KR100794469B1 - Pepper CaPMEI1 Gene coding a pectin methylesterase inhibitor protein and screening method of plant disease and environmental stress resistance - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고추식물의 세균병인 고추 세균성 점무늬병균 (Xanthomonas campestris pv. vesicatoria)의 병원성균과 비병원성균에 감염되었을 경우 특이적으로 유도되는 신규 저항성 유전자인 펙틴 메칠에스터라아제 억제단백질을 코딩하는 CaPMEI1 유전자, 상기 유전자를 이용한 병저항성 및 환경스트레스 저항성 탐색방법 및 저항성 형질전환 식물체 제작에 관한 것이다. 상기한 본 발명에 의하면, 식물체 병원균의 방어반응의 표지 및 환경스트레스 내성 식물의 분자육종을 위한 유전재료를 제공할 수 있고, 식물병 저항성 등의 탐색을 촉진시킬 수 있다. The present invention relates to a CaPMEI1 gene encoding a pectin methyl esterase inhibitor protein, a novel resistance gene specifically induced when infected with pathogenic and non-pathogenic bacteria of red pepper bacterial bacterium ( Xanthomonas campestris pv.vesicatoria ), a bacterial disease of red pepper plants. In addition, the present invention relates to a disease resistance and environmental stress resistance search method using the gene and the production of resistant transformed plants. According to the present invention described above, it is possible to provide a genetic material for labeling the defense reaction of plant pathogens and molecular breeding of environmental stress-resistant plants, and facilitate the search for plant disease resistance.
고추, 식물병, 저항성, 세균성 점무늬병, 펙틴 메칠에스터라아제 Pepper, Plant Disease, Resistant, Bacterial Spot Disease, Pectin Methylesterase
Description
도 1은 고추 한별품종 ( Capsicum annuum L. cv. Hanbyul)으로부터 클로닝한 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자의 염기서열 및 아미노산 서열을 나타낸 도면이고,1 is a red pepper varieties ( Capsicum annuum L. cv. Hanbyul) is a diagram showing the nucleotide sequence and amino acid sequence of the CaPMEI1 gene according to the invention cloned from,
도 2는 고추 한별품종의 각 기관에서 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자의 발현 결과를 나타낸 도면이고,Figure 2 is a view showing the expression results of CaPMEI1 gene according to the present invention in each organ of the red pepper varieties,
도 3은 고추 한별품종에 병원성 균주 Ds1과 비병원성 균주 Bv5-4a의 고추 세균성 점무늬병균 (Xanthomonas campestris pv. vesicatoria)을 접종하였을 때 건전한 잎과 접종되지 않은 잎에서의 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자 발현 유도 결과를 나타낸 도면이고,Figure 3 is a pepper bacterial spot pattern bacteria of pathogenic strain Ds1 and non-pathogenic strain Bv5-4a in a special breed of pepper ( Xanthomonas campestris pv. vesicatoria ) is a diagram showing the results of induction of CaPMEI1 gene expression according to the invention in healthy and uninoculated leaves when inoculated,
도 4는 고추 한별품종에 살리실산을 처리한 후 시간별로 본 발명에 의한 CaPMEI1유전자의 발현 유도 결과를 나타낸 도면이고,Figure 4 is a diagram showing the expression induction results of CaPMEI1 gene according to the present invention after treatment with salicylic acid in a special breed of pepper,
도 5는 고추 한별품종에 에틸렌을 처리한 후 시간별로 본 발명에 의한 CaPMEI1유전자의 발현 유도 결과를 나타낸 도면이고,5 is a view showing the expression induction results of CaPMEI1 gene according to the present invention after treatment with ethylene in a special variety of pepper, hourly,
도 6은 고추 한별품종에 메칠 자스모네이트를 처리한 후 시간별로 본 발명에 의한 CaPMEI1유전자의 발현 유도 결과를 나타낸 도면이고,6 is a view showing the expression induction results of CaPMEI1 gene according to the present invention after treatment with methyl jasmonate in a special breed of pepper,
도 7은 고추 한별품종에 앱시스산을 처리한 후 시간별로 본 발명에 의한 CaPMEI1유전자의 발현 유도 결과를 나타낸 도면이고,7 is a view showing the expression induction results of CaPMEI1 gene according to the present invention after the treatment of abscis acid in a special breed of pepper according to the present invention,
도 8은 고추 한별품종에 상처 스트레스를 처리한 후 시간별로 본 발명에 의한 CaPMEI1유전자의 발현 유도 결과를 나타낸 도면이고,8 is a diagram showing the expression induction results of CaPMEI1 gene according to the present invention after treatment of the wound stress in a special breed of pepper,
도 9는 고추 한별품종에 저온 스트레스를 처리한 후 시간별로 본 발명에 의한 CaPMEI1유전자의 발현 유도 결과를 나타낸 도면이고,9 is a view showing the expression induction results of CaPMEI1 gene according to the present invention after treatment of low-temperature stress in a red pepper varieties,
도 10은 고추 한별품종에 건조 스트레스를 처리한 후 시간별로 본 발명에 의한 CaPMEI1유전자의 발현 유도 결과를 나타낸 도면이고,10 is a diagram showing the expression induction results of CaPMEI1 gene according to the present invention after treatment of dry stress in the red pepper varieties varieties,
도 11은 고추 한별품종에 활성산소를 처리한 후 시간별로 본 발명에 의한 CaPMEI1유전자의 발현 유도 결과를 나타낸 도면이고,11 is a view showing the expression induction results of CaPMEI1 gene according to the present invention after treatment with free radicals in a special breed of pepper,
도 12는 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자가 삽입된 재조합 벡터 pET32a::CaPMEI1의 지도 (Vector map)이고,12 is a vector map of the recombinant vector pET32a :: CaPMEI1 into which the CaPMEI1 gene is inserted according to the present invention;
도 13은 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자를 발현시킨 E. coli 단백질에서 CaPMEI1 단백질을 순화시킨 결과를 나타낸 그림이고,Figure 13 is a diagram showing the result of purified CaPMEI1 protein in E. coli protein expressed CaPMEI1 gene according to the present invention,
도 14는 본 발명에 의한 CaPMEI1 단백질의 펙틴 메칠에스터라아제 억제활성을 나타낸 그래프이고,14 is a graph showing the pectin methyl esterase inhibitory activity of CaPMEI1 protein according to the present invention,
도 15는 시들음병균, 검은무늬병균, 잿빛곰팡이병균에 대한 본 발명에 의한 CaPMEI1 단백질의 항균활성을 나타낸 사진이고,15 is a photograph showing the antimicrobial activity of the CaPMEI1 protein according to the present invention against wilt, black rot, gray fungus,
도 16은 본 발명에 의한 CaPMEI1 단백질을 처리한 시들음병균의 포자발아가 억제되는 것을 나타낸 사진이고,16 is a photograph showing that spore germination of the withered pathogen treated with CaPMEI1 protein according to the present invention is suppressed,
도 17은 본 발명에 의한 CaPMEI1 단백질을 처리한 시들음병균의 포자 발아율과 균사생장률이 억제되는 것을 나타낸 그래프이고,17 is a graph showing that the spore germination rate and the mycelial growth rate of withered germ treated with CaPMEI1 protein according to the present invention are suppressed,
도 18은 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자가 삽입된 재조합 벡터 pBIN35S::CaPMEI1::GFP의 지도 (vector map)이고,18 is a vector map of the recombinant vector pBIN35S :: CaPMEI1 :: GFP containing the CaPMEI1 gene according to the present invention;
도 19는 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자가 도입된 형질전환 애기장대 식물에서 CaPMEI1 유전자가 과다발현되는 것을 관찰한 결과를 나타낸 도면이고,19 is a view showing the results of observing the overexpression of CaPMEI1 gene in the transgenic Arabidopsis plants introduced CaPMEI1 gene according to the present invention,
도 20은 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자를 과다발현시킨 형질전환 애기장대 식물에서 세균성 흑반병원균인 수도모나스 시링게 패소바 토마토 DC3000 (Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000) 균주에 대한 병저항성이 나타난 식물체의 사진이고,20 is a photograph of a plant showing disease resistance to a strain of Pseudomonas syringae pv. ,
도 21은 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자를 과다발현시킨 형질전환 애기장대 식물에서 세균성 흑반병원균인 수도모나스 시링게 패소바 토마토 DC3000 균주에 대한 병저항성 검정 결과를 나타낸 그래프이고,FIG. 21 is a graph showing the results of pathogenicity test against strains of the strain Monastirs Syringe Pasova tomato DC3000, a bacterial E. coli pathogen, in a transgenic Arabidopsis plant overexpressing the CaPMEI1 gene according to the present invention.
도 22는 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자를 과다발현시킨 형질전환 애기장대 식물 종자의 200mM(밀리 몰)과 600mM 마니톨에 대한 내성 검정 결과를 나타낸 그래프이고,22 is a graph showing the results of resistance assays for 200 mM (millimoles) and 600 mM mannitol of transgenic Arabidopsis plant seeds overexpressing the CaPMEI1 gene according to the present invention.
도 23은 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자를 과다발현시킨 형질전환 애기장대 식물의 유묘 뿌리생장의 마니톨에 대한 내성 검정 결과를 나타낸 그래프이고,23 is a graph showing the results of a test for resistance to mannitol of seedling root growth of transgenic Arabidopsis plants overexpressed CaPMEI1 gene according to the present invention,
도 24는 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자를 과다발현시킨 형질전환 애기장대 식물과 비형질전환 대조 식물들을 14일간 물을 주지 않고 키운 뒤, 건조에 대한 생존율을 검증한 결과를 나타낸 사진이고,24 is a photograph showing the results of verifying the survival rate after drying the transgenic Arabidopsis plants and non-transformed control plants overexpressing the CaPMEI1 gene according to the present invention without watering for 14 days,
도 25는 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자를 과다발현시킨 형질전환 애기장대 식물과 과다발현 시키지 않은 대조 식물들 간에 증산율의 차이를 나타낸 그래프이고,25 is a graph showing the difference in transpiration rate between the transgenic Arabidopsis plants overexpressing the CaPMEI1 gene and the control plants not overexpressing according to the present invention.
도 26은 5μM(마이크로몰)농도와 10μM농도의 메틸비올로젠(methyl violgen)을 함유한 엠에스(MS) 배지에서 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자로 형질전환된 식물체의 발아율이 증가하는 것을 나타낸 그래프이고,FIG. 26 is a graph showing an increase in germination rate of plants transformed with CaPMEI1 gene according to the present invention in MS medium containing 5 μM (micromolar) concentration and 10 μM concentration of methyl violgen.
도 27은 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자를 과다발현시킨 형질전환 애기장대 식물과 과다발현 시키지 않은 대조 식물들의 잎에 메틸비올로젠(methyl violgen)을 처리하고 클로로필의 함량을 측정함으로써, 내성을 정량한 결과를 나타낸 그래프이고,27 is a result of quantifying resistance by treating methyl violgen and measuring the content of chlorophyll on the leaves of transgenic Arabidopsis plants overexpressing the CaPMEI1 gene and control plants not overexpressing according to the present invention. Is a graph showing
도 28은 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자를 과다발현시킨 형질전환 애기장대 식물의 유묘 생장의 메틸비올로젠(methyl violgen)에 대한 내성 검정 결과를 나타낸 사진이고,28 is a photograph showing the results of resistance assay for methyl violgen of seedling growth of transgenic Arabidopsis plants overexpressed CaPMEI1 gene according to the present invention,
도 29는 28도에서 나타난 결과를 생체중량을 측정함으로서 내성을 정량화한 결과를 나타낸 그래프이다. FIG. 29 is a graph showing the results of quantifying the resistance by measuring the biomass in the results shown in 28 degrees.
본 발명은 펙틴 메칠에스터라아제 억제단백질을 코딩하는 고추 유전자 CaPMEI1, 이를 이용한 식물병저항성 및 환경스트레스저항성의 탐색방법 및 병원균 및 환경스트레스 저항성 형질전환 식물체 제작에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 고추 세균성 점무늬병에 대해 저항성을 가진 것으로 알려진 고추 한별 품종(Capsicum annuum L. cv. Hanbyul)으로부터 신규 저항성 관련 유전자인 CaPMEI1 유전자를 분리하여 해독(Sequencing)하고, 여기에서 얻어진 유전자의 염기서열 및 아미노산 서열을 제공함으로써, 생물적/화학적/물리적 저항성 유도 처리 시 저항성 관련 유전자 CaPMEI1 발현 여부를 탐색하는 저항성 탐색방법을 제공하며, 이를 이용한 재조합 단백질의 생산 및 병원균 및 환경스트레스에 대해 저항성을 갖는 형질전환 식물체 제작에 관한 것이다.The present invention relates to a pepper gene CaPMEI1 encoding a pectin methyl esterase inhibitor protein, a method for searching for plant disease resistance and environmental stress resistance, and the production of pathogens and environmental stress resistant transformed plants using the same. More specifically, known hanbyeol pepper varieties that have resistance to bacterial jeommunuibyeong pepper (Capsicum annuum L. cv. Hanbyul) isolates and sequencing the CaPMEI1 gene, a new resistance-related gene, and provides the sequencing and amino acid sequences of the genes obtained therefrom, thereby determining whether CaPMEI1 expression of resistance-related genes is expressed in bio / chemical / physical resistance induction treatment. It provides a resistance search method for searching, and relates to the production of recombinant protein using the same and to the production of transformed plants having resistance to pathogens and environmental stress.
담배, 토마토와 함께 대표적인 가지과 식물인 고추는 우리나라에서 오래전부터 향신료 또는 양념으로 사용되어 온 대표적인 작물로서, 그에 대한 병으로는 바이러스병, 세균병, 진균병 등이 고루 다양하게 보고되어 있는데, 그중 치명적인 것으로는 난균류에 의한 역병과 진균에 의한 탄저병 및 세균에 의한 세균성 점무늬병 등을 들 수 있다.Pepper, which is a representative eggplant with tobacco and tomatoes, is a representative crop that has been used as a spice or spice for a long time in Korea, and various diseases such as viral disease, bacterial disease, and fungal disease have been reported. Examples include late blight caused by fungi, anthrax caused by fungi, and bacterial spot disease caused by bacteria.
이중 고추 세균성 점무늬병은 고추의 잎, 줄기, 과실에 반점을 형성하여 낙엽을 유발하고 수확량을 감소시키는 병으로서, 통상 더뎅이병, 반점세균병 등으로 불리우며, 고추가 우리나라의 재배작물에서 차지하는 비중을 볼 때 그 피해는 심각한 수준이라고 할 수 있다.Red pepper bacterial spot disease forms spots on the leaves, stems and fruits of red pepper to cause deciduous leaves and decreases yields. It is commonly called dermatophyte and spot bacteria, and the red pepper accounts for the share of Korean crops. The damage can be said to be serious.
이러한 고추 세균성 점무늬병을 방제하기 위해 지금까지는 농약을 이용한 화학적 방제법이 주로 사용되어 왔는데, 그 독성으로 인하여 병원균뿐만 아니라 주변 생태계의 생물까지도 대량 살상하여 생태계를 파괴시키고 토양과 수질을 오염시키는 폐해가 있어 왔다.Until now, chemical control methods using pesticides have been mainly used to control pepper bacterial spot diseases. Due to its toxicity, there has been a harmful effect that destroys ecosystems and contaminates soil and water quality by killing not only pathogens but also living organisms. .
따라서 앞으로는, 식물이 처해 있는 환경 및 조건을 고려하여 물리적/생물학적 방제수단을 적절히 혼용함으로써 농약의 사용을 가능한 줄이는 방법을 사용하는 것이 바람직하다고 할 수 있으며, 더욱이 병에 대해 저항성을 가지고 있는 저항성 품종의 개량 및 육종 등을 통해 병 발생 자체를 억제하는 방법을 찾는 것이 좋다고 할 수 있다.Therefore, in the future, it may be desirable to use a method of reducing pesticide use as much as possible by appropriately mixing physical and biological control measures in consideration of the environment and conditions in which plants are located. It can be said that it is good to find a way to suppress the disease itself through improvement and breeding.
사실, 그동안 농약을 사용하지 않고 병해충에 의한 피해를 감소시키기 위한 노력의 일환으로 고추를 비롯한 다양한 작물 및 병원균을 대상으로 병 저항성 작물의 육성 프로그램들이 꾸준히 진행되어 왔으며, 병 저항성에 대한 이해 및 이의 실제적 응용을 위해 병 저항성 식물에서의 저항성 기작에 대한 연구가 고추를 비롯한 여러 가지 작물 및 모델식물을 대상으로 실시되어 왔다.In fact, as part of efforts to reduce the damage caused by pests without using pesticides, programs to cultivate disease-resistant crops have been steadily undertaken for various crops and pathogens including peppers. For the application, studies on resistance mechanisms in disease resistant plants have been conducted on various crops and model plants including pepper.
일단 식물 병에 감염되면, 기주식물은 여러 가지 세포내 대사 시스템을 작동시켜 방어기작을 시작하는데, 이러한 방어기작에 의해 병원균 감염 초기에 기주식물과 식물병원균간의 반응이 친화적 반응과 불친화적 반응으로 나뉘어 결정되고, 이에 따라 병의 진전을 제한시킬 수 있는지의 여부가 결정되는 것이다.Once infected with a plant disease, the host plant activates several intracellular metabolic systems and initiates a defense mechanism, which determines the response between the host plant and phytopathogens in the early stages of pathogen infection into friendly and incompatible reactions. This determines whether or not the progress of the disease can be limited.
불친화적 반응에서, 감염된 식물은 자체의 인식작용에 의해 병원균의 침입을 인지하고, 이에 대하여 감염부위의 세포에 국부적 세포 죽음과 같은 과민성 반 응(hypersensitive reaction), 캘러스(callose)의 축적, 리그닌 (lignin)화에 의한 세포벽의 비후화 등의 반응을 나타내며, 피토알렉신(phytoalexin) 등 여러 종류의 항균성 물질을 생성하고, 소위 병생성 관련 단백질[pathogenesis related (PR) protein]이라 불리는 방어단백질을 생성하는 것으로 알려져 있다.In an incompatible reaction, the infected plant recognizes the invasion of the pathogen by its own cognitive action, against which hypersensitive reactions such as local cell death in the cells of the infected area, accumulation of callose, lignin ( lignin), which is responsible for cell wall thickening, and produces various kinds of antimicrobial substances such as phytoalexin and a protective protein called pathogenesis related (PR) protein. It is known.
이러한 방어 기작들은 병원균이 침입하는 경우뿐만 아니라, 에틸렌이나 메틸자스모네이트 등 인위적인 화학적 자극에 의해서도 나타나며, 물리적 상처나 염도, 온도 등의 환경적 스트레스에 의해서도 나타난다고 보고되고 있다.These defense mechanisms are reported not only when invading pathogens, but also by artificial chemical stimulation such as ethylene and methyljasmonate, and by environmental stress such as physical wounds, salinity, and temperature.
이렇게 인위적인 생물학적/물리적/환경적 스트레스를 줌으로써 유도되는 저항성을 일반적으로 유도저항성이라고 하는데, 이러한 저항성 유도 반응은 식물이 병원체에 대해 방어할 수 있는 능력에서 중요한 역할을 하는 신호전달경로로써 평가된다.This resistance induced by artificial biological / physical / environmental stress is generally referred to as induction resistance, which is evaluated as a signaling pathway that plays an important role in the plant's ability to defend against pathogens.
이것은, 이와 같은 유도저항성이 신호전달에 대한 모형으로서 흥미가 있으며 실용적인 가치가 있을 뿐만 아니라, 저항성을 일으키는 생화학적 변화를 이해함으로써, 병 저항성이 증진되는 유전공학적 식물을 개발하거나 식물의 저항성 유전기작을 촉진하도록 작동하는 식물보호 화학물질을 개발하는 데에 이용될 수 있기 때문이다.This induction resistance is of interest and practical value as a model for signal transduction, and by understanding the biochemical changes that cause resistance, it is possible to develop genetically engineered plants that enhance disease resistance or to develop plant resistance genetic mechanisms. It can be used to develop plant protection chemicals that work to promote it.
근래, 이러한 유도저항성 연구는 유전공학적 기술의 개입에 의해 훨씬 더 그 발전 속도가 빨라졌는데, 종래에는 저항성 유도 처리를 한 후 저항성 발현 여부를 확인하기 위해 식물을 재배하고 병을 접종한 후 저항성이 나타나는지의 여부를 확인해야 했던 반면, 지금은 유도하고자 하는 저항성 관련 단백질을 코딩하는 유전자 를 밝혀내고 이를 이용하여 실험실 수준에서 저항성 발현 여부를 확인할 수 있게 됨으로써, 포장(Field)에서의 작물재배, 병 접종, 병반 출현 여부 확인 등의 절차를 생략할 수 있게 되었기 때문이다.In recent years, induction resistance research has been much faster by the intervention of genetic engineering techniques. In the past, resistance induction treatment has been performed to determine whether resistance is shown after planting and inoculation of plants to check for expression of resistance. While it was necessary to confirm whether or not the gene encoding the resistance-related protein to be induced now can be used to confirm resistance expression at the laboratory level, crop cultivation, field inoculation, This is because procedures such as checking for the appearance of lesions can be omitted.
이것은 전체적인 저항성 유도 시험의 주기를 단축함으로써 종래에 비해 더 짧은 시간 내에 더 많은 시험을 할 수 있게 되었음을 의미하며, 결국 더 우수한 저항성 품종을 개발할 수 있게 되었음을 의미한다.This means that by shortening the cycle of the overall resistance induction test, more tests can be performed in a shorter time than in the past, which means that better resistance varieties can be developed.
그러나 이것은 유도하고자 하는 유전자 서열이 밝혀지고 이에 따라 해당 유전자의 클론이 확보되어 있다는 전제 하에 가능한 것으로서, 이러한 의미에서, 식물 병에 저항성을 나타내는 다양한 병생성 관련 단백질(PR protein)의 유전자 정보를 축적함으로써, 이를 이용한 식물병 저항성 탐색을 촉진하고 나아가 식물병 저항성 품종의 개발을 촉진시키는 것은 시급한 당면 과제라고 할 수 있다.However, this is possible on the premise that the gene sequence to be induced is identified and a clone of the gene is secured. In this sense, by accumulating the genetic information of various PR proteins that are resistant to plant diseases, In this regard, it is an urgent task to promote the development of plant disease resistant varieties and to promote the development of plant disease resistant varieties.
본 발명은 이와 같은 종래기술 상의 과제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 고추 세균성 점무늬병(Xanthomonas campestris pv. vesicatoria)에 대한 방어반응에 관여하는 것으로서 식물병저항성 관련 유전자의 하나인 CaPMEI1 단백질을 코딩하는 CaPMEI1 유전자를 분리하여 해독함으로써 그 서열 정보 및 그에 따른 아미노산 서열 정보를 제공하는 것이다.The present invention is to solve such a problem in the prior art, the purpose of which is pepper bacterial spot pattern ( Xanthomonas campestris pv. vesicatoria ) is involved in the defense response to the CaPMEI1 gene coding for CaPMEI1 protein, one of the genes related to plant disease resistance is isolated and decoded to provide its sequence information and amino acid sequence information accordingly.
또한 본 발명은 상기 CaPMEI1 유전자를 이용하여 고추 세균성 점무늬병 등 식물병 저항성 및 환경스트레스 저항성 존재 여부를 탐색하는 저항성 탐색방법을 제공하고자 하는 것이다. 더 나아가, 상기 유전자를 이용하여 식물병 또는 환경스 트레스 저항성 형질전환 식물체를 제작하는 데 그 목적이 있다.In addition, the present invention is to provide a resistance search method for searching for the presence of plant disease resistance and environmental stress resistance such as pepper bacterial spot pattern disease using the CaPMEI1 gene. Furthermore, the object is to produce a plant disease or environmental stress-resistant transgenic plant using the gene.
본 발명의 상기 목적은, 고추 세균성 점무늬병에 대해 저항성을 가진 것으로 알려진 고추 한별 품종(Capsicum annuum cv. Hanbyul)으로부터 mRNA를 분리한 다음 cDNA 라이브러리를 제조한 후 이를 스크린하여 신규 저항성 관련 유전자 CaPMEI1의 유전자를 선발한 후 그 염기서열을 결정하고, 고추에 병원균 또는 화학물질을 접종 또는 처리하여 상기 CaPMEI1 유전자의 발현 여부를 조사함으로써 달성하였다.The above object of the present invention, pepper varieties known to have resistance to bacterial bacterial spot pattern Capsicum annuum cv. Hanbyul) was isolated from the mRNA and then prepared a cDNA library screened to screen the gene of the new resistance-related gene CaPMEI1 and to determine its sequencing, inoculated or treated with pepper pathogens or chemicals of the CaPMEI1 gene It was achieved by examining the expression.
따라서 본 발명은, 고추 한별 품종(Capsicum annuum cv. Hanbyul)으로부터 분리한 서열번호 1의 염기서열을 갖는 신규 식물병 저항성 관련 단백질 유전자 CaPMEI1 및 상기 유전자에 의해 코딩되는 서열번호 2의 아미노산 서열을 갖는 단백질을 제공한다.Therefore, the present invention, red pepper varieties ( Capsicum annuum cv. A novel plant disease resistance related protein gene CaPMEI1 having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 isolated from Hanbyul) and a protein having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 encoded by the gene is provided.
상기 단백질은 식물 병원균이 식물을 감염시키는 데 이용하는 주요한 효소인 펙틴 메칠에스터라아제를 억제하는 억제단백질로서, 식물병원균에 대해 항균활성을 갖는다.The protein is an inhibitory protein that inhibits pectin methylesterase, which is a major enzyme used by plant pathogens to infect plants, and has an antimicrobial activity against phytopathogens.
또한 본 발명은 상기 유전자를 이용하여 제조한 재조합 벡터 및 형질전환 식물체를 제공한다. In another aspect, the present invention provides a recombinant vector and a transformed plant prepared using the gene.
나아가 본 발명은 병원균, 화학물질 및 환경스트레스 중 어느 하나를 접종 또는 처리한 고추 식물체로부터 RNA를 분리하여 전기영동시키고 나이론막(Hybond N+)으로 전이시킨 후, 32P를 처리한 제1항 기재의 CaPMEI1 유전자 프로브와 반응시 켜 CaPMEI1 유전자의 차별적 발현을 확인함을 포함하여 구성되는, 식물체의 병저항성 및 환경스트레스 저항성 탐색방법을 제공한다. Furthermore, the present invention pathogens, chemicals and the environment after separating the RNA of any one of the stress from the inoculation or a pepper plant treatment was electrophoresed and transferred to nylon membrane (Hybond N +),
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration of the present invention.
먼저, 본 발명은 고추 세균성 점무늬병균(Xanthomonas campestris pv. vesicatoria)의 비병원성균주 접종에 대해 저항성 반응인 과민성 반응을 나타내는 한별고추 품종으로부터 mRNA를 분리하여 cDNA 라이브러리를 제작하고, 비병원성 균주를 접종한 고추식물의 잎과 접종하지 않은 건전한 고추식물에서 얻은 총 mRNA를 디옥시제닌(digoxygenin)으로 표지하여 프로브(Probe)를 만들고, 이 cDNA와 프로브를 이용 디퍼런셜 하이브리다이제이션(differential hybridization)을 수행하여 병저항성에 관련될 것으로 추정되는 유전자를 선발하여 클론을 수득하고, 이 클론 중 CaPMEI1 유전자로 확인된 유전자의 염기서열을 해독(Sequencing)함으로써, CaPMEI1으로 명명하고 서열번호 1을 부여하였다(도 1 참조). 또한 본 발명은 본 발명에 의한 상기 CaPMEI1 유전자의 염기서열에 의해 코딩되는 아미노산서열(서열번호 2)을 제공한다(도 1 참조). First, the present invention is pepper bacterium bacillus bacterium ( Xanthomonas campestris pv. vesicatoria ) isolated cDNA libraries from isolates of Korean red peppers which showed hypersensitivity reactions to the non-pathogenic strains of vesicatoria . Probes are labeled with digoxygenin, and differential hybridization is performed using these cDNAs and probes to select genes suspected to be involved in pathogenicity to obtain clones. By sequencing the nucleotide sequence of the gene identified as CaPMEI1 gene in this clone, it was named CaPMEI1 and assigned SEQ ID NO: 1 (see Fig. 1). In another aspect, the present invention provides an amino acid sequence (SEQ ID NO: 2) encoded by the nucleotide sequence of the CaPMEI1 gene according to the present invention (see Fig. 1).
고추 한별 품종(Capsicum annuum cv. Hanbyul)으로부터 분리된 CaPMEI1 유전자는 고추 세균성 점무늬병에 대한 방어기작을 가지는 병생성 관련 단백질(PR protein)의 일종인 CaPMEI1 단백질을 코딩하는 유전자로써, 고추 식물에서 세균성 점무늬병에 대한 저항성 반응 동안 특이적으로 그 발현량이 급격히 증가되어 유지되는 것을 관찰할 수 있었다(도 3 참조).Capsicum Star Varieties ( Capsicum annuum cv. The CaPMEI1 gene isolated from Hanbyul) encodes the CaPMEI1 protein, a type of PR protein that has a protective mechanism against pepper bacterial spot disease. It was observed that the amount was rapidly increased and maintained (see FIG. 3).
본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자가 다양한 식물병원균, 화학물질 또는 환경스트레스에 의해 차별적으로 유도 발현되는 것을 실험을 통해 확인하였다(도 3 내지 도 11 참조). 따라서 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자는 식물체의 병저항성 및 환경스트레스 저항성 탐색방법에 이용할 수 있다.It was confirmed through experiments that the CaPMEI1 gene according to the present invention is differentially induced and expressed by various phytopathogens, chemicals or environmental stresses (see FIGS. 3 to 11). Therefore, the CaPMEI1 gene according to the present invention can be used for the disease resistance and environmental stress resistance screening method of plants.
보다 구체적으로는 본 발명에 의한 식물체 병저항성 및 환경스트레스 탐색방법은 병원균, 화학물질 또는 환경스트레스 등을 접종 또는 처리한 식물체로부터 RNA를 분리하고 전기영동시키고 나일론막으로 전이시킨 후, 32P를 처리한 상기 CaPMEI1 유전자 프로브와 반응시켜 CaPMEI1 유전자의 차별적 발현을 확인함을 포함하여 구성된다.More specifically, the plant disease resistance and environmental stress screening method according to the present invention is isolated from the plant inoculated or treated with pathogens, chemicals or environmental stress, RNA is subjected to electrophoresis and transferred to nylon membrane, and then treated with 32 P And reacting with the CaPMEI1 gene probe to confirm differential expression of the CaPMEI1 gene.
한편, 본 발명에 의한 CaPMEI1 단백질은 펙틴 메칠에스터라아제 억제단백질인 것이 확인되었다(도 14 참조). 펙틴 메칠에스터라아제는 식물 병원균이 식물을 감염시키는 데 이용하는 주요한 효소로써 이에 상응하는 항균활성을 가지는 펙틴 메칠에스터라아제 억제 단백질은 거의 보고 되어있지 않다. 본 발명에 의한 CaPMEI1 단백질의 항균활성을 실험을 통해 확인하였다(도 15 내지 도 17 참조).On the other hand, CaPMEI1 protein according to the present invention was confirmed to be a pectin methyl esterase inhibitor protein (see Fig. 14). Pectin methylesterase is a major enzyme used by plant pathogens to infect plants, and very few pectin methylesterase inhibitory proteins with corresponding antibacterial activity have been reported. The antimicrobial activity of CaPMEI1 protein according to the present invention was confirmed through an experiment (see FIGS. 15 to 17).
또한, 본 발명은 상기와 같이 염기서열이 제공된 CaPMEI1 유전자를 이용하여 재조합 벡터를 제조하여 식물체를 형질전환시켜, 병방어반응 및 환경스트레스 내성 증가를 통해 저항성 분자 육종의 재료를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can produce a recombinant vector using a CaPMEI1 gene provided with the base sequence as described above to transform plants, thereby providing a material for resistant molecular breeding through increased disease resistance and environmental stress resistance.
보다 구체적으로는 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자를 아그로박테리움을 이용하여 애기장대 식물에 전이시켜 CaPMEI1 과다발현 형질전환식물을 제조하여 식물병 저항성 및 활성산소, 건조 등의 환경스트레스 저항성 생성여부를 확인하였다(도 19 내지 도 29 참조). More specifically, the CaPMEI1 gene according to the present invention was transferred to Arabidopsis plants using Agrobacterium to prepare a CaPMEI1 overexpressed transgenic plant, which confirmed plant disease resistance and generation of environmental stress resistance such as active oxygen and drying. (See FIGS. 19-29).
이하, 실시예들을 통해 본 발명을 더 구체적으로 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, the scope of the present invention is not limited by the following examples.
[실시예 1] 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자의 염기/아미노산 서열 결정Example 1 Base / Amino Acid Sequence Determination of CaPMEI1 Gene according to the Present Invention
고추 세균성 점무늬병에 대한 저항성에 관여하는 단백질 중 하나인 CaPMEI1 단백질 코딩 유전자 염기서열 및 그로부터 추론되는 아미노산 서열을 제공하기 위하여 하기와 같은 시험을 수행하였다.The following tests were performed to provide CaPMEI1 protein coding gene sequences and amino acid sequences inferred therefrom, one of the proteins involved in resistance to pepper bacterial spot disease.
고추 한별품종(Capsicum annuum cv. Hanbyul)에 고추 세균성 점무늬병의 비병원성균인 BV5-4a(Xanthomonas campestris pv. vesicatoria strain BV5-4a)를 접종하고 18시간 동안 습실 처리한 후 저항성 병반인 과민성반응이 나타난 식물체를 습실에서 꺼내어 잎을 수거하였다. Capsicum annuum cv.Hanbyul is a non-pathogenic bacterium of red pepper bacterial spot pattern disease ( Xanthomonas campestris pv. After inoculation with vesicatoria strain BV5-4a) and wet treatment for 18 hours, the plants showing the hypersensitivity reactions, which were resistant lesions, were taken out of the room and the leaves were collected.
다음에, 수거된 잎 표본으로부터 mRNA를 추출하여 역전사한 후 이를 PCR (Polymerase Chain Reaction) 증폭함으로써 cDNA 라이브러리를 제작하였다.Next, cDNA libraries were prepared by extracting mRNA from the collected leaf samples, reverse transcripting, and then amplifying the PCR (Polymerase Chain Reaction).
다음에, 이렇게 제작된 cDNA 라이브러리로부터 개개의 cDNA 클론을 제조하여 나이론막에 일정하게 흡착시킨 후, 각각 고추 세균성 점무늬병균의 비병원성 균주를 접종한 고추식물의 잎과 접종하지 않은 건전한 고추식물의 잎에서 추출한 총 mRNA를 디옥시제닌(digoxygenin)으로 표지하여 프로브를 만든 다음, 디퍼런셜 하이 브리다이제이션(differential hybridization)을 수행하였다.Next, individual cDNA clones were prepared from the cDNA library thus prepared and adsorbed to the nylon membrane uniformly, and then on the leaves of the red pepper plants inoculated with the non-pathogenic strains of the red pepper bacilli, and the healthy red pepper plants not inoculated. The extracted total mRNA was labeled with dioxygenin (digoxygenin) to make a probe, and then differential hybridization was performed.
하이브리다이제이션 결과 비병원성 균주로 접종된 식물체의 mRNA 프로브에 대해서만 집중적으로 증폭되어 나타난 유전자를 병저항성에 관련된 유전자로 추정하고 클론을 수득하였다.As a result of hybridization, the genes amplified only for mRNA probes of plants inoculated with non-pathogenic strains were estimated to be genes related to pathogenic resistance, and clones were obtained.
수득된 클론들을 해독(Sequencing)한 후, 블라스트 프로그램을 이용하여 그 5'-말단 서열을 GenBank에 등록된 유전자 데이터베이스와 비교함으로써 펙틴 메칠에스터라아제 억제 단백질 도메인의 존재를 확인하고 CaPMEI1 유전자로 명명하였다.After sequencing the clones obtained, the presence of the pectin methylesterase inhibitory protein domain was confirmed and named as CaPMEI1 gene by using a blast program to compare its 5'-terminal sequence with a gene database registered in GenBank. .
이 유전자에서 유추한 아미노산 서열을 담배, 애기장대, 라디아타 소나무에서 발견된 DC1.2 단백질, 후숙 관련 단백질, 전화효소(인베르타아제)의 아미노산 서열과 비교한 결과, 각각 80%, 50%, 36%의 상동성을 나타냄으로써 신규한 것임을 알 수 있었다.The amino acid sequences inferred from these genes were compared with those of the DC1.2 protein found in tobacco, Arabidopsis, and Radiata pine, the ripening related protein, and the enzyme (invertase). It shows that it is novel by showing 36% homology.
확인된 CaPMEI1 유전자의 염기서열과 그로부터 추론된 아미노산 서열을 도 1에 나타내고, 각각 염기서열1 및 염기서열 2로 표시하여 서열목록으로 제출하였다.The nucleotide sequence of the identified CaPMEI1 gene and the amino acid sequence deduced therefrom are shown in FIG. 1 and represented by
[실시예 2] 세균성 병원균에 의한 고추식물에서의 CaPMEI1 유전자의 유도 발현Example 2 Induced Expression of CaPMEI1 Gene in Pepper Plants by Bacterial Pathogens
[실험예 1]Experimental Example 1
먼저 건전한 식물체에서 CaPMEI1 유전자의 발현을 살펴보기 위해 4엽기 고추식물체의 건전한 기관 (잎, 줄기, 뿌리, 꽃, 푸른열매, 붉은열매)으로부터 RNA를 분리하고, 분리한 RNA를 포름알데히드를 함유하는 겔 상에서 전기영동한 후 나이론막 (Hybond N+)으로 전이시켰다.First, to examine the expression of CaPMEI1 gene in healthy plants, RNA was isolated from healthy organs (leaves, stems, roots, flowers, green fruits, red fruits) of four-leaf pepper plants, and the isolated RNA was formed of gel containing formaldehyde. After electrophoresis in the phase it was transferred to the nylon membrane (Hybond N +).
다음에, 실시예 1에서 수득된 CaPMEI1 유전자를 제한효소 EcoRI 및 XhoI으로 각각 절단하고 삽입 DNA만을 회수하여 32P로 표지한 후, 이를 반응액[0.25 M 인산완충액, 7% SDS, 1 mM EDTA, 5% 덱스트란 황산염(Dextran Sulfate)]에서 65℃로 16-24시간 동안 배양하여 하이브리다이제이션 (hybridization)을 실시하였다.Next, the CaPMEI1 gene obtained in Example 1 was digested with restriction enzymes Eco RI and Xho I, respectively, and only the inserted DNA was recovered and labeled with 32 P, which was then reacted with [0.25 M phosphate buffer, 7% SDS, 1 mM]. EDTA, 5% Dextran Sulfate] was incubated at 65 ° C. for 16-24 hours to perform hybridization.
이렇게 32P로 표지된 상기 DNA 프로브는 나이론막에 붙어있는 mRNA에 붙게 되며 이 나이론막 위에 X-ray 필름을 얹게 되면 32P로 표지된 DNA가 X-ray 필름을 감광시키므로, 이것으로 발현 여부를 알아볼 수 있게 하였다.The 32 P-labeled DNA probe is attached to the mRNA attached to the nylon membrane, and if the X-ray film is placed on the nylon membrane, the 32- P labeled DNA photosensitizes the X-ray film. I could recognize it.
상기 노던블러팅 수행시 리보솜 RNA의 양을 모니터링 함으로써 동일량의 RNA 시료가 로딩되었음을 확인하였다.By monitoring the amount of ribosomal RNA during the Northern blotting it was confirmed that the same amount of RNA sample was loaded.
이상의 실험결과를 도 2에 나타내었으며 CaPMEI1 유전자는 줄기에서 강한 발현과 뿌리 꽃에서 약한 발현을 보일 뿐, 건전한 기관에서 발현을 살펴볼 수 없었다.The results of the above experiments are shown in FIG. 2, and the CaPMEI1 gene shows only strong expression in stem and weak expression in root flower, but cannot be expressed in healthy organs.
[실험예 2]Experimental Example 2
고추 세균성 점무늬병균 중 식물체와 친화적 반응을 나타내는 병원성 균주 Ds1과 불친화적 반응을 나타내는 비병원성 균주 Bv5-4a를 배양한 후, 5 X 108 cfu/㎖의 농도로 4엽기 고추식물체 1, 2엽의 뒷면에 주사기를 이용하여 인필트레이 션(Infiltration)하여 접종하고, 28℃, 100% 상대습도 조건에서 18시간 동안 습실처리하였다.After incubating the pathogenic strain Ds1, which has a friendly reaction with plants, and the non-pathogenic strain Bv5-4a, which shows an incompatible reaction, the back of the four-
접종 0.5, 1, 2, 6, 12, 18, 24 시간 후에 각각 1, 2엽을 샘플링하여 RNA를 분리하고, 분리한 RNA를 포름알데히드를 함유하는 겔 상에서 전기영동한 후 나이론막 (Hybond N+)으로 전이시켰다.0.5, 1, 2, 6, 12, 18, 24 hours after inoculation, RNA was isolated by sampling 1 and 2 leaves, respectively, and the RNA was electrophoresed on a gel containing formaldehyde (Hybond N +). Was transferred.
다음에, 실시예 1에서 수득된 CaPMEI1 유전자를 제한효소 EcoRI 및 XhoI으로 각각 절단하고 삽입 DNA만을 회수하여 32P로 표지한 후, 이를 반응액[0.25M 인산완충액, 7% SDS, 1mM EDTA, 5% 덱스트란 황산염(Dextran Sulfate)]에서 65℃로 16-24시간 동안 배양하여 하이브리다이제이션 (hybridization)을 실시하였다.Next, the CaPMEI1 gene obtained in Example 1 was digested with restriction enzymes Eco RI and Xho I, and the inserted DNA was recovered and labeled with 32 P. Then, the reaction solution [0.25M phosphate buffer, 7% SDS, 1 mM EDTA , 5% Dextran Sulfate] was incubated at 65 ° C. for 16-24 hours to perform hybridization.
이렇게 32P로 표지된 상기 DNA 프로브는 나이론막에 붙어있는 mRNA에 붙게 되며 이 나이론막 위에 X-ray 필름을 얹게 되면 32P로 표지된 DNA가 X-ray 필름을 감광시키므로, 이것으로 발현 여부를 알아볼 수 있게 하였다.The 32 P-labeled DNA probe is attached to the mRNA attached to the nylon membrane, and if the X-ray film is placed on the nylon membrane, the 32- P labeled DNA photosensitizes the X-ray film. I could recognize it.
상기 노던블러팅 수행시 리보솜 RNA의 양을 모니터링 함으로써 동일량의 RNA 시료가 로딩되었음을 확인하였다.By monitoring the amount of ribosomal RNA during the Northern blotting it was confirmed that the same amount of RNA sample was loaded.
이와 같이 고추 세균성 점무늬병균의 병원성균주 접종 후 나타나는 친화적 반응과 비병원성균주 접종 후 나타나는 불친화적 반응에서 CaPMEI1 유전자의 발현 양상을 도 3에 나타내었다. 도 3의 숫자는 접종한 후 고춧잎 채취 시까지의 경과시간을 나타낸다.As shown in FIG. 3, the expression of CaPMEI1 gene was shown in the friendly response after inoculation of pathogenic strains of red pepper bacillus bacteria and incompatible reactions after inoculation with non-pathogenic strains. 3 represents the elapsed time from inoculation to capsicum leaf collection.
이상과 같은 시험 결과, 고추 세균성 점무늬병에 대한 고추식물의 저항성 반 응은 병원성 균주와 비병원성 균주 모두 1시간째부터 18시간까지 발현이 서서히 증가했다가 24시간째에는 감소하였다. As a result of the above test, the resistance of red pepper plants to red pepper bacterial spot disease was gradually increased from 1 hour to 18 hours in both pathogenic and non-pathogenic strains and decreased at 24 hours.
[실시예 3] 화학적 유도체에 의한 본 발명의 CaPMEI1 유전자 유도 발현Example 3 CaPMEI1 Gene-Induced Expression of the Present Invention by Chemical Derivatives
본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자가 통상 저항성 유도에 사용되는 화학적 유도체에 의해 유도될 수 있는지를 알아보고 그 구체적 유도방법을 제공하기 위하여 하기와 같은 시험을 수행하였다.In order to find out whether the CaPMEI1 gene according to the present invention can be induced by chemical derivatives commonly used for resistance induction and to provide a specific induction method, the following test was performed.
[실험예 1]Experimental Example 1
먼저, CaPMEI1 유전자의 발현 유도에 유용한 유도체를 탐색하기 위하여, 식물병 저항성 발현의 유도에 관여한다고 알려진 화학물질들 중 살리실산, 에틸렌, 메틸 자스모네이트, 앱시스산(엽산)을 사용하여 저항성 유도 시험을 실시하였다.First, in order to search for derivatives useful for inducing expression of the CaPMEI1 gene, resistance induction tests were performed using salicylic acid, ethylene, methyl jasmonate, and absic acid (folic acid) among chemicals known to be involved in the induction of plant disease resistance expression. Was carried out.
6엽기 고추식물 잎에 농도 5mM의 살리실산, 100μM의 메틸 자스모네이트, 100 μM의 엽산을 분무기로 고추잎의 앞뒷면에 뿌려 처리하였고, 이중 메틸 자스모네이트를 처리한 식물체는 비닐백으로 밀봉하였다. 에틸렌은 농도 5μl/L로 하여 기체상태로 식물체가 있는 밀폐된 유리 용기에 주입하는 방법으로 처리하였다. Six leaf pepper plants were treated with 5 mM salicylic acid, 100 μM methyl jasmonate, and 100 μM folic acid by spraying the leaves on the front and back of the pepper, and the double methyl jasmonate treated plants were sealed with plastic bags. . Ethylene was treated at a concentration of 5 μl / L by injection into a closed glass container with plants in a gaseous state.
처리 1, 2, 6, 12, 18, 24 시간 후 각각의 식물체에서 잎을 수거하였고, 대조구로 무처리한 식물체 잎을 2, 18 시간째에 함께 수거한 후, 각각의 샘플에서 RNA를 추출하였고 추출된 RNA를 이용하여 다음과 같이 노던블러팅을 수행하였다. Leaves were harvested from each plant after 1, 2, 6, 12, 18, 24 hours of treatment, and untreated plant leaves were harvested together at 2, 18 hours after control, and RNA was extracted from each sample. Northern blotting was performed using the extracted RNA as follows.
먼저, 추출된 RNA를 포름알데히드를 함유하는 겔 상에서 전기영동한 후 나이론막 (Hybond N+)으로 전이시켰다.First, the extracted RNA was electrophoresed on a gel containing formaldehyde and then transferred to a nylon membrane (Hybond N +).
다음에, 실시예 1에서 수득된 CaPMEI1 유전자를 제한효소 EcoRI 및 XhoI으로 각각 절단하고 삽입 DNA만을 회수하여 32P로 표지한 후, 이를 반응액 [0.25M 인산완충액, 7% SDS, 1mM EDTA, 5% 덱스트란 황산염 (Dextran Sulfate)]에 첨가하고 65℃에서 16-24시간 동안 배양하여 하이브리다이제이션 (hybridization)을 실시하였다.Next, the CaPMEI1 gene obtained in Example 1 was digested with restriction enzymes Eco RI and Xho I, respectively, and only inserted DNA was recovered and labeled with 32 P, which was then reacted with [0.25 M phosphate buffer, 7% SDS, 1 mM EDTA. , 5% Dextran Sulfate] and incubated at 65 ° C. for 16-24 hours to perform hybridization.
이때 32P로 표지된 상기 DNA 프로브는 나이론막에 붙어있는 상보적 mRNA에 붙게 되며 이 나이론막 위에 X-ray 필름을 얹게 되면 32P로 표지된 DNA가 X-ray 필름을 감광시키므로 이것으로 발현 여부를 알아볼 수 있다.At this time, the DNA probe labeled with 32 P is attached to the complementary mRNA attached to the nylon membrane, and if the X-ray film is placed on the nylon membrane, the 32 P labeled DNA is exposed to the X-ray film, and thus is expressed. You can recognize.
시험 결과, 도 3 내지 도 7에 나타난 바와 같이 상기 처리된 모든 물질의 경우에서 CaPMEI1 유전자가 강하게 유도 발현되었으나, 앱시스산 처리에 대해서는 1시간에만 발현이 강하게 유도되고 그 이후에는 사라졌다. As a result of the test, CaPMEI1 gene was strongly induced and expressed in all of the treated materials as shown in FIGS. 3 to 7, but expression was strongly induced only for 1 hour and disappeared thereafter for the treatment of absic acid.
[실시예 4] 환경적 스트레스에 의한 본 발명의 CaPMEI1 유전자 유도 발현Example 4 CaPMEI1 Gene Induced Expression of the Present Invention by Environmental Stress
본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자가 환경적 스트레스에 의해 유도될 수 있는지를 알아보고 그 구체적 유도방법을 제공하기 위하여 하기와 같은 시험을 수행하였다.In order to find out whether the CaPMEI1 gene according to the present invention can be induced by environmental stress and to provide a specific induction method, the following test was performed.
각각의 시험에서 노던블러팅 수행시 리보솜 RNA의 양을 모니터링 함으로써 동일량의 RNA 시료가 로딩되었음을 확인하였으며, 대조구로서 어떤 스트레스도 처리하지 않은 건전잎을 사용하였다.In each test, it was confirmed that the same amount of RNA sample was loaded by monitoring the amount of ribosomal RNA when performing Northern blotting, and the dry leaf without any stress was used as a control.
[실험예 1]Experimental Example 1
본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자가 상처 스트레스에 의해 유도될 수 있는지를 알아보고 그 구체적 유도방법을 제공하기 위하여 하기와 같은 시험을 수행하였다.In order to find out whether CaPMEI1 gene according to the present invention can be induced by wound stress and to provide a specific induction method, the following test was performed.
고추식물에 상처 스트레스를 처리하기 위해 식물체의 잎을 바늘로 찔러 잎 전체에 걸쳐 상처를 낸 후 각각 1, 2, 6, 12, 18, 24시간이 지나 잎을 수거하였다.In order to handle the wound stress on the red pepper plants, the leaves of the plants were pierced with needles and wounded throughout the leaves, and the leaves were collected after 1, 2, 6, 12, 18 and 24 hours, respectively.
각각의 샘플에서 RNA를 추출한 후, 상기 실시예 3의 실험예 1에서와 동일한 방법으로 노던블러팅을 수행함으로써, 상처 스트레스 처리 후 시간경과에 따른 CaPMEI1 의 발현양상을 알아보았으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다.After extracting RNA from each sample, by performing Northern blotting in the same manner as in
시험 결과, 도 8에 나타난 바와 같이, CaPMEI1 유전자는 처리 후 빠른 시간 내에 발현되기 시작하여 6시간까지 유지되었다.As a result of the test, as shown in FIG. 8, the CaPMEI1 gene began to be expressed within a short time after treatment and was maintained for 6 hours.
[실험예 2]Experimental Example 2
본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자가 저온 스트레스에 의해 유도될 수 있는지를 알아보고 그 구체적 유도방법을 제공하기 위하여 하기와 같은 시험을 수행하였다.In order to find out whether CaPMEI1 gene according to the present invention can be induced by low temperature stress and to provide a specific induction method, the following test was performed.
저온처리를 위해 고추 식물체를 4 ℃로 유지되는 냉장실에 보관하면서 각각 1, 2, 6, 12, 18, 24시간째에 잎을 수거하였다.Pepper plants were harvested at 1, 2, 6, 12, 18 and 24 hours, respectively, while chilled plants were kept in a cold room maintained at 4 ° C.
각각의 샘플에서 RNA를 추출한 후, 상기 실시예 3의 실험예 1에서와 동일한 방법으로 노던블러팅을 수행함으로써, 저온 스트레스 처리 후 시간경과에 따른 CaPMEI1 의 발현양상을 알아보았으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다.After extracting RNA from each sample, by performing Northern blotting in the same manner as in
시험 결과, 도 9에 나타난 바와 같이, CaMEI1 유전자는 잎에서 1시간대에 처음으로 발현하여 20시간까지 유지되는 경향을 나타내었다.As a result, as shown in Figure 9, CaMEI1 gene was first expressed in the leaves for 1 hour showed a tendency to maintain up to 20 hours.
[실험예 3]Experimental Example 3
본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자가 건조 스트레스에 의해 유도될 수 있는지를 알아보고 그 구체적 유도방법을 제공하기 위하여 하기와 같은 시험을 수행하였다.In order to find out whether the CaPMEI1 gene according to the present invention can be induced by dry stress and to provide a specific induction method, the following test was performed.
건조 처리 후 시간별 CaPMEI1 저항성 유도효과를 알아보기 위하여, 고추식물체의 뿌리에서 흙을 제거하고, 각각 1, 2, 6, 12, 18, 24시간째에 잎을 수거하였다.In order to determine the effect of CaPMEI1 resistance by time after drying, soil was removed from the roots of pepper plants, and leaves were collected at 1, 2, 6, 12, 18 and 24 hours, respectively.
각각의 샘플에서 RNA를 추출한 후, 상기 실시예 3의 실험예 1에서와 동일한 방법으로 노던블러팅을 수행함으로써, 건조 스트레스 처리 후 CaPMEI1의 시간별 발현양상을 알아보았으며, 그 결과를 도 10에 나타내었다.After extracting RNA from each sample, by performing Northern blotting in the same manner as in
시험 결과, 도 10에 나타난 바와 같이, CaPMEI1 유전자는 잎에서 1시간대에강하게 발현되었다. As a result, as shown in Figure 10, CaPMEI1 gene was strongly expressed in the leaves for 1 hour.
[실험예 4]Experimental Example 4
본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자가 과산화수소에 의해 유도될 수 있는지를 알아보고 그 구체적 유도방법을 제공하기 위하여 하기와 같은 시험을 수행하였다.In order to find out whether the CaPMEI1 gene according to the present invention can be induced by hydrogen peroxide and to provide a specific induction method, the following test was performed.
과산화수소의 시간별 CaPMEI1 저항성 유도효과를 알아보기 위하여, 고추식물체의 잎에 10mM의 과산화수소를 스프레이 방법으로 처리하고, 각각 1, 2, 6, 12, 18, 24시간째에 잎을 수거하였다.In order to investigate the effect of hydrogen peroxide on the CaPMEI1 resistance over time, 10 mM hydrogen peroxide was sprayed on the leaves of pepper plants, and leaves were collected at 1, 2, 6, 12, 18 and 24 hours, respectively.
각각의 샘플에서 RNA를 추출한 후, 상기 실시예 3의 실험예 1에서와 동일한 방법으로 노던블러팅을 수행함으로써, 과산화수소를 처리한 후 CaPMEI1 의 시간별, 농도별 발현양상을 알아보았으며, 그 결과를 도 11에 나타내었다.After extracting RNA from each sample, Northern blotting was carried out in the same manner as in
시험 결과, 도 11에 나타낸 바와 같이, CaPMEI1 유전자는 처리 후 1시간 후 부터 축적되기 6시간째에 가장 강하게 발현되어 18시간까지 유지되었다.As a result of the test, as shown in FIG. 11, the CaPMEI1 gene was most strongly expressed at 1 hour after accumulation and maintained for 18 hours.
[실시예 5] 본 발명에 의한 CaPMEI1 단백질 생산과 항균활성 검정Example 5 CaPMEI1 Protein Production and Antimicrobial Activity Assay According to the Present Invention
대장균에서의 CaPMEI1 유전자 과다발현 후 발현산물인 CaPMEI1 단백질의 기능을 알아보기 위하여, 실시예 1에서 수득한 CaPMEI1 유전자를 Novagen에서 제공하는 pET32a 벡터에 도입시켜 재조합벡터 pET32a::CaPMEI1 을 제조하고 그 지도를 도 12에 나타내었다.In order to examine the function of CaPMEI1 protein, which is an expression product after overexpression of CaPMEI1 gene in E. coli, the CaPMEI1 gene obtained in Example 1 was introduced into a pET32a vector provided by Novagen to prepare a recombinant vector pET32a :: CaPMEI1 and map the map. 12 is shown.
이렇게 제조한 재조합벡터 pET32a::CaPMEI1를 대장균 (Escherichia coli strain BL21)에 형질전환시키고 이 재조합벡터가 들어가 있는 대장균을 배양하여 얻어진 단백질 중 Ni-NTA 레진을 이용하여 CaPMEI1 단백질만 정제한 후 다음과 같은 실험을 수행하였다. The recombinant vector pET32a :: CaPMEI1 thus prepared was transferred to Escherichia coli. coli strain BL21) and purified only the CaPMEI1 protein using Ni-NTA resin among the proteins obtained by culturing E. coli containing the recombinant vector was carried out as follows.
[실험예 1]Experimental Example 1
pET32a 벡터(vector)에 태깅(tagging) 되어 있는 티오레독신 단백질이 함께 발현되므로 이를 제거하기 위하여 1 unit 의 엔테로키나제(enterokinase)로 상온에서 16시간 반응시킨다. 순화하기 전 단계, 순화한 후 그리고 티오레독신을 처리한 후의 CaPMEI1 단백질을 SDS-폴리아크릴아마이드 겔(polyacrylamide gel) 전기영동 법을 이용하여 확인하였다. 이 재조합 단백질을 1xSDS 샘플버퍼(sample buffer)에 녹이고 12% SDS-폴리아크릴아마이드 겔(polyacrylamide gel)에 전기 영동하였다. 단백질의 정확한 크기를 알기 위하여 단백질 마커를 이용하여 검정하였고 그 그림을 도 13에 나타내었다. Thioredoxin protein tagged with the pET32a vector (tagged) is expressed together, and then reacted at room temperature with 1 unit of enterokinase (enterokinase) for 16 hours. The CaPMEI1 protein was identified using SDS-polyacrylamide gel electrophoresis prior to purification, after purification and after thioredoxin treatment. The recombinant protein was dissolved in 1 × SDS sample buffer and electrophoresed on 12% SDS-polyacrylamide gel. In order to know the exact size of the protein was assayed using a protein marker and the figure is shown in FIG.
[실험예 2]Experimental Example 2
CaPMEI1 단백질이 펙틴 메칠에스터라아제 (pectin methylesterase) 억제 활성을 가지고 있는지를 확인하기 위하여 실제 펙틴 메칠에스터라아제와 반응시켰다. 산도 7.8, 25도에서 반응 후 생성물인 NADH의 양을 나타내는 표준곡선에 의하여 정량화 되었고 이 결과를 도 14에 나타내었다. In order to confirm that CaPMEI1 protein has a pectin methylesterase inhibitory activity, it was reacted with an actual pectin methylesterase. The acidity was quantified by a standard curve indicating the amount of NADH as a product after the reaction at 7.8 and 25 degrees, and the results are shown in FIG. 14.
순화된 재조합 단백질을 첨가한 반응에서 펙틴 메칠에스터라아제만을 처리한 대조구보다 생성된 NADH 함량이 가장 낮은 것을 볼 수 있었고 이 반응은 12분 내에 측정이 가능하였다. 이 실험을 통해 도 14에 나타난 바와 같이 본 발명에 의한 CaPMEI1 단백질이 펙틴 메칠에스터라아제 억제 효과를 가지는 것으로 확인할 수 있었다. In the reaction with purified recombinant protein, NADH content was found to be lower than that of the control treated with only pectin methylesterase, and the reaction could be measured within 12 minutes. As shown in FIG. 14, the CaPMEI1 protein according to the present invention was confirmed to have a pectin methyl esterase inhibitory effect through this experiment.
[실험예 3]Experimental Example 3
CaPMEI1 단백질의 항균활성 여부를 알아보기 위하여 식물 주요 병원균인 시들음병균(Fusarium oxysporum f. sp . matthiolae ), 검은 무늬병균(Alternaria brassicicola), 잿빛곰팡이병균(Botrytis cinerea)에 CaPMEI1 단백질을 농도별로 처리해 보았다. 50 ㎍의 농도에서 처리한 시험된 병원균에 대하여 항균활성을 보였고 이 사진은 도 15에 나타내었다. 특히 시들음병균의 경우 CaPMEI1 단백질을 처리했을 때 포자발아율과 균사생장율이 감소되는 것을 관찰하였으며 이 결과를 보여주는 사진과 그래프는 각각 도 16 및 도 17에 나타내었다.To investigate the antimicrobial activity of CaPMEI1 protein, Fusarium , a major pathogen of plants oxysporum f. sp . matthiolae ) , Black pattern germ ( Alternaria brassicicola ), Bacterial fungus ( Botrytis cinerea ) was treated with CaPMEI1 protein by concentration. Antimicrobial activity was shown against the tested pathogens treated at a concentration of 50 μg, which is shown in FIG. 15. In particular, spore germination and mycelial growth were decreased when CaPMEI1 protein was treated with wilts. The photos and graphs showing the results are shown in FIGS. 16 and 17, respectively.
[실시예 6] 본 발명의 CaPMEI1 유전자를 이용한 형질전환 식물체의 제조 및 CaPMEI1 유전자 과다발현에 의한 식물체의 병 저항성 유도Example 6 Preparation of Transgenic Plants Using CaPMEI1 Gene of the Present Invention and Induction of Disease Resistance of Plants by Overexpression of CaPMEI1 Gene
식물체에서의 CaPMEI1 유전자 과다발현시 다른 병발생 관련 유전자들의 유도 여부, 세균성 병에 대한 저항성의 증가 여부 및 환경스트레스에 대한 내성의 증가 여부 등을 알아보기 위하여, 실시예 1에서 수득한 CaPMEI1 유전자를 pBIN35S::GFP 벡터에 도입시켜 재조합벡터 pBIN35S::CaPMEI1::GFP을 제조하고 그 지도를 도 18에 나타내었다.CaPMEI1 gene obtained in Example 1 was identified as pBIN35S in order to determine whether induction of other pathogenic genes, plant resistance, bacterial resistance, and environmental stress during overexpression of CaPMEI1 gene in plants. The recombinant vector pBIN35S :: CaPMEI1 :: GFP was prepared by introducing into the :: GFP vector and a map thereof is shown in FIG. 18.
이렇게 제조한 재조합벡터 pBIN35S::CaPMEI1::GFP를 아그로박테리움 튜메파이엔스(Agrobacterium tumefaciense strain EHA105)에 전기천공법(electroporation)을 통하여 도입하고 다시 재조합벡터가 들어가 있는 EHA105균주를 꽃침지(floral dipping) 방법을 이용하여 애기장대에 도입함으로써 CaPMEI1 유전자를 과다발현시키고 하기와 같은 시험을 수행하였다.The recombinant vector pBIN35S :: CaPMEI1 :: GFP thus prepared was converted to Agrobacterium tumephiens ( Agrobacterium). a test such as tumefaciense strain EHA105) electroporation (electroporation) introducing and dipped again flowers the EHA105 strain that contains the recombinant vector by the (floral dipping) using the following method was expressed over the CaPMEI1 gene by introducing the Arabidopsis thaliana in Was performed.
[실험예 1]Experimental Example 1
상기와 같이 제작된 형질전환 식물체에서 CaPMEI1 유전자의 발현 정도를 검정하기 위하여 실시예 3의 실험예 1에서와 같은 방법으로 노던블러팅을 수행하였고 그 결과 CaPMEI1 유전자를 많이 발현시키는 세 개의 형질전환식물체를 선발하였다(도 19 참조). In order to test the expression level of CaPMEI1 gene in the transgenic plants prepared as described above, Northern blotting was performed in the same manner as in
[실험예 2]Experimental Example 2
CaPMEI1 유전자가 과다발현된 식물체에서 세균성 병에 대한 저항성이 증가하였는지의 여부를 알아보기 위하여 상기 CaPMEI1 유전자가 과다발현된 애기장대와 대조구로서의 야생형 애기장대 식물체에 슈도모나스 시링게 패소바 토마토 DC3000 균주를 접종하고 접종일과 2일, 4일 후에 잎을 수거하여 잎 면적당 세균수를 측정 하여 그 결과를 도 21에 나타내었다. 이때에 식물 병반 사진은 도 20에 나타내었다. 여기서 #6, #8, #9는 시험에 사용된 형질전환 식물의 계통 번호를 나타낸다.To investigate whether the resistance to bacterial diseases was increased in plants overexpressed CaPMEI1 gene, the strains of Pseudomonas syringe-Pasova tomato DC3000 were inoculated on the Arabidopsis plants over-expressed CaPMEI1 gene and control. The leaves were harvested after 2 days and 4 days of inoculation, and the number of bacteria per leaf area was measured. The results are shown in FIG. 21. At this time, the plant lesion photo is shown in FIG. 20. Where # 6, # 8 and # 9 represent the line number of the transgenic plant used for the test.
시험 결과, 도 21에 나타난 바와 같이 0, 2, 4일 후 모든 형질전환계통 식물이 야생형에 비해 세균 생장을 억제하여 세균성 병에 대한 병저항성을 가지고 있는 것으로 나타났다.As a result, as shown in Figure 21, after 0, 2, 4 days all transgenic plants have been shown to have bacterial resistance to bacterial disease by inhibiting bacterial growth compared to wild type.
[실시예 7] 본 발명의 CaPMEI1 유전자 과다발현에 의한 식물체의 환경스트레스 내성 유도Example 7 Induction of Environmental Stress Resistance of Plants by Overexpression of CaPMEI1 Gene of the Present Invention
본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자가 과다발현된 식물체에서 환경스트레스에 대한 내성이 증가하였는지 여부를 알아보기 위하여, CaPMEI1 유전자가 과다발현된 식물체를 마니톨 처리 등의 건조 스트레스를 처리하여 얻어진 결과를 도 22 내지 도 25에서 나타내었고 메틸비올로젠(산화 스트레스)을 처리하여 내성을 보임을 나타내는 결과를 도 26 내지 도 29에 보여주고 있다.In order to determine whether the resistance to environmental stress is increased in the plants overexpressed CaPMEI1 gene according to the present invention, the results obtained by treatment of dry stress such as mannitol treatment of plants overexpressed CaPMEI1 gene is shown in Figure 22 to 25 and shown in FIGS. 26 to 29 show the resistance to methylbiologen (oxidative stress).
시험 결과, 본 발명의 CaPMEI1 유전자가 과다발현된 식물체는 건조스트레스와 메틸비올로젠(산화 스트레스) 처리에 대하여 내성을 가지는 것으로 나타났다. As a result of the test, the plants overexpressed CaPMEI1 gene of the present invention was resistant to dry stress and methylbiologen (oxidative stress) treatment.
상술한 바와 같이, 본 발명이 완성됨으로써, 고추 세균성 점무늬병(Xanthomonas campestris pv. vesicatoria)에 대한 방어반응에 관여하는 것으로서 식물병저항성 관련 유전자의 하나인 CaPMEI1 단백질을 코딩하는 CaPMEI1 유전자를 분리하여 해독함으로써 그 염기서열 정보 및 그에 따른 아미노산 서열 정보를 제공함과 동시에, CaPMEI1 유전자의 차별적 발현을 확인하는 것으로 구성되는 고추 세균성 점무늬병 등 식물병 저항성 및 환경스트레스 저항성 탐색방법을 제공할 할 수 있게 되었다. 나아가, 본 발명에 의한 CaPMEI1 유전자를 이용하여 식물병 저항성 및 환경스트레스 저항성 식물 육종 및 형질전환 식물체 제작에 기여할 수 있게 된 것이다. As described above, the present invention is completed, pepper bacterial spot disease ( Xanthomonas campestris pv. vesicatoria ), which is involved in the defensive response to vesicatoria, isolates and decodes the CaPMEI1 gene encoding CaPMEI1 protein, one of the genes related to plant disease resistance, to provide sequencing information and amino acid sequence information thereof, and to differentially express CaPMEI1 gene. It is possible to provide a method for detecting plant disease resistance and environmental stress resistance, such as pepper bacterial spot pattern disease consisting of confirming. Furthermore, by using the CaPMEI1 gene according to the present invention will be able to contribute to plant disease resistant and environmental stress resistant plant breeding and transformed plant production.
나아가, 본 발명에 의한 CaPMEI1 단백질을 분리하여 기능 분석함으로써 그 분석방법 및 항균활성 탐색방법을 포함하여 식물체의 병저항성 메카니즘을 탐색하는 방법이 제공될 수 있게 되었다. Furthermore, by separating and functionally analyzing the CaPMEI1 protein according to the present invention, a method of searching for a disease resistance mechanism of a plant, including the analysis method and the antibacterial activity search method, can be provided.
따라서 본 발명은 저항성 품종 개발을 촉진시킬 수 있는 효과가 있으므로 식물육종 산업상 매우 유용한 발명이라 할 수 있다.Therefore, the present invention can be said to be a very useful invention in the plant breeding industry because there is an effect that can promote the development of resistant varieties.
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