Development of Marker-free Transgenic Rice for Increasing Bread-making Quality using Wheat High Molecular Weight Glutenin Subunits (HMW-GS) Gene

Soo-Kwon Park(박수권),DongJin Shin(신동진),Woon-Ha Hwang(황운하),Se-Yun Oh(오세윤),Jun-Hyun Cho(조준현),Sang-Ik Han(한상익),Min-Hee Nam(남민희),Dong-Soo Park(박동수) 한국생명과학회 2013 생명과학회지 Vol.23 No.11

고분자 글루테닌 서버유닛(high molecular-weight glutenin subunit, HMW-GS)은 밀의 가공적성을 결정하는데 중요한 역할을 수행한다. 우리는 Agrobacterium 동시 형질전환법을 이용하여 한국 밀 품종인 ‘조경’으로부터 밀 HMW-GS을 암호화하는 Glu-1Bx7 유전자를 가지는 marker-free 형질전환 벼를 생산하였다. Glu-1Bx7 유전자의 종자 특이적 발현을 위하여 밀 Glu-1Bx7 유전자 자체 프로모터를 벡터 내에 삽입하였다. 동시 접종을 위해서 오직 Glu-1Bx7 유전자와 hygromycin phosphotransferase II (HPTII) 저항성 유전자만으로 구성된 두 종류의 발현 카셋트를 독립적으로 Agrobacterium EHA105에 도입하였고, Glu-1Bx7와 HPTII가 도입된 각각의 EHA105 Agrobacterium을 3:1 비율로 혼합하여 벼 캘러스에 접종하였다. 216개의 HPTII 저항성 형질전환체 중에서 벼 게놈에 Glu-1Bx7과 HPTII가 모두 삽입된 24개의 형질전환 라인을 획득하였다. Glu-1Bx7와 HPTII가 벼 게놈에 도입된 것을 Southern blot을 통해서 다시 확인하였다. 형질전환 벼 T₁ 세대의 종자에서 밀 Glu-1Bx7 유전자가 전사와 번역되어 오직 Glu-1Bx7만을 가지는 marker-free 식물체를 T₁ 세대에서 성공적으로 선발할 수 있었다. High-molecular weight glutenin subunits (HMW-GS) have been shown to play a crucial role in determining the processing properties of the wheat grain. We have produced marker-free transgenic rice plants containing a wheat Glu-1Bx7 gene encoding the HMG-GS from the Korean wheat cultivar ‘Jokyeong’ using the Agrobacterium-mediated co-transformation method. The Glu-1Bx7-own promoter was inserted into a binary vector for seed-specific expression of the Glu-1Bx7 gene. Two expression cassettes comprised of separate DNA fragments containing only Glu-1Bx7 and hygromycin phosphotransferase II (HPTII) resistance genes were introduced separately to the Agrobacterium tumefaciens EHA105 strain for co-infection. Each EHA105 strain harboring Glu-1Bx7 or HPTII was infected to rice calli at a 3:1 ratio of Glu-1Bx7 and HPTII, respectively. Then, among 216 hygromycin-resistant T0 plants, we obtained 24 transgenic lines with both Glu-1Bx7 and HPTII genes inserted into the rice genome. We reconfirmed integration of the Glu-1Bx7 gene into the rice genome by Southern blot analysis. Transcripts and proteins of the wheat Glu-1Bx7 were stably expressed in the rice T₁ seeds. Finally, the marker-free plants harboring only the Glu-1Bx7 gene were successfully screened at the T₁ generation.

Development of Marker-free TaGlu-Ax1 Transgenic Rice Harboring a Wheat High-molecular-weight Glutenin Subunit (HMW-GS) Protein

Namhee Jeong(정남희),Seung-Ho Jeon(전승호),Dool-Yi Kim(김둘이),Choonseok Lee(이춘석),Hyun-Choong Ok(옥현충),Ki-Do Park(박기도),Ha-Cheol Hong(홍하철),Seung-Sik Lee(이승식),Jung-Kyung Moon(문중경),Soo-Kwon Park(박수권) 한국생명과학회 2016 생명과학회지 Vol.26 No.10

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 벼캘러스에 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.

Allelic Variation of Glutenin, Granule-Bound Starch Synthase I and Puroindoline in Korean Wheat Cultivar

Chul Soo Park,Roberto J. Peña,Byung-Kee Baik,Chon-Sik Kang,Hwa-Young Heo,Young-keun Cheong,Sun-Hee Woo 韓國作物學會 2009 Korean journal of crop science Vol.54 No.2

To investigate the genetic variation of high-and low-molecular-weight glutenin subunits (BMW-GS and LMW-GS), granule-bound starch synthase I (GBSSI) and puroindoline in 24 Korean wheat cultivars. At the BMW-GS compositions, three Glu-A1 alleles, five Glu-B1 alleles and three Glu-D1 alleles were identified. The high frequency of alleles at each locus was Glu-A1c allele (15 cultivars), Glu-B1b allele (16 cultivars) and Glu-D1f allele (16 cultivars). Four alleles were identified at the Glu-A3 and Glu-B3 loci and three at Glu-D3 locus and Glu-A3d, Glu-B3d and Glu-D3a were mainly found at each Glu-3 locus. Glu-A3d, Glu-B3d, Glu-D3b or c (4 cultivars, respectively) and Glu-A3d, Glu-B3d, Glu-D3a and Glu-A3c, Glu-B3d or h, Glu-D3a (3 cultivar, respectively) were predominantly found in Korean wheats. At the GBSS compositions, 2 waxy wheat cultivars, Shinmichal and Shinmichal1, showed null alleles on the Wx loci and other cultivars were wild type in GBSS compositions. At the puroindoline gene compositions, Korean wheat cultivars carried 3 genotypes, which 10 cultivars (41.7%) were Pina-D1a and Pinb-D1a, 11 cultivars (45.8%) had Pina-D1a and Pinb-D1b and 3 cultivars (12.5%) carried Pina-D1b and Pinb-D1a. These genetic variations could present the information to improve flour and end-use quality in Korean wheat breeding programs.

Development of Marker-free Transgenic Rice Expressing the Wheat Storage Protein, Glu-1Dy10, for Increasing Quality Processing of Bread and Noodles

Soo-Kwon Park(박수권),DongJin Shin(신동진),Woon-Ha Hwang(황운하),Yeon-Jae Hur(허연재),Tae-Heon Kim(김태헌),Se-Yun Oh(오세윤),Jun-Hyun Cho(조준현),Sang-Ik Han(한상익),Seung-Sik Lee(이승식),Min-Hee Nam(남민희),Dong-Soo Park(박동수) 한국생명과학회 2014 생명과학회지 Vol.24 No.6

쌀가루는 많은 식품 가공에 이용된다. 그러나 밀가루 반죽이 빵과 면을 포함한 많은 식품 가공 제품에 적합한 반면에, 쌀로 만든 반죽은 신장성과 탄력성이 부족하다. 고분자 글루테닌 서브유닛(HMW-GS)은 밀의 가공 적성을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서, 우리는 아그로박테리움(Agrobacterium) 동시 형질전환법을 이용하여 한국 밀 품종인 ‘조경’으로부터 HMW-GS를 암호화하는 밀 Glu-1Dy10 유전자를 발현하는 marker-free 형질전환 벼 식물체를 개발하였다. 오직 Glu-1Dy10 유전자와 HPTII (hygromycin phosphotransferase II) 저항성 유전자만을 포함하는 분리된 DNA 조각들로 구성된 두 가지 발현 카셋트(cassettes)를 독립적으로 아그로박테리움(Agrobacterium) EHA105 에 도입하였다. Glu-1Dy10 또는 HPTII를 함유하는 EHA105 를 각각 3:1 비율로 벼 캘러스에 접종하였다. 290개의 하이그로마이신(hygromycin) 저항성 T0 식물체 중에서 우리는 벼 게놈에 Glu-1Dy10과 HPTII 유전자가 모두 삽입된 29개의 형질전환 라인을 획득하였다. 우리는 Glu-1Dy10 유전자가 벼 게놈 내로 도입된 것을 Southern blot 분석을 통해 다시 확인하였다. 형질전환 벼 종자에서 Glu-1Dy10의 전사(Transcripts)와 단백질을 semi-quantitative RT-PCR과 Western blot 분석을 통해서 확인하였다. 최종적으로, 오직 Glu-1Dy10 유전자를 갖는 marker-free 식물체를 T1 세대에서 성공적으로 선발할 수 있었다. Rice flour is used in many food products. However, dough made from rice lacks extensibility and elasticity, making it less suitable than wheat for many food products such as bread and noodles. The high-molecular weight glutenin subunits (HMW-GS) of wheat play a crucial role in determining the processing properties of the wheat grain. This paper describes the development of marker-free transgenic rice plants expressing a wheat Glu-Dy10 gene encoding the HMG-GS from the Korean wheat cultivar ‘Jokyeong’ using Agrobacterium-mediated co-transformation. Two expression cassettes, consisting of separate DNA fragments containing Glu-1Dy10 and hygromycin phosphotransferase II (HPTII) resistance genes, were introduced separately into Agrobacterium tumefaciens EHA105 for co-infection. Each EHA105 strain harboring Glu-1Dy10 or HPTII was infected into rice calli at a 3: 1 ratio of Glu-1Bx7 and HPTII. Among 290 hygromycin-resistant T0 plants, we obtained 29 transgenic lines with both the Glu-1Dy10 and HPTII genes inserted into the rice genome. We reconfirmed the integration of the Glu-1Dy10 gene into the rice genome by Southern blot analysis. Transcripts and proteins of the Glu-1Dy10 in transgenic rice seeds were examined by semi-quantitative RT-PCR and Western blot analysis. The marker-free plants containing only the Glu-1Dy10 gene were successfully screened in the T1 generation.

Generation of Transgenic Rice without Antibiotic Selection Marker through Agrobacterium-mediated Co-transformation System

Soo-Kwon Park(박수권),Tackmin Kwon(권택민),Jong-Hee Lee(이종희),DongJin Shin(신동진),Woon-Ha Hwang(황운하),You-Chun Song(송유천),Jun-Hyun Cho(조준현),Min-Hee Nam(남민희),Seung-Ho Jeon(전승호),Sang-Yeol Lee(이상열),Dong-Soo Park(박동 한국생명과학회 2012 생명과학회지 Vol.22 No.9

작물의 수확량이나 병 저항성을 증가시키는 형질전환 식물체 개발은 세계 식량 부족을 해결하는 좋은 방법이다. 하지만 항생제나 제초제의 사용은 형질전환 작물의 안전에 대해서 일반 사람들의 심각한 우려를 초래한다. 본 연구에서는, 아그로박테리움을 이용한 동시 형질전환 방법을 이용하여 한국의 밀 재배종인 ‘조경밀’의 유전자인, 고분자 글루테닌 서브유닛[high molecular-weight glutenin subunit (HMW-GS)] Dx5가 삽입된 마커프리 형질전환벼를 개발하였다. 각각 Dx5 유전자와 하이그로마이신(HPTII) 저항성 유전자만으로 구성된 두 종류의 발현 카셋트(Two expression cassettes)를 독립적으로 아그로박테리움 EHA105에 도입하였고, Dx5와 HPTII가 도입된 각각의 EHA105 아그로박테리움을 3:1 비율로 혼합하여 벼 캘러스에 접종하였다. 66개의 HPTII 저항성 형질전환체 중에서 벼 게놈에 Dx5와 HPTII가 모두 삽입된 2개의 형질전환 라인을 획득하였다. Dx5와 HPTII가 벼 게놈에 도입된 것을 Southern blot을 통해서 다시 확인하였다. 또한, semi-quantitative RT-PCR을 통해 형질전환벼 T1 세대 종자의 밀 Dx5 전사여부를 확인하였고 결국, Dx5 유전자만을 가지는 마커프리 형질전환벼를 T1 세대에서 선발할 수 있었다. 본 연구 결과는 두 종류의 발현 카셋트를 사용한 아그로박테리움 동시 접종 시스템이 마커프리 형질전환벼를 생산하기 위한 효과적인 전략이 될 수 있음을 보여준다. Development of transgenic plant increasing crop yield or disease resistance is good way to solve the world food shortage. However, the persistence of marker genes in crops leads to serious public concerns about the safety of transgenic crops. In the present paper, we developed marker-free transgenic rice inserted high molecular-weight glutenin subunit (HMW-GS) gene (Dx5) from the Korean wheat cultivar ‘Jokyeong’ using Agrobacterium-mediated co-transformation method. Two expression cassettes comprised of separate DNA fragments containing only the Dx5 and hygromycin resistance (HPTII) genes were introduced separately into Agrobacterium tumefaciens EHA105 strain for co-infection. Each EHA105 strain harboring Dx5 or HPTII was infected into rice calli at a 3: 1 ratio of EHA105 with Dx5 gene and EHA105 with HPTII gene expressing cassette. Then, among 66 hygromycin-resistant transformants, we obtained two transgenic lines inserted with both the Dx5 and HPTII genes into the rice genome. We reconfirmed integration of the Dx5 and HPTII genes into the rice genome by Southern blot analysis. Wheat Dx5 transcripts in T1 rice seeds were examined with semi-quantitative RT-PCR. Finally, the marker-free plants containing only the Dx5 gene were successfully screened at the T1 generation. These results show that a co-infection system with two expression cassettes could be an efficient strategy to generate marker-free transgenic rice plants.