JP2022519706A - 細胞質雄性不稔を司る新たな遺伝子 - Google Patents
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Abstract
Description
「植物(1つまたは複数)」への参照がなされるときは常に、植物部位(細胞、組織または器官、種子の鞘、種子、切断部位、例えば、根、葉、花、花粉等)、親の際立った特性(特に、請求するRf核酸と関連する雄性稔性)を保持する植物の後代、例えば、自家受粉または交配により得られる種子、例えば、雑種種子(2つの同系交配親植物を交配することにより得られる)、雑種植物およびこれらに由来する植物部位を、他に指示しない限り、本明細書において包含することが理解される。
発明者らは、orf279遺伝子が、T.timopheevii細胞質を含むコムギ植物においてCMSを司ることを発見した。明確には、この細胞質は、本明細書においてT-CMSと呼ぶ。これは、orf279を発現する任意の細胞質を指し、代表的細胞質は、T.timopheeviiの細胞質である。例えば、T-CMSは、T.timopheeviiに由来するコムギ植物に存在し得る。また、T-CMSは、T.timopheeviiが由来するコムギ植物、例えば、T.timopheeviiの栽培品種であるT.araraticumであり得る。
- フォワードプライマー:配列番号12、配列番号6、配列番号10、および
- リバースプライマー:配列番号7、配列番号11、配列番号9
の中から選択されるか、またはフォワードプライマー配列番号8およびリバースプライマー配列番号9で構成される。
- atp8および配列番号3の間の組換え接合部に、もしくは配列番号3内にマーカーを有する不稔性細胞質を検出するステップ、または
- 雄性不稔性コムギ植物においてorf279発現の変動を検出するステップ
を含む。
a.atp8と配列番号3の間のorf279組換え接合部を認識する分子マーカーおよびプライマー、例えば、上記のプライマー、もしくは配列番号3を認識するマーカーおよびプライマー、または
b.Orf279を認識する抗体、特に、配列番号5に位置するエピトープに対する抗体
を含む、Orf279DNA、RNAまたはタンパク質の検出のための手段に関する。
- RNAおよびタンパク質を抽出するステップ、
- orf279RNAまたはOrf279タンパク質を検出および定量するステップ、
- orf279RNAレベル(もしくはパターン)またはOrf279タンパク質レベル(もしくはパターン)を、orf279を含む不稔性コムギ系統および稔性コムギ系統において定量したレベルと比較するステップ
を含む、コムギ植物、種子またはバルクの種子の不稔性または稔性表現型を検出するための方法に関する。
a.PPRコードに従ってコムギ植物ゲノムにおいて同定された各Rf遺伝子によりコードされるタンパク質の標的RNA配列を予想するステップ、
b.予想された各標的RNA配列を配列番号3とともにアラインメントするステップ、
c.配列番号3との少なくとも95%の同一性を示す標的RNA配列に結合可能なタンパク質をコードするRf遺伝子を同定するステップ、
d.任意選択で、選択されたPPRモチーフの5および35番目のアミノ酸を変更して、配列番号3とのPPRコードによる適合を向上させることにより、選択されたRfタンパク質の配列を最適化するステップ
を含む、方法に関する。
a.候補Rf遺伝子を含む発現カセットを用いてコムギ植物を形質転換するステップであって、このコムギ植物が、Orf279タンパク質を発現する不稔性細胞質を有する、ステップ、
b.形質転換植物においてorf279発現のレベルおよびパターンを検出するステップ、
c.orf279発現のレベルまたはパターンが非形質転換植物と比較して変化する植物を選択するステップ
d.機能性Rf遺伝子を同定するステップ
を含む。
a.配列番号3における目的の標的RNA配列を同定するステップであって、この標的RNA配列が、5~50塩基の長さであり、優先的には、10~20塩基の長さである、ステップ、
b.アデニン(A)、グアニン(G)、シトシン(C)およびウラシル(U)を含む群から選択された各標的RNA塩基に1対のアミノ酸をPPR RNA結合コードに従って割り当てるステップ、
c.標的RNA配列に結合可能なPPR RNA結合モチーフを含む合成PPR配列(ステップbにおいて定義するアミノ酸対をそれぞれ含む)を設計するステップ
を含む。
a)植物からDNAまたはRNA試料を抽出するステップ、
b)orf279T-CMS配列の存在または非存在を、適するプライマー対を用いたPCR増幅により検出するステップ、および任意選択で、正常細胞質配列の存在または非存在を、適するプライマー対を用いたPCR増幅により検出するステップ、
c)植物の稔性または不稔性状態を判定するステップ
を含む、方法に関する。
o 回復細胞質が異質細胞質である場合、すなわち、R系統がT-CMS細胞質を保有する場合、A系統およびR系統におけるT.timophevii細胞質の戻し交配による転換。単一の種子、バルクの種子または植物におけるOrf279の存在の制御。
o 回復細胞質が異質細胞質である場合、すなわち、R系統がT-CMS細胞質を保有する場合、DH、SSD、系統育種または他の任意の育種計画によるR系統の作製。単一の種子、バルクの種子または植物におけるOrf279の存在の制御。
o 維持、雑種作製またはDUS評価のための、A系統の単一の種子、バルクの種子または植物の制御。
o 回復細胞質が異質細胞質である場合、すなわち、R系統がT-CMS細胞質を保有する場合、R系統の単一の種子、バルクの種子または植物の制御。
o T-CMS雑種の単一の種子、バルクの種子または植物の制御。マーカーにより、雑種ロットにおける非異質細胞質穀物(コムギ細胞質については任意のコムギ系統)による夾雑の測定が可能となる。これを使用して、雑種種子ロットの純度および雑種性レベルを制御することができる。
o DUS試験および公式試験に送られたF1種子ロットの制御。マーカーにより、雑種が異質細胞質であるかどうかの検証が可能となる。これは雑種の稔性を確認するのに必須のステップである。
コムギのRf1およびRf3回復遺伝子を内包するゲノム領域の微細マッピングを実施し、IWGSC RefSeqv1.0参照ゲノムのRf1およびRf3の区間に存在するRfl遺伝子を同定した。並行して、Triticum timopheeviiおよびコムギRf1、Rf3または維持系統に存在するRfl遺伝子を濃縮し、標的Rflを捕捉することによりシーケンシングした。マッピングおよび捕捉解析の両方により、候補Rf1およびRf3回復遺伝子を予想することが可能となった。Rf1およびRf3候補遺伝子の回復能を遺伝子導入方法により評価した。
1-材料および方法
RNA解析
RNeasyPlantMiniキット(Qiagen社)を用いて製造者の指示に従って植物からRNAを抽出した。導入遺伝子発現解析では、SuperScript(商標)III ReverseTranscriptase(Invitrogen社)キットを用いてcDNAを合成し、表1に列挙するプライマーP1、P2およびP3を用いて増幅を実施した。
全RNA5~10μgを1.2%の変性アガロースゲル上で分離し、HybondN+膜(Amersham社)上に移した。ノーザンブロットを一晩、10×SSC(1.5Mの塩化ナトリウムおよび150mMのクエン酸3ナトリウムpH7.0)緩衝液中で実施した。膜は、PerfectHyb(商標)PlusHybridizationBuffer(Sigma社)中で2時間、65℃でプレハイブリダイズした。ビオチン標識プローブを一晩、ハイブリダイゼーション緩衝液中でハイブリダイズした。SDSを添加した低下濃度のSSC緩衝液を含む洗浄溶液による洗浄ステップ3回の後、ChemiluminescentNucleicAcidDetectionModuleKit(ThermoFisher社)およびImageQuant(商標)画像装置(GE Healthcare社)を使用してプローブシグナルを検出した。アクチンおよびorf256RNAのプローブ合成では、表1に示すプライマーを用いてDNA断片を増幅した。反応産物をpGEM(登録商標)-T Easy(Promega社)ベクターにクローニングし、PCRおよびMacrogen(Macrogen社、韓国)におけるシーケンシングにより確認した。RNAプローブは、MAXIscript(商標)SP6/T7TranscriptionKit(Ambion社)およびpGEM(登録商標)-T Easyプラスミドを鋳型として、およびシチジン3リン酸(CTP)のビオチン標識類似体(Roche社)を用いて合成した。
全RNA1μgをcDNA合成、およびSMARTER@RACE5’3’Kitを製造者の指示に従って使用した(Takara社)5’末端の増幅に使用した。PCR産物をゲル精製し、pGEM(登録商標)T Easy(Promega社)にクローニングし、Macrogen(Macrogen社)でシーケンシングした。遺伝子特異的プライマー配列(orf279ではGSP1およびorf256ではGPS2)を表1に示す。
ミトコンドリアDNAの抽出に先行して、22℃の暗所における生育キャビネット内のバーミキュライト上で生育させた7日齢のコムギ子葉鞘からミトコンドリア断片を濃縮した。ミトコンドリア単離およびDNA抽出では、これまでに記載したプロトコールを適用した(Huangら、2004、Triboushら、1998)(図2)。得られたDNA(50ng)をCovarisS220集中超音波処理装置(Covaris社、米国)により550bpの断片に超音波処理した。ライブラリーは、TruSeq(登録商標)NanoDNA LT SamplePreparationKit-SetA(Illumina社、米国)により作成した。正規化および貯蔵したライブラリーは、MiSeqデスクトップシーケンサー(Illumina社、米国)上でのMiSeq(登録商標)ReagentKit v3(600サイクル)(Illumina社、米国)を用いたシーケンシングに使用した。重複するペアエンドリードは、FLASHソフトウェア[バージョン1.2.7]を使用して結合し、結合したリードは、Velvet[バージョン1.2.08]を使用してk-mer値91およびカバレッジカットオフ値20により構築した。T.timopheeviiのミトコンドリアゲノムにユニークなORFを同定するために、T-CMS系統のリードを、T.aestivumの参照ミトコンドリアゲノム(DNAデータベース受託番号AP008982、Ogiharaら、2005)にマッピングして、T.timopheeviiおよびT.aestivumの両ゲノムに共通するリードを除去した。残存する未マッピングリードは、Geneiousソフトウェア(www.geneious.com/)によりコンティグに再構築した。
RNAeasyPlantMiniKit(Qiagen社)を使用してBGA CMS*FielderおよびRf1形質転換体からRNAを抽出し、この質をAgilent4200 tape station(Agilent社)上で推定した。全RNA3μgをMacrogenに送ってNGSシーケンシングを行った。ライブラリーは、TruSeqStrandedTotal RNA RiboZeroSamplesPrepKit(Illumina社)を用いて実施し、Hiseq4000プラットフォーム(Illumina社)上で100bpペアエンドシーケンシングキット(Illumina社)を用いてシーケンシングした。リードは、アダプタートリミングし、BBMap(Bushnell B. sourceforge.net/projects/bbmap/)によりT.timopheeviiのミトコンドリアゲノム(NC_022714)にマッピングした。複数マッピングされたリードは、最も適合する部位間にランダムに分布され、rRNA領域は、マスクした(rRNA枯渇が試料全体に対して一貫していなかったため)。色素体DNAと同一の領域は、マスクして色素体リードの交差マッピングを回避し、リード深度は、マスクした領域を除く平均カバレッジ深度で割ることにより正規化した。
a-orf256のプロセシングはT-CMSコムギにおいて稔性回復と相関しない
これまでの研究では、T-CMS植物の稔性回復がOrf256タンパク質の発現と相関し(SongおよびHedgcoth、1994A)、核のバックグラウンドが、コムギ系統においてorf256転写物のレベルに影響した(Songら、1994B)ことが示された。T.aestivumまたはT.timopheeviiのいずれかの細胞質を保有し、種々の回復能を有するコムギ遺伝子型におけるorf256の発現およびプロセシングパターンを解析するために、全RNAを抽出し、orf256特異的プローブを用いたRT-PCRならびにノーザンブロット解析を実施した(図1)。RT-PCRの結果は、orf256RNAが植物系統全体に対して非常に豊富であり、レベルが回復遺伝子の存在に依存しないことを示す(図1A)。ノーザンブロットの結果により、回復遺伝子を保有しないことがわかっているコムギ系統であってもorf256RNAのプロセシングが観察されたため、orf256のプロセシングが稔性表現型の回復と相関しなかったことが明らかとなった(図1C)。実際、回復遺伝子を保有しないことがわかっているAlixan、Kalahari、Lgabrahamを含むいくつかの系統は、回復遺伝子を保有することがわかっているT.timopheeviiまたはLGWR16-0026、LGWR17-0154およびLGWR17-0157系統と比較して、切断部位Iにおいてorf256のプロセシングを示す。
T-CMSミトコンドリアにおけるorf256のプロセシング/切断は、Rf1またはRf3のいずれかの回復遺伝子の存在と相関しないため、T.timopheeviiミトコンドリアDNAを抽出およびシーケンシングして、T.timopheeviiにおけるCMSの分子的基盤となり得る他のキメラorfの存在を探した。ミトコンドリアDNAをIllumina MiSeqプラットフォーム上でシーケンシングし、T.timopheeviiのミトコンドリアゲノムに存在し、T.aestivumのミトコンドリアゲノムに存在しないコンティグ17種を同定した(表2)。2つの終止コドン間に同定された最良のORFに対応し、100アミノ酸よりも長いペプチドをコードする候補ORF25種を同定した(表2)。Orf256は、コンティグ11においてORF5としてコードされることが見出された(表2)。残存する未特性決定ORF24種は、T.timopheeviiミトコンドリアゲノムまたはシーケンシングした他の植物ゲノム由来の他の遺伝子に対して相同の領域について、blastn(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/)を使用してスクリーニングした(表2)。検索により、2つのORFが、Oryza sativa(コンティグ1、orf27=orf194)およびZea mays(コンティグ5、orf21=orf296)のミトコンドリアゲノムにより、それぞれコードされることが既に同定されていたことが明らかとなった。BGA CMS*FielderならびにRf1およびRf3形質転換体由来のRNA試料の後続のRNAseq解析では、発現の最大減少率が、1.1kbのコンティグ_4_orf13領域において観察されたことが明らかとなった(図2AおよびB)。この領域は、279アミノ酸からなるタンパク質をコードすることが見出され、これによりorf279と名付けられた。Rf1およびRf3形質転換体では、orf279転写物を切断し、5’末端は分解する(翻訳の防止)が、3’末端は存続させる(図2C)。ORFの5’領域および上流にマッピングするリードのほとんどは、おそらく、ミトコンドリアゲノムに存在するatp8の他の(完全)コピー由来である(図2C)。
1-合成Rfタンパク質SR Orf279およびSR Orf256の設計および入手
コムギ系統52種からの標的配列の捕捉により同定されたRFLタンパク質2973種、ならびにRefseqv1.1Chinese Springコムギ系統(IWGSC)において注釈を付けたRFLタンパク質のライブラリーを、Barkanら(2012)および国際公開第2013/155555号の特許出願に記載のPPRコードに従って、orf279またはorf256におけるRNA結合について最も高く採点されたRFL配列をスクリーニングした。最良候補は、Predotar(Smallら、2004)およびTargetP(Emanuelssonら、2007)を用いて、ミトコンドリア標的配列の存在について解析した。orf279に結合する合成回復遺伝子(SRorf279)またはorf256に結合する合成回復遺伝子(SRorf256)のいずれかの最良候補は、RNA結合部位と完全な適合を形成しなかったPPRモチーフにおいて5および35番目のアミノ酸の組合せをPPRコードに従って変更することにより最適化した(図4)。最適化SRorf279は、配列番号22に示し、最適化SRorf256は、配列番号21に示す。このような最適化配列の発現は、配列番号40に示すタグ配列の発現と、最適化配列のC末端において融合させることができる。
最適化SRorf279およびSRorf256配列を、Zea maysユビキチンイントロン(intZmUbi、配列番号17に例証)を有する構成的Zea maysユビキチンプロモーター(proZmUbi、配列番号16)(Christensen、SharrockおよびQuail 1992)およびソルガム・バイカラー(Sorghum bicolor)熱ショックタンパク質(HSP)3’終結配列(terSbHSP、配列番号18に示す)の間のゴールデンゲート反応によりクローニングした(未特性決定推定タンパク質Sb03g006880)。配列番号24に示すSRorf279発現カセットおよび配列番号23に示すSRorf256発現カセットを、デスティネーションバイナリープラスミドpBIOS10746に別々にクローニングした。バイナリーデスティネーションベクターpBIOS10746は、バイナリーベクターpMRTの誘導体である(国際公開第2001/018192号)。
上に作製したすべてのコムギ遺伝子導入植物および対照稔性植物を、ガラス温室において標準的コムギ生育条件下で(20℃の明期16時間および15℃の暗期8時間を60%の恒湿で)野生型Fielder品種の対照穀物が成熟期に達するまで生育させた。
ゲノムDNAまたはRNA試料においてorf279を同定するために、次のプライマー:
- フォワードプライマー:配列番号12、配列番号6、配列番号10、および
- リバースプライマー:配列番号7、配列番号11、配列番号9
を使用し得るか、またはフォワードプライマー配列番号8およびリバースプライマー配列番号9で構成される。
atp8遺伝子配列と共通する領域を同定するために、次のプライマー:
- フォワードプライマー:配列番号12
- リバースプライマー:配列番号13
を使用することができる。
1-合成最適化RFL29aタンパク質の設計および入手
orf279におけるRFL29a配列のRNA結合を、Barkanら(2012)および国際公開第2013/155555号の特許出願に記載するPPRコードに従って解析した。配列番号25のRFL29a配列を、対応するRNA塩基に対する親和性が弱いと(Yanら2019により算出した-ΔG値を使用して)予想されるPPRモチーフにおいて5および35番目のアミノ酸の組合せを変更することにより最適化した(図6)。最適化RFL29a配列は、配列番号44および配列番号45に示す。
配列番号46および配列番号47の最適化Rfl29a配列を、TaRFL29bプロモーター(proTaRFL29b、配列番号48)およびTaRFL29a終結配列(terTaRFL29a、配列番号49に示す)の間のゴールデンゲート反応により別々にクローニングした。配列番号50および配列番号51にそれぞれ示す最適化RFL29a発現カセットを、デスティネーションバイナリープラスミドpBIOS10746に別々にクローニングした。バイナリーデスティネーションベクターpBIOS10746は、バイナリーベクターpMRTの誘導体である(国際公開第2001/018192号)。
KASPの設計を、植物材料におけるorf279T-CMSの存在または非存在を判定するために考案した。
- オリゴヌクレオチドAS1(配列番号52)は、orf279(稔性)およびChrUn ChineseSpring由来のゲノム配列(IWGSC_V1)に特異的である。
- オリゴヌクレオチドAS2(配列番号53)は、正常細胞質配列(稔性)に特異的である。
- オリゴヌクレオチドC(配列番号54)は、配列間で共通である。
- Vic蛍光は不稔性植物
- Fam蛍光は稔性植物
を示すことが明らかとなる。
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Claims (18)
- 配列番号4と少なくとも95%同一のアミノ酸配列のOrf279タンパク質をコードする単離核酸。
- 配列が配列番号1に示される、請求項1に記載の単離核酸。
- コムギ植物、種子またはバルクの種子においてorf279DNA、orf279RNAまたはOrf279タンパク質を検出するための方法であって、DNAもしくはRNAまたはタンパク質試料を抽出し、orf279DNA、orf279RNAまたはOrf279タンパク質を手段により検出するステップを含む、前記方法。
- a.atp8と配列番号3の間の組換え接合部に、もしくは配列番号3内にマーカーを有する不稔性細胞質を検出するステップ、または、
b.雄性不稔性コムギ植物においてorf279発現の変動を検出するステップ、
を含む、請求項3に記載の方法。 - a.ORF279組換え接合部、もしくは配列番号3を認識する分子マーカーおよびプライマー、または、
b.Orf279を認識する抗体、
を含む、orf279DNA、orf279RNAまたはOrf279タンパク質の検出のための手段。 - orf279RNAに結合可能なタンパク質をコードする機能性Rf遺伝子を同定するための方法であって、
a.PPRコードに従ってコムギ植物ゲノムにおいて同定された各Rf遺伝子によりコードされるタンパク質の標的RNA配列を予想するステップ、
b.予想された各標的RNA配列を配列番号3とともにアラインメントするステップ、
c.配列番号3との少なくとも95%の同一性を示す標的RNA配列に結合可能なタンパク質をコードするRf遺伝子を同定するステップ、
d.任意選択で、選択されたPPRモチーフの5および35番目のアミノ酸を変更して、配列番号3とのPPRコードによる適合を向上させることにより、選択されたRfタンパク質の配列を最適化するステップ、または、
a.Rf候補遺伝子を含む発現カセットを用いてコムギ植物を形質転換するステップであって、前記コムギ植物が、orf279を発現する不稔性細胞質を含む、前記ステップ、
b.形質転換植物においてorf279発現のレベルを検出するステップ、
c.orf279発現のレベルが非形質転換植物と比較して低下する植物を選択するステップ、
d.機能性Rf遺伝子を同定するステップ、
を含む、前記方法。 - orf279RNAに結合し、その発現を防止することが可能な合成PPRタンパク質の設計および最適化のための方法であって、前記合成PPRにより稔性が回復している、前記方法。
- 請求項7に記載の方法により得ることが可能な合成PPRタンパク質。
- 配列番号22に示される、請求項8に記載の合成PPRタンパク質。
- 請求項8または9に記載のorf279RNAに結合する合成PPRを発現する植物。
- Orf279をコードする核酸配列を、植物において機能するプロモーターおよびミトコンドリア輸送ペプチドの下流に含む、組換え発現カセット。
- 請求項11に記載の組換えカセットを発現する植物。
- コムギである、請求項12に記載の植物。
- Orf279をコードする核酸配列を、植物において機能するプロモーターおよびミトコンドリア輸送ペプチドの下流に含む、組換え発現カセットを用いて、植物を形質転換することにより不稔性植物を得るための方法。
- orf279DNA/RNA結合または編集複合体をコードする遺伝子を含む組換え発現カセットを用いてコムギ植物を形質転換することにより稔性コムギ植物を得るための方法であって、前記orf279RNA/DNA結合または編集複合体を、植物において機能するプロモーターおよびミトコンドリア輸送ペプチドの下流にクローニングする、前記方法。
- orf279T-CMS細胞質を内包する不稔性植物または正常細胞質を内包する稔性植物を検出するための方法であって、
a)植物からDNAまたはRNA試料を抽出するステップ、
b)orf279T-CMS配列の存在または非存在を、適するプライマー対を用いたPCR増幅により検出するステップ、
c)任意選択で、正常細胞質配列の存在または非存在を、適するプライマー対を用いたPCR増幅により検出するステップ、
c)前記植物の稔性または不稔性状態を判定するステップ、
を含む、前記方法。 - orf279T-CMS配列を増幅するステップb)が、配列番号52および54のプライマー対を使用して実施され、任意選択で、正常細胞質配列を増幅するステップが、配列番号53および54のプライマー対を使用して実施される、請求項16に記載の方法。
- orf279T-CMS配列を増幅する配列番号52および54のプライマー対と、任意選択で、正常細胞質配列を増幅する配列番号53および54のプライマー対とを含む、orf279の存在または非存在を判定するための診断マーカー。
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