JP2007151435A - Transformed plant having high starch-accumulating ability and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、デンプン集積能力の高い形質転換植物およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a transformed plant having a high starch accumulation ability and a method for producing the same.
近年、地球温暖化など地球規模での自然環境の悪化が大きな問題になっている。我が国においてもすでに環境ストレスがイネなどの重要作物の生長・生理、特に炭水化物代謝に大きな影響を及ぼし、減収や品質劣化を引き起こしていることが知られている。
光合成産物のデンプンへの集積は、植物のみならず地球上のすべての生命にとって最も重要なエネルギー蓄積過程である。このデンプンへの集積は、光合成機能を有する葉緑体が分化したアミロプラストにより行われていることから、環境ストレス耐性の作物を育種するためにこの葉緑体・アミロプラスト(プラスチド)の機能改変法の研究が行われている。プラスチドの分化・機能発現は、このオルガネラ自身がもつ遺伝子と細胞核のゲノムにコードされた遺伝子によって統御されている。プラスチドの機能改変法としては、これまでに大きく分けて2つの方法が知られている。1つは、プラスチドに遺伝子を直接導入する方法であり、もう1つは、トランジットペプチドと呼ばれている葉緑体移行シグナル遺伝子を葉緑体に導入したい機能タンパク質遺伝子に融合し、それを細胞核ゲノムに導入する方法である。導入された遺伝子は細胞質で翻訳され、トランジットペプチドによりプラスチドへ輸送・局在化される。しかしながら、前者の方法では植物全体のプラスチドを改変することは困難であり、また、後者の方法では細胞質で組換えタンパク質が翻訳されるため、細胞にとって負担になり得るといった問題があった。
ところで、α−アミラーゼ(EC 3.2.1.1)は、デンプンの加水分解酵素であり、胚盤組織及びアリューロン層からデンプン貯蔵組織である胚乳に分泌され、そしてデンプン顆粒を分解し、発芽及び伸長生長に必要な炭素源並びにエネルギー源を供給するという重要な働きをする。イネα−アミラーゼ遺伝子は少なくとも11種類存在していることが明らかになっているが、なかでも典型的なN−結合型糖鎖を有するα−アミラーゼI−1(AmyI−1)は発芽イネ種子における胚乳貯蔵デンプンの分解に重要な役割を果たしていることが報告されている(非特許文献1および2)。
The accumulation of photosynthetic products in starch is the most important energy storage process not only for plants but for all life on earth. This accumulation in starch is carried out by amyloplasts with differentiated chloroplasts that have photosynthetic functions. Therefore, in order to breed environmental stress-resistant crops, this chloroplast / amyloplast (plastid) function modification method is used. Research is underway. The differentiation and functional expression of plastids is governed by the genes of this organelle itself and the genes encoded in the genome of the cell nucleus. As a method for modifying the function of plastids, two methods have been known. One is a method of directly introducing a gene into a plastid, and the other is a method in which a chloroplast transition signal gene called a transit peptide is fused to a functional protein gene to be introduced into a chloroplast, and then the cell nucleus. It is a method of introducing into the genome. The introduced gene is translated in the cytoplasm and transported and localized to plastids by transit peptides. However, with the former method, it is difficult to modify the plastids of the whole plant, and with the latter method, the recombinant protein is translated in the cytoplasm, which may cause a burden on the cells.
By the way, α-amylase (EC 3.2.1.1) is a starch hydrolyzing enzyme, secreted from the scutellum tissue and the aleurone layer to the endosperm which is the starch storage tissue, and decomposes the starch granules to germinate And it plays an important role of supplying the carbon source and energy source necessary for growth growth. It has been clarified that there are at least 11 kinds of rice α-amylase genes. Among them, α-amylase I-1 (AmyI-1) having a typical N-linked sugar chain is a germinated rice seed. Has been reported to play an important role in the degradation of endosperm storage starches (Non-patent Documents 1 and 2).
しかしながら、イネα−アミラーゼの葉緑体・アミロプラスト(プラスチド)へのターゲティング機構及び遺伝的なシステムの詳細についてはほとんど知られていない。葉緑体・アミロプラストの光合成能やデンプン集積能の高い作物を育種することは、植物のみならず地球上のすべての生命にとって最も重要なエネルギー蓄積を行う上で重要な役割を果たすものとして、各方面から研究が進められ、その成果が期待されている。 However, little is known about the details of the targeting mechanism and genetic system for chloroplasts and amyloplasts (plastids) of rice α-amylase. Breeding crops with high chloroplast / amyloplast photosynthetic and starch accumulation ability plays an important role in accumulating the most important energy not only for plants but also for all life on earth. Research is progressing from the direction, and the results are expected.
そこで、本発明は、以上の背景の下なされたものであって、深刻化する環境ストレスに適応し、劣悪な環境下においても効率的にデンプン・エネルギー集積能力の高い植物およびその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made under the background described above, and provides a plant that adapts to a severe environmental stress and has a high starch energy accumulation ability efficiently even in a poor environment, and a method for producing the same. The purpose is to do.
本発明者らは以上の課題に鑑み、穀類細胞において核ゲノムにコードされている酵素タンパク質のプラスチドへのターゲティング機構を検討し、プラスチド構成タンパク質のターゲティング機構の存在を明らかにした(図1参照)。具体的には、イネα−アミラーゼI−1のプラスチドへのターゲティングは、小胞体からゴルジ体への輸送に関わるAtArf1やAtSar1のドミナントネガティブ変異体により阻害されたことから、小胞体からゴルジ体への輸送が不可欠であることを明らかにした。すなわち、小胞体−ゴルジ体系を介したプラスチドへの輸送・局在化は、トランジットペプチド非依存性プラスチド局在であり、プラスチド包膜に存在するタンパク透過チャンネルに適合しないタンパクのプラスチド輸送・局在化を行うことができる可能性がある。また、プラスチド局在化に関わる典型的なトランジットペプチドを有しないα−アミラーゼI−1(AmyI−1)がイネ緑葉細胞の葉緑体と細胞壁区画に局在することを見出した。 In view of the above problems, the present inventors have examined the targeting mechanism of enzyme proteins encoded by the nuclear genome in cereal cells to plastids and clarified the existence of the targeting mechanism of plastid constituent proteins (see FIG. 1). . Specifically, the targeting of rice α-amylase I-1 to plastids was inhibited by AtArf1 involved in the transport from the endoplasmic reticulum to the Golgi apparatus or the dominant negative mutant of AtSar1, and therefore, from the endoplasmic reticulum to the Golgi apparatus. Clarified that the transportation of is indispensable. That is, plastid transport / localization via the endoplasmic reticulum-Golgi system is transit peptide-independent plastid localization, and plastid transport / localization of proteins that are not compatible with protein permeation channels in the plastid envelope May be possible. Moreover, it discovered that (alpha) -amylase I-1 (AmyI-1) which does not have the typical transit peptide in connection with plastid localization localizes to the chloroplast and cell wall compartment of a rice green leaf cell.
また、イネα−アミラーゼは分泌型酵素として知られているものであったが、イネα−アミラーゼの発現抑制および過剰発現する形質転換イネ植物を解析した結果、緑葉など生細胞中のデンプン分解にα−アミラーゼが関与することを見出した。さらに、α−アミラーゼI−1の発現抑制および過剰発現体イネ植物を用いて、生組織細胞におけるデンプン集積に及ぼすα−アミラーゼI−1の役割を調べたところ、α−アミラーゼI−1発現抑制イネ系統においてはα−アミラーゼI−1発現がほぼ完全に押さえられ、野生型に比べて葉組織において顕著なデンプン蓄積の増加が見られた。 In addition, rice α-amylase was known as a secretory enzyme, but as a result of analyzing the rice rice α-amylase suppressed expression and overexpressing transformed rice plant, It has been found that α-amylase is involved. Furthermore, the role of α-amylase I-1 on starch accumulation in living tissue cells was examined using α-amylase I-1 expression-suppressed and overexpressed rice plants. In rice lines, α-amylase I-1 expression was almost completely suppressed, and a marked increase in starch accumulation was observed in the leaf tissue compared to the wild type.
本発明は以上の研究成果及び知見に基づいて完成されたものであって、以下の各構成を提供する。 The present invention has been completed based on the above research results and knowledge, and provides the following components.
本発明における請求項1記載のポリペプチドは、以下の(a)又は(b)記載のアミノ酸配列からなることを特徴とする。
(a)配列番号1に示されるアミノ酸配列からなるポリペプチド。
(b)配列番号1に記載のアミノ酸配列において、1個又はそれ以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつプラスチドへのターゲティング作用を有するポリペプチド。
The polypeptide according to claim 1 of the present invention is characterized by comprising the following amino acid sequence (a) or (b).
(A) A polypeptide consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1.
(B) A polypeptide comprising an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted, and / or added in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 and having a targeting effect on plastids.
本発明における請求項2記載の遺伝子は、請求項1記載のポリペプチドをコードすることを特徴とする。 The gene according to claim 2 of the present invention encodes the polypeptide according to claim 1.
本発明における請求項3記載のポリペプチドは、以下の(c)又は(d)記載のアミノ酸配列からなることを特徴とする。
(c)配列番号2に示されるアミノ酸配列からなるポリペプチド。
(d)配列番号2に記載のアミノ酸配列において、1個又はそれ以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ小胞体膜透過作用を有するポリペプチド。
The polypeptide according to claim 3 in the present invention is characterized by comprising the following amino acid sequence (c) or (d).
(C) A polypeptide having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2.
(D) A polypeptide comprising an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted, and / or added in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2, and having an endoplasmic reticulum membrane permeation effect.
本発明における請求項4記載の遺伝子は、請求項3記載のポリペプチドをコードすることを特徴とする。 The gene according to claim 4 in the present invention encodes the polypeptide according to claim 3.
本発明における請求項5記載のベクターは、請求項2記載の遺伝子を含むことを特徴とする。 The vector according to claim 5 of the present invention comprises the gene according to claim 2.
本発明における請求項6記載のベクターは、請求項2及び4記載の遺伝子を含むことを特徴とする。 The vector according to claim 6 of the present invention comprises the gene according to claims 2 and 4.
本発明における請求項7記載の形質転換植物は、請求項2記載の遺伝子が導入されたことを特徴とする。 The transformed plant according to claim 7 of the present invention is characterized in that the gene according to claim 2 is introduced.
本発明における請求項8記載の形質転換植物は、請求項2及び4記載の遺伝子が導入されたことを特徴とする。 The transformed plant according to claim 8 of the present invention is characterized in that the gene according to claims 2 and 4 is introduced.
本発明における請求項9記載の形質転換植物は、請求項7又は8において、前記形質転換植物が単子葉植物であることを特徴とする。 The transformed plant according to claim 9 of the present invention is characterized in that, in claim 7 or 8, the transformed plant is a monocotyledonous plant.
本発明における請求項10記載の形質転換植物は、請求項5又は6記載のベクターを単子葉植物由来のカルスに導入し、前記カルスを増殖させた後に、前記カルスから植物体を再分化させて得られることを特徴とする。 In the transformed plant according to claim 10 of the present invention, the vector according to claim 5 or 6 is introduced into a callus derived from a monocotyledonous plant, and after the callus is propagated, the plant body is redifferentiated from the callus. It is characterized by being obtained.
本発明における請求項11記載の形質転換植物の製造方法は、請求項5又は6記載のベクターを単子葉植物由来のカルスにアグロバクテリウムを用いて導入し、前記カルスを増殖させた後に、前記カルスから植物体を再分化させることを特徴とする。 In the method for producing a transformed plant according to claim 11 of the present invention, the vector according to claim 5 or 6 is introduced into a callus derived from a monocotyledonous plant using Agrobacterium, and the callus is proliferated. The plant body is redifferentiated from callus.
本発明によれば、今後さらに深刻化する環境ストレスに適応し、劣悪な環境下において効率的にデンプンを集積可能な形質転換植物の作出が可能となる。また、プラスチドの光合成能やデンプン集積能を高め、カーボンニュートラルな工業用素材であるデンプンの供給を増大させることができる。また、植物デンプンは人類にとって極めて重要な栄養素であり、デンプン粒の構造を改変することによってデンプン利用用途の拡大を図ることができ、生分解性樹脂など工業生産における有用素材である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to produce the transformed plant which adapts to the environmental stress which will become more serious from now on, and can accumulate starch efficiently in a bad environment. Moreover, the photosynthetic ability and starch accumulation ability of plastids can be enhanced, and the supply of starch, which is a carbon neutral industrial material, can be increased. Moreover, plant starch is a very important nutrient for human beings, and it is possible to expand the use of starch by modifying the structure of starch granules, and is a useful material in industrial production such as biodegradable resins.
(ベクター)
本発明において、遺伝子を植物へ導入する際に使用されるベクターとしては、導入遺伝子をターゲット細胞(宿主細胞)に導入することができ、且つターゲット細胞内で導入遺伝子を発現させることができるものであれば特に限定されず、目的に応じて適当なベクター(プラスミド、バクテリオファージ、ウイルスなど)が利用される。数多くのベクターが市販されており、本発明ではそれらの中から目的に応じて適切なものを選択して用いることができる。また、本発明のベクターの作成方法としては、特に限定されず、当業者に周知のいかなる方法を用いてもよい。
(vector)
In the present invention, as a vector used for introducing a gene into a plant, a transgene can be introduced into a target cell (host cell) and the transgene can be expressed in the target cell. If it is, it will not specifically limit, According to the objective, a suitable vector (a plasmid, a bacteriophage, a virus, etc.) will be utilized. Many vectors are commercially available, and in the present invention, an appropriate one can be selected and used according to the purpose. The method for producing the vector of the present invention is not particularly limited, and any method known to those skilled in the art may be used.
本発明において、好ましいプラスチド輸送・局在化コンストラクトの例を図2に示す。図2に記載のAmyI−1SBとは、α−アミラーゼI−1の301〜369のペプチド領域(配列番号1)を示し、プラスチドターゲティングに必要不可欠なものである。一般に、特定の機能を有するアミノ酸の一部に改変を施した場合においてもその機能が維持されることがある。このことを考慮して、AmyI−1SBのポリペプチドは、以下の(a)又は(b)記載のアミノ酸配列からなることを特徴とする:(a)配列番号1に示されるアミノ酸配列からなるポリペプチド;(b)配列番号1に記載のアミノ酸配列において、1個又はそれ以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつプラスチドへのターゲティング作用を有するポリペプチド。
また、SPとは、ER膜透過シグナルペプチドを示し、例えばAmyI−1SP(配列番号2)が挙げられるがこれに限定されるものではなく、他の植物分泌タンパク質のSPを用いてもよい。また、AmyI−1SPのポリペプチドは、以下の(c)又は(d)記載のアミノ酸配列からなることを特徴とする:(c)配列番号2に示されるアミノ酸配列からなるポリペプチド;(d)配列番号2に記載のアミノ酸配列において、1個又はそれ以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ小胞体膜透過作用を有するポリペプチド。なお、機能タンパク質はAmyI−1SBのN末端側又はC末端側の何れに挿入してもよい。
An example of a preferred plastid transport / localization construct in the present invention is shown in FIG. AmyI-1SB shown in FIG. 2 indicates the peptide region (SEQ ID NO: 1) of 301-369 of α-amylase I-1, and is essential for plastid targeting. In general, even when a part of an amino acid having a specific function is modified, the function may be maintained. In view of this, the AmyI-1SB polypeptide is characterized by comprising the amino acid sequence described in the following (a) or (b): (a) a polypeptide comprising the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1 A peptide; (b) a polypeptide comprising an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted, and / or added in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 and having a targeting effect on plastids; peptide.
Moreover, SP shows ER membrane permeation | transduction signal peptide, for example, AmyI-1SP (sequence number 2) is mentioned, However, It is not limited to this, You may use SP of other plant secretion protein. The AmyI-1SP polypeptide is characterized by comprising the following amino acid sequence (c) or (d): (c) a polypeptide comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2; (d) A polypeptide comprising an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2, and having an endoplasmic reticulum membrane permeation effect. The functional protein may be inserted either on the N-terminal side or on the C-terminal side of AmyI-1SB.
(形質転換方法)
植物へのベクターの導入には、ポリエチレングリコール法、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を介する方法、パーティクルガン法など、当業者に公知の種々の方法を用いることができる。それぞれの方法に適したベクターの調製、形質転換植物細胞からの植物体の再生は、植物細胞の種類に応じて当業者に公知の方法で行うことが可能である。
(Transformation method)
For introducing a vector into a plant, various methods known to those skilled in the art such as polyethylene glycol method, electroporation method (electroporation method), Agrobacterium-mediated method, particle gun method and the like can be used. Preparation of a vector suitable for each method and regeneration of a plant from transformed plant cells can be performed by methods known to those skilled in the art depending on the type of plant cell.
(ターゲット植物)
本発明においてターゲットとする植物は、単子葉植物である。単子葉植物としては、例えばイネ科(イネ属、コムギ属、オオムギ類、ライムギ類、ハトムギ属、トウモロコシ属、サトウキビ属等)、ユリ科(ネギ属、ニンニク属等)などが挙げられる。
(Target plant)
The target plant in the present invention is a monocotyledonous plant. Examples of monocotyledonous plants include Gramineae (genus Gramineae, Wheat genus, Barley, Rye, Gramineae, Corn genus, Sugar cane genus), Lily family (eggaceae, garlic genus, etc.).
以下に本発明の実施例によって、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら制限されるものではない。 The present invention will be described in detail below with reference to examples of the present invention, but the present invention is not limited to these examples.
以下の実施例1〜3において使用される生物学的材料、試薬実験方法は次の通りである。 The biological materials and reagents used in the following Examples 1 to 3 are as follows.
(供試植物)
形質転換に供試される植物(ターゲット植物)として、タマネギ(Allium cepa)表皮細胞を、0.6%のゲルライトを加えた2,4−DフリーのMS培地上にて25℃暗所で培養後、使用した。
(Test plant)
Onion (Allium cepa) epidermal cells were cultured as a plant to be used for transformation (target plant) on a 2,4-D-free MS medium supplemented with 0.6% gellite in the dark at 25 ° C. Later used.
(プラスミドコンストラクト)
全RNAを、発芽6日目のイネ種子の胚盤組織から単離した。そのcDNAライブラリーをpBluescriptIISK(+/−)(タカラバイオ社)を用いて製造者のプロトコールに従って作成した。cDNAライブラリーを、α−アミラーゼII−3(RAmy3E),II−5(RAmy3B),及びII−6(RAmy3C)の特定のプローブを用いて選別した(Sheu, J.-J., Yu, T.-S., Tong, W.-F., Yu, S.-M. (1996) Carbohydrate starvation stimulates differential expression of rice a-amylase genes that is modulated through complicated transcriptional and posttranscriptional processes. J. Biol. Chem. 271: 26998-27004.)。得られた完全長cDNA(AmyII−3,AmyII−5,及びAmyII−6と称す)を、pBluescript SK(+・−)にクローニングし、pAmyII−3,pAmyII−5,及びpAmyII−6を作成した(図3)。pAmyI−1とpAmyII−4は、Asatsuma S, Sawada C, Itoh K, Okito M, Kitajima A, Mitsui T (2005) Involvement of α-amylase I-1 in starch degradation in rice chloroplasts. Plant & Cell Physiology 46: 858-869に記載の方法に従って作成した。(図4)。
(Plasmid construct)
Total RNA was isolated from scutellum tissue of rice seeds on day 6 of germination. The cDNA library was prepared using pBluescriptIISK (+/−) (Takara Bio Inc.) according to the manufacturer's protocol. The cDNA library was selected using specific probes of α-amylase II-3 (RAmy3E), II-5 (RAmy3B), and II-6 (RAmy3C) (Sheu, J.-J., Yu, T .-S., Tong, W.-F., Yu, S.-M. (1996) Carbohydrate starvation stimulates differential expression of rice a-amylase genes that is modulated through complicated transcriptional and posttranscriptional processes.J. Biol. Chem. 271: 26998-27004.) The resulting full-length cDNAs (referred to as AmyII-3, AmyII-5, and AmyII-6) were cloned into pBluescript SK (+ • −) to create pAmyII-3, pAmyII-5, and pAmyII-6. (Figure 3). pAmyI-1 and pAmyII-4 are Asatsuma S, Sawada C, Itoh K, Okito M, Kitajima A, Mitsui T (2005) Involvement of α-amylase I-1 in starch degradation in rice chloroplasts. Plant & Cell Physiology 46: Prepared according to the method described in 858-869. (FIG. 4).
完全長のα−アミラーゼI−1cDNAと種々のC末端が一部切断させたフラグメントを、鋳型DNAとしてpAmyI−1とプライマー配列セット(表1)を用いてPCRによって増幅した。 Full-length α-amylase I-1 cDNA and various fragments partially cleaved at the C-terminus were amplified by PCR using pAmyI-1 and a primer sequence set (Table 1) as template DNA.
完全長α-アミラーゼII−3,II−4,II−5,II−6cDNA、およびそれらのN−端末シグナル配列領域を、鋳型DNAとしてpAmyII−3,pAmyII−4,pAmyII−5及びpAmyII−6と,プライマー配列セット(表2)を用いてPCRによって増幅した。 Full-length α-amylase II-3, II-4, II-5, II-6 cDNA, and their N-terminal signal sequence regions were used as template DNAs for pAmyII-3, pAmyII-4, pAmyII-5 and pAmyII-6. And it amplified by PCR using a primer sequence set (Table 2).
BamHI PCR増幅フラグメントをpGFPのBamHI部位に挿入し、pAmyI−1−GFP、pAmyI−1(SP)−GFP、pAmyI−1(Δ101−428)−GFP、pAmyI−1(Δ201−428)−GFP、pAmyI−1(Δ301−428)−GFP、pAmyI−1(Δ370−428)−GFP、pAmyII−3−GFP、pAmyII−3(SP)−GFP、pAmyII−4−GFP、pAmyII−4(SP)−GFP、pAmyII−5−GFP、及びpAmyII−6−GFP(図5)を作成した。 A BamHI PCR amplified fragment was inserted into the BamHI site of pGFP and pAmyI-1-GFP, pAmyI-1 (SP) -GFP, pAmyI-1 (Δ101-428) -GFP, pAmyI-1 (Δ201-428) -GFP, pAmyI-1 (Δ301-428) -GFP, pAmyI-1 (Δ370-428) -GFP, pAmyII-3-GFP, pAmyII-3 (SP) -GFP, pAmyII-4-GFP, pAmyII-4 (SP)- GFP, pAmyII-5-GFP, and pAmyII-6-GFP (FIG. 5) were made.
PCRを使用して、トリプトファン302をアラニン302に置換した一つのアミノ酸を導入し、AmyI−1(W302A)を作成した。変異原性のフォワードプライマー(F−ATG+1と、F−W302A)及びリバースプライマー(R−endと、R−W302A)を合成した(表3)。 Using PCR, one amino acid in which tryptophan 302 was substituted with alanine 302 was introduced to prepare AmyI-1 (W302A). Mutagenic forward primers (F-ATG + 1 and F-W302A) and reverse primers (R-end and R-W302A) were synthesized (Table 3).
変異原性のプライマーセットと、鋳型DNAとしてpAmyI−1を使用して第一のPCRを行った。F−ATG+1とR−endのプライマーと、鋳型DNAとして第一のPCR産物を使用して第二のPCRを行った。第二のPCR産物をBamHIで切断し、pGFPのBamHI部位にクローニング、pAmyI−1(W302A)(図6)を作成した。 A first PCR was performed using a mutagenic primer set and pAmyI-1 as template DNA. A second PCR was performed using F-ATG + 1 and R-end primers and the first PCR product as template DNA. The second PCR product was cleaved with BamHI and cloned into the BamHI site of pGFP to create pAmyI-1 (W302A) (FIG. 6).
タマネギ表皮細胞におけるDsRed2発現において、pDsRed2(Clonetech)からのBamHI−NotIのPCR増幅フラグメントを、BamHI−NotI消化pGFPのBamHI−NotI消化部位にクローニングし、pDsRed(図7)を産生した。イネwaxy遺伝子(Itoh, K., Ozaki, H., Okada, K., Hori, H., Takeda, Y., Mitsui, T. (2003) Introduction of Wx transgene into rice wx mutants leads to both high- and low-amylose rice. Plant Cell Physiol., 44: 473-480)からトランジットペプチド配列の始めの1−111のアミノ酸を、2つのプライマー5'-ctggatccatgtcggctctcaccacg-3'と5'-tatggatccggcaggggggaggccaccgag-3'を用いてPCR増幅し、その後PCR産物をBamHIで消化してpWxTP−DsRedを作成した。BamHI消化フラグメントをpDsRedのBamHI消化部位に挿入した(図8)。さらに、BamHI PCRの増幅WxTPフラグメントを、pGFPのBamHI消化部位にクローニングし、pWxTP−GFPを構築した(図9)。 For DsRed2 expression in onion epidermal cells, a BamHI-NotI PCR amplified fragment from pDsRed2 (Clonetech) was cloned into the BamHI-NotI digested site of BamHI-NotI digested pGFP to produce pDsRed (FIG. 7). Rice waxy gene (Itoh, K., Ozaki, H., Okada, K., Hori, H., Takeda, Y., Mitsui, T. (2003) Introduction of Wx transgene into rice wx mutants leads to both high- and low-amylose rice. Plant Cell Physiol., 44: 473-480) using the first 1-111 amino acids of the transit peptide sequence with two primers 5'-ctggatccatgtcggctctcaccacg-3 'and 5'-tatggatccggcaggggggagggccaccgag-3' PCR amplification was performed, and then the PCR product was digested with BamHI to prepare pWxTP-DsRed. The BamHI digested fragment was inserted into the BamHI digested site of pDsRed (FIG. 8). Furthermore, the amplified WxTP fragment of BamHI PCR was cloned into the BamHI digestion site of pGFP to construct pWxTP-GFP (FIG. 9).
ペルオキシソームとミトコンドリアにそれぞれpPTS2−GFP(Mano, S., Nakamori, C., Hayashi, M., Kato, A., Kondo, M., Nishimura, M. (2002) Distribution and characterization of peroxisomes in Arabidopsis by visualization with GFP: dynamic morphology and actin-dependent movement. Plant Cell Physiol. 43: 331-41.)とpmt−GFP(Niwa, Y., Hirano, T., Yoshimoto, K., Shimizu, M., Kobayashi, H. (1999) Non-invasive quantitative detection and applications of non-toxic, S65T-type green fluorescent protein in living plants. Plant J. 18, 455-463.)を用いて、他の細胞小器官を可視化した(図10)。 PPTS2-GFP (Mano, S., Nakamori, C., Hayashi, M., Kato, A., Kondo, M., Nishimura, M. (2002) Distribution and characterization of peroxisomes in Arabidopsis by visualization Plant Cell Physiol. 43: 331-41.) and pmt-GFP (Niwa, Y., Hirano, T., Yoshimoto, K., Shimizu, M., Kobayashi, H) with GFP: dynamic morphology and actin-dependent movement. (1999) Non-invasive quantitative detection and applications of non-toxic, S65T-type green fluorescent protein in living plants. Plant J. 18, 455-463. 10).
(遺伝子導入方法)
プラスミドDNAを、パーティクルデリバリーシステム(PDS−1000/He、BIO−RAD)を用いてタマネギ表皮細胞へ導入した。具体的には、10μlの滅菌水に溶解させた3μgのプラスミドDNAに、10μlの金粒子懸濁液(直径1.0μmの金粒子60mg/ml)と、10μlの2.5mM CaCl2と、4μlの0.1M スペルミジンを加えて懸濁し、室温で30分間静置した。プラスミドDNAで被覆された金粒子を冷エタノールで洗浄した後、10μlのエタノールで緩やかに懸濁した。1100psiのラプチャーディスクを使用し、一サンプルあたり2回ずつ導入を行った。
(Gene transfer method)
Plasmid DNA was introduced into onion epidermal cells using a particle delivery system (PDS-1000 / He, BIO-RAD). Specifically, 3 μg of plasmid DNA dissolved in 10 μl of sterilized water, 10 μl of a gold particle suspension (60 μg / ml of gold particles with a diameter of 1.0 μm), 10 μl of 2.5 mM CaCl 2 and 4 μl Of 0.1 M spermidine was added and suspended, and allowed to stand at room temperature for 30 minutes. Gold particles coated with plasmid DNA were washed with cold ethanol and then gently suspended in 10 μl of ethanol. A 1100 psi rupture disk was used and introduced twice per sample.
(観察方法)
GFP,DsRedおよびmRFP蛍光画像は、電動蛍光顕微鏡(Olympus BX−61)と、CCDカメラ(Cool SNAP fx、Roper Scientific)を用いて観察・撮影し、画像解析ソフト(Lumina Vision、三谷商事(株))を用いて解析した。GFPは470〜490nmで励起し、510〜550nmを検出した。DsRedおよびmRFPは、520〜550nmで励起し、≧580nmを検出した。一細胞につき、10μm間隔で20〜30枚の画像を撮り、デコンボリューション処理した後、一つの画像にした。
(Observation method)
GFP, DsRed and mRFP fluorescence images were observed and photographed using an electric fluorescence microscope (Olympus BX-61) and a CCD camera (Cool SNAP fx, Roper Scientific), and image analysis software (Lumina Vision, Mitani Corp.) ). GFP was excited at 470-490 nm and detected at 510-550 nm. DsRed and mRFP were excited at 520-550 nm and detected ≧ 580 nm. 20-30 images were taken at 10 μm intervals per cell, and after deconvolution processing, one image was obtained.
イネα−アミラーゼ遺伝子と緑色蛍光タンパク質(GFP)遺伝子を融合し、この融合物をタマネギ細胞に導入させ、GFPの輸送・局在化を調べた。 A rice α-amylase gene and a green fluorescent protein (GFP) gene were fused, and the fusion product was introduced into an onion cell to examine transport and localization of GFP.
タマネギ表皮細胞にパーティクルガンでAmyI−1−GFPおよびWxTP−DsRedを同時に導入し、一過的に発現させた(図11)。WxTP−DsRedは、プラスチドへの局在を示すマーカーである。図11のA,Dに示すようにように、AmyI−1−GFPの蛍光は細胞表面だけでなく、細胞内で何らかのオルガネラに局在していた。B,Eでは、WxTP−DsRedの蛍光はプラスチドを示し、プラスチド特有の構造であるストロミュールも確認された(図11E)。CはAとBを、FはDとEを重ね合わせた画像で、部分的にAmyI−1−GFPの蛍光がWxTP−DsRedの蛍光と局在が一致し、AmyI−1がプラスチドに局在することを示した。この結果から、イネα−アミラーゼ遺伝子と緑色蛍光タンパク質(GFP)遺伝子を融合し、この融合物をタマネギ細胞に導入することによって、タマネギ細胞のプラスチドにGFPを輸送・局在化させることが示された。また、α−アミラーゼI−1においてはイネおよびタマネギの両細胞に共通するプラスチド局在化シグナルが含まれることが明らかになった。 AmyI-1-GFP and WxTP-DsRed were simultaneously introduced into onion epidermal cells with a particle gun and allowed to express transiently (FIG. 11). WxTP-DsRed is a marker indicating localization to plastids. As shown in FIGS. 11A and 11D, the fluorescence of AmyI-1-GFP was localized not only on the cell surface but also in some organelle in the cell. In B and E, the fluorescence of WxTP-DsRed showed plastids, and strumule, a structure peculiar to plastids, was also confirmed (FIG. 11E). C is an image in which A and B are superimposed, F is an image in which D and E are superimposed, and the fluorescence of AmyI-1-GFP partially coincides with the fluorescence of WxTP-DsRed, and AmyI-1 is localized in plastid Showed that to do. From this result, it was shown that the rice α-amylase gene and the green fluorescent protein (GFP) gene were fused, and this fusion product was introduced into the onion cell to transport and localize GFP in the plastid of the onion cell. It was. In addition, it was revealed that α-amylase I-1 contains a plastid localization signal common to both rice and onion cells.
α−アミラーゼI−1のプラスチドターゲティングに必要不可欠な領域を決定するために、C端末の端部が一部欠けているα−アミラーゼI−1とGFPの融合タンパク質を一過的に発現させその局在を調べた。 In order to determine a region indispensable for plastid targeting of α-amylase I-1, a fusion protein of α-amylase I-1 and GFP lacking a part of the C-terminal end was transiently expressed. Localization was investigated.
図12に、C末端が一部切断されたα−アミラーゼI−1(AmyI−1Δ34−428、AmyI−1Δ101−428、AmyI−1Δ201−428、AmyI−1Δ301−428、AmyI−1Δ370−428)を示す。AmyI−1Δ34−428は、α−アミラーゼI−1のN末端シグナルペプチドのみを含んでいた。予測されたシグナルペプチダーゼ開裂部位はGln26のN末端側である。AmyI−1Δ301−428は、N結合型糖鎖結合部位(Asn265、−Gly266、−Thr267)を含んでいる。AmyI−1Δ370−428は、推定のデンプン結合部位(301Typ−302Typ)を含む完全なAドメインとBドメインを有する(Robert, X., Haser, R., Mori, H., Svensson, B., Aghajari, N. (2005) Oligosaccharide binding to barley a-amylase 1. J. Biol. Chem. 280: 32968-32978)。370〜428残基のアミノ酸配列は、5つの逆平行β-シートを構成したC-ドメインに対応している。図12と表4に示されるように、多くのC末端が欠失したAmyI−1−GFP融合タンパク質は小胞体(ER)様網目状構造に局在し、プラスチドにはほとんど局在しなかったが、AmyI−1Δ370−428−GFP融合タンパク質は完全長AmyI−1−GFPと同様に遺伝子導入されたタマネギ細胞におけるプラスチドに局在した。これらの結果から、301〜369のアミノ酸残基のペプチド領域(α−AmyI−1SB(配列番号1))がタマネギ表皮細胞におけるα−アミラーゼI−1のプラスチドターゲッティングに必要不可欠であることが明らかとなった。 FIG. 12 shows α-amylase I-1 (AmyI-1Δ34-428, AmyI-1Δ101-428, AmyI-1Δ201-428, AmyI-1Δ301-428, AmyI-1Δ370-428) in which the C-terminal is partially cleaved. Show. AmyI-1Δ34-428 contained only the N-terminal signal peptide of α-amylase I-1. The predicted signal peptidase cleavage site is on the N-terminal side of Gln 26 . AmyI-1Δ301-428 contains an N-linked sugar chain binding site (Asn 265 , -Gly 266 , -Thr 267 ). AmyI-1Δ370-428 has a complete A and B domain containing a putative starch binding site ( 301 Typ- 302 Typ) (Robert, X., Haser, R., Mori, H., Svensson, B. , Aghajari, N. (2005) Oligosaccharide binding to barley a-amylase 1. J. Biol. Chem. 280: 32968-32978). The amino acid sequence of 370 to 428 residues corresponds to the C-domain that made up the five antiparallel β-sheets. As shown in FIG. 12 and Table 4, the AmyI-1-GFP fusion protein lacking many C-terminals was localized in the endoplasmic reticulum (ER) -like network structure, and was hardly localized in the plastid. However, the AmyI-1Δ370-428-GFP fusion protein was localized to plastids in the onion cells transfected with the full-length AmyI-1-GFP. From these results, it is clear that the peptide region of 301-369 amino acid residues (α-AmyI-1SB (SEQ ID NO: 1)) is essential for plastid targeting of α-amylase I-1 in onion epidermal cells. became.
α−アミラーゼのアイソフォーム(AmyII−3、AmyII−4、AmyII−5およびAmyII−6)が、タマネギ表皮細胞のプラスチドに局在するか否かをα−アミラーゼのアイソフォームとGFPの融合タンパク質(AmyII−3−GFP、AmyII−4−GFP、AmyII−5−GFPおよびAmyII−6−GFP)を用いて調べた。 Whether α-amylase isoforms (AmyII-3, AmyII-4, AmyII-5, and AmyII-6) are localized in the plastid of onion epidermis cells is determined by a fusion protein of α-amylase isoform and GFP ( AmyII-3-GFP, AmyII-4-GFP, AmyII-5-GFP and AmyII-6-GFP).
イネα−アミラーゼには多くのアイソフォームが存在し、これらのアイソフォームは多くの遺伝子によってコードされていることが知られている(O'Neill, S.D., Kumagai, M.H., Majumdar, A., Huang, N., Sutliff, T.D. and Rodriguez, R.L. (1990) The alpha-amylase genes in Oryza sativa: characterization of cDNAclones and mRNA expression during seed germination. Mol. Gen. Genet. 221: 235-244;Huang, N., Koizumi, N., Reinl, S., Rodriguez, R.L. (1990a) Structural organization and differential expression of rice a-amylase genes. Nucl. Acid Res. 18: 7007-7013;Huang, N., Sutliff, T.D., Litts, J.C., Rodriguez, R.L. (1990b) Classification and characterization of the rice a-amylase multigene family. Plant Mol. Biol. 14: 655-668;Kim, J.-K. and Wu, R. (1992) Nucleotide sequence of a high-pI rice (Oryza sativa) a-amylase gene. Plant Mol. Biol. 18: 399-402)。また、本発明者らは以前の研究において、RAmy1A、RAmy3B、RAmy3C、RAmy3D、及びRAmy3Eの天然の発現産物がイネ植物と組織培養で検出されたことを報告している(Mitsui, T., Yamaguchi, J. and Akazawa, T. (1996) Physicochemical and serological characterization of rice a-amylase isoforms and identification of their corresponding genes. Plant Physiol. 110: 1395-1404;Nanjo, Y., Asatsuma, S., Itoh, K., Hori, H. and Mitsui T. (2004) Proteomic identification of a-amylase isoforms encoded by RAmy3B/3C from germinating rice seeds. Biosci. Biotech. Biochem. 68: 112-118)。 There are many isoforms of rice α-amylase, and these isoforms are known to be encoded by many genes (O'Neill, SD, Kumagai, MH, Majumdar, A., Huang , N., Sutliff, TD and Rodriguez, RL (1990) The alpha-amylase genes in Oryza sativa: characterization of cDNAclones and mRNA expression during seed germination. Mol. Gen. Genet. 221: 235-244; Huang, N., Koizumi, N., Reinl, S., Rodriguez, RL (1990a) Structural organization and differential expression of rice a-amylase genes. Nucl. Acid Res. 18: 7007-7013; Huang, N., Sutliff, TD, Litts, JC, Rodriguez, RL (1990b) Classification and characterization of the rice a-amylase multigene family. Plant Mol. Biol. 14: 655-668; Kim, J.-K. and Wu, R. (1992) Nucleotide sequence of a high-pI rice (Oryza sativa) a-amylase gene. Plant Mol. Biol. 18: 399-402). In addition, in the previous study, the present inventors have reported that natural expression products of RAmy1A, RAmy3B, RAmy3C, RAmy3D, and RAmy3E were detected in rice plants and tissue culture (Mitsui, T., Yamaguchi , J. and Akazawa, T. (1996) Physicochemical and serological characterization of rice a-amylase isoforms and identification of their corresponding genes.Plant Physiol. 110: 1395-1404; Nanjo, Y., Asatsuma, S., Itoh, K , Hori, H. and Mitsui T. (2004) Proteomic identification of a-amylase isoforms encoded by RAmy3B / 3C from germinating rice seeds. Biosci. Biotech. Biochem. 68: 112-118).
AmyI−1−GFPのプラスチドにおける局在化と比較して、AmyII−3−GFP、AmyII−4−GFP、AmyII−5−GFP、及びAmyII−6−GFPはプラスチド内でほとんど局在していなかった(表4)。 Compared to the localization of AmyI-1-GFP in plastids, AmyII-3-GFP, AmyII-4-GFP, AmyII-5-GFP, and AmyII-6-GFP are hardly localized in plastids (Table 4).
さらに、タマネギ細胞におけるデンプン結合部位を変異させたα−アミラーゼI−1−GFP融合タンパク質のターゲティング特性を調べて比較した。 Furthermore, the targeting properties of α-amylase I-1-GFP fusion protein with mutated starch binding sites in onion cells were examined and compared.
図13に、イネα−アミラーゼのアイソフォーム(アミラーゼI−1(M24286);アミラーゼII−3(M59352);アミラーゼII−4(M24287);アミラーゼII−5(X56337);アミラーゼII−6(X56338))のアミノ酸配列の配列比較を示す。図13に示されるα−アミラーゼI−1(RAmy1A)、II−3(RAmy3E)、II−4(RAmy3D)とII−5/6(RAmy3B/3C)間のアミノ酸配列は約83〜90%の相同性を有する。 FIG. 13 shows rice α-amylase isoforms (amylase I-1 (M24286); amylase II-3 (M59352); amylase II-4 (M24287); amylase II-5 (X56337); amylase II-6 (X56338). )) Sequence comparison of amino acid sequences. The amino acid sequence between α-amylase I-1 (RAmy1A), II-3 (RAmy3E), II-4 (RAmy3D) and II-5 / 6 (RAmy3B / 3C) shown in FIG. 13 is about 83 to 90%. Have homology.
301Typ−302Typは、α−アミラーゼI−1のポリペプチドにおける特有のアミノ酸残基であった。その他のα−アミラーゼのアイソフォーム(α−アミラーゼII−3、II−4、II−5およびII−6)は、ペプチド領域301〜369のアミノ酸残基においてトリプトファンジペプチドを有していなかった(図13)。リプトファン302をアラニン302に置換した場合、プラスチドへのAmyI−1−GFPのターゲティングを強く阻害し、AmyI−1(W302A)−GFPはER様網目状に保持されていた(図14、表4)。これらの結果から、302Typ残基はタマネギ表皮細胞においてα−アミラーゼI−1のプラスチドターゲティングに必須であることが明らかになった。図15に、プラスチドターゲティングのためのα−アミラーゼI−1のシグナル領域を示す。図15に示される「SP」とはER(小胞体)膜透過シグナルペプチドを意味し、「TSR」とはプラスチドターゲティングのためのシグナル領域(すなわち、α−アミラーゼI−1の301〜369ペプチド領域(デンプン結合領域))を意味する。なお、α−アミラーゼは、3つのドメインからなり、ドメインAは、(β/α)8バレルに折り重なり、酵素の触媒残基を含み、ドメインBは、ドメインAの3番目のβ鎖と3番目のαへリックスの間から突き出している大きなループであり、ドメインCは、(β/α)8バレルのC末端に位置し、β鎖からなっている。 301 Typ- 302 Typ was a unique amino acid residue in the polypeptide of α-amylase I-1. Other α-amylase isoforms (α-amylase II-3, II-4, II-5 and II-6) did not have tryptophan dipeptides in the amino acid residues of peptide regions 301 to 369 (FIG. 13). When Reptophan 302 was replaced with Alanine 302, the targeting of AmyI-1-GFP to plastids was strongly inhibited, and AmyI-1 (W302A) -GFP was retained in an ER-like network (FIG. 14, Table 4). ). These results revealed that the 302 Typ residue is essential for plastid targeting of α-amylase I-1 in onion epidermal cells. FIG. 15 shows the signal region of α-amylase I-1 for plastid targeting. “SP” shown in FIG. 15 means an ER (endoplasmic reticulum) membrane permeation signal peptide, and “TSR” means a signal region for plastid targeting (ie, 301-369 peptide region of α-amylase I-1). (Starch binding region)). In addition, α-amylase is composed of three domains, domain A folds into (β / α) 8 barrels and contains the catalytic residue of the enzyme, and domain B contains the third β chain of domain A and 3 A large loop protruding from between the first α-helix, domain C is located at the C-terminus of the (β / α) 8 barrel and consists of the β chain.
以下の実施例4において使用される生物学的材料、試薬、実験方法等は次の通りである。尚、特に説明のない材料等については上記実施例で使用したものと同様である。 The biological materials, reagents, experimental methods, etc. used in Example 4 below are as follows. Note that materials and the like that are not particularly described are the same as those used in the above examples.
(供試植物)
供試植物として、イネ品種「日本晴」(Oryza sativa L. cv. Nipponbare)を用いた。そのイネの種子は、新潟農業研究所より提供されたものである。
(Test plant)
The rice cultivar “Nihonbare” (Oryza sativa L. cv. Nipponbare) was used as a test plant. The rice seeds were provided by the Niigata Agricultural Research Institute.
(分析法)
デンプンの含量は、Matsukura C, Saitoh T, Hirose T, Ohsugi R, Perata P, Yamaguchi J (2000) Sugar uptake and transport in rice embryo. Expression of companion cell-specific sucrose transporter (OsSUT1) induced by sugar and light. Plant Physiology 124: 85-93、及びBradford MM (1976) A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. . Anal. Biochem. 72: 248-254に記載の方法に従って決定した。α−アミラーゼの分析法は、Mitsui T, Yamaguchi J, Akazawa T (1996) Physicochemical and serological characterization of rice α-amylase isoforms and identification of their corresponding genes. Plant Physiology 110: 1395-1404に記載の方法に従って行った。
(Analysis method)
Starch content is Matsukura C, Saitoh T, Hirose T, Ohsugi R, Perata P, Yamaguchi J (2000) Sugar uptake and transport in rice embryo.Expression of companion cell-specific sucrose transporter (OsSUT1) induced by sugar and light. Plant Physiology 124: 85-93, and Bradford MM (1976) A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding .. Anal. Biochem. 72: 248-254 Determined according to. The analysis method of α-amylase was performed according to the method described in Mitsui T, Yamaguchi J, Akazawa T (1996) Physicochemical and serological characterization of rice α-amylase isoforms and identification of their corresponding genes.Plant Physiology 110: 1395-1404. .
(ベクターの構築)
pZH2B−35S−AmyI−1及びpTN1−35S−AmyII−4の構築は、Asatsuma S, Sawada C, Itoh K, Okito M, Kitajima A, Mitsui T (2005) Involvement of α-amylase I-1 in starch degradation in rice chloroplasts. Plant & Cell Physiology 46: 858-869及びHajdukiewicz P, Svab Z, Maliga P (1994) The small, versatile pPZP family of Agrobacterium binary vectors for plant transformation. Plant Molecular Biology 25: 989-994に記載の方法に従って行った(図16)。pAmyII−4をBamHI−EcoRIで消化して得られたフラグメントを、pTN1−35S−AmyI−1をBamHI−EcoRIで消化した対応する制限部位にクローニングし、pTN1−35S−AmyII−4を作成した(図17)。
(Construction of vector)
Construction of pZH2B-35S-AmyI-1 and pTN1-35S-AmyII-4 was carried out by Asatsuma S, Sawada C, Itoh K, Okito M, Kitajima A, Mitsui T (2005) Involvement of α-amylase I-1 in starch degradation in rice chloroplasts. Plant & Cell Physiology 46: 858-869 and Hajdukiewicz P, Svab Z, Maliga P (1994) The small, versatile pPZP family of Agrobacterium binary vectors for plant transformation.Plant Molecular Biology 25: 989-994 According to the method (FIG. 16). The fragment obtained by digesting pAmyII-4 with BamHI-EcoRI was cloned into the corresponding restriction site obtained by digesting pTN1-35S-AmyI-1 with BamHI-EcoRI to create pTN1-35S-AmyII-4 ( FIG. 17).
(α−アミラーゼ過剰発現植物体の作成)
上述のようにして作成されたベクターを、20mMのCaCl2で処理されたアグロバクテリウム(Agrobacterium tumefaciens)EHA101株のコンピテント細胞へ導入し、暗所でプレート培養して導入されたアグロバクテリウムを選抜した。プラスミドが導入されたアグロバクテリウムをアセトシリンゴン存在下でイネの胚組織から誘導したカルスに感染させた。感染後、抗生物質を含んだプレート培地上でプラスミドが誘導されたカルスを選抜し、植物ホルモン(NAA)により植物体に再分化させた(Hiei Y, Ohta S, Komari T, Kumashiro T (1994) Efficient transformation of rice (Oryza sativa L.) mediated by Agrobacterium and sequence analysis of the boundaries of the T-DNA. Plant Journal 6: 271-282及びAsatsuma S, Sawada C, Itoh K, Okito M, Kitajima A, Mitsui T (2005) Involvement of α-amylase I-1 in starch degradation in rice chloroplasts. Plant & Cell Physiology 46: 858-869)。
(Preparation of α-amylase overexpressing plant)
The vector prepared as described above is introduced into competent cells of Agrobacterium tumefaciens EHA101 strain treated with 20 mM CaCl 2 , and Agrobacterium introduced by plate culture in the dark is introduced. Selected. Agrobacterium introduced with the plasmid was infected with callus derived from rice embryonic tissue in the presence of acetosyringone. After infection, callus from which the plasmid was induced was selected on a plate medium containing antibiotics and redifferentiated into plant bodies by plant hormones (NAA) (Hiei Y, Ohta S, Komari T, Kumashiro T (1994) Efficient transformation of rice (Oryza sativa L.) mediated by Agrobacterium and sequence analysis of the boundaries of the T-DNA.Plant Journal 6: 271-282 and Asatsuma S, Sawada C, Itoh K, Okito M, Kitajima A, Mitsui T (2005) Involvement of α-amylase I-1 in starch degradation in rice chloroplasts. Plant & Cell Physiology 46: 858-869).
(植物体の生育)
再生した植物体をポットに移し、明所12時間、暗所8時間、27℃のグロスチャンバー内で20cm程度になるまで生育させた。その後、温室に移し種子を採取するまで約6ヶ月間生育させた。開花後、40日ほどで種子を刈り取った。
(Plant growth)
The regenerated plant body was transferred to a pot and allowed to grow until it reached about 20 cm in a gloss chamber at 27 ° C. for 12 hours in the light and 8 hours in the dark. Thereafter, it was transferred to a greenhouse and grown for about 6 months until seeds were collected. After flowering, seeds were cut in about 40 days.
(サザンブロット解析、ノーザンブロット解析、ウエスタンブロット解析)
野生型および形質転換イネの若葉より単離したゲノムDNA(5μg)をEcoRIで消化し、1%アガロースゲル電気泳動で分画した後、Hybond−N+ナイロン膜(Amersham)に転写・固定した。ノーザンブロット解析は、Mitsui T, Loboda T, Kamimura I, Hori H, Itoh K, Mitsunaga S, (1999) Sucrose-controlled transport and turnover of α-amylase in rice (Oryza sativa L.) cells. . Plant Cell Physiol. 40 884-893およびKashem MA, Itoh K, Iwabuchi S, Hori H, Mitsui T (2000) Possible involvement of phosphoinositide-Ca2+ signaling in the regulation of alpha-amylase expression and germination of rice seed (Oryza sativa L.). Plant & Cell Physiology 41: 399-407に記載の手順に従って行った。サザンブロット解析に関し、α−アミラーゼI−1遺伝子およびα−アミラーゼII−4遺伝子の特異的DNA(前出のKashem et al. 2000)を放射性プローブとして使用した。オートラジオグラフィーは、画像解析装置BAS5000(フジフィルム)を用いて行った。ウエスタンブロット解析、抗α−アミラーゼI−1抗体及び抗α−アミラーゼII−4抗体の調製法等は、Mitsui T, Yamaguchi J, Akazawa T (1996) Physicochemical and serological characterization of rice α-amylase isoforms and identification of their corresponding genes. Plant Physiology 110: 1395-1404に記載の方法に従って行った。2次抗体として、ペルオキシダーゼ標識抗ウサギIgG抗体を使用した。そのタンパク質バンドをECL(化学発光、Amersham)を用いて可視化し、LAS3000(フジフィルム)を用いて定量化した。野生型イネ植物において発現するα−アミラーゼI−1およびII−4の各タンパク質の量を1ユニットとした。
(Southern blot analysis, Northern blot analysis, Western blot analysis)
Genomic DNA (5 μg) isolated from young leaves of wild type and transformed rice was digested with EcoRI, fractionated by 1% agarose gel electrophoresis, and then transferred and fixed to Hybond-N + nylon membrane (Amersham). Northern blot analysis was performed by Mitsui T, Loboda T, Kamimura I, Hori H, Itoh K, Mitsunaga S, (1999) Sucrose-controlled transport and turnover of α-amylase in rice (Oryza sativa L.) cells..Plant Cell Physiol 40 884-893 and Kashem MA, Itoh K, Iwabuchi S, Hori H, Mitsui T (2000) Possible involvement of phosphoinositide-Ca2 + signaling in the regulation of alpha-amylase expression and germination of rice seed (Oryza sativa L.). The procedure was described in Plant & Cell Physiology 41: 399-407. For Southern blot analysis, specific DNA of the α-amylase I-1 gene and α-amylase II-4 gene (Kashem et al. 2000, supra) was used as a radioactive probe. Autoradiography was performed using an image analysis apparatus BAS5000 (Fuji Film). Western blot analysis, methods for preparing anti-α-amylase I-1 antibody and anti-α-amylase II-4 antibody, etc. are described in Mitsui T, Yamaguchi J, Akazawa T (1996) Physicochemical and serological characterization of rice α-amylase isoforms and identification. It was performed according to the method described in Plant Physiology 110: 1395-1404. A peroxidase-labeled anti-rabbit IgG antibody was used as the secondary antibody. The protein band was visualized using ECL (chemiluminescence, Amersham) and quantified using LAS3000 (Fujifilm). The amount of each protein of α-amylase I-1 and II-4 expressed in a wild type rice plant was defined as 1 unit.
特異的抗体(例えば抗α−アミラーゼI−1,II−3,II−4,II−5およびII−6)を用いてウエスタンブロット解析を行い、登熟期間中のイネ登熟種子におけるα−アミラーゼのアイソフォームの発現を調べた。出穂後10日目の登熟種子において、α−アミラーゼI−1およびII−4の発現を検出した(図18)。興味深いことに、α−アミラーゼII−4が登熟種子において最も多量に存在するアイソフォームであることが示唆された。 Western blot analysis was performed using specific antibodies (eg, anti-α-amylases I-1, II-3, II-4, II-5 and II-6), and α- in rice ripening seeds during the ripening period. The expression of amylase isoforms was examined. Expression of α-amylase I-1 and II-4 was detected in ripened seeds on the 10th day after heading (FIG. 18). Interestingly, it was suggested that α-amylase II-4 is the most abundant isoform in ripened seeds.
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それぞれα−アミラーゼI−1(AmyI−1)とα−アミラーゼII−4cDNA(AmyII−4)を含むpZH2B−35S−AmyI−1とpTN1−35S−AmyII−4を用いて、アグロバクテリウムを介した形質転換によって、遺伝組換えイネ植物を産出した。AmyI−1およびAmyII−4の存在を、サザンハイブリダイゼーションを用いて再生された形質転換植物中において確認した。得られた形質転換イネ植物は1〜8コピーの導入遺伝子を有していた(図示せず)。また、pZH2B−35S−AmyI−1とpTN1−35S−AmyII−4で形質転換されたこれらの遺伝子導入系統におけるα−アミラーゼ遺伝子発現を、ノーザンおよびウエスタンブロット解析を用いて調べた。結果を図19に示す。図19に示されるように、これらの形質転換イネ系統の双方が、成葉およびT1世代のシュート組織においてα−アミラーゼのmRNAおよびタンパク質の著しい増加を示した。また、α−アミラーゼI−1(A3−1)を過剰発現した葉におけるデンプン含有量は、野生型(WT)のものと比較して著しく減少し、そのデンプン含有量は野生型の約42%であった。(図20)。一方、α−アミラーゼII−4(D1−4)を過剰発現した葉におけるデンプン含有量はわずかに減少し、野生型のデンプン含有量の約82%であった。 PZH2B-35S-AmyI-1 and pTN1-35S-AmyII containing α-amylase I-1 (AmyI-1) and α-amylase II-4 cDNA (AmyII-4), respectively, under the control of the cauliflower mosaic virus (CaMV) 35S promoter -4 was used to produce transgenic rice plants by Agrobacterium-mediated transformation. The presence of AmyI-1 and AmyII-4 was confirmed in transformed plants regenerated using Southern hybridization. The resulting transformed rice plant had 1-8 copies of the transgene (not shown). In addition, α-amylase gene expression in these gene-introduced lines transformed with pZH2B-35S-AmyI-1 and pTN1-35S-AmyII-4 was examined using Northern and Western blot analysis. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 19, both of these transformed rice lines showed a marked increase in α-amylase mRNA and protein in adult leaves and T1 generation shoot tissues. In addition, the starch content in leaves overexpressing α-amylase I-1 (A3-1) is significantly reduced compared to that of the wild type (WT), and the starch content is about 42% of the wild type. Met. (FIG. 20). On the other hand, the starch content in leaves overexpressing α-amylase II-4 (D1-4) was slightly reduced, about 82% of the wild-type starch content.
A3−1およびD1−4のT3世代の登熟期において、野生型と比較しα−アミラーゼのより高い活性はα−アミラーゼI−1およびII−4を発現する形質転換植物の両方の登熟種子で検出された(図21)。図21の縦軸はα−アミラーゼ活性(unit/seed)を示し、横軸は出穂後の日数(daf:days after heading)を示す。D1−4系統の登熟種子に含まれるα−アミラーゼ活性のレベルは、A3−1系統の約2倍の活性を示した。 In the ripening period of the T3-1 generation of A3-1 and D1-4, the higher activity of α-amylase compared to the wild type is the ripening of both transformed plants expressing α-amylase I-1 and II-4. Detected in seeds (Figure 21). The vertical axis in FIG. 21 indicates α-amylase activity (unit / seed), and the horizontal axis indicates the number of days after heading (daf). The level of α-amylase activity contained in the ripened seeds of the D1-4 line was about twice that of the A3-1 line.
さらに、A3−1系統およびD1−4系統の登熟種子表現型の特性を分析した。α−アミラーゼI−1とα−アミラーゼII−4に対する特異的抗体を用いてウエスタンブロット解析を行った場合、野生型の種子と比較し、A3−1系統の登熟種子においてα−アミラーゼI−1分子は36倍もの増加を示し、D1−4系統の登熟種子においてα−アミラーゼII−4分子は44倍もの増加を示した(図22−A)。酵素活性の増加はA3−1及びD1−4系統の登熟種子の両方で示されたが、D1−4系統ではより顕著な増加が示された(図22−B)。A3−1及びD1−4系統の登熟種子の乾燥重量は、野生型の種子と比較し、A3−1系統で4%、D1−4系統で11%の減少が見られた(図22−C)。 Furthermore, the characteristics of ripening seed phenotypes of A3-1 and D1-4 lines were analyzed. When Western blot analysis was carried out using specific antibodies against α-amylase I-1 and α-amylase II-4, α-amylase I- One molecule showed an increase of 36 times, and α-amylase II-4 molecule showed an increase of 44 times in mature seeds of the D1-4 line (FIG. 22-A). An increase in enzyme activity was shown in both mature seeds of lines A3-1 and D1-4, but a more significant increase was shown in line D1-4 (FIG. 22-B). The dry weights of ripening seeds of A3-1 and D1-4 lines were 4% lower in A3-1 line and 11% lower in D1-4 line than wild type seeds (FIG. 22-). C).
また、α−アミラーゼI−1とα−アミラーゼII−4を過剰発現した形質転換体イネ系統(A3−1及びD1−4系統)の完熟種子の品質を反射光画像と透過光画像の双方によって評価した(図23)。表5に示すように、形質転換体イネ系統から得られた種子においては、ともにデンプン蓄積異常が見られ、野生型,A3−1系統及びD1−4系統の正常な穀粒のパーセンテージはそれぞれ90%,54.4%,36.5%であった。A3−1系統及びD1−4系統の異常な種子の特徴的な形態学的表現型はそれぞれ心白(white core)と全乳白(whole opaque white)であった(図23、表5)。これらの結果から、α−アミラーゼ活性の異常な発現はデンプンの集積およびイネ粒構造に影響することが示された。また、α−アミラーゼI−1とα−アミラーゼII−4は、登熟種子の胚乳におけるアミロプラストに局在する能力を有し、デンプン集積(分解)調節機能を有すると考えられる。 Further, the quality of the mature seeds of the transgenic rice lines (A3-1 and D1-4 lines) overexpressing α-amylase I-1 and α-amylase II-4 was evaluated by both reflected light image and transmitted light image. Evaluation was made (FIG. 23). As shown in Table 5, in the seeds obtained from the transformed rice lines, abnormal starch accumulation was observed, and the percentages of normal grains of the wild type, A3-1 line, and D1-4 line were 90%, respectively. %, 54.4%, and 36.5%. The characteristic morphological phenotypes of the abnormal seeds of lines A3-1 and D1-4 were white core and whole opaque white, respectively (FIG. 23, Table 5). These results indicated that abnormal expression of α-amylase activity affected starch accumulation and rice grain structure. In addition, α-amylase I-1 and α-amylase II-4 have the ability to localize to amyloplasts in the endosperm of ripened seeds and are considered to have a function of regulating starch accumulation (degradation).
Claims (11)
(a)配列番号1に示されるアミノ酸配列からなるポリペプチド。
(b)配列番号1に記載のアミノ酸配列において、1個又はそれ以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつプラスチドへのターゲティング作用を有するポリペプチド。 A polypeptide comprising the amino acid sequence described in (a) or (b) below.
(A) A polypeptide consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1.
(B) A polypeptide comprising an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted, and / or added in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 and having a targeting effect on plastids.
(c)配列番号2に示されるアミノ酸配列からなるポリペプチド。
(d)配列番号2に記載のアミノ酸配列において、1個又はそれ以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ小胞体膜透過作用を有するポリペプチド。 A polypeptide comprising an amino acid sequence described in the following (c) or (d):
(C) A polypeptide having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2.
(D) A polypeptide comprising an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted, and / or added in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2, and having an endoplasmic reticulum membrane permeation effect.
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