る。 As shown in FIGS. 1 to 57, the genes encoding the stress-responsive transcription factors isolated by this method have different profiles, but it can be seen that expression is induced by the addition of various stresses.
配列番号73及び74は合成プライマーである。 SEQ ID NOs: 73 and 74 are synthetic primers.
Claims (8)
(a)配列番号8のアミノ酸配列
(b)配列番号8のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、乾燥ストレスに応答性を示し、かつ転写因子活性を有するアミノ酸配列 A gene encoding a drought stress responsive transcription factor comprising the following amino acid sequence (a) or (b):
(a) the amino acid sequence of SEQ ID NO: 8
(b) An amino acid sequence consisting of an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 8, which is responsive to drought stress and has transcription factor activity
(a)配列番号7の塩基配列からなるDNA
(b)配列番号7の塩基配列において1若しくは数個の塩基が欠失、置換若しくは付加された塩基配列からなり、乾燥ストレス応答性転写因子をコードするDNA
(c)配列番号7の塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ乾燥ストレス応答性転写因子をコードするDNA The gene according to claim 1, comprising the following DNA (a), (b) or (c):
(a) DNA consisting of the base sequence of SEQ ID NO: 7
(b) DNA comprising a nucleotide sequence in which one or several bases are deleted, substituted or added in the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 7, and encoding a drought stress responsive transcription factor
(c) DNA that hybridizes with a DNA comprising the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 7 under stringent conditions and encodes a drought stress responsive transcription factor
(a)配列番号10のアミノ酸配列
(b)配列番号10のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、乾燥ストレスに応答性を示し、かつ転写因子活性を有するアミノ酸配列 A gene encoding a drought stress responsive transcription factor comprising the following amino acid sequence (a) or (b):
(a) the amino acid sequence of SEQ ID NO: 10
(b) an amino acid sequence consisting of an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 10, which is responsive to drought stress and has transcription factor activity
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