JP6192031B2 - Genes involved in accumulation of plant storage proteins and use thereof - Google Patents
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Description
本発明は、植物の種子貯蔵タンパク質の集積に関与する遺伝子および該遺伝子を利用した植物の種子貯蔵タンパク質の改変に関する。植物の種子貯蔵タンパク質の改変は、植物の品種改良などの分野並びに米粉の加工特性の改良において有用である。 The present invention relates to genes involved in the accumulation of plant seed storage proteins and the modification of plant seed storage proteins using the genes. Modification of plant seed storage proteins is useful in fields such as plant breeding and in improving the processing characteristics of rice flour.
イネ種子貯蔵タンパク質グルテリンは、全貯蔵タンパク質の約60%を占める消化の良いタンパク質である。しかし、米は他の植物に比べて必須アミノ酸であるリジン、トリプトファンの含有量が低い(栄養と栄養素の大事典 http://www.fjkw33.com/eiyou/e32-3.html)。米のリジン含有量を増加させるために、マメタンパク質であるファゼオリンをイネ種子内に発現させる研究も試みられたが(非特許文献1)、その蓄積効率は低い。また、糖尿病患者にはグルテリン含量が少ないコメが適しているため、グルテリン含量が低いコメの育成が要求されている。低グルテリン米の育成が試みられているが、その原因遺伝子等の詳細は明らかとなっていない。 Rice seed storage protein glutelin is a digestible protein that accounts for about 60% of the total storage protein. However, rice has a lower content of lysine and tryptophan, which are essential amino acids than other plants (Encyclopedia of Nutrition and Nutrients http://www.fjkw33.com/eiyou/e32-3.html). In order to increase the lysine content of rice, studies have been attempted to express phaseolin, a bean protein, in rice seeds (Non-patent Document 1), but its accumulation efficiency is low. In addition, rice with low glutelin content is suitable for diabetic patients, and therefore, growing rice with low glutelin content is required. Although attempts have been made to cultivate low-glutelin rice, details such as the causative gene have not been clarified.
イネグルテリンは小胞体上で前駆体として合成され、その後、ゴルジ体を経由し、貯蔵型液胞へと輸送される。貯蔵型液胞内で、2つのサブユニットに開裂し、成熟型グルテリンとして蓄積する。glup6(glutelin precursor 6)突然変異体(非特許文献2および3)は野生型と比べてグルテリン前駆体を多く集積し、成熟型グルテリンの蓄積量が減少する。GLUP6遺伝子は、染色体3に座乗することがすでに明らかとなっている(非特許文献4)が、未だ同定されていない。 Rice glutelin is synthesized as a precursor on the endoplasmic reticulum and then transported to the storage vacuole via the Golgi apparatus. In storage vacuoles, it is cleaved into two subunits and accumulates as mature glutelin. The glup6 ( glutelin precursor 6 ) mutant (Non-patent Documents 2 and 3) accumulates more glutelin precursors than the wild type, and the accumulation amount of mature glutelin decreases. The GLUP6 gene has already been found to sit on chromosome 3 (Non-Patent Document 4), but has not yet been identified.
一方、シロイヌナズナにおいて、GEF(GEF:Guanine nucleotide Exchange Factor)は異なる2種のRab5の活性化を制御することが知られている(非特許文献5)。また、Rab5ファミリーであるRha1はタバコの葉の上皮細胞において、ゴルジ体に局在し、液胞輸送に関与している(非特許文献6)。しかしながら、イネ胚乳においてグルテリン前駆体の細胞内輸送にGEFがどのように関与するのかは不明である。 On the other hand, in Arabidopsis thaliana, GEF (GEF: Guanine nucleotide Exchange Factor) is known to control activation of two different types of Rab5 (Non-patent Document 5). Rha1, a Rab5 family, is localized in the Golgi apparatus in tobacco leaf epithelial cells and is involved in vacuolar transport (Non-Patent Document 6). However, it is unclear how GEF is involved in intracellular transport of glutelin precursors in rice endosperm.
glup6はグルテリン前駆体の貯蔵型液胞への輸送に関与する因子であることが予想される。本発明の目的は、新規な植物の種子貯蔵タンパク質集積関連遺伝子を提供することにある。また、本発明は、該遺伝子を利用して植物の種子貯蔵タンパク質組成を改変し、これにより植物の種子成分の特性を改変することを目的とする。 glup6 is expected to be a factor involved in the transport of glutelin precursor to storage vacuoles. An object of the present invention is to provide a novel plant seed storage protein accumulation-related gene. Another object of the present invention is to modify the seed storage protein composition of plants using the gene, thereby modifying the characteristics of plant seed components.
本発明者等は、植物の中でも、種子成分を改変する簡便な方法の開発が望まれているイネに着目し、なかでも栄養学的に良好である貯蔵タンパク質グルテリンの集積に関与する遺伝子を単離すべく鋭意研究を行った。そして、その遺伝子を単離することに成功したとともに、当該遺伝子を利用して植物の貯蔵タンパク質の組成を改変させることが可能であることを見いだし、本発明を完成した。 The present inventors focused on rice for which development of a simple method for modifying seed components is desired among plants, and in particular, a gene involved in the accumulation of storage protein glutelin, which is nutritionally good, is identified. We conducted earnest research to separate them. The inventors have succeeded in isolating the gene and found that the composition of the plant storage protein can be altered using the gene, thereby completing the present invention.
本発明は、以下を提供する。
[1]下記の(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、または(f)のポリヌクレオチドを機能可能に有し、貯蔵タンパク質を貯蔵型液胞に集積する植物において該ポリヌクレオチドを機能不能とすることにより、貯蔵タンパク質の集積性が改変された植物を生産する方法:
(a)SEQ ID NO: 1、SEQ ID NO: 3、SEQ ID NO: 5、SEQ ID NO: 11またはSEQ ID NO: 12に記載の塩基配列からなるポリヌクレオチド;
(b)SEQ ID NO: 1、SEQ ID NO: 3、SEQ ID NO: 5、SEQ ID NO: 11またはSEQ ID NO: 12に記載の塩基配列からなるポリヌクレオチドと相補的な塩基配列からなるポリヌクレオチドとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ貯蔵タンパク質を貯蔵型液胞に集積する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(c)SEQ ID NO: 1、SEQ ID NO: 3、SEQ ID NO: 5、SEQ ID NO: 11またはSEQ ID NO: 12に記載の塩基配列と少なくとも90%の同一性を有し、かつ貯蔵タンパク質を貯蔵型液胞に集積する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(d)SEQ ID NO: 2またはSEQ ID NO: 6に記載のアミノ酸配列をコードするポリヌクレオチド;
(e)SEQ ID NO: 2またはSEQ ID NO: 6に記載のアミノ酸配列において1若しくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加および/または挿入したアミノ酸配列からなり、かつ貯蔵タンパク質を貯蔵型液胞に集積する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(f)SEQ ID NO: 2またはSEQ ID NO: 6に記載のアミノ酸配列と少なくとも97%の同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつ貯蔵タンパク質を貯蔵型液胞に集積する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド。
[2][1]に定義された(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、または(f)のポリヌクレオチドが機能不能である植物へ、[1]に定義された(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、または(f)のポリヌクレオチドを導入することにより、貯蔵タンパク質の集積性が改変された植物を生産する方法。
[3]貯蔵タンパク質が、グルテリンである、[1]または[2]に記載の生産方法。
[4][1]に定義したポリヌクレオチドを含むベクター、またはSEQ ID NO: 7またはSEQ ID NO: 9の塩基配列からなるポリヌクレオチドを含むベクターを用いて形質転換された、形質転換植物またはその子孫。
[5]植物が、イネ、大豆、エンバク、カボチャ、またはシロイヌナズナである、[4]に記載の形質転換植物またはその子孫。
[6][1]〜[3]のいずれか1項に記載の生産方法により得られた植物より得られる、または[4]または[5]に記載の植物若しくはその子孫より得られる、収穫物、繁殖材料または加工品。
The present invention provides the following.
[1] A plant having the following polynucleotide (a), (b), (c), (d), (e), or (f) functionally and accumulating storage proteins in storage-type vacuoles A method for producing a plant with altered storage protein accumulation by disabling the polynucleotide in
(A) a polynucleotide comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 11, or SEQ ID NO: 12;
(B) a polynucleotide comprising a nucleotide sequence complementary to a polynucleotide comprising the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 11 or SEQ ID NO: 12 A polynucleotide encoding a protein that hybridizes with a nucleotide under stringent conditions and has a function of accumulating the storage protein in a storage vacuole;
(C) having at least 90% identity with and storing the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 11 or SEQ ID NO: 12 A polynucleotide encoding a protein having a function of accumulating the protein in storage vacuoles;
(D) a polynucleotide encoding the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 6;
(E) a storage type vacuole comprising a storage protein consisting of an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, added and / or inserted in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 6, and A polynucleotide encoding a protein having a function of accumulation in
(F) Coding a protein comprising an amino acid sequence having at least 97% identity with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 6, and having a function of accumulating the storage protein in a storage type vacuole Polynucleotide.
[2] To a plant in which the polynucleotide of (a), (b), (c), (d), (e), or (f) defined in [1] is nonfunctional, A method for producing a plant with altered storage protein accumulation by introducing a defined polynucleotide (a), (b), (c), (d), (e), or (f) .
[3] The production method according to [1] or [2], wherein the storage protein is glutelin.
[4] A transformed plant transformed with a vector comprising a polynucleotide as defined in [1], or a vector comprising a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 7 or SEQ ID NO: 9, or its progeny.
[5] The transformed plant or its progeny according to [4], wherein the plant is rice, soybean, oat, pumpkin, or Arabidopsis thaliana.
[6] A crop obtained from the plant obtained by the production method according to any one of [1] to [3], or obtained from the plant according to [4] or [5] or its progeny , Breeding materials or processed products.
本発明により、貯蔵タンパク質の集積に関与するGLUP6-GEF遺伝子が提供された。
本発明の遺伝子は植物種子の細胞内輸送に関与する。この遺伝子の発現や機能を調節することにより、種子中の成熟型グルテリンの集積量を調節することができる。このため、本発明の遺伝子は成熟型グルテリンの量が減少したイネの品種育成に有用である。従来、イネの品種改良は(1)交雑による有望系統の選抜、(2)放射線や化学物質による突然変異誘起などによって行われてきた。これらの作業は長期間を要することや変異の程度や方向性を制御できないことなどの問題があった。本発明の遺伝子を用いるイネの品種育成は、短期間で高い確実性をもって目的の植物体を得ることができる点で、従来の方法より有利である。
According to the present invention, a GLUP6-GEF gene involved in storage protein accumulation was provided.
The gene of the present invention is involved in intracellular transport of plant seeds. By regulating the expression and function of this gene, the amount of mature glutelin accumulated in the seed can be regulated. Therefore, the gene of the present invention is useful for breeding rice varieties with a reduced amount of mature glutelin. Traditionally, rice varieties have been improved by (1) selecting promising lines by crossing, and (2) mutagenesis by radiation or chemicals. These operations have problems such as requiring a long time and inability to control the degree and direction of mutation. Breeding rice varieties using the gene of the present invention is advantageous over conventional methods in that the target plant can be obtained with high certainty in a short period of time.
本発明により、品種の選抜、検査が容易・迅速にできるようになった。glup6変異体を交配母本に用い、その交雑後代からglup6型を選抜する際に、変異部位の塩基配列から作製したDNA多型マーカーを用いて、幼苗期にglup6型を効率的に選抜することが可能となった。さらに、GLUP6-GEF遺伝子が特定されたことにより、glup6に関する他のアミノ酸置換変異体やアミノ酸欠損変異体をTilling法を用いて選抜することが可能となった。 According to the present invention, selection and inspection of varieties can be performed easily and quickly. When glup6 mutants are used as a mating mother and glup6 type is selected from the progeny of the cross, the glup6 type should be efficiently selected at the seedling stage using a DNA polymorphism marker prepared from the nucleotide sequence of the mutation site Became possible. Furthermore, the identification of the GLUP6-GEF gene made it possible to select other amino acid substitution mutants and amino acid deletion mutants for glup6 using the Tilling method.
本発明者等は、植物の中でも、種子成分を改変する簡便な方法の開発が望まれているイネに着目し、なかでも栄養学的に良好である貯蔵タンパク質グルテリンの集積に関与する遺伝子を単離すべく鋭意研究を行った。 The present inventors focused on rice for which development of a simple method for modifying seed components is desired among plants, and in particular, a gene involved in the accumulation of storage protein glutelin, which is nutritionally good, is identified. We conducted earnest research to separate them.
イネグルテリンは小胞体上で前駆体として合成され、その後、ゴルジ体を経由し、貯蔵型液胞へと輸送される。貯蔵型液胞内で、2つのサブユニットに開裂し、成熟型グルテリンとして蓄積する。glup6(glutelin precursor 6)突然変異体は野生型と比べてグルテリン前駆体を多く集積し、成熟型グルテリンの蓄積量が減少する(図1)。従って、グルテリン前駆体の貯蔵型液胞への輸送に関与する因子であることが予想されるが、変異の原因となるGLUP6遺伝子は未だ同定されていない。 Rice glutelin is synthesized as a precursor on the endoplasmic reticulum and then transported to the storage vacuole via the Golgi apparatus. In storage vacuoles, it is cleaved into two subunits and accumulates as mature glutelin. The glup6 (glutelin precursor 6) mutant accumulates more glutelin precursors than the wild-type and reduces the accumulation of mature glutelin (Figure 1). Therefore, although it is expected to be a factor involved in the transport of the glutelin precursor to the storage-type vacuole, the GLUP6 gene causing the mutation has not yet been identified.
すでにGLUP6遺伝子は染色体3に座乗することが明らかとなっている(Sato et al. Rice Genet. Newslet., 20: 43-45, 2003)。そこで、染色体3のマーカーを用いた連鎖解析によってGLUP6遺伝子近傍の遺伝子連鎖地図の構築を行った。GLUP6遺伝子連鎖地図をSTS、CAPSマーカーを用いて作成した。glup6突然変異系統EM939とインド型品種Kasalathとの交雑F2種子から、SDS-PAGE解析によってグルテリン前駆体を多量に集積するglup6遺伝子ホモ個体を選抜し連鎖解析に用いた。 It has already been shown that the GLUP6 gene sits on chromosome 3 (Sato et al. Rice Genet. Newslet., 20: 43-45, 2003). Therefore, we constructed a genetic linkage map near the GLUP6 gene by linkage analysis using a chromosome 3 marker. GLUP6 gene linkage map was prepared using STS and CAPS markers. From homozygous F2 seeds of the glup6 mutant line EM939 and the Indian cultivar Kasalath, a glup6 gene homozygous individual that accumulates a large amount of glutelin precursor was selected by SDS-PAGE analysis and used for linkage analysis.
41個体のglup6ホモ個体を用いた連鎖解析によって、GLUP6遺伝子はSTSマーカーR10784とCAPSマーカーR216の間10.4 cMの領域内に位置づけられた(図2A:Sato et al. Rice Genet. Newslet., 20: 43-45, 2003)。さらに、234個体のglup6遺伝子ホモ個体を用いた連鎖解析によってGLUP6遺伝子を1.6 cMの領域内に絞り込んだ(図2B)。この遺伝子領域は4個のBACクローンによってカバーされていた(図2C)。 By linkage analysis using 41 glup6 homozygous individuals, the GLUP6 gene was located in the 10.4 cM region between the STS marker R10784 and the CAPS marker R216 (FIG. 2A: Sato et al. Rice Genet. Newslet., 20: 43-45, 2003). Furthermore, the GLUP6 gene was narrowed down to a region of 1.6 cM by linkage analysis using 234 glup6 gene homozygous individuals (FIG. 2B). This gene region was covered by 4 BAC clones (FIG. 2C).
これらのBACクローン内の配列を基に新規に作成したDNAマーカーと1122個体のglup6遺伝子ホモ個体を用いた連鎖解析によって、GLUP6遺伝子をBACクローンOJ1041F02内の約16 kbの領域内に絞り込んだ(図2Cと図2D)。この候補領域のゲノム塩基配列に対してRiceGAAS(Rice Genome Annotation Database; http://RiceGAAS.dna.affrc.go.jp/rgadb/)による遺伝子予測ならびに類似性検索を行ったところ、3個の遺伝子が予測された(図2D)。 The GLUP6 gene was narrowed down to a region of about 16 kb in the BAC clone OJ1041F02 by linkage analysis using newly created DNA markers based on the sequences in these BAC clones and 1122 homozygous glup6 genes (Fig. 2C and 2D). When gene prediction and similarity search were performed using RiceGAAS (Rice Genome Annotation Database; http://RiceGAAS.dna.affrc.go.jp/rgadb/) for the genome sequence of this candidate region, three genes were found. Was predicted (Figure 2D).
これらの予測された遺伝子のゲノム配列を基にして、glup6変異系統「EM939」および「EM1327」、およびそれらの原品種「台中65号」のGLUP6遺伝子候補領域のゲノム塩基配列を解析した。その結果、予測遺伝子の一つにglup6変異体2系統の塩基配列はそれぞれ、「台中65号」の塩基配列に対して一塩基置換が認められた。具体的には、「台中65号」とglup6変異体と比較した場合、EM939ではC418が、そしてEM1327ではC784が、それぞれTに置換されていた。候補領域における他の塩基に置換は認められなかった。さらに、「台中65号」の登熟種子から単離した当該予測遺伝子のmRNAから逆転写したcDNAの塩基配列を解析した。図3にそれらの塩基配列を示す。 Based on the genomic sequences of these predicted genes, the genomic nucleotide sequences of the GLUP6 gene candidate regions of glup6 mutant lines “EM939” and “EM1327” and their original cultivar “Taichung 65” were analyzed. As a result, one of the predicted genes showed a single base substitution for the base sequence of “Taichung 65” in the two glup6 mutants. Specifically, when compared with “Taichung 65” and the glup6 mutant, C418 was replaced with T in EM939, and C784 was replaced with EM1327, respectively. No substitution was found for other bases in the candidate region. Furthermore, the base sequence of cDNA reverse transcribed from the mRNA of the predicted gene isolated from the ripened seed of “Taichung 65” was analyzed. Fig. 3 shows their base sequences.
各系統のゲノム塩基配列はcDNAに対応するコーディング領域の配列のみを示した(図4)。なお、「台中65号」と「日本晴」間では当該遺伝子のゲノム塩基配列に6塩基の多型が認められた(図4)。この予測遺伝子は、グアニンヌクレオチド交換因子(guanine nucleotide exchange factor:GEF)とアミノ酸配列において高い相同性が認められる。この結果は、GLUP6遺伝子はGEFをコードしていることを示唆している。 The genome base sequence of each strain showed only the coding region sequence corresponding to the cDNA (FIG. 4). In addition, a 6-base polymorphism was observed in the genomic base sequence of the gene between “Taichung 65” and “Nippon Hare” (FIG. 4). This predicted gene has high homology in amino acid sequence with guanine nucleotide exchange factor (GEF). This result suggests that the GLUP6 gene encodes GEF.
「日本晴」において当該予測遺伝子のcDNAの全長の配列をKOME(Knowledge-based Oryza Molecular biological Encyclopedia;http://cdna01.dna.affrc.go.jp/cDNA/)による検索を行い、ゲノム塩基配列と比較した結果、並びに「台中65号」のゲノム塩基配列とcDNAとを比較した結果、GLUP6候補遺伝子は5個のエキソンから構成されていた。同遺伝子のコード領域の全長は1443 bpで、480個の推定アミノ酸からなるタンパク質をコードしていることが予測された(図6:GEFタンパク質のアミノ酸配列の比較)。glup6変異系統「EM939」と「EM1327」において、それぞれ139および261番目のグリシンが終止コドンに置換していた(図6)。これらの結果は、GLUP6遺伝子はGEFをコードしていることを示唆している。 In “Nipponbare”, the full-length cDNA sequence of the predicted gene was searched by KOME (Knowledge-based Oryza Molecular biological Encyclopedia; http://cdna01.dna.affrc.go.jp/cDNA/) As a result of comparison, and as a result of comparing the genomic base sequence of “Taichung 65” with cDNA, the GLUP6 candidate gene was composed of 5 exons. The total length of the coding region of this gene was 1443 bp, and it was predicted to encode a protein consisting of 480 deduced amino acids (FIG. 6: Comparison of amino acid sequences of GEF protein). In glup6 mutant lines “EM939” and “EM1327”, the 139th and 261st glycines were replaced with stop codons, respectively (FIG. 6). These results suggest that the GLUP6 gene encodes GEF.
このGEF遺伝子がグルテリンの輸送・蓄積に機能を有していることを確認するために、「glup6変異体」の植物体にGLUP6候補遺伝子を導入する形質転換実験を行った。GLUP6候補遺伝子であるGEFのプロモーターを「台中65号」のゲノムDNAからサブクローニングし、GEFクローン(JO33091P13:つくばゲノムリソースセンターより分譲)をテンプレートにPCRでGEF配列を増幅し、構築したGFPを含むエントリーベクターをDV9バイナリーベクターに導入し、アグロバクテリウム(EHA105菌株)を介して「EM939」に導入した。その結果、作出された形質転換体は、グルテリン前駆体含量が原品種とほぼ同等まで減少していた(図7A)。更に、その個体において、GFP抗体を用いたウエスタンブロットを行った結果、GFPバンドが認められたことから(図7B)、GEF遺伝子の導入によってglup6変異体が野生型に復帰したことを示している。以上の結果から、GLUP6遺伝子はGEFをコードしていることが明らかとなった。 In order to confirm that this GEF gene has a function for transport and accumulation of glutelin, a transformation experiment was carried out in which a GLUP6 candidate gene was introduced into a plant of “glup6 mutant”. GLUP6 candidate gene GEF promoter is subcloned from the genomic DNA of Taichung 65, and the GEF sequence (JO33091P13: distributed from Tsukuba Genome Resource Center) is used as a template to amplify the GEF sequence by PCR and include the constructed GFP The vector was introduced into the DV9 binary vector and introduced into “EM939” via Agrobacterium (EHA105 strain). As a result, the produced transformant had a glutelin precursor content reduced to almost the same as that of the original variety (FIG. 7A). Furthermore, Western blotting using a GFP antibody in the individual revealed a GFP band (FIG. 7B), indicating that the glup6 mutant was restored to the wild type by the introduction of the GEF gene. . From the above results, it was revealed that the GLUP6 gene encodes GEF.
glup6同座変異体におけるGEFタンパク質の発現の有無を調査した(図8)。「台中65号」では、2本のバンドが検出された。一方、「EM939」および「EM1327」において、2本のバンドのうち63 kDaのバンドが欠損していた。glup6変異体におけるGEFタンパク質の欠損は、ナンセンス変異により当該GEFの機能が喪失されたことを示唆している。 The presence or absence of GEF protein expression in the glup6 locus was investigated (FIG. 8). In “Taichung 65”, two bands were detected. On the other hand, in “EM939” and “EM1327”, the 63 kDa band of the two bands was missing. The lack of GEF protein in the glup6 mutant suggests that the function of the GEF has been lost due to the nonsense mutation.
GEF欠損変異体glup6の胚乳細胞組織におけるグルテリンの局在を蛍光顕微鏡解析により調査した。野生型では、グルテリンを集積する顆粒(PB-II)とプロラミンを集積する顆粒(PB-I)が単独で観察され、登熟を経るに従い両PBのサイズは大きくなった(図9Aおよび図9B)。一方、glup6変異では、グルテリン抗体で標識された大きな構造体(paramural body:PMB)が観察された。PMBは登熟初期から存在し、登熟とともにそのサイズが拡大化していった(図9C、図9D、図9F)。また、glup6変異体のPB-IIは、登熟初期から後期にかけて、大きさはほぼ一定であった。これらの結果は、glup6変異では、グルテリン前駆体の貯蔵型液胞への輸送が阻害されていることを示している。さらに、細胞壁にもグルテリンの存在を示すシグナルが認められた。この結果から、細胞壁の構成物質であるβ-グルカンの細胞内輸送も阻害されている可能性が考えられる。そこで、glup6変異体における、β-グルカンとグルテリンの局在を蛍光顕微鏡解析により調査した。野生型においてβ-グルカンは、細胞壁にのみ検出された(図10Aおよび図10C)が、glup6変異体において、β-グルカンは細胞壁だけでなくPMBの周囲およびPMB内にも存在していた(図10D〜図10I)。glup6変異体では、PMBに付随してβ-グルカンを含む細胞壁様物質が存在していることが明らかとなった。これらの結果は、glup6変異では、β-グルカンの細胞壁への輸送も阻害され、細胞壁の構造が変化している可能性およびβ-グルカンの蓄積が増加していることを示唆している。 The localization of glutelin in the endosperm cell tissue of GEF-deficient mutant glup6 was investigated by fluorescence microscopy. In the wild type, a granule accumulating glutelin (PB-II) and a prolamin accumulating granule (PB-I) were observed alone, and the size of both PBs increased with ripening (Figures 9A and 9B). ). On the other hand, in the glup6 mutation, a large structure (paramural body: PMB) labeled with a glutelin antibody was observed. PMB has existed since the beginning of ripening, and its size increased with ripening (FIGS. 9C, 9D, and 9F). The glup6 mutant PB-II was almost constant in size from early to late ripening. These results indicate that glup6 mutation inhibits the transport of glutelin precursor to storage vacuoles. Furthermore, a signal indicating the presence of glutelin was also observed in the cell wall. From this result, it is considered that the intracellular transport of β-glucan, which is a constituent of the cell wall, may also be inhibited. Therefore, the localization of β-glucan and glutelin in the glup6 mutant was investigated by fluorescence microscope analysis. In the wild type, β-glucan was detected only in the cell wall (Figs. 10A and 10C), but in the glup6 mutant, β-glucan was present not only in the cell wall but also around and within the PMB (Fig. 10D to FIG. 10I). In the glup6 mutant, cell wall-like substances containing β-glucan were found to accompany PMB. These results suggest that glup6 mutation also inhibits the transport of β-glucan to the cell wall, possibly changing the structure of the cell wall, and increasing the accumulation of β-glucan.
グルテリン前駆体を多く蓄積しているglup4変異はSmall GTPase Rab5aの構造遺伝子変異である。glup4変異体でも、同様にPMB周囲にβ-グルカンの高蓄積が認められた(図11D〜図11F)。Megazyme社のMixed-linkage β-グルカンアッセイキットを用いて、野生型品種(台中65号)とglup6(EM939)の玄米に含まれるβ-グルカンを定量比較したところ、野生型の玄米に含まれるβ-グルカンは100 g(乾燥重量)あたり48 mg(±14、n=3)であったのに対し、glup6の玄米には約2倍の97 mg(±49、n=3)が蓄積していた。 The glup4 mutation that accumulates many glutelin precursors is a structural gene mutation of Small GTPase Rab5a. Similarly, in the glup4 mutant, high accumulation of β-glucan was observed around PMB (FIGS. 11D to 11F). Using a mixed-linkage β-glucan assay kit from Megazyme, β-glucan contained in brown rice of wild type varieties (Taichung 65) and glup6 (EM939) was quantitatively compared. -Glucan was 48 mg (± 14, n = 3) per 100 g (dry weight), whereas 97 mg (± 49, n = 3) accumulated about twice as much in brown rice of glup6 It was.
β-グルカンの高蓄積が、米粉の製パン特性および米粉パンの食味にどのように影響するのかを調べるために、三洋電機の新商品GOPAN(製パン機、登録商標)を使用して、glup6変異体(EM939)と野生型(台中65号)の米粉を用いてパンを作り、両者を比較した(図12)。製パン試験を繰り返し行った結果、野生型の米粉から作製したパン生地は、焼きたて直後は柔らかいものの、数時間後から生地が硬くなり始め、2日後にはボソボソになるのに対し、glup6(EM939)では、同様な条件下で、野生型と比較して生地が硬くなり難いことが判明した。一般に、米粉パンは時間の経過とともに固くなる問題がある。この問題は米粉パンに限らず、通常のコムギパンの品質で重要な評価項目であり、「パンの老化」と呼ばれる。glup6変異体(EM939)が示す「老化しにくい米粉パン」の原因として、PMBに蓄積するβ-グルカンの特徴である保湿性、澱粉そのものの老化特性の違い、または水溶性のβ-グルカンが糊化澱粉に結合して老化を阻害する可能性などが考えられる。 In order to investigate how the high accumulation of β-glucan affects the bread-making characteristics of rice flour and the taste of rice flour bread, we used the new product GOPAN (Breadmaker, registered trademark) of Sanyo Electric, glup6 We made bread using mutant (EM939) and wild-type (Taichung 65) rice flour and compared them (Fig. 12). As a result of repeated bread-making tests, bread dough made from wild-type rice flour was soft immediately after baking, but the dough started to harden after a few hours and became vomited after 2 days, while glup6 ( EM939), it was found that under similar conditions, the dough is less likely to be harder than the wild type. In general, rice flour bread has a problem of becoming harder with time. This problem is not limited to rice flour bread but is an important evaluation item in the quality of normal wheat bread, and is called “bread aging”. The cause of “rice flour bread that is difficult to age” shown by glup6 mutant (EM939) is the moisturizing characteristics of β-glucan accumulated in PMB, the aging characteristics of starch itself, or water-soluble β-glucan is glue There is a possibility of inhibiting aging by binding to modified starch.
本発明者らは、植物の貯蔵タンパク質の集積に関与する新たな遺伝子を単離することに成功したとともに、当該遺伝子を利用して植物の貯蔵タンパク質およびβ-グルカンの組成が変化した米粉が優れた製パン特性を持つことを見いだし、これにより本研究を完成するに至った。 The present inventors have succeeded in isolating a new gene involved in the accumulation of plant storage protein, and using the gene, rice flour in which the composition of the plant storage protein and β-glucan is changed is excellent. It has been found that it has the characteristics of making bread, and this led to the completion of this study.
本発明は、植物の貯蔵タンパク質の貯蔵型液胞における集積に関する、GLUP6-GEF遺伝子、すなわち下記のポリヌクレオチド(またはポリヌクレオチドからなる遺伝子)、およびその利用方法を提供する。
(a)SEQ ID NO: 1、SEQ ID NO: 3、SEQ ID NO: 5、SEQ ID NO: 11またはSEQ ID NO: 12に記載の塩基配列からなるポリヌクレオチド;
(b)SEQ ID NO: 1、SEQ ID NO: 3、SEQ ID NO: 5、SEQ ID NO: 11またはSEQ ID NO: 12に記載の塩基配列からなるポリヌクレオチドと相補的な塩基配列からなるポリヌクレオチドとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ貯蔵タンパク質を貯蔵型液胞に集積する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(c)SEQ ID NO: 1、SEQ ID NO: 3、SEQ ID NO: 5、SEQ ID NO: 11またはSEQ ID NO: 12に記載の塩基配列と少なくとも90%の同一性を有し、かつ貯蔵タンパク質を貯蔵型液胞に集積する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(d)SEQ ID NO: 2またはSEQ ID NO: 6に記載のアミノ酸配列をコードするポリヌクレオチド;
(e)SEQ ID NO: 2またはSEQ ID NO: 6に記載のアミノ酸配列において1若しくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加および/または挿入したアミノ酸配列からなり、かつ貯蔵タンパク質を貯蔵型液胞に集積する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(f)SEQ ID NO: 2またはSEQ ID NO: 6に記載のアミノ酸配列と少なくとも97%の同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつ貯蔵タンパク質を貯蔵型液胞に集積する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド。
The present invention provides a GLUP6-GEF gene, that is, the following polynucleotide (or a gene comprising a polynucleotide), and a method for using the same, related to accumulation of plant storage proteins in storage vacuoles.
(A) a polynucleotide comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 11, or SEQ ID NO: 12;
(B) a polynucleotide comprising a nucleotide sequence complementary to a polynucleotide comprising the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 11 or SEQ ID NO: 12 A polynucleotide encoding a protein that hybridizes with a nucleotide under stringent conditions and has a function of accumulating the storage protein in a storage vacuole;
(C) having at least 90% identity with and storing the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 11 or SEQ ID NO: 12 A polynucleotide encoding a protein having a function of accumulating the protein in storage vacuoles;
(D) a polynucleotide encoding the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 6;
(E) a storage type vacuole comprising a storage protein consisting of an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, added and / or inserted in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 6, and A polynucleotide encoding a protein having a function of accumulation in
(F) Coding a protein comprising an amino acid sequence having at least 97% identity with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 6, and having a function of accumulating the storage protein in a storage type vacuole Polynucleotide.
本発明は、植物の貯蔵タンパク質の貯蔵型液胞への集積に関するタンパク質、すなわち下記のタンパク質、およびその利用に関する。
(e')SEQ ID NO: 2またはSEQ ID NO: 6に記載のアミノ酸配列からなるタンパク質;
(f')SEQ ID NO: 2またはSEQ ID NO: 6に記載のアミノ酸配列において1若しくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加および/または挿入したアミノ酸配列からなり、かつ植物種子においてグルテリンを集積させる機能を有するタンパク質;
(g')SEQ ID NO: 2またはSEQ ID NO: 6に記載のアミノ酸配列と少なくとも97%の同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつ植物種子においてグルテリンを集積させる機能を有するタンパク質。
The present invention relates to proteins relating to accumulation of plant storage proteins in storage-type vacuoles, namely the following proteins, and uses thereof.
(E ′) a protein comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 6;
(F ′) an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, added and / or inserted in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 6, and glutelin is accumulated in plant seeds A protein having a function of
(G ′) A protein comprising an amino acid sequence having at least 97% identity with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 6, and having a function of accumulating glutelin in plant seeds.
本発明でポリヌクレオチドに関し「ストリンジェントな条件下」というときは、特に記載した場合を除き、中程度または高程度にストリンジェントな条件をいう。
中程度にストリンジェントな条件は、例えば、対象となるポリヌクレオチドの長さに基づき、当業者であれば容易に設計することができる。基本的な条件は、Sambrookら,Molecular Cloning: A Laboratory Manual、第3版、第6〜7章、Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001に示されている。典型的には、中程度にストリンジェントな条件は、ニトロセルロースフィルターに関し、5×SSC、0.5%SDS、1.0 mM EDTA(pH8.0)の前洗浄条件;約40〜50℃での、約50%ホルムアミド、2〜6×SSC(または、約42℃での、約50%ホルムアミド中のStark's solutionなどの他の同様のハイブリダイゼーション溶液)のハイブリダイゼーション条件;および約40℃〜60℃、0.5〜6×SSC、0.1% SDSの洗浄条件を含む。中程度にストリンジェントな条件は、好ましくは、約50℃、6×SSCのハイブリダイゼーション条件を含み、前述の洗浄条件および/または洗浄条件を含んでいてもよい。
In the present invention, when referring to “stringent conditions” with respect to a polynucleotide, it refers to moderately or highly stringent conditions, unless otherwise specified.
Moderately stringent conditions can be easily designed by those skilled in the art based on, for example, the length of the polynucleotide of interest. Basic conditions are shown in Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 3rd edition, chapters 6-7, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001. Typically, moderately stringent conditions are 5 × SSC, 0.5% SDS, 1.0 mM EDTA (pH 8.0) pre-wash conditions for nitrocellulose filters; about 50-50 ° C. at about 50-50 ° C. Hybridization conditions of% formamide, 2-6 × SSC (or other similar hybridization solutions such as Stark's solution in about 50% formamide at about 42 ° C.); and about 40 ° C.-60 ° C., 0.5- Includes 6 x SSC, 0.1% SDS wash conditions. The moderately stringent conditions preferably include hybridization conditions of about 50 ° C. and 6 × SSC, and may include the aforementioned washing conditions and / or washing conditions.
高程度にストリンジェントな条件(高ストリンジェントな条件)もまた、例えば、対象となるポリヌクレオチドの長さに基づき、当業者であれば容易に設計することができる。高ストリンジェントな条件は、中程度にストリンジェントな条件よりも高い温度および/または低い塩濃度がが含まれる。典型的には、約65℃、0.2〜6×SSC、好ましくは6×SSC、より好ましくは2×SSC、さらに好ましくは0.2×SSCのハイブリダイゼーション条件を含む。いずれの場合も、約65〜68℃、0.2×SSC、0.1% SDSの洗浄条件を含むことが好ましい。 Highly stringent conditions (high stringent conditions) can also be easily designed by those skilled in the art based on, for example, the length of the polynucleotide of interest. High stringency conditions include higher temperatures and / or lower salt concentrations than moderately stringent conditions. Typically, hybridization conditions of about 65 ° C., 0.2-6 × SSC, preferably 6 × SSC, more preferably 2 × SSC, and even more preferably 0.2 × SSC are included. In any case, it is preferable to include washing conditions of about 65 to 68 ° C., 0.2 × SSC, and 0.1% SDS.
いずれの場合も、ハイブリダイゼーション、前洗浄および洗浄のための緩衝液として、SSC(1×SSCは、0.15 M NaClおよび15 mM クエン酸ナトリウムである。)の代わりにSSPE(1×SSPEは、0.15 M NaCl、10 mM NaH2PO4、および1.25 mM EDTA、pH7.4である。)を代用することができる。いずれの場合も、洗浄は、ハイブリダイゼーションが完了した後、約15分間行うことができる。 In either case, SSPE (1 × SSPE is 0.15 in place of SSC (1 × SSC is 0.15 M NaCl and 15 mM sodium citrate) as a buffer for hybridization, prewash and wash. M NaCl, 10 mM NaH 2 PO 4 , and 1.25 mM EDTA, pH 7.4) can be substituted. In either case, washing can be performed for about 15 minutes after hybridization is complete.
また、本発明のためにストリンジェントな条件下でハイブリダイズを行う場合、プローブに放射性物質を使用しない市販のハイブリダイゼーションキット、例えばECL direct labeling & detection system(Amersham社製)を使用することができる。このキットを使用する場合、ストリンジェントなハイブリダイゼーションとしては、典型的には、キット中のハイブリダイゼーションバッファーにブロッキング試薬を5%(w/v)、NaClを0.5 Mになるように加え、42℃で4時間ハイブリダイゼーション行い、続いて55℃、0.4% SDS、0.5×SSC中で20分間の洗浄を二回行い、さらに室温、2×SSC中で5分間の洗浄を一回行うことができる。 Further, when hybridization is performed under stringent conditions for the present invention, a commercially available hybridization kit that does not use a radioactive substance as a probe, for example, ECL direct labeling & detection system (manufactured by Amersham) can be used. . When using this kit, stringent hybridization typically involves adding 5% (w / v) blocking reagent and 0.5 M NaCl to the hybridization buffer in the kit, Hybridization for 4 hours, followed by two 20 minute washes in 55 ° C., 0.4% SDS, 0.5 × SSC, and a further 5 minutes wash in 2 × SSC at room temperature.
また、本発明でタンパク質に関し、「1若しくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加および/または挿入された」というときの置換等されるアミノ酸の個数は、そのアミノ酸配列からなるタンパク質が所望の機能を有する限り特に限定されないが、1〜9個または1〜4個程度である。性質の似たアミノ酸への置換であれば、所望の機能を消失しないであろうから、より多くのアミノ酸の置換が可能である場合がある。ヌクレオチドまたはアミノ酸が置換等されたポリヌクレオチドまたはタンパク質を調製するための手段には、例えば、site-directed mutagenesis法(Kramer W & Fritz H-J: Methods Enzymol 154: 350、 1987)がある。 In addition, regarding the protein in the present invention, the number of amino acids to be substituted when “one or more amino acids are deleted, substituted, added and / or inserted” indicates the desired function of the protein comprising the amino acid sequence. Although it is not specifically limited as long as it has, it is about 1-9 pieces or 1-4 pieces. Since substitution of amino acids with similar properties will not lose the desired function, substitution of more amino acids may be possible. Means for preparing polynucleotides or proteins in which nucleotides or amino acids are substituted include, for example, the site-directed mutagenesis method (Kramer W & Fritz HJ: Methods Enzymol 154: 350, 1987).
本発明で、塩基配列に関し、同一性(相同性ということもある。)が高いというときは、特別な場合を除き、90%以上、好ましくは92%以上、より好ましくは94%以上、さらに好ましくは96%以上、最も好ましくは98%以上の配列の同一性を指す。本発明で、アミノ酸配列に関し、同一性(相同性ということもある。)が高いというときは、特別な場合を除き、97%以上、好ましくは98%以上、より好ましくは99%以上の配列の同一性を指す。塩基配列またはアミノ酸配列の同一性は、カーリンおよびアルチュールによるアルゴリズムBLAST(Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87:2264-2268、 1990、Proc Natl Acad Sci USA 90: 5873、 1993)を用いて決定できる。BLASTのアルゴリズムに基づいたBLASTNやBLASTXと呼ばれるプログラムが開発されている(Altschul SF、 et al: J Mol Biol 215: 403、 1990)。BLASTNを用いて塩基配列を解析する場合は、パラメーターは、例えばscore=100、wordlength=12とする。また、BLASTXを用いてアミノ酸配列を解析する場合は、パラメーターは、例えばscore=50、wordlength=3とする。BLASTとGapped BLASTプログラムを用いる場合は、各プログラムのデフォルトパラメーターを用いる。これらの解析方法の具体的な手法は当業者にはよく知られている(例えば、http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)。 In the present invention, when the identity (sometimes referred to as homology) is high with respect to the base sequence, it is 90% or more, preferably 92% or more, more preferably 94% or more, even more preferably, unless otherwise specified. Refers to sequence identity of 96% or more, most preferably 98% or more. In the present invention, when amino acid sequences have high identity (sometimes referred to as homology), except for special cases, 97% or more, preferably 98% or more, more preferably 99% or more. Refers to identity. The identity of the base sequence or amino acid sequence is determined using the algorithm BLAST (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87: 2264-2268, 1990, Proc Natl Acad Sci USA 90: 5873, 1993) by Carlin and Arthur. it can. Programs called BLASTN and BLASTX based on the BLAST algorithm have been developed (Altschul SF, et al: J Mol Biol 215: 403, 1990). When analyzing a base sequence using BLASTN, parameters are set to, for example, score = 100 and wordlength = 12. In addition, when an amino acid sequence is analyzed using BLASTX, the parameters are, for example, score = 50 and wordlength = 3. When using BLAST and Gapped BLAST programs, the default parameters of each program are used. Specific techniques for these analysis methods are well known to those skilled in the art (for example, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/).
本発明ではまた、塩基配列についてはBLAST 2を用いて同一性を計算することができ、またアミノ酸配列についてはblastpで検索し、同一性を求めることができる。本発明で塩基配列またはアミノ酸配列について同一性をいうときは、特別な場合を除き、通常の設定でこれらの手段により得た値である。 In the present invention, the identity of a base sequence can also be calculated using BLAST 2, and the identity can be determined by searching for the amino acid sequence with blastp. In the present invention, when referring to identity with respect to a base sequence or amino acid sequence, it is a value obtained by these means under normal settings, except in special cases.
本発明のポリヌクレオチドは、天然の植物組織材料から調製することができる。本発明のポリヌクレオチドを調製するためには、ハイブリダイゼーション技術やポリメラーゼ連鎖反応(PCR)技術を利用することができる。例えば、GLUP6-GEF遺伝子(SEQ ID NO: 3)の一部をプローブまたはプライマーとして、イネや他の植物からGLUP6-GEF遺伝子と高い同一性を有するDNAを単離することができる。本発明のポリヌクレオチドには、ゲノムDNA、cDNAおよび化学合成DNAが含まれる。本発明のポリヌクレオチドは、一本鎖DNAおよび二本鎖DNAであり得る。 The polynucleotide of the present invention can be prepared from natural plant tissue material. In order to prepare the polynucleotide of the present invention, a hybridization technique or a polymerase chain reaction (PCR) technique can be used. For example, DNA having high identity with the GLUP6-GEF gene can be isolated from rice or other plants using a part of the GLUP6-GEF gene (SEQ ID NO: 3) as a probe or primer. The polynucleotide of the present invention includes genomic DNA, cDNA and chemically synthesized DNA. The polynucleotide of the present invention can be single-stranded DNA and double-stranded DNA.
本発明において、ポリヌクレオチドに関して「機能を有する」または「機能可能」というときは、特別な場合をのぞき、そのポリヌクレオチドの存在により、目的の機能が果たされることをいう。これには、ポリヌクレオチドが転写され、転写産物が翻訳され、目的の機能を有するタンパク質が発現されることが含まれる。例えば、GLUP6-GEF遺伝子の変異体が、比較的重要な部分における変異を有するために、本来有すべき機能が低下または喪失している場合、その変異ポリヌクレオチドは、「機能を有する」とはいえず、また「機能可能」とはいえない。 In the present invention, “having a function” or “capable of function” with respect to a polynucleotide means that the target function is fulfilled by the presence of the polynucleotide, except in special cases. This includes transcription of the polynucleotide, translation of the transcript, and expression of the protein with the desired function. For example, if a mutant of the GLUP6-GEF gene has a mutation in a relatively important part, and thus the inherent function is reduced or lost, the mutant polynucleotide is said to be “functional” Neither can it be said that it is “functional”.
本発明において「貯蔵タンパク質」というときは、特に記載した場合を除き、グルテリンおよびグロブリンを含む。
本発明において「グルテリン」というときは、特に記載した場合を除き、純タンパク質の一つで、穀類中に含まれ、純水・中性塩類溶液およびアルコールには溶けず、稀酸・稀アルカリには溶けるタンパク質(総称)をいう。本発明で単に、「貯蔵タンパク質」または「グルテリン」というときは、成熟型のものを指す。イネにおいて、グルテリンは全タンパク質のうちの約60%を占める。グルテリンは、コムギの麩素(グルテンgluten)中のグルテニン(glutenin)を含み、αグルテリン(イネにおいては、分子量37〜40 kD)、βグルテリン(イネにおいては、分子量20〜23 kD)を含む。
In the present invention, “storage protein” includes glutelin and globulin unless otherwise specified.
In the present invention, the term “glutelin” is one of pure proteins, unless otherwise specified, is contained in cereals, is not soluble in pure water / neutral salt solution and alcohol, and is diluted with dilute acid / diluted alkali. Means soluble protein (generic name). In the present invention, the term “storage protein” or “glutelin” simply refers to a mature form. In rice, glutelin accounts for about 60% of the total protein. Glutelin contains glutenin in gluten of wheat, and includes α-glutelin (molecular weight 37-40 kD in rice) and β-glutelin (molecular weight 20-23 kD in rice).
本発明において「グルテリン前駆体」というときは、特に記載した場合を除き、グルテリンの前駆体であって、分子量約57 kDのものを指す。グルテリンの定義から、57 kDaグルテリン前駆体はグルテリンには含まれない。この前駆体は塩可溶性の「グロブリン」に属する。なお、明細書では、貯蔵タンパク質の一つとして、イネにおけるグルテリンを例に説明することがあるが、特に記載した場合を除き、その説明は、ダイズ等の豆類、エンバク、カボチャまたはシロイヌナズナ等のグロブリンを貯蔵型液胞に集積する植物における、グロブリンにも当てはまる。 In the present invention, the term “glutelin precursor” refers to a glutelin precursor having a molecular weight of about 57 kD, unless otherwise specified. From the definition of glutelin, the 57 kDa glutelin precursor is not included in glutelin. This precursor belongs to the salt-soluble “globulin”. In the specification, as an example of storage protein, glutelin in rice may be described as an example, but unless otherwise specified, explanations thereof include beans such as soybean, globulin such as oat, pumpkin, or Arabidopsis thaliana. The same applies to globulins in plants that accumulate in storage vacuoles.
成熟型グルテリンは抽出法によって定量可能である。例えば、Kumamaruらの抽出・定量法を参照することができる(Kumamaru, T., Satoh, H., Iwata, N., Omura, T., Ogawa, M., and Tanaka, K. (1988). Mutants for rice storage proteins. 1. Screening of mutants for rice storage proteins of protein bodies in the starchy endosperm. Theor. Appl. Genet. 76, 11-16.)。 Mature glutelin can be quantified by extraction methods. For example, the extraction and quantification method of Kumamaru et al. Can be referred to (Kumamaru, T., Satoh, H., Iwata, N., Omura, T., Ogawa, M., and Tanaka, K. (1988). Mutants for rice storage proteins. 1. Screening of mutants for rice storage proteins of protein bodies in the starchy endosperm. Theor. Appl. Genet. 76, 11-16.
グルテリン前駆体を定量するには、グルテリンおよび標準物質をSDS-PAGEで処理し、染色し、表れたバンドの濃淡に基づくことができる。より詳細には、対照となる米の完熟玄米1粒と、評価の対象米を改良した改良米の完熟玄米1粒とを、それぞれ細かく粉砕した後、SDS溶液(50 mM Tris−HCl、pH6.8、0.5%(w/v)SDS)を加え、SDS−PAGEゲルにアプライし、電気泳動後CBBで染色する。それぞれの含量は、必要に応じ、あらかじめ検量線を作成しておき、イメージアナライザーでバンドの濃度を比較する。 To quantify glutelin precursors, glutelin and standards can be processed by SDS-PAGE, stained, and based on the intensity of the appearing band. More specifically, after pulverizing each of the matured brown rice of the control rice and the matured brown rice of the improved rice improved from the evaluation target rice, the SDS solution (50 mM Tris-HCl, pH 6. 8, 0.5% (w / v) SDS), apply to SDS-PAGE gel, and stain with CBB after electrophoresis. For each content, a calibration curve is prepared in advance if necessary, and the concentrations of the bands are compared with an image analyzer.
本明細書において貯蔵タンパク質の集積に関し、「改変(する)」または「制御(する)」というときは、特別な場合を除き、種子における貯蔵タンパク質の集積量を改変または調節することを指し、これには集積量が増すように調節することと集積量が低減するように調節することとが含まれる。貯蔵タンパク質量を調節する際に、他の種子に関する要素も同時に調節される場合がある。本発明者らの検討によると、glup6変異では、グルテリン前駆体の貯蔵型液胞への輸送が阻害されており、その際に、細胞壁にもグルテリンの存在を示すシグナルが認められた。この結果から、細胞壁の構成物質であるβ-グルカンの細胞内輸送も阻害されている可能性が考えられた。glup6変異体における、β-グルカンとグルテリンの局在を蛍光顕微鏡解析により調査したところ、野生型においてβ-グルカンは、細胞壁にのみ検出されたが、glup6変異体において、β-グルカンは細胞壁だけでなくPMBの周囲およびPMB内にも存在していた。すなわち、これらの結果は、glup6変異では、β-グルカンの細胞壁への輸送も阻害され、細胞壁の構造が変化している可能性およびβ-グルカンの蓄積が増加していることを示唆している。 In the present specification, regarding the accumulation of storage protein, “modify” or “control” refers to modifying or regulating the amount of accumulation of storage protein in seeds, unless otherwise specified. Includes adjusting to increase the accumulation amount and adjusting to reduce the accumulation amount. When adjusting the amount of stored protein, factors related to other seeds may be adjusted at the same time. According to the study by the present inventors, the glup6 mutation inhibited the transport of the glutelin precursor to the storage-type vacuole, and a signal indicating the presence of glutelin was also observed in the cell wall. From this result, it was considered that the intracellular transport of β-glucan, which is a constituent of the cell wall, may also be inhibited. When the localization of β-glucan and glutelin in the glup6 mutant was investigated by fluorescence microscopy, β-glucan was detected only in the cell wall in the wild type, but in the glup6 mutant, β-glucan was found only in the cell wall. It was also present around and within the PMB. That is, these results suggest that glup6 mutation also inhibits the transport of β-glucan to the cell wall, possibly changing the structure of the cell wall, and increasing the accumulation of β-glucan .
貯蔵タンパク質の集積量を低減するように調節することには、貯蔵タンパク質集積に関与する遺伝子(例えば、本発明のGLUP6-GEF遺伝子)の機能を低下または喪失させることにより、貯蔵タンパク質を低減することが含まれる。グルテリン集積を増すように調節することには、グルテリン集積に関与する遺伝子(例えば、本発明のGLUP6-GEF遺伝子)を、植物に導入してその機能を発揮させることにより、グルテリン含量を増すことが含まれる。 In order to adjust to reduce the accumulation amount of the storage protein, the storage protein is reduced by reducing or losing the function of the gene involved in the storage protein accumulation (for example, the GLUP6-GEF gene of the present invention). Is included. In order to regulate the increase in glutelin accumulation, a gene involved in glutelin accumulation (for example, the GLUP6-GEF gene of the present invention) is introduced into a plant to exert its function, thereby increasing the glutelin content. included.
本明細書において、植物の形質に関し、貯蔵タンパク質の集積性が改変されたというときは、特に記載した場合を除き、成熟型の貯蔵タンパク質の量が減少していることと増加していることとの双方を含む。例えば、本発明により、GLUP6-GEF遺伝子を機能可能に有する品種に由来するイネついてGLUP6-GEF遺伝子を変異させ、その機能を低下または喪失させることにより得られるイネは、通常の品種のイネに比較して種子における成熟型グルテリンの含量が低減される。このような状態を「低グルテリン(性)」または「グルテリン低集積(性)」ということができる。 In the present specification, when the accumulation of storage protein is modified with respect to plant traits, the amount of mature storage protein is decreasing and increasing, unless otherwise specified. Including both. For example, the present invention, mutated GLUP6-GEF gene with rice from varieties with enabling function GLUP6-GEF gene, rice obtained by reducing or losing its function, compared to rice normal varieties Thus, the content of mature glutelin in the seed is reduced. Such a state can be referred to as “low glutelin (sex)” or “glutelin low accumulation (sex)”.
本発明のある態様においては、成熟型グルテリンが、原品種に比較して、少なくとも約5%減じられている場合、好ましくは約10%減じられている場合、より好ましくは約20%減じられている場合、さらに好ましくは約25%減じられている場合に、「低グルテリン(性)」または「グルテリン低集積(性)」ということができる。この場合、典型的にはグロブリン前駆体の量は、少なくとも5%増加しており、好ましくは約10%増加しており、より好ましくは約20%減じられている場合、さらに好ましくは約25%減じられている。 In some embodiments of the invention, mature glutelin is reduced by at least about 5%, preferably by about 10%, more preferably by about 20%, compared to the original variety. If it is reduced by about 25%, it can be referred to as “low glutelin (sex)” or “glutelin low accumulation (sex)”. In this case, typically the amount of globulin precursor is increased by at least 5%, preferably increased by about 10%, more preferably if reduced by about 20%, more preferably about 25%. Has been reduced.
本発明で「植物」というときは、特別な場合を除き、植物個体またはその一部の意味で用いており、また「その一部」というときは、特別な場合を除き、種子(発芽種子、未熟種子を含む。)、器官またはその部分(葉、根、茎、花、雄蕊、雌蘂、それらの片を含む)、植物培養細胞、カルス、プロトプラストを含む。植物には、遺伝子操作植物および形質転換植物が含まれる。植物には、「収穫物」および「繁殖材料」がふくまれる。本発明でいう「繁殖材料」とは、特別な場合を除き、植物体の全部または一部で繁殖の用に供されるもの(「種苗」ということもある。)をいい、例えば、種子、苗、細胞、カルス、幼芽がある。本発明でいう「収穫物」とは、特別な場合を除き、通常の意味で用いており、植物体の全部または一部で繁殖の用に供されないもの、例えば、植物がイネ属に属するものである場合、収穫物には、刈り取った稲、もみが含まれる。 In the present invention, the term “plant” is used to mean a plant individual or a part thereof, except for special cases, and the term “part” refers to a seed (a germinated seed, Including immature seeds), organs or parts thereof (including leaves, roots, stems, flowers, stamens, pistils, fragments thereof), plant culture cells, callus, protoplasts. Plants include genetically engineered plants and transformed plants. Plants include “crop” and “breeding material”. The “reproduction material” as used in the present invention refers to a material (or a “seed seedling”) that is used for propagation in all or part of a plant body, except for special cases. There are seedlings, cells, callus, shoots. The term “harvested product” as used in the present invention is used in a normal sense except in special cases. All or part of the plant body is not used for breeding, for example, the plant belongs to the genus Rice. The harvest includes harvested rice and fir.
本発明の植物には、本発明の方法により組換え植物細胞を得て、該植物細胞を植物体に再生させることにより得た形質転換植物(T0)が含まれる。本発明で、植物に関し、「その子孫」というときは、特別な場合を除き、当該植物を、少なくとも一方の遺伝的な親および/または祖先とする植物をいう。子孫には、本発明のポリヌクレオチドを利用して目的の形質が受け継がれている限り、親である形質転換植物より得られた後代(T1等)またはその子孫、T0またはT1を一方の親とする交雑後代(例えばF1)およびその子孫が含まれる。 The plant of the present invention includes a transformed plant (T 0 ) obtained by obtaining a recombinant plant cell by the method of the present invention and regenerating the plant cell into a plant body. In the present invention, with respect to a plant, the term “its progeny” refers to a plant having the plant as at least one genetic parent and / or ancestor unless otherwise specified. As long as the target trait is inherited using the polynucleotide of the present invention, the progeny includes either a progeny (T 1 etc.) obtained from the parent transformed plant or its progeny, T 0 or T 1 The progeny of the cross (eg, F 1 ) and its descendants that are parents of
本発明で「加工品」というときは、特別な場合を除き、収穫物から直接的にまたは間接的に生産される加工品をいう。本発明の範囲は、少なくとも、本発明の収穫物における特徴を反映した加工品が含まれる。例えば、植物がイネである場合、収穫物である米を原料とし、グルテリン集積性が制御されたことに起因して加工性、食味、食感、匂い等において従来とは異なることとなった、精米した米、米飯、米粉、米粉を使用したパン類、菓子類、饅頭類、ピザ、酒は、本発明の範囲に含まれる。パンは、本発明の加工品の特に好ましい例である(特開2009-213370)。 In the present invention, “processed product” refers to a processed product produced directly or indirectly from a harvested product, unless otherwise specified. The scope of the present invention includes at least processed products that reflect the characteristics of the harvest of the present invention. For example, when the plant is rice, the rice as a raw material is used as a raw material, and the processability, taste, texture, smell, etc. are different from conventional ones due to the control of glutelin accumulation, Polished rice, cooked rice, rice flour, breads using rice flour, confectionery, buns, pizza, and sake are included in the scope of the present invention. Bread is a particularly preferred example of the processed product of the present invention (JP 2009-213370).
本発明はまた、本発明のポリヌクレオチドを含む組み換えベクター、そのようなベクターにより形質転換された形質転換植物を提供する。
本発明のポリヌクレオチドが挿入されるベクターは、植物細胞内で挿入物の機能を発揮させることが可能なものであれば特に制限はない。例えば、植物細胞内で恒常的に遺伝子を発現させるためのプロモーター(例えば、カリフラワーモザイクウイルスの35Sプロモーター)を有するベクターや、外的な刺激により誘導的に活性化されるプロモーターを有するベクターを用いることもできる。ここでいう「植物細胞」には、種々の形態の植物細胞、例えば、種子、懸濁培養細胞、プロトプラスト、葉の切片、カルスなどが含まれる。
The present invention also provides a recombinant vector comprising the polynucleotide of the present invention, and a transformed plant transformed with such a vector.
The vector into which the polynucleotide of the present invention is inserted is not particularly limited as long as it can exhibit the function of the insert in plant cells. For example, using a vector having a promoter (eg, cauliflower mosaic virus 35S promoter) for constitutive expression of the gene in plant cells, or a vector having a promoter inducibly activated by an external stimulus. You can also. As used herein, “plant cells” include various forms of plant cells such as seeds, suspension culture cells, protoplasts, leaf sections, callus and the like.
植物細胞へのベクターの導入には、ポリエチレングリコール法、電気穿孔法(エレクトロポレーション法)、アグロバクテリウムを介する方法、パーティクルガン法など、当業者に公知の種々の方法を用いることができる。アグロバクテリウム(例えば、EHA101)を介する方法においては、例えば、超迅速単子葉形質転換法(特許第3141084号)を用いることが可能である。また、パーティクルガン法においては、例えば、バイオラッド社のものを用いることが可能である。 For introduction of a vector into a plant cell, various methods known to those skilled in the art such as polyethylene glycol method, electroporation method (electroporation method), Agrobacterium-mediated method, particle gun method and the like can be used. In the method using Agrobacterium (for example, EHA101), for example, an ultra-rapid monocotyl transformation method (Japanese Patent No. 314084) can be used. Further, in the particle gun method, for example, a product from Bio-Rad can be used.
形質転換植物細胞からの植物体の再生は、植物細胞の種類に応じて当業者に公知の方法で行うことが可能である。例えば、イネにおいて形質転換植物体を作出する手法については、ポリエチレングリコールを用いてプロトプラストへ遺伝子導入し、植物体(インド型イネ品種が適している)を再生させる方法(Datta SK: In Gene Transfer To Plants (Potrykus I and Spangenberg、 Eds) pp.66-74、 1995)、電気パルスによりプロトプラストへ遺伝子導入し、植物体(日本型イネ品種が適している)を再生させる方法(Toki S、 et al: Plant Physiol 100: 1503、 1992)、パーティクルガン法により細胞へ遺伝子を直接導入し、植物体を再生させる方法(Christou P、 et al: Biotechnology 9: 957、 1991)、およびアグロバクテリウムを介して遺伝子を導入し、植物体を再生させる方法(Hiei Y、 et al: Plant J 6: 271、 1994)など、いくつかの技術が既に確立し、本発明の技術分野において広く用いられている。本発明においては、これらの方法を好適に用いることができる。 Regeneration of plant bodies from transformed plant cells can be performed by methods known to those skilled in the art depending on the type of plant cells. For example, as a method for producing a transformed plant body in rice, a method of regenerating a plant body (suitable for Indian rice varieties) by introducing a gene into protoplasts using polyethylene glycol (Datta SK: In Gene Transfer To Plants (Potrykus I and Spangenberg, Eds) pp.66-74, 1995), a method of regenerating plants (Japanese rice varieties are suitable) by introducing genes into protoplasts by electric pulses (Toki S, et al: Plant Physiol 100: 1503, 1992), a method of introducing a gene directly into a cell by the particle gun method and regenerating the plant body (Christou P, et al: Biotechnology 9: 957, 1991), and gene via Agrobacterium Several techniques have already been established and widely used in the technical field of the present invention, such as a method for introducing plant and regenerating plant bodies (Hiei Y, et al: Plant J 6: 271, 1994). In the present invention, these methods can be suitably used.
ゲノム内に所望の遺伝子が導入された形質転換植物体がいったん得られれば、該植物体から有性生殖または無性生殖により子孫を得ることができる。また、該植物体やその子孫あるいはクローンから繁殖材料(例えば、種子、果実、切穂、塊茎、塊根、株、カルス、プロトプラストなど)を得て、それらを基に植物体を量産することも可能である。 Once a transformed plant having a desired gene introduced into its genome is obtained, offspring can be obtained from the plant by sexual reproduction or asexual reproduction. It is also possible to obtain propagation materials (for example, seeds, fruits, cuttings, tubers, tuberous roots, strains, callus, protoplasts, etc.) from the plant and its descendants or clones, and mass-produce plants based on them. It is.
本発明の形質転換の対象となる植物は、本発明のポリヌクレオチドからなる遺伝子の作用により、グルテリン集積性を制御することができるものであれば特に限定されないが、好ましくは被子植物であり、より好ましくは単子葉植物網に属する植物であり、さらに好ましくはツユクサ亜網に属する植物であり、最も好ましくはイネ科(Poaceae(Gramineae))に属する植物、例えばイネ(Oryza)、オオムギ、ライムギ、パンコムギ、イヌムギ、ハトムギ、サトウキビ、トウモロコシ、モロコシ、アワ、キビ、ヒエいずれかの属に属する植物である。イネ科に属する植物のうちでは、好ましくはイネ属に属する植物であり、より好ましくはイネ(Oryza sativa L.)である。本発明の形質転換の対象となる植物は、貯蔵タンパク質を貯蔵型液胞に集積する植物であるという観点からは、特に、大豆、トウモロコシ、ライムギ、エンバク、コムギ、オオムギ、ソルガム、カボチャ、シロイヌナズナ、イネに対して用いるのに適している。 The plant to be transformed according to the present invention is not particularly limited as long as it can control the accumulation of glutelin by the action of the gene comprising the polynucleotide of the present invention, but is preferably an angiosperm, more Preferably, it is a plant belonging to the monocotyledonous network, more preferably a plant belonging to the Cyprus subnet, most preferably a plant belonging to the family Gramineae (Poaceae (Gramineae)), for example, rice (Oryza), barley, rye, bread wheat. It is a plant belonging to any of the genera, barley, pearl barley, sugar cane, corn, sorghum, millet, millet and millet. Among the plants belonging to the family Gramineae, the plant is preferably a plant belonging to the genus Graminea, and more preferably rice (Oryza sativa L.). From the viewpoint that the plant to be transformed of the present invention is a plant that accumulates storage proteins in storage vacuoles, in particular, soybean, corn, rye, oat, wheat, barley, sorghum, pumpkin, Arabidopsis thaliana, Suitable for use on rice.
イネの品種の中では、本発明は、特に「コシヒカリ」および「ヒノヒカリ」並びにそれらの近縁種に適していると考えられる。コシヒカリ近縁種とは、その育成系譜に「コシヒカリ」を交配母本としているもので、「ひのひかり」や「キヌヒカリ」等を指す。さらにコシヒカリ近縁種以外の「ササニシキ」等の良食味品種、および「滋賀羽二重もち」等のモチ品種、多収性品種である「ハバタキ」、「おおちから」等にも、本発明は適していると考えられる。本発明はまた、「ミズホチカラ」等の多収品種、IR64等のインド型品種に適していると考えられる。 Among rice varieties, the present invention is considered to be particularly suitable for “Koshihikari” and “Hinohikari” and their related species. Koshihikari relatives are those that use “Koshihikari” as the breeding parent in their breeding lineage, such as “Hinohikari” and “Kinuhikari”. Furthermore, the present invention is also applicable to good-tasting varieties such as “Sasanishiki” other than Koshihikari-related species, Mochi varieties such as “Shigaha Du Mochi”, “Habataki”, “Ochikara”, etc. It is considered suitable. The present invention is also considered to be suitable for high-yielding varieties such as “Mizhotachikara” and Indian varieties such as IR64.
本発明はまた、本発明のポリヌクレオチドを利用することを特徴とする、植物の貯蔵タンパク質集積性の制御方法を提供する。ここでいう「(ポリヌクレオチド)利用すること」には、ポリヌクレオチドを機能可能に有する植物で該ポリヌクレオチドの機能を低下または喪失させるようにすること、および該ポリヌクレオチドが機能していない植物に該ポリヌクレオチドを機能可能に導入することが含まれる。 The present invention also provides a method for controlling storage protein accumulation in plants, which comprises using the polynucleotide of the present invention. As used herein, “utilizing (polynucleotide)” means that a plant having a polynucleotide functionally is allowed to reduce or lose the function of the polynucleotide, and a plant in which the polynucleotide is not functioning. Functionally introducing the polynucleotide is included.
該ポリヌクレオチドの機能を低下または喪失させるようにする表現型を生じるには、例えば本発明のポリヌクレオチドからなる遺伝子の発現を抑制することによる。ここでいう「発現の抑制」には、遺伝子の転写の抑制、転写物のスプライシングの抑制、およびタンパク質への翻訳の抑制が含まれる。また、遺伝子の発現の完全な停止のみならず発現の減少も含まれる。また、翻訳されたタンパク質が植物細胞内で本来の機能を発揮することの抑制も含まれる。 To generate a phenotype that reduces or eliminates the function of the polynucleotide, for example, by suppressing the expression of a gene comprising the polynucleotide of the present invention. As used herein, “suppression of expression” includes suppression of gene transcription, suppression of transcript splicing, and suppression of protein translation. Also included is a decrease in expression as well as complete cessation of gene expression. Moreover, suppression of the translated protein exerting its original function in plant cells is also included.
本発明により、「glup6欠損変異(体)」(本発明のポリヌクレオチドからなる遺伝子の機能を低下または喪失させ、グルテリン低集積性である表現型を生じたもの」)が提供されるが、この欠損変異体を作製する方法としては、目的遺伝子の発現または目的タンパク質の機能が低下または喪失した変異体を作製できれば特に制限されないが、例えば、植物体に、化学変異原処理または放射線処理による変異誘発、ウイルス感染、トランスポゾン転移、自然突然変異がある。また、DNA断片導入による遺伝子の破壊、アンチセンス核酸等による遺伝子の発現抑制などがある。 According to the present invention, there is provided a “glup6 deletion mutation (body)” (which has reduced or lost the function of a gene comprising the polynucleotide of the present invention, resulting in a phenotype that is less accumulative in glutelin). The method for producing a deletion mutant is not particularly limited as long as a mutant in which the expression of the target gene or the function of the target protein is reduced or lost can be prepared. For example, mutagenesis is applied to a plant by chemical mutagen treatment or radiation treatment. , Viral infection, transposon transfer, spontaneous mutation. In addition, there are gene disruption by introduction of DNA fragments, gene expression suppression by antisense nucleic acid and the like.
遺伝子の発現の抑制は、また、リボザイムをコードするポリヌクレオチドを利用して行うことも可能である。RNAを部位特異的に切断するリボザイムの設計が可能である。また、遺伝子の発現の抑制は、標的遺伝子配列と同一もしくは類似した配列を有する二本鎖RNAを用いたRNA interferance(RNAi)によっても行いうる。RNAiは植物においても効果を奏することが知られている(Chuang CF & Meyerowitz EM: Proc Natl Acad Sci USA 97: 4985、 2000)。さらに、遺伝子の発現の抑制は、標的遺伝子配列と同一もしくは類似した配列を有するDNAによる形質転換によって起こる共抑制によっても達成しうる。「共抑制」とは、植物に標的内在性遺伝子と同一もしくは類似した配列を有する遺伝子を形質転換により導入すると、導入した外来遺伝子および標的内在性遺伝子の発現がいずれも抑制される現象のことを指す。共抑制の機構の詳細は明らかではないが、少なくともその機構の一部はRNAiの機構と重複していると考えられている。共抑制は植物においても観察される(Smyth DR: Curr Biol 7: R793、 1997、Martienssen R: Curr Biol 6: 810、 1996)。 Suppression of gene expression can also be performed using a polynucleotide encoding a ribozyme. It is possible to design ribozymes that cleave RNA in a site-specific manner. In addition, gene expression can also be suppressed by RNA interferance (RNAi) using double-stranded RNA having the same or similar sequence as the target gene sequence. RNAi is known to have an effect in plants (Chuang CF & Meyerowitz EM: Proc Natl Acad Sci USA 97: 4985, 2000). Furthermore, suppression of gene expression can also be achieved by co-suppression caused by transformation with DNA having the same or similar sequence as the target gene sequence. “Co-suppression” refers to a phenomenon in which the expression of a foreign gene and a target endogenous gene are both suppressed when a gene having the same or similar sequence as the target endogenous gene is introduced into a plant by transformation. Point to. The details of the mechanism of co-suppression are not clear, but at least part of the mechanism is thought to overlap with that of RNAi. Co-suppression is also observed in plants (Smyth DR: Curr Biol 7: R793, 1997, Martienssen R: Curr Biol 6: 810, 1996).
[材料および方法]
植物材料:
材料には水稲品種「台中65号」および同品種のN-methyl-N-nitrosoureaを用いた受精卵処理によって誘発したglup6突然変異系統「EM939」、「EM1327」を用いた(Satoh et al, 2010, Ueda et al, 2010)。これらの系統の完熟種子、登熟種子を解析に用いた。遺伝子連鎖地図の構築のために、glup6突然変異系統「EM939」とインド型品種「Kasalath」との交雑F2種子を材料に用いた。
[Materials and methods]
Plant material:
The glup6 mutant lines "EM939" and "EM1327" induced by fertilized egg treatment using the rice cultivar "Taichung 65" and the same N- methyl- N- nitrosourea were used as materials (Satoh et al, 2010). , Ueda et al, 2010). Ripe seeds and mature seeds of these lines were used for analysis. For the construction of the gene linkage map, hybrid F2 seeds of glup6 mutant line “EM939” and Indian variety “Kasalath” were used as material.
SDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動(polyacrylamide gel electrophoresis: PAGE)解析:
種子1粒または半粒を粉砕し、種子10 mgに対し200μl量の試料用緩衝液(0.125 M Tris-HCl、4%SDS、4 M尿素、および5%β-メルカプトエタノール、pH 6.8)を加え、1晩振とうさせてタンパク質を抽出した。抽出したタンパク質をSDS-PAGEにより分離した。電気泳動終了後、ゲルを50%エタノール、7%酢酸を含む0.5%クマシーブルーによって染色し、染色したゲルを25%エタノール、7%酢酸によって脱色した。
SDS-polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE) analysis:
Grind 1 or half seed and add 200 μl sample buffer (0.125 M Tris-HCl, 4% SDS, 4 M urea, and 5% β-mercaptoethanol, pH 6.8) to 10 mg of seed The protein was extracted by shaking overnight. Extracted proteins were separated by SDS-PAGE. After completion of electrophoresis, the gel was stained with 0.5% Coomassie blue containing 50% ethanol and 7% acetic acid, and the stained gel was decolorized with 25% ethanol and 7% acetic acid.
ウエスタンブロッティング分析:
セミドライブロッティング装置を用いて、SDS-PAGE終了後のゲルからタンパク質をニトロセルロース膜に10 Vで1時間転写した。転写後のニトロセルロース膜をブロッキング用緩衝液(5%スキムミルクを含むTris buffer saline(TBS:10 mM Tris-HCl、0.15 M NaCl、pH 7.5))に浸して1時間ブロッキング処理を行った。ブロッキングの後、ニトロセルロース膜をブロッキング用緩衝液で希釈した1次抗体によって1晩反応させた後、TBST(0.05%Tween 20を含むTBS)によって10分間、3回洗浄した。洗浄後、ブロッキング用緩衝液で希釈した2次抗体によって1時間反応させた後、TBSTによって10分間、3回洗浄した。ECL試薬キット(GE healthcare, Buckinghamshire, UK)を用いてニトロセルトース膜上に目的バンドを検出した。 一次抗体には、抗α-グルテリン-ウサギ抗体および抗GEF(VPS9)-ウサギ抗体を用いた。二次抗体には、抗ウサギ IgG-ヤギ抗体および抗マウスIgG-ヤギ抗体を用いた。
Western blot analysis:
The protein was transferred from the gel after completion of SDS-PAGE to a nitrocellulose membrane at 10 V for 1 hour using a semi-driving apparatus. The transferred nitrocellulose membrane was immersed in a blocking buffer (Tris buffer saline containing 5% skim milk (TBS: 10 mM Tris-HCl, 0.15 M NaCl, pH 7.5)) for blocking treatment for 1 hour. After blocking, the nitrocellulose membrane was reacted overnight with a primary antibody diluted with a blocking buffer, and then washed three times with TBST (TBS containing 0.05% Tween 20) for 10 minutes. After washing, the mixture was reacted for 1 hour with a secondary antibody diluted with a blocking buffer, and then washed 3 times with TBST for 10 minutes. The target band was detected on the nitrocellulose membrane using an ECL reagent kit (GE healthcare, Buckinghamshire, UK). As the primary antibody, anti-α-gluterin-rabbit antibody and anti-GEF (VPS9) -rabbit antibody were used. As the secondary antibody, anti-rabbit IgG-goat antibody and anti-mouse IgG-goat antibody were used.
遺伝子連鎖地図の構築:
「EM939」と「Kasalath」との交雑F2種子の遺伝子型を決定するために、各種子を半分に切断し、胚を含まない部位から抽出したタンパク質をSDS-PAGE解析した。SDS-PAGE解析によってグルテリン前駆体を多量に集積した種子をglup6遺伝子ホモ個体とした。glup6ホモ個体とした種子の胚を含む部位を播種し、生育した幼苗の葉からDNAを抽出し連鎖解析に用いた。
Gene linkage map construction:
In order to determine the genotype of the hybrid F2 seed of “EM939” and “Kasalath”, each offspring was cut in half, and the protein extracted from the site not containing the embryo was analyzed by SDS-PAGE. Seeds with a large amount of glutelin precursor accumulated by SDS-PAGE analysis were homozygous for the glup6 gene. The part containing the seed embryo that was glup6 homozygous was sown and DNA was extracted from the leaves of the grown seedlings and used for linkage analysis.
DNAの抽出:
約0.2 gの新鮮葉を乾燥し、マルチビーズショッカー(安井器械(株)製)を用いて粉砕した。粉砕した葉からCTAB(cetyltrimethylammonium bromide)法(Murray and Thompson, 1980)を用いて全DNAを抽出した。
DNA extraction:
About 0.2 g of fresh leaves were dried and pulverized using a multi-bead shocker (manufactured by Yasui Kikai Co., Ltd.). Total DNA was extracted from the crushed leaves using the CTAB (cetyltrimethylammonium bromide) method (Murray and Thompson, 1980).
プロモーターおよびGLUP6候補遺伝子のサブクローニング:
「台中65号」のゲノムDNAを鋳型として、GLUP6候補遺伝子の開始コドンより約2 kb上流領域を以下に示すプライマーを用いたPCR反応により増幅し、GLUP6候補遺伝子のプロモーターとした。
5'プライマー: 5'-ata gtcgac cagtgga cacgtagtgg cttattg-3'(SEQ ID NO: 15)
(gtcgac は制限酵素SalIによる切断配列)
3'プライマー: 5'- tatgaattcagatctccggattcggtcacgttttgtg- 3'(SEQ ID NO: 16)
(gaattcとagatctは制限酵素EcoRIおよびBgl IIによる切断配列配列)
GLUP6候補遺伝子のコード配列を得るために、cDNAクローン(J033091P13)を鋳型として、94℃-1分間(1サイクル)、94℃-30秒間→61℃-30秒間→72℃-2分間(30サイクル)、72℃-2分間(1サイクル)の条件でPCRを行った。GLUP6候補遺伝子プロモーターおよび当該遺伝子のコード配列を、それぞれSalI/EcoRI、BglII/XhoIによる制限酵素処理・ライゲーション反応により、GFPを含むエントリーベクター(EV(zeo)126)に導入した。その後、LR反応(LRclonase)により、構築したエントリーベクターをバイナリーベクター(DV9)に挿入した。
Subcloning of promoter and GLUP6 candidate genes:
Using the genomic DNA of “Taichung 65” as a template, a region about 2 kb upstream from the start codon of the GLUP6 candidate gene was amplified by a PCR reaction using the primers shown below, and used as a promoter for the GLUP6 candidate gene.
5 'primer: 5'-ata gtcgac cagtgga cacgtagtgg cttattg-3' (SEQ ID NO: 15)
( Gtcgac is the cleavage sequence by restriction enzyme SalI)
3 'primer: 5'-tat gaattcagatct ccggattcggtcacgttttgtg-3' (SEQ ID NO: 16)
( Gaattc and agatct are sequences cut by restriction enzymes EcoRI and Bgl II)
To obtain the coding sequence of GLUP6 candidate gene, using cDNA clone (J033091P13) as a template, 94 ℃ -1min (1 cycle), 94 ℃ -30sec → 61 ℃ -30sec → 72 ℃ -2min (30cycles) ), PCR was performed at 72 ° C. for 2 minutes (1 cycle). The GLUP6 candidate gene promoter and the coding sequence of the gene were introduced into an entry vector (EV (zeo) 126) containing GFP by restriction enzyme treatment and ligation reaction with SalI / EcoRI and BglII / XhoI, respectively. Thereafter, the constructed entry vector was inserted into a binary vector (DV9) by LR reaction (LRclonase).
アグロバクテリウム法によるイネへの形質転換:
「EM939」の完熟種子を除菌した後、カルス誘導培地に播種した。播種後1か月経過したカルスを形質転換に用いた。構築したコンストラクトをアグロバクテリウム(EHA105菌株)により「EM939」のカルスに導入した。
Transformation to rice by the Agrobacterium method:
Ripe seeds of “EM939” were sterilized and then sown in a callus induction medium. Callus 1 month after sowing was used for transformation. The constructed construct was introduced into callus "EM939" by Agrobacterium (EHA105 strain).
ゲノム遺伝子塩基配列解析:
テンプレート調製PCR: 葉から抽出したゲノムDNAを鋳型として、LA Taqポリメラーゼ(Takara社製)を用い添付のプロトコールに従いシークエンス用テンプレートを調製した。1 ngゲノムDNA(100 ng/μl)を用いてPCR反応溶液を調製し、94℃-30秒間(1サイクル)、94℃-30秒間→61℃-30秒間→72℃-2分間(30サイクル)、72℃-2分間(1サイクル)の条件でPCRを行った。その後エタノール沈殿にてPCR産物を精製し、濃縮させた。
Genomic sequence analysis:
Template preparation PCR: Using a genomic DNA extracted from leaves as a template, a sequence template was prepared using LA Taq polymerase (Takara) according to the attached protocol. Prepare a PCR reaction solution using 1 ng genomic DNA (100 ng / μl), 94 ℃ -30 seconds (1 cycle), 94 ℃ -30 seconds → 61 ℃ -30 seconds → 72 ℃ -2 minutes (30 cycles) ), PCR was performed at 72 ° C. for 2 minutes (1 cycle). Thereafter, the PCR product was purified by ethanol precipitation and concentrated.
シーケンス反応: 1μl DNA溶液(200〜500 ng)、1μl Big dye、1.5μlシークエンス反応液(5×)、1.5μl dH2O、5μl 1/100μMプライマー溶液を混合した後、96℃-3分間(1サイクル)、94℃-15秒間→50℃-20秒間→60℃-1分間(30サイクル)の条件でPCRを行った。 Sequence reaction: 1 μl DNA solution (200-500 ng), 1 μl Big dye, 1.5 μl sequencing reaction solution (5 ×), 1.5 μl dH 2 O, 5 μl 1/100 μM primer solution are mixed, then 96 ° C. for 3 minutes ( PCR was carried out under the conditions of 1 cycle), 94 ° C.-15 seconds → 50 ° C.-20 seconds → 60 ° C.-1 minute (30 cycles).
塩基配列解析: 遺伝子解析装置、ABI PRISMR3100 Genetic Analyzer(Applied Biosystems社)を用いてゲノム塩基配列、cDNA塩基配列を解析した。得られた各塩基配列を、DNA Data Bank of Japan(DDBJ)(http://www.ddbj.nig.ac.jp/Welcome-j.html)のCLUSTALW解析ソフトによって野生型および変異体間の塩基配列および推定アミノ酸配列を比較した。 Base sequence analysis: Genome base sequence and cDNA base sequence were analyzed using a gene analyzer, ABI PRISMR3100 Genetic Analyzer (Applied Biosystems). Each nucleotide sequence obtained was converted into the nucleotide sequence between the wild type and the mutant using the CLUSTALW analysis software of DNA Data Bank of Japan (DDBJ) (http://www.ddbj.nig.ac.jp/Welcome-j.html). The sequence and deduced amino acid sequence were compared.
種子固定および包埋:
登熟種子を約1 mmの厚さに切断し、固定液(25%グルタルアルデヒド、2%パラホルム-アルデヒドを含む50 mM Pipes、0.25 Mスクロース、pH 7.24)に浸し、4℃にて1晩細胞を固定した。固定した切片を、50 mM Pipes、0.25 Mスクロース(pH 7.24) 緩衝液を用いて10分間3回洗浄した。洗浄後、30、50、60、70、80、90、95、100%(V/V)のエタノール希釈シリーズを用いて各濃度10分間ずつ脱水を行なった。脱水後、LR-White樹脂の濃度シリーズ(LR-White樹脂:エタノール=1:3→1:2→1:1→3:1→LR-White樹脂100%×3日間)を用いて試料中に樹脂を浸透させた。樹脂浸透後、ゼラチンカプセルに試料を入れ樹脂を注いだ後、窒素を充填させた。恒温器に入れ、60℃で24時間以上加熱重合させた。
Seed fixation and embedding:
Ripened seeds were cut to a thickness of about 1 mm, soaked in fixative (50 mM Pipes containing 25% glutaraldehyde, 2% paraformaldehyde), 0.25 M sucrose, pH 7.24), and cells at 4 ° C overnight. Fixed. The fixed sections were washed 3 times for 10 minutes with 50 mM Pipes, 0.25 M sucrose (pH 7.24) buffer. After washing, dehydration was performed for 10 minutes at each concentration using an ethanol dilution series of 30, 50, 60, 70, 80, 90, 95, 100% (V / V). After dehydration, use LR-White resin concentration series (LR-White resin: ethanol = 1: 3 → 1: 2 → 1: 1 → 3: 1 → LR-White resin 100% x 3 days) in the sample. The resin was infiltrated. After penetration of the resin, the sample was poured into a gelatin capsule, poured into the resin, and then filled with nitrogen. The mixture was placed in a thermostatic chamber and polymerized by heating at 60 ° C. for 24 hours or more.
蛍光染色法:
作業はすべて湿室、常温で行なった。切片にPBS(10 mM Na2HPO4、10 mM NaH2PO4、150 mM NaCl、pH 7.4)を滴下し10分間静置後、ブロッキング用緩衝液(0.8% BSA、0.1%ゼラチン、2 mM NaN3 を含むPBS、pH 7.4)で10分間反応させた。ブロッキング反応後、ブロッキング用緩衝液で希釈した一次抗体溶液を2時間反応させた。反応後、切片をPBSによって10分間、5回の洗浄を行った後、ブロッキング用緩衝液によって10分間 反応させた。ブロッキング用緩衝液で希釈した二次抗体溶液によって1時間遮光して反応させた。反応後、切片をPBSによって10分間、5回洗浄した後、蒸留水によって1分間、3回洗浄した。乾燥後、切片に退色防止剤を滴下し、カバーガラスを被せマニキュアで封入した。一次抗体には、抗β-グルテリン-マウス抗体、抗α-グルテリン-ウサギ抗体、抗14プロラミン-ウサギ抗体および抗β-グルカン-マウス抗体を用いた。二次抗体には、FITC標識抗ウサギIgG-ヤギ抗体、ローダミン標識抗マウスIgG-ヤギ抗体、FITC標識抗マウスIgG-ヤギ抗体、ローダミン標識抗ウサギIgG-ヤギ抗体を用いた。
Fluorescent staining method:
All work was performed in a wet room and at room temperature. PBS (10 mM Na 2 HPO 4 , 10 mM NaH 2 PO 4 , 150 mM NaCl, pH 7.4) was added dropwise to the sections, allowed to stand for 10 minutes, and blocking buffer (0.8% BSA, 0.1% gelatin, 2 mM NaN) The reaction was carried out for 10 minutes with PBS containing 3 at pH 7.4). After the blocking reaction, the primary antibody solution diluted with a blocking buffer was reacted for 2 hours. After the reaction, the section was washed 5 times with PBS for 10 minutes and then reacted with a blocking buffer for 10 minutes. The reaction was carried out for 1 hour with a secondary antibody solution diluted with blocking buffer for 1 hour. After the reaction, the sections were washed 5 times with PBS for 10 minutes and then washed 3 times with distilled water for 1 minute. After drying, an anti-fading agent was dropped onto the sections, covered with a cover glass and sealed with nail polish. As primary antibodies, anti-β-gluterin-mouse antibody, anti-α-gluterin-rabbit antibody, anti-14 prolamin-rabbit antibody and anti-β-glucan-mouse antibody were used. As secondary antibodies, FITC-labeled anti-rabbit IgG-goat antibody, rhodamine-labeled anti-mouse IgG-goat antibody, FITC-labeled anti-mouse IgG-goat antibody, and rhodamine-labeled anti-rabbit IgG-goat antibody were used.
実施例1:候補遺伝子の特定
glup6(glutelin precursor 6)突然変異体は野生型と比べてグルテリン前駆体を多く集積し、成熟型グルテリンの蓄積量が減少するので、グルテリン前駆体の貯蔵型液胞への輸送に関与する因子であることが予想される。すでにGLUP6遺伝子は染色体3に座乗することが明らかとなっている(Sato et al. Rice Genet. Newslet., 20: 43-45, 2003)。そこで、染色体3のマーカーを用いた連鎖解析によってGLUP6遺伝子近傍の遺伝子連鎖地図の構築を行った。GLUP6遺伝子連鎖地図をSTS、CAPSマーカーを用いて作成した。glup6突然変異系統EM939とインド型品種Kasalathとの交雑F2種子から、SDS-PAGE解析によってグルテリン前駆体を多量に集積するglup6遺伝子ホモ個体を選抜し連鎖解析に用いた。
Example 1: Identification of candidate genes
The glup6 ( glutelin precursor 6 ) mutant accumulates more glutelin precursors than the wild type and reduces the amount of mature glutelin accumulated. It is a factor involved in the transport of glutelin precursors to storage-type vacuoles. Expected to be. It has already been shown that the GLUP6 gene sits on chromosome 3 (Sato et al. Rice Genet. Newslet., 20: 43-45, 2003). Therefore, we constructed a genetic linkage map near the GLUP6 gene by linkage analysis using a chromosome 3 marker. GLUP6 gene linkage map was prepared using STS and CAPS markers. From homozygous F2 seeds of the glup6 mutant line EM939 and the Indian cultivar Kasalath, a glup6 gene homozygous individual that accumulates a large amount of glutelin precursor was selected by SDS-PAGE analysis and used for linkage analysis.
この実施例により得られたGLUP6遺伝子の高密度連鎖地図および候補ゲノム領域を、図2に示す。この図において、GLUP6遺伝子連鎖地図をRFLP、STS、CAPSマーカーを用いて作成した。連鎖地図の上部にマーカー名と括弧内に染色体短腕末端からの遺伝距離を、地図の下部に各マーカーにおける組換え個体数を示す。OJナンバーはBACクローン(日本晴)を示す。AとBはそれぞれ41個と234個のglup6ホモ個体を用いて構築した連鎖地図を、CはGLUP6遺伝子の候補領域内に整列化したBACクローンの物理地図とBACクローン内に作製したマーカーによって1122個の集団を用いて構築した連鎖地図を、Dは候補領域内における予測遺伝子を矢印で示す。AからDの両矢印はGLUP6遺伝子の候補領域を示す。C169、R216:CAPSマーカー;E50818、R10784、C53358、R10784、C63279:STSマーカー;R4996:不明。 The high-density linkage map and candidate genomic region of the GLUP6 gene obtained by this example are shown in FIG. In this figure, a GLUP6 gene linkage map was created using RFLP, STS, and CAPS markers. The marker name at the top of the linkage map, the genetic distance from the chromosome short arm end in parentheses, and the number of recombination individuals at each marker at the bottom of the map. The OJ number indicates a BAC clone (Nihonbare). A and B are linked maps constructed using 41 and 234 glup6 homozygous individuals, respectively. C is a 1122 map based on physical maps of BAC clones aligned within the candidate region of the GLUP6 gene and markers generated in the BAC clones. In the linkage map constructed using individual populations, D indicates a predicted gene in the candidate region with an arrow. Double arrows from A to D indicate candidate regions for the GLUP6 gene. C169, R216: CAPS marker; E50818, R10784, C53358, R10784, C63279: STS marker; R4996: Unknown.
41個体のglup6ホモ個体を用いた連鎖解析によって、GLUP6遺伝子はSTSマーカーR10784とCAPSマーカーR216の間10.4 cMの領域内に位置づけられた(図2A:Sato et al. Rice Genet. Newslet., 20: 43-45, 2003)。さらに、234個体のglup6遺伝子ホモ個体を用いた連鎖解析によってGLUP6遺伝子を1.6 cMの領域内に絞り込んだ(図2B)。この遺伝子領域は4個のBACクローンによってカバーされていた(図2C)。 By linkage analysis using 41 glup6 homozygous individuals, the GLUP6 gene was located in the 10.4 cM region between the STS marker R10784 and the CAPS marker R216 (FIG. 2A: Sato et al. Rice Genet. Newslet., 20: 43-45, 2003). Furthermore, the GLUP6 gene was narrowed down to a region of 1.6 cM by linkage analysis using 234 glup6 gene homozygous individuals (FIG. 2B). This gene region was covered by 4 BAC clones (FIG. 2C).
これらのBACクローン内の配列を基に新規に作成したDNAマーカーと1122個体のglup6遺伝子ホモ個体を用いた連鎖解析によって、GLUP6遺伝子をBACクローンOJ1041F02内の約16 kbの領域内に絞り込んだ(図2Cと図2D)。この候補領域のゲノム塩基配列に対してRiceGAAS(Rice Genome Annotation Database; http://RiceGAAS.dna.affrc.go.jp/rgadb/)による遺伝子予測ならびに類似性検索を行ったところ、3個の遺伝子が予測された(図2D)。 The GLUP6 gene was narrowed down to a region of about 16 kb in the BAC clone OJ1041F02 by linkage analysis using newly created DNA markers based on the sequences in these BAC clones and 1122 homozygous glup6 genes (Fig. 2C and 2D). When gene prediction and similarity search were performed using RiceGAAS (Rice Genome Annotation Database; http://RiceGAAS.dna.affrc.go.jp/rgadb/) for the genome sequence of this candidate region, three genes were found. Was predicted (Figure 2D).
Rice annotation project database(RAP-DB: http://rapdb.dna.affrc.go.jp/)から得られたこれらの予測遺伝子のゲノム塩基配列を基にして、glup6変異系統「EM939」と「EM1327」、および原品種「台中65号」のGLUP6遺伝子候補領域内における予測遺伝子のゲノム塩基配列を解析した。各系統のゲノム塩基配列はcDNAに対応するコーディング領域の配列のみを示した(図4)。その結果、予測遺伝子の一つOs03g0262900中のコーディング領域内において、「台中65号」とglup6変異体、EM939におけるC418とEM1327におけるC784がそれぞれ、共にTに置換されていた(図3)。他の予測遺伝子に塩基置換は認められなかったことから、Os03g0262900をGLUP6候補遺伝子とした(図5)。同遺伝子はRiceGAAS並びにRice genome annotation project database(RGAP: http://rice.plantbiology.msu.edu/index.shtml)によって Vacuolar Protein Sorting 9 ドメインを有するsuperfamily に属するRABタンパク質のグアニンヌクレオチド交換因子(guanine nucleotide exchange factor:GEF)に分類された。 Based on the genome base sequences of these predicted genes obtained from Rice annotation project database (RAP-DB: http://rapdb.dna.affrc.go.jp/), glup6 mutant lines “EM939” and “EM1327 ”, And the genome sequence of the predicted gene in the GLUP6 gene candidate region of the original cultivar“ Taichung 65 ”. The genome base sequence of each strain showed only the coding region sequence corresponding to the cDNA (FIG. 4). As a result, in the coding region of one of the predicted genes, Os03g0262900, “Taichung 65” and glup6 mutant, C418 in EM939 and C784 in EM1327 were both replaced with T (FIG. 3). Since no base substitution was observed in other predicted genes, Os03g0262900 was selected as a GLUP6 candidate gene (FIG. 5). The gene is guanine nucleotide exchange factor (guanine nucleotide exchange factor of RAB protein belonging to superfamily having Vacuolar Protein Sorting 9 domain by RiceGAAS and Rice genome annotation project database (RGAP: http://rice.plantbiology.msu.edu/index.shtml). exchange factor (GEF).
次に、「台中65号」の登熟種子から抽出したmRNAを逆転写して得られたcDNAを鋳型とし、当該遺伝子に特異的なプライマーによって増幅することによって単一バンドを得た。同バンドを直接塩基配列解析した結果をcDNAとして図3に示す。「台中65号」のゲノム塩基配列とRAP-DBから得た「日本晴」における当該遺伝子の全長のゲノム塩基配列とを比較した結果、「台中65号」と「日本晴」間では当該遺伝子のゲノム塩基配列中のコーディング領域において5番目エクソン中に2塩基の多型が認められた(図3における814番および927番ヌクレオチド)。「台中65号」における当該遺伝子のゲノム塩基配列とcDNA塩基配列とを比較した結果、GLUP6-GEF遺伝子は5個のエキソンから構成され、コード領域の全長は1443 bpであった(図3および図4)。また、480の推定アミノ酸からなるタンパク質をコードしていた(図6)。この配列はRGAP databaseにおけるLOC_Os03g15650.1 と完全に一致した。これに対して、glup6変異系統「EM939」と「EM1327」において、それぞれ140および262番目のグリシンが終止コドンに置換していた(図6)。これらの結果から、glup6変異体において当該GLUP6-GEFタンパク質が発現していないことが考えられる。 Next, a single band was obtained by amplifying with a primer specific to the gene, using cDNA obtained by reverse transcription of mRNA extracted from ripening seeds of Taichung 65 as a template. The results of direct base sequence analysis of this band are shown in FIG. 3 as cDNA. As a result of comparing the genome base sequence of “Taichung 65” with the full-length genome base sequence of “Nippon Hare” in “Nippon Hare” obtained from RAP-DB, Two nucleotide polymorphisms were found in the fifth exon in the coding region of the sequence (nucleotides 814 and 927 in FIG. 3). As a result of comparing the genomic base sequence and the cDNA base sequence of the gene in “Taichung 65”, the GLUP6-GEF gene was composed of 5 exons and the total length of the coding region was 1443 bp (FIG. 3 and FIG. 3). Four). It also encoded a protein consisting of 480 deduced amino acids (Figure 6). This sequence completely matched LOC_Os03g15650.1 in the RGAP database. In contrast, in the glup6 mutant lines “EM939” and “EM1327”, the 140th and 262th glycines were replaced with stop codons, respectively (FIG. 6). From these results, it is considered that the GLUP6-GEF protein is not expressed in the glup6 mutant.
図6において、台中65号(cDNA)は登熟種子から単離したmRNAから逆転写したcDNAの塩基配列を示す。配列の下の星印(*)は共通する配列を、バー(-)は変異部位を示す。:は「台中65号」と「日本晴」間の多型を示す。 In FIG. 6, Taichung No. 65 (cDNA) shows the base sequence of cDNA reverse transcribed from mRNA isolated from ripened seeds. An asterisk (*) below the sequence indicates a common sequence, and a bar (-) indicates a mutation site. : Indicates a polymorphism between "Taichung 65" and "Nihonbare".
実施例2:機能の確認
GLUP6候補遺伝子がglup6変異体の原因遺伝子であることを明らかにするために、「glup6変異体」の植物体にGLUP6候補遺伝子を導入する形質転換実験を行い、相補性検定結果を行った。農業生物資源研究所イネゲノムリソースセンターより当該遺伝子に対するcDNAクローンJO33091P13の分譲を受けた。同クローンの塩基配列を解析した結果、コーディング領域の配列は日本晴の塩基配列と完全に一致したものの(図3)、第4エクソンの3'端の618Gと第5エクソンの5'端の619Gとの間に924 bpのイントロンを含んでおり、この配列も「日本晴」のゲノム塩基配列と完全に一致した(データ省略)。cDNAクローンJO33091P13(SEQ ID NO: 3、図5)を鋳型としてPCRによって同候補遺伝子の配列を増幅した。さらに、GLUP6候補遺伝子のプロモーターを「台中65号」のゲノムDNAからサブクローニングした。GFPを含むエントリーベクターに同候補遺伝子の配列とプロモーターを導入した。構築したエントリーベクターをDV9バイナリーベクターに導入し、アグロバクテリウム(EHA105菌株)を介して「EM939」に導入した。
Example 2: Function check
To demonstrate that GLUP6 candidate gene is a causative gene of glup6 variants performs a transformation experiment introducing GLUP6 candidate genes into plants of "glup6 variant", was complementation assay results. We received a lot of cDNA clone JO33091P13 from the Rice Genome Resource Center. As a result of analyzing the base sequence of the clone, the coding region sequence completely matched the Nipponbare base sequence (Fig. 3), but the 3 'end of the 4th exon was 618G and the 5' end of the 5 'end was 619G. The intron contains a 924 bp intron, and this sequence also completely matched the genomic base sequence of “Nipponbare” (data not shown). Using the cDNA clone JO33091P13 (SEQ ID NO: 3, FIG. 5) as a template, the sequence of the candidate gene was amplified by PCR. Furthermore, the promoter of the GLUP6 candidate gene was subcloned from the genomic DNA of “Taichung 65”. The candidate gene sequence and promoter were introduced into an entry vector containing GFP. The constructed entry vector was introduced into a DV9 binary vector and introduced into “EM939” via Agrobacterium (EHA105 strain).
glup6変異体をGEF遺伝子によって形質転換する相補性検定結果を、図7に示す。1〜6は形質転換個体の自殖によって得られた6粒の登熟種子を示す。
作出した形質転換体の種子に着生した6粒の自殖種子から抽出したタンパク質をSDS-PAGE解析した結果、6粒中、グルテリン前駆体含量が原品種とほぼ同等を示す種子3粒と、前駆体を多量に集積する種子3粒とが分離した(図7A)。同じ種子のタンパク質のGFP抗体を用いたウエスタンブロット解析の結果、グルテリン前駆体含量が原品種とほぼ同等を示す3粒の種子ではGFPバンドが検出されたが、前駆体を多量に集積する残り3粒の種子では同バンドは検出されなかった(図7B)。これらの結果は同候補遺伝子の導入によってglup6変異体が野生型に復帰したこと、すなわち、glup6変異体がGEF遺伝子によって相補されたこと、を示している。同遺伝子はシロイヌナズナのGEF(VPS9: At3g19770)とアミノ酸配列において53%の相同性が認められることから、GLUP6遺伝子はGEFをコードしていることが明らかとなった。以下当該遺伝子をGLUP6-GEF遺伝子、当該タンパク質をGLUP6-GEFと称する。
FIG. 7 shows the result of complementation assay in which the glup6 mutant is transformed with the GEF gene. 1 to 6 represent 6 ripened seeds obtained by self-breeding of the transformed individuals.
As a result of SDS-PAGE analysis of the protein extracted from 6 seeds grown on the seeds of the produced transformant, among 6 seeds, 3 seeds whose glutelin precursor content is almost the same as the original variety, Three seeds that accumulated a large amount of the precursor were separated (FIG. 7A). As a result of Western blot analysis using GFP antibody of protein of the same seed, GFP band was detected in 3 seeds whose glutelin precursor content was almost the same as that of the original varieties, but the remaining 3 that accumulated a large amount of precursor The same band was not detected in the seeds of the grains (FIG. 7B). These results that glup6 variants by introduction of the candidate gene was restored to wild type, that is, the, the glup6 mutant was complemented by GEF gene. The gene was found to have 53% homology in amino acid sequence with Arabidopsis GEF (VPS9: At3g19770), indicating that the GLUP6 gene encodes GEF. Hereinafter, the gene is referred to as GLUP6-GEF gene, and the protein is referred to as GLUP6-GEF.
常法によりGLUP6-GEFタンパク質を大腸菌で大量に発現させ、精製した。精製したGLUP6-GEFタンパク質を抗原としてマウスとウサギに免疫した。得られた特異抗体を用いてglup6同座変異体の種子におけるGLUP6-GEFタンパク質の発現の有無を、glup6変異体の種子タンパク質のGEF抗体を用いたウエスタンブロット解析により調査した(図8)。「台中65号」では、2本のバンドが検出された。一方、「EM939」および「EM1327」において、2本のバンドのうち53.8 kDaのバンドが欠損していた。glup6変異体におけるGLUP6-GEFタンパク質の欠損は、ナンセンス変異によりGLUP6-GEFの機能が喪失されたことを示唆している。 A large amount of GLUP6-GEF protein was expressed in E. coli and purified by a conventional method. The purified GLUP6-GEF protein was used as an antigen to immunize mice and rabbits. The presence or absence of expression of GLUP6-GEF proteins in seeds of glup6 entanglement variants using the obtained specific antibodies was investigated by Western blot analysis using the GEF antibody seed protein glup6 mutants (Figure 8). In “Taichung 65”, two bands were detected. On the other hand, in “EM939” and “EM1327”, a band of 53.8 kDa was lost among the two bands. The lack of GLUP6-GEF protein in the glup6 mutant suggests that the function of GLUP6-GEF was lost due to nonsense mutation.
実施例3:グルテリンの局在に関する検討
GLUP6-GEF欠損変異体glup6の胚乳細胞組織におけるグルテリンの局在を蛍光顕微鏡解析により調査した。蛍光顕微鏡を用いたglup6変異体の胚乳細胞組織の観察結果を示す図を図9に示す。図9において、AおよびB:野生型(台中65号)、CおよびD:EM939(glup6変異体)、EおよびF:EM1327(glup6変異体)を示す。緑で標識された部位はグルテリン抗体、赤で標識された部位はプロラミン抗体によって標識された。上段(A、CおよびE)は、登熟初期(開花後1週目)の胚乳組織を、下段(B,DおよびF)は、登熟後期(開花後3週目)の胚乳組織を示す。
Example 3: Study on localization of glutelin
The localization of glutelin in the endosperm cell tissue of GLUP6-GEF deficient mutant glup6 was investigated by fluorescence microscope analysis. FIG. 9 shows the results of observation of the endosperm cell tissue of the glup6 mutant using a fluorescence microscope. In FIG. 9, A and B: wild type (Taichung No. 65), C and D: EM939 (glup6 mutant), E and F: EM1327 (glup6 mutant) are shown. The site labeled with green was labeled with a glutelin antibody, and the site labeled with red was labeled with a prolamin antibody. The upper row (A, C and E) shows the endosperm tissue in the early stage of ripening (1 week after flowering), and the lower row (B, D and F) shows the endosperm tissue in the late stage of ripening (3 weeks after flowering). .
野生型では、グルテリンを集積する顆粒(PB-II)とプロラミンを集積する顆粒(PB-I)が単独で観察され、登熟を経るに従い両PBのサイズは大きくなった(図9A、図9B)。一方、glup6変異では、グルテリン抗体で標識された大きな構造体(paramural body:PMB)が観察された。PMBは登熟初期から存在し、登熟とともにそのサイズが拡大化していった(図9C、図9D、図9F)。また、glup6変異体のPB-IIは、登熟初期から後期にかけて、大きさはほぼ一定であった。PB-Iは野生型と比較して、違いは認められなかった。これらの結果は、glup6変異では、グルテリン抗体で標識されるグルテリン前駆体の貯蔵型液胞への輸送が阻害されていることを示している。またPB-IIの大きさは登熟を通して変化しないことが明らかとなった。さらに、細胞壁にもグルテリンの存在を示すシグナルが認められた。この結果から、細胞壁の構成物質であるβ-グルカンの細胞内輸送も阻害されている可能性が考えられる。 In the wild type, a granule that accumulates glutelin (PB-II) and a granule that accumulates prolamin (PB-I) were observed alone, and the size of both PBs increased with ripening (Figures 9A and 9B). ). On the other hand, in the glup6 mutation, a large paramural body (PMB) labeled with a glutelin antibody was observed. PMB has existed since the beginning of ripening, and its size increased with ripening (FIGS. 9C, 9D, and 9F). The glup6 mutant PB-II was almost constant in size from early to late ripening. PB-I was not different from the wild type. These results indicate that glup6 mutation inhibits the transport of glutelin precursor labeled with glutelin antibody to storage vacuoles. It was also found that the size of PB-II did not change through ripening. Furthermore, a signal indicating the presence of glutelin was also observed in the cell wall. From this result, it is considered that the intracellular transport of β-glucan, which is a constituent of the cell wall, may also be inhibited.
そこで、glup6変異体における、β-グルカンとグルテリンの局在を蛍光顕微鏡解析により調査した。蛍光顕微鏡を用いたglup6変異体におけるβ-グルカンとグルテリンの局在を示す結果を図10に示す。図10において、A-C:野生型(台中65号)、D-F:EM939(glup6変異体)、G-I:EM1327(glup6変異体)を示す。緑で標識された部位はβ-グルカン抗体によって、赤で標識された部位はグルテリン抗体によって標識された。野生型においてβ-グルカンは、細胞壁にのみ検出されたが(図10A、図10C)、glup6変異体において、β-グルカンは細胞壁だけでなくPMBの周囲およびPMB内にも存在していた(図10D〜図10I)。これらの結果は、glup6変異では、β-グルカンの細胞壁への輸送も阻害され、細胞壁の構造が変化している可能性およびβ-グルカンの蓄積が増加していることを示唆している。 Therefore, the localization of β-glucan and glutelin in the glup6 mutant was investigated by fluorescence microscopy. FIG. 10 shows the results showing the localization of β-glucan and glutelin in the glup6 mutant using a fluorescence microscope. FIG. 10 shows AC: wild type (Taichung 65), DF: EM939 (glup6 mutant), and GI: EM1327 (glup6 mutant). The site labeled with green was labeled with β-glucan antibody, and the site labeled with red was labeled with glutelin antibody. In the wild-type, β-glucan was detected only in the cell wall (Figs. 10A and 10C), but in the glup6 mutant, β-glucan was present not only in the cell wall but also around and within the PMB (Fig. 10D to FIG. 10I). These results suggest that glup6 mutation also inhibits the transport of β-glucan to the cell wall, possibly altering the structure of the cell wall and increasing β-glucan accumulation.
グルテリン前駆体を多く蓄積しているglup4変異はSmall GTPase Rab5aの構造遺伝子変異である。蛍光顕微鏡を用いたglup4変異体におけるβ-グルカンとグルテリンの局在を示す結果を図11に示す。図11において、A-C:野生型(台中65号)、D-F:EM956(glup4変異体)を示す。野生型において、細胞壁にのみβ-グルカンが検出された(図11Aおよび図11C)。glup6変異と同様にglup4変異体でも同様に、β-グルカンは細胞壁だけでなくPMB周囲にβ-グルカンの高蓄積が認められた(図11D、図11F)。 The glup4 mutation that accumulates many glutelin precursors is a structural gene mutation of Small GTPase Rab5a. FIG. 11 shows the results showing the localization of β-glucan and glutelin in the glup4 mutant using a fluorescence microscope. In FIG. 11, AC: wild type (Taichung No. 65), DF: EM956 (glup4 mutant) are shown. In the wild type, β-glucan was detected only in the cell wall (FIGS. 11A and 11C). Similarly to the glup6 mutation, the β-glucan accumulated not only in the cell wall but also around the PMB as in the glup4 mutant (FIGS. 11D and 11F).
実施例4:β-グルカンが、米粉パンに対して与える影響
β-グルカンの高蓄積が、米粉の製パン特性および米粉パンの食味にどのように影響するのかを調べるために、三洋電機の新商品GOPAN(製パン機、登録商標)を使用して、glup6変異体(EM939)と野生型(台中65号)の米粉を用いて、精米220 gとコムギグルテン50 gを主な材料として用いてパンを作り、両者を比較した(図12)。
Example 4: Effect of β-glucan on rice flour bread In order to investigate how the high accumulation of β-glucan affects the bread-making characteristics of rice flour and the taste of rice flour bread, Using the product GOPAN (Breadmaker, registered trademark), glup6 mutant (EM939) and wild type (Taichung 65) rice flour, using 220 g of polished rice and 50 g of wheat gluten as the main ingredients I made bread and compared the two (Figure 12).
製パン試験を繰り返し行った結果、野生型の米粉から作製したパン生地は、焼きたて直後は柔らかいものの、数時間後から生地が硬くなり始め、2日後にはボソボソになるのに対し、glup6(EM939)では、同様な条件下で、野生型と比較して生地が硬くなり難いことが判明した。一般に、米粉パンは時間の経過とともに固くなる問題がある。この問題は米粉パンに限らず、通常のコムギパンの品質で重要な評価項目であり、「パンの老化」と呼ばれる。glup6変異体(EM939)が示す「老化しにくい米粉パン」の原因として、PMBに蓄積するβ-グルカンの特徴である保湿性、澱粉そのものの老化特性の違い、または水溶性のβ-グルカンが糊化澱粉に結合して老化を阻害する可能性などが考えられる。 As a result of repeated bread-making tests, bread dough made from wild-type rice flour was soft immediately after baking, but the dough started to harden after a few hours and became vomited after 2 days, while glup6 ( EM939), it was found that under similar conditions, the dough is less likely to be harder than the wild type. In general, rice flour bread has a problem of becoming harder with time. This problem is not limited to rice flour bread but is an important evaluation item in the quality of normal wheat bread, and is called “bread aging”. The cause of “rice flour bread that is difficult to age” shown by glup6 mutant (EM939) is the moisturizing characteristics of β-glucan accumulated in PMB, the aging characteristics of starch itself, or water-soluble β-glucan is glue There is a possibility of inhibiting aging by binding to modified starch.
このような差異は、外見上も明らかであり、焼成後2〜3日の時点で、野生型(台中65号)の米粉パンは、glup6の米粉パンと比較して、生地がよりつぶれることが明らかになった(図12)。 Such differences are apparent in appearance, and at 2 to 3 days after baking, wild-type (Taichung No. 65) rice flour bread is more crushed compared to glup6 rice flour bread It became clear (Figure 12).
本発明により、新規な貯蔵タンパク質の集積に関与する遺伝子が提供された。本発明の遺伝子は植物種子の細胞内輸送に関与する。この遺伝子の発現や機能を調節することにより、種子中の成熟型グルテリンの集積量を調節することができる。このため、本発明の遺伝子は成熟型グルテリンの量が減少したイネの品種育成に有用である。また、本発明の遺伝子を用いるイネの品種育成は、短期間で高い確実性をもって目的の植物体を得ることができる点で、従来の方法より有利である。 According to the present invention, genes involved in the accumulation of novel storage proteins are provided. The gene of the present invention is involved in intracellular transport of plant seeds. By regulating the expression and function of this gene, the amount of mature glutelin accumulated in the seed can be regulated. Therefore, the gene of the present invention is useful for breeding rice varieties with a reduced amount of mature glutelin. In addition, rice cultivar breeding using the gene of the present invention is more advantageous than conventional methods in that a target plant can be obtained with high certainty in a short period of time.
SEQ ID NO: 1:日本晴由来GLUP6-GEF遺伝子のcDNAの塩基配列
SEQ ID NO: 2:SEQ ID NO: 1に対応するアミノ酸配列
SEQ ID NO: 3:GLUP6-GEF遺伝子に対するcDNAクローンJO33091P13の塩基配列(イントロン部分を含む。)
SEQ ID NO: 4:SEQ ID NO: 3に対応するアミノ酸配列
SEQ ID NO: 5:台中65号の種子から抽出したmRNAを逆転写した1本鎖cDNAを鋳型として、GLUP6-GEF特異的プライマーによって増幅したcDNAの塩基配列
SEQ ID NO: 6:SEQ ID NO: 5に対応するアミノ酸配列
SEQ ID NO: 7:EM939の当該遺伝子のゲノムDNAの内のコーディング配列
SEQ ID NO: 8:SEQ ID NO: 7に対応するアミノ酸配列
SEQ ID NO: 9:EM1327の当該遺伝子のゲノムDNAの内のコーディング配列
SEQ ID NO: 10:SEQ ID NO: 9に対応するアミノ酸配列
SEQ ID NO: 11:日本晴のゲノムDNAの配列
SEQ ID NO: 12:台中65号のゲノムDNAの配列
SEQ ID NO: 13:EM939 のゲノムDNAの配列
SEQ ID NO: 14:EM1327のゲノムDNAの配列
SEQ ID NO: 15:PCRプライマー
SEQ ID NO: 16:PCRプライマー
SEQ ID NO: 1: cDNA sequence of GLUP6-GEF gene derived from Nipponbare
SEQ ID NO: 2: amino acid sequence corresponding to SEQ ID NO: 1
SEQ ID NO: 3: cDNA clone JO33091P13 base sequence (including intron portion) for GLUP6-GEF gene
SEQ ID NO: 4: Amino acid sequence corresponding to SEQ ID NO: 3
SEQ ID NO: 5: cDNA sequence amplified with GLUP6-GEF- specific primers using a single-stranded cDNA obtained by reverse transcription of mRNA extracted from Taichung No. 65 seeds as a template
SEQ ID NO: 6: Amino acid sequence corresponding to SEQ ID NO: 5
SEQ ID NO: 7: Coding sequence in the genomic DNA of the gene of EM939
SEQ ID NO: 8: Amino acid sequence corresponding to SEQ ID NO: 7
SEQ ID NO: 9: coding sequence in genomic DNA of the gene of EM1327
SEQ ID NO: 10: Amino acid sequence corresponding to SEQ ID NO: 9
SEQ ID NO: 11: Nipponbare genomic DNA sequence
SEQ ID NO: 12: Taichung 65 genomic DNA sequence
SEQ ID NO: 13: EM939 genomic DNA sequence
SEQ ID NO: 14: Sequence of genomic DNA of EM1327
SEQ ID NO: 15: PCR primer
SEQ ID NO: 16: PCR primer
Claims (6)
(a)SEQ ID NO: 1、SEQ ID NO: 3、SEQ ID NO: 5、SEQ ID NO: 11またはSEQ ID NO: 12に記載の塩基配列からなるポリヌクレオチド;
(b)SEQ ID NO: 1、SEQ ID NO: 3、SEQ ID NO: 5、SEQ ID NO: 11またはSEQ ID NO: 12に記載の塩基配列と少なくとも90%の同一性を有し、かつ貯蔵タンパク質を貯蔵型液胞に集積する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(c)SEQ ID NO: 2またはSEQ ID NO: 6に記載のアミノ酸配列をコードするポリヌクレオチド;
(d)SEQ ID NO: 2またはSEQ ID NO: 6に記載のアミノ酸配列において1〜9個のアミノ酸が欠失、置換、付加および/または挿入したアミノ酸配列からなり、かつ貯蔵タンパク質を貯蔵型液胞に集積する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(e)SEQ ID NO: 2またはSEQ ID NO: 6に記載のアミノ酸配列と少なくとも97%の同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつ貯蔵タンパク質を貯蔵型液胞に集積する機能を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド。 The following polynucleotide (a), (b), (c), (d), or (e ) is functionally used in a plant that accumulates a storage protein in a storage type vacuole. A method for producing a plant with altered storage protein accumulation by disabling:
(A) a polynucleotide comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 11, or SEQ ID NO: 12;
( B ) has at least 90% identity and storage with the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 11, or SEQ ID NO: 12. A polynucleotide encoding a protein having a function of accumulating the protein in storage vacuoles;
( C ) a polynucleotide encoding the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 6;
( D ) an amino acid sequence in which 1 to 9 amino acids are deleted, substituted, added and / or inserted in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 6, and A polynucleotide encoding a protein having a function of accumulating in the vesicle;
( E ) encoding a protein comprising an amino acid sequence having at least 97% identity with the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 6, and having a function of accumulating the storage protein in a storage type vacuole Polynucleotide.
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