DE19700334A1 - Production of transgenic plants over-expressing phospho-enol pyruvate - Google Patents

Production of transgenic plants over-expressing phospho-enol pyruvate

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DE19700334A1
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Abstract

Methods for producing plants with increased growth rate and yield are characterised in that: (a) additional pyruvate phosphate di-kinase (PPDK) is expressed in the cytosol or plastids of the plants, whereby additional phospho-enol pyruvate (PEP) is produced; (b) additional PPDK is expressed in the roots of the plants, whereby additional PEP is produced; (c) additional PPDK is expressed in the tubers or fruits of the plants, whereby additional PEP is produced; (d) the plants contain the chimeric DNA construct B33-PPDK, or (e) the plants contain the chimeric DNA construct B33- DELTA PPDK. Also claimed are the chimeric genes B33-PPDK and B33- DELTA PPDK.

Description

ProblemstellungProblem

Während des 20. Jahrhunderts wurden durch Pflanzenzüchtung und -selektion bemerkens­ werte Verbesserungen im Ertrag und der Qualität von Getreidesamen erzielt (Borlaug und Dowswell 1988). Doch solche Zuwächse können nicht fortwährend erzielt werden. Von den vielen schwerwiegenden Problemen mit denen der Mensch konfrontiert ist, ist das Bevölkerungswachstum das größte. Bei der momentanen Geschwindigkeit des Bevölkerungs­ wachstums wird sich die Weltbevölkerung bis zum Jahre 2030 auf 11 Milliarden verdoppelt haben. Das führt schon jetzt zum Verlust von landwirtschaftlich genutzten Gebieten. Um die Weltbevölkerung auch in 40 Jahren noch mit Nahrung zu versorgen, wird es all unserer Erfindungsgabe bedürfen. Die dringende Notwendigkeit, die Nahrungsproduktion zu erhöhen, kann vielleicht unter Zuhilfenahme der Pflanzenmolekularbiologie befriedigt werden. Diese erlaubt den direkten Zugang zu einem immensen Genpool, da sie den Transfer von nützlichen Genen aus jedwedem Organismus in Pflanzen erlaubt.During the 20th century, plant breeding and selection became remarkable significant improvements in the yield and quality of grain seeds (Borlaug and Dowswell 1988). However, such increases cannot be achieved continuously. Of the that’s a lot of serious problems that humans face Population growth the greatest. At the current speed of the population growth, the global population will double to 20 billion by 2030 to have. This is already leading to the loss of agricultural areas. To the Providing the world population with food even in 40 years will be all of ours Ingenuity needed. The urgent need to increase food production can perhaps be satisfied with the help of plant molecular biology. This allows direct access to an immense gene pool as it transfers useful ones Genes from any organism allowed in plants.

Pflanzen sind ganz erstaunliche Organismen. Sie können ihren gesamten Energiebedarf mit Hilfe des Sonnenlichtes decken. Zusätzlich generieren sie bei dem, als Photosynthese bekannten Prozeß, Kohlenhydrate aus Kohlendioxid. Diese Stoffe können sowohl als Energie­ speicher, zur Biosynthese als auch als strukturelle Bestandteile verwendet werden. Aber nicht alle pflanzlichen Gewebe sind zur Photosynthese befähigt. Zu den nicht-photosynthetisch aktiven Geweben gehören alle, die nicht mit Licht in Kontakt kommen oder aber andere Aufgaben haben, wie beispielsweise die unterirdischen Wurzeln, die Leitgewebe und die reifenden Samen. Im Dunkeln kann natürlich auch keine Photosynthese stattfinden. Die photosynthetisch aktiven Gewebe müssen also während der Lichtphasen genügend Energie produzieren und speichern, um den gesamten Organismus zu versorgen und wenn möglich das Wachstum und die Reproduktion voranzutreiben. Normalerweise erfolgen kurzfristige Speicherung (Stärke, Saccharose) und Transfer (Saccharose) von Energie in Form von Zuckern. Hauptabnehmer von Saccharose sind heranwachsende Blätter und die nicht­ photosynthetisch aktiven Pflanzenteile. Die nicht-photosynthetisch aktiven Pflanzenteile müssen auch ihre gesamten organischen Bestandteile aus den transferierten Kohlenstoff­ gerüsten herstellen (Dennis und Turpin 1990; Mohr und Schopfer 1978; Strasburger et al. 1991; Taiz und Zeiger 1991). Plants are amazing organisms. You can use all of your energy needs Cover with the help of sunlight. In addition, they generate as photosynthesis known process, carbohydrates from carbon dioxide. These substances can be used both as energy memory, can be used for biosynthesis as well as structural components. But not all plant tissues are capable of photosynthesis. To the non-photosynthetic Active tissues belong to everyone who does not come into contact with light or others Have tasks such as the underground roots, the lead tissues and the ripening seeds. Of course, no photosynthesis can take place in the dark. The Photosynthetically active tissues therefore need enough energy during the light phases produce and store to supply the whole organism and if possible to drive growth and reproduction. Usually there are short-term ones Storage (starch, sucrose) and transfer (sucrose) of energy in the form of Sugar. The main customers of sucrose are growing leaves and not photosynthetically active parts of plants. The non-photosynthetically active parts of the plant also need all of their organic components from the transferred carbon Manufacture frameworks (Dennis and Turpin 1990; Mohr and Schopfer 1978; Strasburger et al. 1991; Taiz and Zeiger 1991).  

Bei der Veratmung der aus der Saccharose stammenden Hexosen, Glucose und Fructose, können bis zu 38 ATP (Adenosintriphophat (ATP) ist die Energiewährung der Zellen. Die Änderung der freien Energie (ΔG) für die ATP-Hydrolyse beträgt unter physiologischen Bedingungen -50 bis -65 kJ/mol. Ein NADH kann zu 3 ATP umgewandelt werden.) gewonnen werden (Voet und Voet 1992). Gleichzeitig wird aber auch das während der Photosynthese fixierte Kohlendioxid wieder freigesetzt. Die Photosynthese benötigt 18 ATP und 12 NADPH für die Produktion einer Hexose (Mohr und Schopfer 1978; Strasburger et al. 1991; Taiz und Zeiger 1991). Dies entspricht einer Energiemenge von 54 ATP. Eine einfache Rechnung zeigt, daß von Photosynthese zu Atmung 16 ATP Verlust zu verzeichnen sind.When breathing hexose, glucose and fructose from sucrose, can up to 38 ATP (adenosine triphophate (ATP) is the energy currency of cells. The change in free Energy (ΔG) for ATP hydrolysis is -50 to under physiological conditions -65 kJ / mol. A NADH can be converted to 3 ATP.) (Voet and Voet 1992). But at the same time the carbon dioxide fixed during photosynthesis is released again. Photosynthesis requires 18 ATP and 12 NADPH for the production of a hexose (Mohr and Schopfer 1978; Strasburger et al. 1991; Taiz and Zeiger 1991). This corresponds to an amount of energy of 54 ATP. A simple calculation shows that from photosynthesis to breathing 16 ATP loss too are listed.

Kann die Atmung den Ernteertrag verringern? Die Antwort lautet: Ja. Eine 20%ige Verringerung der Atmung kann zu 10-20% Steigerung des Ernteertrages führen (Lambers 1985; Wilson und Jones 1982). Nun kann man auf dem Acker schlecht für längere Lichtperioden, optimale Wachstumstemperaturen, optimale Luft- oder Bodenfeuchte sorgen. Deshalb müssen andere Lösungen zur Reduktion des Kohlendioxidverlustes durch Atmung gefunden werden.Can Breathing Reduce Yield? The answer is yes. A 20% Reducing breathing can lead to a 10-20% increase in crop yield (Lambers 1985; Wilson and Jones 1982). Now it is difficult to stay in the field for longer Light periods, optimal growth temperatures, optimal air or soil moisture ensure. Therefore, other solutions to reduce carbon dioxide loss through breathing are needed being found.

LösungsansatzApproach

Wie kann das während der Atmung freigesetzte Kohlendioxid unabhängig von der Photosynthese erneut fixiert werden? In Abb. 1 ist eine biochemische Möglichkeit zur Refixierung von Kohlendioxid aufgeführt (Latzko und Kelly 1983). Die Fixierung wird hier von der Phosphoenolpyruvat Carboxylase (PEPCase; EC 4.1.1.31) vorgenommen. Die PEPCase ist ein Schlüsselenzym im anaplerotischen Stoffwechsel (Auffüllen des Tricarbonsäurezyklus). Die pflanzliche Pyruvat, Phosphat Dikinase (PPDK; EC 2.7.9.1) ist ein plastidäres Enzym von dem vermutet wird, daß es in nicht-photosynthetisch aktiven Geweben Phosphoenolpyruvat (PEP) für die PEPCase-Reaktion zur Verfügung stellt (Latzko und Kelly 1983; Meyer et al. 1978).How can the carbon dioxide released during breathing be fixed again regardless of photosynthesis? Fig. 1 shows a biochemical way of refixing carbon dioxide (Latzko and Kelly 1983). The fixation is carried out here by the phosphoenol pyruvate carboxylase (PEPCase; EC 4.1.1.31). PEPCase is a key enzyme in anaplerotic metabolism (filling up the tricarboxylic acid cycle). The vegetable pyruvate, phosphate dikinase (PPDK; EC 2.7.9.1) is a plastid enzyme which is suspected to provide phosphoenolpyruvate (PEP) for the PEPCase reaction in non-photosynthetically active tissues (Latzko and Kelly 1983; Meyer et al. 1978).

Das Produkt der Phosphoenolpyruvat Carboxylierung ist Oxalacetat. Dieses kann in einer Transaminasereaktion zu der Aminosäure Asparaginsäure umgewandelt werden. Alanin dient hier zumeist als Substrat. Aus dem Alanin entsteht dabei Pyruvat, welches wieder von der PPDK genutzt werden kann. Durch den in Abb. 1 gezeigten Zyklus kann Kohlendioxid auf Kosten von zwei energiereichen Phosphatgruppen (oder umgerechnet zwei ATP) fixiert werden. Der Calvin-Zyklus benötigt drei ATP und zwei NADPH+H⁺ (oder umgerechnet neun ATP) für die Fixierung von Kohlendioxid (Taiz und Zeiger 1991). Die Refixierung von Kohlendioxid durch PPDK und PEPCase kann Pflanzen also helfen, viel Energie zu sparen (sieben ATP pro refixiertem Kohlendioxid) und bewahrt der Pflanze vor allem gleichzeitig einen Teil des bei der Atmung freigesetzten Kohlendioxids.The product of the phosphoenolpyruvate carboxylation is oxaloacetate. This can be converted to the amino acid aspartic acid in a transaminase reaction. Alanine mostly serves as a substrate here. Pyruvate is formed from the alanine, which can be used again by the PPDK. The cycle shown in Fig. 1 can fix carbon dioxide at the expense of two high-energy phosphate groups (or the equivalent of two ATP). The Calvin cycle requires three ATP and two NADPH + H⁺ (or the equivalent of nine ATP) for the fixation of carbon dioxide (Taiz and Zeiger 1991). The fixation of carbon dioxide by PPDK and PEPCase can therefore help plants to save a lot of energy (seven ATP per refixed carbon dioxide) and, above all, protects the plant from part of the carbon dioxide released during breathing.

Ein anderer Grund für das Vorkommen von PEPCase und PPDK in photosynthetisch aktiven Geweben von C3-Pflanzen wird von Aoyagi und Bassham (1986) vorgeschlagen (Abb. 2). Hierbei dienen PEPCase und PPDK der intrazellulären Kohlendioxid­ anreicherung, was zu vermehrter Kohlendioxidfixierung durch die Ribulose-1,5-bisphosphat Carboxylase (RubisCo) führt. Diese Art der primären Kohlendioxidfixierung und -anreicherung wird normalerweise von CAM- und C4-Pflanzen ausgenutzt. Allerdings gibt es bei CAM Pflanzen eine zeitliche Trennung zwischen PEPCase- (Nacht) und RubisCo- Reaktion (Tag), während C4-Pflanzen PEPCase (Mesophyllzellen) und RubisCo (Bündel­ scheidenzellen) räumlich trennen, denn beide Enzyme stehen natürlich auch in Konkurrenz um Kohlendioxid (Dennis und Turpin 1990; Mohr und Schopfer 1978; Strasburger et al. 1991; Taiz und Zeiger 1991; Ting 1985).Another reason for the occurrence of PEPCase and PPDK in photosynthetically active tissues of C 3 plants is proposed by Aoyagi and Bassham (1986) ( Fig. 2). PEPCase and PPDK serve for the intracellular carbon dioxide enrichment, which leads to increased carbon dioxide fixation by the ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase (RubisCo). This type of primary carbon dioxide fixation and enrichment is normally used by CAM and C 4 plants. However, there is a temporal separation between PEPCase (night) and RubisCo reaction (day) in CAM plants, while C 4 plants spatially separate PEPCase (mesophyll cells) and RubisCo (bundle of vaginal cells), because both enzymes are of course also in competition Carbon dioxide (Dennis and Turpin 1990; Mohr and Schopfer 1978; Strasburger et al. 1991; Taiz and Zeiger 1991; Ting 1985).

Latzko und Kelly (1983) schlagen noch zehn weitere biochemische Gründe für das Vorkommen von PEPCase vor. Diese weiteren Einsatzmöglichkeiten ergeben allerdings keine unmittelbaren energetischen Vorteile. Ein Substrat der PEPCase ist Phosphoenolpyruvat. Dieses kann unter anderem aus Pyruvat durch die PPDK generiert werden, so daß die PEPCase eventuell auch durch den Nachschub an Phosphoenolpyruvat limitiert ist. Die enzymatischen Charakteristika und metabolischen Funktionen der PPDK aus nicht­ photosynthetisch aktiven Geweben oder C3-Pflanzen werden allerdings noch nicht endgültig verstanden (Fißlthaler et al. 1995; Rosche et al. 1994).Latzko and Kelly (1983) suggest ten more biochemical reasons for the presence of PEPCase. However, these further possible uses do not result in any immediate energetic advantages. A substrate of the PEPCase is phosphoenol pyruvate. Among other things, this can be generated from pyruvate by the PPDK, so that the PEPCase may also be limited by the replenishment of phosphoenolpyruvate. However, the enzymatic characteristics and metabolic functions of PPDK from non-photosynthetically active tissues or C 3 plants are not yet fully understood (Fißlthaler et al. 1995; Rosche et al. 1994).

In früheren Patentanmeldungen wurde gezeigt, daß konstitutiv erhöhte PPDK-Mengen zu sehr unterschiedlichen Effekten führen (Sheriff 1995; Sheriff 1995). Tabakpflanzen mit größeren Mengen einer plastidären PPDK in allen Geweben produzierten mehr Samen als der Wildtyp und wuchsen schneller, zeigten aber keine erhöhten Stärkemengen. Tabakpflanzen mit größeren Mengen einer cytosolischen PPDK in allen Geweben hingegen produzierten im Extremfall gar keine Samen mehr und wuchsen dann langsamer. In keinem Fall wurden erhöhte Stärkemengen in den Früchten detektiert.Previous patent applications have shown that constitutively increased levels of PPDK increase lead to very different effects (Sheriff 1995; Sheriff 1995). Tobacco plants with Larger amounts of plastid PPDK in all tissues produced more seeds than that Wild-type and grew faster, but showed no increased amounts of starch. Tobacco plants with larger amounts of a cytosolic PPDK in all tissues, however, produced in In extreme cases, no more seeds and then grew more slowly. In no case were increased amounts of starch were detected in the fruit.

Meine Idee besteht nun darin, die Expression zusätzlicher plastidärer oder cytosolischer PPDK in definierten Geweben wie Wurzeln oder Kartoffelknollen vorzunehmen. Diese Expression führt zu unerwarteten aber wirtschaftlich interessanten Ergebnissen. So wachsen Tabakpflanzen mit zusätzlicher PPDK in den Wurzeln schneller als der Wildtyp und Kartoffelknollen mit erhöhten PPDK-Mengen produzieren mehr Stärke als der Wildtyp.My idea now is to express additional plastid or cytosolic PPDK in defined tissues such as roots or potato tubers. This Expression leads to unexpected but economically interesting results. So grow Tobacco plants with additional PPDK in the roots faster than the wild type and Potato tubers with increased amounts of PPDK produce more starch than the wild type.

Wahrscheinlich wurde ein eventueller Mangel an Phosphoenolpyruvat behoben. Meine Hauptannahme ist, daß die PPDK den limitierenden Faktor dafür darstellt. Bringt man Pflanzen nun dazu, größere PPDK-Mengen zu produzieren, müßte sich ein solcher Engpaß beheben lassen. Um diese These zu beweisen, wurde die PPDK-cDNA aus der fakultativen CAM-Pflanze Mesembryanthemum crystallinum in Nicotiana tabacum (Samsun SNN) oder Solanum tuberosum (Desirée) eingebracht und in Wurzeln bzw. Knollen überexprimiert. Das Testsystem Tabak dient hier nur als Modell und wurde aufgrund der einfachen Handhabung gewählt. Die PPDK aus M. crystallinum dient als Stellvertreter dieser Enzymklasse und wurde aufgrund ihrer Verfügbarkeit gewählt.A possible lack of phosphoenolpyruvate has probably been remedied. My The main assumption is that the PPDK is the limiting factor for this. You bring it Plants to produce larger quantities of PPDK would have to face such a bottleneck get fixed. In order to prove this thesis, the PPDK cDNA was chosen from the optional  CAM plant Mesembryanthemum crystallinum in Nicotiana tabacum (Samsun SNN) or Solanum tuberosum (Desirée) introduced and overexpressed in roots or tubers. The Test system tobacco serves only as a model here and was due to the easy handling chosen. The PPDK from M. crystallinum serves as a representative of this enzyme class and was chosen based on its availability.

Lösungensolutions

Die cDNA der M. crystallinum PPDK kodiert für ein plastidäres Enzym von 103 kDa mit und 94 kDa ohne Plastidenerkennungssequenz (Fißlthaler 1993; Fißlthaler et al. 1995). Diese cDNA wurde in Sense-Orientierung in einen binären Expressionsvektor (Bevan 1984) kloniert (siehe Abb. 3). In einem weiteren Ansatz wurde die cDNA so manipuliert, daß dieses ursprünglich plastidäre Enzym im Cytosol verbleibt. Dazu wurden 183 bp vom 5'- Ende der cDNA entfernt (siehe Abb. 2), was zur Deletion von 120 bp der Plastidensignalsequenz führte. Als Translationsstart wurde ein zweites ATG (bei +258 bp) des Leserasters benutzt, so daß die Plastidensignalsequenz bis auf neun Aminosäuren deletiert wurde. Die PPDK gelangt dann nicht mehr in die Plastiden und verbleibt im Cytosol. Solche Konstrukte werden im folgenden APPDK genannt.The cDNA of the M. crystallinum PPDK codes for a plastid enzyme of 103 kDa with and 94 kDa without a plastid recognition sequence (Fißlthaler 1993; Fißlthaler et al. 1995). This cDNA was cloned in a sense orientation into a binary expression vector (Bevan 1984) (see Fig. 3). In a further approach, the cDNA was manipulated so that this originally plastid enzyme remains in the cytosol. For this purpose, 183 bp were removed from the 5 'end of the cDNA (see FIG. 2), which led to the deletion of 120 bp of the plastid signal sequence. A second ATG (at +258 bp) of the reading frame was used as the translation start, so that the plastid signal sequence was deleted down to nine amino acids. The PPDK then no longer gets into the plastids and remains in the cytosol. Such constructs are called APPDK in the following.

Die ppdk-cDNA befand sich in beiden Fällen unter der Kontrolle des für Kartoffelknollen spezifischen B33-Patatin-Promotors (Rocha-Sosa et al. 1989). Tabak erhielt durch diese binären Vektoren (siehe Abb. 3) mit Hilfe von Agrobacterium tumefaciens zusätzliche Erbinformation. Die T-DNA des binären Plasmids wird von A. tumefaciens in Pflanzengenome integriert. Die Integration der T-DNA in das Pflanzengenom erfolgt an einen unbestimmten Ort des Genoms, so daß man bei verschiedenen Transformanten mit Variationen in der Expression der Gene rechnen muß, da diese von der chromosomalen Lokalisation beeinflußt wird (Schell 1987).In both cases the ppdk cDNA was under the control of the B33 patatin promoter specific for potato tubers (Rocha-Sosa et al. 1989). Tobacco received additional genetic information from these binary vectors (see Fig. 3) with the help of Agrobacterium tumefaciens. The T-DNA of the binary plasmid is integrated into plant genomes by A. tumefaciens. The integration of the T-DNA into the plant genome takes place at an undetermined location of the genome, so that variations in the expression of the genes have to be expected with different transformants, since this is influenced by the chromosomal localization (Schell 1987).

Abb. 4 zeigt, daß in den B33-PPDK-Pflanzen mehr PPDK produziert wurde als im Wildtyp. Dieser Unterschied ist, wie zu erwarten war, bei den Kartoffelknollen stärker ausgeprägt als bei den Tabakwurzeln, denn der B33-Promotor ist in Wurzeln nur schwach induziert, während er sehr stark in Kartoffelknollen exprimiert. Fig. 4 shows that more PPDK was produced in the B33-PPDK plants than in the wild type. This difference, as was to be expected, is more pronounced in the potato tubers than in the tobacco roots, because the B33 promoter is only weakly induced in roots, while it is expressed very strongly in potato tubers.

Anschließend wurde das Wachstum der PPDK-überexprimierenden Tabaklinien ermittelt. Die PPDK-überexprimierenden Tabakpflanzen wuchsen schneller als der Wildtyp (Abb. 5). Ihr Frischgewicht war 3 Monate nach Aussaat etwa 2 mal so groß (B33-PPDK) bzw. 2,3 mal so groß (B33-ΔPPDK) wie das des Wildtyps. Diese Pflanzen waren zu demselben Zeitpunkt etwa 1,3 mal größer als der Wildtyp, und sie wuchsen in den letzten beiden Monaten etwa 1,3 mal so schnell (Abb. 5; relatives Wachstum). The growth of the PPDK-overexpressing tobacco lines was then determined. The PPDK overexpressing tobacco plants grew faster than the wild type ( Fig. 5). Their fresh weight 3 months after sowing was about 2 times as large (B33-PPDK) or 2.3 times as large (B33-ΔPPDK) as that of the wild type. At the same time, these plants were about 1.3 times larger than the wild type, and they grew about 1.3 times faster in the last two months ( Fig. 5; relative growth).

PPDK-überexprimierende Kartoffeln produzierten in den Knollen bis zu 3,5 mal größere Mengen Stärke pro Gramm Frischgewicht als die produktivste Wildtyppflanze (Abb. 6; Stärke; 1 : 10 verdünnt). Wenn aus denselben Proben die Mengen anderer Stoffwechsel­ intermediate bestimmt wurden, ergab sich ein anderes Bild: Im Durchschnitt enthielten die Wildtypknollen mehr Fructose, Glucose, Malat und Saccharose als die transgenen Knollen (Abb. 6). Da die Knollen erst eine Woche nach der Ernte präpariert wurden, sind die Saccharosemengen bei allen Pflanzen ungewöhnlich niedrig.PPDK-overexpressing potatoes produced up to 3.5 times greater amounts of starch per gram fresh weight in the tubers than the most productive wild type plant ( Fig. 6; starch; diluted 1:10). When the amounts of other metabolism intermediate were determined from the same samples, a different picture emerged: On average, the wild-type tubers contained more fructose, glucose, malate and sucrose than the transgenic tubers ( Fig. 6). Since the tubers were only prepared a week after harvesting, the amounts of sucrose in all plants are unusually low.

SchlußfolgerungenConclusions

Aus den Daten lassen sich folgende Schlüsse ziehen: Mit Hilfe zusätzlicher cytosolischer bzw. plastidärer PPDK, die in Wurzeln produziert wird, können Pflanzen zu schnellerem Wachstum veranlaßt werden. Kartoffeln mit zusätzlicher cytosolischer bzw. plastidärer PPDK, die in Knollen produziert wird, produzieren mehr Stärke als der Wildtyp. Frühere Patentanmeldungen zeigten, daß konstitutiv erhöhte PPDK-Mengen zu sehr unterschiedlichen Effekten führen (Sheriff 1995; Sheriff 1995). Tabakpflanzen mit größeren Mengen einer plastidären PPDK in allen Geweben produzierten mehr Samen als der Wildtyp und wuchsen schneller, zeigten aber keine erhöhten Stärkemengen. Tabakpflanzen mit größeren Mengen einer cytosolischen PPDK in allen Geweben hingegen produzierten im Extremfall gar keine Samen mehr und wuchsen dann langsamer. In keinem Fall wurden erhöhte Stärkemengen detektiert. Die Expression zusätzlicher PPDK in stärkespeichernden Geweben scheint zur Erhöhung dieser Speicherkapazität zu führen. Der Grund für diese Effekte konnte nicht geklärt werden.The following conclusions can be drawn from the data: With the help of additional cytosolic or plastid PPDK, which is produced in roots, plants can accelerate Growth. Potatoes with additional cytosolic or plastid PPDK, which is produced in tubers, produce more starch than the wild type. Former Patent applications showed that constitutively increased amounts of PPDK differed greatly Effects (Sheriff 1995; Sheriff 1995). Tobacco plants with larger quantities plastid PPDK in all tissues produced and grew more seeds than the wild type faster, but showed no increased amounts of starch. Tobacco plants with larger quantities a cytosolic PPDK in all tissues, however, did not produce any in extreme cases Seeds more and then grew more slowly. In no case were increased amounts of starch detected. The expression of additional PPDK in starch-storing tissues appears to Increase this storage capacity. The reason for these effects could not be clarified.

Referenzencredentials

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LegendenLegends

Abb. 1: Stoffwechselschema nach Latzko und Kelly (1983) zeigt eine Möglichkeit zur Refixierung respiratorischen Kohlendioxids. Fig. 1: Metabolism scheme according to Latzko and Kelly (1983) shows one way of refixing respiratory carbon dioxide.

Abb. 2: Stoffwechselschema nach Aoyagi und Bassham (1986) zeigt eine Möglichkeit zur Kohlendioxidanreicherung. Fig. 2: Metabolism scheme according to Aoyagi and Bassham (1986) shows a possibility for carbon dioxide enrichment.

Abb. 3: Schematische Zeichnung der konstruierten binären Vektoren mit M. crystallinum-PPDK- Insertion (B). Ganz oben (A) ist die PPDK-cDNA mit einigen Restriktionsschnittstellen dargestellt (Fißlthaler 1993). Die PPDK-cDNA-Sequenz aus M. crystallinum ist 3173 bp lang, von denen 9 bp am 5'-Ende die Linkersequenz aus der cDNA-Synthese und die 3'-terminalen 12 bp das nach der Transkription angehängte PolyA-Ende darstellen. Das Startkodon befindet sich an Position 63, das Terminationskodon des längsten offenen Leserasters an Position 2910. Das aus der cDNA-Sequenz der PPDK aus M. crystallinum abgeleitete Protein besteht aus 949 Aminosäuren, was einem Molekulargewicht von 103244 Dalton entspricht. Die Präsequenz der PPDK aus M. crystallinum hat eine Länge von 74 Aminosäuren, so daß das reife, im Chloroplasten prozessierte Protein, eine Größe von etwa 94 kDa hat. Die Aminosäurezusammensetzung des reifen, prozessierten Proteins ergibt einen pl von 7,6. 5'- und 3'-untranslatierte Bereiche der cDNA sind als terminale schraffierte Boxen dargestellt. In der Sense-PPDK ist die PPDK-cDNA in richtiger Orientierung dargestellt (links 5'-, rechts 3'-untranslatierter Bereich; die gepunktete Box stellt die Plastidensignalsequenz mit den drei im Leseraster befindlichen ATGs dar; das erste ATG wird normalerweise als Translationsstart benutzt). A zeigt eine Deletion von 183 bp am ursprünglichen 5'-Ende an. In (C) ist eine Restriktionskartierung von Bin19 zu sehen. Fig. 3: Schematic drawing of the constructed binary vectors with M. crystallinum-PPDK insertion (B). At the very top (A), the PPDK cDNA is shown with some restriction sites (Fißlthaler 1993). The PPDK cDNA sequence from M. crystallinum is 3173 bp long, of which 9 bp at the 5 'end is the linker sequence from the cDNA synthesis and the 3' terminal 12 bp is the polyA end which is attached after the transcription. The start codon is at position 63, the termination codon of the longest open reading frame at position 2910. The protein derived from the cDNA sequence of the PPDK from M. crystallinum consists of 949 amino acids, which corresponds to a molecular weight of 103244 daltons. The pre-sequence of the PPDK from M. crystallinum has a length of 74 amino acids, so that the mature protein processed in the chloroplast has a size of approximately 94 kDa. The amino acid composition of the mature, processed protein gives a pI of 7.6. 5 'and 3' untranslated areas of the cDNA are shown as terminal hatched boxes. In the sense PPDK, the PPDK cDNA is shown in the correct orientation (left 5 ', right 3' untranslated area; the dotted box represents the plastid signal sequence with the three ATGs in the reading frame; the first ATG is normally used as the translation start ). A indicates a deletion of 183 bp at the original 5 'end. Restriction mapping of Bin19 can be seen in (C).

BR, BL: rechte bzw. linke Grenzregion der T-DNA von Agrobacterium tumefaciens; Km: Kanamycinresistenz mit bakteriellen Regulationselementen; nptll: Neomycinphosphotransferase (Kanamycinresistenz) mit pflanzlichen Regulationselementen; B33: Promotor eines Klasse I- Patatingens; ocs polyA: Polyadenylierungssignal des Octopinsynthasegens von Agrobacterium tumefaciens.BR, BL: right and left border region of T-DNA from Agrobacterium tumefaciens; Km: Kanamycin resistance with bacterial regulatory elements; nptll: neomycin phosphotransferase (Kanamycin resistance) with herbal regulatory elements; B33: promoter of a class I Patatinens; ocs polyA: polyadenylation signal of the octopine synthase gene from Agrobacterium tumefaciens.

Die Transformation der Tabakpflanzen mit Hilfe des A. tumefaciens-vermittelten Gentransfers wurde nach Horsch et al. (1985) vollzogen.The transformation of the tobacco plants using the A. tumefaciens-mediated gene transfer was carried out according to Horsch et al. (1985).

Abb. 4: PPDK-Proteinspiegel von PPDK-überexprimierenden Kartoffelknollen (siehe auch Abb. 3) wurden durch Western-Blots untersucht. Für die Detektion wurde ein Antiserum gegen PPDK eingesetzt. 6 µg Rohextrakt einer salzgestreßten M. crystallinum dienten als Positivkontrollen. Untransformierte Kartoffeln (Wt) dienten als Kontrolle. 6 µg der löslichen Knollenproteine wurden eingesetzt. Bei den analysierten transgenen Kartoffelpflanzen handelte es sich um die F0 Generation unabhängiger Transformanten. 6 µg der loslichen Tabakwurzelproteine wurden eingesetzt. Bei den analysierten transgenen Tabakpflanzen handelte es sich um die F1-Generation unabhängiger Transformanten. Fig. 4: PPDK protein levels of PPDK-overexpressing potato tubers (see also Fig. 3) were examined by Western blots. An antiserum against PPDK was used for the detection. 6 µg crude extract of a salt-pressed M. crystallinum served as positive controls. Untransformed potatoes (Wt) served as controls. 6 µg of the soluble tuber proteins were used. The transgenic potato plants analyzed were the F 0 generation of independent transformants. 6 µg of the soluble tobacco root proteins were used. The analyzed transgenic tobacco plants were the F 1 generation of independent transformants.

Abb. 5: Unterschiede in der Wachstumgeschwindigkeit von Wildtyp (Wt) und der PPDK überexprimierenden Tabaklinien (B33-PPpK und B33-ΔPPDK) 3 Monate nach Aussaat. Die transgenen Pflanzen setzen sich aus jeweils sechs verschiedenen Linien (unabhängige Transformanten) zusammen. Für die Bestimmung des Frischgewichts wurden 8 Wt 26 B33-ΔPPDK und 21 B33-PPDK Pflanzen analysiert. Für die Bestimmung der Große bzw. des relativen Wachstums wurden 15 Wt, 43 B33-ΔPPDK und 59 B33-PPDK Pflanzen analysiert. Die Pflanzen wurden in Einheitserde angezogen. Fig. 5: Differences in the growth rate of wild type (Wt) and the PPDK overexpressing tobacco lines (B33-PPpK and B33-ΔPPDK) 3 months after sowing. The transgenic plants each consist of six different lines (independent transformants). 8 wt 26 B33-ΔPPDK and 21 B33-PPDK plants were analyzed to determine the fresh weight. 15 Wt, 43 B33-ΔPPDK and 59 B33-PPDK plants were analyzed to determine the size and relative growth. The plants were grown in uniform earth.

Abb. 6. Quantitative Bestimmung von Stoffwechselprodukten (Stärke, Saccharose Glucose, Fructose und Malat, Boehringer 1995) der PPDK überexprimierenden Kartoffellinien. Für die Analyse wurden 4 Wildtyp Kartoffel pflanzen und 13 der PPDK und 14 der APPDK überexprimierenden Kartoffelknollen analysiert. Die einzelnen transgenen Pflanzen waren unabhängige Transformanten (F0-Generation). Die Grafik zeigt einzelne Analysen, da nur Einzelpflanzen nicht aber mehrere Pflanzen einer Linie für die Untersuchung herangezogen werden konnten. Hierdurch ist die unterschiedliche Ausprägung des Effekts bei unabhängigen Transformanten leicht zu erkennen. Jede Probe wurde zweimal gemessen. Dargestellt ist jeweils der Mittelwert beider Messungen. Zusätzlich wurde die Stärkemessung mit zwei unterschiedlichen Probenmengen durchgeführt. Beide Messungen sind aufgeführt (unverdünnt und 1 : 10 verdünnt). Fig. 6. Quantitative determination of metabolic products (starch, sucrose glucose, fructose and malate, Boehringer 1995) of the PPDK overexpressing potato lines. For the analysis, 4 wild-type potato plants and 13 potato tubers overexpressing the PPDK and 14 of the APPDK were analyzed. The individual transgenic plants were independent transformants (F 0 generation). The graphic shows individual analyzes, since only single plants but not several plants in a line could be used for the investigation. This makes it easy to see the difference in the effect of independent transformants. Each sample was measured twice. The mean of both measurements is shown in each case. In addition, the starch measurement was carried out with two different sample quantities. Both measurements are listed (undiluted and diluted 1:10).

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von Pflanzen mit erhöhter Wachstumsrate und erhöhtem Ertrag, dadurch gekennzeichnet, daß in diesen Pflanzen im Cytosol oder in den Plastiden eine zusätzliche Pyruvat, Phosphat Dikinase exprimiert wird und dadurch zusätzliches Phosphoenolpyruvat produziert wird.1. A process for the production of plants with an increased growth rate and increased yield, characterized in that an additional pyruvate, phosphate dikinase is expressed in these plants in the cytosol or in the plastids and additional phosphoenol pyruvate is thereby produced. 2. Verfahren zur Herstellung von Pflanzen mit erhöhter Wachstumsrate und erhöhtem Ertrag, dadurch gekennzeichnet daß in diesen Pflanzen in der Wurzel eine zusätzliche Pyruvat, Phosphat Dikinase exprimiert wird und dadurch zusätzliches Phosphoenolpyruvat produziert wird.2. Process for the production of plants with increased growth rate and increased yield, characterized in that in these plants an additional pyruvate in the root, Phosphate dikinase is expressed and thereby additional phosphoenol pyruvate is produced. 3. Verfahren zur Herstellung von Pflanzen mit erhöhter Wachstumsrate und erhöhtem Ertrag, dadurch gekennzeichnet, daß in diesen Pflanzen in der Knolle oder in der Frucht eine zusätzliche Pyruvat, Phosphat Dikinase (PPDK) exprimiert wird und dadurch zusätzliches Phosphoenolpyruvat produziert wird.3. Process for the production of plants with increased growth rate and increased yield, characterized in that in these plants in the tuber or in the fruit a additional pyruvate, phosphate dikinase (PPDK) is expressed and thereby additional Phosphoenolpyruvat is produced. 4. Verfahren zur Herstellung von Pflanzen mit erhöhter Wachstumsrate und erhöhtem Ertrag, dadurch gekennzeichnet, daß in diesen Pflanzen das chimäre DNA-Konstrukt B33-PPDK enthalten ist.4. Process for the production of plants with increased growth rate and increased yield, characterized in that the chimeric DNA construct B33-PPDK is included. 5. Verfahren zur Herstellung von Pflanzen mit erhöhter Wachstumsrate und erhöhtem Ertrag, dadurch gekennzeichnet, daß in diesen Pflanzen das chimäre DNA-Konstrukt B33-ΔPPDK enthalten ist.5. Process for the production of plants with increased growth rate and increased yield, characterized in that in these plants the chimeric DNA construct B33-ΔPPDK is included. 6. Verfahren zur Herstellung von transgenen Pflanzenzellen, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach einem der Ansprüche 1-5 erhalten werden.6. Process for the production of transgenic plant cells, characterized in that they can be obtained according to any one of claims 1-5. 7. Verfahren zur Herstellung von transgenen Pflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach einem der Ansprüche 1-5 erhalten werden.7. A process for the production of transgenic plants, characterized in that after one of claims 1-5 can be obtained. 8. Verfahren zur Herstellung von transgenen Pflanzen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie Nutzpflanzen darstellen.8. A method for producing transgenic plants according to claim 7, characterized characterized that they are useful plants. 9. Verfahren zur Herstellung von transgenen Kartoffelpflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach einem der Ansprüche 1-5 erhalten werden.9. A process for the production of transgenic potato plants, characterized in that they are obtained according to any one of claims 1-5. 10. Verfahren zur Herstellung von transgenen Tabakpflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach einem der Ansprüche 1-5 erhalten werden.10. A process for the production of transgenic tobacco plants, characterized in that they are obtained according to any one of claims 1-5. 11. Chimäres Gen B33-PPDK, dadurch gekennzeichnet, daß Pflanzen mit erhöhter Wachstumsrate und erhöhtem Ertrag erzeugt werden können.11. Chimeric gene B33-PPDK, characterized in that plants with increased Growth rate and increased yield can be generated. 12. Chimäres Gen B33-ΔPPDK, dadurch gekennzeichnet, daß Pflanzen mit erhöhter Wachstumsrate und erhöhtem Ertrag erzeugt werden können.12. Chimeric gene B33-ΔPPDK, characterized in that plants with increased Growth rate and increased yield can be generated.
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