형질전환 벼에서 brazzein 감미단백질의 안정적인 발현

Stable expression of brazzein protein, a new type of alternative sweetener in transgenic rice

Brazzein은 열대식물인 P. brazzeana Baillon의 과실에서 분리된 가장 작은 감미단백질로 토착민들의 단맛원료로 사용되어 왔다. Brazzein은 sucrose보다 분자량 기준으로 500 ~ 2000배, 몰 기준으로 9500배 당도가 높아 감미료로써 매우 높은 평가를 받고 있다. 그러나 이 감미단백질은 재배가 어렵고 생산 비용이 높아서 brazzein 단백질의 이용 가능성을 높이기 위한 대체 생산 시스템으로 형질전환 식물체 육성 하고자 하였다. 본 연구에서는 brazzein 관련 유전자를 벼에 도입하기 위하여 식물형질전환용 Ti-plasmid에 2 x CaMV 35S 프로모터에 의해 지배되어 발현하도록 하고, 선발 마커로 bar 유전자가 삽입된 식물발현 벡터를 구축하여 A. tumefaciens EHA105에 형질전환시켜 17개의 재분화 식물체를 육성하였다. 17개 재분화 식물체는 PCR 및 RT-PCR 분석을 통하여 유전자 도입 및 발현을 확인하였으며, TaqMan PCR을 통해 single copy로 도입된 T0 세대 9개체를 선발하였다. 또한 FST 분석을 통하여 도입 유전자가 intergenic으로 삽입된 개체 5개를 선발하였다. 이들 5개체를 이용하여 western blot 분석에 의해 단백질 발현량을 분석한 결과 선발된 모든 개체에서 발현 밴드를 확인하였다. 그 중 brazzein 단백질의 발현량이 높은 개체를 TG11으로 계통화하여 후대 종자를 육성하였다. TG11 계통은 천연 감미료 brazzein을 생산하는 새로운 벼 품종을 개발하기 위한 육종 소재로 활용 가능하다고 시사된다.

Brazzein is the smallest sweet protein and was isolated from the fruit pulp of Pentadiplandra brazzeana Baillon, native to tropical Africa. From ancient times, the indigenous people used this fruit in their diet to add sweetness to their daily food. Brazzein is 500 to 2000 times sweeter than sucrose on a weight basis and 9500 times sweeter on a molar basis. This unique property has led to increasing interest in this protein. However, it is expensive and difficult to produce brazzein other than in its native growing conditions which limits its availability for use as a food additive. In this study, we report high production yields of, brazzein protein in transgenic rice plants. An ORF region encoding brazzein and driven by the 2 x CaMV 35S promoter was introduced into rice genome (Oryza sativa Japonica) via Agrobacterium-mediated transformation. After transformation, 17 regenerated plant lines were obtained and these transgene-containing plants were confirmed by PCR analysis. In addition, the selected plant lines were analyzed by Taqman PCR and results showed that 9 T0 lines were found to have a single copy out of 17 transgenic plants. Moreover, high and genetically stable expression of brazzein was confirmed by western blot analysis. These results demonstrate that recombinant brazzein was efficiently expressed in transgenic rice plants, and that we have developed a new rice variety with a natural sweetener.