JP5764357B2 - Method for evaluating glycation of plants - Google Patents
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Description
本発明は、植物体の糖化効率を改善する方法、バイオマスエタノールの原料として好適な植物、バイオマスエタノールの製造方法、及び、植物体の易糖化性を評価する方法に関する。 The present invention relates to a method for improving the saccharification efficiency of a plant, a plant suitable as a raw material for biomass ethanol, a method for producing biomass ethanol, and a method for evaluating the saccharification property of a plant.
茎及び葉の中肋が褐色であるbrown midrib(bmないしはbmr、以降、bmrと記載)変異体は、トウモロコシで古くから知られており、現在までに、トウジンビエ、ソルガム、スーダングラス等の同じくC4型光合成を行うイネ科草本植物でも見つかっている。bmr表現型は、リグニン生合成に関わるシンナミルアルコールデヒドロゲナーゼ(CAD)やカフェイン酸3−O−メチルトランスフェラーゼ(COMT)の発現や活性の低下が関わっていることが分かっている。多くのbmr系統において、野生型よりも、リグニン含有量が低減している(例えば、非特許文献1参照。)。また、リグニン含有量の低減は、収穫量の減少、茎強度の低減等、植物体に様々な影響を与えることが知られている(例えば、非特許文献2参照。)。 Brown midrib (bm or bmr, hereinafter referred to as bmr) mutants whose stems and leaves are brown are long known for maize. To date, C4 such as pearl millet, sorghum, and Sudangrass are also used. It has also been found in grasses that perform type photosynthesis. The bmr phenotype has been shown to be associated with reduced expression and activity of cinnamyl alcohol dehydrogenase (CAD) and caffeic acid 3-O-methyltransferase (COMT) involved in lignin biosynthesis. In many bmr lines, the lignin content is reduced as compared to the wild type (see, for example, Non-Patent Document 1). In addition, it is known that the reduction in lignin content has various effects on plants such as a reduction in yield and stem strength (see, for example, Non-Patent Document 2).
CADは、Zn2+依存性 medium chain dehydrogenase/reductase(MDR)スーパーファミリーに属する酵素であり、補酵素NADPHと共に、シンナミルアルデヒドからシンナミルアルコールを合成する反応を触媒する酵素である。シンナミルアルコール類は、リグニンの前駆体となる。CADは2量体であり、サブユニット当たり2つのZn2+イオンを持つ。2つのZn2+イオンのうち、1つは触媒亜鉛(catalytic zinc)であり、もう1つは構造亜鉛(structural zinc)である(例えば、非特許文献3及び4参照。)。CAD中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基は高度に保存されているが、その機能的役割は未だ明らかにされていない。 CAD is an enzyme belonging to the Zn 2+ -dependent medium chain dehydrogenase / reductase (MDR) superfamily, and is an enzyme that catalyzes a reaction for synthesizing cinnamyl alcohol from cinnamyl aldehyde together with the coenzyme NADPH. Cinnamyl alcohols are precursors of lignin. CAD is a dimer and has two Zn 2+ ions per subunit. Of the two Zn 2+ ions, one is catalytic zinc and the other is structural zinc (see, for example, Non-Patent Documents 3 and 4). Although the four cysteine residues coordinated to structural zinc in CAD are highly conserved, their functional role has not yet been clarified.
bmr系統は、その遺伝的背景により、リグニン含有量や収量、背丈等の形質が異なる。例えば、飼料用ソルガムには複数のbmr系統があるが、多くのbmr系統において、野生型よりも、乾物収量は低下し、NDF(中性デタージェント繊維)の消化率が向上しているものの、ADL(酸性デタージェント不溶リグニン)の含有量は、bmr6系統(cad2変異)では野生型と変わらないが、bmr12系統(comt変異)では野生型よりも低減している(例えば、非特許文献5及び6参照。)。 The bmr line has different characteristics such as lignin content, yield, and height depending on its genetic background. For example, there are several bmr lines in sorghum for feed, but in many bmr lines, the dry matter yield is lower than the wild type and the digestibility of NDF (neutral detergent fiber) is improved. The content of ADL (acid detergent insoluble lignin) is not different from the wild type in the bmr6 strain (cad2 mutation), but is lower than the wild type in the bmr12 strain (comt mutation) (for example, Non-Patent Document 5 and 6).
ソルガムのbmr6系統は、SbCAD2に変異を有する変異体であり、bmr2系統及びbmr12系統と同様に、野生型と比べて植物体中のクラソンリグニン含有量が低下しており、糖化効率が高くなっている。bmr6系統には、SbCAD2中の変異が異なる複数のアリルが報告されている(例えば、非特許文献7参照。)。具体的には、bmr6−ref変異体では、2800番目の塩基シトシンがチミンに置換されることにより終止コドンが形成されている。このため、bmr6−ref変異体中のSbCAD2は、131番目のアミノ酸までしか合成されておらず、nucleotide binding site、ファクター結合サイト、及び基質結合サイトの大半を欠く変異型である。また、bmr6−3変異体では、3875番目の塩基グアニンがアデニンに置換されている。当該変異により、コファクター結合サイトに存在し、MDRタンパク質に高度に保存されているグリシンリッチモチーフG(X)GGV(L)Gを形成する191番目のグリシン(G)がセリン(S)に置換されている。さらに、bmr6−27変異体では、4288番目の塩基の後ろにグアニンが挿入されることにより、フレームシフトが起こっている。この結果、bmr6−27変異体中のSbCAD2は、C末端側31アミノ酸領域が野生型SbCAD2とは全く異なり、かつ終止コドンの形成により野生型より4アミノ酸残基短く、活性サイトの外側にある2次構造が壊れている変異型である。また、リグニンモノマーの組成比を調べたところ、bmr6−ref変異体では、野生型のソルガムよりもG−リグニン含有量に対するS−リグニン含有量の割合が非常に小さくなっており、SbCAD2の変異により、植物体中のリグニンモノマーの組成比が影響を受けていることが確認された(非特許文献8参照。)。 The sorghum bmr6 line is a mutant having a mutation in SbCAD2 and, like the bmr2 line and bmr12 line, the clathon lignin content in the plant body is lower than the wild type, and the saccharification efficiency is increased. ing. In the bmr6 strain, a plurality of alleles having different mutations in SbCAD2 have been reported (for example, see Non-Patent Document 7). Specifically, in the bmr6-ref mutant, a stop codon is formed by replacing the 2800th base cytosine with thymine. Therefore, SbCAD2 in the bmr6-ref mutant is synthesized only up to the 131st amino acid, and is a mutant that lacks most of the nucleotide binding site, the factor binding site, and the substrate binding site. In the bmr6-3 mutant, the 3875th base guanine is replaced with adenine. Due to the mutation, the 191st glycine (G) forming the glycine-rich motif G (X) GGV (L) G present at the cofactor binding site and highly conserved in the MDR protein is replaced with serine (S). Has been. Furthermore, in the bmr6-27 mutant, guanine is inserted after the 4288th base, resulting in a frame shift. As a result, SbCAD2 in the bmr6-27 mutant is completely different from wild-type SbCAD2 in the 31 amino acid region on the C-terminal side, and is 4 amino acid residues shorter than the wild-type due to the formation of a stop codon and is located outside the active site. It is a mutant with a broken secondary structure. Further, when the composition ratio of lignin monomer was examined, the ratio of S-lignin content to G-lignin content was much smaller in the bmr6-ref mutant than in the wild-type sorghum, and due to the mutation of SbCAD2. It was confirmed that the composition ratio of the lignin monomer in the plant body was affected (see Non-Patent Document 8).
また、bmr系統における糖化効率の向上は、必ずしもリグニン含有量の低下によるとは限らないことを示唆するデータも報告されている。例えば、非特許文献9によれば、ソルガムのbmr6系統のうち、bmr6−ref変異体やbmr6−3変異体は、野生型と比べてクラソンリグニン含有量が低減し、かつリグニンモノマーの前駆体であるコニフェルアルデヒドの含有量が増大している点は共通しているものの、bmr6−ref変異体は糖化効率において、野生型から有意な変化は観察されなかったのに対して、クラソンリグニン含有量の低下と前駆体蓄積の度合いがbmr6−ref変異体よりも小さかったbmr6−3変異体では、糖化効率が有意に改善されていた。 In addition, data suggesting that the improvement in saccharification efficiency in the bmr line is not necessarily due to a decrease in the lignin content has been reported. For example, according to Non-Patent Document 9, among bmr6 strains of sorghum, bmr6-ref mutant and bmr6-3 mutant have reduced clathon lignin content compared to wild type, and are precursors of lignin monomers In contrast, the bmr6-ref mutant showed no significant change in the saccharification efficiency from the wild type, whereas the coniferaldehyde content was increased. The saccharification efficiency was significantly improved in the bmr6-3 mutant in which the degree of content reduction and precursor accumulation was smaller than that in the bmr6-ref mutant.
一方で、ソルガムにおいて、野生型、bmr6系統、bmr12系統、及びcad2変異とcomt変異の両者を有する2重変異体を、それぞれバイオマス資源として用いた場合のエタノール変換効率は、bmr6系統やbmr12系統よりも、2重変異体のほうが、よりエタノール変換効率が高く、かつクラソンリグニン含有量とエタノール変換効率との間に強い負の相関があることが報告されている(例えば、非特許文献10参照。)。当該報告によれば、リグノセルロースの酵素糖化には、クラソンリグニン含有量が大きく作用するとされている。 On the other hand, in sorghum, the ethanol conversion efficiency when using wild type, bmr6 strain, bmr12 strain, and double mutants having both cad2 mutation and comt mutation as biomass resources is higher than that of bmr6 strain and bmr12 strain, respectively. In addition, it has been reported that the double mutant has higher ethanol conversion efficiency and a stronger negative correlation between the clathon lignin content and the ethanol conversion efficiency (see, for example, Non-Patent Document 10). .) According to the report, it is said that the clason lignin content greatly affects the enzymatic saccharification of lignocellulose.
その他、ソルガム以外の植物においても、CAD機能欠損変異系統についての解析が行われている。例えば、シロイヌナズナのCADには、2種類のパラログ(AtCAD4、AtCAD5)があるが、そのいずれにも、T−DNAが挿入されることによってmRNAが正常に合成されなくなった変異体が報告されている(例えば、非特許文献11参照。)。 また、トウモロコシbm1変異体では、遺伝解析の結果、bmr表現型は、染色体上ZmCAD2の存在する領域と強く連鎖しており、CAD酵素活性も野生型と比較して低下していることが明らかにされたが、変異体のZmCAD2遺伝子そのものに変異は発見されていない(例えば、非特許文献12参照。)。 In addition, analysis of CAD function-deficient mutant lines has also been performed in plants other than sorghum. For example, Arabidopsis thaliana CAD has two types of paralogs (AtCAD4, AtCAD5), and all of them have been reported to be mutants in which mRNA is not normally synthesized by insertion of T-DNA. (For example, refer nonpatent literature 11.). In maize bm1 mutants, the genetic analysis revealed that the bmr phenotype was strongly linked to the region of ZmCAD2 on the chromosome, and the CAD enzyme activity was also reduced compared to the wild type. However, no mutation has been found in the mutant ZmCAD2 gene itself (see, for example, Non-Patent Document 12).
また、長らく、イネにはbmrに相当する変異体は存在しないと考えられていたが(例えば、非特許文献13参照。)、近年、イネのgh2(gold hull and internode 2)変異表現型の原因が、bmr表現型の原因となるCAD遺伝子の相同遺伝子(OsCAD2)にあることが報告された(非特許文献14参照。)。ただし、イネのgh2系統では、トウモロコシやソルガム等の他の植物のbmr系統とは異なり、葉の中肋に褐色の着色はないと報告されており、この葉の中肋への着色は、イネ等のC3型光合成を行うイネ科草本には見られない変異表現型であるとされている。 For a long time, it was thought that mutants corresponding to bmr did not exist in rice (see, for example, Non-Patent Document 13), but recently the cause of rice gh2 (gold hull and internode 2) mutant phenotypes. Has been reported to be in the homologous gene (OsCAD2) of the CAD gene responsible for the bmr phenotype (see Non-Patent Document 14). However, in the rice gh2 line, unlike the bmr lines of other plants such as corn and sorghum, it has been reported that there is no brown coloration in the middle of the leaf. It is said that this is a mutant phenotype not found in grasses that perform C3-type photosynthesis.
飼料用やバイオマス資源として用いられる場合には、植物体中のリグニン含有量が低いほど、リグニンに半ば覆われているセルロースにセルロース分解酵素がアクセスしやすくなり、セルロース分解(糖化)効率が向上すると考えられている。
しかしながら、非特許文献2等に記載されているように、植物体中のリグニン含有量を低下させた場合には、収量が低減してしまい、また、植物体の剛性(耐倒伏性)が低下する場合もある。
また、糖化効率の高い植物体が飼料用やバイオマス資源としてより好ましいことは明らかであるものの、植物体を構成するリグノセルロースの組成や性状と糖化効率との関係性が明確ではない現状、どの植物体や部位が糖化効率に優れているのかについては、実際に糖化処理を行うことによってしか判定することができず、さらに様々な前処理法や糖化酵素が存在することを考慮すると、評価が困難であるという問題もある。
When used for feed or as a biomass resource, the lower the lignin content in the plant body, the easier it is for cellulose-degrading enzymes to access the cellulose half-covered with lignin, and the cellulose degradation (saccharification) efficiency improves. It is considered.
However, as described in Non-Patent Document 2 and the like, when the lignin content in the plant body is reduced, the yield is reduced, and the rigidity (fall resistance) of the plant body is reduced. There is also a case.
In addition, although it is clear that plants with high saccharification efficiency are more preferable for feed and biomass resources, the relationship between the composition and properties of lignocellulose constituting the plant and saccharification efficiency is not clear. Whether a body or a part is excellent in saccharification efficiency can be determined only by actually performing saccharification treatment, and it is difficult to evaluate considering the existence of various pretreatment methods and saccharifying enzymes There is also the problem of being.
本発明は、植物体の糖化効率を改善する方法、当該方法に用いられる植物、当該植物を用いてバイオマスエタノールを製造する方法、及び、植物体の易糖化性を評価する方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a method for improving the saccharification efficiency of a plant, a plant used in the method, a method for producing biomass ethanol using the plant, and a method for evaluating the saccharification property of a plant. Objective.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、植物体中のクラソンリグニン含有量に対する酸可溶性リグニン含有量の比([酸可溶性リグニン含有量]/[クラソンリグニン含有量])が、当該植物体の糖化効率に高い相関を有することを見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the ratio of the acid-soluble lignin content to the clathon lignin content in the plant ([acid-soluble lignin content] / [classon lignin content] ) Has a high correlation with the saccharification efficiency of the plant body, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明は、
(1) 植物体中のクラソンリグニン含有量に対する酸可溶性リグニン含有量の比([酸可溶性リグニン含有量]/[クラソンリグニン含有量])を指標とし、前記比が低い植物体よりも、前記比が高い植物体のほうが、糖化効率が高いと評価することを特徴とする、植物体の易糖化性の評価方法、
を、提供するものである。
That is, the present invention
( 1 ) The ratio of the acid-soluble lignin content to the clathon lignin content in the plant body ([acid-soluble lignin content] / [classon lignin content]) is used as an index, and the ratio is lower than that of the plant body. A plant body having a higher ratio is evaluated as having a higher saccharification efficiency , a method for evaluating the saccharification property of a plant body,
Is provided.
本発明の植物体の糖化効率の改善方法においては、特定のリグニン組成を有する植物体を糖化処理の原料として用いることにより、糖化効率を改善することができる。
また、本発明の植物は、野生型の植物よりも糖化効率に優れている。このため、当該植物を原料として用いる本発明のバイオマスエタノールの製造方法は、野生型の植物を原料として用いる場合よりも、より高効率かつ低コストでバイオマスエタノールを製造し得る。
さらに、本発明の植物体の易糖化性の評価方法を用いることにより、糖化処理を行う前に予め、原料の候補植物体が、糖化効率が高く、飼料用植物やバイオマス資源として好適な植物体であるか否かを評価することができる。
In the method for improving saccharification efficiency of a plant of the present invention, saccharification efficiency can be improved by using a plant having a specific lignin composition as a raw material for saccharification treatment.
Moreover, the plant of this invention is excellent in saccharification efficiency rather than a wild-type plant. For this reason, the method for producing biomass ethanol of the present invention using the plant as a raw material can produce biomass ethanol at a higher efficiency and at a lower cost than when using a wild-type plant as a raw material.
Further, by using the method for evaluating the saccharification property of the plant body of the present invention, before performing the saccharification treatment, the raw material candidate plant body has high saccharification efficiency and is suitable as a feed plant or biomass resource. It can be evaluated whether or not.
本発明及び本願明細書において、植物体の糖化効率とは、当該植物体中のセルロースがグルコースに変換される効率を意味する。また、植物体の易糖化性を評価するとは、当該植物体の糖化効率の高低を評価することを意味する。 In the present invention and the present specification, the saccharification efficiency of a plant means the efficiency with which cellulose in the plant is converted to glucose. Moreover, to evaluate the saccharification property of a plant body means to evaluate the level of saccharification efficiency of the plant body.
<植物体の易糖化性の評価方法>
本発明の植物体の易糖化性の評価方法は、植物体中のクラソンリグニン含有量に対する酸可溶性リグニン含有量の比([酸可溶性リグニン含有量]/[クラソンリグニン含有量]、以下、「ASL/KL比」)を指標とすることを特徴とする。後記実施例1に示すように、植物体の糖化効率は、植物体中の総リグニン含有量やクラソンリグニン含有量とは統計学上有意に高い相関性がないが、ASL/KL比とは高い相関を有する。このため、植物体中のASL/KL比を指標とすることにより、当該植物体を糖化処理した場合の糖化効率を評価することができる。なお、植物体の糖化効率がASL/KL比に高い相関を有することは、本発明者らにより初めて見いだされた知見である。
<Evaluation method for easy saccharification of plants>
The method for evaluating the saccharification property of the plant of the present invention is the ratio of the acid-soluble lignin content to the clathon lignin content in the plant ([acid-soluble lignin content] / [classon lignin content], hereinafter “ASL / KL ratio”) is used as an index. As shown in Example 1 to be described later, the saccharification efficiency of the plant body does not have a statistically significant correlation with the total lignin content or the clason lignin content in the plant body, but with the ASL / KL ratio. High correlation. For this reason, the saccharification efficiency at the time of carrying out the saccharification process of the said plant body can be evaluated by using ASL / KL ratio in a plant body as a parameter | index. In addition, it is the knowledge which the present inventors discovered for the first time that the saccharification efficiency of a plant body has a high correlation with ASL / KL ratio.
具体的には、ASL/KL比が低い植物体よりも、ASL/KL比が高い植物体のほうが、糖化効率が高いと評価することができる。例えば、評価対象の植物が複数ある場合、各植物のASL/KL比を測定し、互いに比較することにより、実際に糖化処理を行う前に、いずれの植物がより糖化効率が高いかを評価することができる。 Specifically, it can be evaluated that a plant having a high ASL / KL ratio has a higher saccharification efficiency than a plant having a low ASL / KL ratio. For example, when there are a plurality of plants to be evaluated, the ASL / KL ratio of each plant is measured and compared with each other to evaluate which plant has higher saccharification efficiency before actually performing the saccharification treatment. be able to.
飼料作物の場合、糖化効率が高いほど、消化効率がよいことが期待できる。同様に、エタノール等の化合物を合成するための糖類等の原料の供給源として用いられるバイオマス資源としては、糖化処理によってより多くの糖類を効率よく得られる植物体のほうが、少量の糖類しか得られない植物体よりも好ましい。よって、本発明の植物体の易糖化性の評価方法は、候補の植物体が飼料作物やバイオマス資源として好適かどうかを評価したり、複数種類の候補植物の中から、飼料作物やバイオマス資源としてより好適な植物を選抜する場合に好適に用いることができる。 In the case of feed crops, the higher the saccharification efficiency, the better the digestion efficiency. Similarly, as a biomass resource used as a source of raw materials such as saccharides for synthesizing compounds such as ethanol, plant bodies that can efficiently obtain more saccharides by saccharification treatment can obtain a smaller amount of saccharides. Preferred over no plant. Therefore, the method for evaluating the saccharification property of the plant body of the present invention evaluates whether the candidate plant body is suitable as a feed crop or biomass resource, or as a feed crop or biomass resource from a plurality of types of candidate plants. It can be suitably used when selecting a more suitable plant.
評価対象となる植物体は、植物個体全体であってもよいが、器官ごとに評価することもできる。例えば、同一種類の植物体由来の茎と葉とを比較し、どちらの器官が、糖化効率が高くバイオマス資源として好適か、を評価することもできる。 The plant body to be evaluated may be the whole plant individual, but can also be evaluated for each organ. For example, it is also possible to compare stems and leaves derived from the same type of plant body and evaluate which organ has high saccharification efficiency and is suitable as a biomass resource.
評価対象となる植物体の種類は、クラソンリグニンと酸可溶性リグニンを含む植物体であれば特に限定されるものではなく、単子葉植物であってもよく、双子葉植物であってもよい。また、C3型光合成を行う植物(C3植物)であってもよく、C4型光合成を行う植物(C4植物)であってもよい。 The type of plant body to be evaluated is not particularly limited as long as it is a plant body containing clathon lignin and acid-soluble lignin, and may be a monocotyledonous plant or a dicotyledonous plant. Moreover, the plant (C3 plant) which performs C3 type | mold photosynthesis may be sufficient, and the plant (C4 plant) which performs C4 type | mold photosynthesis may be sufficient.
植物体中のASL/KL比は、植物体中の酸可溶性リグニン含有量とクラソンリグニン含有量の測定結果から算出することができる。植物体中の酸可溶性リグニン含有量とクラソンリグニン含有量は常法により測定することができる(例えば、非特許文献15、16参照。)。より具体的には、例えば、以下の手法により測定することができる。まず、細断又は粉砕した植物体又はその器官を試料とし、当該試料中のデンプンを可溶化した後に濾過処理を行うことによって、当該試料からデンプンを除去する。洗浄、乾燥した濾過残渣を、硫酸溶液等の鉱酸水溶液に混和させた後、加水分解反応を行う。次いで、加水分解反応後の試料に対して、濾過処理等を行い、単糖や酸可溶性リグニン等の可溶性成分を含む液体成分(濾液)と、クラソンリグニンや灰分といった不溶性成分を含む固体成分(濾過残渣)に分離する。洗浄、乾燥させた濾過残渣を、600℃程度の高温で焼成させた後の残渣分が灰分である。よって、焼成前の濾過残渣量から灰分の含有量を差し引くことにより、当該濾過残渣に含まれていたクラソンリグニン含有量を求めることができる。一方で、濾液中の酸可溶性リグニン含有量は、当該濾液の205nmの吸光度から、Beer則にて下記式(1)から算出される。
酸可溶性リグニン含有量(g・L−1)=吸光度/[光路(cm)×吸光計数(L・g−1・cm−1)] ・・・(1)
The ASL / KL ratio in the plant body can be calculated from the measurement results of the acid-soluble lignin content and the clason lignin content in the plant body. The acid-soluble lignin content and the clason lignin content in the plant can be measured by conventional methods (see, for example, Non-Patent Documents 15 and 16). More specifically, for example, it can be measured by the following method. First, starch is removed from the sample by using a plant or its organs that have been chopped or pulverized as a sample, and solubilizing the starch in the sample, followed by filtration. The washed and dried filtration residue is mixed with a mineral acid aqueous solution such as a sulfuric acid solution, followed by a hydrolysis reaction. Next, the sample after the hydrolysis reaction is subjected to filtration and the like, and a liquid component (filtrate) containing soluble components such as monosaccharides and acid-soluble lignin and a solid component containing insoluble components such as clathon lignin and ash ( Filter residue). The residue after the washed and dried filtration residue is baked at a high temperature of about 600 ° C. is ash. Therefore, the clathon lignin content contained in the filtration residue can be obtained by subtracting the ash content from the filtration residue amount before firing. On the other hand, the acid-soluble lignin content in the filtrate is calculated from the following formula (1) according to the Beer rule from the absorbance at 205 nm of the filtrate.
Acid-soluble lignin content (g · L −1 ) = absorbance / [light path (cm) × absorption count (L · g −1 · cm −1 )] (1)
<植物体の糖化効率の改善方法>
酸可溶性リグニンは、酸溶媒をはじめとする多くの溶媒に対して不溶性であるクラソンリグニンよりも、酸処理等の前処理によって分解されやすい。このため、リグノセルロース中に占める酸可溶性リグニンの含有量が多いほど、すなわち、ASL/KL比が高いほど、前処理後の植物体にセルロース分解酵素がアクセスしやすくなり、セルロース分解(糖化)効率が向上する。したがって、植物体中のASL/KL比を高めることにより、当該植物体の糖化効率を向上させることができる。
<Method for improving saccharification efficiency of plant>
Acid-soluble lignin is more easily decomposed by pretreatment such as acid treatment than clason lignin, which is insoluble in many solvents including acid solvents. For this reason, the higher the content of acid-soluble lignin in lignocellulose, that is, the higher the ASL / KL ratio, the easier the cellulose-degrading enzyme can access the pretreated plant, and the cellulose degradation (saccharification) efficiency. Will improve. Therefore, the saccharification efficiency of the plant body can be improved by increasing the ASL / KL ratio in the plant body.
すなわち、本発明の植物体の糖化効率の改善方法は、糖化処理がなされる植物体が、少なくとも1種のリグニン生合成関連遺伝子に機能欠損変異を有しており、かつ当該植物体中のASL/KL比が、前記機能欠損変異を有していない植物体よりも高いことを特徴とする。なお、「前記機能欠損変異を有していない植物体」は、当該機能欠損変異の有無以外は遺伝的背景が実質的に同一である植物体を意味する。具体的には、例えば、前記機能欠損変異が導入される前の植物体が挙げられる。 That is, in the method for improving saccharification efficiency of a plant according to the present invention, the plant subjected to saccharification treatment has a function-deficient mutation in at least one lignin biosynthesis-related gene, and ASL in the plant A / KL ratio is higher than that of a plant body not having the function-deficient mutation. The “plant having no function-deficient mutation” means a plant having substantially the same genetic background except for the presence or absence of the function-deficient mutation. Specifically, for example, a plant body before the function-deficient mutation is introduced.
本発明及び本願明細書において、リグニン生合成関連遺伝子とは、当該遺伝子がコードするタンパク質が、リグニン生合成代謝経路に関連する遺伝子を意味する。リグニン生合成関連遺伝子としては、具体的には、リグニンモノマー生合成に関わるCAD遺伝子、COMT遺伝子、4−ヒドロキシシンナモイル−CoAリガーゼ(4CL)遺伝子、フェルラ酸5ヒドロキシラーゼ(F5H)遺伝子、リグニンモノマーの重合に関わるペルオキシダーゼ(PO)やラッカーゼ(LAC)をコードする遺伝子等が挙げられる。本発明において糖化処理がなされる植物体としては、1種類のリグニン生合成関連遺伝子にのみ機能欠損変異を有していてもよく、2種類以上のリグニン生合成関連遺伝子に機能欠損変異を有していてもよい。なお、リグニン生合成関連遺伝子が酵素をコードする遺伝子である場合には、機能欠損変異とは、当該酵素活性が欠失若しくは低下する遺伝子変異を意味する。 In the present invention and the present specification, the lignin biosynthesis-related gene means a gene in which the protein encoded by the gene is related to the lignin biosynthesis metabolic pathway. Specific examples of lignin biosynthesis-related genes include CAD gene, COMT gene, 4-hydroxycinnamoyl-CoA ligase (4CL) gene, ferulic acid 5 hydroxylase (F5H) gene, and lignin monomer involved in lignin monomer biosynthesis. And a gene encoding peroxidase (PO) and laccase (LAC) involved in the polymerization of. In the present invention, the plant subjected to saccharification treatment may have a function-deficient mutation only in one kind of lignin biosynthesis-related gene, or may have a function-deficient mutation in two or more kinds of lignin biosynthesis-related genes. It may be. When the lignin biosynthesis-related gene is a gene encoding an enzyme, the function-deficient mutation means a gene mutation in which the enzyme activity is deleted or reduced.
本発明の植物体の糖化効率の改善方法においては、少なくともCAD遺伝子に機能欠損変異を有する植物体に対して糖化処理がなされることが好ましい。植物体中において、CAD(EC1.1.1.195)の酵素活性が低下することにより、ASL/KL比をより効果的に高めることができる。CAD遺伝子が有する機能欠損変異としては、当該変異が導入されたCAD遺伝子がコードする変異型CADの酵素活性が、当該変異が導入されていないCAD遺伝子がコードするCADよりも低下するものであれば特に限定されるものではなく、ミスセンス変異であってもよく、ナンセンス変異であってもよく、フレームシフト変異であってもよい。 In the method for improving the saccharification efficiency of a plant of the present invention, it is preferable that a saccharification treatment is performed on a plant having at least a function-deficient mutation in the CAD gene. By reducing the enzyme activity of CAD (EC 1.1.1.195) in the plant body, the ASL / KL ratio can be increased more effectively. As a function-deficient mutation possessed by a CAD gene, if the enzyme activity of a mutant CAD encoded by a CAD gene into which the mutation is introduced is lower than that of a CAD gene encoded by a CAD gene into which the mutation has not been introduced, It is not particularly limited, and may be a missense mutation, a nonsense mutation, or a frameshift mutation.
本発明の植物体の糖化効率の改善方法においては、CAD遺伝子が有する機能欠損変異は、ミスセンス変異であることが好ましく、CAD中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちの少なくとも1のシステイン残基が他のアミノ酸残基に置換された変異(以下、「システイン変異」ということがある。)であることがより好ましく、前記構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちのN末端側から3番目のシステイン残基が他のアミノ酸残基に置換された変異であることがさらに好ましく、CAD中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちのN末端側から3番目のシステイン残基がフェニルアラニン残基に置換された変異であることが特に好ましい。なお、CAD中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちのN末端側から3番目のシステイン残基が他のアミノ酸残基に置換された変異は、本発明者らにより初めて見出された変異である。 In the method for improving the saccharification efficiency of a plant of the present invention, the function-deficient mutation of the CAD gene is preferably a missense mutation, and at least one of four cysteine residues coordinated to structural zinc in CAD. Is more preferably a mutation in which the other cysteine residue is substituted with another amino acid residue (hereinafter sometimes referred to as “cysteine mutation”), and among the four cysteine residues coordinated to the structural zinc, More preferably, the mutation is such that the third cysteine residue from the N-terminal side is substituted with another amino acid residue, and 3 of the four cysteine residues coordinated to structural zinc in CAD are 3 from the N-terminal side. Particularly preferred is a mutation in which the second cysteine residue is substituted with a phenylalanine residue. The inventors found for the first time a mutation in which the third cysteine residue from the N-terminal side of the four cysteine residues coordinated to structural zinc in CAD was substituted with another amino acid residue. Mutation.
糖化効率が改善される植物体の種類は、クラソンリグニンと酸可溶性リグニンを含む植物体であれば特に限定されるものではなく、単子葉植物であってもよく、双子葉植物であってもよい。また、C3型光合成を行う植物であってもよく、C4型光合成を行う植物であってもよい。本発明の植物体の糖化効率の改善方法においては、糖化効率が改善される植物体がC3型光合成を行う植物であることが好ましく、C3型光合成を行う単子葉植物であることがより好ましく、イネであることが特に好ましい。 The kind of plant body in which saccharification efficiency is improved is not particularly limited as long as it is a plant body containing clathon lignin and acid-soluble lignin, and may be a monocotyledonous plant or a dicotyledonous plant. Good. Moreover, the plant which performs C3 type | mold photosynthesis may be sufficient, and the plant which performs C4 type | mold photosynthesis may be sufficient. In the method for improving the saccharification efficiency of the plant of the present invention, the plant whose saccharification efficiency is improved is preferably a plant that performs C3 type photosynthesis, more preferably a monocotyledon that performs C3 type photosynthesis, Rice is particularly preferred.
後記実施例1に示すように、システイン変異を有するイネは、葉の中肋部の一部又は全部が赤褐色に着色されている。したがって、本発明の植物体の糖化効率の改善方法においては、葉の中肋部の一部又は全部が赤褐色に着色されているC3型光合成を行う植物に対して糖化処理を行うことが好ましく、葉の中肋部の一部又は全部が赤褐色に着色されているイネに対して糖化処理を行うことがより好ましい。なお、イネ等のC3型光合成を行う植物において、葉の中肋部の一部又は全部が赤褐色に着色されている形質を有するリグニン生合成欠損変異体は、今まで知られていない。 As shown in Example 1 described later, in rice having a cysteine mutation, a part or all of the middle wing of the leaf is colored reddish brown. Therefore, in the method for improving the saccharification efficiency of the plant body of the present invention, it is preferable to perform saccharification treatment on a plant that performs C3-type photosynthesis in which part or all of the middle part of the leaf is colored reddish brown, It is more preferable to perform saccharification treatment on rice in which part or all of the middle wings of the leaves are colored reddish brown. In addition, in plants which perform C3 type photosynthesis, such as rice, the lignin biosynthesis defect | mutation mutant which has the character by which one part or all part of the middle part of the leaf was colored reddish brown is not known until now.
植物体の糖化処理の方法は、植物体中のセルロースを分解し得る方法であれば、特に限定されるものではなく、トウモロコシ等の植物体中のセルロースを分解する際に通常用いられている手法の中から適宜選択して用いることができる。例えば、植物体を硫酸溶液等の酸性溶液に浸漬させた状態で加熱する酸糖化法であってもよく、セルロース分解酵素を用いた酵素糖化法であってもよい。酸糖化法では過分解による単糖収率の低下やフルフラールなど過分解生成物によるエタノール発酵阻害が起きるため、酵素糖化法がより好ましい。糖化処理における反応溶液の温度やpH、反応時間等の反応条件は、酸糖化法の場合には用いる酸の種類や酸性溶液の濃度、植物体と酸性溶液の混合比等を考慮して、また酵素糖化法の場合には、用いるセルロース分解酵素の特性等を考慮して、適宜調整することができる。なお、糖化処理に供される植物体は、予め、細断又は粉砕してあることが好ましい。 The method for saccharification treatment of the plant body is not particularly limited as long as it is a method capable of decomposing cellulose in the plant body, and is a method usually used for decomposing cellulose in plant bodies such as corn. It can be used by appropriately selecting from the above. For example, an acid saccharification method in which a plant body is immersed in an acidic solution such as a sulfuric acid solution may be used, or an enzyme saccharification method using a cellulolytic enzyme may be used. In the acid saccharification method, the enzymatic saccharification method is more preferable because the yield of monosaccharides decreases due to excessive decomposition and the ethanol fermentation inhibition by excessive decomposition products such as furfural occurs. In the case of acid saccharification, the reaction conditions such as the temperature and pH of the reaction solution in the saccharification treatment, the reaction time, etc. In the case of the enzymatic saccharification method, it can be appropriately adjusted in consideration of the characteristics of the cellulolytic enzyme used. In addition, it is preferable that the plant body used for a saccharification process is shredded or grind | pulverized previously.
酵素糖化法を用いる場合には、糖化処理の前に、予め植物体を酸性溶液(例えば、pH4〜6の溶液)中に浸漬させておくことが好ましい。酸性溶液に浸漬させることにより、植物体中の酸可溶性リグニンが溶出するため、植物体中のセルロースにセルロース分解酵素がアタックしやすくなる結果、糖化効率をより改善することができる。予め酸性溶液に浸漬させた植物体は、適当なバッファーにより洗浄してpHを調整した後に、セルロース分解酵素を添加して酵素反応を行うことができる。酸性条件下で酵素活性を有するセルロース分解酵素を用いて酸性溶液中で植物体の糖化処理を行う場合には、糖化処理前の酸性溶液への浸漬処理を省略することもできる。 When using the enzymatic saccharification method, it is preferable to immerse the plant in an acidic solution (for example, a solution having a pH of 4 to 6) in advance before the saccharification treatment. By soaking in an acidic solution, the acid-soluble lignin in the plant body is eluted, so that the cellulose-degrading enzyme can easily attack the cellulose in the plant body. As a result, the saccharification efficiency can be further improved. Plants previously immersed in an acidic solution can be washed with an appropriate buffer to adjust the pH, and then an enzyme reaction can be performed by adding a cellulolytic enzyme. When a saccharification treatment of a plant body in an acidic solution is performed using a cellulose-degrading enzyme having enzyme activity under acidic conditions, the immersion treatment in an acidic solution before saccharification treatment can be omitted.
<バイオマスエタノールの製造方法>
本発明のバイオマスエタノールの製造方法は、バイオマス資源として、少なくとも1種のリグニン生合成関連遺伝子に機能欠損変異を有しており、かつ当該植物体中のASL/KL比が、前記機能欠損変異を有していない植物体よりも高い植物体を用いることを特徴とする。リグニン生合成関連遺伝子に機能欠損変異を導入された結果、ASL/KL比が高められた植物体は、糖化効率が良好であるため、バイオマスエタノールを製造するためのバイオマス資源として好適である。
<Manufacturing method of biomass ethanol>
The method for producing biomass ethanol of the present invention has a function-deficient mutation in at least one lignin biosynthesis-related gene as a biomass resource, and the ASL / KL ratio in the plant body contains the function-deficient mutation. It is characterized by using a plant body higher than the plant body which does not have. As a result of introducing a function-deficient mutation into a lignin biosynthesis-related gene, a plant body having an increased ASL / KL ratio has good saccharification efficiency and is therefore suitable as a biomass resource for producing biomass ethanol.
少なくとも1種のリグニン生合成関連遺伝子に機能欠損変異を導入することにより、植物体中のASL/KL比が、前記機能欠損変異を有していない植物体よりも高められた植物体としては、前記植物体の糖化効率の改善方法において挙げられた植物体を用いることができる。本発明のバイオマスエタノールの製造方法においては、バイオマス資源として、CAD中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちの少なくとも1のシステイン残基が他のアミノ酸残基に置換された変異(システイン変異)を有する植物体を用いることが好ましく、システイン変異を有するC3型光合成を行う植物であることがより好ましく、システイン変異を有するイネであることがさらに好ましい。バイオマス資源として用いられる植物体が備えるシステイン変異としては、CAD中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちのN末端側から3番目のシステイン残基が他のアミノ酸残基に置換された変異であることが好ましく、CAD中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちのN末端側から3番目のシステイン残基がフェニルアラニン残基に置換された変異であることがより好ましい。 By introducing a function-deficient mutation into at least one lignin biosynthesis-related gene, the plant body in which the ASL / KL ratio in the plant body is higher than that of the plant body not having the function-deficient mutation, The plant mentioned in the method for improving the saccharification efficiency of the plant can be used. In the method for producing biomass ethanol of the present invention, as a biomass resource, a mutation in which at least one cysteine residue of four cysteine residues coordinated to structural zinc in CAD is substituted with another amino acid residue ( It is preferable to use a plant having a cysteine mutation, more preferably a plant performing C3 type photosynthesis having a cysteine mutation, and more preferably rice having a cysteine mutation. As a cysteine mutation provided in a plant used as a biomass resource, the third cysteine residue from the N-terminal side of the four cysteine residues coordinated to structural zinc in CAD is substituted with another amino acid residue. The mutation is preferably a mutation in which the third cysteine residue from the N-terminal side of the four cysteine residues coordinated to the structural zinc in CAD is substituted with a phenylalanine residue. .
バイオマス資源として用いる植物体に対して糖化処理を行った後、得られた糖化液中の糖類からエタノールを合成することにより、バイオエタノールを製造することができる。糖化処理は、前記植物体の糖化効率の改善方法において挙げられた方法により行うことができる。また、エタノール合成反応は、特に限定されるものではなく、酵母によるアルコール発酵法等のバイオエタノールを製造する際に通常用いられている手法の中から適宜選択して用いることができる。 Bioethanol can be produced by saccharifying a plant used as a biomass resource and then synthesizing ethanol from the saccharide in the obtained saccharified solution. The saccharification treatment can be performed by the method mentioned in the method for improving the saccharification efficiency of the plant body. In addition, the ethanol synthesis reaction is not particularly limited, and can be appropriately selected from techniques usually used when producing bioethanol such as alcohol fermentation using yeast.
<植物体中のASL/KL比が高められた植物>
本発明の植物は、植物体を構成する少なくとも1以上の細胞のゲノムにおいて、CAD遺伝子が、CAD中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちの少なくとも1のシステイン残基が他のアミノ酸に置換されている変異(システイン変異)を有することを特徴とする。本発明の植物が備えるシステイン変異としては、CAD中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちのN末端側から3番目のシステイン残基が他のアミノ酸残基に置換された変異であることが好ましく、CAD中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちのN末端側から3番目のシステイン残基がフェニルアラニン残基に置換された変異であることがより好ましい。
<Plants with increased ASL / KL ratio in plants>
In the plant of the present invention, in the genome of at least one or more cells constituting the plant body, at least one cysteine residue of the four cysteine residues coordinated to structural zinc in CAD is other than that of the CAD gene. It has a mutation (cysteine mutation) substituted with an amino acid. The cysteine mutation provided in the plant of the present invention is a mutation in which the third cysteine residue from the N-terminal side of the four cysteine residues coordinated to structural zinc in CAD is substituted with another amino acid residue. Preferably, the mutation is such that the third cysteine residue from the N-terminal side of the four cysteine residues coordinated to structural zinc in CAD is substituted with a phenylalanine residue.
システイン変異を有する植物の種類は、CAD遺伝子を有する植物であれば特に限定されるものではなく、単子葉植物であってもよく、双子葉植物であってもよい。また、C3型光合成を行う植物であってもよく、C4型光合成を行う植物であってもよい。 The kind of plant having a cysteine mutation is not particularly limited as long as it is a plant having a CAD gene, and may be a monocotyledonous plant or a dicotyledonous plant. Moreover, the plant which performs C3 type | mold photosynthesis may be sufficient, and the plant which performs C4 type | mold photosynthesis may be sufficient.
CAD中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基は、さまざまな植物種で高度に保存されている。例えば、イネのCAD2(OsCAD2)、シロイヌナズナのCAD5(AtCAD5)、アスペンのCAD(PotCAD)、テーダマツのCAD(PtCAD)、トウモロコシのCAD(ZmCAD2)、ソルガムのBmr6(SbCAD2)、イワヒバのCAD(SmCAD)、タバコのCAD(NtCAD19)、サトウキビのCAD(SoCAD)ではN末から100、103、106、及び114番目のシステイン残基であり、シロイヌナズナのCAD4(AtCAD4)ではN末から101、104、107、及び115番目のシステイン残基であり、ソルガムのCAD4(SbCAD4)ではN末から98、101、104、及び112番目のシステイン残基である。さらには、CAD以外の他のアルコールデヒドロゲナーゼにおいても高度に保存されており、これらのシステインの置換は酵素機能の変化を引き起こす可能性が高いことが示唆される。本発明の植物としては、例えば、これらのシステイン残基の少なくとも1つが他のアミノ酸残基に置換された変異を有する植物を挙げることができる。 The four cysteine residues that coordinate to structural zinc in CAD are highly conserved in various plant species. For example, rice CAD2 (OsCAD2), Arabidopsis CAD5 (AtCAD5), Aspen CAD (PotCAD), Teidamatsu CAD (PtCAD), Corn CAD (ZmCAD2), Sorghum Bmr6 (SbCAD2), Iwahiba CAD (Smah CAD) In the case of tobacco CAD (NtCAD19), sugarcane CAD (SoCAD), the cysteine residues at positions 100, 103, 106 and 114 from the N-terminal, and in Arabidopsis CAD4 (AtCAD4) from the N-terminal 101, 104, 107, And the cysteine residues at the 115th, and the CAD4 (SbCAD4) of Sorghum are the 98th, 101st, 104th and 112th cysteine residues from the N-terminal. Furthermore, other alcohol dehydrogenases other than CAD are highly conserved, suggesting that substitution of these cysteines is likely to cause changes in enzyme function. Examples of the plant of the present invention include a plant having a mutation in which at least one of these cysteine residues is substituted with another amino acid residue.
本発明の植物としては、前記変異を有するC3型光合成を行う植物であることが好ましく、前記変異を有するC3型光合成を行う単子葉植物であることがより好ましく、システイン変異を有するイネであることが特に好ましい。中でも、OsCAD2中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちの少なくとも1のシステイン残基が他のアミノ酸残基に置換された変異を有するイネであることが好ましく、OsCAD2中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のN末端側から3番目のシステイン残基が他のアミノ酸残基に置換された変異を有するイネであることが好ましい。具体的には、後記実施例1に記載のOsCAD2中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちのN末端側から3番目のシステイン残基(N末端側から106番目のアミノ酸残基)がフェニルアラニン残基に置換された変異を有するイネ(gh2−2変異体)が挙げられる。 The plant of the present invention is preferably a plant that performs C3-type photosynthesis having the mutation, more preferably a monocotyledon that performs C3-type photosynthesis having the mutation, and is a rice having a cysteine mutation. Is particularly preferred. Among them, rice having a mutation in which at least one cysteine residue coordinated to structural zinc in OsCAD2 is substituted with another amino acid residue is preferable, and structural zinc in OsCAD2 Rice having a mutation in which the third cysteine residue from the N-terminal side of the four cysteine residues coordinated to is substituted with another amino acid residue is preferred. Specifically, among the four cysteine residues coordinated to the structural zinc in OsCAD2 described in Example 1 below, the third cysteine residue from the N-terminal side (the 106th amino acid residue from the N-terminal side) ) Rice having a mutation substituted with a phenylalanine residue (gh2-2 mutant).
本発明の植物としては、CAD中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちのN末端側から3番目のシステイン残基は、フェニルアラニン残基以外のアミノ酸残基に置換されていてもよい。例えばイネでは、配列番号1で表されるアミノ酸配列のうち、106番目のフェニルアラニンが、システイン以外の他のアミノ酸に置換されているアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子を有する植物も、本発明の植物である。 In the plant of the present invention, the third cysteine residue from the N-terminal side of the four cysteine residues coordinated to structural zinc in CAD may be substituted with an amino acid residue other than a phenylalanine residue. Good. For example, in rice, a plant having a gene encoding a polypeptide consisting of an amino acid sequence in which the 106th phenylalanine in the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1 is substituted with an amino acid other than cysteine is also included in the present invention. Plant.
なお、本発明の植物としては、CAD遺伝子は、システイン変異による植物体中のASL/KL比が高められるという効果を損なわない限りにおいて、システイン変異以外の変異を有していてもよい。 In addition, as a plant of this invention, as long as the CAD gene does not impair the effect that the ASL / KL ratio in the plant body by a cysteine mutation is raised, it may have mutations other than a cysteine mutation.
システイン変異を有する植物は、植物において、ゲノム中の特定の領域に点突然変異を起こして変異体を作製する際に用いられる当該技術分野において公知の手法により、作製することができる。具体的には、ガンマ線による種子照射、化学変異剤ethyl methane sulfonate若しくはアジ化ナトリウムによる種子処理、又は、MNU(N-methyl-N-nitrosourea)による受精卵処理などが挙げられる(例えば、非特許文献17参照。)。 A plant having a cysteine mutation can be produced by a technique known in the art used for producing a mutant by causing a point mutation in a specific region in a genome in a plant. Specific examples include seed irradiation with gamma rays, seed treatment with the chemical mutation agent ethyl methyl sulfate or sodium azide, or fertilized egg treatment with MNU (N-methyl-N-nitrosorea) (for example, non-patent literature). 17).
システイン変異を有する植物を作製する際には、例えば、下記のような塩基配列を有するポリヌクレオチドを組み込んだベクターを用いることができる。
(a)配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする塩基配列。
(b)配列番号1で表されるアミノ酸配列のうち、106番目のフェニルアラニンが、システイン以外の他のアミノ酸に置換されているアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする塩基配列。
(c)配列番号1で表されるアミノ酸配列において、106番目のフェニルアラニン以外のアミノ酸のうちの1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなるポリペプチドであり、かつ植物体中のクラソンリグニン含有量に対する酸可溶性リグニン含有量の比([酸可溶性リグニン含有量]/[クラソンリグニン含有量])を高める機能を有するポリペプチドをコードする塩基配列。
(d)前記(a)〜(c)のいずれかの塩基配列と80%以上(好ましくは85%以上、より好ましくは90%以上)の相同性を有し、かつ、植物体中のクラソンリグニン含有量に対する酸可溶性リグニン含有量の比([酸可溶性リグニン含有量]/[クラソンリグニン含有量])を高める機能を有するポリペプチドをコードする塩基配列。
When producing a plant having a cysteine mutation, for example, a vector incorporating a polynucleotide having the following base sequence can be used.
(A) A base sequence encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1.
(B) A base sequence encoding a polypeptide consisting of an amino acid sequence in which the 106th phenylalanine in the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1 is substituted with an amino acid other than cysteine.
(C) a polypeptide comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids other than the 106th phenylalanine in the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1 have been deleted, substituted or added, and a plant A base sequence encoding a polypeptide having a function of increasing the ratio of the acid-soluble lignin content to the clason lignin content in the body ([acid-soluble lignin content] / [classon lignin content]).
(D) A clason in a plant having a homology of 80% or more (preferably 85% or more, more preferably 90% or more) with any one of the base sequences (a) to (c) A base sequence encoding a polypeptide having a function of increasing the ratio of the acid-soluble lignin content to the lignin content ([acid-soluble lignin content] / [classon lignin content]).
例えば、前記(a)の塩基配列を有するポリヌクレオチドを相同組換えによる遺伝子ターゲティング(例えば、非特許論文18参照。)を用いてイネゲノム中のOsCAD2遺伝子と組み換えることにより、OsCAD2中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちのN末端側から3番目のシステイン残基(N末端側から106番目のアミノ酸残基)がフェニルアラニン残基に置換された変異を有するイネを、同じく前記(b)の塩基配列を有するポリヌクレオチドで組み換えることによって、OsCAD2中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちのN末端側から3番目のシステイン残基がフェニルアラニン残基以外のその他のアミノ酸残基に置換された変異を有するイネを、それぞれ作製することができる。同様に、前記(c)や(d)の塩基配列を有するポリヌクレオチドで置換することによって、例えば、OsCAD2中の構造亜鉛に配位する4つのシステイン残基のうちのN末端側から3番目のシステイン残基(N末端側から106番目のアミノ酸残基)がフェニルアラニン残基に置換されており、さらにその他の変異を有するイネを作製することができる。 For example, by recombining the polynucleotide having the base sequence (a) with the OsCAD2 gene in the rice genome using gene targeting by homologous recombination (see, for example, Non-Patent Document 18), the structural zinc in OsCAD2 is converted into the structural zinc. Rice having a mutation in which the third cysteine residue from the N-terminal side of the four coordinated cysteine residues (the 106th amino acid residue from the N-terminal side) is substituted with a phenylalanine residue is By recombination with a polynucleotide having the base sequence of b), the third cysteine residue from the N-terminal side of the four cysteine residues coordinated to the structural zinc in OsCAD2 is other than phenylalanine residue. Rices having mutations substituted with amino acid residues can be produced respectively. Similarly, by substituting with the polynucleotide having the base sequence (c) or (d), for example, the third cysteine residue from the N-terminal side of the four cysteine residues coordinated to the structural zinc in OsCAD2 A cysteine residue (the 106th amino acid residue from the N-terminal side) is substituted with a phenylalanine residue, and rice having other mutations can be produced.
次に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example is shown and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to a following example.
[実施例1]
<CAD遺伝子にシステイン変異を有するイネの作製>
変異選抜・固定を進めてきたMNU処理によるイネ突然変異系統群より、稈、籾に赤褐色の呈色を示すgh2(gold hull and internode2)様の表現型に加えて、上位葉の中肋に赤褐色の呈色を示す変異系統を選抜した。この選抜された変異体のリグニン生合成関連遺伝子の塩基配列を調べたところ、OsCAD2遺伝子に変異を有していることがわかった。当該OsCAD2遺伝子がコードするタンパク質OsCAD2のアミノ酸配列を配列番号1に示す。当該変異体は、配列番号1の106番目のシステイン残基をコードする塩基配列TGCの2番目の塩基がグアニンからチミンに置換されており、当該変異により、OsCAD2の106番目のシステイン残基がフェニルアラニン残基に置換されていた。さらにこの変異体に野生型OsCAD2を組み込んだ形質転換体では、変異表現型が回復したことから、当該変異体はOsCAD2機能欠損変異体(gh2)の新規アリルであることが確認できた。以下、選抜された変異体を、gh2−2変異体とする。
[Example 1]
<Production of rice having cysteine mutation in CAD gene>
In addition to a gh2 (gold hull and internode 2) -like phenotype that shows reddish brown color in the cocoons and cocoons, from the MNU-treated rice mutant lines that have been selected and fixed for mutation, red brown in the middle leaf of the upper leaves Mutant strains showing the coloration were selected. When the nucleotide sequence of the lignin biosynthesis-related gene of the selected mutant was examined, it was found that the OsCAD2 gene had a mutation. The amino acid sequence of the protein OsCAD2 encoded by the OsCAD2 gene is shown in SEQ ID NO: 1. In the mutant, the second base of the base sequence TGC encoding the 106th cysteine residue of SEQ ID NO: 1 is substituted from guanine to thymine, and the 106th cysteine residue of OsCAD2 is phenylalanine due to the mutation. It was replaced with a residue. Furthermore, in the transformant in which wild type OsCAD2 was incorporated into this mutant, the mutant phenotype was recovered, so that the mutant was confirmed to be a novel allele of the OsCAD2 function-deficient mutant (gh2). Hereinafter, the selected mutant is referred to as gh2-2 mutant.
<イネの栽培及び収量>
野生型のイネとgh2−2変異体とを、水田にて慣行栽培し、植物体(イネ)の地上部を出穂後50日目に収穫した。図1に、野生型イネ(左)とgh2−2変異体(右)の穂(図1A)、籾(図1B)、葉(図1C)、及び節間(図1D)の写真を示す。gh2−2変異体の穂、籾、及び節間は、野生型イネよりも褐色が濃く、また、葉では中肋が赤褐色に着色されていた。
収穫された植物体を屋内にて1週間程度自然乾燥した後、脱穀した。その後、藁と籾殻をドライオーブンで、50℃で2週間乾燥させた。なお、脱穀後の植物体の一部は、器官別分析に供する試料を作製するために、葉身、葉鞘、稈、穂(籾は含まない)、及び籾殻にそれぞれ分けて回収した後、ドライオーブンで、50℃で2週間乾燥させた。乾燥後の藁等は、それぞれ、ハサミで1cm程度に刻んだ後、カッターミル(製品名:MKCM−5、3mmスクリーン装備、増幸産業社製)を用いて粉砕した。
<Cultivation and yield of rice>
Wild-type rice and gh2-2 mutant were cultivated in a paddy field and the above-ground part of the plant (rice) was harvested 50 days after heading. FIG. 1 shows photographs of wild-type rice (left) and gh2-2 mutant (right) spikes (FIG. 1A), cocoons (FIG. 1B), leaves (FIG. 1C), and internodes (FIG. 1D). The gh2-2 mutant had ears, pods, and internodes that were darker brown than the wild-type rice, and the leaves were colored reddish brown.
The harvested plant body was naturally dried indoors for about one week and then threshed. Thereafter, the straw and rice husk were dried in a dry oven at 50 ° C. for 2 weeks. A part of the plant body after threshing was collected separately into leaf blades, leaf sheaths, cocoons, ears (not including cocoons), and rice husks to prepare samples for organ-specific analysis, and then dried. It was dried in an oven at 50 ° C. for 2 weeks. The dried soot and the like were each chopped to about 1 cm with scissors and then pulverized using a cutter mill (product name: MKCM-5, equipped with 3 mm screen, manufactured by Masuko Sangyo Co., Ltd.).
得られた粉砕試料の乾燥重量を測定した結果を図2に示す。図1中、「WT」は野生型イネの結果であり、「gh」はgh2−2変異体の結果である。また、「WS」は藁全体の結果を、「LB」は葉身の結果を、「LS」は葉鞘の結果を、「C」は稈の結果を、「P」は穂の結果を、「H」は籾殻の結果を、それぞれ示す。さらに、「*」は、野生型イネとgh2−2変異体との差が5%水準で、「**」は1%水準で、「***」は0.1%水準で、統計的に有意であったことを、「NS」は両者に有意差がなかったことを、それぞれ示す。この結果、稲藁全体において、野生型イネとgh2−2変異体の収量は有意差がなく、CAD遺伝子にシステイン変異を導入することによっては、稲藁全体として有意な変化は見られないことがわかった。 The result of measuring the dry weight of the obtained ground sample is shown in FIG. In FIG. 1, “WT” is the result of wild-type rice, and “gh” is the result of the gh2-2 mutant. In addition, “WS” is the result of the entire cocoon, “LB” is the result of the leaf blade, “LS” is the result of the leaf sheath, “C” is the result of the cocoon, “P” is the result of the ear, “H” indicates the result of rice husk, respectively. Furthermore, “*” indicates a statistical difference between wild-type rice and gh2-2 mutant at 5% level, “**” at 1% level, and “***” at 0.1% level. “NS” indicates that there was no significant difference between the two. As a result, the yield of wild-type rice and the gh2-2 mutant is not significantly different in the whole rice straw, and the introduction of a cysteine mutation in the CAD gene does not significantly change the whole rice straw. all right.
<測定試料の作製>
得られた粉砕試料中のデンプンを、Total Starch Kit(製品名:K−TSTA、メガザイム社製)を用いた標準的な総デンプン分析法(AOAC法996.11、AACC法76.13)に従って、可溶化した後に濾過することによって除去した。濾過残渣を滅菌水で洗浄した後、40℃で乾燥したものを、以降の細胞壁成分分析及び酵素糖化試験の試料としてそれぞれ用いた。
<Preparation of measurement sample>
Starch in the obtained ground sample was measured according to a standard total starch analysis method (AOAC method 996.11, AACC method 76.13) using Total Starch Kit (product name: K-TSTA, manufactured by Megazyme). It was removed by filtration after solubilization. The filtration residue was washed with sterilized water and then dried at 40 ° C., and used as samples for the subsequent cell wall component analysis and enzyme saccharification test.
<細胞壁成分分析>
試料中のセルロース、キシラン(ヘミルセルロース)、クラソンリグニン、酸可溶性リグニン、灰分を、非特許文献15,16に記載の方法に準じて定量した。なお、各成分の定量値は、最終的に試料乾物量当たりの重量%として算出した。また、総リグニン含有量は、クラソンリグニン含有量と酸可溶性リグニン含有量の和として算出した。
<Cell wall component analysis>
Cellulose, xylan (hemyl cellulose), clathon lignin, acid-soluble lignin, and ash in the sample were quantified according to the methods described in Non-Patent Documents 15 and 16. In addition, the quantitative value of each component was finally calculated as weight% per sample dry matter amount. The total lignin content was calculated as the sum of the clason lignin content and the acid-soluble lignin content.
まず、試料300mgに72%硫酸3mLを加えて混和した後、30℃で60分間温浴させた。さらに水84mLを加えて混和した後、オートクレーブ(121℃、60分間)にかけることによって、酸加水分解反応により、試料中のセルロース、キシラン等の多糖類を単糖にまで分解した。反応後の試料は、室温近くまで冷却させた後、氷中に静置した。その後、吸引濾過を行うことにより、酸加水分解反応後の試料を濾液と濾過残渣とに分離した。 First, 3 mL of 72% sulfuric acid was added to and mixed with 300 mg of the sample, and then warm bathed at 30 ° C. for 60 minutes. Further, 84 mL of water was added and mixed, and then subjected to an autoclave (121 ° C., 60 minutes) to decompose polysaccharides such as cellulose and xylan in the sample into monosaccharides by an acid hydrolysis reaction. The sample after the reaction was cooled to near room temperature and then left in ice. Then, the sample after acid hydrolysis reaction was isolate | separated into the filtrate and the filtration residue by performing suction filtration.
得られた濾過残渣から、クラソンリグニン及び灰分を定量した。具体的には、当該濾過残渣を滅菌水で洗浄した後、るつぼに回収し、105℃で一昼夜乾燥させた後に重量を測定した(重量A)。その後、さらに600℃で4時間焼成させた後、再び重量を測定した(重量B)。焼成後の残渣が灰分(重量B)であり、焼成されたものがクラソンリグニン(重量Aから重量Bを差し引いた重量)である。 From the obtained filtration residue, clathon lignin and ash were quantified. Specifically, the filtration residue was washed with sterilized water, collected in a crucible, dried at 105 ° C. overnight, and then weighed (weight A). Then, after further baking at 600 ° C. for 4 hours, the weight was measured again (weight B). The residue after firing is ash (weight B), and the fired residue is clathon lignin (weight A minus weight B).
得られた濾液の205nmにおける吸光度を分光光度計で測定した。得られた吸光度から、濾液中の酸可溶性リグニン含有量を、Beer則にて前記式(1)から求めた。なお、吸光計数は110L・g−1・cm−1を使用した。 The absorbance at 205 nm of the obtained filtrate was measured with a spectrophotometer. From the obtained absorbance, the acid-soluble lignin content in the filtrate was determined from the above formula (1) according to the Beer rule. Incidentally, extinction coefficient was used 110L · g -1 · cm -1.
得られた濾液から、セルロース及びキシランを定量した。具体的には、当該濾液に炭酸カルシウムを加えてpH5.0〜6.0に調整した後、上澄みを0.2μmフィルターに通したものを、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)用試料とした。調製したHPLC試料をHPLCに注入し、下記の条件でHPLCを行い、グルロース及びキシロースを分離して検出した。検出されたグルロース及びキシロースは、標品を用いた検量線法により定量した。グルロースの定量値に0.9を乗じた値をセルロースの定量値とし、キシロースの定量値に0.88を乗じた値をキシランの定量値とした。 Cellulose and xylan were quantified from the obtained filtrate. Specifically, calcium carbonate was added to the filtrate to adjust the pH to 5.0 to 6.0, and then the supernatant was passed through a 0.2 μm filter as a sample for high performance liquid chromatography (HPLC). The prepared HPLC sample was injected into HPLC, HPLC was performed under the following conditions, and glucose and xylose were separated and detected. The detected glucose and xylose were quantified by a calibration curve method using a sample. The value obtained by multiplying the quantitative value of gulose by 0.9 was defined as the quantitative value of cellulose, and the value obtained by multiplying the quantitative value of xylose by 0.88 was defined as the quantitative value of xylan.
HPLC条件;
カラム:Aminex HPX−87P(300mm×Φ7.8mm、Bio−Rad社製)、
カラムオーブン温度:85℃、
移動相:水、
流量:0.6mL/min、
検出器:RI(示差屈折)検出器、
検出器内部温度:40℃、
オートサンプラ温度:4℃、
サンプリング量:50μL、
HPLC conditions;
Column: Aminex HPX-87P (300 mm × Φ7.8 mm, manufactured by Bio-Rad),
Column oven temperature: 85 ° C
Mobile phase: water,
Flow rate: 0.6 mL / min,
Detector: RI (differential refraction) detector,
Detector internal temperature: 40 ° C
Autosampler temperature: 4 ° C
Sampling amount: 50 μL,
測定結果を図3〜6に示す。図3は総リグニン含有量の結果を、図4はセルロース含有量の結果を、図5はキシラン含有量の結果を、図6は灰分含有量の結果を、それぞれ示す。図3〜6中、「WT」、「gh」、「WS」、「LB」、「LS」、「C」、「P」、「H」、「*」、「**」、「***」、及び「NS」の意味は、図2と同じである。図2に示すように、葉鞘では有意差がなかったものの、gh2−2変異体の総リグニン含有量は野生型イネよりも、葉身では約10%、稈では約20%、穂や籾殻では約14%減少しており、藁全体でも約14%減少していた。一方で、リグニンの他の主要成分であるセルロースやキシラン、灰分の含有量は、野生型イネとgh2−2変異体では、藁全体でみると有意差がなかった The measurement results are shown in FIGS. FIG. 3 shows the result of the total lignin content, FIG. 4 shows the result of the cellulose content, FIG. 5 shows the result of the xylan content, and FIG. 6 shows the result of the ash content. 3 to 6, “WT”, “gh”, “WS”, “LB”, “LS”, “C”, “P”, “H”, “*”, “**”, “**”. The meanings of “*” and “NS” are the same as those in FIG. As shown in FIG. 2, although there was no significant difference in the leaf sheath, the total lignin content of the gh2-2 mutant was about 10% in the leaf blade, about 20% in the cocoon, and in the ear and rice husk than the wild type rice. It has decreased by about 14%, and the entire cocoon has also decreased by about 14%. On the other hand, the content of cellulose, xylan, and ash, which are other main components of lignin, was not significantly different between wild-type rice and gh2-2 mutants when viewed as a whole.
<酵素糖化試験>
粉砕試料からデンプンを除去して得られた試料25mgに、反応液(1.9%アクレモニウムセルラーゼ(明治製菓社製)、50%酢酸バッファー(pH4.8)、0.02%アジ化ナトリウム)1mLを添加し、50℃、180rpmで振とうさせた状態で酵素反応を行った。反応液中のグルコース含有量を測定するために、藁全体サンプルについては、反応開始後0、2、6、24、30、及び48時間後に、反応液の一部を分取した。その他のサンプルについては、反応開始から48時間経過後の反応液を用いた。いずれのサンプルにおいても、分取した反応液は、容器ごと沸騰水に5分間湯浴させることにより酵素反応を停止させた後、測定した。
測定用に分取された反応液中のグルコースを、グルコースCIIテストワコー(和光純薬社製)を用いて定量した。得られた定量値を、HPLCによる定量の結果から算出された試料25mg中に含まれるグルコース含有量で除したものを、糖化効率とした。
<Enzyme saccharification test>
The reaction solution (1.9% Acremonium cellulase (manufactured by Meiji Seika Co., Ltd.), 50% acetate buffer (pH 4.8), 0.02% sodium azide) was added to 25 mg of the sample obtained by removing starch from the ground sample. 1 mL was added, and the enzyme reaction was performed with shaking at 50 ° C. and 180 rpm. In order to measure the glucose content in the reaction solution, a part of the reaction solution was fractionated after 0, 2, 6, 24, 30, and 48 hours after the start of the reaction. For the other samples, the reaction solution after 48 hours from the start of the reaction was used. In any sample, the collected reaction solution was measured after stopping the enzyme reaction by allowing the vessel to bathe in boiling water for 5 minutes.
Glucose in the reaction solution collected for measurement was quantified using Glucose CII Test Wako (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). The saccharification efficiency was obtained by dividing the obtained quantitative value by the glucose content contained in 25 mg of the sample calculated from the result of quantification by HPLC.
図7は、野生型イネとgh2−2変異体の稲藁全体における糖化効率とセルロース分解酵素反応の反応時間との関係を示した図であり、図8は反応終了後の野生型イネとgh2−2変異体の各器官の糖化効率を算出した結果を示した図であり、図9は同じく反応終了後の野生型イネとgh2−2変異体の各器官の乾燥重量当たりのグルコース産生効率(乾物糖化率)を算出した結果を示した図である。この結果、稲藁全体では、セルロース分解酵素反応の早い段階から反応終了時の48時間経過後まで一貫して、gh2−2変異体のほうが野生型イネよりも糖化効率が高く、糖化されやすいことがわかった。より詳細には、gh2−2変異体の糖化効率は野生型イネの約1.22倍であり、乾物糖化率は野生型イネの約1.23倍であった。また、器官ごとに若干の多少はあるものの、いずれの器官においても、gh2−2変異体は野生型イネよりも糖化効率が有意に高いことがわかった。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the saccharification efficiency of wild-type rice and the gh2-2 mutant in the whole rice straw and the reaction time of the cellulose-degrading enzyme reaction, and FIG. 8 shows the relationship between the wild-type rice and gh2 after the completion of the reaction. FIG. 9 shows the results of calculating the saccharification efficiency of each organ of the -2 mutant, and FIG. 9 shows the glucose production efficiency per dry weight of each organ of the wild-type rice and the gh2-2 mutant after the completion of the reaction ( It is the figure which showed the result of having calculated the dry matter saccharification rate. As a result, in rice straw as a whole, gh2-2 mutant has higher saccharification efficiency and easier saccharification than wild-type rice, consistently from the early stage of cellulolytic enzyme reaction to 48 hours after the end of the reaction. I understood. More specifically, the glycation efficiency of the gh2-2 mutant was about 1.22 times that of wild-type rice, and the dry matter saccharification rate was about 1.23 times that of wild-type rice. Moreover, although there were some somewhat for each organ, it was found that the gh2-2 mutant had significantly higher saccharification efficiency than wild-type rice in any organ.
<糖化効率と各成分の含有量との間の相関係数の算出>
糖化効率と各成分の含有量との間の相関係数を算出したところ、表1に示すように、糖化効率は、セルロースやキシラン、灰分の含有量とはほとんど相関がなかった。また、総リグニン含有量との相関係数は、−0.57とやや高めであったものの、有意ではなく、クラソンリグニン含有量との相関係数は−0.69であり、有意であったがそれほど高い相関は観察されなかった。これに対して、全体の3%程度しか含まれていない酸可溶性リグニン含有量と糖化効率の相関係数は0.87と非常に高いことがわかった。これらの結果から、糖化効率は、植物体中の総リグニン含有量よりも、リグニンの質(組成)が大きく影響することが強く示唆された。
<Calculation of correlation coefficient between saccharification efficiency and content of each component>
When the correlation coefficient between the saccharification efficiency and the content of each component was calculated, as shown in Table 1, the saccharification efficiency was hardly correlated with the contents of cellulose, xylan and ash. The correlation coefficient with the total lignin content was slightly higher at -0.57, but not significant, and the correlation coefficient with the clason lignin content was -0.69, which was significant. However, a very high correlation was not observed. On the other hand, it was found that the correlation coefficient between the acid-soluble lignin content containing only about 3% of the whole and the saccharification efficiency was as high as 0.87. These results strongly suggested that the quality (composition) of lignin affects the saccharification efficiency more than the total lignin content in the plant body.
そこで、酸可溶性リグニン含有量と糖化効率との関係をより詳細に検討した。図10は、野生型イネとgh2−2変異体の各器官における酸可溶性リグニン含有量と糖化効率との関係をプロットした図である。この結果、籾殻(H)や葉鞘(LS)、葉身(LB)では、酸可溶性リグニン含有量が高いgh2−2変異体のほうが、野生型イネよりも糖化効率が改善されていた。しかしながら、藁全体(WS)や稈(C)、穂(P)では、酸可溶性リグニン含有量に明らかな差はないにもかかわらず、高いgh2−2変異体は野生型イネよりも糖化効率が顕著に改善されていた。これらの結果から、酸可溶性リグニン含有量のみからでは、gh2−2変異体において野生型イネよりも糖化効率が改善されたことの説明ができず、酸可溶性リグニン含有量と糖化効率との高い相関は、直接的な因果関係を反映していない可能性が示唆された。 Therefore, the relationship between the acid-soluble lignin content and saccharification efficiency was examined in more detail. FIG. 10 is a graph plotting the relationship between the content of acid-soluble lignin and the saccharification efficiency in each organ of wild-type rice and gh2-2 mutant. As a result, in rice husks (H), leaf sheaths (LS), and leaf blades (LB), the gh2-2 mutant having a higher content of acid-soluble lignin had improved saccharification efficiency over wild-type rice. However, in whole pods (WS), pods (C), and panicles (P), the gh2-2 mutant has higher saccharification efficiency than wild-type rice, although there is no obvious difference in the content of acid-soluble lignin. It was remarkably improved. From these results, it was not possible to explain that the glycation efficiency was improved in the gh2-2 mutant compared to the wild-type rice only from the acid-soluble lignin content, and there was a high correlation between the acid-soluble lignin content and the saccharification efficiency. This suggests that it may not reflect a direct causal relationship.
<パス解析による糖化効率と各成分の含有量の解析>
各成分の含有量と糖化効率との相関関係をより詳細に調べるため、各種成分の含有率が糖化効率に及ぼす影響力の推定を試みた。解析は、糖化効率に対して、クラソンリグニン含有量や酸可溶性リグニン含有量が直接作用しているのか、又は両者の比という植物体中のリグニン組成の質的ファクターを介して間接的に作用しているのかを明らかにするために、説明変数から従属変数への直接効果ばかりではなく、別の説明変数を介した間接効果を求めることができるパス解析により行った。本実施例においては、パス解析を、構造方程式モデリング(Structural Equation Modeling:SEM)を用いて実施し、各変数のそれぞれの影響の大きさを定量的に明らかにした。なお、SEMは、共分散構造分析とも呼ばれている。
<Analysis of saccharification efficiency and content of each component by path analysis>
In order to investigate the correlation between the content of each component and saccharification efficiency in more detail, an attempt was made to estimate the influence of the content of each component on the saccharification efficiency. The analysis has an indirect effect on the saccharification efficiency, whether the clathon lignin content or acid-soluble lignin content is directly acting, or the qualitative factor of the lignin composition in the plant, the ratio of both. In order to clarify whether this is the case, we performed not only the direct effect from the explanatory variable to the dependent variable, but also the path analysis that can determine the indirect effect through another explanatory variable. In this example, the path analysis was performed using structural equation modeling (SEM), and the magnitude of each variable was quantitatively clarified. SEM is also called covariance structure analysis.
まず、酸可溶性リグニン含有量とクラソンリグニン含有量が糖化効率に対して直接的な作用と両者の比(ASL/KL比)を介した間接的な作用の両方を有することを前提として、各成分の含有量と糖化率との因果関係のモデル(パス図)を作成した。このモデルは、各細胞壁成分含有量により糖化効率の変動の93%が説明可能という極めて高い説明率を示したものの、作用の大きさを示すパス係数の推定値のばらつきが大きいなどの不安定さが見られ、さらにはモデル全体が実データの構造に適合しているかどうかの検定において棄却(モデルが実データ構造と統計的に有意に異なることが示された)された。 First, assuming that the acid-soluble lignin content and the clason lignin content have both a direct action on saccharification efficiency and an indirect action through the ratio of both (ASL / KL ratio), A model (path diagram) of the causal relationship between the component content and the saccharification rate was created. Although this model showed an extremely high explanation rate that 93% of the variation in saccharification efficiency can be explained by the content of each cell wall component, instability such as large variation in the estimated value of the path coefficient indicating the magnitude of action. Was further rejected in the test of whether the entire model fits the structure of the actual data (showing that the model is statistically significantly different from the actual data structure).
そこで、各成分含有量間の関係性を見直した上、先のモデルにおいて酸可溶性リグニンから糖化効率への直接的な作用の大きさがほぼ0(標準化パス係数=0.03)であったことから、酸可溶性リグニンが糖化効率に直接的な作用を有しないことを前提としてモデルを組み直したところ、パス係数の推定精度、モデルの実データへの適合度とも大幅に改善され、良好な結果が得られた。作成されたパス図を図11に示す。解析の結果、糖化効率へ有意な直接作用を有するのは、ASL/KL比(標準化パス係数=0.84)とセルロース含有量(標準化パス係数=−0.57)であり、クラソンリグニン含有量や酸可溶性リグニンの含有量は、キシラン含有量や灰分含有量と同様に糖化効率に対して有意な直接作用をもたらさないことが示された。中でも、ASL/KL比の糖化効率への直接効果が大きいことが明らかとなった。以上の結果から、糖化効率は、植物体中の総リグニン含有量よりも、ASL/KL比が大きく影響すること、したがって、植物体中の総リグニン含有量を低減させずとも、ASL/KL比を増大させることにより、総リグニン含有量の減少により引き起こされるデメリットを抑えつつ、リグノセルロースの易糖化性を変化させることが可能であることが示された。 Therefore, after reviewing the relationship between the content of each component, the direct effect of acid-soluble lignin on saccharification efficiency in the previous model was almost 0 (standardized path coefficient = 0.03). Therefore, when the model was reconstructed on the assumption that acid-soluble lignin does not have a direct effect on saccharification efficiency, the accuracy of path coefficient estimation and the fitness of the model to actual data were greatly improved, and good results were obtained. Obtained. The created path diagram is shown in FIG. As a result of the analysis, it is the ASL / KL ratio (standardized path coefficient = 0.84) and the cellulose content (standardized path coefficient = −0.57) that have a significant direct effect on saccharification efficiency. It was shown that the amount and the content of acid-soluble lignin had no significant direct effect on saccharification efficiency, as did the xylan content and ash content. Especially, it became clear that the direct effect on the saccharification efficiency of ASL / KL ratio is large. From the above results, the saccharification efficiency is more greatly affected by the ASL / KL ratio than the total lignin content in the plant body. Therefore, even if the total lignin content in the plant body is not reduced, the ASL / KL ratio. It was shown that it is possible to change the saccharification property of lignocellulose while suppressing the disadvantage caused by the decrease in the total lignin content.
測定データに基づき、野生型イネとgh2−2変異体の各器官におけるASL/KL比とセルロース含有量を独立変数とし、糖化効率を従属変数とした重回帰分析の結果、決定係数(R2)が0.93と非常に高かった(図12)。これより、バイオマスサンプル中のASL/KL比とセルロース含有量を測定することで、セルロースの糖化効率を予測し得ること、すなわち、バイオマスサンプル中のASL/KL比とセルロース含有量を指標として易糖化性を評価し得ることが明らかである。なお、本実施例と同じ条件で糖化処理を行った場合には、糖化効率の予測値は、下記の式(2)により算出することができると考えられる。酵素糖化反応に用いるセルロース量を一定とすることにより、ASL/KL比のみから糖化効率の予測値を算出し得る。
糖化効率(予測値[%])= 227.9×[ASL/KL比]−2.4×[セルロース含有量(%)]+87.0 ・・・(2)
Based on the measurement data, as a result of multiple regression analysis with the ASL / KL ratio and cellulose content in each organ of wild type rice and gh2-2 mutant as independent variables and saccharification efficiency as a dependent variable, the coefficient of determination (R 2 ) Was as high as 0.93 (FIG. 12). From this, it is possible to predict the saccharification efficiency of cellulose by measuring the ASL / KL ratio and the cellulose content in the biomass sample, that is, easy saccharification using the ASL / KL ratio and the cellulose content in the biomass sample as indices. It is clear that sex can be evaluated. In addition, when a saccharification process is performed on the same conditions as a present Example, it is thought that the predicted value of saccharification efficiency can be calculated by following formula (2). By making the amount of cellulose used in the enzymatic saccharification reaction constant, a predicted value of saccharification efficiency can be calculated from only the ASL / KL ratio.
Saccharification efficiency (predicted value [%]) = 227.9 × [ASL / KL ratio] −2.4 × [cellulose content (%)] + 87.0 (2)
<耐倒伏性試験>
野生型のイネとgh2−2変異体の耐倒伏性を比較するために、押し倒し抵抗値と挫折時モーメントを測定した。押し倒し抵抗値の測定は、出穂から30日目の植物体(イネ)に対して、挫折時モーメントは出穂から40日目の植物体(イネ)に対して、それぞれ実施した。
押し倒し抵抗値は、植物体を45°押し倒すために要する力(N)である。測定は、Kashiwagi と Ishimaruの方法(非特許文献19)に準じ、押し倒し抵抗測定器(大起理化工業社製)を用いて行った。具体的には、植物体の背丈が地面から40cmとなるように切りそろえた後、地面から20cmの位置に植物体に対して垂直に力をかけて、当該植物体が45°に傾けるために要する力を押し倒し抵抗値とした。押し倒し抵抗値は、測定した植物体の分げつ数で除して株の太さによる影響を除いた。また、各植物体の第1〜第5節間の挫折時モーメント(kg・cm)をデジタルフォースゲージを組み込んだ装置を用いて測定(非特許文献20)し、同時に測定した節間の外径及び内径を用いて、断面係数(mm3)と曲げ応力(g/mm2)をOokawaらの方法(非特許文献21)にしたがって算出した。
<Lodging resistance test>
In order to compare the lodging resistance of wild-type rice and the gh2-2 mutant, the pushing resistance value and the moment at fracture were measured. The measurement of the push-down resistance value was performed on the plant body (rice) on the 30th day after heading, and the moment at break was performed on the plant body (rice) on the 40th day after heading.
The pushing resistance value is a force (N) required to push down the plant body by 45 °. The measurement was performed using a push-down resistance measuring instrument (manufactured by Daiki Rika Kogyo Co., Ltd.) according to the method of Kashiwagi and Ishimaru (Non-patent Document 19). Specifically, after the plant body is trimmed so that its height is 40 cm from the ground, it is necessary to apply a force perpendicular to the plant at a position 20 cm from the ground so that the plant tilts to 45 °. The force was pushed down to obtain the resistance value. The pushing resistance value was divided by the measured number of tillers to remove the influence of the thickness of the strain. In addition, the moment (kg · cm) at the time of fracture between the first to fifth nodes of each plant was measured using a device incorporating a digital force gauge (Non-patent Document 20), and the outer diameter between the nodes measured simultaneously. The section modulus (mm 3 ) and bending stress (g / mm 2 ) were calculated according to the method of Ookawa et al.
図13に押し倒し抵抗値(N/分げつ)の測定結果を、図14に節間の断面係数(mm3)の測定結果を、図15に節間の曲げ応力(g/mm2)の測定結果を、図16に挫折時モーメント(kg・cm)の算出結果を、それぞれ示す。この結果、押し倒し抵抗値と挫折時モーメントは、いずれもgh2−2変異体と野生型イネとの間に統計的に有意な差がなく、植物体の強度に有意な変化がみられないことがわかった。gh2−2変異体は、野生型イネよりも曲げ応力が小さく、断面係数が大きい傾向が示唆されたものの、gh2−2変異体と野生型イネとの間に統計学的有意差が認められたのは、曲げ応力は第3節間についてのみであり、断面係数では第2節間及び第3節間についてのみであった。これらの結果から、植物体中の総リグニン含有量を低減させた場合には、植物体の強度が低下するおそれがあるが、植物体中のASL/KL比を高めることにより、当該植物体の糖化効率を高められる可能性が示唆された。 FIG. 13 shows the measurement result of the pushing resistance value (N / parting), FIG. 14 shows the measurement result of the section modulus (mm 3 ) between the nodes, and FIG. 15 shows the bending stress (g / mm 2 ) of the nodes. FIG. 16 shows the measurement results, and the calculation results of the moment (kg · cm) at the time of fracture are shown. As a result, there is no statistically significant difference between the gh2-2 mutant and the wild-type rice, and there is no significant change in the strength of the plant. all right. Although the gh2-2 mutant had a lower bending stress and a larger section modulus than the wild type rice, a statistically significant difference was observed between the gh2-2 mutant and the wild type rice. The bending stress was only between the third nodes, and the section modulus was only between the second and third nodes. From these results, when the total lignin content in the plant body is reduced, the strength of the plant body may be reduced, but by increasing the ASL / KL ratio in the plant body, It was suggested that saccharification efficiency could be increased.
本発明の植物体の糖化効率の改善方法は、植物の品種改良やバイオマスエタノールの製造の分野において利用が可能である。 The method for improving the saccharification efficiency of the plant of the present invention can be used in the fields of plant variety improvement and biomass ethanol production.
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