JP4783123B2 - Genes that enhance plant iron transport - Google Patents

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Description

本発明は、植物の鉄輸送能を強化する遺伝子に関する。さらに詳述すると、本発明は、ヘビノネゴザ由来の鉄輸送担体タンパク質をコードする遺伝子で形質転換することにより鉄輸送能が強化された植物体並びにこれを利用した環境修復方法に関する。   The present invention relates to a gene that enhances the iron transport ability of a plant. More specifically, the present invention relates to a plant whose iron transport ability is enhanced by transformation with a gene encoding an iron transport carrier protein derived from Hebino negosa, and an environmental remediation method using the same.

近年、広範囲に拡散した比較的低濃度の様々な汚染物質を、長期間にわたり低コストで穏やかに処理できる新しい技術としてファイトリメディエーション(植物による環境修復)が注目されている。理論的にはハイパーアキュームレーター(特定元素高濃度蓄積種)と呼ばれる数種類の既存の植物を用いて重金属の吸収・除去が可能であると考えられており、実用化に向けて様々な汚染物質に対する適用植物種の拡大、処理能力の向上を目的とした研究、特に、従来の育種法では困難な全く別の形質を付与しうる遺伝子組換え技術を用いた様々な研究が行われている。   In recent years, phytomediation (environmental restoration by plants) has attracted attention as a new technology that can gently treat a wide variety of pollutants having a relatively low concentration over a long period of time at low cost. Theoretically, it is thought that heavy metals can be absorbed and removed using several types of existing plants called hyperaccumulators (special element high concentration accumulation species). Various studies using gene recombination techniques that can impart completely different traits, which are difficult with conventional breeding methods, have been conducted with the aim of expanding applicable plant species and improving treatment capacity.

例えば特許文献1では、ABCトランスポーターに属する輸送体タンパク質の一つであるMRP1(multidrug resistance-associated protein 1)をコードする遺伝子を植物内に導入することにより、植物に重金属化合物や細胞毒有機化合物耐性を与えて、該耐性付与植物を汚染環境中で生育させることにより汚染環境中から重金属化合物や細胞毒有機化合物を回収する技術が開示されている。また、特許文献2では、酵母由来のzrcl遺伝子を導入して重金属の蓄積能を強化した植物体により、重金属に汚染された土壌を浄化する技術が開示されている。   For example, in Patent Document 1, a heavy metal compound or a cytotoxic organic compound is introduced into a plant by introducing a gene encoding MRP1 (multidrug resistance-associated protein 1), which is one of transporter proteins belonging to the ABC transporter, into the plant. A technique is disclosed in which heavy metal compounds and cytotoxic organic compounds are recovered from a contaminated environment by imparting resistance and growing the resistant plant in the contaminated environment. Patent Document 2 discloses a technique for purifying soil contaminated with heavy metals using a plant body in which the ability to accumulate heavy metals is enhanced by introducing a yeast-derived zrcl gene.

一方、近年の分子生物学的な研究の進展により、重金属の中でも特に河川・土壌等の拡散量と人体への健康への影響が大きいカドミウムについて、植物への吸収機構に関する様々な報告がなされている。例えば、一般的な植物ではカドミウムにより鉄の吸収が阻害されて鉄欠乏状態に陥る(カドミウム誘導性鉄欠乏)ことが報告されている(非特許文献1)。また、鉄輸送担体遺伝子の一つであるIRTやNrampがコードする鉄輸送担体タンパク質が、植物の生育に必須な元素である鉄と共にカドミウムも吸収することが報告されている(非特許文献2、非特許文献3)。
特開2003−210057 特開2004−275051 Marschner H (1995) Mineral Nutrition of Higher Plants, 2nd edn, Academic press, London, UK Korshnova YO et al. (1999) Plant Mol Biol 40 p37-44 Thomine S et al. (2000) Proc Natl Acad Sci USA 97 p4991-4996
On the other hand, due to recent progress in molecular biology, various reports on the absorption mechanism of heavy metals, especially cadmium, which has a large impact on the amount of diffusion in rivers and soils and on human health, have been made. Yes. For example, in general plants, it has been reported that absorption of iron is inhibited by cadmium and falls into an iron deficiency state (cadmium-induced iron deficiency) (Non-patent Document 1). It has also been reported that iron transport carrier proteins encoded by IRT and Nramp, which are one of iron transport carrier genes, absorb cadmium together with iron, which is an element essential for plant growth (Non-patent Document 2, Non-patent document 3).
JP2003-210057 JP 2004-275051 A Marschner H (1995) Mineral Nutrition of Higher Plants, 2nd edn, Academic press, London, UK Korshnova YO et al. (1999) Plant Mol Biol 40 p37-44 Thomine S et al. (2000) Proc Natl Acad Sci USA 97 p4991-4996

特許文献1及び特許文献2に開示された技術により、カドミウム等の重金属耐性・蓄積能を植物体に付与することは可能である。しかしながら、植物の生育にとって必須である鉄を十分に取り込めなければ、植物は鉄欠乏状態に陥ってしまい、その生育状態に悪影響が及ぼされる。   By the techniques disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, it is possible to impart resistance to heavy metals and accumulation ability such as cadmium to plants. However, if sufficient iron essential for plant growth cannot be taken in, the plant will fall into an iron-deficient state, and the growth state will be adversely affected.

また、IRTやNrampがコードする鉄輸送担体タンパク質が、植物の生育に必須な元素である鉄と共にカドミウムも吸収することにより、生育に十分な量の鉄を取り込めなくなり、生育状態に悪影響が及ぼされる虞がある。   In addition, the iron transporter protein encoded by IRT and Nramp absorbs cadmium together with iron, which is an essential element for plant growth, so that a sufficient amount of iron cannot be taken in, and the growth state is adversely affected. There is a fear.

そこで、本発明は、カドミウム等の陽イオン金属存在下においても、これらに阻害されることなく鉄を特異的に輸送可能な担体タンパク質をコードする遺伝子と、当該遺伝子により形質転換してカドミウム等の金属存在下においても生育に十分な鉄を吸収して健全に生育し、カドミウム蓄積量が低減された植物体を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a gene encoding a carrier protein capable of specifically transporting iron without being inhibited by a cation metal such as cadmium, and a cadmium or the like transformed with the gene. An object of the present invention is to provide a plant body that absorbs enough iron for growth even in the presence of metal and grows healthy and has a reduced amount of cadmium accumulation.

さらに本発明は、形質転換植物体により環境修復を行う方法を提供することを目的とする。   Furthermore, an object of the present invention is to provide a method for carrying out environmental repair using a transformed plant body.

かかる目的を達成するため、本願発明者は、高カドミウム耐性を有するヘビノネゴザ(Athyrium yokoscense)について、組織培養法を確立し、その機能を解明するために鋭意研究を重ねた。その結果、ヘビノネゴザの高カドミウム耐性は、その鉄輸送担体タンパク質が鉄に対して特異的に親和することにより、カドミウムを吸収する確率が非常に低くなるという機構に起因するものであることを知見した。   In order to achieve such an object, the inventor of the present application has conducted extensive research to establish a tissue culture method and elucidate the function of Athyrium yokoscense having high cadmium resistance. As a result, it was found that the high cadmium tolerance of Hebnonegoza is due to the mechanism that the iron transport carrier protein has a very low probability of absorbing cadmium due to its specific affinity for iron. .

本発明は係る知見に基づくものであって、請求項1に記載の発明は、
(a)配列番号2又は4のアミノ酸配列からなるタンパク質、または
(b)配列番号2アミノ酸配列において、1〜51個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質、又は配列番号4のアミノ酸配列において、1〜39個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質
をコードする遺伝子である。
The present invention is based on such knowledge, and the invention according to claim 1
(A) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 4 , or (b) the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 , comprising an amino acid sequence in which 1 to 51 amino acids have been deleted, substituted or added, and iron A protein that functions as a transport carrier having specific affinity , or a transport that consists of an amino acid sequence in which 1 to 39 amino acids are deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 and that has specific affinity for iron A gene encoding a protein that functions as a carrier .

ここで、「鉄と特異的に親和する」とは、カドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属に曝露された条件下であっても、これらとほとんど親和することなく鉄と特異的に親和する輸送担体として機能することを意味している。   Here, “specifically affinity with iron” means specifically with iron with almost no affinity with these metals, even under conditions exposed to metals such as cadmium, nickel, manganese, zinc and copper. It means to function as an affinity transport carrier.

請求項2に記載の発明は、
(a)配列番号2又は4のアミノ酸配列からなるタンパク質、または
(b)配列番号2アミノ酸配列において、1〜51個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質、又は配列番号4のアミノ酸配列において、1〜39個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質
である。
The invention described in claim 2
(A) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 4 , or (b) the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 , comprising an amino acid sequence in which 1 to 51 amino acids have been deleted, substituted or added, and iron A protein that functions as a transport carrier having specific affinity , or a transport that consists of an amino acid sequence in which 1 to 39 amino acids are deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 and that has specific affinity for iron A protein that functions as a carrier .

上記タンパク質は、鉄輸送担体として機能し、カドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属が存在しても、これらとほとんど親和することなく鉄と特異的に親和する。   The above protein functions as an iron transport carrier, and even when metals such as cadmium, nickel, manganese, zinc, and copper are present, it specifically has an affinity for iron with little affinity for them.

請求項3に記載の発明は、
(c)配列番号1又は3の塩基配列からなるDNA、または
(d)配列番号1又は3の塩基配列からなるDNA若しくはこれと相補的なDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、且つ鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質をコードするDNA
からなる遺伝子である。
The invention according to claim 3
(C) DNA comprising the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 or 3 or (d) DNA comprising the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 or 3 or DNA complementary thereto under stringent conditions and iron DNA encoding a protein that functions as a transport carrier that specifically has an affinity for
It is a gene consisting of

上記遺伝子は、鉄輸送担体として機能するタンパク質をコードする。したがって、本遺伝子を持つ植物は、カドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属が存在しても、これらとほとんど親和することなく鉄と特異的に親和する輸送担体を有するようになり、必須元素である鉄を取り込みやすくなる。   The gene encodes a protein that functions as an iron transport carrier. Therefore, plants with this gene have transport carriers that have specific affinity for iron with little affinity for metals such as cadmium, nickel, manganese, zinc, and copper, and are essential. It becomes easy to take in the element iron.

請求項4に記載の発明は、請求項1又は3に記載の遺伝子を含有する形質転換された植物細胞である。当該植物細胞から、請求項5に記載の植物体とその部分並びにその繁殖体及び子孫が得られる。したがって、カドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属が存在しても、生育に十分な量の鉄を取り込んで良好な生育状態を保ち、人体にとって非常に有害な元素であるカドミウムの蓄積量が少ない植物を提供することが可能となる。   The invention according to claim 4 is a transformed plant cell containing the gene according to claim 1 or 3. From the plant cell, the plant according to claim 5 and a part thereof, and a propagation body and offspring thereof can be obtained. Therefore, even in the presence of metals such as cadmium, nickel, manganese, zinc, copper, etc., the amount of cadmium, an element that is very harmful to the human body, is maintained in a good growth state by taking in enough iron for growth. It becomes possible to provide a plant with less.

請求項6に記載の発明は、環境汚染物質蓄積能をさらに有することを特徴とする植物細胞であり、当該植物細胞から、請求項7に記載の植物体とその部分並びにその繁殖体及び子孫が得られる。   The invention described in claim 6 is a plant cell further having an ability to accumulate environmental pollutants, and from the plant cell, the plant according to claim 7 and its part, and its propagation and progeny are obtained. can get.

環境汚染物質蓄積能のみを有していても、カドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属存在下では必須元素である鉄を十分に取り込むことが出来なくなり、生育不良に陥る虞があるが、本発明の遺伝子を含有することで、カドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属存在下においても鉄と特異的に親和する輸送担体が機能し、植物の生育に十分な量の鉄を取り込むことが可能となる。したがって、カドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属存在下においても良好な生育状態を保ち、しかも環境汚染物質蓄積能をも有する植物を提供することが可能となる。   Even if it has only the ability to accumulate environmental pollutants, it may not be able to sufficiently take in iron, which is an essential element, in the presence of metals such as cadmium, nickel, manganese, zinc, copper, etc. By containing the gene of the present invention, a transport carrier that specifically has an affinity for iron functions even in the presence of metals such as cadmium, nickel, manganese, zinc, copper, etc., and a sufficient amount of iron for plant growth can be obtained. It is possible to capture. Therefore, it is possible to provide a plant that maintains a good growth state even in the presence of a metal such as cadmium, nickel, manganese, zinc, copper, and also has an ability to accumulate environmental pollutants.

ここで、環境汚染物質とは、カドミウム、コバルト、ニッケル、銅、鉛、亜鉛、水銀、クロム、ヒ素、マンガン、セレン、スズ、アンチモンである。   Here, environmental pollutants are cadmium, cobalt, nickel, copper, lead, zinc, mercury, chromium, arsenic, manganese, selenium, tin, and antimony.

請求項8に記載の発明は、請求項1又は3に記載の遺伝子を組み込んだベクターで形質転換してなる宿主細胞を培養し、培養物中に蓄積されるタンパク質を採取するというものである。これにより、請求項2に記載のタンパク質を得ることが出来る。   The invention described in claim 8 is to cultivate a host cell obtained by transformation with a vector incorporating the gene described in claim 1 or 3, and collect a protein accumulated in the culture. Thereby, the protein of Claim 2 can be obtained.

請求項9に記載の発明は、請求項7に記載の植物を用いて、土壌から環境汚染物質を除去することを特徴とする環境修復方法である。上記したように、請求項7に記載の植物は環境汚染物質蓄積能及びカドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属存在下であっても植物の生育に十分な鉄を取り込む機能を有する植物であり、この植物をハイパーアキュームレーターとして用いることで、効率よくファイトリメディエーションを行うことが可能となる。   The invention according to claim 9 is an environmental remediation method characterized by removing environmental pollutants from soil using the plant according to claim 7. As described above, the plant according to claim 7 has an ability to accumulate environmental pollutants and a function of taking in enough iron for plant growth even in the presence of metals such as cadmium, nickel, manganese, zinc and copper. It is possible to efficiently perform phytomediation by using this plant as a hyperaccumulator.

本発明によれば、カドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属存在下においても鉄と特異的に親和して、これらとほとんど親和することのない輸送担体タンパク質をコードする遺伝子を提供することが可能となる。また、当該遺伝子を含有する形質転換された植物体は、土壌中にカドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属が存在しても植物にとって必須元素である鉄の吸収が阻害されない。したがって、カドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属存在下にあっても良好な生育状態を保ち、しかも人体にとって非常に有害な元素であるカドミウムの蓄積量が少ない植物を提供することが可能となる。さらに、環境汚染物質蓄積能を有し、且つ本発明の遺伝子を含有する形質転換された植物体は、その生育に十分な量の鉄を吸収しつつ、環境汚染物質も吸収するので、優れたハイパーアキュームレータとなり、当該ハイパーアキュームレーターにより、土壌から環境汚染物質を効率よく除去することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a gene encoding a transport carrier protein that has specific affinity for iron and hardly has affinity for iron even in the presence of metals such as cadmium, nickel, manganese, zinc, and copper. Is possible. In addition, the transformed plant containing the gene does not inhibit the absorption of iron, which is an essential element for plants, even if metals such as cadmium, nickel, manganese, zinc and copper are present in the soil. Therefore, it is possible to provide a plant that maintains a good growth state even in the presence of metals such as cadmium, nickel, manganese, zinc, and copper, and that has a low accumulation amount of cadmium, which is a very harmful element for the human body. It becomes. Furthermore, the transformed plant body having the ability to accumulate environmental pollutants and containing the gene of the present invention is superior in that it absorbs environmental pollutants while absorbing a sufficient amount of iron for its growth. It becomes a hyper accumulator, and it becomes possible to efficiently remove environmental pollutants from the soil by the hyper accumulator.

また、本発明の鉄輸送担体タンパク質は、カドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属存在下においても、鉄と特異的に親和するので、鉄濃度を測定するセンサーや鉄濃度による分子スイッチ(イオンコンデンサー)として利用することが可能である。   In addition, the iron transporter protein of the present invention has a specific affinity for iron even in the presence of metals such as cadmium, nickel, manganese, zinc, copper, etc., so a sensor for measuring iron concentration or a molecular switch based on iron concentration ( It can be used as an ion condenser.

以下に、本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明は、ヘビノネゴザから得られる、(a)配列番号2又は4のアミノ酸配列からなるタンパク質、または(b)配列番号2アミノ酸配列において、1〜51個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質、又は配列番号4のアミノ酸配列において、1〜39個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質をコードする遺伝子である。 The present invention relates to (a) a protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 4 or (b) an amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 obtained from Hevinonegoza , wherein 1 to 51 amino acids are deleted, substituted or added. A protein that functions as a transport carrier that specifically has an affinity for iron , or an amino acid sequence of SEQ ID NO: 4, wherein 1 to 39 amino acids are deleted, substituted, or added; It is a gene that encodes a protein that functions as a transport carrier specifically having an affinity for iron .

ここで、上記「数個」とは、配列番号2においては、好ましくは51個以下、特に好ましくは10個以下である。配列番号4においては、好ましくは39個以下、特に好ましくは10個以下である Here, the term "several" in SEQ ID NO: 2, preferably from 5 1 or less, particularly preferably 10 or less. In SEQ ID NO: 4, preferably 3 9 or less, particularly preferably 10 or less.

ここで、(a)のタンパク質は鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質であり、(b)のタンパク質は(a)のタンパク質の1個若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列を有するもののうち、鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質であることを意味している。   Here, the protein (a) is a protein that functions as a transport carrier that specifically has an affinity for iron, and the protein (b) has one or several amino acids of the protein (a) deleted, substituted, or substituted. Of those having an added amino acid sequence, it means a protein that functions as a transport carrier that specifically has an affinity for iron.

上記タンパク質は、これらをコードする遺伝子や、配列番号1,3,5又は7の遺伝子を適当な発現ベクターに挿入し、その遺伝子を大腸菌、酵母、昆虫細胞などの適当な宿主中で発現させることにより、生産することができる。ここで、使用するベクタ−システムとしては、pET系(Novagen)、pYES系(Invitrogen)pIZT系(Novagen)、BacVector系(Novagen)、ViraPowerアデノウィルス発現系(Invitrogen)などが挙げられる。宿主としては、Rosetta−gami(DE3)pLys(Novagen)、INVSc(Invitrogen)、Sf9(Novagen)などが挙げられる。また、別のタンパク質生産方法として、無細胞タンパク質発現系が挙げられる。無細胞タンパク質発現系の例としては、例えば、ラピッドトランスレーションシステム(ロッシュ社)などを挙げることができる。   The above proteins can be expressed in appropriate hosts such as Escherichia coli, yeast, insect cells, etc. by inserting the gene encoding them or the gene of SEQ ID NO: 1, 3, 5 or 7 into an appropriate expression vector. Can be produced. Here, examples of the vector system to be used include a pET system (Novagen), a pYES system (Invitrogen), a pIZT system (Novagen), a BacVector system (Novagen), a ViraPower adenovirus expression system (Invitrogen), and the like. Examples of the host include Rosetta-gami (DE3) pLys (Novagen), INVSc (Invitrogen), Sf9 (Novagen) and the like. Moreover, a cell-free protein expression system is mentioned as another protein production method. Examples of cell-free protein expression systems include rapid translation systems (Roche).

このようにして得られたタンパク質は、人工基盤や膜上に固定することで、鉄の濃度を測定するセンサー、鉄濃度による分子スイッチ(イオンコンデンサー)として利用可能である。   The protein thus obtained can be used as a sensor for measuring the iron concentration or a molecular switch (ion capacitor) based on the iron concentration by fixing it on an artificial substrate or a membrane.

次に、本発明の遺伝子は例えば以下の様にして得ることが可能である。まず、ヘビノネゴザ或いはヘビノネゴザカルスからtotalRNA抽出を行い、これを用いてmRNAを精製した後、市販のキットによりcDNAライブラリ−を構築する。totalRNA抽出法としては、例えばCTABとPVPを用いたJaakolaらの多糖質の材料からの高品質totalRNA抽出法(Jaakola L. et al. (2001) Mol Biotechnol. 19 p201-3)が挙げられるが、これに限られるものではない。一方、配列番号1、3、5又は7の塩基配列に基づいて、市販のキットにより、DIGプローブまたは放射性プローブを作製し、ストリンジェントな条件でコロニーハイブリダイゼーションを行うことにより得ることができる。   Next, the gene of the present invention can be obtained, for example, as follows. First, total RNA extraction is performed from Hevinonegoza or Hevinonegoza callus, and after using this to purify mRNA, a cDNA library is constructed using a commercially available kit. Examples of the total RNA extraction method include a high-quality total RNA extraction method (Jaakola L. et al. (2001) Mol Biotechnol. 19 p201-3) from a polysaccharide material of Jaakola et al. using CTAB and PVP. It is not limited to this. On the other hand, it can be obtained by preparing a DIG probe or a radioactive probe with a commercially available kit based on the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, 3, 5 or 7 and performing colony hybridization under stringent conditions.

ここで、「ストリンジェントな条件下でハイブリダイズする」とは、特異的なハイブリダイゼーションのみが起こり、非特異的なハイブリダイゼーションが起きないような条件を言い、相同性が高いDNA同士、即ち90%以上の相同性を有するDNA同士がハイブリダイズし、それにより相同性が低いDNA同士がハイブリダイズしない条件が挙げられる。具体的には、塩類等を含む一般的なハイブリダイゼーション用バッファーの存在下において60℃〜70℃の条件が挙げられる。 Here, the term "hybridizes under stringent conditions", only specific hybridization occurs, refers to conditions such as not to cause non-specific hybridization, DNA's having high homology, immediate Chi Examples include conditions in which DNAs having 90 % or more homology hybridize and DNAs having low homology do not hybridize. Specifically, general presence smell of Hybridization Buffer Te of 6 0 ° C. to 70 ° C. conditions like including salts and the like.

次に、本発明の遺伝子を含有する形質転換された植物体を得る方法について説明する。   Next, a method for obtaining a transformed plant containing the gene of the present invention will be described.

本発明の遺伝子を発現させるための発現調節エレメントであるプロモーター或いはエンハンサーとして、植物細胞において本発明の遺伝子を発現しうる任意のもの、例えばアグロバクテリウムまたはリゾビウムのような植物細胞内で発現する遺伝子を含む植物、植物ウイルス、細菌由来のプロモーターを用いることができる。そのようなプロモーターの例として、Agrobacterium tumefaciensのT−DNA由来のプロモーター、Smasプロモーター、桂皮アルコールデヒドロゲナーゼプロモータ、Nosプロモーター、リブロース二リン酸カルボキシラーゼオキシゲナーゼ(Rubisco)プロモーター、GRP1−8プロモーター、カリフラワー・モザイク・ウイルス(CaMV)の35Sプロモーター、植物由来のアクチンやヒストン等のプロモーター或いはエンハンサーおよび公知である種々の植物遺伝子からのその他の転写開始領域が包含される。例えば、植物由来のプロモーター或いはエンハンサーを適宜選択することにより、本発明の遺伝子を植物全体、または特定の器官、例えば、葉や根などにおいて発現させることができる。   As a promoter or enhancer which is an expression regulatory element for expressing the gene of the present invention, any promoter or enhancer capable of expressing the gene of the present invention in a plant cell, for example, a gene expressed in a plant cell such as Agrobacterium or Rhizobium Promoters derived from plants, plant viruses, and bacteria containing Examples of such promoters include Agrobacterium tumefaciens T-DNA-derived promoter, Smas promoter, cinnamon alcohol dehydrogenase promoter, Nos promoter, ribulose diphosphate carboxylase oxygenase (Rubisco) promoter, GRP1-8 promoter, cauliflower mosaic virus (CaMV) 35S promoter, promoters or enhancers such as plant-derived actin and histone, and other transcription initiation regions from various known plant genes. For example, by appropriately selecting a plant-derived promoter or enhancer, the gene of the present invention can be expressed in the whole plant or in specific organs such as leaves and roots.

また、本発明の遺伝子を効率よく発現させるために、遺伝子のコード領域のポリヌクレオチドコーディング領域の3′末端にポリ(A)配列を包含させるのが好ましい。ポリ(A)配列は、種々の植物遺伝子またはT−DNA由来のものを用いることができるが、これらに限定されるものではない。また、所望の遺伝子を高レベルにて発現させるのに有用な他の配列、例えば特定の遺伝子のイントロン配列、5′不翻訳領域の配列などを組換え発現ベクターに包含させることができる。 In order to efficiently express the gene of the present invention, it is preferable to include a poly (A) + sequence at the 3 ′ end of the polynucleotide coding region of the coding region of the gene. Poly (A) + sequences may be derived from various plant genes or T-DNA, but are not limited thereto. In addition, other sequences useful for expressing a desired gene at a high level, for example, an intron sequence of a specific gene, a 5 'untranslated region sequence, and the like can be included in the recombinant expression vector.

組換え発現ベクターには、選択マーカー遺伝子として種々の抗生物質耐性遺伝子や他のマーカー遺伝子をコードする配列を包含させるのが好ましい。マーカー遺伝子の例には、抗スペクチノマイシン遺伝子、ストレプトマイシン耐性遺伝子(ストレプトマイシンホスホトランスフェラーゼ(SPT)遺伝子)、カナマイシンまたはジェネティシン耐性のネオマイシンホスホトランスフェラーゼ(NPTII)遺伝子、ハイグロマイシン耐性のハイグロマイシンホスホトランスフェラーゼ(HPT)遺伝子、アセト乳酸合成酵素(ALS)を阻害する除草剤に対する耐性遺伝子、グルタミン合成酵素を阻害する除草剤に対する耐性遺伝子(例えばbar 遺伝子)、β−グルクロニダーゼ遺伝子、ルシフェラーゼ遺伝子等が包含される。   The recombinant expression vector preferably includes sequences encoding various antibiotic resistance genes and other marker genes as selection marker genes. Examples of marker genes include anti-spectinomycin gene, streptomycin resistance gene (streptomycin phosphotransferase (SPT) gene), kanamycin or geneticin resistant neomycin phosphotransferase (NPTII) gene, hygromycin resistant hygromycin phosphotransferase (HPT) Examples include genes, genes resistant to herbicides that inhibit acetolactate synthase (ALS), genes resistant to herbicides that inhibit glutamine synthase (eg, the bar gene), β-glucuronidase genes, luciferase genes, and the like.

また、高等植物の遺伝子発現に有用な代表的なベクターは当該技術分野においてよく知られており、 Rogers et al., Methods Enzymol., 153: pp.253-277 (1987)に記載されるAgrobacterium tumefaciensのTiプラスミド由来のベクターなどのベクターDNAの一部を植物細胞に導入した際に宿主植物のゲノムに組込みうるベクター、例えばTiプラスミド由来のpKYLX6、pKYLX7、pBI101、pBH2113、pBI121(Clontech Laboratories, Inc., Palo Alto, CA)およびこれらから当該技術分野における標準的技術を用いて誘導し得る組換えプラスミドが含まれる。   In addition, representative vectors useful for gene expression in higher plants are well known in the art, and are described in Agrobacterium tumefaciens described in Rogers et al., Methods Enzymol., 153: pp.253-277 (1987). A vector that can be integrated into the genome of a host plant when a part of a vector DNA such as a vector derived from Ti plasmid is introduced into a plant cell, such as pKYLX6, pKYLX7, pBI101, pBH2113, pBI121 (Clontech Laboratories, Inc. , Palo Alto, CA) and recombinant plasmids that can be derived therefrom using standard techniques in the art.

組換え発現ベクターは、外来性遺伝子を植物細胞に導入するための公知の方法、例えばパーティクルガン法、エレクトロポレーション法、ポリエチレングリコール(PEG)法、リン酸カルシウム法、DEAEデキストラン法、マイクロインジェクション、リポフェクション法およびアグロバクテリウム法などの微生物媒介トランスフェクション法を用いて所望の植物細胞に導入することができる。植物細胞においては、パーティクルガン法、エレクトロポレーション法、ポリエチレングリコール(PEG)法およびアグロバクテリウム法が好ましく、アグロバクテリウム法が特に好ましい(Bechtold N. & Pelletier G., Methods Mol. Biol. 82, pp.259-266, 1998)。   Recombinant expression vectors are known methods for introducing foreign genes into plant cells, such as particle gun method, electroporation method, polyethylene glycol (PEG) method, calcium phosphate method, DEAE dextran method, microinjection, lipofection method. And can be introduced into desired plant cells using microorganism-mediated transfection methods such as the Agrobacterium method. In plant cells, the particle gun method, electroporation method, polyethylene glycol (PEG) method and Agrobacterium method are preferred, and the Agrobacterium method is particularly preferred (Bechtold N. & Pelletier G., Methods Mol. Biol. 82 , pp.259-266, 1998).

上述のように植物に導入された本発明の遺伝子は、宿主の植物細胞のゲノムに組み込まれ、後の世代まで安定的に保持される。故に、本発明は、上記植物細胞から再生される植物体とその部分並びにその繁殖体(例えば種子や無性生殖体)および子孫を包含する。   As described above, the gene of the present invention introduced into a plant is integrated into the genome of the host plant cell and is stably maintained until a later generation. Therefore, the present invention includes a plant regenerated from the plant cell and a part thereof, and a propagation body (eg, seed or asexual reproductive body) and offspring.

また、別の形質転換方法として、細胞融合が挙げられる。この場合には、ヘビノネゴザ細胞と融合させたい植物細胞の細胞壁を酵素により分解し、プロトプラスト化する。次に、細胞融合促進剤としてポリエチレングリコールを加えて、二つのプロトプラストを効率よく融合させることにより、二つの細胞核も融合して一つになる。これにより、ヘビノネゴザ及び融合させたい植物細胞の遺伝子を併せ持つ核が生じて、この融合細胞を培養、生育することにより、所望の植物体が得られる。   Moreover, cell fusion is mentioned as another transformation method. In this case, the cell wall of the plant cell to be fused with the Hevinonegoza cell is decomposed by an enzyme and converted into a protoplast. Next, polyethylene glycol is added as a cell fusion promoter, and the two protoplasts are efficiently fused to fuse the two cell nuclei into one. Thereby, the nucleus which has the gene of Hebinonegoza and the plant cell gene to fuse | melt is produced, and a desired plant body is obtained by culture | cultivating and growing this fused cell.

尚、遺伝子組み換えや細胞融合を用いずとも、ヘビノネゴザを他の近親の植物と交配させ、最終的に所望の植物と交配させるようにすることで、遺伝子組み換えを用いることなく、ヘビノネゴザ由来の鉄輸送担体として機能するタンパク質をコードする遺伝子を含有する植物体を得るようにしても良い。   In addition, without using genetic recombination or cell fusion, hebinonegoza can be crossed with other close relatives, and finally crossed with the desired plant. You may make it obtain the plant body containing the gene which codes the protein which functions as a support | carrier.

上述の方法により形質転換された植物は、カドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属に阻害されることなく、生育に十分な量の鉄を吸収することができる。したがって、カドミウム、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅などの金属存在下存在下でもこれらの影響を受けずに生育に十分な量の鉄を吸収して良好な生育状態を保つ植物体を得ることが可能となる。しかも、人体にとって非常に有害な元素であるカドミウム蓄積量が減少するので、カドミウム汚染された土地を浄化することなく、農地等として採用してもカドミウムの蓄積量が少ない作物の作出して食用に供することが可能となる。さらに、植物体の特定の部分のみのカドミウム蓄積量を減少させることも可能であり、例えば、可食部のカドミウム蓄積量を減少させるといったことも可能である。   Plants transformed by the above-described method can absorb a sufficient amount of iron for growth without being inhibited by metals such as cadmium, nickel, manganese, zinc and copper. Therefore, even in the presence of metals such as cadmium, nickel, manganese, zinc, and copper, it is possible to obtain a plant body that absorbs a sufficient amount of iron and maintains a good growth state without being affected by these effects. It becomes. Moreover, since the amount of cadmium accumulated, which is a very harmful element for the human body, decreases, the cadmium-contaminated land is not purified, and even if it is used as farmland, crops with low cadmium accumulation are produced and used for food. It becomes possible to provide. Furthermore, it is possible to reduce the cadmium accumulation amount of only a specific part of the plant body. For example, it is possible to reduce the cadmium accumulation amount of the edible part.

また、上記植物体を環境汚染土壌で生育することで、汚染された土壌の飛散を防いで環境汚染物質の拡散を防ぐことも可能である。さらに、環境汚染土壌を緑で覆うことにより、景観を良好なものに保って、人々に安心感を与えることもできる。   In addition, by growing the plant body in environmentally contaminated soil, it is possible to prevent scattering of the contaminated soil and to prevent the diffusion of environmental pollutants. Furthermore, by covering the environmentally polluted soil with green, the landscape can be kept good and people can feel safe.

次に、環境汚染物質蓄積能を有し、且つ本発明の遺伝子を含有する植物体について説明する。   Next, the plant body which has an environmental pollutant accumulation ability and contains the gene of this invention is demonstrated.

環境汚染物質蓄積能を有する植物は、例えば、本願発明者が先に出願した特願2004−260091のファイトリメディエーション用植物種の選抜方法や、Yoshihara, T., Shoji K., Goto F., Screening for the Cd hyperaccumulator/ Ultra-low-accumulator from major herbal angiosperms in Japan. In: Plant nutrition for food security, human health and environmental protection (Eds. Li, CJ et al., Proc. 2005 IPNC, Beijing, China) pp.750-751.に記載の方法、電中研報告書U03521(吉原利一、後藤文之、庄子和博、カドミウムやホウ素に耐性・蓄積能をもつ草本性被子植物の探索)に記載の方法により選抜することができる。   Plants having the ability to accumulate environmental pollutants include, for example, the method for selecting plant species for phytomediation of Japanese Patent Application No. 2004-260091 previously filed by the present inventor, Yoshihara, T., Shoji K., Goto F., Screening for the Cd hyperaccumulator / Ultra-low-accumulator from major herbal angiosperms in Japan.In: Plant nutrition for food security, human health and environmental protection (Eds. Li, CJ et al., Proc. 2005 IPNC, Beijing, China) pp.750-751. Selected by the method described in Dentsu Institute report U03521 (Toshikazu Yoshihara, Fumiyuki Goto, Kazuhiro Shoko, search for herbaceous angiosperms resistant to cadmium and boron) can do.

具体的には、種々の植物の種子を、植物の生育に必要な栄養塩、環境汚染物質の吸収・蓄積に影響を及ぼすと考えられる微量金属元素およびほとんどの植物において成長を阻害される濃度の前記環境汚染物質を含む培地または土壌、並びに植物の生育に必要な栄養塩、環境汚染物質の吸収・蓄積に影響を及ぼすと考えられる微量金属元素を含む培地または土壌にそれぞれ播種し、発芽生育後、植物の地上部および根部について環境汚染物質の蓄積量を測定し、環境汚染物質を含む場合と含まない場合における環境汚染物質の植物の地上部および根部における蓄積量の比から環境汚染物質の蓄積能を評価して選抜する。   Specifically, the seeds of various plants are mixed with nutrients necessary for plant growth, trace metal elements that are thought to affect the absorption and accumulation of environmental pollutants, and concentrations that inhibit growth in most plants. After seeding in the medium or soil containing the environmental pollutants, and the nutrient salts necessary for plant growth and the medium or soil containing trace metal elements that are thought to affect the absorption and accumulation of environmental pollutants. Measure the accumulated amount of environmental pollutants in the above-ground part and root part of the plant, and accumulate the environmental pollutant from the ratio of the accumulated amount of environmental pollutant in the above-ground part and root part of the plant with and without the environmental pollutant Evaluate ability and select.

環境汚染物質がカドミウムの場合について例を挙げると、上記選抜方法により、地上部に高いカドミウム蓄積能力を有する種はアキノノゲシなどのキク科植物であり、根部に高いカドミウム蓄積能力を有する種はイグサであることが確認されているが、これらの植物はカドミウム耐性が低いことも確認されている。したがって、これら植物を本発明の遺伝子を含有するよう上述の方法で形質転換することにより、多量のカドミウムを吸収しつつ、しかも、生育に必須な鉄をも十分に吸収して生育状態を良好に保つ非常に優れたハイパーアキュームレーターを得ることが可能となる。   As an example of the case where the environmental pollutant is cadmium, according to the above selection method, the species having a high cadmium accumulation ability in the above-ground part is an Asteraceae plant such as Achinonokeshi, and the species having a high cadmium accumulation ability in the root part is rush. Although it has been confirmed, these plants have also been confirmed to have low cadmium tolerance. Therefore, by transforming these plants to contain the gene of the present invention by the above-mentioned method, while absorbing a large amount of cadmium, it also absorbs iron essential for growth and improves the growth state. It is possible to obtain a very good hyperaccumulator to keep.

また、本願発明者が先に出願した特開2004−016130に開示の技術を用いてもよい。具体的には、環境汚染物質に対して結合能を有するオリゴまたはポリペプチドおよびアポプラズマ輸送シグナルを含むポリペプチドをコードする核酸分子を構築し、これを用いてトランスジェニック植物を作製することにより、高い環境汚染物質蓄積能を有する植物体を得ることができる。環境汚染物質に対して結合能を有するオリゴまたはポリペプチドとしては、メタロチオイネン、フェリチン、トランスフェリン、ポリヒスチジン、ニッケリン、ファイトキレーチン、Zα4人工ペプチド、ほ乳類プラズマ金属輸送タンパク質およびこれらの金属結合性フラグメントが挙げられる。   Moreover, you may use the technique disclosed by Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-016130 which the inventor applied earlier. Specifically, by constructing a nucleic acid molecule encoding a polypeptide containing an oligo or polypeptide capable of binding to environmental pollutants and an apoplasma transport signal, and using this to create a transgenic plant, A plant having a high ability to accumulate environmental pollutants can be obtained. Examples of oligos or polypeptides having an ability to bind to environmental pollutants include metallothioinene, ferritin, transferrin, polyhistidine, nickelin, phytochelin, Zα4 artificial peptide, mammalian plasma metal transport protein, and metal-binding fragments thereof. It is done.

したがって、上記植物体を本発明の遺伝子を含有するようにさらに形質転換することにより、或いは本発明の遺伝子を含有するように形質転換された植物体を環境汚染物質に対して結合能を有するオリゴまたはポリペプチドおよびアポプラズマ輸送シグナルを含むポリペプチドをコードする核酸分子によりさらに形質転換することにより、環境汚染物質を多量に吸収しつつ、しかも、生育に必須な鉄をも十分に吸収して生育状態を良好に保つ非常に優れたハイパーアキュームレーターを得ることが可能となる。   Therefore, by further transforming the above plant body to contain the gene of the present invention, or the plant body transformed to contain the gene of the present invention has an ability to bind to environmental pollutants. Or by further transformation with a nucleic acid molecule that encodes a polypeptide and a polypeptide containing an apoplasma transport signal, it absorbs a large amount of environmental pollutants and also sufficiently absorbs iron essential for growth. It is possible to obtain a very excellent hyperaccumulator that keeps the state good.

尚、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、環境汚染物質蓄積能を有する植物は、上記以外の方法により得るようにしても良い。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, a plant having an ability to accumulate environmental pollutants may be obtained by a method other than the above.

以下の実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   The following examples further illustrate the present invention, but the present invention is not limited to these examples.

<1:カルス及び再分化植物体培養>
ヘビノネゴザ(Athyrium yokoscense)は、栃木県足尾町の足尾銅山跡において採集したものを供試植物とした。また、対照植物として、カドミウムに対する耐性・蓄積能に関して一般的な性質を持つと考えられているタバコ(Nicotiana tabacum L. BY-2)を用いた。
<1: Callus and redifferentiated plant culture>
Athyrium yokoscense was collected at the foot of the Ashio copper mine in Ashio, Tochigi Prefecture. As a control plant, tobacco (Nicotiana tabacum L. BY-2), which is considered to have general properties with respect to cadmium tolerance and accumulation ability, was used.

供試植物であるヘビノネゴザは、カルスを誘導した後、2001年9月以来液体振とう培養により継代を続けているもの、あるいは誘導したカルスから再び植物体に再分化させたものを用いた(Yoshihara, T. et al. (2005a) Plant Cell Rep 23 p579-585 )。対照植物であるタバコは、植物体を滅菌後、5mm角程度の葉片をMS固形培地に定置して約1ヶ月間培養することによってカルスを誘導した後、ゲランガムを除いたMS液体培地(増殖用MS培地)を用いて振とう培養(100rpm)により増殖させたものを用いた。尚、培養環境条件は全て周期光照射(約4000lux、12時間明期/12時間暗期)、温度は25±1℃とした。また、培地は約10日〜2週間に1回の頻度で交換した。尚、MS固形培地には、カイネチン0.1ppm、2,4−D 1ppm、3%シュークロースと0.2%ゲランガムを添加し、pH6.0としたものを用いた(Murashige T, Skoog F (1962) Physiol Plant 15 p473-497)。   The test plant, Hevinonegoza, used one that had been subcultured by liquid shaking culture since September 2001 after inducing callus, or one that had been re-differentiated into a plant body from the induced callus ( Yoshihara, T. et al. (2005a) Plant Cell Rep 23 p579-585). Tobacco, which is a control plant, sterilizes the plant body, induces callus by placing leaf pieces of about 5 mm square on MS solid medium and culturing for about 1 month, and then removes gellan gum from MS liquid medium (for growth What was grown by shaking culture (100 rpm) using MS medium) was used. The culture environment conditions were all periodic light irradiation (about 4000 lux, 12 hours light period / 12 hours dark period), and the temperature was 25 ± 1 ° C. The medium was changed about once every 10 days to 2 weeks. The MS solid medium was prepared by adding 0.1 ppm kinetin, 2,4-D 1 ppm, 3% sucrose and 0.2% gellan gum to pH 6.0 (Murashige T, Skoog F ( 1962) Physiol Plant 15 p473-497).

<2:カドミウム曝露下におけるカルス生育>
上述の培養方法により得られたヘビノネゴザカルスとタバコカルスを、0μM、100μMの2種類のCdSO添加増殖用MS培地によりそれぞれ6週間培養し、その増殖量を調査した結果を図1に示す。培養開始時のカルス量は、ヘビノネゴザカルスについては生鮮重量として3g均一、タバコカルスについては極端に軟弱で水分含有量が多いため容積として20ml均一とした。増殖量の算定は、ヘビノネゴザカルスは生鮮重量として秤量、タバコカルスは15000gの遠心操作により容積として、あるいは吸引濾過後により生鮮重量として秤量するとともに、得られたカルスについて65℃、3日間の乾燥後、乾燥重量として再度秤量した。培養環境条件は上述したものと同様とした。
<2: Callus growth under cadmium exposure>
FIG. 1 shows the results of culturing Hevinonegoza callus and tobacco callus obtained by the above-described culture method for 6 weeks in two types of MS medium for growth with CdSO 4 added at 0 μM and 100 μM, respectively, and investigating the amount of proliferation. The amount of callus at the start of the culture was uniform for 3 g of fresh weight for Hebnone negosa callus, and uniform for 20 ml for tobacco callus because of extremely soft and high water content. The growth amount was calculated by weighing Hevinone Negoza callus as a fresh weight, cigarette callus as a volume by centrifugation at 15000 g, or as a fresh weight after suction filtration, and drying the obtained callus at 65 ° C. for 3 days. Weighed again as dry weight. The culture environment conditions were the same as those described above.

図1において、◇はヘビノネゴザカルス、■はタバコカルスの相対的生育量を示す。ここで、相対的生育量とはカドミウムを添加しない増殖用MS培地で生育した量を1として換算した場合の生育量を意味する。尚、本実施例におけるデータは、それぞれ平均値と標準偏差を求め、各実験区間の差異についてStudentのt検定法、Tukeyの多重比較検定法のいずれかの方法により有意性を判定した。これらの計算には統計形算用ソフトウェア(KyplotR ver.3.0, (株)カイエンス)を用いた。対照に用いたタバコカルスはカドミウム曝露により増殖が著しく抑制され、6週間後には相対的生育量が0.2、つまり、カドミウム曝露を行わない場合に比べて20%程度しか増殖しなかった。一方、ヘビノネゴザカルスは、6週間後においても、カドミウム曝露を行わない場合と変わらない生育量を示した。したがって、誘導、増殖させたヘビノネゴザカルスは、その生育において、カドミウムの影響を全く受けていないことが確認された。   In FIG. 1, ◇ indicates the relative growth of Hevinone negza callus, and ■ indicates the relative growth of tobacco callus. Here, the relative growth amount means the growth amount when the amount grown on the proliferation MS medium not added with cadmium is converted to 1. In addition, the data in this Example calculated | required the average value and the standard deviation, respectively, and the significance was determined about the difference of each experimental section by either the Student's t test method or Tukey's multiple comparison test method. Statistical calculation software (KyplotR ver.3.0, Cayence Co., Ltd.) was used for these calculations. Tobacco callus used as a control was remarkably inhibited by cadmium exposure, and after 6 weeks, the relative growth was 0.2, that is, only about 20% of the growth compared to the case without cadmium exposure. On the other hand, even after 6 weeks, Hebinonegoza callus showed the same amount of growth as when no cadmium exposure was performed. Therefore, it was confirmed that the induced and proliferated Hebinonegoza callus was not affected by cadmium at all in its growth.

<3:ファイトキレーチン合成酵素(PCS)遺伝子の発現に及ぼすカドミウムの影響>
100μMのCdSOを添加した培地において0日、1日、3日、5日、7日および12日生育させたヘビノネゴザカルスおよびタバコカルス、あるいは0μM、100μM、300μM、500μM、1000μMおよび3000μMのCdSOをそれぞれ添加した培地において1週間生育させたヘビノネゴザカルスおよびタバコカルスからtotalRNAを抽出し、RT−PCR法によってファイトキレーチン合成酵素(PCS)遺伝子の発現に及ぼすカドミウムの影響を調べた。尚、ファイトキレーチンは、カドミウムをキレート化可能な低分子の非タンパク質性ポリペプチドであり、カドミウム耐性に関与するポリペプチドである。ヘビノネゴザカルスのtotalRNA抽出は、CTABとPVPを用いたJaakolaらの多糖質の材料からの高品質totalRNA抽出法より行った(Jaakola L. et al. (2001) Mol Biotechnol. 19 p201-3)。タバコカルスのtotalRNA抽出は、市販のTrizol試薬(Invitrogen、USA)により行った。これらのtotalRNAとOligo−dTプライマーを用いて、市販のキット(Rever-tra Ace kit、TOYOBO)により逆転写反応を行い、それぞれのcDNAを得て、これらcDNAとGenBankに登録されている既知の配列であるAY235426、AB057412から設計したそれぞれのPCS遺伝子に特異的なプライマーセットを用いてPCRを行い、発現量の解析に用いた。発現量の解析には、画像解析装置(Image Reader LAS-2000、FUJIFILM)を用いた。尚、別途同様にそれぞれのアクチン(ACT)遺伝子の発現量を解析しておき、PCS遺伝子の発現量を標準化した。以下にそれぞれのPCS遺伝子、ACT遺伝子の発現量を解析するための特異プライマーセットの配列を列挙する。
AyPCs1F 5'-GCAAGGTTGCTGCCAAGGTG-3'(配列番号9)
AyPCs1R 5'-CTAGGTTTCCTCACTGCATGACC-3'(配列番号10)
NtPCs1F 5'-GCTTTTCGCCCTAATCATAGTA-3'(配列番号11)
NtPCs1R 5'-TGACCCAACTCTCATGTTTA-3'(配列番号12)
AyAc1F 5'-CGACATACAGGTGTGATGGGT-3'(配列番号13)
AyAc1R 5'-GCTTGAATAGCGACATACAT-3'(配列番号14)
NtAc1F 5'-TCAGAAAGATGCCTATGTGGGA-3'(配列番号15)
NtAc1R 5'-TGGCAACGTACATAGCTGGG-3'(配列番号16)
<3: Effect of cadmium on expression of phytocheletin synthase (PCS) gene>
Hevinone goza callus and tobacco callus grown in 0, 1, 3, 5, 7 and 12 days in medium supplemented with 100 μM CdSO 4 or 0 μM, 100 μM, 300 μM, 500 μM, 1000 μM and 3000 μM CdSO 4 Total RNA was extracted from Hevinone gossa callus and tobacco callus grown for 1 week in each added medium, and the influence of cadmium on the expression of phytocheletin synthase (PCS) gene was examined by RT-PCR method. Phytocheletin is a low-molecular non-protein polypeptide capable of chelating cadmium and is a polypeptide involved in cadmium resistance. The total RNA extraction of Hevinone nega callus was performed by the high quality total RNA extraction method from the polysaccharide material of Jaakola et al. Using CTAB and PVP (Jaakola L. et al. (2001) Mol Biotechnol. 19 p201-3). Tobacco callus total RNA extraction was performed with a commercially available Trizol reagent (Invitrogen, USA). Using these total RNA and Oligo-dT primer, reverse transcription reaction was performed with a commercially available kit (Rever-tra Ace kit, TOYOBO) to obtain each cDNA, and these cDNAs and known sequences registered in GenBank PCR was performed using a primer set specific to each PCS gene designed from AY235426 and AB057412, which were used for analysis of the expression level. For the analysis of the expression level, an image analyzer (Image Reader LAS-2000, FUJIFILM) was used. In addition, the expression level of each actin (ACT) gene was analyzed separately in the same manner, and the expression level of the PCS gene was standardized. The specific primer set sequences for analyzing the expression levels of each PCS gene and ACT gene are listed below.
AyPCs1F 5'-GCAAGGTTGCTGCCAAGGTG-3 '(SEQ ID NO: 9)
AyPCs1R 5'-CTAGGTTTCCTCACTGCATGACC-3 '(SEQ ID NO: 10)
NtPCs1F 5'-GCTTTTCGCCCTAATCATAGTA-3 '(SEQ ID NO: 11)
NtPCs1R 5'-TGACCCAACTCTCATGTTTA-3 '(SEQ ID NO: 12)
AyAc1F 5'-CGACATACAGGTGTGATGGGT-3 '(SEQ ID NO: 13)
AyAc1R 5'-GCTTGAATAGCGACATACAT-3 '(SEQ ID NO: 14)
NtAc1F 5'-TCAGAAAGATGCCTATGTGGGA-3 '(SEQ ID NO: 15)
NtAc1R 5'-TGGCAACGTACATAGCTGGG-3 '(SEQ ID NO: 16)

図2にヘビノネゴザカルス及びタバコカルスにおけるPCS遺伝子の発現に及ぼすカドミウム(100μM)の影響を示す。図2において、(B)は画像解析装置によりえられた発現量データであり、(A)は(B)の画像に基づいて数値化したデータである。□はタバコカルス、◆はヘビノネゴザカルスのACT遺伝子発現量を1としたときのPCS発現量(相対的PCS発現量)を表す。100μMのカドミウム曝露条件下においてヘビノネゴザカルスではほとんどPCS遺伝子の発現量に変化が認められなかったのに対して、タバコカルスでは曝露開始後1日目にPCS遺伝子の発現量が2倍以上に増加した後、漸減して12日目にはほぼ元の発現量に戻るという変化を示した。   FIG. 2 shows the effect of cadmium (100 μM) on the expression of the PCS gene in Hebnonegoza callus and tobacco callus. In FIG. 2, (B) is the expression level data obtained by the image analyzer, and (A) is the data digitized based on the image of (B). □ indicates tobacco callus, and ♦ indicates PCS expression level (relative PCS expression level) when the ACT gene expression level of Hebinonegoza callus is 1. Under the conditions of exposure to 100 μM cadmium, almost no change was observed in the expression level of PCS gene in Hebnonegoza callus, whereas in tobacco callus, the expression level of PCS gene increased more than twice on the first day after the start of exposure. On the twelfth day after gradual decrease, it showed a change that almost returned to the original expression level.

図3に0μM、100μM、300μM、500μM、1000μMおよび3000μMのカドミウム曝露条件下で1週間培養したヘビノネゴザカルスのPCS遺伝子の発現量を示す。0μM、100μM、300μM、500μM、1000μMおよび3000μMのカドミウム曝露条件下で1週間培養した場合にも、ヘビノネゴザではPCS遺伝子の発現量にはほとんど変化が認められなかった。したがってヘビノネゴザではPCSがカドミウムの耐性に関与している可能性は低く、カドミウム耐性をPCS以外の別の機構により得ていることが考えられた。   FIG. 3 shows the expression level of the PCS gene of Hebnonegoza callus cultured for 1 week under the cadmium exposure conditions of 0 μM, 100 μM, 300 μM, 500 μM, 1000 μM and 3000 μM. Even when cultured for 1 week under cadmium exposure conditions of 0 μM, 100 μM, 300 μM, 500 μM, 1000 μM, and 3000 μM, almost no change was observed in the expression level of PCS gene in Hebnonegoza. Therefore, in Hebnonegoza, it is unlikely that PCS is involved in cadmium resistance, and it was considered that cadmium resistance was obtained by another mechanism other than PCS.

<4:カドミウム曝露下におけるカルス中必須金属元素の含有量>
上述の方法により培養したヘビノネゴザカルスとタバコカルスを、0μM(MS)、10μM(Cd10)、100μM(Cd100)のCdSO添加増殖用MS培地、Fe無添加(ΔFe)増殖用MS培地にてそれぞれ1週間生育させたヘビノネゴザカルス及びタバコカルスの必須金属元素(カルシウム、銅、鉄、マグネシウム、マンガン、亜鉛)の含有量を、ICP(P4000、Hitachi、Japan)を用いて分析した結果を図4に示す。尚、培養環境条件は上述した条件と同様とした。また、ICP測定用試料液は、上述した条件下で育成したカルスをそれぞれ65℃/3昼夜以上乾燥して、乾燥重量を測定後に湿式灰化を行い(吉原ら、U97042)、灰化試料を蒸発乾固後して得られた残査に15mLの1N塩酸を加えて溶解して作製した。
<4: Content of essential metal elements in callus under cadmium exposure>
Hevinonegoza callus and tobacco callus cultured by the above-described method are each stored in 0 μM (MS), 10 μM (Cd10), 100 μM (Cd100) MS medium for growth with CdSO 4 and MS medium for growth without addition of Fe (ΔFe) for 1 week FIG. 4 shows the results of analyzing the contents of essential metal elements (calcium, copper, iron, magnesium, manganese, zinc) in the grown Hebino negosa callus and tobacco callus using ICP (P4000, Hitachi, Japan). The culture environment conditions were the same as those described above. In addition, as for the sample solution for ICP measurement, calli grown under the above-mentioned conditions are each dried at 65 ° C./3 days or more and wet ashing is performed after measuring the dry weight (Yoshihara et al., U97042). The residue obtained after evaporation to dryness was dissolved in 15 mL of 1N hydrochloric acid.

図4において、縦軸の相対濃度とは、各々カドミウムを含まない培地(MS)で増殖したカルスにおける値を1として計算した値である。また、(a)はカルシウム、(b)は銅、(c)は鉄、(d)はマグネシウム、(e)はマンガン、(f)は亜鉛の結果を示している。ヘビノネゴザカルスでは、カドミウム曝露によって(a)カルシウム、(d)マグネシウム、(e)マンガン含有量が有意に低下したのに対し、タバコカルスでは、(c)鉄含有量だけが有意な低下を示し、カドミウム曝露によって影響を受ける元素が異なることが明らかとなった。すなわち、ヘビノネゴザカルスでは(a)カルシウムが約20〜25%、(d)マグネシウムが約15〜25%、(e)マンガンが約30〜35%低下したのに対して、タバコカルスでは(c)鉄だけが約50〜60%低下した。一般的な植物ではカドミウムにより鉄の吸収が阻害されて鉄欠乏に陥る(カドミウム誘導性鉄欠乏)ことが報告されており(Marschner H (1995) Mineral Nutrition of Higher Plants, 2nd edn, Academic press, London, UK)、タバコカルスの鉄含有量の低下はこれを顕著に物語っている。しかし、ヘビノネゴザカルスではカドミウム曝露によって鉄ではなく、カルシウム、マグネシウムおよびマンガンの含有量が低下した。これは、ヘビノネゴザカルスにおいては、カドミウムによりマグネシウム、カルシウムおよびマンガンの吸収が阻害されることを示唆している。ただし、カドミウムの有無にかかわらずヘビノネゴザカルスは旺盛に生育したことから、これらの元素の欠乏症に陥るほど吸収は阻害されない。したがって、ヘビノネゴザカルスにおける鉄輸送担体は、他の植物の鉄輸送担体に比べて鉄に対する特異性が非常に高く、カドミウム存在下においても、カドミウムに阻害されることなく、生育に十分な量の鉄を吸収できることが判明した。 In FIG. 4, the relative concentration on the vertical axis is a value calculated by assuming that the value in callus grown in a medium (MS) not containing cadmium is 1. Further, (a) shows the results for calcium, (b) for copper, (c) for iron, (d) for magnesium, (e) for manganese, and (f) for zinc. In Hebinonegoza callus, (a) calcium, (d) magnesium, and (e) manganese content decreased significantly by cadmium exposure, whereas in tobacco callus, only (c) iron content showed a significant decrease, and cadmium It became clear that the elements affected by exposure differed. That is, (a) calcium is reduced by about 20-25%, (d) magnesium is reduced by about 15-25%, and (e) manganese is reduced by about 30-35%, whereas (c) iron is used in tobacco callus. Only decreased by about 50-60%. In a typical plant it has been reported that iron absorption is inhibited falling into iron deficiency by cadmium (cadmium-induced iron deficiency) (Marschner H (1995) Mineral Nutrition of Higher Plants, 2 nd edn, Academic press, (London, UK), the decline in the iron content of tobacco callus demonstrates this markedly. However, cadmium exposure reduced the content of calcium, magnesium and manganese, not iron, in Hebnonegoza callus. This suggests that cadmium inhibits the absorption of magnesium, calcium and manganese in Hebnone negosa callus. However, because Hebino Negoza callus grew vigorously regardless of the presence or absence of cadmium, the absorption was not inhibited to the extent that these elements were deficient. Therefore, the iron transport carrier in Hebnone negosa callus has a very high specificity for iron compared to the iron transport carrier of other plants, and even in the presence of cadmium, it is not inhibited by cadmium and is a sufficient amount of iron for growth. It was found that can be absorbed.

<5:ヘビノネゴザ鉄吸収関連遺伝子の単離と発現に及ぼすカドミウムの影響>
ヘビノネゴザカルスからtotalRNAを抽出してcDNA化し、cDNAライブラリーを作製した。ヘビノネゴザtotalRNAは、鉄分を除いた培地において3週間生育させたヘビノネゴザカルスより、先に示したJaakolaらのtotalRNA抽出法に従って抽出し、逆転写反応を行って各遺伝子ホモログの部分シークエンス単離用のcDNAを得た。また、各遺伝子ホモログの完全長シークエンスを単離するために、別途同様にして得られたヘビノネゴザtotalRNAからcDNAライブラリーを作製した。尚、cDNAライブラリーの作製には、得られたtotalRNAよりMACS Column Typeμ(第一化学薬品)を用いてmRNAを精製した後、Creator SMART cDNAライブラリー作製キット(BD Bioscience Clontech)を使用した。
<5: Effect of cadmium on the isolation and expression of iron absorption-related genes in Hebinonegoza>
Total RNA was extracted from Hebinonegoza callus and converted to cDNA to prepare a cDNA library. Hebinonegoza total RNA was extracted from Hebinonegoza callus grown for 3 weeks in a medium excluding iron according to the method of total RNA extraction of Jaakola et al. Described above, followed by reverse transcription reaction to isolate cDNA for partial sequence isolation of each gene homolog. Got. In addition, in order to isolate the full-length sequence of each gene homologue, a cDNA library was prepared from Hebinone nega total RNA obtained in the same manner. In preparation of the cDNA library, mRNA was purified from the obtained total RNA using MACS Column Type μ (Daiichi Kagaku), and then a Creator SMART cDNA library preparation kit (BD Bioscience Clontech) was used.

次に、アラビドプシスなどにおいて既に配列の知られている鉄とカドミウム双方の輸送に関連しているとの報告があるGenBankに登録されている元素輸送担体遺伝子の既知の配列(IRT;NM_118089、AF065444、AF246266、AB126086、AB126087、AB070226、AJ320253: Nramp;L41217、NM_106731、NM_103618、NM_101464、AY196091: YSL;AY515566、AY515565、AY515560、AY512583、AP003936、CA758396)に、それぞれ特異的な共通配列を探索し、ディジェネレートプライマーを設計・作製した。以下にそのディジェネレートプライマーを列挙して示す。
degAyIRTF 5'-CCKTGGYMTAARTTYCCTTTYBCBGG-3'(配列番号17)
degAyIRTR 5'-GARTGWRMYAHRATBCCAASYTCCARNACC-3'(配列番号18)
degAyNrampF 5'-ATGCCBCAYAAYVTSTWYYTVCAYTCRGC-3’(配列番号19)
degAyNrampR 5'-ATVGTVSWRCTCTGHCCMGMWGC-3’(配列番号20)
degAyYSLF 5'-MMRCCNTTYACWMRNCARGAGAAYAC-3'(配列番号21)
degAyYSLR 5'-CWGTDGCNRWWCCACTNGGRTA-3'(配列番号22)
Next, known sequences of element transport carrier genes registered in GenBank (IRT; NM_118089, AF065444, which have been reported to be related to the transport of both iron and cadmium whose sequences are already known in Arabidopsis, etc.) AF246266, AB126086, AB126087, AB070226, AJ320253: Nramp; L41217, NM_106731, NM_103618, NM_101464, AY196091: YSL; AY5155566, AY515565, AY515560, AY512583, AP003936, CA758396) A rate primer was designed and produced. The degenerate primers are listed below.
degAyIRTF 5'-CCKTGGYMTAARTTYCCTTTYBCBGG-3 '(SEQ ID NO: 17)
degAyIRTR 5'-GARTGWRMYAHRATBCCAASYTCCARNACC-3 '(SEQ ID NO: 18)
degAyNrampF 5'-ATGCCBCAYAAYVTSTWYYTVCAYTCRGC-3 '(SEQ ID NO: 19)
degAyNrampR 5'-ATVGTVSWRCTCTGHCCMGMWGC-3 '(SEQ ID NO: 20)
degAyYSLF 5'-MMRCCNTTYACWMRNCARGAGAAYAC-3 '(SEQ ID NO: 21)
degAyYSLR 5'-CWGTDGCNRWWCCACTNGGRTA-3 '(SEQ ID NO: 22)

これらのプライマーと先に示した部分シークエンス単離用のcDNAを用いてPCRを行い、得られた断片をTAクローニングキット(Invitrogen)によりpCR−TOPOベクターにクローニングした。得られた断片は、部分シークエンスとしてDNAシーケンサー(ABIモデル3100)によって配列を解析した後、既知の遺伝子と比較してシークエンスに類似性が認められたものをヘビノネゴザにおける各遺伝子ホモログの部分シークエンスとしてcDNAライブラリーからの完全長シークエンス単離のためのプローブ作製に用いた。完全長シークエンス単離のためのプローブは、先に示した部分シークエンスから設計し直したプライマーを用いてPCR−DIGラベル法により作製した(DIG DNA Labeling and Detection Kit、Roche)。プローブ用、RT−PCRとリアルタイムPCRによる発現解析用プライマーの位置(配列)は、各完全長配列中に示した。図5〜図8において、1Fと1RはリアルタイムPCR用プライマー、2Fと2Rはプローブ作成およびRT−PCR用プライマーである。また、図5〜図6において、四角で囲んだ部分は開始コドン及び終始コドンであり、陰付きの四角で囲んだ部分は鉄の輸送に関連すると考えられている共通配列を示している。cDNAライブラリーからの完全長cDNAの単離はこのプローブを用いて定法にしたがって行った(真壁和裕(1997) バイオ実験イラストレイテッド 第4巻 苦労なしのクローニング、秀潤社)。得られたクローンはDNAシーケンサー(ABIモデル3100)によって配列の解析を行い、先に示した既知のホモログとの比較を行った。   PCR was performed using these primers and the cDNA for partial sequence isolation shown above, and the resulting fragment was cloned into the pCR-TOPO vector using a TA cloning kit (Invitrogen). The obtained fragments were analyzed by using a DNA sequencer (ABI model 3100) as a partial sequence, and then a sequence whose similarity was found compared to a known gene was used as a partial sequence for each gene homolog in Hebnonegoza. Used to create probes for full-length sequence isolation from libraries. Probes for full-length sequence isolation were prepared by PCR-DIG labeling using primers redesigned from the partial sequences shown above (DIG DNA Labeling and Detection Kit, Roche). The positions (sequences) of the probes, RT-PCR and real-time PCR expression analysis primers are shown in each full-length sequence. 5 to 8, 1F and 1R are primers for real-time PCR, and 2F and 2R are primers for probe preparation and RT-PCR. In FIGS. 5 to 6, the portions enclosed by squares are the start codon and the termination codon, and the portions enclosed by shaded squares indicate a common sequence thought to be related to iron transport. Isolation of the full-length cDNA from the cDNA library was performed using this probe in accordance with a standard method (Kazuhiro Makabe (1997) Bio-Experiment Illustrated Volume 4 Cloning without Effort, Shujunsha). The obtained clone was subjected to sequence analysis by a DNA sequencer (ABI model 3100) and compared with the known homologue shown above.

ヘビノネゴザから単離した3種類の元素輸送担体遺伝子ホモログについてRT−PCR法、あるいはリアルタイムPCR法を用いてカドミウム曝露条件下における発現解析を行った。具体的には、100μMあるいは400μMの2種類のCdSOを添加した培地において3週間生育させたヘビノネゴザカルス、および成植物体からtotalRNAをカルス、根、地上部の部分毎に上述のJaakolaらのtotalRNA抽出法に従って抽出し、逆転写反応によって得たcDNAをテンプレートに用いた。また、別途鉄欠乏培地において3週間生育させたヘビノネゴザカルス、および成植物体より得たtotalRNAを用いて同様の操作を行い、カドミウム曝露条件下におけるこれらの遺伝子の発現と比較した。 Expression analysis under cadmium exposure conditions was carried out using RT-PCR method or real-time PCR method for three types of element transport carrier gene homologs isolated from Hebonia negosa. Specifically, total RNA of Hevinonegoza callus grown for 3 weeks in a medium supplemented with 100 μM or 400 μM of two types of CdSO 4 , and total RNA of the above-mentioned Jaakola et al. Extraction was performed according to the extraction method, and cDNA obtained by reverse transcription reaction was used as a template. In addition, the same operation was carried out using Hebinonegoza callus separately grown in an iron-deficient medium for 3 weeks and total RNA obtained from adult plants, and compared with the expression of these genes under cadmium exposure conditions.

単離したホモログのうち、AyNramp1(配列番号1:全長1903bp、ORF1530bp、510AA)、AyIRT1(配列番号3:全長1878bp、ORF1152bp、384AA)の2種類については完全長遺伝子であった。AyYSL1(配列番号5:全長301bp)、AyYSL2(配列番号7:全長295bp)についてはいずれもORFの部分遺伝子と考えられた。これらのうち、特に完全長を単離できたAyIRT1、およびAyNramp1について、それぞれアラビドプシスにおいて配列が明かとなっているホモログAtIRT1、およびAtNramp3とアミノ酸配列の相同性を比較した。その結果を図9〜図11に示す。図9において、(a)はヘビノネゴザAyIRT1のタンパク質膜構造、(b)はアラビドプシスAtIRT1タンパク質膜構造を示す。図10において、(a)はヘビノネゴザAyNramp1のタンパク質膜構造、(b)はアラビドプシスAtNramp1タンパク質膜構造を示す。また、図11において、(A)は植物由来のNrampとの比較、(B)は動物由来のNrampとの比較を示す。尚、図11において、GmDMTはダイズ、LeNrampはトマト、OsNrampはイネ、HsDMTはヒト、MmNrampはマウス、OmNrampはニジマス、TrDMTはトラフグである。AtIRT1のアミノ酸配列とAyIRT1のアミノ酸配列の相同性は44.0%、AtNramp1のアミノ酸配列とAyNramp1のアミノ酸配列の相同性は67.3%であり、相同性はそれほど高くはなかったが、アラビドプシスにおけるD100、E103及びC109を除いて、いずれにおいてもアラビドプシス(Rogers EE et al. (2000) PNAS 97 p12356-12360)やマウス(Lam-Yuk-Tseung et al. (2003) BLOOD 101 p3699-3707)において示されている鉄吸収に強く関連したアミノ酸配列が全て保存されていた。また、図11に示すように、AyNramp1については、そのアミノ酸配列が植物におけるものよりも動物におけるものに類似しており、図11中の矢印で示されるように、これまで配列が明らかにされている植物のNrampにおいては全てイソロイシンであるアミノ酸が、ヘビノネゴザでは動物と同じメチオニンに変わっていた。   Among the isolated homologues, AyNramp1 (SEQ ID NO: 1 full length 1903 bp, ORF1530 bp, 510AA) and AyIRT1 (SEQ ID NO: 3 full length 1878 bp, ORF1152 bp, 384AA) were full-length genes. Both AyYSL1 (SEQ ID NO: 5: full length 301 bp) and AyYSL2 (SEQ ID NO: 7: full length 295 bp) were considered to be partial genes of the ORF. Among these, AyIRT1 and AyNramp1, in which the full length could be isolated, were compared in terms of amino acid sequence homology with homologs AtIRT1 and AtNramp3 whose sequences were revealed in Arabidopsis, respectively. The results are shown in FIGS. In FIG. 9, (a) shows the protein membrane structure of Hevinonegoza AyIRT1, and (b) shows the Arabidopsis AtIRT1 protein membrane structure. In FIG. 10, (a) shows the protein membrane structure of Hevinonegoza AyNramp1, and (b) shows the Arabidopsis AtNramp1 protein membrane structure. In FIG. 11, (A) shows a comparison with plant-derived Nramp, and (B) shows a comparison with animal-derived Nramp. In FIG. 11, GmDMT is soybean, LeNramp is tomato, OsNramp is rice, HsDMT is human, MmNramp is mouse, OmNramp is rainbow trout, and TrDMT is trough. The homology between the amino acid sequence of AtIRT1 and the amino acid sequence of AyIRT1 was 44.0%, the homology of the amino acid sequence of AtNramp1 and the amino acid sequence of AyNramp1 was 67.3%, and the homology was not so high, but in Arabidopsis Except for D100, E103 and C109, all are shown in Arabidopsis (Rogers EE et al. (2000) PNAS 97 p12356-12360) and mice (Lam-Yuk-Tseung et al. (2003) BLOOD 101 p3699-3707) All amino acid sequences strongly related to iron absorption were preserved. As shown in FIG. 11, the amino acid sequence of AyNramp1 is more similar to that in animals than in plants, and the sequence has been clarified so far as indicated by the arrows in FIG. The amino acid, which is all isoleucine in the plant Nramp, was changed to the same methionine as the animal in Hevinonegoza.

次に、タンパク質膜構造については、図9に示すアラビドプシスAtIRT1タンパク質膜構造においては、8ヶ所の膜貫通領域があるのに対し、ヘビノネゴザAyIRT1タンパク質膜構造における膜貫通領域は2ヶ所少ない6ヶ所であった。図10に示すアラビドプシスAtNramp1タンパク質膜構造においては、11ヶ所の膜貫通領域があるのに対し、ヘビノネゴザAyNramp1タンパク質膜構造における膜貫通領域は2ヶ所少ない9ヶ所であった。尚、図9及び図10において、1は膜外領域、2は膜貫通領域、3は膜内領域を示している。また、上記の「保存されている鉄吸収に強く関連したアミノ酸配列」に着目すると、例えば、AyIRTのH236、S237、H263、E267とAtIRTのH197、S198、H224、E228において示されるように膜の内外における存在を反対にしているものも多かった。   Next, with respect to the protein membrane structure, the Arabidopsis AtIRT1 protein membrane structure shown in FIG. 9 has 8 transmembrane regions, whereas the Hemone Negoza AyIRT1 protein membrane structure has 6 transmembrane regions, which is two fewer. It was. In the Arabidopsis AtNramp1 protein membrane structure shown in FIG. 10, there are 11 transmembrane regions, whereas there are 9 transmembrane regions in the Hebinonegoza AyNramp1 protein membrane structure, two fewer. In FIGS. 9 and 10, reference numeral 1 denotes an extramembrane region, 2 denotes a transmembrane region, and 3 denotes an intramembrane region. Further, when focusing on the above-mentioned “amino acid sequence strongly related to conserved iron absorption”, for example, as shown in H236, S237, H263, E267 of AyIRT and H197, S198, H224, E228 of AtIRT, Many also opposed the existence inside and outside.

次に、ヘビノネゴザカルスおよび成植物体を鉄欠乏処理、カドミウム曝露し、単離したこれらの4つの遺伝子について発現変化を調べた。結果を図12〜図14に示す。図12に示すように、ヘビノネゴザカルスにおいては、いずれの遺伝子においても強い鉄欠乏処理によって(2週間の鉄欠乏処理)有意な発現の増加が認められた。即ち、鉄欠乏応答性があることが確認された。尚、図12において、(a)は通常の増殖用MS培地で増殖させた場合、(b)は増殖用MS培地から鉄を除いて1週間増殖させた場合、(c)は増殖用MS培地から鉄を除いて2週間増殖させた場合である。次に、図13に示すように、カドミウムを曝露した場合にもAyYSL1、AyYSL2については発現の増加が認められたが、AyIRT1、AyNramp1については有意な発現の増加は認められなかった。尚、図13において、(a)は通常の増殖用MS培地で増殖させた場合、(b)はカドミウムを100μM添加した培地で1週間増殖させた場合、(c)はカドミウムを400μM添加した培地で1週間増殖させた場合である。また、図14に示すように、成植物体を用いた実験では、全ての遺伝子において根、植物体地上部ともに1週間の鉄欠乏処理(ΔFe)、あるいはカドミウム曝露(+Cd)によって有意な発現の変化は認められなかった。尚、図14において、(a)AyIRT1、(b)はAyYSL1、(c)はAyYSL2、(d)はAyNramp1である。   Next, Hebnonegoza callus and adult plants were treated with iron deficiency and exposed to cadmium, and expression changes of these four isolated genes were examined. The results are shown in FIGS. As shown in FIG. 12, a significant increase in expression was observed in all genes in the snake nonegoza callus due to a strong iron deficiency treatment (two weeks of iron deficiency treatment). That is, it was confirmed that there was iron deficiency response. In FIG. 12, (a) is when grown on a normal growth MS medium, (b) is when grown for one week after removing iron from the growth MS medium, and (c) is a growth MS medium. In this case, the iron was removed from the plant and allowed to grow for 2 weeks. Next, as shown in FIG. 13, even when cadmium was exposed, increased expression was observed for AyYSL1 and AyYSL2, but no significant increase in expression was observed for AyIRT1 and AyNramp1. In FIG. 13, (a) shows a case where the medium is grown on a normal MS medium for growth, (b) shows a case where the medium is grown for one week in a medium containing 100 μM cadmium, and (c) shows a medium containing 400 μM cadmium. In the case of growing for 1 week. Moreover, as shown in FIG. 14, in the experiment using adult plants, significant expression was observed in all genes by iron deficiency treatment (ΔFe) or cadmium exposure (+ Cd) for one week for both roots and plant ground parts. No change was observed. In FIG. 14, (a) AyIRT1, (b) is AyYSL1, (c) is AyYSL2, and (d) is AyNramp1.

<6:ヘビノネゴザ鉄吸収関連遺伝子を過剰発現した形質転換酵母におけるカドミウム耐性の向上>
ヘビノネゴザから全長を単離することができた2つの遺伝子(AyIRT1、AyNramp1)のORF部分をPCRによって増幅し、配列を確認後、酵母発現ベクター(pYES2.1vector/Invtrogen)を介して酵母(BY4741株)に導入した。酵母の形質転換は、Dohlmanの示す方法に従った(Dohlman HG (2002) "Lazy Bones" Plasmid Transformation, A quick method for plasmid transformation into yeast. http://www.med.unc.edu/~hdohlman/lazybones.html)。具体的には、酵母をSD寒天培地(BD bioscience・Clonetech)にて培養して単菌株を単離し、キャリアーDNAと単離した遺伝子を含むプラスミドDNA、および形質転換溶液(40% ポリエチレングリコール、0.1M 酢酸リチウム、10mM トリス塩酸(pH7.5)、1mM EDTA)を混合して一晩静置した後、42℃でヒートショックを行い形質転換した。さらにこの混合液を、ウラシルを除いたSD寒天培地において培養し、得られた菌株についてコロニーPCR法によって導入遺伝子の確認を行った。尚、プライマーはRT−PCR法で用いたものと同じ配列のものを用いた。
<6: Improvement of cadmium resistance in transformed yeast overexpressing Hebinonegoza iron absorption-related gene>
The ORF part of two genes (AyIRT1, AyNramp1), which were able to isolate the full length from Hebonia negosa, was amplified by PCR, confirmed the sequence, and then yeast (BY4741 strain) via yeast expression vector (pYES2.1vector / Invtrogen) ). Transformation of yeast was performed according to the method shown by Dohlman (Dohlman HG (2002) "Lazy Bones" Plasmid Transformation, A quick method for plasmid transformation into yeast. Http://www.med.unc.edu/~hdohlman/ lazybones.html). Specifically, yeast is cultured on an SD agar medium (BD bioscience / Clonetech) to isolate a single strain, a plasmid DNA containing carrier DNA and the isolated gene, and a transformation solution (40% polyethylene glycol, 0 .1M Lithium acetate, 10 mM Tris-HCl (pH 7.5), 1 mM EDTA) were mixed and allowed to stand overnight, and then transformed by heat shock at 42 ° C. Furthermore, this mixed solution was cultured in an SD agar medium excluding uracil, and the transgene was confirmed by colony PCR for the obtained strain. Primers having the same sequence as those used in the RT-PCR method were used.

上記により得られた菌株(AyIRT1、AyNramp1)と非形質転換株(WT)のカドミウム耐性を調査した。カドミウム耐性の検定には、ウラシルを除いたSD寒天培地を基本培地として、これに0μM、30μMのCdSOを添加した培地を用い、1/1、1/10、1/100及び1/1000に希釈した株(希釈率は600nmの吸光度により確認)を滴下して、30℃において2〜5日間の培養の後、コロニーの形成状態を非形質転換系統と比較した。また、蓄積能については、30μMのCdSOを添加した同組成の液体培地(100ml培地を500mlコルベンに分注、振とう強度140rpm、30℃において5日間培養)においてこれらの形質転換酵母系統を増殖させ、集菌後500μM CaClバッファーに顕濁・洗浄後、遠心操作により再集菌して、ICP(P4000、 Hitachi、 Japan)による金属濃度の分析のためのサンプルとした。 The cadmium resistance of the strains obtained as described above (AyIRT1, AyNramp1) and the non-transformed strain (WT) was investigated. For the cadmium resistance test, an SD agar medium excluding uracil was used as a basic medium, and a medium supplemented with 0 μM and 30 μM CdSO 4 was used, and 1/1, 1/10, 1/100 and 1/1000 were used. Diluted strains (dilution rate confirmed by absorbance at 600 nm) were added dropwise, and after culturing at 30 ° C. for 2 to 5 days, the colony formation state was compared with non-transformed strains. As for the accumulation ability, these transformed yeast strains were grown in a liquid medium having the same composition to which 30 μM CdSO 4 was added (100 ml medium was dispensed into 500 ml Kolben, shaking strength was 140 rpm, and cultured at 30 ° C. for 5 days). After collection, the cells were suspended and washed in 500 μM CaCl 2 buffer, and then collected again by centrifugation to obtain a sample for analysis of metal concentration by ICP (P4000, Hitachi, Japan).

上記により得られた形質転換株(AyIRT1、AyNramp1)と非形質転換株(WT)とをそれぞれ数株ずつカドミウムを含む培地に接種し、その生育を調べた結果を図15に示す。(a)はカドミウム無添加培地で2日間生育させた結果、(b)はカドミウムを30μM添加した培地で5日間生育させた結果である。いずれの形質転換株においても形質転換しない酵母株に比べて明らかに生育が良好であった。また、これらの株におけるカドミウム、および鉄含有量を調べた結果を図16に示す(a)は鉄濃度(含有量)、(b)はカドミウム濃度(含有量)、(c)は鉄に対するカドミウム量をモル比で表した図である。尚、図15及び図16において、WT5はpYES酵母形質転換用ベクターのみ導入したコントロール系統、AyIRT1−5はAyIRT1を用いて形質転換した系統、AyNramp1−5はAyNramp1を用いて形質転換した系統を表している。カドミウム含有量はAyIRT1−5形質転換株では約90μg/g−FW、AyNramp1−5形質転換株では約20μg/g−FWであるのに対し、非形質転換株であるWT5では約200μg/g−FWであった。鉄含有量はWT5で8μg/g−FW、AyIRT1−5形質転換株で7μg/g−FW、AyNramp1−5形質転換株で10μg/g−FWであり、形質転換株と非形質転換株とで鉄の吸収量にそれほど大きな差異は認められなかった。これは、本実施例で用いた培地中に鉄が十分に存在したため、鉄の供給量が十分であったことによるものであると考えられる。また、Cd/Fe値に関しては、形質転換株の方が小さかった。すなわち、いずれの形質転換株においても1分子の鉄を得るために混入するカドミウム分子の数が非形質転換株よりも少ないことが明らかとなった。この傾向はAyNramp1−5形質転換株において特に顕著であった。以上より、AyNramp1、AyIRT1により形質転換することで、カドミウム存在下においても生育に必須な鉄と特異的に親和するようになって、良好に生育する。即ち、植物体のカドミウム耐性を強化することが可能である。さらには、カドミウムの蓄積量も低減される。   FIG. 15 shows the results obtained by inoculating several transformants (AyIRT1, AyNramp1) and non-transformed strains (WT) obtained in the above into a medium containing cadmium and examining their growth. (A) is the result of growing for 2 days in a cadmium-free medium, and (b) is the result of growing for 5 days in a medium to which 30 μM of cadmium is added. In any of the transformed strains, the growth was clearly better than that of the yeast strain not transformed. Moreover, the result of having investigated the cadmium and iron content in these stock | strains is shown in FIG. 16, (a) is iron concentration (content), (b) is cadmium concentration (content), (c) is cadmium with respect to iron. It is the figure which represented the quantity by molar ratio. In FIGS. 15 and 16, WT5 represents a control line in which only the pYES yeast transformation vector was introduced, AyIRT1-5 represents a line transformed with AyIRT1, and AyNramp1-5 represents a line transformed with AyNramp1. ing. The cadmium content is about 90 μg / g-FW in the AyIRT1-5 transformant and about 20 μg / g-FW in the AyNramp1-5 transformant, whereas it is about 200 μg / g− in the non-transformant WT5. It was FW. The iron content is 8 μg / g-FW for WT5, 7 μg / g-FW for AyIRT1-5 transformant, 10 μg / g-FW for AyNramp1-5 transformant, and in the transformed and non-transformed strains. There was no significant difference in the amount of iron absorbed. This is considered to be due to the sufficient supply of iron because iron was sufficiently present in the medium used in this example. Moreover, regarding the Cd / Fe value, the transformed strain was smaller. That is, it was clarified that the number of cadmium molecules to be mixed in order to obtain one molecule of iron in any transformed strain was smaller than that in the non-transformed strain. This tendency was particularly remarkable in the AyNramp1-5 transformant. From the above, by transforming with AyNramp1 and AyIRT1, even in the presence of cadmium, it has specific affinity for iron essential for growth and grows well. That is, it is possible to enhance the cadmium resistance of the plant body. Furthermore, the amount of cadmium accumulated is also reduced.

カドミウム(100μM)曝露条件下におけるヘビノネゴザカルスとタバコカルスの生育を示す図である。◇はヘビノネゴザカルスの相対的生育量、■はタバコの相対的生育量を示す。It is a figure which shows the growth of Hebinonegoza callus and tobacco callus under cadmium (100 micromol) exposure conditions. ◇ indicates the relative growth of Hevinone Negoza callus, and ■ indicates the relative growth of tobacco. ヘビノネゴザカルスとタバコカルスにおけるPCS遺伝子の発現に及ぼすカドミウム(100μM)の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of cadmium (100 micromol) on the expression of the PCS gene in Hebinonegoza callus and tobacco callus. 種々のカドミウム曝露条件下において生育したヘビノネゴザカルスにおけるPCS遺伝子の発現を示す。Figure 2 shows the expression of the PCS gene in Hevinonegoza callus grown under various cadmium exposure conditions. ヘビノネゴザカルスとタバコカルスにおけるカドミウム曝露による金属元素の含有量変化を示す図である。(a)はカルシウム、(b)は銅、(c)は鉄、(d)はマグネシウム、(e)はマンガン、(f)は亜鉛についての結果である。It is a figure which shows the content change of the metal element by cadmium exposure in Hebinonegoza callus and tobacco callus. (A) is calcium, (b) is copper, (c) is iron, (d) is magnesium, (e) is manganese, and (f) is the result for zinc. ヘビノネゴザ鉄輸送担体遺伝子(AyNramp1:配列番号1)の配列である。It is the sequence of the Hebinonegoza iron transport carrier gene (AyNramp1: SEQ ID NO: 1). ヘビノネゴザ鉄輸送担体遺伝子(AyIRT1:配列番号3)の配列である。This is the sequence of the Hebinonegoza iron transporter gene (AyIRT1: SEQ ID NO: 3). ヘビノネゴザ鉄輸送担体遺伝子(AyYSL1:配列番号5)の配列である。This is the sequence of the Hebinonegoza iron transporter gene (AyYSL1: SEQ ID NO: 5). ヘビノネゴザ鉄輸送担体遺伝子(AyYSL2:配列番号7)の配列である。This is the sequence of the Hebinonegoza iron transporter gene (AyYSL2: SEQ ID NO: 7). IRTタンパク質膜構造比較を示す図である。It is a figure which shows IRT protein membrane structure comparison. Nrampタンパク質膜構造比較を示す図である。It is a figure which shows Nramp protein membrane structure comparison. 種々の生物のNrampにおけるアミノ酸配列の比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the amino acid sequence in Nramp of various organisms. ヘビノネゴザカルスにおける鉄欠乏条件下での鉄輸送担体遺伝子の発現を示す図である。It is a figure which shows the expression of an iron transport carrier gene in iron deficiency conditions in Hebino Negoza callus. ヘビノネゴザカルスにおけるカドミウム曝露下での鉄輸送担体遺伝子の発現を示す図である。It is a figure which shows the expression of the iron transport carrier gene under the cadmium exposure in Hebinonegoza callus. ヘビノネゴザ成植物体におけるカドミウム曝露下での鉄輸送担体遺伝子の発現を示す図である。It is a figure which shows the expression of the iron transport carrier gene under the cadmium exposure in a Hebinonegoza adult plant. AyIRT1及びAyNramp1により形質転換した酵母におけるカドミウム耐性を示す図である。It is a figure which shows the cadmium tolerance in the yeast transformed by AyIRT1 and AyNramp1. AyIRT1及びAyNramp1により形質転換した酵母における(a)鉄濃度、(b)カドミウム濃度、(c)Cd/Fe(mol比)を示す図である。It is a figure which shows (a) iron concentration, (b) cadmium concentration, and (c) Cd / Fe (mol ratio) in yeast transformed with AyIRT1 and AyNramp1.

Claims (9)

以下の(a)又は(b)に示すタンパク質をコードする遺伝子。
(a)配列番号2又は4のアミノ酸配列からなるタンパク質
(b)配列番号2アミノ酸配列において、1〜51個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質、又は配列番号4のアミノ酸配列において、1〜39個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質
A gene encoding a protein shown in the following (a) or (b).
(A) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 4 (b) in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 , comprising an amino acid sequence in which 1 to 51 amino acids have been deleted, substituted or added, and specific to iron A protein that functions as a transport carrier that has an affinity for or a transport carrier that has an amino acid sequence in which 1 to 39 amino acids have been deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 and that specifically has an affinity for iron Functioning protein
以下の(a)又は(b)に示すタンパク質。
(a)配列番号2又は4のアミノ酸配列からなるタンパク質
(b)配列番号2アミノ酸配列において、1〜51個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質、又は配列番号4のアミノ酸配列において、1〜39個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質
The protein shown in the following (a) or (b).
(A) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 4 (b) in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 , comprising an amino acid sequence in which 1 to 51 amino acids have been deleted, substituted or added, and specific to iron A protein that functions as a transport carrier that has an affinity for or a transport carrier that has an amino acid sequence in which 1 to 39 amino acids have been deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 and that specifically has an affinity for iron Functioning protein
以下の(c)又は(d)のDNAからなる遺伝子。
(c)配列番号1又は3の塩基配列からなるDNA
(d)配列番号1又は3の塩基配列からなるDNA若しくはこれと相補的なDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、且つ鉄と特異的に親和する輸送担体として機能するタンパク質をコードするDNA
A gene comprising the following DNA (c) or (d):
(C) DNA comprising the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 or 3
(D) DNA encoding a protein that hybridizes under stringent conditions with DNA consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 or 3 or DNA complementary thereto, and that functions as a transport carrier specifically having an affinity for iron
請求項1又は3に記載の遺伝子を含有する形質転換された植物細胞。   A transformed plant cell containing the gene according to claim 1 or 3. 請求項4に記載の植物細胞から得られる植物体とその部分並びにその繁殖体及び子孫。   The plant body obtained from the plant cell of Claim 4, its part, its propagation body, and offspring. 環境汚染物質蓄積能をさらに有することを特徴とする請求項4に記載の植物細胞。   The plant cell according to claim 4, further having an ability to accumulate environmental pollutants. 請求項6に記載の植物細胞から得られる植物体とその部分並びにその繁殖体及び子孫。   The plant body obtained from the plant cell of Claim 6, its part, its propagation body, and offspring. 請求項1又は3に記載の遺伝子を組み込んだベクターで形質転換してなる宿主細胞を培養し、培養物中に蓄積されるタンパク質を採取することを特徴とする請求項2に記載のタンパク質の生産方法。   The protein production according to claim 2, wherein a host cell obtained by transformation with a vector incorporating the gene according to claim 1 or 3 is cultured, and the protein accumulated in the culture is collected. Method. 請求項7に記載の植物体を用いて、土壌から環境汚染物質を除去することを特徴とする環境修復方法。   An environmental remediation method comprising removing environmental pollutants from soil using the plant according to claim 7.
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