JP2011500081A - シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）から単離されたＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を過発現させることによって植物の耐塩性を向上させる方法及びその方法によって製造された植物 - Google Patents

シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）から単離されたＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を過発現させることによって植物の耐塩性を向上させる方法及びその方法によって製造された植物 Download PDF

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Abstract

【課題】 植物の耐塩性を向上させる方法、その方法によって製造され耐塩性が向上された植物体、種子、及び耐塩性を向上させるための組成物、並びに葉緑体を形質転換するための組み換えベクターなどを提供する。
【解決手段】 植物の耐塩性を向上させる方法は、シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）から単離したＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を過剰発現させる。上記組成物及び組み換えベクターは、ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅをコードする遺伝子を含んで成る。
【選択図】図５

Description

本発明は、シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）から単離されたＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を植物で過発現させることによって植物の耐塩性を向上させる方法及びその方法によって製造された耐塩性の向上した植物及びその種子に関する。
シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）は、地球生成の初期に出現した最初の光独立栄養生物であって、無酸素状態の原始大気環境を今日の有酸素大気環境に切り替えた重要な生物体である。このシネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）は、高等植物の葉緑体の起源として考えられ、光合成メカニズムを通じて太陽光をエネルギー源として使用して、水、二酸化炭素及び少量の無機塩から有機物質を生合成して独立栄養的に多量に増殖することができる。また、多くのシネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）種は、窒素を固定することができる能力を持ち、他の生物体の窒素同化作用を助けている生態系の重要な位置を占めている。
既存の育種法及び分子育種法を利用して、バイオマスと作物生産量の増加のための努力が持続的に行われている。葉緑体は、葉緑体を構成するタンパク質及び光合成関連のタンパク質を合成するための遺伝子を自己産生することによって植物の生存に必要な栄養分を供給する［例えば、非特許文献１、２参照］。地球上の藻類及び植物の光合成は葉緑体で行われる。明反応過程（ｌｉｇｈｔ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）で生成されたＡＴＰ及びＮＡＤＰＨを消費することにより、カルビン回路（Ｃａｌｖｉｎ ｃｙｃｌｅ）を介し大気中のＣＯ２を植物が利用する初期炭水化物に固定する。このようなカルビン回路過程で多くの酵素が使用されるが、その主要な酵素として、ホスホリブロキナーゼ（ＰＲＫ：ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｂｕｌｏｋｉｎａｓｅ）、リブロース−１，５−二リン酸カルボキシラーゼ・オキシゲナーゼ（Ｒｕｂｉｓｃｏ：ｒｉｂｕｌｏｓｅ−１，５−ｂｉｓｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｃａｒｂｏｘｙｌａｓｅ／ｏｘｙｇｅｎａｓｅ）、グリセルアルデヒド−３−リン酸デヒドロゲナーゼ（ＧＡＰＤＨ：ｇｌｙｃｅｒａｌｄｅｈｙｄｅｓ−３−ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ）、葉緑体フルクトース−１，６−ビスホスファターゼ（ＦＢＰａｓｅ：ｃｈｌｏｒｏｐｌａｓｔｉｃ ｆｒｕｃｔｏｓｅ−１，６−ｂｉｓｐｈｏｓｐｈａｔａｓｅ）及びセドヘプツロース−１，７−ビスホスファターゼ（ＳＢＰａｓｅ：ｓｅｄｏｈｅｐｔｕｌｏｓｅ−１，７−ｂｉｓｐｈｏｓｐｈａｔａｓｅ）などがある。このような酵素は、形質転換植物体を用いて広範に研究され同定されている［例えば、非特許文献３参照］。
カルビン回路に関与する酵素であるＦＢＰａｓｅ及びＳＢＰａｓｅの主要な機能は、リブロース−１，５−二リン酸（ＲｕＢＰ：ｒｉｂｕｌｏｓｅ １，５−ｂｉｓｐｈｏｓｐｈａｔｅ）の再合成や澱粉の生産である。ＦＢＰａｓｅの活性が低下すれば、光合成効率の低下や植物の生長を遅延させ、ジャガイモの塊茎生産、シロイヌナズナ（Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ）の窒素代謝及びスクロースの生産減少、トマトの生産を阻害させるという報告がある［例えば、非特許文献４、５、６参照］。
類似例として、ＳＢＰａｓｅの活性を低下させた場合、植物体の葉の炭素同化作用に変化を与えることで植物生長の低下を誘導することも知られている［例えば、非特許文献７、８、９参照］。シロイヌナズナやクラミドモナス（Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓ）のＳＢＰａｓｅ遺伝子を過発現させた形質転換タバコの場合には光合成の効率が増大し、スクロース及び澱粉の生合成量が増加して、植物体の全体的なバイオマスが増加する［例えば、非特許文献１０、１１参照］。さらに、藍色細菌（ｃｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉａｌ）シネココッカス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓ） ＰＣＣ７９４２のフルクトース−１，６−／セドヘプツロース−１，７−ビスホスファターゼ（ｆｒｕｃｔｏｓｅ−１，６−／ｓｅｄｏｈｅｐｔｕｌｏｓｅ−１，７−ｂｉｓｐｈｏｓｐｈａｔａｓｅ（ＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ）及びＦＢＰａｓｅ−ＩＩ遺伝子を葉緑体で発現させた形質転換タバコの場合、正常の大気状態で光合成量及び生長量が増加する［例えば、非特許文献１２、１３参照］。
ＦＢＰａｓｅ及びＳＢＰａｓｅは、カルビン回路の調節や炭素の分割及び結合に重要な酵素であるということが知られている。このように、これら両遺伝子は、バイオマスの増加や作物の生産量の増加を目的とする遺伝子操作植物体を製造するときに非常に好ましい遺伝資源である。
一方、作物栽培のために灌漑を行えば、農耕地内のナトリウム、カルシウム、マグネシウム、カリウム、硫酸塩、塩素のような水溶性塩の濃度が高くなる。このような所定レベル以上の塩が土壌に蓄積されれば、作物の根から水分を吸収する機能が妨害されて、植物細胞が正常な代謝活動を行えなくなる。塩の濃度が高ければ高いほど、植物に吸収される水分の量が減少するため、作物の生産量が減少するだけでなく、作物そのものが完全に死滅するにまで至るおそれがある。
上述のような塩による被害は、作物の生産性を深刻に制限する要因の一つであって、解決し難い農学分野の難題に属する。アメリカ農務部（Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐｔ． ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ；ＵＳＰＤ）によれば、全世界の農耕地の１，０００万ヘクタールに至る面積が、毎年灌漑による塩害のために消失すると報告されている。農耕地の塩化問題を解決するために多くの研究者が、交配のような品種改良法を通じて耐塩性作物を開発する研究を行ってきたが、これまで顕著な成果を得ることはできていない。
このような状況下、主要な作物や植物体に対して耐塩性を誘導する新たな画期的な技術が要求されている。多くの研究者が外来遺伝子を作物や植物体に形質転換して耐塩性を高める研究を行っている。しかしながら、いまだにシネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）から単離されたＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を植物体で過発現させたとき、植物体の耐塩性が向上するという報告はない。
Ｓｉｎｃｌａｉｒ， Ｔ．Ｒ． ｅｔ ａｌ．，２００４，Ｔｒｅｎｄｓ Ｐｌａｎｔ Ｓｃｉ． ９， ７０−７５． Ｓｈａｒｍａ−Ｎａｔｕ Ｐ． ａｎｄ Ｇｈｉｌｄｉｙａｌ，Ｍ．Ｃ． ２００５， Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ８８， １９１８−１９２８． Ｒａｉｎｅｓ， Ｃ．Ａ． ２００３， Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈ． Ｒｅｓ． ７５，１−１０． Ｋｏβｍａｎｎ， Ｊ． ｅｔ ａｌ．， １９９４， Ｐｌａｎｔ Ｊ． ６， ６３７−６５０． Ｏｂｉａｄａｌｌａ−Ａｌｉ， Ｈ． ｅｔ ａｌ．， ２００４， Ｐｌａｎｔａ ２１９， ５３３−５４０． Ｓａｈｒａｗｙ， Ｍ． ｅｔ ａｌ．， ２００４， Ｊ． Ｅｘｐ． Ｂｏｔ． ５５， ２４９５−２５０３． Ｈａｒｒｉｓｏｎ， Ｅ．Ｐ． ｅｔ ａｌ．， １９９８， Ｐｌａｎｔａ ２０４， ２７−３６． Ｏｌｃｅｒ， Ｈ． ｅｔ ａｌ．， ２００１， Ｐｌａｎｔ Ｐｈｙｓｉｏｌ． １２５， ９８２−９８９． Ｌａｗｓｏｎ， Ｔ． ｅｔ ａｌ．， ２００６， Ｐｌａｎｔ Ｃｅｌｌ Ｅｎｖｉｒｏｎ． ２９， ４８−５８． Ｌｅｆｅｂｖｒｅ， Ｓ． ｅｔ ａｌ．， ２００５， Ｐｌａｎｔ Ｐｈｙｓｉｏｌ． １３８， ４５１−４６０． Ｔａｍｏｉ， Ｍ． ｅｔ ａｌ．， ２００６， Ｐｌａｎｔ Ｃｅｌｌ Ｐｈｙｓｉｏｌ． ４７， ３８０−３９０． Ｍｉｙａｇａｗａ， Ｙ． ｅｔ ａｌ．， ２００１， Ｎａｔ． Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ． １９， ９６５−９６９． Ｔａｍｏｉ， Ｍ． ｅｔ ａｌ．， ２００６， Ｐｌａｎｔ Ｃｅｌｌ Ｐｈｙｓｉｏｌ． ４７， ３８０−３９０．
本発明では、シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）から単離されたＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を植物体で過発現させたとき、植物体の耐塩性が向上するか否かを確認する。本発明は、シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）由来のＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を植物体で過発現させることによって植物体の耐塩性を向上させる方法を提供する。また、本発明は、上記方法によって製造された耐塩性の向上した植物体及びその種子を提供する。また、本発明は、上記ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅをコードする遺伝子を含む植物体の耐塩性を向上させるための組成物を提供する。また、本発明は、上記ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を含む組み換え葉緑体形質転換ベクターを提供する。
上記目的を達成するため、本発明による植物の耐塩性を向上させる方法は、シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３から単離されたＦＢＰタンパク質（ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ）をコードする遺伝子を有する組み換え植物発現ベクターで植物の細胞を形質転換してＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を過発現させる工程を備えることを特徴とする。このような植物の耐塩性を向上させる方法において、ＦＢＰタンパク質をコードする遺伝子は、配列番号１の塩基配列を有することが好ましく、また、組み換え植物発現ベクターは、葉緑体形質転換ベクターであることが好適であり、さらに、植物は、タバコ、シロイヌナズナ、ナス、唐辛子、トマト、ジャガイモ、ゴボウ、シュンギク、チサ、キキョウ、ホウレン草、フダンソウ、サツマイモ、サラリ、ニンジン、セリ、パセリ、白菜、キャベツ、カラシナ、ダイコン、スイカ、マクワウリ、キュウリ、カボチャ、フクベ、イチゴ、大豆、緑豆、インゲン豆及びエンドウからなる群から選択されることが好ましい。本発明による耐塩性の向上した植物、及び植物の種子は、上述のような植物の耐塩性を向上させる方法によって製造されたことを特徴とする。また、本発明による植物の耐塩性を向上させるための組成物は、シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３から単離されたＦＢＰタンパク質（ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ）をコードする遺伝子を有することを特徴とする。そして、本発明による組み換え葉緑体形質転換ベクターは、シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３から単離されたＦＢＰタンパク質（ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ）をコードする遺伝子を有することを特徴とする。
本発明によれば、本発明のＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を植物体で過発現させることによって植物の耐塩性を向上させることができる。
本発明の葉緑体形質転換ベクターを示す模式図である。 本発明のＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ形質転換タバコ植物体の耐塩性を示す図である。ＣｔＶＧはベクター対照区（ｃｏｎｔｒｏｌ ｖｅｃｔｏｒ ｇｒｏｕｐ）に対応し、ＣｐＦＢＰ−５及びＣｐＦＢＰ−７はＦＢＰ形質転換体に対応する。右側の棒グラフで、黒色のバーは塩処理前の葉緑体（葉緑素）の相対的な量を示し、灰色のバーは、塩処理後の葉緑体（葉緑素）の相対的な量を示す。 本発明によるＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ形質転換タバコ植物体の塩条件における発芽率を示す。パネルＡは、種子を０−３００ｍＭの塩化ナトリウムを含むＭＳ寒天プレートで発芽させたものである。パネルＢは、塩化ナトリウムを含むＭＳ寒天プレートで２１日目の種子のうち発芽した植物体のみをカウントした。データは、各ラインについて１５０の種子から発芽した百分率に基づき、三つの独立的な実験の平均を示す。 本発明によるＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ形質転換タバコ植物体の塩分含有のプレートにおける根の成長を示す。Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、それぞれ０、１００、２００及び３００ｍＭの塩化ナトリウム濃度を示す。この塩化ナトリウム条件、２１日において根の長さを測定した。 本発明によるＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ形質転換タバコ植物体の塩化ナトリウム処理に対する植物体全体の反応を示す。パネルＡは塩処理後１４日の植物体の表現型を示し、パネルＢは水を供給した後の回復を示し、パネルＣ及びパネルＤは、葉緑素蛍光分析の結果を示す。
本発明の好ましい実施形態について、詳細に説明する。本発明は、シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）由来のＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を植物体で過発現させることによって植物体の耐塩性を向上させる方法を提供する。上記シネコシスティスは、好ましくは、シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３であり、上記ＦＢＰタンパク質（ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ）は、配列番号２のアミノ酸配列を有することが好ましい。本発明は、さらに詳細には、シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３から単離したＦＢＰタンパク質をコードする遺伝子を含む組み換え植物発現ベクターで植物細胞を形質転換させ、植物体においてＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を過発現させる工程を備える植物体の耐塩性を向上させる方法を提供する。
本発明は、ＦＢＰａｓｅ及びＳＢＰａｓｅ酵素を多量に発現する植物体を得るため、葉緑体に、上記ＦＢＰａｓｅ及びＳＢＰａｓｅ酵素のタンパク質をコードする遺伝子を直接発現させる形質転換を行った。葉緑体の形質転換技術は、核の形質転換技術より発現効率が高く、多くの遺伝子を同時に発現させることができるという長所がある。そのために、本発明者は、シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３からＦＢＰタンパク質（ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ）をコードする遺伝子を単離し、単離された遺伝子に基づいて組み換え植物発現ベクターを構築した。単離された遺伝子によってコードされるタンパク質は、配列番号２のアミノ酸配列を有する。上記単離された遺伝子は、配列番号１の塩基配列を有することが好ましい。本発明の組み換え植物発現ベクター内に導入されるＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子は、配列番号１の塩基配列の外にも、ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ活性を示すタンパク質をコードし、且つ、配列番号１の塩基配列と７０％、８０％、９０％、９５％又は９９％以上の相同性を有する塩基配列を有することができる。
本発明の一実施形態による方法において、上記組み換え植物発現ベクターは、当業界公知の任意の植物発現ベクターを利用することができるが、好ましくは、葉緑体形質転換ベクターであり、図１に示す切断地図を有する葉緑体形質転換ベクターＣｐＦＢＰであることがより好ましい。上記ベクターは、稲由来のＣｌｐプローモーターと大膓菌のｒｒｎＢ１／Ｂ２ターミネーターを有し、植物葉緑体ゲノムの該当領域に挿入される。
用語「組み換え」は、細胞が、異種の核酸を複製又は発現するか、或はペプチド、異種のペプチド、又は異種の核酸によってコードされるタンパク質を発現することを示すものである。組み換え細胞は、天然形態の細胞では発見されない遺伝子または遺伝子の断片を、センスまたはアンチセンス形態で発現することができる。また、組み換え細胞は、天然状態の細胞で発見される遺伝子を発現することができるが、当該遺伝子は改変されており、人為的な手段によって細胞内に再導入されたものである。
用語「ベクター」は、細胞内に送達するＤＮＡの断片、核酸分子に適用するときに使用される。ベクターは、ＤＮＡを複製させ、宿主細胞で独立して再生産させるために使用することができる。用語「送達系（ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ）」と「ベクター」は、しばしば互換的に使用される。用語「発現ベクター」は、所望のコーディング配列と、特定の宿主生物で作動可能に連結されたコーディング配列の発現に必須の適切な核酸配列を含む組み換えＤＮＡ分子を意味する。真核細胞で利用可能なプローモーター、エンハンサー、終止シグナル（ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ）及びターミネーターは公知である。
発現ベクターは、好ましくは、一つ以上の選択マーカー（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍａｒｋｅｒ）を含む。この選択マーカーは、通常の化学的な方法で選択され得る特性を有する核酸配列であり、形質転換された細胞を非形質転換細胞から区別可能なすべての遺伝子がこれに該当する。その例としては、グリホセート（ｇｌｙｐｈｏｓａｔｅ）またはホスフィノトリシン（ｐｈｏｓｐｈｉｎｏｔｒｉｃｉｎ）のような除草剤抵抗性遺伝子、カナマイシン（Ｋａｎａｍｙｃｉｎ）、Ｇ４１８、ブレオマイシン（Ｂｌｅｏｍｙｃｉｎ）、ハイグロマイシン（ｈｙｇｒｏｍｙｃｉｎ）、スペクチノマイシン（ｓｐｅｃｔｉｎｏｍｙｃｉｎ）、クロラムフェニコール（ｃｈｌｏｒａｍｐｈｅｎｉｃｏｌ）のような抗生剤耐性遺伝子があるが、これらに限定されるものではない。
本発明の一実施形態による植物発現ベクターにおいて、プロモーターは、ＣａＭＶ ３５Ｓ、アクチン、ユビキチン、ｐＥＭＵ、ＭＡＳ、ヒストンプロモーター、又は稲由来のＣｌｐプロモーターの何れであっても良いが、好ましくは、葉緑体形質転換に用いることができる稲由来のＣｌｐプロモーターである。「プロモーター」という用語は、構造遺伝子の上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）のＤＮＡ領域に対応し転写を開始するためにＲＮＡポリメラーゼが結合するＤＮＡ分子を意味する。「植物プローモーター」とは、植物細胞で転写を開始することができるプロモーターである。「恒常的プロモーター（ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｐｒｏｍｏｔｅｒ）」は、大部分の環境条件及び発達状態または細胞分化状態で活性のあるプロモーターを示す。
上述のターミネーターとしては、既知の如何なるターミネーターをも使用することができ、その例としては、ノパリンシンターゼ（ＮＯＳ）、稲α−アミラーゼ Ｒ Ａｍｙ１ Ａ ターミネーター、ファセオリン（ｐｈａｓｅｏｌｉｎ）ターミネーター、アグロバクテリウム・ツメファシエンス（ａｇｒｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ ｔｕｍｅｆａｃｉｅｎｓ）のオクトピン（Ｏｃｔｏｐｉｎｅ）遺伝子のターミネーター、大腸菌のｒｒｎＢ１／Ｂ２ターミネーターなどがあるが、好ましくは、大腸菌のｒｒｎＢ１／Ｂ２ターミネーターである。
植物の形質転換は、ＤＮＡを植物に送達させる任意の方法を意味する。このような形質転換法は、必ずしも再生及び／または組織培養期間を有する必要はない。植物種の形質転換は、双子葉植物だけではなく、単子葉植物に対しても現在では極めて一般的である。原則的に、任意の形質転換法は、本発明に係るハイブリッドＤＮＡを適当な祖先細胞（ｐｒｏｇｅｎｉｔｏｒ ｃｅｌｌｓ）に導入させるために用いることができる。形質転換法は、原形質体（ｐｒｏｔｏｐｌａｓｔｓ）に対するカルシウム／ポリエチレングリコール法（Ｋｒｅｎｓ， Ｆ．Ａ． ｅｔ ａｌ．， １９８２， Ｎａｔｕｒｅ ２９６， ７２−７４； Ｎｅｇｒｕｔｉｕ Ｉ． ｅｔ ａｌ．， Ｊｕｎｅ １９８７， Ｐｌａｎｔ Ｍｏｌ． Ｂｉｏｌ． ８， ３６３−３７３）、原形質体の電気穿孔法（Ｓｈｉｌｌｉｔｏ Ｒ．Ｄ． ｅｔ ａｌ．， １９８５ Ｂｉｏ／Ｔｅｃｈｎｏｌ． ３， １０９９−１１０２）、植物要素への顕微注射法（Ｃｒｏｓｓｗａｙ Ａ． ｅｔ ａｌ．， １９８６， Ｍｏｌ． Ｇｅｎ． Ｇｅｎｅｔ． ２０２， １７９−１８５）、各種の植物要素に対する（ＤＮＡまたはＲＮＡ−コーティングされた）粒子衝撃法（Ｋｌｅｉｎ Ｔ．Ｍ． ｅｔ ａｌ．， １９８７， Ｎａｔｕｒｅ ３２７， ７０）、植物の侵襲（ｉｎｖａｓｉｏｎ）或は成熟花粉または小胞子の形質転換によるアグロバクテリウム・ツメファシエンスが媒介された遺伝子転移で（非完全性）ウイルスによる感染法（欧州特許第０３０１３１６号明細書）などから適当に選択することができる。
本発明の方法は、本発明に係る組み換えベクターで植物細胞を形質転換する工程を含むが、この形質転換は、金粒子に本発明の組み換えベクターをコーティングした後、粒子衝撃法によって行うことができる。また、本発明の方法は、上述のように形質転換された植物細胞から形質転換植物を再分化する工程を含むことができる。形質転換植物細胞から形質転換植物を再分化する方法は、当業界に公知である任意の方法を利用することができる。
本発明の一実施形態による方法において、植物は、単子葉植物または双子葉植物が含まれる。単子葉植物の例としては、これらに限定されないが、稲、小麦、麦、竹の子、トウモロコシ、サトイモ、アスパラガス、タマネギ、ニンニク、ネギ、ニラ、ヒメニラ、長芋及び生姜がある。双子葉植物の例としては、これらに限定されないが、タバコ、シロイヌナズナ、ナス、唐辛子、トマト、ジャガイモ、ゴボウ、シュンギク、チサ、キキョウ、ホウレン草、フダンソウ、サツマイモ、サラリ、ニンジン、セリ、パセリ、白菜、キャベツ、カラシナ、ダイコン、スイカ、マクワウリ、キュウリ、カボチャ、フクベ、イチゴ、大豆、緑豆、インゲン豆、エンドウなどがあり、好ましくはタバコである。
本発明のさらに他の目的を達成するために、本発明は、本発明の上記方法によって製造された耐塩性の向上した植物体を提供する。より具体的には、本発明に係る耐塩性植物体は、ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を含む組み換えベクターで植物体を形質転換した後、既知の方法によって苗条（ｓｈｏｏｔｓ）の誘導、発根及び土壌順化の工程によって得ることができる。すなわち、ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子の含まれた組み換えベクターで形質転換された植物の切片体を、当業界に公知の適切な培地に置床した後、適正な条件で培養して苗条の形成を誘導し、苗条が形成されれば、ホルモン無添加の培地に移植して培養する。約２週間後に上記の苗条を発根用の培地に移植して発根を誘導する。根が誘導された後、それを土壌に移植して順化させることによって耐塩性の植物体を得ることができる。上述の植物はタバコであることが好ましい。
また、本発明は、耐塩性の向上した植物体の種子を提供する。
また、本発明は、シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３由来のＦＢＰ（ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ）タンパク質をコードする遺伝子を含む植物体の耐塩性を向上させるための組成物を提供する。上記遺伝子は、配列番号１の塩基配列を有することが好ましい。上記遺伝子を該当の植物体に形質転換して発現させることによって植物体の耐塩性を向上させることができる。
また、本発明は、シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３由来のＦＢＰタンパク質をコードする遺伝子を含む組み換え葉緑体形質転換ベクターを提供する。上記ＦＢＰタンパク質をコードする遺伝子は、配列番号１の塩基配列を有することが好ましい。上記組み換え葉緑体形質転換ベクターは、図１に示す切断地図を有するＣｐＦＢＰベクターが好適であるが、これに限定されるものではない。
以下、本発明について実施例を示して具体的に説明する。ただし、下記実施例は、本発明を例示するためのものであり、本発明の内容が下記実施例に限定されるものではない。
［実験方法］
〔１． 葉緑体形質転換ベクターの作製〕
シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３のＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子をシネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３ゲノムＤＮＡでプライマー５’−ＧＡＧ ＣＴＣ ＡＧＧ ＡＧＧ ＴＡＴ ＡＣＡ ＧＴＧ ＧＡＣ ＡＧＣ ＡＣＣ ＣＴＣ ＧＧＴ−３’（配列番号３：ＳａｃＩ 部位は下線を付した）及び５’−ＣＴＧ ＣＡＧ ＴＴＡ ＡＴＧ ＣＡＧ ＴＴＧ ＧＡＴ ＴＡＣ ＴＴＴ ＧＧＧ Ｇ−３’（配列番号４：ＰｓｔＩ 部位は下線を付した）を利用してＰＣＲ法によって増幅させて得た。増幅して得られた遺伝子をｐＧＥＭ−Ｔ Ｅａｓｙ（Ｐｒｏｍｅｇａ社、Ｍａｄｉｓｏｎ， ＷＩ）にクローニングして塩基配列を確認した。塩基配列の確認されたＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を制限酵素ＳａｃＩ及びＰｓｔＩで消化切断しＲｃｌｐＡＤＧＨｔにサブクローニングした。サブクローニング結果物はＲｃｌｐ−ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰと命名した。サブクローニングしたＲｃｌｐ−ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰを制限酵素ＸｈｏＩ及びＥｃｏＲＩで消化切断し、葉緑体形質転換ベクターであるＣｔＶＧのＰｓｔＩ部位に平滑末端化（ｂｌｕｎｔ）して付着連結（ｌｉｇａｔｅｄ）し、葉緑体形質転換ベクターであるＣｐＦＢＰを得た。
〔２． 植物形質転換及び生育（ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ）条件〕
タバコ（Ｎｉｃｏｔｉａｎａ ｔａｂａｃｕｍ Ｌ． ｃｖ． Ｓａｍｓｕｎ）の葉緑体形質転換法は、韓国特許登録第４６８６２４号明細書を参照する。具体的には、野生型タバコ（Ｎｉｃｏｔｉａｎａ ｔａｂａｃｕｍ， ｃｖ． Ｓａｍｓｕｎ）植物体の種子をインキュベーター内で８週間発芽させた。この後、幼植物体の葉を収穫して、１ｍｇ／ＬのＢＡＰ及び０．１ｍｇ／ＬのＮＡＡが添加されたＭＳ培地上に置床し、色素体形質転換に使用した。上述のように調製した色素体形質転換用ベクターを、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）及びびスペルミジン（ｓｐｅｒｍｉｄｉｎｅ）を使用して直径０．６μｍの金粒子にコーティングした後、遺伝子デリバリーシステム（ｇｅｎｅ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ、ＢｉｏＲａｄ社製（Ｈｅｒｃｕｌｅｓ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）、ＰＤＨ−１０００／Ｈｅ 型）を利用して、１１００ｐｓｉの加速パワー（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ）、９ｃｍの標的行程（Ｔａｒｇｅｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ）、２８ ｉｎ／Ｈｇの減圧条件にて色素体形質転換を行った。
形質転換Ｔ１植物を用いて全ての分析を行なった。対照区の植物体及び形質転換体は、２％のスクロースを含んで成るＭＳ基本培地に置床して、明（ｌｉｇｈｔ）１６時間及び暗（ｄａｒｋ）８時間の光周期で発芽させ、５週後に土壌に移植し、夏季の野外温室（８００−１６００ｍｍｏｌ ｍ−２ ｓ−１，２５−３５℃）で栽培した。
〔３．サザン分析及びノーザン分析〕
タバコ葉からＤＮｅａｓｙ Ｐｌａｎｔ Ｍｉｎｉ Ｋｉｔ（Ｑｉａｇｅｎ社、Ｈｉｌｄｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ）を用いて総ゲノムＤＮＡを分離した。約４μｇの上記ゲノムＤＮＡをＢａｍＨＩ及びＢｇｌＩＩで消化切断して、１％のアガロースゲルで電気泳動した後、Ｚｅｔａ−Ｐｒｏｂｅ ＧＴ Ｂｌｏｔｔｉｎｇ Ｍｅｍｂｒａｎｅ（Ｂｉｏ−Ｒａｄ社、Ｈｅｒｃｕｌｅｓ，ＣＡ）に移した。色素体ゲノム内のｔｒｎＩを含むＢａｍＨＩ−ＢｇｌＩＩ ＤＮＡ断片（０．６ｋｂ、Ｐ１プローブ）を放射線同位元素［３２Ｐ］ｄＣＴＰでラベルして、ａａｄＡ及びｇｆｐが挿入されたことを確認した。プレ−ハイブリダイゼーション及びハイブリダイゼーション工程は、７％（ｗ／ｖ）のＳＤＳを含む０．２５Ｍのリン酸ナトリウム（ｐＨ７．２）バッファーで６５℃、１６時間行い、５％（ｗ／ｖ）のＳＤＳを含む０．２Ｍのリン酸ナトリウム（ｐＨ７．２）バッファーで６５℃で３０分間ずつ二回洗浄した後、Ｘ線フィルム上、３時間反応させて確認した。
Ｔｒｉｚｏｌ Ｒｅａｇｅｎｔ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ社、Ｃａｒｌｓｂａｄ，ＣＡ）を用いて、タバコ葉から総ＲＮＡ抽出した。総ＲＮＡ（２μｇ）を５．１％（ｖ／ｖ）のホルムアルデヒドを含んで成る１．２％のアガロースゲルで電気泳動した。次に、上記ＲＮＡをＺｅｔａ−Ｐｒｏｂｅ ＧＴ Ｂｌｏｔｔｉｎｇ Ｍｅｍｂｒａｎｅ（Ｂｉｏ−Ｒａｄ社、Ｈｅｒｃｕｌｅｓ，ＣＡ）に移した後、ＦＢＰ／ＳＢＰ遺伝子の断片（Ｐ２プローブ）を［３２Ｐ］ｄＣＴＰでラベルしてハイブリダイゼーションを行った。
〔４．葉緑体量の測定〕
葉片（１．１３ｃｍ２）を液体窒素中、すり鉢を用いて粉砕した。クロロフィルａ及びクロロフィルｂの量を、ジェオン（Ｊｅｏｎｇ）らの方法（Ｊｅｏｎｇ，Ｓ．Ｗ． ｅｔ ａｌ．，２００２，Ｍｏｌ．Ｃｅｌｌｓ，１３，４１９−４２８）によって測定した。具体的に記載されていない実験方法は、当業界公知の一般的な分子生物学的な方法によって行うことができる。
〔実施例１：葉緑体形質転換ベクター及び形質転換タバコ植物体の選抜〕
葉緑体形質転換ベクターには相同組換え（ｈｏｍｏｌｏｇｏｕｓ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）のための挿入塩基配列部位がある。選択マーカー（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍａｒｋｅｒ）の発現のためにＰｒｒｎ プロモーター及びｐｓｂＡ ３’ＵＴＲを用いた。シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３に見出されたＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ（ｓｌｒ２０９４）遺伝子の発現のために、稲から単離されたＣｌｐプローモーターと大膓菌から単離されたｒｒｎＢ１／Ｂ２ターミネーターを使用した（図１参照）。５個の独立的な形質転換タバコ植物体Ｔ０（ＣｐＦＢＰ−１、ＣｐＦＢＰ−２、ＣｐＦＢＰ−５、ＣｐＦＢＰ−７、及びＣｐＦＢＰ−８）について、サザンブロット分析を行って植物体内に外来遺伝子が挿入されたことを確認した。上記形質転換タバコ植物体Ｔ０の種子を選択抗生剤であるスペクチノマイシンを含んで成る選択培地で発芽させて選択したＴ１世代について、再びサザンブロット分析で確認した。この結果、Ｔ０植物体の場合と同様のバンドが観察され、外来遺伝子であるＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子が実際に次の世代にまで送達（ｄｅｌｉｖｅｒｅｄ）されていることを示すものであった。全てのＣｐＦＢＰ Ｔ１植物体について、ノーザンブロット分析によって、幾つかの厚い（ｔｈｉｃｋ）バンドと共にＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ（１．８ｋｂ）遺伝子が発現することを確認した。また同時に、ベクター対照区植物体であるＣｔＶＧでは発現しないことを確認した。サイズの異なる上述の厚いバンドは、おそらく葉緑体ゲノム内のｒｒｎ１６又はベクターのＰｒｒｎプロモーターによって発現したものと考えられる。
〔実施例２：葉緑体ＳｙＦＢＰ形質転換タバコの耐塩性の測定〕
〔１．葉緑体（葉緑素）の量〕
シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３由来のＦＢＰ（ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ）遺伝子が葉緑体に形質転換されたＣｐＦＢＰ−５、ＣｐＦＢＰ−７種子及びＣｔＶＧベクター対照区のＴ１種子を無菌化して、ＭＳＢＭ５００Ｓｐ（ＭＳ基本培地＋３％のスクロース＋５００ｍｇ／Ｌのスペクチノマイシン＋０．６％のフィトアガー（ｐｈｙｔｏａｇａｒ））が添加された培地に置床して、２５℃、約４０μｍｏｌ・ｍ−２・ｓｅｃ−１の冷陰極白色（ｃｏｏｌ−ｗｈｉｔｅ）蛍光、明（ｌｉｇｈｔｉｎｇ）条件で２週間インキュベートした。上述の種子は、０、２５０ｍＭの塩化ナトリウムを含有するＭＳ基本培地（液体培地）に移植した後、５日間インキュベートし、葉緑体の量を測定した。
塩処理後に葉緑体（葉緑素）の量を測定した結果、ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ形質転換タバコ植物体がＣｔＶＧベクター対照区植物に比べて、より高い耐塩性を有することが分かった（図２参照）。図２において、ＣｔＶＧはベクター対照区を示し、ＣｐＦＢＰ−５及びＣｐＦＢＰ−７はＦＢＰ形質転換体を示す。図２のグラフで、黒色のバーは塩処理前の葉緑体（葉緑素）の相対的な量を示し、灰色のバーは塩処理後の葉緑体（葉緑素）の相対的な量を示す。このグラフから、塩処理後のベクター対照区では葉緑体（葉緑素）の量が著しく減少した一方、形質転換体では葉緑体（葉緑素）の減少量は比較的小であったことが確認された。したがって、この結果から、ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子形質転換タバコ植物体がベクター対照区に比べて耐塩性が向上していることは明らかである。
〔２．発芽率〕
シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３由来のＦＢＰ（ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ）遺伝子が葉緑体に形質転換されたＣｐＦＢＰ−５、ＣｐＦＢＰ−７及びＣｐＦＢＰ−８のＴ１種子、並びにＣｔＶＧベクター対照区のＴ１種子について、７０％のエチルアルコールで３０秒間、０．５％（ｖ／ｖ）の次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＯＣｌ）溶液で１５分間、表面の無菌化を行った後、０、１００、２００、及び３００ｍＭの塩化ナトリウムを添加したＭＳ基本培地に置床して、２５℃、約４０μｍｏｌ・ｍ−２・ｓｅｃ−１の冷白色（ｃｏｏｌ−ｗｈｉｔｅ）蛍光、明（ｌｉｇｈｔｉｎｇ）条件で２１日間インキュベートした後に発芽率を測定した。実験は、各ライン当たり種子１５０個ずつ３回繰り返して実施した（図３）。図３において、ＣｔＶＧはベクター対照区を示し、ＣｐＦＢＰ−５、ＣｐＦＢＰ−７及びＣｐＦＢＰ−８はＦＢＰ葉緑体形質転換体を示す。
塩化ナトリウムの濃度別にタバコ種子の発芽率を測定した結果、葉緑体形質転換体はベクター対照区に比較して、高い塩濃度において発芽率が高かった。塩分のない基本培地や１００ｍＭの塩化ナトリウムを含有する培地では、葉緑体形質転換体とベクター対照区との間で発芽率に大きな差を認めなかった。しかし、２００ｍＭの塩化ナトリウム処理群では、葉緑体形質転換体はベクター対照区より略１．３倍高い発芽率を示し、３００ｍＭの塩化ナトリウム処理群では略３倍高い発芽率を示した。さらに、植物の生長においても、２００ｍＭの塩濃度で発芽したベクター対照区植物体は発芽後は生存できなかった一方、葉緑体形質転換体は生長を維持することが観察された。
〔３．根の長さ〕
上述の発芽率試験と同様の条件で種子を無菌化した後、ＭＳ基本培地に置床した。２１日インキュベーションの後、発芽した植物体を０、１００、２００、３００ｍＭの塩化ナトリウムを含有するＭＳ基本培地（固体）に移植し、３週間培養した後、根の長さを測定した（図４）。図４において、ＣｔＶＧはベクター対照区を示し、ＣｐＦＢＰ−５、ＣｐＦＢＰ−７及びＣｐＦＢＰ−８はＦＢＰ形質転換体を示す。
３週間インキュベーター内で発芽させた植物体について、塩分含有培地に移植して３週間培養した後、根の長さを測定した。１００ｍＭの塩分濃度までは大きな差を示さなかったが、２００ｍＭの塩処理群では、ベクター対照区については根が良好に形成されないことを確認した。さらに、ベクター対照区の葉緑体が塩分によって破壊され、葉が生長せずに黄色に変化することが観察された。一方、葉緑体形質転換体の場合、主根が発達し、側根も増加傾向を示し、葉が健常且つ緑色を維持することを確認した。
〔４．全体の植物体（Ｗｈｏｌｅ ｐｌａｎｔ）〕
ＭＳ基本培地（固体）にて２１日培養後の発芽した植物体を土壌で順化させた後、さらに８週間栽培した。続いてこの植物体を３００ｍＭの塩化ナトリウム溶液で１４日間処理した後、植物体の回復を観察するために１５日目に再び灌水した。光合成量は３日毎に測定した（図５参照）。図５において、ＣｔＶＧはベクター対照区を示し、ＣｐＦＢＰ−５、ＣｐＦＢＰ−７及びＣｐＦＢＰ−８はＦＢＰ葉緑体形質転換体を示す。ＥＴＲは、電子伝達速度（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｒａｔｅ）を示す。
対照区の場合、（塩処理後）５日までは著しい変化を示さなかったが、８日目から葉緑体が破壊されて、黄化現象を呈し始めた。さらに、Ｆｖ／Ｆｍ（光化学系量子収率）値が低下し始め、１４日目からは、葉のしおれ症状が重篤になった。一方、葉緑体形質転換体は僅かな変化を示すに留まった。特に、１５日目から植物体に水を供給しながら回復を観察したが、ベクター対照区植物体はしおれ症状が継続する一方、葉緑体形質転換体は急速な回復を示し、また生長を続けた。

Claims (10)

  1. シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３から単離されたＦＢＰタンパク質（ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ）をコードする遺伝子を有する組み換え植物発現ベクターで植物の細胞を形質転換してＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ遺伝子を過発現させる工程を備えることを特徴とする植物の耐塩性を向上させる方法。
  2. 前記ＦＢＰタンパク質をコードする遺伝子は、配列番号１の塩基配列を有することを特徴とする請求項１に記載の植物の耐塩性を向上させる方法。
  3. 前記組み換え植物発現ベクターは、葉緑体形質転換ベクターであることを特徴とする請求項１に記載の植物の耐塩性を向上させる方法。
  4. 前記植物は、タバコ、シロイヌナズナ、ナス、唐辛子、トマト、ジャガイモ、ゴボウ、シュンギク、チサ、キキョウ、ホウレン草、フダンソウ、サツマイモ、サラリ、ニンジン、セリ、パセリ、白菜、キャベツ、カラシナ、ダイコン、スイカ、マクワウリ、キュウリ、カボチャ、フクベ、イチゴ、大豆、緑豆、インゲン豆及びエンドウからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の植物の耐塩性を向上させる方法。
  5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の植物の耐塩性を向上させる方法によって製造されたことを特徴とする耐塩性の向上した植物。
  6. 請求項５に記載の耐塩性の向上した植物の種子。
  7. シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３から単離されたＦＢＰタンパク質（ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ）をコードする遺伝子を有することを特徴とする植物の耐塩性を向上させるための組成物。
  8. 前記ＦＢＰタンパク質をコードする遺伝子は、配列番号１の塩基配列を有することを特徴とする請求項７に記載の組成物。
  9. シネコシスティス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ）ＰＣＣ ６８０３から単離されたＦＢＰタンパク質（ＳｙＦＢＰ／ＳＢＰａｓｅ）をコードする遺伝子を有することを特徴とする組み換え葉緑体形質転換ベクター。
  10. 前記ベクターは、図１に示す切断地図を有するＣｐＦＢＰベクターであることを特徴とする請求項９に記載の組み換え葉緑体形質転換ベクター。
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