JP4100494B2 - Late seed maturation and germination stage specific inducible promoters - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種子成熟後期及び発芽期に特異的誘導性を示す新規なプロモーターに関する。
【0002】
【従来の技術】
シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)に関しては、遺伝子の配列決定プロジェクト等におけるモデル植物として幅広く研究がなされており、2つの染色体の完全なゲノム配列が決定されるに至り(Lin, X. et al., (1999) Nature 402, 761-768.; Mayer, K. et al., (1999) Nature 402, 769-777.)、約2万6千個の遺伝子を有していると推定されている。
【0003】
このようなゲノム情報をもとに植物特異的な遺伝子やシロイヌナズナの様々な変異体を用いることによって、植物全般に亘って重要な遺伝子の働きを解明することが望まれている。シロイヌナズナに関するゲノム機能研究から、植物が共通に持っている有用な遺伝子の役割を理解も可能となっている。特に、今日までに、シロイヌナズナの遺伝子のなかで環境応答、形態形成、発生分化、光合成、物質代謝などに関わる植物に特徴的な遺伝子の機能が明らかにされてきた。さらに、ゲノム機能解析研究を通して、作物、樹木の育種や有用物質やエネルギーの生産に関わる有用な遺伝子の探索も望まれている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シロイヌナズナ等の植物において、種子形成過程は、受精後盛んに細胞分裂を繰り返して幼生としての形態形成を行う初期段階と、細胞分裂を停止して貯蔵物質を蓄積し、乾燥耐性を獲得して休眠状態に入る中・後期段階とに大分される。初期段階が終わった未熟種子は、適当な条件で培養すれば発芽させることができ、胚発生を中断させて中・後期段階に入ると考えられている。
【0005】
しかしながら、上述したようなシロイヌナズナに関する研究によっても、種子形成過程における所定の期間に特異的に発現する遺伝子を同定した例は知られていない。
本発明は、種子形成過程における所定の期間に特異的に発現する遺伝子を同定することによって、種子成熟後期及び発芽期に特異的誘導性を示すプロモーターを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、種子成熟後期に特異的に発現する遺伝子を同定し、そのプロモーター領域を単離することに成功し、本発明を完成するに至った。
(1)以下の(a)、(b)又は(c)のDNAを含む、種子成熟後期及び発芽期に特異的誘導性を示すプロモーター。
(a) 配列番号1の塩基配列からなるDNA
(b) 配列番号1の塩基配列において1若しくは複数の塩基が欠失、置換若しくは付加された塩基配列からなり、かつ種子成熟後期及び発芽期特異的誘導性プロモーターとして機能するDNA
(c) 配列番号1の塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ種子成熟後期及び発芽期特異的誘導性プロモーターとして機能するDNA
【0007】
(2)上記種子成熟後期は、種子内のアブシジン酸合成が開始されてから完熟種子が完成するまでの期間であることを特徴とする(1)記載のプロモーター。
(3)上記発芽期は、完熟種子が完成してから発芽後12日目までの期間であることを特徴とする(1)記載のプロモーター。
(4)(1)記載のプロモーターを含む発現ベクター。
(5)(4)記載の発現ベクターに、さらに任意の遺伝子が組み込まれた発現ベクター。
(6)(5)記載の発現ベクターを含む形質転換体。
(7)(5)発現ベクターを含むトランスジェニック植物。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明者は、シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)ゲノムに存在するAtNCED2遺伝子が種子内のアブシジン酸量に応じて発現していることを見いだした。シロイヌナズナ等の植物において、アブシジン酸は乾燥、低温ストレス応答や耐性の獲得、種子の成熟、休眠、発芽などの重要な生理機能に関わっている。また、アブシジン酸は、種子形成過程における初期段階においては合成されず、中・後期段階に合成され始める。
【0009】
従ってAtNCED2遺伝子のプロモーターは、少なくとも、種子成熟後期に特異的に下流の遺伝子を発現誘導する。AtNCED2遺伝子の上流1.9kbpの塩基配列を配列番号1に示す。
すなわち、本発明にかかるプロモーターは、以下の(a)、(b)又は(c)のDNAを含み、下流に配された遺伝子を種子成熟後期及び発芽期に特異的に発現させることができる。
【0010】
(a) 配列番号1の塩基配列からなるDNA
(b) 配列番号1の塩基配列において1若しくは複数の塩基が欠失、置換若しくは付加された塩基配列からなるDNA
(c) 配列番号1の塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズするDNA
【0011】
上記(b)に示すDNAにおいて、「複数の」とは、下流に配された遺伝子を種子成熟後期及び発芽期に特異的に発現させる機能を喪失しない限り、配列番号1のDNAに対して欠失、置換若しくは付加する塩基の数は限定しないことを意味する。具体的には、配列番号1のDNAに対して、数100個程度の塩基が欠失、置換若しくは付加された塩基配列であっても、下流に配された遺伝子を種子成熟後期及び発芽期に特異的に発現させる機能を喪失しない場合には本発明に係るプロモーターに含まれる。
【0012】
上記(c)に示すDNAにおいて、ストリンジェントな条件とは、ナトリウム濃度が25〜500mM、好ましくは25〜300mMであり、温度が42〜68℃、好ましくは42〜65℃を意味する。より具体的に、ストリンジェントな条件とは、5×SSC(83mM NaCl、83mMクエン酸ナトリウム)、温度42℃を意味する。すなわち、配列番号1のDNAとは完全に一致しない塩基配列であっても、上記ストリンジェントな条件下でハイブリダイズすることができ、且つ、下流に配された遺伝子を種子成熟後期及び発芽期に特異的に発現させる機能を喪失しない場合には本発明に係るプロモーターに含まれる。
【0013】
ここで、「種子成熟後期及び発芽期に特異的に発現させる」とは、種子成熟後期及び発芽期にプロモーターをさらしたときに、RNAポリメラーゼがプロモーターに結合し、転写開始させる機能をいう。また、種子成熟後期とは、種子内のアブシジン酸合成が開始されてから完熟種子が完成するまでの期間を意味する。発芽期とは、完熟種子が完成してから発芽後12日目までの期間を意味する。
【0014】
一旦、プロモーターの塩基配列が確定されると、その後は化学合成によって、又はクローニングされたプローブを鋳型としたPCRによって、あるいは該塩基配列を有するDNA断片をプローブとしてハイブリダイズさせることによって、本発明に係るプロモーターを得ることができる。さらに、部位特異的突然変異誘発法等によって本発明に係るプロモーターの変異型であって変異前のプロモーターと同等の機能を有するものを合成することもできる。
【0015】
なお、プロモーター配列に変異を導入するには、Kunkel法、Gapped duplex法等の公知の手法又はこれに準ずる方法を採用することができる。例えば部位特異的突然変異誘発法を利用した変異導入用キット(例えばMutant-K(TAKARA社製)やMutant-G(TAKARA社製))などを用いて、あるいは、TAKARA社のLA PCR in vitro Mutagenesis シリーズキットを用いて変異の導入が行われる。
【0016】
1.プロモーターの単離
本発明のプロモーターは、種子形成過程における種子成熟後期及び発芽期に特異的に発現されるAtNCED2遺伝子の上流に存在するシスエレメントであり、転写因子と結合して、その下流の遺伝子の転写を活性化する機能を有するものである。
本発明のプロモーターを単離するにあたり、まず、シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)において、種子形成過程の種子成熟後期に特異的に発現している遺伝子として、AtNCED2遺伝子を以下のようにして同定する。
【0017】
トウモロコシでは種子成熟後期におけるABA合成能欠損株が知られており、その遺伝子もすでにVp14遺伝子として単離されている。このVp14遺伝子と相同性の高い遺伝子をシロイヌイスナのゲノム配列からBlastサーチにより収集した。得られる遺伝子の中で種子巾のABA量の増加と同じパターン、つまり種子成熟期に発現する遺伝子をノーザンハイブリダイゼーションにより同定した。
【0018】
このように、種子形成過程における種子成熟後期及び発芽期に特異的に発現する遺伝子としてAtNCED2遺伝子を同定した後、当該AtNCED2遺伝子の上流1.9kbpの塩基配列をプロモーターとして単離する。AtNCED2遺伝子の上流1.9kbpの塩基配列を単離する際には、公知の如何なる手法を用いてもよい。具体的に、シロイヌナズナのゲノムDNAを抽出し、当該ゲノムDNAを鋳型として所定の塩基配列を有する一対のプライマーを用いたPCRにより1.9kbpの塩基配列を特異的に増幅し、精製することによってAtNCED2遺伝子の上流1.9kbpの塩基配列を得ることができる。PCRの際に用いる一対のプライマーは、シロイヌナズナのゲノム塩基配列情報から適宜設計することができ、この設計に基づいて化学合成により作製することができる。
【0019】
単離されたAtNCED2遺伝子の上流1.9kbpの塩基配列が、その下流に配された遺伝子を種子成熟後期及び発芽期に特異的に発現させる機能を有するか否かは、例えば、後述する「2.」で構築した発現ベクターを用いて検討することができる。すなわち、AtNCED2遺伝子の上流1.9kbpの塩基配列の下流にマーカーとなる遺伝子を組み込んだ発現ベクターを、所定の植物細胞に形質転換し、得られた形質転換植物を育成する。このとき、形質転換植物の育成の各段階でマーカー遺伝子の発現レベルを観察し、当該マーカー遺伝子が種子成熟後期及び発芽期に特異的に発現しているかを確認する。そして、マーカー遺伝子が種子成熟後期及び発芽期以外の生育段階で発現しておらず、種子成熟後期及び発芽期のみに発現していることを確認することで、単離されたAtNCED2遺伝子の上流1.9kbpの塩基配列がその下流に配された遺伝子を種子成熟後期及び発芽期に特異的に発現させる機能を有することを実証することができる。
【0020】
2.発現ベクターの構築
本発明に係る発現ベクターは、適当なベクターに上記「1」で単離したプロモーターを連結(挿入)することにより得ることができる。プロモーターを挿入するためのベクターは、宿主中で複製可能なものであれば特に限定されず、例えばプラスミド、シャトルベクター、ヘルパープラスミドなどが挙げられる。
【0021】
プラスミド DNAとしては、大腸菌由来のプラスミド(例えばpBR322、pBR325、pUC118、pUC119、pUC18、pUC19、pBluescript等)、枯草菌由来のプラスミド(例えばpUB110、pTP5等)、酵母由来のプラスミド(例えばYEp13、YCp50等)などが挙げられ、ファージDNAとしてはλファージ(Charon4A、Charon21A、EMBL3、EMBL4、λgt10、λgt11、λZAP等)が挙げられる。さらに、レトロウイルス又はワクシニアウイルスなどの動物ウイルス、バキュロウイルスなどの昆虫ウイルスベクターを用いることもできる。
【0022】
ベクターにプロモーターを挿入するには、まず、精製されたDNAを適当な制限酵素で切断し、適当なベクターDNAの制限酵素部位又はマルチクローニングサイトに挿入してベクターに連結する方法などが採用される。
本発明においては、任意遺伝子を発現させるため、上記発現ベクターに、さらに当該任意遺伝子を挿入することができる。任意の遺伝子を挿入する手法は、ベクターにプロモーターを挿入する方法と同様である。任意の遺伝子は特に限定されるものではない。
【0023】
本発明に係るプロモーターは、その3'末端にレポーター遺伝子、例えば、植物で広く用いられているGUS遺伝子を連結して用いれば、GUS活性を調べることでプロモーターの強さを容易に評価することができる。なお、レポーター遺伝子としては、GUS遺伝子以外にも、ルシフェラーゼ、グリーンフルオレセイントプロテインなども用いることができる。
【0024】
このように、本発明においては、様々なベクターを用いることができる。さらに、本発明のプロモーターに目的の任意遺伝子をセンス又はアンチセンス方向で接続したものを作製し、これをバイナリーベクターと呼ばれるpBI101(Clonetech社)などのベクターに挿入することができる。
【0025】
3.形質転換体の作製
本発明に係る形質転換体は、上記「2」で得られた発現ベクターを宿主中に導入することにより得ることができる。ここで、宿主としては、プロモーター又は目的遺伝子を発現できるものであれば特に限定されるものではないが、植物が好ましい。宿主が植物である場合は、形質転換植物(トランスジェニック植物)は以下のようにして得ることができる。
【0026】
形質転換の対象となる植物は、植物体全体、植物器官(例えば葉、花弁、茎、根、種子等)、植物組織(例えば表皮、師部、柔組織、木部、維管束等)又は植物培養細胞のいずれをも意味するものである。形質転換に用いられる植物としては、アブラナ科、イネ科、ナス科、マメ科等に属する植物(下記参照)が挙げられるが、これらの植物に限定されるものではない。
【0027】
アブラナ科:シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)
ナス科:タバコ(Nicotiana tabacum)
イネ科:トウモロコシ(Zea mays) 、イネ(Oryza sativa)
マメ科:ダイズ(Glycine max)
上記組換えベクターは、通常の形質転換方法、例えば電気穿孔法(エレクトロポレーション法)、アグロバクテリウム法、パーティクルガン法、PEG法等によって植物中に導入することができる。
【0028】
例えばエレクトロポレーション法を用いる場合は、パルスコントローラーを備えたエレクトロポレーション装置により、電圧500〜1600V、25〜1000μF、20〜30msecの条件で処理し、遺伝子を宿主に導入する。
また、パーティクルガン法を用いる場合は、植物体、植物器官、植物組織自体をそのまま使用してもよく、切片を調製した後に使用してもよく、プロトプラストを調製して使用してもよい。このように調製した試料を遺伝子導入装置(例えばBio-Rad社のPDS-1000/He等)を用いて処理することができる。処理条件は植物又は試料により異なるが、通常は1000〜1800psi程度の圧力、5〜6cm程度の距離で行う。
【0029】
また、植物ウイルスをベクターとして利用することによって、目的遺伝子を植物体に導入することができる。利用可能な植物ウイルスとしては、例えば、カリフラワーモザイクウイルスが挙げられる。すなわち、まず、ウイルスゲノムを大腸菌由来のベクターなどに挿入して組換え体を調製した後、ウイルスのゲノム中に、これらの目的遺伝子を挿入する。このようにして修飾されたウイルスゲノムを制限酵素によって組換え体から切り出し、植物宿主に接種することによって、目的遺伝子を植物宿主に導入することができる。
【0030】
アグロバクテリウムのTiプラスミドを利用する方法においては、アグロバクテリウム(Agrobacterium)属に属する細菌が植物に感染すると、それが有するプラスミドDNAの一部を植物ゲノム中に移行させるという性質を利用して、目的遺伝子を植物宿主に導入する。アグロバクテリウム属に属する細菌のうちアグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)は、植物に感染してクラウンゴールと呼ばれる腫瘍を形成し、また、アグロバクテリウム・リゾゲネス(Agrobacteriumu rhizogenes)は、植物に感染して毛状根を発生させる。これらは、感染の際にTiプラスミド又はRiプラスミドと呼ばれる各々の細菌中に存在するプラスミド上のT-DNA領域(Transferred DNA)と呼ばれる領域が植物中に移行し、植物のゲノム中に組み込まれることに起因するものである。
【0031】
Ti又はRiプラスミド上のT-DNA領域中に、植物ゲノム中に組み込みたいDNAを挿入しておけば、アグロバクテリウム属の細菌が植物宿主に感染する際に目的とするDNAを植物ゲノム中に組込むことができる。
形質転換の結果得られる腫瘍組織やシュート、毛状根などは、そのまま細胞培養、組織培養又は器官培養に用いることが可能であり、また従来知られている植物組織培養法を用い、適当な濃度の植物ホルモン(オーキシン、サイトカイニン、ジベレリン、アブシジン酸、エチレン、ブラシノライド等)の投与などにより植物体に再生させることができる。
【0032】
上記「2」で得られた発現ベクターは、上記植物宿主に導入するのみならず、大腸菌(Escherichia coli)等のエッシェリヒア属、バチルス・ズブチリス(Bacillus subtilis)等のバチルス属、又はシュードモナス・プチダ(Pseudomonas putida)等のシュードモナス属に属する細菌、サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)、シゾサッカロミセス・ポンベ(Schizosaccharomyces pombe)等の酵母、COS細胞、CHO細胞等の動物細胞、あるいはSf9等の昆虫細胞などに導入して形質転換体を得ることもできる。大腸菌、酵母等の細菌を宿主とする場合は、本発明の組換えベクターが該細菌中で自律複製可能であると同時に、本発明のプロモーター、リボソーム結合配列、目的遺伝子、転写終結配列により構成されていることが好ましい。また、プロモーターを制御する遺伝子が含まれていてもよい。
【0033】
細菌への組換えベクターの導入方法は、細菌にDNAを導入する方法であれば特に限定されるものではない。例えばカルシウムイオンを用いる方法、エレクトロポレーション法等が挙げられる。
酵母を宿主とする場合は、例えばサッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)、シゾサッカロミセス・ポンベ(Schizosaccharomyces pombe)などが用いられる。酵母への組換えベクターの導入方法は、酵母にDNAを導入する方法であれば特に限定されず、例えばエレクトロポレーション法、スフェロプラスト法、酢酸リチウム法等が挙げられる。
【0034】
動物細胞を宿主とする場合は、サル細胞COS-7、Vero、チャイニーズハムスター卵巣細胞(CHO細胞)、マウスL細胞などが用いられる。動物細胞への組換えベクターの導入方法としては、例えばエレクトロポレーション法、リン酸カルシウム法、リポフェクション法等が挙げられる。
昆虫細胞を宿主とする場合は、Sf9細胞などが用いられる。昆虫細胞への組換えベクターの導入方法としては、例えばリン酸カルシウム法、リポフェクション法、エレクトロポレーション法などが挙げられる。
【0035】
遺伝子が宿主に組み込まれたか否かの確認は、PCR法、サザンハイブリダイゼーション法、ノーザンハイブリダイゼーション法等により行うことができる。例えば、形質転換体からDNAを調製し、DNA特異的プライマーを設計してPCRを行う。PCRは、前記プラスミドを調製するために使用した条件と同様の条件で行われる。その後は、増幅産物についてアガロースゲル電気泳動、ポリアクリルアミドゲル電気泳動又はキャピラリー電気泳動等を行い、臭化エチジウム、SYBR Green液等により染色し、そして増幅産物を1本のバンドとして検出することにより、形質転換されたことを確認する。また、予め蛍光色素等により標識したプライマーを用いてPCRを行い、増幅産物を検出することもできる。さらに、マイクロプレート等の固相に増幅産物を結合させ、蛍光又は酵素反応等により増幅産物を確認する方法も採用してもよい。
【0036】
4.植物の製造
本発明に係るトランスジェニック植物は、上記「3」で得られた形質転換植物細胞等から形質転換植物体に再生することで得ることができる。再生方法としては、カルス状の形質転換細胞をホルモンの種類、濃度を変えた培地へ移して培養し、不定胚を形成させ、完全な植物体を得る方法が採用される。使用する培地としては、LS培地、MS培地などが例示される。
【0037】
得られたトランスジェニック植物は、種子形成過程における種子成熟後期に特異的に、本発明に係るプロモーターの下流に配された遺伝子を発現させることができる。これにより、成熟種子に所望の形質を付与することができ、例えば、各種環境に対して耐性を有する種子や、発芽時期が制御された種子、所望の物質を蓄積した種子等を得ることができる。例えば、本発明に係るプロモーターの下流に発芽抑制に関わる遺伝子を導入することによって、種子の発芽を抑制することができる。例えば、本発明に係るプロモーターの下流に休眠に関わる遺伝子を導入することによって、野生型と比較して深い休眠状態を維持することができる。例えば、本発明に係るプロモーターの下流に人体に有用な物質生産に関わる遺伝子を導入することによって、成熟種子内に有用物質を蓄積させることができる。
【0038】
形質転換植物体から植物種子を得るには、例えば、形質転換植物体を発根培地から採取し、水を含んだ土を入れたポットに移植し、一定温度下で生育させて、花を形成させ、最終的に種子を形成させる。また、種子から植物体を生産するには、例えば、形質転換植物体上で形成された種子が成熟したところで、単離して、水を含んだ土に播種し、一定温度、照度下で生育させることにより、植物体を生産する。
【0039】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明はこれら実施例にその技術的範囲が限定されるものではない。
〔1〕 プロモーターの単離
先ず、シロイヌナズナ(Colombia)において、AtNCED2遺伝子が種子成熟後期に特異的に発現していることをノーザンブロット分析によって確認した。開花後、5日目、8日目、11日目、13日目及び15日目のシロイヌナズナの莢から全RNAをそれぞれ抽出した。RNAの抽出は、S.Naitoらの方法(Plant. Physiol. 104: 497-503 (1994))に従った。抽出したRNAの15μgを、0.66Mホルムアルデヒドを含む1.2%アガロースゲルで電気泳動した。その後、10×SSC(1.5M NaCl、0.15Mクエン酸ナトリウムを含む)を用いて、当該ゲルをナイロンメンブレンフィルター(Nylon Membranes, positively charged;ロシュ社製)に2昼夜キャピラリーブロットした。その後、当該フィルターを80℃で2時間ベーキングした。
【0040】
プローブとしてはAtNCED2遺伝子のアンチセンスRNAを用いた。AtNCED2遺伝子のアンチセンスRNAは、pBluescriptII SK(-)-AtNCED2(Iuchi, S et al, Plant Journal 27, 325-333 (2001))をNheI処理して得られたDNA断片から、DIG-11-dUTPを用いたin vitro トランスクリプション法により合成した。
【0041】
ベーキング後の上記フィルターと上記プローブとを用いて、ハイブリダイゼーションを行った。ハイブリダイゼーションは、ロシュ社製のDIG Northern Starter Kitを用い、キットに添付された説明書に記載された方法に従って行った。ハイブリダイゼーションの結果を図1に示す。
【0042】
この図1からAtNCED2遺伝子は、開花後13日目あたりから発現し始め、15日目には発現量が増加することが明らかになった。この結果より、AtNCED2遺伝子は、シロイヌナズナの種子成熟後期に特異的に発現していることが明らかとなった。そこで、AtNCED2遺伝子の種子成熟後期特異的な発現を制御すると考えられたプロモーターを単離した。
【0043】
先ず、シロイヌナズナ(Colombia)の染色体DNAを以下のように抽出した。すなわち、シロイズナの組織の一部を1.5ml容チューブに入れ、200μlの3%CTAB buffer[3% CTAB, 100mM Tris-HCl(pH8.0), 1.4M NaCl, 20mM EDTA(pH8.0)]を加えてホモジェナイザー等ですりつぶした。次に、300μlの3% CTABを加え懸濁後60℃で30分間インキュベーションする。次に、500μlのクロロホルムを加えて転倒混和して遠心後、上清を新しいチューブに移す。これに0.7容のイソプロパノールを加え転倒混和後、遠心して上清を取り除き、ペレットに対して70%エタノールを1ml加え直ちに遠心して上清を取り除く。ペレットを乾燥後、50μlのTE[10mM Tris-HCl(pH8.0), lmM EDTA(pH8.0)]を加えて懸濁する事により染色体DNAを抽出した。
【0044】
次に、得られた染色体DNAを鋳型とし、5’側プライマーとしてNCED2P HindIII5’(AAGCTTGAAT TCGATTATGG ACTACGGTTT TAGAGTTGCA AGA:配列番号2)及び3’側プライマーとしてNCED2P SpeI3’(ACTAGTCTTC GGTATAGAGA GGCTTGAGAC AGTG:配列番号3)を用いたPCRを行った。PCRは、一反応あたり50μlの反応液を用い、変性反応95℃30秒、アニーリング反応56℃30秒及び伸長反応72℃3分を1サイクルとして25サイクル行った。なお、反応液は、200nMのdNTP混合液、1μMの上記各プライマー及び1.25ユニットのLA Taq DNAポリメラーゼ(宝酒造社製)を含むLAバッファーを含んでいる。
【0045】
PCRに用いたプライマーNCED2P HindIII5’及びNCED2P SpeI3’は、既に決定されているシロイヌナズナ(Colombia)の染色体DNA塩基配列情報に基づいて設計した。これらプライマーNCED2P HindIII5’及びNCED2P SpeI3’によって増幅されたDNA断片は、AtNCED2遺伝子の上流に存在する1977bpのDNA断片であり、AtNCED2遺伝子の時期特異的な発現を制御すると考えられた。
【0046】
〔2〕 発現ベクターの構築
上記〔1〕で単離したDNA断片が時期特異的な発現を制御するプロモーターであることを確認するために、当該DNA断片及びを導入した発現ベクターを以下のように構築した。得られたDNA断片をHindIIIで処理し、予めSpeIで処理したpBluescriptII SK(-)(ストラタジーン社製)と連結反応を行った。反応産物をSK(-)-NCED2とした。なお、SK(-)-NCED2の塩基配列を決定することによって、〔1〕で単離したDNA断片が配列番号1に示す塩基配列を含むことを確認した。
【0047】
次に、SK(-)-NCED2をHindIII及びSpeIで処理し、得られた断片を予めHindIII及びSpeIで処理したpIG121(Akama, K. et al., Plant Cell Rep., 12, 7-11 (1992))に連結した。得られたベクターをpIG121-NCED2pとした。pIG121-NCED2pは、上記〔1〕で単離したDNA断片の下流にGUS遺伝子を含んでいる。
【0048】
〔3〕形質転換体の作製
上記〔1〕で単離したDNA断片が時期特異的な発現を制御するプロモーターであることを確認するために、上記〔2〕で得られた発現ベクターpIG121-NCED2pを用いて、以下のようにシロイヌナズナを形質転換した。
【0049】
先ず、上記〔2〕で得られた発現ベクターpIG121-NCED2pをアグロバクテリウムGV3101に遺伝子導入した。次に、アグロバクテリウムGV3101を用いて減圧浸潤法によりシロイヌナズナ(Colombia)を形質転換した。すなわち、まず、pIG121-NCED2pをもつアグロバクテリウムGV3101を100μl/mlリファンピシンと50μl/mlジェンタマイシンおよび50μl/mlカナマイシンを含む3ml LB培地に懸濁して28℃で2日間振とう培養する。次に、その培養液を100μl/mlリファンピシンと50μl/mlジェンタマイシンおよび50μl/mlカナマイシンを含む250ml LB培地に移し、OD600値が1.2〜1.5になるまで28℃で振とう培養する。
【0050】
得られた培養液を遠心して菌体を沈殿させて上清を捨て、250ml浸潤用懸濁液[1/2 Murashige-Skoog塩, 1/2 Gamborg B5 ビタミン,5% スクロース,0.5mg/ml MES (pH5.7), 44nM ベンジルアミノプリン,0.02% Silwet L-77]に懸濁する。得られた懸濁液に鉢を逆さにして植物を浸ける。その状態で圧力が400 mm Hg (15inches Hg, 50 kPa)になるように調節して約10分間減圧する。減圧解除後に植物を懸濁液から取り出して、約2〜4週間で種子の収穫する事により、形質転換した種子を得た。
【0051】
形質転換されたシロイヌナズナは以下のように育成し、形質転換植物体を得た。すなわち、まず、形成転換によって得られた種子を70%エタノール中に2分間、5%ブリーチ・1% SDS中に15分間浸水後、減菌水で3〜5回水洗する事により表面減菌した。表面滅菌後の種子を0.1%滅菌寒天溶液に懸濁後、選択プレート培地[Murashige-Skoog 塩,Gamborg B5 ビタミン,1%スクロース,0.5mg/ml MES (pH5.7), 200mg/ml クラフォラン, 100mg/mlカナマイシン]に蒔いて、22℃で2週間静置培養して生育してくる植物体を選択することにより形質転換体を得た。
【0052】
得られた形質転換植物体の葉、未熟な莢、黄色くなって開列しかけけている莢及び完熟した種子をそれぞれ採取し、GUS活性を測定した。なお、対象として形質転換を行っていない野生型のシロイヌナズナ(colombia)の種子についてもGUS活性を測定した。
【0053】
GUS活性は、以下のように測定した。すなわち、先ず、測定対象のサンプルを液体窒素で凍結させた後、粉末状になるまで粉砕処理した。次に、氷中に載置したチューブ内で、粉末状のサンプルをGUS抽出用緩衝液(100mMリン酸ナトリウム(pH7.2)、5mMDTT、20μg/mlロイペプチン)に懸濁した。その後、4℃で15000rpm、15分間遠心処理を行い、上清を氷中に載置した新しいチューブに回収した。このチューブ内の溶液をGUS活性測定の解析サンプルとした。
【0054】
この解析サンプルを用いたGUS活性の測定は、先ず、37℃にした4-メチルウンベリフェリル-β-D-グルクロニド(4-methylumbelliferyl-β-D-glucronide;4MUG)緩衝液(20%メタノール、1mM 4MUG、50mMリン酸ナトリウム(pH7.0)、1mM Na2EDTA、0.1%トリトンX-100を含む)112.5μlに解析サンプル75μlを加え、37℃でインキュベートした。インキュベート開始後、15分、75分及び195分で、反応液50μlを採取し、4mlの2%Na2CO3を添加して良く混合することによって酵素反応を停止させ、インキュベート開始後、15分、75分及び195分におけるGUS活性測定用サンプルを調製した。
【0055】
次に、調製したGUS活性測定用サンプルについて、分光蛍光光度計(F-2000型、日立製作所製)を用いて、励起波長を365nmとし、455nmの蛍光波長を測定した。標準試料としては、50nMの4-メチルウンベリフェロン(4-methylumbelliferone;4MU)炭酸ナトリウム溶液を用いた。GUS活性の値は、解析サンプルに含まれるタンパク質量で標準化し、1μgのタンパク質あたりのGUS活性とした。結果を図2に示す。
【0056】
図2から、野生型のシロイヌナズナ(colombia)の種子及び形質転換植物体の葉においては、GUS活性がほとんど認められない。また、未熟な莢においても、GUS活性がほとんど認められない。これに対して、黄色くなって開列しかけけている莢及び完熟した種子においては、GUS活性が認められた。このことから、上記〔1〕で単離したDNA断片は、種子形成工程における種子成熟後期から時期特異的に、下流の遺伝子を発現させるプロモーターであった。
【0057】
次に、得られた形質転換植物体から収穫した種子を発芽させ、上記〔1〕で単離したDNA断片の発芽期におけるプロモーター活性を検討した。発芽期におけるプロモーター活性の検討は、種子を吸水させて発芽を促進し、GUS染色によるGUS活性を経時的に観察することにより行った。GUS染色は、染色対象のサンプルをGUS染色液に浸漬し、その後、GUS染色液をバキューム装置により除去し、脱気後37℃で一晩静置することにより行った。また、観察に際しては、染色を行ったサンプルをエタノール液に浸漬することによって、クロロフィル色素を除去した。これにより、GUS染色がより明確に観察することができた。
【0058】
結果を図3〜図6に示す。図3は吸水処理後0〜1日の写真であり、図4は吸水処理後2日の写真であり、図5(A)及び(B)は吸水処理後4日の写真であり、図6(A)及び(B)は吸水処理後21日の写真である。また、図5及び6において、(B)は(A)の根の部分を拡大して示す写真である。なお、吸水処理を行わずにGUS染色を行った種子の写真を図7に示す。
【0059】
図3〜図5に示すように、発芽期において、上記〔1〕で単離したDNA断片のプロモーター活性を確認することができた。また、図6に示すように、発芽期を過ぎた吸水処理後21日目には、上記〔1〕で単離したDNA断片のプロモーター活性を確認することができなかった。さらに、図7に示すように、吸水処理を行っていない種子において、上記〔1〕で単離したDNA断片のプロモーター活性を確認することができた。したがって、上記〔1〕で単離したDNA断片は、完全に成熟した種子内において下流の遺伝子を発現させるとともに、発芽期においても下流の遺伝子を特異的に発現させるプロモーターであった。
【0060】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、種子成熟後期及び発芽期に特異的誘導性を示すプロモーターを提供することができる。
【0061】
【配列表】

Figure 0004100494
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【0062】
【配列表フリーテキスト】
配列番号2及び3は、合成プライマーである。
【図面の簡単な説明】
【図1】ノーザンブロット分析におけるハイブリダイゼーションの結果を示す電機泳動写真である。
【図2】形質転換植物体におけるGUS活性測定の結果を示す特性図である。
【図3】形質転換植物体から収穫した種子に対する吸水処理後0〜1日の写真である。
【図4】形質転換植物体から収穫した種子に対する吸水処理後2日の写真である。
【図5】形質転換植物体から収穫した種子に対する吸水処理後4日の写真である。
【図6】形質転換植物体から収穫した種子に対する吸水処理後21日の写真である。
【図7】形質転換植物体から収穫した種子に吸水処理を行わなかったときの写真である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel promoter exhibiting specific inducibility in late seed maturation and germination stages.
[0002]
[Prior art]
Arabidopsis thaliana has been extensively studied as a model plant in gene sequencing projects, etc., and the complete genome sequence of two chromosomes has been determined (Lin, X. et al., (1999 ) Nature 402, 761-768 .; Mayer, K. et al., (1999) Nature 402, 769-777.), Estimated to have about 26,000 genes.
[0003]
Based on such genomic information, it is desired to elucidate the functions of important genes throughout plants by using plant-specific genes and various mutants of Arabidopsis thaliana. It is possible to understand the role of useful genes shared by plants from the genome function research on Arabidopsis thaliana. In particular, among the genes of Arabidopsis thaliana, the functions of genes characteristic of plants involved in environmental response, morphogenesis, developmental differentiation, photosynthesis, substance metabolism, etc. have been clarified. Furthermore, through genome function analysis research, it is desired to search for useful genes related to the production of crops, trees, useful substances and energy.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in plants such as Arabidopsis thaliana, the seed formation process is an initial stage in which cell division is actively repeated after fertilization to form larvae, and cell division is stopped to accumulate storage substances and acquire drought tolerance. It is divided into the middle and late stages of entering a dormant state. It is considered that immature seeds after the initial stage can be germinated if cultured under appropriate conditions, and the embryonic development is interrupted to enter the middle / late stage.
[0005]
However, even with the above-described studies on Arabidopsis, there is no known example in which a gene that is specifically expressed in a predetermined period in the seed formation process is identified.
An object of the present invention is to provide a promoter exhibiting specific inducibility in late seed maturation and germination stages by identifying genes that are specifically expressed in a predetermined period in the seed formation process.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have succeeded in identifying a gene that is specifically expressed in the late stage of seed maturation and isolating its promoter region, thereby completing the present invention. It came.
(1) A promoter having specific inducibility in the late stage of seed maturation and germination, which comprises the following DNA of (a), (b) or (c).
(a) DNA consisting of the base sequence of SEQ ID NO: 1
(b) DNA consisting of a base sequence in which one or more bases have been deleted, substituted or added in the base sequence of SEQ ID NO: 1, and functioning as a late seed maturation and germination stage specific inducible promoter
(c) DNA that hybridizes with a DNA comprising the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 under stringent conditions and functions as an inducible promoter specific for late seed maturation and germination stages
[0007]
(2) The promoter according to (1), wherein the late stage of seed maturation is a period from the start of abscisic acid synthesis in the seed to the completion of a fully matured seed.
(3) The promoter according to (1), wherein the germination period is a period from the completion of mature seeds to the 12th day after germination.
(4) An expression vector comprising the promoter according to (1).
(5) An expression vector in which any gene is further incorporated into the expression vector according to (4).
(6) A transformant comprising the expression vector according to (5).
(7) (5) A transgenic plant comprising an expression vector.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The present inventor has found that the AtNCED2 gene present in the Arabidopsis thaliana genome is expressed according to the amount of abscisic acid in the seed. In plants such as Arabidopsis thaliana, abscisic acid is involved in important physiological functions such as desiccation, acquisition of low-temperature stress response and tolerance, seed maturation, dormancy, and germination. Abscisic acid is not synthesized in the early stage of the seed formation process, but begins to be synthesized in the middle and late stages.
[0009]
Therefore, the AtNCED2 gene promoter induces the expression of a downstream gene specifically at least in the late stage of seed maturation. The nucleotide sequence of 1.9 kbp upstream of the AtNCED2 gene is shown in SEQ ID NO: 1.
That is, the promoter according to the present invention includes the following DNA (a), (b) or (c), and can specifically express a gene arranged downstream in the late stage of seed maturation and germination.
[0010]
(a) DNA consisting of the base sequence of SEQ ID NO: 1
(b) DNA consisting of a base sequence in which one or more bases are deleted, substituted or added in the base sequence of SEQ ID NO: 1
(c) DNA that hybridizes under stringent conditions with DNA comprising the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1
[0011]
In the DNA shown in (b) above, “plurality” means lacking for the DNA of SEQ ID NO: 1 as long as the function of specifically expressing the downstream gene in the late stage of seed maturation and germination is lost. It means that the number of bases to be lost, substituted or added is not limited. Specifically, even if the base sequence has about several hundred bases deleted, substituted, or added to the DNA of SEQ ID NO: 1, the downstream gene is transferred to the late stage of seed maturation and germination. In the case where the function of specifically expressing is not lost, the promoter according to the present invention is included.
[0012]
In the DNA shown in (c) above, stringent conditions mean a sodium concentration of 25 to 500 mM, preferably 25 to 300 mM, and a temperature of 42 to 68 ° C, preferably 42 to 65 ° C. More specifically, stringent conditions mean 5 × SSC (83 mM NaCl, 83 mM sodium citrate) and a temperature of 42 ° C. That is, even a base sequence that does not completely match the DNA of SEQ ID NO: 1 can be hybridized under the above stringent conditions, and the downstream gene can be placed in the late seed maturation and germination stages. In the case where the function of specifically expressing is not lost, the promoter according to the present invention is included.
[0013]
Here, “specific expression in the late stage of seed maturation and germination stage” refers to the function of RNA polymerase binding to the promoter and initiating transcription when the promoter is exposed in the late stage of seed maturation and germination stage. Further, the late seed maturation period means a period from the start of abscisic acid synthesis in the seed to the completion of the fully mature seed. The germination period means the period from the completion of fully matured seeds to the 12th day after germination.
[0014]
Once the base sequence of the promoter is determined, the present invention is followed by chemical synthesis, PCR using a cloned probe as a template, or hybridization with a DNA fragment having the base sequence as a probe. Such a promoter can be obtained. Furthermore, a mutant form of the promoter according to the present invention having a function equivalent to that of the promoter before mutation can be synthesized by site-directed mutagenesis.
[0015]
In order to introduce a mutation into the promoter sequence, a known method such as the Kunkel method or the Gapped duplex method, or a method based thereon can be employed. For example, using a mutagenesis kit (for example, Mutant-K (TAKARA) or Mutant-G (TAKARA)) using site-directed mutagenesis, or TAKARA LA PCR in vitro Mutagenesis Mutation is introduced using a series kit.
[0016]
1. Promoter isolation
The promoter of the present invention is a cis element existing upstream of the AtNCED2 gene that is specifically expressed in the late stage of seed maturation and germination in the seed formation process, and activates transcription of the downstream gene by binding to a transcription factor. It has a function to convert.
In isolating the promoter of the present invention, the AtNCED2 gene is first identified as follows in Arabidopsis thaliana as a gene that is specifically expressed in the late stage of seed maturation in the seed formation process.
[0017]
In maize, an ABA synthesis ability deficient strain is known in the late stage of seed maturation, and its gene has already been isolated as a Vp14 gene. Genes highly homologous to this Vp14 gene were collected from the Arabidopsis genome sequence by Blast search. Among the obtained genes, the same pattern as the increase in the ABA amount of the seed width, that is, a gene expressed at the seed maturation stage was identified by Northern hybridization.
[0018]
Thus, after identifying the AtNCED2 gene as a gene that is specifically expressed in the late stage of seed maturation and germination in the seed formation process, the base sequence of 1.9 kbp upstream of the AtNCED2 gene is isolated as a promoter. When isolating the base sequence of 1.9 kbp upstream of the AtNCED2 gene, any known technique may be used. Specifically, the AtNCED2 gene is obtained by extracting a genomic DNA of Arabidopsis thaliana and specifically amplifying and purifying a 1.9 kbp base sequence by PCR using the genomic DNA as a template and a pair of primers having a predetermined base sequence. A base sequence of 1.9 kbp upstream of can be obtained. A pair of primers used in the PCR can be appropriately designed from information on the genomic base sequence of Arabidopsis thaliana, and can be prepared by chemical synthesis based on this design.
[0019]
Whether or not the isolated 1.9 kbp base sequence upstream of the isolated AtNCED2 gene has a function of specifically expressing the gene arranged downstream thereof in the late stage of seed maturation and germination stage is described in “2. Can be examined using the expression vector constructed. That is, an expression vector incorporating a gene serving as a marker downstream of the 1.9 kbp upstream sequence of the AtNCED2 gene is transformed into a predetermined plant cell, and the resulting transformed plant is grown. At this time, the expression level of the marker gene is observed at each stage of growing the transformed plant, and it is confirmed whether the marker gene is specifically expressed in the late stage of seed maturation and germination. Then, by confirming that the marker gene is not expressed in the growth stage other than the late stage of seed maturation and germination, but only in the late stage of seed maturation and germination, 1.9 upstream of the isolated AtNCED2 gene is confirmed. It can be demonstrated that the kbp base sequence has a function of specifically expressing a gene arranged downstream thereof in the late seed maturation and germination stages.
[0020]
2. Construction of expression vector
The expression vector according to the present invention can be obtained by linking (inserting) the promoter isolated in the above “1” to an appropriate vector. The vector for inserting the promoter is not particularly limited as long as it can replicate in the host, and examples thereof include plasmids, shuttle vectors, and helper plasmids.
[0021]
As plasmid DNA, plasmids derived from E. coli (eg, pBR322, pBR325, pUC118, pUC119, pUC18, pUC19, pBluescript, etc.), plasmids derived from Bacillus subtilis (eg, pUB110, pTP5, etc.), yeast-derived plasmids (eg, YEp13, YCp50, etc.) And λ phage (Charon4A, Charon21A, EMBL3, EMBL4, λgt10, λgt11, λZAP, etc.). Furthermore, animal viruses such as retrovirus or vaccinia virus, and insect virus vectors such as baculovirus can also be used.
[0022]
In order to insert a promoter into a vector, first, a method in which purified DNA is cleaved with a suitable restriction enzyme, inserted into a restriction enzyme site or a multicloning site of a suitable vector DNA, and linked to the vector is employed. .
In the present invention, in order to express an arbitrary gene, the arbitrary gene can be further inserted into the expression vector. The method for inserting an arbitrary gene is the same as the method for inserting a promoter into a vector. Any gene is not particularly limited.
[0023]
When the promoter according to the present invention is used by linking a reporter gene, for example, a GUS gene widely used in plants, to its 3 ′ end, the strength of the promoter can be easily evaluated by examining GUS activity. it can. In addition to the GUS gene, luciferase, green fluorescein protein, and the like can be used as the reporter gene.
[0024]
Thus, various vectors can be used in the present invention. Furthermore, the promoter of the present invention can be prepared by connecting a desired gene of interest in the sense or antisense direction and inserted into a vector such as pBI101 (Clonetech) called a binary vector.
[0025]
3. Production of transformants
The transformant according to the present invention can be obtained by introducing the expression vector obtained in the above “2” into a host. Here, the host is not particularly limited as long as it can express a promoter or a target gene, but a plant is preferable. When the host is a plant, a transformed plant (transgenic plant) can be obtained as follows.
[0026]
Plants to be transformed include whole plants, plant organs (e.g. leaves, petals, stems, roots, seeds, etc.), plant tissues (e.g. epidermis, phloem, soft tissue, xylem, vascular bundles, etc.) or plants Any of cultured cells is meant. Examples of plants used for transformation include plants belonging to the Brassicaceae, Gramineae, Solanum, Legumes, etc. (see below), but are not limited to these plants.
[0027]
Brassicaceae: Arabidopsis thaliana
Solanum: Tobacco (Nicotiana tabacum)
Gramineae: maize (Zea mays), rice (Oryza sativa)
Legumes: Soybean (Glycine max)
The recombinant vector can be introduced into a plant by a conventional transformation method such as electroporation (electroporation), Agrobacterium method, particle gun method, PEG method and the like.
[0028]
For example, when the electroporation method is used, the gene is introduced into the host by treatment with an electroporation apparatus equipped with a pulse controller under conditions of a voltage of 500 to 1600 V, 25 to 1000 μF, and 20 to 30 msec.
When the particle gun method is used, a plant body, a plant organ, and a plant tissue itself may be used as they are, or may be used after preparing a section, or a protoplast may be prepared and used. The sample thus prepared can be processed using a gene introduction apparatus (for example, PDS-1000 / He manufactured by Bio-Rad). The treatment conditions vary depending on the plant or sample, but are usually performed at a pressure of about 1000 to 1800 psi and a distance of about 5 to 6 cm.
[0029]
Moreover, a target gene can be introduced into a plant body by using a plant virus as a vector. Examples of plant viruses that can be used include cauliflower mosaic virus. That is, first, a virus genome is inserted into a vector derived from E. coli to prepare a recombinant, and then these target genes are inserted into the virus genome. The gene of interest can be introduced into a plant host by excising the viral genome thus modified from the recombinant with a restriction enzyme and inoculating the plant host.
[0030]
In the method using the Agrobacterium Ti plasmid, when a bacterium belonging to the genus Agrobacterium infects a plant, it takes advantage of the property of transferring a part of the plasmid DNA that it has into the plant genome. The target gene is introduced into the plant host. Among the bacteria belonging to the genus Agrobacterium, Agrobacterium tumefaciens infects plants to form a tumor called crown gall, and Agrobacterium rhizogenes infects plants. To generate hairy roots. These are because the region called T-DNA region (Transferred DNA) on the plasmid that is present in each bacterium called Ti plasmid or Ri plasmid at the time of infection is transferred into the plant and integrated into the genome of the plant. This is due to
[0031]
If the DNA to be incorporated into the plant genome is inserted into the T-DNA region on the Ti or Ri plasmid, the target DNA is transferred into the plant genome when Agrobacterium bacteria infect the plant host. Can be incorporated.
Tumor tissue, shoots, hairy roots, and the like obtained as a result of transformation can be used as they are for cell culture, tissue culture or organ culture, and can be used at an appropriate concentration using a conventionally known plant tissue culture method. Of plant hormones (auxin, cytokinin, gibberellin, abscisic acid, ethylene, brassinolide, etc.).
[0032]
The expression vector obtained in the above “2” is not only introduced into the plant host, but also Escherichia such as Escherichia coli, Bacillus such as Bacillus subtilis, or Pseudomonas ptida (Pseudomonas Introduced into bacteria belonging to the genus Pseudomonas such as putida), yeast such as Saccharomyces cerevisiae and Schizosaccharomyces pombe, animal cells such as COS cells and CHO cells, or insect cells such as Sf9 Thus, a transformant can also be obtained. When a bacterium such as Escherichia coli or yeast is used as a host, the recombinant vector of the present invention can autonomously replicate in the bacterium, and at the same time, is composed of the promoter of the present invention, a ribosome binding sequence, a target gene, and a transcription termination sequence. It is preferable. Moreover, the gene which controls a promoter may be contained.
[0033]
The method for introducing a recombinant vector into bacteria is not particularly limited as long as it is a method for introducing DNA into bacteria. Examples thereof include a method using calcium ions and an electroporation method.
When yeast is used as a host, for example, Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe and the like are used. The method for introducing a recombinant vector into yeast is not particularly limited as long as it is a method for introducing DNA into yeast. Examples thereof include an electroporation method, a spheroplast method, and a lithium acetate method.
[0034]
When animal cells are used as hosts, monkey cells COS-7, Vero, Chinese hamster ovary cells (CHO cells), mouse L cells and the like are used. Examples of methods for introducing a recombinant vector into animal cells include an electroporation method, a calcium phosphate method, and a lipofection method.
When insect cells are used as hosts, Sf9 cells and the like are used. Examples of methods for introducing a recombinant vector into insect cells include the calcium phosphate method, lipofection method, electroporation method and the like.
[0035]
Whether or not the gene has been incorporated into the host can be confirmed by PCR, Southern hybridization, Northern hybridization or the like. For example, DNA is prepared from the transformant, PCR is performed by designing a DNA-specific primer. PCR is performed under the same conditions as those used for preparing the plasmid. Thereafter, the amplified product is subjected to agarose gel electrophoresis, polyacrylamide gel electrophoresis, capillary electrophoresis, etc., stained with ethidium bromide, SYBR Green solution, etc., and the amplified product is detected as a single band, Confirm that it has been transformed. Moreover, PCR can be performed using a primer previously labeled with a fluorescent dye or the like to detect an amplification product. Furthermore, a method of binding the amplification product to a solid phase such as a microplate and confirming the amplification product by fluorescence or enzyme reaction may be employed.
[0036]
4). Plant production
The transgenic plant according to the present invention can be obtained by regenerating a transformed plant from the transformed plant cell obtained in the above “3”. As a regeneration method, a method is employed in which callus-like transformed cells are transferred to a medium with different hormone types and concentrations and cultured to form somatic embryos to obtain complete plants. Examples of the medium to be used include LS medium and MS medium.
[0037]
The obtained transgenic plant can express a gene arranged downstream of the promoter according to the present invention specifically at the late stage of seed maturation in the seed formation process. Thereby, a desired trait can be imparted to a mature seed, for example, a seed having resistance to various environments, a seed with a controlled germination time, a seed accumulated with a desired substance, and the like can be obtained. . For example, seed germination can be suppressed by introducing a gene related to germination suppression downstream of the promoter according to the present invention. For example, by introducing a gene related to dormancy downstream of the promoter according to the present invention, a deep dormant state can be maintained as compared with the wild type. For example, a useful substance can be accumulated in mature seeds by introducing a gene involved in the production of a substance useful for the human body downstream of the promoter according to the present invention.
[0038]
In order to obtain plant seeds from transformed plants, for example, the transformed plants are collected from the rooting medium, transplanted to pots containing water-containing soil, and grown at a constant temperature to form flowers. And finally seeds are formed. In order to produce a plant from seeds, for example, when the seed formed on the transformed plant has matured, it is isolated, sown in water-containing soil, and grown under constant temperature and illuminance. As a result, a plant body is produced.
[0039]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to these examples.
[1] Isolation of promoter
First, it was confirmed by Northern blot analysis that the AtNCED2 gene was specifically expressed in late seed maturation in Arabidopsis (Colombia). After flowering, total RNA was extracted from Arabidopsis buds on the 5th, 8th, 11th, 13th and 15th days, respectively. RNA was extracted according to the method of S. Naito et al. (Plant. Physiol. 104: 497-503 (1994)). 15 μg of the extracted RNA was electrophoresed on a 1.2% agarose gel containing 0.66 M formaldehyde. Thereafter, the gel was subjected to capillary blot for two days and nights on a nylon membrane filter (Nylon Membranes, positively charged; manufactured by Roche) using 10 × SSC (containing 1.5M NaCl and 0.15M sodium citrate). Thereafter, the filter was baked at 80 ° C. for 2 hours.
[0040]
As the probe, antisense RNA of AtNCED2 gene was used. Antisense RNA of AtNCED2 gene was obtained from DIG-11-dUTP from a DNA fragment obtained by treating pBluescriptII SK (-)-AtNCED2 (Iuchi, S et al, Plant Journal 27, 325-333 (2001)) with NheI. Was synthesized by an in vitro transcription method.
[0041]
Hybridization was performed using the filter and the probe after baking. Hybridization was performed using a Roche DIG Northern Starter Kit according to the method described in the instructions attached to the kit. The result of hybridization is shown in FIG.
[0042]
From FIG. 1, it was revealed that the AtNCED2 gene began to express around the 13th day after flowering, and the expression level increased on the 15th day. From these results, it was revealed that the AtNCED2 gene was specifically expressed in late seed maturation of Arabidopsis thaliana. Therefore, we isolated a promoter that was thought to regulate the expression specific to the late stage of seed maturation of the AtNCED2 gene.
[0043]
First, the chromosomal DNA of Arabidopsis thaliana (Colombia) was extracted as follows. That is, put a part of Shiroizuna tissue into a 1.5 ml tube and add 200 μl of 3% CTAB buffer [3% CTAB, 100 mM Tris-HCl (pH 8.0), 1.4 M NaCl, 20 mM EDTA (pH 8.0)]. In addition, it was ground with a homogenizer. Next, 300 μl of 3% CTAB is added and the suspension is incubated at 60 ° C. for 30 minutes. Next, add 500 μl of chloroform, mix by inverting, centrifuge, and transfer the supernatant to a new tube. Add 0.7 volume of isopropanol to this, mix by inverting, centrifuge to remove the supernatant, add 1 ml of 70% ethanol to the pellet and immediately centrifuge to remove the supernatant. After drying the pellet, chromosomal DNA was extracted by adding 50 μl of TE [10 mM Tris-HCl (pH 8.0), lmM EDTA (pH 8.0)] and suspending.
[0044]
Next, using the obtained chromosomal DNA as a template, NCED2P HindIII5 ′ (AAGCTTGAAT TCGATTATGG ACTACGGTTT TAGAGTTGCA AGA: SEQ ID NO: 2) as a 5 ′ primer and NCED2P SpeI3 ′ (ACTAGTCTTC GGTATAGAGA GGCTTGAGAC AGTG: SEQ ID NO: 3) as a 3 ′ primer PCR using was performed. PCR was performed for 25 cycles using 50 μl of the reaction solution per reaction, with a denaturation reaction at 95 ° C. for 30 seconds, an annealing reaction at 56 ° C. for 30 seconds, and an extension reaction at 72 ° C. for 3 minutes. The reaction solution contains 200 nM dNTP mixed solution, 1 μM each of the above primers, and LA buffer containing 1.25 units of LA Taq DNA polymerase (Takara Shuzo).
[0045]
Primers NCED2P HindIII5 ′ and NCED2P SpeI3 ′ used for PCR were designed based on the already determined chromosomal DNA nucleotide sequence information of Arabidopsis (Colombia). The DNA fragments amplified by these primers NCED2P HindIII5 ′ and NCED2P SpeI3 ′ are 1977 bp DNA fragments existing upstream of the AtNCED2 gene, and were considered to control the time-specific expression of the AtNCED2 gene.
[0046]
[2] Construction of expression vector
In order to confirm that the DNA fragment isolated in [1] above is a promoter that controls time-specific expression, an expression vector into which the DNA fragment was introduced was constructed as follows. The obtained DNA fragment was treated with HindIII, and ligated with pBluescriptII SK (−) (Stratagene) previously treated with SpeI. The reaction product was SK (-)-NCED2. By determining the base sequence of SK (-)-NCED2, it was confirmed that the DNA fragment isolated in [1] contains the base sequence shown in SEQ ID NO: 1.
[0047]
Next, SK (−)-NCED2 was treated with HindIII and SpeI, and the resulting fragment was treated with pIG121 (Akama, K. et al., Plant Cell Rep., 12, 7-11 ( 1992)). The obtained vector was designated as pIG121-NCED2p. pIG121-NCED2p contains the GUS gene downstream of the DNA fragment isolated in [1] above.
[0048]
[3] Preparation of transformants
In order to confirm that the DNA fragment isolated in the above [1] is a promoter that controls time-specific expression, the expression vector pIG121-NCED2p obtained in the above [2] was used as follows. Arabidopsis thaliana was transformed.
[0049]
First, the expression vector pIG121-NCED2p obtained in [2] above was introduced into Agrobacterium GV3101. Next, Agrobacterium GV3101 was used to transform Arabidopsis (Colombia) by vacuum infiltration. Specifically, Agrobacterium GV3101 having pIG121-NCED2p is first suspended in 3 ml LB medium containing 100 μl / ml rifampicin, 50 μl / ml gentamicin and 50 μl / ml kanamycin, and cultured with shaking at 28 ° C. for 2 days. Next, the culture solution is transferred to 250 ml LB medium containing 100 μl / ml rifampicin, 50 μl / ml gentamicin and 50 μl / ml kanamycin, and cultured with shaking at 28 ° C. until the OD600 value becomes 1.2 to 1.5.
[0050]
Centrifugation of the resulting culture solution causes the cells to settle, discard the supernatant, and 250 ml suspension for infiltration [1/2 Murashige-Skoog salt, 1/2 Gamborg B5 vitamin, 5% sucrose, 0.5 mg / ml MES (pH 5.7), 44 nM benzylaminopurine, 0.02% Silwet L-77]. Plants are immersed in the resulting suspension by inverting the pot. In that state, the pressure is adjusted to 400 mm Hg (15 inches Hg, 50 kPa) and the pressure is reduced for about 10 minutes. After releasing the vacuum, the plant was taken out of the suspension and the seed was harvested in about 2 to 4 weeks to obtain transformed seed.
[0051]
The transformed Arabidopsis thaliana was grown as follows to obtain a transformed plant body. That is, first, the seeds obtained by transformation were soaked in 70% ethanol for 2 minutes, in 5% bleach and 1% SDS for 15 minutes, and then surface sterilized by washing with sterile water 3-5 times. . The seed after surface sterilization is suspended in 0.1% sterilized agar solution, then selected plate medium [Murashige-Skoog salt, Gamborg B5 vitamin, 1% sucrose, 0.5mg / ml MES (pH5.7), 200mg / ml kuraforan, 100mg / ml kanamycin], a transformant was obtained by selecting a plant that grew by stationary culture at 22 ° C. for 2 weeks.
[0052]
The leaves of the resulting transformed plant, immature cocoons, yellowed cocoons and fully ripe seeds were collected, and GUS activity was measured. In addition, GUS activity was also measured for wild-type Arabidopsis (colombia) seeds that were not transformed as targets.
[0053]
GUS activity was measured as follows. That is, first, a sample to be measured was frozen with liquid nitrogen and then pulverized until it became powdery. Next, the powdered sample was suspended in a GUS extraction buffer (100 mM sodium phosphate (pH 7.2), 5 mM DTT, 20 μg / ml leupeptin) in a tube placed in ice. Thereafter, the mixture was centrifuged at 4 ° C. and 15000 rpm for 15 minutes, and the supernatant was collected in a new tube placed in ice. The solution in this tube was used as an analysis sample for GUS activity measurement.
[0054]
The measurement of GUS activity using this analysis sample was performed by first measuring 4-methylumbelliferyl-β-D-glucronide (4MUG) buffer (20% methanol, 1 mM 4 MUG, 50 mM sodium phosphate (pH 7.0), 1 mM Na 2 75 μl of analysis sample was added to 112.5 μl (containing EDTA, 0.1% Triton X-100) and incubated at 37 ° C. At 15 minutes, 75 minutes and 195 minutes after the start of incubation, 50 μl of the reaction solution was collected and 4 ml of 2% Na 2 CO Three Was added and mixed well to stop the enzyme reaction, and samples for measuring GUS activity at 15 minutes, 75 minutes and 195 minutes after the start of incubation were prepared.
[0055]
Next, the prepared GUS activity measurement sample was measured using a spectrofluorometer (F-2000, manufactured by Hitachi, Ltd.) with an excitation wavelength of 365 nm and a fluorescence wavelength of 455 nm. As a standard sample, 50 nM 4-methylumbelliferone (4MU) sodium carbonate solution was used. The value of GUS activity was normalized by the amount of protein contained in the analysis sample, and was defined as GUS activity per 1 μg of protein. The results are shown in FIG.
[0056]
From FIG. 2, almost no GUS activity is observed in the seeds of wild-type Arabidopsis (colombia) and the leaves of the transformed plant. In addition, almost no GUS activity is observed even in immature cocoons. On the other hand, GUS activity was observed in cocoons and fully-ripened seeds that were yellowed and opened. Thus, the DNA fragment isolated in [1] above was a promoter that expressed a downstream gene in a time-specific manner from the late stage of seed maturation in the seed formation process.
[0057]
Next, seeds harvested from the resulting transformed plant were germinated, and the promoter activity at the germination stage of the DNA fragment isolated in [1] was examined. Examination of the promoter activity at the germination stage was carried out by absorbing seeds to promote germination and observing GUS activity by GUS staining over time. GUS staining was performed by immersing a sample to be stained in a GUS staining solution, removing the GUS staining solution with a vacuum apparatus, and allowing to stand overnight at 37 ° C. after degassing. For observation, the chlorophyll pigment was removed by immersing the dyed sample in an ethanol solution. Thereby, GUS staining could be observed more clearly.
[0058]
The results are shown in FIGS. 3 is a photograph of 0 to 1 day after the water absorption treatment, FIG. 4 is a photograph of 2 days after the water absorption treatment, and FIGS. 5 (A) and 5 (B) are photographs of the 4th day after the water absorption treatment. (A) and (B) are photographs 21 days after the water absorption treatment. 5 and 6, (B) is an enlarged photograph showing the root of (A). In addition, the photograph of the seed which performed GUS dyeing | staining without performing a water absorption process is shown in FIG.
[0059]
As shown in FIGS. 3 to 5, the promoter activity of the DNA fragment isolated in the above [1] could be confirmed in the germination stage. Further, as shown in FIG. 6, the promoter activity of the DNA fragment isolated in the above [1] could not be confirmed on the 21st day after the water absorption treatment after the germination period. Furthermore, as shown in FIG. 7, it was possible to confirm the promoter activity of the DNA fragment isolated in the above [1] in seeds that had not been subjected to water absorption treatment. Therefore, the DNA fragment isolated in the above [1] was a promoter that specifically expresses a downstream gene in a fully mature seed and also specifically expresses the downstream gene even at the germination stage.
[0060]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a promoter exhibiting specific inducibility in the late stage of seed maturation and the germination stage.
[0061]
[Sequence Listing]
Figure 0004100494
Figure 0004100494
Figure 0004100494
[0062]
[Sequence Listing Free Text]
SEQ ID NOs: 2 and 3 are synthetic primers.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electrophoretogram showing the results of hybridization in Northern blot analysis.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the results of GUS activity measurement in transformed plants.
FIG. 3 is a photograph of 0 to 1 day after water absorption treatment on seeds harvested from a transformed plant body.
FIG. 4 is a photograph two days after water absorption treatment for seeds harvested from transformed plants.
FIG. 5 is a photograph 4 days after water absorption treatment for seeds harvested from a transformed plant body.
FIG. 6 is a photograph 21 days after water absorption treatment for seeds harvested from a transformed plant body.
FIG. 7 is a photograph when water-absorbing treatment was not performed on seeds harvested from a transformed plant body.

Claims (7)

以下の(a)、(b)又は(c)のDNAを含む、種子成熟後期及び発芽期に特異的誘導性を示すプロモーター。
(a) 配列番号1の塩基配列からなるDNA
(b) 配列番号1の塩基配列において1の塩基が欠失、置換若しくは付加された塩基配列からなり、かつ種子成熟後期及び発芽期特異的誘導性プロモーターとして機能するDNA
(c) 配列番号1の塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ種子成熟後期及び発芽期特異的誘導性プロモーターとして機能するDNA
A promoter comprising the following DNA (a), (b) or (c) and exhibiting specific inducibility at the late stage of seed maturation and germination.
(a) DNA consisting of the base sequence of SEQ ID NO: 1
(b) a DNA consisting of a base sequence in which 1 base is deleted, substituted or added in the base sequence of SEQ ID NO: 1 and which functions as an inducible promoter specific to late seed maturation and germination stages
(c) DNA that hybridizes with a DNA comprising the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 under stringent conditions and functions as an inducible promoter specific for late seed maturation and germination stages
上記種子成熟後期は、種子内のアブシジン酸合成が開始されてから完熟種子が完成するまでの期間であることを特徴とする請求項1記載のプロモーター。  2. The promoter according to claim 1, wherein the late seed maturation period is a period from the start of abscisic acid synthesis in the seed to the completion of a fully matured seed. 上記発芽期は、完熟種子が完成してから発芽後12日目までの期間であることを特徴とする請求項1記載のプロモーター。  2. The promoter according to claim 1, wherein the germination period is a period from the completion of a mature seed to the 12th day after germination. 請求項1記載のプロモーターを含む発現ベクター。  An expression vector comprising the promoter according to claim 1. 請求項4記載の発現ベクターに、さらに任意の遺伝子が組み込まれた発現ベクター。  An expression vector in which an arbitrary gene is further incorporated into the expression vector according to claim 4. 請求項5記載の発現ベクターを含む形質転換体。  A transformant comprising the expression vector according to claim 5. 請求項5記載の発現ベクターを含むトランスジェニック植物。  A transgenic plant comprising the expression vector according to claim 5.
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