JP3914348B2 - Method for modifying cell wall components of plants - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、植物の細胞壁合成に関与するセルラーゼ様タンパク質をコードする遺伝子を利用した植物の細胞壁成分の改変に関する。
【0002】
【従来の技術】
植物において細胞壁成分を改変することは、工業や農業の分野において、様々な重要な意義を有する。例えば、植物の細胞璧成分の改変は、セルロース・ヘミセルロース含量を高めることによるパルプ等繊維原材料植物や、有用な農作物および飼料作物の消化吸収効率の向上などをもたらし、経済性や収益性の点で有意義である。また、細胞壁成分である多糖の構造変化により、新たな産業的価値を有する原材料植物の作出をもたらすことも可能である。
【0003】
細胞壁およびそれに類する多糖成分の合成は、バクテリア・菌類・植物だけでなく動物でも行われている。細胞壁合成の分子レベルでの研究は、その産業的重要性にもかかわらず、あまり解析は行われていない。植物の細胞壁合成の分子レベルでの研究に関しては、近年、分子遺伝学の手法を用いて解析が行われはじめた。細胞壁合成に関与する遺伝子としては、これまでに例えば、セルロース合成酵素などが報告されている(T. Arioli et al. Molecular analysis of cellulose biosynthesis in Arabidopsis. Science (1998) 279:717-720)。しかし、細胞壁合成に関わる遺伝子としては、いまだ単離されていない多くの遺伝子が存在すると考えられ、細胞壁合成に関しては未知の機構が存在すると考えられている(参考文献:Y. Kawagoe and D. P. Delmer, Pathway and genes involved in cellulose biosynthesis; Genetic engineering 19 Plenum Press, New York, 1997;K. Nishitani, Construction and Restructuring of the cellulose-xyloglucan framework in the apoplast as mediated by the xyloglucan-related protein family-A hypotheticalscheme. J. Plant Res. 111:159-166, 1998)。
【0004】
一方、細胞壁を分解する酵素としては、セルラーゼが知られている。セルラーゼは、β-1,4結合した多糖を分解する酵素(Endo β-1,4 glucanase)として、これまでにバクテリア・菌類・粘菌・植物などで報告されている(Beguin, P. Annu. Rev. Microbiol. 44, 219-248. 1990)。アミノ酸配列の疎水性解析から判別される活性部位から、6若しくはそれ以上のクラスにわけられることが示されている。それらのうち、植物のセルラーゼはEファミリーに属する(Beguin, P. Annu. Rev. Microbiol. 44, 219-248. 1990)。バクテリア等のEファミリーセルラーゼは、典型的なセルロース結合ドメインを保持しており、細胞外に分泌され結晶セルロースを分解することができる。バクテリア等は分解産物であるグルコースを栄養源にしている。
【0005】
高等植物のセルラーゼは、生長・発生・分化などに伴い、細胞自身の細胞壁の改変に関係しているといわれている(D. J. Cosgrove,. How do plant cells extend? Plant Physiol. 102, 1-6, 1993)。そのため、セルラーゼは細胞外に分泌される必要があり、これまでに報告された植物のセルラーゼには、全て分泌のためのシグナルペプチドが存在する(Z. Shani, M. Dekel, G. Tsabary and O. Shoseyov. Plant Mol. Biol. 34. 837-842, 1997. M. L. Tucker, R. Sexton, E. del Campillo and L. N. Lewis. Plant Physiol. 88:1257-1262. 1988)。
【0006】
植物の生長や分化時には、細胞壁の構造や性質などの変化が生じている。例えば、新たな細胞壁の合成や、既にある細胞壁多糖の修飾・再構築などが生じ、それにより細胞の大きさ、形、機能などが変化していく。これまでに植物のセルラーゼは、バックボーンとしてβ-1,4グルカン鎖をもつヘミセルロースもしくはセルロースを標的として機能すると示唆されている(Y.-S. Wong, G. B. Fincher and G. A. Maclachlan. J. Biol. Chem. 252, 1402-1407. 1977. T. Hayashi, Y.-S. Wong and G. A. Maclachlan. Plant Physiol. 75, 605-610, 1984)。しかしながら、結晶セルロースを分解するために必要なセルロース結合ドメインを保持していないなどの矛盾点が存在するため、植物中ではセルラーゼが実際に何を標的に機能しているかは明確にされておらず、バクテリア等のセルラーゼと比べ、高等植物での知見は非常に乏しい。
【0007】
ところで本発明者らは、化学突然変異剤EMSによって処理したシロイヌナズナの集団の中に、#66という検索番号が付与された、細胞や器官の形状が異常な突然変異体を見出した(平成8年8月25日 第7回シロイヌナズナワークショップ、平成9年3月27日 日本植物生理学会1997年度年会、平成9年11月13日 第8回シロイヌナズナワークショップ、平成10年5月3日 日本植物生理学会1998年度年会)。この突然変異はacw1(altered cell wall 1)と名付けられ、この突然変異の原因となっている遺伝子がACW1遺伝子と命名された。しかしながら、ACW1遺伝子についてはいまだ単離されていない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、植物の細胞壁合成に関与する酵素をコードする遺伝子を利用して、植物の細胞壁成分を改変することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ポジショナルクローニングの手法を用いることにより、植物の細胞壁合成の異常をもたらすACW1変異の原因となる単一の遺伝子を広大な染色体領域において同定し、単離することに成功した。本発明者らは、単離したACW1遺伝子の塩基配列を決定し、これと構造的に関連した遺伝子のデーターベース検索を行い、ACW1遺伝子と同一遺伝子をデーターベース上に見出した。この遺伝子は、細胞壁分解酵素としてこれまで知られてきた植物の分泌型セルラーゼのホモログとして特徴づけされていた。
【0010】
しかしながら、本発明者らがacw1変異体の細胞壁成分につき種々の解析を行った結果、驚くべきことに、ACW1遺伝子がコードするタンパク質(以下、「ACW1タンパク質」と称する)が、細胞壁の分解というよりもむしろ合成に関わる機能を持つことを見出した。細胞壁の合成に関与するセルラーゼに関する報告は、これまでになされていない。本発明者らは、このようなACW1タンパク質の性質から、ACW1遺伝子を利用することにより、植物の細胞壁成分を改変することが可能であることを見出した。
【0011】
本発明は、植物の細胞壁合成に関与するセルラーゼ様タンパク質をコードする遺伝子を利用した植物の細胞壁成分の改変に関し、より具体的には、
(1) 植物の細胞壁成分を改変するために用いる、下記(a)から(d)より選択されるDNA、
(a)配列番号:1に記載のアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするDNA。
(b)配列番号:1に記載のアミノ酸配列において1もしくは複数のアミノ酸が置換、欠失および/もしくは付加したアミノ酸配列を有し、配列番号:1に記載のアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質をコードするDNA。
(c)配列番号:2に記載の塩基配列のコード領域を含むDNA。
(d)配列番号:2に記載の塩基配列からなるDNAとハイブリダイズするDNAであって、配列番号:1に記載のアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質をコードするDNA。
(2) 植物の細胞壁成分がグルカン鎖である、(1)に記載のDNA、
(3) (1)における(a)から(d)より選択されるDNAを使用することを特徴とする、植物の細胞壁成分を改変する方法、
(4) 植物の細胞壁成分がグルカン鎖である、(3)に記載の方法、
(5) (1)における(a)から(d)より選択されるDNAの導入および発現により、野生型の植物体と比較して、細胞壁成分が改変されている形質転換植物体、
(6) 植物の細胞壁成分がグルカン鎖である、(5)に記載の植物体、
に関する。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明は、植物の細胞壁成分を改変するための、植物の細胞壁の合成に関与するセルラーゼ様タンパク質をコードするDNAの利用に関する。本発明における植物の細胞壁成分の改変は、具体的には、植物の細胞壁の合成に関与するセルラーゼ様タンパク質をコードするDNAを保持する形質転換植物体を作出することにより行う。細胞壁成分の改変に用いるDNAとしては、「ACW1」遺伝子が好ましい。
本発明者らにより単離された「ACW1」遺伝子のcDNAの塩基配列を配列番号:2に、ゲノムDNAの塩基配列を配列番号:3に示す。
【0013】
本発明の植物の細胞壁成分の改変においては、「ACW1」タンパク質と同等の機能を有するタンパク質をコードする限り、「ACW1」遺伝子以外のDNAを用いることも可能である。このようなDNAとしては、例えば、「ACW1」タンパク質のアミノ酸配列(配列番号:1)において、1もしくは複数のアミノ酸が置換、欠失および/もしくは付加したアミノ酸配列を有し、「ACW1」タンパク質と機能的に同等なタンパク質をコードするDNAが挙げられる。本発明において「機能的に同等」とは、タンパク質が植物の細胞壁合成、より具体的にはグルカン鎖の合成において機能することを指す。タンパク質が植物の細胞壁合成において機能するか否かは、例えば、変異株において「ACW1」遺伝子を発現させることによる機能相補試験により、また「ACW1」遺伝子の発現制御や「ACW1」タンパク質の機能阻害による植物の細胞壁合成の変化、例えば、細胞壁成分の変化(非結晶グルカンの蓄積)、器官や細胞形態の変化として検出することが可能である。「ACW1」タンパク質のアミノ酸配列の人工的な改変は、例えば、変異や置換であれば「Transformer Site-directed Mutagenesis Kit」や「ExSite PCR-Based Site-directed Mutagenesis Kit」(Clontech社製)を用いて行うことが可能であり、また、欠失であれば「Quantum leap Nested Deletion Kit」(Clontech社製)などを用いて行うことが可能である。アミノ酸の改変数は、通常、50アミノ酸以内であり、好ましくは30アミノ酸以内であり、さらに好ましくは10アミノ酸以内であり、さらに好ましくは3アミノ酸以内である。また、アミノ酸の変異はこのような人工的なもののみならず、自然界においても生じることがある。
【0014】
本発明者らは、acw1変異において、ACW1遺伝子の1355位の塩基グアニンのアデニンへの置換(それにより429位のアミノ酸グリシンからセリンへと置換される)が、温度感受性変異タンパク質(低温条件下では植物に野生型の表現系を付与するが、高温条件下では異常な表現系を付与する)を生じることを見出している(実施例1)。本発明においては、このように特定の温度下において「ACW1」と同等の機能を示すタンパク質も用いることが可能である。このようなタンパク質は温度調節により、機能を制御することができる点で有用である。
【0015】
また、本発明においては、「ACW1」タンパク質と機能的に同等なタンパク質をコードする限り、「ACW1」遺伝子の塩基配列と相同性を示す塩基配列を有する他の植物種由来のDNAを用いることも可能である。このようなDNAは、例えば、「ACW1」遺伝子の塩基配列の全部若しくは一部をプローブとしたハイブリダイゼーション技術(Southern 1975 J. Mol. Biol. 98:503、Maniatis et al. Molecular Cloning Cold Spring harbor Laboratry Press)により、また「ACW1」遺伝子に特異的にハイブリダイズするオリゴヌクレオチドをプライマーとしたPCR技術(島本功、佐々木卓治 監修、「植物のPCR実験プロトコール」(細胞工学別冊、植物細胞工学シリーズ2)秀潤社 1995年4月10日発行)を利用して単離することができる。「機能的に同等」とは、上記と同様に、タンパク質が植物の細胞壁合成、より具体的にはグルカン鎖の合成において機能することを指す。ハイブリダイズ技術やPCR技術により得られるDNAは、「ACW1」タンパク質と同等の機能を有するタンパク質をコードする場合には、通常、「ACW1」遺伝子と高い相同性を有する。高い相同性とは、それぞれのDNAがコードするアミノ酸のレベルにおいて45%以上の相同性、好ましくは60%以上の相同性、さらに好ましくは75%以上の相同性、さらに好ましくは90%以上の相同性、さらに好ましくは95%以上の相同性を指す。このような遺伝子を単離するためのシロイヌナズナ以外の植物としては、例えば、イネ、トウモロコシ、ジャガイモ、タバコ、綿、アカシア、マツ、スギ、ユーカリ、ポプラなどが挙げられるが、これらに制限されない。
【0016】
これらDNAを植物細胞内で発現させるためには、(i)植物細胞で転写可能なプロモーター配列の下流に連結されたDNA分子と、(ii)必要に応じて該遺伝子の下流に連結された転写産物の安定化に必要なポリアデニレーション部位を含むターミネーター配列、を含む発現カセットを植物細胞に導入する。
【0017】
発現カセットは、挿入されているDNAを恒常的または誘導的に発現させるためのプロモーターを含有しうる。恒常的に発現させるためのプロモーターとしては、例えば、カリフラワーモザイクウイルスの35Sプロモーター(Odell et al. 1985 Nature 313:810)、イネのアクチンプロモーター(Zhang et al. 1991 Plant Cell 3:1155)、トウモロコシのユビキチンプロモーター(Cornejo et al. 1993 Plant Mol. Biol. 23:567)などが挙げられる。また、誘導的に発現させるためのプロモーターとしては、例えば糸状菌・細菌・ウイルスの感染や侵入、低温、高温、乾燥、紫外線の照射、特定の化合物の散布などの外因によって発現することが知られているプロモーターなどが挙げられる。このようなプロモーターとしては、例えば、糸状菌・細菌・ウイルスの感染や侵入によって発現するイネキチナーゼ遺伝子のプロモーター(Xu et al. 1996 Plant Mol.Biol.30:387)やタバコのPRタンパク質遺伝子のプロモーター(Ohshima et al. 1990 Plant Cell 2:95)、低温によって誘導されるイネの「lip19」遺伝子のプロモーター(Aguan et al. 1993 Mol. Gen Genet. 240:1)、高温によって誘導されるイネの「hsp80」遺伝子と「hsp72」遺伝子のプロモーター(Van Breusegem et al. 1994 Planta 193:57)、乾燥によって誘導されるシロイヌナズナの「rab16」遺伝子のプロモーター(Nundy et al. 1990 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87:1406)、紫外線の照射によって誘導されるパセリのカルコン合成酵素遺伝子のプロモーター(Schulze-Lefert et al. 1989 EMBO J. 8:651)、嫌気的条件で誘導されるトウモロコシのアルコールデヒドロゲナーゼ遺伝子のプロモーター(Walker et al. 1987 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 84:6624)などが挙げられる。また、イネキチナーゼ遺伝子のプロモーターとタバコのPRタンパク質遺伝子のプロモーターはサリチル酸などの特定の化合物によって、「rab16」は植物ホルモンのアブシジン酸の散布によっても誘導される。
【0018】
発現カセットが導入される植物細胞としては特に制限はない。細胞壁成分を改変することを望む植物体の細胞を用いることができる。例えば、シロイヌナズナ、イネ、トウモロコシ、ジャガイモ、タバコ、綿、アカシア、マツ、スギ、ユーカリ、ポプラなどの細胞が挙げられる。発現カセットが導入される植物細胞としては、培養細胞の他、植物体中の細胞も含まれる。また、プロトプラスト、苗条原基、多芽体、毛状根も含まれる。植物細胞へのベクターの導入は、例えば、アグロバクテリウムを利用した導入方法(Hood et al. 1993 Transgenic Res. 2:218、Hiei et al. 1994 Plant J. 6:271)、エレクトロポレーション法(Tada et al. 1990 Theor. Appl. Genet 80:475)、ポリエチレングリコール法(Lazzeri et al. 1991 Theor. Appl. Genet 81:437)、パーティクルガン法(Sanford et al. 1987 J. Part. Sci. tech. 5:27)など当業者に公知の種々の方法を用いることが可能である。
【0019】
形質転換された植物細胞は、再生させることにより植物体を作出することができる。再生の方法は植物細胞の種類により異なるが、例えば、イネであればFujimuraら(Plant Tissue Culture Lett. 2:74 (1995))の方法が挙げられ、トウモロコシであればShillitoら(Bio/Technology 7:581 (1989))の方法やGorden-Kammら(Plant Cell 2:603(1990))が挙げられ、ジャガイモであればVisserら(Theor. Appl. Genet 78:594 (1989))の方法が挙げられ、タバコであればNagataとTakebe(Planta 99:12(1971))の方法が挙げられ、シロイヌナズナであればAkamaら(Plant Cell Reports12:7-11 (1992))の方法が挙げられる。これにより作出された植物体またはその繁殖媒体(例えば、種子、塊茎、切穂など)から得えた植物体は、野生型の植物体と比較して、本発明のタンパク質の発現が変化し、これにより細胞壁成分が改変される。「細胞壁成分の改変」としては、細胞壁成分の量的変化、質的変化および細胞形態の変化を含む。細胞壁成分としては、好ましくはグルカン鎖である。グルカン鎖の改変は、グルカンの重合度(重合している糖の数)の調整(グルカンの重合度には、例えば、針葉樹型、広葉樹型、双子葉型、単子葉型がある)、結晶化度(グルカンが束ねられて形成される繊維の太さであり、繊維強度の決定要素である)の調整を含む。
【0020】
植物における細胞壁成分の改変は、多くの利点を有する。細胞壁成分の増加は、例えば、植物の成長量の増加、パルプ等繊維原の増加をもたらすことができ、細胞壁成分の質的変化は、新素材の開発や飼料作物の消化吸収効率の増加をもたらすことができる。また細胞形態の変化は新たな美的価値を有する鑑賞用植物の作出などへ応用することも考えられる。
【0021】
【実施例】
以下に本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に制限されるものではない。なお、DNAの切断、連結、大腸菌の形質転換、遺伝子の塩基配列決定、ハイブリダイゼーション等一般の遺伝子組換えに必要な方法は、各操作に使用する市販の試薬、機械装置等に添付されている説明書や、実験書(例えば「Molecular cloning (Maniatis T. et al. Cold Spring Harbor Laboratory Press)」)に基本的に従った。また、シロイヌナズナの寒天培地や土壌を用いた育成、交配、ゲノムDNAの調製は実験書(例えば「モデル植物の実験プロトコール(秀潤社)」)に基本的に従った。
【0022】
[実施例1] ACW1遺伝子の単離
まず、ACW1遺伝子の染色体上の位置を決定するために、分子マーカーを用いてマッピングを行った。acw1(altered cell wall 1)変異体はシロイヌナズナのコロンビアエコタイプにおいて見出されているため、この変異体に、別のエコタイプであるランズバーグ・エレクタ種を交配し、次世代の種子を採種し、それを生育させ、自殖させてF2世代の種子を得た。このF2世代の種子を発芽させ、育成した植物(830個体)からゲノムDNAを抽出した。これらのゲノムDNAを、マーカーとして自ら作製した「2I5,2.2」、「miP5-9,1.1」をそれぞれを用いて、同ゲノムDNAに対して、PCR法により組換価を算出した。具体的には、「2I5,2.2」を増幅することができる2種類のPCRプライマー「配列番号:4/5-TCAAATAGATATATGTAATATGTTTCGC-3」、「配列番号:5/5-CAATAAATAATTATACAAAACTTTCAAG-3」を合成し、これらを用いて、F2世代のゲノムDNAをPCR法を用いて増幅させ、アガロース電気泳動で調べた。この分子マーカーでは、ランズバーグ種は112bpにコロンビア種は110bpにバンドを示すため、これに基づいて計算したところ、ACW1遺伝子と同マーカーとの間には1染色体で組み換えが認められた。次に「miP5-9,1.1」を増幅することができる2種類のPCRプライマー「配列番号:6/5-TACTTAATAAAGTAGGATAATGTCG-3」、「配列番号:7/5-GAACATGAATTCATGTGTTACACTG-3」を合成し、これらを用いて、F2世代のゲノムDNAをPCR法を用いて増幅させ、アガロース電気泳動で調べた。この分子マーカーでは、ランズバーグ種は87bpにコロンビア種は91bpにバンドを示すことが知られているため、これに基づいて計算したところ、ACW1遺伝子と同マーカーとの間には1染色体で組み換えが認められた。
【0023】
以上のようにして、ACW1遺伝子を含む染色体上の領域が、「2I5,2.2」、「miP5-9,1.1」の2つの分子マーカーによって挟まれていることが確認された。そこで、分子マーカー「2I5,2.2」、「miP5-9,1.1」をそれぞれを含むゲノムDNA断片を単離して、遺伝子単離を進めることにした。具体的には、60-90kbpのシロイヌナズナコロンビア種のゲノムDNAで構成されるゲノムDNAライブラリー(約10000クローン)を「2I5,2.2」、「miP5-9,1.1」をプローブとしてスクリーニングし、「2I5,2.2」プローブで3つのクローン(TAC6M17, 12J22, 13F4と命名した)を、「miP5-9,1.1」プローブで2つのクローン(TAC15E4, 9P8と命名した)を得た。「TAC15E4」の「left」側(「2I5,2.2」側)のDNA断片(約600b)(この断片を「15E4-L」と称する)を、TAIL-PCR法(植物のPCR実験プロトコール(秀潤社))を用いて単離した。この際、TAIL-PCR法にはプライマーとしてL1、L2、L3、AD2を用いた。単離したDNA断片の塩基配列をもとに「15E4-L」を増幅することができる2種類のPCRプライマー「配列番号:8/5-GCTTATAAATGGGTATAAACCTATCAGC-3」、「配列番号:9/5-TGCTTAATTCTCCGGTAACATTACCGGC-3」を合成し、これらを用いて、ランズバーグ種とコロンビア種のゲノムDNAをPCR法を用いて増幅させ、塩基配列を解読したところ、ランズバーグ種ではプライマー(配列番号:8)より96位の塩基配列がGに、コロンビア種ではTであることが認められ、このDNA断片は分子マーカーとして利用できることが判明した。そこで、ACW1遺伝子とこの新しいマーカーとの距離を、前述のF2植物で算出したところ、1660染色体間で、組み替えは見られなかった。
【0024】
TACゲノムDNAライブラリーは、挿入されたDNA断片を直接、アグロバクテリウムを介して植物に遺伝子導入できるベクター(TACベクター)で作製されているので、TAC6M17, 12J22を胚軸カルストランスフォーメーション法を用いて、acw1変異体に遺伝子導入した。胚軸カルストランスフォーメーションは「KazuhitoAkama, Hideaki Shiraishi, Shozo Ohta, Kenzo Nakamura, Kiyotaka Okada and Yoshiro Shimura; Efficient transformation of Arabidopsis thaliana: comparison of theefficiencies with various organs, plant ecotypes and Agrobacterium strains」「Plant Cell Reports (1992)12:7-11」の方法に従い、また、アグロバクテリアとしてはMP90株を用いた。その結果2個体で野生型に表現型が回復した。つまり、この「TAC6M17」、「12J22」クローンに含まれるゲノムDNA断片の重複する領域に、ACW遺伝子が含まれることになる。
【0025】
そこで、この領域のDNA断片の塩基配列を解読した。「2I5,1.1」マーカーと上記のDNA領域との間には、4つの遺伝子が存在することが予想された。そこで、この4つの仮想遺伝子の野生型の塩基配列を、acw1変異体に関して比較したところ、セルラーゼホモログとして登録されているcDNA(登録番号U37702)に相当する遺伝子領域において、突然変異が生じていることが判明した。この4個の遺伝子のなかでは、セルラーゼホモログのみが、acw1変異体において塩基配列の変異が認められることから、同遺伝子がACW1遺伝子であることが判明した。
【0026】
ACW1遺伝子の全長cDNAを、λZAPIIcDNAライブラリー(STRATAGENE社)より単離したところ、5個のイントロンが含まれていた。遺伝子からコードされるアミノ酸配列を解析したところ、セルラーゼに相同性が見られた。一般的に植物のセルラーゼは、菌類のセルラーゼが持つセルロース結合ドメインを持たない、膜外に分泌されるためのシグナル配列を持つなどの特徴があるが、インビボで何を標的にしているかは明らかにされていない。ACW1遺伝子の産物もセルラーゼとして働いていると考えられる。しかしながら、▲1▼分子量が大きい(ACW1は69kD、他のほとんどは約54kD程度)、▲2▼シグナル配列を持っていない、▲3▼N末端側にチャージアミノ酸領域が存在する、▲4▼膜貫通ドメインを持つ、などの特徴から他のセルラーゼとは異なる新規のファミリーに属すると考えられる。
【0027】
[実施例2] acw1変異体の組織化学的解析
1/2B5培地に無菌播種して7日目の根および下胚軸を切り取り、それら試料を3%グルタールアルデヒド液中で4℃で固定した。試料をリン酸バッファー(pH7.0)で洗浄した(2〜4℃)。なお、バッファーは10〜20分間隔で4〜6回入れ替えた。次いで、1% OsO4・3% KMnO4液で1〜2時間固定し、その後上記リン酸バッファーで洗浄した。試料をアルコールシリーズ(30, 50, 70, 90, 99.5, 99.5, 99.5%エタノール)に各10〜20分間浸し脱水を行った。試料をプロピレンオキシドに20分間隔で4回浸し、次いでエポキシ樹脂(Quetol 812)に3〜6時間浸し浸透させた。試料を包埋用の型に入れ、エポキシ樹脂(Quetol 812)、硬化剤(DDSA)、加速剤(DMP-30)を加えた包埋用樹脂を注いだ。35℃の恒温器内に1日、次いで45℃の恒温器内に1日、次いで60℃の恒温器内に1日静置した。十分な硬化を確認後、45℃の恒温器内に数日〜1週間静置した。型から試料を取り出し、電顕用ミクロトームで0.1μmの超薄切片サンプルを作製した。この超薄切片サンプルを、ウラニルアセテート・クエン酸鉛染色、もしくはPATAgで染色した後、透過型電子顕微鏡で観察した(前者はヘミセルロースやペクチンなどの非結晶の多糖を、後者は非結晶の糖を染色する作用を有する)。
【0028】
この電子顕微鏡による組織化学的な解析の結果、acw1変異体の根切片におけるウラニルアセテート・クエン酸鉛染色では非結晶グルカンの蓄積が認められた(図1B,C)が、野生型では認められなかった(図1A)。下胚軸切片においても同様の結果が得られた(図2)。また、根切片におけるPATAg染色においても、同様にacw1変異体にのみ非結晶グルカンの蓄積が認められた(図3)。これらの非結晶性のグルカンは、本来より長いグルカン鎖へと転移され結晶化する。非結晶のグルカンが蓄積していることから、ACW1セルラーゼ遺伝子は、グルカン転移活性を持った新規セルラーゼであると考えられた。従来、分解活性の機能のみが予想されてきた高等植物のセルラーゼであるが、ACW1遺伝子産物は細胞壁の分解よりもむしろ合成に関わる機能を持つことが証明された。このようなセルラーゼは、ACW1遺伝子をおいて他に報告例はない。
【0029】
[実施例3] acw1細胞壁成分の分析
21℃で2週間生育させた後、31℃で2週間生育させたacw1変異体の、地上部の細胞壁成分を調べた。細胞壁成分分析のための細胞壁粗精製サンプルの調製は、Zablackisらの方法(Zablackis et al, Plant Physiol,107,1129-1138(1995))に従った。まず、液体窒素中で凍らせた植物を乳鉢ですりつぶし、リン酸バッファー(pH7.0)を加え、これを遠心チューブにピペットで移した。ポリトロンで破砕(130rpm, 45秒, 3回)した後、遠心(9,500rpm, 10分, 4℃)した。上清を捨てリン酸バッファーを加え、上記の破砕・遠心を再度行った。これをもう一度(計3回)繰り返した。沈殿を洗浄するため、蒸留水を加え遠心(9,500rpm, 10分, 4℃)した。これを計4回行った。70%エタノールを加え、よく懸濁し一晩(4℃)置いた。遠心して回収後、クロロフォルム/メタノール(1:1)液を加えスターラーで撹拌した(30分)。遠心(9,500rpm, 15分, 4℃)後上清を捨て、もう一度クロロフォルム/メタノール(1:1)抽出を行った。これらのクロロフォルム/メタノール(1:1)抽出液は、濃縮エバポレーターで濃縮乾固した(これを実施例5の薄層クロマトグラフィー等に用いた)。遠心回収後の沈殿にフェノール/酢酸/水(2:1:1)を加え、スターラーで室温で1時間撹拌し、遠心(9,500rpm, 15min. 4℃)した。これをもう一度繰り返した後、100%エタノールを加え、洗浄し、遠心した。さらに蒸留水で2回洗浄した後、アミラーゼ処理(0.1M リン酸バッファー+α-アミラーゼ 2mg/ml(Sigma社) Aspergillus oryzae由来+トルエン5滴)を、48時間、緩やかに振とうしながら行った。遠心後、上清を捨て、蒸留水で5回洗浄した。最終的に回収した沈殿を細胞壁粗精製サンプルとした。これを-80℃で保存し、必要な量を解凍して分析に用いた。
【0030】
このサンプルを用いて糖定量を行った。まず、調製した細胞壁サンプルを、適当量とり凍結乾燥させた。ガラス管に5mg測り取り、2Mのトリフルオロ酢酸(TFA)を2.5ml(0.5ml TFA/1mg 細胞壁)加え、オイルバス中で121℃で1時間インキュベートし、非結晶糖を加水分解した。室温まで自然冷却した後、遠心(5,00rpm, 10分, 卓上遠心機)して上清と残磋(沈殿)に分けた。残磋に蒸留水を加え、遠心して上清を取り、先に採取した上清に加えた。上清は、乾固した後に、蒸留水1mlに溶かし、糖定量を行った。残磋に72%H2SO4を加え、室温で2時間静置した。途中で緩やかに撹拌し溶かした。蒸留水で35倍に希釈し沸騰水中で2時間ボイルし、完全に加水分解した。ボイル後、氷中に置き冷却し、メスシリンダーでメスアップし、糖定量を行った。糖定量は、全糖量をフェノール硫酸法で、ウロン酸量をm-ヒドロキシビフェニル法で行った。
【0031】
その結果を図4に示す。TFA可溶性画分では、acw1変異体のグルコースの量(1790.0±86.4nmol/mg 細胞壁)は、wt(野生型)(1907.6±158.4nmol/mg 細胞壁)とほぼ同じであった。しかし、TFA不溶画分では、acw1変異体のグルコースの量(436.7±20.0nmol/mg 細胞壁)は、wt(1342.5±31.5nmol/mg 細胞壁)より少なかった。TFAに不溶なものは、結晶セルロースである。したがって、TFA不溶画分のグルコースは、セルロース由来である。この結果から、acw1変異体ではセルロースが減少していることが示された。acw1変異体のラムノースとウロン酸の量(それぞれ145.7±7.0, 659.6±31.7nmol/mg 細胞壁)は、wt(90.3±7.5, 441.6±9.7nmol/mg 細胞壁l)より多かった。ラムノースとウロン酸が多いことから、ペクチン(Rhamnogalacturonan)が増加していることが示唆された。電顕観察で見られた染色性の変化は、ペクチンの増加が原因であると思われる。TFAで分解される非結晶多糖は、ペクチンの増加が示唆された他は特に変化はなかった。
【0032】
[実施例4] セルロース繊維の観察
wtとacw1の細胞壁の、セルロース繊維の電子顕微鏡による観察の結果を図5に示す。実施例3において調製した細胞壁サンプルを2M TFAで加水分解した後の残さを電子顕微鏡で観察した。ペクチンやヘミセルロースなどの非結晶多糖は、2M TFA処理で分解されるので、残さのほとんどは結晶セルロースである。wtの繊維幅は約3.0nmであった。acw1のは約2.4nmで、wtよりも細くなっていた。セルロース繊維は、強酸処理をすると、ミクロフィブリルが膨潤したり、束になって非常に太くなって観察されることがある(図5、矢印)。wtで束になっている(17nm)ものが多く観察されたのは、強酸処理のためだと思われる。しかしながら、同様の処理をしたacw1では、束になっているものがあまり観察されなかった。また、太さも12nm程度であった。強酸処理のためミクロフィブリルのnativeな状態を観察しているとはいえないが、処理後のミクロフィブリルの状態には違いが生じていた。これは、wtとacw1の本来のミクロフィブリルの性質の違いを反映していると思われる。
【0033】
セルロースは、直鎖状のβ-1,4 グルカンが束ねられて結晶化してできたものである。従って、その分子量を調べれば重合度がわかる。そこで、次ぎに、セルロースの重合度を解析するためにその分子量の測定をゲル濾過分析により行った。測定に用いたセルロースサンプルは、Edashigeらの方法(Edashige et al, Holzforshung, 49, 197-202(1995))で調製した。適当量の細胞壁粗精製サンプルを、0.05M CDTA, 0.05M Na2CO3, 1N KOH, 4N KOH, 4M KOH+3% ホウ酸塩の各液でシーケンシャルに抽出した。残磋(結晶セルロース)を、あらかじめ用意しておいた発煙硝酸+酸化リン(V)液でニトロ化した。吸引濾過して反応物(ニトロセルロース)を集め、氷水にて洗浄した。再び吸引濾過してサンプルを集め、水を少し加え軽くボイルした。さらに吸引濾過後、60℃で乾燥させた。ゲル濾過分析のため、サンプルをテトラヒドロフランに溶かし、シリンジで50μlインジェクトした。カラムは、Shimadzu LC-6Aを使用した。
【0034】
その結果、ミクロフィブリルの重合度(D.P.: degrees of polymerization)は、wtでは数百から5,000の広い範囲に分布がみられ(図6)、平均は約1,000であった。ところがacw1は分布が非常に狭くほぼ1ピークでみられ、平均は約5,000であった。
【0035】
以上の事実から、ACW1遺伝子がセルロース合成に必須な遺伝子であり、この遺伝子の変異により、セルロースの量や質(繊維幅、重合度etc.)などが変化することが示された。
【0036】
[実施例5] クロロフォルム/メタノール抽出層の解析
クロロフォルム/メタノール画分を、2M TFAで処理した後、薄層クロマトグラフィー(TLC)で解析した(図7)。薄層クロマトグラフィーにおいては、まず、実施例3で調製した乾固させたクロロフォルム/メタノール抽出層に、2M TFAを適当量加え121℃で1時間インキュベートし、これを加水分解した。処理液を乾固させて、蒸留水とクロロフォルムを加えてよく撹拌し、遠心して上清(水層)を取り乾固した。再び蒸留水を適当量加え、一部を薄層クロマトグラフィー用シリカプレートに、シリンジで展着させ溶媒(n-ブタノール/ピリジン/蒸留水=8:5:4)で展開した。展開後、プレートを乾燥させ、硫酸をスプレーしてホットプレートでインキュベートした。糖のスポットが黒く現れたら(現像)、ホットプレートからおろし自然冷却した。
【0037】
この解析の結果、wtとacw1ともにガラクトースのスポットが観察された(図7レーン3および4)。これは、葉緑体膜を構成しているガラクトース-脂質由来のものと考えられる。acw1ではグルコースのスポットもはっきりと観察された(図7レーン4矢印)。wtでは観察できなかった。
【0038】
また、抽出物の成分を分析するために、アルディトールアセテート法によるガスクロマトグラフィー分析を行った。実施例3のクロロフォルム/メタノール抽出液の一部を乾固させ、水素化ホウ素ナトリウム(10mg/ml,NH4OH中)液250μlに溶かし、1時間室温でインキュベートした。酢酸を2,3滴加えた後、酢酸/メタノール(1:9)を250μl加えた。ウォーターバス(40℃)で暖めながら乾固させた。これを計4回行った。さらにメタノールを250μl加え、同様に乾固させた。これも計4回行った。乾固したサンプルに、無水酢酸50μlとピリジン50μlを加え、オイルバス中で121℃で20分インキュベートし、アセチル化した。冷却後、トルエン200μlを加え乾固させる処理を2回行った。そして、ジクロロメタン500μlと蒸留水500μlを加えよく撹拌し、遠心して下層(ジクロロメタン層)を取り、乾固させた。適当量のアセトンに溶かし、ガスクロマトグラフィー(Shimadzu GC14A SP233カラム)にかけた。
【0039】
TFA可溶層は、乾固したサンプルを上記の方法で処理すればよい。TFA残磋(硫酸加水分解)サンプルは、Ba(OH)2で中和した後、濃縮したものを処理に用いた。
【0040】
ガスクロマトグラフィー分析の結果、抽出物中にある糖はほとんどがガラクトースとグルコースであった。ガラクトースとグルコースモル比を調べた結果、wtはガラクトース 88.9mol(%), グルコース11.1mol(%)、acw1はガラクトース 70.0mol(%), グルコース30.0mol(%)であった。acw1のグルコース量は、wtと比べモル比で約3倍多くなっていた。
【0041】
クロロフォルム/メタノール画分で増加しているグルコースは、グルカンであることが予想される。そこで、分子量分布をゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)解析で行った。wtとacw1それぞれのクロロフォルム/メタノール画分を、NaOHでケン化した後、解析した。
【0042】
その結果、両方とも1, 3, 4, 6糖に相当するピークが得られた。wtの各ピークのエリア比は、36.1%, 14.8%, 28.4%, 20.7%であった。acw1の各ピークのエリア比は、26.9%, 15.2%, 30.0%, 27.9%であった。acw1ではwtに比べ、3, 4, 6糖の量が増えていた。6糖の増加が最も多く7.2%であった。ついで4糖で1.6%であった。増加しているグルコースは、4, 6糖のオリゴ糖として存在していることが予想された。
【0043】
そこで、次ぎに予想されるグルコースのオリゴ糖の結合様式を、メチル化分析法で調べた。細胞壁粗精製サンプルを適当量とり、DMSO 0.5mlを加えた。2時間室温で撹拌し、4M Na-DMSOを加え、さらに2時間撹拌した。反応液をトリフェニルメタンの粉末に少量つけて赤くなるのを確認し、氷中におきヨウ化メチル50μlを加え1時間撹拌した。その後、蒸留水を0.5ml加え窒素ガスを吹き込んだ。反応液をSep・Pak C-18カラムにアプライし、100%アセトニトリル2mlと100%エタノール4mlでエリューションし、精製液を室温で乾固させた。2M TFAを250μl加え121℃で1時間加水分解し、反応液を乾固させ、イソプロパノール300μlを加え再び乾固した。さらに95%エタノール220μlとNaBD4(NH4OH中)200μlを加え、1時間室温で反応させた後、反応液に酢酸を2,3滴落とし、酢酸メタノールを250μl加え乾固させた。この処理をさらに4回繰り返した。メタノール250μlを加え乾固させる処理を3回繰り返した。次に、無水酢酸を50μl加え121℃で3時間反応(アセチル化)させ、室温に冷却後、蒸留水500μlを加え、Na2CO3を気泡がでなくなるまで加え、さらにジクロロメタンを500μl加えよく混合した。低速で遠心しジクロロメタン層をとり乾固させた。適当量のアセトンに溶かし、ガスクロマトグラフィー/質量分析(GC-MS)を行った。ガスクロマトグラフィー/質量分析には、Shimadzu QP-2000AおよびJEOL.JMS-DX303を用いた。
【0044】
その結果、ガラクトースは、ターミナル結合、2-結合、3-結合、4-結合、および6-結合が検出された。一方グルコースは、ターミナル結合および4-結合のみが検出された。アルカリケン化した抽出物をβ-1,4 グルカナーゼで処理すると、グルコース単糖がでてくる(データ−は示していない)。以上の結果から、acw1変異体では、グルコースがβ-1,4結合したオリゴ糖が、クロロフォルム/メタノール画分にwtより多く(約3倍)蓄積していることが明らかとなった。
【0045】
これにより、グルコースがβ-1,4結合したオリゴ糖に、さらに脂質等が結合したものが、セルロース合成の基質となることが初めて明らかにされた。
【0046】
【発明の効果】
本発明により、植物の細胞壁成分を改変するためのセルラーゼ様タンパク質をコードするDNAの利用が提供された。植物の細胞壁の改変は、例えば、パルプ等繊維原材料植物の供給効率の増加、細胞壁合成制御による新素材の開発、農作物の有用成分の増加、飼料作物の消化吸収効率の増加、細胞壁合成量増大による植物の成長量の増加、細胞壁成分の改変に伴う細胞形態の変化による新たな美的価値を有する鑑賞用植物の作出などをもたらすことができるため、農業や工業・園芸の分野において有益である。
【0047】
【配列表】

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【図面の簡単な説明】
【図1】 acw1変異体の根切片におけるウラニルアセテート・クエン酸鉛染色の結果を示す電子顕微鏡写真である。Aは野生型、Bは21度(許容温度)での変異体、Cは31度(非許容温度)での変異体における結果をそれぞれ示す。
【図2】 acw1変異体の下胚軸におけるウラニルアセテート・クエン酸鉛染色の結果を示す電子顕微鏡写真である。Aは野生型、Bは31度(非許容温度)での変異体における結果をそれぞれ示す。
【図3】 acw1変異体の根切片におけるPATAg染色の結果を示す電子顕微鏡写真である。Aは野生型、Bは31度(非許容温度)での変異体における結果をそれぞれ示す。
【図4】野生株とacw1変異体の細胞壁構成糖成分を分析した結果を示す。AはTFA可溶層の構成糖量を、BはTFA不溶画分(残さ;セルロース)の構成糖量を示す。 Rha;ラムノース、Fuc;フコース、Ara;アラビノース、Xyl;キシロース、Gal;ガラクトース、Glc;グルコース、Uronic acid;ウロン酸
【図5】野生株とacw1変異体のセルロース繊維を観察した結果を示す電子顕微鏡写真である。上は野生株のセルロース繊維、下はacw1変異体のセルロース繊維を示す。矢印は、強酸処理により太くなった繊維を示す。
【図6】野生型とacw1変異体のセルロースの重合度を解析するために行ったGPCのクロマトグラムの結果を示す。白丸は変異体、白三角は野生株の結果を示す。横軸は、カラムから溶出される時間を示し、縦軸は検出器で検出された値を示す。早い時間のピークほど分子量が大きい。
【図7】野生型とacw1変異体のクロロフォルム/メタノール層を、TFA加水分解し、薄層クロマトフラフィー(TLC)を行った結果を示す。レーン1はグルコースの対照、レーン2はガラクトースの対照、レーン3は野生株、レーン4は変異体、の結果を示す。明瞭なグルコースのスポットが観察される。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to modification of plant cell wall components using a gene encoding a cellulase-like protein involved in plant cell wall synthesis.
[0002]
[Prior art]
Modifying cell wall components in plants has various important implications in the fields of industry and agriculture. For example, the modification of plant cell wall components leads to an increase in the digestion and absorption efficiency of fiber raw material plants such as pulp by increasing the content of cellulose and hemicellulose, and useful agricultural and feed crops, in terms of economy and profitability. Meaningful. Moreover, it is also possible to produce raw material plants having new industrial value by changing the structure of the polysaccharide which is a cell wall component.
[0003]
Synthesis of cell walls and similar polysaccharide components is performed not only in bacteria, fungi, and plants, but also in animals. Despite its industrial importance, studies at the molecular level of cell wall synthesis have not been well analyzed. In recent years, analysis of plant cell wall synthesis at the molecular level has begun to be performed using molecular genetics techniques. As a gene involved in cell wall synthesis, for example, cellulose synthase has been reported (T. Arioli et al. Molecular analysis of cellulose biosynthesis in Arabidopsis. Science (1998) 279: 717-720). However, there are many genes that have not yet been isolated as genes involved in cell wall synthesis, and it is thought that there are unknown mechanisms for cell wall synthesis (reference: Y. Kawagoe and DP Delmer, Pathway and genes involved in cellulose biosynthesis; Genetic engineering 19 Plenum Press, New York, 1997; K. Nishitani, Construction and Restructuring of the cellulose-xyloglucan framework in the apoplast as mediated by the xyloglucan-related protein family-A hypotheticalscheme. Plant Res. 111: 159-166, 1998).
[0004]
On the other hand, cellulase is known as an enzyme that degrades the cell wall. Cellulase has been reported in bacteria, fungi, slime molds, plants, etc. as an enzyme that degrades β-1,4 linked polysaccharides (Endo β-1,4 glucanase) (Beguin, P. Annu. Rev. Microbiol. 44, 219-248. 1990). It has been shown that it can be divided into 6 or more classes from the active site determined from the hydrophobicity analysis of the amino acid sequence. Among them, plant cellulases belong to the E family (Beguin, P. Annu. Rev. Microbiol. 44, 219-248. 1990). E family cellulases such as bacteria retain a typical cellulose-binding domain and are secreted extracellularly and can degrade crystalline cellulose. Bacteria and the like use glucose, which is a degradation product, as a nutrient source.
[0005]
Cellulase in higher plants is said to be involved in the modification of the cell wall of the cell itself with growth, development, differentiation, etc. (DJ Cosgrove, How How plant cells extend? Plant Physiol. 102, 1-6, 1993). Therefore, cellulase needs to be secreted extracellularly, and all of the plant cellulases reported so far have signal peptides for secretion (Z. Shani, M. Dekel, G. Tsabary and O Shoseyov. Plant Mol. Biol. 34. 837-842, 1997. ML Tucker, R. Sexton, E. del Campillo and LN Lewis. Plant Physiol. 88: 1257-1262. 1988).
[0006]
Changes in the structure and properties of cell walls occur during plant growth and differentiation. For example, synthesis of a new cell wall or modification / reconstruction of an existing cell wall polysaccharide occurs, thereby changing the size, shape, function, etc. of the cell. So far, plant cellulases have been suggested to function on hemicellulose or cellulose with β-1,4 glucan chain as the backbone (Y.-S. Wong, GB Fincher and GA Maclachlan. J. Biol. Chem). 252, 1402-1407. 1977. T. Hayashi, Y.-S. Wong and GA Maclachlan. Plant Physiol. 75, 605-610, 1984). However, because there is a contradiction such as not retaining the cellulose binding domain necessary for degrading crystalline cellulose, it is not clear what cellulase actually functions in plants. Compared with cellulases such as bacteria, there is very little knowledge in higher plants.
[0007]
By the way, the present inventors have found a mutant having an abnormal cell or organ shape with a search number of # 66 in an Arabidopsis thaliana group treated with the chemical mutant EMS (1996). August 25, 7th Arabidopsis Workshop, March 27, 1997 Japanese Society of Plant Physiology, 1997 Annual Meeting, November 13, 1997 8th Arabidopsis Workshop, May 3, 1998 Japanese Plant Physiological Society Annual Meeting 1998). This mutation was named acw1 (altered cell wall 1), and the gene responsible for this mutation was named ACW1 gene. However, the ACW1 gene has not been isolated yet.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
It is an object of the present invention to modify plant cell wall components using a gene encoding an enzyme involved in plant cell wall synthesis.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have succeeded in identifying and isolating a single gene responsible for the ACW1 mutation, which causes abnormal cell wall synthesis in plants, in a vast chromosomal region by using positional cloning techniques. The present inventors determined the base sequence of the isolated ACW1 gene, performed a database search for genes structurally related thereto, and found the same gene as the ACW1 gene on the database. This gene has been characterized as a homologue of a plant secretory cellulase known as a cell wall degrading enzyme.
[0010]
However, as a result of various analyzes conducted on the cell wall components of the acw1 mutant by the present inventors, surprisingly, the protein encoded by the ACW1 gene (hereinafter referred to as “ACW1 protein”) is not degraded by the cell wall. Rather, it has been found that it has a function related to synthesis. There have been no reports on cellulases involved in cell wall synthesis. The present inventors have found that the cell wall component of a plant can be modified by using the ACW1 gene from such properties of the ACW1 protein.
[0011]
The present invention relates to the modification of plant cell wall components using a gene encoding a cellulase-like protein involved in plant cell wall synthesis, more specifically,
(1) DNA selected from the following (a) to (d), which is used for modifying a cell wall component of a plant,
(A) DNA encoding a protein consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1.
(B) having an amino acid sequence in which one or a plurality of amino acids are substituted, deleted and / or added in the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 1, and functionally with the protein consisting of the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 1 DNA encoding an equivalent protein.
(C) DNA containing the coding region of the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 2.
(D) DNA that hybridizes with DNA consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 2 and that encodes a protein functionally equivalent to the protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1.
(2) The DNA according to (1), wherein the cell wall component of the plant is a glucan chain,
(3) A method for modifying a cell wall component of a plant, which comprises using a DNA selected from (a) to (d) in (1),
(4) The method according to (3), wherein the cell wall component of the plant is a glucan chain,
(5) A transformed plant having a cell wall component modified by introduction and expression of a DNA selected from (a) to (d) in (1) compared to a wild-type plant,
(6) The plant body according to (5), wherein the cell wall component of the plant is a glucan chain,
About.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention relates to the use of DNA encoding cellulase-like proteins involved in plant cell wall synthesis to modify plant cell wall components. Specifically, the modification of plant cell wall components in the present invention is performed by producing a transformed plant body that retains a DNA encoding a cellulase-like protein involved in plant cell wall synthesis. The “ACW1” gene is preferred as the DNA used to modify cell wall components.
The nucleotide sequence of cDNA of the “ACW1” gene isolated by the present inventors is shown in SEQ ID NO: 2, and the nucleotide sequence of genomic DNA is shown in SEQ ID NO: 3.
[0013]
In the modification of the cell wall component of the plant of the present invention, DNA other than the “ACW1” gene can be used as long as it encodes a protein having a function equivalent to that of the “ACW1” protein. Examples of such DNA include an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, and / or added in the amino acid sequence (SEQ ID NO: 1) of the “ACW1” protein, Examples include DNAs that encode functionally equivalent proteins. In the present invention, “functionally equivalent” means that a protein functions in plant cell wall synthesis, more specifically in glucan chain synthesis. Whether a protein functions in plant cell wall synthesis is determined, for example, by a functional complementation test by expressing the “ACW1” gene in a mutant strain, by controlling the expression of the “ACW1” gene, or by inhibiting the function of the “ACW1” protein. It can be detected as a change in plant cell wall synthesis, for example, a change in cell wall components (accumulation of amorphous glucan), a change in organ or cell morphology. Artificial modification of the amino acid sequence of the “ACW1” protein can be performed using, for example, “Transformer Site-directed Mutagenesis Kit” or “ExSite PCR-Based Site-directed Mutagenesis Kit” (Clontech) for mutation or substitution. In addition, if it is a deletion, it is possible to use “Quantum leap Nested Deletion Kit” (manufactured by Clontech). The number of amino acid modifications is usually within 50 amino acids, preferably within 30 amino acids, more preferably within 10 amino acids, and even more preferably within 3 amino acids. In addition, amino acid mutations may occur not only in the artificial world but also in the natural world.
[0014]
In the acw1 mutation, the present inventors found that the substitution of the base guanine at position 1355 of the ACW1 gene with adenine (which replaces the amino acid glycine at position 429 with serine) is a temperature-sensitive mutant protein (under low temperature conditions). It has been found that a wild-type phenotype is imparted to a plant but an abnormal phenotype is imparted under high temperature conditions (Example 1). In the present invention, it is also possible to use a protein that exhibits a function equivalent to that of “ACW1” at a specific temperature. Such a protein is useful in that its function can be controlled by adjusting the temperature.
[0015]
In the present invention, as long as it encodes a protein that is functionally equivalent to the “ACW1” protein, DNA derived from other plant species having a base sequence showing homology with the base sequence of the “ACW1” gene may be used. Is possible. Such DNA can be obtained, for example, by hybridization technology using all or a part of the base sequence of the “ACW1” gene as a probe (Southern 1975 J. Mol. Biol. 98: 503, Maniatis et al. Molecular Cloning Cold Spring harbor Laboratry Press) and PCR technology using oligonucleotides that specifically hybridize to the ACW1 gene as primers (supervised by Isao Shimamoto and Takuji Sasaki, “Plant PCR Experiment Protocol” (Cellular Engineering Supplement, Plant Cell Engineering Series 2) It can be isolated using Shujunsha (issued April 10, 1995). “Functionally equivalent” means that the protein functions in plant cell wall synthesis, more specifically in glucan chain synthesis, as described above. When DNA obtained by the hybridization technique or PCR technique encodes a protein having a function equivalent to that of the “ACW1” protein, it usually has high homology with the “ACW1” gene. High homology means 45% or more homology, preferably 60% or more homology, more preferably 75% or more homology, more preferably 90% or more homology at the level of amino acid encoded by each DNA. Sex, more preferably 95% homology or higher. Examples of plants other than Arabidopsis thaliana for isolating such genes include, but are not limited to, rice, corn, potato, tobacco, cotton, acacia, pine, cedar, eucalyptus, and poplar.
[0016]
In order to express these DNAs in plant cells, (i) a DNA molecule linked downstream of a promoter sequence that can be transcribed in plant cells, and (ii) transcription linked downstream of the gene, if necessary. An expression cassette containing a terminator sequence containing a polyadenylation site necessary for product stabilization is introduced into plant cells.
[0017]
The expression cassette may contain a promoter for constitutively or inducibly expressing the inserted DNA. Examples of promoters for constant expression include cauliflower mosaic virus 35S promoter (Odell et al. 1985 Nature 313: 810), rice actin promoter (Zhang et al. 1991 Plant Cell 3: 1155), maize And ubiquitin promoter (Cornejo et al. 1993 Plant Mol. Biol. 23: 567). In addition, promoters for inducible expression are known to be expressed by external factors such as infection and invasion of filamentous fungi, bacteria and viruses, low temperature, high temperature, drying, UV irradiation, and spraying of specific compounds. Promoters and the like. Examples of such promoters include the rice chitinase gene promoter (Xu et al. 1996 Plant Mol. Biol. 30: 387) expressed by infection and invasion of filamentous fungi, bacteria, and viruses, and the promoter of tobacco PR protein gene. (Ohshima et al. 1990 Plant Cell 2:95), low temperature induced rice “lip19” gene promoter (Aguan et al. 1993 Mol. Gen Genet. 240: 1), high temperature induced rice “ hsp80 ”and“ hsp72 ”gene promoters (Van Breusegem et al. 1994 Planta 193: 57), Arabidopsis thaliana“ rab16 ”gene promoter (Nundy et al. 1990 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87: 1406), Parsley Chalcone Synthase Gene Promoter Induced by UV Irradiation (Schulze-Lefert et al. 1989 EMBO J. 8: 651), Maize Induced under Anaerobic Conditions Le call dehydrogenase gene promoter (Walker et al 1987 Proc Natl Acad Sci USA 84:..... 6624), and the like. The rice chitinase gene promoter and tobacco PR protein gene promoter are also induced by specific compounds such as salicylic acid, and “rab16” is also induced by spraying the plant hormone abscisic acid.
[0018]
There is no particular limitation on the plant cell into which the expression cassette is introduced. Plant cells desiring to modify cell wall components can be used. Examples thereof include cells such as Arabidopsis, rice, corn, potato, tobacco, cotton, acacia, pine, cedar, eucalyptus, and poplar. Plant cells into which an expression cassette is introduced include cells in plants as well as cultured cells. Also included are protoplasts, shoot primordia, multi-buds, and hairy roots. Introduction of a vector into a plant cell can be performed by, for example, an introduction method using Agrobacterium (Hood et al. 1993 Transgenic Res. 2: 218, Hiei et al. 1994 Plant J. 6: 271), electroporation method ( Tada et al. 1990 Theor. Appl. Genet 80: 475), polyethylene glycol method (Lazzeri et al. 1991 Theor. Appl. Genet 81: 437), particle gun method (Sanford et al. 1987 J. Part. Sci. Tech) 5:27) and various methods known to those skilled in the art can be used.
[0019]
The transformed plant cell can be regenerated to produce a plant body. The method of regeneration varies depending on the type of plant cell. For example, the method of Fujimura et al. (Plant Tissue Culture Lett. 2:74 (1995)) is mentioned for rice, and the method of Shillito et al. (Bio / Technology 7) for maize. : 581 (1989)) and Gorden-Kamm et al. (Plant Cell 2: 603 (1990)), and for potatoes, Visser et al. (Theor. Appl. Genet 78: 594 (1989)). In the case of tobacco, the method of Nagata and Takebe (Planta 99:12 (1971)) is mentioned, and in the case of Arabidopsis, the method of Akama et al. (Plant Cell Reports 12: 7-11 (1992)) is mentioned. As a result, the expression of the protein of the present invention is changed in the plant obtained from the plant or its propagation medium (for example, seeds, tubers, cuttings, etc.) compared to the wild-type plant. This modifies the cell wall components. “Modification of cell wall component” includes quantitative change, qualitative change and cell shape change of cell wall component. The cell wall component is preferably a glucan chain. Glucan chain modification is adjustment of glucan polymerization degree (number of polymerized sugars) (glucan polymerization degree includes, for example, conifer type, hardwood type, dicotyledon type and monocot type), crystallization Adjustment of the degree (the thickness of the fiber formed by bundling glucan, which is a determinant of fiber strength).
[0020]
Modification of cell wall components in plants has many advantages. An increase in cell wall components can lead to, for example, an increase in plant growth and an increase in fiber sources such as pulp, and qualitative changes in cell wall components can lead to the development of new materials and the increase in digestion and absorption efficiency of feed crops. be able to. The change in cell morphology can also be applied to the creation of ornamental plants with new aesthetic value.
[0021]
【Example】
EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the present invention is not limited to these examples. Methods necessary for general gene recombination, such as DNA cleavage, ligation, E. coli transformation, gene sequencing, and hybridization, are attached to commercially available reagents and machinery used for each operation. Basic instructions were followed and experiments (eg “Molecular cloning (Maniatis T. et al. Cold Spring Harbor Laboratory Press)”). The growth, mating, and genomic DNA preparation of Arabidopsis thaliana using agar medium and soil were basically in accordance with an experimental document (for example, “Model Plant Experiment Protocol (Shyujunsha)”).
[0022]
[Example 1] Isolation of ACW1 gene
First, in order to determine the position of the ACW1 gene on the chromosome, mapping was performed using molecular markers. Since the acw1 (altered cell wall 1) mutant has been found in the Colombian ecotype of Arabidopsis thaliana, another ecotype, the Landsburg Electa species, was crossed to the next generation seeds. It was grown and selfed to obtain F2 generation seeds. Genomic DNA was extracted from plants (830 individuals) grown by germinating seeds of this F2 generation. Using these genomic DNAs as markers, “2I5,2.2” and “miP5-9,1.1” were used to calculate the recombination value of the genomic DNA by PCR. Specifically, two kinds of PCR primers “SEQ ID NO: 4 / 5-TCAAATAGATATATGTAATATGTTTCGC-3” and “SEQ ID NO: 5 / 5-CAATAAATAATTATACAAAACTTTCAAG-3” capable of amplifying “2I5,2.2” were synthesized, Using these, F2 generation genomic DNA was amplified using PCR and examined by agarose electrophoresis. This molecular marker shows a band at 112 bp for the Lansburg species and 110 bp for the Colombia species, and calculations based on this showed that recombination was observed on one chromosome between the ACW1 gene and the same marker. Next, two kinds of PCR primers “SEQ ID NO: 6 / 5-TACTTAATAAAGTAGGATAATGTCG-3” and “SEQ ID NO: 7 / 5-GAACATGAATTCATGTGTTACACTG-3” capable of amplifying “miP5-9,1.1” were synthesized. Was used to amplify F2 generation genomic DNA using PCR and examined by agarose electrophoresis. This molecular marker is known to show a band at 87 bp for the Landsburg species and 91 bp for the Colombia species, and as a result of calculation based on this, recombination was carried out on one chromosome between the ACW1 gene and the same marker. Admitted.
[0023]
As described above, it was confirmed that the region on the chromosome containing the ACW1 gene was sandwiched between two molecular markers “2I5, 2.2” and “miP5-9, 1.1”. Therefore, we decided to proceed with gene isolation by isolating genomic DNA fragments containing the molecular markers “2I5,2.2” and “miP5-9,1.1”, respectively. Specifically, a genomic DNA library (approximately 10000 clones) composed of 60-90kbp genomic DNA of Arabidopsis thaliana Colombia was screened using "2I5,2.2" and "miP5-9,1.1" as probes. , 2.2 "probe for 3 clones (named TAC6M17, 12J22, 13F4) and" miP5-9,1.1 "probe for 2 clones (named TAC15E4, 9P8). The DNA fragment (approximately 600b) on the “left” side (“2I5,2.2” side) of “TAC15E4” (this fragment is referred to as “15E4-L”) is subjected to the TAIL-PCR method (plant PCR experiment protocol (Syujun) ))). At this time, L1, L2, L3, and AD2 were used as primers in the TAIL-PCR method. Two types of PCR primers “SEQ ID NO: 8 / 5-GCTTATAAATGGGTATAAACCTATCAGC-3” and “SEQ ID NO: 9 / 5-TGCTTAATTCTCCGGTAACATTACCGGC” that can amplify “15E4-L” based on the base sequence of the isolated DNA fragment -3 "was synthesized, and the genomic DNAs of Landsberg and Colombia were amplified by PCR using the PCR method, and the nucleotide sequence was decoded. In Landsberg, 96 primers were used from the primer (SEQ ID NO: 8). It was found that the nucleotide sequence of the position was G, and that Colombia was T, and this DNA fragment could be used as a molecular marker. Therefore, when the distance between the ACW1 gene and this new marker was calculated in the aforementioned F2 plant, no recombination was found between chromosomes 1660.
[0024]
The TAC genomic DNA library is made with a vector (TAC vector) that can introduce the inserted DNA fragment directly into a plant via Agrobacterium. Therefore, TAC6M17, 12J22 was used using the hypocotyl callus transformation method. The gene was introduced into the acw1 mutant. The hypocotyl callus transformation is `` Kazuhito Akama, Hideaki Shiraishi, Shozo Ohta, Kenzo Nakamura, Kiyotaka Okada and Yoshiro Shimura; Efficient transformation of Arabidopsis thaliana: comparison of theefficiencies with various organs, plant ecotypes and Agrobacterium strains, '' Plant Cell Reports (1992) 12: 7-11 "and MP90 strain was used as an Agrobacterium. As a result, the phenotype recovered to the wild type in 2 individuals. That is, the ACW gene is contained in the overlapping region of the genomic DNA fragments contained in the “TAC6M17” and “12J22” clones.
[0025]
Therefore, the base sequence of the DNA fragment in this region was decoded. Four genes were expected to exist between the “2I5,1.1” marker and the above DNA region. Therefore, when the wild-type nucleotide sequences of these four hypothetical genes were compared with respect to the acw1 mutant, there was a mutation in the gene region corresponding to the cDNA (registration number U37702) registered as a cellulase homolog. There was found. Among these four genes, only the cellulase homologue was found to have a mutation in the base sequence in the acw1 mutant, indicating that the gene is the ACW1 gene.
[0026]
When full-length cDNA of ACW1 gene was isolated from λZAPII cDNA library (STRATAGENE), it contained 5 introns. Analysis of the amino acid sequence encoded by the gene revealed homology to cellulase. In general, plant cellulases do not have the cellulose-binding domain of fungal cellulases and have a signal sequence for secretion outside the membrane, but it is clear what they are targeting in vivo It has not been. The product of the ACW1 gene is also thought to work as a cellulase. However, (1) molecular weight is large (ACW1 is 69 kD, most others are about 54 kD), (2) no signal sequence, (3) a charged amino acid region on the N-terminal side, (4) membrane It is considered that it belongs to a new family different from other cellulases because of its characteristics such as having a transmembrane domain.
[0027]
[Example 2] Histochemical analysis of acw1 mutant
Aseptically inoculated in 1 / 2B5 medium, the roots and hypocotyls on day 7 were cut, and the samples were fixed at 4 ° C. in 3% glutaraldehyde solution. The sample was washed with phosphate buffer (pH 7.0) (2-4 ° C.). The buffer was changed 4 to 6 times at intervals of 10 to 20 minutes. Then 1% OsO Four ・ 3% KMnO Four The solution was fixed for 1 to 2 hours, and then washed with the phosphate buffer. The sample was immersed in an alcohol series (30, 50, 70, 90, 99.5, 99.5, 99.5% ethanol) for 10 to 20 minutes for dehydration. Samples were soaked in propylene oxide four times at 20 minute intervals and then soaked in epoxy resin (Quetol 812) for 3-6 hours. The sample was placed in an embedding mold, and an embedding resin containing an epoxy resin (Quetol 812), a curing agent (DDSA), and an accelerator (DMP-30) was poured. It was left in a 35 ° C incubator for 1 day, then in a 45 ° C incubator for 1 day, and then in a 60 ° C incubator for 1 day. After confirming sufficient hardening, it left still in a 45 degreeC thermostat for several days-one week. A sample was taken out from the mold, and a 0.1 μm ultrathin section sample was prepared with a microtome for electron microscope. This ultrathin slice sample was stained with uranyl acetate / lead citrate stain or PATAg, and then observed with a transmission electron microscope (the former was an amorphous polysaccharide such as hemicellulose or pectin, the latter was an amorphous sugar) Has the effect of staining).
[0028]
As a result of histochemical analysis by electron microscope, accumulation of amorphous glucan was observed in uranyl acetate / lead citrate staining in the root section of acw1 mutant (Fig. 1B, C), but not in the wild type. (FIG. 1A). Similar results were obtained for hypocotyl slices (FIG. 2). Similarly, accumulation of amorphous glucan was observed only in the acw1 mutant in the PATAg staining in the root section (FIG. 3). These amorphous glucans are transferred to longer glucan chains and crystallized. ACW1 cellulase gene was considered to be a novel cellulase having glucan transfer activity because of the accumulation of amorphous glucan. Although it is a cellulase of a higher plant that has been predicted to have only a function of degrading activity, it has been proved that the ACW1 gene product has a function related to synthesis rather than cell wall degradation. There is no other report of such cellulase in the ACW1 gene.
[0029]
[Example 3] Analysis of acw1 cell wall components
After growing at 21 ° C. for 2 weeks, the cell wall components of the above-ground part of the acw1 mutant grown at 31 ° C. for 2 weeks were examined. Preparation of the cell wall crude sample for cell wall component analysis was according to the method of Zablackis et al. (Zablackis et al, Plant Physiol, 107, 1129-1138 (1995)). First, a plant frozen in liquid nitrogen was ground in a mortar, phosphate buffer (pH 7.0) was added, and this was pipetted into a centrifuge tube. After crushing with polytron (130 rpm, 45 seconds, 3 times), it was centrifuged (9,500 rpm, 10 minutes, 4 ° C.). The supernatant was discarded, phosphate buffer was added, and the above disruption and centrifugation were performed again. This was repeated once more (total 3 times). In order to wash the precipitate, distilled water was added and centrifuged (9,500 rpm, 10 minutes, 4 ° C.). This was done a total of 4 times. 70% ethanol was added, well suspended and left overnight (4 ° C). After collection by centrifugation, chloroform / methanol (1: 1) solution was added and stirred with a stirrer (30 minutes). After centrifugation (9,500 rpm, 15 minutes, 4 ° C.), the supernatant was discarded, and extraction with chloroform / methanol (1: 1) was performed again. These chloroform / methanol (1: 1) extracts were concentrated to dryness using a concentrated evaporator (this was used for the thin layer chromatography of Example 5). Phenol / acetic acid / water (2: 1: 1) was added to the precipitate after centrifugation, and the mixture was stirred with a stirrer at room temperature for 1 hour and centrifuged (9,500 rpm, 15 min. 4 ° C.). This was repeated once more, then 100% ethanol was added, washed and centrifuged. After further washing twice with distilled water, amylase treatment (0.1 M phosphate buffer + α-amylase 2 mg / ml (Sigma) Aspergillus oryzae origin + 5 drops of toluene) was performed for 48 hours with gentle shaking. . After centrifugation, the supernatant was discarded and washed 5 times with distilled water. The finally collected precipitate was used as a cell wall crude purified sample. This was stored at −80 ° C. and the required amount was thawed and used for analysis.
[0030]
Sugar quantification was performed using this sample. First, an appropriate amount of the prepared cell wall sample was taken and lyophilized. 5 mg was weighed into a glass tube, 2.5 ml of 2 M trifluoroacetic acid (TFA) was added (0.5 ml TFA / 1 mg cell wall), and incubated in an oil bath at 121 ° C. for 1 hour to hydrolyze the amorphous sugar. After natural cooling to room temperature, the mixture was centrifuged (5,000 rpm, 10 minutes, tabletop centrifuge), and separated into supernatant and residue (precipitate). Distilled water was added to the residue, and the supernatant was collected by centrifugation and added to the previously collected supernatant. The supernatant was dried and dissolved in 1 ml of distilled water, and the amount of sugar was determined. 72% H in the residue 2 SO Four And left at room temperature for 2 hours. On the way, it was gently stirred to dissolve. Diluted 35 times with distilled water, boiled in boiling water for 2 hours, and completely hydrolyzed. After boiling, it was placed in ice and cooled, and the volume was measured with a graduated cylinder to determine the amount of sugar. The amount of sugar was determined by the phenol-sulfuric acid method for the total sugar amount and the m-hydroxybiphenyl method for the uronic acid amount.
[0031]
The result is shown in FIG. In the TFA soluble fraction, the amount of acw1 mutant glucose (1790.0 ± 86.4 nmol / mg cell wall) was almost the same as wt (wild type) (1907.6 ± 158.4 nmol / mg cell wall). However, in the TFA-insoluble fraction, the amount of acw1 mutant glucose (436.7 ± 20.0 nmol / mg cell wall) was less than wt (1342.5 ± 31.5 nmol / mg cell wall). What is insoluble in TFA is crystalline cellulose. Therefore, the glucose in the TFA insoluble fraction is derived from cellulose. This result showed that cellulose was decreased in the acw1 mutant. The amounts of acw1 mutant rhamnose and uronic acid (145.7 ± 7.0, 659.6 ± 31.7 nmol / mg cell wall, respectively) were higher than wt (90.3 ± 7.5, 441.6 ± 9.7 nmol / mg cell wall 1). A large amount of rhamnose and uronic acid suggests that pectin (Rhamnogalacturonan) is increasing. The change in stainability observed by electron microscopic observation seems to be due to an increase in pectin. The non-crystalline polysaccharide degraded by TFA was not changed except that an increase in pectin was suggested.
[0032]
[Example 4] Observation of cellulose fiber
The result of observation of cell walls of wt and acw1 with an electron microscope of the cellulose fibers is shown in FIG. The residue after the cell wall sample prepared in Example 3 was hydrolyzed with 2M TFA was observed with an electron microscope. Since amorphous polysaccharides such as pectin and hemicellulose are degraded by 2M TFA treatment, most of the residue is crystalline cellulose. The fiber width of wt was about 3.0 nm. The acw1 was about 2.4nm, thinner than wt. When the cellulose fiber is treated with a strong acid, the microfibril may be swollen or bundled to be observed to be very thick (FIG. 5, arrow). The fact that many bundles (17 nm) of wt were observed seems to be due to the strong acid treatment. However, in acw1 treated in the same way, few bundles were observed. The thickness was also about 12 nm. Although it cannot be said that the native state of microfibrils was observed due to the strong acid treatment, there was a difference in the state of microfibrils after the treatment. This seems to reflect the difference in the nature of the original microfibrils between wt and acw1.
[0033]
Cellulose is formed by bundling linear β-1,4 glucans and crystallizing them. Therefore, the degree of polymerization can be determined by examining the molecular weight. Then, next, in order to analyze the polymerization degree of cellulose, the molecular weight was measured by gel filtration analysis. The cellulose sample used for the measurement was prepared by the method of Edashige et al. (Edashige et al, Holzforshung, 49, 197-202 (1995)). Appropriate amount of cell wall crude purified sample, 0.05M CDTA, 0.05M Na 2 CO Three , 1N KOH, 4N KOH, 4M KOH + 3% Borate was extracted sequentially. The residue (crystalline cellulose) was nitrated with a fuming nitric acid + phosphorous oxide (V) solution prepared in advance. The reaction product (nitrocellulose) was collected by suction filtration and washed with ice water. The sample was collected by suction filtration again, boiled lightly with a little water. Furthermore, after suction filtration, it was dried at 60 ° C. For gel filtration analysis, the sample was dissolved in tetrahydrofuran and 50 μl was injected with a syringe. As the column, Shimadzu LC-6A was used.
[0034]
As a result, the degree of polymerization (DP) of microfibrils was distributed over a wide range of several hundred to 5,000 in wt (FIG. 6), and the average was about 1,000. However, the distribution of acw1 was very narrow, with almost one peak, and the average was about 5,000.
[0035]
From the above facts, it was shown that the ACW1 gene is an essential gene for cellulose synthesis, and that the amount and quality of cellulose (fiber width, degree of polymerization, etc.) are changed by mutation of this gene.
[0036]
[Example 5] Analysis of chloroform / methanol extraction layer
The chloroform / methanol fraction was treated with 2M TFA and then analyzed by thin layer chromatography (TLC) (FIG. 7). In thin-layer chromatography, first, an appropriate amount of 2M TFA was added to the dried chloroform / methanol extracted layer prepared in Example 3, and incubated at 121 ° C. for 1 hour to hydrolyze it. The treatment liquid was dried, distilled water and chloroform were added and stirred well, centrifuged and the supernatant (aqueous layer) was taken and dried. An appropriate amount of distilled water was added again, and a part was spread on a silica plate for thin layer chromatography with a syringe and developed with a solvent (n-butanol / pyridine / distilled water = 8: 5: 4). After development, the plate was dried, sprayed with sulfuric acid and incubated on a hot plate. When sugar spots appeared black (development), they were removed from the hot plate and allowed to cool naturally.
[0037]
As a result of this analysis, spots of galactose were observed for both wt and acw1 (FIG. 7, lanes 3 and 4). This is considered to be derived from galactose-lipid constituting the chloroplast membrane. In acw1, glucose spots were also clearly observed (lane 4 in FIG. 7). It was not observable with wt.
[0038]
Moreover, in order to analyze the component of an extract, the gas chromatography analysis by the alditol acetate method was performed. A portion of the chloroform / methanol extract of Example 3 was dried to dryness and sodium borohydride (10 mg / ml, NH Four (In OH) was dissolved in 250 μl and incubated at room temperature for 1 hour. After adding a few drops of acetic acid, 250 μl of acetic acid / methanol (1: 9) was added. It was made to dry while warming in a water bath (40 degreeC). This was done a total of 4 times. Further, 250 μl of methanol was added and dried in the same manner. This was also done a total of 4 times. To the dried sample, 50 μl of acetic anhydride and 50 μl of pyridine were added and incubated in an oil bath at 121 ° C. for 20 minutes for acetylation. After cooling, 200 μl of toluene was added and dried twice. Then, 500 μl of dichloromethane and 500 μl of distilled water were added and stirred well, followed by centrifugation to remove the lower layer (dichloromethane layer) and dry it. It was dissolved in an appropriate amount of acetone and subjected to gas chromatography (Shimadzu GC14A SP233 column).
[0039]
The TFA soluble layer may be obtained by treating the dried sample with the above method. TFA residue (sulfuric acid hydrolysis) sample is Ba (OH) 2 After neutralization with, the concentrated product was used for treatment.
[0040]
As a result of gas chromatography analysis, most of the sugars in the extract were galactose and glucose. As a result of examining the molar ratio of galactose to glucose, wt was galactose 88.9 mol (%), glucose 11.1 mol (%), and acw1 was galactose 70.0 mol (%), glucose 30.0 mol (%). The glucose amount of acw1 was about 3 times higher in molar ratio than wt.
[0041]
Glucan that is increasing in the chloroform / methanol fraction is expected to be glucan. Therefore, the molecular weight distribution was analyzed by gel permeation chromatography (GPC) analysis. The chloroform / methanol fractions of wt and acw1 were analyzed after saponification with NaOH.
[0042]
As a result, peaks corresponding to 1, 3, 4, 6 sugars were obtained in both cases. The area ratio of each peak of wt was 36.1%, 14.8%, 28.4%, 20.7%. The area ratio of each peak of acw1 was 26.9%, 15.2%, 30.0%, 27.9%. In acw1, the amount of 3, 4, 6 sugars increased compared to wt. The increase of 6 sugars was the highest with 7.2%. It was 1.6% with 4 sugars. Increased glucose was expected to exist as oligosaccharides of 4,6 sugars.
[0043]
Then, the coupling | bonding mode of the oligosaccharide of the glucose estimated next was investigated by the methylation analysis method. An appropriate amount of the cell wall crude purified sample was taken, and 0.5 ml of DMSO was added. The mixture was stirred at room temperature for 2 hours, 4M Na-DMSO was added, and the mixture was further stirred for 2 hours. The reaction solution was added to a small amount of triphenylmethane powder and confirmed to turn red. Then, the mixture was placed in ice and 50 μl of methyl iodide was added and stirred for 1 hour. Thereafter, 0.5 ml of distilled water was added and nitrogen gas was blown. The reaction solution was applied to a Sep · Pak C-18 column and eluted with 2 ml of 100% acetonitrile and 4 ml of 100% ethanol, and the purified solution was dried at room temperature. 250 μl of 2M TFA was added and hydrolyzed at 121 ° C. for 1 hour to dry the reaction solution, and 300 μl of isopropanol was added and dried again. Furthermore, 95% ethanol 220μl and NaBD Four (NH Four After adding 200 μl of OH) and reacting at room temperature for 1 hour, a few drops of acetic acid were dropped into the reaction solution, and 250 μl of acetic acid methanol was added to dryness. This process was repeated four more times. The process of adding 250 μl of methanol to dryness was repeated three times. Next, 50 μl of acetic anhydride is added and reacted (acetylated) at 121 ° C. for 3 hours. After cooling to room temperature, 500 μl of distilled water is added and Na 2 CO Three Was added until no more air bubbles were added, and 500 μl of dichloromethane was further added and mixed well. Centrifugation was performed at low speed, and the dichloromethane layer was removed to dryness. The product was dissolved in an appropriate amount of acetone and subjected to gas chromatography / mass spectrometry (GC-MS). Shimadzu QP-2000A and JEOL.JMS-DX303 were used for gas chromatography / mass spectrometry.
[0044]
As a result, terminal bond, 2-bond, 3-bond, 4-bond, and 6-bond were detected in galactose. On the other hand, only terminal binding and 4-bond were detected for glucose. When the alkali saponified extract is treated with β-1,4 glucanase, glucose monosaccharides are produced (data not shown). From the above results, it was clarified that in the acw1 mutant, the oligosaccharide having β-1,4-linked glucose was accumulated in the chloroform / methanol fraction more than wt (about 3 times).
[0045]
As a result, it was first clarified that an oligosaccharide having glucose β-1,4 bonded to a lipid or the like becomes a substrate for cellulose synthesis.
[0046]
【The invention's effect】
The present invention provides the use of DNA encoding a cellulase-like protein for modifying plant cell wall components. Modification of plant cell walls is due to, for example, increasing the supply efficiency of fiber raw material plants such as pulp, developing new materials by controlling cell wall synthesis, increasing useful components of crops, increasing digestive absorption efficiency of feed crops, and increasing the amount of cell wall synthesis This can be useful in the fields of agriculture, industry, and horticulture because it can bring about the creation of ornamental plants with new aesthetic value by increasing the amount of plant growth and changing the cell morphology accompanying modification of cell wall components.
[0047]
[Sequence Listing]
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[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electron micrograph showing the result of uranyl acetate / lead citrate staining in a root section of acw1 mutant. A shows the results for the wild type, B for the mutant at 21 degrees (permissible temperature), and C for the mutant at 31 degrees (non-permissible temperature).
FIG. 2 is an electron micrograph showing the results of uranyl acetate / lead citrate staining on the hypocotyl of the acw1 mutant. A shows the results for the wild type and B for the mutants at 31 degrees (non-permissive temperature).
FIG. 3 is an electron micrograph showing the result of PATAg staining in a root section of acw1 mutant. A shows the results for the wild type and B for the mutants at 31 degrees (non-permissive temperature).
FIG. 4 shows the results of analyzing cell wall constituent sugar components of wild strains and acw1 mutants. A shows the constituent sugar amount of the TFA-soluble layer, and B shows the constituent sugar amount of the TFA-insoluble fraction (residue; cellulose). Rha; rhamnose, Fuc; fucose, Ara; arabinose, Xyl; xylose, Gal; galactose, Glc; glucose, Uronic acid; uronic acid
FIG. 5 is an electron micrograph showing the results of observation of cellulose fibers of a wild strain and an acw1 mutant. The upper shows the cellulose fiber of the wild strain, and the lower shows the cellulose fiber of the acw1 mutant. Arrows indicate fibers that are thickened by the strong acid treatment.
FIG. 6 shows the results of chromatograms of GPC performed for analyzing the degree of polymerization of cellulose of wild type and acw1 mutant. White circles show the results of mutants, and white triangles show the results of wild strains. The horizontal axis indicates the time for elution from the column, and the vertical axis indicates the value detected by the detector. The earlier the peak, the higher the molecular weight.
FIG. 7 shows the results of TFA hydrolysis and thin layer chromatography (TLC) of chloroform / methanol layers of wild-type and acw1 mutants. Lane 1 shows the results for the glucose control, Lane 2 for the galactose control, Lane 3 for the wild type, and Lane 4 for the mutant. A clear glucose spot is observed.

Claims (4)

下記(a)から(d)より選択されるDNAを発現させることを特徴とする、植物の細胞壁におけるグルカン鎖の合成を促進する方法。
(a)配列番号:1に記載のアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするDNA。
(b)配列番号:1に記載のアミノ酸配列において1もしくは複数のアミノ酸が置換、欠失および/もしくは付加したアミノ酸配列を有し、該グルカン鎖の合成を促進するタンパク質をコードするDNA。
(c)配列番号:2に記載の塩基配列のコード領域を含むDNA。
(d)配列番号:1に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、該細胞壁の合成を促進するタンパク質をコードするDNA。
A method for promoting glucan chain synthesis in a cell wall of a plant, which comprises expressing a DNA selected from the following (a) to (d):
(A) DNA encoding a protein consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1.
(B) A DNA encoding a protein having an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, and / or added in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1, and promoting the synthesis of the glucan chain.
(C) DNA containing the coding region of the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 2.
(D) DNA encoding a protein having 90% or more homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 and promoting the synthesis of the cell wall.
グルカン鎖がセルロースである、請求項1に記載の方法。  The method according to claim 1, wherein the glucan chain is cellulose. 下記(a)から(d)より選択されるDNAの導入および発現により、野生型の植物体と比較して、細胞壁におけるグルカン鎖の合成が促進されている形質転換植物体。
(a)配列番号:1に記載のアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするDNA。
(b)配列番号:1に記載のアミノ酸配列において1もしくは複数のアミノ酸が置換、欠失および/もしくは付加したアミノ酸配列を有し、該グルカン鎖の合成を促進するタンパク質をコードするDNA。
(c)配列番号:2に記載の塩基配列のコード領域を含むDNA。
(d)配列番号:1に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、該細胞壁の合成を促進するタンパク質をコードするDNA。
A transformed plant in which glucan chain synthesis in the cell wall is promoted by introduction and expression of DNA selected from the following (a) to (d) as compared to a wild-type plant.
(A) DNA encoding a protein consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1.
(B) A DNA encoding a protein having an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, and / or added in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1, and promoting the synthesis of the glucan chain.
(C) DNA containing the coding region of the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 2.
(D) DNA encoding a protein having 90% or more homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 and promoting the synthesis of the cell wall.
グルカン鎖がセルロースである、請求項に記載の植物体。The plant according to claim 3 , wherein the glucan chain is cellulose.
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