JP2009065886A - Method for plant configuration control - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、野生型の植物に比較して有意に異なる形態に調節する植物の形態調節方法に関する。 The present invention relates to a method for regulating the morphology of a plant that regulates to a significantly different morphology as compared to a wild type plant.
シトクロムP450酵素のうちシロイヌナズナ由来のCYP714A2は、イネのCYP714D1と同じファミリーに属することが知られている。イネのCYP714D1は、ジベレリンのC-16(17)位のエポキシ化を触媒する(非特許文献1)機能を有している。従って、シロイヌナズナ由来のCYP714A2もまた同機能を有するものと予測されるが、実際の生体内における機能については未知であった。 Among cytochrome P450 enzymes, CYP714A2 derived from Arabidopsis thaliana is known to belong to the same family as rice CYP714D1. Rice CYP714D1 has a function of catalyzing the epoxidation of the C-16 (17) position of gibberellin (Non-patent Document 1). Therefore, CYP714A2 derived from Arabidopsis thaliana is also expected to have the same function, but the actual function in vivo was unknown.
一方、ステビオールは、ステビア(Stevia rebaudiana)が生産する天然甘味料であるステビオシドのアグリコンである。ステビオシド生合成酵素の研究は、ESTの大量収集などのアプローチを含めて精力的に行われており(非特許文献2)、ステビオールの配糖化に関わる酵素(glucosyltransferase)が複数同定されている。しかしながら、ステビオール合成酵素遺伝子は未同定であり、ステビオシド生産能増大のためのメタボリックエンジニアリングはこの点で非常に困難であった。 Steviol, on the other hand, is an aglycone of stevioside, a natural sweetener produced by Stevia rebaudiana. Stevioside biosynthetic enzymes have been vigorously studied including approaches such as mass collection of ESTs (Non-Patent Document 2), and a plurality of enzymes involved in glycosylation of steviol (glucosyltransferase) have been identified. However, the steviol synthase gene has not yet been identified, and metabolic engineering for increasing stevioside production ability has been very difficult in this respect.
さらにまた、植物生長ホルモンであるジベレリンの生合成・代謝に関わるほとんどの酵素が既に同定されているが、ジベレリンのC-13位の水酸化酵素をコードする遺伝子は同定されていなかった。 Furthermore, most enzymes involved in the biosynthesis and metabolism of gibberellin, a plant growth hormone, have already been identified, but no gene encoding the hydroxylase at the C-13 position of gibberellin has been identified.
さらにまた、上述したような実情において、ジベレリンのC-13位の水酸化酵素をコードする遺伝子を過剰発現させた形質転換植物がどのような表現型を示すのか全く不明であった。なお、非特許文献1によればイネのCYP714D1は、ジベレリンのC-16(17)位のエポキシ化を触媒することから、ジベレリンのホルモン活性を大きく低下させることが知られている。したがって、このCYP714D1遺伝子を過剰発現させると植物体は極端に矮性化する。ジベレリンの内生量や生理活性を適度に減少させて植物の背丈を小さくすることは、農業や園芸の分野において重要な技術であるが、ジベレリンを完全に失ってしまうと発芽不全、花芽形成不全などが発生し、植物の生長には致命的になる。
Furthermore, in the above situation, it was completely unknown what kind of phenotype the transformed plant overexpressing the gene encoding the hydroxylase at the C-13 position of gibberellin shows. According to Non-Patent
以上のように、従来においては、植物体を極端に矮性化することが可能であったが、発芽不全や花芽形成不全といった問題を生じることなく、植物体を適度に矮性化するといった技術がないという問題があった。 As described above, in the past, it was possible to extremely dwarf the plant body, but there is no technology for appropriately dwarfing the plant body without causing problems such as failure to germinate or bud formation failure. There was a problem.
そこで、本発明者らは、上述した問題を解決するために鋭意検討した結果、イネのCYP714D1と同じファミリーに属するシロイヌナズナ由来のCYP714A2が、驚くべきことにステビオール合成酵素であることを突き止めることに成功した。さらに、本発明者らは、当該ステビオール合成酵素遺伝子を過剰発現させることで、ステビオールを大量に生合成できる系を開発するとともに興味深い表現形質を見いだし、本発明を完成するに至った。さらに、本発明者らは、イネにおける、CYP714A2の相同遺伝子候補の一つであるCYP714B1遺伝子を過剰発現させることで、興味深い表現形質を見いだし、本発明を完成するに至った。 Thus, as a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have succeeded in finding out that CYP714A2 derived from Arabidopsis belonging to the same family as rice CYP714D1 is surprisingly a steviol synthase. did. Furthermore, the present inventors developed a system capable of biosynthesis of steviol in large quantities by overexpressing the steviol synthase gene, and found an interesting phenotype, thereby completing the present invention. Furthermore, the present inventors found an interesting phenotype by overexpressing the CYP714B1 gene, which is one of CYP714A2 homologous gene candidates in rice, and completed the present invention.
本発明に係る植物の形態調節方法は、ent-カウレン酸の13位の炭素又はent-ジベレラン骨格の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードする遺伝子を過剰発現するように組み込んだ形質転換植物を育成するものである。
The plant morphology control method according to the present invention is incorporated so as to overexpress a gene encoding a protein having a function of hydroxylating the carbon at
上記遺伝子としては(a)〜(c)いずれかのポリヌクレオチドを挙げることができる。
(a)配列番号2に示すアミノ酸配列を含むタンパク質をコードするポリヌクレオチド
(b)配列番号2に示すアミノ酸配列において1以上のアミノ酸が欠失、置換、付加又は挿入したアミノ酸配列を含み、ent-カウレン酸の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド
(c)配列番号2に示すアミノ酸配列に対して70%以上の相同性を有するアミノ酸配列を含み、ent-カウレン酸の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド
また、上記遺伝子としては(a)〜(c)いずれかのポリヌクレオチドを挙げることができる。
(a)配列番号13に示すアミノ酸配列を含むタンパク質をコードするポリヌクレオチド
(b)配列番号13に示すアミノ酸配列において1以上のアミノ酸が欠失、置換、付加又は挿入したアミノ酸配列を含み、ent-ジベレラン骨格の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド
(c)配列番号13に示すアミノ酸配列に対して70%以上の相同性を有するアミノ酸配列を含み、ent-ジベレラン骨格の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド
また、上記遺伝子としては、特に限定されないが、例えば、シロイヌナズナ、イネ、ポプラ、甜茶及びステビアからなる群から選ばれる植物由来であることが好ましい。
Examples of the gene include any of the polynucleotides (a) to (c).
(A) a polynucleotide encoding a protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 (b) comprising an amino acid sequence in which one or more amino acids have been deleted, substituted, added or inserted in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, A polynucleotide encoding a protein having a function of hydroxylating carbon at
(A) a polynucleotide encoding a protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 13 (b) comprising an amino acid sequence in which one or more amino acids have been deleted, substituted, added or inserted in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 13, A polynucleotide encoding a protein having a function of hydroxylating carbon at
本発明によれば、ent-カウレン酸の13位の炭素又はent-ジベレラン骨格の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードする遺伝子を過剰発現させることで半矮性を示し、活性型ジベレリンA4を外生投与することによって半矮性を回復するといった植物の形態調節方法を提供することができる。 According to the present invention, a gene encoding a protein having a function of hydroxylating the 13th carbon of ent-kaurenoic acid or the 13th carbon of the ent-gibberellane skeleton is overexpressed to show semi-fertility, it is possible to provide the form method of modulating a plant such recover semidwarfism by administering exogenous gibberellin a 4.
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
1.新規なステビオール合成酵素遺伝子
本発明に係るステビオール合成酵素遺伝子は、ent-カウレン酸の13位の炭素に対する水酸化活性を有する酵素(ステビオール合成酵素)をコードする遺伝子である。当該ステビオール合成酵素は、ステビオールをアグリコンとして種々の配糖体を生産することが知られる植物や真菌から単離することができる。一例としては、シロイヌナズナ由来のステビオール合成酵素遺伝子を挙げることができる。シロイヌナズナ由来のステビオール合成酵素遺伝子の塩基配列を配列番号1に示し、シロイヌナズナ由来のステビオール合成酵素のアミノ酸配列を配列番号2に示す。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1. Novel steviol synthase gene The steviol synthase gene according to the present invention is a gene encoding an enzyme (steviol synthase) having hydroxylation activity for the 13th carbon of ent-kaurenoic acid. The steviol synthetase can be isolated from plants and fungi known to produce various glycosides using steviol as an aglycone. As an example, a steviol synthase gene derived from Arabidopsis thaliana can be mentioned. The base sequence of the steviol synthetase gene derived from Arabidopsis thaliana is shown in SEQ ID NO: 1, and the amino acid sequence of the steviol synthase derived from Arabidopsis thaliana is shown in SEQ ID NO: 2.
配列番号1に示した塩基配列は、シロイヌナズナのシトクロムP450酵素CYP714A2をコードするものとして知られているが、このCYP714A2がent-カウレン酸の13位の炭素に対する水酸化活性を有するといった知見は未知であった。なお、従来、ent-カウレン酸の13位の炭素に対する水酸化活性を有する酵素は未同定であり、配列番号2に示したアミノ酸配列からなるタンパク質がステビオール合成酵素であるといった知見は全くの新規である。ent-カウレン酸の13位の炭素を水酸化する反応を下記式に示す。 The nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 is known to encode the Arabidopsis cytochrome P450 enzyme CYP714A2, but the knowledge that this CYP714A2 has hydroxylation activity for the 13th carbon of ent-kaurenoic acid is unknown. there were. Heretofore, an enzyme having hydroxylation activity for the 13th carbon of ent-kaurenoic acid has not been identified, and the knowledge that the protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 is steviol synthase is completely new. is there. The reaction for hydroxylating the 13th carbon of ent-kaurenoic acid is shown in the following formula.
また、本発明に係るステビオール合成酵素遺伝子は、シロイヌナズナ由来の遺伝子に限定されず、ステビオール或いはその配糖体を蓄積する植物や真菌由来の遺伝子であってもよい。 The steviol synthase gene according to the present invention is not limited to a gene derived from Arabidopsis thaliana, but may be a gene derived from a plant or fungus that accumulates steviol or a glycoside thereof.
また、本発明に係るステビオール合成酵素遺伝子は、配列番号2に示すアミノ酸配列において1以上のアミノ酸が欠失、置換、付加又は欠失したアミノ酸配列を含み、ent-カウレン酸の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含むものであっても良い。ここで、1以上のアミノ酸とは、例えば1〜20個のアミノ酸、好ましくは1〜10個のアミノ酸、より好ましくは1〜5個のアミノ酸を意味する。
Further, the steviol synthase gene according to the present invention includes an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, added or deleted in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, and contains the carbon at
さらに、本発明に係るステビオール合成酵素遺伝子は、配列番号2に示すアミノ酸配列に対して70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上の相同性を有するアミノ酸配列を含み、ent-カウレン酸の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含むものであっても良い。ここで、アミノ酸配列の相同性は、アルゴリズムBLAST(Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87:2264-2268, 1990、Proc Natl Acad Sci USA 90: 5873, 1993)を用いて決定できる。BLASTのアルゴリズムに基づいたBLASTXと呼ばれるプログラム(Altschul SF, et al: J Mol Biol 215: 403, 1990)を用いてアミノ酸配列間の相同性を算出することができるが、このときのパラメータはデフォルトでよい。 Further, the steviol synthase gene according to the present invention comprises an amino acid sequence having a homology of 70% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more with respect to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, It may include a polynucleotide encoding a protein having a function of hydroxylating 13th carbon of kaurenoic acid. Here, the homology of amino acid sequences can be determined using the algorithm BLAST (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87: 2264-2268, 1990, Proc Natl Acad Sci USA 90: 5873, 1993). Homology between amino acid sequences can be calculated using a program called BLASTX (Altschul SF, et al: J Mol Biol 215: 403, 1990) based on the BLAST algorithm. Good.
さらにまた、本発明に係るステビオール合成酵素遺伝子は、配列番号1に示す塩基配列の全体又は一部の塩基配列からなるプローブあるいはその相補鎖とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、且つent-カウレン酸の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含むものであっても良い。ストリンジェントな条件でハイブリダイズできるプローブとしては、配列番号1に示す塩基配列の任意の少なくとも20個、好ましくは少なくとも30個、たとえば40、60又は100個の連続した配列を一つまたは複数選択したポリヌクレオチドを使用することができる。ストリンジェントな条件とは、特異的なハイブリッドのシグナルが非特異的なハイブリッドのシグナルと明確に識別される条件である。ストリンジェントな条件としては、例えば、5×SSC、1.0%(W/V)核酸ハイブリダイゼーション用ブロッキング試薬(ベーリンガ・マンハイム社製)、0.1%(W/V) N-ラウロイルサルコシン、0.02%(W/V)SDSを用いたハイブリダイゼーション(8〜16時間程度)の後、0.1×SSC、0.1%(W/V)SDSを用いた洗浄を、15分間、2回行なう条件を挙げることができる。また、ハイブリダイゼーションと洗いの温度は、67℃以上を例示できる。なお、ハイブリダイゼーションは、Molecular Cloning: A laboratory Mannual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY.,1989や、Current Protocols in Molecular Biology, Supplement 1〜38, John Wiley & Sons (1987-1997)に記載されている方法に準じて行うことができる。 Furthermore, the steviol synthase gene according to the present invention hybridizes under stringent conditions with a probe comprising the whole or a part of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 or a complementary strand thereof, and ent-kaurene. It may contain a polynucleotide encoding a protein having a function of hydroxylating the 13th carbon of the acid. As a probe that can hybridize under stringent conditions, one or a plurality of continuous sequences of at least 20, preferably at least 30, for example, 40, 60, or 100 of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 was selected. Polynucleotides can be used. Stringent conditions are those in which a specific hybrid signal is clearly distinguished from a non-specific hybrid signal. Stringent conditions include, for example, 5 × SSC, 1.0% (W / V) nucleic acid hybridization blocking reagent (Boehringer Mannheim), 0.1% (W / V) N-lauroyl sarcosine, 0.02% (W / V) After hybridization (about 8 to 16 hours) using SDS, washing with 0.1 × SSC, 0.1% (W / V) SDS is performed twice for 15 minutes. Moreover, the temperature of hybridization and washing can illustrate 67 degreeC or more. Hybridization is performed in Molecular Cloning: A laboratory Mannual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY., 1989, Current Protocols in Molecular Biology, Supplement 1-38, John Wiley & Sons (1987- 1997).
ところで、配列番号2に示したアミノ酸配列において1以上のアミノ酸の欠失、置換、付加又は挿入を有するアミノ酸配列をコードするポリヌクレオチド、配列番号2に示すアミノ酸配列に対して70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上の相同性を有するアミノ酸配列をコードするポリヌクレオチド、配列番号1に示す塩基配列の全体又は一部の塩基配列からなるプローブあるいはその相補鎖とストリンジェントな条件下でハイブリダイズするポリヌクレオチドは、配列番号1及び2に示した塩基配列及びアミノ酸配列の情報に基づいて、化学合成、遺伝子工学的手法又は突然変異誘発などの当業者に既知の任意の方法で作製することができる。 By the way, a polynucleotide encoding an amino acid sequence having one or more amino acid deletions, substitutions, additions or insertions in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, 70% or more with respect to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, preferably A polynucleotide encoding an amino acid sequence having a homology of 80% or more, more preferably 90% or more, a probe comprising the whole or a part of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1, or a complementary strand thereof, and stringent conditions The polynucleotide to be hybridized below can be obtained by any method known to those skilled in the art, such as chemical synthesis, genetic engineering, or mutagenesis, based on the nucleotide sequence and amino acid sequence information shown in SEQ ID NOs: 1 and 2. Can be produced.
例えば、配列番号1に示した塩基配列を有するポリヌクレオチドに対し、変異原となる薬剤と接触作用させる方法、紫外線を照射する方法、遺伝子工学的手法等を用いることによって、配列番号2に示したアミノ酸配列において1以上のアミノ酸の欠失、置換、付加又は挿入を有するアミノ酸配列をコードするポリヌクレオチドを作製することができる。遺伝子工学的手法の一つである部位特異的変異誘発法は特定の位置に特定の変異を導入できる手法であることから有用であり、Molecular Cloning: A laboratory Mannual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY.,1989や、Current Protocols in Molecular Biology, Supplement 1〜38, John Wiley & Sons (1987-1997)に記載されている方法に準じて行うことができる。 For example, the polynucleotide having the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 is shown in SEQ ID NO: 2 by using a method of contacting a mutagen with a drug, a method of irradiating ultraviolet rays, a genetic engineering technique, etc. A polynucleotide encoding an amino acid sequence having one or more amino acid deletions, substitutions, additions or insertions in the amino acid sequence can be produced. Site-directed mutagenesis, which is one of genetic engineering techniques, is useful because it can introduce specific mutations at specific positions. Molecular Cloning: A laboratory Mannual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory , Cold Spring Harbor, NY., 1989, Current Protocols in Molecular Biology, Supplements 1-38, John Wiley & Sons (1987-1997).
なお、所定の塩基配列を有するポリヌクレオチドがステビオール合成酵素遺伝子であるか否かは、以下のように検証することができる。すなわち、検討対象のポリヌクレオチドを含む遺伝子を発現可能なように導入した形質転換体を基質としてent-カウレン酸を含む培地で培養する。その後、培地からの抽出物に含まれる成分をガスクロマトグラフィー-質量分析装置に供し、ent-カウレン酸の代謝物としてステビオールが合成されているかを確認する。ステビオールが検出されれば、検討対象のポリヌクレオチドを含む遺伝子はステビオール合成酵素遺伝子であることが判明する。 Whether a polynucleotide having a predetermined base sequence is a steviol synthase gene can be verified as follows. That is, the transformant introduced so that the gene containing the polynucleotide to be examined can be expressed is cultured in a medium containing ent-kaurenoic acid as a substrate. Thereafter, the components contained in the extract from the medium are subjected to a gas chromatography-mass spectrometer to confirm whether steviol is synthesized as a metabolite of ent-kaurenoic acid. If steviol is detected, the gene containing the polynucleotide to be examined is found to be a steviol synthase gene.
ところで、本発明に係るステビオール合成酵素遺伝子は、上述したように、ent-カウレン酸の13位の炭素を水酸化する活性を有するステビオール合成酵素をコードしているが、当該ステビオール合成酵素はent-カウレン酸の13位の炭素を水酸化する活性に限定されない。すなわち、当該ステビオール合成酵素は、ent-7β-ヒドロキシカウレン酸における13位の炭素を水酸化する活性も有している。また、当該ステビオール合成酵素は、ジベレリンA12-7-アルデヒドの12位の炭素を水酸化する活性も有しているが、ジベレリンA12-7-アルデヒドの13位の炭素は僅かに水酸化するのみである。さらに、当該ステビオール合成酵素遺伝子は、ジベレリンA12の12位の炭素を水酸化する活性も有しているが、ジベレリンA12の13位の炭素は僅かに水酸化するのみである。これらステビオール合成酵素による水酸化活性を図1に模式的に示す。
By the way, as described above, the steviol synthase gene according to the present invention encodes steviol synthase having an activity of hydroxylating carbon at
2.発現ベクター
上記1.で説明したステビオール合成酵素遺伝子は、適当なベクターに挿入して使用及び保存することができる。元となるベクターの種類は特に限定されず、例えば、自立的に複製するベクターでもよいし、或いは宿主細胞に導入された際に宿主細胞のゲノムに組み込まれ、組み込まれた染色体と共に複製されるものであってもよい。特に、ベクターとしては、上述したステビオール合成酵素遺伝子を発現可能なような組み込むことができるベクターを使用することが好ましい。すなわち、上述したステビオール合成酵素遺伝子を有する発現ベクターとして作製されることが好ましい。発現ベクターにおいてステビオール合成酵素遺伝子は、転写に必要な要素(例えば、プロモーター等)が機能的に連結されている。プロモーターは宿主細胞において転写活性を示すDNA配列であり、宿主の種類に応じて適宜選択することができる。
2. Expression vector The steviol synthase gene described in 1. can be used and stored by inserting it into an appropriate vector. The type of the original vector is not particularly limited. For example, the vector may be a self-replicating vector, or when it is introduced into the host cell, it is integrated into the host cell genome and replicated together with the integrated chromosome. It may be. In particular, as the vector, it is preferable to use a vector that can be incorporated so that the above-mentioned steviol synthase gene can be expressed. That is, it is preferably prepared as an expression vector having the above-mentioned steviol synthase gene. In the expression vector, the steviol synthase gene is functionally linked to elements necessary for transcription (for example, a promoter and the like). A promoter is a DNA sequence that exhibits transcriptional activity in a host cell, and can be appropriately selected according to the type of host.
細菌細胞で作動可能なプロモーターとしては、バチルス・ステアロテルモフィルス・マルトジェニック・アミラーゼ遺伝子 (Bacillus stearothermophilus maltogenic amylase gene)、バチルス・リケニホルミスαアミラーゼ遺伝子 (Bacillus licheniformis alpha-amylase gene)、バチルス・アミロリケファチエンス・BANアミラーゼ遺伝子(Bacillus amyloliquefaciens BAN amylase gene)、バチルス・サブチリス・アルカリプロテアーゼ遺伝子 (Bacillus Subtilis alkaline protease gene)、バチルス・プミルス・キシロシダーゼ遺伝子 (Bacillus pumilus xylosldase gene)のプロモーター、又はファージ・ラムダのPR若しくはPLプロモーター、大腸菌の lac、trp若しくはtacプロモーターなどが挙げられる。 Examples of promoters that can operate in bacterial cells include the Bacillus stearothermophilus maltogenic amylase gene, the Bacillus licheniformis alpha-amylase gene, and the Bacillus amyloliquefaction. Bacillus amyloliquefaciens BAN amylase gene, Bacillus subtilis alkaline protease gene, Bacillus pumilus xylosldase gene promoter, or phage lambda PR or Examples include the PL promoter, E. coli lac, trp or tac promoter.
哺乳動物細胞で作動可能なプロモーターとしては、SV40プロモーター、MT−1(メタロチオネイン遺伝子)プロモーター又はアデノウイルス2主後期プロモーターなどが挙げられる。昆虫細胞で作動可能なプロモーターとしては、ポリヘドリンプロモータ、P10プロモーター、オートグラファ・カリホルニカ・ポリヘドロシス塩基性タンパクプロモータ、バキュウロウイルス即時型初期遺伝子1プロモーター、又はバキュウロウイルス39K遅延型初期遺伝子プロモーターなどが挙げられる。酵母宿主細胞で作動可能なプロモーターの例としては、酵母解糖系遺伝子由来のプロモーター、アルコールデヒドロゲナーゼ遺伝子プロモーター、TPI1プロモーター、ADH2-4cプロモーターなどが挙げられる。糸状菌細胞で作動可能なプロモーターの例としては、ADH3プロモーターまたはtpiAプロモーターなどがある。
Examples of promoters operable in mammalian cells include SV40 promoter, MT-1 (metallothionein gene) promoter, adenovirus 2 major late promoter, and the like. Examples of promoters operable in insect cells include polyhedrin promoter, P10 promoter, autographa calicornica polyhedrosis basic protein promoter, baculovirus immediate
発現ベクターは、更に選択マーカーを含有してもよい。選択マーカーとしては、例えば、ジヒドロ葉酸レダクターゼ(DHFR)又はシゾサッカロマイセス・ポンベTPI遺伝子等に代表されるその補体が宿主細胞に欠けている遺伝子、又はアンピシリン、カナマイシン、テトラサイクリン、クロラムフェニコール、ネオマイシン若しくはヒグロマイシンのような薬剤耐性遺伝子を挙げることができる。 The expression vector may further contain a selection marker. Examples of selectable markers include dihydrofolate reductase (DHFR) or a gene lacking its complement, such as Schizosaccharomyces pombe TPI gene, or ampicillin, kanamycin, tetracycline, chloramphenicol, Mention may be made of drug resistance genes such as neomycin or hygromycin.
また、上述したステビオール合成酵素遺伝子を植物内で過剰発現させることを目的の一部として発現ベクターを構築する場合、植物でステビオール合成酵素遺伝子を発現させることができるベクターであれば、いずれも使用可能である。具体的には、Agrobacterium tumefaciensのTiプラスミド由来のベクターなどのベクターDNAの一部を植物 細胞に導入した際に宿主植物のゲノムに組込みうるベクター、例えばTiプラスミド由来のpKYLX6、pKYLX7、pBI101、pBH2113、pBI121(Clontech Laboratories, Inc.)などを挙げることができる。 In addition, when constructing an expression vector for the purpose of overexpressing the above-mentioned steviol synthase gene in plants, any vector can be used as long as it can express the steviol synthase gene in plants. It is. Specifically, a vector that can be integrated into the genome of a host plant when a part of a vector DNA such as a vector derived from Agrobacterium tumefaciens Ti plasmid is introduced into a plant cell, such as pKYLX6, pKYLX7, pBI101, pBH2113, pBI121 (Clontech Laboratories, Inc.).
植物で機能するプロモーターとしては、当該対象植物由来のプロモーターであっても、異種由来のものであっても、当該対象植物において機能する限り使用することができる。また、必要に応じ、外部誘導性のプロモーター、組織特異的プロモーターを用いることもできる。組織非特異性ながら強い発現誘導性を示すプロモーターである、CaMV35Sプロモーター、NOSプロモーター及びオクトピンシンターゼプロモーター(Frommら(1989)Plant Cell 1: 977)を用いることもできる。また、緑葉での強い発現を誘導するrbcSプロモーターやcabプロモーターを用いることもできる(Choryら(1991)、Plant Cell,3, 445-459)。 Estradiol i誘導性プロモーター(Plant Cell 2000;12:65-80)、pUAS-Gal4 glucocorticoid誘導性プロモーター(Plant J. 11, 605-612))等を使用することもできる。さらにまた、プロモーターの具体例としては、Agrobacterium tumefaciensのT−DNA由来のプロモーター、Smasプロモーター、桂皮アルコールデヒドロゲナーゼプロモータ、リブロース二リン酸カルボキシラーゼオキシゲナーゼ(Rubisco)プロモーター、GRP1-8プロモーター、植物由来のアクチンやヒストン等のプロモーター/エンハンサーおよび公知である種々の植物遺伝子からのその他の転写開始領域が包含される。 As a promoter that functions in a plant, either a promoter derived from the target plant or a heterogeneous promoter can be used as long as it functions in the target plant. Further, if necessary, an externally inducible promoter or a tissue-specific promoter can be used. CaMV35S promoter, NOS promoter, and octopine synthase promoter (Fromm et al. (1989) Plant Cell 1: 977), which are promoters showing non-tissue specific but strong expression inducibility, can also be used. Moreover, the rbcS promoter and cab promoter which induce strong expression in green leaves can be used (Chory et al. (1991), Plant Cell, 3, 445-459). Estradiol i-inducible promoter (Plant Cell 2000; 12: 65-80), pUAS-Gal4 glucocorticoid-inducible promoter (Plant J. 11, 605-612)) and the like can also be used. Specific examples of promoters include Agrobacterium tumefaciens T-DNA-derived promoter, Smas promoter, cinnamon alcohol dehydrogenase promoter, ribulose diphosphate carboxylase oxygenase (Rubisco) promoter, GRP1-8 promoter, plant-derived actin and histone Promoters / enhancers and other transcription initiation regions from various known plant genes.
さらにまた、ステビオール合成酵素遺伝子を効率よく発現させるために、当該遺伝子のコード領域の3′末端にポリ(A)+配列を付加しても良い。ポリ(A)+配列は、種々の植物遺伝子又はT−DNA由来のものを用いることができるが、これらに限定されるものではない。また、当該遺伝子を高レベルにて発現させるのに有用な他の配列、例えば特定の遺伝子のイントロン配列、5′不翻訳領域の配列などを発現ベクターに含めることもできる。 Furthermore, in order to efficiently express the steviol synthase gene, a poly (A) + sequence may be added to the 3 ′ end of the coding region of the gene. The poly (A) + sequence can be derived from various plant genes or T-DNA, but is not limited thereto. In addition, other sequences useful for expressing the gene at a high level, for example, an intron sequence of a specific gene, a 5'-untranslated region sequence, and the like can also be included in the expression vector.
さらにまた、発現ベクターには、選択マーカー遺伝子として種々の抗生物質耐性遺伝子や他のマーカー遺伝子を含めることができる。マーカー遺伝子としては、抗スペクチノマイシン遺伝子、ストレプトマイシン耐性遺伝子(ストレプトマイシンホスホトランスフェラーゼ(SPT)遺伝子)、カナマイシン又はジェネティシン耐性のネオマイシンホスホトランスフェラーゼ(NPTII)遺伝子、ハイグロマイシン耐性のハイグロマイシンホスホトランスフェラーゼ(HPT)遺伝子、アセト乳酸合成酵素(ALS)を阻害する除草剤に対する耐性遺伝子、グルタミン合成酵素を阻害する除草剤に対する耐性遺伝子(例えばbar 遺伝子)、β−グルクロニダーゼ遺伝子、ルシフェラーゼ遺伝子等を挙げることができる。 Furthermore, the expression vector can contain various antibiotic resistance genes and other marker genes as selection marker genes. Marker genes include anti-spectinomycin gene, streptomycin resistance gene (streptomycin phosphotransferase (SPT) gene), kanamycin or geneticin resistant neomycin phosphotransferase (NPTII) gene, hygromycin resistant hygromycin phosphotransferase (HPT) gene, Examples include resistance genes for herbicides that inhibit acetolactate synthase (ALS), resistance genes for herbicides that inhibit glutamine synthase (eg, the bar gene), β-glucuronidase genes, luciferase genes, and the like.
3.形質転換体
上記2.で説明した発現ベクターを宿主細胞に導入することによって、形質転換体を作製することができる。宿主細胞としては、発現ベクターに組み込まれたステビオール合成酵素遺伝子を発現できれば任意の細胞でよく、細菌、酵母、真菌、動物細胞、昆虫細胞及び/又は植物細胞のいずれであっても良い。
3. Transformant 2. A transformant can be produced by introducing the expression vector described in 1 above into a host cell. The host cell may be any cell as long as it can express the steviol synthase gene incorporated in the expression vector, and may be any of bacteria, yeast, fungi, animal cells, insect cells and / or plant cells.
細菌としては、バチルス若しくはストレプトマイセス等のグラム陽性菌又は大腸菌等のグラム陰性菌が挙げられる。これら細菌の形質転換は、プロトプラスト法、または公知の方法でコンピテント細胞を用いることにより行えばよい。哺乳類細胞としては、HEK293細胞、HeLa細胞、COS細胞、BHK細胞、CHL細胞またはCHO細胞等が挙げられる。哺乳類細胞を形質転換し、該細胞に導入されたDNA配列を発現させる方法も公知であり、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を用いることができる。酵母としては、サッカロマイセス又はシゾサッカロマイセスに属する細胞が挙げられ、例えば、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevis1ae)又はサッカロマイセス・クルイベリ(Saccharomyces kluyveri)等が挙げられる。酵母宿主への組み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、スフェロブラスト法、酢酸リチウム法等を挙げることができる。 Examples of bacteria include gram-positive bacteria such as Bacillus or Streptomyces, or gram-negative bacteria such as Escherichia coli. Transformation of these bacteria may be performed by using competent cells by a protoplast method or a known method. Examples of mammalian cells include HEK293 cells, HeLa cells, COS cells, BHK cells, CHL cells, or CHO cells. Methods for transforming mammalian cells and expressing DNA sequences introduced into the cells are also known, and for example, electroporation method, calcium phosphate method, lipofection method and the like can be used. Examples of the yeast include cells belonging to Saccharomyces or Schizosaccharomyces, and examples thereof include Saccharomyces cerevis 1ae and Saccharomyces kluyveri. Examples of the method for introducing a recombinant vector into a yeast host include an electroporation method, a spheroblast method, and a lithium acetate method.
また、真菌としては、特に限定されないが、ジベレリン生産菌として知られる真菌を使用することが好ましい。ジベレリン生産菌としては、例えば、ジベレラ・フジクロイ(Giberella fujikuroi)、Phaeosphaeria sp. L487等を例示することができる。これらジベレリン生産菌は、ステビオール合成酵素の基質となるent-カウレン酸を代謝によって大量に蓄積していることが考えられるため、ステビオール合成酵素遺伝子を過剰発現させることによって、蓄積したent-カウレン酸を利用して大量のステビオールを合成できると期待できる。 Moreover, it is although it does not specifically limit as a fungus, It is preferable to use the fungus known as a gibberellin producing microbe. Examples of gibberellin-producing bacteria include Giberella fujikuroi, Phaeosphaeria sp. L487, and the like. These gibberellin-producing bacteria may accumulate a large amount of ent-kaurenoic acid, which is a substrate for steviol synthase, through metabolism. Therefore, by overexpressing the steviol synthase gene, the accumulated ent-kaurenoic acid is It can be expected that a large amount of steviol can be synthesized.
さらに、植物を形質転換する場合、上記2.で説明した発現ベクターを用いた、例えばパーティクルガン法、エレクトロポレーション法、ポリエチレングリコール(PEG)法、リン酸カルシウム法、DEAEデキストラン法、マイクロインジェクション法、リポフェクション法及びアグロバクテリウムなどの微生物媒介トランスフェクション法を適用することができる。植物細胞においては、パーティクルガン法、エレクトロポレーション法、ポリエチレングリコール(PEG)法およびアグロバクテリウム法が好ましく、アグロバクテリウム法が特に好ましい(Bechtold N. & Pelletier G., Methods Mol. Biol. 82, pp.259-266, 1998)。 Furthermore, when a plant is transformed, the above 2. For example, particle gun method, electroporation method, polyethylene glycol (PEG) method, calcium phosphate method, DEAE dextran method, microinjection method, lipofection method and Agrobacterium-mediated transfection method using the expression vector described in 1. Can be applied. In plant cells, the particle gun method, electroporation method, polyethylene glycol (PEG) method and Agrobacterium method are preferred, and the Agrobacterium method is particularly preferred (Bechtold N. & Pelletier G., Methods Mol. Biol. 82 , pp.259-266, 1998).
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、柵状組織、海綿状組織等)又は植物培養細胞(例えばカルス)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、限定するものではないが例えば以下のようなものが考えられる。 Plants to be transformed include whole plants, plant organs (eg leaves, petals, stems, roots, seeds, etc.), plant tissues (eg epidermis, phloem, parenchyma, xylem, vascular bundles, fences) Tissue, spongy tissue, etc.) or plant cultured cells (for example, callus). Although it does not limit as a plant used for transformation, For example, the following can be considered.
ナス科:ナス(Solanum melongena L.)、トマト(Lycopersicon esculentum Mill)、ピーマン(Capsicum annuum L. var. angulosum Mill.)、トウガラシ(Capsicum annuum L.)、タバコ(Nicotiana tabacum L.)
アブラナ科:シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)、アブラナ(Brassica campestris L.)、ハクサイ(Brassica pekinensis Rupr.)、キャベツ(Brassica oleracea L. var. capitata L.)、ダイコン(Raphanus sativus L.)、ナタネ(Brassica campestris L., B. napus L.)
イネ科:トウモロコシ(Zea mays)、イネ(Oryza sativa)、コムギ(Triticum aestivum L.)、オオムギ(Hordeum vulgare L.)
マメ科:ダイズ(Glycine max)、アズキ(Vigna angularis Willd.)、インゲン(Phaseolus vulgaris L.)、ソラマメ(Vicia faba L.)
ウリ科:キュウリ(Cucumis sativus L.)、メロン(Cucumis melo L.)、スイカ(Citrullus vulgaris Schrad.)、カボチャ(C. moschata Duch., C. maxima Duch.)
ヒルガオ科:サツマイモ(Ipomoea batatas)
ユリ科:ネギ(Allium fistulosum L.)、タマネギ(Allium cepa L.)、ニラ(Allium tuberosum Rottl.)、ニンニク(Allium sativum L.)、アスパラガス(Asparagus officinalis L.)
シソ科:シソ(Perilla frutescens Britt. var. crispa)
キク科:キク(Chrysanthemum morifolium)、シュンギク(Chrysanthemum coronarium L.)、レタス(Lactuca sativa L. var. capitata L.)
バラ科:バラ(Rose hybrida Hort.)、イチゴ(Fragaria x ananassa Duch.)
ミカン科:ミカン(Citras unshiu)、サンショウ(Zanthoxylum piperitum DC.)
フトモモ科:ユーカリ(Eucalyptus globulus Labill)
ヤナギ科:ポプラ(Populas nigra L. var. italica Koehne)
アカザ科:ホウレンソウ(Spinacia oleracea L.)、テンサイ(Beta vulgaris L.)
リンドウ科:リンドウ(Gentiana scabra Bunge var. buergeri Maxim.)
ナデシコ科:カーネーション(Dianthus caryophyllus L.)
Eggplant family: Eggplant (Solanum melongena L.), tomato (Lycopersicon esculentum Mill), pepper (Capsicum annuum L. var. Angulosum Mill.), Pepper (Capsicum annuum L.), tobacco (Nicotiana tabacum L.)
Brassicaceae: Arabidopsis thaliana, Brassica (Brassica campestris L.), Chinese cabbage (Brassica pekinensis Rupr.), Cabbage (Brassica oleracea L. var. Capitata L.), Japanese radish (Raphanus sativus L.), Rapeseed (Brassica) L., B. napus L.)
Gramineae: corn (Zea mays), rice (Oryza sativa), wheat (Triticum aestivum L.), barley (Hordeum vulgare L.)
Legumes: soybean (Glycine max), azuki bean (Vigna angularis Willd.), Green beans (Phaseolus vulgaris L.), broad bean (Vicia faba L.)
Cucurbitaceae: Cucumber (Cucumis sativus L.), Melon (Cucumis melo L.), Watermelon (Citrullus vulgaris Schrad.), Pumpkin (C. moschata Duch., C. maxima Duch.)
Convolvulaceae: Sweet potato (Ipomoea batatas)
Lilies: Allium fistulosum L., Onion (Allium cepa L.), leek (Allium tuberosum Rottl.), Garlic (Allium sativum L.), asparagus (Asparagus officinalis L.)
Labiatae: Perilla (Perilla frutescens Britt. Var. Crispa)
Asteraceae: Chrysanthemum morifolium, Chrysanthemum coronarium L., Lettuce (Lactuca sativa L. var. Capitata L.)
Rosaceae: Rose (Rose hybrida Hort.), Strawberry (Fragaria x ananassa Duch.)
Citrus family: Citrus unshiu, Salamander (Zanthoxylum piperitum DC.)
Myrtaceae: Eucalyptus (Eucalyptus globulus Labill)
Willowaceae: Poplar (Populas nigra L. var. Italica Koehne)
Rabbitaceae: Spinach (Spinacia oleracea L.), sugar beet (Beta vulgaris L.)
Gentianaceae: Gentian (Gentiana scabra Bunge var. Buergeri Maxim.)
Nadesico: Carnation (Dianthus caryophyllus L.)
特に形質転換対象の植物としては、ステビオールをアグリゴンとして種々の配糖体を生合成することが知られている植物を使用することが好ましい。このような植物としては、ステビア(Stevia rebaudiana)及び甜茶(Rubus suauissimus)等を挙げることができる。また、形質転換対象の植物としては、バイオマスとしての利用が研究されているポプラ(Populas nigra L. var. italica Koehne)等を挙げることができる。 In particular, as a plant to be transformed, it is preferable to use a plant known to biosynthesize various glycosides using steviol as an aggragon. Examples of such plants include stevia (Stevia rebaudiana) and strawberry tea (Rubus suauissimus). In addition, examples of plants to be transformed include poplar (Populas nigra L. var. Italica Koehne) whose use as biomass has been studied.
なお、形質転換の結果として得られた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(トランスジェニック植物)に再生させることができる。 The tumor tissue, shoots, hairy roots, etc. obtained as a result of transformation can be used as they are for cell culture, tissue culture, or organ culture, and use a conventionally known plant tissue culture method. The plant body (transgenic plant) can be regenerated by administration of an appropriate concentration of a plant hormone (auxin, cytokinin, gibberellin, abscisic acid, ethylene, brassinolide, etc.).
ステビオール合成酵素遺伝子が植物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、トランスジェニック植物から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、発現ベクターに挿入したステビオール合成酵素遺伝子のcDNA断片を増幅するために使用した条件と同様の条件で行うことができる。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ことができる。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することができる。 Whether or not the steviol synthase gene has been incorporated into a plant can be confirmed by PCR, Southern hybridization, Northern hybridization, or the like. For example, DNA is prepared from a transgenic plant, PCR is performed by designing DNA-specific primers. PCR can be performed under the same conditions as those used to amplify the cDNA fragment of the steviol synthase gene inserted into the expression vector. 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, It can be confirmed 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, it is possible to employ a method in which the amplification product is bound to a solid phase such as a microplate and the amplification product is confirmed by fluorescence or enzyme reaction.
4.ステビオールの製造方法
上記2.で説明した形質転換体をent-カウレン酸の存在下に培養又は生育することによって、ステビオールを生合成することができる。すなわち、形質転換体において発現したステビオール合成酵素がent-カウレン酸の13位の炭素を水酸化してステビオールを製造することができる。ここで、ent-カウレン酸は、内在性であっても良いし、外生投与したものであっても良い。
4). Method for producing steviol 2. Steviol can be biosynthesized by culturing or growing the transformant described in 1 above in the presence of ent-kaurenoic acid. That is, steviol synthase expressed in the transformant can produce steviol by hydroxylating the 13th carbon of ent-kaurenoic acid. Here, ent-kaurenoic acid may be endogenous or exogenously administered.
また、形質転換体において生合成されたステビオールは、定法に従って抽出することができる。例えば、培養又は生育後の形質転換体を、アセトン溶媒や酢酸エチル-ノルマルヘキサン(1:1)溶媒を用いて抽出し、抽出物からステビオールを分離精製することができる。 Further, steviol biosynthesized in the transformant can be extracted according to a conventional method. For example, a transformant after culture or growth can be extracted using an acetone solvent or ethyl acetate-normal hexane (1: 1) solvent, and steviol can be separated and purified from the extract.
以上のようにして、上記1.で説明したステビオール合成酵素遺伝子を利用することによってステビオール生合成系を開発することができ、ステビオールを生合成によって製造することが可能となる。従来、ステビオールをアグリコンとする各種の配糖体をメタボリックエンジニアリングによって生産するような系においては、ステビオール合成が律速段階であった。しかしながら、上記1.で説明したステビオール合成酵素遺伝子を利用することによって、ステビオール合成を律速段階とすることなく、各種の配糖体を生産する系を開発することができる(図2参照)。 As described above, the above 1. A steviol biosynthesis system can be developed by using the steviol synthetase gene described in 1., and steviol can be produced by biosynthesis. Conventionally, in a system in which various glycosides having steviol as an aglycone are produced by metabolic engineering, steviol synthesis has been the rate-limiting step. However, the above 1. By utilizing the steviol synthetase gene described in 1., a system for producing various glycosides can be developed without making steviol synthesis a rate-limiting step (see FIG. 2).
ここで、ステビオールをアグリコンとする配糖体としては、例えば、ステビオシド、レバウジオシドA、レバウジオシドB、レバウジオシドC、レバウジオシドD、レバウジオシドE、レバウジオシドF、ズルコシドA、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ルブソシド等を挙げることができる。すなわち、上記1.で説明したステビオール合成酵素遺伝子を利用することによって、これら列挙した各種配糖体を優れた収率で生産することができる系を開発することができる。 Here, as a glycoside having steviol as an aglycon, for example, stevioside, rebaudioside A, rebaudioside B, rebaudioside C, rebaudioside D, rebaudioside E, rebaudioside F, dulcoside A, steviolmonoside, steviolbioside, rubusoside, etc. Can be mentioned. That is, the above 1. By utilizing the steviol synthase gene described in 1., a system capable of producing these various glycosides with excellent yields can be developed.
5.ステビオール合成酵素遺伝子の過剰発現による表現型
上述したように、上記1.で説明したステビオール合成酵素遺伝子を植物内で過剰発現させるとステビオールの合成が促進される。これに加えて、上記1.で説明したステビオール合成酵素遺伝子を植物内で過剰発現させると、植物成長ホルモンであるジベレリンのうちジベレリンA1の合成が促進される。野生型の植物においては、ent-カウレン酸を前駆体として、ジベレリンA1よりも生理活性の高いジベレリンA4が比較的多量に蓄積されている。そして従来、ジベレリンA1はジベレリンA4が水酸化されて合成されるものと考えられていた。
5). Phenotype by overexpression of steviol synthase gene As described above, 1. If the steviol synthase gene described in (1) is overexpressed in the plant, the synthesis of steviol is promoted. In addition to the above, 1. When the steviol synthase gene described in the above is overexpressed in the plant, the synthesis of gibberellin A 1 is promoted among the gibberellins which are plant growth hormones. In wild-type plants, a relatively large amount of gibberellin A 4 having a higher physiological activity than gibberellin A 1 is accumulated using ent-kaurenoic acid as a precursor. Conventionally, gibberellin A 1 was thought to be synthesized by hydroxylating gibberellin A 4 .
しかしながら、上記1.で説明したステビオール合成酵素遺伝子を植物内で過剰発現させるとジベレリンA1の蓄積量が増加することから、植物内においてジベレリンA1はステビオールを前駆体として生合成される蓋然性が高い。これは、上述した従来の予測に反する知見である(図2参照)。 However, the above 1. In steviol synthetase gene explained since the accumulation amount of gibberellin A 1 overexpression in a plant increases, gibberellin A 1 in a plant has a high probability biosynthesized steviol as a precursor. This is a finding contrary to the conventional prediction described above (see FIG. 2).
換言すると、上記1.で説明したステビオール合成酵素遺伝子を植物内で過剰発現させることによって、当該植物内におけるジベレリンA4とジベレリンA1との存在比を野生型植物と比較して変化させることができる。詳細には、上記1.で説明したステビオール合成酵素遺伝子を植物内で過剰発現させることによって、野生型植物と比較して(ジベレリンA1量)/(ジベレリンA4)の値を大とする方向に調節することができる。 In other words, the above 1. By overexpressing the steviol synthase gene described in the above in a plant, the abundance ratio between gibberellin A 4 and gibberellin A 1 in the plant can be changed as compared with a wild type plant. Specifically, the above 1. By overexpressing the steviol synthase gene described in the above in the plant, the value of (gibberellin A 1 amount) / (gibberellin A 4 ) can be adjusted to be larger than that in the wild type plant.
また、上記1.で説明したステビオール合成酵素遺伝子を植物内で過剰発現させると、植物体は半矮性を示すといった特徴的な表現型を示す。具体的には、上記1.で説明したステビオール合成酵素遺伝子を過剰発現する植物体は、野生型植物と比較して有意に矮小化する。また、半矮性を示す植物体は、ジベレリンA4の外生投与によって野生型植物と同等の大きさまで成長が回復する。ここで、半矮性とは、野生型植物体よりも有意に小であり、且つ、体内におけるジベレリンが検出限界以下である変異体よりも有意に大である範囲で矮化することを意味する。ここで、体内におけるジベレリンが検出限界以下である変異体は、矮化の程度が非常に大であることが知られている。 The above 1. When the steviol synthase gene described in the above is overexpressed in a plant, the plant exhibits a characteristic phenotype such as semi-dwarfism. Specifically, the above 1. Plants that overexpress the steviol synthase gene described in 1 are significantly dwarfed compared to wild type plants. Moreover, it plants showing a semi-dwarf, grown to the size of the equivalent wild-type plants by exogenous administration of gibberellin A 4 is restored. Here, semi-dwarf means hatching in a range that is significantly smaller than a wild-type plant body and significantly larger than a mutant whose gibberellin in the body is below the detection limit. Here, it is known that a mutant whose gibberellin in the body is below the detection limit has a very high degree of hatching.
すなわち、上記1.で説明したステビオール合成酵素遺伝子を過剰発現させることにより植物を半矮性化し、その後、ジベレリンA4の外生投与により成長を回復させるといった植物の形態調節方法を提供することができる。 That is, the above 1. In a plant half dwarfed by overexpressing steviol synthetase gene explained, then it is possible to provide the form method of modulating a plant such as to restore the growth by exogenous administration of gibberellin A 4.
また、ent-カウレン酸の13位の炭素を水酸化する機能を有しないが、ent-ジベレラン骨格の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードする遺伝子を植物内で過剰発現させても、植物体は半矮性を示すといった特徴的な表現型を示す。ent-ジベレラン骨格の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードする遺伝子としては、イネ由来の、CYP714A2の相同遺伝子候補の一つであるCYP714B1遺伝子を挙げることができる。CYP714B1遺伝子の塩基配列を配列番号12に示し、CYP714B1遺伝子によってコードされるタンパク質のアミノ酸配列を配列番号13に示す。
In addition, a gene encoding a protein that does not have a function of hydroxylating the 13th carbon of ent-kaurenoic acid but has a function of hydroxylating the 13th carbon of the ent-gibberellane skeleton is overexpressed in the plant. However, the plant exhibits a characteristic phenotype such as semi-dwarfism. An example of a gene encoding a protein having a function of hydroxylating the carbon at
ent-ジベレラン骨格の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードする遺伝子としては、配列番号13に示すアミノ酸配列において1以上のアミノ酸が欠失、置換、付加又は欠失したアミノ酸配列を含み、ent-ジベレラン骨格の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含むものであっても良い。ここで、1以上のアミノ酸とは、例えば1〜20個のアミノ酸、好ましくは1〜10個のアミノ酸、より好ましくは1〜5個のアミノ酸を意味する。
As a gene encoding a protein having a function of hydroxylating carbon at
さらに、ent-ジベレラン骨格の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードする遺伝子としては、配列番号3に示すアミノ酸配列に対して70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上の相同性を有するアミノ酸配列を含み、ent-ジベレラン骨格の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含むものであっても良い。ここで、アミノ酸配列の相同性は、アルゴリズムBLAST(Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87:2264-2268, 1990、Proc Natl Acad Sci USA 90: 5873, 1993)を用いて決定できる。BLASTのアルゴリズムに基づいたBLASTXと呼ばれるプログラム(Altschul SF, et al: J Mol Biol 215: 403, 1990)を用いてアミノ酸配列間の相同性を算出することができるが、このときのパラメータはデフォルトでよい。
Furthermore, the gene encoding a protein having a function of hydroxylating carbon at
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example, the technical scope of this invention is not limited to a following example.
〔実施例1〕新規ステビオール合成酵素の機能試験
シトクロムP450酵素遺伝子CYP714A2の完全長cDNAは、シロイヌナズナの未熟鞘からRT-PCRを用いて単離した。RT-PCRには以下のプライマーセットを使用し、Expand High FidelityPLUSPCR System (Roche社)及びPyrobest (TaKaRa社)を使用した。次に、RT-PCRによって得られたcDNAを鋳型にして、PCRプライマー714A2-F1(CGGGATCCATGGAGAGTTTGGTTGTTCATAC(配列番号3):翻訳開始コドン(下線部)直前にBamH I制限酵素部位を配置)と714A2-R1(GGGGTACCTCAAACAACCCTAATGACAACAC(配列番号4):停止コドン(下線部)直後にKpn I制限酵素部位を配置)を用いてPCRを行うことにより制限酵素部位を導入した。その産物をBamH I及びKpn I制限酵素で消化した後、pYeDP60ベクターBamH I/Kpn I部位に結合した。なお、pYeDP60ベクターはガラクトース存在下でシトクロムP450遺伝子の発現を誘導する既知ベクターである。
[Example 1] Functional test of novel steviol synthase The full-length cDNA of cytochrome P450 enzyme gene CYP714A2 was isolated from immature sheath of Arabidopsis thaliana using RT-PCR. The following primer sets were used for RT-PCR, and Expand High Fidelity PLUS PCR System (Roche) and Pyrobest (TaKaRa) were used. Next, using the cDNA obtained by RT-PCR as a template, PCR primers 714A2-F1 (CGGGATCC ATG GAGAGTTTGGTTGTTCATAC (SEQ ID NO: 3): BamH I restriction enzyme site is placed immediately before the translation initiation codon (underlined)) and 714A2 A restriction enzyme site was introduced by performing PCR using -R1 (GGGGTACC TCA AACAACCCTAATGACAACAC (SEQ ID NO: 4): a Kpn I restriction enzyme site immediately after the stop codon (underlined)). The product was digested with BamH I and Kpn I restriction enzymes and then ligated into the pYeDP60 vector BamH I / Kpn I sites. The pYeDP60 vector is a known vector that induces cytochrome P450 gene expression in the presence of galactose.
得られたプラスミドは、ガラクトース存在下でアラビドプシスのシトクロムP450還元酵素1を共発現させる既知のWAT11酵母(Pompon D, Louerat B, Bronine A, Urban P (1996) Yeast expression of animal and plant P450s in optimised redox environments. Methods Enzymol 272: 51-64)に形質転換させた。
The resulting plasmid is a known WAT11 yeast (Pompon D, Louerat B, Bronine A, Urban P (1996) Yeast expression of animal and plant P450s in optimized redox) that co-expresses Arabidopsis
得られた形質転換体は10mlのSGI液体培地(Glucose 20g、Yeast Nitrogen Base without Amino Acids 6.7g、Bacto Casamino Acid 1g、DL-Tryptophan 40mg、H2O 1L)に植え付け、30℃で24時間振とう(200rpm)培養した。その培養液1mlを10mlのSLI液体培地(Galactose 20g、Yeast Nitrogen Base without Amino Acids 6.7g、Bacto Casamino acid 1g、DL-Tryptophan 40mg、H2O 1L)に植え付け、28℃で4x107 cells/ml濃度に増殖するまで振とう培養した。増殖した形質転換酵母は、新しいSLI液体培地で8x106cells/ml濃度になるように希釈した。その形質転換体培地5mlに1μg(1μlのエタノールに溶解)のent-カウレン酸、ent-7β-ヒドロキシカウレン酸、ジベレリンA12-7-アルデヒド(以下、GA12-7-アルデヒド)、ジベレリンA12(以下、GA12)を加え、28℃で6x107cells/ml濃度に増殖するまで振とう培養した。培養後、ent-カウレン酸、ent-7β-ヒドロキシカウレン酸、GA12-7-アルデヒドを加えた形質転換体とその培地は酢酸エチル-ノルマルヘキサン(1:1)で抽出し、その抽出物を乾固後、90%メタノール溶解してBond Elut C18カラム(100mg、VARIAN社製)に通した。GA12を加えた形質転換体とその培地は、酢酸エチルで抽出し、その抽出物を乾固後、80%メタノール溶解してBond Elut C18カラムに通した。溶出液を乾固した後、メチル-TMSi体に誘導体化してGC-MSにより分析した。GC-MSはAutomass (JEOL)-6890N(Agilent technologies社製)にDB-1カラム (0.25 mm x 15 m;0.25μm film thickness, J & W Scientific社製)を用いた。キャリアガスはHe(1ml/min)。インジェクション温度は250℃とした。カラムオーブンは、インジェクション後80℃で1分保持した後、30℃/分で200℃まで昇温後、5℃/分で250℃まで昇温し、その後30℃/分で300℃まで昇温し、300℃で1分保持した。GC-MSにより分析した結果を表1に示す。 The obtained transformant was planted in 10 ml of SGI liquid medium (Glucose 20 g, Yeast Nitrogen Base without Amino Acids 6.7 g, Bacto Casamino Acid 1 g, DL-Tryptophan 40 mg, H 2 O 1 L) and shaken at 30 ° C. for 24 hours. Cultured (200 rpm). 1 ml of the culture solution is inoculated into 10 ml of SLI liquid medium (Galactose 20 g, Yeast Nitrogen Base without Amino Acids 6.7 g, Bacto Casamino acid 1 g, DL-Tryptophan 40 mg, H 2 O 1 L) at a concentration of 4 × 10 7 cells / ml at 28 ° C. Cultured with shaking until grown. The grown transformed yeast was diluted with fresh SLI liquid medium to a concentration of 8 × 10 6 cells / ml. 1 μg (dissolved in 1 μl of ethanol) of ent-kaurenoic acid, ent-7β-hydroxykaurenoic acid, gibberellin A 12 -7-aldehyde (hereinafter referred to as GA 12 -7-aldehyde), gibberellin A in 5 ml of the transformant medium 12 (hereinafter referred to as GA 12 ) was added and cultured with shaking at 28 ° C. until the cells grew to a concentration of 6 × 10 7 cells / ml. After culturing, the transformant to which ent-kaurenoic acid, ent-7β-hydroxykaurenoic acid, GA12-7-aldehyde was added and its medium were extracted with ethyl acetate-normal hexane (1: 1). After drying, 90% methanol was dissolved and passed through a Bond Elut C18 column (100 mg, manufactured by VARIAN). The transformant to which GA12 was added and its medium were extracted with ethyl acetate. The extract was dried, dissolved in 80% methanol, and passed through a Bond Elut C18 column. The eluate was dried and then derivatized to a methyl-TMSi form and analyzed by GC-MS. For GC-MS, a DB-1 column (0.25 mm × 15 m; 0.25 μm film thickness, manufactured by J & W Scientific) was used in Automass (JEOL) -6890N (Agilent technologies). The carrier gas is He (1 ml / min). The injection temperature was 250 ° C. The column oven is held at 80 ° C for 1 minute after injection, then heated to 200 ° C at 30 ° C / minute, then raised to 250 ° C at 5 ° C / minute, and then raised to 300 ° C at 30 ° C / minute. And kept at 300 ° C. for 1 minute. The results analyzed by GC-MS are shown in Table 1.
表1の結果、ent-カウレン酸の代謝物としてステビオールが同定された。ent-7β-ヒドロキシカウレン酸も同様にC-13位に水酸基が導入されたent-7β,13-ジヒドロキシカウレン酸が同定された。GA12-7-アルデヒドとGA12の代謝物としてはC-13位に水酸基が導入された代謝物は少量検出されただけで、C-12α位に水酸基が導入されたものが主要な産物として同定された。したがって、シロイヌナズナのシトクロムP450酵素CYP714A2は、B環が6員環のent-カウラン骨格をもつent-カウレン酸とent-7β-ヒドロキシカウレン酸にはC-13位に水酸基を導入する酵素であり、一方、B環が5員環のent-ジベレラン骨格をもつGA12-7-アルデヒドとGA12にはC-12α位に水酸基を導入する酵素であることが明らかとなった(図1)。 As a result of Table 1, steviol was identified as a metabolite of ent-kaurenoic acid. Similarly, ent-7β, 13-dihydroxykaurenoic acid having a hydroxyl group introduced at the C-13 position was also identified. As metabolites of GA 12 -7-aldehyde and GA 12 , only a small amount of metabolites with a hydroxyl group introduced at the C-13 position were detected, and those with a hydroxyl group introduced at the C-12α position were the main products. Identified. Therefore, the Arabidopsis cytochrome P450 enzyme CYP714A2 is an enzyme that introduces a hydroxyl group at the C-13 position in ent-kaurenoic acid and ent-7β-hydroxykaurenic acid, which have an ent-kaurane skeleton with a 6-membered B ring. On the other hand, it was clarified that the B ring is a GA 12 -7-aldehyde having a 5-membered ent-gibberellan skeleton and an enzyme that introduces a hydroxyl group into the C-12α position in GA 12 (FIG. 1).
〔実施例2〕ステビオール合成酵素遺伝子の過剰発現体の作製
実施例1で作製したステビオール合成酵素遺伝子のcDNAクローンを鋳型に、PCRプライマーAt5g24900F(BamHI)(CCGGATCCATGGAGAGTTTGGTTGT(配列番号5):翻訳開始コドン(下線部)直前にBamH I制限酵素部位を配置)とAt5g24900R(PstI)(CCCTGCAGTCAAACAACCCTAATGA(配列番号6):停止コドン(下線部)直後にPst I制限酵素部位を配置)を用いてPCRを行い、制限酵素部位を導入した。PCRによって得られた産物をプラスミドベクターに結合しクローニング後、塩基配列を確認した。このプラスミドをBamH IとPst Iで消化して得られたステビオール合成酵素遺伝子のcDNA断片を、pCGNバイナリーベクター内のカリフラワーモザイクウイルス35Sプロモーター(強力な構成的発現プロモーター)とNOSターミネーター間のBamH I/Pst I部位に結合させた。このバイナリーベクターをアグロバクテリウムEHA105に電気穿孔法により導入した。シロイヌナズナ(エコタイプCol-0)の形質転換はFloral-dip法により行った。得られたT1種子を無菌的にカナマイシン50 mg/lを含む1/2MS(Murashige-Skoog)寒天培地に播種し、カナマイシン耐性を示す形質転換体を選抜した。これらの後代で導入遺伝子をホモに持つT3個体を実験に用いた。得られたステビオール合成酵素遺伝子の過剰発現体は、図3に示すように半矮性の表現型を示した。なお、図3においてAの写真は野生型シロイヌナズナを示し、Bの写真はステビオール合成酵素遺伝子の過剰発現体のシロイヌナズナを示している。
[Example 2] Preparation of overexpressed steviol synthase gene PCR primer At5g24900F (BamHI) (CCGGATCC ATG GAGAGTTTGGTTGT (SEQ ID NO: 5): Start of translation using the cDNA clone of steviol synthase gene prepared in Example 1 as a template PCR using BamH I restriction enzyme site immediately before the codon (underlined) and At5g24900R (PstI) (CCCTGCAG TCA AACAACCCTAATGA (SEQ ID NO: 6): Pst I restriction enzyme site immediately after the stop codon (underlined)) To introduce a restriction enzyme site. The product obtained by PCR was linked to a plasmid vector and cloned, and the nucleotide sequence was confirmed. A cDNA fragment of the steviol synthase gene obtained by digesting this plasmid with BamH I and Pst I was used as a BamH I / between the
本実施例で作製したステビオール合成酵素遺伝子過剰発現体の独立した2ライン(b2及びd1と命名)と野生型(Col-0)とジベレリン(GA)合成不全変異体とを用いて、生育測定試験を行った。なお、GA合成不全変異体としては、gal-3と称される変異体を使用した。本試験では、播種後6日目の苗条を同一の寒天培地に移植後、10日目にロゼット半径を測定した。b2、d1、Col-0及びgal-3のそれぞれについて移植後10日目の写真を図4に示した。なお、本試験においてロゼット半径は各6個体の平均値として算出した。測定結果を表2及び図5に示す。
Growth measurement test using two independent lines (named b2 and d1), wild type (Col-0) and gibberellin (GA) synthesis deficient mutants of the steviol synthetase gene overexpressing body prepared in this example Went. Note that a mutant called gal-3 was used as the GA synthesis deficient mutant. In this test, the rosette radius was measured on the 10th day after transplanting the shoots on the 6th day after sowing to the same agar medium. The photographs on
表2及び図5から判るように、本実施例で作製したステビオール合成酵素遺伝子過剰発現体は、野生株と比較して有意に矮性を示し、且つ、GA合成不全変異体と比較して有意に大きくなる。このように、本実施例で作製したステビオール合成酵素遺伝子過剰発現体は、非常に特徴的な半矮性を示すことが明らかとなった。 As can be seen from Table 2 and FIG. 5, the steviol synthase gene overexpression product produced in this example was significantly more fertile than the wild type and significantly compared to the GA synthesis deficient mutant. growing. Thus, it became clear that the steviol synthetase gene overexpression body produced in the present Example showed a very characteristic semi-dwarfism.
また、本実施例では、ステビオール合成酵素遺伝子過剰発現体の独立した4ライン(b2、d1、f1及びr1)と野生型(Col-0)とジベレリン(GA)合成不全体とを用いて、生育測定試験を行った。なお、GA合成不全体としては、上記のgal-3と異なり、体内GAが検出限界以下である形質転換植物を使用した。本試験では、培養土に播種した後、常光下で生育し、23日目にロゼット半径を測定した。なお、本試験においてロゼット半径は各10個体の平均値として算出した。測定結果を表3及び図6に示す。また、b2、Col-1及びGA合成不全体のそれぞれについて播種後、23日目の写真を図7に示した。 In addition, in this example, growth was performed using 4 independent lines (b2, d1, f1, and r1) of the steviol synthetase gene overexpressing body, wild type (Col-0), and gibberellin (GA) non-synthesis whole. A measurement test was conducted. In addition, as a whole GA synthesis failure, unlike the above-described gal-3, a transformed plant having an in vivo GA below the detection limit was used. In this test, after seeding in culture soil, it grew under normal light, and the rosette radius was measured on the 23rd day. In this test, the rosette radius was calculated as an average value of 10 individuals. The measurement results are shown in Table 3 and FIG. Further, FIG. 7 shows a photograph of the 23rd day after sowing for each of b2, Col-1 and GA synthesis incomplete.
表3及び図6から判るように、本実施例で作製したステビオール合成酵素遺伝子過剰発現体は、野生株と比較して有意に矮性を示し、且つ、GA合成不全体と比較して有意に大きくなる。このように、本実施例で作製したステビオール合成酵素遺伝子過剰発現体は、非常に特徴的な半矮性を示すことが明らかとなった。なお、本実施例で作製したステビオール合成酵素遺伝子過剰発現体のなかでもf1及びr1は、b2及びd1と比べると緩やかな半矮性を示している。この表現型は、f1及びr1におけるステビオール合成酵素遺伝子の発現量が、b2及びd1と比べて低いためであると考えられる。このように、形質転換植物におけるにおけるステビオール合成酵素遺伝子の発現量を調節することによって、矮性の程度を制御できることが明らかとなった。 As can be seen from Table 3 and FIG. 6, the steviol synthase gene overexpression product produced in this example was significantly fertile compared to the wild type and significantly larger than the GA synthesis non-total. Become. Thus, it became clear that the steviol synthetase gene overexpression body produced in the present Example showed a very characteristic semi-dwarfism. Note that among the steviol synthetase gene overexpressing bodies produced in this example, f1 and r1 show a moderate semi-dwarfity compared to b2 and d1. This phenotype is considered to be because the expression level of the steviol synthase gene in f1 and r1 is lower than that in b2 and d1. Thus, it became clear that the degree of fertility can be controlled by adjusting the expression level of the steviol synthase gene in transformed plants.
さらに、本実施例では、半矮性を示すことが明らかとなったステビオール合成酵素遺伝子過剰発現体にジベレリンA4(GA4)を投与することによる表現型の変化を検討した。本試験では、培養土に播種後、常光下で生育し、+GA4区に対しては播種後10日目と17日目に50μMのGA4をスプレーにより投与した。本試験の結果を図8に示す。図8において、左からそれぞれ上下2個体ずつ、野生型(Col-0)、b2ライン及びb2ライン(+GA4区)を示している。図8に示すように、ステビオール合成酵素遺伝子を過剰発現する形質転換植物に対してGA4を投与することによって、半矮性が回復し、野生型と同様に生育することが明らかとなった。 Furthermore, in this example, phenotypic changes caused by administering gibberellin A 4 (GA 4 ) to a steviol synthase gene overexpressing body that was found to be semi-fertile were examined. In this test, after seeding in culture soil, grown under ordinary light, it was administered by spraying the GA 4 of 50μM to 10 days and 17 days after sowing for + GA 4 district. The results of this test are shown in FIG. In FIG. 8, the wild type (Col-0), the b2 line, and the b2 line (+ GA4 ward) are shown in the upper and lower two individuals from the left. As shown in FIG. 8, it was clarified that by administering GA4 to a transformed plant that overexpresses the steviol synthase gene, the semi-fertility was restored and it grew like the wild type.
〔実施例3〕ステビオール合成酵素遺伝子過剰発現体におけるent-カウレン酸とステビオールの定量
実施例2で作製したステビオール合成酵素遺伝子過剰発現体の独立した2ライン(b2及びd1と命名)と野生型(Col-0)とを24時間白色光下で生育させた。抽台直前の地上部5g新鮮重に内部標準として40ngの17、17-2H2標識したジベレリンを加え、80%アセトンで抽出した。抽出物を乾固後、50%アセトニトリルとn-ヘキサンで溶媒分配し乾固させた。以下の2つの溶出画分を準備した。
[Example 3] Quantification of ent-kaurenoic acid and steviol in steviol synthetase gene overexpressing substance Two independent lines (named b2 and d1) of the steviol synthetase gene overexpressing substance prepared in Example 2 and wild type (named b2 and d1) Col-0) was grown under white light for 24 hours. The gibberellin was 17,17-2 H 2 label 40ng as an internal standard in addition to the aerial part 5g fresh weight of bolting immediately before, and extracted with 80% acetone. The extract was evaporated to dryness, and the solvent was partitioned with 50% acetonitrile and n-hexane to dryness. The following two elution fractions were prepared.
溶出画分1:ヘキサン区(カウレン酸を含む)についてシリカゲルクロマトグラフィーを行った。シリカゲルカラムに試料をヘキサンで縣濁しチャージした。ヘキサンで溶出後、カウレン酸画分はヘキサン:酢酸エチル(85:15)で溶出させた。 Elution fraction 1: Silica gel chromatography was performed on hexane (including kaurenoic acid). The sample was suspended in hexane and charged in a silica gel column. After elution with hexane, the kaurenoic acid fraction was eluted with hexane: ethyl acetate (85:15).
溶出画分2:50%アセトニトリル区(ステビオールを含む)は1%ギ酸に縣濁し、Oasis HLBカラム(Waters社製)にチャージした。1%ギ酸40%アセトニトリルで溶出後、ステビオール画分は1%ギ酸80%アセトニトリルで溶出させた。 Elution fraction 2: 50% acetonitrile (including steviol) was suspended in 1% formic acid and charged to an Oasis HLB column (Waters). After elution with 1% formic acid and 40% acetonitrile, the steviol fraction was eluted with 1% formic acid and 80% acetonitrile.
それぞれの溶出画分1及び2をメタノールに溶解し、Bond Elut DEAカラム(VARIAN社製)にチャージした。100%メタノールで溶出後、カウレン酸及びステビオール画分は0.1%酢酸メタノールで溶出させた。
Each
得られた0.1%酢酸メタノール区をODS-HPLCで分画した。ODS-HPLCにおいてカラムはSHISEIDO MGII5 (4.6mmI.D.x 250mm)を使用した。カラム恒温槽は40℃に保持した。移動相は0 minから5 minまで50% MeOH(1% AcOH)とし、その後25 minに100% MeOHになるようにグラジエントさせ、35 minまで100% MeOHで溶出した。流速は1ml/minとした。HPLCのフラクションを1min/tubeで集め、Fr 25及び26(ステビオールを含む)Fr29、30及び31(カウレン酸を含む)を得た。 The obtained 0.1% acetic acid methanol section was fractionated by ODS-HPLC. The column used in ODS-HPLC was SHISEIDO MGII5 (4.6 mm I.D.x 250 mm). The column thermostat was kept at 40 ° C. The mobile phase was 50% MeOH (1% AcOH) from 0 min to 5 min, then gradient to 100% MeOH over 25 min and eluted with 100% MeOH up to 35 min. The flow rate was 1 ml / min. HPLC fractions were collected at 1 min / tube to obtain Fr 25 and 26 (including steviol) Fr29, 30 and 31 (including kaurenoic acid).
それぞれのフラクションを集め濃縮乾固し、MSTFAにより誘導体化後、GC-MSを用いて分析した。GC-MS はAutomass (JEOL)-6890N (Agilent technologies社製)にDB-1カラム (0.25 mm x 15 m、0.25 μm film thickness、J & W Scientific社製)を用いた。このときキャリアガスはHe(1ml/min)を使用した。インジェクション温度は250℃とした。カラムオーブンはインジェクション後80℃で1分保持し、200℃までは30℃/分で昇温し、その後、5℃毎分で280℃に昇温し、その後280℃で1分保持した。 Each fraction was collected, concentrated to dryness, derivatized with MSTFA, and analyzed using GC-MS. For GC-MS, a DB-1 column (0.25 mm × 15 m, 0.25 μm film thickness, manufactured by J & W Scientific) was used in Automass (JEOL) -6890N (manufactured by Agilent Technologies). At this time, He (1 ml / min) was used as the carrier gas. The injection temperature was 250 ° C. The column oven was held at 80 ° C. for 1 minute after injection, heated to 30 ° C./min up to 200 ° C., then heated to 280 ° C. at 5 ° C. per minute, and then held at 280 ° C. for 1 minute.
野生型シロイヌナズナ及びステビオール合成酵素遺伝子過剰発現シロイヌナズナにおけるent-カウレン酸及びステビオールを定量した結果を表4に示す(表4中、単位は「pg/g新鮮重」である)。 The results of quantification of ent-kaurenoic acid and steviol in wild-type Arabidopsis thaliana and steviol synthase gene overexpression Arabidopsis thaliana are shown in Table 4 (in Table 4, the unit is “pg / g fresh weight”).
表4から判るように、ステビオール合成酵素遺伝子過剰発現シロイヌナズナにおいては、ステビオール合成酵素の基質であるent-カウレン酸が野生型に比べ5%〜16%に減少していた。一方、ステビオール合成酵素の代謝物であるステビオールは野生型に比べて15〜17倍に増加していた。 As can be seen from Table 4, in steviol synthase gene overexpressing Arabidopsis thaliana, ent-kaurenoic acid, which is a substrate for steviol synthase, was reduced to 5% to 16% compared to the wild type. On the other hand, steviol, which is a metabolite of steviol synthase, increased 15 to 17 times compared to the wild type.
〔実施例4〕ステビオール合成酵素遺伝子過剰発現体における活性型ジベレリン(GA 4 、GA 1 )の定量
実施例3で使用した過剰発現体(b2及びd1)と野生型(Col-0)植物体に17,17-2H2標識したジベレリンを加え、80%アセトンで抽出した。抽出物を乾固後、50%アセトニトリルとn-ヘキサンで溶媒分配した。50%アセトニトリル区を乾固後、500mMリン酸バッファー(pH8.0)に懸濁し、polyvinylpyrrolidoneカラム(Tokyo Kasei社製)にチャージした。100mMリン酸バッファーで(pH8.0)溶出させ、塩酸でpH3.0にした後にOasis HLBカラム(waterss社製)にチャージした。2%ギ酸で溶出後、ジベレリン画分は1%ギ酸80%アセトニトリルで溶出させた。乾固後にメタノールに溶解し、Bond Elut DEAカラム(VARIAN社製)にチャージした。100%メタノールで溶出後、ジベレリン画分は0.5%酢酸メタノールで溶出させた。乾固後に1%酢酸を含むクロロホルム-酢酸エチル(1:1)で縣濁し、SepPak silicaカートリッジ(VARIAN社製)に通した。通過液を乾固した後、水に溶解してLC-MS/MS分析を行った。LC-MS/MSはquadrupole/time-of-flight tandem mass spectrometer (Q-Tof Premier、Waters社製)とAcquity Ultra Performance LC (Waters社製)にAcquity UPLC BEH-C18カラム(2.1 x 50 mm、1.7 μm particle size、Waters社製)を用いた。98%アセトニトリル(0.05%酢酸を含む)で5分溶出後、3%アセトニトリルから65%アセトニトリルに20分のグラジエントで溶出させた。なお流速は200μL/minとした。
[Example 4] Quantification of active gibberellins (GA 4 , GA 1 ) in steviol synthase gene overexpressing bodies Overexpressing bodies (b2 and d1) and wild type (Col-0) plants used in Example 3 17,17-2 H 2 labeled gibberellin was added and extracted with 80% acetone. After the extract was dried, the solvent was partitioned with 50% acetonitrile and n-hexane. The 50% acetonitrile section was dried, suspended in 500 mM phosphate buffer (pH 8.0), and charged to a polyvinylpyrrolidone column (manufactured by Tokyo Kasei). The column was eluted with 100 mM phosphate buffer (pH 8.0), adjusted to pH 3.0 with hydrochloric acid, and then charged on an Oasis HLB column (manufactured by Waters). After elution with 2% formic acid, the gibberellin fraction was eluted with 1% formic acid 80% acetonitrile. After drying, it was dissolved in methanol and charged to a Bond Elut DEA column (manufactured by VARIAN). After elution with 100% methanol, the gibberellin fraction was eluted with 0.5% acetic acid methanol. After drying, the mixture was suspended in chloroform-ethyl acetate (1: 1) containing 1% acetic acid and passed through a SepPak silica cartridge (manufactured by VARIAN). After passing through the liquid to dryness, it was dissolved in water and subjected to LC-MS / MS analysis. LC-MS / MS is quadrupole / time-of-flight tandem mass spectrometer (Q-Tof Premier, Waters) and Acquity Ultra Performance LC (Waters), Acquity UPLC BEH-C18 column (2.1 x 50 mm, 1.7 mm μm particle size, manufactured by Waters) was used. After eluting with 98% acetonitrile (including 0.05% acetic acid) for 5 minutes, elution was performed from 3% acetonitrile to 65% acetonitrile with a gradient of 20 minutes. The flow rate was 200 μL / min.
野生型シロイヌナズナ及びステビオール合成酵素遺伝子過剰発現シロイヌナズナにおけるジベレリンA4(GA4)及びジベレリンA1(GA1)を定量した結果を表5に示す(表5中、単位は「pg/g新鮮重」である)。 The results of quantification of gibberellin A 4 (GA 4 ) and gibberellin A 1 (GA 1 ) in wild-type Arabidopsis thaliana and steviol synthase gene overexpressing Arabidopsis are shown in Table 5 (in Table 5, the unit is “pg / g fresh weight”) Is).
表5に示すように、ステビオール合成酵素遺伝子過剰発現シロイヌナズナにおいて、C-13位に水酸基を持たない活性型ジベレリンのGA4が検出限界以下までに減少していた。一方、C-13位に水酸基を持つ活性型ジベレリンのGA1は野生型に比べて129〜142倍に増加していた。 As shown in Table 5, in steviol synthase gene overexpressing Arabidopsis thaliana, GA 4 of active gibberellin having no hydroxyl group at the C-13 position was decreased to below the detection limit. On the other hand, GA 1 of the active type gibberellin having a hydroxyl group at the C-13 position was increased 129 to 142 times compared to the wild type.
〔実施例5〕イネGA13位水酸化酵素遺伝子の機能試験
イネにおけるCYP714A2の相同遺伝子候補の一つであるCYP714B1遺伝子の完全長cDNAは、イネ(品種日本晴)の第一節間における伸長部位(節を含む)からRT-PCRを用いて単離した。逆転写反応にはOligo(dT)12-18プライマー(Invitrogen社)を使用し、逆転写酵素にはSuperScript II RT (Invitrogen社)を使用した。合成されたcDNAを鋳型にして、PCRプライマー714B1-F1(CATCTTGCATACATCAACGTCAG(配列番号7)とPCRプライマー714B1-R2(CTAATCAAATCCAGCCCAATCAC(配列番号8)にPrimeSTAR HS DNA Polymerase with GC buffer (TaKaRa社)を用いてPCRを行った。増幅されたDNAはMighty TA-cloning Kit for PrimeSTAR (TaKaRa社)を用いてpMD20-Tベクターにクローニングされた。そのプラスミドを鋳型にして、PCRプライマー714B1-CACC(CACCATGGTGGTGGTGGTG(配列番号9):翻訳開始コドン(下線部)直前にGatewayクローニング用の付加配列CACCを配置)とPCRプライマー714B1-R2を用いてPCRを行った。その産物をGatewayエントリーベクターpENTR/ D-TOPO(Invitrogen社)にサブクローニングをおこなった。酵母発現用ベクターへの導入には、前述の完全長cDNA導入エントリーベクターを鋳型にして、PCRプライマー714B1-BamHI(CGGGATCCATGGTGGTGGTGGTG(配列番号10):翻訳開始コドン(下線部)直前にBamH I制限酵素部位を配置)と714B1-KpnI(GGGGTACCCTAATCAAATCCAGCCCAATC(配列番号11):停止コドン(下線部)直後にKpn I制限酵素部位を配置)を用いてPCRを行うことにより制限酵素部位を導入した。その産物をBamH I及びKpn I制限酵素で消化した後、pYeDP60ベクターBamH I/Kpn I部位に結合した。なお、イネ由来CYP714B1遺伝子の塩基配列を配列番号12に示し、イネ由来CYP714B1遺伝子によってコードされるタンパク質のアミノ酸配列を配列番号13に示す。以降のWAT11酵母への導入および、これを用いた機能試験はCYP714A2の酵素機能実験に準拠した。
[Example 5] Functional test of rice GA 13-position hydroxylase gene The full-length cDNA of CYP714B1 gene, which is one of the CYP714A2 homologous gene candidates in rice, is the extension site (node section) of rice (variety Nipponbare). Isolated) using RT-PCR. Oligo (dT) 12-18 primer (Invitrogen) was used for the reverse transcription reaction, and SuperScript II RT (Invitrogen) was used for the reverse transcriptase. Using the synthesized cDNA as a template, PCR using PCR primer 714B1-F1 (CATCTTGCATACATCAACGTCAG (SEQ ID NO: 7)) and PCR primer 714B1-R2 (CTAATCAAATCCAGCCCAATCAC (SEQ ID NO: 8)) using PrimeSTAR HS DNA Polymerase with GC buffer (TaKaRa) The amplified DNA was cloned into pMD20-T vector using Mighty TA-cloning Kit for PrimeSTAR (TaKaRa), and PCR primer 714B1-CACC (CACC ATG GTGGTGGTGGTG (sequence) No. 9): PCR was performed using an additional sequence CACC for Gateway cloning immediately before the translation start codon (underlined) and PCR primer 714B1-R2.The product was obtained as a gateway entry vector pENTR / D-TOPO (Invitrogen). company) to the subjected to subcloning. the introduction into the yeast expression vector is the full-length cDNA introduced entry vector described above as a template, PCR primers 714B1-BamHI (CGGGATCC ATG GTGGTGGTGGTG SEQ ID NO: 10): the translation initiation codon (underlined) immediately preceding the placement of BamH I restriction enzyme sites) and 714B1-KpnI (GGGGTACC CTA ATCAAATCCAGCCCAATC (SEQ ID NO: 11): the Kpn I restriction enzyme site immediately after the stop codon (underlined) The restriction enzyme site was introduced by PCR using the following arrangement: The product was digested with BamH I and Kpn I restriction enzymes and then ligated to the pYeDP60 vector BamH I / Kpn I site. Is shown in SEQ ID NO: 12, and the amino acid sequence of the protein encoded by the rice-derived CYP714B1 gene is shown in SEQ ID NO: 13. The subsequent introduction into WAT11 yeast and functional tests using this are CYP714A2 enzyme function experiments. Compliant with.
その結果、GA12の代謝物としてはC-13位に水酸基が導入された代謝物GA53が産物として同定された。すなわち、本酵素はこれまで発見されていなかったイネのGA13位水酸化酵素であることが明らかになった。しかしながら本酵素はシロイヌナズナのCYP714A2と異なり、ent-カウレン酸を基質にした場合、13位水酸化活性は検出されなかった。
As a result, as a metabolite of GA 12, the metabolite GA 53 into which a hydroxyl group was introduced at the C-13 position was identified as a product. That is, it was revealed that this enzyme is a rice GA13 hydroxylase that has not been discovered so far. However, unlike the Arabidopsis CYP714A2, this enzyme did not detect hydroxylation at
〔実施例6〕イネGA13位水酸化酵素遺伝子の過剰発現体の作製
実施例5で作製したイネGA13位水酸化酵素遺伝子(CYP714B1)の完全長cDNAクローンを導入したGatewayエントリーベクターを鋳型に、Gateway system kitを用いた相同組み換え反応により、Gateway対応の構成的発現用(カリフラワーモザイクウイルス35Sプロモーターを持つ)バイナリーベクターpGW8(島根大学遺伝子実験施設 中川強先生より供与)に本遺伝子cDNAを導入した。このバイナリーベクターをアグロバクテリウムpGV3101(pMP90RK)に電気穿孔法により導入した。シロイヌナズナ(エコタイプCol-0)の形質転換はFloral-dip法により行った。得られたT1種子を無菌的にカナマイシン50 mg/lを含む1/2MS(Murashige-Skoog)寒天培地に播種し、カナマイシン耐性を示すCYP714B1過剰発現形質転換体(T1世代)を選抜した。実験には独立したCYP714B1過剰発現体2ライン(j15及びm17)について、カナマイシン選抜したT2個体を用いた。これらを野生型と同等の生育を示すコントロール(対照)形質転換体2ライン(a1及びd3)と比べたところ、実施例2で示したステビオール合成酵素遺伝子の過剰発現体に類似した半矮性の表現型を示した(図9)。
本実施例の結果より、ent-ジベレラン骨格の13位の炭素に対する水酸化酵素をコードする遺伝子を過剰発現させることによって特徴的な半矮性を示すことが明らかとなった。
[Example 6] Production of overexpressed rice GA 13-hydroxylase gene The Gateway entry vector into which the full-length cDNA clone of the rice GA 13-hydroxylase gene (CYP714B1) produced in Example 5 was introduced was used as a template. By homologous recombination reaction using a system kit, the cDNA of this gene was introduced into a gateway-compatible constitutive expression binary vector pGW8 (having a
From the results of this example, it was revealed that a characteristic semi-fertility is exhibited by overexpressing a gene encoding a hydroxylase for the 13th carbon of the ent-gibberellan skeleton.
〔実施例7〕イネGA13位水酸化酵素遺伝子過剰発現体における活性型ジベレリン(GA 4 、GA 1 )の定量
カナマイシンによって選抜後1/2MS培地上に移植し、生育させた19日齢のCYP714B1過剰発現体2ライン(j15及びm17)と、同様に選抜生育させた16日齢のコントロール形質転換体2ライン(a1及びd3)の地上部を活性型ジベレリンの定量試験に用いた。定量方法については実施例4に準拠した。
[Example 7] Quantification of active gibberellins (GA 4 , GA 1 ) in rice GA 13-hydroxylase gene overexpressing body 19-day-old CYP714B1 excess obtained by selection with kanamycin, transplanted and grown on 1 / 2MS medium The two parts of the expression body (j15 and m17) and the above-ground part of the 16-day-old control transformant line (a1 and d3), which were similarly selected and grown, were used for the quantitative test of active gibberellin. The quantification method was based on Example 4.
コントロール形質転換体及びイネGA13位水酸化酵素遺伝子過剰発現シロイヌナズナにおけるジベレリンA4(GA4)及びジベレリンA1(GA1)を定量した結果を表6に示す(表6中、単位は「pg/g新鮮重」である)。 The results of quantification of gibberellin A 4 (GA 4 ) and gibberellin A 1 (GA 1 ) in control transformants and rice GA 13-position hydroxylase gene overexpressing Arabidopsis thaliana are shown in Table 6 (in Table 6, the unit is “pg / g fresh weight ").
表6に示すように、イネGA13位水酸化酵素遺伝子過剰発現シロイヌナズナにおいて、C-13位に水酸基を持たない活性型ジベレリンのGA4がコントロール植物体に比べ39〜48%に減少していた。一方、C-13位に水酸基を持つ活性型ジベレリンのGA1はコントロール植物体に比べて104〜206倍に増加していた。 As shown in Table 6, GA 4 of active gibberellin having no hydroxyl group at the C-13 position was reduced to 39 to 48% in the control plant body in Arabidopsis thaliana overexpressing the 13th position hydroxylase gene of rice GA. On the other hand, GA 1 of the active gibberellin having a hydroxyl group at the C-13 position was increased 104 to 206 times compared to the control plant.
Claims (7)
(a)配列番号2に示すアミノ酸配列を含むタンパク質をコードするポリヌクレオチド
(b)配列番号2に示すアミノ酸配列において1以上のアミノ酸が欠失、置換、付加又は挿入したアミノ酸配列を含み、ent-カウレン酸の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド
(c)配列番号2に示すアミノ酸配列に対して70%以上の相同性を有するアミノ酸配列を含み、ent-カウレン酸の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド The plant shape regulation method according to claim 1, wherein the gene comprises any of the following polynucleotides (a) to (c).
(A) a polynucleotide encoding a protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 (b) comprising an amino acid sequence in which one or more amino acids have been deleted, substituted, added or inserted in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, A polynucleotide encoding a protein having a function of hydroxylating carbon at position 13 of kaurenoic acid (c) comprising an amino acid sequence having 70% or more homology to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, and containing ent-kaurenoic acid A polynucleotide encoding a protein having a function of hydroxylating carbon at position 13
(a)配列番号13に示すアミノ酸配列を含むタンパク質をコードするポリヌクレオチド
(b)配列番号13に示すアミノ酸配列において1以上のアミノ酸が欠失、置換、付加又は挿入したアミノ酸配列を含み、ent-ジベレラン骨格の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド
(c)配列番号13に示すアミノ酸配列に対して70%以上の相同性を有するアミノ酸配列を含み、ent-ジベレラン骨格の13位の炭素を水酸化する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド The plant shape regulation method according to claim 1, wherein the gene comprises any of the following polynucleotides (a) to (c).
(A) a polynucleotide encoding a protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 13 (b) comprising an amino acid sequence in which one or more amino acids have been deleted, substituted, added or inserted in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 13, A polynucleotide encoding a protein having a function of hydroxylating carbon at position 13 of the gibberellane skeleton (c) comprising an amino acid sequence having 70% or more homology with the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 13, A polynucleotide encoding a protein having a function of hydroxylating carbon at position 13
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2007
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