High-efficiency and Rapid Agrobacterium-mediated genetic transformation method using germinating rice seeds

벼 발아초기 종자를 이용한 고효율 단기형질전환 방법

Rice is the most important crop as a model plant for functional genomics of monocotyledons. Rice is usually transformed using Agrobacterium tumefaciens. However, the transformation efficiency using previous method is still low. In this study, we established a new method by modifying the general Agrobacterium protocol especially in the inoculation and co-cultivation step. We directly inoculated Agrobacterium containing a CIPK15 gene under the control of CaMV 35S promoter and NOS terminator in the pCAM1300 vector into the pre-soaked seeds in N6D media for 24 hours. After 7 days of culture at $25^{\circ}C$, calli were formed on seeds cultured on the co-cultivation medium containing an antioxidant compound (1 mM dithiothreitol) and of Agrobacterium growth-inhibiting agent (3 mg/L silver nitrate). We obtained 35 and 22 transgenic plants in rice cultivars, Gopumbyeo and Ilpumbyeo, with increase of transformation efficiency by 30.4% and 22.6%, respectively compared to the general transformation method. The new method in this study would lead to reduction of substantial labor and time to generate transgenic plants.

벼의 염기서열 분석이 완료됨에 따라 유전자의 세포내 기능을 밝히기 위한 기능유전체 연구가 활발히 진행되고 있다. 이를 위해 효율적으로 아그로박테리움을 이용해 원하는 유전자를 식물체 내로 형질전환을 하기 위한 노력은 지금도 계속 진행되고 있다. 본 실험에서는 캘러스를 유기한 후 아그로박테리움을 이용해 접종하는 기존의 방법과 달리, 성숙 종자를 소독한 후 2,4-D가 포함된 액체배지에 24시간 침종하여 배 부분이 발아하기 시작하는 종자를 이용해 바로 아그로박테리움을 접종하여 체세포변이의 발생을 최소화하고 유전자를 포함하고 있는 아그로박테리움이 식물 조직내로 침투할 수 있는 효율을 증가시키며, 그 후 캘러스를 유기하여 재분화 시킴으로써 형질전환 식물체를 얻는 방법을 새롭게 수립하였다. 배양과정 중 공동배양 배지에 아그로박테리움 성장억제물질인 silver nitrate와 항산화 물질인 DTT를 첨가하여 공동 배양 기간을 7일 이상으로 늘림으로써 벼 형질전환효율을 증가시킬 수 있었고, PCR 분석을 통해 원하는 목표 유전자가 형질전환체에 안정적으로 도입이 되는 것도 확인할 수 있었다. 또한, 이 방법은 형질전환 효율이 낮은 일품벼와 같은 품종에도 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 결과를 종합해 볼 때, 본 실험을 통해 얻어진 새로운 공동배양 방법은 우수한 농업적 형질을 가진 벼 육종 소재 및 품종 개발시 효율적으로 이용할 수 있을 것으로 생각된다.