KR20220170516A - Method for improving the resistance to the drought stress using pepper protein kinase CaGRAS1 in plants - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a transcription factor CaGRAS1 gene derived from Korean dark green pepper species, a protein composed of amino acids encoded by the gene, and a method for improving dry stress resistance in plants using the gene or protein. The CaGRAS1 protein functions as a positive regulator of ABA signaling, and the effect of improving drought stress resistance was confirmed in transgenic plants overexpressing the protein. By controlling the expression of the CaGRAS1 gene, the CaGRAS1 protein can be used to improve crops which can be used by humans. In particular, it is expected that the CaGRAS1 protein is useful in improving plant productivity.

Description

CaGRAS1 유전자 및 이를 이용한 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진방법 {Method for improving the resistance to the drought stress using pepper protein kinase CaGRAS1 in plants}CaGRAS1 gene and method for improving dry stress resistance of plants using the same {Method for improving the resistance to the drought stress using pepper protein kinase CaGRAS1 in plants}

본 발명은 고추 녹광 품종 유래 전사인자 CaGRAS1(Capsicum annuum GRAS1) 유전자, 상기 유전자에 의해 코딩되는 아미노산으로 이루어진 단백질 및 상기 유전자 또는 단백질을 이용한 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진방법 등에 관한 것이다.The present invention relates to a transcription factor CaGRAS1 ( Capsicum annuum GRAS1) gene derived from a red pepper cultivar, a protein composed of amino acids encoded by the gene, and a method for enhancing plant drying stress resistance using the gene or protein.

지구온난화는 극심한 기후 변화를 야기하여 식물들의 정상적인 생장 및 발달을 저해하는 환경적 스트레스를 유발하며, 이에 대하여 식물체는 추위, 고염, 및 가뭄과 같은 불리한 환경에서 생존하기 위한 정교한 방어기작을 진화시켜왔다. 예컨대, 가뭄(drought)은 수분 부족 환경에 의해 일어나며 식물의 정상적인 성장에 심각한 영향을 미쳐 결국 곡물의 수확량 감소를 초래하는데, 식물은 이러한 건조 스트레스에 적응하기 위해 기공폐쇄, 앱시스산(abscisic acid; 이하 ABA)의 합성 및 축적과 같은 다양한 방어 기작을 활성화한다.Global warming causes extreme climate change to induce environmental stress that inhibits the normal growth and development of plants. In response, plants have evolved sophisticated defense mechanisms to survive in adverse environments such as cold, high salinity, and drought. For example, drought is caused by a water shortage environment and seriously affects the normal growth of plants, eventually resulting in a decrease in crop yield. It activates various defense mechanisms such as the synthesis and accumulation of ABA).

ABA는 비생물적 스트레스 특히, 건조 스트레스에 대하여 식물을 보호하기 위한 조절 인자이며, 식물 생장 및 발달에 매우 중요한 역할을 한다고 알려졌다. 보고된 바에 의하면, ABA를 미리 처리하고 스트레스를 준 식물은 그렇지 않은 식물에 비해 스트레스에 잘 저항하는 반면 ABA를 생성하지 못하거나, ABA에 반응하지 못하는 돌연변이 식물들은 스트레스에 약한 것으로 알려졌다. 따라서 ABA의 반응에 관여하는 단백질들을 이용하면, 환경 스트레스에 대한 저항성이 향상된 식물을 개발할 수 있을 것으로 기대되고 있다.ABA is known to be a regulatory factor for protecting plants against abiotic stress, particularly dry stress, and plays a very important role in plant growth and development. Reportedly, plants treated with ABA in advance and subjected to stress are more resistant to stress than plants that are not, whereas mutant plants that do not produce ABA or do not respond to ABA are known to be weak against stress. Therefore, it is expected that plants with improved resistance to environmental stress can be developed by using proteins involved in the response of ABA.

ABA 신호는 삼투 적응 및 뿌리 수리 전도도(hydraulic conductivity)의 조절에 관여하는 전사인자와 E3 리가아제(E3 ligase)와 같은 다양한 스트레스 관련 유전자들의 발현을 조절한다고 알려졌으나, 완전한 ABA 신호전달경로는 아직 규명되지 않았다. 식물 세포에서 ABA 신호전달 개시를 위해서는 ABA 수용체가 존재해야 하고 신호를 하위 단백질로 전달해야 한다. 현재까지 ABA 수용체로써 PYR/PYL/RCARs가 ABA를 인식하는 역할을 한다고 알려졌다. 수용체가 ABA를 인식하면 표적 단백질의 인산화를 통해 특정 유전자들의 발현 및 이온 채널 활성화를 촉진시키며, 이는 식물체가 불리한 환경에 적응할 수 있도록 한다.ABA signals are known to regulate the expression of various stress-related genes, such as transcription factors and E3 ligase, which are involved in osmotic adaptation and regulation of root hydraulic conductivity, but the complete ABA signaling pathway has not yet been identified. It didn't work. Initiation of ABA signaling in plant cells requires the presence of ABA receptors and transmission of signals to downstream proteins. Until now, it has been known that PYR/PYL/RCARs as ABA receptors play a role in recognizing ABA. When the receptor recognizes ABA, it promotes the expression of specific genes and the activation of ion channels through phosphorylation of target proteins, which enables plants to adapt to unfavorable environments.

오늘날 사막화가 진행됨에 따라 물 부족이 농업과 환경에 큰 문제점을 초래하고 있으며, 이에 물을 적게 사용하여도 건조한 환경에서 견디고 살 수 있는 식물의 개발이 필요한 실정이다. 이러한 기술이 개발되어 작물에 적용되면 농업 생산량이 매우 증가할 것으로 기대되며, 특히 건조한 지역의 경우, 건조 저항성이 향상된 식물, 즉 증산 작용을 낮출 수 있는 식물들은 생존에 유리하므로, 농업 생산성 향상에 기여할 수 있을 뿐 아니라, 환경이 매우 건조한 지역에서 환경정화에도 유용할 수 있다.As desertification progresses today, water shortage is causing major problems in agriculture and the environment, and it is necessary to develop plants that can survive and live in a dry environment even with low water consumption. If this technology is developed and applied to crops, it is expected that agricultural production will greatly increase. Especially in arid regions, plants with improved drying resistance, that is, plants that can lower transpiration, will have an advantage in survival, contributing to the improvement of agricultural productivity. It can also be useful for environmental cleanup in areas where the environment is very dry.

이에, 식물체의 건조 스트레스에 대한 저항성을 증진시키기 위한 방법이 주요 연구 대상이 되고 있으며, 이와 관련하여 건조 스트레스 내성 및 생장 촉진 관련 유전자와 이에 따른 형질전환 식물체에 대한 연구가 이루어지고 있으나 아직 미비한 실정이다.Therefore, a method for enhancing the resistance of plants to dry stress has become a major research subject, and in this regard, studies on genes related to dry stress tolerance and growth promotion and transgenic plants are being conducted, but the situation is still incomplete. .

한국등록특허공보 제10-2090653호(2020.03.12)Korean Registered Patent Publication No. 10-2090653 (2020.03.12)

본 발명자들은 ABA 신호전달 경로 조절을 통한 건조 스트레스 반응간의 관련성을 알아보기 위해 연구하던 중, 고추에서의 GRAS 도메인에 해당하는 CaGRAS1을 동정 하였으며, 상기 단백질이 ABA 매개성 기공 폐쇄를 조절함으로써, 이를 통해 식물의 건조 스트레스 저항성을 증진시키는 양성 조절자로서 기능함을 규명하여 본 발명을 완성하였다.The present inventors identified CaGRAS1 corresponding to the GRAS domain in pepper while studying the relationship between the drying stress response through the regulation of the ABA signaling pathway, and the protein regulates ABA-mediated stomatal closure, thereby The present invention was completed by identifying the function as a positive regulator that enhances the drying stress resistance of plants.

이에, 본 발명의 목적은 건조 스트레스에 대한 양성적 조절인자(positive regulator)인 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 건조 스트레스 저항성 CaGRAS1(Capsicum annuum GRAS1) 단백질을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a drying stress resistant CaGRAS1 ( Capsicum annuum GRAS1) protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, which is a positive regulator for drying stress.

본 발명의 다른 목적은 상기 CaGRAS1 단백질을 암호화하는 CaGRAS1 유전자을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a CaGRAS1 gene encoding the CaGRAS1 protein.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 CaGRAS1 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a recombinant vector containing the CaGRAS1 gene.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 재조합 벡터로 형질전환된 식물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a plant transformed with the recombinant vector.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 CaGRAS1 단백질, 이를 암호화하는 CaGRAS1 유전자, 및 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 유효성분으로 포함하는 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진용 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a composition for enhancing the drying stress resistance of plants, comprising at least one selected from the group consisting of the CaGRAS1 protein, the CaGRAS1 gene encoding the same, and a recombinant vector containing the gene as an active ingredient. .

본 발명의 또 다른 목적은 CaGRAS1 유전자를 식물체에 형질전환하여 과발현시킴으로써 식물체의 건조 스트레스 저항성을 증진시키는 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for enhancing the drying stress resistance of plants by transforming and overexpressing the CaGRAS1 gene in plants.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의해 건조 스트레스 저항성이 증진된 형질전환 식물체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a transgenic plant with enhanced drying 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 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. There will be.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 건조 스트레스에 대한 양성적 조절인자(positive regulator)인 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 건조 스트레스 저항성 CaGRAS1(Capsicum annuum GRAS1) 단백질을 제공한다. In order to achieve the object of the present invention as described above, the present invention provides a drying stress resistant CaGRAS1 ( Capsicum annuum GRAS1) protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, which is a positive regulator for drying stress.

또한, 본 발명은 상기 CaGRAS1 단백질을 암호화하는 CaGRAS1 유전자를 제공한다.In addition, the present invention provides a CaGRAS1 gene encoding the CaGRAS1 protein.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 CaGRAS1 유전자는 서열번호 2의 염기 서열로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the CaGRAS1 gene may consist of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 CaGRAS1 유전자는 고추로부터 분리될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, the CaGRAS1 gene may be isolated from pepper, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 CaGRAS1 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 제공한다.In addition, the present invention provides a recombinant vector containing the CaGRAS1 gene.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 재조합 벡터는 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진용일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the recombinant vector may be used to improve dry stress resistance of plants, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 재조합 벡터로 형질 전환된 식물을 제공한다.In addition, the present invention provides a plant transformed with the recombinant vector.

또한, 본 발명은 상기 단백질, 이를 암호화하는 CaGRAS1 유전자, 및 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 유효성분으로 포함하는 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진용 조성물을 제공한다.In addition, the present invention provides a composition for enhancing the drying stress resistance of a plant comprising, as an active ingredient, at least one selected from the group consisting of the protein, the CaGRAS1 gene encoding the same, and a recombinant vector containing the gene.

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

(a) CaGRAS1(Capsicum annuum GRAS1) 단백질을 암호화하는 유전자를 식물체에 형질전환 하는 단계; 및(a) transforming a gene encoding a CaGRAS1 ( Capsicum annuum GRAS1) protein into a plant; and

(b) 상기 형질전환된 식물체에서 CaGRAS1 단백질을 과발현시키는 단계.(b) overexpressing the CaGRAS1 protein in the transformed plant.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 건조 스트레스 저항성이 증진된 형질전환 식물체를 제공한다.In addition, the present invention provides a transgenic plant with enhanced drying stress resistance by the above method.

또한, 본 발명은 상기 단백질, 이를 암호화하는 CaGRAS1 유전자, 및 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 유효성분으로 포함하는 조성물의 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진 용도를 제공한다.In addition, the present invention provides a use of a composition comprising, as an active ingredient, at least one selected from the group consisting of the protein, the CaGRAS1 gene encoding the same, and a recombinant vector containing the gene, to enhance the drying stress resistance of plants.

또한, 본 발명은 상기 단백질, 이를 암호화하는 CaGRAS1 유전자, 및 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 유효성분으로 포함하는 조성물을 식물에 투여하는 단계를 포함하는 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진 방법을 제공한다.In addition, the present invention relates to the drying stress resistance of plants comprising the step of administering to the plant a composition comprising at least one selected from the group consisting of the protein, the CaGRAS1 gene encoding the same, and a recombinant vector containing the gene as an active ingredient. Provides a method of enhancement.

본 발명은 고추의 GRAS 도메인에 해당하는 CaGRAS1을 동정하였으며, CaGRAS1 단백질은 ABA 신호전달의 양성 조절자로 기능하며 상기 단백질이 과발현된 형질전환 식물체에서 건조 스트레스 저항성 증진 효과를 확인하였는바, CaGRAS1 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 identified CaGRAS1 corresponding to the GRAS domain of pepper, and the CaGRAS1 protein functions as a positive regulator of ABA signaling and confirmed the drying stress resistance enhancing effect in transgenic plants overexpressing the protein. Expression of the CaGRAS1 gene Through control, it can be used to improve crops that can be used by mankind, and it is expected to be usefully used to improve plant productivity in particular.

도 1a는 CaGRAS1 단백질의 계통수를 분석한 결과로, CaGRAS1의 추정 아미노산 서열을 이용하여 BLAST 검색을 수행하였고, 각 식물 종에서 가장 유사한 서열을 수집한 결과이다. MEGA 소프트웨어 (버전 10.1.1)를 사용하여 계통수를 생성하였다.
도 1b는 CaGRAS1 단백질의 상동성을 분석한 결과로서, Solanum pennellii (accession no. XP_015080715.1), Nicotiana tabacum (accession no. XP_016463344.1), Camellia sinensis (accession no. XP_028126203.1), Coffea eugenioides (accession no. XP_027171108.1), Gossypium arboreum (accession no. XP_017639076.1), 및 Arabidopsis thaliana (accession no. NP_001332482.1) 와의 아미노산 서열 분석결과를 나타낸 것이다. 동일한 아미노산 잔기는 검은색으로 강조 표시하였으며, 빨간색 상자 밑줄은 GRAS 도메인을 나타낸 것이다.
도 2a는 ABA, 가뭄, H2O2, NaCl 처리 후 고추 잎에서의 CaGRAS1의 발현 패턴을 나타낸 것이다. CaACT1 유전자를 대조군으로 사용하였다.
도 2b는 담배(Nicotiana benthamiana) 표피 세포에서 CaGRAS1-GFP 융합 단백질의 세포 내 국소화를 나타낸 것이다.
도 2c는 효모 AH109 균주에서 GAL4 DNA 결합 도메인에 융합된 전장 및 절단된 형태의 CaGRAS1에 의한 GAL4-반응성 프로포터의 트랜스활성화 결과를 나타낸 것이다. SC-LW:SC-류신-트립토판, SC-AHLW:SC-아데닌-히스티딘-류신-트립토판, BD:DNA 결합 도메인.
도 3a는 TRV2:CaGRAS1 및 TRV2:00 고추 식물의 잎에서 CaGRAS1 유전자의 발현을 RT-PCR 분석으로 확인한 결과를 나타낸 것이다. CaACT1 유전자를 내부 대조군으로 사용하였다.
도 3b는 TRV2:CaGRAS1 및 TRV2:00 고추 식물의 가뭄에 대한 감수성을 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 3c는 잎 분리 후 다양한 시점에서 TRV2:CaGRAS1 및 TRV2:00의 증산 수분 손실을 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 3d는 TRV2:CaGRAS1 및 TRV2:00 고추 식물에서 ABA 처리에 따른 기공 개도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 3e는 TRV2:CaGRAS1 및 TRV2:00 고추 식물에서 ABA 처리에 따른 기공 크기(넓이/높이) 변화를 확인한 것이다.
도 3f는 TRV2:CaGRAS1 및 TRV2:00 고추 식물에서 ABA 처리에 따른 잎 온도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 3g는 TRV2:CaGRAS1 및 TRV2:00 고추 식물에서 ABA 처리에 따른 잎 온도를 나타낸 것이다.
도 3h는 TRV2:CaGRAS1 및 TRV2:00 고추 식물에서 ABA 처리에 따른 스트레스 반응 유전자 CaLOX1, CaOSM1, 및 CaADIP1의 발현 수준을 qRT-PCR로 비교 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 야생형(WT) 및 CaGRAS1-OX 형질전환 애기장대 식물에서 CaGRAS1 발현을 RT-PCR 분석으로 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 5a는 다양한 농도의 ABA가 보충된 0.5X MS 배지에서 CaGRAS1-OX 형질전환(#2 및 #3) 및 야생형(WT) 식물의 발아율을 나타낸 것이다.
도 5b는 다양한 농도의 ABA가 보충된 0.5X MS 배지에서 CaGRAS1-OX 형질전환(#2 및 #3) 및 야생형(WT) 식물의 발아율을 나타낸 것이다.
도 5c는 ABA에 노출된 CaGRAS1-OX 형질전환(#2 및 #3) 및 야생형(WT) 식물의 자엽 녹화 비율(Rate of cotyledon greening)을 나타낸 것이다.
도 5d는 ABA에 노출된 CaGRAS1-OX 형질전환(#2 및 #3) 및 야생형(WT) 식물의 뿌리 신장 정도를 나타낸 것이다.
도 5e는 ABA에 노출된 CaGRAS1-OX 형질전환(#2 및 #3) 및 야생형(WT) 식물의 뿌리 신장 정도를 나타낸 것이다.
도 6a는 CaGRAS1-OX 형질전환(#2 및 #3) 및 야생형(WT) 식물의 가뭄 감수성을 나타낸 것이다.
도 6b는 CaGRAS1-OX 형질전환(#2 및 #3) 및 야생형(WT) 식물의 건조 스트레스에 대한 생존율을 나타낸 것이다.
도 6c는 CaGRAS1-OX 형질전환(#2 및 #3) 및 야생형(WT) 식물의 건조 스트레스에 대한 증산 수분 손실을 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 6d는 CaGRAS1-OX 형질전환(#2 및 #3) 및 야생형(WT) 식물의 ABA 처리에 대한 잎 온도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6e는 CaGRAS1-OX 형질전환(#2 및 #3) 및 야생형(WT) 식물의 ABA 처리에 대한 기공 개도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6f는 CaGRAS1-OX 형질전환(#2 및 #3) 및 야생형(WT) 식물의 ABA 처리에 대한 기공 크기(넓이/높이) 변화를 확인한 것이다.
Figure 1a shows the results of analyzing the phylogenetic tree of CaGRAS1 protein, BLAST search was performed using the estimated amino acid sequence of CaGRAS1, and the most similar sequences in each plant species were collected. A phylogenetic tree was generated using MEGA software (version 10.1.1).
Figure 1b shows the results of homology analysis of CaGRAS1 protein, Solanum pennellii (accession no. XP_015080715.1), Nicotiana tabacum (accession no. XP_016463344.1), Camellia sinensis (accession no. XP_028126203.1), Coffea eugenioides ( It shows the results of amino acid sequence analysis with accession no. XP_027171108.1), Gossypium arboreum (accession no. XP_017639076.1), and Arabidopsis thaliana (accession no. NP_001332482.1). Identical amino acid residues are highlighted in black, and the red box underlined indicates the GRAS domain.
Figure 2a shows the expression pattern of CaGRAS1 in pepper leaves after treatment with ABA, drought, H 2 O 2 , NaCl. CaACT1 gene was used as a control.
Figure 2b shows the intracellular localization of the CaGRAS1-GFP fusion protein in tobacco ( Nicotiana benthamiana ) epidermal cells.
Figure 2c shows the results of transactivation of GAL4-responsive promoters by CaGRAS1 in full-length and truncated forms fused to the GAL4 DNA binding domain in yeast strain AH109. SC-LW:SC-leucine-tryptophan, SC-AHLW:SC-adenine-histidine-leucine-tryptophan, BD:DNA binding domain.
Figure 3a shows the results of confirming the expression of the CaGRAS1 gene in the leaves of TRV2: CaGRAS1 and TRV2:00 pepper plants by RT-PCR analysis. The CaACT1 gene was used as an internal control.
Figure 3b shows the results of confirming the sensitivity to drought of TRV2: CaGRAS1 and TRV2:00 pepper plants.
Figure 3c shows the results of transpirational water loss of TRV2: CaGRAS1 and TRV2:00 at various time points after leaf separation.
Figure 3d shows the results of measuring stomatal opening according to ABA treatment in TRV2: CaGRAS1 and TRV2:00 pepper plants.
Figure 3e confirms the change in pore size (width/height) according to ABA treatment in TRV2: CaGRAS1 and TRV2:00 pepper plants.
Figure 3f shows the results of measuring leaf temperature according to ABA treatment in TRV2: CaGRAS1 and TRV2:00 pepper plants.
Figure 3g shows leaf temperature according to ABA treatment in TRV2: CaGRAS1 and TRV2:00 pepper plants.
Figure 3h shows the result of comparative analysis of the expression levels of stress response genes CaLOX1, CaOSM1, and CaADIP1 according to ABA treatment in TRV2: CaGRAS1 and TRV2:00 pepper plants by qRT-PCR.
Figure 4 shows the results of confirming CaGRAS1 expression in wild-type (WT) and CaGRAS1 -OX transgenic Arabidopsis plants by RT-PCR analysis.
Figure 5a shows the germination rates of CaGRAS1 -OX transgenic (#2 and #3) and wild-type (WT) plants in 0.5X MS medium supplemented with various concentrations of ABA.
Figure 5b shows the germination rates of CaGRAS1- OX transgenic (#2 and #3) and wild-type (WT) plants in 0.5X MS medium supplemented with various concentrations of ABA.
Figure 5c shows the rate of cotyledon greening of CaGRAS1 -OX transgenic (#2 and #3) and wild type (WT) plants exposed to ABA.
Figure 5d shows the degree of root elongation of CaGRAS1 -OX transgenic (#2 and #3) and wild-type (WT) plants exposed to ABA.
Figure 5e shows the degree of root elongation of CaGRAS1 -OX transgenic (#2 and #3) and wild-type (WT) plants exposed to ABA.
Figure 6a shows the drought susceptibility of CaGRAS1 -OX transgenic (#2 and #3) and wild type (WT) plants.
Figure 6b shows the survival rates of CaGRAS1 -OX transgenic (#2 and #3) and wild-type (WT) plants against drying stress.
Figure 6c shows the results of transpirational water loss in response to drying stress in CaGRAS1- OX transgenic (#2 and #3) and wild-type (WT) plants.
Figure 6d shows the results of measuring leaf temperature for ABA treatment of CaGRAS1- OX transgenic (#2 and #3) and wild-type (WT) plants.
Figure 6e shows the results of measuring stomatal opening in CaGRAS1- OX transgenic (#2 and #3) and wild-type (WT) plants treated with ABA.
Figure 6f confirms the change in stomatal size (width/height) of CaGRAS1- OX transgenic (#2 and #3) and wild-type (WT) plants with ABA treatment.

본 발명자들은 고추에서 GRAS 도메인 CaGRAS1을 동정하였으며, 상기 단백질이 ABA 매개성 기공 폐쇄를 조절함으로써, 이를 통해 식물의 건조 스트레스 저항성을 증진시키는 양성 조절자로서 기능함을 규명하여 본 발명을 완성하였다.The present inventors identified the GRAS domain CaGRAS1 in pepper, and found that the protein functions as a positive regulator that enhances the drying stress resistance of plants by regulating ABA-mediated stomatal closure, thereby completing the present invention.

이에, 본 발명은 본 발명의 건조 스트레스에 대한 양성 조절인자인, 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 건조 스트레스 저항성 CaGRAS1(Capsicum annuum GRAS1) 단백질 및 이를 암호화하는 유전자를 제공한다.Accordingly, the present invention provides a drying stress resistant CaGRAS1 ( Capsicum annuum GRAS1) protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, which is a positive regulator for drying stress of the present invention, and a gene encoding the same.

본 발명의 유전자인 CaGRAS1은 바람직하게는 서열번호 2의 염기서열로 이루어져 있으며, 상기 CaGRAS1 유전자에 의해 암호화되는 펩타이드는 바람직하게는 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. CaGRAS1 , the gene of the present invention, preferably consists of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2, and the peptide encoded by the CaGRAS1 gene may preferably consist of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, but is not limited thereto.

본 발명의 유전자인 CaGRAS1은 고추로부터 분리된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The gene of the present invention, CaGRAS1 , may be isolated from red pepper, but is not limited thereto.

본 명세서에서 "양성 조절인자(positive regulator) 단백질"이란 생명현상 조절에서 증가방향으로 작용하는 단백질을 의미한다. 즉, 본 발명의 유전자인 CaGRAS1이 과발현되는 경우, ABA 민감도 증가, 및 건조 스트레스에 대한 저항성이 증가될 수 있다.As used herein, "positive regulator protein" means a protein that acts in an increasing direction in regulating life phenomena. That is, when CaGRAS1 , the gene of the present invention, is overexpressed, ABA sensitivity may be increased and resistance to drying stress may be increased.

본 발명의 일 실험예에서는, 고추에서 CaGRAS1 유전자를 분리 및 동정하고, CaGRAS1 단백질과 다른 종 GRAS 단백질과의 상동성을 분석하였다 (실험예 1 참조).In one experimental example of the present invention, the CaGRAS1 gene was isolated and identified from pepper, and homology between the CaGRAS1 protein and GRAS proteins of other species was analyzed (see Experimental Example 1).

본 발명의 다른 실험예에서는, 가뭄 스트레스 및 ABA를 처리한 조건에서 CaGRAS1-silenced 고추식물 및 정상대조군 고추 식물의 잎에서 잎 온도, 기공개도, 수분손실량, 생존율 등을 측정함으로써 CaGRAS1 유전자 침묵에 의한 ABA 감수성 감소 효과를 확인하였고, 실제로 CaGRAS1 발현이 저해된 식물에서 대조군에 비해 건조 스트레스 저항성이 감소되는 것을 확인하였다(실험예 3 참조).In another experimental example of the present invention, by measuring leaf temperature, stomatal opening, water loss, survival rate, etc. in the leaves of CaGRAS1-silenced pepper plants and normal control pepper plants under drought stress and ABA-treated conditions, CaGRAS1 gene silencing The effect of reducing ABA sensitivity was confirmed, and in fact, it was confirmed that drying stress resistance was reduced in plants in which CaGRAS1 expression was inhibited compared to the control group (see Experimental Example 3).

본 발명의 또 다른 실시예에서는, CaGRAS1을 과발현하는 형질전환 애기장대 식물체를 제작하여 가뭄 스트레스 및 ABA를 처리한 조건에서 야생형 식물체와 CaGRAS1과발현 식물체의 발아율, 녹색 자엽화, 뿌리 성장율 측정, 스트레스 반응 유전자 발현 등을 통해 CaGRAS1이 식물체의 건조 스트레스 저항성을 증진시키는 양성 조절자로 작용함을 확인하였으며, 실제로 애기장대 식물에서 CaGRAS1 유전자 과발현시 건조 저항성이 증가됨을 잎온도, 기공개도, 수분손실량 측정을 통해 확인하였다(실험예 4 내지 5 참조).In another embodiment of the present invention, transgenic Arabidopsis plants overexpressing CaGRAS1 were prepared, and the germination rate, green cotyledonization, root growth rate measurement, stress response gene of wild-type plants and CaGRAS1 overexpressing plants under conditions of drought stress and ABA treatment Through expression, etc., it was confirmed that CaGRAS1 acts as a positive regulator that enhances the drying stress resistance of plants. In fact, overexpression of the CaGRAS1 gene in Arabidopsis plants increased drying resistance through measurement of leaf temperature, stomatal opening, and water loss. (See Experimental Examples 4 to 5).

본 발명의 다른 양태로서, 상기 CaGRAS1 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 제공한다.As another aspect of the present invention, a recombinant vector containing the CaGRAS1 gene is provided.

용어 "재조합"은 세포가 이종의 핵산을 복제하거나, 상기 핵산을 발현하거나 또는 펩티드, 이종의 펩티드 또는 이종의 핵산에 의해 암호된 단백질을 발현하는 세포를 지칭하는 것이다. 재조합 세포는 상기 세포의 천연 형태에서는 발견되지 않는 유전자 또는 유전자 절편을, 센스 또는 안티센스 형태 중 하나로 발현할 수 있다. 또한 재조합 세포는 천연 상태의 세포에서 발견되는 유전자를 발현할 수 있으며, 그러나 상기 유전자는 변형된 것으로서 인위적인 수단에 의해 세포 내 재도입된 것이다.The term “recombinant” refers to a cell that replicates, expresses a heterologous nucleic acid, or expresses a peptide, a protein encoded by a heterologous peptide, or a heterologous nucleic acid. Recombinant cells can express genes or gene segments not found in the cell's native form, either in sense or antisense form. A recombinant cell may also express a gene found in the cell in its natural state, but the gene has been reintroduced into the cell by artificial means as a modified one.

용어 "재조합 발현 벡터"는 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. 상기 발현 벡터의 중요한 특성은 복제 원점, 프로모터, 마커 유전자 및 번역 조절 요소(translation control element)를 가지는 것이다.The term “recombinant expression vector” refers to a bacterial plasmid, phage, yeast plasmid, plant cell virus, mammalian cell virus, or other vector. In general, any plasmid and vector may be used provided that it is capable of replicating and stabilizing in the host. An important characteristic of the expression vector is that it has an origin of replication, a promoter, a marker gene and a translation control element.

상기 유전자 서열 및 적당한 전사/번역 조절 신호를 포함하는 발현 벡터는 당업자에 주지된 방법에 의해 구축될 수 있다. 상기 방법은 시험관 내 재조합 DNA 기술, DNA 합성 기술 및 생체 내 재조합 기술 등을 포함한다. 상기 DNA 서열은 mRNA 합성을 이끌기 위해 발현 벡터 내의 적당한 프로모터에 효과적으로 연결될 수 있다. 또한 발현 벡터는 번역 개시 부위로서 리보좀 결합 부위 및 전사 터미네이터를 포함할 수 있다.An expression vector comprising the gene sequence and suitable transcriptional/translational control signals can be constructed by methods well known to those skilled in the art. The method includes in vitro recombinant DNA technology, DNA synthesis technology, in vivo recombinant technology, and the like. The DNA sequence can be effectively linked to a suitable promoter in an expression vector to direct mRNA synthesis. In addition, the expression vector may include a ribosome binding site and a transcription terminator as a translation initiation site.

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 벡터이다. 다른 유형의 Ti-플라스미드 벡터 (EP 0 116 718 B1호 참조)는 현재 식물 세포, 또는 잡종 DNA를 식물의 게놈 내에 적당하게 삽입시키는 새로운 식물이 생산될 수 있는 원형질체로 잡종 DNA 서열을 전이시키는데 이용되고 있다. Ti-플라스미드 벡터의 특히 바람직한 형태는 EP 0 120 516 B1호 및 미국 특허 제4,940,838호에 청구된 바와 같은 소위 바이너리(binary) 벡터이다. 본 발명에 따른 DNA를 식물 숙주에 도입시키는데 이용될 수 있는 다른 적합한 벡터는 이중 가닥 식물 바이러스(예를 들면, CaMV) 및 단일 가닥 바이러스, 게미니 바이러스 등으로부터 유래될 수 있는 것과 같은 바이러스 벡터, 예를 들면 비완전성 식물 바이러스 벡터로부터 선택될 수 있다. 그러한 벡터의 사용은 특히 식물 숙주를 적당하게 형질전환하는 것이 어려울 때 유리할 수 있다.A preferred example of the recombinant vector of the present invention is the Ti-plasmid vector, which is capable of transferring a part of itself, the so-called T-region, into plant cells when present in a suitable host such as Agrobacterium tumefaciens. Another type of Ti-plasmid vector (see EP 0 116 718 B1) is currently used to transfer hybrid DNA sequences into plant cells, or protoplasts, from which new plants can be produced that properly integrate the hybrid DNA into the plant's genome. there is. A particularly preferred form of the Ti-plasmid vector is the so-called binary vector as claimed in EP 0 120 516 B1 and US Pat. No. 4,940,838. Other suitable vectors that can be used to introduce DNA according to the present invention into plant hosts include viral vectors, such as those that can be derived from double-stranded plant viruses (eg, CaMV) and single-stranded viruses, gemini viruses, and the like. For example, it may be selected from incomplete plant viral vectors. The use of such vectors can be particularly advantageous when properly transforming a plant host is difficult.

발현 벡터는 하나 이상의 선택성 마커를 포함할 수 있다. 상기 마커는 통상적으로 화학적인 방법으로 선택될 수 있는 특성을 갖는 핵산 서열로, 형질전환된 세포를 비형질전환 세포로부터 구별할 수 있는 모든 유전자가 이에 해당된다. 그 예로는 글리포세이트(glyphosate) 또는 포스피노트리신(phosphinothricin)과 같은 제초제 저항성 유전자, 카나마이신(kanamycin), G418, 블레오마이신(Bleomycin), 하이그로마이신(hygromycin), 클로람페니콜(chloramphenicol)과 같은 항생제 내성 유전자가 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Expression vectors may contain one or more selectable markers. The marker is a nucleic acid sequence having a characteristic that can be selected by a conventional chemical method, and includes all genes capable of distinguishing transformed cells from non-transformed cells. Examples include herbicide resistance genes such as glyphosate or phosphinothricin, antibiotics such as kanamycin, G418, bleomycin, hygromycin, and chloramphenicol. There is a resistance gene, but is not limited thereto.

본 발명의 재조합 벡터에서, 프로모터는 CaMV 35S, 액틴, 유비퀴틴, pEMU, MAS 또는 히스톤 프로모터일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. "프로모터"란 용어는 구조 유전자로부터의 DNA 업스트림의 영역을 의미하며 전사를 개시하기 위하여 RNA 폴리머라아제가 결합하는 DNA 분자를 말한다. "식물 프로모터"는 식물 세포에서 전사를 개시할 수 있는 프로모터이다. "지속적(constitutive) 프로모터"는 대부분의 환경 조건 및 발달 상태 또는 세포 분화 하에서 활성이 있는 프로모터이다. In the recombinant vector of the present invention, the promoter may be a CaMV 35S, actin, ubiquitin, pEMU, MAS or histone promoter, but is not limited thereto. The term "promoter" refers to a region of DNA upstream from a structural gene and refers to a DNA molecule to which RNA polymerase binds to initiate transcription. A "plant promoter" is a promoter capable of initiating transcription in a plant cell. A "constitutive promoter" is a promoter that is active under most environmental conditions and states of development or cell differentiation.

본 발명의 재조합 벡터에서, 통상의 터미네이터를 사용할 수 있으며, 그 예로는 노팔린 신타아제(NOS), 벼 α-아밀라아제 RAmy1 A 터미네이터, 파세올린(phaseoline) 터미네이터, 아그로박테리움 투메파시엔스(Agrobacterium tumefaciens)의 옥토파인(Octopine) 유전자의 터미네이터 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 터미네이터의 필요성에 관하여, 그러한 영역이 식물 세포에서의 전사의 확실성 및 효율을 증가시키는 것으로 일반적으로 알려져 있다. In the recombinant vector of the present invention, common terminators can be used, such as nopaline synthase (NOS), rice α-amylase RAmy1 A terminator, phaseoline terminator, Agrobacterium tumefaciens ) of octopine (Octopine) gene terminator, etc., but is not limited thereto. Regarding the need for terminators, it is generally known that such regions increase the certainty and efficiency of transcription in plant cells.

식물의 형질전환은 DNA를 식물에 전이시키는 임의의 방법을 의미한다. 그러한 형질전환 방법은 반드시 재생 및 (또는) 조직 배양기간을 가질 필요는 없다. 식물 종의 형질전환은 이제는 쌍자엽 식물뿐만 아니라 단자엽 식물양자를 포함한 식물 종에 대해 일반적이다. 원칙적으로, 임의의 형질전환 방법은 본 발명에 따른 잡종 DNA를 적당한 선조 세포로 도입시키는데 이용될 수 있다. 방법은 원형질체에 대한 칼슘/폴리에틸렌 글리콜 방법(Krens, F.A. et al., 1982, Nature 296, 72-74; Negrutiu I. et al., June 1987, Plant Mol. Biol. 8, 363-373), 원형질체의 전기천공법(Shillito R.D. et al., 1985 Bio/Technol. 3, 1099-1102), 식물 요소로의 현미주사법(Crossway A. et al., 1986, Mol. Gen. Genet. 202, 179-185), 각종 식물 요소의 (DNA 또는 RNA-코팅된) 입자충격법(Klein T.M. et al., 1987, Nature 327, 70), 식물의 침윤 또는 성숙 화분 또는 소포자의 형질전환에 의한 아그로박테리움 투머파시엔스 매개된 유전자 전이에서 (비완전성) 바이러스에 의한 감염(EP 0 301 316호) 등으로부터 적당하게 선택될 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 방법은 아그로박테리움 매개된 DNA 전달을 포함한다. Plant transformation refers to any method of transferring DNA into a plant. Such transformation methods need not necessarily have a period of regeneration and/or tissue culture. Transformation of plant species is now common for plant species including dicotyledonous as well as monocotyledonous plants. In principle, any transformation method can be used to introduce the hybrid DNA according to the present invention into suitable progenitor cells. Methods include the calcium/polyethylene glycol method for protoplasts (Krens, F.A. et al., 1982, Nature 296, 72-74; Negrutiu I. et al., June 1987, Plant Mol. Biol. 8, 363-373), protoplasts of electroporation (Shillito R.D. et al., 1985 Bio/Technol. 3, 1099-1102), microinjection into plant elements (Crossway A. et al., 1986, Mol. Gen. Genet. 202, 179-185 ), particle bombardment of various plant elements (DNA or RNA-coated) (Klein T.M. et al., 1987, Nature 327, 70), Agrobacterium tumefacies by infiltration of plants or transformation of mature pollen or microspores infection by a (incomplete) virus in ens-mediated gene transfer (EP 0 301 316) and the like. Preferred methods according to the present invention include Agrobacterium mediated DNA delivery.

본 발명에 있어서, 상기 재조합 벡터는 재조합 식물 발현 벡터이다. In the present invention, the recombinant vector is a recombinant plant expression vector.

본 발명의 다른 양태로서, 상기 재조합 벡터로 형질 전환된 식물을 제공한다.As another aspect of the present invention, a plant transformed with the recombinant vector is provided.

본 발명의 다른 양태로서, CaGRAS1 단백질, 이를 암호화하는 CaGRAS1 유전자, 및 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 유효성분으로 포함하는 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진용 조성물을 제공한다.As another aspect of the present invention, there is provided a composition for enhancing drying stress resistance of a plant comprising, as an active ingredient, at least one selected from the group consisting of a CaGRAS1 protein, a CaGRAS1 gene encoding the same, and a recombinant vector containing the gene.

본 발명의 또 다른 양태로서, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는, 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진 방법을 제공한다. As another aspect of the present invention, the present invention provides a method for enhancing dry stress resistance of plants, comprising the following steps.

(a) CaGRAS1(Capsicum annuum GRAS1) 단백질을 암호화하는 유전자를 식물체에 형질전환 하는 단계; 및(a) transforming a gene encoding a CaGRAS1 ( Capsicum annuum GRAS1) protein into a plant; and

(b) 상기 형질전환된 식물체에서 CaGRAS1 단백질을 과발현시키는 단계.(b) overexpressing the CaGRAS1 protein in the transformed plant.

본 발명의 또 다른 양태로서, 상기 방법에 의해 건조 스트레스 저항성이 증진된 형질전환 식물체를 제공한다. As another aspect of the present invention, a transgenic plant with improved drying stress resistance is provided by the above method.

본 발명에서 상기 식물(체)는 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 특용 작물류; 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, 알파파, 톨페스큐, 페레니얼라이그라스를 포함하는 사료 물류 등일 수 있으며, 가장 바람직하게는 애기장대 또는 고추이나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the plant (sieve) is a food crop including rice, wheat, barley, corn, soybean, potato, red bean, oat, and sorghum; vegetable crops including Arabidopsis, Chinese cabbage, radish, red pepper, strawberry, tomato, watermelon, cucumber, cabbage, melon, pumpkin, green onion, onion, and carrot; Specialty crops including ginseng, tobacco, cotton, sesame, sugar cane, sugar beet, perilla, peanut, and rapeseed; fruit trees including apple trees, pear trees, jujube trees, peaches, kiwi trees, grapes, tangerines, persimmons, plums, apricots, and bananas; flowers including roses, gladioluses, gerberas, carnations, chrysanthemums, lilies and tulips; and feed distribution including ryegrass, red clover, orchard grass, alfalfa, tall fescue, and perennial ryegrass, most preferably Arabidopsis or red pepper, but is not limited thereto.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 실험예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예 및 실험예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments and experimental examples are presented to aid understanding of the present invention. However, the following Examples and Experimental Examples are only provided to more easily understand the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following Examples and Experimental Examples.

[실시예][Example]

실시예 1. 식물 재료 및 성장 조건Example 1. Plant materials and growth conditions

애기장대(Arabidopsis thaliana: ecotype Col-0)의 종자는 4 ℃에서 2일 동안 춘화처리(vernalization) 후, 수크로스(sucrose)(Biopure, Cambridge, MA, USA) 1% 및 마이크로 한천(micro agar)(Duchefa biochemie) 8 %가 포함된 MS 배지(Murashige and Skoog medium, Duchefa biochemie, Haarlem, The Netherlands)에서 발아시켰다. 고추(Capsicum annuum L. cv. NocKwang) 종자는 29 ℃의 어두운 곳에서 5일간 발아시켰다. 담배(Nicotiana benthamiana) 종자, 애기장대 및 고추 묘목은 증기 소독된 배합토[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)에서, 24 ℃, 상대 습도 60 % 조건의 백색 형광(130 μmol photons m-2S-1)하에서 성장시켰다.Seeds of Arabidopsis thaliana (ecotype Col-0) were treated with vernalization at 4 ° C for 2 days, and then treated with 1% sucrose (Biopure, Cambridge, MA, USA) and micro agar. (Duchefa biochemie) MS medium (Murashige and Skoog medium, Duchefa biochemie, Haarlem, The Netherlands) containing 8%. Red pepper (Capsicum annuum L. cv. NocKwang) seeds were germinated in a dark place at 29 °C for 5 days. Tobacco (Nicotiana benthamiana) seeds, Arabidopsis thaliana and pepper seedlings were mixed with steam-sterilized soil [peat moss: perlite: vermiculite = 5:3:2, v/v/v], sand ), and loam soil 1: 1: 1 (v / v / v), at 24 ° C., and grown under white fluorescence (130 μmol photons m-2S-1) under conditions of 60% relative humidity.

실시예 2. 효모 이중 혼성화 분석(Yesst two-hybrid assay, Y2H)Example 2. Yeast two-hybrid assay (Y2H)

효모 라이브러리 스크리닝을 위해서, CaGRAS1의 GRAS 도메인의 유무에 따라 cDNA 단편(CaGRAS1 단백질 N1:1-105, N106:106-211, GRAS 도메인:212-582)을 각각 pGBKT7 벡터에 삽입하였다(도 2c 참조). 이러한 구조체는 리튬 아세테이트-조절 전이 방법을 사용하여 효모 균주 AH109에 도입하여 형질전환 시켰다. CaGRAS1와 GAL4 DNA 결합 도메인의 상호 작용을 확인하기 위해 상기 형질전환체를 선택 배지인 SC-LW(SC-류신-트립토판), 및 SC-AHLW(SC-아데닌-히스티딘-류신-트립토판) 배지 상에서 선택하였다.For yeast library screening, cDNA fragments (CaGRAS1 protein N1:1-105, N106: 106-211 , GRAS domain:212-582) were inserted into the pGBKT7 vector according to the presence or absence of the GRAS domain of CaGRAS1 (see Fig. 2c). . This construct was introduced and transformed into yeast strain AH109 using the lithium acetate-controlled transfer method. To confirm the interaction between CaGRAS1 and the GAL4 DNA binding domain, the transformants were selected on SC-LW (SC-leucine-tryptophan) and SC-AHLW (SC-adenine-histidine-leucine-tryptophan) media as selection media. did

실시예 3. 바이러스 유도 유전자 침묵(Virus-induced gene silencing, VIGS)Example 3. Virus-induced gene silencing (VIGS)

CaGRAS1의 기능 상실 분석(loss-of function analysis)을 위해, 고추 식물에서 바이러스 유도 유전자 침묵(virus-induced gene silencing: VIGS)이 수행 되었다. 간략하게 음성대조군으로서 pTRV2:00 및 pTRV2:CaGRAS1을 운반하는 아그로박테리움(Agrobacterium tumefaciens) 균주 GV3101을 고추의 완전히 자란 자엽(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 CaGRAS1 loss-of-function analysis, virus-induced gene silencing (VIGS) was performed in pepper plants. Briefly, as a negative control, Agrobacterium tumefaciens strain GV3101 carrying pTRV2:00 and pTRV2: CaGRAS1 was infiltrated into fully expanded cotyledons of pepper (OD600=0.2 for each strain). The plants were placed in a growth chamber at 24°C with a photoperiod of 16 hours day/8 hours night to allow growth and virus propagation.

실시예 4. Example 4. CaGRAS1CaGRAS1 유전자가 과발현된 형질전환 애기장대 제조 Production of transgenic Arabidopsis thaliana with gene overexpression

CaGRAS1가 과발현된 형질전환 애기장대 식물을 생산하기 위해, CaGRAS1의 cDNA 전장 서열을 pENTR/D-TOPO 벡터(Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)에 클로닝하였다. Pro35S:CaGRAS1-GFP 구조체는 LR 반응에 의해 생성되었다. 꽃가루 딥 방법(floral dip method)을 통하여 아그로박테리움 매개 형질전환을 사용하였다. 형질전환된 애기장대를 선택하기 위해, 종자를 25 μg·ml-1 포스피노트리신(phosphinothricin)을 함유하는 MS 고체 배지에서 성장시켰다. 최종적으로 애기장대에 형질전환을 시도하여 CaGRAS1이 과발현된 2 라인(#2, #3)을 선별하였다.To produce CaGRAS1 overexpressed transgenic Arabidopsis plants, the full-length cDNA sequence of CaGRAS1 was cloned into the pENTR/D-TOPO vector (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA). Pro35S: CaGRAS1 -GFP construct was generated by LR reaction. Agrobacterium-mediated transformation was used through the floral dip method. To select transformed Arabidopsis thaliana, seeds were grown on MS solid medium containing 25 μg·ml −1 phosphinothricin. Finally, transformation was attempted in Arabidopsis thaliana, and two lines (#2 and #3) in which CaGRAS1 was overexpressed were selected.

실시예 5. ABA, 탈수, NaCl, HExample 5. ABA, dehydration, NaCl, H 22 OO 22 처리 process

고추 식물에서 CaGRAS1 발현 수준을 관찰하기 위하여, 탈수를 위해 1차 잎을 떼어내고, 6엽 단계(six-leaf stage)의 고추 식물에 ABA 50 μM, NaCl 200 mM 및 H2O2 100 μM을 처리하였다. 잎은 각각 0, 2, 6, 12 및 24시간 처리 후에 수확되었다. 스트레스 관련 유전자의 발현 패턴을 확인하기 위해, 3주령의 Col-0 및 CaGRAS1 과발현 애기장대 식물을 뿌리로부터 분리하고, 분리 후 0 및 3시간에 잎을 수확하였다.To observe CaGRAS1 expression levels in pepper plants, primary leaves were removed for dehydration, and ABA 50 μM, NaCl 200 mM, and H 2 O 2 100 μM were treated on six-leaf stage pepper plants. did Leaves were harvested after 0, 2, 6, 12 and 24 hours of treatment, respectively. To confirm the expression pattern of stress-related genes, 3-week-old Col-0 and CaGRAS1 overexpressing Arabidopsis thaliana plants were separated from the roots, and the leaves were harvested at 0 and 3 hours after separation.

실시예 6. RNA 추출 및 실시간 역전사 중합 효소 연쇄 반응(q-RT PCR)Example 6. RNA extraction and real-time reverse transcription polymerase chain reaction (q-RT PCR)

총 RNA는 고추 및 애기장대 잎으로부터 추출하였다. 모든 시료는 TRI-Reagent®-RNA/DNA/Protein 시약(Molecular Research Center, USA)을 처리하여 DNA와 단백질을 제거한 후, 2-propanol을 처리하여 RNA를 침전시켰다. 주형을 위한 1 μg 총 RNA는 Synergy HTX Multi-Mode Microplate Reader를 사용하여 정량화 되었다. cDNA는 iScript™ cDNA synthesis kit(Bio-Rad, Hercules, CA, USA) 및 Transcriptor first strand cDNA synthesis kit(Roche)을 사용하여 합성하였다. qRT-PCR 분석을 위해, 상기 방법으로 합성한 cDNA를 iQ™SYBR Green Supermix(Bio-Rad) 및 하기 표 1에 기재한 특이적 프라이머와 함께 FX96 Touch™ Real-Time PCR detection system (Bio-Rad)을 이용하여 증폭시켰다. 고추 Actin1(CaACT1) 및 애기장대 Actin8(AtACT8) 유전자를 표준화를 위한 대조군으로 사용하였다.Total RNA was extracted from pepper and Arabidopsis leaves. All samples were treated with TRI-Reagent®-RNA/DNA/Protein reagent (Molecular Research Center, USA) to remove DNA and proteins, and then treated with 2-propanol to precipitate RNA. 1 μg total RNA for the template was quantified using a Synergy HTX Multi-Mode Microplate Reader. cDNA was synthesized using iScript™ cDNA synthesis kit (Bio-Rad, Hercules, CA, USA) and Transcriptor first strand cDNA synthesis kit (Roche). For qRT-PCR analysis, the cDNA synthesized by the above method was mixed with the iQ™SYBR Green Supermix (Bio-Rad) and the specific primers listed in Table 1 below using the FX96 Touch™ Real-Time PCR detection system (Bio-Rad) was amplified using Pepper Actin1 (CaACT1) and Arabidopsis Actin8 (AtACT8) genes were used as controls for normalization.

Prime namePrime name Primer sequence (5' - 3')Primer sequence (5' - 3') For cloningFor cloning CaGRAS1-CDS CaGRAS1 -CDS ForwardForward ATGGAATCACACCATTTGTATGATAATGGAATCACACCATTTGTATGATA ReverseReverse TCAGTGCCAAGCAGATGCTGAGATCAGTGCCAAGCAGATGCTGAGA Forward (w/o stop codon)Forward (w/o stop codon) GTCGAATTCGCCCTTGTGCCAAGCAGATGCGTCGAATTCGCCCTTGTGCCAAGCAGATGC Reverse (w/o stop codon)Reverse (w/o stop codon) GCATCTGCTTGGCACAAGGGCGAATTCGACGCATCTGCTTGGCACAAGGGCGAATTCGAC CaGRAS1-VIGS CaGRAS1 -VIGS ForwardForward TCTAGATGGAATCACACCATTTGTATG TCTAGATGGAATCACACCATTTGTATG ReverseReverse CTCGAGGCGGAAATCTGGAGCTCGAGGCGGAAATCTGGAG CaGRAS1-fragment CaGRAS1 -fragment N1 ReverseN1 Reverse TTACAGTAGACTGTTCTGGCGGAAATTACAGTAGACTGTTCTGGCGGAAA N106 ForwardN106 Forward ATGGTTTGTTCCGGTGAAACTTCATGGTTTGTTCCGGTGAAACTTC N106 Reverse N106 Reverse TTAGTTGCCAGAAGGAATTCCCTTTAGTTGCCAGAAGGAATTCCCT GRAS domain Forward GRAS domain Forward ATGCTAAAGCAGCTGCTTATTGCATGCTAAGCAGGCTGCTTATTGC For RT-PCRFor RT-PCR CaGRAS1CaGRAS1 ForwardForward ACTTCCTTACTCCAGTATGCAAATCAACTTCCTTACTCCAGTATGCAAATCA ReverseReverse GCCAGAAGGAATTCCCTGCACGCCAGAAGGAATTCCCTGCAC CaACT1 CaACT1 ForwardForward GACGTGACCTAACTGATAACCTGATGACGTGACCTAACTGATAACCTGAT ReverseReverse CTCTCAGCACCAATGGTAATAACTT CTCTCAGCACCAATGGTAATAACTT CaOSR1CaOSR1 ForwardForward CTCGAGCTATCAGAGCAAAGTCCTCGAGCTATCAGAGCAAAGTC ReverseReverse TCTAGAGATCCTGTGTATTGACCATTCTAGAGATCCTGTGTATTGACCAT CaLOX1CaLOX1 ForwardForward ACGTAATCTCTGGGAAAAATGACGAT ACGTAATCTCTGGGAAAAATGACGAT ReverseReverse ACGTGACATCAAAGGCTGATTCGCACGTGACATCAAAGGCTGATTCGC CaOSM1CaOSM1 ForwardForward CCTCCTTGCCTTTGTGACTTACACTTCCTCCTTGCCTTTGTGACTTACACTT ReverseReverse ATTCAGCTAAGGTGTTTGGTGGTTTACATTCAGCTAAGGTGTTTGGTGGTTTAC CaADIP1CaADIP1 ForwardForward ATGGCTGGCATGTGTTGTGGTGTTAATGGCTGGCATGTGTTGTGGTGTTA ReverseReverse TTAGACACTCTCTTTGACGGGCTCCTTAGACACTCTCTTTGACGGGCTCC Actin8Actin8 ForwardForward CAACTATGTTCTCAGGTATTGCAGACAACTATGTTCTCAGGTATTGCAGA ReverseReverse GTCATGGAAACGATGTCTCTTTAGTGTCATGGAAACGATGTCTCTTTAGT NCED3NCED3 ForwardForward ACATGGAAATCGGAGTTACAGATAGACATGGAAATCGGAGTTACAGATAG ReverseReverse AGAAACAACAAACAAGAAACAGAGCAGAAACAACAAACAAGAAACAGAGC RAB18RAB18 ForwardForward GGAAGAAGGGAATAACACAAAAGATGGAAGAAGGGAATAACACAAAAAGAT ReverseReverse GCGTTACAAACCCTCATTATTTTTAGCGTTACAAACCCTCATTATTTTTA RD29BRD29B ForwardForward GTTGAAGAGTCTCCACAATCACTTGGTTGAAGAGTCTCCACAATCACTTG ReverseReverse ATTAACCCAATCTCTTTTTCACACA ATTAACCCAATCTCTTTTTCACACA DREB2ADREB2A ForwardForward CTACAAAGCCTCAACTACGGAATACCTACAAAGCCTCAACTACGGAATAC ReverseReverse AAACTCGGATAGAGAATCAACAGTCAAACTCGGATAGAGAATCAACAGTC RD29ARD29A ForwardForward CACAATCACTTGGCTCCACTGTTGCACAATCACTTGGCTCCACTGTTG ReverseReverse ACCTAGTAGCTGGTATGGAGGAACTACCTAGTAGCTGGTATGGAGGAACT RD20RD20 ForwardForward TGGTTTCCTATCTAAAGAAGCTGTGTGGTTTCCTATCTAAAGAAGCTGTG ReverseReverse ATACAAATCCCCAAACTGAATAACAATACAAATCCCCAAACTGAATAACA KIN2KIN2 ForwardForward TCTTAACTTCGTGAAGGACAAGACTCTTAACTTCGTGAAGGACAAGAC ReverseReverse ACAACAACAAGTACGATGAGTACGAACAACAACAAGTACGATGAGTACGA RD26RD26 ForwardForward AGGTCTTAATCCAATTCCAGAGCTAAGGTCTTAATCCAATTCCAGAGCTA ReverseReverse ACCCATCAGTAACTTCACATCTCTCACCCATCAGTAACTTCACATCTCTC HAB1HAB1 ForwardForward GACTACCTCTCAATGCTTGCTCTACGACTACCTCTCAATGCTTGCTCTAC ReverseReverse AAAAACCTGTCGAAATTAGATCCTTAAAAACCTGTCGAAATTAGATCCTT

실시예 7. 세포 내 국소화(Subcellular localization)Example 7. Subcellular localization

세포 내 국소화를 위해, 균주 p19와 함께 녹색 형광 단백질(GFP)-CaGRAS1의 구조를 운반하는 아그로박테리움(A. tumefaciens) 균주 GV3101을 사용하였다(각 균주; OD600=0.5, 1:1 비율). Agroinfiltration 2일 후, 공초점 현미경(510 UV/Vis Meta; Zeiss, Oberkochen, Germany)으로 GFP 신호를 관찰하였다.For intracellular localization, A. tumefaciens strain GV3101 carrying the construct of green fluorescent protein (GFP) -CaGRAS1 together with strain p19 was used (each strain; OD600=0.5, 1:1 ratio). After 2 days of agroinfiltration, GFP signals were observed using a confocal microscope (510 UV/Vis Meta; Zeiss, Oberkochen, Germany).

실시예 8. 식물 표현형 분석Example 8. Plant phenotype analysis

가뭄 스트레스 분석을 위해, 4엽 단계(four-leaf-stage)의 고추와 3주령의 애기장대를 사용하였으며, 고추에서 21일, 애기장대 14일 동안 급수를 중단한 후, 2일 동안 재급수 하였다. 수분손실을 측정하기 위해, 1차 잎과 2차 잎을 분리하여 플라스틱 계량 접시에 넣었다. 잎은 상대습도가 40 %인 좋은 온도 조건에서 보관되었다. 그 후, 1 시간을 기준으로 0 내지 8 시간의 새로운 무게를 측정하였다.For the drought stress analysis, four-leaf-stage peppers and 3-week-old Arabidopsis thaliana were used, and watering was stopped for 21 days in peppers and 14 days in Arabidopsis thaliana, and then water was re-watered for 2 days. . To measure water loss, primary and secondary leaves were separated and placed in a plastic weighing dish. The leaves were stored under favorable temperature conditions with a relative humidity of 40%. After that, a new weight was measured from 0 to 8 hours based on 1 hour.

잎의 온도를 측정하기 위해, 50 μM 및 100 μM ABA를 고추와 애기장대에 뿌렸다. 열 영상은 infrared camera(FLIR systems; T420)을 이용하여 얻었으며, 식물의 잎 온도는 FLIR Tools+ ver 5.13 software를 이용해 측정하였다.To measure the leaf temperature, 50 μM and 100 μM ABA were sprayed on pepper and Arabidopsis thaliana. Thermal images were obtained using an infrared camera (FLIR systems; T420), and plant leaf temperature was measured using FLIR Tools+ ver 5.13 software.

기공개도(stomata apertures)의 측정을 위해 고추와 애기장대 잎의 배축 표피를 분리하고, 24 ℃에서 2.5시간 동안 기공 개구 용액(stomatal opening solution, SOS; 50 mM KCl, 10 mM MES-KOH, 10 mM CaCl2, pH 6.15) 위에 띄웠다. 기공 개구된 표피는 24 ℃에서 2.5시간 동안 ABA(10 및 20 μM)가 없거나 또는 포함된 SOS로 옮겨졌다. 기공은 임의로 선택되어 Nikon Eclipse 80i 현미경으로 사진을 찍었다.For the measurement of stomata apertures, the hypocotyl epidermis of pepper and Arabidopsis leaves was isolated and incubated in stomatal opening solution (SOS; 50 mM KCl, 10 mM MES-KOH, 10 mM) for 2.5 hours at 24 °C. mM CaCl 2 , pH 6.15). The pore-opened epidermis was transferred to SOS without or with ABA (10 and 20 μM) for 2.5 h at 24 °C. Stomata were randomly selected and photographed with a Nikon Eclipse 80i microscope.

실시예 9. 발아 및 묘목 성장 확인 Example 9. Confirmation of germination and seedling growth

다양한 농도의 ABA가 보충된 0.5X Murashige 및 Skoog(MS) 배지에서 CaAPIK1-OX 형질전환 애기장대 및 야생형 식물의 발아율을 측정하였으며, 종자 분주 후 7일 동안 기근이 나오는 종자의 수를 세어 측정하였다. The germination rates of CaAPIK1- OX transgenic Arabidopsis and wild-type plants were measured in 0.5X Murashige and Skoog (MS) medium supplemented with various concentrations of ABA, and the number of seeds that were famined for 7 days after seeding was measured.

다양한 농도의 ABA가 보충된 0.5X MS 배지에서 CaAPIK1-OX 및 야생형 식물의 묘목 성장 단계를 종자 분주 후 5 일째에 대표 사진을 촬영하여 확인하였으며, 형질전환 및 야생형 식물에서 녹화(greening)된 자엽의 정량화를 수행하였다.The seedling growth stages of CaAPIK1- OX and wild-type plants in 0.5X MS medium supplemented with various concentrations of ABA were confirmed by taking representative pictures 5 days after seeding, and the greening of cotyledons in transgenic and wild-type plants. Quantification was performed.

뿌리 길이는 0.0, 0.5 및 0.75 μM ABA를 포함하는 0.5X MS 배지에서 CaAPIK1-OX 애기장대 및 야생형 식물의 1 차 뿌리 길이를 확인하였으며, 분주 후 7 일째에 대표 사진을 촬영하고 이를 정량화하였다.The root length was confirmed by the primary root length of CaAPIK1 -OX Arabidopsis thaliana and wild-type plants in 0.5X MS medium containing 0.0, 0.5 and 0.75 μM ABA, and a representative photograph was taken on day 7 after division and quantified.

실시예 10. 통계적 분석Example 10. Statistical Analysis

통계적 분석은 유전형 사이의 유의한 차이를 결정하기 위해서 student's t-test를 이용하여 수행되었다. 데이터는 3회의 독립적인 실험의 평균 ± 표준 오차를 나타내며, P value가 0.05 이하일 때 유의한 수준의 차이로 판단하였다(*P<0.05, ***P<0.001).Statistical analysis was performed using student's t-test to determine significant differences between genotypes. Data represent the mean ± standard error of 3 independent experiments, and a P value of 0.05 or less was considered a significant difference (* P < 0.05, *** P < 0.001).

[실험예][Experimental Example]

실험예 1. Experimental example 1. CaGRAS1CaGRAS1 유전자의 분리 및 서열 분석 Isolation and sequencing of genes

가뭄 스트레스에 대한 양성 조절 유전자를 분리하기 위해, 가뭄 스트레스 처리된 고추 잎으로 RNA-seq 분석을 수행하고 다른 식물 GRAS1과 높은 상동성을 갖는 CaGRAS1을 확인하였다. 다른 식물체와의 아미노산 서열 일치여부는 Lasergene MegAlign software와 Genedoc software를 이용 하여 확인하였다.In order to isolate the positive regulatory genes for drought stress, RNA-seq analysis was performed on drought stress-treated pepper leaves, and CaGRAS1 having high homology with GRAS1 of other plants was identified. Amino acid sequence matching with other plants was confirmed using Lasergene MegAlign software and Genedoc software.

도 1a에 나타난 바와 같이, CaGRAS1 단백질과 그 상동성 단백질은 고도로 보존된 GRAS 도메인을 가지고 있다. CaGRAS1은 다중 서열 분석 및 계통수 분석에 따라, 다른 종의 GRAS 단백질과 높은 상동성(64.6-89.5 %)을 갖는 것으로 나타났다.As shown in Figure 1a, the CaGRAS1 protein and its homologous proteins have highly conserved GRAS domains. CaGRAS1 was shown to have high homology (64.6-89.5%) with GRAS proteins of other species according to multiple sequence analysis and phylogenetic tree analysis.

도 1b에 나타난 바와 같이, CaGRAS1 cDNA는 등전점이 6.36이고 분자량이 64.58 kDa인 582 개의 아미노산 잔기를 인코딩하는 1749 bp 오픈리딩프레임으로 이루어져 있었다.As shown in Figure 1b, the CaGRAS1 cDNA consisted of a 1749 bp open reading frame encoding 582 amino acid residues with an isoelectric point of 6.36 and a molecular weight of 64.58 kDa.

실험예 2. CaGRAS1 단백질의 서열 분석 및 분자 특성Experimental Example 2. Sequence Analysis and Molecular Characteristics of CaGRAS1 Protein

비생물적 스트레스에 대한 CaGRAS1의 발현을 분석하기 위해, ABA, 가뭄, H2O2 및 고염도(NaCl) 처리된 6엽 단계(six-leaf stage)의 고추 식물을 사용하여 qRT-PCR 분석을 수행하였다. To analyze the expression of CaGRAS1 in response to abiotic stress, qRT-PCR analysis was performed using pepper plants at the six-leaf stage treated with ABA, drought, H 2 O 2 and high salinity (NaCl). performed.

그 결과, 도 2a에 나타난 바와 같이, CaGRAS1의 유도는 2시간에서 6시간까지 유도되었으며, 그 후 점차 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 CaGRAS1이 ABA 신호 및 비생물적 스트레스 반응에서 작동할 수 있음을 의미한다.As a result, as shown in Figure 2a, the induction of CaGRAS1 was induced from 2 hours to 6 hours, and then gradually decreased. These results imply that CaGRAS1 can operate in ABA signaling and abiotic stress responses.

세포 내 국소화를 확인하기 위하여, 녹색 형광 단백질(GFP)-태그된 CaGRAS1 융합 단백질을 사용하였다. 융합 단백질은 담배(Nicotiana benthamiana)의 표피 세포에서 일시적으로 발현시켰다.To confirm intracellular localization, a green fluorescent protein (GFP)-tagged CaGRAS1 fusion protein was used. The fusion protein was transiently expressed in epidermal cells of tobacco ( Nicotiana benthamiana ).

그 결과, 도 2b에 나타난 바와 같이, 형광 신호는 침투 2일 후 핵에서 관찰되었는 바, CaGRAS1-GFP는 핵에서 기능함을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 2b, a fluorescence signal was observed in the nucleus 2 days after infiltration, confirming that CaGRAS1-GFP functions in the nucleus.

한편, GRAS 패밀리는 전사인자로 널리 알려져 있으며, 전사인자는 표적 유전자를 활성화시키는 활성화 도메인을 가지고 있다. 전사인자의 활성화 도메인은 프롤린 및 글루타민, 또는 산성 아미노산이 풍부한 것으로 알려져 있다. 이에 기초하여, CaGRAS1의 트랜스활성화 효과를 확인하였다.Meanwhile, the GRAS family is widely known as a transcription factor, and the transcription factor has an activation domain that activates a target gene. Activation domains of transcription factors are known to be rich in proline and glutamine, or acidic amino acids. Based on this, the transactivation effect of CaGRAS1 was confirmed.

도 2c에 나타난 바와 같이, CaGRAS1은 pGBKT7 벡터의 GAL4 DNA 결합 도메인에 융합되었고 효모 균주 AH109에서 발현되었다. 전체 길이의 CaGRAS1을 운반하는 효모는 선택 배지에서 살아남았으며, 이는 CaGRAS1이 트랜스 활성화 활성을 가지고 있음을 시사하는 결과이다.As shown in Figure 2c, CaGRAS1 was fused to the GAL4 DNA binding domain of the pGBKT7 vector and expressed in yeast strain AH109. Yeast carrying full-length CaGRAS1 survived the selective medium, suggesting that CaGRAS1 has transactivation activity.

추가로, CaGRAS1을 5개의 단편으로 절단하고 GAL4 DNA 결합 도메인에 융합하였다. Fragment N1을 포함하는 효모 세포는 선택 배지에서 잘 성장할 수 있었는데, 이는 N1 부분이 트랜스활성화 활동을 담당한다는 것을 의미한다.Additionally, CaGRAS1 was cut into 5 fragments and fused to the GAL4 DNA binding domain. Yeast cells containing fragment N1 were able to grow well in the selective medium, indicating that the N1 fragment is responsible for the transactivation activity.

상기 결과는 CaGRAS1이 전사인자로 작용할 가능성이 있으며 CaGRAS1의 N-말단 영역이 트랜스활성화에 필요함을 나타내는 것이다.These results indicate that CaGRAS1 may act as a transcription factor and that the N-terminal region of CaGRAS1 is required for transactivation.

실험예 3. Experimental example 3. CaGRAS1CaGRAS1 -silenced 고추 식물의 가뭄 내성 및 ABA 민감도 감소-reduced drought tolerance and ABA sensitivity of silent pepper plants

가뭄 스트레스 반응에서 CaGRAS1의 역할을 조사하기 위하여 바이러스 유도 유전자 침묵(virus-induced gene silencing, VIGS)을 이용하였다. Virus-induced gene silencing (VIGS) was used to investigate the role of CaGRAS1 in the drought stress response.

그 결과, 도 3a에 나타난 바와 같이, CaGRAS1의 발현 수준은 CaGRAS1-silenced 고추(TRV2:CaGRAS1)에서 가뭄 처리 유무에 관계없이 대조군 고추(TRV2:00) 보다 적게 나타나는 것을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 3a, the expression level of CaGRAS1 was confirmed to be less in CaGRAS1- silenced pepper (TRV2: CaGRAS1 ) than in control pepper (TRV2:00) regardless of drought treatment.

또한, 가뭄 처리시 CaGRAS1-silenced 고추의 내성 변화를 조사하기 위해, CaGRAS1-silenced(TRV2:CaGRAS1) 및 대조군 고추(TRV2:00) 식물에 13일 동안 급수를 중단하고, 4일 동안 재급수 하여 가뭄 스트레스를 가하였다. In addition, to investigate the change in the tolerance of CaGRAS1-silenced peppers to drought treatment, CaGRAS1- silenced (TRV2: CaGRAS1 ) and control pepper (TRV2:00) plants were stopped from watering for 13 days and then re-watered for 4 days. stress was applied.

그 결과, 도 3b에 나타난 바와 같이, 정상적인 성장 조건에서는 상기 두 식물간에 표현형 차이가 관찰되지 않았으나, 가뭄 스트레스를 가한 경우 CaGRAS1-silenced 고추 식물은 대조군과 비교하여 더 시든 표현형을 보였다. 또한 상기 식물의 생존율은 CaGRAS1-silenced 고추 식물이 36.75 %, 대조군 고추 식물이 70.63 %로 확인되었다. As a result, as shown in FIG. 3b, no phenotypic difference was observed between the two plants under normal growth conditions, but when drought stress was applied, CaGRAS1 -silenced pepper plants showed a more withered phenotype compared to the control group. In addition, the survival rates of the plants were confirmed to be 36.75% for the CaGRAS1 -silenced pepper plants and 70.63% for the control pepper plants.

다음으로, 상기와 같은 CaGRAS1-silenced 고추 식물의 가뭄에 민감한 표현형이 수분 보유 능력의 차이에 의한 것인지를 결정하기 위해, CaGRAS1-silenced 및 대조군 고추 식물 잎의 생중량을 측정하여 증발 수분 손실을 확인하였다. Next, in order to determine whether the drought-sensitive phenotype of CaGRAS1- silenced pepper plants as described above is due to differences in water retention capacity, evaporative water loss was confirmed by measuring the fresh weight of leaves of CaGRAS1- silenced and control pepper plants. .

그 결과, 도 3c에 나타난 바와 같이, 잎의 분리 9시간 이후에 CaGRAS1-silenced 고추 식물이 대조군 고추 식물보다 증발 수분 손실이 유의하게 높은 것을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 3c, it was confirmed that evaporative water loss was significantly higher in CaGRAS1 -silenced pepper plants than in control pepper plants 9 hours after leaf separation.

ABA 의존성 기공 폐쇄에서 CaGRAS1의 효과를 연구하기 위해 CaGRAS1-silenced 고추 식물 및 대조군 고추 식물 사이의 잎 온도와 기공개도의 차이를 평가하였다. To study the effect of CaGRAS1 on ABA-dependent stomatal closure, differences in leaf temperature and stomatal opening between CaGRAS1- silenced and control pepper plants were evaluated.

먼저, CaGRAS1-seilenced 고추와 대조군 고추 식물에서 ABA 농도에 따른 기공개도를 측정하였다. 그 결과, 도 3d 및 도 3e에서 나타난 바와 같이, CaGRAS1-seilenced 고추 및 대조군 고추 식물의 모든 기공은 ABA 부재 시 모두 열렸지만, ABA 10 μM 및 20 μM ABA 처리시 CaGRAS1-seilenced 고추 및 대조군 고추 식물의 모든 기공개도가 감소하였다. First, stomatal porosity according to ABA concentration was measured in CaGRAS1- seilenced and control pepper plants. As a result, as shown in Figures 3d and 3e, all stomata of CaGRAS1- seilenced pepper and control pepper plants were all opened in the absence of ABA, but when ABA was treated with 10 μM and 20 μM ABA, CaGRAS1 -seilenced pepper and control pepper plants All stomatal openings were reduced.

그 결과, 잎 온도는 도 3f 및 도 3g에 나타난 바와 같이, ABA 처리시 대조군 고추 식물에서 보다 CaGRAS1-seilenced 고추 식물에서 감소되었다. 식물에서 기공 폐쇄는 잎 온도가 증가함에 따라 증발 냉각에 영향을 미치므로, CaGRAS1-seilenced 고추 식물이 향상된 기공 개방으로 인해 잎 온도가 낮다고 가정하였다. 이러한 결과는 CaGRAS1이 ABA 신호 및 가뭄 스트레스에 반응하여 작동함을 시사한다.As a result, leaf temperature was decreased in CaGRAS1- seilenced pepper plants than in control pepper plants when ABA was treated, as shown in FIGS. 3f and 3g. Since stomatal closure in plants affects evaporative cooling with increasing leaf temperature, we hypothesized that CaGRAS1- seilenced pepper plants have lower leaf temperatures due to enhanced stomatal opening. These results suggest that CaGRAS1 works in response to ABA signaling and drought stress.

실험예 4. Experimental example 4. CaGRAS1CaGRAS1 -OX 형질전환 애기장대의 ABA 민감성 증가 확인- Confirmation of increased ABA sensitivity of OX transgenic Arabidopsis

CaGRAS1의 더 많은 유전자 분석을 위해, CaGRAS1을 지속적으로 과발현하는 CaGRAS1-OX 형질전환 애기장대 식물을 사용하였으며, 두 가지 T3 형질전환 애기장대 계통(CaGRAS1-OX #2 및 CaGRAS1-OX #3)을 선택하여 표현형 분석에 사용하였다. For further genetic analysis of CaGRAS1 , CaGRAS1 -OX transgenic Arabidopsis plants consistently overexpressing CaGRAS1 were used, and two T3 transgenic Arabidopsis lines ( CaGRAS1 -OX #2 and CaGRAS1- OX #3) were selected. and used for phenotypic analysis.

먼저, 반-정량적(semi-quantitative) RT-PCR 분석을 이용하여 CaGRAS1의 발현 수준을 측정하였다. First, the expression level of CaGRAS1 was measured using semi-quantitative RT-PCR analysis.

그 결과, 도 4에서 나타난 바와 같이, CaGRAS1-OX 애기장대가 CaGRAS1 전사체를 발현하지만 야생형 식물에서는 발현하지 않음을 확인하였다. As a result, as shown in Figure 4, it was confirmed that CaGRAS1 -OX Arabidopsis thaliana expressed the CaGRAS1 transcript, but not in wild-type plants.

ABA와 가뭄이 공통된 신호 전달 경로를 공유하므로, ABA가 발아 및 묘목 단계에서 CaGRAS1-OX 식물에 얼마나 많은 영향을 미치는지 확인하였다. As ABA and drought share a common signaling pathway, we confirmed how much ABA affects CaGRAS1- OX plants at the germination and seedling stages.

도 5a에 나타난 바와 같이, 야생형 식물의 발아율은 ABA가 없는 CaGRAS1-OX보다 약간 높은 수준이었다. 하지만, CaGRAS1-OX 식물의 발아율은 야생형 식물보다 유의하게 낮은 것으로 나타났다. As shown in Figure 5a, the germination rate of wild-type plants was slightly higher than that of CaGRAS1-OX without ABA. However, the germination rate of CaGRAS1-OX plants was found to be significantly lower than that of wild-type plants.

또한, 도 5b 및 도 5c에 나타난 바와 같이, 발아율과 자엽 녹화(greening)는 ABA 부재 시 CaGRAS1-OX및 야생형 식물 사이에 차이가 없음을 보여주었다. 그러나 CaGRAS1-OX 식물은 ABA 존재 하에 야생형 식물보다 발아 및 자엽 녹화 속도가 현저히 낮았다. Also, as shown in Figures 5b and 5c, germination rate and cotyledon greening showed no difference between CaGRAS1 -OX and wild-type plants in the absence of ABA. However, CaGRAS1- OX plants had significantly lower rates of germination and cotyledon greening than wild-type plants in the presence of ABA.

또한, 도 5d 및 5e에서 CaGRAS1-OX 식물은 ABA-과민성 1차 뿌리 길이를 나타내었다. 즉, CaGRAS1-OX 식물은 ABA 존재 하에서 야생형 식물보다 뿌리 길이 생장이 현저히 억제되었다.In addition, CaGRAS1 -OX plants in Figures 5d and 5e exhibited ABA-sensitive primary root length. That is, the root length growth of CaGRAS1- OX plants was significantly inhibited in the presence of ABA compared to wild-type plants.

이러한 결과는 애기장대의 CaGRAS1이 ABA 존재 하에서 발아 및 묘목 단계 동안 과민성을 나타냄을 시사한다.These results suggest that CaGRAS1 in Arabidopsis is hypersensitive during germination and seedling stages in the presence of ABA.

실험예 5. Experimental Example 5. CaGRAS1CaGRAS1 -OX 형질전환 애기장대의 가뭄 스트레스 저항성 확인- Confirmation of drought stress resistance of OX transgenic Arabidopsis

CaGRAS1 과발현이 가뭄 스트레스 반응에서 애기장대에 미치는 영향을 추가로 조사하기 위해 CaGRAS1-OX(#2 및 #3) 및 야생형(WT) 식물을 가뭄 스트레스에 노출시켰다. To further investigate the effect of CaGRAS1 overexpression on Arabidopsis thaliana in response to drought stress, CaGRAS1- OX (#2 and #3) and wild-type (WT) plants were exposed to drought stress.

3주 동안 애기장대 식물은 물이 잘 뿌려진 조건에서 재배되었으며, 이 때 도 6a(왼쪽 패널)에 나타난 바와 같이, CaGRAS1-OX 및 야생형 식물 사이에 다른 표현형은 관찰되지 않았다. 반면, 14일 동안 식물에 급수를 중단하고 식물을 가뭄 스트레스에 노출시킨 후 2일 동안 다시 물을 주었을 때, 도 6a(중간 및 오른쪽 패널)에 나타난 바와 같이, CaGRAS1-OX 식물은 야생형 식물에 비해 덜 시드는 것을 확인하였다.Arabidopsis plants were grown under well-watered conditions for 3 weeks, and at this time, as shown in Figure 6a (left panel), no other phenotypes were observed between CaGRAS1 -OX and wild-type plants. On the other hand, when watering to the plants was stopped for 14 days and the plants were exposed to drought stress and then watered again for 2 days, as shown in Fig. 6a (middle and right panels), CaGRAS1 -OX plants were significantly better than wild-type plants. It was confirmed that it wilted less.

또한, 도 6b에 나타난 바와 같이, CaGRAS1-OX 식물(47.7-71.5%)의 생존율은 야생형 식물 (26.6%)보다 높았다. Also, as shown in Figure 6b, the survival rate of CaGRAS1 -OX plants (47.7-71.5%) was higher than that of wild-type plants (26.6%).

다음으로, 야생형 및 CaGRAS1-OX 식물의 증산 수분 손실을 측정하기 위하여, 9 시간 동안 신선한 잎 무게 손실을 측정하였다.Next, to measure the transpirational water loss of wild-type and CaGRAS1-OX plants, fresh leaf weight loss was measured for 9 hours.

도 6c에 나타난 바와 같이, CaGRAS1-OX 식물의 남은 잎의 무게 비율은 야생형 식물보다 높았으며, 이는 더 적은 증산 수분 손실을 의미하는 결과이다. 이러한 결과는 CaGRAS1-OX 식물의 가뭄 스트레스에 대한 감수성 감소가 증산 감소에 의해 영향을 받음을 시사하는 것이다.As shown in Fig. 6c, the remaining leaf weight ratio of CaGRAS1-OX plants was higher than that of wild-type plants, which means less transpirational water loss. These results suggest that reduced susceptibility of CaGRAS1-OX plants to drought stress is affected by reduced transpiration.

또한, 증발은 기공을 통해 발생하며, 잎의 온도를 낮춘다. ABA는 ABA 신호 전달 경로를 사용하여 보호 세포에 의해 기공 구멍을 제어하는 것으로 알려져 있다. 이에, 야생형 및 CaGRAS1-OX 식물의 잎 온도 및 기공 구멍의 크기를 측정하였다. Also, evaporation occurs through the stomata and lowers the temperature of the leaves. ABA is known to control stomatal opening by guard cells using the ABA signaling pathway. Thus, the leaf temperature and stomatal hole size of wild-type and CaGRAS1-OX plants were measured.

도 6d에 나타난 바와 같이, ABA가 처리되지 않은 조건에서는 야생형 식물과 형질전환 식물간에 유의한 차이가 없었다. 그러나, ABA 처리 후 야생형 및 CaGRAS1-OX 식물 모두 온도가 상승하였고, CaGRAS1-OX 식물의 잎 온도는 야생형 식물보다 더 많이 증가하는 경향을 나타내었다.As shown in Figure 6d, there was no significant difference between wild-type and transgenic plants in the condition where ABA was not treated. However, the temperature of both wild-type and CaGRAS1-OX plants increased after ABA treatment, and the leaf temperature of CaGRAS1-OX plants tended to increase more than that of wild-type plants.

또한, 도 6e에 나타난 바와 같이, ABA가 처리되지 않은 조건에서는 야생형 식물과 CaGRAS1-OX 식물간에 기공 크기에 유의한 차이가 없었다. 하지만, 10 및 20 μM ABA로 처리 한 후 CaGRAS1-OX 식물의 기공 구멍을 측정한 결과, 야생형 식물에 비해 현저하게 감소한 것으로 나타났다.In addition, as shown in FIG. 6e, there was no significant difference in stomatal size between wild-type and CaGRAS1-OX plants under the condition in which ABA was not treated. However, stomatal openings of CaGRAS1-OX plants after treatment with 10 and 20 μM ABA were measured and found to be significantly reduced compared to wild-type plants.

이러한 결과는 CaGRAS1-OX 식물이 ABA 과민성에 의해 수분 보유 능력이 증가되어 가뭄 저항성을 나타낸다는 것을 시사한다.These results suggest that CaGRAS1- OX plants exhibit drought resistance due to increased water retention capacity by ABA hypersensitivity.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예 및 실험예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.The above description of the present invention is for illustrative purposes, and those skilled in the art can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments and experimental examples described above are illustrative in all respects and not limiting.

<110> Chung-Ang University Industry-Academy Cooperation Foundation <120> Method for improving the resistance to the drought stress using pepper protein kinase CaGRAS1 in plants <130> MP21-113 <160> 26 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 582 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> CaGRAS1 (CA07g18600) <400> 1 Met Glu Ser His His Leu Tyr Gly Tyr Gly Val Thr Gly Ala Asn Leu 1 5 10 15 Ser Tyr Ala Tyr Ser Lys Thr Thr Thr Pro Ser Ile Pro Asn Arg Leu 20 25 30 Leu Gly Thr Leu Lys Phe Asp Ser Gly Tyr Ser Pro Asn Ser Pro Phe 35 40 45 Val Asn Tyr Phe Asp Pro Gly Thr Pro Thr Thr Leu Ser Asp Ser Leu 50 55 60 Glu Gln His Ser Ser Thr Glu Asn Ile Ser Gly Thr Ser Cys Ser Ser 65 70 75 80 Asn Ser Ser Leu Asp Tyr Ser His Tyr Phe Arg Arg Pro Ser Pro Ser 85 90 95 Pro Asp Phe Arg Gln Asn Ser Leu Leu Val Cys Ser Gly Glu Thr Ser 100 105 110 Leu Leu Gln Tyr Ala Asn His Ser His Asn Val Lys His Ala Leu Leu 115 120 125 Gln Leu Glu Thr Ala Leu Met Gly Pro Glu Glu Ala Thr Thr Ser Ser 130 135 140 Pro Ser Ala 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sequence <220> <223> CaGRAS1-VIGS_F <400> 7 tctagatgga atcacaccat ttgtatg 27 <210> 8 <211> 20 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaGRAS1-VIGS_R <400> 8 ctcgaggcgg aaatctggag 20 <210> 9 <211> 25 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaGRAS1-fragment_N1 Reverse <400> 9 ttacagtaga ctgttctggc ggaaa 25 <210> 10 <211> 23 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaGRAS1-fragment_N106 Forward <400> 10 atggtttgtt ccggtgaaac ttc 23 <210> 11 <211> 23 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaGRAS1-fragment_N106 Reverse <400> 11 ttagttgcca gaaggaattc cct 23 <210> 12 <211> 23 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaGRAS1-fragment_GRAS domain Forward <400> 12 atgctaaagc agctgcttat tgc 23 <210> 13 <211> 26 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaGRAS1_Forward <400> 13 acttccttac tccagtatgc aaatca 26 <210> 14 <211> 21 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaGRAS1_Reverse <400> 14 gccagaagga attccctgca c 21 <210> 15 <211> 25 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaACT1_F <400> 15 gacgtgacct aactgataac ctgat 25 <210> 16 <211> 25 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaACT1_R <400> 16 ctctcagcac caatggtaat aactt 25 <210> 17 <211> 22 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaOSR1_F <400> 17 ctcgagctat cagagcaaag tc 22 <210> 18 <211> 25 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaOSR1_R <400> 18 tctagagatc ctgtgtattg accat 25 <210> 19 <211> 26 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaLOX1_F <400> 19 acgtaatctc tgggaaaaat gacgat 26 <210> 20 <211> 24 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaLOX1_R <400> 20 acgtgacatc aaaggctgat tcgc 24 <210> 21 <211> 26 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaOSM1_F <400> 21 ccctccttgcc tttgtgactt acactt 26 <210> 22 <211> 27 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaOSM1_R <400> 22 attcagctaa ggtgtttggt ggtttac 27 <210> 23 <211> 25 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaADIP1_F <400> 23 atggctggca tgtgttgtgg tgtta 25 <210> 24 <211> 25 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> CaADIP1_R <400> 24 ttagacactc tctttgacgg gctcc 25 <210> 25 <211> 25 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> Actin8_F <400> 25 caactatgtt ctcaggtatt gcaga 25 <210> 26 <211> 25 <212> DNA <213> artificial sequence <220> <223> Actin8_R <400> 26 gtcatggaaa cgatgtctct ttagt 25

Claims (10)

서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 건조 스트레스 저항성 CaGRAS1(Capsicum annuum GRAS1) 단백질.
Dry stress resistant CaGRAS1 ( Capsicum annuum GRAS1) protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.
제1항의 CaGRAS1 단백질을 암호화하는 CaGRAS1 유전자.
CaGRAS1 gene encoding the CaGRAS1 protein of claim 1.
제2항에 있어서,
상기 CaGRAS1 유전자는 서열번호 2의 염기 서열로 이루어진 것을 특징으로 하는, CaGRAS1 유전자.
According to claim 2,
The CaGRAS1 gene is characterized in that consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2, CaGRAS1 gene.
제2항에 있어서,
상기 CaGRAS1 유전자는 고추로부터 분리된 것을 특징으로 하는, CaGRAS1 유전자.
According to claim 2,
The CaGRAS1 gene is characterized in that isolated from pepper, CaGRAS1 gene.
제2항의 CaGRAS1 유전자를 포함하는 재조합 벡터.
A recombinant vector comprising the CaGRAS1 gene of claim 2.
제5항에 있어서,
상기 재조합 벡터는 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진용인 것을 특징으로 하는, 재조합 벡터.
According to claim 5,
The recombinant vector is a recombinant vector, characterized in that for enhancing the drying stress resistance of plants.
제5항의 재조합 벡터로 형질 전환된 식물.
A plant transformed with the recombinant vector of claim 5.
제1항의 단백질, 이를 암호화하는 CaGRAS1 유전자, 및 상기 유전자를 포함하는 재조합 벡터로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 유효성분으로 포함하는 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진용 조성물.
A composition for promoting drought stress resistance of plants, comprising at least one selected from the group consisting of the protein of claim 1, the CaGRAS1 gene encoding the same, and a recombinant vector containing the gene as an active ingredient.
하기의 단계를 포함하는, 식물체의 건조 스트레스 저항성 증진 방법:
(a) CaGRAS1(Capsicum annuum GRAS1) 단백질을 암호화하는 유전자를 식물체에 형질전환 하는 단계; 및
(b) 상기 형질전환된 식물체에서 CaGRAS1 단백질을 과발현시키는 단계.
A method for enhancing dry stress resistance of a plant, comprising the following steps:
(a) transforming a gene encoding a CaGRAS1 ( Capsicum annuum GRAS1) protein into a plant; and
(b) overexpressing the CaGRAS1 protein in the transformed plant.
제9항의 방법에 의해 건조 스트레스 저항성이 증진된 형질전환 식물체.
A transgenic plant with enhanced drying stress resistance by the method of claim 9.
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