KR101511190B1 - OsHIR1 gene increasing heavy metal stress tolerance and decreasing heavy metal uptake of plant and uses thereof - Google Patents

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장철성
황진규
임성돈
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강원대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to an OsHIR1 gene for increasing heavy metal stress resistance and heavy metal absorption of a plant and to use of the same. A plant in which a gene for coding an OsHIR1 protein is overexpressed exhibits a phenotype that is insensitive to arsenic and cadmium, has more excellent root growth than a control group plant grown under the same conditions, and has a remarkably reduced arsenic and cadmium absorption amount. Accordingly, the expression of a gen for coding an OsHIR1 protein in a plant is adjusted, thereby increasing heavy metal resistance and productivity and developing a safe plant having reduced heavy metal absorption.

Description

식물의 중금속 스트레스 내성 증가 및 중금속 흡수를 감소시키는 OsHIR1 유전자 및 이의 용도 {OsHIR1 gene increasing heavy metal stress tolerance and decreasing heavy metal uptake of plant and uses thereof}[0001] The present invention relates to an OsHIR1 gene and a use thereof for decreasing heavy metal stress tolerance and heavy metal uptake of plants,

본 발명은 식물의 중금속 스트레스 내성 증가 및 중금속 흡수를 감소시키는 OsHIR1 유전자 및 이의 용도에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 벼 유래의 OsHIR1 (Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 식물세포에 형질전환시켜 OsHIR1 유전자를 과발현하는 단계를 포함하는 야생형에 비해 식물체의 중금속 스트레스 내성 증가 및 중금속 흡수를 감소시키는 방법, 상기 OsHIR1 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 이용한 야생형에 비해 중금속 스트레스 내성이 증가되고, 중금속 흡수율이 감소한 형질전환 식물체의 제조 방법, 상기 방법에 의해 제조된 중금속 스트레스 내성이 증가되고, 중금속 흡수율이 감소한 형질전환 식물체 및 이의 종자, 및 벼 유래의 OsHIR1 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 함유하는 식물체의 중금속 스트레스 내성 증가 및 중금속 흡수 감소용 조성물에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a gene encoding OsHIR1 ( Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) protein derived from rice, and more particularly, to a OsHIR1 gene and a use thereof for decreasing heavy metal stress tolerance and heavy metal absorption of plants. methods by transforming a recombinant vector into a plant cell as compared to the wild type comprises the step of overexpressing OsHIR1 gene to reduce the heavy metal stress tolerance increase, and heavy metal absorption of the plant, heavy metals than the wild type with the recombinant vector including the OsHIR1 gene A method for producing a transgenic plant having increased stress tolerance and reduced heavy metal absorption rate, a transgenic plant having increased heavy metal stress tolerance, reduced heavy metal absorption rate, seeds thereof, and OsHIR1 gene derived from rice Plants containing the recombinant vector It relates to heavy metal for increased stress tolerance and reduce heavy metal absorption composition.

비소와 카드뮴은 지구상 어디에나 존재하며 이들의 독성은 심각한 환경 문제를 유발한다. 게다가 이들은 인간 건강에 심각한 위험을 가하지만 제초제, 비료, 살충제를 통해 농업적으로 많이 사용되고 있다. 비소와 카드뮴으로 오염된 토양에서의 작물 재배는 먹이사슬을 통해 인간에게 축적된다 (Verbruggen et al., 2009, Curr Opin Plant Biol 12:364-372). 특히, 벼 재배 시 뿌리를 통해 토양에서 흡수된 비소와 카드뮴은 낟알에 높은 농도로 축적된다. 최근에는 쌀을 섭취한 미국 내 임신 여성들의 소변에서 높은 양의 비소가 검출되어 심각성이 보고되었다 (Gilbert-Diamond et al., 2011, Proc Natl Acad Sci USA 108:20656-20660).Arsenic and cadmium exist everywhere in the world and their toxicity causes serious environmental problems. In addition, they pose a serious risk to human health, but they are used agriculturally by means of herbicides, fertilizers and pesticides. Crop cultivation in soil contaminated with arsenic and cadmium is accumulated in humans through the food chain (Verbruggen et al. , 2009, Curr Opin Plant Biol 12: 364-372). In particular, arsenic and cadmium absorbed from the soil through the roots during rice cultivation accumulate at high concentrations in the kernels. Recently, a high amount of arsenic was detected in the urine of pregnant women in the US who consumed rice (Gilbert-Diamond et al. , 2011, Proc Natl Acad Sci USA 108: 20656-20660).

비산염 (AsO4 3-)은 호기성 토양에 주로 존재하고, 비산염의 환원형태인 아비산염 (AsO3 3-)은 논에 더 많이 존재한다. 이들 두 가지 형태의 비소 흡수 기작은 식물에서 다르게 나타난다. 예를 들어, 벼 세포에서 비산염은 고친화력 무기인산 (Pi) 운반 시스템에 의해 흡수된다. 반면에 아비산염은 규산 (silicic acid)과 분자 크기 및 구조가 유사하여 OsNIP2;1와 같은 규산 유입 운반체에 의해 흡수된다 (Catarecha et al., 2007, Plant Cell 19:1123-1133). 일반적으로 아쿠아포린 (aquaporin)으로 불리는 식물의 MIP (major intrinsic protein)는 NIP (nodulin 26-like intrinsic membrane protein), PIP (plasma membrane intrinsic protein), TIP (tonoplast intrinsic protein) 및 SIP (small basic intrinsic protein)로 구분된다. 현재까지 NIP를 제외한 다른 그룹의 아비산염 흡수에 대한 보고는 없으나, TIP 그룹의 단백질들이 아비산염을 액포로 운반할 가능성이 제시되고 있다 (Zhao et al., 2009, The New phytologist 181:777-794). 카드뮴의 경우는 Zn2+, Mn2+, Fe2+ 및 Ca2+ 운반자들에 의해 토양으로부터 흡수되는 것으로 보고되었다 (Clemens, 2006, Biochimie 88:1707-1719).Arsenate (AsO 4 3- ) is mainly present in aerobic soil, and arsenate (AsO 3 3- ), which is a reduced form of arsenate, is more present in rice. These two types of arsenic absorption mechanisms differ in plants. For example, arsenate in rice cells is absorbed by a high affinity inorganic phosphate (Pi) delivery system. On the other hand, arsenite is similar in molecular size and structure to silicic acid and is absorbed by silicate input carriers such as OsNIP2; 1 (Catarecha et al. , 2007, Plant Cell 19: 1123-1133). The major intrinsic proteins (MIPs) of plants, commonly referred to as aquaporins, are nodulin 26-like intrinsic membrane protein (NIP), plasma membrane intrinsic protein (PIP), tonoplast intrinsic protein (TIP) and small basic intrinsic protein ). To date, there has been no report of the absorption of arsenate in other groups except NIP, but the possibility that the proteins of the TIP group carry the arsenate in vacuoles (Zhao et al. , 2009, The New phytologist 181: 777-794 ). Cadmium has been reported to be absorbed from the soil by Zn 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ and Ca 2+ carriers (Clemens, 2006, Biochimie 88: 1707-1719).

고등 식물에서 프로테아좀 (proteasome)에 의한 단백질 가수분해는 중금속 스트레스를 포함한 많은 스트레스 반응 경로에 있어서 중요한 역할을 수행하는 것으로 보인다. 단백질 번역 후 변형의 하나로써 유비퀴틴화는 26S 프로테아좀에 의한 가수분해 경로의 필수 과정이다. 76개의 아미노산으로 구성된 유비퀴틴은 타겟 단백질의 라이신 잔기에 공유 결합 형태로 붙게 된다. ATP에 의존적인 3개의 효소 (E1, E2 및 E3)가 순차적으로 작동하여 타겟 단백질에 유비퀴틴 분자를 붙여준 후 번역후 변형을 유도하게 된다. E3는 2가지의 그룹으로 분류되는데, 첫 번째는 APC 복합체와 SCF 복합체로 구성된 그룹이며, 이들 그룹은 다수의 서브유닛으로 구성되어 있다. 두 번째 그룹은 HECT 및 RING/U-box E3 리가아제로서, 이들 그룹은 하나의 서브유닛으로 이루어져 있으며 (Vierstra, 2009, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 10:385-397), E3 리가아제는 타겟 기질의 표면에 유비퀴틴 분자가 붙어있는 것을 인지하여 특이적으로 상호작용한다. 기질 단백질에 폴리 (poly)- 또는 모노 (mono)-유비퀴틴 체인이 결합하게 되면 많은 타겟 단백질의 기능과 위치가 결정된다 (Roos-Mattjus and Sistonen, 2004, Ann Med. 36(4):285-295).Protease hydrolysis by proteasomes in higher plants appears to play an important role in many stress response pathways, including heavy metal stress. As a post-translational modification, ubiquitination is an essential step in the hydrolysis pathway by 26S proteasome. The ubiquitin, consisting of 76 amino acids, is covalently attached to the lysine residue of the target protein. Three enzymes dependent on ATP (E1, E2, and E3) sequentially act to attach the ubiquitin molecule to the target protein and induce post-translational modification. E3 is classified into two groups, the first group consisting of the APC complex and the SCF complex, and these groups are composed of a plurality of subunits. The second group is the HECT and RING / U-box E3 ligase, which consists of one subunit (Vierstra, 2009, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 10: 385-397), E3 ligase Recognizes that the ubiquitin molecule is attached to the surface of the target substrate and specifically interacts with it. The binding of a poly- or mono-ubiquitin chain to a substrate protein determines the function and location of many target proteins (Roos-Mattjus and Sistonen, 2004, Ann Med. 36 (4): 285-295 ).

RING (Really Interesting New Gene) E3 리가아제는 시스테인과 히스티딘 잔기로 이루어진 공통서열 (Cys-x2-Cys-x9-Cys-x1-3-His-x2-3-Cys/His-x2-Cys-x4-48-Cys-x2-Cys, x는 모든 아미노산이 위치할 수 있음)을 가지고 있으며, 이들 구조는 2개의 아연 원자와 결합하고 있다. 이러한 구조는 일반적으로 RING-핑거 단백질들이 시스테인 또는 히스티딘 위치에 근거하여 RING-H2 및 RING-HC를 포함하는 2개의 기본 형태로 분류된다고 알려져있다. 또한 RING-D, RING-v, RING-S/T, RING-G 및 RING-C2와 같은 몇 가지 변형된 형태가 애기장대 또는 벼의 게놈을 포함하는 고등식물에서 발견되었다. 연구진들은 RING-도메인을 가진 E3 유비퀴틴 리가아제가 극심한 환경, 병원균에 대한 방어기작, 그리고 식물의 성장에 있어서 적응하는데 중요한 역할을 수행하는 것을 입증하였다. 예를 들면, 고추의 E3 유비퀴틴 리가아제 (즉, Rma1H1)의 기능은 세포막 (plasma membrane)으로 아쿠아포린 수송 억제를 수반하며, 이후 프로테아좀에 의한 가수분해는 가뭄 스트레스에 대해 향상된 내성을 제공한다. 애기장대 SDIR1 (salt- and drought-induced RING finger1)는 스트레스-반응 ABA 신호전달을 조절하는 것으로 여겨진다. 유사하게, OsSDIR1을 과발현시킨 형질전환체 벼가 가뭄에 대한 내성을 가지는 것이 확인되었다 (Gao et al., 2011, Plant Mol Biol 76: 145-156). 그러나 비소나 카드뮴 스트레스에 대한 RING E3 유비퀴틴 리가아제의 역할은 여전히 밝혀지지 않았으며, RING E3 리가아제에 의한 비소 및 카드뮴 축적의 후성적 조절도 현재까지 보고되지 않았다.RING (Really Interesting New Gene) E3 ligase is a common sequence consisting of cysteine and histidine residues (Cys-x 2 -Cys-x 9 -Cys-x 1-3 -His-x 2-3 -Cys / His-x 2 -Cys-x 4-48 -Cys-x 2 -Cys, where x may be any amino acid, and these structures are associated with two zinc atoms. This structure is generally known to be classified into two basic forms, including RING-H2 and RING-HC, based on the cysteine or histidine position of the RING-finger proteins. Several variants such as RING-D, RING-V, RING-S / T, RING-G and RING-C2 have also been found in higher plants including Arabidopsis or rice genomes. The researchers demonstrated that the E3 ubiquitin ligase with the RING-domain plays an important role in adapting to extreme environments, defense mechanisms against pathogens, and plant growth. For example, the function of E3 ubiquitin ligase (i. E., Rma1H1) in red pepper involves the inhibition of the transport of aquaporin to the plasma membrane, and hydrolysis by proteasomes subsequently provides enhanced resistance to drought stress . Arabidopsis SDIR1 (salt- and drought-induced RING finger1) is thought to regulate stress-responsive ABA signaling. Similarly, transgenic rice plants overexpressing OsSDIR1 have been shown to be resistant to drought (Gao et al. , 2011, Plant Mol Biol 76: 145-156). However, the role of RING E3 ubiquitin ligase in arsenic and cadmium stress remains to be elucidated, and post-sexual control of arsenic and cadmium accumulation by RING E3 ligase has not been reported to date.

본 발명자는 과도한 비소 및 카드뮴 농도에 따른 47개의 OsRFP (Oryza sativa RING finger protein) 유전자의 발현 수준을 반정량 RT-PCR로 확인하였다. 세포막에 위치한 OsRFPH2-11은 비소 및 카드뮴을 처리했을 때 현저하게 증가되었으며, 이를 OsHIR1 (O. sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1)으로 다시 명명하였다. OsHIR1이 과발현된 애기장대는 비소 및 카드뮴에 둔감한 표현형을 나타냈으며, 비소 및 카드뮴 흡수량이 현저하게 감소하였다. 본 발명자는 효모 이중 혼성화 방법을 이용하여 OsHIR1 유비퀴틴 E3 리가아제와 상호작용하는 단백질들을 확인하였다. 또한, 단백질 분해 (degradation) 분석 결과를 통해 OsHIR1 E3 리가아제가 액포막 (tonoplast)에 위치한 OsTIP4;1을 세포막으로 이동시키며, 26S 유비퀴틴 프로테오좀 경로를 통하여 단백질 분해를 야기하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 OsHIR1 E3 리가아제가 비소 및 카드뮴의 흡수 조절에서 중요한 역할을 한다는 것을 제시한다.The present inventors confirmed the expression levels of 47 OsRFP ( Oryza sativa RING finger protein) genes according to excessive arsenic and cadmium concentrations by semi-quantitative RT-PCR. OsRFPH2-11 located in the cell membrane was markedly increased by treatment with arsenic and cadmium and was renamed OSHIR1 ( O. sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1). Arabidopsis overexpressing OsHIR1 showed arsenic and cadmium - insensitive phenotypes and significantly decreased arsenic and cadmium uptake. The present inventors have identified proteins that interact with OsHIR1 ubiquitin E3 ligase using a yeast double hybridization method. In addition, the degradation analysis showed that the OsHIR1 E3 ligase migrates OsTIP4; 1 located in the tonoplast to the cell membrane and causes protein degradation through the 26S ubiquitin proteasome pathway. These results suggest that OsHIR1 E3 ligase plays an important role in the regulation of the absorption of arsenic and cadmium.

한편, 한국등록특허 제0515520호에는 '중금속 내성이 향상되고 흡수가 저하된 형질전환체 제조 방법'이 개시되어 있고, 한국등록특허 제1039793호에는 '중금속 내성 Pcr 유전자 및 그 유전자로 형질전환된 생물'이 개시되어 있다. 그러나 본 발명에서와 같이 식물의 중금속 스트레스 내성 증가 및 중금속 흡수를 감소시키는 OsHIR1 유전자 및 이의 용도에 대해서는 개시된 바가 없다.Korean Patent No. 0515520 discloses " a method for producing a transformant having improved heavy metal resistance and decreased absorption, " and Korean Patent No. 1039793 discloses a method for producing a heavy metal resistance Pcr gene and a transformant &Quot; However, as in the present invention, the OsHIR1 gene and its use for reducing heavy metal stress tolerance and heavy metal absorption of plants have not been disclosed.

본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명자들은 벼에서 비소 및 카드뮴 처리에 의해 발현이 현저하게 증가하는 OsHIR1 (Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) 유전자를 선발하였고, OsHIR1 유전자가 과발현되는 애기장대 식물체에서 비소 및 카드뮴 스트레스 내성이 증가하고, 비소 및 카드뮴의 흡수율이 감소하는 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned needs, and the present inventors have selected OsHIR1 ( Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) gene which is remarkably increased in expression by arsenic and cadmium treatment in rice and OsHIR1 gene The present inventors have completed the present invention by confirming that arsenic and cadmium stress resistance in overexpressed Arabidopsis plants is increased and the absorption rate of arsenic and cadmium is decreased.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 벼 유래의 OsHIR1 (Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 식물세포에 형질전환시켜 OsHIR1 유전자를 과발현하는 단계를 포함하는 야생형에 비해 식물체의 중금속 스트레스 내성 증가 및 중금속 흡수를 감소시키는 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention includes a step of overexpressing OsHIR1 gene by transforming a plant cell with a recombinant vector comprising a gene encoding rice-derived OsHIR1 ( Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) Compared to the wild-type plants, which are resistant to heavy metals, and to reduce heavy metal absorption.

또한, 본 발명은 상기 OsHIR1 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 이용한 야생형에 비해 중금속 스트레스 내성이 증가되고, 중금속 흡수율이 감소한 형질전환 식물체의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a transgenic plant having increased heavy metal stress tolerance and reduced heavy metal absorption rate compared to the wild type using a recombinant vector comprising the gene encoding the OsHIR1 protein.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 중금속 스트레스 내성이 증가되고, 중금속 흡수율이 감소한 형질전환 식물체 및 이의 종자를 제공한다.In addition, the present invention provides transgenic plants and seeds thereof, wherein the heavy metal stress tolerance produced by the method is increased and the heavy metal absorption rate is decreased.

또한, 본 발명은 벼 유래의 OsHIR1 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 함유하는 식물체의 중금속 스트레스 내성 증가 및 중금속 흡수 감소용 조성물을 제공한다.The present invention also provides a composition for increasing heavy metal stress tolerance and reducing heavy metal absorption of a plant containing a recombinant vector comprising OsHIR1 gene derived from rice.

본 발명의 OsHIR1 단백질을 코딩하는 유전자가 과발현된 식물체는 비소 및 카드뮴에 둔감한 표현형을 나타내고, 동등한 조건에서 키운 대조구 식물에 비해 뿌리 생장이 우수하며, 비소 및 카드뮴 흡수량이 현저하게 감소하므로, 식물체에서 OsHIR1 단백질을 코딩하는 유전자의 발현 조절을 통해, 중금속 내성 및 생산성이 증가되고 중금속 흡수가 저하된 안전한 작물을 개발하는데 기여할 수 있다.The plants overexpressing the gene encoding the OsHIR1 protein of the present invention exhibit a phenotype insensitive to arsenic and cadmium and exhibit superior roots growth as compared with the control plants grown under the same conditions and remarkably reduce arsenic and cadmium uptake, By modulating the expression of the gene encoding the OsHIR1 protein, it can contribute to the development of safe crops with increased heavy metal tolerance and productivity and reduced heavy metal uptake.

도 1은 비소 (As) 또는 카드뮴 (Cd)을 처리한 식물에서 47개 OsRFP 유전자의 발현 양상을 나타낸다. 발아된 벼 종자는 Na2HAsO4·7H2O 및 CdSO4를 각각 희석한 용액으로 각각 처리되었다. 실생은 처리 4주 후에 샘플링하였으며, Os18S-rRNA는 기준 유전자 (internal control)로 사용되었다. 붉은색 화살표는 OsHIR1 유전자를 나타낸다.
도 2는 벼 OsHIR1의 아미노산 서열 분석 및 RING-H2 도메인의 시험관 내 E3 리가아제 활성을 분석한 결과를 나타낸다. A, 벼 OsHIR1의 연역된 아미노산 서열 및 다른 RING-H2 유형 단백질인 숲개밀 (Brachypodium) 유래 Bradi3g25680 (등록번호 XM_003573851), 옥수수 유래 GRMZM5G879737 (BT055823), 수수 유래 Sb01g022360 (XM_002467225) 및 애기장대 유래 AT1G14180 (NM_101283) 단백질의 다중 정렬 결과이다. 정렬은 ClustalW2 소프트웨어 (http://www.ebi.ac.uk/clustalw/)를 사용하여 수행되었다. 붉은색 상자 안의 RING-H2 도메인을 형성하는 시스테인 (C) 또는 히스티딘 (H)의 보존된 금속-리간드 잔기는 별표로 표시하였다. B, MBP-OsHIR1285-343 또는 Empty-MBP는 효모 E1 또는 애기장대 E2 (AtUBC10 및 11)가 포함되거나, 포함되지 않은 유비퀴틴화 반응 버퍼 (50 mM Tris-HCl, pH 7.5, 10 mM MgCl2, 0.05 mM ZnCl2, 1 mM ATP, 0.2 mM DTT, 10 mM 포스포크레아틴 및 0.1 유닛의 크레아틴 키나아제)에서 반응시켰다. 유비퀴틴화된 밴드는 항-유비퀴틴 항체를 사용한 면역 블럿 분석으로 검출하였다.
도 3은 OsHIR1-과발현 애기장대의 증가된 비소 및 카드뮴 내성 및 감소된 비소 및 카드뮴 흡수를 측정한 결과를 나타낸다. A, OsHIR1-과발현 애기장대 종자 및 대조구 (공벡터) 종자는 발아시킨 후, 150 μM 비소 또는 50 μM 카드뮴이 첨가되거나, 첨가되지 않은 1.5%의 수크로오스를 포함하는 1/2 MS 고체 배지에서 16시간 광/8시간 암 (22℃/18℃) 조건으로 배양하였다. 뿌리 길이는 배양 12일 후 (DAP)에 Image J 소프트웨어를 사용하여 분석하였다. 데이터는 평균±표준편차로 나타냈다 (n=30). 별표는 대조구와 비교하여 각각의 OsHIR1-과발현 식물의 평균 값의 유의차를 나타낸다 (*P<0.05 및 **P<0.01, t-test). B, OsHIR1-과발현 애기장대 종자 및 대조구 (공벡터) 종자는 발아시킨 후, 150 μM 비소 또는 50 μM 카드뮴이 첨가되거나, 첨가되지 않은 1.5%의 수크로오스를 포함하는 1/2 MS 고체 배지에서 16시간 광/8시간 암 (22℃/18℃) 조건으로 2주 동안 배양하였다. 데이터는 평균±표준편차로 나타냈다 (n=250). 별표는 대조구와 비교하여 각각의 OsHIR1-과발현 식물의 평균 값의 유의차를 나타낸다 (*P<0.05 및 **P<0.01, t-test).
도 4는 OsTIP4;1 단백질 수준이 26S 프로테아좀-의존적 방법 (proteasome-dependent manner)을 통해 OsHIR1 E3 리가아제에 의해 감소된다는 것을 나타낸다. A-B, OsHIR1-cMyc는 OsTIP4;1-EYFP 단백질을 감소시켰다. 표시된 구축물이 담배 (N. benthamiana) 잎에 접종되었고, 다양한 시간 (0, 1/2, 1 및 2시간) 동안 배양된 잎의 단백질 추출물은 표시된 것처럼 항-cMyc 항체 또는 항-GFP 항체를 사용한 면역 블럿으로 분석되었다. C, MG132는 OsHIR1-cMyc에 의한 OsTIP4;1-EYFP의 단백질 분해를 저해한다. 추출된 OsTIP4;1-EYFP 단백질은 MG132를 포함하는 OsHIR1 E3 리가아제와 혼합되었고, OsTIP4;1-EYFP 단백질의 수준은 항-GFP 항체를 사용하여 분석되었다. 폰소 S (Ponceau S)로 염색한 루비스코 단백질은 로딩 대조구로 나타냈다.
Figure 1 shows the expression patterns of 47 OsRFP genes in plants treated with arsenic (As) or cadmium (Cd). Germinated seeds were treated with diluted Na 2 HAsO 4 · 7H 2 O and CdSO 4 , respectively. Samples were sampled 4 weeks after treatment and Os18S-rRNA was used as an internal control. The red arrow indicates the OsHIR1 gene.
Fig. 2 shows the amino acid sequence analysis of rice OsHIR1 and the in vitro E3 ligase activity of the RING-H2 domain. A, the deduced amino acid sequence of rice OsHIR1 and other RING-H2 type proteins, Brachypodium derived Bradi3g25680 (registration number XM_003573851), maize derived GRMZM5G879737 (BT055823), sorghum derived Sb01g022360 (XM_002467225) and Arabidopsis thaliana derived AT1G14180 ) Protein. Sorting was performed using the ClustalW2 software (http://www.ebi.ac.uk/clustalw/). The conserved metal-ligand residues of cysteine (C) or histidine (H) that form the RING-H2 domain in the red box are marked with an asterisk. B, MBP-OsHIR1 285-343 or Empty-MBP were incubated with ubiquitination reaction buffer (50 mM Tris-HCl, pH 7.5, 10 mM MgCl 2 , pH 7.4) with or without yeast E1 or Arabidopsis E2 (AtUBC10 and 11) 0.05 mM ZnCl 2 , 1 mM ATP, 0.2 mM DTT, 10 mM phosphocreatine and 0.1 unit of creatine kinase). The ubiquitinated bands were detected by immunoblot analysis using anti-ubiquitin antibody.
Figure 3 shows the results of measuring increased arsenic and cadmium resistance and decreased arsenic and cadmium uptake of OsHIR1 -overexpressing Arabidopsis thaliana. A, OsHIR1- overexpressing Arabidopsis seeds and control (blank vector) seeds were germinated and seeded in 1/2 MS solid medium containing 1.5% sucrose with or without 150 μM arsenic or 50 μM cadmium for 16 hours And cultured under light / 8 hour arm (22 ° C / 18 ° C). Root length was analyzed using Image J software at day 12 after culture (DAP). Data were expressed as means ± SD (n = 30). The asterisk indicates a significant difference (* P <0.05 and ** P <0.01, t- test) between the mean values of the respective OsHIR1 -overexpressing plants compared to the control. B, OsHIR1- overexpressing Arabidopsis seeds and control (blank vector) seeds were germinated and seeded in 1/2 MS solid medium containing 1.5% sucrose with or without 150 μM arsenic or 50 μM cadmium for 16 hours And cultured for 2 weeks under light / 8 hour arm (22 ° C / 18 ° C). Data were expressed as means ± SD (n = 250). The asterisk indicates a significant difference (* P <0.05 and ** P <0.01, t- test) between the mean values of the respective OsHIR1 -overexpressing plants compared to the control.
Figure 4 shows that OsTIP4; 1 protein levels are reduced by OsHIRl E3 ligase in a 26S proteasome-dependent manner. AB, OsHIR1-cMyc reduced OsTIP4; 1-EYFP protein. The indicated constructs were inoculated on tobacco ( N. benthamiana ) leaves and protein extracts of leaves cultured for varying times (0, 1/2, 1 and 2 hours) were incubated with an anti-cMyc antibody or an immunoglobulin Respectively. C, MG132 inhibits protein degradation of OsTIP4; 1-EYFP by OsHIR1-cMyc. The extracted OsTIP4; 1-EYFP protein was mixed with OsHIR1 E3 ligase containing MG132 and the level of OsTIP4; 1-EYFP protein was analyzed using anti-GFP antibody. Rubisco protein stained with Ponceau S was indicated as the loading control.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 벼 유래의 OsHIR1 (Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 식물세포에 형질전환시켜 OsHIR1 유전자를 과발현하는 단계를 포함하는 야생형에 비해 식물체의 중금속 스트레스 내성 증가 및 중금속 흡수를 감소시키는 방법을 제공한다.In order to accomplish the object of the present invention, the present invention provides a method for producing a recombinant vector comprising the step of overexpressing the OsHIR1 gene by transforming a plant cell with a recombinant vector comprising a gene encoding OsHIR1 ( Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) To increase tolerance of heavy metal stress in plants and to reduce heavy metal absorption.

본 발명에 따른 OsHIR1 단백질의 범위는 벼 (Oryza sativa)로부터 분리된 서열번호 2로 표시되는 아미노산 서열을 갖는 단백질 및 상기 단백질의 기능적 동등물을 포함한다. "기능적 동등물"이란 아미노산의 부가, 치환 또는 결실의 결과, 상기 서열번호 2로 표시되는 아미노산 서열과 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상, 더 더욱 바람직하게는 95% 이상의 서열 상동성을 갖는 것으로, 서열번호 2로 표시되는 단백질과 실질적으로 동질의 생리활성을 나타내는 단백질을 말한다. "실질적으로 동질의 생리활성"이란 중금속 스트레스에 대한 내성을 증가시키고, 중금속 흡수율을 감소시키는 활성을 의미한다. 본 발명은 또한 OsHIR1 단백질의 단편, 유도체 및 유사체 (analogues)를 포함한다. 본원에 사용된, 용어 "단편", "유도체" 및 "유사체"는 본 발명의 OsHIR1 폴리펩티드와 실질적으로 같은 생물학적 기능 또는 활성을 보유하는 폴리펩티드를 말한다.The scope of the OsHIR1 protein according to the present invention includes a protein having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 isolated from rice ( Oryza sativa ) and functional equivalents of the protein. Is at least 70% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more, still more preferably 90% or more, more preferably 90% or more, Quot; refers to a protein having a homology of at least 95% with a physiological activity substantially equivalent to that of the protein represented by SEQ ID NO: 2. "Substantially homogenous physiological activity" means an activity that increases resistance to heavy metal stress and decreases the absorption rate of heavy metals. The invention also includes fragments, derivatives and analogues of the OsHIR1 protein. As used herein, the terms "fragments", "derivatives" and "analogs" refer to polypeptides having substantially the same biological function or activity as the OsHIR1 polypeptides of the invention.

본 발명의 벼 유래의 OsHIR1 단백질을 코딩하는 유전자는 DNA 또는 RNA 일 수 있으며, DNA는 cDNA, 게놈 DNA 또는 인위적인 합성 DNA를 포함한다. 바람직하게는, 본 발명의 상기 OsHIR1 단백질 코딩 유전자는 서열번호 1의 염기서열로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 염기 서열의 상동체가 본 발명의 범위 내에 포함된다. 구체적으로, 상기 유전자는 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. 서열정렬 방법 및 서열 동일성 또는 상동성을 결정하기 위한 수단 (예를 들면, BLAST)은 당업계에 주지되어 있다.The gene coding for OsHIR1 protein derived from rice of the present invention may be DNA or RNA, and DNA includes cDNA, genomic DNA or artificial synthetic DNA. Preferably, the OsHIR1 protein coding gene of the present invention may comprise the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1. In addition, homologues of the nucleotide sequences are included within the scope of the present invention. Specifically, the gene has a nucleotide sequence having a sequence homology of 70% or more, more preferably 80% or more, still more preferably 90% or more, and most preferably 95% or more, with the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 . "% Of sequence homology to polynucleotides" is ascertained by comparing the comparison region with two optimally aligned sequences, and a portion of the polynucleotide sequence in the comparison region is the reference sequence for the optimal alignment of the two sequences (I. E., A gap) relative to the &lt; / RTI &gt; Methods for sequencing and means for determining sequence identity or homology (e.g., BLAST) are well known in the art.

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.The term "recombinant" refers to a cell in which a cell replicates a heterologous nucleic acid, expresses the nucleic acid, or expresses a protein encoded by a peptide, heterologous peptide or heterologous nucleic acid. The recombinant cell can express a gene or a gene fragment that is not found in the natural form of the cell in one of the sense or antisense form. In addition, the recombinant cell can express a gene found in a cell in its natural state, but the gene has been modified and reintroduced intracellularly by an artificial means.

본 발명의 재조합 식물 발현 벡터는 외래 유전자를 도입한 식물체 내에서 일시적으로 발현시킬 수 있는 일시적 (transient) 발현 벡터 및 외래 유전자를 도입된 식물체에서 영구적으로 발현시킬 수 있는 식물 발현 벡터로 사용할 수 있다.The recombinant plant expression vector of the present invention can be used as a transient expression vector capable of transient expression in a plant into which the foreign gene is introduced and a plant expression vector capable of permanently expressing the foreign gene in the introduced plant.

본 발명에서, 상기 OsHIR1 단백질을 코딩하는 유전자 서열은 재조합 벡터 내로 삽입될 수 있다. 용어 "벡터"는 세포 내로 전달하는 DNA 단편(들), 핵산 분자를 지칭할 때 사용된다. 벡터는 DNA를 복제시키고, 숙주세포에서 독립적으로 재생산될 수 있다. 용어 "전달체"는 흔히 "벡터"와 호환하여 사용된다. 용어 "발현 벡터"는 목적한 코딩 서열과, 특정 숙주 생물에서 작동가능하게 연결된 코딩 서열을 발현하는데 필수적인 적정 핵산 서열을 포함하는 재조합 DNA 분자를 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. 진핵세포에서 이용가능한 번역 조절 요소인 인핸서 (enhancer), 리보솜 결합 부위, 종결신호, 폴리아데닐레이션 신호 및 프로모터는 당업계에 공지되어 있다. 상기 발현 벡터는 당업계에 주지된 방법에 의해 구축될 수 있다. 상기 방법은 시험관 내 재조합 DNA 기술, DNA 합성 기술 및 생체 내 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 리보솜 결합 부의 및 전사 터미네이터를 포함할 수 있다.In the present invention, the gene sequence encoding the OsHIR1 protein may be inserted into a recombinant vector. The term "vector" is used to refer to a DNA fragment (s), nucleic acid molecule, which is transferred into a cell. The vector replicates the DNA and can be independently regenerated in the host cell. The term "carrier" is often used interchangeably with "vector ". The term "expression vector" means a recombinant DNA molecule comprising a desired coding sequence and a suitable nucleic acid sequence necessary for expressing a coding sequence operably linked in a particular host organism. In principle, any plasmid and vector can be used if it can replicate and stabilize within the host. An important characteristic of the expression vector is that it has a replication origin, a promoter, a marker gene and a translation control element. Enhancers, ribosome binding sites, termination signals, polyadenylation signals, and promoters, which are available in eukaryotic cells, are well known in the art. The expression vector can be constructed by a method known in the art. Such methods include in vitro recombinant DNA technology, DNA synthesis techniques, and in vivo recombination techniques. The DNA sequence can be effectively linked to appropriate promoters in the expression vector to drive mRNA synthesis. The expression vector may also include a ribosome binding site and a transcription terminator as a translation initiation site.

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 유전자를 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.A preferred example of the recombinant vector of the present invention is a Ti-plasmid vector capable of transferring a so-called T-region to a plant cell when present in a suitable host, such as Agrobacterium tumefaciens. Other types of Ti-plasmid vectors (see EP 0 116 718 B1) are currently used to transfer hybrid DNA sequences to plant cells or protoplasts in which new plants capable of properly inserting hybrid DNA into the plant's genome can be produced have. A particularly preferred form of the Ti-plasmid vector is a so-called binary vector as claimed in EP 0 120 516 B1 and U.S. Patent No. 4,940,838. Other suitable vectors that can be used to introduce a gene according to the invention into a plant host include viral vectors such as those that can be derived from double-stranded plant viruses (e. G., CaMV) and single- For example, from non -complete plant virus vectors. The use of such vectors may be particularly advantageous when it is difficult to transform the plant host properly.

본 발명의 재조합 벡터에서, 상기 프로모터는 형질전환에 적합한 프로모터들로서, 바람직하게는 CaMV 35S 프로모터, 액틴 프로모터, 유비퀴틴 프로모터, pEMU 프로모터, MAS 프로모터 또는 히스톤 프로모터일 수 있으며, 바람직하게는 CaMV 35S 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. "항시성 (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 항시성 프로모터가 본 발명에서 바람직할 수 있다. 따라서, 항시성 프로모터는 선택 가능성을 제한하지 않는다.In the recombinant vector of the present invention, the promoter may be a promoter suitable for transformation, preferably a CaMV 35S promoter, an actin promoter, a ubiquitin promoter, a pEMU promoter, a MAS promoter or a histone promoter, preferably a CaMV 35S promoter But is not limited thereto. The term "promoter " refers to the region of DNA upstream from the structural gene and refers to a DNA molecule to which an RNA polymerase binds to initiate transcription. A "plant promoter" is a promoter capable of initiating transcription in plant cells. A "constitutive promoter" is a promoter that is active under most environmental conditions and developmental conditions or cell differentiation. Since the selection of the transformant can be carried out by various tissues at various stages, a constant promoter may be preferable in the present invention. Therefore, the constant promoter does not limit the selectivity.

본 발명의 재조합 벡터에서, 터미네이터는 통상의 터미네이터를 사용할 수 있으며, 그 예로는 노팔린 신타아제 (NOS), 벼 α-아밀라아제 RAmy1 A 터미네이터, 파세올린 (phaseoline) 터미네이터, 아그로박테리움 튜머파시엔스 (Agrobacterium tumefaciens)의 옥토파인 (Octopine) 유전자의 터미네이터 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 터미네이터의 필요성에 관하여, 터미네이터 영역이 식물 세포에서의 유전자 전사의 확실성 및 효율을 증가시키는 것으로 일반적으로 알려져 있다. 그러므로, 터미네이터의 사용은 본 발명의 내용에서 매우 바람직하다.In the recombinant vector of the present invention, the terminator can be a conventional terminator, such as nopaline synthase (NOS), rice α-amylase RAmy1 A terminator, phaseoline terminator, Agrobacterium tumefaciens Agrobacterium tumefaciens , Octopine gene terminator of Agrobacterium tumefaciens , and the like. Regarding the need for a terminator, it is generally known that the terminator region increases the certainty and efficiency of gene transcription in plant cells. Therefore, the use of a terminator is highly desirable in the context of the present invention.

본 발명의 재조합 벡터는 바람직하게는 하나 이상의 선택성 마커를 포함할 수 있다. 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, G418, 블레오마이신 (Bleomycin), 하이그로마이신 (hygromycin), 클로람페니콜 (chloramphenicol)과 같은 항생제 내성 유전자가 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The recombinant vector of the present invention may preferably comprise one or more selectable markers. The marker is typically a nucleic acid sequence having a property that can be selected by a chemical method, and includes all genes capable of distinguishing a transformed cell from a non-transformed cell. Examples include herbicide resistance genes such as glyphosate or phosphinothricin, antibiotic resistant genes such as kanamycin, G418, Bleomycin, hygromycin, chloramphenicol, However, the present invention is not limited thereto.

본 발명에 따른 유전자의 식물로의 도입은 본 발명의 OsHIR1 단백질 코딩 유전자를 포함하는 적합한 벡터를 사용하여 이루어질 수 있으며, 본 발명의 벡터를 식물 숙주세포 내로 운반하는 방법은 당업계에 공지되어 있다. 예를 들면, 유전자총-매개 형질전환 방법 (bombardment), 아그로박테리움-매개 형질전환법, 미세주입법, 칼슘포스페이트 침전법, 전기천공법, 리포좀-매개 형질감염법 및 DEAE-덱스트란 처리법 등이 있으나, 이에 제한되지 않는다.Introduction of a gene according to the present invention into a plant can be accomplished using a suitable vector comprising the OsHIR1 protein coding gene of the present invention, and methods for carrying the vector of the present invention into a plant host cell are well known in the art. For example, gene-mediated transformation (bombardment), Agrobacterium-mediated transformation, microinjection, calcium phosphate precipitation, electroporation, liposome-mediated transfection, and DEAE-dextran treatment But is not limited thereto.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 중금속은 비소 (arsenic) 또는 카드뮴 (cadmium)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the heavy metal may be, but is not limited to, arsenic or cadmium.

또한, 본 발명은 벼 유래의 OsHIR1 (Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는 재조합 벡터로 식물세포를 형질전환하는 단계; 및The present invention also provides a method for producing a recombinant vector comprising the steps of: transforming a plant cell with a recombinant vector comprising a gene encoding OsHIR1 ( Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) And

상기 형질전환된 식물세포로부터 식물을 재분화하는 단계를 포함하는 야생형에 비해 중금속 스트레스 내성이 증가되고, 중금속 흡수율이 감소한 형질전환 식물체의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing a transgenic plant having increased heavy metal stress tolerance and reduced heavy metal absorption rate as compared to the wild type comprising regenerating the plant from the transformed plant cell.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 OsHIR1 단백질은 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the OsHIR1 protein may be an amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, but is not limited thereto.

상기 식물세포를 형질전환시키는 방법은 전술한 바와 같으며, 상기 형질전환된 식물세포로부터 형질전환 식물을 재분화하는 방법은 당업계에 공지된 임의의 방법을 이용할 수 있다.The method of transforming plant cells is as described above. Regeneration of transgenic plants from the transformed plant cells can be carried out by any method known in the art.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 중금속은 비소 또는 카드뮴일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the heavy metal may be arsenic or cadmium, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 중금속 스트레스 내성이 증가되고, 중금속 흡수율이 감소한 형질전환 식물체 및 이의 종자를 제공한다.In addition, the present invention provides transgenic plants and seeds thereof, wherein the heavy metal stress tolerance produced by the method is increased and the heavy metal absorption rate is decreased.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명에 이용되는 식물은 애기장대, 감자, 가지, 담배, 고추, 토마토, 우엉, 쑥갓, 상추, 도라지, 시금치, 근대, 고구마, 샐러리, 당근, 미나리, 파슬리, 배추, 양배추, 갓무, 수박, 참외, 오이, 호박, 박, 딸기, 대두, 녹두, 강낭콩, 완두 등의 쌍자엽 식물 또는 벼, 보리, 밀, 호밀, 옥수수, 사탕수 수, 귀리, 양파 등의 단자엽 식물일 수 있으며, 바람직하게는 애기장대 (Arabidopsis thaliana) 또는 벼 (Oryza sativa)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the plants used in the present invention are selected from the group consisting of Arabidopsis, potato, eggplant, cigarette, pepper, tomato, burdock, ciliaceae, lettuce, bellflower, spinach, modern sweet potato, celery, carrot, Such as rice, barley, wheat, rye, corn, sugar cane, oats, onions, etc., such as Chinese cabbage, cabbage, gangbu, watermelon, melon, cucumber, amber, pak, strawberry, soybean, mung bean, It may be monocotyledons, preferably Arabidopsis thaliana or rice ( Oryza sativa ), but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진, 벼 유래의 OsHIR1 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 함유하는 식물체의 중금속 스트레스 내성 증가 및 중금속 흡수 감소용 조성물을 제공한다. 상기 조성물은 유효성분으로 서열번호 2의 아미노산 서열을 코딩하는 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 포함하며, 상기 유전자를 식물에 형질전환함으로써 식물체의 중금속 스트레스 내성을 증가시키고, 중금속 흡수를 감소시킬 수 있는 것이다. 상기 중금속은 비소 또는 카드뮴일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
The present invention also provides a composition for increasing heavy metal stress tolerance and reducing heavy metal absorption of a plant comprising a recombinant vector comprising a gene encoding an OsHIR1 protein derived from rice, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. The composition includes a recombinant vector containing the gene coding for the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 as an active ingredient. The gene can be transformed into a plant to increase heavy metal stress tolerance of the plant and reduce heavy metal absorption . The heavy metal may be, but is not limited to, arsenic or cadmium.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

재료 및 방법Materials and methods

1. 식물 재료 및 생장 조건1. Plant material and growth condition

벼 (Oryza sativa cv. Donganbyeo) 종자는 물에 적신 거름종이에서 발아시켰고, 특정한 농도의 비소 (Na2HAsO4) 및 카드뮴 (CdSO4)이 첨가되거나, 첨가되지 않은 상토 (Baroker, Korea)에서 16시간 광/8시간 암 (22℃/18℃) 조건으로 키웠다. 벼의 초장은 다양한 농도의 비소 및 카드뮴 처리에 대한 식물의 성장 반응을 확인하기 위해, 파종 4주 후에 측정 규칙을 이용하여 측정하였다. 또한 동시에 비소와 카드뮴에 의한 47개 RFP 유전자 전사체 수준을 측정하기 위해, 식물을 샘플링하였다.The seeds of Oryza sativa cv. Donganbyeo were germinated in water-soaked paper, and seeds were cultivated in soil (Baroker, Korea) with or without added arsenic (Na 2 HAsO 4 ) and cadmium (CdSO 4 ) Hour light / 8 hours arm (22 ° C / 18 ° C). The rice plant height was measured by measuring rules after 4 weeks of sowing in order to confirm plant growth response to various concentrations of arsenic and cadmium treatment. At the same time, plants were sampled to measure levels of 47 RFP gene transcripts by arsenic and cadmium.

OsHIR1-과발현 애기장대 (ecotype Columbia, Col-0) 식물을 개발하기 위해, OsHIR1의 전체 코딩 서열은 정방향 5'-GAGATCTAGAATGGGGTCATTGTGCTG-3' (서열번호 3) 및 역방향 5'-GAGAGGTACCCATGCAGGCAGTTCTTGA-3' (서열번호 4) 프라이머를 이용한 RT-PCR로 증폭하였다. 상기 PCR 산물을 35S:EGFP 벡터에 삽입하였고, 35S:OsHIR1-EGFP 또는 35S:EGFP (대조구)를 포함하는 아그로박테리움 균주 GV3101을 이용한 꽃 침지법 (floral-dip method)으로 형질전환 애기장대 식물체를 제작하였다. 외래유전자 동형접합 라인의 선별을 위해, T3 종자까지 50 ㎍/㎖의 카나마이신을 포함하는 MS 고체 배지에서 키웠으며, OsHIR1의 전사 수준은 RT-PCR로 확인하였다. 뿌리 길이는 대조구 애기장대 종자 및 OsHIR1를 과발현시킨 애기장대 종자를 150 μM 비소 또는 50 μM 카드뮴이 첨가되거나, 첨가되지 않은 1.5%의 수크로오스를 포함하는 1/2 MS 고체 배지에서 상기와 같은 조건으로 배양하여 측정하였다. 12일 동안 식물의 생장을 관찰하였으며, 뿌리 길이는 ImageJ 소프트웨어 (http://rsbweb.nih.gov/ij/)를 이용하여 분석하였다.
OsHIR1 - over-expressing Arabidopsis thaliana (ecotype Columbia, Col-0) to develop the plants, the entire coding sequence of the forward OsHIR1 5'-GAGATCTAGAATGGGGTCATTGTGCTG-3 '(SEQ ID NO: 3) and reverse 5'-GAGAGGTACCCATGCAGGCAGTTCTTGA-3' (SEQ ID NO: 4) RT-PCR using primers. The PCR product was inserted into a 35S: EGFP vector and transformed with the floral-dip method using Agrobacterium strain GV3101 containing 35S: OsHIR1-EGFP or 35S: EGFP (control) Respectively. For selection of foreign homozygous lines, T 3 seeds were grown in MS solid medium containing 50 μg / ml of kanamycin, and the transcription level of OsHIR1 was confirmed by RT-PCR. Root lengths were determined by culturing the Arabidopsis seeds and the Arabidopsis seeds overexpressing OsHIR1 in 1/2 MS solid medium containing 1.5% sucrose with or without 150 μM arsenic or 50 μM cadmium added under the same conditions as above Respectively. Plant growth was monitored for 12 days and root length was analyzed using ImageJ software (http://rsbweb.nih.gov/ij/).

2. 2. 반정량Semi-quantitative RTRT -- PCRPCR ( ( SemiSemi -- quantitativequantitative RTRT -- PCRPCR ))

총 RNA는 TRIzol (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)을 사용하여 추출하였고, cDNA는 제조사의 프로토콜에 따라 PrimeScriptTM RTase (Takara-Bio, Ohtsu, Japan)를 이용하여 합성하였다. 반정량 RT-PCR을 위한 47개 OsRFP 유전자의 프라이머의 고안은 선행 연구에 기재된 방법으로 수행되었다 (Lim et al ., 2013b, DNA Res 20: 299-314). Os18S - rRNA가 기준 유전자 (internal control)로 사용되었다.
Total RNA was extracted using (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA ) TRIzol, cDNA was synthesized using the PrimeScript TM RTase (Takara-Bio, Ohtsu, Japan) according to the manufacturer's protocol. The design of primers for 47 OsRFP genes for semi-quantitative RT-PCR was performed by the method described in the previous study (Lim et al. al . , 2013b, DNA Res 20: 299-314). Os18S - rRNA was used as an internal control.

3. 시험관 내 3. In vitro 유비퀴틴화Ubiquitination 분석 ( analysis ( InIn vitrovitro ubiquitinationubiquitination assayassay ))

OsHIR1의 RING-H2 도메인 영역 (아미노산 285~343)은 정방향 5'-GAGACATATGATGTGCGACCTTTGCGAGAGGC-3' (서열번호 5) 및 역방향 5'-GAGAGTCGACCTAGCAGGCAGGGCAAGGAG-3' (서열번호 6) 프라이머를 이용한 PCR로 증폭하였다. PCR 산물과 pMAL-c5x 발현 벡터 (New England Biolabs, Beverly, MA, USA) 는 NdeI 및 SalI을 이용하여 절단한 후 각각 결합시켰다. 재조합 MBP-OsHIR1285-343 벡터 및 비재조합 (non-recombinant) MBP 벡터 (음성 대조구)는 각각 대장균 BL21 (DES) pLysS (Promega, Madison, WI, USA)에서 발현시켰으며, 아밀로스 레진을 사용한 친화성 크로마토그래피로 정제하였다 (New England Biolabs, Beverly, MA, USA). 정제된 MBP-OsHIR1285-343, 비재조합 MBP, 애기장대 E2 (AtUBC10 및 AtUBC11) 및 효모의 E1 (Boston Biochemicals, Boston, MA, USA)은 시험관 내 자가-유비퀴틴화 분석 (self-ubiquitination assay)을 위해 사용되었다 (Lim et al., 2013b, DNA Res 20:299-314). MBP-OsHIR1285 -343 융합 단백질 (300 ng)은 유비퀴틴화 반응 버퍼 (50 mM Tris-HCl, pH 7.5, 10 mM MgCl2, 0.05 mM ZnCl2, 1 mM ATP, 0.2 mM DTT, 10 mM 포스포크레아틴 및 0.1 유닛의 크레아틴 키나아제)에서 50 ng의 E1, 250 ng의 E2 및 10 ㎍의 소 (bovine) 유비퀴틴 (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)과 함께 반응시켰다. 반응 혼합물은 30℃에서 3시간 동안 반응시켰으며, 6×샘플 버퍼를 첨가하여 반응을 종료시켰다. 이어서 반응 혼합물은 95℃에서 5분 동안 가열하였고, 각각의 샘플 (15 ㎕)은 12% SDS-PAGE로 분리한 후 니트로셀룰로오스 막으로 옮겼다. 항-유비퀴틴 항체 (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)를 사용한 면역 블럿 분석은 선행 연구에 기재된 방법으로 수행되었다 (Lim et al ., 2013a, J Exp Bot 64: 2899-2914).
The RING-H2 domain region (amino acids 285 to 343) of OsHIR1 was amplified by PCR using the forward 5'-GAGACATATGATGTGCGACCTTTGCGAGAGGC-3 '(SEQ ID NO: 5) and reverse 5'-GAGAGTCGACCTAGCAGGCAGGGCAAGGAG-3' (SEQ ID NO: 6) primers. PCR product and pMAL-c5x expression vector (New England Biolabs, Beverly, Mass., USA) were digested with Nde I and Sal I and then ligated, respectively. Recombinant MBP-OsHIR1 285-343 vector and non-recombinant MBP vector (negative control) were expressed in E. coli BL21 (DES) pLysS (Promega, Madison, Wis., USA) Purification by chromatography (New England Biolabs, Beverly, Mass., USA). The purified MBP-OsHIR1 285-343 , non-recombinant MBP, Arabidopsis E2 (AtUBC10 and AtUBC11) and yeast E1 (Boston Biochemicals, Boston, Mass., USA) underwent an in vitro self-ubiquitination assay (Lim et al. , 2013b, DNA Res 20: 299-314). MBP-OsHIR1 285 -343 fusion protein (300 ng) was incubated with ubiquitination reaction buffer (50 mM Tris-HCl, pH 7.5, 10 mM MgCl 2 , 0.05 mM ZnCl 2 , 1 mM ATP, 0.2 mM DTT, 10 mM phosphocreatine And 0.1 unit of creatine kinase) with 50 ng of E1, 250 ng of E2 and 10 μg of bovine ubiquitin (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA). The reaction mixture was reacted at 30 ° C. for 3 hours, and the reaction was terminated by adding 6 × sample buffer. The reaction mixture was then heated at 95 ° C for 5 minutes, and each sample (15 μl) was separated by 12% SDS-PAGE and transferred to a nitrocellulose membrane. Anti-immune blot analysis with ubiquitin antibodies (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) was performed by the method described in previous studies (Lim et al . , 2013a, J Exp Bot 64: 2899-2914).

4. 단백질 분해 분석4. Proteolytic analysis

OsHIR1의 전장 cDNA는 정방향 5'-GAGAGGATCCATGGGGTCATTGTGCTG-3' (서열번호 7) 및 역방향 5'-GAGAGGTACCCATGCAGGCAGTTCTTGA-3' (서열번호 4) 프라이머를 이용하여 증폭시킨 후 35s::8xcMyc 벡터에 클로닝하였다. 35S:OsHIR1 -8 xcMyc 및 35S:OsTIP4:1-EYFP를 각각 포함하는 아그로박테리움 균주 GV3101은 단백질 분해 분석을 수행하기 위해 담배 (Nicotiana benthamiana) 잎에 각각 접종하였다. 아그로박테리움이 접종된 잎은 샘플링하여 균질화한 후, 원형 추출 버퍼 1 (NB1; 50 mM TRIS-MES, pH 8.0, 0.5 M 수크로오스, 1 mM MgCl2, 10 mM EDTA, 5 mM DTT, 프로테아제 저해 칵테일 CompleteMini 정제 [Roche, Germany])과 함께 4℃에서 5분 동안 반응시켰다. 각 샘플들은 30분 동안 4℃에서 16,000×g로 원심분리하였고, 상층액을 분석에 사용하였다. OsHIR1-8xcMyc 또는 empty-8xcMyc 추출물은 OsTIP4;1-EYFP 추출물과 1:1의 부피비로 각각 혼합하였고, 이어서 ATP의 최종 농도를 10 μM로 조절하여 반응시켰다. 각각의 샘플은 50 μM의 MG132를 첨가하거나, 첨가하지 않은 상태에서 3시간 동안 4℃의 온도로 반응시켰다. 20 ㎕의 각각의 반응물들은 c-Myc (sc-40, Santa Cruz, CA, USA) 및 GFP (G1544, Sigma-Aldrich, MO, USA)에 대한 항체를 사용한 면역 블럿으로 분석하였다.
The full-length cDNA of OsHIR1 was amplified using the forward 5'-GAGAGGATCCATGGGGTCATTGTGCTG-3 '(SEQ ID NO: 7) and the reverse 5'-GAGAGGTACCCATGCAGGCAGTTCTTGA-3' (SEQ ID NO: 4) primer and then cloned into 35s :: 8xcMyc vector. Agrobacterium strain GV3101 containing 35S: OsHIR1 -8 xcMyc and 35S: OsTiP4: 1-EYFP , respectively, was inoculated on tobacco (Nicotiana benthamiana) leaves for proteolytic analysis. The leaves inoculated with Agrobacterium were sampled and homogenized and then harvested in a circular extraction buffer 1 (NB1; 50 mM TRIS-MES, pH 8.0, 0.5 M sucrose, 1 mM MgCl 2 , 10 mM EDTA, 5 mM DTT, CompleteMini tablet [Roche, Germany]) at 4 [deg.] C for 5 minutes. Each sample was centrifuged at 16,000 x g for 30 minutes at 4 ° C, and the supernatant was used for analysis. OsHIR1-8xcMyc or empty-8xcMyc extracts were mixed with the OsTIP4; 1-EYFP extract at a volume ratio of 1: 1, followed by the final concentration of ATP adjusted to 10 μM. Each sample was reacted at 4 [deg.] C for 3 hours with or without 50 [mu] M MG132 added. 20 μl of each of the reactants were analyzed by immunoblot using antibodies against c-Myc (sc-40, Santa Cruz, CA, USA) and GFP (G1544, Sigma-Aldrich, MO, USA).

5. 총 비소 및 카드뮴 분석5. Total arsenic and cadmium analysis

OsHIR1-과발현 애기장대 종자 및 대조구 식물 종자는 1.5% 수크로오스가 포함된 1/2 MS 고체 배지에서 2일 동안 배양하여 발아시켰다. 발아된 종자는 50 μM 비소 (V) 또는 50 μM 카드뮴이 첨가되거나, 첨가되지 않은 1/2 MS 고체 배지로 옮긴 후 제어된 생장 챔버에서 2주 동안 키웠다. 식물 조직 (뿌리 및 줄기)은 세포 외 (apoplastic) 비소 및 카드뮴을 제거하기 위해 차가운 버퍼 (1 mM K2HPO4, 0.5 mM Ca(NO3)2 및 5 mM Mes, pH 5.6)로 세척한 후 비소 및 카드뮴 함량을 측정하였다. 샘플은 60℃에서 3일 동안 건조하고, 마이크로파 가속화 반응 시스템 (MARS-X, HP-500 plus, CEM, USA)을 이용하여 질산 (HNO4)-과산화수소 (H2O2)와 함께 광물화한 후, 강원대학교 중앙 실험실에서 유도결합 플라즈마-광학 발광 분석기 (ICP-OES, Optima 7300 DV, Perkin Elmer, USA)로 총 비소 및 카드뮴 함량을 분석하였다.
OsHIR1 -overexpressing Arabidopsis seeds and control plant seeds were germinated by incubation for 2 days in 1/2 MS solid medium containing 1.5% sucrose. Germinated seeds were transferred to 1/2 MS solid medium with or without 50 μM arsenic (V) or 50 μM cadmium, and grown for 2 weeks in a controlled growth chamber. Plant tissues (root and stem) were washed with cold buffer (1 mM K 2 HPO 4 , 0.5 mM Ca (NO 3 ) 2 and 5 mM Mes, pH 5.6) to remove apoplastic arsenic and cadmium Arsenic and cadmium contents were measured. The samples were dried at 60 ° C for 3 days and mineralized with nitric acid (HNO 4 ) -hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) using a microwave accelerated reaction system (MARS-X, HP-500 plus, CEM, USA) (ICP-OES, Optima 7300 DV, Perkin Elmer, USA) were used to analyze total arsenic and cadmium contents in a central laboratory of Kangwon National University.

실시예 1. 비소 및 카드뮴에 대한 반응에서 47개 OsRFP 유전자의 발현 양상Example 1. Expression patterns of 47 OsRFP genes in response to arsenic and cadmium

비소와 카드뮴으로 인한 벼 (cultivar Donganbyeo)의 표현형을 확인하기 위해, 식물에 다양한 농도의 비소 및 카드뮴 각각을 4주 동안 처리하였다. 그 결과, 600~1600 μM의 비소 및 130~650 μM의 카드뮴 처리에서 현저한 식물 성장 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이후, 벼 실생에 비소 (30, 300 및 1000 μM) 또는 카드뮴 (13, 130 및 390 μM)을 각각 처리하여 샘플을 추출하였다. 그리고 각 샘플에서 47개 OsRFP 유전자의 발현양을 반정량 RT-PCR 분석으로 확인하였다 (도 1). 그 중, OsRFPH2-3, OsRFPH2-11, OsRFPH2-18, OsRFPHC-3OsRFPHC-4와 같은 총 5개의 OsRFP 유전자가 비소 및 카드뮴의 처리량이 증가함에 따라 발현양이 증가되는 것으로 나타났다. 또한, OsRFPH2-5, OsRFPH2-12OsRFPv-2 유전자는 비소와 카드뮴의 처리량이 증가함에 따라 발현양이 감소하는 것으로 나타났다. OsRFPH2-22OsRFPHC-14 유전자는 비소 함량이 증가함에 따라 발현양이 증가했으나, 카드뮴의 처리량이 증가함에 따라 유전자 발현이 감소되는 것으로 나타났다. 따라서 본 발명자는 비소 및 카드뮴 처리 두 경우 모두에서 처리량이 증가함에 따라 높게 발현되는 OsRFPH2-11 유전자를 선택하였으며, OsHIR1 ( O ryza s ativa heavy metal induced RING E3 ligase 1)으로 다시 명명하였다.
To identify the phenotype of cultivar Donganbyeo caused by arsenic and cadmium, plants were treated with various concentrations of arsenic and cadmium for 4 weeks each. As a result, it was confirmed that significant difference in plant growth occurred between 600 ~ 1600 μM arsenic and 130 ~ 650 μM cadmium treatment. The samples were then treated with arsenic (30, 300 and 1000 μM) or cadmium (13, 130 and 390 μM), respectively. The amount of expression of 47 OsRFP genes in each sample was confirmed by semi-quantitative RT-PCR analysis (FIG. 1). Among them, 5 OsRFP genes such as OsRFPH2-3 , OsRFPH2-11 , OsRFPH2-18 , OsRFPHC-3 and OsRFPHC-4 showed an increase in the expression level as the throughput of arsenic and cadmium increased. In addition, OsRFPH2-5 , OsRFPH2-12, and OsRFPv-2 genes showed decreased expression levels with increasing amounts of arsenic and cadmium. OsRFPH2-22 and OsRFPHC-14 genes increased in expression level with increasing arsenic content, but gene expression decreased with increasing cadmium throughput. Therefore, the present inventors were OsRFPH2-11 select genes that are highly expressed as the increase in the throughput in both the case of arsenic and cadmium processing two, OsHIR1 was renamed as (O ryza s ativa h eavy metal i nduced R ING E3 ligase 1).

실시예 2. E3 리가아제로서 OsHIR1의 기능Example 2. Function of OsHIR1 as E3 ligase

OsHIR1 유전자는 433개의 아미노산으로 이루어져 있으며, OsHIR1 단백질의 분자량은 47 kDa으로 추정된다. 이후 OsHIR1 유전자와 숲개밀 (brachypodium), 옥수수, 수수 및 애기장대의 상동유전자들을 정렬한 결과, C말단 잔기에 잘 보존된C3H2C3-유형 RING-H2 도메인 (아미노산 285~343)이 확인되었다 (도 2A). RING 도메인을 가진 단백질들은 E3 유비퀴틴 리가아제로서 그들의 기능이 잘 알려져 있다. 따라서 OsHIR1이 E3 리가아제 활성을 나타내는지 확인하기 위해, 전장 OsHIR1 유전자에 MBP (maltose-binding protein)를 결합시킨 융합 단백질을 E. coli (BL21)에서 발현시켰다. 전장 OsHIR1-MBP 단백질은 소수성 특징 때문에 낮은 발현양을 나타내거나 불용성 형태로 발현되었다. 이어서, 본 발명자는 OsHIR1 단백질의 RING-H2 도메인이 E3 유비퀴틴 리가아제 활성을 갖는지 확인하였다. 재조합 MBP-OsHIR1285-343 또는 비재조합 empty-MBP를 각각 E. coli 시스템에서 발현시켰으며, 정제된 각각의 단백질들은 효모의 E1 (ubiquitin-activating enzyme) 및 애기장대 E2 (ubiquitin-conjugating enzyme UBC10 및 11) 효소와 함께 유비퀴틴화 버퍼에서 30℃로 3시간 동안 반응시켰다. 유비퀴틴화 활성은 항-유비퀴틴 항체를 이용하여 측정했다. MBP-OsHIR1285-343은 다수의 유비퀴틴화된 밴드를 나타낸 반면, Empty-MBP에서는 유비퀴틴화된 밴드가 나타나지 않았다. 또한 MBP-OsHIR1285-343은 E1 및 E2가 없을 때에는 유비퀴틴 리가아제로서 역할을 수행하지 못하는 것이 확인되었다 (도 2B). 이러한 결과는 RING-H2 도메인을 포함하는 OsHIR1 단백질이 E3 유비퀴틴 리가아제로서 작용한다는 것을 나타낸다.
The OsHIR1 gene is composed of 433 amino acids, and the molecular weight of the OsHIR1 protein is estimated to be 47 kDa. Subsequent alignment of the homologous genes of the OsHIR1 gene and the brachypodium, maize, sorghum and Arabidopsis lines confirmed the well conserved C3H2C3-type RING-H2 domain (amino acids 285-343) in the C terminal residue ). Proteins with the RING domain are known for their function as E3 ubiquitin ligases. Therefore OsHIR1 the E3 Riga to verify that represents the kinase activity, battlefield OsHIR1 The fusion protein with MBP (maltose-binding protein) was expressed in E. coli (BL21). The full-length OsHIR1-MBP protein exhibited low expression levels or was expressed in an insoluble form due to its hydrophobic character. Next, the present inventors confirmed that the RING-H2 domain of OsHIR1 protein has E3 ubiquitin ligase activity. Recombinant MBP-OsHIR1 285-343 or non-recombinant empty-MBP were expressed in E. coli , respectively, and each of the purified proteins was purified using the ubiquitin-activating enzyme (E1) and ubiquitin-conjugating enzyme UBC10 11) was reacted with the enzyme in ubiquitination buffer at 30 ° C for 3 hours. The ubiquitination activity was measured using an anti-ubiquitin antibody. MBP-OsHIR1 285-343 showed a large number of ubiquitinated bands whereas Empty-MBP did not show ubiquitinated bands. It was also confirmed that MBP-OsHIR1 285-343 does not play a role as ubiquitin ligase in the absence of E1 and E2 (FIG. 2B). These results indicate that the OsHIR1 protein containing the RING-H2 domain functions as an E3 ubiquitin ligase.

실시예 3. Example 3. OsHIR1OsHIR1 -과발현 애기장대의 비소 및 카드뮴 내성 향상- Improvement of arsenic and cadmium resistance in overexposed Arabidopsis thaliana

RT-PCR을 통해 OsHIR1 유전자가 발현되는 것이 확인된 3개의 독립적인 형질전환 라인 (#1, #11 및 #12)이 선택되었으며, 150 μM의 비소 및 50 μM의 카드뮴을 처리한 후 대조구 식물과 비교하였다. OsHIR1 유전자가 과발현된 라인들의 경우 벡터만 삽입된 대조구 식물과 비교했을 때, 정상적인 환경에서는 표현형 차이가 없었지만, 비소와 카드뮴이 처리된 상태에서는 대조구 식물에 비해 뿌리 길이가 더욱 길어지는 것이 확인되었다 (도 3A). 형질전환 식물에서 OsHIR1 유비퀴틴 E3 리가아제에 의해 비소와 카드뮴의 흡수가 영향을 받는지를 알아보기 위하여, 대조구 식물과 OsHIR1 과발현 형질전환 식물의 비소와 카드뮴의 축적 정도를 비교하였다. OsHIR1 과발현 식물체의 줄기 및 뿌리에서 측정된 비소 농도는 14.1% 및 46.6%로 대조구 식물체에 비해 낮은 농도였다 (도 3B). 카드뮴 또한 OsHIR1 과발현 식물체의 줄기 및 뿌리에서 대조구 식물체보다 각각 12.3% 및 3.8% 더 낮게 측정되었다. 이러한 결과는 OsHIR1 유전자가 애기장대에서 과발현될 경우, 비소 및 카드뮴 흡수를 제어하는 기질 단백질을 조절하여 비소 및 카드뮴의 흡수를 감소시킬 수 있다는 것을 제시한다.
Three independent transfection lines (# 1, # 11, and # 12) confirmed to express the OsHIR1 gene were selected by RT-PCR and treated with 150 μM arsenic and 50 μM cadmium, Respectively. OsHIR1 In the case of overexpressed lines, there was no phenotypic difference in the normal environment as compared to the control plant in which only the vector was inserted, but it was confirmed that the root length was longer when treated with arsenic and cadmium than in the control plant (Fig. 3A ). In order to investigate whether the absorption of arsenic and cadmium by OsHIR1 ubiquitin E3 ligase in transgenic plants was affected, the accumulation levels of arsenic and cadmium in control plants and OsHIR1 overexpressing transgenic plants were compared. The arsenic concentrations measured in the stem and root of the OsHIR1 overexpressed plants were 14.1% and 46.6%, respectively, which was lower than that of the control plants (Fig. 3B). Cadmium was also measured 12.3% and 3.8% lower in the stem and root of OsHIR1 overexpressing plants than the control plants, respectively. These results suggest that when the OsHIR1 gene is overexpressed in the Arabidopsis thaliana, the absorption of arsenic and cadmium by arsenic and cadmium can be controlled by controlling the substrate protein that controls the absorption of arsenic and cadmium.

실시예 4. 유비퀴틴 26S 프로테아좀 시스템에 의한 OsHIR1-촉진 OsTIP4;1 분해 (OsHIR1-promoted OsTIP4;1 degradation)Example 4 OsHIR1-promoted OsTIP4; 1 degradation by the ubiquitin 26S proteasome system (OsHIR1-promoted OsTIP4; 1 degradation)

OsHIR1 유전자가 OsTIP4;1 단백질 분해를 촉진하는지 확인하기 위해, 본 발명자는 OsHIR1-cMyc 및 OsTIP4;1-EYFP를 각각 발현시켰고, 단백질 분해 분석을 수행하였다. OsTIP4;1-EYFP 단백질 수준은 OsHIR1-cMyc 단백질이 포함되거나 포함되지 않은 상태에서 항-GFP N-말단 항체를 사용한 면역 블럿 분석을 통해 측정되었다. OsHIR1-cMyc를 같이 반응시켰을 때, OsTIP4:1-EYFP의 단백질 수준은 반응 3시간 후에 대조구 (empty-cMyc 벡터)에 비해 극적으로 감소되었다 (도 4A, B). 이어서, 26S 프로테아좀의 억제제인 MG132를 사용하여 단백질 분해가 유비퀴틴 프로테아좀 경로를 통해 발생하는지 확인하였다. OsTIP4;1-EYFP와 함께 OsHIR1-cMyc를 MG132가 포함되거나 포함되지 않은 상태에서 각각 3시간 동안 반응시켰다. 도 4C에 나타난 것처럼, 모든 반응에 OsHIR1-cMyc 단백질을 같은 양으로 처리했을 때, MG132를 같이 반응시킨 경우에는 OsTIP4;1-EYFP의 단백질 분해가 발생하지 않았다. 이러한 결과는 OsHIR1 유비퀴틴 E3 리가아제가 26S 프로테아좀 분해 경로를 통해 OsTIP4;1에 결합하고, OsTIP4;1의 단백질 분해를 매개한다는 것을 나타낸다. To confirm whether the OsHIR1 gene promotes OsTIP4; 1 protein degradation, the present inventors expressed OsHIR1-cMyc and OsTIP4; 1-EYFP, respectively, and performed proteolytic analysis. OsTIP4; 1-EYFP protein levels were measured by immunoblot analysis using an anti-GFP N-terminal antibody with or without the OsHIR1-cMyc protein. When OsHIR1-cMyc was reacted together, the protein level of OsTIP4: 1-EYFP was dramatically reduced after 3 hours of reaction compared to the control (empty-cMyc vector) (Fig. 4A, B). Subsequently, MG132, an inhibitor of 26S proteasome, was used to determine whether proteolysis occurred via the ubiquitin proteasome pathway. OsTIP4; 1-EYFP and OsHIR1-cMyc were reacted for 3 hours with or without MG132, respectively. As shown in FIG. 4C, when all of the reactions were treated with the same amount of OsHIR1-cMyc protein, the proteolysis of OsTIP4; 1-EYFP did not occur when MG132 was reacted together. These results indicate that OsHIR1 ubiquitin E3 ligase binds to OsTIP4; 1 through the 26S proteasome degradation pathway and mediates proteolysis of OsTIP4; 1.

<110> KNU-Industry Cooperation Foundation <120> OsHIR1 gene increasing heavy metal stress tolerance and decreasing heavy metal uptake of plant and uses thereof <130> PN13270 <160> 7 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 1302 <212> DNA <213> Oryza sativa <400> 1 atggggtcat tgtgctgcgt cgcgtcgagg ccccatgggg ccagcacggc tagccgggag 60 tggtcctcga ttgggcggag cgatccgctc tggcggacta acgctggctt ttcgccgccg 120 ctgtcgagga ggtgggagta ccgcatcaat tctgaggggc tgtcgtatgg ctcccagggt 180 gacagcgggg ctgctgcgca ctacggttcg tcgctatcct cgaatagtaa agagcctagt 240 aggagctggg agaggagtga tgttccaccg gatcatcatc gttactccac ctcggaaggt 300 gccatttcgt attttaacag tccggatgtt accttccaga accaccatat tatgcttcct 360 atgctgcagg attctggcat tgatgaatac atgcgagtct cggtggctga gccaattggt 420 gcattgttat tgtcagaggg gatatctgga cagcaaaaca gtggtggttc cacttcctct 480 cgctctgatg gaagtgaata tgatattgta ccaaaatcat attcctctac cccacgcaac 540 ttcccaagtc gtcgatcatt cctgtcaaag ccaatccatc cgctctcgtt tccagagcat 600 gcactagaag ggcaagaaac tgatagccct gttgccaatg caagcaccag cagtcctatg 660 ccctcggagt tcaaggcaat aggggagatc cgcccgtcag gtctgatgga ctacgcctac 720 gccagtggca gtcatgggga gtcagcaaac tggagtgccg caagtagcat ggatcttacc 780 gatttatcag aacgacatga tgctgaacgc tctggaccac tgcgttccaa taacataatg 840 gatagaacaa ggtgcgacct ttgcgagagg ctcttgtcca agagatcgcc ctggggctcc 900 cgccgaatcg tccgtactgg agatctgcct gttgctggtg tgcttccctg ctgccatgtc 960 taccatgccg agtgcttgga gcgaaccact cccaaggggc agaagcatga ccctccttgc 1020 cctgcctgcg ataggctgtc cggcaaagac accgagcagt ggtcgatctg caggctaaga 1080 aacggattcc cgaggctaag gtcacttggg gaaggccctt ccagggtctg gagctgtgcc 1140 caagctggag actgcgtggc tggcgctgtc cagataccaa gagcaagcag catctctctg 1200 ctgagccgga gtggccacaa gaggcatcat gctgcttcca agggagaatc cggcaaagac 1260 tgggctgaga catcatcatc atcaagaact gcctgcatgt ag 1302 <210> 2 <211> 433 <212> PRT <213> Oryza sativa <400> 2 Met Gly Ser Leu Cys Cys Val Ala Ser Arg Pro His Gly Ala Ser Thr 1 5 10 15 Ala Ser Arg Glu Trp Ser Ser Ile Gly Arg Ser Asp Pro Leu Trp Arg 20 25 30 Thr Asn Ala Gly Phe Ser Pro Pro Leu Ser Arg Arg Trp Glu Tyr Arg 35 40 45 Ile Asn Ser Glu Gly Leu Ser Tyr Gly Ser Gln Gly Asp Ser Gly Ala 50 55 60 Ala Ala His Tyr Gly Ser Ser Leu Ser Ser Asn Ser Lys Glu Pro Ser 65 70 75 80 Arg Ser Trp Glu Arg Ser Asp Val Pro Pro Asp His His Arg Tyr Ser 85 90 95 Thr Ser Glu Gly Ala Ile Ser Tyr Phe Asn Ser Pro Asp Val Thr Phe 100 105 110 Gln Asn His His Ile Met Leu Pro Met Leu Gln Asp Ser Gly Ile Asp 115 120 125 Glu Tyr Met Arg Val Ser Val Ala Glu Pro Ile Gly Ala Leu Leu Leu 130 135 140 Ser Glu Gly Ile Ser Gly Gln Gln Asn Ser Gly Gly Ser Thr Ser Ser 145 150 155 160 Arg Ser Asp Gly Ser Glu Tyr Asp Ile Val Pro Lys Ser Tyr Ser Ser 165 170 175 Thr Pro Arg Asn Phe Pro Ser Arg Arg Ser Phe Leu Ser Lys Pro Ile 180 185 190 His Pro Leu Ser Phe Pro Glu His Ala Leu Glu Gly Gln Glu Thr Asp 195 200 205 Ser Pro Val Ala Asn Ala Ser Thr Ser Ser Pro Met Pro Ser Glu Phe 210 215 220 Lys Ala Ile Gly Glu Ile Arg Pro Ser Gly Leu Met Asp Tyr Ala Tyr 225 230 235 240 Ala Ser Gly Ser His Gly Glu Ser Ala Asn Trp Ser Ala Ala Ser Ser 245 250 255 Met Asp Leu Thr Asp Leu Ser Glu Arg His Asp Ala Glu Arg Ser Gly 260 265 270 Pro Leu Arg Ser Asn Asn Ile Met Asp Arg Thr Arg Cys Asp Leu Cys 275 280 285 Glu Arg Leu Leu Ser Lys Arg Ser Pro Trp Gly Ser Arg Arg Ile Val 290 295 300 Arg Thr Gly Asp Leu Pro Val Ala Gly Val Leu Pro Cys Cys His Val 305 310 315 320 Tyr His Ala Glu Cys Leu Glu Arg Thr Thr Pro Lys Gly Gln Lys His 325 330 335 Asp Pro Pro Cys Pro Ala Cys Asp Arg Leu Ser Gly Lys Asp Thr Glu 340 345 350 Gln Trp Ser Ile Cys Arg Leu Arg Asn Gly Phe Pro Arg Leu Arg Ser 355 360 365 Leu Gly Glu Gly Pro Ser Arg Val Trp Ser Cys Ala Gln Ala Gly Asp 370 375 380 Cys Val Ala Gly Ala Val Gln Ile Pro Arg Ala Ser Ser Ile Ser Leu 385 390 395 400 Leu Ser Arg Ser Gly His Lys Arg His His Ala Ala Ser Lys Gly Glu 405 410 415 Ser Gly Lys Asp Trp Ala Glu Thr Ser Ser Ser Ser Arg Thr Ala Cys 420 425 430 Met <210> 3 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 3 gagatctaga 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tcgctatcct cgaatagtaa agagcctagt 240 aggagctggg agaggagtga tgttccaccg gatcatcatc gttactccac ctcggaaggt 300 gccatttcgt attttaacag tccggatgtt accttccaga accaccatat tatgcttcct 360 atgctgcagg attctggcat tgatgaatac atgcgagtct cggtggctga gccaattggt 420 gcattgttat tgtcagaggg gatatctgga cagcaaaaca gtggtggttc cacttcctct 480 cgctctgatg gaagtgaata tgatattgta ccaaaatcat attcctctac cccacgcaac 540 ttcccaagtc gtcgatcatt cctgtcaaag ccaatccatc cgctctcgtt tccagagcat 600 gcactagaag ggcaagaaac tgatagccct gttgccaatg caagcaccag cagtcctatg 660 ccctcggagt tcaaggcaat aggggagatc cgcccgtcag gtctgatgga ctacgcctac 720 gccagtggca gtcatgggga gtcagcaaac tggagtgccg caagtagcat ggatcttacc 780 gatttatcag aacgacatga tgctgaacgc tctggaccac tgcgttccaa taacataatg 840 gatagaacaa ggtgcgacct ttgcgagagg ctcttgtcca agagatcgcc ctggggctcc 900 cgccgaatcg tccgtactgg agatctgcct gttgctggtg tgcttccctg ctgccatgtc 960 taccatgccg agtgcttgga gcgaaccact cccaaggggc agaagcatga ccctccttgc 1020 cctgcctgcg ataggctgtc cggcaaagac accgagcagt ggtcgatctg caggctaaga 1080 aacggattcc cgaggctaag gtcacttggg gaaggccctt ccagggtctg gagctgtgcc 1140 caagctggag actgcgtggc tggcgctgtc cagataccaa gagcaagcag catctctctg 1200 ctgagccgga gtggccacaa gaggcatcat gctgcttcca agggagaatc cggcaaagac 1260 tgggctgaga catcatcatc atcaagaact gcctgcatgt ag 1302 <210> 2 <211> 433 <212> PRT <213> Oryza sativa <400> 2 Met Gly Ser Leu Cys Cys Val Ala Ser Arg Pro His Gly Ala Ser Thr   1 5 10 15 Ala Ser Arg Glu Trp Ser Ser Ile Gly Arg Ser Asp Pro Leu Trp Arg              20 25 30 Thr Asn Ala Gly Phe Ser Pro Pro Leu Ser Arg Arg Trp Glu Tyr Arg          35 40 45 Ile Asn Ser Glu Gly Leu Ser Tyr Gly Ser Gln Gly Asp Ser Gly Ala      50 55 60 Ala Ala His Tyr Gly Ser Ser Leu Ser Ser Asn Ser Lys Glu Pro Ser  65 70 75 80 Arg Ser Trp Glu Arg Ser Asp Val Pro Pro Asp His His Arg Tyr Ser                  85 90 95 Thr Ser Glu Gly Ala Ile Ser Tyr Phe Asn Ser Pro Asp Val Thr Phe             100 105 110 Gln Asn His His Ile Met Leu Pro Met Leu Gln Asp Ser Gly Ile Asp         115 120 125 Glu Tyr Met Val Val Ser Ala Glu Pro Ile Gly Ala Leu Leu Leu     130 135 140 Ser Glu Gly Ile Ser Gly Gln Gln Asn Ser Gly Gly Ser Thr Ser Ser 145 150 155 160 Arg Ser Asp Gly Ser Glu Tyr Asp Ile Val Pro Lys Ser Tyr Ser Ser                 165 170 175 Thr Pro Arg Asn Phe Pro Ser Arg Arg Ser Phe Leu Ser Lys Pro Ile             180 185 190 His Pro Leu Ser Phe Pro Glu His Ala Leu Glu Gly Gin Glu Thr Asp         195 200 205 Ser Pro Val Ala Asn Ala Ser Thr Ser Ser Pro Met Pro Ser Glu Phe     210 215 220 Lys Ala Ile Gly Glu Ile Arg Pro Ser Gly Leu Met Asp Tyr Ala Tyr 225 230 235 240 Ala Ser Gly Ser Gly Gly Ser Ala Asn Trp Ser Ala Ala Ser Ser                 245 250 255 Met Asp Leu Thr Asp Leu Ser Glu Arg His Asp Ala Glu Arg Ser Gly             260 265 270 Pro Leu Arg Ser Asn Asn Ile Met Asp Arg Thr Arg Cys Asp Leu Cys         275 280 285 Glu Arg Leu Leu Ser Lys Arg Ser Pro Trp Gly Ser Arg Arg Ile Val     290 295 300 Arg Thr Gly Asp Leu Pro Val Ala Gly Val Leu Pro Cys Cys His Val 305 310 315 320 Tyr His Ala Glu Cys Leu Glu Arg Thr Thr Pro Lys Gly Gln Lys His                 325 330 335 Asp Pro Pro Cys Pro Ala Cys Asp Arg Leu Ser Gly Lys Asp Thr Glu             340 345 350 Gln Trp Ser Ile Cys Arg Leu Arg Asn Gly Phe Pro Arg Leu Arg Ser         355 360 365 Leu Gly Glu Gly Pro Ser Arg Val Trp Ser Cys Ala Gln Ala Gly Asp     370 375 380 Cys Val Ala Gly Ala Val Gln Ile Pro Arg Ala Ser Ser Ile Ser Leu 385 390 395 400 Leu Ser Arg Ser Gly His Lys Arg His His Ala Ala Ser Lys Gly Glu                 405 410 415 Ser Gly Lys Asp Trp Ala Glu Thr Ser Ser Ser Ser Thr Ala Cys             420 425 430 Met     <210> 3 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 3 gagatctaga atggggtcat tgtgctg 27 <210> 4 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 4 gagaggtacc catgcaggca gttcttga 28 <210> 5 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 5 gagacatatg atgtgcgacc tttgcgagag gc 32 <210> 6 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 6 gagagtcgac ctagcaggca gggcaaggag 30 <210> 7 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Primer <400> 7 gagaggatcc atggggtcat tgtgctg 27

Claims (9)

서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진 벼 유래의 OsHIR1 (Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 식물세포에 형질전환시켜 OsHIR1 유전자를 과발현하는 단계를 포함하는 야생형에 비해 식물체의 비소 (arsenic) 또는 카드뮴 (cadmium) 내성 증가 및 비소 또는 카드뮴 흡수를 감소시키는 방법.Comprising transfecting a plant cell with a recombinant vector comprising a gene encoding a rice-derived OsHIR1 ( Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 and overexpressing the OsHIR1 gene. Wherein the arsenic or cadmium resistance of the plant is increased and the arsenic or cadmium absorption is reduced. 삭제delete 삭제delete 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진 벼 유래의 OsHIR1 (Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는 재조합 벡터로 식물세포를 형질전환하는 단계; 및
상기 형질전환된 식물세포로부터 식물을 재분화하는 단계를 포함하는 야생형에 비해 비소 (arsenic) 또는 카드뮴 (cadmium) 내성이 증가되고, 비소 또는 카드뮴 흡수율이 감소한 형질전환 식물체의 제조 방법.
Transforming a plant cell with a recombinant vector comprising a gene encoding a rice-derived OsHIR1 ( Oryza sativa heavy metal induced RING E3 ligase 1) protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2; And
Wherein the arsenic or cadmium resistance is increased and the rate of arsenic or cadmium absorption is reduced as compared to the wild type comprising regenerating the plant from the transformed plant cell.
삭제delete 삭제delete 제4항의 방법에 의해 제조된 비소 (arsenic) 또는 카드뮴 (cadmium) 내성이 증가되고, 비소 또는 카드뮴 흡수율이 감소한 형질전환 식물체.An improved transgenic plant having increased resistance to arsenic or cadmium produced by the method of claim 4 and reduced arsenic or cadmium absorption. 제7항에 따른 형질전환 식물체의 종자.8. A seed of a transgenic plant according to claim 7. 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진, 벼 유래의 OsHIR1 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 함유하는 식물체의 비소 (arsenic) 또는 카드뮴 (cadmium) 내성 증가 및 비소 또는 카드뮴 흡수 감소용 조성물.A composition for increasing arsenic or cadmium resistance and reducing arsenic or cadmium absorption of a plant containing a recombinant vector comprising a gene encoding an OsHIR1 protein derived from rice, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2.
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