JPH07155189A - Lycopene cyclase - Google Patents

Lycopene cyclase

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JPH07155189A
JPH07155189A JP6028793A JP2879394A JPH07155189A JP H07155189 A JPH07155189 A JP H07155189A JP 6028793 A JP6028793 A JP 6028793A JP 2879394 A JP2879394 A JP 2879394A JP H07155189 A JPH07155189 A JP H07155189A
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JP
Japan
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host cell
dna sequence
gene
dna
sequence
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JP6028793A
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Japanese (ja)
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Joseph Hirschberg
ヒルシュベルグ ジョセフ
Jr Francis Xavier Cunningham
ザヴィエル カニンガム ジュニア フランシス
Elisabeth Gantt
バント エリザベス
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Yissum Research Development Co of Hebrew University of Jerusalem
University of Maryland at Baltimore
Original Assignee
Yissum Research Development Co of Hebrew University of Jerusalem
University of Maryland at Baltimore
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Abstract

PURPOSE: To provide a new lycopene cyclase gene encoding lycopene cyclase resistant to herbicide, expressing a biosynthesis path from geranylgeranyl pyrophosphate to β-carotene in a host cell and improving the nutrient value, etc., of organism.
CONSTITUTION: A cyanobacterium Synechococcus sp. PCC7942 is screened on a clone resistant to herbicide and a modified DNA sequence controlling the production of lycopene cyclase enzyme resistant to herbicide is purified and separated to obtain the objective new lycopene cyclase gene composed of a DNA sequence of bp 2029-3261 encoding a lycopene cyclase composed of an LCY polypeptide having an N-terminal partial amino acid sequence expressed by the formula, expressing a biosynthesis path from geranylgeranyl pyrophosphate to β-caroten in a proper host cell to improve the nutrient value, pharmacological properties and appearance of organism and useful e.g. for the construction of a transgenic plant resistant to herbicide.
COPYRIGHT: (C)1995,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、lcyと称するリコピ
ンシクラーゼの遺伝子及びその調節配列の単離、及びβ
−カロチン及び他のカロチノイドの産生が該遺伝子の存
在によって制御される天然又はトランスジェニック生物
の調製において又はlcyと相同な天然遺伝子の発現を
加減するために該遺伝子又は該調節配列を使用すること
に関する。
The present invention relates to the isolation of the gene for lycopene cyclase called lcy and its regulatory sequence, and β
To the use of said genes or said regulatory sequences in the preparation of natural or transgenic organisms in which the production of carotene and other carotenoids is regulated by the presence of said genes or to modify the expression of natural genes homologous to lcy .

【0002】[0002]

【従来の技術】カロチノイドは天然における色素の最大
の種類である。それらは、光合成生物内で及び幾つかの
細菌と菌類内でのみ新たに合成される。植物内でのそれ
らの本質的な機能は、光合成器官内のクロロフィルによ
り敏感になった光酸化性損傷に対して保護する機能であ
るが1,2 、それらは他の種々の役目も果たしている。そ
れらは、光合成用の採光において補助色素として役立
ち、そしてそれらは光合成反応中心の内部成分である。
カロチノイドは、採光アンテナにより捕獲された光エネ
ルギーの熱散逸に関与しており3 、植物成長調節アブシ
シン酸(abscisic acid) の生合成のための基質であり
4,5 、そして多くの花、果物及び動物の着色物質であ
る。β−カロチンを含む一定の環状カロチノイドはヒト
及び動物の食物中におけるビタミンAの前駆体であっ
て、今日では抗癌剤として興味の対象となってい
6,7
Carotenoids are the largest variety of pigments in nature. They are newly synthesized only in photosynthetic organisms and in some bacteria and fungi. Their essential function in plants is to protect against photooxidative damage sensitized by chlorophyll in photosynthetic organs 1,2 , but they also serve various other roles. They serve as auxiliary dyes in daylighting for photosynthesis, and they are internal components of photosynthetic reaction centers.
Carotenoids are involved in the heat dissipation of light energy captured by the daylighting antenna 3 , and are substrates for the biosynthesis of plant growth-regulating abscisic acid.
4,5 , and many flowers, fruits and animal coloring substances. Certain cyclic carotenoids, including β-carotene, are precursors of vitamin A in human and animal food and are of current interest as anti-cancer agents 6,7 .

【0003】植物内でのカロチノイド生合成の一般に認
められている経路では、20の炭素を有する可溶性化合
物であるピロリン酸ゲラニルゲラニル2分子の頭−頭縮
合で始まって、無色の膜結合カロチノイドであるフィト
エンが生成する(図1)。植物及び青緑色細菌における
この2段階反応は、単一の可溶性酵素、つまりフィトエ
ンシンターゼにより触媒される9,10,11,12。フィトエン
の逐次脱飽和により、まずフィトフルエンが生成し、次
いでζ−カロチンが生成する。これら反応の両方は、植
物及び青緑色細菌内の単一の酵素、つまりフィトエン脱
飽和酵素により行われる13,14,15。この酵素及び該経路
におけるその後の工程を触媒する酵素は、膜結合性であ
ると考えられる16。更に2つ脱飽和すると、対称の赤色
カロチノイド色素であるリコピンが生成し、次いでこの
分子のそれぞれの末端で環化反応を行うことによって黄
色のβ−カロチンに転化される(図1)。該経路におけ
るその後の反応には、キサントフィル又は酸素添加カロ
チノイドを形成するための種々の酸素官能基の付加が含
まれる。
The generally accepted pathway of carotenoid biosynthesis in plants begins with the head-to-head condensation of two molecules of geranylgeranyl pyrophosphate, a soluble compound with 20 carbons, and the colorless, membrane-bound carotenoid phytoene. Are generated (FIG. 1). This two-step reaction in plants and blue-green bacteria is catalyzed by a single soluble enzyme, phytoene synthase 9,10,11,12 . Sequential desaturation of phytoene produces phytofluene first and then ζ-carotene. Both of these reactions are performed by a single enzyme in plants and blue-green bacteria, phytoene desaturase 13,14,15 . This enzyme and the enzymes that catalyze subsequent steps in the pathway are thought to be membrane bound 16 . Upon further desaturation, two symmetrical red carotenoid pigments, lycopene, are formed and then converted to yellow β-carotene by cyclization at each end of the molecule (Fig. 1). Subsequent reactions in the pathway include the addition of various oxygen functional groups to form xanthophyll or oxygenated carotenoids.

【0004】多くの努力が払われたにも拘らず、該カロ
チノイド生合成経路の酵素又は遺伝子は、酸素生成光合
成生物において殆ど同定及び単離されていない。これら
固く膜結合した酵素の精製中の触媒活性の維持が驚くほ
ど困難であることは明らかにされており、また酵素分析
のための標識基質の入手が困難であることも1つの障害
となっている。光合成細菌であるロードバクター・カプ
スレータス (Rhodobacter capsulatus) 17及び非光合成
細菌であるエレウィニア・ウレドボラ (Erwinia uredov
ora)18及びエレウィニア・ヘルビコラ (Erwinia herbic
ola)19内での完全カロチノイド生合成経路のための遺伝
子がクローン化され配列決定されている。当初、かかる
遺伝子は酸素生成光合成生物(青緑色細菌、藻類、及び
植物)内の相同遺伝子の同定を可能にする分子プローブ
を提供するであろうと考えられた。しかしながら、該ロ
ードバクター及びエレウィニアの遺伝子は酸素生成光合
成生物内の対応する酵素の遺伝子に殆ど又は全く似てい
ないので、このアプローチは良い結果をもたらさなかっ
た。
Despite many efforts, few enzymes or genes of the carotenoid biosynthetic pathway have been identified and isolated in oxygen-producing photosynthetic organisms. Maintaining catalytic activity during purification of these tightly membrane-bound enzymes has been shown to be surprisingly difficult, and the difficulty in obtaining labeled substrates for enzymatic analysis is also an obstacle. There is. The photosynthetic bacterium Rhodobacter capsulatus 17 and the non-photosynthetic bacterium Erwinia uredov
ora) 18 and Erwinia herbicola
The gene for the complete carotenoid biosynthetic pathway within ola) 19 has been cloned and sequenced. Initially, it was thought that such genes would provide molecular probes that would allow the identification of homologous genes within oxygen-producing photosynthetic organisms (blue-green bacteria, algae, and plants). However, this approach did not yield good results, as the genes of Rhodobacter and Erewinia bear little or no resemblance to the genes of the corresponding enzymes in oxygen-producing photosynthetic organisms.

【0005】他のアプローチを用いて、2つの遺伝子、
つまりフィトエンシンターゼ10,20及びフィトエン脱飽
和酵素14,15,21の遺伝子が酸素生成光合成生物からクロ
ーン化されている。青緑色細菌のフィトエン脱飽和酵素
及び真核藻類と高等植物の該相同遺伝子産物のアミノ酸
配列は高い保存率であったが14,22 、既知の細菌又は菌
類のフィトエン脱飽和酵素との類似性は殆どなかった。
本発明においては形質転換可能な青緑色細菌であるシネ
ココッカスsp.(Synechococcus sp.) PCC7942
をモデル生物として用いて、酸素生成光合成生物内での
カロチノイド生合成経路を研究した。本発明者らは、先
にこの生物内でフィトエンシンターゼ(psy,前はp
ysと呼称した)及びフィトエン脱飽和酵素(pds)
の遺伝子をクローン化し10,21 、続いて該青緑色細菌の
遺伝子をプローブとして使用して植物及び藻類の遺伝子
を同定、クローン化し配列決定した14,21,22,23 。遺伝
子pdsは、フィトエン脱飽和酵素と相互作用すること
によってフィトエンの脱飽和を特異的に阻害する漂白除
草剤のノルフルラゾン(norflurazon) を使用して同定し
24。該酵素をコードする遺伝子における点突然変異
は、該ポリペプチドにおけるアミノ酸置換を導くもので
あるが、これにより該除草剤に対する耐性を与えること
ができると推定した。ノルフルラゾンに対して耐性であ
る化学誘発突然変異体を選択し、次いで野生型株での該
耐性の遺伝子相補性によってこれら突然変異の位置を調
べることにより、本発明者らはフィトエン脱飽和酵素の
該遺伝子を突き止めた。
Using another approach, two genes,
That gene phytoene synthase 10, 20 and phytoene desaturase 14,15,21 have been cloned from the oxygen generating photosynthetic organisms. The phytoene desaturase of blue-green bacteria and the amino acid sequences of the homologous gene products of eukaryotic algae and higher plants had high conservation rates14,22 , but similarities with known bacterial or fungal phytoene desaturases Almost never.
In the present invention, the transformable blue-green bacterium Synechococcus sp. (Synechococcus sp.) PCC7942
Was used as a model organism to study the carotenoid biosynthetic pathway in oxygen-producing photosynthetic organisms. The present inventors have found that phytoene synthase (psy, formerly p
and phytoene desaturase (pds)
Was cloned 10,21 and subsequently the plant and algae genes were identified, cloned and sequenced using the blue-green bacterial gene as a probe 14,21,22,23 . The gene pds was identified using the bleaching herbicide norflurazon, which specifically inhibits phytoene desaturation by interacting with phytoene desaturase 24 . It was postulated that point mutations in the gene encoding the enzyme, which lead to amino acid substitutions in the polypeptide, may confer resistance to the herbicide. By selecting chemically induced mutants that are resistant to norflurazone and then locating these mutations by gene complementation of the resistance in wild-type strains, we found that the phytoene desaturase I found the gene.

【0006】植物の栄養価、薬学的性質及び外観を向上
させるためにカロチノイド合成を加減できることは有用
なことである。そうするに際して、可能な場合にはその
天然遺伝子を使用するのが望ましいと考えられる。細菌
起源の遺伝子を植物内に直接組み込むには、例えば、光
合成経路の調節に用いることができるように該遺伝子を
更に修飾することが必要であるといえる。更に、生物工
学的に作った植物は、外界に出す前に規制に対して承認
を得なければならない。外来遺伝子が存在する場合に
は、承認を受ける手続きはより難しくなる。例えば、β
−カロチン合成経路の制御に天然遺伝子を使用するのが
より効率的である。更に、リコピンシクラーゼの作用を
標的にする除草剤に耐性を有する役立つ作物を有するこ
とは有用である。カロチノイド合成経路を標的にする除
草剤は、この経路がヒト、動物又は昆虫には存在しない
ので毒性が低いといえる。更に、カロチノイド合成経路
内の2地点で除草剤耐性である植物は、2種類の除草剤
を交互に使用するのを可能にし、それによって除草剤耐
性雑草種の出現を最小限に抑える。
It is useful to be able to moderate carotenoid synthesis in order to improve the nutritional value, pharmaceutical properties and appearance of plants. In doing so, it may be desirable to use the native gene when possible. Direct integration of a gene of bacterial origin into a plant may require, for example, further modification of the gene so that it can be used to regulate the photosynthetic pathway. In addition, bioengineered plants must be approved for regulation before they can be released to the outside world. If foreign genes are present, the approval process becomes more difficult. For example, β
-It is more efficient to use the natural gene to control the carotene synthetic pathway. Further, it would be useful to have a useful crop that is resistant to herbicides that targets the action of lycopene cyclase. Herbicides that target the carotenoid synthetic pathway are less toxic because this pathway does not exist in humans, animals or insects. Moreover, plants that are herbicide tolerant at two points within the carotenoid synthetic pathway allow the alternate use of two herbicides, thereby minimizing the emergence of herbicide tolerant weed species.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明に従い、lcyと
称するリコピンシクラーゼの遺伝子をコードするDNA
配列を精製及び単離した。更に、本発明は、天然遺伝子
の発現を加減する方法を含み、それによって生物内での
外来遺伝子の存在を必要としない。更に、本発明は、ピ
ロリン酸ゲラニルゲラニルからβ−カロチンへの生合成
経路を制御するlcyを含む酵素をコードする遺伝子を
組み込むことにより、真核及び原核細胞から選ばれる適
当な宿主細胞内に該経路を発現する方法を含む。この方
法は、β−カロチンを産生しない生物内でβ−カロチン
を産生するのに用いることができ、それによって該生物
の栄養価、薬学的性質及び目に見える外観的価値を向上
させることができる。
According to the present invention, a DNA encoding a gene for lycopene cyclase called lcy
The sequence was purified and isolated. Furthermore, the present invention includes a method of modifying the expression of a native gene, thereby not requiring the presence of the foreign gene in the organism. Furthermore, the present invention incorporates a gene encoding an enzyme containing lcy, which controls the biosynthetic pathway from geranylgeranyl pyrophosphate to β-carotene, into a suitable host cell selected from eukaryotic and prokaryotic cells. And a method of expressing. This method can be used to produce β-carotene in an organism that does not produce β-carotene, thereby improving the nutritional value, pharmaceutical properties and visible appearance value of the organism. .

【0008】本発明は、更に、トランスジェニック生物
内でリコピンシクラーゼの遺伝子を構成的に又は組織特
異的様式で過剰発現させて該生合成経路においてβ−カ
ロチン又は他のカロチノイドの含量を増やす方法を含
む。本発明は、天然遺伝子又は相同遺伝子のいずれかの
lcy遺伝子のアンチセンス発現をゲノムDNA内に導
入し、それによってリコピンシクラーゼの合成を阻害し
て赤色色素であるリコピンを蓄積するトランスジェニッ
ク生物も含む。この方法は、赤くなかった生物を赤くす
るか又は現に赤い生物の外観をより赤くすることができ
る。最後に、本発明は、除草剤MPTA及びトリアルキ
ルアミンの他の関連化合物及びリコピンシクラーゼ酵素
と相互作用する他の除草剤の如き除草剤の作用に対して
耐性であるトランスジェニック植物の構築をも含む。本
発明の他の効果は、添付の図面と関連させながら以下の
詳細な説明を参照することにより本発明をより充分に理
解できるので、容易に認識されるであろう。
The invention further provides a method of overexpressing the gene for lycopene cyclase in a transgenic organism in a constitutive or tissue-specific manner to increase the content of β-carotene or other carotenoids in the biosynthetic pathway. Including. The invention also includes transgenic organisms that introduce antisense expression of the lcy gene, either the native gene or the homologous gene, into the genomic DNA, thereby inhibiting the synthesis of lycopene cyclase and accumulating the red pigment lycopene. . This method can make the non-red creatures red, or the appearance of the actually red creatures redder. Finally, the invention also provides the construction of transgenic plants that are resistant to the action of herbicides such as the herbicide MPTA and other related compounds of trialkylamines and other herbicides that interact with the lycopene cyclase enzyme. Including. Other advantages of the present invention will be readily appreciated as the invention can be more fully understood by reference to the following detailed description in connection with the accompanying drawings.

【0009】本発明は、酵素リコピンシクラーゼ(LC
Y)をコードする遺伝子及び配列番号:1に最も良く示
されている該遺伝子のDNAフランキング配列を含むD
NA配列からなる。lcyと称する該遺伝子を精製し、
単離しそしてクローン化した。更に、リコピンシクラー
ゼの遺伝子のプロモーター領域において修飾されたDN
A配列であってMPTAに対する耐性を与える配列も、
本発明を実施するに際して、精製し、単離しそしてクロ
ーン化した(図2及び7)。除草剤は、一般に、選択し
た生化学的経路を途絶することによって効果を発揮す
る。カロチノイド生合成経路を妨害する除草剤は特に効
果がある。これら除草剤には、環状カロチノイドの生成
を阻害して、植物、藻類、及び青緑色細菌内でのリコピ
ンの蓄積をもたらす数種の置換トリエチルアミン化合物
が含まれる26。特に効果的なこの種の阻害剤は、化合物
2−(4−メチルフェノキシ)トリエチルアミン塩酸塩
(MPTA)である27,28 。MPTA及び関連化合物の
標的部位は、酵素リコピンシクラーゼであると考えられ
ている26
The present invention is directed to the enzyme lycopene cyclase (LC
A gene encoding Y) and D containing the DNA flanking sequence of that gene which is best shown in SEQ ID NO: 1
It consists of NA sequence. purifying the gene called lcy,
It was isolated and cloned. Furthermore, DN modified in the promoter region of the gene for lycopene cyclase
The A sequence that confers resistance to MPTA is also
In practicing the present invention, purified, isolated and cloned (Figures 2 and 7). Herbicides generally work by disrupting selected biochemical pathways. Herbicides that interfere with the carotenoid biosynthetic pathway are particularly effective. These herbicides include several substituted triethylamine compounds that inhibit the formation of cyclic carotenoids resulting in the accumulation of lycopene in plants, algae, and blue-green bacteria 26 . A particularly effective inhibitor of this type is the compound 2- (4-methylphenoxy) triethylamine hydrochloride (MPTA) 27,28 . The target site for MPTA and related compounds is believed to be the enzyme lycopene cyclase 26 .

【0010】本発明者らは、シネココッカスsp.PC
C7942のMPTA耐性突然変異体を単離して該突然
変異の1つを含有する遺伝子をクローン化した(図7を
参照のこと)。大腸菌のリコピン蓄積株内でのこの遺伝
子の発現は、該MPTA耐性遺伝子がリコピンシクラー
ゼをコードすることを明白に示した。DNAハイブリダ
イゼーション分析は、この遺伝子の配列が他の光合成真
核細胞の中に保存されていることを示している。除草剤
耐性を付与する突然変異は、点突然変異、欠失又は挿入
であってもよい。該突然変異は、得られるアミノ酸配列
が除草剤耐性を付与できるように変化するような、lc
yのヌクレオチド配列内で起こるものであっても、また
lcyの調節が除草剤耐性を付与できるように変化する
ような、lcyのフランキング配列内で起こるものであ
ってもよい。後者の突然変異の例は、図7に示す突然変
異体5の突然変異である。この突然変異体においては、
開始コドンの104塩基対上流のlcyのプロモーター
領域内での一箇所の塩基変換(配列番号:1の塩基番号
1925)によりCがTに変換しており、それを含むシ
ネココッカスの細胞に高度の除草剤耐性を付与している
(図2を参照のこと)。これは、おそらく酵素の生合成
が大きく増加したことによると考えられる。
The present inventors have found that Synechococcus sp. PC
An MPTA resistant mutant of C7942 was isolated and the gene containing one of the mutations cloned (see Figure 7). Expression of this gene in a lycopene accumulating strain of E. coli clearly showed that the MPTA resistance gene encodes lycopene cyclase. DNA hybridization analysis indicates that the sequence of this gene is conserved in other photosynthetic eukaryotic cells. The mutation conferring herbicide tolerance may be a point mutation, deletion or insertion. The mutation is such that lc is such that the resulting amino acid sequence is altered to confer herbicide resistance.
It may occur within the nucleotide sequence of y or within the flanking sequence of lcy such that regulation of lcy is altered to confer herbicide tolerance. An example of the latter mutation is the mutation of mutant 5 shown in FIG. In this mutant,
C is converted to T by a single base conversion (base number 1925 of SEQ ID NO: 1) in the promoter region of lcy, which is 104 base pairs upstream of the start codon, and highly weeded to the Cinecoccus cells containing it. It imparts drug resistance (see FIG. 2). This is probably due to a large increase in enzyme biosynthesis.

【0011】リコピンシクラーゼの遺伝子のクローニン
グでは、先にシネココッカスsp.PCC7942中の
フィトエン脱飽和酵素の遺伝子を同定するのに用いた戦
略を用いた。このアプローチは、酵素リコピンシクラー
ゼが漂白除草剤MPTAの標的部位であるという推定、
及びリコピンシクラーゼの主要構造における微妙な変換
が、MPTA耐性であって依然として適度な触媒活性を
保持する酵素をもたらすであろうという推測に基づくも
のである。本発明者らは、特定の突然変異体の耐性表現
型がリコピンシクラーゼの遺伝子内での損傷から誘導さ
れるかどうか分からなかった。その上、選択した該表現
型は、該阻害剤の分解若しくは解毒の速度が増加したこ
とによるか又は除草剤取り込み量が減少した結果による
ものであると考えた。突然変異体Mr −5のMPTA耐
性突然変異を含む遺伝子の大腸菌内での機能発現によ
り、lcyと称するこの遺伝子こそが実際に酵素リコピ
ンシクラーゼをコードすることが証明された。他の幾つ
かのMPTA耐性突然変異がlcy遺伝子に認められ
た。野生型遺伝子産物(配列番号:2)及びこれら他の
突然変異体の遺伝子産物も大腸菌内で良好に機能する。
[0011] In cloning the gene for lycopene cyclase, first, Synechococcus sp. The strategy used to identify the gene for phytoene desaturase in PCC7942 was used. This approach predicts that the enzyme lycopene cyclase is the target site for the bleaching herbicide MPTA,
And the subtle changes in the main structure of lycopene cyclase are based on the speculation that it will result in an enzyme that is MPTA resistant and still retains moderate catalytic activity. The inventors were uncertain whether the resistance phenotype of the particular mutant was derived from intragenic damage of lycopene cyclase. Moreover, the phenotype selected was considered to be due to the increased rate of degradation or detoxification of the inhibitor or the result of reduced herbicide uptake. The functional expression in E. coli of a gene containing MPTA resistance mutations mutant M r -5, the gene called lcy what is actually demonstrated that encodes an enzyme lycopene cyclase. Several other MPTA resistance mutations were found in the lcy gene. The wild-type gene product (SEQ ID NO: 2) and the gene products of these other mutants also function well in E. coli.

【0012】リコピンは、植物及び青緑色細菌内での環
状カロチノイド形成の主要な基質である。β−カロチン
へのリコピンの転化は、対称リコピンの両端で環化反応
が起こることを必要とする。本発明は、単一の青緑色細
菌の酵素が両端の環化を効率的に触媒することを明らか
にするものである。以下に記載するように、相当量のリ
コピンがこれら細胞内に蓄積されていたが、単環種であ
るγ−カロチンの蓄積は培養液中に認められなかった。
このことは、一端でのみ環化されたあらゆるリコピン分
子は、他端でも同じく環化される非常に高い可能性を有
していることを示すものである。リコピンシクラーゼが
ホモダイマー性錯体として働くという可能性が、これら
結果に対する1つの説明である。単離操作の一部として
及び形質転換操作で使用するために、新規なプラスミド
pLCYB−M5XEを構築し本明細書に記載した。プ
ラスミドpLCYB−M5PPF及びpLCYB−M5
SPは、pLCYB−M5XEのトランケート型であり
本明細書に記載した。以下の原料及び方法の節に記載す
るように種々のプラスミドを構築した。
Lycopene is the major substrate for cyclic carotenoid formation in plants and blue-green bacteria. The conversion of lycopene to β-carotene requires that the cyclization reaction take place at both ends of the symmetrical lycopene. The present invention demonstrates that a single blue-green bacterial enzyme efficiently catalyzes cyclization of both ends. As described below, a considerable amount of lycopene was accumulated in these cells, but accumulation of γ-carotene, which is a monocyclic species, was not observed in the culture medium.
This indicates that any lycopene molecule cyclized only at one end has a very high probability of being cyclized at the other end as well. The possibility that lycopene cyclase acts as a homodimeric complex is one explanation for these results. The novel plasmid pLCYB-M5XE was constructed and described herein for use as part of an isolation procedure and in transformation procedures. Plasmids pLCYB-M5PPF and pLCYB-M5
SP is a truncated version of pLCYB-M5XE and has been described herein. Various plasmids were constructed as described in the Materials and Methods section below.

【0013】本発明を使用すれば、MPTAに対して耐
性であるリコピンシクラーゼのためのDNA配列又はリ
コピンシクラーゼのためのDNAの突然変異配列のいず
れかを保持するような適当なベクターを用いて、大腸
菌、青緑色細菌、藻類及び植物を含む宿主細胞を形質転
換することが可能である。かかる形質変換細胞は、lc
y遺伝子の調節の研究及びLCYの触媒機能の研究を可
能にする。本発明者らは、ζ−カロチンを蓄積する大腸
菌の細胞内でlcyを発現してもζ−カロチンの環化が
起こらないことを認めた。この結果は、シネココッカス
lcy遺伝子産物によって触媒される環化反応は、該線
状分子が充分に脱飽和されていることを必要とすること
を意味している。ノイロスポレンはその半分がリコピン
のレベルまで脱飽和されたその半分の部分においてのみ
環化を受け得ることが藻菌類において示された16。本発
明は、MPTA及びリコピンの環化を妨げる他の除草剤
に対して耐性のトランスジェニック生物を構築すること
を含む。除草剤耐性作物を用いることの農学的利点は、
ブラシカ・ナプス (Brassica naous) を含むアブラナ属
において証明されており、そこでは同属の雑草との該作
物の遺伝的交雑によりアトラジン (atrazine) 耐性を導
入している29
Using the present invention, with a suitable vector carrying either the DNA sequence for lycopene cyclase or the mutant sequence of DNA for lycopene cyclase which is resistant to MPTA, It is possible to transform host cells including E. coli, blue-green bacteria, algae and plants. Such transformed cells are lc
It allows the study of the regulation of the y gene and the catalytic function of LCY. The present inventors have recognized that expression of lcy in cells of E. coli that accumulates ζ-carotene does not cause cyclization of ζ-carotene. This result means that the cyclization reaction catalyzed by the Synechococcus lcy gene product requires that the linear molecule be fully desaturated. Neurosporanes have been shown in algal fungi to be able to undergo cyclization only in half of which half is desaturated to the level of lycopene 16 . The present invention involves constructing transgenic organisms that are resistant to MPTA and other herbicides that prevent cyclization of lycopene. The agronomic benefits of using herbicide-tolerant crops are:
It has been demonstrated in Brassica species, including Brassica naous, where it has introduced atrazine resistance by genetic crossing of the crop with weeds of the same genus 29 .

【0014】MPTA及び関連化合物の作用の標的部位
については幾つかの議論がある。以前、MPTAはグレ
ープフルーツ内でのリコピンの蓄積を誘発すること及び
単離したミドリムシの葉緑体内でリコピンの環化を妨害
することが示された28。構造的に関連する化合物である
2−(4−クロロフェニルチオ)トリエチルアミン塩酸
塩(CPTA)26でより多くの研究がなされ、リコピン
がin vivo で蓄積するという類似の結果が得られた。し
かしながら、in vivo で得られたその結果に反して、C
PTAは、トマトプラスチドのアセトン抽出物30、スイ
セン属有色体31及びトウガラシ属有色体32から誘導した
無細胞系におけるカロチノイド生合成には殆ど又は全く
作用しないということが報告された。CPTA及び関連
化合物は、酵素機能に直接影響するというよりもむしろ
遺伝子発現のレベルで作用するという示唆がなされた
30,33,34。青緑色細菌であるアファノカプサ(Aphanocap
sa) からの無細胞系を用いたより最近の研究では、CP
TAが in vitro でのリコピン環化の有効な阻害剤であ
り得ること、及びサンドマン (Sandmann) ら26によって
吟味されているようにそれが非競合的様式で環化反応を
阻害することが示されている。他の多くの無細胞系でC
PTAによる阻害が認められないことは、効果的な除草
作用のためには膜の物理的結合性及び/又はカロチノイ
ド生合成酵素の順序だった構造的関連が重要であること
を示唆している。無細胞系におけるカロチノイド生合成
機構の微妙な性質は周知である35
There is some debate about the target site of action of MPTA and related compounds. Previously, MPTA was shown to induce lycopene accumulation in grapefruit and to interfere with lycopene cyclization in isolated Euglena chloroplasts 28 . More work was done with the structurally related compound, 2- (4-chlorophenylthio) triethylamine hydrochloride (CPTA) 26 , with similar results of lycopene accumulation in vivo. However, contrary to the results obtained in vivo, C
It was reported that PTA has little or no effect on carotenoid biosynthesis in a cell-free system derived from acetone extract of tomato plastid 30 , narcissus chromophore 31 and capsicum chromophore 32 . It has been suggested that CPTA and related compounds act at the level of gene expression rather than directly affecting enzyme function.
30,33,34 . The blue-green bacterium Aphanocap
A more recent study using a cell-free system from
It has been shown that TA can be an effective inhibitor of lycopene cyclization in vitro, and that it inhibits the cyclization reaction in a non-competitive manner as reviewed by Sandmann et al. 26 . ing. C in many other cell-free systems
The lack of inhibition by PTA suggests that physical association of the membrane and / or ordered structural association of carotenoid biosynthetic enzymes is important for effective herbicidal action. The delicate nature of carotenoid biosynthesis in cell-free systems is well known 35 .

【0015】リコピンシクラーゼの遺伝子内での突然変
異がMPTAに対する耐性を付与するという本発明の知
見は、この酵素がMPTA及び関連化合物の作用の標的
部位であるという強力な証拠である。この結論は、本物
の青緑色細菌のカロチン生成器官がないと推定される大
腸菌の細胞内でMPTAがリコピンシクラーゼ活性を阻
害するという結果によって更に支持される。MPTA処
理大腸菌細胞内でのγ−カロチンの蓄積は、リコピンシ
クラーゼにより行われる第2環化段階が除草剤による阻
害に対してより敏感であることを示唆している。これら
知見は、本発明者らの多くの異なったMPTAr 突然変
異リコピンシクラーゼ遺伝子のどれかを挿入することに
よって、MPTA耐性であるように作物植物を形質転換
するのを可能にするものである。より重要なことは、本
発明は、MPTA及び他の除草剤に対する耐性を与える
ための天然の植物及び藻類の生物工学を先導するのに使
用することができることである。青緑色細菌のlcy配
列を分子プローブとして用いたサザーンハイブリダイゼ
ーション分析は、この遺伝子が相同DNA配列と共に真
核性藻類内に保存されていることを示しており、そして
藻類及び高等植物からリコピンシクラーゼをクローン化
するのにlcyを分子プローブとして用いることの可能
性を示している。それは、更に、本発明の遺伝子を保持
するトランスジェニック植物が機能性があることも示し
ている。高等植物がlcyと相同性であるリコピンシク
ラーゼ遺伝子を含有しているという事実は、フィトエン
シンターゼ及びフィトエン脱飽和酵素の遺伝子の場合の
ように、植物におけるリコピン環化の酵素化学が青緑色
細菌に類似していて他の微生物とは全く異なっているこ
とを示している。このことは、lcyがトランスジェニ
ック藻類又は植物内で発現されるときには、lcyは植
物中の相当物と類似していることにより機能性であるこ
とを意味している。
The finding of the present invention that mutations in the gene for lycopene cyclase confer resistance to MPTA is strong evidence that this enzyme is a target site for the action of MPTA and related compounds. This conclusion is further supported by the results that MPTA inhibits lycopene cyclase activity in E. coli cells presumably lacking the authentic blue-green bacterial carotene-producing organs. Accumulation of γ-carotene in MPTA-treated E. coli cells suggests that the second cyclization step performed by lycopene cyclase is more sensitive to inhibition by herbicides. These findings enable us to transform crop plants to be MPTA resistant by inserting any of our many different MPTA r mutant lycopene cyclase genes. More importantly, the present invention can be used to lead natural plant and algae biotechnology to confer resistance to MPTA and other herbicides. Southern hybridization analysis using the blue-green bacterial lcy sequence as a molecular probe showed that this gene was conserved in eukaryotic algae with homologous DNA sequences, and lycopene cyclase from algae and higher plants. It shows the potential of using lcy as a molecular probe for cloning. It further shows that the transgenic plants carrying the gene of the invention are functional. The fact that higher plants contain the lycopene cyclase gene, which is homologous to lcy, makes the enzymatic chemistry of lycopene cyclization in plants similar to that of blue-green bacteria, as in the case of phytoene synthase and phytoene desaturase genes. It shows that it is completely different from other microorganisms. This means that when lcy is expressed in transgenic algae or plants, lcy is functional by resembling its counterpart in plants.

【0016】カロチノイド生合成の“植物型”経路にお
いて、本発明者らは、リン酸ゲラニルゲラニルからβ−
カロチンまでの、対称ζ−カロチンをリコピンに転化す
る2つの脱飽和段階を除く全ての段階のための遺伝子を
同定した。ζ−カロチン脱飽和酵素の推定上の遺伝子の
クローニングが最近報告された36。植物及び藻類におけ
るζ−カロチンの脱飽和は、幾つかの実験漂白除草剤に
よって阻害され26、これら化合物の幾つかはシネココッ
カスPCC7942におけるζ−カロチンの脱飽和を効
果的に阻害する26。当該技術分野で既知の技術を用いる
psy、pds、及び本発明、つまりlcyのクローニ
ングの本発明者らの成功は、本発明の範囲内で引き出し
た除草剤耐性突然変異の誘発及び選択と同じ戦略が、適
当な阻害剤でζ−カロチン脱飽和酵素をクローニングす
るのを可能にすることを意味している。このことから、
本発明は、psy、pds、zds及びlcyをコード
するDNA配列を組み込むことによって、適当な宿主細
胞内でのリン酸ゲラニルゲラニルからβ−カロチンへの
生合成経路の構築を可能にするものである。
In the "plant-type" pathway of carotenoid biosynthesis, we have derived from geranylgeranyl phosphate to β-
The genes were identified for all steps up to carotene, except for the two desaturation steps that convert symmetrical zeta-carotene to lycopene. Cloning of a putative gene for ζ-carotene desaturase has recently been reported 36 . Desaturation of ζ-carotene in plants and algae is inhibited by several experimental bleach herbicides 26 , and some of these compounds effectively inhibit ζ-carotene desaturation in Synechococcus PCC7942 26 . Our success in cloning psi, pds, and the invention, ie, lcy, using techniques known in the art is the same strategy as the induction and selection of herbicide resistance mutations derived within the scope of the invention. Mean that it makes it possible to clone ζ-carotene desaturase with a suitable inhibitor. From this,
The present invention allows the construction of a biosynthetic pathway from geranylgeranyl phosphate to β-carotene in suitable host cells by incorporating DNA sequences encoding psi, pds, zds and lcy.

【0017】本発明は、lcy遺伝子のアンチセンス発
現をゲノムDNA内に導入し、それによってリコピンシ
クラーゼの合成を阻害して赤色色素リコピンを蓄積する
トランスジェニック生物も含む。この方法は、赤くなか
った生物を赤くするか又は現に赤い生物の外観をより赤
くすることができる。植物の表現型を変化させるために
遺伝子発現を変化させるアンチセンス技術を用いること
は報告されている。この技術は、カロチノイド生合成経
路を有するトマトで利用されている12,37,38。以下の実
施例は、それぞれのlcy配列の単離、精製及びクロー
ニングの方法並びにプローブ/ベクター構築の方法及び
それらの使用方法を説明するものである。更に、これら
実施例は、該ベクターを用いる細菌、藻類及び植物の如
き適当な宿主細胞の形質転換、並びに除草剤耐性の部位
の確認を明示している。適当な宿主細胞には、lcyだ
けが使用される場合のカロチン生成生物、又はフィトエ
ン、pdsの前駆体若しくはcrtI遺伝子産物を含有
する細胞が含まれる。
The present invention also includes transgenic organisms which introduce antisense expression of the lcy gene into genomic DNA, thereby inhibiting the synthesis of lycopene cyclase and accumulating the red pigment lycopene. This method can make the non-red creatures red, or the appearance of the actually red creatures redder. The use of antisense technology to alter gene expression to alter plant phenotype has been reported. This technique has been used in tomatoes with the carotenoid biosynthetic pathway 12,37,38 . The following examples describe the methods of isolation, purification and cloning of each lcy sequence as well as methods of probe / vector construction and their use. In addition, these examples demonstrate the transformation of suitable host cells such as bacteria, algae and plants with the vector and identification of herbicide resistant sites. Suitable host cells include carotene producing organisms where only lcy is used, or cells containing phytoene, a precursor of pds or the crtI gene product.

【0018】原料及び方法 生物及び成育条件 シネココッカスsp.PCC7942(アナキスチス・
ニデュランス (Anacystis nidulans) R2)の培養を以
前に記載されたようにして39BG11培地中で35℃で
行った。MPTA耐性突然変異体(MPTAr )及び形
質転換体の選択用に、1.5%寒天(バクト)及び20又
は30μMのMPTAを含有する固体BG11培地上に
該培養液を塗布した。MPTAは、ペトリ皿に注ぎ入れ
る直前に20mMメタノール貯蔵溶液から50℃で溶融
寒天に添加したものであった。必要な場合に、該BG1
1寒天プレートにカナマイシンを10μg/mlの濃度
で加えた。大腸菌株XL1−Blueを、プラスミドベ
クターpBR329K25内のシネココッカスのゲノムラ
イブラリーの宿主として選択用の30μg/mlのカナ
マイシンと共に、及びプラスミドpBluescrip
tIIKS+ (ストラタジェン)及び他のプラスミドの
宿主として100μg/mlのアンピシリン及び/又は
50μg/mlのクロラムフェニコールと共に用いた。
大腸菌の培養は暗所で37℃でLB培地中で行った40
Raw Materials and Methods Organisms and Growth Conditions Synechococcus sp. PCC7942 (Anaquistis
Cultivation of Anacystis nidulans R2) was carried out at 35 ° C. in 39 BG11 medium as previously described. For selection of MPTA resistant mutants (MPTA r ) and transformants, the culture was plated on solid BG11 medium containing 1.5% agar (Bacto) and 20 or 30 μM MPTA. MPTA was added to molten agar at 50 ° C. from a 20 mM methanol stock solution immediately before pouring into Petri dishes. When necessary, the BG1
Kanamycin was added to 1 agar plate at a concentration of 10 μg / ml. E. coli strain XL1-Blue with 30 μg / ml kanamycin for selection as the host for the Synechococcus genomic library in plasmid vector pBR329K 25 , and plasmid pBluescript.
tIIKS + (Stratagene) and other plasmids were used with 100 μg / ml ampicillin and / or 50 μg / ml chloramphenicol as hosts.
The culture of E. coli was carried out in the LB medium at 37 ° C. in the dark 40 .

【0019】MPTA耐性突然変異体の選択 シネココッカスの培養液を以前に記載されたようにして
39化学突然変異誘発物質であるエタンメチルスルホネー
ト(EMS、シグマ・ケミカル・カンパニー,セントル
イス,ミズーリ州)で処理し、液体培養液中で24時間
成育させた後、20又は30μMのMPTAを含有する
BG11寒天プレート上での選択した。3μlの希釈培
養液をBG11寒天のマスターペトリ皿上にスポッテイ
ングすることにより、選択した突然変異体における除草
剤耐性を試験した。2週間成育した後、異なる濃度のM
PTAを含有するプレート上にレプリカを作製して、更
に2週間成育させた。突然変異体を4μMのMPTAを
含有するBG11寒天プレート上に維持した。このMP
TAは、カリフォリニア州(91106)パサディーナ
にある合衆国農務省農業調査局内の果物及び野菜化学研
究室のヘンリー・ヨコヤマ博士から譲り受けたものであ
る。
Selection of MPTA-Resistant Mutants Synechococcus cultures were prepared as previously described.
39 ethane methylsulfonate a chemical mutagen treated (EMS, Sigma Chemical Co., St. Louis, MO), the after grown for 24 hours in a liquid medium, containing MPTA of 20 or 30 [mu] M BG11 Selected on agar plates. Herbicide tolerance in selected mutants was tested by spotting 3 μl of diluted culture onto BG11 agar master petri dishes. After growing for 2 weeks, different concentrations of M
Replicas were made on plates containing PTA and grown for an additional 2 weeks. Mutants were maintained on BG11 agar plates containing 4 μM MPTA. This MP
The TA was a gift from Dr. Henry Yokoyama of the Fruit and Vegetable Chemistry Laboratory within the US Department of Agriculture's Agricultural Research Department in Pasadena, Calif. (91106).

【0020】分子クローニング MPTA耐性シネココッカス突然変異体5(Mr −5)
からゲノムDNAを抽出し41、EcoRIで完全に消化
し、そしてpBR329K25のEcoRI部位内にゲノ
ムライブラリーを構築した。親野生型株をこのMr −5
ライブラリーのDNAで形質転換し41、そして該形質転
換体をMPTA(20又は30μM)及びカナマイシン
(10μM)の両方を含有するBG11寒天プレート上
で選択した。カモビッツ(Chamovitz) ら25に記載された
戦略を用いてプラスミドベクターをフランキングゲノム
DNAと一緒に回収した。このようにして回収した2.1
kbのEcoRI−SalIゲノムDNA断片をサザー
ンDNA分析の分子プローブとして用いた。32P標識化
をランダムプライミング法42により行った。このプロー
ブを用いてコロニーハイブリダイゼーション40により同
定した8.5kbのゲノムクローンをプラスミドpBlu
escriptIIKS+ (ストラタジェン)内にサブ
クローン化し、pM5EEと称した。このクローンの種
々の断片をベクターpBluescriptIIKS+
内にサブクローン化して、シネココッカスsp.PCC
7942の野生型株をMPTA耐性に形質転換するそれ
らの能力を試験した。デル・サル(Del Sal) らの操作43
を用いてプラスミドDNAの小試料 (miniprep) を調製
した。
[0020] Molecular Cloning MPTA resistant Synechococcus mutant 5 (M r -5)
Genomic DNA was extracted from 41 , digested to completion with EcoRI, and a genomic library was constructed within the EcoRI site of pBR329K 25 . The parental wild type strain was designated as Mr-5
The DNA of the library was transformed 41 and the transformants were selected on BG11 agar plates containing both MPTA (20 or 30 μM) and kanamycin (10 μM). Was recovered the plasmid vector with flanking genomic DNA using the strategy described in Kamobittsu (Chamovitz) al 25. 2.1 Collected in this way
The kb EcoRI-SalI genomic DNA fragment was used as a molecular probe for Southern DNA analysis. 32 P labeling was performed by the random priming method 42 . An 8.5 kb genomic clone identified by colony hybridization 40 using this probe was transformed into the plasmid pBlue.
It was subcloned into escriptIIKS + (Stratagene) and designated as pM5EE. Various fragments of this clone were cloned into the vector pBluescriptIIKS +.
Subcloned into Synechococcus sp. PCC
Wild-type strains of 7942 were tested for their ability to transform MPTA resistance. Operation by Del Sal et al. 43
Was used to prepare a miniprep of plasmid DNA.

【0021】大腸菌のリコピン蓄積株の構築 リコピンシクラーゼ(LCY)の活性を確認するには、
大腸菌の細胞を酵素LCYの基質であるリコピンを産生
するように遺伝子工学により修飾することが必須であっ
た。エレウィニア種からの遺伝子を利用して大腸菌で行
う数例のかかる技術が、過去において公表されている
18,19,44,45,46,47 。簡単に説明すると、エレウィニア
・ウレドボラからクローン化したカロチノイド生合成酵
素をコードする遺伝子のクラスターからベクターを構築
したのである18。プラスミドpCARから2.26kbの
BstEII−SnaBI断片を欠失させ(ミサワら, 19
90)、crtE、crtB、及びcrtIを保持する3.
75kbのAsp718−EcoRI断片をプラスミド
ベクターpACYC184のEcoRV部位内にサブク
ローン化した。次いで、pCAR−ADE18と称する該
組み換えプラスミドと同じ挿入体を有する得られたベク
ターを用いて大腸菌のリコピン蓄積株を構築した。
Construction of lycopene-accumulating strain of Escherichia coli To confirm the activity of lycopene cyclase (LCY),
It was essential to modify E. coli cells by genetic engineering to produce lycopene, a substrate for the enzyme LCY. Several such techniques performed in E. coli using genes from Erewinia species have been published in the past
18,19,44,45,46,47 . Briefly, a vector was constructed from a cluster of genes encoding a carotenoid biosynthetic enzyme cloned from Erewinia uredbora 18 . The 2.26 kb BstEII-SnaBI fragment was deleted from plasmid pCAR (Misawa et al., 19
90), crtE, crtB, and crtI 3.
The 75 kb Asp718-EcoRI fragment was subcloned into the EcoRV site of the plasmid vector pACYC184. A lycopene accumulating strain of E. coli was then constructed using the resulting vector, which has the same insert as the recombinant plasmid designated pCAR-ADE 18 .

【0022】大腸菌内でのリコピンシクラーゼの機能発
現 MPTA耐性突然変異を含む7.2kbのXbalI−E
coRI断片をベクターpBluescriptIIK
+ (ストラタジェン)の複数のクローニング部位でク
ローン化し、次いでSacI−EcoRI断片として切
り取った。次いで、このSacI−EcoRI断片をI
PTG(イソプロピルチオ−β−D−ガラクトシド)誘
導性発現ベクターpTrcHisB(インビトロゲン)
内にクローン化し、pLCYB−M5XEと称する得ら
れたプラスミドを用いてpCAR−ADEを含有するX
L1−Blueの大腸菌株のコンピテント細胞を形質転
換した。アンピシリン(100μg/ml)及びクロラ
ムフェニコール(50μg/ml)を含有するLB寒天
プレート上に形質転換した細胞をプレートし、細胞をプ
レートする1時間前にIPTGの100mM水溶液10
μlを塗布した。
Functional expression of lycopene cyclase in E. coli 7.2 kb XbalI-E containing MPTA resistance mutation
The coRI fragment into the vector pBluescriptIIK
It was cloned at multiple cloning sites of S + (Stratagen) and then excised as a SacI-EcoRI fragment. This SacI-EcoRI fragment is then
PTG (isopropylthio-β-D-galactoside) inducible expression vector pTrcHisB (Invitrogen)
X containing the pCAR-ADE cloned in and using the resulting plasmid designated pLCYB-M5XE
Competent cells of the L1-Blue E. coli strain were transformed. Transformed cells were plated on LB agar plates containing ampicillin (100 μg / ml) and chloramphenicol (50 μg / ml), and 100 mM aqueous solution of IPTG 10 h before plating the cells.
μl was applied.

【0023】カロチノイド色素分析 1mMのIPTGを含有するLB培地中、37℃で18
時間大腸菌の培養を行った。50mlの該懸濁培養液か
ら遠心分離により細菌細胞を採取し、該沈澱を90%ア
セトンに溶解することによってカロチノイド色素を抽出
した。以前に記載されたようにして10、スフェリソルブ
(Spherisorb) ODS1 25cm逆相カラムでのHP
LCによりカロチノイドを分析した。アセトニトリル/
メタノール/イソプロパノール(85:10:5)のイ
ソクラチック(isocratic) 溶媒系を用いて、L6200
ポンプ、D6000中間相を有するL300マルチチャ
ンネル光検出器からなるメルク/日立HPLC装置を使
用した。日立DADマネージャーソフトウェアーによ
り、フィトエン及び着色カロチノイドの同時検出が可能
であった。個々のカロチノイドは、リコピン及びβ−カ
ロチンの対照標準と比較してオンライン式吸収スペクト
ル及び代表的保持時間に基づいて同定した。
Carotenoid pigment analysis 18 at 37 ° C. in LB medium containing 1 mM IPTG.
Culturing of E. coli was carried out for an hour. Bacterial cells were harvested from 50 ml of the suspension culture by centrifugation, and the carotenoid pigment was extracted by dissolving the precipitate in 90% acetone. As described previously 10 , Spherisolve
(Spherisorb) ODS1 HP on 25 cm reverse phase column
Carotenoids were analyzed by LC. Acetonitrile /
L6200 using an isocratic solvent system of methanol / isopropanol (85: 10: 5).
A Merck / Hitachi HPLC system consisting of a pump, L300 multichannel photodetector with D6000 mesophase was used. Hitachi DAD Manager software allowed simultaneous detection of phytoene and colored carotenoids. Individual carotenoids were identified based on their on-line absorption spectra and typical retention times compared to lycopene and β-carotene controls.

【0024】[0024]

【実施例】【Example】

1.MPTA耐性突然変異体の選択及び遺伝子存在の確
認 青緑色細菌シネココッカスsp.PCC7942の野生
型細胞は、2μMを超える漂白除草剤MPTAを含有す
るBG11寒天プレート上では成育しなかった。EMS
での野生型株の突然変異誘発及び30μMのMPTAを
含有する寒天プレート上での成育についての選択後に、
本発明者らは幾らかの除草剤耐性突然変異体を選択し
た。突然変異体5(Mr −5)は最高の耐性を示し、5
0μMのMPTAを含有する寒天プレート上で成育した
(図2)。本明細書に記載したこの後の全実験にこの突
然変異体を用いた。Mr −5におけるMPTA耐性の遺
伝的根拠を、形質転換実験によって得た。Mr −5から
ゲノムDNAを抽出し、エンドヌクレアーゼEcoRI
で消化してシネココッカスsp.PCC7942の野生
型細胞に形質移入した。30μMのMPTAを含有する
寒天プレート上での高頻度でのコロニーの出現(非形質
転換コントロールの約104 倍)により、MPTAに対
する耐性の遺伝的形質が証明され、そして1箇所の損傷
又は密接に関連した複数の突然変異のいずれかが該耐性
形質の原因であることが示された。
1. Selection of MPTA-resistant mutants and confirmation of gene presence The blue-green bacterium Synechococcus sp. PCC7942 wild-type cells did not grow on BG11 agar plates containing> 2 μM bleaching herbicide MPTA. EMS
After mutagenesis of the wild-type strain and growth on agar plates containing 30 μM MPTA at
We have selected some herbicide resistant mutants. Mutant 5 ( Mr- 5) showed the highest resistance, 5
Grown on agar plates containing 0 μM MPTA (FIG. 2). This mutant was used in all subsequent experiments described herein. The genetic basis of MPTA resistance in M r -5, were obtained by transformation experiments. Genomic DNA was extracted from the M r -5, endonuclease EcoRI
Digested with Synechococcus sp. PCC7942 wild type cells were transfected. The high frequency of appearance of colonies on agar plates containing 30 μM MPTA (approximately 10 4 times that of the non-transformed control) demonstrated a genetic trait of resistance to MPTA, and single lesions or intimate contact. It has been shown that any of the multiple mutations involved are responsible for the resistance trait.

【0025】2.MPTA耐性遺伝子のクローニング 突然変異体Mr −5のゲノムライブラリーをプラスミド
ベクターpBR329K25のEcoRI部位に構築し
た。このライブラリーのDNAを閉環状プラスミドとし
て野生型株の細胞に形質移入し、MPTA及びカナマイ
シンの両方を含有するBG11寒天プレート上での成育
について形質転換体を選択した。シネココッカスsp.
PCC7942における安定な形質転換は、相同的組み
換えの後に該細菌の染色体内に外来DNAを組み込むこ
とによって起こる48,49 。二重耐性形質転換体が、MP
TA耐性(MPTAr )のための突然変異を有するゲノ
ムDNAを含有するプラスミドと該染色体内のその相同
配列の間の1つの交叉現象の結果として生じた。結局、
pBR329KプラスミドDNAは、MPTA耐性遺伝
子に隣接する青緑色細菌染色体内に組み込まれた(19
90年のカモビッツらの参考文献25の図2に詳細に説明
されている)。二重耐性形質転換体のゲノムDNAをS
alI又はBamHIエンドヌクレアーゼのいずれかで
消化してから、DNA連結反応を行い、大腸菌の細胞に
形質移入し、そしてカナマイシン耐性(Kanr )につ
いて選択することによって、pBR329Kベクターの
一部分を、該隣接するゲノムDNAの断片と共に回収し
た。かかる1つのKanr −MPTAr 形質転換体か
ら、本発明者らは青緑色細菌ゲノムDNAの2.1kbの
EcoRI−SalI断片を回収した。この断片を分子
プローブとして用いて元のMr −5ゲノムDNAライブ
ラリーをスクリーニングし、8.5kbのEcoRIゲノ
ム挿入体を含有するプラスミドを同定した。シネココッ
カスsp.PCC7942の野生型株の細胞内へのこの
8.5kbDNA断片の形質移入により、高頻度の除草剤
耐性コロニーがもたらされ、かくしてこの断片がMPT
r を付与する突然変異を含有していることが確認され
た。同様な試験により、該突然変異は4.6kbのEco
RI−BamHI断片内に位置していることが示され、
続いて、それをPstI及びSalI制限部位によって
区切った0.2kbの領域に割当てた(図3)。
2. The genomic library of cloned mutant M r -5 of MPTA resistance gene was constructed into the EcoRI site of the plasmid vector pBR329K 25. The DNA of this library was transfected as a closed circular plasmid into cells of the wild type strain and transformants were selected for growth on BG11 agar plates containing both MPTA and kanamycin. Synechococcus sp.
Stable transformation in PCC7942 occurs by the integration of foreign DNA into the bacterial chromosome after homologous recombination 48,49 . Double resistant transformant is MP
It occurred as a result of one crossover phenomenon between a plasmid containing genomic DNA carrying a mutation for TA resistance (MPTA r ) and its homologous sequence in the chromosome. After all,
The pBR329K plasmid DNA was integrated into the blue-green bacterial chromosome flanking the MPTA resistance gene (19
This is explained in detail in FIG. 2 of the 1990 reference to Kamovitz et al. 25 ). The genomic DNA of the double resistant transformant was transformed into S
A portion of the pBR329K vector was flanked by digestion with either alI or BamHI endonucleases, followed by DNA ligation, transfection of E. coli cells, and selection for kanamycin resistance (Kan r ). Collected with genomic DNA fragments. From such one Kan r -MPTA r transformant, we recovered a 2.1 kb EcoRI-SalI fragment of blue-green bacterial genomic DNA. This fragment was screened original M r -5 genomic DNA library using as a molecular probe to identify a plasmid containing the EcoRI genomic insert of 8.5 kb. Synechococcus sp. Into the cell of the wild-type strain of PCC7942
Transfection of the 8.5 kb DNA fragment resulted in a high frequency of herbicide-resistant colonies and thus this fragment
It was confirmed to contain a mutation that confers A r . In a similar test, the mutation resulted in a 4.6 kb Eco
Has been shown to be located within the RI-BamHI fragment,
It was subsequently assigned to a 0.2 kb region delimited by PstI and SalI restriction sites (FIG. 3).

【0026】3.MPTA耐性遺伝子はリコピンシクラ
ーゼをコードする MPTAがリコピンの環化を阻害することから、本発明
者らは、株Mr −5におけるMPTA耐性はリコピンシ
クラーゼの変化によるものであって、該突然変異の位置
を調べればこの酵素の遺伝子に辿り着くであろうと考え
た。従って、本発明者らは、リコピンを産生する大腸菌
内で該突然変異を含む青緑色細菌ゲノム断片を発現させ
ることにより、この遺伝子の存在を試験した。前に記載
したようにして18構築したプラスミドを用いた。これ
は、酵素GGPPシンターゼ(crtE)、フィトエン
シンターゼ(crtB)及びフィトエン脱飽和酵素(c
rtI)をコードする細菌エレウィニア・ウレドボラか
らの遺伝子を含有する。このプラスミドを保持する大腸
菌の細胞はリコピンを蓄積し(図6)寒天プレート上に
桃色のコロニーを生成する。
3. MPTA resistance gene from the MPTA encoding lycopene cyclase to inhibit cyclization of lycopene, the present inventors have, MPTA resistance in strains M r -5 is a due changes in lycopene cyclase, the said mutation We thought that we would arrive at the gene of this enzyme by examining the position. Therefore, we tested the presence of this gene by expressing a blue-green bacterial genomic fragment containing the mutation in E. coli that produces lycopene. The 18 constructed plasmid was used as described previously. This is due to the enzymes GGPP synthase (crtE), phytoene synthase (crtB) and phytoene desaturase (c
rtI) containing the gene from the bacterium Elewinia uredbora. E. coli cells carrying this plasmid accumulate lycopene (Fig. 6) and produce pink colonies on agar plates.

【0027】既にpCAR−ADEを含有する大腸菌の
細胞内に7.2kbのゲノム挿入体を含有するプラスミド
pLCYB−M5XE(図5)を導入した。IPTGの
存在下又は不存在下で、両方のプラスミドを含有する細
胞のコロニー及び培養液は黄色であり、HPLC分析に
より明らかなようにリコピンに加えてβ−カロチンを含
有した(図6)。最小のものがベクターpTrcHis
B(プラスミドpLCYB−M5PPF)中の1.5kb
のPstI−PstI断片である、該突然変異を含む他
の幾つかのゲノム断片から、図6に示した結果と類似の
結果が得られた(図4も参照のこと)。pTrcHis
ベクターの3つ全てのフレーム内でクローン化された1.
5kbのPstI断片で酵素活性が認められ、それはI
PTG誘発に依存していなかった。該断片を逆向きでク
ローン化した場合には、活性は認められなかった。該ベ
クターのプロモーターへの大腸菌DNAポリメラーゼの
結合は、融合タンパク質よりはむしろ青緑色細菌プロモ
ーター及び本物の青緑色細菌酵素の認識及び利用を促進
するという結論が得られた。MPTA耐性突然変異を含
む0.2kbのPstI−SalI部分だけを欠いている
pLCYB−M5PPFのトランケート型は、大腸菌細
胞内でリコピンシクラーゼ活性を維持しなかった。DN
A配列分析により、リコピンシクラーゼ活性の割り当て
位置に完全に一致する単一のオープンリーディングフレ
ームが明らかとなった(図7)。本発明者らは、このl
cyと称する推定上の遺伝子が酵素リコピンシクラーゼ
をコードし、かつこの単一の遺伝子産物がリコピンから
β−カロチンを生成するのに必要な両端の環化段階を充
分に触媒すると結論した。
The plasmid pLCYB-M5XE (FIG. 5) containing the 7.2 kb genomic insert was introduced into E. coli cells already containing pCAR-ADE. Colonies and cultures of cells containing both plasmids in the presence or absence of IPTG were yellow and contained β-carotene in addition to lycopene as evidenced by HPLC analysis (FIG. 6). The smallest is the vector pTrcHis
1.5 kb in B (plasmid pLCYB-M5PPF)
Several other genomic fragments containing the mutation, PstI-PstI fragment of E. coli, gave results similar to those shown in Figure 6 (see also Figure 4). pTrcHis
Cloned in all three frames of the vector 1.
Enzyme activity was observed with the 5 kb PstI fragment, which is I
It was not dependent on PTG induction. No activity was observed when the fragment was cloned in the reverse orientation. It was concluded that the binding of E. coli DNA polymerase to the promoter of the vector promotes the recognition and utilization of the blue-green bacterial promoter and the authentic blue-green bacterial enzyme rather than the fusion protein. The truncated form of pLCYB-M5PPF lacking only the 0.2 kb PstI-SalI portion containing the MPTA resistance mutation did not maintain lycopene cyclase activity in E. coli cells. DN
A sequence analysis revealed a single open reading frame that perfectly matched the assigned position of lycopene cyclase activity (FIG. 7). The present inventors
It was concluded that a putative gene, designated cy, encodes the enzyme lycopene cyclase, and that this single gene product is sufficient to catalyze the two-end cyclization step necessary to produce β-carotene from lycopene.

【0028】4.リコピンシクラーゼはMPTA阻害の
標的部位である MPTAとリコピンシクラーゼ活性の相互作用を試験す
るために、形質転換した大腸菌細胞の懸濁培養液を10
0μMのMPTA存在下で成育させた。図6に示したカ
ロチノイドのHPLC分析により、これら細胞はリコピ
ン及びβ−カロチンに加えて相当量の単環γ−カロチン
を蓄積するが、MPTA不存在下ではγ−カロチンが検
出されないことが示された。本発明者らは、MPTAが
リコピンシクラーゼの阻害剤として直接作用すると結論
した。
4. Lycopene cyclase is a target site for MPTA inhibition. To test the interaction between MPTA and lycopene cyclase activity, 10 suspension cultures of transformed E. coli cells were tested.
Grow in the presence of 0 μM MPTA. The HPLC analysis of carotenoids shown in FIG. 6 shows that these cells accumulate considerable amounts of monocyclic γ-carotene in addition to lycopene and β-carotene, but γ-carotene is not detected in the absence of MPTA. It was We conclude that MPTA acts directly as an inhibitor of lycopene cyclase.

【0029】5.MPTA耐性のための突然変異の同定
(図7) リコピンシクラーゼ活性を付与する領域におけるDNA
配列分析(図4)により、単一のオープンリーディング
フレーム、つまりlcyが明らかとなった。このオープ
ンリーディングフレームは、予測分子量の46,093g
/モル(配列番号:2)を有する411アミノ酸のタン
パク質をコードする大きさである。突然変異体5は、M
PTAに対する耐性を与えるlcyのプロモーター領域
内の該遺伝子の開始コドンと考えられる位置から104
塩基対上流の一箇所(配列番号:1の位置1925)に
おいてその野生型と相違している。該突然変異は、オー
プンリーディングフレーム2(ORF2)によりコード
されるタンパク質のアミノ酸配列を変化させない。野生
型におけるCのMr −5におけるTへの変換は、大腸菌
プロモーター領域の−10についてのコンセンサス配列
又はプリブノーボックス(TATAAT)により近似す
る6塩基配列(TACAAT)をもたらす。大腸菌コン
センサスプロモーターの位置6におけるこのT残基は高
度に保存されている(96%)が、3番目の位置におけ
る残基は最も少なく保存された塩基である(44
%)50。Mr −5におけるTへの突然変異は、DNA鎖
分離を促進し、それによってmRNA生成を高めると考
えられる。このメッセージの過剰生成、延いては酵素自
体の過剰生成により、突然変異体5のMPTA耐性が大
きく高められたことについての最も相応しい説明であ
る。この突然変異体は、リコピンシクラーゼ活性を妨げ
ることによって作用する他のあらゆる除草剤に対して耐
性であると考えられる。
5. Identification of mutations for MPTA resistance (Fig. 7) DNA in the region conferring lycopene cyclase activity
Sequence analysis (Fig. 4) revealed a single open reading frame, lcy. This open reading frame has a predicted molecular weight of 46,093g
The size encodes a protein of 411 amino acids with / mol (SEQ ID NO: 2). Mutant 5 is M
104 from the position considered to be the start codon of the gene in the promoter region of lcy that confers resistance to PTA
It differs from its wild type at one site upstream of base pair (position 1925 of SEQ ID NO: 1). The mutation does not change the amino acid sequence of the protein encoded by open reading frame 2 (ORF2). Conversion to T in M r -5 of C in the wild-type results in a consensus sequence or Pribnow box (TATAAT) by 6 base sequences approximating about -10 E. coli promoter region (TACAAT). This T residue at position 6 of the E. coli consensus promoter is highly conserved (96%), while the residue at position 3 is the least conserved base (44).
%) 50 . Mutations to T at Mr- 5 are believed to promote DNA strand separation, thereby enhancing mRNA production. This is the most relevant explanation for the significant increase in MPTA resistance of mutant 5 due to the overproduction of this message, and thus of the enzyme itself. This mutant is considered to be resistant to all other herbicides that act by interfering with lycopene cyclase activity.

【0030】ジェンバンク及びスイスプロットDNA及
びタンパク質配列データバンクの調査では、lcyと明
らかな相同性を有する遺伝子又はタンパク質は見つから
なかった。lcyによりコードされるタンパク質の推定
アミノ酸配列と他の既知の又は報告されたタンパク質と
の唯一の類似点は、LCYのアミノ末端に存在する。ヌ
クレオチド結合モチーフ(配列番号:3)は、LCYに
おいてこの場所に存在し、この酵素が補助因子FADに
結合してそれを利用することを示している(図8)。カ
ロチノイド生合成経路の研究のためのモデル生物として
青緑色細菌シネココッカスPCC7942を使用したこ
とにより、この遺伝子的に単純で便利な生物から、あら
ゆる酸素生成光合成生物(植物、藻類及び青緑色細菌)
に広く適用できる知見が得られた。即ち、一旦、シネコ
コッカス属においてカロチノイド生合成遺伝子を同定す
ると、あらゆる植物又は藻類から相同遺伝子を単離する
ことが可能である。このことは、本発明者らが植物及び
藻類から相同遺伝子をクローン化するためにフィトエン
脱飽和酵素のシネココッカス遺伝子を用いたことにより
証明された。植物又は藻類遺伝子が同定されていない場
合には、本発明者らの青緑色細菌遺伝子の最初の同定に
より、フィトエン脱飽和酵素の植物及び藻類遺伝子の同
定及びクローニングを可能にする必要かつ充分な手段が
提供された。本発明においても同じように、シネココッ
カスPCC7942からのリコピンシクラーゼ遺伝子の
同定により、相同な藻類及び植物遺伝子を同定及びクロ
ーン化する必要かつ充分な手段が提供された。それ以前
のpds及びpsyの遺伝子のように、シネココッカス
リコピンシクラーゼ遺伝子は、エレウィニア属からの2
種の既知細菌遺伝子にも主要データベース(ジェンバン
ク及びスイスプロット)の他の如何なる遺伝子にも殆ど
類似していない。
A search of the Genbank and Swissprot DNA and protein sequence data banks found no genes or proteins with obvious homology to lcy. The only similarity between the deduced amino acid sequence of the protein encoded by lcy and other known or reported proteins lies at the amino terminus of LCY. The nucleotide binding motif (SEQ ID NO: 3) is present at this location in LCY, indicating that this enzyme binds to and utilizes the cofactor FAD (FIG. 8). By using the blue-green bacterium Synechococcus PCC7942 as a model organism for the study of carotenoid biosynthetic pathways, from this genetically simple and convenient organism all oxygen-producing photosynthetic organisms (plants, algae and blue-green bacteria)
The findings have been widely applied to That is, once the carotenoid biosynthesis gene is identified in Synechococcus, it is possible to isolate the homologous gene from any plant or algae. This was evidenced by the inventors using the phytoene desaturase Synecococcus gene to clone homologous genes from plants and algae. If the plant or algae gene has not been identified, the initial identification of our blue-green bacterial gene allows the necessary and sufficient means to allow identification and cloning of the plant and algae gene of phytoene desaturase. Was provided. Also in the present invention, identification of the lycopene cyclase gene from Synechococcus PCC7942 provided a necessary and sufficient means for identifying and cloning homologous algae and plant genes. Like the earlier pds and psy genes, the Synechococcus lycopene cyclase gene has two genes from the genus Eleunia.
It has little similarity to known bacterial genes of the species and to any other gene in the major databases (Genbank and Swissprot).

【0031】今や、植物及び藻類の天然遺伝子の修飾が
可能になった。例えば、青緑色細菌遺伝子で得られた結
果により除草剤耐性突然変異の部位を捜し出すことがで
き、これを除草剤耐性になるように天然遺伝子を変化さ
せる場所を決定するのに用いることができる。新たに出
現するあらゆる除草剤については、酵素のアミノ酸配列
又は調節DNA配列のどのような修飾が耐性を付与でき
るかを決定するために耐性突然変異体を選択する。同じ
ようにしてあらゆる植物の天然酵素又は調節配列を変化
させて類似の突然変異体を作ることができる。加えて、
該遺伝子の発現を組織特異的様式で加減及び操ることが
でき、天然遺伝子でのアンチセンス技術を用いることも
可能である。例を挙げながら本発明を説明してきたが、
用いた専門用語は本発明を限定するものではなく説明の
ためのものである。上記の技術に基づいて本発明を修飾
しまた変化させることが可能であるのは明らかである。
従って、特許請求の範囲に記載の各請求項の範囲内で、
具体的に記載してきた方法とは別の方法で本発明を実施
することができると理解されるべきである。
It is now possible to modify the natural genes of plants and algae. For example, the results obtained with the blue-green bacterial gene can locate the site of a herbicide resistance mutation, which can be used to determine where to alter the natural gene to make it herbicide resistant. For any newly emerged herbicide, resistant mutants are selected to determine what modification of the enzyme's amino acid sequence or regulatory DNA sequence can confer resistance. Similarly, the native enzyme or regulatory sequence of any plant can be altered to create similar mutants. in addition,
The expression of the gene can be adjusted and manipulated in a tissue-specific manner, and it is also possible to use antisense technology with natural genes. While the invention has been described with examples,
The terminology used is for the purpose of description rather than limitation of the invention. Obviously, it is possible to modify and change the present invention based on the above technique.
Therefore, within the scope of each claim described in the claims,
It should be understood that the invention may be practiced otherwise than as specifically described.

【0032】参考文献 1.コヤマ (Koyama, Y.), (1991) Photochem. Photobi
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s., 11: 2244

【配列表】[Sequence list]

【0033】配列番号:1 配列の長さ:4928 配列の型:核酸 鎖の数:一本鎖 トポロジー:直鎖状 配列の種類:Genomic DNA 配列の特徴 特徴を表す記号:CDS 存在位置:2029..3261 配列SEQ ID NO: 1 Sequence length: 4928 Sequence type: Nucleic acid Number of strands: Single strand Topology: Linear Sequence type: Genomic DNA Sequence features Characteristic symbols: CDS Location: 2029. . 3261 array

【0034】[0034]

【表1】 [Table 1]

【0035】[0035]

【表2】 [Table 2]

【0036】[0036]

【表3】 [Table 3]

【0037】[0037]

【表4】 [Table 4]

【0038】配列番号:2 配列の長さ:411 配列の型:アミノ酸 トポロジー:直鎖状 配列の種類:タンパク質 配列SEQ ID NO: 2 Sequence length: 411 Sequence type: Amino acid Topology: Linear Sequence type: Protein sequence

【0039】[0039]

【表5】 [Table 5]

【0040】[0040]

【表6】 [Table 6]

【0041】配列番号:3 配列の長さ:29 配列の型:アミノ酸 鎖の数:一本鎖 トポロジー:直鎖状 配列SEQ ID NO: 3 Sequence length: 29 Sequence type: Amino acid Number of chains: Single strand Topology: Linear sequence

【0042】[0042]

【表7】 [Table 7]

【0043】[0043]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】青緑色細菌及び植物におけるカロチノイド生合
成経路の概略図である。IPP=ピロリン酸イソペンテ
ニル;GPP=ピロリン酸ゲラニル;FPP=ピロリン
酸ファルネシル;GGPP=ピロリン酸ゲラニルゲラニ
ル;PPPP=ピロリン酸プレフィトエン。
FIG. 1 is a schematic diagram of the carotenoid biosynthetic pathway in blue-green bacteria and plants. IPP = isopentenyl pyrophosphate; GPP = geranyl pyrophosphate; FPP = farnesyl pyrophosphate; GGPP = geranylgeranyl pyrophosphate; PPPP = prephytoene pyrophosphate.

【図2】青緑色細菌シネココッカスsp.PCC794
2の突然変異体(番号を付した)及び2つの野生型株
(C及びS)におけるMPTA耐性を示すペトリ皿の写
真。Cにより示される野生型株は該突然変異体の親株で
ある。各ペトリ皿の右上部にマイクロモルで表したMP
TAの濃度が示してある。生存への位置的影響を小さく
するために、各株を各ペトリ皿の数カ所にスポッティン
グした。
FIG. 2: Blue-green bacterium Synechococcus sp. PCC794
Photo of Petri dishes showing MPTA resistance in two mutants (numbered) and two wild type strains (C and S). The wild type strain designated by C is the parent strain of the mutant. MP in micromolar on the upper right of each Petri dish
The TA concentration is shown. Each strain was spotted in several places on each petri dish to minimize positional effects on survival.

【図3】MPTAr −5(突然変異体5)の突然変異部
位を示す遺伝子地図を表す概略図である。4.6kbのE
coRI−BamHIゲノム断片(以下の制限酵素地図
に示した)の種々の小断片をベクターpBluescr
iptKS+ 内にクローン化し、シネココッカスsp.
PCC7942の野生型株の細胞に形質移入し、そして
MPTA含有培地上に該形質転換体をプレートすること
により除草剤耐性を与えるそれらの能力(+で示した)
を確認した。B=BamHI;C=ClaI;E=Ec
oRI;K=KpnI;H=HindIII ;P=Pst
I;S=SalI;X=XbaI。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a gene map showing mutation sites of MPTA r- 5 (mutant 5). 4.6 kb E
Various small fragments of the coRI-BamHI genomic fragment (shown in the restriction map below) were transformed into the vector pBluescr.
cloned into iptKS + and cloned into Synechococcus sp.
Their ability to confer herbicide resistance by transfecting cells of the wild-type strain of PCC7942 and plating the transformants on MPTA-containing medium (indicated by +)
It was confirmed. B = BamHI; C = ClaI; E = Ec
oRI; K = KpnI; H = HindIII; P = Pst
I; S = SalI; X = XbaI.

【図4】リコピンシクラーゼ活性がMPTA耐性損傷を
含む領域にあることを示す遺伝子地図を表す概略図であ
る。各略号は図3と同じである。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a gene map showing that lycopene cyclase activity is in a region containing MPTA resistance damage. Each symbol is the same as in FIG.

【図5】プラスミドpLCYB−M5XE及びpLCY
B−M5PPF構造の概略図である。突然変異体5内の
lcy遺伝子の推定上の位置は発現実験に基づいて特定
したものである。
FIG. 5: Plasmids pLCYB-M5XE and pLCY
FIG. 3 is a schematic diagram of the B-M5PPF structure. The putative position of the lcy gene within mutant 5 was identified based on expression experiments.

【図6】大腸菌のリコピン蓄積株(パネルA)、大腸菌
のリコピン蓄積株とpLCYB−M5XE(パネル
B)、MPTA存在下での大腸菌のリコピン蓄積株とp
LCYB−M5XE(パネルC)の細胞から抽出したカ
ロチノイド色素のHPLC分析を表すグラフ。100m
M MPTAでの大腸菌細胞の処理の効果を示してい
る。下方のパネルにピーク1、3及び5の吸収スペクト
ルを示している。(─)ピーク1がリコピン;(・・・・)
ピーク3がγ−カロチン;(──)ピークがβ−カロチ
ンである。
FIG. 6: Lycopene-accumulating strain of E. coli (panel A), lycopene-accumulating strain of E. coli and pLCYB-M5XE (panel B), lycopene-accumulating strain of E. coli in the presence of MPTA and p.
Graph showing HPLC analysis of carotenoid dye extracted from cells of LCYB-M5XE (panel C). 100m
3 shows the effect of treatment of E. coli cells with M MPTA. The lower panels show the absorption spectra of peaks 1, 3 and 5. (─) Peak 1 is lycopene; (・ ・ ・ ・)
Peak 3 is γ-carotene; (-) peak is β-carotene.

【図7】リコピンシクラーゼ遺伝子内のMPTA耐性の
ための突然変異の同定を示す概略図。
FIG. 7: Schematic showing the identification of mutations in the lycopene cyclase gene for MPTA resistance.

【図8】FADがリコピンシクラーゼにより利用されて
いることを示す、LCYのアミノ末端におけるジヌクレ
オチド結合モチーフを示す概略図である。aは酸性アミ
ノ酸、つまりD又はEであり、pは極性又は荷電したア
ミノ酸、つまりD,E,K,R,H,S,T,Q,Nで
あり、sは小さいか又は疎水性アミノ酸、つまりA,
I,L,V,M,Cであり、そして星印はいずれかのア
ミノ酸である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a dinucleotide binding motif at the amino terminus of LCY showing that FAD is utilized by lycopene cyclase. a is an acidic amino acid, ie D or E, p is a polar or charged amino acid, ie D, E, K, R, H, S, T, Q, N, s is a small or hydrophobic amino acid, That is, A,
I, L, V, M, C, and the asterisk is any amino acid.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C12N 5/10 // C12N 9/04 9359−4B (C12N 15/09 ZNA C12R 1:01) (C12N 1/21 C12R 1:19) (C12N 1/21 C12R 1:01) (C12N 9/04 C12R 1:01) (C12N 9/04 C12R 1:19) (C12N 15/00 ZNA A C12R 1:01) (72)発明者 ジョセフ ヒルシュベルグ イスラエル エルサレム 93714 ブルラ ストリート 26 (72)発明者 フランシス ザヴィエル カニンガム ジ ュニア アメリカ合衆国 メリーランド州 20815 チェヴィ チェス ワシントン アベニ ュー 2727 (72)発明者 エリザベス バント アメリカ合衆国 メリーランド州 20814 ベセスダ ベルヴィュー 9603─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display location C12N 5/10 // C12N 9/04 9359-4B (C12N 15/09 ZNA C12R 1:01) ( (C12N 1/21 C12R 1:19) (C12N 1/21 C12R 1:01) (C12N 9/04 C12R 1:01) (C12N 9/04 C12R 1:19) (C12N 15/00 ZNA A C12R 1:01 ) (72) Inventor Joseph Hirschberg Israel Jerusalem 93714 Burla Street 26 (72) Inventor Francis Xavier Cunningham Zhenia United States Maryland 20815 Chevi Chess Washington Avenue 2727 (72) Inventor Elizabeth Bant United States Maryland 20814 Bethesda Bellevueー 9603

Claims (67)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 lcyと称するリコピンシクラーゼの遺
伝子をコードするDNA配列(配列番号:1,bp20
29〜3261)から本質的になる、精製、単離及びク
ローン化されたDNA配列。
1. A DNA sequence (SEQ ID NO: 1, bp20) encoding a gene for lycopene cyclase called lcy.
29-3261), a purified, isolated and cloned DNA sequence consisting essentially of
【請求項2】 除草剤に対して耐性であるリコピンシク
ラーゼの遺伝子をコードする修飾されたDNA配列から
なる、精製、単離及びクローン化されたDNA配列。
2. A purified, isolated and cloned DNA sequence which comprises a modified DNA sequence encoding the gene for lycopene cyclase which is resistant to herbicides.
【請求項3】 前記耐性が、CPTA及びMPTAを含
むトリアルキルアミンファミリーの漂白除草剤に対する
耐性を含むことを特徴とする、請求項2記載の修飾され
たDNA配列。
3. A modified DNA sequence according to claim 2, characterized in that said resistance comprises resistance to bleaching herbicides of the trialkylamine family including CPTA and MPTA.
【請求項4】 リコピンシクラーゼのためのDNA配列
を保持する形質転換された大腸菌。
4. A transformed Escherichia coli carrying a DNA sequence for lycopene cyclase.
【請求項5】 除草剤に対して耐性であるリコピンシク
ラーゼのためのDNA配列を保持する形質転換された大
腸菌。
5. A transformed Escherichia coli carrying a DNA sequence for lycopene cyclase which is resistant to herbicides.
【請求項6】 前記耐性が、CPTA及びMPTAを含
むトリアルキルアミンファミリーの漂白除草剤に対する
耐性を含むことを特徴とする、請求項5記載の形質転換
された大腸菌。
6. The transformed E. coli according to claim 5, wherein the resistance comprises resistance to a bleaching herbicide of the trialkylamine family including CPTA and MPTA.
【請求項7】 請求項1記載のDNAを含むベクター。7. A vector containing the DNA according to claim 1. 【請求項8】 請求項7記載のベクターで形質転換され
た宿主細胞であって、適当な真核細胞及び原核細胞の群
から選ばれる宿主細胞。
8. A host cell transformed with the vector of claim 7, wherein the host cell is selected from the group of suitable eukaryotic cells and prokaryotic cells.
【請求項9】 大腸菌である、請求項8記載の宿主細
胞。
9. The host cell according to claim 8, which is Escherichia coli.
【請求項10】 青緑色細菌である、請求項8記載の宿
主細胞。
10. The host cell according to claim 8, which is a blue-green bacterium.
【請求項11】 シネココッカスPCC7942及びシ
ネコキスチス(Synechocystis) PCC6803を含む群
から選ばれる、請求項10記載の宿主細胞。
11. The host cell of claim 10, which is selected from the group comprising Synechococcus PCC7942 and Synechocystis PCC6803.
【請求項12】 藻類である、請求項8記載の宿主細
胞。
12. The host cell according to claim 8, which is an alga.
【請求項13】 植物細胞である、請求項8記載の宿主
細胞。
13. The host cell according to claim 8, which is a plant cell.
【請求項14】 請求項2記載のDNAを含むベクタ
ー。
14. A vector containing the DNA according to claim 2.
【請求項15】 請求項14記載のベクターで形質転換
された宿主細胞であって、適当な真核細胞及び原核細胞
の群から選ばれる宿主細胞。
15. A host cell transformed with the vector of claim 14 which is selected from the group of suitable eukaryotic cells and prokaryotic cells.
【請求項16】 大腸菌である、請求項15記載の宿主
細胞。
16. The host cell according to claim 15, which is Escherichia coli.
【請求項17】 青緑色細菌である、請求項15記載の
宿主細胞。
17. The host cell according to claim 15, which is a blue-green bacterium.
【請求項18】 シネココッカスPCC7942及びシ
ネコキスチスPCC6803を含む群から選ばれる、請
求項17記載の宿主細胞。
18. The host cell of claim 17, which is selected from the group comprising Synechococcus PCC7942 and Synechocystis PCC6803.
【請求項19】 藻類である、請求項15記載の宿主細
胞。
19. The host cell according to claim 15, which is an alga.
【請求項20】 植物細胞である、請求項15記載の宿
主細胞。
20. The host cell according to claim 15, which is a plant cell.
【請求項21】 請求項3記載のDNAを含むベクタ
ー。
21. A vector containing the DNA according to claim 3.
【請求項22】 請求項21記載のベクターで形質転換
された宿主細胞であって、適当な真核細胞及び原核細胞
の群から選ばれる宿主細胞。
22. A host cell transformed with the vector of claim 21, wherein the host cell is selected from the group of suitable eukaryotic cells and prokaryotic cells.
【請求項23】 大腸菌である、請求項22記載の宿主
細胞。
23. The host cell according to claim 22, which is Escherichia coli.
【請求項24】 青緑色細菌である、請求項22記載の
宿主細胞。
24. The host cell according to claim 22, which is a blue-green bacterium.
【請求項25】 シネココッカスPCC7942及びシ
ネコキスチスPCC6803を含む群から選ばれる、請
求項24記載の宿主細胞。
25. The host cell of claim 24, which is selected from the group comprising Synechococcus PCC7942 and Synechocystis PCC6803.
【請求項26】 藻類である、請求項22記載の宿主細
胞。
26. The host cell of claim 22, which is an alga.
【請求項27】 植物細胞である、請求項22記載の宿
主細胞。
27. The host cell according to claim 22, which is a plant cell.
【請求項28】 ピロリン酸ゲラニルゲラニルからβ−
カロチンへの生合成経路を制御する酵素をコードする遺
伝子を適当な宿主細胞内に組み込むことにより該経路を
発現する方法。
28. Geranyl pyrophosphate derived from geranylgeranyl pyrophosphate
A method for expressing a carotene pathway by incorporating a gene encoding an enzyme that controls the biosynthetic pathway into a suitable host cell.
【請求項29】 psyと称するフィトエンシンターゼ
の遺伝子をコードするDNA配列を組み込む工程;pd
sと称するフィトエン脱飽和酵素の遺伝子をコードする
DNA配列を組み込む工程;zdsと称するζ−カロチ
ン脱飽和酵素の遺伝子をコードするDNA配列を組み込
む工程;及びlcyと称するリコピンシクラーゼの遺伝
子をコードするDNA配列を組み込む工程を含むことを
特徴とする、請求項28記載の方法。
29. Incorporating a DNA sequence encoding a gene for phytoene synthase designated psi; pd
the step of incorporating a DNA sequence encoding the gene for phytoene desaturase, designated s; the step of incorporating the DNA sequence encoding the gene for zeta-carotene desaturase, designated zds; and the DNA encoding the gene for lycopene cyclase, designated lcy. 29. The method of claim 28, including the step of incorporating the sequence.
【請求項30】 psyと称するフィトエンシンターゼ
の遺伝子をコードするDNA配列を組み込む工程;cr
tIと称するエレウィニア属におけるフィトエン脱飽和
酵素の遺伝子をコードするDNA配列を組み込む工程;
及びlcyと称するリコピンシクラーゼの遺伝子をコー
ドするDNA配列を組み込む工程を含むことを特徴とす
る、請求項28記載の方法。
30. Incorporating a DNA sequence encoding a gene for phytoene synthase designated psi; cr
incorporating a DNA sequence encoding a gene for phytoene desaturase in Erewinia, designated tI;
29. The method according to claim 28, characterized in that it comprises the step of incorporating a DNA sequence coding for the gene for lycopene cyclase designated as 1 and lcy.
【請求項31】 適当な宿主細胞が大腸菌である、請求
項28記載の方法。
31. The method of claim 28, wherein the suitable host cell is E. coli.
【請求項32】 LCYポリペプチドをコードするlc
yのヌクレオチド配列及びそのフランキングDNA配列
を包含する、配列番号:1に記載の精製、単離及びクロ
ーン化されたDNA配列。
32. An lc encoding LCY polypeptide.
The purified, isolated and cloned DNA sequence of SEQ ID NO: 1, including the nucleotide sequence of y and its flanking DNA sequence.
【請求項33】 得られる配列が除草剤耐性を付与でき
るように点突然変異、欠失又は挿入がなされていること
を特徴とする、請求項32記載のDNA配列。
33. The DNA sequence according to claim 32, characterized in that the resulting sequence is point-mutated, deleted or inserted so as to impart herbicide resistance.
【請求項34】 得られる配列が除草剤耐性を付与でき
るようにlcyのヌクレオチド配列内で点突然変異、欠
失又は挿入がなされていることを特徴とする、請求項3
3記載のDNA配列。
34. A point mutation, a deletion or an insertion is made in the nucleotide sequence of lcy so that the resulting sequence can confer herbicide resistance.
DNA sequence according to 3.
【請求項35】 lcyの調節が除草剤耐性を付与でき
るようにlcyのフランキング配列内で点突然変異、欠
失又は挿入がなされていることを特徴とする、請求項3
3記載のDNA配列。
35. A point mutation, deletion or insertion is made in the flanking sequence of lcy so that the regulation of lcy can confer herbicide resistance.
DNA sequence according to 3.
【請求項36】 該配列内で、配列番号:1の塩基番号
1925においてCがTに変換していることを特徴とす
る、請求項35記載のDNA配列。
36. The DNA sequence according to claim 35, wherein C is converted to T at base number 1925 of SEQ ID NO: 1 in the sequence.
【請求項37】 LCYポリペプチドをコードする相同
な配列であることを特徴とする、請求項32記載のDN
A配列。
37. DN according to claim 32, characterized in that it is a homologous sequence encoding an LCY polypeptide.
A array.
【請求項38】 得られる配列が除草剤耐性を付与でき
るように点突然変異、欠失又は挿入がなされていること
を特徴とする、請求項37記載のDNA配列。
38. The DNA sequence according to claim 37, characterized in that the obtained sequence is point-mutated, deleted or inserted so as to impart herbicide resistance.
【請求項39】 該点突然変異、欠失又は挿入を包含す
る配列の有効断片であることを特徴とする、請求項33
記載のDNA配列。
39. An effective fragment of a sequence including the point mutation, deletion or insertion, 33.
The described DNA sequence.
【請求項40】 請求項32記載のDNAを含むベクタ
ー。
40. A vector containing the DNA according to claim 32.
【請求項41】 請求項40記載のベクターで形質転換
された宿主細胞であって、適当な真核細胞及び原核細胞
の群から選ばれる宿主細胞。
41. A host cell transformed with the vector of claim 40, which is selected from the group of suitable eukaryotic cells and prokaryotic cells.
【請求項42】 大腸菌である、請求項41記載の宿主
細胞。
42. The host cell of claim 41, which is E. coli.
【請求項43】 青緑色細菌である、請求項41記載の
宿主細胞。
43. The host cell of claim 41, which is a blue-green bacterium.
【請求項44】 シネココッカスPCC7942及びシ
ネコキスチスPCC6803を含む群から選ばれる、請
求項41記載の宿主細胞。
44. The host cell of claim 41, selected from the group comprising Synechococcus PCC7942 and Synechocystis PCC6803.
【請求項45】 藻類である、請求項41記載の宿主細
胞。
45. The host cell of claim 41, which is an alga.
【請求項46】 植物細胞である、請求項41記載の宿
主細胞。
46. The host cell of claim 41, which is a plant cell.
【請求項47】 請求項33記載のDNAを含むベクタ
ー。
47. A vector containing the DNA according to claim 33.
【請求項48】 請求項47記載のベクターで形質転換
された宿主細胞であって、適当な真核細胞及び原核細胞
の群から選ばれる宿主細胞。
48. A host cell transformed with the vector of claim 47, which host cell is selected from the group of suitable eukaryotic cells and prokaryotic cells.
【請求項49】 大腸菌である、請求項48記載の宿主
細胞。
49. The host cell of claim 48, which is E. coli.
【請求項50】 青緑色細菌である、請求項48記載の
宿主細胞。
50. The host cell of claim 48, which is a blue-green bacterium.
【請求項51】 シネココッカスPCC7942及びシ
ネコキスチスPCC6803を含む群から選ばれる、請
求項48記載の宿主細胞。
51. The host cell of claim 48, which is selected from the group comprising Synechococcus PCC7942 and Synechocystis PCC6803.
【請求項52】 藻類である、請求項48記載の宿主細
胞。
52. The host cell of claim 48, which is an alga.
【請求項53】 植物細胞である、請求項48記載の宿
主細胞。
53. The host cell according to claim 48, which is a plant cell.
【請求項54】 lcy遺伝子のアンチセンス発現がゲ
ノムDNA内に導入され、それによってリコピンシクラ
ーゼの合成が阻害されて赤色色素リコピンが蓄積するト
ランスジェニック生物。
54. A transgenic organism in which antisense expression of the lcy gene is introduced into genomic DNA, thereby inhibiting the synthesis of lycopene cyclase and accumulating the red pigment lycopene.
【請求項55】 lcy遺伝子がゲノムDNA内に導入
され、それによってリコピンシクラーゼが過剰産生さ
れ、β−カロチンが過剰であるトランスジェニック生
物。
55. A transgenic organism in which the lcy gene is introduced into genomic DNA, whereby lycopene cyclase is overproduced and β-carotene is excess.
【請求項56】 請求項2記載のDNA配列がゲノムD
NA内に導入され、それによって除草剤耐性生物になっ
たトランスジェニック生物。
56. The DNA sequence according to claim 2 is Genome D.
A transgenic organism introduced into NA and thereby becoming a herbicide-resistant organism.
【請求項57】 請求項33記載のDNA配列がゲノム
DNA内に導入され、それによって除草剤耐性生物にな
ったトランスジェニック生物。
57. A transgenic organism in which the DNA sequence according to claim 33 is introduced into genomic DNA, whereby a herbicide-resistant organism is obtained.
【請求項58】 請求項3記載のDNA配列がゲノムD
NA内に導入され、それによってCPTA及びMPTA
を含むトリアルキルアミンファミリーの漂白除草剤に対
して耐性のある生物になったトランスジェニック生物。
58. The DNA sequence according to claim 3 is genome D
Introduced in NA, thereby CPTA and MPTA
A transgenic organism that has become resistant to a bleaching herbicide of the trialkylamine family containing.
【請求項59】 請求項35記載のDNA配列がゲノム
DNA内に導入され、それによって除草剤耐性生物にな
ったトランスジェニック生物。
59. A transgenic organism in which the DNA sequence according to claim 35 is introduced into genomic DNA, whereby a herbicide-resistant organism is obtained.
【請求項60】 請求項36記載のDNA配列がゲノム
DNA内に導入され、それによって除草剤耐性生物にな
ったトランスジェニック生物。
60. A transgenic organism into which the DNA sequence according to claim 36 has been introduced into genomic DNA, thereby making the herbicide resistant organism.
【請求項61】 LCYポリペプチドをコードするlc
yのヌクレオチド配列及びそのフランキングDNA配列
を包含する配列番号:1に記載のDNA配列の適当なベ
クターを調製し;そして前記ベクターを細菌、藻類及び
植物の細胞内に挿入し、それによってトランスジェニッ
ク生物を形成することにより、細菌、藻類、及び植物内
のカロチノイド生合成、含量又は組成を変化させる方
法。
61. An lc encoding LCY polypeptide.
preparing a suitable vector of the DNA sequence set forth in SEQ ID NO: 1, including the nucleotide sequence of y and its flanking DNA sequence; and inserting said vector into bacterial, algae and plant cells, thereby transgenic A method of altering carotenoid biosynthesis, content or composition within bacteria, algae, and plants by forming an organism.
【請求項62】 得られる配列が除草剤耐性を付与でき
るように該DNA配列内で点突然変異、欠失又は挿入が
なされていることを特徴とする、請求項61記載の方
法。
62. The method according to claim 61, characterized in that a point mutation, a deletion or an insertion is made in the DNA sequence so that the obtained sequence can confer herbicide resistance.
【請求項63】 該DNA配列が、除草剤に対して耐性
であるリコピンシクラーゼの遺伝子をコードする、該ベ
クターのために修飾したDNA配列からなる、請求項6
1記載の方法。
63. The DNA sequence consisting of a modified DNA sequence for the vector encoding a gene for lycopene cyclase that is resistant to herbicides.
The method described in 1.
【請求項64】 該ベクターがlcy遺伝子のアンチセ
ンス発現からなる、請求項61記載の方法。
64. The method of claim 61, wherein said vector comprises antisense expression of the lcy gene.
【請求項65】 該ベクターがlcy遺伝子及びそのプ
ロモーター又は変性したプロモーターからなる、請求項
61記載の方法。
65. The method according to claim 61, wherein the vector comprises the lcy gene and its promoter or a modified promoter.
【請求項66】 pLYCB−M5XEと称するプラス
ミド。
66. A plasmid designated as pLYCB-M5XE.
【請求項67】 除草剤に対して耐性のクローンについ
て青緑色細菌をスクリーニングし;除草剤耐性リコピン
シクラーゼ酵素の産生を制御する変性DNA配列を精製
及び単離し;該除草剤耐性酵素の産生に必要な該DNA
配列の修飾を決定し;そして天然の植物又は藻類のDN
A配列において類似の修飾をもたらすように植物又は藻
類を変性させることにより、リコピンシクラーゼ酵素と
相互作用する除草剤の作用に対して耐性である植物又は
藻類を構築する方法。
67. Screening blue-green bacteria for herbicide resistant clones; purifying and isolating denatured DNA sequences that control the production of herbicide resistant lycopene cyclase enzyme; required for the production of said herbicide resistant enzyme. The DNA
Determining sequence modifications; and natural plant or algae DN
A method of constructing a plant or algae that is resistant to the action of a herbicide that interacts with the lycopene cyclase enzyme by denaturing the plant or algae to produce a similar modification in the A sequence.
JP6028793A 1993-10-25 1994-02-01 Lycopene cyclase Pending JPH07155189A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996036717A3 (en) * 1995-05-17 1996-12-27 Centre Nat Rech Scient Dna sequences encoding a lycopene cyclase, antisense sequences derived therefrom and their use for the modification of carotenoids levels in plants
EP0820221A4 (en) * 1995-03-07 2000-09-27 Yissum Res Dev Co Lycopene cyclase gene

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