JP3964701B2 - Disease resistant gramineous plant - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、農業生産上重要な各種菌類病に対し抵抗性を示すイネ科植物に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、遺伝子工学技術を用いて植物に有用遺伝子を導入し、植物菌類病に強い菌類病耐性植物を作出する試みが進められている。例えば、植物菌類病の病原菌に対する防御機構の強化を目的として、キチナーゼ遺伝子の植物への導入が進められている。
【0003】
植物菌類病の病原菌として種々の糸状菌が知られているが、糸状菌は、その細胞壁を構成する主要成分の一つとしてキチンを有している。一方、植物はキチンを分解する酵素、キチナーゼ(EC3.2.1.14)を有しており、これが植物に感染しようとする糸状菌の細胞壁中のキチンに作用して、これらの病原菌による感染・発病を防止する防御機構となっていると考えられている。
【0004】
上記のような防御機構に着目し、種々の生物に由来するキチナーゼ遺伝子を植物に導入する事によって、防御機構が強化された耐病性植物が作出されている。例えば、植物由来のキチナーゼ遺伝子を導入した例としては、1.インゲン豆から単離したキチナーゼ遺伝子をタバコに導入したもの[サイエンス(Science)、第254巻、第1194頁−第1197頁(1991)]、2.タバコから単離したキチナーゼ遺伝子をタバコ、ニンジン、ヒマワリ、トマト、ワタ、トウモロコシ、カモガヤに導入したもの[特開平3−35783号公報、特開平3−112488号公報]、3.マメ類のアラキス・ヒポガエア(Arachis hypogaea)から単離したキチナーゼ遺伝子をタバコに導入したもの[特開平5−76873号公報]、4.トマトから単離したキチナーゼ遺伝子をトウモロコシ、ダイズ、ピート、コムギ、オオムギ、ケシ、アブラナ、ヒマワリ、アルファルファ、バラ、カーネーション、ガーベラ、トマト、ニンジン、レタス、チコリ、メロン、キャベツ、タバコへ導入したもの[特開平6−38762号公報]、イネのクラスIキチナーゼ(Cht−2)を高発現させた組換えイネ[セオレティカルアプライドジェネティクス(Theor. Appl. Genet.)、第99巻、383頁〜390頁、1999年]等が知られている。
【0005】
これに対し、微生物由来のキチナーゼ遺伝子を導入した例としては、1.細菌セラチア・マルセッセンス(Serratia marcescens)から単離されたキチナーゼ遺伝子をタバコに導入したもの[トランスジェニックリサーチ(Transgenic Research)、第3巻、第90頁〜第98頁(1994)]、2.リゾプス・オリゴスポラス由来のキチナーゼをベントグラスに導入したもの[特開平8−172957号公報]等が知られている。
【0006】
しかしながら、高い抗真菌活性を示すキチナーゼを植物細胞内で過剰発現させたにもかかわらず、植物体の耐病性が上がらなかった例も報告されている。例えば、タバコのクラスIキチナーゼを過剰発現させてもタバコ白星病(Cercospora nicotiana)耐病性は上がらなかった例[プラントモレキュラーバイオロジー(Plant Mol. Biol.)、第16巻、 141頁〜151頁、1991年]、てん菜のクラスIIIキチナーゼをタバコで過剰発現させてもタバコ白星(Cercospora nicotiana)耐病性は上がらなかった例[モレキュラープラントマイクローブインタラクション(Mol. Plant−Microbe Interaction)、第6巻、 494頁〜506頁、1993年]等が知られている。また、植物細胞内でキチナーゼ遺伝子を発現させた場合、必ずしもその植物におけるキチナーゼ活性とその植物が新たに獲得した病害抵抗性との間に、正の相関が得られるとは限らない事が知られている。[セオレティカルアプライドジェネティクス(Theor.Appl. Genet.)、第99巻、383頁〜390頁、1999年]。このように、キチナーゼ遺伝子を植物に導入して病害抵抗性を増強させようと試みる場合、必ずしも高い抗真菌活性を示すキチナーゼを植物内で大量に発現させることが、植物の病害抵抗性の増強に繋がるわけではないと推測されていた。
【0007】
そこで本発明者らは、キチナーゼの持つ抗真菌活性の強弱とは別に、キチナーゼのグループ分けに着目して病害抵抗性イネ科植物を作出すべく鋭意検討を進めた。すなわち、自然界のキチナーゼは2つのグループに大別され、1つはアミノ酸配列の保存領域の違いから植物由来キチナーゼのファミリー19と呼べるグループであり、微生物を含むそれ以外はファミリー18と呼べるキチナーゼであることが解っていた[渡邉剛志 化学と生物 35巻 6号 408頁 1997年]。
【0008】
しかるに、微生物由来の様々なキチナーゼ塩基配列を検索した過程で、ストレプトマイセス・グリセウス由来のキチナーゼCと命名したキチナーゼは植物以外では唯一ファミリー19に共通するドメイン構造を有するキチナーゼであることが見いだされた[TSUYOSHI OHNO, TAKESHI WATANABE, J.BACTERIOLOGY, 178巻 17号 5065頁 1996年]。さらに、該キチナーゼの性質を調べた結果、高い抗真菌活性を有することが明らかとなっていた[特開2000−93182号公報]。
【0009】
このように、微生物由来であるキチナーゼCは、高い抗真菌活性を有することはもちろんだが、これまで利用されてきた微生物由来のキチナーゼと異なり植物により近いアミノ酸配列の保存領域を有するファミリー19に属している極めて特徴的なキチナーゼと考えられるが、このキチナーゼC遺伝子をイネ科植物に導入発現させて病害抵抗性を付与するという試みは未だ知られていない。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる観点からなされたものであり、菌類病に対して抵抗性を示すイネ科植物を作出する事を課題とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意検討を進めた結果、ストレプトマイセス・グリセウス由来のファミリー19に属するキチナーゼC遺伝子をイネ科植物に導入することにより病害抵抗性を増強することに初めて成功し、これまで作出されたキチナーゼを過剰発現させた形質転換イネより極めて高い病害抵抗性を示すイネ科植物を作出する事が可能となり、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明の要旨は以下の通りである。
【0012】
(1)下記タンパク質をコードするDNAで形質転換され、病害抵抗性を有するイネ科植物:
(A)配列番号2のアミノ酸番号31〜294で表されるアミノ酸配列を有するタンパク質、又は
(B)配列番号2のアミノ酸番号31〜294で表されるアミノ酸配列において、1又は数個のアミノ酸残基の置換、欠失、もしくは挿入を含むアミノ酸配列を有し、かつ、キチナーゼ活性を有するタンパク質。
(2)前記タンパク質をコードするDNAが、さらに配列番号4に示すアミノ酸配列を有する植物細胞外分泌シグナルペプチドをコードし、同シグナルペプチドと前記タンパク質との融合タンパク質を発現する(1)に記載のイネ科植物。
(3)イネ科植物がイネである(1)又は(2)に記載のイネ科植物。
(4)病害が菌類病であるである(1)〜(3)のいずれかに記載のイネ科植物。
(5)前記菌類病がイネいもち病である(4)に記載のイネ科植物。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明を詳しく説明する。
本発明の病害抵抗性イネ科植物の作出は、ストレプトマイセス・グリセウス由来のキチナーゼCをコードするDNAを導入して形質転換することにより得られる。前記キチナーゼCをコードするDNAの塩基配列は、特開2000−93182号公報に記載されている。また、キチナーゼCをコードするDNAは、例えば同DNAをpUC119に上に含むプラスミドpGC01(特開2000−93182号公報)を鋳型とするPCR法(Am. J. Hum. Genet., 37, 172(1985))により、同プラスミドから調製することができる。PCRに用いるプライマーとしては、例えば配列番号6及び7に示すオリゴヌクレオチドが挙げられる。
【0014】
本発明においては、キチナーゼCは、キチナーゼ活性を有し、かつ、イネに病害抵抗性を付与することができる限り、その一部であってもよい。例えば、配列番号2に示すアミノ酸配列において、アミノ酸番号1〜30で表される領域は、欠失していてもよい。具体的には、本発明に用いるDNAとしては、下記タンパク質をコードするDNAが挙げられる。
(A)配列番号2のアミノ酸番号31〜294で表されるアミノ酸配列を有するタンパク質、又は
(B)配列番号2のアミノ酸番号31〜294で表されるアミノ酸配列において、1又は数個のアミノ酸残基の置換、欠失、もしくは挿入を含むアミノ酸配列を有し、かつ、キチナーゼ活性を有するタンパク質。
【0015】
前記「数個」とは、アミノ酸残基のタンパク質の立体構造における位置や種類によっても異なるが、具体的には2から35個、好ましくは、2から20個、より好ましくは2から10個である。
尚、 配列番号2に示すキチナーゼCのアミノ酸配列において、アミノ酸番号1〜29は、シグナルペプチドであると推定される。
【0016】
本発明に用いるDNAは、キチナーゼC又はその一部に加えて、後述する植物細胞において分泌シグナルとして機能するシグナルペプチドをコードする配列をさらに含み、同シグナルペプチドと前記タンパク質との融合タンパク質をコードするDNAであってもよい。さらに、シグナルペプチドと前記タンパク質との間に、他のタンパク質由来の配列又はリンカー等の人為的な配列が挿入された融合タンパク質であってもよい。本発明おいては、このような融合タンパク質を、単に「キチナーゼC」と呼ぶことがある。
【0017】
本発明を適用することが出来る植物はイネ科植物であり、イネ科に属する物であれば特に制限はされない。具体的には、イネ、ムギ(コムギ、オオムギ、ライムギ等)、ヒエ、アワ、シバ、トウモロコシ等があげられ、本発明においては特にイネが好ましい。
【0018】
本発明においては、キチナーゼCをコードするDNAは、適当なベクターを用いてイネ科植物細胞に導入される。その際、キチナーゼCをコードするDNAは、その5’末端側にイネ科植物で機能するプロモーターを、及び3’末端側にイネ科植物で機能するターミネーターを連結して導入される。このような、キチナーゼCをコードするDNAに加えて、これを発現させるために必要な配列、例えばプロモーター及びターミネーターを含むDNAを、「キチナーゼC遺伝子」と呼ぶことがある。
【0019】
具体的には例えば、キチナーゼCをコードするDNAは、イネ科植物で機能するプロモーター、及びイネ科植物で機能するターミネーターを有するプラスミドに挿入してキチナーゼC発現プラスミドを調製し、同プラスミドを用いて導入することができる。例えば、プロモーターとしては、カリフラワーモザイクウィルス由来の35SRNA遺伝子(CaMV35S)のプロモーター等が使用できる。また、ターミネーターとしては、アグロバクテリウム由来のノパリン合成酵素(NOS)遺伝子由来のターミネーター等が使用できる。もちろんこれらに限定されるわけではない。
【0020】
キチナーゼCタンパク質が植物において安定して蓄積するように、例えば、キチナーゼCをコードする配列の前に分泌シグナルペプチドを結合して、キチナーゼCを細胞外に分泌させても良い。分泌シグナルペプチドはイネ科植物細胞内で機能するものであれば特に制限されない。例えば、配列番号4に記載されたアミノ酸配列を有するイネ由来キチナーゼのシグナルペプチド等が使用できるが、もちろんこれに限定されるわけではない。同シグナルペプチドは、例えば配列番号3に示す塩基配列によってコードされ得る。同シグナルペプチドとキチナーゼCとの融合タンパク質のアミノ酸配列の一例を、配列番号5に示す。
前記イネ由来キチナーゼでは、成熟タンパク質のN末端はグルタミン酸残基である。したがって、前記配列番号5に示す融合タンパク質の設計に当たっては、シグナルペプチドと成熟タンパク質との切断を確実にするために、配列番号3に示すアミノ酸配列には、シグナルペプチドのアミノ酸配列に加えて、C末端にグルタミン酸残基が付加されている。一方、キチナーゼCの成熟タンパク質からは、N末端と推定されるアラニン残基(配列番号2中、アミノ酸番号30)を除去してある。このように、本願発明において、配列番号4に示すアミノ酸配列を有するシグナルペプチドとは、シグナルペプチドと、そのC末端に付加されたグルタミン酸残基からなるペプチドである。本発明においては、このグルタミン酸残基は必須なものではなく、シグナルペプチドとキチナーゼCとの切断が起こり、活性のあるキチナーゼCを生成し得るものであれば、切断部位の前後の配列は特に制限されない。
【0021】
病害抵抗性イネ科植物の選抜を容易にするために、キチナーゼC遺伝子と同時に薬剤耐性遺伝子を選抜マーカー遺伝子として導入する手法を用いても良い。この手法を用いると、形質転換されたイネ科植物に導入される遺伝子は、キチナーゼC遺伝子と薬剤耐性遺伝子となる。薬剤耐性遺伝子としては、形質転換体の選抜が容易であることが望ましい。例えば、ネオマイシンフォスフォトランスフェレース(NPT)遺伝子、ハイグロマイシンフォスフォトランスフェレース(HPT)遺伝子等が好適に用いられ得るが、これらに限定されない。
【0022】
薬剤耐性遺伝子を発現させるプロモーターとしては、上記植物遺伝子プロモーター、例えばCaMV35Sプロモーター、NOSプロモーター等が挙げられるがこれらに限定されない。
【0023】
組み換えたキチナーゼC遺伝子が発現し得るように、キチナーゼC遺伝子とその発現を調節するプロモーター、ターミネーター、シグナルペプチド等の種々の調節エレメントとが宿主細胞中で作動しうる状態で連結されている核酸配列を発現カセットという。この発現カセットは定法によって構築され得る。
【0024】
発現ベクターの構築に用いるベクターとしては、pBI系のベクター、pUC系のベクター等が用いられ得る。バイナリーベクターであるpBI系のベクターはアグロバクテリウムを介して植物に発現カセットを導入し得る。例えばpBI121、pBI101、pBI101.2、pBI101.3等が挙げられる。pUC系のベクターは、直接植物に発現カセットを導入し得る。例えば、pUC18、pUC19、pUC9等が挙げられる。本発明では、pBI−EN4が好適に用いられ得る。このベクターは、CaMV 35Sプロモーターのエンハンサー領域4反復を含む発現カセットと、マーカー遺伝子としてCaMV 35Sプロモーターの支配下で発現されるHPT遺伝子を含んでいる。
【0025】
発現カセットや発現ベクターをイネ科植物細胞に導入するには、上記のようにアグロバクテリウムを介する方法と、直接細胞に導入する方法とがある。
アグロバクテリウムを介する方法は、例えばNagelらの方法(Microbiol.Lett.,67,325(1990))が用いられ得る。この方法は、まず、例えば発現ベクターをエレクトロポーレション法等を用いてアグロバクテリウムに形質転換し、ついで、形質転換されたアグロバクテリウムをPlant Molecular Biology Manual(S.B. Gelvin et al., Academic Press Publishers)に記載の方法で植物細胞に導入する方法である。発現カセット、発現ベクターを直接導入する方法としては、エレクトロポーレーション法、遺伝子銃法等が挙げられる。
【0026】
発現カセット又は発現ベクターを導入されたイネ科植物細胞は、まずハイグロマイシン耐性等の薬剤耐性で選択され、ついで常法により、植物体に再生されうる。
【0027】
形質転換されたイネ科植物における外来遺伝子の確認には、周知の方法が用いられ得る。例えば、Walbotらの方法(Walbot and Warren, Mol. Gen. Genet., 211, 27−34,(1988))に準じた方法で植物からDNAを抽出し、PCR法(Am. J. Hum. Genet., 37, 172(1985))もしくはサザン法(J. Mol. Biol., 98,505(1980))により確認できる。
【0028】
また、形質転換されたイネ科植物が組み込まれたキチナーゼC遺伝子を発現していることは、例えば、キチナーゼC遺伝子のあるいはその一部をプローブとして用いるノザン法(Thomas, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 77,5201−5205(1980))によりキチナーゼ遺伝子転写産物を確認する方法、あるいはキチナーゼCに対する抗血清を用いたウエスタン法(Towbin et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 76, 4350−4354(1979))によりキチナーゼC遺伝子産物を確認する方法等により明らかに出来る。
【0029】
得られた形質転換体は、各種病原に対する抵抗性試験に供試される。病原としては対象とする植物に応じて異なることもあるが、例えばイネの場合、イネいもち病、イネ紋枯病などが代表的な菌類病としてあげられ、特にイネいもち病に対する効果が顕著である。かかる抵抗性試験には再生当代の個体(R0世代)を用いても良いし、自殖後代の個体群(R1世代以降)を用いても良い。
【0030】
接種用のイネいもち病菌胞子は、定法に従いイネいもち病菌をオートミール寒天培地上で25℃、約2週間生育させた後、蛍光灯あるいはブラックライトランプを数日間照射することにより得られる。イネいもち病に対する抵抗性は、かかるイネいもち病菌胞子懸濁液を植物体に接種することで容易に判定できる。例えば定法により栽培したイネの4〜5葉期苗に、Tween20等の展着剤を0.05%加えたイネいもち病菌の胞子懸濁液を噴霧接種する。接種後20〜24時間、湿度ほぼ100%の25℃チャンバーにおき、以降温室にて7〜8日間栽培する。抵抗性は接種葉上の病斑出現程度等により判定できる。
【0031】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り本例に制約されるものではない。
【0032】
【実施例1】
<キチナーゼC遺伝子発現用ベクターの構築>
キチナーゼC遺伝子の発現用ベクターの構築を、図1に基づいて説明する。プロモーター、選抜マーカー遺伝子、ターミネーターを有するベクターとして、カリフラワーモザイクウィルスの35Sプロモーター及びそのエンハンサー領域を4反復させた人工プロモーターEN4、大腸菌のハイグロマイシンフォスフォトランスフェレース遺伝子、及びアグロバクテリウムのノパリンシンターゼ遺伝子由来のターミネーターを有するプラスミドpUC−EN4(独立行政法人農業生物資源研究所、広近洋彦博士より入手)を用いた。
【0033】
キチナーゼC遺伝子を有するベクターとしては、pUC−RC2ss/ChiCを用いた。同ベクターは、キチナーゼCをコードするDNAをpUC119に上に含むプラスミドpGC01(特開2000−93182号公報)からSacI及びKpnIで切り出した断片と、イネ由来キチナーゼ遺伝子のcDNAクローン(EMBL Acc. #X56787)を鋳型にして5’−CACGGATCCGCATGTCGACGCCGAGAGCGG−3’プライマー(配列番号6)と5’−AGGAGCTCCAGGCCGTGGCGCAGGTCTCGGCGCGCGCCGCCGT−3’プライマー(配列番号7)を用いてPCRを行って得られたイネ由来キチナーゼ遺伝子のシグナルペプチドをコードする断片をBamHI及びSacIで処理した断片を、DNAライゲーションキット(東洋紡製)を用いてpUC19ベクターのBamHIとKpnIサイト間に連結することにより調製した。
【0034】
pUC−EN4を制限酵素XbaI及びKpnIで切断して得られた大断片と、pUC−RC2ss/ChiCをXbaI及びKpnIで切断して得られたキチナーゼC遺伝子を含む断片を連結することにより、pEN4−RC2ss/ChiCを構築した。
【0035】
このpEN4−RC2ss/ChiCをEcoRIで切断して得られた断片と、これとは別にバイナリーベクターpBI121(Clontech社)のT−DNA領域に35Sプロモーターとハイグロマイシンフォスフォフォトランスフェレース(HPT)遺伝子とノパリンシンターゼ遺伝子由来ターミネーターを有するプラスミドpBI−HPT(筑波大学、鎌田博 博士より入手)をEcoRIで処理して得られた大断片を連結し、キチナーゼC遺伝子導入用プラスミドpBI−EN4−RC2ss/ChiCを構築した。このプラスミドの構造を図1に示した。
【0036】
形質転換アグロバクテリウムは、Nagelらの方法(Microbiol.Lett., 67, 325(1990))に従って、発現ベクターpBI−EN4−RC2ss/ChiCをエレクトロポーレーション法によりアグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefacience)に導入した後、50μg/mlのカナマイシンと25μg/mlのクロラムフェニコールを含む培地上、28℃で培養することによって得た。
【0037】
【実施例2】
<発現ベクターのイネへの導入>
イネの形質転換は、超迅速形質転換法(特許3141084号公報)に従って行った。すなわち、籾殻を取り除いたイネの完熟種子を無傷の状態で2.5%次亜塩素酸ナトリウム溶液中で殺菌し、滅菌水で十分に洗浄後、2,4−ジクロロフェノキシ酢酸(2,4−D)を含むN6D培地(30g/Lスクロース、0.3g/Lカザミノ酸、2.8g/Lプロリン、2mg/L 2,4−D、4g/Lゲルライト、pH5.8)に播種し、5日間28℃に静置した。
【0038】
形質転換されたアグロバクテリウムの懸濁液に前培養した上記の種子を浸漬した後、2N6・AS培地(30g/Lスクロース、10g/Lグルコース、0.3g/Lカザミノ酸、2mg/L 2,4−D、10mg/L アセトシリンゴン、4g/Lゲルライト、pH5.2)に移植し、28℃暗黒下で3日間共存培養した。
【0039】
ゲルライトを除いたN6D培地にアグロバクテリウム用抗生物質であるカルベニシリンを500mg/Lを加えた洗浄液を用いて、種子からアグロバクテリウムを十分洗浄した後、カルベニシリン500mg/Lと選抜マーカーとしてハイグロマイシンを50mg/L加えたN6D培地に洗浄した種子を置床して、28℃で約2週間選抜培養した。
【0040】
選抜されたカルスを再分化培地(500mg/Lカルベニシリン、30mg/Lハイグロマイシン、30g/Lスクロース、30g/Lソルビトール、2g/Lカザミノ酸、2mg/Lカイネチン、0.002mg/L α−ナフチル酢酸(NAA)、4g/Lゲルライト、pH5.8となるよう添加したMS培地)に移植して、28℃で再分化するまで培養を続けた。
【0041】
再分化固体を発根培地(ハイグロマイシン30mg/Lとなるように添加した、ホルモンフリーのMS培地)に置床し、ハイグロマイシン耐性を検定した。非形質転換体は新しい根が伸長せず1週間ほどで枯死するのに対し、遺伝子が導入されたと考えられる形質転換体は耐性を示し、野生株と同様の生育を示した。形質転換植物が大きくなったところで、馴化を経てポットに移植し温室内で生育させたところ、成熟した完全な形質転換イネ植物体が得られた。
【0042】
【実施例3】
<形質転換イネ植物体のキチナーゼCの発現の確認>
再生した形質転換イネ植物体の葉から水溶性タンパク質を抽出し、ウエスタン法(Towbin et al., Proc. Natl. Acad. Sci.USA, 76, 4350,(1979))によりキチナーゼCタンパク質の検出を試みた。
【0043】
イネの葉をpH6.0に調整したクエン酸−リン酸バッファーで抽出後、15000rpm、4℃、20分間で遠心分離を行った。上清をサンプルとして、常法によりSDS−ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS−PAGE)にかけた。泳動後のゲルをImmobilonメンブラン(Millipore社)に密着させ、ブロッティングバッファー(25mM トリスヒドロキシアミノメタン, 192mM グリシン, 15%メタノール)で、セミドライブロッティング装置(日本エイドー製)を用いて、180mA、6V、1時間の条件で通電することにより、ゲルからメンブランにタンパク質を転写した。
【0044】
メンブラン上のキチナーゼCタンパク質の検出は、1次抗体としてウサギをキチナーゼCで免疫して得られたキチナーゼCタンパク質に対する抗血清を、2次抗体としてウサギIgGに対するアルカリフォスファターゼ結合したヤギIgG(ICN社製)を用い、これらを含む溶液及びアルカリフォスファターゼの基質であるニトロブルーテトラゾリウム(NBT)及びブロモクロロインドールフォスフェート(BCIP)を含む溶液にメンブランを順次浸漬し、基質を発色させることによって行った。
【0045】
その結果、キチナーゼCタンパク質に対する抗血清に反応する約31.5kDaのバンドを主とするタンパク質が検出された。
【0046】
【実施例4】
<自殖次世代へのキチナーゼC遺伝子の伝達>
形質転換後代における導入遺伝子(HPT遺伝子)の存在をPCRによって確認した。
実施例2で得られた再生植物体を温室にて常法により育成することにより、約4ヶ月後に自殖種子(R1世代)を得た。
【0047】
それら自殖種子の籾殻を除去後、1%次亜塩素酸ナトリウム溶液で滅菌し、25mg/Lハイグロマイシンを含む1%寒天プレート上で約10日間栽培し、ハイグロマイシン耐性個体を各系統10個体ずつボンソル培養土(住友化学)に鉢上げした。
【0048】
非形質転換体を含む各系統の葉身約1cmから、川崎努の方法(「PCR解析用の簡便なイネゲノムDNAの単離法」植物のPCR実験プロトコール 秀潤社)に従って全DNAを抽出した。
【0049】
抽出した各系統のDNA溶液100μlのうち1μlを鋳型とし、プライマー1:ATGAAAAAGCCTGAACTCACCGCGA(配列番号10)、およびプライマー2:TCCATCACAGTTTGCCAGTGATACA(配列番号11)を用いてアニーリング温度60℃でPCRを行った。
【0050】
PCR後、反応液の一部を1.2%アガロースゲルで電気泳動し、バンドの有無、および、コントロールとして実施例1で構築したプラスミドpBI−EN4−RC2ss/ChiCを鋳型に用いたPCR産物の長さとの比較を行った。その結果、自殖次世代に導入遺伝子が遺伝していることが確認された。
【0051】
【実施例5】
<形質転換植物の病害抵抗性>
実施例2で得られた形質転換イネのイネ葉いもち病に対する抵抗性を検定した。接種用のイネとしては、再分化植物の自殖種子(R1世代)の籾殻を除去後、1%次亜塩素酸ナトリウムで滅菌し、25mg/Lハイグロマイシンを含む1/4×MS培地上で約10日間栽培し、ハイグロマイシン耐性個体を各系統10個体ずつボンソル培養土(住友化学)に鉢上げし、温室内で4〜5葉期まで栽培した個体を用いた。
コントロールとしては、非形質転換イネ(日本晴)の籾殻を除去した種子を上記と同様に滅菌後、ハイグロマイシンを含まない1/4×MS培地上で同様に生育させ、以下、形質転換イネと同様に栽培した植物体を用いた。また、キチナーゼC以外のキチナーゼ遺伝子を導入したイネとの比較として、イネのクラスIキチナーゼ(Cht−2)を高発現させた組換えイネ[セオレティカルアプライドジェネティクス(Theor. Appl. Genet.)、第99巻、383頁〜390頁、1999年]を対照に用いた。
【0052】
いもち病菌胞子懸濁液は、イネいもち病菌をオートミール寒天培地上で25℃、約2週間生育させた後、ブラックライトランプを4日間照射することにより形成させた胞子を滅菌した絵筆でかき取り、5×105/mlになるように0.05%Tween 20水溶液に懸濁して調製した。このイネいもち病菌胞子懸濁液を噴霧した植物体を、湿度100%、25℃、暗黒下の接種箱に24時間静置した後、28〜30℃(夜間23℃)の隔離温室にて7〜8日間栽培した。
【0053】
抵抗性検定は、農林水産省(旧)中国農業試験場の古田研究室が開発した罹病面積を基にした葉いもち病抵抗性判定図に従って行った。すなわち、接種葉上に形成されたいもち病斑の程度を判定図に照らし合わせて病斑面積率で表し、元品種の病斑面積率と比較して防除価を算出し、キチナーゼCを発現しない形質転換イネの防除価と比較した。非形質転換体と比較して、キチナーゼC遺伝子を恒常的に発現する形質転換イネでは病斑の数と伸展が著しく抑えられていた。また、イネキチナーゼを高発現する形質転換イネと比較しても、キチナーゼCを恒常的に発現する形質転換イネは病斑の数と伸展が著しく抑えられ、防除価が高まっていた。この結果を図2に示した。
【0054】
尚、防除価は、下記式により算出した。
防除価(%)=(コントロールの平均病斑面積率−被験系統の平均病斑面積率)/コントロールの平均病斑面積率×100
【0055】
【実施例6】
<同一系統内でのキチナーゼC発現量と病害抵抗性>
同一系統内でのいもち病抵抗性を調べ、それぞれのキチナーゼC発現量をウェスタン法により分析し、キチナーゼC発現量といもち病抵抗性の相関関係を調査した。
【0056】
実施例2で得られた形質転換イネの再分化植物の自殖種子(R1世代)を、1系統につき10粒ずつボンソル培養土(住友化学)に播種し、温室内で4〜5葉期まで栽培した個体を用いて、実施例5に示した抵抗性検定を行った。その後、いもち病抵抗性検定後の接種葉を回収し、実施例3で示したウェスタン法を用いてキチナーゼCの発現量の確認を行った。
【0057】
その結果、表1に示すように、キチナーゼCを発現している個体でのみ、いもち病抵抗性を示す高い防除価を示し、キチナーゼCの発現がいもち病抵抗性の付与に関与していることが強く示唆された。
【0058】
【表1】

Figure 0003964701
A、B:キチナーゼC遺伝子導入形質転換イネ系統
+ :ウェスタン分析によるキチナーゼC発現有り
− :ウェスタン分析によるキチナーゼC発現無し
【0059】
〔配列表の説明〕
配列番号1:キチナーゼC遺伝子の塩基配列
配列番号2:キチナーゼCのアミノ酸配列
配列番号3:イネ由来キチナーゼのシグナルペプチドをコードするDNAの塩基配列
配列番号4:イネ由来キチナーゼのシグナルペプチドのアミノ酸配列
配列番号5:シグナルペプチドとキチナーゼCとの融合タンパク質のアミノ酸配列
配列番号6:イネ由来キチナーゼ遺伝子のシグナル配列増幅用プライマー
配列番号7:イネ由来キチナーゼ遺伝子のシグナル配列増幅用プライマー
配列番号8:導入遺伝子確認用プライマー
配列番号9:導入遺伝子確認用プライマー
【発明の効果】
本発明の病害抵抗性イネ科植物は、キチナーゼC遺伝子を導入されて形質転換されたことにより、イネいもち病等の菌類病に対する抵抗性が上昇し、農業生産上重要なイネ科植物を提供することが出来る。
【0060】
【配列表】
Figure 0003964701
Figure 0003964701
Figure 0003964701
【0062】
Figure 0003964701
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【0063】
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【0064】
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【0065】
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【0066】
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【0067】
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【0068】
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【0069】
Figure 0003964701

【図面の簡単な説明】
【図1】 キチナーゼC遺伝子導入用プラスミドpBI−EN4−RC2ss/ChiCの構造の模式図。
【図2】 形質転換植物のイネ葉いもち病に対する抵抗性の試験結果を表すグラフ。
【符号の説明】
35S:CaMV 35Sプロモーター
HPT:ハイグロマイシン耐性遺伝子
NOS3’:NOS遺伝子ターミネーター
EN4:CaMV 35Sプロモーター(エンハンサー4反復)
RCC2SS/ChiC:イネ・キチナーゼ遺伝子のシグナル配列を持つキチナーゼCキメラ遺伝子
RB, LB:T−DNA右側ボーダー配列、左側ボーダー配列
NPTIII:カナマイシン耐性遺伝子
NT:非形質転換体(コントロール)
P:キチナーゼC遺伝子を含まないプラスミドによる形質転換イネ
C:N−ER2−55−5−1(イネキチナーゼ高発現形質転換イネ)
1、2,3,4:キチナーゼC発現形質転換イネ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a grass family plant that exhibits resistance to various fungal diseases important in agricultural production.
[0002]
[Prior art]
In recent years, attempts have been made to introduce useful genes into plants using genetic engineering techniques to produce fungal disease resistant plants that are resistant to plant fungal diseases. For example, the introduction of chitinase genes into plants has been promoted for the purpose of strengthening the defense mechanism against pathogenic fungi of plant fungal diseases.
[0003]
Various filamentous fungi are known as pathogenic fungi of plant fungal diseases. Filamentous fungi have chitin as one of the main components constituting their cell walls. On the other hand, the plant has an enzyme that degrades chitin, chitinase (EC 3.2.1.14), which acts on chitin in the cell wall of the filamentous fungus to infect the plant, causing infection by these pathogens.・ It is considered to be a defense mechanism to prevent the disease.
[0004]
Focusing on the defense mechanism as described above, disease-resistant plants with enhanced defense mechanisms have been created by introducing chitinase genes derived from various organisms into plants. For example, as an example of introducing a plant-derived chitinase gene: 1. Introduced chitinase gene isolated from kidney beans into tobacco [Science, Vol. 254, pp. 1194-197 (1991)]. 2. Introduced chitinase gene isolated from tobacco into tobacco, carrot, sunflower, tomato, cotton, corn, and camouflage [JP-A-3-35783, JP-A-3-112488] 3. A chitinase gene isolated from the bean Arachis hypogaea introduced into tobacco [Japanese Patent Laid-Open No. 5-76873]; Chitinase gene isolated from tomato introduced into corn, soybean, peat, wheat, barley, poppy, rape, sunflower, alfalfa, rose, carnation, gerbera, tomato, carrot, lettuce, chicory, melon, cabbage, tobacco [ JP-A-6-38762], recombinant rice in which rice class I chitinase (Cht-2) is highly expressed [Theoretical Applied Genetics (Theor. Appl. Genet.), Vol. 99, pp. 383- 390, 1999].
[0005]
On the other hand, examples of introducing a chitinase gene derived from a microorganism include: 1. A chitinase gene isolated from the bacterium Serratia marcescens introduced into tobacco [Transgenic Research, Vol. 3, pp. 90-98 (1994)]. Known is one in which chitinase derived from Rhizopus-oligosporus is introduced into bent glass [Japanese Patent Laid-Open No. 8-172957].
[0006]
However, there has been reported an example in which the disease resistance of the plant body has not been improved despite overexpression of chitinase exhibiting high antifungal activity in the plant cell. For example, even when overexpressing tobacco class I chitinase, the resistance to tobacco white spot disease (Cercospora nicotiana) did not increase (Plant Mol. Biol., Vol. 16, pages 141-151, 1991], an example in which the over-expression of sugar beet class III chitinase in tobacco did not increase the disease resistance of Cercospora nicotiana [Mole. Plant-Microbe Interaction, Vol. 6, 494] Page 506, 1993]. It is also known that when a chitinase gene is expressed in a plant cell, a positive correlation is not always obtained between the chitinase activity in the plant and the disease resistance newly acquired by the plant. ing. [Theoretical Applied Genetics (Theor. Appl. Genet.), 99, 383-390, 1999]. In this way, when trying to enhance disease resistance by introducing a chitinase gene into a plant, expression of a large amount of chitinase exhibiting a high antifungal activity in the plant necessarily increases plant disease resistance. It was speculated that it was not connected.
[0007]
Accordingly, the present inventors have conducted intensive studies to produce disease-resistant gramineous plants by paying attention to the grouping of chitinases apart from the intensity of antifungal activity possessed by chitinases. That is, natural chitinases are roughly divided into two groups, one is a group that can be called family 19 of plant-derived chitinases due to the difference in the conserved region of amino acid sequence, and the other is a chitinase that can be called family 18 including microorganisms. [Takeshi Watanabe Chemistry and Biology, Vol. 35, No. 6, 408, 1997].
[0008]
However, in the process of searching for various chitinase base sequences derived from microorganisms, the chitinase named chitinase C derived from Streptomyces griseus was found to be the only chitinase having a domain structure common to family 19 except for plants. [TSUYOSHI OHNO, TAKESHI WATANABE, J. et al. BACTERIOLOGY, 178, 17, p. 5065, 1996]. Furthermore, as a result of investigating the properties of the chitinase, it was revealed that the chitinase has high antifungal activity [Japanese Patent Laid-Open No. 2000-93182].
[0009]
Thus, microbially derived chitinase C, of course, has a high antifungal activity, but belongs to family 19 which has a conserved region of amino acid sequence closer to plants, unlike microbially derived chitinases that have been used so far. However, an attempt to impart disease resistance by introducing and expressing this chitinase C gene in gramineous plants has not been known yet.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
This invention is made | formed from this viewpoint, and makes it a subject to produce the Gramineae plant which shows resistance with respect to a fungal disease.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have intensively studied. As a result, the disease resistance is enhanced by introducing a chitinase C gene belonging to family 19 derived from Streptomyces griseus into a grass family plant. It has succeeded for the first time, and it has become possible to produce a grass family plant that exhibits extremely higher disease resistance than transformed rice plants overexpressed with chitinase produced so far, thereby completing the present invention.
That is, the gist of the present invention is as follows.
[0012]
(1) Gramineae plants that are transformed with DNA encoding the following proteins and have disease resistance:
(A) a protein having the amino acid sequence represented by amino acid numbers 31 to 294 of SEQ ID NO: 2, or
(B) The amino acid sequence represented by amino acid numbers 31 to 294 of SEQ ID NO: 2 has an amino acid sequence including substitution, deletion, or insertion of one or several amino acid residues, and has chitinase activity protein.
(2) The rice protein according to (1), wherein the DNA encoding the protein further encodes a plant extracellular secretion signal peptide having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4, and expresses a fusion protein of the signal peptide and the protein. Family plant.
(3) The gramineous plant according to (1) or (2), wherein the gramineous plant is rice.
(4) The gramineous plant according to any one of (1) to (3), wherein the disease is a fungal disease.
(5) The grass family plant according to (4), wherein the fungal disease is rice blast.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The production of the disease resistant gramineous plant of the present invention can be obtained by introducing and transforming DNA encoding chitinase C derived from Streptomyces griseus. The base sequence of DNA encoding the chitinase C is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-93182. The DNA encoding chitinase C is, for example, a PCR method (Am. J. Hum. Genet., 37, 172) using a plasmid pGC01 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-93182) containing the same DNA in pUC119 as a template. 1985)) and can be prepared from the same plasmid. As a primer used for PCR, the oligonucleotide shown to sequence number 6 and 7 is mentioned, for example.
[0014]
In the present invention, chitinase C may be a part thereof as long as it has chitinase activity and can impart disease resistance to rice. For example, in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, the region represented by amino acid numbers 1 to 30 may be deleted. Specifically, examples of the DNA used in the present invention include DNAs encoding the following proteins.
(A) a protein having the amino acid sequence represented by amino acid numbers 31 to 294 of SEQ ID NO: 2, or
(B) The amino acid sequence represented by amino acid numbers 31 to 294 of SEQ ID NO: 2 has an amino acid sequence including substitution, deletion, or insertion of one or several amino acid residues, and has chitinase activity protein.
[0015]
The “several” differs depending on the position and type of the amino acid residue in the three-dimensional structure of the protein, but specifically 2 to 35, preferably 2 to 20, more preferably 2 to 10 is there.
In the amino acid sequence of chitinase C shown in SEQ ID NO: 2, amino acid numbers 1 to 29 are presumed to be signal peptides.
[0016]
In addition to chitinase C or a part thereof, the DNA used in the present invention further includes a sequence encoding a signal peptide that functions as a secretion signal in plant cells described later, and encodes a fusion protein of the signal peptide and the protein. It may be DNA. Furthermore, it may be a fusion protein in which an artificial sequence such as a sequence derived from another protein or a linker is inserted between the signal peptide and the protein. In the present invention, such a fusion protein is sometimes simply referred to as “chitinase C”.
[0017]
Plants to which the present invention can be applied are gramineous plants, and are not particularly limited as long as they belong to the gramineous family. Specific examples include rice, wheat (wheat, barley, rye, etc.), Japanese millet, millet, buckwheat, and corn. Rice is particularly preferred in the present invention.
[0018]
In the present invention, DNA encoding chitinase C is introduced into gramineous plant cells using an appropriate vector. At that time, DNA encoding chitinase C is introduced by linking a promoter functioning in grasses at the 5 ′ end and a terminator functioning in grasses at the 3 ′ end. In addition to DNA encoding chitinase C, such a DNA containing a sequence necessary for expression thereof, such as a promoter and a terminator, is sometimes referred to as “chitinase C gene”.
[0019]
Specifically, for example, DNA encoding chitinase C is inserted into a plasmid having a promoter that functions in gramineous plants and a terminator that functions in gramineous plants to prepare a chitinase C expression plasmid. Can be introduced. For example, a promoter of 35S RNA gene (CaMV35S) derived from cauliflower mosaic virus can be used as the promoter. As the terminator, a terminator derived from an Agrobacterium-derived nopaline synthase (NOS) gene can be used. Of course, it is not limited to these.
[0020]
In order for the chitinase C protein to accumulate stably in plants, for example, a secretory signal peptide may be bound in front of the sequence encoding chitinase C to secrete chitinase C extracellularly. The secretory signal peptide is not particularly limited as long as it functions in a gramineous plant cell. For example, a rice-derived chitinase signal peptide having the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 4 can be used, but the present invention is not limited thereto. The signal peptide can be encoded by the base sequence shown in SEQ ID NO: 3, for example. An example of the amino acid sequence of the fusion protein of the signal peptide and chitinase C is shown in SEQ ID NO: 5.
In the rice chitinase, the N-terminus of the mature protein is a glutamic acid residue. Therefore, in designing the fusion protein shown in SEQ ID NO: 5, in order to ensure cleavage of the signal peptide and the mature protein, the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 3 includes C A glutamic acid residue is added to the terminal. On the other hand, the alanine residue (amino acid number 30 in SEQ ID NO: 2) presumed to be N-terminal has been removed from the mature protein of chitinase C. Thus, in this invention, the signal peptide which has an amino acid sequence shown to sequence number 4 is a peptide which consists of a signal peptide and the glutamic acid residue added to the C terminal. In the present invention, this glutamic acid residue is not essential, and the sequence before and after the cleavage site is particularly limited as long as cleavage between the signal peptide and chitinase C occurs and active chitinase C can be generated. Not.
[0021]
In order to facilitate selection of disease resistant gramineous plants, a technique of introducing a drug resistance gene as a selection marker gene simultaneously with the chitinase C gene may be used. When this technique is used, the genes introduced into the transformed gramineous plant are the chitinase C gene and the drug resistance gene. As a drug resistance gene, it is desirable that a transformant can be easily selected. For example, neomycin phosphotransferase (NPT) gene, hygromycin phosphotransferase (HPT) gene and the like can be preferably used, but are not limited thereto.
[0022]
Examples of promoters for expressing drug resistance genes include, but are not limited to, the above plant gene promoters such as the CaMV35S promoter and the NOS promoter.
[0023]
Nucleic acid sequences in which a chitinase C gene and various regulatory elements such as a promoter, terminator, signal peptide, etc. that regulate the expression thereof are operably linked in a host cell so that the recombinant chitinase C gene can be expressed. Is called an expression cassette. This expression cassette can be constructed by standard methods.
[0024]
As a vector used for constructing an expression vector, a pBI vector, a pUC vector, or the like can be used. A pBI-based vector which is a binary vector can introduce an expression cassette into a plant via Agrobacterium. For example, pBI121, pBI101, pBI101.2, pBI101.3 and the like can be mentioned. A pUC-based vector can directly introduce an expression cassette into a plant. For example, pUC18, pUC19, pUC9 etc. are mentioned. In the present invention, pBI-EN4 can be preferably used. This vector contains an expression cassette containing 4 repeats of the enhancer region of the CaMV 35S promoter and an HPT gene expressed as a marker gene under the control of the CaMV 35S promoter.
[0025]
There are two methods for introducing an expression cassette or expression vector into a gramineous plant cell, as described above, via Agrobacterium, or directly into the cell.
As a method using Agrobacterium, for example, the method of Nagel et al. (Microbiol. Lett., 67, 325 (1990)) can be used. In this method, first, for example, an expression vector is transformed into Agrobacterium using an electroporation method or the like, and then the transformed Agrobacterium is transformed into Plant Molecular Biology Manual (SB Gelvin et al.,). (Academic Press Publishers). Examples of the method for directly introducing an expression cassette and an expression vector include an electroporation method and a gene gun method.
[0026]
Gramineae plant cells into which an expression cassette or expression vector has been introduced are first selected for drug resistance such as hygromycin resistance, and then can be regenerated into plants by conventional methods.
[0027]
A well-known method can be used for confirmation of a foreign gene in a transformed gramineous plant. For example, DNA is extracted from a plant by a method according to the method of Walbot et al. (Walbot and Warren, Mol. Gen. Genet., 211, 27-34, (1988)), and the PCR method (Am. J. Hum. Genet). , 37, 172 (1985)) or the Southern method (J. Mol. Biol., 98, 505 (1980)).
[0028]
Moreover, the expression of the chitinase C gene into which the transformed gramineous plant has been incorporated is, for example, the Northern method (Thomas, Proc. Natl. Acad. Sci.) Using the chitinase C gene or a part thereof as a probe. USA, 77, 5201-5205 (1980)) or a Western method using antiserum against chitinase C (Towbin et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 76). , 4350-4354 (1979)) and can be clarified by a method for confirming the chitinase C gene product.
[0029]
The obtained transformant is used for a resistance test against various pathogens. The pathogen may vary depending on the target plant, but in the case of rice, for example, rice blast disease, rice blight disease and the like are typical fungal diseases, and the effect on rice blast disease is particularly remarkable . In this resistance test, individuals in the current generation (R0 generation) may be used, or individuals in the breeding progeny (R1 generation and later) may be used.
[0030]
Rice blast fungus spores for inoculation can be obtained by growing rice blast fungus on an oatmeal agar medium at 25 ° C. for about 2 weeks according to a conventional method, and then irradiating with a fluorescent lamp or a black light lamp for several days. Resistance to rice blast can be easily determined by inoculating a plant body with such a rice blast spore suspension. For example, 4 to 5 leaf stage seedlings of rice cultivated by a conventional method are spray-inoculated with a spore suspension of rice blast fungus to which 0.05% of a spreading agent such as Tween 20 is added. 20-24 hours after inoculation, placed in a 25 ° C. chamber with a humidity of almost 100%, and then cultivated in a greenhouse for 7-8 days. Resistance can be determined by the degree of appearance of lesions on the inoculated leaves.
[0031]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples as long as the gist thereof is not exceeded.
[0032]
[Example 1]
<Construction of chitinase C gene expression vector>
The construction of a chitinase C gene expression vector will be described with reference to FIG. As a vector having a promoter, a selectable marker gene, and a terminator, a cauliflower mosaic virus 35S promoter and an artificial promoter EN4 in which its enhancer region is repeated four times, an Escherichia coli hygromycin phosphotransferase gene, and an Agrobacterium nopaline synthase Plasmid pUC-EN4 (obtained from Dr. Hirohiko Hirochika, National Institute for Agrobiological Sciences) having a gene-derived terminator was used.
[0033]
As a vector having a chitinase C gene, pUC-RC2ss / ChiC was used. This vector comprises a fragment excised with SacI and KpnI from a plasmid pGC01 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-93182) containing DNA encoding chitinase C on pUC119 and a cDNA clone of rice-derived chitinase gene (EMBL Acc. # X56787). 5) -CACGGATCCGCATGTCGACGCCCGAGACGCG-3 'primer (SEQ ID NO: 6) and 5'-AGGAGCTCCCAGGCCGTGGCCGCGGCCGCGCCGCCCGT-3' primer (SEQ ID NO: 7) A fragment obtained by treating the encoded fragment with BamHI and SacI was prepared by using a DNA ligation kit (manufactured by Toyobo). It was prepared by coupling between amHI and KpnI sites.
[0034]
By ligating a large fragment obtained by cleaving pUC-EN4 with restriction enzymes XbaI and KpnI and a fragment containing the chitinase C gene obtained by cleaving pUC-RC2ss / ChiC with XbaI and KpnI, pEN4- RC2ss / ChiC was constructed.
[0035]
A fragment obtained by cleaving this pEN4-RC2ss / ChiC with EcoRI, and in addition to this, in the T-DNA region of the binary vector pBI121 (Clontech), a 35S promoter, a hygromycin phosphotransferase (HPT) gene and A plasmid pBI-HPT having a nopaline synthase gene-derived terminator (obtained from Dr. Hiroshi Kamada, University of Tsukuba) was ligated with a large fragment, and the chitinase C gene introduction plasmid pBI-EN4-RC2ss / ChiC Built. The structure of this plasmid is shown in FIG.
[0036]
According to the method of Nagel et al. (Microbiol. Lett., 67, 325 (1990)), transformed Agrobacterium was transformed into Agrobacterium tumefaciens by electroporation using the expression vector pBI-EN4-RC2ss / ChiC. And then cultured at 28 ° C. on a medium containing 50 μg / ml kanamycin and 25 μg / ml chloramphenicol.
[0037]
[Example 2]
<Introduction of expression vector into rice>
Rice transformation was performed according to an ultra-rapid transformation method (Japanese Patent No. 3141084). That is, ripe rice seeds from which rice husks were removed were sterilized intact in a 2.5% sodium hypochlorite solution, washed thoroughly with sterile water, and then 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4- D) and N6D medium (30 g / L sucrose, 0.3 g / L casamino acid, 2.8 g / L proline, 2 mg / L 2,4-D, 4 g / L gellite, pH 5.8). It was allowed to stand at 28 ° C. for a day.
[0038]
After immersing the seeds previously cultured in the transformed Agrobacterium suspension, 2N6 · AS medium (30 g / L sucrose, 10 g / L glucose, 0.3 g / L casamino acid, 2 mg / L 2) , 4-D, 10 mg / L acetosyringone, 4 g / L gellite, pH 5.2) and co-cultured in the dark at 28 ° C. for 3 days.
[0039]
After thoroughly washing Agrobacterium from seeds using a washing solution obtained by adding 500 mg / L of carbenicillin, which is an antibiotic for Agrobacterium, to N6D medium excluding gellite, 500 mg / L of carbenicillin and hygromycin as a selection marker are used. The washed seeds were placed on N6D medium supplemented with 50 mg / L and selectively cultured at 28 ° C. for about 2 weeks.
[0040]
The selected callus was regenerated into a regeneration medium (500 mg / L carbenicillin, 30 mg / L hygromycin, 30 g / L sucrose, 30 g / L sorbitol, 2 g / L casamino acid, 2 mg / L kinetin, 0.002 mg / L α-naphthylacetic acid. (NAA) 4 g / L gellite, MS medium added to pH 5.8) and continued to culture at 28 ° C. until redifferentiation.
[0041]
The redifferentiated solid was placed on a rooting medium (hormone-free MS medium added to give hygromycin 30 mg / L) and assayed for hygromycin resistance. In the non-transformant, new roots did not grow and died in about one week, whereas the transformant considered to have a gene introduced showed resistance and exhibited growth similar to that of the wild strain. When the transformed plant became large, it was acclimated and transplanted into a pot and grown in a greenhouse. As a result, a mature and completely transformed rice plant body was obtained.
[0042]
[Example 3]
<Confirmation of expression of chitinase C in transformed rice plant>
Extraction of water-soluble protein from the leaves of the regenerated transformed rice plant, and detection of chitinase C protein by Western method (Towbin et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 76, 4350, (1979)) Tried.
[0043]
Rice leaves were extracted with a citrate-phosphate buffer adjusted to pH 6.0, and then centrifuged at 15000 rpm, 4 ° C. for 20 minutes. The supernatant was used as a sample and subjected to SDS-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) by a conventional method. The gel after electrophoresis was brought into close contact with Immobilon membrane (Millipore), and with a blotting buffer (25 mM trishydroxyaminomethane, 192 mM glycine, 15% methanol) using a semi-driving apparatus (manufactured by Nippon Aido), 180 mA, 6 V, 1 The protein was transferred from the gel to the membrane by energizing under time conditions.
[0044]
Detection of chitinase C protein on the membrane was carried out by using goat IgG (ICN manufactured by ICN) with antiserum against chitinase C protein obtained by immunizing rabbits with chitinase C as the primary antibody and secondary phosphatase binding to rabbit IgG as the secondary antibody. ), A membrane was sequentially immersed in a solution containing these and a solution containing nitroblue tetrazolium (NBT) and bromochloroindole phosphate (BCIP), which are substrates for alkaline phosphatase, to develop the color of the substrate.
[0045]
As a result, a protein mainly having a band of about 31.5 kDa that reacts with antiserum against chitinase C protein was detected.
[0046]
[Example 4]
<Transmission of chitinase C gene to the next generation of self breeding>
The presence of the transgene (HPT gene) in the progeny of transformation was confirmed by PCR.
The regenerated plant body obtained in Example 2 was grown in a greenhouse in a conventional manner to obtain self-propagating seeds (R1 generation) after about 4 months.
[0047]
After removing the rice husks of these self-grown seeds, sterilized with a 1% sodium hypochlorite solution and cultivated on a 1% agar plate containing 25 mg / L hygromycin for about 10 days. It was raised to Bonsol culture soil (Sumitomo Chemical) one by one.
[0048]
Total DNA was extracted from about 1 cm of leaf blade of each line containing non-transformant according to the method of Tsutomu Kawasaki (“Simple method for isolating rice genomic DNA for PCR analysis”, plant PCR experiment protocol Shujunsha).
[0049]
PCR was performed at an annealing temperature of 60 ° C. using 1 μl of 100 μl of the extracted DNA solution of each strain as a template and using primer 1: ATGAAAAACCCTGAACTCACCGCGA (SEQ ID NO: 10) and primer 2: TCCATCAGATTTGCCAGTGATACA (SEQ ID NO: 11).
[0050]
After PCR, a part of the reaction solution was electrophoresed on a 1.2% agarose gel. The presence or absence of a band and the PCR product using the plasmid pBI-EN4-RC2ss / ChiC constructed in Example 1 as a template as a control were used. Comparison with length was made. As a result, it was confirmed that the transgene was inherited in the self breeding next generation.
[0051]
[Example 5]
<Disease resistance of transformed plants>
The resistance of the transformed rice obtained in Example 2 to rice leaf blast was tested. As rice for inoculation, rice seeds (R1 generation) of regenerated plants were removed and then sterilized with 1% sodium hypochlorite on a 1/4 × MS medium containing 25 mg / L hygromycin. Cultivated for about 10 days, 10 individual hygromycin-resistant individuals were planted in Bonsol culture soil (Sumitomo Chemical Co., Ltd.), and individuals cultivated in the greenhouse until the 4th to 5th leaf stage were used.
As a control, seeds from which rice husks of non-transformed rice (Nipponbare) were removed were sterilized in the same manner as described above, and then grown in the same manner on 1/4 × MS medium not containing hygromycin. Plants cultivated in the above were used. As a comparison with rice into which a chitinase gene other than chitinase C was introduced, recombinant rice in which rice class I chitinase (Cht-2) was highly expressed [Theoretical Applied Genetics (Theor. Appl. Genet.)]. 99, 383-390, 1999] was used as a control.
[0052]
The rice blast fungus spore suspension was grown on an oatmeal agar medium at 25 ° C. for about 2 weeks, and then the spores formed by irradiating with a black light lamp for 4 days were scraped off with a sterilized paint brush. 5 × 10 Five / Ml to prepare a suspension in 0.05% Tween 20 aqueous solution. The plant body sprayed with this rice blast fungus spore suspension was allowed to stand for 24 hours in an inoculation box at 100% humidity and 25 ° C. in the dark, and then placed in an isolated greenhouse at 28-30 ° C. (23 ° C. at night). Cultivated for ~ 8 days.
[0053]
The resistance test was performed according to the leaf blast resistance determination chart based on the diseased area developed by Furuta Laboratory of the Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries (former) China Agricultural Experiment Station. In other words, the extent of glutinous lesions formed on the inoculated leaves is expressed in terms of lesion area ratio in the light of the judgment diagram, and the control value is calculated in comparison with the lesion area ratio of the original variety, and chitinase C is not expressed. The control value of the transformed rice was compared. Compared to non-transformants, the number and spread of lesions were significantly suppressed in transformed rice that constantly expresses the chitinase C gene. In addition, even when compared to transformed rice that highly expresses rice chitinase, the number and spread of lesions were significantly suppressed in transformed rice that constantly expressed chitinase C, and the control value was increased. The results are shown in FIG.
[0054]
The control value was calculated by the following formula.
Control value (%) = (average lesion area ratio of control−average lesion area ratio of test strain) / average lesion area ratio of control × 100
[0055]
[Example 6]
<Expression level of chitinase C and disease resistance in the same strain>
The blast resistance in the same strain was examined, and the expression level of each chitinase C was analyzed by Western method, and the correlation between the expression level of chitinase C and blast resistance was investigated.
[0056]
The self-propagated seeds (R1 generation) of the regenerated plant of transformed rice obtained in Example 2 were sown on Bonsol culture soil (Sumitomo Chemical Co., Ltd.) at a rate of 4 to 5 leaf stages in a greenhouse. The resistance test shown in Example 5 was performed using the cultivated individuals. Thereafter, the inoculated leaves after the blast resistance test were collected, and the expression level of chitinase C was confirmed using the Western method shown in Example 3.
[0057]
As a result, as shown in Table 1, only an individual expressing chitinase C exhibits a high control value indicating blast resistance, and the expression of chitinase C is involved in imparting blast resistance. Was strongly suggested.
[0058]
[Table 1]
Figure 0003964701
A, B: Chitinase C gene-introduced transformed rice line
+: With chitinase C expression by Western analysis
−: No chitinase C expression by Western analysis
[0059]
[Explanation of Sequence Listing]
SEQ ID NO: 1: Base sequence of chitinase C gene
SEQ ID NO: 2: amino acid sequence of chitinase C
SEQ ID NO: 3: Base sequence of DNA encoding signal peptide of rice-derived chitinase
SEQ ID NO: 4: Amino acid sequence of signal peptide of rice chitinase
SEQ ID NO: 5: amino acid sequence of fusion protein of signal peptide and chitinase C
SEQ ID NO: 6: Primer for signal sequence amplification of rice-derived chitinase gene
SEQ ID NO: 7: Primer for signal sequence amplification of rice-derived chitinase gene
SEQ ID NO: 8: primer for transgene confirmation
SEQ ID NO: 9: primer for transgene confirmation
【The invention's effect】
The disease-resistant gramineous plant of the present invention is transformed by introducing a chitinase C gene, thereby increasing resistance to fungal diseases such as rice blast and providing an important gramineous plant for agricultural production. I can do it.
[0060]
[Sequence Listing]
Figure 0003964701
Figure 0003964701
Figure 0003964701
[0062]
Figure 0003964701
Figure 0003964701
[0063]
Figure 0003964701
[0064]
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[0065]
Figure 0003964701
Figure 0003964701
[0066]
Figure 0003964701
[0067]
Figure 0003964701
[0068]
Figure 0003964701
[0069]
Figure 0003964701

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of the structure of a chitinase C gene introduction plasmid pBI-EN4-RC2ss / ChiC.
FIG. 2 is a graph showing the test results of the resistance of transformed plants to rice leaf blast.
[Explanation of symbols]
35S: CaMV 35S promoter
HPT: Hygromycin resistance gene
NOS3 ': NOS gene terminator
EN4: CaMV 35S promoter (enhancer 4 repeats)
RCC2SS / ChiC: chitinase C chimeric gene with signal sequence of rice chitinase gene
RB, LB: T-DNA right border sequence, left border sequence
NPTIII: kanamycin resistance gene
NT: Non-transformant (control)
P: Rice transformed with a plasmid not containing the chitinase C gene
C: N-ER2-55-5-1 (Rice chitinase high expression transformed rice)
1,2,3,4: Chitinase C expression transformed rice

Claims (2)

下記(A)又は(B)に示されるタンパク質をコードするDNAであって、その配列の前に、さらに配列番号4に示すアミノ酸配列からなる植物細胞外分泌シグナルペプチドをコードするDNAが結合されたDNAで形質転換され、該シグナルペプチドと該タンパク質との融合タンパク質を発現する、イネいもち病に対して抵抗性を有するイネ科植物:
(A)配列番号2のアミノ酸番号31〜294で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質、又は(B)配列番号2のアミノ酸番号31〜294で表されるアミノ酸配列において、1又は数個のアミノ酸残基の置換、欠失、もしくは挿入を含むアミノ酸配列からなり、かつ、キチナーゼ活性を有するタンパク質。
DNA encoding a protein shown in the following (A) or (B), wherein a DNA encoding a plant extracellular secretion signal peptide consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4 is further bound before the sequence A rice plant resistant to rice blast, which is transformed with the protein and expresses a fusion protein of the signal peptide and the protein :
(A) a protein comprising the amino acid sequence represented by amino acid numbers 31 to 294 of SEQ ID NO: 2, or (B) one or several amino acid residues in the amino acid sequence represented by amino acid numbers 31 to 294 of SEQ ID NO: 2 A protein comprising an amino acid sequence containing a group substitution, deletion or insertion, and having chitinase activity.
イネ科植物がイネである請求項に記載のイネ科植物。The gramineous plant according to claim 1 , wherein the gramineous plant is rice.
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