DD265911A5 - Process for the transformation of hereditary genetic material - Google Patents
Process for the transformation of hereditary genetic materialInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Transformation pflanzlichen Erbgutes mit einfachen rein chemischen Verfahrensmassnahmen sowie das nach diesem Verfahren erhaeltliche pflanzliche Material. Die Uebertragung des genetischen Materials in die pflanzliche Zelle erfolgt dabei auf direktem Weg ohne Verwendung eines natuerlichen pflanzeninfektioesen Systems wie eines Pflanzenbakteriums oder Pflanzenvirus und ohne Uebertragung durch Insekten oder phytopathogene Pilze, sondern durch gemeinsame Inkubation der zu transformierenden DNA sowie pflanzlicher Protoplasten in einem geeigneten Inkubationsmedium. Auf diese Weise lassen sich gewuenschte Gene sehr einfach und effizient auf pflanzliches Material uebertragen, wodurch Pflanzen mit verbesserten Eigenschaften entstehen.The present invention relates to a method for the transformation of hereditary genetic material with simple purely chemical process measures as well as the plant material obtainable by this process. The transfer of the genetic material into the plant cell is carried out directly without the use of a natural Pflanzeninfektioesen system such as a plant bacterium or plant virus and without transmission by insects or phytopathogenic fungi, but by co-incubation of the transforming DNA and plant protoplasts in a suitable incubation medium. In this way, desired genes can be easily and efficiently transferred to plant material, resulting in plants with improved properties.
Description
Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Transformation pflanzlicher Protoplasten mit einfachen rein chemischen Verfahrensmaßnahmen sowie das nach diesem Verfahren erhaltliche pflanzliche'Materlal. Durch die Einführung neuer genetischer Information in pflanzliches Material können Pflanzen mit neuen und/oder verbesserten Eigenschaften erzeugt werden. Betrachtet man beispielsweise den raschen Anstieg der Weltbevölkerung und den damit verbundenen höheren Nahrungsmittel- und Rohstoffbedarf, so gehört die Steigerung des Ertrags von Nutzpflanzen sowie die vermehrte Gewinnung von pflanzlichen Inhaltsstoffen, insbesondere der Fortschritt auf dem Gebiet der Nahrungs- und Heilmittel, zu den dringlichsten Aufgaben der biologischen Forschung. In diesem Zusammenhang sind z. B. folgende wesentliche Aspekte zu nennen*, eine Erhöhung der Resistenz von Nutzpflanzen gegen ungünstige Bodenverhaltnisse oder Klimabedingungen, gegen Krankheiten und Schädünge, eine gesteigerte Resistenz gegen Pflanzenschutzmittel wie Insektizide, Herbizide, Fungizide und Bakterizide, und eine günstige Veränderung des Nährstoffgehalte oder des Ernteertrags von Pflanzen. Solche wünschenswerten Effekte könnten allgemein durch Induktion odei vermehrte Bildung von Schutzstoffen, wertvollen Proteinen oder Toxinen herbeigeführt werden. Eine entsprechende Beeinflussung von pflanzlichem Erbgut kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß man ein bestimmtes l:remdgen gezielt in Pflanzenzellen einschleust, ohne hierfür von konventionellen züchterischen Maßnahmen Gebrauch zu machen.The present invention relates to an improved process for the transformation of plant protoplasts with simple purely chemical process measures as well as the herbal material obtainable by this process. By introducing new genetic information into plant material, plants with new and / or improved properties can be produced. Considering, for example, the rapid growth of the world's population and the concomitant increase in food and commodity needs, increasing the yield of crops and increasing the production of herbal ingredients, in particular food and medicine advances, are among the most urgent tasks of biological research. In this context, z. To mention the following essential aspects *, an increase in the resistance of crops to unfavorable soil conditions or climatic conditions, to diseases and pests, increased resistance to pesticides such as insecticides, herbicides, fungicides and bactericides, and a favorable change in nutrient content or crop yield Plants. Such desirable effects could generally be brought about by induction or increased formation of protective substances, valuable proteins or toxins. A corresponding influence of plant genetic material can occur for example by reacting a certain l: remdgen specifically in plant cells infiltrates without making this conventional breeding methods use.
Die Übertragung von DNA-Sequenzen in Pflanzenzellen unter Verwendung von genetisch manipulierten Pflanzenbakterien ist aufgrund von Publikationen in der Fachliteratur, wie zum Beispiel 111 Nature, Vol.303,209-213 (1983); /3/ Nature, Vol.304, 184-187 (1983); IAI Scientific American 248(6), 50-69 (1983); /6/ EMBO-Journal 2(6), 987-995 (1983); /6/ Science 222,476-482 (1983); /71 Science 223,498-498 (1984); oder /8/ Proc. Natl. Acad. Sei. USA 80,4803-4807 (1983) bekennt. Bei den dort beschriebenen Verfahren werden die natürlichen pflanzeninfektiösen Eigenschaften dieser Bakterien ausgenutzt, um neues genetisches in Pflanzenzellen einzuschleusen. Zu diesem Zweck wurden bisher in erster Linie Pflanzenpathogene als Vektoren eingesetzt, wie beispielsweise Agrobacterium tumefaclens bzw. dessen Ti-Plosmid oder Cauliflower-Mosaik-Virus. In jüngster Zeit entwickelte Verfahren ermöglichen jetzt auch die direkte Einschleusung eines Gens in pflanzliche Zellen ohne den Einsau biologischer Vektoren. (/9/ Potrykus, I. et al., Plant Molec. BIoI. Rep. 3,117-128 (1985); 10/ Shillito, R.D. et al., Bio/ Technology 3,1099-1103,11985]).The transfer of DNA sequences into plant cells using genetically engineered plant bacteria is known from publications in the literature, such as 111 Nature, Vol. 303, 209-213 (1983); / 3 / Nature, Vol. 304, 184-187 (1983); IAI Scientific American 248 (6), 50-69 (1983); / 6 / EMBO Journal 2 (6), 987-995 (1983); / 6 / Science 222,476-482 (1983); / 71 Science 223, 498-498 (1984); or / 8 / proc. Natl. Acad. Be. USA 80,4803-4807 (1983). The methods described therein exploit the natural plant-infecting properties of these bacteria to introduce new genetic into plant cells. Heretofore, primarily plant pathogens have been used as vectors for this purpose, for example Agrobacterium tumefaclens or its Ti-plosmide or cauliflower mosaic virus. Recently developed methods now also allow the direct introduction of a gene into plant cells without the ingestion of biological vectors. (/ 9 / Potrykus, I. et al., Plant Molec BIoI Rep 3,117-128 (1985); 10 / Shillito, RD et al., Bio / Technology 3,1099-1103,11985]).
Diese unter dem Schlagwort .Direkter Gentransfer" bekannt gewordenen Verfahren erlauben eine Vektor-freie Transformation pflanzlicher Zellen ohne Verwendung von pflanzeninfektiösen Systemen, wie beispielsweise pflanzenpathogenen Bakterien, Viren, Insekten oder Pilzen.These methods, which have become known under the heading "direct gene transfer", permit a vector-free transformation of plant cells without the use of plant-infectious systems, such as plant-pathogenic bacteria, viruses, insects or fungi.
Damit entfallen auch alle Einschränkungen, welche durch die Wirtsspezifitat der Pathogene gegeben sind. Die Entwicklung der Pflanzen aus den transformierten Zellen wird durch die Anwendung der neuartigen Verfahren zur Transformation pflanzlicher ΖβΙΙβη nicht beiintrichtigt.This also eliminates all restrictions that are given by the host specificity of the pathogens. The development of the plants from the transformed cells is not affected by the application of the novel methods for the transformation of plant ΖβΙΙβη.
Ein Hauptproblem bei der Anwendung der Gentransformation liegt in der Schwierigkeit begründet, die transformierten Zellen oder Gewebe zu Identifizieren.A major problem in the application of gene transformation stems from the difficulty of identifying the transformed cells or tissues.
Je geringer bei einer Gontransformation die Transformationshfiufigkeit ist, desto schwieriger und aufwendiger ist dos Auffinden der wenigen, aus den transformierten Zellen resultierenden Zellklone unter der enormen Zahl nicht traneformierter Klone. Die Anwendung üblicher Screenlng-Methoden !st daher bei geringer Transformationshaufigkeit nahezu oder gänzlich unmöglich, es sei denn, es handelt sich um ein Gen mit selektiver Marker-Funktion (ζ. B. Resistenz gegen eine bestimmte Substanz). Geringe Transformaiionshäufigkelt erfordert also bei Genen ohne selektlonlerbare Marker-Funktlon einen enormen Aufwand. Daher lassen sich bei Transformationen mit Genen ohne Marker-Funktion die üblichen Screening-Methoden zur Sanktionierung transformierter Zellklone erst dann sinnvoll und erfolgreich einsetzen, wenn die Transformationshlufigkeit in der Größenordnung von 10"' bis 10~2 liegt. Gegenwartig lassen sich diese angestrebton hohen Transformationsraten nur bei Anwendung der Elektroporation, even' uell In Verbindung mit anderen in der mikrobiologischen Forschung zur Genübertragung angewendeten Verfahren, wie beisplf «weise Poly-L-Ornlthin- oder Poly-L-Lysin-Behandlung, Liposomenfuelon, DNA-Protelnkomplexlerjng, ladungslndr rung an der Protoplastenmembran, Fusion mit mikrowellen Protoplasten oder Calclumphosphat-Coprazlpitation, und insbesondere Polyethylenglykolbehandlung und Hitzeschock-Methode (heat shock), erreichen (/10/ Shillito, et al., Bio/Technology 3,1099-1103 (1985)). Dagegen konnten bisher bei Anwendung rein chemischer Verfahrensmaßnahmen nur reproduzierbare Transformationsraten in einem Größenordnungsbereich bis 10"' erzielt werden. Bei der Elektroporation (/11/ Neumann,". et al., The EMBO Journal 7,841-845 (1982), /10/ Shillito et al., Bio/Technology 3, (1986]) werden Protopiasten in einer Mannlt/Calcium· bzw. einer Mannit/Magnesium-Lösung durch Entladen eines Kondensators über die SuspenslonsflOsslgkeit kurzzeitig mit einem Spannungsimpuls von hoher Intensität beaufschlagt.The lower the transformation frequency in a gon transformation, the more difficult and expensive it is to find the few cell clones resulting from the transformed cells under the enormous number of non-transformed clones. The application of conventional screening methods is therefore almost or completely impossible with low transformation frequency, unless it is a gene with selective marker function (B. resistance to a specific substance). Low Transformaiionshäufigkelt thus requires a huge effort in genes without selectable marker Funktlon. Therefore, the usual screening methods for the sanctioning of transformed cell clones can only be meaningfully and successfully used in transformations with genes without marker function, if the transformation frequency is in the order of 10 "to 10" 2. At present, these high target transformation rates can be achieved only with the use of electroporation, even in conjunction with other methods used in microbiological gene transfer research, such as poly-L-ornithine or poly-L-lysine treatment, liposome fuelone, DNA proteic complexing, charge distraction protoplasts membrane, fusion with microwave protoplasts or calclum phosphate coprecipitate, and especially polyethylene glycol treatment and heat shock (heat shock) method (/ 10 / Shillito, et al., Bio / Technology 3,1099-1103 (1985)) so far only reproducible transformation rates when using purely chemical process measures in an order of magnitude of up to 10 "'can be achieved. In electroporation (/ 11 / Neumann, "et al., The EMBO Journal 7, 841-845 (1982), / 10 / Shillito et al., Bio / Technology 3, (1986)), protopiasts in mannitol / calcium are or a mannitol / magnesium solution by discharging a capacitor over the SuspenslonsflOsslgkeit briefly applied to a voltage pulse of high intensity.
wodurch der Übertritt der DNA in die Zelle erleichtert wird.whereby the transfer of DNA into the cell is facilitated.
nötig, der mit einem entsprechenden Kosten- und Arbeitsanfell verbunden Ist. Zum anderen ist die Anwendung diesesnecessary, which is associated with a corresponding cost and work attachment. On the other hand, the application of this
möglich. Um die Lebensfähigkeit der transformierten Zellen zu gewehrleisten, können bestimmte Parameter wie beispielsweisedie Spannungs-, KapazitSts· und Feldstärkewerte daher nur Innerhalb dieser engen Grenzen variiert werden (z.B.possible. Therefore, in order to ensure the viability of the transformed cells, certain parameters such as voltage, capacitance and field strength values may be varied only within these narrow limits (e.g.
einer Vielzahl sich gegenseitig beeinflussender Parameter abhflnglg ist. Aufbauend auf diesen Untersuchungen kann nunmehrdie Transformationsfrequenz durch Variation und optimale Abstimmung der <ür 4ie Transformation relevanten Parameter, ima multiplicity of mutually influencing parameters is dependent. Building on these investigations, the transformation frequency can now be determined by varying and optimally coordinating the parameters relevant to the transformation, in the
konnten, ist man jetzt bei Anwendung des erflndungsgemfißen Verfahrens in der Lage, reproduzierbareNow, when using the method according to the invention, it is now possible to produce reproducible
besonderen apparativen Aufwand und daher kostengünstig und weniger arbeitsintensiv durchgeführt werden kann. Ein weitererspecial equipment and therefore cost and less labor intensive can be performed. Another
behandelten Zellen diskutiert wurden, sind bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht gegeben.treated cells are not given when using the method according to the invention.
beeinträchtigen die Transformationseffizienz und die Lebensfähigkeit der behandelten Protoplasten innerhalb dieses Bereichesnicht.do not affect the transformation efficiency and viability of the treated protoplasts within this range.
erfindungsgemäßen Verfahrens als weit weniger heterogen als im Falle einer Transformation mittels F.!ektroporatlon, sowohlwas die Lebens· wie die Tellungsfähigkeit der behandelten ProtopU iten angeht. So lassen sich bei Anwendung desaccording to the invention as far less heterogeneous as in the case of a transformation by means of F.! oporporatlon, both concerning the life and the Tellungsfähigkeit the treated ProtopU iten. Thus, when using the
erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise ohne weiteres Überlebensraten der behandelten Protoplasten von 80% undmehr erreichen, wobei gleich/eltig deren Tellungeffihlgkelt und damit die Möglichkeit zur Bildung neuer Kolonien erhalten bleibt.according to the invention, for example, without further survival rates of the treated protoplasts of 80% and more, while maintaining their potency and thus the possibility of forming new colonies.
1) DNA-Probe: Form, Größe, Konzentration, Zeitpunkt der Applikation1) DNA sample: shape, size, concentration, time of application
2) Carrier DNA: Form, Konzentration, Größe2) Carrier DNA: shape, concentration, size
3) Mg2*: Konzentration, Zeitpunkt der Applikation 4} Platmamembran3) Mg 2 *: concentration, time of application 4} platemembrane
modifizierendes Agens: Konzentration, Zeitpunkt der Applikation.modifying agent: concentration, time of application.
was in der Folge zu einer starken Erhöhung der Transformationsfrequenz führt.resulting in a strong increase in the transformation frequency.
sowie der transformierenden DNA.and the transforming DNA.
letztlich zur Erzeugung genetisch veränderter Pflanzen läßt sich durch die folgenden erfindungswesentlichen Teilschritteerreichen:ultimately for the production of genetically modified plants can be achieved by the following essential steps of the invention:
— Isolierung der Protoplasten aus pflanzlichem Material und gegebenenfalls Inkubation der isolierten Protoplasten In einem geeigneten Nährmedium,Isolation of the protoplasts from plant material and optionally incubation of the isolated protoplasts in a suitable nutrient medium,
— Resuspendieren der isolierten Protoplasten in einer standardisierten Salzlösung,Resuspending the isolated protoplasts in a standardized saline solution,
— Überführung der inolierten Protoplasten aus der Salzlösung in ein für die Transformation optimiertes Inkubationsmedium, das Mg'Monen enthält,Transfer of the inolated protoplasts from the saline solution to a transformation medium optimized for the transformation, which contains Mg'mon,
— Zugabe der einzuschleusenden DNA sowie eines die Plasmamembran modifizierenden Agens,Addition of the DNA to be injected and of a plasma membrane modifying agent,
— Inkubation von Protoplasten und DNA in Gegenwart einer die Plasmamembran modifilierenden Substanz über einen Zeitraum, der für eine Penetration der DNA in die Protoplasten ausreicht,Incubation of protoplasts and DNA in the presence of a plasma membrane modifying substance for a time sufficient to allow penetration of the DNA into the protoplasts,
— Abtrennung der behandelten Protoplasten aus dar Inkubationslösung sowie gegebenenfalls derun Resuspendierung in einer wäßrigen CaClrLösung,- separation of the treated protoplasts from represent incubation and optionally Derun resuspension in an aqueous CaCl r solution
— Abtrennung der Protoplasten aus der CcClj-Lösung,Separation of the protoplasts from the CcClj solution,
— Inkubation In einem für die weitete Protoplaatenentwicklung geeigneten Kulturmedium undIncubation In a culture medium suitable for wide protoplate development and
— sofern gewünscht, Regenerierung vollständiger transformierter Pflanzon.- if desired, regeneration of complete transformed plantone.
zur Verfügung zu stellen.to provide.
Embryonen, Pflanzenorgane, Knospen, Samen u.a. sowie ganze Pflanzen. Gen: Strukturen mit flankierenden ExpressionssignalenEmbryos, plant organs, buds, seeds and the like as well as whole plants. Gene: structures with flanking expression signals
Expresstonssignale: Promotorsignal und Terminatlonsslgnal PflanzenwirksamesExpression signals: Promoter signal and Terminatlonsslgnal plant effective
Expressionesignal: Expressionssignal, das in Pflanzen funktionsfähig ist Promotorsignal: die Transkription initiierendes SignalExpression signal: expression signal that is functional in plants. Promoter signal: the transcription-initiating signal
Terminatlonsslgnal: die Transkription terminierendes Signal Enhancerslgnal: dieTr nskriptfon verstärkendes SignalTerminatlonsslgnal: the transcription-terminating signal Enhancerslgnal: the Trnscriptfon amplifying signal
Integrationssignal: DNA-Sequenz, welche die Integration des Gens !;i die genomische DNA fördert Hybridgen: aus heterologen DNA-Sequenzen, d. h. DNA-Sequenzen verschiedenen Ursprungs aufgebautes Gen,Integration signal: DNA sequence which promotes integration of the gene into genomic DNA Hybrid gene: from heterologous DNA sequences, i. H. DNA sequences of different origin constructed gene,
wobei es sich sowohl um natürliche, um c-DNA- als auch um synthetische DNA-Sequenzen handelnwhich are natural, c-DNA as well as synthetic DNA sequences
kanncan
dieses gegen Nukleasen zuschO tenthis against nucleases
c-DNA: durch Reverse-Transkrlptase hergestellte Kopie einer m-DNA.c-DNA: a copy of an m-DNA produced by reverse transcriptase.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit Im wesentlichen ein verbessertes Verfahren zur Transformation pflanzlicher Protoplasten und, falls gewünscht, die Erzeugung ganzer, genetisch-modifizlerter Pflanzen durch Regeneration aus besagten transformierton Protoplasten, das sich dadurch kennzeichnet, daß manThe present invention thus relates in essence to an improved process for the transformation of plant protoplasts and, if desired, the production of whole, genetically-modified plants by regeneration from said transformed protoplasts, which comprises
— pflanzliche Protoplasten aus beliebigen Pflanzengeweben isoliert und gegebenenfalls In einem der üblicherweise für die Kultivierung pflanzlicher Protoplasten verwendeten Nährm*dlen kultiviert;- Plant protoplasts isolated from any plant tissues and optionally cultured in one of the nutrients usually used for the cultivation of plant protoplasts;
— besagte Protoplasten vor der eigentlichen Transformation 20 Minuten bis β Stunden in einem Vorinkubationsmedium, enthaltend Erdalkali und/oder Alkallkationen, vorzugsweise Ca1+-, K*- und/oder Na*-Ionen sowie eine geeignete C-Quelle, bei einer Temperatur von 4 bis 109C vorlnkublert;Said protoplasts before the actual transformation for 20 minutes to β hours in a preincubation medium containing alkaline earth and / or alkali cations, preferably Ca 1+ , K * and / or Na * ions and a suitable C source, at a temperature of 4 to 10 9 C ahead;
— die Protoplasten anschließend aus dem Vorinkubatlonamedium abtrennt und >n dem eigentlichen Transformationsmedium, enthaltend als essentiellen Bestandteil 0,1 bis 6OmM, vorzugsweise 10 bis 3Λ M Mg'*-Ionen, in An- oder Abwesenheit von Ca'Monen, resuspondiert;- The protoplasts then separated from the Vorinkubatlonamedium and> n the actual transformation medium, containing as essential ingredient 0.1 to 6OmM, preferably 10 to 3 Λ M Mg '* - ions, in the presence or absence of Ca'Monen resuspended;
— unmittelbar danach eine DNA-Probe, enthaltend ein oder mehrere Gene u . .' Z*\ < · ntrrlle von in Pfianzen aktiven Expre*sionssignalen sowie eine Träger-DNA, der Transformatlonslösung iufügt;- Immediately thereafter, a DNA sample containing one or more genes u . . ' Z * \ nrrll of expression signals active in pianos, as well as a carrier DNA which lays out transformant solution;
— einig· Sekunden bis zu 20 Minuten, vorzugsweise 0,1 bis 10 Minuten, splter ein die Plasmamembran modifizierendes Agenz hinzufügt;- a few seconds to 20 minutes, preferably 0.1 to 10 minutes, later added a plasma membrane modifying agent;
— Die Protoplasten und DNA-Probe in besagter Transformationslösung für einen Zeltraum inkubiert, der die Aufnahme der DNA In dl« Protoplnsten gewehrleistet; undIncubate the protoplasts and DNA sample in said transformation solution for a cell compartment which ensures the uptake of the DNA in the protoplasts; and
-~ sofern gewünscht, aus den transformierten Protoplasten ganze Pflanzen regeneriert.If desired, whole plants are regenerated from the transformed protoplasts.
direktem Weg· ohne Benutzung ein·· natürlichen pflanzenlnfektlösen Systems, wie eines Pflanzenbakteriums, einesdirect route · without using a ·· natural phytopathogenic system, such as a plant bacterium, one
transformierenden Pflnnzenprotoplasten direkt mit dem zu übertragenden Gen behandelt, Indem man diese zunächst In elnogeeignete Lösung einbringt, dort für eine gewisse Zeit vorlnkublert, anschließend zusammen mit dem Fremdgen in daseigentliche Trensformntionsmedium Oberführt und dort für eine Zeitspanne, weiche für die Aufnahme des Fremdgens in dieTreating plant protoplasts treated directly with the gene to be transferred, introducing them initially into a solution suitable for solution, there for a certain time, then passing them together with the foreign gene into the actual donor-forming medium and there for a period of time sufficient for the uptake of the foreign gene
systematischen Einheit verwendet.used systematic unit.
beliebigen Teilen der Pflanze gewonnen werden, wie beispielsweise von Blattern, Keimlingen, Stengeln, Blüten, Wurzeln, Pollenoder Embryc "en. Bevorzugt werden Blattprotoplasten verwendet. Die isolierten Protoplasten können auch aus ZellkulturenAny part of the plant, such as, for example, leaves, seedlings, stems, flowers, roots, pollen or embryos, may be obtained, and leaf protoplasts are preferably used.The isolated protoplasts may also be obtained from cell cultures
gewonnen werden. Methoden für die Isolierung von Protoplasten finden sich beispielsweise bei/12/ Potrykus, I. and Shlllito,be won. Methods for the isolation of protoplasts can be found, for example, in / 12 / Potrykus, I. and Shlllito,
sie üblicherweise für Protoplastenkulturen verwendet werden, in Betracht.they are commonly used for protoplast cultures into consideration.
mg/1 (sogenannte Makroelemente wie beispielsweise Nitrat, Phosphat, Sulfat, Kalium, Magnesium, Eisen), eine weitere Gruppeanorganischer Ionen In Mengen von maximal einigen mg/i (die sogenannten Mikroelemente wie beispielsweise Kobalt, Zink,mg / 1 (so-called macroelements such as nitrate, phosphate, sulfate, potassium, magnesium, iron), another group of inorganic ions in amounts of a maximum of a few mg / i (the so-called microelements such as cobalt, zinc,
synthetischer Phytohormone aus den Klassen der Auxine und Cytoklnine im Konzentrationsbereich von 0,01 bis 10mfl/l. Diesynthetic phytohormones from the classes of auxins and cytokines in the concentration range of 0.01 to 10mfl / l. The
(beispielsweise Glukose) oder Salzionen (beispielsweise CaCIi) und sind auf einen pH-Wert von 6,6 bis 6,5 eingestellt.(For example, glucose) or salt ions (for example, CaCli) and are adjusted to a pH of 6.6 to 6.5.
und Gewebezüchtung bei Gramineen unter besonderer Berücksichtigung der Getreide, Kulturpflanze XXII, 1974,93—11<7.and Tissue Breeding in Gramineae with Special Consideration of Cereals, Crop XXII, 1974, 93-11 <7.
einem Medium, das die Protoplasten in optimaler Weiso für die nachfolgende Transformation vorbereitet, was in einera medium that optimally prepares the protoplasts for subsequent transformation, which in one
deutlichen Erhöhung der erzielten Transformatione- und Überlebensraten der behandelten Protoplasten zum Aurdruckkommt.marked increase in transformation and survival rates of the treated protoplasts.
durchzuführen.perform.
1 mM bis 200 mM enthalt. Der pH-Wert dieser Salzlösung liegt vorteilhafterweise bei pH-Werten von pH 6 bis pH 8.1 mM to 200 mM. The pH of this salt solution is advantageously at pH values of pH 6 to pH 8.
0,1 mM bis 6OmM, vorzugsweise in einer Konzentration von 1OmM bis 3OmM enthält. Der pH-Wert der Inkubationslösung, liegtbei pH 6,6 bis pH 12, Insbesondere bei pH 7 bis pH 10.0.1 mM to 6OmM, preferably in a concentration of 1OmM to 3OmM. The pH of the incubation solution is at pH 6.6 to pH 12, especially at pH 7 to pH 10.
jede beliebige andere DNA, die für die Durchführung des erf Indungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, im Überschuß als Carrlei-any other DNA suitable for carrying out the process of the invention is used in excess as a carrier
erfolgt die Applikation von Polyethylenglykol bis zu einer Endkonzentration von 10% bis 30%. Hohe Transformationsraten erzielt>nan bei einer PEG-Konzentration von 20% bis 28%.the application of polyethylene glycol is carried out to a final concentration of 10% to 30%. High transformation rates are achieved> nan at a PEG concentration of 20% to 28%.
vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden. Dabei handelt es sich beispielsweise um Iflngerkettige,mehrwertige Alkohole, wie Polypropylenglykol (426 bis 4000g/Mol), Polyvinylalkohol oder mehrwertige Alkohole, derenpresent inventive method can be used. These are, for example, long-chain, polyhydric alcohols, such as polypropylene glycol (426 to 4000 g / mol), polyvinyl alcohol or polyhydric alcohols, their
/14/ »Mc Cutcheon's Detergents and Emulsifiers Annual" MC Publishing Corp., Rldgewood New Jersey, 1981; Stäche, H., „Tensld-Tauchenbuch", Carl Hanser Verlag, München/Wien, 1981/ 14 / "McDeckcheon's Detergents and Emulsifiers Annual" MC Publishing Corp., Rldgewood New Jersey, 1981; Stäche, H., "Tensld Diving Book", Carl Hanser Verlag, Munich / Vienna, 1981
Sofern Polyethylenglykol selbst eingesetzt wird (wie In den Beispielen 1 und 2), verwendet man vorzugsweise solches mit einem Molekulargewicht zwischen 10OOg/Mol und 10000g/Mol, Insbesondere zwischen 3000g/Mol und 8000g/Mol. Von den vorgenannten Mitteln ist die Substanz Polyethylenylykol selbst bevorzugt, insbesondere eino Polyethylenglykollösung vom CMS-Typ, die einen relativ hohen Anteil an Ca2+lonen besitzt. (/15/ Negmtiu, l. et al., Theor, Appl. Gene». 72,279-286, [1986a)).If polyethylene glycol itself is used (as in Examples 1 and 2), it is preferable to use those having a molecular weight between 10 000 g / mol and 10000 g / mol, in particular between 3000 g / mol and 8000 g / mol. Among the above-mentioned agents, the substance polyethylene glycol itself is preferable, particularly a CMS type polyethylene glycol solution which has a relatively high proportion of Ca 2+ ions. (/ 15 / Negmtiu, I. et al., Theor, Appl. Gene. "72, 279-286, [1986a]).
Als besonders vorteilhaft für den Verlauf der Transformation erwies sich eine Inkubationsdauer mit Polyethylenglykol zwischen 20 Minuten und 6 Stunden.Particularly advantageous for the course of the transformation was an incubation period with polyethylene glycol between 20 minutes and 6 hours.
Nach der in der oben angegebenen Weise durchgeführten Behandlung v> < /,den die Protoplasten in frischem Kulturmedium resuspendiert, wobei die Zelldichte vorteilhafterweise aufwerte zwischen i' χ 104und8 χ 104 Protoplasten pro ml Kulturmedium eingestellt wird.After the carried out in the manner indicated above treatment v></, the protoplasts resuspended in fresh culture medium, the cell density advantageously to values between i 'χ 10 4 and 8 χ 10 4 protoplasts per ml of culture medium is adjusted.
Bei der Verwendung von PEG In einer Konzentration von >20% ist es zweckmäßig, dia Protoplastvn nach erfolgter Transformation mit dom 2-10fachen Volumen einer Ca'Monen enthaltenden Lösung schrittweise zu verdünnen und so durch anschließende Sedimentation und Resuspenslon in frischem Kulturmedium vorhandene PEG-Reste auszuwaschen. Als besonders vorteilhaft für die Transformationsergebnisse erwies sich dabei eine wäßrige CaCli-Lösung, mit einer Ca24 -Ionen-Konzentration von 0,1 M bis I1OM.When using PEG In a concentration of> 20%, it is expedient to gradually dilute the protoplast after the transformation with a 2- to 10-fold volume of a solution containing Ca'Mon and thus PEG residues present by subsequent sedimentation and resuspension in fresh culture medium wash out. To be particularly advantageous for the transformation results thus an aqueous CaCli solution with a Ca ion concentration of 24 0.1 M to I 1 OM. Proved
Das erfindungsgemäße Verfahren Ist praktisch unbegrenzt anwendbarThe method according to the invention is practically unlimited applicable
In erste? Linie betrifft <lle vorliegende Erfindung Chimäre genetische Konstruktionen, die als zentralen Bestandteil ein oder In first? In its entirety, the present invention relates to chimeric genetic constructions which constitute a central component
mehrere Strukturgene besitzen, die für neue nützliche und wünschenswerte Eigenschaften kodieren, und die in operabler Weisemit in pflanzlichen Zellen funktionellen Expressionssignalen verknüpft sind.have several structural genes coding for novel useful and desirable properties and operably linked to expression signals functional in plant cells.
z.B. Alkaloide, Steroide, Hormone, Immunmodulatoren, und andere physiologisch aktive Substanzen kodieren.e.g. Alkaloids, steroids, hormones, immunomodulators, and other physiologically active substances.
synthetischer Herkunft, wie beispielsweise das Insulin-Gen (/18/ Stepien, P., et al., Gene 24,289-297 [1983]), in das Erbgut vonof synthetic origin, such as the insulin gene (/ 18 / Stepien, P., et al., Gene 24, 289-297 [1983]) into the genome of
aktiv sind, wobei die Expressionsrignale pflanzlicher, tierischer, mikrobieller oder synthetischer Herkunft sein können.are active, wherein the expression signals of plant, animal, microbial or synthetic origin may be.
darüber hinaus aber auch weitere regulatorischa Sequenzen der 5'· und der 3'-nichttranslatierten Regionen, die stromaufwärtsbzw. stromabwärts der Strukturgen-Sequenzen gelegen sind.but also other regulatory sequences of the 5 'and 3' untranslated regions upstream or downstream. downstream of the structural gene sequences.
bindet und so die Transkription einleitet.binds and thus initiates the transcription.
vorkommen. Diese sog. „Consensus'-Sequenzen findet man in der Regel In dem Sequenz-Bereich -10 bis -30 bezogen, auf dasoccurrence. These so-called "consensus" sequences are generally found in the sequence range -10 to -30, to which
bezeichnet werden und deren Nukleotidfolge Innerhalb dieser Sequenzen sowie ihr Abstand zueinander die Affinität der DNA-and their nucleotide sequence within these sequences and their distance from one another the affinity of the DNA
heterologe Gen(e) oder DNA sowie synthetische Gen(e) oder DNA gemäß der im Rahmen der vorliegenden Erfindunggemachten Definition in Betracht.heterologous gene (s) or DNA as well as synthetic gene (s) or DNA according to the definition made in the context of the present invention.
andere Möglichkeit besteht In der Konstruktion einer hybriden DNA-Sequenz, bestehend sowohl aus cDNA als auch ausgenomischer DNA und/oder synthetischer DNA.another possibility is to construct a hybrid DNA sequence consisting of both cDNA and genomic DNA and / or synthetic DNA.
genomische DNA können aus verschiedenen Genen stammen. In jedem Fall können aber, sowohl die genomischen DNAund/oder die cDNA, jede für sich, aus dem gleichen oder aus verschiedenen Genen hergestellt sein.Genomic DNA can come from different genes. In either case, however, both the genomic DNA and / or the cDNA may be made individually, from the same or different genes.
angehören, oder aber von Organismen, die mehr als einer Gattung derselben oder oiner tnderen taxonomlechen Einholt (Reich)angehören, abstammen.or from organisms belonging to more than one genus of the same or to any other taxon monies (Reich).
zunächst In operabler Weise mit In pflanzlichen Zellen funktionsfähigen Expressions-Sequenzen verknüpft werden.Initially operably linked to expression sequences functional in plant cells.
vorkommende Gene als auch Hybridgene sein. Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen Verfahren diejenigen Gene eingesetzt,deren Expressionseignale tierischer oder Insbesondere pflanzlicher oder synthetischer Herkunft »Ind. Beispiele für derartigeGene sind:occurring genes as well as hybrid genes. In the process according to the invention, preference is given to using those genes whose expression signals of animal or, in particular, plant or synthetic origin »Ind. Examples of such genes are:
a) vollständige Gene aus Pflanzen, bestehend aus dem Strukturgen mit "einen natürlichen Expressionssignalen;a) complete genes from plants, consisting of the structural gene with "a natural expression signals;
b) vollsynthetische Gene, bestehend aus einem Strukturgen synthetischer Herkunft, flankiert von Expressionssignalen synthetischer Herkunft;b) fully synthetic genes, consisting of a structural gene of synthetic origin, flanked by expression signals of synthetic origin;
c) Strukturgene pflanzlicher Herkunft, flankiert von pflanzenwirksamen Expressionssignalen, wobei Strukturgen und Expressionsslgnale von verschiedenen Pflanzenarten stammen;c) structural genes of plant origin, flanked by plant-active expression signals, whereby structural genes and Expressionsslgnale originate from different plant species;
d) Strukturgene pflanzlicher Herkunft, flankiert von Expresslonssigneie synthetischer Herkunft;d) structural genes of plant origin, flanked by Expresslonssigneie synthetic origin;
e) Strukturgene tierischer, mikrobieller oder synthetischer Herkunft, flankiert von Expressionssignelen pflanzlicher Herkunft; odere) structural genes of animal, microbial or synthetic origin, flanked by expression symbals of plant origin; or
f) Strukturgene tierittcher oder mikrobieller Herkunft, flankiert von Expressionssignalen synthetischer Herkunft.f) structural genes of animal or microbial origin, flanked by expression signals of synthetic origin.
Die hybriden Genkonstruktionen Im Rahmen der vorliegenden Erfindung enthalten somit neben dem (den) Strukturgen(en) Expressions-Signale, die sowohl Promoter- und Terminator-Sequenzen als auch weitere reguletorische Sequonzen der 3' und 5' nicht translatiarte Regionen mit einschließen.The Hybrid Gene Constructions In the context of the present invention, therefore, in addition to the structural gene (s), expression signals which include both promoter and terminator sequences as well as further regulative ORPs of the 3 'and 5' non-translatable regions are included.
Ganz besonders bevorzugt sind Strukturgene bakterieller Herkunft, flankiert von Expressionssignalen pflanzlicher Herkunft, insbesondere solchen mit Ursprung auf Pflanzenviren.Very particular preference is given to structural genes of bacterial origin, flanked by expression signals of plant origin, in particular those of plant virus origin.
Dabei kann jeder Promotor und jeder Terminator, der In der Lage ist, eine Induktion der Expression einer kodierenden DNA-Sequenz (Strukturgen) zu bewirken, als Bestandteil der hybriden Gensequenz verwendet werden. Beispiele geeigneter Promotoren und Terminatoren sind z. B. solche der Nopalin-Synthase-Gene (nos), der Octopln-Synthase-Gene (ocs) sowie der Cauliflower Mosaik Virus G«ne (CaMV).In this case, any promoter and terminator capable of inducing the expression of a coding DNA sequence (structural gene) can be used as part of the hybrid gene sequence. Examples of suitable promoters and terminators are e.g. These include, for example, the nopaline synthase genes (nos), the octoplone synthase genes (ocs) and the cauliflower mosaic virus gene (CaMV).
Bevorzugt im Rahmen dieser Erfindung sind die 35S und 195 Expressions-Signale des CaMV Genoms, dia mit Hilfo molekularbiologischer Methoden, wie ale ζ. B. bei /19/ Maniatis et al., 1982 beschrieben sind, aus besagtem Genom IsgIImI und mit der kodierenden DNA-Sequenz verknüpft werden können.Preferred within the scope of this invention are the 35S and 195 expression signals of the CaMV genome, which are determined by molecular biology methods such as ale ζ. B. in / 19 / Maniatis et al., 1982, from said genome IsgIImI and can be linked to the coding DNA sequence.
6386) und der Hind HI-Steile (Position 6860) der CaMV Genkarte (/21 / Hohn et al., 1982).6386) and the Hind HI site (position 6860) of the CaMV gene map (/ 21 / Hohn et al., 1982).
und 7643 des CaMV Genoms.and 7643 of the CaMV genome.
überproduzierender Pflanzcnpromotor. Diese Art von Promotoren sollte, sofern sie in operabler Weise mit der Gensequenz,welche für ein gewünschtes Genprodukt kodiert verknüpft ist, in der Lage tein, die Expression besagter Gensequenz mvermitteln.overproducing plant promoter. These types of promoters should be as long as they provide in an operable manner with the gene sequence is linked coding for a desired gene product capable tein, the expression of said gene sequence m.
schließen den Promotor der kleinen Untereinheit (email subunit; se) der Ribuloso-1,6-bis-phosphat-Carboxyl.ise ausexclude the promoter of the small subunit (email subunit; se) of ribuloso-1,6-bis-phosphate carboxyl.ise
induziert werden (siehe z. B./23/ Genetic hnglnMring of Plant·, an Agricultural Perspective, A. Cashmore, Plenum, New York1883, Seite 29-38; /24/ Coriini G. at al., The Journal of Biological Chemistry, 288:1399 (1983) und /26/ Dunsnvuir, P. at til.,(See, for example., 23 / Genetic Human Mering of Plant, Agricultural Perspective, A. Cashmore, Plenum, New York 1883, pages 29-38, / 24 / Coriini G. at al., The Journal of Biological Chemistry , 288: 1399 (1983) and / 26 / Dunsnvuir, P. at til.,
für die von der Pflanzenzelle zu produzierenden Proteine beibehalten wird. Deriirtige Methoden sind bekannt und wordenbeispielsweise in folgenden Publikationen beschrieben: /27/ ,Molecular Cloning", Maniatis, T., Fritsnh, E.F. und J.Sambrook,is maintained for the proteins to be produced by the plant cell. Current methods are known and have been described, for example, in the following publications: / 27 / "Molecular Cloning", Maniatis, T., Fritsnh, E.F. and J. Sambrook,
natürlich vorkommende Plasmlde geeignet, die mit einem selektiven Restriktionsenzym geöffnet worden sind.naturally occurring plasmas opened with a selective restriction enzyme.
19,269-276,1982). Wolter sind als Trager-DNA auch Bruchstücke natürlich vorkommender Plasmide verwendbar.19.269 to 276.1982). Wolter can also be used as carrier DNA fragments of naturally occurring plasmids.
2) bei Kombination eines Replikationssignals mit dem neuen Gen, sowie2) when combining a replication signal with the new gene, as well
3) bei Kombination von Integrationssequenzen mit dem neuen Gen.3) when combining integration sequences with the new gene.
wirksamen Replikations- und/oder Integrationssequenzen kombiniert ist.effective replication and / or integration sequences is combined.
kombiniert ist. Insbesondere sind diejenigen Verfahren hervorzuheben, bal denen ein Gen übertragen wird, das mit incombined. In particular, those methods are to be emphasized, to which a gene is transferred that in
d.h., daß die transformierten Pflanzenzellen von den nicht-transformierten Pflanzenzellen durch eine gezielte SeleWoniarunggetrennt werden können. Eine derartige Markerfunktion erlaubt eine rationelle Arbeitsweise dadurch, daß nur diejenigenthat is, the transformed plant cells can be separated from the untransformed plant cells by selective self-assembly. Such a marker function allows a rational operation in that only those
deren Erbgut ein zur Expression gelangendes Gen vorhanden ist, welches Marker-spezifische Selektionierungemaßnahmengestattet.the genome of which is a gene for expression, which allows marker-specific selection measures.
unterschiedlichen Entwicklungsstadien zu nennen sind, sind Protoplasten wegen der direkten Einsatzmöglichkeit ohne weitereDifferent stages of development are protoplasts because of the direct application without further
transformierten Protoplasten sowie die aus diesen hervorgegangenen Pflanzenzellen, Zellaggregate, Embryonen, Pflanzen undtransformed protoplasts and the resulting plant cells, cell aggregates, embryos, plants and
resultierenden vorteilhaften Eigenschaften aufweisen.have resulting advantageous properties.
durch dia Transformation erhaltenen neuen Gene besitzen und die daraus resultierenden vorteilhaften Eigenschaftenaufweisen.have the new genes obtained by transformation and have the advantageous properties resulting therefrom.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für die Transformation aller Pflanzen, insbesondere solchen der systematischen Gruppen Angiosperm«· und Gymnosperm··.The inventive method is suitable for the transformation of all plants, in particular those of the systematic groups Angiosperm «· and Gymnosperm ··.
Unter den Gymnosperme· sind von besonderem Interesse die Pflanzen der Klasse Conifer··.Among the gymnosperms the plants of the class Conifer ·· are of particular interest.
Unter den Angiosperm·· sind neben den Laubbäumen und Sträuchern von besonderem Interesse Pflanzen der FamilienAmong the Angiosperm ·· are in addition to the deciduous trees and shrubs of particular interest plants of the families
Orchldaaea·, Palm··, Bromeliac···, Rublaceae, Theacea·, Musaceae oder Gramineae und der Ordnung Legumlnosae und hier vor allem der Familie Papllionaceae. Bevorzugt sind Vertreter der Familien Solaneceae, Cruclferae und Gramlnaae. Besonders erwähnenswert sind Pflanzen der Gattungen Nieotinna, Petunia, Hyoscyamus, Brasslca und Lollum, wie beispielsweise Nicotians tabacum, Nteotiana plumbagenifolla, Petunia hybride, Hyoscyamus mutlcus, Brasslca napus, Brasslca rapa und Lollum niurtiflorum.Orchldaea ·, palm ··, bromeliac ···, Rublaceae, Theacea ·, Musaceae or Gramineae and the order Legumlnosae and especially the family Papllionaceae. Preference is given to representatives of the families Solaneceae, Cruclferae and Gramlnaae. Particularly noteworthy are plants of the genera Nieotinna, Petunia, Hyoscyamus, Brasslca and Lollum, such as Nicotians tabacum, Nteotiana plumbagenifolla, Petunia hybride, Hyoscyamus mutlcus, Brasslca napus, Brassica rapa and Lollum niurtiflorum.
Die Kulturpflanzen mit großen Ernteerträgen wie Mais, Reis, Weizen, Gerste, Roggen, Hafer oder Hirse sind in erster Linie Objekt der Anstrengungen auf dem Gebiet der Transformation von Pflanzenzellen.The crops with high crop yields such as corn, rice, wheat, barley, rye, oats or millet are primarily objects of efforts in the field of plant cell transformation.
Alle Pflanzen, die durch Regeneration aus Protoplasten erzeugt werden können, lassen sich auch unter Anwendung des errindtinpsgemäßen Verfahrens transformieren. Vertreter der Familie Gramineae (Gräser), welche auch Getreide umfaßt, konnten bisher nicht genetiroh manipuliert werden. Es wurde nunmehr nachgewiesen, daß mit der vo-stehend beschriebenen Methodii der direkten Gentransformation auch Gramineenprotoplasten, also auch Getreidezollen, genetisch transformiert werden können. In gleicher Weise ist elna Trensformation der Kulturpflanzen der Gattungen Solanum, Nlcotiana, Brastiica, Beta,Pisum, Phasaolus, Glycin·, Hellanthus, Alllum. Avena, Hordeum, Oryzoe, Setarla, Seeale, Sorghum, Trrtlcum, Zea, Muua, Cocos,Cydonla,, Pyru·, Malus, Phoenix. Elaals, Rubus, Fragariu, Prunus, Arachls, Seeale, Panlcum, Sacchnrum, Coffee, Canaille, Muse,Ananas, VWe oder Citrus möglich und erwünscht, wenn auch die Gesamterträge und -anbauflächen hierfür weltweit geiingerAll plants that can be produced by regeneration from protoplasts can also be transformed using the errindtinpsgemäßen method. Representatives of the Gramineae family (grasses), which also includes cereals, have not yet been genetically manipulated. It has now been demonstrated that with the method of direct gene transformation as described above, gramineous protoplasts, that is to say cereal cells, can also be genetically transformed. In the same way elna is Trensformation of the crops of the genera Solanum, Nlcotiana, Brastiica, Beta, Pisum, Phasaolus, Glycine ·, Hellanthus, Alllum. Avena, Hordeum, Oryzoe, Setarla, Seeal, Sorghum, Trrtlcum, Zea, Muua, Cocos, Cydonla, Pyru ·, Malus, Phoenix. Elaals, Rubus, Fragariu, Prunus, Arachls, Seeale, Panlcum, Sacchnrum, Coffee, Canaille, Muse, Pineapple, VWe or Citrus possible and desired, although the total yields and acreage for this worldwide geiinger
Die Regeneration von in Kultur gehaltenen Protoplasten zu ganzer· Pflanzen ist bei /29/ Evans, et al., .Protoplast Isolation and Culture", in Handbook of Plant (Ml Culture, 1:124-176 (MacMillan Publishing Co. New York 1983); /30/ MR Davey, „Recent Developments in the Culture and Regeneration of Plant Protoplasts", Protoplasts, 1983—Lecture Proceedings, Seite 19-29, (BirkMuser, Basel 1982»; /31/ PJ Dale, „Protoplast Culture and Plant Regeneration of Cereals and Other Recalcitrant Crops", in Protoplasts 1983—Lecture Proceedings, Seite 31-41, (Blrkhäuser, Basel 1983); und /32/ H Binding, „Regeneration of Plants", in Plant Pn.toplaste, Seite 21-37, (CRC Press, Boca Raton 1985) und bei /32/ Potrykus I and Shilllto RD, MVhods In Enzymology, Vol.118, Plant Molecular Biology, eds. A. and H. Weißbach, Academic Press, Orlando, 1986, beschrieben.Regeneration of cultured protoplasts to whole plants is described in / 29 / Evans, et al., "Protoplast Isolation and Culture" in Handbook of Plant (Ml Culture, 1: 124-176 (MacMillan Publishing Co. New York 1983 / 30 / MR Davey, "Recent Developments in the Culture and Regeneration of Plant Protoplasts", Protoplasts, 1983 Lecture Proceedings, pages 19-29, (BirkMuser, Basel 1982 "; / 31 / PJ Dale," Protoplast Culture and Plant Regeneration of Cereals and Other Recalcitrant Crops ", in Protoplasts 1983 Lecture Proceedings, pages 31-41, (Blrkhäuser, Basel 1983) and / 32 / H Binding," Regeneration of Plants ", in Plant Pn.toplaste, page 21 -37, (CRC Press, Boca Raton 1985) and / 32 / Potrykus I and Shillto RD, MVhods In Enzymology, Vol.118, Plant Molecular Biology, Eds. A. and H. Weissbach, Academic Press, Orlando, 1986, described.
Oie Rege nerationsverfahren unterscheiden sich von Pflanzenspezies zu Pflanzenspezies. Im allgemeinen aber wird zunächst eine Suspens lon von transformierten Protoplaster., Zellen oder von Gewebe, die zahlreiche Kopien der eingeschleusten Gene enthalten/ hergestellt. Ausgehend von diesen Suspensionen kann anschließend die Induktion der Embryobildung erfolgen. Man laßt die !Entwicklung der Embryonen bis zum Stadii der Reife und Keimung fortschreiten, wie dies auch bei natürlicherweise vorkommenden Embryonen der Fall Ist. In der Regel werden aber die Protoplasten In einem der bekannten Kulturmedien zur Teilung und Zellwandbildung angeregt. Es entstehen schließlich Kalluskulturen, welche durch Behandlung mit bestimmten Wirkstoffen, wie z. B. Auxinen und Cytokinlnen zur Wurzel· bzw. Sproßbildung induziert werden können. Neben diesen Wuchsstoffen enthalten die Kulturmedien In der Regel verschiedene Aminosäuren. Es erweist sich dabei als vorteilhaft, dem Medium Glutaminsäure und Prolin zuzugeben, insbesondere bei Spezlos wie Mais und Alfalfa. Die Sproß- und Wurzelbildung erfolgt im ellgemeinen simultan.The regeneration processes differ from plant species to plant species. In general, however, a suspension of transformed protoplasts, cells or tissues containing numerous copies of the introduced genes is first produced. On the basis of these suspensions, the induction of embryo formation can subsequently take place. The development of embryos is allowed to proceed to the stage of maturity and germination, as is the case with naturally occurring embryos. As a rule, however, the protoplasts are stimulated in one of the known culture media for division and cell wall formation. There are finally callus cultures, which by treatment with certain drugs such. B. Auxinen and Cytokinlnen for root · or Sproßbildung can be induced. In addition to these growth substances, the culture media usually contain different amino acids. It proves to be advantageous to add glutamic acid and proline to the medium, especially in the case of non-specific compounds such as maize and alfalfa. Sprouting and rooting occur at the same time.
Die auf iliese Weise gewonnenen Pfiänzchen können anschließend in Erde übertragen und In gleicher Weise wie normale Sämlinge weiterkultiviert werden.The iliese obtained Pfiänzchen can then be transferred into soil and cultivated in the same way as normal seedlings.
Eine effttlente Regeneration hängt In erster Linie vom Medium, vom Genotyp und von der Vorgeschichte der Kultur ab. Werden diese drill Variablen hinreichend kontrolliert, dann ist die Regeneration vollständig reproduzier- und wiederholbar.Efficient regeneration depends primarily on the medium, the genotype and the history of the culture. If these drill variables are adequately controlled, the regeneration is completely reproducible and repeatable.
Aufgrund neuer Entwicklungen auf dem Gebiet der In vitro Kultivierung von Pflanzen, vornehmlich im Bereich der Pflanzen regeneration, Ist es Inzwischen möglich, auch bei Vertretern aus der Familie der Gramin···, ausgehend von pflanzlichen Promptesten, ganze Pflanzen zu regenerieren. Beispiele von erfolgreich durchgeführten Regeneratlonsexperimen^n bei Graminiien sind u.a. bei /33/ Abdullah, R., «t al., Bto/Tcchnology, 4:1087-1090./34/ Fujimura, T., et al., Plant Tissue Culture Lett,2:74-76,1985/35/ Torlyama, K., «t al., Tm»r Appi Qmurt, 73:16-19,198β,/36/ Yamada, Y., et al.. Plant Cell Rep, 8: 85-88,1986 (Reis) sowie in der hängigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 056,506, die am 24. Juni 1987 unter dem Titel „Regeneration of Ζ·· mays plants from protoplast" eingereicht wurde, beschrieben.Due to new developments in the field of in vitro cultivation of plants, primarily in the field of plant regeneration, it is now possible to regenerate whole plants even from representatives of the Gramin family ···, starting from plant prompt residues. Examples of successfully performed regenerator experiments on gramini are i.a. in / 33 / Abdullah, R., et al. Bto / Technology, 4: 1087-1090. / 34 / Fujimura, T., et al., Plant Tissue Culture Lett, 2: 74-76, 1985/35 / Torlyama, K., "T al., Tm" r Appi Qmurt, 73: 16-19, 188, / 36 / Yamada, Y., et al. Plant Cell Rep, 8: 85-88, 1986 (Rice) and in co-pending U.S. Patent Application Serial No. 056,506, filed June 24, 1987, entitled "Regeneration of · ··· plants from protoplast".
Es können Im Rahmen der vorliegenden Erfindung daher auch die folgenden Pflanzen verwendet werden: Lolium, Z-M, Trrtlcum, 8orghurn, 8aceharum, Bromus, Oryza«, Avena, Hordeum, S»cal· und Seiaria.The following plants can therefore also be used in the context of the present invention: Lolium, Z-M, Trrtlcum, 8orghurn, 8aceharum, Bromus, Oryza, Avena, Hordeum, S cal and Seiaria.
Der Nachweis transformierter Gene kann auf an sich bekannte Weise erfolgen, beispielsweise durch Kreuzungsanalysen und molekulirbiologleche Untersuchungen, zu denen besonders die „Southern blot'-Analyse und Enzymaktivitätetests gehören.The detection of transformed genes can be carried out in a manner known per se, for example by means of cross-analysis and molecular-biological investigations, which include, in particular, the "Southern blot" analysis and enzyme activity tests.
Im Rahmen der Kreuzungsanalyse werden die reifen Pflanzen, die aus transformierten Pflanzenzellon herangezogen wurden, zunächst zur Samenproduktion mit sich selbst gekreuzt. Einige der Garnen enthalten die eingeschleusten Gene, die für eine neue und wünschenswerte Eigenschaft kodieren, In elr&m Verhältnis, das genau den etablierten Gesotzen der Vererbung gehorcht.As part of the cross-breeding analysis, the mature plants, which were used from transformed plant cell, are first crossed with themselves for semen production. Some of the yarns contain the introduced genes that code for a new and desirable trait, in proportion, that obeys the established inheritance of inheritance.
Diese Samen können zur Produktion von Pflanzen mit neuen und gewünschten Eigenschaftori verwendet werden.These seeds can be used to produce plants with new and desired characteristics.
Homozyjote Linien können durch wiederholte Selbstfertilisatlon und Herstellung von lnzuchtlir>.<en gewonnen werden. Dies'./ Inzucht! nlen können dann wiederum zur Entwicklung von Hybriden verwendet werden. Bei diesem Verfahren wird eine Inzuchtlinie mit einer nnderen Inzuchtlinie gekreuzt.Homozygous lines can be obtained by repetitive self-sterilization and production of inbroth. This' ./ inbreeding! These can then be used to develop hybrids. In this method, an inbred line is crossed with a further inbred line.
Teile, dh von regenerierten Pflanzen erhalten werden können, wie z. B. Blüten, Samen, Blätter, Zweige, früchte u. a. sind ebenfall» Bestandteil der vorliegenden Erfindung, sofern diese Teile transformierte Zellen beinhalten. Nachkommen (einschließlich hybrider Nachkommen), Varietäten und Mutanten der regenerierten Pflanzen sind ebenfalls Bestandteil dieser ErfindungParts, ie can be obtained from regenerated plants, such. B. flowers, seeds, leaves, branches, fruits u. a. are also part of the present invention, provided that these parts include transformed cells. Progeny (including hybrid progeny), varieties and mutants of the regenerated plants are also part of this invention
Die „Southern blot'-Analyse kann beispielsweise folgendermaßen durchgeführt werden: Die den transformierten Zellen oder Protoplaiten entnommene DNA wird nach Behandlung mit Restriktionsenzymen einer Elektrophorese in 1%igem Agarose-Gel unterworfen, auf eine Nitrozellulosemembran (/37/ Southern, E.M., J. Mol. Biol. 98,503-517 [1975)) transferiert und mit der nachzuweisenden DNA, welche einer Nlck-Translation (/38/ Rigby, W..I., Dieckmann, M., Rhodes, C. und P. Berg, J. Mol. Biol.The "Southern blot" analysis can be carried out, for example, as follows: The DNA taken from the transformed cells or protoplasts, after treatment with restriction enzymes, is subjected to electrophoresis in 1% agarose gel, onto a nitrocellulose membrane (/ 37 / Southern, EM, J. Biol. 98, 503-517 [1975]) and with the DNA to be detected, which is a Nlck translation (/ 38 / Rigby, W..I., Dieckmann, M., Rhodes, C. and P. Berg, J Mol. Biol.
113,237-261, (1977]) unterworfen wurde (DNA-spezifische Aktivität von 6 χ 10* bis 10 χ ΙΟ'αρ.Γη./μρ), hybridisiert. Die Filter113,237-261, (1977)) (DNA-specific activity of 6χ10 * to 10χχαρ.Γη./μρ), hybridized. The filters
werden dreimal je eine Stunde lang mit einer wäßrigen Lösung von 0,03 M Natriumeitrat und 0,3 M Natriumchlorid bei 650C gewasche >. Die hybridisierte DNA wird durch Schwärzung eines Röntgenfilms während 24 bis 48 Stunden sichtbar gemacht. Eine Untersuchung auf Enzymaktivität läßt sich — naher erläutert am Test auf Aminoglykosidphosphotransferase (Enzym für Kanamycin spezifische Phosphorylierung) — beispielsweise folgendermaßen durchführen: Kallus- oder Blattstücke (100 bis 200mg) werden in 20μΙ Extraktionspuffer In einem Eppendorf-Zentrifugenröhrchen homogenisiert. Der Puffer ist eine Modifikation des von /5/ Herrera-Estrella, L., DeBlock, M., Messens, E., Hernalsteens, J.-P., Van Montagu, M. und J. Schell, EMBO J. 2,987-995 (1983) verwendeten Puffers, in welchem Albumin aus Rinderblut weggelassen und 0,1 M Sucroas hinzugefügt worden sind. Di« c^.i «Kit. verden 5 Minuten lang bei 12000g zentrifugiert und die überstehende Phase mit Bromphenolblau bis zu einer Endkonzertration von 0,004% versetzt. Durch Elektrophorese in einem 10%igen, nicht denaturierenden rOlyacrylamid-GeI werden die Proteine aus 35μΙ der überstehenden Phase separiert. Das Gel wird mit einem Kanamycin und Y-^-markiorte ATP enthaltenden Agarose-Gel überschichtet, inkubiert, und die phosphorylierten Reaktionsprodukte werden auf Whaimanp81-Phosphozellulose-Papier übertragen. Das Papier wird sechsmal mit deionisiertem Wasser von 90 CC gewaschen und dann autoradiografiert.are washed three times for one hour each with an aqueous solution of 0.03 M sodium citrate and 0.3 M sodium chloride at 65 0 C>. The hybridized DNA is visualized by blackening an X-ray film for 24 to 48 hours. An assay for enzyme activity can be explained in more detail in the test for aminoglycoside phosphotransferase (enzyme for kanamycin-specific phosphorylation), for example as follows: callus or leaf pieces (100 to 200 mg) are homogenized in 20 μl extraction buffer in an Eppendorf centrifuge tube. The buffer is a modification of the method described by / 5 / Herrera-Estrella, L., DeBlock, M., Messens, E., Hernalsteens, J.-P., Van Montagu, M. and J. Schell, EMBO J. 2,987- 995 (1983) used buffer in which albumin was omitted from bovine blood and 0.1 M sucroas added. Di « c ^ .i« Kit. Centrifuge at 12000g for 5 minutes and add bromophenol blue to the supernatant phase to a final concentration of 0.004%. By electrophoresis in a 10%, non-denaturing rOlyacrylamid-GeI proteins are separated from 35μΙ of the supernatant phase. The gel is overlaid with a kanamycin and Y-labeled ATP-containing agarose gel, incubated, and the phosphorylated reaction products are transferred to Whaimanp81 phosphocellulose paper. The paper is washed six times with deionized water at 90 ° C. and then autoradiographed.
Die nachfolgenden Beispiele dienen der näheren Illustration der vorliegenden Erfindung, ohne diese jedoch einzuschränken. Sie beschreiben die Konstruktion eines Hybridgens und dessen Einbau in Träger-DNA-Sequenzen mit cyclischem Charakter, die Übertragung dieses Hybridgens in Pflanxenzellen, die Selektionierung der transformierten Pflanzenzellen und die Regeneration von vollständigen Pflanzen aus den transformierten Pflanzenzollen sowie deren kreuzungsgeqetische und molekularbiologische Analyse.The following examples serve to illustrate the present invention without, however, limiting it. They describe the construction of a hybrid gene and its incorporation into carrier DNA sequences of cyclic character, the transfer of this hybrid gene into plant cell cells, the selection of the transformed plant cells and the regeneration of complete plants from the transformed plant cells, and their cross-linking and molecular biological analysis.
In dun nachfolgend aufgeführten Aueführungsbeispielen werden dlo folgenden Abkürzungen verwendet:In the following examples, the following abbreviations are used:
Medien:Media:
HeNa/F (10mMHepes,pH7,1, SmMCaCI2,16OmM NaCI, 0.2M Mannit,/39/Fromm, M, et al., I1985J)HeNa / F (10mMHepes, pH 7.1, SmMCaCI 2 , 16OmM NaCl, 0.2M mannitol, / 39 / Fromm, M, et al., I1985J)
K3 (0,1 mg/l2,4D,1,0mg/INAA,0,2mg/IBAP;/40/Shillito,R.D.etal. (1981]; MI/Nagy.J.l.andMaliga.P., (19761)K 3 (0.1mg / l2.4D, 1.0mg / INAA, 0.2mg / IBAP; / 40 / Shillito, RDetal. (1981); MI / Nagy.JlandMaliga.P., (19761)
KA1AO (/42/ Installe, P. et al., [1985J)KA 1 AO (/ 42 / Installe, P. et al., [1985J]
LS (/43/Linsmaler, E. M., S1IOOk, F., Physiologie Plantarum 18,100-127,119651)LS (/ 43 / Linsmaler, EM, S 1 IOOk, F., Physiology Plantarum 18, 1-12, 127, 1965 1)
MaCa (0,4 M Mannit, 15mM CaCI2 x 2 H2O, pH 6,6)MaCa (0.4 M mannitol, 15 mM CaCl 2 × 2 H 2 O, pH 6.6)
MaMg (0,4-0,5 M Mannit, 16mM MgCI2,0,1 % MES, pH 5,6)MaMg (0.4-0.5 M mannitol, 16 mM MgCl 2 , 0.1% MES, pH 5.6)
M (/42/ Installe, P. et al., (1985])M (/ 42 / Installe, P. et al., (1985))
MAP1AO (/42/ Installe, P. et al., (1985])MAP 1 AO (/ 42 / Installe, P. et al., (1985))
MDs (/44/Negrutiu,l.etal.,(1983))MDs (/44/Negrutiu,l.etal.,(1983))
RP (/42/Installe, P. et al., (1985])RP (/ 42 / Installe, P. et al., (1985))
R'SA (/42/ Inetalle, P. et el., (1985])R'SA (/ 42 / Inetal, P. et al., (1985))
T (/45/ Nltsch, J. P. et C. Nitsch, (1969])T (/ 45 / Nltsch, J.P. and C. Nitsch, (1969))
W6 (154mMNaCI,125mMCaCI2x2H2O,5mMKCI,5mMGIucose,pH5,6-6,U;/46/Menczeletal.,(1981l)W 6 (154mM NaCl, 125mM CaCl 2 x 2H 2 O, 5mMKCl, 5mM glucose, pH 5.6-6, U / 46 / Menczeletal., (1981l)
BAP BenzylaminopurinBAP Benzylaminopurine
2.4 D (2.4-Dichlorophenoxy)essig8äure2.4 D (2.4-dichlorophenoxy) acetic acid
NAA Napthyleselg'iäureNAA Napthylselg'iäure
EDTA Ethylendiam!n-N,N,N',N'-tetraessigsäureEDTA ethylenediamine n-N, N, N ', N'-tetraacetic acid
PEG CMS Polyethylenijlykol vom CMS-Typ (/15/Nogrutiu, I. el el. (1986 a))PEG CMS CMS Type Polyethylene Glycol (/ 15 / Nogrutiu, I. el el. (1986a))
PEG 6R Polyethylenglykol vom R-Typ (/10/Shillito, R. D. et al., (1985])PEG 6R R-Type Polyethylene Glycol (/ 10 / Shillito, R.D. et al., (1985))
Tris-HCl a.a.a-Tris-fhydroxymethyD-methylamin-HydrochlorldTris-HCl a.a.a-tris-fhydroxymethyl-methylamine hydrochloride
NPT-Il-Gen Neomycin-3'-PhosphotransferaseGen,Typ IlNPT-Il gene neomycin 3'-phosphotransferase gene, type II
ATF Absolute TransformationsfrequenzATF Absolute Transformation Frequency
GPPL Gasamt-ProtoplaetenzaMGPPL Gas Office ProtoplaetenzaM
RTF Relative Tranetormatlonsf tequenzRTF Relative Tranetormatlonsf tquenz
UE Überlebende Protoplasten nach erfolgter TransformationsbehandlungUE Surviving protoplasts after transformation treatment
ZT Zahldei TrensformantenZT Zahldei Trensformanten
Bei den in den nachfolgenden Ausführungsbelspielen gemachten Prozentangaben handelt es sich um Gewicht/Volumen-Angaben (w/v; volumetrisches Gewicht)The percentages given in the following Ausführungsbelspielen are weight / volume information (w / v, volumetric weight)
KuntMSChreibung der AbbildungenKuntMSChreibung of the pictures
Abbildung 1 zeigt die Konstruktion der das NPT-II- Strukturen enthaltenden Plasmidvektoren pABD I und pABD II. Abbildung 2 demonstriert den Einfluß der MgCI2-Konzentration (A) sowie der MgCI^PEC-lnteraktion (B) auf die Transformationsraten bei Nicotiana taöacum o.v. Petit Havanna SR1(A u. B) sowie bei Nlcotlana plubaglntfolla (A). Abb.A Kurvea: N.tabaeumSRtFigure 1 shows the construction of the plasmid vectors pABD I and pABD II containing the NPT II structures. Figure 2 demonstrates the influence of MgCl 2 concentration (A) and MgCl 2 PEC interaction (B) on the transformation rates in Nicotiana taoacum ov Petit Havanna SR 1 (A and B) and Nlcotlana plubaglntfolla (A). Fig.A Curvea: N.tabaeumSRt
Kurve b: N. plumbaginrfoliaCurve b: N. plumbaginrfolia
Zu beachten ist die semilogarithmische Skaleneinteilung der MgCI2-Konzentration (Abszisse). Die PEG-Konzentratlon liegt in diesem Fall bei 20% (w/v)Note the semilogarithmic scale of the MgCl 2 concentration (abscissa). The PEG concentration in this case is 20% (w / v)
Abb. B Kurve a: IQmMMgCI2 Fig. B Curve a: IQmMMgCI 2
Kurve b: 3OmMMgCI2 Curve b: 3OmMMgCI 2
-11- 265-11- 265
Man zerschneidet die frei zugänglichen Pla3mide pkm21 und pkm24* (/47/Beck, E., et al., Gene 19,327-336 (1982]) mit der Restriktions-Endonuclease Psti. Die Fragmonte der Plasmide, welche für die Rekombination verwendet werden, werden durch Elektrophorese in 0,8%igem Agarose-Gel gereinigt. Dad aus der Verbindung der Bruchstücke erhaltene Plasmid pkm21244 enthalt eine Kombination der 6'· und 3'-Bal31-Deletionen des NPT-Il-Genu, wie von/47/ Beck et al. in G J<ie 10,327-336 (1982) beschrieben. Um das Promotersignal des Cauliflower-Mosaik Virus mit dem Hindlll-Fregment des Plasmide pkm21244 ?u verbinden, wird das Xupplungsplasmid pJPAX konstruiert. Das Kupplung plasmid ρ JPAX wird aus den Plasmiden pUCO und pUC9 (/28/Messing, J, and J. Vieira, Gene 19,269-276 [1982]) erhalten. 10 Basenpaare von der Kupplungssequenz des Plasmids pUC9 werden durch Zerschneiden bei der Hindlll- und der Sall-Position und nachfolgendem Auffüllen der haftfähigen Enden mit dem Polymerase-I-Klenow-Fragment (/48/Jacobsun, K., et al., Eu- J. Blechern. 46,623, [1974]) und Verbinde*, der Polynukleotidkette, wodurch die Hindlll-Position wieder hergestellt wird, herausgetrennt. Ein synthetisches Kupplungsglied von 8 Basenpaaren (Xhol) wird an der Smal-Position dieser abgetrennten Kupplungssequenz eingefügt. Die Rekombination der geeigneten Xorl- und Hindlll-Fragmente des Plasmids pUC8 und des modifizierten Plasmids pUC9 ergibt das Plasmid pJPAX mit einer teilweise asymmetrischen Kupplungssequenz mit den aufeinander folgenden Restriktionsstellen: EcORI, SMaI, BamHI, Sail, Pstl, Hindlll, BamHI, X»·.. ! und EcoRI. Die CaMV-Gen-VI-Promotor-Pagion, die mit dem NPT-Il-Struktur-Gen verknüpft wird, stammt aus dem Genom d.. JaMV-Stammes CM4184, einer Variante des CaMV Stammes CM1841, dessen vollständige Nuklsotld-Sequenz bei/26/ Gardner KC et al., 1981 beschrieben ist. Die CaMV-Promotor-Rogion wird in dem 6kb umfassenden Cosmid pHC79, einem Abkömmling des E. coil Plasmids pBR322 (/49/Hohns B. and Collins J., 1980) kloniert, wobei das CaMV Genom sowie des Cosid pHC79 mit B3t Il geschnitten und die resultierenden Bruchstücke miteinander verknüpft werden. Die Verbindung des b'-Expressionssignals des Cauliflower-Mosaik-Virus-Gens Vl und des Hindlll-Fragmente des NPT-Il-Gens wird beim Plasmid pJPAX durch (Einfügung der Promoterregion des Cauliflower-Mosaik-Virus-Gens Vl zwischen die Pstl- und di J Hind-Ill-Position bewirkt. Das so erhaltene Plasmid wird an der einzigen Hindlll-Position aufgeschnitten und das Hindlll-Fragment des Plasmids pkm21244 wird in diese Schnittstelle in beiden Orientierungsrichtungen eingebaut, wobei man die Plasmide pJPAX Cakm+ und pJPAX Cakm" erhält. Um eine EcoRV-Sequenz in der Nähe dos 3'Terminationssignals des NPT-Il-Hybridgens zu schaffen, wird ein BamHI-Fragment des Plasmids pJPAX Cakm4 in die BamHI-Position des Plasmids pBR327 (/60/Soberon, X. et al., Gene 9,287-306 [1980]) eingebaut. Man erhält des Plasmid pBR327 Cakm. Das EcoRV-Fragment des Plasmids pBR327 Cakm, das die neue DNA-Konstruktion enthält, wird verwendet, um die EcoRV-Region des Cauliflower-Mosaik-Virus-Gens Vl zu ersetzen, welches en der Seil-Position Im Plasmid pUC8 Moniert Ist, wodurch man die Protein-kodlerende DNA-Sequenz des NPT-Il-Gens unter die Kontrolle der 6'- und 3'-Expressionssignale des Cauliflower-Mosaik-Gons Vl stellt. Die so hergestellten Plasmide tragen die Bezeichnung pABDI und pABDII (vgl. Abbildung 1).The freely accessible pla3mids pkm21 and pkm24 * (/ 47 / Beck, E., et al., Gene 19, 323-336 (1982)) are cut with the restriction endonuclease Psti. The fragment of the plasmids used for recombination is cut are purified by electrophoresis in 0.8% agarose gel., The plasmid pkm21244 obtained from the junction of fragments contains a combination of the 6 'and 3' Bal31 deletions of the NPT-II gene, as from / 47 / Beck In order to link the promoter signal of the cauliflower mosaic virus to the HindIII fragment of the plasmid pkm21244, the coupling plasmid pJPAX is constructed and the coupling plasmid p JPAX is prepared from the plasmids pUCO and pUC9 (/ 28 / Messing, J, and J. Vieira, Gene 19, 266-276 [1982]) 10 base pairs of the coupling sequence of plasmid pUC9 are cleaved at the HindIII and SalI positions and then filled in adhesive ends with the polymerase I Klenow fragment ( / 48 / Jacobsun, K., et al., Eu- J. Blechern. 46,623, [1974]) and connecting *, the polynucleotide chain, thus restoring the HindIII position. A synthetic coupling member of 8 base pairs (Xhol) is inserted at the SmaI position of this separated coupling sequence. Recombination of the appropriate Xor1 and HindIII fragments of the plasmid pUC8 and the modified plasmid pUC9 yields the plasmid pJPAX with a partially asymmetric coupling sequence with the consecutive restriction sites: EcORI, SMaI, BamHI, Sail, PstI, HindIII, BamHI, X »· ..! and EcoRI. The CaMV gene VI promoter pagion linked to the NPT-II structural gene is derived from the genome d. JaMV strain CM4184, a variant of the CaMV strain CM1841, whose complete nucleotide sequence is / 26 / Gardner KC et al., 1981. The CaMV promoter rogion is cloned into the 6kb cosmid pHC79, a derivative of E. coli plasmid pBR322 (/ 49 / Hohns B. and Collins J., 1980), with the CaMV genome and Cosid pHC79 cleaved with B3t II and the resulting fragments are linked together. The connection of the b'-expression signal of Cauliflower mosaic virus gene Vl and the HindIII fragment of the NPT-II gene is carried out in the plasmid pJPAX (insertion of the promoter region of the cauliflower mosaic virus gene Vl between the Pstl and The resulting plasmid is cut at the unique HindIII position and the HindIII fragment of plasmid pkm21244 is inserted into this cleavage site in both orientational directions to give the plasmids pJPAX Cakm + and pJPAX Cakm " To create an EcoRV sequence near the 3 'termination signal of the NPT-II hybrid gene, a BamHI fragment of the plasmid pJPAX Cakm 4 is inserted into the BamHI position of the plasmid pBR327 (/ 60 / Soberon, X. et al , Gene 9, 287-306 [1980]). The plasmid pBR327 Cakm is obtained. The EcoRV fragment of the plasmid pBR327 Cakm containing the new DNA construction is used to construct the EcoRV region of the cauliflower mosaic virus -Gen Vl to replace which en de r Rope Position In the plasmid pUC8 is cloned, which places the protein-encoding DNA sequence of the NPT-II gene under the control of the 6 'and 3' expression signals of the cauliflower mosaic god Vl. The plasmids thus prepared are designated pABDI and pABDII (see Figure 1).
Beispiel 2: Transformation von Protopletten von Nkotiana tebacum c.v. Petit havanna SRI durch Übertragung des NPT-Il-Gens als Tall de« Plasmide pABDI :nH Hilfe darf Mg2VPEG Behandlung.Example 2: Transformation of Protoplates of Nkotiana tebacum cv Petit havanna SRI by transfer of the NPT-II gene as a Tall de plasmid pABDI: nH may allow Mg 2 VPEG treatment.
Tabakprotoplasten von Nicotians tabacum c.v. Petit Havanna werden nach herkömmlichen Verfahren ausgehend von einer Tabak-Suspensionkultur hergestellt (/12/Potrykus I und Shillito RD, Methods in Enzymology, Vo1118, Plant Molecular Biology, ede. A und H., Weissbach, Academic Press, Orlando, 1986) vollständig entfaltete Blätter von β Wochen alten Sproß-Kulturen werden unter sterilen Bedingungen entfernt und mit einer Enzym-Lösung der folgenden Zusammensetzung gründlich benetzt:Tobacco protoplasts of Nicotians tabacum c.v. Petit Havana are prepared by conventional procedures starting from a tobacco suspension culture (/ 12 / Potrykus I and Shillito RD, Methods in Enzymology, Vo1118, Plant Molecular Biology, ed. A and H., Weissbach, Academic Press, Orlando, 1986) unfolded leaves of β-week old shoot cultures are removed under sterile conditions and thoroughly wetted with an enzyme solution of the following composition:
Enzymlösung: H2O 70mlEnzyme solution: H 2 O 70ml
Sucrose 13 gSucrose 13 g
MacerozymeRIO IgMacerozyme RIO Ig
Cellulaee 2 gCellulaee 2 g
,Onozuka' R10 (Yakult Co. Ltd.. Japan) Drisallase (Chemische Fabrik Schweizerholle, Schweiz 0,13g'Onozuka' R10 (Yakult Co. Ltd. .. Japan) Drisallase (Chemical Factory Schweizerholle, Switzerland 0.13g
2(n-Morpholin)-ethansulfonsäure (MES) 0,5 ml2 (n-morpholine) -ethanesulfonic acid (MES) 0.5 ml
pH 6,0pH 6.0
Man zerschneidet Blätter anschließend in 1-2 cm große Quadrate und läßt sie auf der oben genannten tnzymlösung aufschwimmen. Die Inkubation erfolgt über Nacht bei einer Temperatur von 26 C im Dunkeln. Dieser Ansatz wird anschließend leicht geschwenkt und für weiter? 30 min bis zur vollständigen Verdauung inkubiert.The leaves are then cut into squares of 1-2 cm and allowed to float on the abovementioned enzyme solution. The incubation takes place overnight at a temperature of 26 C in the dark. This approach is then easily panned and for further? Incubated for 30 minutes until complete digestion.
Diese Suspension wird dann durch ein Stshlsleb mit einer Maschenweite von 100Mm filtriert, mit 0,6M Sucrose (MES, pH 5,6) durchgespült und anschließend 10 Minuten bei 4 COO-5000 rpm zentrifugiert. Die Protoplauten sammeln sich auf der Oberfläche des Mediums, das dann unter den Protoplasten abgezogen wild,». B. unter Verwendung e' wr sterilisierten Injektionsspritze. Die Protoplasten weiden in einem K3A-Medium (Sucrose [102,96g/l; Xyioa?! IO,25g/l); 2,4 Dichlorphenoxyessigsäure D [0,10mg/l|; I-Naphtylessigsflure [1,00mg/1]; 6-Benzylsminopurin [0,20mg/1]; pH 6,8» (/12/Potrykus I and Shillito, R. D. et al. 1981) resuspendiert, das 0,4 M Sucrose enthält.This suspension is then filtered through a 100 mm sieve sieve, rinsed with 0.6 M sucrose (MES, pH 5.6) and then centrifuged for 10 minutes at 4 COO-5000 rpm. The protoplasts gather on the surface of the medium, which then peeled off wildly under the protoplasts, ». B. using e 'wr sterilized syringe. The protoplasts graze in a K3A medium (sucrose [102.96 g / l; xyioa ?!10, 25 g / l); 2,4-dichlorophenoxyacetic acid D [0.10 mg / l | I-Naphtylessigsflure [1.00mg / 1]; 6-benzylsminopurine [0.20 mg / l]; pH 6.8 »(/ 12 / Potrykus I and Shillito, R.D. et al., 1981) containing 0.4 M sucrose.
Zur Durchführung der Transformationsexperimente werden die Protoplasten zunächst gewaschen, gezählt und anschließend in einem We-Medium (154 mM NaCI, 126mM CaCI2 2H20,5mM KCI, SmM Glucose, pH 5,6,/46/Menciel, L. et al. [1981]), das eine hohe Überlebensrate dor isolierten Protoplasten gewährleistet, in einer Zelldichte von 1-2,5 χ 10* Zellen pro ml resuspendiert. Pie Protoplasten werden anschließend nach einer Inkubationszeit von 30 Minuten bei 6 bis 8°C für dia Transformationsexperimente verwondet.To carry out the transformation experiments, the protoplasts are first washed, counted and then in a We-medium (154 mM NaCl, 126 mM CaCl 2 2H 2 0.5 mM KCl, SmM glucose, pH 5.6, / 46 / Menciel, L. et al [1981]), which ensures a high survival rate of isolated protoplasts, resuspended at a cell density of 1-2.5 χ 10 * cells per ml. Pie protoplasts are then subjected to an incubation period of 30 minutes at 6 to 8 ° C for dia transformation experiments.
Ku. 7 vor der «!gentlichen Transformation der isolierten Protoplasten wird das W6-Medium durch das eigentliche Traneformationsmedium ersetzt. Es handelt sich dabei um eine Mannit/Magnesium-Lösung (MaMg-Lsg: 0,4-0,5mM Mannit, 0,1 % MES [Morpholinethansulfonsäure], pH 5,6) mit einer Mg2+-Konzentration von 12 bis 16mM. Dazu «verden die Protoplasten zunächst aus der Ws-Lösung durch Sminütige Zentrifugation bei 100g abgetrennt und in dem MaMg-Medinm resuspendiert (0,3ml). Zu dieser Suspension werden dann 66 μΙ einer wäßrigen DNA-Lösung, enthaltend 5-1 Opg des Plasmids pABDI und 50 μς Kalbsthymus-Carrier DNA, zugesetzt. Bei letzterer handelt es sich um eine neutrale Carrier-DNA ohne transformierendes Insort, die zum Schutz vor einer Nukleasevordauung der zu transformierenden DNA zu diesem Ansatz im Überschuß hinzugegebenKu. 7 Before the actual transformation of the isolated protoplasts, the W 6 medium is replaced by the actual transformation medium. It is a mannitol / magnesium solution (MaMg solution: 0.4-0.5 mM Mannitol, 0.1% MES [morpholineethanesulfonic acid], pH 5.6) with a Mg 2+ concentration of 12 to 16 mM , For this purpose, the protoplasts are first separated from the W s solution by centrifugation at 100 g for 5 minutes and resuspended in the MaMg-Medinm (0.3 ml). Then 66 .mu.l of an aqueous DNA solution containing 5-1 μg of the plasmid pABDI and 50 .mu.C calf thymus carrier DNA are added to this suspension. The latter is a neutral carrier DNA without transforming site, added to this approach in excess to protect against nuclease prediltration of the DNA to be transformed
wird. Nach einer Zeitspanne von etwa 0,1 bis 10 Minuten nach der DNA-Zugabe erfolgt die Applikation einer wäßrigen 40%igen Polyethylenglykollösung (w/v), bis eine Endkonzentration von 24 bis 28% (w/v) erreicht ist. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung von PEG vor.. CMS-Typ. Dabei handelt es sich um eine Ca2>haltige (0,1 M Ca [NO3I2 4H3O) 0,4N Mannitlö' <ng, die PEG vom Molekulargewicht etwa 1000 bis etwa 6000 in einer Endkonzentration von 40% (w/v) enthält. Der pH-Wert dieser Lösung liegt bei pH 7 bis 9 (/16/Neprutiu, I. et al. P986aj)becomes. After a period of about 0.1 to 10 minutes after the addition of DNA, the application of an aqueous 40% polyethylene glycol solution (w / v) until a final concentration of 24 to 28% (w / v) is reached. Particularly advantageous is the use of PEG before .. CMS type. It is a Ca 2> containing (0.1 M Ca [NO 3 I 2 4 H 3 O) 0.4N Mannitlö '<ng, the PEG molecular weight from about 1000 to about 6000 (to a final concentration of 40% w / v). The pH of this solution is at pH 7 to 9 (/ 16 / Neprutiu, I. et al., P986aj)
Im Falle von Nicotian· tabacum c.v. Petit Havanna SRI verwandet man vorzugsweise PEG CMS 4000. Der pH-Wert des Transformationsmediums wird anschließend auf einen Wert von pH 7 eingestellt. Diese Mischung wird unter gelegentlichem Umschwenken für 30 Minuten bei 260C inkubiert.In the case of Nicotian® tabacum cv Petit Havana SRI, preferably PEG CMS 4000 is used. The pH of the transformation medium is then adjusted to a value of pH 7. This mixture is incubated with occasional panning for 30 minutes at 26 0 C.
Bei Verwendung von hohen PEG-Konzentrationen von >20% ist eine stufenweise Verdünnung mit dem 3· bis 5fachen Volumen einer 0,2 M CaClj-Lösung vorteilhaft. Anschließend werden die in der eingegebenen Weise behandelten Protoplasten abzentrifugiert (5 Minuten bei 100g) und in frischem K3-Mediurr resuspeniMert (0,3ml Protnplastenlösung in 10-ml frisches K3-M9dium). Die weitere Inkubiition erfolgt in 1OmI-Pc rtionen in Petri-Schalen von 10cm Durchmesser bei 24 "C und Dunkelheit, wobei die Populationsdichte 4 bis 8 χ 1f/ Protoplasten pro ml beträgt. Nach 3 Tagen wird das Kulturmedium pro Schale mit 0,3 VoTumenteilen frischem K3Medlum verdünnt und für weitern 4 Tage bei 240C und 3000 lux künstlicher Beleuchtung inkubiert. Nacli insgesamt 7 Togen werden die aus den Protoplasten entwickelten Klone in mit 1 % Agarose verfestigtem, 50 mg/l Kanamycin enthaltendem Nährmedium eingebettet und nach der .bead type'-Kulturmethode (/51 /Shillito, R. D. et al.. Plant Cell Reports, 2,244-247 (1983)) bei 24°C unter Dunk< Iheit kultiviert. Das Nährmedium wird alle 5 Tage durch frische gleich artige Nährlösung ersetzt.When using high PEG concentrations of> 20%, a stepwise dilution with 3 x to 5 times the volume of a 0.2 M CaCl 2 solution is advantageous. Subsequently, the protoplasts treated in the manner indicated are centrifuged off (5 minutes at 100 g) and in fresh K 3 medium resuspension (0.3 ml protoplast solution in 10 ml fresh K 3 -M9dium). The further incubation is carried out in 10 ml diameter Petri dishes at 24 ° C. and darkness, the population density being 4 to 8 × 1 f / protoplasts per ml After 3 days, the culture medium per dish is divided into 0.3 parts by volume fresh K diluted 3 Medlum and incubated for farther 4 days at 24 0 C and 3000 lux artificial light. Nacli total of 7 Togen developed from the protoplasts clones are embedded containing culture medium in 1% agarose solidified, 50 mg / l kanamycin, and after the Cultivar culture method (/ 51 / Shillito, RD et al., Plant Cell Reports, 2,244-247 (1983)) is grown under dunking at 24 ° C. The nutrient medium is replaced every 5 days with fresh, similar nutrient solution ,
Nach 3 bis4 Wochen fortgesetzter Kultivierung in Ktinamycin-haltigem Nährmedium werden die resistenten KaIIi von 2 bis 3mm Durchmesser auf mit Agar verfestigtes LS-Kulturmedium (/43/ ünsmaier, E. M. and Skook, F., Physiol. Plant 18,100-127 [ 1965)), enthaltend 0,05mg/l 2,4-DlChIOrPhOnOXyCSsIgSaUr?, 2mg/l I-Naphthylessigsäure, 0,1 mg/l 6-Benzylaminopurin, 0,1 mg/l Kinetin und 76 mg/l Kanamycin, verpflanzt. Durch Sproßinduktion auf LS-Medium, enthaltend 150 mg/l Kanamycin und 0,2 mg/l 6-Benzylaminopurln, und anschließender Wurzelbildung auf T-Medium (/45/ Nitsch, Y. P. und C. Nitsch, Science 163,85-87 (196dl) erhält man Kunemycin-resistente Nicotiana tabacum-Pflanzen der Sorte Petit Havanna SRI.After 3 to 4 weeks of continued culture in culture medium containing ktinamycin, the resistant cells of 2 to 3 mm diameter are grown on agar-solidified LS culture medium (/ 43/ünsmaier, EM and Skook, F., Physiol. Plant 18, 1-127 [1965]). containing 0.05 mg / l 2,4-DlChIOrPhOnOXyCSsIgSaUr ?, 2 mg / l l-naphthylacetic acid, 0.1 mg / l 6-benzylaminopurine, 0.1 mg / l kinetin and 76 mg / l kanamycin. By shoot induction on LS medium containing 150 mg / l kanamycin and 0.2 mg / l 6-benzylaminopurine and subsequent rooting on T medium (/ 45 / Nitsch, YP and C. Nitsch, Science 163,85-87 ( 196dl) one obtains Kunemycin-resistant Nicotiana tabacum plants of the Petit Havana SRI variety.
Beispiel 4: Transformation von Protoplasten von Nicotiana plumbaginHolia durch Übertragung de» NPT-ti-Gens eis Teil des Ptasmids pABDI mit HlH* der Mg^/PEQ-Behandlung.Example 4: Transformation of Nicotiana plumbaginHolia protoplasts by transfer of the NPT-ti gene into the pABDI pasmin with HlH * Mg / PEQ treatment.
bis 10Mg des Pla*mlds pABDI sowie 50Mg Kalbsthymus-Carrler-DNA, erfolgt die Applikation einer wäßrigen 40%iyenup to 10 μg of the pla * mlds pABDI and 50 mg calf thymus carrler DNA, the application of an aqueous 40% iyen
folgt eine etwa 30-minutlge Inkubation dieser Tran»formationslösung boi einer Temperatur von 260C unter gelegentlichemfollowed by a about 30-minutlge incubation of these Tran "formation solution boi a temperature of 26 0 C with occasional
3 χ 10* Protoplasten/ml kultiviert.3 χ 10 * protoplasts / ml cultured.
bis 2 χ 10' Kolonien/ml in einem MDs-Medlum) /44/ Negrutiu, I. et al., Theor. Appl. Genet. 6», 341-347, (1983)) oder einemΜΑΡ,ΑΟ-Medlum ,'42/ Instelfe, P. et al., (19S5J) mit niedrigem Hormonflehalt, enthaltend 20 bis 40mg/l Kanamycin-Sulphat,suspendiert. Anschließend werden die Kolonien in Agar (1 % Agarose) eingebettet und nach der ,bead-type' /61 / Shillito, R. D. etal., 11983]) Kultivierungsmethode bsi einer Temperatur von 240C und In Dunkelheit kultiviert. Das Nährmedium wird dabei alle 5to 2χ10 'colonies / ml in an MDs medium) / 44 / Negrutiu, I. et al., Theor. Appl. Genet. 6, 341-347, (1983)) or a ΜΑΡ-medlum, '42 / Instelfe, P. et al., (19S5J) with low hormone content, containing 20 to 40 mg / l kanamycin sulphate. Subsequently, the colonies are embedded in agar (1% agarose) and cultured according to the, bead-type '/ 61 / Shillito, RD et al., 11983]) culturing method bsi a temperature of 24 0 C and in the dark. The nutrient medium is doing every 5
haben, ausgelesen und auf festen Medien, enthaltend 60mg/l Kanamycin, weitere 3 bis 5 Wochen kultiviert.have read, and cultured on solid media containing 60mg / l kanamycin, another 3 to 5 weeks.
reslstenten KaIIi von einem RP-Medium auf ein R'SA und/oder ein M-Medium.Reslstenten KaIIi from an RP medium to a R'SA and / or M medium.
0,5g Kallus der transformierten Zellkultur^ oder Blattgewebe der daraus regenerierten Pflanzen werden bei O0C in 15%iger Saccharoselösung, enthaltend 60mMol/l l:thylondiamin-N,N,N,N'-tetra-esslg-säure, EDTA, 0,25Mol/l Natriumchlorid und 60mMol/l a.a.a-Trls-lhydroxyrnethyO-methylamln-Hydrochlorid (TRIS-HCI) bei pH 8,0 homogenisiert. Durch Zentrifugieren des Homogenitatt für 6 Minuten bei 1000g trennt man grob die Zellkerne ab. Die Zellkerne werden in 16%iger Saccharoselösung, enthaltend 50mMol/l EDTA und 50mMol/l TRIS-HCI, bei pH8,0 resuspendiert, mit Natrium-dodecylsulfat bis zu einer Endkonzentration von 0,2% \ ersetzt und für 10 Minuten auf 7O0C erhitzt. Nach Abkühlung auf 20 bis 250C wird der Mischung Kaliumacetat bis zu einer Konzentration von 0,5Mol/l zugesetzt. Dieses Gemisch wird für 1 Stunde bei O0C inkubiert. Der ausgefallene Niederschlag wird durch Zentrifugieren (16 Minuten bei 40C in oiner Mlkrozentrifuge) abgetrennt. Aus der überstehenden Flüssigkeit wird durch Versetzen mit dem 2,6fachen Volumen Äthanol bei 20 bis 25X die DNA ausgefällt. Die abgetrennte DNA wird in einer Lösung von 1OmMoI TRIS-HCI, enthaltend 10Mg/ml Ribonuolease A, gelöst, für 10 Minuten bei 37*C inkubiert, mit ProMlnase K bis zu einer Konzentration von 260Mg/ml versetzt und für eine weitere Stunde bei 37 0C inkubiert. Die Protainaee K w'rd durch Phenol- und Chloroform/Isoamylalkohol-Extraktionen entfernt. Aus der wäßrigen Phase wird die0.5 g of callus of the transformed cell culture or leaf tissue of the plants regenerated therefrom are dissolved at 0 ° C. in 15% sucrose solution containing 60 mMol / II-butyldiamine-N, N, N, N'-tetra-essig-acid, EDTA, O. , 25mol / l sodium chloride and 60mMol / l aaa-trls-lhydroxyrnethyO-methylamln hydrochloride (TRIS-HCl) homogenized at pH 8.0. Centrifuging the homogenate for 6 minutes at 1000g roughly separates the cell nuclei. Nuclei are dissolved in 16% sucrose solution containing 50 mmol / L EDTA and 50 mmol / l TRIS-HCl, pH 8.0, resuspended at, with sodium dodecyl sulfate to a final concentration of 0.2% \ replaced and for 10 minutes at 7O 0 C heated. After cooling to 20 to 25 0 C of potassium acetate is added to a concentration of 0.5 mol / l. This mixture is incubated for 1 hour at 0 ° C. The precipitate is separated by centrifugation (16 minutes at 4 0 C in a microcentrifuge). From the supernatant liquid, the DNA is precipitated by adding 2.6 times the volume of ethanol at 20 to 25X. The separated DNA is dissolved in a solution of 10 mM Tris-HCl containing 10 μg / ml ribonuclease A, incubated for 10 minutes at 37 ° C., added with ProMlnase K to a concentration of 260 μg / ml and incubated for a further hour at 37 ° C. 0 C incubated. Protainae K is removed by phenol and chloroform / isoamyl alcohol extractions. From the aqueous phase is the
DNA durch Zusatz von 0,6 Volumenteilen 0,6molarer isopropanolischer Natriumacetat-Lösung ausgefällt und in 50 μΙ einer Lösung, enthaltend 1OmMoIZI TRIS-HCI und 5mMol/l EDTA, bei pH7,5 gelöst. Durch diese Präparation erhält man DNA-Sequenzen, die vorwiegend mehr als 50000 Basenpaare enthalten. Restriktion dioeer DNA mit EcoRV-Endonuclease, Hybridisierung der Fragmente mit radioaktiv markierten Hindlll-Bruchetücken des NPT-Il-Qens und Vergleich mit dem P'asmid pABDI zeigt in einer .Southern Blof-Analyso die Artwesenheit des NPT-Il-Gens in der Zellkern-DNA der transformierten Nicotiana tabacum- sowie der Nicotiana ptumbaginifolia-ZellenDNA was precipitated by addition of 0.6 volume of 0.6 molar isopropanolic sodium acetate solution and dissolved in 50 .mu.l of a solution containing 10 .mu.MiIZI TRIS-HCl and 5 mmol / l EDTA at pH 7.5. This preparation yields DNA sequences predominantly containing more than 50,000 base pairs. Restriction of the DNA with EcoRV endonuclease, hybridization of the fragments with radiolabelled HindIII fragments of the NPT-Il-Qens and comparison with the p'asmid pABDI shows in a Southern Blof analysis the species-like nature of the NPT-II gene in the cell nucleus DNA of the transformed Nicotiana tabacum and Nicotiana ptumbaginifolia cells
EreebnlsteilEreebnlsteil
Im folgenden wurden die erzielten Transformatlonserpp'onisse In Zusammenhang mit verschiedenen Transformationsparametern diskutiert.In the following, the obtained transformants were discussed in connection with various transformation parameters.
Dabei werden die erreichten Transformationsraten in Form von .Relativen Transformationsfrequenzen" (RTF) bzw. von „Absoluten Transformationsfrequenzen" (ATF) wiedergegeben.The transformation rates achieved are reproduced in the form of "relative transformation frequencies" (RTF) or "absolute transformation frequencies" (ATF).
Bei den „Relativen Traneformatioiipfrequenzen" handelt es sich um das Verhältnis zwischen der Anzahl der Transformaten und der überlebenden Fraktion (die in der Lage ist. Kolonien auszubilden) einer unselektiert kultivierten Protoplastenpopulation. Die „Absolute Transformationsfrequenz" dagegen ist definiert als das Verhältnis zwischen derselben Anzahl an Transformanien und der ursprünglichen Zahl von Protoplasten, die vor der Transformation als lebend charakterisiert worden waren. Ein Vergleich zwischen den ATF- und RTF-Werten vermittelt ein gutes Bild der Überlebensrate der Protoplasten nach Durchführung der einzelnen Transformatione- und Selektioniecungsschritte.The relative tranformational frequencies are the ratio between the number of transformants and the surviving fraction (capable of forming colonies) of an unselected cultured protoplast population, whereas the absolute transformation frequency is defined as the ratio between the same number Transformants and the original number of protoplasts that had been characterized as living before transformation. A comparison between the ATF and RTF values provides a good picture of the protoplast survival after performing the individual transformation and selection steps.
Einfluß von Struktur und Konzentration der verwendeten DNA auf die TransformatlonsrtteTabitlla 1: Einfluß der DNA-Struktur sowie des Konzcntrationbverhältnisses zwischen Plasmid DNA (pABDI) und Carrier-DNA auf die Tiansformationsraten (RTF und ATF) bei Nicotiana plumbagtnrfotla Protoplasten.Influence of Structure and Concentration of the DNA Used on the TransformatlonsrtteTabitlla 1: Influence of the DNA structure and the Konzcntrationbverhältnisses between plasmid DNA (pABDI) and carrier DNA on the Tiansformationsraten (RTF and ATF) in Nicotiana plumbagtnrfotla protoplasts.
Die Transformationsexperimente wurden in eine MaCa-Lösung bei einer PEG CMS4-Konzentration von 13% durchgeführt.The transformation experiments were performed in a MaCa solution at a PEG CMS4 concentration of 13%.
Der Einfluß der DNA-Struktur auf die Transformationsraten läßt sich am Beispiel von Nicotiana plumbaglnrfolia demonstrierenThe influence of the DNA structure on the transformation rates can be demonstrated by the example of Nicotiana plumbaglnrfolia
Es zeigt sich im Verlauf der durchgeführten Transformationsexperimente, daß sich bei Verwendung von linearer DNA deutlich höhere Transformationsfrequenzen erzielen lassen im Vergleich zu einer zirkulären DNA. Die erreichten Transformationsraten liegen dabei im Fall der linearen DNA um bis zu zwei Zehnerpotenzen höher als die entsprechenden Werte bei Verwendung einer zirkulären DNA.It can be seen in the course of the transformation experiments carried out that it is possible to achieve significantly higher transformation frequencies when using linear DNA compared to a circular DNA. In the case of linear DNA, the transformation rates achieved are up to two orders of magnitude higher than the corresponding values when using circular DNA.
Tabelle 1 macht deutlich, daß nicht nur die DNA-Struktur, sondern auch das Verhältnis zwischen Plasmid DNA und zugesetzter Carrier-DNA eine Rolle für die erreichbaren Transformationsfrequenzen spielen.Table 1 makes it clear that not only the DNA structure, but also the relationship between plasmid DNA and added carrier DNA play a role for the achievable transformation frequencies.
Die besten Rosultato erreicht man, wenn die Carrier-DNA deutlich Im Überschuß vorliegt im Verhältnis zur Plasmld-DNA, wobei ein Verhältnis von 10:60 (Plasmid DNA:Carrier-DNA) besondere vorteilhaft ist.The best rosultato is achieved when the carrier DNA is significantly in excess relative to the plasmid DNA, with a ratio of 10:60 (plasmid DNA: carrier DNA) being particularly advantageous.
Mit den hler erzielten Resultaten werden Ergebnisse bestätigt, die zuvor bereits für das Tabak-System ermittelt werden konnten /10/ Shilllto, R.D. et al., Bio/Technologie 3, [1985]).Results obtained with the hens confirm results that could previously be determined for the tobacco system / 10 / Shilllto, R.D. et al., Bio / Technology 3, [1985]).
2. EinfluB dar PEG-Konzentratton auf die Transformationsrate2. Influence of PEG Concentration on the Transformation Rate
Tabelle 2: Einfluß der PEG-Konzentration auf die Transformationsraten (RTF und ATF) von Nlcotlana plumbaginrfolia und N. tabacum c. v. Pettt Havanna SR1 (C. S.) Protoplasten. Die Transformator tsexperimente wurden in einer Ws-Selzlösung bei einem DNA-Konzentrationsverhältnis zwischen Plasmld- und Carrier-DNA von 1 :S durchgeführt.Table 2: Effect of PEG concentration on the transformation rates (RTF and ATF) of Nlcotlana plumbaginrfolia and N. tabacum c. v. Pettt Havana SR1 (C.S.) Protoplasts. The transformer experiments were performed in a Ws-Selz solution at a DNA concentration ratio between plasmid and carrier DNA of 1: S.
8% 0,72 — 2 0,13 0,038% 0.72 - 2 0.13 0.03
(±0,02) 13% 1,05 — 7 0,26 0,063(± 0.02) 13% 1.05 - 7 0.26 0.063
(±0,035) 20% 0,90 — 22 1,45 0,25(± 0.035) 20% 0.90 - 22 1.45 0.25
« (±0,06)«(± 0.06)
24% 1,0 — 32 2,0 0,3224% 1.0 - 32 2.0 0.32
(±0.07)(± 0:07)
27% 1,0 — 46 3,1 0,46 (±0.05) 27% 1.0 - 46 3.1 0.46 (± 0.05)
N. tabacum, SRi PEG CMS β 13% 0,33 — 14 — 0,28N. tabacum, SRi PEG CMS β 13% 0.33-14-0.28
(±0,16) 20% 0,33 — 30 — 0,90(± 0.16) 20% 0.33 - 30 - 0.90
(±0,05) 26% 0,33 — 40 — 1,2(± 0.05) 26% 0.33 - 40 - 1.2
(±0,08)(± 0.08)
Tabelle 2 verdeutlicht den Einfluß unterschiedlicher PEG-Konzentrationen auf die erreichbaren Transformationsfrequenzen bei N. tabacum 8ft 1 und N. plumbaginrfolia. In beiden Fallen laßt sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen beiden Parametern feststellen. Mit der Zunahme der PEG-Konzertratlon von 8% auf 27% im Falle von N. plumbaginrfolia bzw. von 13% auf 26% bei N. tabteum SRI geht ein Anstieg bei den erzielten Transformationsfrequenzen einher, die von 0,03 χ 104 auf 0,28 χ 10~4,bzw. von 0,46 x 1(T4 auf 1,2 χ 10~4aneteigen.Table 2 illustrates the influence of different PEG concentrations on the achievable transformation frequencies in N. tabacum 8ft 1 and N. plumbaginrfolia. In both cases a clear correlation between the two parameters can be established. The increase in PEG concentration from 8% to 27% in the case of N. plumbaginrfolia and from 13% to 26% in N. tabteum SRI is accompanied by an increase in the transformation frequencies achieved, which range from 0.03 χ 10 4 0.28 χ 10 ~ 4 , resp. from 0.46 x 1 (T 4 to 1.2 χ 10 ~ 4 anteigen.
3. BnfluederMgCtrKoniemrationaufdteTranafotmatiorisrate3. BnfluederMgCtrKoniemrationaufdteTranafotmatiorisrate
Tabelle 3: Einfluß der MgClj-Konzentratlon, d>»e Applikationszeltpunktes, der verwendeten PEG-Lösung sowto, bei hohen PEG-Konzentrationen (> 25%), der Waschbed'ngungen auf die Traneformationerate von N. tabaeum 8R1 Protopiasten. Für die Transformationsexperimente werden sowohl PEG CMS4 als auch PEG CMS6 Lösungen mit einer Endkonzentration von 20% verwendet (Autnahmen sind In der Tabelle gesondert angegeben).Table 3: Influence of the MgCl 2 concentration, the PEG solution used, at high PEG concentrations (> 25%), the wash conditions on the transformation rate of N. tabaeum 8R1 protopiasts. For the transformation experiments, both PEG CMS4 and PEG CMS6 solutions with a final concentration of 20% are used (exceptions are given separately in the table).
W^kOInMg2+ 0,69 77 0,13 ±0,03W ^ kOInMg 2+ 0.69 77 0.13 ± 0.03
1600V,3Pulse,1 Ki)JOnF 0,28 324 1,3 ±0,261600V, 3 pulses, 1 Ki) JOnF 0.28 324 1.3 ± 0.26
nach Zugabe von DNA 0,33 0after addition of DNA 0.33 0
2. MgClrZugabe unmlttelbs. vor Transformation2. MgClr addition of non-sticks. before transformation
MaMgSmM 0,50 2045 4,1 ±0,51MaMgSmM 0.50 2045 4.1 ± 0.51
MaMg 12m M 0,50 2056 4,1 ±0,86MaMg 12m M 0.50 2056 4.1 ± 0.86
3. MgClrZugabe 2 h vor Transformation3. MgClr added 2 h before transformation
MaMgCmM 0,33 382 1,2 ±0,30MaMgCmM 0.33 382 1.2 ± 0.30
4. PEG-Zusammenseüung (MaMg 12mM)4. PEG assembly (MaMg 12mM)
PEOCMS4(24%) 0,32 693 2,2 ±0,56PEOCMS4 (24%) 0.32 693 2.2 ± 0.56
PEGR6(24%) 0,32 474 1,6 ±0 34PEGR6 (24%) 0.32 474 1.6 ± 0 34
6. Watchbedlngungen (MaMg 12mM; 25 % PEG)6. Watching Requirements (MaMg 12mM; 25% PEG)
CaCI1-2H2O 0.2M 0,32 1127 3,6 ±0,66CaCl 2 -2H 2 O 0.2M 0.32 1127 3.6 ± 0.66
Wj OM βββ 2,1 ±0,42 Vj OM βββ 2.1 ± 0.42
* MaMg... mM gibt dlo MgCIrKonztotration In einer MaMq-Lösung an.* MaMg ... mM indicates the MgCIrKonztotration in a MaMq solution.
a) ApplMurtlomzeitpunkt: Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, lassen aich die betten Ergebniste mit einer Transformationerate von4,1 χ 10"' erzielen, wenn die Zugabe von MgCI* in Transformationemedium unmittelbar vor der eigentlichen Transformationerfolgt.a) Applmurtlomzeitpunkt: As can be seen from Table 3, let the Betten result lists with a transformation rate of 4.1 χ 10 "'achieve, if the addition of MgCl * in transformation medium immediately before the actual transformation takes place.
Auch eine Kombination einer Mannlt/MgClj-Lösung (MaMg-Lösung) mit einer Wg-Salzlösung In einem Mischungsverhältnis von 1:1 führt zu einer mehr oder weniger starken Abnahme der Transformationsfrequenz in Abhängigkeit von der molaren MgClj-Konzentration. Halbiert man beispielsweise die MgCLj-Konzentrdtion der MaMg-Lösung, so führt dies zu einem Rückgang der Transformationsrate um annähernd 20%.Also, a combination of a Mannlt / MgClj solution (MaMg solution) with a Wg salt solution In a mixing ratio of 1: 1 leads to a more or less strong decrease in the transformation frequency as a function of the molar MgClj concentration. Halving, for example, the MgCl 2 concentration of the MaMg solution leads to a decrease in the transformation rate by approximately 20%.
Vergleicht man dagegen die Ergebnisse der Kontroüexperimente, die nur In Anwesenheit geeigneter Pufferlösungen (We· odsrOn the other hand, if one compares the results of the control experiments, which are only in the presence of suitable buffer solutions (Weodsr
HeNa/F-Lösung) ("> Fromm, M. ti al, Proc. Natl. Acad. ScI. U8A 82,5842-5848, (1985]) durchgeführt werden, aber In Abwesenheit von Mg2 '-Ionen, so erkennt man, daß In diesen Fällen die Transformationsfrequenzen um mehr al* eine Zehnerpotenz niedriger liegen. Selbst bei Anwendung der Elektroparatlon lassen sich die zuvor diskutierten hohen Transformatione; aten nicht erreichen.HeNa / F solution) ("> Fromm, M., et al., Proc. Natl. Acad. ScI. U8A 82, 5842-5848, (1985)), but in the absence of Mg 2 'ions In these cases, the transformation frequencies are lower by an order of magnitude greater than 10. Even with the use of electroparatlon, the high transformations discussed above can not be achieved.
PEG/Mo" Synergismus: Die synergistische Wirkung beigleichzeitiger Applikation von Mgn-lonen und PEQ zeigt sich sehr deutlich bei einem Vergleich der Transformationsergebnibse der Kontrollversuche, die in Anwesenheit von MgCI1 (6mM) aber ohne Zusatz von PEQ durchgeführt werden, sowie der eigentlichen Ausführungsbeispiele, bei denen MgCI1 und PEG gemeinsam zur Anwendung kommen (Tab. 3).PEG / Mo "Synergism: The synergistic effect of simultaneous administration of Mg n- ions and PEQ is very clear in a comparison of the transformation results of the control experiments, which are carried out in the presence of MgCl 1 (6 mM) but without the addition of PEQ, and the actual Exemplary embodiments in which MgCl 1 and PEG are used together (Table 3).
Öle Kontrollexperimente in Gegenwart von MgCI2 in einer Konzentration von 6mM aber ohne Zusatz von PEG führen in keinem Fall zu nachweisbaren Transformationsereignlesen.Oil control experiments in the presence of MgCl 2 at a concentration of 6 mM but without the addition of PEG in no case lead to detectable transformation events.
Dagegen lassen sich bei Applikation von PEG (bei einer Endkonzentration von 20 %, w/-! unmittelbar nach (0,1 bis 10min) der DNA-Zugabe In das MgCI enthaltende Transformationsmedium die oben bereits erwähnten hohen Transformatloneraten von 4,1 x 10"'erreichen.In contrast, when applying PEG (at a final concentration of 20%, immediately after (0.1 to 10 min) of the addition of DNA into the MgCI-containing transformation medium, the above-mentioned high transformation rates of 4.1 x 10 " 'to reach.
Diese Transformationsraten liegen damit auch um mehr als eine Zehnerpotenz höher als die vergleichbarer, Resultate bei alleiniger Anwendung von PEG ohne MgCI2-Zusatz (vgl. Tab. 2).These transformation rates are therefore more than a power of ten higher than the comparable results, results when using PEG alone without MgCl 2 addition (see Table 2).
Im Gegensatz zum Tabak, bei dem maximale Transformationsraten in einem Konzentrationeberelch von 12 bis 15 mM MgCI2 bei einer gleichzeitigen PEG CMS-Konzentration von 28% erreicht werden (Abb. 2 B), ist der Opthnumsberelch bei N. plumbaglnKolia zu höW,en MgCI2-Werten hin verschoben (·. Abb. 2A).In contrast to tobacco, where maximum transformation rates are achieved in a concentration range of 12 to 15 mM MgCl 2 at a concomitant PEG CMS concentration of 28% (Figure 2 B), the opthnum hyperelium in N. plumbagln Kolia is higher than MgCI 2 values shifted (· Fig. 2A).
Maximale Transformationsraten werden in diesem Fell bei MgClj-Konzentratlonen In einem Bereich zwischen 20 bis 30 mM und einer PEG-Konzentration von 20% erreicht. Es lassen eich dabei Transformatlonsraten von 3,9 χ 10~4 erreichen.Maximum transformation rates are achieved in this coat with MgClj concentrate ions in a range between 20 to 30 mM and a PEG concentration of 20%. At the same time, it is possible to achieve transformer conversion rates of 3.9 χ 10 ~ 4 .
PEQ-Zusammensetzung: Neben den bereue erwähnten Parametern hat auch die Zusammensetzung der verwendeten PEG-Lösung einen Einfluß auf die erreichbaren Transformationsfrequenzen. Bei Anwendung von PEG CMS /16/ Negrutiu, I. et al., (1986a) und PEG 6R /10/ Shillito, R. D. et al., (1985) unter ansonston gleichen Versuchsbedingungen (PEG — Konzentration 24%, MgClj-Konzentration 12 mM) lassen sich Im enteren Fall deutlich höhere Transformationsraten erzielen, die um den Faktor 1,4 höher liegen.PEQ composition: In addition to the parameters mentioned above, the composition of the PEG solution used has an influence on the achievable transformation frequencies. Using PEG CMS / 16 / Negrutiu, I. et al., (1986a) and PEG 6R / 10 / Shillito, RD et al., (1985) under otherwise identical experimental conditions (PEG concentration 24%, MgCl 2 concentration 12 mM), in the latter case significantly higher transformation rates can be achieved, which are higher by a factor of 1.4.
Bei Anwendung hoher PEG-Konzentrationen von 24% (20% im Falle von N. plumbaginffol)·) orwelst sich als vorteilhaft, die behandelten Protoplasten mit einer 0,2 M CaCI2 χ 2HjOhaitigen Lösung nachzuwaschen.When using high PEG concentrations of 24% (20% in the case of N. plumbaginffol) ·) it is advantageous to wash the treated protoplasts with a 0.2 M CaCl 2 .2HjOhaitigen solution.
Durch diese Maßnahme kenn die Transformationsrete im Vergleich zu sinei Behandlung mit einer einfachen Salzlösung (We-Lösung) um den Faktor 1,7 gesteigert werden.By this measure, the transformation rates can be increased by a factor of 1.7 compared to sinei treatment with a simple saline solution (We solution).
4. Nachweis des Übertragung der transformierten Gens auf die sexuellen Nachkommenschaften sowie seiner Vertfbung alsnormales Pflaniwngen4. Evidence of the transmission of the transformed gene to the sexual progeny and its establishment as normal Pflaniwngen
Umfangreiche genetische Kreuzungsenalysen und ausführliche molekularbiologische Studien (beispielsweise .Southern blot'-Analyse der DNA des Pflanzenf/enoms; Untersuchung der Enzymaktivität der ΑΓηΙηοςΙν^βΙορηοβρη<ΜΓβηβίθΓββθ, d. h„ dem Enzym für die Kenamycin-spezitfsche Phosphorylierung) mit den genetisch verändertet < Pflanzen (erste Generation und Nachkommenschaften) haben folgende Ergebnisse erbracht:Extensive genetic cross-linking analysis and detailed molecular biology studies (for example, Southern blot analysis of the DNA of the plant body; study of the enzymatic activity of the ΑΓηΙηοςΙν ^ βΙορηοβρη <ΜΓβηβίθΓββθ, ie "the enzyme for kenamycin-specific phosphorylation) with the genetically modified < Plants (first generation and progeny) have given the following results:
1. Das bakterielle Gen ist stabil in das Pflanzengenom eingebaut;1. The bacterial gene is stably incorporated into the plant genome;
2. Es wird in der Regel unverändert und regelmäßig auf Kreuzungsnachkommenschaften übertragen;2. It is usually transferred unchanged and regularly to cross-breeding offspring;
3. Sein Erbgang entspricht dem eines natürlichen, einfachen, dominanten Pflanzengens;3. Its inheritance corresponds to that of a natural, simple, dominant plant gene;
4. Die molekulare Analyse mittels DNA-Hybrldislerung und Enzymtest bestätigt die Ergebnisse der genetischen Kreuzungsanalyse:4. Molecular analysis by DNA hybridization and enzyme assay confirms the results of genetic cross-analysis:
6. Die genetisch veränderten Pflanzen haben ihren normalen, natürlichen Phänotyp während der Behandlung beibehalten; es sind also keine unerwünschten Veränderungen festgestellt worden.6. The genetically modified plants have retained their normal, natural phenotype during treatment; So no undesirable changes have been detected.
Diese Erge^'.se zeigen, daß mit dom erfindungsgemäßen Verfahren des direkten Gentransfers in Protoplasten der beste Weg für die gezielte genetische Veränderung von pflanzlichem Material aufgefunden worden ist. Die genetische Veränderung ist stabil, und unerwünschte Änderungen des Genotyps der Pflanze treten nicht auf.These results show that the best way for the targeted genetic modification of plant material has been found with the method according to the invention of direct gene transfer into protoplasts. The genetic change is stable and undesirable changes in the genotype of the plant do not occur.
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