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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft die genetische Manipulation von Pflanzen, insbesondere
die Veränderung des
Schwefelmetabolismus in Pflanzen und Pflanzensamen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Schwefel
spielt in seiner reduzierten Form eine wichtige Rolle im Pflanzenmetabolismus,
in den er in der Biosynthese eines weiten Bereichs von primären und
sekundären
S-enthaltenden Metaboliten involviert
ist. Bei Pflanzen beinhaltet der Schwefelmetabolismus die Aufnahme
von Sulfat aus der Umgebung, die Assimilation zu organischen Verbindungen
und eine Lenkung zu Proteinen und Sekundärsubstanzen.
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Pflanzen
und Mikroorganismen sind fähig, für eine Synthese
der Thiolgruppe von Cystein Sulfat in Sulfid zu reduzieren. Sulfat
wird zuerst durch ATP-Sulfurylase aktiviert, wodurch 5'-Adenylylsulfat (APS)
gebildet wird. APS kann durch APS-Kinase phosphoryliert werden, wodurch
3'-Phosphoadenosin-5'-phosphosulfat (PAPS) gebildet wird.
APS oder PAPS kann zur Sulfatreduktion eingesetzt werden. Im Allgemeinen
verwenden Prokaryoten und Pilze PAPS, wohingegen photosynthetische
Eukaryoten APS verwenden.
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Cystein,
Methionin und schwefelhaltige Vitamine wie z.B. Biotin oder Thiamin
sind in der menschlichen Ernährung
essentiell. Schwefel-vermittelte Funktionen umfassen den Elektronentransport
in Fe/S-Clustern, strukturelle und regulatorische Rollen via Proteindisulfidbrücken und
katalytische Zentren. Zusätzlich
beinhalten sekundäre
Schwefelverbindungen Signal-transduzierende Moleküle, Antikarzinogene
und atmosphärische
Verbindungen. Siehe Hell (1997) Planta 202:138.
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Oft
mangelt es Pflanzenprotein an Schwefelaminosäuren, speziell Methionin, wie
auch an anderen essentiellen Aminosäuren, zum Beispiel Lysin und
Tryptophan. Als Resultat müssen
Diäten
bzw. Ernährungen
mit diesen Aminosäuren
ergänzt
werden, um eine ausgewogene Ernährung
bereitzustellen. Ein Ziel der Pflanzenzüchtung bestand darin, die Menge
an im Samen vorhandenen Schwefelaminosäuren zu erhöhen.
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Es
wurde eine Reihe von Verfahren zur Erhöhung des Gehalts an Schwefelaminosäuren beschrieben.
Im Allgemeinen sorgen diese Verfahren für eine Überexpression eines Samenspeicherproteins
mit hohem Methioningehalt. Das Verfahren zieht ein Überexprimieren
des Samenspeicherproteins in einer transformierten Pflanze mit sich.
Vorher wurden Verfahren zur Erhöhung
des Schwefelaminosäuregehalts
von Nutzpflanzen durch Züchtung
in Angriff genommen. Allerdings haben diese Verfahren nur einen begrenzten
Erfolg gebracht. Demnach besteht ein Bedarf für Verfahren zur Herstellung
signifikanter Konzentrationen der Schwefelaminosäuren in Pflanzen und Pflanzensamen.
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Aerobe
Organismen sind für
eine Schädigung
durch reaktive Sauerstoffspezies anfällig. Dies ist für Pflanzen
ein besonderes Problem, da reaktive Sauerstoffspezies als Nebenprodukt
der Sauerstoffphotosynthese und der Kohlendioxidfixierung gebildet
werden. Es wäre
daher wünschenswert,
ein Verfahren zur Reduzierung des oxidativen Stress bei Pflanzen
und zur Erhöhung
der Nahrungsqualität
von Pflanzen und Samen bereitzustellen.
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APS-Reduktasen
aus bestimmten Pflanzenspezies werden in WO 00/0416, die Teil des
Stands der Technik gemäß Artikel
54(3) EPÜ ist,
bereitgestellt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
von Verfahren zur Erhöhung
des Nährwerts
von Pflanzen.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
von Pflanzen und Pflanzenteilen mit erhöhtem Nährwert.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
von Pflanzen und Pflanzenteilen, die erhöhte Konzentrationen an organischen
Schwefelverbindungen haben.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
von Pflanzen und Pflanzenteilen, die erhöhte Konzentrationen an Methionin
haben.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens zur Verringerung des oxidativen Stress in Pflanzen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden Verfahren zur Modulierung der Konzentration wenigstens
einer organischen Schwefelverbindung in Pflanzen bereitgestellt.
Bereitgestellt werden ebenfalls Pflanzen, Pflanzengewebe, Pflanzensamen
und Pflanzenzellen, die durch die Verfahren produziert werden. Die
Verfahren umfassen stabiles Transformieren einer Pflanze mit einem
DNA-Konstrukt, das für
ein (P)APS-Reduktase-Enzym codiert. (P)APS-Reduktase ist als ein
Enzym definiert, das fähig
ist, Schwefel in Form von APS oder PAPS unter Herstellung von Sulfid
zu reduzieren. Das (P)APS-Reduktase-Enzym hat eine solche Aktivität, dass
die transformierte Pflanze veränderte
Konzentrationen an wenigstens einer organischen Schwe felverbindung
aufweist. Bereitgestellt wird auch ein Verfahren zur Verringerung
des oxidativen Stress in Pflanzen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 führt die
Biosynthese für
die organischen Schwefelverbindungen Cystein und Methionin mit den
vorgeschlagenen Modifikationen der Erfindung aus.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit dem Gegenstand der Erfindung werden Zusammensetzungen und Verfahren
zur Modulierung der Biosynthese von organischen Schwefelverbindungen
in Pflanzen, insbesondere von Schwefelaminosäuren, spezieller von Cystein
und Methionin, bereitgestellt. Die Verfahren involvieren ein Transformieren
einer Pflanze mit einer Nucleinsäure
oder mehreren Nucleinsäuren,
die für ein
(P)APS-Reduktase-Enzym codiert (codieren), das in der Lage ist,
die Biosynthese von wenigstens einer organischen Schwefelverbindung
zu modulieren. Die Pflanze kann auch eine oder mehrere zusätzliche
Nucleinsäure(n)
umfassen, die aus Nucleinsäuren
ausgewählt
sind, die für
Enzyme codieren, welche bei der Aminosäurebiosynthese und Sulfatreduktion
involviert sind (1).
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Mit „organischen
Schwefelverbindungen" sind
Verbindungen wie Glutathion, Phytochelatine, Schwefel-enthaltende
Vitamine, Glucosinolate, Dimethylsulfoniopropionat und Aminosäuren wie
Methionin und Cystein gemeint.
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APS-Reduktase
katalysiert eine Schlüsselreaktion
im Sulfat-Assimilationsweg
höherer
Pflanzen, die zur Synthese von Cystein und der Antioxidansverbindung
Glutathion führt.
Biochemische in vitro-Studien zeigten, dass das Enzym durch Oxidation aktiviert
wird. Das Aussetzen von Pflanzen Ozon indu ziert einen schnellen
Anstieg bei der APS-Reduktaseaktivität, welche mit der Akkumulation
von Cystein und Glutathion zusammenfällt. Diese Resultate weisen
darauf hin, dass eine Redoxregulation von APS-Reduktase einen Mechanismus
für eine
schnelle Antwort auf oxidativen Stress bereitstellen kann.
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Glutathion
ist ein Tripeptid, das aus den Aminosäuren Glutamat, Cystein und
Glycin besteht. Glutathion existiert in der reduzierten Form und
in der oxidierten Form, die zusammen einen biologischen Redoxpuffer
bilden, der vornehmlich in einem reduzierten Zustand ist.
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Eine
Sulfatreduktion erfolgt sowohl in Wurzeln als auch in Schösslingen
von Pflanzen. Der meiste Schwefel, der in Xylem zu den Blättern transportiert
wird, liegt als nicht reduziertes SO4 2– vor.
Ein gewisser Transport zurück
zu den Wurzeln und anderen Teilen der Pflanze erfolgt durch das
Phloem, und es werden sowohl freies SO4 2– als
auch organische Schwefelverbindungen transportiert. In Blättern erfolgt
der Prozess der Sulfatreduktion in Chloroplasten. In Wurzeln läuft der
größte Teil
des Prozesses oder der gesamte Prozess in Proplastiden ab.
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Der
erste Schritt der Sulfatassimilation in allen Zellen ist eine Reaktion
von SO4 2– mit
ATP, die Adenosin-5'-phosphosulfat
(APS) und Pyrophosphat produziert. Dieser Schritt wird durch ATP-Sulfurylase katalysiert.
In Pflanzen wird der Schwefel von APS durch (P)APS-Reduktaseaktivität weiter
reduziert. Dieses Enzym wird während
oxidativem Stress deutlich stimuliert und ist ein Schlüsselenzym
bei der Sulfatassimilation in Pflanzen. Unter oxidativem Stress ist
das Enzym etwa 40-fach
stimuliert. Diese Änderung
in der Aktivität
scheint mit einer Konformationsänderung
beim Enzym als Reaktion auf eine Änderung beim Redoxstatus der
Chloroplasten aufzutreten.
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Daher
besteht eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer (P)APS-Reduktase-Expression, die unter
reduzierenden Bedingungen relativ aktiv ist, z.B. im Chloroplasten.
Zur Erhöhung
der Aktivität
des (P)APS-Reduktase-Enzyms können
andere Verfahren eingesetzt werden, z.B. Protein-Engineering oder DNA-Shuffling.
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Unter
oxidativem Stress wird auch die Glutathionbiosynthese als Mechanismus
zur Linderung der Wirkungen des Stress aktiviert. Unter Bedingungen
von oxidativem Stress wird die Sulfatreduktion durch die erhöhte Aktivität von (P)APS-Reduktase-Enzym verstärkt. Der
Fluss des resultierenden reduzierten anorganischen Schwefels ist
auf die Glutathionbiosynthese über
Cystein durch erhöhte
Aktivität
von Glutathionbiosyntheseenzymen gerichtet.
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ATP-Sulfurylase,
das erste Enzym bei der Sulfatreduktion, ist gegenüber oxidativem
Stress relativ unempfindlich. Daher stellt dieses Enzym keinen bedeutenden
limitierenden Faktor bei der Sulfatreduktion dar, wenn Sulfat selbst
nicht limitierend ist. Wie in 1 gezeigt
ist, kann durch Versorgen des Chloroplasten mit einem (P)APS-Reduktase-Enzym, das
unter reduzierenden Bedingungen metabolisch aktiv ist, die Sulfatreduktion
und anschließend
die Produktion von organischen Schwefelverbindungen in der Pflanze
erhöht
werden.
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Andere
Nucleinsäuren,
die für
Enzyme codieren, die in der Sulfatreduktion oder der Biosynthese
von organischen Schwefelverbindungen, z.B. der Cystein- und Methioninbiosynthese
involviert sind, können
verwendet werden, um den Weg in bestimmte Richtungen zu verschieben.
Beispielsweise kann APS-Kinase
eingesetzt werden, um APS zu (P)APS zu verschieben, was zu zusätzlichem
Substrat für das
(P)APS-Reduktase-Enzym führt.
In der gleichen Weise kann Cystathionin-gamma-Synthase verwendet
werden, um den Cysteinstrom zu Methionin zu lenken.
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Es
können
auch Antisensekonstrukte für
ein beliebiges der Enzyme verwendet werden, um die Biosynthese zu
einem bestimmten Produkt zu lenken oder die Biosynthese für den Aufbau
einer besonderen Verbindung zu stoppen. Beispielsweise kann ein Antisense-Konstrukt
für gamma-Glutamylsynthetase (gs)
verwendet werden, um reduzierten Schwefel zur Methioninproduktion
aus Cystein selbst unter oxidativen Bedingungen zu verschieben.
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Hefe-
und Bakterien-(P)APS-Reduktase-Enzyme sind unter reduzierenden Bedingungen
relativ aktiv, wohingegen das (P)APS-Reduktase-Enzym höherer Pflanzen unter diesen
Bedingungen relativ inaktiv ist. Demnach ist die Expression von
Bakterien- oder
Hefe- oder eines modifizierten (P)APS-Reduktase-Enzyms in Chloroplasten,
der unter normalen Bedingungen eine relativ reduzierende Umgebung
aufrechterhält,
ein Verfahren zur Verstärkung der
Sulfatreaktion. Auf diese Weise kann der Stoffwechselweg von Interesse
für die
hohe Produktion von Schwefe lenthaltenden Aminosäuren oder anderen organischen
Schwefelverbindungen stromabwärts
manipuliert werden.
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Wie
oben angegeben ist, kann der Weg auch zur Senkung der Konzentrationen
einer bestimmten Verbindung durch Transformation von Antisense-DNA-Sequenzen,
die verhindern, dass die Umwandlung der Vorläuferverbindung in die bestimmte Verbindung
reguliert wird, manipuliert werden. Dieses Verfahren kann zum „Shunting" von reduziertem Schwefel
von einem Weg zu einem anderen nützlich sein.
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Ein
beliebiges Mittel zur Herstellung einer Pflanze, die die (P)APS-Reduktase-Nucleinsäure oder
beide, die (P)APS-Reduktase-Nucleinsäure und wenigstens
eine zweite Nucleinsäure,
umfasst, ist von der vorliegenden Erfindung mit umfasst. Beispielsweise
kann die zweite (oder zusätzliche)
Nucleinsäure
(die zweiten oder zusätzlichen
Nucleinsäuren)
von Interes se eingesetzt werden, um eine Pflanze zur gleichen Zeit
wie die (P)APS-Reduktasenucleinsäure
zu transformieren (Co-Transformation).
Die zweite Nucleinsäure
kann auch in eine Pflanze eingeführt
werden, die bereits mit der (P)APS-Reduktasenucleinsäure transformiert wurde. Alternativ
können
transformierte Pflanzen eine, die das (P)APS-Reduktase-Enzym exprimiert,
und eine, die die zweite Nucleinsäure exprimiert, gekreuzt werden, um
die Nucleinsäuren
in derselben Pflanze zusammenzubringen. Anschließende Kreuzungen oder Transformationen
können
zusätzliche
Sequenzen zusammen in die Pflanze bringen.
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Enzyme,
die bei der Cystein- und Methioninbiosynthese involviert sind, sind
auf dem Fachgebiet bekannt. Siehe zum Beispiel Aspartokinase (Masakazu
et al. (1992) „Mutant
Aspartokinase Gene",
Japan. Patent 1994062866-A 1, B. März 1994, Eingangs-Nr. E06825;
Omori et al. (1993) J. Bacteriol. 175(3):785–794; Eingangs-Nr. X60821;
Moriya et al. (1995), Japan. Patent 1997070291-A 13, 18. März 1997;
Eingangs-Nr. E12770); Aspartatsemialdehyddehydrogenase (Calzada,
F.R.A., Direct Submission, Centro Nacional de Investigaciones Cientificas,
Avenida 25 esq. 158 reparto Cubanacan, Playa Ciudad de la Habana,
Codigo Postal 6990, CUBA (1997); Eingangs-Nr. Y15281; Daniel et
al. (1993) J. Mol. Biol. 232(2):468–483; Eingangs-Nr. Z22554;
Chen et al. (1993) J. Biol. Chem.; Eingangs-Nr. Z22554, Eingangs-Nr.
U90239; Brakhage et al. (1990) Biochimie 72(10):725–734; Eingangs-Nr.
Z75208; Gothel et al. (1997) Eur. J. Biochem. 244(1):59–65; Eingangs-Nr. Z75208);
Homoserinkinase (siehe Nummer zwei unter Aspartokinase, Eingangs-Nr.
X60821; Nakabachi et al. (1997) Insect Biochem. Mol. Biol. 27:1057–1062; Eingangs-Nr.
AB004856; Ryoichi et al. (1986), Japan. Patent 1987232392-A 1, 12.
Oktober 1987 (JP198676298); Eingangs-Nr. E01358; Sadao et al. Japan.
Patent 1993207886-A 4, 20. August 1993; Eingangs-Nr. D14072); Threoninsynthase
(siehe Nummer zwei unter Aspartokinase, Ein gangs-Nr. X6082; Eingangs-Nr.
Z46263; Rognes, S.E., Direct Submission, 24. Oktober 1994, University
of Oslo, Department of Biology, Blindern, 0316 Norwegen, Eingangs-Nr.
Z46263; Eingangs-Nr. L41666; Clepet et al. (1992) Mol. Microbiol.
6(21):3109–3119;
Eingangs-Nr. X65033 S50569; Cami, B., Direct Submission, 11. März 1992,
Laboratoire de Chimie Bacterienne, Centre Nationale de la Recherche,
Scientifique, 31 Chemin I. Aiguier, BP 71 13277 Marseille Cedex,
Frankreich, Eingangs-Nr.
X65033 550569); Cystathionin-gamma-Synthase (cgs) (Kim und Leustek
(1996) "Cloning
and analysis of the gene for Cystathionin gamma-synthase from Arabidopsis
thaliana", Plant
Mol. Biol. 32(6), 1117–1124,
USA, Eingangs-Nr. AF069317; Locke et al., Direct Submission, 3.
Juni 1997, AG Biotechnology, Dupont AF Products, PO Box 80402, Wilmington,
DE 19880-0402 USA, Eingangs-Nr. AF007786);
Cystathionin-beta-lyase (Bork et al. (1997) Plant Physiol. 115:864–864; Eingangs-Nr.
AJ001148; Sienko, M., Direct Submission, 5. Juni 1995, Marzena Sienko,
Genetics, Institute of Biochemistry and Biophysics, Pawinskiego
5a, Warschau 02–106,
Polen, Eingangs-Nr. U28383; Ravanel et al. (1995) Plant Mol. Biol.
29(4):875–882; Eingangs-Nr.
L40511); Methioninsynthase (Kurvari et al. (1995) Plant Mol. Biol.
29:1235–1252;
Eingangs-Nr. U36197; Ravanel et al. (1998) Proc. Natl. Acad. Sci.
USA 95(13):7805–7812;
Eingangs-Nr. U97200; Michalowski et al, Direct Submission, 12. Januar
1997, Biochemistry, University of Arizona BioSciences West 513,
Tucson, AZ 85721 USA, Eingangs-Nr. U84889; Eichel et al. (1995)
Eur. J. Biochem. 230(3):1053:1058; Eingangs-Nr. X83499); ATP-Sulfurylase
(Murillo et al. (1995) Arch. Biochem. Biophys. 323(1):195–204; Eingangs-Nr.
U06275; Leustek et al. (1994) Plant Physiol. 105:897–902; Eingangs-Nr.
U05218; Bolchi et al., Direct Submission, 28. Juli 1997, Scienze
Biochimiche, Viale delle Scienze, Parma, PR 43100 ITALIEN, Eingangs-Nr. AF016305;
Laue et al. (1994) J. Bacteriol. 176:3723–3729; Eingangs-Nr. L26897;
Laeremans et al., Eingangs-Nr. AJ001223); APS-Kinase (apk) (Korch
et al. (1991) Mol. Gen. Genet. 229(1):96–108; Eingangs-Nr. 555315;
Arz et al. (1994) Biochim. Biophys. Acta 1218 (3):447–452; Eingangs-Nr. AF044285;
Schiffmann et al. „Isolation
of cDNA clones encoding adenosine-5'-phosphosulfate-kinase (EC2.7.1.25)
from Catharanthus roseus (Eingangs-Nr. AF044285) and an isoform
(akn2) from Arabidopsis (Eingangs-Nr. AF043351)(PGR98–116), „Plant
Physiol. 117(3):1125(1998); Eingangs-Nr. AF044285; Jain et al. (1994)
Plant Physiol. 105:771–772;
Eingangs-Nr. U05238; Lee et al. (1998) Biochem. Biophys. Res. Commun. 247:171–175; Eingangs-Nr. U05238); APS-Reduktase
(Speich et al. (1994) Microbiology 140 (Pt6):1273–1284; Eingangs-Nr.
Z69372; Setya et al. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93(23):13383–1338; Eingangs-Nr.
U56921; Bick et al. (1998) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95(14):8404–8409; Eingans-Nr.
U56921); PAPS-Reduktase (Krone et al. (1991) Mol. Gen. Genet. 225(2):314–319; Eingangs-Nr.
Y07525; Krone et al. (1990) FEBS Lett. 260(1):6–9: Eingangs-Nr. Y07525; Gutierrez-Marcos
et al. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93:13377–13382;
Eingangs-Nr. U53865; Schwenn, J.D., Direct Submission, 2. Juli 1993, Ruhr-Universität-Bochum,
Fak. Biologie, Biochemie von Pflanzen, Universitätsstr. 150, D44780 Bochum, Deutschland,
Eingangs-Nr. Z23169; siehe Nummer fünf unter ATP-Sulfurylase, Eingangs-Nr.
AJ001223; Bussey et al. (1997) Nature 387 (6632 Suppl.):103–105; Eingangs-Nr.
U25840 U00094); Sulfitreduktase (Eingangs-Nr. Y07525; Eingangs-Nr. Z23169;
Hipp et al. (1997) Microbiology 143(Pt9):2891–2902; Eingangs-Nr. U84760;
Pott et al. (1998) Microbiology 144 (Pt7):1881–1894; Eingangs-Nr. U84760;
Bork et al. (1998) Gene 212(1):147–153; Eingangs-Nr. Y10157; Mbe-guie-A-Mbeguie et
al. Eingangs-Nr. AF071890; Bruehl et al. (1996) Biochim. Biophys.
Acta 1295:119–124;
Z49217; Hummerjohann et al. (1998) Microbiology 144 (Pt 5):1375–1386; Eingangs-Nr. AF026066;
Serinacetyltransferase (Eingangs-Nr. X80938; Eingangs-Nr. D88529;
Saito et al. (1995) J. Biol. Chem. 270(27):16321–16326; Eingangs-Nr. D49535);
Cystein synthase (Hesse et al. (1998) „Isolation of cDNAs encoding
cytosolic (Accession No. AF044172) and Plastidic (Eingangs-Nr. AF044173) cysteine
synthase isoforms from Solanum tuberosum (PGR98-057)," Plant Physiol. 116:1604,
Eingangs-Nr. AF044173: Brander et al. (1995) plant Physiol. 108:1748–1748; Eingangs-Nr.
X85803; Topczewski et al. (1997) Curr. Genet. 31(4):348–356; Eingangs-Nr.
U19395; gamma-Glutamylcysteinsynthase (Powles et al. (1996) Microbiology
142 (Pt 9):2543–2548;
Eingangs-Nr. U81808 L75931; Eingangs-Nr. AL031018; EU Arabidopsis
sequencing project, Direct Submission, 3. Juli 1997, am Max-Planck-Institut
für Biochemie,
Am Klopferspitz 18a, D-82152 Martinsried, Deutschland, Eingangs-Nr.
AL031018); Glutathionsynthetase (Okumura et al. (1997) Microbiology
143 (Pt 9):2883–2890;
Eingangs-Nr. D88540; Inoue et al. (1998) Biochim. Biophys. Acta
1395 (3):315–320; Eingangs-Nr. Y13804; Eingangs-Nr.
Y10984; Eingangs-Nr. U22359).
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Varianten
und funktionelle Fragmente einschließlich Verschiebungen „shufflents" der obigen Enzyme
oder von P(APS)-Reduktase
können
verwendet werden. Es ist nur erforderlich, dass die Enzyme eine
Aktivität
haben, die ausreichend ist, um die Konzentration einer bestimmten
organischen Schwefelverbindung in einer Pflanze zu modulieren. Nach
fachbekannten Verfahren können
Varianten produziert werden. Variantenproteine umfassen solche Proteine,
die durch Deletion (sogenannte Verkürzung bzw. Trunkation), Addition
oder Substitution einer oder mehrerer Aminosäuren an einer oder mehreren
Stellen im nativen Protein abgleitet sind.
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Aminsäuresequenzvarianten
des Polypeptids können
zum Beispiel durch Mutationen in der klonierten DNA-Sequenz, die
für das
native Protein von Interesse codiert, hergestellt werden. Methoden
zur Mutagenese und für
Nucleotidsequenzveränderungen
sind auf dem Fachgebiet gut bekannt. Siehe zum Beispiel Walker und
Gaastra, Herausgeber, (1983) Techniques in Molecular Biology (MacMillan
Publishing Company, New York); Kunkel (1985) Proc. Natl. Acad. Sci.
USA 82:488–492;
Kunkel et al. (1987) Methods Enzymol. 154:367–383; Sambrook et al (1989) Molecular
Cloning: A Laboratory Manual (2. Ausg. Cold Spring Harbor Laboratory
Press, Plainview, New York); US-Patent Nr. 4,873,192 und die darin
zitierten Referenzen. Ein Leitfaden für geeignete Aminosäuresubstitutionen,
die die biologische Aktivität des
Proteins von Interesse nicht beeinträchtigen, kann im Modell von
Dayhoff et al. (1978) Atlas of Protein Sequence and Structure (Natl.
Biomed. Res. Found., Washington, D.C.), das hier durch Referenz aufgenommen
wird, gefunden werden. Konservative Substitutionen, z.B. Austausch
einer Aminosäure durch
eine andere mit ähnlichen
Eigenschaften, können
bevorzugt sein.
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Die
(P)APS-Reduktasenucleinsäure
wie auch beliebige zusätzliche
Gene von Interesse können
für eine
verstärkte
Expression in Pflanzen von Interesse optimiert werden, siehe z.B.,
E-PA0359472; WO
91/16432; Perlak et al. (1991) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88:3324–3328; und
Murray et al. (1989) Nucleic Acids Res. 17:477–498. Auf diese Weise können die
Nucleinsäuren
unter Verwendung Pflanzen-bevorzugter Codons synthetisiert werden.
Siehe zum Beispiel Murray et al. (1989) Nucleic Acids Res. 17:477–498, deren
Offenbarung hier durch Referenz aufgenommen wird. Auf diese Weise
können
auch synthetische Nucleinsäuren
auf der Basis der Verteilung von Codons, die ein bestimmter Wirt
für eine
bestimmte Aminosäure
verwendet, hergestellt werden.
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Ein
anderes Verfahren zum Erhalt modifizierter Enzyme, die die Konzentration
wenigstens einer organischen Schwefelverbindung verändern können, ist
Sequenz-„Shuffling". Sequenz-„Shuffling" ist in der PCT-Publikation Nr. 96/19256
beschrieben. Siehe auch Zhang et al (1997) Proc. Natl. Acad. Sci.
USA 94:4504–4509.
Bibliotheken rekombinanter Polynukleotide wer den aus einer Population
verwandter Sequenzpolynukleotide erzeugt, die Sequenzregionen umfassen,
die substantielle Sequenzidentität
haben und die in vitro oder in vivo homolog rekombiniert werden
können.
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In
einigen Fällen
werden die Enzyme von Interesse nativ in der Pflanze exprimiert.
Allerdings können
durch Transformation mit heterologen Promotoren die Expressionslevel
oder – muster
verändert
werden. Siehe zum Beispiel Sambrook et al. (1989) Molecular Cloning:
A Laboratory Manual (2. Ausgabe, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Plainview,
New York) und Innis et al. (1990) PCR Protocols: A Guide to Methods
and Applications (Academic Press, New York).
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Nucleinsäuren
von Interesse auf den Chloroplasten zur Expression gerichtet. Auf
diese Weise wird die Expressionskassette, wenn die Nucleinsäure von
Interesse nicht direkt in den Chloroplasten insertiert wird, zusätzlich eine
Nucleinsäure
enthalten, die für
ein Transitpeptid kodiert, um die Nucleinsäure von Interesse zu den Chloroplasten
zu lenken. Solche Transitpeptide sind auf dem Fachgebiet bekannt. Siehe
zum Beispiel Von Heijne et al. (1991) Plant Mol. Biol. Rep. 9:104–126; Clark
et al. (1989) J. Biol. Chem. 264:17544–17550; Della-Cioppa et al.
(1987) Plant Physiol. 84:965–968;
Romer et al. (1993) Biochem. Biophys. Res. Commun. 196:1414–1421; und, Shah
et al. (1986) Science 233:478–481.
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Chloroplastentargetingsequenzen
sind auf dem Fachgebiet bekannt und umfassen die Chloroplasten-
kleine Untereinheit von Ribulose-1,5-bisphosphatcarboxylase (Rubisco),
(de Castro Silva Filho et al. (1996) Plant Mol. Biol. 30:769:780;
Schnell et al. (1991) J. Biol. Chem. 266(5):3335–3342); 5-(Enolpyruviyl)shikimat-3-phosphatsynthase
(EPSPS) (Archer et al. (1990) J. Bioenerg. Biomemb. 22(6):789–810); Tryptophan synthase
(Zhao et al. (1995) J. Biol. Chem. 270(11):6081–6087); Plastocyanin (Lawrence
et al. (1997) J. Biol. Chem. 272(33):20357–20363); Chorismatsynthase (Schmidt
et al. (1993) J.Biol.Chem. 268(36):27477–27457); und das Lichtsammelnde Chlorophyll-a/b-Bindungsprotein
(LHBP) (Lamppa et al. (1988) J. Biol. Chem. 263:14996–14999).
Siehe auch Von Heijne et al. (1991) Plant Mol. Bio1. Rep. 9:104–126; Clark
et al. (1989) J. Biol. Chem. 264:17544–17550; della-Cioppa et al.
(1987) Plant Physiol. 84:965–968;
Romer et al. (1993) Biochem. Biophys. Res Commun. 196:1414–1421; und
Shah et al. (1986) Science 233:278–481.
-
Methoden
zur Transformation von Chloroplasten sind auf dem Fachgebiet bekannt.
Siehe zum Beispiel Svab et al. (1990) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87:8526–8530; Svab
und Maliga (1993) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90:913:917; Svab und
Maliga (1993) Embo J. 12-601–606.
Die Methode beruht auf der Partikelkanonenabgabe von DNA, die einen
selektierbaren Marker enthält,
und Targeting der DNA zu dem Plasmidgenom durch homologe Rekombination. Zusätzlich kann
eine Plastidtransformation durch Transaktivierung eines stummen
Plastid getragenen Transgens durch gewebespezifische Expression
einer im Kern kodierten und Plasmid-gesteuerten RNA-Polymerase erreicht
werden. Ein derartiges System wurde von McBride et al (1994) Proc.
Natl. Acad. Sci. USA 91:7301–7305
beschrieben.
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Die
Nucleinsäuren
können
mit konstitutiven, Gewebespezifischen oder Chloroplasten-Promotoren
zur Expression des Metaboliten von Interesse kombiniert werden.
Solche konstitutiven Promotoren umfassen zum Beispiel den Kernpromotor
des Rsyn7 (gleichzeitig anhängige
US-Patentanmeldung Serie Nr. 08/661,601), den Kern-CaMV 35S-Promotor (Odell
et al. (1985) Nature 313:810–812);
Reisaktin (McElroy et al. (1990) Plant Cell 2:163–171); Ubiquitin
(Christensen et al. (1989) Plant Mol. Biol. 12:619–632 und
Christensen et al. (1992) Plant Mol. Biol. 18:675–689); pEMU
(Last et al. (1991) Theor. Appl. Genet. 81:581–588); MAS (Velten et al. (1984) EMBO
J. 3:2723–2730);
den ALS-Promotor (US-Patentanmeldung-Serial Nr. 08/409,297) und
dergleichen. Andere konstitutive Promotoren sind z.B. in den US-Patenten
Nr. 5,608,149; 5,608,144; 5,604,121; 5,569,597; 5,466,785; 5,399,680; 5,268,463;
und 5,608,142 beschrieben.
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„Samenspezifische" Promotoren der Erfindung
umfassen Embryospezifische Promotoren. Zusätzlich umfassen solche Promotoren
Globulin 1, Cruciferin, Napin, B-Conglycinin, Phaseolin wie auch andere
Promotoren, die mit Speicherproteinen in Verbindung stehen oder
bei der Fettsäurebiosynthese
involviert sind.
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Expressionskassetten
werden eine Transkriptionsstartregion umfassen, die mit der codierenden
Sequenz oder der Antisensesequenz des Nucleotids von Interesse verknüpft ist.
Eine solche Expressionskassette wird im Allgemeinen mit einer Vielzahl von
Restriktionsstellen zur Insertion der Sequenz, die unter der transkriptionalen
Regulation der regulatorischen Regionen steht, ausgestattet sein.
Die Expressionskassette kann zusätzlich
selektierbare Markergene enthalten.
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Die
Transkriptionsstartregion, der Promotor, kann nativ oder analog
oder fremd oder heterolog für den
Pflanzenwirt sein. Zusätzlich
kann der Promotor eine synthetische Sequenz sein. Mit fremd ist
gemeint, dass die Transkriptionsstartregion nicht in der nativen
Pflanze gefunden wird, in die die Transkriptionsstartregion eingeführt ist.
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Die
Transkriptionskassette wird in der 5'-zu-3'-Transkriptionsrichtung eine Transkriptions- und
Translationsstartregion, eine DNA-Sequenz von Interesse und ein
Transkriptions- und
Translations-Terminierungsregion, die in Pflanzen funkti onell sind,
enthalten. Die Terminierungsregion kann mit der Transkriptionsstartregion
nativ sein, kann mit der DNA-Sequenz
von Interesse nativ sein oder kann aus einer anderen Quelle stammen.
Zweckdienliche Terminierungsregionen sind aus dem Ti-Plasmid von A.
tumefaciens verfügbar,
zum Beispiel die Octopinsynthase- und Nopalinsynthase-Terminierungsregionen.
Siehe auch Guerineau et al. (1991) Mol. Gen. Genet. 262:141–144; Proudfoot
(1991) Cell 64:671–674;
Sanfacon et al. (1991) Genes Dev. 5:141–149; Mogen et al. (1990) Plant
Cell. 2:1261–1272;
Munroe et al. (1990) Gene 91:151–158; Ballas et al. (1989)
Nucleic Acids Res. 17:7891–7903;
Joshi et al. (1987) Nucleic Acids Res. 15:9627–9639.
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Bei
der Herstellung der Expressionskassette können die verschiedenen DNA-Fragmente
so manipuliert werden, dass sie für die DNA-Sequenzen in der
geeigneten Orientierung und, wenn es passend ist, im geeigneten
Leseraster sorgen. Zu diesem Zweck können Adaptoren oder Linker
verwendet werden, um die DNA-Fragmente
zu verknüpfen,
oder es können
andere Manipulationen involviert sein, um für zweckdienliche Restriktionsstellen,
Entfernung von überflüssiger DNA,
Entfernung von Restriktionsstellen oder dergleichen zu sorgen. Zu
diesem Zweck können
eine in vitro-Mutagenese, Primerreparatur, Restriktion, ein Annealing,
Resubsitutionen, zum Beispiel Transitionen und Transversionen, involviert
werden.
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Transformationsprotokolle
wie auch Protokolle zur Einführung
von Nucleotidsequenzen in Pflanzen können in Abhängigkeit vom Pflanzentyp oder
der Pflanzenzelle, das heißt,
Monokotyle oder Dikotyle, die zur Transformation targetiert wird,
variieren. Geeignete Methoden zur Einführung von Nucleotidsequenzen
in Pflanzenzellen und zur anschließenden Insertion in das Pflanzengenom
umfassen Mikroinjektion (Crossway et al. (1986) Biotechniques 4:320–334), Elektroporation
(Riggs et al. (1986) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 83:5602–5606),
Agrobacteri um-vermittelte Transformation (Townsend et al., US-Patent
Nr. 5,563,055); direkten Gentransfer (Paszkowski et al. (1984) EMBO
J. 3:2717–2722),
und ballistische Partikelbeschleunigung (siehe zum Beispiel Sanford
et al., US-Patent Nr. 4,945,050; Tomes et al. (1995) „Direct
DNA Transfer into Intact Plant Cells via Microprojectile Bombardment," in Plant Cell, Tissue,
and Organ Culture: Fundamental Methods, Herausg. Gamborg and Phillips
(Springer-Verlag, Berlin); und McCabe et al. (1988) Biotechnology 6:923–926). Siehe
auch Weissinger et al. (1988) Annual Rev. Genet. 22:421–277; Sanford
et al. (1987) Particulate Science and Technology 5:27–37 (Zwiebel);
Christou et al. (1988) Plant Physiol. 87:671–674 (Sojabohne); McCabe et
al. (1988) Bio/Technology 6:923–926
(Sojabohne); Finer und McMullen (1991) In Vitro Cell Dev. Bio1.
27P:175–182
(Sojabohne); Singh et al. (1998) Theor. Appl. Genet. 96:319–324 (Sojabohne);
Datta et al. (1990) Biotechnology 8:736–740 (Reis); Klein et al. (1988)
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85:4305–4309 (Mais) ; Klein et al.
(1988) Biotechnology 6:559:563 (Mais); Tomes, US-Patent-Nr. 5,240,855;
Buising et al., US-Patent Nrn. 5,322,783 und 5,324,646; Tomes et
al. (1995) „Direct
DNA Transfer into Intact Plant Cells via Microprojectile Bombardment", in Plant Cell,
Tissue, and Organ Culture: Fundamental Methods, Heraus. Gamborg (Springer-Verlag, Berlin) (Mais);
Klein et al. (1988) Plant Physiol. 91:440–444 (Mais); Fromm et al. (1990)
Biotechnology 8:833–839
(Mais); Hooykaas-Van Slogteren und Hooykaas (1984) Nature (London)
311:763–764;
Bytebier et al. (1987) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 84:5345–5349 (Liliacaceae);
De Wet et al. (1985) in „The
Experimental Manipulation of Ovule Tissues"; Herausg. Chapman et al. (Longman,
New York), S. 197–209
(Pollen); Kaeppler et al. (1990) Plant Cell Reports 9:415–418; und
Kaeppler et al. (1992) Theor. Appl. Genet. 84:560–566 (Whisker-vermittelte
Transformation); D'Halluin
et al. (1992) Plant Cell 4:1495–1505
(Electroporation); Li et al. (1993) Plant Cell Reports 12:250–255 und
Christou und Ford (1995) Annals of Botany 75:407–413 (Reis); Osjoda et al.
(1996) Nature Biotechnology 14:745–750 (Mais via Rgrobacterium
tumefaciens).
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Die
Biosynthese von organischen Schwefelverbindungen kann in einer beliebigen
Pflanze von Interesse verändert
werden. Von besonderem Interesse sind Pflanzen, die für menschliche
Nahrungsmittel und Haustiernahrungsmittel verwendbar sind. Solche
Pflanzen umfassen Futterpflanzen und Samenkulturpflanzen, z.B. Getreidepflanzen
und Ölsamenpflanzen.
Von besonderem Interesse sind Pflanzen, in denen Samen in hohen
Mengen produziert wird oder der Samen oder ein Samenteil essbar
ist. Samen von Interesse umfassen die Ölsamen, z.B. Samen von Brassica,
Baumwolle, Sojabohne, Saflor, Sonnenblume, Kokosnuss, Palm usw.;
Getreidesamen wie Weizen, Gerste, Reis, Mais, usw.; andere Samen,
einschließlich
Hafer, Kürbis,
Cucurbita, Mohn, Sesam, Erdnuss, Erbsen, Bohnen, Kakao, Kaffee usw.;
und Baumnüsse
wie Walnuss, Pekan, Mandeln usw.. Speziell bevorzugte Pflanzen sind Mais,
Sojabohne, Sonnenblume, Brassica, Weizen, Gerste, Roggen, Reis,
Hirse, Sorghum, Saflor, Kartoffel, Erbse und Lyzerne.
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Die
modifizierte Pflanze kann auf herkömmlichen Wegen zu Pflanzen
wachsen gelassen werden. Siehe zum Beispiel McCormick et al. (1986)
Plant Cell. Reports 5:81–84.
Diese Pflanzen können
dann wachsen gelassen werden und entweder mit demselben transformierten
Stamm oder anderen Stämmen bestäubt werden
und die resultierende Hybride, die das gewünschte phenotypische Merkmal
hat, identifiziert werden. Es können
zwei oder mehr Generationen wachsen gelassen werden, um sicherzustellen, dass
das gewünschte
phenotypische Merkmal in stabiler Weise aufrechterhalten wird und
vererbt wird, und dann der Samen geerntet, um sicherzustellen, dass
der gewünschte
Phänotyp
oder eine andere Eigenschaft erhalten worden ist.
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Die
folgenden Beispiele werden zur Erläuterung und nicht zur Beschränkung angeführt.
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BEISPIELE
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Beispiel 1: Transformation
und Regeneration von Maiscallus.
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Unreife
Maisembryos aus Gewächshausdonorpflanzen
werden mit einem Plasmid, das eine (P)APS-Reduktasenucleinsäure funktionell
mit dem Ubiquitinpromotor plus ein Plasmid, dass das selektierbare
Markergen PAT, welches Resistenz gegenüber dem Herbizid Bialaphos
verleiht, enthält,
beschossen. Eine Transformation wird wie folgt durchgeführt:
Die Ähren werden
in 30% Clorox-Bleiche plus 0,5% Mikro-Detergenz für 20 Minuten oberflächensterilisiert
und dann zweimal mit sterilem Wasser gespült. Die unreifen Embryos werden
ausgeschnitten und mit der Embryoachse nach unten (Scutellum-Seite nach
oben), 25 Embryos pro Platte, auf 560 Y-Medium für vier Stunden gelegt und dann
in der 2,5-cm-Zielzone
in Vorbereitung zum Beschuss angeordnet.
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Ein
Plasmidvektor, der eine (P)APS-Reduktasenucleinsäure funktionell mit dem Ubiquitinpromotor
verknüpft
umfasst, wird konstruiert. Diese Plasmid-DNA plus Plasmid-DNA, die
einen selektierbaren PAT-Marker enthält, wird auf 1,1 μm (durchschnittlicher
Durchmesser) Wolframpellets präzipitiert,
wobei ein CaCl2-Präzipitationsverfahren wie folgt
angewendet wird: 100 μl
präparierte
Wolframpartikel in Wasser, 10 μl
(1 μg) DNA
in TrisEDTA-Puffer (insgesamt 1 μg),
100 μl 2,5
M CaCl2 und 100 μl 0,1 M Spermidin.
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Die
Reagenzien werden jeweils sequentiell zu der Wolframpartikelsuspension
gegeben, wobei diese mit einem Mehrröhrchen-Vortexer aufrechtgehalten wird. Das
Endgemisch wir kurz be schallt und für zehn Minuten unter konstanter
Vortex-Behandlung
inkubieren gelassen. Nach dem Präzipitationszeitraum
werden die Röhrchen
kurz zentrifugiert, Flüssigkeit
wird entfernt, es wird mit 500 ml 100% Ethanol gewaschen und für 30 Sekunden
zentrifugiert. Die Flüssigkeit
wird erneut entfernt und es werden 105 μl 100 Ethanol zu dem fertigen
Wolframpartikelpellet gegeben.
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Zur
Partikelkanonenbehandlung werden die Wolfram/DNA-Partikel kurz beschallt
und es werden 100 μl
auf den Mittelpunkt jedes Makroträgers aufgetüpfelt und etwa 2 Minuten vor
Beschuss trocknengelassen.
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Die
Probenplatten werden mit Einstellung Nr. 4 mit der Partikelkanone
Nr. HE34-1 oder Nr. HE34-2 beschossen. Alle Proben erhalten einen
einzelnen Schuss mit 650 PSI, wobei insgesamt 10 Aliquots aus jedem
Röhrchen
hergestellter Partikel/DNA genommen werden .
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Nach
Beschuss werden die Embryos auf 560 Y-Medium, einem Medium auf N6-Basis,
für zwei Tage
gehalten, dann auf 560 R-Selektionsmedium, einem
Medium auf N6-Basis, das 3 mg/l Bialaphos enthält, transferiert und alle zwei
Wochen subkultiviert. Nach etwa 10 Wochen Selektion werden selektionsresistente
Callusklone auf PCR und Aktivität
der Nucleinsäure
von Interesse analysiert. Positive Linien werden auf 288 J-Medium, ein Medium
auf N6-Basis mit geringerer Saccharose- und Hormonkonzentration, transferiert,
um die Pflanzenregeneration zu initiieren. Nach somatischer Embryoreifung
(2–4 wochen)
werden gut entwickelte somatische Embryos auf Medium zur Keimung übertragen
und in den beleuchteten Kulturraum gebracht. Etwa 7 bis 10 Tage später werden
sich entwickelnde Pflänzchen
auf Medium in Röhrchen
für 7 bis
10 Tage umgepflanzt, bis die Pflänzchen
gut entwickelt sind. Die Pflanzen werden dann in Einsätze in Anzuchtplatten
(entspricht 2,5'' – Topf), die Topferde enthalten,
umgepflanzt und für
eine Woche in einer Wachstumskammer wachsen gelassen, anschließend für weitere
1 bis 2 Wochen im Gewächshaus
wachsen gelassen und dann in klassische 600-Töpfe (1,6-Gallone) transferiert
und zur Reife wachsen gelassen. Die Pflanzen werden bezüglich Expression
der (P)APS-Nucleinsäure
und Methionin überwacht.
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Obgleich
die vorstehende Erfindung in gewissem Detail durch Erläuterung
beschrieben wurde und ein Beispiel zum besseren Verständnis angeführt wurde,
wird es klar sein, dass bestimmte Änderungen und Modifikationen
innerhalb des Rahmens der beigefügten
Ansprüche
durchgeführt
werden können.