분자농업은 식물을 일종의 공장개념으로 확대 적용하여 산업적으로 가치가 높은 유용물질들을 대량생산하는 분야로 최근 많은 각광을 받고 있다. 그 중에서 벼 캘러스를 이용한 단백질 발현 시스템은 대량 배양이 가능하고 목적 단백질의 높은 발현율로 인한 산업화가 가능한 기술이다. 본 연구는 이러한 벼(Oryza sativa L.) 캘러스의 활용도를 높이기 위한 효율적인 형질전환 시스템을 구축하기 위해 수행되었다. 형질전환에 이용된 종자의 종피 제거 시 손을 이용함으로써 캘러스 유도율을 높여주었고, 6년 정도의 오래된 종자에서도 원활한 캘러스 유도가 가능하였다. 목적 유전자가 도입된 캘러스의 선발은 최소한 3주 이상의 배양기간을 필요로 하였고 가장 효율적인 것은 한번의 계대를 포함한 6주 배양 후 선발하는 것이었다. 이러한 선발은 유전자가 식물세포의 genomic DNA 안에 안정적으로 삽입되어 이루어졌음을 서던 블롯 분석 및 후대검정 등을 통하여 확인할 수 있었다. 이러한 장기적이고 대량의 배양이 가능한 벼 캘러스의 효율적인 선발 시스템은 벼를 이용한 유용 재조합 단백질의 산업화에 실속있는 기술로 기여할 수 있을 것이다.
The paper evaluated the behavior of in vitro culture responses from a diverse set of Indica rice (Oryza sativa L.) genotypes. Significant differences were found in embryogenic callus induction frequency, callus growth and plant regeneration frequency when mature embryos of 11 cultivars, breeding lines and land races were compared. Genotype as well as plant growth regulator influenced the plant regeneration frequency. Callus induction frequency was not correlated with callus growth as well as plant regeneration frequency. The regenerated plants could grow to normal, fertile plants after they were successfully established in soil.
The optimized in vitro culture system was investigated for improvement of regeneration efficiencies by observing the responses of scutella-derived callus of Korean rice (Oryza sativa L.). Large variations of callus induction (43.9-93.9%) and shoot regeneration (0-88.7%) were observed among the rice cultivars depending on medium. However, shoot regeneration was significantly improved by selected utilization of basal medium, growth regulators, and carbon sources. N6 basal medium was more efficient for embryogenic callus induction than MS or LS basal medium, while MS was superior to N6 for shoot regeneration. The calli of highly regenerative cultivars grew faster and showed higher rates of green tissue formation (GT) and shoot regeneration (SR) and lower rate of callus browning (CB) than those of recalcitrant cultivars. Although a higher level of kinetin stimulated the GT and SR in highly regenerative cultivars, $10\textrm{mgL}^{-1}$ kinetin generally suppressed the GT and SR, while CB was accelerated compared to $2\textrm{mgL}^{-1}$ kinetin. Additional benefits of sorbitol combined with maltose (or sucrose) under $5\textrm{mgL}^{-1}$ kinetin were certainly confirmed on regeneration efficiencies compared to sucrose alone as carbon source and osmotic regulator. This combination showed high rate of GT and SR with multiple shoots while low rate of CB. With MSRK5SM-Pr medium ($5\textrm{mgL}^{-1}$ kinetin, 3% sorbitol, 2% maltose, $500\textrm{mgL}^{-1}$ proline), the regeneration efficiencies of total 17 out of 24 cultivars were practically improved 160% on average compared to MSRK2S ($2\textrm{mgL}^{-1}$ kinetin, 3% sucrose) control medium. Especially, the medium was most effective to the cultivars showing a medium level of regenerability such as Daesanbyeo and Dongjinbyeo and Suwon477, enhancing efficiencies more than 300-600% compared to MSRK2S medium.
벼(Oryza sativa L.) 캘러스는 2.0 mg/L 2,4-D와 0.5 mg/L kinetin이 첨가된 MS 배지에서 성숙종자로부터 유도되었으며 embryogenic callus(EC)와 nonembryogenic callus(NEC)는 색깔과 외부형태에 의해 경시적으로 선별되었다. EC와 NEC의 전체 단백질로부터 SDS-PAGE와 등전점 전기영동에 의한 전기영동적 분석은 EC와 NEC의 각각에 대해 특이적, 양적인 차이를 보여주었다. 또한 EC와 NEC의 2차원 전기영동 분석은 약 20여개 이상의 EC 특이단백질과 10여개의 NEC 특이 단백질 양상을 보여주었으며, 아울러 EC 특이적인 90, 65, 50 kD의 단백질은 microheterogeneity를 보여주는 반면, NEC에서는 분자량의 변이가 큰 일련의 산성 이질단백질군을 보여주었다.
Herbicide tolerant rice (Oryza sativa L. cv. Ilpumbyeo) cell lines were selected from $\gamma$-ray-irradiated anther-derived cell cultures. The anther-derived cell clusters were small (300 to 400 ${\mu}{\textrm}{m}$ in diameter) and uniform ones that were screened by miracloth filtering. The cell suspensions were very efficient to plate one layer onto agar medium and to screen target cell lines. Herbicide tolerant cell lines were selected by 5 mg/L cyhalofop butyl (CHB) treatment by using the small cell suspensions on agar N6 medium containing 1 mg/L 2,4-D and 0.2 mg/L kinetin. Of the cell lines, one line (CHB-1) showed stable tolerance at 10 mg/L concentration after 6-month culture without herbicide suspension. Growth stability of CHB-1 was similar to that of control cell line on 10 mg/L CHB containing medium. In this experiment we established herbicide tolerant cell line selection system by using anther-derived uniform-cell suspensions with $\gamma$-ray-irradiation.
5-methyltryptophan (5MT) 저항성 벼 (Oryza sativa L. val. Sasanishiki)로 부터 선발된T-RI의 자식후대개체 중에서 저항성이 우성형질로 분리된 TR75주를 이용하여 그 식물체의 여러 특성을 조사하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. TR75는 종자, 근, 약에 있어서는 25 mg/1의 5MT가 포함된 MS배지에서 callus가 형성되었으나, 야생형의 경우에는 어느 기관에서도 Callus 유도는 일어나지 않았다. 2. 각 기관으로 부터 유도된 TR75의 callus는 50mg/1의 5MT배지에서도 저항성을 보여주었지만 야생형의 callus는 25mg/1의 5MT 배지에서 모두 갈변화 하였다. 3. TR75는 3종류의 아미노산 아날로그(L-azetidine-2-carboxylic acid, S-2-aminoethyl-L-cystene, p-fluoro-DL-phenylalanine)에 대해서는 저항성을 갖고 있지 않다. 4. TR75의 유리아미노산 함량은 야생형 종자에 비해 tryptophan, phenylalanine, aspartic acid가 각각 5.0, 5.3, 2.7 배 증가하였으며, 그 외 다른 종류의 아미노산 함량도 1.5∼2.0배 증가하였다. 전 아미노산 함량도 약 1.5배 가량 증가하였다. 그러나 alanine과 leucine은 약간 감소하였다.
To demonstrate the importance of transformation efficiency in independent event, molecular and cytogenetic analysis were conducted with genomic DNA and chromosome of transgenic plants produced by Agrobacterium tumefeciens LBA4404 (pSBM-PPGN: gusA and bar). Selection ratios of putative transgenic calli were similar in independent experiments, however, transformation efficiencies were critically influenced by the type of regeneration media. MSRK5SS-Pr regeneration mediun, which contains 5 mgL$^{-1}$ kinetin, 2% (w/v) sucrose in combination with 3% (w/v) sorbitol, and 500 mgL$^{-1}$ proline, was efficient to produce transgenic plant of rice from putative transgenic callus in the presence of L-phosphinotricin (PPT). With MSRK5SS-Pr medium, transformation efficincies of Nagdongbyeo were significantly enhanced from 3.7% to 6.3% in independent callus lines arid from 7.3% to 19.7% in plants produced, respectively. Stable integration and expression of bar gene were confirmed by basta herbicide assay, PCR amplification and Southern blotting of bar gene, and fluorescence in situ hybridization (FISH) analysis using pSBM-PPGN as a probe. In Southern blot analysis, diverse band patterns were observed in total 44 transgenic plants regenerated from 20 independent PPT resistant calli showing from one to five copies of T-DNA segments, however, the transformants obtained from one callus line showed the same copy numbers with the same fractionized band patterns.
Quantitative trait loci (QTLs), which were related to the ability of callus induction and plant regeneration in seed culture of rice, were analyzed using a mapping population from a cross between the rice cultivars 'Samgang' (tongil type) and 'Nagdong' (japonica). A tongil type rice cultivar, 'Samgang' showed lower frequency (20%) of plant regeneration than that (35%) of japonica rice, 'Nagdong'. Transgressive segregations were observed for the ability of callus induction and plant regeneration from the seed-derived calli of 58 doubled haploid (DH) lines. The ability of plant regeneration of 58 doubled haploid lines showed a continuous distribution with comparatively wide range (10.0 to 66.7%) of variation. Composite interval mapping analysis was used to identify the QTLs controlling callus induction and plant regeneration ability. Four significant QTLs, qCWS6, qCWS8, qCWS9 and qCWS11, associated with callus weight per seed were detected on chromosomes 6, 8, 9, and 11 with LOD values of 3.30, 2.60, 2.70 and 2.43, explaining 36% of the total phenotypic variation. Three significant QTLs, qPR1, qPR6, and qPR11, for the ability of plant regeneration were located on chromosome 1, 6, and 11 at LOD score of 2.25, 2.15 and 2.55, accounting for 24 % of the total phenotypic variation. The present study should be useful for improving the efficiency of plant regeneration in tissue culture of indica rice by means of marker-assisted selection.
Plant regeneration was accomplished from protoplast culture of rice (Oryza sativa L. cv. Taebaeg). Embryogenic callus was induced from mature seed on MS medium containing 5 mM proline, 2.5 mg/L 2,4-D, 30 g/L sucrose in the dark at 28$^{\circ}C$ and used to establish embryogenic cell suspension culture. Suspension cells were subcultured every one week in N6 medium supplemented with 5 mM proline, 200 mg/L casein hydrolysate, 2.5 mg/L 2,4-D and amino acids of AA medium. Suspension cultures were composed of cells that were densely cytoplasmic, potentially embryogenic and were at least maintained for more than 6 months in liquid medium. Protoplasts were isolated from fast-growing suspension culture cells and cultured in a slightly modified KpR medium by mixed nurse culture. Isolated protoplasts began to divide within 5~7 days and thereafter, protoplast-derived calli were sequentially transferred to callus proliferating medium that soft agar MS medium contained 2 mg/L 2,4-D and produced distinct embryogenic cells. Microcolonies were then transferred to solid medium which consisted of MS medium containing 5 mg/L kinetin, 1 mg/L NAA, 1 mg/L ABA, 30 g/L sucrose and 10 g/L sorbitol under fluorescent light. Mulitple shoots of 4~5 per callus emerged and were transferred to hormone-free MS medium for root initiation. Thereafter, The plantlets were transferred to pots of soil to mature in the culture room.
제초제(除草劑)에 내성(耐性) 또는 저항성(抵抗性)을 지닌 수도(水稻) 카루스를 선발(選拔)하기 위하여 유묘기(幼苗期)에 제초제(除草劑)에 반응(反應)을 달리하는 품종(品種)을 대상으로 카루스의 생장(生長) 반응(反應)을 조사(調査)한 결과(結果)는 다음과 같다. 카루스 유도시(誘導時)에 thiobencarb에 감수성(感受性)을 보였던 IR28의 카루스 생장(生長)은 thiobencarb $10^{-5}$ M 및 $10^{-6}$ M에서도 억제(抑制) 되지 않아 특정(特定) 제초제(除草劑)에 대한 수도(水稻) 품종(品種)의 반응(反應)은 카루스의 유도기(誘導期) 및 생장기(生長期), 성식물체(成植物體)에 따라 차이(差異)가 있음을 나타내었다. Butachlor에 대한 IR31917-45-3-2-2의 반응(反應)도 IR28과 유사(類似)한 결과(結果)를 보였다. Thiobencarb에 내성(耐性)을 지닌 카루스를 선발(選拔)키 위하여 IR28의 카루스를 thiobencarb $10^{-6}$ M에 30일간(日間) 처리(處理)한 후(後) 고농도(高濃度)인 $10^{-5}$ M에 옮겨 치상(置床)시킨 결과(結果) 카루스의 생체중(生體重)은 전혀 억제(抑制) 되지 않아서 제초제(除草劑) 내성세포(耐性細胞)를 선발(選拔)키 위해서는 제초제(除草劑)의 농도(濃度)를 점진적(漸進的)으로 높이는 것이 유용(有用)한 선발방법(選拔方法)이 될 것으로 사료(思料)된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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