KR100777232B1 - [ 10796] Zeralenone Overproducing Microorganism and Methods of Zeralenone Overproduction By Using It - Google Patents

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Abstract

A strain for mass-producing zearalenone is provided to increase the productivity of the zearalenone compared to conventional strains significantly. And a method for mass-producing the zearalenone through liquid or solid culturing the strain is provided to produce the zearalenone at low cost with high efficiency. A Gibberella zeae for mass-producing zearalenone is deposited as a deposition no. KCCM 10796P. A method for increasing the zearalenone production comprises a step of overexpressing ZEB2 in a strain in which ZEB1 is eliminated in zearalenone production pathways of the Gibberella zeae. A method for mass-producing the zearalenone comprises a step of culturing the strain in a solid medium.

Description

지랄레논 대량 생산균주 [KCCM 10796P] 및 이를 이용한 지랄레논 생산방법{Zeralenone Overproducing Microorganism and Methods of Zeralenone Overproduction By Using It}Zeralenone Overproducing Microorganism and Methods of Zeralenone Overproduction By Using It}

도 1은 보리 붉은 곰팡이균(Gibberella zeae)에서 ZEB2 제거 균주 GZ3639의 게놈으로부터 ZEB2를 과발현 시키기 위한 방법을 나타낸다. (A) E: EcoRI; β-튜브린(β-tubulin), 보리 붉은 곰팡이의 β-튜브린(β-tubulin) 유전자; ZEB2, ZEB2 ORF; gen, 제네티신(geneticin) 내성 유전자; amp, 앰피실린(ampicillin) 내성 유전자. (B) 과발현된 균주의 제노믹 DNA를 EcoRI으로 처리하여 만든 젤 블랏(gel blot). DNA 젤 블랏 하이브리다이제이션을 위하여 ZEB2 ORF의 일부분과 β-튜브린(β-tubulin) 프로모터 지역의 일부분을 탐침으로 사용하였다. WT, 야생형균주(GZ3639); ODZ2-Z2, ZEB2가 제거된 균주에 ZEB2를 과발현 시킨 균주; ODZ2-ect, 다른 위치에 형질전환 벡터를 가지고 있는 형질전환체. 람다(lambda) DNA 표준의 크기를 블랏의 왼쪽에 나타냈다. (C) PDA 배지에서 6일간 키운 균주 사진이다. 1 shows a method for overexpressing ZEB2 from the genome of ZEB2 removal strain GZ3639 in barley red fungus ( Gibberella zeae ). (A) E: Eco RI; β-tubulin, β-tubulin gene of barley red fungus; ZEB2, ZEB2 ORF; gen, geneticin resistance gene; amp, ampicillin resistance gene. (B) Gel blot made by treating genomic DNA of overexpressed strain with Eco RI. A portion of the ZEB2 ORF and a portion of the β-tubulin promoter region were used as probes for DNA gel blot hybridization. WT, wild type strain (GZ3639); Strains overexpressing ZEB2 in strains from which ODZ2-Z2 and ZEB2 were removed; ODZ2-ect, a transformant having a transformation vector at another location. The size of the lambda DNA standard is shown on the left side of the blot. (C) Pictures of strains grown in PDA medium for 6 days.

도 2는 개량된 CM 배지에서 배양한 GZ3639와 ODZ2-Z2균주의 균사량을 나타낸다. 결과는 세번 반복의 평균± 표준편차로 표현한다. WT, 야생형균주(GZ3639); ODZ2-Z2, ZEB2가 제거된 균주에 ZEB2를 과발현 시킨 균주. Figure 2 shows the mycelial amounts of GZ3639 and ODZ2-Z2 strains cultured in the improved CM medium. Results are expressed as mean ± standard deviation of three replicates. WT, wild type strain (GZ3639); Strain overexpressed ZEB2 in strains from which ODZ2-Z2 and ZEB2 were removed.

도 3은 개량된 CM 배지에서 야생형 균주와 ZEB2 과발현 균주들의 지랄레논(zearalenone) 생산에 대한 시간 추이를 나타낸다. 결과는 세 번 반복의 평균± 표준편차로 표현한다. WT, 야생형균주(GZ3639); ODZ2-Z2, ZEB2가 제거된 균주에 ZEB2를 과발현 시킨 균주. FIG. 3 shows the time course for zearalenone production of wild type strains and ZEB2 overexpressing strains in improved CM medium. Results are expressed as mean ± standard deviation of three replicates. WT, wild type strain (GZ3639); Strain overexpressed ZEB2 in strains from which ODZ2-Z2 and ZEB2 were removed.

도 4는 개량된 CM 배지에서 배양한 GZ3639균주와 ODZ2-Z2균주에서 3, 5, 7일째의 RNA 젤 블랏을 나타낸다. 각각의 탐침은 PKS13, PKS4, ZEB2이며 각각의 블랏 위에 나타냈다. 블랏팅 전에 에티디움 브로마이드(ethidium bromide)로 염색된 아가로스 젤들은 왼쪽 패널에 나타냈다. WT, 야생형균주(GZ3639); ODZ2-Z2, ZEB2가 제거된 균주에 ZEB2를 과발현 시킨 균주. Figure 4 shows RNA gel blots on days 3, 5 and 7 in GZ3639 and ODZ2-Z2 strains cultured in improved CM medium. Each probe was PKS13, PKS4, ZEB2 and shown on each blot. Agarose gels stained with ethidium bromide prior to blotting are shown in the left panel. WT, wild type strain (GZ3639); Strain overexpressed ZEB2 in strains from which ODZ2-Z2 and ZEB2 were removed.

보리 붉은 곰팡이균(Gibberella zeae)(불완전세대: 푸자리움 그래미네아럼(Fusarium graminearum))은 지리적으로 광범위하게 분포하는 자낭균의 곰팡이로서 옥수수, 밀, 쌀과 같은 잡곡에 심각한 질병을 유발한다(McMullen, M. et al, Plant Dis., 81(1997) 1340-1348). 이 곰팡이들은 마이코톡신, 항생제, 색소들을 포함하는 다양한 범위의 2차 대사산물들을 생산한다(Marasas, W. F. O. et al, Toxigenic Fusarium Species; Identity and Mycotoxicology, The Pennsylvania State University Press(1984), Medentsev, A. G. et al, Phytochemistry, 47(1998) 935-959, Nelson, P. E. et al, Fusarium species-An Illustrated Mannual for Identification, The Pennsylvania State University Press(1983)). Barley red fungus ( Gibberella zeae ) (incomplete generation: Fusarium graminearum ) is a geographically widely distributed fungal fungus that causes serious diseases in cereals such as corn, wheat and rice (McMullen). , M. et al, Plant Dis., 81 (1997) 1340-1348). These fungi produce a wide range of secondary metabolites, including mycotoxins, antibiotics, and pigments (Marasas, WFO et al, Toxigenic Fusarium Species; Identity and Mycotoxicology, The Pennsylvania State University Press (1984), Medentsev, AG et al, Phytochemistry, 47 (1998) 935-959, Nelson, PE et al, Fusarium species-An Illustrated Mannual for Identification, The Pennsylvania State University Press (1983)).

이 대사산물들 중에서 지랄레논(zearalenone; ZEA)은 푸자리움(Fusarium)에 감염된 옥수수, 밀, 보리, 사탕수수를 섭취한 돼지들에게 발정 장애를 유발시킨다(Mirocha, C. J. et al, Mycotoxins, (1974) 129-148). 많은 나라들에서 데옥시니발레놀(deoxynivalenol), 니발레놀(nivalenol), 트리코테센(trichothecene) 마이코톡신과 더불어 지랄레논의 발생은 G. zeae에 의해 감염된 곡물에 흔하게 일어난다(Tanaka, T. et al, J Agric Food Chem, 36(1988) 979-983). 또한 지날레논은 옥수수 가루, 콘 플레이크, 옥수수 죽, 맥주를 포함하여 인간 소비를 위해 만들어진 식품들에서도 자연적으로 생성된다고 알려져 왔다(Marasas, W. F. O. et al, Toxigenic Fusarium Species; Identity and Mycotoxicology, The Pennsylvania State University Press(1984)).Among these metabolites, zearalenone ( ZEA ) causes estrogenic disorders in pigs fed corn, wheat, barley and sugar cane infected with Fusarium (Mirocha, CJ et al , Mycotoxins, (1974). 129-148). In many countries, along with deoxynivalenol, nivalenol, and trichothecene mycotoxins, the occurrence of girallenone is common in grains infected with G. zeae (Tanaka, T. et. al , J Agric Food Chem, 36 (1988) 979-983). Ginalenone is also known to occur naturally in foods made for human consumption, including maize flour, corn flakes, corn grits, and beer (Marasas, WFO et al , Toxigenic Fusarium Species; Identity and Mycotoxicology, The Pennsylvania State University). Press (1984).

지랄레놀(zearalenol; ZOL)을 포함하는 지랄레논과 그 파생물은 1′- 2′더블 본드(double bond)에서 모두 트랜스-배열(trans-configuration)이다. 지랄레논의 활성은 6´ -케톤의 변형에 의해 영향을 미치고, 1′- 2′더블 본드(double bond)는 활성을 높인다. α-지랄레놀(α-ZOL)은 지랄레논보다 3-4배정도 발정을 촉진한다. 그러나 β-지랄레놀(β-ZOL)의 발정효과는 지랄레논과 같거나 약간 적다(Hagler, W. M. et al, Appl Environ Microbiol, 37(1979) 849-853). 시스-이성체들(cis-isomers)은 강렬한 UV 광선을 사용한 트랜스-이성체(trans-isomer)의 투사(irradiation)에 의해 실험실에서 생산된다(Mirocha, C. J. et al, Appl Environ Microbiol, 35(1978) 986-987). 이 변형의 결과로 생성된 지라놀(Zeranol)이라고 불리는 파생물은 소의 성장촉진제로 사용된다(Ralgro; Pitman-Moore, Terre Haute, IN, USA). 더구나 동물에서의 호르몬 유사 활성을 가진 지랄레논은 G. zeae에서 유성생식의 조절에도 관여한다(Wolf, J. C. et al, Can J Microbiol, 19(1973) 725-734).Girallenone and its derivatives, including zearalenol ( ZOL ), are all trans-configurations in 1'-2'double bonds. The activity of the giralenone is affected by the 6′-ketone modification, and the 1′-2 ′ double bond enhances the activity. α-Gyrallenol (α-ZOL) promotes estrus by 3-4 times as much as giralenone. However, the estrogenic effect of β-ziralenol (β-ZOL) is the same as or slightly less than that of giralenone (Hagler, WM et al , Appl Environ Microbiol, 37 (1979) 849-853). Cis-isomers are produced in the laboratory by the irradiation of trans-isomers using intense UV light (Mirocha, CJ et al , Appl Environ Microbiol, 35 (1978) 986 -987). A derivative called Zeranol produced as a result of this modification is used as a growth promoter for cattle (Ralgro; Pitman-Moore, Terre Haute, IN, USA). Moreover, giralenone , which has hormone-like activity in animals, is also involved in the regulation of sexual reproduction in G. zeae (Wolf, JC et al , Can J Microbiol, 19 (1973) 725-734).

지랄레논은 보리 붉은 곰팡이균에서 폴리케타이드 합성효소(polyketide synthases; PKS) 유전자들로 암호화 된 PKS에 의해 합성된다. 총 16개로 추정되는 PKS 유전자들이 보리 붉은 곰팡이균 게놈에서 밝혀졌다(Kroken, S. et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100(2003) 15670-15675). 보리 붉은 곰팡이균에서 목표 PKS 유전자들을 제거하는 방법을 사용함으로써, 최근에 연구자들은 지랄레논 생합성에 PKS4와 PKS13이 필요하다는 것을 알아냈다(Gaffoor, I. et al, Eukaryotic Cell, 4(2005) 1926-1933, Kim, Y. T. et al, Mol. Microbiol., 58(2005) 1102-1113).Gyralenone is synthesized by PKS encoded from polyketide synthases ( PKS ) genes in barley red fungus. A total of 16 putative PKS genes have been identified in the barley red fungus genome (Kroken, S. et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100 (2003) 15670-15675). By using methods to remove target PKS genes from barley red fungi, researchers recently found that PKS4 and PKS13 are required for giralenone biosynthesis (Gaffoor, I. et al , Eukaryotic Cell, 4 (2005) 1926-). 1933, Kim, YT et al , Mol. Microbiol., 58 (2005) 1102-1113).

또한 지랄레논의 생합성에는 이소아밀 알코올 옥시다아제(isoamyl alcohol oxidase) 유전자와 높은 유사성을 보이는 지랄레논 생합성 유전자 1 (zearalenone biosynthesis gene 1; ZEB1)과 보존된 기본 지역(basic region) 류신 지퍼(leucine zipper) 도메인을 갖는 지랄레논 생합성 유전자 2 (zearalenone biosynthesis gene 2; ZEB2)가 필요하다. ZEB1은 생합성 경로에서 β-지랄레놀(β-zearalenol; β-ZOL)을 지랄레논(ZEA)으로 화학적 전환하는데 필요하고 ZEB2는 클러스터 멤버의 전사를 조절한다. 이 유전자들의 전사는 영양 결핍이나 주위 pH 같은 다른 배양 조건에 따라서 강하게 영향을 받는다. 더구나 PKS13이나 PKS4가 제거된 유전자 도입 G. zeae 균주에서 ZEB2에 의해 조절되는 유전자 세트들은 극적으로 감소한다. 하지만 ZEB1 제거 균주에서는 그렇지 않다. 이는 G. zeae 균주에서 지랄레논(ZEA)이나 β-지랄레놀(β-ZOL)이 지랄레논 생합성에 필요한 유전자 클러스터의 전사 활성에 관여한다는 것을 나타낸다.Also, isoamyl alcohol oxidase (isoamyl alcohol oxidase) gene and a biosynthetic gene Fluorenone Fuck with high affinity biosynthesis of fluorenone Fuck (ze aralenone b iosynthesis gene 1; ZEB1) and a conserved basic region (basic region) leucine zipper (leucine zipper ) Fuck fluorenone biosynthesis gene having a domain 2 (ze aralenone b iosynthesis gene 2 ; need ZEB2). ZEB1 is required for chemical conversion of β-zearalenol ( β-ZOL ) to giralenone (ZEA) in the biosynthetic pathway and ZEB2 regulates the transcription of cluster members. Transcription of these genes is strongly influenced by other culture conditions such as malnutrition and ambient pH. Moreover, the gene sets regulated by ZEB2 in transgenic G. zeae strains with PKS13 or PKS4 removed are dramatically reduced. However, this is not the case with ZEB1 deficient strains. This indicates that giralenone (ZEA) or β-ziralenol (β-ZOL) is involved in the transcriptional activity of gene clusters required for giralenone biosynthesis in G. zeae strains.

한국특허등록번호 10-0444124-0000호 (출원일: 2001.8.16)는 곰팡이 독소생성을 저해하는 조성물에 관한 것으로, 결명자 추출물을 포함하는 곰팡이 독소생성 저해용 조성물을 개시하고 있다. 또한 알리자린(Alizarin), 크리소파닌산(Chrysophanic acid), 단손(Danthron), 푸푸린(Purpurin) 및 퀴니자린(Quinizarin)으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 화합물을 포함하는 곰팡이 독소생성 저해용 조성물에 대하여 개시하고 있다.Korean Patent Registration No. 10-0444124-0000 (Application Date: 2001.8.16) relates to a composition for inhibiting fungal toxin production, and discloses a composition for inhibiting fungal toxin production comprising a deficiency extract. In addition, for the composition for inhibiting fungal toxin production comprising at least one compound selected from the group consisting of Alizarin, Chrysophanic acid, Danson, Purpurin, and Quinizarin It is starting.

한국특허등록번호 10-0287382-0000호 (출원일: 1998.11.30)에서는 지랄레논에 이종 단백질을 결합시켜 지랄레논 단백질 접합체를 얻고, 상기 지랄레논 단백질 접합체를 동물에 투여하고, 상기 동물에서 생성된 항체를 회수하는 지랄레논 항체의 생산방법에 대하여 개시하고 있다. 그러나, 보리 붉은 곰팡이균(Gibberella zeae)를 이용하여, 지랄레논를 대량으로 생산하는 방법에 대한 언급이 없다.In Korean Patent Registration No. 10-0287382-0000 (filed date: Nov. 30, 1998), a heterologous protein is combined with a girallenone to obtain a giralenone protein conjugate, and the giralenone protein conjugate is administered to an animal, and the antibody produced in the animal. Disclosed is a method for producing a giralenone antibody for recovering a. However, there is no mention of how to produce giralenone in large quantities using barley red fungi ( Gibberella zeae ).

지랄레논은 지랄레논 특이적 항체의 생산에 사용이 되고 있으며, 1g에 13,200,000원에 판매되고 있다(Http://www.sial.co.kr/function/order/order.asp; 2006년 9월 19일접속). 따라서, 경제적인 방법으로 지랄레논을 대량생산하는 방법이 요구되고 있다. 본 발명자는 지랄레논의 생산경로 중 ZEB1이 제거된 균주에 ZEB2를 과발현시켜서, β-지랄레놀이 대량생산되어지는 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다. Giralenone is used for the production of giralenone-specific antibodies and is sold for 13,200,000 won per 1g (Http://www.sial.com/function/order/order.asp; September 19, 2006 Connection). Therefore, there is a demand for a method of mass production of giralenone in an economic manner. The present inventors overexpressed ZEB2 in a strain in which ZEB1 was removed from the production path of girallenone, and found that β-girallenol was mass-produced and completed the present invention.

지랄레논을 대량생산하는 보리 붉은 곰팡이균(Gibberella zeae)[KCCM 10796P]을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a barley red fungus ( Gibberella zeae ) [KCCM 10796P] which mass-produces giralenone.

본 발명의 또 다른 목적은 지랄레논을 대량생산하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for mass production of giralenone.

상기한 목적을 위하여 본 발명은 지랄레논을 대량생산하는 [KCCM 10796P, 한국미생물보존센터(KCCM), 2006년 11월 22일]를 제공한다. 지랄레논을 대량 생산하는 균주는 데옥시니발레놀(deoxynivalenol; DON)과 지랄레논(zearalenone; ZEA)를 생산하는 GZ3639 보리 붉은 곰팡이 야생형 균주(O'Donnell, K. H. et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97(2000) 7905-7910)로부터 제조되었다. 지랄레논 생산을 위해서, 균주들의 기균사체(aerial mycelia)를 25ml의 개량된 CM 액체배지에 배양하였다(Kim, Y. T. et al, Mol. Microbiol. 58 (2005) 1102-1113). 본 발명에 따른 ODZ2-Z2 균주는 개량된 CM 액체 배지에서 GZ3639 보다 지랄레논의 생산성을 증가시켰다.For the above purpose, the present invention provides a mass production of giralenone [KCCM 10796P, Korea Microorganism Conservation Center (KCCM), November 22, 2006]. Strains that produce large amounts of giralenone are GZ3639 barley red mold wild type strains (O'Donnell, KH et al, Proc. Natl. Acad.) That produce deoxynivalenol ( DON ) and zearalenone ( ZEA ). Sci. USA, 97 (2000) 7905-7910). For giralenone production, the aerial mycelia of the strains were incubated in 25 ml of improved CM liquid medium (Kim, YT et al, Mol. Microbiol. 58 (2005) 1102-1113). The ODZ2-Z2 strain according to the present invention increased the productivity of girallenone than GZ3639 in an improved CM liquid medium.

ODZ2-Z2 균주는 GZ3639와 동일하게 격막을 갖는 사상형 자낭균으로 약간 살구색을 띄는 형태적 특성을 지니며 일반적으로 25 ℃, pH 5.6 정도의 약산성 조건에서 잘 자란다. ODZ2-Z2는 100ml의 개량된 CM 배지(NaNO3 2g, Sucrose 30g, KH2PO4 1g, MgSO4˙7H20 0.5g, KCl 0.5g, D.W)에 PDA에서 배양한 균사를 접종하고, 25℃, 150rpm에서 7일 동안 배양했을 때 약 800ppb의 지랄레논을 검출할 수 있었다. 또한 ODZ2-Z2 균주는 2006년 11월 22일 한국미생물보존센터(KCCM)에 기탁번호 KCCM 10796P로 균주기탁되었다. The ODZ2-Z2 strain is a filamentous filamentous fungus with a diaphragm similar to GZ3639, and has a slightly apricot-like morphological characteristic, and generally grows well at weakly acidic conditions of 25 ° C and pH 5.6. ODZ2-Z2 was inoculated with 100 ml of improved CM medium (NaNO3 2g, Sucrose 30g, KH2PO4 1g, MgSO4˙7H20 0.5g, KCl 0.5g, DW) incubated with PDA in mycelia and cultured at 25 ° C, 150rpm for 7 days. When cultured, about 800 ppb of giralenone could be detected. In addition, the strain ODZ2-Z2 was deposited on November 22, 2006 with the accession number KCCM 10796P to the Korea Microorganism Conservation Center (KCCM).

본 발명의 제 2의 양태는 지랄레논 생산경로 중 ZEB2가 제거된 균주에 ZEB2를 과발현시키는 것을 특징으로 하는 지랄레논을 대량생산하는 방법을 제공한다. ZEB2를 제거하는 방법은 생합성 유전자를 결실시키는 방법, 생합성 유전자의 안티센스 RNA를 이용하여 전사를 억제하는 방법, 생합성 유전자를 트랜스포존을 이용하여 녹아웃(knock-out)시키는 방법, 단백질의 활성을 억제시키는 억제제를 처리하는 방법이 이용될 수 있다. ZEB2를 과발현시키는 방법은 발현벡터를 사용하여 유전자를 멀티카피(multicopy)로 존재하게 하여 과발현시키는 방법, 염색체 삽입(chromosomal integration)을 통한 과발현 방법이 이용될 수 있다. 보다 상세하게는 보리 붉은 곰팡이균(Gibberella zeae)의 ZEB2 유전자를 결실시키고 ZEB2 유전자를 과발현 시키는 것을 특징으로 하는 지랄레논 생산증가방법을 제공한다. 유전자를 결실시키는 방법은 유전자 재조합 방법을 사용하여 유전자를 결실시켰고 유전자를 과발현시키는 방법은 염색체 삽입(chromosomal integration)을 통한 과발현 방법을 사용하였다.The second aspect of the present invention provides a method for mass-producing girallenone, which overexpresses ZEB2 in a strain from which ZEB2 has been removed from the giralenone production pathway. Methods for removing ZEB2 include deletion of biosynthetic genes, inhibition of transcription using antisense RNA of biosynthetic genes, knock-out of biosynthetic genes with transposons, inhibitors that inhibit the activity of proteins. A method of processing can be used. As a method of overexpressing ZEB2, a gene may be present in a multicopy using an expression vector and overexpressed, and an overexpression method through chromosomal integration may be used. More specifically, it provides a method for increasing girallenone production, which comprises deleting the ZEB2 gene of barley red fungus ( Gibberella zeae ) and overexpressing the ZEB2 gene. Gene deletion was carried out using gene recombination method and gene expression was overexpressed through chromosomal integration.

지랄레논은 보리 붉은 곰팡이균(Gibberella zeae)(불완전세대: 푸자리움 그래미네아럼(Fusarium graminearum)) 이외에 여러 푸자리움 종에서 생산이 된다. 켄지 등은 F. roseum, F. tricinctum, F. lateritium 등에서 생산이 된다고 보고하였다(Kenji Shii et al, Applied Microbiology, Vol. 27, pp. 625-628). 따라서, 지랄레논 생산경로 중 ZEB2가 제거된 균주에 ZEB2를 과발현시켜, 지랄레논을 생산하는 방법은 상기 푸자리움 종에 모두 적용가능할 것이다.Giralenone is produced in several species of Fuzziaum in addition to the barley red fungi ( Gibberella zeae ) (incomplete generation: Fusarium graminearum ). Kenji et al. Reported the production in F. roseum, F. tricinctum, F. lateritium (Kenji Shii et al, Applied Microbiology, Vol. 27, pp. 625-628). Therefore, the method of over-expressing ZEB2 in the strain from which ZEB2 has been removed from the giralenone production pathway, thus producing girallenone, may be applicable to all the Furizium species.

지랄레논 생산 배양은 액체 배양 또는 고체배양 모두가 이용될 수 있다. 액체 배양 배지는 액체 배양 배지는 개량된 CM(CM modified media), 고체배양 배지는 밀 배지(wheat media)를 이용할 수 있다.The giralenone production culture can be used in both liquid culture and solid culture. The liquid culture medium may be improved liquid culture medium (CM modified media), solid culture medium wheat medium (wheat media).

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited to the following examples.

<실시예 1> 형질전환 보리 붉은 곰팡이 균주들에서의 지랄레논 대량생산Example 1 Mass Production of Giralenone in Transformed Barley Red Mold Strains

지랄레논의 생산경로 중 ZEB2가 제거된 균주에 ZEB2를 과발현시키고, 이 균주의 배양을 통해서 지랄레논을 대량생산하는 방법을 나타낸다. The present invention shows a method of overexpressing ZEB2 in a strain from which ZEB2 has been removed from the production path of giralenone, and mass-producing giralenone by culturing this strain.

균주 및 배지Strains and Media

GZ3639 균주를 데옥시니발레놀(deoxynivalenol; DON)과 지랄레논(zearalenone; ZEA)를 생산하는 보리 붉은 곰팡이 야생형 균주로 사용하였다(O'Donnell, K. H. et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97(2000) 7905-7910). 보리 붉은 곰팡이 균주 ODZ2-Z2와 ODZ2-ect는 GZ3639로부터 파생되었다. 전자는 ZEB2가 제거된 균주에 ZEB2를 과발현 시킨 균주이고, 후자는 다른 위치에 형질전환 벡터를 가지고 있는 형질전환체이다. DNA 분리를 위해서, 곰팡이 균주들을 3일 동안 25℃, 150rpm의 회전식 진탕 배양기에서 30ml의 완전배지(complete medium; CM)가 포함된 250ml 삼각플라스크(Erlenmeyer flask)로 배양하였다(Correll, J. C. et al, Phytopathology 77(1987) 1640-1646). 총 RNA 추출과 지랄레논 생산을 위해서, 균주들의 기균사체(aerial mycelia)를 25ml의 개량된 CM 액체배지에 배양하였다(Kim, Y. T. et al, Mol. Microbiol. 58 (2005) 1102-1113). The GZ3639 strain was used as a barley red mold wild type strain producing deoxynivalenol ( DON ) and giralenone (zearalenone ( ZEA ) (O'Donnell, KH et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA). , 97 (2000) 7905-7910). Barley red mold strains ODZ2-Z2 and ODZ2-ect were derived from GZ3639. The former is a strain in which ZEB2 is overexpressed in a strain from which ZEB2 has been removed, and the latter is a transformant having a transformation vector at another position. For DNA isolation, fungal strains were incubated in a 250 ml Erlenmeyer flask containing 30 ml of complete medium ( CM ) in a rotary shake incubator at 25 ° C. and 150 rpm for 3 days (Correll, JC et al., Phytopathology 77 (1987) 1640-1646). For total RNA extraction and giralenone production, the aerial mycelia of the strains were cultured in 25 ml of improved CM liquid medium (Kim, YT et al, Mol. Microbiol. 58 (2005) 1102-1113).

지랄레논 생산을 관찰하기 위해서, 곰팡이 균주들을 포테이토-덱스트로즈 아가(potato-dextrose agar; PDA)(Difco Laboratories, Detroit, MI, U.S.A.), 개량된 CM 배지에 25℃, 암소에서 배양하였다. In order to observe the giralenone production, the fungal strains were cultured in potato at 25 ° C. in cows in Potato-dextrose agar ( PDA ) (Difco Laboratories, Detroit, MI, USA), improved CM medium.

핵산 조작Nucleic acid manipulation

곰팡이 제노믹 DNA(genomic DNA)와 플라스미드 DNA(plasmid DNAs)들을 이전에 보고된 대로 추출하였다(Kereyi, Z. et al, Appl. Environ. Microbiol. 65(1999) 4071-4076). 1ml의 트리졸 용액(Invitrogen, Carlsbad, CA, U.S.A.)을 사용하여 액체질소에 의해 갈려진 균사체(0.1g)로부터 총 RNA를 제조회사의 사용설명서에 따라 추출하였다. 제한효소처리, 라이게이션(ligation), 아가로스 젤 전기영동, 젤 블랏팅(gel blotting)으로 표준 절차들을 진행하였다(Sambrook, J. et al, Molecular Cloning: A Laboratory manual, 2nd ed. Cold Spring Harbor Laboratory Press(1989)). P32로 표지된 탐침을 DNA, RNA 젤 블랏 하이브리다이제이션(gel blot hybridization)에 사용하였다. PCR 프라이머를 바이오니아 올리고뉴클레오티드 합성팀으로부터 확보하였다(Bioneer Co., Chungwon, Korea).Fungal genomic DNA and plasmid DNAs were extracted as previously reported (Kereyi, Z. et al, Appl. Environ. Microbiol. 65 (1999) 4071-4076). Total RNA was extracted from mycelium (0.1 g) ground by liquid nitrogen using 1 ml of Trizol solution (Invitrogen, Carlsbad, Calif., USA) according to the manufacturer's instructions. Standard procedures were performed by restriction enzyme treatment, ligation, agarose gel electrophoresis, and gel blotting (Sambrook, J. et al, Molecular Cloning: A Laboratory manual, 2nd ed. Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989). P 32 labeled probes were used for DNA, RNA gel blot hybridization. PCR primers were obtained from Bioneer oligonucleotide synthesis team (Bioneer Co., Chungwon, Korea).

더블 조인트 PCR (Double-Joint PCR)과 곰팡이의 형질전환Double-Joint PCR and Transformation of Fungi

보리 붉은 곰팡이 균주 ZEB2의 유전자 5'과 3' 측면부위에 위치한 DNA 염기서열 상동성에 따라 하이그로마이신(hygromycin) 내성 유전자(hygB)를 가지게 된 형질전환 DNA 단편은 보완된 더블 조인트 PCR (Double-Joint PCR; DJ PCR)을 사용하여 증폭되었다(Yu, J.-H. et al, Fungal Genet. Biol. 41(2004) 973-981). Transgenic DNA fragments with hygromycin resistance gene (hygB) based on DNA sequence homology located at the flanking 5 'and 3' genes of the barley red fungal strain ZEB2 were complemented by double-joint PCR (Double-Joint). PCR; DJ PCR ) (Yu, J.-H. et al, Fungal Genet. Biol. 41 (2004) 973-981).

β-튜브린(β-tubulin) 프로모터 부분을 증폭하기 위해 bpro-5 (5′-CGAAGC CGACGACGAACA-3′)(서열번호 1) / bpro3 (5′-ATTGACGGCTGTAG ATGTAAT-3′)(서열번호 2)를 사용하였고, ZEB2 ORF를 증폭하기 위해 ZEB2 OEX-2 5R (5′-CATTACATCTAC AGCCGTCAATAACGGCCGTGACCTTAATTCA-3′)(서열번호 3) / IAO-N-5'F ( 5′-CGTTTGATTC CCCGCAGTGT-3′)(서열번호 4)을 사용하였고, 융합 산물을 위해 네스티드 PCR (nested PCR) 프라이머 쌍(IAO 3'F (5′-GGAAGAATGTGCAAGTCAGC-3′)(서열번호 5) / bpro/5' (5′-CGAAGCCGACGACGAACA-3′)(서열번호 6))을 사용하였다. 그 결과, 각각 2.1kb 와 1.2kb의 β-튜브린(β-tubulin) 프로모터와 ZEB2 ORF를 얻었고 이를 융합하여 3.3kb의 PCR 산물을 얻었다. 이 PCR 산물은 다시 TOPO 벡터에 클로닝 시킴으로서 최종적으로 6.8kb size의 벡터를 제작하였다.bpro-5 (5′-CGAAGC CGACGACGAACA-3 ′) (SEQ ID NO: 1) / bpro3 (5′-ATTGACGGCTGTAG ATGTAAT-3 ′) (SEQ ID NO: 2) to amplify the β-tubulin promoter portion ZEB2 OEX-2 5R (5′-CATTACATCTAC AGCCGTCAATAACGGCCGTGACCTTAATTCA-3 ′) (SEQ ID NO: 3) / IAO-N-5'F (5′-CGTTTGATTC CCCGCAGTGT-3 ′) to amplify the ZEB2 ORF Number 4) was used and nested PCR primer pairs (IAO 3'F (5'-GGAAGAATGTGCAAGTCAGC-3 ') (SEQ ID NO: 5) / bpro / 5' (5'-CGAAGCCGACGACGAACA-) for fusion products 3 ') (SEQ ID NO: 6)). As a result, the β-tubulin promoter and ZEB2 ORF of 2.1 kb and 1.2 kb, respectively, were obtained and fused to obtain a 3.3 kb PCR product. This PCR product was cloned back into the TOPO vector to finally produce a vector of 6.8 kb size.

곰팡이의 형질전환을 위해서, 드리세라제(Driselase, InterSpex Products, Inc., San Mateo, CA, U.S.A.)로 처리한 균사체에 의해 준비된 곰팡이의 원형질체 안으로 폴리에틸렌글라이콜(polyethyleneglycol)과 함께 DJ-PCR에 의해 얻은 약 5ug의 융합 PCR 산물을 직접 첨가하였다(Lee, T. et al, Appl. Environ. Microbiol. 68(2002) 2148-2154). hygB 유전자를 가진 안정적인 형질전환체들을 75ug/ml의 하이그로마이신 B(hygromycin B)가 포함된 재생 배지에서 선택하였고 25% 글리세롤이 포함되어 -80℃에 보관하였다.For transformation of the fungus, DJ-PCR with polyethyleneglycol was introduced into the protoplasts of the fungus prepared by the mycelium treated with a dryase (Driselase, InterSpex Products, Inc., San Mateo, Calif., USA). About 5 ug of fusion PCR product obtained by direct addition was added (Lee, T. et al, Appl. Environ. Microbiol. 68 (2002) 2148-2154). Stable transformants with hygB gene were selected from regeneration medium containing 75ug / ml of hygromycin B and stored at -80 ° C containing 25% glycerol.

화학적 분석Chemical analysis

지랄레논, α-ZOL, β-ZOL의 표준시료를 Sigma-Aldrich Co.(St. Louis, MO, U.S.A)로부터 구입하였다. 곰팡이 균주로부터 지랄레논을 검출하기 위해서, 배양 여과액과 건조시킨 액체 배양액을 추출하고 고성능 액체크로마토그래피(High performance liquid chromatography; HPLC)로 분석하였다(Kim, J. E. et al, Appl. Environ. Microbiol. 71(2005) 1701-1708, Kim, Y. T. et al, Mol. Microbiol. 58 (2005) 1102-1113). Standard samples of giralenone, α-ZOL and β-ZOL were purchased from Sigma-Aldrich Co. (St. Louis, MO, USA). In order to detect Fuck Lennon from fungal strains, extracting a liquid culture solution was dried and the culture filtrate, and high performance liquid chromatography...; And analyzed by (High performance liquid chromatography HPLC) (Kim, JE et al, Appl Environ Microbiol 71 (2005) 1701-1708, Kim, YT et al, Mol. Microbiol. 58 (2005) 1102-1113).

결과result

1. 보리 붉은 곰팡이균(1. Barley red fungus ( Gibberella zeaeGibberella zeae )에서의 목표 유전자 제거 및 발현Gene expression and expression in

ZEB2가 제거된 균주에 ZEB2를 과발현 시킨 형질전환 보리 붉은 곰팡이 균주들을 만들기 위해서 목표 유전자 치환 기술(gene replacement strategy)을 사용했다. A target gene replacement strategy was used to create transformed barley red mold strains that overexpressed ZEB2 in strains that had ZEB2 removed.

ΔZEB2 균주는 이전에 제작된 균주(Kim, Y. T. et al, Mol. Microbiol. 58 (2005) 1102-1113)를 사용하였고, ZEB2의 과발현은 β-튜브린(β-tubulin) 프로모터 부분과 ZEB2 ORF를 융합시킨 PCR 산물을 TOPO 벡터와 융합시켜 제작한 ZEB2/β-튜브린(β-tubulin) 벡터를 ΔZEB2 균주에 제네티신(geneticin) 마커를 가지는 pII99 플라스미드와 동시에 형질전환함으로써 수행하였다. 형질전환테들은 일차적으로 제네티신 항생제 마커를 통해 선택하였고 2차적으로 형질전환테들의 제노믹 DNA(genomic DNA)를 β-튜브린(β-tubulin) 프로모터내의 β-튜브린(β-tubulin) 프루브 3 REV (5′-CGTCACTGCAGGTACCACATCTTG-3′)(서열번호 7)와 zeb2 프루브 5FOR (5′-GATAGAAAGGCCTCGCTGTG-3′)(서열번호 8)를 통해 PCR하여 삽입 여부를 확인하였고 서던 블랏을 통해 삽입 위치를 확인하였다. 그 결과 ΔZEB2 균주의 β-튜브린(β-tubulin) 프로모터 부분과 벡터가 교차를 통해 삽입되었음을 확인할 수 있었다. 도 1(A)의 경우, ZEB2/β-튜브린(β-tubulin) 벡터가 제노믹 DNA상의 β-튜브린(β-tubulin) 프로모터 부분과 교차를 통해 삽입되는 과정을 간단한 모식도로 나타낸 그림이다. 벡터는 교차를 통해 제노믹 β-튜브린(β-tubulin)의 5′ 쪽으로 삽입되어 진 것으로 예상된다. 도 1(B)도 1(A)의 방법으로 삽입되어 졌다고 예상되는 형질전환체를 50mL의 액체 배지에 25℃, 150rpm에서 3일간 배양한 뒤, DNA를 추출하여 EcoRI을 처리한 후 서던 블랏을 수행한 결과이다. 탐침자로는 ZEB2 ORF의 일부분과 β-튜브린(β-tubulin) 프로모터 지역의 일부분을 사용하였다. 그 결과 야생형 균주인 GZ3639의 경우 EcoRI을 처리하면 약 11.5kb에서 ZEB2 밴드를 가 나오고 3.8kb의 위치에서 β-튜브린(β-tubulin) 프로모터 밴드를 관찰할 수 있었다. ODZ2-Z2의 경우에는 벡터가 삽입되어 EcoRI을 처리하면 벡터 내에 EcoRI가 존재하므로 β-튜브린(β-tubulin)의 밴드는 3kb와 4.4kb의 두개의 밴드가 나타난다.The ΔZEB2 strain was a previously prepared strain (Kim, YT et al, Mol. Microbiol. 58 (2005) 1102-1113), and overexpression of ZEB2 resulted in the β-tubulin promoter portion and the ZEB2 ORF. A ZEB2 / β-tubulin vector prepared by fusing the fused PCR product with the TOPO vector was performed by simultaneously transforming the ΔZEB2 strain with a pII99 plasmid having a geneticin marker. The transgenic rims were selected primarily through the geneticin antibiotic markers and secondly the genomic DNA of the transgenic rims was beta-tubulin in the β-tubulin promoter. PCR was confirmed by probe 3 REV (5′-CGTCACTGCAGGTACCACATCTTG-3 ′) (SEQ ID NO 7) and zeb2 probe 5FOR (5′-GATAGAAAGGCCTCGCTGTG-3 ′) (SEQ ID NO 8), and the insertion position was determined by Southern blot. It was confirmed. As a result, it was confirmed that the β-tubulin promoter portion and the vector of the ΔZEB2 strain were inserted through the cross. In the case of Fig. 1A , the ZEB2 / β-tubulin vector is inserted into the β-tubulin promoter portion of the genomic DNA through a simple schematic diagram. . The vector is expected to be inserted into the 5 'of the genomic β-tubulin through the intersection. FIG. 1 (B) is cultured in a 50 mL liquid medium at 25 ° C. and 150 rpm for 3 days after transformants expected to have been inserted by the method of FIG. 1 (A) , followed by extraction of DNA and treatment with EcoRI. Is the result of Probes were used as part of the ZEB2 ORF and part of the β-tubulin promoter region. As a result, in case of wild type strain GZ3639, the EcoRI treatment resulted in the ZEB2 band at about 11.5 kb and the β-tubulin promoter band at 3.8 kb. In the case of ODZ2-Z2, EcoRI is present in the vector when the vector is inserted and the EcoRI is processed. Thus, two bands of β-tubulin appear to be 3kb and 4.4kb.

2. 형질전환된 PKS 제거 균주들의 표현형들2. Phenotypes of Transformed PKS Removal Strains

야생형 균주인 GZ3639와 ODZ2-Z2 균주의 균사체를 PDA배지에서 6일 동안 배양하였다(도 1C). GZ3639는 야생형 균주이며 ODZ2-Z2는 ZEB2를 과발현 시킨 균주로 야생형 균주보다 약 20%정도 성장률 감소를 보인다. 이는 과생성되는 지랄레논의 영향으로 보인다. ODZ2-Ect 균주는 vector가 다른 위치로 삽입된 경우로 이 균주는 지랄레논을 과생산 하지 못하므로 성장률은 야생형 균주와 차이가 없었다(도 1C). 개량된 CM배지에서 ODZ2-Z2 균주는 GZ3639 균주와 비교해서 균사량이 5일째부터는 약 2-3배 증가함을 나타냈다(도 2).Mycelia of wild type strains GZ3639 and ODZ2-Z2 were incubated for 6 days in PDA medium ( FIG. 1C ). GZ3639 is a wild type strain and ODZ2-Z2 overexpresses ZEB2 and shows about 20% less growth than wild type strain. This seems to be due to the overproduction of giralenone. The ODZ2-Ect strains were inserted into different positions, so the strains could not overproduce giralenone, so the growth rate was not different from that of the wild type strains ( FIG. 1C ). The ODZ2-Z2 strain in the improved CM medium showed an increase of about 2-3 times from the 5th day when compared to the GZ3639 strain ( FIG. 2 ).

3. 형질전환 보리 붉은 곰팡이 균주에서의 지랄레논의 생산3. Production of Giralenone in Transgenic Barley Red Mold Strains

개량된 CM 배지에서, 야생형 균주 GZ3639는 접종 후 7일째까지 지랄레논을 거의 생산하지 않았다. 그러나 ODZ2-Z2 균주는 지랄레논이 접종 3일 후에 검출되었고 7일째까지 점차적으로 증가하였다(도 3).In improved CM medium, wild type strain GZ3639 produced little giralenone until 7 days after inoculation. However, ODZ2-Z2 strain was detected after 3 days of inoculation of girallenone and gradually increased until day 7 ( FIG. 3 ).

4. PKS 유전자들의 발현형태4. Expression of PKS Genes

개량된 CM 배지에서 야생형 균주인 GZ3639의 경우 지랄레논 생합성에 요구되는 두 개의 PKS 유전자 및 ZEB2 유전자의 발현은 전혀 나타나지 않았다. 그에 비하여 ODZ2-Z2 균주의 경우 5일째 PKS13, PKS4 전사체가 RNA 블랏에서 처음으로 검출 되었고 7일째까지 유지되었고 ZEB2의 전사체도 5일째 처음으로 검출 되었고 7일째 약간 증가했음을 검출할 수 있었다. PKS13, PKS4 그리고 ZEB2의 발현양이 검출된 5일째부터 지랄레논의 검출양도 증가 하였다. 그에 비하여 지랄레논 생합성 유전자의 발현이 전혀 유도되지 않았던 GZ3639 균주의 경우에는 지랄레논이 전혀 검출되지 않았다.(도 3) 이는 지랄레논 생합성 유전의 발현이 지랄레논 생산의 조절과 연관되어 있다는 것을 의미한다. 또한 ZEB2가 과발현된 균주의 경우 야생형 균주와 달리 외부환경의 영향을 적게 받는 다는 점을 의미한다.In the improved CM medium, the wild type strain GZ3639 showed no expression of the two PKS genes and ZEB2 genes required for giralenone biosynthesis. On the other hand, ODZ2-Z2 strains were detected on RNA blot for the first time on the 5th day and maintained until 7 days, and transcripts of ZEB2 were also detected on the 5th day and increased slightly on day 7. From day 5 when the expression levels of PKS13, PKS4 and ZEB2 were detected, the detection amount of giralenone also increased. In comparison, no Gyralenone was detected in the GZ3639 strain in which no expression of the girallenone biosynthesis gene was induced. ( FIG. 3 ) This means that the expression of the girallenone biosynthesis gene is associated with the regulation of giralenone production. . In addition, ZEB2 overexpressed strain means that unlike the wild-type strain is less affected by the external environment.

본 발명에 따른 지랄레논 대량 생산균주[KCCM 10796P]는 종래의 균주보다 지랄레논의 생산성을 크게 증가시켰다. 또한, 상기 균주를 이용한 액체 또는 고체배양을 통한 지랄레논 대량 생산방법은 저비용, 고효율적으로 지랄레논을 생산할 수 있다.The giralenone mass production strain [KCCM 10796P] according to the present invention greatly increased the productivity of the giralenone than the conventional strain. In addition, the method for mass production of girallenone through liquid or solid culture using the strain may produce girallenone at low cost and high efficiency.

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Claims (3)

지랄레논을 대량생산하는 보리 붉은 곰팡이균(Gibberella zeae)[KCCM 10796P].Barley red fungus ( Gibberella zeae ), which mass-produces giralenone [KCCM 10796P]. 보리 붉은 곰팡이균(Gibberella zeae)의 지랄레논 생산경로 중 ZEB2가 제거된 균주에 ZEB2를 과발현시키는 것을 특징으로 하는 지랄레논 생산증가방법. A method for increasing girallenone production, characterized by overexpressing ZEB2 in a strain in which ZEB2 has been removed from the giralenone production pathway of barley red fungus ( Gibberella zeae ). 제 1 항의 균주를 고체배양하여 지랄레논를 생산하는 것을 특징으로 하는 지랄레논 대량 생산방법.A method for mass production of giralenone, characterized in that to produce a giralenone by solid culture of the strain of claim 1.
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논문2005
논문2005.04
논문2005.11
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