JP5956225B2 - グリシンベタイン合成酵素遺伝子で形質転換された環境ストレス耐性ヤトロファ - Google Patents
グリシンベタイン合成酵素遺伝子で形質転換された環境ストレス耐性ヤトロファ Download PDFInfo
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Classifications
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- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
- Fats And Perfumes (AREA)
- Breeding Of Plants And Reproduction By Means Of Culturing (AREA)
Description
一般に、植物は、乾燥、塩、低温などの環境要因によって、生育が大きく左右されることから、環境ストレス耐性を付与した農作物の開発が期待されている。乾燥ストレス耐性遺伝子組換え植物としては、乾燥ストレスに対して適応または応答できるように、ストレス応答シグナル伝達強度、機構を改変したもの、耐性に関与するタンパク質分子(環境ストレスに応答するタンパク質)を過剰生産するように改良する方法などが考えられる。植物をはじめ多くの生物は、様々な環境ストレスに遭遇した場合、グリシンベタインやプロリンなどの適合溶質を蓄積して蛋白質、核酸等の変性および失活を防止することが知られている(横田明穂編、植物分子生理学入門p203-207)。
しかし、GSMTおよびDMTの遺伝子をヤトロファに導入したとの報告はない。
本発明が解決しようとする課題は、環境ストレス耐性ヤトロファを作出することにあり、そのために野生型ヤトロファを環境ストレス耐性に形質転換させることのできる遺伝子等を見出すことにある。
[2] GSMT遺伝子が、
(a)アクチノポリスポラ・ハロフィラ、エクトチオロロドスピラ・ハロクロリス、アファノティーキ・ハロフィティカ、シネココッカスsp. WH8102、マイコバクテリウム・マリナム、プロクロロコツカス・マリヌスまたはハロロドスピラ・ハロクロリスに由来するGSMTをコードするポリヌクレオチド、および
(b)(a)のポリヌクレオチドの塩基配列と90%以上の相同性を有する塩基配列を有し、(a)のポリヌクレオチドがコードするポリペプチドの酵素活性をそのコードするポリペプチドが維持しているポリヌクレオチドから選択され、
DMT遺伝子が、
(c)アクチノポリスポラ・ハロフィラ、エクトチオロロドスピラ・ハロクロリス、アファノティーキ・ハロフィティカ、シネココッカスsp. WH8102、マイコバクテリウム・マリナム、プロクロロコツカス・マリヌスまたはハロロドスピラ・ハロクロリスに由来するDMTをコードするポリヌクレオチド、および
(d)(c)のポリヌクレオチドの塩基配列と90%以上の相同性を有する塩基配列を有し、(c)のポリヌクレオチドがコードするポリペプチドの酵素活性をそのコードするポリペプチドが維持しているポリヌクレオチドから選択される、
[1]記載の環境ストレス耐性ヤトロファ。
[4] GSMT遺伝子および/またはDMT遺伝子が組み入れられた、ヤトロファ形質転換用ベクター。
[5] [4]記載のヤトロファ形質転換用ベクターを、野生型ヤトロファに導入することによる、環境ストレス耐性ヤトロファの製造方法。
[6] [1]〜[3]のいずれか1つに記載の環境ストレス耐性ヤトロファから収穫される種子。
[7] [6]記載の種子を圧搾して精製することによる、ヤトロファ油の製造方法。
[8] [7]記載の製造方法で製造されうる、ヤトロファ油。
本発明におけるヤトロファに導入されるGSMT遺伝子およびDMT遺伝子は、ヤトロファ内でGSMTおよびDMTを生合成する限り、いかなる生物に由来するものでもよく、またそれらの置換、欠失または付加されたものであってもよい。
好ましいGSMT遺伝子としては、例えば、
(a)アクチノポリスポラ・ハロフィラ、エクトチオロロドスピラ・ハロクロリス、アファノティーキ・ハロフィティカ、シネココッカスsp. WH8102、マイコバクテリウム・マリナム、プロクロロコツカス・マリヌスもしくはハロロドスピラ・ハロクロリスに由来するGSMTをコードするポリヌクレオチド、または
(b)(a)のポリヌクレオチドの塩基配列と90%以上の相同性を有する塩基配列を有し、(a)のポリヌクレオチドがコードするポリペプチドの酵素活性をそのコードするポリペプチドが維持しているポリヌクレオチド等が挙げられる。ここで、(b)のポリヌクレオチドの塩基配列は、(a)のポリヌクレオチドの塩基配列と好ましくは95%以上の相同性を有し、さらに好ましくは98%以上の相同性を有し、特に好ましくは99%以上の相同性を有する。さらに好ましいGSMT遺伝子としては、(a)のポリヌクレオチドが挙げられる。さらに好ましくは、シネココッカスsp. WH8102に由来するGSMTである配列番号3で示される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、特に好ましくは、配列番号1で示される塩基配列を有するポリヌクレオチドが挙げられる。
(c)アクチノポリスポラ・ハロフィラ、エクトチオロロドスピラ・ハロクロリス、アファノティーキ・ハロフィティカ、シネココッカスsp. WH8102、マイコバクテリウム・マリナム、プロクロロコツカス・マリヌスもしくはハロロドスピラ・ハロクロリスに由来するDMTをコードするポリヌクレオチド、または
(d)(c)のポリヌクレオチドの塩基配列と90%以上の相同性を有する塩基配列を有し、(c)のポリヌクレオチドがコードするポリペプチドの酵素活性をそのコードするポリペプチドが維持しているポリヌクレオチド等が挙げられる。ここで、(d)のポリヌクレオチドの塩基配列は、(c)のポリヌクレオチドの塩基配列と好ましくは95%以上の相同性を有し、さらに好ましくは98%以上の相同性を有し、特に好ましくは99%以上の相同性を有する。さらに好ましいDMT遺伝子としては、(c)のポリヌクレオチドが挙げられる。さらに好ましくは、シネココッカスsp. WH8102に由来するDMTである配列番号4で示される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、特に好ましくは、配列番号2で示される塩基配列を有するポリヌクレオチドが挙げられる。
(GSMTのフォワードプライマー:配列番号5)
5'- CACCATGGGCACGACGAACGGCTG -3'
(GSMTのリバースプライマー:配列番号6)
5'- ACCAGGCTTGCGCAACCGCATC-3'
(DMTのフォワードプライマー:配列番号7)
5'- CACCATGACGTCAACGCAGAACCATCCATTGC -3'
(DMTリバースプライマー:配列番号8)
5'- GTGCATGGTGGTGTCGACGTCG -3'
得られたPCR産物の塩基配列の決定、確認は、従来より公知の手法、例えば、マキサム−ギルバートの化学修飾法、またはM13ファージを用いるジデオキシヌクレオチド鎖終結法等の公知手法により行えばよい。
本発明の乾燥ストレス耐性形質転換ヤトロファは、GSMT遺伝子およびDMT遺伝子を発現または発現調節のためのプロモータと作動可能に連結した発現カセットを、野生型ヤトロファに遺伝子導入することにより作製される。
本発明が対象とするヤトロファの種類は特に限定されず、ヤトロファ・クルカス(Jatropha curcus)、ヤトロファ・ポタグリカ(Jatropha potagurica)、ヤトロファ・ムルチフィダ(Jatropha multifida)、ヤトロファ・ベルランディエリ(Jatropha berlandieri)、ヤトロファ・インテゲリマ(Jatropha integerrima)などを用いることができる。これらのうち、油脂含有量が多いという点から、ヤトロファ・クルカスが好ましく用いられる。
プロモータとしては、35Sカリフラワーモザイクウィルスプロモータ、ノパリンシンターゼ(NOS)プロモータ、およびβファゼオリン、ナピン、ユビキチンなどの他の胚乳特異的プロモータが挙げられる。
植物形質転換用ベクターを搭載したアグロバクテリウムの感染によるヤトロファへの目的遺伝子(GSMT遺伝子およびDMT遺伝子)の導入は、リーフディスク法などの公知の方法を用いて行うことができる。
共培養培地としては、MS培地などに、3−インドール酪酸(IBA)、6−ベンジルアミノプリン(BA)などの植物ホルモンを添加した培地が用いられる。
選択培地としては、選択用物質となる抗生物質(カナマイシン、ハイグロマイシン)を、前培養に用いた培地(MS培地など)に添加し、さらに植物ホルモンとして、IBA、BAなどを含有したものが好ましく用いられる。
[工程a]植物成長調節物質としてIBAとBAのみを含むMS培地でヤトロファ属植物の細胞からシュートを形成させる工程
[工程b]前記形成されたシュートを植物成長調節物質としてBAのみを含むMS培地に移植して伸長させる工程
[工程c]前記伸長させたシュートを植物成長調節物質としてIBAのみを含む1/2MS培地に移植して発根させる工程
なお、工程aにおいて、子葉に由来する細胞を用いる場合は、MS培地にチジアズロン(TDZ)を加える必要がないが、成葉に由来する細胞を用いる場合は、まずTDZを含むMS培地でシュートの誘導を行うことが好ましい。成葉は子葉と異なって再分化能力が劣り、内在性ホルモンが相違するためである。その後、TDZの影響を残さないようにTDZを含まない培地でシュートの増殖を促進する。また、工程cにおいて、1/2MS培地に代えて、ガンボーグB5培地を用いることが好ましく、特に形質転換体の場合、1/2MS培地よりも、ガンボーグB5培地を用いたほうが、発根の効率が格段に促進される。
形質転換ヤトロファ植物体におけるGSMT遺伝子およびDMT遺伝子の存在はPCR法で簡便に識別することが出来る。形質転換体の組織から抽出したゲノムDNAサンプルに対して、以下のプライマーセットを用いてPCRを行なう。具体的には、GSMTの検出には下記の配列番号9および10のプライマーを、DMTの検出には下記の配列番号11および12のプライマーを用いる。PCRによる形質転換体の識別は、例えば後述の実施例および図5に記載の通り実施できる。
(GSMTのフォワードプライマー:配列番号9)
5’- TCTCCTGAATCGGTTCGCGAGAC -3’
(GSMTのリバースプライマー:配列番号10)
5’- GCGGTGATCAAGAATCAAGATGCC -3’
(DMTのフォワードプライマー:配列番号11)
5’- GACGCTGATCAGTTTTACGAACAGG -3’
(DMTのリバースプライマー:配列番号12)
5’- CAGCAATCCCATCTCCACACCA -3’
また、植物体のGSMTタンパク質およびDMTタンパク質の生成をより直接的に予測するため、GSMTおよびDMTのmRNAの存在量で確認することもできる。上記形質転換細胞(GSMTおよびDMTタンパク質をプロモータによって発現する形質転換双子葉細胞)および、コントロール(野生型ヤトロファの双子葉細胞)の個体から各々のmRNAを抽出して、通常用いられるノーザンブロッティング法またはRT−PCR法によってmRNA量を測定して、比較することで確認することができる。
ヤトロファからのグリシンベタイン抽出方法は以下のように行なう。2mLエッペンドルフチューブに植物サンプルを入れ、重量を測定する(約25mg)。そこにクロロホルムを250μL、メタノールを250μL、破砕用のジルコニアビーズ(直径4mm)を入れる。ミキサーミル(QIAGEN)にセットし、25Hz/秒で2分間破砕する。1mMメチオニンスルフォン(内部標準)を25μL、超純水175μLを加えボルテックスでよく混合し、17,500gで5分間遠心してクロロホルム層と水/メタノール層に分離した。水/メタノール層をフィルター付1.5mLチューブ(Millipore)に移し、17,500gで2時間遠心する。ろ液を1.5mLエッペンドルフチューブに移し遠心エバポレーター(EYELA)で2時間乾燥させる。完全に乾燥が終わったら超純水30μLに溶解し、さらに超純水で5倍希釈した溶液を測定に使用する。
分析にはキャピラリー電気泳動システム(Agilent 1100)を用い、キャピラリーは内径50μm、長さ100cmフューズドシリカキャピラリーを使用する。電気泳動バッファは1Mギ酸(pH1.9)を使用し、分析開始前に約950mbarの圧力で30分間平衡化を行う。各分析の前にも泳動バッファで10分間のカラム内部の洗浄および平衡化を行ってから50mbarで2秒間の圧力をかけサンプルの注入を行う(約2nL)。電気泳動は27kVで20分間行い、エレクトロスプレーイオン化法を用い、シース液として5mM酢酸アンモニウムの50%メタノール溶液を10μL/分、ドライガスとして300℃の窒素ガスを10L/分で流す。MSの設定はフラグメント電圧70V、キャピラリー電圧3,000Vで行う。検出はグリシンベタインと内部標準のm/z118と182のみを選択的に測定する。
ヤトロファ油は本発明の形質転換ヤトロファから収穫される種子から、常法に従って製造することができる。例えば、種子を圧搾して原料油を得て、その原料油をフィルターでろ過することで、バイオディーゼルとして使用しうるヤトロファ油を製造することができる。ヤトロファ油をさらに精製したい場合は、例えば蒸留により精製することでき、また特開2010−209177号公報に記載された方法でホルボールエステルを除去することもできる。
シネココッカスsp. WH8102のGSMTおよびDMTをコードする遺伝子は耐塩性ラン藻シネココッカスsp. WH8102のゲノムDNAを用いた。
シネココッカスsp. WH8102のゲノムDNAを鋳型として、下記プライマーセットを用いて、PCR反応を行うことにより、目的とするGSMT遺伝子およびDMT遺伝子を増幅した。
(GSMTのフォワードプライマー:配列番号5)
5'- CACCATGGGCACGACGAACGGCTG -3'
(GSMTのリバースプライマー:配列番号6)
5'- ACCAGGCTTGCGCAACCGCATC-3'
(DMTのフォワードプライマー:配列番号7)
5'- CACCATGACGTCAACGCAGAACCATCCATTGC -3'
(DMTリバースプライマー:配列番号8)
5'- GTGCATGGTGGTGTCGACGTCG -3'
1.25Unit Ex taq(タカラバイオ)
1x Ex taq緩衝液(タカラバイオ)
0.2mM dNTPs(タカラバイオ)
1μM フォワードプライマー(配列番号5もしくは7)
1μM リバースプライマー(配列番号6もしくは8)
上記で調製した反応液に、100倍希釈したシネココッカスsp. WH8102のゲノムDNA溶液1μLを加えて全量50μLとして、以下の条件でPCR反応を行った。
96℃、5分間保持した後、[96℃,30秒→58℃,30秒→72℃,1分]を30回繰り返し、次いで、72℃、5分間保持した後、4℃まで冷却した。
反応終了後、増幅により得られたDNAをアガロース電気泳動で確認した。
配列番号1および2で示すDNA(GSMT遺伝子およびDMT遺伝子)に対応するPCRフラグメントをシャトルベクターpTopoEntr(Invitrogten)中にクローニングし、トポイソメラーゼ反応を使用してエントリーベクターとなるGSMT/pTopoEntrおよびDMT/pTopoEntrを得、これをそれぞれ大腸菌DH5α株に導入した。
GSMT/pTopoEntrおよびDMT/pTopoEntrプラスミドをそれぞれ大腸菌から抽出し、制限酵素XhoI(タカラバイオ)により直鎖化したプラスミドベクター(デスティネーションベクター)pGWB11と混合後、LRクロナーゼ(Invitrogten)を用いて組み替え反応を行った。
pGWB11は、図1に示すように、プロモータとして35Sプロモータを有し、C末端にFLAGタグが付加されている。また、HindIII−SacI間に、35Sプロモータ−R1−CmR−ccdB−R2−FLAGが入っている。R1−CmR−ccdB−R2の部分が、エントリーベクターとのLR反応によりattB1−(DMT, GSMT)−attB2に入れ替わることができる。このようにして、植物組み換え用ベクターとなるpGWB11/GSMTおよびpGWB11/DMTを得た。
(1)形質転換用アグロバクテリウムの調製
上記組換え用ベクター(pGWB11/GSMTおよびpGWB11/DMT)をエレクトロポレーション法によりアグロバクテリウムに導入し、形質転換した。この形質転換アグロバクテリウムを、YEB液体培地(50mg/Lカナマイシン、50mg/Lハイグロマイシン添加)で、30℃、2日間振とう培養した後、遠心分離により集菌した。集菌した菌をYEB培地に再懸濁して、感染用菌液を調製した。ヤトロファにGSMTとDMTの両方を導入する必要があるため、pGWB11/GSMTおよびpGWB11/DMTをもつアグロバクテリウム培養液を混合してヤトロファの形質転換に用いた。また、pGWB/DMT/GSMTをもつアグロバクテリウム培養液によってもヤトロファにDMTとGSMTの両方を導入することが出来る。
宿主となるヤトロファ細胞には、ゲノム抽出に用いたヤトロファと同種のタイ系統ヤトロファ(Jatropha curcas)を用いた。このヤトロファの成葉を用いて、リーフディスク法により形質転換を行った。具体的には、まず、宿主となるヤトロファの成葉のカット片(約25mm2、以下「ヤトロファ葉片」という)を、家庭用漂白剤を希釈した液で滅菌し、MS基本培地に植物ホルモン(IBA、BA)を添加したPre-conditioning寒天培地上に2日間25℃で静置した。アグロバクテリウムをMS培地に懸濁した感染用菌液を調製し、この菌液に先のヤトロファ葉片を浸漬し、1分間超音波で処理して9分間振とうした。その後、3日間、25℃の遮光環境下の寒天培地上で共培養した。共培養培地としては、Pre-conditioning培地に、アセトシリンゴンを添加したCo-cultivation培地を用いた。
上記で作製した発現カセットが、ヤトロファの染色体ゲノムに安定して挿入された形質転換体をスクリーニングした。
具体的には、共培養後のヤトロファ葉片をセフォタキシムナトリウム水溶液(200mg/L)で洗浄し、形質転換されたヤトロファ(組換え細胞)のスクリーニングを行った。スクリーニング用抗生物質としてはカナマイシン(20mg/L)を用いた。まず、Shoot regeneration I寒天培地(SR−I)に移して、2週間、25℃で培養してシュートを誘導して、続いて、Shoot regeneration II(SR−II)寒天培地に移して、シュートを増殖させた。なお、上記SR−1は、成葉に由来する細胞のためのものである。子葉に由来する細胞を用いる場合は、SR−1にチジアズロン(TDZ)を加える必要がないが、成葉の場合は、子葉と異なって再分化能力が劣り、内在性ホルモンが相違するため、TDZを加える必要がある。
<MS基本培地>
MS 1x,(pH5.8)
スクロース 3%
ミオイノシトール 100mg/L
チアミン塩酸塩(pH5.8) 10mg/L
寒天 0.8%
<Pre-conditioning培地>
MS基本培地
6−ベンジルアミノプリン(BA) 1mg/L
3−インドール酪酸(IBA) 0.075mg/L
<Co-cultivation培地>
MS基本培地
6−ベンジルアミノプリン(BA) 1mg/L
3−インドール酪酸(IBA) 0.075mg/L
アセトシリンゴン(AS) 20mg/L
MS基本培地
チジアズロン(TDZ) 0.5mg/L
6−ベンジルアミノプリン(BA) 1mg/L
3−インドール酪酸(IBA) 0.075mg/L
セフォタキシムナトリウム 200mg/L
カナマイシン 20mg/L
<SR−II培地>
MS基本培地
6−ベンジルアミノプリン(BA) 3mg/L
3−インドール酪酸(IBA) 0.5mg/L
セフォタキシムナトリウム 200mg/L
カナマイシン 20mg/L
MS基本培地
6−ベンジルアミノプリン(BA) 2mg/L
セフォタキシムナトリウム 200mg/L
カナマイシン 20mg/L
<SE−II培地>
MS基本培地
6−ベンジルアミノプリン(BA) 2mg/L
カナマイシン 20mg/L
<RI培地>
ガンボーグB5培地
スクロース 2%
ミオイノシトール 100mg/L
チアミン塩酸塩(pH5.8) 10mg/L
3−インドール酪酸(IBA) 0.2mg/L
寒天 0.7%
前記(3)で得られた幼苗の若葉およびコントロール(野生型ヤトロファ)の若葉から、マニュアルに従ってDNeasy Plant Mini kit(QIAGEN)を用いて、ゲノムDNAを単離した。Go Taq Green Master Mix(Promega)を用いて、単離したゲノムDNAについて前記の配列番号9〜12のプライマーを用いてPCR分析を行った。95℃、2分間保持した後、[95℃,30秒→50℃,30秒→72℃,40秒]を35回繰り返し、次いで、72℃、5分間保持した後、4℃まで冷却して、PCR反応を行った。反応終了後、PCR生成物を1%アガロース上で電気泳動を行い、エチジウムブロマイドで染色して、UVトランスイルミネーターで可視化した。その結果を、図5に示す。
前記の〔ヤトロファからのグリシンベタイン分析用サンプル抽出方法〕および〔質量分析装置(CE−MS)を用いたヤトロファにおけるグリシンベタイン含量の測定方法〕に従って、充分に潅水して育てている野性型ヤトロファの葉(コントロール:サンプルa〜c)、2週間、潅水を停止して乾燥ストレスを与えた野性型ヤトロファの葉(サンプルd〜f)、形質転換した幼苗(前記(3)で得られた幼苗1および1:サンプルgおよびh)、野性型ヤトロファから調製した幼苗(サンプルiおよびj)について、グリシンベタイン含量を測定した。その結果を図6に示す。
作出に際して、発根の根の長さ、葉の面積等を測定し、野生型と比較する。また、再分化させて得られた植物体を砂耕栽培し、任意の時点における灌水を中断した後の水不足条件で栽培した際の光合成速度およびクロロフィル蛍光、蒸散速度および、成葉の黄変、巻き上がり、落葉を野生株と比較し、乾燥ストレス耐性を評価する。
Claims (7)
- グリシンサルコシンメチルトランスフェラーゼ遺伝子およびN,N−ジメチルグリシンメチルトランスフェラーゼ遺伝子で形質転換された、環境ストレス耐性ヤトロファ。
- グリシンサルコシンメチルトランスフェラーゼ遺伝子が、
(a)アクチノポリスポラ・ハロフィラ、エクトチオロロドスピラ・ハロクロリス、アファノティーキ・ハロフィティカ、シネココッカスsp. WH8102、マイコバクテリウム・マリナム、プロクロロコツカス・マリヌスまたはハロロドスピラ・ハロクロリスに由来するグリシンサルコシンメチルトランスフェラーゼをコードするポリヌクレオチド、および
(b)(a)のポリヌクレオチドの塩基配列と90%以上の相同性を有する塩基配列を有し、(a)のポリヌクレオチドがコードするポリペプチドの酵素活性をそのコードするポリペプチドが維持しているポリヌクレオチドから選択され、
N,N−ジメチルグリシンメチルトランスフェラーゼ遺伝子が、
(c)アクチノポリスポラ・ハロフィラ、エクトチオロロドスピラ・ハロクロリス、アファノティーキ・ハロフィティカ、シネココッカスsp. WH8102、マイコバクテリウム・マリナム、プロクロロコツカス・マリヌスまたはハロロドスピラ・ハロクロリスに由来するN,N−ジメチルグリシンメチルトランスフェラーゼをコードするポリヌクレオチド、および
(d)(c)のポリヌクレオチドの塩基配列と90%以上の相同性を有する塩基配列を有し、(c)のポリヌクレオチドがコードするポリペプチドの酵素活性をそのコードするポリペプチドが維持しているポリヌクレオチドから選択される、
請求項1記載の環境ストレス耐性ヤトロファ。 - グリシンサルコシンメチルトランスフェラーゼ遺伝子およびN,N−ジメチルグリシンメチルトランスフェラーゼ遺伝子が、それぞれ配列番号1および2で示される塩基配列を有するポリヌクレオチドである、請求項1記載の環境ストレス耐性ヤトロファ。
- グリシンサルコシンメチルトランスフェラーゼ遺伝子およびN,N−ジメチルグリシンメチルトランスフェラーゼ遺伝子が組み入れられた、ヤトロファ形質転換用ベクター。
- 請求項4記載のヤトロファ形質転換用ベクターを、野生型ヤトロファに導入することによる、環境ストレス耐性ヤトロファの製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の環境ストレス耐性ヤトロファから収穫される種子。
- 請求項6記載の種子を圧搾して精製することによる、ヤトロファ油の製造方法。
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