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JP7760118B2 - Cytoplasmic male sterility gene, male sterility restored plant, method for restoring fertility of cytoplasmic male sterility in Solanaceae plants, method for producing male sterility restored plant, male sterile plant, and method for producing male sterility plant - Google Patents
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Cytoplasmic male sterility gene, male sterility restored plant, method for restoring fertility of cytoplasmic male sterility in Solanaceae plants, method for producing male sterility restored plant, male sterile plant, and method for producing male sterility plant

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特許法第30条第2項適用 令和3年3月5日に、米国コールド・スプリング・ハーバー研究所が運営するプレプリントサーバーbioRxivに、研究論文『Organelle genome assembly uncovers the dynamic genome reorganization and cytoplasmic male sterility associated genes in tomato』を投稿公開URL<https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.03.03.433741v1><https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.03.03.433741v1.full.pdf+html>で発表した。Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act On March 5, 2021, the research paper "Organelle genome assembly uncovers the dynamic genome reorganization and cytoplasmic male sterility associated genes in tomato" was posted to the preprint server bioRxiv operated by Cold Spring Harbor Laboratory in the United States, with the following public URL: <https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.03.03.433741v1> <https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.03.03.433741v1> The results were published at: org/content/10.1101/2021.03.03.433741v1.full.pdf+html>.

本発明は、ナス科の植物細胞質雄性不稔性の遺伝子、その遺伝子の発現を操作することによる雄性不稔回復植物及び雄性不稔性植物に関する。 The present invention relates to a gene for cytoplasmic male sterility in Solanaceae plants, and male sterility-restored plants and male sterile plants produced by manipulating the expression of that gene.

野菜などの作物の交配において、種子親、花粉親の2つの異なる親系統を交配させるF1採種の作業が行われている。このとき、種子親の系統からの自花受粉を防ぐために、種子親から葯を除く除雄と呼ばれる作業が行われている。しかし、この除雄の作業は現在、主に手作業で行われており、労働力を要するので、コストがかかり、採種で得られる種子価格の高騰を招いている。さらに、多数の労働者を介することで、貴重な知財である親系統が流出するおそれも考えられる。また、手作業による除雄は一定の失敗の可能性があり、この場合は種子親の花粉が混入し、目的の系統の交配が行われなかった種子が混入する可能性もある。 When crossbreeding crops such as vegetables, F1 seed production involves crossbreeding two different parent lines, a seed parent and a pollen parent. To prevent self-pollination from the seed parent line, a process called emasculation is carried out, in which the anthers are removed from the seed parent. However, this emasculation process is currently mainly done by hand, which requires a lot of labor and is costly, causing the price of seeds obtained through seed production to rise. Furthermore, the need for a large number of workers poses a risk that valuable intellectual property, the parent line, may be leaked. Manual emasculation also has a certain degree of risk of failure, which could result in contamination with pollen from the seed parent, resulting in seeds that do not result in the desired crossbreeding.

これらの対策として、種子親を雄性不稔化する、すなわち、花粉を生じなくするか、又は、不稔性の、すなわち交配しない不活性な花粉を生じるようにすることで、手作業による徐雄の作業を行わなくとも、種子親の花粉が受粉する可能性を除くことができる。 To address these issues, the seed parent can be rendered male sterile, i.e., so that it does not produce pollen, or so that it produces sterile, inactive pollen that does not cross-pollinate, thereby eliminating the possibility of pollen from the seed parent being fertilized without the need for manual sterilization.

例えばイネにおいては、細胞質雄性不稔性(CMS、Cytoplasmic Male Sterility)を利用した交配の技術が知られている。細胞質雄性不稔の一例は、細胞質内のミトコンドリアにおける、ミトコンドリア遺伝子の働きにより、細胞の核とミトコンドリアの遺伝子産物の不親和により、花粉が不活性化し交配できず、種子及び果実が生じなくなる現象である。多くの植物種では細胞質が雌性側のみから伝達されるため、異種の細胞質に置換した細胞質置換系統を用いて、CMS系統が製造される。 For example, in rice, a breeding technique that utilizes cytoplasmic male sterility (CMS) is known. One example of cytoplasmic male sterility is a phenomenon in which the action of mitochondrial genes in the mitochondria within the cytoplasm causes incompatibility between the cell nucleus and mitochondrial gene products, resulting in inactivation of pollen, failure to mate, and the failure to produce seeds or fruit. In many plant species, cytoplasm is transmitted only from the female side, so CMS lines are produced using cytoplasm replacement lines in which heterologous cytoplasm has been replaced.

特許文献1には、トマト植物より単離し細胞質因子不治化処理されたプロトプラストと、ナス属植物より単離し核遺伝物質不治化処理されたプロトプラストと、を融合させて、融合物質より雄性不稔トマトを再生させることを特徴とする雄性不稔トマト植物の簡易作出法が開示されている。この技術は、プロトプラストの融合によって雄性不稔性を有する系統を作成し、目的とするトマト植物の雄性不稔性以外の形質に何等変化を与えることなく、目的とするトマト植物を短期間に効率よく雄性不稔化しようとするものである。 Patent Document 1 discloses a simple method for producing male-sterile tomato plants, which involves fusing protoplasts isolated from tomato plants and treated to render them inoperable for cytoplasmic factors with protoplasts isolated from Solanum plants and treated to render them inoperable for nuclear genetic material, and then regenerating male-sterile tomatoes from the fusion product. This technology creates a line with male sterility through protoplast fusion, and aims to efficiently render the target tomato plants male-sterile in a short period of time without affecting any traits of the target tomato plants other than male sterility.

特許文献2には、一定のDNAを含むイネRT型細胞質雄性不稔性の原因遺伝子と、それを用いた不稔性の判別方法等が記載されている。この技術では、イネRT型細胞質雄性不稔性の原因となるミトコンドリア遺伝子が同定され、この遺伝子をDNAマーカーとすることにより細胞質雄性不稔のイネ系統の判別にも用いることができるものである。 Patent Document 2 describes a gene containing a specific DNA that causes rice RT-type cytoplasmic male sterility, as well as a method for identifying sterility using the gene. This technology identifies the mitochondrial gene that causes rice RT-type cytoplasmic male sterility, and by using this gene as a DNA marker, it can also be used to identify rice lines that are cytoplasmic male sterile.

特許文献3には、形質が改変された植物を作出する方法であって、特定の配列番号のDNA、又はその一部の配列を有し、小胞子および任意に葯の開裂組織に、特異的なプロモーター活性を示すDNAのいずれかを含むプロモーターと、このプロモーターに作動可能に連結された異種遺伝子とを含む、植物発現カセットを利用する方法等を開示している。この技術は、ナス科のペチュニア等の園芸植物について、雄性不稔に代表される植物形質の改変に有用な、花粉に特異的な遺伝子を利用する遺伝子工学的手法を提供しようとするものである。 Patent Document 3 discloses a method for producing plants with modified traits, which utilizes a plant expression cassette containing a promoter containing either DNA with a specific sequence number or a partial sequence thereof, and DNA that exhibits specific promoter activity in microspores and, optionally, anther dehiscence tissue, and a heterologous gene operably linked to the promoter. This technology aims to provide a genetic engineering technique that utilizes pollen-specific genes, useful for modifying plant traits, such as male sterility, in horticultural plants such as petunia of the Solanaceae family.

特許第2824841号公報Patent No. 2824841 国際公開第2014/027502号International Publication No. 2014/027502 特開2003-92937号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-92937

特許文献1の技術では、ナス科のトマトにおいては雄性不稔性を有する系統を得ることはできるものの、その細胞質雄性不稔性の遺伝子は明らかになっていない。そのため、前述の不稔性を有する系統を用いて、ナス科の果実をつけない植物を生産することはできるものの、その種子を作ることができないため、増殖することができない。雄性不稔性を有する系統を応用するには、細胞質雄性不稔性の原因遺伝子を明らかにし、そのオン/オフを操作可能であることが望まれている。 The technology described in Patent Document 1 makes it possible to obtain male-sterile lines in tomatoes, which belong to the Solanaceae family, but the gene responsible for this cytoplasmic male sterility has not been identified. Therefore, while it is possible to produce fruitless Solanaceae plants using the aforementioned sterile lines, they are unable to produce seeds and therefore cannot be propagated. In order to apply male-sterile lines, it is desirable to identify the gene responsible for cytoplasmic male sterility and be able to control its on/off state.

特許文献2の技術は、イネ科における細胞質雄性不稔性の遺伝子を明らかにしているが、ナス科の植物については、細胞質雄性不稔性の原因遺伝子は明らかとなっていない。 The technology in Patent Document 2 clarifies the gene responsible for cytoplasmic male sterility in grasses, but the gene responsible for cytoplasmic male sterility in plants of the Solanaceae family has not yet been identified.

特許文献3の技術は、ナス科の植物の一種について不稔性を遺伝子的に操作しようとするものであるが、この操作する遺伝子は核に含まれる遺伝子で、植物の形質を変化させるものである。この技術では、細胞質雄性不稔性のように核の遺伝子は変化させずにミトコンドリアの細胞質の遺伝子を操作して不稔性のオン/オフは操作することができない。特許文献3の技術は、ナス科でもペチュニアなどの園芸分野の植物を操作するものであり、食品の分野ではない。 The technology in Patent Document 3 attempts to genetically manipulate sterility in a type of plant in the Solanaceae family, but the gene manipulated is a gene contained in the nucleus, changing the plant's characteristics. This technology cannot manipulate sterility on/off by manipulating mitochondrial cytoplasmic genes without changing nuclear genes, as is the case with cytoplasmic male sterility. The technology in Patent Document 3 manipulates horticultural plants such as petunias in the Solanaceae family, and is not intended for use in the food industry.

本発明は上記のような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、ナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子であり、雄性不稔性の誘起及び回復に用いることができ、植物交配や種子採種を大きく効率化することができる、ナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子、雄性不稔回復植物、ナス科植物の細胞質雄性を回復する方法、雄性不稔回復植物の製造方法、雄性不稔性植物、及び雄性不稔性植物の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in light of the above-mentioned circumstances, and its purpose is to provide a cytoplasmic male sterility gene for Solanaceae plants that can be used to induce and restore male sterility, greatly improving the efficiency of plant breeding and seed production, a male sterility-restored plant, a method for restoring cytoplasmic maleness in Solanaceae plants, a method for producing a male sterility-restored plant, a male sterile plant, and a method for producing a male sterility plant.

上記課題を解決するため、本発明は以下の態様を有する。
[1] (a)配列番号1に示すアミノ酸配列からなるタンパク質、
(b)前記(a)のアミノ酸配列において、1又は複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を有し、植物において細胞質雄性不稔性を発揮するタンパク質、
(c)前記(a)のアミノ酸配列において、80%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、植物において細胞質雄性不稔性を発揮するタンパク質、
を含む群より選択されるタンパク質をコードする、細胞質雄性不稔性遺伝子。
[2] 細胞質雄性不稔性遺伝子を欠損させた、又は前記細胞質雄性不稔性遺伝子の機能若しくは発現を阻害したナス科植物である、雄性不稔回復植物。
[3] 前記ナス科植物は、ナス属又はトウガラシ属植物である、前記の雄性不稔回復植物。
[4] 前記ナス属植物は、ナス、ジャガイモ又はトマトである、前記の雄性不稔回復植物。
[5] 前記トウガラシ属植物は、トウガラシ又はピーマンである、前記の雄性不稔回復植物。
[6] ミトコンドリアゲノムDNAが編集されて前記細胞質雄性不稔性遺伝子が欠損されている、又は前記細胞質雄性不稔性遺伝子の機能若しくは発現が阻害されている、前記の雄性不稔回復植物。
[7] 前記ミトコンドリアゲノムDNAをmitoTALEN法により編集された雄性不稔回復植物であって、
配列番号9、12に示す塩基配列をそれぞれ標的遺伝子とするmitoTALEN発現ベクターを用いる、前記の雄性不稔回復植物。
[8] 細胞質雄性不稔性のナス科植物に対して前記の細胞質雄性不稔性遺伝子を欠損させる、又は前記細胞質雄性不稔性遺伝子の機能若しくは発現を阻害する、ナス科植物の細胞質雄性不稔の稔性を回復する方法。
[9] 前記細胞質雄性不稔性のナス科植物のミトコンドリアゲノムDNAを編集し、前記細胞質雄性不稔性遺伝子を欠損させる、又は前記細胞質雄性不稔性遺伝子の機能若しくは発現を阻害する、前記のナス科植物の細胞質雄性不稔の稔性を回復する方法。
[10] 前記ミトコンドリアゲノムDNAをmitoTALEN法により編集するナス科植物の細胞質雄性不稔の稔性を回復する方法であって、
配列番号9、12に示す塩基配列をそれぞれ標的遺伝子とするmitoTALEN発現ベクターを用いる、前記のナス科植物の細胞質雄性不稔の稔性を回復する方法。
[11] 前記のナス科植物の細胞質雄性不稔の稔性を回復する方法によりナス科植物の細胞質雄性を回復する、雄性不稔回復植物の製造方法。
[12] 前記の細胞質雄性不稔性遺伝子を発現させたナス科植物である、雄性不稔性植物。
[13] 前記ナス科植物は、ナス属又はトウガラシ属植物である、前記の雄性不稔性植物。
[14] 前記ナス属植物はトマトである、前記の雄性不稔性植物。
[15] ナス科植物に対して前記の細胞質雄性不稔性遺伝子を発現させる、雄性不稔性植物の製造方法。
In order to solve the above problems, the present invention has the following aspects.
[1] (a) a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1;
(b) a protein that has the amino acid sequence of (a) in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added, and that exerts cytoplasmic male sterility in a plant;
(c) a protein that has an amino acid sequence that is 80% or more identical to the amino acid sequence of (a), and that exerts cytoplasmic male sterility in plants;
A cytoplasmic male sterility gene encoding a protein selected from the group comprising:
[2] A male sterility restored plant, which is a Solanaceae plant in which a cytoplasmic male sterility gene has been deleted or the function or expression of the cytoplasmic male sterility gene has been inhibited.
[3] The male sterility restorer plant as described above, wherein the Solanaceae plant is a plant of the genus Solanum or Capsicum.
[4] The male sterility restorer plant as described above, wherein the Solanum plant is eggplant, potato, or tomato.
[5] The male sterility restorer plant as described above, wherein the Capsicum plant is a chili pepper or a bell pepper.
[6] The male sterility restored plant, wherein the mitochondrial genome DNA has been edited to delete the cytoplasmic male sterility gene, or the function or expression of the cytoplasmic male sterility gene has been inhibited.
[7] A male sterility restored plant in which the mitochondrial genomic DNA has been edited by the mitoTALEN method,
The male sterility restored plant described above, which uses a mitoTALEN expression vector with the base sequences shown in SEQ ID NOs: 9 and 12 as target genes, respectively.
[8] A method for restoring fertility to a cytoplasmic male sterile Solanaceae plant, comprising deleting the cytoplasmic male sterility gene in the cytoplasmic male sterile Solanaceae plant or inhibiting the function or expression of the cytoplasmic male sterility gene.
[9] A method for restoring fertility of a cytoplasmic male sterile Solanaceae plant, comprising editing the mitochondrial genomic DNA of the cytoplasmic male sterile Solanaceae plant to delete the cytoplasmic male sterility gene or inhibiting the function or expression of the cytoplasmic male sterility gene.
[10] A method for restoring fertility to a cytoplasmic male-sterile plant of the Solanaceae family, comprising editing the mitochondrial genomic DNA by the mitoTALEN method,
A method for restoring fertility to cytoplasmic male sterility in the Solanaceae plant, using a mitoTALEN expression vector with the base sequences shown in SEQ ID NOs: 9 and 12 as target genes, respectively.
[11] A method for producing a male-sterility-restored plant, which restores cytoplasmic maleness to a Solanaceae plant by the method for restoring fertility of cytoplasmic male sterility in a Solanaceae plant.
[12] A male sterile plant, which is a Solanaceae plant in which the cytoplasmic male sterility gene is expressed.
[13] The male sterile plant as described above, wherein the Solanaceae plant is a plant of the genus Solanum or Capsicum.
[14] The male sterile plant as described above, wherein the plant of the genus Solanum is a tomato.
[15] A method for producing a male sterile plant, which comprises expressing the cytoplasmic male sterility gene in a Solanaceae plant.

本発明によれば、ナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子を明らかにし、雄性不稔性の誘起及び回復に用いることができ、植物交配や種子採種を大きく効率化することができる、ナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子、雄性不稔回復植物、ナス科植物の細胞質雄性を回復する方法、雄性不稔回復植物の製造方法、雄性不稔性植物、及び雄性不稔性植物の製造方法が得られる。 The present invention identifies the cytoplasmic male sterility gene in Solanaceae plants, which can be used to induce and restore male sterility, greatly improving the efficiency of plant breeding and seed production. It also provides a cytoplasmic male sterility gene in Solanaceae plants, a male sterility restored plant, a method for restoring cytoplasmic maleness in Solanaceae plants, a method for producing a male sterility restored plant, a male sterile plant, and a method for producing a male sterile plant.

本実施形態のナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子を同定する工程を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the steps of identifying a cytoplasmic male sterility gene in a Solanaceae plant according to this embodiment. 細胞質雄性不稔性遺伝子の候補遺伝子について、RNA-seqの結果を示す図であり、それぞれ(a)orf137、(b)orf265、(c)orf265である。Figure 1 shows the results of RNA-seq for candidate genes for cytoplasmic male sterility, (a) orf137, (b) orf265, and (c) orf265. 細胞質雄性不稔性遺伝子の候補遺伝子についてのRT-PCRの図である。FIG. 1 shows RT-PCR results for candidate genes for cytoplasmic male sterility genes. 細胞質雄性不稔性遺伝子の候補遺伝子について、(a)発現阻害に用いるベクターの構造、(b)(c)標的遺伝子の配列を示す概略図である。1A and 1B are schematic diagrams showing the structure of a vector used to inhibit expression of candidate genes for cytoplasmic male sterility, and (b) and (c) the sequence of the target gene. 標的遺伝子を破壊したトマトCMS系統について、ミトコンドリアDNAの発現を調べた図である。This is a diagram showing the results of examining mitochondrial DNA expression in a tomato CMS line in which a target gene was disrupted. orf137遺伝子を阻害した系統についての雄性不稔回復を示す写真図である。FIG. 1 is a photograph showing the restoration of male sterility in a line in which the orf137 gene has been disrupted.

以下、本発明に係るナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子、雄性不稔回復植物、ナス科植物の細胞質雄性を回復する方法、雄性不稔回復植物の製造方法、雄性不稔性植物、及び雄性不稔性植物の製造方法について、実施形態を示して説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 The following describes, with reference to embodiments, the cytoplasmic male sterility gene for solanaceous plants, male sterility restored plants, methods for restoring cytoplasmic maleness in solanaceous plants, methods for producing male sterility restored plants, male sterile plants, and methods for producing male sterile plants according to the present invention. However, the present invention is not limited to the following embodiments.

(ナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子)
本実施形態のナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子は、
(a)配列番号1に示すアミノ酸配列からなるタンパク質、
(b)前記(a)のアミノ酸配列において、1又は複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を有し、植物において前記細胞質雄性不稔性を発揮するタンパク質、
(c)前記(a)のアミノ酸配列において、80%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、植物において前記細胞質雄性不稔性を発揮するタンパク質、
を含む群より選択されるタンパク質をコードする遺伝子配列を含む。
(Cytoplasmic male sterility gene in Solanaceae plants)
The cytoplasmic male sterility gene of the Solanaceae plant of this embodiment is
(a) a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1;
(b) a protein that exerts the cytoplasmic male sterility in a plant, which has an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of (a);
(c) a protein that exhibits the cytoplasmic male sterility in a plant, the protein having an amino acid sequence that has 80% or more identity with the amino acid sequence of (a);
The gene sequence encoding a protein selected from the group comprising:

ナス科植物は、ナス科の植物を広く含み、例えば、ナス属又はトウガラシ属植物を含む。また、ナス属植物は、例えば、ナス、ジャガイモ又はトマトを含む。トウガラシ属植物は、トウガラシ又はピーマンを含む。 Solanaceae plants broadly include plants of the Solanaceae family, such as plants of the Solanaceae genus or Capsicum. Solanaceae plants also include, for example, eggplant, potato, or tomato. Capsicum plants include chili peppers or bell peppers.

ナス科植物は、作物、すなわち特に食品原材料として農業分野において利用される植物であることが特に好ましい。本実施形態では、ミトコンドリアゲノムDNAの発現を抑制することで雄性不稔の有無を操作する。 Solanaceae plants are particularly preferably crops, i.e., plants used in the agricultural field, particularly as food raw materials. In this embodiment, the presence or absence of male sterility is manipulated by suppressing the expression of mitochondrial genome DNA.

本実施形態のナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子は、代表的には、
(a)配列番号1に示すアミノ酸配列からなるタンパク質
をコードする遺伝子である。
特に、配列番号1に示すアミノ酸配列からなるタンパク質をコードする遺伝子は、発明者らの発見による遺伝子で、orf137と称する。配列番号2にorf137の遺伝子配列を示す。この遺伝子は、後述の実施例で説明するように、トマトのCMS(細胞質雄性不稔性、Cytoplasmic Male Sterility)系統のミトコンドリア遺伝子から発見され、細胞質雄性不稔性をもたらしている。なお、細胞質雄性不稔性をもたらすタンパク質はS因子と呼ばれ、細胞質雄性不稔性遺伝子は、S因子をコードする遺伝子と考えられ、以下S因子遺伝子と呼ぶこともある。
また後述するように、ナス科植物に対してこの遺伝子を欠損させ、又は前記細胞質雄性不稔性遺伝子の機能若しくは発現を阻害することによって、CMS系統を、雄性不稔性を持つ状態から持たない状態に回復させる、すなわち雄性不稔回復を行うことができる。
また、特にナス科植物に対してこの遺伝子の発現を誘導することで、細胞質雄性不稔性を付与することができる。加えて、この遺伝子orf137を他のナス科植物に移植することで、雄性不稔性を誘導することが可能である。
従来、ナス科植物に対しては、細胞質雄性不稔性をもたらす遺伝子は見出されていなかったものであるが、本発明者らによって遺伝子及び応用法が見いだされたものである。
The cytoplasmic male sterility gene of the Solanaceae plant of this embodiment is typically
(a) A gene encoding a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1.
In particular, the gene encoding the protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 was discovered by the inventors and is designated orf137. The gene sequence for orf137 is shown in SEQ ID NO: 2. As will be explained in the Examples below, this gene was discovered in the mitochondrial genes of the CMS (Cytoplasmic Male Sterility) strain of tomato and confers cytoplasmic male sterility. The protein that confers cytoplasmic male sterility is called an S factor, and the cytoplasmic male sterility gene is considered to be a gene encoding the S factor, and will hereinafter also be referred to as the S factor gene.
Furthermore, as described below, by deleting this gene in a Solanaceae plant or inhibiting the function or expression of the cytoplasmic male sterility gene, it is possible to restore a CMS line from a state in which it has male sterility to a state in which it does not, i.e., to restore male sterility.
Furthermore, inducing the expression of this gene can confer cytoplasmic male sterility, particularly in Solanaceae plants, and by transferring this gene orf137 to other Solanaceae plants, male sterility can be induced.
Until now, no gene that confers cytoplasmic male sterility has been found in plants of the Solanaceae family, but the present inventors have now discovered the gene and a method for its application.

また、本実施形態のナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子は、
(b)前記(a)のアミノ酸配列において、1又は複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を有し、植物において前記細胞質雄性不稔性を発揮するタンパク質を含む群より選択されるタンパク質をコードする遺伝子であることも好ましい。
また、
(c)前記(a)のアミノ酸配列において、80%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、植物において前記細胞質雄性不稔性を発揮するタンパク質であることも好ましい。
In addition, the cytoplasmic male sterility gene of the Solanaceae plant of this embodiment is
(b) It is also preferable that the gene has an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of (a), and encodes a protein selected from the group including proteins that exert the cytoplasmic male sterility in plants.
Also,
(c) It is also preferable that the protein has an amino acid sequence that is 80% or more identical to the amino acid sequence of (a) and that exerts the cytoplasmic male sterility in plants.

具体的には、前記(a)又は(b)のアミノ酸配列に対して、アミノ酸の欠失、置換又は付加されたアミノ酸配列をコードする遺伝子であってもよい。これらの欠失、置換又は付加は部位特異的突然変異誘発法等の公知の変異タンパク質作成法により導入されたものであってもよい。変異は、人為的に変異を導入したものであっても、天然に存在する同様の変異であってもよい。植物種に応じて、また目的に応じて、これらの改変又は変異を導入した遺伝子を用いることもできる。
また、前記(a)又は(b)のアミノ酸配列に対して90%以上の相同性を有するアミノ酸配列からなるタンパク質をコードする遺伝子であることも好ましい。配列の同一性を検索、判定する手段については、FASTAやBLASTにより検索する等の手段をとることができる。
Specifically, the gene may encode an amino acid sequence in which amino acids have been deleted, substituted, or added to the amino acid sequence of (a) or (b). These deletions, substitutions, or additions may be introduced by known methods for creating mutant proteins, such as site-directed mutagenesis. The mutations may be artificially introduced or may be similar mutations that occur naturally. Genes into which such modifications or mutations have been introduced can also be used depending on the plant species and the purpose.
It is also preferable that the gene encodes a protein consisting of an amino acid sequence having 90% or more homology to the amino acid sequence of (a) or (b). The sequence identity can be searched and determined by searching using FASTA or BLAST, for example.

また、本実施形態のナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子は、遺伝子の塩基配列において(a)又は(b)のアミノ酸配列をコードする遺伝子の塩基配列に対して80%以上、好ましくは90%以上の相同性を有する遺伝子であることも好ましい。
また、本実施形態のナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子は、(a)又は(b)の配列の遺伝子配列と相補的な核酸であることも好ましい。この核酸は、上述の(a)又は(b)の配列の遺伝子配列と相補的な核酸の塩基配列に対して、欠失、置換又は付加を導入したものであってもよい。
In addition, it is also preferable that the cytoplasmic male sterility gene of a Solanaceae plant of this embodiment is a gene whose base sequence has 80% or more, preferably 90% or more, homology to the base sequence of a gene encoding the amino acid sequence of (a) or (b).
The cytoplasmic male sterility gene of the Solanaceae plant of this embodiment is also preferably a nucleic acid complementary to the gene sequence of sequence (a) or (b). This nucleic acid may be one in which a deletion, substitution, or addition has been introduced into the base sequence of the nucleic acid complementary to the gene sequence of sequence (a) or (b).

(雄性不稔回復植物)
本実施形態の雄性不稔回復植物は、前記の細胞質雄性不稔性遺伝子を欠損させた、又は前記細胞質雄性不稔性遺伝子の機能若しくは発現を阻害したナス科植物である。この植物は、すでに雄性不稔性の植物、具体的には細胞質雄性不稔性遺伝子が発現している、例えばCMS系統の各種の植物について、雄性不稔性を持つ状態から回復して、花粉が活性化している。
(Male sterility recovery plant)
The male sterility restored plant of this embodiment is a Solanaceae plant in which the cytoplasmic male sterility gene has been deleted or the function or expression of the cytoplasmic male sterility gene has been inhibited. This plant is a male sterile plant, specifically, a CMS lineage plant in which the cytoplasmic male sterility gene is expressed, which has been restored from male sterility and has activated pollen.

細胞質雄性不稔性遺伝子を欠損させたとは、植物内から前記細胞質雄性不稔性遺伝子を破壊又は喪失などで欠損させた状態を指す。前記細胞質雄性不稔性遺伝子の機能若しくは発現の阻害とは、前記遺伝子のDNA、RNA又はタンパク質の機能若しくは発現を抑制することを含む。これらの遺伝子の欠損、機能若しくは発現を抑制するには、前記機能若しくは発現の抑制を行うことのできる化学物質等を外部処理により投入する等の手段を用いることができる。
これらの方法には、前記遺伝子のコードするタンパク質の機能の喪失又は低減をする方法を広く含む。例えば、当該タンパク質がミトコンドリアに局在できないか、又はミトコンドリアに局在できたとしても、機能を発揮し得ない状態にし得る方法をとることができる。これらの抑制方法には、公知の又は今後開発される同様の手段を適宜選択できる。
"Deleting the cytoplasmic male sterility gene" refers to a state in which the cytoplasmic male sterility gene is deleted from within the plant by destruction or loss. "Inhibiting the function or expression of the cytoplasmic male sterility gene" includes suppressing the function or expression of the DNA, RNA, or protein of the gene. The deletion, function, or expression of these genes can be suppressed by external application of chemicals or the like that can suppress the function or expression.
These methods broadly include methods for eliminating or reducing the function of the protein encoded by the gene. For example, methods can be used to prevent the protein from localizing to mitochondria, or, even if it can localize to mitochondria, to prevent it from functioning. These suppression methods can be appropriately selected from known or future similar means.

本実施形態の細胞質雄性不稔性遺伝子を欠損させるとは、ミトコンドリアゲノムDNAに存在しているので、ミトコンドリアゲノムDNAを編集し、前記遺伝子を欠損させる操作などを経たものを含む。
なお、本実施形態において、ミトコンドリアゲノムDNAはミトコンドリアに所在する遺伝子であり、これに対して細胞の核内に存在する遺伝子を核遺伝子と呼ぶことがある。
In this embodiment, the deletion of the cytoplasmic male sterility gene includes a procedure of deleting the gene by editing the mitochondrial genomic DNA, since the gene is present in the mitochondrial genomic DNA.
In this embodiment, mitochondrial genomic DNA refers to genes located in mitochondria, whereas genes present in the nucleus of a cell are sometimes called nuclear genes.

本実施形態の雄性不稔回復植物は、ミトコンドリアゲノムDNAをmitoTALEN法により編集された雄性不稔回復植物であって、配列番号9、12に示す塩基配列をそれぞれ標的遺伝子としてベクター内に導入したmitoTALEN発現ベクターを用いることも好ましい。 The male sterility restorer plant of this embodiment is a male sterility restorer plant whose mitochondrial genomic DNA has been edited using the mitoTALEN method, and it is also preferable to use a mitoTALEN expression vector in which the base sequences shown in SEQ ID NOs: 9 and 12 have been introduced as target genes into the vector.

mitoTALEN法は、ミトコンドリアゲノムDNA構造を編集する手段であり、例えば特開2018-130043に開示されている。具体的には、植物細胞中のミトコンドリアゲノムDNA各分子種に存在する標的配列領域に二重鎖切断を導入することにより、該ミトコンドリアゲノムの構造変化を誘導する。ここで標的配列領域とは、ミトコンドリアゲノムDNA各分子種において、欠失/消失を誘導したい領域もしくはその近傍領域のことである。ミトコンドリアゲノムの構造変化は、前記標的配列領域付近に存在する配列と他の領域に存在する相同配列との間で生じるDNA組換えによって誘導される。特に、二重鎖切断が、TALEN(transcription activator-like effector nucleases)によって導入される。
特に、上記公報によれば、植物細胞中のミトコンドリアゲノムDNA各分子種に存在する遺伝子または該遺伝子近傍領域に二重鎖切断を導入することにより、該遺伝子を欠損させ、前記遺伝子の欠損が、該遺伝子または該遺伝子近傍領域に存在する配列と他の領域に存在する相同配列との間で生じるDNA組み換えによって誘導される。この方法は、植物細胞中の雄性不稔の原因遺伝子の欠損を目的として用いられているものである。
The mitoTALEN method is a means for editing mitochondrial genome DNA structure, and is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-130043. Specifically, a double-strand break is introduced into a target sequence region present in each molecular species of mitochondrial genome DNA in a plant cell, thereby inducing a structural change in the mitochondrial genome. The target sequence region here refers to the region in each molecular species of mitochondrial genome DNA where deletion/loss is desired to be induced, or a region adjacent thereto. The structural change in the mitochondrial genome is induced by DNA recombination between a sequence present near the target sequence region and a homologous sequence present in another region. In particular, the double-strand break is introduced using TALEN (transcription activator-like effector nucleases).
In particular, according to the above publication, a double-strand break is introduced into a gene or a region adjacent to the gene present in each molecular species of mitochondrial genomic DNA in a plant cell, thereby causing the gene to be deleted, and the deletion of the gene is induced by DNA recombination occurring between a sequence present in the gene or the region adjacent to the gene and a homologous sequence present in another region. This method is used for the purpose of deleting a gene responsible for male sterility in a plant cell.

具体的には、例えば1つのプラスミドにおいて2つのTALEN、例えばTALE leftとTALE rightを同時に発現させ、かつ、ミトコンドリアに局在させるために、ミトコンドリア局在シグナルを付加したタンデム発現プラスミドを用いる。
前記標的配列領域として、例えば、配列番号9、12に示す塩基配列をそれぞれ標的遺伝子としてベクター内に導入することが好ましい。
配列番号9、12は、orf137遺伝子の一部であり、ミトコンドリアゲノムDNA内のorf137遺伝子を欠失、破壊することで、orf137遺伝子を欠損させるために用いる。前記配列番号の塩基配列の中から、配列の前半の一部に結合するTALELEFTと、配列の後半の一部に結合するTALERIGHTを選択し、これらの配列をペアにしてベクター内に導入し、このベクターをミトコンドリア内に導入する。TALENの配列は例えば12~20塩基であることが好ましい。TALENの配列の箇所としては、例えば後述の図4(b)で示すTALELEFT-1, TALERIGHT-1の箇所、又は図4(c)で示すTALELEFT-2, TALERIGHT-2の箇所などを選択できる。
Specifically, for example, a tandem expression plasmid with an added mitochondrial localization signal is used to simultaneously express two TALENs, such as a TALE left and a TALE right, in one plasmid and localize them to mitochondria.
As the target sequence region, for example, the base sequences shown in SEQ ID NOs: 9 and 12 are preferably introduced into the vector as target genes.
SEQ ID NOs: 9 and 12 are portions of the orf137 gene and are used to delete or disrupt the orf137 gene in mitochondrial genomic DNA, thereby deleting the orf137 gene. From the base sequences of the above SEQ ID NOs: TALE LEFT, which binds to a portion of the first half of the sequence, and TALE RIGHT, which binds to a portion of the second half of the sequence, are selected, and these sequences are paired and introduced into a vector, which is then introduced into mitochondria. The TALEN sequence preferably has, for example, 12 to 20 bases. The TALEN sequence can be located, for example, in the TALE LEFT-1 and TALE RIGHT-1 regions shown in Figure 4(b) or the TALE LEFT-2 and TALE RIGHT-2 regions shown in Figure 4(c).

(ナス科植物の細胞質雄性を回復する方法)
本実施形態のナス科植物の細胞質雄性不稔を回復する方法は、細胞質雄性不稔性のナス科植物に対して前記の細胞質雄性不稔性遺伝子を欠損させる、又は前記細胞質雄性不稔性遺伝子の機能若しくは発現を阻害することにより行う。この方法は、例えば、前記細胞質雄性不稔性のナス科植物のミトコンドリアゲノムDNAを編集することにより行うことができる。ミトコンドリアゲノムDNAを編集する手段としては、例えば、前記mitoTALEN法により行うことで、細胞質雄性不稔性遺伝子を欠損させることができる。
(Method for restoring cytoplasmic masculinity in Solanaceae plants)
The method for restoring cytoplasmic male sterility in a Solanaceae plant of this embodiment involves deleting the cytoplasmic male sterility gene in the cytoplasmic male sterile Solanaceae plant or inhibiting the function or expression of the cytoplasmic male sterility gene. This method can be performed, for example, by editing the mitochondrial genomic DNA of the cytoplasmic male sterile Solanaceae plant. The mitochondrial genomic DNA can be edited, for example, by the mitoTALEN method, which can delete the cytoplasmic male sterility gene.

(雄性不稔回復植物の製造方法)
本実施形態の雄性不稔回復植物の製造方法は、前記のナス科植物の細胞質雄性不稔を回復する方法により、前記ナス科植物が細胞質雄性不稔性を持つ状態から回復することにより行う。この製造方法は、雄性不稔回復植物として、また前記回復する方法として、上述のものから選択できる。
(Method for producing male sterility-restored plants)
The method for producing a male sterility-restored plant of this embodiment involves restoring the cytoplasmic male sterility of the Solanaceae plant by the method for restoring cytoplasmic male sterility of the Solanaceae plant described above. In this production method, the male sterility-restored plant and the method for restoring the male sterility can be selected from those described above.

(雄性不稔性植物)
本実施形態の雄性不稔性植物は、前記の細胞質雄性不稔性遺伝子を発現させたナス科植物である。この実施形態のナス科植物は、前記ナス科植物から選択できるが、例えば、本来細胞質雄性不稔性遺伝子を持たない植物又は系統から選択することができる。具体的には、ナス科植物はナス属又はトウガラシ属植物から選択でき、またナス属植物は例えばトマトから選択することができる。トマトは他のナス科の植物、例えばジャガイモ等との細胞融合により作成されたCMS系統が見出されており、同様に雄性不稔性植物を製造することができる。
(male sterile plants)
The male sterile plant of this embodiment is a Solanaceae plant in which the cytoplasmic male sterility gene described above is expressed. The Solanaceae plant of this embodiment can be selected from the Solanaceae plants described above, but can also be selected from plants or lines that do not naturally possess a cytoplasmic male sterility gene. Specifically, the Solanaceae plant can be selected from plants of the genus Solanum or Capsicum, and the Solanaceae plant can be selected from, for example, tomato. CMS lines have been found in tomato produced by protoplast fusion with other Solanaceae plants, such as potato, and male sterile plants can be produced in a similar manner.

ナス科植物に細胞質雄性不稔性遺伝子を発現させる方法としては、植物に遺伝子、特にミトコンドリアDNAに遺伝子を導入するための既知の手段を用いることができる。例えば、ORF137をミトコンドリア内で発現させるベクターを作成して、他のナス科植物に導入することで雄性不稔性を誘導することができる。また、例えば前記mitoTALEN法によってミトコンドリアDNAを改変、再構成することでも、遺伝子を導入することもできる。
この際、ミトコンドリアDNAの改変、再構成は、必須遺伝子以外の部位に対して行うことが好ましい。
Methods for expressing a cytoplasmic male sterility gene in a Solanaceae plant can be achieved by known methods for introducing genes into plants, particularly into mitochondrial DNA. For example, a vector for expressing ORF137 in mitochondria can be created and then introduced into other Solanaceae plants to induce male sterility. Alternatively, genes can be introduced by modifying and reconstructing mitochondrial DNA, for example, using the mitoTALEN method.
In this case, it is preferable to modify and reconstruct mitochondrial DNA at a site other than the essential gene.

(雄性不稔性植物の製造方法)
本実施形態の雄性不稔性植物の製造方法は、ナス科植物に対して前記の細胞質雄性不稔性遺伝子を発現させる。ナス科植物及び細胞質雄性不稔性遺伝子を発現させる方法としては、上述したもの、例えばミトコンドリア内で発現させるベクターを作成して、他のナス科植物に導入することで雄性不稔性を誘導する方法などから選択できる。
(Method for producing male sterile plants)
The method for producing a male sterile plant of this embodiment involves expressing the cytoplasmic male sterility gene in a Solanaceae plant. The Solanaceae plant and the method for expressing the cytoplasmic male sterility gene can be selected from those described above, such as a method of creating a vector for expression in mitochondria and introducing it into another Solanaceae plant to induce male sterility.

(本実施形態の効果)
本実施形態の細胞質雄性不稔性遺伝子は、この遺伝子をナス科植物に誘導し発現した場合には、花粉は生じるが、交配しない不活性な花粉となり、いわゆる雄性不稔性をつかさどっている。
細胞質雄性不稔性を持つ植物株、すなわち細胞質雄性不稔性遺伝子を発現している植物株に対して、この細胞質雄性不稔性遺伝子を欠損させる、又は前記細胞質雄性不稔性遺伝子の機能若しくは発現を阻害することで、その植物に雄性を回復させ、活性のある花粉、果実及び種子を生じさせることができる。
一方、細胞質雄性不稔性を持たない植物株に対して、本実施形態の細胞質雄性不稔性遺伝子が発現する状態にすることで、種子親の花粉が交配せず、徐雄の作業を行わなくとも、種子親の花粉が受粉する可能性を除くことができる。
すなわち、この遺伝子の発現のオン/オフにより交配における作業を大幅に効率化、低コスト化することができる。
(Effects of this embodiment)
When the cytoplasmic male sterility gene of this embodiment is induced and expressed in a Solanaceae plant, pollen is produced, but the pollen is inactive and does not undergo cross-pollination, thereby controlling so-called male sterility.
In a plant line that has cytoplasmic male sterility, i.e., expresses a cytoplasmic male sterility gene, maleness can be restored to the plant by deleting the cytoplasmic male sterility gene or inhibiting the function or expression of the cytoplasmic male sterility gene, thereby allowing the plant to produce viable pollen, fruit, and seeds.
On the other hand, by making the cytoplasmic male sterility gene of this embodiment expressible in a plant strain that does not have cytoplasmic male sterility, the possibility of pollen from the seed parent pollinating can be eliminated without cross-pollination and without performing the process of slow-maleing.
In other words, by turning on/off the expression of this gene, the efficiency and cost of crossbreeding operations can be greatly improved.

本実施形態は、ナス科について細胞質雄性不稔性遺伝子を見出し、雄性不稔回復植物、ナス科植物の細胞質雄性を回復する方法、雄性不稔回復植物の製造方法、雄性不稔性植物、及び雄性不稔性植物の製造方法を提供している。ナス科植物はナスやトマト、トウガラシ及びピーマン等の果実を食用にする種、ジャガイモ等のように塊茎を食用とする種が含まれる。また、タバコのように嗜好品として栽培されるもの、ホオズキ又はペチュニア等など観賞用に園芸分野で利用される植物など多岐にわたっている。本実施形態の技術は、これらのナス科の植物について交配等の系統操作に応用することができるため、利用範囲が幅広い。 This embodiment identifies a cytoplasmic male sterility gene for the Solanaceae family and provides a male sterility restorer plant, a method for restoring cytoplasmic maleness to a Solanaceae plant, a method for producing a male sterility restorer plant, a male sterile plant, and a method for producing a male sterile plant. Solanaceae plants include species whose fruits are edible, such as eggplant, tomato, chili pepper, and bell pepper, as well as species whose tubers are edible, such as potatoes. They also cover a wide range of species, including those cultivated as luxury crops, such as tobacco, and ornamental plants used in horticulture, such as physalis or petunia. The technology of this embodiment can be applied to genetic manipulation, such as crossbreeding, of these Solanaceae plants, and has a wide range of applications.

以下、実施例を示す。なお、本発明は実施例に限定されるものではない。 The following are examples. Note that the present invention is not limited to these examples.

(細胞質雄性不稔性のS因子遺伝子の同定)
ナス科植物における細胞質雄性不稔性遺伝子を探索するために、ミトコンドリア遺伝子の探索を行い、CMS(細胞質雄性不稔性)の系統のみが有する遺伝子を抽出した。
概要としては、通常の栽培種トマトとCMS系統のトマトのゲノム配列を構築し、遺伝子構造を予測した。次に、発現解析を行い、遺伝子発現している遺伝子を選抜した。次に、栽培種トマトとCMSトマト間で、葯由来のRNAを用いて発現遺伝子の比較を行い、CMSトマトのみで特異的に発現する遺伝子を選抜した。
(Identification of the S-factor gene for cytoplasmic male sterility)
In order to search for cytoplasmic male sterility genes in Solanaceae plants, we searched for mitochondrial genes and extracted genes that are only found in CMS (cytoplasmic male sterile) lines.
In summary, the genome sequences of normal cultivated tomatoes and CMS line tomatoes were constructed and the gene structures were predicted. Expression analysis was then performed to select expressed genes. Next, the expressed genes were compared between cultivated tomatoes and CMS tomatoes using RNA derived from anthers, and genes specifically expressed only in CMS tomatoes were selected.

具体的には、図1に示すように、
(1)まず、CMS[PF], CMS[MSA1], CMS[OF209]として知られる3種のトマトCMS系統の遺伝子から、70アミノ酸以上をコードするorf (Open Reading Frame)を予測し、それぞれ831, 1025, 969種のorfを抽出した。
(2)ついで、CMS系統の元になった株のミトコンドリア遺伝子(ミトコンドリア・ドナー)である、PF, LA1673, Sekai-ichi, LA1670, OF209, S.pennellii, N.tabacumの遺伝子のorfと比較し、配列が完全に一致するorfをその中から除外することで、CMS系統に特異的でないorfを除外した。残ったのは、CMS[PF], CMS[MSA1], CMS[OF209]でそれぞれ183, 272, 140遺伝子であった。
(3)ついで、CMS系統で共通するorfを検出した。検出されたのはCMS[PF], CMS[MSA1], CMS[OF209]でそれぞれ36, 41, 33遺伝子であった。
(4)その中から、葯のRNA-Seqを実施して、発現するorfを検出した。結果として、3つのorfであるorf137, orf193, orf265が抽出された。orf137はCMS-PMt002g07240とCMS-PMt005g13392の2つのCMS株からの2コピー、orf193はCMS-PMt002g06465のCMS株からの1コピー、orf265はCMS-PMt010g15739のCMS株からの1コピーが得られた。
Specifically, as shown in FIG.
(1) First, we predicted open reading frames (ORFs) encoding more than 70 amino acids from the genes of three tomato CMS lines known as CMS[PF], CMS[MSA1], and CMS[OF209], and extracted 831, 1025, and 969 ORFs, respectively.
(2) Next, we compared the orfs of the mitochondrial genes (mitochondrial donors) of the CMS strains (PF, LA1673, Sekai-ichi, LA1670, OF209, S. pennellii, and N. tabacum) with those of the original strains, and eliminated orfs that were not specific to the CMS strains. The remaining orfs were 183, 272, and 140 genes for CMS[PF], CMS[MSA1], and CMS[OF209], respectively.
(3) Next, we identified common ORFs among the CMS strains, which consisted of 36, 41, and 33 genes in CMS[PF], CMS[MSA1], and CMS[OF209], respectively.
(4) From these, we performed RNA-Seq on the anthers to detect expressed orfs. As a result, three orfs, orf137, orf193, and orf265, were extracted. Two copies of orf137 were obtained from two CMS lines, CMS-PMt002g07240 and CMS-PMt005g13392, one copy of orf193 was obtained from the CMS line, CMS-PMt002g06465, and one copy of orf265 was obtained from the CMS line, CMS-PMt010g15739.

上記(4)のRNA-seqの結果を図2に示した。図2(a)のorf137の配列はCMS protein of pepper CMS lineと55%の相同性、図2(b)のorf193の配列はCytochrome fと93%の相同性、図2(c)のorf265の配列はATP synthase subunit 8と92%の相同性を示した。この結果から、トウガラシのCMS系統の遺伝子と一部相同性を示しているorf137が、CMSに関係する遺伝子の可能性が特に高いとみられた。 The results of the RNA-seq described in (4) above are shown in Figure 2. The sequence of orf137 in Figure 2(a) is 55% identical to the CMS protein of the pepper CMS line, the sequence of orf193 in Figure 2(b) is 93% identical to Cytochrome f, and the sequence of orf265 in Figure 2(c) is 92% identical to ATP synthase subunit 8. These results suggest that orf137, which shows partial homology to genes in the pepper CMS line, is particularly likely to be a gene related to CMS.

上記(4)の3種のorfについて、CMS[P]系統の各組織においてRNA発現を調べるためRT-PCRを行った。プライマーはorf137についてForward Primer (5’-3’)に配列番号3を、Reverse Primer (5’-3’)に配列番号4を用いた。orf193についてForward Primer (5’-3’)に配列番号5を、Reverse Primer (5’-3’)に配列番号6を用いた。Orf265についてForward Primer (5’-3’)に配列番号7を、Reverse Primer (5’-3’)に配列番号8を用いた。
配列番号3:cgattgagaa agcggcaggc
配列番号4:gttattttcg ctgcaacggc g
配列番号5:ggggaatcgg ccttctttag tc
配列番号6:ggggagggtt taataaagga gctg
配列番号7:cggagtgaag ctgtattgag gg
配列番号8:gaggagagga acgaagaacg aaac
結果を図3に示した。花粉(Pollen)で特に強く発現しているのはorf137であった。
RT-PCR was performed to examine RNA expression in each tissue of the CMS[P] lineage for the three orfs described in (4) above. For orf137, the forward primer (5'-3') was SEQ ID NO: 3 and the reverse primer (5'-3') was SEQ ID NO: 4. For orf193, the forward primer (5'-3') was SEQ ID NO: 5 and the reverse primer (5'-3') was SEQ ID NO: 6. For orf265, the forward primer (5'-3') was SEQ ID NO: 7 and the reverse primer (5'-3') was SEQ ID NO: 8.
SEQ ID NO: 3: cgattgagaa agcggcaggc
SEQ ID NO: 4: gttattttcg ctgcaacggc g
SEQ ID NO: 5: ggggaatcgg ccttctttag tc
SEQ ID NO: 6: ggggagggtt taataaagga gctg
SEQ ID NO: 7: cggagtgaag ctgtattgag gg
SEQ ID NO: 8: gaggagagga acgaagaacg aaac
The results are shown in Figure 3. Orf137 was particularly highly expressed in pollen.

(遺伝子阻害による雄性不稔回復)
ついで、この3種のミトコンドリア遺伝子のS因子の阻害を実際に試みることで、雄性の回復を試験した。これらのミトコンドリアゲノムDNAを編集し、前記DNAを欠損させた。植物ミトコンドリアゲノムの編集方法として、mitoTALEN法を用いた。
具体的には、図4(a)に示すような発現ベクターのTiプラスミドを設計した。図中、MLSはミトコンドリア移行シグナルを示し、TALEleftとTALErightが、標的遺伝子に結合する対応する配列を示す。この標的配列は、orf137, orf 193, orf 265の3種の遺伝子について、それぞれ異なる領域の2つの標的を作成した。TALEleftとTALErightが結合する標的遺伝子については、1つ目の標的を図4(b)(配列番号9~11)(図中のSequence #8, #9, #10に相当)、2つ目の標的を図4(c)(配列番号12~14)(図中のSequence #11, #12, #13に相当)に示した。これらの標的配列の中からそれぞれ、さらに図に示す配列の前後2か所ずつの部位を選択し、それぞれTALEleftとTALErightの配列として発現ベクターに組み込んだ。ベクターの組み込みはアクロバクテリウム法により遺伝子導入を行い、遺伝子導入方法はA Highly Efficient Transformation Protocol for Micro-Tom, a Model Cultivar for Tomato Functional Genomics. Plant and Cell Physiology, Volume 47, Issue 3, March 2006, Pages 426-431に則って行った。
ベクターの作成は、東京大学 有村慎一研究室に依頼して行った。
(Male sterility restoration by gene inhibition)
Next, we tested the restoration of male sexuality by actually attempting to inhibit the S elements of these three mitochondrial genes. We then edited the mitochondrial genome DNA to delete the DNA. We used the mitoTALEN method to edit plant mitochondrial genomes.
Specifically, we designed the Ti plasmid expression vector shown in Figure 4(a). In the figure, MLS indicates the mitochondrial localization signal, and TALE left and TALE right indicate the corresponding sequences that bind to the target gene. Two distinct target sequences were created for each of the three genes, orf137, orf193, and orf265. Regarding the target genes to which the TALE left and TALE right bind, the first target is shown in Figure 4(b) (SEQ ID NOS: 9-11) (corresponding to Sequences #8, #9, and #10 in the figure) , and the second target is shown in Figure 4(c) (SEQ ID NOS: 12-14) (corresponding to Sequences #11, #12, and #13 in the figure) . From each of these target sequences, two sites were selected before and after the sequences shown in the figure, and these were incorporated into the expression vector as the TALE left and TALE right sequences, respectively. The vector was incorporated by gene transfer using the Acrobacterium method, and the gene transfer method was performed in accordance with "A Highly Efficient Transformation Protocol for Micro-Tom, a Model Cultivar for Tomato Functional Genomics. Plant and Cell Physiology, Volume 47, Issue 3, March 2006, Pages 426-431."
The vector was created at the request of the Arimura Shinichi Laboratory at the University of Tokyo.

図5は、このベクターを導入し標的遺伝子を破壊したトマトCMS系統について、ミトコンドリアDNAの発現を調べた図である。#127-1, #127-2, #140-1, #140-2, #140-3の各レーンは、前記mitoTALEN法によってorf137遺伝子を破壊した系統、Positiveは元のCMS系統を指す。図中の上部の保存ゲノムのバンドが、ミトコンドリアDNAの元のゲノムであり、下部のバンドがorf137を示す。CMS系統では、保存ゲノムとorf137のバンドが両方確認できるが、#127-1, #127-2, #140-1, #140-2, #140-3の各系統では、保存ゲノムのみが確認でき、orf137のバンドが出ず、orf137のミトコンドリアDNAが破壊されていることを示した。 Figure 5 shows the results of examining mitochondrial DNA expression in tomato CMS lines in which this vector was introduced to disrupt the target gene. Lanes #127-1, #127-2, #140-1, #140-2, and #140-3 represent lines in which the orf137 gene was disrupted using the mitoTALEN method, while "Positive" represents the original CMS line. The upper conserved genome band in the figure represents the original genome of the mitochondrial DNA, and the lower band represents orf137. In the CMS lines, both the conserved genome and orf137 bands are visible, but in lines #127-1, #127-2, #140-1, #140-2, and #140-3, only the conserved genome is visible, with no orf137 band, indicating that the mitochondrial DNA at orf137 has been disrupted.

図6の写真に示すように、orf137を阻害した#127-1株は、ミトコンドリア内のorf137遺伝子が破壊されると、CMS系統にかかわらずトマト果実が実った。この結果から、orf137遺伝子を阻害することによりCMS系統の株に対して花粉稔性が完全に回復すること、ここからorf137が雄性不稔性の原因遺伝子であること、また雄性不稔性の株に対してorf137を阻害することにより雄性を回復することができることが明らかとなった。 As shown in the photograph in Figure 6, when the orf137 gene in the mitochondria of the #127-1 strain was disrupted, tomato fruit was produced regardless of whether it was a CMS strain. These results demonstrate that inhibiting the orf137 gene completely restores pollen fertility to CMS strains, demonstrating that orf137 is the gene responsible for male sterility and that inhibiting orf137 can restore male fertility to male-sterile strains.

本発明によれば、ナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子を明らかにし、雄性不稔性の誘起及び回復に用いることができ、植物交配や種子採種を大きく効率化することができる、ナス科植物の細胞質雄性不稔性遺伝子、雄性不稔回復植物、ナス科植物の細胞質雄性を回復する方法、雄性不稔回復植物の製造方法、雄性不稔性植物、及び雄性不稔性植物の製造方法が得られる。 The present invention identifies the cytoplasmic male sterility gene in Solanaceae plants, which can be used to induce and restore male sterility, greatly improving the efficiency of plant breeding and seed production. It also provides a cytoplasmic male sterility gene in Solanaceae plants, a male sterility restored plant, a method for restoring cytoplasmic maleness in Solanaceae plants, a method for producing a male sterility restored plant, a male sterile plant, and a method for producing a male sterile plant.

Claims (10)

(a)配列番号1に示すアミノ酸配列からなるタンパク質、
(b)前記(a)のアミノ酸配列において、1又は複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を有し、植物において細胞質雄性不稔性を発揮するタンパク質、
(c)前記(a)のアミノ酸配列において、90%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、植物において細胞質雄性不稔性を発揮するタンパク質、
を含む群より選択されるタンパク質をコードする、細胞質雄性不稔性遺伝子を、欠損させナス科植物である、雄性不稔回復植物。
(a) a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1;
(b) a protein that has the amino acid sequence of (a) in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added, and that exerts cytoplasmic male sterility in a plant;
(c) a protein that has an amino acid sequence that is 90% or more identical to the amino acid sequence of (a), and that exerts cytoplasmic male sterility in plants;
A male sterility restored plant, which is a Solanaceae plant in which a cytoplasmic male sterility gene encoding a protein selected from the group comprising:
前記ナス科植物は、ナス属又はトウガラシ属植物である、請求項1に記載の雄性不稔回復植物。 The male sterility restorer plant according to claim 1, wherein the Solanaceae plant is a plant of the genus Solanum or Capsicum. 前記ナス属植物は、ナス、ジャガイモ又はトマトである、請求項2に記載の雄性不稔回復植物。 The male sterility restorer plant according to claim 2, wherein the Solanum plant is eggplant, potato, or tomato. 前記トウガラシ属植物は、トウガラシ又はピーマンである、請求項2に記載の雄性不稔回復植物。 The male sterility restorer plant according to claim 2, wherein the Capsicum plant is a chili pepper or a bell pepper. ミトコンドリアゲノムDNAが編集されて前記細胞質雄性不稔性遺伝子が欠損されている請求項1~のいずれか1項に記載の雄性不稔回復植物。 The male sterility restored plant according to any one of claims 1 to 4 , wherein the mitochondrial genomic DNA has been edited to delete the cytoplasmic male sterility gene. 前記ミトコンドリアゲノムDNAをmitoTALEN法により編集された雄性不稔回復植物であって、
配列番号9、12に示す塩基配列をそれぞれ標的遺伝子とするmitoTALEN発現ベクターを用いる、請求項5に記載の雄性不稔回復植物。
A male sterility restored plant in which the mitochondrial genomic DNA has been edited by the mitoTALEN method,
A male sterility-restoring plant as described in claim 5, which uses a mitoTALEN expression vector with the base sequences shown in SEQ ID NOs: 9 and 12 as target genes, respectively.
細胞質雄性不稔性のナス科植物に対して、細胞質雄性不稔性遺伝子を欠損させるナス科植物の細胞質雄性不稔の稔性を回復する方法であって、
前記細胞質雄性不稔性遺伝子は、
(a)配列番号1に示すアミノ酸配列からなるタンパク質、
(b)前記(a)のアミノ酸配列において、1又は複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を有し、植物において細胞質雄性不稔性を発揮するタンパク質、
(c)前記(a)のアミノ酸配列において、90%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、植物において細胞質雄性不稔性を発揮するタンパク質、
を含む群より選択されるタンパク質をコードする細胞質雄性不稔性遺伝子である、ナス科植物の細胞質雄性不稔の稔性を回復する方法。
A method for restoring fertility to a cytoplasmic male sterile Solanaceae plant , comprising deleting a cytoplasmic male sterility gene in the cytoplasmic male sterile Solanaceae plant,
The cytoplasmic male sterility gene is
(a) a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1;
(b) a protein that has the amino acid sequence of (a) in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added, and that exerts cytoplasmic male sterility in a plant;
(c) a protein that has an amino acid sequence that is 90% or more identical to the amino acid sequence of (a), and that exerts cytoplasmic male sterility in plants;
A method for restoring fertility to a cytoplasmic male sterility plant of the Solanaceae family, wherein the cytoplasmic male sterility gene encodes a protein selected from the group consisting of:
前記細胞質雄性不稔性のナス科植物のミトコンドリアゲノムDNAを編集し、前記細胞質雄性不稔性遺伝子を欠損させる請求項7に記載のナス科植物の細胞質雄性不稔の稔性を回復する方法。 8. The method for restoring fertility to a cytoplasmic male sterile Solanaceae plant according to claim 7, comprising editing the mitochondrial genome DNA of the cytoplasmic male sterile Solanaceae plant to delete the cytoplasmic male sterility gene . 前記ミトコンドリアゲノムDNAをmitoTALEN法により編集するナス科植物の細胞質雄性不稔の稔性を回復する方法であって、
配列番号9、12に示す塩基配列をそれぞれ標的遺伝子とするmitoTALEN発現ベクターを用いる、請求項8に記載のナス科植物の細胞質雄性不稔の稔性を回復する方法。
A method for restoring fertility to a cytoplasmic male-sterile plant of the Solanaceae family, in which the mitochondrial genomic DNA is edited by the mitoTALEN method, comprising:
A method for restoring fertility to cytoplasmic male sterility in a Solanaceae plant described in claim 8, using a mitoTALEN expression vector with the base sequences shown in SEQ ID NOs: 9 and 12 as target genes, respectively.
請求項7から9のいずれか1の細胞質雄性不稔の稔性を回復する方法によりナス科植物の細胞質雄性不稔を回復する、雄性不稔回復植物の製造方法。 A method for producing a male-sterility-restored plant, in which cytoplasmic male sterility of a Solanaceae plant is restored using the method for restoring cytoplasmic male sterility of any one of claims 7 to 9.
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