JP3357909B2 - 高等植物の生産性を向上させる方法 - Google Patents

高等植物の生産性を向上させる方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高等植物の光合成
と生育を促進することによって、その収穫量を増大さ
せ、あるいは早期に収穫できるようにする方法に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】組み換えDNAの技術の発展に伴い、高
等植物に対して、特定の遺伝子を新たに導入したり、あ
るいは既に存在する遺伝子の発現を制御することが可能
となってきている。しかし、乾物生産あるいは収量とい
った、食糧問題に直接係わる特性に影響を及ぼす例は少
ない。近年、ドイツを中心として、光合成、炭水化物代
謝などに関する酵素遺伝子を高等植物へとアンチセンス
方向に導入し、その発現を抑制することによって、その
酵素遺伝子が光合成や炭水化物代謝の律速因子として重
要であることを示した例がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、組み換えDN
A技術を利用して、高等植物中で特定の遺伝子を形質発
現させることによって、高等植物の一次代謝である光合
成の機能を改善し、その生育を促進することは、試みら
れてこなかった。
【0004】本発明の課題は、組み換えDNA技術を利
用して、高等植物中で特定の遺伝子を形質発現させるこ
とによって、高等植物の一次代謝である光合成の機能を
改善し、その生産性を向上させ、収量ポテンシャルを向
上させ、あるいは早期に収穫可能とすることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、ラン藻由来の
フルクトース−1,6−ビスホスファターゼ/セドヘプ
ツロース−1,7−ビスホスファターゼを高等植物の葉
緑体中で形質発現させることによって、高等植物の生産
性を向上させることを特徴とする方法に係るものであ
る。
【0006】また、本発明は、ラン藻由来のフルクトー
ス−1,6−ビスホスファターゼ/セドヘプツロース−
1,7−ビスホスファターゼをコードする塩基配列を含
むDNAフラグメントが導入されていることを特徴とす
る、形質転換植物に係るものである。
【0007】高等植物葉緑体のフルクトース−1,6−
ビスホスファターゼ(fructose-1,6-bisphosphatase :
FBPase)およびセドヘプツロース−1,7−ビス
ホスファターゼ(sedoheptulose-1 ,7-bisphosphatase
:SBPase)は、光還元力による活性調節を受け
る光合成炭素還元系の律速酵素の1つである。一方、ラ
ン藻Synechococcus PCC 7942遺
伝子由来のフルクトース−1,6−ビスホスファターゼ
/セドヘプツロース−1,7−ビスホスファターゼ(F
BPase/SBPase)は、原核藻類であるラン藻
に広く分布する酵素であり、高等植物葉緑体のFBPa
seおよびSBPaseとは、一次構造および酵素学的
性質が異なっている。また、一つのタンパク質で、FB
Paseおよび/SBPaseの2つの酵素活性を有す
るバイファンクショナル酵素である。
【0008】ラン藻Synechococcus PC
C 7942遺伝子由来のFBPase−Iは、40k
Daの同一のサブユニットからなる4量体で、精製酵素
は1mM H2 2 の処理でも80%以上の活性を保持
していた。FBPase−Iは、細胞質型FBPase
の特異的阻害材であるAMPによって阻害されたが(K
i=0.26mM)、フルクトース−2,6−P2 によ
ってまったく阻害を受けなかった。至適pHは8.0で
あり、pIは4.8であった。FBPase−Iは、フ
ルクトース−1,6−ビスリン酸(Fru1,6−
2 )だけでなく、セドヘプツロース−1,7−ビスリ
ン酸(Sed1,7−P2 )も加水分解した。精製酵素
におけるFru1,6−P2 およびSed1,7−P2
に対する活性は、それぞれ、11.7μmol/min
/mg protein、12.1μmol/min/
mg proteinであり、Km値は、それぞれ、5
2μM、118μMであった。また、活性は典型的なF
BPaseと同様、Mg2 + 濃度に依存しており、その
依存曲線は葉緑体型FBPaseと同様、シグモイド型
を示し、S0.5 は1.4±0.1mMであった。この酵
素それ自体については、「Archives of Biotechnology
and Biophysics, Vol. 334, No.1, pp. 27 to 36, 1996
「Molecular characterization and resistance to h
ydrogen peroxideof two fructose-1,6-bisphosphatase
from Synechococcus PCC 7942 」に記載されている。
【0009】本発明者は、ラン藻Synechococ
cus PCC 7942より単離したフルクトース−
1,6−ビスホスファターゼ/セドヘプツロース−1,
7−ビスホスファターゼを、タバコに導入し、この際発
現蛋白質が葉緑体に移行するようにした。そして、播種
後7週間目におけるFBPaseおよびSBPase活
性、および光合成能を野性株と対比した結果、野性株に
比べて著しく上昇していることを見いだした。更に、一
定期間栽培したところ、形質転換植物は、野性株に比べ
て、背丈が大きくなっていた。また、葉の面積が大きく
なり、茎が太くなり、根が多くなり、長くなっていた。
更に、形質転換植物は、野性株よりも、葉、茎、根にお
けるヘキソース、シュクロース、デンプンの量が増加し
ていた。
【0010】従って、タバコ葉緑体へとラン藻由来のF
BPase/SBPaseを導入することにより得られ
た形質転換植物は、野性株よりも光合成能が強化され、
この結果、糖、デンプンの合成能力が増大し、生育が促
進され、かつ最終的な物質生産能も増加していた。従っ
て、高等植物の葉緑体へのFBPase/SBPase
の導入は、早生、高収量作物を作出する上で非常に有効
な手段であった。
【0011】この作用は以下のように考えられる。種々
の環境ストレスに応じて、植物に対しては光・酸素毒が
様々な障害をもたらし、最終的には食物生産の大きな律
速因子となっている。ラン藻由来のFBPase/SB
Paseは、高等植物のFBPaseおよびSBPas
eとは異なり、酸素毒に対して耐性を有しており、種々
の環境ストレス下でも機能するものと思われる。また、
ラン藻由来のFBPase/SBPaseは、高等植物
には存在しない遺伝子であるので、ジーンサイレンシン
グによる悪影響がない。
【0012】本発明において、組み換えDNAを作製す
る際のベクターとしては、例えばプラスミド、pBI1
01、pBIN19、pMSH−1等を使用できる。ま
た、組み換えDNAを導入するための高等植物として
は、広く光合成を行う有用栽培作物や樹木に利用でき
る。例えば、トウモロコシ、イネ、小麦、大麦、オート
麦、粟、ひえなどの穀物類、ダイズなどの豆類、、ジャ
ガイモ、トマトといった野菜類、ナタネ、ワタ、タバコ
などのその他の有用栽培植物に加えて、樹木にも適用で
きる。
【0013】前記のアミノ酸配列において、欠失、置
換、付加が行われても、フルクトース−1,6−ビスホ
スファターゼ/セドヘプツロース−1,7−ビスホスフ
ァターゼとしての酵素学的な性質を保持する限り、本発
明の範囲内である。また、前記の塩基配列のうち、酵素
を発現する構造遺伝子部分は、塩基番号1−1068で
あるので、本発明に必須であるが、塩基番号−180−
1170で表される塩基配列を有する遺伝子が最も好ま
しい。
【0014】
【実施例】図1に示すように、pBI101に、トマトrbcSプ
ロモーターとトランジットペプチドのコード領域および
ラン藻由来のフルクトース−1,6−ビスホスファター
ゼ/セドヘプツロース−1,7−ビスホスファターゼ
( S. 7942 FBP/SBPase )遺伝子 (fbp-I)を連結したプ
ラスミドを構築した。 (fbp-I)は、ラン藻 Synec
hococcusPCC7942遺伝子由来の、配列表
の配列番号2に示す塩基配列のうち、塩基番号−180
−1170で表される塩基配列を示す。このプラスミド
を、アグロバクテリウム ツメファシエンス LBA4
404に導入し、タバコ(Nicotiana tabacum cv Xanth
i )のリーフディスクに感染させることによって、fbp-
I をタバコ核遺伝子に導入した。ゲノムDNA を単離した
後、PCRおよびイムノブロッティングによりfbp-I の導
入を確認した。7種の形質転換株(TFI-1 〜7)を得た。
形質転換株 (T2世代) から葉緑体を単離し、ウエスタン
ブロッテイングにより、 S. 7942 FBP/SBPase の発現を
確認した。更に、細胞分画によって、導入タンパク質が
葉緑体に局在することを確認した。
【0015】(FBPase活性、SBPase活性、
光合成活性)播種後、7週間目の成葉に含まれるFBP
ase活性を、遺伝子導入前の野生株と比較した結果、
野生株は1.04±0.22μmol/min/mgク
ロロフィル、形質転換植物は1.82±0.24μmo
l/min/mgクロロフィルであり、野生株に比べて
約1.75倍高い活性を有していた。
【0016】また、SBPase活性を比較した結果、
野生株は1.37μmol/min/mgクロロフィ
ル、形質転換植物は2.40μmol/min/mgク
ロロフィルであり、野生株に比べて約1.75倍高い活
性を有していた。
【0017】また、通常条件(360ppm CO2
下での光合成活性を比較した結果、0、10、50、1
00μE/s/m2 の光条件下では、野生株と形質転換
植物には有意な差は見られなかった。しかし、200μ
E/s/m2 の光条件下では、形質転換植物の光合成活
性は、野生株の光合成活性と比べて有意に上昇してい
た。1600μE/s/m2 の光条件下では、野生株の
1.24倍に上昇していた。これらの結果を図3に示
す。
【0018】(生育に及ぼす影響)ホグラント培養液を
用いて、野生株および形質転換植物について水耕栽培を
行った。その条件は、400 マイクロモル/m2 /sであ
り、相対湿度は60%であり、気温は25℃である。栽
培開始から63日目、72、77、82、85、90、
97、102、105、109、112日目に、植物の
背丈を測定した。この結果を図2に示す。64日目に
は、野生株は14.0±4.6cm、形質転換植物は1
6.6±2.9cmであったが、栽培112日目には、
野生株が58.3±7.0cm、形質転換植物が84.
5±7.8cmであり、有意に生育が促進されていた
(約1.45倍)。図4の写真において、左側に野生株
を示し、右側に形質転換植物を示す。
【0019】生育期間の全体を通じて、形質転換植物
は、野生株と比較して、葉、茎、根のいずれも発達して
おり、葉は肉厚で1枚当たりの面積が大きく、茎が太
く、根が多く、長くなっていた。図5には、112日目
における葉と茎との外観を示しており、左側が野生株で
あり、右側が形質転換植物である。図6には、111日
目における根の外観を示しており、左側が野生株であ
り、右側が形質転換植物である。
【0020】(代謝中間体の量)播種後、12週間目の
上葉(上から4番目)、下葉(下から3番目)、茎、根
における代謝中間体(ヘキソース、シュクロース、デン
プン)の量を定量し、比較した。この結果を図7に示
す。形質転換植物の代謝中間体の量は、上葉、下葉、
茎、根のいずれにおいても、野生株に比べて有意に増加
していた。特に上葉において、ヘキソースおよびシュク
ロースが大幅に増加していた。また、デンプンは下葉に
多く蓄積されていた。これは、上葉で合成されたシュク
ロースが下葉へと転流したことによる。
【0021】以上の結果から分かるように、本発明によ
って、高等植物の光合成能が強化され、この結果、糖、
デンプンの合成能力が増大し、生育が促進されたものと
考えられる。また、花芽形成時の乾燥重量は、野生株が
14.1±2.2gであり、形質転換植物が21.0±
1.9gと約1.5倍増加しており、最終的な物質生産
能も増加していることがわかる。
【0022】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の形質転換植
物は、野性株よりも光合成能が強化され、この結果、
糖、デンプンの合成能力が増大し、生育が促進され、か
つ最終的な物質生産能も増加していた。従って、高等植
物の葉緑体へのFBPase/SBPaseの導入は、
早生、高収量作物を作出する上で非常に有効な手段であ
った。このように、組み換えDNA技術を利用して、高
等植物の一次代謝である光合成の機能を改善し、早生、
収穫量の増大を可能とした類例はなく、将来の食料危機
に対応する上で極めて重要な鍵となる技術である。 配列表 〈110〉 出願人名称:奈良先端科学技術大学院大学長 〈120〉 発明の名称: 〈130〉 整理番号 :F1999−104 〈160〉 配列の総数:2 〈210〉 配列番号 :1 〈211〉 配列の長さ:356 〈212〉 配列の型 :PRT 〈213〉 生物名 :ラン藻 Synechococcus 〈220〉 配列の特徴 トポロジー:直線状 起源 :ラン藻 Synechococcusの遺伝子PCC 7942由来のフルクトース−1,6−ビスホスファターゼ/セドヘプツロー ス−1,7−ビスホスファターゼ 〈400〉 配列 : 1 M E K T I G L E I I E V V E Q 15 16 A A I A S A R L M G K G E K N 30 31 E A D R V A V E A M R V R M N 45 46 Q V E M L G R I V I G E G E R 60 61 D E A P M L Y I G E E V G I Y 75 76 R D A D K R A G V P A G K L V 90 91 E I D I A V D P C E G T N L C 105 106 A Y G Q P G S M A V L A I S E 120 121 K G G L F A A P D F Y M K K L 135 136 A A P P A A K G K E T S I K S 150 151 A T E N L K I L S E C L D R A 165 166 I D E L V V V V M D R P R H K 180 181 E L I Q E I R Q A G A R V R L 195 196 I S D G D V S A A I S C G F A 210 211 G T N T H A L M G I G A A P E 225 226 G V I S A A A M R C L G G H F 240 241 Q G Q L I Y D P E V V K T G L 255 256 I G E S R E S N I A R L Q E M 270 271 G I T D P D R V Y D A N E L A 285 286 S G Q E V L F A A C G I T P G 300 301 L L M E G V R F F K G G A R T 315 316 Q S L V I S S Q S R T A R F V 330 331 D T V H M F D D V K T V S L P 345 346 L I P D P K W R P E R 356 〈110〉 出願人名称:奈良先端科学技術大学院大学長 〈120〉 発明の名称: 〈130〉 整理番号 :F1999−104 〈160〉 配列の総数:2 〈210〉 配列番号 :2 〈211〉 配列の長さ:1350 〈212〉 配列の型 :DNA 〈213〉 生物名 :ラン藻 Synechococcus 〈220〉 配列の特徴 トポロジー:直線状 起源 :ラン藻 Synechococcusの遺伝子PCC 7942由来のフルクトース−1,6−ビスホスファターゼ/セドヘプツロー ス−1,7−ビスホスファターゼ 〈400〉 配列 : -180 CGTCGCCCGCTCCATGCCCGCAGCTGCGCCTTTGATGCCGCGGAA -136 -135 GATATTGCCGCCAACTAACGATANNAGTCACTGCGATCGCAACTA -91 -90 AAGCCAGAGATGTGAGGAGGGGATCCGGCCTTTGGTAGACTCAAC -46 -45 TGTTGGAATCCCCAGAAGCAATCATCCGTAAGGAGTCAGGACGGC -1 1 GTGGAGAAGACGATCGGTCTCGAGATTATTGAAGTTGTCGAGCAG 45 46 GCAGCGATCGCCTCGGCCCGCCTGATGGGCAAAGGCGAAAAGAAT 90 91 GAAGCCGATCGCGTCGCAGTAGAAGCGATGCGGGTGCGGATGAAC 135 136 CAAGTGGAAATGCTGGGCCGCATCGTCATCGGTGAAGGCGAGCGC 180 181 GACGAAGCACCGATGCTCTATATCGGTGAAGAAGTGGGCATCTAC 225 226 CGCGATGCAGACAAGCGGGCTGGCGTACCGGCTGGCAAGCTGGTG 270 271 GAAATCGACATCGCCGTTGACCCCTGCGAAGGCACCAACCTCTGC 325 326 GCCTACGGTCAGCCCGGCTCGATGGCAGTTTTGGCCATCTCCGAG 360 361 AAAGGCGGCCTGTTTGCAGCTCCCGACTTCTACATGAAGAAACTG 405 406 GCTGCACCCCCAGCTGCCAAAGGCAAAGAGACATCAATAAAGTCC 450 451 GCGACCGAAAACCTGAAAATTCTCTCGGAATGTCTCGATCGCGCC 495 496 ATCGATGAATTGGTGGTCGTGGTCATGGATCGTCCCCGCCACAAA 540 541 GAGCTAATCCAAGAGATCCGCCAAGCGGGTGCCCGCGTCCGTCTG 585 586 ATCAGCGATGGTGACGTTTCGGCCGCGATCTCCTGCGGTTTTGCT 630 631 GGCACCAACACCCACGCCCTGATGGGCATCGGTGCAGCTCCCGAG 675 676 GGTGTGATTTCGGCAGCAGCAATGCGTTGCCTCGGCGGGCACTTC 720 721 CAAGGCCAGCTGATCTACGACCCAGAAGTGGTCAAAACCGGCCTG 765 766 ATCGGTGAAAGCCGTGAGAGCAACATCGCTCGCCTGCAAGAAATG 810 811 GGCATCACCGATCCCGATCGTGTCTACGACGCGAACGAACTGGCT 855 856 TCGGGTCAAGAAGTGCTGTTTGCGGCTTGCGGTATCACCCCGGGC 900 901 TTGCTGATGGAAGGCGTGCGCTTCTTCAAAGGCGGCGCTCGCACC 945 946 CAGAGCTTGGTGATCTCCAGCCAGTCACGGACGGCTCGCTTCGTT 990 991 GACACCGTTCACATGTTCGACGATGTCAAAACGGTTAGCCTGCCG 1035 1036 TTAATTCCTGATCCCAAATGGCGGCCGGAGCGGTAGAACGGGTAT 1080 1081 AGCTCGATCGCTTCGGTCGTTGTTTTTCAGCGAATCCATTTGCGA 1125 1126 TCGCTTTTCAAACCCTTTTTTCGTCAACCTTCTTTAAACGGCCTC 1170
【図面の簡単な説明】
【図1】 タバコ葉緑体への導入用のプラスミドを示す
模式図である。
【図2】 野生株と形質転換植物との水耕栽培時の背丈
を比較したグラフである。
【図3】 野生株と形質転換植物との光合成能を比較し
たグラフである。
【図4】 水耕栽培112日目における、野生株と形質
転換植物との外観を比較した写真である。
【図5】 水耕栽培112日目における、野生株と形質
転換植物との葉および茎の外観を比較した写真である。
【図6】 水耕栽培112日目における、野生株と形質
転換植物との根の外観を比較した写真である。
【図7】 野生株と形質転換植物との代謝中間体の含量
を比較したグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) A01H 1/00 JICSTファイル(JOIS) BIOSIS(DIALOG)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ラン藻由来のフルクトース−1,6−ビ
    スホスファターゼ/セドヘプツロース−1,7−ビスホ
    スファターゼを高等植物の葉緑体中で形質発現させるこ
    とによって、前記高等植物の生産性を向上させることを
    特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 以下の(a)または(b)に示すアミノ
    酸配列を有するタンパク質を高等植物の葉緑体中で形質
    発現させることによって、前記高等植物の生産性を向上
    させることを特徴とする、請求項1記載の方法。 (a) 配列表の配列番号1に示すアミノ酸配列のう
    ち、アミノ酸番号1−356で表されるアミノ酸配列 (b) フルクトース−1,6−ビスホスファターゼ/
    セドヘプツロース−1,7−ビスホスファターゼとして
    の活性を示す、(a)のアミノ酸配列の一部が欠失、置
    換若しくは付加されたアミノ酸配列
  3. 【請求項3】 ラン藻由来のフルクトース−1,6−ビ
    スホスファターゼ/セドヘプツロース−1,7−ビスホ
    スファターゼをコードする塩基配列を含むDNAフラグ
    メントを高等植物に導入することによって、前記高等植
    物の生産性を向上させることを特徴とする、請求項1記
    載の方法。
  4. 【請求項4】 以下のタンパク質をコードする塩基配列
    を有するDNAフラグメントを高等植物に導入すること
    によって、前記高等植物の生産性を向上させることを特
    徴とする、請求項1記載の方法。 (a) 配列表の配列番号1に示すアミノ酸配列のう
    ち、アミノ酸番号1−356で表されるアミノ酸配列 (b) フルクトース−1,6−ビスホスファターゼ/
    セドヘプツロース−1,7−ビスホスファターゼとして
    の活性を示す、(a)のアミノ酸配列の一部が欠失、置
    換若しくは付加されたアミノ酸配列
  5. 【請求項5】 以下の(c)または(d)に示す塩基配
    列を含むDNAフラグメントを高等植物に導入すること
    によって、前記高等植物の生産性を向上させることを特
    徴とする、請求項1記載の方法。 (c) 配列表の配列番号2に示す塩基配列のうち、塩
    基番号1−1068で表される塩基配列 (d) フルクトース−1,6−ビスホスファターゼ/
    セドヘプツロース−1,7−ビスホスファターゼとして
    の活性を示すタンパク質をコードする、(c)の塩基配
    列の一部が欠失、置換若しくは付加された塩基配列
  6. 【請求項6】 以下の(e)または(f)に示す塩基配
    列を含むDNAフラグメントを高等植物に導入すること
    によって、前記高等植物の生産性を向上させることを特
    徴とする、請求項1記載の方法。 (e) 配列表の配列番号2に示す塩基配列のうち、塩
    基番号−180−1170で表される塩基配列 (f) フルクトース−1,6−ビスホスファターゼ/
    セドヘプツロース−1,7−ビスホスファターゼとして
    の活性を示すタンパク質をコードする、(e)の塩基配
    列の一部が欠失、置換若しくは付加された塩基配列
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