JP3611083B2 - Promoter specific to plant meristem - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、植物の分裂組織において、その制御下の構造遺伝子の発現を特異的に促進するプロモーターに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の植物分子生物学の発展に伴い、センス遺伝子やアンチセンス遺伝子を利用し、病虫害抵抗性や除草剤耐性などの有用形質を備えた植物品種等を育種することが可能となってきた。即ち、目的の形質の発現に関与する構造遺伝子を、植物で発現可能なプロモーターにセンス方向又はアンチセンス方向に連結してキメラ遺伝子を作成し、これをベクターとして植物に導入することにより、その目的形質の発現を促進、抑制するのである。現在既に、かかる手法を応用して、例えば、Bacillus thuringensis由来の殺虫性BT毒素遺伝子をセンス方向に導入した病虫害抵抗性植物(D.A.Fischhoff等、Bio/Technology、vol.232:738、1987)や、トマト果実の過熟に関するポリガラクツロナーゼ遺伝子をアンチセンス方向に導入した日持ち良好なトマト(C.J.Smith等、Nature、vol.334:724、1988)等が作出されている。
【0003】
一方、こうして導入される構造遺伝子のプロモーターとしては、専らカリフラワーモザイクウィルス(CaMV)35Sプロモーターが用いられている。このCaMV35Sプロモーターは、強力に構造遺伝子の転写を促進する働きを有するものの、その促進作用は非特異的であって、植物の生長ステージや組織の種類に拘わらず、これが導入された植物細胞において、その制御下におかれた構造遺伝子の転写を常に促進する。このため、構造遺伝子の種類によっては、その過剰発現から遺伝子導入細胞の代謝異常を招き、植物組織や植物体自体の奇形・生育阻害等を引起すことがあった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は組織特異的、時期特異的に構造遺伝子の発現を制御し得るプロモーターを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、ユーカリ属より単離したヒストンH3構造遺伝子のプロモーターが、植物の茎頂点、根端、カルス等の分裂組織において特異的に構造遺伝子の転写を促進することを見出し、本発明を完成した。
【0006】
即ち、本発明の上記課題はこのプロモーター、具体的には、配列番号1に示す塩基配列を有するDNA、又は、このDNAとストリンジェントな条件でハイブリダイズし、かつ、その制御下の構造遺伝子の発現を、植物の分裂組織において特異的に促進する機能を有するDNAにより解決される。なお、ここでストリンジェントな条件としては、緩衝液として6×SSC(0.9M NaCl、0.09M クエン酸ナトリウム)、温度55℃を採用する。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明のプロモーターとしては、配列番号1に示す塩基配列を有するDNAであれば制限なく使用できる。また、このDNAとストリンジェントな条件でハイブリダイズするDNAも、その制御下の構造遺伝子の発現を、植物の分裂組織、例えば茎頂点、根端、カルス等において特異的に促進する機能を有する限り、使用できる。
【0008】
かかるDNAは、その由来を問わない。植物、例えばEucalyptus globulus(以下、E.グロブラスと略す。)、Eucalyptus grandis等のユーカリ属より定法を用いて単離したものを用いることもできるが、ホスファイトトリエステル法(M.Hunkapiller等、Nature、310:105、1984)等の一般的な方法により化学合成したものを用いることもできる。
【0009】
本発明のプロモーターにより制御すべき構造遺伝子は、プロモーターの下流域に連結する。通常、プロモーター領域の末端と構造遺伝子のATG翻訳開始コドンとの距離は、10bp以内であることが好ましい。また、ATG翻訳開始コドンの直後、このコドンと制御すべき構造遺伝子との間に、ユーカリ属ヒストンH3構造遺伝子の第一イントロンを含む一部を連結することで、本発明のプロモーター活性は一層向上させることができる。
【0010】
本発明において、植物細胞への遺伝子導入は、上記のようにしてプロモーターとこれにより制御すべき構造遺伝子とを連結してベクターを作成し、このベクターを用い、定法により行うことができる。即ち、このベクターを用い、植物に感染するウィルスや細菌、例えば、カリフラワーモザイクウィルス、ジェミニウィルス、タバコモザイクウィルス、ブロムモザイクウィルス、アグロバクテリウム・ツメファシエンス(以下、A.ツメファシエンスと略す。)、アグロバクテリウム・リゾジェネス等を介して間接的に植物細胞への遺伝子導入を行うこともでき、また、マイクロインジェクション法、エレクトロポレーション法、ポリエチレングリコール法、融合法、高速バリスティックベネトレーション法等の物理的・化学的手法により、直接的に植物細胞への遺伝子導入を行うこともできる(I.Potrykus、Annu.Rev.Plant Physiol.Plant Mol.Biol.、42:205、1991)。更に、これらの方法により遺伝子が導入された植物細胞からは、その植物の種類等に応じた適当な条件下でこれを培養することにより、植物体を再分化させることもできる。このようにして得られた植物細胞・植物体は、本発明のプロモーターにより制御された構造遺伝子が導入されている植物細胞であり、植物体である。
【0011】
本発明のプロモーターは、ヒストンH3遺伝子のみならず、他の様々なタンパク質をコードする構造遺伝子の発現を制御することができる。従って、本発明においては、農業的に優れた形質を付与する遺伝子、医薬産業等において有用な物質の生産に関与する遺伝子、遺伝子発現機構の研究に必要とされる遺伝子等、種々の構造遺伝子を、目的に応じてセンス遺伝子又はアンチセンス遺伝子として使用することができる。
【0012】
また、本発明のプロモーターを使用することのできる植物の種類も特に限定されない。ユーカリ以外でも、例えば、タバコを始め、イネ、アラビドプシス、ペチュニア等の草本植物、ヤマナラシ、ポプラ、アカシア、スギ、マツ等の木本植物に本発明のプロモーターを使用することができる。
【0013】
【作用】
ヒストンは、真核細胞の核内DNAに結合している塩基性タンパクであり、H1、H2A、H2B、H3、H4の5種類の存在が知られ、細胞周期中S期(DNA合成期)において、新たに合成されたDNAがクロマチンを構築する際に重要な役割を果たしている。従って、これらをコードする遺伝子は、真核細胞において相同性が高く、また、細胞周期中S期において特異的に発現するものと考えられる。
【0014】
本発明者らは、これらヒストンの内、H3をコードする構造遺伝子のプロモーターが、植物の分裂組織において、植物の種類、構造遺伝子の種類に関わらず、その発現を促進することを見出した。かかるヒストンH3構造遺伝子プロモーターの特性も、このようなヒストン構造遺伝子の特性、即ち、生物種間における高い相同性及び細胞周期特異的な発現と、関連を有しているものと考えられる。
【0015】
【実施例】
以下に、本発明を実施例に基づいて説明する。
【0016】
[実施例1]
1.ユーカリゲノムDNAライブラリーの単離・精製
播種後、約6ヶ月間生育させたE.グロブラスより完全に展開する前の葉を採取し、液体窒素下で粉砕した。この粉砕した葉を材料として、Doyleらの方法(Focus、12:13、1989)に従い、できるだけ物理的損傷を受けないようにしてゲノムDNAの単離・精製を行ったところ、材料に供した葉約10g(新鮮重)当り約1mgのゲノムDNAを採取することができた。
【0017】
2.ユーカリゲノムDNAライブラリーの作成
1で得られたユーカリゲノムDNA20μgをH緩衝液(50mM Tris−HCl/pH7.5、10mM MgCl2、100mM NaCl、1mMDTT)200μlに溶解し、これに1−4ユニットの制限酵素EcoRI(東洋紡績(株)製)を加えて37℃で部分消化を行い、1時間後、反応液にエチレンジアミン四酢酸塩(EDTA)を50mM、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)を0.5%加えて反応を停止させた。なお、ここでユニットとは、上記緩衝液50μlに溶解したラムダDNA1μgを、37℃、60分間で完全に分解する酵素活性を1ユニットとする単位である。部分消化されたDNAは、反応停止後の反応液に2.5倍量のエタノールを加え、−80度で1時間冷却することにより析出させ、遠心分離によりこれを回収した。この結果、ベクターに連結可能なゲノムDNAの部分消化物14μgを得ることができた。
【0018】
次いで、このユーカリゲノムDNA部分消化物を、ラムダファージベクターに連結した。即ち、EcoRIで消化し、アルカリホスファターゼで脱リン酸化処理した置換型のラムダファージベクターZAPII(STRATAGENE社製)2μgと上記のようにして得られたゲノムDNA部分消化物5μgとを、ATP1mM及びT4DNAリガーゼ(東洋紡績(株)製)2ユニットの存在下、緩衝液(10mM Tris−HCl/pH7.5、10mM MgCl2、1mM DTT)20μl中で16℃、1晩反応させた後、65℃で5分間熱処理を行って反応を停止させ、組換えファージDNAを得た。なお、ここでのユニットとは、上記緩衝液20μlに溶解させたラムダDNAのHindIII分解物6μgを、16℃、30分間で90%以上ライゲーションさせる酵素活性を1ユニットとする単位である。得られた組換えファージDNAは、ラムダファージ外被タンパクと混和し、22℃、2時間放置してin vitroパッケージングを行い、組換えDNAを有するラムダファージを再生した(STRATAGENE社製 in vitroパッケージングキット Gigapack GOLDを使用。)。
【0019】
一方、大腸菌XL1−BlueMRF´株を10mlのLBMM培地(トリプトン1%、食塩1%、酵母エキス0.5%、硫酸マグネシウム10mM及びマルトース0.4%)に接種し、37℃で12時間振とうして前培養した。前培養後、遠心分離により菌体を集めて、予め4℃に冷却された10mMの硫酸マグネシウム10mlに懸濁し、ラムダファージを感染しやすくしておいて上記の組換えラムダファージと混和し、37℃、15分間放置してこれに感染させた。感染後の菌は、0.7%アガロース含有LBMM培地に懸濁し、更にこの懸濁液を、1.5%の寒天で固化させたLBMM培地の表面に薄く広げ、37℃で12時間培養を行った。培養後、このシャーレにSM緩衝液(50mM Tris−HCl/pH7.5、0.1M NaCl、7mM MgSO4、0.01%ゼラチン)10mlを添加して4℃で8時間保持した後、この緩衝液を回収し、得られた回収液をユーカリゲノムDNAライブラリーとして以後の操作を行った。
【0020】
3.ユーカリヒストンH3遺伝子の塩基配列の決定
2で得られたユーカリゲノムDNAライブラリーを鋳型として、PCR法により、ユーカリヒストンH3遺伝子を含むDNA断片の増幅を行った。
【0021】
即ち、プライマーとして、アラビドプシス、イネ、インゲンマメのヒストンH3遺伝子においてATG翻訳開始コドンより365〜384bp下流側に存在する共通領域に対応したプライマーB(5´−CGCGAGCTGGATGTCCTTGG)と、ZAPIIベクターのクローニングサイト脇に存在する一方の領域に対応したKSプライマー(5´−TCGGGTCGACGGTATG)とを用い、上記ライブラリーを鋳型としてPCR法を行い、増幅されたDNA断片をアガロースゲル電気泳動にて分離したところ、約2kbpのDNA断片の増幅が確認された。そこで、このDNA断片の両末端をT4DNAポリメラーゼ処理により平滑化した後、ポリヌクレオチドキナーゼによりリン酸化し、プラスミドpUC19の脱リン酸化処理したSmaI制限酵素部位に組込んでサブクローニングを行い、このサブクローニングされたDNA断片について、DNAシークエンサー(DNAシークエンサー Model 373S(Perkin−Elmer社製))を用い、ダイデオキシ法により塩基配列を決定した。このDNA断片は、5´末端から660bpの位置に存在するATG翻訳開始コドン下流の構造遺伝子領域が、他の公知の植物ヒストンH3構造遺伝子と非常に高い相同性を有しており、また、コムギヒストンH3プロモーター領域のシスエレメントであり、ヒストン構造遺伝子のS期特異的発現に関与すると考えられているヘキサマー配列が34bpに、OLS−1、OLS−2がそれぞれ45、56bpに、更に、オクタマー配列とノナマー配列とがそれぞれ229、256bpに存在している(蛋白質・核酸・酵素、vol.37:1146、1992)。以上より、このDNA断片がユーカリヒストンH3遺伝子、つまり、ユーカリヒストンH3構造遺伝子とそのプロモーターとを含むものであることを確認した。
【0022】
4.ユーカリヒストンH3プロモーターの発現調節活性の確認
3で塩基配列が決定されたDNA断片について、HindIII制限酵素部位を含むプライマーと、BamHI制限酵素部位を含むプライマーとを用いてPCR法を行い、ユーカリヒストンH3プロモーター領域約670bpを増幅し、植物形質転換用ベクターpBI101(CLONTHEC社製)のHindIII−BamHI制限酵素部位間に挿入して、これをプラスミドpEgH3−GUSと命名した。このpEgH3−GUSにおいてユーカリヒストンH3プロモーターは、β−グルクロニダーゼ(GUS)構造遺伝子の上流側に隣接して位置し、これがプロモーターとして機能する場合には、このGUS構造遺伝子の発現を制御することとなる。ここでPCR法にて増幅した約670bpの領域の内、ATG翻訳開始コドンから上流に延びる、全長662bpのDNAの塩基配列を配列番号1に示す。この塩基配列中、ATG翻訳開始コドンは660〜662bpに位置している。また、pEgH3−GUSおいて、植物ゲノムDNAに組込まれる部分の模式図を図1に示す。図中、NPTIIはカナマイシン抵抗性遺伝子、Nos−terはノパリン合成酵素のポリアデニル化シグナルである。
【0023】
次いで、pEgH3−GUSをアグロバクテリウム法により、タバコ(Nicotiana tabacum L cv. SR−1)に導入した。即ち、pEgH3−GUSをエレクトロポレーション法によりA.ツメファシエンスEHA105に導入した(10%グリセロール中、電気パルスとして2500V、25μFを付与。バイオラッド社製 GENE PUSERII を使用。)後、このA.ツメファシエンスをカナマイシン50mg/lを含むLB寒天培地(トリプトン1%、食塩0.5%、酵母エキス0.5%)で28℃、2日間培養することにより選抜し、これを種子発芽後4週間無菌培養したタバコの葉に感染させた。
【0024】
感染は、約5mm角に切断した上記タバコ葉を、pEgH3−GUS導入A.ツメファシエンスの培養液に、その葉の表皮を下にして1〜3分間浸漬することにより行った。感染処理後の葉片は、滅菌した紙タオル等で付着している培養液を除去してから、カルス誘導培地(ムラシゲ・スクーグ基本培地(以下、MS培地と略す。)、3%しょ糖、0.8%寒天、1mg/lナフタレン酢酸、0.1mg/lベンジルアデニン)に置床し、25℃連続照明下で3日間培養、更にシュート形成用培地(MS基本培地、3%しょ糖、0.8%寒天、0.1mg/lナフタレン酢酸、1mg/lベンジルアデニン、100mg/lカナマイシン 、500mg/lカルベニシリン)に移植して同じ温度・光条件下で培養を続け、茎葉を分化させた。分化した茎葉は、シュート形成用培地での培養から約4週間後に切取り、カナマイシン100mg/lとカルベニシリン500mg/lを含むMS基本培地(しょ糖3%、寒天0.8%又はゲランガム0.25%も添加。)に移植して、同じ温度・光条件下で約4週間培養することにより発根させて植物体を再生した後、バーミキュライト(日本耐火工業社製)とピートモス(和泉農材製)を1:2の割合で混合した培養土に移植して、25℃の温室で生育させた。
【0025】
得られたpEgH3−GUS導入タバコ、即ちユーカリヒストンH3プロモーター―GUS融合遺伝子を有するタバコについて、その茎頂点、茎、葉、根及びカルスを対象とし、Jeffersonらの方法(Plant Mol.Biol.Rep.、vol.5:387、1987)に準拠してGUS遺伝子の発現試験を行った。その結果、根、茎頂点、カルスの分裂組織において、特に強いGUS遺伝子の発現が確認され、ここでpEgH3−GUSに挿入されたユーカリヒストンH3プロモーターは、その制御下に置かれた構造遺伝子の植物分裂組織特異的な発現を促進し、しかも、その機能は、これが由来する植物(ユーカリ)とは異なる植物においても、また、これが本来プロモーターとして作用する構造遺伝子とは全く異なるGUS構造遺伝子のプロモーターとして用いた場合でも、発揮されることが示された。
【0026】
[実施例2]
実施例1の4で得られたプラスミドpEgH3−GUS導入A.ツメファシエンスを、実施例1と同様にして、無菌培養された交雑ヤマナラシ(Populus sieboldii×P.grandidentata)Y63の葉柄に感染させた。
【0027】
感染処理後の葉柄は、感染に用いたA.ツメファシエンス培養液をその表面より除去してから、ゼアチン0.5mg/lを含み、NH4 +、NO3 -の濃度をそれぞれ10mM、30mMとした改変MS培地(3%しょ糖、0.8%寒天)に置床して3日間培養し、次いで、ゼアチン0.5mg/l、カナマイシン100mg/l、カルベニシリン500mg/lを添加した改変MS培地(3%しょ糖、0.8%寒天)に移植し、約4ヶ月培養して茎葉を分化させた。pEgH3−GUSが導入された交雑ヤマナラシは、この茎葉を、無機塩成分を2/3に希釈したMS培地(しょ糖3%、寒天0.8%又はゲランガム0.25%、カナマイシン100mg/l、カルベニシリン500mg/l)に移植して発根させることにより再生した。なお、このときの温度及び光条件は実施例1の4で採用したものと同様である。
【0028】
得られたpEgH3−GUS導入交雑ヤマナラシについて、実施例1と同様にしてGUS遺伝子の発現試験を行ったところ、タバコの場合と同様に、根、茎頂点、カルスの分裂組織において、特に強いGUS遺伝子の発現が確認された。
【0029】
[実施例3]
実施例1の4で得られたプラスミドpEgH3−GUS導入A.ツメファシエンスを、実施例1と同様にして、無菌下で播種し、出芽させたユーカリ(Eucalyptus globulus)の胚軸に感染させた。
【0030】
感染処理後の胚軸は、感染に用いたA.ツメファシエンス培養液をその表面より除去してから、ゼアチン1.0mg/lを含む改変MS培地(3%しょ糖、0.8%寒天)に置床して3日間培養し、次いで、ゼアチン1.0mg/l、カナマイシン50mg/l、ティカルシリン500mg/lを添加した改変MS培地(3%しょ糖、0.25%ゲランガム)で培養することにより、カルスを形成させた。
【0031】
得られたpEgH3−GUS導入ユーカリカルスについて、実施例1と同様にしてGUS遺伝子の発現試験を行ったところ、強いGUS遺伝子の発現が確認された。
【0032】
以上の結果より、本発明のプロモーター、即ち、ユーカリヒストンH3プロモーターとして単離された配列番号1に示す塩基配列を有するDNAは、これを導入する植物の種類に限定されず、また、これが本来プロモーターとして作用する構造遺伝子とは全く異なる構造遺伝子に対しても、その分裂組織特異的な発現を促進できることが明らかとなった。
【0033】
【発明の効果】
本発明のプロモーター、即ち、配列番号1に示す塩基配列を有するDNAは、組織特異的、時期特異的に構造遺伝子の発現を制御する能力を有する。つまり、これを使用することにより、その制御下に置かれた構造遺伝子を、植物の分裂組織において特異的に発現させることが可能となる。しかも、このプロモーターは、使用できる植物・構造遺伝子の種類を問わない。
【0034】
従って、合目的的に構造遺伝子を選択し、これを本発明のプロモーターの制御下に置いてベクターを作成し、このベクターを用いて所望の植物の形質転換を行えば、その植物の分裂組織においてのみその構造遺伝子を発現させることができるので、目的とする形質を付与するために導入した構造遺伝子が、予定外の組織・時期に発現することによって生じる問題を回避することができる。
【0035】
また、配列番号1に示す塩基配列を有するDNAとストリンジェントな条件でハイブリダイズするDNAもまた、その制御下の構造遺伝子の発現を、植物の分裂組織において特異的に促進する機能を有する限り、上記問題を回避することができる。
【0036】
従って、合目的的に構造遺伝子を選択し、これを本発明のプロモーターの制御下に置いてベクターを作成し、このベクターを用いて所望の植物の形質転換を行えば、その植物の分裂組織においてのみその構造遺伝子を発現させることができるので、目的とする形質を付与するために導入した構造遺伝子が、予定外の組織・時期に発現することによって生じる問題を回避することができる。
【0037】
また、配列番号1に示す塩基配列を有するDNAとストリンジェントな条件でハイブリダイズするDNAもまた、その制御下の構造遺伝子の発現を、植物の分裂組織において特異的に促進する機能を有する限り、上記問題を回避することができる。
【配列表】
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、プラスミドpEgH3−GUSおいて、植物ゲノムDNAに組込まれる部分の模式図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a promoter that specifically promotes expression of a structural gene under its control in plant meristems.
[0002]
[Prior art]
With the development of plant molecular biology in recent years, it has become possible to breed plant varieties and the like having useful traits such as disease resistance and herbicide resistance using sense genes and antisense genes. That is, a structural gene involved in expression of a target trait is linked to a promoter that can be expressed in a plant in the sense direction or antisense direction to create a chimeric gene, and this is introduced into a plant as a vector. It promotes and suppresses the expression of traits. At present, such a technique has been applied to, for example, a disease-resistant plant in which an insecticidal BT toxin gene derived from Bacillus thuringensis has been introduced in the sense direction (DA Fischoff et al., Bio / Technology, vol. 232: 738, 1987). ) And polygalacturonase genes related to overripe tomato fruit have been produced in the long-lasting tomato (CJ Smith et al., Nature, vol. 334: 724, 1988).
[0003]
On the other hand, cauliflower mosaic virus (CaMV) 35S promoter is exclusively used as the promoter of the structural gene thus introduced. Although this CaMV35S promoter has a function of strongly promoting the transcription of structural genes, its promoting action is nonspecific, and in plant cells into which it is introduced, regardless of the growth stage of the plant or the type of tissue, It always promotes transcription of structural genes under its control. For this reason, depending on the type of structural gene, its overexpression may lead to metabolic abnormalities in the transgenic cells, which may cause malformation or growth inhibition of the plant tissue or the plant body itself.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a promoter capable of controlling the expression of a structural gene in a tissue-specific and time-specific manner.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that the histone H3 structural gene promoter isolated from Eucalyptus genus is specifically found in meristems such as plant stem apex, root tip, and callus. The present invention has been completed by finding that it promotes transcription of structural genes.
[0006]
That is, the above-mentioned problem of the present invention is that of this promoter, specifically, a DNA having the base sequence shown in SEQ ID NO: 1, or a structural gene that hybridizes with this DNA under stringent conditions and is under its control. Expression is solved by DNA that has the function of specifically promoting in the meristem of plants. Here, as stringent conditions, 6 × SSC (0.9 M NaCl, 0.09 M sodium citrate) and a temperature of 55 ° C. are used as a buffer solution.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As the promoter of the present invention, any DNA having the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 can be used without limitation. In addition, DNA that hybridizes with this DNA under stringent conditions also has a function of specifically promoting the expression of the structural gene under its control in the meristem of a plant, such as stem apex, root tip, callus, etc. Can be used.
[0008]
Such DNA may be of any origin. Plants such as those isolated from Eucalyptus genus such as Eucalyptus globulus (hereinafter abbreviated as E. globulas) and Eucalyptus grandis can be used, but the phosphite triester method (M. Hunkapiller et al., Nature, etc.) can also be used. , 310: 105, 1984), etc., can also be used.
[0009]
The structural gene to be controlled by the promoter of the present invention is linked to the downstream region of the promoter. Usually, the distance between the end of the promoter region and the ATG translation initiation codon of the structural gene is preferably within 10 bp. Further, immediately after the ATG translation initiation codon, the promoter activity of the present invention is further improved by linking a part containing the first intron of the Eucalyptus histone H3 structural gene between this codon and the structural gene to be controlled. Can be made.
[0010]
In the present invention, gene introduction into plant cells can be carried out by a conventional method using a vector prepared by linking a promoter and a structural gene to be controlled thereby as described above. That is, using this vector, viruses and bacteria that infect plants, such as cauliflower mosaic virus, gemini virus, tobacco mosaic virus, brom mosaic virus, Agrobacterium tumefaciens (hereinafter abbreviated as A. tumefaciens), Agrobacterium. It is also possible to introduce genes into plant cells indirectly through um lysogenes, etc., and physical methods such as microinjection, electroporation, polyethylene glycol, fusion, and high-speed ballistic penetration -It is also possible to introduce a gene directly into a plant cell by a chemical method (I. Potrykus, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 42: 205, 1991). Furthermore, from plant cells into which genes have been introduced by these methods, plant bodies can be redifferentiated by culturing them under conditions suitable for the type of the plant. The plant cells / plants thus obtained are plant cells into which a structural gene controlled by the promoter of the present invention has been introduced, and are plant bodies.
[0011]
The promoter of the present invention can control the expression of not only the histone H3 gene but also structural genes encoding various other proteins. Therefore, in the present invention, various structural genes, such as genes that give agriculturally superior traits, genes that are involved in the production of substances useful in the pharmaceutical industry, etc., genes that are required for the study of gene expression mechanisms, etc. Depending on the purpose, it can be used as a sense gene or an antisense gene.
[0012]
Moreover, the kind of plant which can use the promoter of this invention is not specifically limited. In addition to eucalyptus, the promoter of the present invention can be used for tobacco, herbaceous plants such as rice, Arabidopsis, and petunia, and woody plants such as porcupine, poplar, acacia, cedar, and pine.
[0013]
[Action]
Histones are basic proteins bound to DNA in the nucleus of eukaryotic cells, and five types of H1, H2A, H2B, H3, and H4 are known to exist in the S phase (DNA synthesis phase) during the cell cycle. Newly synthesized DNA plays an important role in constructing chromatin. Therefore, it is considered that genes encoding these have high homology in eukaryotic cells and are specifically expressed in the S phase during the cell cycle.
[0014]
The present inventors have found that among these histones, the promoter of a structural gene encoding H3 promotes its expression in the meristem of a plant regardless of the type of plant or the type of structural gene. The characteristics of such a histone H3 structural gene promoter are also considered to be related to such characteristics of histone structural genes, that is, high homology among organisms and cell cycle-specific expression.
[0015]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on examples.
[0016]
[Example 1]
1. Isolation and purification of Eucalyptus genomic DNA library E. coli grown for about 6 months after sowing. The leaves before fully developing from the globulae were collected and pulverized under liquid nitrogen. Using this crushed leaf as a material, according to the method of Doyle et al. (Focus, 12:13, 1989), genomic DNA was isolated and purified so as not to suffer physical damage as much as possible. About 1 mg of genomic DNA could be collected per 10 g (fresh weight).
[0017]
2. Eucalyptus genomic DNA library H buffer eucalyptus genome DNA20μg obtained in created 1 (50mM Tris-HCl / pH7.5,10mM MgCl 2, 100mM NaCl, 1mMDTT) was dissolved in 200 [mu] l, this 1 -4 unit Restriction enzyme EcoRI (manufactured by Toyobo Co., Ltd.) was added and partial digestion was performed at 37 ° C. After 1 hour, 50 mM ethylenediaminetetraacetate (EDTA) and 0.5% sodium dodecyl sulfate (SDS) were added to the reaction solution. In addition, the reaction was stopped. Here, the unit is a unit having 1 unit of enzyme activity that completely decomposes 1 μg of lambda DNA dissolved in 50 μl of the buffer solution at 37 ° C. for 60 minutes. The partially digested DNA was precipitated by adding 2.5 times the amount of ethanol to the reaction solution after stopping the reaction and cooling at −80 ° C. for 1 hour, and this was recovered by centrifugation. As a result, 14 μg of a partially digested genomic DNA that can be ligated to a vector was obtained.
[0018]
This eucalyptus genomic DNA partial digest was then ligated to a lambda phage vector. Specifically, 2 μg of a substituted lambda phage vector ZAPII (manufactured by STRATAGENE) digested with EcoRI and dephosphorylated with alkaline phosphatase, and 5 μg of the genomic DNA partial digest obtained as described above were combined with ATP 1 mM and T4 DNA ligase. (Toyobo Co., Ltd.) In the presence of 2 units, the reaction was performed overnight at 16 ° C. in 20 μl of a buffer solution (10 mM Tris-HCl / pH 7.5, 10 mM MgCl 2 , 1 mM DTT), and then 5 ° C. at 65 ° C. The reaction was stopped by heat treatment for 5 minutes to obtain recombinant phage DNA. Here, the unit is a unit having 1 unit of enzyme activity for ligating 6 μg of lambda DNA HindIII digested product dissolved in 20 μl of the above buffer solution at 16 ° C. for 30 minutes for 30% or more. The obtained recombinant phage DNA was mixed with lambda phage coat protein, left at 22 ° C. for 2 hours to perform in vitro packaging, and lambda phage having the recombinant DNA was regenerated (in vitro package manufactured by STRATAGENE). Ngkit Gigapack GOLD.).
[0019]
On the other hand, E. coli XL1-Blue MRF ′ strain was inoculated into 10 ml of LBMM medium (tryptone 1%, salt 1%, yeast extract 0.5%, magnesium sulfate 10 mM and maltose 0.4%) and shaken at 37 ° C. for 12 hours. And precultured. After preculture, the cells are collected by centrifugation, suspended in 10 ml of 10 mM magnesium sulfate previously cooled to 4 ° C., mixed with the above-mentioned recombinant lambda phage, making lambda phage easy to infect, 37 This was left at 15 ° C. for 15 minutes to infect it. The infected bacteria are suspended in LBMM medium containing 0.7% agarose, and this suspension is further spread thinly on the surface of LBMM medium solidified with 1.5% agar and cultured at 37 ° C. for 12 hours. went. After culturing, 10 ml of SM buffer (50 mM Tris-HCl / pH 7.5, 0.1 M NaCl, 7 mM MgSO 4 , 0.01% gelatin) was added to the petri dish and kept at 4 ° C. for 8 hours. The liquid was recovered, and the subsequent operation was performed using the recovered liquid as a eucalyptus genomic DNA library.
[0020]
3. The DNA fragment containing the Eucalyptus histone H3 gene was amplified by the PCR method using the Eucalyptus genomic DNA library obtained in the determination 2 of the base sequence of the Eucalyptus histone H3 gene as a template.
[0021]
That is, as a primer, primer B (5′-CGCGAGCTGGATGTTCCTTG) corresponding to a common region existing 365 to 384 bp downstream of the ATG translation initiation codon in the Arabidopsis, rice, and kidney bean histone H3 genes, and beside the cloning site of the ZAPII vector Using the KS primer (5′-TCGGGTCGACGGGTTAG) corresponding to one of the existing regions, PCR was performed using the above library as a template, and the amplified DNA fragments were separated by agarose gel electrophoresis. Amplification of the DNA fragment was confirmed. Therefore, both ends of the DNA fragment were smoothed by T4 DNA polymerase treatment, phosphorylated by polynucleotide kinase, and subcloned by incorporating into the dephosphorylated SmaI restriction enzyme site of plasmid pUC19. For the DNA fragment, the base sequence was determined by the dideoxy method using a DNA sequencer (DNA sequencer Model 373S (manufactured by Perkin-Elmer)). In this DNA fragment, the structural gene region downstream of the ATG translation initiation codon present at a position of 660 bp from the 5 ′ end has very high homology with other known plant histone H3 structural genes. The hexamer sequence, which is a cis element of the histone H3 promoter region and is considered to be involved in the S phase-specific expression of the histone structural gene, is 34 bp, OLS-1 and OLS-2 are 45 and 56 bp, respectively, and the octamer sequence. And nonamer sequences are present at 229 and 256 bp, respectively (protein / nucleic acid / enzyme, vol. 37: 1146, 1992). From the above, it was confirmed that this DNA fragment contains the Eucalyptus histone H3 gene, that is, the Eucalyptus histone H3 structural gene and its promoter.
[0022]
4). For the DNA fragment whose nucleotide sequence was determined in Confirmation 3 of the expression control activity of the Eucalyptus histone H3 promoter, PCR was performed using a primer containing a HindIII restriction enzyme site and a primer containing a BamHI restriction enzyme site, and Eucalyptus histone H3 A promoter region of about 670 bp was amplified and inserted between the HindIII-BamHI restriction enzyme sites of the plant transformation vector pBI101 (manufactured by CLONTHEC), and this was designated as plasmid pEgH3-GUS. In this pEgH3-GUS, the eucalyptus histone H3 promoter is located adjacent to the upstream side of the β-glucuronidase (GUS) structural gene, and when it functions as a promoter, it controls the expression of this GUS structural gene. . The nucleotide sequence of a full-length 662 bp DNA extending upstream from the ATG translation initiation codon in the region of about 670 bp amplified by the PCR method is shown in SEQ ID NO: 1. In this base sequence, the ATG translation initiation codon is located at 660 to 662 bp. Moreover, in pEgH3-GUS, the schematic diagram of the part integrated in plant genomic DNA is shown in FIG. In the figure, NPTII is a kanamycin resistance gene, and Nos-ter is a polyadenylation signal of nopaline synthase.
[0023]
Subsequently, pEgH3-GUS was introduced into tobacco ( Nicotiana tabacum L cv. SR-1) by the Agrobacterium method. That is, pEgH3-GUS was electroporated by A.I. After introduction into Tumefaciens EHA105 (in 10% glycerol, 2500 V, 25 μF was applied as an electric pulse. Use GENE PUSER II manufactured by Bio-Rad). Tumefaciens was selected by culturing at 28 ° C. for 2 days in an LB agar medium (tryptone 1%, salt 0.5%, yeast extract 0.5%) containing kanamycin 50 mg / l, and this was aseptic for 4 weeks after seed germination. Cultured tobacco leaves were infected.
[0024]
For the infection, the tobacco leaf cut into about 5 mm square was transformed into pEgH3-GUS-introduced A. It was carried out by immersing in the culture medium of tumefaciens for 1 to 3 minutes with the epidermis of the leaves facing down. After removing the culture solution adhering to the leaf pieces after the infection treatment with a sterilized paper towel or the like, callus induction medium (Murashige-Skoog basic medium (hereinafter abbreviated as MS medium), 3% sucrose, 0. Placed on 8% agar, 1 mg / l naphthalene acetic acid, 0.1 mg / l benzyladenine, cultured for 3 days under continuous illumination at 25 ° C., and medium for shoot formation (MS basic medium, 3% sucrose, 0.8% Agar, 0.1 mg / l naphthalene acetic acid, 1 mg / l benzyladenine, 100 mg / l kanamycin, 500 mg / l carbenicillin) and continued to culture under the same temperature and light conditions to differentiate the foliage. The differentiated foliage was cut out about 4 weeks after culturing in the shoot-forming medium, and MS basic medium containing 100 mg / l kanamycin and 500 mg / l carbenicillin (3% sucrose, 0.8% agar or 0.25% gellan gum) After regenerating the plant by culturing for about 4 weeks under the same temperature and light conditions, vermiculite (manufactured by Japan Fireproof Industries) and peat moss (manufactured by Izumi Agricultural Materials) It transplanted to the culture soil mixed in the ratio of 1: 2, and was made to grow in a 25 degreeC greenhouse.
[0025]
The obtained pEgH3-GUS-introduced tobacco, that is, a tobacco having a eucalyptus histone H3 promoter-GUS fusion gene, was subjected to the method of Jefferson et al. (Plant Mol. Biol. Rep.) For the stem apex, stem, leaf, root and callus. , Vol.5: 387, 1987), the GUS gene expression test was performed. As a result, particularly strong GUS gene expression was confirmed in the root, stem apex, and callus meristem, where the eucalyptus histone H3 promoter inserted into pEgH3-GUS was a structural gene plant placed under its control. Promotes meristem-specific expression, and its function is as a promoter of the GUS structural gene, which is completely different from the structural gene from which it originally functions as a promoter, even in a plant different from the plant from which it is derived (eucalyptus). Even when used, it was shown to be demonstrated.
[0026]
[Example 2]
Introduction of plasmid pEgH3-GUS obtained in 4 of Example 1. In the same manner as in Example 1, tumefaciens was infected with the petiole of aseptically cultured hybrid porcupine ( Populus sieboldii x P. grandidentata ) Y63.
[0027]
The petiole after the infection treatment shows A. After removing the tumefaciens culture solution from the surface, a modified MS medium (3% sucrose, 0.8% agar) containing zeatin 0.5 mg / l and NH 4 + and NO 3 − concentrations of 10 mM and 30 mM, respectively. ) And then transplanted to a modified MS medium (3% sucrose, 0.8% agar) supplemented with 0.5 mg / l zeatin, 100 mg / l kanamycin, and 500 mg / l carbenicillin, The stems and leaves were differentiated by culturing for 4 months. Crossed porcupine into which pEgH3-GUS was introduced was prepared by using MS medium (sucrose 3%, agar 0.8% or gellan gum 0.25%, kanamycin 100 mg / l, carbenicillin) It was regenerated by transplanting to 500 mg / l) and rooting. Note that the temperature and light conditions at this time are the same as those employed in 4 of Example 1.
[0028]
The resulting pEgH3-GUS-introduced porcupine was tested for GUS gene expression in the same manner as in Example 1. As in the case of tobacco, the GUS gene was particularly strong in the root, stem apex, and callus meristem. Expression was confirmed.
[0029]
[Example 3]
Introduction of plasmid pEgH3-GUS obtained in 4 of Example 1. In the same manner as in Example 1, the tumefaciens was inoculated into the hypocotyl of Eucalyptus globulus seeded and germinated under aseptic conditions.
[0030]
The hypocotyl after infection treatment is the same as that of A. After removing the tumefaciens culture solution from the surface, it was placed on a modified MS medium (3% sucrose, 0.8% agar) containing 1.0 mg / l of zeatin and cultured for 3 days. l, callus was formed by culturing in a modified MS medium (3% sucrose, 0.25% gellan gum) supplemented with 50 mg / l kanamycin and 500 mg / l ticarcillin.
[0031]
When the obtained pEgH3-GUS-introduced eucalyptus was subjected to the GUS gene expression test in the same manner as in Example 1, strong GUS gene expression was confirmed.
[0032]
From the above results, the DNA of the present invention, ie, the DNA having the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 isolated as the Eucalyptus histone H3 promoter is not limited to the type of plant into which it is introduced, and this is essentially the promoter. It was revealed that meristem-specific expression can be promoted even for structural genes that are completely different from the structural genes that act as.
[0033]
【The invention's effect】
The promoter of the present invention, that is, the DNA having the base sequence shown in SEQ ID NO: 1, has the ability to control the expression of structural genes in a tissue-specific and time-specific manner. That is, by using this, the structural gene placed under the control can be specifically expressed in the meristem of the plant. In addition, this promoter may be any kind of plant / structural gene that can be used.
[0034]
Therefore, if a structural gene is selected purposefully and placed under the control of the promoter of the present invention to create a vector, and transformation of a desired plant using this vector is carried out, the meristem of the plant is used. Since only the structural gene can be expressed, it is possible to avoid problems caused by the expression of the structural gene introduced for imparting the desired trait in an unplanned tissue / time.
[0035]
In addition, as long as the DNA hybridized under stringent conditions with the DNA having the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 also has the function of specifically promoting the expression of the structural gene under its control in the meristem of the plant, The above problem can be avoided.
[0036]
Therefore, if a structural gene is selected purposefully and placed under the control of the promoter of the present invention to create a vector, and transformation of a desired plant using this vector is carried out, the meristem of the plant is used. Since only the structural gene can be expressed, it is possible to avoid problems caused by the expression of the structural gene introduced for imparting the desired trait in an unplanned tissue / time.
[0037]
In addition, as long as the DNA hybridized under stringent conditions with the DNA having the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 also has the function of specifically promoting the expression of the structural gene under its control in the meristem of the plant, The above problem can be avoided.
[Sequence Listing]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a portion of a plasmid pEgH3-GUS that is integrated into plant genomic DNA.
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