JPWO2011030793A1 - Utilization of genes involved in aluminum uptake in plants - Google Patents

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Abstract

植物におけるアルミニウムの取り込みに関与する遺伝子を同定し、その遺伝子の利用方法を提供する。本発明は、配列番号1に示す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、または配列番号1に示すアミノ酸配列において、1個または数個のアミノ酸が置換、欠失、および/または付加されたアミノ酸配列からなり、且つアルミニウムの取り込みを促進させる活性を有するポリペプチドをコードするポリヌクレオチドを植物に発現可能に導入する。A gene involved in aluminum uptake in plants is identified, and a method for using the gene is provided. The present invention relates to a polynucleotide encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1, or one or several amino acids substituted, deleted, and / or added in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1. A polynucleotide encoding a polypeptide consisting of an amino acid sequence and having an activity of promoting aluminum uptake is introduced into a plant so that it can be expressed.

Description

本発明は植物におけるアルミニウムの取り込みに関与する遺伝子の利用に関する。   The present invention relates to the use of genes involved in aluminum uptake in plants.

アルミニウムイオンは、植物に対して強い毒性を有している。土壌中に含まれているアルミニウムは酸性条件下(約pH5以下)においてアルミニウムイオンとして溶出し、例え低濃度(数μM)であっても、すばやく根の伸長阻害を引き起こし、根からの養水分の吸収を阻害する。   Aluminum ions are highly toxic to plants. Aluminum contained in the soil elutes as aluminum ions under acidic conditions (about pH 5 or less). Even at low concentrations (several μM), it quickly causes root elongation inhibition, and nourishing water from the roots. Inhibits absorption.

このように、アルミニウムイオンは、酸性土壌において植物の生育を阻害する最大の因子であるが、植物におけるアルミニウムの取り込みが、植物のアルミニウム耐性のメカニズムに関与していることがわかってきた。本発明者は、ソバ、チャ、アジサイ等のアルミニウム耐性が高い植物は、土壌中のアルミニウムを吸収し、葉等の細胞の液胞内においてアルミニウムと有機酸との錯体を形成させ、無毒化させることによってアルミニウム耐性を獲得していることを報告している(非特許文献1)。   Thus, aluminum ions are the largest factor that inhibits plant growth in acidic soil, but it has been found that aluminum uptake in plants is involved in the mechanism of plant aluminum tolerance. The present inventor makes plants with high aluminum tolerance such as buckwheat, tea, hydrangea, etc. absorb aluminum in the soil and form a complex of aluminum and an organic acid in the vacuole of cells such as leaves to detoxify it. It is reported that the aluminum resistance is acquired by this (nonpatent literature 1).

また、アルミニウムは、花の色の決定にも関与している。本発明者は、アジサイでは、植物体内において色素であるデルフィニジンとアルミニウムとが結合することによって、花の色が赤から青へと変化することを報告している(非特許文献2)。   Aluminum is also involved in the determination of flower color. The present inventor has reported that in Hydrangea, the color of a flower changes from red to blue by binding delphinidin, which is a pigment, and aluminum in the plant body (Non-patent Document 2).

Ma, J. F., Zheng, S. J., Hiradate, S. and Matsumoto, H. 1997. Detoxifying aluminium with buckwheat. Nature 390: 569-570.Ma, J. F., Zheng, S. J., Hiradate, S. and Matsumoto, H. 1997. Detoxifying aluminum with buckwheat. Nature 390: 569-570. Ma, J. F., Hiradate, S., Nomoto, K., Iwashita, T. and Matsumoto, H. 1997. Internal detoxification mechanism of Al in hydrangea. Identification of Al form in the leaves. Plant Physiol. 113:1033-1039.Ma, J. F., Hiradate, S., Nomoto, K., Iwashita, T. and Matsumoto, H. 1997. Internal detoxification mechanism of Al in hydrangea. Identification of Al form in the leaves.Plant Physiol. 113: 1033-1039.

植物におけるアルミニウムの細胞内への取り込みのメカニズムを解明することは、植物におけるアルミニウム耐性のメカニズムを解明したり、花の色を人為的に改変させたりするために有用な手掛かりとなり得ると考えられる。   Elucidating the mechanism of aluminum uptake into cells in plants is considered to be a useful clue for elucidating the mechanism of aluminum tolerance in plants and artificially changing the color of flowers.

しかし、どのような遺伝子が、植物におけるアルミニウムの取り込み(輸送)に関与するのかは不明であった。   However, it was unclear what gene is involved in aluminum uptake (transport) in plants.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、植物におけるアルミニウムの取り込みに関与する遺伝子を同定し、その遺伝子の利用方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to identify a gene involved in aluminum uptake in a plant and provide a method for using the gene.

本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、本発明者がイネから単離したOsNrat1遺伝子が、植物におけるアルミニウムの輸送に関与することを初めて発見し、本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明は以下の発明を包含する。   The present inventor has intensively studied to solve the above problems. As a result, it was discovered for the first time that the OsNrat1 gene isolated from rice by the inventor was involved in aluminum transport in plants, and the present invention was completed. That is, the present invention includes the following inventions.

本発明に係る形質転換植物の生産方法は、アルミニウムの取り込みを促進させた形質転換植物の生産方法であって、下記の(a)または(b)のポリヌクレオチドを、植物に発現可能に導入することを特徴としている:
(a)配列番号1に示す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;
(b)配列番号1に示すアミノ酸配列において、1個または数個のアミノ酸が置換、欠失、および/または付加されたアミノ酸配列からなり、且つアルミニウムの取り込みを促進させる活性を有するポリペプチドをコードするポリヌクレオチド。
The method for producing a transformed plant according to the present invention is a method for producing a transformed plant in which uptake of aluminum is promoted, and introduces the following polynucleotide (a) or (b) into a plant so as to allow expression: It is characterized by:
(A) a polynucleotide encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1;
(B) a polypeptide comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are substituted, deleted, and / or added in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 and having an activity of promoting aluminum uptake Polynucleotide.

本発明に係る形質転換植物は、本発明に係る形質転換植物の生産方法によって生産されたことを特徴としている。   The transformed plant according to the present invention is characterized by being produced by the method for producing a transformed plant according to the present invention.

本発明に係るキットは、アルミニウムの取り込みを促進させた形質転換植物を作製するためのキットであって、下記の(a)または(b)のポリヌクレオチドを備えていることを特徴としている:
(a)配列番号1に示す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;
(b)配列番号1に示すアミノ酸配列において、1個または数個のアミノ酸が置換、欠失、および/または付加されたアミノ酸配列からなり、且つアルミニウムの取り込みを促進させる活性を有するポリペプチドをコードするポリヌクレオチド。
The kit according to the present invention is a kit for producing a transformed plant in which uptake of aluminum is promoted, and is characterized by comprising the following polynucleotide (a) or (b):
(A) a polynucleotide encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1;
(B) a polypeptide comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are substituted, deleted, and / or added in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 and having an activity of promoting aluminum uptake Polynucleotide.

本発明のさらに他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分わかるであろう。また、本発明の利益は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。   Other objects, features, and advantages of the present invention will be fully understood from the following description. The benefits of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.

本発明に係る形質転換植物の生産方法によれば、アルミニウムの取り込みを促進させた形質転換植物を生産することができるという優れた効果を奏する。具体的には、野生型の植物と比較して、アルミニウムの取り込みを促進させた形質転換植物を生産することができる。   According to the method for producing a transformed plant according to the present invention, there is an excellent effect that a transformed plant in which uptake of aluminum is promoted can be produced. Specifically, it is possible to produce a transformed plant that promotes aluminum uptake compared to a wild-type plant.

本発明に係る形質転換植物は、アルミニウムの取り込みが促進されているため、例えば、アルミニウムを含有する土壌において栽培することによって、花弁の色を青色に改変させることができると考えられる。またアルミニウム耐性植物の作出にも応用できる。   Since the uptake of aluminum is promoted in the transformed plant according to the present invention, it is considered that the petal color can be changed to blue by, for example, cultivation in soil containing aluminum. It can also be used to create aluminum-resistant plants.

また、本発明に係るキットを用いれば、アルミニウムの取り込みを促進させた形質転換植物を容易に作製することができる。   Moreover, if the kit which concerns on this invention is used, the transformed plant which promoted the uptake | capture of aluminum can be produced easily.

OsNrat1(Oryza sativa Nramp Aluminum transporter 1)と他の遺伝子との進化的関係を表す系統樹である。図1中の太実線の長さは、系統樹における進化距離が0.1の長さを表している。It is a phylogenetic tree showing the evolutionary relationship between OsNrat1 (Oryza sativa Nramp Aluminum transporter 1) and other genes. The length of the thick solid line in FIG. 1 represents a length with an evolutionary distance of 0.1 in the phylogenetic tree. 図2は、NE7009およびNF7046それぞれのOsNrat1遺伝子におけるレトロトランスポゾンTos−17の挿入位置を表す図である。FIG. 2 is a diagram showing the insertion positions of retrotransposon Tos-17 in the OsNrat1 gene of NE7009 and NF7046, respectively. RT−PCRの結果を表す図である。It is a figure showing the result of RT-PCR. 30μMアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液に24時間暴露した後の、野生型イネ、NE7009、およびNF7046の根の伸長率(%)を表すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the percent elongation of roots of wild-type rice, NE7009, and NF7046 after 24 hours exposure to a 0.5 mM CaCl 2 solution containing 30 μM aluminum. NE7009と野生型イネとを、異なる濃度のアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液に24時間暴露した後の、野生型イネおよびNE7009の根の伸長率(%)を表すグラフである。It is a graph showing the elongation percentage (%) of roots of wild type rice and NE7009 after exposure of NE7009 and wild type rice to 0.5 mM CaCl 2 solution containing different concentrations of aluminum for 24 hours. NE7009と、NE7046と、野生型イネとを、アルミニウム、カドミウム(Cd)、ランタン(Lt)のいずれかを含有する0.5mM CaCl溶液に24時間暴露した後の、野生型イネ、NE7009およびNE7046の根の伸長率(%)を表すグラフである。And NE7009, and NE7046, wild-type and rice, aluminum, cadmium (Cd), lanthanum after exposure for 24 hours in 0.5 mM CaCl 2 solution containing either (Lt), wild-type rice, NE7009 and NE7046 It is a graph showing the elongation rate (%) of the root of the root. NE7009および野生型イネについて、細胞内および細胞壁に存在するアルミニウム濃度を測定した結果を表すグラフである。図7の(a)は根の細胞シンプラスト液(root cell symplastic solution)に存在するアルミニウム濃度の経時的変化を表し、(b)は細胞壁におけるアルミニウム含有量の経時的変化を表し、(c)は根の細胞におけるアルミニウムの濃度のpH依存的な変化を表している。It is a graph showing the result of having measured the aluminum density | concentration which exists in a cell and a cell wall about NE7009 and wild type rice. FIG. 7 (a) shows the change over time in the aluminum concentration present in the root cell symplastic solution, (b) shows the change over time in the aluminum content in the cell wall, (c) Represents a pH-dependent change in the aluminum concentration in root cells. 組織別RT−PCRの結果を表す図である。It is a figure showing the result of RT-PCR classified by tissue. 根部位別RT−PCRの結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of RT-PCR classified by root part. RT−PCRの結果を表すグラフであり、(a)は、他の金属に対するOsNrat1遺伝子の発現を示し、(b)は、野生型株を20μMアルミニウムを含む溶液で処理したときのイネの根におけるOsNrat1遺伝子の発現の経時変化を示し、(c)は、art1変異体におけるOsNrat1遺伝子の発現を示している。It is a graph showing the result of RT-PCR, (a) shows the expression of OsNrat1 gene with respect to other metals, (b) is in the root of rice when a wild type strain was treated with a solution containing 20 μM aluminum. The time course of the expression of the OsNrat1 gene is shown, and (c) shows the expression of the OsNrat1 gene in the art1 mutant. GFP形質転換植物の根の先端または根の先端から15mmに位置する基部における免疫組織化学染色の結果を表す図である。It is a figure showing the result of the immunohistochemical dyeing | staining in the base located in 15 mm from the front-end | tip of the root of a GFP transformed plant, or the front-end | tip of a root. タマネギ表皮細胞におけるOsNrat1−GFP融合タンパク質の局在を表す図である。It is a figure showing the localization of OsNrat1-GFP fusion protein in an onion epidermal cell. 酵母を用いたOsNrat1タンパク質の機能解析の結果を表す図である。図13の(a)は酵母の増殖を表す図であり、(b)は、酵母におけるアルミニウムの取り込みを表すグラフであり、(c)は、酵母におけるアルミニウムの取り込みの経時的変化を表すグラフである。It is a figure showing the result of the functional analysis of OsNrat1 protein using yeast. (A) of FIG. 13 is a figure showing the growth of yeast, (b) is a graph showing the uptake of aluminum in yeast, and (c) is a graph showing the change over time of the uptake of aluminum in yeast. is there. 酵母における、アルミニウム、アルミニウム−クエン酸錯体、およびアルミニウム−シュウ酸錯体の取り込みを表すグラフである。It is a graph showing the uptake | capture of aluminum, an aluminum-citrate complex, and an aluminum-oxalic acid complex in yeast. 酵母を用いたOsNrat1タンパク質の機能解析の結果を表す図である。図15の(a)は鉄を制限した培地における酵母の増殖を表す図であり、(b)は、マンガンを制限した培地における酵母の増殖を表す図であり、(c)は酵母におけるカドミウムの取り込みを表すグラフである。It is a figure showing the result of the functional analysis of OsNrat1 protein using yeast. (A) of FIG. 15 is a figure showing the growth of the yeast in the medium which restricted iron, (b) is a figure showing the growth of the yeast in the medium which restricted manganese, (c) is a figure showing the cadmium of yeast. It is a graph showing uptake. Nrat1の過剰発現体のRT−PCRの結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of RT-PCR of the overexpressed body of Nrat1. OsNrat1遺伝子過剰発現株と野生型イネとを、30μMアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液に24時間暴露した後の、野生型イネおよびOsNrat1遺伝子過剰発現株の根の伸長率(%)を表すグラフである。The root elongation rate (%) of wild type rice and OsNrat1 gene overexpression strain after exposure of OsNrat1 gene overexpression strain and wild type rice to 0.5 mM CaCl 2 solution containing 30 μM aluminum for 24 hours. It is a graph. OsNrat1遺伝子過剰発現株と野生型イネとについて、根の細胞内に取り込まれたアルミニウム量を表すグラフである。It is a graph showing the amount of aluminum taken in the root cell about OsNrat1 gene overexpression strain and wild type rice. 根の細胞におけるアルミニウムの蓄積を表す図である。図19中、「NE7009」はOsNrat1遺伝子破壊株、「5−5」および「5−7」はOsNrat1遺伝子過剰発現株を表す。It is a figure showing accumulation | storage of aluminum in the cell of a root. In FIG. 19, “NE7009” represents an OsNrat1 gene disruption strain, and “5-5” and “5-7” represent OsNrat1 gene overexpression strains. 酵母におけるアルミニウムの取り込みに対するカドミウムおよびマンガンの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of cadmium and manganese with respect to the uptake | capture of aluminum in yeast. 免疫染色の結果を示す図であり、(a)は、アルミニウム処理をしていない野生型イネの根における結果を示し、(b)は、アルミニウム処理をしていないOsNrat1遺伝子破壊株の根における結果を示し、(c)は、30μMアルミニウムで12時間処理した野生型イネの根における結果を示し、(d)は、30μMアルミニウムで12時間処理したOsNrat1遺伝子破壊株の根における結果を示している。It is a figure which shows the result of an immuno-staining, (a) shows the result in the root of the wild-type rice which is not aluminum-treated, (b) is the result in the root of the OsNrat1 gene disruption strain which is not treated with aluminum (C) shows the results for the roots of wild-type rice treated with 30 μM aluminum for 12 hours, and (d) shows the results for the roots of the OsNrat1 gene-disrupted strain treated with 30 μM aluminum for 12 hours. 相補性検定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of a complementation test. 根のアルミニウムの取り込みにおける温度の影響を示す図である。(a)は、根の細胞シンプラスト液におけるアルミニウムの濃度を示し、(b)は、根の細胞壁におけるアルミニウムの濃度を示している。It is a figure which shows the influence of the temperature in the uptake | capture of aluminum of a root. (A) shows the aluminum concentration in the root cell symplast solution, and (b) shows the aluminum concentration in the root cell wall.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、記述した範囲内で種々の変形を加えた態様で実施できるものである。また、本明細書中に記載された学術文献および特許文献の全てが、本明細書中において参考として援用される。尚、本明細書において特記しない限り、数値範囲を示す「A〜B」は、「A以上、B以下」であることを示す。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to this, and can be implemented in a mode in which various modifications are made within the described range. Moreover, all the academic literatures and patent literatures described in this specification are incorporated herein by reference. Unless otherwise specified in this specification, “A to B” indicating a numerical range indicates “A or more and B or less”.

〔1.形質転換植物の生産方法〕
本発明に係る形質転換植物の生産方法は、アルミニウムの取り込みを促進させた形質転換植物の生産方法であって、下記の(a)または(b)のポリヌクレオチドを、植物に発現可能に導入する工程を含んでいる:
(a)配列番号1に示す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;
(b)配列番号1に示すアミノ酸配列において、1個または数個のアミノ酸が置換、欠失、および/または付加されたアミノ酸配列からなり、且つアルミニウムの取り込みを促進させる活性を有するポリペプチドをコードするポリヌクレオチド。
[1. (Transformed plant production method)
The method for producing a transformed plant according to the present invention is a method for producing a transformed plant in which uptake of aluminum is promoted, and introduces the following polynucleotide (a) or (b) into a plant so as to allow expression: Includes steps:
(A) a polynucleotide encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1;
(B) a polypeptide comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are substituted, deleted, and / or added in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 and having an activity of promoting aluminum uptake Polynucleotide.

本発明者は、細胞内へのアルミニウムの輸送に関与する遺伝子(OsNrat1遺伝子)をイネから新たに同定した。上記の配列番号1に示すポリペプチドは、OsNrat1遺伝子の翻訳産物である。すなわち、配列番号1に示すアミノ酸配列からなるポリペプチドは、本発明者によってイネから新たに同定された、細胞内へのアルミニウムの輸送に関与するタンパク質である。つまり、配列番号1に示すアミノ酸配列からなるポリペプチドは、植物のアルミニウムの取り込みを促進させる活性を有しているといえる。   The present inventor newly identified a gene (OsNrat1 gene) involved in aluminum transport into cells from rice. The polypeptide shown in SEQ ID NO: 1 is a translation product of the OsNrat1 gene. That is, the polypeptide consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 is a protein newly identified from rice by the present inventors and involved in the transport of aluminum into cells. That is, it can be said that the polypeptide consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 has an activity of promoting plant aluminum uptake.

上記(a)または(b)のポリヌクレオチドとしては、例えば、OsNrat1遺伝子の全塩基配列を示した配列番号2の第56番目のAから第1693番目のGに該当するポリヌクレオチドを挙げることができる。   Examples of the polynucleotide (a) or (b) include polynucleotides corresponding to the 56th A to 1693rd G of SEQ ID NO: 2 showing the entire base sequence of the OsNrat1 gene. .

ここで、本明細書において、上記「アルミニウムの取り込みを促進させた」とは、上記(a)または(b)のポリヌクレオチドが導入されていない野生型の植物と比較して、形質転換植物におけるアルミニウムイオン(Al3+)の取り込みを促進させたことを意図している。Here, in the present specification, the phrase “promoted aluminum uptake” means that in a transformed plant, compared to a wild-type plant into which the polynucleotide (a) or (b) is not introduced. It is intended to promote the uptake of aluminum ions (Al 3+ ).

アルミニウムイオン(Al3+)の取り込みが促進したことは、野生型の植物と形質転換植物とを同じ条件で栽培し、栽培後の野生型の植物と形質転換植物とについて、植物全体におけるアルミニウムの蓄積量を比較することによって確認してもよいし、形質転換植物において上記(a)または(b)のポリヌクレオチドが発現している組織におけるアルミニウムの蓄積量を比較することによって確認してもよい。例えば、上記(a)または(b)のポリヌクレオチドが根の組織に発現している場合は、野生型の植物の根と形質転換植物の根とにおけるアルミニウムの蓄積量を比較することによって確認することができる。植物におけるアルミニウムの蓄積量は、例えば、後述する実施例に示すフレームレス原子吸光法によって測定することができる。The fact that the uptake of aluminum ions (Al 3+ ) promoted the cultivation of the wild-type plant and the transformed plant under the same conditions, and the accumulation of aluminum in the whole plant of the wild-type plant and the transformed plant after cultivation. The amount may be confirmed by comparing the amounts, or may be confirmed by comparing the amount of aluminum accumulated in the tissue expressing the polynucleotide (a) or (b) in the transformed plant. For example, when the polynucleotide (a) or (b) is expressed in the root tissue, it is confirmed by comparing the amount of aluminum accumulated in the root of the wild type plant and the root of the transformed plant. be able to. The amount of aluminum accumulated in the plant can be measured, for example, by flameless atomic absorption shown in the examples described later.

また、上記「ポリペプチド」は、「ペプチド」または「タンパク質」とも換言できる。上記「1個または数個のアミノ酸が置換、欠失、および/または付加された」とは、部位特異的突然変異誘発法等の公知の変異ポリペプチド作製法により置換、欠失、または付加ができる程度の数(例えば20個以下、好ましくは10個以下、より好ましくは7個以下、さらに好ましくは5個以下、特に好ましくは3個以下)のアミノ酸が置換、欠失、および/または付加されることを意味する。このような変異ポリペプチドは、公知の変異ポリペプチド作製法により人為的に導入された変異を有するポリペプチドに限定されるものではなく、天然に存在する同様の変異ポリペプチドを単離精製したものであってもよい。   The “polypeptide” can also be referred to as “peptide” or “protein”. The above “one or several amino acids are substituted, deleted, and / or added” means that substitution, deletion, or addition is performed by a known mutant polypeptide production method such as site-directed mutagenesis. As many amino acids as possible (for example, 20 or less, preferably 10 or less, more preferably 7 or less, even more preferably 5 or less, particularly preferably 3 or less) amino acids are substituted, deleted, and / or added. Means that. Such a mutant polypeptide is not limited to a polypeptide having a mutation artificially introduced by a known mutant polypeptide production method, but is a product obtained by isolating and purifying a similar naturally occurring mutant polypeptide. It may be.

また、上記「ポリヌクレオチド」は、「核酸」または「核酸分子」とも換言でき、ヌクレオチドの重合体が意図されている。また、「塩基配列」は、「核酸配列」または「ヌクレオチド配列」とも換言でき、デオキシリボヌクレオチド(A、G、C、およびTと省略される)の配列として示される。また、「配列番号1に示す塩基配列からなるポリヌクレオチド」とは、配列番号1の各デオキシヌクレオチドA、G、Cおよび/またはTによって示される配列からなるポリヌクレオチドを示している。   The “polynucleotide” can also be referred to as “nucleic acid” or “nucleic acid molecule”, and is intended to be a polymer of nucleotides. The “base sequence” can also be referred to as “nucleic acid sequence” or “nucleotide sequence”, and is shown as a sequence of deoxyribonucleotides (abbreviated as A, G, C, and T). The “polynucleotide consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1” refers to a polynucleotide consisting of the sequence shown by each deoxynucleotide A, G, C and / or T of SEQ ID NO: 1.

上記ポリヌクレオチドを取得する方法は、特に限定されるものではないが、公知の技術によって取得することができる。例えば、PCR等の増幅手段を用いる方法によって取得することができる。具体的には、上記(a)または(b)のポリヌクレオチドについて5’側および3’側の配列(またはその相補配列)に対応するプライマーをそれぞれ作製し、これらのプライマーを用いてゲノムDNA(またはcDNA)等を鋳型にしてPCR等を行い、両プライマー間に挟まれるDNA領域を増幅することによって、上記のポリヌクレオチドを含むDNA断片を大量に取得することができる。   The method for obtaining the polynucleotide is not particularly limited, but can be obtained by a known technique. For example, it can be obtained by a method using amplification means such as PCR. Specifically, primers corresponding to the 5 ′ side and 3 ′ side sequences (or their complementary sequences) are prepared for the polynucleotide (a) or (b), and genomic DNA ( Alternatively, a large amount of DNA fragments containing the above-described polynucleotide can be obtained by performing PCR or the like using a cDNA) as a template and amplifying a DNA region sandwiched between both primers.

また、公知の日本晴の配列情報に基づいて、OsNrat1遺伝子領域を増幅できるようなプライマーを設計し、そのプライマーを用いて、ゲノムDNA(またはcDNA)またはRT−PCR産物を鋳型にして、OsNrat1遺伝子領域を増幅することによっても上記ポリヌクレオチドを取得することができる。   In addition, based on known Nipponbare sequence information, a primer capable of amplifying the OsNrat1 gene region is designed, and using that primer, the genomic DNA (or cDNA) or RT-PCR product is used as a template, and the OsNrat1 gene region The polynucleotide can also be obtained by amplifying.

また、上記ポリヌクレオチドまたはその一部の配列を含むオリゴヌクレオチドを含むDNA断片を単離し、クローニングする方法によってもポリヌクレオチドを取得することができる。例えば、上記(a)または(b)のポリヌクレオチドの塩基配列の一部と特異的にハイブリダイズするプローブを調製し、ゲノムDNAライブラリーやcDNAライブラリーをスクリーニングすればよい。このようなプローブとしては、上記ポリヌクレオチドの塩基配列またはその相補配列の少なくとも一部に特異的にハイブリダイズするプローブであれば、いずれの配列および/または長さのものも用いることができる。   The polynucleotide can also be obtained by a method of isolating and cloning a DNA fragment containing an oligonucleotide containing the polynucleotide or a partial sequence thereof. For example, a probe that specifically hybridizes with a part of the nucleotide sequence of the polynucleotide (a) or (b) above may be prepared, and a genomic DNA library or cDNA library may be screened. As such a probe, those having any sequence and / or length can be used as long as they specifically hybridize with at least a part of the base sequence of the polynucleotide or its complementary sequence.

上記ポリヌクレオチドを取得するための供給源としては、特に限定されないが、配列番号1に示すアミノ酸配列からなるポリペプチド(OsNrat1タンパク質)は、イネ品種日本晴に由来することから、イネ科植物(イネ、トウモロコシ等)を用いることが好ましい。   Although it does not specifically limit as a supply source for acquiring the said polynucleotide, Since the polypeptide (OsNrat1 protein) which consists of an amino acid sequence shown to sequence number 1 originates in the rice cultivar Nipponbare, a rice plant (rice, It is preferable to use corn or the like.

植物に導入される上記「ポリヌクレオチド」の形態としては、植物に発現可能に導入することができる限り特に限定されず、RNA(例えば、mRNA)の形態、またはDNAの形態(例えば、cDNAまたはゲノムDNA)であってもよい。   The form of the “polynucleotide” introduced into the plant is not particularly limited as long as it can be introduced into the plant so that it can be expressed. The form of RNA (for example, mRNA) or the form of DNA (for example, cDNA or genome) DNA).

上記ポリヌクレオチドが導入される上記「植物」としては、特に限定されるものではなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、イネ科植物、ナス科植物、マメ科植物、アジサイ科植物、バラ科植物等を挙げることができる。上記「イネ科植物」としては、例えば、イネ、オオムギ、コムギ、トウモロコシ、ライムギ、ソルガム等を挙げることができる。上記「ナス科植物」としては、例えば、ナス等を挙げることができる。上記「マメ科植物」としては、例えば、ダイズ等を挙げることができる。上記「アジサイ科植物」としては、例えば、アジサイ等を挙げることができる。上記「バラ科植物」としては、バラ等を挙げることができる。   The “plant” into which the polynucleotide is introduced is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, a grass family plant, a solanaceous plant, a legume plant, a hydrangea plant, a rose plant, etc. can be mentioned. Examples of the above “Poaceae plants” include rice, barley, wheat, corn, rye, sorghum and the like. Examples of the above “Solanaceae plants” include eggplants and the like. Examples of the “leguminous plant” include soybean. Examples of the “hydrangea plant” include hydrangea and the like. Examples of the “Rosaceae plant” include roses.

本発明に係るアルミニウムの取り込みを促進させた形質転換植物の生産方法は、上記(a)または(b)のポリヌクレオチド、またはそのポリヌクレオチドを含む組換え発現ベクターが導入されており、且つアルミニウムの取り込みを促進させる活性を有するポリペプチドを発現させるものであれば、特に限定されるものではない。尚、本明細書において、上記「アルミニウムの取り込みを促進させる活性」とは、「上記(a)または(b)のポリヌクレオチドが導入されていない野生型の植物と比較して、形質転換植物におけるアルミニウムの取り込みを促進させる活性」を意図している。   In the method for producing a transformed plant in which uptake of aluminum according to the present invention is promoted, the polynucleotide (a) or (b) above or a recombinant expression vector containing the polynucleotide is introduced, and There is no particular limitation as long as it expresses a polypeptide having the activity of promoting uptake. In the present specification, the above-mentioned “activity for promoting aluminum uptake” refers to “in a transformed plant as compared with a wild-type plant into which the polynucleotide (a) or (b) is not introduced”. It is intended to have an activity that promotes aluminum uptake.

上記「組換え発現ベクター」は、(a)または(b)のポリヌクレオチドを含むものであれば、その種類は特に限定されない。例えば、配列番号2の第56番目のAから第1693番目のGに該当するcDNAが挿入された組換え発現ベクターを挙げることができる。組換え発現ベクターの作製には、プラスミド、コスミド等を用いることができるが、本発明はこれらに限定されない。   The type of the “recombinant expression vector” is not particularly limited as long as it includes the polynucleotide (a) or (b). For example, a recombinant expression vector in which a cDNA corresponding to the 56th A to the 1693rd G of SEQ ID NO: 2 is inserted can be mentioned. For the production of a recombinant expression vector, a plasmid, a cosmid or the like can be used, but the present invention is not limited to these.

また、上記「組換え発現ベクター」は、植物の細胞(以下、「ホスト細胞」とも言う)において挿入遺伝子を発現させることが可能なものであれば、特に限定されるものではない。例えば、アグロバクテリウムを用いる方法(アグロバクテリウム感染法)によって植物に組換え発現ベクターを導入する場合には、組換え発現ベクターとして、pBI系等のバイナリーベクターを用いることが好ましい。バイナリーベクターとしては、例えば、pBIG、pBIN19、pBI101、pBI121、pBI221等を挙げることができる。   The “recombinant expression vector” is not particularly limited as long as it can express the inserted gene in plant cells (hereinafter also referred to as “host cells”). For example, when a recombinant expression vector is introduced into a plant by a method using Agrobacterium (Agrobacterium infection method), it is preferable to use a binary vector such as pBI as the recombinant expression vector. Examples of binary vectors include pBIG, pBIN19, pBI101, pBI121, and pBI221.

また、上記「組換え発現ベクター」は、導入対象となる植物(導入対象植物)の細胞内において遺伝子を発現させることが可能なプロモーターを有するベクターであることが好ましい。プロモーターとしては公知のプロモーターを好適に用いることができる。例えば、カリフラワーモザイクウイルス35Sプロモーター(CaMV35S)、ユビキチンプロモーターやアクチンプロモーター等を挙げることができる。これらのプロモーター配列と上記(a)または(b)のポリヌクレオチドとをプラスミド等に組み込んだ組換え発現ベクターとして用いることによって、導入したポリヌクレオチドを植物の細胞内において好適に発現させることができる。中でも、OsNrat1タンパク質を高発現させる観点から、カリフラワーモザイクウイルス35Sプロモーターを用いることが好ましい。例えば、OsNrat1タンパク質を高発現させることにより、アルミニウムの取り込みがより促進された形質転換植物を生産することができる。   The “recombinant expression vector” is preferably a vector having a promoter capable of expressing a gene in a cell of a plant to be introduced (plant to be introduced). A known promoter can be preferably used as the promoter. Examples thereof include cauliflower mosaic virus 35S promoter (CaMV35S), ubiquitin promoter, actin promoter, and the like. By using these promoter sequences and the above-mentioned polynucleotide (a) or (b) as a recombinant expression vector incorporated into a plasmid or the like, the introduced polynucleotide can be suitably expressed in plant cells. Among these, from the viewpoint of highly expressing the OsNrat1 protein, it is preferable to use the cauliflower mosaic virus 35S promoter. For example, by highly expressing the OsNrat1 protein, a transformed plant in which aluminum uptake is further promoted can be produced.

また、OsNrat1遺伝子は、植物全体に発現させてもよいし、植物の特定の部位に特異的に発現させてもよい。例えば、OsNrat1遺伝子を、アルミニウムと結合することによって色が変化する色素(例えば、デルフィニジン)を有する植物(例えば、アジサイ)の花弁に特異的に発現させることが考えられる。花弁にアルミニウムを蓄積させることによって、花弁の色を青色に改変することが可能となる。   Moreover, the OsNrat1 gene may be expressed in the whole plant or may be specifically expressed in a specific site of the plant. For example, it is conceivable that the OsNrat1 gene is specifically expressed in the petal of a plant (for example, hydrangea) having a pigment (for example, delphinidin) that changes color by binding to aluminum. By accumulating aluminum in the petals, the petal color can be changed to blue.

OsNrat1タンパク質は植物の根に発現することが発明者によって明らかにされた。そこで、形質転換植物においてOsNrat1タンパク質を好適に機能させる観点から、上記の(a)または(b)のポリヌクレオチドを、上記植物の根において特異的に発現可能に導入することが好ましい。   It was revealed by the inventors that OsNrat1 protein is expressed in plant roots. Therefore, from the viewpoint of suitably functioning the OsNrat1 protein in the transformed plant, it is preferable to introduce the polynucleotide (a) or (b) so that it can be expressed specifically in the root of the plant.

例えば、根において特異的に発現する遺伝子を制御することが知られているプロモーターの制御下に上記の(a)または(b)のポリヌクレオチドを導入することによって、上記の(a)または(b)のポリヌクレオチドを、上記植物の根において特異的に発現させることができる。このようなプロモーターとしては、例えば、OsNrat1プロモーターを用いることができる。   For example, by introducing the polynucleotide (a) or (b) described above under the control of a promoter known to control a gene specifically expressed in roots, the above (a) or (b ) Can be specifically expressed in the roots of the plant. As such a promoter, for example, the OsNrat1 promoter can be used.

上記ポリヌクレオチド、または上記組換え発現ベクターを植物に導入する方法、すなわち形質転換方法としては特に限定されるものではない。例えば、上記ポリヌクレオチド、または上記組換え発現ベクターを染色体に組み込ませてもよいし、相同組換えによって上記ポリヌクレオチドが染色体の特定の部位に組み込ませてもよい。また、上記ポリヌクレオチド、または上記組換え発現ベクターを植物内で一過的に発現させてもよい。   A method for introducing the polynucleotide or the recombinant expression vector into a plant, that is, a transformation method is not particularly limited. For example, the polynucleotide or the recombinant expression vector may be integrated into a chromosome, or the polynucleotide may be integrated into a specific site of the chromosome by homologous recombination. Further, the polynucleotide or the recombinant expression vector may be transiently expressed in a plant.

上記形質転換方法としては、従来公知の遺伝子工学的手法(遺伝子操作技術)を用いることができる。例えば、アグロバクテリウム感染法、電気穿孔法(エレクトロポレーション法)、リン酸カルシウム法、プロトプラスト法、酢酸リチウム法、およびパーティクルガン法等の従来公知の方法を好適に用いることができる。例えば、上記「アグロバクテリウム感染法」としては、Plant, J. 6: 271-282 (1994)に記載された方法を用いることができる。   As the transformation method, conventionally known genetic engineering techniques (gene manipulation techniques) can be used. For example, conventionally known methods such as Agrobacterium infection method, electroporation method (electroporation method), calcium phosphate method, protoplast method, lithium acetate method, and particle gun method can be suitably used. For example, as the “Agrobacterium infection method”, the method described in Plant, J. 6: 271-282 (1994) can be used.

また、上記ポリヌクレオチド、または上記組換え発現ベクターがホスト細胞に導入されたか否か、さらにはホスト細胞内で確実に発現しているか否かについては、各種マーカーを用いて確認することができる。例えば、ハイグロマイシンのような抗生物質に抵抗性を与える薬剤耐性遺伝子をマーカーとして用い、このマーカーと上記(a)または(b)のポリヌクレオチドとを含むプラスミド等を発現ベクターとしてホスト細胞に導入する方法を挙げることができる。この方法を用いれば、薬剤選択によって、導入された遺伝子がホスト細胞内で確実に発現しているか否かを確認することができる。   Further, whether or not the polynucleotide or the recombinant expression vector is introduced into the host cell, and whether or not it is reliably expressed in the host cell can be confirmed using various markers. For example, a drug resistance gene that gives resistance to antibiotics such as hygromycin is used as a marker, and a plasmid containing this marker and the polynucleotide (a) or (b) above is introduced into a host cell as an expression vector. A method can be mentioned. By using this method, it can be confirmed by drug selection whether or not the introduced gene is reliably expressed in the host cell.

本発明に係る形質転換植物の生産方法によって生産された形質転換植物は、上記(a)または(b)のポリヌクレオチド、または上記の組換え発現ベクターが導入されており、且つアルミニウムの取り込みを促進させる活性を有するポリペプチドを発現しているものである。すなわち、本発明に係る形質転換植物の生産方法によって生産された形質転換植物は、上記(a)または(b)のポリヌクレオチド(OsNrat1遺伝子)が導入されていない野生型の植物と比較して、アルミニウムの取り込みが促進されている。   The transformed plant produced by the method for producing a transformed plant according to the present invention is introduced with the polynucleotide (a) or (b) above or the above recombinant expression vector, and promotes aluminum uptake. A polypeptide having the activity to be expressed. That is, the transformed plant produced by the method for producing a transformed plant according to the present invention is compared with a wild-type plant into which the polynucleotide (OsNrat1 gene) described above (a) or (b) is not introduced, Aluminum uptake is promoted.

具体的に説明すると、上記(a)または(b)のポリヌクレオチドは、イネ(日本晴)に由来するOsNrat1遺伝子に対応している。このため、上記(a)または(b)のポリヌクレオチドが導入された形質転換植物では、これらのポリヌクレオチドが導入されていない野生型の植物と比較して、植物におけるアルミニウムの取り込みが促進されると考えられる。   More specifically, the polynucleotide (a) or (b) corresponds to the OsNrat1 gene derived from rice (Nipponbare). For this reason, in the transformed plant into which the polynucleotide (a) or (b) is introduced, the uptake of aluminum in the plant is promoted as compared to the wild type plant into which these polynucleotides are not introduced. it is conceivable that.

本発明に係る形質転換植物の生産方法によれば、アルミニウムの取り込みを促進させた形質転換植物を容易に作製することができる。   According to the method for producing a transformed plant according to the present invention, a transformed plant in which uptake of aluminum is promoted can be easily produced.

〔2.形質転換植物〕
本発明に係る形質転換植物は、本発明に係る形質転換植物の生産方法によって生産されたことを特徴としている。
[2. Transformed plant)
The transformed plant according to the present invention is characterized by being produced by the method for producing a transformed plant according to the present invention.

上記「本発明に係る形質転換植物の生産方法」については、上記「1.形質転換植物の生産方法」の項において説明した通りであるので、ここでは省略する。   The “method for producing a transformed plant according to the present invention” is the same as that described in the section “1. Method for producing a transformed plant”, and is omitted here.

本発明に係る形質転換植物の範疇には、植物体のみならず、種々の形態の植物細胞、例えば、懸濁培養細胞、プロトプラスト、葉の切片、カルス等も含まれる。また、本発明に係る形質転換植物の生産方法によって、植物の染色体に上記(a)または(b)のポリヌクレオチドが組み込まれた形質転換植物がいったん得られれば、当該植物から得られる種子にも上記ポリヌクレオチドが導入されている。従って、本発明には、形質転換植物から得られた種子も含まれる。   The category of the transformed plant according to the present invention includes not only plant bodies but also various forms of plant cells such as suspension cultured cells, protoplasts, leaf sections, and callus. In addition, once a transformed plant in which the above-mentioned polynucleotide (a) or (b) is incorporated into a plant chromosome is obtained by the method for producing a transformed plant according to the present invention, seeds obtained from the plant are also obtained. The above polynucleotide has been introduced. Accordingly, the present invention also includes seeds obtained from transformed plants.

本発明に係る形質転換植物は、アルミニウムの取り込みが促進しているため、様々な用途に用いることができる。例えば、花の色を青色に改変させた植物とすることができると考えられる。   The transformed plant according to the present invention can be used for various applications because aluminum uptake is promoted. For example, it is thought that it can be set as the plant which changed the color of the flower into blue.

〔3.キット〕
本発明に係るキットは、アルミニウムの取り込みを促進させた形質転換植物を作製するためのキットであって、下記の(a)または(b)のポリヌクレオチドを備えていることを特徴としている:
(a)配列番号1に示す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;
(b)配列番号1に示すアミノ酸配列において、1個または数個のアミノ酸が置換、欠失、および/または付加されたアミノ酸配列からなり、且つアルミニウムの取り込みを促進させる活性を有するポリペプチドをコードするポリヌクレオチド。
[3. kit〕
The kit according to the present invention is a kit for producing a transformed plant in which uptake of aluminum is promoted, and is characterized by comprising the following polynucleotide (a) or (b):
(A) a polynucleotide encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1;
(B) a polypeptide comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are substituted, deleted, and / or added in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 and having an activity of promoting aluminum uptake Polynucleotide.

上記「ポリヌクレオチド」については、上記「1.形質転換植物の生産方法」の項において説明した通りであるので、ここでは省略する。   The “polynucleotide” is the same as that described in the section “1. Method for producing transformed plant”, and is omitted here.

本発明に係るキットは、上述したポリヌクレオチド以外の成分を含んでいてもよい。例えば、上記ポリヌクレオチドを含む組み換え発現ベクターを作製するためのプラスミド、当該組換え発現ベクターを作製するために必要な試薬、バッファー、植物の形質転換を行うために必要な試薬等が含まれていてもよい。   The kit according to the present invention may contain components other than the polynucleotide described above. For example, a plasmid for preparing a recombinant expression vector containing the above polynucleotide, a reagent necessary for preparing the recombinant expression vector, a buffer, a reagent necessary for transforming a plant, etc. Also good.

本発明に係るキットを用いれば、アルミニウムの取り込みを促進させた形質転換植物を容易に作製することができる。   If the kit which concerns on this invention is used, the transformed plant which promoted the uptake | capture of aluminum can be produced easily.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to this.

発明者は、マイクロアレイ解析によって、アルミニウムによって発現誘導されるイネの遺伝子を多数特定し、その中のOsNrat1について機能解析を行った。   The inventor identified many rice genes whose expression is induced by aluminum by microarray analysis, and performed functional analysis of OsNrat1 therein.

図1は、OsNrat1(Oryza sativa Nramp Aluminum transporter 1)と他の遺伝子との進化的関係を表す系統樹である。図1中の太実線の長さは、系統樹における進化距離が0.1の長さを表している。図1の系統樹は、ClustalW(DNA Data Bank of Japan (http://www.ddbj.nig.ac.jp/))を用いて作成した。図1に示すように、OsNrat1はNrampファミリーに属している。しかし、後述する実施例に示すように、二価の金属イオンを輸送することが知られているNrampファミリーの他のメンバーとは異なり、三価のアルミニウムイオンを輸送するトランスポーターであることがわかった。OsNrat1は、他のメンバーとの低い相同性(アミノ酸レベルで、36%〜59%)を示した。   FIG. 1 is a phylogenetic tree showing the evolutionary relationship between OsNrat1 (Oryza sativa Nramp Aluminum transporter 1) and other genes. The length of the thick solid line in FIG. 1 represents a length with an evolutionary distance of 0.1 in the phylogenetic tree. The phylogenetic tree in FIG. 1 was created using ClustalW (DNA Data Bank of Japan (http://www.ddbj.nig.ac.jp/)). As shown in FIG. 1, OsNrat1 belongs to the Nramp family. However, as shown in the examples described below, unlike other members of the Nramp family, which are known to transport divalent metal ions, they are found to be transporters that transport trivalent aluminum ions. It was. OsNrat1 showed low homology with other members (36% -59% at the amino acid level).

(1.OsNrat1遺伝子破壊株を用いたOsNrat1遺伝子の機能解析)
OsNrat1の機能を解析するために、OsNrat1遺伝子破壊株(Tos−17挿入株)2ライン(NE7009およびNF7046)を取得した。これらのTos−17挿入株は独立行政法人 農業生物資源研究所 イネゲノムリソースセンターより取り寄せた。NE7009およびNF7046は、レトロトランスポゾンTos−17の挿入によってOsNrat1遺伝子が破壊されたイネ(日本晴)である。尚、本実施例において、「野生型イネ」とは、野生型の日本晴を意図している。図2は、NE7009およびNF7046それぞれのOsNrat1遺伝子におけるレトロトランスポゾンTos−17の挿入位置を表す図である。
(1. Functional analysis of OsNrat1 gene using OsNrat1 gene disruption strain)
In order to analyze the function of OsNrat1, 2 lines (NE7009 and NF7046) of OsNrat1 gene disruption strain (Tos-17 insertion strain) were obtained. These Tos-17 insertion strains were ordered from the Rice Genome Resource Center, National Institute of Agrobiological Sciences. NE7009 and NF7046 are rice (Nipponbare) in which the OsNrat1 gene was disrupted by insertion of the retrotransposon Tos-17. In this example, “wild type rice” is intended to be wild type Nipponbare. FIG. 2 is a diagram showing the insertion positions of retrotransposon Tos-17 in the OsNrat1 gene of NE7009 and NF7046, respectively.

まず、野生型イネ、NE7009およびNF7046を水耕栽培し、根からRNAを抽出して、RT−PCRを行いOsNrat1の発現量を調べた。逆転写反応は、SuperScript First-Strand Synthesis System for RT-PCR(インビトロジェン社製)を用いて行った。また、PCRの反応条件は以下の通りである。
反応液の組成:10μLの反応液に1倍濃度のバッファー、0.2mMdNTP、それぞれ0.5μMのプライマー1組、20倍希釈した逆転写産物1μL
PCRの条件:95℃ 30秒、(95℃ 15秒、58℃ 15秒、72℃ 30秒)×30サイクル。
First, wild-type rice, NE7009 and NF7046 were hydroponically cultivated, RNA was extracted from the roots, RT-PCR was performed to examine the expression level of OsNrat1. The reverse transcription reaction was performed using SuperScript First-Strand Synthesis System for RT-PCR (Invitrogen). PCR reaction conditions are as follows.
Composition of the reaction solution: 1 μL of buffer, 0.2 mM dNTP, one set of 0.5 μM primer each, 10 μL of reaction solution, 1 μL of reverse transcription product diluted 20 times
PCR conditions: 95 ° C. for 30 seconds, (95 ° C. for 15 seconds, 58 ° C. for 15 seconds, 72 ° C. for 30 seconds) × 30 cycles.

図3は、RT−PCRの結果を表す図である。内部標準としてHistone H3の量を確認した。図3に示すように、NE7009およびNF7046において、OsNrat1遺伝子の発現が認められなかった。この結果から、NE7009およびNF7046では、確かにOsNrat1遺伝子が破壊されていることを確認することができた。   FIG. 3 is a diagram showing the results of RT-PCR. The amount of Histone H3 was confirmed as an internal standard. As shown in FIG. 3, the expression of the OsNrat1 gene was not observed in NE7009 and NF7046. From this result, in NE7009 and NF7046, it was confirmed that the OsNrat1 gene was surely destroyed.

次に、野生型イネ(n=10)、NE7009(n=9)、およびNF7046(n=5)を、30μMアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液に24時間暴露して、根の伸長を測定した。このとき、対照として、アルミニウムを含有しない0.5mM CaCl溶液に24時間暴露した野生型イネ、NE7009、およびNF7046をそれぞれ用いた。Next, wild type rice (n = 10), NE7009 (n = 9), and NF7046 (n = 5) were exposed to 0.5 mM CaCl 2 solution containing 30 μM aluminum for 24 hours to increase root elongation. It was measured. At this time, wild type rice, NE7009, and NF7046 exposed to a 0.5 mM CaCl 2 solution containing no aluminum for 24 hours were used as controls.

図4は、30μMアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液に24時間暴露した後の、野生型イネ、NE7009、およびNF7046の根の伸長率(%)を表すグラフである。グラフの縦軸は、対照における根の伸長を100%としたときの上記の野生型イネ、NE7009、およびNF7046の根の伸長率を表している。FIG. 4 is a graph showing the percent elongation of roots of wild-type rice, NE7009, and NF7046 after 24 hours exposure to a 0.5 mM CaCl 2 solution containing 30 μM aluminum. The vertical axis of the graph represents the above-mentioned wild-type rice, NE7009, and NF7046 root elongation rates when the root elongation in the control is 100%.

図4に示すように、OsNrat1遺伝子破壊株では、野生型イネと比較して根の伸長がより阻害された。これは、OsNrat1遺伝子破壊株では、野生型イネよりもアルミニウム耐性が低下していることを示している。この結果から、OsNrat1遺伝子は、植物におけるアルミニウム耐性に関与する遺伝子であることが予想された。   As shown in FIG. 4, in the OsNrat1 gene disrupted strain, root elongation was further inhibited compared to wild-type rice. This indicates that the OsNrat1 gene-disrupted strain has lower aluminum resistance than wild-type rice. From this result, it was predicted that the OsNrat1 gene is a gene involved in aluminum tolerance in plants.

次いで、NE7009(各n=10)と野生型イネ(各n=10)とを、異なる濃度のアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液に24時間暴露して、根の伸長を測定した。このとき、対照として、アルミニウムを含有しない0.5mM CaCl溶液に24時間暴露した野生型イネおよびNE7009を用いた。Next, NE7009 (each n = 10) and wild type rice (each n = 10) were exposed to 0.5 mM CaCl 2 solution containing different concentrations of aluminum for 24 hours to measure root elongation. At this time, wild type rice and NE7009 exposed to a 0.5 mM CaCl 2 solution containing no aluminum for 24 hours were used as controls.

図5は、NE7009と野生型イネとを、異なる濃度のアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液に24時間暴露した後の、野生型イネおよびNE7009の根の伸長率(%)を表すグラフである。グラフの縦軸は、対照における根の伸長を100%としたときの上記の野生型イネおよびNE7009の根の伸長率を表している。FIG. 5 is a graph showing root elongation percentage (%) of wild type rice and NE7009 after exposure of NE7009 and wild type rice to 0.5 mM CaCl 2 solution containing different concentrations of aluminum for 24 hours. is there. The vertical axis of the graph represents the above-described wild-type rice and NE7009 root elongation rates when the root elongation in the control is 100%.

図5に示すように、いずれの濃度のアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液で処理した場合も、OsNrat1遺伝子破壊株では、野生型イネと比較して根の伸長がより阻害された。すなわち、OsNrat1遺伝子破壊株では、野生型イネよりもアルミニウム耐性が低下していた。As shown in FIG. 5, when treated with 0.5 mM CaCl 2 solution containing any concentration of aluminum, the OsNrat1 gene-disrupted strain was more inhibited in root elongation than wild-type rice. That is, in the OsNrat1 gene-disrupted strain, aluminum resistance was lower than that of wild-type rice.

そこで、NE7009(各n=10)と、NE7046(各n=10)と、野生型イネ(各n=10)とを、アルミニウム、カドミウム、ランタンのいずれかを含有する0.5mM CaCl溶液に24時間暴露して、根の伸長を測定した。このとき、それぞれの金属の濃度はアルミニウム30μM、カドミウム10μM、ランタン5μMとなるように調製した。また、対照として、アルミニウムを含有しない0.5mM CaCl溶液に24時間暴露した野生型イネ、NE7009およびNE7046を用いた。Therefore, NE7009 (each n = 10), NE7046 (each n = 10), and wild-type rice (each n = 10) are added to a 0.5 mM CaCl 2 solution containing any one of aluminum, cadmium, and lanthanum. After 24 hours of exposure, root elongation was measured. At this time, the concentration of each metal was adjusted to be 30 μM aluminum, 10 μM cadmium, and 5 μM lanthanum. In addition, wild type rice, NE7009 and NE7046 exposed to a 0.5 mM CaCl 2 solution containing no aluminum for 24 hours were used as controls.

図6は、NE7009と、NE7046と、野生型イネとを、アルミニウム、カドミウム(Cd)、ランタン(Lt)のいずれかを含有する0.5mM CaCl溶液に24時間暴露した後の、野生型イネ、NE7009およびNE7046の根の伸長率(%)を表すグラフである。グラフの縦軸は、対照における根の伸長を100%としたときの上記の野生型イネ、NE7009およびNE7046の根の伸長率を表している。FIG. 6 shows that NE7009, NE7046, and wild-type rice were exposed to 0.5 mM CaCl 2 solution containing either aluminum, cadmium (Cd), or lanthanum (Lt) for 24 hours. , NE7009 and NE7046 root elongation percentage (%). The vertical axis of the graph represents the rate of root elongation of the wild-type rice, NE7009 and NE7046 when the root elongation in the control is 100%.

図6に示すように、カドミウムまたはランタンを含有する0.5mM CaCl溶液で処理した場合は、OsNrat1遺伝子破壊株(NE7009およびNE7046)および野生型イネの根の伸長は同程度阻害された。すなわち、OsNrat1遺伝子破壊株と野生型イネとでは、カドミウムおよびランタンに対する耐性は殆ど同じであった。一方、アルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液で処理した場合は、OsNrat1遺伝子破壊株の根の伸長は、野生型イネと比較して、より阻害された。この結果から、OsNrat1遺伝子は植物のアルミニウム耐性に特異的に関与する遺伝子であると考えられた。As shown in FIG. 6, when treated with a 0.5 mM CaCl 2 solution containing cadmium or lanthanum, OsNrat1 gene disruption strains (NE7009 and NE7046) and wild-type rice root elongation were inhibited to the same extent. That is, the resistance to cadmium and lanthanum was almost the same in the OsNrat1 gene-disrupted strain and wild-type rice. On the other hand, when treated with a 0.5 mM CaCl 2 solution containing aluminum, root elongation of the OsNrat1 gene-disrupted strain was further inhibited compared to wild-type rice. From this result, it was considered that the OsNrat1 gene is a gene specifically involved in aluminum tolerance of plants.

次いで、野生型イネおよびOsNrat1遺伝子破壊株(NE7009およびNE7046)について細胞内のアルミニウム濃度を比較した。具体的には、NE7009、NE7046および野生型イネを、30μMアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液において0〜10時間処理した。処理後2時間毎に、根の先端から0〜1cmの領域を採取した。採取した根を遠心分離することによって細胞外に存在する溶液を取り除いた後に、根を−80℃に凍結した。その後、根を室温に戻し、遠心分離によって細胞シンプラスト液を得た。また、遠心分離後の残渣を80%エタノールで3回洗浄した後に、2N塩酸を加えて、細胞壁に結合しているアルミニウムを溶出させた。細胞シンプラスト液および細胞壁からの抽出液に含まれるアルミニウムの量は、従来公知のフレームレス原子吸光法によって測定した。Next, intracellular aluminum concentrations were compared for wild-type rice and OsNrat1 gene disruption lines (NE7009 and NE7046). Specifically, NE7009, NE7046 and wild type rice were treated for 0-10 hours in a 0.5 mM CaCl 2 solution containing 30 μM aluminum. Every 2 hours after treatment, an area of 0-1 cm was collected from the tip of the root. After removing the extracellular solution by centrifuging the collected roots, the roots were frozen at −80 ° C. Thereafter, the roots were returned to room temperature, and cell symplasts were obtained by centrifugation. The residue after centrifugation was washed with 80% ethanol three times, and 2N hydrochloric acid was added to elute aluminum bound to the cell wall. The amount of aluminum contained in the cell symplast solution and the cell wall extract was measured by a conventionally known flameless atomic absorption method.

さらに、アルミニウムの取り込みにおけるpHの影響を調べるために、10mMホモピペス(homopipes)を用いてpH4.0〜6.9の範囲に緩衝化した30μMアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液において、NE7009、NE7046および野生型イネ(各n=3)を8時間処理した。In addition, in order to investigate the effect of pH on aluminum uptake, NE7009, in 0.5 mM CaCl 2 solution containing 30 μM aluminum buffered in the pH 4.0-6.9 range using 10 mM homopipes. NE7046 and wild type rice (each n = 3) were treated for 8 hours.

処理後、根の先端から0〜1cmの領域を採取した。採取した根を遠心分離することによって細胞外に存在する溶液を取り除いた後に、根を−80℃に凍結した。その後、根を室温に戻し、遠心分離によって細胞シンプラスト液を得た。また、遠心分離後の残渣を70%エタノールで3回洗浄した後に、2N塩酸を加えて、細胞壁に結合しているアルミニウムを溶出させた。細胞シンプラスト液および細胞壁からの抽出液に含まれるアルミニウムの量は、従来公知のフレームレス原子吸光法によって測定した。   After the treatment, an area of 0 to 1 cm was collected from the tip of the root. After removing the extracellular solution by centrifuging the collected roots, the roots were frozen at −80 ° C. Thereafter, the roots were returned to room temperature, and cell symplasts were obtained by centrifugation. Further, the residue after centrifugation was washed three times with 70% ethanol, and 2N hydrochloric acid was added to elute aluminum bound to the cell wall. The amount of aluminum contained in the cell symplast solution and the cell wall extract was measured by a conventionally known flameless atomic absorption method.

図7は、NE7009および野生型イネについて、細胞内および細胞壁に存在するアルミニウム濃度を測定した結果を表すグラフである。図7の(a)は細胞シンプラスト液(cell symplastic solution)に存在するアルミニウム濃度の経時的変化を表し、(b)は細胞壁におけるアルミニウム含有量の経時的変化を表し、(c)は細胞シンプラスト液におけるアルミニウムの濃度のpH依存的な変化を表している。データは、平均値±標準偏差として示した。   FIG. 7 is a graph showing the results of measuring the concentration of aluminum present in cells and in the cell wall for NE7009 and wild-type rice. FIG. 7 (a) shows the change over time in the aluminum concentration present in the cell symplastic solution, (b) shows the change over time in the aluminum content in the cell wall, and (c) shows the cell simp. It represents a pH-dependent change in the concentration of aluminum in the last solution. Data are shown as mean ± standard deviation.

図7の(a)に示すように、野生型イネでは、アルミニウム溶液での処理時間に応じて、根の先端部分(先端から0〜1cmの領域)の細胞シンプラスト液に存在するアルミニウムの濃度が経時的に上昇する傾向があった。一方、NE7009では、アルミニウム溶液における処理時間に関わらず、根の先端部分(先端から0〜1cmの領域)の細胞シンプラスト液に存在するアルミニウムの濃度が殆ど上昇しなかった。また、図7の(b)に示すように、野生型イネとNE7009とでは、アルミニウム溶液での処理時間に応じて、根の先端部分(先端から0〜1cmの領域)の細胞壁におけるアルミニウム量が経時的に増加することが明らかになった。そして、アルミニウム溶液における処理時間が長くなると、野生型イネよりも、NE7009の方が、細胞壁に結合しているアルミニウム量が増加する傾向があることが明らかになった。この結果から、OsNrat1遺伝子は、細胞内にアルミニウムを輸送する活性を有していることが考えられた。   As shown in FIG. 7 (a), in wild-type rice, the concentration of aluminum present in the cell symplast solution at the tip of the root (region of 0 to 1 cm from the tip) according to the treatment time with the aluminum solution. Tended to increase over time. On the other hand, in NE7009, regardless of the treatment time in the aluminum solution, the concentration of aluminum present in the cell symplast solution at the tip of the root (region of 0 to 1 cm from the tip) hardly increased. Further, as shown in FIG. 7 (b), in wild-type rice and NE7009, the amount of aluminum in the cell wall of the tip of the root (region of 0 to 1 cm from the tip) depends on the treatment time with the aluminum solution. It became clear that it increased with time. And it became clear that NE7009 has the tendency for the amount of aluminum couple | bonded with the cell wall to increase rather than wild-type rice when the processing time in an aluminum solution becomes long. From this result, it was considered that the OsNrat1 gene has an activity of transporting aluminum into cells.

また、図7の(c)に示すように、pH5.0より低い場合は、OsNrat1遺伝子破壊株よりも野生型株の方が、アルミニウムの濃度が顕著に高かった。しかし、pH5.5を超えると、OsNrat1遺伝子破壊株および野生型株のアルミニウムの濃度に差異はなかった。   As shown in FIG. 7 (c), when the pH was lower than 5.0, the wild-type strain had a significantly higher aluminum concentration than the OsNrat1 gene disrupted strain. However, above pH 5.5, there was no difference in the aluminum concentration of the OsNrat1 gene disrupted strain and the wild type strain.

さらに、アルミニウムの取り込みにおける温度の影響を調べるために、NE7009、NE7046および野生型イネを、30μMアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液(pH4.2)において、4℃または25℃で8時間処理した。Further, to investigate the effect of temperature on aluminum uptake, NE7009, NE7046 and wild type rice were treated in 0.5 mM CaCl 2 solution (pH 4.2) containing 30 μM aluminum for 8 hours at 4 ° C. or 25 ° C. did.

処理後、根の先端から0〜1cmの領域を採取し、上述した凍結−解凍法によって、細胞シンプラスト液および細胞壁からの抽出液を取得した。細胞シンプラスト液および細胞壁からの抽出液に含まれるアルミニウムの量は、従来公知のフレームレス原子吸光法によって測定した。   After the treatment, an area of 0 to 1 cm was collected from the tip of the root, and a cell symplast solution and an extract from the cell wall were obtained by the freeze-thaw method described above. The amount of aluminum contained in the cell symplast solution and the cell wall extract was measured by a conventionally known flameless atomic absorption method.

結果を図23に示す。図23の(a)は、根の細胞シンプラスト液におけるアルミニウムの濃度を示し、(b)は、根の細胞壁におけるアルミニウムの濃度を示している。図23の(a)および(b)に示すように、4℃では、OsNrat1遺伝子破壊株および野生型株の根の細胞シンプラスト液および細胞壁のアルミニウムの取り込みに差異はなかった。これに対して、25℃では、OsNrat1遺伝子破壊株よりも野生型株の方が、根の細胞シンプラスト液におけるアルミニウムの濃度が高かった。また、25℃では、OsNrat1遺伝子破壊株よりも野生型株の方が、根の細胞壁におけるアルミニウムの濃度が低かった。この結果は、OsNrat1タンパク質によるアルミニウムの取り込みは、能動的なプロセスであることを示唆するものである。   The results are shown in FIG. FIG. 23A shows the concentration of aluminum in the root cell symplast, and FIG. 23B shows the concentration of aluminum in the root cell wall. As shown in FIGS. 23 (a) and 23 (b), at 4 ° C., there was no difference in the uptake of OsNrat1 gene-disrupted strain and wild-type root cell symplast solution and cell wall aluminum. In contrast, at 25 ° C., the concentration of aluminum in the root cell symplast was higher in the wild type strain than in the OsNrat1 gene disrupted strain. At 25 ° C., the wild-type strain had a lower aluminum concentration in the root cell wall than the OsNrat1 gene disrupted strain. This result suggests that aluminum uptake by OsNrat1 protein is an active process.

さらに、OsNrat1遺伝子破壊株および野生型株における他の陽イオンの取り込みを比較した。具体的には、野生型株およびNE7009を、1/2木村B溶液を用いて、1ヶ月間培養した。陽イオンの濃度は、HNOを用いて消化した後に、従来公知のフレームレス原子吸光法によって測定した。なお、1/2木村B溶液は、多量栄養素(mM):MgSO(0.28),(NHSO(0.18),Ca(NO(0.18),KNO(0.09),KHPO(0.09)、および微量栄養素(mM):Fe(II)SO(10),HBO(3),MnCl(0.5),CuSO(0.2),ZnSO(0.4),(NHMo24(1)を含む培養培地である。1/2木村B溶液は、1N NaOHを用いてpH5.4に調整したものを用いた。Furthermore, the uptake of other cations in the OsNrat1 gene disrupted strain and the wild type strain was compared. Specifically, the wild type strain and NE7009 were cultured for 1 month using 1/2 Kimura B solution. The concentration of the cation was measured by a conventionally known flameless atomic absorption method after digestion with HNO 3 . In addition, 1/2 Kimura B solution is macronutrient (mM): MgSO 4 (0.28), (NH 4 ) 2 SO 4 (0.18), Ca (NO 3 ) 2 (0.18), KNO 3 (0.09), KH 2 PO 4 (0.09), and micronutrients (mM): Fe (II) SO 4 (10), H 3 BO 3 (3), MnCl 2 (0.5), A culture medium containing CuSO 4 (0.2), ZnSO 4 (0.4), (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 (1). The 1/2 Kimura B solution was adjusted to pH 5.4 with 1N NaOH.

結果を表1に示す。データは、平均値±標準偏差(n=3)として示した。表中の「−」は検出できなかったことを示している。   The results are shown in Table 1. Data are shown as mean ± standard deviation (n = 3). “-” In the table indicates that no detection was possible.

表1に示すように、OsNrat1遺伝子破壊株および野生型株の根および地上部において、カリウム、カルシウムおよびマグネシウムを含む多量栄養素の濃度、並びに鉄、銅、亜鉛およびマンガンを含む微量栄養素の濃度に差異はなかった。 As shown in Table 1, in the root and aerial parts of the OsNrat1 gene disrupted strain and wild type strain, the concentration of macronutrients containing potassium, calcium and magnesium and the concentration of micronutrients containing iron, copper, zinc and manganese are different. There was no.

次いで、相補性検定を行った。相補性検定を行うために、OsNrat1遺伝子のプロモーター領域(開始コドン(ATG)の前の2.1kb)、ORFおよび3’−URT(終止コドン(TGA)の後ろの1kb)を含む6.915kbのDNA断片を、日本晴ゲノムDNAからPCR法によって増幅した。DNA断片をpPZP2H−lacベクターに挿入し、アグロバクテリウム法によってOsNrat1遺伝子破壊株であるNE7009株に形質転換した。   A complementation assay was then performed. To perform a complementation assay, a 6.915 kb promoter containing the promoter region of the OsNrat1 gene (2.1 kb before the start codon (ATG)), ORF and 3′-URT (1 kb after the stop codon (TGA)) The DNA fragment was amplified from Nipponbare genomic DNA by the PCR method. The DNA fragment was inserted into the pPZP2H-lac vector and transformed into NE7009 strain, which is an OsNrat1 gene disruption strain, by the Agrobacterium method.

得られた形質転換株、野生型株、NE7009を、30μMアルミニウムを含む溶液を用いて8時間処理した。その後、上述した凍結−解凍法によって根の細胞シンプラスト液を抽出し、従来公知のフレームレス原子吸光法によってアルミニウムの量を測定した。   The obtained transformed strain, wild type strain, NE7009 was treated with a solution containing 30 μM aluminum for 8 hours. Thereafter, the root cell symplast solution was extracted by the freeze-thaw method described above, and the amount of aluminum was measured by a conventionally known flameless atomic absorption method.

結果を図22に示す。図22は、相補性検定の結果を示す図であり、データは、平均値±標準偏差(n=3)として示した。図22に示すように、OsNrat1遺伝子をOsNrat1遺伝子破壊株に導入した形質転換株では、根の細胞シンプラスト液におけるアルミニウム濃度が、野生型イネと同じレベルまで上昇した。この結果から、OsNrat1遺伝子は、OsNrat1遺伝子破壊株における表現型に関与していることがさらに確認された。   The results are shown in FIG. FIG. 22 is a diagram showing the results of complementarity test, and the data are shown as mean ± standard deviation (n = 3). As shown in FIG. 22, in the transformed strain in which the OsNrat1 gene was introduced into the OsNrat1 gene disrupted strain, the aluminum concentration in the root cell symplast increased to the same level as in the wild type rice. From this result, it was further confirmed that the OsNrat1 gene is involved in the phenotype in the OsNrat1 gene disrupted strain.

(2.OsNrat1遺伝子の発現パターンの解析)
次いで、OsNrat1遺伝子の発現パターンを調べた。具体的には、野生型イネの苗を、アルミニウムを含有しない0.5mM CaCl溶液、または30μMアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液において6時間処理し、その後、根と地上部とを別々にサンプリングし、それぞれの組織からRNAを抽出した。尚、本実施例で上記「地上部」とは、根を除く植物体(例えば、葉、茎等)を意図している。得られたRNAを用いて、RT−PCRを行い、OsNrat1遺伝子の発現量を調べた。逆転写反応は、SuperScript First-Strand Synthesis System for RT-PCR(インビトロジェン社製)を用いて行った。また、PCRの反応条件は以下の通りである。
反応液の組成:10μLの反応液に1倍濃度のバッファー、0.2mMdNTP、それぞれ0.5μMのプライマー1組、20倍希釈した逆転写産物1μL
PCRの条件:95℃ 30秒、(95℃ 15秒、58℃ 15秒、72℃ 30秒)×30サイクル。
(2. Analysis of expression pattern of OsNrat1 gene)
Next, the expression pattern of the OsNrat1 gene was examined. Specifically, separate seedlings of the wild type rice, 0.5 mM CaCl 2 solution containing no aluminum or 6 hours in 0.5 mM CaCl 2 solution containing 30μM aluminum, after which the roots and the aerial parts And RNA was extracted from each tissue. In the present embodiment, the above-mentioned “terrestrial part” intends a plant body (for example, a leaf, a stem, etc.) excluding roots. RT-PCR was performed using the obtained RNA, and the expression level of the OsNrat1 gene was examined. The reverse transcription reaction was performed using SuperScript First-Strand Synthesis System for RT-PCR (Invitrogen). PCR reaction conditions are as follows.
Composition of the reaction solution: 1 μL of buffer, 0.2 mM dNTP, one set of 0.5 μM primer each, 10 μL of reaction solution, 1 μL of reverse transcription product diluted 20 times
PCR conditions: 95 ° C. for 30 seconds, (95 ° C. for 15 seconds, 58 ° C. for 15 seconds, 72 ° C. for 30 seconds) × 30 cycles.

図8は、組織別RT−PCRの結果を表す図である。内部標準としてHistone H3の量を確認した。図8に示すように、OsNrat1遺伝子は主に根で発現しており、地上部では、OsNrat1遺伝子の発現が認められなかった。また、根におけるOsNrat1遺伝子の発現は、アルミニウムによって増加することが明らかになった。   FIG. 8 is a diagram showing the results of tissue-specific RT-PCR. The amount of Histone H3 was confirmed as an internal standard. As shown in FIG. 8, the OsNrat1 gene was mainly expressed in the roots, and the expression of the OsNrat1 gene was not observed in the above-ground part. Moreover, it became clear that the expression of OsNrat1 gene in roots is increased by aluminum.

次いで、野生型イネの根におけるOsNrat1遺伝子の発現に対するアルミニウムの影響を調べた。具体的には、野生型イネ(各n=3)を、アルミニウムを含有しない0.5mM CaCl溶液、または50μMアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液において6時間処理した。その後、根を先端から0〜1cmの領域と、先端から1〜2cmの領域とに切り分け、それぞれの根の領域からRNAを抽出した。得られたRNAを用いて、RT−PCRを行い、OsNrat1遺伝子の発現量を調べた。逆転写反応は、SuperScript First-Strand Synthesis System for RT-PCR(インビトロジェン社製)を用いて行った。また、PCRの反応条件は以下の通りである。
反応液の組成:20μLの反応液に1倍濃度のSYBR Premix Ex Taq(タカラバイオ社製)、それぞれ0.2μMのプライマー1組、20倍希釈した逆転写産物2μL
PCRの条件:95℃30秒、(95℃15秒、58℃15秒、72℃30秒)×40サイクル
Mastercycler ep realplex(エッペンドルフ社製)を用いてPCRを行った。
Next, the effect of aluminum on the expression of the OsNrat1 gene in wild-type rice roots was examined. Specifically, the wild-type rice (each n = 3), and 6 hours at 0.5 mM CaCl 2 solution containing 0.5 mM CaCl 2 solution or 50μM aluminum, which does not contain aluminum. Thereafter, the root was cut into a region of 0 to 1 cm from the tip and a region of 1 to 2 cm from the tip, and RNA was extracted from each root region. RT-PCR was performed using the obtained RNA, and the expression level of the OsNrat1 gene was examined. The reverse transcription reaction was performed using SuperScript First-Strand Synthesis System for RT-PCR (Invitrogen). PCR reaction conditions are as follows.
Composition of the reaction solution: 20 μL of reaction solution, 1 × SYBR Premix Ex Taq (manufactured by Takara Bio Inc.), one set of 0.2 μM each primer, 2 μL of reverse transcription product diluted 20 times
PCR conditions: 95 ° C. for 30 seconds, (95 ° C. for 15 seconds, 58 ° C. for 15 seconds, 72 ° C. for 30 seconds) × 40 cycles
PCR was performed using Mastercycler ep realplex (Eppendorf).

図9は、根部位別RT−PCRの結果を表すグラフである。図9に示すように、図8のRT−PCRの結果と同様に、根におけるOsNrat1遺伝子の発現は、アルミニウムによって誘導された。また、根の先端(先端から0〜1cmの領域)よりも、根の基部(先端から1〜2cmの領域)におけるOsNrat1遺伝子の発現量が多いことが明らかになった。尚、図9のグラフの縦軸は、アルミニウム非存在下において先端から0〜1cmの領域の根におけるOsNrat1遺伝子の発現量を1としたときの相対発現量を表している。   FIG. 9 is a graph showing the results of RT-PCR for each root region. As shown in FIG. 9, similar to the RT-PCR results of FIG. 8, the expression of the OsNrat1 gene in roots was induced by aluminum. It was also revealed that the expression level of the OsNrat1 gene was higher at the base of the root (region of 1 to 2 cm from the tip) than at the tip of the root (region of 0 to 1 cm from the tip). The vertical axis of the graph of FIG. 9 represents the relative expression level when the expression level of the OsNrat1 gene is 1 in the root of the region 0 to 1 cm from the tip in the absence of aluminum.

さらに、アルミニウム以外の金属の存在、またはpHの変化によってOsNrat1遺伝子の発現が誘導されるか調べた。具体的には、野生型イネ(各n=3)を、50μMアルミニウム、30μMカドミウム、10μMランタンのいずれかを含有する0.5mM CaCl溶液(pH4.5)において6時間処理した。また、野生型イネを、pH4.5またはpH5.6に調整した、アルミニウムを含有しない0.5mM CaCl溶液において6時間処理した。その後、根の全体からRNAを抽出した。得られたRNAを用いて、RT−PCRを行い、OsNrat1遺伝子の発現量を調べた。逆転写反応は、SuperScript First-Strand Synthesis System for RT-PCR(インビトロジェン社製)を用いて行った。また、PCRの反応条件は以下の通りである。
反応液の組成:20μLの反応液に1倍濃度のSYBR Premix Ex Taq(タカラバイオ社製)、それぞれ0.2μMのプライマー1組、20倍希釈した逆転写産物2μL
PCRの条件:95℃ 30秒、(95℃ 15秒、58℃ 15秒、72℃ 30秒)×40サイクル
Mastercycler ep realplex(エッペンドルフ社製)を用いてPCRを行った。
Furthermore, it was examined whether the expression of the OsNrat1 gene was induced by the presence of a metal other than aluminum or a change in pH. Specifically, wild type rice (each n = 3) was treated for 6 hours in a 0.5 mM CaCl 2 solution (pH 4.5) containing either 50 μM aluminum, 30 μM cadmium, or 10 μM lanthanum. Wild-type rice was also treated for 6 hours in a 0.5 mM CaCl 2 solution containing no aluminum, adjusted to pH 4.5 or pH 5.6. Thereafter, RNA was extracted from the whole root. RT-PCR was performed using the obtained RNA, and the expression level of the OsNrat1 gene was examined. The reverse transcription reaction was performed using SuperScript First-Strand Synthesis System for RT-PCR (Invitrogen). PCR reaction conditions are as follows.
Composition of the reaction solution: 20 μL of reaction solution, 1 × SYBR Premix Ex Taq (manufactured by Takara Bio Inc.), one set of 0.2 μM each primer, 2 μL of reverse transcription product diluted 20 times
PCR conditions: 95 ° C. for 30 seconds, (95 ° C. for 15 seconds, 58 ° C. for 15 seconds, 72 ° C. for 30 seconds) × 40 cycles
PCR was performed using Mastercycler ep realplex (Eppendorf).

結果を図10の(a)に示す。図10の(a)は、他の金属に対するOsNrat1遺伝子の発現を示すグラフである。尚、図10の(a)のグラフの縦軸は、アルミニウム非存在下、pH4.5の条件におけるOsNrat1遺伝子の発現量を1としたときの相対発現量を表している。データは、平均値±標準偏差(n=3)として示した。   The results are shown in FIG. FIG. 10 (a) is a graph showing the expression of the OsNrat1 gene relative to other metals. In addition, the vertical axis | shaft of the graph of Fig.10 (a) represents the relative expression level when the expression level of the OsNrat1 gene is set to 1 in the condition of pH4.5 in absence of aluminum. Data are shown as mean ± standard deviation (n = 3).

図10の(a)に示すように、図8および図9のRT−PCRの結果と同様に、根におけるOsNrat1遺伝子の発現は、アルミニウムによって誘導された。一方、根におけるOsNrat1遺伝子の発現は、pHの変化やアルミニウム以外の金属によって誘導されなかった。   As shown in FIG. 10 (a), similar to the RT-PCR results of FIGS. 8 and 9, the expression of the OsNrat1 gene in roots was induced by aluminum. On the other hand, the expression of the OsNrat1 gene in roots was not induced by changes in pH or metals other than aluminum.

また、野生型株を20μMアルミニウムを含む溶液で処理し、その後、根の全体からRNAを抽出した。得られたRNAを用いて、RT−PCRを行い、OsNrat1遺伝子の発現量を調べた。結果を図10の(b)に示す。図10の(b)は、野生型株を20μMアルミニウムを含む溶液で処理したときのイネの根におけるOsNrat1遺伝子の発現の経時変化を示している。データは、平均値±標準偏差(n=3)として示した。   In addition, the wild type strain was treated with a solution containing 20 μM aluminum, and then RNA was extracted from the whole root. RT-PCR was performed using the obtained RNA, and the expression level of the OsNrat1 gene was examined. The results are shown in FIG. FIG. 10 (b) shows the time course of OsNrat1 gene expression in rice roots when the wild-type strain was treated with a solution containing 20 μM aluminum. Data are shown as mean ± standard deviation (n = 3).

図10の(b)に示すように、OsNrat1遺伝子の発現量は、アルミニウムによって急速に増加し、アルミニウム処理後3時間で最大となることが明らかになった。   As shown in FIG. 10 (b), it was revealed that the expression level of the OsNrat1 gene was rapidly increased by aluminum and reached the maximum 3 hours after the aluminum treatment.

さらに、C2H2型ジンクフィンガー転写因子(art1遺伝子)を欠損するイネ変異体におけるOsNrat1遺伝子の発現を調べた。野生型株およびart1変異体を、20μMのアルミニウム溶液で4時間処理した。根におけるOsNrat1遺伝子の発現は、定量的リアルタイムPCR法によって測定した。結果を図10の(c)に示す。図10の(c)は、art1変異体におけるOsNrat1遺伝子の発現を示している。図10の(c)では、ヒストンH3(内部標準)に対する相対的な発現量を示している。データは、平均値±標準偏差(n=3)として示した。   Furthermore, the expression of the OsNrat1 gene in rice mutants lacking the C2H2-type zinc finger transcription factor (art1 gene) was examined. Wild type strains and artl mutants were treated with 20 μM aluminum solution for 4 hours. The expression of OsNrat1 gene in roots was measured by quantitative real-time PCR. The results are shown in FIG. FIG. 10 (c) shows the expression of the OsNrat1 gene in the art1 mutant. In (c) of FIG. 10, the relative expression level with respect to histone H3 (internal standard) is shown. Data are shown as mean ± standard deviation (n = 3).

図10の(c)に示すように、art1変異体において、OsNrat1遺伝子の発現が、アルミニウムによって誘導されないことが確認された。この結果は、OsNrat1遺伝子の発現がART1によって制御されるという報告(Yamaji, N., Huang,C.F., Nagao, S., Yano, M., Sato, Y., Nagamura, Y., and Ma, J.F. (2009). A Zn-finger transcription factor ART1 regulates multiple genes implicated in aluminum tolerance in rice. Plant Cell 21: 3339-3349)と一致していた。   As shown in FIG. 10 (c), it was confirmed that the expression of the OsNrat1 gene was not induced by aluminum in the art1 mutant. This result indicates that the expression of OsNrat1 gene is regulated by ART1 (Yamaji, N., Huang, CF, Nagao, S., Yano, M., Sato, Y., Nagamura, Y., and Ma, JF (2009). A Zn-finger transcription factor ART1 regulates multiple genes implicated in aluminum tolerance in rice. Plant Cell 21: 3339-3349).

次いで、OsNrat1遺伝子の細胞内での局在を調べるために、OsNrat1遺伝子のプロモーターの制御下に蛍光タンパク質であるGFP(green fluorescent protein)をコードする遺伝子を組み込んだ融合遺伝子を含む組換え発現ベクター(ProOsNrat1-GFPベクター)を作製し、当該組換え発現ベクターを野生型イネに形質転換した。形質転換は、アグロバクテリウム法によって行った。   Next, in order to investigate the localization of the OsNrat1 gene in the cell, a recombinant expression vector containing a fusion gene incorporating a gene encoding a fluorescent protein GFP (green fluorescent protein) under the control of the OsNrat1 gene promoter ( ProOsNrat1-GFP vector) was prepared, and the recombinant expression vector was transformed into wild-type rice. Transformation was performed by the Agrobacterium method.

得られたGFP形質転換植物におけるGFPの局在を調べることによって、OsNrat1タンパク質の根組織での発現部位を調べることができる。そこで、GFP形質転換植物の根について、一次抗体として抗GFP抗体(A11122、モレキュラープローブス社製)を用いて免疫組織化学染色を行い、根におけるGPFの局在を調べた。   By examining the localization of GFP in the obtained GFP-transformed plant, the expression site in the root tissue of the OsNrat1 protein can be examined. Therefore, immunohistochemical staining was performed on the roots of GFP-transformed plants using an anti-GFP antibody (A11122, manufactured by Molecular Probes) as a primary antibody, and the localization of GPF in the roots was examined.

図11は、GFP形質転換植物の根の先端または根の先端から15mmに位置する基部における免疫組織化学染色の結果を表す図である。図11に示すように、根の先端では、すべての細胞にGFPの発現が認められた。また、根の基部では、表皮以外のすべての細胞にGFPの発現が認められた。すなわち、OsNrat1タンパク質は、根の先端のすべての細胞、および基部の表皮を除く基部のすべての細胞で発現することが明らかになった。   FIG. 11 is a diagram showing the results of immunohistochemical staining at the root tip of a GFP-transformed plant or at the base located 15 mm from the root tip. As shown in FIG. 11, GFP expression was observed in all cells at the root tip. In addition, at the base of the root, expression of GFP was observed in all cells except the epidermis. That is, it was revealed that the OsNrat1 protein is expressed in all cells at the tip of the root and in all cells in the base other than the base epidermis.

OsNrat1タンパク質の細胞内局在をさらに詳しく調べるために、OsNrat1遺伝子とGFP遺伝子との融合遺伝子を作製し、カリフラワーモザイクウイルス35Sプロモーターの制御下に当該融合遺伝子を組み込んだ組換え発現ベクター(35S::OsNrat1-GFPベクター)を作製した。陽性対照として、カリフラワーモザイクウイルス35Sプロモーターの制御下にGFP遺伝子を組み込んだ組換え発現ベクター(35S::GFPベクター)を作製した。これらの組換え発現ベクターをそれぞれタマネギの表皮細胞に導入して、GFPの細胞内局在性を観察した。形質転換は、パーティクルガンによって行った。尚、GFP遺伝子は、OsNrat1遺伝子のC末端側にイン・フレームになるように融合させた。   In order to examine the intracellular localization of the OsNrat1 protein in more detail, a recombinant gene (35S: :) was prepared by preparing a fusion gene of the OsNrat1 gene and the GFP gene and incorporating the fusion gene under the control of the cauliflower mosaic virus 35S promoter. OsNrat1-GFP vector) was prepared. As a positive control, a recombinant expression vector (35S :: GFP vector) incorporating the GFP gene under the control of the cauliflower mosaic virus 35S promoter was prepared. Each of these recombinant expression vectors was introduced into onion epidermal cells, and the intracellular localization of GFP was observed. Transformation was performed with a particle gun. The GFP gene was fused in-frame to the C-terminal side of the OsNrat1 gene.

図12は、タマネギ表皮細胞におけるOsNrat1−GFP融合タンパク質の局在を表す図である。図12に示すように、OsNrat1タンパク質は、細胞膜に局在することが明らかになった。   FIG. 12 is a diagram showing the localization of the OsNrat1-GFP fusion protein in onion epidermal cells. As shown in FIG. 12, it was revealed that the OsNrat1 protein was localized in the cell membrane.

さらに、OsNrat1タンパク質の細胞局在および細胞内局在を調べるために、免疫染色を行った。抗体は、OsNrat1タンパク質のアミノ酸配列(配列番号1)の第1位から第18位までのアミノ酸配列に相当する合成ペプチドを、ウサギに免疫することによって取得した。   Furthermore, immunostaining was performed to examine the cellular and intracellular localization of the OsNrat1 protein. The antibody was obtained by immunizing a rabbit with a synthetic peptide corresponding to the amino acid sequence from position 1 to position 18 of the amino acid sequence of the OsNrat1 protein (SEQ ID NO: 1).

30μMアルミニウムで12時間処理した野生型イネおよびOsNrat1遺伝子破壊株の根を用いて免疫染色を行った。免疫染色の手順は、従来公知の方法に従って行った(Yamaji, N., and Ma, J.F. (2007). Spatial distribution and temporal variation of the rice silicon transporter Lsi1. Plant Physiol. 143: 1306-1313を参照)。蛍光は、レーザ走査共焦点顕微鏡(LSM700; Carl Zeiss)を用いて観察した。   Immunostaining was performed using wild-type rice treated with 30 μM aluminum for 12 hours and the roots of the OsNrat1 gene-disrupted strain. The immunostaining procedure was performed according to a conventionally known method (see Yamaji, N., and Ma, JF (2007). Spatial distribution and temporal variation of the rice silicon transporter Lsi1. Plant Physiol. 143: 1306-1313) . The fluorescence was observed using a laser scanning confocal microscope (LSM700; Carl Zeiss).

図21は免疫染色の結果を示す図であり、(a)は、アルミニウム処理をしていない野生型イネの根におけるOsNrat1タンパク質免疫染色の結果を示し、(b)は、アルミニウム処理をしていないOsNrat1遺伝子破壊株の根におけるOsNrat1タンパク質免疫染色の結果を示し、(c)は、30μMアルミニウムで12時間処理した野生型イネの根におけるOsNrat1タンパク質免疫染色の結果を示し、(d)は、30μMアルミニウムで12時間処理したOsNrat1遺伝子破壊株の根におけるOsNrat1タンパク質免疫染色の結果を示している。図中のスケールバーは、100μmに相当する。   FIG. 21 is a diagram showing the results of immunostaining, (a) shows the results of OsNrat1 protein immunostaining in the roots of wild-type rice not treated with aluminum, and (b) shows no aluminum treatment. (C) shows the results of OsNrat1 protein immunostaining in the roots of wild-type rice treated with 30 μM aluminum for 12 hours, (d) shows the results of 30 μM aluminum. The result of the OsNrat1 protein immunostaining in the root of the OsNrat1 gene disruption strain | stump | stock processed for 12 hours is shown. The scale bar in the figure corresponds to 100 μm.

図21の(a)および(c)に示すように、野生型イネにおいて、OsNrat1タンパク質は、表皮細胞を除く全ての根の細胞において発現し、アルミニウムによって発現量が増加することが示された。   As shown in FIGS. 21 (a) and 21 (c), in wild-type rice, OsNrat1 protein was expressed in all root cells except epidermal cells, and the expression level was increased by aluminum.

図21の(b)および(d)に示すように、OsNrat1遺伝子破壊株においては、シグナルが認められなかったことから、免疫染色に用いた抗体の特異性が確認された。   As shown in FIGS. 21 (b) and (d), no signal was observed in the OsNrat1 gene disrupted strain, confirming the specificity of the antibody used for immunostaining.

また、細胞内局在を調べるために、抗OsNrat1抗体とDAPIとを二重染色した。その結果、OsNrat1タンパク質は、細胞膜に局在していることが明らかになった(図示しない)。   Further, in order to examine intracellular localization, anti-OsNrat1 antibody and DAPI were double-stained. As a result, it was revealed that the OsNrat1 protein was localized in the cell membrane (not shown).

(3.OsNrat1タンパク質が有するアルミニウム輸送活性の解析)
OsNrat1遺伝子と、AtNramp4遺伝子(陰性対照)とを酵母に発現させて、OsNrat1タンパク質のアルミニウムの輸送活性を解析した。具体的には、酵母(BY4741株(MATa his2△0 met15△0 ura3△0))に、発現ベクターpYES2(インビトロジェン社製)を用いてそれぞれの遺伝子を従来公知の酢酸リチウム法によって導入した。さらに、陰性対照としてpYES2ベクターのみを導入した。
(3. Analysis of aluminum transport activity of OsNrat1 protein)
The OsNrat1 gene and the AtNramp4 gene (negative control) were expressed in yeast, and the aluminum transport activity of the OsNrat1 protein was analyzed. Specifically, each gene was introduced into yeast (BY4741 strain (MATa his2Δ0 met15Δ0 ura3Δ0)) using the expression vector pYES2 (manufactured by Invitrogen) by a conventionally known lithium acetate method. Furthermore, only the pYES2 vector was introduced as a negative control.

得られた形質転換酵母を、0μM、100μM、または200μMのアルミニウムを含有する寒天培地に播種し、30℃で2日間または3日間培養した。酵母の増殖を指標として、アルミニウムの輸送活性の有無を判断した。つまり、アルミニウム輸送活性を有するタンパク質をコードする遺伝子が導入された形質転換酵母は、細胞内にアルミニウムを取り込むため、アルミニウムの毒性によって増殖が抑制されると考えた。また、短時間(2h)の酵母へのアルミニウムの取り込みも測定した。   The obtained transformed yeast was inoculated on an agar medium containing 0 μM, 100 μM, or 200 μM aluminum and cultured at 30 ° C. for 2 days or 3 days. The presence or absence of aluminum transport activity was determined using yeast growth as an index. That is, it was considered that the transformed yeast introduced with a gene encoding a protein having an aluminum transport activity takes up aluminum into the cell, and thus its growth is suppressed by the toxicity of aluminum. Also, the uptake of aluminum into yeast for a short time (2 h) was measured.

さらに、得られた形質転換酵母を50μM AlCl溶液(pH4.2)で処理し、アルミニウムの取り込みの経時的変化を測定した。Furthermore, the obtained transformed yeast was treated with a 50 μM AlCl 3 solution (pH 4.2), and the change over time in the uptake of aluminum was measured.

図13は、酵母を用いたOsNrat1タンパク質の機能解析の結果を表す図である。図13の(a)は酵母の増殖を表す図であり、(b)は、酵母におけるアルミニウムの取り込みを表すグラフであり、(c)は、酵母におけるアルミニウムの取り込みの経時的変化を表すグラフである。酵母におけるアルミニウムの取り込みは、フレームレス原子吸光法によって測定した。データは、平均値±標準偏差(n=3)として示した。   FIG. 13 is a diagram showing the results of functional analysis of OsNrat1 protein using yeast. (A) of FIG. 13 is a figure showing the growth of yeast, (b) is a graph showing the uptake of aluminum in yeast, and (c) is a graph showing the change over time of the uptake of aluminum in yeast. is there. Aluminum uptake in yeast was measured by flameless atomic absorption. Data are shown as mean ± standard deviation (n = 3).

図13の(a)に示すように、OsNrat1タンパク質を発現させた酵母は、陰性対照としてpYES2ベクターを導入した酵母と比較して、アルミニウムを含有する培地において増殖が抑制された。この結果から、OsNrat1タンパク質はアルミニウムの輸送活性を有することが明らかになった。一方、OsNrat1タンパク質と同じNrampファミリーに属するAtNramp4タンパク質を発現させた酵母の増殖は、陰性対照としてpYES2ベクターを導入した酵母と同じであった。   As shown in FIG. 13 (a), the yeast in which the OsNrat1 protein was expressed was inhibited from growing in a medium containing aluminum as compared to the yeast into which the pYES2 vector was introduced as a negative control. From this result, it was revealed that the OsNrat1 protein has aluminum transport activity. On the other hand, the growth of the yeast expressing the AtNramp4 protein belonging to the same Nramp family as the OsNrat1 protein was the same as the yeast introduced with the pYES2 vector as a negative control.

また、図13の(b)に示すように、OsNrat1の発現によって酵母へのアルミニウムの取り込みが増加することが明らかになった。   In addition, as shown in FIG. 13 (b), it was revealed that the uptake of aluminum into yeast is increased by the expression of OsNrat1.

図13の(c)において、純取り込み(Net uptake)は、形質転換酵母と陰性対照との間のアルミニウム取り込み量の差を示している。図13の(c)に示すように、アルミニウムの取り込みは、形質転換酵母において時間とともに直線的に増加することが明らかになった。   In FIG. 13 (c), net uptake indicates the difference in aluminum uptake between the transformed yeast and the negative control. As shown in FIG. 13 (c), it was revealed that aluminum uptake increases linearly with time in the transformed yeast.

さらに、アルミニウムの取り込みにおけるカドミウムおよびマンガンの影響を調べるために、形質転換酵母を、50μMのアルミニウムの存在下において、等濃度のカドミウムまたはマンガンを含む溶液で2時間処理した。酵母におけるアルミニウムの取り込みは、フレームレス原子吸光法によって測定した。   Furthermore, in order to investigate the influence of cadmium and manganese on the uptake of aluminum, transformed yeast was treated with a solution containing an equal concentration of cadmium or manganese for 2 hours in the presence of 50 μM aluminum. Aluminum uptake in yeast was measured by flameless atomic absorption.

結果を図20に示す。図20は、酵母におけるアルミニウムの取り込みに対するカドミウムおよびマンガンの影響を示すグラフである。データは、平均値±標準偏差(n=3)として示した。図20に示すように、等モル濃度の二価イオン(カドミウムおよびマンガン)の存在によってアルミニウムの取り込みが影響を受けないことが確認された。   The results are shown in FIG. FIG. 20 is a graph showing the effect of cadmium and manganese on aluminum uptake in yeast. Data are shown as mean ± standard deviation (n = 3). As shown in FIG. 20, it was confirmed that the incorporation of aluminum was not affected by the presence of equimolar concentrations of divalent ions (cadmium and manganese).

OsNrat1タンパク質のアルミニウム輸送活性についてさらに解析を行った。具体的には、OsNrat1タンパク質を発現させた酵母、陰性対照としてAtNramp4タンパク質を発現させた酵母およびpYES2ベクターを導入した酵母を、アルミニウムのみ、アルミニウム−クエン酸錯体、またはアルミニウム−シュウ酸錯体を含有する液体培地に播種し、4℃または30℃で2時間培養した。尚、アルミニウム−クエン酸錯体は、アルミニウムとクエン酸とを50:500(μM)の割合で混合したものを用いた。アルミニウム−シュウ酸錯体は、アルミニウムとシュウ酸とを50:500(μM)の割合で混合したものを用いた。また、酵母におけるアルミニウムの取り込みは、図13の(b)と同様の方法によって測定した。   Further analysis was performed on the aluminum transport activity of the OsNrat1 protein. Specifically, yeast that expressed OsNrat1 protein, yeast that expressed AtNramp4 protein as a negative control, and yeast introduced with pYES2 vector contain only aluminum, aluminum-citrate complex, or aluminum-oxalate complex. The cells were seeded in a liquid medium and cultured at 4 ° C. or 30 ° C. for 2 hours. In addition, the aluminum-citric acid complex used what mixed aluminum and a citric acid in the ratio of 50: 500 (micromol). As the aluminum-oxalic acid complex, a mixture of aluminum and oxalic acid at a ratio of 50: 500 (μM) was used. Moreover, the uptake | capture of aluminum in yeast was measured by the method similar to (b) of FIG.

図14は、酵母における、アルミニウム、アルミニウム−クエン酸錯体、およびアルミニウム−シュウ酸錯体の取り込みを表すグラフである。図14に示すように、OsNrat1タンパク質を発現させた酵母は、アルミニウムイオンの輸送活性が向上したが、アルミニウムークエン酸錯体やアルミニウムーシュウ酸錯体に対する輸送活性は示さなかった。また、4℃の培養条件下において、OsNrat1タンパク質によるアルミニウムイオンの輸送活性が抑制されることが明らかになった。植物はクエン酸等の有機酸を分泌することによってアルミニウムとの錯体を形成し細胞外でアルミニウムを無毒化すると考えられている。図14に示す結果から、OsNrat1タンパク質は錯体を形成しきれなかった遊離のアルミニウムイオンを細胞内に取り込むと考えられた。   FIG. 14 is a graph showing the uptake of aluminum, aluminum-citrate complex, and aluminum-oxalate complex in yeast. As shown in FIG. 14, yeast expressing OsNrat1 protein showed improved aluminum ion transport activity, but did not show transport activity for aluminum-citrate complexes or aluminum-oxalate complexes. Moreover, it became clear that the transport activity of aluminum ions by OsNrat1 protein is suppressed under 4 ° C. culture conditions. It is believed that plants secrete organic acids such as citric acid to form a complex with aluminum to detoxify aluminum extracellularly. From the results shown in FIG. 14, it was considered that the OsNrat1 protein took in free aluminum ions that could not form a complex into the cells.

さらに、OsNrat1タンパク質の二価金属(Fe,Mn,Cd)に対する輸送活性を調べた。具体的には、OsNrat1タンパク質を発現させた酵母、陽性対照としてAtNramp4タンパク質を発現させた酵母、陰性対照としてpYES2ベクターを導入した酵母を用いた。酵母株には鉄については鉄吸収能力が欠損したfet3fet4変異株、マンガンについてはマンガン吸収能力が欠損したsmf1変異株、カドミウムについてはBY4741株を用いた。   Furthermore, the transport activity of the OsNrat1 protein against divalent metals (Fe, Mn, Cd) was examined. Specifically, yeast expressing OsNrat1 protein, yeast expressing AtNramp4 protein as positive control, and yeast introduced with pYES2 vector as negative control were used. As the yeast strain, fet3fet4 mutant lacking iron absorption ability was used for iron, smf1 mutant lacking manganese absorption ability was used for manganese, and BY4741 strain was used for cadmium.

これらの酵母を鉄またはマンガンを加えていない(痕跡程度に含む)寒天培地に播種し、30℃で3日間培養した。尚、痕跡程度に含まれる鉄およびマンガンの有効度をさらに下げるため、キレート化合物として鉄に対してはバソフェナントロリンジスルホン酸(BPDS)を0μM、8μMまたは10μMの濃度で培地に添加し、マンガンに対してはEGTAを0mMまたは2mMの濃度で培地に添加した。また、酵母におけるカドミウムの取り込みは、0μM、2μM、5μM、10μMまたは20μMのカドミウムを含む液体培地において30℃で2時間培養し、フレームレス原子吸光法によって測定した。   These yeasts were inoculated on an agar medium containing no iron or manganese (including traces) and cultured at 30 ° C. for 3 days. In order to further reduce the effectiveness of iron and manganese contained in traces, bathophenanthroline disulfonic acid (BPDS) was added to the medium at a concentration of 0 μM, 8 μM or 10 μM for iron as a chelate compound. In some cases, EGTA was added to the medium at a concentration of 0 mM or 2 mM. Further, cadmium uptake in yeast was measured by flameless atomic absorption spectrometry after culturing at 30 ° C. for 2 hours in a liquid medium containing 0 μM, 2 μM, 5 μM, 10 μM or 20 μM cadmium.

図15は、酵母を用いたOsNrat1タンパク質の機能解析の結果を表す図である。図15の(a)は鉄を制限した培地における酵母の増殖を表す図であり、(b)は、マンガンを制限した培地における酵母の増殖を表す図であり、(c)は酵母におけるカドミウムの取り込みを表すグラフである。   FIG. 15 is a diagram showing the results of functional analysis of OsNrat1 protein using yeast. (A) of FIG. 15 is a figure showing the growth of the yeast in the medium which restricted iron, (b) is a figure showing the growth of the yeast in the medium which restricted manganese, (c) is a figure showing the cadmium of yeast. It is a graph showing uptake.

図15の(a)および(b)に示すように、AtNramp4タンパク質を発現させた酵母は、鉄またはマンガンを制限した培地においても増殖したが、OsNrat1タンパク質を発現させた酵母は、pYES2ベクターを導入した酵母と同様に、鉄またはマンガンを制限した培地において増殖が抑制された。これは、AtNramp4タンパク質は、鉄およびマンガンを輸送する活性を有しているが、OsNrat1タンパク質には、鉄およびマンガンを輸送する活性が無いことを表している。   As shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b), the yeast expressing the AtNramp4 protein grew in a medium restricted with iron or manganese, but the yeast expressing the OsNrat1 protein was introduced with the pYES2 vector. As in the case of yeast, growth was suppressed in a medium restricted with iron or manganese. This indicates that AtNramp4 protein has the activity of transporting iron and manganese, whereas OsNrat1 protein has no activity of transporting iron and manganese.

また、図15の(c)に示すように、OsNrat1タンパク質を発現させた酵母およびpYES2ベクターを導入した酵母と比較して、AtNramp4タンパク質を発現させた酵母は、カドミウムの取り込みが促進された。OsNrat1タンパク質を発現させた酵母のカドミウムの取り込みは、pYES2ベクターを導入した酵母と同程度であった。これらの結果から、OsNrat1タンパク質は特異的なアルミニウム輸送体であることが明らかになった。   Further, as shown in FIG. 15 (c), the uptake of cadmium was promoted in the yeast in which the AtNramp4 protein was expressed, compared to the yeast in which the OsNrat1 protein was expressed and the yeast into which the pYES2 vector was introduced. The uptake of cadmium by the yeast expressing the OsNrat1 protein was similar to that of the yeast introduced with the pYES2 vector. These results revealed that the OsNrat1 protein is a specific aluminum transporter.

(4.OsNrat1遺伝子過剰発現イネを用いたOsNrat1遺伝子の機能解析)
さらに、OsNrat1タンパク質についての生理学的な解析を行った。具体的には、OsNrat1遺伝子をユビキチンプロモーターの制御下に組み込んだ組換え発現ベクターを作製し、当該組換え発現ベクターをアグロバクテリウム法によってイネ(品種:日本晴)に導入し、OsNrat1タンパク質を過剰発現するOsNrat1遺伝子過剰発現株(株番号:5−5および5−7)を作製した。
(4. Functional analysis of OsNrat1 gene using OsNrat1 gene overexpression rice)
In addition, a physiological analysis of the OsNrat1 protein was performed. Specifically, a recombinant expression vector in which the OsNrat1 gene is incorporated under the control of the ubiquitin promoter is prepared, the recombinant expression vector is introduced into rice (variety: Nipponbare) by the Agrobacterium method, and the OsNrat1 protein is overexpressed OsNrat1 gene overexpression strains (strain numbers: 5-5 and 5-7) were prepared.

まず、得られたOsNrat1遺伝子過剰発現株の根全体について、RT−PCRを行い、OsNrat1遺伝子の発現を調べた。RNAの抽出は、RNeasy plant extraction mini kit(キアゲン社製)を用いて行った。逆転写反応は、SuperScript First-Strand Synthesis System for RT-PCR(インビトロジェン社製)を用いて行った。また、PCRの反応条件は以下の通りである。
反応液の組成:20μLの反応液に1倍濃度のSYBR Premix Ex Taq(タカラバイオ社製)、それぞれ0.2μMのプライマー1組、20倍希釈した逆転写産物2μL
PCRの条件:95℃ 30秒、(95℃ 15秒、58℃ 15秒、72℃ 30秒)×40サイクル
Mastercycler ep realplex(エッペンドルフ社製)を用いてPCRを行った。
First, RT-PCR was performed on the entire root of the obtained OsNrat1 gene overexpression strain to examine the expression of the OsNrat1 gene. RNA extraction was performed using RNeasy plant extraction mini kit (Qiagen). The reverse transcription reaction was performed using SuperScript First-Strand Synthesis System for RT-PCR (Invitrogen). PCR reaction conditions are as follows.
Composition of the reaction solution: 20 μL of reaction solution, 1 × SYBR Premix Ex Taq (manufactured by Takara Bio Inc.), one set of 0.2 μM each primer, 2 μL of reverse transcription product diluted 20 times
PCR conditions: 95 ° C. for 30 seconds, (95 ° C. for 15 seconds, 58 ° C. for 15 seconds, 72 ° C. for 30 seconds) × 40 cycles
PCR was performed using Mastercycler ep realplex (Eppendorf).

図16は、Nrat1の過剰発現体のRT−PCRの結果を表すグラフである(各n=3)。尚、図16のグラフの縦軸は、アルミニウム非存在下におけるOsNrat1遺伝子の発現量を1としたときの相対発現量を表している。OsNrat1遺伝子過剰発現株では、野生型のイネと比較して、OsNrat1遺伝子の発現が約80倍高いことが明らかになった。   FIG. 16 is a graph showing the results of RT-PCR of Nrat1 overexpressors (each n = 3). In addition, the vertical axis | shaft of the graph of FIG. 16 represents the relative expression level when the expression level of the OsNrat1 gene is set to 1 in the absence of aluminum. In the OsNrat1 gene overexpression strain, it was revealed that the expression of the OsNrat1 gene was about 80 times higher than that of wild-type rice.

そこで、上記OsNrat1遺伝子過剰発現株と野生型イネとを、30μMアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液に24時間暴露して、根の伸長と細胞内へのアルミニウムの取り込みとを測定した。このとき、対照として、アルミニウムを含有しない0.5mM CaCl溶液に24時間暴露した野生型イネおよび過剰発現株を用いた。Therefore, the OsNrat1 gene overexpression strain and wild-type rice were exposed to a 0.5 mM CaCl 2 solution containing 30 μM aluminum for 24 hours to measure root elongation and aluminum uptake into cells. At this time, wild type rice and an overexpression strain exposed to a 0.5 mM CaCl 2 solution containing no aluminum for 24 hours were used as controls.

図17は、OsNrat1遺伝子過剰発現株と野生型イネとを、30μMアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液に24時間暴露した後の、野生型イネおよびOsNrat1遺伝子過剰発現株の根の伸長率(%)を表すグラフである。グラフの縦軸は、対照における根の伸長を100%としたときの上記の野生型イネおよびOsNrat1遺伝子過剰発現株の根の伸長率を表している。それぞれのグラフのデータ数は、5−5(n=9)、5−7(n=8)、野生型イネ(n=13)である。FIG. 17 shows the growth rate of roots of wild-type rice and OsNrat1 overexpressing strains after exposing the OsNrat1 over-expressing strain and wild-type rice to 0.5 mM CaCl 2 solution containing 30 μM aluminum for 24 hours. %). The vertical axis of the graph represents the root elongation rate of the wild-type rice and the OsNrat1 gene overexpression strain when the root elongation in the control is 100%. The number of data in each graph is 5-5 (n = 9), 5-7 (n = 8), and wild type rice (n = 13).

図17に示すように、30μMアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液で処理した場合は、野生型イネと比較して、OsNrat1遺伝子過剰発現株の根の伸長が大幅に阻害された。すなわち、OsNrat1遺伝子過剰発現株のアルミニウム耐性が低下していた。As shown in FIG. 17, when treated with a 0.5 mM CaCl 2 solution containing 30 μM aluminum, the elongation of roots of the OsNrat1 gene overexpressing strain was significantly inhibited as compared with wild-type rice. That is, the aluminum tolerance of the OsNrat1 gene overexpression strain was reduced.

図18は、OsNrat1遺伝子過剰発現株と野生型イネとについて、根の細胞内に取り込まれたアルミニウム量を表すグラフである。それぞれのグラフのデータ数は、5−5(n=3)、5−7(n=3)、野生型イネ(n=3)である。図18に示すように、OsNrat1遺伝子過剰発現株では、アルミニウムの取り込みが促進された結果、野生型のイネと比較して、根の細胞内のアルミニウムの濃度が高くなっていた。   FIG. 18 is a graph showing the amount of aluminum incorporated into root cells of OsNrat1 gene overexpression strain and wild-type rice. The number of data in each graph is 5-5 (n = 3), 5-7 (n = 3), and wild type rice (n = 3). As shown in FIG. 18, in the OsNrat1 gene overexpression strain, the aluminum uptake was promoted, and as a result, the aluminum concentration in the root cells was higher than that in the wild-type rice.

OsNrat1遺伝子が過剰に発現することによって、OsNrat1遺伝子過剰発現株の根の細胞内にアルミニウムが過剰に取り込まれる。しかし、OsNrat1遺伝子過剰発現株では、細胞内に取り込まれたアルミニウムを無毒化する仕組み、例えばアルミニウムを液胞内に蓄積させる活性は野生型イネと同じであるため、細胞内に蓄積された過剰のアルミニウムによって根の成長が阻害され、この結果、OsNrat1遺伝子過剰発現株のアルミニウム耐性は野生型イネよりも弱くなったと考えられる。   Overexpression of the OsNrat1 gene results in excessive incorporation of aluminum into the root cells of the OsNrat1 gene overexpression strain. However, in the OsNrat1 gene overexpression strain, the mechanism of detoxifying aluminum incorporated into cells, for example, the activity of accumulating aluminum in vacuoles is the same as that of wild-type rice. It is considered that the growth of roots was inhibited by aluminum, and as a result, the aluminum tolerance of the OsNrat1 gene overexpressing strain was weaker than that of wild-type rice.

次いで、アルミニウム特異的な蛍光染色試薬Morinで根の細胞におけるアルミニウムの蓄積を観察した。具体的には、各種イネを、50μMアルミニウムを含有する0.5mM CaCl溶液に24時間暴露して、根の異なる部位(根の先端から2mmの領域および4mmの領域)について切片を作製し、Morinを用いて染色した。その後、染色した切片を顕微鏡下で観察した。Subsequently, accumulation of aluminum in root cells was observed with an aluminum-specific fluorescent staining reagent Morin. Specifically, various rice plants were exposed to a 0.5 mM CaCl 2 solution containing 50 μM aluminum for 24 hours, and sections were prepared for different root sites (2 mm region and 4 mm region from the tip of the root), Stained with Morin. Thereafter, the stained sections were observed under a microscope.

図19は、根の細胞におけるアルミニウムの蓄積を表す図である。図19中、「NE7009」はOsNrat1遺伝子破壊株、「5−5」および「5−7」はOsNrat1遺伝子過剰発現株を表す。図19に示すように、野生型イネと比較して、OsNrat1遺伝子破壊株では、アルミニウムの蓄積量が少なかった。一方、OsNrat1遺伝子過剰発現株では、根の細胞内におけるアルミニウムの量が増加していた。   FIG. 19 shows the accumulation of aluminum in root cells. In FIG. 19, “NE7009” represents an OsNrat1 gene disruption strain, and “5-5” and “5-7” represent OsNrat1 gene overexpression strains. As shown in FIG. 19, the amount of accumulated aluminum was smaller in the OsNrat1 gene disrupted strain than in the wild type rice. On the other hand, in the OsNrat1 gene overexpression strain, the amount of aluminum in the root cells was increased.

以上の生理学的解析結果から、OsNrat1タンパク質が、植物の細胞内へのアルミニウムの輸送に関与することが明らかになった。   From the above physiological analysis results, it was revealed that the OsNrat1 protein is involved in aluminum transport into plant cells.

本発明によれば、アルミニウムの取り込みを促進させた形質転換植物を生産することができる。かかる形質転換植物は、アルミニウムの取り込みが促進されているので、例えば、アルミニウムを含有する土壌において栽培することによって、花の色を改変させた植物とすることができる。また酸性土壌でも生育できるアルミニウム耐性植物の作出にも応用できる。それゆえ、本発明は、農業において好適に利用することができる。   According to the present invention, a transformed plant that promotes aluminum uptake can be produced. Since the uptake of aluminum is promoted in such a transformed plant, for example, it can be made into a plant having a modified flower color by cultivating it in a soil containing aluminum. It can also be used to produce aluminum-tolerant plants that can grow in acidic soil. Therefore, the present invention can be suitably used in agriculture.

Claims (3)

アルミニウムの取り込みを促進させた形質転換植物の生産方法であって、
下記の(a)または(b)のポリヌクレオチドを、植物に発現可能に導入することを特徴とする、形質転換植物の生産方法:
(a)配列番号1に示す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;
(b)配列番号1に示すアミノ酸配列において、1個または数個のアミノ酸が置換、欠失、および/または付加されたアミノ酸配列からなり、且つアルミニウムの取り込みを促進させる活性を有するポリペプチドをコードするポリヌクレオチド。
A method for producing a transformed plant that promotes the uptake of aluminum,
The following (a) or (b) polynucleotide is introduced into a plant so as to allow expression: a method for producing a transformed plant:
(A) a polynucleotide encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1;
(B) a polypeptide comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are substituted, deleted, and / or added in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 and having an activity of promoting aluminum uptake Polynucleotide.
請求項1に記載の形質転換植物の生産方法によって生産されたことを特徴とする形質転換植物。   A transformed plant produced by the method for producing a transformed plant according to claim 1. アルミニウムの取り込みを促進させた形質転換植物を作製するためのキットであって、
下記の(a)または(b)のポリヌクレオチドを備えていることを特徴とするキット:
(a)配列番号1に示す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;
(b)配列番号1に示すアミノ酸配列において、1個または数個のアミノ酸が置換、欠失、および/または付加されたアミノ酸配列からなり、且つアルミニウムの取り込みを促進させる活性を有するポリペプチドをコードするポリヌクレオチド。
A kit for producing a transformed plant in which uptake of aluminum is promoted,
A kit comprising the following polynucleotide (a) or (b):
(A) a polynucleotide encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1;
(B) a polypeptide comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are substituted, deleted, and / or added in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 and having an activity of promoting aluminum uptake Polynucleotide.
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