KR20050077118A - A phosphate transporter genes and promoters of said genes that are expressed specifically in the root hair of rice and a production method of transgenic plants using said genes - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인산 결핍시 벼(Oryza sativa L.) 뿌리털에 특이적 발현하는 하기 서열 1 또는 서열 2의 염기서열 및 아미노산 서열을 갖는 신규한 인산 운반체 유전자, 상기 유전자의 뿌리털 특이적 발현 프로모터 및 상기 유전자를 이용하여 인산 흡수력이 향상된 형질전환 식물체의 생산방법에 관한 것이다.The present invention provides a novel phosphate carrier gene having a nucleotide sequence of the following SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2 and an amino acid sequence which is specifically expressed on the root hair of Oryza sativa L. It relates to a method for producing a transgenic plant having improved phosphoric acid uptake.

<서열 1><SEQ ID NO 1>

<서열 2><SEQ ID NO 2>

Description

벼 뿌리털 특이적 발현 인산 운반체 유전자, 상기 유전자의 뿌리털 특이적 발현 프로모터 및 상기 유전자를 이용하여 인산 흡수력이 향상된 형질전환 식물체의 생산방법{A phosphate transporter genes and promoters of said genes that are expressed specifically in the root hair of rice and a production method of transgenic plants using said genes}Phosphate transporter genes and promoters of said genes that are expressed specifically in the root of rice root hair specific expression phosphate carrier gene, root hair specific expression promoter of the gene and the gene hair of rice and a production method of transgenic plants using said genes}

본 발명은 인산 결핍시 벼(Oryza sativa L.) 뿌리털에 특이적 발현하는 신규한 인산 운반체 유전자, 상기 유전자의 뿌리털 특이적 발현 프로모터 및 상기 유전자를 이용하여 형질전환된 식물체의 생산방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel phosphate carrier gene that specifically expresses the root hair of Oryza sativa L., a root hair specific expression promoter of the gene, and a method for producing a transformed plant using the gene.

인산은 식물이 필요로 하는 필수 영양소 중의 하나로서 에너지 전달, 신호 전달, 대사산물의 생합성, 광합성 그리고 호흡 등의 식물세포 내에서 물질 대사과정에 중요한 기능을 할 뿐 아니라 DNA와 RNA의 중요한 구성성분으로 질소와 함께 식물체가 가장 많이 필요로 하는 영양원소이다. 식물체의 성장에 필요한 많은 양의 인산은 주로 비료의 형태로 식물체에서 공급되고 있으나, 대부분의 인산은 토양에서 식물이 이용할 수 없는 유기물 또는 금속이온들과 결합한 형태로 고정화 된다. 따라서 실제 식물이 이용할 수 있는 유효인산의 양은 토양 속에 극히 적은 양으로 존재하고 있다. 특히, 산성 토양의 경우, 과다하게 축적된 알루미늄 이온에 의한 인산의 고정화로 토양의 인산 유효성을 더욱 낮추고 있다. 매년 전체 영농비용의 상당부분이 토양의 유효인산 농도를 증가시키기 위한 비료 구입비용으로 사용되고 있다. 또한, 농업 환경오염원 중에서 비료의 과다 사용으로 인한 토양의 산성화와 염의 집적 등의 토양오염은 작물의 생육에 나쁜 영향을 미칠 뿐 아니라 지표수에 침투하여 수자원의 주 오염원인 부영양화를 초래한다. 농업 환경오염은 농업 생산의 질적 저하를 가져올 뿐 아니라 환경파괴에 의한 국민건강을 위협하므로 그 오염원의 제거는 매우 중요한 문제이다. 이러한 문제는 투입되는 화학비료의 양을 줄임으로써 해결할 수 있다. 현재 화학비료를 대체하기 위한 여러 가지 유기질 비료가 개발되어 사용되고 있으나 아직 많은 문제점이 있다. 따라서 보다 근원적인 문제 해결방안은 식물의 인산 흡수력을 향상시킴으로써 비료의 사용량을 줄이는 것이다.Phosphoric acid is one of the essential nutrients that plants need and plays an important role in metabolic processes in plant cells such as energy transfer, signal transduction, biosynthesis of metabolites, photosynthesis and respiration, as well as important components of DNA and RNA. Along with nitrogen, plants are the most needed nutrients. The large amount of phosphoric acid required for plant growth is supplied from plants mainly in the form of fertilizers, but most of the phosphoric acid is immobilized in the form of organic matter or metal ions that are not available to plants in the soil. Thus, the amount of available phosphate available to plants is present in the soil in very small amounts. In particular, in the case of acidic soils, phosphoric acid is immobilized by excessively accumulated aluminum ions, thereby lowering the phosphoric acid effectiveness of the soil. Each year, a significant portion of the total farming costs are spent on fertilizer purchases to increase the effective phosphate concentration in the soil. In addition, soil pollution such as acidification of soil and accumulation of salt due to excessive use of fertilizer among agricultural environmental pollution sources not only adversely affects the growth of crops, but also penetrates surface water and causes eutrophication, which is the main pollutant of water resources. Agricultural environmental pollution not only brings down the quality of agricultural production, but also threatens the public's health due to environmental destruction, so eliminating pollutants is a very important problem. This problem can be solved by reducing the amount of chemical fertilizers added. Various organic fertilizers have been developed and used to replace chemical fertilizers, but there are still many problems. Thus, a more fundamental solution to the problem is to reduce the use of fertilizers by improving the plant's ability to absorb phosphates.

한편, 벼는 세계적으로 가장 중요한 작물 중의 하나로 최근 몇 년간 전체 유전자 서열이 밝혀짐으로써 유용유전자를 대량으로 확보하고 이를 선점하고자 하는 많은 노력이 행해지고 있다. 식물의 무기양분 흡수와 관련된 연구는 재배학적 측면의 연구와 식물생리학적 측면의 연구가 오래 전부터 이루어져 왔으나, 최근에는 무기양분 흡수에 대한 분자수준의 기초연구를 토대로 무기양분 흡수와 관련한 유전자들을 이용하여 작물의 생육과 수량을 증가시키고 극도로 양분이 제한된 조건에서도 생장이 가능한 작물을 육종하기 위한 연구들이 세계적으로 활발히 진행되고 있다.On the other hand, rice is one of the most important crops in the world, and in recent years, since the entire gene sequence has been revealed, many efforts have been made to secure a large number of useful genes and preoccupy them. Research on the absorption of inorganic nutrients from plants has been done for a long time in cultivation and plant physiological aspects, but recently, based on the molecular-level basic research on the absorption of inorganic nutrients, In order to increase the growth and yield of crops and to grow crops that can grow under extremely limited nutrients, research is being actively conducted worldwide.

이와 관련한 종래의 연구 경향은 주로 재배, 생리학을 중심으로 하는 인산결핍 스트레스에 관한 연구였다. 1990년대 들어서면서 인산결핍에 대한 식물체의 반응을 분자수준에서 이해하고 응용하려는 새로운 경향의 연구들이 시작되었다. 현재 인산 운반체 유전자들은 애기장대, 토마토, 감자, 담배, 벼, 보리 등에서 분리되어 이들 유전자들의 구조와 발현 조절 특성들이 밝혀지고 있다. 그러나 아직 인산 흡수와 관련한 유전자들의 발현유도 기작이나 인산 운반체에 대한 분자세포생물학적 이해가 부족하여 유전자 조작에 의한 식물의 인산흡수 체계를 변화시켜서 기대하는 만큼의 인산흡수 능력이 향상된 새로운 식물체는 개발이 되지 않고 있다. 다만, 담배 현탁세포에 애기장대의 고친화성 인산 운반체를 대량 발현시키면 인산 결핍조건에서 세포성장률이 증가된다는 보고가 있는 바, 고친화성 인산 운반체를 이용한 인산 흡수력 개선 연구의 필요성을 제시하고 있다.The conventional research trend in this regard has been the study of phosphate deficiency stress mainly on cultivation and physiology. In the 1990s, new trends began to be developed to understand and apply the plant's response to phosphate deficiency at the molecular level. Currently, phosphate carrier genes are isolated from Arabidopsis, tomato, potato, tobacco, rice, barley, etc., and the structure and expression control characteristics of these genes are revealed. However, due to the lack of the mechanism of inducing the expression of phosphate-related genes or understanding of the molecular cell biology of phosphate carriers, new plants that have improved phosphate absorption capacity as expected by changing the phosphate absorption system of the plant by genetic manipulation have not been developed. It is not. However, there has been a report that the cell growth rate is increased in the phosphate deficient condition by the large expression of Arabidopsis high affinity phosphate carriers in tobacco suspension cells, suggesting the need for a study to improve the phosphate absorption capacity using high affinity phosphate carriers.

따라서, 본 발명의 목적은 인산 결핍시 벼 뿌리털에 특이적 발현하는 신규한 인산 운반체 유전자를 제공하는데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a novel phosphate carrier gene that specifically expresses rice root hairs in the absence of phosphate.

본 발명의 다른 목적은 상기 유전자의 뿌리털 특이적 발현 프로모터를 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a root hair specific expression promoter of the gene.

본 발명의 또다른 목적은 상기 유전자를 이용하여 인산 흡수력이 향상된 형질전환 식물체의 생산방법을 제공하는데 있다. Still another object of the present invention is to provide a method for producing a transgenic plant having improved phosphate uptake using the gene.

상기 목적에 따라, 본 발명에서는 인산 결핍시 벼(Oryza sativa L.) 뿌리털에 특이적으로 발현하는, 하기 서열 1의 염기서열 및 아미노산 서열을 갖는 인산 운반체 유전자 OsPT1 및 하기 서열 2의 염기서열 및 아미노산 서열을 갖는 인산 운반체 유전자 OsPT7을 제공한다.In accordance with the above object, in the present invention, the phosphate carrier gene OsPT1 having the nucleotide sequence and the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, which is specifically expressed in the root hair of Oryza sativa L. The phosphate carrier gene OsPT7 with sequence is provided.

<서열 1><SEQ ID NO 1>

<서열 2><SEQ ID NO 2>

다른 목적에 따라, 상기 유전자 OsPT1 중 1번째 내지 1422번째 염기서열에 해당하는 하기 서열 3을 갖는 벼 뿌리털 특이적 발현 프로모터 및 상기 유전자 OsPT7 중 1번째 내지 1403번째 염기서열에 해당하는 하기 서열 4를 갖는 벼 뿌리털 특이적 발현 프로모터를 제공한다.According to another object, the rice root hair specific expression promoter having the following SEQ ID NO: 3 corresponding to the 1 st to 1422 nucleotide sequences of the gene OsPT1 and the following SEQ ID NO: 4 corresponding to the 1 st to 1403 base sequences of the gene OsPT7 It provides a rice root hair specific expression promoter.

<서열 3><SEQ ID NO 3>

<서열 4><SEQ ID NO 4>

또다른 목적에 따라, 상기 유전자를 이용하여 인산 흡수력이 향상된 형질전환 식물체의 생산방법을 제공한다.According to another object, the present invention provides a method for producing a transformed plant having improved phosphoric acid uptake.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples, but the present invention is not limited thereto.

<실시예 1: 벼 뿌리털 특이적 발현 유전자 OsPT1, OsPT7의 분리>Example 1 Isolation of Rice Root Hair Specific Expression Genes OsPT1 and OsPT7

(단계 1) OsPT 유전자의 분리(Step 1) Isolation of OsPT Gene

본 발명에서는 우리나라 재배 품종인 동진벼(Oryza sativa L.)를 영남작물시험장으로부터 구입하여 사용하였다. 먼저, 동진벼에서 genomic DNA를 분리하여 벼의 전체 유전체 염기서열을 토대로 각 벼 유래의 고친화성 인산 운반체 유전자 (OsPT)에 특이적인 올리고뉴클레오티드 프라이머(oligonucleotide primer)를 각각 제작한 다음(표 1 참조), 통상적인 PCR 방법을 이용하여 각 유전자의 코딩 영역을 증폭하였다. 그 후, 상기 증폭된 산물을 pBluescript 클로닝 벡터에 클로닝하여 시퀀싱(sequencing)을 통해 유전자의 염기서열을 확인하였다.In the present invention, Dongyin rice ( Oryza sativa L.), a cultivated variety of Korea, was purchased and used from Yeongnam Crop Experiment Station. First, genomic DNA was isolated from Dongjin rice to prepare oligonucleotide primers specific for each rice-derived high affinity phosphate carrier gene ( OsPT ) based on the entire genome sequence of rice (see Table 1). The coding region of each gene was amplified using conventional PCR methods. Thereafter, the amplified product was cloned into a pBluescript cloning vector to confirm the nucleotide sequence of the gene through sequencing.

그 결과 분리된 10종의 고친화성 인산 운반체 유전자들 간의 아미노산 염기서열에 대한 상동성을 비교하고, 다른 쌍떡잎 식물과 외떡잎 식물 그리고 곰팡이의 고친화성 인산 운반체 유전자와의 진화적인 근연관계를 계통발생학적 방법을 이용하여 조사하였다. As a result, we compared the homology of amino acid sequences between the 10 isolated high affinity phosphate carrier genes and phylogenetic methods for the evolutionary relationship between other dicotyledonous, monocotyledonous and fungal high affinity phosphate carrier genes. It was investigated using.

상기 고친화성 인산 운반체 유전자들 간의 아미노산 염기서열에 대한 상동성 조사결과를 도 1에, 진화적 근연관계에 대한 계통발생학적 분석 결과를 도 2에 나타내었다. 도 1에서, 12개의 선은 OsPT 유전자의 12개 멤브레인-스패닝(membrane-spanning) 영역을 표시한다. The results of homology of the amino acid sequences between the high-affinity phosphate carrier genes are shown in FIG. 1 and the results of phylogenetic analysis of evolutionary relationships. In FIG. 1, twelve lines represent 12 membrane-spanning regions of the OsPT gene.

상기 조사 결과, 상기 유전자들 간에 70% 이상의 아미노산 염기서열이 같았으며, 계통발생학적으로 곰팡이와 식물의 고친화성 인산 운반체들 간에는 별개의 그룹으로 진화하였음을 알 수 있었다. 또한, 식물들 간에도 외떡잎식물인 벼에서 분리된 이들 유전자는 쌍떡잎식물에서 분리된 유사 유전자들과는 분리되어 진화하여 왔음을 밝혀내었다.As a result of the investigation, it was found that more than 70% amino acid sequence was identical among the genes, and phylogenetically evolved into a separate group between the high affinity phosphate carriers of the fungus and the plant. In addition, it was found that these genes isolated from rice plants, which are monocotyledonous plants, have evolved separately from similar genes isolated from dicotyledonous plants.

(단계 2) RNA 블롯팅 분석(Step 2) RNA blotting analysis

일반적으로 유사기능을 하는 유전자들이 과(family)로 존재하는 경우에는 각 유전자의 발현은 조직 특이적 또는 유도인자 특이적으로 조절되므로 상기 단계 1에서 분리된 10종의 고친화성 인산 운반체 유전자들의 발현 양식을 RNA 블롯(RNA blot) 방법을 이용하여 조사하였다. In general, when similarly functioning genes exist in a family, expression of each gene is regulated tissue-specific or inducer-specific, so the expression patterns of the 10 high-affinity phosphate carrier genes isolated in step 1 are Was investigated using the RNA blot method.

이 때 각 유전자를 선택적으로 구분하기 위해서 각 유전자 특이적인 염기서열을 가진 3′ UTR DNA 단편만을 프로브(probe)로 사용하였다. 동진벼 종자에서 유도된 캘러스(callus) 세포를 인산이 충분한 배지(1 mM)와 인산이 결핍된 배지(10 μM)에서 각각 2일간 배양하고, 트리졸 리전트(Trizol REAGENT)(Invitrogen)를 이용하여 RNA를 분리 하였다. 10㎍의 RNA를 1.2% (W/V) 디네이처링 포름알데히드 아가로스 겔(denaturing formaldehyde agarose gel)에서 전기 영동하여 나일론 멤브레인(nylon membrane)(Amersham)에 RNA를 부착시켰다. RNA 가 부착된 나일론 멤브레인은 [32P] dATP로 표지된 프로브를 20% (W/V) SDS, 20X SSPE, 100 g/L PEG (8,000 mwt), 250 mg/L 헤파린(heparin) 및 10ml/L 히어링 스펌 DNA(Hearing sperm DNA)(10 mg/ml)가 포함된 용액과 함께 65℃에서 하룻밤 동안 반응시켰다.In this case, only 3 ′ UTR DNA fragments having each gene-specific nucleotide sequence were used as probes to selectively distinguish each gene. Callus cells derived from Dongjin rice seeds were incubated for 2 days in a medium rich in phosphoric acid (1 mM) and a medium lacking phosphoric acid (10 μM), respectively, and RNA was purified using Trizol REAGENT (Invitrogen). Was separated. 10 μg of RNA was electrophoresed on a 1.2% (W / V) denaturing formaldehyde agarose gel to attach RNA to a nylon membrane (Amersham). Nylon membranes with RNA were prepared using [ 32 P] dATP labeled probes with 20% (W / V) SDS, 20X SSPE, 100 g / L PEG (8,000 mwt), 250 mg / L heparin and 10 ml / The mixture was reacted overnight at 65 ° C with a solution containing L Hearing sperm DNA (10 mg / ml).

상기 실험결과, 조사한 10종의 고친화성 인산 운반체 유전자 중 2종의 유전자(OsPT1OsPT7)가 인산 결핍조건에서 발현이 증가하는 양상을 보였다(도 5A 참조).As a result of the experiment, two genes ( OsPT1 and OsPT7 ) among the 10 highly affinity phosphate carrier genes examined showed an increase in expression under phosphate deficient conditions (see FIG. 5A).

따라서, 이후 발현양상이 비슷한 상기 2종의 고친화성 인산 운반체 유전자, OsPT1과 OsPT7에 대해서 집중적인 연구를 수행하였다. 한편, 이들 유전자의 게놈 클론(genomic clone)의 염기서열은 각각 도 3과 도 4에 상세히 표기되어 있다.Therefore, intensive studies were conducted on the two high-affinity phosphate carrier genes, OsPT1 and OsPT7, which have similar expression patterns. Meanwhile, the nucleotide sequences of genomic clones of these genes are shown in detail in FIGS. 3 and 4, respectively.

OsPT1과 OsPT7 유전자의 발현을 좀 더 세부적으로 조사하기 위해 인산의 농도와 인산 결핍 시간에 따른 발현정도를 조사하였다. 이 때, 인산의 농도는 각각 20, 100, 250, 500, 1000μM로 달리하여 실험하였으며, 인산 결핍 시간은 0, 1, 2, 3, 4시간으로 하여 실험하였다. In order to investigate the expression of OsPT1 and OsPT7 genes in more detail, the expression level of phosphate and phosphate deprivation time were examined. At this time, the concentration of phosphoric acid was tested in 20, 100, 250, 500, 1000μM differently, and the phosphoric acid depletion time was experimented with 0, 1, 2, 3, 4 hours.

그 결과, 인산의 농도가 20 μM에서 250 μM일때는 OsPT1과 OsPT7 유전자의 발현이 증가하였지만, 500μM 이상이면 오히려 발현이 감소되었다(도 5B 참조). 이는 벼 캘러스(callus) 세포가 배지내의 인산농도가 500 μM 이상이면 인산 결핍 스트레스를 받지 않으나 500 μM 이하로 낮아지면 OsPT1과 OsPT7 유전자를 발현시켜 인산 결핍 스트레스를 극복하려고 하기 때문인 것으로 생각되었다. 또한, 인산 결핍 시간이 1 시간 이상 지속될 때 이들 유전자의 발현이 급격히 증가하였다(도 5C 참조).As a result, the expression of OsPT1 and OsPT7 genes increased when the concentration of phosphoric acid was 20 μM to 250 μM, but the expression was decreased when it was 500 μM or more (see FIG. 5B). This is because rice callus cells do not receive phosphate deficiency stress when the phosphate concentration in the medium is 500 μM or more, but when it is lowered to 500 μM or less, they try to overcome the phosphate deficiency stress by expressing OsPT1 and OsPT7 genes. In addition, the expression of these genes rapidly increased when the phosphate deficiency time continued for more than 1 hour (Fig. 5C).

상기 캘러스(callus) 세포의 발현 양상을 기초로 하여 OsPT1과 OsPT7 유전자의 식물체 내에서의 조직 특이적인 발현을 상기와 동일한 RNA 블롯 방법으로 조사하였다. 뿌리 및 줄기조직에서 각각 인산 충분조건과 인산 결핍조건에 대해 조사한 결과, OsPT1과 OsPT7은 인산이 결핍된 뿌리 특이적으로 발현하였다(도 6 참조). 이러한 결과는, 식물체가 인산 결핍 환경에서는 인산에 대한 친화도가 높은 고친화성 인산 운반체를 뿌리에 대량 발현시켜 토양으로부터 보다 효율적으로 인산을 흡수한다는 지금까지 연구된 다른 식물체에서의 결과와 일치하는 것이었다.Based on the expression pattern of the callus cells, tissue-specific expression in the plants of OsPT1 and OsPT7 genes was examined by the same RNA blot method. As a result of investigating phosphate sufficient condition and phosphate deficiency condition in the root and stem tissue, respectively, OsPT1 and OsPT7 were expressed specifically in the roots lacking phosphate (see FIG. 6). These results are consistent with the results from other plants studied to date, in which plants express large amounts of high affinity phosphate carriers in the phosphate deficient environment in the roots to absorb phosphate from the soil more efficiently.

<실시예 2: 형질전환된 벼의 제조 및 상기 벼의 GUS 조직별 활성 조사>Example 2 Preparation of Transformed Rice and Investigation of GUS Tissue Activity of the Rice>

OsPT1 유전자의 보다 세부적인 조직 특이적 발현을 조사하기 위하여 상기 유전자의 프로모터 영역과 GUS 리포터 유전자를 연결시켜 아그로박테리움(Agrogbacterium)을 사용하여 형질전환체를 만들고, 인산 농도에 따른 GUS의 조직별 활성을 통상적인 GUS 분석방법에 따라 실시하였다.In order to investigate more detailed tissue-specific expression of OsPT1 gene, the promoter region of the gene was linked with the GUS reporter gene to make a transformant using Agrogbacterium , and the tissue-specific activity of GUS according to the phosphate concentration. Was carried out in accordance with conventional GUS assay.

먼저 벼 형질전환체의 생산과정을 간략히 살펴보면 다음과 같다. OsPT1 유전자의 프로모터 부분을 바이너리 벡터(binary vector) pCAMBIA1381Z(CAMBIA, 1281Z)의 EcoRI/NcoI 사이트에 GUS 리포터 유전자의 ATG 영역과 결합시켜 구조물을 제작한 후, 이를 트리패어렌탈 메이팅(triparental mating) 방법으로 아그로박테리움 튜메파시엔스(Agrobacterium tumefaciens) EHA105 균주로 옮겼다. 그 다음 배 형성 능력이 있는 벼의 캘러스 세포를 상기 형질전환된 아그로박테리움 균주로 감염시키고, 하이그로마이신(hygromycin)(50 ㎍/ml)이 포함된 캘러스 증식용 배지에서 형질전환된 캘러스를 선별하여 조직배양 방법을 이용하여 완전한 형질전환된 벼를 생산하였다. 이렇게 형질전환된 벼를 인산 농도가 충분한 조건(1000uM)과 결핍 조건(35uM)의 액체배지에서 하루 동안 배양한 후 통상적인 방법에 따라 뿌리, 줄기, 잎의 조직별 GUS 활성을 조사하였다.First, the production process of the rice transformant is briefly described as follows. The promoter portion of the OsPT1 gene was combined with the ATG region of the GUS reporter gene at the EcoRI / NcoI site of the binary vector pCAMBIA1381Z (CAMBIA, 1281Z) to make a structure, and then, by using a triple parental mating method. Agrobacterium tumefaciens was transferred to the EHA105 strain. Then, the callus cells of rice capable of forming embryos were infected with the transformed Agrobacterium strain, and the transformed callus was selected in a callus growth medium containing hygromycin (50 µg / ml). To produce a completely transformed rice using a tissue culture method. The transformed rice was cultured for one day in liquid medium with sufficient phosphate concentration (1000uM) and deficient condition (35uM), and then the GUS activity of each root, stem, and leaf tissue was examined according to a conventional method.

그 결과를 도 7에 나타내었는바, 상기 도 7에서, 1, 2, 5, 6번은 인산 충분조건 하에서의 실험결과를 나타내며, 3, 4, 7, 8번은 인산 결핍조건 하에서의 실험결과를 나타낸다. The results are shown in FIG. 7. In FIG. 7, 1, 2, 5, and 6 represent experimental results under sufficient phosphoric acid conditions, and 3, 4, 7, and 8 represent experimental results under phosphoric acid deficient conditions.

상기 OsPT1 유전자는 인산이 결핍된 뿌리 조직의 뿌리털에서 특이적으로 발현하였다. 따라서, 인산이 결핍된 환경에서 식물체의 뿌리는 수많은 뿌리털을 만들어 표면적을 넓히고 이를 통해 토양에서 인산을 최대로 흡수할 수 있도록 한다는 기존의 연구결과로 미루어 볼 때, 상기 OsPT1 유전자는 토양 속의 인산이 뿌리털로 흡수될 때 중요한 역할을 할 것으로 판단되었다.OsPT1 Genes were specifically expressed in the root hairs of root tissues deficient in phosphoric acid. Therefore, in the case of the phosphorus-deficient environment, the roots of plants make numerous root hairs to increase the surface area and thereby maximize the absorption of phosphoric acid from the soil. Was considered to play an important role when absorbed.

<실시예 3: 형질전환된 애기장대의 제조 및 발현확인><Example 3: Preparation and expression confirmation of transformed Arabidopsis pole>

벼는 대부분 물속에서 생활하기 때문에 다른 밭작물에 비해 상대적으로 약한 인산 결핍 스트레스를 받는다. 따라서, 벼에서 분리한 상기 고친화성 인산 운반체 유전자의 밭작물에서의 응용가능성을 증명하고 식물체내에서 그 기능을 조사하기 위해 쌍떡잎식물의 대표적인 모델 식물체인 애기장대(Arabidopsis thaliana)에 상기 OsPT1을 대량발현하는 형질전환체를 만들었다.Since rice lives mostly in water, it is relatively weak in phosphate stress compared to other field crops. Therefore, the mass expression of OsPT1 in Arabidopsis thaliana , a representative model plant of dicotyledonous plants, to prove its applicability in field crops of the high affinity phosphate carrier gene isolated from rice and to investigate its function in plants. Transformants were made.

애기장대의 형질전환체 생산과정을 간략히 살펴보면 다음과 같다. OsPT1 유전자의 코딩 영역을 본 연구실에서 직접 제작한 바이너리 벡터(binary vector) pCAMBIA1300-35S의 XbaI 사이트에 클로닝하여 OsPT1 유전자가 항상 강하게 발현하는 CaMV 35S 프로모터에 의해서 조절되는 구조물을 제조한 후, 트리패어렌탈 메이팅(triparental mating) 방법으로 아그로박테리움 튜메파시엔스(Agrobacterium tumefaciens) EHA105로 옮겼다. 그 다음, 애기장대 야생형 식물체에 상기 아그로박테리움 튜메파시엔스 EHA105를 사용하여 in planta 형질전환 방법으로 애기장대를 형질전환하였다. T1 식물체에서 수확한 씨앗을 무균 살균처리한 후 카르베니실린(carbenicillin)(100 mg/L)과 하이그로마이신(hygromycin)(20 mg/L)이 첨가된 B5 배지에서 발아시켜서 형질전환된 식물체를 선택하고 다음 세대에서 호모라인의 형질전환 식물체를 얻었다. 상기 형질전환 식물체를 35μM 그리고 1mM의 인산이 첨가된 B5 액체배지에서 생육하여 그 생육 상태를 야생형 식물과 비교 조사하였다.A brief look at the Arabidopsis transformant production process is as follows. The coding region of the OsPT1 gene was cloned into the XbaI site of the binary vector pCAMBIA1300-35S, which was produced in our laboratory, to prepare a structure regulated by the CaMV 35S promoter, which always expresses strongly the OsPT1 gene, Agrobacterium tumefaciens EHA105 was transferred by the maturing (triparental mating) method. Then, Arabidopsis wild-type plants were transformed into Arabidopsis by the in planta transformation method using the Agrobacterium tumefaciens EHA105. After aseptic sterilization of the seeds harvested from T1 plants, the transformed plants were germinated in B5 medium containing carbenicillin (100 mg / L) and hygromycin (20 mg / L). The transgenic plants were selected from the next generation. The transgenic plants were grown in B5 liquid medium to which 35 μM and 1 mM of phosphoric acid were added, and their growth status was compared with that of wild type plants.

그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8에서 T1, T2, T4, T6는 독립적으로 생산된 형질전환체를 임의적으로 표시한 것이다. 먼저 OsPT1 형질전환체에서 통상의 RNA 블롯 방법을 이용하여 OsPT1 유전자의 발현이 높게 되는 것을 확인하였다(도 8C 참조). 또한 인산 결핍 조건에서 형질전환체의 생육이 대조군인 야생형 식물체와 비교하여 더 좋은 것을 확인하였다(도 8A 참조). 정량적인 조사 결과에서도 야생형 식물체와 비교하여 형질전환체에서 생장이 좋은 것을 확인하였다. 특히 4개의 형질전환체 라인 중에서도 가장 OsPT1 유전자의 발현이 높았던 형질전환체(T4)에서는 생장이 약 50% 증가하는 것을 확인하였다(도 8B 참조).The results are shown in FIG. In FIG. 8, T1, T2, T4, and T6 arbitrarily indicate independently produced transformants. First, it was confirmed that the expression of the OsPT1 gene was increased in the OsPT1 transformant using a conventional RNA blot method (see FIG. 8C). In addition, it was confirmed that the growth of transformants in the phosphoric acid deficient condition is better compared to the wild type plants as a control (see Fig. 8A). In the quantitative results, it was confirmed that the growth in the transformants is better than the wild type plants. In particular, the transformants (T4), which had the highest expression of the OsPT1 gene among the four transformant lines, were found to increase about 50% in growth (see FIG. 8B).

이상, 상기 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명자들은 OsPT1 유전자를 대량 발현하는 애기장대 (Arabidopsis thaliana)의 형질전환체들이 인산 결핍조건에서 인산의 흡수를 향상시키는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 상기 결과를 바탕으로 할 때, 본 발명이 제공하는 벼 뿌리털 특이적 발현 OsPT 유전자는 이를 대량발현 시킴으로써 인산 결핍 스트레스를 보다 효율적으로 극복하는 새로운 식물체의 개발이 가능할 것으로 예상되며, 또한 배추나 무 같은 밭작물과 다른 화훼류 작물에서의 OsPT 유전자도 유용하게 이용할 수 있을 것으로 예상된다. 뿐만 아니라 본 발명은 식물 자체의 양분 흡수력을 향상시킴으로써 화학비료의 다량 사용으로 인한 토양과 수자원의 오염을 감소시키므로 생태계의 복원과 쾌적한 환경친화적 농업발전 나아가 작물의 생산량과 생산의 질을 높이는데 크게 기여할 것으로 생각된다.As can be seen from the above examples, the present inventors were able to confirm that the transformants of Arabidopsis thaliana expressing the OsPT1 gene in large amounts enhance the uptake of phosphoric acid under phosphate deficient conditions. Therefore, on the basis of the above results, the rice root hair specific expression OsPT gene provided by the present invention is expected to be able to develop a new plant that overcomes phosphate deficiency stress more efficiently by mass-expressing it, and also like cabbage or radish OsPT genes in field crops and other flower crops are also expected to be useful. In addition, the present invention reduces the pollution of soil and water resources due to the use of large amounts of chemical fertilizers by improving the nutrient absorption of the plant itself, thereby greatly contributing to the restoration of ecosystems and the development of pleasant environmentally friendly agriculture, and to increasing the yield and quality of crop production. It is thought to be.

도 1은 벼에서 분리한 10종의 고친화성 인산 운반체인 유전자들(OsPT)의 아미노산 염기서열에 대한 상동성을 조사한 결과이다. 12개의 선은 OsPT 유전자의 12개 멤브레인-스패닝(membrane-spanning) 영역을 표시한다.1 is a result of examining the homology to the amino acid sequence of the genes (OsPT) of 10 high affinity phosphate carriers isolated from rice. Twelve lines represent the 12 membrane-spanning regions of the OsPT gene.

도 2는 OsPT 유전자와 다른 쌍떡잎 식물, 외떡잎 식물 및 곰팡이의 고친화성 인산 운반체의 진화적 근연관계를 조사한 결과이다. 2 is a result of examining the evolutionary relationship between the high affinity phosphate carrier of the OsPT gene and other dicotyledonous plants, monocotyledonous plants and fungi.

도 3은 벼의 고친화성 인산 운반체 OsPT1 유전자와 프로모터 영역을 포함하는 염기서열을 표시한 것이다. Figure 3 shows the nucleotide sequence comprising the high affinity phosphate carrier OsPT1 gene and promoter region of rice.

도 4는 벼의 고친화성 인산 운반체 OsPT7 유전자와 프로모터 영역을 포함하는 염기서열을 표시한 것이다.Figure 4 shows the nucleotide sequence comprising the high affinity phosphate carrier OsPT7 gene and promoter region of rice.

도 5A는 벼의 캘러스(callus) 배양세포를 이용하여 인산 결핍 조건에서 OsPT1과 OsPT7 유전자들의 다양한 발현 양상을 조사한 결과이다. 도 5B 및 5C는 인산 농도와 인산 결핍시간에 따른 OsPT1과 OsPT7 유전자들의 다양한 발현 양상을 조사한 결과이다. 5A is a result of examining various expression patterns of OsPT1 and OsPT7 genes under phosphoric acid deficient conditions using callus cultured cells of rice. 5B and 5C show the results of examining various expression patterns of OsPT1 and OsPT7 genes according to phosphate concentration and phosphate deficiency time.

도 6은 인산 결핍조건에서 식물체의 조직 특이적인 OsPT1과 OsPT7 유전자들의 발현 양상을 조사한 결과이다.Figure 6 is a result of examining the expression patterns of tissue-specific OsPT1 and OsPT7 genes in phosphate deficient conditions.

도 7은 OsPT1 유전자의 세부적인 조직 특이적 발현 양상을 조사하기 위해서 OsPT1 유전자의 프로모터에 GUS 리포터 유전자를 연결시킨 구조물을 아그로박테리아를 이용하여 형질전환된 벼를 생산하고 상기 형질전환체에서 GUS의 활성을 조직 별로 조사한 결과이다. 1, 2, 5, 6번은 인산 충분조건에서 조사한 결과이고, 3, 4, 7, 8은 인산 결핍조건에서 조사한 결과이다.FIG. 7 shows a structure in which the GUS reporter gene is linked to the promoter of the OsPT1 gene in order to investigate detailed tissue-specific expression patterns of the OsPT1 gene, to produce transformed rice using Agrobacterium and the activity of GUS in the transformant. This is the result of research by organization. Numbers 1, 2, 5, and 6 were the results obtained under phosphate sufficient conditions, and 3, 4, 7, and 8 were obtained under the phosphate deficient conditions.

도 8은 인산 결핍조건에서 OsPT1 유전자가 대량 발현하는 애기장대 형질전환체와 야생형 식물체의 성장을 비교조사한 결과이다.Figure 8 is a result of comparing the growth of Arabidopsis transformant and wild type plants expressing a large amount of OsPT1 gene in phosphate deficient conditions.

Claims (5)

하기 서열 1의 염기서열 및 아미노산 서열을 가지며 인산 결핍시 벼(Oryza sativa L.) 뿌리털에 특이적으로 발현하는 인산 운반체 유전자.A phosphate carrier gene having the nucleotide sequence and the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 and which is specifically expressed in the root hair of Oryza sativa L. when phosphate is deficient. <서열 1><SEQ ID NO 1> 하기 서열 2의 염기서열 및 아미노산 서열을 가지며 인산 결핍시 벼(Oryza sativa L.) 뿌리털에 특이적으로 발현하는 인산 운반체 유전자.A phosphate carrier gene having the nucleotide sequence and the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 and which is specifically expressed in the root hair of Oryza sativa L. when phosphoric acid is deficient. <서열 2><SEQ ID NO 2> 하기 서열 3의 염기서열을 가지며 제1항의 유전자의 벼(Oryza sativa L.) 뿌리털 특이적 발현 프로모터. Oryza sativ a L. root hair specific expression promoter of the gene of claim 1 having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3. <서열 3><SEQ ID NO 3> 하기 서열 4의 염기서열을 갖는 제2항의 유전자의 벼(Oryza sativa L.) 뿌리털 특이적 발현 프로모터. Oryza sativa L. root hair specific expression promoter of the gene of claim 2 having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 4. <서열 4><SEQ ID NO 4> 제1항 또는 제2항의 유전자를 이용하여 인산 흡수력이 향상된 형질전환 식물체를 생산하는 방법.A method for producing a transgenic plant having enhanced phosphoric acid uptake using the gene of claim 1.
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