JP5444560B2 - 根の伸長が促進されている植物、及びその作製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、植物の根の伸長を促進するポリペプチド、高浸透圧ストレス下で植物の根の伸長抑制を阻害するポリペプチド、及びそれをコードするポリヌクレオチドに関する。また、本発明は、根の伸長が促進されている植物、高浸透圧ストレス下においても根の伸長能が抑制されない植物、及びそれらの植物の作製方法に関する。更に、本発明は、植物の根の伸長を促進させる方法に関する。
現在、温暖化や砂漠化等が、地球上で深刻な問題となっている。また、近年、地球上の急激な人口の増加と、異常気象等による農作物の減収により、将来、地球規模で深刻な食糧危機を招くことが懸念されている。このような問題を解決するための１つの方策として、農作物や植林木等の植物の生育を向上させ、生産性を高めることが有効であると考えられている。
従来、植物の生育を向上させるために、化学肥料や農薬等が開発され、実用化されている。しかしながら、化学肥料や農薬の使用は、植物自体に与える影響、人体への影響等を考慮して、その使用量を制限する必要がある。特に、農作物の栽培では、生産性を犠牲にしてでも、人体への悪影響を極力低減させることを重視して、無農薬栽培も多くなっているのが現状である。
また、化学肥料や農薬を使用せずに、植物の生育を向上させる技術として、遺伝子工学的技術を利用して植物の根の伸長を促進させる方法が報告されている。例えば、非特許文献１には、植物体内でCyclin遺伝子を過剰発現させることにより、根の伸長や地上部の生長を促進できることが報告されている。
一方、植物体内で、核膜を介したタンパク質の輸送や、有糸分裂の際の微小管の形成や細胞周期の制御など生体内の非常に重要な現象に関与する因子としてRanタンパク質が知られている。近年、麦由来のRan遺伝子を稲やシロイヌナズナに導入すると、根の伸長が抑制されることが報告されている（非特許文献２参照）。このような知見から、従来、植物体へのRan遺伝子の導入は、植物の成長促進には逆効果であると考えられていた。
また、乾燥土壌や高塩土壌等では、植物の根が高浸透圧ストレス下に晒されることにより、根の伸長が抑制されることが分かっているが、このような高浸透圧ストレス下でも根を安定に伸長させる手段については知られていない。
Doerner et al., (1996) Nature, 380: 520-523 Xin Wang et al., (2006) Plant Physiology, 140: 91-101
Doerner et al., (1996) Nature, 380: 520-523 Xin Wang et al., (2006) Plant Physiology, 140: 91-101
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、農作物や植林木等の植物の生育を向上させる技術を提供することを目的とする。より詳細には、本発明は、主に、遺伝子工学的手法を利用して、根の伸長が促進されている植物、高浸透圧ストレス下においても根の伸長能が抑制されていない植物、及び植物の根の伸長を促進させる方法等を提供することを目的とする。
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行ったところ、アフリカ・ボツアナ共和国付近一帯に位置するカラハリ砂漠に生育する野生のスイカ（シトルルス ラナタス：Citrullus lanatus；以下、「野生種スイカ」と表記する）のRan蛋白質には、根の伸長を促進する作用があり、野生種スイカ由来のRan遺伝子を人為的に発現させた植物では、根の伸長が促進されることを見出した。更に、当該植物は、高浸透圧ストレス下においても根の伸長が野生株に比べ抑制されず、高浸透圧ストレス下での生育能に優れていることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて、更に改良を重ねることにより完成したものである。
即ち、本発明は、下記に掲げる態様の発明を提供する：
項１． 以下の（a）又は（b）のDNAからなるポリヌクレオチド：
（a）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA
（b）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA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、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するタンパク質をコードするDNA。
項２． 以下の（c）、（d）又は（e）のいずれかのポリペプチドをコードするポリヌクレオチド：
（c）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列からなるポリペプチド
（d）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列において1又は数個のアミノ酸が置換、欠失、若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するポリペプチド
（e）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列と７０％以上の相同性を有し、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するポリペプチド。
項３． 以下の（c）、（d）又は（e）のいずれかのポリペプチド：
（c）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列からなるポリペプチド
（d）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列において1又は数個のアミノ酸が置換、欠失、若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ植物の根に対して伸長促進活性を有するポリペプチド
（e）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列と70％以上の相同性を有し、且つ植物の根に対する伸長促進活性を有するポリペプチド。
項４． 項１に記載のポリヌクレオチドを含む組換えベクター。
項５． 項１に記載のポリヌクレオチドで形質転換されたトランスジェニック植物。
項６． 項１に記載のポリヌクレオチドで植物を形質転換する工程を含む、根の伸長が促進された植物の作製方法。
項７． 項１に記載のポリヌクレオチドを植物細胞に導入する工程を含む、高浸透圧ストレス下において根の伸長能が抑制されていない植物の作製方法。
項８． 項１に記載のポリヌクレオチドを植物細胞に導入することを特徴とする、植物の根の伸長を促進させる方法。
項９． 項１に記載のポリヌクレオチドを含む、植物の根伸長促進剤。
項１０． 前記ポリヌクレオチドが、項４に記載の組換えベクターの形態で含まれている、項９に記載の植物の根伸長促進剤。
項１１． 項１に記載のポリヌクレオチドの、植物の根の伸長を促進させるための使用。
項１２． 前記ポリヌクレオチドが、項４に記載の組換えベクターの形態で用いられる、項１１に記載の使用。
項１３． 項１に記載のポリヌクレオチドの、植物の根伸長促進剤の製造のための使用。
項１４． 前記ポリヌクレオチドが、項４に記載の組換えベクターの形態で用いられる、項１３に記載の使用。
項１５． 項３に記載のポリペプチドを含む、植物の根伸長促進剤。
項１６． 項３に記載のポリペプチドの、植物の根の伸長を促進させるための使用。
項１７． 項３に記載のポリペプチドの、植物の根伸長促進剤の製造のための使用。
項１８． 項１に記載のポリヌクレオチドを植物に導入することを特徴とする、高浸透圧ストレス条件下での植物根伸長抑制を阻害する方法。
項１９． 項１に記載のポリヌクレオチドを含む、高浸透圧ストレス条件下における植物根の生育助剤。
項２０． 前記ポリヌクレオチドが、項４に記載の組換えベクターの形態で含まれている、項１９に記載の生育助剤。
項２１． 項１に記載のポリヌクレオチドの、高浸透圧ストレス条件下での植物根伸長抑制を阻害させるための使用。
項２２． 前記ポリヌクレオチドが、項４に記載の組換えベクターの形態で用いられる、項２０に記載の使用。
項２３． 項１に記載のポリヌクレオチドの、高浸透圧ストレス条件下における植物根の生育助剤の製造のための使用。
項２４． 前記ポリヌクレオチドが、項４に記載の組換えベクターの形態で用いられる、項２３に記載の使用。
項２５． 項３に記載のポリペプチドを含む、高浸透圧ストレス条件下における植物根の生育助剤。
項２６． 項３に記載のポリペプチドの、高浸透圧ストレス条件下での植物根伸長抑制を阻害させるための使用。
項２７． 項３に記載のポリペプチドの、高浸透圧ストレス条件下における植物根の生育助剤の製造のための使用。
項２８． 根の伸長が促進された植物、又は高浸透圧ストレス下においても根の伸長能が抑制されない植物を作製するためのキットであって、項４に記載の組換えベクターを含有することを特徴とする、キット。
項１． 以下の（a）又は（b）のDNAからなるポリヌクレオチド：
（a）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA
（b）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA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、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するタンパク質をコードするDNA。
項２． 以下の（c）、（d）又は（e）のいずれかのポリペプチドをコードするポリヌクレオチド：
（c）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列からなるポリペプチド
（d）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列において1又は数個のアミノ酸が置換、欠失、若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するポリペプチド
（e）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列と７０％以上の相同性を有し、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するポリペプチド。
項３． 以下の（c）、（d）又は（e）のいずれかのポリペプチド：
（c）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列からなるポリペプチド
（d）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列において1又は数個のアミノ酸が置換、欠失、若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ植物の根に対して伸長促進活性を有するポリペプチド
（e）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列と70％以上の相同性を有し、且つ植物の根に対する伸長促進活性を有するポリペプチド。
項４． 項１に記載のポリヌクレオチドを含む組換えベクター。
項５． 項１に記載のポリヌクレオチドで形質転換されたトランスジェニック植物。
項６． 項１に記載のポリヌクレオチドで植物を形質転換する工程を含む、根の伸長が促進された植物の作製方法。
項７． 項１に記載のポリヌクレオチドを植物細胞に導入する工程を含む、高浸透圧ストレス下において根の伸長能が抑制されていない植物の作製方法。
項８． 項１に記載のポリヌクレオチドを植物細胞に導入することを特徴とする、植物の根の伸長を促進させる方法。
項９． 項１に記載のポリヌクレオチドを含む、植物の根伸長促進剤。
項１０． 前記ポリヌクレオチドが、項４に記載の組換えベクターの形態で含まれている、項９に記載の植物の根伸長促進剤。
項１１． 項１に記載のポリヌクレオチドの、植物の根の伸長を促進させるための使用。
項１２． 前記ポリヌクレオチドが、項４に記載の組換えベクターの形態で用いられる、項１１に記載の使用。
項１３． 項１に記載のポリヌクレオチドの、植物の根伸長促進剤の製造のための使用。
項１４． 前記ポリヌクレオチドが、項４に記載の組換えベクターの形態で用いられる、項１３に記載の使用。
項１５． 項３に記載のポリペプチドを含む、植物の根伸長促進剤。
項１６． 項３に記載のポリペプチドの、植物の根の伸長を促進させるための使用。
項１７． 項３に記載のポリペプチドの、植物の根伸長促進剤の製造のための使用。
項１８． 項１に記載のポリヌクレオチドを植物に導入することを特徴とする、高浸透圧ストレス条件下での植物根伸長抑制を阻害する方法。
項１９． 項１に記載のポリヌクレオチドを含む、高浸透圧ストレス条件下における植物根の生育助剤。
項２０． 前記ポリヌクレオチドが、項４に記載の組換えベクターの形態で含まれている、項１９に記載の生育助剤。
項２１． 項１に記載のポリヌクレオチドの、高浸透圧ストレス条件下での植物根伸長抑制を阻害させるための使用。
項２２． 前記ポリヌクレオチドが、項４に記載の組換えベクターの形態で用いられる、項２０に記載の使用。
項２３． 項１に記載のポリヌクレオチドの、高浸透圧ストレス条件下における植物根の生育助剤の製造のための使用。
項２４． 前記ポリヌクレオチドが、項４に記載の組換えベクターの形態で用いられる、項２３に記載の使用。
項２５． 項３に記載のポリペプチドを含む、高浸透圧ストレス条件下における植物根の生育助剤。
項２６． 項３に記載のポリペプチドの、高浸透圧ストレス条件下での植物根伸長抑制を阻害させるための使用。
項２７． 項３に記載のポリペプチドの、高浸透圧ストレス条件下における植物根の生育助剤の製造のための使用。
項２８． 根の伸長が促進された植物、又は高浸透圧ストレス下においても根の伸長能が抑制されない植物を作製するためのキットであって、項４に記載の組換えベクターを含有することを特徴とする、キット。
本発明のトランスジェニック植物は、根の伸長が促進されることから、水分が少ない環境下でも野生株に比べ良好に成長できる。
また、本発明のトランスジェニック植物は、高浸透圧条件下でも、根の伸長が抑制されないので、乾燥土壌や高塩土壌等でも根が旺盛に伸長し、生育可能であるという利点がある。
野生種スイカ由来Ran遺伝子
本発明は、野生種スイカ由来のRan蛋白質をコードするポリヌクレオチド（以下、単に、「本発明Ran遺伝子」ということもある）を提供する。野生種スイカ由来のRanタンパク質は、植物体内で根の伸長を促進する作用があり、麦等の他の植物由来のRanタンパク質とは異なる特徴を有するものである。また、野生種スイカ由来のRanタンパク質は、植物体内で、高浸透圧ストレス下での根の伸長抑制を阻害する作用がある点も、特有の特徴であるといえる。
本発明は、野生種スイカ由来のRan蛋白質をコードするポリヌクレオチド（以下、単に、「本発明Ran遺伝子」ということもある）を提供する。野生種スイカ由来のRanタンパク質は、植物体内で根の伸長を促進する作用があり、麦等の他の植物由来のRanタンパク質とは異なる特徴を有するものである。また、野生種スイカ由来のRanタンパク質は、植物体内で、高浸透圧ストレス下での根の伸長抑制を阻害する作用がある点も、特有の特徴であるといえる。
本発明Ran遺伝子として、具体的には、以下の（a）又は（b）のDNAからなるポリヌクレオチドである：
（a）配列番号１又は２で表される塩基配列を含むDNA
（b）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA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、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するタンパク質をコードするDNA。
（a）配列番号１又は２で表される塩基配列を含むDNA
（b）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA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、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するタンパク質をコードするDNA。
ここで、上記(b)のDNAにおいて、ストリンジェントな条件とは、例えば、65℃で5×SSC溶液（１倍濃度のSSC溶液の組成は、150ｍＭ塩化ナトリウム、15ｍＭクエン酸ナトリウム）中でハイブリダイズさせ、更に0.1％のSDSを含有する0.5×SSC溶液で65℃で洗浄する条件を意味する。ストリンジェントな条件下でのハイブリダイゼーションの各操作は、「Molecular Cloning (Third Edition)」 (J. Sambrook & D. W. Russell, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001)に記載されている方法等、従来公知の方法で行うことができる。通常、温度が高いほど、塩濃度が低いほどストリンジェンシーは高くなる。
ストリンジェントな条件下でハイブリダイズするDNAは、通常、プローブとして使用するDNAの塩基配列と一定以上の相同性を有し、その相同性は、例えば60％以上、好ましくは80％以上、更に好ましくは90％以上、特に好ましくは95％以上である。なお、配列番号１で表される塩基配列と配列番号２で表される塩基配列との相同性は、79％（GENETYX-MAC Ver.13、株式会社 ゼネティックスを用いて算出）である。塩基配列の相同性は、市販の又は電気通信回線（インターネット）を通じて利用可能な解析ツールを用いて算出することができる。具体的には、BLAST（J.Mol.Biol., 215, 403-410, 1990）の解析ソフトを用いて計算される。塩基配列の相同性に関する検索は、例えば、DNA Database of Japan(DDBJ)(http://www.ddbj.nig.ac.jp/)；Genebank(http://www.ncbi.nlm. nih.gov/web/Genebank/Index.htlm)；及びthe European Molecular Biology Laboratory Nucleic Acid Sequence Database (EMBL) (http://www.ebi.ac.uk/ebi docs/embl db.html)等のDNA配列に関するデータベースを使用して行うことができる。
上記(b)のDNAにおいて、該DNAがコードするタンパク質の「植物の根に対して伸長を促進する活性」は、次のようにして確認することができる。即ち、まず、確認対象となるDNAを含む組換え発現ベクターを用いて、シロイヌナズナの形質転換体を得る。自家交配により、形質転換されたシロイヌナズナのT3種子を得る。当該T3種子を、2重量％のシュクロースを含むムラシゲ-スクーグ培地を用いて光照度100μmol/m2/s、明期16時間、暗期8時間、23℃の条件で栽培し、2週間後の植物体の主根長を測定する。形質転換していないシロイヌナズナを同条件で栽培し、2週間後の植物体の主根長を測定する。形質転換したシロイヌナズナの主根長が、形質転換されていないシロイヌナズナを同条件で栽培した場合の主根長に対して、1.1倍以上、好ましくは1.2倍以上、より好ましくは1.3倍以上、さらに好ましくは1.4倍以上、特に好ましくは1.5倍以上である場合、そのDNAにコードされるタンパク質は「植物の根に対して伸長を促進する活性」を有するものとする。
また、上記(b)のDNAにおいて、該DNAがコードするタンパク質の「植物の根に対して高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性」は、次のようにして確認することができる。即ち、まず、確認対象となるDNAを含む組換え発現ベクターを用いて、シロイヌナズナの形質転換体を得る。自家交配により、形質転換されたシロイヌナズナのT3種子を得る。当該T3種子を、1/2強度のムラシゲ-スクーグ培地を用いて光照度100μmol/m2/s、明期24時間、23℃の条件で3日間栽培する。次いで、これを5重量％のポリエチレングリコール6000を含む1/2強度のムラシゲ-スクーグ培地に移植して明期24時間、23℃の条件で栽培し、4日後の植物体の主根長を測定する。また、ポリエチレングリコールを含まない1/2強度のムラシゲ-スクーグ培地を使用して同条件で栽培して、植物体の主根長を測定する。ポリエチレングリコールを含む培地で栽培したシロイヌナズナの主根長が、ポリエチレングリコールを含まない培地で栽培した場合の主根長に対して、0.85倍以上、好ましくは0.9倍以上、更に好ましくは0.95倍以上である場合、そのDNAにコードされるタンパク質は「植物の根に対して高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性」を有するものとする。
また、別の態様として、本発明Ran遺伝子としては、以下の（c）、（d）又は（e）のいずれかのポリペプチドをコードするポリヌクレオチドが挙げられる：
（c）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列からなるポリペプチド
（d）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列において1又は数個のアミノ酸が置換、欠失、若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するポリペプチド
（e）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列と70％以上の相同性を有し、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するポリペプチド。
（c）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列からなるポリペプチド
（d）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列において1又は数個のアミノ酸が置換、欠失、若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するポリペプチド
（e）配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列と70％以上の相同性を有し、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するポリペプチド。
配列番号３で表されるアミノ酸配列は、配列番号１で表される塩基配列のオープンリーディングフレーム(ORF)がコードしているアミノ酸配列に相当しており、また、配列番号４で表されるアミノ酸配列は、配列番号２で表される塩基配列のORFがコードしているアミノ酸配列に相当している。
上記(d)のペプチドにおいて、「１個または数個」の範囲は特に限定されないが、例えば1〜40個、好ましくは1〜20個、より好ましくは1〜12個、更に好ましくは1〜9個、特に好ましくは1〜5個を意味する。
また、上記(d)のペプチドにおけるアミノ酸の置換において、類似アミノ酸による置換は、ポリペプチドの表現型に変化をもたらさないこと、即ち保存的アミノ酸置換であることが予測されるため好適である。例えば、類似アミノ酸としては、以下のようにグループ分けができ、保存的アミノ酸置換の具体例は当該技術分野で周知である（Science, 247： 1306-1310 (1990)参照）。
芳香族アミノ酸：Phe、Trp、Tyr
脂肪族アミノ酸：Ala、Leu、Ile、Va
極性アミノ酸：Gln、Asn
塩基性アミノ酸：Lys、Arg、His
酸性アミノ酸：Glu、Asp
水酸基を有するアミノ酸：Ser、Thr
側鎖の小さいアミノ酸：Gly、Ala、Ser、Thr、Met
芳香族アミノ酸：Phe、Trp、Tyr
脂肪族アミノ酸：Ala、Leu、Ile、Va
極性アミノ酸：Gln、Asn
塩基性アミノ酸：Lys、Arg、His
酸性アミノ酸：Glu、Asp
水酸基を有するアミノ酸：Ser、Thr
側鎖の小さいアミノ酸：Gly、Ala、Ser、Thr、Met
特定のアミノ酸配列において、1又は数個のアミノ酸が置換、欠失、若しくは付加させる技術は公知であり、上記(d)のポリペプチドをコードするポリヌクレオチドの製造も、市販のキット等を用いて公知の方法に従って実施される。
上記(e)のポリペプチドにおいて、配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列との相同性としては、70％以上、好ましくは90％以上、特に好ましくは95％以上であることが望ましい。なお、配列番号３で表されるアミノ酸配列と配列番号４で表されるアミノ酸配列との相同性は、95％（GENETYX-MAC Ver.13、株式会社 ゼネティックスを用いて算出）である。なお、本明細書において、アミノ酸配列の相同性を示す「％」は、２つのアミノ酸配列を比較した際に両アミノ酸配列が同一である比率、即ちアミノ酸配列の同一性を示す割合（％）を意味する。
特に、上記(e)のポリペプチドにおいて、上記の所望の活性を備えさせるという観点からは、配列番号３に示されるアミノ酸配列において、第181−221位の領域の相同性が、80％以上、好ましくは85％以上であることが望ましい。なお、当該領域において、配列番号３で表されるアミノ酸配列と配列番号４で表されるアミノ酸配列との相同性は、88％である。
アミノ酸配列の相同性は、市販の又は電気通信回線（インターネット）を通じて利用可能な解析ツールを用いて算出することができる。具体的には、BLAST（J.Mol.Biol., 215, 403-410, 1990）の解析ソフトを用いて計算される。アミノ酸配列の相同性に関する検索は、例えば、SWISS-PROT（http://www.ebi.ac.uk/swissprot/）；及びPIR（http://pir.georgetown.edu/）；等のタンパク質のアミノ酸配列に関するデータベース；DNA配列を元にした予想アミノ酸配列に関するデータベースなどを使用して行うことができる。
また、上記(d)及び(e)のポリペプチドにおいて規定される「植物の根に対して伸長を促進する活性」及び「植物の根に対して高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性」は、上記(b)のDNAの場合と同様の方法で確認される。
本発明Ran遺伝子は、野生種スイカ由来の組織から常法に従って調製した全mRNAを鋳型として、本発明Ran遺伝子の全長を増幅可能なように設計したプライマーを用いて、RT-PCR法により取得することができる。また、本発明Ran遺伝子は、野生種スイカ由来のcDNAライブラリーを鋳型として、本発明Ran遺伝子の全長を増幅可能なように設計したプライマーを用いてPCR法により取得することもできる。
PCR法による本発明Ran遺伝子の増幅は、鋳型となるポリヌクレオチド、PCRバッファー、プライマーセット（フォワードプライマー及びリバースプライマー）、dNTP mixture（デオキシヌクレオシド三リン酸の混合物）、及びDNAポリメラーゼを含む反応液中で、温度の上下のサイクルを繰り返すことによって実施される。フォワードプライマー及びリバースプライマーは、例えば、本発明Ran遺伝子の５’末端又はその周辺及び３’末端又はその周辺に位置する任意の約１０〜５０ｂｐのヌクレオチド配列に基づき設計され、常法に従って合成される。増幅させる配列が開始コドンを含んでいない場合、開始コドンをin-frameで含むようにフォワードプライマーを設計するか、後述の発現ベクターにin-frameで開始コドンを導入しておく。PCRバッファーは、使用するDNAポリメラーゼ等に応じて適宜選択され、市販品を用いることができる。dNTP mixture及びDNAポリメラーゼについても、市販品を用いることができる。PCRの反応は、慣用的な手順に従うか又はDNAポリメラーゼの指示書に従って行うことができ、必要に応じて反応温度、反応時間、反応サイクル、反応組成等を適宜変更して実施することもできる。
本発明Ran遺伝子は、植物体内に導入されて発現することにより、根の伸長促進効果を奏するので、根伸長促進剤として有用である。また、本発明のRan遺伝子は、植物体内に導入されて発現することにより、高浸透圧ストレス条件下で生じる根の伸長抑制を阻害することができるので、高浸透圧ストレス条件下における根の生育助剤としても有用である。
野生種スイカ由来Ranタンパク質
本発明のポリペプチドは、本発明Ran遺伝子によりコードされているRanタンパク質に相当し、具体的には、上記(c)〜(e)のポリペプチドである。本発明のポリペプチドは、植物体内で根の伸長を促進する作用を発揮するので、根伸長促進剤として有用である。また、本発明のポリペプチドは、植物体内で、高浸透圧ストレス条件下で生じる根の伸長抑制を阻害する作用を発揮するので、高浸透圧ストレス条件下における根の生育助剤としても有用である。本発明のポリペプチドを植物体内で発現させるには、本発明Ran遺伝子を用いて調製した組換えベクターを使用して、植物を形質転換する方法が好適である。
本発明のポリペプチドは、本発明Ran遺伝子によりコードされているRanタンパク質に相当し、具体的には、上記(c)〜(e)のポリペプチドである。本発明のポリペプチドは、植物体内で根の伸長を促進する作用を発揮するので、根伸長促進剤として有用である。また、本発明のポリペプチドは、植物体内で、高浸透圧ストレス条件下で生じる根の伸長抑制を阻害する作用を発揮するので、高浸透圧ストレス条件下における根の生育助剤としても有用である。本発明のポリペプチドを植物体内で発現させるには、本発明Ran遺伝子を用いて調製した組換えベクターを使用して、植物を形質転換する方法が好適である。
組換えベクター
本発明の組換えベクターは、植物細胞形質転換用ベクターに本発明Ran遺伝子を挿入することにより得ることができる。植物細胞形質転換用ベクターとしては、植物細胞に遺伝子を導入しうる限り特に限定されないが、例えば、Tiプラスミド由来のpBI101, pBI121, pBI122（クロンテク社製）PBE2113-GUS（独立行政法人農業生物資源研究所製）等や、直接導入用ベクターとしては、pUC19等が用いられる。また、植物ウイルス由来のベクター、例えば、ジェミニウイルス由来のウイルスベクター（WDV等）、RNAウイルス由来のウイルスベクター（タバコモザイクウイルス、キュウリモザイクウイルス、ポティウイルス由来のウイルスベクター等）を用いてもよい。更に、ベクターから切り出した機能しうるDNA断片を植物細胞中に直接導入したり、プロモーター、ポリAのいずれかまたは両方を持たないDNA断片を直接植物ゲノムに組み込み、内在性のプロモーターやポリAシグナルにより転写制御することも可能である。
本発明の組換えベクターは、植物細胞形質転換用ベクターに本発明Ran遺伝子を挿入することにより得ることができる。植物細胞形質転換用ベクターとしては、植物細胞に遺伝子を導入しうる限り特に限定されないが、例えば、Tiプラスミド由来のpBI101, pBI121, pBI122（クロンテク社製）PBE2113-GUS（独立行政法人農業生物資源研究所製）等や、直接導入用ベクターとしては、pUC19等が用いられる。また、植物ウイルス由来のベクター、例えば、ジェミニウイルス由来のウイルスベクター（WDV等）、RNAウイルス由来のウイルスベクター（タバコモザイクウイルス、キュウリモザイクウイルス、ポティウイルス由来のウイルスベクター等）を用いてもよい。更に、ベクターから切り出した機能しうるDNA断片を植物細胞中に直接導入したり、プロモーター、ポリAのいずれかまたは両方を持たないDNA断片を直接植物ゲノムに組み込み、内在性のプロモーターやポリAシグナルにより転写制御することも可能である。
植物細胞形質転換用ベクターに本発明Ran遺伝子を挿入するには、例えば、PCRによって増幅された本発明Ran遺伝子の5’-末端を、直接又は適当な配列（例えば制限酵素認識部位等）を介して、植物細胞中で機能するプロモーターの3’-側下流に、機能し得るように連結すればよい。
また、本発明のベクターには、プロモーター及び本発明Ran遺伝子以外に、ターミネーター、エンハンサー、選択マーカー遺伝子等が含まれていてもよい。
なお、植物細胞の選択マーカー遺伝子としては、例えば、抗生物質耐性を与える、カナマイシンフォスフォトランスフェラーゼ遺伝子、ハイグロマイシンフォスフォトランスフェラーゼ遺伝子等；除草剤耐性を与える、アセト酪酸合成酵素遺伝子；メソトレキセート（ＭＴＸ）耐性を与えるジヒドロ葉酸還元酵素遺伝子等が好適に用いられるがこれらに限られない。
本発明Ran遺伝子による植物の形質転換
本発明の組換えベクターを目的の宿主植物に導入することによって、根の伸長が促進されたトランスジェニック植物を作製することができる。
本発明の組換えベクターを目的の宿主植物に導入することによって、根の伸長が促進されたトランスジェニック植物を作製することができる。
宿主植物の形態及び導入部位については、植物培養細胞；カルス；プロトプラスト；栽培植物の植物体全体；葉、花弁、茎、根、根茎、種子等の植物器官；及び表皮、師部、柔組織、木部、維管束等の植物組織のいずれを使用してもよい。
また、宿主植物は、イネ、コムギ、オオムギ、トウモロコシ、ソルガム、ヤシ、サトイモ、パイナップル、ユリ、ラン、ショウガ等の単子葉植物であってもよく、また、トマト、マメ、ジャガイモ、サツマイモ、ヒマワリ、タバコ、キュウリ、キャベツ、レタス、キャッサバ、ヤナギ、クルミ、ブナ、バラ、ツバキ、ツツジ、ナス、ゴマ、ウリ、キク等の双子葉植物であってもよい。更には、トクサ、イワヒバ、ヒゲノカズラ、ワラビ、ゼンマイ等のシダ植物であってもよい。これらの中でも、好ましくは、イネ、コムギ、オオムギ、トウモロコシ、ソルガム、サトイモ、トマト、マメ、ジャガイモ、サツマイモ、ヒマワリ、ナス、ウリが例示される。
本発明Ran遺伝子の宿主植物への導入は、アグロバクテリウム（Agrobacterium）属細菌を用いる方法、エレクトロポレーション法、パーティクルガン法、マイクロインジェクション法等の方法により実施される。これらの中でも、アグロバクテリウム属細菌を用いる方法が好ましい。
アグロバクテリウム属細菌を用いる方法は、周知であり、例えば、本発明の組換えベクターが導入されたアグロバクテリウム細菌を植物細胞又は切片に感染させることによって実施される（例えば、Proc.Natl.Acad.Sci.USA., 94, 2117-2121参照）。
本発明Ran遺伝子の宿主植物への導入後、本発明Ran遺伝子が導入された植物細胞を選択し、当該細胞からカルス状の組織を形成させ、次いで、当該カルス状の組織から芽が出現した段階で発根培地に移植することにより、植物体を得ることができる。
本発明Ran遺伝子が導入された植物細胞を選択し、当該植物細胞から芽が出現したカルス状の組織を形成させるには、例えば、以下の培養条件を採用することが好ましい。即ち、上記Ran遺伝子が導入された植物細胞又は切片を、導入された選抜マーカー遺伝子の種類に応じた適当な選抜用薬剤の存在下で、適量のスクロースを含むムラシゲ-スクーグ培地等の寒天培地上で、約4〜50℃、好ましくは約15〜37℃、更に好ましくは約22〜30℃の温度条件下で、約3〜180日、好ましくは約7〜90日、更に好ましくは約14〜60日培養する。培養の最適温度は植物毎に培養実験によって定めることができる。また、植物の種類によっては、上記日数よりも長期間の培養が必要なものもある。
斯くして得られた芽を、4μMインドール酪酸を含むムラシゲ-スクーグ培地等の公知の発根培地に移植し、例えば、約3〜180日、好ましくは約7〜90日、更に好ましくは約14〜60日培養することにより植物体にする。こうして得られた植物体は、必要に応じて、バーミキュライト又は土に移植して育てることもできる。本発明のトランスジェニック植物は、本発明Ran遺伝子のDNA断片をプローブとして用いたノーザン法で検定することによって、本発明Ran遺伝子が強く発現しているトランスジェニック植物を選抜することができる。
また、本発明Ran遺伝子を導入したトランスジェニック植物及びその次世代に本発明Ran遺伝子が組み込まれていることは、これらの細胞又は組織のゲノムDNAから、PCR法又はサザン分析法等により、導入した本発明Ran遺伝子を検出することにより確認できる。
斯くして作製される本発明のトランスジェニック植物は、根の伸長、特に、主根の伸長が促進されている。植物の根の伸長促進は、生育能の向上、乾燥環境に対する耐性、土壌からの栄養補給能の増強等の有用効果を植物に付与できるので、農作物や植林木に、本発明のトランスジェニック植物を応用することの有益性は高い。また、本発明のトランスジェニック植物は、高浸透圧ストレス下においても根の伸長が抑制されず、高浸透圧ストレス下での生育能に優れているので、乾燥土壌や高塩土壌等の環境で栽培される農作物や植林木としての有用性も高い。
なお、発明のトランスジェニック植物には、植物体全体（全樹）に限らず、個々の細胞、そのカルス、種子、植物組織、葉、茎、根、花、果実、繊維等が含まれる。更にその子孫、及び種内又は種間交雑による後代植物も、本発明のトランスジェニック植物に含まれる。
植物根の伸長促進方法
また本発明は、本発明Ran遺伝子を植物に導入、発現させることを特徴とする植物根の伸長促進方法を提供する。本発明では、本発明Ran遺伝子を上記の如く植物に導入することにより、当該植物の根、特に主根の伸長を促進することができる。このように、植物の根の伸長を促進することは、土壌からの栄養及び水分の補給能を向上させることになり、農作物の乾燥耐性向上、その増産や、植林木の生長促進に有効である。また、根の発達は、樹木の林立強度を増大させ、防風林、環境保全林の育成及び維持に有効である。
また本発明は、本発明Ran遺伝子を植物に導入、発現させることを特徴とする植物根の伸長促進方法を提供する。本発明では、本発明Ran遺伝子を上記の如く植物に導入することにより、当該植物の根、特に主根の伸長を促進することができる。このように、植物の根の伸長を促進することは、土壌からの栄養及び水分の補給能を向上させることになり、農作物の乾燥耐性向上、その増産や、植林木の生長促進に有効である。また、根の発達は、樹木の林立強度を増大させ、防風林、環境保全林の育成及び維持に有効である。
高浸透圧ストレス条件下での植物根伸長抑制を阻害する方法
更に、本発明は、本発明Ran遺伝子を植物に導入、発現させることを特徴とする高浸透圧ストレス下での植物根の伸長抑制を阻害する方法を提供する。本発明では、本発明Ran遺伝子を上記の如く植物に導入することにより、高浸透圧ストレス条件下で生じる根の伸長抑制を阻害することができる。当該方法は、乾燥土壌や高塩土壌等でも根が旺盛に伸長できるので、高浸透圧ストレス環境に晒される植物に対して好適に適用される。
更に、本発明は、本発明Ran遺伝子を植物に導入、発現させることを特徴とする高浸透圧ストレス下での植物根の伸長抑制を阻害する方法を提供する。本発明では、本発明Ran遺伝子を上記の如く植物に導入することにより、高浸透圧ストレス条件下で生じる根の伸長抑制を阻害することができる。当該方法は、乾燥土壌や高塩土壌等でも根が旺盛に伸長できるので、高浸透圧ストレス環境に晒される植物に対して好適に適用される。
根の伸長が促進された植物、又は高浸透圧ストレス下においても根の伸長能が抑制されていない植物の作製用キット
本発明のキットは、根の伸長が促進された植物、又は高浸透圧ストレス下においても根の伸長能が抑制されない植物を生産するために使用されるものである。当該キットは、本発明の組換えベクターを含むことを特徴とするものであり、必要に応じて、当該組換えベクターを植物細胞に導入するための試薬及び手順書等を含んでいてもよい。
本発明のキットは、根の伸長が促進された植物、又は高浸透圧ストレス下においても根の伸長能が抑制されない植物を生産するために使用されるものである。当該キットは、本発明の組換えベクターを含むことを特徴とするものであり、必要に応じて、当該組換えベクターを植物細胞に導入するための試薬及び手順書等を含んでいてもよい。
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に制限されるものではない。
参考例１ 乾燥ストレスにより、野生種スイカの根由来タンパク質の発現に与える影響の解析
野生種スイカに乾燥ストレスを負荷し、乾燥ストレス負荷前後で野生種スイカの根において発現するンパク質の種類及び量を解析することにより、乾燥ストレス下での生育に関連するタンパク質の検出、同定を行った。具体的には、以下の方法に従って試験を実施した。
参考例１ 乾燥ストレスにより、野生種スイカの根由来タンパク質の発現に与える影響の解析
野生種スイカに乾燥ストレスを負荷し、乾燥ストレス負荷前後で野生種スイカの根において発現するンパク質の種類及び量を解析することにより、乾燥ストレス下での生育に関連するタンパク質の検出、同定を行った。具体的には、以下の方法に従って試験を実施した。
１．野生種スイカの栽培
ボツワナ共和国カラハリ砂漠原産の野生種スイカ（Citrullus lanatus sp. No. 101117-1：鳥取県園芸試験場保存）の種を、蒸留水に浸潤し、37℃で約20時間インキュベートした。人工用土イソライト（粒径：2 mm, イソライト工業株式会社）をペーパーポット（750ml）に入れ、浸潤処理した種を播種した。これを人工気象機（明期：気温35℃、湿度50％、光強度700μmol photons m-2 s-1、16時間、暗期：気温25℃、湿度60％、8時間）（強光条件）中で、第4葉が完全展開するまで（約20日間）毎日潅水（約125ml／ポット）し栽培した。潅水用の水は2,000倍希釈した液体肥料（HYPONex；N:P:K=6:10:5；株式会社ハイポネックスジャパン製）を用いた。第4葉完全展開後に潅水を停止することで乾燥ストレスを付与し、0、1、3日後の根を回収した。
ボツワナ共和国カラハリ砂漠原産の野生種スイカ（Citrullus lanatus sp. No. 101117-1：鳥取県園芸試験場保存）の種を、蒸留水に浸潤し、37℃で約20時間インキュベートした。人工用土イソライト（粒径：2 mm, イソライト工業株式会社）をペーパーポット（750ml）に入れ、浸潤処理した種を播種した。これを人工気象機（明期：気温35℃、湿度50％、光強度700μmol photons m-2 s-1、16時間、暗期：気温25℃、湿度60％、8時間）（強光条件）中で、第4葉が完全展開するまで（約20日間）毎日潅水（約125ml／ポット）し栽培した。潅水用の水は2,000倍希釈した液体肥料（HYPONex；N:P:K=6:10:5；株式会社ハイポネックスジャパン製）を用いた。第4葉完全展開後に潅水を停止することで乾燥ストレスを付与し、0、1、3日後の根を回収した。
２．野生種スイカの根の可溶性タンパク質抽出
−80℃に保存した乾燥ストレス付与0日目、1日目、３日目の野生種スイカの根（各3〜4個体、約2.5g前後）を液体窒素の入った乳鉢で粉末状になるまですり潰した。約50mlの破砕用緩衝液（61.5mM K2HPO4、38.5mM KH2PO4、pH7.0、2mM MgCl2、10mM NaCl、1mM EDTA、10mM β-ME、1mM PMSF）を加えて更に擦り潰し、４重のガーゼ（スズラン株式会社）で濾過した。得られた抽出液を50ml容遠心管に分注し、遠心分離（2,000×g、4℃、10秒）を行い、夾雑物や未破砕細胞等を除いた。上清を新たな50ml容遠心管に移し、超遠心分離（100,000×g、4℃、1時間）を行った。その後、上清（可溶性画分）は別の50ml容チューブへ移し、等量のTCAを加えて氷上で30分間静置した。この溶液を遠心分離（15,000×g、4℃、15分間）して上清を除いた後、沈殿を100％アセトンに懸濁し、遠心分離（15,000×g、4℃、15分間）後、上清を除いて、アセトン沈殿を得た。
−80℃に保存した乾燥ストレス付与0日目、1日目、３日目の野生種スイカの根（各3〜4個体、約2.5g前後）を液体窒素の入った乳鉢で粉末状になるまですり潰した。約50mlの破砕用緩衝液（61.5mM K2HPO4、38.5mM KH2PO4、pH7.0、2mM MgCl2、10mM NaCl、1mM EDTA、10mM β-ME、1mM PMSF）を加えて更に擦り潰し、４重のガーゼ（スズラン株式会社）で濾過した。得られた抽出液を50ml容遠心管に分注し、遠心分離（2,000×g、4℃、10秒）を行い、夾雑物や未破砕細胞等を除いた。上清を新たな50ml容遠心管に移し、超遠心分離（100,000×g、4℃、1時間）を行った。その後、上清（可溶性画分）は別の50ml容チューブへ移し、等量のTCAを加えて氷上で30分間静置した。この溶液を遠心分離（15,000×g、4℃、15分間）して上清を除いた後、沈殿を100％アセトンに懸濁し、遠心分離（15,000×g、4℃、15分間）後、上清を除いて、アセトン沈殿を得た。
３．二次元電気泳動による可溶性タンパク質の分画
３−１．サンプル調製
上記で得られたアセトン沈殿を2-DE用緩衝液（7M urea,、2M thiourea、4重量% CHAPS、0.5%(v/v) Triton X-100、0.5%(v/v) Immobiline pH Gradient buffer: pH4−7 (Amersham Pharmacia Science社)、100 mM DTT）で溶解した。室温で30分間撹拌後、遠心分離（15,000×g、4℃、１時間、室温）し、上清を二次元電気泳動のサンプルとした。得られたサンプルは分注後、−80℃で保存した。2-DE用緩衝液に溶解したタンパク質は、2-D Quant Kit(Amersham Pharmacia Science社)を用いて定量した。
上記で得られたアセトン沈殿を2-DE用緩衝液（7M urea,、2M thiourea、4重量% CHAPS、0.5%(v/v) Triton X-100、0.5%(v/v) Immobiline pH Gradient buffer: pH4−7 (Amersham Pharmacia Science社)、100 mM DTT）で溶解した。室温で30分間撹拌後、遠心分離（15,000×g、4℃、１時間、室温）し、上清を二次元電気泳動のサンプルとした。得られたサンプルは分注後、−80℃で保存した。2-DE用緩衝液に溶解したタンパク質は、2-D Quant Kit(Amersham Pharmacia Science社)を用いて定量した。
３−２．ゲルの膨潤
24 cm Dry Strip gel用の膨潤トレイ( Amersham Pharmacia Science社)を水平に置き、1レーンにつきタンパク質サンプルを含む450 μlの膨潤用溶液（2-DE用緩衝液と同組成）を塗り込んだ。また、11cm用の膨潤トレイの場合は、1レーンにつき240 μlの膨潤用溶液を同様に塗り込んだ。Immobiline Dry Strip: 24cm、pH 4−7 (Amersham Pharmacia Science社)のフィルムを剥がしてゲル面を下にして空気が入らないようにトレイに置き、水分蒸発と尿素析出を防止する為に1レーンにつき1.5〜3mlのシリコンオイル：KF-96-1.5CS（信越化学工業株式会社）で覆った。その後、14〜20時間静置（４℃）してゲルを膨潤させた。
24 cm Dry Strip gel用の膨潤トレイ( Amersham Pharmacia Science社)を水平に置き、1レーンにつきタンパク質サンプルを含む450 μlの膨潤用溶液（2-DE用緩衝液と同組成）を塗り込んだ。また、11cm用の膨潤トレイの場合は、1レーンにつき240 μlの膨潤用溶液を同様に塗り込んだ。Immobiline Dry Strip: 24cm、pH 4−7 (Amersham Pharmacia Science社)のフィルムを剥がしてゲル面を下にして空気が入らないようにトレイに置き、水分蒸発と尿素析出を防止する為に1レーンにつき1.5〜3mlのシリコンオイル：KF-96-1.5CS（信越化学工業株式会社）で覆った。その後、14〜20時間静置（４℃）してゲルを膨潤させた。
３−３．固定化pH等電点電気泳動（IEF）
一次元目の泳動はAmersham Pharmacia Science社のMultiphorTMIIを使用した。膨潤済みのstrip gelを泳動層にセットし、ゲルの乾燥を防ぐためにシリコンオイルを泳動トレイに充填した。泳動条件は、step 1: 500V gradient, 2mA, 5 W, 1 min, 15℃；step 2: 500V, 2mA, 5W, 4 hr, 15℃；step 3: 3500V gradient, 2mA, 5W, 8 hr, 15℃；step 4: 3500V, 2mA, 5W, 40hr以上とした。
一次元目の泳動はAmersham Pharmacia Science社のMultiphorTMIIを使用した。膨潤済みのstrip gelを泳動層にセットし、ゲルの乾燥を防ぐためにシリコンオイルを泳動トレイに充填した。泳動条件は、step 1: 500V gradient, 2mA, 5 W, 1 min, 15℃；step 2: 500V, 2mA, 5W, 4 hr, 15℃；step 3: 3500V gradient, 2mA, 5W, 8 hr, 15℃；step 4: 3500V, 2mA, 5W, 40hr以上とした。
３−４．平衡化
等電点電気泳動終了後、strip gel一本につき10 mlの一次平衡化緩衝液[ 50mM Tris-HCl (pH8.8), 6M urea, 30%(w/v) glycerol, 2%(v/v) SDS, 65mM DTT]中で室温15分振とうした。一次平衡化緩衝液を除去し、10mlの二次平衡化緩衝液[50mM Tris-HCl(pH8.8), 6M urea, 30%(w/v) glycerol, 2%(v/v) SDS, 135mM idoasetamide]を入れて、アルミホイルで遮光して室温15分振とうした。平衡化後、strip gelにelectrode buffer (25mM Tris-HCl (pH8.8), 190mM glycine, 3.5mM SDS)を加え、平衡化バッファーを洗い流した。
等電点電気泳動終了後、strip gel一本につき10 mlの一次平衡化緩衝液[ 50mM Tris-HCl (pH8.8), 6M urea, 30%(w/v) glycerol, 2%(v/v) SDS, 65mM DTT]中で室温15分振とうした。一次平衡化緩衝液を除去し、10mlの二次平衡化緩衝液[50mM Tris-HCl(pH8.8), 6M urea, 30%(w/v) glycerol, 2%(v/v) SDS, 135mM idoasetamide]を入れて、アルミホイルで遮光して室温15分振とうした。平衡化後、strip gelにelectrode buffer (25mM Tris-HCl (pH8.8), 190mM glycine, 3.5mM SDS)を加え、平衡化バッファーを洗い流した。
３−５．SDS-PAGE
二次元目の電気泳動はEttan Daltsix Electrophoresis System（Amersham Pharmacia Science社）を用いて行った。アクリルアミドゲル溶液（以下は終濃度［30% acrylamide, 0.8% N,N,-methylenebisacrylamide］, 1.5M Tris-HCl (pH 8.8), 10% SDS, 10% APS, 10% TEMED）をEttan Daltsix Gel Casterにセットしたカセットに流し込み、ゲル上部に水飽和ブタノールを適量添加してゲル界面が平らになるように調整した。ゲルは最低20時間４℃で静置し、完全に重合させた。
二次元目の電気泳動はEttan Daltsix Electrophoresis System（Amersham Pharmacia Science社）を用いて行った。アクリルアミドゲル溶液（以下は終濃度［30% acrylamide, 0.8% N,N,-methylenebisacrylamide］, 1.5M Tris-HCl (pH 8.8), 10% SDS, 10% APS, 10% TEMED）をEttan Daltsix Gel Casterにセットしたカセットに流し込み、ゲル上部に水飽和ブタノールを適量添加してゲル界面が平らになるように調整した。ゲルは最低20時間４℃で静置し、完全に重合させた。
平衡化したstrip gelを作製したゲルの上部に設置し、100℃で溶解した封入用アガロースゲル（electrode bufferに0.5％アガロースと適量のBlomophenol Blueを含有）を70℃程度まで冷却後流し込み、strip gelを固定した。次いで、Ettan Daltsixの下部バッファーチャンバーを1×electrode buffer（約4L）で満たし、あらかじめ恒温循環装置でチャンバー内を10℃に冷却しておいた。下部チャンバー内にstrip gelをセットしたゲルを設置した後、上部バッファーチャンバーを上から差し込み、上部チャンバー内に2×electrode buffer（約800mL）を下部チャンバー内の水位と合わせるように注いだ。電気泳動はMultiphorTMII（Amersham Pharmacia Science社）を用いて、step1: 600V, 400mA, 2.5W/gel, 30 min； step2: 600V, 400mA, 100W, 3.5〜5hrsの条件下で行った。
３−６．ゲルの染色
ゲルの染色にはColloidal Blue Staining Kit（Invitrogen社）を使用した。ゲル1枚につき100 mlの染色液を使用した。染色および脱色は室温でそれぞれ40時間以上、及び超純水で24時間以上振とうした。
ゲルの染色にはColloidal Blue Staining Kit（Invitrogen社）を使用した。ゲル1枚につき100 mlの染色液を使用した。染色および脱色は室温でそれぞれ40時間以上、及び超純水で24時間以上振とうした。
３−７．HT analyzerによるタンパク質スポットの定量
ゲルの全体像はProPic（Genomic Solutions社）を用いて撮影し、HT Analyzer（Genomic Solutions社）によりタンパク質スポットの検出及び定量を行った。スポットの誤認識を防ぐために、目視により乾燥ストレス負荷後0、1、3日目の二次元電気泳動像を比較し補正することで、乾燥ストレス付与後経時的にタンパク質スポットの強度が増加しているスポットをHT Analyzerで検出した。乾燥ストレス負荷3日後の野生種スイカの根に発現しているタンパク質についての二次元電気泳動像を図１に示す。なお、スポット強度の定量には、ゲル間のタンパク質量や染色度合いの補正のために、ゲル間で強度変化のないスポットを10個程度選抜したものを用いた。さらに各スポット周辺のバックグラウンドは、HT Analyzerにより自動補正した。
ゲルの全体像はProPic（Genomic Solutions社）を用いて撮影し、HT Analyzer（Genomic Solutions社）によりタンパク質スポットの検出及び定量を行った。スポットの誤認識を防ぐために、目視により乾燥ストレス負荷後0、1、3日目の二次元電気泳動像を比較し補正することで、乾燥ストレス付与後経時的にタンパク質スポットの強度が増加しているスポットをHT Analyzerで検出した。乾燥ストレス負荷3日後の野生種スイカの根に発現しているタンパク質についての二次元電気泳動像を図１に示す。なお、スポット強度の定量には、ゲル間のタンパク質量や染色度合いの補正のために、ゲル間で強度変化のないスポットを10個程度選抜したものを用いた。さらに各スポット周辺のバックグラウンドは、HT Analyzerにより自動補正した。
３−８．In-gel digestion法によるタンパク質のペプチド断片化
乾燥ストレス負荷により、強度の増加が認められた複数のタンパク質スポットを切り取りTPX遠心管に移した。アセトニトリル100μlを加え15分間振とうによりゲルを脱水後、遠心エバポレーター（30分間）でゲルを完全に乾燥させた。40μlの10mM DTT/100mM NH4HCO3を加えて45分間56℃でインキュベートし、タンパク質のジスルフィド結合をSH基に還元した。SH基の再酸化を防ぐために、溶液を除去後、40μlの55 mM ヨードアセトアミド（ICH2CONH2）/100mM NH4HCO3を加え、室温・暗所で30分間インキュベートし、アルキル化した。アセトニトリルでゲルを脱水した後、遠心エバポレーターでゲルを乾燥させ、40μlの12.5ng/μlトリプシン（MSグレード、プロメガ社）/50mM NH4HCO3を加え4℃で45分間インキュベートした。次いで、溶液を除き、100μlの50mM NH4HCO3でゲル片を洗浄し、再度20μlの50mM NH4HCO3を加え、37℃で16時間反応させトリプシン消化を行った。トリプシン消化後の溶液は新たなTPX遠心管に移した。ゲル片に10μlの25mM NH4HCO3を加えて10分間振とうし、20μlのアセトニトリルを加え更に10分間振とう後、上清をTPX遠心管に移した。ゲル片に5％ギ酸（Wako）を10μl加えて10分間振とうし、25μlアセトニトリルを加え、更に10分間振とう後、TPX遠心管に移した。この操作を2回繰り返した。完全に乾燥させると再懸濁が困難なため回収用遠心管の溶液が約20μlになるまで遠心エバポレーターで蒸発させ、最後に5μlのギ酸を加えた。
乾燥ストレス負荷により、強度の増加が認められた複数のタンパク質スポットを切り取りTPX遠心管に移した。アセトニトリル100μlを加え15分間振とうによりゲルを脱水後、遠心エバポレーター（30分間）でゲルを完全に乾燥させた。40μlの10mM DTT/100mM NH4HCO3を加えて45分間56℃でインキュベートし、タンパク質のジスルフィド結合をSH基に還元した。SH基の再酸化を防ぐために、溶液を除去後、40μlの55 mM ヨードアセトアミド（ICH2CONH2）/100mM NH4HCO3を加え、室温・暗所で30分間インキュベートし、アルキル化した。アセトニトリルでゲルを脱水した後、遠心エバポレーターでゲルを乾燥させ、40μlの12.5ng/μlトリプシン（MSグレード、プロメガ社）/50mM NH4HCO3を加え4℃で45分間インキュベートした。次いで、溶液を除き、100μlの50mM NH4HCO3でゲル片を洗浄し、再度20μlの50mM NH4HCO3を加え、37℃で16時間反応させトリプシン消化を行った。トリプシン消化後の溶液は新たなTPX遠心管に移した。ゲル片に10μlの25mM NH4HCO3を加えて10分間振とうし、20μlのアセトニトリルを加え更に10分間振とう後、上清をTPX遠心管に移した。ゲル片に5％ギ酸（Wako）を10μl加えて10分間振とうし、25μlアセトニトリルを加え、更に10分間振とう後、TPX遠心管に移した。この操作を2回繰り返した。完全に乾燥させると再懸濁が困難なため回収用遠心管の溶液が約20μlになるまで遠心エバポレーターで蒸発させ、最後に5μlのギ酸を加えた。
３−９．イオントラップ型液体クロマトグラフ／タンデム質量分析（LC-MS/MS）によるタンパク質の同定
上記で、トリプシン消化したペプチド断片は、イオントラップ型のliquid chromatography-tandem mass spectrometory（LC-MS/MS: LCQ-AdvantaseThermo Electron社）による質量分析により解析した。得られた質量分析データはMSCOT（Matrix Science社）によって植物を対象にNCBInr(National Center of Biotechnological Information)データベースの相同性検索を行った。
上記で、トリプシン消化したペプチド断片は、イオントラップ型のliquid chromatography-tandem mass spectrometory（LC-MS/MS: LCQ-AdvantaseThermo Electron社）による質量分析により解析した。得られた質量分析データはMSCOT（Matrix Science社）によって植物を対象にNCBInr(National Center of Biotechnological Information)データベースの相同性検索を行った。
その結果、乾燥ストレスを負荷後に根において発現量が著しく増大したタンパク質の１つとして、Ranタンパク質（CLRAN1：配列番号１、及びCLRAN２：配列番号２）が検出、同定された。この結果に基づいて、野生種由来のRan遺伝子に着目し、以下に示す試験を実施した。
実施例１ 野生種スイカ由来のRan遺伝子CLRAN1（DRIP-49）cDNAのクローニング
ボツワナ共和国カラハリ砂漠原産の野生種スイカ（Citrullus lanatus sp. No. 101117-1：鳥取県園芸試験場保存）の根から、TRizol（Invitorogen社）を用いて総RNAを抽出した。得られた総RNA 5μgからOligo(dT)プライマーを用いて1st strand cDNAを作製し、CLRAN1FL-F:5’- gataccttcctctcgcttt -3’（配列番号５）及びCLRAN1FL-R:5’- gcaaagagcatcatcaccac -3’（配列番号６）プライマーを用いて、RT-PCR法により目的cDNAを増幅させた。RT-PCRにはReverTra-Plus-TMKit(TOYOBO社)を用い、キットに付属のプロトコルに従って行なった。具体的には総RNA１μｇにOligo(dT)プライマー5μｌを加え、総量が12μlになるように調整した反応液を65℃で5分間処理後、氷中で急冷した。そこに5×RT buffer 4μl、10mＭ dNTPs 2μl、RNAse Inhibitor １μｌ、ReverTra Ace 1μlを加え、総量が20μlになるように調整し、42℃で60分、85℃ 5分の処理を行なった。この反応産物 2μlに10×PCRバッファー 5μl、KOD-Plus- 1μl、25ｍＭ ＭgＳＯ4 3μl、10ｍＭ dNTPs 1μlと、CLRAN1FL-FおよびCLRAN1FL-Rを各々15pmolずつ加え、総量が50μｌになるように調整し、94℃ 2分処理後、98℃ 10秒、55℃ 30秒、68℃ 1分のサイクルを30回繰り返す反応を行ない、cDNAを得た。得られたcDNA増幅断片は1%アガロースで泳動後、QIAquickGel Extraction Kit（QIAGEN社）を用いて精製し、pT7Blue-2 T-Vecter (Novagen社)にDNA Ligation Kit (TaKaRa社)を用いてクローニングした。DNA配列はBigDye Terminator Cycle Sequencing Kit（Applied Biosystems社）を用いて、ABI PRISMTM310 Genetic Analyzer（Applied Biosystems社）により確認した。その結果、野生種スイカ由来のRan遺伝子CLRAN1（DRIP-49）（全長666bp、配列番号１に示すポリヌクレオチド）がクローニングできたことが確認された。
ボツワナ共和国カラハリ砂漠原産の野生種スイカ（Citrullus lanatus sp. No. 101117-1：鳥取県園芸試験場保存）の根から、TRizol（Invitorogen社）を用いて総RNAを抽出した。得られた総RNA 5μgからOligo(dT)プライマーを用いて1st strand cDNAを作製し、CLRAN1FL-F:5’- gataccttcctctcgcttt -3’（配列番号５）及びCLRAN1FL-R:5’- gcaaagagcatcatcaccac -3’（配列番号６）プライマーを用いて、RT-PCR法により目的cDNAを増幅させた。RT-PCRにはReverTra-Plus-TMKit(TOYOBO社)を用い、キットに付属のプロトコルに従って行なった。具体的には総RNA１μｇにOligo(dT)プライマー5μｌを加え、総量が12μlになるように調整した反応液を65℃で5分間処理後、氷中で急冷した。そこに5×RT buffer 4μl、10mＭ dNTPs 2μl、RNAse Inhibitor １μｌ、ReverTra Ace 1μlを加え、総量が20μlになるように調整し、42℃で60分、85℃ 5分の処理を行なった。この反応産物 2μlに10×PCRバッファー 5μl、KOD-Plus- 1μl、25ｍＭ ＭgＳＯ4 3μl、10ｍＭ dNTPs 1μlと、CLRAN1FL-FおよびCLRAN1FL-Rを各々15pmolずつ加え、総量が50μｌになるように調整し、94℃ 2分処理後、98℃ 10秒、55℃ 30秒、68℃ 1分のサイクルを30回繰り返す反応を行ない、cDNAを得た。得られたcDNA増幅断片は1%アガロースで泳動後、QIAquickGel Extraction Kit（QIAGEN社）を用いて精製し、pT7Blue-2 T-Vecter (Novagen社)にDNA Ligation Kit (TaKaRa社)を用いてクローニングした。DNA配列はBigDye Terminator Cycle Sequencing Kit（Applied Biosystems社）を用いて、ABI PRISMTM310 Genetic Analyzer（Applied Biosystems社）により確認した。その結果、野生種スイカ由来のRan遺伝子CLRAN1（DRIP-49）（全長666bp、配列番号１に示すポリヌクレオチド）がクローニングできたことが確認された。
実施例２ 導入プラスミドの構築
上記実施例１で得られたCLRAN1（DRIP-49）全長cDNAから、CLRAN1-F: 5’-aaaaagcaggctccttttccaatggctt-3’（配列番号７）及びCLRAN1-R :5’-agaaagctgggttttttactcgaacgcg-3’（配列番号８）プライマーを用いて、666bpのORF全長をPCRにより増幅し、植物細胞形質転換用ベクターpGWB2のカリフラワーモザイクウイルス35Sプロモーターとノパリンシンターゼターミネーター間に、GATEWAYシステム（Invitrogen社）を用いた組み換え反応により導入し、CLRAN1（DRIP-49）導入プラスミドを構築した。
上記実施例１で得られたCLRAN1（DRIP-49）全長cDNAから、CLRAN1-F: 5’-aaaaagcaggctccttttccaatggctt-3’（配列番号７）及びCLRAN1-R :5’-agaaagctgggttttttactcgaacgcg-3’（配列番号８）プライマーを用いて、666bpのORF全長をPCRにより増幅し、植物細胞形質転換用ベクターpGWB2のカリフラワーモザイクウイルス35Sプロモーターとノパリンシンターゼターミネーター間に、GATEWAYシステム（Invitrogen社）を用いた組み換え反応により導入し、CLRAN1（DRIP-49）導入プラスミドを構築した。
実施例３ Ran遺伝子CLRAN1（DRIP-49）が導入された組換えシロイヌナズナへの作製
CLRAN1（DRIP-49）導入プラスミドはエレクトロポレーション法によりアグロバクテリ
ウム（Agrobacterium tumefaciens）EHA105株へ形質転換した。シロイヌナズナへの形質転換は、常法に従いアグロバクテリウムを用いた減圧浸潤法（細胞工学別冊 植物細胞工学シリーズ２１ 改許３版 モデル植物の実験プロトコール イネ・シロイヌナズナ・ミヤコグサ編、第４章４節「減圧浸潤法および花序浸し法によるシロイヌナズナの形質転換」、秀潤社、2005年４月５日、第３版第１刷発行）により行った。
CLRAN1（DRIP-49）導入プラスミドはエレクトロポレーション法によりアグロバクテリ
ウム（Agrobacterium tumefaciens）EHA105株へ形質転換した。シロイヌナズナへの形質転換は、常法に従いアグロバクテリウムを用いた減圧浸潤法（細胞工学別冊 植物細胞工学シリーズ２１ 改許３版 モデル植物の実験プロトコール イネ・シロイヌナズナ・ミヤコグサ編、第４章４節「減圧浸潤法および花序浸し法によるシロイヌナズナの形質転換」、秀潤社、2005年４月５日、第３版第１刷発行）により行った。
次いで、アグロバクテリウムを感染させたシロイヌナズナ（T0世代）は、ハイグロマイシン（100mg/l）、カナマイシン（50mg/l）、シュクロース（20g/l）を含むムラシゲ-スクーグ培地を用いて光照度50 micro/mol/m2/s、明期24時間、23℃で栽培し、選抜を行った。選抜した植物体は土壌（メトロミックス350；SunGro社製）に移植し、同条件下で栽培しT1種子を回収した。さらに、ノーザンブロッティング法により形質転換遺伝子由来のCLRAN1（DRIP-49）mRNAの発現を確認後、自家交配によりT3種子を回収した。
試験例１ 組換えシロイヌナズナの根の伸長の評価
上記実施例３で得られた６ラインのT3種子（RAN1-2、RAN1-3、RAN1-4、RAN1-6、RAN1-7、及びRAN1-9）を、2重量％のシュクロースを含むムラシゲ-スクーグ寒天培地を用いて、光照度100 μmol/m2/s、明期16時間、暗期8時間、23℃の条件下で２週間栽培した。2週間後に、植物体の主根長を測定した。また、コントロールとして、インサートを含まないベクターpGWB2で形質転換したシロイヌナズナのT3種子も同様に栽培し、植物体の主根長を測定した。
上記実施例３で得られた６ラインのT3種子（RAN1-2、RAN1-3、RAN1-4、RAN1-6、RAN1-7、及びRAN1-9）を、2重量％のシュクロースを含むムラシゲ-スクーグ寒天培地を用いて、光照度100 μmol/m2/s、明期16時間、暗期8時間、23℃の条件下で２週間栽培した。2週間後に、植物体の主根長を測定した。また、コントロールとして、インサートを含まないベクターpGWB2で形質転換したシロイヌナズナのT3種子も同様に栽培し、植物体の主根長を測定した。
得られた結果を図２及び３に示す。この結果から、野生種スイカ由来のRan遺伝子を植物体内で発現させた組換えシロイヌナズナは、主根の伸長が促進されていることが確認された。
試験例２ 高浸透圧ストレス下での組換えシロイヌナズナの根の伸長の評価
上記実施例３で得られた２ラインのT3種子（RAN1-6及びRAN1-11）を、シュクロースを含まない1/2強度のムラシゲ-スクーグ培地を用いて光照度100 μmol/m2/s、明期24時間、23℃で3日間栽培した。その後、5重量%ポリエチレングリコール6000を含む1/2強度のムラシゲ-スクーグ培地に移植し、23℃で4日間栽培後の主根長を測定した。なお、コントロールとしてはインサートを含まないベクターpGWB2で形質転換したシロイヌナズナのT3種子を用いた。
上記実施例３で得られた２ラインのT3種子（RAN1-6及びRAN1-11）を、シュクロースを含まない1/2強度のムラシゲ-スクーグ培地を用いて光照度100 μmol/m2/s、明期24時間、23℃で3日間栽培した。その後、5重量%ポリエチレングリコール6000を含む1/2強度のムラシゲ-スクーグ培地に移植し、23℃で4日間栽培後の主根長を測定した。なお、コントロールとしてはインサートを含まないベクターpGWB2で形質転換したシロイヌナズナのT3種子を用いた。
得られた結果を図４に示す。その結果、コントロール株では５重量％ポリエチレングリコール6000添加による浸透圧ストレスにより主根伸長が有意に阻害されたが、実施例３で得られた組換えシロイヌナズナでは２ラインとも全く影響は認められなかった。
Claims (12)
- 以下の（a）又は（b）のDNAからなるポリヌクレオチドで植物を形質転換する工程を含む、根の伸長が促進された植物の作製方法：
（a）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA
（b）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA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、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するタンパク質をコード
するDNA。 - 以下の（a）又は（b）のDNAからなるポリヌクレオチドを植物細胞に導入する工程を含む、高浸透圧ストレス下において根の伸長能が抑制されていない植物の作製方法：
（a）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA
（b）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA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、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するタンパク質をコードするDNA。 - 以下の（a）又は（b）のDNAからなるポリヌクレオチドを植物細胞に導入することを特徴とする、植物の根の伸長を促進させる方法：
（a）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA
（b）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA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、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するタンパク質をコードするDNA。 - 以下の（a）又は（b）のDNAからなるポリヌクレオチドの植物の根の伸長を促進させるための使用：
（a）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA
（b）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA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、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するタンパク質をコードするDNA。 - 以下の（a）又は（b）のDNAからなるポリヌクレオチドを植物に導入することを特徴とする、高浸透圧ストレス条件下での植物根伸長抑制を阻害する方法：
（a）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA
（b）配列番号１又は２で表される塩基配列からなるDNA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、且つ植物の根に対して、伸長を促進する活性又は高浸透圧ストレス下での伸長抑制を阻害する活性を有するタンパク質をコードするDNA。 - 配列番号１又は２で表される塩基配列からなるポリヌクレオチド。
- 配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードするポリヌクレオチド。
- 配列番号３又は４で表されるアミノ酸配列からなるポリペプチド。
- 請求項６又は７に記載のポリヌクレオチドを含む組換えベクター。
- 請求項６又は７に記載のポリヌクレオチドで形質転換されたトランスジェニック植物。
- 請求項６又は７に記載のポリヌクレオチドを含む、植物の根伸長促進剤。
- 根の伸長が促進された植物、又は高浸透圧ストレス下においても根の伸長能が抑制されない植物を作製するためのキットであって、請求項９に記載の組換えベクターを含有することを特徴とする、キット。
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