JP4373363B2 - Long-chain DNA fragment-introduced chloroplast transformation vector - Google Patents
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Description
本発明は、葉緑体ゲノムへ8kbp以上の有用な長鎖DNA断片を導入できる転換用ベクターに関する。 The present invention relates to a conversion vector capable of introducing a useful long DNA fragment of 8 kbp or more into a chloroplast genome.
これまでの基礎研究において、数kbpの外来DNAをタバコ葉緑体ゲノムへ導入する葉緑体形質転換技術が確立されている(例えば、特許文献1参照。)。この場合、葉緑体へ目的の遺伝子を運ぶ葉緑体形質転換用ベクターは、pUCベクター等を基本として作製されている。しかし、従来は、pUCベクター等のクローン化できる外来DNAのサイズは、約8kbp程度までである。このため例えば脂肪酸合成酵素等のような8kbp以上の長鎖DNA断片を葉緑体形質転換用ベクターに挿入することは不可能であった。
また、最近のゲノム研究の進展により、機能発現のための遺伝子がクラスター構造をとっているケースが知られている。このような構造をとる遺伝子群は、8kbp以上のDNAの大きさを示すケースが多い。このため現在使用されているpUCベクター等を基本骨格とする葉緑体形質転換用ベクターを用いると、クラスター構造をとる遺伝子群のクローニングが困難である。また、クラスター構造をとっている遺伝子は、遺伝子群としての機能を発揮する場合が多い。このため、クラスター構造をとっている遺伝子においては、その遺伝子群を含む長鎖DNA断片を導入する事が望ましい。
植物への長鎖DNA断片導入について、約80kbpのDNAの核ゲノムへの導入成功例が報告されている(非特許文献1参照。)。しかし、植物核への遺伝子導入の場合、花粉の飛散による自然界への遺伝子伝播が問題視されている。一方、花粉の飛散による自然界への遺伝子伝播の可能性が低い、葉緑体形質転換におけるDNA導入の報告は、最長、約6kbpまでのDNA導入例しか報告されていない(非特許文献2参照。)。
In addition, it is known that genes for functional expression have a cluster structure due to recent progress in genome research. In many cases, the gene group having such a structure exhibits a DNA size of 8 kbp or more. For this reason, when a chloroplast transformation vector having a basic skeleton such as a pUC vector currently used is used, it is difficult to clone a gene group having a cluster structure. Moreover, the gene which has taken the cluster structure often exhibits the function as a gene group. For this reason, in a gene having a cluster structure, it is desirable to introduce a long-chain DNA fragment containing the gene group.
Regarding introduction of long-chain DNA fragments into plants, an example of successful introduction of about 80 kbp of DNA into the nuclear genome has been reported (see Non-Patent Document 1). However, in the case of gene introduction into the plant nucleus, gene transmission to nature due to pollen scattering is regarded as a problem. On the other hand, reports of DNA introduction in chloroplast transformation, which has a low possibility of gene transmission to nature due to pollen scattering, have only been reported up to a maximum of about 6 kbp (see Non-Patent Document 2). ).
本発明は、葉緑体ゲノムへ8kb以上の有用な長鎖DNA断片を導入できるベクターを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a vector capable of introducing a useful long-chain DNA fragment of 8 kb or more into a chloroplast genome.
本発明者らは、BAC(bacterial artificial chromosome)系の細菌人工合成ベクターに、2種類の葉緑体ゲノムDNA由来のDNAを挿入し、該葉緑体ゲノムDNA由来のDNAの間に8kbp以上の有用な長鎖DNA断片を導入したベクターを作製し、該ベクターを植物の葉細胞の葉緑体ゲノムに導入でき、該植物を形質転換できることを見出した。本発明者らは、これらの知見を基礎として更に研究を重ね、本発明を完成した。 The present inventors inserted a DNA derived from two types of chloroplast genomic DNA into a BAC (bacterial artificial chromosome) bacterial artificial synthetic vector, and the DNA derived from the chloroplast genomic DNA was 8 kbp or more. A vector in which a useful long DNA fragment was introduced was prepared, and it was found that the vector can be introduced into the chloroplast genome of a plant leaf cell and the plant can be transformed. Based on these findings, the present inventors have further studied and completed the present invention.
すなわち、本発明は、
[1] 2種類の葉緑体ゲノムDNA由来のDNAの間に、8kbp以上の被導入有用長鎖DNA断片を有することを特徴とする葉緑体形質転換用ベクター、
[2] 2種類の葉緑体ゲノムDNA由来のDNAが、葉緑体ゲノム上で2種類の構造遺伝子がその非コード領域を挟んで繋がる領域の塩基配列において、該非コード領域の5’側末端から3’側に又は3’側末端から5’側に少なくとも約50bpの位置で2分割されて得られる塩基配列を有し、非コード領域で分割された位置から2種類の構造遺伝子側に、それぞれ少なくとも約700bpの長さを有し、かつ分割された非コード領域に繋がる構造遺伝子の塩基配列を少なくとも50bp有するDNAであることを特徴とする前記[1]に記載のベクター、
[3] 2種類の構造遺伝子が、trnGとtrnfM、rbcL遺伝子とaccD遺伝子、trnIとtrnA及び3’rps12遺伝子とtrnVとの組み合わせから選択される2種類の遺伝子であることを特徴とする前記[2]に記載のベクター、
[4] 8kbp以上の被導入有用長鎖DNA断片が、(a)脂肪酸合成酵素遺伝子を含むDNA断片;(b)窒素固定酵素ニトロゲナーゼの構造遺伝子を含むDNA断片;(c)光合成に関与するカルビンサイクルの律速酵素群を構成する酵素をコードするDNAを連結したDNA断片;(d)植物体で生産される有用成分の生合成に関わる酵素遺伝子を含むDNA断片;(e)病虫害耐性タンパク質をコードする遺伝子を含むDNA断片;(f)除草剤耐性タンパク質をコードする遺伝子を含むDNA断片;(g)環境ストレス耐性遺伝子又は生産効率に関わる遺伝子を含むDNA断片;(h)ゴムを生合成する遺伝子群を含むDNA断片;(i)炭化水素を生合成する遺伝子群を含むDNA断片;(j)アミノ酸を生合成する遺伝子群を含むDNA断片;(k)生分解性プラスチック原料等を生合成する遺伝子群を含むDNA断片;(l)セルロース合成酵素遺伝子群を含むDNA断片;(m)ポリケチド化合物合成酵素遺伝子群を含むDNA断片;(n)セルロース分解酵素遺伝子群を含むDNA断片から選択される少なくとも1種であることを特徴とする前記[1]〜[3]のいずれかに記載のベクター、
[5] 8kbp以上の被導入有用長鎖DNA断片が、ラン藻ゲノムDNA由来DNA断片であることを特徴とする前記[1]〜[3]のいずれかに記載のベクター、
[6] 前記[5]に記載のベクターで作製したラン藻ゲノムライブラリー、
[7] 前記[1]〜[5]のいずれかに記載のベクターで形質転換されていることを特徴とする植物、
[8] 前記[1]〜[5]のいずれかに記載のベクターを、植物の葉細胞に導入することを特徴とする植物葉緑体の形質転換方法、及び
[9] ベクターの導入が、パーティクルガンを用いることを特徴とする前記[8]に記載の形質転換方法、
に関する。
That is, the present invention
[1] A chloroplast transformation vector comprising a useful long-chain DNA fragment of 8 kbp or more introduced between two types of DNA derived from chloroplast genomic DNA,
[2] In the nucleotide sequence of a region where two types of chloroplast genome DNA are linked to each other with the two structural genes on the chloroplast genome across the non-coding region, the 5 ′ end of the non-coding region 3 'side or 5' side from the 3 'end and a base sequence obtained by dividing at least about 50 bp into two structural genes from the position divided at the non-coding region, The vector according to [1], wherein each of the vectors has a length of at least about 700 bp and has at least 50 bp of a base sequence of a structural gene linked to a divided non-coding region,
[3] The two types of structural genes described above, wherein the two types of genes are selected from the combination of trnG and trnfM, rbcL and accD genes, trnI and trnA, and 3′rps12 gene and trnV. 2],
[4] A useful long-chain DNA fragment of 8 kbp or more is (a) a DNA fragment containing a fatty acid synthase gene; (b) a DNA fragment containing a structural gene of nitrogen-fixing enzyme nitrogenase; (c) Calvin involved in photosynthesis A DNA fragment ligated with a DNA encoding an enzyme constituting a cycle-limiting enzyme group; (d) a DNA fragment containing an enzyme gene involved in biosynthesis of a useful component produced in a plant; (F) a DNA fragment containing a gene encoding a herbicide-resistant protein; (g) a DNA fragment containing an environmental stress tolerance gene or a gene related to production efficiency; (h) a gene that biosynthesizes rubber A DNA fragment comprising a group; (i) a DNA fragment comprising a gene group that biosynthesizes hydrocarbons; (j) a gene group that biosynthesizes amino acids; (K) a DNA fragment containing a gene group that biosynthesizes biodegradable plastic raw materials, etc .; (l) a DNA fragment containing a cellulose synthase gene group; (m) a DNA fragment containing a polyketide compound synthase gene group (N) the vector according to any one of [1] to [3] above, which is at least one selected from DNA fragments containing a cellulolytic enzyme gene group;
[5] The vector according to any one of [1] to [3] above, wherein the introduced long DNA fragment of 8 kbp or more is a DNA fragment derived from cyanobacterial genomic DNA,
[6] A cyanobacterial genomic library prepared with the vector according to [5],
[7] A plant transformed with the vector according to any one of [1] to [5],
[8] A method for transforming a plant chloroplast characterized by introducing the vector according to any one of [1] to [5] into a plant leaf cell, and [9] The transformation method according to [8], wherein a particle gun is used,
About.
本発明で構築した長鎖DNA断片導入葉緑体形質転換用ベクターを用いる事により、従来の葉緑体形質転換用ベクターでは導入が不可能であった、外来長鎖DNA断片を導入した葉緑体形質転換植物の創製が可能になった。
さらに、作製した葉緑体形質転換用ベクターは、ゲノム機能解析用長鎖ゲノムライブラリーの構築にも使用できる。また、長鎖ゲノムライブラリーを構築するベクターを用いると、長鎖ゲノムを直接葉緑体ゲノムへ導入できる、
本発明で構築した長鎖DNA断片導入葉緑体形質転換用ベクターを用いることにより、代謝経路に関連する一連の遺伝子群や、多重化有用遺伝子群を葉緑体ゲノムに一括導入することも可能となり、新たな代謝経路や新たな機能を付与した新規植物の創製が可能となる。
また、本発明の形質転換植物は、被導入有用長鎖遺伝子が核ゲノムではなく、葉緑体ゲノムに直接導入されるため、導入された遺伝子が花粉によって拡散する恐れがない。すなわち、例えば核に遺伝子が導入された植物のように、花粉が風や昆虫により広範囲に撒き散らされ、動植物界への悪影響を与える等の環境汚染の心配がない。また、系統間で発現が安定している。
本発明の形質転換方法によれば、有益な機能を有するタンパク質をコードする長鎖(又は多重)遺伝子を導入することにより、導入した遺伝子が形質転換された植物中で発現し、有益な機能を有するタンパク質が産生し得る。
Using the long-chain DNA fragment-introduced chloroplast transformation vector constructed in the present invention, a chloroplast into which an exogenous long-chain DNA fragment has been introduced, which could not be introduced with a conventional chloroplast transformation vector. Creation of body-transformed plants has become possible.
Furthermore, the produced chloroplast transformation vector can be used for the construction of a long-chain genomic library for genome function analysis. In addition, if a vector that constructs a long-chain genome library is used, the long-chain genome can be directly introduced into the chloroplast genome.
By using the long-chain DNA fragment-introduced chloroplast transformation vector constructed in the present invention, it is also possible to introduce a series of genes related to metabolic pathways and useful multiplexed genes into the chloroplast genome at once. Thus, it becomes possible to create new plants with new metabolic pathways and new functions.
Moreover, in the transformed plant of the present invention, since the introduced long gene to be introduced is directly introduced into the chloroplast genome instead of the nuclear genome, there is no fear that the introduced gene is diffused by pollen. That is, there is no concern about environmental pollution such as pollen being scattered over a wide area by wind or insects, such as a plant having a gene introduced into the nucleus. Moreover, the expression is stable between strains.
According to the transformation method of the present invention, by introducing a long chain (or multiple) gene encoding a protein having a beneficial function, the introduced gene is expressed in the transformed plant and has a beneficial function. The protein it has can be produced.
さらに、作製した葉緑体形質転換用ベクターは、ゲノム機能解析用長鎖ゲノムライブラリーの構築にも使用でき、ライブラリーから有用機能を持ったクローンを選び出し、直接葉緑体ゲノムへ形質転換できる。
葉緑体はラン藻などの原核生物と似ている細胞小器官もしくは同様の細胞小器官であると考えられている。また葉緑体ゲノムの遺伝子は原核生物同様ポリシストロニックな発現をする事が知られている。このような事から長鎖DNA導入用形質転換ベクターを用いて原核生物であるラン藻ゲノムライブラリーを大腸菌で作製することにより、ラン藻ゲノムの配列の決定や、遺伝子にアノテーション(注釈)をつけることにより有用遺伝子(群)を含んだクローンを選びだせば、選び出したクローンが有するDNAを直接葉緑体ゲノムへ導入する事ができる。また、作製したラン藻ゲノムライブラリーから特定の機能スクリーニングを行う事により機能を有するクローンを選び出すことができ、選び出したクローンが有するDNAを直接葉緑体ゲノムへ導入する事ができる。例えば、ライブラリーから窒素固定を行うクローンを探しだせれば、そのクローンが有するDNAを葉緑体ゲノムへ導入する事がでる。
Furthermore, the prepared chloroplast transformation vector can also be used to construct a long-chain genomic library for genome function analysis, and clones having useful functions can be selected from the library and transformed directly into the chloroplast genome. .
Chloroplasts are thought to be organelles similar to or similar to prokaryotes such as cyanobacteria. In addition, chloroplast genome genes are known to be polycistronically expressed like prokaryotes. For this reason, a prokaryotic cyanobacterial genome library is prepared in Escherichia coli using a transformation vector for introducing long-chain DNA, thereby determining the sequence of the cyanobacterial genome and annotating the gene. Thus, if a clone containing a useful gene (group) is selected, the DNA of the selected clone can be directly introduced into the chloroplast genome. In addition, clones having a function can be selected by performing a specific functional screening from the prepared cyanobacteria genome library, and the DNA of the selected clone can be directly introduced into the chloroplast genome. For example, if a clone that fixes nitrogen is found from a library, the DNA of the clone can be introduced into the chloroplast genome.
本発明の葉緑体形質転換用ベクターは2種類の葉緑体ゲノムDNA由来のDNAの間に、約8kbp以上の被導入有用長鎖DNA断片を有することを特徴とする。以下に、本発明の葉緑体形質転換用ベクターについて詳説する。 The chloroplast transformation vector of the present invention is characterized by having a useful long-chain DNA fragment of about 8 kbp or more introduced between two types of chloroplast genomic DNA. The chloroplast transformation vector of the present invention is described in detail below.
本発明において、「葉緑体」とは、緑色植物の、葉その他の緑色組織にある細胞小器官をいう。緑色植物とは、緑色の植物の総称をいい、葉緑素をもち、光合成を行うことができる植物であればその種類は問わない。緑色植物は、緑藻、車軸藻、コケ、シダ、種子植物の各門が属する。好ましい植物としては、タバコ、モロコシ、Brassica、コムギ、ワタ、オオムギ、ヒマワリ、キュウリ、レタス、アルファルファ、ダイズ、モロコシ、ポプラ、イネ又はシロイヌナズナ等が挙げられ、特にタバコが好ましい。また、本発明において「遺伝子」という用語には、DNAのみならずそのmRNA及びcDNAも含むものとする。したがって、本発明の遺伝子には、これらのDNA、mRNA及びcDNAの全てが含まれる。 In the present invention, “chloroplast” refers to a cell organelle in a leaf or other green tissue of a green plant. The green plant is a generic name for green plants, and any kind of plant can be used as long as it has chlorophyll and can perform photosynthesis. The green plants belong to the gates of green algae, axle algae, moss, ferns and seed plants. Preferable plants include tobacco, sorghum, Brassica, wheat, cotton, barley, sunflower, cucumber, lettuce, alfalfa, soybean, sorghum, poplar, rice or Arabidopsis thaliana, and tobacco is particularly preferable. In the present invention, the term “gene” includes not only DNA but also mRNA and cDNA thereof. Accordingly, the genes of the present invention include all of these DNAs, mRNAs and cDNAs.
葉緑体ゲノムDNAとしては、すでにジーンバンク等に登録され明らかになっている各種植物の葉緑体ゲノムDNA、例えばタバコ葉緑体ゲノムDNA(accession No.Z00044 S54304)等が挙げられる。 Examples of the chloroplast genomic DNA include chloroplast genomic DNA of various plants that have already been registered and clarified in Genebank, for example, tobacco chloroplast genomic DNA (accession No. Z00044 S54304).
「2種類の葉緑体ゲノムDNA由来のDNA」とは、葉緑体ゲノムDNAと相同組換えできる塩基配列を有するDNAであればよく、葉緑体ゲノムDNAに存在する構造遺伝子及び構造遺伝子以外の非コード領域の塩基配列を有するDNAをいうが、葉緑体ゲノムDNAのうち、葉緑体ゲノム上で2種類の構造遺伝子がその非コード領域を挟んで繋がる領域の塩基配列において、該非コード領域の任意の位置(非コード領域の5’側末端から3’側に又は3’側末端から5’側に少なくとも約50bp、好ましくは約100〜1000bp、より好ましくは約200〜500bpの位置)で2分割されて得られる2種類の塩基配列(以下、それぞれを該非コード領域に繋がる構造遺伝子についての構造遺伝子領域という。)をそれぞれ有する2種類のDNAが好ましい。構造遺伝子領域の塩基配列は、分割されて得られる全ての塩基配列を有する必要はない。該塩基配列は、非コード領域で分割された位置から構造遺伝子側に、少なくとも約700bp、好ましくは約700〜2000bpを有し、かつ該分割された非コード領域に繋がる構造遺伝子の塩基配列を少なくとも約50bp(好ましくは約100〜1000bp、さらに好ましくは約200〜800bp)有すればよい The “two types of DNA derived from chloroplast genomic DNA” may be any DNA having a base sequence capable of homologous recombination with chloroplast genomic DNA, other than structural genes and structural genes present in chloroplast genomic DNA. In the chloroplast genomic DNA, in the base sequence of the region where two types of structural genes are connected across the non-coding region, the non-coding region Arbitrary position of the region (position of at least about 50 bp, preferably about 100 to 1000 bp, more preferably about 200 to 500 bp from the 5 ′ end to the 3 ′ side or from the 3 ′ end to the 5 ′ side of the non-coding region) Each having two types of base sequences obtained by dividing into two (hereinafter referred to as structural gene regions for structural genes linked to the non-coding region). The type of DNA is preferred. The base sequence of the structural gene region need not have all base sequences obtained by dividing. The base sequence has at least about 700 bp, preferably about 700 to 2000 bp from the position divided by the non-coding region to the structural gene side, and at least the base sequence of the structural gene linked to the divided non-coding region. About 50 bp (preferably about 100 to 1000 bp, more preferably about 200 to 800 bp)
上記「構造遺伝子」とは、葉緑体ゲノムDNAのうち、タンパク質、リボソームRNA又は転移RNAをコードしている領域をいう。構造遺伝子としては、例えば光合成にかかわる酵素であるRubiscoの大サブユニットをコードするrbcL遺伝子及び植物において脂肪酸合成に関与している酵素のアセチルCoAカルボキシラーゼベータサブユニットをコードするaccD遺伝子が好ましく挙げられる。また、rbcL遺伝子やaccD遺伝子以外の葉緑体ゲノムDNA由来の好ましい構造遺伝子としては、trnG(tRNA−Gly(GCC))、trnfM(tRNA−fMet(CAU))、trnI(tRNA−Ile(GAU))、trnA(tRNA−Ala(UGU))、trnV(tRNA−Val(GAC))又は3’rps12(リボソーマルプロテインS12エクソン−3)遺伝子等が挙げられる。
「非コード領域」とは、葉緑体ゲノムDNA上でのタンパク質、リボソームRNA又は転移RNAをコードする構造遺伝子以外の領域をいう。非コード領域には、遺伝子発現調節領域(例えばプロモーター、ターミネーター等)などを含む。
The “structural gene” refers to a region encoding protein, ribosomal RNA, or transfer RNA in chloroplast genomic DNA. Preferred examples of the structural gene include an rbcL gene encoding a large subunit of Rubisco, which is an enzyme involved in photosynthesis, and an accD gene encoding an acetyl CoA carboxylase beta subunit of an enzyme involved in fatty acid synthesis in plants. In addition, preferable structural genes derived from chloroplast genomic DNA other than the rbcL gene and the accD gene include trnG (tRNA-Gly (GCC)), trnfM (tRNA-fMet (CAU)), trnI (tRNA-Ile (GAU)). ), TrnA (tRNA-Ala (UGU)), trnV (tRNA-Val (GAC)) or 3′rps12 (ribosomal protein S12 exon-3) gene.
The “non-coding region” refers to a region other than a structural gene encoding a protein, ribosomal RNA, or transfer RNA on chloroplast genomic DNA. Non-coding regions include gene expression regulatory regions (eg, promoters, terminators, etc.) and the like.
非コード領域を挟んで繋がる領域における2種類の構造遺伝子としては、例えば、trnGとtrnfM、rbcL遺伝子とaccD遺伝子、trnIとtrnA、又は3’rps12遺伝子とtrnVと等を好ましく挙げることができる。とりわけ好ましくは、rbcL遺伝子とaccD遺伝子である。 Preferred examples of the two types of structural genes in the region connected across the non-coding region include trnG and trnfM, rbcL gene and accD gene, trnI and trnA, or 3'rps12 gene and trnV. Particularly preferred are the rbcL gene and the accD gene.
葉緑体ゲノム上で2種類の構造遺伝子がその非コード領域を挟んで繋がる領域の塩基配列において、該非コード領域の任意の位置で2分割されて得られる2種類の構造遺伝子領域としては、trnG領域とtrnfM領域;rbcL遺伝子領域とaccD遺伝子領域;trnI領域とtrnA領域;3’rps12遺伝子領域とtrnV領域が挙げられる。好ましくは、rbcL遺伝子領域とaccD遺伝子領域である。 In the nucleotide sequence of the region where two types of structural genes are connected across the non-coding region on the chloroplast genome, the two types of structural gene regions obtained by dividing into two at any position of the non-coding region include trnG Examples include regions and trnfM regions; rbcL gene regions and accD gene regions; trnI regions and trnA regions; 3′rps12 gene regions and trnV regions. Preferably, the rbcL gene region and the accD gene region.
また、葉緑体ゲノムDNA由来のDNAとしては、上記した葉緑体ゲノムDNA由来のDNAと実質的に同一の配列、又は葉緑体ゲノムDNA由来のDNA又は該DNAと実質的に同一の配列と相補的な塩基配列を有するDNAが挙げられる。また葉緑体ゲノムDNA由来のDNAと相同性を示す配列を有し、葉緑体ゲノムDNAと相同組換えできる配列を有するDNAが挙げられる。
前記実質的に同一とは、一塩基多型(single nucleotide polymorphisms;SNP)のことをいう。
「相補的な塩基配列」とは、葉緑体ゲノムDNAにおいて、その葉緑体ゲノムDNAの塩基配列に対して塩基対合則(アデニン/チミン、シトシン/グアニン)に従って形成される塩基配列をいう。
「相同性を示す配列」とは、葉緑体ゲノムDNAにおける、例えば構造遺伝子領域の塩基配列との一致の度合いが少なくとも約50%、好ましくは約60%以上、より好ましくは約80%以上、さらに好ましくは約90%以上、とりわけ好ましくは約95%以上である塩基配列、又は完全な相補性はないが、安定な構造をとるのに十分な塩基対が形成される塩基配列をいう。
The DNA derived from chloroplast genomic DNA is substantially the same sequence as the DNA derived from chloroplast genomic DNA described above, or the DNA derived from chloroplast genomic DNA or the sequence substantially identical to the DNA. And DNA having a complementary base sequence. Moreover, DNA having a sequence showing homology with DNA derived from chloroplast genomic DNA and having a sequence capable of homologous recombination with chloroplast genomic DNA can be mentioned.
The term “substantially identical” refers to a single nucleotide polymorphism (SNP).
The “complementary base sequence” refers to a base sequence formed in chloroplast genomic DNA according to the base pairing rules (adenine / thymine, cytosine / guanine) with respect to the base sequence of the chloroplast genomic DNA. .
The “sequence showing homology” means, for example, the degree of coincidence with the nucleotide sequence of the structural gene region in chloroplast genomic DNA is at least about 50%, preferably about 60% or more, more preferably about 80% or more, More preferably, it refers to a base sequence that is about 90% or more, particularly preferably about 95% or more, or a base sequence that is not completely complementary but has sufficient base pairs to form a stable structure.
また、葉緑体ゲノムDNA由来のDNAとしては、上記した葉緑体ゲノムDNA由来のDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ、葉緑体ゲノムDNAと相同組換えできるDNAを単離することによっても、本発明に用いられるDNAが得られる。「ストリンジェントな条件下でハイブリダイズするDNA」とは、例えば、配列番号1に示すDNAの部分配列をプローブとして、コロニー・ハイブリダイゼーション法、プラーク・ハイブリダイゼーション法、あるいはサザンブロットハイブリダイゼーション法等を用いることにより得られるDNAを意味する。なお、ここでいう「ストリンジェントな条件」とは、いわゆる特異的なハイブリッドが形成され、非特異的なハイブリッドが形成されない条件をいう。この条件を明確に数値化することは困難であるが、相同性が高いDNA同士、例えば、少なくとも配列番号1で示される塩基配列と約50%以上、好ましくは約60%以上、より好ましくは約80%以上の相同性を有するDNA同士がハイブリダイズし、それより相同性が低いDNA同士がハイブリダイズしない条件、あるいは、約0.1〜2倍程度の濃度のSSC溶液(1倍濃度のSSC溶液の組成は、150mM塩化ナトリウム、15mMクエン酸ナトリウムよりなる。)、温度約65℃程度でのハイブリダイズ条件をいう。なお、相同性はBLASTにより計算された場合である。 In addition, the DNA derived from chloroplast genomic DNA is hybridized under stringent conditions with DNA having a base sequence complementary to the DNA derived from chloroplast genomic DNA described above, and chloroplast genomic DNA. The DNA used in the present invention can also be obtained by isolating DNA capable of homologous recombination with. “DNA that hybridizes under stringent conditions” means, for example, a colony hybridization method, a plaque hybridization method, or a Southern blot hybridization method using the partial sequence of DNA shown in SEQ ID NO: 1 as a probe. It means DNA obtained by use. Here, “stringent conditions” refer to conditions under which so-called specific hybrids are formed and non-specific hybrids are not formed. Although it is difficult to quantify this condition clearly, DNAs having high homology, for example, at least about 50%, preferably about 60% or more, more preferably about 5% or more with the base sequence represented by SEQ ID NO: 1. A condition in which DNAs having a homology of 80% or more hybridize to each other and DNAs having lower homology to each other do not hybridize, or an SSC solution having a concentration of about 0.1 to 2 times (single-concentration SSC The composition of the solution consists of 150 mM sodium chloride and 15 mM sodium citrate.) Hybridization conditions at a temperature of about 65 ° C. The homology is calculated by BLAST.
上記、長鎖DNA断片が葉緑体ゲノム中に導入される位置は、本発明のベクターに使用される2種類の葉緑体ゲノムDNA由来のDNAによって異なる。2種類の葉緑体ゲノムDNA由来のDNAがtrnG領域由来DNAとtrnfM領域由来DNA、rbcL遺伝子領域由来DNAとaccD遺伝子領域由来DNA、trnI領域由来DNAとtrnA領域由来DNA又は3’rps12遺伝子領域由来DNAとtrnV領域由来DNAである場合、長鎖DNA断片は、それぞれ葉緑体ゲノムのtrnG領域とtrnfM領域の間、rbcL遺伝子領域とaccD遺伝子領域の間、trnI領域とtrnA領域の間又は3’rps12遺伝子領域とtrnV領域の間等であり、それぞれの構造遺伝子から充分な距離を置いた非コード領域が望ましい。前記充分な距離とは、構造遺伝子から少なくとも約50塩基以上、好ましくは約100〜1000塩基程度、より好ましくは約200〜500塩基程度である。
以下に葉緑体ゲノムDNA由来のDNAとして、rbcL遺伝子領域由来DNAとaccD遺伝子領域由来DNAを使用した本発明の葉緑体形質転換用ベクターにつき、より詳細に説明する。rbcL遺伝子とaccD遺伝子がその非コード領域を挟んで繋がる領域の塩基配列としては、例えばタバコ葉緑体DNAとしてジーンバンクに登録されているaccession No.Z00044 S54304における57595..61331の領域の塩基配列が挙げられる。
The position where the long DNA fragment is introduced into the chloroplast genome varies depending on the DNA derived from the two types of chloroplast genome DNA used in the vector of the present invention. Two types of DNA derived from chloroplast genomic DNA are derived from trnG region-derived DNA and trnfM region-derived DNA, rbcL gene region-derived DNA and accD gene region-derived DNA, trnI region-derived DNA and trnA region-derived DNA, or 3'rps12 gene region In the case of DNA and trnV region-derived DNA, the long-chain DNA fragments are respectively located between the trnG region and trnfM region, between the rbcL gene region and the accD gene region, between the trnI region and the trnA region, or 3 ′. A non-coding region is desirable, such as between the rps12 gene region and the trnV region, and at a sufficient distance from each structural gene. The sufficient distance is at least about 50 bases from the structural gene, preferably about 100 to 1000 bases, more preferably about 200 to 500 bases.
The chloroplast transformation vector of the present invention using rbcL gene region-derived DNA and accD gene region-derived DNA as DNA derived from chloroplast genomic DNA will be described in more detail below. Examples of the base sequence of the region where the rbcL gene and the accD gene are connected via the non-coding region include, for example, accession No. registered in Genebank as tobacco chloroplast DNA. 570004 in Z00044 S54304. . The base sequence of the 61331 region can be mentioned.
rbcL遺伝子は、葉緑体ゲノムにコードされているRubisco大サブユニットの遺伝子である。Rubisco大サブユニットは、光合成CO2固定反応回路(カルビンサイクル)において、初発段階であるCO2固定反応(カルボキシラーゼ反応)を触媒し、前記回路における代謝回転の律速となる鍵酵素である。また、該酵素は酸素(O2)を固定する反応(オキシゲナーゼ反応)も触媒する。 The rbcL gene is a Rubisco large subunit gene encoded in the chloroplast genome. The large Rubisco subunit is a key enzyme that catalyzes the CO 2 fixation reaction (carboxylase reaction), which is the initial stage, in the photosynthetic CO 2 fixation reaction circuit (calvin cycle), and controls the rate of turnover in the circuit. The enzyme also catalyzes a reaction for fixing oxygen (O 2 ) (oxygenase reaction).
rbcL遺伝子領域由来DNAとしては、例えばタバコ葉緑体ゲノムDNA由来のrbcL遺伝子領域の塩基配列[配列表の配列番号1に示される塩基配列(1729bp)]を有するDNAを用いることができる。また、前記rbcL遺伝子領域の塩基配列と相補的な塩基配列、又はrbcL遺伝子領域の塩基配列若しくはその相補的な塩基配列中の1個又は複数個の塩基、例えば、1〜数個(約5〜10)個の塩基が欠失されるか、又は別の塩基に置換されるか、又は1〜数個(約5〜10)個の別の塩基が付加されるかして改変されたDNAが、タバコ葉緑体rbcL遺伝子領域と相同的組換えし得る配列であれば好ましく用いることができる。 As the DNA derived from the rbcL gene region, for example, DNA having the base sequence of the rbcL gene region derived from tobacco chloroplast genomic DNA [base sequence (1729 bp) shown in SEQ ID NO: 1 of Sequence Listing] can be used. Further, the base sequence complementary to the base sequence of the rbcL gene region, or one or a plurality of bases in the base sequence of the rbcL gene region or the complementary base sequence thereof, for example, 1 to several (about 5 to about 5 10) DNA modified by deletion of one base, substitution by another base, or addition of one to several (about 5-10) other bases Any sequence capable of homologous recombination with the tobacco chloroplast rbcL gene region can be preferably used.
また、前記rbcL遺伝子領域由来DNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ葉緑体rbcL遺伝子と相同組換えできるDNAであれば、本発明に用いられる。「ストリンジェントな条件下でハイブリダイズするDNA」及び「ストリンジェントな条件」は、上記と同様である。 In addition, any DNA that hybridizes under stringent conditions with DNA consisting of a base sequence complementary to the rbcL gene region-derived DNA and can homologously recombine with the chloroplast rbcL gene is used in the present invention. “DNA that hybridizes under stringent conditions” and “stringent conditions” are the same as described above.
accD遺伝子は、葉緑体ゲノムにコードされているアセチルCoAカルボキシラーゼベータサブユニットの遺伝子である。アセチルCoAカルボキシラーゼは、植物において脂肪酸合成に関与している酵素である。 The accD gene is a gene of acetyl CoA carboxylase beta subunit encoded by the chloroplast genome. Acetyl CoA carboxylase is an enzyme involved in fatty acid synthesis in plants.
accD遺伝子領域由来DNAとしては、例えばタバコ葉緑体ゲノムDNA由来のaccD遺伝子領域の塩基配列[配列表の配列番号2に示される塩基配列(1183bp)]、を有するDNAを用いることができる。また、前記accD遺伝子領域の塩基配列と相補的な塩基配列、又はaccD遺伝子領域の塩基配列若しくはその相補的な塩基配列中の1個又は複数個の塩基、例えば、1〜数個(約5〜10)個の塩基が欠失されるか、又は別の塩基に置換されるか、又は1〜数個(約5〜10)個の別の塩基が付加されるかして改変されたDNAが、タバコ葉緑体accD遺伝子領域と相同的組換えし得る配列であれば好ましく用いることができる。 As the accD gene region-derived DNA, for example, DNA having the base sequence of the accD gene region derived from tobacco chloroplast genomic DNA [base sequence (1183 bp) shown in SEQ ID NO: 2 of the sequence listing]) can be used. Further, a base sequence complementary to the base sequence of the accD gene region, or one or a plurality of bases in the base sequence of the accD gene region or the complementary base sequence thereof, for example, 1 to several (about 5 to about 5 10) DNA modified by deletion of one base, substitution by another base, or addition of one to several (about 5-10) other bases Any sequence capable of homologous recombination with the tobacco chloroplast accD gene region can be preferably used.
また、前記accD遺伝子領域由来DNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ葉緑体accD遺伝子と相同組換えできるDNAであれば、本発明に用いられる。「ストリンジェントな条件下でハイブリダイズするDNA」及び「ストリンジェントな条件」は、上記と同様である。 Any DNA that hybridizes under stringent conditions with DNA consisting of a base sequence complementary to the accD gene region-derived DNA and can homologously recombine with the chloroplast accD gene is used in the present invention. “DNA that hybridizes under stringent conditions” and “stringent conditions” are the same as described above.
なお、形質転換される植物の葉緑体全ゲノム塩基配列が未知の場合は、植物の葉緑体ゲノムを公知の方法、例えば新生化学実験講座第2巻 核酸1分離精製(日本生化学会編)東京化学同人、pp.29−32(1991)に記載の方法やCTAB(Cetyl trimethyl ammonium bromide)法等に従って抽出し、遺伝子のその配列相同性に基づいて、周知技術に従って単離され得る。この場合、公知のコード配列(例えばタバコ葉緑体ゲノムのrbcL又はaccD遺伝子の塩基配列)のすべてまたは部分が、形質転換される植物由来のゲノムライブラリーもしくはcDNAライブラリー中に存在する配列に対して選択的にハイブリダイズするプローブとして使用されるか、あるいはPCRプライマーを設計するために使用される。 In addition, when the chloroplast whole genome base sequence of the plant to be transformed is unknown, the chloroplast genome of the plant is known by a known method, for example, New Chemistry Experiment Course Volume 2 Nucleic Acid 1 Separation and Purification (Edited by the Japanese Biochemical Society) Tokyo Chemical Doujin, pp. 29-32 (1991), CTAB (Cetyl trimethyl ammonium bromide) method and the like, and can be isolated according to well-known techniques based on the sequence homology of the gene. In this case, all or part of a known coding sequence (for example, the base sequence of rbcL or accD gene of tobacco chloroplast genome) is compared to the sequence present in the plant-derived genomic library or cDNA library. Or as a probe that selectively hybridizes, or used to design PCR primers.
本発明のベクターは、上記2種類の葉緑体ゲノムDNA由来のDNA配列の間には、約8kbp以上の被導入有用長鎖DNA断片(以下、単に長鎖DNA断片という。)を含むDNAを挿入できる。なお、前記「約8kbp以上の長鎖DNA断片を含むDNAを挿入できる」とは、約8kbp未満のDNA断片を含むDNAの挿入は当然に可能であり、従来不可能であった約8kbp以上の長鎖DNA断片を含むDNAも挿入できるという意味である。 The vector of the present invention comprises a DNA comprising a useful long-chain DNA fragment (hereinafter simply referred to as a long-chain DNA fragment) of about 8 kbp or more between the DNA sequences derived from the two types of chloroplast genomic DNA. Can be inserted. The above-mentioned "can insert a DNA containing a long-chain DNA fragment of about 8 kbp or more" means that a DNA containing a DNA fragment of less than about 8 kbp can naturally be inserted. This means that DNA containing a long DNA fragment can also be inserted.
長鎖DNA断片としては、約8kbp以上、好ましくは約8〜300kbp、より好ましくは約8〜200kbp、さらに好ましくは約8〜120kbp、とりわけ好ましくは約8〜80kbpの塩基配列を有するDNA断片で、かつ該DNAが発現することにより、有用な機能を発揮するDNAであればその種類は特に限定されない。有用な機能を発揮するDNAとしては、例えば植物の物質生産性を向上させる遺伝子を含むDNA断片、耐環境性を向上させる遺伝子を含むDNA断片、又は植物を省エネルギー型若しくは低環境負荷型の工業原料生産プロセスとして活用するために必要な複数の遺伝子(調節遺伝子を含む)含むDNA断片等が挙げられる。長鎖DNA断片は、植物固有の遺伝子でも、また外来遺伝子(例えば、他種植物、動物、細菌、酵母等の遺伝子)でもよい。また、長鎖DNA断片は、一つの遺伝子が約8kbp以上の塩基配列を有するDNA断片でもよく、複数の遺伝子を連結して約8kbp以上の塩基配列をなすDNA断片でもよい。このような長鎖DNA断片としては、例えば(a)脂肪酸合成酵素遺伝子(例えば、fabH、fabD、fabG、acpP、fabF遺伝子又はそれらの遺伝子群)を含むDNA断片;(b)窒素固定酵素ニトロゲナーゼの構造遺伝子(例えば、窒素固定nifH、nifD、nifK又はそれらの遺伝子群、窒素固定酵素ニトロゲナーゼの制御遺伝子のnifA等)を含むDNA断片;(c)光合成に関与するカルビンサイクルの律速酵素群を構成する酵素をコードするDNAを連結したDNA断片;(d)植物体で生産される有用成分の生合成に関わる酵素遺伝子(例えば.カロテノイド生合成酵素群等)を含むDNA断片;(e)病虫害耐性タンパク質(例えば、バチルス・チューリンゲス毒素等)をコードする遺伝子を含むDNA断片;(f)除草剤耐性タンパク質(例えば、5−エノールピルビルシキミ酸−3−リン酸合成酵素等)をコードする遺伝子を含むDNA断片;(g)環境ストレス耐性遺伝子又は生産効率に関わる遺伝子(調節遺伝子を含む;例えば、カタラーゼ等)を含むDNA断片;(h)ゴムを生合成する遺伝子群を含むDNA断片;(i)炭化水素を生合成する遺伝子群を含むDNA断片;(j)アミノ酸を生合成する遺伝子群を含むDNA断片;(k)生分解性プラスチック原料等を生合成する遺伝子群を含むDNA断片;(l)セルロース合成酵素遺伝子(例えば、bcsA、bcsB、bcsC、bcsD等)群を含むDNA断片;(m)ポリケチド化合物合成酵素遺伝子(例えば、aveA1、aveA2、aveA3等)群を含むDNA断片;(n)セルロース分解酵素遺伝子群を含むDNA断片;又は前記(a)から(n)で示されるDNA断片を2以上組み合わせたDNA断片等が挙げられる。 The long DNA fragment is a DNA fragment having a base sequence of about 8 kbp or more, preferably about 8 to 300 kbp, more preferably about 8 to 200 kbp, more preferably about 8 to 120 kbp, and particularly preferably about 8 to 80 kbp. The type of the DNA is not particularly limited as long as the DNA exhibits a useful function when expressed. Examples of DNA that exhibits useful functions include DNA fragments containing genes that improve plant material productivity, DNA fragments containing genes that improve environmental resistance, or plants that are energy-saving or low environmental load industrial raw materials Examples thereof include DNA fragments containing a plurality of genes (including regulatory genes) necessary for use as a production process. The long-chain DNA fragment may be a plant-specific gene or a foreign gene (for example, a gene of other species of plant, animal, bacteria, yeast, etc.). The long-chain DNA fragment may be a DNA fragment in which one gene has a base sequence of about 8 kbp or more, or a DNA fragment in which a plurality of genes are linked to form a base sequence of about 8 kbp or more. Examples of such a long-chain DNA fragment include (a) a DNA fragment containing a fatty acid synthase gene (for example, fabH, fabD, fabG, acpP, fabF gene or a gene group thereof); (b) a nitrogen-fixing enzyme nitrogenase A DNA fragment containing a structural gene (for example, nitrogen-fixed nifH, nifD, nifK or a gene group thereof, nifA of a nitrogen-fixing enzyme nitrogenase control gene); (c) constitutes a rate-limiting enzyme group of the Calvin cycle involved in photosynthesis A DNA fragment linking DNA encoding an enzyme; (d) a DNA fragment containing an enzyme gene (for example, carotenoid biosynthetic enzyme group, etc.) involved in biosynthesis of useful components produced in a plant; (e) disease-resistant protein DN containing a gene encoding (for example, Bacillus thuringes toxin etc.) A fragment; (f) a DNA fragment containing a gene encoding a herbicide-resistant protein (for example, 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase); (g) an environmental stress resistance gene or a gene related to production efficiency (H) a DNA fragment containing a group of genes that biosynthesizes rubber; (i) a DNA fragment containing a group of genes that biosynthesizes a hydrocarbon; (j) DNA fragments containing genes that biosynthesize amino acids; (k) DNA fragments containing genes that biosynthesize biodegradable plastic raw materials, etc .; (l) cellulose synthase genes (eg, bcsA, bcsB, bcsC, bcsD, etc.) A DNA fragment comprising a group; (m) a DN comprising a polyketide compound synthase gene (eg, aveA1, aveA2, aveA3, etc.) group Fragment; (n) a DNA fragment containing the cellulolytic enzyme genes; DNA fragment such as a DNA fragment in combination of two or more represented by or from said (a) (n) and the like.
また、本発明の葉緑体形質転換用ベクターは、長鎖DNA断片を含むDNAの翻訳開始点の上流に、リボゾーム結合部位を挿入してもよい。該導入遺伝子を含むDNAの上流にリボソーム結合部位を置くことにより、長鎖DNA断片に基づくタンパク質を高発現させることができる。該リボゾーム結合部位は長鎖DNA断片の翻訳開始点に連続して上流にあってもよいが、翻訳開始点の約7〜11塩基程度上流にあることが好ましく、約9塩基程度上流にあることがさらに好ましい。かかるリボゾーム結合部位は、リボゾームが結合できることが知られている自体公知の塩基配列を有していればよいが、SD配列が好ましい。SD配列は、Shine−Dalgarno sequenceの略称であり、約4〜7個のヌクレオチドからなるセグメントであって、その塩基配列は5’−AGGAGGU−3’の一部又は全部である。 Further, the chloroplast transformation vector of the present invention may have a ribosome binding site inserted upstream of the translation initiation point of DNA containing a long-chain DNA fragment. By placing a ribosome binding site upstream of the DNA containing the transgene, a protein based on a long DNA fragment can be highly expressed. The ribosome binding site may be upstream of the translation start point of the long DNA fragment, but is preferably about 7 to 11 bases upstream of the translation start point, and about 9 bases upstream. Is more preferable. Such a ribosome binding site may have a base sequence known per se that is known to be capable of binding to a ribosome, but an SD sequence is preferred. The SD sequence is an abbreviation for Shine-Dalgarno sequence and is a segment composed of about 4 to 7 nucleotides, and its base sequence is a part or all of 5'-AGGAGGU-3 '.
本発明の葉緑体形質転換用ベクターには、長鎖DNA断片を含むDNAのN末端側上流に植物細胞由来のプロモーターを挿入してもよい。該プロモーターとしては、例えば、エロンゲーションファクター1α遺伝子のプロモーター(EF1αプロモーター)、35Sプロモーター、psbAプロモーター、PPDKプロモーター、PsPAL1プロモーター、PALプロモーター、UBIZM1ユビキチンプロモーター、rrnプロモーター等が挙げられる。中でも、葉緑体ゲノムDNA由来のプロモーターが好ましい。なお、上記リボゾーム結合部位を、長鎖DNA断片を含むDNAの翻訳開始点の上流に挿入する場合には、該リボゾーム結合部位のさらに上流に前記プロモーターを挿入するのがよい。この場合、該プロモーターは、リボゾーム結合部位の上流であれば、リボゾーム結合部位に連続してもよく、約1〜30塩基程度上流にあってもよい。 In the chloroplast transformation vector of the present invention, a plant cell-derived promoter may be inserted upstream of the N-terminal side of DNA containing a long-chain DNA fragment. Examples of the promoter include an elongation factor 1α gene promoter (EF1α promoter), 35S promoter, psbA promoter, PPDK promoter, PsPAL1 promoter, PAL promoter, UBIZM1 ubiquitin promoter, rrn promoter, and the like. Among them, a promoter derived from chloroplast genomic DNA is preferable. When the ribosome binding site is inserted upstream of the translation start site of DNA containing a long-chain DNA fragment, the promoter is preferably inserted further upstream of the ribosome binding site. In this case, as long as the promoter is upstream of the ribosome binding site, it may be continuous with the ribosome binding site or may be about 1 to 30 bases upstream.
本発明の葉緑体形質転換用ベクターには、長鎖DNA断片を含むDNAのC末端側下流に植物由来のターミネーターを挿入してもよい。該ターミネーターは、長鎖DNA断片を含むDNAの下流であれば、該DNAに連続してもよく、約1〜30塩基程度下流にあってもよい。該ターミネーターとしては、例えば35Sターミネーター、rps16ターミネーター、CaMV35Sターミネーター、ORF25polyA転写ターミネーター、PsbAターミネーター等が挙げられる。中でも、葉緑体ゲノムDNA由来のターミネーターが好ましい。 In the chloroplast transformation vector of the present invention, a plant-derived terminator may be inserted downstream of the C-terminal side of DNA containing a long-chain DNA fragment. The terminator may be continuous with the DNA as long as it is downstream of the DNA containing the long-chain DNA fragment, or may be about 1 to 30 bases downstream. Examples of the terminator include 35S terminator, rps16 terminator, CaMV35S terminator, ORF25polyA transcription terminator, PsbA terminator and the like. Of these, terminators derived from chloroplast genomic DNA are preferred.
また、本発明の葉緑体形質転換用ベクターには、遺伝子組換え体を識別するための遺伝子を有することが好ましい。遺伝子組換え体を識別するための遺伝子としては、特に限定されず、自体公知のものを用いてよい。例えば、各種の薬剤耐性遺伝子(aadA)、又は宿主の栄養要求性を相補する遺伝子等が挙げられる。より具体的には、例えば、アンピシリン耐性遺伝子、ネオマイシン耐性遺伝子(G418耐性)、クロラムフェニコール耐性遺伝子、カナマイシン耐性遺伝子、スペクチノマイシン耐性遺伝子、URA3遺伝子等が挙げられる。また、該遺伝子の上流及び下流には、それぞれ該遺伝子を認識するためのプロモーター(以下、aadAプロモーターと略記する。)及び該遺伝子のターミネーター(以下、aadAターミネーターと略記する。)を配することが好ましい。該aadAプロモーター及びaadAターミネーターとして、上記した植物由来のプロモーター及びターミネーターを好ましく使用できるが、rrnプロモーター及びpsbAターミネーターが特に好適である。aadAプロモーター/aadA/aadAターミネーターをaadAカセットということもある。 In addition, the chloroplast transformation vector of the present invention preferably has a gene for identifying a gene recombinant. The gene for identifying the gene recombinant is not particularly limited, and a gene known per se may be used. Examples thereof include various drug resistance genes (aadA) or genes that complement the auxotrophy of the host. More specifically, for example, ampicillin resistance gene, neomycin resistance gene (G418 resistance), chloramphenicol resistance gene, kanamycin resistance gene, spectinomycin resistance gene, URA3 gene and the like can be mentioned. Further, a promoter for recognizing the gene (hereinafter abbreviated as aadA promoter) and a terminator for the gene (hereinafter abbreviated as aadA terminator) are arranged upstream and downstream of the gene, respectively. preferable. As the aadA promoter and aadA terminator, the above plant-derived promoters and terminators can be preferably used, but the rrn promoter and psbA terminator are particularly suitable. The aadA promoter / aadA / aadA terminator is sometimes referred to as an aadA cassette.
本発明の葉緑体形質転換用ベクターは、葉緑体ゲノムDNA由来のDNAを有するので、長鎖DNA断片が、相同組換えにより植物の葉緑体ゲノムに組み込まれやすくなるという利点がある。 Since the chloroplast transformation vector of the present invention has DNA derived from chloroplast genomic DNA, there is an advantage that long-chain DNA fragments are easily incorporated into the chloroplast genome of plants by homologous recombination.
本発明の葉緑体形質転換用ベクターに使用される、基本ベクターとしては、長鎖DNAがクローニング可能なベクターである市販のベクターや人工染色体を用いる事ができる。具体的には酵母人工染色体(YAC)のベクター(Molec.Reprod.Dev.1997年,第47巻,p.158−163)、細菌人工合成ベクター(BAC;bacterial artificial chromosome)ベクター又はフォスミド等が挙げられる。YACベクターとしてはpYAC2、pYAC3、pYAC4、pYACNeo等が挙げられる。BACベクターとしては、pCC1BAC、pBAC、plndigoBAC、pBeloBAC等が挙げられる。フォスミドとしては、pCCFOS等が挙げられる。好ましくは、BACベクターである。 As a basic vector used for the chloroplast transformation vector of the present invention, a commercially available vector or an artificial chromosome which is a vector capable of cloning long-chain DNA can be used. Specific examples include yeast artificial chromosome (YAC) vectors (Molec. Reprod. Dev. 1997, 47, 158-163), bacterial artificial synthetic vector (BAC) vectors, fosmids, and the like. It is done. Examples of YAC vectors include pYAC2, pYAC3, pYAC4, and pYACNeo. Examples of the BAC vector include pCC1BAC, pBAC, plndigoBAC, and pBeloBAC. Examples of the fosmid include pCCFOS. BAC vectors are preferred.
本発明のベクターの作製は例えば図1の手順にしたがって実施できる。まず、タバコ葉緑体ゲノムDNAのrbcL遺伝子領域由来DNAとaccD遺伝子領域由来DNAとの間の領域にマルチクローニングサイトを挿入したpUC19を、例えば特開2002−272476号公報に記載の方法に従って作製し、増幅する。該マルチクローニングサイトは、複数(約2〜10)の制限酵素部位(以下、制限酵素サイトともいう。)を有することが好ましい。制限酵素サイトとしては、例えばNotIサイト、NheIサイト、AscIサイト、PmlIサイト、ClaIサイト、MluIサイト又はSalIサイト等が挙げられる。これら制限酵素サイトは、各々制限酵素NotI、NheI、AscI、PmlI、ClaI、MluI又はSalIで切断され得る。 The vector of the present invention can be prepared, for example, according to the procedure shown in FIG. First, pUC19 in which a multicloning site is inserted into a region between rbcL gene region-derived DNA and accD gene region-derived DNA of tobacco chloroplast genomic DNA was prepared according to the method described in, for example, JP-A-2002-272476. Amplify. The multicloning site preferably has a plurality (about 2 to 10) of restriction enzyme sites (hereinafter also referred to as restriction enzyme sites). Examples of restriction enzyme sites include NotI site, NheI site, AscI site, PmlI site, ClaI site, MluI site, and SalI site. These restriction enzyme sites can be cleaved with restriction enzymes NotI, NheI, AscI, PmlI, ClaI, MluI or SalI, respectively.
次いで、増幅したpUC19から制限酵素(例えば、EcoRI及びHindIII等)を用いて、rbcL遺伝子領域由来DNAとaccD遺伝子領域由来DNAとの間の領域にマルチクローニングサイトを含む領域を切り出す。切り出した前記領域をBAC系ベクター、例えばpCC1BAC(EPICENTER社)に公知の方法で挿入し、pTA05を作製する。次いで、pTA05に挿入された前記領域のマルチクローニングサイトの任意の制限酵素サイトを特定の制限酵素を用いて切断し、その切断部位にaadAカセットを挿入することによって、本発明の葉緑体形質転換用ベクターpTA500が作製できる。また、マルチクローニングサイトの他の制限酵素サイトには、例えば長鎖DNA断片等を同様に導入することができる。 Next, a region containing a multicloning site is cut out from the amplified pUC19 in a region between the rbcL gene region-derived DNA and the accD gene region-derived DNA using a restriction enzyme (for example, EcoRI and HindIII). The cut out region is inserted into a BAC vector, for example, pCC1BAC (EPICENTER) by a known method to prepare pTA05. Next, the chloroplast transformation of the present invention is performed by cleaving an arbitrary restriction enzyme site of the multicloning site of the region inserted into pTA05 with a specific restriction enzyme and inserting an aadA cassette into the cleavage site. Vector pTA500 can be prepared. In addition, for example, long DNA fragments can be similarly introduced into other restriction enzyme sites of the multicloning site.
このようにして作製された本発明のベクターpTA500を、本発明の実施態様の1つとして図2に模式図として例示した。図中、rbcLはタバコ葉緑体ゲノムDNA由来のrbcL遺伝子領域を表す。accDはタバコ葉緑体ゲノムDNA由来のaccD遺伝子領域を表す。太線の大部分はpCC1BAC由来の塩基配列を表す。Prrnはタバコ葉緑体ゲノムDNA由来のrrnプロモーターを表す。aadAはスペクチノマイシン耐性遺伝子を表す。TpsbAはタバコ葉緑体ゲノムDNA由来のpsbAターミネーターを表す。塩基配列を記載した部位はマルチクローニングサイトである。マルチクローニングサイトの制限酵素部位、好ましくはAscIサイト、PmlIサイト、ClaIサイト、MluIサイト、SalIサイトの少なくとも1箇所に長鎖DNAが挿入されることを表す。 The vector pTA500 of the present invention thus produced is illustrated as a schematic diagram in FIG. 2 as one embodiment of the present invention. In the figure, rbcL represents the rbcL gene region derived from tobacco chloroplast genomic DNA. accD represents the accD gene region derived from tobacco chloroplast genomic DNA. Most of the bold lines represent pCC1BAC-derived base sequences. Prrn represents the rrn promoter derived from tobacco chloroplast genomic DNA. aadA represents a spectinomycin resistance gene. TpsbA represents a psbA terminator derived from tobacco chloroplast genomic DNA. The site describing the base sequence is a multicloning site. This means that long-chain DNA is inserted into at least one of the restriction enzyme sites of the multicloning site, preferably the AscI site, PmlI site, ClaI site, MluI site, and SalI site.
このようにして作製された葉緑体形質転換用ベクターを宿主細胞に導入し、形質転換体を作製する。このとき、宿主細胞としては、植物細胞が好ましく、植物の葉緑体がさらに好ましい。本発明の葉緑体形質転換用ベクターを宿主細胞、特にその葉緑体へ導入して形質転換する方法としては、公知の方法、例えばパーティクルガン法(Svab,Z.,Hajdukiewicz,P.,and Maliga,P.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,1990年,第87巻,p.8526−8530)やPEG法(Golds,T.,Maliga,P.,and Koop,H.−U.,Bio/Technol.,1993年,第11巻,p.95−97)等を好ましく用いることができる。例えば、パーティクルガン法は、ベクターを金又はタングステンの極めて細かい粒子にまぶし、この該ベクターの付着した粒子を火薬又は高圧ガスで宿主細胞に打ち込むことにより、ベクターを宿主細胞に導入することができる。 The chloroplast transformation vector thus prepared is introduced into a host cell to produce a transformant. In this case, the host cell is preferably a plant cell, and more preferably a plant chloroplast. As a method for transforming by introducing the chloroplast transformation vector of the present invention into a host cell, particularly its chloroplast, known methods such as the particle gun method (Svab, Z., Hajdukiwicz, P., and and others) Maliga, P., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1990, Vol. 87, p. 8526-8530) or the PEG method (Golds, T., Maliga, P., and Koop, H.-U. Bio / Technol., 1993, Vol. 11, p. 95-97) and the like can be preferably used. For example, in the particle gun method, a vector can be introduced into a host cell by coating the vector with very fine particles of gold or tungsten, and driving the particle to which the vector is adhered into the host cell with an explosive or high-pressure gas.
なお、上記の遺伝子工学又は生物工学の操作については、市販の実験書、例えば、1982年発行のモレキュラー・クローニング(Molecular Cloning)コールド・スプリング・ハーバー・ラボラトリー(Cold Spring Harbor Laboratory)、1989年発行のモレキュラー・クローニング第2版(Molecular Cloning, 2nd ed.)コールド・スプリング・ハーバー・ラボラトリー(Cold Spring Harbor Laboratory)等に記載された方法に従って容易に行うことができる。 The above-mentioned genetic engineering or biotechnological operations are described in commercial experiments, for example, Molecular Cloning, Cold Spring Harbor Laboratory published in 1982, published in 1989. It can be easily performed according to the method described in Molecular Cloning, 2nd edition (Molecular Cloning, 2nd ed.) Cold Spring Harbor Laboratory, etc.
ベクターが導入された植物の葉細胞は、培地で培養し、再分化して植物体とすることができる。カルス誘導培地又は再分化誘導培地の基礎培地としては、ガンボルグ(Gamborg)B5、ムラシゲ・スクーグ(Murashige−Skoog;MS)、ニッチ・ニッチ(Nitch&Nitch)等が挙げられる。培地には、培地を固めるための支持体等を添加するのがよい。支持体としては、例えば寒天、ゲランガム又はペーパーブリッジ等が挙げられる。
支持体の濃度は、培地のpH等により異なるが、例えばゲランガムの場合は約0.1〜0.5質量%、より好ましくは約0.15〜0.25質量%程度が好ましい。
Plant leaf cells into which the vector has been introduced can be cultured in a medium and redifferentiated into a plant body. Examples of the basal medium for the callus induction medium or the regeneration differentiation medium include Gamborg B5, Murashige-Skoog (MS), and Niche & Nitch. It is preferable to add a support for solidifying the medium to the medium. Examples of the support include agar, gellan gum, paper bridge and the like.
Although the density | concentration of a support body changes with pH etc. of a culture medium, in the case of gellan gum, for example, about 0.1-0.5 mass%, More preferably, about 0.15-0.25 mass% is preferable.
前記基礎培地には、所望により植物ホルモンを添加することができる。植物ホルモンとしては、オーキシン(例.ナフタレン酢酸、2−ナフトキシ酢酸、インドール酢酸、4−クロロインドール酢酸、インドール酪酸又は2,4−ジクロロフェノキシ酢酸等)又はサイトカイニン(例.カイネチン、ゼアチン、ベンジルアデニン、イソペンテニルアデニン、4−ピリジルフェニル尿素等)などが挙げられる。オーキシン及びサイトカイニンの濃度は、使用するオーキシン及びサイトカイニンにより異なるが、約0.01〜1.0mg/L、好ましくは約0.05〜0.2μMとなるよう基礎培地に添加され得る。 If desired, plant hormones can be added to the basal medium. Examples of plant hormones include auxin (eg, naphthalene acetic acid, 2-naphthoxyacetic acid, indole acetic acid, 4-chloroindole acetic acid, indole butyric acid or 2,4-dichlorophenoxyacetic acid) or cytokinin (eg, kinetin, zeatin, benzyladenine, Isopentenyl adenine, 4-pyridylphenyl urea, etc.). The concentration of auxin and cytokinin varies depending on the auxin and cytokinin used, but can be added to the basal medium to be about 0.01 to 1.0 mg / L, preferably about 0.05 to 0.2 μM.
また、上記基礎培地には、アミノ酸(例.グリシン等)、アデニン及び/又はココナツウォーター等を添加してもよい。
培地は、通常水酸化カリウム等でpH約4〜8、好ましくはpH約5〜7に調整される。
In addition, amino acids (eg, glycine, etc.), adenine and / or coconut water may be added to the basal medium.
The medium is usually adjusted to about pH 4-8, preferably about pH 5-7 with potassium hydroxide or the like.
本発明により形質転換される植物はいずれの種類であってもよく、例えばタバコ、モロコシ、Brassica、コムギ、ワタ、オオムギ、ヒマワリ、キュウリ、レタス、アルファルファ、ダイズ、モロコシ、ポプラ、イネ又はシロイヌナズナ等が挙げられる。好ましくはタバコである。 The plant transformed by the present invention may be of any kind, such as tobacco, sorghum, Brassica, wheat, cotton, barley, sunflower, cucumber, lettuce, alfalfa, soybean, sorghum, poplar, rice or Arabidopsis. Can be mentioned. Tobacco is preferred.
本発明により形質転換された植物は、導入された長鎖DNA断片に含まれる遺伝子が発現し、植物に種々の機能を付与することが可能となる。例えば二酸化炭素固定に重要な役目を果たす光合成に関与する酵素群をコードする遺伝子等が植物に導入されることにより、光合成に関与する酵素の産生が、通常の植物より高まり、植物の一次代謝である光合成の機能が改善される。その結果、該植物が早生し、植物の収穫量が増大する。また、前記遺伝子群が導入され、光合成に関与する酵素の産生が高められた植物は、大気中の二酸化炭素の取り込み率を高めるもとができるので、該植物の栽培によって大気中の二酸化炭素濃度を低減できる。よって、該植物を栽培することにより、地球温暖化の抑制にも貢献できる。;窒素固定化酵素をコードする遺伝子を導入することにより、形質転換された該遺伝子を発現する植物は、窒素固定化酵素が通常の植物より高まり、低窒素条件下でも生育が可能となるので、化学窒素肥料等の低減が図れ、環境に優しい植物の生産が可能となる。また、人為的に肥料を与えることが困難な山野等での窒素源の枯渇に耐え得る植物の生産が可能となる。;脂肪酸合成酵素をコードする遺伝子を導入することにより、形質転換された該遺伝子を発現する植物は、脂肪酸合成酵素が通常の植物より高まり、該植物において脂肪酸合成が促進され植物油の生産量を増やすことができる。;また、植物体で生産される有用成分の生合成に関わる酵素(例えば、カロテノイド生合成酵素群等)を発現できるので、カロテノイド等の有用成分含有の高い植物を生産できる。;バチルス・チューリンゲス毒素等の病虫害耐性タンパク質や5−エノールピルビルシキミ酸−3−リン酸合成酵素等の除草剤耐性タンパク質、或いは環境ストレス耐性に係わるカタラーゼ等のタンパク質が植物中で生産されることにより、病虫害に対し耐性を有する植物、除草剤に対し耐性を有する植物、環境に適応性の高い植物等の生産が可能となる。;さらに、ゴム、炭化水素、アミノ酸、生分解性プラスチック原料、セルロース、ポリケチド化合物又は/及びセルロース分解酵素等を、植物を用いて合成し得る。 The plant transformed by the present invention expresses a gene contained in the introduced long DNA fragment, and can impart various functions to the plant. For example, by introducing genes that encode enzymes involved in photosynthesis, which play an important role in carbon dioxide fixation, into plants, the production of enzymes involved in photosynthesis is higher than that of normal plants. Certain photosynthesis functions are improved. As a result, the plant grows early and the yield of the plant increases. In addition, since a plant into which the gene group has been introduced and production of an enzyme involved in photosynthesis is enhanced can increase the carbon dioxide uptake rate in the atmosphere, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere can be increased by cultivation of the plant. Can be reduced. Therefore, cultivating the plant can contribute to the suppression of global warming. By introducing a gene encoding a nitrogen-fixing enzyme, the plant expressing the transformed gene has a higher nitrogen-fixing enzyme than normal plants, and can grow under low nitrogen conditions; Reduction of chemical nitrogen fertilizer etc. can be achieved, and environmentally friendly plant production becomes possible. In addition, it is possible to produce plants that can withstand the depletion of nitrogen sources in mountains and the like where it is difficult to artificially apply fertilizer. By introducing a gene encoding a fatty acid synthase, the plant expressing the transformed gene has higher fatty acid synthase than a normal plant, promotes fatty acid synthesis in the plant, and increases the production of vegetable oil. be able to. In addition, since an enzyme (for example, carotenoid biosynthetic enzyme group) involved in biosynthesis of useful components produced in a plant body can be expressed, a plant having a high content of useful components such as carotenoids can be produced. Pest-resistant proteins such as Bacillus thuringes toxin, herbicide-resistant proteins such as 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase, or proteins such as catalase related to environmental stress resistance are produced in plants This makes it possible to produce plants that are resistant to pests, plants that are resistant to herbicides, plants that are highly adaptable to the environment, and the like. In addition, rubber, hydrocarbons, amino acids, biodegradable plastic raw materials, cellulose, polyketide compounds and / or cellulolytic enzymes can be synthesized using plants.
また、本発明の葉緑体形質転換用ベクターは、ゲノムDNAライブライリーの作製に使用できる。該ライブラリーとしては、例えばラン藻ゲノムDNAライブラリー等が挙げられる。
ラン藻等のゲノムDNAライブラリーの作製は、以下の方法により実施できる。
(1)まず、ラン藻ゲノムDNAを抽出する。ラン藻ゲノムDNAは、例えば新生化学実験講座第2巻 核酸1分離精製(日本生化学会編)東京化学同人、pp.29−32(1991)に記載の方法に従って抽出できる。
(2)次いで、長鎖DNA断片導入前の2種類の葉緑体ゲノムDNA由来のDNAの間に挿入された上記葉緑体形質転換用ベクターのマルチクローニングサイトの制限酵素サイトを制限酵素で切断する。制限酵素は、マルチクローニングサイトの制限酵素サイトを切断できる制限酵素の1種類又は2種類を用いて実施できる。例えばMluIサイトを制限酵素MluIで切断する等が挙げられる。制限酵素の切断末端は、脱リン酸処理することが好ましい。脱リン酸化処理は、例えば市販のアルカリフォスファターゼ(BAP、CIAP、SAP:タカラバイオ株式会社)等を用いて行い得る。
(3)上記(1)で抽出したラン藻ゲノムDNAは、上記(2)においてマルチクローニングサイトを切断した制限酵素と同じ制限酵素、例えばMluIで消化する。
(4)制限酵素で消化されたラン藻ゲノムDNAは、葉緑体形質転換用ベクターのマルチクローニングサイトの切断部位にライゲーションにより挿入する。ライゲーションは、例えばFast−Link DNA Ligase(EPICENTER社)等を用いて行い得る。
(5)制限酵素で消化されたラン藻ゲノムDNAが挿入されたベクターを、例えば大腸菌などの宿主に導入することによりラン藻ゲノムDNAライブラリーが作製できる。宿主への導入は、自体公知の例えば、エレクトロポレーション法等により行う事ができる。
In addition, the chloroplast transformation vector of the present invention can be used to produce a genomic DNA library. Examples of the library include cyanobacteria genomic DNA library.
A genomic DNA library such as cyanobacteria can be prepared by the following method.
(1) First, cyanobacteria genomic DNA is extracted. Cyanobacterial genomic DNA can be obtained from, for example, Shinsei Chemistry Laboratory Volume 2 Nucleic Acid 1 Separation and Purification (Edited by the Japanese Biochemical Society), Tokyo Chemical Dojin, pp. 29-32 (1991).
(2) Next, the restriction enzyme site of the multicloning site of the chloroplast transformation vector inserted between the two chloroplast genome DNAs before introduction of the long DNA fragment is cleaved with a restriction enzyme. To do. The restriction enzyme can be implemented using one or two restriction enzymes that can cleave the restriction enzyme site of the multicloning site. For example, the MluI site may be cleaved with the restriction enzyme MluI. The cleavage end of the restriction enzyme is preferably dephosphorylated. The dephosphorylation treatment can be performed using, for example, commercially available alkaline phosphatase (BAP, CIAP, SAP: Takara Bio Inc.).
(3) The cyanobacterial genomic DNA extracted in the above (1) is digested with the same restriction enzyme as that obtained by cleaving the multicloning site in the above (2), for example, MluI.
(4) The cyanobacterial genomic DNA digested with the restriction enzyme is inserted by ligation into the cleavage site of the multicloning site of the chloroplast transformation vector. Ligation can be performed using, for example, Fast-Link DNA Ligase (EPICENTER).
(5) A cyanobacterium genomic DNA library can be prepared by introducing a vector into which a cyanobacterium genomic DNA digested with a restriction enzyme is inserted into a host such as Escherichia coli. Introduction into the host can be carried out by a per se known method such as electroporation.
以下に、本発明の長鎖DNA断片導入葉緑体形質転換用ベクターの作製と、これを用いた、ラン藻ゲノムDNA断片をタバコ葉緑体に導入した例を示すが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, preparation of a vector for introducing long-chain DNA fragment of the present invention into a chloroplast transformation vector and an example of using this to introduce a cyanobacterial genomic DNA fragment into tobacco chloroplast will be described. The present invention is not limited to the examples.
長鎖DNA断片導入葉緑体形質転換用ベクターの構築
長鎖DNA断片導入葉緑体形質転換用ベクターの塩基配列を配列表の配列番号3に示した。まずタバコ葉緑体ゲノムのrbcL遺伝子領域由来DNA(配列表の配列番号1)とaccD遺伝子領域由来DNA(配列表の配列番号2)との間の領域にマルチクローニングサイト(配列表の配列番号4)を挿入したpUC19を特開2002−272476号公報に記載の方法に従って作製した。該マルチクローニングサイトは、制限酵素サイトとして、NheIサイト、AscIサイト、MluIサイト、PstIサイト、NotIサイト、SalIサイト、PmlIサイト及びClaIサイトを有する。
増幅したpUC19から、EcoRI及びHindIII制限酵素を用いて、rbcL遺伝子領域由来DNA/マルチクローニングサイト/accD遺伝子領域由来DNAを含む領域を切り出した。次いで、切り出した領域を、pCC1BAC(EPICENTER社)のEcoRIサイト及びHindIIIサイトに挿入し、pTA05を作製した。
別途、aadAカセットは、pLD6(accession NO.BD174931)を鋳型にフォワードプライマー(配列表の配列番号5;5’−GCTAGCTCTAGTTGGATTTGCTCCCC−3’)及びリバースプライマー(配列表の配列番号6;5’−GGCGCGCCTTCGAATATAGCTCTTCTTTC−3’)を用いてPCRで増幅し、pTA05のマルチクローニングサイトのNheI及びAscIサイトに導入した。なお、フォワードプライマーの5’側末端は、NheI制限酵素認識部位を、リバースプライマーの5’側末端は、AscI制限酵素認識部位を有する。このようにして、基本となる本発明の長鎖DNA断片導入用葉緑体形質転換用ベクターpTA500(図2;配列表の配列番号3)を作製した。なお、配列表の配列番号3の塩基配列において、rbcL遺伝子領域由来DNAは、第333番目から第2061番目、aadAカセットは第2079第から3418番目、accD遺伝子領域由来DNAは第3453番目から第4635番目に相当する。
Construction of Long DNA Fragment-Introduced Chloroplast Transformation Vector The base sequence of the long DNA fragment-introduced chloroplast transformation vector is shown in SEQ ID NO: 3 in the Sequence Listing. First, a multicloning site (SEQ ID NO: 4 in the sequence listing) is placed in a region between the rbcL gene region-derived DNA (SEQ ID NO: 1 in the sequence listing) and the accD gene region-derived DNA (SEQ ID NO: 2 in the sequence listing) of the tobacco chloroplast genome. ) Was inserted according to the method described in JP-A-2002-272476. The multicloning site has NheI site, AscI site, MluI site, PstI site, NotI site, SalI site, PmlI site and ClaI site as restriction enzyme sites.
A region containing rbcL gene region-derived DNA / multicloning site / accD gene region-derived DNA was excised from the amplified pUC19 using EcoRI and HindIII restriction enzymes. Next, the excised region was inserted into the EcoRI site and HindIII site of pCC1BAC (EPICENTER) to prepare pTA05.
Separately, the aadA cassette was prepared by using pLD6 (accession NO. BD174931) as a template as a forward primer (SEQ ID NO: 5; 5′-GCTAGCTCTAGTGTGATTTGCTCCCC-3 ′) and reverse primer (SEQ ID NO: 6; 5′-GGCGGCGCTCTCGAATATAGCTCTTCTCTC) 3 ') and amplified by PCR and introduced into the NheI and AscI sites of the multicloning site of pTA05. The 5 ′ end of the forward primer has an NheI restriction enzyme recognition site, and the 5 ′ end of the reverse primer has an AscI restriction enzyme recognition site. In this manner, a basic chloroplast transformation vector pTA500 (FIG. 2; SEQ ID NO: 3 in the sequence listing) for introducing a long DNA fragment of the present invention was prepared. In the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 in the sequence listing, the DNA derived from the rbcL gene region is 333 to 2061, the aadA cassette is 2079 to 3418, and the accD gene region DNA is 3453 to 4635. Corresponds to the second.
長鎖DNA断片導入葉緑体形質転換用ベクターを用いたラン藻ゲノムDNAライブラリーの作製
(1)ラン藻ゲノムDNA断片の調製
ラン藻(Cyanothece sp.TU126)は、窒素源無しのA−N培地(Mitsui et al.,Nature,1988年,第323巻,p.720−722)を用いて27℃、で約1ヶ月間培養を行った。ゲノムの抽出は以下の手順により行った。湿重量約600mgの菌体を洗浄液[50mM Tris−HCl、1mM EDTA(pH8.0)]に懸濁し、洗浄した。菌体に1.5mLの飽和ヨウ化ナトリウム水溶液を加え、ミキサーを使って懸濁後、保温(37℃、20分間)した。菌体を滅菌水で洗浄後、540μLのTEN緩衝液[50mM Tris−HCl、20mM EDTA(pH8.0)、100mM NaCl]に懸濁した。50mg/mL リゾチームを、60μLを加え、混合後、保温(37℃、20分間)した。さらに、20mg/mL プロテアーゼK溶液(和光純薬株式会社)を加えた後、10% SDS(ドデシル硫酸ナトリウム)を30μL加え、保温(55℃、一晩)した。等量のTE飽和フェノール(株式会社ニッポンジーン)を加え、緩やかに混合(室温、20分間)した(以下、フェノール処理という。)。遠心分離し、水層を回収し、再度フェノール処理を行った。遠心分離後、回収した水層に等量のクロロホルム−イソアミルアルコール[24:1(V/V)]を加え、緩やかに混合した。遠心分離し、水層を回収した。クロロホルム−イソアミルアルコール[24:1(V/V)]抽出は中間層が消失するまで行った。回収した水層に等量のジエチルエーテルを加え、遠心分離し、水層を回収した。ジエチルエーテル処理を再度行った。水層に2.5倍容のエタノールを加え、緩やかに混合後、遠心分離した。上清を捨て、ペレットを70%エタノールで洗浄した後、100μLのTE緩衝液(50mM Tris−HCl、1mM EDTA(pH8.0))に溶解した。このように抽出したラン藻ゲノムに、2μgのゲノムに対し10unitのMluIを加え37℃で、一晩反応させ、ラン藻ゲノムDNA断片を調製した。
Preparation of cyanobacterial genomic DNA library using long-chain DNA fragment-introduced chloroplast transformation vector (1) Preparation of cyanobacterial genomic DNA fragment The cyanobacteria (Cyanothes sp. TU126) is an A-N without a nitrogen source. Culture was performed at 27 ° C. for about one month using a medium (Mitsui et al., Nature, 1988, 323, p. 720-722). Genome extraction was performed according to the following procedure. Cells having a wet weight of about 600 mg were suspended in a washing solution [50 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA (pH 8.0)] and washed. 1.5 mL of saturated sodium iodide aqueous solution was added to the cells, suspended using a mixer, and kept warm (37 ° C., 20 minutes). The cells were washed with sterilized water and suspended in 540 μL of TEN buffer [50 mM Tris-HCl, 20 mM EDTA (pH 8.0), 100 mM NaCl]. 60 μL of 50 mg / mL lysozyme was added, mixed, and incubated (37 ° C., 20 minutes). Furthermore, after adding 20 mg / mL protease K solution (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 30 μL of 10% SDS (sodium dodecyl sulfate) was added and incubated (55 ° C., overnight). An equal amount of TE saturated phenol (Nippon Gene Co., Ltd.) was added and gently mixed (room temperature, 20 minutes) (hereinafter referred to as phenol treatment). Centrifugation was performed, the aqueous layer was recovered, and phenol treatment was performed again. After centrifugation, an equal volume of chloroform-isoamyl alcohol [24: 1 (V / V)] was added to the recovered aqueous layer and mixed gently. Centrifugation was performed, and the aqueous layer was recovered. Chloroform-isoamyl alcohol [24: 1 (V / V)] extraction was performed until the intermediate layer disappeared. An equal amount of diethyl ether was added to the recovered aqueous layer and centrifuged to recover the aqueous layer. Diethyl ether treatment was performed again. 2.5 volumes of ethanol was added to the aqueous layer, mixed gently, and then centrifuged. The supernatant was discarded, the pellet was washed with 70% ethanol, and then dissolved in 100 μL of TE buffer (50 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA (pH 8.0)). The cyanobacterial genome thus extracted was added with 10 units of MluI to 2 μg of the genome and reacted at 37 ° C. overnight to prepare a cyanobacterial genomic DNA fragment.
(2)ラン藻ゲノムライブラリーの作製
実施例1で作製した長鎖DNA断片導入用葉緑体形質転換用ベクターpTA500のマルチクローニングサイトのMluI部位を制限酵素で切断し、末端を脱リン酸化処理した。脱リン酸化は、アルカリフォスファターゼ[Calf intestine alkaline phosphatase(CIAP);タカラバイオ株式会社]を用いて添付されているプロトコールに従って行った。リン酸化処理した長鎖DNA導入葉緑体形質転換用ベクターpTA500と上記(1)で調製したラン藻ゲノムDNA断片のライゲーションは、Fast−Link DNA Ligase(EPICENTER社)を用いて付属のプロトコールに従い行った。ラン藻ゲノムDNA断片がライゲーションされた上記ベクターをエレクトロポレーションによって大腸菌の中に導入することにより、ゲノムライブラリーを作製した。
作製したライブラリーからランダムにコロニーを選びだし、スペクチノマイシン及びクロラムフェニコールを添加したLB(Luria−Bertani)培地にて37℃、約16時間培養した。培養した大腸菌からQIAprep Spin Miniprep kit(QIAGEN社)を用いてプラスミドを精製した。精製したプラスミドをMluI(約1μgのプラスミドに対しMluI、1 unit)処理(37℃、2時間)し、パルスフィールド電気泳動(泳動時間13時間45分、フォワード9V/cm 、リバース6V/cm、0.05−0.92sec)にて長鎖DNA葉緑体形質転換用ベクターpTA500に導入されているラン藻ゲノムのサイズを調べた。ベクターに導入されたゲノムのサイズが約23、34、35kbpの3種類についてタバコ葉緑体ゲノムへ導入を試みた。
同時にこれら3種類のクローンについてのシーケンスを行った。シーケンス反応は、CEQ DTCS Quick Start kit(BECKMAN社)を用いて行い、シーケンスは、CEQ8000システム(BECKMAN社)で行った。方法はそれぞれ、添付のプロトコールに従った。シーケンス用のプライマーは、上流側は5’−GAACTTGTTTCTCTTCTTGC−3’(フォワードプライマー;配列表の配列番号21;配列表の配列番号3の第3263−3282番目に相当)、下流側は5’−CAACACGGAACAAAGGGGAC−3’(リバースプライマー;配列表の配列番号12;配列表の配列番号3の第3549−3568に相当)を用いた。
(2) Preparation of cyanobacterial genomic library The MluI site of the multicloning site of the chloroplast transformation vector pTA500 for introducing long DNA fragments prepared in Example 1 was cleaved with a restriction enzyme, and the end was dephosphorylated. did. Dephosphorylation was performed according to the attached protocol using alkaline phosphatase [Cal intestine alkaline phosphatase (CIAP); Takara Bio Inc.]. Ligation of the phosphorylated long-chain DNA-introduced chloroplast transformation vector pTA500 and the cyanobacterial genomic DNA fragment prepared in (1) above was performed using Fast-Link DNA Ligase (EPICENTER) according to the attached protocol. It was. A genome library was prepared by introducing the above-mentioned vector ligated with cyanobacterial genomic DNA fragment into E. coli by electroporation.
Colonies were randomly selected from the prepared library and cultured in an LB (Luria-Bertani) medium supplemented with spectinomycin and chloramphenicol at 37 ° C. for about 16 hours. The plasmid was purified from the cultured E. coli using QIAprep Spin Miniprep kit (QIAGEN). The purified plasmid was treated with MluI (MluI, 1 unit for about 1 μg of plasmid) (37 ° C., 2 hours), and pulsed field electrophoresis (electrophoresis time 13 hours 45 minutes, forward 9 V / cm 2, reverse 6 V / cm, 0 .05-0.92 sec), the size of the cyanobacterial genome introduced into the long-chain DNA chloroplast transformation vector pTA500 was examined. Attempts were made to introduce three types of genomes of about 23, 34, and 35 kbp into the tobacco chloroplast genome.
At the same time, these three types of clones were sequenced. The sequence reaction was performed using CEQ DTCS Quick Start kit (BECKMAN), and the sequence was performed with CEQ8000 system (BECKMAN). Each method followed the attached protocol. As for the primer for the sequence, the upstream side is 5′-GAACTTGTTTCTCTTCTTGC-3 ′ (forward primer; SEQ ID NO: 21 in the sequence listing; corresponding to the 3263-3282nd position in SEQ ID NO: 3 in the sequence listing), and the downstream side is 5′-CAACACGGGAACAAAGGGGAC -3 ′ (reverse primer; SEQ ID NO: 12 in the sequence listing; equivalent to 3549-3568 in SEQ ID NO: 3 in the sequence listing) was used.
実施例2で取得したラン藻ゲノムDNA断片が挿入された長鎖DNA断片導入葉緑体形質転換用ベクターpTA500を、タバコ葉細胞の葉緑体にパーティクルガン(型式PDS−1000/He BIO−RAD社製)を用いて導入し、葉緑体形質転換植物を作製した。パーティクルガン導入方法及びベクターを導入したタバコ葉細胞から植物への分化誘導は、既知の方法[Zora Svab,Peter Hajdukiewicz,and Pal Maliga、Proc.NatlAcad.Sci.USA、87,8526−8530(1990年)]によった。すなわち、直径0.6ミクロンの金粒子2.3mg、実施例2で作製した葉緑体形質転換用ベクター25μg、2.5M塩化カルシウム250μL及び0.1Mスペルミジン50μLとを混ぜ、1分毎に懸濁を10回(懸濁と懸濁の間は氷中に静置)行い、金粒子にベクターを付着させた。金粒子をエタノールで2回洗浄後、60μLのエタノールに懸濁した。これは10回分の打ち込み実験に使用できる量に相当する。パーティクルガン(型式PDS−1000/He BIO−RAD社製)を用いてタバコの葉細胞に金粒子を打ち込んだ。1回の実験当たり10回の打ち込みを行った。打ち込み圧力は900psiであった。打ち込みをして2日後、ベクターを打ち込んだ生葉を3mm四方の切片にメスで刻み、スペクチノマイシン(50mg/L)を含むMS(Murashige & Skoog)培地に置床した。
タバコ葉細胞の葉緑体ゲノムへ約23kbpのラン藻ゲノム断片が導入されたタバコ葉細胞から植物に分化し、成長した植物体を図4に示した。
The long-chain DNA fragment-introduced chloroplast transformation vector pTA500, into which the cyanobacterial genomic DNA fragment obtained in Example 2 was inserted, was used as a particle gun (type PDS-1000 / He BIO-RAD) on the chloroplast of tobacco leaf cells. To produce a chloroplast-transformed plant. Particle gun introduction method and differentiation induction from tobacco leaf cells into which a vector has been introduced into a plant are known methods [Zora Svab, Peter Hajdukiwicz, and Pal Malliga, Proc. NatlAcad. Sci. USA, 87, 8526-8530 (1990)]. That is, 2.3 mg of gold particles having a diameter of 0.6 microns, 25 μg of the chloroplast transformation vector prepared in Example 2, 250 μL of 2.5 M calcium chloride, and 50 μL of 0.1 M spermidine were mixed every minute. Turbidity was carried out 10 times (still in ice between suspensions) to attach the vector to the gold particles. The gold particles were washed twice with ethanol and then suspended in 60 μL of ethanol. This corresponds to an amount that can be used for 10 driving experiments. Gold particles were implanted into tobacco leaf cells using a particle gun (model PDS-1000 / He BIO-RAD). Ten implants were performed per experiment. The driving pressure was 900 psi. Two days after the implantation, the fresh leaves implanted with the vector were cut into 3 mm square sections with a scalpel and placed on MS (Murashige & Skog) medium containing spectinomycin (50 mg / L).
FIG. 4 shows a plant body which has been differentiated into a plant from a tobacco leaf cell having about 23 kbp of cyanobacterial genome fragment introduced into the chloroplast genome of the tobacco leaf cell.
PCRによるタバコ葉緑体形質転換体の解析
実施例3で得られたタバコ植物体の葉組織、約50mgを採取し、液体窒素下で破砕した。破砕したサンプルにDNA抽出バッファー[0.3M塩化ナトリウム、0.05Mとリス塩酸(pH7.5)、20mM EDTA、0.5質量%ドデシル硫酸ナトリウム、5M尿素、5質量%フェノール]を加えて、混合した。次いで、前記混合物をフェノール/クロロホルム/イソアミルアルコール[25/24/1(V/V/V)]で抽出し、エタノ−ルでDNAを沈澱させた後、抽出したDNAを風乾した。乾燥した抽出DNAに100μLのTE溶液(10mM トリス塩酸、pH8.0;1mM EDTA、pH8.0)を加え、DNAを溶解した。ラン藻ゲノムDNA断片の導入の有無を確認するPCRではタバコ植物体から抽出したDNA溶液を鋳型に表1に示すように、1クローンにつき3種類のforwardプライマー(表1のLT、MT、ST)とreverseプライマー(表1のLB、MB、SB)セットを用いてPCR反応を行った。
Analysis of Tobacco Chloroplast Transformant by PCR About 50 mg of tobacco plant leaf tissue obtained in Example 3 was collected and crushed under liquid nitrogen. Add the DNA extraction buffer [0.3 M sodium chloride, 0.05 M and squirrel hydrochloric acid (pH 7.5), 20 mM EDTA, 0.5 mass% sodium dodecyl sulfate, 5 M urea, 5 mass% phenol] to the crushed sample, Mixed. Next, the mixture was extracted with phenol / chloroform / isoamyl alcohol [25/24/1 (V / V / V)], DNA was precipitated with ethanol, and the extracted DNA was air-dried. To the dried extracted DNA, 100 μL of TE solution (10 mM Tris-HCl, pH 8.0; 1 mM EDTA, pH 8.0) was added to dissolve the DNA. In PCR for confirming the presence or absence of introduction of cyanobacterial genomic DNA fragments, as shown in Table 1, three kinds of forward primers (LT, MT and ST in Table 1) were used as a template with a DNA solution extracted from tobacco plants as a template. And reverse primer (LB, MB, SB in Table 1) set were used for PCR reaction.
前記PCRの産物をアガロースゲル電気泳動で分析した結果を図5に示した。実施例3の23kbpDNA断片が挿入されたタバコの葉のDNA抽出物(図5−2;A)及び実施例3に使用したベクター(図5−2;C)には、23kbpのバンドが見られた。23kbpDNA断片の塩基配列は配列表の配列番号22に示した。このことは、本発明の葉緑体形質転換用ベクターは23kbp(約8kbp以上)のDNA断片を挿入できることを示す。
表2のプライマーを用いて同様にして、PCRを行い、34kbpDNA断片(配列表の配列番号23)及び35kbpDNA断片(配列表の配列番号24)を確認した。
The results of analyzing the PCR product by agarose gel electrophoresis are shown in FIG. A 23 kbp band was observed in the DNA extract of tobacco leaves (Fig. 5-2; A) into which the 23 kbp DNA fragment of Example 3 was inserted and the vector used in Example 3 (Fig. 5-2; C). It was. The base sequence of the 23 kbp DNA fragment is shown in SEQ ID NO: 22 in the sequence listing. This indicates that the chloroplast transformation vector of the present invention can insert a DNA fragment of 23 kbp (about 8 kbp or more).
PCR was performed in the same manner using the primers of Table 2, and a 34 kbp DNA fragment (SEQ ID NO: 23 in the sequence listing) and a 35 kbp DNA fragment (SEQ ID NO: 24 in the sequence listing) were confirmed.
本発明のベクターを用いると、植物の葉緑体ゲノムに長鎖DNA断片が導入できるので、新たな代謝経路、機能が付与された新規植物の創製に有用である。 When the vector of the present invention is used, a long-chain DNA fragment can be introduced into the chloroplast genome of a plant, which is useful for the creation of a new plant having a new metabolic pathway and function.
Claims (9)
(b)該非コード領域に配列番号4で表されるマルチクローニングサイトを有し、
(c)該マルチクローニングサイトの両端に50〜1000bpの非コード領域を有し、
(d)該マルチクローニングサイトに8〜80kbpの被導入有用長鎖DNA断片が導入されていて、
(e)該マルチクローニングサイトで分割されたそれぞれの構造遺伝子のDNA配列、および、それに隣接する非コード領域のDNA配列が700〜2000bpであり、
(f)上記2種類の構造遺伝子が、rbcL遺伝子とaccD遺伝子である
ことを特徴とする長鎖DNA断片導入葉緑体形質転換用ベクター。 (a) It has a region where two types of structural genes on the chloroplast-derived genome are connected across the non-coding region ,
(b) having a multi-cloning site represented by SEQ ID NO: 4 in the non-coding region,
(c) having a non-coding region of 50 to 1000 bp at both ends of the multicloning site;
(d) 8-80 kbp of useful long DNA fragment to be introduced is introduced into the multicloning site,
(e) DNA sequences of the respective structural genes are separated by the multiple cloning site, and, a DNA sequence of non-coding region adjacent thereto is 700~2000Bp,
(f) the two types of structural genes, r Bcl gene and accD long DNA fragment introduced chloroplast transformation vector, which is a gene.
(b)該非コード領域に配列番号4で表されるマルチクローニングサイトを有し、(b) having a multi-cloning site represented by SEQ ID NO: 4 in the non-coding region,
(c)該マルチクローニングサイトの両端に50〜1000bpの非コード領域を有し、(c) having a non-coding region of 50 to 1000 bp at both ends of the multicloning site;
(d)該マルチクローニングサイトに8〜80kbpの被導入有用長鎖DNA断片が導入可能であり、(d) A useful long DNA fragment of 8 to 80 kbp can be introduced into the multicloning site,
(e)該マルチクローニングサイトで分割されたそれぞれの構造遺伝子のDNA配列、および、それに隣接する非コード領域のDNA配列が700〜2000bpであり、(e) The DNA sequence of each structural gene divided at the multicloning site and the DNA sequence of the non-coding region adjacent thereto are 700 to 2000 bp,
(f)上記2種類の構造遺伝子が、rbcL遺伝子とaccD遺伝子である(f) The two types of structural genes are the rbcL gene and the accD gene
ことを特徴とする長鎖DNA断片導入葉緑体形質転換用ベクター。A long-chain DNA fragment-introduced chloroplast transformation vector characterized by the above.
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