KR20200000271A - CaDIL1 gene and the method for improving the resistance to the drought stress using CaDIL1 gene - Google Patents

CaDIL1 gene and the method for improving the resistance to the drought stress using CaDIL1 gene Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a novel Capsicum annuum drought induced late embryogenesis abundant 1 (CaDIL1) gene derived from a variety of green chili peppers, proteins, and a method for improving the dry stress resistance of plants using the same. The present invention identifies CaDIL1 genes which encrypt proteins for improving resistance to dry stress, CaDIL1 proteins can serve as a positive regulator of abscisic acid (ABA) signal transmittance, and it is confirmed that transgenic plants in which the proteins are overexpressed have improved dry stress resistance. Accordingly, the adjustment of the expression of CaDIL1 genes can be used in improvements of crops available for humankinds, and in particular, can be expected to be useful in increasing productivity of plants.

Description

CaDIL1 유전자 및 이를 이용한 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진방법 {CaDIL1 gene and the method for improving the resistance to the drought stress using CaDIL1 gene}CaDIL1 gene and the method for improving the resistance to the drought stress using CaDIL1 gene}

본 발명은 고추 녹광품종 유래 신규 유전자, 단백질, 및 이를 이용한 식물체의 건조 스트레스 저항성을 증진시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel gene, protein, and method for enhancing the dry stress resistance of plants using the same.

가뭄은 식물 성장을 제한하고 농작물 생산성에 큰 영향을 주는 주요한 비 생물적 스트레스 중 하나이다. 식물은 삼투압 스트레스를 유발하고 식물 조직에 심각한 손상을 초래하는 가뭄 스트레스에 자주 노출된다. 가뭄 스트레스에 적응하기 위해 식물은 기공 폐쇄(stomatal closure) 및 유전자 발현 재 프로그래밍(reprogramming of gene expression)을 포함하여 생리적 및 분자적 변화를 나타낸다. 가뭄 스트레스에 대한 적응 반응은 밝혀졌지만, 기능적 변형의 정확한 메커니즘(mechanism)은 세포 수준뿐만 아니라 전체 식물 수준에서의 복잡성과 다양성 때문에 명확하지 않다.Drought is one of the major abiotic stresses that limits plant growth and significantly affects crop productivity. Plants are frequently exposed to drought stress, which causes osmotic stress and serious damage to plant tissue. To adapt to drought stress, plants exhibit physiological and molecular changes, including stomatal closure and reprogramming of gene expression. Although the adaptive response to drought stress has been revealed, the exact mechanism of functional transformation is not clear because of the complexity and diversity at the whole plant level as well as at the cellular level.

LEA(late embryogenesis abundant) 단백질은 박테리아, 효모, 균류 및 많은 종의 관속 식물(vascular plant)에 존재한다. LEA 단백질은 성장과 발달에서 스트레스 반응에 이르기까지 다양한 생물학적 과정에서 역할을 한다. 관속 식물에서 LEA 단백질은 늦은 태아 기원 단계 및 가뭄 스트레스 조건 하에서 식물성 기관에서 배아에서 높게 발현되며, 이러한 단백질이 물 제한에 적응할 수 있는 역할을 한다는 것을 나타낸다. 이전 연구에 따르면 일부 LEA 단백질은 아브시스산(abscisic acid, ABA) 신호 전달에 관여하고 스트레스, 특히 삼투압에 대해 세포를 보호한다. 예를 들어, OsLEA5의 과발현은 가뭄과 높은 염분에 대한 내성을 부여하며, LEA3와 RAB16D는 물 부족 상태에 대한 적응 반응에 관여한다. 이 단백질들은 친수성 아미노산으로 구성되어 있으며 아미노산 서열 유사성과 상응하는 mRNA 상동성에 기초한 7개의 그룹으로 분류되는 다중 유전자 패밀리를 구성한다. 그룹 3은 전형적인 LEA 단백질을 포함하는데, 이는 친수성 특성을 나타내며 LEA 단백질의 다른 그룹보다 상당히 다양하다. 그룹 3 LEA 단백질의 정확한 기능은 완전히 확인되지 않았지만, 이전 연구들은 식물에서뿐만 아니라 몇몇 비식물 유기체에서 가뭄 스트레스에 의해 그 발현이 유도된 것으로 나타났다.Late embryogenesis abundant (LEA) proteins are present in bacteria, yeasts, fungi and many species of vascular plants. LEA proteins play a role in a variety of biological processes, from growth and development to stress responses. In vascular plants, LEA proteins are highly expressed in embryos in plant organs under late fetal origin and drought stress conditions, indicating that these proteins play an adaptive role in water restriction. Previous studies have shown that some LEA proteins are involved in the transmission of abscisic acid (ABA) and protect cells against stress, especially osmotic pressure. For example, overexpression of OsLEA5 confers resistance to drought and high salinity, while LEA3 and RAB16D are involved in adaptive responses to water deprivation. These proteins consist of hydrophilic amino acids and constitute a multiple gene family classified into seven groups based on amino acid sequence similarity and corresponding mRNA homology. Group 3 contains typical LEA proteins, which exhibit hydrophilic properties and are significantly more diverse than other groups of LEA proteins. Although the exact function of the Group 3 LEA protein has not been fully identified, previous studies have shown that its expression is induced by drought stress in plants as well as in some non-plant organisms.

아브시스산(abscisic acid, ABA)은 가뭄 스트레스에 대한 세포 적응 반응에 중요한 역할을 하는 식물 호르몬이다. 가뭄 스트레스 조건에서 아브시스산(ABA)의 생합성과 축적이 증가하고 적응 반응과 관련된 신호 전달 경로가 시작된다. 많은 수의 유전자가 아브시스산(ABA)에 의해 조절되고 ABA 신호 전달 경로와 관련된다. 예를 들어, 애기장대(Arabidopsis) 유전자의 10 % 이상이 아브시스산(ABA)에 의해 유도된다 가장 잘 알려진 반응은 보호 세포로부터 양이온과 음이온의 유출을 통한 아브시스산(ABA) 매개 기공 폐쇄이다. 이는 가뭄 스트레스 조건 하에서 식물 생존에 필수적인 증발량을 감소시킨다. 따라서 아브시스산(ABA) 결핍 돌연변이는 가뭄 스트레스에 과민성인 표현형을 나타낸다. 대조적으로, 아브시스산(ABA) 과민성 표현형을 나타내는 돌연변이는 가뭄 내성을 나타낸다. 또한 가뭄 스트레스에 대한 적응 반응과 관련된 많은 유전자가 아브시스산(ABA)에 의해 조절된다. 아브시스산(ABA) 수준은 가뭄 스트레스 조건 하에서 식물 조직에서 증가하여 NCED3, RD29B, RAB18 및 RD20과 같은 많은 스트레스 관련 유전자의 발현을 유도한다. 현재까지 식물체의 건조 스트레스에 대한 저항성을 증진시키기 위한 방법이 주요 연구 대상이 되고 있으나, 이와 관련하여 아브시스산(ABA) 매개 건조 스트레스 저항 및 생장 촉진 관련 유전자와 이에 따른 형질전환 식물체에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미비한 실정이다.Abscisic acid (ABA) is a plant hormone that plays an important role in the cellular adaptation to drought stress. Under drought stress conditions, the biosynthesis and accumulation of absic acid (ABA) increases and signal transduction pathways associated with adaptive responses begin. A large number of genes are regulated by absic acid (ABA) and are involved in the ABA signaling pathway. For example, more than 10% of Arabidopsis genes are induced by Abbasic Acid (ABA). The best known reaction is Abs Acid (ABA) mediated pore closure through the release of cations and anions from protective cells. . This reduces the amount of evaporation necessary for plant survival under drought stress conditions. Abs acid (ABA) deficient mutations therefore exhibit a phenotype that is hypersensitive to drought stress. In contrast, mutations exhibiting the absic acid (ABA) hypersensitivity phenotype show drought tolerance. In addition, many genes involved in the adaptive response to drought stress are regulated by absic acid (ABA). Abbic acid (ABA) levels increase in plant tissues under drought stress conditions to induce the expression of many stress related genes such as NCED3, RD29B, RAB18 and RD20. Until now, a method for improving the resistance to dry stress of plants has been the main research subject, but related studies on genes related to Abs acid (ABA) mediated dry stress resistance and growth promotion and the resulting transgenic plants It is happening, but it is still inadequate.

한국 등록특허공보 제10-1678859호(공고일:2016.11.17)Korean Patent Publication No. 10-1678859 (Notice Date: 2016.11.17)

본 발명자들은 아브시스산(ABA) 신호전달 경로 조절을 통한 건조 스트레스 반응간의 관련성을 알아보기 위해 연구하던 중, 고추에서 CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) 유전자를 동정하였으며, 상기 유전자가 식물의 건조 스트레스 저항성을 증진시키는 아브시스산(ABA) 신호전달의 양성 조절자로서 기능함을 규명함으로써 본 발명을 완성하였다.The present inventors identified CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) gene in red pepper, while studying to investigate the relationship between dry stress response through the regulation of the ABA signaling pathway. The present invention was completed by elucidating that it functions as a positive regulator of absic acid (ABA) signaling that enhances dry stress resistance.

이에, 본 발명의 목적은 건조 스트레스에 대한 저항성을 증진시키는 단백질을 암호화하며, 서열번호 1의 염기서열로 이루어진 CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) 유전자, 상기 CaDIL1 유전자에 의해 암호화되는 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진 CaDIL1 단백질을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to encode a protein that enhances resistance to dry stress, CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) gene consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: encoded by the CaDIL1 gene It is an object to provide a CaDIL1 protein consisting of the amino acid sequence of 2.

본 발명의 다른 목적은 신규의 CaDIL1 유전자/ 단백질, 및 상기 유전자 또는 단백질을 유효성분으로 포함하는 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진용 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a novel CaDIL1 gene / protein and a composition for enhancing the dry stress resistance of a plant comprising the gene or protein as an active ingredient.

본 발명의 또 다른 목적은 CaDIL1 유전자를 식물체에 형질 전환하여 과 발현시킴으로써 식물체의 건조 스트레스 저항성을 증진시키는 방법을 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a method of enhancing the dry stress resistance of plants by transforming and overexpressing the CaDIL1 gene in plants.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의해 건조 스트레스 저항성이 증진된 형질전환 식물체를 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a transgenic plant having improved dry stress resistance by the above method.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, another task that is not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 건조 스트레스에 대한 저항성을 증진시키는 단백질을 암호화하며, 서열번호 1의 염기서열로 이루어진 CaDIL1(Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) 유전자, 상기 CaDIL1 유전자에 의해 암호화되는 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진 CaDIL1 단백질을 제공한다. In order to achieve the object of the present invention as described above, the present invention encodes a protein that enhances resistance to dry stress, CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) gene consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, the Provided is a CaDIL1 protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 encoded by the CaDIL1 gene.

또한, 본 발명은 상기 유전자 또는 상기 단백질을 유효성분으로 포함하는, 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진용 조성물을 제공한다.The present invention also provides a composition for enhancing the dry stress resistance of plants, comprising the gene or the protein as an active ingredient.

또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하는, 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a method for enhancing dry stress resistance of a plant, comprising the following steps.

(a) CaDIL1 단백질을 암호화하는 서열번호 1의 유전자를 식물체에 형질전환 하는 단계; 및(a) transforming a plant with a gene of SEQ ID NO: 1 encoding a CaDIL1 protein; And

(b) 상기 형질전환된 식물체에서 CaDIL1 단백질을 과발현시키는 단계.(b) overexpressing CaDIL1 protein in the transformed plant.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 건조 스트레스 저항성이 증진된 형질전환 식물체를 제공한다.The present invention also provides a transgenic plant having improved dry stress resistance by the above method.

또한, 본 발명은 후보 물질을 처리한 후, CaDIL1(Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) 단백질의 과발현 여부를 측정하는 단계를 포함하는, 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진제 스크리닝 방법을 제공한다. In another aspect, the present invention provides a method for screening a dry stress resistance enhancer of plants, comprising measuring the overexpression of CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) protein after treating the candidate substance.

본 발명은 건조 스트레스에 대한 저항성 증진 단백질을 암호화 하는 신규 CaDIL1 유전자를 동정하였으며, CaDIL1 단백질은 아브시스산(ABA) 신호전달의 양성 조절자로 기능하며 상기 단백질이 과 발현된 형질전환 식물체에서 건조 스트레스 저항성 증진 효과를 확인하였는바, CaDIL1 유전자의 발현 조절을 통해 인류가 이용할 수 있는 작물 등의 개량에 활용할 수 있으며, 특히 식물의 생산성을 향상시키는데 유용하게 이용할 수 있을 것으로 기대된다. The present invention has identified a novel CaDIL1 gene encoding a protein that enhances resistance to dry stress, and the CaDIL1 protein functions as a positive regulator of absic acid (ABA) signaling and is resistant to dry stress in transgenic plants expressing the protein. As it was confirmed that the enhancement effect, the expression of the CaDIL1 gene can be used to improve the crops and the like that can be used by humans, and is expected to be particularly useful for improving the productivity of plants.

도 1a는 고추녹광품종 유래 CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1)과 LEA3 단백질의 다중 서열 정렬 결과를 나타낸 것이다.
도 1b는 CaDIL1 단백질의 계통수 트리 분석(Phylogenetic tree analysis) 결과를 나타낸 것이다.
도 2a는 가뭄 및 아브시스산(ABA) 처리 후 CaDIL1 유전자의 발현 수준을 나타낸다.
도 2b는 CaDIL1 단백질의 식물 세포 내 위치를 확인한 결과를 나타낸다.
도 3a는 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물과 내부대조군 액틴 1(Actin 1; CaACT1)간의 전사축적량 차이를 나타낸다.
도 3b는 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물의 가뭄 감수성(susceptibility)에 대한 관찰 이미지를 보여준다(탈수 전(왼쪽), 탈수 후(중간) 및 탈수 후 다시 물주기(rewatering) 후 2일 (오른쪽)).
도 3c는 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물(TRV2:CaDIL1)과 대조군 잎(TRV2:00)의 수분 손실률을 나타낸다.
도 3d 및 3e는 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물과 대조군 잎의 기공개도를 나타낸다.
도 3f 및 3g는 CaSIBZ1-침묵(silenced) 고추 식물과 대조군의 잎 온도를 나타낸다.
도 4a는 다양한 농도의 아브시스산(ABA)가 추가된 0.5 × MS(Murashige and Skoog) 배지에서 CaDIL1이 과발현된(CaDIL1-OX) 돌연변이체 및 야생형 (WT) 식물체의 발아율을 나타낸다.
도 4b 및 4c는 CaDIL1이 과발현된(CaDIL1-OX) 돌연변이체 및 아브시스산(ABA)에 노출된 야생형 식물의 묘종(seeding) 개발 결과를 나타낸다(플레이팅(plating) 후 5일에 촬영되었고(b) 넓어진 떡잎(expanded cotyledons)이 있는 각 라인의 모종 수를 기록(c)).
도 4d 및 도 4e는 아브시스산(ABA)에 노출된 야생형 및 형질 전환 계통의 일차 뿌리 신장(Primary root elongation) 결과를 나타낸다.
도 4f 및 도 4g는 모종 단계에서 CaDIL1이 과발현된(CaDIL1-OX) 식물의 변화된 아브시스산(ABA) 민감도가 종자 발아에 대한 아브시스산(ABA) 효과를 확인한 결과를 나타낸다.
도 5a는 CaDIL1이 과발현된(CaDIL1-OX) 형질전환 애기장대의 가뭄 내성 결과인 식물의 생존율을 나타낸다.
도 5b는 야생형 식물과 형질 전환 식물의 잎에서 얻은 증산수(Transpirational water) 손실율을 나타낸다.
도 5c 및 도 5d는 아브시스산(ABA)로 처리한 야생형 및 CaDIL1이 과발현된(CaDIL1-OX) 식물의 기공 구멍을 현미경으로 촬영한 이미지와 크기를 나타낸다.
도 5e 및 5f는 ABA 처리에 노출된 야생형 및 CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 식물의 촬영 이미지와 잎 온도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 6은 3시간 가뭄 스트레스에 노출된 CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 식물의 가뭄-유도성 유전자의 발현 정도를 정량 역전사 중합 효소 연쇄 반응(qRT-PCR) 통해 확인한 결과를 나타낸다.
도 7은 야생형 (WT) 및 CaDIL1이 과발현된(CaDIL1-OX) 형질전환 계통에서 CaDIL1 발현의 역 전사-중합 효소 연쇄 반응(RT-PCR) 분석 결과를 나타내며, Actin8은 내부 통제 유전자로 사용되었다.
Figure 1a shows the results of multiple sequence alignment of CadIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) and LEA3 protein derived from red pepper green varieties.
FIG. 1B shows the result of Phylogenetic tree analysis of CaDIL1 protein.
FIG. 2A shows the expression level of CaDIL1 gene after drought and absic acid (ABA) treatment.
Figure 2b shows the results of confirming the position of the CaDIL1 protein in the plant cell.
Figure 3a shows the difference in transcription accumulation between CaDIL1-silenced pepper plants and the internal control Actin 1 (Catin1).
FIG. 3B shows observation images of drought susceptibility of CaDIL1-silenced pepper plants (2 days after rewatering before dehydration (left), after dehydration (middle) and after dehydration (right) ).
3C shows the water loss rate of CaDIL1-silenced pepper plants (TRV2: CaDIL1) and control leaves (TRV2: 00).
3D and 3E show pore openings of CaDIL1-silenced pepper plants and control leaves.
3F and 3G show the leaf temperatures of CaSIBZ1-silenced pepper plants and controls.
4A shows germination rates of CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) mutants and wild-type (WT) plants in 0.5 × MS (Murashige and Skoog) medium with varying concentrations of absic acid (ABA).
4B and 4C show the results of seeding development of wild-type plants exposed to CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) mutants and absic acid (ABA) (taken at 5 days after plating) b) Record the number of seedlings in each line with expanded cotyledons (c)).
4D and 4E show primary root elongation results of wild-type and transgenic lines exposed to absic acid (ABA).
4F and 4G show the results of confirming the effect of absic acid (ABA) on seed germination with the altered absic acid (ABA) sensitivity of CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) plants in the seedling stage.
Figure 5a shows the survival rate of plants as a result of drought tolerance of transgenic Arabidopsis overexpressed CaDIL1 (CaDIL1-OX).
Figure 5b shows the rate of Transpirational water obtained from the leaves of wild type plants and transgenic plants.
5C and 5D show microscopic images and size of pore holes of wild-type and CaDIL1-overexpressed (CaDIL1-OX) plants treated with absic acid (ABA).
Figures 5e and 5f show the results of measuring the image and leaf temperature of wild-type and CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) plants exposed to ABA treatment.
Figure 6 shows the results confirmed by the quantitative reverse transcription polymerase chain reaction (qRT-PCR) expression of the drought-induced gene expression of CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) plants exposed to 3 hours drought stress.
7 shows the results of reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) analysis of CaDIL1 expression in wild-type (WT) and CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) transgenic lines, Actin8 being used as an internal control gene.

본 발명자들은, 건조 스트레스 조건에서 CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1)의 발현 증가 및 CaDIL1-침묵(silenced) 고추에서 건조 스트레스에 대한 저항성 감소효과, 기공 폐쇄 기능상실, 및 증발 수분 손실, CaDIL1이 과발현된 형질전환 애기장대에서 아브시스산(abscisic acid, ABA) 민감도 증진효과, 및 건조에 대한 저항성 증진효과를 확인하고, 이에 기초하여 본 발명을 완성하였다. The inventors have found that increased expression of CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) under dry stress conditions and reduced resistance to dry stress in CaDIL1-silenced pepper, loss of pore closure, and loss of evaporated water, CaDIL1 In this overexpressed transgenic Arabidopsis, the effect of enhancing the sensitivity of abscisic acid (ABA), and the effect of enhancing the resistance to drying were confirmed, and based on this, the present invention was completed.

이에, 본 발명은 건조 스트레스에 대한 저항성을 증진시키는 단백질을 암호화하는, 서열번호 1의 염기서열로 이루어진 CaDIL1(Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) 유전자 및 이에 의해 암호화되는 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진 펩타이드를 제공한다.Accordingly, the present invention provides a CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) gene consisting of a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, which encodes a protein that enhances resistance to dry stress, and an amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 encoded thereby. It provides a peptide consisting of.

본 발명의 유전자인 CaDIL1은 바람직하게는 서열번호 1의 염기서열로 이루어져 있으며, 상기 CaDIL1 유전자에 의해 암호화되는 펩타이드는 바람직하게는 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. CaDIL1, which is a gene of the present invention, preferably consists of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, and the peptide encoded by the CaDIL1 gene may be preferably composed of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, but is not limited thereto.

본 발명은 CaDIL1 단백질을 암호화하는 유전자를 식물체에 형질전환하는 단계 및 상기 형질전환된 식물체에서 CaDIL1 단백질을 과발현시키는 단계를 포함하는 식물체의 건조 저항성 증진방법을 제공한다.The present invention provides a method for enhancing the dry resistance of a plant, comprising the step of transforming a gene encoding a CaDIL1 protein into a plant and overexpressing the CaDIL1 protein in the transformed plant.

본 발명에서 CaDIL1 단백질을 인코딩하는 CaDIL1 유전자는 고추 (Capsicum annuum)의 증산 물 손실의 중요한 조절기임을 보여준다. 고추 잎에서 CaDIL1의 발현은 아브시스산(abscisic acid, ABA) 및 가뭄에 노출 된 후에 상향 조절되었다. 표현형 분석에 따르면 CaDIL1-침묵(silenced) 고추와 CaDIL1이 과발현된(CaDIL1-overexpressing, CaDIL1-OX) 식물은 변화된 증산율을 동반하여 가뭄 저항성이 감소하고 강화 된 것으로 나타났다. 또한 아브시스산(ABA) 민감도는 고추 유래 CaDIL1- 침묵(silenced)에서 유의적으로 낮았지만, CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 식물에서 대조군보다 높았다. In the present invention, the CaDIL1 gene encoding the CaDIL1 protein shows that it is an important regulator of the loss of evaporation of capsicum annuum. The expression of CaDIL1 in red pepper leaves was upregulated after exposure to abscisic acid (ABA) and drought. Phenotypic analysis showed that CaDIL1-silenced peppers and CaDIL1-overexpressed plants (CaDIL1-overexpressing, CaDIL1-OX) had drought resistance reduced and enhanced with varying rates of increase. Absitic acid (ABA) sensitivity was also significantly lower in CaDIL1-silenced from red pepper, but CaDIL1 was higher than control in CaDIL1-OX overexpressed plants.

이에, 본 발명은 CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) 단백질이 과발현 되어 건조 스트레스 저항성이 증진된 형질전환 식물체를 제공한다. Accordingly, the present invention provides a transgenic plant in which CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) protein is overexpressed to enhance dry stress resistance.

본 발명의 일실시예에서 건조 스트레스 반응에 관여하는 유전자에 대해 연구하던 중, LEA(late embryogenesis abundant) 단백질인 CaDIL1을 동정하였고(실시예 2 참조), 아브시스산(abscisic acid, ABA)의 민감도가 증가할수록 기공폐쇄를 촉진하여, 건조 저항성을 증진시킬 수 있다는 사실에 기반하여, 아브시스산(ABA) 또는 건조 스트레스와 CaDIL1 유전자간의 연관성을 규명하고자 하였다.In one embodiment of the present invention, while studying the gene involved in the dry stress response, CaDIL1, a late embryogenesis abundant (LEA) protein, was identified (see Example 2), and the sensitivity of abscisic acid (ABA) Based on the fact that the increase of porosity can be promoted by increasing porosity, dryness resistance was investigated, the association between Abs acid (ABA) or dry stress and CaDIL1 gene.

본 발명의 일실시예에서는, CaDIL1 단백질이 핵에서 발현되는 것을 GFP 형광을 통해 확인하였다(실시예 3 참조).In one embodiment of the present invention, it was confirmed by GFP fluorescence that CaDIL1 protein is expressed in the nucleus (see Example 3).

본 발명의 다른 실시예에서는, CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물의 가뭄 내성 감소를 확인하였으며, 그 결과, 가뭄 감수성을 높이는 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물의 높은 증발 속도가 주로 아브시스산(ABA) 감수성의 감소 때문임을 확인하였다(실시예 4 참조). In another embodiment of the present invention, a decrease in drought tolerance of CaDIL1-silenced pepper plants was confirmed. As a result, the high evaporation rate of CaDIL1-silenced pepper plants, which increases drought susceptibility, is mainly caused by abscides (ABA). ) Due to a decrease in sensitivity (see Example 4).

본 발명의 또 다른 실시예에서는, CaDIL1 과발현된 형질전화 애기장대 식물을 통해, CaDIL1의 이소성 발현(ectopic expression)이 애기장대에서 아브시스산(ABA) 과민성을 부여함을 확인하였다(실시예 5 참조). 또한, ABA를 처리한 조건에서 CaDIL1이 과발현된 고추 및 정상대조군 고추 식물의 잎에서 잎 온도, 기공개도, 수분손실률 등을 측정함으로써 CaDIL1 유전자의 과발현에 의한 아브시스산(ABA) 과민성이 가뭄 내성의 증가 효과를 확인하였다(실시예 6 참조).In another embodiment of the present invention, it was confirmed through ectopic expression of CaDIL1 overexpressed transgenic Arabidopsis plants that ectopic expression of CaDIL1 imparts Absmic Acid (ABA) hypersensitivity in Arabidopsis (see Example 5). ). In addition, by measuring the leaf temperature, pore opening, and water loss rate in the leaves of CaDIL1 overexpressed red peppers and normal control pepper plants under the condition of ABA treatment, Abs acid (ABA) hypersensitivity due to overexpression of CaDIL1 gene was drought resistant. The increase effect of was confirmed (see Example 6).

본 발명에서, 바이러스에 의해 유도되는 유전자 침묵 현상인 VIGS(virus-induced gene silencing)는 바이러스 유도 RNA 침묵 (virus-induced RNA silencing)이라고도 불린다. 다양한 식물과 진균, 곤충류, 선충류, 어류, 쥐 등에서 잘 알려진 전사 후 유전자 침묵현상의 일종으로 바이러스가 식물체에 침입하여 복제하는 과정에서 감염 식물체에 바이러스 유전체와 상동성이 있는 내성유전자가 발현될 때 내성유전자와 바이러스 유전체의 발현과 복제가 함께 억제되는 현상이라고 할 수 있다. 즉, 바이러스 게놈의 cDNA에 기주에서 유래된 특정 유전자의 일부 혹은 전체를 삽입하고 감염성 RNA로 제작하여 식물체에 감염시키면, 상응하는 기주의 RNA가 목표가 되어, 감염된 기주 식물체에서는 목적 유전자의 발현이 억제되거나 소실된다. 그 결과 목적 유전자의 기능을 간접적으로 추정할 수 있다. 바이러스 유도 유전자 침묵 (VIGS) 기작은 바이러스에 대항하여 RNA가 매개하는 식물 방어 기작의 일종이라고 알려져 있으며, 1) 전사 후 유전자 침묵 2) RNA 전환 3) 뉴클레오티드 서열 특이성이라는 특징을 가진다.In the present invention, virus-induced gene silencing (VIGS), which is a gene silencing phenomenon induced by a virus, is also called virus-induced RNA silencing. It is a kind of post-transcriptional gene silencing that is well known in various plants, fungi, insects, nematodes, fish, and rats. It is resistant to the expression of resistance genes homologous to the viral genome in infected plants during virus invasion and replication. Expression and replication of genes and viral genomes are suppressed together. That is, when a part or all of a specific gene derived from the host is inserted into the cDNA of the viral genome, and the infective RNA is made to infect the plant, the RNA of the corresponding host is targeted, and the expression of the target gene is suppressed in the infected host plant. Lost. As a result, the function of the target gene can be estimated indirectly. Virus-induced gene silencing (VIGS) mechanism is known to be a type of RNA-mediated plant defense mechanism against viruses, characterized by 1) gene silencing after transcription 2) RNA conversion 3) nucleotide sequence specificity.

본 발명에서는, CaDIL1의 ORF 영역을 삽입한 VIGS용 형질전환 벡터 TRV (Tobacco Rattle Virus)를 아그로박테리움 (Agrobacterium)에 삽입하고, 상기 아그로박테리움을 식물체에 침투시킴으로써 CaDIL1 유전자의 발현을 성공적으로 억제한 바 있다.In the present invention, by inserting the transforming vector TRV (Tobacco Rattle Virus) for VIGS into which the ORF region of CaDIL1 is inserted into Agrobacterium, the expression of CaDIL1 gene is successfully inhibited by infiltrating the Agrobacterium into a plant. I've done it.

본 발명의 또 다른 양태로서, 본 발명은 CaDIL1 단백질의 발현 또는 활성 억제제를 유효성분으로 포함하는 식물체의 건조 저항성 증진용 조성물을 제공한다.As another aspect of the present invention, the present invention provides a composition for enhancing the dry resistance of plants comprising an inhibitor of the expression or activity of CaDIL1 protein as an active ingredient.

상기 벡터는 세균 플라스미드, 파아지, 효모 플라스미드, 식물 세포 바이러스, 포유동물 세포 바이러스, 또는 다른 벡터를 의미한다. 대체로, 임의의 플라스미드 및 벡터는 숙주 내에서 복제 및 안정화할 수 있다면 사용될 수 있다. 본 발명의 재조합 벡터의 바람직한 예는 아그로박테리움 투머파시엔스와 같은 적당한 숙주에 존재할 때 그 자체의 일부, 소위 T-영역을 식물 세포로 전이시킬 수 있는 Ti-플라스미드 벡터가 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.By vector is meant bacterial plasmid, phage, yeast plasmid, plant cell virus, mammalian cell virus, or other vector. In principle, any plasmid and vector can be used as long as it can replicate and stabilize in the host. Preferred examples of the recombinant vector of the present invention are preferably Ti-plasmid vectors capable of transferring a portion of itself, a so-called T-region, to plant cells when present in a suitable host such as Agrobacterium tumerfaciens, but are not limited thereto. It is not.

상기 억제제는 CaDIL1 유전자의 서열, 상기 서열에 상보적인 서열 또는 상기 유전자 서열의 단편에 대한 mRNA에 상보적으로 결합하여 발현을 억제하는 siRNA (small interference RNA), shRNA (short hairpin RNA), miRNA (microRNA), 리보자임 (ribozyme), DNAzyme, PNA (peptide nucleic acids), 안티센스 뉴클레오티드 중 어느 하나인 것이 바람직하고, CaDIL1 단백질에 상보적으로 결합하여 활성을 억제하는 화합물, 펩티드 (Peptide), 펩티드 미메틱스 (Peptide Minetics), 항체, 또는 압타머 (aptamer) 중 어느 하나인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.The inhibitor may be siRNA (small interference RNA), shRNA (short hairpin RNA), miRNA (microRNA), which complementarily bind to mRNA of a sequence of CaDIL1 gene, a sequence complementary to the sequence, or a fragment of the gene sequence to inhibit expression. ), Ribozyme, DNAzyme, peptide nucleic acids (PNA), antisense nucleotides, and compounds that bind to CaDIL1 protein complementarily to inhibit activity, peptides, peptide mimetics (Peptide Minetics), an antibody, or an aptamer (preferably any one), but is not limited thereto.

본 발명의 또 다른 양태로서, 본 발명은 CaDIL1 단백질의 발현 또는 활성을 억제하는 단계를 포함하는 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진방법을 제공한다.As another aspect of the present invention, the present invention provides a method for enhancing dry stress resistance of a plant comprising the step of inhibiting the expression or activity of CaDIL1 protein.

본 발명에 따른 식물체는 벼, 밀, 보리, 옥수수, 콩, 감자, 팥, 귀리, 수수를 포함하는 식량 작물류; 애기장대, 배추, 무, 고추, 딸기, 토마토, 수박, 오이, 양배추, 참외, 호박, 파, 양파, 당근을 포함하는 채소 작물류; 인삼, 담배, 목화, 참깨, 사탕수수, 사탕무우, 들깨, 땅콩, 유채를 포함하는 특용작물류; 사과나무, 배나무, 대추나무, 복숭아, 양다래, 포도, 감귤, 감, 자두, 살구, 바나나를 포함하는 과수류; 장미, 글라디올러스, 거베라, 카네이션, 국화, 백합, 튤립을 포함하는 화훼류; 및 라이그라스, 레드클로버, 오차드그라스, 알파알파, 톨페스큐, 페레니얼라이그라스를 포함하는 사료 작물류 등일 수 있으며, 바람직하게는 애기장대(Arabidopsis)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Plants according to the present invention is a food crop including rice, wheat, barley, corn, soybeans, potatoes, red beans, oats, millet; Vegetable crops including Arabidopsis, Chinese cabbage, radish, peppers, strawberries, tomatoes, watermelons, cucumbers, cabbages, melons, pumpkins, green onions, onions, carrots; Special crops including ginseng, tobacco, cotton, sesame, sugar cane, sugar beet, perilla, peanut, rapeseed; Fruit trees including apple trees, pears, jujube trees, peaches, leeks, grapes, citrus fruits, persimmons, plums, apricots, bananas; Flowers, including roses, gladiolus, gerberas, carnations, chrysanthemums, lilies and tulips; And fodder crops including lygras, red clover, orchardgrass, alpha alpha, tolsque cue, perennial lice, and the like, and preferably Arabidopsis, but are not limited thereto.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid in understanding the present invention. However, the following examples are merely provided to more easily understand the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

[실시예]EXAMPLE

실시예 1. 실험준비 및 실험방법Example 1 Experiment Preparation and Experiment Method

1-1. 식물 재료 및 성장 조건1-1. Plant material and growing conditions

고추(Capsicum annuum L., cv. Nockwang), 담배(Nicotiana benthamiana), 및 애기장대(Arabidopsis thaliana, 생태형;ecotype Col-0)의 종자를 증기 살균된 토양 혼합물(피트모스(peat moss):펄라이트(perlite):질석(vermiculite), 5:3:2, v/v/v), 사토(sand), 및 양토(loam soil, 1:1:1, v/v/v)에 뿌렸다. 고추는 백색 형광등(80 ㎛ol photons·m-2·s-1; 16시간/ 하루) 아래 27 ± 1℃ 조건의 생육실(growth room)에서 키워졌다. 담배는 16 시간 빛/ 8 시간 암주기, 25±1℃ 조건의 배양 챔버(growth chamber)에서 유지시켰다. 애기장대(생태형;ecotype Col-0) 종자는 1% 수크로오스(1% sucrose) 및 극소 한천(Micro agar, Duchefa Biochemie)을 추가한 MS 염(Duchefa Biochemie)에서 발아시켰다.; 파종된 플레이트를 16 시간 빛/ 8 시간 암주기, 24℃ 배양 챔버에서 배양시켰다. 애기장대 종자는 배양 챔버에 놓기 전에 2일 동안 4℃에서 결실 촉진(vernalized)되었다.Seeds of red pepper (Capsicum annuum L., cv.Nockwang), tobacco (Nicotiana benthamiana), and Arabidopsis thaliana (ecotype Col-0) were steam sterilized soil mixtures (peat moss: perlite) ): Vermiculite, 5: 3: 2, v / v / v), sand, and loam soil (1: 1: 1, v / v / v). Peppers were grown in a growth room at 27 ± 1 ° C. under white fluorescent light (80 μm photons · m −2 · s −1 ; 16 hours / day). Tobacco was maintained in a growth chamber at 25 ± 1 ° C. with a 16 hour light / 8 hour dark cycle. Arabidopsis (ecotype Col-0) seeds were germinated in MS salt (Duchefa Biochemie) with 1% sucrose (1% sucrose) and micro agar (Micro agar, Duchefa Biochemie); The seeded plates were incubated in a 16 hour light / 8 hour dark cycle, 24 ° C. incubation chamber. Arabidopsis seeds were vernalized at 4 ° C. for 2 days before being placed in the culture chamber.

1-2. CaDIL1 유전자가 과발현된 형질전환 애기장대의 제조1-2. Preparation of Transgenic Arabidopsis Overexpressed CaDIL1 Gene

전장 CaDIL1의 cDNA를 pENTR / D-TOPO 벡터 (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)에 결합하고, CaDIL1 유전자의 구성적 발현을 위해 LR 반응을 사용하여 pK2GW7 이원매개체(binary vector)를 애기장대의 cauliflower mosaic virus (CaMV) 35S 프로모터 제어 하에 삽입하였다. 35S : CaDIL1 구조를 아그로박테리움(Agrobacterium tumefaciens) 균주 GV3101로 형질전환 시켰다. 아그로박테리움(Agrobacterium tumefaciens) 매개한 형질전환은 꽃가루 딥 방법(floral dip method) (Clough and Bent, 1998)을 통해 수행되었다. 형질 전환된 계통을 선택하기 위해, 형질 전환된 식물체로부터 수확한 종자를 카나마이신(kanamycin) 50 μg·mL-1을 함유 한 MS 한천 평판에 뿌렸다.The full-length CaDIL1 cDNA was bound to the pENTR / D-TOPO vector (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA), and the pK2GW7 binary vector was converted to the Arabidopsis cauliflower mosaic using the LR response for constitutive expression of the CaDIL1 gene. virus (CaMV) was inserted under 35S promoter control. 35S: CaDIL1 structure was transformed with Agrobacterium tumefaciens strain GV3101. Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation was performed via the floral dip method (Clough and Bent, 1998). To select transformed lines, seeds harvested from the transformed plants were sown in MS agar plates containing 50 μg · mL −1 of kanamycin.

1-3. 바이러스 유도 유전자 침묵과 CaDIL1의 과발현(Virus-induced gene silencing and overexpression of CaDIL1)1-3. Virus-induced gene silencing and overexpression of CaDIL1

CaDIL1(Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1)의 기능 상실 분석을 위해 고추 식물에서 CaDIL1 유전자 침묵(knock-down)을 위해 담배 얼룩 바이러스 (tobacco rattle virus, TRV) 기반 바이러스 유도 유전자 발현억제(virus-induced gene silencing, VIGS) 시스템을 사용했다. 247 bp (116-362 염기서열)와 CaDIL1 cDNA의 전체를 사용하여 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물과 CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 형질 전환 애기장대(Arabidopsis) 식물을 각각 이전에 기술된 프로토콜에 따라 사용하였다(Park et al. 2015).Tobacco rattle virus (TRV) -based virus-induced gene expression suppression for knock-down of CaDIL1 gene in pepper plants for loss-of-function analysis of CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) gene silencing (VIGS) system was used. Protocols previously described for CaDIL1-silenced pepper plants and CaDIL1-transformed Arabidopsis plants, each using 247 bp (116-362 sequences) and CaDIL1 cDNA in its entirety. (Park et al. 2015).

1-4. 세포 내 위치 분석(Subcellular localization analysis)1-4. Subcellular localization analysis

정지 코돈이 없는 CaDIL1 코딩 영역을 GFP-융합 이진 벡터 p326GFP에 삽입하였다. 아그로박테리움(Agrobacterium tumefaciens) 균주 GV3101를 p19 균주 (1 : 1 비율, OD600 = 0.5)와 혼합하고, 5 주된 완전히 팽창 된 담배 식물 잎에 공침시켰다. 침투 2 일 후, 현미경 분석을 전술 한 바와 같이 수행 하였다.The CaDIL1 coding region without stop codons was inserted into the GFP-fusion binary vector p326GFP. Agrobacterium tumefaciens strain GV3101 was mixed with p19 strain (1: 1 ratio, OD600 = 0.5) and co-precipitated to 5 weeks fully expanded tobacco plant leaves. After 2 days of infiltration, microscopic analysis was performed as described above.

1-5. 아브시스산(abscisic acid, ABA) 및 가뭄 처리1-5. Abscisic acid (ABA) and drought treatment

아브시스산(ABA) 감수성(sensitivity)을 측정하기 위해 발아율, 뿌리 신장 및 묘종 시설(seedling establishment)을 측정하였다. 총 200 종의 야생형과 CaDIL1 과발현(CaDIL1-OX)된 식물체를 4 ℃에서 3 일간 층화(stratified)하고 다양한 농도의 아브시스산(ABA)이 추가된 0.5×MS 한천 배지에 플레이팅(plated)했다. 고추에서 가뭄 스트레스 처리를 위해 대조군(control)과 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물에 대해 10 일 동안 급수를 중단하고 2일 동안 재수화(rewatering)여 가뭄 처리를 실시했다. 생존율은 각각의 개별 샘플에서 측정되었고, 각 실험은 30 개의 식물로 3 회 수행되었다. 애기장대(Arabidopsis)의 경우, 3 주된 묘목에 가뭄 스트레스가 14 일 동안 급수를 보류하여 처리되었다. 식물은 회복을 위해 2 일 동안 재수화 되었고, 그 후 식물의 생존율이 계산되었다. 각 개별 샘플에서 생존율을 측정하고, 각 실험을 50개 식물로 3회 수행하였다. 가뭄 내성은 증발 수분 손실을 측정하여 결정된다. 50개 잎은 4번째 잎 단계 고추 식물 및 3주된 애기장대에서 분리되고 페트리 접시(Petri dishes)에 두었다. 접시를 상대 습도 40 %의 배양 챔버에 유지 시켰으며, 지시된 시점에서 신선한 중량의 손실을 측정하였다. 모든 실험은 적어도 3 번 수행되었다.Germination rates, root elongation, and seedling establishments were measured to determine Absi acid (ABA) sensitivity. A total of 200 wild-type and CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) plants were stratified for 3 days at 4 ° C. and plated in 0.5 × MS agar medium with varying concentrations of abscisic acid (ABA). . For the drought stress treatment in peppers, the control and CaDIL1-silenced pepper plants were stopped for 10 days and rehydrated for 2 days for drought treatment. Survival was measured on each individual sample and each experiment was performed three times with 30 plants. In the case of Arabidopsis, drought stress was treated on three main seedlings with a 14-day hold of watering. The plants were rehydrated for two days for recovery, after which the survival rates of the plants were calculated. Survival was measured in each individual sample and each experiment was performed three times with 50 plants. Drought tolerance is determined by measuring evaporative moisture loss. Fifty leaves were separated from the fourth leaf stage pepper plant and the three week Arabidopsis and placed in Petri dishes. The dish was kept in a culture chamber with a relative humidity of 40% and fresh weight loss was measured at the indicated time points. All experiments were performed at least three times.

1-6. 표현형 분석 (Phenotypic analyses)1-6. Phenotypic analyses

묘목 성장을 시험하기 위해, 다양한 ABA 농도를 가진 MS 한천 배지를 함유하는 플레이트 상에 유전자형 당 36 개의 씨앗을 뿌렸다. 야생형 애기 장대와 CaDIL1 과발현(CaDIL1-OX)된 형질전환 애기 장대에서 얻은 1 주일된 묘목을 토양 혼합물을 담고 있는 그릇에 무작위로 심어 물기가 있는 조건에서 2 주 동안 재배했다. 가뭄 스트레스를 주기 위해 급수를 9-10 일 동안 보류하고 다시 물을 준 후 1-2 일 후에 재수화된 잎을 가진 식물의 생존율을 계산했다. 고추의 경우, 10-11 일 동안 급수를 보류하여 4 엽 단계(four-leaf stage) 식물에 가뭄 스트레스가 가해졌으며 다시 물을 준 날로 부터 1 일 후에 재수화 된 잎을 가진 식물의 생존율이 계산되었다. 가뭄 저항성은 증발 수분 손실을 측정하여 정량적으로 결정되었다. 네 엽 단계(four-leaf stage)고추와 3 주된 애기 장대 식물에서 잎을 분리하여 페트리 접시에 넣었다. 접시를 성장 챔버에서 40 %의 상대 습도로 유지하고, 지시된 시점에서 생중량의 손실을 측정 하였다. 모든 실험은 생물학적 시료에서 독립적으로 최소 3회 반복되었다.To test seedling growth, 36 seeds per genotype were sown on plates containing MS agar medium with varying ABA concentrations. One week old seedlings from wild type baby poles and CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) transgenic baby poles were randomly planted in bowls containing soil mixture and grown for 2 weeks in wet conditions. In order to provide drought stress, watering was withheld for 9-10 days and re-watered. After 1-2 days, survival rates of plants with rehydrated leaves were calculated. In the case of red pepper, drought stress was applied to four-leaf stage plants with water holding for 10-11 days, and the survival rate of plants with rehydrated leaves was calculated 1 day after the watering again. . Drought resistance was determined quantitatively by measuring evaporative moisture loss. The leaves were separated from four-leaf stage peppers and three main baby pole plants and placed in a Petri dish. The dish was kept at 40% relative humidity in the growth chamber and the loss of raw weight was measured at the indicated time points. All experiments were repeated at least three times independently in biological samples.

1-7. 기공구경 측정법 및 열 이미징 분석(Stomatal aperture bioassay and thermal imaging)1-7. Thermal aperture bioassay and thermal imaging

기공 세공 크기와 잎 온도의 측정은 이전에 기술 된대로 수행되었다(Lim and Lee 2016). 고추 및 Arabidopsis 잎 껍질을 2.5 시간 동안 밝은 조건에서 기공성 개방 용액(stomatal opening solution, SOS : 50 mM KCl 및 10 mM MES-KOH, pH 6.15, 10 mM CaCl2)에 부유시켰다. 기공 폐쇄는 다양한 농도의 아브시스산(ABA)를 포함한 신선한 SOS로 완충액을 대체함으로써 유도되었다. 각 완충액에서 추가로 2.5 시간 배양 한 후, 니콘(Nikon Eclipse 80i) 현미경 하에서 각 샘플 당 100 개의 기공이 관찰되었다.The measurement of pore pore size and leaf temperature was performed as previously described (Lim and Lee 2016). Pepper and Arabidopsis leaf husks were suspended in a stomatal opening solution (SOS: 50 mM KCl and 10 mM MES-KOH, pH 6.15, 10 mM CaCl 2 ) under bright conditions for 2.5 hours. Pore closure was induced by replacing the buffer with fresh SOS containing varying concentrations of absic acid (ABA). After an additional 2.5 hours of incubation in each buffer, 100 pores per sample were observed under a Nikon Eclipse 80i microscope.

열 이미징 분석을 위해 첫 번째, 두 번째 잎이 완전히 성장한 4주된 고추 식물과 3주 된 애기장대에 100μM 아브시스산(ABA)을 처리했다. 열 이미지는 적외선 카메라(T420; FLIR 시스템)를 사용하여 얻었으며 잎 온도는 FLIR Tools+ ver 5.2 소프트웨어로 측정하였다.For the thermal imaging analysis, the first and second leaves were treated with 100 μM Abbic Acid (ABA) in four-week pepper plants and three-week Arabidopsis plants. Thermal images were obtained using an infrared camera (T420; FLIR system) and leaf temperatures were measured with FLIR Tools + ver 5.2 software.

1-8. Virus-induced gene silencing (VIGS)1-8. Virus-induced gene silencing (VIGS)

CaDIL1의 기능 상실 분석(loss-of function analysis)을 위해, 고추 식물에서 바이러스 유도 유전자 침묵 (virus-induced gene silencing: VIGS)이 수행되었다. 간략하게 음성대조군으로서 pTRV1 및 pTRV2:CaDIL1 또는 pTRV2:00을 운반하는 아그로박테리움(Agrobacterium tumefaciens) 균주 GV3101을 고추의 완전히 자란 자엽(떡잎, fully expanded cotyledons)에 침투시켰다(각 균주별 OD600=0.2). 식물체들은 생장 및 바이러스가 증식할 수 있도록 16시간 낮/ 8시간 밤으로 광주기를 설정한 24℃의 생육실에 두었다.For loss-of function analysis of CaDIL1, virus-induced gene silencing (VIGS) was performed in pepper plants. Briefly, Agrobacterium tumefaciens strain GV3101 carrying pTRV1 and pTRV2: CaDIL1 or pTRV2: 00 as negative controls was infiltrated into fully expanded cotyledons of pepper (OD 600 = 0.2 for each strain). ). Plants were placed in a growth room at 24 ° C. with a photoperiod of 16 hours day / 8 hours night for growth and virus propagation.

1-9. 정량 실시간 전사-중합효소연쇄 반응(Quantitative real-time transcription-polymerase chain reaction)1-9. Quantitative real-time transcription-polymerase chain reaction

RNA 샘플을 RNA-free DNase로 분해하여 genomic DNA의 오염을 억제한다. Transcript First Strand cDNA Synthesis kit (로슈;Roche)를 사용하여 cDNA를 합성하였다. qRT-PCR 분석을 위해, 특이 프라이머 (표 1) 및 CFX96 TouchTM 실시간 PCR 검출 시스템 (Bio-Rad)을 사용하였다. PCR은 다음과 같이 프로그래밍 하였다 : 95 ℃에서 5 분; 95 ℃에서 20 초, 60 ℃에서 20 초 동안 45회; 및 72 ℃에서 20 초. 상대적인 발현 수준을 결정하기 위해 ΔΔCt 방법(Livak and Schmittgen 2001)을 사용하였다. 정규화(Normalization)를 위해 애기장대(Arabidopsis) AtACT8 유전자를 사용하였다.RNA samples are digested with RNA-free DNase to inhibit genomic DNA contamination. CDNA was synthesized using Transcript First Strand cDNA Synthesis kit (Roche). For qRT-PCR analysis, specific primers (Table 1) and CFX96 Touch Real Time PCR Detection System (Bio-Rad) were used. PCR was programmed as follows: 5 min at 95 ° C; 45 times at 95 ° C. for 20 seconds and 60 ° C. for 20 seconds; And 20 seconds at 72 ° C. The ΔΔCt method (Livak and Schmittgen 2001) was used to determine relative expression levels. Arabidopsis AtACT8 gene was used for normalization.

Figure pat00001
Figure pat00001

실시예 2. 고추 CaDIL1 유전자의 분리 및 서열 분석Example 2. Isolation and Sequence Analysis of Chili CaDIL1 Gene

가뭄으로 유발된 유전자를 확인하기 위해 RNA-seq 분석을 사용하여 가뭄 처리된 고추 잎 조직에서 제작한 cDNA 라이브러리에서 고추 CaDIL1 유전자를 분리했다. 유전자 클론 중 가뭄으로 상향 조절된(up-regulated) 유전자를 선택했다. CaDIL1 cDNA는 등전점이 7.89이고 분자량이 17,300 Da인 167-아미노산 잔기를 코딩하는 504 bp 핵산 잔기의 해석틀(open reading frame, ORF)으로 구성된다. 단백질 BLAST 검색과 다중 서열 정렬 분석(multiple sequence alignment analysis)은 CaDIL1과 다른 LEA 단백질 사이에 비교적 높은 아미노산 서열 동일성 (48.9-81.4 %)을 나타냈다(도 1a). 도 1a에는 재배담배(Nacotiana tabacum, accession no. XP_016459037.1), 토마토 속(Solanum lycopersicum, accession no. NP_001238798.1), 당근(Daucus sativus, accession no. XP_017256990.1) 및 애기장대(Arabidopsis thaliana)의 아미노산 서열과 CaDIL1 아미노산 서열의 비교 (accession no. NP_175678.1) 단백질을 포함한다. 여기에서 동일한 아미노산 잔기가 검은 색으로 강조 표시된다. ClustalW2(다중 정렬 프로그램; Multiple sequence alignment)를 사용하여 CaDIL1 단백질 서열과 동종 LEA3 단백질의 다중 정렬을 수행하였다. To identify drought-induced genes, pepper CaDIL1 genes were isolated from cDNA libraries constructed from drought-treated pepper leaf tissues using RNA-seq analysis. Among the gene clones, a drought up-regulated gene was selected. CaDIL1 cDNA consists of an open reading frame (ORF) of 504 bp nucleic acid residues encoding 167-amino acid residues having an isoelectric point of 7.89 and a molecular weight of 17,300 Da. Protein BLAST search and multiple sequence alignment analysis showed relatively high amino acid sequence identity (48.9-81.4%) between CaDIL1 and other LEA proteins (FIG. 1A). FIG. 1A shows cultivated tobacco (Nacotiana tabacum, accession no. XP_016459037.1), tomato genus (Solanum lycopersicum, accession no.NP_001238798.1), carrot (Daucus sativus, accession no. And amino acid sequence of CaDIL1 amino acid sequence (accession no. NP_175678.1) protein. The same amino acid residues are highlighted in black here. Multiple alignments of the CaDIL1 protein sequence and homologous LEA3 protein were performed using ClustalW2 (Multiple Sequence Alignment).

CaDIL1 단백질의 계통수 트리 분석(Phylogenetic tree analysis) 결과를 나타낸 것이다(도 1b). BLAST(Basic local alignmnet) 검색은 CaDIL1의 아미노산 서열을 사용하여 수행되었으며, 가장 높은 유사성을 갖는 서열이 각 식물 종으로부터 수집되었다. 계통수 트리 분석(Phylogenetic tree analysis)은 MEGA 소프트웨어 (버전 7.0)를 사용하였다.Phylogenetic tree analysis of CaDIL1 protein is shown (FIG. 1B). Basic local alignmnet (BLAST) searches were performed using the amino acid sequence of CaDIL1 and the sequence with the highest similarity was collected from each plant species. Phylogenetic tree analysis was performed using MEGA software (version 7.0).

실시예 3. 가뭄 및 아브시스산(ABA) 처리에 반응하는 CaDIL1의 유도 및 CaDIL1의 세포 내 위치 분석(Induction of CaDIL1 in response to drought and ABA treatments and subcellular localization of CaDIL1)Example 3 Induction of CaDIL1 in response to drought and ABA treatments and subcellular localization of CaDIL1

가뭄 및 아브시스산(ABA) 처리 후 CaDIL1 유전자의 발현 수준을 확인하기 위해 가뭄 처리 고추 잎에서 CaDIL1을 분리했다(도 2a). 가뭄 및 50 μM 아브시스산(abscisic acid, ABA) 처리 후 다양한 시점에서 고추 잎에서 CaDIL1를 유도, 고추 Actin1 유전자는 내부 대조군(control)으로 사용되었다. CaDIL1 전사체(transcript)의 유도는 가뭄 처리 2 시간 후에 처음으로 검출되었고 12 시간에 최대 수준에 도달했다. 아브시스산(ABA)은 가뭄 스트레스에 대한 식물 반응에 역할을 하며, 아브시스산(ABA)과 가뭄 스트레스 신호는 공통 요소를 공유한다. CaDIL1 전사는 아브시스산(ABA) 처리 후 2 시간에 시작되었고, 아브시스산(ABA) 처리 후 12 시간에 감소 하였다. 이를 통해 CaDIL1이 비 생물학적 스트레스 반응에서 기능한다는 것이 확인되었다.CaDIL1 was isolated from the drought-treated red pepper leaves to confirm the expression level of CaDIL1 gene after drought and absic acid (ABA) treatment (FIG. 2A). CaDIL1 was induced in pepper leaves at various time points after drought and 50 μM abscisic acid (ABA) treatment, and pepper Actin1 gene was used as an internal control. Induction of CaDIL1 transcript was first detected 2 hours after drought treatment and peaked at 12 hours. Abs (ABA) plays a role in plant response to drought stress, and Abs (ABA) and drought stress signals share common factors. CaDIL1 transcription started 2 hours after the treatment of absic acid (ABA) and decreased 12 hours after the treatment of absic acid (ABA). This confirmed that CaDIL1 functions in nonbiological stress response.

CaDIL1의 세포 내 위치를 조사하기 위해, 35S 프로모터 (35S:CaDIL1-GFP)의 조절 하에 녹색형광단백질(green fluorescent protein, GFP) 리포터 유전자를 CaDIL1의 C 말단 영역에 융합시켰다. 35S : CaDIL1-GFP 융합 단백질은 니코티아나 벤타미아나(Nicotiana benthamiana; 상위 분류는 담배 속) 표피 세포에서 발현되었으며 GFP 신호(signal)는 세포질과 핵에 국한된다. 니코티아나 벤타미아나(Nicotiana benthamiana; 상위 분류는 담배 속) 세포에서 녹색 형광 단백질 (green fluorescent protein, GFP)의 일시적 발현을 사용하여 CaDIL1 단백질의 세포 내 위치 분석(Subcellular localization)을 실시했다 35S:CaDIL1-GFP 구조체는 니코티아나 벤타미아나 잎의 침윤(Agroinfiltration)을 사용하여 표현되었고 동일초점 레이저 스캐닝 현미경(confocal laser-scanning microscope)으로 관찰했다(도 2b). DAPI(4', 6-diamidino-2-phenylindole)에 대한 청색 형광 신호가 핵에서 검출되었다. 이러한 결과는 CaDIL1이 세포질과 핵에서 기능한다는 것을 나타낸다.To investigate the intracellular location of CaDIL1 , the green fluorescent protein (GFP) reporter gene was fused to the C-terminal region of CaDIL1 under the control of the 35S promoter ( 35S: CaDIL1-GFP ). 35S: CaDIL1-GFP fusion protein was expressed in Nicotiana benthamiana epidermal cells and the GFP signal is localized to the cytoplasm and nucleus. Subcellular localization of CaDIL1 protein was performed using transient expression of green fluorescent protein (GFP) in Nicotiana benthamiana (top class tobacco) cells 35S: CaDIL1 The -GFP constructs were expressed using Agroinfiltration of Nicotiana ventamiana leaves and observed with a confocal laser-scanning microscope (FIG. 2B). A blue fluorescence signal for DAPI (4 ', 6-diamidino-2-phenylindole) was detected in the nucleus. These results indicate that CaDIL1 functions in the cytoplasm and nucleus.

실시예 4. 가뭄 감수성을 높이는 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물의 가뭄 내성 감소 확인Example 4 Decreased Drought Tolerance of CaDIL1-silenced Pepper Plants That Increase Drought Susceptibility

CaDIL1은 가뭄 처리 된 고추 잎에서 분리됨에 따라 CaDIL1이 가뭄 스트레스 반응에 관여한다고 가정했다. 이 가설을 검증하기 위해 고추 식물에서 바이러스 유도 유전자 발현억제(virus-induced gene silencing, VIGS) 분석을 사용하여 표현형 분석을 수행하고, 과발현된 애기장대 식물을 생성시켰다. 대조군 담배 얼룩 바이러스 (tobacco rattle virus, TRV2:00)과 CaDIL1-침묵(silenced) 고추(TRV2:CaDIL1) 잎의 역전사중합효소연쇄반응(RT-PCR) 분석을 이용하여 바이러스 유도 유전자 발현억제(VIGS)의 발현 수준을 조사하였다. 빈 벡터 대조군(empty vector control, tobacco rattle virus, (TRV2:00)) 또는 분리 후 바로(0 시간 후) CaDIL1-침묵(silenced) 구조체(TRV2:CaDIL1)로 형질감염 시킨(transfected) 고추 잎에서 CaDIL1 발현의 역전사-중합 효소 연쇄 반응(Reverse transcription-polymerase chain reaction, RT-PCR) 분석을 실시 하였다.. 액틴 1(Actin 1; CaACT1)은 내부 대조군(internal control)으로 사용되었다. CaDIL1-침묵(silenced) 고추의 잎에 있는 CaDIL1 발현은 손상되어 거의 검출할 수 없었다(도 3a). 이후 표현형 분석에서 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물을 사용했다. 가뭄 스트레스로 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물(TRV2:CaDIL1)과 대조군(control) 식물(TRV2:00)을 처리하고 그들의 표현형을 비교했다(도 3b). CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물의 가뭄 감수성(susceptibility)을 확인하기 위해. 빈 벡터 대조군 및 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물을 정상적인 성장 조건 하에서 3 주 동안 화분에서 재배했다. 그 후 식물들은 10 일 동안 물을 보지 않고 가뭄 스트레스를 받고 2 일을 더 보냈다. 대표 이미지는 탈수 전(왼쪽), 탈수 후(중간) 및 탈수 후 다시 물주기(rewatering) 후 2일 (오른쪽)에 촬영되었다. 생존율은 다시 물을 준 후 2일에 초록색과 다시 수화된(rehydrated) 잎이 있는 식물의 수를 세어 측정하였다. 정상적인 성장 조건에서 대조군과 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물 사이의 어떠한 표현형 차이도 관찰하지 못했다(도 3b, 상부 패널). 그러나 10 일 동안 물을 보지 않고 식물에 가뭄 스트레스를 가한 다음 2 일 동안 다시 보충할 때, CaDIL1-침묵(silenced)고추 식물은 대조 식물보다 더 시들어진 표현형을 보였다(도 3b, 중간 및 하부 패널). 또한 CaDIL1-침묵(silenced) 식물과 대조군의 생존율은 각각 22.2 %와 61.7 %였다. CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물에 의해 나타난 가뭄에 민감한 표현형을 근거로, CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물에서 물 보유 능력이 감소되었다고 가정했다. 이 가설을 검증하기 위해, 잎이 분리된 후 다양한 시간에 빈 벡터 대조군과 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물의 잎에서의 수분 손실을 측정했다(도 3c). 데이터는 세 번의 독립적 실험의 평균 ± 표준 편차를 나타낸다. 2 주된 고추 식물로부터 잎 껍질을 수확하고, 10 및 20 μM ABA를 함유하는 기공 개방 용액에서 배양하였다. 이어서 현미경 하에서 기공 구경을 측정하였다. 분리 후 여러 시점에서, 증발 수분 손실은 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물 잎에서 대조 식물 잎보다 더 높았다. CaDIL1-침묵(silenced) 고추 잎이 나타내는 감소된 수분 유지가 아브시스산(ABA) 감수성과의 불일치에서 유래되었는지 여부를 평가하기 위해 아브시스산(ABA) 처리 여부에 관계없이 기공(stomatal aperture)과 잎 온도를 모니터링 했다(도 3d 내지 g). 아브시스산(ABA) 감수성은 아브시스산(ABA) 처리에 반응하여 기공 세공 크기의 변화를 측정함으로써 결정될 수있다. 아브시스산(ABA)가 없는 경우, 대조구의 잎과 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물 사이의 기공에는 유의한 차이가 없었다(도 3d 및 e). 그러나 아브시스산(ABA) 처리 후 대조군 잎보다 기공이 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물 잎에서 유의하게 더 컸다. 기공과 일관되게, 개방 기공에 의한 증발 냉각 때문에 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물의 잎 온도는 아브시스산(ABA) 처리 후 대조 식물의 잎 온도보다 유의하게 낮았다. 아브시스산(ABA) 처리 전 (왼쪽)과 2.5 시간 후 (오른쪽)을 촬영하였다. 데이터는 3 개의 독립적 실험의 평균 ± 표준 오차를 나타내며, 각각 20 개의 식물을 실험했다(도 3f 및 g). 대표 이미지 (도 3f)와 잎 온도가 측정되었다(도 3g). 데이터는 세 번의 독립적 실험의 평균 ± 표준 오차를 나타낸다. 별표(*)는 대조군과 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물 사이의 유의한 차이를 나타낸다(Student's t-test, P <0.05종합적 결과로 가뭄 감수성을 높이는 CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물의 높은 증발 속도가 주로 아브시스산(ABA) 감수성의 감소 때문인 것을 확인하였다.As CaDIL1 is isolated from drought pepper leaves, it is assumed that CaDIL1 is involved in drought stress response. To test this hypothesis, phenotypic analysis was performed using virus-induced gene silencing (VIGS) analysis in pepper plants, resulting in overexpressed Arabidopsis plants. Virus Induced Gene Expression Inhibition (VIGS) Using Reverse Transcriptase Polymerase Chain Reaction (RT-PCR) Analysis of Control Tobacco Rattle Virus (TRV2: 00) and CaDIL1-silenced Pepper (TRV2: CaDIL1) Leaves The expression level of was investigated. CaDIL1 in pepper leaves transfected with empty vector control (tobacco rattle virus (TRV2: 00)) or CaDIL1-silenced constructs (TRV2: CaDIL1) immediately after isolation (after 0 hours). Reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) analysis of expression was performed. Actin 1 (CaACT1) was used as an internal control. CaDIL1 expression in the leaves of CaDIL1-silenced pepper was impaired and almost undetectable (FIG. 3A). Later phenotypic analysis used CaDIL1-silenced pepper plants. Drought stress treated CaDIL1-silenced pepper plants (TRV2: CaDIL1) and control plants (TRV2: 00) and compared their phenotypes (FIG. 3B). To determine the drought susceptibility of CaDIL1-silenced pepper plants. Empty vector control and CaDIL1-silenced pepper plants were grown in pots for 3 weeks under normal growth conditions. After that, the plants suffered drought stress for 10 days without seeing water and spent two more days. Representative images were taken before dehydration (left), after dehydration (middle), and 2 days after rewatering after dehydration (right). Survival was measured by counting the number of plants with green and rehydrated leaves two days after watering again. No phenotypic differences were observed between the control and CaDIL1-silenced pepper plants under normal growth conditions (FIG. 3B, top panel). However, when the plant was subjected to drought stress without seeing water for 10 days and then replenished for 2 days, CaDIL1-silenced pepper plants showed a more withered phenotype than control plants (FIG. 3B, middle and lower panels). . The survival rates of CaDIL1-silenced plants and controls were 22.2% and 61.7%, respectively. Based on the drought-sensitive phenotypes exhibited by CaDIL1-silenced pepper plants, it was assumed that the water retention capacity was reduced in CaDIL1-silenced pepper plants. To test this hypothesis, water loss was measured in the leaves of the empty vector control and CaDIL1-silenced pepper plants at various times after the leaves were separated (FIG. 3C). Data represent mean ± standard deviation of three independent experiments. Leaf husks were harvested from two main pepper plants and incubated in pore open solution containing 10 and 20 μM ABA. The pore diameter was then measured under the microscope. At several time points after separation, the evaporated water loss was higher in the CaDIL1-silenced pepper plant leaves than in the control plant leaves. To assess whether the reduced water retention exhibited by CaDIL1-silenced pepper leaves was derived from inconsistencies with the absic acid (ABA) sensitivity, with or without stomatal aperture (ABA) treatment. Leaf temperature was monitored (FIGS. 3D-G). Absmic acid (ABA) susceptibility can be determined by measuring the change in pore size in response to treatment with absic acid (ABA). In the absence of absic acid (ABA), there were no significant differences in the pores between the leaves of the control and the CaDIL1-silenced pepper plants (Figures 3d and e). However, the pores were significantly greater in CaDIL1-silenced pepper plant leaves than control leaves after the treatment with Abs (ABA). Consistent with the pores, the leaf temperature of CaDIL1-silenced pepper plants was significantly lower than that of the control plants after the treatment of Abs (ABA) due to evaporative cooling by open pores. Photographs were taken before (left) and after 2.5 hours (right) after treatment with Absic Acid (ABA). The data represent the mean ± standard error of three independent experiments, with 20 plants each tested (FIGS. 3F and g). Representative images (FIG. 3F) and leaf temperatures were measured (FIG. 3G). Data represent mean ± standard error of three independent experiments. An asterisk (*) indicates a significant difference between the control and CaDIL1-silenced pepper plants (Student's t-test, P <0.05) The high evaporation rate of CaDIL1-silenced pepper plants that increases drought susceptibility as a result of the overall result. It was confirmed that is mainly due to the decrease in the sensitivity of Abs (ABA).

실시예 5. CaDIL1 과발현(CaDIL1-OX)된 형질전환 애기장대 식물의 향상된 아브시스산(ABA) 감수성 확인Example 5 Identification of Improved Absis Acid (ABA) Susceptibility of CaDIL1 Overexpressed (CaDIL1-OX) Transgenic Arabidopsis Plants

CaDIL1-침묵(silenced) 고추 식물은 가뭄에 민감한 표현형을 나타냈다 (도 3). 따라서 애기장대(Arabidopsis thaliana, 생태형;ecotype Col-0)에서 CaDIL1 유전자를 과발현하는 형질전환 애기장대 식물을 생성함으로써 비 생물적 스트레스 반응에서 CaDIL1의 기능을 밝히기 위해 추가 유전적 분석을 수행했다. 두 개의 독립적인 T3 형질 전환 계통 (CaDIL1-OX # 1과 CaDIL1-OX # 2)을 얻었으며 RT-PCR 분석에 의해 CaDIL1 (도 7)이 상대적으로 높았다. 이에 표현형 분석에서 상기 두 라인을 사용했다. 정상적 성장 조건에서, CaDIL1 과발현(CaDIL1-OX) 식물의 표현형은 야생형 식물의 표현형과 동일했다(도 4 및 5). 아브시스산(ABA) 신호 전달과 CaDIL1의 관련성을 확인하기 위해, 아브시스산(ABA)에 대한 반응으로 발아 및 묘목 단계에서 CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 식물의 표현형 분석을 수행했다. 아브시스산(ABA)이 없는 경우 야생형과 CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 종자간에 발아율에 유의한 차이가 없다는 결론을 얻었다. 그러나 아브시스산(ABA)의 존재 하에서 CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 종자의 발아율은 야생 종자의 발아율보다 낮았다(도 4a). 묘목 단계에서 아브시스산(ABA) 감수성을 평가하기 위해, 떡잎 녹화(cotyledon greening) 및 초기 뿌리 길이 비율을 결정하였다(도 4b-e). 데이터는 4개 독립적 실험의 평균 ± 표준 오차를 나타내며, 각각 25개의 종자를 평가한다(도 4b 및 4c). 아브시스산(ABA)에 노출된 야생형 및 형질 전환 계통의 일차 뿌리 신장(Primary root elongation)(도 4d 및 e). 대표 이미지(도 4d)를 촬영하고 각 식물의 뿌리 길이를 파종 8일 후에 측정하였다(도 4e). 발아율과 일관되게, 아브시스산(ABA) 처리는 떡잎의 녹화 속도를 감소시키고 뿌리 길이를 감소시켰다 모종 단계에서 CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 식물의 변화된 아브시스산(ABA) 민감도가 종자 발아에 대한 아브시스산(ABA) 효과에 대한 간접적인 반응인지 또는 모종 성장에 대한 아브시스산(ABA) 효과로부터 직접적으로 발생했는지 여부를 조사했다. 이를 위해, MS(Murashige and Skoog) 배지에서 발아된 3일 된 모종을 0 μM 또는 20 μM 아브시스산(ABA)이 첨가된 신선한 MS 배지로 옮겼다(도 4f 및 g). 데이터는 세 가지 독립적 실험의 평균 ± 표준 오차를 나타내며, 각각 25개의 종자를 평가한다. 다른 문자는 야생형과 형질 전환성 계통간의 유의한 차이를 나타낸다(Student 's t-test; P <0.05)(도 4f 및 g). 발아 후 아브시스산(ABA)에 노출된 야생형 및 형질 전환 식물의 1차 뿌리 신장. 0.5x MS 배지에서 성장한 5 일된 모종을 0um 또는 20um 아브시스산(ABA)를 함유하는 신선한 0.5xMS 배지로 옮겼다. 7 일 후, 대표 이미지를 촬영하고(도 4f) 각 라인의 뿌리 길이를 측정했다 (도 4g). 데이터는 3 가지 독립적 실험의 평균 표준 오차를 나타낸다. 별표(*)는 3 가지 독립적 실험(ANOVA; P <0.05) 사이의 유의한 차이를 나타낸다. 도 4f에 도시된 바와 같이, CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 모종의 뿌리는 야생형 모종의 뿌리보다 유의하게 짧았다. 이 데이터는 CaDIL1의 이소성 발현(ectopic expression)이 애기장대에서 아브시스산(ABA) 과민성을 부여함을 나타낸다.CaDIL1-silenced pepper plants showed a drought sensitive phenotype (FIG. 3). Therefore, further genetic analyzes were performed to elucidate the function of CaDIL1 in abiotic stress responses by generating transgenic Arabidopsis plants that overexpress the CaDIL1 gene in Arabidopsis thaliana (ecotype Col-0). Two independent T3 transgenic lines (CaDIL1-OX # 1 and CaDIL1-OX # 2) were obtained and CaDIL1 (FIG. 7) was relatively high by RT-PCR analysis. The two lines were used in phenotypic analysis. Under normal growth conditions, the phenotype of CaDIL1 overexpressing (CaDIL1-OX) plants was identical to that of wild type plants (FIGS. 4 and 5). To confirm the association of CaDIL1 with absic acid (ABA) signal transduction, phenotypic analysis of CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) plants was carried out in the germination and seedling stages in response to abscidic acid (ABA). Without Abs (ABA), it was concluded that there was no significant difference in germination rate between wild-type and CaDIL1-overexpressed (CaDIL1-OX) seeds. However, the germination rate of CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) seeds in the presence of absic acid (ABA) was lower than that of wild seeds (FIG. 4A). In order to assess Absmic Acid (ABA) susceptibility at the seedling stage, cotyledon greening and initial root length ratios were determined (Figure 4b-e). The data represent the mean ± standard error of four independent experiments and evaluate 25 seeds each (FIGS. 4B and 4C). Primary root elongation of wild-type and transgenic lines exposed to absic acid (ABA) (FIGS. 4D and e). Representative images (FIG. 4D) were taken and the root length of each plant was measured 8 days after sowing (FIG. 4E). Consistent with the germination rate, Abs acid (ABA) treatment decreased the greening speed of the cotyledon and decreased the root length. Seed germination was altered by the sensitivity of ABA in plants with CaDIL1 overexpression (CaDIL1-OX) at the seedling stage. It was examined whether it was an indirect response to the effect of absic acid (ABA) on or directly from the effect of absic acid (ABA) on seedling growth. To this end, 3 day old seedlings germinated in MS (Murashige and Skoog) medium were transferred to fresh MS medium added with 0 μM or 20 μM absic acid (ABA) (FIGS. 4F and g). The data represent the mean ± standard error of three independent experiments, each of which evaluates 25 seeds. Other letters indicate significant differences between wild type and transgenic lines (Student's t-test; P <0.05) (FIGS. 4F and G). Primary root elongation of wild-type and transgenic plants exposed to germic acid after germination. Five-day seedlings grown in 0.5 × MS medium were transferred to fresh 0.5 × MS medium containing 0um or 20um Abbic Acid (ABA). After 7 days, representative images were taken (FIG. 4F) and the root length of each line was measured (FIG. 4G). The data represents the mean standard error of three independent experiments. Asterisk (*) indicates significant difference between three independent experiments (ANOVA; P <0.05). As shown in FIG. 4F, the roots of CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) seedlings were significantly shorter than the roots of wild type seedlings. This data indicates that ectopic expression of CaDIL1 confers absic acid (ABA) hypersensitivity in Arabidopsis.

실시예 6. CaDIL1 과발현(CaDIL1-OX)된 형질전환 애기장대 식물의 강화된 가뭄 내성 확인Example 6 Identification of Enhanced Drought Tolerance of CaDIL1 Overexpressed (CaDIL1-OX) Transgenic Arabidopsis Plants

CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 식물은 종자 발아 및 묘목 성장 단계에서 아브시스산(ABA)에 과민성 표현형을 나타내므로 이들 식물의 가뭄 내성을 조사했다 (도 5). 물이 잘 공급된 조건에서 자라면 3주된 야생형(WT)과 CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 식물간에 표현형 차이가 관찰되지 않았다(도 5a, 왼쪽 패널). 반면, 14일 동안 물을 보류하고 2일 동안 재수화(rewatering)하여 가뭄 스트레스를 받은 식물(형질 전환 식물체는 각각 중간 패널과 오른쪽 패널)은, 야생형 식물과 다소 적은 시든 표현형을 보였고, 생존율은 야생형 식물의 비율보다 높았다. 도 5a에서 식물의 생존율 데이터는 3 개의 독립적 실험의 평균값 ± 표준 오차를 나타내며, 각각 30 개의 식물을 평가한다. 도 5b에서는 잎 분리 후 지점에서 야생형 식물과 형질 전환 식물의 잎에서 얻은 증산수(Transpirational water) 손실율 결과를 나타내며, 본 데이터는 3 개의 독립적 실험의 평균 ± 표준 오차를 나타내며 각각 50 개의 잎을 평가한다.CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) plants were examined for drought tolerance because they exhibited a hypersensitive phenotype to absic acid (ABA) at seed germination and seedling growth stages (FIG. 5). When grown in a well-watered condition, no phenotypic difference was observed between the three-week wild type (WT) and CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) plants (FIG. 5A, left panel). On the other hand, plants with 14 days of water retention and 2 days of rewatering, drought stress (transgenic plants in the middle and right panels, respectively) showed slightly less withered phenotypes than wild-type plants, and survival rates were wild-type. Higher than the proportion of plants. The survival rate data of the plants in FIG. 5A represent the mean value ± standard error of three independent experiments, each evaluating 30 plants. Figure 5b shows the results of transpirational water loss from the leaves of wild-type and transgenic plants at the point after leaf separation, and this data represents the mean ± standard error of three independent experiments and evaluates 50 leaves each. .

성인(adult) CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된식물에 의해 나타난 가뭄 저항성 표현형이 수분 유지의 변화에 의한 것인지 여부를 조사하기 위해, 우리는 분리된 잎의 신선한 무게를 측정함으로써 증발 수분 손실을 평가했다(도 5c). CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된식물의 잎에서 야생 식물의 잎보다 증산률이 낮았으며 가뭄 저항성 표현형이 증가 된 수분 보유에서 유래되었다는 것을 확인했다. 아브시스산(ABA)로 처리한 야생형 및 CaDIL1이 과발현된(CaDIL1-OX) 식물의 기공 구멍. 잎 껍질은 각 줄의 3주 된 식물에서 수확하고, 0 μM 또는 20 μM ABA를 포함하는 기공성 개방 용액(stomatal opening solution, SOS)에서 배양했다. 대표적인 이미지는 현미경에서 촬영하고(도 5c) 기공 구멍(stomatal apertures))를 측정했다(도 5d). 일반적으로, 가뭄 내성과 감도는 적어도 두 가지 세포 또는 분자 매개 변수에 의해 결정된다. 잎 온도와 기공 구경의 측정은 아브시스산(ABA) 과민성이 가뭄 내성을 증가 시킨다는 것을 나타낸다. 도 5e 및 도 5f는 아브시스산(ABA) 처리에 노출된 야생형 및 CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 각 식물의 잎 온도를 측정하고 대표 이미지를 촬영한 것이다. 본 데이터는 3 개의 독립적 실험의 평균 ± 표준 오차를 나타내며, 각각은 10 개의 식물을 평가한다. 별표(*)는 야생형과 형질 전환성 계통간에 유의한 차이를 나타낸다(P <0.05; ANOVA, Fisher 's LSD test). CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 식물의 향상된 가뭄 내성이 아브시스산(ABA) 민감도 증가와 관련이 있는지를 확인하기 위해 기공 구경과 잎 온도를 측정했다(도 5c 내지 f). 아브시스산(ABA)이 없는 경우, 야생형과 CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 식물간에 기공 구획이나 잎 온도에 유의한 차이가 없음을 확인했다. 그러나, 아브시스산(ABA)에 노출된 후에, CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 식물의 기공 구경과 잎 온도는 야생형 식물의 것보다 현저히 낮았다(도 5c 내지 f). 본 결과는 CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된식물의 이소성 발현이 가뭄 스트레스에 대한 반응이 변화함을 나타낸다.To investigate whether the drought resistant phenotype represented by adult CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) plants was due to changes in water retention, we assessed evaporated water loss by measuring the fresh weight of separated leaves. (FIG. 5C). It was found that the CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) plants had lower transpiration rates than those of wild plants and that the drought resistant phenotype was derived from increased water retention. Pore pore of wild type and CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) plants treated with Absic acid (ABA). Leaf peels were harvested from three-week old plants in each row and incubated in a stomatal opening solution (SOS) containing 0 μM or 20 μM ABA. Representative images were taken under a microscope (FIG. 5C) and stomatal apertures were measured (FIG. 5D). In general, drought tolerance and sensitivity are determined by at least two cellular or molecular parameters. Measurements of leaf temperature and pore size indicate that abscitic acid (ABA) hypersensitivity increases drought tolerance. 5E and 5F show the leaf temperature of each wild type and CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) exposed to Abs acid (ABA) treatment and measured representative images. This data represents the mean ± standard error of three independent experiments, each assessing 10 plants. Asterisks (*) indicate significant differences between wild type and transgenic lines (P <0.05; ANOVA, Fisher's LSD test). The pore diameter and leaf temperature were measured to determine whether the enhanced drought resistance of CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) plants was associated with an increase in the sensitivity of Absacid (ABA) (FIGS. 5C-F). Without Abs (ABA), no significant differences were found in pore compartments or leaf temperatures between wild-type and CaDIL1-overexpressed (CaDIL1-OX) plants. However, after exposure to absic acid (ABA), the pore diameter and leaf temperature of CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) plants were significantly lower than those of wild type plants (FIGS. 5C-F). These results indicate that heterotopic expression of CaDIL1 overexpressed (CaDIL1-OX) plants alters the response to drought stress.

가뭄 내성과 민감도가 스트레스 관련 유전자의 발현 수준과 관련이 있다고 가정하면, CaDIL1의 발현을 조사하기 위해 정량적 RT-PCR 분석을 사용했다. 도 6에서 각 유전자의 상대적 발현 수준 (ΔΔCT)은 내부 통제 유전자로서 액틴8(actin 8)의 기하 평균에 대해 표준화되었다. 데이터는 세 번의 독립적 실험의 평균 ± 표준 오차를 나타낸다. 야생형과 형질 전환성 계통간에 유의한 차이를 나타낸다(P <0.05; ANOVA, Fisher 's LSD test). CaDIL1의 증진된 발현이 가뭄 스트레스 조건 하에서 야생형 및 CaDIL1이 과발현(CaDIL1-OX)된 식물에서 스트레스 관련 유전자의 발현을 변화 시켰음을 확인했다(도 6).Assuming that drought tolerance and sensitivity are related to the expression levels of stress-related genes, quantitative RT-PCR analysis was used to investigate the expression of CaDIL1. In Figure 6 the relative expression level (ΔΔCT) of each gene was normalized to the geometric mean of actin 8 as an internal control gene. Data represent mean ± standard error of three independent experiments. Significant differences between wild-type and transgenic lines were shown (P <0.05; ANOVA, Fisher's LSD test). It was confirmed that enhanced expression of CaDIL1 altered the expression of stress related genes in wild-type and CaDIL1-overexpressed (CaDIL1-OX) plants under drought stress conditions (FIG. 6).

<110> Chung-Ang University Industry-Academy Cooperation Foundation <120> CaDIL1 gene and the method for improving the resistance to the drought stress using CaDIL1 gene <130> MP18-111 <160> 2 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 504 <212> DNA <213> CaDIL1 <400> 1 atggcttccc acgagcagag ttacagagct ggtgaaacca agggccagac tcaggcgaag 60 gttggtcaag caatggaagg catgaaggac aaggctcaag aagcaaagga caggacttca 120 gagatggccc attcagccaa aggaacggcc catgagaaga cgggcgcagc caaagacaag 180 acttcagatg cagctcaggc taccaaagat aagacaagtg gagcagctca ggaaaccaaa 240 gataagacag ctggagcagc tcaggctact aaagagaagg ctagtggagc agctcaggct 300 actaaagata aggcttcaga aatgatggag tcggcaaaag agacggctca ggctggtcaa 360 gagaaaactg gtagcatcct ctcaaagacg ggagaacaag tgaagagcat ggctcagggt 420 gctgctgatg cagtgaagca cacttttggc atggcggata ctgctgaaga tcctcatgcc 480 acaaaaacac ccagagaacc atag 504 <210> 2 <211> 167 <212> PRT <213> CaDIL1 <400> 2 Met Ala Ser His Glu Gln Ser Tyr Arg Ala Gly Glu Thr Lys Gly Gln 1 5 10 15 Thr Gln Ala Lys Val Gly Gln Ala Met Glu Gly Met Lys Asp Lys Ala 20 25 30 Gln Glu Ala Lys Asp Arg Thr Ser Glu Met Ala His Ser Ala Lys Gly 35 40 45 Thr Ala His Glu Lys Thr Gly Ala Ala Lys Asp Lys Thr Ser Asp Ala 50 55 60 Ala Gln Ala Thr Lys Asp Lys Thr Ser Gly Ala Ala Gln Glu Thr Lys 65 70 75 80 Asp Lys Thr Ala Gly Ala Ala Gln Ala Thr Lys Glu Lys Ala Ser Gly 85 90 95 Ala Ala Gln Ala Thr Lys Asp Lys Ala Ser Glu Met Met Glu Ser Ala 100 105 110 Lys Glu Thr Ala Gln Ala Gly Gln Glu Lys Thr Gly Ser Ile Leu Ser 115 120 125 Lys Thr Gly Glu Gln Val Lys Ser Met Ala Gln Gly Ala Ala Asp Ala 130 135 140 Val Lys His Thr Phe Gly Met Ala Asp Thr Ala Glu Asp Pro His Ala 145 150 155 160 Thr Lys Thr Pro Arg Glu Pro 165 <110> Chung-Ang University Industry-Academy Cooperation Foundation <120> CaDIL1 gene and the method for improving the resistance to the          drought stress using CaDIL1 gene <130> MP18-111 <160> 2 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 504 <212> DNA <213> CaDIL1 <400> 1 atggcttccc acgagcagag ttacagagct ggtgaaacca agggccagac tcaggcgaag 60 gttggtcaag caatggaagg catgaaggac aaggctcaag aagcaaagga caggacttca 120 gagatggccc attcagccaa aggaacggcc catgagaaga cgggcgcagc caaagacaag 180 acttcagatg cagctcaggc taccaaagat aagacaagtg gagcagctca ggaaaccaaa 240 gataagacag ctggagcagc tcaggctact aaagagaagg ctagtggagc agctcaggct 300 actaaagata aggcttcaga aatgatggag tcggcaaaag agacggctca ggctggtcaa 360 gagaaaactg gtagcatcct ctcaaagacg ggagaacaag tgaagagcat ggctcagggt 420 gctgctgatg cagtgaagca cacttttggc atggcggata ctgctgaaga tcctcatgcc 480 acaaaaacac ccagagaacc atag 504 <210> 2 <211> 167 <212> PRT <213> CaDIL1 <400> 2 Met Ala Ser His Glu Gln Ser Tyr Arg Ala Gly Glu Thr Lys Gly Gln   1 5 10 15 Thr Gln Ala Lys Val Gly Gln Ala Met Glu Gly Met Lys Asp Lys Ala              20 25 30 Gln Glu Ala Lys Asp Arg Thr Ser Glu Met Ala His Ser Ala Lys Gly          35 40 45 Thr Ala His Glu Lys Thr Gly Ala Ala Lys Asp Lys Thr Ser Asp Ala      50 55 60 Ala Gln Ala Thr Lys Asp Lys Thr Ser Gly Ala Ala Gln Glu Thr Lys  65 70 75 80 Asp Lys Thr Ala Gly Ala Ala Gln Ala Thr Lys Glu Lys Ala Ser Gly                  85 90 95 Ala Ala Gln Ala Thr Lys Asp Lys Ala Ser Glu Met Met Glu Ser Ala             100 105 110 Lys Glu Thr Ala Gln Ala Gly Gln Glu Lys Thr Gly Ser Ile Leu Ser         115 120 125 Lys Thr Gly Glu Gln Val Lys Ser Met Ala Gln Gly Ala Ala Asp Ala     130 135 140 Val Lys His Thr Phe Gly Met Ala Asp Thr Ala Glu Asp Pro His Ala 145 150 155 160 Thr Lys Thr Pro Arg Glu Pro                 165

Claims (5)

건조 스트레스에 대한 저항성을 증진시키는 단백질을 암호화하며, 서열번호 1의 염기서열로 이루어진 CaDIL1(Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) 유전자.
CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) gene encoding a protein that enhances resistance to dry stress and consists of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.
제 1항에 기재된 CaDIL1 유전자에 의해 암호화되는 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진 CaDIL1 단백질.
CaDIL1 protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 encoded by the CaDIL1 gene according to claim 1.
제 1항의 유전자 또는 제 2항의 단백질을 유효성분으로 포함하는, 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진용 조성물.
Claim 1 gene or a protein of claim 2 comprising the active ingredient, a composition for enhancing the dry stress resistance of the plant.
하기의 단계를 포함하는, 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진방법:
(a) CaDIL1(Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) 단백질을 암호화하는 서열번호 1의 유전자를 식물체에 형질전환 하는 단계; 및
(b) 상기 형질전환된 식물체에서 CaDIL1 단백질을 과발현시키는 단계.
A method for enhancing dry stress resistance of a plant, comprising the following steps:
(a) transforming a plant with a gene of SEQ ID NO: 1 encoding CaDIL1 (Capsicum annuum Drought Induced Late embryogenesis abundant 1) protein; And
(b) overexpressing CaDIL1 protein in the transformed plant.
제4항의 방법에 의해 건조 스트레스 저항성이 증진된 형질전환 식물체.
A transgenic plant having improved dry stress resistance by the method of claim 4.
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