KR20150019300A - Method for producing functional stay-green transgenic plant with increased resistance to abiotic stresses using NAC016 gene and the plant thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to: a method for producing a functional stay-green transgenic plant with increased resistance to abiotic stress using NAC016 gene; and a plant produced by the same. When a gene, which is derived from mouseear cress and codes NA016 protein, is inhibited, functional stay-green traits are expressed in a plant of which aging is delayed and salt and oxidation stress resistance is increased. Therefore, a transgenic plant having productivity and abiotic stress resistance increased by adjusting expression of the NAC016 protein coding gene in the plant can be developed.

Description

NAC016 유전자를 이용한 비생물적 스트레스 내성이 증가된 기능성 녹색 지속 변이 식물체의 제조 방법 및 그에 따른 식물체{Method for producing functional stay-green transgenic plant with increased resistance to abiotic stresses using NAC016 gene and the plant thereof}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a method for producing a functional green persistent mutant plant having increased abiotic stress tolerance using the NAC016 gene, and a plant having the same,

본 발명은 NAC016 유전자를 이용한 비생물적 스트레스 내성이 증가된 기능성 녹색 지속 변이 식물체의 제조 방법 및 그에 따른 식물체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 식물에서 애기장대 유래의 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자의 발현을 억제하는 단계를 포함하는 기능성 녹색 지속 (functional stay-green) 형질을 가지거나 비생물적 스트레스 내성이 증가된 식물체의 제조 방법, 상기 방법에 의해 제조된 기능성 녹색 지속 형질을 가지거나 비생물적 스트레스 내성이 증가된 식물체 및 이의 종자 및 애기장대 유래의 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는, 식물체의 노화 및 비생물적 스트레스 저항성 조절용 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a functional green continuous mutant plant having increased abiotic stress tolerance using the NAC016 gene, and more particularly, to a method for producing a functional green continuous mutant plant, A method for the production of a plant having a functional green-persistent trait or an increased abiotic stress tolerance, comprising the steps of: And a gene encoding the NAC016 protein derived from Arabidopsis thaliana and its increased seeds and plants, and to a composition for controlling aging and abiotic stress resistance of a plant.

가을이 되면 대부분의 식물들은 다음해 봄의 식물 생존도를 최대화하기 위해 저장 기관 또는 종자로 잎의 양분을 재편성 (remobilize)한다 (Hortensteiner and Feller, J. Exp . Bot . 53: 927-937, 2002). 이러한 재편성은 잎 발달의 마지막 단계로 여겨지는 정교하고, 유전적으로 예정된 세포 사멸 (programmed cell death) 과정인 잎의 노화에 의해 일어난다 (Lim et al., Ann . Rev . Plant Biol . 58: 115-136, 2007). 잎의 노화는 식물 호르몬, 몇 가지 대사 산물의 수준 및 광계 복합체 (photosystem complex)의 상태를 포함하는 내재적 요인 (Sakuraba et al., Plant Cell Physiol . 53: 505-517, 2012) 또는 가뭄, 고염, 낮은 광도 및 병원균 공격과 같은 외부 요인에 의해 유발될 수 있다 (Mecey et al., Chem . Commun . 47: 5295-5297, 2011).In the fall, most plants remobilize leaf nutrients into storage or seeds to maximize plant survival in the spring of next year (Hortensteiner and Feller, J. Exp . Bot . 53: 927-937, 2002 ). This rearrangement is caused by the senescence of leaves, which is a sophisticated, genetically programmed cell death process considered to be the last stage of leaf development (Lim et al. al ., Ann . Rev. Plant Biol . 58: 115-136, 2007). Leaf aging is an inherited factor, including plant hormones, levels of several metabolites and the state of the photosystem complex (Sakuraba et al ., Plant Cell Physiol . 53: 505-517, 2012) or by external factors such as drought, high salt, low brightness and pathogen attack (Mecey et al ., Chem . Commun . 47: 5295-5297, 2011).

현재까지 여러 식물에서 일반적인 노화 현상과 다른 노화 현상을 보이는 돌연변이체들이 발견되었는데, 특히 정상형 개체와는 달리 곡식이 여무는 단계를 지나서도 잎이 황색으로 변하지 않고 녹색을 유지하는 변이체를 '녹색 지속 돌연변이체 (stay-green mutant)' 또는 '비황화 돌연변이체 (non-yellowing mutant)'라고 한다. 이 녹색 지속성 형질을 나타내는 개체들은 그 성질에 따라 5가지 형태로 구분된다 (Thomas and Howarth, J. Exp . Bot ., 51:329, 2000). A형 녹색 지속성은 노화의 시작이 많이 늦추어진 개체로, 한번 노화가 시작되면 정상형 개체와 같은 속도로 노화가 진행된다. B형 녹색 지속성은 정상형 개체와 같은 시기에 노화가 시작되나 잎의 황화 진행이 느리고, 노화에 따른 광합성 효율의 저하 속도 또한 느린 것이 특징이다. 상기 두 가지 형태는 곡식이 여무는 동안에도 광합성 효율이 상대적으로 높게 유지되는 '기능성 녹색 지속 (functional stay-green)' 형질을 갖는다. 반면에, C형 녹색 지속성은 식물의 노화시 엽록소를 분해시키는 기작의 유전적 손상에 의해 엽록소가 분해가 되지 않고 계속 남아있기 때문에 잎의 녹색이 유지되는 돌연변이로, 이 형태의 돌연변이체는 생리적 기능들에 있어서는 정상적으로 노화가 진행되기 때문에 '비기능성 녹색 지속성 (nonfunctional stay-green)' 또는 '표면적 녹색 지속성 (cosmetic staygreen)'을 갖는다고 한다. D형 녹색 지속성은 갑작스런 냉동이나 건조에 의하여 잎이 급격히 죽어버렸을 때 나타나며, E형 녹색 지속성은 잎에 엽록소가 상대적으로 높은 함량으로 축적되어 짙은 녹색을 유지하지만, 광합성 효율은 증가하지 않는 변이체이다. 그러므로, 기능성 녹색 지속성을 갖는 잎은 곡식이 여무는 동안 엽록소 함량과 광합성 효율이 모두 높게 유지되는 반면, 비기능성 녹색 지속성을 갖는 잎은 잎의 색이 녹색이긴 하지만, 광합성 능력은 정상적으로 노화가 진행된 개체와 비슷한 수준으로 나타난다.Unlike normal individuals, mutants that show aging phenomena other than normal aging phenomena have been found in various plants until now. However, unlike the normal individuals, the mutant that keeps the green without changing the leaves to yellow even after the stage where the grain is emulsified is referred to as' green continuous mutation Quot; stay-green mutant " or " non-yellowing mutant ". Individuals exhibiting this green persistence trait are classified into five types according to their nature (Thomas and Howarth, J. Exp . Bot . , 51: 329, 2000). Type A green persistence is an object to which aging begins much later, and once aging begins, aging progresses at the same rate as a normal body. B type green persistence is characterized by the fact that aging begins at the same time as normal individuals but slow progress of leaf sulphation and slow rate of photosynthesis efficiency decline with aging. Both of these forms have a 'functional stay-green' trait where the photosynthetic efficiency remains relatively high while the grain is full. On the other hand, C type green persistence is a mutation that maintains the green color of the leaves because the chlorophyll does not decompose due to the genetic damage of the mechanism of decomposing chlorophyll during the aging of the plant, and this type of mutant has a physiological function Nonfunctional stay-green 'or' cosmetic staygreen 'because they normally undergo aging. D-type green persistence occurs when leaves suddenly die due to sudden freezing or drying. E-type green persistence is a variant in which chlorophyll is accumulated in a relatively high content in the leaves and maintains dark green but does not increase photosynthetic efficiency. Therefore, leaves with functional green persistence maintain high chlorophyll content and photosynthetic efficiency while the grain is free, while leaves with non-functional green persistence have green color of leaves, but photosynthesis ability is normal .

노화를 유도하는 유전적, 발달적 및 생리적 인자들은 신호전달 경로 및 다양한 신호전달 경로에서 작용하는 핵 유전자인 노화 관련 유전자 (senescence-associated gene; SAG)의 발현을 역동적으로 조절하는 전사 인자 (TF)에 의해 작동한다 (Buchanan-Wollaston et al., Plant J. 42: 567-585, 2005). 애기장대 (Arabidopsis thaliana) 게놈은 약 2000개의 TF를 코딩하며 (Riechman et al., Science 290: 2105-2110, 2000), 40개의 노화 관련 TF (senTF)들은 잎이 노화함에 따라 점진적으로 발현이 증가한다 (Balazadeh et al., Plant Biol. 10: 63-75, 2008). 특히, 노화 유발 NAM, ATAF1, 2 및 CUC2 (senNAC) TF가 풍부하며, 이는 그들이 잎 노화의 조절에서 중요한 역할을 수행한다는 것을 제시한다.Genetic, developmental, and physiological factors that induce senescence are transcription factors (TFs) that dynamically regulate senescence-associated gene (SAG), a nuclear gene that acts in signaling pathways and in various signaling pathways. (Buchanan-Wollaston et al ., Plant J. 42: 567-585, 2005). The Arabidopsis thaliana genome encodes about 2000 TFs (Riechman et al ., Science 290: 2105-2110, 2000), 40 aging-related TFs (senTFs) progressively increase expression as the leaves age (Balazadeh et al ., Plant Biol. 10: 63-75, 2008). In particular, aging-induced NAM, ATAF1, 2 and CUC2 (senNAC) TF are abundant, suggesting that they play an important role in the regulation of leaf senescence.

몇 가지 senNAC의 조절 기작 및 생리적 기능이 결정되었다 (Balazadeh et al., Plant Biol . 10: 63-75, 2008). 예를 들면, NAC092 / AtNAC2 / ORESARA1 (ORE1)은 노화 촉진 조절자로 작용하며; ore1 돌연변이체는 잎의 노화를 지연시킨다 (Kim et al., Science 323: 1053-1057, 2009). ORE1은 miRNA164에 의해 전사 후 조절된다. 식물이 노화함에 따라 ETHYLENE INSENSITIVE2 (EIN2)는 miRNA164를 억제하며, 이는 잎 노화를 촉진하기 위해 ORE1 발현의 점진적인 증가를 야기한다 (Kim et al., Science 323: 1053-1057, 2009). 게다가, ORE1의 다운스트림 (downstream) 유전자는 에스트라디올-유도성 ORE1-과발현 (ORE1-OX) 식물의 마이크로어레이 분석에 의해 조사되었고 (Balazadeh et al., Plant J. 62: 250-264, 2010); 이는 78개의 SAG를 포함하는, 현저하게 상향조절된 170개의 유전자를 동정했다. 상기 유전자들 중에서, ORE1의 직접적인 표적 유전자인 BFN1 (BIFUNCTIONAL NUCLEASE1), SINA1SAG29/SWEET15이 최근에 밝혀졌다 (Matallana-Ramirez et al., Plant doi: 10.1093/mp/sst012, 2013). 또한, Breeze 등은 고해상도 시간대별 마이크로어레이 (high-resolution time-series microarray) 데이터를 이용하여 ORE1에 의해 상향조절된 많은 senNAC 유전자들을 밝혔다 (Plant Cell 23: 873-894, 2011). 이러한 결과는 ORE1이 다른 senNAC와 함께 잎 노화를 촉진하기 위해, 직접 또는 간접적으로 SAG 발현 조절에서 중요한 역할을 한다는 것을 나타낸다.Several senNAC regulatory mechanisms and physiological functions have been determined (Balazadeh et al ., Plant Biol . 10: 63-75, 2008). For example, NAC092 / AtNAC2 / ORESARA1 ( ORE1 ) serves as an aging promoter; ore1 mutants delay leaf senescence (Kim et al ., Science 323: 1053-1057, 2009). ORE1 is regulated post-transcription by miRNA 164. As plants aging, ETHYLENE INSENSITIVE 2 ( EIN2 ) inhibits miRNA164, leading to a gradual increase in ORE1 expression to promote leaf senescence (Kim et al ., Science 323: 1053-1057, 2009). In addition, the downstream (downstream) of a gene is ORE1 estradiol-inducible ORE1-overexpressing (ORE1 -OX) it was irradiated by a microarray analysis of a plant (Balazadeh et al, Plant J. 62 : 250-264, 2010.) ; It identified 170 genes that were significantly up-regulated, including 78 SAGs. Of these genes, BFN1 ( BIFUNCTIONAL NUCLEASE1 ), SINA1 and SAG29 / SWEET15 , which are direct target genes of ORE1 , have been recently discovered (Matallana-Ramirez et al ., Plant doi: 10.1093 / mp / sst012, 2013). In addition, Breeze et al. Identified many senNAC genes up-regulated by ORE1 using high-resolution time-series microarray data ( Plant Cell 23: 873-894, 2011). These results indicate that ORE1 plays an important role in direct or indirect regulation of SAG expression in combination with other senNACs to promote leaf senescence.

ORE1 이외에, NAPORS1도 노화 촉진 조절자로 밝혀졌다. NAC029/NAP은 애기장대 senNAC이며 (Guo and Gan, Plant J. 46: 601-612, 2006); nap 돌연변이체는 지연된 잎 노화를 나타내며, NAP-OX 식물체는 자연적 및 암 유도성 노화 동안 잎의 조기 황화를 보여주는데, 이는 NAP 또한 노화를 촉진한다는 것을 가리킨다. 더욱이, 벼 (Oryza sativa) 및 강낭콩 (Phaseolus vulgaris) NAP 상동체의 과발현은 애기장대 nap 돌연변이체의 지연된 노화 표현형을 보완하는데 (Guo and Gan, Plant J. 46: 601-612, 2006), 이는 NAP 조절 네트워크가 식물에서 진화적으로 보존되어있다는 것을 나타낸다. NAC059/ORESARA1 SISTER1 (ORS1)은 ORE1의 패럴로그 (paralog)로 동정되었다 (Ooka et al., DNA Res. 10: 239-247, 2003). ORS1 발현은 주로 연령 (age) 및 H2O2 의존적이고; 또한, ors1 돌연변이체는 지연된 잎 노화를 나타내며, ORS1-OX는 일찍 노화되었다 (Balazadeh et al., Mol . Plant 4: 346-360, 2011). In addition to ORE1 , NAP and ORS1 have also been found to promote senescence. NAC029 / NAP is the Arabidopsis senNAC (Guo and Gan, Plant J. 46: 601-612, 2006); The nap mutants exhibit delayed leaf senescence, and NAP- OX plants show premature sulphation of leaves during both natural and cancer inducible senescence, indicating that NAP also promotes senescence. Furthermore, rice ( Oryza sativa ) and kidney beans ( Phaseolus that is evolutionarily conserved from 601-612, 2006), which network is vegetation control NAP: vulgaris) over-expression of NAP homologue is delayed to compensate for aging phenotypes (Guo and Gan, Plant J. 46 of the Arabidopsis thaliana mutant nap . NAC059 / ORESARA1 SISTER1 ( ORS1 ) was identified as a paralog of ORE1 (Ooka et al ., DNA Res. 10: 239-247, 2003). ORS1 expression is predominantly age and H 2 O 2 dependent; Also, the ors1 mutant exhibited delayed leaf senescence and ORS1- OX was prematurely senescent (Balazadeh et al ., Mol . Plant 4: 346-360, 2011).

대조적으로, 2개의 senNAC, NAC042/JUNGBRUNNEN1 (JUB1) 및 NAC083/VND-INTERACTING2 (VNI2)는 노화 억제 조절자이며; 상기 유전자의 넉아웃 (knockout) 돌연변이체는 일찍 노화되고, 이들의 과발현은 잎 노화를 지연시킨다 (Wu et al., Plant Cell 24: 482-506, 2012). 게다가, JUB1-OX 및 VNI2-OX 식물체는 염 스트레스 반응 유전자의 발현 조절을 통해 애기장대 식물에서 염 내성이 향상되었는데, 이는 염 스트레스 신호전달 및 잎 노화 경로가 senNAC의 조절 네트워크를 통해 동시에 조절될 수 있다는 것을 나타낸다. JUB1은 또한 DREB2A 프로모터에 직접적으로 결합하여 H2O2-매개 산화 스트레스에 대한 내성을 향상시키는 활성산소종 (reactive oxygen species)-반응성 NAC TF로 작용한다. JUB1-OX 식물체는 향상된 H2O2 스트레스 내성을 나타내며, jub1 돌연변이체는 증가된 민감성을 나타낸다 (Wu et al., Plant Cell 24: 482-506, 2012). 일부 senNAC의 분자 기능은 잘 규명되어 있지만, 많은 다른 senNAC의 기능이 여전히 밝혀지지 않은 채로 남아있다. 따라서 본 발명에서는 이전에 특성이 규명되지 않은 애기장대 NAC 패밀리 전사인자인 NAC016의 노화 및 스트레스 내성 조절에 관련된 기능을 밝히고자 한다.In contrast, the two senNACs, NAC042 / JUNGBRUNNEN1 ( JUB1 ) and NAC083 / VND-INTERACTING2 ( VNI2 ) are aging inhibitor modulators; Knockout mutants of these genes are prematurely senescent, and their overexpression delays leaf senescence (Wu et al ., Plant Cell 24: 482-506, 2012). In addition, the JUB1- OX and VNI2- OX plants have improved salt tolerance in Arabidopsis plants by regulating the expression of the salt stress response gene, which can be regulated simultaneously through senNAC's regulatory network of salt stress signaling and leaf senescence pathways Lt; / RTI > JUB1 is also directly coupled to DREB2A promoter H 2 O 2 - serves as a reactive NAC TF - active oxygen species (reactive oxygen species) to improve resistance to oxidative stress parameters. JUB1- OX plants exhibit enhanced H 2 O 2 stress tolerance and jub1 mutants exhibit increased sensitivity (Wu et al ., Plant Cell 24: 482-506, 2012). The molecular function of some senNACs is well characterized, but many other senNAC functions remain unidentified. Therefore, the present invention aims to reveal the function of NAC016 , a transcription factor of Arabidopsis thaliana NAC, which has not been previously characterized, in controlling aging and stress tolerance.

한편, 한국등록특허 제0647767호에는 '신규 녹색지속유전자 및 녹색지속성 변이 식물체의 제조 방법'이 개시되어 있고, 한국등록특허 제1028113호에는 '생장 증진, 내염성 및 노화 조절에 관여하는 고추의 CaHB1 유전자 및 그의 용도'가 개시되어 있다. 그러나 본 발명에서와 같이 NAC016 유전자를 이용한 비생물적 스트레스 내성이 증가된, 기능성 녹색 지속 변이 식물체의 제조 방법 및 그에 따른 식물체에 대해서는 개시된 바가 없다.Korean Patent No. 0647767 discloses a method for producing a novel green persistent gene and a green persistence mutant plant, and Korean Patent No. 1028113 discloses a method for producing a CaHB1 gene of pepper, which is involved in growth promotion, salt tolerance and aging control, And its use '. However, as described in the present invention, there has been no description of a method for producing a functional green persistent mutant plant having an increased abiotic stress tolerance using the NAC016 gene, and plants therefrom.

본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명자들은 애기장대 유래의 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자의 발현이 억제된 애기장대 식물체에서 잎의 노화가 지연되는 기능성 녹색 지속 (functional stay-green) 형질이 나타나고, 염 및 산화 스트레스에 대한 내성이 야생형에 비해 증진되는 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned needs, and it is an object of the present invention to provide a functional stay-green in which the aging of the leaves is delayed in Arabidopsis plants inhibiting the expression of a gene encoding NAC016 protein derived from Arabidopsis, The present inventors have completed the present invention by confirming that the resistance to salt and oxidative stress is enhanced as compared with the wild type.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 식물에서 애기장대 유래의 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자의 발현을 억제하는 단계를 포함하는 기능성 녹색 지속 (functional stay-green) 형질을 가지거나 비생물적 스트레스 내성이 증가된 식물체의 제조 방법을 제공한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention relates to a method for the treatment of NACO16 protein in a plant, which comprises the step of suppressing the expression of a gene encoding NAC016 protein derived from Arabidopsis thaliana, Thereby providing an increased plant production method.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 기능성 녹색 지속 (functional stay-green) 형질을 가지거나 비생물적 스트레스 내성이 증가된 식물체 및 이의 종자를 제공한다.The present invention also provides plants and their seeds having a functional green-tolerance trait or an abiotic stress tolerance produced by the method.

또한, 본 발명은 애기장대 유래의 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는, 식물체의 노화 및 비생물적 스트레스 저항성 조절용 조성물을 제공한다.In addition, the present invention provides a composition for controlling aging and abiotic stress resistance of a plant, comprising a gene encoding Arabidopsis NAC016 protein.

본 발명의 애기장대 유래의 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자의 발현을 억제하면 노화가 지연된 식물체에서 기능성 녹색 지속 (functional stay-green) 형질이 나타나고 비생물적 스트레스 내성이 증가하므로, 식물체에서 NAC016 단백질 코딩 유전자의 발현 조절을 통해 생산성이 증대되고, 비생물적 스트레스 저항성이 증가된 형질전환 식물체를 개발하는데 기여할 수 있다.Inhibition of the expression of the gene encoding the NAC016 protein derived from Arabidopsis of the present invention results in a functional green-persistent trait in the delayed senescence plant and an increase in the abiotic stress tolerance. Therefore, the NAC016 protein coding gene Can be used to increase productivity and contribute to the development of transgenic plants with increased abiotic stress resistance.

도 1은 식물의 발달 단계 및 암 처리 노화 유도 조건에서의 NAC016 발현 패턴을 나타낸다. (A) NAC016의 발현은 4주된 야생형 애기장대 (Col-0) 식물의 녹색 로제트 (rosette) 잎에서 증가하기 시작했다. (B) NAC016의 발현은 암 처리 2일 후에 증가하고 5일 후에 감소한다. 3주된 야생형 식물에서 분리된 녹색잎을 암 처리 하였으며, NAC016의 상대적 발현 수준은 RT-qPCR(reverse transcription-quantitative realtime PCR)을 이용하여 GAPDH (glyceraldehyde phosphate dehydrogenase, At1g16300)의 전사체 수준에 대해 상대적으로 표준화되었다. 평균 및 표준편차는 3개 이상의 생물학적 반복 실험을 통해 얻어진 값이다. 상기 실험은 최소한 2번 이상의 반복을 통해 유사한 결과를 나타냈다.
도 2는 nac016-1 돌연변이체의 특징을 분석한 결과를 나타낸다. (A) NAC016의 4번째 엑손에 삽입된 T-DNA 및 유전자 구조. 엑손은 인트론을 나타내는 선과 연결된 상자들로 표시했다. (B) nac016-1 돌연변이체에 NAC016 mRNA가 존재하지 않는 것을 RT-PCR을 통해 확인한 결과. GAPDH는 로딩 (loading) 대조구로 사용되었다. (C) 자연 노화 동안의 nac016-1 돌연변이체의 노화 지연 (stay-green) 표현형. 잎의 색깔은 5-6주된 식물체에서 변화된다. (D-F) 지속적인 백색광 (90 μmol m-2 s-1) 상태에서 3주된 nac016 -1 돌연변이체에서 분리된 잎을 4일간 암 처리했을 때 (D), 전체 식물체를 7일간 암 처리 했을 때 (E), 3주된 식물에서 분리된 잎을 노화 유도 호르몬 (20 μM ABA 또는 100 μM MeJA)에서 2일간 처리했을 때 (F)의 노화 지연 표현형. nyc1 nol 이중 돌연변이체는 녹속 지속 형질 대조구로 사용하였다. ABA, 앱시스산; DDI, 암 처리 일; DT, 처리 일; MeJA, 메틸 자스모네이트.
도 3은 암 처리 노화 유도 중 nac016-1 돌연변이체의 광합성 관련 인자 변화를 나타낸다. (A) 3주된 야생형, nac016-1nyc1 nol 식물에서 분리된 잎을 4일간 암 처리한 후에 나타난 총 엽록체의 함량 변화. (B) 3주된 야생형, nac016-1nyc1 nol 식물에서 분리된 잎을 4일간 암 처리한 후에 나타난 엽록체 a/b 비율의 변화. 검은색과 흰색 막대는 각각 암 처리 전과 4일간의 암 처리 후를 나타낸다. 평균과 표준편차는 8회 이상의 반복 실험으로 얻은 결과이다. (C) 3주된 야생형, nac016 -1nyc1 nol 식물에서 분리된 잎의 암 처리 5일 후의 세포막 이온 누출. 이온 누출은 전체 전도율 대비 초기 전도율의 비율로 표현했다. 검은색과 흰색 막대는 각각 암 처리 전과 5일간 암 처리 후를 나타낸다. (D) 3주된 야생형, nac016-1nyc1 nol 식물에서 분리된 잎의 광합성 단백질 면역 블럿 분석. 광합성 단백질 검출에는 PSII 안테나 (Lhcb1, Lhcb2 및 Lhcb4), PSI 코어 (PsaA), PSI 안테나 (Lhca1 및 Lhca2) 및 PAO (pheophorbide a oxygenase)에 대한 항체를 사용하였다. CBB (Coomassie Brilliant Blue) 염색으로 RbcL (Rubisco large subunit) 단백질을 확인하였다. 통계적 유의성을 계산하기 위해 Studen's t-test 검정을 사용하였다 (*, P< 0.05; **, P< 0.01). 실험은 최소 2회 이상의 반복 실험에서 유사한 결과를 나타냈다. DDI, 암 처리 일.
도 4는 암 처리에 의한 노화 유발 조건에서 주사 전자현미경을 이용하여 nac016-1 돌연변이체 잎의 엽록소를 관찰한 결과를 나타낸다. (A) 암 처리 전 및 4일간 암 처리 후 야생형과 nac016 -1 돌연변이체 잎의 엽록소 모양의 변화. 스케일 바 = 1 μm. DDI, 암 처리 일. (B) 암 처리 전 및 4일간 암 처리 후 야생형과 nac016-1 돌연변이체 잎의 엽록소 내의 그라나 틸라코이드 구조. G, 그라넘; PG, 플라스토글로블 (plastoglobule). 스케일 바 = 0.2 μm.
도 5는 정상 조건과 암 처리 노화 유발 조건에서 NAC016 과발현 형질전환체의 표현형을 조사한 결과를 나타낸다. (A) 4개의 독립적인 NAC016 과발현 형질전환체의 NAC016 발현양에 대한 RT-PCR 분석. GAPDH 유전자를 로딩 대조구로 사용하였다. (B) 자연적 노화 기간 동안 야생형, nac016-1 돌연변이체 및 NAC016 과발현 형질전환체의 표현형. 7주 가량 키운 식물체의 사진이다. (C) 4주 가량 키운 야생형, nac016-1 돌연변이체 및 NAC016 과발현 형질전환체를 4일 동안 암 처리한 후 관찰한 잎 표현형. (D) 상기 (C)의 야생형, nac016-1 돌연변이체, NAC016 과발현 형질전환체의 총 엽록소량. 검정색 및 흰색 막대는 각각 0일 암 처리 및 4일 암 처리를 의미한다. 값과 표준편차는 8회 이상의 생물학적 반복 실험을 통해 얻어진 값이다. 이 실험은 최소 2회 이상의 반복 실험에서 유사한 결과를 나타냈다. 통계적 유의성을 계산하기 위해 Studen's t-test 검정을 사용하였다 (*, P< 0.05; **, P< 0.01).
도 6은 nac016-1 돌연변이체 및 NAC016 과발현 형질전환 식물체에서 암 처리 후의 노화 관련 유전자 발현을 조사한 결과를 나타낸다. (A-I) 4주 가량 키운 야생형, nac016-1 돌연변이체 및 NAC016 과발현 형질전환 식물체 잎의 4일간 암 처리 전, 후에 RNA 추출하여 첫번째 가닥 cDNA를 얻었다. 그리고 RT-qPCR 분석을 이용하여, NAC029/NAP (A), NAC042/JUB1 (B), NAC059/ORS1 (C), NAC083/VNI2 (D), NAC092/ORE1 (E), SGR1 (F), PPH (G), NYC1 (H) 및 WRKY22 (I)의 상대적인 발현 수준을 측정하였다. GAPDH의 전사체 수준을 표준화하여 각 유전자들의 상대적 발현 수준을 측정하는데 사용하였다. 평균과 표준편차는 3회 이상의 생물학적 반복 실험을 통해 얻어진 값이다. 이 실험은 최소 2회 이상의 반복 실험에서 유사한 결과를 나타냈다. 통계적 유의성을 계산하기 위해 Studen's t-test 검정을 사용하였다 (*, P< 0.05; **, P< 0.01).
도 7은 nac017-1 돌연변이체의 표현형을 조사한 결과를 나타낸다. (A) NAC017 (SALK_117000C)의 유전자 구조 및 두번째 엑손 영역 내의 T-DNA 삽입 형태. (B) nac017-1 돌연변이체에서 NAC017이 발현되지 않는 것을 RT-PCR 분석으로 확인하였다. GAPDH 유전자를 로딩 대조구로 사용하였다. (C-E) 암 처리를 통한 노화 유발 조건에서 4주간 키운 식물의 분리한 잎 (C) 및 전체 식물체 (D)를 표현형 분석에 이용하였다. 암 처리 유도 전 (검정색 막대) 및 6일간 암 처리한 (흰색 막대) 야생형, nac016-1 nac017-1 식물체 각각의 잎에서 총 엽록소량 (E)을 측정하였다. 평균과 표준편차는 4회 이상의 생물학적 반복 실험을 통해 얻어진 값이다. 이 실험은 최소 2회 이상의 반복 실험에서 유사한 결과를 나타냈다. 통계적 유의성을 계산하기 위해 Studen's t-test 검정을 사용하였다 (*, P< 0.05).
도 8은 염 및 산화 스트레스 조건에서의 nac016-1NAC016-OX 식물체의 표현형을 나타낸다. (A-D) 3주간 키운 야생형, nac016-1NAC016-OX 식물체의 잎을 150 mM NaCl이 포함된 MES 버퍼 (pH 5.8)에 5일간 처리 또는 20 mM H2O2에서 2일간 처리했을 때의 잎 표현형 (A, C) 및 전체 엽록소 함량 (B, D). 평균과 표준편차는 8회 이상의 생물학적 반복 실험을 통해 얻어진 값이다. 통계적 유의성을 계산하기 위해 Studen's t-test 검정을 사용하였다 (*, P< 0.05). DT, 처리 일.
도 9는 효모 단일 혼성화 (Yeast one-hybrid) 분석을 통해 NAC016 단백질의 NAP ORS1의 프로모터 부위에 대한 결합 활성을 측정한 결과를 나타낸다.
(A) 효모 단일 혼성화를 통해 senNAC (NAP, JUB1, ORS1, VNI2ORE1)의 프로모터 부위에 NAC016 (N16)이 결합하는 것을 분석하였다. β-갈락토시다아제 (β-Gal) 활성은 CPRG (chlorophenol red-β-D-galactopyranoside) 방법으로 확인하였다. 엠프티 베이트 (Empty bait) 및 프레이 플라스미드 (prey plasmid)(-)는 음성 대조구로 사용되었다. 각각의 결과는 독립적인 6개의 형질전환된 효모를 통해 얻어진 결과이며, 이를 이용하여 평균과 표준편차를 분석하였다. 이 결과는 최소 2회 이상의 반복 실험을 통해 얻어졌으며, 통계적 유의성을 계산하기 위해 Studen's t-test 검정을 사용하였다 (*, P< 0.05; **, P< 0.01). NS, 유의차 없음. (B, C) 염 및 산화 스트레스 상황에서의 nap 돌연변이체의 표현형. 4주간 키운 야생형, napnac016-1 식물체의 잎을 150 mM NaCl (B)과 20 mM H2O2 (C)가 포함된 MES 버퍼 (pH 5.8)로 처리하여 그 표현형을 분석하였다. 이 결과는 최소 2회 이상의 반복 실험을 통해 얻어졌다. DT, 처리 일.
Figure 1 shows the expression pattern of NAC016 in the developmental stage of plants and the aging induction conditions of cancer treatment. (A) The expression of NAC016 began to increase in green rosette leaves of 4-week-old wild-type Arabidopsis (Col-0) plants. (B) The expression of NAC016 increases after 2 days of cancer treatment and decreases after 5 days. The relative expression levels of NAC016 were measured using reverse transcription-quantitative real-time PCR (RT-qPCR), relative to the transcript level of GAPDH (glyceraldehyde phosphate dehydrogenase, At1g16300) Standardized. The mean and standard deviation are values obtained from three or more biological repeat experiments. The experiment showed similar results with at least two repetitions.
Figure 2 shows the results of analyzing the characteristics of the nac016-1 mutant. (A) T-DNA and gene structure inserted in the fourth exon of NAC016 . Exons are marked by boxes connected to lines representing introns. (B) The absence of NAC016 mRNA in the nac016-1 mutant was confirmed by RT-PCR. GAPDH was used as a loading control. (C) A stay-green phenotype of the nac016-1 mutant during natural aging. The color of the leaves is changed in 5-6 weeks old plants. (D) In the case of continuous white light (90 μmol m -2 s -1 ), leaves isolated from 3 week-old nac016 -1 mutants were treated for 4 days (D), whole plants were treated for 7 days (E ), The age-dependent phenotype of (F) treated leaves from 3-week-old plants for 2 days in aging induction hormone (20 μM ABA or 100 μM MeJA). The nyc1 nol double mutant was used as a control group for the gustatory persistence. ABA, abscisic acid; DDI, cancer treatment days; DT, treatment days; MeJA, methyl jasmonate.
Figure 3 shows photosynthetic-related factor changes in the nac016-1 mutant during cancer-induced senescence induction. (A) Changes in the contents of total chloroplasts after four days of dark brown leaves, nac016-1 and nyc1 nol plants isolated from 4 weeks of dark brown leaves. (B) Changes in chloroplast a / b ratio after four days dark treatment of leaves isolated from 3 major wild type, nac016-1 and nyc1 nol plants. The black and white bars represent the pre-cancer treatment and the post-cancer treatment for 4 days, respectively. The mean and standard deviation are the results obtained from more than 8 iterations. (C) 3 main wild type, nac016 -1 and nyc1 nol Cell membrane ionic leaching after 5 days of cancer treatment of leaves isolated from plants. The ion leakage is expressed as a ratio of initial conductivity to total conductivity. The black and white bars indicate before cancer treatment and after cancer treatment for 5 days, respectively. (D) Photosynthetic protein immunoblot analysis of leaves isolated from 3 major wild type, nac016-1 and nyc1 nol plants. For photosynthetic protein detection, antibodies against PSII antennas (Lhcb1, Lhcb2 and Lhcb4), PSI core (PsaA), PSI antennas (Lhca1 and Lhca2) and PAO (pheophorbide a oxygenase) were used. RbcL (Rubisco large subunit) protein was identified by CBB (Coomassie Brilliant Blue) staining. Studen's t- test was used to calculate statistical significance (*, P <0.05; **, P <0.01). The experiment showed similar results in at least two repeated experiments. DDI, cancer treatment days.
Fig. 4 shows the result of observing chlorophyll of nac016-1 mutant leaves using a scanning electron microscope under the aging inducing conditions by cancer treatment. (A) cancer before treatment and four days Cancer changes in chlorophyll appearance of wild-type and mutant nac016 -1 leaves after processing. Scale bar = 1 μm. DDI, cancer treatment days. (B) Granatilacoid structure in the chlorophyll of the wild type and nac016-1 mutant leaves before and 4 days after cancer treatment. G, Glanum; PG, plastoglobule. Scale bar = 0.2 μm.
FIG. 5 shows the phenotypic results of NAC016 overexpressing transformants under normal conditions and cancer-induced senescence inducing conditions. (A) RT-PCR analysis of the amount of NAC016 expression in four independent NAC016 overexpressing transformants. The GAPDH gene was used as a loading control. (B) phenotype of wild-type, nac016-1 mutant and NAC016 overexpressing transformants during natural aging. It is a photograph of the plant which is raised about seven weeks. (C) Leaf phenotype observed after 4 weeks of dark treatment of wild type, nac016-1 mutant and NAC016 overexpressing transformant grown for 4 weeks. (D) Total chlorophyll content of wild-type, nac016-1 mutant and NAC016 overexpressing transformants of (C) above. Black and white bars mean 0 day cancer treatment and 4 day cancer treatment, respectively. Values and standard deviations are values obtained from more than 8 biological replicates. This experiment showed similar results in at least two replicate experiments. Studen's t- test was used to calculate statistical significance (*, P <0.05; **, P <0.01).
FIG. 6 shows the results of examining aging-related gene expression after cancer treatment in nac016-1 mutant and NAC016 overexpressed transgenic plants. (AI) for 4 weeks, followed by RNA extraction for 4 days before and after the cancer treatment. The first strand cDNA was obtained from the leaves of the wild type, nac016-1 mutant and NAC016 overexpressed transgenic plant leaves. And using the RT-qPCR analysis, NAC029 / NAP (A), NAC042 / JUB1 (B), NAC059 / ORS1 (C), NAC083 / VNI2 (D), NAC092 / ORE1 (E), SGR1 (F), PPH (G), NYC1 (H) and WRKY22 (I). GAPDH transcript levels were standardized and used to measure the relative expression levels of each gene. The mean and standard deviation are values obtained from three or more biological repeat experiments. This experiment showed similar results in at least two replicate experiments. Studen's t- test was used to calculate statistical significance (*, P <0.05; **, P <0.01).
Figure 7 shows the result of examining the phenotype of the nac017-1 mutant. (A) The gene structure of NAC017 (SALK_117000C) and the T-DNA insertion form in the second exon region. RT-PCR analysis confirmed that NAC017 was not expressed in (B) nac017-1 mutants. The GAPDH gene was used as a loading control. (C) and whole plants (D) of the plants grown for 4 weeks under aging inducing conditions by CE treatment were used for phenotyping. Total chlorophyll content (E) was measured in the leaves of wild type, nac016-1 and nac017-1 plants before induction of cancer treatment (black bars) and 6 days of cancer treatment (white bars). The mean and standard deviation are values obtained from more than four biological replicates. This experiment showed similar results in at least two replicate experiments. Studen's t- test was used to calculate statistical significance (*, P <0.05).
Figure 8 shows the phenotype of nac016-1 and NAC016- OX plants under salt and oxidative stress conditions. (AD) for 3 days were treated for 5 days in MES buffer (pH 5.8) containing 150 mM NaCl, or in leaves treated with 20 mM H 2 O 2 for 2 days. The leaves of wild type, nac016-1 and NAC016- Phenotype (A, C) and total chlorophyll content (B, D). The mean and standard deviation are values obtained from more than 8 biological replicates. Studen's t- test was used to calculate statistical significance (*, P <0.05). DT, processing days.
FIG. 9 shows the result of measuring the binding activity of the NAC016 protein to the promoter region of NAP and ORS1 through Yeast one-hybrid analysis.
(A) Yeast hybridization revealed that NAC016 (N16) binds to the promoter region of senNAC ( NAP , JUB1 , ORS1 , VNI2 and ORE1 ). β-Galactosidase (β-Gal) activity was confirmed by the chlorophenol red-β-D-galactopyranoside (CPRG) method. Empty baits and prey plasmids (-) were used as negative controls. Each result was obtained from six independent transformed yeasts, and the mean and standard deviation were analyzed using the results. The results were obtained from at least two replicates and Studen's t- test was used to calculate statistical significance (*, P <0.05; **, P <0.01). NS, no significant difference. (B, C) phenotype of nap mutants in salt and oxidative stress conditions. The leaves of wild type, nap and nac016-1 plants grown for 4 weeks were treated with MES buffer (pH 5.8) containing 150 mM NaCl (B) and 20 mM H 2 O 2 (C) and their phenotype was analyzed. This result was obtained through at least 2 repeated experiments. DT, processing days.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 식물에서 애기장대 유래의 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자의 발현을 억제하는 단계를 포함하는 기능성 녹색 지속 (functional stay-green) 형질을 가지거나 비생물적 스트레스 내성이 증가된 식물체의 제조 방법을 제공한다.In order to accomplish the object of the present invention, the present invention provides a method of producing a plant having a functionally green-persistent trait comprising the step of inhibiting the expression of a gene encoding NAC016 protein derived from Arabidopsis, A method for producing a plant having increased tolerance is provided.

본 발명에 있어서, 녹색지속 NAC016 변이 유전자는 정상형 NAC016 유전자의 기능이 상실되어 노화시 식물을 황화시키지 않고 녹색으로 유지시키는 기능을 가진다. 이러한 NAC016 변이 유전자는 상기 NAC016 유전자의 염기 일부를 결실시키거나, 상기 유전자의 염기 일부를 단일 또는 복수의 다른 염기로 치환시키거나, 또는 상기 유전자에 단일 또는 복수의 다른 염기를 첨가시켜 수득할 수 있다.In the present invention, the green persistent NAC016 mutation gene has a function of losing the function of the normal NAC016 gene and keeping the plant green without aging. These NAC016 mutant genes are the NAC016 A part of the base of the gene may be deleted or a part of the base of the gene may be replaced with a single or a plurality of different bases or a single or plural different bases may be added to the gene.

특히, 본 발명의 하기 실시예에서는 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자 기능이 상실된 녹색지속 NAC016 유전자의 발현을 억제시킨 변이식물체에 대해서만 기술하고 있으나, 상기 NAC016 유전자를 함유하는 재조합벡터, 상기 재조합벡터로 형질전환된 미생물 및 상기 유전자 정보를 이용하여 형질전환된 식물을 제조하는 것은 당업자에게 자명한 사항이라 할 것이다.In particular, in the following examples of the present invention, mutant plants inhibiting the expression of the green persistent NAC016 gene in which the function of the gene coding for the NAC016 protein is inhibited are described. However, the recombinant vector containing the NAC016 gene, the transformant It is obvious to those skilled in the art to prepare microorganisms and plants transformed using the above gene information.

또한, 본 발명에서는 애기장대를 이용하여, 녹색지속성 변이식물체를 제조할 수 있다는 것을 예시하였으나, NAC016 유전자를 함유하고 황화가 일어나는 모든 식물에서 녹색지속성 변이식물체를 제조할 수 있다는 것은 당업자에게 자명한 사항이라 할 것이다. 또한, 황화가 일어나는 식물에서 NAC016 유전자가 코딩하는 단백질을 불활성화시켜 녹색지속성 변이식물체를 제조하는 것 역시, 당업자에게 자명한 사항이라 할 것이다. 상기 변이식물체가 유성번식 식물이라 할지라도, 조직배양 등에 의해 무성적으로 반복생식시킬 수 있다는 것 역시 당업자에게 자명하다 할 것이다.In addition, although it has been exemplified in the present invention that a green persistence mutant plant can be produced by using a Arabidopsis thaliana, it is obvious to those skilled in the art that a green persistence mutant plant can be produced in all plants containing the NAC016 gene and having sulfidation . It will also be apparent to those skilled in the art that inactivating the protein encoded by the NAC016 gene in a plant in which sulphurization takes place produces a green persistent mutant plant. It will also be apparent to those skilled in the art that, even if the mutant plant is an ovine breeding plant, it can be reproductively reproductively produced by tissue culture or the like.

본 발명에 따른 NAC016 단백질의 범위는 애기장대로부터 분리된 서열번호 2로 표시되는 아미노산 서열을 갖는 단백질 및 상기 단백질의 기능적 동등물을 포함한다. "기능적 동등물"이란 아미노산의 부가, 치환 또는 결실의 결과, 상기 서열번호 2로 표시되는 아미노산 서열과 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더 바람직하게는 90% 이상, 더욱 바람직하게는 95% 이상의 서열 상동성을 갖는 것으로, 서열번호 2로 표시되는 단백질과 실질적으로 동질의 생리활성을 나타내는 단백질을 말한다. "실질적으로 동질의 생리활성"이란 단백질의 발현이 억제되었을 때 나타나는, 기능성 녹색 지속성 표현형 또는 염 및 산화 스트레스와 같은 비생물적 스트레스에 대한 저항성을 의미한다.The scope of the NAC016 protein according to the present invention includes proteins having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 isolated from Arabidopsis thaliana and functional equivalents of the proteins. Refers to an amino acid sequence having at least 70%, preferably at least 80%, more preferably at least 90% amino acid sequence identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 as a result of addition, substitution or deletion of an amino acid, Refers to a protein exhibiting substantially the same physiological activity as the protein represented by SEQ ID NO: 2 and having a sequence homology of 95% or more. "Substantially homogenous bioactivity" means a resistance to abiotic stress, such as a functional green persistence phenotype or salt and oxidative stress, which occurs when protein expression is inhibited.

또한, 본 발명은 상기 NAC016 단백질을 암호화하는 유전자를 제공한다. 본 발명의 유전자는 NAC016 단백질을 암호화하는 게놈 DNA 또는 cDNA를 모두 포함한다. 바람직하게는, 본 발명의 유전자는 서열번호 1로 표시되는 염기서열을 포함할 수 있다. 또한, 상기 염기 서열의 상동체가 본 발명의 범위 내에 포함된다. 구체적으로, 상기 유전자는 서열번호 1의 염기 서열과 각각 70% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상, 더 더욱 바람직하게는 90% 이상, 가장 바람직하게는 95% 이상의 서열 상동성을 가지는 염기 서열을 포함할 수 있다. 폴리뉴클레오티드에 대한 "서열 상동성의 %"는 두 개의 최적으로 배열된 서열과 비교 영역을 비교함으로써 확인되며, 비교 영역에서의 폴리뉴클레오티드 서열의 일부는 두 서열의 최적 배열에 대한 참고 서열(추가 또는 삭제를 포함하지 않음)에 비해 추가 또는 삭제(즉, 갭)를 포함할 수 있다.The present invention also provides a gene encoding the NAC016 protein. The gene of the present invention includes all the genomic DNAs or cDNAs encoding the NAC016 protein. Preferably, the gene of the present invention may include the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1. In addition, homologues of the nucleotide sequences are included within the scope of the present invention. Specifically, the gene has a nucleotide sequence having a sequence homology of 70% or more, more preferably 80% or more, still more preferably 90% or more, and most preferably 95% or more, with the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 . "% Of sequence homology to polynucleotides" is ascertained by comparing the comparison region with two optimally aligned sequences, and a portion of the polynucleotide sequence in the comparison region is the reference sequence for the optimal alignment of the two sequences (I. E., A gap) relative to the &lt; / RTI &gt;

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 기능성 녹색지속 형질은 종자 등숙 기간 동안 식물의 녹색 및 광합성 능력을 동시에 유지하여 수확량을 증가시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the invention, the functional green persistent trait can increase the yield by simultaneously maintaining the plant's green and photosynthesis capacity during seed ripening, but is not limited thereto.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자의 발현 억제는 NAC016 단백질 코딩 유전자에 T-DNA 삽입, 내생 트랜스포존 (transposon), X-레이 또는 γ-레이 조사를 통한 돌연변이 유발, RNAi 또는 안티센스 RNA를 이용하여 NAC016 단백질 코딩 유전자의 발현을 억제하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 NAC016 단백질 코딩 유전자에 T-DNA를 삽입하여 NAC016 단백질 코딩 유전자의 발현을 억제하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the expression of the NAC016 protein-encoding gene is inhibited by inserting T-DNA into the NAC016 protein coding gene, inducing mutation through endogenous transposon, X-ray or gamma-ray irradiation, Or antisense RNA, and may preferably inhibit the expression of the NAC016 protein coding gene by inserting T-DNA into the NAC016 protein coding gene. However, the present invention is not limited thereto .

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 비생물적 스트레스는 염 또는 산화 스트레스일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the invention, the abiotic stress may be salt or oxidative stress, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 기능성 녹색 지속 (functional stay-green) 형질을 가지거나 비생물적 스트레스 내성이 증가된 식물체 및 이의 종자를 제공한다.The present invention also provides plants and their seeds having a functional green-tolerance trait or an abiotic stress tolerance produced by the method.

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

또한, 본 발명은 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진 애기장대 유래의 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는, 식물체의 노화 및 비생물적 스트레스 저항성 조절용 조성물을 제공한다. 상기 조성물은 유효성분으로 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진 애기장대 유래의 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자를 함유하며, 상기 유전자를 이용하여 식물체에서 발현을 억제시켜 식물체의 노화를 지연시키고, 식물체의 비생물적 스트레스 저항성을 증가시킬 수 있으며, 반대로 상기 유전자를 이용하여 식물체에서 발현을 증가시켜 식물체의 노화를 촉진시키고, 식물체의 비생물적 스트레스 저항성을 감소시킬 수 있으므로, 상기 유전자를 이용하면 식물체의 노화 및 비생물적 스트레스 저항성을 조절할 수 있는 것이다.In addition, the present invention provides a composition for controlling the aging and abiotic stress resistance of a plant, which comprises a gene encoding a NAC016 protein derived from Arabidopsis thaliana comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. The composition contains, as an active ingredient, a gene encoding a NAC016 protein derived from Arabidopsis thaliana comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. Using the gene, expression is suppressed in a plant to delay aging of the plant, It is possible to increase the resistance of the plant to stress stress and, on the contrary, increase the expression in the plant by using the gene, thereby accelerating the aging of the plant and reducing the abiotic stress resistance of the plant. It is possible to control the abiotic stress resistance.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 비생물적 스트레스는 염 또는 산화 스트레스일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
In one embodiment of the invention, the abiotic stress may be salt or oxidative stress, but is not limited thereto.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. However, the following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.

재료 및 방법Materials and methods

1. 대상 식물체 및 성장 조건1. Target plants and growth conditions

본 발명에 사용된 애기장대 식물체들은 'Sunshine Mix' (Sun-Gro Horticulture, Bellevue, WA, USA)에 질석 (Shinsung, Korea)을 3:1의 비율로 혼합한 토양을 사용하여 온도 22℃, 습도 60%의 장일 재배조건 (14시간 낮조건/10시간 밤조건)의 식물생장상에서 재배하였다 (백색형광등, 광도 90 μmol m-2 s-1). 실험에 사용된 다양한 돌연변이체들은 ABRC (Arabidopsis Biological Resource Center, Ohio State University, USA)에서 제공받아 사용하였다. 각각의 돌연변이체는 nac016-1 (SALK_001597C), nac016-2 (SALK_074316), nac017-1 (SALK_117000C), nap (SALK_005010C), ore1 (CS23887), pph (SALK_024673C), nyc1 (SALK_091664C) 및 nol (SALK_151467)이다. nyc1 nol 이중돌연변이체는 각각의 단일돌연변이체들을 교배하여 제작하였다. 분리된 잎의 암 처리 노화 유발 (dark-induced senescence)을 위해, 3-4주 성장한 식물체의 3-4번째 로제트 (rosette) 잎을 사용하였으며, 3 mM MES (2-(N-morpholino)ethane sulfonic acid) 버퍼 (pH 5.8) 위에 띄워 22℃의 식물생장상에서 암 처리 실험을 수행하였다.
The Arabidopsis plants used in the present invention were cultivated at a temperature of 22 ° C and a humidity of 22 ° C using a soil mixture of vermiculite (Shinsung, Korea) at a ratio of 3: 1 to a 'Sunshine Mix' (Sun-Gro Horticulture, Bellevue, (White fluorescent lamp, luminous intensity 90 μmol m -2 s -1 ) at a plant growth of 60% under long-day cultivation conditions (14 h day / 10 h night). Various mutants used in the experiments were obtained from ABRC (Arabidopsis Biological Resource Center, Ohio State University, USA). Each mutant nac016-1 (SALK_001597C), nac016-2 (SALK_074316 ), nac017-1 (SALK_117000C), nap (SALK_005010C), ore1 (CS23887), pph (SALK_024673C), nyc1 (SALK_091664C) and nol (SALK_151467) to be. The nyc1 nol double mutant was produced by crossing each single mutant. For the dark-induced senescence of isolated leaves, 3-4 rosette leaves of 3-4 week old plants were used, and 3 mM MES (2- (N-morpholino) ethane sulfonic acid buffer (pH 5.8) and subjected to the treatment of cancer treatment at a plant growth of 22 ° C.

2. 전체 엽록소 함량 분석2. Analysis of total chlorophyll content

전체 엽록소 함량을 분석하기 위해, 80% 아세톤을 사용하여 각각의 잎에서 광합성 색소들을 추출하였다. 엽록소의 농도는 이전의 보고에 사용된 방법을 이용하여 UV/VIS 분광광도계로 측정하였다 (Lichtenthaler, Methods Enzymol. 148: 350-382, 1987).
To analyze total chlorophyll content, photosynthetic pigments were extracted from each leaf using 80% acetone. The concentration of chlorophyll was measured using a UV / VIS spectrophotometer (Lichtenthaler, Methods Enzymol. 148: 350-382, 1987) using the method used in previous reports.

3. SDS-PAGE 및 면역 블럿 분석3. SDS-PAGE and immunoblot analysis

각각의 식물체의 잎 10 mg을 액체질소로 파쇄하여 100 ㎕의 추출버퍼 (50 mM Tris-HCl [pH 6.8], 2 mM EDTA, 10 % (w/v) 글리세롤, 2% (w/v) SDS 및 6% (v/v) 2-머캅토에탄올)에 균질화하였다. 균질화된 샘플은 90℃에서 5분간 가열한 후, 원심분리하여 상등액을 얻었다. 10 ㎕의 상등액은 12.5% (w/v) SDS-PAGE로 단백질을 분리하였고, 분리된 단백질은 CBB (Coomassie Brilliant Blue)로 염색하였다. 면역 블럿 분석을 위해서는, 4 ㎕의 상등액을 12.5% (w/v) SDS-PAGE를 이용하여 단백질을 분리하였고, 단백질 이동장치를 통해 전체 단백질들을 Hybond-P 나일론 막 (GE Healthcare)으로 전이시켰다. 이후 다양한 항체로 각각의 단백질들의 함량을 측정하여 비교하였다. 면역 블럿 분석을 위해 사용한 항체는 LHCI 소단위체 (Lhca1, Lhca2), LHCII 소단위체 (Lhcb1, Lhcb2, Lhcb4), CP43, D1, PsaA 및 PAO (Agrisera, Sweden)이다. 이들 항체 항원간 결합은 향상된 화학 발광 검출 시스템인 ECL Plus (GE Healthcare)를 사용하여 확인하였다.
10 mg of each leaf of the plant was disrupted with liquid nitrogen, and 100 μl of extraction buffer (50 mM Tris-HCl pH 6.8, 2 mM EDTA, 10% (w / v) glycerol, 2% And 6% (v / v) 2-mercaptoethanol). The homogenized sample was heated at 90 DEG C for 5 minutes and centrifuged to obtain a supernatant. 10 μl of the supernatant was separated by 12.5% (w / v) SDS-PAGE, and the separated proteins were stained with CBB (Coomassie Brilliant Blue). For immunoblot analysis, 4 μl of the supernatant was separated by 12.5% (w / v) SDS-PAGE and transferred to Hybond-P nylon membrane (GE Healthcare) through the protein transfer device. Thereafter, the content of each protein was measured and compared with various antibodies. The antibodies used for the immunoblot analysis were LHCI subunits (Lhca1, Lhca2), LHCII subunits (Lhcb1, Lhcb2, Lhcb4), CP43, D1, PsaA and PAO (Agrisera, Sweden). Binding of these antibody antigens was confirmed using an enhanced chemiluminescence detection system, ECL Plus (GE Healthcare).

4. 투과전자현미경 분석4. Transmission electron microscopy

투과전자현미경 분석은 이전 논문을 참조하여 수행하였다 (Inada et al., Planta 206: 585-597, 1998). 각각의 잎 조직의 절편들은 수정된 카르노브스키(Karnovsky)의 고정액 (2% 파라포름알데하이드, 2% 글루타르알데하이드, 50 mM 소듐 카코딜레이트 버퍼 [pH 7.2])을 이용하여 고정하였고, pH 7.2의 50 mM 소듐 카코딜레이트 버퍼로 4℃ 에서 10분간 세 번 세척했다. 이후 1% 오스뮴 테트록사이드 (osmium tetroxide)가 첨가된 pH 7.2의 50 mM 소듐 카코딜레이트 버퍼로 4℃에서 2시간 동안 고정하였고, 상온에서 증류수를 이용하여 두 번 세척했다. 각각의 고정된 샘플은 전체적으로 0.5% 우라닐 아세테이트 (uranyl acetate) 용액으로 4℃에서 최소 30분간 염색하였고, 다양한 농도의 에탄올과 프로필렌 옥사이드 (propylene oxide)로 수분을 제거한 뒤, 스퍼(Spurr) 레진에 삽입하였다. 이후 70℃에서 24시간 동안 중합한 뒤, 초박절편기 (Ultramicrotome; MT-X)의 다이아몬드 칼을 이용해 초박형 절편을 준비하였고, 포름바가 코팅된 구리 그리드 (Formvar-coated copper grid)에 탑재하였다. 각각의 탑재된 부분들은 2% 우라닐 아세테이트로 5분, Reynolds' 레드 시트레이트 (Reynolds' lead citrate)로 2분간 상온에서 염색하였으며, JEM-1010 EX 전자 현미경 (JEOL, Japan)으로 관찰하였다.
Transmission electron microscopy analysis was performed with reference to the previous paper (Inada et al ., Planta 206: 585-597, 1998). The sections of each leaf tissue were fixed using a modified Karnovsky fixative (2% paraformaldehyde, 2% glutaraldehyde, 50 mM sodium chocodilate buffer, pH 7.2) and pH 7.2 Of 50 mM sodium chocodilate buffer at 4 &lt; 0 &gt; C for 10 minutes. The cells were then fixed with 50 mM sodium chocoditrite buffer (pH 7.2) containing 1% osmium tetroxide for 2 hours at 4 ° C and washed twice with distilled water at room temperature. Each immobilized sample was stained with 0.5% uranyl acetate solution at 4 ° C for at least 30 minutes, and the water was removed with various concentrations of ethanol and propylene oxide. Respectively. Thereafter, the resultant was polymerized at 70 ° C for 24 hours, and then an ultrathin section was prepared using a diamond knife of an Ultramicrotome (MT-X) and mounted on a formvar-coated copper grid. Each mounted portion was stained with 2% uranyl acetate for 5 minutes, Reynolds' lead citrate for 2 minutes at room temperature, and observed with a JEM-1010 EX electron microscope (JEOL, Japan).

5. RT-PCR 및 RT-qPCR 분석5. RT-PCR and RT-qPCR analysis

RT-PCR 분석을 위해, 각각의 식물체 잎에서 트리졸(TRIzol) 시약을 이용하여 총 RNA를 분리하였다. 추출한 5 ㎍의 RNA 각각은 M-MLV 역전사효소와 oligo(dT)15 프라이머 (Promega)를 사용하여 최종적으로 25 ㎕의 첫번째 가닥 (first-strand) cDNA를 제작하였고, 이를 1/4로 희석하여 사용하였다. RT-qPCR 분석은 1 ㎕ cDNA, 10 ㎕ 2×SYBR Green PCR Master Mix (Qiagen), 0.25 mM 프라이머를 사용하여 실시하였다. 각각의 프라이머 염기서열은 표 1에 기술하였다. RT-qPCR의 분석은 Light Cycler 480 (Roche Diagnostics)을 사용하여 실시하였다. 각각의 유전자의 발현은 선행 보고 (Sakuraba et al., Plant Cell Physiol. 51: 1055-1065, 2010)를 참조하여, GAPDH (glyceraldehyde phosphate dehydrogenase)의 발현양에 대비한 상대적 발현양으로 조사되었다.
For RT-PCR analysis, total RNA was isolated from each plant leaf using TRIzol reagent. Finally, 25 μl of first-strand cDNA was prepared by using M-MLV reverse transcriptase and oligo (dT) 15 primer (Promega). Each of the extracted 5 μg of RNA was diluted with 1/4 Respectively. RT-qPCR analysis was performed using 1 μl of cDNA, 10 μl of 2 × SYBR Green PCR Master Mix (Qiagen), and 0.25 mM primer. Each primer sequence is set forth in Table 1. Analysis of RT-qPCR was performed using Light Cycler 480 (Roche Diagnostics). Expression of each gene was investigated relative to the expression level of GAPDH (glyceraldehyde phosphate dehydrogenase) relative to the expression level of GAPDH (Sakuraba et al ., Plant Cell Physiol. 51: 1055-1065, 2010).

6. 벡터의 제작 및 식물체 형질전환6. Construction of vectors and transformation of plants

NAC016 cDNA는 M-MLV 역전사효소 (Promega) 및 PrimeSTAR 폴리머라아제 (TaKaRa, Japan)를 이용하여 RT-PCR로 합성하였다. 합성한 cDNA는 pCR8/GW/TOPO 게이트웨이 벡터(Invitrogen)에 삽입하여 서열 정보를 확인한 후, pMDC32 (Curtis and Grossniklaus, Plant Physiol . 133: 462-469, 2003)에 클로닝 하였다. 클로닝된 재조합 플라스미드는 아그로박테리움 튜머파시엔스 균주 GV3101에 형질전환하였다. 야생형 (Col-0) 또는 nac016-1 식물체는 형질전환된 아그로박테리움을 이용한 꽃 침지법 (floral dip method)으로 형질전환하였다 (Clough and Bent, Plant J. 16: 735-743, 1998). 형질전환체 T0 실생 (seedling)은 15 mg/L 하이그로마이신이 포함된 0.5×MS 배지에서 선별하였고, 세대 진전을 통해 T2 동형접합 라인을 선별하였다.
NAC016 cDNA was synthesized by RT-PCR using M-MLV reverse transcriptase (Promega) and PrimeSTAR polymerase (TaKaRa, Japan). The synthesized cDNA was inserted into the pCR8 / GW / TOPO gateway vector (Invitrogen) to confirm the sequence information. Then, pMDC32 (Curtis and Grossniklaus, Plant Physiol . 133: 462-469, 2003). The cloned recombinant plasmid was transformed into Agrobacterium tumefaciens strain GV3101. Wild-type (Col-0) or nac016-1 plants were transformed with the floral dip method using transformed Agrobacterium (Clough and Bent, Plant J. 16: 735-743, 1998). Transformant T 0 seedling was selected on 0.5 × MS medium containing 15 mg / L hygromycin, and T 2 homozygous lines were selected through generation progression.

7. 이온 누출 (Ion leakage) 분석7. Ion leakage analysis

세포막 누출 (Membrane leakage) 분석은 선행 보고를 참조하여 실시하였다 (Fan et al., Plant Cell 9: 2183-2196, 1997). 막 누출은 식물체에서 분리한 잎의 전해질 (또는 이온) 측정을 통해 분석하였다. 각각의 스트레스 처리된 10개의 잎들은 상온에서 6 ㎖의 0.4 M 만니톨 용액에 넣은 후 3시간 동안 약하게 교반하면서 반응시켰고, 반응시킨 각각의 용액은 전도율 측정기 (CON6 METER, LaMOTTE, USA)를 이용해 전도율을 측정하였다. 전체 전도율은 각각의 샘플을 85℃에서 20분간 처리한 후 측정하였다. 이온 누출의 비율은 각 샘플에서 전체 전도율과 처리 후 전도율을 백분율로 표시하여 서로 비교하여 분석하였다.
Membrane leakage analysis was performed with reference to the previous report (Fan et al ., Plant Cell 9: 2183-2196, 1997). Membrane leaks were analyzed by measuring the electrolyte (or ion) of the leaves isolated from the plant. Ten stressed leaves were placed in 6 ml of 0.4 M mannitol solution at room temperature and reacted with mild stirring for 3 hours. Each solution was reacted with a conductivity meter (CON6 METER, LaMotte, USA) Respectively. The overall conductivity was measured after each sample was treated at 85 占 폚 for 20 minutes. The ratio of ion leakage was analyzed by comparing the total conductivity and the post-treatment conductivity as a percentage in each sample.

8. 호르몬 처리8. Hormone Treatment

호르몬 처리를 위해, 4주 동안 자란 식물체의 잎은 20 μM ABA (Sigma) 또는 100 μM MeJA (Sigma)가 포함되거나, 포함되지 않은 3 mM MES 버퍼에 넣어 실험을 수행하였다. 각 호르몬 처리는 선행 보고를 참조하였으며 (Woo et al., Plant Cell 13: 1779-1790, 2001), 22℃ 및 지속적인 광 (90 μmol m-2 s-1) 조건 하에서 2일간 처리한 후 분석하였다.
For hormone treatment, the leaves of the plants grown for 4 weeks were tested in 3 mM MES buffer with or without 20 μM ABA (Sigma) or 100 μM MeJA (Sigma). Each hormone treatment was analyzed after treatment for 2 days at 22 ° C and continuous light (90 μmol m -2 s -1 ) (Woo et al., Plant Cell 13: 1779-1790, 2001) .

9. 염 및 H9. Salts and H 22 OO 22 처리 process

염 스트레스에 대한 분석은 NaCl에 의한 반응을 분석하여 수행하였으며, 산화 스트레스에 대한 분석은 과산화수소 (H2O2)에 의한 반응을 분석하여 수행하였다 (Wu et al., Plant Cell 24: 482-506, 2012). 염 및 과산화수소 처리는 3-4주 동안 자란 식물체에서 분리한 잎을 잎의 윗면이 위쪽을 향하게하여 150 mM NaCl 또는 20 mM H2O2가 포함된 3 mM MES 버퍼 (pH 5.8)에 넣어서 수행하였다. 염 및 산화 스트레스에 대한 반응은 22℃ 및 지속적인 광 (90 μmol m-2 s-1) 조건 하에서 분석하였다.
Analysis of salt stress was performed by analyzing the reaction with NaCl, and analysis of oxidative stress was performed by analyzing the reaction with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) (Wu et al ., Plant Cell 24: 482-506 , 2012). The salt and hydrogen peroxide treatment was carried out by placing the leaves isolated from the plants grown for 3-4 weeks in a 3 mM MES buffer (pH 5.8) containing 150 mM NaCl or 20 mM H 2 O 2 with the leaves facing upwards . Reactions to salt and oxidative stress were analyzed at 22 ° C and continuous light (90 μmol m -2 s -1 ).

10. 효모 단일 혼성화 (Yeast one-hybrid) 분석10. Yeast one-hybrid analysis

애기장대 유전자 NAC016은 pGAD424 벡터 (Clontech)에 클로닝하였다. 또한 5개의 senNAC 유전자 (NAP, JUB1, ORS1, VNI2 및 ORE1)의 프로모터 부분을 pLacZi (Clontech)에 클로닝하였다. 클로닝한 프로모터 부위는 -1000 bp에서 +500 bp의 DNA 부위를 선택하였다. 클로닝에 사용한 각각의 프라이머에 대한 정보는 표 1에 기재하였다. 각각의 벡터들은 효모 균주 YM4271에 형질전환하였으며, 형질전환이 확인된 효모는 β-갈락토시다아제의 활성도를 측정하여 NAC016 전사인자가 각각의 유전자의 프로모터 부위에 반응하는지 확인하였다. β-갈락토시다아제의 활성도 측정은 CPRG (chlorophenol red-β-D-galactopyranoside; Roche Applied Science) 방법을 사용하였고, 측정방법은 Yeast Protocol Handbook (Clontech)을 참조하였다.The Arabidopsis gene, NAC016, was cloned into the pGAD424 vector (Clontech). The promoter portion of the five senNAC genes (NAP, JUB1, ORS1, VNI2 and ORE1) was cloned into pLacZi (Clontech). The DNA region of -1000 bp to +500 bp was selected for the cloned promoter region. Information on each primer used for cloning is shown in Table 1. Each vector was transformed into yeast strain YM4271, and the transformed yeast was assayed for the activity of? -Galactosidase to determine whether the NAC016 transcription factor was responsive to the promoter region of each gene. β-D-galactopyranoside (CPRG) method was used to measure the activity of β-galactosidase, and the method of measurement was referred to Yeast Protocol Handbook (Clontech).

용도Usage 유전자gene 정방향 프라이머 (5'→3')The forward primer (5 '- &gt; 3') 서열번호SEQ ID NO: 역방향 프라이머 (5'→3')The reverse primer (5 '- &gt; 3') 서열번호SEQ ID NO: 클로닝Cloning NAC016NAC016 ATGGTTGATTCTTCTCGTGATTCGTGATGGTTGATTCTTCTCGTGATTCGTG 33 TCACGACAAGAGAGGTCTTCCCATAACTCACGACAAGAGAGGTCTTCCCATAAC 44 RT-qPCRRT-qPCR NAC016NAC016 CAGACACCTGAGAACCAGCTTCAGACACCTGAGAACCAGCTT 55 CACCATTTTGTCCTTCCTTGTCACCATTTTGTCCTTCCTTGT 66 NAC029NAC029 TCCATCATCCCAGAAGTTGATCCATCATCCCAGAAGTTGA 77 GGTTTGGTCTGACTCCGTTTGGTTTGGTCTGACTCCGTTT 88 NAC042NAC042 TGGAAAGCCACTGGTATTGATGGAAAGCCACTGGTATTGA 99 ATCGGTTTTGGTGCCTTTACATCGGTTTTGGTGCCTTTAC 1010 NAC059NAC059 GTTTACCTCCGCTGATGGATTGTTTACCTCCGCTGATGGATT 1111 TCTTGTCATCGGTTGTTTGGTTCTTGTCATCGGTTGTTTGGT 1212 NAC083NAC083 CTACAAAGGCAAACCACCTCACTACAAAGGCAAACCACCTCA 1313 CGTTCTTGTTACCGGCTCTTTCGTTCTTGTTACCGGCTCTTT 1414 NAC092NAC092 AATGAAGCTGTTGCTTGACGAATGAAGCTGTTGCTTGACG 1515 AGAAATTCCAAACGCAATCCAGAAATTCCAAACGCAATCC 1616 SGR1SGR1 TGGGCAAATAGGCTATACCGTGGGCAAATAGGCTATACCG 1717 CCACCGCTTATGTGACAATGCCACCGCTTATGTGACAATG 1818 PPHPPH TCTCACGTATTGTGGAGGTCATCTCACGTATTGTGGAGGTCA 1919 CCACCGCTTATGTGACAATGCCACCGCTTATGTGACAATG 2020 NYC1NYC1 GTTAACAGACGCGATGGAGAGTTAACAGACGCGATGGAGA 2121 GCCTGGAAAAGAGCTAGGTGGCCTGGAAAAGAGCTAGGTG 2222 WRKY22WRKY22 TACGGACAGAAACCCATCAATACGGACAGAAACCCATCAA 2323 CATCTTCGGGTCGGATCTATCATCTTCGGGTCGGATCTAT 2424 효모
단일
혼성화
leaven
single
Hybridization
NAC016NAC016 GAATTCATGGTTGATTCTTCTCGAATTCATGGTTGATTCTTCTC 2525 GGATCCTCACGACAAGAGAGGATCCTCACGACAAGAGA 2626
NAC029NAC029 GAATTCAGACAAAGATAGGAGGAATTCAGACAAAGATAGGAG 2727 GTCGACGGAGACGATACGTCGACGGAGACGATAC 2828 NAC042NAC042 GTCGACTTGGAATGCAGTTGAAGGTCGACTTGGAATGCAGTTGAAG 2929 CTCGAGTGATGATAAAGGCGCACTCGAGTGATGATAAAGGCGCA 3030 NAC059NAC059 GAATTCCTACTACGTTACAACGAATTCCTACTACGTTACAAC 3131 GTCGACTTGTTTTTACTCCTTTAGTCGACTTGTTTTTACTCCTTTA 3232 NAC083NAC083 GAATTCCCTTATCAAAACAAGAGAATTCCCTTATCAAAACAAGA 3333 GTCGACATTCGTGCATGAGTCGACATTCGTGCATGA 3434 NAC092NAC092 CTTAAGTTATATGTAACCATGTGAACCTTAAGTTATATGTAACCATGTGAAC 3535 CAGCTGAGCTCTTCCTTTATAGCAGCTGAGCTCTTCCTTTATAG 3636

실시예 1. 노화 관련 NAC (senescence-associated NAC;Example 1: Synthesis of senescence-associated NAC (senescence-associated NAC; senNAC) 전사인자인 애기장대 NAC016senNAC) transcription factor Arabidopsis NAC016

NAC016 (At1g34180) 단백질은 애기장대 게놈 안에 존재하는 105개의 NAC 전사인자 (transcription factor) 중 하나이다. NAC016 단백질은 576개의 아미노산으로 구성되어 있고, N-말단 부위에 고도로 보존된 DNA 결합 NAM 도메인을 가지고 있다. NAC016 유전자가 senNAC 유전자인지 재확인하기 위해, 본 발명자는 식물 발달 과정 동안 및 인위적으로 암 (dark) 조건을 처리하여 유도된 잎의 노화 진행시 NAC016 유전자 발현양을 조사하였다. 장일 조건에서 2-3주 자란 야생형 식물체의 녹색 잎은 NAC016 유전자 발현이 매우 낮았고, 장일 조건에서 정상적인 노화가 시작되기 직전의 4주된 식물체의 녹색 잎에서는 NAC016 유전자의 발현이 증가하기 시작하였다 (도 1A). 노화가 진행되기 전인 3주된 식물체에서 떼어낸 녹색 잎을 암 처리하여 노화를 유도했을 때, NAC016 유전자의 발현은 암 처리 이후 2일이 지난 후부터 증가하기 시작하였으며, 엽색이 거의 노란색을 띄는 5일째 되는 날에 그 발현이 크게 감소했다. 이는 NAC016 유전자 발현이 잎의 노화와 깊은 관련이 있다는 것을 나타낸다 (도 1B).
The NAC016 (At1g34180) protein is one of the 105 NAC transcription factors present in the Arabidopsis genome. The NAC016 protein consists of 576 amino acids and has a highly conserved DNA-binding NAM domain at the N-terminal region. To reaffirm that the NAC016 gene is the senNAC gene, we investigated the amount of NAC016 gene expression during the development of the plant and during the aging process of the leaves induced by artificially treating dark conditions. The NAC016 gene expression was very low in the green leaves of the wild type plants grown for 2-3 weeks in the long day condition and the expression of the NAC016 gene started to increase in the green leaves of the 4 weeks old plant just before the normal aging started under the long day conditions ). When senescence was induced by cancer treatment of green leaf removed from 3 weeks old plant before aging, the expression of NAC016 gene started to increase after 2 days from the treatment of cancer, and the leaf color began to increase on the 5th day The expression on the day was greatly reduced. Indicating that NAC016 gene expression is deeply related to leaf senescence (FIG. 1B).

실시예 2. 애기장대 Example 2. Arabidopsis thaliana nac016nac016 돌연변이체의 녹색 지속 (stay green) 표현형 The stay green phenotype of the mutant

잎의 노화에서 NAC016 유전자의 조절 기능을 규명하기 위해서, T-DNA 단편이 NAC016 유전자 (At1g34180)의 4번째 엑손 (exon) 및 인트론 (intron)에 각각 삽입된 nac016-1 (도 2A) 및 nac016-2 넉아웃 돌연변이체 (knockout mutant)를 조사하였다. RT-PCR을 통해 두 nac016 돌연변이체에 NAC016 mRNA가 존재하지 않는다는 것을 확인하였다 (도 2B). 이어서 장일 조건에서 식물 발달과정 동안 nac016-1 돌연변이체의 표현형을 조사하였다. 돌연변이체들은 발아 후 4주까지의 영양생장단계에서는 야생형 식물체와 비교하여 유의한 차이가 발견되지 않았다. 그러나, 발아 4주 후 자연 노화 단계에 들어가자 nac016-1 돌연변이체는 정상적으로 잎이 노랗게 변하는 야생형 식물체와는 대조적으로 잎의 녹색이 유지되는 특징을 나타냈다 (도 2C). 암 처리 노화 유도시에 야생형 식물은 녹색 잎이 정상적으로 노랗게 변한 반면, nac016-1 돌연변이체는 절개된 잎과 식물에 붙어있는 잎 모두에서 녹색이 유지되었다 (도 2D 및 2E). 암 처리 노화 유도시 nac016 -2 돌연변이체도 nac016 -1 돌연변이체와 유사한 표현형을 나타냈다 (데이터 미제시). 또한, 형질전환을 통해 nac016-1 돌연변이체에 35S:NAC016 유전자를 도입하면, nac016-1 돌연변이체에서 NAC016 유전자 기능이 회복되어 잎의 황화가 진행되는 것으로 나타났다 (데이터 미제시).To elucidate the regulatory function of the NAC016 gene in the senescence of the leaves, nac016-1 (Fig. 2A) and nac016-1 (Fig. 2A) in which the T-DNA fragment was inserted into the fourth exon and intron of the NAC016 gene (At1g34180) 2 knockout mutants were investigated. RT-PCR confirmed the absence of NAC016 mRNA in the two nac016 mutants (Fig. 2B). The phenotype of the nac016-1 mutant was then investigated during plant development under long day conditions. The mutants did not show any significant difference compared to the wild type plants at the stage of nutrition growth up to 4 weeks after germination. However, when we entered the natural aging stage 4 weeks after germination, the nac016-1 mutant exhibited a characteristic that leaves greens were maintained in contrast to wild-type plants that normally changed to yellow (Fig. 2C). During the induction of cancer treatment aging, wild-type plants showed normal yellowing of green leaves, while nac016-1 mutants maintained green in both the incised leaves and the leaves attached to the plants (FIGS. 2D and 2E). When cancer treatment induced aging showed similar phenotype and mutation chedo nac016 nac016 -2 -1 mutant (the data shown). In addition, when the 35S: NAC016 gene was introduced into the nac016-1 mutant through transformation, the NAC016 gene function was restored in the nac016-1 mutant and the leaf sulphation proceeded (data not shown).

NAC016의 잎의 노화 기작에 대한 조절 기능을 규명하기 위해, nac016-1 돌연변이체를 이용하여 추가의 실험을 진행하였다. 또한, 식물 잎의 노화가 식물 호르몬인 ABA (abscisic acid) 와 MeJA (methyl jasmonate)에 의해 유도되기 때문에, 본 발명자는 광 지속 (constant light) 조건에서 야생형 식물체와 nac016-1 돌연변이체의 절개한 녹색잎에 20 μM ABA 또는 100 μM MeJA를 각각 처리하여 잎의 노화를 유도하고, 그 결과를 관찰하였다. 야생형 식물체에서는 호르몬 처리 이틀 만에 급격한 노화가 나타난 반면, nac016-1 돌연변이체에서는 녹색이 지속되는 것을 확인할 수 있었다 (도 2F). 이는 NAC016 유전자의 기능이 식물 연령 (plant age), 암 처리, 식물 호몬에 의해 유도되는 노화를 조절하는데 있어서 중요한 역할을 수행한다는 것을 암시한다.
Additional experiments were conducted using the nac016-1 mutant to characterize the regulatory function of NAC016 on the leaf senescence mechanism. In addition, since the aging of plant leaves is induced by the plant hormones ABA (abscisic acid) and MeJA (methyl jasmonate), the present inventors have found that in the case of constant light conditions, the intercalated green of the nac016-1 mutant Leaves were treated with 20 μM ABA or 100 μM MeJA to induce leaf senescence, and the results were observed. In the wild-type plants, rapid aging was observed in the treatment of the hormone treatment in two days, while green was persistent in the nac016-1 mutant (Fig. 2F). This suggests that the function of the NAC016 gene plays an important role in controlling plant age, cancer treatment, and plant hormone-induced senescence.

실시예 3. Example 3. nac016nac016 돌연변이체의 기능성 녹색 지속성 (functional stay-green) 노화 지연 Functional green-persistent delay of aging in the mutant

녹색 지속 표현형을 나타내는 돌연변이체는 일반적으로 기능성과 비기능성, 두 가지 타입으로 나눌 수 있다. 기능성 녹색 지속 돌연변이체는 종자 등숙기간 동안 잎의 녹색 및 광합성 능력을 동시에 높게 유지하여 수확량을 증대시킬 수 있는 특징이 있다. 반면에 비기능성 녹색 지속 돌연변이체는 식물의 광합성 능력 및 종자 생산성과는 관계 없이 엽록소의 분해가 저해되어 잎의 녹색만 유지되는 특성을 갖는다 (Hortensteiner, Trends Plant Sci. 14: 155-162, 2009).Mutants that exhibit the green persistence phenotype can generally be divided into two types, functional and non-functional. Functional green persistence mutants are characterized by the ability to maintain high green and photosynthetic abilities at the same time during the ripening period to increase yields. On the other hand, non-functional green persistence mutants have the property that the degradation of chlorophyll is inhibited regardless of the photosynthesis ability and seed productivity of the plant and thus the greenness of the leaves is maintained (Hortensteiner, Trends Plant Sci. 14: 155-162, 2009) .

nac016 돌연변이체가 기능성 녹색 지속성을 갖는지, 비기능성 녹색 지속성을 갖는지 알아보기 위해, 노화 기간 동안 nac016-1 돌연변이체의 광합성 지표를 조사하였다. 암 처리 전의 nac016-1 돌연변이체의 전체 엽록체 함량은 야생형 식물체와 거의 유사했다. 그러나, 암 처리 4일 후에는 nac016-1 돌연변이체의 엽록체 함량이 다른 녹색 지속 표현형인 nyc1 nol 돌연변이체와 비슷한 수준으로 매우 높게 유지되는 것을 확인할 수 있었다 (도 3A). 한편, nyc1 nol 돌연변이체에서는 LHCII (light-harvesting complex II)의 소단위체 (subunit)들의 특이적 안정성에 의해 엽록소 a/b 비율이 급격히 감소했지만, nac016-1 돌연변이체의 엽록소 a/b 비율은 노화 4일 후에도 거의 변함이 없었다 (도 3B). nac016-1 돌연변이체는 세포막 분해의 중요한 척도인 이온 누출 비율 (ion leakage rate)도 야생형 식물체보다 낮은 것으로 나타났다 (도 3C). 또한, nac016-1 돌연변이체는 광합성 관련 단백질도 야생형 식물체에 비해 상대적으로 높게 유지되었다 (도 3D). 이는 전체 엽록체 양의 차이와 일치하는 결과이다 (도 3A). To determine whether the nac016 mutant had functional green persistence or nonfunctional green persistence, the photosynthetic index of the nac016-1 mutant was examined during aging. The total chloroplast content of nac016-1 mutants prior to cancer treatment was similar to that of wild-type plants. However, after 4 days of cancer treatment, it was confirmed that the chloroplast content of the nac016-1 mutant was maintained at a level as high as that of the other green persistent phenotype nyc1 nol mutant (Fig. 3A). On the other hand, in the nyc1 nol mutant, the chlorophyll a / b ratio decreased sharply due to the specific stability of subunits of LHCII (light-harvesting complex II), but the chlorophyll a / b ratio of nac016-1 mutant decreased But remained almost unchanged after 4 days (Fig. 3B). The nac016-1 mutant showed an ion leakage rate, an important measure of cell membrane degradation, lower than wild-type plants (Fig. 3C). In addition, the nac016-1 mutant maintained relatively high levels of photosynthetic-related proteins relative to wild-type plants (FIG. 3D). This is consistent with the difference in total chloroplast amount (Figure 3A).

기능성 녹색 지속성 식물체는 노화 시기에 정상적인 모양의 그라나 틸라코이드막 (grana thylakoid)이 비교적 오랫동안 유지되는 반면, 비기능성 녹색 지속성 식물체에서는 그라나 구조가 비정상적으로 매우 두꺼워진다 (Schelbert et al., Plant Cell 21: 767-785, 2009). 따라서 본 발명자는 야생형 식물체의 잎과 nac016-1 돌연변이체 잎의 엽록체 구조를 비교 관찰하였다. 암 처리 전의 nac016-1 돌연변이체 잎의 엽록체 구조와 그라나 틸라코이드막 형태는 야생형 식물체와 비슷했다 (도 4A의 상단 패널). 4일 동안 암 처리한 후, nac016 -1 돌연변이체 잎의 엽록체에서는 그라나 틸라코이드막이 유지되는 것이 관찰되었으나, 야생형 식물체 엽록체에서는 그라나 틸라코이드막의 형태를 거의 찾을 수 없었다 (도 4A 및 4B의 하단 패널). 또한, 스트레스나 노화 조건에서 나타나는 플라스토글로블 (plastoglobule)이 야생형 식물체 잎의 엽록체에 축적되는 것이 관찰되었지만, nac016-1 돌연변이체의 잎에서는 관찰되지 않았다. 본 발명자는 nac016 돌연변이체가 노화 유발 조건에서 광합성 단백질 균형, 전체 엽록소 함량 및 그라나 틸라코이드막 구조를 적절하게 유지한다는 것을 확인하였으며, 이러한 결과는 nac016 돌연변이체가 기능성 녹색 지속 형질을 갖는다는 것을 제시한다.
Functional Green Persistence Plants have a relatively long period of normal shape grana thylakoids at the aging stage, while abnormally thick grana structures in non-functional green persistent plants (Schelbert et al ., Plant Cell 21: 767 -785, 2009). Therefore, the present inventors observed the chloroplast structure of wild-type plant leaves and nac016-1 mutant leaves. The chloroplast structure and granular thylakoid membrane morphology of nac016-1 mutant leaves before cancer treatment were similar to those of wild-type plants (top panel of FIG. 4A). After the cancer treatment for 4 days, nac016 -1 in the chloroplast of the mutant leaves were observed to be maintained Grana thylakoid membrane, in the wild type plant chloroplast could hardly find the Grana thylakoid membrane form (lower panel in Fig. 4A and 4B). In addition, plastoglobules appearing under stress and aging conditions were observed to accumulate in the chloroplasts of wild-type plant leaves, but not in leaves of the nac016-1 mutant. The present inventors have found that the nac016 mutant properly maintains the photosynthetic protein balance, total chlorophyll content and granatilacoid membrane structure under the aging inducing conditions, and this result suggests that the nac016 mutant has a functional green persistent trait.

실시예 4. 노화 유발 조건에서 Example 4. In the aging inducing condition NAC016NAC016 과발현체 ( Overexpressed ( NAC016NAC016 -OX)의 식물 황화 (yellowing) 촉진-OX) promoting plant yellowing

NAC016이 잎의 노화를 전사 수준에서 조절하는지 확인하기 위해서, NAC016이 과발현된 형질전환 식물체 NAC016-OX (NAC016 overexpressor)를 제작하였다. 4개의 독립적으로 얻어진 NAC016 과발현 형질전환 식물체 잎에서 NAC016이 높은 수준으로 발현되는 것을 확인하였다 (도 5A). 발아 후 4주까지의 영양생장 기간 동안에 NAC016-OX 식물체와 야생형 식물체는 표현형 차이가 관찰되지 않았다. 그러나, 자연적 노화 기간 동안, 7주 자란 NAC016-OX 식물체에서 잎의 노화가 촉진되는 것이 확인되었다 (도 5B). 추가의 실험으로 3주 자란 NAC016-OX 식물체의 잎을 절개하여 암 처리 노화를 유도하였다. 4일간의 암 처리 후 식물의 노화 정도를 조사한 결과 야생형보다 NAC016-OX 식물체의 잎이 더 빠르게 노화하는 것을 확인할 수 있었으며 (도 5C), 이는 NAC016-OX 식물체 잎에서 엽록소 함량이 더 낮은 수준으로 나타난 결과와도 일치했다 (도 5D). 이와 같은 결과로 미루어 잎의 노화 시기 동안 엽록소 분해 정도가 NAC016 유전자의 발현양과 매우 높은 상관관계가 있음을 알 수 있다.
To confirm that NAC016 regulates leaf senescence at the transcriptional level, NAC016 overexpressed transgenic plant NAC016- OX ( NAC016 overexpressor) was constructed. High levels of NAC016 were expressed in four independently obtained NAC016 overexpressing transgenic plant leaves (Fig. 5A). No phenotypic difference was observed between NAC016 -OX and wild-type plants during the period of nutrition growth up to 4 weeks after germination. However, during the natural aging period, aging of the leaves was promoted in NAC016- OX plants grown for 7 weeks (Fig. 5B). In another experiment, leaves of NAC016 -OX plants grown for 3 weeks were incised to induce cancer-induced senescence. After 4 days of cancer treatment, the degree of senescence of the plant was investigated. As a result, it was confirmed that the leaf of NAC016 -OX plant aged more rapidly than the wild type (FIG. 5C), indicating that chlorophyll content was lower in NAC016 -OX plant leaf (Fig. 5D). These results suggest that chlorophyll degradation during leaf senescence is highly correlated with expression of NAC016 gene.

실시예 5. NAC016 전사인자의 senNAC 및 SAG 발현 수준 조절Example 5. Regulation of SenNAC and SAG Expression Levels of NAC016 Transcription Factor

nac016 돌연변이체 잎의 노화지연 및 NAC016-OX 식물체 잎의 노화 촉진 메커니즘을 분자수준에서 규명하기 위해, RT-qPCR 분석법을 이용하여 노화 관련 유전자 (SAG)의 발현 정도를 조사하였다. 4주 정도 키운 후 암 처리한 야생형, nac016-1 돌연변이체 및 NAC016-OX 식물체에서 senNAC로 알려진 유전자 중 5개 유전자 (NAC029/NAP, NAC042/JUB1, NAC059/ORS1, NAC083/VNI2NAC092/ORE1)를 선택하여 이들의 발현 수준을 조사하였다 (도 6A-E). 상기 5개 유전자들은 야생형의 경우 4일간의 암 처리에서 발현이 증가하는 것으로 이미 알려져있다. 야생형과 비교했을 때, nac016-1 돌연변이체는 이들 유전자의 발현이 현저하게 감소하고, NAC016-OX 식물체에서는 발현이 증가하는 것이 확인되었다 (도 6B). 다음으로, 엽록소 분해 효소 유전자인 SGR1, PPH 및 NYC1과 senWRKY 유전자인 WRKY22와 같은 노화 관련 유전자 (SAG)의 발현양을 조사하였다 (도 6F-I). 상기 조사한 5개 senNAC 유전자의 발현패턴과 유사하게, 4개의 노화관련 유전자 (SGR1, PPH, NYC1 및 WRKY22)들의 발현이 nac016-1 돌연변이체에서는 현저하게 감소하였고, 이와 반대로 NAC016-OX 식물체에서는 높게 증가한 것을 확인하였다. In order to elucidate the aging delay of nac016 mutant leaves and the mechanism of aging promotion of NAC016 -OX plant leaves at the molecular level, the expression level of aging-related gene (SAG) was examined using RT-qPCR assay. ( NAC029 / NAP , NAC042 / JUB1 , NAC059 / ORS1 , NAC083 / VNI2 and NAC092 / ORE1 ) among the genes known as senNAC in the wild type, nac016-1 mutant and NAC016- Were selected to investigate their expression levels (Fig. 6A-E). These five genes are known to increase expression in cancer treatment for 4 days in the wild type. Compared to the wild type, the nac016-1 mutant showed markedly decreased expression of these genes and increased expression in NAC016- OX plants (Fig. 6B). Next, we examined the expression levels of aging-related genes (SAG) such as chlorophyllase genes SGR1, PPH and NYC1 and senWRKY gene WRKY22 (FIG. 6F-I). Similar to the expression pattern of the five senNAC genes examined above, the expression of four senescence-related genes (SGR1, PPH, NYC1 and WRKY22) was markedly decreased in the nac016-1 mutant, while in the NAC016- OX plant, Respectively.

또한, 노화 관련 유전자들이 NAC016 유전자 발현에 영향을 주는지 알아보기 위해서 암 처리 후 노화관련 유전자 nyc1, pph, wrky22, napore1 돌연변이체에서 NAC016 유전자의 발현을 조사하였다. 4일간 암 처리 후 NAC016 유전자의 발현 수준을 측정했을 때, ore1 돌연변이체에서는 NAC016 유전자 발현이 약 50% 정도 감소하였으나, 다른 노화 관련 유전자 돌연변이체에서는 발현양의 차이가 없는 것으로 나타났다 (데이터 미제시). 이러한 결과들은 NAC016이 노화 관련 주요 유전자들의 상위 (upstream)에서 작용하여 그들의 발현양을 증가시킴으로써 잎의 노화를 촉진시킨다는 것을 제시한다.
We also examined the expression of the NAC016 gene in the senescence-related genes nyc1 , pph , wrky22 , nap and ore1 mutants after cancer treatment to determine whether aging-related genes affect NAC016 gene expression. When the expression level of NAC016 gene was measured after 4 days of cancer treatment, the expression of NAC016 gene was decreased by about 50% in the orel mutants, but the expression level was not different in the other senescence mutants (data not shown) . These results suggest that NAC016 acts at the upstream of major genes related to senescence and promotes leaf senescence by increasing their expression level.

실시예Example 6.  6. nac016nac016 돌연변이체의 염 스트레스 및 Mutant salt stress and HH 22 OO 22 에 의한 산화 스트레스 저항성Oxidative stress resistance

NAC016 유전자 발현이 염 스트레스에도 반응하는지 알아보기 위해, 4주된 야생형 (Col-0) 식물체에서 잎을 절개해서 염 스트레스 처리를 하였다. 그 결과 염분 처리 1일 후에 NAC016 유전자 발현양이 유의하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다 (데이터 미제시). 따라서 NAC016 유전자의 발현 기작이 산화 및 염 스트레스 신호전달 경로와 관련이 있을 것으로 예상하고, 염 및 산화 스트레스 조건에서 nac016-1NAC016-OX의 잎 색깔 변화를 조사하였다. 4주 동안 키운 야생형 (control), nac016-1 NAC016-OX 식물체에서 절개한 잎을 150 mM NaCl에 5일간 (도 8A 및 도8B) 또는 20 mM H2O2에 2일간 (도 8C, D) 처리하였다. 그 결과, nac016-1 돌연변이체는 총 엽록소 양을 높게 보유하여 잎의 녹색을 유지하였고, NAC016-OX 잎은 2가지 스트레스 처리조건 모두에서 대조구인 야생형 (control)에 비해 낮은 엽록소를 보유하는 것으로 나타났으며, 잎도 일찍 노화하였다. 이것은 NAC016이 산화 및 염 스트레스 신호전달 경로에 연관되어 있음을 보여준다.
To determine whether NAC016 gene expression was also responsive to salt stress, leaves were cut and treated with salt stress in 4-week-old wild-type (Col-0) plants. As a result, it was confirmed that the amount of NAC016 gene expression was significantly increased after 1 day of salting treatment (data not shown). Therefore, we anticipate that the expression mechanism of NAC016 gene may be related to oxidative and salt stress signaling pathways, and the leaf color changes of nac016-1 and NAC016- OX under salt and oxidative stress conditions were examined. 8C and D ) in 150 mM NaCl (Figs. 8A and 8B) or 20 mM H 2 O 2 for 2 days (Figs. 8C and 8B) in the leaves cut from the wild type control nac016-1 and NAC016- ). As a result, the nac016-1 mutant retained the total chlorophyll content and maintained the greenness of the leaves, while the NAC016 -OX leaves showed lower chlorophyll content than the wild type control (control) in both stress treatment conditions The leaves were aged early. This shows that NAC016 is involved in the oxidative and salt stress signaling pathways.

실시예 7. 효모 단일 혼성화 (Yeast one-hybrid) 분석을 통한 NAC016 단백질의 결합 활성 분석Example 7. Analysis of binding activity of NAC016 protein by yeast one-hybrid analysis

NAC016 단백질의 노화 촉진 전사인자로서의 조절 기능을 더 잘 이해하기 위해서는 NAC016이 잎의 노화를 촉진하는 어떤 표적 유전자를 조절하는지 밝히는 것이 필수적이다. ORE1SINA1, BFN1SAG29 등을 포함하는 여러 SAG의 프로모터에 결합하여 발현양을 증가시키는 것으로 알려져있다 (Matallana-Ramirez et al., Plant Signal. Behav. 5: 733-735, 2013). 또한, DNA 마이크로어레이 분석을 통해 VNI1ORE1에 의해 조절되는 후보 표적 유전자로 제시되었다 (Rauf et al., EMBO Rep. 14: 382-388, 2013). 이는 잎 노화의 유전적 프로그램에서 senNAC-senNAC 간 조절 캐스케이드 (regulatory cascade)가 존재할 가능성을 말해준다. RT-qPCR 실험 결과, 암 처리 노화 유발 조건에서 5개 senNAC 유전자 (NAP, JUB1, ORS1, VNI2ORE1)의 발현양이 nac016-1 돌연변이체 잎에서는 줄어들었고, NAC016-OX 식물체의 잎에서는 증가하였다 (도 6A-E). 따라서, NAC016 전사인자가 이 유전자들의 프로모터에 결합하여 유전자 발현을 증가시키고, 잎의 노화를 촉진하는 것으로 판단되었다. 이를 확인하고자 효모 단일 혼성화 분석을 통해 NAC016이 상기 5개 seneNAC 유전자의 프로모터에 결합하는지 여부를 조사했다. 그 결과, NAC016이 NAPORS1의 프로모터에 결합하는 것을 확인하였다 (도 9A). 이는 노화를 촉진하는 senNAC 전사인자인 NAPORS1 유전자의 발현이 잎 노화 조절 기작에서 NAC016에 의해 직접적으로 조절되는 목표 유전자라는 것을 말해준다. 이에 대한 조절 기작을 더 보강하기 위해 자연적 및 암 처리 노화 조건에서 녹색 지속성 (stay-green)을 보이는 nap 돌연변이체를 이용하여 추가의 실험을 수행하였다. 5일간의 염 (150 mm NaCl) 스트레스 (도 9B) 및 2 일간의 산화 (20 mM H2O2) 스트레스 (도 9C) 처리에 의한 노화 유발조건에서 nap 돌연변이체에서 절개한 잎이 nac016 돌연변이체에서 절개한 잎과 비슷한 녹색 지속 표현형을 나타내는지 조사하였다. 그 결과, nap 돌연변이체의 잎 또한 nap016 -1 돌연변이체의 잎과 매우 유사한 녹색 지속성을 나타냈다 (도 8 및 도 9B 및 도 9C). 이는 잎의 노화 진전과 동시에 염 및 산화 스트레스 반응회로에서 NAP016-NAP 조절 캐스케이드가 존재한다는 것을 의미한다.In order to better understand the regulation function of the NAC016 protein as an aging-promoting transcription factor, it is essential to identify which target gene NAC016 regulates the senescence of the leaf. ORE1 is known to bind to several SAG promoters including SINA1 , BFN1, and SAG29 to increase the expression level (Matallana-Ramirez et al ., Plant Signal. Behav. 5: 733-735, 2013). In addition, DNA microarray analysis revealed VNI1 as a candidate target gene regulated by ORE1 (Rauf et al ., EMBO Rep. 14: 382-388, 2013). This suggests that there is a regulatory cascade between senNAC-senNAC in the genetic program of leaf senescence. In RT-qPCR experiments, the expression levels of five senNAC genes ( NAP , JUB1 , ORS1 , VNI2 and ORE1 ) were decreased in the nac016-1 mutant leaves and increased in the NAC016 -OX leaves in the cancer-induced senescence inducing conditions (Figs. 6A-E). Therefore, NAC016 transcription factors bind to the promoters of these genes to increase gene expression and promote leaf senescence. To confirm this, we investigated whether NAC016 binds to the promoters of the 5 sene NAC genes through yeast single hybridization analysis. As a result, it was confirmed that NAC016 binds to promoters of NAP and ORS1 (FIG. 9A). This suggests that the expression of senNAC transcription factors, NAP and ORS1 , which promote senescence, is the target gene directly regulated by NAC016 in the senescence regulating mechanism of the leaves. Additional experiments were performed using nap mutants that showed green-stay-green in natural and cancer-treated aging conditions to further reinforce their regulatory mechanisms. This leaves the incision in the nap mutants in the senescence-induced conditions by salt for 5 days (150 mm NaCl) stress (Fig. 9B) and oxidation of 2 days (20 mM H 2 O 2) stress (Fig. 9C) processing nac016 mutant Like green leaf phenotype. As a result, the leaves of the nap mutant also exhibited a very similar green persistence and leaves of nap016 -1 mutant (FIG. 8 and FIG. 9B and 9C). This means that the NAP016-NAP regulatory cascade is present in the salt and oxidative stress response circuits at the same time as the senescence progression of the leaves.

<110> SNU R&DB FOUNDATION <120> Method for producing functional stay-green transgenic plant with increased resistance to abiotic stresses using NAC016 gene and the plant thereof <130> PN13266 <160> 36 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 1898 <212> DNA <213> Arabidopsis thaliana <400> 1 atggttgatt cttctcgtga ttcgtgtttc aaagctggta agtttagtgc tccaggtttt 60 cgatttcacc ctactgatga agagcttgtg gtttattatc ttaagaggaa gatctgttgt 120 aaaaaacttc gagtcaatgc cattggtgtc gttgatgttt acaaagtcga tccttctgaa 180 ttgcctggta attttcaaca ccttcttatc gattttgatt catgtctatc gatgttgaag 240 acgggagata gacagtggtt ctttttcact ccaaggaata ggaagtatcc taacgcagct 300 aggtcaagta gaggtactgc aactggttat tggaaggcga caggaaagga tcgagtcatt 360 gagtacaatt caagatctgt tggactcaag aagactcttg ttttctatag aggtcgtgct 420 cctaatggtg agagaactga ctgggtgatg catgagtaca ctatggatga agaagagcta 480 gggagatgta agaacgctaa ggagtattat gctctttata agctttataa gaagagtggg 540 gctggtccta agaatggtga acagtatggt gctccgttcc aagaagaaga atgggttgat 600 agtgatagtg 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Leu Asn Gln 500 505 510 Thr Phe Val Arg Met Ser Ser Phe Ser Arg Ile Arg Phe Asn Gly Thr 515 520 525 Ser Val Thr Ser Arg Lys Val Thr Val Ala Lys Lys Arg Ile Ser Asn 530 535 540 Arg Gly Phe Leu Leu Leu Ser Ile Met Gly Ala Leu Cys Ala Ile Phe 545 550 555 560 Trp Val Phe Lys Ala Thr Val Gly Val Met Gly Arg Pro Leu Leu Ser 565 570 575 <210> 3 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 3 atggttgatt cttctcgtga ttcgtg 26 <210> 4 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 4 tcacgacaag agaggtcttc ccataac 27 <210> 5 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 5 cagacacctg agaaccagct t 21 <210> 6 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 6 caccattttg tccttccttg t 21 <210> 7 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 7 tccatcatcc cagaagttga 20 <210> 8 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 8 ggtttggtct gactccgttt 20 <210> 9 <211> 20 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Leu Lys  65 70 75 80 Thr Gly Asp Arg Gln Trp Phe Phe Phe Thr Pro Arg Asn Arg Lys Tyr                  85 90 95 Pro Asn Ala Ala Arg Ser Ser Arg Gly Thr Ala Thr Gly Tyr Trp Lys             100 105 110 Ala Thr Gly Lys Asp Arg Val Ile Glu Tyr Asn Ser Arg Ser Val Gly         115 120 125 Leu Lys Lys Thr Leu Val Phe Tyr Arg Gly Arg Ala Pro Asn Gly Glu     130 135 140 Arg Thr Asp Trp Val Met His Glu Tyr Thr Met Asp Glu Glu Glu Leu 145 150 155 160 Gly Arg Cys Lys Asn Ala Lys Glu Tyr Tyr Ala Leu Tyr Lys Leu Tyr                 165 170 175 Lys Lys Ser Gly Ala Gly Pro Lys Asn Gly Glu Gln Tyr Gly Ala Pro             180 185 190 Phe Gln Glu Glu Glu Trp Val Asp Ser Asp Ser Glu Asp Ala Asp Ser         195 200 205 Val Ala Val Pro Asp Tyr Pro Val Val Arg Tyr Glu Asn Gly Pro Cys     210 215 220 Val Asp Asp Thr Lys Phe Cys Asn Pro Val Lys Leu Gln Leu Glu Asp 225 230 235 240 Ile Glu Lys Leu Leu Asn Glu Ile Pro Asp Ala Pro Gly Val Asn Gln                 245 250 255 Arg Gln Phe Asp Glu Phe Val Gly Val Pro Gln Gly Asn Ser Ala Glu             260 265 270 Val Ile Gln Ser Thr Leu Leu Asn Asn Ser Ser Gly Glu Tyr Ile Asp         275 280 285 Pro Arg Thr Asn Gly Met Phe Leu Pro Asn Gly Gln Leu Tyr Asn Arg     290 295 300 Asp Ser Ser Phe Gln Ser His Leu Asn Ser Phe Glu Ala Thr Ser Gly 305 310 315 320 Met Ala Pro Leu Leu Asp Asn Glu Lys Glu Glu Tyr Ile Glu Met Asn                 325 330 335 Asp Leu Leu Ile Pro Glu Leu Gly Ala Ser Ser Thr Glu Lys Ser Thr             340 345 350 Glu Phe Leu Asn His Gly Glu Phe Gly Asp Val Asn Glu Tyr Asp Gln         355 360 365 Leu Phe Asn Asp Ile Ser Val Phe Gln Gly Thr Ser Thr Asp Leu Ser     370 375 380 Cys Leu Ser Asn Phe Thr Asn Asn Thr Ser Gly Gln Arg Gln Gln Leu 385 390 395 400 Leu Tyr Glu Gln Phe Gln Tyr Gln Thr Pro Glu Asn Gln Leu Asn Asn                 405 410 415 Tyr Met His Pro Ser Thr Thr Leu Asn Gln Phe Thr Asp Asn Met Trp             420 425 430 Phe Lys Asp Asp Gln Ala Leu Tyr Val Gln Pro Pro Gln Ser Ser         435 440 445 Ser Gly Ala Phe Thr Ser Gln Ser Thr Gly Val Met Pro Glu Ser Met     450 455 460 Asn Pro Thr Met Ser Val Asn Pro Gln Tyr Lys Glu Gly Gln Asn Gly 465 470 475 480 Gly Gly Thr Arg Ser Gln Phe Ser Ser Ala Leu Trp Glu Leu Leu Glu                 485 490 495 Ser Ile Pro Ser Thr Pro Ala Ser Ala Cys Glu Gly Pro Leu Asn Gln             500 505 510 Thr Phe Val Arg Met Ser Ser Phe Ser Arg Ile Arg Phe Asn Gly Thr         515 520 525 Ser Val Thr Ser Arg Lys Val Thr Val Ala Lys Lys Arg Ile Ser Asn     530 535 540 Arg Gly Phe Leu Leu Leu Ser Ile Met Gly Ala Leu Cys Ala Ile Phe 545 550 555 560 Trp Val Phe Lys Ala Thr Val Gly Val Met Gly Arg Pro Leu Leu Ser                 565 570 575 <210> 3 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 3 atggttgatt cttctcgtga ttcgtg 26 <210> 4 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 4 tcacgacaag agaggtcttc ccataac 27 <210> 5 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 5 cagacacctg agaaccagct t 21 <210> 6 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 6 caccattttg tccttccttg t 21 <210> 7 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 7 tccatcatcc cagaagttga 20 <210> 8 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 8 ggtttggtct gactccgttt 20 <210> 9 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 9 tggaaagcca ctggtattga 20 <210> 10 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 10 atcggttttg gtgcctttac 20 <210> 11 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 11 gtttacctcc gctgatggat t 21 <210> 12 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 12 tcttgtcatc ggttgtttgg t 21 <210> 13 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 13 ctacaaaggc aaaccacctc a 21 <210> 14 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 14 cgttcttgtt accggctctt t 21 <210> 15 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 15 aatgaagctg ttgcttgacg 20 <210> 16 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 16 agaaattcca aacgcaatcc 20 <210> 17 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 17 tgggcaaata ggctataccg 20 <210> 18 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 18 ccaccgctta tgtgacaatg 20 <210> 19 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 19 tctcacgtat tgtggaggtc a 21 <210> 20 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 20 ccaccgctta tgtgacaatg 20 <210> 21 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 21 gttaacagac gcgatggaga 20 <210> 22 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 22 gcctggaaaa gagctaggtg 20 <210> 23 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 23 tacggacaga aacccatcaa 20 <210> 24 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 24 catcttcggg tcggatctat 20 <210> 25 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 25 gaattcatgg ttgattcttc tc 22 <210> 26 <211> 19 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 26 ggatcctcac gacaagaga 19 <210> 27 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 27 gaattcagac aaagatagga g 21 <210> 28 <211> 17 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 28 gtcgacggag acgatac 17 <210> 29 <211> 23 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 29 gtcgacttgg aatgcagttg aag 23 <210> 30 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 30 ctcgagtgat gataaaggcg ca 22 <210> 31 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 31 gaattcctac tacgttacaa c 21 <210> 32 <211> 23 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 32 gtcgacttgt ttttactcct tta 23 <210> 33 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 33 gaattccctt atcaaaacaa ga 22 <210> 34 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 34 gtcgacattc gtgcatga 18 <210> 35 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 35 cttaagttat atgtaaccat gtgaac 26 <210> 36 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer <400> 36 cagctgagct cttcctttat ag 22

Claims (10)

식물에서 애기장대 유래의 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자의 발현을 억제하는 단계를 포함하는 기능성 녹색 지속 (functional stay-green) 형질을 가지거나 비생물적 스트레스 내성이 증가된 식물체의 제조 방법.A method for the production of a plant having a functional stay-green trait or increased abiotic stress tolerance, comprising the step of inhibiting the expression of a gene encoding a NAC016 protein from Arabidopsis in a plant. 제1항에 있어서, 상기 기능성 녹색지속 형질은 종자 등숙 기간 동안 녹색 및 광합성 능력을 동시에 유지하여 수확량이 증가하는 것을 특징으로 하는 식물체의 제조 방법.2. The method of claim 1, wherein the functional green persistent trait maintains green and photosynthetic ability simultaneously during seed ripening to increase yield. 제1항에 있어서, 상기 NAC016 단백질은 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진 것을 특징으로 하는 식물체의 제조 방법.2. The method according to claim 1, wherein the NAC016 protein comprises the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. 제1항에 있어서, 상기 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자의 발현 억제는 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자에 T-DNA를 삽입하여 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자의 발현을 억제하는 것을 특징으로 하는 식물체의 제조 방법.2. The method according to claim 1, wherein the expression of the gene encoding the NAC016 protein is inhibited by inserting T-DNA into the gene encoding the NAC016 protein to inhibit the expression of the gene encoding the NAC016 protein. 제1항에 있어서, 상기 비생물적 스트레스는 염 또는 산화 스트레스인 것을 특징으로 하는 식물체의 제조 방법.The method according to claim 1, wherein the abiotic stress is salt or oxidative stress. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 기능성 녹색 지속 (functional stay-green) 형질을 가지거나 비생물적 스트레스 내성이 증가된 식물체.6. A plant having a functional green-persistent trait or increased abiotic stress tolerance produced by the method of any one of claims 1 to 5. 제6항에 있어서, 상기 식물체는 쌍자엽 식물인 것을 특징으로 하는 식물체.7. The plant according to claim 6, wherein the plant is a dicotyledonous plant. 제6항에 따른 식물체의 종자.A seed of a plant according to claim 6. 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진 애기장대 유래의 NAC016 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는, 식물체의 노화 및 비생물적 스트레스 저항성 조절용 조성물.A composition for regulating senescence and abiotic stress resistance of a plant, comprising a gene encoding a NAC016 protein derived from Arabidopsis thaliana comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. 제9항에 있어서, 상기 비생물적 스트레스는 염 또는 산화 스트레스인 것을 특징으로 하는 조성물.10. The composition of claim 9, wherein the abiotic stress is salt or oxidative stress.
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