JP3659346B2 - Shiba genetic transformation method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
(発明の背景)
本発明は、シバ(zoysiagrass)(Zoysia japonica Steud.)(朝鮮芝(Korean grass)とも呼ばれる)の効率的な遺伝子形質転換方法に関する。本発明は、他の密接に関連する芝草種に適用可能であり得る。本発明はまた、除草剤に抵抗性であるトランスジェニックシバ植物、ならびにこのような除草剤抵抗性シバの産生のための実験方法およびプロセスを提供する。
【0002】
本発明は、シバ(Zoysia japonica Steud.)(朝鮮芝としてもまた公知である)に対する効率的なAgrobacterium tumefaciens媒介遺伝子形質転換方法、この形質転換効率に大いに影響する最適化された培地組成および培養条件、ならびに除草剤抵抗性を有するトランスジェニックシバ植物およびビアラフォス(bialaphos)抵抗性遺伝子(bar)を有するこのようなトランスジェニックシバを開発するための関連する実験手段を提供する。
【0003】
【従来の技術】
シバは、芝草の最も重要な種の1つであり、韓国、日本および中国東部を含む極東アジアならびに世界中の温帯で広範に栽培されている。シバの栽培地域は、近年、米国および他の国々において急速に拡大しており、これは主に、乾燥抵抗性および交通上の損傷から急速に回復する能力のような、その並外れた特性に起因する。さらに、シバは、実質的に全ての気候において、やせた土壌で良好に成長する。これらの有用な形質に起因して、シバは、ゴルフ場、競技場、道端、住宅庭園、および川堤に広範に使用されている。その市場規模が急速に成長するにつれ、消費者は、病原体、除草剤および種々の環境ストレスに対して改良された抵抗性を有する、新品種を要求する。近年までに、主に古典的な育種法を使用して、芝草におけるこのような新たな形質が開発されてきた。しかし、ますます多くの研究所および研究機関が、芝草を遺伝子操作するために、分子生物学的方法を適用することに努めている(Inokumaら、1998;ParkおよびAhn 1998)。なぜなら、これらの方法を使用して、予測可能な様式で有用な形質を開発または改変することが現在可能であるからである。
【0004】
多くの単子葉植物は、Agrobacterium tumefaciensによって容易に感染されないが、効率的なA.tumefaciens媒介形質転換系が、イネ科の数種(例えば、イネ(Hieiら、1994;Rashidら、1996)、トウモロコシ(Ishidaら、1996)およびコムギ(Chengら、1997)について、近年、首尾よく開発されてきた。しかし、不幸なことに、このようなA.tumefaciens媒介形質転換法は、コヌカグサ(bentgrass)(Yuら、2000)を除く芝草については依然として確立されていない(ChaiおよびSticklen、1998)。特に、シバの遺伝子形質転換は、いくつかのさらなる技術的問題によってさらに妨げられている。例えば、芝草の種子発芽速度は非常に遅く、そして再生可能なカルスの産生は困難である(Asano 1989)。
【0005】
カルスの形態は、種々の植物種において証明されているように(ArmstrongおよびGreen 1985;KeおよびLee 1996;LuoおよびJia 1998)、植物の再生可能性に密接に関連する。近年、本発明者らは、シバについての効率的なカルス誘導および植物再生系を確立し(Baeら、2001)、これを、2001年7月24日に日本国特許出願番号2001−223278として出願した。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明に従って、A.tumefaciens媒介感染によって、シバを目的の遺伝子で遺伝的に形質転換することが現在可能である。
【0007】
シバの遺伝子形質転換についてのいくつかの潜在的な標的形質としては、改良された地表植被能力、交通上の損傷に対する耐性、損傷後の急速な回復、生物的ストレスおよび非生物的ストレスに対する抵抗性、生長率の操作(加速または遅延)、ならびに陰回避性(shade avoidance)が挙げられる。特に興味深いことは、生長率および/または陰回避性を操作して、その結果、灌水および刈り取りのための維持費を劇的に減少し得ることである。
【0008】
近年の分子生物学的技術の急速な蓄積ならびに植物の効率的な組織培養および遺伝子形質転換系の確立によって、現在、作物学上重要な任意の遺伝子が、作物の収量および品質ならびに環境適応性を増強するための目的で、任意の所望の植物に容易に導入され得る。本発明において、本発明者らは、効率的なAgrobacterium tumefaciens媒介シバ形質転換法、および除草剤抵抗性を有するトランスジェニックシバ植物を提供する。
【0009】
本明細書中で使用される場合、用語「遺伝子形質転換」とは、予測可能な様式で、目的の高等植物に遺伝子または遺伝物質を導入するための手段をいう。この遺伝子または遺伝物質は、植物ゲノム内に安定に組み込まれ、そして世代を通して遺伝される。
【0010】
【課題を解決するための手段】
(発明の要旨)
本発明は、シバに対する確実なAgrobacterium tumefaciens媒介形質転換法に関し、この形質転換法は、シバまたは密接に関連する芝草種の遺伝子形質転換に慣用的に使用され得る。
【0011】
本発明はまた、シバ(Zoysia属)を遺伝子形質転換する方法を提供し、この方法は、以下の工程:i)種々のホルモンを含有する改変MS培地上で、シバのカルスを誘導および生長させる工程;ii)このシバのカルスにAgrobacterium細胞を感染させ、ビアラフォス抵抗性bar遺伝子を導入する工程;iii)2,4−ジクロロフェノキシ酢酸およびカルシウムを含まずにアセトシリンゴンを含有する共存培養培地中で、シバのカルスおよびAgrobacterium細胞を共存培養する工程;iv)共存培養培地からAgrobacterium細胞を排除する工程;およびv)トランスジェニックシバを再生する工程を包含する。
【0012】
さらに、Agrobacterium細胞は、pGPT−HB形質転換ベクターを有し、そして3型カルス(本発明者らの以前の出願番号2001−223278に定義される)は、共存培養培地中で5〜7日間共存培養される。
【0013】
また、本発明は、上記の方法によってトランスジェニックシバを提供し、このトランスジェニックシバは、植物特異的プロモーターの制御下においてbar遺伝子を安定に形質転換されている。特定のプロモーターは、ユビキチンプロモーターである。
【0014】
本発明において評価された重要な培地成分または培養条件としては、カルス型、共存培養期間、2,4−D(2,4−ジクロロフェノキシ酢酸)、CaCl2、およびアセトシリンゴンが挙げられる。最も高い形質転換効率は、3型カルスを、2,4−Dを含まない培地上で5〜7日間共存培養した場合に得られた。さらに、共存培養の間のカルシウムの除去および30〜70mg/lのアセトシリンゴンの含有は、この形質転換効率を大幅に増強した。
【0015】
この最適化された形質転換プロトコルを、bar遺伝子でのシバ形質転換に使用した場合、選択培地上にプレートした苗条の20.5%までが、除草剤抵抗性を示した。
【0016】
また、本発明において、除草剤抵抗性を有するトランスジェニックシバ植物が提供される。このトランスジェニックシバは、5g/lの除草剤溶液を、2週間の間、毎日噴霧した後でさえ生存し得、そして最終的に成熟期まで生長した。一方、コントロール植物は、同じ実験条件下で処理した場合に、生長を停止し、そして枯死した。
【0017】
従って、本発明は、除草剤抵抗性のトランスジェニックシバカルス(登録番号KCTC−10076BPの下に寄託される)をさらに提供する。
【0018】
本発明は、シバ(Zoysia属)を遺伝子形質転換するための方法であって、以下の工程:i)種々のホルモンを含有する改変MS培地上で、該シバのカルスを誘導および生長させる工程;ii)該シバのカルスにAgrobacterium細胞を感染させ、ビアラフォス抵抗性bar遺伝子を導入する工程;iii)2,4−ジクロロフェノキシ酢酸およびカルシウムを含まずにアセトシリンゴンを含有する共存培養培地中で、シバのカルスおよびAgrobacterium細胞を共存培養する工程;iv)共存培養培地からAgrobacterium細胞を除去する工程;ならびにv)トランスジェニックシバを再生する工程を包含する、方法を提供する。
【0019】
1つの実施形態において、Agrobacterium細胞は、pGPT−HB形質転換ベクターを有する。
【0020】
1つの実施形態において、3型カルスを、共存培養培地中で5〜7日間共存培養する。
【0021】
本発明はまた、植物特異的プロモーターの制御下においてbar遺伝子を安定に形質転換されている、上記の方法によるトランスジェニックシバを提供する。
【0022】
1つの実施形態において、該bar遺伝子は、ユビキチンプロモーターの制御下で発現される。
【0023】
本発明はさらに、ビアラフォス抵抗性bar遺伝子(KCTC−10076BP)を導入された、トランスジェニックシバカルスを提供する。
【0024】
上記のカルスは、ブダペスト条約に基づき、2001年9月21日付けで、コリアコレクションフォータイプカルチャー(Korea Collectionfor Type Cultures)(#52 Oun−Dong,Yusong−ku、Taejon、Seoul、305−333、Republic
of Korea)に登録番号KCTC−10076BPで寄託された。
【0025】
【発明の実施の形態】
(発明の詳細な説明)
作物学的に重要な植物の遺伝子形質転換は、新規または改良された有用形質を有する植物種の新品種を開発するための潜在的な方法である。作物植物に関連した標的形質としては、生長率の改善または遅延、生物的ストレスおよび非生物的ストレスに対する抵抗性の増強、収量の増加、および環境の変動に対する柔軟な適応性が挙げられる。植物の首尾良い遺伝子形質転換のために予め必要なのは、組織培養および植物再生のための確実な系、および遺伝物質の堅実な送達デバイスである。植物分子生物学および方法論における近年の進歩によって、任意の目的の遺伝子が、任意の目的の植物種に容易に送達され得る。しかし、いくつかの作物植物(特に、単子葉植物)は、遺伝子操作に対して扱いにくく、そして普通の研究所において、植物再生を実施することが容易ではない。芝草は、多様な目的(ゴルフ場、芝地、住宅庭園、およびレクリエーション公園を含む)のために広範に使用され、そして近年の植物生物工学的適用のための潜在的な商業的標的植物として浮かび上がっている。しかし、効率的な組織培養および遺伝子形質転換系は、開発されていない。結果として、芝草の生物工学的な遺伝子操作は、いまだ、さほど進歩していなかった。
【0026】
本発明は、シバ(zoysiagrass)の種子由来カルスからの効率的な遺伝子形質転換および植物再生のために最適化された、培地組成および培養条件を提供する。暖地型芝草の亜型であるシバは、極東アジアを含む温帯において、広範に分布し、そして栽培されている。さらに、栽培地域は、いくつかの利点(例えば、乾燥損害および交通損害に対する抵抗性)に起因して、近年急速に拡大しつつある。本発明において、2,4−Dを含まないが、50mg/lのアセトシリンゴンを有する共存培養培地において、3型カルスを6日間共存培養した場合に、最も効率的な形質転換が達成された。他の植物において形質転換効率を改善するとして公知のカルシウムは、負の効果を有する。植物の組織培養および再生実験は、十分に確立された植物分子研究所において、慣用的に実施されており、そして当該分野において周知である。
【0027】
本発明はまた、除草剤抵抗性のシバ植物に関し、この除草剤抵抗性のシバ植物は、2週間にわたり毎日、ビアラフォス(bialaphos)溶液を噴霧した後でさえ生存し得る。ゴルフ場および競技場においてこのトランスジェニックシバを生育させることにより、単に除草剤を噴霧することによって選択的に雑草を除去することがより容易となり、そして維持費が劇的に低減される。さらに、少量の肥料が、このトランスジェニックシバを生育させるために必要とされると予期される。なぜなら、栄養を消費する雑草が、効率的に除去されるからである。このトランスジェニックシバは、いかなる形態学的な歪みも示さず、そして良好に生育し、親植物から識別不可能であった。
【0028】
本発明はまた、他の密接に関連した芝草種ならびにおそらくGramineae科に属する他の単子葉植物種に適用され得る。このような遺伝子操作された植物の開発のための実験的手順は、当該分野において周知である。本発明は、高度に再生可能なカルス系統を使用することによる、シバの効率的なA.tumefaciens媒介形質転換についての最初の発明である。
【0029】
【実施例】
(実施例)
(再生可能なカルスの調製)
約100粒のシバ(Zoysia japonica Steud.)の成熟種子を、2mlの遠心管において15分間、チューブミキサーを使用して攪拌しながら、1mlの2%次亜塩素酸ナトリウムで表面滅菌した。次いで、この種子を、滅菌二重蒸留水で3回洗浄した。カルス誘導のために、約100粒の種子を、3%スクロース(w/v)、100mg/l αケトグルタル酸、4mg/lチアミン−HCl、2mg/l 2,4−D、0.2mg/l BA、および0.2%ゲルライト(w/v)を含有する、濾紙を載せたMS(MurasigeおよびSkoog 1962)培地ペトリ皿に配置した。この培地を、1.2〜1.3kg/cm2圧および121℃で20分間オートクレーブする前に、HClを用いてpH5.8に調整した。カルス誘導を、完全な暗所で、3ヶ月間26±1℃にて、培養室において実施した。各ペトリ皿(直径90mm)は、約30mlの培地を含み、そしてパラフィルム(American National Can,USA)で密封された。蛍光管によって提供された30μmol m-2s-1の強度を有する連続的な白色光の下でのさらなる3日間のインキュベーション後、緑色組織のみを、1mg/l 2,4−Dおよび0.2mg/l BAを含有するMS培地に移し、そして引き続き、さらなる生長のために暗所で培養した。暗所での5週間の培養後、緑色を有する独立した種子由来のカルスを移し、そして暗所で、2,4−DおよびBAの異なるホルモンの組合せを含有する、濾紙を載せたMS培地においてさらに培養した。4つの型のカルスを、最終的に得た。4週間の間隔での継代培養後に、1型、2型、および4型のカルスを、1mg/l 2,4−D含有培地において発生させ、そして3型のカルスを、4mg/l 2,4−D含有培地において発生させた(図1)。各ペトリ皿(直径90mm)は、25mlの培地を含み、そしてMicropore Surgical Tape(3M Health Care、USA)で密封された。
【0030】
(4つのカルス型の特徴付け)
1型カルスの継代培養において生じる形態学的変化を調査するために、1型カルスを、暗所で、2,4−D(1、2、4、および8mg/l)およびBA(0、0.01、および0.1mg/l)の種々のホルモンの組合せを含有するMS培地に移した。暗所での5週間の継代培養後、4つのカルス型が観察された。各カルス型の重量を計り、そして重量率を算出した。2型、3型、および4型のカルスもまた、1型カルスでの場合と同じ様式で試験した。
【0031】
(Agrobacterium感染のための最適化条件)
pIG121Hmを含む、A.tumefaciensの無害化(disarmed)株EHA101を、本実験に使用した。pIG121HmのT−DNAは、ハイグロマイシン耐性遺伝子(hpt)、カナマイシン耐性遺伝子(npt)、およびイントロン−gus遺伝子(uidA)を含んでいた。Agrobacterium tumefaciens細胞を、50mg/lハイグロマイシン、100mg/lカナマイシン、および100mg/lスペクチノマイシン(pGPTV−HB)を補充した20mlのLB培地(表1)を含む、100mlのErlenmeyerフラスコにおいて、160rpmで振盪しながら、28℃にて一晩増殖した。
【0032】
表1は、シバの形質転換系において使用された、異なる培地およびそれらの組成を示す。
【0033】
【表1】
10mlの懸濁培養物中の細胞を、50mlのポリプロピレンチューブ(Becton Dickinson Labware、USA)中において、20分間2500rpmで遠心分離することによって収集し、そして10mlの液体感染培地(表1のLqMSAS)中で、穏やかにボルテックスすることによって再懸濁した。
【0034】
アセトシリンゴンを、100mg/ml濃度で、ジメチルスルホキシド中に適切な量の粉末を溶解することによって調製し、そして暗所で4℃にて保存した。これを、必要とされる場合に、適切な最終濃度まで滅菌培地に添加した。MSCG4培地において生長したカルスを、Agrobacterium細胞懸濁液中に1分間浸漬した。滅菌濾紙上での脱水後、このカルスを、4mg/l 2,4−Dを有する共存培養培地(MSAS)において、暗所で15日間26±1℃にて培養した。共存培養後、このカルスを、界面活性剤(0.02%プルロニック(pluronic)F68)を補充した滅菌二重蒸留水中で、この洗浄溶液が透明になるまでボルテックスすることによって徹底的に洗浄し、そして最終的に、1000mg/lカルベニシリン(calbenicillin)および0.02%界面活性剤を含有する滅菌二重蒸留水中で洗浄した。洗浄後、このカルスの半分を、Schenkら(1998)によって記載された方法によるGUS活性アッセイのために使用した。
【0035】
いくつかの因子を、形質転換効率を最適化するために試験した。(1)浸潤についての異なるカルス型の比較のために、1型、2型、および3型のカルスを、6日間、2,4−Dを含まないMSAS培地において共存培養した;(2)共存培養期間の比較のために、カルスを、3、6、9、12、15、18、21、24、および27日間、共存培養した;(3)培地成分の試験のために、異なる量の2,4−D(0、1、2、4、および8mg/l)、CaCl2(0、11、110、220、および440mg/l)、およびアセトシリンゴン(0、10、50、100、および200mg/l)を、MSAS培地に添加した。
【0036】
(pGPTV−HB共存培養)
シバカルスのA.tumefaciens感染についての最適化条件は、ドナーとしての3型カルスの使用、9日間の共存培養期間、培地からの2,4−DおよびCaCl2の排除、ならびに100mg/lアセトシリンゴンの使用を含んでいた。実験に使用された、すべての培地およびそれらの組成を、表1に要約する。pGPTV−HB共存培養後、カルスを、濾紙を載せたMSCG培地に移し、そして暗所で2〜4週間培養した。次いで、このカルスを、苗条誘導のために、濾紙を載せたMSSI培地に移した。種々の濃度(125、250、および500mg/l)のカルベニシリンを、苗条誘導培地に添加した。誘導された苗条を、引き続いて、4週間の発根および選択のために、MSRS培地に移した。5mg/lビアラフォスおよび10mg/lハイグロマイシンを、ビアラフォス抵抗性小植物およびハイグロマイシン抵抗性小植物の選択のために使用した。選択培地上で発根した植物を、抗生物質およびビアラフォスを有さないMSPG培地に移し、そしてさらに生長させた。次いで、完全に生長した植物を土壌を含むポットに移し、そして30℃、80%相対湿度、および冷白色蛍光管によって提供される30μmol m-2s-1の強度を有するイラディアンスでの18時間光周期に設定された環境制御グロースチャンバにおいて生長させた。根が十分に発生した時点で、ポットを温室に移した。
【0037】
(トランスジェニックシバ植物の分析)
推定トランスジェニックシバ植物が、除草剤に対して抵抗性であるか否かを試験するために、この推定トランスジェニックシバ植物に、5g/lの除草剤溶液(1g/lビアラフォス、Meiji Seika、Japan)を噴霧した。さらに、除草剤抵抗性遺伝子が、植物ゲノム中に組み込まれているか否かを研究するために、RogerおよびBendich(1985)の方法に従って、ゲノムDNAを、トランスジェニック植物の葉から単離した。HindIIIまたはBamHIで消化した20μgのゲノムDNAを、0.8%アガロースゲルにおいて分離し、標準的な方法(Southern 1975)によってナイロンメンブレン(Hybond−N+)にブロットし、そして32P標識化したhpt遺伝子配列またはbar遺伝子配列で探索した。これらのプローブを、ランダムプライミング法(Sambrookら、1989)によって調製した。
【0038】
(結果)
(Agrobacterium感染に適切なカルス形態)
種々の組合せの2,4−DおよびBAを含むMS培地における成熟種子由来1型カルスの培養は、1〜4型のカルスの混合物を生じた(表2)。
【0039】
表2は、異なる組合せの生長調節物質を含む培地における、シバ1型カルスの異なる生長を示す。10mgの1型カルスを、2,4−DおよびBAの種々の組合せ、ならびに2g/lゲルライトを有するMS培地において、暗所で、5週間28℃にて生長させた。各値は、10個のカルスから算出された平均を示す。カルスの形態を、以下によって評価した;1=やや白色〜黄色、緻密および非破砕性、2=白色、緻密および破砕性、3=黄色、緻密および非常に破砕性、4=半透明、軟性および水っぽい。
【0040】
【表2】
結果として生じた4つの型のカルスを、形態学的に特徴付けた。1型カルスは、やや白色〜黄色または薄緑色であり、緻密かつ非破砕性の構造を有する。複数の苗条原基が、いくつかの1型カルスの表面に観察された(図1A)。2型カルスは白色であり、緻密かつ破砕性の構造を有する(図1B)。3型カルスは黄色であり、そして緻密かつ非常に破砕性の構造を有した(図1C)。4型カルスは、軟性の水っぽい外観を有して半透明であるという点で、独特である(図1D)。1〜3型のカルスは再生可能であったが、4型カルスは再生不可能であった。1型および2型カルスの最良の生長および発生率(それぞれ、67.4±9.1mg、58%、および32.3±5.2mg、28%)および3型カルスの最良の生長および発生率(33.7±11.3mg、59%)は、それぞれ、1および4mg/lの2,4−Dと組合せて0.01mg/l BAを含むMS培地において得られた(表2)。再生不可能な4型カルスの発生率は、2,4−Dと組合せて0.01mg/l BAを添加することによって、1/1.8倍〜1/3.4倍に減少した。従って、1または4mg/lの2,4−Dと組合せて0.01mg/lのBAを、それぞれ、1〜2型または3型のカルスのさらなる生長のために使用した。2型および3型のカルスの継代培養は、1型カルス継代培養での出現率と類似した出現率で、1型、2型、3型、および4型カルスの混合物を生じた。しかし、4型カルスの継代培養は、4型カルスのみを生じた。興味深いことに、1〜3型のカルスは、ホルモンの異なる組合せを使用した場合に、形態学的なバリエーションを示した。さらに、継代培養する前に3日間、カルスを明所で継代培養した場合、緑色カルスが出現した。この緑色カルスからは、苗条誘導培地において、小さな白子植物が再生した(図2C)。4型カルスの発生を抑制することによって、そして継代培養工程毎に緑色カルスを選択することによって、カルス系統からの緑色植物の再生可能性は、2年間にわたって、いかなる有害な影響も伴なわずに維持され得る(図2C)。
【0041】
カルスの形態と苗条の再生可能性との間の密接な関係は、種々の植物種において実証されてきた(ArmstrongおよびGreen 1985;KeおよびLee 1996;LuoおよびJia 1998)。ナガハグサ(Kentucky bluegrass)(Poa pratensis L.)では、子葉鞘および胚から誘導されるカルスは、形態および破砕性に基づいて4つの型に分類され得る(KeおよびLee 1996)。ナガハグサの4型カルスは、柔らかく、構造を有さず、そして半透明であり、そこから苗条が全く再生されなかった。この結果は、シバで得た結果と類似している。ナガハグサにおける4型カルスの誘導は、オーキシンによってのみ制御され得、一方、シバの誘導は、サイトカイニンレベルを減少させることによって制御することができた。Astrangalus adsurgensでは、胚軸由来のカルスがまた4つの型に分類されたが(LuoおよびJia 1998)、4つのカルスの型のいずれもが、8ヶ月間継代培養した後でさえ、形態の変化を示さなかった。他方、4型を除き、1〜3型のシバカルス型の各々の継代培養は、4つのカルス型を生じた。シバ、ナガハグサ、およびAstrangalus adsurgens間におけるこれらの差異は、異なる種間の差示的再生可能性を反映する。
【0042】
(形質転換効率に影響を及ぼす因子)
(カルス型の効果)
MSCG1培地上で生長した1型および2型のカルス、ならびにMSCG4培地上で生長した3型カルスを、A.tumefaciens EHA101(pIG121Hm)と、6日間、2,4−Dを含まない共存培養培地で共存培養し、そしてGUS発現の測定を使用して、異なるカルス型と形質転換効率との間の関係を検査した(表3、図2A)。
【0043】
表3は、異なるカルス型の形質転換効率を示す。3つのカルス型を、2,4−Dを含まないMSAS培地(表1を参照のこと)上で、6日間暗所で、26℃で共存培養した。3つの複製を測定し平均した。
【0044】
【表3】
GUS発現は、1型および3型カルス上で検出されたが、2型カルス上では青斑は検出されなかった。3型カルスは、1gのカルス新鮮重量あたり721±201個の青斑という最も高いGUS発現頻度を生じた。これは、1型カルスにおいて観察されたものよりも34倍高かった。この結果は、他のいずれのカルスの型よりも、3型カルスがより容易に形質転換されることを示す。
【0045】
(2,4−D濃度の効果)
カルスの単位新鮮重量あたりの青斑の数によって決定された各カルス型の形質転換頻度はまた、表2に示される共存培養培地における2,4−D濃度によって影響を受けた。共存培養培地における2,4−Dの効果を、MSCG4培地上で生長したカルス上の青斑を計数することによって検査した(図3)。共存培養の9日後、青斑は、2,4−Dを含まない共存培養培地上でのカルスの新鮮重量1gあたり793±145個であった。しかし、青斑の数は、2,4−D濃度が増加するにつれ減少した(図3)。この観察は、2,4−Dが、Agrobacterium媒介形質転換効率に対して負の効果を有することを示唆する。これは、他の植物において観察されたものとは対照的である。Agrobacterium媒介形質転換における活性な細胞分裂についての正の役割は、種々の植物種において議論されてきた。アマ(McHughenら、1989)およびナス(Claudiaら、2000)において、Agrobacterium感染の前の2,4−Dを含む再生培地での外植片の予備培養は、効率的な遺伝子移入にとって必須であった。傷を受けた外植片における活性な細胞分裂は、T−DNAフラグメントの植物ゲノムDNAへの組み込みを大きく改善した(McHughenら、1989;Muthukumarら、1996;Claudiaら、2000)。2,4−Dを含まない共存培養培地が、シバカルスの細胞分裂を活性化させ得ること、またはそれ自体の遺伝子移入を促進し得ることは、正確な分子機構は解明されていないが、可能である。
【0046】
(共存培養期間)
2〜3日の共存培養の期間が、イネ科の形質転換において一般的に使用されてており(Hieiら、1994;Rashidら、1996;Dongら、1996;Ishidaら、1996、Chengら、1997)、一方、5〜7日までの延長した共存培養の期間が、lilium usitatissimum、シトレンジ(citrange)、およびアガパンサス(agapanthus)においてAgrobacterium媒介形質転換効率を増大させることが示されている(Cerveraら、1998;Suzukiら、2001)。共存培養期間の延長により、細菌細胞の膨大な増殖が生じ、そして通常再生頻度は減少する(Cerveraら、1998)。細菌細胞の過剰増殖が6日間の共存培養期間に観察されたが、ボルテックスによる完全な洗浄により、カルスを細菌の汚染から保護することが可能であり、そして形質転換効率は減少しなかった(データ示さず)。
【0047】
(共存培養培地におけるCaCl2濃度)
A.tumefaciens媒介形質転換頻度に対するCaCl2の効果を調査した。カルシウムを含まない共存培養培地は、GUS発現青斑の数を有意に増大させた(図4)。青斑は、CaCl2を含まない共存培養培地上で、1gの新鮮カルス重量あたり1368個であったが、CaCl2濃度が増大するにつれ減少した。しかし、カルスの生長は、カルシウムを含まない共存培養培地において、カルシウムを含む培地より遅かった。したがって、カルスは、共存培養後にカルシウムを含有するカルス生長培地に迅速に移されなければならない。同様のカルシウム効果が、Hevea brasuliensisで観察された(Montoroら、2000)。
【0048】
カルシウムは、病原感染に対する植物応答において重要な役割を演じ、そして最近の生理学研究において議論されている(Dierk 1998)。このカルシウム媒介植物防御機構はまた、Agrobacterial細胞により感染させたときに、シバカルスにおいて誘発され得る。これは、シバカルスがカルシウムを含まない共存培養培地でより容易に感染される理由を説明し得る。
【0049】
(アセトシリンゴン濃度の効果)
フェノール化合物であるアセトシリンゴンは、AgrobacteriumのTiプラスミドにおけるvir遺伝子発現を活性化する誘導物質として周知である(Stachelら、1985)。アセトシリンゴンは、ジャポニカイネおよびインディカイネ(Hieiら、1994;Rashidら、1996)、ファラエノフォシス(pharaenopsis)、ランおよびアガパンサス(Suzukiら、2001)のような単子葉植物において、Agrobacterium媒介形質転換に重要であることが示されている。アセトシリンゴンは、キュウリ、ブロッコリ、ダイズ、およびシトレンジのような双子葉植物における形質転換効率もまた大いに増大する(Nishibayashiら、1996;Cerveraら、1998;Santaremら、1998;Henziら、2000)。
【0050】
アセトシリンゴンを含まない共存培養培地を使用した場合、形質転換効率が非常に低く、1gのカルス新鮮重量あたり86.3±24.0個の青斑であった。50mg/リットルのアセトシリンゴンをその共存培養培地に添加すると、青斑の数が有意に9倍増大した(図5)。しかし、100mg/リットル濃度よりも高い濃度は、形質転換に対して負の効果を有していた。特に、200mg/lのアセトシリンゴン含有培地上での共存培養したカルスは、共存培養後にカルス培養培地上で生長しなかった。
【0051】
(bar遺伝子でのシバの形質転換)
シバ植物のための最適な形質転換系を評価するために、除草剤抵抗性遺伝子(bar)を含有するpGPTV−HB形質転換ベクターでシバ植物を遺伝的に形質転換するために、確立されたプロトコルを適用した。このプロトコルの主要な構成要素は、3型カルスおよび9日間の共存培養期間の使用であった。この共存培養培地は、2,4−DおよびCaCl2を含まなかったが、50mg/リットルのアセトシリンゴンを含んだ。その共存培養カルスを、カルス生長培地で生長させ、そしてハイグロマイシンおよびビアラフォス選択なしで苗条誘導に供した。時折、Agrobacterial細胞混入を、125mg/リットルのカルベニシリン含有培地上で観察したので、250mg/リットルのカルベニシリンを苗条誘導培地において使用した。
【0052】
選択を、10mg/リットルのハイグロマイシンまたは5mg/リットルのビアラフォスを含有する発根培地上でのみ行った。発根した苗条は、4週間後に現れた。この発根した苗条を、再度、新鮮選択培地上で2〜4週間継代培養した場合、最初の選択培地上で発根したエスケープ(escape)が最終的に枯死し、一方、推定の真のトランスジェニック植物が発根しそして活発に伸長した。抵抗性植物の頻度は、約20.5%であった(表4)。
【0053】
表4は、A.tumefaciens感染カルスから再生した苗条の生存率を示す。EHA101(pGPTV−HB)感染カルスから再生した苗条を、5mg/リットルのビアラフォス(B)および10mg/リットルのハイグロマイシン(H)を含有するMSRS培地(表1を参照のこと)上で4週間培養した。生存率は、産生した抵抗性植物/播種した苗条の数に、100をかけたものを表す。
【0054】
【表4】
(トランスジェニックシバ植物に対する除草剤抵抗性アッセイ)
トランスジェニック植物および非トランスジェニック植物を、土壌中に確立した後、それらに、5g/リットル除草剤溶液(Meiji Seika、Japan)を2週間毎日適用した。除草剤溶液を2週間散布した後、トランスジェニック植物は、ビアラフォス塗布を生存し、そして成熟まで成長した。しかし、コントロール植物は、成長を止め、そして最終的に枯死した(図3)。この結果は、bar遺伝子が、トランスジェニック植物において正常に発現されることを示す。
【0055】
(DNAゲルブロット分析)
トランスジェニックシバ植物の除草剤抵抗性がその植物ゲノムに組み込まれたbar遺伝子に由来することを確認するために、ビアラフォス抵抗性植物を、DNAゲルブロット分析によって分析した。ゲノムDNAをトランスジェニック植物から単離し、HindIIIで消化し、そしてbarまたはhpt特異的プローブとハイブリダイズさせた(図6A)。同時に、コントロール植物からのゲノムDNAをまた、同一のやり方で分析した。コントロールサンプルは、いかなるバンドを示さなかった(図7B、レーンc;図7C、レーンc)。一方、トランスジェニック植物からのサンプルは、barおよびhpt特異的プローブと特異的にハイブリダイズするバンドを示した(図7B、レーン1;図7C、レーン1)。pGPTV−HBのT−DNAフラグメントは、単一のHindIII部位を有するので(図7A)、ハイブリダイズしたバンドの数は、トランスジェニックシバ植物に組み込まれた遺伝子コピーのコピー数を反映していた。検出されたバンドは、pGPTV−HBのマップ(図7A)から予想されたような、barまたはhpt特異的プローブについてのそれぞれ1.6kbまたは1.8kbよりも大きいフラグメントを表した。これは、組み込まれた遺伝子のコピー数が2であったことを示す(図7B、レーン1;図7C、レーン1)。BamHIおよびbarプローブでのゲノムDNAサザンブロットはまた、同じ結果を与えた。これは、コピー数が、2であることを示す(図7B、レーン2)。これらの結果は、2つの安定な組み込み事象が存在したことを示し、明らかに、このトランスジェニック植物において観察された除草剤抵抗性が、組み込まれたbar遺伝子によって決定されたことを実証する。
【0056】
本発明におけるシバのA.tumefaciens媒介形質転換系は、シバならびに密接に関連する芝草種の遺伝子操作を迅速化させる。本発明は、シバの遺伝子形質転換のための最適化された培地組成および培養条件を提供し、これは、目的の遺伝子が、生物的および非生物的ストレスに対しての抵抗性を改良するため、および生長率を調節するために、シバに導入されるべき場合に特に有益である。
【0057】
(参考文献)
【表5】
(要約)
本発明は、シバ植物(Zoysia japonica Steud.)に対する効率的な遺伝子形質転換系を提供する。シバ形質転換のための最適化された培地組成および培養条件もまた提供される。このシバについての確実な形質転換系を、カルス生長および植物再生に有意に影響するいくつかの因子を最適化することによって開発した。カルス型および共存培養期間は、形質転換効率に絶対的に影響した。2,4−D、CaCl2およびアセトシリンゴンの濃度もまた、重要な因子であった。最良の結果は、3型カルスを、2,4−Dを含まない共存培養培地上で6日間共存培養した場合に達成された。共存培養の間のカルシウムの除去および50mg/lのアセトシリンゴンの添加は、その効率を劇的に増強させた。本発明はまた、ビアラフォス抵抗性シバ植物を提供し、これは、ゴルフ場および競技場に使用され、維持費を節約し得る。
【0058】
【発明の効果】
本発明に従って、A.tumefaciens媒介感染によって、シバを目的の遺伝子で遺伝的に形質転換することが現在可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、カルス生長培地上で生長した、4つの異なる型のカルスを示す写真である。(A)1型カルスは、やや白色〜黄色または薄緑色を有し、そして緻密かつ非破砕性の構造を示す。(B)2型カルスは、白色であり、そして緻密かつ破砕性の構造を示す。(C)3型カルスは、黄色であり、そして緻密かつ非常に破砕性の構造を示す。(D)4型カルスは、半透明の軟性の水っぽい外見を有する。この4つのカルス型は、表2に要約されるような生長調節物質の異なる組み合わせを補充した、カルス生長培地上で得られた。
【図2】図2は、pGPTV−HBベクター(図7を参照のこと)を保有するA.tumefaciensを感染させたシバカルスにおける、トランスジェニックGUS発現を示す写真である。(A)シバカルスにおけるトランスジェニックGUS発現。(B)A.tumefaciens感染後の、濾紙を載せ、そして抗生物質を含まないMSCGCB培地上での、カルスの急速な生長。(C)濾紙上を載せ、そして抗生物質を含まない苗条誘導培地上での、苗条誘導。(D)ビアラフォス含有培地上での、苗条伸長および発根。A.tumefaciens感染カルスから誘導された苗条を、5mg/lのビアラフォスを含有する選抜発根培地MSRS上で培養した。
【図3】図3は、形質転換効率に対する2,4−Dの効果を示す。異なる濃度の2,4−Dを含有するカルス増殖培地上で培養したカルスの、1グラムの新鮮重量あたりの青斑を計数した。
【図4】図4は、形質転換効率に対するCaCl2の効果を示す。培地に異なる濃度のCaCl2を含有させることを除いて、図3の簡単な説明に記載のように、A.tumefaciens感染カルスを培養した。
【図5】図5は、形質転換効率に対するアセトシリンゴンの効果を示す。異なる濃度のアセトシリンゴンを含有させることを除いて、図3の簡単な説明に記載のように、この実験を行った。
【図6】図6は、トランスジェニックシバ植物(右)および親シバ植物(左)を示す写真である。これらのシバ植物に、2週間の間、毎日、除草剤溶液を噴霧した(5g/lのビアラフォス)。(A)除草剤溶液を噴霧しなかった植物。(B)2週間の間、除草剤溶液を毎日噴霧した植物。
【図7】図7は、形質転換ベクターの略図、および植物ゲノム中の除草剤抵抗性(bar)遺伝子の存在を確認するためのサザンブロット分析を示す。(A)形質転換ベクターpGPTV−HBのベクター地図。Pnos、ノパリンシンターゼ遺伝子のプロモーター;HygR、ハイグロマイシン耐性遺伝子(hpt);NOS、ノパリンシンターゼ遺伝子のターミネーター;Ubi−P、トウモロコシ由来のユビキチンプロモーター;Bar、ビアラフォス抵抗性遺伝子;B、BamHI;E、EcoRI;H,HindIII;S、SacI。(B)および(C)トランスジェニックシバ植物のサザンブロット分析を示す写真である。ゲノムDNAを、HindIII(レーン1)またはBamHI(レーン2)のいずれかで消化した。メンブレンに、bar(B)プローブまたはhpt(C)プローブのいずれかをハイブリダイズさせた。形質転換されていない植物のゲノムDNAを、ネガティブコントロールとして含んだ(レーンc)。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
(Background of the Invention)
The present invention relates to an efficient method for gene transformation of zysiagrass (Zoysia japonica Steud.) (Also called Korean grass). The present invention may be applicable to other closely related turfgrass species. The present invention also provides transgenic barn plants that are resistant to herbicides, as well as experimental methods and processes for the production of such herbicide-resistant barns.
[0002]
The present invention relates to an efficient Agrobacterium tumefaciens-mediated gene transformation method for Zoysia japonica Steud. (Also known as Korean turf), optimized medium composition and culture conditions that greatly affect this transformation efficiency. And related experimental means for developing such transgenic barn plants with herbicide resistance and such transgenic barn with bialaphos resistance gene (bar).
[0003]
[Prior art]
Shiba is one of the most important turfgrass species and is widely cultivated in Far East Asia including Korea, Japan and eastern China and in temperate regions around the world. The growing area of buckwheat has grown rapidly in the United States and other countries in recent years, mainly due to its extraordinary characteristics such as drought resistance and the ability to recover quickly from traffic damage. To do. In addition, Shiva grows well on thin soils in virtually all climates. Due to these useful traits, Shiva is widely used in golf courses, stadiums, roadsides, residential gardens, and river banks. As the market size grows rapidly, consumers demand new varieties with improved resistance to pathogens, herbicides and various environmental stresses. Until recently, such new traits in turfgrass have been developed, mainly using classical breeding methods. However, an increasing number of laboratories and research institutions are striving to apply molecular biological methods to genetically manipulate turfgrass (Inokuma et al., 1998; Park and Ahn 1998). This is because it is now possible to use these methods to develop or modify useful traits in a predictable manner.
[0004]
Many monocotyledons are not easily infected by Agrobacterium tumefaciens, but efficient A. tumefaciens-mediated transformation systems have recently been successfully developed for several grasses such as rice (Hiei et al., 1994; Rashid et al., 1996), maize (Ishida et al., 1996) and wheat (Cheng et al., 1997). Unfortunately, however, such an A. tumefaciens-mediated transformation method has not yet been established for turfgrass except for C. bentgrass (Yu et al., 2000) (Chai and Sticklen, 1998). In particular, genetic transformation of buckwheat is further hampered by several additional technical problems, for example, the seed germination rate of turfgrass is very slow and the production of renewable callus is difficult (Asano 1989). ).
[0005]
Callus morphology is closely related to plant reproducibility, as has been demonstrated in various plant species (Armstrong and Green 1985; Ke and Lee 1996; Luo and Jia 1998). Recently, the inventors have established an efficient callus induction and plant regeneration system for shiba (Bae et al., 2001), which was filed on July 24, 2001 as Japanese Patent Application No. 2001-223278. did.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In accordance with the present invention, A. It is now possible to genetically transform a buckwheat with a gene of interest by a tumefaciens-mediated infection.
[0007]
Some potential target traits for genetic transformation of buckwheat include improved surface planting coverage, resistance to traffic damage, rapid recovery after damage, resistance to biological and abiotic stress , Growth rate manipulation (acceleration or delay), as well as shade avoidance. Of particular interest is that the growth rate and / or shade avoidance can be manipulated, resulting in a dramatic reduction in maintenance costs for irrigation and mowing.
[0008]
With the rapid accumulation of molecular biology techniques in recent years and the establishment of efficient plant culture and gene transformation systems, any gene that is important in crop science now has an impact on crop yield and quality and environmental adaptability. It can be easily introduced into any desired plant for the purpose of augmentation. In the present invention, the present inventors provide an efficient Agrobacterium tumefaciens-mediated shiba transformation method and a transgenic shiba plant having herbicide resistance.
[0009]
As used herein, the term “gene transformation” refers to a means for introducing a gene or genetic material into a target higher plant in a predictable manner. This gene or genetic material is stably integrated into the plant genome and is inherited through generations.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
(Summary of the Invention)
The present invention relates to a reliable Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation method for buckwheat, which can be routinely used for genetic transformation of buckwheat or closely related turfgrass species.
[0011]
The present invention also provides a method of genetically transforming buckwheat (genus Zoysia spp.), Which comprises the following steps: i) inducing and growing calli of shiba on modified MS medium containing various hormones Step; ii) Infecting Agrobacterium cells into the callus of this buckwheat and introducing a bialaphos resistant bar gene; A step of co-culturing callus and Agrobacterium cells of the buckwheat; iv) excluding Agrobacterium cells from the coculture medium; and v) a step of regenerating transgenic buckwheat.
[0012]
In addition, Agrobacterium cells have a pGPT-HB transformation vector and
[0013]
The present invention also provides a transgenic barn by the above-mentioned method, and this barn is stably transformed with the bar gene under the control of a plant-specific promoter. A particular promoter is the ubiquitin promoter.
[0014]
Important medium components or culture conditions evaluated in the present invention include callus type, co-culture period, 2,4-D (2,4-dichlorophenoxyacetic acid), CaCl 2 , And acetosyringone. The highest transformation efficiency was obtained when
[0015]
When this optimized transformation protocol was used for barn transformation with the bar gene, up to 20.5% of the shoots plated on selective medium showed herbicide resistance.
[0016]
Moreover, in this invention, the transgenic shiba plant which has herbicide resistance is provided. The transgenic buckwheat could survive even after spraying a 5 g / l herbicide solution daily for two weeks and eventually grew to maturity. Control plants, on the other hand, stopped growing and died when treated under the same experimental conditions.
[0017]
Thus, the present invention further provides herbicide-resistant transgenic Shiva callus (deposited under accession number KCTC-10076BP).
[0018]
The present invention relates to a method for gene transformation of shiba (Zoysia spp.), Which comprises the following steps: i) inducing and growing calli of the shiba on a modified MS medium containing various hormones; ii) infecting Agrobacterium cells with the calli of the birch and introducing a bialaphos resistance bar gene; iii) in a co-culture medium containing acetosyringone without 2,4-dichlorophenoxyacetic acid and calcium A method is provided, comprising co-culturing shiba callus and Agrobacterium cells; iv) removing Agrobacterium cells from the co-culture medium; and v) regenerating transgenic shiba.
[0019]
In one embodiment, the Agrobacterium cell has a pGPT-HB transformation vector.
[0020]
In one embodiment,
[0021]
The present invention also provides a transgenic shiba according to the above method, wherein the bar gene is stably transformed under the control of a plant-specific promoter.
[0022]
In one embodiment, the bar gene is expressed under the control of a ubiquitin promoter.
[0023]
The present invention further provides a transgenic Shiba callus into which a bialaphos resistance bar gene (KCTC-10076BP) has been introduced.
[0024]
The above callus is based on the Budapest Treaty, dated 21 September 2001, Korea Collection for Type Cultures (# 52 Own-Dong, Yuson-ku, Taejon, Seoul, 305-333, Republic).
of Korea) with the registration number KCTC-10076BP.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Detailed description of the invention)
Agronomically important plant genetic transformation is a potential method for developing new varieties of plant species with new or improved useful traits. Target traits associated with crop plants include improved or delayed growth rates, increased resistance to biological and abiotic stresses, increased yields, and flexible adaptability to environmental changes. Pre-required for successful genetic transformation of plants is a reliable system for tissue culture and plant regeneration and a robust delivery device of genetic material. With recent advances in plant molecular biology and methodology, any gene of interest can be easily delivered to any plant species of interest. However, some crop plants (especially monocotyledonous plants) are cumbersome to genetic manipulation and are not easy to carry out plant regeneration in ordinary laboratories. Turfgrass is widely used for a variety of purposes (including golf courses, turflands, residential gardens, and recreation parks) and has emerged as a potential commercial target plant for recent plant biotechnological applications. It is up. However, efficient tissue culture and gene transformation systems have not been developed. As a result, biotechnological genetic manipulation of turfgrass has not progressed much.
[0026]
The present invention provides media composition and culture conditions optimized for efficient gene transformation and plant regeneration from seed-derived calli of zysiagrass. Shiva, a subtype of warm turfgrass, is widely distributed and cultivated in temperate zones including Far East Asia. In addition, growing areas have been rapidly expanding in recent years due to several advantages, such as resistance to drought damage and traffic damage. In the present invention, the most efficient transformation was achieved when
[0027]
The present invention also relates to herbicide-resistant buckwheat plants, which can survive even after spraying a bialaphos solution daily for two weeks. By growing this transgenic buckwheat in golf courses and athletic fields, it becomes easier to selectively remove weeds by simply spraying herbicides, and maintenance costs are dramatically reduced. In addition, it is expected that a small amount of fertilizer will be required to grow this transgenic buckwheat. This is because weeds that consume nutrients are efficiently removed. This transgenic buckwheat did not show any morphological distortion and grew well and was indistinguishable from the parent plant.
[0028]
The present invention can also be applied to other closely related turfgrass species as well as other monocotyledonous species, possibly belonging to the Gramineae family. Experimental procedures for the development of such genetically engineered plants are well known in the art. The present invention provides an efficient A. cerevisiae by using a highly reproducible callus line. It is the first invention for tumefaciens-mediated transformation.
[0029]
【Example】
(Example)
(Preparation of reusable callus)
Approximately 100 seeds of Zoysia japonica Steud. Matured were surface sterilized with 1 ml of 2% sodium hypochlorite with stirring in a 2 ml centrifuge tube for 15 minutes using a tube mixer. The seeds were then washed 3 times with sterile double distilled water. For callus induction, about 100 seeds were treated with 3% sucrose (w / v), 100 mg / l alpha ketoglutarate, 4 mg / l thiamine-HCl, 2 mg /
[0030]
(Characteristics of four callus types)
To investigate the morphological changes that occur in subcultures of
[0031]
(Optimization conditions for Agrobacterium infection)
including pIG121Hm; Tumefaciens disarmed strain EHA101 was used in this experiment. The pIG121Hm T-DNA contained a hygromycin resistance gene (hpt), a kanamycin resistance gene (npt), and an intron-gus gene (uidA). Agrobacterium tumefaciens cells were cultured at 160 rpm in a 100 ml Erlenmeyer flask containing 20 ml LB medium (Table 1) supplemented with 50 mg / l hygromycin, 100 mg / l kanamycin, and 100 mg / l spectinomycin (pGPTV-HB). Grow overnight at 28 ° C. with shaking.
[0032]
Table 1 shows the different media and their composition used in the Shiba transformation system.
[0033]
[Table 1]
Cells in 10 ml suspension culture were collected by centrifugation at 2500 rpm for 20 minutes in 50 ml polypropylene tubes (Becton Dickinson Labware, USA) and in 10 ml liquid infection medium (LqMSAS in Table 1) And resuspended by gentle vortexing.
[0034]
Acetosyringone was prepared by dissolving an appropriate amount of powder in dimethyl sulfoxide at a concentration of 100 mg / ml and stored at 4 ° C. in the dark. This was added to sterile media to the appropriate final concentration when required. Callus grown in MSCG4 medium were immersed for 1 minute in Agrobacterium cell suspension. After dehydration on sterile filter paper, the callus was cultured in a co-culture medium (MSAS) with 4 mg /
[0035]
Several factors were tested to optimize transformation efficiency. (1) For comparison of different callus types for invasion,
[0036]
(PGPTV-HB co-culture)
Shiva callus Optimized conditions for Tumefaciens infection include use of
[0037]
(Analysis of transgenic shiba plants)
In order to test whether the putative transgenic buckwheat plant is resistant to the herbicide, this putative transgenic buckwheat plant was added to a 5 g / l herbicide solution (1 g / l bialaphos, Meiji Seika, Japan). ) Was sprayed. In addition, genomic DNA was isolated from the leaves of transgenic plants according to the method of Roger and Bendich (1985) to study whether the herbicide resistance gene was integrated into the plant genome. 20 μg of genomic DNA digested with HindIII or BamHI was separated on a 0.8% agarose gel and nylon membrane (Hybond-N) by standard methods (Southern 1975). + ), And 32 Search was made with P-labeled hpt gene sequence or bar gene sequence. These probes were prepared by the random priming method (Sambrook et al., 1989).
[0038]
(result)
(Callus form suitable for Agrobacterium infection)
Culturing of mature seed-derived
[0039]
Table 2 shows the different growth of
[0040]
[Table 2]
The resulting four types of callus were morphologically characterized.
[0041]
A close relationship between callus morphology and shoot reproducibility has been demonstrated in various plant species (Armstrong and Green 1985; Ke and Lee 1996; Luo and Jia 1998). In Kentucky bluegrass (Poa privacyis L.), callus derived from coleoptiles and embryos can be classified into four types based on morphology and friability (Ke and Lee 1996).
[0042]
(Factors affecting transformation efficiency)
(Callus-type effect)
[0043]
Table 3 shows the transformation efficiency of different callus types. Three callus types were co-cultured at 26 ° C. in the dark for 6 days on MSAS medium without 2,4-D (see Table 1). Three replicates were measured and averaged.
[0044]
[Table 3]
GUS expression was detected on
[0045]
(Effect of 2,4-D concentration)
The transformation frequency of each callus type, determined by the number of blue spots per unit fresh weight of callus, was also affected by the 2,4-D concentration in the co-culture medium shown in Table 2. The effect of 2,4-D in the co-culture medium was examined by counting the blue spots on the callus grown on MSCG4 medium (FIG. 3). Nine days after co-cultivation, blue spots were 793 ± 145 per gram fresh weight of callus on co-culture medium without 2,4-D. However, the number of blue spots decreased as the 2,4-D concentration increased (FIG. 3). This observation suggests that 2,4-D has a negative effect on Agrobacterium-mediated transformation efficiency. This is in contrast to that observed in other plants. The positive role for active cell division in Agrobacterium-mediated transformation has been discussed in various plant species. In flax (McHughhen et al., 1989) and eggplant (Claudia et al., 2000), preculture of explants in regeneration medium containing 2,4-D prior to Agrobacterium infection is essential for efficient gene transfer. It was. Active cell division in wounded explants greatly improved the integration of T-DNA fragments into plant genomic DNA (McHughhen et al., 1989; Muthukumar et al., 1996; Claudia et al., 2000). It is possible that the co-culture medium without 2,4-D could activate Shiva callus cell division or promote its own gene transfer, although the exact molecular mechanism has not been elucidated. is there.
[0046]
(Co-culture period)
A period of 2-3 days co-culture has been commonly used in gramineous transformation (Hiei et al., 1994; Rashid et al., 1996; Dong et al., 1996; Ishida et al., 1996, Cheng et al., 1997 On the other hand, extended periods of co-culture up to 5-7 days have been shown to increase Agrobacterium-mediated transformation efficiency in lilium usitatissimum, citrange, and agapanthus (Cervera et al., 1998; Suzuki et al., 2001). Extension of the co-cultivation period results in enormous proliferation of bacterial cells and usually reduces the frequency of regeneration (Cervera et al., 1998). Although bacterial cell overgrowth was observed during the 6 day co-culture period, thorough washing with vortexing could protect the callus from bacterial contamination and did not reduce transformation efficiency (data Not shown).
[0047]
(CaCl in co-culture medium 2 concentration)
A. CaCl for tumefaciens-mediated transformation frequency 2 The effect of was investigated. Co-culture medium without calcium significantly increased the number of GUS-expressing blue spots (FIG. 4). Blue spots are CaCl 2 Was 1368 per 1 g of fresh callus weight on a coculture medium not containing CaCl. 2 It decreased as the concentration increased. However, callus growth was slower in the co-culture medium without calcium than in the medium with calcium. Therefore, callus must be quickly transferred to a callus growth medium containing calcium after co-cultivation. Similar calcium effects were observed with Hevea brasiliensis (Montoro et al., 2000).
[0048]
Calcium plays an important role in plant responses to pathogenic infections and has been discussed in recent physiology studies (Dierk 1998). This calcium-mediated plant defense mechanism can also be induced in Shiva callus when infected by Agrobacterium cells. This may explain why Shiva callus is more easily infected with co-culture medium without calcium.
[0049]
(Effect of acetosyringone concentration)
The phenolic compound acetosyringone is well known as an inducer that activates vir gene expression in the Agrobacterium Ti plasmid (Stachel et al., 1985). Acetosyringone is an Agrobacterium-mediated trait in monocotyledonous plants such as Japonica rice and Indica rice (Hiei et al., 1994; Rashid et al., 1996), Phalaenopsis, Orchid and Agapanthus (Suzuki et al., 2001). It has been shown to be important for conversion. Acetosyringone also greatly increases transformation efficiency in dicotyledonous plants such as cucumbers, broccoli, soybeans, and citrange (Nishibayashi et al., 1996; Cervera et al., 1998; Santarem et al., 1998; Henzi et al., 2000).
[0050]
When a co-culture medium without acetosyringone was used, the transformation efficiency was very low, 86.3 ± 24.0 blue spots per 1 g of callus fresh weight. When 50 mg / liter acetosyringone was added to the co-culture medium, the number of blue spots increased significantly 9-fold (FIG. 5). However, concentrations higher than 100 mg / liter had a negative effect on transformation. In particular, callus co-cultured on a medium containing 200 mg / l acetosyringone did not grow on the callus culture medium after co-culture.
[0051]
(Transformation of Shiba with bar gene)
Established protocol for genetically transforming buckwheat plants with the pGPTV-HB transformation vector containing the herbicide resistance gene (bar) to evaluate the optimal transformation system for the buckwheat plants Applied. The main components of this protocol were the use of
[0052]
Selection was performed only on rooting media containing 10 mg / liter hygromycin or 5 mg / liter bialaphos. Rooted shoots appeared after 4 weeks. When the rooted shoots are subcultured again on fresh selection medium for 2-4 weeks, the escape roots rooted on the first selection medium will eventually die, while the estimated true Transgenic plants rooted and actively expanded. The frequency of resistant plants was about 20.5% (Table 4).
[0053]
Table 4 shows A.I. The survival rate of the shoot regenerated from the callus infected with tumefaciens is shown. Shoots regenerated from callus infected with EHA101 (pGPTV-HB) were cultured for 4 weeks on MSRS medium (see Table 1) containing 5 mg / liter bialaphos (B) and 10 mg / liter hygromycin (H). did. Viability represents the number of resistant plants produced / number of sown shoots multiplied by 100.
[0054]
[Table 4]
(Herbicide resistance assay for transgenic shiba plants)
After transgenic and non-transgenic plants were established in the soil, they were applied daily with a 5 g / liter herbicide solution (Meiji Seika, Japan) for two weeks. After two weeks of spraying with the herbicide solution, the transgenic plants survived the bialaphos application and grew to maturity. However, the control plants stopped growing and eventually died (FIG. 3). This result indicates that the bar gene is normally expressed in transgenic plants.
[0055]
(DNA gel blot analysis)
In order to confirm that the herbicide resistance of transgenic buckwheat plants was derived from the bar gene integrated into its plant genome, bialaphos resistant plants were analyzed by DNA gel blot analysis. Genomic DNA was isolated from transgenic plants, digested with HindIII, and hybridized with a bar or hpt specific probe (FIG. 6A). At the same time, genomic DNA from control plants was also analyzed in the same manner. The control sample did not show any band (FIG. 7B, lane c; FIG. 7C, lane c). On the other hand, the sample from the transgenic plant showed a band that hybridizes specifically with the bar and hpt specific probes (FIG. 7B,
[0056]
Shiba A. in the present invention. The tumefaciens-mediated transformation system speeds up the genetic manipulation of barn as well as closely related turfgrass species. The present invention provides optimized media composition and culture conditions for genetic transformation of buckwheat, since the gene of interest improves resistance to biological and abiotic stresses , And especially when it should be introduced into the shiba to adjust the growth rate.
[0057]
(References)
[Table 5]
(wrap up)
The present invention provides an efficient gene transformation system for Zoysia japonica Steud. Optimized media composition and culture conditions for shiba transformation are also provided. A reliable transformation system for this barn was developed by optimizing several factors that significantly affect callus growth and plant regeneration. Callus type and co-cultivation period absolutely affected transformation efficiency. 2,4-D, CaCl 2 And the concentration of acetosyringone was also an important factor. The best results were achieved when
[0058]
【The invention's effect】
In accordance with the present invention, A. It is now possible to genetically transform a buckwheat with a gene of interest by a tumefaciens-mediated infection.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a photograph showing four different types of callus grown on callus growth medium. (A)
FIG. 2 shows A.1 carrying pGPTV-HB vector (see FIG. 7). It is a photograph which shows transgenic GUS expression in Shiba callus infected with tumefaciens. (A) Transgenic GUS expression in Shiva callus. (B) A. Rapid growth of callus on MSCGCB medium loaded with filter paper and free of antibiotics after Tumefaciens infection. (C) Induction of shoots on shoot induction medium placed on filter paper and free of antibiotics. (D) Shoot growth and rooting on a bialaphos-containing medium. A. Shoots derived from Tumefaciens-infected calli were cultured on selective rooting medium MSRS containing 5 mg / l bialaphos.
FIG. 3 shows the effect of 2,4-D on transformation efficiency. Blue spots per gram fresh weight of callus cultured on callus growth medium containing different concentrations of 2,4-D were counted.
FIG. 4 shows CaCl versus transformation efficiency. 2 The effect of Different concentrations of CaCl in the medium 2 As described in the brief description of FIG. Tumefaciens-infected calli were cultured.
FIG. 5 shows the effect of acetosyringone on transformation efficiency. This experiment was performed as described in the brief description of FIG. 3, except that different concentrations of acetosyringone were included.
FIG. 6 is a photograph showing a transgenic shiba plant (right) and a parent shiba plant (left). These buckwheat plants were sprayed with herbicide solution daily (5 g / l bialaphos) for 2 weeks. (A) Plants that were not sprayed with the herbicide solution. (B) Plant sprayed daily with herbicide solution for 2 weeks.
FIG. 7 shows a schematic of the transformation vector and Southern blot analysis to confirm the presence of the herbicide resistance (bar) gene in the plant genome. (A) Vector map of transformation vector pGPTV-HB. Pnos, promoter of nopaline synthase gene; Hyg R Hygromycin resistance gene (hpt); NOS, nopaline synthase gene terminator; Ubi-P, corn-derived ubiquitin promoter; Bar, bialaphos resistance gene; B, BamHI; E, EcoRI; H, HindIII; S, SacI . (B) and (C) Southern blot analysis of transgenic shiba plants. Genomic DNA was digested with either HindIII (lane 1) or BamHI (lane 2). Either the bar (B) probe or the hpt (C) probe was hybridized to the membrane. Genomic DNA from untransformed plants was included as a negative control (lane c).
Claims (3)
i)3%スクロース(w/v)、100mg/l αケトグルタル酸、4mg/l チアミン−HCl、2mg/l 2,4−D、0.2mg/l BA、および0.2%ゲルライト(w/v)を含有するMS培地上で、該シバの種子から得たカルスを誘導および生長させる工程;
ii)該シバのカルスにAgrobacterium細胞を感染させ、ビアラフォス抵抗性barのDNAコード配列を該シバのカルスに導入する工程;
iii)2,4−ジクロロフェノキシ酢酸およびカルシウムの両方を含まずにアセトシリンゴンを含有する共存培養培地中で、シバのカルスおよびAgrobacterium細胞を共存培養する工程;
iv)該共存培養培地から該Agrobacterium細胞を除去する工程;ならびに
v)該カルスをトランスジェニックシバへと再生する工程
を包含する、方法。A method for genetic transformation of Shiba (genus Zoysia), comprising the following steps:
i) 3% sucrose (w / v), 100 mg / l alpha ketoglutaric acid, 4 mg / l thiamine-HCl, 2 mg / l 2,4-D, 0.2 mg / l BA, and 0.2% gellite (w / v) inducing and growing callus obtained from the seeds of the buckwheat on MS medium containing v) ;
ii) infecting Agrobacterium cells into the birch callus, and introducing a DNA coding sequence of bialaphos resistant bar into the birch callus ;
iii) co-culturing shiba callus and Agrobacterium cells in a co-culture medium containing acetosyringone without both 2,4-dichlorophenoxyacetic acid and calcium;
step to remove the Agrobacterium cells from iv) the coculture medium; and v) comprising the step of reproducing the said callus into transgenic Sheba method.
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