KR100350214B1 - Method for generating transgenic plants having multi-virus resistance by expressing ds RNA-dependent protein kinase in the plants - Google Patents

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KR100350214B1
KR100350214B1 KR1020000050362A KR20000050362A KR100350214B1 KR 100350214 B1 KR100350214 B1 KR 100350214B1 KR 1020000050362 A KR1020000050362 A KR 1020000050362A KR 20000050362 A KR20000050362 A KR 20000050362A KR 100350214 B1 KR100350214 B1 KR 100350214B1
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Abstract

본 발명은 식물체에 여러 종류의 바이러스에 대한 복합 저항성을 부여하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동물 또는 효모, 바람직하게는 인간으로부터 유래한 이중가닥 RNA에 의해 활성화되는 단백질 인산화 효소(ds RNA-dependent protein kinase, 이하 PKR이라 한다) 유전자로 식물체를 형질전환 시킴으로써 ds RNA를 복제 중간체로 갖는 다양한 식물 바이러스에 대해 복합적인 저항성을 나타내는 식물체를 제조하는 방법을 제공한다. 아울러 본 발명의 방법은 동물 또는 효모의 유전자를 식물체에 도입하기 때문에, 바이러스 유래의 유전자를 도입하였을 때 생길 수 있는 재조합으로 인한 변형된 바이러스의 출현 위험성을 차단할 수 있으며, 식물체에 복합 바이러스 저항성을 부여하기 위한 기존의 방법과는 달리 식물체에 형태 및 생리적인 부작용을 유발하지 않는 장점을 가지므로, 유용식물의 기능을 최대화하면서 안정적으로 다양한 바이러스에 대해 저항성을 갖는 식물체를 제조하는 데 유용하게 이용될 수 있다.The present invention relates to a method of imparting complex resistance to various types of viruses to plants, and more particularly, protein kinase (ds RNA-) activated by double-stranded RNA derived from animals or yeast, preferably humans. The present invention provides a method for producing a plant having complex resistance to various plant viruses having ds RNA as a replication intermediate by transforming the plant with a dependent protein kinase (hereinafter referred to as PKR) gene. In addition, since the method of the present invention introduces a gene of an animal or a yeast into a plant, it may block the risk of emergence of a modified virus due to recombination that may occur when a gene derived from a virus is introduced, and impart complex virus resistance to the plant. Unlike conventional methods for doing so, it has the advantage of not causing morphological and physiological side effects in plants, and thus can be usefully used to prepare plants that are stably resistant to various viruses while maximizing the function of useful plants. have.

Description

PKR 유전자의 도입을 통해 복합 바이러스 저항성을 갖는 식물체를 제조하는 방법{Method for generating transgenic plants having multi-virus resistance by expressing ds RNA-dependent protein kinase in the plants}Method for generating transgenic plants having multi-virus resistance by expressing ds RNA-dependent protein kinase in the plants}

본 발명은 식물체에 여러 종류의 바이러스에 대한 복합 저항성을 부여하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동물 또는 효모, 바람직하게는 인간으로부터 유래한PKR유전자로 식물체를 형질전환 시킴으로써 번역 개시 인자 eIF2α를 불활성화시켜 바이러스의 복제를 억제하는 기작을 통해, ds RNA를 복제 중간체로 갖는 다양한 식물 바이러스에 대해 복합적인 저항성을 나타내는 식물체를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of imparting complex resistance to various kinds of viruses to plants, and more particularly to transforming plants with PKR genes derived from animals or yeasts, preferably humans, to induce translational initiation factor eIF2α. The present invention relates to a method for producing a plant that exhibits complex resistance to various plant viruses having ds RNA as a replication intermediate through a mechanism of activating the virus to inhibit replication of the virus.

대부분의 농업적으로 중요한 식물은 식물 바이러스 또는 바이로이드(viroid)에 의해 감염되어 심각한 수확량의 감소는 물론 경제적 가치의 현저한 저하를 일으킨다. 지금까지 이러한 식물 바이러스에 의한 질병을 예방하거나 치료하고자 하는 많은 연구가 진행되어 왔으나, 아직 만족할만한 방법은 개발되어 있지 못한 실정이다. 예를 들어, 바이러스의 일부 구성체 유전자를 식물체에서 발현시킴으로써 숙주 식물로 하여금 항바이러스 상태를 유지하도록 자극하여 식물체에 바이러스 저항성을 부여하는 방법이 개발되어 있다. 이때 주로 사용되는 바이러스 유래의 유전자는 바이러스 외부 단백질(coat protein) 유전자 (Abelet al.,Science 232:738-743, 1986; Hemewayet al.,EMBO J. 7:1273-1280, 1988; Beachyet al.,Annu. Rev. Phytopathol. 28:451-474, 1990), 54 kDa의 복제효소(replicase) 유전자와 같은 비구조 유전자(nonstructural gene)이거나 (Golemboskiet al.,Proc. Natl. Acad. Sci. USA87:6311-6315, 1990), 위성 RNAs(satellite RNAs) (Gerlachet al.,Nature 328:790-802, 1987; Harrisonet al.,Nature328:802-805, 1987) 또는 비번역 부위(untranslated sequences)(Lindboet al.,virology 189:725-733 1992)인 경우가 대부분이다. 그러나, 상기와 같이 바이러스로부터 유래한 유전자를 식물체에서 발현시킴으로써 식물체에 바이러스 저항성을 부여하는 방법은 일반적으로 단일한 종류의 해당 바이러스 또는 그와 밀접하게 관련된 일부 바이러스에 대해서만 저항성을 부여한다는 문제가 있다.Most agriculturally important plants are infected by plant viruses or viroids, resulting in a significant decrease in yield as well as a significant drop in economic value. Until now, many studies have been conducted to prevent or treat diseases caused by plant viruses, but no satisfactory method has been developed. For example, a method has been developed to impart viral resistance to plants by stimulating the host plant to maintain an antiviral state by expressing some constitutive genes of the virus in the plant. At this time, a virus-derived gene mainly used is a coat protein gene (Abel et al ., Science 232 : 738-743, 1986; Hemeway et al ., EMBO J. 7 : 1273-1280, 1988; Beachy et. al ., Annu. Rev. Phytopathol. 28 : 451-474, 1990), or nonstructural genes, such as the 54 kDa replicase gene (Golemboski et al ., Proc. Natl. Acad. Sci). USA 87 : 6311-6315, 1990), satellite RNAs (Gerlach et al ., Nature 328 : 790-802, 1987; Harrison et al ., Nature 328: 802-805, 1987) or untranslated sites (untranslated sequences) (Lindbo et al ., virology 189 : 725-733 1992). However, a method of imparting viral resistance to a plant by expressing a gene derived from a virus in a plant as described above generally has a problem of imparting resistance only to a single type of the virus or some viruses closely related thereto.

또한 약 240-380 뉴클레오타이드 길이의 단일가닥 나출(naked) RNA만으로 이루어진 병원체인 바이로이드(viroid)나 피막 단백질의 조합(assembly) 기능이 결여된 돌연변이 바이러스와 같은 경우 상기와 같이 일반적으로 이용되는 바이러스의 외부 단백질 유전자를 이용하는 저항성 부여 방법이 적용되기 어려운 문제점이 있다.In addition, such as the mutant virus lacking the assembly function of viroid or encapsulated protein, which is a pathogen consisting of only bare stranded RNA of about 240-380 nucleotides in length, externally used virus as described above. There is a problem in that resistance providing method using a protein gene is difficult to be applied.

실제 농작물 재배에 있어 많은 주요 식량 작물들은 여러 종류의 관련된 또는 관련되지 않은 바이러스에 의해 감염된다. 따라서, 바이러스 질병을 효과적으로 예방 및 치료하기 위해서는 식물체에 폭넓은 바이러스 저항성을 부여하는 것이 절실히 요구된다. 이와 같이 여러 종류의 식물 바이러스에 대한 억제효과를 나타내기 위한 일부 방법이 개발되어 있는데, 리보솜 불활성화 단백질(ribosomal inactivating protein; RIP)(Lodgeet al.,Proc. Natl. Acad. Sci.USA90:7089-7093, 1993) 또는 S-아데노실호모시스테인 하이드롤라제(SAHH) 안티센스 RNA (S-adenosylhomocystein hydolase antisense RNA)(Masutaet al.,Proc. Natl. Acad. Sci.USA92:6117-6121, 1995)를 식물체에서 발현시키는 것이 그것이다. 그러나, 이러한 서열들을 발현하는 형질전환 식물체들은 잎에 반점이 생기거나, 발육이 저해되고, 생식성을 상실하는 등 비정상적인 형질을 나타내는 문제점이 있다.In actual crop cultivation, many major food crops are infected by several types of related or unrelated viruses. Therefore, in order to effectively prevent and treat viral diseases, it is urgently required to give a wide range of viral resistance to plants. Some methods have been developed to show the inhibitory effect against various plant viruses, such as ribosomal inactivating protein (RIP) (Lodge et al ., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90 : 7089-7093, 1993) or S-adenosylhomocystein hydolase antisense RNA (Masuta et al ., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92 : 6117-6121, 1995 ) Is expressed in plants. However, the transgenic plants expressing these sequences have a problem of showing abnormal traits such as spots on the leaves, growth inhibition, loss of fertility, and the like.

척추동물에 있어 바이러스의 감염에 대한 숙주의 1차적인 방어 기작으로 인터페론이 작용한다. 대부분의 바이러스 감염 과정 중 생성되는 이중가닥 RNA에 의해 인터페론이 합성되며, 분비된 인터페론은 세포의 특정한 수용체에 결합하여 항바이러스 상태를 유도한다. 이러한 인터페론에 의해 유도되는 효소의 하나로 PKR이 있으며, 상기 PKR은 식물을 제외한 진핵생물에서 번역 개시 인자의 알파 소단위체인 elF2α의 인산화에 의한 번역 조절 메카니즘에 관여함이 알려져 있다.In vertebrates, interferon acts as the host's primary defense against viral infections. Interferon is synthesized by double-stranded RNA produced during most viral infections, and secreted interferon binds to specific receptors in cells to induce antiviral conditions. One of the enzymes induced by such interferon is PKR, and it is known that PKR is involved in translation control mechanism by phosphorylation of elF2α, an alpha subunit of translation initiation factor, in eukaryotes other than plants.

즉, PKR은 ds RNA와 결합하여 활성화되면 스스로 인산화됨은 물론 번역 개시 인자의 알파 소단위체인 elF2α를 인산화시키며, 인산화된 elF2α은 GDP/GTP 교환인자인 eIF-2B와 상호작용을 못하게 되어 단백질 합성이 저해된다. 이러한 기작을 통해 바이러스의 복제가 저해되며, 결국 PKR은 숙주에 바이러스 저항성을 부여하게 된다(Meurset al.,Cell 62:379-390, 1990).In other words, when PKR binds to ds RNA and activates itself, it phosphorylates itself and phosphorylates the alpha subunit of translation initiation factor, elF2α. Phosphorylated elF2α prevents interaction with eIF-2B, a GDP / GTP exchange factor. do. This mechanism inhibits the replication of the virus, and eventually PKR confers viral resistance to the host (Meurs et al ., Cell 62 : 379-390, 1990).

이와 같이 elF2α의 인산화에 의한 번역과정의 조절이 동물 및 효모에 있어중요한 역할을 한다는 사실은 잘 알려져 있으나, 식물체에서도 이러한 메카니즘이 작용하는지 또는 PKR이 이러한 시스템에 있어 유사한 역할을 할 수 있는지에 대해서는 아직까지 명확하게 밝혀져 있지 않다. 그러나, 랭글란드 등(Langlandet al.,Plant Physiology 108:1259-1267, 1996)은 시험관 내(in vitro) 실험을 통해 ds RNA에 의해 활성화된 PKR이 식물 elF2α를 인산화 시킴으로써 단백질 합성을 억제할 수 있음을 보고한 바 있으며, 질 등(Gil J.et al.,Biochemistry 39(25): 7521-7530, 2000)은 밀(wheat)의 elF2α를 이용하여 elF2α의 인산화가 식물의 생체 내에서도 단백질 합성 조절에 역할을 함을 보인 바 있다.It is well known that the regulation of the translational process by phosphorylation of elF2α plays an important role in animals and yeast, but it is still unknown whether this mechanism works in plants or whether PKR can play a similar role in these systems. As far as not clear. However, Langland et al ., Plant Physiology 108 : 1259-1267, 1996 show that in vitro experiments, PKR activated by ds RNA can inhibit protein synthesis by phosphorylating plant elF2α. Gil J. et al ., Biochemistry 39 (25): 7521-7530, 2000, reported that phosphorylation of elF2α regulates protein synthesis in plants using in vivo wheat elF2α. It has been shown to play a role in.

대부분의 식물 바이러스들은 ss RNA 바이러스로서 감염된 후 복제될 때 중간체로서 ds RNA를 만들게 된다. 따라서 PKR 유전자가 식물체에서 올바르게 발현되고 식물 바이러스 RNA의 복제 중간체인 ds RNA에 의해 활성화될 수 있다면 이는 식물체에 다양한 바이러스에 대한 저항성을 부여하는 효과적인 방법이 될 수 있을 것이다.Most plant viruses produce ds RNA as an intermediate when replicated after infection as an ss RNA virus. Therefore, if the PKR gene is correctly expressed in plants and can be activated by ds RNA, which is a replication intermediate of plant viral RNA, this would be an effective way to give plants resistance to various viruses.

이에 본 발명자들은 식물의 성장이나 기타 형질의 발현에 부작용이 적으면서도 식물체에 복합 바이러스 저항성을 부여할 수 있는 방법을 개발하기 위해 연구를 거듭한 결과, 바이러스로부터 유래하지 않은 동물 또는 효모, 바람직하게는 인간의PKR유전자를 식물체에 도입하면 외래 유전자의 발현에 기인하는 해로운 영향은 최소화하면서도 다양한 바이러스에 대한 복합적인 저항성을 갖는 형질전환 식물체를 제공할 수 있음을 밝혔으며, 아울러 상기 목적을 달성하기 위한 효과적인 외래 유전자 발현 시스템을 제공함으로써 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present inventors have conducted research to develop a method capable of imparting complex virus resistance to plants while having fewer side effects on plant growth or expression of other traits, and thus, animals or yeasts, which are not derived from viruses, preferably Introducing the human PKR gene into a plant can provide a transgenic plant with complex resistance to various viruses while minimizing the deleterious effects caused by the expression of foreign genes. The present invention has been completed by providing a foreign gene expression system.

따라서 본 발명의 목적은 다양한 바이러스에 대해 복합적인 저항성을 갖는 식물체 제조방법 및 상기 방법으로 제조되는 형질전환 식물체를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a plant having complex resistance to various viruses and a transformed plant produced by the method.

또한 본 발명의 목적은 복합적인 바이러스 저항성에 더하여 외래 유전자 발현으로 인한 성장 저해, 형태 변화, 생식성 상실 등의 해로운 영향을 최소화 할 수 있는 효과적인 식물 발현 시스템을 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide an effective plant expression system that can minimize the harmful effects of growth inhibition, morphological changes, loss of fertility due to foreign gene expression in addition to complex viral resistance.

도 1PKR유전자를 pOSTECH94 발현벡터에 삽입하여 제작한 재조합 벡터 pBCB-PKR의 구조를 나타낸 제한효소 지도이고, 1 is a restriction map showing the structure of the recombinant vector pBCB-PKR prepared by inserting the PKR gene into the pOSTECH94 expression vector,

RB : 오른쪽 경계(right border) LB : 왼쪽 경계(left border)RB: right border LB: left border

Pbcb : 아라비돕시스bcb1유전자의 프로모터Pbcb: arabidopsis promoter of the bcb1 gene

T7-5' : 전사 종결 서열T7-5 ': transcription termination sequence

도 2는 pBCB-PKR로 형질전환된 식물체의 서던 블럿 분석 결과를 보여주는 겔 사진이고, 2 is a gel photograph showing the results of Southern blot analysis of plants transformed with pBCB-PKR,

도 3은 pBCB-PKR로 형질전환된 식물체의 노던 블럿 분석 결과를 보여주는 겔 사진이고, 3 is a gel photograph showing the results of Northern blot analysis of plants transformed with pBCB-PKR,

C : 대조군 14 : 형질전환 계열 #14C: control group 14: transformation series # 14

I : 바이러스로 접종한 잎의 추출물 U : 접종된 부분의 상부 잎 추출물I: Extract of leaf inoculated with virus U: Upper leaf extract of inoculated part

도 4PKR유전자로 형질전환된 담배에 CMV, TEV 및 PVY 바이러스를 각각 접종하고 14일 후에 바이러스에 대한 저항성을 나타내는지 여부를 보여주는 사진이고, Figure 4 is a photograph showing whether or not showing the resistance to the virus 14 days after inoculation of CMV, TEV and PVY virus in tobacco transformed with the PKR gene, respectively,

B, D, E : pOSTECH94로 형질전환된 대조군B, D, E: control group transformed with pOSTECH94

A, C, F :PKR유전자로 형질전환된 식물계열 #14A, C, F: Plant family transformed with PKR gene # 14

상단 : PVY로 접종한 식물체Top: plants inoculated with PVY

중단 : CMV로 접종한 식물체Discontinued: Plants inoculated with CMV

하단 : TEV로 접종한 식물체Bottom: Plant inoculated with TEV

도 5는 CMV를 접종한 후 24 및 48 시간 후에 바이러스를 접종한 잎으로부터 바이러스 역가를 ELISA를 통해 측정한 결과를 보여주는 그래프이고, 5 is a graph showing the results of virus titers measured by ELISA from leaves inoculated 24 and 48 hours after CMV inoculation,

회색 막대 : SamsunNNGray Bars: SamsunNN

검은색 막대 : PKR 형질전환체Black Bar: PKR Transformant

도 6은 바이러스를 접종한 후 15일 후에 ELISA를 통해 전신적인 바이러스 증식 정도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. Figure 6 is a graph showing the results of measuring the systemic virus proliferation through ELISA 15 days after inoculation of the virus.

mock : 음성 대조군 식물체mock: negative control plant

PKR14-1 : 어떠한 가시적인 바이러스 감염 증상도 나타내지 않는 형질전환체PKR14-1: A transformant that does not show any visible viral infection symptoms

PKR14-2 : 바이러스 감염 증상을 나타내는 형질전환체PKR14-2: Transformant Showing Symptoms of Viral Infection

SNN : 바이러스 감염 증상을 나타내는 대조군SNN: Control group showing symptoms of viral infection

도 7PKR유전자로 형질되거나 되지 않은 담배 잎에 상처를 낸 후 24시간 후에 추출된 전체 단백질의 SDS-PAGE 결과(A) 및 ds RNA에 의해 활성화된 PKR의 인산화 반응의 증가 정도를 조사하기 위해 [γ-32P] ATP를 포함하는 반응용액을 첨가하여 30℃에서 10분간 반응시킨 후 10% SDS-PAGE한 결과(B)를 보여주는 자기방사선 사진이다. 7 is to investigate the SDS-PAGE results (A) of the total protein extracted after 24 hours after wounding tobacco leaves not transfected or not with the PKR gene and the degree of phosphorylation of PKR activated by ds RNA. It is a self-radiography picture showing the result (B) of 10% SDS-PAGE after reacting at 30 ° C. for 10 minutes by adding a reaction solution containing [γ- 32 P] ATP.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 PKR을 암호화하는 유전자를 포함하는 식물형질전환용 재조합 벡터로 식물체를 형질전환 시킴으로써 식물체에 복합 바이러스 저항성을 부여하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for imparting complex virus resistance to a plant by transforming the plant with a recombinant vector for plant transformation comprising a gene encoding PKR.

또한 본 발명은 상기PKR유전자를 식물에서 발현시키기 위한 효과적인 식물 발현 시스템을 제공한다.The present invention also provides an effective plant expression system for expressing the PKR gene in plants.

본 발명에서 '복합 바이러스 저항성'이란 바이러스 유래의 유전자를 도입함으로써 식물체에 그 기원이 되는 해당 바이러스 또는 이와 밀접한 관련성을 갖는 바이러스에 대한 저항성을 부여하는 공지의 방법과 구별하기 위해 사용한 용어로서, 특정한 바이러스 또는 그와 밀접한 관련이 있는 일부 바이러스뿐만 아니라 관련성이 적은 다양한 그룹에 속하는 바이러스들에 대해서도 저항성을 갖는 것을 의미한다. 구체적으로 본 발명의 경우 ds RNA를 복제 중간체로 갖는 많은 종류의 식물 바이러스에 대해서도 저항성을 나타내게 된다.In the present invention, the term "combined virus resistance" is a term used to distinguish a known virus from which a gene derived from a virus is introduced into a plant to resist the virus of origin or a virus closely related thereto. Or resistance to not only some viruses closely related thereto but also to viruses belonging to various groups that are less relevant. Specifically, the present invention exhibits resistance to many kinds of plant viruses having ds RNA as a replication intermediate.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에서PKR유전자는 동물 또는 효모로부터 유래한 것을 사용할 수 있으며, 특히 인간으로부터 유래한 PKR 유전자를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 GenBank 수탁번호 U50648 (Charles E. Samuel,Genomics 36(1):197-201, 1996), GenBank 수탁번호 AF167472 (Xu,Z.et al.,J. Interferon Cytokine Res. 18(8):609-616, 1998) 등이 사용될 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예에서는PKR 유전자로 수탁번호 NM_02759 (Meurs, E,et al., Cell 62(2):379-390, 1990) 를 본 발명의 복합 바이러스 저항성을 갖는 형질전환 식물체의 제조에 사용하였다.In the present invention, the PKR gene may be derived from an animal or yeast, and in particular, it is preferable to use the PKR gene derived from humans. For example GenBank Accession No. U50648 (Charles E. Samuel, Genomics 36 (1): 197-201, 1996), GenBank Accession No. AF167472 (Xu, Z. Et al ., J. Interferon Cytokine Res. 18 (8): 609-616, 1998) and the like, and in a preferred embodiment of the present invention, accession number NM_02759 (Meurs, E, et al., Cell 62 (2): 379-390, 1990) may be used as the PKR gene . It was used for the preparation of transgenic plants having complex virus resistance.

본 발명에서는 상기PKR유전자를 식물체에서 발현하기 위하여 바람직한 재조합 벡터의 예로서 상처 또는 바이러스 감염에 의해 급속히 전사를 활성화시키는 아라비돕시스 청동 결합 단백질 프로모터(Arabidopsisblue copper binding protein promoter; BCB promoter)와 상기 프로모터와 결합된 PKR 유전자를 포함하는 것을 특징으로 하는 식물체 형질전환용 벡터를 제공한다. 상기 BCB 프로모터는 바이러스의 감염에 의해 상처가 생기면 그 하류에 연결되어 있는 상기 프로모터의 조절을 받는 유전자의 전사를 급속히 활성화시키므로, 본 발명과 같이 바이러스의 감염에 대한 저항성을 부여하기 위한 목적에 유용하게 이용될 수 있다.In the present invention, an Arabidopsis blue copper binding protein promoter (BCB promoter) which rapidly activates transcription by wound or viral infection as an example of a preferred recombinant vector for expressing the PKR gene in a plant and binds to the promoter Provided is a plant transformation vector comprising a PKR gene. The BCB promoter rapidly activates transcription of a gene that is regulated by the promoter linked downstream when a wound is caused by a viral infection, and thus is useful for the purpose of imparting resistance to viral infection, as in the present invention. Can be used.

본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 식물체에서PKR유전자를 발현시키기 위한 재조합 벡터로 pBCB-PKR(기탁번호 : KCTC 0823BP)을 사용하였다. 상기 재조합 벡터 pBCB-PKR은 이원벡터의 T-DNA의 오른쪽 경계(right border)와 왼쪽 경계(left border) 사이에 BCB 프로모터와 인간PKR유전자 및 T7-5' 전사 종결 서열을 순서대로 포함하고 있으며, 선별 표지 유전자로 카나마이신 저항성 유전자를 포함하고 있는데, 그 상세한 구조는도 1에 개시되어 있다.In a preferred embodiment of the present invention, pBCB-PKR (Accession Number: KCTC 0823BP) was used as a recombinant vector for expressing the PKR gene in plants. The recombinant vector pBCB-PKR includes a BCB promoter, a human PKR gene, and a T7-5 'transcription termination sequence in sequence between the right and left borders of the T-DNA of the binary vector. there comprises a kanamycin resistance gene as a selective marker gene, and the detailed structure is disclosed in FIG.

BCB 프로모터를 이용하여 식물체의 외래 유전자 발현 시스템을 제작함으로써 외래 유전자의 효과적인 발현을 이룰 수 있을 뿐만 아니라, 그 발현에 기인하는 해로운 영향을 최소화 할 수 있다.By constructing a plant's foreign gene expression system using the BCB promoter, not only the effective expression of the foreign gene can be achieved, but also the harmful effects caused by the expression can be minimized.

본 발명의 방법에 의해 복합 바이러스 저항성이 부여될 수 있는 식물체로는 식량작물류, 채소작물류, 특용작물류, 과수류, 화훼류 및 사료작물류 등의 모든 유용 식물체가 해당될 수 있다.Plants to which complex virus resistance can be imparted by the method of the present invention may include all useful plants such as food crops, vegetable crops, special crops, fruit trees, flowers and feed crops.

특히, 식량작물류는 벼, 밀, 보리, 옥수수, 콩, 감자, 밀, 팥, 귀리, 수수; 채소작물류는 아라비돕시스, 배추, 무, 고추, 딸기, 토마토, 수박, 오이, 양배추, 참외, 호박, 파, 양파, 당근; 특용작물류는 인삼, 담배, 목화, 참깨, 사탕수수, 사탕무우, 들깨, 땅콩, 유채; 과수류는 사과나무, 배나무, 대추나무, 복숭아, 양다래, 포도, 감귤, 감, 자두, 살구, 바나나; 화훼류는 장미, 글라디올러스, 거베라, 카네이션, 국화, 백합, 튤립; 사료작물류는 라이그라스, 레드클로버, 오차드그라스, 알파알파, 톨페스큐, 페레니얼라이그라스 등을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다.In particular, food crops include rice, wheat, barley, corn, soybeans, potatoes, wheat, red beans, oats, sorghum; Vegetable crops include arabidopsis, Chinese cabbage, radish, red pepper, strawberry, tomato, watermelon, cucumber, cabbage, melon, pumpkin, green onion, onion, carrot; Special crops include ginseng, tobacco, cotton, sesame, sugar cane, sugar beet, perilla, peanut, rapeseed; Fruit trees include apple trees, pears, jujube trees, peaches, pears, grapes, citrus fruits, persimmons, plums, apricots, bananas; Flowers include roses, gladiolus, gerberas, carnations, chrysanthemums, lilies, tulips; Forage crops are preferably selected from the group comprising lygras, red clover, orchardgrass, alphaalpha, tolsquescue, perennial lysgrass and the like.

PKR유전자를 식물체에 도입함으로써 바이러스에 대해 복합적인 저항성을 부여하는 본 발명의 방법에 따르면, 농업 경제적으로 심각한 피해를 주는 대표적인 바이러스인 쿠쿠모바이러스 그룹 (cucumovirus group)인 CMV(cucumber mosaic virus), 포티바이러스 그룹 (potyvirus group)에 속하는 TEV(tobacco etching virus), PVY(potato virus Y) 등을 포함하는 각종 식물 바이러스 그룹에 대하여 저항성을 나타내는 식물체를 제조할 수 있다. 즉, PKR 단백질은 바이러스의 복제 중간체인 ds RNA와 결합하여 활성화되면 자가인산화되고, 진핵세포의 eIF2α를 인산화시킴으로써 이를 불활성화하여 단백질 합성 및 바이러스 복제를 억제하게 되므로, 본 발명의 방법에 의하면 ds RNA를 복제 중간체로 갖는 각종 식물 바이러스에 대해서 저항성을 나타낼 수 있게 된다.According to the method of the present invention which provides complex resistance to a virus by introducing the PKR gene into a plant, a cucumber mosaic virus (CMV), forty, which is a cucumovirus group, which is a representative virus which causes severe damage to agriculture and economics Plants exhibiting resistance to various plant virus groups including tobacco etching virus (TEV), potato virus Y (PVY), and the like belonging to the virus group can be prepared. That is, the PKR protein is autophosphorylated when it is activated by binding to ds RNA, which is a replication intermediate of a virus, and inactivates it by phosphorylating eIF2α of eukaryotic cells, thereby inhibiting protein synthesis and viral replication. It is possible to exhibit resistance to various plant viruses having as a replication intermediate.

아울러 본 발명은 식물체에 복합 바이러스 저항성을 부여하기 위한 식물체 발현용 재조합 벡터 pBCB-PKR(기탁번호 : KCTC 0823BP)을 제공한다.In addition, the present invention provides a recombinant vector pBCB-PKR (Accession No .: KCTC 0823BP) for plant expression for imparting complex virus resistance to plants.

상기PKR유전자로 형질전환된 식물체의 제조방법은 공지의 방법에 따라 수행될 수 있다. 즉,PKR유전자를 발현하는 재조합 플라스미드는 공지의 식물 발현용 벡터를 기본 벡터로 하여 제조될 수 있으며, 일반적인 이원벡터(binary vector), 코인테그레이션 벡터(cointegration vector) 또는 T-DNA 부위를 포함하지는 않지만 식물에서 발현될 수 있도록 디자인된 일반 벡터가 사용될 수 있다.The method for producing a plant transformed with the PKR gene may be performed according to a known method. That is, the recombinant plasmid expressing the PKR gene can be prepared using a known plant expression vector as a base vector, and does not include a general binary vector, a cointegration vector, or a T-DNA site. General vectors designed to be expressed in plants can be used.

이 중 이원벡터로는 식물체의 형질전환을 위해 T-DNA 중 외래 유전자의 감염에 관여하는 약 25 bp 크기의 왼쪽 경계(left border) 및 오른쪽 경계(rightborder)를 포함하며, 그 내부에 식물체에서 발현시키기 위한 프로모터 부위와 폴리아데닐화 신호 서열을 포함하는 벡터를 사용할 수 있다. 상기 이원벡터는 추가적으로 카나마이신 저항성 유전자와 같은 선별 표지 유전자를 포함하는 것이 바람직한데, 형질전환 식물체의 선별을 위한 표지 유전자로는 항생제 저항성 유전자 이외에도 제초제 저항성 유전자, 대사관련 유전자, 발광 유전자(luciferase), 물리적 특성에 관련된 유전자, GUS(??-glucuronidase) 또는 GAL(??-galactosidase) 유전자 등이 이용될 수 있다.Among these, binary vectors include a left border and rightborder of about 25 bp which are involved in infection of foreign genes in T-DNA for plant transformation, and are expressed in plants therein. A vector comprising a promoter site and a polyadenylation signal sequence can be used. The binary vector additionally includes a selection marker gene such as kanamycin resistance gene.As a marker gene for selection of transgenic plants, in addition to antibiotic resistance gene, herbicide resistance gene, metabolism related gene, luciferase, physical Genes related to characteristics, ??-glucuronidase (GUS) or ??-galactosidase (GAL) gene, etc. may be used.

상기에서 이원벡터 또는 코인테그레이션 벡터를 사용하는 경우, 식물체에 상기 재조합 벡터를 도입하기 위한 형질전환용 균주로는 아그로박테리움을 사용하며(Agrobacterium-mediated transformation), 이때 아그로박테리움 튜마파시엔스(Agrobacterium tumefaciens) 또는 아그로박테리움 라이조게네스(Agrobacterium rhizogenes)를 사용할 수 있다.When using a binary vector or a coin integration vector, Agrobacterium ( Agrobacterium- mediated transformation) is used as a strain for transformation to introduce the recombinant vector into a plant ( Agrobacterium tumafaciens) Agrobacterium tumefaciens ) or Agrobacterium rhizogenes can be used.

그밖에 T-DNA 부위를 포함하지 않는 벡터를 이용하는 경우에는, 전기천공법(electroporation), 입자 총법(microparticle bombardment), 폴리에틸렌 글리콜 침전법(polyethylene glycol-mediated uptake) 등이 재조합 플라스미드를 식물체로 도입하는데 이용될 수 있다.In addition, when a vector containing no T-DNA site is used, electroporation, microparticle bombardment, polyethylene glycol-mediated uptake, etc. are used to introduce the recombinant plasmid into the plant. Can be.

본 발명의 바람직한 실시예에서는PKR유전자를 BCB 프로모터와 연결하여 이원벡터 pGA482에 삽입하여 식물 형질전환용 재조합 벡터 pOSTECH94를 제작하고, 아그로박테리움 튜메파시엔스에 도입한 다음, 잎 절편 형질전환법을 통해 담배에 형질전환시키고 카나마이신 포함 배지에서 형질전환체를 선별하였다. 상기 형질전환체에PKR유전자가 올바르게 삽입되었는지는 서던 블럿 분석을 통해 확인하였으며, 그 결과 형질전환 식물체가PKR유전자의 전장 서열에 해당하는 2.4 kb 크기의 유전자 절편을 포함하고 있음을 확인하였다. 한편, 형질전환 식물체로부터PKR유전자가 효과적으로 발현되는지를 확인하기 위하여 바이러스를 접종하여 BCB 프로모터의 활성화를 유도한 후 노던 블럿 분석을 수행하였으며, 그 결과 바이러스 접종 후 24 시간 내에 바이러스를 감염시킨 잎 부위는 물론 식물체 전신에서PKR유전자의 전사체가 높은 농도로 나타나 효과적으로 발현됨을 확인하였다.In a preferred embodiment of the present invention, a recombinant vector pOSTECH94 for plant transformation was prepared by inserting the PKR gene into a binary vector pGA482 by connecting with a BCB promoter, introducing it into Agrobacterium tumefaciens, and then using leaf fragment transformation. Tobacco was transformed and transformants were selected in kanamycin containing medium. It was confirmed by Southern blot analysis that the PKR gene was correctly inserted into the transformant, and as a result, the transgenic plant contained a 2.4 kb gene segment corresponding to the full length sequence of the PKR gene. On the other hand, in order to confirm that the PKR gene is effectively expressed from the transgenic plant, the virus was inoculated to induce the activation of the BCB promoter, and Northern blot analysis was performed. Of course, it was confirmed that the transcript of the PKR gene was expressed at high concentrations throughout the whole plant.

또한 상기 형질전환 식물체가 바이러스 저항성을 나타내는지를 확인하기 위하여 CMV(cucumovirus group, DSEM PV-0187), TEV(tobacco etching virus, DSMZ PV-0308), PVY(potyvirus group)에 감염된 식물체의 추출물을 각각 15, 30 및 50배로 각각 희석하여 감염시킨 후 바이러스 감염 증상의 감소 여부를 조사한 결과, 대부분의 형질전환 식물체에서 바이러스 감염 증상을 나타내지 않거나 증상의 발현 시기가 현저히 늦어짐을 확인하였다.In addition, extracts of plants infected with CMV (cucumovirus group, DSEM PV-0187), TEV (tobacco etching virus, DSMZ PV-0308), and PVY (potyvirus group), respectively, to determine whether the transgenic plants exhibit virus resistance. After dilution, 30 and 50-fold dilution, respectively, the results showed that viral infection symptoms were reduced, and most transgenic plants showed no viral infection symptoms or significantly delayed the time of onset of symptoms.

한편 ELISA를 통해 바이러스 역가를 분석한 결과, 바이러스 접종 후 24시간 후에는 대조군과 형질전환체의 항원 농도가 비슷한 정도로 나타났으며, 48시간 후에는 형질전환체에서의 바이러스 역가가 대조군에 비해 현저히 감소하였다. 따라서PKR유전자는 효과적으로 바이러스 복제 및/또는 증식을 억제하여 식물체에 실질적인 바이러스 저항성을 부여함을 알 수 있다.On the other hand, as a result of analyzing the virus titer by ELISA, the antigen concentration of the control group and the transformant was comparable after 24 hours after the virus inoculation, and after 48 hours, the virus titer of the transformant was significantly decreased compared to the control group. It was. Therefore, it can be seen that the PKR gene effectively inhibits virus replication and / or proliferation and confers substantial viral resistance to plants.

상기와 같은 바이러스 저항성이 도입된PKR유전자에 의한 것이며, 도입된인간PKR유전자가 식물체에서도 제대로 기능을 나타내는지를 확인하기 위하여 본 발명의 또다른 실시예에서는 단백질 수준의 인산화 정도 변화를 측정하는 인산화 분석(phosphorylation assay)을 수행하였다. 그 결과, PKR 형질전환체에서는 p68로 유입되는32P의 양이 대조군에 비해 2배 이상 많은 것으로 나타났으며, 이러한 사실로부터 식물체에 도입된 PKR 유전자가 형질전환 식물체에서 정상적으로 발현되고 이들의 발현에 의해 식물체 내 단백질의 인산화 수준이 높아짐을 알 수 있다.As described above, the viral resistance is based on the introduced PKR gene, and in order to confirm whether the introduced human PKR gene functions properly in plants, another embodiment of the present invention is a phosphorylation assay for measuring changes in the degree of phosphorylation of protein levels ( phosphorylation assay) was performed. As a result, in PKR transformants, the amount of 32 P introduced into p68 was more than two times higher than that of the control group. From this fact, the PKR gene introduced into plants was normally expressed in the transgenic plants and their expression was increased. It can be seen that the phosphorylation level of the protein in the plant is increased.

형질전환 연구에 있어 도입된 외래 유전자가 다른 부작용을 유발하지 않는 것은 매우 중요하다. 본 발명에서PKR유전자로 형질전환된 식물체는 비정상적인 형태상의 문제가 관찰되지 않았으며, 성장에도 아무런 영향을 보이지 않았다. 이러한 점으로부터 식물체에 폭넓은 바이러스 종류에 대한 저항성을 부여하기 위한 공지의 방법들(Lodgeet al.,Proc. Natl. Acad. Sci. USA90:7089-7093, 1993; Masutaet al.,Proc. Natl. Acad. Sci. USA92:6117-6121, 1995)과 비교할 때 본 발명의 방법이 매우 효과적임을 알 수 있다.In transgenic studies, it is very important that the foreign genes introduced do not cause other side effects. In the present invention, plants transformed with the PKR gene were not observed abnormal morphological problems, and showed no effect on growth. In this regard, known methods for imparting resistance to a wide variety of viruses in plants (Lodge et al ., Proc. Natl. Acad. Sci . USA 90 : 7089-7093, 1993; Masuta et al ., Proc. Natl. Acad. Sci . USA 92 : 6117-6121, 1995), it can be seen that the method of the present invention is very effective.

또한 바이러스로부터 유래하지 않은 유전자를 도입함으로써 바이러스 저항성을 갖는 식물체를 제조하는 본 발명의 방법은 또다른 장점을 갖는다. 즉, 바이러스의 단백질 또는 안티센스 RNA를 식물에 도입하는 경우, 도입된 유전자와 감염된 바이러스 게놈간의 서열 상동성으로 인해 재조합을 일으킬 수 있는 위험성이 존재하며, 이는 야생형의 바이러스에 비해 보다 심각하고 변형된 숙주범위를 갖는 재조합 바이러스의 출현을 야기할 수 있다 (Greeneet al.,Science 263:1423-1425 , 1994; Wintermantelet al.,Virology 223:156-164, 1994). 본 발명에서는 인간 유래의 유전자를 이용함으로써 이러한 위험성을 현저히 줄일 수 있었다.In addition, the method of the present invention for producing a virus resistant plant by introducing a gene not derived from a virus has another advantage. In other words, when a virus protein or antisense RNA is introduced into a plant, there is a risk of recombination due to sequence homology between the introduced gene and the infected virus genome, which is a more severe and modified host than the wild type virus. May result in the emergence of recombinant viruses with a range (Greene et al ., Science 263 : 1423-1425, 1994; Wintermantel et al ., Virology 223 : 156-164, 1994). In the present invention, this risk can be significantly reduced by using genes derived from humans.

이상을 종합할 때, 인간PKR유전자를 발현하는 본 발명의 형질전환 식물체는 어떠한 외형적인 비정상성을 보이지 않으면서도 다양한 바이러스에 대해 높은 저항성을 가짐을 알 수 있다. 이와 같이 ds RNA를 목표로 한 연구는 기존의 연구와는 달리 많은 중요한 식량 작물에 적용할 경우 RNA 바이러스에 대한 폭넓은 저항성을 갖도록 할 수 있어 그 응용범위가 넓다고 할 수 있다.Summarizing the above, it can be seen that the transgenic plant expressing the human PKR gene has high resistance to various viruses without showing any external abnormalities. Unlike the existing researches, ds RNA can be widely applied to many important food crops because of its resistance to RNA viruses.

이하 실시예에 의거하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.The present invention will be described in more detail based on the following examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것으로, 본 발명의 범위가 이에 한정되지 않음은 당업자에게 자명할 것이다.However, the following examples illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예 1> 키메릭 유전자의 제조 및 형질전환 식물체의 제조Example 1 Preparation of Chimeric Gene and Production of Transgenic Plant

빠르고 높은 수준의 유전자 발현을 바이러스 감염 특이적으로 유도하기 위하여 아라비돕시스 청동 결합 단백질 유전자(Arabidopsisblue copper binding protein gene;bcb) 프로모터(Van Gyselet al.,Gene 136:79-85, 1993)를 사용하여 PKR 유전자를 포함하는 식물 형질전환용 벡터를 제작하였다. Arabidopsis blue copper binding protein gene ( bcb ) promoter (Van Gysel et al ., Gene 136 : 79-85, 1993) was used to specifically induce rapid and high levels of gene expression. A plant transformation vector containing the PKR gene was produced.

먼저, 이원 벡터(binary vector)인 pGA482(Anet al.,Plant Molecular Biology ManualA3:1-19, 1988)를 제한효소BglⅡ와EcoRⅠ으로 처리한 다음 T7-5' 전사 종결 서열(Rosenberget al.,Gene 56(1):125-135, 1987)로 치환하였다. 아라비돕시스bcb프로모터(-1294∼+247, Van Gyselet al.,Gene 136:79-85, 1993)를 포함하는 1.5 kb 크기의HindⅢ-SmaⅠ절편을 상기 벡터의HindⅢ-HpaⅠ절편에 삽입하여 pOSTECH94를 제작하였다. 다음PKR전장 cDNA가 들어 있는 재조합 plasmid를 (Meurset al.,Cell 62:379-390, 1990) PKR cDNA 부분을 분리하기 위해ClaI과BamHI으로 절단하였다. 절단된 DNA 조각은 pOSTECH94의ClaⅠ-BglⅡ에 삽입하고, 제작된 재조합 벡터를 pBCB-PKR로 명명하였다.First, the binary vector pGA482 (An et al ., Plant Molecular Biology Manual A3: 1-19, 1988) was treated with restriction enzymes Bgl II and Eco RI, followed by the T7-5 'transcription termination sequence (Rosenberg et al. al ., Gene 56 (1): 125-135, 1987). A 1.5 kb Hin dIII- Sma I fragment containing the Arabidopsis bcb promoter (-1294- + 247, Van Gysel et al ., Gene 136 : 79-85, 1993) was inserted into the Hin dIII- Hpa I fragment of the vector. POSTECH94 was produced. Next, recombinant plasmids containing PKR full-length cDNA (Meurs et al ., Cell 62 : 379-390, 1990) were cleaved with Cla I and Bam HI to separate the PKR cDNA. The cleaved DNA fragment was inserted into Cla I- Bgl II of pOSTECH94, and the produced recombinant vector was named pBCB-PKR.

상기 재조합 벡터 pBCB-PKR는 2000년 7월 3일자로 생명공학연구소 유전자 은행에 기탁하였다(기탁번호 : KCTC 0823 BP).The recombinant vector pBCB-PKR was deposited on July 3, 2000 to the Biotechnology Research Institute Gene Bank (Accession Number: KCTC 0823 BP).

상기 제작된 벡터의 구조는도 1에 나타나 있으며, 전기천공법(electroporation)을 이용하여 상기 pBCB-PKR을 아그로박테리움 튜메파시엔스(Agrobacterium tumefaciens)에 도입한 다음, 잎 절편 형질전환법(leaf disc transformation method)(Horshet al.,Science 227:1229-1231, 1985)을 이용하여 담배(Nicotiana tabaccumcv. Samsun NN)에 형질전환시켰다. 형질전환된 담배는 카나마이신(100㎍/㎖)을 포함하는 MS(Murasighe & Skoog medium) 배지에서 선별하였다.The introduced structure of the prepared vectors are shown in Figure 1, using an electroporation method (electroporation) of the pBCB-PKR in Agrobacterium tumefaciens (Agrobacterium tumefaciens), and then leaf segment transfection method (leaf disc transformation method (Horsh et al ., Science 227 : 1229-1231, 1985) was transformed into tobacco ( Nicotiana tabaccum cv. Samsun NN). Transformed tobacco was selected in MS (Murasighe & Skoog medium) medium containing kanamycin (100 μg / ml).

성숙한 0세대 형질전환체(R0)를 자가수분 시킨 결과 모든 1세대 형질전환체(R1)가 종자를 생산하였다. 카나마이신 저항성을 갖는 1세대유묘(seedling)를 온실에서 성장시킨 다음, 형질전환된 유전자의 삽입 여부와 바이러스 저항성 유무를 분석하였다.As a result of self-pollination of mature generation 0 transformants (R 0 ), all first generation transformants (R 1 ) produced seeds. First generation seedlings with kanamycin resistance were grown in a greenhouse and analyzed for the insertion of transformed genes and the presence of virus resistance.

<실시예 2> 서던 및 노던 블럿 분석Example 2 Southern and Northern Blot Analysis

1) 서던 블럿 분석(southern blotting)1) Southern blotting

먼저PKR유전자가 형질전환 식물체에 올바르게 삽입되었는지 확인하기 위하여 델라포타 등(Dellaportaet al.,Plant Mol. Biol. Rep. 1:19-21, 1983)의 방법에 따라 게놈 DNA를 분리하였다. 10㎍의 DNA를 제한효소HindⅢ와PstⅠ으로 처리하고 0.7% 아가로스 겔 전기영동으로 분리한 다음, 모세관 이동 방법(capillary transfer)을 이용하여 나일론 막(ICN)으로 이동시켰다(Parket al.,Plant Mol. Biol. 26:1725-1735, 1994). 6×SCC로 5분간 세척하여 여분의 아가로스를 제거한 후 DNA를 나일론 막에 고정시키기 위하여 자외선(254nm, 0.18 J/Sq·cm2)을 조사하였다.First, genomic DNA was isolated according to the method of Delaporta et al ., Plant Mol. Biol. Rep. 1 : 19-21, 1983 to confirm that the PKR gene was correctly inserted into the transgenic plant. 10 μg of DNA was treated with restriction enzyme Hin dIII and Pst I, isolated by 0.7% agarose gel electrophoresis, and then transferred to nylon membrane (ICN) using capillary transfer (Park et al . , Plant Mol. Biol. 26 : 1725-1735, 1994). After washing for 5 minutes with 6 × SCC to remove excess agarose was irradiated with ultraviolet (254nm, 0.18 J / Sqcm 2 ) to fix the DNA to the nylon membrane.

[ν-32P]로 표지된PKR클론을 탐침으로 이용하여 혼성화 반응을 수행하였다. 상기 DNA가 완전 결합된 나일론 막에 혼성화 용액(0.5M sodium phosphate, pH 7.2, 7% SDS, 1% BSA, 1mM EDTA)을 넣어 63℃에서 16시간 동안 반응시켰다. 다음 날 2X SSC, 0.1% SDS에서 나일론 막을 10분간 45℃에서 씻어 주고, 다시 0.2X SSC, 0.1% SDS에서 15분간 42℃에서 씻어 준 다음, 랩으로 덮고 X-선 필름을 얹어 -70℃에서 감광시켰다. 그 결과 형질전환된 식물체는PKR유전자의 전장 서열에 해당하는 2.4 kb 크기의 유전자 절편을 포함하고 있음을 확인하였다(도 2참조).Hybridization reactions were performed using PKR clones labeled [ν- 32 P] as probes. Hybridization solution (0.5M sodium phosphate, pH 7.2, 7% SDS, 1% BSA, 1mM EDTA) was added to the nylon-bound nylon membrane and reacted at 63 ° C. for 16 hours. The next day, the nylon membrane was washed at 45 ° C. for 10 minutes in 2X SSC, 0.1% SDS, and then washed at 42 ° C. for 15 minutes in 0.2X SSC, 0.1% SDS, then covered with a wrap and put on an X-ray film at -70 ° C. Photosensitive. As a result, it was confirmed that the transformed plant contained a 2.4 kb gene segment corresponding to the full length sequence of the PKR gene (see FIG. 2 ).

2) 노던 블럿 분석(northern blotting)2) Northern blotting

전체 RNA는 RNeasy 키트(Quiagen)을 사용하여 잎 조직으로부터 분리한 다음 1.3% 아가로스/포름알데히드 겔을 이용하여 분리하고 나일론 막으로 옮겼다. 나일론 막으로 옮겨진 블럿은 박 등(Parket al.,Plant Mol. Biol. 26:1725-1735, 1994)의 방법에 따라 전혼성화 및 혼성화 반응을 수행하였다.Total RNA was isolated from leaf tissues using the RNeasy kit (Quiagen) and then separated using a 1.3% agarose / formaldehyde gel and transferred to nylon membrane. Blots transferred to the nylon membrane were subjected to prehybridization and hybridization according to the method of Park et al ., Plant Mol. Biol. 26 : 1725-1735, 1994.

형질전환 식물체에서의PKR유전자의 전사체 농도는 바이러스를 접종한 후 24시간 내에 높은 농도로 유도되었다(도 3참조). 또한PKR전사체는 바이러스를 감염시킨 잎 부위에서와 마찬가지로 비슷한 정도와 발현 패턴으로 전신에서 발현되었다. 저항성은 감염 부위뿐만 아니라 전신적으로 나타나야 하므로 상기와 같은 성질은 바이러스 저항성 유전자를 도입하는데 매우 중요한 특징이 된다. 대조군 담배로부터 추출한 RNA는PKR유전자 탐침과 혼성화 반응을 일으키지 않았다.Transcript levels of the PKR gene in transgenic plants were induced at high concentrations within 24 hours after inoculation of the virus (see FIG. 3 ). In addition, PKR transcripts were expressed throughout the body in similar degree and expression patterns as in virus infected leaves. Since resistance must be expressed systemically as well as the site of infection, such properties are very important for introducing viral resistance genes. RNA extracted from control tobacco did not hybridize with the PKR gene probe.

<실시예 3> 바이러스 저항성 분석Example 3 Virus Resistance Analysis

실시예 1에서 제조한 형질전환 식물체가 각종 식물 바이러스에 대해 저항성을 나타내는지 여부를 확인하기 위하여 서로 다른 분류 그룹에 속하는 바이러스들을 형질전환 식물체에 접종하였다. 먼저 형질전환된 식물체를 23℃로 온도가 조절되는 방충(insect-proof) 온실에서 재배하였다. 다음, 4-6개의 잎이 달린 형질전환 식물체 및 대조군 식물체에 대해 바이러스를 접종시켰다(Limet al.,Mol.Cells 7:313-319, 1997).In order to confirm whether the transformed plants prepared in Example 1 exhibit resistance to various plant viruses, viruses belonging to different classification groups were inoculated into the transformed plants. First, the transformed plants were grown in an insect-proof greenhouse having a temperature controlled at 23 ° C. The virus was then inoculated against 4-6 leafed transgenic and control plants (Lim et al ., Mol . Cells 7 : 313-319, 1997).

접종 바이러스로는 CMV(cucumovirus group, DSMZ PV-0187, 독일), TEV(tobacco etching virus, DSMZ PV-0308), PVY(potyvirus group)에 감염된 식물체의 추출물을 각각 CMV의 경우 15배, TEV의 경우 30배, PVY의 경우 50배로 희석하여 사용하였다.Inoculated viruses were 15 times for CMV and 15 times for CMV (cucumovirus group, DSMZ PV-0187, Germany), TEV (tobacco etching virus, DSMZ PV-0308), and PVY (potyvirus group). 30 times, 50 times for PVY Diluted to use.

16개의 제1세대 형질전환 식물계열에 대해 바이러스 저항성을 조사하였는데, 먼저 카나마이신 배양판에서 형질전환된 제1세대 유묘를 선별하고, 각 카나마이신 저항성을 나타내는 제1세대 식물 계열마다 20 개체를 대상으로 하여 토양에서 재배하여 본 잎이 4-6개 나온 후에 전형적인 전신성 증상을 나타내는 CMV를 접종시켰다. 대조군으로서는PKR유전자를 포함하지 않는 식물체 발현벡터 pOSTECH94로 형질전환된 식물체에 CMV를 접종하였으며, 그 결과 모든 식물체에서 14일 이내에 전형적인 전신성 바이러스 증상이 나타났다(도 4참조). 이와는 대조적으로 형질전환 식물계열의 경우 16개 중 5개에서 증상이 늦게 나타났으며, 계열 #14의 경우 가장 높은 바이러스 저항성을 나타내었다(표 1).Sixteen first-generation transgenic plants were tested for viral resistance. First, the first-generation seedlings transformed from the kanamycin culture plate were selected, and 20 individuals of each first-generation plant family exhibiting kanamycin resistance were selected. After cultivating in soil, 4-6 leaves were inoculated with CMV, which shows typical systemic symptoms. As a control, CMV was inoculated into a plant transformed with the plant expression vector pOSTECH94 that does not contain the PKR gene. As a result, typical systemic viral symptoms were observed in all plants within 14 days (see FIG. 4 ). In contrast, 5 out of 16 cases of transgenic plant strains showed late symptoms, and series # 14 showed the highest viral resistance (Table 1).

TEV는 대조군 식물체에서 엽맥의 회저 증상(veinal necrotic symptom)을 보이는 전신성 감염 증상을 일으켰다(도 4). 또한 CMV에 대한 저항성을 보인 5개의 형질전환 식물계열 모두가 TEV에 대해서도 확실한 저항성을 나타내었으며(표 1), 계열 #14의 저항성은 CMV에 대한 경우와 마찬가지로 매우 높았다.TEV caused systemic infection symptoms showing vein necrotic symptom in control plants ( FIG. 4 ). In addition, all of the five transgenic plant lines that showed resistance to CMV showed obvious resistance to TEV (Table 1), and the resistance of series # 14 was as high as that for CMV.

바이러스 감염에 대한 형질전환 식물체의 저항성Resistance of Transgenic Plants to Viral Infections 계열#line# 접종한 식물체 중 바이러스 증상을 나타내는 식물체의 비율(%)Percentage of plants inoculated with viral symptoms CMVCMV TEVTEV *dpi* dpi 77 1111 1515 1919 88 1212 1717 2525 대조군Control 7878 100100 100100 100100 1717 100100 100100 100100 33 3232 3232 4949 6767 1212 3535 4949 6262 88 4949 9292 9292 9292 2626 5757 5757 5757 1010 3535 4646 5858 7272 88 7878 7878 7878 1212 1919 7070 7070 7070 2020 5555 5959 5959 1414 00 00 4040 4040 1515 3838 3838 3838

* dpi (days after post-inoculation)* dpi (days after post-inoculation)

상기에서 CMV는 CMV에 감염된 식물체 추출물을 15배로 희석하여 접종한 결과이며, TEV는 TEV에 감염된 식물체 추출물을 30배로 희석하여 접종한 결과를 나타낸 것이다.In the above CMV is a result of inoculation by diluting the plant extracts infected with CMV by 15 times, TEV is a result of inoculation by diluting 30 times the plant extracts infected with TEV.

놀랍게도 상기 5개의 형질전환 식물계열의 평균 60% 및 62%가 각각 CMV 및 TEV를 접종한 후 2달 후에도 어떠한 바이러스 감염 증상을 나타내지 않았다. 이들 계열은 또한 PVY에 대해서도 저항성을 나타내었다.Surprisingly, an average of 60% and 62% of the five transgenic plant lines showed no viral infection symptoms two months after inoculation with CMV and TEV, respectively. These series also showed resistance to PVY.

<실시예 4> ELISA 분석Example 4 ELISA Analysis

CMV가 접종된 형질전환 식물체에서 바이러스 입자의 축적 여부를 조사하기 위하여 ELISA 분석을 수행하였다.ELISA analysis was performed to investigate the accumulation of virus particles in the transgenic plants inoculated with CMV.

0.05% 트윈 20(PBST)를 포함하는 인산완충용액(PBS) 하에 잎 조직을 마쇄하여 바이러스 입자를 추출한 다음 희석하여 ELISA 분석에 사용하였다. 플레이트를 각각의 희석액 50㎕로 코팅한 다음 4℃에서 하루밤 동안 배양하였다. 다음 플레이트를 PBST로 3회 세척하였다.Leaf tissues were ground under phosphate buffer solution (PBS) containing 0.05% Tween 20 (PBST), virus particles were extracted and diluted to use for ELISA analysis. Plates were coated with 50 μl of each dilution and then incubated overnight at 4 ° C. The plate was then washed three times with PBST.

차단용액(3% BSA를 포함한 PBST)을 처리하여 반응을 종결시킨 후 CMV에 특이적인 폴리클로날 항체(DSMZ #AS-0196, 독일)와 반응시켰다. 플레이트를 세척한 후, 2차 항체로서 알칼라인 포스파타제(alkaline phosphatase)와 결합된 항 IgG를 첨가하여 상온에서 2-3시간 동안 반응시켰다. 세척을 통해 결합하지 않은 항체를 제거한 후 파라-니트로페닐 포스페이트(PNPP) 디소디움 용액(1mg/㎖)을 첨가하고 암조건 하에 상온에서 배양하였다. 이후 405 nm에서 흡광도를 측정하여 반응정도를 조사하였다.The reaction was terminated by treatment with blocking solution (PBST with 3% BSA) and then reacted with a polyclonal antibody specific to CMV (DSMZ # AS-0196, Germany). After the plate was washed, anti- IgG bound to alkaline phosphatase was added as a secondary antibody and reacted at room temperature for 2-3 hours. After washing to remove the unbound antibody, para-nitrophenyl phosphate (PNPP) disodium solution (1 mg / ㎖) was added and incubated at room temperature under dark conditions. Then, the absorbance was measured at 405 nm to investigate the degree of reaction.

그 결과, 바이러스를 접종한 지 24시간 후에 대조군과 형질전환 식물체의 잎에서 항원의 농도를 조사한 결과 양쪽 모두 비슷한 정도로 나타났다(도 5참조). 그러나 48시간 후에는 형질전환된 계열 #14의 경우 바이러스 축적 정도가 대조군에 비해 낮은 것으로 나타났다. 한편, 감염 15일 후 상부 잎에서의 바이러스 역가를 측정한 결과 CMV를 접종한 후 바이러스 감염 증상을 나타내지 않은 형질전환 식물체의 항원 농도는 배지만을 접종한 음성 대조군 식물체와 비슷한 것으로 나타났다(도 6참조). 이러한 결과는 바이러스 감염 증상을 보이지 않는 형질전환 식물체에서 바이러스가 많이 축적되지 않음을 의미하는 것이다.As a result, after 24 hours of inoculation of the virus, the concentrations of the antigens in the control and the leaves of the transgenic plants were found to be similar to both (see FIG. 5 ). However, after 48 hours, the extent of virus accumulation in transformed series # 14 was lower than that of the control group. On the other hand, 15 days after infection, the virus titer was measured on the upper leaves, and the antigen concentration of the transgenic plants that did not exhibit the symptoms of viral infection after inoculation with CMV was similar to that of the negative control plants inoculated with only the medium (see FIG. 6 ). . These results indicate that a lot of viruses do not accumulate in the transgenic plants that do not show symptoms of viral infection.

바이러스 감염 증상을 나타내는 형질전환체의 잎에서는 대조군에 비해 바이러스 축적 정도가 낮은 것으로 나타났다. 따라서, 형질전환 식물체에서PKR유전자는 효과적으로 바이러스 복제 및/또는 증식을 제어함으로써 식물체에 단순한 바이러스 내성뿐만 아니라 실질적인 바이러스 저항성을 부여함을 알 수 있다.In the leaves of the transformants exhibiting symptoms of viral infection, virus accumulation was lower than that of the control group. Thus, it can be seen that the PKR gene in transgenic plants effectively controls viral replication and / or proliferation, thereby imparting not only simple viral resistance but also substantial viral resistance to the plant.

<실시예 5> 인산화 분석(phosphorylation assay)Example 5 Phosphorylation Assay

도입된 인간의PKR유전자가 담배에서도 제대로 기능을 나타내며 단백질 수준에서 인산화 상태를 변화시킬 수 있는지 조사하기 위하여, 대조군 및 형질전환 식물체의 잎 조직 추출물을 이용하여 시험관 내(in vitro) 자가인산화 분석을 수행하였다.In vitro autophosphorylation assays were performed using leaf tissue extracts from control and transgenic plants to investigate whether the introduced human PKR gene functions properly in tobacco and can change phosphorylation status at the protein level. It was.

먼저 마쇄 후 24시간 후에 Samsun NN 과PKR형질전환 식물체의 잎으로부터 전체 단백질을 추출하였다. 잎 조직을 100mM 트리스-염산(pH 7.5), 10% 글리세롤, 5mM 디티오트레이톨, 100mM 염화칼륨, 1㎍/㎖ 아포티닌, 1㎍/㎖ 류펩틴, 2mM 페닐메틸술포닐 플루오라이드의 혼합 용액에서 균질화시켰다. 전체 단백질 용액 10㎕를 30℃에서 10분간 방치한 후, 5μM의 [γ-32P]ATP (100ci/mmol)과 각기 다른 농도의 폴리 r(I)-r(C)를 포함하는 인산화 완충용액(20mM Tris-HCl, pH 7.4, 5 mM MgCl2, 5mM MnSO4)을 첨가하여 최종 부피가 50㎕가 되도록 하였다. 두 배로 농축된 전기영동 샘플 완충용액을 첨가하여 반응을 종결시킨 다음, 각각의 시료는 10% SDS-PAGE로 분리하였고, 자기방사선 사진으로 확인하였다.First, 24 hours after grinding, whole protein was extracted from leaves of Samsun NN and PKR transgenic plants. Leaf tissues were mixed solution of 100 mM tris-hydrochloric acid (pH 7.5), 10% glycerol, 5 mM dithiothreitol, 100 mM potassium chloride, 1 μg / ml apotinine, 1 μg / ml leupeptin, 2 mM phenylmethylsulfonyl fluoride Homogenized at After 10 μl of the total protein solution was left at 30 ° C. for 10 minutes, phosphorylation buffer solution containing 5 μM of [γ- 32 P] ATP (100 ci / mmol) and poly r (I) -r (C) at different concentrations. (20 mM Tris-HCl, pH 7.4, 5 mM MgCl 2 , 5 mM MnSO 4 ) was added to a final volume of 50 μl. After the reaction was terminated by adding twice the concentrated electrophoretic sample buffer, each sample was separated by 10% SDS-PAGE, and confirmed by magnetic radiograph.

대조군 식물체로부터 얻은 추출물을 배양하였을 때, [γ-32P]ATP로부터 Mr 68,000(p68)로32P가 기저 수준(basal level)으로 도입되는 것으로 나타났다. 또한 대조군 식물체에서의 p68의 인산화 수준은 ds RNA를 첨가함으로써 증가하였다. ds RNA에 의한 p68의 인산화 반응의 증가를 보여주는 비슷한 패턴이PKR로 형질전환된식물체의 추출물에서도 관찰되었다. 그러나, 덴시토미터를 이용한 자기방사선 사진(autodiagram) 결과에서 볼 수 있듯이PKR형질전환체에서 p68로32P의 유입이 증가되는 정도가 대조군의 경우에 비해 2배 이상 많은 것으로 나타났다(도 7참조).When extracts from control plants were incubated, it was found that 32 P was introduced at basal level from Mr [γ- 32 P] ATP to Mr 68,000 (p68). In addition, the phosphorylation level of p68 in control plants was increased by the addition of ds RNA. A similar pattern showing an increase in p68 phosphorylation by ds RNA was also observed in extracts of plants transformed with PKR . However, as shown in the autodiagram using a densitometer, the inflow of 32 P into P68 from the PKR transformant was found to be more than two times higher than that of the control group (see FIG. 7 ). .

또한, 인산화에 의한 상부 밴드로의 전이(shift)가 대조군보다PKR형질전환체에서 상대적으로 높게 나타났다. 상기에서 상부 밴드는 인산화된 단백질을 나타내며, 하부 밴드는 인산화되지 않은 형태 또는 분해된 산물을 나타내는 것으로 보인다.In addition, the shift to the upper band by phosphorylation was relatively higher in PKR transformants than in the control. The upper band here represents the phosphorylated protein and the lower band appears to represent either unphosphorylated form or degraded product.

이들 결과를 종합할 때, 도입된PKR유전자는 형질전환 식물체에서 정상적으로 발현되며, 이들 유전자의 발현은PKR형질전환 식물체에서 p68의 인산화 정도를 높게하는 효과가 있음을 알 수 있다.Combining these results, it can be seen that the introduced PKR gene is normally expressed in the transgenic plant, and the expression of these genes has an effect of increasing the degree of phosphorylation of p68 in the PKR transgenic plant.

한편, 이보다 앞서 시험관 내에서 활성화된 PKR을 첨가함으로써 밀 배아 가수분해물에서 브롬 모자이크 바이러스의 번역이 저해됨이 확인된 바 있다(Langlandet al.,The Journal of Biology Chemstry 271:4539-4544, 1996). 따라서, 도입된PKR유전자는 형질전환 식물체에서 그 기능을 발휘하므로,PKR형질전환 식물체는 바이러스의 증식을 억제할 수 있을 것으로 판단된다.On the other hand, it was confirmed that the translation of bromide mosaic virus in wheat embryo hydrolyzate was inhibited by the addition of activated PKR in vitro (Langland et al ., The Journal of Biology Chemstry 271 : 4539-4544, 1996). Therefore, since the introduced PKR gene exerts its function in the transgenic plant, it is judged that the PKR transgenic plant can suppress the proliferation of the virus.

본 발명의PKR유전자로 형질전환된 식물체는 ds RNA를 복제 중간체로 갖는 대부분의 식물 바이러스에 대해 복합 저항성을 나타내며, 바이러스 유래의 유전자또는 그 절편을 이용하는 공지의 방법에 비해 성장 저해, 생식성 상실 및 형태의 이상과 같은 부작용이 나타나지 않는다. 또한 바이러스 감염 부위는 물론 전신에 걸쳐 바이러스 저항성을 나타내며, 바이러스 유래의 유전자를 이용하는 경우에 발생할 수 있는 재조합 바이러스의 출현과 같은 위험성이 없으므로 유용 식물에 복합 바이러스 저항성을 부여하는 안전한 방법으로 유용하게 이용될 수 있다.Plants transformed with the PKR gene of the present invention exhibit complex resistance to most plant viruses with ds RNA as replication intermediates, and inhibit growth, loss of fertility and Side effects such as abnormalities do not appear. In addition, viral resistance is expressed throughout the whole body as well as the site of viral infection, there is no risk of emergence of recombinant viruses that can occur when using a virus-derived gene can be useful as a safe way to give a complex virus resistance to useful plants Can be.

Claims (9)

이중가닥 RNA에 의해 활성화되는 단백질 인산화 효소(dsRNA-dependent protein kinase; PKR)를 암호화하는 유전자를 포함하는 식물형질전환용 재조합 벡터로 식물체를 형질전환 시킴으로써 식물체에 복합 바이러스 저항성을 부여하는 방법.A method of conferring a complex virus resistance to a plant by transforming the plant with a recombinant vector for plant transformation comprising a gene encoding a dsRNA-dependent protein kinase (PKR) activated by double-stranded RNA. 제 1항에 있어서,PKR유전자는 동물 또는 효모로부터 유래한 것을 특징으로 하는, 식물체에 복합 바이러스 저항성을 부여하는 방법.The method of claim 1, wherein the PKR gene is derived from an animal or yeast. 제 2항에 있어서,PKR유전자는 인간으로부터 유래한 것을 특징으로 하는, 식물체에 복합 바이러스 저항성을 부여하는 방법.The method of claim 2, wherein the PKR gene is derived from a human. 제 1항에 있어서, 재조합 벡터는 상처 또는 바이러스 감염에 의해 급속히 전사를 활성화시키는 아라비돕시스 청동 결합 단백질 프로모터(Arabidopsis blue copper binding protein promoter; BCB promoter)와 상기 프로모터와 결합된PKR유전자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 식물체에 복합 바이러스 저항성을 부여하는 방법.The recombinant vector of claim 1, wherein the recombinant vector comprises an Arabidopsis blue copper binding protein promoter (BCB promoter) that rapidly activates transcription by a wound or viral infection, and a PKR gene associated with the promoter. A method of imparting complex virus resistance to plants. 제 4항에 있어서, 재조합 벡터는 pBCB-PKR(기탁번호 : KCTC 0823BP)인 것을 특징으로 하는, 식물체에 복합 바이러스 저항성을 부여하는 방법.The method of claim 4, wherein the recombinant vector is pBCB-PKR (Accession No .: KCTC 0823BP). 제 1항에 있어서, 형질전환되는 식물체는 식량작물류, 채소작물류, 특용작물류, 과수류, 화훼류 및 사료작물류를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 식물체에 복합 바이러스 저항성을 부여하는 방법.The method of claim 1, wherein the plant to be transformed is selected from the group consisting of food crops, vegetable crops, special crops, fruit trees, flowers and feed crops. 제 6항에 있어서, 식량작물류는 벼, 밀, 보리, 옥수수, 콩, 감자, 밀, 팥, 귀리, 수수; 채소작물류는 아라비돕시스, 배추, 무, 고추, 딸기, 토마토, 수박, 오이, 양배추, 참외, 호박, 파, 양파, 당근; 특용작물류는 인삼, 담배, 목화, 참깨, 사탕수수, 사탕무우, 들깨, 땅콩, 유채; 과수류는 사과나무, 배나무, 대추나무, 복숭아, 양다래, 포도, 감귤, 감, 자두, 살구, 바나나; 화훼류는 장미, 글라디올러스, 거베라, 카네이션, 국화, 백합, 튤립; 사료작물류는 라이그라스, 레드클로버, 오차드그라스, 알파알파, 톨페스큐, 페레니얼라이그라스 등을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 식물체에 복합 바이러스 저항성을 부여하는 방법.The food crop according to claim 6, wherein the food crops are rice, wheat, barley, corn, soybeans, potatoes, wheat, red beans, oats, sorghum; Vegetable crops include arabidopsis, Chinese cabbage, radish, red pepper, strawberry, tomato, watermelon, cucumber, cabbage, melon, pumpkin, green onion, onion, carrot; Special crops include ginseng, tobacco, cotton, sesame, sugar cane, sugar beet, perilla, peanut, rapeseed; Fruit trees include apple trees, pears, jujube trees, peaches, pears, grapes, citrus fruits, persimmons, plums, apricots, bananas; Flowers include roses, gladiolus, gerberas, carnations, chrysanthemums, lilies, tulips; Forage crops are selected from the group consisting of lygras, red clover, orchardgrass, alpha alpha, tol pesqueu, perennial lyse, and the like. 제 1항에 있어서, 바이러스 저항성은 CMV(cucumovirus group), TEV(potyvirus group), PVY(potyvirus group)를 포함하는 그룹 중에서 선택되는 1 이상의 바이러스에 대한 저항성인 것을 특징으로 하는, 식물체에 복합 바이러스 저항성을 부여하는 방법.The method of claim 1, wherein the virus resistance is characterized in that the plant is characterized in that it is resistant to at least one virus selected from the group comprising a cucumovirus group (CMV), a potyvirus group (TEV), a PVY (potyvirus group), complex virus resistance to plants How to give. 식물체에 도입되어 복합 바이러스 저항성을 부여하는 식물체 발현용 재조합 벡터 pBCB-PKR(기탁번호 : KCTC 0823BP)Recombinant vector pBCB-PKR for plant expression introduced into plants to confer complex virus resistance (Accession No .: KCTC 0823BP)
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