벼에서 밀 고분자 글루테닌 단백질(TaGlu-Ax1) 발현을 통하여 쌀가루 가공적성 증진을 위한 마커프리(marker-free) 형질전환 벼의 개발

Abstract

밀의 고분자 글루테닌 서브유닛[high molecular-weight glutenin subunit (HMW-GS)]은 밀가루의 성질을 결정하는데 가장 중요한 요소이며 가공적성을 나타내는데 중요한 역할을 수행한다. 우리는 Agrobacterium 동시 형질전환법을 이용하여 한국 밀 품종인 ‘조경’으로부터 밀 HMW-GS을 암호화하는 TaGlu-Ax1 유전자를 가지는 marker-free 형질전환 벼를 생산하였다. TaGlu-Ax1 유전자의 종자 특이적 발현을 위하여 밀에서 존재하는 TaGlu-Bx7 유전자의 자체 프로모터를 벡터 내에 삽입하였다. 동시 접종을 위해서 오직 TaGlu-Ax1 유전자와 hygromycin phosphotransferase II (HPTII) 저항성 유전자만으로 구성된 두 종류의 발현 카세트를 독립적으로 Agrobacterium EHA105에 도입하였고, TaGlu-Ax1와 HPTII가 도입된 각각의 EHA105 Agrobacterium을 3:1 비율로 혼합하여 벼 캘러스에 접종하였다. 210개의 HPTII 저항성 형질전환체 중에서 벼 게놈에 TaGlu-Ax1과 HPTII가 모두 삽입된 20개의 형질전환 라인을 획득하였다. TaGlu-Ax1와 HPTII가 벼 게놈에 도입된 것을 Southern blot을 통해서 다시 확인하였다. 형질전환 벼 T₁ 세대의 종자에서 밀 TaGlu-Ax1 유전자가 전사와 번역되어 오직 TaGlu-Ax1만을 가지는 marker-free 식물체를 T₁세대에서 성공적으로 선발할 수 있었다. TaGlu-Ax1 유전자가 발현되는 marker-free 형질전환 식물체는 야생형(wild type)과의 표현형 차이는 없었다. 형질전환 벼의 쌀가루의 제빵적성을 비교하였을 때 TaGlu-Ax1 유전자만이 발현되어서는 제빵적성이 더 나아지지 않았다. 그러므로 더 많은 밀 고분자 및 저분자 글루테닌, 글리아딘의 유전자의 집적과 조합이 쌀가루 가공적성을 증진시키는데 필요하다. 결론적으로 TaGlu-Ax1 marker-free 형질전환 벼는 쌀가루 가공적성을 증진시키는데 좋은 재료로 사용될 것이다. High-molecular-weight glutenin subunits (HMW-GSs) are extremely important determinants of the functional properties of wheat dough. Transgenic rice plants containing a wheat TaGlu-Ax1 gene encoding a HMG-GS were produced from the Korean wheat cultivar ‘Jokyeong’ and used to enhance the bread-making quality of rice dough using the Agrobacterium-mediated co-transformation method. Two expression cassettes with separate DNA fragments containing only TaGlu-Ax1 and hygromycin phosphotransferase II (HPTII) resistance genes were introduced separately into the Agrobacterium tumefaciens EHA105 strain for co-infection. Rice calli were infected with each EHA105 strain harboring TaGlu-Ax1 or HPTII at a 3:1 ratio of TaGlu-Ax1 and HPTII. Among 210 hygromycin-resistant T₀ plants, 20 transgenic lines harboring both the TaGlu-Ax1 and HPTII genes in the rice genome were obtained. The integration of the TaGlu-Ax1 gene into the rice genome was reconfirmed by Southern blot analysis. The transcripts and proteins of the wheat TaGlu-Ax1 were stably expressed in rice T₁ seeds. Finally, the marker-free plants harboring only the TaGlu-Ax1 gene were successfully screened in the T₁ generation. There were no morphological differences between the wild-type and marker-free transgenic plants. The quality of only one HMW-GS (TaGlu-Ax1) was unsuitable for bread making using transgenic rice dough. Greater numbers and combinations of HMW and LMW-GSs and gliadins of wheat are required to further improve the processing qualities of rice dough. TaGlu-Ax1 marker-free transgenic plants could provide good materials to make transgenic rice with improved bread-making qualities.