KR20030084677A - Method for improving herbicide resistance of crops by expressing protoporphyrinogen oxidase both in chloroplasts and mitochondria and method for selecting transgenic cell lines using the said gene as herbicide-resistant selection marker - Google Patents

Method for improving herbicide resistance of crops by expressing protoporphyrinogen oxidase both in chloroplasts and mitochondria and method for selecting transgenic cell lines using the said gene as herbicide-resistant selection marker Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A method for improving herbicide resistance of crops by expressing protoporphyrinogen oxidase both in chloroplasts and mitochondria and a method for selecting transgenic cell lines using the same gene as a herbicide-resistant selection marker are provided, thereby improving herbicide resistance of crops. CONSTITUTION: A method for improving herbicide resistance of crops by expressing protoporphyrinogen oxidase both in chloroplasts and mitochondria is characterized by transforming crops with a host microorganism transformed by a vector containing protoporphyrinogen oxidase gene, wherein the protoporphyrinogen oxidase changes the transit sequence of protoporphyrinogen oxidase; the protoporphyrinogen oxidase is isolated from Myxococcus xanthus; the vector contains the protoporphyrinogen oxidase gene, an ubiquitin promoter and a hygromycin phosphotranferase selection marker; the vector is pGA1611:MP; the host microorganism is Agrobacterium tumefaciens; and the herbicide is protoporphyrinogen oxidase inhibiting herbicide.

Description

프로토포르피리노겐 옥시다아제의 엽록체 및 미토콘드리아 동시발현을 이용한 작물의 제초제 저항성 증대 방법 및 이 유전자를 제초제 저항성 선발 마커로 사용하는 형질전환 세포주 선발 방법{Method for improving herbicide resistance of crops by expressing protoporphyrinogen oxidase both in chloroplasts and mitochondria and method for selecting transgenic cell lines using the said gene as herbicide-resistant selection marker}Method for enhancing herbicide resistance of crops using chloroplast and mitochondrial co-expression of protoporpyrronogen oxidase and method for selecting herbicide resistance of crops by expressing protoporphyrinogen oxidase both in chloroplasts and mitochondria and method for selecting transgenic cell lines using the said gene as herbicide-resistant selection marker}

본 발명은 프로토포르피리노겐 옥시다아제의 엽록체 및 미토콘드리아 동시발현을 이용한 작물의 제초제 저항성 증대 방법 및 이 유전자를 제초제 저항성 선발 마커로 사용하는 형질전환 세포주 선발 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 마이소코쿠스 속(Myxococcus sp.) 유래의 제초제 민감성 프로토포르피리노겐 옥시다아제 유전자가 포함된 벡터계를 식물 숙주에 도입시켜, 프로토포르피리노겐 옥시다아제 단백질이 식물 숙주의 엽록체 및 미토콘드리아에서 동시발현하게 함으로서 제초제에 대한 저항성을 크게 증대시키는 방법 및 이 유전자를 제초제 저항성 선발 마커로 사용하는 형질전환 세포주 선발 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for increasing herbicide resistance in crops using chloroplast and mitochondrial co-expression of protoporpyrronogen oxidase, and a method for selecting a transformed cell line using the gene as a herbicide resistance selection marker. A vector system containing a herbicide-sensitive protoporpyrronogen oxidase gene from the genus (Myxococcus sp.) Is introduced into a plant host and resistance to herbicides by allowing the protoporpynogen oxidase protein to co-express in the chloroplast and mitochondria of the plant host. And a method for selecting a transformed cell line using the gene as a herbicide resistance selection marker.

프로토포르피리노겐 IX (Protogen IX)로부터 프로토포르피린 IX (Proto IX)로의 산화과정을 촉매하는 역할을 하는 프로토포르피리노겐 옥시다아제(Protoporphyrinogen oxidase, 이하, 프로톡스라고도 함)는 엽록소 및 헴(Heme)을 생합성하는 포르피린 경로에서 분지점(branch point)의 마지막 단계 효소이다. 프로톡스 효소를 저해하는 물질은 프로톡스 효소 활성을 저해시켜, 엽록소와 헴의 생합성을 억제시키며, 프로톡스 효소의 기질인 프로토포르피리노겐 IX이 정상적인 포르피린 합성경로에서 이탈되어, 원형질막의 프로톡스 유사효소에 의해 프로토포르피린 IX으로 축적되게 한다. 이렇게 축적된 프로토포르피린 IX은 광상태하에서 산소분자로부터 일중항산소(singlet oxygen,1O2)를 발생시켜 식물막 파괴를 일으킴으로서 식물체를 죽게한다(Jacobs et al., Plant Physiol. 97, 197-302, 1991; Lee et al., Plant Physiol. 102, 881-889, 1993).Protoporphyrinogen oxidase (also referred to as Protox), which catalyzes the oxidation process from Protogen IX to Proto IX, is called chlorophyll and heme. It is the last step of the branch point in the biosynthetic porphyrin pathway. A substance that inhibits the protox enzyme inhibits the protox enzyme activity, inhibits the biosynthesis of chlorophyll and heme, and protophorpyrinogen IX, a substrate of the protox enzyme, is released from the normal porphyrin synthesis pathway, thereby protoxifying the plasma membrane. Allow enzymes to accumulate in Protoporphyrin IX. The accumulated protoporphyrin IX kills plants by generating singlet oxygen ( 1 O 2 ) from oxygen molecules in the light state, causing plant membrane destruction (Jacobs et al., Plant Physiol. 97, 197-). 302, 1991; Lee et al., Plant Physiol. 102, 881-889, 1993).

지금까지 알려진 프로톡스 저해 물질로는 디페닐에테르(diphenyl ether), 피리미디닐(pyrimidinyl), 피페리딘(piperidine), LS 유사체(LS analogue), N-페닐 이미드(N-phenyl imide), M&B 유사체(M&B analogue), 옥사디아존(oxadiazon), F-6285, 피라졸 페닐 에테르(pyrazole phenyl ether) 및 피롤리딘(pyrrolidine) 등이 알려져 있다 (Lee, Kor. J. Weed Sci. 17, 243-255, 1997). 이러한 프로톡스 저해물질들은 일반적으로 제초제로 사용되고 있으며, 전세계적으로 재배되는 주요 작물들인 대두, 벼, 목화 및 땅콩 등의 재배지에 빈발하고 있는 일년생 화본 및 잡초와 광엽잡초를 방제하는데 광범위하게 사용되어 지고 있다 (Lee, Kor. J. Weed Sci. 17, 243-255, 1997).Protox inhibitors known to date include diphenyl ether, pyrimidinyl, piperidine, LS analogue, N-phenyl imide, M & B analogues, oxadiazon, F-6285, pyrazole phenyl ether and pyrrolidine are known (Lee, Kor. J. Weed Sci. 17, 243-255, 1997). These protox inhibitors are commonly used as herbicides and are widely used to control annual flowers, weeds and broadleaf weeds, which are common in the world's major crops such as soybean, rice, cotton and peanuts. (Lee, Kor. J. Weed Sci. 17, 243-255, 1997).

지금까지, 원핵 및 진핵 미생물들로부터 수십여 종의 프로톡스 유전자가 클로닝되고 그들의 특성이 규명되었다. 이들 각각의 프로톡스들 중에서 상이한 생물체에서 분리된 프로톡스들 사이에는 낮은 아미노산 동일성을 가졌으나, 밀접하게연관된 생물체 집단에서 분리된 프로톡스들 사이에는 높은 상동성을 가지는 것으로 밝혀졌다(Dailey et al., J. Biol. Chem. 271, 8714-8718, 1996; Lermontova et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 8895-8900, 1997; Corrigall et al., Arch. Biochem. Biophys. 358, 251-256, 1998).To date, dozens of Protox genes have been cloned and characterized from prokaryotic and eukaryotic microorganisms. Among each of these protoxes there was a low amino acid identity between the protoxes isolated from different organisms, but it was found to have high homology between the protoxes isolated from closely related organism populations (Dailey et al. , J. Biol. Chem. 271, 8714-8718, 1996; Lermontova et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 8895-8900, 1997; Corrigall et al., Arch. Biochem. Biophys. 358, 251-256, 1998).

제초제 저항성 관점에서 프로톡스 유전자는 두 가지로 분류될 수 있다. 즉, 프로톡스 저해 제초제에 저항성을 발휘하는 유전자군과 민감성인 유전자군으로 분류할 수 있다. 전자에 속하는 저항성 프로톡스 유전자군에는 대장균(Escherichia coli) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)에서 클로닝된 프로톡스 효소 유전자 및 점돌연변이한 식물유래 프로톡스 유전자들이 포함되고 (Sasarman et al, Can. J. Microbiol. 39, 1155-1161, 1993; Dailey et al., J. Biol. Chem. 269, 813-815, 1994 ; 미합중국 특허번호 제6,308,458 B1호; 국제공개공보번호 제WO9833927A1호), 후자에 속하는 민감성 프로톡스 유전자군에는 마이소코쿠스 산투스(Myxococcus xanthus), 애기장대 및 담배 등을 포함한 모든 식물 유래 프로톡스 유전자와 인간 및 쥐 유래의 프로톡스 유전자들이 포함된다(Dailey and Dailey, J. Biol. Chem. 271, 8714-8718, 1996; Nishimura et al., J. Biol. Chem. 270, 8076-8080, 1995; Dailey et al., Arch. Biochem. Biophys. 324, 379-384, 1995; Narita et al., Gene, 182, 169-175, 1996; 및 Lermontova et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, 8895-8900, 1997).In terms of herbicide resistance, Protox genes can be classified into two types. That is, it can be classified into a group of genes that are resistant to protox inhibitory herbicides and a group of genes that are sensitive. The former family of resistant Protox genes include the Protox enzyme gene cloned in Escherichia coli and Bacillus subtilis and point-mutated plant-derived Protox genes (Sasarman et al, Can. J.). Microbiol. 39, 1155-1161, 1993; Dailey et al., J. Biol. Chem. 269, 813-815, 1994; United States Patent No. 6,308,458 B1; International Publication No. WO9833927A1), belonging to the latter The sensitive Protox gene family includes all plant-derived Protox genes, including Myxococcus xanthus, Arabidopsis and Tobacco, as well as human and rat Protox genes (Dailey and Dailey, J. Biol. Chem). 271, 8714-8718, 1996; Nishimura et al., J. Biol. Chem. 270, 8076-8080, 1995; Dailey et al., Arch. Biochem. Biophys. 324, 379-384, 1995; Narita et al. ., Gene, 182, 169-175, 1996; and Lermontova et al., Proc. Natl. Acad. Sci. US A, 94, 8895-8900, 1997).

종래, 유전공학 기법을 이용하여 프로톡스 유전자로 형질전환된 제초제 저항성 식물을 제조한 예로서, 프로톡스 저해 제초제에 저항성인 바실러스 서브틸리스유래의 프로톡스 유전자를 담배 또는 벼에 형질전환시켜 디페닐에테르계 제초제에 속하는 옥시플루오르펜(oxyfluorfen)에 대한 저항성을 갖게 한 보고(Choi et al., Biosci. Biotechnol. Biochem. 62, 558-560, 1998; Lee et al., Plant Cell Physiol. 41, 743-749, 2000)와 민감성 프로톡스 유전자인 애기장대 유래의 프로톡스 유전자를 담배에 형질전환시켜 액시플루오르펜(acifluorfen)에 대한 저항성을 갖게 한 보고 등이 있었다 (Lemontova and Grimm, Plant Physiol. 2000, 75-83, 2000).Conventionally, as an example of manufacturing a herbicide-tolerant plant transformed with a Protox gene using genetic engineering techniques, diphenyl is produced by transforming Protox gene derived from Bacillus subtilis resistant to Protox inhibitory herbicide to tobacco or rice. Reports of resistance to oxyfluorfen belonging to ether herbicides (Choi et al., Biosci. Biotechnol. Biochem. 62, 558-560, 1998; Lee et al., Plant Cell Physiol. 41, 743 -749, 2000) and a report on susceptibility to acifluorfen by transforming the protox gene from Arabidopsis, a sensitive protox gene, into tobacco (Lemontova and Grimm, Plant Physiol. 2000, 75-83, 2000).

현재까지, 프로톡스 유전자를 이용하여 작물에 제초제 저항성을 부여하려는 접근들은 식물체에서 클로닝된 프로톡스 유전자 또는 제초제에 저항성을 가지도록 변경된 식물 유래 프로톡스 유전자를 이용하거나, 제초제에 저항성을 보이는 바실러스 서브틸리스 및 대장균 유래 프로톡스 유전자를 주요 목표 유전자로 이용하여, 숙주 식물의 엽록체에 과다발현 시키는 방법으로만 한정하여, 잡초방제 또는 제초제에 대한 작물의 선택성 부여 가능성 등에 초점을 맞추어 연구되어 왔다(Choi et al., Biosci. Biotechnol. Biochem. 62, 558-560, 1998; Lee et al., Plant Cell Physiol. 41, 743-749, 2000; 미합중국 특허번호 제5,767,373호; 미합중국 특허번호 제6,308,458 B1호; 및 국제공개공보 WO9833927A1).To date, approaches that impart herbicide resistance to crops using the Protox genes have either the Protox gene cloned in the plant or the plant-derived Protox gene modified to be resistant to herbicides, or Bacillus subtilis resistant to herbicides. This study focuses on the possibility of giving crop selectivity to weed control or herbicides by limiting only overexpression of chloroplasts in host plants using protox genes derived from E. coli and Escherichia coli as main target genes (Choi et. al., Biosci. Biotechnol.Biochem. 62, 558-560, 1998; Lee et al., Plant Cell Physiol. 41, 743-749, 2000; US Pat. No. 5,767,373; US Pat. No. 6,308,458 B1; and International Publication WO9833927A1).

그러나, 현재까지 프로톡스 유전자를 이용하여, 프로톡스 단백질이 숙주식물의 엽록체 및 미토콘드리아에 동시에 발현되게 함으로, 고도의 제초제 저항성 작물을 제조한 것에 대해서는 보고된 바 없다.However, to date, no report has been made on the production of highly herbicide tolerant crops by using the Protox gene to allow the Protox protein to be expressed simultaneously in the chloroplasts and mitochondria of host plants.

이에, 본 발명자들은 프로톡스 저해 제초제에 민감성인 마이소코쿠스 속 유래 프로톡스 유전자로 식물을 형질전환시켜 이 유전자를 과다 발현시키고, 그 결과 형질전환 작물에 프로톡스 저해 제초제 저항성이 부여되는지 여부를 조사하였다. 이를 위하여, 아그로박테리움(Agrobacterium)-매개 형질전환기법을 통하여 프로톡스를 과다 발현시키는 형질전환(transgenic) 벼를 육성하고, 이들의 제초제 저항성 특성을 T1및 T2세대에서 조사한 결과, 이들 형질전환벼의 제초제 저항성이 본원 발명의 벡터-숙주계에 기인하여 현저히 증가됨을 발견하였고, 이와 같은 제초제 저항성이 부여되는 것이 프로톡스 단백질이 숙주식물의 엽록체 및 미토콘드리아에서 동시발현되기 때문인 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present inventors have over-expressed this gene by transforming a plant with a Mytococcus-derived Protox gene which is sensitive to a Protox inhibitory herbicide, and as a result, investigates whether the transgenic crop is provided with Protox inhibitory herbicide resistance. It was. To this end, transgenic rice that overexpresses Protox through Agrobacterium-mediated transformation techniques were grown and their herbicide resistance properties were investigated in T 1 and T 2 generations. The herbicide resistance of the converted rice was found to be markedly increased due to the vector-host system of the present invention, and the fact that such herbicide resistance was conferred was confirmed by confirming that the Protox protein was co-expressed in the chloroplast and mitochondria of host plants. Was completed.

본 발명의 목적은 작물의 제초제에 대한 저항성을 증대시키는 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method of increasing the crop's resistance to herbicides.

또한, 본 발명의 다른 목적은 제초제 저항성 선발 마커를 사용하는 형질전환 세포주 선발 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for selecting a transformed cell line using herbicide resistance selection marker.

도 1은 바이너리 벡터(binary vector), pGA1611:C, pGA1611:P 및 pGA1611:MP의 T-DNA 영역 개략도(A) 및 pGA1611:MP의 전체 벡터 모식도(B)이다.1 is a schematic diagram of a T-DNA region (A) of a binary vector, pGA1611: C, pGA1611: P, and pGA1611: MP, and an overall vector schematic diagram (B) of pGA1611: MP.

Ubi-P: 옥수수 유비퀴틴 프로모터;BsProtox: 바실러스 섭틸리스(Bacillus subtilis) 프로토포르피리노겐 옥시다아제 유전자; TS: 트랜지트(transit) 서열;MxProtox: 마이소코쿠스 프로토포르피리노겐 옥시다아제 유전자; Tnos: 노파린 합성 종결유전자; P35S: 꽃양배추 35S 프로모터; HPT: 하이그로마이신 포스포트랜스퍼라아제(phosphotransferase); TiA6-7: 옥토파인형 TiA6-7 종결유전자.Ubi-P: corn ubiquitin promoter; Bs Protox: Bacillus subtilis protoporpyrinogen oxidase gene; TS: transit sequence; Mx Protox: Mysococcus protoporpyrinogen oxidase gene; Tnos: noparin synthetic terminator; P 35S : Cauliflower 35S promoter; HPT: hygromycin phosphotransferase; TiA6-7: Octopine type TiA6-7 terminating gene.

도 2는 T1세대에서 형질전환 벼(transgenic)와 비형질전환 벼(Non-transgenic null segregants)의 제초제 저항성 결과를 나타내는 사진이다. A는 1mM 농도의 옥시플루오르펜(oxyfluorfen) 제초제를 벼에 경엽처리한 후의 사진이고, B는 카펜트라존(carfentrazone) 제초제 1 mM를 벼에 경엽처리한 후의 사진이다.2 is a photograph showing the herbicide resistance results of transgenic and non-transgenic null segregants in T 1 generation. A is a photograph after foliage treatment of oxyfluorfen herbicide of 1 mM concentration in rice, B is a photograph after foliage treatment of 1 mM carfentrazone herbicide in rice.

NT: 비형질전환 벼; T: 형질전환 벼NT: untransformed rice; T: transformed rice

도 3은 T1형질전환벼의 노던 블롯(northern blot) 분석 결과를 나타내는 사진이다.3 is a photograph showing a result of Northern blot analysis of T 1 transformed rice.

W: 대조군(야생형 벼), M2 내지 M8: 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 발현 형질전환벼.W: control group (wild type rice), M2 to M8: myosococcus Santos protox expression transformed rice.

도 4는 다양한 프로톡스 유전자를 발현하는 형질전환 벼들의 배지에서의 옥시플루오르펜 저항성 발아 검정 결과로서, 옥시플루오르펜 농도는 5 ??M이며, 치상 후 7일째 찍은 사진이다.Figure 4 shows the results of the oxyfluorophene resistance germination assay in the medium of transgenic rice expressing various Protox genes, the oxyfluorene concentration is 5 ~ M, it is taken on the 7th day after the tooth.

A: 대조군(야생형 벼), B: 마이소코쿠스 프로톡스 발현 형질전환 벼, C: 세포질 발현 애기장대 프로톡스 발현 형질전환벼, D: 색소체 발현 애기장대 프로톡스 형질전환벼.A: control group (wild-type rice), B: myococcus protox expression transgenic rice, C: cytoplasmic expression Arabidopsis protox expression transgenic rice, D: plastid expression Arabidopsis protox transgenic rice.

도 5는 프로톡스를 발현하는 형질전환벼의 경엽처리 결과를 나타내는 것으로, 각각의 3 내지 4 엽기의 벼 유묘에 옥시플루오르펜 100 ??M 또는 10 mM 농도를 처리한 결과를 나타내는 사진이다.Figure 5 shows the results of the foliage treatment of the transgenic rice expressing Protox, a photograph showing the results of treatment of 100 ~ M or 10 mM concentration of oxyfluorophene in the rice seedlings of each of the 3 to 4 leaves.

W: 대조구(야생형 동진벼), BP: 바실러스 섭틸리스 프로톡스 발현 형질전환벼, MP: 마이소코쿠스 프로톡스 발현 형질전환벼, ACP: 세포질 발현 애기장대 프로톡스 발현 형질전환벼, APP: 색소체 발현 애기장대 프로톡스 형질전환벼.W: control (wild-type Dongjin rice), BP: Bacillus subtilis protox expression transformed rice, MP: myosococcus protox expression transformed rice, ACP: cytoplasmic expression Arabidopsis protox expression transformed rice, APP: chromatin expression Arabidopsis Protox transformed rice.

도 6는 프로톡스를 발현하는 형질전환벼의 세포내 발현부위 (A) 및 프로톡스활성 (B)을 보여주는 그림이다.6 is a diagram showing the intracellular expression site (A) and protox activity (B) of the transgenic rice expressing Protox.

M: 단백질 표준 마커, Ep: 엽록체 단백질, Mit: 미토콘드리아 단백질, Pc: 정제된 프로톡스 단백질, W: 대조군(야생형 벼), M7: 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 발현 형질전환벼, Ox:옥시플루오르펜.M: protein standard marker, Ep: chloroplast protein, Mit: mitochondrial protein, Pc: purified protox protein, W: control (wild-type rice), M7: myxococcus Santos protox expressing transformed rice, Ox: oxyfluorfen .

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 프로토포르피리노겐 옥시다아제(protoporphyrinogen oxidase)가 식물의 엽록체 및 미토콘드리아에서 동시발현되도록 프로토포르피리노겐 옥시다아제(protoporphyrinogen oxidase)를 암호화하는 유전자가 포함된 벡터에 의해 형질전환된 숙주 미생물로 작물을 형질전환시켜 작물의 제초제에 대한 저항성을 증대시키는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a protoporphyrinogen oxidase (protoporphyrinogen oxidase) by a vector containing a gene encoding a protoporphyrinogen oxidase (protoporphyrinogen oxidase) so that co-expression in the chloroplast and mitochondria of plants Provided is a method of transforming a crop with a transformed host microorganism to increase the crop's resistance to herbicides.

또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 엽록체 및 미토콘드리아에서 동시발현되는 프로토포르피리노겐 옥시다아제(protoporphyrinogen oxidase)를 암호화하는 유전자를 제초제 저항성 선발 마커로 사용하는 것을 특징으로 하는 형질전환 세포주 선발 방법을 제공한다.In addition, in order to achieve another object of the present invention, the present invention is a transgenic cell line characterized by using a gene encoding a protoporphyrinogen oxidase coexpressed in the chloroplast and mitochondria as herbicide resistance selection marker Provide a selection method.

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

본 발명에 따른 작물의 제초제 저항성 증대방법은 프로토포르피리노겐 옥시다아제를 암호화하는 유전자를 작물에 도입하여, 숙주 식물의 엽록체 및 미토콘드리아에 동시발현케 함으로써 달성될 수 있다. 이때, 상기 로토포르피리노겐 옥시다아제를 암호화하는 유전자는 제초제 민감성 유전자 또는 제초제 저항성 유전자를 포함한다. 본 발명에서 제초제 민감성 유전가 바람직하며, 특히 마이소코쿠스 유래의 제초제 민감성 유전자인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하기는 마이소코쿠스 산투스(Myxococcus xanthus) 유래의 제초제 민감성 프로톡스 암호화 유전자인 것이 바람직하다.The method for increasing herbicide resistance of a crop according to the present invention can be achieved by introducing a gene encoding protoporpyrogenogen oxidase into a crop, thereby co-expressing it in the chloroplasts and mitochondria of the host plant. At this time, the gene encoding the rotoporpyrinogen oxidase includes herbicide sensitive gene or herbicide resistance gene. In the present invention, herbicide-sensitive genes are preferred, particularly herbicide-sensitive genes derived from Myococcus. More preferably, it is a herbicide sensitive protox coding gene derived from Myxococcus xanthus.

마이소코쿠스 산투스 유래의 프로톡스 유전자는 포자형성에 관여하는 csgA 유전자 (GenBank 유전자입수번호 M73709)의 상부에 미동정 유전자로 등록되어 있다(Li et al., Genes Cev. 6, 401-410, 1992). 또한, 데일리(Dailey and Dailey, J. Biol. Chem. 271, 8714-8718, 1996)는 대장균 발현, 단백질 정제 및 프로톡스 효소활성 분석 등의 방법을 통해 마이소코쿠스 산투스 M73709 유전자의 상부 유전자가 프로토포르피리노겐 옥시다아제를 암호화하고 있다는 사실을 최초로 규명하고, 이 유전자 서열을 GenBank 유전자 입수번호 AF098938로 등록하였다.The Protox gene derived from Mycoccus Santos is registered as an unidentified gene on top of the csgA gene (GenBank Gen. No. M73709) involved in sporulation (Li et al., Genes Cev. 6, 401-410, 1992). ). In addition, Daily (Dailey and Dailey, J. Biol. Chem. 271, 8714-8718, 1996), the top gene of the Myosococcus Santos M73709 gene was prototyping by methods such as E. coli expression, protein purification and protox enzyme activity analysis. It was first identified that the phosphinogenogen oxidase was encoded, and the gene sequence was registered under GenBank gene accession number AF098938.

마이소코쿠스 산투스 유래의 프로톡스는 471개의 아미노산으로 이루어진 막 단백질로서, 3개의 막횡단나선(membrane helices)을 함유하고 있으며, 분자량은 약 50,000 Dalton이다. 정제된 프로톡스 효소는 약 1??M 농도의 액시플루오르펜(acifluorfen) 제초제에 의해 자체의 효소활성이 강력히 저해되는 특성을 지니고 있다 (Dailey and Dailey, J. Biol. Chem. 271, 8714-8718, 1996; Takatsugu et al., Bioinformatics, 14:378-379, 1998).Protox from Myxococcus santos is a membrane protein consisting of 471 amino acids, containing three membrane helices, and having a molecular weight of about 50,000 Daltons. Purified protox enzymes have the property of strongly inhibiting their enzymatic activity by acifluorfen herbicides of about 1 M concentration (Dailey and Dailey, J. Biol. Chem. 271, 8714-8718). , 1996; Takatsugu et al., Bioinformatics, 14: 378-379, 1998).

상기한 바와 같이, 마이소코쿠스 산투스 유래의 프로톡스는 프로톡스 저해 제초제에 의해 자체의 효소활성이 강력히 저해되어 매우 높은 제초제 민감성을 나타내는 것으로 종래 알려져 왔었다. 본 발명은 이와 같은 프로톡스 저해 제초제 민감성 유전자를 다른 식물에 도입시킬 경우, 프로톡스 저해 제초제에 대하여 오히려 현저한 저항성을 나타낸다는 것을 밝혔다는 것에 특징이 있다. 이와 관련된 기작을 규명하기 위하여, 본 발명에서 프로톡스 유전자로 형질전환된 작물의 엽록체와 미토콘드리아를 분리하여 웨스턴 블롯팅을 한 결과. 프로톡스 단백질이 숙주식물체의 엽록체와 미토콘드리아에서 동시 발현되어 제초제에 대한 저항성이 크게 증대된다는 것을 확인하였다. 즉, 마이소코쿠스 산투스 유래의 프로톡스는 아미노말단에 모호한 트랜지트 서열을 가지고 있어, 프로톡스가 식물체에서 발현되었을 때 숙주식물의 미토콘드리아와 엽록체로 동시에 전이되어 두 개의 서로 다른 소기관에 안정적으로 과다발현되어, 제초제 처리시 강력한 저항성을 발휘한다. 기존 알려진 방법과 같이, 제초제 저항성 프로톡스를 엽록체에 발현시킬 경우에는, 제초제에 대한 엽록체 프로톡스 비 활성화는 막을 수 있지만, 동시에 제초제가 미토콘드리아 프로톡스를 비활성화시키기에 미토콘드리아 헴 합성을 저해를 막을 방법이 없게 되어, 결국은 이와 같은 식물은 제초제에 대한 높은 저항성을 가질 수 없게 된다. 따라서 아무리 저항성 프로톡스를 개발하여도 이들 프로톡스를 엽록체나 미토콘드리아의 어느 한쪽에만 발현시킬 경우에는 충분한 제초제 저항성을 발휘할 수 없게 되는 것이다. 그러므로 본 발명은 프로톡스가 작물에 형질전환되어 숙주 작물의 엽록체 및 미토콘드리아에서 동시에 발현되면 작물의 제초제 저항성이 증가된다는 것을 최초로 규명한 것에 특징이 있다. 상기 프로톡스 유전자는 제초제 민감성 또는 제초제 저항성 유전자를 모두 포함된다. 제초제 저항성 프로톡스 유전자 이던 제초제 민감성 프로톡스 유전자이던 작물에 형질전환되어 숙주 작물의 엽록체 및 미토콘드리아에서 동시에 발현되어 작물의 제초제 저항성이 증가되면 본 발명에 포함된다.As mentioned above, protox derived from Mycoccus santos has been known to exhibit a very high herbicide sensitivity due to the strong inhibition of its enzymatic activity by protox inhibitory herbicides. The present invention is characterized in that, when such a protox inhibitory herbicide-sensitive gene is introduced into other plants, it shows a rather significant resistance to the protox inhibitory herbicide. In order to elucidate the related mechanism, Western blotting was performed by separating chloroplasts and mitochondria of crops transformed with Protox gene in the present invention. Protox protein was co-expressed in the chloroplasts and mitochondria of host plants and confirmed that the resistance to herbicides was greatly increased. In other words, Protox from Mycoccus Santos has an ambiguous transition sequence at the amino terminus, and when Protox is expressed in plants, it is simultaneously transferred to the mitochondria and chloroplasts of the host plant and stably overexpressed in two different organelles. It exhibits strong resistance during herbicide treatment. As is known in the art, the expression of herbicide-resistant protoxes on chloroplasts can prevent the inactivation of chloroplast protoxes to herbicides, while at the same time herbicides inactivate mitochondrial protoxes and thus prevent the inhibition of mitochondrial heme synthesis Eventually, such plants will not have high resistance to herbicides. Therefore, no matter how much resistant protoxes are developed, sufficient herbicide resistance may not be achieved when these protoxes are expressed only in either chloroplast or mitochondria. Therefore, the present invention is characterized by the first time that protox is transformed into crops and expressed simultaneously in chloroplasts and mitochondria of host crops to increase herbicide resistance of crops. The protox gene includes both herbicide sensitive or herbicide resistance genes. When the herbicide-resistant protox gene or herbicide-sensitive protox gene is transformed and simultaneously expressed in the chloroplast and mitochondria of the host crop, the herbicide resistance of the crop is included in the present invention.

단백질이 세포내 두 개의 소기관에 동시발현되는 예는 많이 알려져 있다. 예를들어, 하나의 단백질이 비효율적인 타겟팅 서열을 가짐으로 세포질과 미토콘드리아에 발현될 수 있는 경우 및 트랜지트 서열이 어느 한쪽으로 보내기에는 명확하지 않는 모호한 서열(ambiguous targeting signals)을 가지고 있음으로 미토콘드리아와 엽록체에 동시에 발현되는 경우 등이 보고 되어있다. 또는 하나의 유전자에서 두 개의 단백질이 전이되어 두 개의 단백질이 각자 서로 다른 세포소기관으로 타겟팅되는 경우 등이 있다(Small et al., Plant Mol. Biol. 38, 265-277, 1998). 따라서 이들 마이토콘드리아 및 엽록체에 동시 타겟팅되는 트랜지트 서열이나, 하나의 유전자에서 두 개의 단백질이 전이되게 하는 서열을 프로톡스 유전자와 결합하면 프로톡스 단백질의 미토콘드리아 및 엽록체에 동시발현은 쉽게 획득될 수 있게 될 것이며, 이들 식물체는 프로톡스 저해 제초제에 높은 저항성을 발휘 할 수 있게 될 것이다.There are many examples of the co-expression of proteins in two organelles in a cell. For example, a protein may be expressed in the cytoplasm and mitochondria by having an inefficient targeting sequence, and because it has ambiguous targeting signals that are not clear to either side. Cases of simultaneous expression in chloroplasts have been reported. Or when two proteins are transferred from one gene and the two proteins are targeted to different organelles (Small et al., Plant Mol. Biol. 38, 265-277, 1998). Therefore, coexpression of protox proteins with mitochondria and chloroplasts can be easily achieved by combining transgenic sequences that are simultaneously targeted to these mitochondria and chloroplasts or sequences that allow two proteins to transfer from one gene to the Protox gene. These plants will be able to exert high resistance to protox inhibitory herbicides.

본원 발명에서는 바이너리 벡터 pGA1611:C(기탁번호 KCTC 0692BP)를 사용하여 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 유전자를 벡터내로 삽입시켰다. 상기 바이너리 벡터 pGA1611:C(기탁번호 KCTC 0692BP)는 공지의 벡터 pGA1611(Kang et al., Plant Mol. Biol. 38, pp 1021-1029, 1998)에 바실러스 섭틸리스 프로톡스 유전자를 삽입시켜 제조되었다. 당업계에서 잘 알려진 분자생물학적 기법을 사용하여, 상기의 바이너리 벡터 pGA1611:C에서 바실러스 섭틸리스 프로톡스 유전자를 제거하고, 여기에 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 전장 유전자를 삽입한 벡터 pGA1611:MP를 제조한 후, 이를 추가의 형질전환에 사용하였다.In the present invention, the mycoccus Santos protox gene was inserted into the vector using the binary vector pGA1611: C (Accession No. KCTC 0692BP). The binary vector pGA1611: C (Accession No. KCTC 0692BP) was prepared by inserting the Bacillus subtilis protox gene into a known vector pGA1611 (Kang et al., Plant Mol. Biol. 38, pp 1021-1029, 1998). . Molecular biological techniques well known in the art were used to remove the Bacillus subtilis protox gene from the binary vector pGA1611: C, and to construct the vector pGA1611: MP containing the myxococcus Santos protox full-length gene. After that, it was used for further transformation.

구체적으로, 상기 벡터계들이 작물내로 형질전환되었을 때 외부 유전자의 높은 발현을 유도시킬 수 있는 것으로 알려진 옥수수 유비퀴틴 프로모터 (constitutive ubiquitin promoter) 및 선발 마커로서 사용되는 하이그로마이신 포스포트랜스퍼라아제(hygromycin phosphotransferase) 유전자를 함유하고 있는 바이너리 벡터 pGA1611:C(기탁번호 KCTC 0692BP)내로 상기 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 전장 유전자를 서브클로닝시켜 벡터 pGA1611:MP를 제조하고(도 1 참조), 이 벡터를 사용하여 숙주 미생물인 아그로박테리움 투메파시엔스(Agrobacteriumtumefaciens) LBA4404를 형질전환시켰다. 이렇게 형질전환된 아그로박테리움 투메파시엔스 LBA4404를 숙주 작물에 도입시켜 제초제에 대한 저항성이 증대된 작물을 제조하였다. 본 발명의 방법에 의해 형질전환되는 작물에 제한은 없으나, 단자엽 또는 쌍자엽 식물인 것이 바람직하다. 상기 단자엽 작물로는 보리, 평지, 옥수수, 밀, 호밀, 귀리, 잔디, 마초, 기장 및 벼 등이 포함되며, 상기 쌍자엽 작물로는 사탕수수, 대두, 담배 및 목화 등이 포함된다.Specifically, the hygromycin phosphotransferase used as a constitutive ubiquitin promoter and selection marker known to be capable of inducing high expression of foreign genes when transformed into crops. Subcloning the Myococcus Santos protox full-length gene into a binary vector pGA1611: C (Accession No. KCTC 0692BP) containing the gene to prepare a vector pGA1611: MP (see FIG. 1) and use the vector to host microorganism Agrobacterium Tome Pacific Enschede (Agrobacteriumtumefaciens) was transformed with LBA4404. The transformed Agrobacterium tumefaciens LBA4404 was introduced into the host crop to prepare a crop having increased resistance to herbicides. There is no restriction on the crop transformed by the method of the present invention, but it is preferably a monocotyledonous or dicotyledonous plant. The monocotyledonous crops include barley, rape, corn, wheat, rye, oats, grass, forage, millet and rice, and the dicotyledonous crops include sugar cane, soybeans, tobacco and cotton.

상기 형질전환은 당업계에 공지된 통상의 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 식물은 아그로박테리움-매개 형질전환법을 이용하여 형질전환될 수 있으며, 문헌(Horsch et al., Science 227:1229-1231, 1985)에 예시된 방법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 벼에 대한 아그로박테리움-매개 형질전환법은 문헌(An et al., Plant Molecular Biology Mannual A3:1-19, 1988)에 개시되어 있다.The transformation can be carried out using conventional methods known in the art. Plants can be transformed using Agrobacterium-mediated transformation, and the methods illustrated in Horsch et al., Science 227: 1229-1231, 1985 can be used. For example, Agrobacterium-mediated transformation methods for rice are disclosed in An et al., Plant Molecular Biology Mannual A3: 1-19, 1988.

단자엽 식물은 PEG 또는 전기천공법 등을 이용하여 프로토플라스트(protoplast) 내로 직접 유전자를 이식시키는 방법 또는 캘러스 조직 내로의 입자 충격(particle bombardment)을 사용하는 방법 등을 이용하여 형질전환될 수 있으며, 단일 DNA를 사용하는 형질전환법 및 다중 DNA를 사용하는 동시형질전환법을 이용하여 형질전환될 수도 있다. 형질전환된 세포들은 당업계에 잘 알려진 표준기술을 사용하여 전 식물(whole plant)로 재분화될 수 있다.The monocotyledonous plants can be transformed by using a method of directly transplanting genes into protoplasts using PEG or electroporation, or using particle bombardment into callus tissue. It may also be transformed using transformations using single DNA and cotransformation using multiple DNA. Transformed cells can be re-differentiated into whole plants using standard techniques well known in the art.

본 발명의 일 실시예에서는 형질전환된 작물의 재분화를 통한 본 발명의 제초제 저항성이 증대된 작물을 획득하기 위하여, 본 발명의 방법에 따라 제조된 벡터 pGA1611:MP로 형질전환된 아그로박테리움 투메파시엔스와 벼(품종: 동진)로부터유도된 배반 칼리 (scutellum calli)가 공조배양되었다. 그 결과, 50 ??g/mL 하이그로마이신을 함유하는 선별 배지에서 평균적으로 약 10 내지 15%의 캘러스(callus)가 생존하였다. 이와 같은 하이그로마이신 저항성 캘러스로부터 잎을 유도시키기 위하여, 상기 캘러스를 재분화 배지(regeneration medium)로 옮겨 일정시간 배양시킴으로써 1 내지 5%의 선별된 캘러스를 신초(어린싹, shoot)로 재분화시켰다. 이후, 재분화 신초를 뿌리 유도배지로 옮기고 배양시켜 완전한 제초제 저항성 식물체(T1트랜스제닉)가 획득되었다(Lee et al., Plant Cell Physiol. 41, 743-749, 2000).In one embodiment of the present invention, Agrobacterium tumefaci transformed with the vector pGA1611: MP prepared according to the method of the present invention to obtain a crop having increased herbicide resistance of the present invention through regeneration of the transformed crop. Scutellum calli derived from Ens and rice (breed: Dongjin) were co-cultured. As a result, on average, about 10 to 15% of callus survived in the selection medium containing 50 g / mL hygromycin. In order to induce leaves from such hygromycin resistant callus, 1-5% of the selected callus was re-differentiated into shoots (young shoots) by transferring the callus to a regeneration medium and incubating for a period of time. Subsequently, the replanted shoots were transferred to root induction medium and cultured to obtain complete herbicide resistant plants (T 1 transgenic) (Lee et al., Plant Cell Physiol. 41, 743-749, 2000).

본 발명의 다른 실시예에서는 본 발명의 방법에 의해 형질전환된 벼와 종래의 제초제 저항성 바실러스 섭틸러스 프로톡스 및 제초제 민감성 애기장대 프로톡스를 발현시키는 트랜스제닉 벼의 제초제 저항성을 비교하였다. 그 결과, 본 발명의 제초제 민감성 마이소코쿠스 산투스 프로톡스를 발현시키는 트랜스제닉 벼의 제초제 저항성이 상기 열거한 형질전환벼들보다 매우 우수한 것으로 나타났다.In another embodiment of the present invention, the herbicide resistance of transgenic rice expressing rice transformed by the method of the present invention and conventional herbicide resistant Bacillus subtilis protox and herbicide sensitive Arabidopsis protox were compared. As a result, the herbicide resistance of the transgenic rice expressing the herbicide-sensitive Myococcus Santos protox of the present invention was found to be superior to those of the transgenic rice listed above.

한편, 상기 제초제는 프로톡스 저해 제초제인 것이 바람직하다. 이때, 상기 프로톡스 저해 제초제에는 액시플루오르펜(acifluorfen), 아클로니펜(aclonifen), 비페녹스(bifenox), 포메사펜(fomesafen), 락토펜(lactofen) 및 옥시플루오르펜(oxyfluorfen) 등을 포함하는 디페닐에테르계(diphenylethers); 옥사디아존(oxadiazon)을 포함하는 옥사디아졸계(oxadiazoles); 플루미옥사진(flumioxazin) 및 플루미클로락-펜틸(flumiclorac-pentyl) 등을 포함하는 페닐프탈아미드계(N-phenylphthalimides); 카펜트라존(carfentrazone) 및 설펜트라존(sulfentrazone) 등을 포함하는 트리아졸리논계(triazolinones); 및 플루티아셋-메틸(fluthiacet-methyl) 및 티디아지민(thidiazimin) 등을 포함하는 티아디아졸계(thiadiazoles) 등이 포함될 수 있다.On the other hand, the herbicide is preferably a protox inhibitory herbicide. At this time, the protox inhibitory herbicides include axifluorfen, aclonifen, acfenifen, bifenox, pomesafen, lactofen and oxyfluorfen. Diphenylethers; Oxadiazoles, including oxadiazon; N-phenylphthalimides including flumioxazin and flumiclorac-pentyl; Triazolinones including carfentrazone, sulfentrazone, etc .; And thiadiazoles including fluthiacet-methyl, thidiazimin, and the like.

또한, 본 발명에 따른 엽록체 및 미토콘드리아 동시발현 유전자는 제초제 저항성 선발 마커(marker)로서 형질전환 세포주의 선발에 사용될 수 있다. 이때, 상기 엽록체 및 미토콘드리아 동시발현 유전자는 마이소코쿠스 산투스 유래의 프로톡스 유전자인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제초제는 프로톡스 저해 제초제인 것이 바람직하다.In addition, the chloroplast and mitochondrial coexpression genes according to the present invention can be used for selection of transformed cell lines as herbicide resistance selection markers. At this time, the chloroplast and mitochondrial co-expression gene is preferably a Protox gene derived from Myococcus Santos. In addition, the herbicide is preferably a protox inhibitory herbicide.

구체적으로, 본 발명에 따라 제조된 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 유전자를 함유한 벡터 pGA1611:MP를 아그로박테리움 투메파시엔스에 도입시키고, 항생제가 일정량 포함된 선별 배지에서 상기 벡터가 도입된 아그로박테리움 투메파시엔스를 배양시켜 형질전환된 아그로박테리움 투메파시엔스를 선발할 수 있다. 이때, 상기 항생제는 테트라사이클린 및 하이그로마이신이 각각 또는 동시에 사용될 수 있다. 또한, 상기와 같은 방법으로 선발된 형질전환 아그로박테리움 투메파시엔스와 벼(품종: 동진)로부터 유도된 배반 칼리(scutellum calli)를 공조배양 시킨 후, 프로톡스 저해 제초제를 일정량 포함하는 선별 배지에서 배양시키면, 형질전환된 제초제 저항성 세포주의 캘러스(callus) 만이 생존할 수 있으며, 이로써 형질전환된 세포주만을 선발할 수 있다.Specifically, Agrobacterium into which the vector pGA1611: MP containing the Mycoccus Santos Protox gene prepared according to the present invention is introduced into Agrobacterium tumefaciens, and the vector is introduced in a selection medium containing a certain amount of antibiotic. Tumefaciens can be cultured to select transformed Agrobacterium tumefaciens. At this time, the antibiotic may be used in the tetracycline and hygromycin respectively or simultaneously. In addition, after co-cultivation of transgenic Agrobacterium tumefaciens and scutellum calli derived from rice (breed: Dongjin) selected by the above method, in a selection medium containing a certain amount of a protox inhibitory herbicide. When cultured, only the callus of the transformed herbicide resistant cell line can survive, thereby selecting only the transformed cell line.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited to the following examples.

<실시예 1><Example 1>

벼 형질전환용 벡터의 제조Preparation of Rice Transformation Vector

벼의 형질전환에 사용되는 마이소코쿠스 산투스 유래의 프로톡스 유전자를 함유한 벡터를 제조하기 위하여, 본 출원인의 선출원인 대한민국 특허출원번호 제99-52492호에서 제조된 바실러스 섭틸리스 프로톡스 유전자를 포함하는 바이너리 벡터 pGA1611:C(기탁번호 KCTC 0692BP)를 사용하였다. 상기 바이너리 벡터 pGA1611:C(기탁번호 KCTC 0692BP)에 포함된 바실러스 섭틸리스 프로톡스 유전자를SacI 및KpnI를 이용하여 절단하고, 절단된 부위에 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 유전자를 삽입시켜, 마이소코쿠스 산투스 프로톡스의 전장 유전자를 발현할 수 있는 바이너리 벡터 pGA1611:MP를 제조하였다(도 1 참조).Bacillus subtilis Protox gene prepared in Korean Patent Application No. 99-52492, the applicant of the present applicant, was prepared in order to prepare a vector containing a Mytococcus santos-protox gene used for rice transformation. Binary vector pGA1611: C (Accession No. KCTC 0692BP) was used. The Bacillus subtilis protox gene included in the binary vector pGA1611: C (Accession No. KCTC 0692BP) was cleaved using Sac I and Kpn I, and the mycosoctus Santos protox gene was inserted into the cleaved site. A binary vector pGA1611: MP capable of expressing the full-length gene of Sococus Santos protox was prepared (see FIG. 1).

구체적으로, 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 유전자(MxProtox)를 서열번호 1 및 서열번호 2로 표시되는 염기서열을 갖는 프라이머들을 사용하여 PCR 증폭시켰다. 이때, 상기 프라이머들은 증폭 유전자의 간편한 서브클로닝을 위해 각각SacI 및KpnI 프라이머 제한효소부위가 추가되었으며, 각각의 서열목록에 밑줄친 부분이 상기 제한효소 부위를 의미한다.Specifically, the Mycoccus Santos Protox gene ( Mx Protox) was PCR amplified using primers having the nucleotide sequences represented by SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2. At this time, the primers were added to the Sac I and Kpn I primer restriction enzyme sites for easy subcloning of the amplification gene, respectively, the underlined portion of the sequence list means the restriction enzyme site.

상기 전술한 두 개의 전방(서열번호 1) 및 후방(서열번호 2) 프라이머와 주형(template)으로서 마이소코쿠스 산투스 프록토스 유전자를 함유한 pMx-PPO 플라스미드 DNA (Dailey and Dailey, J. Biol. Chem. 271, 8714-8718, 1996)를 사용하여 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 유전자를 PCR 증폭시켰다. 이 PCR 생성물을SacI 및KpnI으로 절단하고, 겔 정제한 후, 벡터 pBluescript (Strategene, USA)내의 동일한 제한효소 부위내로 삽입시켜 삽입된 염기서열의 이상여부를 확인하였다. 그리고 프로톡스 서열의SacI 및KpnI 단편을 미리 동일 제한효소로 처리된 pGA1611:C(기탁번호 KCTC 0692BP) 벡터에 리가아제(ligase)를 사용하여 연결시켜 옥수수 유비퀴틴 프로모터(Ubi-P)의 조절하에 위치하게 함으로써, 바이너리 벡터 pGA1611:MP를 제작하였다(도 1 참조).PMx-PPO plasmid DNA (Dailey and Dailey, J. Biol. Chem) containing the aforementioned two anterior (SEQ ID NO: 1) and posterior (SEQ ID NO: 2) primers and the mycoccus Santos protose gene as a template 271, 8714-8718, 1996) were used to PCR amplify the Myococcus Santos Protox gene. The PCR product was digested with Sac I and Kpn I, gel purified, and inserted into the same restriction enzyme site in the vector pBluescript (Strategene, USA) to confirm the abnormality of the inserted nucleotide sequence. Sac I and Kpn I fragments of the protox sequence were linked to pGA1611: C (Accession No. KCTC 0692BP) vector previously treated with the same restriction enzyme using a ligase to regulate corn ubiquitin promoter (Ubi-P). By placing it underneath, a binary vector pGA1611: MP was produced (see Fig. 1).

<실시예 2><Example 2>

벼 형질전환 및 재분화Rice Transformation and Regeneration

플라스미드 pGA1611:MP를 아그로박테리움 투메파시엔스 LBA4404 균주에 형질전환시켰다. 형질전환된 아그로박테리움 투메파시엔스 LBA4404 균주를 테트라사이클린 5 ??g/mL 및 하이그로마이신 40 ??g/mL을 포함하는 YEP 배지(1% Bacto-peptone, 1% Bacto-yeast extract 및 0.5% NaCl 함유)에서 28??의 조건으로 하룻밤동안 배양시켰다. 이 배양물을 원심분리시키고 펠릿들을 동일 부피의 아세토시링곤 (acetosyringone) 100 ??M을 함유하는 AA 배지(Hiei et al., Plant Mol. Biol. 35, 205-218, 1997)에 현탁시켜 형질전환된 아그로박테리움 투메파시엔스 LBA4404 현탁액을 제조하였다. 벼의 캘러스(callus)는 N6 배지(Rashid et al., Plant Cell Rep.15: 727-730, 1996; Hiei et al., Plant Mol. Biol. 35, 205-218, 1997)에 파종된 벼의 배반(품종: 낙동)으로부터 유도되었다. 3 내지 4 주령의 밀집된 벼의 캘러스를 상기 세균 현탁액중에 3분 동안 침적시키고, 이후, 멸균 여과지를 현탁액에 접촉시켜 현탁액을 흡수, 건조시킴으로써 과량의 균체를 현탁액에서 제거시켰다. 이후, 현탁액중의 캘러스를 동시배양 배지로 옮기고, 25??의 암실에서 2 내지 3일 동안 동시 배양시켰다. 동시 배양된 캘러스를 세포탁심(Cefotaxime) 250 mg/L을 함유하는 멸균수로 세척시켜 잔존 세균을 제거시키고, 세균이 제거된 캘러스를 세포탁심(Cefotaxime) 250 mg/L 및 하이그로마이신 50 mg/L을 포함하는 N6 배지로 옮겨 배양시켰다. 3 내지 4주 동안의 배양과정중에 선별된 캘러스들을 발아 및 뿌리 성장용 재분화 배지로 옮겨 배양시켰다. 캘러스들의 뿌리가 충분히 성장되면, 이들 트랜스제닉 작물들을 온실로 옮겨서 계속 성장시켰다.Plasmid pGA1611: MP was transformed into the Agrobacterium tumefaciens LBA4404 strain. Transformed Agrobacterium tumefaciens LBA4404 strains were prepared in YEP medium (1% Bacto-peptone, 1% Bacto-yeast extract and 0.5) containing 5 ° g / mL tetracycline and 40 ° G / mL hygromycin. % NaCl) was incubated overnight at 28 ?? conditions. The culture was centrifuged and the pellets suspended in AA medium (Hiei et al., Plant Mol. Biol. 35, 205-218, 1997) containing 100 μM of acetosyringone in the same volume. A converted Agrobacterium tumefaciens LBA4404 suspension was prepared. Callus of rice was collected from N6 medium (Rashid et al., Plant Cell Rep. 15: 727-730, 1996; Hiei et al., Plant Mol. Biol. 35, 205-218, 1997). Derived from betrayal (breed: Nakdong). Callus of dense rice, 3-4 weeks old, was deposited in the bacterial suspension for 3 minutes, and then excess bacteria were removed from the suspension by contacting the suspension with sterile filter paper to absorb and dry the suspension. The callus in suspension was then transferred to the coculture medium and co-cultured for 2 to 3 days in the dark at 25 °. The co-cultured callus was washed with sterile water containing 250 mg / L of Cefotaxime to remove residual bacteria, and the removed callus was 250 mg / L of Cefotaxime and 50 mg / hygromycin. It was transferred to N6 medium containing L and cultured. Selected callus was incubated for 3 to 4 weeks in the regeneration medium for germination and root growth. Once the roots of the callus had grown sufficiently, these transgenic crops were transferred to the greenhouse and kept growing.

<실시예 3><Example 3>

TT 1One 세대에서 하이그로마이신 저항성 식물의 분리Isolation of Hygromycin Resistant Plants from Generation

자가수분 볍씨로부터 종자량이 많이 확보된 형질전환벼를 선택하여 T1세대 검정을 실시하였다. 트랜스 유전자의 전달(transmission) 여부는 8개의 형질전환벼(M1, M2, M3, M4, M5, M7, M8 및 M10)를 이용하여 시험되었다. 또한, 시험된 모든 형질전환 세포주에 대하여, 하이그로마이신 50 ??g/mL를 포함하는 MS 고형화 배지의 절반 농도에서 현미를 발아시켰을 때 나타나는 각 형질전환 세포주의하이그로마이신 저항성 개체와 감수성 개체의 분리 비율을 조사하였다. 하기 표 1에는 시험된 형질전환(transgenic) 세포주의 하이그로마신 저항성 분리패턴이 기재되어 있다.The T 1 generation assay was performed by selecting transgenic rice having a large amount of seed from the self-pollinating rice seed. The transmission of the trans gene was tested using eight transgenic rice (M1, M2, M3, M4, M5, M7, M8 and M10). In addition, for all transgenic cell lines tested, the hygromycin resistant and susceptible individuals of each transgenic cell line exhibited when germinated brown rice at half the concentration of MS solidification medium containing 50 g / mL of hygromycin. The separation rate was investigated. Table 1 below describes the hygromacin resistance separation patterns of the transgenic cell lines tested.

T1 세대 형질전환벼에서의 하이그로마이신 저항성 식물의 분리Isolation of Hygromycin Resistant Plants from T1 Generation Transgenic Rice 형질전환벼Transformed rice 저항성(종자 수)Resistance (seed count) 감수성(종자 수)Susceptibility (Number of Seeds) 분리비(저항성:감수성)Separation ratio (resistance: sensitivity) X2 X 2 M1M1 88 1212 -- M2M2 1414 33 3:13: 1 0.490.49 M3M3 1818 33 3:13: 1 1.291.29 M4M4 55 22 3:13: 1 0.050.05 M5M5 1818 33 3:13: 1 1.291.29 M7M7 1414 77 3;13; 1 0.780.78 M8M8 1212 1One 15:115: 1 0.050.05 M10M10 22 33 --

X2: X2검정에서 편차에 대한 검정 방법으로 사용하는 값이며, 실제 표현형으로 분리된 것을 이론치로 분리된 것으로 볼 수 있는지를 적합도 검정(goodness of fit)하는 통계적 방법이며, 아래의 식으로 계산된다.X 2 : The value used as the test method for the deviation in the X 2 test.It is a statistical method for testing the goodness of fit to see if the actual phenotype can be regarded as separated by the theory. do.

X2= ??(관찰빈도 - 기대빈도)2/기대빈도X 2 = ?? (observation frequency-expected frequency) 2 / expected frequency

그 결과, M8 세포주를 제외한 M2, M3, M4, M5 및 M7 세포주는 저항성 대 감수성의 분리비가 약 3:1로 나타났으며, 이는 벼의 게놈(genome)에 삽입된 트랜스유전자가 멘델의 법칙에 따라서 분리 및 발현되었다는 것을 의미한다. M1과 M10 세포주에서는 분리비율이 멘델의 법칙과 일치하지 않는 감수성 식물들이 높은 비율로 나타났다.As a result, the M2, M3, M4, M5, and M7 cell lines, except for the M8 cell line, had a resistance to sensitivity ratio of about 3: 1, indicating that transgenes inserted in the rice genome were subject to Mendel's law. Thus isolated and expressed. In the M1 and M10 cell lines, there was a high percentage of susceptible plants whose isolation rates did not match Mendel's law.

<실시예 4><Example 4>

TT 1One 분리세대에서의 제초제 저항성 포장 검정Herbicide Resistant Packaging Assay in Separate Generations

T1분리세대에서의 제초제 저항성 포장 검정을 실시하기 위하여, 마이소코쿠스 프로톡스 유전자가 도입된 형질전환벼로부터 T1종자를 수확하고, 각 T1형질전환체 라인으로부터 각각 20개의 종자를 육묘시킨 후, 포장에 이앙시켜 재배하였다.To carry out herbicide resistant packaging assays in T 1 isolated generations, T 1 seeds were harvested from the transformed rice into which the Myococcus protox gene was introduced, and 20 seeds were seeded from each T 1 transformant line. Then, it was transplanted to the packaging and grown.

도 2는 T1형질전환체를 수확하고 난 후, 밑둥에서 다시 자라난 벼에 프로톡스 저해 제초제인 옥시플루오르펜(Oxyfluorfen; 도 2A) 및 카펜트라존(Carfentrazone; 도 2B) 1 mM을 각기 따로 경엽처리하고, 처리 5일 후에 찍은 사진이다. 사진의 결과를 고찰하면, 형질전환체(Transgenic, T)의 성장은 제초제 처리에 영향을 받지 않았으나, 비형질전환체 분리주(Non transgenic null segregants, NT)는 제초제 처리에 완전히 고사되었음을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과로부터, 마이소코쿠스 산투스 프로톡스가 도입된 형질전환체가 프로톡스 저해 제초제에 저항성이고, 비형질전환체 분리주가 제초제에 민감성임을 확인할 수 있었다.FIG. 2 shows 1 mM of Oxyfluorfen (FIG. 2A) and Carfentrazone (FIG. 2B), a protox inhibitory herbicide, in rice grown again at the bottom after harvesting the T 1 transformant. It is a photograph taken 5 days after the foliage treatment. Considering the results of the photograph, it was confirmed that the growth of the transformants (Transgenic, T) was not affected by the herbicide treatment, but the non-transgenic null segregants (NT) were completely killed by the herbicide treatment. From these results, it was confirmed that the transformants introduced with Mycoccus Santos Protox were resistant to Protox inhibitory herbicides, and that the non-transformant isolates were sensitive to herbicides.

<실시예 5>Example 5

게놈 DNA 겔 블롯 분석을 통한 트랜스 유전자의 삽입 여부 검정Transgene Insertion Assay by Genomic DNA Gel Blot Analysis

하이그로마이신 선별배지로부터 재분화된 트랜스제닉 세포주의 벼 게놈 내부로 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 유전자가 안정하게 도입되는지의 여부와 이의 삽입 수를 측정하기 위하여, 게놈 DNA를 표준 방법에 따라 추출하였다(Ausubel et al., Current Protocol in Molecular Biology, 1st ed., 1987). pGA1611:MP로 형질전환된 8개의 트랜스제닉 T1벼 및 대조구인 형질전환되지 않은 야생형 벼로부터 각각 추출된 게놈 DNA 5 ㎍을HindIII 제한 효소로 분해시키고, 0.8% (w/v) 아가로스 겔상에서 전기영동을 실시하여 크기별로 분획화시켰다. 이들 분획을 나일론막 (Nylon 66 plus, Pharmacia Biotech.)에 블롯팅(blotting)시킨 후,32P-표지된 마이소코쿠스 산투스 프로톡스와 혼성화(hybridization)시켰다.Genomic DNA was extracted according to standard methods to determine whether the Mycoccus Santos Protox gene was stably introduced into the rice genome of a reprogrammed transgenic cell line from hygromycin selection media and the number of insertions thereof (Ausubel). et al., Current Protocol in Molecular Biology, 1st ed., 1987). 5 μg of genomic DNA extracted from 8 transgenic T 1 rice transformed with pGA1611: MP and untransformed wild-type rice, respectively, were digested with Hin dIII restriction enzyme and 0.8% (w / v) agarose gel. Electrophoresis was carried out in phases and fractionated by size. These fractions were blotted onto nylon membranes (Nylon 66 plus, Pharmacia Biotech.) And then hybridized with 32 P-labeled Myococcus Santos protox.

프루브(probe) 처리된 트랜스유전자 내부에HindIII 제한효소 인식부위가 존재하지 않으면, 혼성화된 밴드의 수가 트랜스제닉 식물의 게놈에 삽입된 트랜스 유전자의 삽입수와 일치하게 된다. 이에 따라서, 대조구인 야생형 벼에서 추출된 게놈 DNA의 경우에는 혼성화된 밴드가 검출되지 않았으므로 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 유전자가 존재하지 않는다는 것을 의미하며, 트랜스제닉 벼 형질전환체(M2 내지 M8)의 경우에는 각각이 5kb 이상의 혼성화 밴드가 검출되어 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 유전자가 벼의 게놈에 삽입되었음이 확인되었다(미도시).If there is no Hin dIII restriction enzyme recognition site inside the probe transgene, the number of hybridized bands will match the number of trans genes inserted into the genome of the transgenic plant. Accordingly, in the case of genomic DNA extracted from wild type rice, which is a control, the hybridized band was not detected, which means that the mycoccus Santos protox gene does not exist, and that the transgenic rice transformants (M2 to M8) In each case, hybridization bands of 5 kb or more were detected, and it was confirmed that myococcus Santos protox gene was inserted into the rice genome (not shown).

<실시예 6><Example 6>

RNA 겔 블롯 분석을 통한 트랜스 유전자의 mRNA 발현 여부 조사Investigation of mRNA Expression of Trans Gene by RNA Gel Blot Analysis

형질전환된 벼로부터 종자량이 많이 확보된 발현주를 이용하여 하이그로마이신 배지에서 마이소코쿠스 프로톡스 유전자의 삽입이 확인된 개체(마이소코쿠스 프로톡스 발현주 M2 내지 M8)를 선발하고, 선발된 발현주를 온실에서 재배하였다. 선발된 발현주의 전체 RNA를 TRI 시약 (Sigma로부터 입수)을 사용하여 재배된 벼의 잎으로부터 추출하였다. 전체 RNA(10 ??g)를 포름알데히드를 포함한 1% 아가로스 겔상에서 전개 완충액으로 20 mM Mops [3-(N-모르폴리노)-프로판설폰산] 용액을 사용하여 분획화시켰다. 전개가 완료된 겔을 나일론막에 블롯팅시키고, 전체 길이의 마이소코쿠스 산투스 프로톡스와 혼성화시키고, 이의 결과를 도 3의 사진으로 나타내었다. 겔의 블롯팅에 앞서, 1% 아가로스 겔상에서 전개된 RNA 시료 양의 동일성 여부는 에티듐 브로마이드(ethidium bromide)를 사용하여 점검되었다(미도시).An individual (myococcus protox expression strains M2 to M8) whose insertion of the myococcus protox gene was confirmed in hygromycin medium was selected using an expression strain having a high seed amount from the transformed rice, and selected. Expression stocks were grown in greenhouses. Total RNA of the selected expression strains was extracted from the leaves of the cultivated rice using TRI reagent (obtained from Sigma). Total RNA (10 μg) was fractionated using 20 mM Mops [3- (N-morpholino) -propanesulfonic acid] solution in development buffer on 1% agarose gel with formaldehyde. The developed gel was blotted onto the nylon membrane and hybridized with the full-length Myococcus Santos protox, and the results are shown in the photograph of FIG. 3. Prior to blotting of the gels, the identity of RNA samples developed on a 1% agarose gel was checked using ethidium bromide (not shown).

검출된 혼성화밴드의 진한 정도를 기준으로 RNA 겔 블록 분석을 통한 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 mRNA의 발현 여부를 조사한 결과, 형질전환되지 않은 대조구(W)에서는 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 mRNA가 발현되지 않았다(도 3 참조). 반면에, 트랜스제닉 세포주에서는 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 mRNA가 과다 발현되었다. 특히, M3 및 M4 형질전환 세포주에서 가장 많은 발현율을 나타내었고, M7, M5, M8, M2 형질전환 세포주 등의 순으로 발현되는 정도에 차이를 보였다.Based on the concentration of the detected hybridization bands, the expression of Mycoccus Santos Protox mRNA was examined by RNA gel block analysis. As a result, the Mycoccus Santos Protox mRNA was not expressed in the untransformed control group (W). (See Figure 3). On the other hand, the transgenic cell line was overexpressed in Mycoccus Santos Protox mRNA. In particular, M3 and M4 transformed cell lines showed the highest expression rate, and M7, M5, M8, M2 transformed cell lines, etc. showed the difference in the degree of expression.

<실시예 7><Example 7>

TT 22 분리세대에서의 제초제 저항성 발아 검정Herbicide Resistant Germination Assay in Separate Generations

T2분리세대에서의 제초제 저항성 발아 검정을 실시하기 위하여, T1마이소코쿠스 발현 형질전환체로부터 자가수분을 통하여 T2종자를 획득하였다. 획득된 T2종자를 하이그로마이신 발아 검정을 통해 100% 저항성을 보이는, 즉 호모자이고스(Homozygous)로 추정되는 독립된 종자 라인을 선발하였다. 이들 마이소코쿠스 프로톡스 발현 호모자이고스(Homozygous) T2종자로부터 종피를 제거시킨 후, 70% 에탄올 및 NaOCl을 사용하여 종피가 제거된 호모자이고스 T2종자를 소독시킨다. 이를 제초제인 옥시플루오르펜 5 ??M이 함유된 1/2 MS 배지에 치상시키고, 28?? 배양온도하에서 빛이 차단된 상태에서 2일 동안, 이후 광에 노출된 상태에서 7일 동안 연속 배양시킨 후, 이의 생장상태를 조사하였다. 이와 동시에, 대조구인 야생형 벼, 애기장대 프로톡스 세포질 발현 형질전환벼 T1종자 및 애기장대 프로톡스 색소체 발현 형질전환벼 T1종자를 동시에 치상하였다(도 4 참조).To carry out herbicide resistant germination assays in T 2 isolated generations, T 2 seeds were obtained from autologous pollination from T 1 myococcus expressing transformants. The obtained T 2 seeds were selected from an independent seed line that is 100% resistant, i.e. presumed Homozygous, via a hygromycin germination assay. Seeds are removed from these Mysokocus protox expressing Homozygous T 2 seeds, followed by disinfection of the seeded homozygos T 2 seed with 70% ethanol and NaOCl. This was implanted in 1/2 MS medium containing oxyfluorfen 5 ?? M herbicide, 28 ?? After culturing for 2 days in a state in which the light is blocked under the culture temperature, and then for 7 days in the state exposed to light, the growth state thereof was investigated. At the same time, wild type rice, Arabidopsis protox cytoplasmic expression transformed rice T 1 seed and Arabidopsis protox chromatin expressing rice T 1 seed were simultaneously wounded (refer FIG. 4).

도 4의 A는 대조구인 야생형 벼의 생장결과를 나타낸 사진이다. 사진에서 볼 수 있는 바와 같이 야생형 대조구는 완전히 치사되는 것으로 나타났다. 도 4의 B는 마이소코쿠스 프로톡스 발현 T2종자의 생장결과를 나타낸 사진이며, 이의 성장이 제초제에 전혀 저해를 받지 않았다. 도 4의 C는 애기장대 프로톡스 세포질을 발현하는 형질전환벼의 생장결과를 나타낸 사진이며, 도 4의 D는 애기장대 프로톡스 색소체를 발현하는 형질전환벼의 생장결과를 나타낸 사진이다. 애기장대 프로톡스 색소체 발현 형질전환벼(도 4의 D)가 애기장대 프로톡스 세포질 발현 형질전환벼(도 4의 C)보다 높은 제초제 저항성을 보였지만, 마이소코쿠스 프로톡스 형질전환체(도4의 B)와 비교할 경우 제초제 저해를 상당히 많이 받은 것으로 나타났다.Figure 4 A is a photograph showing the results of the growth of wild type rice control. As can be seen in the photo, the wild type control was found to be completely lethal. 4B is a photograph showing the results of the growth of mycoccus protox expressing T 2 , and its growth was not inhibited at all by herbicides. Figure 4C is a photograph showing the results of the growth of transgenic rice expressing Arabidopsis protox cytoplasm, Figure 4D is a photograph showing the results of the growth of transgenic rice expressing Arabidopsis protox cytoplasm. Arabidopsis Protox plastid expressing rice (FIG. 4D) showed higher herbicide resistance than Arabidopsis Protox cytoplasmic expressing transgenic rice (FIG. 4C), but Myococcus protox transformant (FIG. 4) Compared with B), herbicide inhibition was significantly higher.

<실시예 8><Example 8>

형질전환벼의 제초제 저항성 실험Herbicide Resistance Tests of Transgenic Rice

형질전환벼의 제초제 저항성 실험을 위하여, 실시예 1에서 제조된 본 발명의 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 유전자를 포함하는 벡터(PGA1611:MP)를 사용하여 실시예 2의 방법에 따라 형질전환벼 MP를 제조하였다. 비교실험을 위하여, 색소체 발현 애기장대 프로톡스 유전자 APP(Genebank 유전자 입수번호 D83139) 및 트랜지트 서열이 제거된 세포질 발현 애기장대 프로톡스 유전자 ACP(Genebank 유전자 입수번호 D83139)를 실시예 1의 방법에 따라 바이너리 벡터 pGA1611:C(기탁번호 KCTC 0692BP)의 바실러스 섭틸리스 프로톡스 유전자와 치환시켜 제초제 민감성 애기장대 프로톡스 유전자를 포함하는 백터계 (pGA1611:ACP 및 pGA1611:APP)를 제조하였다. 그리고, 실시예 2의 방법에 따라, pGA1611:ACP 벡터가 도입된 형질전환벼(ACP) 및 pGA1611:APP 벡터가 도입된 형질전환벼(APP)를 제조하였다. 또한, 본 출원인의 선출원인 대한민국 특허출원번호 제99-52492호에서 제조된 바이너리 벡터 pGA1611:P(기탁번호 KCTC 0693BP)를 사용하여 실시예 2의 방법에 따라 형질전환벼 BP를 제조하였다. 이렇게 제조된 형질전환벼 MP, BP, ACP 및 APP의 제초제 저항성을 서로 비교하였다. 대조구로는 프로톡스 유전자로 처리되지 않은 벼(W)가 사용되었다.For herbicide resistance experiments of transformed rice, transformed rice MP was prepared according to the method of Example 2 using a vector (PGA1611: MP) comprising the myococcus Santos protox gene of the present invention prepared in Example 1. Prepared. For comparative experiments, the chromatin expressing Arabidopsis Protox gene APP (Genebank Gene Accession No. D83139) and the cytoplasmic expressing Arabidopsis Protox Gene ACP (Genebank Gene Accession No. D83139) from which the transient sequence was removed were prepared according to the method of Example 1. A vector (pGA1611: ACP and pGA1611: APP) containing the herbicide sensitive Arabidopsis protox gene was prepared by substitution with the Bacillus subtilis Protox gene of binary vector pGA1611: C (Accession No. KCTC 0692BP). Then, according to the method of Example 2, the transformed rice (ACP) to which the pGA1611: ACP vector was introduced and the transformed rice (APP) to which the pGA1611: APP vector was introduced were prepared. In addition, transgenic rice BP was prepared according to the method of Example 2 using the binary vector pGA1611: P (Accession No. KCTC 0693BP) prepared in Korean Patent Application No. 99-52492, the applicant of the present applicant. The herbicide resistance of the thus prepared transgenic rice MP, BP, ACP and APP was compared. As a control, rice (W) that was not treated with the Protox gene was used.

그 결과, 3 내지 4 엽기의 대조구 동진벼(W) 유모에 제초제인 옥시플루오르펜 5 ??M을 경엽처리하였을 경우, 벼(W)가 고사하는 것을 관찰할 수 있었다(미도시). 또한, 옥시플루오르펜 100 ??M을 동진벼(W) 유모에 경엽처리하였을 경우, 역시 동진벼(W)가 고사하는 것을 관찰할 수 있었다(도 5 참조).As a result, when the leaves were treated with the herbicide oxyfluorfen 5 ?? M in the control nursery of Dongjinbyeong (W) in the 3-4 leaf phase, it was observed that rice (W) died (not shown). In addition, when the oxyfluorophene 100 ?? M was foliage-treated on the nacres of Dongjin rice (W), it was also observed that Dongjin rice (W) died (see FIG. 5).

또한, 성숙된 옆 절편(leaf disk)검정을 이용한 기내실험을 통해서는 옥시플루오르펜에 대한 저항성이 있는 것으로 보고되고 있는 바실러스 섭틸리스 프로톡스를 색소체에 발현시킨 형질전환벼(BP)(Lee et al., Plant Cell Physiol. 41, 743-749, 2000)에 상기 옥시플루오르펜을 경엽처리하여 저항성 여부가 조사되었다. 그 결과, 3 내지 4 엽기의 BP 유묘에 5 ??M 의 옥시플루오르펜 제초제를 경엽처리함으로써, 대조구의 경우와 유사하게 벼가 고사되었다(미도시). 또한, 옥시플루오르펜 100 ??M을 형질전환벼(BP) 유묘에 경엽처리하였을 경우에도 역시 유묘(BP)가 고사되었다(도 5 참조). 즉, 이러한 결과는, 비록 엽 절편검정(leaf disk assay)을 사용한 기내실험에서는 상기 바실러스 섭틸리스 프로톡스 형질전환벼(BP)가 제초제 저항성을 나타내었지만(Dailey et al., J. Biol. Chem. 269, 813-815, 1994), 직접 벼의 유묘에 5 ??M 이상 농도의 제초제를 경엽처리할 경우에는 제초제 저항성 효과가 거의 나타나지 않았음을 의미한다.In addition, transgenic rice (BP) expressing Bacillus subtilis protox, which has been reported to be resistant to oxyfluorfen through in-flight experiments with mature leaf disk assays (Lee et al. al., Plant Cell Physiol. 41, 743-749, 2000) were examined for resistance by foliage treatment of the oxyfluorfen. As a result, rice was killed similarly to the control group by foliage treatment of 5 to M oxyfluorophene herbicide to the BP seedlings of the 3 to 4 leaf stages (not shown). In addition, seedlings (BP) were also killed when oxyfluorophene 100 ?? M was applied to transgenic rice seedling (BP) seedlings (see FIG. 5). In other words, these results indicate that although Bacillus subtilis Protox transformed rice (BP) showed herbicide resistance in in-flight experiments using a leaf disk assay (Dailey et al., J. Biol. Chem). 269, 813-815, 1994), which indicated that the herbicide resistance of 5 or more M in the direct seedlings showed little herbicide resistance.

프로톡스 저해 제초제 민감성 애기장대의 프로톡스 유전자를 세포질 및 색소체에 발현시킨 형질전환벼(ACP 및 APP)의 경우, 대조구에 비해 상당한 제초제 저항성 효과를 갖고 있는 것으로 나타났으나(미도시), 100 ??M 옥시플루오르펜으로 경엽처리되었을 경우에는 ACP 및 APP 벼 모두 고사되었다. 이에 비하여, 마이소코쿠스 프로톡스를 발현하는 형질전환벼(MP)의 경우, 100 ??M 농도뿐만 아니라 10 mM의 옥시플루오르펜 제초제로 경엽처리 되었을 경우에도 벼(MP) 자체의 생육에 전혀 저해를 받지 않는 강력한 제초제 저항성을 나타내었다(도 5 참조).Protox inhibitory herbicide-sensitive herbaceous transgenic rice (ACP and APP) expressing protox genes in the cytoplasm and plastids showed significant herbicide resistance compared to controls (not shown). When the leaves were treated with M oxyfluorfen, both ACP and APP rice were killed. In contrast, in case of transgenic rice (MP) expressing Mycoccus protox, the growth of MP (MP) itself was not inhibited at all when the leaves were treated with 100 mM M as well as 10 mM oxyfluorfen herbicide. It showed strong herbicide resistance without receiving (see FIG. 5).

이와 같은 결과로부터, 본 발명자들은 본원 발명에 따른 마이소코쿠스 산투스 프로톡스 트랜스제닉 벼(MP)가 대조구(W) 벼에 비하여 약 2000배정도 높은 제초제 저항성을 갖고 있음을 확인하였으며, 또한, 제초제 저항성 바실러스 섭틸리스 프로톡스 유전자가 도입된 형질전환벼(BP)와 제초제 민감성 애기장대 유전자가 도입된 형질전환벼(ACP 및 APP)보다도 높은 제초제 저항성을 나타냄을 확인 할 수 있었다.From these results, the present inventors have confirmed that mycoccus Santos protox transgenic rice (MP) according to the present invention has a herbicide resistance of about 2000 times higher than that of the control (W) rice, and herbicide resistant Bacillus It was confirmed that the herbicide resistance was higher than the transgenic rice (BP) introduced with the subtilis protox gene and the transgenic rice (ACP and APP) with the herbicide-sensitive Arabidopsis gene.

<실시예 9>Example 9

형질전환벼의 프로톡스 단백질 발현위치 검정 및 효소활성 측정Protox protein expression site assay and enzyme activity of transgenic rice

형질전환벼의 제초제 저항성 기작을 규명하기 위하여, 프로톡스의 세포내 발현부위를 조사하였다. 형질전환벼의 잎으로부터 엽록체와 미토콘드리아를 분리하여 (Lee and Duke, Agric. Food Chem. 42, 2610-2618; Neuburger et al., Arch. Biochem. Biophys. 217, 312-323), 웨스턴 블롯팅을 수행하였다(도 6 참조). 도 6A의 그림을 보면, 프로톡스 단백질이 엽록체 및 미토콘드리아에서 동시에 관찰됨을 확인 할 수 있었으며, 이들 정제된 엽록체 및 미토콘드리아의 효소활성은 대조구보다 35배 및 25배 이상 각 각 높았으며, 형질전환식물의 잎에서 분리된 엽록체와 미토콘드리아에 100 ??M의 옥시플루오르펜을 첨가하여도, 야생형의 대조구보다 높은 효소활성을 나타내었다(도 6B). 따라서 형질전환식물의 제초제 저항성은 마이소코쿠스 프로톡스 단백질이 엽록체 및 미토콘드리아에서 동시 발현되어 획득됨을 확인할 수 있었다.In order to elucidate the mechanism of herbicide resistance of transgenic rice, intracellular expression sites of protox were examined. Chloroplasts and mitochondria were isolated from the leaves of transgenic rice (Lee and Duke, Agric. Food Chem. 42, 2610-2618; Neuburger et al., Arch. Biochem. Biophys. 217, 312-323), Western blotting Was performed (see FIG. 6). 6A, it was confirmed that protox proteins were simultaneously observed in chloroplasts and mitochondria, and the enzymatic activity of these purified chloroplasts and mitochondria was 35 and 25 times higher than that of control, respectively. The addition of 100 ?? M oxyfluorfen to the chloroplasts and mitochondria isolated from the leaves showed higher enzyme activity than the wild-type control (FIG. 6B). Therefore, the herbicide resistance of the transformed plants was confirmed that the mycoccus protox protein was obtained by co-expression in chloroplast and mitochondria.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명은 프로톡스 유전자가 포함된 벡터계를 작물에 도입시켜, 숙주작물의 엽록체 및 미토콘드리아에서 프로톡스를 동시발현 시킴으로서, 작물의 프로톡스 저해 제초제에 대한 저항성을 현저히 증가시켜 효과적인 잡초방제 및 종자생산이 가능하게 하였다. 또한, 본 발명의 엽록체 및 미토콘드리아 동시발현 프로톡스 유전자는 형질전환 세포주 선발을 위한 제초제 저항성 선발 마커로서 유용하게 사용될 수 있다.As described above, the present invention by introducing a vector system containing the protox gene into the crop, by co-expressing protox in the chloroplast and mitochondria of the host crop, thereby significantly increasing the resistance of the crop to protox inhibitory herbicide Weed control and seed production were possible. In addition, the chloroplast and mitochondrial coexpression Protox genes of the present invention can be usefully used as a herbicide resistance selection marker for selection of transformed cell lines.

Claims (19)

프로토포르피리노겐 옥시다아제(protoporphyrinogen oxidase)가 식물의 엽록체 및 미토콘드리아에서 동시발현되도록 프로토포르피리노겐 옥시다아제(protoporphyrinogen oxidase)를 암호화하는 유전자가 포함된 벡터에 의해 형질전환된 숙주 미생물로 작물을 형질전환시켜 작물의 제초제에 대한 저항성을 증대시키는 방법.Crop is transformed into a host microorganism transformed with a vector containing a gene encoding protoporphyrinogen oxidase such that protoporphyrinogen oxidase is co-expressed in the chloroplasts and mitochondria of plants. To increase the resistance to herbicides. 제 1항에 있어서, 상기 프로토포르피리노겐 옥시다아제(protoporphyrinogen oxidase)가 식물의 엽록체 및 미토콘드리아에서 동시발현되도록 상기 프로토포르피리노겐 옥시다아제(protoporphyrinogen oxidase)의 트랜지트 서열을 변경하는 것을 특징으로 하는 작물의 제초제에 대한 저항성을 증대시키는 방법.2. The herbicide of crops according to claim 1, wherein said protoporphyrinogen oxidase alters the transient sequence of said protoporphyrinogen oxidase such that it is co-expressed in the chloroplasts and mitochondria of plants. How to increase resistance to. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 프로토포르피리노겐 옥시다아제가 제초제 민감성 마이소코쿠스 속 유래의 프로토포르피리노겐 옥시다아제(protoporphyrinogen oxidase)인 것을 특징으로 하는 작물의 제초제에 대한 저항성을 증대시키는 방법.The method according to claim 1 or 2, wherein the protoporpyrinogen oxidase is a protoporphyrinogen oxidase derived from the herbicide sensitive mysococcus genus. 제 3항에 있어서, 상기 마이소코쿠스 속이 마이소코쿠스 산투스(Myxococcus xanthus)인 것을 특징으로 하는 방법.4. The method of claim 3, wherein the genus Myococcus is Myxococcus xanthus. 제 3항에 있어서, 상기 벡터가 프로토포르피리노겐 옥시다아제 유전자, 유비퀴틴 프로모터 및 하이그로마이신 포스포트랜스퍼라아제(hygromycin phosphotransferase) 선별 마커를 포함하고, 도 1의 B의 제한효소 지도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.4. The vector according to claim 3, wherein the vector comprises a protoporpynogen oxidase gene, a ubiquitin promoter and a hygromycin phosphotransferase selection marker, and has a restriction map of B of FIG. How to. 제 5항에 있어서, 상기 벡터가 pGA1611:MP인 방법.The method of claim 5, wherein said vector is pGA1611: MP. 제 1항에 있어서, 상기 숙주 미생물이 아그로박테리움 투메파시엔스(Agrobacterium tumefaciens)인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the host microorganism is Agrobacterium tumefaciens . 제 1항에 있어서, 상기 작물이 단자엽 작물 또는 쌍자엽 작물인 것을 특징으로 하는 방법.A method according to claim 1, wherein the crop is monocotyledonous crop or dicotyledonous crop. 제 8항에 있어서, 상기 단자엽 작물은 보리, 평지, 옥수수, 밀, 호밀, 귀리, 잔디, 마초, 기장 및 벼로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.9. The method of claim 8, wherein the monocotyledonous crop is selected from the group consisting of barley, rapeseed, corn, wheat, rye, oats, grass, forage, millet and rice. 제 8항에 있어서, 상기 쌍자엽 작물은 사탕수수, 대두, 담배 및 목화로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.9. The method of claim 8, wherein the dicotyledonous crop is selected from the group consisting of sugar cane, soybeans, tobacco and cotton. 제 1항에 있어서, 상기 제초제가 프로토포르피리노겐 옥시다아제 저해 제초제인 것을 특징으로 하는 방법.2. The method of claim 1, wherein the herbicide is a protoporpyrronogen oxidase inhibitory herbicide. 제 11항에 있어서, 상기 프로토포르피리노겐 옥시다아제 저해 제초제가 디페닐에테르계(diphenylethers), 옥사디아졸계(oxadiazoles), 페닐프탈아미드계(N-phenylphthalimides), 트리아졸리논계(triazolinones) 및 티아디아졸계(thiadiazoles)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 11, wherein the protoporpyrogen oxidase inhibitory herbicides are diphenylethers, oxadiazoles, phenylphthalamides, triazolinones, and thiadiazoles. (thiadiazoles). 제 12항에 있어서, 상기 디페닐에테르계 제초제가 액시플루오르펜(acifluorfen), 아클로니펜(aclonifen), 비페녹스(bifenox), 포메사펜(fomesafen), 락토펜(lactofen) 및 옥시플루오르펜(oxyfluorfen)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.13. The diphenyl ether herbicide of claim 12, wherein the diphenyl ether herbicide is acifluorfen, alonifen, bifenox, fomesafen, lactofen and oxyfluorfen. The method comprising a). 제 12항에 있어서, 상기 옥사디아졸계 제초제가 옥사디아존(oxadiazon)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.13. The method of claim 12, wherein said oxadiazole herbicide comprises oxadidiazon. 제 12항에 있어서, 상기 페닐프탈아미드계 제초제가플루미옥사진(flumioxazin) 및 플루미클로락-펜틸(flumiclorac-pentyl)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.13. The method of claim 12, wherein the phenylphthalamide herbicide comprises flumioxazin and flumiclorac-pentyl. 제 12항에 있어서, 상기 트리아졸리논계가 카펜트라존(carfentrazone) 및 설펜트라존(sulfentrazone)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.13. The method of claim 12, wherein said triazolinone system comprises carfentrazone and sulfentrazone. 제 12항에 있어서, 상기 티아디아졸계가 플루티아셋-메틸(fluthiacet-methyl) 및 티디아지민(thidiazimin)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.13. The method of claim 12, wherein the thiadiazole system comprises fluthiacet-methyl and thidiazimin. 엽록체 및 미토콘드리아에서 동시발현되는 프로토포르피리노겐 옥시다아제(protoporphyrinogen oxidase)를 암호화하는 유전자를 제초제 저항성 선발 마커로 사용하는 것을 특징으로 하는 형질전환 세포주 선발 방법.A method for selecting a transformed cell line, characterized by using a gene encoding protoporphyrinogen oxidase co-expressed in chloroplasts and mitochondria as herbicide resistance selection marker. 제18항에 있어서, 상기 엽록체 및 미토콘드리아에서 동시발현되는 프로토포르피리노겐 옥시다아제(protoporphyrinogen oxidase)를 암호화하는 유전자는 제초제 민감성 마이소코쿠스 속 유래의 프로토포르피리노겐 옥시다아제(protoporphyrinogen oxidase)를 암호화하는 유전자인 것을 특징으로 하는 형질전환 세포주 선발 방법.The gene encoding the protoporphyrinogen oxidase co-expressed in the chloroplast and the mitochondria is a gene encoding the protoporphyrinogen oxidase derived from the herbicide-sensitive myococcus. Transgenic cell line selection method, characterized in that.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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