KR102493765B1 - Method for regulating photosynthesis of plant - Google Patents

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    • C12N15/8269Photosynthesis

Abstract

본 발명은 식물의 광합성 효율을 부정적으로 조절하는 유전자와 해당 유전자의 발현을 조절하여 식물 광합성 효율을 조절하는 방법 및 광합성 효율 조절용 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 방법 또는 조성물을 이용하면, 유전자 교정을 통한 우수 작물 품종 육성의 핵심적 지식과 기술을 제공할 수 있다.The present invention relates to a gene that negatively regulates the photosynthetic efficiency of a plant, a method for controlling the photosynthetic efficiency of a plant by regulating the expression of the gene, and a composition for regulating the photosynthetic efficiency. Using the method or composition of the present invention, it is possible to provide core knowledge and technology for cultivating excellent crop varieties through gene editing.

Description

식물 광합성 조절 방법{METHOD FOR REGULATING PHOTOSYNTHESIS OF PLANT}Plant photosynthesis control method {METHOD FOR REGULATING PHOTOSYNTHESIS OF PLANT}

본 발명은 식물의 광합성 효율을 부정적으로 조절하는 유전자와 식물 광합성 효율 조절 방법 및 조절용 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a gene that negatively regulates photosynthetic efficiency of plants, a method for controlling photosynthetic efficiency of plants, and a composition for controlling them.

광합성은 대기 중의 이산화탄소와 빛 에너지를 이용하여 식물의 성장과 생리작용에 필요한 유기 동화산물을 생산해내는 과정이다. 따라서 식물의 광합성은 식물의 발달과 성장을 결정하는 매우 중요한 과정이다. 광합성은 식물세포 소기관인 엽록체에서 이루어지며, 따라서 엽록체 발달 조절 유전자는 식물의 광합성 효율에 매우 중요한 기능을 수행한다.Photosynthesis is the process of producing organic assimilation products necessary for plant growth and physiological functions using carbon dioxide and light energy in the atmosphere. Therefore, photosynthesis in plants is a very important process that determines plant development and growth. Photosynthesis takes place in chloroplasts, which are organelles in plant cells, and therefore, genes regulating chloroplast development play a very important role in plant photosynthetic efficiency.

엽록체는 특유한 유전체(genome)와 두 개의 별개의 RNA 폴리머라제인 nuclear-encoded RNA polymerase(NEP)와 plastid-encoded RNA polymerase(PEP)를 가지고 있으며, 색소체 유전자(plastid gene)의 전사를 매개한다. NEP는 single-subunit RNA polymerase이며, PEP는 4개의 핵심 단백질인 rpoA, rpoB, rpoC1 및 rpoC2로 구성된 multimeric RNA polymerase이다. NEP와 PEP는 모두 엽록체 발달에 필요하다. 예를 들어, NEP를 인코딩하는 RPOTp 또는 RPOTmp에 결함이 있는 돌연변이는 엽록체 생성이 지연되고 성장이 지연되며 PEP 활성이 없는 돌연변이는 알비노 표현형을 나타낸다. PEP 활성은 광합성 관련 유전자의 발현을 촉진하기 때문에 완전히 활성화된 엽록체의 형성에 필수적이다. PEP는 PEP-associated proteins(PAPs)과 복합체를 형성한다. PAP를 발현하지 않는 돌연변이 식물에서는 PEP 의존성 유전자의 발현이 억제되어 엽록체 발달에 결함이 생긴다.Chloroplasts have a unique genome and two distinct RNA polymerases, nuclear-encoded RNA polymerase (NEP) and plastid-encoded RNA polymerase (PEP), which mediate transcription of plastid genes. NEP is a single-subunit RNA polymerase, and PEP is a multimeric RNA polymerase composed of four core proteins: rpoA, rpoB, rpoC1 and rpoC2. Both NEP and PEP are required for chloroplast development. For example, mutants defective in RPOTp or RPOTmp encoding NEP have delayed chloroplast production and delayed growth, and mutants lacking PEP activity exhibit an albino phenotype. PEP activity is essential for the formation of fully activated chloroplasts because it promotes the expression of photosynthesis-related genes. PEP forms a complex with PEP-associated proteins (PAPs). In mutant plants that do not express PAP, the expression of PEP-dependent genes is suppressed, leading to defects in chloroplast development.

광합성 효율 조절은 우수작물 품종에 있어 매우 중요한 부분이며, 본 발명은 유전자 교정을 통한 우수 작물 품종 육성의 핵심적 지식과 기술을 제공한다.Control of photosynthetic efficiency is a very important part for excellent crop varieties, and the present invention provides core knowledge and technology for cultivating excellent crop varieties through gene editing.

한국공개특허 제2016-0029679호Korean Patent Publication No. 2016-0029679

본 발명은 식물 광합성 효율 조절 방법 및 광합성 효율 조절용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method for controlling photosynthetic efficiency of plants and a composition for controlling photosynthetic efficiency.

1. 식물의 FSD3S(Fe-superoxide dismutase 3 splicing variant) 유전자 발현을 조절하는 단계를 포함하는 식물 광합성 효율 조절 방법.1. A plant photosynthetic efficiency control method comprising the step of regulating FSD3S (Fe-superoxide dismutase 3 splicing variant) gene expression in plants.

2. 위 1에 있어서, 상기 FSD3S 유전자는 FSD3 유전자의 인트론 6 및 7을 포함하는 스플라이싱 변이체인, 식물 광합성 효율 조절 방법.2. The method according to 1 above, wherein the FSD3S gene is a splicing variant comprising introns 6 and 7 of the FSD3 gene.

3. 위 1에 있어서, 상기 FSD3S 유전자는 서열번호 1의 서열로 이루어진 식물 광합성 효율 조절 방법.3. The method according to 1 above, wherein the FSD3S gene comprises the sequence of SEQ ID NO: 1.

4. 위 1에 있어서, 상기 유전자의 발현을 결손 또는 저해시켜 식물 광합성 효율을 증가시키는 식물 광합성 효율 조절 방법.4. The method for regulating plant photosynthetic efficiency according to 1 above, wherein the expression of the gene is deleted or inhibited to increase the photosynthetic efficiency of the plant.

5. 위 4에 있어서, 상기 FSD3S 유전자 발현의 결손 또는 저해는 CRISPR/Cas 뉴클레아제((Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/ CRISPR-associated sequences nuclease), T-DNA(transfer-DNA), siRNA(small interfering RNA), shRNA(short hairpin RNA), miRNA(microRNA), 리보자임(ribozyme) 또는 PNA(peptide nucleic acids)를 식물 또는 식물 세포에 도입하여 수행되는, 식물 광합성 효율 조절 방법.5. In the above 4, the deletion or inhibition of the FSD3S gene expression is CRISPR / Cas nuclease ((Clustered   Regularly   Interspaced   Short   Palindromic   Repeats / CRISPR-associated   sequences nuclease), T-DNA (transfer-DNA), siRNA (small Interfering RNA), shRNA (short hairpin RNA), miRNA (microRNA), ribozyme (ribozyme) or PNA (peptide nucleic acids) performed by introducing into a plant or plant cell, a plant photosynthetic efficiency control method.

6. 식물의 FSD3S(Fe-superoxide dismutase 3 splicing variant) 유전자 발현 조절제를 포함하는 식물 광합성 효율 조절용 조성물.6. A composition for regulating plant photosynthetic efficiency comprising a plant FSD3S (Fe-superoxide dismutase 3 splicing variant) gene expression regulator.

7. 위 6에 있어서, 상기 발현 조절제는 CRISPR/Cas 뉴클레아제((Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/ CRISPR-associated sequences nuclease), T-DNA(transfer-DNA), siRNA(small interfering RNA), shRNA(short hairpin RNA), miRNA(microRNA), 리보자임(ribozyme) 및 PNA(peptide nucleic acids)로 이루어진 군에서 선택되는 발현 결손 또는 저해제인, 식물 광합성 효율 조절용 조성물.7. The expression regulator according to 6 above, CRISPR / Cas nuclease ((Clustered   Regularly   Interspaced   Short   Palindromic   Repeats / CRISPR-associated   sequences nuclease), T-DNA (transfer-DNA), siRNA (small interfering RNA), shRNA (short hairpin RNA), miRNA (microRNA), ribozyme (ribozyme) and PNA (peptide nucleic acids) expression deficiency or inhibitors selected from the group consisting of, plant photosynthesis efficiency control composition.

본 발명은 엽록체 발달을 조절하는 FSD3S 유전자의 발현을 조절하여 식물 광합성 효율을 조절하는 효과가 있다. FSD3S 유전자의 발현을 결손 또는 저해시키는 경우 식물 광합성 효율을 증가시킬 수 있다.The present invention has the effect of regulating the photosynthetic efficiency of plants by regulating the expression of the FSD3S gene that regulates chloroplast development. When the expression of the FSD3S gene is deleted or inhibited, the photosynthetic efficiency of plants can be increased.

도 1은 FSD3 유전자 및 이의 스플라이싱 변이체인 FSD3S의 mRNA의 간략한 구조와 FSD3S의 C-terminal 영역의 높은 소수성을 나타낸 것이다.
도 2는 FSD3와 FSD3S 의 SOD 활성은 유의한 차이가 없다는 것을 나타낸다.
도 3는 FSD3 단백질과는 다른 FSD3S 단백질의 위치 특이성을 나타낸 것이다.
도 4은 FSD3S 단백질이 C-terminal 영역의 transmembrane(TM) domain을 갖는다는 것을 나타낸다.
도 5는 FSD3S 단백질은 엽록체 막에 위치하려는 경향성을 갖는다는 것을 나타낸다.
도 6는 FSD3S 유전자를 과발현하는 형질 전환 식물이 야생형 식물에 비해 엽록소 함량 및 광합성 활성이 감소한다는 것을 나타낸다.
도 7은 FSD3S 유전자를 과발현하는 형질 전환 식물이 야생형 식물에 비해 엽록체 유전자 발현 정도가 낮고, 노화 관련 유전자 발현 정도는 높다는 것을 나타낸다.
도 8은 FSD3S 유전자를 과발현하는 형질 전환 식물은 야생형 식물과 비교하였을 때 ROS 수준에는 유의한 차이가 없다는 것을 나타낸다.
도 9는 뉴클레오이드 관련 단백질인 PEND와 FSD3의 co-localization 테스트 결과로, 각 신호가 엽록체의 동일한 위치에 있음을 나타낸다.
도 10 및 도 11은 쌀의 OsFSD3의 바이오인포매틱스 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 FSD3S 단백질의 위치를 35S::FSD3S-GFP의 보호 세포(guard cell)에서 시각화하여 나타낸 것이다.
도 13은 TM 도메인을 갖는 FSD3S 단백질은 엽록체 막에 위치하려는 경향성을 갖지만, 엽록체 기질에 위치할 수도 있다는 것을 나타낸다.
도 14는 야생형 식물과 FSD3S 과발현 형질 전환 식물(L1, L2)의 FSD3S 발현 수준을 나타낸 것이다.
도 15는 FSD3S의 발현이 FSD3 돌연변이 표현형을 보완하지 않는다는 것을 나타낸다.
도 16은 기질에 축적된 FSD3S 단백질이 식물 성장 및 광합성 활성을 감소시킨다는 것을 나타낸다.
도 17은 35S::FSD3S 형질 전환 식물에서 플라스포글로불리의 형성을 나타낸 것이다.
도 18은 3주령 및 10주령 잎에서의 FSD3 및 FSD3S의 전사 수준을 나타낸 것으로, 이는 FSD3와 FSD3S가 엽록체 발달에서 다른 기능을 가지고 있다는 것을 나타낸다.
Figure 1 shows the simplified structure of the mRNA of FSD3 gene and its splicing variant, FSD3S, and the high hydrophobicity of the C-terminal region of FSD3S.
Figure 2 shows that there is no significant difference between the SOD activities of FSD3 and FSD3S.
Figure 3 shows the positional specificity of the FSD3S protein, which is different from the FSD3 protein.
Figure 4 shows that the FSD3S protein has a transmembrane (TM) domain of the C-terminal region.
5 shows that the FSD3S protein has a tendency to localize to the chloroplast membrane.
Figure 6 shows that the transgenic plants overexpressing the FSD3S gene have reduced chlorophyll content and photosynthetic activity compared to wild-type plants.
7 shows that the transgenic plants overexpressing the FSD3S gene have lower levels of chloroplast gene expression and higher levels of senescence-related genes than wild-type plants.
Figure 8 shows that the transgenic plants overexpressing the FSD3S gene have no significant difference in ROS levels when compared to wild-type plants.
9 shows the co-localization test results of PEND and FSD3, which are nucleoid-related proteins, indicating that each signal is located at the same location in the chloroplast.
10 and 11 show the bioinformatics analysis results of OsFSD3 in rice.
Figure 12 shows the location of FSD3S protein visualized in the guard cell of 35S::FSD3S-GFP.
Figure 13 shows that FSD3S proteins with TM domains tend to localize to the chloroplast membrane, but can also localize to the chloroplast matrix.
Figure 14 shows the FSD3S expression levels of wild-type plants and FSD3S overexpressing transgenic plants (L1, L2).
15 shows that expression of FSD3S does not complement the FSD3 mutant phenotype.
16 shows that FSD3S protein accumulated in the substrate reduces plant growth and photosynthetic activity.
Figure 17 shows the formation of plasmoglobulin in 35S::FSD3S transgenic plants.
18 shows the transcription levels of FSD3 and FSD3S in 3-week-old and 10-week-old leaves, indicating that FSD3 and FSD3S have different functions in chloroplast development.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 식물의 FSD3S(Fe-superoxide dismutase 3 splicing variant) 유전자 발현을 조절하는 단계를 포함하는 식물 광합성 효율 조절 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for regulating the photosynthetic efficiency of a plant, comprising the step of regulating the expression of a Fe-superoxide dismutase 3 splicing variant (FSD3S) gene of the plant.

"식물"의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 본 발명의 방법의 적용 대상인 '식물'은 특별히 한정되지 않으며, 상치, 배추, 감자 및 무를 포함하는 대부분의 쌍자엽 식물(dicotyledonous plant) 또는 벼, 보리, 바나나 등의 단자엽 식물(monocotyledonous plant)이 모두 이용될 수 있으며, 벼, 밀, 보리, 옥수수, 콩, 감자, 밀, 팥, 귀리 및 수수를 포함하는 식량 작물류; 애기장대, 배추, 무, 고추, 딸기, 토마토, 수박, 오이, 양배추, 참외, 호박, 파, 양파 및 당근을 포함하는 채소 작물류; 인삼, 담배, 목화, 참깨, 사탕수수, 사탕무우, 들깨, 땅콩 및 유채를 포함하는 특용 작물류; 사과나무, 배나무, 대추나무, 복숭아, 양다래, 포도, 감귤, 감, 자두, 살구 및 바나나를 포함하는 과수류; 장미, 글라디올러스, 거베라, 카네이션, 국화, 백합 및 튤립을 포함하는 화훼류; 및 라이그라스, 레드클로버, 오차드그라스, 알파알파, 톨페스큐 및 페레니얼라이그라스를 포함하는 사료 작물류로 구성된 군으로부터 선택되는 식물체에 적용될 수 있다. 예를 들면 대상 식물이 십자화과 식물일 수 있고, 구체적으로는 애기장대, 무, 브로콜리, 콜리플라워, 케일, 상추, 배추, 적양배추, 양배추, 방울양배추, 콜라비 및 복초이(bok choy) 등일 수 있다.The type of "plant" is not particularly limited, and the 'plant' to which the method of the present invention is applied is not particularly limited, and most dicotyledonous plants including lettuce, Chinese cabbage, potato and radish, or rice, barley, banana monocotyledonous plants such as can all be used, and food crops including rice, wheat, barley, corn, soybean, potato, wheat, red bean, oat and sorghum; vegetable crops including Arabidopsis, Chinese cabbage, radish, red pepper, strawberry, tomato, watermelon, cucumber, cabbage, melon, pumpkin, green onion, onion and carrot; Specialty crops including ginseng, tobacco, cotton, sesame, sugar cane, sugar beet, perilla, peanut and rapeseed; fruit trees including apple trees, pear trees, jujube trees, peaches, kiwi trees, grapes, tangerines, persimmons, plums, apricots and bananas; flowers including roses, gladiolus, gerberas, carnations, chrysanthemums, lilies and tulips; and fodder crops including ryegrass, red clover, orchard grass, alpha alpha, tall fescue and perennial ryegrass. For example, the target plant may be a cruciferous plant, specifically Arabidopsis, radish, broccoli, cauliflower, kale, lettuce, Chinese cabbage, red cabbage, cabbage, Brussels sprouts, kohlrabi, and bok choy. there is.

FSD3S 유전자는 FSD3 유전자의 인트론 6 및 7을 포함하는 스플라이싱 변이체일 수 있다. 구체적으로, FSD3 pre-mRNA로부터 7개의 인트론이 제거되어 8개의 엑손이 포함된 FSD3 mRNA가 생성되나, FSD3 pre-mRNA의 6번째 및 7번째 인트론은 제거되지 않고 남아있고 1번째 내지 5번째 인트론만 제거되어 FSD3S mRNA가 생성되고, FSD3S mRNA는 FSD3 의 1번째 내지 5번째의 엑손과 동일한 5개의 엑손 및 FSD3의 6번째 엑손과는 상이한 1개의 엑손, 총 6개의 엑손을 포함하는 것일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, FSD3S 의 정지 코돈은 FSD3(792 bp)에 비해 더 빠른 위치(771 bp)에 있어 FSD3S mRNA는 FSD3의 263개 아미노산에 비해 256개 아미노산으로 구성된 더 짧은 단백질을 암호화하는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, FSD3S 유전자는 서열번호 1의 서열로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The FSD3S gene may be a splicing variant including introns 6 and 7 of the FSD3 gene. Specifically, FSD3 mRNA containing 8 exons is generated by removing 7 introns from FSD3 pre-mRNA, but the 6th and 7th introns of FSD3 pre-mRNA are not removed and only the 1st to 5th introns remain. FSD3S mRNA is generated, and the FSD3S mRNA may include 5 exons identical to the 1st to 5th exons of FSD3 and 1 exon different from the 6th exon of FSD3, for a total of 6 exons. According to one embodiment of the present invention, the stop codon of FSD3S is positioned earlier (771 bp) compared to FSD3 (792 bp), so that FSD3S mRNA encodes a shorter protein consisting of 256 amino acids compared to 263 amino acids of FSD3. it may be More specifically, the FSD3S gene may consist of the sequence of SEQ ID NO: 1, but is not limited thereto.

FSD3S 유전자는 그 대상 식물의 내재적 유전자(endogeneous)이거나, 대상 식물에 도입된 유전자(exogeneous)일 수 있다.The FSD3S gene may be an endogenous gene (endogeneous) of the target plant or an exogeneous gene introduced into the target plant.

FSD3S 단백질은 PEP(plastid-encoded RNA polymerase) 의존성 엽록체 유전자의 발현을 부정적으로(negatively) 조절하여 광합성 활성을 감소시키는 효과가 있기 때문에, FSD3S 유전자의 발현을 조절하여 식물의 광합성 효율을 조절할 수 있다.Since the FSD3S protein negatively regulates the expression of the plastid-encoded RNA polymerase (PEP)-dependent chloroplast gene to reduce photosynthetic activity, the photosynthetic efficiency of plants can be controlled by regulating the expression of the FSD3S gene.

유전자 발현의 조절은 유전자(DNA 또는 mRNA) 또는 단백질의 발현을 증가시키는 것, 발현을 저해하는 것 또는 결손시키는 것을 포함한다. 그 발현 조절은 그 대상식물에서의 서열에 맞도록 설계된 물질 또는 방법을 사용하여 수행될 수 있다.Modulation of gene expression includes increasing, inhibiting or deleting the expression of a gene (DNA or mRNA) or protein. The expression control can be performed using a material or method designed to match the sequence in the target plant.

구체적으로, 유전자 발현 조절은 발현 결손 또는 저해일 수 있다.Specifically, regulation of gene expression may be expression loss or inhibition.

용어 "발현 결손 또는 저해"란 유전자(DNA 또는 mRNA) 또는 단백질의 발현을 완전히 제거하거나 저해(발현량 감소)시키는 것을 의미하며, "완전히 제거하는 것"은 유전자 또는 단백질 발현이 탐지 불가능해지거나 무의미한 수준으로 존재하게 되는 것을 포함한다.The term “deletion or inhibition of expression” means to completely ablate or inhibit (reduction in expression) the expression of a gene (DNA or mRNA) or protein, and “totally ablate” means that gene or protein expression becomes undetectable or insignificant. This includes being present at a level.

FSD3S 유전자의 발현을 결손 또는 저해시키면 PEP(plastid-encoded RNA polymerase) 의존성 엽록체 유전자의 발현을 증가 또는 유지시켜 광합성 효율을 증가시킬 수 있다.When the expression of the FSD3S gene is deleted or inhibited, photosynthetic efficiency can be increased by increasing or maintaining the expression of the plastid-encoded RNA polymerase (PEP)-dependent chloroplast gene.

FSD3S 유전자의 결손 또는 저해는 당 분야에 공지된 방법에 의해 수행될 수 있으며, 예를 들면 CRISPR/Cas 뉴클레아제((Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/ CRISPR-associated sequences nuclease), T-DNA(transfer-DNA), siRNA(small interfering RNA), shRNA(short hairpin RNA), miRNA(microRNA), 리보자임(ribozyme) 또는 PNA(peptide nucleic acids)를 식물 또는 식물 세포에 도입하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 예시한 핵산들의 경우 대상 식물의 FSD3S 서열에 맞추어 설계되어, 그 발현을 결손 또는 저해시킬 수 있는 서열로 이루어진 것일 수 있다.Deletion or inhibition of the FSD3S gene can be performed by a method known in the art, for example, CRISPR/Cas nuclease ((Clustered   Regularly   Interspaced   Short   Palindromic   Repeats/ CRISPR-associated   sequences nuclease), T-DNA (transfer -DNA), siRNA (small interfering RNA), shRNA (short hairpin RNA), miRNA (microRNA), ribozyme, or PNA (peptide nucleic acids) may be introduced into plants or plant cells, but are limited thereto In the case of the nucleic acids exemplified above, they may be designed according to the FSD3S sequence of the target plant and consist of a sequence capable of deleting or inhibiting its expression.

이들의 개별 구체적인 예시는 하기와 같다.Individual specific examples of these are as follows.

예를 들어, FSD3S 유전자의 결손 또는 저해는 식물의 FSD3S 유전자를 타켓팅 할 수 있는 gRNA(guide RNA) 및 Cas 뉴클레아제를 포함하는 T-DNA재조합 플라스미드를 제작하고, 이를 아그로박테리움을 통해 식물에 도입함으로써 실시할 수 있다. 상기 T-DNA는 대상 식물의 FSD3S 서열에 맞추어 설계되어, 그 발현을 결손 또는 저해 시킬 수 있는 서열로 이루어진 것일 수 있다.For example, deletion or inhibition of the FSD3S gene produces a T-DNA recombinant plasmid containing gRNA (guide RNA) and Cas nuclease that can target the plant's FSD3S gene, and infects the plant through Agrobacterium. This can be done by introducing The T-DNA may be designed according to the FSD3S sequence of the target plant and consist of a sequence capable of deficient or inhibiting its expression.

예를 들어, FSD3S 유전자의 결손 또는 저해는 타겟 유전자인 FSD3S 유전자의 mRNA와 상동인 서열을 가지는 sense RNA 가닥과 이와 상보적인 서열을 가지는 antisense RNA 가닥으로 구성된 siRNA를 상기 식물 세포에 도입하여 실시할 수 있다. 상기 siRNA는 대상 식물의 FSD3S 유전자의 mRNA 서열에 맞추어 설계되어, 그 발현을 결손 또는 저해 시킬 수 있는 서열로 이루어진 것일 수 있다.For example, deletion or inhibition of the FSD3S gene can be carried out by introducing siRNA composed of a sense RNA strand having a sequence homologous to the mRNA of the FSD3S gene, which is a target gene, and an antisense RNA strand having a sequence complementary thereto, into the plant cell. there is. The siRNA may be designed according to the mRNA sequence of the FSD3S gene of the target plant, and may consist of a sequence capable of deficient or inhibiting its expression.

예를 들어, FSD3S 유전자의 결손 또는 저해는 shRNA를 상기 식물 세포에 도입하여 실시할 수 있다. 상기 shRNA는 대상 식물의 FSD3S 유전자의 mRNA 서열에 맞추어 설계되어, 그 발현을 결손 또는 저해 시킬 수 있는 서열로 이루어진 것일 수 있다.For example, deletion or inhibition of the FSD3S gene can be performed by introducing shRNA into the plant cells. The shRNA may be designed according to the mRNA sequence of the FSD3S gene of the target plant and consist of a sequence capable of deficient or inhibiting its expression.

예를 들어, FSD3S 유전자의 결손 또는 저해는 FSD3S 유전자 mRNA 가닥의 상보적인 염기서열로서 FSD3S 유전자 mRNA에 특이성을 가지고 결합하는 영역과 해당 mRNA를 절단하는 영역으로 구성된 리보자임(ribozyme)을 상기 식물 세포에 도입하여 실시할 수 있다.For example, deletion or inhibition of the FSD3S gene is a complementary nucleotide sequence of the mRNA strand of the FSD3S gene, and a ribozyme composed of a region that binds with specificity to the mRNA of the FSD3S gene and a region that cleaves the corresponding mRNA is introduced into the plant cell. can be introduced and implemented.

예를 들어, FSD3S 유전자의 결손 또는 저해는 FSD3S 유전자의 RNA와 상보적으로 결합이 가능한 PNA(peptide nucleic acid)를 상기 식물 세포에 도입하여 실시할 수 있다.For example, deletion or inhibition of the FSD3S gene can be performed by introducing peptide nucleic acid (PNA) capable of complementarily binding to the RNA of the FSD3S gene into the plant cell.

본 발명은 식물의 FSD3S(Fe-superoxide dismutase 3 splicing variant) 유전자 발현 조절제를 포함하는 식물 광합성 효율 조절용 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for regulating the photosynthetic efficiency of a plant, including an FSD3S (Fe-superoxide dismutase 3 splicing variant) gene expression regulator.

대상 식물은 전술한 범위 내의 것일 수 있다.The target plant may be within the above range.

FSD3S 유전자 발현 조절제는 FSD3S 유전자의 발현 촉진제, 발현 결손제 또는 발현 저해제일 수 있고, 구체적으로는 발현 결손제 또는 발현 저해제일 수 있다.The FSD3S gene expression regulator may be an expression promoter, an expression-defective agent, or an expression inhibitor of the FSD3S gene, and specifically may be an expression-defective agent or an expression inhibitor.

FSD3S 유전자의 발현 촉진제는 식물 광합성 효율을 저하시킬 수 있고, 발현 결손제 또는 발현 저해제는 식물 광합성 효율을 촉진시킬 수 있다.An expression enhancer of the FSD3S gene may decrease plant photosynthetic efficiency, and an expression-defective agent or expression inhibitor may promote plant photosynthetic efficiency.

FSD3S 유전자 발현 결손 또는 저해제는 CRISPR/Cas 뉴클레아제((Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/ CRISPR-associated sequences nuclease), T-DNA(transfer-DNA), siRNA(small interfering RNA), shRNA(short hairpin RNA), miRNA(microRNA), 리보자임(ribozyme) 또는 PNA(peptide nucleic acids)일 수 있고 전술한 범위 내의 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 예시한 핵산들의 경우 대상 식물의 FSD3S 서열에 맞추어 설계되어, 그 발현을 결손 또는 저해시킬 수 있는 서열로 이루어진 것일 수 있다.FSD3S gene expression deletion or inhibitors include CRISPR/Cas nuclease ((Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/ CRISPR-associated sequences nuclease), T-DNA (transfer-DNA), siRNA (small interfering RNA), shRNA (short hairpin RNA) ), miRNA (microRNA), ribozyme, or PNA (peptide nucleic acids), and may be within the above range, but is not limited thereto. and may consist of a sequence capable of deleting or inhibiting its expression.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, examples will be described in detail to explain the present invention in detail.

실시예Example

실험재료 및 방법Experiment materials and methods

1. 식물 재료 및 성장 조건1. Plant materials and growth conditions

Arabidopsis thaliana(애기장대) ecotype Columbia(Col-0)가 대조군으로 사용되었다. fsd3-1 돌연변이체(Salk_103228)는 Arabidopsis Biological Resource Center에서 얻었다. 종자를 살균하고 1/2 강도의 Murashige 및 Skoog(1/2 x MS) 고체 배지에 도말했다. 어두운 조건 하에, 4℃에서 2일 동안 vernalization 후, 22℃에서 16/8 시간(빛/암실)의 광 체계(light regime)로 식물을 성장 챔버에서 성장시켰다. 묘목은 성숙한 식물의 분석을 위해 토양으로 옮겨졌다. 연속적인 밝은 또는 어두운 조건에서의 성장을 위해 식물은 22℃의 챔버에서 재배되었다. Arabidopsis thaliana (Arabidopsis thaliana) ecotype Columbia (Col-0) was used as a control. The fsd3-1 mutant ( Salk_103228 ) was obtained from the Arabidopsis Biological Resource Center. Seeds were sterilized and plated on 1/2 strength Murashige and Skoog (1/2 x MS) solid medium. After vernalization for 2 days at 4°C under dark conditions, plants were grown in a growth chamber at 22°C with a light regime of 16/8 hours (light/dark). Seedlings were transferred to soil for analysis of mature plants. For growth in continuous light or dark conditions, plants were grown in chambers at 22°C.

2. 형질 전환 식물을 위한 재조합 DNA 플라스미드의 구축2. Construction of recombinant DNA plasmids for transgenic plants

재조합 DNA 플라스미드를 구축하는 데에 GATEWAY 시스템(Invitrogen)을 사용하였다. 35S::FSD3S 구축을 위해 애기장대 총 RNA로부터 full-length FSD3S cDNA를 RT-PCR로 증폭하였다. cDNA는 BP 반응에 의해 pDONR221 벡터(Invitrogen)에 삽입되었다. 그 다음, pENTRY clones은 LR 반응에 의해 35S 프로모터를 운반하는 변형된 pMDC 식물 이원 벡터로 재조합되었다. 35S::FSD3S-GFP35S::FSD3SㅿTM-GFP의 구성을 위해, FSD3S 또는 정지 코돈이 없는 FSD3SㅿTM cDNA를 포함하는 각 pENTRY 클론은 LR 반응에 의해 35S 프로모터 및 GFP와 in-frame 재조합되었다. 프라이머 서열은 표 1에 나열되어있다.The GATEWAY system (Invitrogen) was used to construct recombinant DNA plasmids. For the construction of 35S::FSD3S , full-length FSD3S cDNA was amplified by RT-PCR from total RNA of Arabidopsis. The cDNA was inserted into the pDONR221 vector (Invitrogen) by BP reaction. Then, the pENTRY clones were recombined into a modified pMDC plant binary vector carrying the 35S promoter by LR reaction. For the construction of 35S::FSD3S-GFP and 35S::FSD3SㅿTM-GFP , each pENTRY clone containing FSD3S or FSD3SㅿTM cDNA without a stop codon was subjected to in-frame recombination with the 35S promoter and GFP by LR reaction It became. Primer sequences are listed in Table 1.

이름name 서열order 용도purpose 서열번호sequence number FSD3 geno-5FSD3 geno-5 GCCTTCTAGCTCACGGCTTGGCCTTCTAGCTCACGGCTTG fsd3 genotypefsd3 genotype 22 FSD3 geno-3FSD3 geno-3 GCAGCGTTGTTGAACTCGGGGCAGCGTTGTTGAACTCGGG fsd3 genotypefsd3 genotype 33 FSD3-5FSD3-5 CTGGACTACAAGAACGACAGCTGGACTACAAGAACGACAG qRT-PCRqRT-PCR 44 FSD3S-5FSD3S-5 TCCGGTTGCTAGAACGACAGTCCGGTTGCTAGAACGACAG qRT-PCRqRT-PCR 55 FSD3 and 3S-3FSD3 and 3S-3 GCGATTGGGATGTTGGGTTCGCGATTGGGATGTTGGGTTC qRT-PCRqRT-PCR 66 rpoB-5rpoB-5 GAACATCTGCAATACCCGGGAACATCTGCAATACCCGG qRT-PCRqRT-PCR 77 rpoB-3rpoB-3 GTTCTACCAATTGATATGTTTCCGTTCTACCAATTGATATGTTTCC qRT-PCRqRT-PCR 88 rbcL-5rbcL-5 GCTGCTGAATCTTCTACTGGGCTGCTGAATCTTCTACTGG qRT-PCRqRT-PCR 99 rbcL-3rbcL-3 GAGTTTCTTCTCCTGGAACGGAGTTTCTTCTCCTGGAACG qRT-PCRqRT-PCR 1010 psbA-5psbA-5 GTCCTTGGATTGCTGTTGCGTCCTTGGATTGCTGTTGC qRT-PCRqRT-PCR 1111 psbA-3psbA-3 GAGATTCCTAGAGGCATACCGAGATTCCTAGAGGCATACC qRT-PCRqRT-PCR 1212 SAG12-5SAG12-5 GATGTCAAGGATAAACAAGGACGATGTCAAGGATAAACAAGGAC qRT-PCRqRT-PCR 1313 SAG12-3SAG12-3 CAATCCCACACAAACATACACCAATCCCACACAAACATACAC qRT-PCRqRT-PCR 1414 ATC2-5ATC2-5 CTTGCACCAAGCAGCATGAACTTGCACCAAGCAGCATGAA qRT-PCRqRT-PCR 1515 ATC2-3ATC2-3 CCGATCCAGACACTGTACTTCCCCGATCCAGACACTGTACTTCC qRT-PCRqRT-PCR 1616 FSD3 BP-5FSD3 BP-5 GGGGACAAGTTTGTACAAAAAAGCAGGCTCCATGAGTTCTTG TGTTGTGGGGGACAAGTTTGTACAAAAAAGCAGGCTCCATGAGTTCTTG TGTTGTG GFP, OxGFP, Ox 1717 FSD3S BP-3FSD3S BP-3 GGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTCTTAAGCTAGGTT TTTACCTGGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTCTTAAGCTAGGTT TTTACCT OXOX 1818 FSD3 BP-3 nonstopFSD3 BP-3 nonstop GGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTCAGCGATTGGGATGTTGGGTTCGGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTCAGCGATTGGGATGTTGGGTTC GFP andGST fusionGFP and GST fusion 1919 FSD3S BP-3 nonstopFSD3S BP-3 nonstop GGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTCAGCTAGGTTTTTACCTTGTAGGGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTCAGCTAGGTTTTTACCTTGTAG GFP andGST fusionGFP and GST fusion 2020 FSD3SㅿTM BP-3 nonstopFSD3SㅿTM BP-3 nonstop GGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTCAAAATGTTTCAAAGTGTTTCTTGGGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTCAAAATGTTTCAAAGTGTTTCTTG GFP andGST fusionGFP and GST fusion 2121 PEND fusion-5PEND fusion-5 CCCCTTGCTCCGTGGATCCATGCACTCTCTTAAGACTACTTGCCCCCTTGCTCCGTGGATCCATGCACTCTCTTAAGACTACTTGC CFP fusionCFP fusion 2222 PEND fusion-3 no stopPEND fusion-3 no stop CCTCGCCCTTGCTCACGGATCCACCAGGACCAAGGACTCCCTCGCCCTTGCTCACGGATCCACCAGGACCAAGGACTC CFP fusionCFP fusion 2323 CFP fusion-5CFP fusion-5 GTGAGCAAGGGCGAGGAGGTGAGCAAGGGCGAGGAG CFP fusionCFP fusion 2424 CFP fusion-3CFP fusion-3 CCAAATGTTTGAACGATCTGCAGTCACTTGTACAGCTCGTCCATGCCAAATGTTTGAACGATCTGCAGTCACTTGTACAGCTCGTCCATG CFP fusionCFP fusion 2525 pTAC10 HA-5pTAC10 HA-5 GGAACCAATTCAGTCGACTGGATCCATGCAGATTTGCCAAACCAAGGGAACCAATTCAGTCGACTGGATCCATGCAGATTTGCCAAAACCAAG Co-IPCo-IP 2626 pTAC10 HA-3pTAC10 HA-3 CAGGCCTCCGCTTGCGGCCGCGTCTGTCAAGACTTGAGTACCAGGCTCCGCTTGCGGCCGCGTCTGTCAAGACTTGAGTAC Co-IPCo-IP 2727

3. 초 미세 절단(ultra-microsectioning) 및 투과 전자 현미경3. Ultra-microsectioning and transmission electron microscopy

엽록체 미세 구조 분석을 위해 이전에 Motohashi 등이 약간 수정하여 설명한대로 초 미세 절단을 수행했다. 표시된 식물에서 채취 한 잎은 고정 용액 1(0.86 M Na-P [pH 7.2], 1% 글루타르 알데히드 및 1% 파라포름 알데히드)을 사용하여 실온에서 1일 동안 고정했다. 샘플은 세척 용액(0.137 M Na-P [pH 7.2])을 사용하여 3 회 세척 한 다음 고정 용액 2(0.86 M Na-P [pH 7.2], 2% 오스뮴 4 산화물)로 실온에서 1시간 동안 두 번째 고정처리 하였다. 세 번 세척한 후 샘플을 아세톤 구배(25, 50, 75 and 100% in ddH2O (v/v))로 각각 1 시간 동안 탈수한 다음 밤새 절대 아세톤(absolute acetone)에서 배양시켰다. 탈수된 샘플을 Spurr resin (Sigma) 구배(25, 50, 75 and 100% in acetone(v/v))에서 각각 2시간 동안 배양했고, 절대 Spurr resin에서 밤새 배양했다. 응고를 위해 샘플을 65℃에서 2일 동안 몰드(mold)에 두었다. 절단면(80 nm)은 ultramicrotome(EM UC7, Leica)로 촬영되었다. 이미지는 투과 전자 현미경(TEM), JEM1010으로 캡쳐되었다.For chloroplast microstructure analysis, ultramicrosections were performed as previously described by Motohashi et al. with minor modifications. Leaves from the indicated plants were fixed using fixative solution 1 (0.86 M Na-P [pH 7.2], 1% glutaraldehyde and 1% paraformaldehyde) at room temperature for 1 day. Samples were washed three times using washing solution (0.137 M Na-P [pH 7.2]) and then fixed solution 2 (0.86 M Na-P [pH 7.2], 2% osmium tetroxide) for 1 h at room temperature. second fixed treatment. After washing three times, the samples were dehydrated with an acetone gradient (25, 50, 75 and 100% in ddH 2 O (v/v)) for 1 hour each and then incubated overnight in absolute acetone. Dehydrated samples were incubated on Spurr resin (Sigma) gradients (25, 50, 75 and 100% in acetone (v/v)) for 2 hours each and overnight on absolute Spurr resin. For solidification, the samples were placed in a mold at 65° C. for 2 days. Sections (80 nm) were imaged with an ultramicrotome (EM UC7, Leica). Images were captured with a transmission electron microscope (TEM), JEM1010.

4. 엽록소 함량 및 광합성 활성 측정4. Measurement of chlorophyll content and photosynthetic activity

엽록소 함량은 5주령 Col-0 및 FSD3S-OX에서 측정되었다. 생잎(fresh leaves)(0.75 g)을 15 mL의 95% 에탄올(v/v in ddH2O)로 식물 조직 균질화기로 균질화했다. 균질화된 샘플은 4℃에서 15분 동안 12,000 xg에서 원심 분리되었다. 95% 에탄올을 사용하여 상청액을 10배 희석하였다. 엽록소 함량은 UV/visible spectrophotometer(OPTIZEN POP, Mecasys)로 측정되었다. 이들 형질 전환 식물의 광합성 활성을 측정하기 위해, 5주령 Col-0 및 표시된 형질 전환 식물의 6 내지 8 번째 잎에서 잎 디스크를 수집하였다. 잎 디스크는 측정하기 전에 30분 동안 어두운 조건 하에 두었다. 잎의 Fv/Fm 값은 pulse modulation fluorometer(mini-PAM, Walz, Germany)로 측정했다.Chlorophyll content was measured in 5-week-old Col-0 and FSD3S-OX . Fresh leaves (0.75 g) were homogenized with a plant tissue homogenizer in 15 mL of 95% ethanol (v/v in ddH 2 O). Homogenized samples were centrifuged at 12,000 xg for 15 minutes at 4°C. The supernatant was diluted 10-fold using 95% ethanol. Chlorophyll content was measured with a UV/visible spectrophotometer (OPTIZEN POP, Mecasys). To measure the photosynthetic activity of these transgenic plants, leaf discs were collected from 6 to 8 leaves of 5-week-old Col-0 and indicated transgenic plants. Leaf discs were placed under dark conditions for 30 minutes prior to measurement. The Fv/Fm values of the leaves were measured with a pulse modulation fluorometer (mini-PAM, Walz, Germany).

5. 겔 내 SOD 활성 분석5. In-gel SOD activity assay

FSD3FSD3S cDNA는 gateway system(Invitrogen)을 사용하여 발현 벡터 pMBP-DC에 융합되었다. 각 구축물은 각각 대장균 BL21(DE3) pLysS plus RIL strain에 도입되었다. 재조합 단백질의 발현은 18℃에서 14시간 동안 1 mM isopropyl-β-D-thiogalactoside에 의해 유도되었다. 미정제된 추출물은 amylose resin(NEB)로 정제되었다. 추출 완충액(20 mM Tris-HCl [pH 7.4], 200 mM NaCl, 1 mM EDTA 및 10 mM β-mercaptoethanol)으로 4회 세척한 후 10 mM 말토오스를 포함하는 추출 완충액으로 용출을 수행하였다. 단백질의 SOD 활성은 Beauchamp and Fridovich (1971) and Myouga et al. (2008)에서와 같이 분석되었다. 각 단백질을 native-PAGE에 로딩하였다. 겔을 ddH2O로 3회 세척한 다음 NBT(nitroblue tetrazolium) 용액(0.1% NBT in ddH2O(w/v))과 함께 어두운 곳에서 15분 동안 부드럽게 흔들어 배양했다. ddH2O로 세척 후 겔을 15분 동안 리보플라빈 용액(0.028 mM riboflavin and 28 mM TEMED in 0.1 M potassium phosphate buffer [pH 7.0])에 담근 후 ddH2O로 헹구었다. 겔은 광화학 반응을 시작하기 위해 백색광 상자로 조명되었다. SOD 활동의 정량화에는 Image J software가 사용되었다. FSD3 and FSD3S cDNAs were fused to the expression vector pMBP-DC using the gateway system (Invitrogen). Each construct was introduced into an E. coli BL21(DE3) pLysS plus RIL strain, respectively. Expression of the recombinant protein was induced by 1 mM isopropyl-β-D-thiogalactoside at 18°C for 14 hours. The crude extract was purified with amylose resin (NEB). After washing 4 times with an extraction buffer (20 mM Tris-HCl [pH 7.4], 200 mM NaCl, 1 mM EDTA, and 10 mM β-mercaptoethanol), elution was performed with an extraction buffer containing 10 mM maltose. The SOD activity of proteins has been studied by Beauchamp and Fridovich (1971) and Myouga et al. (2008). Each protein was loaded on native-PAGE. The gel was washed three times with ddH 2 O and then incubated with nitroblue tetrazolium (NBT) solution (0.1% NBT in ddH 2 O (w/v)) for 15 minutes in the dark with gentle shaking. After washing with ddH 2 O, the gel was immersed in a riboflavin solution (0.028 mM riboflavin and 28 mM TEMED in 0.1 M potassium phosphate buffer [pH 7.0]) for 15 minutes and then rinsed with ddH 2 O. The gel was illuminated with a white light box to initiate the photochemical reaction. Image J software was used for quantification of SOD activity.

6. 엽록체 단백질의 정제 및 분별6. Purification and fractionation of chloroplast proteins

Minute Chloroplast Isolation Kit(Invent Biotechnologies)를 사용하여 야생형 35S::FSD3S-GFP35S::FSD3SㅿTM-GFP 식물에서 온전한 엽록체를 분리했다. 엽록체를 50mM Tris-Cl[pH7.5]로 현탁시켜 삼투적으로 용해시켰다. 샘플을 강하게 볼텍싱 한 다음 10,000 xg에서 4℃에서 20분 동안 원심 분리했다. 상청액을 가용성 분획으로 사용했다. 불용성 분획의 제조를 위해 나머지 펠렛을 현탁하고 2x Laemmli Sample Buffer(Bio-Rad)로 5분 동안 끓였다. 단백질을 10% SDS-폴리아크릴아미드 겔(SDS-polyacrylamide gel)에 로드한 다음 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenen fluoride) 막으로 옮겼다. FSD3S-GFP 및 FSD3SㅿTM-GFP를 검출하기 위해 GFP 폴리클로날 항체(GFP polyclonal antibodies, Santa Cruz) 및 anti-rabbit HRP-linked secondary antibodies(Thermo Fisher)를 사용하여 면역 블롯 분석을 수행했다. Amersham ECL prime(GE Healthcare)을 사용하여 웨스턴 블롯 신호를 감지했다.Intact chloroplasts were isolated from wild-type 35S::FSD3S-GFP and 35S::FSD3SㅿTM-GFP plants using the Minute Chloroplast Isolation Kit (Invent Biotechnologies). Chloroplasts were osmotically lysed by suspension in 50 mM Tris-Cl [pH7.5]. Samples were vortexed vigorously and then centrifuged at 10,000 xg for 20 minutes at 4°C. The supernatant was used as the soluble fraction. For preparation of the insoluble fraction, the remaining pellet was suspended and boiled for 5 minutes with 2x Laemmli Sample Buffer (Bio-Rad). Proteins were loaded on a 10% SDS-polyacrylamide gel and then transferred to a polyvinylidene fluoride membrane. Immunoblot analysis was performed using GFP polyclonal antibodies (Santa Cruz) and anti-rabbit HRP-linked secondary antibodies (Thermo Fisher) to detect FSD3S-GFP and FSD3SㅿTM-GFP. Western blot signals were detected using Amersham ECL prime (GE Healthcare).

7. 정량적 RT-PCR7. Quantitative RT-PCR

정량적 RT-PCR 분석은 표시된 식물에서 추출한 총 RNA를 사용하여 수행되었다. 총 RNA 추출은 RNeasy plant mini-prep kit(Qiagen)를 사용하여 수행되었으며 DNase는 제조업체의 지침에 따라 15 분 동안 처리되었다. cDNA 합성을 위해 2 ㎍의 총 RNA와 Superscript Ⅲ 역전사 효소(Invitrogen)를 사용하여 20 ㎕의 반응을 수행했다. 정량적 PCR의 경우 SYBR GREEN I Master Mix(Roche)가 포함된 LightCycler 480이 사용되었다. PCR 및 형광 검출은 LightCycler NANO Real-Time PCR machine(Roche)를 사용하여 수행되었다. PCR 조건은 제조업체의 지침에 따라 프로그래밍되었다(95℃에서 5분 동안 초기 변성 후 95℃에서 10초 동안 변성 45 사이클, 60℃에서 10초 동안 어닐링, 72℃에서 10초 동안 확장). 발현 수준은 세 번의 기술적 반복(technical replicates)을 사용하여 분석하였다. AtACT2(At3g18780)는 내부 제어로 사용되었다. qRT-PCR의 세 번의 기술적 반복은 세 번의 생물학적 반복(biological replicates)을 사용하여 수행되었다. 프라이머 서열 정보는 표 1에 기재되어있다.Quantitative RT-PCR analysis was performed using total RNA extracted from indicated plants. Total RNA extraction was performed using the RNeasy plant mini-prep kit (Qiagen) and DNase treated for 15 min according to the manufacturer's instructions. A 20 μl reaction was performed using 2 μg of total RNA and Superscript III reverse transcriptase (Invitrogen) for cDNA synthesis. For quantitative PCR, a LightCycler 480 with SYBR GREEN I Master Mix (Roche) was used. PCR and fluorescence detection were performed using a LightCycler NANO Real-Time PCR machine (Roche). PCR conditions were programmed according to the manufacturer's instructions (initial denaturation at 95 °C for 5 min, followed by 45 cycles of denaturation at 95 °C for 10 sec, annealing at 60 °C for 10 sec, extension at 72 °C for 10 sec). Expression levels were analyzed using three technical replicates. AtACT2 (At3g18780) was used as an internal control. Three technical replicates of qRT-PCR were performed using three biological replicates. Primer sequence information is listed in Table 1.

8. Co-immunoprecipitation 및 co-localization 분석8. Co-immunoprecipitation and co-localization analysis

원형질체는 야생형, 35S::FSD3-GFP35S::FSD3S-GFP 식물에서 분리되었고 35S::pTAC10-HA 플라스미드로 형질 전환되었다. 35S::pTAC10-HA 플라스미드를 구축하기 위해, pTAC10 cDNA를 Gilson assembly system(NEB)을 사용하여 pTAC10-HA용 BamHI/NotI-digested pE2C 플라스미드에 도입했다. Entry clone은 LR 반응에 의해 pMDC 플라스미드에 삽입되었다. co-immunoprecipitation 분석은 Chang et al. (2017)의 방법을 약간 수정하여 수행되었다. FSD3-GFP 및 PEND-CFP의 co-localization 분석을 위해 35S::FSD3-GFP 식물에서 분리된 원형질체를 사용했다. 35S::PEND-CFP의 구축을 위해 N-terminal 88-아미노산 서열을 암호화하는 PEND cDNA를 증폭하여 BamHI-digested pHBT-CFP 플라스미드에 도입했다. 원형질체의 형광 신호는 공 초점 현미경(STED, Leica)으로 검출되었다.Protoplasts were isolated from wild-type, 35S::FSD3-GFP and 35S::FSD3S-GFP plants and transformed with the 35S::pTAC10-HA plasmid. To construct the 35S::pTAC10-HA plasmid, the pTAC10 cDNA was introduced into the BamHI/NotI -digested pE2C plasmid for pTAC10 -HA using the Gilson assembly system (NEB). Entry clone was inserted into pMDC plasmid by LR reaction. A co-immunoprecipitation assay was performed by Chang et al. (2017) with minor modifications. For the co-localization analysis of FSD3-GFP and PEND-CFP, protoplasts isolated from 35S::FSD3-GFP plants were used. To construct 35S::PEND-CFP , PEND cDNA encoding the N-terminal 88-amino acid sequence was amplified and introduced into the Bam HI-digested pHBT-CFP plasmid. The fluorescence signal of the protoplasts was detected with a confocal microscope (STED, Leica).

9. CM-H2DCFDA 및 NBT(nitroblue tetrazolium) 염색에 의한 ROS의 조직화학적 검출9. Histochemical detection of ROS by CM-H 2 DCFDA and nitroblue tetrazolium (NBT) staining

잎에서 ROS 축적을 시각화하기 위해 약간 수정된 CM-H2DCFDA 염색을 수행하였다. 2주령 야생형 및 35S::FSD3S 식물을 10 μM CM-H2DCFDA 용액에서 4℃에서 1시간 동안 배양했다. 샘플을 0.1 mM KCl 및 0.1 mM CaCl2(pH 6.0)로 세척한 다음 RT에서 1시간 동안 배양했다. CM-H2DCFDA 신호는 공 초점 현미경(STED, Leica)을 사용하여 시각화되었다. NBT 염색은 다음과 같이 수행되었다. 6주 동안 토양에서 자란 야생형 및 35S::FSD3S 식물에서 채취한 성숙한 로제트 잎을 NBT 염색 용액(6 mM NBT, 2.7 mM KCl, 1.8 mM KH2PO4, 10mM NaH2PO4 및 137 mM NaCl[pH 7.1])으로 처리했다. 어둠 속에서 10분 동안 진공 침투한 후, 샘플을 실온에서 20분 동안 빛에 노출시킨 다음 무수 에탄올로 옮겨 엽록소를 제거했다. NBT 염색 이미지는 디지털 카메라 Coolpix p300(Nikon)을 사용하여 캡쳐되었다.A slightly modified CM-H 2 DCFDA staining was performed to visualize ROS accumulation in leaves. Two-week-old wild-type and 35S::FSD3S plants were incubated for 1 hour at 4°C in 10 μM CM-H 2 DCFDA solution. Samples were washed with 0.1 mM KCl and 0.1 mM CaCl 2 (pH 6.0) and then incubated for 1 hour at RT. CM-H 2 DCFDA signals were visualized using a confocal microscope (STED, Leica). NBT staining was performed as follows. Mature rosette leaves taken from wild-type and 35S::FSD3S plants grown in soil for 6 weeks were stained with NBT staining solution (6 mM NBT, 2.7 mM KCl, 1.8 mM KH 2 PO 4 , 10 mM NaH 2 PO 4 and 137 mM NaCl [pH 7.1]). After vacuum infiltration for 10 min in the dark, the samples were exposed to light for 20 min at room temperature and then transferred to absolute ethanol to remove chlorophyll. NBT staining images were captured using a digital camera Coolpix p300 (Nikon).

결과result

1. FSD3의 스플라이싱 변이체(splicing variant)인 FSD3S1. FSD3S, a splicing variant of FSD3

PAP(Plastid-encoded RNA polymerase-associated protein)는 PEP(Plastid-encoded RNA polymerase) 복합체의 활성을 조절하여 엽록체 발달을 조절한다. 본 발명자들은 FSD3/PAP4의 스플라이싱 변형체인 FSD3S를 동정했다. FSD3에는 8개의 엑손이 포함되어 있으며, 성숙한 FSD3 mRNA는 스플라이싱을 통해 pre-mRNA에서 7개의 인트론을 제거하여 생성했다. 대조적으로, FSD3S는 6개의 엑손만을 포함한다; 6번째 및 7번째 인트론은 mRNA에 남아있다(도 1a). FSD3와 FSD3S의 예측된 아미노산 서열을 비교한 결과, 215 내지 256번 아미노산 사이에 있는 FSD3S의 C-terminal 영역은 6번째 및 7번째 인트론의 존재로 인해 FSD3의 아미노산과 다른 아미노산으로 구성되어 있음을 보여준다. FSD3S의 정지 코돈은 FSD3(792 bp)에 비해 더 빠른 위치(771 bp)에 있다. 결과적으로 FSD3S mRNA는 FSD3의 263개 아미노산에 비해 256개 아미노산으로 구성된 더 짧은 단백질을 암호화한다. 스플라이싱되지 않은 인트론의 존재는 또한 FSD3S의 특성에 영향을 미쳤다(도 1b). FSD3와 FSD3S의 소수성이 예측되었을 때, (http://web.expasy.org/protscale/), C-terminal 영역, 특히 아미노산 230과 250 사이에 위치한 영역은 FSD3와 FSD3S 간에 달랐다. FSD3S의 C-terminal 영역은 FSD3보다 훨씬 높은 소수성을 나타내어 FSD3S 기능이 FSD3의 기능과 다를 수 있음을 시사한다.Plastid-encoded RNA polymerase-associated protein (PAP) regulates chloroplast development by regulating the activity of the PEP (Plastid-encoded RNA polymerase) complex. We identified FSD3S, a splicing variant of FSD3/PAP4. FSD3 contains 8 exons, and mature FSD3 mRNA was created by removing 7 introns from the pre-mRNA through splicing. In contrast, FSD3S contains only 6 exons; The 6th and 7th introns remain in the mRNA (Fig. 1a). As a result of comparing the predicted amino acid sequences of FSD3 and FSD3S, it is shown that the C-terminal region of FSD3S between amino acids 215 and 256 is composed of amino acids different from those of FSD3 due to the presence of the 6th and 7th introns. . The stop codon of FSD3S is located earlier (771 bp) compared to FSD3 (792 bp). As a result, FSD3S mRNA encodes a shorter protein consisting of 256 amino acids compared to FSD3's 263 amino acids. The presence of unspliced introns also affected the properties of FSD3S (Fig. 1b). When the hydrophobicity of FSD3 and FSD3S was predicted ( http://web.expasy.org/protscale/ ), the C-terminal region, especially the region located between amino acids 230 and 250, differed between FSD3 and FSD3S. The C-terminal region of FSD3S showed much higher hydrophobicity than FSD3, suggesting that FSD3S function may be different from that of FSD3.

2. FSD3S의 superoxide dismutase(SOD) 활성2. Superoxide dismutase (SOD) activity of FSD3S

FSD3는 iron SOD를 암호화한다. FSD3와 FSD3S 단백질은 특성이 다르기 때문에 FSD3S 단백질의 SOD 활성이 FSD3 단백질의 활성과 다를 것으로 예상되었다. 이를 확인하기 위해, FSD3 및 FSD3S 단백질의 SOD 활성을 분석했다(도 2). 본 발명자는 대장균에서 MBP-fused 재조합 FSD3 및 FSD3S를 발현하고 겔 내 SOD 활성 분석으로 활성을 측정했다. 예상과 다르게, FSD3S 단백질은 SOD 활성을 보였고 FSD3S의 활성은 FSD3보다 약간 낮거나 유사하였다. 이러한 관찰은 소수성 C-terminal 영역이 FSD3S의 SOD 활성에 큰 영향을 미치지 않음을 시사했다.FSD3 encodes iron SOD. Because FSD3 and FSD3S proteins have different properties, it was expected that the SOD activity of FSD3S protein would be different from that of FSD3 protein. To confirm this, the SOD activities of FSD3 and FSD3S proteins were analyzed (FIG. 2). We expressed MBP-fused recombinant FSD3 and FSD3S in E. coli and measured their activities by in-gel SOD activity assay. Unexpectedly, the FSD3S protein showed SOD activity, and the activity of FSD3S was slightly lower than or similar to that of FSD3. These observations suggested that the hydrophobic C-terminal region did not significantly affect the SOD activity of FSD3S.

3. FSD3S의 세포 내 위치 파악3. Subcellular localization of FSD3S

FSD3S의 소수성 C-terminal 영역이 세포 내 위치에 영향을 미치는지 여부를 테스트하기 위해, 35S::FSD3-GFP 및 35S::FSD3S-GFP 형질 전환 식물을 생성하고 이 형질 전환 식물들의 형광 신호를 모니터링하여 FSD3-GFP 및 FSD3S-GFP의 위치를 분석했다. 본 발명자는 FSD3-GFP 및 FSD3S-GFP 형질 전환 식물의 4개 이상의 독립 라인을 테스트했다. 그것들 사이에서 GFP 신호의 강도에 약간의 차이가 있음에도 불구하고 모든 유전자 변형 식물은 엽록체에서 녹색 형광 신호를 나타냈다. 그러나 형광 신호의 세포 하 위치화 패턴은 35S::FSD3-GFP와 35S::FSD3S-GFP 식물 간에 달랐다(도 3). FSD3 단백질의 형광 신호는 엽록체에서 점 모양의 구조로 나타났다(도 3). 뉴클레오이드 관련 단백질 PEND(PEND-CFP) 및 FSD3(FSD3-GFP)를 사용한 co-localization 테스트는 CFP 및 GFP 신호가 엽록체의 동일한 위치에 있음을 보여주었다(도 9). 이것은 FSD3가 PAP와 PEP 복합체가 작용하는 뉴클레오이드에 위치하는 것을 보여주었다. 그러나 35S::FSD3S-GFP는 엽록체에서 점 모양의 신호를 나타내지 않았고, FSD3S 단백질의 형광 신호는 엽록체 전체에 분포하는 경향이 있었다(도 3). 이러한 관찰은 FSD3가 엽록체 뉴클레오이드에 위치하지만 FSD3S는 그렇지 않음을 시사했다. 이러한 결과는 FSD3S의 소수성 C-terminal 영역이 FSD3S의 위치에 영향을 미친다는 것을 시사한다.To test whether the hydrophobic C-terminal region of FSD3S affects its subcellular localization, we generated 35S::FSD3-GFP and 35S::FSD3S-GFP transgenic plants and monitored the fluorescence signals of these transgenic plants. The localization of FSD3-GFP and FSD3S-GFP was analyzed. We tested at least four independent lines of FSD3-GFP and FSD3S-GFP transgenic plants. All transgenic plants exhibited a green fluorescence signal in the chloroplasts, despite some differences in the intensity of the GFP signal among them. However, the subcellular localization pattern of the fluorescent signal differed between 35S::FSD3-GFP and 35S::FSD3S-GFP plants (Fig. 3). The fluorescence signal of the FSD3 protein appeared as a dot-like structure in the chloroplast (FIG. 3). Co-localization tests using the nucleoid-associated proteins PEND (PEND-CFP) and FSD3 (FSD3-GFP) showed that the CFP and GFP signals co-localized in the chloroplast (Fig. 9). This showed that FSD3 is located on the nucleoid where the PAP and PEP complex functions. However, 35S::FSD3S-GFP did not show a dotted signal in the chloroplast, and the fluorescence signal of the FSD3S protein tended to be distributed throughout the chloroplast (FIG. 3). These observations suggested that FSD3 is located on chloroplast nucleoids, but FSD3S is not. These results suggest that the hydrophobic C-terminal region of FSD3S affects FSD3S localization.

4. FSD3S의 소수성 C-terminal 영역은 막 관통 도메인을 포함4. The hydrophobic C-terminal region of FSD3S contains a transmembrane domain

N-terminal 영역은 FSD3와 FSD3S 단백질 간에 동일하지만 C-terminal 영역이 다르기 때문에 FSD3S 단백질의 소수성 C-terminal 영역이 FSD3S의 위치를 결정할 수 있다고 예상했다. 이를 확인하기 위해 FSD3S의 위치를 담당할 수 있는 일부 도메인을 식별하기 위해 바이오인포매틱스(bioinformatics) 분석을 수행했다. 이것은 FSD3S의 소수성 영역이, 식물과 미생물의 많은 막과 수송체 단백질의 TM(transmembrane) 도메인에서 보존되는, 추정되는 TM 나선 도메인을 포함하고 있음을 보여준다(도 4). 이러한 결과는 FSD3S가 C-terminal 영역에 TM 나선 도메인을 포함하고 TM 도메인이 FSD3S 위치에 영향을 미친다는 것을 시사한다. 이 발견은 쌀에서 OsFSD3의 바이오인포매틱스 분석에 의해 더욱 뒷받침 되었다(도 10 및 11). 애기장대 FSD3(http://rice.plantbiology.msu.edu/analyses_search_blast.shtml)의 full-length 아미노산 서열을 사용한 단백질 BLAST 검색을 통해 FSD3, LOC_Os06g05110.1(OsFSD3) 및 이의 스플라이싱 변형체인 LOC_ Os06g05110.3(OsFSD3S)의 쌀 상동체를 확인했다. 또한 OsFSD3S 단백질의 C-terminal 영역은 OsFSD3보다 높은 소수성을 보였으며, FSD3S와 같은 예측된 TM 나선 영역을 포함하고 있다. 이러한 관찰은 FSD3S가 소수성 C-terminal 영역에 TM 나선 도메인을 가지고 있고, TM 도메인이 FSD3S의 위치에 관여함을 나타낸다.Since the N-terminal region is identical between FSD3 and FSD3S proteins, but the C-terminal region is different, we expected that the hydrophobic C-terminal region of FSD3S protein could determine FSD3S localization. To confirm this, bioinformatics analysis was performed to identify some domains that could be responsible for the localization of FSD3S. This shows that the hydrophobic region of FSD3S contains a putative TM helix domain that is conserved in the transmembrane (TM) domains of many membrane and transporter proteins in plants and microorganisms (Fig. 4). These results suggest that FSD3S contains a TM helix domain in its C-terminal region and that the TM domain affects FSD3S localization. This finding was further supported by bioinformatics analysis of OsFSD3 in rice (Figs. 10 and 11). FSD3, LOC_Os06g05110.1 (OsFSD3) and its splicing variant, LOC_ Os06g05110, were identified through a protein BLAST search using the full-length amino acid sequence of Arabidopsis FSD3 (http://rice.plantbiology.msu.edu/analyses_search_blast.shtml). A rice homologue of .3(OsFSD3S) was identified. In addition, the C-terminal region of OsFSD3S protein showed higher hydrophobicity than OsFSD3, and contained the predicted TM helix region like FSD3S. These observations indicate that FSD3S has a TM helix domain in the hydrophobic C-terminal region, and the TM domain is involved in the localization of FSD3S.

5. FSD3S의 엽록체 막에 위치하는 경향성5. The tendency of FSD3S to localize in the chloroplast membrane

FSD3S 위치에서 TM(transmembrane) 도메인의 기능을 더 이해하기 위해, 본 발명자는 TM 도메인이 없는 GFP 융합 FSD3S를 발현하는 형질 전환 식물(FSD3SㅿTM-GFP)을 생성하고 엽록체에서 FSD3SㅿTM 단백질의 형광 신호를 분석했다. GFP 신호가 뉴클레오이드에 위치하지 않는 35S::FSD3S 식물과 유사하게, 35S:: FSD3SㅿTM-GFP 식물은 엽록체에서 점 모양의 신호를 나타내지 않았으며 형광 신호는 확산되어 엽록체 전체에서 발견되었다(도 5). 그러나 FSD3S-GFP 신호는 보호 세포(guard cells)의 stoma-forming membrane를 따라 관찰되었지만, FSD3SㅿTM-GFP 신호는 관찰되지 않았다(도 5a 및 12). 이러한 결과는 TM 도메인이 FSD3S 위치에 영향을 미치고 TM 도메인이 있는 FSD3S가 막에 위치하는 경향이 있음을 시사한다. 엽록체에서 SFD3S의 위치를 추가로 탐구하기 위해, 공 초점 현미경의 z-stack 기능을 사용하여 일련의 optical sections을 수행하였다. 이 접근법은 FSD3SㅿTM의 위치 패턴이 FSD3S 단백질의 위치 패턴과 다르다는 것을 보여주었다(도 5b 및 5c). FSD3S-GFP 신호는 엽록체 막에 국한되는 경향이 있었지만 FSD3SㅿTM-GFP 신호는 엽록체 전체에 걸쳐 확산되는 경향이 있었다. 이러한 관찰은 FSD3S의 TM 도메인이 엽록체 막으로의 FSD3S 위치화를 촉진함을 시사한다. 이 발견은 35S::FSD3S-GFP 및 35S::FSD3ㅿTM-GFP 엽록체 및 GFP 항체(도 13)에서 추출한 단백질을 사용한 웨스턴 블롯팅 분석에 의해 뒷받침되었다. FSD3 및 FSD3S 단백질 모두 가용성 분획에서 검출되었다. 그러나 TM 도메인을 가진 FSD3S 단백질은 FSD3ㅿTM과 달리 불용성 분획에서도 검출되었다. 이것은 단일TM 도메인을 갖는 FSD3S 단백질이 엽록체 막에 위치하는 경향성을 갖지만, 엽록체 기질(stroma)에 위치할 수도 있음을 시사한다.To further understand the function of the transmembrane (TM) domain at the FSD3S locus, we generated a transgenic plant (FSD3SㅿTM-GFP) expressing a GFP-fusion FSD3S lacking the TM domain and detected fluorescence of the FSD3SㅿTM protein in the chloroplast. signal was analyzed. Similar to 35S::FSD3S plants, where GFP signals are not located on nucleoids, 35S::FSD3SㅿTM-GFP plants did not show a punctate signal in the chloroplast, and the fluorescent signal was diffuse and found throughout the chloroplast ( Fig. 5). However, the FSD3S-GFP signal was observed along the stoma-forming membrane of guard cells, but the FSD3S ㅿTM-GFP signal was not observed (FIGS. 5a and 12). These results suggest that the TM domain influences FSD3S localization and that FSD3S with a TM domain tend to localize to the membrane. To further explore the localization of SFD3S in the chloroplast, a series of optical sections were performed using the z-stack capability of the confocal microscope. This approach showed that the localization pattern of FSD3SㅿTM was different from that of the FSD3S protein (Figs. 5b and 5c). The FSD3S-GFP signal tended to be localized to the chloroplast membrane, whereas the FSD3SㅿTM-GFP signal tended to spread throughout the chloroplast. These observations suggest that the TM domain of FSD3S promotes FSD3S localization to the chloroplast membrane. This finding was supported by Western blotting analysis using proteins extracted from 35S::FSD3S-GFP and 35S::FSD3ㅿTM-GFP chloroplasts and GFP antibody (FIG. 13). Both FSD3 and FSD3S proteins were detected in the soluble fraction. However, FSD3S protein having a TM domain was also detected in the insoluble fraction, unlike FSD3ㅿTM. This suggests that FSD3S proteins with a single TM domain tend to localize to the chloroplast membrane, but may also localize to the chloroplast stroma.

6. FSD3S 과발현의 PEP 의존성 유전자 발현 감소 효과6. Effect of FSD3S overexpression to reduce PEP-dependent gene expression

엽록체 발달에서 FSD3S의 기능을 확인하기 위해, FSD3S 과발현 형질 전환 식물을 생성했다(도 14). FSD3S를 과발현하는 형질 전환 식물은 동일한 성장 조건에서 자란 야생형 식물보다 크기가 더 작았다(도 6a 및 6b). FSD3S의 과발현은 또한 엽록소 함량과 광합성 활동에 영향을 미쳤다(도 6c 및 6d). 35S::FSD3S 형질 전환 식물의 엽록소 함량은 동일한 조건에서 재배된 야생형 식물보다 약 15% 낮았다. 또한 FSD3S 과발현 식물의 광합성 활성은 야생형 식물에 비해 약 6% 낮았다. 이러한 관찰은 FSD3S가 엽록체 발달에 부정적인 영향을 미친다는 것을 나타내고, FSD3S의 발현이 fsd3 돌연변이 표현형을 보완하지 않는다는 발견이 이를 뒷받침한다(도 15). 또한 FSD3S-GFP 및 FSD3SㅿTM-GFP 과발현 식물에서도 식물 성장 및 광합성 활성의 감소가 관찰되었다(도 16). 이는 식물 성장 및 광합성 활성의 감소가 기질(stroma)에 축적된 FSD3S 단백질에 의해 유도된다는 것을 시사한다. PAP는 광합성 유전자의 발현을 조절하는 PEP 복합체의 활성을 결정하기 때문에 FSD3S의 과발현이 광합성 유전자의 발현에 영향을 미칠 것으로 예상되었다. 광합성 활성에서 FSD3S 기능을 확인하기 위해 35S::FSD3S 형질 전환 식물에서 PEP 의존성 및 NEP 의존성 엽록체 유전자의 발현을 분석했다(도 7a). PEP 의존성 유전자 rbcL, psbA 및 psaB의 발현은 35S::FSD3S 형질 전환 식물에서 하향 조절된 반면, NEP 의존성 rpoB의 발현은 야생형 식물에 비해 유사하거나 약간 더 높았다. 이는 FSD3S가 PEP 의존성 엽록체 유전자의 발현을 부정적으로 조절함을 나타내며, 이는 PEP 의존성 광합성 유전자의 음성 조절이 FSD3S에 의한 광합성 활성 감소에 관여함을 시사한다. 또한, 동일한 성장 조건에서 자란 야생형 및 35S::FSD3S 식물의 엽록체 미세 구조를 분석했을 때, FSD3S 과발현 형질 전환 식물은 야생형 식물보다 엽록체에서 더 많은 플라스토글로불리(plastoglobuli)를 형성했다(도 7b 및 17). 플라스토글로불리의 형성은 노화와 함께 촉진되기 때문에, FSD3S의 과발현이 노화에 영향을 미친다는 가설을 세웠다. 야생형 식물과 35S::FSD3S 식물 사이에 노화에 명백한 차이는 없었지만, FSD3S과발현이 노화와 관련된 유전자 SAG12의 발현을 촉진한다는 것을 발견했다. 5주령 잎에서 SAG12 발현은 야생형 식물보다 35S::FSD3S에서 더 높았다(도 7c). 이것은 FSD3S가 엽록체 발달을 부정적으로 조절하고 노화에 관여함을 시사한다. 이러한 발견은 FSD3S의 발현 패턴에 의해 뒷받침되었다(도 18). FSD3S의 전사 수준은 3주령의 어린 잎보다 10주령의 노화 잎에서 더 높았고, FSD3의 전사 수준은 10주령 잎에서보다 3주령 어린 잎에서 더 높았다. 결과적으로 FSD3S의 전사 수준은 어린 잎에서 FSD3보다 약 20배 낮았지만 오래된 잎에서는 약 2배 낮았다. 이러한 결과는 FSD3와 FSD3S가 엽록체 발달에서 다른 기능을 가지고 있다는 것을 뒷받침하고, FSD3S가 엽록체 발달을 부정적으로 조절한다는 것을 시사한다.To confirm the function of FSD3S in chloroplast development, FSD3S overexpressing transgenic plants were generated (FIG. 14). Transgenic plants overexpressing FSD3S were smaller in size than wild-type plants grown under the same growth conditions (Figs. 6a and 6b). Overexpression of FSD3S also affected chlorophyll content and photosynthetic activity (Figs. 6c and 6d). The chlorophyll content of 35S::FSD3S transgenic plants was about 15% lower than that of wild-type plants grown under the same conditions. In addition, the photosynthetic activity of FSD3S overexpressing plants was about 6% lower than that of wild-type plants. These observations indicate that FSD3S negatively affects chloroplast development, supported by the finding that expression of FSD3S does not complement the fsd3 mutant phenotype (FIG. 15). In addition, plant growth and photosynthetic activity were reduced in plants overexpressing FSD3S-GFP and FSD3S-TM-GFP (FIG. 16). This suggests that the reduction of plant growth and photosynthetic activity is induced by the FSD3S protein accumulated in the stroma. Since PAP determines the activity of the PEP complex, which regulates the expression of photosynthetic genes, it was expected that overexpression of FSD3S would affect the expression of photosynthetic genes. To confirm FSD3S function in photosynthetic activity, we analyzed the expression of PEP-dependent and NEP-dependent chloroplast genes in 35S::FSD3S transgenic plants (Fig. 7a). Expression of the PEP-dependent genes rbcL, psbA and psaB were down-regulated in 35S::FSD3S transgenic plants, whereas expression of the NEP-dependent rpoB was similar or slightly higher than that of wild-type plants. This indicates that FSD3S negatively regulates the expression of PEP-dependent chloroplast genes, suggesting that negative regulation of PEP-dependent photosynthetic genes is involved in the reduction of photosynthetic activity by FSD3S. In addition, when the chloroplast ultrastructure of wild-type and 35S::FSD3S plants grown under the same growth conditions was analyzed, the FSD3S-overexpressing transgenic plants formed more plastoglobuli in the chloroplasts than the wild-type plants (Fig. 7b and 17). Since the formation of plastoglobulin is promoted with aging, we hypothesized that overexpression of FSD3S affects aging. Although there was no obvious difference in senescence between wild-type and 35S::FSD3S plants, we found that overexpression of FSD3S promoted the expression of the senescence-associated gene SAG12. SAG12 expression in 5-week-old leaves was higher in 35S::FSD3S than in wild-type plants (Fig. 7c). This suggests that FSD3S negatively regulates chloroplast development and is involved in senescence. This finding was supported by the expression pattern of FSD3S (FIG. 18). The transcript level of FSD3S was higher in 10-week-old senescent leaves than in 3-week-old leaves, and the transcript level of FSD3 was higher in 3-week-old leaves than in 10-week-old leaves. As a result, the transcript level of FSD3S was about 20-fold lower than that of FSD3 in young leaves, but about 2-fold lower in old leaves. These results support that FSD3 and FSD3S have different functions in chloroplast development, and suggest that FSD3S negatively regulates chloroplast development.

7. FSD3S의 과발현은 ROS 수준에 영향을 주지 않음7. Overexpression of FSD3S does not affect ROS levels

ROS(reactive oxygen species)의 수준을 야생형 및 35S::FSD3S 식물에서 세포 내 유지(retention)가 좋은 ROS 민감성 염료인 CM-H2DCFDA 염색을 통해 분석했을 때, CM-H2DCFDA 염색에 뚜렷한 차이가 관찰되지 않았다(도 8a). 이는 이 식물들 간에 ROS 수준이 유사함을 시사한다. 이를 추가로 테스트하기 위해 식물을 NBT(nitroblue tetrazolium)로 염색하고 신호를 시각화하였다. CM-H2DCFDA 염색과 유사하게, 식물은 모두 유사한 NBT 염색 강도를 보였으며(도 8b), FSD3S의 과발현이 ROS 수준에 영향을 미치지 않으며 FSD3S의 SOD 활성이 광합성 활동에서의 FSD3S의 부정적 기능(negative function)에 관여하지 않을 수 있음을 시사한다. 대신, 본 발명자는 FSD3와 FSD3S 단백질이 PEP 복합체의 핵심 PAP인 pTAC10과 상호 작용한다는 것을 발견했다(도 8c). PEP 복합체의 형성은 PEP의 활성과 광합성 관련 유전자의 전사를 조절하는 핵심 과정이기 때문에, 이는 FSD3S-pTAC10 상호 작용이 광합성 활성에서 FSD3S의 부정적 기능에 관여할 수 있음을 시사했다.When the level of ROS (reactive oxygen species) was analyzed through CM-H 2 DCFDA staining, a ROS-sensitive dye with good intracellular retention in wild-type and 35S::FSD3S plants, there was a distinct difference in CM-H 2 DCFDA staining. was not observed (FIG. 8a). This suggests that ROS levels are similar between these plants. To further test this, plants were stained with nitroblue tetrazolium (NBT) and signals were visualized. Similar to CM-H 2 DCFDA staining, plants all showed similar NBT staining intensity (Fig. 8b), suggesting that overexpression of FSD3S did not affect ROS levels and that SOD activity of FSD3S was a negative function of FSD3S in photosynthetic activity (Fig. 8b). negative function). Instead, we found that FSD3 and FSD3S proteins interact with pTAC10, a key PAP in the PEP complex (Fig. 8c). Since the formation of the PEP complex is a key process regulating the activity of PEP and the transcription of photosynthesis-related genes, this suggests that the FSD3S-pTAC10 interaction may be involved in the negative function of FSD3S in photosynthetic activity.

<110> INDUSTRY FOUNDATION OF CHONNAM NATIONAL UNIVERSITY <120> METHOD FOR REGULATING PHOTOSYNTHESIS OF PLANT <130> 20P09002 <160> 27 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 771 <212> RNA <213> Arabidopsis thaliana <400> 1 atgagttctt gtgttgtgac gacaagctgt ttctatacaa tttcagattc tagtatacgt 60 ttgaaatccc ccaagctcct caatctgagt aaccagcaga gaagacgctc tcttaggtct 120 cgaggtggtt taaaggttga agcttactac ggtctaaaga cacctcctta tccacttgat 180 gctttggagc cgtatatgag tagaagaaca ctagaagtgc attggggaaa acaccatcga 240 ggttatgtag ataatctgaa taaacagtta gggaaagatg atagactcta tggatacacc 300 atggaagagc ttatcaaggc tacatacaac aacgggaatc ctttacccga gttcaacaac 360 gctgcacagg tctataacca tgatttcttc tgggagtcga tgcaacctgg tggtggagac 420 acgcctcaaa agggtgttct tgagcagatt gataaggatt ttggttcttt cacaaatttt 480 agagaaaagt tcactaatgc agctcttact cagtttggtt ctggatgggt ctggcttgtc 540 ttaaagaggg aagagagaag gcttgaggtg gtcaaaacct caaacgccat taacccactc 600 gtgtgggacg atattccaat catctgcgtg gatgtgtggg aggtacacca tctcctctct 660 tctgtcattc 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Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 10 gagtttcttc tcctggaacg 20 <210> 11 <211> 19 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 11 gtccttggat tgctgttgc 19 <210> 12 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 12 gagattccta gaggcatacc 20 <210> 13 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 13 gatgtcaagg ataaacaagg ac 22 <210> 14 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 14 caatcccaca caaacataca c 21 <210> 15 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 15 cttgcaccaa gcagcatgaa 20 <210> 16 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 16 ccgatccaga cactgtactt cc 22 <210> 17 <211> 49 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 17 ggggacaagt ttgtacaaaa aagcaggctc catgagttct tgtgttgtg 49 <210> 18 <211> 49 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 18 ggggaccact ttgtacaaga aagctgggtc ttaagctagg tttttacct 49 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primer <400> 26 ggaaccaatt cagtcgactg gatccatgca gatttgccaa accaag 46 <210> 27 <211> 41 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 27 caggcctccg cttgcggccg cgtctgtcaa gacttgagta c 41 <110> INDUSTRY FOUNDATION OF CHONNAM NATIONAL UNIVERSITY <120> METHOD FOR REGULATING PHOTOSYNTHESIS OF PLANT <130> 20P09002 <160> 27 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 771 <212> RNA <213> Arabidopsis thaliana <400> 1 atgagttctt gtgttgtgac gacaagctgt ttctatacaa tttcagattc tagtatacgt 60 ttgaaatccc ccaagctcct caatctgagt aaccagcaga gaagacgctc tcttaggtct 120 cgaggtggtt taaaggttga agcttactac ggtctaaaga cacctcctta tccacttgat 180 gctttggagc cgtatatgag tagaagaaca ctagaagtgc attggggaaa acaccatcga 240 ggttatgtag ataatctgaa taaacagtta gggaaagatg atagactcta tggatacacc 300 atggaagagc ttatcaaggc tacatacaac aacgggaatc ctttacccga gttcaacaac 360 gctgcacagg tctataacca tgatttcttc tgggagtcga tgcaacctgg tggtggagac 420 acgcctcaaa agggtgttct tgagcagatt gataaggatt ttggttcttt cacaaatttt 480 agagaaaagt tcactaatgc 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Claims (7)

식물의 FSD3S(Fe-superoxide dismutase 3 splicing variant) 유전자 발현을 조절하는 단계를 포함하고,
상기 유전자의 발현을 결손 또는 저해시켜 식물 광합성 효율을 증가시키는 식물 광합성 효율 조절 방법.
Regulating the expression of the Fe-superoxide dismutase 3 splicing variant (FSD3S) gene of the plant,
Plant photosynthetic efficiency control method for increasing plant photosynthetic efficiency by deleting or inhibiting the expression of the gene.
청구항 1에 있어서,
상기 FSD3S 유전자는 FSD3 유전자의 인트론 6 및 7을 포함하는 스플라이싱 변이체인, 식물 광합성 효율 조절 방법.
The method of claim 1,
The FSD3S gene is a splicing variant comprising introns 6 and 7 of the FSD3 gene, a method for regulating plant photosynthetic efficiency.
청구항 1에 있어서,
상기 FSD3S 유전자는 서열번호 1의 서열로 이루어진 식물 광합성 효율 조절 방법.
The method of claim 1,
The FSD3S gene is a plant photosynthetic efficiency control method consisting of the sequence of SEQ ID NO: 1.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 FSD3S 유전자 발현의 결손 또는 저해는 CRISPR/Cas 뉴클레아제((Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/ CRISPR-associated sequences nuclease), T-DNA(transfer-DNA), siRNA(small interfering RNA), shRNA(short hairpin RNA), miRNA(microRNA), 리보자임(ribozyme) 또는 PNA(peptide nucleic acids)를 식물 또는 식물 세포에 도입하여 수행되는, 식물 광합성 효율 조절 방법.
The method of claim 1,
Deletion or inhibition of the FSD3S gene expression is CRISPR / Cas nuclease ((Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats / CRISPR-associated sequences nuclease), T-DNA (transfer-DNA), siRNA (small interfering RNA), shRNA (short Hairpin RNA), miRNA (microRNA), ribozyme (ribozyme) or PNA (peptide nucleic acids) is introduced into plants or plant cells, performed by introducing a plant photosynthetic efficiency control method.
식물의 FSD3S(Fe-superoxide dismutase 3 splicing variant) 유전자 발현 조절제를 포함하고,
상기 발현 조절제는 CRISPR/Cas 뉴클레아제((Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/ CRISPR-associated sequences nuclease), T-DNA(transfer-DNA), siRNA(small interfering RNA), shRNA(short hairpin RNA), miRNA(microRNA), 리보자임(ribozyme) 및 PNA(peptide nucleic acids)로 이루어진 군에서 선택되는 발현 결손 또는 저해제인 식물 광합성 효율 조절용 조성물.
Contains a plant FSD3S (Fe-superoxide dismutase 3 splicing variant) gene expression regulator,
The expression regulator is CRISPR/Cas nuclease (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/ CRISPR-associated sequences nuclease), T-DNA (transfer-DNA), siRNA (small interfering RNA), shRNA (short hairpin RNA), miRNA (microRNA), ribozyme (ribozyme) and PNA (peptide nucleic acids) expression deficiency or inhibitors selected from the group consisting of plant photosynthetic efficiency control composition.
삭제delete
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Title
Fumiyoshi Myouga, Iron SOD Defends Chloroplast Nucleoids against Oxidative Stress and Is Essential for Chloroplast Development in Arabidopsis, 2008년 개시, The Plant Cell, Vol.20, pp.3148-3162*
NCBI Reference Sequence, Arabidopsis thaliana FSD3S mRNA, complete cds, alternatively spliced, mRNA, ACCESSION no. KY471384, 2017년 개시*

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