JP2016111926A - 植物の形質転換方法に使用するためのアグロバクテリウム細菌 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、3種類のプラスミドを含む、植物の形質転換方法に使用するためのアグロバクテリウム細菌に関する。【解決手段】本発明のアグロバクテリウム細菌は下記の(1)−(3)のプラスミドを含む(1)下記の構成要素を有するプラスミド;(i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び(ii)複製開始点(2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド;並びに(3)所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミドここにおいて、(1)−(3)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する。【選択図】なし

Description

本発明は、3種類のプラスミドを含む、植物の形質転換方法に使用するためのアグロバクテリウム細菌及びその利用に関する。
植物の形質転換では、一般的に、稔実種子の後代または栄養繁殖体において外来遺伝子を維持・発現させられるような、植物細胞への外来DNA導入技術が利用される。この技術を用いて、実際に非常に多くの単子葉植物や双子葉植物が形質転換されてきた。形質転換作物は、トウモロコシ、イネ、コムギ、オオムギ、ソルガム、ダイズ、ナタネ、ヒマワリ、ワタ、ジャガイモ、トマトなどは勿論、果物類や他の野菜類でも作出されており、商業上の関心も高い。
植物の形質転換方法には、ポリエチレングリコール法、エレクトロポレーション法、パーティクルガン法などの物理・化学的方法(DNAの直接導入法)とアグロバクテリウム細菌が持つ機能を利用する生物学的方法(DNAの間接導入法)が知られている。直接導入法では、目的遺伝子が、断片化されて導入される、多コピー導入されるといった事象が高頻度で生じる。そのため、目的遺伝子が発現しない形質転換体や弱く異常な発現(ジーンサイレンシング)を示す形質転換体が高頻度で出現する。また、プロトプラストを用いる方法では、培養期間が長期化するため、得られた形質転換体において、培養変異による種子不稔や奇形などが生じ易い。これに対し、アグロバクテリウム細菌を介する遺伝子導入法はこのような問題が生じにくい。アグロバクテリウム法では、TiまたはRiプラスミドの病原性領域(vir領域)における遺伝子群の発現制御によって目的遺伝子が導入される。vir遺伝子にコードされているタンパク質群により、目的遺伝子は、植物細胞と細菌の相互作用の認識とシグナル伝達、vir遺伝子の発現誘導、タイプIV分泌経路の形成、T−DNAボーダー反復配列の認識、T−DNA鎖の形成、T−DNA鎖の植物細胞への移行と核への移行、そして植物核ゲノムへのT−DNAの組み込みなど、多くの過程を経て導入される。そのため、目的遺伝子の導入コピー数は低く保たれ、断片化されて導入されることも少ない。その結果、得られた形質転換体において目的遺伝子が高発現する個体が数多く安定して得られ、直接導入法に比べると、発現量の個体間差が少ないという大きな利点がある。
このようにアグロバクテリウム法は、非常に優れた植物の形質転換方法であるが、形質転換の成否ならびに効率は、植物種、遺伝子型ならびに用いる植物組織に依存して大きく異なるのが実状である(Potrykus et al., 1997)。未だに十分な効率で形質転換できない植物も多く、多数の形質転換体を容易に得ることができる作物の種類は、現状では一部に限定されている。したがって、このような問題点を解決できる改良手法が強く望まれている。
これまでに様々な形質転換用ベクターが開発され、上述のような問題点を解決するための努力が行われている。以下に、ベクター開発に関わる背景を説明する。元来、野生型アグロバクテリウムのTiプラスミドは190kb以上と巨大であるため、標準的な遺伝子工学的手法ではプラスミド上のT−DNA中に遺伝子を挿入することは困難であった。そのため、T−DNA上に外来遺伝子を挿入するための方法が開発された。まず、腫瘍性のTiプラスミドのT−DNAから植物成長調節物質合成遺伝子が除去されたディスアーム型Tiプラスミドを有する菌系であるLBA4404(Hoekema et al.,1983)、GV3850(Zambryski et al.,1983)、GV3TillSE(Fraley et al.,1985)、C58−Z707(Hepburn et al.,1985)、GV3101::pMP90(Koncz and Schell,1986)、GV3101::pMP90RK(Koncz and Schell,1986)、GV2260(McBride and Summerfelt,1990)、NTI(pKPSF2)(Palanichelvam et al.,2000)などが作成された。
そしてこれらを用いることにより、所望の遺伝子をアグロバクテリウムのTiプラスミドのT−DNA中に、あるいは所望の遺伝子を有するT−DNAをアグロバクテリウムに導入する2種類の方法が開発された。このうち一つは、遺伝子操作が容易で所望の遺伝子の挿入が可能であり、大腸菌で複製できる中間ベクターを、アグロバクテリウムのディスアーム型TiプラスミドのT−DNA中に、三系交雑法(Ditta et al.,1980)を介して相同組換えにより導入する方法であり、中間ベクター法と呼ばれる(Fraley et al.,1983)。もう一つは、バイナリーベクター法と呼ばれるもので、T−DNAの植物への組み込みにvir領域が必要であるが、これが機能するためにT−DNAと同じプラスミド上に存在する必要がないという結果(Hoekema et al.,1983)に基づいている(Lee and Gelvin,2008)。このvir領域には、virA、virB、virC、virD、virEおよびvirGなどが存在する。バイナリーベクターは、T−DNAをアグロバクテリウムと大腸菌の両方で複製可能な小さなプラスミドに組み込んだものであり、これを、ディスアーム型Tiプラスミドを有するアグロバクテリウムに導入して用いる。アグロバクテリウムへのバイナリーベクターの導入には、エレクトロポレーション法や三系交雑法などの方法を用いることができる。バイナリーベクターには、pBIN19(Bevan,1984)、pBI221(Jefferson,1987)、pGA482(An et al.,1988)などがあり、これらを基に数多くの新たなバイナリーベクターが構築され、形質転換に用いられている(Lee and Gelvin,2008)。
アグロバクテリウムA281(Watson et al.,1975)は強病原性(super−virulence)の菌株であり、その宿主範囲は広く、形質転換効率も他の菌系より高い(Komari et al.,1986)。この特性は、A281が有するTiプラスミドのpTiBo542によるものである(Jin et al.,1987)。
これまでにpTiBo542を用いた3つの形質転換システムが開発されている。一つ目は、pTiBo542のディスアーム型のTiプラスミドを有する菌系EHA101(Hood et al.,1986)、EHA105(Hood et al.,1993)、AGL0(Lazo et al.,1991)またはAGL1(Lazo et al.,1991)を用いたものである。これらを上述のバイナリーベクターシステムに適用することにより、形質転換能力の高いシステムとして種々の植物の形質転換に利用されている。
二つ目は、スーパーバイナリーベクターシステム(super−binary vector)である(Hiei et al.,1994;Ishida et al.,1996)。このシステムは、vir領域(virA、virB、virC、virD、virEおよびvirG、virJのすべて)を持つディスアーム型のTiプラスミド、およびT−DNAを有するプラスミドからなることから、バイナリーベクターシステムの一種である。しかしながら、T−DNAを有する側のプラスミド、すなわちバイナリーベクターにpTiBo542のvir領域から切り出された14.8kbのKpnI断片(virD1遺伝子の一部,virB遺伝子,virC遺伝子およびvirG遺伝子)を組み込んだ(Komari,1990)スーパーバイナリーベクターを用いる点で異なる。このKpnI断片は、最初の論文では15.8kbとされていた(Jin et al.,1987)が、正確には14.8kbである。なお、スーパーバイナリーベクターを有するアグロバクテリウムに、所望の遺伝子を組み込んだT−DNA領域を導入するには、三系交雑法を介した相同組換えが容易な手法として利用できる(Komari et al.,1996)。このスーパーバイナリーベクターシステムは、多くの植物種で非常に高い形質転換効率をもたらすことが明らかとなっている(Saito et al.,1992;Hiei et al.,1994;Ishida et al.,1996)。特にトウモロコシの形質転換には、スーパーバイナリーベクターシステムは卓越した効果を示すことが報告されている(Ishida et al.,1996)。また、Khanna and Daggard(2003)は、強病原性ではないアグロバクテリウム菌株LBA4404とスーパーバイナリーベクターpHK21の組み合わせを用いることにより、LBA4404と通常のバイナリーベクターpHK22の組み合わせで全く得ることができなかったコムギ形質転換体の獲得に成功した。
三つ目は、プラスミド上にpTiBo542のvir領域から切り出された14.8kbのKpnI断片(virD1の一部、virB、virCおよびvirG)を有するプラスミドpTOK47(Jin et al.,1987)を形質転換効率向上のためのブースターベクター(booster vector)として、バイナリーベクターシステムに追加で導入したシステムである。一般にバイナリーベクターシステムにさらにブースターベクターが追加されているベクターシステムは「ターナリーベクターシステム」と呼ばれるが、このシステムではブースターベクターに上記14.8kbのKpnI断片が含まれていることから、本明細書ではこれを特に「スーパーターナリーベクター(super−ternary vector)システム」と呼ぶ。このシステムでは、アグロバクテリウム内で共存可能な不和合性グループが異なる複製開始点(ori)を持ったプラスミドがそれぞれ用いられる。それぞれのoriにはRepタンパク質(イニシエーター)のコード領域が必須であり、通常は近接させて用いる。pTOK47を利用したスーパーターナリーベクターシステムは、多くの植物種で高い形質転換効率を示すことが報告されている(Wenck et al.,1999;Tang,2003;Dong and Qu,2005;Arokiaraj et al.,2009)。pTOK47の複製開始点(ori)は、IncW不和合性グループであり、これらのターナリーベクターシステムによる報告例のT−DNAを有するプラスミドには、IncP不和合性グループに属するoriが主に用いられている。ブースターベクターpTOK47を用いたスーパーターナリーベクターシステムは、スーパーバイナリーベクターシステムにはやや劣るが、トウモロコシの形質転換に有用であることが報告されている(WO2007/148819 A1)。また、pTOK47と同様に、pTiBo542 vir領域由来の14.8kb KpnI断片を、T−DNAを有するプラスミドとは別のプラスミド上に配置したスーパーターナリーベクターシステムを用いて、コムギの形質転換を行った報告がある(Amoah et al.,2001;Wu et al.,2008)。Amoah et al.(2001)およびWu et al.(2008)が用いたベクターシステムは、IncW oriのみを有するがそのrep遺伝子を欠いたpGreen(Hellens et al.,2000)、ならびにIncWのrep遺伝子をトランスに有し、かつ、自らの複製に必要なIncPのoriVを有するpSoupからなる(Hellens et al.,2000)。すなわち、pSoupがpGreenの複製を補完する形で、アグロバクテリウム中で双方のプラスミドを安定的に維持する仕組みをとっている。そのため、特別にデュアルバイナリーベクターシステムと呼ばれている。しかし、実際には、ディスアーム型Tiプラスミド、バイナリーベクターpSoup及びターナリーベクターpGreenの3種のプラスミドからなるスーパーターナリーベクターシステムといえる。
pTiBo542のvir領域に関する知見
Jin et al.(1987)は、様々な長さのsuper−vir(pTiBo542のvir領域)を付加的にアグロバクテリウムに保持させて、クラウンゴールの形成能力を評価した。この試験には、通常の菌株A348とともに、super−vir全領域を有する強病原性菌株A281も用いられた。その結果、どちらの菌株においても形質転換能力(クラウンゴール形成能力)向上には、super−virのvirBとvirGの付加が重要であることが判明した。その一方で、virDやvirE領域については付加効果は観察されなかった(Jin, S.,Komari, T.,Gordon,M.P., and Nester, E.W.(1987). Genes responsible for the supervirulence phenotype of Agrobacterium tumefaciens A281. J. Bacteriol. 169,4417−4425.Table 3およびFigure 3)。
また、Hiei et al.(1994)は、強病原性菌株A281のディスアーム型菌株EHA101(pIG121Hm)と、通常の病原性(通常のvir全領域)を有するがバイナリーベクター上にsuper−virの一部(virB、virC、virG)を保持するスーパーバイナリーベクターLBA4404(pTOK233)を用いて、イネに対する形質転換能力を比較した。その結果、後者での形質転換効率がより高いことを確認した。このことは、super−vir領域の形質転換用ベクターへの利用に関して、一部の領域(virBおよびvirG)を用いる方が、全領域を用いるより形質転換能力が高いことを示唆している。
virDについては、virD1とvirD2はボーダー配列に切れ込みを入れ、T−DNAを生み出し、特にvirD2はT−DNAと複合体を形成する。virD3は保存性が低くT−DNAの移行に不要と考えられている。virD4はvirB遺伝子群と共にタイプIV分泌システムを構成する。virD5はタイプIV分泌システムのシグナル機能を持つ付属タンパク質であると考えられている(Ream, W.(2008). Production of a mobile T−DNA by Agrobacterium tumefaciens. In Agrobacterium, T. Tzfira and V. Citovsky, eds (New York: Springer Science+Business Media, LLC),pp.280−313.)。
一般にベクターは、小さい方が所望のDNAを組み込むなどの操作が容易なため、小型の方が好ましい。また、大腸菌が安定的に保持できる外来DNAは細胞あたり1200〜1500kbと推測されている(Tao, Q., and Zhang, H.−B.(1998).Cloning and stable maintenance of DNA fragments over 300kb in Escherichia coli with conventional plasmid−based vectors. Nucleic Acids Research 26 4901−4909)。よって、大腸菌は一定の大きさ以上のプラスミドを安定に保持することができない。例えばColE1由来の複製開始点を持つプラスミドは、大腸菌細胞あたり30〜40コピー存在するため、30〜40kbより大きいサイズのプラスミドを保持することができない。
pTiBo542のvir領域に関し、特に、virD領域及びvirJ領域がアグロバクテリウム細菌を用いた形質転換に有用であることを示唆するような知見はなかった。
WO2007/148819 A1
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アグロバクテリウム法は、非常に優れた植物の形質転換方法であるが、形質転換の成否ならびに効率は、植物種、遺伝子型ならびに用いる植物組織に依存して大きく異なる(Potrykus et al.,1997)。未だに十分な効率で形質転換できない植物も多く、多数の形質転換体を容易に得ることができる作物の種類は、一部に限定されている。したがって、このような問題点を解決できる改良手法が強く望まれていた。
本発明は、植物への高い遺伝子導入効率及び形質転換効率を可能にする、新規なスーパーターナリーシステムを利用したアグロバクテリウム細菌、及び当該アグロバクテリウム細菌を用いた植物の形質転換方法を提供することを目的とする。
限定されるわけではないが、本発明は、好ましい態様として以下の態様を含む。
[態様1]
下記の(1)−(3)のプラスミドを含むアグロバクテリウム細菌
(1)下記の構成要素を有するプラスミド;
(i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
(ii)複製開始点
(2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド;並びに
(3)所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミド
ここにおいて、(1)−(3)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する。
[態様2]
(1)プラスミドの(ii)の複製開始点がIncW複製開始点である、態様1記載のアグロバクテリウム細菌。
[態様3]
(1)プラスミドが、さらにpTiBo542のvirE遺伝子を含む、態様1又は2記載のアグロバクテリウム細菌。
[態様4]
(1)プラスミドが、さらにrepA遺伝子を含む、態様1−3のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌。
[態様5]
(1)プラスミドが、さらに薬剤選抜マーカー遺伝子を含む、態様1−4のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌。
[態様6]
薬剤選抜マーカー遺伝子がゲンタマイシン耐性遺伝子である、態様5記載のアグロバクテリウム細菌。
[態様7]
(1)プラスミドが、配列番号1に記載の塩基配列を有するpVGW9である、態様1−6のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌。
[態様8]
(2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型プラスミドが、ディスアーム型Tiプラスミドである、態様1−7のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌。
[態様9]
ディスアーム型pTiBo542を保持しない、態様1−8のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌。
[態様10]
下記のグループ
LBA4404、GV3850、GV3TillSE、C58−Z707、GV3101::pMP90、GV3101::pMP90RK、GV2260、及びNTI(pKPSF2)
から選択されるアグロバクテリウム細菌に、
(1)プラスミド及び(3)プラスミドを導入することによって製造される、態様1−9のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌。
[態様11]
下記の(1)−(2)のプラスミドを含むアグロバクテリウム細菌
(1)下記の構成要素を有するプラスミド;
(i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
(ii)複製開始点
並びに
(2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド
ここにおいて、(1)及び(2)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する。
[態様12]
態様1ないし10のアグロバクテリウム細菌を植物細胞に接触させる、ことを含む、植物の形質転換方法。
[態様13]
態様11のアグロバクテリウム細菌に(3)所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミドを導入し、そして、
当該アグロバクテリウム細菌を植物細胞に接触させる、ことを含む、植物の形質転換方法。
[態様14]
植物が被子植物である、態様12又は13に記載の植物の形質転換方法。
[態様15]
アグロバクテリウムを介して植物細胞を形質転換する方法に用いるためのキットであって、態様1−10又は態様11のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌を含む、前記キット。
[態様16]
アグロバクテリウムを介して植物細胞を形質転換する方法に用いるためのキットであって、下記の(1)−(3)のプラスミドの組み合わせ
(1)下記の構成要素を有するプラスミド;
(i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
(ii)複製開始点
(2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド;並びに
(3)所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミド
ここにおいて、(1)−(3)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する。
を含む、前記キット。
[態様17]
アグロバクテリウムを介して植物細胞を形質転換する方法に用いるためのキットであって、下記の(1)及び(3)のプラスミドの組み合わせ
(1)下記の構成要素を有するプラスミド;
(i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
(ii)複製開始点
並びに
(3)所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミド
ここにおいて、(1)と(3)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する。
を含む、前記キット。
[態様18]
下記のグループ
LBA4404、GV3850、GV3TillSE、C58−Z707、GV3101::pMP90、GV3101::pMP90RK、GV2260、及びNTI(pKPSF2)
から選択されるアグロバクテリウム細菌をさらに含む、態様17に記載のキット。
[態様19]
配列番号1に記載の塩基配列を有するpVGW9プラスミド。
[態様20]
態様19に記載のプラスミドの、態様12−14のいずれか1項に記載の植物の形質転換方法への使用。
本発明のシステムを利用したアグロバクテリウム細菌を使用した植物の形質転換方法は、公知のブースターベクターを用いた(スーパー)ターナリーベクターシステムやスーパーバイナリーシステムを使用した場合と比較して、形質転換効率が向上する。特にトウモロコシにおいて顕著な効果を示す。
図1は、pVGW9プラスミドの模式図である。 図2は、本発明のスーパーターナリーベクターシステムの模式図である。 図3は、pVGW2プラスミドの模式図である。 図4は、pGWプラスミドの模式図である。 図5は、pGWLプラスミドの模式図である。 図6は、pVGW7プラスミドの模式図である。 図7は、ブースターベクターに付加して用いたpTiBo542由来vir領域の模式図である。 図8は、pLC41GWHプラスミドの模式図である。 図9は、pLC41GWH−IGプラスミドの模式図である。 図10は、スーパーターナリーベクターシステムによるトウモロコシA188への遺伝子導入の結果を示す。
I.アグロバクテリウム細菌
本発明は、植物の形質転換に用いるためのアグロバクテリウム細菌に関する。
本明細書において、アグロバクテリウム細菌とは、リゾビウム属(Rhizobium)の中で、植物に対する病原性を持つものの総称であり、アグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)及びアグロバクテリウム・リゾゲネス(Agrobacterium rhizogenes)に分類されていたものを含む。本発明のアグロバクテリウム細菌は、野生型のTiプラスミド及び野生型のRiプラスミドを含まない。
本発明のアグロバクテリウム細菌は、下記の(1)−(3)の三種類のプラスミドを含むことを特徴とする。
(1)下記の構成要素を有するプラスミド;
(i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
(ii)複製開始点
(2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド;並びに
(3)所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミド
(1)−(3)の3種類のプラスミドベクターを利用することから、スーパーターナリーベクターシステム、と呼称される。特に、ブースターベクターとして使用されるプラスミド(1)は、新規であり、以下の特徴を有する。
(1)ブースターベクター
本明細書において、遺伝子導入効率および形質転換効率を向上させることができ、アグロバクテリウム細菌に付加的に用いることができるベクタープラスミドを、ブースターベクターと呼ぶ。本発明において、下記の構成要素を有するプラスミド(1)をブースターベクターとして用いる。プラスミド(1)は、(i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び、(ii)複製開始点を含む。
(i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子
Tiプラスミドは、野生型アグロバクテリウムが有する一般に20万塩基対前後の巨大なプラスミドで、植物に導入されるT−DNA(transferDNA)、ビルレンス領域(virlence領域:vir領域)等を含む。T−DNAは、相同組換えにより植物細胞のゲノムに挿入されるDNA断片であり、植物生長調節因子(オーキシン及びサイトカイニン)合成遺伝子、オパイン合成遺伝子などを含む。vir領域は、T−DNAの植物への組み込みのために必要となるタンパク質群をコードする領域で、virA遺伝子、virB遺伝子、virC遺伝子、virD遺伝子、virE遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子等の各遺伝子が含まれる。
強病原性アグロバクテリウム菌株A281が有するTiプラスミドの「pTiBo542」(Jin et al.,1987)が有するTiプラスミドのvir領域は形質転換効率が特に高く、スーパービルレンス領域(super−virulence領域:super−vir領域)と呼ばれる。
本発明のブースターベクターは、pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子の全てを含むことを特徴とする。
virB遺伝子については、Ward et al. (1988) J Biol Chem 263:5804−5814に詳細な記載がある。
例えばpSB1(Komari et al. 1996 Plant J 10:165−174)などのプラスミドから、常法により調製することができる。virB遺伝子の塩基配列は、例えば、Genbank/EMBLアクセッション番号:AB027255(pSB1)の塩基配列のうち、第3416から12851番目の塩基として規定される。なお、virB領域は、複数の遺伝子から構成されているオペロンであるが、本明細書においては、これを「virB遺伝子」と記載する。
virC遺伝子については、Close et al.(1987)に詳細な記載がある。例えばpSB1などのプラスミドから、常法により調製することができる。virC遺伝子の塩基配列は、例えば、Genbank/EMBLアクセッション番号:DQ058764の塩基配列のうち、第163574−164880番目の塩基として規定される。なお、virC領域は、複数の遺伝子から構成されているオペロンであるが、本明細書においては、これを「virC遺伝子」と記載する。
virD遺伝子は、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virD4遺伝子及びvirD5遺伝子の5つの遺伝子から構成される。virD遺伝子については、例えば、Ream, W.(2008). Production of a mobile T−DNA by Agrobacterium tumefaciens. In Agrobacterium, T. Tzfira and V. Citovsky, eds (New York: Springer Science+Business Media,LLC),pp.280−313に詳細な記載がある。本発明のブースターベクターは、virD遺伝子のうち、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子を含む。virD1遺伝子、virD2遺伝子及び、virD3遺伝子は各々、例えば、Genbank/EMBLアクセッション番号:DQ058764の塩基配列のうち、第165149−165592番目の塩基、第165626−166900番目の塩基及び第166920−167558番目の塩基として規定される。
virGは、virBやvirEなど他のvir遺伝子群の転写調節(活性化)因子である(Winans et al. 1986 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 83: 8278−8282)。virG遺伝子の塩基配列は、例えば、Genbank/EMBLアクセッション番号:DQ058764の塩基配列のうち、第162660−163463番目の塩基として規定される。
virJ遺伝子については、Pantoja et al.(2002)に詳細な記載がある。例えばpTiBo542などのプラスミドから、常法により調製することができる。virJの塩基配列は、例えば、Genbank/EMBLアクセッション番号:DQ058764の塩基配列のうち、第150873−151616番目の塩基として規定される。
virB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子として、各々上述した特定の配列またはその相補配列にストリンジェントな条件でハイブリダイズする塩基配列を含んでなるDNAであって、各配列の機能を有するDNAからなる遺伝子も利用することができる。これらの塩基配列に少なくとも80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%、99%同一の塩基配列を含んでなるDNAであって、各配列の機能を有するDNAからなる遺伝子も利用することができる。しかしながら、これらに限られるものではない。
本明細書において、「ストリンジェントな条件下」とは、中程度または高程度にストリンジェントな条件においてハイブリダイズすることを意味する。具体的には、中程度にストリンジェントな条件は、例えば、DNAの長さに基づき、一般の技術を有する当業者によって、容易に決定することが可能である。基本的な条件は、Sambrookら,Molecular Cloning: A Laboratory Manual,第3版,第6章,Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001に示され、例えば5×SSC、0.5% SDS、1.0mM EDTA(pH8.0)の前洗浄溶液、約42℃での、約50%ホルムアミド、2×ないし6×SSC、好ましくは5×ないし6×SSC、0.5% SDS(または約42℃での約50%ホルムアミド中の、スターク溶液などの他の同様のハイブリダイゼーション溶液)のハイブリダイゼーション条件、及び例えば、約50℃ないし68℃、0.1×、ないし、6×SSC、0.1% SDSの洗浄条件の使用が含まれる。好ましくは中程度にストリンジェントな条件は、約50℃、6×SSC、0.5% SDSのハイブリダイゼーション条件(及び洗浄条件)を含む。高ストリンジェントな条件もまた、例えばDNAの長さに基づき、当業者によって、容易に決定することが可能である。
一般に、こうした条件は、中程度にストリンジェントな条件よりも高い温度及び/又は低い塩濃度でのハイブリダイゼーション(例えば、0.5%程度のSDSを含み、約65℃、6×SSCないし0.2×SSC、好ましくは6×SSC、より好ましくは2×SSC、より好ましくは0.2×SSC、あるいは0.1×SSCのハイブリダイゼーション)及び/又は洗浄を含み、例えば上記のようなハイブリダイゼーション条件、及びおよそ65℃、ないし68℃、0.2×ないし0.1×SSC、0.1% SDSの洗浄を伴うと定義される。ハイブリダイゼーションおよび洗浄の緩衝液では、SSC(1×SSCは、0.15M NaClおよび15mM クエン酸ナトリウムである)にSSPE(1×SSPEは、0.15M NaCl、10mM NaHPO、および1.25mM EDTA、pH7.4である)を代用することが可能であり、洗浄はハイブリダイゼーションが完了した後で15分間ないし1時間程度行う。
また、プローブに放射性物質を使用しない市販のハイブリダイゼーションキットを使用することもできる。具体的には、ECL direct labeling & detection system(Amersham社製)を使用したハイブリダイゼーション等が挙げられる。ストリンジェントなハイブリダイゼーションとしては、例えば、キット中のhybridization bufferにBlocking試薬を5%(w/v)、NaClを0.5Mになるように加え、42℃で4時間行い、洗浄は、0.4% SDS、0.5xSSC中で、55℃で20分を2回、2xSSC中で室温、5分を一回行う、という条件が挙げられる。
2つの塩基配列の同一性%は、視覚的検査と数学的計算により決定可能であるか、またはより好ましくは、この比較はコンピュータ・プログラムを使用して配列情報を比較することによってなされる。代表的な、好ましいコンピュータ・プログラムは、遺伝学コンピュータ・グループ(GCG;ウィスコンシン州マディソン)のウィスコンシン・パッケージ、バージョン10.0プログラム「GAP」である(Devereux, et al., 1984, Nucl. Acids Res., 12:387)。この「GAP」プログラムの使用により、2つの塩基配列の比較の他に、2つのアミノ酸配列の比較、塩基配列とアミノ酸配列との比較を行うことができる。ここで、「GAP」プログラムの好ましいデフォルトパラメーターには:(1)ヌクレオチドについての(同一物について1、及び非同一物について0の値を含む)一元(unary)比較マトリックスのGCG実行と、Schwartz及びDayhoff監修「ポリペプチドの配列および構造のアトラス(Atlas of Polypeptide Sequence and Structure)」国立バイオ医学研究財団、353−358頁、1979により記載されるような、GribskovおよびBurgess, Nucl. Acids Res., 14: 6745, 1986の加重アミノ酸比較マトリックス;又は他の比較可能な比較マトリックス;(2)アミノ酸の各ギャップについて30のペナルティと各ギャップ中の各記号について追加の1のペナルティ;又はヌクレオチド配列の各ギャップについて50のペナルティと各ギャップ中の各記号について追加の3のペナルティ;(3)エンドギャップへのノーペナルティ:及び(4)長いギャップへは最大ペナルティなし、が含まれる。当業者により使用される他の配列比較プログラムでは、例えば、米国国立医学ライブラリーのウェブサイト:http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blast/bl2seq/bls.htmlにより使用が利用可能なBLASTNプログラム、バージョン2.2.7、またはUW−BLAST2.0アルゴリズムが使用可能である。UW−BLAST2.0についての標準的なデフォルトパラメーターの設定は、以下のインターネットサイト:http://blast.wustl.eduに記載されている。さらに、BLASTアルゴリズムは、BLOSUM62アミノ酸スコア付けマトリックスを使用し、使用可能である選択パラメーターは以下の通りである:(A)低い組成複雑性を有するクエリー配列のセグメント(WoottonおよびFederhenのSEGプログラム(Computers and Chemistry,1993)により決定される;WoottonおよびFederhen,1996「配列データベースにおける組成編重領域の解析(Analysis of compositionally biased regions in sequence databases)」Methods Enzymol.,266:544−71も参照されたい)、又は、短周期性の内部リピートからなるセグメント(ClaverieおよびStates(Computers and Chemistry,1993)のXNUプログラムにより決定される)をマスクするためのフィルターを含むこと、及び(B)データベース配列に対する適合を報告するための統計学的有意性の閾値、またはE−スコア(KarlinおよびAltschul,1990)の統計学的モデルにしたがって、単に偶然により見出される適合の期待確率;ある適合に起因する統計学的有意差がE−スコア閾値より大きい場合、この適合は報告されない);好ましいE−スコア閾値の数値は0.5であるか、または好ましさが増える順に、0.25、0.1、0.05、0.01、0.001、0.0001、1e−5、1e−10、1e−15、1e−20、1e−25、1e−30、1e−40、1e−50、1e−75、または1e−100である。
本発明のブースターベクターにおいて、pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子のベクター上の位置は特段限定されるものではない。例えば、これらの遺伝子を全て含むようなpTiBo542由来のvir領域断片(図7)を好ましく使用することができる。
(ii)複製開始点
本発明におけるブースターベクター((1)プラスミド)は、大腸菌及びアグロバクテリウム細菌で複製可能な複製開始点を含む。限定されるわけではないが、例えば、IncW不和合性グループの複製開始点、IncP不和合性グループの複製開始点、IncQ不和合性グループの複製開始点およびpVS1不和合性グループの複製開始点から適宜選択される複製開始点を利用することができる。
複製開始点は、好ましくはIncW不和合性グループの複製開始点、さらに好ましくはIncWの複製開始点である。IncWプラスミドの複製開始点の分子生物学的諸特性については、Okumura and Kado(1992 Mol Gen Genet 235:55−63)に詳細な記載があり、Genbank/EMBLアクセッション番号:U30471(全長5500bp)の第2170〜2552番目の塩基として規定される。IncWプラスミドの複製開始点は、pTOK47(Jin et al.1987)などの、IncWプラスミドから、常法により調整することができる。
また、IncWプラスミドの複製開始点を機能させるため、RepAタンパク質(イニシエーター)のコード領域を含むことが好ましい。repA遺伝子の塩基配列は、IncWプラスミドの複製に必要なrepA遺伝子として機能を有する配列であれば、特に限定されない。IncWプラスミドの複製に必要なrepAの分子生物学的諸特性については、Okumura and Kado(1992 Mol Gen Genet 235:55−63)に詳細な記載があり、Genbank/EMBLアクセッション番号:U30471(全長5500bp)の第1108〜2079番目の塩基として規定される。
IncWプラスミドの複製に必要なrepAは、pTOK47(Jin et al. 1987)などの、IncWプラスミドから、常法により調整することができる。
(iii)その他の構成要素
本発明のブースターベクター((1)プラスミド)は、さらに、pTiBo542のvir領域の他の遺伝子、例えば、virE遺伝子、virD4遺伝子又はvirD5遺伝子を含んでもよい。
virE遺伝子については、Citovsky et al.(1988)に詳細な記載がある。例えばpTiBo542などのプラスミドから、常法により調製することができる。virEの塩基配列は、例えば、Genbank/EMBLアクセッション番号:DQ058764の塩基配列のうち、第172574−176510番目の塩基として規定される。なお、virE領域は、複数の遺伝子から構成されているオペロンであるが、本明細書においては、これを「virE遺伝子」と記載する。
virD4遺伝子については、Christie(2004)に詳細な記載がある。例えばpTiBo542などのプラスミドから、常法により調製することができる。virD4の塩基配列は、例えば、Genbank/EMBLアクセッション番号:DQ058764の塩基配列のうち、第167555−169513番目の塩基として規定される。
virD5遺伝子については、Vergunst et al.(2005)に詳細な記載がある。例えばpTiBo542などのプラスミドから、常法により調製することができる。virD5塩基配列は、例えば、Genbank/EMBLアクセッション番号:DQ058764の塩基配列のうち、第169614−172124番目の塩基として規定される。
本発明のブースターベクターは、さらに、薬剤選抜マーカー遺伝子を含んでもよい。薬剤選抜マーカー遺伝子は、公知の遺伝子を使用することができ特に限定されないが、TiプラスミドおよびT−DNA領域を有するプラスミド(バイナリーベクター)に含まれない薬剤選抜マーカー遺伝子であることが好ましい。薬剤選抜マーカー遺伝子の具体例として、好ましくはゲンタマイシン耐性遺伝子を使用することができるが、それには全く限定されない。カナマイシン耐性遺伝子,アンピシリン耐性遺伝子,スペクチノマイシン耐性遺伝子,テトラサイクリン耐性遺伝子,ハイグロマイシン耐性遺伝子をはじめとする多くの薬剤選抜マーカー遺伝子を、目的に応じて好ましく用いることができる。本発明のブースターベクター上およびバイナリーベクター上の薬剤選抜マーカー遺伝子の種類を変更することは、in fusion PCRなどにより、容易に行うことができる。
本発明におけるブースターベクターの全長は、限定されるものではないが、好ましくは10kb〜30kb、より好ましくは15kb〜25kbである。
(iv)pVGW9
上記のような条件を満たした、本発明のブースターベクターの一つとしてpVGW9が挙げられる。pVGW9は本明細書に添付の配列番号1の塩基配列を有し、全長は20978塩基対である。
pVGW9の模式図を図1に示す。各構成要素は、配列番号1の塩基配列中、以下の位置に相当する。
複製開始点: 配列番号1の第9−2758番目の塩基
virJ遺伝子: 配列番号1の第3003−3746番目の塩基
virB遺伝子: 配列番号1の第5223−14658番目の塩基
virG遺伝子: 配列番号1の第14790−15593番目の塩基
virC遺伝子: 配列番号1の第15704−17010番目の塩基
virD1遺伝子: 配列番号1の第17279−17722番目の塩基
virD2遺伝子: 配列番号1の第17756−19030番目の塩基
virD3遺伝子: 配列番号1の第19050−19688番目の塩基
(2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド
本発明のアグロバクテリウム細菌は、さらに、アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド(本明細書中、「Tiプラスミド」と総称する場合がある)を含む。
Riプラスミドはアグロバクテリウム細菌のうち特にAgrobacterium rhizogenesの有するプラスミドである。Tiプラスミドと同様に、20万塩基対前後の巨大なプラスミドで、植物に導入されるT−DNA(transferDNA)、ビルレンス領域(virlence領域:vir領域)等を含む。
なお、アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミドの複製開始点は、IncW、IncP、IncQおよびpVS1とは、異なる不和合性グループに属する。
「ディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド」とは、野生型Tiプラスミド若しくは野生型RiプラスミドからT−DNA領域を除去したプラスミドである。好ましくは、アグロバクテリウム細菌のディスアーム型プラスミドは、ディスアーム型Tiプラスミドである。
ディスアーム型Tiプラスミドは、例えば、Hoekema et al.,(1983)に記載されている、pAL4404を利用することができる。ディスアーム型Riプラスミドは、例えば、Jouanin et al.,(1987)に記載されている、pRiB278bを利用することができる。
あるいは、ディスアーム型Tiプラスミドが元来保持されている公知のアグロバクテリウム菌株を利用することも可能である。本発明のアグロバクテリウム細菌は、好ましくはディスアーム型pTiBo542を含まない。限定されるものではないが、例えばLBA4404、GV3850、GV3TillSE、C58−Z707、GV3101::pMP90,GV3101::pMP90RK、GV2260、又はNTI(pKPSF2)を使用することができる。
(3)バイナリーベクター(所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミド)
本発明のアグロバクテリウム細菌はさらに、所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミドを含む。このプラスミドはアグロバクテリウムと大腸菌の両方で複製可能であり、バイナリーベクターと呼ばれる。バイナリーベクターとしては、公知のものを適宜用いることができる。以下に限定されるわけではないが、具体的には、pBin19、pBI121、pIG121、pIG121Hm、pLC41、pGreenシリーズのベクター、pCLEAN-Gシリーズのベクター、pPZPシリーズのベクター、pCAMBIAシリーズのベクター、pOREO1、pGWBなどのベクターが挙げられる。
本発明のT−DNA領域に挿入するDNAは特に限定されない。例えば、ゲノムDNA断片、cDNA断片等、任意のものを利用可能である。好ましくはゲノムDNA断片、より好ましくは植物由来のゲノムDNA断片である。限定されるわけではないが、好ましくは導入されるDNA断片のサイズは、0.1kb−100kb、より好ましくは1kb−40kbである。
なお、大断片のT−DNAをバイナリーベクターに挿入する場合、Riプラスミド(Hamilton, C.M., Frary, A., Lewis, C., and Tanksley, S.D. (1996). Stable transfer of intact high molecular weight DNA into plant chromosomes. Proc Natl Acad Sci USA 93,9975−9979.)の複製開始点を好ましく用いることができる。
本発明において、(1)−(3)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する。バイナリーベクターとブースターベクターが、同じ不和合性グループに属する場合には、両ベクターをアグロバクテリウム中で保持することができない。そのため、これらの複製開始点を異なる不和合性グループとする必要がある。例えば、IncW、IncP、IncQおよびpVS1は、それぞれ異なる不和合性グループに属する。「(1)−(3)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する」とは、(1)−(3)の3種類のプラスミドが各々異なる不和合性グループに属する、例えば、各々IncW、IncP、IncQと互いに異なる不和合性グループに属すればよい。3種類のプラスミドのうち、2種類でも同じグループに属すると、本要件を満たさない。
本発明のアグロバクテリウム細菌の態様
(1)−(3)の3種類のプラスミドをアグロバクテリウム細菌に導入する順序、導入する方法は特に限定されない。
例えば、ディスアーム型Tiプラスミド((2)プラスミドに相当する)が元来保持されている公知のアグロバクテリウム菌株を利用することも可能である。限定されるものではないが、例えばLBA4404(Hoekema et al.,1983)、GV3850(Zambryski et al.,1983)、GV3TillSE(Fraley et al.,1985)、C58−Z707(Hepburn et al.,1985)、GV3101::pMP90(Koncz and Schell,1986),GV3101::pMP90RK(Koncz and Schell,1986)、GV2260(McBride and Summerfelt,1990)、又はNTI(pKPSF2)(Palanichelvam et al.,2000)を使用することができる。これらのアグロバクテリウム菌株に、ブースターベクター((1)プラスミド)及びバイナリーベクター((3)プラスミド)を導入してもよい。ブースターベクターとバイナリーベクターは、例えば、エレクトロポレーション法、三系交雑法、凍結融解法などの公知の方法によって導入することが可能である。ブースターベクターとバイナリーベクターの導入順序は特に限定されない。両者を同時に導入してもよい。
本発明の一態様において、アグロバクテリウム細菌は、
下記のグループ
LBA4404、GV3850、GV3TillSE、C58−Z707、GV3101::pMP90、GV3101::pMP90RK、GV2260、及びNTI(pKPSF2)
から選択されるアグロバクテリウム細菌に、
(1)プラスミド及び(3)プラスミドを導入することによって製造される。
本発明はまた、一態様において、下記の(1)−(2)のプラスミドを含むアグロバクテリウム細菌を含む、
(1)下記の構成要素を有するプラスミド;
(i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
(ii)複製開始点
並びに
(2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド
ここにおいて、(1)及び(2)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する。
(1)及び(2)のプラスミドを含むアグロバクテリウム細菌は、さらに、所望の遺伝子が挿入されたT−DNAを有する(3)バイナリーベクターを導入することが可能であり、広く利用可能である。
II.植物の形質転換方法
本発明は、また、本発明のアグロバクテリウム細菌を利用した植物の形質転換方法、植物への遺伝子導入方法に関する。本発明の方法は、本発明のアグロバクテリウム細菌を植物細胞に接触させる、ことを含む。
本発明の方法は一態様において、下記の(1)−(2)のプラスミドを含むアグロバクテリウム細菌
(1)下記の構成要素を有するプラスミド;
(i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
(ii)複製開始点
並びに
(2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド
ここにおいて、(1)及び(2)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する
に、(3)所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミドを導入し、そして、
当該アグロバクテリウム細菌を植物細胞に接触させる、ことを含む。
本発明の形質転換方法の対象とされる植物は、特に限定されないが、好ましくは被子植物であり、単子葉植物であっても双子葉植物であってもよい。限定されるわけではないが、本明細書の実施例に記載のとおり、トウモロコシやイネ、トマトに好ましく使用できる。
本発明のアグロバクテリウム細菌を、公知のアグロバクテリウムを介した形質転換方法に使用することにより、形質転換効率を大幅に向上させることができる。
III.キット
本発明は、さらに、アグロバクテリウムを介して植物細胞を形質転換する方法に用いるためのキットに関する。一態様において、本発明のキットは、本発明のアグロバクテリウム細菌を含む。
本発明は、さらにまた、アグロバクテリウムを介して植物細胞を形質転換する方法に用いるためのキットに関する。一態様において、本発明のキットは、下記の(1)−(3)のプラスミドの組み合わせ
(1)下記の構成要素を有するプラスミド;
(i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
(ii)複製開始点
(2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド;並びに
(3)所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミド
ここにおいて、(1)−(3)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する。
を含む。
本発明のキットはまた、別の態様において、(1)及び(3)のプラスミドの組み合わせ
(1)下記の構成要素を有するプラスミド;
(i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
(ii)複製開始点
並びに
(3)所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミド
ここにおいて、(1)と(3)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する。
を含む。当該態様において、キットはさらに、下記のグループ
LBA4404、GV3850、GV3TillSE、C58−Z707、GV3101::pMP90、GV3101::pMP90RK、GV2260、及びNTI(pKPSF2)
から選択されるアグロバクテリウム細菌を含んでもよい。
IV.プラスミド
本発明はさらに、(1)下記の構成要素を有するプラスミド;
(i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
(ii)複製開始点
に関する。本発明のプラスミドは、好ましくは、配列番号1に記載の塩基配列を有するpVGW9プラスミドである。
本発明はまた、本発明のプラスミドの、態様12−14のいずれか1項に記載の植物の形質転換方法への使用に関する。
V.植物細胞形質転換用ベクターシステム
本発明は、さらにまた、上述した(1)−(3)の三種類のプラスミドを組み合わせて利用する、植物細胞形質転換用ベクターシステム(スーパーターナリーベクターシステム)を提供する。
上述した公知のスーパーバイナリーベクターは、pTiBo542のvir領域から切り出された14.8kbのKpnI断片(virD1遺伝子の一部,virB遺伝子,virC遺伝子およびvirG遺伝子)を組み込んだアクセプターベクターと、大腸菌でクローニングした所望のT−DNAを有するシャトルベクターの間において相同組換えにより得られるハイブリッドベクターである。したがって、アグロバクテリウムにあらかじめアクセプターベクターを導入しておく必要があるため、アグロバクテリウム菌株を多種類試験したいときなどには、準備に大変手間が掛かる。また、特許文献WO2007/148819 A1には、30kb〜40kbの大きなT−DNAを相同組換えで挿入しようとした時、ハイブリッドベクターがアグロバクテリウム内で不安定であったことが報告されている。シャトルベクターの複製開始点が多コピー型のColE1であることが要因と考えられる。
これに対して、本発明のスーパーターナリーベクターシステムは、ブースターベクターをディスアーム型Tiプラスミドが保持されているアグロバクテリウム菌株に導入しておき、そこに所望の遺伝子が挿入されたT−DNAを有するバイナリープラスミドをエレクトロポレーション法などで導入すれば、植物の形質転換に用いることができる。すなわち、種々の植物で広く用いられているバイナリーベクター菌株に、本発明のブースターベクターをエレクトロポレーション法などにより導入するだけで、スーパーターナリーベクターシステムを容易に構築することができ、これにより格段に高い効率で形質転換植物体を獲得することが可能である。
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。当業者は本明細書の記載に基づいて容易に本発明に修飾・変更を加えることができ、それらは本発明の技術的範囲に含まれる。
実施例1 スーパーターナリーベクターシステムの構築
本実施例は、本発明の3種類のプラスミドを利用するベクターシステム(スーパーターナリーベクターシステム)の構築について記載する。
pTOK47には、IncW oriとpBR322のoriの双方が含まれ、全長はおよそ28kbである(Jin et al.,1987)。また、pAL154(Amoah et al.,2001)の全長は、24kbである。これらのブースターベクターは、アグロバクテリウム内での複製保持に不要な配列を多く含む長いプラスミドである。スーパーターナリーベクターシステムのブースターベクターとして用いるベクターは、サイズが小さくvir領域断片の組み込みが容易で、大腸菌でのクローニングも可能なシャトルベクターであることが望まれる。特許文献WO2007/148819 A1には、これらの目的に合致するベクターpVGW2が開示されている。pVGW2は、IncW oriとpBR322のoriの双方が含まれ、ゲンタマイシン耐性遺伝子を有している(図3)。本実施例では、このpVGW2を基にpTiBo542のvirulence領域を有するブースターベクターの構築を行った。
まず、pVGW2をテンプレートにpSa5’EcT22I(5’−AAA ATG CAT GGC ATG TTT AAC AGA ATC TG−3’)(配列番号2)とM13(−20)Fw(5’−GTA AAA CGA CGG CCA G−3’)(配列番号3)のプライマーセットでPCRを行い、得られたフラグメントをセルフライゲーションさせて新規クローニングベクター「pGW」を作成した(図4)。なお、PCR試薬にはFiderityの高い「PrimeSTAR Max」(TaKaRa)を用いた。以下、コンストラクションに関わるすべてのPCRでこの試薬を用いた。
ブースターベクターpVGW7の作成
vir遺伝子群としてpTOK47およびpAL154に保持されている14.8KbのKpnI 断片を含むブースターベクターpVGW7の作成を行った。まずクローニング時の作業効率を高めるため、pGWにpUC19のラクトース・オペロンを組み込むことにした。pUC19をSapI+AatIIで消化して得られたラクトース・オペロン断片をpGWのNsiI−NheIサイトに挿入し、新規クローニングベクター「pGWL」を得た(図5)。このpGWLのKpnIサイトにpSB1をKpnIで消化して得られた断片を挿入してpVGW7(図6、図7)を得た。
ブースターベクターpVGW9の作成
ブースタープラスミドに挿入するpTiBo542由来vir遺伝子群の領域をさらに広げることにより、形質転換能力がさらに向上するかどうか試験を行うこととした。pTiBo542を鋳型にあらかじめリン酸化しておいたプライマー、pTiBo542:150641Fw(5’−aaa aac tag tca gag cca ccc cat cag gaa tat cgc cca ttc cgt cat cag cgt ggt gac−3’)(配列番号4)およびdelD2−3’Rv(5’−tcc aaa gat cgg ccc ctt gat gcg act gta acg ctg cag ata ac−3’)(配列番号5)でPCRを行い、その増幅産物をSmaIにより開環され脱リン酸化処理されたpGWベクターの両末端へライゲーションした。その結果、virB、virC、virD1、D2、D3、virGおよびvirJ遺伝子の全領域を含む目的のコンストラクトpVGW9(図1、図7)を得た。pVGW9の塩基配列を配列表の配列番号1に記載した。
pLC41GWH−IGの作成
特許文献WO2007/148819 A1に記載されているコスミドベクターpLCleo(別名pLC41GWH)は、IncPプラスミドであり複製開始点oriVを有する(図8)。oriVは大腸菌およびアグロバクテリウムの双方で機能する。また、T−DNA領域中にトウモロコシのユビキチン遺伝子の第一イントロンを含むプロモーターで制御されるハイグロマイシン耐性遺伝子を有している。このpLC41GWHのマルチクローニング部位(MCS)に、CaMVの35Sプロモーターで制御されヒマのカタラーゼ第一イントロンが介在するGUS遺伝子(P35S:Icat:GUS:T35S)を挿入するため、pLC41GWHおよびpSB34(Hiei and Komari,2006)をHindIIIで消化。消化サンプルは0.7% SeaKem GTGアガロースで電気泳動し、目的のバンドを切り出してQIAEX II(QIAGEN社)によりゲルからDNAを抽出・精製した。ベクター断片と挿入断片をライゲーションし(16℃、一晩)、反応液をエタノール沈殿処理してMilliQ水で再溶解したものをエレクトロポレーションで大腸菌GeneHogs(Invitrogen社)へ導入した。抗生物質カナマイシン(50μg/ml)を含んだLB寒天培地上で培養し、得られたコロニーからプラスミドを精製した。これらのクローンに関して塩基配列を決定し、目的の挿入領域を有していることが確認されたものをバイナリーベクターpLC41GWH−IGと命名した(図9)。
バイナリーベクター菌株およびスーパーターナリーベクター菌株の作成
pLC41GWH−IGをエレクトロポレーションによりアグロバクテリウム菌株LBA4404、GV2260、GV3850に導入し、抗生物質カナマイシン(50μg/ml)およびハイグロマイシン(50μg/ml)を含んだAB寒天培地上で培養し、3種類のバイナリーベクター菌株を得た。次にブースターベクターpVGW7をエレクトロポレーションにより、LBA4404(pLC41GWH−IG)へ導入し、カナマイシン(50μg/ml)およびハイグロマイシン(50μg/ml)、ゲンタマイシン(30μg/ml)を含んだAB寒天培地上で培養し、スーパーターナリーベクター菌株LBA4404(pLC41GWH−IG/pVGW7)を得た。さらに、LBA4404(pLC41GWH−IG)、GV2260(pLC41GWH−IG)、GV3850(pLC41GWH−IG)各菌株に、ブースターベクターpVGW9をエレクトロポレーションにより導入、カナマイシン(50μg/ml)およびハイグロマイシン(50μg/ml)、ゲンタマイシン(30μg/ml)を含んだAB寒天培地上で培養し、スーパーターナリーベクター菌株LBA4404(pLC41GWH−IG/pVGW9)、GV2260(pLC41GWH−IG/pVGW9)、GV3850(pLC41GWH−IG/pVGW9)を得た。またLBA4404(pIG121Hm)(Hiei et al.,1994)に、ブースターベクターpVGW9をエレクトロポレーションにより導入、カナマイシン(50μg/ml)およびハイグロマイシン(50μg/ml)、ゲンタマイシン(30μg/ml)を含んだAB寒天培地上で培養し、スーパーターナリーベクター菌株LBA4404(pIG121Hm/pVGW9)を得た。
実施例2 スーパーターナリーベクターシステムによるトウモロコシA188への遺伝子導入
本実施例では、実施例1で作成したスーパーターナリーベクター菌株LBA4404を用いてトウモロコシA188への遺伝子導入を行った。
材料および方法
大きさ約1.2mmのトウモロコシ未熟胚(品種:A188)を温室栽培した植物から無菌的に取り出し、アグロバクテリウム懸濁用液体培地LS−inf (Ishida et al.,2007)に浸漬した。46℃、3分間の熱処理後、同液体培地で未熟胚を1回洗浄した。次に20,000Gで10分間(4℃)の遠心処理を行った後、未熟胚を実施例1で作成したLBA4404(pLC41GWH−IG)、GV2260(pLC41GWH−IG)、GV3850(pLC41GWH−IG)およびLBA4404(pLC41GWH−IG/pVGW9)、GV2260(pLC41GWH−IG/pVGW9)、GV3850(pLC41GWH−IG/pVGW9)の各菌株を約1x10cfu/mlの濃度で懸濁したアセトシリンゴン100μmMを含むLS−inf培地に浸漬後、共存培地LS−AS(Ishida et al.,2007)に置床した。25℃、暗黒下で3日間培養後、5−ブロモ−4−クロロ−3−インドリル−β−D−グルクロニド(X−Gluc)によって未熟胚のGUS活性を調査した。
結果および考察
各種菌株をA188未熟胚に接種し、共存培養3日目にGUS遺伝子の一過性の発現を観察した。対照のLBA4404(pLC41GWH−IG)、GV2260(pLC41GWH−IG)およびGV3850(pLC41GWH−IG)を接種した未熟胚では、LBA4404(pLC41GWH−IG)を接種した場合のみわずかにGUS活性が認められた。GV2260(pLC41GWH−IG)およびGV3850(pLC41GWH−IG)では、ほとんど遺伝子導入が生じなかった(図10)。
これに対し、ブースターベクターpVGW9を導入したスーパーターナリーベクター菌株では、いずれの菌株でも未熟胚の胚盤上にGUS活性が観察された。特にLBA4404(pLC41GWH−IG/pVGW9)では、高頻度でGUS発現が観察された(図10)。
実施例3 スーパーターナリーベクターシステムによるトウモロコシA188の形質転換
本実施例では、実施例1で作成したスーパーターナリーベクター菌株LBA4404を用いてトウモロコシA188の形質転換を行った。
材料および方法
大きさ約1.2mmのトウモロコシ未熟胚(品種:A188)を温室栽培した植物から無菌的に取り出し、アグロバクテリウム懸濁用液体培地LS−inf(Ishida et al.,2007)に浸漬した。 46℃、3分間の熱処理後、同液体培地で未熟胚を1回洗浄した。次に20,000Gで10分間(4℃)の遠心処理を行った後、未熟胚をバイナリーベクターシステムLBA4404(pLC41GWH−IG)、およびターナリーベクターシステムLBA4404(pLC41GWH−IG/pVGW7)、スーパーターナリーベクターシステムLBA4404(pLC41GWH−IG/pVGW9)およびスーパーバイナリーベクターシステムのLBA4404(pSB134)(Hiei and Komari,2006)の各菌株を約1x10cfu/mlの濃度で懸濁したアセトシリンゴン100μMを含むLS−inf培地に浸漬後、共存培地LS−AS(Ishida et al.,2007)に置床した。なお、pSB134とpLC41GWH−IGのT−DNA上のプロモーター,ターミネーターを含めた遺伝子構成は同一である。25℃、暗黒下で3日間培養した。共存培養後の未熟胚をハイグロマイシン(Hm)含有の選抜培地(Ishida et al.,2007)に置床し培養を行った。増殖したカルスを小片に切り取り、Hmを含む再分化培地(Ishida et al.,2007)に置床し、照明下で培養した。2週間後、Hmに抵抗性を示す再分化植物の調査を行った。
結果および考察
結果を表1に示す。
バイナリーベクターシステムLBA4404(pLC41GWH−IG)のみでは全く形質転換体を得ることができなかった。それ以外のpTiBo542のvirB、C、Gを付加したベクターシステムすべてでHm耐性かつGUS陽性のトウモロコシ形質転換体が得られた(表1)。
各ベクターシステム間の比較では、スーパーバイナリーベクターシステムLBA4404(pSB134)とスーパーターナリーベクターシステムLBA4404(pLC41GWH−IG/pVGW7)の間では、後者の方がやや形質転換効率が高かった(表1)。特許文献WO2007/148819 A1では、同様にA188の未熟胚を用いた形質転換試験において、14.8kbのKpnI断片を有するスーパーバイナリーベクターシステムの方が、同様に14.8kbのKpnI断片を有するpTOK47を付加したスーパーターナリーベクターシステムよりわずかに形質転換効率が高かったことを報告している。
これに対し、本発明のスーパーターナリーベクターシステムLBA4404(pLC41GWH−IG/pVGW9)は、他のベクターシステムより顕著に形質転換効率が高かった(表1)。pTiBo542のvirB、C、D、G、Jの全遺伝子を有するスーパーターナリーベクターシステムは、従来のいずれのベクターシステムより形質転換能力が高いものと考えられる。
実施例4 スーパーターナリーベクターシステムによるインディカイネIR64の形質転換
本実施例では、実施例1で作成したスーパーターナリーベクター菌株LBA4404を用いてインディカイネIR64の形質転換を行った。
材料および方法
インディカイネ品種IR64の1.5mm長の未熟胚を無菌的に単離し、CCMカルス誘導培地に置床し、30℃暗黒下で10日間培養した。胚盤から増殖したカルスをさらに30℃明条件下で2週間培養した。得られたカルスを1−2mmの大きさに切りさらに4日間培養した後、実施例1で作成したLBA4404(pLC41GWH−IG)、LBA4404(pIG121Hm)、GV2260(pLC41GWH−IG)、GV3850(pLC41GWH−IG)およびLBA4404(pLC41GWH−IG/pVGW9)、LBA4404(pIG121Hm/pVGW9)、GV2260(pLC41GWH−IG/pVGW9)、GV3850(pLC41GWH−IG/pVGW9)の各菌株を約1x10cfu/mlの濃度で懸濁したアセトシリンゴン100μMを含むアグロバクテリウム懸濁用液体培地AAM培地(Hiei and Komari,2008)に浸漬した。その後、共存培地NB−As(Hiei and Komari,2008)に置床し、25℃、暗黒下で3日間培養した。共存培養後のカルスをHm含有の選抜培地(Hiei and Komari,2008)に置床し培養を行った。増殖したHm耐性カルスをX−Gluc溶液で処理しGUS活性を調査した。
結果および考察
結果を表2に示す。
Hm耐性かつGUS陽性カルスは、対照のLBA4404(pLC41GWH−IG)、LBA4404(pIG121Hm)、GV2260(pLC41GWH−IG)およびGV3850(pLC41GWH−IG)を接種したカルスからは一切得ることはできなかった(表2)。これに対し、ブースターベクターpVGW9を導入したスーパーターナリーベクター菌株では、いずれの菌株でも形質転換カルスが得られ、特にLBA4404(pLC41GWH−IG/pVGW9)では、供試した9.6%のカルスから形質転換カルスが得られた(表2)。インディカイネは、未熟胚を材料に用いた形質転換は比較的容易に獲得できるが、カルスを材料に用いた場合には大変困難である。従来から用いられてきた様々なバイナリーベクターシステムの菌株に、ブースターベクターpVGW9を導入するだけで、形質転換能力が向上し、どの菌株からも容易に形質転換細胞が得られることが実証できた。
実施例5 スーパーターナリーベクターシステムによるトマト マイクロトムへの遺伝子導入
本実施例では、実施例1で作成したスーパーターナリーベクター菌株LBA4404を用いてトマト マイクロトムへの遺伝子導入を行った。
材料および方法
トマトのモデル品種マイクロトムの種子を殺菌処理し、寒天培地上で発芽させ、本葉が抽出し始めたばかりの子葉を切り取り、アグロバクテリウムの感染に供試した。方法の詳細は、Sun et al.(2006)によった。実験に用いた菌株は、実施例1で作成したLBA4404(pLC41GWH−IG)、GV2260(pLC41GWH−IG)およびLBA4404(pLC41GWH−IG/pVGW7)、LBA4404(pLC41GWH−IG/pVGW9)、GV2260(pLC41GWH−IG/pVGW9) である。共存培養は、25℃、暗黒下で3日間行った。共存培養後の葉片をX−Gluc溶液で処理しGUS活性を調査した。
結果および考察
結果を表3に示す。
GUS遺伝子の一過性の発現を観察したところ、共存培養をアセトシリンゴン存在下で実施した場合には、ブースターベクターの付加効果は小さかったが、アセトシリンゴンを添加しなかった試験区では、ブースターベクターpVGW7およびpVGW9の付加効果は明瞭であった(表3)。特にpVGW9を用いたスーパーターナリーベクターシステムでは、供試したすべての子葉片でGUS活性が観察された。マイクロトムはもともと形質転換が可能な品種であるが、バイナリーベクターシステム菌株に、ブースターベクターpVGW9を導入したスーパーターナリーベクターシステムを用いれば、従来にない高い効率で形質転換体を得られるものと推測された。
配列番号1は、pVGW9ベクターの塩基配列である。
配列番号2は、PCRプライマーpSa5’EcT22Iの塩基配列である。
配列番号3は、PCRプライマーM13(−20)Fwの塩基配列である。
配列番号4は、PCRプライマーpTiBo542:150641Fwの塩基配列である。
配列番号5は、PCRプライマーdelD2−3’Rvの塩基配列である。

Claims (20)

  1. 下記の(1)−(3)のプラスミドを含むアグロバクテリウム細菌
    (1)下記の構成要素を有するプラスミド;
    (i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
    (ii)複製開始点
    (2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド;並びに
    (3)所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミド
    ここにおいて、(1)−(3)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する。
  2. (1)プラスミドの(ii)の複製開始点がIncW複製開始点である、請求項1記載のアグロバクテリウム細菌。
  3. (1)プラスミドが、さらにpTiBo542のvirE遺伝子を含む、請求項1又は2記載のアグロバクテリウム細菌。
  4. (1)プラスミドが、さらにrepA遺伝子を含む、請求項1−3のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌。
  5. (1)プラスミドが、さらに薬剤選抜マーカー遺伝子を含む、請求項1−4のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌。
  6. 薬剤選抜マーカー遺伝子がゲンタマイシン耐性遺伝子である、請求項5記載のアグロバクテリウム細菌。
  7. (1)プラスミドが、配列番号1記載の塩基配列を有するpVGW9である、請求項1−6のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌。
  8. (2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型プラスミドが、ディスアーム型Tiプラスミドである、請求項1−7のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌。
  9. ディスアーム型pTiBo542を保持しない、請求項1−8のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌。
  10. 下記のグループ
    LBA4404、GV3850、GV3TillSE、C58−Z707、GV3101::pMP90、GV3101::pMP90RK、GV2260、及びNTI(pKPSF2)
    から選択されるアグロバクテリウム細菌に、
    (1)プラスミド及び(3)プラスミドを導入することによって製造される、請求項1−9のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌。
  11. 下記の(1)−(2)のプラスミドを含むアグロバクテリウム細菌
    (1)下記の構成要素を有するプラスミド;
    (i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
    (ii)複製開始点
    並びに
    (2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド
    ここにおいて、(1)及び(2)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する。
  12. 請求項1ないし10のアグロバクテリウム細菌を植物細胞に接触させる、ことを含む、植物の形質転換方法。
  13. 請求項11のアグロバクテリウム細菌に(3)所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミドを導入し、そして、
    当該アグロバクテリウム細菌を植物細胞に接触させる、ことを含む、植物の形質転換方法。
  14. 植物が被子植物である、請求項12又は13に記載の植物の形質転換方法。
  15. アグロバクテリウムを介して植物細胞を形質転換する方法に用いるためのキットであって、請求項1−10又は請求項11のいずれか1項記載のアグロバクテリウム細菌を含む、前記キット。
  16. アグロバクテリウムを介して植物細胞を形質転換する方法に用いるためのキットであって、下記の(1)−(3)のプラスミドの組み合わせ
    (1)下記の構成要素を有するプラスミド;
    (i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
    (ii)複製開始点
    (2)アグロバクテリウム細菌のディスアーム型Tiプラスミド若しくはディスアーム型Riプラスミド;並びに
    (3)所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミド
    ここにおいて、(1)−(3)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する。
    を含む、前記キット。
  17. アグロバクテリウムを介して植物細胞を形質転換する方法に用いるためのキットであって、下記の(1)及び(3)のプラスミドの組み合わせ
    (1)下記の構成要素を有するプラスミド;
    (i)pTiBo542のvirB遺伝子、virC遺伝子、virD1遺伝子、virD2遺伝子、virD3遺伝子、virG遺伝子及びvirJ遺伝子、及び
    (ii)複製開始点
    並びに
    (3)所望のDNAからなるT−DNA領域を有するプラスミド
    ここにおいて、(1)と(3)の各プラスミドは、互いに共存可能な複製機構を有する。
    を含む、前記キット。
  18. 下記のグループ
    LBA4404、GV3850、GV3TillSE、C58−Z707、GV3101::pMP90、GV3101::pMP90RK、GV2260、及びNTI(pKPSF2)
    から選択されるアグロバクテリウム細菌をさらに含む、請求項17に記載のキット。
  19. 配列番号1に記載の塩基配列を有するpVGW9プラスミド。
  20. 請求項19に記載のプラスミドの、請求項12−14のいずれか1項に記載の植物の形質転換方法への使用。
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