JP2013537412A - 植物形質転換率を高めるように改変されたアグロバクテリウム(Agrobacterium)株 - Google Patents
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Abstract
Description
[実施例]
プラスミドpUCD2の構築はCloseら、(1984, Plasmid 12:111-118)によって記載されており、13,239bpの完全DNA配列は、初めて本明細書に配列番号1として開示している。pUCD2は、抗生物質に対する細菌耐性、詳しくは、スペクチノマイシン、カナマイシン、テトラサイクリンおよびアンピシリンに対する耐性(図1)を付与する4つの遺伝子を保持する。例えば、Sambrookら、(1989, Molecular Cloning: A Laboratory Manual (2nd Edition. , COLD SPRING HARBOR LABORATORY PRESS, Plainview, N.Y.) およびAusubelら、(1995, Current Protocols in Molecular Biology,(GREENE PUBLISHING AND WILEY-INTERSCIENCE, New York)およびそれらの最新版に教示されている標準の分子生物学方法を、本開示のこの実施例および別の実施例に記載されているこのステップおよび別のステップで用いた。pUCD2への第1の改変は、制限酵素Sac IおよびSac IIでpUCD2 DNAを切断し、 Sac IまたはSac II生成オーバーハングと適合する適切なオーバーハングの「付着末端」を有する通常二本鎖のオリゴヌクレオチド断片にライゲーションすることにより作製される。この二本鎖オリゴヌクレオチド(図1)は、配列番号2および配列番号3として開示されている、2つの相補的オリゴヌクレオチド配列をアニールすることにより生成された。配列番号2および配列番号3のオリゴヌクレオチドの配列は、Sac I およびSac IIで切断されたpUCD2 DNAとのライゲーションの際に機能カナマイシン耐性遺伝子を回復するように設計されている。この操作によりプラスミドpDAB9290が作製されたが(図1)、これは、スペクチノマイシン耐性に関するコード領域の欠失、カナマイシン耐性に関するコード領域内部から得られるKpn I制限酵素認識部位の除去、およびカナマイシン耐性コード領域の下流の新規Kpn I部位の作製によりpUCD2とは異なる。
「超病原性」pTiBo542由来のvirG、virBおよびvirCオペロンならびにvirD1を含有する14.8kbp Kpn I断片(図1)は、プラスミドpSB1(Komariら、前掲;およびKomoriら、前掲)から単離され、pDAB9291の特有のKpn I部位へクローニングした。挿入断片の2つの可能な配向をそれぞれ含有するプラスミドが得られ、pDAB9292およびpDAB9293と命名された。1つのプラスミド、pDAB9292(図1)を以降の試験に選択した。pDAB9292のDNA配列を配列番号5として開示している。
アグロバクテリウム(Agrobacterium)UIA143株はC58遺伝的バックグラウンドを有するRecA−欠損株であり、Farrandら(前掲)により構築され、記載された。染色体のrecA遺伝子が欠失され、150μg/mLでエリスロマイシンに対する耐性を付与する遺伝子カセットと置き換えられた。このUIA143株は、TiプラスミドやTiプラスミド誘導体を含有していない。
Z707株は、アグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)C58株のpTiC58プラスミドの全T−DNA領域を、カナマイシンに対する耐性を付与するTn903のnpt I遺伝子で置き換えることにより得た。得られたプラスミド(本明細書ではpTiC58Δという)の全vir領域は、完全なままであった(Hepburnら、(1985) J. Gen. Microbiol. 131:2961-2969)。Z707株から得たヘルパープラスミドpTiC58Δは塩化セシウム勾配遠心分離により精製し、エレクトロコンピテントUIA143細胞へエレクトロポレートされた。pTiC58Δプラスミド由来のカナマイシン耐性遺伝子および染色体由来のエリスロマイシン耐性遺伝子に基づいて形質転換体が選択され、その株をDA2569と命名した。DA2569中のpTiC58Δの存在は、選択したvir遺伝子領域を検出するためのプライマーを使用してPCR増幅により、また、Z707株の細胞から塩化セシウム勾配遠心分離によって精製したpTiC58Δの32P標識化DNAでプローブしたDA2569候補コロニーから調製した全DNAをサザンブロット分析することにより確認した。
アグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)GV3101(pMP90)株は、全T−DNA領域が欠失され、ゲンタミシンに対する耐性を付与する遺伝子と置き換えられたpMP90と呼ばれるpTiC58の欠失型を保持する(KonczおよびSchell, (1986) Mol. Gen. Genet. 204:383-396)。プラスミドpMP90のDNAは、塩化セシウム勾配遠心分離またはMACHEREY−NAGEL NUCLEOBOND XTRA MAXI KIT 「LOW COPY」(MACHEREY−NAGEL Inc.;Bethelem、PA)などの方法により調製され、UIA143細胞へエレクトロポレートされる。形質転換体は、pMP90プラスミド由来のゲンタミシン耐性遺伝子(100μg/mL)に基づいて選択され、その株はDAt20538と命名される。DAt20538中のpMP90の存在は、選択されたvir遺伝子領域を検出するためにプライマーを使用するPCR増幅により、また、DAt20538から調製した全DNAをサザンブロット分析することにより確認される。
実施例5に記載のヘルパープラスミドpMP90は、プラスミドpRK2013由来の42kbp EcoR I断片を(ダブルクロスオーバー相同組換えにより)導入することによってさらに改変した(FigurskiおよびHelinski, (1979) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 79:1648-1652)。42kbp断片は、プラスミド複製および移動に関するプラスミドRK2由来の遺伝子(例えば、trfA、tra1、tra2、tra3およびoriT)およびカナマイシン耐性を付与する遺伝子を含有する。この操作をプラスミドpMP90のゲンタミシン耐性遺伝子に置き換え、得られたプラスミドがpMP90RKと命名された(KonczおよびSchell、前掲)。プラスミドpMP90RKのDNAは、塩化セシウム勾配遠心分離またはMACHEREY−NAGEL NUCLEOBOND XTRA MAXI KIT「LOW COPY」などの方法によって調製され、エレクトロコンピテントUIA143細胞へエレクトロポレートされる。形質転換体はpMP90RKのプラスミド由来のカナマイシン耐性遺伝子に基づいて選択され、その株はDAt20539と命名される。DAt20539中のpMP90RKの存在は、選択したvir遺伝子領域を検出するプライマーを使用するPCR増幅によって、また、DAt20539から調製した全DNAのサザンブロット分析によって確認される。
エレクトロコンピテントDA2552細胞は、標準プロトコルを使用して調製した(実施例3を参照)。コンピテントDA2552細胞50μLを氷上で溶解させ、300〜400ngのプラスミドpDAB9292 DNAを使用して形質転換した。DNAおよび細胞ミックスは、予備冷却したエレクトロポレーションキュベット(0.2cm)およびBIO−RAD GENE PULSERエレクトロポレーター(BIO−RAD Inc.;Hercules、CA.)を使用してエレクトロポレートした。条件は以下のとおりである:電圧:2.5kV、パルス長:5 msec、キャパシタンスアウトプット:25μFarad、抵抗:200オーム。エレクトロポレーション後、1mLのYEP(gm/L:酵母抽出物 10、ペプトン 10、NaCl 5)ブロスをキュベットに加え、細胞−YEP懸濁液を15mLの培養試験管に移した。細胞を4時間温和な撹拌を行いながら28℃でインキュベートし、その後、50μg/mLのカナマイシンおよび150μg/mLのエリスロマイシンを含有するYEP+寒天上でこの培養物を平板培養した。プレートを28℃で2〜4日間インキュベートし、コロニーを選択し、上記のような抗生物質を含む新鮮なYEP+寒天平板上に平板画線し、1〜3日間28℃でインキュベートした。これらのコロニーは、ケトラクトース試験(Bouzarら、(1995) In: Methods in Molecular Biology (K. GartlandおよびM. Davey, eds.)Agrobacterium Protocols. (Vol. 44) HUMANA PRESS, Totowa, NJ. pp. 9-13を使用し、アグロバクテリウム(Agrobacterium)として確認された。3mLのYEP(抗生物質を含有)種培養を開始するため、いくつかのケトラクトース陽性コロニーを選択し、振盪しながら28℃で終夜増殖させた。300μLの各種培養を用いて200mLのYEP(抗生物質を含有)に接種し、終夜培養物を200rpmで振盪しながら28℃で増殖させた。プラスミドDNAは、MACHEREY−NAGEL NUCLEOBOND(登録商標) XTRA MAXI PLASMID DNA PURIFICATIONキットを使用して、それぞれ終夜培養物200mLの165mLから調製した。緩衝液RES、LYSおよびNEUをそれぞれ30mL使用すること以外は、製造者のプロトコルに従った。溶出されたDNAは、4℃で保存した。
アグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)株GV3101(pMP90)の細胞(KonczおよびSchell、前掲)は、標準プロトコルによりエレクトロコンピテントが作製された(実施例3を参照)。50μLのコンピテントGV3101(pMP90)細胞を氷上で溶解させ、300〜400ngのプラスミドpDAB9292 DNAを使用して形質転換した。DNAおよび細胞ミックスは、予備冷却したエレクトロポレーションキュベット(0.2cm)およびBIO−RAD GENE PULSERエレクトロポレーターを使用してエレクトロポレートした。条件は以下のとおりである:電圧:2.5kV、パルス長:5 msec、キャパシタンスアウトプット:25μFarad、抵抗:200オーム。エレクトロポレーション後、1mLのYEPブロスをキュベットに加え、細胞−YEP懸濁液を15mLの培養試験管に移した。細胞を4時間温和な撹拌を行いながら28℃でインキュベートし、その後、50μg/mLのカナマイシンおよび100μg/mLのゲンタマイシンを含有するYEP+寒天上でこの培養物を平板培養した。プレートを28℃で2〜4日間インキュベートし、コロニーを選択し、上記のような抗生物質を含む新鮮なYEP+寒天平板上に平板画線し、1〜3日間28℃でインキュベートした。これらのコロニーは、ケトラクトース試験を使用し、アグロバクテリウム(Agrobacterium)として確認された。3mLのYEP(抗生物質を含有)種培養を開始するため、いくつかのケトラクトース陽性コロニーを選択し、振盪しながら28℃で終夜増殖させた。300μLの各種培養を用いて200mLのYEP(抗生物質を含有)に接種し、終夜培養物を200rpmで振盪しながら28℃で増殖させた。プラスミドDNAは、MACHEREY−NAGEL NUCLEOBOND(登録商標) XTRA MAXI PLASMID DNA PURIFICATIONキットを使用して、それぞれ終夜培養物200mLの165mLから調製した。緩衝液RES、LYSおよびNEUをそれぞれ30mL使用すること以外は、製造者のプロトコルに従った。溶出されたDNAは、4℃で保存した。
アグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)LBA4404株の細胞(Oomsら、(1982) Plasmid 7:15-29)は、標準プロトコルによりエレクトロコンピテントが作製された(実施例3を参照)。50μLのコンピテントLBA4404細胞を氷上で溶解させ、300〜400ngのプラスミドpDAB9292 DNAを使用して形質転換した。DNAおよび細胞ミックスは、予備冷却したエレクトロポレーションキュベット(0.2cm)およびBIO−RAD GENE PULSERエレクトロポレーターを使用してエレクトロポレートした。条件は以下のとおりである:電圧:2.5kV、パルス長:5 msec、キャパシタンスアウトプット:25μFarad、抵抗:200オーム。エレクトロポレーション後、1mLのYEPブロスをキュベットに加え、細胞−YEP懸濁液を15mLの培養試験管に移した。細胞を4時間温和な撹拌を行いながら28℃でインキュベートし、その後、50μg/mLのカナマイシンおよび250μg/mLのストレプトマイシンを含有するYEP+寒天上でこの培養物を平板培養した。プレートを28℃で2〜4日間インキュベートし、コロニーを選択し、上記のような抗生物質を含む新鮮なYEP+寒天平板上に平板画線し、1〜3日間28℃でインキュベートした。これらのコロニーは、ケトラクトース試験を使用し、アグロバクテリウム(Agrobacterium)として確認され、単一コロニー単離の2継代を使用して、さらに精製した。
エレクトロコンピテントDAt20538細胞は、標準プロトコルを使用して調製した(実施例3を参照)。50μLのコンピテントDAt20538細胞を氷上で溶解させ、300〜400ngのプラスミドpDAB9292 DNAを使用して形質転換した。DNAおよび細胞ミックスは、予備冷却したエレクトロポレーションキュベット(0.2cm)およびBIO−RAD GENE PULSERエレクトロポレーターを使用してエレクトロポレートした。条件は以下のとおりである:電圧:2.5kV、パルス長:5 msec、キャパシタンスアウトプット:25μFarad、抵抗:200オーム。エレクトロポレーション後、1mLのYEPブロスをキュベットに加え、細胞−YEP懸濁液を15mLの培養試験管に移した。細胞を4時間温和な撹拌を行いながら28℃でインキュベートし、その後、50μg/mLのカナマイシンおよび100μg/mLのゲンタマイシンを含有するYEP+寒天上でこの培養物を平板培養した。プレートを28℃で2〜4日間インキュベートし、コロニーを選択し、上記のような抗生物質を含む新鮮なYEP+寒天平板上に平板画線し、1〜3日間28℃でインキュベートした。これらのコロニーは、ケトラクトース試験を使用し、アグロバクテリウム(Agrobacterium)として確認され、ケトラクトース陽性コロニーを、単一コロニー単離の2継代を用いてさらに単離した。
14.8KpnI VirBCDG断片により提供されるvir補助遺伝子と組み合わせたRecA機能の欠損を有する操作されたアグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)株の有用性を本明細書で説明する。バイナリー植物形質転換ベクター、pDAB101513(図4A)は、標準クローニング方法の組み合わせによって(例えば、Sambrookら(1989、前掲)およびAusubelら(1995、前掲))ならびにGATEWAY(商標)technology(INVITROGEN)に記載されているようにして)大腸菌(E. coli)クローニング株STBL2(商標)で構築した。バイナリーベクターpDAB101513はプラスミドRK2のIncP−タイプ複製起点をベースとし、ベクター骨格は、100μg/mLでスペクチノマイシン(図4中のSpcR)に対する耐性を付与する細菌遺伝子を保持する。T−DNA境界反復は、pTi15955のTL領域から誘導される。プラスミドpDAB101513のT−DNA領域の右側境界(図4のT−DNA境界B)およびトリプル左側境界(図4のT−DNA境界A)内では、4つの植物発現可能な、植物−コドン−最適化タンパク質コード配列(CDS)が配置されており、各々の転写は、関連するイントロン1で1,991bpのトウモロコシユビキチン1プロモーターにより作動される(米国特許第5,510,474号)。これらのコード領域の3つは、それぞれ約3,500bpを含む個別のBt Cry1タンパク質(Cry1Ca、配列番号7;Cry1Fa、配列番号9;およびCry1Ab、配列番号11)をコードしている。これらのコード領域は、GENBANK寄託から得られた706のトウモロコシタンパク質コード領域の分析から計算されたトウモロコシ(Zea mays)コドンバイアス表を使用する、トウモロコシ植物での発現において最適化されたコドンであった。合成遺伝子の設計および生産に関するさらなるガイダンスは、例えば、国際公開第97/13402A1、米国特許第6,166,302号および米国特許第5,380,831号で確認することができる。3つのB.tタンパク質コード領域は、以下の様式で相互に関連する:cry1Ca(配列番号6)に関するコード領域とcry1Fa(配列番号8)に関するコード領域は、67%の配列相同性を共有し;cry1Ca(配列番号6)に関するコード領域とcry1Ab(配列番号10)に関するコード領域は69.5%の配列相同性を共有し、cry1Fa(配列番号8)に関するコード領域とcry1Ab(配列番号10)に関するコード領域は、67%の配列相同性を共有する。さらに、cry1Ca、cry1Faおよびcry1Abに関するCDSのC末端1,600bpは、73%の配列相同性を共有する。これらの3つのそれぞれのコード領域は、365bpのトウモロコシPer5 3’非翻訳領域(3’UTR)により終止する(米国特許第6,384,207号)。第4の遺伝子は、AAD1選択可能なマーカータンパク質(配列番号13)をコードする植物−コドン−最適化aad1コード領域(配列番号12)を含む(米国特許第7,838,733号)。このaad1コード領域は、cry1Ca、cry1Faまたはcry1Abに関し、CDSと関連していない。aad1に関するコード領域は、植物−コドンバイアス表を用いて設計した。トウモロコシコドンバイアス表は、GENBANKに寄託されている配列から得られた、706のトウモロコシタンパク質コード配列から計算された。タバコ(Nicotiana tabacum、1268 CDS)キャノーラ(Brassica napus、530 CDS)、ワタ(Gossypium hirsutum、197 CDS)、およびダイズ(Glycine max;約1000 CDS)に関するコドン利用表は、ウェブサイトhttp://www.kazusa.or.jp/codon/のデータからダウンロードした。適切な設計し直された平均相対量で、トウモロコシおよび双子葉植物の両方のデータセットに共通してたびたび用いられるコドンを含む偏位コドンセットは、いずれかの植物タイプのアミノ酸に対する全コドンの使用の約10%未満で使用されるすべての余分のコドンを省いた後に計算した。aad1遺伝子はトウモロコシリパーゼ3’UTRにより終端している(米国特許第7,179,902号)。したがって、pDAB101513の22,729bp T−DNA領域の内に、トウモロコシubi1プロモーターの4つのコピーは、約2kbp(キロ塩基対)の4つの直接反復中にそれぞれ配置されている、合計7,964塩基を含み、それぞれの反復は互いに100%関連している。Per5 3’UTRの3つのコピーは、3つの直接反復単位で配置されている、合計1,095塩基を含み、それぞれの反復は互いに100%関連しており、3つのコード領域cry1Ca、cry1Faおよびcry1Abは、相互に67%〜73%の間の相同性を有する直接反復として配置されている。合計で、pDAB101513のT領域は約86%の高度に反復された配列を含み、下記のように簡便に説明することができる:
RB>Ubi1プロモーター:cry1Ca CDS:Per5 3’UTR>Ubi1 プロモーター:cry1Fa CDS:Per5
3’UTR>Ubi1 プロモーター:cry1Ab CDS:Per5 3’UTR>Ubi1 プロモーター:aad1 CDS:Lip
3’UTR>LB。
14.8KpnI VirBCDG断片により提供されるvir補助遺伝子と組み合わせたRecA機能の欠損を有する、操作されたアグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)株の有用性を本明細書でさらに説明する。バイナリー植物形質転換ベクター、pDAB101514(図4B)は、標準クローニング方法およびGATEWAY(商標)技術の組み合わせによって大腸菌(E. coli)クローニング株STBL2(商標)で構築した。バイナリーベクターpDAB101514の構造は、cry1Ca遺伝子の発現を作動するのに用いられる発現要素を除いて、pDAB101513(前の実施例)の構造とほとんど同じである。pDAB101514中のcry1Ca CDSの転写は、1429bpのサトウキビ桿状ウイルスプロモーターにより作動される(SCBV; Tzafrirら、(1998) Plant Molec. Biol. 38:347-356)。5’UTRは、本質的に、20塩基のエキソン6と11塩基のエキソン7に隣接している、トウモロコシアルコール脱水素酵素遺伝子(GENBANKアクセッションX04049)のイントロン6で構成されている。この遺伝子の転写は、ジャガイモpinII 3’UTRにより終止される(Anら、(1989) Plant Cell. 1:115-122)。cry1Fa、cry1Abおよびaad1遺伝子の発現を調節するために使用される発現エレメントは、pDAB101513中で用いられたものと同じ物である。したがって、pDAB101514の22,586bp T−DNA領域の内部では、トウモロコシubi1プロモーターの3つのコピーは、約2kbpの3つの直接反復中にそれぞれ配置され、各反復が互いに100%関連している、合計5,973塩基を含む。Per5 3’UTRの2つのコピーは、2つの直接反復単位に配置され、各反復単位が互いに100%関連している、合計730塩基を含み、3つのコード領域cry1Ca、cry1Faまたはcry1Abは、直接反復が、互いに67%〜73%の間のDNA配列相同性を有するように配置される。合計で、pDAB101514のT領域は約76%の高度に反復されたDNA配列を含み、物理的な配置は、以下のように簡単に説明することができる:
RB>SCBV プロモーター:cry1Ca CDS:pinII 3’UTR>Ubi1 プロモーター:cry1Fa CDS:Per5 3’UTR>Ubi1 プロモーター:cry1Ab CDS:Per5 3’UTR>Ubi1 プロモーター:aad1 CDS:Lip 3’UTR>LB。
トウモロコシのアグロバクテリウム(Agrobacterium)による形質転換。II F1 cross(Armstrongら、(1991年) Maize Genet. Coop. Newslett. 65:92-93)に由来する種子が、95%のMETRO−MIX 360ソイルレス系成長培地(SUN GRO HORTICULTURE、Bellevue、WA)および5%のclay/loam土壌からなる混合物を含む5ガロンのポット内に植栽された。植物を、高圧ナトリウムランプおよびメタルハライドランプを併用する温室内で、16:8時間の明光:暗光周期にて成長させた。形質転換用の未成熟のF2胚を得るために、制御された同胞受粉(sib-pollination)が実施された。未成熟の胚が約1.0〜2.0mmのサイズになる受粉後およそ8〜10日目に、トウモロコシ雌穂(Maize ears)が回収された。
アッセイする鱗翅目の種は、オオタバコガ(CEW;Helicoverpa zea(Boddie))、アワノメイガ(ECB;Ostrinia nubilalis(Hubner))、およびツマジロクサヨトウ(FAW;Spodoptera frugiperda(J.E.Smith))であった。これらの昆虫に関する卵は、BENZON RESEARCH (Carlisle、PA)から入手した。
多重形質転換実験は、操作したアグロバクテリウム・ツメファシエンス(A.tumefaciens)のEHA105(pDAB101513)株、DA2552(pDAB101513)株およびDAt13192(pDAB101513)株を用いて実施した。トランスジェニックT0植物における4つの導入遺伝子のコピー数は遺伝子特異的オリゴヌクレオチドを使用し、加水分解プローブアッセイ(BubnerおよびBaldwin, (2004) Plant Cell Rep. 23:263-271)により推定した。遺伝子の1〜3コピー(「低コピー」)を含む植物から得たタンパク質抽出物は、Bt Cry1Ca、Cry1FaおよびCry1Abタンパク質の産生について、またAAD1タンパク質について、工業生産された抗体キット(ENVIROLOGIX(商標)、Portland、MA)を使用するELISA法によってさらに試験した。4つのタンパク質をすべて産生するいくつかの植物が見つかった(表3)。さらに、植物の葉片を、摂食アッセイにおいて3種のトウモロコシ害虫:オオタバコガ(CEW;Helicoverpa zea)、ツマジロクサヨトウ(FAW;Spodoptera frugiperda)、およびアワノメイガ(ECB;Ostrinia nubilalis)に対する活性をバイオアッセイした(実施例14)。低コピー数に4つの導入遺伝子をすべて有し、4つのタンパク質をすべて産生し、3種の有害生物すべてに対する昆虫活性を有する、いくつかの植物が見つかった(表4)。これらの基準を満たす形質転換された植物は、EHA105(pDAB101513)株またはDA2552(pDAB101513)株を使用する実験からは得られなかった(表4)。したがって、染色体recA遺伝子の欠失を含み、pTiEHA105上に保持されているpTiBo542誘導vir遺伝子のフルセットをさらに含み、pDAB9292の14.8KpnI VirBCDG断片上に保持されているpTiBo542誘導vir遺伝子の部分的セットをさらに含む、DAt13192株の特徴は、高度に反復された配列エレメントで構成されている大型T−DNA領域で形質転換されたトウモロコシ植物を効率的に生産することができるということである。
多重形質転換実験は、操作したアグロバクテリウム・ツメファシエンス(A.tumefaciens)のEHA105(pDAB101514)株、DA2552(pDAB101514)株およびDAt13192(pDAB101514)株を用いて実施した。トランスジェニックT0植物における4つの導入遺伝子のコピー数は遺伝子特異的オリゴヌクレオチドを使用し、加水分解プローブアッセイ(BubnerおよびBaldwin, (前掲))により推定した。遺伝子の1〜3コピー(「低コピー」)を含む植物から得たタンパク質抽出物は、Bt Cry1Ca、Cry1FaおよびCry1Abタンパク質の産生について、またAAD1タンパク質について、工業生産された抗体キット(ENVIROLOGIX(商標)、Portland、MA)を使用するELISA法によってさらに試験した。さらに、植物から得た葉片を、摂食アッセイにおける3種のトウモロコシ害虫に対する活性についてバイオアッセイした(実施例14)。低コピー数に4つの導入遺伝子すべて有し、4つのタンパク質をすべて産生し、3種の有害生物すべてに対する昆虫活性を有する、いくつかの植物が見つかった(表5)。これらの基準を満たす形質転換された植物は、EHA105(pDAB101514)株またはDA2552(pDAB101514)株を使用する実験からは得られなかった。したがって、染色体recA遺伝子の欠失を含み、pTiEHA105上に保持されているpTiBo542誘導vir遺伝子のフルセットをさらに含み、pDAB9292の14.8KpnI VirBCDG断片上に保持されているpTiBo542誘導vir遺伝子の部分的セットをさらに含む、DAt13192株の特徴は、高度に反復された配列エレメントで構成されている大型T−DNA領域で形質転換されたトウモロコシ植物を効率的に生産することができるということである。
アグロバクテリウム・ツメファシエンス(A.tumefaciens)C58株染色体の植物誘導性picA/pgl遺伝子座(GENBANKアクセッションAE0009243)は、DNA断片が組み込まれ得る非必須遺伝子であることが確認された(Rongら、(1990) J. Bacteriol. 172:5828-5836; Rongら、(1991) J. Bacteriol. 173:5110-5120)。アグロバクテリウム・ツメファシエンス(A.tumefaciens)LBA4404株のゲノム中の同様の中立組込み部位は未だ報告されていない。本発明者らは、C58 picA/pgl遺伝子座に部分的に相同な配列を含むLBA4404のゲノム領域の同定および配列決定について本明細書に記載する。LBA4404(INVITROGEN)の細胞を、30℃で終夜、YM培地(gm/L:酵母抽出物、0.4;マンニトール、10;NaCl、0.1;MgSO4 7H2O、0.2;K2HPO4 3H2O、0.5)で増殖させた。ゲノムDNAを、製造者のプロトコルに従って、EASY DNA kit (INVITROGEN)を使用して1mL培養物から調製した。縮重プライマーは、C58 PicAタンパク質配列とシロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)、カルジセルロシルプトル・サッカロリチクス(Caldicellulosiruptor saccharolyticus)、アルカリフィルス・メタリレジゲネス(Alkaliphilus metalliredigenes)およびクロストリジウム・アセトブチルイクム(Clostridium acetobutylicum)から同定された相同体との間の2つの相同領域に基づいて設計した。LBA4404ゲノムDNAは、HERCULASE(商標) MASTER MIX(STRATAGENE;San Diego、CA)、および縮重プライマーAtnilA1Fa(5’−GACAGTCCNAATACSGAYGG−3’;配列番号14;C58 PicAタンパク質のアミノ酸273〜279に対応)およびAtnilA3R(5’−GTYTTSAGNCGSAGSCCSCGRTCSGT−3’;配列番号15、C58 PicAタンパク質のアミノ酸364〜369をコードしている相補鎖に対応)を使用するポリメラーゼ連鎖反応(PCR)に鋳型として使用した。使用する熱サイクル条件は以下のとおりであった:94℃の1サイクル、2分;[94℃、30秒;55℃、30秒;72℃、60秒]の25サイクル;72℃の1サイクル、7分。プライマー配列中の縮重ヌクレオチドの呼称は、以下のようなDNAヌクレオチドに対応する:N=A、C、GまたはT;Y=TまたはC;R=AまたはG;およびS=CまたはG。285塩基対(bp)生成物が単離され、大腸菌(Escherichia coli)TOP10細胞(INVITROGEN)中のベクターpCR2.1−TOPO(INVITROGEN)へクローニングされ、DNA配列が決定された。この配列は、C58 picA遺伝子の領域と相同である(しかし同一ではない)ことが分かった(85%の配列同一性)。また、それが示すLBA4404ゲノム領域を本明細書ではnilA断片と呼ぶ。
pDOW3719でクローニングされたnilA遺伝子座中の多重クローニング部位の挿入は、オーバーラップ伸長によるスプライシング(SOE)PCR(Hortonら、(1990) BioTechniques 8:528-535)により達成した。SOE PCR反応は、製造者のプロトコルに従って、HERCULASE(商標)マスターミックスを使用して行った。nilA遺伝子座の一部分は、pDOW3719 DNAを鋳型として、プライマーnilA_MCS_SOER(5’−GAATGGTGAAACCTCTAGATTAATTAA GGATCCCCGGGTACCGAAAAGCCCGACATTGC−3’;配列番号20)と対になるプライマーnilA5’(5’−CCGGCTCTTCCAGCTCCTCATGCACGAACAACGAGAAACGAGC−3’;配列番号19)と一緒に使用して増幅し、約800bpの断片を得た。nilA遺伝子座の第2の部分は、鋳型としてpDOW3719 DNA、およびプライマーnilA3’(5’−GGAATTCTCAGTGGCTTTCATGGGTTTTCTCG−3’;配列番号22)と対になるプライマーnilA_MCS_SOEF(5’−GCAATGTCGGGCTTTTCGG TACCCGGGGATCCTTAATTAATCTAGAGGTTTCACCATTC−3’;配列番号21)を使用して増幅し、約900bpの断片を得た。次いで、得られた断片をゲル精製し(NUCLEOSPIN(商標)、CLONTECH;Mountain View、CA)、プライマーnilA5’およびnilA3’と一緒に鋳型として増幅に使用し、1.6kbpの断片を得た。この配列は配列番号23として開示する(nilA MCS)。得られた断片はPvu IおよびSap I(NEB)で消化し、同一制限酵素で消化したpBCSK+sacBI DNA(INVITROGEN)にT4 DNAリガーゼ(NEB)を使用してライゲートした。大腸菌(E. coli)TOP10細胞をこのライゲーション混合物で形質転換し、形質転換体を、30μg/mLクロラムフェニコール補充のLB大豆寒天培養基(TEKNOVA;Hollister、CA)上で選択した。クローンは、Pvu IおよびKpn I(NEB)を使用する制限消化によってスクリーニングした。陽性クローンのnilA遺伝子座領域は確認された配列であり、得られたプラスミドはpDOW3721と命名した。pDOW3721の特徴は、制限酵素Sph I、Kpn I、Sma I、BamH I、Pac I、Ase IおよびXba Iに対する認識配列を含有する多重クローニング部位(MCS)が、852bpのLBA4404誘導塩基により1つの側に隣接されており、745bpのLBA4404誘導塩基によりもう1つの側に隣接されていることである。
プラスミドpDOW3719のゲノム組込みを含有している(図2および実施例18)、アグロバクテリウム・ツメファシエンス(A.tumefaciens)のLBA4404nilA−int1株を使用して、nilAゲノム領域の上流および下流に位置している付加配列を同定した。pDOW3719は、PCR−BLUNT II/XL−TOPO(登録商標)(INVITROGEN)へクローニングされたアグロバクテリウム・ツメファシエンス(A.tumefaciens)LBA4404株nilA遺伝子座の1,796bpのPCR増幅産物を含有する。このプラスミドは、相同組換えによりアグロバクテリウム・ツメファシエンス(A.tumefaciens)LBA4404株のゲノムへ組み込まれた。この組込みプラスミドを含有したコロニーは、カナマイシンに対する耐性により同定した(実施例17)。この組込みプラスミド、またその内部に含有されたエレメントは、「プラスミドレスキュー」技術による付加ヌクレオチド配列の単離および特性決定にツールとして使用することができる。
外来性DNA配列のアグロバクテリウム・ツメファシエンス(A.tumefaciens)LBA4404 nilAのゲノム領域への相同性による組込みを行うための組込みベクターを設計し、構築した。nilA遺伝子座にまたがるnilAゲノム領域の6.3kbpの断片は、FAILSAFE(商標) PCR KIT(EPICENTRE(登録商標)、Madison、WI)を使用し、PCR増幅した。増幅した断片は、PCR(登録商標)8/GW/TOPO(登録商標)ベクター(INVITROGEN)へライゲートされ、陽性クローンが制限酵素消化およびDNA塩基配列検証により確認された。得られたベクター、pDAB9615は、特有の重複制限酵素認識部位を含有するオリゴヌクレオチド断片の付加によりさらに改変させた。nilAゲノム領域の3,244bp領域および3,128bp領域により隣接されている、これらの制限部位は、外来性ヌクレオチド配列を導入するためのクローニング部位として有用である。得られたベクターはpDAB9618と命名した(図3)。
プラスミドpDAB9698のDNAは、NUCLEOBOND(登録商標)AX ANION EXCHANGE CHROMATOGRAPHY PLASMID DNA ISOLATION KIT(MACHEREY−NAGEL)を使用して得た。この精製プラスミドDNAを、アグロバクテリウム・ツメファシエンス(A.tumefaciens)LBA4404 CELLS(INVITROGEN)へエレクトロポレートした。簡潔に説明すると、500ngのプラスミドDNAをこれらの細胞と4℃で10分間インキュベートした。この混合物を、氷冷した0.2cmのGENE PULSER(登録商標)CUVETTE(BIO−RAD)へピペットで移し、以下の設定でBIO−RAD GENE PULSERを使用してエレクトロポレートした:キャパシタンスアウトプット25μFarad、キャパシタンスエクステンダー960μFarad、抵抗200オーム、および電圧2.5kV。エレクトロポレーション直後に、950μLのSOC培地(INVITROGEN)を加え、その混合物をFalcon2059チューブ(BECTON DICKINSON AND CO.;Franklin Lakes、NJ)に移した。次いで、形質転換細胞を28℃で5〜6時間インキュベートした。インキュベーション後、細胞を、カナマイシン(50μg/mL)含有の個別のYEP中板上で平板培養した。プレートを逆さにして28℃で36〜48時間増殖させた。単一コロニーを選抜し、28℃で約36時間、5mLのカナマイシン(50μg/mL)含有液体YEP中で増殖させた。これらの培養物を使用して、等量の100%滅菌済みグリセロールとの激しい混合によってグリセロールストック培養物を調製した後、−80℃で凍結保存した。
複製のcolE1起源を有するpDAB9698は、アグロバクテリウム・ツメファシエンス(A.tumefaciens)細胞で自発的に自己複製するとは予想されない。したがって、pDAB9698 DNAのLBA4404細胞への形質転換に際して、安定性のあるカナマイシン耐性は、pDAB9698のDNAの自発的に自己複製するアグロバクテリウム(Agrobacterium)遺伝因子への組込みから得られる。これらのプラスミド組込み体は、本明細書に記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株およびそれらを使用するための方法に関する各種実施形態に従って使用することができる、4つのクラスに分類される。第1のクラスは、pDAB9698 DNAが非相同性組換えによりnilAゲノム領域から遠位へ組み込まれた細胞を含む。これらの細胞は、14.8KpnI VirBCDG断片に隣接するカナマイシン耐性遺伝子によりカナマイシン耐性であるはずであり、さらに、pDAB9698骨格ベクター(pDEST(商標)14)に保持されているアンピシリン耐性遺伝子によりアンピシリンに耐性があるはずである。第2のクラスは、pDAB9698に存在するpTiBo542誘導VirBCDG遺伝子およびpAL4404に存在するpTiACH5誘導VirBCDG遺伝子により介在される相同組換えによって、pDAB9698 DNAが自発的に自己複製するpAL4404 Tiヘルパープラスミド(本来LBA4404内に存在する)へ組み込まれた細胞を含む。これらの細胞もまた、カナマイシンおよびアンピシリンの両方に耐性があるはずである。第3のクラスは、pDAB9698に保持されている約3kbpのnilAゲノム領域配列、pSB1の14.8KpnI VirBCDG断片およびカナマイシン耐性遺伝子を含有する15,549bp断片に隣接するもののいずれかにより介在される単一相同組換え(クロスオーバー)事象によって、pDAB9698 DNAがLBA4404 nilAゲノム領域へ組み込まれた細胞を含む。これらの細胞もまた、カナマイシンおよびアンピシリンの両方に耐性があるはずである。第4のクラスは、上記の第3のクラスの細胞の単一クロスオーバー事象が、単一クロスオーバー事象の結果として生じるここで複製された3kbpのnilAゲノム領域配列により介在される第2のクロスオーバー事象を経る細胞を含む。単一クロスオーバー事象を生じる隣接する3kbpのnilAゲノム領域配列のいずれかに依存して、また第2のクロスオーバー事象を生じるこれらの隣接する配列のいずれかに依存して、得られた細胞は、カナマイシン感受性であるかアンピシリン耐性のいずれかであり、またはカナマイシン耐性およびアンピシリン感受性であるはずである。本明細書に記載の好ましい細胞は後者のクラス、すなわち、カナマイシン耐性およびアンピシリン感受性である細胞を含む。pDEST(商標)14プラスミド骨格を含有しない、これらの二重クロスオーバーの事象は、これらが余分の遺伝因子、例えばcolE1複製起点およびアンピシリン耐性遺伝子を含有していないので望ましい。
バイナリー植物形質転換ベクター、pDAB101556(図5)は、標準クローニング方法およびGATEWAY(商標)技術の組み合わせにより構築した。バイナリーベクターpDAB101556はプラスミドRK2のIncPタイプ複製起点に基づき、そのベクター骨格は、100μg/mLでスペクチノマイシンに対する耐性を付与する細菌遺伝子を保持する。T−DNA境界反復は、pTi15955のTL領域由来である。プラスミドpDAB101556のT−DNA領域の右側境界(RB)および複数の左側境界(LB)内には、位置している2つの植物発現可能なタンパク質コード配列(CDS)がある。第1の遺伝子(選択可能なマーカー)は、AAD1選択可能なマーカータンパク質に対するコード領域(配列番号13)(米国特許第7,838,733号)を含むが、これは関連するイントロン1を含む1,991bpのトウモロコシユビキチン1プロモーターの転写調節の下にある(米国特許第5,510,474号)。この遺伝子はトウモロコシリパーゼ3’UTRにより終止する(米国特許第7,179,902号)。第2の遺伝子(選択可能なマーカー)は、黄色蛍光タンパク質(実質的に米国特許第7,951,923号に開示されているようなYFP)に対するCDSを含み、この転写は、関連するイントロン1とともにトウモロコシユビキチン1プロモーターにより調節される。この遺伝子はトウモロコシPer5 3’UTRによって終止する(米国特許第6,384,207号)。
未熟胚生産。同系交配されたB104から得た種子を、METRO MIX 360(SUN GRO HORTICULTURE Inc.;Bellevue、WA)を入れた3.5インチSVD鉢に植えた。植物がV4〜V5の成長段階に達したとき、添加剤として20グラムのOSMOCOTE 19−6−12と20グラムのIRONITE(商標)を含む、METRO MIX 360とPROFILE GREENS GRADE焼成粘土(PROFILE PRODUCTS LLC;Buffalo Grove、IL)を1:1の混合で入れた4ガロン鉢へ移植した。外部光線が450W/m2を超えないならば、16:8の明光/暗光光周期になるまで1000WのHPS(高圧ナトリウム)および1000WのMH(金属ハロゲン化物)ランプセットの組み合わせを使用し、植物を温室で成長させた。形質転換用の未熟胚を得るために、同胞コントロールまたは自己受粉を行った。
Claims (48)
- 植物を形質転換する方法であって、前記植物の細胞を、pSB1の14.8KpnI断片を含む少なくとも1つのpTiヘルパープラスミドと、少なくとも1つの無害化T−DNA領域を有するpTiプラスミドとを有するアグロバクテリウム(Agrobacterium)株と接触させるステップを含み、前記T−DNA領域が少なくともT−DNA右側境界および前記境界に隣接する外来性DNAを含み、前記プラスミドが互いに対して異なる複製開始点を有する、方法。
- アグロバクテリウム(Agrobacterium)株中のpSB1から単離された14.8KpnI VirBCDG断片がRecA機能の欠損を有する、請求項1に記載の方法。
- 植物を形質転換する方法であって、前記植物の細胞を、pSB1の14.8KpnI VirBCDG断片と少なくとも1つの無害化T−DNA領域を有するpTiプラスミドとを有するアグロバクテリウム(Agrobacterium)属の細菌と接触させるステップを含み、14.8KpnI VirBCDG断片が前記細菌の染色体の中立組込み部位へ組み込まれている、方法。
- 前記細菌が少なくとも1つのアグロバクテリウム(Agrobacterium)T−DNA境界に隣接するT−DNA領域を有するプラスミドをさらに含み、前記プラスミドがIncP不和合性グループの複製起点を有する、請求項1から2のいずれかに記載の植物を形質転換する方法。
- 前記細菌が少なくとも1つのアグロバクテリウム(Agrobacterium)T−DNA境界に隣接するT−DNA領域を有するプラスミドをさらに含む、請求項3に記載の植物を形質転換する方法。
- 前記アグロバクテリウム(Agrobacterium)株がRecA機能を欠損している、請求項3に記載の植物を形質転換する方法。
- 前記T−DNA領域が3つ以上の遺伝子配列を含有する、請求項4から6のいずれかに記載の植物を形質転換する方法。
- 前記T−DNA領域が25,000以上のヌクレオチド塩基対を含有する、請求項4から7のいずれかに記載の植物を形質転換する方法。
- 前記植物が形質転換されるときに前記T−DNA領域が植物細胞中の単一の位置に挿入される、請求項4から8のいずれかに記載の植物を形質転換する方法。
- 前記T−DNA領域が複数の遺伝子配列を含み、前記遺伝子配列が60%以上の配列相同性を有する、請求項4から9のいずれかに記載の植物を形質転換する方法。
- 前記T−DNA領域が殺虫タンパク質、除草タンパク質、または殺虫タンパク質および除草剤耐性タンパク質の混合物の1つまたは複数をコードする、請求項4から10のいずれかに記載の植物を形質転換する方法。
- 前記T−DNA領域がCry1Ca殺虫タンパク質、Cry1F殺虫タンパク質およびCry1Ab1殺虫タンパク質をコードする、請求項4から11のいずれかに記載の植物を形質転換する方法。
- 前記T−DNA領域がCry1Ca殺虫タンパク質、Cry1F殺虫タンパク質、Cry1Ab1殺虫タンパク質およびAAD−1除草剤耐性タンパク質をコードする、請求項4から12のいずれかに記載の植物を形質転換する方法。
- 前記植物が単子葉植物である、請求項1から13のいずれかに記載の方法。
- 14.8KpnI VirBCDG断片がpDAB9291プラスミドのKpn I部位へクローニングされる、請求項1から14のいずれかに記載の方法。
- 前記pTiヘルパープラスミドがプラスミドpMP90である、請求項1から15のいずれかに記載の方法。
- 前記pTiヘルパープラスミドがプラスミドpTiC58Δである、請求項1から16のいずれかに記載の方法。
- プラスミドpDAB9292DNAを使用して前記アグロバクテリウム(Agrobacterium)株を形質転換するステップをさらに含む、請求項15に記載の方法。
- 形質転換細胞または形質転換組織を、前記培養組織を形質転換に供した後に、選択するステップをさらに含む、請求項1から18のいずれかに記載の方法。
- pSB1の14.8KpnI断片を含む少なくとも1つのpTiヘルパープラスミドと、少なくとも1つの無害化T−DNA領域を有するpTiプラスミドとを有するアグロバクテリウム(Agrobacterium)株であって、前記プラスミドが互いに対して異なる複製開始点を有する、アグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- RecA機能の欠損を有する、請求項20に記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- pSB1から単離された14.8KpnI VirBCDG断片と、少なくとも1つの無害化T−DNA領域を有するpTiプラスミドとを含む、形質転換促進特性を有するアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- 少なくとも1つのアグロバクテリウム(Agrobacterium)T−DNA境界に隣接するT−DNA領域を有するプラスミドをさらに含む、請求項20から21のいずれかに記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- 少なくとも1つのアグロバクテリウム(Agrobacterium)T−DNA境界に隣接するT−DNA領域を有するプラスミドをさらに含む、請求項22に記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- RecA機能を欠損している、請求項24に記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- 前記T−DNA領域が3つ以上の遺伝子配列を含有する、請求項23から25のいずれかに記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- 前記T−DNA領域が25,000以上のヌクレオチドを含有する、請求項23から26のいずれかに記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- 前記T−DNA領域が複数の遺伝子配列を含み、前記遺伝子配列が60%を超える配列相同性を有する、請求項23から27のいずれかに記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- 前記T−DNA領域が殺虫タンパク質、除草タンパク質、または殺虫タンパク質および除草剤耐性タンパク質の混合物の1つまたは複数をコードする、請求項23から28のいずれかに記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- 前記T−DNA領域がCry1Ca殺虫タンパク質、Cry1F殺虫タンパク質およびCry1Ab1殺虫タンパク質をコードする、請求項23から29のいずれかに記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- 前記T−DNA領域がCry1Ca殺虫タンパク質、Cry1F殺虫タンパク質、Cry1Ab1殺虫タンパク質およびAAD−1除草剤耐性タンパク質をコードする、請求項23から30のいずれかに記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- ポリヌクレオチド配列がnilAゲノム遺伝子座へ組み込まれている、アグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)のnilAゲノム遺伝子座。
- 前記ポリヌクレオチド配列がvir遺伝子を含む、請求項32に記載のnilAゲノム遺伝子座。
- アグロバクテリウム(Agrobacterium)染色体上の中立組込み部位へ組み込まれているSB1の14.8 KpnI VirBCDG断片を含むアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- 前記中立組込み部位がnilAゲノム遺伝子座である、請求項34に記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- RecA機能を欠損している、請求項34から35のいずれかに記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- アグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)である、請求項34から36のいずれかに記載のアグロバクテリウム(Agrobacterium)株。
- pTiヘルパープラスミド上のpSB1の14.8KpnI VirBCDG断片と、少なくとも1つの無害化T−DNA領域を有し、少なくとも1つのアグロバクテリウム(Agrobacterium)T−DNA境界に隣接する外来性DNAを有するpTiプラスミドとを含むアグロバクテリウム(Agrobacterium)LB4404株であって、前記プラスミドが互いに対して異なる複製開始点を有する、アグロバクテリウム(Agrobacterium)LB4404株。
- 請求項1から19のいずれかに記載の植物。
- 形質転換によって植物に導入された任意の遺伝形質が植物の後代で安定に生じる、請求項39に記載の植物。
- 前記T−DNA領域が植物DNAへ安定に組み込まれている、請求項4から13のいずれかに記載の植物。
- 前記T−DNA領域によってコードされている任意の遺伝子が前記植物で発現される、請求項41に記載の植物。
- 前記T−DNA領域によってコードされている任意の遺伝子が前記植物の後代で安定に生じる、請求項41から42のいずれかに記載の植物。
- Cry1Ca殺虫タンパク質、Cry1F殺虫タンパク質、Cry1Ab1殺虫タンパク質およびAAD1除草タンパク質を安定に発現する、請求項41に記載の植物。
- トウモロコシである、請求項44に記載の植物。
- アグロバクテリウム(Agrobacterium)染色体上の中立組込み部位へ組み込まれているpSB1から単離された14.8KpnI VirBCDG断片由来の少なくとも1つのvir遺伝子を含む、アグロバクテリウム(Agrobacterium)LBA4404株。
- 殺虫量のCry1Caタンパク質、Cry1F殺虫タンパク質、Cry1Ab1殺虫タンパク質、および除草剤耐性量のAAD−1タンパク質を発現する、稔性トランスジェニックトウモロコシ植物またはその後代であって、Cry1Ca、Cry1F、Cry1Ab1およびAAD1タンパク質が、前記植物のゲノム中に安定に組み込まれている組換えDNAの単一遺伝子座からまとめて発現される、稔性トランスジェニックトウモロコシ植物またはその後代。
- 組換えDNAの前記単一遺伝子座がpTi DNAプラスミド由来のベクター骨格配列を実質的に含まない、請求項47に記載の稔性トランスジェニックトウモロコシ植物。
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