JP4331335B2 - Cotton plant with improved cotton fiber characteristics, method for producing the same, and method for producing cotton fiber from the cotton plant - Google Patents

Cotton plant with improved cotton fiber characteristics, method for producing the same, and method for producing cotton fiber from the cotton plant Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、野生株に比べて繊維特性が改良されたワタ繊維を生産するワタ植物、詳細には増加した繊維繊度(太さ)および繊維長均斉度(短繊維の含有率)などの繊維特性を有するワタ繊維を生産するワタ植物に関する。また、本発明は、該ワタ植物の作出方法および該ワタ植物からの繊維特性が改良されたワタ繊維の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
通常、ワタ繊維はゴシピウム(Gossypium )属に属するワタ植物を栽培し、得られた朔果(コットンボール)より採取することにより製造される。ワタ繊維は種皮(seed coat)の表皮細胞(epidermal cell)が分化した単一細胞であり、伸長開始(initiation)、伸長(elongation)、二次細胞壁厚化(secondary cell wall thickening)および熟成(maturation)の4段階を経て生育する。より具体的には、ワタ繊維の伸長は、胚珠の表皮細胞が開花直後より繊維伸長を開始し、その後急速に繊維が伸長して開花後25日程度で伸長が完了する。それ以後、繊維の伸長は停止し二次細胞壁が生成され、熟成を経て成熟した1本のワタ繊維になる。
【0003】
ワタ植物には多くの品種があり、それぞれ異なった繊維特性を有するワタ繊維が得られ、各種用途に応じて使い分けられている。繊維特性を示す種々の特性パラメータがあるが、特に重要なものとして繊維長、繊度、強度、繊維長均斉度が挙げられる。従来より、ワタ繊維の特性を改良するために多大な努力がなされてきたが、その繊維特性を改良する中心は繊維長と繊度であった。その中でも、より長く細い繊維が望まれてきた。このような繊維特性を有する品種としては海島綿が有名であるが、生産性が低く、大変高価である。もし、海島綿と同等以上の繊維特性を有するワタ繊維をより高い生産性で得ることができれば、産業上非常に有益である。
【0004】
繊維特性の改良および/または生産性の向上を図る手段としては、大きく分けて、(1)交配による品種改良、(2)植物ホルモンによる処理および(3)遺伝子組換え技術を利用した品種改良の3つが挙げられる。
【0005】
交配による品種改良は、従来最も広く使われてきたもので、現在のワタ植物の栽培品種はこの方法により育種されてきた。しかしながら、この方法は近縁の種からしか有用形質を導入することができないため、多くの時間を要する割に変化の程度が低く、特にワタ繊維特性あるいはワタ繊維の収量に関しては、顕著な改良はあまり期待できない。
【0006】
オーキシン、ジベレリン、サイトカイニン、エチレンのような植物ホルモンが農作物や園芸植物の生長調節に幅広く実用化されている。ワタ植物の繊維特性、中でも繊維伸長メカニズムに対する植物ホルモンの影響は、ジベレリン、オーキシン、ブラシノステロイド等で知られているが、実際には、産業上利用可能な程度に十分な効果は得られておらず、実用化に至っていないのが現状である。
【0007】
一方、近年、植物育種の分野での遺伝子組換え技術の発達はめざましいものがあり、種々の植物(例えば、ワタ、ダイズ、トウモロコシ、トマト等)において、特定の有用外来遺伝子を導入・発現させることにより、その植物に目的の有用形質を付与することに成功した例が数多く報告されている。
【0008】
ワタ植物でも、BT毒素[バチルス・ツリンギエンシス(Bacillus thuringiensis)が産生する殺虫性蛋白毒素]遺伝子を導入した耐虫性組換えワタや、5−エノールピルビルシキミ酸−3−燐酸合成酵素遺伝子を導入した除草剤(グリフォセート)耐性組換えワタ等が開発され、既に商品化されている(米国での組換えワタの作付面積シェアは既に過半数に達したといわれている)。
【0009】
同様にして、害虫抵抗性遺伝子や除草剤耐性遺伝子の代わりに、ワタ繊維の形成や伸長に関与する遺伝子をワタ植物に導入して大量発現させることにより、その繊維特性あるいは生産性が飛躍的に向上することが期待される。また逆に、アンチセンス遺伝子を組込んで内在性遺伝子の働きを抑制することにより、繊維特性を変化させることも理論的には可能である。このような遺伝子工学的手法を用いた方法は、従来の交配・選抜による育種に比べて、短期間のうちに、繊維の伸長や形成をより確実に制御し得るものと期待される。
【0010】
しかしながら、遺伝子組換え技術により所望の繊維特性を有するワタ繊維を取得するには、繊維の伸長や形成のメカニズムを遺伝子レベルで明らかにし、それらのメカニズムに密接に関与する遺伝子を決定することが不可欠であるが、現時点ではそのような遺伝子に関する分子生物学的知見は非常に乏しい。植物の細胞伸長についてはこれまで多くの研究がなされているものの、その制御要因にはなお不明な点が多く、現在に至るまでその制御機構は解明されていない。
【0011】
もっとも、ワタ繊維の伸長や形成に関与する遺伝子に関する報告が皆無というわけではない。例えば、Johnらはディファレンシャルスクリーニンング法(Differential Screening)により開花15日目と24日目の繊維組織にプレファレンシャルに発現しているE6遺伝子(Maliyakal E. John and Laura J. Crow, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 89, 5769-5773 (1992) )や二次細胞壁形成時に活発に働くプロリンリッチなタンパク質をコードするH6遺伝子(Maliyakal E. John and Greg Keller, Plant physiol., 108, 669-676 (1995))を単離した。さらに、JohnはE6遺伝子をアンチセンス型でワタ植物に導入し、内在性E6遺伝子の発現レベルを抑制し、E6遺伝子のワタ繊維特性に及ぼす効果を調べた(Maliyakal E. Jhon, Plant Molecular Biology, 30, 297-306 (1996))。しかし、繊維組織中のE6RNAの発現レベルは低下したにもかかわらず、繊維長、強度、繊度は有意に変化しなかったと報告し、E6遺伝子はワタ繊維の発達に重要ではないと結論づけている。
一方、Songらはディファレンシャルデイスプレイ法(Differential Display)によりワタ繊維組織に特異的に発現するアシルキャリヤータンパク質(ACP)をコードするcDNAをワタ植物から同定した(Ping Song, Randy D. Allen, Biochimica et Biophysica Acta, 1351, 305-312 (1997))。また、ワタ繊維のセルロース合成に関する遺伝子としてセルロース合成酵素の触媒サブユニットのcDNAが単離されている(Julie R. Pear, Yasushi Kawagoe, et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 12637-12642 (1996) )。
【0012】
さらに、繊維特性への関与が示唆される遺伝子を導入した組換えワタ植物の作出例もいくつか報告されている。例えば、米国Agracetus 社は、繊維特異的に発現する遺伝子のプロモーターの下流に、胚珠および繊維の発達と関連があると考えられるペルオキシダーゼ遺伝子を繋いでワタ植物に導入することにより、繊維強度が向上したワタ繊維を生産する組換えワタ植物を開発したと報告している(国際公開WO95/08914号公報)。また、本発明者らは、ディファレンシャルスクリーニング法とディファレンシャルディスプレイ法により、ワタ繊維伸長時に特異的に発現する5種類の遺伝子をワタ植物から単離・同定し(特開平9−75093号公報)、そのうちの1つであるKC22遺伝子をワタ植物に導入することにより、繊維長が向上したワタ繊維を生産する組換えワタ植物を取得している。
【0013】
しかしながら、ワタ繊維の形成・伸長時に特異的に発現する遺伝子は、上記のように未だごくわずかしか単離されておらず、ましてや、それら繊維特異的遺伝子のうちのどの遺伝子が、繊維長、繊維強度、繊度、繊維長均斉度等のワタ繊維特性の各パラメータの決定に重要な役割を果たしているかについては、ほとんど解明されていないのが現状である。さらに、繊維繊度や繊維長均斉度等の特性パラメータが改良されたワタ繊維を生産する組換えワタ植物は未だに報告されていない。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ワタ繊維の伸長や形成に関与する遺伝子、特に繊維繊度(繊維の太さ)および繊維長均斉度(短繊維の含有率)等のワタ繊維特性の決定に重要な役割を果たす遺伝子をスクリーニングし、該遺伝子の発現を人為的に制御することによって、上記のワタ繊維特性が改良された組換えワタ植物を作出することである。また、本発明の目的は、該ワタ植物からの繊維特性が改良されたワタ繊維の製造方法を提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意努力した結果、カタラーゼ遺伝子をワタ植物に導入してワタ繊維中で過剰発現させることによって、ワタ繊維の繊度や繊維長均斉度等の特性パラメータが改良されることを見出し、さらに、この組換えワタ植物からワタ繊維を収穫・単離することにより、繊維特性が改良されたワタ繊維を製造することに成功して本発明を完成するに至った。
【0016】
すなわち、本発明は以下の通りである。
1.ワタ繊維中で機能し得るプロモーターの制御下にある外因性カタラーゼ遺伝子を安定に保持し、且つ野生株に比べて改良された繊維特性を有するワタ繊維を生産する、ゴシピウム属に属するワタ植物、特に、ワタ繊維中で機能し得るプロモーターの制御下にある外因性カタラーゼ遺伝子を含む発現ベクターで該野生株を形質転換して得られるトランスジェニック植物である当該ワタ植物。
2.該カタラーゼ遺伝子についてホモ接合体である上記ワタ植物、特に、種子の形態である当該ワタ植物。
3.上記ワタ植物から得られる、野生株に比べて改良された繊維特性を有するワタ繊維。
4.ワタ繊維中で機能し得るプロモーターの制御下にある外因性カタラーゼ遺伝子を含む発現ベクターで、ゴシピウム属に属するワタ植物野生株の細胞を形質転換する工程を含む、該野生株に比べて改良された繊維特性を有するワタ繊維を生産するワタ植物の作出方法、特に、該形質転換細胞から植物体を再生する工程をさらに含む当該方法。
5.以下の工程:
(1) ワタ繊維中で機能し得るプロモーターの制御下にある外因性カタラーゼ遺伝子を含む発現ベクターで、ゴシピウム属に属するワタ植物野生株の細胞を形質転換し、
(2) 該形質転換細胞から、該野生株に比べて改良された繊維特性を有するワタ繊維を生産するワタ植物体(R0)を再生し、
(3) 該植物体から自家受粉により種子を採取し、および
(4) 該種子を栽培して得られるワタ植物体(R1)から自家受粉により得られる種子における該カタラーゼ遺伝子の分離比を検定する
を含む、該カタラーゼ遺伝子についてホモ接合体である、該野生株に比べて改良された繊維特性を有するワタ繊維を生産する形質が固定されたワタ植物の作出方法。
6.上記いずれかのワタ植物の自家受粉により得られる種子を採取し、該種子の種皮からワタ繊維を分離する工程を含む、野生株に比べて改良された繊維特性を有するワタ繊維の製造方法。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明のワタ植物は、ゴシピウム(Gossypium )属に属し、ワタ繊維を生産する植物に由来するものであれば特に限定されず、例えば、ゴシピウム・ヒルスツム(G. hirsutum )、ゴシピウム・バルバデンセ(G. barbadense )、ゴシピウム・アルボレウム(G. arboreum )、ゴシピウム・アノマルム(G. anomalum )、ゴシピウム・アルムリアヌム(G. armourianum)、ゴシピウム・クロッツキアヌム(G. klotzchianum )、ゴシピウム・ヘルバケウム(G. herbaceum)、ゴシピウム・レモンデイ(G. raimondii)等のワタ植物由来のものが挙げられる。
【0018】
ここで「ワタ植物」は、熟成したワタ繊維を朔果中に含む植物体の他、ワタ繊維形成中または形成前であっても、最終的には該植物体と同等のワタ繊維を生産し得る生育中のワタ植物体、該未成熟ワタ植物体へと分化する能力を有するワタ植物細胞または組織、並びに該ワタ植物体から採取される種子(但し、該種子を栽培して得られる植物体は親と同等のワタ繊維を生産する)をすべて包含する。
【0019】
本発明において「野生株」とは、外因性カタラーゼ遺伝子をゲノム上に有しないあらゆるワタ植物を意味する。したがって、いわゆる野生種のほか、通常の交配によって樹立された栽培品種、それらの自然または人工変異体、並びにカタラーゼ以外の外因性遺伝子を導入されたトランスジェニックワタ植物などをすべて包含する。
【0020】
本発明において「改良された繊維特性を有するワタ繊維」とは、例えば、繊維長、繊度、繊維強度、繊維長均斉度等の、繊維特性の評価に通常使用される各種パラメータの少なくとも1つが、野生株に比べて改善されたワタ繊維を意味する。好ましくは、本発明のワタ植物は、繊維繊度および繊維長均斉度のうちの少なくとも1つの特性パラメータが、野生株に比べて向上したワタ繊維を生産する。より好ましくは、本発明のワタ植物は、繊維繊度および繊維長均斉度の両方が野生株に比べて向上したワタ繊維を生産する。
【0021】
本発明のワタ植物は、これらのゴシピウム属のワタ植物野生株に、遺伝子工学的手法により外因性カタラーゼ遺伝子が導入され、且つ安定に保持されたものである。ここで「安定に保持される」とは、少なくともカタラーゼ遺伝子が導入された当代の植物体が生産するワタ繊維中で該カタラーゼ遺伝子が発現し、それによってワタ繊維の繊維特性を改良するに十分な期間、該ワタ植物細胞内に保持されることをいう。したがって、現実的には、該カタラーゼ遺伝子は宿主ワタ植物の染色体上に組み込まれる必要がある。該カタラーゼ遺伝子は次世代に安定に遺伝することがより好ましい。
【0022】
植物のカタラーゼの多くはミクロボディーに局在し、代謝上産生される毒性のH2 2 を水と酸素に分解する無毒化酵素である。しかし、植物におけるその機能は十分に明らかになっていない。カタラーゼが植物の低温適応性や病原菌抵抗性(Sanchez-Casas, P. and Klessing, D. F. Plant Physiol., 106, 1675-1679 (1994), Prasad, T. K., Anderson, M. D., et al, Plant Cell, 6, 65-74 (1994) )に関与しているという報告はあるが、カタラーゼとワタ植物の繊維特性との関連についてはこれまで報告がなされていない。
【0023】
本発明において「カタラーゼ遺伝子」とは、過酸化水素の分解反応(2H2 2 →O2 +2H2 O)を触媒する酵素のアミノ酸配列をコードする塩基配列を有するDNAである。該カタラーゼ遺伝子の由来に特に制限はなく、既にクローニングされ容易に入手可能なカタラーゼ遺伝子を使用することができる。該カタラーゼ遺伝子はmRNA(またはcDNAライブラリー)から得られたcDNAであっても、ゲノミックDNAライブラリーから得られたゲノミックDNAであっても、あるいは化学合成によるものであってもよい。好ましくは、カタラーゼ遺伝子は植物由来、より好ましくはエンドウ由来の遺伝子である(後記参考例1に、エンドウ由来カタラーゼcDNAのクローニング手順を示す)。
【0024】
本発明において使用されるカタラーゼ遺伝子の好ましい例として、配列表配列番号1に示される塩基配列中塩基番号57〜1541で示される塩基配列を有するDNA、もしくは該配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし得る塩基配列を有し、且つ該配列と同等のカタラーゼ活性を有するポリペプチドをコードするDNAが挙げられる。ここでいう「ストリンジェントな条件」とは、特定カタラーゼ遺伝子配列にコードされるカタラーゼと同等のカタラーゼ活性を有するポリペプチドをコードする塩基配列のみが該特定配列とハイブリッド(いわゆる特異的ハイブリッド)を形成し、同等の活性を有しないポリペプチドをコードする塩基配列は該特定配列とハイブリッド(いわゆる非特異的ハイブリッド)を形成しない条件を意味する。当業者は、ハイブリダイゼーション反応および洗浄時の温度や、ハイブリダイゼーション反応液および洗浄液の塩濃度等を変化させることによって、このような条件を容易に選択することができる。具体的には、6×SSC(0.9M NaCl,0.09M クエン酸三ナトリウム)または6×SSPE(3M NaCl,0.2M NaH2 PO4 ,20mM EDTA・2Na,pH7.4)中42℃でハイブリダイズさせ、さらに42℃で0.5×SSCにより洗浄する条件が、本発明のストリンジェントな条件の1例として挙げられるが、これに限定されるものではない。
【0025】
本発明の「ストリンジェントな条件下でハイブリダイズし得る塩基配列」は、任意のDNAプール(例えば、カタラーゼ産生細胞・組織由来のcDNAもしくはゲノミックDNAライブラリー)について、配列番号1の塩基配列を有するDNAをプローブとしてストリンジェントな条件でハイブリダイゼーション反応を行うことにより取得することができる。
【0026】
また、ここで「外因性」とは、ワタ植物が生来有しておらず、外部より導入されたものを意味する。したがって、本発明の「外因性カタラーゼ遺伝子」は、遺伝子操作により外部より導入される、宿主ワタ植物と同種の(すなわち、該宿主ワタ植物由来の)カタラーゼ遺伝子であってもよい。コドン使用(codon usage )の同一性を考慮すれば、宿主由来のカタラーゼ遺伝子の使用もまた好ましい。
【0027】
外因性カタラーゼ遺伝子はいかなる遺伝子工学的手法によってワタ植物に導入されてもよく、例えば、カタラーゼ遺伝子を有する異種植物細胞とのプロトプラスト融合、カタラーゼ遺伝子を発現するように遺伝子操作されたウイルスゲノムを有する植物ウイルスによる感染、あるいはカタラーゼ遺伝子を含有する発現ベクターによる宿主ワタ植物細胞の形質転換が挙げられる。
【0028】
しかしながら、好ましくは、本発明のワタ植物は、ワタ繊維中で機能し得るプロモーターの制御下にある外因性カタラーゼ遺伝子を含む発現ベクターで、ワタ植物野生株の細胞を形質転換することにより得られる、トランスジェニック植物である。
【0029】
ワタ繊維中で機能し得るプロモーターとしては、植物細胞で構成的に発現する遺伝子のプロモーター、好ましくは植物または植物ウイルス由来の構成的プロモーター(例えば、カリフラワーモザイクウイルス(CaMV)35Sプロモーター、CaMV19Sプロモーター、NOSプロモーター等)、およびワタ繊維の形成および伸長時に特異的に発現するワタ植物内在のプロモーターが挙げられる。このようなワタ繊維特異的プロモーターとしては、国際公開WO95/08914号公報に記載される種々のプロモーター等が挙げられる。
【0030】
本発明の発現ベクターにおいて、外因性カタラーゼ遺伝子は、ワタ繊維中で機能し得るプロモーターによりその転写が制御されるように、該プロモーターの下流に配置される。該カタラーゼ遺伝子の下流には、ワタ繊維中で機能し得る転写終結シグナル(ターミネーター領域)がさらに付加されていることが好ましい。このようなターミネーターとしては、例えば、NOS(ノパリン合成酵素)遺伝子ターミネーター等が挙げられる。
【0031】
ワタ繊維の伸長には細胞壁の発達を伴うので、繊維伸長に関与する遺伝子は細胞壁およびその近傍で活性を発現することが好ましいと予測される。したがって、導入されるべき外因性カタラーゼ遺伝子がワタ植物細胞で認識される細胞壁移行シグナルのコード配列を有していない場合、プロモーターと成熟カタラーゼのコード配列との間に該シグナルペプチドのコード配列を挿入することが望ましい。このようなシグナル配列としては、ワタ植物由来ペルオキシダーゼのシグナル配列等が好ましく例示される。
【0032】
本発明の発現ベクターは、エンハンサー配列等のシス調節エレメントをさらに含んでいてもよい。また、該発現ベクターは、薬剤耐性遺伝子マーカー等の形質転換体選択のためのマーカー遺伝子、例えば、ネオマイシンホスホトランスフェラーゼII(NPTII)遺伝子、ホスフィノスリシンアセチルトランスフェラーゼ(PAT)遺伝子、グリフォセート耐性遺伝子等をさらに含むことが望ましい。選択圧をかけない条件下では、組み込まれた遺伝子が脱落する現象が起こる場合があるので、除草剤耐性遺伝子をベクター上に共存させておけば、栽培中該除草剤を使用することにより、常に選択圧がかかった条件を実現できるという利点もある。
さらに、大量調製および精製を容易にするために、該発現ベクターは、大腸菌での自律複製を可能にする複製起点および大腸菌での選択マーカー遺伝子(例えばアンピシリン耐性遺伝子、テトラサイクリン耐性遺伝子等)を含むことが望ましい。本発明の発現ベクターは、簡便には、pUC系またはpBR系の大腸菌ベクターのクローニング部位に上記カタラーゼ遺伝子の発現カセットと必要に応じて選択マーカー遺伝子を挿入することにより構築することができる。
【0033】
アグロバクテリウム・チュメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens )やアグロバクテリウム・リゾゲネス(Agrobacterium rhizogenes)による感染を利用して外因性カタラーゼ遺伝子を導入する場合には、該細菌が保持するTiまたはRiプラスミド上のT−DNA領域(植物染色体に転移する領域)内に該カタラーゼ遺伝子の発現カセットを挿入して用いることができる。現在、アグロバクテリウム法による形質転換の標準的な方法ではバイナリーベクター系が使用される。T−DNA転移に必要な機能は、T−DNA自身とTi(またはRi)プラスミドの両者から独立に供給され、それぞれの構成要素は別々のベクター上に分割できる。バイナリープラスミドはT−DNAの切り出しと組込みに必要な両端の25bpボーダー配列を有し、クラウンゴール(または毛状根)を引き起こす植物ホルモン遺伝子が除去されており、同時に外来遺伝子の挿入の余地を与えている。このようなバイナリーベクターとして、例えばpBI101やpBI121(ともにCLONTECH社)などが市販されている。なお、T−DNAの組込みに作用するvir 領域は、ヘルパープラスミドと呼ばれる別のTi(またはRi)プラスミド上にあってトランスに作用する。
【0034】
ワタ植物の形質転換には、従来公知の種々の方法を使用することができる。例えば、セルラーゼやヘミセルラーゼなどの細胞壁分解酵素処理により、ワタ植物の細胞からプロトプラストを単離し、該プロトプラストと上記カタラーゼ遺伝子の発現カセットを含む発現ベクターとの懸濁液にポリエチレングリコールを加えてエンドサイトーシス様の過程で該発現ベクターをプロトプラスト内に取り込ませる方法(PEG法)、ホスファチジルコリン等の脂質膜小胞内に超音波処理等により発現ベクターを入れ、該小胞とプロトプラストをPEG存在下に融合させる方法(リポソーム法)、ミニセルを用いて同様の過程で融合させる方法、プロトプラストと発現ベクターの懸濁液に電気パルスを印加して外液中のベクターをプロトプラスト内に取り込ませる方法(エレクトロポーレーション法)が挙げられる。しかしながら、これらの方法は、プロトプラストから植物体へ再分化させる培養技術を必要とする点で煩雑である。細胞壁を有するインタクトな細胞への遺伝子導入手段としては、マイクロピペットを細胞に刺し込み、油圧やガス圧でピペット内のベクターDNAを細胞内に注入するマイクロインジェクション法、およびDNAをコーティングした微小金属粒子を火薬の爆発やガス圧を利用して加速し、細胞内に導入するパーティクルガン法等の直接導入法と、アグロバクテリウムによる感染を利用した方法とがある。マイクロインジェクションは操作に熟練を要し、また、扱える細胞数が少ないという欠点がある。したがって、操作の簡便性を考慮すれば、アグロバクテリウム法およびパーティクルガン法によりワタ植物を形質転換することが好ましい。パーティクルガン法は、栽培中の植物の頂端分裂組織に直接遺伝子を導入することが可能である点でさらに有用である。また、アグロバクテリウム法において、バイナリーベクターに植物ウイルス、例えばトマトゴールデンモザイクウイルス(TGMV)等のジェミニウイルスのゲノムDNAをボーダー配列の間に同時に挿入することにより、栽培中の植物の任意の部位の細胞に注射筒などを用いて菌懸濁液を接種するだけで、植物体全体にウイルス感染が拡がり、同時に目的遺伝子も植物体全体に導入される。
【0035】
但し、パーティクルガン法やアグロバクテリウム法では、遺伝子導入がキメラとなる場合が多いので、生殖系列(germ line )の細胞に高頻度にカタラーゼ遺伝子が導入されるような試料細胞を、形質転換のために使用する必要がある。例えば、胚、胚軸切片、胚形成カルス(embryogenic callus)、単離した生長点等が挙げられる。一方、プロトプラストを用いる上記の各形質転換法およびマイクロインジェクション法は、単一の細胞からの再分化植物の選択が可能なので、全細胞にカタラーゼ遺伝子が導入されたホモジニアスなトランスジェニック植物を取得するという観点からは優れた形質転換手段といえる。
【0036】
以下に、具体例として、ワタ植物における、アグロバクテリウムによる目的遺伝子の導入および形質転換細胞の植物体への再生法を示す。
ワタ植物の種子を常法に従って、Stewart の種子発芽用培地(Stewart の濃縮物、0.75g/L MgCl2 、2.0g/L ファイタジェル、pH6.8)に播種し、無菌的に栽培する。一方で、プロモーターに目的遺伝子が接続され、且つカナマイシン耐性遺伝子を有するプラスミドにより形質転換したアグロバクテリウムを培養し、MSNH(MS無機塩類、30g/L グルコース、pH5.8)で希釈したものをチューブに分注しておく。発芽したワタの幼植物体から胚軸を切り出し、胚軸切片を上記の菌希釈液に浸して感染させる。アグロバクテリウムに感染させた胚軸切片を滅菌した濾紙上においてアグロバクテリウム希釈液を取り除き、T2プレート(MS無機塩類、0.75g/L MgCl2 、0.1mg/L 2,4−D、0.5mg/L カイネチン、30g/L グルコース、2.0g/L ファイタジェル、pH5.8)上で3日間共存培養する。共存培養した胚軸をMS2NKKCLプレート(MS無機塩類、0.75g/L MgCl2 、30g/L グルコース、2mg/L ナフタレン酢酸、0.1mg/L カイネチン、2.0g/L ファイタジェル、50μg/ml カナマイシン、500μg/ml セフォタキシム、pH5.8)上に移し、3〜4週間カルス培養を行う。約4mmサイズのカルスが観察されたら胚軸からカルスを取り除き、新鮮なMS2NKKCLプレートに移しさらに増殖させる。約1cmサイズのカルスになるまで十分に増殖させた後、胚誘導用のカナマイシン含有MSNH液体培地に移し、液体懸濁培養を開始する。液体懸濁培養はわずかに球状でライトグリーン色の細胞が肉眼で観察できるまで行う。十分に増殖した細胞を含む懸濁培養液をMKNHで希釈し、MSK50Kプレート(MS無機塩類、0.75g/L MgCl2 、1.9g/L KNO3 、30g/L グルコース、2.0g/L ファイタジェル、50μg/ml カナマイシン、pH5.8)に移し、プレートに広げて胚形成を行う。少なくとも約1mmサイズの胚が形成されるまで培養を続け、発芽培地であるSAプレート(Stewart の濃縮物、20g/L スクロース、20g/L 寒天、pH6.8)に移す。数週間培養を続け発根が観察されたら根を取り除いて胚をSGAプレート(Stewart の濃縮物、5g/L スクロース、0.75g/L MgCl2 、5g/L 寒天、1.5g/L ファイタジェル、pH6.8)に移し、本葉が観察されるまで培養を続ける。最初の本葉が観察されたら、ワタの幼植物体をSGA培地を含んだパイントサイズの缶詰ビンに移植することができる。ワタの幼植物体の背丈が10cmになり、数枚の本葉が観察されたら適当なポットに定植し温室で栽培することができる。このようにして得られたワタの形質転換体から種子やワタ繊維を得ることができる。
【0037】
この形質転換体より、常法に従ってゲノミックDNAを抽出し、このDNAを適当な制限酵素で切断し、導入した目的遺伝子をプローブに用いてサザンハイブリダイゼーションを行ない、形質転換の有無を確認することができる。また、目的遺伝子を特異的に増幅するプライマーを合成して、PCR法により形質転換の有無を確認することもできる。
また、形質転換体や、非形質転換体より、常法に従ってRNAを抽出し、導入した目的遺伝子のセンス、若しくはアンチセンス配列を有するプローブを作成し、これらのプローブを用いてノザンハイブリダイゼーションを行い、目的遺伝子の発現の状態を調べることができる。
【0038】
このようにして得られるトランスジェニックワタ植物の自家受粉により得られる種子から分化するワタ繊維には、野生株から得られるワタ繊維に比べて繊維特性が改良されたものが、外因性カタラーゼ遺伝子の組込み様式に応じて統計的に一定の比率で含まれる。好ましくは、該ワタ繊維は、少なくとも繊維繊度または繊維長均斉度のいずれかのパラメータ、より好ましくは、両方のパラメータが向上した繊維特性を有する。さらに好ましくは、該ワタ繊維は、さらに繊維長や繊維強度が野生株と比較して向上した繊維特性を有する。
【0039】
再分化当代(R0)植物体の自家受粉により得られるR1種子から分化するワタ繊維における、該改良された繊維特性の出現比率は、通常メンデル則に従う。例えば、該カタラーゼ遺伝子が一遺伝子座にヘテロに(heterozygous)組み込まれた場合、R1種子では改良されたワタ繊維特性は3:1の割合で分離する。改良された繊維特性を有するワタ繊維を分化させたR1種子を栽培し、自家受粉させて得られるR2種子において、改良されたワタ繊維特性がすべての種子で保持されていれば、該R1植物は導入されたカタラーゼ遺伝子についてホモ接合体(homozygote)であり、該ワタ繊維特性が3:1に分離すれば、該R1植物は導入されたカタラーゼ遺伝子についてヘテロ接合体(heterozygote)であると決定できる。
【0040】
このようにして選抜された、導入されたカタラーゼ遺伝子についてホモ接合体であるワタ植物は、改良されたワタ繊維特性が固定された系統として、種子産業の分野において極めて有用である。
【0041】
本発明はまた、上記のようにして得られる、改良された繊維特性を有するワタ繊維を生産するワタ植物から、該ワタ繊維を製造する方法を提供する。
選抜された系統のワタ種子を用いて、閉鎖系温室または隔離圃場で栽培試験を行うことができる。栽培試験は選抜したワタ種子を常法に従って播種し、ワタ植物を生長させて開花後、自家受粉を行い朔果を得、開じょした朔果から種子を採取することができる。
【0042】
採取した種子について常法に従ってマシンジニングを行うことにより、ワタ繊維を単離することができる。得られたワタ繊維について、例えばソーター法やプレスレー法、ステロメーター法およびHVI(大量高速検品機)システム法等を用いてワタ繊維特性の評価を行うことができる。
【0043】
【実施例】
以下に実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、これらは単なる例示であって、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【0044】
参考例1 エンドウ由来カタラーゼcDNAの単離
cDNAクローニングは、Plant Mol. Biol., 17, 1263-1265 (1991)の本文第1263頁左欄第18行〜右欄第15行に記載の方法に従った。
(1)cDNAライブラリーの構築
発芽10日目のエンドウ(Pisum sativum )の苗から葉を採取し、常法にしたがってpoly(A)+ RNAを抽出した。単離したpoly(A)+ RNAを鋳型として、オリゴ(dT)プライマーと逆転写酵素を用いてcDNAを合成し、ポリメラーゼ反応によって2本鎖化したものをベクターに挿入し、大腸菌を形質転換することにより、cDNAライブラリーを作製した。poly(A)+ RNAの単離、cDNAの合成は、市販のcDNAクローニングキットを用い、添付のプロトコールにしたがって行った。
【0045】
(2)プラークハイブリダイゼーション法による目的遺伝子のスクリーニング
上記方法で作製したcDNAライブラリーのファージプラークからレプリカしたフィルターに、ワタ植物由来のカタラーゼ遺伝子(Ni W., Turley R. B., Trelease R. N., Biochim. Biophys. Acta., 1049, 219-222 (1990))cDNAを、放射性同位元素である32Pで標識したものをプローブとしてハイブリダイズさせ、陽性を示すシグナルを検出することにより、目的遺伝子のcDNAを選抜した。クローン化されたcDNAの塩基配列の決定は、自動シーケンサーを用いてダイデオキシ法により決定した。得られた塩基配列を配列表配列番号1に示す。494アミノ酸をコードするORF(塩基番号57〜1541)が見出された。このエンドウ由来カタラーゼ遺伝子をCATと命名した。
【0046】
実施例1 ワタ植物の形質転換体の作製
(1)カタラーゼ遺伝子発現プラスミドの構築
CaMV35Sプロモーターと配列番号1に示したCAT遺伝子との間にワタ植物由来ペルオキシダーゼの細胞壁移行シグナル配列を挿入した。ベクター構築の手順を図1に示す。シグナル配列(S.S)は、ワタ植物由来cDNAライブラリーから、XhoIとBamHIの制限酵素サイトを付加した特異的プライマーを用いて常法に従ってPCRで増幅し、pRTL2ベクターにサブクローニングした。次に、CAT遺伝子をBamHIとHindIII で切断したフラグメント1(Fr.1)、HindIII とEcoRIで切断したフラグメント2(Fr.2)、EcoRIとXbaIで切断したフラグメント3(Fr.3)に分割した。シグナル配列にフラグメント1を連結し、さらにフラグメント2を連結した。フラグメント3は、pRTL2ベクターの35Sプロモーター配列(35S pro)とターミネーター配列(ter)の間に挿入した。シグナル配列とフラグメント1と2が連結した断片をXhoIとEcoRIで切断し、35Sプロモーターとフラグメント3の間にサブクローニングした。次に、このクローンをPstIで切断し、BamHIアダプターを使ってカナマイシン耐性遺伝子(nptII)の発現カセット(Nos pro−nptII−ter)を含むバイナリーベクターpBIN19にサブクローニングした。このプラスミドをpBIN35S−S.S−CATと命名した。なお、該プラスミドで形質転換された大腸菌JM109を、エシェリヒア・コリ(Escherichia coli)JM109/pBIN35S−S.S−CATと命名した。
【0047】
(2)プラスミドのアグロバクテリウムへの導入
上記(1)で得られたエシェリヒア・コリJM109/pBIN35S−S.S−CATと、ヘルパープラスミドpRK2013を持つエシェリヒア・コリHB101株とを、それぞれ50μg/mlカナマイシン含有LB培地で37℃、1晩、また、アグロバクテリウムEHA101株を50μg/mlカナマイシン含有LB培地で37℃、2晩培養した。各培養液1.5mlをエッペンドルフチューブに取り遠心して集菌した後、LB培地で洗浄した。これらの菌体を1mlのLB培地に懸濁後、各懸濁液100μlを別のチューブに入れて3つの菌を混合し、これをLB寒天培地にまき、28℃で培養して2種のプラスミドをアグロバクテリウムに接合伝達させた。1〜2日後にコロニーの一部を白金耳で掻き取り、50μg/mlカナマイシン含有LB寒天培地上に塗布した。28℃で2日間培養した後、単一コロニーを選択した。得られた形質転換体をEHA101/pBIN35S−S.S−CATと命名した。
【0048】
(3)種子殺菌と発芽
ワタ植物(G.ヒルスツム 栽培品種コーカー312)の種子を70%エタノール中で30秒間放置した。種子を回収し、100mlの滅菌水で洗浄した。続いて殺菌液(Clorox/Tween20)に浸し、20分間振とう(110rpm)した。種子を回収し、100mlの滅菌水で洗浄後、約30〜60分間かけて種子を滅菌水で十分に洗浄した。殺菌した種子を種子発芽培地プレート(Stewart の濃縮物、0.75g/L MgCl2 、2.0g/L ファイタジェル、pH6.8)に置床した。このプレートを30℃にて7〜10日間培養した。
【0049】
(4)アグロバクテリウムの感染
(3)で得られたワタ幼植物を取り出し、メスで子葉と根を取り除き、6〜8mmサイズの胚軸を切り出した。上記(2)で得られた形質転換したアグロバクテリウムを30℃で24時間培養し、培養液をMSNH(MS無機塩類、30g/L グルコース、pH5.8)で19倍希釈した。希釈した培養液に胚軸切片を30秒間浸した。2枚重ねた滅菌濾紙上に胚軸を並べ、余分な水分を除き、T2プレート(MS無機塩類、0.75g/L MgCl2 、0.1mg/L 2,4−D、0.5mg/L カイネチン、30g/L グルコース、2.0g/L ファイタジェル、pH5.8)に各々並べた。T2プレートは暗黒下、室温で3日間共存培養した。共存培養した胚軸をMS2NKKCLプレート(MS無機塩類、0.75g/L MgCl2 、30g/L グルコース、2mg/L ナフタレン酢酸、0.1mg/L カイネチン、2.0g/L ファイタジェル、50μg/ml カナマイシン、500μg/ml セフォタキシム、pH5.8)に移し、乾燥を防ぐためにパラフィルムでシールして明条件下、30℃で培養した。
【0050】
(5)カルス形成
胚軸をMS2NKKCLプレート上で培養し、1ヶ月毎に新しいプレートに移した。形質転換したカルスが約3〜4週間後に出現した。約4mmサイズのカルスになるまで培養し、胚軸からメスで切り出し新鮮なMS2NKKCLプレートに移した。約1cmサイズのカルスになるまで十分に増殖(3〜5ヶ月間必要)させた。
【0051】
(6)胚形成
十分に増殖したカルスをカナマイシン(250μg/ml)を含む10mlのMSNH液体培地を加えた50mlサイズの培養フラスコに移し、液体懸濁培養を行った。液体懸濁培養は、明条件下、30℃での振とう(110rpm)培養により、約2〜8週間にわたって行った。培養液中に球状でライトグリーン色の細胞が観察された後、培養液を50mlの滅菌チューブに移し、細胞をチューブの底に集めた。上澄みのMSNH液体培地を取り除き、約20〜30mlの新鮮なMSNH液体培地を加えて細胞を洗浄した。この操作を2回行った。細胞をチューブの底に集め、0.5mlの細胞に対して9.5mlのMSNH液体培地を加え細胞希釈液を作製した。細胞希釈液を2mlづつ分取し、各々MSK50プレート(MS無機塩類、0.75g/L MgCl2 、1.9g/L KNO3 、30g/L グルコース、2.0g/L ファイタジェル、、50μg/ml カナマイシン、pH5.8)に移してプレート上にまんべんなく広げた。プレートは乾燥を防ぐためにパラフィルムでシールし、明条件下、30℃でインキュベートした。体細胞胚の発達状況を確認したところ、約3週間後にはプレート上に体細胞胚が幾つか観察された。出現した体細胞胚を少なくとも1mmサイズまで発達させ、SAプレート(Stewart の濃縮物、20g/L スクロース、20g/L 寒天、pH6.8)に移した。
【0052】
(7)形質転換植物の再生
SAプレートをパラフィルムでシールし、暗黒下、30℃で約2週間インキュベートした。2週間後、根をメスで切り落とし、胚をSGAプレート(Stewart の濃縮物、5g/L スクロース、0.75g/L MgCl2 、5g/L 寒天、1.5g/L ファイタジェル、pH6.8)に移した。SGAプレートはパラフィルムでシールせずに、明条件下、30℃でインキュベートした。発芽した胚は本葉が出現するまでSGAプレートでインキュベートした。本葉が観察された幼植物をパイントサイズの缶詰ビンに移植した。背丈が約10cm、本葉が数枚観察された形質転換体をポットに移し換え温室で育成した。再生した形質転換体および該形質転換体から得られたR1種子から生育させたR1植物体についてサザンハイブリダイゼーションとノザンハイブリダイゼーション解析を行い、目的のカタラーゼ遺伝子が安定に組み込まれ、且つ発現している形質転換体を確認した。
【0053】
実施例2 形質転換体の野外試験
(1)目的遺伝子が導入されている系統(セルライン)の選抜
実施例1で作製した形質転換体について、1996〜1997年にわたりテキサス工科大学付属の閉鎖系温室で栽培試験を実施し、ノザン解析による目的遺伝子の導入確認と得られたワタ繊維の特性評価を行った。その結果から、確実に目的のカタラーゼ遺伝子が導入され、且つ該遺伝子を発現しているセルラインを選抜した(表1)。
【0054】
【表1】

Figure 0004331335
【0055】
(2)隔離圃場での栽培試験(1998年5月〜12月に実施)
表1に記載したセルラインの種子と遺伝子組換えを行っていないコーカー312を供試材料として用いた。1998年5月20日に、テキサス工科大学付属の隔離圃場に播種した。1998年7月5日から、これらのワタ植物は開花を始め、受粉は自家受粉を行った。1998年7月〜9月にかけて栽培している全ての形質転換体から健全な若い葉を採取し、常法に従って導入した目的遺伝子をプローブにしてノザン解析を行い、目的遺伝子の発現を調べた。1998年9月から朔果が開じょし、乾燥後、胚珠を収穫した。Texas A & M Agricultural Experiment Station でマシンジニングを行い, ワタ繊維を種子から分離した。得られたワタ繊維について、(1)900HVIシステム(Spinlab社製)を用いて、繊維繊度、繊維長均斉度、繊維長および繊維強度を測定した。その結果を表2に示す。
【0056】
【表2】
Figure 0004331335
【0057】
表2より明らかなように、エンドウ由来のカタラーゼ遺伝子であるCATが導入された形質転換体は、全てのセルラインで顕著に繊維繊度、繊維長均斉度および繊維強度が増大した。
以上の結果から、ワタ植物にエンドウ由来のカタラーゼ遺伝子であるCATを導入することによって、繊維繊度および繊維長均斉度等の繊維特性が有意に増大したワタ繊維を生産するワタ植物が得られることが明らかとなった。
【0058】
【発明の効果】
上述したように、本発明により、ワタ繊維における繊度、繊維長均斉度等の繊維特性の改良を行うことができる、例えば、繊度が改良されることにより糸の染色性が高まり、また、繊維長均斉度が改良されることにより糸の強度が高まる。したがって、本発明のワタ植物から採取されるワタ繊維により、織物品質の向上が可能となる。さらに本発明のワタ植物は、より優れたワタ繊維特性および/またはワタ繊維生産性を有する、さらに新規なワタ品種の作出のための植物材料としても利用することができる。
【0059】
【配列表】
Figure 0004331335
Figure 0004331335
Figure 0004331335
Figure 0004331335
Figure 0004331335

【図面の簡単な説明】
【図1】エンドウ由来カタラーゼ遺伝子の発現カセットを含むバイナリーベクターpBIN35S−S.S−CATの構築手順を示す図である。なお、図中の略語の意味は以下の通りである。S.S:ワタペルオキシダーゼ由来細胞壁移行シグナル配列,Fr.1:フラグメント1,Fr.2:フラグメント2,Fr.3:フラグメント3,35S pro:カリフラワーモザイクウイルス由来35Sプロモーター,ter:ターミネーター,NOS pro:ノパリン合成酵素プロモーター,nptII:ネオマイシンホスホトランスフェラーゼIIコード配列,S.S−CAT:ワタペルオキシダーゼ由来細胞壁移行シグナル配列とエンドウ由来カタラーゼcDNAの融合遺伝子,RB:ライトボーダー配列,LB:レフトボーダー配列,Xh:XhoI制限サイト,B:BamHI制限サイト,H:HindIII 制限サイト,E:EcoRI制限サイト,Xb:XbaI制限サイト,P:PstI制限サイト[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cotton plant that produces cotton fibers with improved fiber properties compared to wild strains, and in particular, fiber properties such as increased fiber fineness (thickness) and fiber length uniformity (short fiber content). The present invention relates to a cotton plant that produces cotton fiber having the following. The present invention also relates to a method for producing the cotton plant and a method for producing cotton fiber having improved fiber characteristics from the cotton plant.
[0002]
[Prior art]
Cotton fiber is usually produced by cultivating a cotton plant belonging to the genus Gossypium and collecting it from the obtained fruit (cotton ball). Cotton fiber is a single cell in which the epidermal cells of the seed coat are differentiated, initiation, elongation, secondary cell wall thickening, and maturation ) Through 4 stages. More specifically, cotton fiber elongation starts fiber elongation immediately after ovule epidermis flowering, and then the fiber grows rapidly and completes elongation about 25 days after flowering. Thereafter, the elongation of the fiber stops and a secondary cell wall is generated, and after maturing, it becomes one mature cotton fiber.
[0003]
There are many varieties of cotton plants, cotton fibers having different fiber characteristics are obtained, and they are used properly according to various uses. There are various characteristic parameters indicating fiber characteristics, and particularly important ones include fiber length, fineness, strength, and fiber length uniformity. Conventionally, great efforts have been made to improve the properties of cotton fibers, but the main points of improving the fiber properties are fiber length and fineness. Among them, longer and thinner fibers have been desired. Umijima cotton is famous as a variety having such fiber characteristics, but its productivity is low and it is very expensive. If cotton fibers having fiber characteristics equivalent to or better than Umishima cotton can be obtained with higher productivity, it is very beneficial in the industry.
[0004]
Means for improving fiber characteristics and / or productivity are roughly divided into (1) breed improvement by crossing, (2) treatment with plant hormones, and (3) breed improvement using gene recombination technology. There are three.
[0005]
Varietal improvement by crossing has been the most widely used hitherto, and the current cotton plant varieties have been bred by this method. However, since this method can introduce useful characters only from closely related species, it takes a lot of time, and the degree of change is low. Especially, in terms of cotton fiber characteristics or cotton fiber yield, there is no significant improvement. I can't expect much.
[0006]
Plant hormones such as auxin, gibberellin, cytokinin, and ethylene are widely used for regulating the growth of agricultural crops and horticultural plants. The effects of plant hormones on the fiber properties of cotton plants, especially on the fiber elongation mechanism, are known for gibberellins, auxins, brassinosteroids, etc., but in fact, sufficient effects are available for industrial use. At present, it has not been put into practical use.
[0007]
On the other hand, in recent years, there has been remarkable progress in gene recombination technology in the field of plant breeding, and introduction and expression of specific useful foreign genes in various plants (for example, cotton, soybean, corn, tomato, etc.). Thus, many examples have been reported that succeeded in imparting desired useful traits to the plant.
[0008]
In cotton plants, insect-resistant recombinant cotton introduced with BT toxin [insecticidal protein toxin produced by Bacillus thuringiensis] gene and 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase gene Herbicide (glyphosate) -tolerant recombinant cotton and the like that have been introduced have been developed and commercialized (it is said that the share of planted area of recombinant cotton in the US has already reached a majority).
[0009]
Similarly, instead of pest resistance genes and herbicide resistance genes, genes related to cotton fiber formation and elongation are introduced into cotton plants and expressed in large quantities, dramatically increasing their fiber properties or productivity. It is expected to improve. Conversely, it is theoretically possible to change the fiber characteristics by incorporating an antisense gene and suppressing the function of the endogenous gene. A method using such a genetic engineering technique is expected to be able to more reliably control fiber elongation and formation within a short period of time than breeding by conventional mating and selection.
[0010]
However, in order to obtain cotton fibers with the desired fiber characteristics by genetic recombination technology, it is essential to clarify the mechanisms of fiber elongation and formation at the gene level and to determine genes that are closely involved in those mechanisms. However, at present, molecular biological knowledge about such genes is very poor. Although much research has been conducted on plant cell elongation so far, there are still many unclear points about the control factors, and the control mechanism has not been elucidated until now.
[0011]
However, there are no reports of genes involved in cotton fiber elongation and formation. For example, John et al., E6 gene (Maliyakal E. John and Laura J. Crow, Proc.) Expressed preferentially in the fiber tissue on the 15th and 24th day of flowering by the differential screening method (Differential Screening). Natl. Acad. Sci. USA, 89, 5769-5773 (1992)) and the H6 gene encoding a proline-rich protein that works actively during secondary cell wall formation (Maliyakal E. John and Greg Keller, Plant physiol., 108, 669-676 (1995)). In addition, John introduced the E6 gene into a cotton plant in an antisense form to suppress the expression level of the endogenous E6 gene and examined the effect of the E6 gene on cotton fiber properties (Maliyakal E. Jhon, Plant Molecular Biology, 30, 297-306 (1996)). However, although the expression level of E6 RNA in the fiber tissue decreased, it was reported that the fiber length, strength, and fineness did not change significantly, and concluded that the E6 gene is not important for cotton fiber development.
Meanwhile, Song et al. Identified a cDNA encoding an acyl carrier protein (ACP) specifically expressed in cotton fiber tissue from a differential plant (Ping Song, Randy D. Allen, Biochimica et Biophysica). Acta, 1351, 305-312 (1997)). In addition, the cDNA of the catalytic subunit of cellulose synthase has been isolated as a gene related to cellulose synthesis of cotton fibers (Julie R. Pear, Yasushi Kawagoe, et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 12637). -12642 (1996)).
[0012]
In addition, several examples of the production of recombinant cotton plants introduced with genes implicated in fiber properties have been reported. For example, Agracetus in the United States has improved fiber strength by introducing a peroxidase gene, which is thought to be related to ovule and fiber development, downstream of the promoter of a fiber-specific expression gene into cotton plants. It has been reported that a recombinant cotton plant producing cotton fiber has been developed (International Publication WO95 / 08914). In addition, the present inventors isolated and identified five genes that are specifically expressed during cotton fiber elongation by a differential screening method and a differential display method (Japanese Patent Laid-Open No. 9-75093), of which By introducing the KC22 gene, which is one of the above, into a cotton plant, a recombinant cotton plant producing cotton fiber with an improved fiber length has been obtained.
[0013]
However, only a few genes that are specifically expressed during cotton fiber formation / elongation have been isolated as described above, and moreover, which of these fiber-specific genes is the fiber length, fiber At present, little has been clarified as to whether it plays an important role in determining the parameters of cotton fiber characteristics such as strength, fineness, and fiber length uniformity. Furthermore, a recombinant cotton plant that produces cotton fibers with improved characteristic parameters such as fiber fineness and fiber length uniformity has not yet been reported.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the object of the present invention is important for the determination of cotton fiber properties such as genes involved in cotton fiber elongation and formation, particularly fiber fineness (fiber thickness) and fiber length uniformity (short fiber content). By screening for genes that play a role and artificially controlling the expression of the genes, the above-mentioned recombinant cotton plants with improved cotton fiber properties are produced. Moreover, the objective of this invention is providing the manufacturing method of the cotton fiber by which the fiber characteristic from this cotton plant was improved.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
As a result of diligent efforts to achieve the above object, the present inventors have introduced a catalase gene into cotton plants and overexpressed in cotton fibers, thereby allowing characteristic parameters such as fineness and fiber length uniformity of cotton fibers. In addition, by harvesting and isolating cotton fiber from this recombinant cotton plant, cotton fiber with improved fiber properties was successfully produced and the present invention was completed. It was.
[0016]
That is, the present invention is as follows.
1. Cotton plant belonging to the genus Gospium, which stably retains an exogenous catalase gene under the control of a promoter capable of functioning in cotton fiber, and produces cotton fiber having improved fiber characteristics compared to the wild strain, particularly The cotton plant, which is a transgenic plant obtained by transforming the wild strain with an expression vector containing an exogenous catalase gene under the control of a promoter that can function in cotton fiber.
2. The said cotton plant which is a homozygote about this catalase gene, especially the said cotton plant which is the form of a seed.
3. Cotton fiber obtained from the above cotton plant and having improved fiber characteristics compared to the wild strain.
4). An expression vector containing an exogenous catalase gene under the control of a promoter capable of functioning in cotton fiber, and comprising an improved step compared to the wild strain, comprising the step of transforming a cotton plant wild strain belonging to the genus Gospium A method for producing a cotton plant producing cotton fibers having fiber characteristics, in particular, a method for regenerating a plant from the transformed cell.
5. The following steps:
(1) An expression vector containing an exogenous catalase gene under the control of a promoter capable of functioning in cotton fiber, transforming a cotton plant cell line belonging to the genus Gospidium,
(2) Regenerating a cotton plant (R0) that produces cotton fibers having improved fiber characteristics compared to the wild type strain from the transformed cells;
(3) collecting seeds from the plant body by self-pollination; and
(4) Test the separation ratio of the catalase gene in seeds obtained by self-pollination from cotton plants (R1) obtained by cultivating the seeds
A method for producing a cotton plant having a fixed trait that produces a cotton fiber that is homozygous for the catalase gene and has improved fiber characteristics as compared to the wild type.
6). A method for producing cotton fiber having improved fiber characteristics compared to a wild strain, comprising a step of collecting seed obtained by self-pollination of any of the above cotton plants and separating cotton fiber from the seed coat of the seed.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The cotton plant of the present invention is not particularly limited as long as it belongs to the genus Gossypium, and is derived from a plant that produces cotton fiber. For example, G. hirsutum, G. hirsutum, barbadense), Gosypium arboreum, G. anomalum, G. armourianum, G. klotzchianum, G. klotzchianum, G. herbaceum (G. herbaceum) Examples include those derived from cotton plants such as G. raimondii.
[0018]
Here, the “cotton plant” finally produces cotton fiber equivalent to the plant body even during or before the formation of the cotton fiber, in addition to the plant body containing the matured cotton fiber in the fruits. Obtaining growing cotton plant, cotton plant cell or tissue capable of differentiating into immature cotton plant, and seed collected from the cotton plant (provided by cultivating the seed) All produce cotton fiber equivalent to the parent).
[0019]
In the present invention, the “wild strain” means any cotton plant that does not have an exogenous catalase gene on its genome. Therefore, in addition to so-called wild species, all cultivars established by normal mating, natural or artificial mutants thereof, and transgenic cotton plants introduced with exogenous genes other than catalase are included.
[0020]
In the present invention, "cotton fiber having improved fiber characteristics" means, for example, at least one of various parameters usually used for evaluation of fiber characteristics such as fiber length, fineness, fiber strength, fiber length uniformity, It means improved cotton fiber compared to the wild type. Preferably, the cotton plant of the present invention produces cotton fibers in which at least one characteristic parameter of fiber fineness and fiber length uniformity is improved compared to the wild type. More preferably, the cotton plant of the present invention produces cotton fibers having improved fiber fineness and fiber length uniformity as compared to the wild type.
[0021]
The cotton plant of the present invention is one in which an exogenous catalase gene has been introduced and stably maintained by a genetic engineering technique in these cotton plants belonging to the genus Gospium. Here, “stablely maintained” means that the catalase gene is expressed in cotton fiber produced by a plant of the present generation into which at least the catalase gene has been introduced, and is sufficient to improve the fiber characteristics of cotton fiber. It means being retained in the cotton plant cell for a period of time. Therefore, in reality, the catalase gene needs to be integrated on the chromosome of the host cotton plant. More preferably, the catalase gene is stably inherited in the next generation.
[0022]
Many plant catalases are localized in microbodies and are produced by metabolically toxic H 2 O 2 Is a detoxifying enzyme that breaks down water into oxygen. However, its function in plants is not fully understood. Catalase is a plant's cold adaptability and pathogen resistance (Sanchez-Casas, P. and Klessing, DF Plant Physiol., 106, 1675-1679 (1994), Prasad, TK, Anderson, MD, et al, Plant Cell, 6 , 65-74 (1994)), but there has been no report on the relationship between catalase and the fiber properties of cotton plants.
[0023]
In the present invention, “catalase gene” refers to a decomposition reaction of hydrogen peroxide (2H 2 O 2 → O 2 + 2H 2 DNA having a base sequence encoding the amino acid sequence of an enzyme that catalyzes O). The origin of the catalase gene is not particularly limited, and a catalase gene that has already been cloned and is readily available can be used. The catalase gene may be a cDNA obtained from mRNA (or a cDNA library), a genomic DNA obtained from a genomic DNA library, or by chemical synthesis. Preferably, the catalase gene is a plant-derived gene, more preferably a pea-derived gene (Reference Example 1 described below shows a cloning procedure for pea-derived catalase cDNA).
[0024]
As a preferable example of the catalase gene used in the present invention, DNA having the base sequence shown by base numbers 57 to 1541 in the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 in the sequence listing, or hybridizes with the sequence under stringent conditions And a DNA encoding a polypeptide having a base sequence that can be converted and having a catalase activity equivalent to that sequence. The term “stringent conditions” as used herein means that only a base sequence encoding a polypeptide having a catalase activity equivalent to a catalase encoded by a specific catalase gene sequence forms a hybrid (so-called specific hybrid) with the specific sequence. A base sequence encoding a polypeptide having no equivalent activity means a condition that does not form a hybrid (so-called non-specific hybrid) with the specific sequence. Those skilled in the art can easily select such conditions by changing the temperature during the hybridization reaction and washing, the salt concentration of the hybridization reaction solution and the washing solution, and the like. Specifically, 6 × SSC (0.9 M NaCl, 0.09 M trisodium citrate) or 6 × SSPE (3 M NaCl, 0.2 M NaH) 2 PO Four , 20 mM EDTA · 2Na, pH 7.4) at 42 ° C., and further washed with 0.5 × SSC at 42 ° C. is one example of the stringent conditions of the present invention. It is not limited.
[0025]
The “base sequence capable of hybridizing under stringent conditions” of the present invention has the base sequence of SEQ ID NO: 1 with respect to an arbitrary DNA pool (for example, a cDNA derived from catalase-producing cells / tissues or a genomic DNA library). It can be obtained by performing a hybridization reaction under stringent conditions using DNA as a probe.
[0026]
The term “exogenous” as used herein means that the cotton plant does not naturally exist and is introduced from the outside. Therefore, the “exogenous catalase gene” of the present invention may be a catalase gene of the same kind as the host cotton plant (ie, derived from the host cotton plant) introduced from the outside by genetic manipulation. Considering the identity of codon usage, the use of a host-derived catalase gene is also preferred.
[0027]
The exogenous catalase gene may be introduced into cotton plants by any genetic engineering technique, for example, a protoplast fusion with a heterologous plant cell having the catalase gene, a plant having a viral genome genetically engineered to express the catalase gene Examples thereof include infection by virus, or transformation of host cotton plant cells by an expression vector containing a catalase gene.
[0028]
Preferably, however, the cotton plant of the present invention is obtained by transforming a cotton plant cell line with an expression vector comprising an exogenous catalase gene under the control of a promoter capable of functioning in cotton fiber. It is a transgenic plant.
[0029]
Promoters that can function in cotton fibers include promoters of genes that are constitutively expressed in plant cells, preferably constitutive promoters derived from plants or plant viruses (eg, cauliflower mosaic virus (CaMV) 35S promoter, CaMV19S promoter, NOS Promoters, etc.), and cotton plant endogenous promoters that are specifically expressed during cotton fiber formation and elongation. Examples of such cotton fiber specific promoters include various promoters described in International Publication No. WO95 / 08914.
[0030]
In the expression vector of the present invention, the exogenous catalase gene is placed downstream of the promoter so that its transcription is controlled by a promoter that can function in cotton fiber. It is preferable that a transcription termination signal (terminator region) that can function in cotton fibers is further added downstream of the catalase gene. Examples of such terminator include NOS (nopaline synthase) gene terminator.
[0031]
Since cotton fiber elongation is accompanied by cell wall development, it is expected that genes involved in fiber elongation preferably express activity in and around the cell wall. Therefore, when the exogenous catalase gene to be introduced does not have a coding sequence for a cell wall transition signal recognized by cotton plant cells, the coding sequence of the signal peptide is inserted between the promoter and the mature catalase coding sequence. It is desirable to do. As such a signal sequence, a signal sequence of cotton plant-derived peroxidase is preferably exemplified.
[0032]
The expression vector of the present invention may further contain a cis-regulatory element such as an enhancer sequence. The expression vector is a marker gene for selecting a transformant such as a drug resistance gene marker, such as a neomycin phosphotransferase II (NPTII) gene, a phosphinothricin acetyltransferase (PAT) gene, a glyphosate resistance gene, etc. It is desirable to further include. Under the condition where selective pressure is not applied, the incorporated gene may drop off. Therefore, if the herbicide tolerance gene is allowed to coexist on the vector, the herbicide is always used during cultivation. There is also an advantage that a condition under selective pressure can be realized.
Furthermore, in order to facilitate mass preparation and purification, the expression vector contains an origin of replication that allows autonomous replication in E. coli and a selectable marker gene in E. coli (eg, ampicillin resistance gene, tetracycline resistance gene, etc.). Is desirable. The expression vector of the present invention can be conveniently constructed by inserting the above-mentioned catalase gene expression cassette and, if necessary, a selection marker gene into the cloning site of a pUC or pBR E. coli vector.
[0033]
When an exogenous catalase gene is introduced by utilizing infection by Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes, on the Ti or Ri plasmid carried by the bacterium The catalase gene expression cassette can be inserted into a T-DNA region (region that is transferred to a plant chromosome). Currently, the standard method for transformation by the Agrobacterium method uses a binary vector system. The functions required for T-DNA transfer are supplied independently from both the T-DNA itself and the Ti (or Ri) plasmid, and each component can be divided on separate vectors. The binary plasmid has 25 bp border sequences at both ends necessary for excision and integration of T-DNA, and the plant hormone gene causing crown gall (or hairy root) is removed, and at the same time, room for insertion of a foreign gene is provided. ing. As such binary vectors, for example, pBI101 and pBI121 (both CLONTECH) are commercially available. The vir region acting on T-DNA integration is located on another Ti (or Ri) plasmid called a helper plasmid and acts on trans.
[0034]
Various conventionally known methods can be used for transformation of cotton plants. For example, protoplasts are isolated from cotton plant cells by treatment with cell wall degrading enzymes such as cellulase and hemicellulase, and polyethylene glycol is added to a suspension of the protoplasts and an expression vector containing the above-mentioned catalase gene expression cassette to obtain endocytosis. Incorporation of the expression vector into the protoplast during the tosis-like process (PEG method), phosphophatidylcholine and other lipid membrane vesicles are placed by sonication, etc., and the vesicle and protoplast are fused in the presence of PEG Method (liposome method), fusion method using minicells in the same process, method of applying electric pulse to suspension of protoplast and expression vector and incorporating vector in external solution into protoplast (electroporation) Law). However, these methods are complicated in that they require a culture technique for redifferentiation from protoplasts to plants. As a means for gene introduction into intact cells with cell walls, a micropipette is inserted into the cell, and vector DNA in the pipette is injected into the cell by hydraulic pressure or gas pressure, and micro metal particles coated with DNA There are a direct introduction method such as a particle gun method that accelerates the explosives using explosives and gas pressure, and introduces them into cells, and a method that uses infection by Agrobacterium. Microinjection requires the skill of operation and has the disadvantage that the number of cells that can be handled is small. Therefore, considering the ease of operation, it is preferable to transform cotton plants by the Agrobacterium method and the particle gun method. The particle gun method is further useful in that a gene can be directly introduced into the apical meristem of a plant under cultivation. Further, in the Agrobacterium method, a plant vector, for example, a genomic DNA of a gemini virus such as tomato golden mosaic virus (TGMV) is simultaneously inserted into a binary vector between border sequences, so that an arbitrary site of a plant being cultivated can be detected. By simply inoculating cells with a bacterial suspension using a syringe or the like, viral infection spreads throughout the plant body, and the target gene is also introduced into the entire plant body.
[0035]
However, in the particle gun method and the Agrobacterium method, gene transfer is often a chimera, so a sample cell in which a catalase gene is frequently introduced into germ line cells is used for transformation. Need to be used for. Examples include embryos, hypocotyl slices, embryogenic callus, isolated growth points, and the like. On the other hand, since each of the above transformation methods and microinjection methods using protoplasts can select a redifferentiated plant from a single cell, it is said that a homogeneous transgenic plant having a catalase gene introduced into all cells is obtained. It can be said that it is an excellent transformation means from the viewpoint.
[0036]
As a specific example, a method for introducing a target gene by Agrobacterium and regenerating a transformed cell into a plant body in a cotton plant is shown below.
The seeds of cotton plants were prepared according to conventional methods, Stewart seed germination medium (Stewart concentrate, 0.75 g / L MgCl 2 , 2.0 g / L fighter gel, pH 6.8) and cultivated aseptically. On the other hand, Agrobacterium transformed with a plasmid having a target gene connected to a promoter and having a kanamycin resistance gene is cultured and diluted with MSNH (MS inorganic salts, 30 g / L glucose, pH 5.8). Dispense into. The hypocotyl is cut out from the germinated cotton seedling, and the hypocotyl section is immersed in the above-mentioned bacterial dilution to infect it. Agrobacterium diluted solution is removed on a filter paper sterilized from a hypocotyl section infected with Agrobacterium, and T2 plate (MS inorganic salt, 0.75 g / L MgCl 2 , 0.1 mg / L 2,4-D, 0.5 mg / L kinetin, 30 g / L glucose, 2.0 g / L fighter gel, pH 5.8) for 3 days. Co-cultured hypocotyls were placed on MS2NKKCL plates (MS inorganic salts, 0.75 g / L MgCl 2 , 30 g / L glucose, 2 mg / L naphthalene acetic acid, 0.1 mg / L kinetin, 2.0 g / L fighter gel, 50 μg / ml kanamycin, 500 μg / ml cefotaxime, pH 5.8) for 3-4 weeks Incubate. When callus of about 4 mm size is observed, the callus is removed from the hypocotyl and transferred to a fresh MS2NKKKCL plate for further growth. After sufficient growth until the callus is about 1 cm in size, it is transferred to a kanamycin-containing MSNH liquid medium for embryo induction, and liquid suspension culture is started. Liquid suspension culture is performed until slightly spherical and light green cells can be observed with the naked eye. Suspension cultures containing fully grown cells are diluted with MKNH and MSK50K plates (MS inorganic salts, 0.75 g / L MgCl 2 1.9g / L KNO Three , 30 g / L glucose, 2.0 g / L fighter gel, 50 μg / ml kanamycin, pH 5.8) and spread on a plate for embryo formation. Cultivation is continued until embryos of at least about 1 mm size are formed and transferred to SA plates (Stewart concentrate, 20 g / L sucrose, 20 g / L agar, pH 6.8) as germination medium. After several weeks of culture and rooting is observed, the roots are removed and the embryos are placed in SGA plates (Stewart concentrate, 5 g / L sucrose, 0.75 g / L MgCl 2 5 g / L agar, 1.5 g / L fighter gel, pH 6.8) and continue culturing until true leaves are observed. Once the first true leaf is observed, cotton seedlings can be transplanted into pint-sized canned bottles containing SGA medium. If the height of the cotton seedling becomes 10 cm and several true leaves are observed, it can be planted in a suitable pot and cultivated in a greenhouse. Seeds and cotton fibers can be obtained from the cotton transformant thus obtained.
[0037]
Genomic DNA is extracted from this transformant according to a conventional method, this DNA is cleaved with an appropriate restriction enzyme, Southern hybridization is performed using the introduced target gene as a probe, and the presence or absence of transformation can be confirmed. it can. Alternatively, a primer that specifically amplifies the target gene can be synthesized and the presence or absence of transformation can be confirmed by PCR.
In addition, RNA is extracted from transformants and non-transformants according to a conventional method, probes having sense or antisense sequences of the introduced target gene are prepared, and Northern hybridization is performed using these probes. The state of expression of the target gene can be examined.
[0038]
Cotton fibers differentiated from seeds obtained by self-pollination of transgenic cotton plants obtained in this way have improved fiber characteristics compared to cotton fibers obtained from wild strains. It is included in a statistically constant ratio depending on the style. Preferably, the cotton fibers have fiber characteristics with improved parameters of at least either fiber fineness or fiber length uniformity, more preferably both parameters. More preferably, the cotton fiber further has fiber characteristics in which the fiber length and fiber strength are improved as compared with the wild type.
[0039]
The appearance ratio of the improved fiber properties in cotton fibers differentiated from R1 seeds obtained by self-pollination of regenerated generation (R0) plants usually follows Mendel's law. For example, when the catalase gene is heterozygically integrated at one locus, improved cotton fiber properties separate at a ratio of 3: 1 in R1 seeds. In R2 seeds obtained by cultivating R1 seeds differentiated from cotton fibers having improved fiber characteristics and self-pollinating, if the improved cotton fiber characteristics are retained in all seeds, the R1 plant is If the introduced catalase gene is homozygous for the introduced catalase gene and the cotton fiber property segregates 3: 1, then the R1 plant can be determined to be heterozygous for the introduced catalase gene.
[0040]
Cotton plants homozygous for the introduced catalase gene selected in this way are extremely useful in the field of the seed industry as lines with improved cotton fiber properties fixed.
[0041]
The present invention also provides a method for producing cotton fibers from a cotton plant that produces cotton fibers having improved fiber properties obtained as described above.
Using the seeds of the selected lines, a cultivation test can be performed in a closed greenhouse or an isolated field. In the cultivation test, selected cotton seeds are sown according to a conventional method, and after the cotton plants are grown and flowered, they are self-pollinated to obtain the fruit, and the seeds can be collected from the opened fruit.
[0042]
Cotton fiber can be isolated by machine-ginning the collected seeds according to a conventional method. About the obtained cotton fiber, cotton fiber characteristics can be evaluated using, for example, a sorter method, a pressley method, a sterometer method, an HVI (mass high speed inspection machine) system method, and the like.
[0043]
【Example】
EXAMPLES The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, these are merely examples and do not limit the scope of the present invention.
[0044]
Reference Example 1 Isolation of pea-derived catalase cDNA
The cDNA cloning was performed according to the method described in Plant Mol. Biol., 17, 1263-1265 (1991), page 1263, left column, line 18 to right column, line 15.
(1) Construction of cDNA library
Leaves were collected from pea (Pisum sativum) seedlings on the 10th day of germination, and poly (A) was collected according to a conventional method. + RNA was extracted. Isolated poly (A) + Using RNA as a template, cDNA is synthesized using an oligo (dT) primer and reverse transcriptase, and then double-stranded by a polymerase reaction is inserted into a vector, and E. coli is transformed to create a cDNA library. did. poly (A) + RNA isolation and cDNA synthesis were performed using a commercially available cDNA cloning kit according to the attached protocol.
[0045]
(2) Screening of target genes by plaque hybridization
A catalase gene derived from cotton plants (Ni W., Turley RB, Trelease RN, Biochim. Biophys. Acta., 1049, 219-222 (1990)) was applied to the filter replicated from the phage plaque of the cDNA library prepared by the above method. cDNA is a radioisotope 32 The target gene cDNA was selected by hybridizing with P as a probe and detecting a positive signal. The base sequence of the cloned cDNA was determined by the dideoxy method using an automatic sequencer. The obtained base sequence is shown in Sequence Listing SEQ ID NO: 1. An ORF encoding 494 amino acids (base numbers 57-1541) was found. This pea-derived catalase gene was named CAT.
[0046]
Example 1 Production of transformant of cotton plant
(1) Construction of catalase gene expression plasmid
A cell wall transition signal sequence of cotton plant-derived peroxidase was inserted between the CaMV35S promoter and the CAT gene shown in SEQ ID NO: 1. The vector construction procedure is shown in FIG. The signal sequence (SS) was amplified from a cotton plant-derived cDNA library by PCR according to a conventional method using specific primers to which XhoI and BamHI restriction enzyme sites were added, and subcloned into a pRTL2 vector. Next, the CAT gene was divided into fragment 1 (Fr.1) cleaved with BamHI and HindIII, fragment 2 (Fr.2) cleaved with HindIII and EcoRI, and fragment 3 (Fr.3) cleaved with EcoRI and XbaI. . Fragment 1 was ligated to the signal sequence, and fragment 2 was further ligated. Fragment 3 was inserted between the 35S promoter sequence (35S pro) and the terminator sequence (ter) of the pRTL2 vector. The fragment in which the signal sequence and fragments 1 and 2 were linked was cleaved with XhoI and EcoRI and subcloned between the 35S promoter and fragment 3. Next, this clone was cleaved with PstI and subcloned into a binary vector pBIN19 containing an expression cassette (Nos pro-nptII-ter) of a kanamycin resistance gene (nptII) using a BamHI adapter. This plasmid was transformed into pBIN35S-S. It was named S-CAT. In addition, Escherichia coli JM109 transformed with the plasmid was transformed into Escherichia coli JM109 / pBIN35S-S. It was named S-CAT.
[0047]
(2) Introduction of plasmid into Agrobacterium
Escherichia coli JM109 / pBIN35S-S. S-CAT and the Escherichia coli HB101 strain having the helper plasmid pRK2013 were each 37 ° C. overnight in an LB medium containing 50 μg / ml kanamycin, and 37 mg of an Agrobacterium EHA101 strain in an LB medium containing 50 μg / ml kanamycin. The culture was performed at 0 ° C. for 2 nights. 1.5 ml of each culture solution was collected in an Eppendorf tube by centrifugation and then washed with LB medium. After suspending these cells in 1 ml of LB medium, put 100 μl of each suspension in a separate tube, mix the three bacteria, spread this on LB agar medium, and culture at 28 ° C. The plasmid was ligated and transferred to Agrobacterium. One to two days later, a part of the colony was scraped off with a platinum loop and coated on an LB agar medium containing 50 μg / ml kanamycin. After culturing at 28 ° C. for 2 days, a single colony was selected. The resulting transformant was EHA101 / pBIN35S-S. It was named S-CAT.
[0048]
(3) Seed disinfection and germination
The seeds of the cotton plant (G. hirsutum cultivar Coke 312) were left in 70% ethanol for 30 seconds. Seeds were collected and washed with 100 ml of sterile water. Subsequently, it was immersed in a sterilizing solution (Clorox / Tween 20) and shaken (110 rpm) for 20 minutes. The seeds were collected and washed with 100 ml of sterilized water, and then the seeds were sufficiently washed with sterilized water for about 30 to 60 minutes. Sterilized seeds on seed germination medium plate (Stewart concentrate, 0.75 g / L MgCl 2 , 2.0 g / L fighter gel, pH 6.8). The plate was cultured at 30 ° C. for 7-10 days.
[0049]
(4) Agrobacterium infection
The cotton seedlings obtained in (3) were taken out, the cotyledons and roots were removed with a scalpel, and 6 to 8 mm size hypocotyls were cut out. The transformed Agrobacterium obtained in (2) above was cultured at 30 ° C. for 24 hours, and the culture solution was diluted 19-fold with MSNH (MS inorganic salts, 30 g / L glucose, pH 5.8). Hypocotyl sections were immersed in the diluted culture for 30 seconds. The hypocotyls were arranged on two sterilized filter papers, excess water was removed, and T2 plate (MS inorganic salts, 0.75 g / L MgCl 2 0.1 mg / L 2,4-D, 0.5 mg / L kinetin, 30 g / L glucose, 2.0 g / L fighter gel, pH 5.8). T2 plates were co-cultured for 3 days at room temperature in the dark. Co-cultured hypocotyls were placed on MS2NKKCL plates (MS inorganic salts, 0.75 g / L MgCl 2 , 30 g / L glucose, 2 mg / L naphthalene acetic acid, 0.1 mg / L kinetin, 2.0 g / L fighter gel, 50 μg / ml kanamycin, 500 μg / ml cefotaxime, pH 5.8) and parafilm to prevent drying And cultured at 30 ° C. under bright conditions.
[0050]
(5) Callus formation
Hypocotyls were cultured on MS2NKKCL plates and transferred to new plates every month. Transformed callus appeared after about 3-4 weeks. The cells were cultured until the callus was about 4 mm in size, cut from the hypocotyl with a scalpel and transferred to a fresh MS2NKKCL plate. Sufficient growth (necessary for 3 to 5 months) was made until the callus was about 1 cm in size.
[0051]
(6) Embryogenesis
The sufficiently grown callus was transferred to a 50 ml culture flask to which 10 ml of MSNH liquid medium containing kanamycin (250 μg / ml) was added, and liquid suspension culture was performed. Liquid suspension culture was performed for about 2-8 weeks by shaking (110 rpm) culture at 30 ° C. under light conditions. After spherical and light green cells were observed in the culture, the culture was transferred to a 50 ml sterile tube and the cells were collected at the bottom of the tube. The supernatant MSNH liquid medium was removed and approximately 20-30 ml of fresh MSNH liquid medium was added to wash the cells. This operation was performed twice. The cells were collected at the bottom of the tube, and 9.5 ml of MSNH liquid medium was added to 0.5 ml of cells to prepare a cell dilution. Aliquots of cell dilutions were taken in 2 ml increments, each with MSK50 plates (MS inorganic salts, 0.75 g / L MgCl 2 1.9g / L KNO Three , 30 g / L glucose, 2.0 g / L fighter gel, 50 μg / ml kanamycin, pH 5.8) and spread evenly on the plate. Plates were sealed with parafilm to prevent drying and incubated at 30 ° C. under light conditions. When the development state of the somatic embryo was confirmed, some somatic embryos were observed on the plate after about 3 weeks. Appearing somatic embryos were developed to at least 1 mm size and transferred to SA plates (Stewart concentrate, 20 g / L sucrose, 20 g / L agar, pH 6.8).
[0052]
(7) Regeneration of transformed plants
SA plates were sealed with parafilm and incubated in the dark at 30 ° C. for about 2 weeks. Two weeks later, the roots were cut off with a scalpel and the embryos were SGA plates (Stewart concentrate, 5 g / L sucrose, 0.75 g / L MgCl 2 5 g / L agar, 1.5 g / L fighter gel, pH 6.8). SGA plates were incubated at 30 ° C. under bright conditions without being sealed with parafilm. Germinated embryos were incubated on SGA plates until the true leaves appeared. Seedlings with observed true leaves were transplanted into pint-sized canned bottles. Transformants in which the height was about 10 cm and several true leaves were observed were transferred to a pot and grown in a greenhouse. Southern hybridization and Northern hybridization analysis are performed on the regenerated transformant and the R1 plant grown from the R1 seed obtained from the transformant, and the target catalase gene is stably integrated and expressed. Transformants were confirmed.
[0053]
Example 2 Field test of transformant
(1) Selection of lines (cell lines) into which the target gene has been introduced
The transformant produced in Example 1 was subjected to a cultivation test in a closed greenhouse attached to Texas Institute of Technology from 1996 to 1997, and confirmed introduction of the target gene by Northern analysis and evaluation of the properties of the obtained cotton fiber. It was. From the results, cell lines in which the target catalase gene was reliably introduced and the gene was expressed were selected (Table 1).
[0054]
[Table 1]
Figure 0004331335
[0055]
(2) Cultivation tests in isolated fields (implemented from May to December 1998)
Cell line seeds listed in Table 1 and a coker 312 that was not genetically modified were used as test materials. On May 20, 1998, seeded in an isolated field attached to Texas Tech University. From July 5, 1998, these cotton plants began to blossom and pollination was self-pollinated. Healthy young leaves were collected from all the transformants cultivated from July to September 1998, and Northern analysis was performed using the target gene introduced according to a conventional method as a probe to examine the expression of the target gene. From September 1998, the fruit was opened, and after drying, the ovule was harvested. Machine fibering was performed at Texas A & M Agricultural Experiment Station to separate cotton fibers from seeds. About the obtained cotton fiber, (1) Fiber fineness, fiber length uniformity, fiber length, and fiber strength were measured using 900HVI system (made by Spinlab). The results are shown in Table 2.
[0056]
[Table 2]
Figure 0004331335
[0057]
As is apparent from Table 2, the transformant introduced with CAT, which is a pea-derived catalase gene, significantly increased fiber fineness, fiber length uniformity and fiber strength in all cell lines.
From the above results, by introducing CAT, which is a catalase gene derived from peas, to a cotton plant, it is possible to obtain a cotton plant that produces cotton fibers with significantly increased fiber properties such as fiber fineness and fiber length uniformity. It became clear.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to improve fiber properties such as fineness and fiber length uniformity in cotton fiber, for example, by improving the fineness, the dyeability of the yarn is increased, and the fiber length The strength of the yarn is increased by improving the uniformity. Therefore, the cotton fiber collected from the cotton plant of the present invention can improve the quality of the fabric. Furthermore, the cotton plant of the present invention can be used as a plant material for producing a new cotton variety having superior cotton fiber characteristics and / or cotton fiber productivity.
[0059]
[Sequence Listing]
Figure 0004331335
Figure 0004331335
Figure 0004331335
Figure 0004331335
Figure 0004331335

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a binary vector pBIN35S-S containing an expression cassette for a pea-derived catalase gene. It is a figure which shows the construction procedure of S-CAT. In addition, the meaning of the abbreviation in a figure is as follows. S. S: Cotton peroxidase-derived cell wall transition signal sequence, Fr. 1: Fragment 1, Fr. 2: Fragment 2, Fr. 3: Fragment 3, 35S pro: Cauliflower mosaic virus-derived 35S promoter, ter: terminator, NOS pro: nopaline synthase promoter, nptII: neomycin phosphotransferase II coding sequence, S-CAT: fusion gene of cotton peroxidase-derived cell wall transition signal sequence and pea-derived catalase cDNA, RB: right border sequence, LB: left border sequence, Xh: XhoI restriction site, B: BamHI restriction site, H: HindIII restriction site, E: EcoRI restriction site, Xb: XbaI restriction site, P: PstI restriction site

Claims (17)

ワタ繊維中で機能し得るプロモーターの制御下にある外因性カタラーゼ遺伝子及び細胞壁移行シグナルのコード配列を安定に保持し、且つ野生株に比べて以下の(a)〜(c)からなる群から選ばれる少なくとも1種の繊維特性が改良されたワタ繊維を生産する、ゴシピウム属に属するワタ植物
(a)繊維強度;
(b)繊維繊度;
(c)繊維長均斉度
The exogenous catalase gene under the control of a promoter capable of functioning in cotton fiber and the coding sequence of the cell wall transition signal are stably retained and selected from the group consisting of the following (a) to (c) as compared to the wild type at least one fiber characteristics produce cotton fibers with improved that, cotton plants belonging to the Gossypium genus:
(A) fiber strength;
(B) Fiber fineness;
(C) Fiber length uniformity .
該ワタ植物が、ワタ繊維中で機能し得るプロモーターの制御下にある外因性カタラーゼ遺伝子を含む発現ベクターで該野生株を形質転換して得られるトランスジェニック植物である、請求項1記載のワタ植物。  The cotton plant according to claim 1, wherein the cotton plant is a transgenic plant obtained by transforming the wild strain with an expression vector containing an exogenous catalase gene under the control of a promoter capable of functioning in cotton fiber. . 該カタラーゼ遺伝子が植物由来である、請求項1または2記載のワタ植物。  The cotton plant according to claim 1 or 2, wherein the catalase gene is derived from a plant. 該カタラーゼ遺伝子がエンドウ由来である請求項3記載のワタ植物。  The cotton plant according to claim 3, wherein the catalase gene is derived from peas. 該カタラーゼ遺伝子が以下の(a)または(b)の塩基配列を有するものである、請求項1または2記載のワタ植物。
(a)配列表配列番号1に示される塩基配列中塩基番号57〜1541で示される塩基配列
(b)上記(a)の塩基配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ上記(a)の配列を有する核酸がコードするポリペプチドと同等のカタラーゼ活性を有するポリペプチドをコードする塩基配列
The cotton plant according to claim 1 or 2, wherein the catalase gene has the following base sequence (a) or (b).
(A) the base sequence represented by base numbers 57 to 1541 in the base sequence shown in the sequence listing SEQ ID NO: 1 (b) hybridizes with the base sequence of (a) above under stringent conditions , and (a) above nucleotide sequence encoding a polypeptide having a polypeptide equivalent catalase activity encoded by the nucleic acids having the sequence of
該ワタ植物が、ゴシピウム・ヒルスツム、ゴシピウム・バルバデンセ、ゴシピウム・アルボレウム、ゴシピウム・アノマルム、ゴシピウム・アルムリアヌム、ゴシピウム・クロッツキアヌム、ゴシピウム・ヘルバケウムおよびゴシピウム・レモンデイからなる群より選択される植物由来である、請求項1〜5のいずれかに記載のワタ植物。  The cotton plant is derived from a plant selected from the group consisting of Gospium hirstum, Gospium barbadense, Gospium alborium, Gospium anomalum, Gospium alumianum, Gospium clotzkianoum, Gospium herbaqueum and Gospium lemonday The cotton plant according to any one of claims 1 to 5. 細胞壁移行シグナルが、ワタ植物由来ペルオキシダーゼのシグナル配列である、請求項1〜6のいずれかに記載のワタ植物。The cotton plant according to any one of claims 1 to 6, wherein the cell wall transition signal is a signal sequence of a peroxidase derived from a cotton plant. 該カタラーゼ遺伝子についてホモ接合体である請求項1〜のいずれかに記載のワタ植物。The cotton plant according to any one of claims 1 to 7 , which is homozygous for the catalase gene. 種子の形態である請求項記載のワタ植物。The cotton plant according to claim 8, which is in the form of a seed. ワタ繊維中で機能し得るプロモーターの制御下にある外因性カタラーゼ遺伝子を含む発現ベクターで、ゴシピウム属に属するワタ植物野生株の細胞を形質転換する工程を含む、該野生株に比べて以下の(a)〜(c)からなる群から選ばれる少なくとも1種の改良された繊維特性を有するワタ繊維を生産するワタ植物の作出方法
(a)繊維強度;
(b)繊維繊度;
(c)繊維長均斉度
An expression vector containing an exogenous catalase gene under the control of a promoter capable of functioning in cotton fibers, and a step of transforming a cotton plant wild strain belonging to the genus Gosypium, the following ( Method for producing cotton plant producing cotton fiber having at least one improved fiber property selected from the group consisting of a) to (c) :
(A) fiber strength;
(B) Fiber fineness;
(C) Fiber length uniformity .
該形質転換細胞から植物体を再生する工程をさらに含む、請求項10記載の方法。  The method according to claim 10, further comprising the step of regenerating a plant from the transformed cell. 該カタラーゼ遺伝子が植物由来である、請求項10または11記載の方法。  The method according to claim 10 or 11, wherein the catalase gene is derived from a plant. 該カタラーゼ遺伝子がエンドウ由来である、請求項12記載の方法。  The method according to claim 12, wherein the catalase gene is derived from peas. 該カタラーゼ遺伝子が、以下の(a)または(b)の塩基配列を有するものである、請求項10または11記載の方法。
(a)配列表配列番号1に示される塩基配列中塩基番号57〜1541で示される塩基配列
(b)上記(a)の塩基配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ上記(a)の配列を有する核酸がコードするポリペプチドと同等のカタラーゼ活性を有するポリペプチドをコードする塩基配列
The method according to claim 10 or 11, wherein the catalase gene has the following base sequence (a) or (b).
(A) the base sequence represented by base numbers 57 to 1541 in the base sequence shown in the sequence listing SEQ ID NO: 1 (b) hybridizes with the base sequence of (a) above under stringent conditions , and (a) above nucleotide sequence encoding a polypeptide having a polypeptide equivalent catalase activity encoded by the nucleic acids having the sequence of
該ワタ植物野生株が、ゴシピウム・ヒルスツム、ゴシピウム・バルバデンセ、ゴシピウム・アルボレウム、ゴシピウム・アノマルム、ゴシピウム・アルムリアヌム、ゴシピウム・クロッツキアヌム、ゴシピウム・ヘルバケウムおよびゴシピウム・レモンデイからなる群より選択される、請求項10〜14のいずれかに記載の方法。  The cotton plant wild strain is selected from the group consisting of Gospium hirstum, Gosypium barbadense, Gospium alborium, Gospium anomalum, Gospium alumianum, Gospium clotzkianoum, Gospium herbaqueum and Gospium lemonday The method in any one of 10-14. 以下の工程:
(1)ワタ繊維中で機能し得るプロモーターの制御下にある外因性カタラーゼ遺伝子を含む発現ベクターで、ゴシピウム属に属するワタ植物野生株の細胞を形質転換し、
(2)該形質転換細胞から、野生株に比べて以下の(a)〜(c)からなる群から選ばれる少なくとも1種の改良された繊維特性を有するワタ繊維を生産するワタ植物体(R0)を再生し、
(3)該植物体から自家受粉により種子を採取し、および
(4)該種子を栽培して得られるワタ植物体(R1)から自家受粉により得られる種子における該カタラーゼ遺伝子の分離比を検定することを含む、該カタラーゼ遺伝子についてホモ接合体である、該野生株に比べて以下の(a)〜(c)からなる群から選ばれる少なくとも1種の改良された繊維特性を有するワタ繊維を生産する形質が固定されたワタ植物の作出方法
(a)繊維強度;
(b)繊維繊度;
(c)繊維長均斉度
The following steps:
(1) An expression vector containing an exogenous catalase gene under the control of a promoter capable of functioning in cotton fiber, transforming a cotton plant wild-type cell belonging to the genus Gosypium,
(2) A cotton plant (RO) that produces cotton fibers having at least one improved fiber characteristic selected from the group consisting of the following (a) to (c) from the transformed cells, compared to the wild type: )
(3) collecting seeds from the plant body by self-pollination; and
(4) The seed comprises assaying the separation ratio of the catalase gene in seeds obtained by self-pollination from cultivation to cotton plants obtained (R1), and homozygous for the catalase gene, wild A method for producing a cotton plant having a trait that produces cotton fiber having at least one improved fiber property selected from the group consisting of the following (a) to (c) as compared to a strain :
(A) fiber strength;
(B) Fiber fineness;
(C) Fiber length uniformity .
請求項1〜のいずれかに記載のワタ植物の自家受粉により得られる種子を採取し、該種子の種皮からワタ繊維を分離する工程を含む、野生株に比べて以下の(a)〜(c)からなる群から選ばれる少なくとも1種の改良された繊維特性を有するワタ繊維の製造方法
(a)繊維強度;
(b)繊維繊度;
(c)繊維長均斉度
The seeds obtained by self-pollination of the cotton plant according to any one of claims 1 to 8 are collected, and the following (a) to (a) A method for producing cotton fibers having at least one improved fiber property selected from the group consisting of c) :
(A) fiber strength;
(B) Fiber fineness;
(C) Fiber length uniformity .
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