DE19940270C2 - Process for the production of plants with increased photosynthesis rate - Google Patents

Process for the production of plants with increased photosynthesis rate

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Pflanzen mit gesteigerter Photosyntheserate, umfassend das stabile Integrieren eine Nukleinsäuresequenz, codierend für eine PsaE-Untereinheit des Photosystems I, oder deren Fragment oder Derivat in das Genom von Pflanzenzellen oder Pflanzengeweben, wobei die Nukleinsäuresequenz oder deren Fragment oder Derivat funktional mit einer regulatorischen DNA-Sequenz verbunden ist, die die Expression der integrierten Nukleinsäuresequenz oder deren Fragment oder Derivat steuert, und Regeneration der erhaltenen Pflanzenzellen oder Pflanzengeweben zu Pflanzen.The present invention relates to a process for the production of plants with an increased photosynthesis rate, comprising the stable integration of a nucleic acid sequence coding for a PsaE subunit of Photosystem I, or its fragment or derivative into the genome of plant cells or plant tissues, the nucleic acid sequence or its fragment or derivative is functionally linked to a regulatory DNA sequence that controls the expression of the integrated nucleic acid sequence or its fragment or derivative, and regeneration of the plant cells or plant tissues obtained to plants.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Pflanzen mit gesteigerter Photosyntheserate, umfassend das stabile Integrieren einer Nukleinsäuresequenz, codierend für eine PsaE-Untereinheit des Photosystems I, oder deren Fragment oder Derivat in das Genom von Pflanzenzellen oder Pflanzengeweben, wobei die Nukleinsäuresequenz oder deren Fragment oder Derivat funktional mit einer regulatorischen DNA-Sequenz verbunden ist, die die Expression der integrierten Nukleinsäuresequenz oder deren Fragment oder Derivat steuert, und Regeneration der erhaltenen Pflanzenzellen oder Pflanzengeweben zu Pflanzen.The present invention relates to a method for producing plants with increased Photosynthesis rate comprising the stable integration of a nucleic acid sequence coding for a PsaE subunit of Photosystem I, or its fragment or derivative in the genome of Plant cells or plant tissues, the nucleic acid sequence or its fragment or derivative is operably linked to a regulatory DNA sequence that the Controls expression of the integrated nucleic acid sequence or its fragment or derivative, and Regeneration of the plant cells or plant tissues obtained to plants.

Die Energiegewinnung durch Photosynthese beruht auf der Absorption elektromagnetischer Strahlung durch anregbare Pigmente, wie z. B. Chlorophyll. Die Strahlungsaufnahme führt zur Anhebung eines Elektrons auf ein energiereicheres Niveau. Ein anschließendes, kontrolliertes Absenken des Energieniveaus des angeregten Elektrons über eine definierte Oxidationskette kann vom Organismus zur Energiegewinnung genutzt werden.The energy generation through photosynthesis is based on the absorption of electromagnetic Radiation from excitable pigments, such as B. chlorophyll. The radiation absorption leads to Raising an electron to a higher energy level. A subsequent, controlled one Lowering the energy level of the excited electron via a defined oxidation chain can be used by the organism to generate energy.

An dem photosynthetischen Elektronentransport sind zwei Proteinkomplexe beteiligt, die als Photosystem I (PS I) und Photosystem II (PS II) bezeichnet werden. Die durch Anregung von PS II freigesetzten Elektronen werden im Thylakoidlumen durch einen löslichen Elektronencarrier (Plastocyanin oder Cytochrom c6) zunächst auf das ebenfalls angeregte PS I übertragen, dessen Elektronenlücke dadurch aufgefüllt werden kann. Das oxidierte PS I übernimmt die Elektronen, schleust sie durch die Thylakoidmembran hindurch und überträgt sie auf der Stromaseite an die Elektronencarrier Ferredoxin bzw. Flavodoxin. Flavodoxin ist ein alternativer Elektronenakzeptor bei den meisten Cyanobakterien und Algen. Eine zusammenfassende Beschreibung dieser photosynthetischen Lichtreaktionen findet sich z. B. in: Photosynthesis: a comprehensive treatise, A. S. Raghavendra, ed. (Cambridge University Press, 1998, Seite 29-43, He, W. Z. und Malkin, R.: Photosystems I and II. Two protein complexes, called Photosystem I (PS I) and Photosystem II (PS II), are involved in the photosynthetic electron transport. The electrons released by excitation of PS II are first transferred in the thylakoid lumen by a soluble electron carrier (plastocyanin or cytochrome c 6 ) to the likewise excited PS I, the electron gap of which can thus be filled. The oxidized PS I takes over the electrons, sends them through the thylakoid membrane and transfers them on the stroma side to the electron carrier ferredoxin or flavodoxin. Flavodoxin is an alternative electron acceptor for most cyanobacteria and algae. A summary description of these photosynthetic light reactions can be found e.g. B. in: Photosynthesis: a comprehensive treatise, AS Raghavendra, ed. (Cambridge University Press, 1998, pages 29-43, He, WZ and Malkin, R .: Photosystems I and II.

Das Photosystem I besteht in Cyanobakterien aus wenigstens 11 Untereinheiten, die wie folgt bezeichnet werden: PsaA, PsaB, PsaC, PsaD, PsaE, PsaF, PsaI, PsaJ, PsaK, PsaL und PsaM. In höheren Pflanzen konnten zusätzlich zu den bereits erwähnten Komponenten drei weitere Untereinheiten nachgewiesen werden, die als PsaG, PsaH und PsaN bezeichnet werden; vgl. Knoetzel, J. und Simpson, D. J., (1993), "The primary structure of a cDNA for PsaN, encoding an extrinsic lumenal polypeptide of barley photosystem I, Plant Mol. Biol.", 22, 337-345; Okkels, J. et al., (1992), "A cDNA clone from barley encoding the precursor from the photosystem I polypeptide PSI-G: sequence similarity to PSI-K", Plant Mol. Biol. 18, 989-994; Okkels, J. et al., (1989), "A cDNA clone encoding the precursor for a 10.2 kDa photosystem I polypeptide of barley", FEBS Letters 250, 575-579.Photosystem I consists of at least 11 subunits in cyanobacteria, as follows are referred to: PsaA, PsaB, PsaC, PsaD, PsaE, PsaF, PsaI, PsaJ, PsaK, PsaL and PsaM. In higher plants could do three more in addition to the components already mentioned Subunits are identified, which are referred to as PsaG, PsaH and PsaN; see. Knoetzel, J. and Simpson, D.J., (1993), "The primary structure of a cDNA for PsaN, encoding an extrinsic lumenal polypeptide of barley photosystem I, Plant Mol. Biol. ", 22, 337-345; Okkels, J. et al., (1992) "A cDNA clone from barley encoding the precursor from the photosystem I polypeptide PSI-G: sequence similarity to PSI-K ", Plant Mol. Biol. 18, 989-994; Okkels, J. et al., (1989), "A cDNA clone encoding the precursor for a 10.2 kDa photosystem I polypeptide of barley ", FEBS Letters 250, 575-579.

Die an der Stromaseite der Thylakoidmembran lokalisierte PS-I-Untereinheit PsaE ist am zyklischen Elektronentransport sowie an der Ferredoxin-Bindung beteiligt; vgl. Klukas, O. et al., (1999), "Photosystem I, an improved model of the stromal subunits PsaC, PsaD, and PsaE", J. Biol. Chem. 274, 7351-7360; Yu, L. et al., (1993), "PsaE is required for in vivo cyclic electron flow around photosystem I in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002", Plant Physiology 103, 171-180; Zhao, J. et al., (1993), "Cloning and characterization of the psaE gene of the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002: characterization of a psaE mutant and overproduction of the protein in Escherichia coli", Mol. Microbiol. 9, 183-194; Rousseau, F. et al., (1993), "Evidence for the involvement of PSI-E subunit in the reduction of ferredoxin by photosystem I", Embo J 12, 1755-1765; Sonoike, K. et al., (1993), "Small subunits of Photosystem I reaction center complexes from Synechococcus elongatus. II. The psaE gene product has a role to promote interaction between the terminal electron acceptor and ferredoxin", Biochim Biophys Acta 1141, 52-57; Weber, N. und Strotmann, H., (1993), "On the function of subunit PsaE in chloroplast Photosystem I", Biochim. Biophys. Acta 1143; 204-210.The PS-I subunit PsaE located on the stroma side of the thylakoid membrane is on cyclic electron transport and involved in ferredoxin binding; see. Klukas, O. et al., (1999), "Photosystem I, an improved model of the stromal subunits PsaC, PsaD, and PsaE", J. Biol. Chem. 274, 7351-7360; Yu, L. et al., (1993), "PsaE is required for in vivo cyclic electron flow around photosystem I in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002 ", Plant Physiology 103, 171-180; Zhao, J. et al., (1993), "Cloning and characterization of the psaE gene of the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002: characterization of a psaE mutant and overproduction of the protein in Escherichia coli ", Mol. Microbiol. 9, 183-194; Rousseau, F. et al., (1993), "Evidence for the involvement of PSI-E subunit in the reduction of ferredoxin by photosystem I ", Embo J 12, 1755-1765; Sonoike, K. et al., (1993)," Small subunits of Photosystem I reaction center complexes from Synechococcus elongatus. II. The psaE gene product has a role to promote interaction between the terminal electron acceptor and ferredoxin ", Biochim Biophys Acta 1141, 52-57; Weber, N. and Strotmann, H., (1993), "On the function of subunit PsaE in chloroplast Photosystem I ", Biochim. Biophys. Acta 1143; 204-210.

Das Wachstum von Cyanobakterien mit fehlendem PsaE entspricht unter photoautotrophen Bedingungen dem des Wildtyps, während PsaE-Mutanten bei wenig Licht bzw. CO2 im Vergleich zum Wildtyp verlangsamt wachsen und das Wachstum unter photoheterotrophen Bedingungen vollständig einstellen; vgl. Zhao, J et al. (1993), supra.The growth of cyanobacteria with a lack of PsaE corresponds to that of the wild type under photoautotrophic conditions, while PsaE mutants grow more slowly in low light or CO 2 compared to the wild type and stop growth completely under photoheterotrophic conditions; see. Zhao, J et al. (1993), supra.

PsaE wird in höheren Pflanzen von nukleären Genen kodiert und liegt in mehreren Kopien im Genom vor; vgl. Obokata, J. et al., (1994), "Microheterogeneity of PSI-E subunit of photosystem I in Nicotiana sylvestris". Plant Cell. Physiol. 35, 203-209). Die Nukleinsäuresequenzen der PsaE- Gene und die entsprechenden Aminosäuresequenzen sind in verschiedenen Pflanzenarten z. B. in Nicotiana sylvestris und Hordeum vulgare bekannt. In Arabidopsis thaliana sind bisher zwei psaE-Gene (psaE1 und psaE2) identifiziert worden. Das Gen psaE1 ist auf Chromosom 4 und psaE2 auf Chromosom 2 lokalisiert. Aufgrund des Arabidopsis-Genomprojekts, das die vollständige Sequenzierung des Arabidopsis-Genoms zur Aufgabe hat, konnten über die genomische Sequenz mit Hilfe von Nukleinsäure-Analyseprogrammen die codierenden Sequenzen der beiden psaE-Gene und die daraus abgeleiteten Aminosäuresequenzen ermittelt werden. Die Nukleinsäuresequenz des psaE1-Gens ist unter der GenBank-Accession Nummer AL 035353, Basennummer 52445 bis 53382, zu finden. Die Nukleinsäuresequenz des psaE2- Gens ist unter der GenBank-Accession Nummer AC 006569, Basennummer 74016 bis 75012, auf dem komplementären DNA-Strang zu finden. Funktionsanalysen bezüglich der Aktivität von PsaE in höheren Pflanzen scheiterten bislang daran, daß Mutanten mit defektem psaE-Gen nicht verfügbar waren und ein entsprechender pflanzlicher Phänotyp bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht nachgewiesen werden konnte. Aufgrund der Komplexität der Photosysteme höherer Pflanzen waren die Auswirkungen einer veränderten PsaE-Untereinheit auf die Photosyntheserate bis heute nicht vorhersagbar.PsaE is encoded in higher plants by nuclear genes and is in multiple copies in the Genome before; see. Obokata, J. et al., (1994), "Microheterogeneity of PSI-E subunit of photosystem I in Nicotiana sylvestris ". Plant Cell. Physiol. 35, 203-209). The nucleic acid sequences of the PsaE-  Genes and the corresponding amino acid sequences are found in different plant species e.g. B. in Nicotiana sylvestris and Hordeum vulgare known. So far there are two in Arabidopsis thaliana psaE genes (psaE1 and psaE2) have been identified. The psaE1 gene is on chromosome 4 and psaE2 localized on chromosome 2. Because of the Arabidopsis genome project that the complete sequencing of the Arabidopsis genome was able to do so genomic sequence with the aid of nucleic acid analysis programs Sequences of the two psaE genes and the amino acid sequences derived therefrom were determined become. The nucleic acid sequence of the psaE1 gene is under the GenBank accession number AL 035353, base numbers 52445 to 53382. The nucleic acid sequence of the psaE2- Gens is under GenBank accession number AC 006569, base number 74016 to 75012, found on the complementary strand of DNA. Functional analyzes regarding the activity of PsaE in higher plants have so far failed because mutants with a defective psaE gene have not were available and a corresponding plant phenotype up to the present time could not be proven. Due to the complexity of the photosystems higher Plants were the effects of an altered PsaE subunit on the Photosynthesis rate still unpredictable.

Die Grundversorgung der rasch anwachsenden Weltbevölkerung mit Nahrungsmitteln und pflanzlichen Rohstoffen stellt hohe Anforderungen an die moderne Agrarwirtschaft. Die Verbesserung des pflanzlichen Ertrages durch die traditionelle Züchtung stößt mittlerweile an ihre Grenzen und ist zudem sehr Zeit- und arbeitsintensiv. Einen Ausweg zeigt die moderne Gentechnik auf. Diese erlaubt eine gezielte Modifikation bestimmter Stoffwechselwege durch die Einführung neuer Gensequenzen oder Manipulation von bereits im Organismus vorhandenen Genen. Da bei den gentechnologischen Verfahren die Veränderungen im Erbgut in der Regel genau bekannt sind, lassen sich diese Verfahren zudem meist auf weitere Pflanzenarten übertragen. Dieser Vorteil besteht bei auf klassische Weise gezüchteten Pflanzen nicht. Für entsprechende, übertragbare Verfahren besteht demnach ein erhöhter Bedarf. Eine Ertragssteigerung bei Pflanzen kann so z. B. durch die Erhöhung der Photosyntheserate bewirkt werden; ein Ansatz, der beispielsweise bereits in WO 96/21737 - über eine Expression von deregulierter Fructose-1,6-bisphosphatase - verfolgt wurde. Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß eine veränderte Expression eines endogenen PsaE-Genes zu einer starken Veränderung der Photosyntheserate des veränderten Organismus führt. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ertragssteigerung bei Pflanzen durch Steigerung der photosynthetischen Leistungsfähigkeit bereitzustellen.The basic supply of the rapidly growing world population with food and vegetable raw materials places high demands on modern agriculture. The Improvement in plant yield through traditional breeding is now triggering their limits and is also very time and labor intensive. The modern way shows one way out Genetic engineering. This allows targeted modification of certain metabolic pathways the introduction of new gene sequences or manipulation of existing ones in the organism Genes. As with genetic engineering processes, the changes in the genetic material usually are known exactly, these methods can usually be applied to other plant species transfer. This advantage does not exist with plants grown in the classical way. For Corresponding, transferable processes therefore have an increased need. A Yield increase in plants can, for. B. caused by increasing the rate of photosynthesis become; an approach that, for example, already in WO 96/21737 - on an expression of deregulated fructose-1,6-bisphosphatase - was followed. It was now surprisingly found that an altered expression of an endogenous PsaE gene turned into a strong one Changes in the photosynthesis rate of the changed organism leads. The present The invention is therefore based on the object of a method for increasing the yield in plants by increasing photosynthetic performance.

Die Aufgabe wird durch den in den Patentansprüchen definierten Gegenstand gelöst.The object is achieved by the subject-matter defined in the patent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die folgenden Figuren erläutert.The method according to the invention is illustrated by the following figures.

Fig. 1 zeigt die Nukleinsäuresequenz der psaE1-cDNA aus Arabidopsis thaliana (NCBI Acc-Nr: AJ 245908). Start-ATG und Stopp-Codon sind dabei fett hervorgehoben. Fig. 1 shows the nucleic acid sequence of psaE1 cDNA from Arabidopsis thaliana (NCBI Acc No: AJ 245908). The start ATG and stop codon are highlighted in bold.

Fig. 2 zeigt die aus der psaE1-cDNA von Arabidopsis thaliana abgeleitete Aminosäuresequenz (NCBI Acc-Nr. CAA 22977). Figure 2 shows the amino acid sequence derived from Arabidopsis thaliana psaE1 cDNA (NCBI Acc No. CAA 22977).

Fig. 3 zeigt die Nukleinsäuresequenz des zum psaE1-Gen von Arabidopsis thaliana gehörenden Promotors. Das Start-ATG des zum Promotor gehörenden psaE1-Gens ist fett hervorgehoben. Die Numerierung entspricht der des genomischen BAC-Klons F16A16 (Accession No. AL035353). Fig. 3 shows the nucleic acid sequence of belonging to psaE1 gene of Arabidopsis thaliana promoter. The start ATG of the psaE1 gene belonging to the promoter is highlighted in bold. The numbering corresponds to that of the genomic BAC clone F16A16 (Accession No. AL035353).

Fig. 4A bis D zeigt schematisch das Wuchsverhalten von Arabidopsis thaliana PsaE1- Mutanten im Vergleich zu Wildtyppflanzen. Die PsaE1-Mutanten sind hier abgekürzt als pam4 "photosynthesis affected mutant 4". In A ist das Wachstum von Blattarealen "Plant area" in cm2 für den Zeitraum von Tag 12 bis Tag 21 nach Keimung dargestellt. B zeigt die Wachstumsraten "Growth rate", gemessen als prozentuale Zunahme der Blattfläche innerhalb von zwei Tagen. Unter C sieht man eine Häufigkeitsverteilung der Pflanzen in Bezug auf die Blattfläche. Abbildung D zeigt die Häufigkeitsverteilung von Pflanzen in Bezug auf die Wachstumsrate. FIGS. 4A-D shows schematically the growth behavior of Arabidopsis thaliana PsaE1- mutants compared to wild type plants. The PsaE1 mutants are abbreviated here as pam4 "photosynthesis affected mutant 4". A shows the growth of leaf areas "plant area" in cm 2 for the period from day 12 to day 21 after germination. B shows the growth rate, measured as a percentage increase in the leaf area within two days. C shows a frequency distribution of the plants in relation to the leaf area. Figure D shows the frequency distribution of plants in relation to the growth rate.

Fig. 5A bis C zeigt schematisch die Lichtsättigungskurven von PsaE1-Mutanten und Wildtyppflanzen, gemessen unter verschiedenen Bedingungen anhand der effektiven Quantenausbeute (ΦII = ΔF/FM' = (FM' - FS)/FM') von Photosystem II. Die PsaE1-Mutanten sind hier abgekürzt als pam4 "photosynthesis affected mutant 4". In A sieht man die Lichtsättigungskurve nach 20 Stunden Dunkelinkubation. In B sieht man die Lichtsättigungskurve nach 20 Stunden Dunkelinkubation plus 4 Stunden Belichtung bei 160 µmol Photonen m-2sec-1, gefolgt von 10 min Dunkelinkubation unmittelbar vor der Messung. In C sieht man die Lichtsättigungskurve nach 20 Stunden Dunkelinkubation plus 4 Stunden Belichtung bei 160 µmol Photonen m-2sec-1, gefolgt von 2 Stunden Dunkelinkubation unmittelbar vor der Messung. FIGS. 5A-C schematically shows the light saturation curves of PsaE1 mutants and wild-type plants, measured under various conditions based on the effective quantum yield (ΦII = .DELTA.F / F M '= (F M' - F S) / F M ') of photosystem II. The PsaE1 mutants are abbreviated here as pam4 "photosynthesis affected mutant 4". In A you can see the light saturation curve after 20 hours of dark incubation. B shows the light saturation curve after 20 hours of dark incubation plus 4 hours of exposure at 160 µmol photons m -2 sec -1 , followed by 10 min of dark incubation immediately before the measurement. In C you can see the light saturation curve after 20 hours of dark incubation plus 4 hours of exposure to 160 µmol photons m -2 sec -1 , followed by 2 hours of dark incubation immediately before the measurement.

Fig. 6 zeigt schematisch den Nachweis der psaE1- und psaE2-Transkripte mittels RT-PCR und darauffolgendem Restriktionsverdau. WT bezeichnet den Wildtyp, pam4 die PsaE1-Mutante. Fig. 6 shows schematically the detection of psaE1- and psaE2 transcripts by RT-PCR and subsequent restriction digest. WT denotes the wild type, pam4 the PsaE1 mutant.

Fig. 7 zeigt in einer Übersicht, daß die pam4-Mutation durch die Insertion eines En-Elementes im psaE1-Gen von Arabidopsis thaliana verursacht wurde. Der Insertionsort befindet sich im Intron 1. An der Insertionsstelle findet sich eine typische Duplikation einer 3 Basenpaar langen Zielsequenz (Fett und groß dargestellt). Die Figur zeigt die durch das En-Element hinterlassenen Footprints bei insgesamt 13 germinalen Revertanten (REV #1-13) und einem somatischen Revertantensektor (REV #14). Durch die Insertion hinzugekommene Basen sind fett und klein dargestellt. WT bezeichnet den Wildtyp, pam4 die PsaE1-Mutante. FIG. 7 shows in an overview that the pam4 mutation was caused by the insertion of an en element in the psaE1 gene from Arabidopsis thaliana. The insertion site is in intron 1. At the insertion site there is a typical duplication of a 3 base pair long target sequence (bold and large). The figure shows the footprints left by the En element in a total of 13 germinal revertants (REV # 1-13) and one somatic revertant sector (REV # 14). Bases added by the insertion are shown in bold and small. WT denotes the wild type, pam4 the PsaE1 mutant.

Fig. 8 zeigt schematisch einen Vergleich der Aminosäuresequenzen von PsaE-Proteinen aus Pflanzen, Algen und Cyanobakterien. Die Aminosäuresequenzen von A. thaliana PsaE1 und PsaE2 wurden mit den Aminosäuresequenzen der Psae-Untereinheiten der aufgeführten Organismen verglichen. Der Vergleich ist in drei Teile aufgeteilt, wobei der erste Teil die Domäne der N-terminalen Chloroplasten-Importsequenz umfaßt. Der zweite Teil enthält die zweite N-terminale Domäne, der dritte Teil enthält die C-terminale Domäne, die in höheren Pflanzen, Algen und Cyanobakterien eine hohe Ähnlichkeit besitzt. Identische Aminosäuren sind schwarz unterlegt; nah verwandte Aminosäuren sind grau unterlegt. Fig. 8 shows schematically a comparison of the amino acid sequences of PSAE proteins from plants, algae and cyanobacteria. The amino acid sequences of A. thaliana PsaE1 and PsaE2 were compared with the amino acid sequences of the Psae subunits of the organisms listed. The comparison is divided into three parts, the first part comprising the domain of the N-terminal chloroplast import sequence. The second part contains the second N-terminal domain, the third part contains the C-terminal domain, which is very similar in higher plants, algae and cyanobacteria. Identical amino acids are highlighted in black; closely related amino acids are highlighted in gray.

NCBI-Acc-Nr. A. thaliana E1: CAA22977, A. thaliana E2: AAB21762, Tobacco EA: AAB31704, Tobacco EB: AAB31705, Spinach: CAA32183, Barley: CAA68782, C. reinhardtii: CAA31850, P. purpurea: P29789, C. caldarium: AAB82665, G. theta: AAC35737, O. sinensis: P49482, C. paradoxa: AAA81265, Calothrix 7601: AAB20250, M. laminosus: AAC83370, Nostoc 8009: AAD38024, Synechococcus 7002: AAA27355, Synechococcus 6803: BAA18383.NCBI Acc no. A. thaliana E1: CAA22977, A. thaliana E2: AAB21762, Tobacco EA: AAB31704, Tobacco EB: AAB31705, Spinach: CAA32183, Barley: CAA68782, C. reinhardtii: CAA31850, P. purpurea: P29789, C. caldarium: AAB82665, G. theta: AAC35737, O. sinensis: P49482, C. paradoxa: AAA81265, Calothrix 7601: AAB20250, M. laminosus: AAC83370, Nostoc 8009: AAD38024, Synechococcus 7002: AAA27355, Synechococcus 6803: BAA18383.

Der hier verwendete Ausdruck "homologe Sequenz" bezeichnet eine Nukleinsäure- oder Aminosäuresequenz mit signifikanter Ähnlichkeit zur Vergleichssequenz oder Teilen davon. Als homologe Sequenzen gelten somit Nukleinsäuresequenzen, die mit den Vergleichssequenzen oder Teilen dieser Sequenzen unter stringenten oder wenig stringenten Bedingungen hybridisieren (zu stringenten und wenig stringenten Bedingungen siehe Sambrook et al., "Molecular Cloning", Cold Spring Harbour Laboratory (1989), ISBN 0-87969-309-6). Ein Beispiel für stringente Hybridisierungsbedingungen ist: Hybridisierung in 4 × SSC bei 65°C (alternativ in 50% Formamid und 4 × SSC bei 42°C), gefolgt von mehreren Waschschritten in 0,1 × SSC bei 65°C für insgesamt etwa eine Stunde. Ein Beispiel für wenig stringente Hybridisierungsbedingungen ist Hybridisierung in 4 × SSC bei 37°C, gefolgt von mehreren Waschritten in 1 × SSC bei Raumtemperatur. Als homologe Sequenzen sollen des weiteren Nukleinsäure- oder Aminosäuresequenzen oder Teile davon gelten, die unter Zuhilfenahme des Similaritätsalgorithmus BLAST (Basic Local Alignment Search Tool, Altschul et al., "Journal of Molecular Biology", 215, 403-410 (1990) eine signifikante Ähnlichkeit mit Vergleichssequenzen aufweisen. Als signifikant ähnlich werden, wie hier verwendet, Sequenzen bezeichnet, die z. B. unter Verwendung von Standardparametern im Blast-Service des NCBI ein Signifikanzniveau (Probability) von P < 10-5 aufweisen, wenn sie mit den Vergleichssequenzen verglichen werden.The term "homologous sequence" used here denotes a nucleic acid or amino acid sequence with significant similarity to the comparison sequence or parts thereof. Homologous sequences are therefore nucleic acid sequences which hybridize with the comparison sequences or parts of these sequences under stringent or less stringent conditions (for stringent and less stringent conditions see Sambrook et al., "Molecular Cloning", Cold Spring Harbor Laboratory (1989), ISBN 0 -87969-309-6). An example of stringent hybridization conditions is: Hybridization in 4 × SSC at 65 ° C (alternatively in 50% formamide and 4 × SSC at 42 ° C), followed by several washing steps in 0.1 × SSC at 65 ° C for a total of about one Hour. An example of less stringent hybridization conditions is hybridization in 4 × SSC at 37 ° C., followed by several washing steps in 1 × SSC at room temperature. The homologous sequences are further to be considered nucleic acid or amino acid sequences or parts thereof which, with the aid of the BLAST similarity algorithm (Basic Local Alignment Search Tool, Altschul et al., "Journal of Molecular Biology", 215, 403-410 (1990)) are significant Similarity as used here refers to sequences which, for example, using standard parameters in the blast service of the NCBI, have a level of significance (probability) of P <10 -5 when compared with the comparison sequences be compared.

Der hier verwendete Ausdruck "Derivate" bezeichnet Nukleinsäuresequenzen, die Modifikationen in Form von einer oder mehreren Deletionen, Substitutionen, Additionen, Insertionen und/oder Inversionen aufweisen. Derivat bedeutet ferner, daß eine Nukleinsäuresequenz zusammengesetzt ist aus einem oder mehreren Nukleinsäurefragmenten eines Gens und einem oder mehreren Nukleinsäurefragmenten eines oder mehrerer, anderer Gene. Die einzelnen Domänen können dabei sowohl unmodifiziert als auch modifiziert sein.The term "derivatives" used here denotes nucleic acid sequences that Modifications in the form of one or more deletions, substitutions, additions, Have insertions and / or inversions. Derivative also means that a Nucleic acid sequence is composed of one or more nucleic acid fragments a gene and one or more nucleic acid fragments of one or more others Genes. The individual domains can be both unmodified and modified.

Der hier verwendete Ausdruck "funktionell verbunden" bedeutet, daß eine regulatorische Sequenz wie ein Promotor die Expression eines Gens steuert oder das eine Nukleinsäuresequenz von dem Promotor ausgehend exprimiert wird.The term "functionally linked" as used herein means that a regulatory Sequence like a promoter controls the expression of a gene or a nucleic acid sequence is expressed starting from the promoter.

Der hier verwendete Ausdruck "Vektor" bezeichnet natürlich vorkommende oder künstlich erschaffene Konstrukte zur Aufnahme, Vermehrung, Expression oder Übertragung von Nukleinsäuren, z. B. Plasmide, Phagemide, Cosmide, künstliche Chromosomen, Bakteriophagen, Viren, Retroviren.The term "vector" used here means naturally occurring or artificial created constructs for the uptake, multiplication, expression or transfer of Nucleic acids, e.g. B. plasmids, phagemids, cosmids, artificial chromosomes, bacteriophages, Viruses, retroviruses.

Der hier verwendete Ausdruck "Expressionssystem" bezeichnet jedwede Kombination von Vektoren, Restriktionsenzymen, Transformationsmethoden, Zellextrakten, lebenden Zellen z. B. prokaryontischen oder eukaryontischen Zellen oder Organismen mit dem Zweck der endogenen oder exogenen Expression von Genen.The term "expression system" as used herein means any combination of Vectors, restriction enzymes, transformation methods, cell extracts, living cells e.g. B. procaryotic or eukaryotic cells or organisms with the purpose of endogenous or exogenous expression of genes.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Pflanzen mit gesteigerter Photosyntheserate, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
a) stabiles Integrieren einer Nukleinsäuresequenz, codierend für eine PsaE-Untereinheit des PS I, oder deren Fragment oder Derivat in das Genom von Pflanzenzellen oder Pflanzengeweben, wobei die Nukleinsäuresequenz oder deren Fragment oder Derivat funktional mit einer regulatorischen DNA-Sequenz verbunden ist, die die Expression der integrierten Nukleinsäuresequenz oder deren Fragment oder Derivat steuert, und
b) Regeneration der erhaltenen Pflanzenzellen oder Pflanzengeweben zu Pflanzen. Aufgrund der gesteigerten Photosyntheserate wird die Biomasseproduktion und somit der Ertrag der Pflanzen gesteigert.
One aspect of the invention relates to a method for producing plants with an increased photosynthesis rate, the method comprising the steps:
a) stable integration of a nucleic acid sequence coding for a PsaE subunit of PS I, or its fragment or derivative into the genome of plant cells or plant tissues, the nucleic acid sequence or its fragment or derivative being functionally linked to a regulatory DNA sequence which Controls expression of the integrated nucleic acid sequence or its fragment or derivative, and
b) regeneration of the plant cells or plant tissues obtained to plants. Due to the increased photosynthesis rate, the biomass production and thus the yield of the plants is increased.

Bei der Nukleinsäuresequenz kann es sich erfindungsgemäß um jedes beliebige psaE-Gen handeln, beispielsweise um solches aus Pflanzen, Algen oder Cyanobakterien. Bevorzugte Nukleinsäuresequenzen, die für eine PsaE-Untereinheit des PS I kodieren, sind z. B. von den folgenden Organismen bekannt: Arabidopsis thaliana, psaE1-Gen (Genbank Accession Nummer: AL 035353, Base 52445 bis 53382), Arabidopsis thaliana, psaE2-Gen (Genbank Accession Nummer: AC 006569, Base komplementär zu 74016 bis 75012), Glycine max, ESTs mit erkannter Homologie zu psaE aus Spinacia oleracea (Genbank Accession Nummern: AI 431141, AI 431199, AI 437768, AI 495553), Mesembryanthemum crystallinum, EST mit erkannter Homologie zu psaE (Genbank Accession Nummer: AA689212), Spinacia oleracea psaE-mRNA (Genbank Accession Nummer: X14018), Mastigocladus laminosus, psaE-Gen (Genbank Accession Nummer: AF093820, Base 291 bis 506), Yersinia pseudotuberculosis, psaE-Gen (Genbank Accession Nummer: L76301, Base 397 bis 1041), Synechococcus elongatus, psaE-Gen (Genbank Accession Nummer: Y10290, Base 248 bis 478), Hordeum vulgare, psaE-mRNA (Genbank Accession Nummer: Y00966), Porphyra purpurea, psaE-Gen (Genbank Accession Nummer: X60434, Base 274 bis 462), Synechococcus sp. PCC 7002, psaE- Gen (Genbank Accession Nummer: M99379), Nostoc PCC 8009, psaE-Gen (Genbank Accession Nummer: AF148219), Nicotiana sylvestris, psaE A-mRNA (Genbank Accession Nummer: S72356), Nicotiana sylvestris, psaE-B-mRNA (Genbank Accession Nummer: S72358), Chlamydomonas reinhardtii, mRNA für 8,1 kd P30 Protein des Photosystems I, entspricht psaE (Genbank Accession Nummer: X13496), Cyanidium caldarium, psaE-Gen (Genbank Accession Nummer: AF 022186, Base 42464 bis 42673), Guillardia theta, psaE-Gen (Genbank Accession Nummer: AF 041468, Base komplementär zu 116666 bis 116860).According to the invention, the nucleic acid sequence can be any psaE gene act, for example from plants, algae or cyanobacteria. preferred Nucleic acid sequences coding for a PsaE subunit of PS I are e.g. B. of the known to the following organisms: Arabidopsis thaliana, psaE1 gene (Genbank Accession Number: AL 035353, base 52445 to 53382), Arabidopsis thaliana, psaE2 gene (Genbank Accession number: AC 006569, base complementary to 74016 to 75012), Glycine max, ESTs with recognized homology to psaE from Spinacia oleracea (Genbank accession numbers: AI 431141, AI 431199, AI 437768, AI 495553), Mesembryanthemum crystallinum, EST with recognized homology to psaE (Genbank Accession Number: AA689212), Spinacia oleracea psaE mRNA (Genbank Accession Number: X14018), Mastigocladus laminosus, psaE gene (Genbank accession number: AF093820, base 291 to 506), Yersinia pseudotuberculosis, psaE gene (Genbank Accession Number: L76301, Base 397 to 1041), Synechococcus elongatus, psaE gene (Genbank Accession Number: Y10290, Base 248 to 478), Hordeum vulgar, psaE mRNA (Genbank Accession Number: Y00966), Porphyra purpurea, psaE gene (Genbank Accession Number: X60434, Base 274 to 462), Synechococcus sp. PCC 7002, psaE- Gen (Genbank Accession Number: M99379), Nostoc PCC 8009, psaE gene (Genbank Accession number: AF148219), Nicotiana sylvestris, psaE A-mRNA (Genbank Accession Number: S72356), Nicotiana sylvestris, psaE-B mRNA (Genbank Accession number: S72358), Chlamydomonas reinhardtii, mRNA for 8.1 kd P30 protein of photosystem I, corresponds to psaE (Genbank Accession Number: X13496), Cyanidium caldarium, psaE gene (Genbank accession number: AF 022186, base 42464 to 42673), Guillardia theta, psaE gene (Genbank accession number: AF 041468, base complementary to 116666 to 116860).

Für das erfindungsgemäße Verfahren können endogene oder exogene Nukleinsäuresequenzen, die eine PsaE-Untereinheit des PS I codieren, verwendet werden. Endogen bedeutet, das die Nukleinsäuresequenz aus dem gleichen Organismus stammt, in den sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren integriert wird, z. B. ein psaE-Gen aus Arabidopsis thaliana wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in Arabidopsis thaliana integriert. Exogen bedeutet, daß die Nukleinsäuresequenz aus einem anderen Organismus stammt, z. B. eine Nukleinsäuresequenz aus Arabidopsis thaliana wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in z. B. Weizen integriert. Nach der stabilen Integration der transformierten Nukleinsäuresequenz liegen dann zwei oder mehr psaE-Gene im Genom vor. Aufgrund der mit der Nukleinsäuresequenz funktional verbundenen, regulatorischen DNA-Sequenz liegt ferner eine gesteigerte Expression der PsaE- Gene vor. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Nukleinsäuresequenzen gegenüber den natürlich vorkommenden Nukleinsäuresequenzen Deletionen, Substitutionen, Additionen, Insertionen und/oder Inversionen auf. Es können somit auch Fragmente oder Derivate der natürlicherweise vorkommenden psaE-Gene für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden.Endogenous or exogenous nucleic acid sequences, encoding a PS I PsaE subunit can be used. Endogenous means that the Nucleic acid sequence comes from the same organism in which it is associated with the the inventive method is integrated, for. B. is a psaE gene from Arabidopsis thaliana integrated with the method according to the invention in Arabidopsis thaliana. Exogenous means that the nucleic acid sequence comes from another organism, e.g. B. a nucleic acid sequence from Arabidopsis thaliana with the method according to the invention in z. B. Wheat integrated. After the stable integration of the transformed nucleic acid sequence there are two or more psaE genes in the genome. Because of the functional with the nucleic acid sequence linked, regulatory DNA sequence there is also an increased expression of the PsaE  Genes before. In a preferred embodiment, the nucleic acid sequences face each other the naturally occurring nucleic acid sequences deletions, substitutions, additions, Insertions and / or inversions. Fragments or derivatives of the naturally occurring psaE genes are used for the method according to the invention become.

Ein Vergleich der Aminosäuresequenzen von PsaE-Untereinheiten des PS I aus höheren Pflanzen, Algen und Cyanobakterien ergab, daß die Proteine aus drei Domänen aufgebaut sind. PsaE aus Algen (ohne Grünalgen) und Cyanobakterien entspricht der C-terminalen Domäne aus höheren Pflanzen und Grünalgen mir etwa 60 Aminosäuren. Zusätzlich besitzen höhere Pflanzen und Grünalgen eine Chloroplasten-Importsequenz und eine zweite N-terminale Domäne mit etwa 40 Aminosäuren. Die C-terminale Domäne ist hoch konserviert zwischen beiden PsaE- Proteinen in Arabidopsis thaliana und darüber hinaus bei allen bekannten Pflanzen-, Algen- und Cyanobakterien-PsaE-Proteinen. Die zweite N-terminale Domäne ist dagegen relativ variabel. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Nukleinsäuresequenz verwendet, die aus Nukleinsäurefragmenten verschiedener psaE-Gene zusammengesetzt ist. Die Nukleinsäuresequenz kann z. B. aus der Chloroplasten-Importsequenz- Domäne von Arabidopsis thaliana, der zweiten N-terminalen Domäne von Mais und der C- terminalen Domäne von Arabidopsis thaliana zusammengesetzt sein. Die drei Domänen können auch von drei verschiedenen psaE-Genen stammen. Die Nukleinsäuresequenz kann ferner Modifikationen wie Deletionen, Additionen oder Substitutionen enthalten. Die Verfahren zur Herstellung solcher Nukleinsäuresequenzen sind Stand der Technik und vom Fachmann leicht durchzuführen.A comparison of the amino acid sequences of PsaE subunits of PS I from higher ones Plants, algae and cyanobacteria showed that the proteins are made up of three domains. PsaE from algae (without green algae) and cyanobacteria corresponds to the C-terminal domain higher plants and green algae with about 60 amino acids. They also have higher plants and green algae with a chloroplast import sequence and a second N-terminal domain about 40 amino acids. The C-terminal domain is highly conserved between the two PsaE Proteins in Arabidopsis thaliana and beyond in all known plants, algae and Cyanobacteria PSAE proteins. The second N-terminal domain, however, is relatively variable. In a preferred embodiment of the method according to the invention is a Nucleic acid sequence used that consists of nucleic acid fragments of various psaE genes is composed. The nucleic acid sequence can e.g. B. from the chloroplast import sequence Domain of Arabidopsis thaliana, the second N-terminal domain of maize and the C- terminal domain of Arabidopsis thaliana. The three domains can also come from three different psaE genes. The nucleic acid sequence can also Contain modifications such as deletions, additions or substitutions. The procedures for The preparation of such nucleic acid sequences is state of the art and easy for the person skilled in the art perform.

Die mit der Nukleinsäuresequenz funktional verbundene, regulatorische DNA-Sequenz, z. B. ein Promotor, kann sowohl die mit der Nukleinsäuresequenz endogen vorliegende, regulatorische DNA-Sequenz als auch jede andere, regulatorische DNA-Sequenz sein. Die regulatorische DNA-Sequenz kann ein PsaE-Promotor, insbesondere der für die Pflanze endogene PsaE-Promotor oder der zu den vorstehend aufgeführten psaE-Genen natürlicherweise gehörende PsaE-Promotor sein. Die regulatorische DNA- Sequenz kann sowohl ein endogener Promotor des zu transformierenden Organismus oder ein exogener Promotor sein, der sich z. B. auf dem verwendeten Vektor befindet. Als Promotor ist dabei grundsätzlich jede regulatorische Sequenz geeignet, die die Expression von Fremdgenen in Organsimen, z. B. Pflanzen, steuern kann, z. B. der CaMV-35S-Promotor aus dem Blumenkohl- Mosaik-Virus; vgl. Franck et al., "Cell", 21, 285-294 (1980). Die Expression der Nukleinsäuresequenzen kann auch durch einen chemisch induzierbaren Promotor erreicht werden. Beispiele für chemisch induzierbare Promotoren sind der PRPI-Promotor (Ward et al., "Plant Molecular Biology", 22, 361-366 (1993)), ein durch Salizylsäure induzierbarer Promotor (WO 95/19443), ein durch Benzolsulfonamid induzierbarer Promotor (EP-A 388186), ein durch Tetrazyklin induzierbarer Promotor (Gatz et al., "Plant Journal", 2, 397-404 (1992)), ein durch Abscisinsäure induzierbarer Promotor (EP-A 335528) oder ein durch Ethanol oder Cyclohexanon induzierbarer Promotor (WO 93/21334). Je nach gewünschtem Expressionsort können auch Promotoren verwendet werden, die z. B. in bestimmten Pflanzengeweben oder Pflanzenteilen aktiv sind. Beispiele für entsprechende Promotoren sind der Phaseolin-Promotor (US 5504200), der Isoflavon-Reduktase-Promotor (US 5750399), ein samenspezifischer Promotor, z. B. aus Tabak (US 5824863) oder der ST-LSI-Promotor aus Kartoffel (Stockhaus et al., (1989), "EMBO" J 8, 2445-2452).The regulatory DNA sequence functionally linked to the nucleic acid sequence, e.g. B. a Promoter, both the regulatory endogenously present with the nucleic acid sequence DNA sequence as well as any other regulatory DNA sequence. The regulatory DNA sequence can be a PsaE promoter, especially that for the plant endogenous PsaE promoter or of the psaE genes listed above naturally belonging to the PsaE promoter. The regulatory DNA Sequence can be either an endogenous promoter of the organism to be transformed or a be an exogenous promoter, e.g. B. is on the vector used. As a promoter in principle, any regulatory sequence suitable for the expression of foreign genes in Organisms, e.g. B. plants can control, e.g. B. the CaMV-35S promoter from the cauliflower Mosaic virus; see. Franck et al., "Cell", 21: 285-294 (1980). The expression of the Nucleic acid sequences can also be achieved by a chemically inducible promoter become. Examples of chemically inducible promoters are the PRPI promoter (Ward et al.,  "Plant Molecular Biology", 22, 361-366 (1993)), a salicylic acid inducible promoter (WO 95/19443), a promoter inducible by benzenesulfonamide (EP-A 388186), a by Tetracycline inducible promoter (Gatz et al., "Plant Journal", 2, 397-404 (1992)), a by Abscisic acid inducible promoter (EP-A 335528) or an ethanol or Cyclohexanone inducible promoter (WO 93/21334). Depending on the desired expression location promoters can also be used, e.g. B. in certain plant tissues or Plant parts are active. Examples of corresponding promoters are the phaseolin promoter (US 5504200), the isoflavone reductase promoter (US 5750399), a seed-specific Promoter, e.g. B. from tobacco (US 5824863) or the ST-LSI promoter from potato (Stockhaus et al., (1989) "EMBO" J 8, 2445-2452).

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf alle beliebigen Organismen anwenden. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Steigerung des Ertrags von mono- und dikotylen Pflanzen sowie Algen und Cyanobakterien einsetzbar. Besonders bevorzugte Pflanzen sind dabei Kulturpflanzen z. B., Soja, Reis, Baumwolle, Zuckerrübe, Canola, Sonnenblume, Flachs, Hanf, Kartoffel, Tabak, Tomate, Raps, Alfalfa, Salat, Erbse, Bohne, Karotte, Zwiebel, die verschiedenen Baum, Nuß- und Weinspezies, ferner Getreide z. B. Gerste, Weizen, Roggen, Hafer, Mais, ferner Obstsorten z. B. Mango, Apfel, Pfirsich, Stachelbeere, Johannisbeere, Banane, Melone, Kürbis und Zitrusfrüchte z. B. Zitrone, Apfelsine, Pampelmuse oder Mandarine. Die mit der Nukleinsäuresequenz transformierten Pflanzen können unmodifizierte Wildtyppflanzen oder durch Züchtung erhaltene Pflanzen oder modifizierte Pflanzen z. B. transgene Pflanzen sein. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner nicht nur in Pflanzen oder Pflanzengeweben sondern auch in Pflanzenzellen z. B. in einer Zellkultur oder in Expressionssystemen zur Veränderung der Expressionsmuster von psaE-Genen oder Derivaten oder Homologen dieser Gene, verwendet werden.The method according to the invention can be applied to any organisms. In particular, the inventive method for increasing the yield of mono- and dicotyledonous plants as well as algae and cyanobacteria can be used. Particularly preferred plants are crops z. B., soy, rice, cotton, sugar beet, canola, sunflower, Flax, hemp, potato, tobacco, tomato, rapeseed, alfalfa, lettuce, pea, bean, carrot, onion, the various tree, nut and wine species, also cereals z. B. barley, wheat, rye, Oats, corn, and other types of fruit such. B. mango, apple, peach, gooseberry, currant, Banana, melon, pumpkin and citrus z. As lemon, orange, grapefruit or tangerine. The plants transformed with the nucleic acid sequence can be unmodified Wild type plants or plants obtained by breeding or modified plants z. B. be transgenic plants. The inventive method can also not only in plants or Plant tissues but also in plant cells z. B. in a cell culture or in Expression systems for changing the expression pattern of psaE genes or derivatives or homologues of these genes can be used.

Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Pflanzen mit besonderen stabilen Eigenschaften genutzt werden. Beispiele hierfür sind Pflanzen mit günstigem Wachstum unter suboptimalen Bedingungen. Entsprechende Pflanzen können beispielsweise bei allgemeinem, abiotischem Streß, z. B. besonders viel bzw. wenig Licht, bei extrem hohen oder niedrigen Temperaturen oder bei Kombinationen dieser oder anderer Streßfaktoren eingesetzt werden.Furthermore, the method according to the invention for the production of plants with special stable properties can be used. Examples of this are plants with favorable growth under suboptimal conditions. Corresponding plants can, for example general, abiotic stress, e.g. B. particularly a lot or little light, at extremely high or low temperatures or combinations of these or other stress factors become.

Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren zur temporären Regulation der Photosyntheserate geeignet, indem der psaE-spezifische Promotor gegen einen induzierbaren Promotor ausgetauscht wird. Durch eine entsprechende Induktion der Photosynthese kann z. B. auf Perioden mit besonderen Lichtverhältnissen reagiert werden.In addition, the method according to the invention is for the temporary regulation of the photosynthesis rate  suitable by the psaE-specific promoter against an inducible promoter is exchanged. By appropriate induction of photosynthesis z. B. on Periods with special lighting conditions are reacted to.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine transformierte Pflanzenzelle oder ein transformiertes Pflanzengewebe, in der die für ein Genprodukt kodierende Nukleinsäuresequenz und die damit funktional verbundene, regulatorische DNA-Sequenz stabil integriert sind. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine durch das erfindungsgemäße Verfahren veränderte Pflanzenzelle oder ein verändertes Pflanzengewebe, die oder das zu einer samenproduzierenden Pflanze regenerierbar ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Pflanze, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Saatgut, das von Pflanzen erhalten wird, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden. Die Erfindung betrifft ferner die von den Pflanzen produzierten Früchte, z. B. Obst, Beeren, Kartoffeln und Trauben.The present invention further relates to a transformed plant cell or a transformed plant tissue in which the nucleic acid sequence coding for a gene product and the functionally connected, regulatory DNA sequence are stably integrated. Further The present invention relates to a modified by the inventive method Plant cell or an altered plant tissue that or that becomes a seed-producing Plant is regenerable. In particular, the present invention relates to a plant according to the method of the invention is available. The present invention further relates to Seed obtained from plants obtained by the process according to the invention become. The invention further relates to the fruits produced by the plants, e.g. B. fruit, Berries, potatoes and grapes.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Vektoren, umfassend eine Nukleinsäuresequenz, die eine PsaE-Untereinheit des PS I codiert, oder deren Fragment oder Derivat und eine regulatorische DNA-Sequenz.The present invention further relates to vectors comprising a nucleic acid sequence which encodes a PS I PsaE subunit, or its fragment or derivative and one regulatory DNA sequence.

Geeignete Vektoren zur Aufnahme und Überführung der Nukleinsäuresequenzen können die Vermehrung und/oder die Expression der aufgenommenen Nukleinsäuren in Einzellern wie z. B. Escherichia coli oder Agrobacterium tumefaciens oder in Pflanzenzellen, Pflanzengeweben oder Pflanzen gewährleisten. Entsprechende Vektoren können natürlich vorkommen oder aber künstlich hergestellt sein. Die Vektoren können Selektionsmarker, Terminatorsequenzen, Polylinker, Promotorelemente, Enhancer, Polyadenylierungsstellen und andere, genetische Elemente umfassen. Zur Klonierung geeignete Vektoren sind z. B. pBluescript, Plasmide der pUC-Serie, Plasmide der pGEM-Reihe oder auf dem Bakteriophagen λ basierende Vektoren. Ein zur Verwendung in Agrobacterium benutzter Plasmidvektor ist z. B. pBin19; vgl. Bevan et al., (1984), "Nucleic Acids Research", 12, 8711-8721. Zur Transformation und Expression in Pflanzen stellen auf dem Ti-Plasmid von Agrobacterium-Arten oder auf Pflanzenviren aufbauende Konstrukte verwendungsfähige Vektoren dar und sind dem Fachmann bekannt. Des weiteren werden bei bestimmten Transformationsmethoden wie z. B. Mikroinjektion, Protoplasten- Transformation und Einschießen (microprojectile bombardment) anstelle von Ti-Plasmiden auch obengenannte Klonierungsvektoren oder linearisierte DNA eingesetzt. Eine zusammenfassende Beschreibung bislang benutzter Vektoren findet sich in Guerineau und Mullineaux, "Plant Transformation and Expression Vectors, in: Plant Molecular Biology Labfax", herausgegeben von Croy, Oxford, BIOS Scientific Publishers, 121-148 (1993).Suitable vectors for recording and transferring the nucleic acid sequences can be the Propagation and / or expression of the nucleic acids taken up in single cells such as. B. Escherichia coli or Agrobacterium tumefaciens or in plant cells, plant tissues or Ensure plants. Corresponding vectors can of course occur or else be made artificially. The vectors can contain selection markers, terminator sequences, Polylinkers, promoter elements, enhancers, polyadenylation sites and other genetic Include items. Vectors suitable for cloning are e.g. B. pBluescript, plasmids of pUC series, plasmids of the pGEM series or vectors based on the bacteriophage λ. On plasmid vector used in Agrobacterium is e.g. B. pBin19; see. Bevan et al., (1984) "Nucleic Acids Research", 12, 8711-8721. For transformation and expression in plants places on the Ti plasmid of Agrobacterium species or on plant viruses Constructs represent usable vectors and are known to the person skilled in the art. Furthermore are used in certain transformation methods such. B. microinjection, protoplast Transformation and injection (microprojectile bombardment) instead of Ti plasmids too above-mentioned cloning vectors or linearized DNA used. A summary  A description of the vectors used to date can be found in Guerineau and Mullineaux, "Plant Transformation and Expression Vectors, in: Plant Molecular Biology Labfax ", published by Croy, Oxford, BIOS Scientific Publishers, 121-148 (1993).

Einige der in üblichen Transformations- und Expressionssystemen angewendeten Transformationsmethoden zur Übertragung von Fremdgenen (Transformation) in das Genom von Pflanzen werden im folgenden vorgestellt. Die Wahl der Methode zur Einbringung der Nukleinsäuresequenzen und der mit ihr funktional verbundenen, regulatorischen DNA- Sequenzen in pflanzliche Zellen ist jedoch nicht auf diese Liste beschränkt. Bislang eingesetzte Transformationsverfahren bei Pflanzen sind z. B. der Gentransfer mittels Agrobacterium tumefaciens (z. B. durch Baden von Samen oder Blattstückchen in einer Agrobakterienlösung), mittels pflanzlicher Viren, durch Elektroporation, durch Einschießen (microprojectile bombardment) oder Einspritzen (Mikroinjektion) sowie die Inkubation von trockenen Embryonen in DNA-haltigen Flüssigkeiten und die Transformation von Protoplasten unter Zuhilfenahme von Polyethylenglykol. Genauere Beschreibungen der angesprochenen Verfahren finden sich z. B. in Jens et al., "Techniques for Gene Transfer, in: Transgenic Plants", Vol. 1, Engineering and Utilization, herausgegeben von Kung und Wu, Academic Press 128-143 (1993).Some of those used in common transformation and expression systems Transformation methods for the transfer of foreign genes (transformation) into the genome of plants are presented below. Choosing the method of contributing Nucleic acid sequences and the regulatory DNA functionally linked to it However, sequences in plant cells are not limited to this list. So far used Transformation processes in plants are e.g. B. the gene transfer by means of Agrobacterium tumefaciens (e.g. by bathing seeds or pieces of leaves in an agrobacterial solution), by means of plant viruses, by electroporation, by shooting (microprojectile bombardment) or injection (microinjection) and the incubation of dry Embryos in DNA-containing liquids and the transformation of protoplasts underneath With the help of polyethylene glycol. More detailed descriptions of the methods mentioned can be found e.g. B. in Jens et al., "Techniques for Gene Transfer, in: Transgenic Plants", Vol. 1, Engineering and Utilization, edited by Kung and Wu, Academic Press 128-143 (1993).

BEISPIELEEXAMPLES

Die Erfindung wird durch die nun folgenden Beispiele erläutert, ist aber nicht auf diese beschränkt:The invention is illustrated by the examples which now follow, but is not limited to these limited:

Beispiel 1example 1 Allgemeine KlonierungsverfahrenGeneral cloning procedures

Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Klonierungsschritte, wie z. B. Restriktionsspaltungen, Agarose-Gelelektrophorese, Reinigung von Nukleinsäurefragmenten, Transfer von Nukleinsäuren auf Filtermaterialien, Transformation und Anzucht von Bakterienzellen, Sequenzierungen, PCR etc. wurden wie bei Sambrook et al., (1989), "Molecular Cloning", Cold Spring Harbour Laboratory, ISBN 0-87969-309-6, durchgeführt.The cloning steps carried out in the context of the present invention, such as. B. Restriction cleavages, agarose gel electrophoresis, purification of nucleic acid fragments, Transfer of nucleic acids to filter materials, transformation and cultivation of Bacterial cells, sequencing, PCR etc. were described as in Sambrook et al., (1989), "Molecular Cloning, Cold Spring Harbor Laboratory, ISBN 0-87969-309-6.

Beispiel 2Example 2 Herstellung einer Knockout-Population von Arabidopsis thalianaGeneration of a knockout population of Arabidopsis thaliana

PsaE1-Mutanten wurden durch das Screening einer mit dem Transposon En-1/Spm (Pereira et al., (1986), "EMBO" J 5, 835-841) mutagenisierten Knockout-Population von Pflanzen der Spezies Arabidopsis thaliana Ecotyp Columbia erhalten. Die Integration der transposablen Elemente in Gene der Mutterpflanze führt häufig zum Ausfall der entsprechenden Genfunktion und in vielen Fällen zu einem vom Wildtyp unterscheidbaren Erscheinungsbild der betroffenen Pflanze. Zum Aufbau der Knockout-Population wurde das autonome En-1-Element aus Zea mays mittels Agrobacterium tumefaciens in Arabidopsis übertragen. Das entsprechende Transposon tagging- System ist in Cardon et al., (1993), "Plant Molecular Biology", 23, 157-178, beschrieben. Das verwendete Ti-Plasmid, pGV3850HPT::pkEn2, beinhaltete das komplette En-1-Element. Zur Selektion von Hygromycin-resistenten Transformanten trägt dieser Vektor das HPT-Gen unter der Kontrolle des viralen CaMV-35S-Promotors. Samen einer Transformante mit einer einzelnen T-DNA-Insertion wurden auf Hygromycin-haltigem Medium ausgesät. Samen der so entstandenen, gegen Hygromycin-resistenten Pflanzen (T2-Generation) wurden anschließend auf Kanamycin-haltigem Medium ausgesät. Bei den auf diese Weise selektionierten Pflanzen (T3- Generation) war das En-1-Element aus der T-DNA heraus transponiert. Mittels PCR wurden diejenigen Pflanzen der T4-Generation identifiziert, die ein oder mehrere transponierte En-1- Elemente, jedoch keine En-1-Elemente mehr in der T-DNA trugen. Diese Pflanzen beinhalteten jedoch noch die T-DNAs ohne integrierte En-1-Elemente. Zur Erzeugung von En-1-positiven, T- DNA-negativen Pflanzen wurde die T4-Generation mit dem Wildtyp Arabidopsis thaliana Ecotyp Columbia gekreuzt und En-1-positive, T-DNA-negative Pflanzen (S0-Generation) durch PCR identifiziert. Samen jeder dieser Pflanzen wurden über 6-12 Generationen (bis zur S6- bzw. S12-Generation) hinweg vermehrt, bis insgesamt 3.000 Linien mit insgesamt 15.000 unabhängigen En-1-Insertionen zur Verfügung standen; vgl. Wisman et al., (1998), "Plant Molecular Biology", 37, 989-999; Baumann et al., (1998), "Theoretical and Applied Genetics", 97, 729-734.PsaE1 mutants were obtained by screening a knockout population of plants of the species Arabidopsis thaliana Ecotyp Columbia mutagenized with the transposon En-1 / Spm (Pereira et al., (1986), "EMBO" J 5, 835-841). The integration of the transposable elements into genes of the mother plant often leads to the failure of the corresponding gene function and in many cases to a wild-type appearance of the affected plant. To build up the knockout population, the autonomous En-1 element from Zea mays was transferred to Arabidopsis using Agrobacterium tumefaciens. The corresponding transposon tagging system is described in Cardon et al., (1993), "Plant Molecular Biology", 23, 157-178. The Ti plasmid used, pGV3850HPT :: pkEn2, contained the complete En-1 element. For the selection of hygromycin-resistant transformants, this vector carries the HPT gene under the control of the viral CaMV-35S promoter. Seeds of a transformant with a single T-DNA insert were sown on hygromycin-containing medium. Seeds of the resulting hygromycin-resistant plants (T 2 generation) were then sown on a medium containing kanamycin. In the plants selected in this way (T 3 generation), the En-1 element was transposed out of the T-DNA. Those plants of the T 4 generation were identified by means of PCR which carried one or more transposed En-1 elements but no longer any En-1 elements in the T-DNA. However, these plants still contained the T-DNAs without integrated En-1 elements. To generate En-1-positive, T-DNA-negative plants, the T 4 generation was crossed with the wild-type Arabidopsis thaliana ecotype Columbia and En-1-positive, T-DNA-negative plants (S 0 generation) by PCR identified. Seeds from each of these plants were propagated over 6-12 generations (up to the S 6 or S 12 generation) until a total of 3,000 lines with a total of 15,000 independent En-1 inserts were available; see. Wisman et al., (1998) Plant Molecular Biology, 37, 989-999; Baumann et al., (1998) "Theoretical and Applied Genetics", 97, 729-734.

Beispiel 3Example 3 Screening nach Mutanten mit veränderter PhotosyntheseleistungScreening for mutants with altered photosynthetic performance

Samen der En-Population von Arabidopsis thaliana wurden in Plastikbehältern auf "Minitray"- Erde (Gebr. Patzer GmbH & Co KG, D-36391, Sinntal-Jossa, Deutschland) ausgesät und zur Überwindung der Samenruhe 3 Tage bei 2-5°C im Dunkeln inkubiert. Die Keimlinge wurden im Gewächshaus unter Langtag-Bedingungen (16 Stunden Lichtdauer) angezogen. Zum Screening nach Photosynthesemutanten wurden die Pflanzbehälter 3-4 Wochen nach der Keimung in einen Klimaraum mit Kurztag-Bedingungen (10,5 Stunden Lichtdauer pro Tag bei 20°C und konstanter PAR (photosynthetically active radiation) von 200 µmolsec-1m-2; 13,5 Stunden Nachtperiode bei 15°C) überführt. Nach wenigstens 2 Tagen unter diesen Bedingungen wurde die effektive PS-II-Quantenausbeute bestimmt. Für diese Messungen wurde ein automatisiertes PAM-Fluorometer (Schreiber, U. et al., (1986), "Continuousrecording of photochemical and non­ photochemical chlorophyll fluorescence quenching with a new type of modulation fluorometer", Photosyn. Research 10, 51-62) mit einem modifizierten Sensor eingesetzt, um Bewegung und exakte Positionierung innerhalb der Dimensionen der Pflanzbehälter zu gewährleisten. Die Bestimmung der effektiven Quantenausbeute von PS II (ΦII = ΔF/FM' = (FM' - FS)/FM'), Parameter nach Genty, B. et al., (1989), "The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron-transport and quenching of chlorophyll fluorescence", Biochimica et Biophysica Acta 990, 87-92) erfolgte für jede Pflanze einzeln nach einem vorgegebenen Schema. Für optimale Messungen geeignete Blätter wurden automatisch identifiziert (Autofocus-Modus), indem die maximale Fluoreszenzausbeute (maximaler F0') von einzelnen Zellen bestimmt wurde. Die Endresultate der F/FM'-Messungen wurden als Microsoft Excel-Tabelle ausgegeben und statistisch ausgewertet.Seeds of the en-population of Arabidopsis thaliana were sown in plastic containers on "Minitray" soil (Gebr. Patzer GmbH & Co KG, D-36391, Sinntal-Jossa, Germany) and for 3 days at 2-5 ° C. to overcome the dormancy incubated in the dark. The seedlings were grown in the greenhouse under long day conditions (16 hours of light). For the screening for photosynthetic mutants, the plant containers were placed 3-4 weeks after germination in a climatic room with short-day conditions (10.5 hours of light per day at 20 ° C and constant PAR (photosynthetically active radiation) of 200 µmolsec -1 m -2 ; 13.5 hours night period at 15 ° C) transferred. After at least 2 days under these conditions, the effective PS-II quantum yield was determined. An automated PAM fluorometer was used for these measurements (Schreiber, U. et al., (1986), "Continuous recording of photochemical and non photochemical chlorophyll fluorescence quenching with a new type of modulation fluorometer", Photosyn. Research 10, 51-62) used with a modified sensor to ensure movement and exact positioning within the dimensions of the planters. The determination of the effective quantum yield of PS II (ΦII = ΔF / F M ' = (F M' - F S ) / F M ' ), parameters according to Genty, B. et al., (1989), "The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence ", Biochimica et Biophysica Acta 990, 87-92) was carried out individually for each plant according to a predetermined scheme. Sheets suitable for optimal measurements were automatically identified (autofocus mode) by determining the maximum fluorescence yield (maximum F 0 ') of individual cells. The final results of the F / F M ' measurements were output as a Microsoft Excel table and statistically evaluated.

Das Screening nach Pflanzen mit abweichendem (ΦII = ΔF/FM' = (FM' - FS)/FM')-Quotienten wurde in einer Klimakammer unter Schwachlicht (100 µmolsec-1m-2) 3 bis 7 Stunden nach Beginn einer Tagesperiode durchgeführt. Pro Woche wurden 72 Pflanzenlinien mit jeweils 12 Individuen untersucht, insgesamt etwa 1.000 Pflanzen.The screening for plants with deviating (ΦII = ΔF / F M ' = (F M' - F S ) / F M ' ) quotient was carried out in a climatic chamber under low light (100 µmolsec -1 m -2 ) after 3 to 7 hours Carried out at the beginning of a daily period. 72 plant lines with 12 individuals each were examined per week, a total of about 1,000 plants.

Beispiel 4Example 4 Vermehrung der PflanzenPropagation of plants

Die Fertilisation mit "Osmocote Plus" (15% N, 11% P2O5, 13% K2O, 2% MgO; Scotts Deutschland GmbH, D-48527, Nordhorn, Deutschland) erfolgte gemäß den Angaben des Herstellers. Zur Samenproduktion sowie zur Vermeidung von Kreuzkontaminationen wurde das Aracon-System (Beta Tech, Gent, Belgien) verwendet.Fertilization with "Osmocote Plus" (15% N, 11% P 2 O 5 , 13% K 2 O, 2% MgO; Scotts Deutschland GmbH, D-48527, Nordhorn, Germany) was carried out according to the manufacturer's instructions. The Aracon system (Beta Tech, Ghent, Belgium) was used to produce semen and to avoid cross-contamination.

Beispiel 5Example 5 Identifizierung von En-flankierenden SequenzenIdentification of en-flanking sequences

Sequenzen, die die 3'-Enden von integrierten En-Transposons flankierten, wurden durch PCR- Amplifikation von geschnittener und mit Adaptern versehener Pflanzen-DNA erhalten. Ein entsprechendes Protokoll für die Isolierung von Mutator-Element-flankierenden Sequenzen ist bei Frey, M. et al., (1998), "A general method for gene isolation in tagging approaches: Amplification of insertion mutagenised sites (AIMS)", Plant Journal 13, 717-721, nachzulesen. Für die Identifizierung der En-flankierenden Sequenzen wurden 100 ng genomische DNA mit Csp6I geschnitten und über Nacht bei 16°C mit 12,5 pmol Adapter APL1632 ligiert. 4 µl des Ligationsansatzes wurden in einer linearen PCR mit dem Primer En-8130s (En-230as) eingesetzt. 1 µl dieses Ansatzes wurden als Template für eine PCR mit den Primern En-8153s und LR26 verwendet. Die entstandenen PCR-Produkte wurden in einem 4%igen Polyacrylamidgel aufgetrennt, die Banden mit Hilfe von Silberfärbung sichtbar gemacht und ausgeschnitten. Die Banden wurden in 50 ml KCl, 10 mM Tris-Cl (pH 9,0), 0,1% Triton-X 100 eluiert, reamplifiziert und nach Reinigung unter Benutzung eines ABI Prism 377 sequenziert.Sequences flanking the 3 'ends of integrated en transposons were generated by PCR Amplification of cut plant DNA provided with adapters obtained. On appropriate protocol for the isolation of mutator element flanking sequences in Frey, M. et al., (1998), "A general method for gene isolation in tagging approaches: Amplification of insertion mutagenized sites (AIMS) ", Plant Journal 13, 717-721. 100 ng of genomic DNA were used to identify the en-flanking sequences Cut Csp6I and ligated overnight at 16 ° C with 12.5 pmol adapter APL1632. 4 µl of the Ligation batches were carried out in a linear PCR with the primer En-8130s (En-230as) used. 1 µl of this approach was used as a template for a PCR with the primers En-8153s  and LR26 used. The resulting PCR products were in a 4% Polyacrylamide gel separated, the bands made visible with the help of silver staining and cut out. The bands were in 50 ml KCl, 10 mM Tris-Cl (pH 9.0), 0.1% Triton-X 100 eluted, reamplified and sequenced after cleaning using an ABI Prism 377.

Beispiel 6Example 6 Spezifische Oligonukleotide und Adaptersequenzen (5'-3'Orientierung)Specific oligonucleotides and adapter sequences (5'-3 'orientation)

Zur Isolierung von Transposon-flankierenden Regionen wurden die Adapter APL1632 (LR32 und APL16) und APL1732 (LR32 und APL17) benutzt:
The adapters APL1632 (LR32 and APL16) and APL1732 (LR32 and APL17) were used to isolate transposon flanking regions:

LR32: ACTCGATTCTCAACCCGAAAGTATAGATCCCA (SEQ ID NO: 9)
APL16: P-TATGGGATCACATTAA-NH2 (SEQ ID NO: 10)
APL17: P-CGTGGGATCACATTAA-NH2 (SEQ ID NO: 11).
LR32: ACTCGATTCTCAACCCGAAAGTATAGATCCCA (SEQ ID NO: 9)
APL16: P-TATGGGATCACATTAA-NH 2 (SEQ ID NO: 10)
APL17: P-CGTGGGATCACATTAA-NH 2 (SEQ ID NO: 11).

PCR-Primer zur Isolierung von Transposon-flankierenden Regionen:
PCR primer for the isolation of transposon flanking regions:

LR26: ACTCGATTCTCAACCCGAAAGTATAG (SEQ ID NO: 12)
En-8130s: GAGCGTCGGTCCCCACACTTCTATAC (SEQ ID NO: 13)
En-8153s: TACGAATAAGAGCGTCCATTTTAGAGTG (SEQ ID NO: 14)
En-230as: AGAAGCACGACGGCTGTAGAATAGGA (SEQ ID NO: 15)
En-82as: ACCCACACTTTTACTTCGATTAAGAGTGT. (SEQ ID NO: 16).
LR26: ACTCGATTCTCAACCCGAAAGTATAG (SEQ ID NO: 12)
En-8130s: GAGCGTCGGTCCCCACACTTCTATAC (SEQ ID NO: 13)
En-8153s: TACGAATAAGAGCGTCCATTTTAGAGTG (SEQ ID NO: 14)
En-230as: AGAAGCACGACGGCTGTAGAATAGGA (SEQ ID NO: 15)
En-82as: ACCCACACTTTTACTTCGATTAAGAGTGT. (SEQ ID NO: 16).

Für die Analyse der psaE-Gene fanden folgende Primer Verwendung:
PsaE1 footprints:
The following primers were used for the analysis of the psaE genes:
PsaE1 footprints:

E1-41s: CCAATGTCACCTCGGTCGCC (SEQ ID NO: 17)
E1-806as: AGAAACTAAA CAAAACCGGCAT (SEQ ID NO: 18).
E1-41s: CCAATGTCACCTCGGTCGCC (SEQ ID NO: 17)
E1-806as: AGAAACTAAA CAAAACCGGCAT (SEQ ID NO: 18).

Primer zur Amplifikation der psaE1-Region (-206/277), die En-Insertion flankierend:
Primer for amplification of the psaE1 region (-206/277), flanking the en insertion:

E1-206s: CCACGTCACCACATTATCCTT (SEQ ID NO: 19)
E1-277as: CGGTTTAGGTTAGCTGACCT (SEQ ID NO: 20).
E1-206s: CCACGTCACCACATTATCCTT (SEQ ID NO: 19)
E1-277as: CGGTTTAGGTTAGCTGACCT (SEQ ID NO: 20).

Primer für RT-PCR:
Primer for RT-PCR:

E(91/85)s: GTGTCTTTCT TGCCGATGAGAA (SEQ ID NO: 21)
E(798/868)as: GCGAACCGGACCACAACCGG (SEQ ID NO: 22).
E (91/85) s: GTGTCTTTCT TGCCGATGAGAA (SEQ ID NO: 21)
E (798/868) as: GCGAACCGGACCACAACCGG (SEQ ID NO: 22).

Die den Primern zugeordneten Zahlen beschreiben deren Hybridisierungspositionen in den DNA's des En-1-Elementes (Genbank Accession Nummer: M25427) bzw. psaE1/psaE2. The numbers assigned to the primers describe their hybridization positions in the DNA's of the En-1 element (Genbank accession number: M25427) or psaE1 / psaE2.  

Beispiel 7Example 7 Wachstumsmessungengrowth measurements

Für die Wachstumsmessungen wurde das Wachstum der Blätter bestimmt; vgl. Leister, D. et al., (1999), "Large-scale evaluation of plant growth in Arabidopsis thaliana by non-invasive image analysis. Plant Physiology and Biochemistry", 37, 1-8. Digitalfotografien der Pflanzenbehälter (von oben fotografiert) wurden entsprechend den realen Dimensionen der Behälter vergrößert und mit einem Raster versehen, so daß jede Pflanze in einem separaten Feld lag. Der Parameter "Grünfärbung" erlaubte eine Unterscheidung zwischen Hintergrund und Pflanzenteilen.The growth of the leaves was determined for the growth measurements; see. Leister, D. et al., (1999), "Large-scale evaluation of plant growth in Arabidopsis thaliana by non-invasive image analysis. Plant Physiology and Biochemistry ", 37, 1-8. Digital photographs of the plant containers (photographed from above) were enlarged according to the real dimensions of the containers and provided with a grid so that each plant was in a separate field. The parameter "Green coloring" allowed a distinction between background and plant parts.

Beispiel 8Example 8 Messungen des Gasaustausches von BlätternLeaf gas exchange measurements

Die Messung des in-vivo-Gasaustausches von noch an der Pflanze befindlichen Blättern wurde mit Hilfe eines CO2/H2O-Porometers (Modell CQP-130, Heinz Walz GmbH, Deutschland), wie in der Gebrauchsanweisung des Herstellers beschrieben, vorgenommen. Die erhaltenen Daten wurden unter Benutzung des DIAGAS-Analyseprogramms (Heinz Walz GmbH, Deutschland) und der in Von Caemmerer, S. und Farquhar, G. D., (1981), "Some relationships between the biochemistry of photosynthesis and gas exchange of leaves, Planta 153", 376-387, angegebenen Berechnungsformel zur Kalkulation der Photosyntheseparameter (CO2-Assimilationsrate bzw. Transpirationsrate) herangezogen.The measurement of the in vivo gas exchange of leaves still on the plant was carried out using a CO 2 / H 2 O porometer (model CQP-130, Heinz Walz GmbH, Germany), as described in the manufacturer's instructions for use. The data obtained were analyzed using the DIAGAS analysis program (Heinz Walz GmbH, Germany) and that in Von Caemmerer, S. and Farquhar, GD, (1981), "Some relationships between the biochemistry of photosynthesis and gas exchange of leaves, Planta 153 ", 376-387, specified calculation formula for calculating the photosynthetic parameters (CO 2 assimilation rate or transpiration rate).

Beispiel 9Example 9 Messungen des Chlorophyll-a/b-VerhältnissesMeasurements of the chlorophyll a / b ratio

Aus 3 bis 4 Wochen alten Wildtyppflanzen und pam4-Mutanten wurden die Pigmente mit 80%igem Aceton extrahiert. Die Konzentrationen von Chlorophyll a und Chlorophyll b wurden im Anschluß daran spektroskopisch (UVIKON 930, Kontron Instruments) wie bei Porra, J. et al., (1989), "Determination of accurate extinction coefficients and simultaneous equations for assaying chlorophyll a and chlorophyll b extracted with 4 different solvents: verification of the concentration of chlorophyll standards by atomic absorption spectroscopy, Biochimica et Biophysica Acta", 975, 384-394, beschrieben bestimmt. Es wurde festgestellt, daß das Chlorophyll- a/b-Verhältnis in pam4 gegenüber den Wildtyppflanzen signifikant verringert ist; vgl. Tabelle 1. Der Befund kann aufgrund des nachgewiesenen (siehe Beispiel 11), verringerten Gehalts an PS-I erklärt werden. The pigments were made from 3 to 4 week old wild type plants and pam4 mutants 80% acetone extracted. The concentrations of chlorophyll a and chlorophyll b were then spectroscopically (UVIKON 930, Kontron Instruments) as in Porra, J. et al., (1989), "Determination of accurate extinction coefficients and simultaneous equations for assaying chlorophyll a and chlorophyll b extracted with 4 different solvents: verification of the concentration of chlorophyll standards by atomic absorption spectroscopy, Biochimica et Biophysica Acta ", 975, 384-394. It was found that the chlorophyll a / b ratio in pam4 is significantly reduced compared to wild type plants; see. Table 1. The finding can be due to the proven (see Example 11), reduced PS-I content be explained.  

Tabelle 1 Table 1

Beispiel 10Example 10 2-D PAGE von Proteinen der Thylakoidmembran2-D PAGE of proteins of the thylakoid membrane

Die Präparation von Thylakoidmembranen aus Chloroplasten des Mesophylls wurde gemäß Bassi, R. et al., (1987), "Chlorophyll-proteins of the photosystem II antenna system", J. Biol. Chem. 262, 13333-13334, durchgeführt Die Membranen wurden in 1% Dodecyl-β-D-Maltosid gelöst. Die PAGE-Auftrennung in der ersten Dimension erfolgte bei 4°C in einem 4-12%igen Gradientengel unter Benutzung des bei Peter, G. F. und Thornber, J. P., (1991), "Biochemical composition and organization of higher plant photosystem II light-harvesting pigment-proteins", J. Biol. Chem., 266, 16745-16754, beschriebenen Puffersystems. In dem oberen Puffertank der Elektrophoreseapparatur wurde das bei Peter und Thornber, supra, verwendete Deriphat-160 durch Li-Dodecylsulfat ersetzt. Für die Auftrennung in der zweiten Dimension wurde ein 10-16%iges Gradientengel bei Raumtemperatur eingesetzt. Der verwendete Puffer ist bei Schagger, H. und von Jagow, G., (1987)," Tricine sodium dodecylsulfate polyacrylamidegel electrophoresis for the separation of proteins in the range from 1 kDa to 100 kDa", Analytical Biochemistry 166, 368-379, nachzulesen.The preparation of thylakoid membranes from chloroplasts of mesophyll was carried out according to Bassi, R. et al., (1987) "Chlorophyll proteins of the photosystem II antenna system", J. Biol. Chem. 262, 13333-13334. The membranes were dissolved in 1% dodecyl-β-D-maltoside. The PAGE separation in the first dimension was carried out at 4 ° C in a 4-12% Gradient angel using the method described by Peter, G.F. and Thornber, J.P., (1991), "Biochemical composition and organization of higher plant photosystem II light-harvesting pigment-proteins ", J. Biol. Chem., 266, 16745-16754. In the upper buffer tank the The deriphat-160 used by Peter and Thornber, supra, became electrophoresis apparatus replaced by Li-dodecyl sulfate. For the separation in the second dimension, a 10-16% gradient gel used at room temperature. The buffer used is at Schagger, H. and von Jagow, G., (1987), "Tricine sodium dodecylsulfate polyacrylamide gel electrophoresis for the separation of proteins in the range from 1 kDa to 100 kDa ", Analytical Biochemistry 166, 368-379.

Beispiel 11Example 11 Western-BlotWestern blot

Eine Western-Blot-Analyse wurde mit dem üblichen Verfahren durchgeführt. Es hat sich gezeigt, daß der PsaE-Gehalt in Proteinfraktionen der mutanten Pflanzen gegenüber den Wildtyppflanzen deutlich verringert ist. Wurden gleiche Mengen Protein von mutanten und Wildtyppflanzen pro Spur aufgetragen, wurde zusätzlich zur Verringerung des PsaE-Gehalts eine Reduzierung aller untersuchten PS-I-Polypeptide festgestellt. Daraus ergibt sich, daß die Inaktivierung von psaE1 sowohl die Akkumulation des gesamten Photosystems I als auch die Akkumulation von PsaE1 im PS-I-Komplex beeinflußt.Western blot analysis was carried out using the usual method. It has showed that the PsaE content in protein fractions of the mutant plants compared to the Wild type plants is significantly reduced. Were equal amounts of mutant and protein Wild type plants per lane were added in addition to reducing the PsaE content Reduction of all examined PS-I polypeptides was found. It follows that the Inactivation of psaE1 both the accumulation of the entire photosystem I and the Accumulation of PsaE1 in the PS-I complex influenced.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Pflanzen mit gesteigerter Photosyntheserate, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
  • a) stabiles Integrieren einer Nukleinsäuresequenz, codierend für eine PsaE-Untereinheit des Photosystems I, oder deren Fragment oder Derivat in das Genom von Pflanzenzellen oder Pflanzengeweben, wobei die Nukleinsäuresequenz oder deren Fragment oder Derivat funktional mit einer regulatorischen DNA-Sequenz verbunden ist, die die Expression der integrierten Nukleinsäuresequenz oder deren Fragment oder Derivat steuert, und
  • b) Regeneration der erhaltenen Pflanzenzellen oder Pflanzengewebe zu Pflanzen.
1. A process for the production of plants with an increased photosynthesis rate, the process comprising the steps:
  • a) stable integration of a nucleic acid sequence coding for a PsaE subunit of photosystem I or its fragment or derivative into the genome of plant cells or plant tissues, the nucleic acid sequence or its fragment or derivative being functionally linked to a regulatory DNA sequence which Controls expression of the integrated nucleic acid sequence or its fragment or derivative, and
  • b) Regeneration of the plant cells or plant tissue obtained to plants.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nukleinsäuresequenz oder deren Fragment oder Derivat aus Pflanzen, Cyanobakterien oder Algen stammt.2. The method according to claim 1, wherein the nucleic acid sequence or its fragment or Derivative derived from plants, cyanobacteria or algae. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nukleinsäuresequenz Genbank-Accession- Nummern AL 035353 (Base 52445 bis 53382), AC 006569 (Base komplementär zu 74016 bis 75012), AI 431141, AI 431199, AI 437768, AI 495553, AA689212, X14018, AF093820 (Base 291 bis 506), L76301 (Base 397 bis 1041), Y10290 (Base 248 bis 478), Y00966, X60434 (Base 274 bis 462), M99379, AF 148219, S72356, S72358, X13496, AF 022186 (Base 42464 bis 42673) oder AF 041468 (Base komplementär zu 116666 bis 116860) ist.3. The method according to claim 1 or 2, wherein the nucleic acid sequence Genbank Accession- Numbers AL 035353 (base 52445 to 53382), AC 006569 (base complementary to 74016 to 75012), AI 431141, AI 431199, AI 437768, AI 495553, AA689212, X14018, AF093820 (base 291 to 506), L76301 (base 397 to 1041), Y10290 (base 248 to 478), Y00966, X60434 (Base 274 to 462), M99379, AF 148219, S72356, S72358, X13496, AF 022186 (base 42464 to 42673) or AF 041468 (base complementary to 116666 to 116860). 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die regulatorische DNA-Sequenz ein PsaE-Promotor, insbesondere der für die Pflanze endogene PsaE-Promotor oder der zu den Nukleinsäuresequenzen nach Anspruch 2 natürlicherweise gehörende PsaE-Promotor ist.4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the regulatory DNA sequence PsaE promoter, in particular the PsaE promoter endogenous to the plant or to PsaE promoter naturally belonging to the nucleic acid sequences according to claim 2 is. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die regulatorische DNA-Sequenz der CaMV-35S-Promotor aus dem Blumenkohl-Mosaik-Virus, PRPI-Promotor, ein durch Salizylsäure induzierbarer Promotor, ein durch Benzolsulfonamid induzierbarer Promotor, ein durch Tetrazyklin induzierbarer Promotor, ein durch Abscisinsäure induzierbarer Promotor, ein durch Ethanol oder Cyclohexanon induzierbarer Promotor, Phaseolin-Promotor, Isoflavon-Reduktase-Promotor, ein samenspezifischer Promotor oder der ST-LSI-Promotor ist.5. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the regulatory DNA sequence of the CaMV-35S promoter from the cauliflower mosaic virus, PRPI promoter, a through Salicylic acid inducible promoter, an inducible by benzenesulfonamide Promoter, a tetracycline inducible promoter, an abscisic acid inducible promoter, a promoter inducible by ethanol or cyclohexanone,  Phaseolin promoter, isoflavone reductase promoter, a seed-specific promoter or is the ST-LSI promoter. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in der Nukleinsäuresequenz die zweite N-terminale Domäne aus einem anderen Gen als die Chloroplasten- Importsequenz-Domäne und die C-terminale Domäne stammt.6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein in the nucleic acid sequence second N-terminal domain from a different gene than the chloroplast Import sequence domain and the C-terminal domain comes from. 7. Vektor, enthaltend die Nukleinsäuresequenz oder deren Fragment oder Derivat und die regulatorische DNA-Sequenz wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definiert.7. Vector containing the nucleic acid sequence or its fragment or derivative and the regulatory DNA sequence as defined in any one of claims 1 to 6. 8. Transformierte Pflanzenzelle oder transformiertes Pflanzengewebe, dadurch gekennzeichnet, daß die Nukleinsäuresequenz oder deren Fragment oder Derivat und die regulatorische DNA-Sequenz wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definiert oder der Vektor nach Anspruch 7 stabil in das Genom der Pflanzenzelle oder des Pflanzengewebes integriert ist.8. Transformed plant cell or transformed plant tissue, thereby characterized in that the nucleic acid sequence or its fragment or derivative and the regulatory DNA sequence as defined in any one of claims 1 to 6 or the Vector according to claim 7 stable in the genome of the plant cell or Plant tissue is integrated. 9. Pflanze, erhältlich nach einem der Ansprüche 1 bis 6.9. Plant obtainable according to one of claims 1 to 6. 10. Samen, erhalten von Pflanzen nach Anspruch 9.10. Seeds obtained from plants according to claim 9.
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