JP4347004B2 - 環境ストレス誘導性プロモーター - Google Patents
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Description
本発明は、環境ストレスに対する誘導性を示す新規なプロモーター、当該プロモーターを有する発現ベクター、当該発現ベクターを有する形質転換体並びにトランスジェニック植物、ストレス耐性植物の製造方法、及びスクリーニング方法に関する。
陸生植物は、乾燥、低温、熱、機械的な摂動、創傷及び病原体の感染といった様々な環境ストレスに曝される。これら環境ストレスに植物が曝されると、特定の遺伝子発現といった生化学的、生理学的及び分子的な反応が誘導され、環境ストレスに対する応用性及び順応性を示すことが知られている。このような反応は、植物細胞内における刺激の認識及びシグナル伝達の結果として進行する。しかしながら、このメカニズムの詳細については未だ解明されていないのが現状である。
そこで、本発明は、環境ストレス、特に生物ストレス及び/又は無生物ストレスに対する誘導性を示す新規なプロモーターを提供することを目的とする。
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、cDNAマイクロアレイ分析を応用して、環境ストレスに特異的な発現パターンを示す遺伝子を同定し、当該遺伝子のプロモーター領域を単離することに成功した。また、本発明者は、単離したプロモーターが環境ストレスに対する誘導性を示すことを見いだし、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下を包含する。
（１） 以下の(a)、(b)又は(c)のDNAを含む、環境ストレス応答性プロモーター。
(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、かつ環境ストレス応答性プロモーターとして機能するDNA
(c) 配列番号１の塩基配列と相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ環境ストレス応答性プロモーターとして機能するDNA
（２） 上記環境ストレスが生物ストレス及び/又は無生物ストレスであることを特徴とする（１）記載のプロモーター。
（３） （１）のプロモーターを含む発現ベクター。
（４） （３）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。
（５） （３）又は（４）記載の発現ベクターを含む形質転換体。
（６） （４）又は（５）記載の発現ベクターを含むトランスジェニック植物。
（７） 植物が、植物体、植物器官、植物組織又は植物培養細胞である（６）記載のトランスジェニック植物。
（８） （６）又は（７）記載のトランスジェニック植物を培養又は栽培することを特徴とするストレス耐性植物の製造方法。
（９） （１）記載のプロモーターと、当該プロモーターによる発現制御可能なかたちで組み込まれたレポーター遺伝子とを有する発現ベクターにより形質転換された形質転換体に、検査対象の化合物を接触させる工程と、
上記形質転換体における上記レポーター遺伝子の発現を検出する工程と
を含む、生物ストレス及び/又は無生物ストレスに関与する化合物のスクリーニング方法。
（１０） 上記化合物を接触させる工程では、生物ストレス及び/又は無生物ストレスを上記形質転換体に対して負荷することを特徴とする（９）記載のスクリーニング方法。
（１） 以下の(a)、(b)又は(c)のDNAを含む、環境ストレス応答性プロモーター。
(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、かつ環境ストレス応答性プロモーターとして機能するDNA
(c) 配列番号１の塩基配列と相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ環境ストレス応答性プロモーターとして機能するDNA
（２） 上記環境ストレスが生物ストレス及び/又は無生物ストレスであることを特徴とする（１）記載のプロモーター。
（３） （１）のプロモーターを含む発現ベクター。
（４） （３）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。
（５） （３）又は（４）記載の発現ベクターを含む形質転換体。
（６） （４）又は（５）記載の発現ベクターを含むトランスジェニック植物。
（７） 植物が、植物体、植物器官、植物組織又は植物培養細胞である（６）記載のトランスジェニック植物。
（８） （６）又は（７）記載のトランスジェニック植物を培養又は栽培することを特徴とするストレス耐性植物の製造方法。
（９） （１）記載のプロモーターと、当該プロモーターによる発現制御可能なかたちで組み込まれたレポーター遺伝子とを有する発現ベクターにより形質転換された形質転換体に、検査対象の化合物を接触させる工程と、
上記形質転換体における上記レポーター遺伝子の発現を検出する工程と
を含む、生物ストレス及び/又は無生物ストレスに関与する化合物のスクリーニング方法。
（１０） 上記化合物を接触させる工程では、生物ストレス及び/又は無生物ストレスを上記形質転換体に対して負荷することを特徴とする（９）記載のスクリーニング方法。
本発明によれば、環境ストレス、特に生物ストレス及び/又は無生物ストレスに対する誘導性を示す、全く新規なプロモーターを提供することができる。また、本発明によれば、環境ストレス、特に生物ストレス及び/又は無生物ストレスに対する応答に関与する化合物を同定するための、全く新規なスクリーニング方法を提供することができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
１．プロモーター
本発明に係るプロモーターは、以下の(a)、(b)又は(c)のDNAを含むものである
(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、かつ環境ストレス応答性プロモーターとして機能するDNA
(c) 配列番号１の塩基配列と相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ環境ストレス応答性プロモーターとして機能するDNA
１．プロモーター
本発明に係るプロモーターは、以下の(a)、(b)又は(c)のDNAを含むものである
(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、かつ環境ストレス応答性プロモーターとして機能するDNA
(c) 配列番号１の塩基配列と相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ環境ストレス応答性プロモーターとして機能するDNA
ここで、配列番号１の塩基配列は、シロイヌナズナにおけるRAFLO7-15-O03におけるプロモーター領域を含む塩基配列である。RAFLO7-15-O03は、パタチンホモログとして知られているフォスフォリパーゼA2をコードする遺伝子である。すなわち、配列番号１の塩基配列は、シロイヌナズナにおけるフォスフォリパーゼA IIA遺伝子の開始コドン上流1500塩基からなる。
また、上記(b)において、「複数の塩基」とは、１〜１０個の塩基、好ましくは１〜５個の塩基を意味する。また、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得る領域としては、特に限定されないが、配列番号１の塩基配列に含まれる、転写に関与するモチーフ配列を除く領域であることが好ましい。モチーフ配列としては、例えば、WRKY転写因子の結合部位モチーフ、ACGT配列モチーフ、TGA配列モチーフ、活性化配列-1要素（activation sequence-1 elements）のコア配列であるTGACGT/Cモチーフ、MYBモチーフ及びMYCモチーフを挙げることができる。配列番号１の塩基配列におけるこれらのモチーフ配列の存在位置を、図４に示す。図４では各モチーフ配列を下線で示している。
さらに上記(c)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℃である。より具体的には、5×SSC(83mM NaCl、83mMクエン酸ナトリウム)、温度42℃である。
また、本発明において、環境ストレスとは、具体的に生物ストレス及び/又は無生物ストレスを意味する。より具体的には、生物ストレスは、カビ、細菌等が植物に感染することによって当該植物に対して負荷するストレスを意味する。無生物ストレスは、低温度環境、高温度環境、乾燥環境、高塩濃度環境、高浸透圧環境等に植物を曝すことによって当該植物に対して負荷するストレスを意味する。
上記(a)乃至(c)に示したDNAを含むプロモーターが環境ストレスに対して応答性を示すか否かは、当該プロモーターの下流にGUS遺伝子等のリポーター遺伝子を組み込んだ発現ベクターを用いて形質転換植物を作製し、当該形質転換植物が環境ストレスに曝された状態で上記リポーター遺伝子を発現しているか否かを検討することによって確認することができる。
２．発現ベクター
本発明の発現ベクターは、適当なベクターに本発明の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。本発明の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。
本発明の発現ベクターは、適当なベクターに本発明の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。本発明の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。
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。
ベクターに本発明の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。
本発明のプロモーターは、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。
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。
３．形質転換体の作製
本発明の形質転換体は、本発明の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。
本発明の形質転換体は、本発明の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。
本発明において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。
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)
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。
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。
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。
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。
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。
ところで、本発明に係るプロモーターと、当該プロモーターによる発現制御可能なかたちで組み込まれたレポーター遺伝子とを有する発現ベクターにより形質転換された形質転換体に検査対象の化合物を接触させ、形質転換体におけるレポーター遺伝子の発現を検出することによって、生物ストレス及び/又は無生物ストレスに関与する化合物をスクリーニングすることができる。ここで、検査対象の化合物を形質転換体に接触させる際には、生物ストレス及び/又は無生物ストレスを負荷した状態であってもよい。
本発明のベクターは、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。
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。
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。
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。
４．植物の製造
本発明においては、上記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。
本発明においては、上記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。
本発明の「植物体を製造する方法」は、上記植物プロモーターを挿入した植物発現ベクターを宿主細胞に導入して形質転換植物細胞を得て、該形質転換植物細胞から形質転換植物体を再生し、得られた形質転換植物体から植物種子を得て、該植物種子から植物体を生産する工程を含む。
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。このようにして育種された植物は、導入されたプロモーターのストレス応答性に応じた環境ストレス耐性植物となる。
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではない。
〔実施例１〕マイクロアレイによる発現解析
本発明者らは、シロイヌナズナの約7,000個の完全長cDNAを有するマイクロアレイ（関ら、Plant J. 31, 279-292 (2002)に開示されたマイクロアレイ）を用いて、生物ストレス或いは無生物ストレスを負荷した条件下で特異的に発現している遺伝子を網羅的に解析した。本例で使用したマイクロアレイは、Arabidopsisの完全長cDNAライブラリーから単離した遺伝子に加えて、RD（Responsive to Dehydration）遺伝子、ERD（Early Responsive to Dehydration）遺伝子、内部標準としてλコントロール鋳型DNA断片（TX803、宝酒造株式会社製）、さらにネガティブコントロールとしてマウスのニコチン酸アセチルコリンレセプターのエプシロンサブユニット（nAChRE）遺伝子及びマウスのグルココルチコイドレセプターの相同性遺伝子からなる計約7000のcDNAを有している。
〔実施例１〕マイクロアレイによる発現解析
本発明者らは、シロイヌナズナの約7,000個の完全長cDNAを有するマイクロアレイ（関ら、Plant J. 31, 279-292 (2002)に開示されたマイクロアレイ）を用いて、生物ストレス或いは無生物ストレスを負荷した条件下で特異的に発現している遺伝子を網羅的に解析した。本例で使用したマイクロアレイは、Arabidopsisの完全長cDNAライブラリーから単離した遺伝子に加えて、RD（Responsive to Dehydration）遺伝子、ERD（Early Responsive to Dehydration）遺伝子、内部標準としてλコントロール鋳型DNA断片（TX803、宝酒造株式会社製）、さらにネガティブコントロールとしてマウスのニコチン酸アセチルコリンレセプターのエプシロンサブユニット（nAChRE）遺伝子及びマウスのグルココルチコイドレセプターの相同性遺伝子からなる計約7000のcDNAを有している。
このマイクロアレイを用いて、以下のように環境ストレスに対して応答性を示す遺伝子を解析した。実験に用いたシロイヌナズナは、２％Murashige and Skoog塩（和光純薬社製）、2%スクロース及び0.8%バクトアガー（Difco社製）を含むGM培地で発芽させ、その後、16時間（午前5時〜午後9時）を明下とし8時間を暗下とするサイクルで、22℃のチャンバー内で3週間成長させた。また、様々な環境ストレス処理は、ほぼ同時刻（午前9時〜午前10時の間）に開始した。
本実験において、〔ストレス負荷時の発現量〕/〔ストレスがない時の発現量〕の値がλコントロール鋳型DNA断片と比較して3倍以上であり、且つ、少なくとも一回の実験で1000以上のシグナル値を示すものを環境ストレス負荷によって特異的に発現する遺伝子と認定した。本例においては、生物ストレス負荷時及び無生物ストレス負荷時において特異的に発現する遺伝子を解析した。
生物ストレスとしては、非病原性糸状菌（Alternaria alternata O-276；鳥取大学の尾谷氏より供与）、不親和性糸状菌（Alternaria brassicicola O-264；鳥取大学の尾谷氏より供与）及び親和性糸状菌（Colletotrichum higginsianum MAFF 305635；MAFF Genebankより入手）を接種することによって行った。無生物ストレスは、乾燥処理、低温処理、高塩濃度処理、UV-C処理及びCuSO4処理によって行った。これら無生物ストレス及び生物ストレスは、“The cDNA Microarray Analysis Using an Arabidopsis pad3 Mutant Reveals the Expression Profiles and Classification of Genes Induced by Alternaria brassicicola Attack”(鳴坂らPlant Cell Physiol. 44(4) 377-387 （2003）)に記載の方法に準じて行った。
シロイヌナズナからのtotal RNAの抽出は、生物ストレス負荷から10、24及び48時間後に行い、無生物ストレス負荷から2、5、10及び24時間後に行った。また、コントロールとして、蒸留水処理から2、5、10、24及び48時間後の植物からもtotal RNAを抽出した。なお、total RNAの抽出にはTRIZOL Reagent（Invitrogen社製）を使用し、total RNAからのmRNAの抽出にはmRNA isolation kit（Miltenyi Biotec社製）を使用した。
その結果、生物ストレス負荷によって900個の遺伝子が特異的に発現していることが判った。なお、Alternaria alternateの接種によって118個の遺伝子が特異的に発現し、alternaria brassicicolaの接種によって864個の遺伝子が特異的に発現し、Colletotrichum higginsianumの接種によって142個の遺伝子が特異的に発現した。これに対して、無生物ストレス負荷によって1340個の遺伝子が特異的に発現していることが判った。なお、乾燥処理によって740個の遺伝子が特異的に発現し、低温処理によって438個の遺伝子が特異的に発現し、高塩濃度処理によって605個の遺伝子が特異的に発現し、UV-C処理によって290個の遺伝子が特異的に発現し、CuSO4処理によって676個の遺伝子が特異的に発現した。これらの結果を図１にまとめる。図１から判るように、生物ストレス及び無生物ストレスによって特異的に発現する遺伝子の数は469個であった。
この469個の遺伝子のうち、RAFL07-15-O03については、上述した無生物ストレス（低温処理、高塩濃度処理、UV-C処理及びCuSO4処理）に加えて、アブシジン酸処理、サリチル酸処理、ジャスモン酸処理、エチレン処理（エテフォン処理）、パラコート処理及びローズベンガル処理といった無生物ストレスに対しても、特異的に発現していることが明らかとなった。生物ストレス及び無生物ストレスによるRAFL07-15-O03の発現量の変化を図２に示す。なお、図２において縦軸は規格化した強度、すなわち、発現量の増加を示し、横軸はストレス負荷からの時間を示している。
なお、RAFL07-15-O03は、パタチン・ホモログ（At2g26560）として知られたフォスフォリパーゼA IIA遺伝子である。以下、RAFL07-15-O03を「フォスフォリパーゼA IIA遺伝子」或いは「AtPLA IIA遺伝子」と称する。なお、実施例中、低温処理は、4℃で生育させる条件で行った。高塩濃度処理はシロイヌナズナを250mMのNaCl溶液で水耕栽培する条件で行った。UV-C処理はシロイヌナズナに1kJの紫外線を照射する条件で行った。CuSO4処理は10mMのCuSO4溶液を噴霧する条件で行った。アブシジン酸処理は100μMのABA溶液で水耕栽培する条件とした。サリチル酸処理は5mMのサリチル酸溶液を噴霧する条件で行った。ジャスモン酸処理は200μMのジャスモン酸メチル溶液で水耕栽培する条件とした。エチレン処理（エテフォン処理）は1mMのエテフォン溶液で水耕栽培する条件とした。パラコート処理は25μMのパラコート溶液を噴霧する条件で行った。ローズベンガル処理は20mMのローズベンガル溶液を噴霧する条件で行った。
また、高塩濃度処理、アブシジン酸処理、低温処理及びコントロールの蒸留水処理によって無生物ストレスを負荷した後の、AtPLA IIA遺伝子のmRNAの発現パターンをノーザン・ブロットによって確認した。その結果を図３に示す。図３中、脱水処理後の結果を「DRY」とし、高塩濃度処理後の結果を「NaCl」とし、アブシジン酸処理後の結果を「ABA」とし、低温処理後の結果を「Cold」とし、蒸留水処理後の結果を「H2O」とした。図３から判るように、AtPLA IIA遺伝子は、各種無生物ストレスによって特異的に発現が誘導されており、マイクロアレイの結果と一致した。なお、図３に示す電気泳動写真において、各レーンには4μgのtotal RNAをロードした。
以上、本例によってAtPLA IIA遺伝子は生物ストレス及び無生物ストレスのいずれを負荷しても発現が誘導されることが明らかとなり、当該AtPLA IIA遺伝子の上流に存在するプロモーターが生物ストレス及び無生物ストレス誘導性のプロモーターであることが推測された。
〔実施例２〕AtPLA IIA遺伝子のプロモーター領域の解析
本例では、生物ストレス及び無生物ストレス誘導性のプロモーターであると推測された、AtPLA IIA遺伝子の上流に存在するプロモーターを単離し、そのプロモーター活性を解析した。
本例では、生物ストレス及び無生物ストレス誘導性のプロモーターであると推測された、AtPLA IIA遺伝子の上流に存在するプロモーターを単離し、そのプロモーター活性を解析した。
先ず、AtPLAIIA遺伝子のcDNAの塩基配列を定法に従って決定した。次に、この塩基配列情報に基づいてシロイヌナズナゲノム・データベース（URL; http://rarge.gsc.riken.go.jp/）を検索し、AtPLA IIA遺伝子の開始コドンより上流約1.5kbをプロモーターとして同定した。シロイヌナズナにおいては、開始コドンより上流約1.0kb内にプロモーターが存在し、開始コドンより約150b内に5’非翻訳領域が存在することが知られているためである（MaleckらNature Genet. 26, 403-410 (2000)）。
本例で同定したプロモーター領域の塩基配列を配列番号１及び図４に示す。なお、図４には、塩基配列情報に基づいて特定されたシスエレメント領域を、下線で示している。また、下線の下に付記した文字はシスエレメントの種類を示している。図４中「W-box」はWRKY転写因子の結合領域を示している。WRKY転写因子は、病害防御、老化及びトライコーム形成等の様々な生理学的問題の制御に関わっており（EulgemらTrends Plant Sci. 5, 199-206 (2000)）、生物ストレスに対する応答性に寄与するものと考えられた。図４中「ACGT」及び「TGA-box」はactivation sequence-1 (as-1)因子のコア配列（TGACGT/C）を示している。なおas-1因子は酸化ストレス応答性因子として作用する。「ACGT」及び「TGA-box」は、活性酸素種応答性プロモーター内においてシスエレメントとして作用すると考えられる（GarretonらPlant Physiol. 130, 1516-1526 (2002)）。図４中「MYB」及び「MYC」はそれぞれMYB及びMYCによって認識されるシスエレメントを示している。これら「MYB」及び「MYC」は、浸透圧ストレス下でのABA依存性経路に関与する遺伝子の発現を制御すると考えられる（IwasakiらMol. Gen. Genet. 247, 391-398 (1995)及び、AbeらPlant cell 9, 1859-1868 (1997)）。
次に、配列番号１に示した塩基配列からなるプロモーターが無生物ストレス及び/又は生物ストレスに対して誘導性を示すか否かを検討した。配列番号１に示した塩基配列からなるプロモーター及び当該プロモーターの下流に位置するGUS遺伝子を有するベクターを以下のように作製した。
シロイヌナズナゲノムDNAからPCRを用いて、AtPLA IIA遺伝子の開始コドンより上流1.5kbをAtPLA IIA遺伝子のプロモーターとしてクローニングした。この時、プライマー配列に制限酵素SalIとBamHIの認識部位を付与することで、このAtPLA IIA遺伝子のプロモーターの3'末端に制限酵素BamHI、5'末端にSalI認識部位を付与した。このAtPLA IIA遺伝子のプロモーターDNAを制限酵素SalIとBamHIで切断し、バイナリーベクターと呼ばれるpBI101(Clonetech社)ベクター DNAのマルチクローニングサイト、制限酵素SalIとBamHI切断部位に挿入してベクターに連結した。これによりAtPLA IIA遺伝子のプロモーターの3'末端にレポーター遺伝子、GUS遺伝子を連結した、ベクターを構築した。
このように作製したベクターを用いてアグロバクテリウムを介してシロイヌナズナを形質転換し、形質転換シロイヌナズナ（T0）を作製した。この形質転換シロイヌナズナ（T0）を用いて以下のように形質転換シロイヌナズナ（T2）を作製した。そして、トランスジェニック・シロイヌナズナに対して無生物ストレス及び生物ストレスを負荷した時のGUS活性を測定することによって、プロモーター活性を評価した。
本例では、Alternaria alternata接種、Alternaria brassicicola接種及びColletotrichum higginsianum接種を生物ストレスとした。また、本例では、UV-C処理、蒸留水噴霧処理、サリチル酸処理、ジャスモン酸処理、エチレン処理（エテフォン処理）、CuSO4処理、パラコート処理、蒸留水における水耕処理、高塩濃度処理及びアブシジン酸処理を無生物ストレスとした。これら生物ストレス及び無生物ストレスを負荷した時のGUS活性を測定した結果を図５に示す。
図５に示すように、Alternaria brassicicola接種による生物ストレス負荷によって、GUS活性が大幅に上昇していることが判る。また、コントロール（無処理）及び蒸留水噴霧処理と比較して、UV-C処理、サリチル酸処理、ジャスモン酸処理、CuSO4処理、パラコート処理及びAlternaria alternata接種によってGUS活性は増強していることが判った。さらに、Colletotrichum higginsianum接種、高塩濃度処理及びアブシジン酸処理によって、GUS活性は弱いながらも増強していることが判った。
これらの結果から、配列番号１の塩基配列からプロモーターは、植物体内において、生物ストレス及び無生物ストレスを誘導性のプロモーターとして機能することが明らかとなった。
〔実施例３〕本発明に係るプロモーターによるプロモーター活性の局所性の解析
本例では、実施例２において同定した、無生物ストレス及び生物ストレス誘導性のプロモーターの活性が植物組織における如何なる部位に発現するかを検討した。先ず、実施例２で作製したトランスジェニック・シロイヌナズナ（T2）を、1%スクロース及び30μg/mlカナマイシンを含むGM培地にて生育しスクリーニングした。
本例では、実施例２において同定した、無生物ストレス及び生物ストレス誘導性のプロモーターの活性が植物組織における如何なる部位に発現するかを検討した。先ず、実施例２で作製したトランスジェニック・シロイヌナズナ（T2）を、1%スクロース及び30μg/mlカナマイシンを含むGM培地にて生育しスクリーニングした。
30μg/mlカナマイシンを含むGM培地中で生育したトランスジェニック・シロイヌナズナ（T2）を土壌に移した。そして、２５〜２８日経過したトランスジェニック・シロイヌナズナに対してAlternaria alternata、Alternaria brassicicola及びColletotrichum higginsianumを接種し、24時間22℃のインキュベーター内に静置した。菌体の接種処理は、5×105胞子/mlの濃度となるように調製した胞子懸濁液を5μlずつ２滴、シロイヌナズナ葉に滴下することによって行った。この処理によるGUS活性の変化を組織学的に分析した。その結果を図６に示す。
図６に示すように、Alternaria brassicicolaを接種したトランスジェニック・シロイヌナズナでは、葉において接種した箇所から拡大してGUS活性が強く誘導されていることが判る。本例の結果から、本発明に係るプロモーターは、生物ストレスを負荷した箇所を中心としてその近傍に特異的にプロモーター活性を示すことが明らかとなった。
Claims (10)
- 以下の(a)、(b)又は(c)のDNAを含む、環境ストレス応答性プロモーター。
(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、かつ環境ストレス応答性プロモーターとして機能するDNA
(c) 配列番号１の塩基配列と相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ環境ストレス応答性プロモーターとして機能するDNA - 上記環境ストレスが生物ストレス及び/又は無生物ストレスであることを特徴とする請求項１記載のプロモーター。
- 請求項１のプロモーターを含む発現ベクター。
- 請求項３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。
- 請求項３又は４記載の発現ベクターを含む形質転換体。
- 請求項４又は５記載の発現ベクターを含むトランスジェニック植物。
- 植物が、植物体、植物器官、植物組織又は植物培養細胞である請求項６記載のトランスジェニック植物。
- 請求項６又は７記載のトランスジェニック植物を培養又は栽培することを特徴とするストレス耐性植物の製造方法。
- 請求項１記載のプロモーターと、当該プロモーターによる発現制御可能なかたちで組み込まれたレポーター遺伝子とを有する発現ベクターにより形質転換された形質転換体に、検査対象の化合物を接触させる工程と、
上記形質転換体における上記レポーター遺伝子の発現を検出する工程と
を含む、生物ストレス及び/又は無生物ストレスに関与する化合物のスクリーニング方法。 - 上記化合物を接触させる工程では、生物ストレス及び/又は無生物ストレスを上記形質転換体に対して負荷することを特徴とする請求項９記載のスクリーニング方法。
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