KR102453800B1 - Method for producing SlMS10 gene knock-out tomato plant using CRISPR/Cas9 system and male-sterile tomato plant produced by the same method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CRISPR/Cas9 시스템을 이용한 SlMS10 (Solanum lycopersicum male sterile 10) 유전자 녹아웃 토마토 식물체의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 웅성 불임 토마토 식물체에 관한 것으로, 본 발명은 CRISPR/Cas9 시스템을 통해 웅성 불임 토마토 식물체를 제조하였으며, 이는 엘리트 계통에 신속하게 도입될 수 있고, 기존 육종 방법에 비해 linkage drag를 제거하기 위해 필요한 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a method for producing a SlMS10 ( Solanum lycopersicum male sterile 10) gene knockout tomato plant using a CRISPR/Cas9 system and a male sterile tomato plant prepared by the method, and the present invention relates to male sterility through the CRISPR/Cas9 system A tomato plant was prepared, which can be quickly introduced into an elite line, and has the advantage of reducing the time required to remove linkage drag compared to the existing breeding method.

Description

CRISPR/Cas9 시스템을 이용한 SlMS10 유전자 녹아웃 토마토 식물체의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 웅성 불임 토마토 식물체{Method for producing SlMS10 gene knock-out tomato plant using CRISPR/Cas9 system and male-sterile tomato plant produced by the same method}Method for producing SlMS10 gene knock-out tomato plant using CRISPR/Cas9 system and male-sterile tomato plant produced by the method same method}

본 발명은 CRISPR/Cas9 시스템을 이용한 SlMS10 유전자 (Solyc02g079810) 녹아웃 토마토 식물체의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 웅성 불임 토마토 식물체에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a SlMS10 gene ( Solyc02g079810 ) knockout tomato plant using a CRISPR/Cas9 system, and a male sterile tomato plant produced by the method.

토마토(Solanum lycopersicum L.)는 가짓과(Solanaceae) 계통에 속하는 대표적인 채소 작물이며, 전 세계적으로 높은 생산량과 소비량으로 인해 시장에서 경제적 가치가 높다. 특히 토마토는 아그로박테리움-매개를 통해 형질전환이 가능하며 상대적으로 수명이 짧고 게놈 크기가 작기 때문에 원예 작물의 번식 모델로 사용되고 있다. 토마토 씨앗은 대부분 상업적으로 사용되는 F1 품종으로 방임수분했던 품종(재래종 의미)보다 더 큰 바이오매스, 더 높은 질병 저항성 및 더 높은 수확량을 보여준다. 식물 웅성 불임(male sterility)은 꽃밥, 미세포자 또는 웅성 배우자가 생성되지 않기 때문에 기능적으로 꽃가루를 생성하거나 방출할 수 없다. 토마토 웅성 불임은 Crane (J. Genet. 1915, 5:1-11)에 의해 처음 설명된 이래 많은 연구자들의 관심을 끌었으며 지금까지 약 50개의 웅성 불임 돌연변이가 보고되었다. 또한 웅성 불임 돌연변이가 타페텀(tapetum) 세포의 분열을 방해하여 eme1/exs, tpd1, amsms1과 같은 유전자를 통해 중단된 소배우자형성을 촉진하는 것으로 보고되었다. 애기장대에서는 꽃가루 발생에 관여하는 조절 인자로 AtDYT1, AtTDF1, AtAMS, AtbHLH10, AtbHLH89, AtbHLH91AtMYB103과 같은 전사 인자를 코딩하는 여러 유전자가 연구되었다. 전사인자 중 basic helix-loop-helix (bHLH) 단백질은 식물의 성장과 발달에 중요한 역할을 한다. 토마토 게놈에서 총 152개의 bHLH 전사인자가 보고되었다. bHLH 모티프는 기능적으로 구별되는 두 영역으로 구성되는데, DNA 결합을 위한 basic 영역과 단백질 이량체화를 위한 HLH 영역이다.Tomato ( Solanum lycopersicum L.) is a representative vegetable crop belonging to the family Solanaceae, and has high economic value in the market due to its high production and consumption worldwide. In particular, tomatoes can be transformed through Agrobacterium-mediated and are used as a breeding model for horticultural crops because of their relatively short lifespan and small genome size. Tomato seeds are mostly commercially available F 1 cultivars, which show greater biomass, higher disease resistance and higher yields than free-pollinated cultivars (meaning native species). Plant male sterility is a functional inability to produce or release pollen because anthers, microcells, or male gametes are not produced. Tomato male infertility has attracted the attention of many researchers since it was first described by Crane (J. Genet. 1915, 5:1-11), and about 50 male infertility mutations have been reported so far. It has also been reported that male infertility mutations interfere with the division of tapetum cells, promoting aborted microgametogenesis through genes such as eme1/exs , tpd1 , ams and ms1 . In Arabidopsis, several genes encoding transcription factors such as AtDYT1 , AtTDF1 , AtAMS , AtbHLH10 , AtbHLH89 , AtbHLH91 and AtMYB103 as regulatory factors involved in pollen generation have been studied. Among transcription factors, the basic helix-loop-helix (bHLH) protein plays an important role in plant growth and development. A total of 152 bHLH transcription factors were reported in the tomato genome. The bHLH motif consists of two functionally distinct regions: the basic region for DNA binding and the HLH region for protein dimerization.

DNA 결합 능력에 따라, DNA에 결합할 수 있는 단백질을 DNA 결합 bHLH라고 하고 다른 단백질은 non-DNA 결합 bHLH라고 한다. 최근 연구에 따르면 non-DNA 결합 bHLH는 bHLH 도메인을 통해 이종 이합체화가 발생하기 때문에 기능적으로 매우 중요하다고 보고되었다. bHLH 전사 인자를 암호화하는 SlMS10 유전자(Solyc02g079810)는 소배우자형성(microgametogenesis) 동안 타페텀에서 프로그램된 세포 사멸과 감수 분열을 모두 수행한다고 보고되었다. 토마토 육종을 위해 ms10 (male sterile 10), ms15, ms32, ps2 (positional sterile 2), ex (exserted stigma) 및 7B-1과 같은 웅성 불임을 제어하는 다른 유전자에 대한 분자 마커 개발 및 유전자 표적화가 보고된 바 있다. 본 발명에서 사용된 웅성 불임 토마토 계통은 수술(stamen) 특이적 유전자 SlSTR1 (Solyc03g053130)을 CRISPR/Cas9 시스템을 이용하여 녹아웃시켜 제조하였다. 이전의 연구에서 본 발명자는 웅성 불임 ms10 유전자를 여교배 육종을 위해 엘리트 계통(MR10-3211)에 도입하는데 성공하였다. MAS (Marker-Assisted Selection)의 경우 foreground selection을 위한 안토시아닌이 결핍된 마커(aa)와 재배열 데이터에서 파생된 SNP (single nucleotide polymorphism) 마커가 회복친 유전자 선발(background selection)에 사용되었다. 토마토 MABC (Marker-Assisted BackCrossing) 육종 프로그램은 전통적인 육종에 비해 빠른 선택 시스템을 통해 육종 시간과 비용을 크게 줄였다. 그러나, 이러한 MAS 방법은 바람직하지 않은 게놈 단편(genomic segment)이 표적 유전자에 연결되어 많은 번식 어려움을 유발한다고 보고되었다.Depending on their ability to bind DNA, proteins that can bind DNA are called DNA-binding bHLHs and other proteins are called non-DNA-bound bHLHs. Recent studies have reported that non-DNA-bound bHLH is functionally very important because heterodimerization occurs through the bHLH domain. It has been reported that the SlMS10 gene ( Solyc02g079810 ), encoding the bHLH transcription factor, performs both programmed cell death and meiosis in tapetum during microgametogenesis. Molecular marker development and gene targeting for other genes controlling male sterility such as ms10 (male sterile 10), ms15 , ms32 , ps2 (positional sterile 2) , ex (exserted stigma) and 7B-1 for tomato breeding have been reported. has been The male sterile tomato strain used in the present invention was prepared by knocking out the stamen-specific gene SlSTR1 ( Solyc03g053130 ) using the CRISPR/Cas9 system. In a previous study, the present inventors succeeded in introducing the male infertility ms10 gene into an elite line (MR10-3211) for backcross breeding. In the case of MAS (Marker-Assisted Selection), anthocyanin-deficient markers (aa) for foreground selection and SNP (single nucleotide polymorphism) markers derived from rearrangement data were used for background selection. The Tomato MABC (Marker-Assisted BackCrossing) breeding program significantly reduced breeding time and costs through a rapid selection system compared to traditional breeding. However, it has been reported that this MAS method causes many reproductive difficulties as undesirable genomic segments are linked to target genes.

최근의 게놈 편집 기술은 다양한 유형의 부위 특정 뉴클레아제(nuclease)를 사용하여 원하는 게놈 DNA 위치에서 유전자 돌연변이를 유도할 수 있는 가능성을 보여주었다. 그 중에서 CRISPR/Cas9 시스템은 식물 및 기타 많은 유기체와 관련하여 강력한 게놈 편집 도구로 알려졌다. 이 시스템의 장점은 표적 부위에 정확하고 효율적인 돌연변이의 도입이다. 또한, 유전자 편집 작물은 종래 전통 육종 기술을 통해 개발된 작물과 비교할 때 차이가 없는 것으로 보여지고 있다.Recent genome editing techniques have shown the potential to induce gene mutations at desired genomic DNA locations using various types of site-specific nucleases. Among them, the CRISPR/Cas9 system is known as a powerful genome editing tool in relation to plants and many other organisms. The advantage of this system is the precise and efficient introduction of mutations at the target site. In addition, it is shown that there is no difference between the gene-edited crops and the crops developed through conventional traditional breeding techniques.

한편, 한국공개특허 제2019-0043841호에는 '식물체에서 CRISPR/Cas9 시스템을 이용하여 LeMADS-RIN 유전자 편집에 의해 에틸렌 생산을 감소시키는 방법'이 개시되어 있고, 한국공개특허 제2019-0020035호에는 '식물 세포에서의 표적된 DNA 변경 방법'이 개시되어 있으나, 본 발명의 CRISPR/Cas9 시스템을 이용한 SlMS10 유전자 녹아웃 토마토 식물체의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 웅성 불임 토마토 식물체에 대해서는 기재된 바가 없다.On the other hand, Korea Patent Application Publication No. 2019-0043841 discloses 'a method for reducing ethylene production by LeMADS-RIN gene editing using the CRISPR/Cas9 system in plants', and Korean Patent Publication No. 2019-0020035 discloses ' Although the 'targeted DNA alteration method in plant cells' is disclosed, the method for producing SlMS10 gene knockout tomato plants using the CRISPR/Cas9 system of the present invention and male sterile tomato plants produced by the method are not described.

본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명자들은 웅성 불임 토마토 식물체를 개발하기 위해 bHLH 전사 인자를 코딩하는 SlMS10 유전자 (Solyc02g079810)를 표적으로 CRISPR/Cas9 시스템을 이용하여 유전자 편집 녹아웃 돌연변이 식물체를 제조하였다. 상기 제조된 SlMS10 유전자 녹아웃 돌연변이체는 꽃이 발달하는 동안 감수 분열 장애와 비정상적인 타페텀을 나타내어 꽃가루 생성이 불가한 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.The present invention was derived from the above needs, and the present inventors targeted the SlMS10 gene ( Solyc02g079810 ) encoding the bHLH transcription factor to develop male sterile tomato plants using a CRISPR/Cas9 system to edit a knockout mutant plant. was prepared. The present invention was completed by confirming that the prepared SlMS10 gene knockout mutant exhibited meiosis disorder and abnormal tapetum during flower development, making it impossible to produce pollen.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 토마토 유래 SlMS10 (Solanum lycopersicum male sterile 10) 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA(guide RNA)와 엔도뉴클레아제(endonuclease) 단백질의 복합체(ribonucleoprotein); 또는 토마토 유래 SlMS10 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA를 암호화하는 DNA 및 엔도뉴클레아제 단백질을 암호화하는 핵산 서열을 포함하는 재조합 벡터;를 유효성분으로 함유하는, 토마토 식물체의 웅성 불임을 유도하기 위한 유전체 교정용 조성물을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a complex of a guide RNA and an endonuclease protein specific to the target nucleotide sequence of the tomato-derived SlMS10 ( Solanum lycopersicum male sterile 10) gene (ribonucleoprotein); Or a recombinant vector comprising a nucleic acid sequence encoding a DNA encoding an endonuclease protein and a DNA encoding a guide RNA specific for the target nucleotide sequence of the SlMS10 gene derived from tomato; containing as an active ingredient, inducing male infertility of tomato plants It provides a composition for genome editing for

또한, 본 발명은 (a) 토마토 유래 SlMS10 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA 및 엔도뉴클레아제 단백질을 토마토 식물세포에 도입하여 유전체를 교정하는 단계; 및 (b) 상기 유전체가 교정된 토마토 식물세포로부터 토마토 식물체를 재분화하는 단계;를 포함하는, 웅성 불임이 유도된 유전체 교정 토마토 식물체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (a) introducing a guide RNA and an endonuclease protein specific for the target nucleotide sequence of the tomato-derived SlMS10 gene into tomato plant cells to correct the genome; And (b) re-differentiating the tomato plant from the tomato plant cell in which the genome has been corrected;

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 웅성 불임이 유도된 유전체 교정 토마토 식물체를 제공한다.In addition, the present invention provides a genome-corrected tomato plant induced in male infertility prepared by the above method.

잡종 종자 생산에서 웅성 불임의 활용은 꽃가루를 생산하지 않고 주두(암술머리)를 드러내기 때문에 비용을 줄이고 품종의 고순도를 보장할 수 있다. 본 발명은 CRISPR/Cas9 시스템을 통해 웅성 불임 토마토 식물체를 제조하였으며, 이는 엘리트 계통에 신속하게 도입될 수 있고, 기존 육종 방법에 비해 linkage drag(원하는 특정 형질을 얻기 위해서 교배를 통해 특정 형질의 선택, 선발하는 과정에서 원하지 않은 다른 유전자들이 같이 붙어서 오는 현상)를 제거하기 위해 필요한 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.The utilization of male sterility in hybrid seed production can reduce costs and ensure high purity of the variety because it does not produce pollen and exposes the stigma. The present invention produced male sterile tomato plants through the CRISPR/Cas9 system, which can be rapidly introduced into elite lines, and compared to the existing breeding method, linkage drag (selection of specific traits through crossbreeding to obtain a specific trait desired, It has the advantage of shortening the time required to remove unwanted genes (the phenomenon that other genes come together) during the selection process.

도 1은 다양한 식물 유래의 bHLH 단백질의 계통발생학적 분석 결과이다.
도 2는 CRISPR/Cas9 시스템을 이용한 SlMS10 (Solanum lycopersicum male sterile 10) 유전자 편집에 관한 것으로, 도 2(A)는 SlMS10 유전자에서 각 sgRNA의 표적 위치를 보여주는 것으로, 밑줄은 PAM 자리이다. 도 2(B)는 본 발명에서 사용된 sgRNA-Cas9 벡터(AtU6:sgRNA/pBAtC)의 모식도이고, 도 2(C)는 유전자 편집된 T0 세대에서 homo-, hetero-, bi- 및 multi-allelic 편집 비율을 나타내고, 도 2(D)는 sgRNA1(서열번호 2) 및 sgRNA2(서열번호 3)의 유전자 편집 빈도를 보여준다.
도 3은 sgRNA 표적 부위의 돌연변이 경향 및 개화 표현형을 확인한 것으로, 도 3(A)는 SlMS10 유전자에서 CRISPR/Cas9 매개 표적 돌연변이 유발의 도식이고, 도 3(B)는 유전자 편집된 식물체와 야생형(wild type)의 꽃 표현형이다.
도 4는 유전자 편집된 cr-ms10-1-4, cr-ms10-2-8 돌연변이 계통 및 야생형(WT) 식물체의 꽃의 형태학적 분석 결과로, 도 4(A)는 꽃을 이루는 각 기관의 사진이고, 도 4(B) 및 4(C)는 꽃받침(sepal), 꽃잎(petal), 암술대(style), 꽃밥(약, anther) 및 씨방(ovary)의 길이 및 너비를 측정한 결과이고, 도 4(D)는 아세트산카민 염색을 통해 화분 생존력을 분석한 결과이다.
도 5는 각기 다른 발달 단계에서의 꽃밥의 조직학적 분석 결과로, 도 5(A)는 야생형(WT) 및 유전자 편집된 cr-ms10-1-4 돌연변이 계통의 꽃밥의 횡단면을 보여주며, 도 5(B)는 SEM 분석 결과이다. (a,g) Premeiotic stage(분열 전 단계); (b,h) Meiotic stage(감수분열 단계); (c,i) Tetrad stage(사분자기); (d,j) Microspore stage(소포자 단계); (e,k) Mitotic stage(유사분열 단계); (f,l) Dehiscence stage(열개 단계); dMs, degenerated meiocytes; dT, degenerated tapetum; En, endothecium; Ep, epidermis; ML, middle cell layer; Msp, microspore; PMC, pollen mother cell; SC, sporogenous cell; T, tapetum; Tds, tetrads.
도 6(A)는 야생형에서 토마토 꽃의 발달 단계를 보여주는 것이며, 도 6(B)는 야생형(WT) 및 유전자 편집된 cr-ms10-1-4 돌연변이 계통에서 개화와 관련된 유전자들의 상대적인 발현수준을 RT-PCR로 확인한 결과이다. dpa, days post anthesis; Solyc02g079810, MS10; Solyc08g062780, AMS-like; Solyc03g053130, SlSTR1; Solyc04g008420, AMS-like-1; Solyc01g081100, MS32; Solyc03g113530, AtTDF1-like; Solyc10g005760, MYB103-like; Solyc06g069220, Aspartic protease-1; Solyc07g053460, Cysteine protease; Solyc03g116930, Sister chromatid cohesion; Solyc03g046200, Endo-1,3-beta-glucanase; Solyc03g078400, Actin.
도 7(A)는 추정적인 형질전환 식물체로부터 증폭된 PCR 산물의 겔 로딩 사진이고, 도 7(B)는 유전자 편집된 식물체의 표현형이며, 도 7(C)는 PCR 분석을 통해 T1 및 T2 세대에서 null segregant를 선별한 결과이다.
1 is a phylogenetic analysis result of bHLH protein derived from various plants.
Figure 2 relates to SlMS10 ( Solanum lycopersicum male sterile 10) gene editing using the CRISPR/Cas9 system, and Figure 2 (A) shows the target position of each sgRNA in the SlMS10 gene, and the underline is the PAM site. Figure 2 (B) is a schematic diagram of the sgRNA-Cas9 vector (AtU6: sgRNA / pBAtC) used in the present invention, Figure 2 (C) is a gene-edited T 0 generation homo-, hetero-, bi- and multi- Allelic editing rates are shown, and FIG. 2(D) shows the gene editing frequencies of sgRNA1 (SEQ ID NO: 2) and sgRNA2 (SEQ ID NO: 3).
Figure 3 confirms the mutation tendency and flowering phenotype of the sgRNA target site, Figure 3 (A) is a schematic of CRISPR / Cas9 mediated target mutagenesis in the SlMS10 gene, Figure 3 (B) is a gene-edited plant and wild type (wild) type) is the flower phenotype.
4 is a morphological analysis result of flowers of gene-edited cr-ms10-1-4, cr-ms10-2-8 mutant lines and wild-type (WT) plants. 4 (B) and 4 (C) are the results of measuring the length and width of the sepal, petal, style, anther (about, anther) and ovary (ovary), 4(D) shows the results of analysis of pollen viability by staining with carmine acetate.
Figure 5 is the result of histological analysis of anthers at different developmental stages, Figure 5 (A) shows a cross section of anthers of wild-type (WT) and gene-edited cr-ms10-1-4 mutant strains, Figure 5 (B) is the SEM analysis result. (a,g) Premeiotic stage; (b,h) Meiotic stage; (c,i) Tetrad stage; (d,j) Microspore stage; (e,k) Mitotic stage; (f,l) Dehiscence stage (dehiscence stage); dMs, degenerated meiocytes; dT, degenerated tapetum; En, endothecium; Ep, epidermis; ML, middle cell layer; Msp, microspores; PMC, pollen mother cell; SC, sporogenous cells; T, tapetum; Tds, tetrads.
Figure 6 (A) shows the developmental stage of tomato flowers in the wild type, and Figure 6 (B) is the relative expression levels of genes related to flowering in wild type (WT) and gene-edited cr-ms10-1-4 mutant lines. This is the result confirmed by RT-PCR. dpa, days post anthesis; Solyc02g079810 , MS10; Solyc08g062780 , AMS-like; Solyc03g053130 , SlSTR1; Solyc04g008420 , AMS-like-1; Solyc01g081100 , MS32; Solyc03g113530 , AtTDF1-like; Solyc10g005760 , MYB103-like; Solyc06g069220 , Aspartic protease-1; Solyc07g053460 , Cysteine protease; Solyc03g116930 , Sister chromatid cohesion; Solyc03g046200 , Endo-1,3-beta-glucanase; Solyc03g078400 , Actin.
Figure 7 (A) is a gel loading photograph of the PCR product amplified from the putative transgenic plant, Figure 7 (B) is the phenotype of the gene edited plant, Figure 7 (C) is T 1 and T through PCR analysis This is the result of selecting null segregants from the second generation.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 토마토 유래 SlMS10 (Solanum lycopersicum male sterile 10) 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA(guide RNA)와 엔도뉴클레아제(endonuclease) 단백질의 복합체(ribonucleoprotein); 또는 토마토 유래 SlMS10 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA를 암호화하는 DNA 및 엔도뉴클레아제 단백질을 암호화하는 핵산 서열을 포함하는 재조합 벡터;를 유효성분으로 함유하는, 토마토 식물체의 웅성 불임을 유도하기 위한 유전체 교정용 조성물을 제공한다.In order to achieve the object of the present invention, the present invention provides a complex of a guide RNA and an endonuclease protein specific to the target nucleotide sequence of the tomato-derived SlMS10 ( Solanum lycopersicum male sterile 10) gene (ribonucleoprotein) ; Or a recombinant vector comprising a nucleic acid sequence encoding a DNA encoding an endonuclease protein and a DNA encoding a guide RNA specific for the target nucleotide sequence of the SlMS10 gene derived from tomato; containing as an active ingredient, inducing male infertility of tomato plants It provides a composition for genome editing for

용어 "유전체/유전자 교정(genome/gene editing)"은, 인간 세포를 비롯한 동·식물 세포의 유전체 염기서열에 표적지향형 변이를 도입할 수 있는 기술로서, DNA 절단에 의한 하나 이상의 핵산 분자의 결실(deletion), 삽입(insertion), 치환(substitutions) 등에 의하여 특정 유전자를 녹-아웃(knock-out) 또는 녹-인(knock-in)하거나, 단백질을 생성하지 않는 비-코딩(non-coding) DNA 서열에도 변이를 도입할 수 있는 기술을 말한다. 본 발명의 목적상 상기 유전체 교정은 특히 엔도뉴클레아제(endonuclease) 예컨대, Cas9(CRISPR associated protein 9) 단백질 및 가이드 RNA를 이용하여 식물체에 변이를 도입하는 것일 수 있다. 또한, '유전자 교정'은 '유전자 편집'과 혼용되어 사용될 수 있다.The term "genome/gene editing" is a technology that can introduce target-directed mutations into the genome sequence of animal and plant cells, including human cells, and is a technique that allows deletion of one or more nucleic acid molecules by DNA cleavage. Deletion), insertion (insertion), substitution (substitutions), etc. knock-out (knock-out) or knock-in (knock-in) a specific gene, or non-coding DNA that does not produce a protein It refers to a technology that can introduce mutations into sequences as well. For the purpose of the present invention, the genome editing may be to introduce a mutation into a plant using an endonuclease, for example, a CRISPR associated protein 9 (Cas9) protein and a guide RNA. Also, 'gene editing' may be used interchangeably with 'gene editing'.

용어 "표적 유전자"는 본 발명을 통해 교정하고자 하는 식물체의 유전체 내에 있는 일부 DNA를 의미하며, 그 유전자의 종류에 제한되지 않으며, 코딩 영역 및 비-코딩 영역을 모두 포함할 수 있다. 당업자는 그 목적에 따라, 제조하고자 하는 유전체 교정 식물체에 대하여 원하는 변이에 따라 상기 표적 유전자를 선별할 수 있다.The term "target gene" refers to some DNA in the genome of a plant to be corrected through the present invention, is not limited to the type of the gene, and may include both a coding region and a non-coding region. A person skilled in the art can select the target gene according to the desired mutation for the genome-corrected plant to be prepared, depending on the purpose.

용어 "가이드 RNA(guide RNA)"는 표적 유전자의 염기서열을 암호화하는 DNA에 특이적인 RNA를 의미하며, 표적 DNA 염기서열과 전부 또는 일부가 상보적으로 결합하여 해당 표적 DNA 염기서열로 엔도뉴클레아제 단백질을 이끄는 역할을 하는 리보핵산을 의미한다. 상기 가이드 RNA는 두 개의 RNA, 즉, crRNA(CRISPR RNA) 및 tracrRNA(trans-activating crRNA)를 구성 요소로 포함하는 이중 RNA(dual RNA); 또는 표적 유전자 내 염기서열과 전부 또는 일부 상보적인 서열을 포함하는 제1 부위 및 RNA-가이드 뉴클레아제와 상호작용하는 서열을 포함하는 제2 부위를 포함하는 단일 사슬 가이드 RNA(sgRNA) 형태를 말하나, RNA-가이드 뉴클레아제가 표적 염기서열에서 활성을 가질 수 있는 형태라면 제한없이 본 발명의 범위에 포함될 수 있으며, 함께 사용된 엔도뉴클레아제의 종류 또는 엔도뉴클레아제의 유래 미생물 등을 고려하여 당업계의 공지된 기술에 따라서 적절히 선택할 수 있다.The term "guide RNA (guide RNA)" refers to RNA specific for DNA encoding the nucleotide sequence of a target gene, and all or part of the target DNA nucleotide sequence and all or part of the nucleotide sequence are complementarily bound to form endonuclease as the target DNA nucleotide sequence. It refers to ribonucleic acid that plays a role in guiding the first protein. The guide RNA may include two RNAs, that is, a dual RNA including crRNA (CRISPR RNA) and tracrRNA (trans-activating crRNA) as components; Or it refers to a single-chain guide RNA (sgRNA) form comprising a first site comprising a sequence that is fully or partially complementary to a nucleotide sequence in a target gene and a second site comprising a sequence that interacts with an RNA-guided nuclease. , the RNA-guided nuclease may be included in the scope of the present invention without limitation as long as it has a form capable of having activity in the target nucleotide sequence, taking into account the type of endonuclease used together or the microorganism derived from the endonuclease, etc. It can be appropriately selected according to a technique known in the art.

또한, 상기 가이드 RNA는 플라스미드 주형으로부터 전사된 것, 생체 외(in vitro)에서 전사된(transcribed) 것(예컨대, 올리고뉴클레오티드 이중가닥) 또는 합성한 가이드 RNA 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In addition, the guide RNA may be transcribed from a plasmid template, transcribed in vitro (eg, oligonucleotide double-stranded), or synthesized guide RNA, but is not limited thereto.

본 발명에 따른 유전체 교정용 조성물에 있어서, 상기 가이드 RNA는 SlMS10 유전자의 표적 염기서열에 특이적으로 고안된 것으로서, SlMS10 유전자의 표적 염기서열은 바람직하게는 서열번호 2 또는 서열번호 3의 염기서열로 이루어진 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 서열번호 2 또는 서열번호 3의 염기서열은 서열번호 1의 염기서열로 이루어진 SlMS10 유전자에서 각각 첫 번째 엑손 또는 세 번쩨 엑손 부위의 표적 서열이다.In the composition for genome editing according to the present invention, the guide RNA is specifically designed for the target nucleotide sequence of the SlMS10 gene, and the target nucleotide sequence of the SlMS10 gene is preferably composed of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 3 may be, but is not limited thereto. The nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 3 is the target sequence of the first exon or the third exon region in the SlMS10 gene consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, respectively.

또한, 본 발명에 따른 유전체 교정용 조성물에 있어서, 상기 엔도뉴클레아제 단백질은 Cas9, Cpf1(CRISPR from Prevotella and Francisella 1), TALEN(Transcription activator-like effector nuclease), ZFN(Zinc Finger Nuclease) 또는 이의 기능적 유사체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 Cas9 단백질일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In addition, in the composition for genome editing according to the present invention, the endonuclease protein is Cas9, Cpf1 (CRISPR from Prevotella and Francisella 1), TALEN (Transcription activator-like effector nuclease), ZFN (Zinc Finger Nuclease) or its It may be at least one selected from the group consisting of functional analogs, and preferably, a Cas9 protein, but is not limited thereto.

또한, 상기 Cas9 단백질은 스트렙토코커스 피요제네스(Streptococcus pyogenes) 유래의 Cas9 단백질, 캠필로박터 제주니(Campylobacter jejuni) 유래의 Cas9 단백질, 스트렙토코커스 써모필러스(S. thermophilus) 또는 스트렙토코커스 아우레우스(S. aureus) 유래의 Cas9 단백질, 네이쎄리아 메닝기티디스(Neisseria meningitidis) 유래의 Cas9 단백질, 파스투렐라 물토시다(Pasteurella multocida) 유래의 Cas9 단백질, 프란시셀라 노비시다(Francisella novicida) 유래의 Cas9 단백질 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. Cas9 단백질 또는 이의 유전자 정보는 NCBI(National Center for Biotechnology Information)의 GenBank와 같은 공지의 데이터베이스에서 얻을 수 있다.In addition, the Cas9 protein is Streptococcus pyogenes -derived Cas9 protein, Campylobacter jejuni -derived Cas9 protein, Streptococcus thermophilus or Streptococcus aureus ( S. aureus ) derived Cas9 protein, Neisseria meningitidis derived Cas9 protein, Pasteurella multocida derived Cas9 protein, Francisella novicida Cas9 protein derived from, etc. It may be one or more selected from the group consisting of, but is not limited thereto. Cas9 protein or genetic information thereof can be obtained from a known database such as GenBank of the National Center for Biotechnology Information (NCBI).

Cas9 단백질은 RNA-guided DNA 엔도뉴클레아제 효소로, 이중 가닥 DNA 절단(double stranded DNA break)을 유도한다. Cas9 단백질이 정확하게 표적 염기서열에 결합하여 DNA 가닥을 잘라내기 위해서는 PAM (Protospacer Adjacent Motif)이라 알려진 3개의 염기로 이루어진 짧은 염기서열이 표적 염기서열 옆에 존재해야 하며, Cas9 단백질은 PAM 서열(NGG)로부터 3번째와 4번째 염기쌍 사이를 추정하여 절단한다.Cas9 protein is an RNA-guided DNA endonuclease enzyme that induces double-stranded DNA breaks. In order for the Cas9 protein to accurately bind to the target sequence and cut the DNA strand, a short sequence of three bases known as PAM (Protospacer Adjacent Motif) must exist next to the target sequence, and the Cas9 protein has a PAM sequence (NGG). cleavage by inferring between the 3rd and 4th base pairs from

본 발명에 따른 유전체 교정용 조성물에 있어서, 상기 가이드 RNA와 엔도뉴클레아제 단백질은 리보핵산-단백질(ribonucleoprotein) 복합체를 형성하여 RNA 유전자 가위(RNA-Guided Engineered Nuclease, RGEN)로 작동할 수 있다.In the composition for genome editing according to the present invention, the guide RNA and the endonuclease protein form a ribonucleoprotein complex to operate as RNA-Guided Engineered Nuclease (RGEN).

본 발명은 또한,The present invention also

(a) 토마토 유래 SlMS10 (Solanum lycopersicum male sterile 10) 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA(guide RNA) 및 엔도뉴클레아제(endonuclease) 단백질을 토마토 식물세포에 도입하여 유전체를 교정하는 단계; 및(A) tomato-derived SlMS10 ( Solanum lycopersicum male sterile 10) step of correcting the genome by introducing a guide RNA (guide RNA) and endonuclease (endonuclease) protein specific to the target nucleotide sequence of the gene into tomato plant cells; and

(b) 상기 유전체가 교정된 토마토 식물세포로부터 토마토 식물체를 재분화하는 단계;를 포함하는, 웅성 불임이 유도된 유전체 교정 토마토 식물체의 제조방법을 제공한다.(b) re-differentiating the tomato plant from the tomato plant cell in which the genome has been corrected;

본 발명의 일 구현 예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 SlMS10 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA 및 엔도뉴클레아제 단백질은 전술한 것과 같다.In the preparation method according to an embodiment of the present invention, the guide RNA and endonuclease protein specific for the target nucleotide sequence of the SlMS10 gene are the same as described above.

본 발명에서 사용된 CRISPR/Cas9 시스템은 교정하고자 하는 특정 유전자의 특정위치에 이중나선 절단을 도입하여 DNA 수선 과정에서 유도되는 불완전 수선에 의한 삽입-결실(insertion-deletion, InDel) 돌연변이를 유도시키는 NHEJ(non-homologous end joining) 기작에 의한 유전자 교정 방법이다.The CRISPR/Cas9 system used in the present invention introduces a double helix break at a specific position of a specific gene to be corrected, and NHEJ induces an insertion-deletion (InDel) mutation caused by incomplete repair induced in the DNA repair process. It is a gene editing method based on (non-homologous end joining) mechanism.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계의 가이드 RNA 및 엔도뉴클레아제 단백질을 토마토 식물세포에 도입하는 것은, 토마토 유래 SlMS10 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA와 엔도뉴클레아제 단백질의 복합체(ribonucleoprotein); 또는 토마토 유래 SlMS10 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA를 암호화하는 DNA 및 엔도뉴클레아제 단백질을 암호화하는 핵산 서열을 포함하는 재조합 벡터;를 이용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the production method according to the present invention, the introduction of the guide RNA and the endonuclease protein of step (a) into tomato plant cells includes a guide RNA and an endonuclease specific to the target nucleotide sequence of the tomato-derived SlMS10 gene. ribonucleoprotein; Alternatively, a recombinant vector comprising a DNA encoding a guide RNA specific for the target nucleotide sequence of the tomato-derived SlMS10 gene and a nucleic acid sequence encoding an endonuclease protein; may be used, but is not limited thereto.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 가이드 RNA와 엔도뉴클레아제 단백질의 복합체를 식물세포에 형질도입하는 방법은 원형질체에 대한 칼슘/폴리에틸렌 글리콜 방법(Krens et al., 1982, Nature 296:72-74; Negrutiu et al., 1987, Plant Mol. Biol. 8:363-373), 원형질체의 전기천공법(Shillito et al., 1985, Bio/Technol. 3:1099-1102), 식물 요소로의 현미주사법(Crossway et al., 1986, Mol. Gen. Genet. 202:179-185), 각종 식물 요소의(DNA 또는 RNA-코팅된) 입자 충격법(Klein et al., 1987, Nature 327:70), 아그로박테리움 튜메파시엔스(Agrobacterium tumefaciens) 매개된 유전자 전이에서(비완전성) 바이러스에 의한 감염(EP 0 301 316호) 등으로부터 적당하게 선택될 수 있다.In the production method according to the present invention, the method of transducing the complex of the guide RNA and the endonuclease protein into plant cells is a calcium/polyethylene glycol method for protoplasts (Krens et al., 1982, Nature 296:72- 74; Injection (Crossway et al., 1986, Mol. Gen. Genet. 202:179-185), particle bombardment of various plant elements (DNA or RNA-coated) (Klein et al., 1987, Nature 327:70) , Agrobacterium tumefaciens ) In mediated gene transfer (incomplete) infection by a virus (EP 0 301 316) and the like.

또한, 상기 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA를 암호화하는 DNA 및 엔도뉴클레아제 단백질을 암호화하는 핵산 서열을 포함하는 재조합 벡터를 식물세포에 도입하는 것은 형질전환 방법을 의미한다. 식물 종의 형질전환은 이제는 쌍자엽 식물뿐만 아니라 단자엽 식물 양자를 포함한 식물 종에 대해 일반적이다. 원칙적으로, 임의의 형질전환 방법은 본 발명에 따른 재조합 벡터를 적당한 선조 세포로 도입시키는데 이용될 수 있다.In addition, introducing a recombinant vector including a DNA encoding a guide RNA specific for the target nucleotide sequence and a nucleic acid sequence encoding an endonuclease protein into a plant cell means a transformation method. Transformation of plant species is now common for plant species including both monocots as well as dicots. In principle, any transformation method can be used to introduce the recombinant vector according to the invention into suitable progenitor cells.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA 및 엔도뉴클레아제 단백질이 도입되는 "식물세포"는 어떤 식물세포도 된다. 식물세포는 배양 세포, 배양 조직, 배양 기관 또는 전체 식물이다. "식물 조직"은 분화된 또는 미분화된 식물의 조직, 예를 들면 이에 한정되진 않으나, 뿌리, 줄기, 잎, 꽃가루, 종자, 암 조직 및 배양에 이용되는 다양한 형태의 세포들, 즉 단일 세포, 원형질체(protoplast), 싹 및 캘러스 조직을 포함한다. 식물 조직은 인 플란타(in planta)이거나 기관 배양, 조직 배양 또는 세포 배양 상태일 수 있다.In the production method according to the present invention, the "plant cell" into which the guide RNA and endonuclease protein specific for the target nucleotide sequence are introduced may be any plant cell. Plant cells are cultured cells, cultured tissues, cultured organs or whole plants. "Plant tissue" refers to a tissue of a differentiated or undifferentiated plant, such as, but not limited to, roots, stems, leaves, pollen, seeds, cancer tissues and various types of cells used in culture, ie, single cells, protoplasts. (protoplast), shoots and callus tissue. The plant tissue may be in planta or in an organ culture, tissue culture or cell culture state.

본 발명의 제조방법에 있어서, 유전체가 교정된 식물세포로부터 유전체가 교정된 식물을 재분화하는 방법은 당업계에 공지된 임의의 방법을 이용할 수 있다. 유전체가 교정된 식물세포는 전식물로 재분화되어야 한다. 캘러스 또는 원형질체 배양으로부터 성숙한 식물의 재분화를 위한 기술은 수많은 여러 가지 종에 대해서 당업계에 주지되어 있다(Handbook of Plant Cell Culture, 1-5권, 1983-1989 Momillan, N.Y.).In the production method of the present invention, any method known in the art may be used as a method of redifferentiating a plant having a corrected genome from a plant cell having a corrected genome. Plant cells whose genome has been corrected must be redifferentiated into whole plants. Techniques for the redifferentiation of mature plants from callus or protoplast cultures are well known in the art for a number of different species (Handbook of Plant Cell Culture, Vol. 1-5, 1983-1989 Momillan, N.Y.).

본 발명은 또한, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 웅성 불임이 유도된 유전체 교정 토마토 식물체를 제공한다.The present invention also provides a genome-corrected tomato plant induced in male infertility prepared by the manufacturing method according to the present invention.

본 발명에 따른 웅성 불임이 유도된 유전체 교정 토마토 식물체는 bHLH 전사 인자를 코딩하는 SlMS10 유전자를 CRISPR/Cas9 시스템을 이용하여 교정한 것으로, 토마토 유래 SlMS10 유전자가 녹-아웃되어, 꽃이 발달하는 동안 감수 분열 장애와 비정상적인 타페텀을 나타내어 꽃가루 생성이 불가한 웅성 불임의 토마토 식물체이다.The genome-corrected tomato plant induced in male infertility according to the present invention was corrected for the SlMS10 gene encoding the bHLH transcription factor using the CRISPR/ Cas9 system. It is a male infertile tomato plant that is unable to produce pollen due to mitosis and abnormal tapetum.

본 발명에 따른 상기 웅성 불임이 유도된 유전체 교정 토마토 식물체는 꽃가루가 생성되지 않아 그 자체만으로는 종자가 형성되지 않지만, 정상적인 화분 생성 토마토 식물체와 교배를 통해 종자가 생성될 수 있어, 육종학적 가치가 매우 우수하다.The male infertility-induced genome-corrected tomato plant according to the present invention does not generate pollen by itself, so a seed is not formed by itself, but a seed can be generated through crossing with a normal pollen-producing tomato plant, so the breeding value is very great.

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 only illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.

재료 및 방법Materials and Methods

1. 계통수 분석1. Phylogenetic tree analysis

SlMS10의 아미노산 서열 및 웅성 불임과 관련된 기타 유전자 상동체는 BLASTP (https://blast.ncbi.nlm.nih.gov)에서 수집하였다. 아미노산 다중 정렬은 기본 매개 변수를 통해 MEGA 7.0의 ClustalW에 의해 수행되었다. 총 37개 식물 종의 전장(full-length) 아미노산 서열이 정렬되었고, maximum likelihood 트리가 기본 설정으로 생성되었다. 계통 발생 수는 이전에 Kumar 등(Mol. Biol. Evol. 2016, 33:1870-1874)이 보고한 바에 따라 neighbor-joining 방법으로 구성되었다.The amino acid sequence of SlMS10 and other genetic homologues associated with male infertility were collected from BLASTP (https://blast.ncbi.nlm.nih.gov). Amino acid multiple alignment was performed by ClustalW in MEGA 7.0 with default parameters. Full-length amino acid sequences of a total of 37 plant species were aligned, and maximum likelihood trees were generated with default settings. The phylogenetic tree was constructed by the neighbor-joining method as previously reported by Kumar et al. (Mol. Biol. Evol. 2016, 33:1870-1874).

2. sgRNA-Cas9 벡터 구성2. Construction of the sgRNA-Cas9 Vector

sgRNA의 설계를 위해 CRISPR RGEN tool 프로그램 (http://www.rgenome.net/)을 사용하여 SlMS10 서열에서 3개의 표적 부위를 선택하였다(표 1). T7E1 분석은 Jung 등(Plant Biotechnol. Rep. 2019, 13:511-520)이 이전에 보고한 것과 동일한 방식으로 수행되었다. pBAtC 벡터에서 Cas9 유전자는 35S mosaic virus 프로모터에 의해 조절되고 sgRNA는 애기장대 U6 프로모터에 의해 조절되도록 구성하였다. 설계한 sgRNA에 해당하는 DNA 올리고는 (주)바이오니아 (대전, 한국)에서 합성하였고, 이량체(dimer)를 식물 발현 벡터인 pBAtC에 클로닝하였다. 구축된 플라스미드 AtU6:sgRNA/pBAtC를 전기천공법(electroporation)을 사용하여 아그로박테리움 튜메파시엔스(A. tumefaciens) EHA105 균주에 도입하였다.For the design of sgRNA, three target sites were selected from the S1MS10 sequence using the CRISPR RGEN tool program (http://www.rgenome.net/) (Table 1). T7E1 analysis was performed in the same manner as previously reported by Jung et al. (Plant Biotechnol. Rep. 2019, 13:511-520). In the pBAtC vector, the Cas9 gene was regulated by the 35S mosaic virus promoter and the sgRNA was configured to be regulated by the Arabidopsis U6 promoter. A DNA oligo corresponding to the designed sgRNA was synthesized by Bioneer Co., Ltd. (Daejeon, Korea), and the dimer was cloned into pBAtC, a plant expression vector. The constructed plasmid AtU6:sgRNA/pBAtC was introduced into the A. tumefaciens EHA105 strain using electroporation.

토마토 SlMS10 유전자 편집을 위한 sgRNAsgRNA for tomato SlMS10 gene editing RGEN target (5'→3')
(서열번호)
RGEN target (5'→3')
(SEQ ID NO:)
방향direction GC content
(%, w/o PAM)
GC content
(%, w/o PAM)
Out-of frame scoreOut-of frame score MismatchsMismatches
00 1One 22 33 sgRNA1sgRNA1 GCCTATTTCTCTCAGCCTTAAGG (2)GCCTATTTCTCTCAGCCTTAAGG (2) -- 45.045.0 68.968.9 1One 00 00 00 sgRNA2sgRNA2 GTCTGCCAAAAGAAAAGAGGTGG (3)GTTCTGCCAAAAGAAAAGAGGTGG (3) ++ 45.045.0 73.173.1 1One 00 00 00 sgRNA3sgRNA3 ATGGAGGCAATGAATGCTCTTGG (4)ATGGAGGCAATGAATGCTCTTGG (4) ++ 45.045.0 67.067.0 1One 00 00 00

3. 토마토 형질전환3. Tomato Transformation

형질전환 절차는 Jung 등(Hortic. Sci. Technol. 2018, 36:396-405)의 보고에서와 같이 KS-13 품종을 이용하여 수행되었다. 간단하게, 10~14일 된 묘목의 자엽을 아그로박테리움 현탁 배양액에 담그고 부드럽게 저어준 후 멸균된 Whatman 종이로 닦아주고, 약간 건조시킨 자엽들(explants)을 공동 배양 배지(4.3 g/L MS, 30.0 g/L sucrose, 300 ㎎/L zeatin, 30 ㎎/L acetosyrigone 및 3.0 g/L gelrite)로 옮겨, 23±2℃의 암조건에서 2일 동안 배양하였다. 공동 배양 후 모든 자엽을 300 ㎎/L 세포탁심(cefotaxime)이 함유된 멸균 증류수로 세척하여 박테리아의 과성장을 방지하였다. 이러한 세척 절차를 3회 반복한 다음 멸균된 Whatman 종이로 자엽들을 닦아 주었다. 잎 디스크를 4.3 g/L MS, 30.0 g/L 수크로스(sucrose), 300 ㎎/L 제아틴(zeatin), 400 ㎎/L 카르베니실린(carbenicillin), 100 ㎎/L 카나마이신(kanamycin) 및 3.0 g/L 겔라이트(gelrite)를 포함하는 선택 배지로 옮긴 후 뒤집어 두었다. 재분화된 신초 (높이 2cm)를 원래 자엽에서 분리하고 0.3 ㎎/L IAA (indole acetic acid), 50 ㎎/L 카나마이신 및 400 ㎎/L 카르베니실린을 포함하는 발근 배지로 옮겼다. 잘 발달된 뿌리를 가진 토마토 식물을 화분에 순화하였고, 온실에서 재배하였다.The transformation procedure was performed using the KS-13 variety as reported by Jung et al. (Hortic. Sci. Technol. 2018, 36:396-405). Briefly, cotyledons of 10 to 14-day-old seedlings were immersed in Agrobacterium suspension culture medium, gently stirred, wiped with sterile Whatman paper, and slightly dried explants were co-culture medium (4.3 g/L MS, 30.0 g/L sucrose, 300 mg/L zeatin, 30 mg/L acetosyrigone, and 3.0 g/L gelrite) and cultured for 2 days in the dark at 23±2°C. After co-culture, all cotyledons were washed with sterile distilled water containing 300 mg/L cefotaxime to prevent bacterial overgrowth. This washing procedure was repeated three times and then the cotyledons were wiped with sterile Whatman paper. Leaf discs were treated with 4.3 g/L MS, 30.0 g/L sucrose, 300 mg/L zeatin, 400 mg/L carbenicillin, 100 mg/L kanamycin and 3.0 It was transferred to selective medium containing g/L gelrite and inverted. Redifferentiated shoots (height 2 cm) were separated from the original cotyledon and transferred to a rooting medium containing 0.3 mg/L indole acetic acid (IAA), 50 mg/L kanamycin and 400 mg/L carbenicillin. Tomato plants with well-developed roots were acclimatized to pots and grown in greenhouses.

4. Targeted Deep Sequencing 및 돌연변이 분석4. Targeted Deep Sequencing and Mutation Analysis

토마토 식물의 DNA 추출은 DNA Quick Plant Kit (Inclone Ltd., Korea)를 사용하여 수행되었다. 먼저, 재분화된 식물에서 형질전환체를 확인하기 위해 NPTⅡ 유전자 특이적 프라이머를 사용하여 PCR 분석을 수행하였다. 그 후 Jung 등이 설명한대로 targeted deep sequencing 분석을 수행하였다. MiniSeq (Illumina, USA)를 사용하여 PCR amplicons에 의한 paired-end read 시퀀스를 생성하였다. 서열에서 파생된 모든 데이터는 박 등(Bioinformatics 2017, 33:286-288)에 의해 보고된 대로 Cas-Analyzer (http://www.rgenome.net/cas-analyzer)를 사용하여 분석하였다. 일반적으로 CRISPR/Cas9 시스템에서 Cas 절단 부위는 protospacer의 상류(upstream)에서 주로 3bp 발생하는 것으로 알려져 있다. 따라서 protospacer 상류 3bp 부근의 삽입 및 결실 돌연변이는 Cas9에 의해 유도된 돌연변이로 간주하였다. Transgene-free 돌연변이 식물은 T1 세대에서 스크리닝되었고 T2 세대에서 이중 확인되었다. T-DNA가 없는 식물을 얻기 위해 NPTⅡ 유전자 특이적 프라이머를 사용하여 개별 식물에서 추출한 DNA를 사용하여 PCR 증폭을 수행하였다. 잠재적인 오프-타겟 분석을 위해, T-DNA가 없는 식물을 사용하여 특정 프라이머로 PCR 분석을 수행하였다. PCR 산물을 시퀀싱하고 돌연변이를 확인하였다.DNA extraction of tomato plants was performed using a DNA Quick Plant Kit (Inclone Ltd., Korea). First, PCR analysis was performed using NPTII gene-specific primers to identify transformants in redifferentiated plants. After that, targeted deep sequencing analysis was performed as described by Jung et al. Paired-end read sequences were generated by PCR amplicons using MiniSeq (Illumina, USA). All data derived from sequences were analyzed using Cas-Analyzer (http://www.rgenome.net/cas-analyzer) as reported by Park et al. (Bioinformatics 2017, 33:286-288). In general, it is known that the Cas cleavage site in the CRISPR/Cas9 system occurs mainly 3bp upstream of the protospacer. Therefore, insertion and deletion mutations in the vicinity of 3bp upstream of the protospacer were considered as Cas9-induced mutations. Transgene-free mutant plants were screened in the T 1 generation and double identified in the T 2 generation. To obtain T-DNA-free plants, PCR amplification was performed using DNA extracted from individual plants using NPTII gene-specific primers. For potential off-target analysis, PCR analysis was performed with specific primers using plants lacking T-DNA. PCR products were sequenced and mutations identified.

Figure 112020105507251-pat00001
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5. 식물 생장 및 형태학적 특성 분석5. Analysis of Plant Growth and Morphological Characteristics

모든 토마토 유묘는 한경대학교에 부설된 농장(안성, 한국)의 온실에서 멸균 된 토양을 사용하여 화분에서 재배되었다. 야생형, T1 및 T2 세대의 돌연변이 계통에서 꽃 형질을 조사하였다. 실체 현미경을 이용하여 식물 당 2개의 꽃을 채취하였으며 개화 단계에서 꽃의 형태를 관찰하였다. 꽃받침과 꽃잎의 개수는 꽃별로 세고, 대표적인 꽃받침과 꽃잎을 이용하여 길이와 너비를 측정하였다. 또한 꽃밥, 씨방 및 암술 길이를 측정하였다. 기록된 모든 데이터는 평균± 표준오차로 표시하였다.All tomato seedlings were grown in pots using sterilized soil in the greenhouse of the farm attached to Hankyong University (Anseong, Korea). Flower traits were investigated in wild-type, mutant lines of the T 1 and T 2 generations. Two flowers were collected per plant using a stereomicroscope, and the shape of the flowers was observed at the flowering stage. The number of sepals and petals was counted for each flower, and the length and width were measured using representative sepals and petals. Anther, ovary and pistil lengths were also measured. All data recorded are expressed as mean ± standard error.

6. 현미경 관찰6. Microscopic observation

꽃가루 표현형을 결정하기 위해 식물 당 2개의 꽃을 샘플링하고 1% 아세토카민(acetocarmine) 용액으로 염색하고 광학 현미경으로 관찰하였다. 파라핀 섹션의 경우 각 식물에서 감수 분열 단계 주변의 꽃 봉오리를 수확하여 제조하였다. 먼저 꽃 봉오리를 15% 플루오린화수소(hydrofluoric acid)로 처리한 후 탈수, 제거, 침투 및 포매(embedding) 과정을 수행하였다. 이미징을 위해 10 μm 마이크로톰 섹션을 유리 슬라이드에 놓고 탈 이온수가 들어있는 37℃ 수조에 띄우고, 섹션을 깨끗한 유리 슬라이드 위에 놓고 65℃에서 15분 동안 마이크로파 처리하였다. 그런 다음 조직을 유리에 붙이고 즉시 화학 염색에 사용하였다. 꽃 표현형은 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 관찰하여 분석하였다. 꽃은 꽃밥과 꽃잎을 제거하고 웅예군(androecium)에서 개별 꽃밥을 분리한 후 3% 글루타르알데히드(pH 7.2)를 사용하여 3시간 동안 고정시키고, 10시간 동안 카코딜염산(cacodylate) 버퍼를 사용하여 세척하고, 8시간 동안 1.1% 사산화오스뮴(osmium tetroxide)에 고정시켰다. 이 후 에탄올 시리즈로 탈수하였다. 꽃 표현형은 5200 JEOL JSMSEM (JEOL Ltd., Japan)을 사용하여 관찰하였다.To determine the pollen phenotype, two flowers per plant were sampled, stained with 1% acetocarmine solution, and observed under a light microscope. Paraffin sections were prepared by harvesting flower buds around the meiosis stage from each plant. First, the flower buds were treated with 15% hydrofluoric acid, followed by dehydration, removal, penetration and embedding processes. For imaging, a 10 μm microtome section was placed on a glass slide and floated in a 37 °C water bath containing deionized water, and the section was placed on a clean glass slide and microwaved at 65 °C for 15 min. The tissue was then glued to glass and immediately used for chemical staining. Flower phenotype was analyzed by observation with a scanning electron microscope (SEM). After removing the anthers and petals and separating the individual anthers from the androecium, the flowers were fixed for 3 hours using 3% glutaraldehyde (pH 7.2), and cacodylate buffer was used for 10 hours. and then fixed in 1.1% osmium tetroxide for 8 hours. After that, it was dehydrated with an ethanol series. Flower phenotype was observed using a 5200 JEOL JSMSEM (JEOL Ltd., Japan).

7. RNA 추출 및 RT-PCR 분석7. RNA Extraction and RT-PCR Analysis

총 RNA는 Trizol 시약 (Invitrogen, Korea)을 사용하여 식물 잎에서 추출하였다. cDNA 합성은 2 ㎍의 총 RNA를 사용하여 역전사효소 (Promega, Seoul, Korea)를 사용하여 합성하였다. RT-PCR 분석을 위해 200 ng의 cDNA를 사용하고 증폭된 PCR 산물을 1% 아가로스 겔에서 분리하였다. 그 후 EtBr (ethidium bromide)로 염색하고 UV 램프 아래에서 증폭산물을 관찰하였다. RT-PCR 분석에 사용된 유전자의 프라이머 서열은 표 3에 나타내었다.Total RNA was extracted from plant leaves using Trizol reagent (Invitrogen, Korea). cDNA synthesis was synthesized using reverse transcriptase (Promega, Seoul, Korea) using 2 μg of total RNA. For RT-PCR analysis, 200 ng of cDNA was used and the amplified PCR product was separated on a 1% agarose gel. Then, it was stained with EtBr (ethidium bromide) and the amplification product was observed under a UV lamp. The primer sequences of the genes used for RT-PCR analysis are shown in Table 3.

Figure 112020105507251-pat00002
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실시예 1. SlMS10의 계통수 분석 및 다른 bHLH 상동체Example 1. Phylogenetic analysis of SlMS10 and other bHLH homologs

계통 발생 분석을 수행하여 SlMS10과 다른 식물군의 웅성 불임과 관련된 bHLH 상동체 간의 유전적 관계에 대한 정보를 확인하였다. NCBI 데이터베이스에서 수집된 37개의 SlMS10 및 기타 bHLH를 MEGA7 프로그램을 사용하여 분석하였다. 그 결과, 도 1에 개시된 바와 같이 phylogenetic numbers는 SlMS10 및 기타 bHLH 상동체의 모든 추정 및 확인된 단백질은 클레이드로 분류되었다. 계통도에서 SlMS10 및 bHLH 상동체와 관련된 3개의 단백질이 토마토 게놈에 기록되었으며 다른 종의 식물 게놈에서 잘 보존되어 있었다. 결과는 SlMS10, OsUDT1, CabHLH 및 AtDYT1이 동일한 클레이드 내에서 분류되었고, 이러한 결과는 토마토 bHLH 패밀리의 전사 인자가 기원에 관계없이 매우 높은 상동성을 나타냄을 시사하였다.A phylogenetic analysis was performed to confirm information on the genetic relationship between SlMS10 and the bHLH homologue associated with male infertility in other plant groups. Thirty-seven SlMS10 and other bHLHs collected from the NCBI database were analyzed using the MEGA7 program. As a result, as shown in FIG. 1, all putative and identified proteins of SlMS10 and other bHLH homologues were classified into clades by phylogenetic numbers. In the phylogenetic tree, three proteins related to SlMS10 and bHLH homologues were recorded in the tomato genome and were well conserved in the plant genomes of other species. The results showed that SlMS10, OsUDT1, CabHLH and AtDYT1 were classified within the same clade, suggesting that transcription factors of the tomato bHLH family exhibit very high homology regardless of origin.

실시예 2. CRISPR/Cas9 시스템을 이용한 웅성 불임 계통의 제조Example 2. Preparation of Male Infertile Lines Using the CRISPR/Cas9 System

SlMS10 유전자에서 표적화된 돌연변이를 가진 형질전환 식물을 생성하기 위해 SlMS10 유전자의 첫 번째 및 세 번째 엑손을 표적으로 하는 CRISPR/Cas9 벡터 구축물을 각각 설계하고(도 2A 및 표 1), 아그로박테리움 매개 형질전환법을 사용하여 토마토 KS-13 계통으로부터 60개의 독립적인 T0 형질전환 토마토 식물체를 제조하였다. 형질전환 T0 세대에서 deep sequencing 분석을 통해 표적 부위에 키메라(chimeric), Bi-allelic, heterozygous 및 homozygous S1MS10 돌연변이가 존재하는 것을 확인하였다(도 2B-D 및 표 4).To generate transgenic plants with targeted mutations in the SlMS10 gene, we designed CRISPR/Cas9 vector constructs targeting the first and third exons of the SlMS10 gene, respectively (Fig. 2A and Table 1), and Agrobacterium-mediated traits. Using the transformation method, 60 independent T 0 transgenic tomato plants were prepared from the tomato KS-13 line. In the transgenic T 0 generation, it was confirmed that chimeric, bi-allelic, heterozygous and homozygous S1MS10 mutations were present at the target site through deep sequencing (FIGS. 2B-D and Table 4).

CRISPR/Cas9 시스템을 이용한 S1MS10 유전자 편집 빈도Frequency of S1MS10 gene editing using the CRISPR/Cas9 system Target regiontarget region No. of regenerated plantsNo. of regenerated plants No. of
transgenic
plants
No. of
transgenic
plants
No. of
edited
plants
No. of
edited
plants
GenotypeGenotype
homo-
allelic
homo-
allelic
hetero- allelichetero-allelic bi-
allelic
bi-
allelic
multiple- allelicmultiple-allelic
SlMS10
-sg 1
SlMS10
-sg 1
4444 4242 1515 44 33 88 --
SlMS10
-sg 2
SlMS10
-sg 2
2020 1818 1313 22 33 66 22

타겟 영역에서 일부 in-frame deletion 돌연변이를 제외한 대부분의 돌연변이는 frame-shift로 나타났다(도 3A). 그 후, frame-shift 돌연변이체 및 in-frame 돌연변이체의 웅성 불임을 조사하였다. 그 결과, in-frame 돌연변이체는 일반적으로 꽃가루를 생성하였지만, 모든 frame-shift 돌연변이체는 웅성 불임으로 나타났다(도 3B). Frame-shift 돌연변이체 중 "Allele 1-4" 및 "Allele 2-5" 돌연변이를 선별하여 각각 cr-ms10-1-4 (-61/-61) 및 cr-ms10-2-8 (-10/-10)로 명명하였다. 선택된 돌연변이체와 형질전환에 사용된 KS-13의 꽃가루를 교배하여 T1 종자를 생성하였다. T-DNA가 없는 T1 및 T2 돌연변이 계통은 PCR을 통해 스크리닝 되었고(도 7C), T2 돌연변이 라인에서 잠재적인 오프 타겟 돌연변이를 조사하였다. T-DNA가 없는 T2 돌연변이체 식물에서 얻은 PCR 산물을 시퀀싱한 후, Cas-OFFinder (http://www.rgenome.net/cas-offinder/)를 사용하여 4개의 불일치 염기를 포함하는 10개의 잠재적인 오프 타겟 사이트를 조사하였다. 그 결과, 10개의 잠재적인 오프 타겟 부위 모두에서 돌연변이가 관찰되지 않았으며, 이는 예측 부위의 돌연변이 유발이 높은 특이도로 설계되었음을 시사하였다(표 5).Most of the mutations except for some in-frame deletion mutations in the target region were frame-shifted (Fig. 3A). Then, male infertility of frame-shift mutants and in-frame mutants was investigated. As a result, in-frame mutants generally produced pollen, but all frame-shift mutants showed male infertility (Fig. 3B). Among the frame-shift mutants, "Allele 1-4" and "Allele 2-5" mutants were selected for cr-ms10-1-4 (-61/-61) and cr-ms10-2-8 (-10/ -10). T 1 seeds were generated by crossing the selected mutant with pollen of KS-13 used for transformation. T 1 and T 2 mutant lines without T-DNA were screened through PCR (Fig. 7C), and potential off-target mutations in T 2 mutant lines were investigated. After sequencing the PCR products obtained from T 2 mutant plants lacking T-DNA, 10 samples containing 4 mismatched bases were used using Cas-OFFinder (http://www.rgenome.net/cas-offinder/). Potential off-target sites were investigated. As a result, no mutations were observed in all 10 potential off-target sites, suggesting that mutagenesis of the predicted sites was designed with high specificity (Table 5).

유전자 편집 식물체에서 잠재적인 오프 타겟 자리의 돌연변이 분석Mutation analysis of potential off-target sites in gene editing plants TargetTarget Putative
off-target
putative
off-target
Off-target locusOff-target locus Sequence of off-target site* Sequence of off-target site * No. of
mutation
plants
No. of
mutation
plants
sgRNA 1sgRNA 1 OFF 1OFF 1 ch02:611807-611829ch02:611807-611829 GCCTATTgaTtTCAaCCTTAGGGGCCTATTgaTtTCAaCCTTAGGG 00 OFF 2OFF 2 ch03:2207687-22076709ch03:2207687-22076709 GCCTAgTTCTtgCAGCtTTATGGGCCTAgTTCTtgCAGCtTTATGG 00 OFF 3OFF 3 ch03:9357140-9357162ch03:9357140-9357162 GCCTATTgtaCaCAGCCTTACGGGCCTATTgtaCaCAGCCTTACGG 00 OFF 4OFF 4 ch09:1577070-157729ch09:1577070-157729 GaggATTTCTCTtAGCCTTAGGGGaggATTTCTCTtAGCCTTAGGG 00 OFF 5OFF 5 ch09:58165589-58165611ch09:58165589-58165611 cCaTATTTCTCTCAagCTTAAGGcCaTATTTCTCTCAagCTTAAGG 00 OFF 6OFF 6 ch12:6683409-6683409ch12:6683409-6683409 aCCTATTTCTtTCAGgtTTATGGaCCTATTTCTtTCAGgtTTATGG 00 sgRNA 2sgRNA 2 OFF 1OFF 1 ch01:56429029-56429051ch01:56429029-56429051 tcCTGCaAAAAGAAAAGAaGtcCTGCaAAAAGAAAAAGAaG 00 OFF 2OFF 2 ch01:74607309-74607931ch01:74607309-74607931 ccCTGCaAAAAGAAAAGAaGccCTGCaAAAAAAAAAAGAaG 00 OFF 3OFF 3 ch03:29122126-29122148ch03:29122126-29122148 aTCTGagAAAAGAgAAGAGGaTCTGagAAAAGAgAAGAGG 00 OFF 4OFF 4 ch07:6556684-6556706ch07:6556684-6556706 GTCTtttAAAAGAAAAGAcGGTCTtttAAAAGAAAAGAcG 00 OFF 5OFF 5 ch10:42400100-42400122ch10:42400100-42400122 agCTGCCAAAAGAAAAGgGaagCTGCCAAAAAGAAAAGgGa 00 소문자는 4개의 불일치 염기를 의미.Lowercase letters mean 4 mismatched bases.

실시예 3. cr-ms10-1-4 및 cr-ms10-2-8 돌연변이 계통의 표현형적 특성Example 3. Phenotypic characteristics of cr-ms10-1-4 and cr-ms10-2-8 mutant strains

cr-ms10-1-4과 cr-ms10-2-8 돌연변이 계통 및 야생형(WT) 식물체의 표현형은 개화 단계까지 거의 유사하게 확인되었다(도 4A). 그러나 cr-ms10-1-4 및 cr-ms10-2-8 돌연변이 계통은 개화 단계에서 WT 식물보다 긴 꽃받침과 짧은 꽃잎을 가진 것으로 관찰되었다(도 4A). 또한 cr-ms10-1-4 및 cr-ms10-2-8 계통의 꽃의 수술은 WT에 비해 크게 감소되었고 밝은 색을 띠며 일반적으로 주두(암술머리, stigma)가 강하게 유지되었다(도 4B 및 4C). 꽃가루 생존력 분석을 확인하기 위해 1% 아세토카민(acetocarmine)으로 염색한 결과, WT 식물에서는 주황색으로 염색된 꽃가루가 보였지만 cr-ms10-1-4 및 cr-ms10-2-8 계통에서는 꽃가루가 확인되지 않았다(도 4D). 따라서 cr-ms10-1-4 및 cr-ms10-2-8 계통은 자가 수분 후 과실을 생산할 수 없었지만, WT 식물체의 꽃가루를 인공수분한 결과 과실을 생산할 수 있었다.The phenotypes of cr-ms10-1-4 and cr-ms10-2-8 mutant lines and wild-type (WT) plants were confirmed to be almost similar until the flowering stage ( FIG. 4A ). However, the cr-ms10-1-4 and cr-ms10-2-8 mutant lines were observed to have longer sepals and shorter petals than the WT plants at the flowering stage (Fig. 4A). In addition, the stamens of cr-ms10-1-4 and cr-ms10-2-8 lines were significantly reduced compared to WT, had a bright color, and generally the stigma (stigma) was strongly maintained (Figs. 4B and 4C). ). As a result of staining with 1% acetocarmine to confirm pollen viability analysis, orange-stained pollen was seen in WT plants, but pollen was not confirmed in cr-ms10-1-4 and cr-ms10-2-8 lines. did not (Fig. 4D). Therefore, the cr-ms10-1-4 and cr-ms10-2-8 lines were unable to produce fruit after self-pollination, but were able to produce fruit as a result of artificial pollination of WT plants.

실시예 4. cr-ms10-1-4 계통에서 꽃밥(anther)의 조직학적 분석Example 4. Histological analysis of anther in cr-ms10-1-4 lineage

cr-ms10-1-4 계통에서 SlMS10 유전자 결함의 공간적 및 시간적 발생을 조사하기 위해 각기 다른 발달 단계에서 꽃밥에 대한 조직학적 검사를 수행하였다(도 5A). 예비 감수 분열 단계에서, cr-ms10-1-4 계통 꽃밥의 세포층 분화는 WT의 꽃밥과 유사한 것으로 보였다. 또한, 감수 분열 단계에서, 포자세포(spore cell)가 화분모세포(pollen mother cell)로부터 발달될 때 감수 분열이 완료되었고(도 5A (b, h)), 이 시점부터 cr-ms10-1-4와 WT의 꽃밥 사이에 형태학적 차이가 관찰되었다. WT의 꽃밥에서 화분모세포는 감수 분열 후 연속적인 사분체로 나뉘었고 지속적으로 미세 포자, 소포성의 미세 포자 및 꽃가루 입자로 발달하였으며(도 5A), 약벽세포(tapetal cell)는 고도로 응축된 후 점차 사라졌다. 그러나 cr-ms10-1-4 계통의 꽃밥에서 화분모세포는 분해되어 사분체를 생성할 수 없었다(도 5A (c, i)). 또한, 길고 가늘어진 세포(tapered cell)는 사분체 단계에서 과도하게 확장되고 소포성화(vacuolated) 되었으며 열개 단계까지 그러한 상태가 유지되었다(도 5). 또한, cr-ms10-1-4 및 WT의 꽃밥을 SEM으로 분석하였다. 그 결과, WT의 꽃밥은 정상적인 구형 꽃가루 알갱이로 관찰되었으나, cr-ms10-1-4 계통의 꽃밥은 관찰되지 않았다(도 5B).To investigate the spatial and temporal occurrence of the SlMS10 gene defect in the cr-ms10-1-4 lineage, histological examinations of anthers at different developmental stages were performed (Fig. 5A). In the preliminary meiosis stage, the cell layer differentiation of cr-ms10-1-4 lineage anthers appeared similar to that of WT. Also, in the meiosis stage, meiosis was completed when spore cells were developed from pollen mother cells (Fig. 5A (b, h)), and from this point on, cr-ms10-1-4 Morphological differences were observed between the anthers of and WT. In the anthers of WT, pollen blast cells were divided into continuous quadrilaterals after meiosis and continuously developed into microspores, vesicular microspores and pollen particles (Fig. 5A), and tapetal cells gradually disappeared after highly condensed. . However, in the anthers of the cr-ms10-1-4 lineage, pollen blast cells were decomposed and could not produce tetrapods (Fig. 5A (c, i)). In addition, the elongated and tapered cells were excessively expanded and vacuolated in the tetrahedral stage, and this state was maintained until the dehiscence stage (FIG. 5). In addition, anthers of cr-ms10-1-4 and WT were analyzed by SEM. As a result, the anthers of WT were observed as normal spherical pollen grains, but the anthers of the cr-ms10-1-4 line were not observed (FIG. 5B).

실시예 5. 꽃 발생(floral development)과 관련된 유전자들의 발현 분석Example 5. Expression analysis of genes related to floral development

cr-ms10-1-4 돌연변이 계통은 감수분열 및 타페텀(tapetum) 발달의 이상으로 인해 꽃가루를 생산할 수 없다는 점을 고려하여(도 6A), RT-PCR 분석을 통해 꽃 발달과 관련된 10가지 유전자의 발현 분석을 수행하였다. 그 결과, 자매염색분체접착(sister chromatid cohesion)을 코딩하는 Solyc03g116930, 시스테인 프로테아제(cysteine protease)를 코딩하는 Solyc07g053460, AMS-like를 코딩하는 Solyc08g062780 및 SlSTR1을 코딩하는 Solyc03g053130과 같은 유전자는 WT에서 강하게 발현되었지만 cr-ms10-1-4 돌연변이 계통에서는 발현되지 않았다(도 6B). 또한, cr-ms10-1-4 돌연변이 라인에서 MS32를 코딩하는 Solyc01g081100, AtTDF1-like를 코딩하는 Solyc03g113530, MYB103-like를 코딩하는 Solyc10g005760, Aspartic protease-1을 코딩하는 Solyc06g069220, Endo-1,3-beta-glucanase를 코딩하는 Solyc03g046200 및 AMS-like-1을 코딩하는 Solyc04g008420과 같은 유전자의 발현 수준은 WT에 비해 매우 낮게 확인되었다(도 6B).Considering that the cr-ms10-1-4 mutant line cannot produce pollen due to abnormalities in meiosis and tapetum development (Fig. 6A), RT-PCR analysis of 10 genes related to flower development expression analysis was performed. As a result, the same genes were strongly expressed in Solyc03g116930 encoding sister chromatid cohesion, Solyc07g053460 encoding cysteine protease, Solyc08g062780 encoding AMS-like and Solyc03g053130 encoding SlSTR1 , but the same genes were strongly expressed in WT. It was not expressed in the cr-ms10-1-4 mutant line ( FIG. 6B ). In addition, in the cr-ms10-1-4 mutant line, Solyc01g081100, encoding MS32 , Solyc03g113530, encoding AtTDF1-like, Solyc10g005760 encoding MYB103 -like, Solyc06g069220 encoding Aspartic protease-1, Endo-1,3-beta Expression levels of genes such as Solyc03g046200 encoding -glucanase and Solyc04g008420 encoding AMS-like-1 were found to be very low compared to WT (FIG. 6B).

<110> Hankyong Industry Academic Cooperation Center Clone Co., Ltd. <120> Method for producing SlMS10 gene knock-out tomato plant using CRISPR/Cas9 system and male-sterile tomato plant produced by the same method <130> PN20287 <160> 40 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 1002 <212> DNA <213> Unknown <220> <223> Solanum lycopersicum <400> 1 atggaattcc ccagtacccc atttgataat tcaaacaact ctgaagaaag ggaagtagga 60 agaagaacag ataaaaggaa gcaaattgat ggtgaagtta aagaatacaa atccaagaac 120 cttaaggctg agagaaatag gcgtcaaaaa cttagcgaaa ggcttcttca attacgctca 180 ttggtcccaa acataacaaa tgcaatgaat caaaaacctt cattctttac atagtttcat 240 aaagaatgaa tttttttaaa aaaaatctaa aaaagtttaa attcttgtct gatttcagat 300 gacaaaagaa accataatca ctgacgccat cacctacatt agggagctac aaatgaatgt 360 ggacaaccta agtgagcagc ttcttgaaat ggaagcaact cagggggagg aactggagac 420 aaaaaatgaa gagattatcg atactgcaga cgagatgggt aaatggggca tagaggtagg 480 taactttatg tataaaacca aagtttcaat ctttgatatt cttgaattat aaggacagta 540 aaacaacttt gatctttgtt tttctaaaac agcctgaagt tcaagtggct aacattggcc 600 caactaagct ttggataaaa atagtctgcc aaaagaaaag aggtggatta actaaactga 660 tggaggcaat gaatgctctt ggatttgata taaatgacac cagtgccact gcctctaaag 720 gagctattct tattacttca tctgtggagg taggagaaac atatgttaaa aaagtaatct 780 ttttagtagc gataaagaaa ctattgcccg aaaatatcaa gatttgtaat agtacaaaaa 840 ggagatcttg cttagcacct tgtactgtgt gtgctgcaat tattagcaac ataaacaatt 900 tataaatctt tctgtgtatt atttcaggtg gttagaggtg gactaactga agctaatcga 960 atcagagaga tcttactgga gatcatccac ggaatctact ag 1002 <210> 2 <211> 23 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> SlMS10 target site for sgRNA1 <400> 2 gcctatttct ctcagcctta agg 23 <210> 3 <211> 23 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> SlMS10 target site for sgRNA2 <400> 3 gtctgccaaa agaaaagagg tgg 23 <210> 4 <211> 23 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> SlMS10 target site for sgRNA3 <400> 4 atggaggcaa tgaatgctct tgg 23 <210> 5 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 5 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primer <400> 14 gtgactggag ttcagacgtg taatgaaggt ttttgattca ttgc 44 <210> 15 <211> 46 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 15 acactctttc cctacacgac ggacagtaaa acaactttga tctttg 46 <210> 16 <211> 44 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 16 gtgactggag ttcagacgtg tcatatgttt ctcctacctc caca 44 <210> 17 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 17 tgtttccatt accaagatgc 20 <210> 18 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 18 gggggttgtg ggggtagatt 20 <210> 19 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 19 tgtttccatt accaagatgc 20 <210> 20 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 20 gggggttgtg ggggtagatt 20 <210> 21 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 21 agatctctct gattcgatta gcttcag 27 <210> 22 <211> 23 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 22 tcttgaaatg gaagcaactc agg 23 <210> 23 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<400> 40 cttcgaccaa gggatggtgt agc 23 <110> Hankyong Industry Academic Cooperation Center Clone Co., Ltd. <120> Method for producing SlMS10 gene knock-out tomato plant using CRISPR/Cas9 system and male-sterile tomato plant produced by the same method <130> PN20287 <160> 40 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 1002 <212> DNA <213> Unknown <220> <223> Solanum lycopersicum <400> 1 atggaattcc ccagtacccc atttgataat tcaaacaact ctgaagaaag ggaagtagga 60 agaagaacag ataaaaggaa gcaaattgat ggtgaagtta aagaatacaa atccaagaac 120 cttaaggctg agagaaatag gcgtcaaaaa cttagcgaaa ggcttcttca attacgctca 180 ttggtcccaa acataacaaa tgcaatgaat caaaaacctt cattctttac atagtttcat 240 aaagaatgaa tttttttaaa aaaaatctaa aaaagtttaa attcttgtct gatttcagat 300 gacaaaagaa accataatca ctgacgccat cacctacatt agggagctac aaatgaatgt 360 ggacaaccta agtgagcagc ttcttgaaat ggaagcaact cagggggagg aactggagac 420 aaaaaatgaa gagattatcg atactgcaga cgagatgggt aaatggggca tagaggtagg 480 taactttatg tataaaacca aagtttcaat ctttgatatt cttgaattat aaggacagta 540 aaacaacttt gatctttgtt tttctaaaac agcctgaagt tcaagtggct aacattggcc 600 caactaagct ttggataaaa atagtctgcc aaaagaaaag aggtggatta actaaactga 660 tggaggcaat gaatgctctt ggatttgata taaatgacac cagtgccact gcctctaaag 720 gagctattct tattacttca tctgtggagg taggagaaac atatgttaaa aaagtaatct 780 ttttagtagc gataaagaaa ctattgcccg aaaatatcaa gatttgtaat agtacaaaaa 840 ggagatcttg cttagcacct tgtactgtgt gtgctgcaat tattagcaac ataaacaatt 900 tataaatctt tctgtgtatt atttcaggtg gttagaggtg gactaactga agctaatcga 960 atcagagaga tcttactgga gatcatccac ggaatctact ag 1002 <210> 2 <211> 23 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> SlMS10 target site for sgRNA1 <400> 2 gcctatttct ctcagcctta agg 23 <210> 3 <211> 23 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> SlMS10 target site for sgRNA2 <400> 3 gtctgccaaa agaaaagagg tgg 23 <210> 4 <211> 23 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> SlMS10 target site for sgRNA3 <400> 4 atggaggcaa tgaatgctct tgg 23 <210> 5 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial 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Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 40 cttcgaccaa gggatggtgt agc 23

Claims (6)

서열번호 2 또는 서열번호 3의 염기서열로 이루어진 토마토 유래 SlMS10 (Solanum lycopersicum male sterile 10) 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA(guide RNA)와 엔도뉴클레아제(endonuclease) 단백질의 복합체(ribonucleoprotein); 또는 서열번호 2 또는 서열번호 3의 염기서열로 이루어진 토마토 유래 SlMS10 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA를 암호화하는 DNA 및 엔도뉴클레아제 단백질을 암호화하는 핵산 서열을 포함하는 재조합 벡터;를 유효성분으로 함유하는, 토마토 식물체의 웅성 불임을 유도하기 위한 유전체 교정용 조성물.A complex of a guide RNA and an endonuclease protein specific to the target nucleotide sequence of the tomato-derived SlMS10 ( Solanum lycopersicum male sterile 10) gene consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 3. Complex (ribonucleoprotein) ; Or SEQ ID NO: 2 or a recombinant vector comprising a nucleic acid sequence encoding an endonuclease protein and DNA encoding a guide RNA specific to the target nucleotide sequence of the tomato-derived SlMS10 gene consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3; A composition for genome editing for inducing male infertility of tomato plants. 삭제delete (a) 서열번호 2 또는 서열번호 3의 염기서열로 이루어진 토마토 유래 SlMS10 (Solanum lycopersicum male sterile 10) 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA(guide RNA) 및 엔도뉴클레아제(endonuclease) 단백질을 토마토 식물세포에 도입하여 유전체를 교정하는 단계; 및
(b) 상기 유전체가 교정된 토마토 식물세포로부터 토마토 식물체를 재분화하는 단계;를 포함하는, 웅성 불임이 유도된 유전체 교정 토마토 식물체의 제조방법.
(a) Tomato-derived SlMS10 ( Solanum lycopersicum male sterile 10) consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 3, a specific guide RNA (guide RNA) and endonuclease (endonuclease) protein to the target nucleotide sequence of the gene tomato Correcting the genome by introducing it into plant cells; and
(b) re-differentiating the tomato plant from the tomato plant cells in which the genome has been corrected; comprising, a method for producing a genome-corrected tomato plant induced in male infertility.
제3항에 있어서, 상기 (a) 단계의 가이드 RNA 및 엔도뉴클레아제 단백질을 토마토 식물세포에 도입하는 것은, 서열번호 2 또는 서열번호 3의 염기서열로 이루어진 토마토 유래 SlMS10 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA와 엔도뉴클레아제 단백질의 복합체(ribonucleoprotein); 또는 서열번호 2 또는 서열번호 3의 염기서열로 이루어진 토마토 유래 SlMS10 유전자의 표적 염기서열에 특이적인 가이드 RNA를 암호화하는 DNA 및 엔도뉴클레아제 단백질을 암호화하는 핵산 서열을 포함하는 재조합 벡터;를 이용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 3, wherein the introduction of the guide RNA and the endonuclease protein in step (a) into tomato plant cells is based on the target nucleotide sequence of the tomato-derived SlMS10 gene consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 3 a complex of specific guide RNA and endonuclease protein (ribonucleoprotein); or SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 3, a recombinant vector comprising a DNA encoding a guide RNA specific for the target nucleotide sequence of the SlMS10 gene derived from tomato consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 and a nucleic acid sequence encoding an endonuclease protein; Manufacturing method characterized in that. 삭제delete 제3항 또는 제4항의 방법에 의해 제조된 웅성 불임이 유도된 유전체 교정 토마토 식물체.A genome-corrected tomato plant induced in male infertility produced by the method of claim 3 or 4.
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