KR101359308B1 - 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체의 제조 방법 및 그에 따른 식물체 - Google Patents

카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체의 제조 방법 및 그에 따른 식물체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고구마 (Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는 재조합 벡터를 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체에 형질전환시켜 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체를 제조하는 방법, 상기 방법에 의해 제조된 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체 및 이의 종자, 상기 재조합 벡터를 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체에 형질전환시켜 야생형에 비해 환경 스트레스 내성이 증가된 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체를 제조하는 방법, 상기 방법에 의해 제조된 야생형에 비해 환경 스트레스 내성이 증가된 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체 및 이의 종자, 상기 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체의 카로티노이드 함량 및 환경 스트레스 내성 증가용 조성물에 관한 것이다.

Description

카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체의 제조 방법 및 그에 따른 식물체{Method for producing transgenic sweet potato plant accumulating carotenoid and anthocyanin at high level and the plant thereof}
본 발명은 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체의 제조 방법 및 그에 따른 식물체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본 발명은 고구마 (Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는 재조합 벡터를 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체에 형질전환시켜 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체를 제조하는 방법, 상기 방법에 의해 제조된 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체 및 이의 종자, 상기 재조합 벡터를 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체에 형질전환시켜 야생형에 비해 환경 스트레스 내성이 증가된 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체를 제조하는 방법, 상기 방법에 의해 제조된 야생형에 비해 환경 스트레스 내성이 증가된 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체 및 이의 종자, 상기 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체의 카로티노이드 함량 및 환경 스트레스 내성 증가용 조성물에 관한 것이다.
고구마(Ipomoea batatas L. Lam)는 비교적 척박한 땅에도 재배가 가능할 뿐만 아니라 헥타르당 생산량이 약 30톤으로 식량과 가축사료로 이용되는 대표적인 뿌리작물이다. 자색, 황색 등의 유색고구마들은 다양한 항산화 물질을 포함하고 있는데, 특히 황색을 띄는 황색 고구마는 베타카로틴을 14.7 ~ 20 mg/100g 함유하며, 자색고구마는 안토시아닌을 2.28 g/100g 내외 함유하고 있어 세포의 노화를 촉진시키고 각종 성인병의 원인이 되는 활성산소를 제거하는 항산화 작용이 탁월하다. 또한 고구마는 1990년대 이후 아그로박테리움 공동배양을 통한 형질전환이 시도되었고, 정단 및 측아 분열조직으로부터 배발생 배양세포 유도 및 체세포배 발생을 통한 식물체 재분화 형질전환시스템을 발전시켜왔다 (Lim et al. 2007 Mol Breeding 19, 227-239). 그러나 아직 카로티노이드, 안토시아닌, 폴리페놀과 같은 저분자 항산화 물질을 고생산하는 고구마는 보고된 바 없다. 따라서 복합 스트레스 내성을 가지고 저분자 항산화 물질까지 고생산하는 작물 개발은 21세기 인류가 당면한 식량, 에너지, 환경문제를 해결하는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
Islam 등 (Islam et al. 2002 Biosci. Biotechnol. Biochem. 66, 2483-2486)은 고구마 잎에 적어도 15종 이상의 생리활성이 높은 안토시아닌이 존재하며 이는 비타민 C나 E보다 강력한 항산화활성을 보이는 것으로 보고하였다 (Philpott et al. 2003 J. Sci. Food Agric. 83, 1076-1082). 흥미롭게도 많은 식물체의 잎에서 안토시아닌 생합성은 활성산소를 유발하는 외부 환경 스트레스에 의해 유도되는 것으로 보고되었으며, 특히 잎이나 뿌리에서의 안토시아닌은 외부 공격으로부터 식물체를 보호하는 방어 기작에 주요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다 (Neill et al. 2002 Plant Cell Environ. 25, 539-547).
식물의 페놀성 화합물은 그 다양성과 광범위한 분포로 인해 가장 중요한 천연 항산화제로 인식되고 있다. 폴리페놀과 페놀성 화합물 또한 인체에서 각종 산화 스트레스로부터 우리 몸을 보호하는 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 많은 주목을 받고 있다. 고구마 뿌리의 대표적 폴리페놀인 히드록시신남산 (hydroxycinnamic acids, HCA)는 강력한 항산화제로서 고구마 조직과 발현시기에 상관없이 대부분의 고구마 품종에 다량으로 함유되어 있다 (Islam et al. 2002 J. Agric. Food Chem. 50, 3718-3722). 이와 같이 폴리페놀은 카로티노이드, 안토시아닌과 더불어 고구마가 높은 항산화활성을 나타내는데 크게 기여하고 있다.
세계보건기구 (WHO)는 전 세계 1억 명 이상의 어린이들이 비타민 A의 부족으로 고생하고 있으며 이로 인해 매년 50만 명 이상의 어린이들이 실명하고 있다고 발표하였다. 베타카로틴은 비타민 A의 전구체로서 영양강화제, 식품보조제의 생리활성 기능을 가지고 있어 식품에서의 카로티노이드 축적에 관한 대사공학 연구는 영양학적 가치를 높이기 위한 필수 연구 대상이라 할 수 있다. 베타카로틴은 높은 항산화 활성을 가진 물질로서 생리활성 기능뿐 아니라 식물 자체의 산화 스트레스에 대한 방어 기작에도 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으며 최근 카로티노이드 생합성이 식물호르몬의 하나인 ABA에 의해 영향을 받는 것이 밝혀짐으로써, 이들 항산화 물질과 환경 스트레스에 대한 연구의 필요성이 대두 되었다.
형질전환 식물체로부터 유용물질을 생산하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있으나 생산성이 낮아 상업화에 도달하지 못하였다. 따라서 고부가가치 생리활성물질을 보다 경제적으로 대량생산하기 위해 식물배양세포 및 식물체 자체를 이용하여 생산비를 낮추는 방법이 유용하게 이용될 것으로 사료된다. 또한 유용물질을 고생산하는 식물체를 개발하여 다시 식물배양세포를 유도하면 유용물질을 생산하고 대량생산 하기까지의 시간이 적게 소요되며 배양세포의 스케일 업 배양이 용이하다. 또한 형질전환 식물체에서 발생할 수 있는 환경 위해성 문제를 배제할 수 있으며 생리활성 단백질 등 여러 가지 대상화합물에 폭넓게 적용 가능할 뿐만 아니라 의약품, 식품용도라도 미생물, 동물세포 배양에 비하여 거부감이 적다.
한국등록특허 제10-0813284호에는 감귤 유래 피토엔 생합성 효소 유전자를 식물체에 형질전환시켜 카로티노이드의 함량을 증가시키는 방법이 개시되어 있으며, 한국공개특허 제2010-0100097호에는 고구마 유래 MuS1 유전자를 식물체에 형질전환시켜 염 스트레스 내성을 증가시키는 방법이 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명은 고구마 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는 재조합 벡터를 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체에 형질전환시켜 기능성의 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체를 제조하였고, 또한 이 형질전환 식물체가 환경 스트레스에 내성을 나타내는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 고구마(Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는 재조합 벡터를 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체에 형질전환시켜 IbOr-Ins 유전자 변이체를 과발현하는 단계를 포함하는 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체의 제조 방법을 제공한다.
또한, 상기 방법에 의해 제조된 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체 및 이의 종자를 제공한다.
또한, 본 발명은 고구마(Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는 재조합 벡터를 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체에 형질전환시켜 IbOr-Ins 유전자 변이체를 과발현하는 단계를 포함하는 야생형에 비해 환경 스트레스 내성이 증가된 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 야생형에 비해 환경 스트레스 내성이 증가된 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체 및 이의 종자를 제공한다.
또한, 본 발명은 고구마(Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는, 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체의 카로티노이드 함량 증가용 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 고구마(Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는, 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체의 환경 스트레스 내성 증가용 조성물을 제공한다.
본 발명을 통하여 제조된 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체는 기능성 식품으로 유용하게 사용될 수 있으며, 또한 환경 스트레스에 내성을 나타내므로 수확량 증대를 위해 활용 가치가 매우 클 것으로 기대된다.
도 1은 고구마(Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자의 식물 발현 벡터를 나타낸 것이다.
도 2는 신자미 고구마 품종의 체세포배를 이용한 고구마 유래의 IbOr-Ins 유전자 변이체를 형질전환하는 과정 (A) 및 형질전환체의 선발마커(HPTⅡ)를 통한 gDNA PCR 수행 결과 (B)를 나타낸다 (N/T (Non transgenic plants): 비형질전환 식물체, E/V (Empty vector plants): 빈 벡터로 형질전환된 대조구 식물체, Zm-Or (transgenic plants): 형질전환 식물체).
도 3은 본 발명의 고구마 유래 IbOr-Ins 유전자 변이체를 과발현시킨 형질전환 신자미 고구마 품종의 저장뿌리 단면(A)과 지상부 형질전환체의 모습(B)을 나타낸다 (Zm: 비형질전환 식물체, E/V: 빈 벡터로 형질전환된 대조구 식물체, Zm-Or: 형질전환 식물체, a; E/V 식물체, b; Zm-Or 식물체, c; E/V 식물체 줄기, d, e; Zm-Or 식물체 줄기).
도 4는 고구마 유래 IbOr-Ins 유전자 변이체를 형질전환한 신자미 형질전환체에서 카로티노이드 생합성 관련 유전자의 발현 양상을 RT-PCR을 수행하여 전기영동한 결과를 나타낸다.
도 5는 고구마 유래 IbOr-Ins 유전자 변이체를 형질전환한 신자미 형질전환체에서 안토시아닌 생합성 관련 유전자의 발현 양상을 RT-PCR을 수행하여 전기영동한 결과를 나타낸다.
도 6은 고구마 유래 IbOr-Ins 유전자 변이체를 과발현시킨 형질전환 신자미의 저장뿌리로부터 전체 카로티노이드 함량을 스펙트로포토미터를 이용해 측정한 결과를 나타낸다.
도 7은 고구마 유래 IbOr-Ins 유전자 변이체를 과발현시킨 형질전환 신자미의 저장뿌리로부터 전체 안토시아닌 함량을 스펙트로포토미터를 이용해 측정한 결과를 나타낸다.
도 8은 고구마 유래 IbOr-Ins 유전자 변이체를 과발현시킨 형질전환 신자미의 잎으로부터 DPPH 라디칼 소거활성(A)과 폴리페놀 함량을 분석한 결과(B)를 나타낸다.
도 9는 고구마 유래 IbOr-Ins 유전자 변이체를 과발현시킨 형질전환 신자미의 잎 디스크에서 다양한 농도의 NaCl 스트레스 내성을 분석한 결과를 나타낸다.
도 10은 고구마 유래 IbOr-Ins 유전자 변이체를 과발현시킨 형질전환 신자미의 잎 디스크에서 다양한 농도의 MV 처리에 의한 스트레스 내성을 분석한 결과를 나타낸다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서열번호 1의 염기서열로 이루어진, 고구마(Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는 재조합 벡터를 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체에 형질전환시켜 IbOr-Ins 유전자 변이체를 과발현하는 단계를 포함하는 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에서는 IbOrange 유전자 (한국특허등록 제0990330호 참고)에 KSQNPNL 아미노산을 삽입하여 IbOr-Ins 유전자 변이체를 제조하였으나, 카로티노이드 함량을 증가시키거나 내염성을 증가시킬 수 있는 변이체이면 특별히 제한되지 않는다.
바람직하게는, 본 발명의 IbOr-Ins 유전자 변이체는 서열번호 1로 표시되는 염기서열을 포함할 수 있다. 또한, 상기 염기 서열의 변이체가 본 발명의 범위 내에 포함된다. 구체적으로, 상기 유전자 변이체는 서열번호 1의 염기 서열과 각각 70% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상, 더 더욱 바람직하게는 90% 이상, 가장 바람직하게는 95% 이상의 서열 상동성을 가지는 염기 서열을 포함할 수 있다. 폴리뉴클레오티드에 대한 "서열 상동성의 %"는 두 개의 최적으로 배열된 서열과 비교 영역을 비교함으로써 확인되며, 비교 영역에서의 폴리뉴클레오티드 서열의 일부는 두 서열의 최적 배열에 대한 참고 서열(추가 또는 삭제를 포함하지 않음)에 비해 추가 또는 삭제(즉, 갭)를 포함할 수 있다.
용어 "재조합"은 세포가 이종의 핵산을 복제하거나, 상기 핵산을 발현하거나 또는 펩티드, 이종의 펩티드 또는 이종의 핵산에 의해 암호된 단백질을 발현하는 세포를 지칭하는 것이다. 재조합 세포는 상기 세포의 천연 형태에서는 발견되지 않는 유전자 또는 유전자 절편을, 센스 또는 안티센스 형태 중 하나로 발현할 수 있다. 또한 재조합 세포는 천연 상태의 세포에서 발견되는 유전자를 발현할 수 있으며, 그러나 상기 유전자는 변형된 것으로서 인위적인 수단에 의해 세포 내 재도입된 것이다.
본 발명에서, 상기 IbOr-Ins 유전자 변이체 서열은 재조합 발현 벡터 내로 삽입될 수 있다. 용어 "재조합 발현 벡터"는 세균 플라스미드, 파아지, 효모 플라스미드, 식물 세포 바이러스, 포유동물 세포 바이러스, 또는 다른 벡터를 의미한다. 대체로, 임의의 플라스미드 및 벡터는 숙주 내에서 복제 및 안정화할 수 있다면 사용될 수 있다. 상기 발현 벡터의 중요한 특성은 복제 원점, 프로모터, 마커 유전자 및 번역 조절 요소(translation control element)를 가지는 것이다.
IbOr-Ins 단백질-암호화 DNA 서열 및 적당한 전사/번역 조절 신호를 포함하는 발현 벡터는 당업자에 주지된 방법에 의해 구축될 수 있다. 상기 방법은 시험관내 재조합 DNA 기술, DNA 합성 기술 및 생체내 재조합 기술 등을 포함한다. 상기 DNA 서열은 mRNA 합성을 이끌기 위해 발현 벡터 내의 적당한 프로모터에 효과적으로 연결될 수 있다. 또한 발현 벡터는 번역 개시 부위로서 리보좀 결합 부위 및 전사 터미네이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 재조합 벡터의 바람직한 예는 아그로박테리움 투머파시엔스와 같은 적당한 숙주에 존재할 때 그 자체의 일부, 소위 T-영역을 식물 세포로 전이시킬 수 있는 Ti-플라스미드 벡터이다. 다른 유형의 Ti-플라스미드 벡터 (EP 0 116 718 B1호 참조)는 현재 식물 세포, 또는 잡종 DNA를 식물의 게놈 내에 적당하게 삽입시키는 새로운 식물이 생산될 수 있는 원형질체로 잡종 DNA 서열을 전이시키는데 이용되고 있다. Ti-플라스미드 벡터의 특히 바람직한 형태는 EP 0 120 516 B1호 및 미국 특허 제4,940,838호에 청구된 바와 같은 소위 바이너리(binary) 벡터이다. 본 발명에 따른 DNA를 식물 숙주에 도입시키는데 이용될 수 있는 다른 적합한 벡터는 이중 가닥 식물 바이러스(예를 들면, CaMV) 및 단일 가닥 바이러스, 게미니 바이러스 등으로부터 유래될 수 있는 것과 같은 바이러스 벡터, 예를 들면 비완전성 식물 바이러스 벡터로부터 선택될 수 있다. 그러한 벡터의 사용은 특히 식물 숙주를 적당하게 형질전환하는 것이 어려울 때 유리할 수 있다.
발현 벡터는 바람직하게는 하나 이상의 선택성 마커를 포함할 것이다. 상기 마커는 통상적으로 화학적인 방법으로 선택될 수 있는 특성을 갖는 핵산 서열로, 형질전환된 세포를 비형질전환 세포로부터 구별할 수 있는 모든 유전자가 이에 해당된다. 그 예로는 글리포세이트(glyphosate) 또는 포스피노트리신(phosphinothricin)과 같은 제초제 저항성 유전자, 카나마이신(kanamycin), G418, 블레오마이신(Bleomycin), 하이그로마이신(hygromycin), 클로람페니콜(chloramphenicol)과 같은 항생제 내성 유전자가 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 재조합 벡터에서, 프로모터는 CaMV 35S, 액틴, 유비퀴틴, pEMU, MAS 또는 히스톤 프로모터일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. "프로모터"란 용어는 구조 유전자로부터의 DNA 업스트림의 영역을 의미하며 전사를 개시하기 위하여 RNA 폴리머라아제가 결합하는 DNA 분자를 말한다. "식물 프로모터"는 식물 세포에서 전사를 개시할 수 있는 프로모터이다. "구성적(constitutive) 프로모터"는 대부분의 환경 조건 및 발달 상태 또는 세포 분화하에서 활성이 있는 프로모터이다. 형질전환체의 선택이 각종 단계에서 각종 조직에 의해서 이루어질 수 있기 때문에 구성적 프로모터가 본 발명에서 바람직할 수 있다. 따라서, 구성적 프로모터는 선택 가능성을 제한하지 않는다.
본 발명의 재조합 벡터에서, 통상의 터미네이터를 사용할 수 있으며, 그 예로는 노팔린 신타아제(NOS), 벼 α-아밀라아제 RAmy1 A 터미네이터, 파세올린(phaseoline) 터미네이터, 아그로박테리움 투메파시엔스(Agrobacterium tumefaciens)의 옥토파인(Octopine) 유전자의 터미네이터 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 터미네이터의 필요성에 관하여, 그러한 영역이 식물 세포에서의 전사의 확실성 및 효율을 증가시키는 것으로 일반적으로 알려져 있다. 그러므로, 터미네이터의 사용은 본 발명의 내용에서 매우 바람직하다.
식물의 형질전환은 DNA를 식물에 전이시키는 임의의 방법을 의미한다. 그러한 형질전환 방법은 반드시 재생 및(또는) 조직 배양기간을 가질 필요는 없다. 식물 종의 형질전환은 이제는 쌍자엽 식물뿐만 아니라 단자엽 식물 양자를 포함한 식물 종에 대해 일반적이다. 원칙적으로, 임의의 형질전환 방법은 본 발명에 따른 잡종 DNA를 적당한 선조 세포로 도입시키는데 이용될 수 있다. 방법은 원형질체에 대한 칼슘/폴리에틸렌 글리콜 방법(Krens, F.A. et al., 1982, Nature 296, 72-74; Negrutiu I. et al., June 1987, Plant Mol. Biol. 8, 363-373), 원형질체의 전기천공법(Shillito R.D. et al., 1985 Bio/Technol. 3, 1099-1102), 식물 요소로의 현미주사법(Crossway A. et al., 1986, Mol. Gen. Genet. 202, 179-185), 각종 식물 요소의 (DNA 또는 RNA-코팅된) 입자 충격법(Klein T.M. et al., 1987, Nature 327, 70), 식물의 침윤 또는 성숙 화분 또는 소포자의 형질전환에 의한 아그로박테리움 투머파시엔스 매개된 유전자 전이에서 (비완전성) 바이러스에 의한 감염(EP 0 301 316호) 등으로부터 적당하게 선택될 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 방법은 아그로박테리움 매개된 DNA 전달을 포함한다. 특히 바람직한 것은 EP A 120 516호 및 미국 특허 제4,940,838호에 기재된 바와 같은 소위 이원 벡터 기술을 이용하는 것이다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체는 바람직하게는 자색 고구마이며, 더욱 바람직하게는 신자미 고구마 품종일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체 및 이 식물체의 종자를 제공한다.
본 발명의 고구마 유래 IbOr-Ins 유전자 변이체로 형질전환시킨 신자미 고구마 식물체는 IbOrange 유전자 및 카로티노이드 생합성 관련 주요 유전자인 PSY, LCY-β, LCY -ε및 CHY -β의 발현량이 비형질전환 식물체보다 증가하였고, 또한 카로티노이드 함량이 비형질전환 식물체보다 약 3배 이상 증가된 것을 확인하였다(도 4 및 도 6 참고).
또한, 본 발명은 서열번호 1의 염기서열로 이루어진, 고구마(Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는 재조합 벡터를 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체에 형질전환시켜 IbOr-Ins 유전자 변이체를 과발현하는 단계를 포함하는 야생형에 비해 환경 스트레스 내성이 증가된 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체는 바람직하게는 자색 고구마이며, 더욱 바람직하게는 신자미 고구마 품종일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 방법에서, 상기 환경 스트레스는 바람직하게는 비생물학적(abiotic) 스트레스일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 염 또는 메틸 비올로겐일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 야생형에 비해 환경 스트레스 내성이 증가된 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체 및 이 식물체의 종자를 제공한다.
또한, 본 발명은 서열번호 1의 염기서열로 이루어진, 고구마(Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는, 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체의 카로티노이드 함량 증가용 조성물을 제공한다. 본 발명의 조성물은 유효성분으로 서열번호 1의 염기서열로 이루어진 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하며, 상기 유전자 변이체를 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체에 형질전환함으로써 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체의 카로티노이드 함량을 증가시킬 수 있는 것이다.
또한, 본 발명은 서열번호 1의 염기서열로 이루어진, 고구마(Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는, 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체의 환경 스트레스 내성 증가용 조성물을 제공한다. 본 발명의 조성물은 유효성분으로 서열번호 1의 염기서열로 이루어진 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하며, 상기 유전자 변이체를 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체에 형질전환함으로써 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체의 환경 스트레스 내성을 증가시킬 수 있는 것이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: IbOr - Ins 유전자의 클로닝 및 염기서열 분석
고구마에서 Orange 유전자를 클로닝하기 위한 PCR 프라이머를 제작하였고 프라이머 서열은 하기와 같다: 정방향 프라이머 (5'-atggtatattcaggtagaatcttgtcgctc-3'; 서열번호 2) 및 역방향 프라이머 (5'-ttaatcaaatgggtcaattcgtgggtcatg-3'; 서열번호 3). 이로부터 얻어진 IbOr를 주형으로 오버랩핑(overlapping) PCR을 수행하여 IbOr의 특정 염기서열의 인위적인 돌연변이를 수행하였다. IbOrange 유전자의 아미노산 서열(한국특허등록 제0990330호 참고) 내의 133번 아미노산부터 -KSQNPNL-로 추정되는 염기서열을 삽입하기 위하여 PCR 프라이머를 제작하였고, 이때 사용한 프라이머 서열은 하기와 같다: 정방향 프라이머 (5'- gaaaagcaagaaaataaacttaa atcccagaaccctaac -3'; 서열번호 4) 및 역방향 프라이머 (5'- aagatttgcggatgtcaggtt agggttctgggatttaag -3'; 서열번호 5). 그 결과, 약 921bp의 PCR 산물을 얻어 pGEM-T-vector에 클로닝한 후 시퀀싱을 통하여 133번 아미노산부터 -KSQNPNL-로 삽입된 돌연변이를 확인하였다. Clonetech 사의 advantage2 중합효소를 이용하여 PCR을 수행하였고, 예상 크기의 PCR 산물을 pGEMeasy 클로닝 벡터(Promega)를 이용하여 클로닝한 후, 시퀀싱하여 전체 염기서열을 확인하였다. 이 cDNA 유전자의 이름을 IbOr-Ins이라고 명명하였다. 본 발명의 IbOr-Ins 유전자의 전체 길이는 924 bp의 cDNA가 307개의 아미노산을 코딩하고 있다. 아미노산 배열로 예측한 등전점 (pI)과 분자량 (Mw)은 각각 8.45 과 33.74 kDa 이다.
프라이머의 염기서열에는 Invitrogen의 gateway 발현 시스템을 이용하기 위해 상기 프라이머의 5' 말단에 어댑터 서열(대문자 표기)을 각각 추가하였다. 염기서열은 정방향 프라이머 (5'-CAAAAAAGCAGGCTNNa tggtatattcaggtagaatcttgtcgctc-3'; 서열번호 6) 및 역방향 프라이머 (5'-CAAGAAAGCTGGGTNttaatcaaatgggtcaattcgtgggtcatg-3'; 서열번호 7)이다. 먼저 상기 예상 크기의 PCR 산물을 pGEMeasy 클로닝 벡터 (Promega)를 이용하여 클로닝한 후, 시퀀싱하여 전체 염기서열을 확인하였다. 이 cDNA 유전자의 이름을 IbOr-Ins이라고 명명하였다. IbOr-Ins 유전자가 클로닝되어 있는 pGEMeasy 벡터를 BP 반응시켜 pDONR207 벡터에 유전자를 클로닝하였다. 이후 pDONR207와 식물발현 벡터인 pGWB11 벡터와 LR 반응으로 클로닝한 IbOr-Ins 유전자의 식물발현 벡터를 제작하였다 (도 1).
실시예 2. 신자미 고구마 체세포 배양세포에 고구마 유래 IbOr - Ins 유전자 변이체의 형질전환
안토시아닌 고함유 품종인 신자미 체세포 배양세포에 고구마 유래 IbOr-Ins 유전자 변이체를 35S 프로모터 조절 하에 형질전환하였다(도 2A). 그 결과 선발배지를 통해 형질전환 소식물체를 얻었고, 이들을 대상으로 gDNA PCR을 통해 형질전환체 선발마커인 하이그로마이신 유전자 HPT II의 발현을 조사하여 형질전환체를 선발하였다. 이들 형질전환체를 Zm-Or로 표기하였다 (도 2B).
실시예 3. 고구마 유래 IbOr - Ins 유전자 변이체로 형질전환시킨 신자미 고구마 식물체의 표현형 분석
자색고구마인 신자미에 고구마 유래 IbOr-Ins 유전자 변이체로 형질전환시킨 후 저장뿌리를 얻은 결과 도 3처럼 비형질전환 신자미의 경우 진한 자색으로 변화가 없음에 반해 Zm-Or의 경우 노란색과 자색이 섞여있는 표현형을 나타내었다 (도 3A). 또한 줄기표현형의 경우 형질전환체는 다수의 측아와 측지가 발달하고 잎의 수 또한 많은 것으로 관찰되었다 (도 3B).
실시예 4. 고구마 유래 IbOr - Ins 유전자 변이체로 형질전환시킨 신자미 고구마 식물체의 카로티노이드 생합성 관련 유전자 발현분석
비형질전환 및 형질전환 신자미 고구마 식물체를 대상으로 카로티노이드 생합성 관련 유전자 및 IbOrange 유전자의 발현을 RT-PCR을 통해 분석하였다. 그 결과 비형질전환 식물체 및 빈 벡터를 형질전환한 식물체의 경우 Iborange 유전자의 발현이 약하거나 발현되지 않았음에 반해, Zm-Or의 경우 IbOrange 유전자의 발현이 크게 증가하였다. 더욱이 비형질전환 식물체 및 빈 벡터를 형질전환한 식물체의 경우 대부분의 카로티노이드 관련 유전자의 발현이 매우 약하거나 발현되지 않았음에 반해 Zm-Or의 경우 PSY, LCY -β LCY -ε, CHY -β 등 대부분의 카로티노이드 생합성 주요유전자의 발현이 증가하였다. 게다가 CCR4, CCR 유전자와 같은 스트리고락톤 생합성 관련 유전자 (strigolactone biosynthesis related gene)와 ABA 생합성 주요 유전자인 NCED 유전자 발현 또한 증가하였다 (도 4).
실시예 5. 고구마 유래 IbOr - Ins 유전자 변이체로 형질전환시킨 신자미 고구마 식물체의 안토시아닌 생합성 관련 유전자 발현분석
비형질전환 및 형질전환 신자미 고구마 식물체를 대상으로 안토시아닌 생합성 관련 유전자 발현을 RT-PCR을 통해 분석하였다. 그 결과 비형질전환 신자미 고구마 식물체와 빈 벡터를 형질전환한 신자미 고구마 식물체의 경우 대부분의 안토시아닌 관련 유전자의 발현이 매우 강하게 발현되는데 반해, Zm-Or의 경우 CHS , CHI, F3H, ANS , 3 GT 등 대부분의 안토시아닌 생합성 주요유전자의 발현이 감소하였다. 그러나 VP24와 같은 vascular 안에 안토시아닌의 축적에 관련된 유전자의 경우 비형질전환 식물체와 발현차이는 크지 않았다 (도 5).
실시예 6. 고구마 유래 IbOr - Ins 유전자 변이체로 형질전환시킨 신자미 고구마 식물체의 카로티노이드 함량분석
형질전환 신자미 고구마 식물체의 카로티노이드 함량이 변화하는지를 알아보기 위해, 비형질전환 및 형질전환 신자미 고구마 식물체를 대상으로 저장뿌리 조직에서의 카로티노이드의 함량을 스펙트로포토미터를 통해 흡광도 440nm에서 측정하였다. 그 결과 대조구인 비형질전환체 보다 형질전환 신자미 고구마 식물체의 경우 약 3배 이상 증가된 베타카로틴 함량을 보였다 (도 6).
실시예 7. 고구마 유래 IbOr - Ins 유전자 변이체로 형질전환시킨 신자미 고구마 식물체의 안토시아닌 함량 분석
형질전환 신자미 고구마 식물체의 안토시아닌 함량이 변화하는지를 알아보기 위해, 비형질전환 및 형질전환 신자미 고구마 식물체를 대상으로 저장뿌리 조직에서의 안토시아닌의 함량을 스펙트로포토미터를 통해 측정하였다. 그 결과 대조구인 비형질전환체 보다 형질전환 신자미 고구마 식물체의 경우 약 0.6 ~ 0.8배 이상 감소된 안토시아닌 함량을 보였다 (도 7). 그러나 형질전환 식물체 #1-1의 경우, 비형질전환 식물체와 거의 같은 안토시아닌 함량을 보였으며 이 형질전환주의 경우 카로티노이드 함량 또한 가장 높아 이상적인 형질전환 식물체로 선정하였다(도 6, 도 7).
실시예 8. 고구마 유래 IbOr - Ins 유전자 변이체로 형질전환시킨 신자미 고구마 식물체의 잎에서 저분자 항산화활성 분석
형질전환한 신자미 고구마 식물체 잎을 대상으로 저분자 항산화 물질의 함량을 비교하기 위해, DPPH 라디칼 소거활성을 측정하였다 (도 8A). 그 결과 비형질전화체와 빈 벡터를 형질전환한 식물체의 경우 g FW (fresh weight)당 약 250~ 340 μg 아스코르브산 (ASA) 상당의 활성을 보였으며, 형질전환체의 경우 약 310~ 610 μg 아스코르브산 (ASA) 상당의 활성을 보였고, 특히 형질전환체 #1-1의 경우 가장 높은 항산화활성을 보였다. 그리고 폴리페놀 함량은 비형질전화체와 빈 벡터를 형질전환한 식물체의 경우 g FW당 170~190 μg 클로로겐산 (chlorogenic acid) 상당의 활성을 가지는 반면에, 형질전환체의 경우 230~ 360 μg 클로로겐산 상당의 활성을 보여 형질전환체들이 대조구보다 높은 함량을 보였다 (도 8B).
실시예 9. 고구마 유래 IbOr - Ins 유전자 변이체로 형질전환시킨 신자미 고구마 식물체의 비생물학적 ( abiotic ) 스트레스 내성 분석
본 발명에 따르면, 고구마 유래 IbOr-Ins 유전자 변이체로 형질전환시킨 신자미 고구마 식물체의 경우 베타카로틴이 비형질전환 신자미와 비교하여 2.5 ~ 2.9배 이상 증가함을 보였다. 따라서 기존의 안토시아닌과 본 발명에 의해 증가된 카로티노이드에 의해 형질전환 식물체가 스트레스 내성을 부여하는지를 확인하기 위해 염 (salt), MV와 같은 비생물학적 스트레스를 처리하였다.
먼저 대조구와 형질전환체의 잎줄기 정단에서 4, 5번째 잎을 직경 8mm의 잎 디스크로 만든 후 0, 150, 200, 400 mM의 농도의 NaCl 용액에 24시간, 25℃ 암 조건에 침지하였다. 그리고 각각의 잎 디스크가 받는 산화 스트레스를 DAB (3.3 diaminobezidine) 염색을 통해 관찰하였다. DAB은 세포내 H2O2와 반응하여 갈색의 침전물을 만든다. 1 mg/ml DAB-HCl (pH 3.8) 용액에 각각의 처리구를 24시간 침지한 뒤 발색 정도를 사진을 찍었다. 그 결과 대조구인 신자미와 빈벡터를 형질전환한 신자미의 경우 NaCl 농도가 높아짐에 따라 갈색으로 발색 정도가 심하여 농도에 따른 산화스트레스를 많이 받음에 반해 형질전환체의 경우 대조구에 비해 발색 정도가 적어 염에 의한 산화스트레스에 내성을 나타내었다 (도 9).
또 다른 산화 스트레스원인 메틸 비올로겐 (MV)을 8 mm 직경의 잎 디스크를 6개씩 취해 0, 2.5, 5, 10 μM의 MV를 포함하는 0.4% 솔비톨 용액 3 mL씩 들어 있는 직경 2.5 cm의 멀티 페트리 디쉬에 각각 띄웠다. 25℃의 암 조건에서 12 시간 동안 배양하여 MV가 흡수되도록 한 후 연속 광 조건에서 24시간 배양하여 12시간 간격으로 전기 전도도계 (model 455C, Istek, Co., Korea)를 이용하여 용액의 이온 전도도와 24시간 후의 산화 스트레스를 DAB 염색을 통해 측정하여 잎의 손상 정도를 조사하였다. 비형질전환체와 빈 벡터를 형질전환한 대조구 식물체의 경우 2.5 μM의 MV 처리 후 48시간째까지 37.3%와 55.7%의 높은 이온 전도도를 보임으로써 MV에 의해 생성되는 산화스트레스에 대해 강한 감수성을 보임을 알 수 있었다. 반면에 형질전환체의 경우 25.6%와 31.2%의 낮은 이온 전도도를 보임으로써 MV에 의해 생성되는 산화스트레스에 대해 강한 내성을 보였다. 비형질전환체와 빈 벡터를 형질전환한 대조구 식물체의 경우 5 μM의 MV 처리 후 48시간째까지 51.9%와 62.5%의 높은 이온 전도도를 보임으로써 MV에 의해 생성되는 산화스트레스에 대해 강한 감수성을 보임을 알 수 있었다. 그러나 형질전환체의 경우 34.8%와 40.8%의 낮은 이온 전도도를 보임으로써 MV에 의해 생성되는 산화스트레스에 대해 강한 내성을 보였다 (도 10A). 또한 1 mg/ml DAB-HCl (pH 3.8) 용액에 각각의 처리구를 24시간 침지한 뒤 발색시킨 결과 비형질전환체와 빈 벡터를 형질전환한 대조구 식물체의 경우 MV 농도가 높아짐에 따라 갈색으로 발색 정도가 심하여 농도에 따른 산화 스트레스를 많이 받음에 반해 형질전환 식물체의 경우 대조구에 비해 발색 정도가 적어 MV에 의한 산화스트레스에 내성을 나타내었다 (도 10B).
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Claims (11)

  1. 서열번호 1의 염기서열로 이루어진, 고구마(Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는 재조합 벡터를 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체에 형질전환시켜 IbOr-Ins 유전자 변이체를 과발현하는 단계를 포함하는 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고구마 식물체는 자색 고구마인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항의 방법에 의해 제조된 카로티노이드 및 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체.
  4. 제3항에 따른 고구마 식물체의 종자.
  5. 서열번호 1의 염기서열로 이루어진, 고구마(Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는 재조합 벡터를 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체에 형질전환시켜 IbOr-Ins 유전자 변이체를 과발현하는 단계를 포함하는 야생형에 비해 염 또는 산화 스트레스 내성이 증가된 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 고구마 식물체는 자색 고구마인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 삭제
  8. 제5항 또는 제6항의 방법에 의해 제조된 야생형에 비해 염 또는 산화 스트레스 내성이 증가된 안토시아닌 고축적 형질전환 고구마 식물체.
  9. 제8항에 따른 고구마 식물체의 종자.
  10. 서열번호 1의 염기서열로 이루어진, 고구마(Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는, 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체의 카로티노이드 함량 증가용 조성물.
  11. 서열번호 1의 염기서열로 이루어진, 고구마(Ipomoea batatas) 유래의 IbOrange 유전자에 특정 염기서열을 인위적으로 삽입한 IbOr-Ins 유전자 변이체를 포함하는, 안토시아닌을 축적하는 고구마 식물체의 염 또는 산화 스트레스 내성 증가용 조성물.
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