EP1135499A1 - Dna sequences which code a glucose-translocator, plasmids, bacteria, yeasts and plants containing this translocator - Google Patents

Dna sequences which code a glucose-translocator, plasmids, bacteria, yeasts and plants containing this translocator

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EP1135499A1
EP1135499A1 EP99929205A EP99929205A EP1135499A1 EP 1135499 A1 EP1135499 A1 EP 1135499A1 EP 99929205 A EP99929205 A EP 99929205A EP 99929205 A EP99929205 A EP 99929205A EP 1135499 A1 EP1135499 A1 EP 1135499A1
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EP
European Patent Office
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glucose
translocator
dna sequences
sequences
dna
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Withdrawn
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EP99929205A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ulf-Ingo Prof. Dr. Flügge
Andreas Dr. Weber
Karsten Dr. Fischer
Jerome Servaites
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Original Assignee
Individual
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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/63Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
    • C12N15/79Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts
    • C12N15/82Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts for plant cells, e.g. plant artificial chromosomes (PACs)
    • C12N15/8241Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology
    • C12N15/8242Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology with non-agronomic quality (output) traits, e.g. for industrial processing; Value added, non-agronomic traits
    • C12N15/8243Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology with non-agronomic quality (output) traits, e.g. for industrial processing; Value added, non-agronomic traits involving biosynthetic or metabolic pathways, i.e. metabolic engineering, e.g. nicotine, caffeine
    • C12N15/8245Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology with non-agronomic quality (output) traits, e.g. for industrial processing; Value added, non-agronomic traits involving biosynthetic or metabolic pathways, i.e. metabolic engineering, e.g. nicotine, caffeine involving modified carbohydrate or sugar alcohol metabolism, e.g. starch biosynthesis
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07KPEPTIDES
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    • C07K14/415Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from plants
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    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/63Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
    • C12N15/79Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts
    • C12N15/82Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts for plant cells, e.g. plant artificial chromosomes (PACs)
    • C12N15/8241Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology
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    • Y02A40/10Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in agriculture
    • Y02A40/146Genetically Modified [GMO] plants, e.g. transgenic plants

Definitions

  • DNA sequences encoding a glucose translocator, plasmids, bacteria, yeast and plants containing this transporter DNA sequences encoding a glucose translocator, plasmids, bacteria, yeast and plants containing this transporter.
  • the present invention relates to DNA sequences from Zea mays (maize), Solanum tuberosum (potato) and Spinacia oleracea (spinach), which contain the coding region of a glucose translocator, the introduction of which into a plant genome involves the formation and transfer of carbon frameworks in transgenic plants modified, plasmids, yeasts and bacteria containing these DNA sequences, as well as transgenic plants in which the introduction of the DNA sequences causes changes in the activity of the glucose translocator and thus changes in the carbon metabolism.
  • the invention relates to the use of the described sequences of the glucose translocator for identifying related translocators from other plants (angiosperms, gymnosperms, and algae) by hybridization with low stringency or by PCR techniques, and the use of the glucose translocator as a target (" Target ”) for herbicides.
  • Plant photosynthesis is the largest production process on earth and the only process that increases the total supply of usable energy on our planet: more than 10 billion tons of carbon are stored annually in carbohydrates or other organic matter as energy and ultimately as our food base. This amount of energy corresponds to about 5% of all known fossil energy sources. Photosynthesis is the basis of all life. During this process, which takes place in photosynthetically active plastids, the atmospheric CO2, inorganic phosphate and water are converted into a carbon skeleton with the help of the products formed in the course of the light reaction, adenosine triphosphate (ATP) and reduction equivalents (NADPH 2 )
  • ATP adenosine triphosphate
  • NADPH 2 reduction equivalents
  • ATP is again formed from the phosphate, a reaction that is catalyzed by the light-driven ATP synthase. It can be seen that the export of the carbon fixed during the day, catalyzed by the triose phosphate / phosphate translocator, in an exchange with inorganic phosphate, essentially connects the two compartments chloroplast and cytoplasm.
  • the triose phosphates formed by photosynthesis can also be converted into starch, the so-called assimilation starch.
  • This process takes place in the chloroplasts and serves to build up a transient carbon store that the plant can access during the subsequent night period.
  • carbon can also be assimilated in this way if the sucrose biosynthesis in the cytosol does not keep pace with the net C0 2 assimilation.
  • the starch storage is broken down again and the fission products of the starch mobilization are removed from the chloroplasts and, after further conversion into the form of transport of the photoassimilate (primarily sucrose), exported from the leaf. This ensures that the non-green tissues are continuously supplied with photoassimilates, both during the day and during the night.
  • the mobilization of the assimilation starch can take place via a phosphorolytic as well as a hydrolytic degradation.
  • hexose phosphates are obtained and ultimately triose phosphates, which can be exported from the chloroplasts using the TPT mentioned above.
  • the further conversion to sucrose then takes place in the cytosol.
  • glyceraldehyde-3-phosphate and dihydroxyacetone phosphate fructose-1, 6-bisphosphate is formed.
  • FBPase cytosolic fructose-1,6-bisphosphatase
  • the concentration of this FBPase inhibitor has a diurnal rhythm, is low in the light and so high in the dark that the FBPase is largely switched off here (Stitt, 1990, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 41: 153- 185).
  • triose phosphates exported from the plastids cannot be converted into sucrose.
  • the counter-exchange substrate phosphate required for the export of triose phosphates is therefore also not available.
  • phosphate would be required as a substrate for the phosphorolytic starch degradation. It can therefore be assumed that the starch is mobilized at night primarily via hydrolytic degradation.
  • a mutant of Flaveria linearis with a defective cytosolic FBPase does not have an obvious phenotype. This mutant shows a reduced carbon export from the leaf during the day, but increased during the night period (Zrenner et al., 1996, Plant J. 9: 671-681).
  • the hydrolytic starch degradation - via amylases, Maltesen etc. - provides glucose, the basic building block of the starch.
  • Glucose is exported from the chloroplast via a special transporter, the glucose translocator. After phosphorylation to glucose-6-phosphate by the enzyme hexokinase, glucose-6-phosphate can by the Glucose phosphate isomerase can be converted into fructose-6-phosphate. This reaction sequence bypasses the FBPase reaction.
  • glucose-6-phosphate Another molecule of glucose-6-phosphate is rearranged to glucose-1-phosphate by phosphoglucose isomerase and then converted to UDP-glucose by UDP-glucose-pyrophosphorylase (UGPase, glucose-1-phosphate-uridylyl transferase). UDP-glucose and fructose-6-phosphate are then converted to sucrose by the sucrose phosphate synthase and the sucrose phosphate phosphatase.
  • UDPase UDP-glucose-pyrophosphorylase
  • transgenic plants with a modulated activity of the chloroplast TPT could be produced.
  • the inhibition of this transporter in planta via the expression of a corresponding "antisense" mRNA leads to a reduced export of the primary photoassimilate (triose phosphate, 3-phosphoglycerate), which under these circumstances is derived within the chloroplast into the biosynthesis of starch which is found massive accumulation (Riesmeier et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 6160-6164; Heineke et al., 1994, Planta 193: 174-180).
  • This mutant is principally due to its enzyme content It has been shown that the TC26 mutant has a functional TPT, but cannot transport glucose as a product of starch degradation from the chloroplasts into the cytosol. The supposed lack of the glucose translocator leads to an accumulation of the Starch degradation products and thus a new synthesis of starch combined with the observed high starch content. Taken together, the experiments discussed underline the decision The glucose translocator is extremely important in the export of carbon frameworks from starch degradation. The glucose translocator was first described in 1977 (Schäfer et al., 1977, Plant Physiol 60: 286-289), but a more extensive biochemical or molecular characterization of this transport system is pending.
  • the process of photoassimilate production described and taking place in the leaves serves to a large extent to supply non-green organs (the “sink” tissue), such as root, tuber and fruit, including the harvestable parts of the plants.
  • the transport of carbohydrates from the "source” to the "sink” tissues via the sieve tubes takes place exclusively in the form of sucrose.
  • the sucrose is then transported from the phloem into the cells of the "sink” tissue (phloem discharge).
  • the transport can either be direct, that is to say symplastic, via connections (plasmodesms) existing between the phloem and the “sink” tissue, or else apoplastically, which means that the sucrose is discharged into the cell wall and imported again into the target cells.
  • the sucrose in the apoplast can be cleaved into hexoses by a cell wall-specific invertase, which are then transported into the cells of the "sink” tissue. If it is transported in the form of sucrose, it is split into hexoses (glucose and fructose) in the cytoplasm of the cells of the "sink” tissue. This is done either via invertases or via sucrose synthase. All sucrose cleavage products are ultimately converted back into hexose phosphates (glucose-6-phosphate, glucose-1-phosphate).
  • glucose-6-phosphate then serves as a substrate for starch synthesis, the entire reaction sequence of which is located in the interior (stroma) of the amyloplasts of the "sink” tissue. These organelles are surrounded by two lipid bilayer membranes, of which the outer membrane is non-specifically permeable to smaller molecules due to the presence of pore-forming proteins (porins).
  • porins pore-forming proteins
  • the inner envelope membrane is the actual permeability limit between the cytoplasm and the organelles and, like a priori any lipid bilayer, is in principle impermeable to larger charged molecules such as e.g. Hexose phosphate.
  • This basic impermeability of the inner amyloplast envelope membrane for larger hydrophilic molecules is bridged by the presence of specific transport systems
  • Glucose-6-phosphate is imported into the plastids via a transporter recently characterized by us, the glucose-6-phosphate / phosphate translocator (GPT) (Kammerer et al. (1998) Plant Cell 10: 105-1 17). Within the plastid, the imported glucose-6-phosphate can then be fed into the starch biosynthesis. The amyloplasts are transported in a counter-exchange mechanism, here in exchange with inorganic phosphate, which is released in the course of starch synthesis.
  • GPT glucose-6-phosphate / phosphate translocator
  • Glucose-6-phosphate is converted into glucose-1-phosphate, which is then converted into ADP-glucose, the substrate for the starch synthase, via the ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase).
  • AGPase ADP-glucose pyrophosphorylase
  • the imported glucose-6-phosphate is also the starting substrate for the oxidative pentose phosphate pathway (OPPP), the reduction equivalents, mainly for the reduction of the nitrite formed from the nitrate to ammonium, which in turn is removed into the biosynthesis of amino acids / proteins, provides.
  • OPPP oxidative pentose phosphate pathway
  • glucose-6-phosphate is transported in exchange with triose phosphates, the products of OPPP (Kammerer et al. (1998) Plant Cell 10: 105-1 17).
  • the starch formed in the non-green plastids like the assimilation strength of the chloroplasts, is subject to constant build-up and breakdown (Stitt and Heldt, 1991, Biochim. Biophys. Acta 638: 1 -1 1). If the rate of synthesis is higher than that of degradation, the starch is created as a long-term storage for the fixed carbon.
  • the starch stored in the (harvestable) stores then serves as the basis for animal / human nutrition (e.g. starch in potato tubers, corn kernels). When seeds germinate, the starch is remobilized and the starch degradation products then serve as fuel for the resulting seedling. It can be assumed that, as explained above using the example of the degradation of chloroplast assimilation starch, the glucose translocator of the non-green plastids plays a decisive role in the mobilization of the storage starch.
  • transporters - like the chloroplastic triosephosphate-phosphate translocator, which catalyzes the transport of the fixed carbon out of the chloroplast, the sucrose translocator, via which the sieve tubes are loaded with the transport form of the photoassimilate sucrose, are glucose -6-phosphate-phosphate translocator of the amyloplasts, which provides the starting substrate for the starch synthesis, or the glucose translocator, via which the degradation products of the Starch mobilization leaves the plastids at a crucial point in the allocation of the photoassimilate from the "source" to the "sink” organs. Changes in the activity of a specific membrane transporter can have a major impact on plant metabolic performance.
  • the glucose translocator plays a central role in the transport of degradation products of starch hydrolysis from photosynthetically active and non-green plastids. If it was possible to clone this translocator and to change the activity of the translocator in plants using the sequence obtained, this opened e.g. the possibility of increasing the starch content of the plants and thus their dry matter.
  • the photoassimilates formed during photosynthesis are mainly exported during the day via the TPT.
  • the fixed carbon would alternatively be provided here as glucose, which is discharged to the chloroplast via the glucose translocator.
  • the mature part (the part of the protein which remains after the presequence has been cleaved off by a specific protease) of the plastid envelope membrane proteins contains further information which is necessary for the specific insertion of the proteins into the membrane are responsible and prevent transport of the envelope membrane proteins over the envelope membrane into the plastid stroma or, in the case of the chloroplasts, the thylakoid membrane (Knight and Gray, 1995, Plant Cell 7: 1421-1432 or own investigations: Brink et al., 1995, J. Biol Chem. 270: 20808-20815).
  • the translocator's N-terminus was found to be chemically modified and thus not accessible to N-terminal protein sequencing by automated Edman degradation. It was therefore necessary to isolate the protein in sufficient quantity by preparative SDS-polyacrylamide gel electrophoresis and to cleave it enzymatically with a protease (Lys-C) in order to determine internal peptide sequences (see exemplary embodiment 1).
  • the following peptide sequence could be obtained in this way: (1) KGRSLEEIELALSPAV. It was possible to use the 3'-RACE method (rapid amplification of cDNA ends) and using degenerate (modeled after the obtained peptide) synthetic oligonucleotides to obtain a specific PCR fragment.
  • chloroplastic glucose translocator is synthesized as a precursor protein, as well as post-translationally and with the N-terminal signal sequence being split off into the chloroplasts imported and inserted into the envelope membranes (see embodiment 3).
  • the present invention provides DNA sequences which come from a plant genome and code for plastid glucose translocators, the information contained in the nucleotide sequence leading to the formation and expression in plant cells of a ribonucleic acid and via this ribonucleic acid a glucose Translocator activity can be introduced into the cells or an endogenous glucose translocator activity can be suppressed.
  • the invention particularly relates to the DNA sequences from Zea mays (maize), Solanum tuberosum (potato) and Spinacia oleracea (spinach) with the nucleotide sequences shown in the appendix (sequence protocols).
  • the invention furthermore relates to DNA sequences which hybridize with the DNA sequences listed in the appendix or parts thereof or derivatives which are derived from these sequences by insertion, deletion or substitution and code for a plastid protein which has biological activity of a glucose translocator.
  • the present invention relates to the use of the DNA sequences according to the invention or parts thereof or derivatives which are derived from these sequences by insertion, deletion or substitution, for the transformation of pro- and eukaryotic cells.
  • the DNA sequences according to the invention can be introduced into vectors and combined with control elements for expression in prokaryotic or eukaryotic cells (see
  • control elements are, on the one hand, transcription promoters and, on the other hand, transcription terminators.
  • the vectors can be used to transform eukaryotic cells with the aim of expressing a translatable messenger ribonucleic acid (RNA) which allows the synthesis of a plastid glucose translocator in the transformed cells, or with the aim of expressing a non-translatable, inversely oriented ("anti sense "), messenger ribonucleic acid, which synthesizes the endogenous Prevents glucose translocators.
  • RNA messenger ribonucleic acid
  • Repression can also be achieved by overexpressing the homologous DNAs (co-suppression).
  • the expression of endogenous glucose translocators can also be inhibited by the expression of a ribozyme constructed for this purpose using the DNA sequences according to the invention; also via insertion mutagenesis - or, as soon as the corresponding technology is available, by homologous recombination ("knock-out" mutant).
  • a tissue-specific controlled expression of an RNA in accordance with the sequences according to the invention of a plant glucose translocator enables a change in the plant carbon metabolism, the economic importance of which is that an improved derivation of the photoassimilates from the chloroplasts is achieved or the breakdown products of the starch mobilization in the plastids be held back.
  • Plants can thus be produced which have an increased starch content and / or - in the case e.g. the potato - show reduced storage losses.
  • This modification increases the nutritional value of plants and thus their economic value.
  • the respective effects could possibly be increased if the tissue-specific expression of the glucose translocator in the leaf or in heterotrophic "sink" tissue were combined with the other translocators / enzymes of carbon / nitrogen metabolism (simultaneous expression of several target proteins such as eg when increasing the starch content or reducing storage losses of the potato).
  • heterologous expression of the sequences described in split yeasts enables structural-functional studies of the glucose translocator which ultimately lead to the development of a specific one Inhibitor of this protein could result;
  • Herbicide development in particular should be considered here, since the inhibition of a protein with a key function in the metabolic process would necessarily be lethal for the plant.
  • these structure-function studies are the basis for a directed mutagenesis of the substrate binding site of the translocator in order to specifically change the substrate specificity of the transporter.
  • the transcriptional start area can be native or homologous as well as foreign or heterologous to the host plant. Termination areas are interchangeable.
  • the DNA sequence of the transcription start and termination regions can be produced synthetically or obtained naturally or contain a mixture of synthetic and natural DNA components.
  • cloning vectors are available which contain a replication signal for E. coli and a marker which allows selection of the transformed cells. Examples of vectors are pBR322, pUC series, M13 mp series, pACYC 184 etc. Depending on the method of introducing desired genes into the plant, further DNA sequences may be required.
  • the Ti or Ri plasmid is used for the transformation of the plant, at least the right boundary, but often the right and left boundary of the Ti and Ri plasmid T-DNA must be added as a flank region to the genes to be introduced.
  • T-DNA for the transformation of plant cells has been intensively investigated and adequately described (Hoekema, in: The Binary Plant Vector System, Offset-drukkerij Kanters BV. Ablasserdam, 1985, Chapter V; Fraley et al., Critic. Rev. Plant Sc. 4: 1-46; An et al., 1985, EMBO J. 4: 277-287). Once the DNA has been integrated into the genome, it is generally stable there and is also retained in the offspring of the originally transformed cell.
  • biocides such as Basta
  • antibiotics such as kanamycin, bleomycin or hygromycin
  • agrobacteria In addition to transformation using agrobacteria, many other techniques are available for introducing DNA into a plant host cell. These techniques include protoplast transformation, microinjection of DNA, electroporation, and ballistic methods. Whole plants can then be regenerated from the transformed plant material in a suitable selection medium. The plants obtained in this way can then be tested for the presence of the introduced DNA using conventional molecular biological methods. These plants can be grown normally and crossed with plants that have the same transformed genetic makeup or other genetic makeup. The resulting hybrid individuals have the corresponding phenotypic properties.
  • DNA sequences according to the invention can also be introduced into plasmids which permit mutagenesis or a sequence change by recombining DNA sequences in prokaryotic or eukaryotic systems. This can change the specificity of the glucose translocator e.g. towards an affinity for fructose or galactose.
  • the glucose translocator could also be made insensitive to specific herbicides.
  • base exchanges and / or base deletions can be carried out and / or synthetic or natural sequences can be added .
  • Adapters or links can be used to connect the DNA fragments to one another.
  • Manipulations which provide suitable restriction sites or which remove unnecessary DNA can also be used. Wherever insertions, deletions or substitutions such as transitions or transversions come into question can be used in v / fro mutagenesis, "primer repair", restriction or ligation.
  • Sequence analysis, restriction analysis and other biochemical-molecular biological methods such as, for example, the expression of the modified protein in yeasts and the measurement of the modified transport properties in artificial liposomes (see
  • Embodiment 4 Loddenspringtter et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Be. USA 90: 2155-2159; Fischer et al., 1997, Plant Cell, 9: 453-462; Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-117) or measuring the modified transport properties of the protein expressed in transgenic plants using a method recently developed by us for this purpose (Flügge and Weber, 1994, Planta, 194: 181 -185) applied.
  • Standard methods in particular hybridization screening of cDNA libraries with low stringency using the DNA sequences according to the invention or parts of the DNA sequences as a probe or the creation of probes for stringent and low-stringent screening strategies by deriving degenerate and / or non-degenerate ones Isolate primers from the DNA sequences according to the invention for PCR experiments with DNA or cDNA from other plants) from the genome of plants, similar sequences which code for proteins which also transport glucose.
  • the DNA sequences according to the invention contain regions in the translated protein which are capable of specifically directing the proteins synthesized on ribosomes in the cytoplasm to plastids and of preventing the occurrence of the proteins in other membrane systems of the cell.
  • the protein region which directs the protein encoded by the DNA sequences according to the invention to plastids is in each case within the first 90 amino acids of the protein, is not necessary for the transport function of the protein and is removed after the protein has been successfully inserted into the plastid envelope membrane.
  • the translocator protein could be transferred to another membrane system direct eukaryotic cells and could possibly change the transport properties over the respective membrane.
  • the "plastid targeting" sequences of the glucose translocator or endogenous regions of the mature protein could be used to direct foreign proteins (eg bacterial transport proteins or transporters from yeasts) into the plastids or into the plastid envelope membrane of plant cells.
  • foreign proteins eg bacterial transport proteins or transporters from yeasts
  • phage LambdaZAP II and the phagemid pBluescript II SK (pBSC) (Short et al., 1988, Nucl. Acids Res. 16: 7583-7600) were used for cloning.
  • the vector pEVP11 (Radorel and Nurse, 1986, Cell 45: 145-153) was used for the transformation of yeasts.
  • E. coli strain DH5 ⁇ (Hanahan et al., 1983, J. Mol. Biol. 166: 557-580) was used for the pBluescriptSK (pBSC) phagemid and for pEVP1 1 and pBinAR constructs.
  • the DNA was transferred into the agrobacteria by direct transformation using the method of Höfgen and Willmitzer (1988, Nucl. Acids Res. 16: 9877).
  • the plasmid DNA of transformed agrobacteria was isolated by the method of Birnboim and Doly (1979, Nucl. Acids Res. 7: 1513-1523) and, after suitable restriction cleavage, analyzed for correctness and orientation by electrophoresis.
  • the leaf pieces were then placed on an MS medium with 2% sucrose, 2 mg / l kinetin, 500 mg / l Betabactyl®, 15 mg / l hygromycin (or 100 mg / l kanamycin) and 0.8% Bacto-agar. After a week's incubation at 25 ° C and 3,000 lux illuminance, the beta-lactyl concentration in the medium was reduced by half. Small shoots grew from the leaf pieces without a pronounced callus phase, which were transferred to an MS medium with 2% sucrose, 250 mg / l betabactyl and 100 mg / l kanamycin for root formation. After root formation, the saplings were transferred to earth culture.
  • Arabidopsis was transformed by the method of Bechtold et al., 1993, C.R. Acad. Be. 316: 1 194-1199.
  • Phagemid pBSC-E43 / 30-3 (DSM 12243) Phageimid pBSC-Zm-pGT (DSM 12862)
  • the glucose translocator in the envelope membranes of spinach chloroplasts was identified by a combination of radioactive labeling experiments and substrate protection experiments. It could be shown that the transport of glucose into isolated chloroplasts could already be inhibited by very low concentrations of the sulfhydryl reagents pCMBS and NEM.
  • Isolated chloroplasts were mixed with the radioactively labeled sulfhydryl reagent N-ethylmaleimide (NEM) in the presence or absence of glucose, maltose and sorbitol.
  • NEM N-ethylmaleimide
  • the chloroplast envelope membranes were then isolated, separated by SDS-PAGE and fluorographs were prepared from the fixed, stained and dried gels. It was shown that a protein with an apparent molecular mass of 43 kDa was differentially labeled in SDS-PAGE under the various conditions.
  • the protein identified in this way as a glucose translocator was then extracted from the chloroplast envelope membranes by extracting the membranes with a mixture of chloroform and methanol (2: 1) together with four other proteins.
  • the highly lipid-containing extract was not directly accessible for separation in preparative SDS gels and had to be delipidated with hexane.
  • the protein was then prepared in preparative SDS polyacrylamide gels (Laemmli, 1970, Nature 227: 680-685). After detection of the protein by staining with Coomassie-Brilliant Blue R-250, a 43 kDa protein band was cut out of the gel and cleaved in the gel matrix with the endoprotease Lys-C (Fresco, 1979, Anal. Biochem. 97: 382-386). The resulting peptides were made from eluted the gel and separated by means of HPLC (Eckerskorn and Lottirri, 1989, Chromatographia, 28: 92-94).
  • amino acid sequence of the purified peptide fractions was determined by automated Edman degradation in the gas phase (Eckerskorn et al., 1988, Eur. J. Biochem. 176: 509-519). Two degenerate oligonucleotide sequences encoding this amino acid sequence were derived from the amino acid sequence of one of the two peptides (peptide 1) and the oligonucleotide in question was prepared by in vitro DNA synthesis.
  • RNA was used for an RT polymerase chain reaction (PCR) (RACE; Schaefer, B.C. (1995) Anal. Biochem. 227, 255-273).
  • RACE RT polymerase chain reaction
  • the first specific oligonucleotide in combination with an “anchor (dT) 15" primer was used as the primer for the first RACE reaction.
  • the products obtained were subjected to a second PCR, the respective “nested” primers being used here.
  • a specific PCR fragment 300 bp
  • Approximately 300,000 clones of the cDNA library were probed with this PCR fragment (see embodiment 1). Clones reacting positively were purified by standard methods and after preparation of the amplified phage DNA from the purified plaques, the insert coding for the glucose translocator was obtained by EcoRI restriction digest and by Southern blot analysis, using the above-mentioned PCR fragment as a probe, verified. After in vivo excision of the phagemid from the phage with the aid of the filamentous helper phage ExAssist, the clones were analyzed by determining the DNA sequence (dideoxy method: Sanger et al., 1977, Proc. Natl. Acad. Be.
  • the spinach cDNA was then used to isolate the corresponding cDNA clones from Arabidopsis thaliana, Zea mays (maize), Solanum tuberosum (potato) and Nicotiana tabacum (tobacco) tissues by screening the corresponding low stringency cDNA libraries.
  • the chloroplasts were washed and the envelope membranes isolated (Flügge et al., 1989, EMBO J. 8: 39-46). They were analyzed by SDS-polyacrylamide gel electrophoresis (Laemmli, 1970, Nature 227: 680-685) and subsequent fluorography (Bonner and Laskey, 1974, Eur. J. Biochem. 46: 84-88). The pre-sequence of the glucose translocator was shown to correctly direct the attached mature protein to its target membrane, the inner chloroplast envelope membrane; it is split off during the import process by a specific protease and the mature protein is formed.
  • yeast expression vector pEVP11 was inserted into the yeast expression vector pEVP11 and after amplification of the construct in E. coli in LiCI / PEG made competent (Ito et al., 1983, J. Bact. 153: 163-168) leucine synthesis deficient S pombe cells were transformed (Fischer et al., 1997, Plant Cell 9: 453-462; (Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-117). Transformants were selected by selection on minimal medium without leucine, since the pEVP1 1- E43-30 / 3 construct gives yeast cells the ability to grow on leucine-free medium.
  • Embodiment 5 Transformation of plants with a construction for overexpression of the coding region of the glucose translocator
  • the insert was isolated by restriction digestion from the phagemid pBluescript-E43-30 / 3 (pBSC-E43-30 / 3), which contained the cDNA for the spinose glucose translocator as an insertion (see embodiment 2) and was converted into the vector pBinAR ( Höfgen and Willmitzer, 1990, Plant Sei. 66: 221-230). After amplification of the resulting construct pBinAR-E43-30 / 3 in E. coli, the construct was transformed into agrobacteria and these were then used to infect leaf segments of tobacco and potato.
  • the transformants obtained were examined with the aid of Southern blot analyzes for the presence of the intact, non-rearranged chimeric gene.
  • the glucose transport activity was examined in comparison to control transformants (transformed with vector pBinAR without insertion), as were the C / N ratio, photosynthesis rate, starch content and growth.

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Abstract

The invention relates to DNA sequences from Zea mays (corn), Solanum tuberosum (potato) and Spinacia oleracea (spinach) which contain the coding region of a glucose-translocator. The introduction of said DNA sequences in a vegetable genome modifies the formation and transmission of carbon parent structures in transgenic plants, plasmids, yeasts and bacteria containing these DNA sequences. The invention also relates to transgenic plants in which modifications of the activity of the glucose-translocator and thus alterations in the carbon metabolism are provoked by introducing the DNA sequences. In addition, the invention relates to the use of the described sequences of the glucose translocator for identifying related translocators from other plants (angiosperms, gymnosperms, and algae) by hybridizing with lower stringency or by PCR techniques. The invention also relates to the use of the glucose-translocator as a 'target' for herbicides.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
DNA-Sequenzen kodierend einen Glukose-Translokator, Plasmide, Bakterien, Hefen und Pflanzen enthaltend diesen Transporter.DNA sequences encoding a glucose translocator, plasmids, bacteria, yeast and plants containing this transporter.
Die vorliegende Erfindung betrifft DNA-Sequenzen aus Zea mays (Mais), Solanum tuberosum (Kartoffel) und Spinacia oleracea (Spinat), die die Kodierregion eines Glukose-Translokators enthalten, deren Einführung in ein pflanzliches Genom die Bildung und Weiterleitung von Kohlenstoffgrundgerüsten in transgenen Pflanzen verändert, Plasmide, Hefen und Bakterien enthaltend diese DNA-Sequenzen, sowie transgene Pflanzen, bei denen durch Einführung der DNA-Sequenzen Veränderungen der Aktivität des Glukose-Translokators und somit Änderungen im Kohlenstoffstoffwechsel hervorgerufen werden. Weiterhin betrifft die Erfindung die Nutzung der beschriebenen Sequenzen des Glukose-Translokators zur Identifizierung verwandter Translokatoren aus anderen Pflanzen (Angiospermen, Gymnospermen, sowie Algen) durch Hybridisierung mit niedriger Stringenz oder durch PCR-Techniken, sowie die Nutzung des Glukose-Translokators als Ziel ("Target") für Herbizide.The present invention relates to DNA sequences from Zea mays (maize), Solanum tuberosum (potato) and Spinacia oleracea (spinach), which contain the coding region of a glucose translocator, the introduction of which into a plant genome involves the formation and transfer of carbon frameworks in transgenic plants modified, plasmids, yeasts and bacteria containing these DNA sequences, as well as transgenic plants in which the introduction of the DNA sequences causes changes in the activity of the glucose translocator and thus changes in the carbon metabolism. Furthermore, the invention relates to the use of the described sequences of the glucose translocator for identifying related translocators from other plants (angiosperms, gymnosperms, and algae) by hybridization with low stringency or by PCR techniques, and the use of the glucose translocator as a target (" Target ") for herbicides.
Die pflanzliche Photosynthese ist der größte Produktionsprozeß der Erde und der einzige Prozeß, der den Gesamtvorrat an nutzbarer Energie auf unserem Planeten vergrößert: mehr als 10 Milliarden Tonnen Kohlenstoff werden jährlich in Kohlenhydrate oder andere organische Materie als Energie und letztlich als unsere Nahrungsgrundlage gespeichert. Diese Energiemenge entspricht etwa 5% der aller bekannten fossilen Energiequellen. Die Photosynthese ist damit die Grundlage allen Lebens. Während dieses in photosynthetisch aktiven Piastiden stattfindenden Prozesses werden aus dem atmosphärischen CO2, anorganischem Phosphat und Wasser mit Hilfe der im Zuge der Lichtreaktion gebildeten Produkte, Adenosintriphosphat (ATP) und Reduktionsäquivalente (NADPH2), ein Kohlenstoffgerüst mit 3Plant photosynthesis is the largest production process on earth and the only process that increases the total supply of usable energy on our planet: more than 10 billion tons of carbon are stored annually in carbohydrates or other organic matter as energy and ultimately as our food base. This amount of energy corresponds to about 5% of all known fossil energy sources. Photosynthesis is the basis of all life. During this process, which takes place in photosynthetically active plastids, the atmospheric CO2, inorganic phosphate and water are converted into a carbon skeleton with the help of the products formed in the course of the light reaction, adenosine triphosphate (ATP) and reduction equivalents (NADPH 2 )
C-Atomen, Triosephosphate, synthetisiert. Dieses Primärprodukt der C02-Fixierung wird über einen speziellen Translokator (Triosephosphat/Phosphat-Translokator, TPT; Flügge et al., 1989, EMBO J. 8: 39-46; Flügge et al., 1991 , Nature 353: 364-367) aus dem Chloroplasten austransportiert und im Cytoplasma in einer Reihe von aufeinanderfolgenden Reaktionen in Saccharose (Rohrzucker) überführt. Während der Biosynthese von Saccharose wird das anorganische Phosphat wieder freigesetzt und über den oben erwähnten Triosephosphat/Phosphat-Translokator in die Chloroplasten zurücktransportiert. Hier wird aus dem Phosphat neuerlich ATP gebildet, eine Reaktion, die von der lichtgetriebenen ATP-Synthase katalysiert wird. Es ist ersichtlich, daß der von dem Triosephosphat/Phosphat- Translokator katalysierte Export des während des Tages fixierten Kohlenstoffs im Austausch mit anorganischem Phosphat in essentieller Weise die beiden Kompartimente Chloroplast und Cytoplasma verbindet.C atoms, triose phosphates, synthesized. This primary product of the C0 2 fixation is a special translocator (Triose phosphate / phosphate translocator, TPT; Flügge et al., 1989, EMBO J. 8: 39-46; Flügge et al., 1991, Nature 353: 364-367) were transported out of the chloroplast and in the cytoplasm in a number of successive reactions converted into sucrose (cane sugar). During the biosynthesis of sucrose, the inorganic phosphate is released again and transported back into the chloroplasts via the triose phosphate / phosphate translocator mentioned above. Here ATP is again formed from the phosphate, a reaction that is catalyzed by the light-driven ATP synthase. It can be seen that the export of the carbon fixed during the day, catalyzed by the triose phosphate / phosphate translocator, in an exchange with inorganic phosphate, essentially connects the two compartments chloroplast and cytoplasm.
Während der Lichtperiode können die über die Photosynthese gebildeten Triosephosphate auch in Stärke, die sog. Assimilationsstärke, überführt werden. Dieser Prozeß läuft in den Chloroplasten ab und dient dem Aufbau eines transienten Kohlenstoff-Speichers, auf den die Pflanze während der anschließenden Nacht-Periode zurückgreifen kann. Weiterhin kann auf diesem Wege auch dann Kohlenstoff assimiliert werden, falls die Saccharose-Biosynthese im Cytosol nicht mit der Netto-C02-Assimilation Schritt hält. In der folgenden Dunkelperiode wird der Stärkespeicher wieder abgebaut und die Spaltprodukte der Stärkemobilisierung werden aus den Chloroplasten ausgeschleust und, nach einem weiteren Umbau in die Transportform des Photoassimilates (vornehmlich Saccharose), aus dem Blatt exportiert. Somit ist gewährleistet, daß die nicht-grünen Gewebe kontinuierlich, sowohl während des Tages als auch während der Nacht, mit Photoassimilaten versorgt werden.During the light period, the triose phosphates formed by photosynthesis can also be converted into starch, the so-called assimilation starch. This process takes place in the chloroplasts and serves to build up a transient carbon store that the plant can access during the subsequent night period. Furthermore, carbon can also be assimilated in this way if the sucrose biosynthesis in the cytosol does not keep pace with the net C0 2 assimilation. In the following dark period, the starch storage is broken down again and the fission products of the starch mobilization are removed from the chloroplasts and, after further conversion into the form of transport of the photoassimilate (primarily sucrose), exported from the leaf. This ensures that the non-green tissues are continuously supplied with photoassimilates, both during the day and during the night.
Der Mobilisierung der Assimilations-Stärke kann sowohl über einen phosphorolytischen als auch über einen hydrolytischen Abbau erfolgen. Im ersten Fall gelangt man zu Hexosephosphaten und letztlich zu Triosephosphaten, die über den oben erwähnten TPT aus den Chloroplasten exportiert werden können. Im Cytosol erfolgt dann die weitere Umsetzung zu Saccharose. Zunächst wird unter Katalyse der Triosephosphat-Isomerase und der Aidolase aus den Triosephosphaten Glycerinaldehyd-3-Phosphat und Dihydroxyaceton-Phosphat Fruktose- 1 ,6-bisphosphat gebildet. Diese reversiblen Gleichgewichtsreaktionen werden durch die Abspaltung einer Phosphatgruppe von Fruktose-1 ,6- bisphosphat in Richtung Fruktose-6-Phosphat vorangetrieben. Allerdings setzt dies die Aktivität der cytosolischen Fruktose-1 ,6-bisphosphatase (FBPase) voraus, die als eines der Schlüsselenzyme für die Saccharose-Biosynthese angesehen werden kann. Die FBPase steht allerdings unter strenger Kontrolle von Fruktose 2,6-bisphosphat, einem effizienten negativen Modulator. Die Konzentration dieses FBPase- Inhibitors weist einen diurnalen Rhythmus auf, ist im Licht niedrig und im Dunkel so hoch, daß hier die FBPase weitgehend ausgeschaltet ist (Stitt, 1990, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 41 : 153-185). Ist die FBPase nicht aktiv, können aus den Piastiden exportierte Triosephosphate nicht in Saccharose umgesetzt werden. Damit steht auch das für den Export von Triosephosphaten erforderliche Gegentausch-Substrat Phosphat nicht zur Verfügung. Im Piastiden würde Phosphat jedoch als Substrat für den phosphorolytischen Stärkeabbau benötigt. Somit ist anzunehmen, daß die nächtliche Stärkemobilisierung vornehmlich über einen hydrolytischen Abbau erfolgt. So besitzt auch eine Mutante von Flaveria linearis mit einer defekten cytosolischen FBPase keinen offensichtlichen Phänotyp. Diese Mutante weist während des Tages einen reduzierten, während der Nachtperiode jedoch einen erhöhten Kohlenstoff-Export aus dem Blatt auf (Zrenner et al., 1996, Plant J. 9: 671 -681 ). Auch Experimente mit einer Hoch-Stärke Mutante, TC265, bestätigen diese Vermutung (siehe unten). Ferner weisen auch NMR Experimente unter Nutzung von Deuterium-markierter Glukose darauf hin, daß während der Nacht der überwiegende Teil des Kohlenstoffs den Chloroplasten, unter Umgehung des TPT und der cytosolischen FBPase, als Glukose verläßt (Schleucher et al., 1998, Plant Physiol. 1 18: 1439-1445). Einschränkend muß hier angemerkt werden, daß es möglicherweise Pflanzenspezies gibt, in denen der Stärkeabbau überwiegend phosphorolytisch erfolgt (z.B. Erbsen, Stitt et al., 1978, Biochim. Biophys. Acta 544: 200-214).The mobilization of the assimilation starch can take place via a phosphorolytic as well as a hydrolytic degradation. In the first case, hexose phosphates are obtained and ultimately triose phosphates, which can be exported from the chloroplasts using the TPT mentioned above. The further conversion to sucrose then takes place in the cytosol. First, under the catalysis of the triose phosphate isomerase and the aidolase from the triose phosphates, glyceraldehyde-3-phosphate and dihydroxyacetone phosphate, fructose-1, 6-bisphosphate is formed. These reversible equilibrium reactions are advanced by splitting off a phosphate group from fructose-1, 6-bisphosphate towards fructose-6-phosphate. However, this requires the activity of cytosolic fructose-1,6-bisphosphatase (FBPase), which can be considered one of the key enzymes for sucrose biosynthesis. However, the FBPase is under the strict control of fructose 2,6-bisphosphate, an efficient negative modulator. The concentration of this FBPase inhibitor has a diurnal rhythm, is low in the light and so high in the dark that the FBPase is largely switched off here (Stitt, 1990, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 41: 153- 185). If the FBPase is not active, triose phosphates exported from the plastids cannot be converted into sucrose. The counter-exchange substrate phosphate required for the export of triose phosphates is therefore also not available. In the pasti, however, phosphate would be required as a substrate for the phosphorolytic starch degradation. It can therefore be assumed that the starch is mobilized at night primarily via hydrolytic degradation. A mutant of Flaveria linearis with a defective cytosolic FBPase does not have an obvious phenotype. This mutant shows a reduced carbon export from the leaf during the day, but increased during the night period (Zrenner et al., 1996, Plant J. 9: 671-681). Experiments with a high-strength mutant, TC265, also confirm this assumption (see below). Furthermore, NMR experiments using deuterium-labeled glucose also indicate that during the night most of the carbon leaves the chloroplast as glucose, bypassing the TPT and the cytosolic FBPase (Schleucher et al., 1998, Plant Physiol. 1 18: 1439-1445). As a limitation, it should be noted here that there may be plant species in which the starch degradation takes place predominantly phosphorolytically (for example peas, Stitt et al., 1978, Biochim. Biophys. Acta 544: 200-214).
Im Gegensatz zum phosphorolytischen Abbau der Stärke liefert der hydrolytische Stärkeabbau - über Amylasen, Maltesen etc. - Glukose, den Grundbaustein der Stärke. Glukose wird über einen speziellen Transporter, den Glukose-Translokator, aus dem Chloroplasten exportiert. Nach Phosphorylierung zu Glukose-6-Phosphat durch das Enzym Hexokinase kann Glukose-6-Phosphat durch die Glukosephosphat-Isomerase in Fruktose-6-Phosphat überführt werden. Diese Reaktionssequenz umgeht die FBPase-Reaktion. Ein weiteres Molekül Glukose-6-Phosphat wird durch Phosphoglukose-Isomerase zu Glukose-1 -Phosphat umgelagert und dann von der UDP-Glukose- Pyrophosphorylase (UGPase, Glukose-1 -phosphat-Uridylyltransferase) in UDP-Glukose überführt. UDP-Glukose und Fruktose-6-phosphat werden dann von der Saccharosephosphat-Synthase und der Saccharosephosphat-Phosphatase in Saccharose überführt.In contrast to the phosphorolytic degradation of the starch, the hydrolytic starch degradation - via amylases, Maltesen etc. - provides glucose, the basic building block of the starch. Glucose is exported from the chloroplast via a special transporter, the glucose translocator. After phosphorylation to glucose-6-phosphate by the enzyme hexokinase, glucose-6-phosphate can by the Glucose phosphate isomerase can be converted into fructose-6-phosphate. This reaction sequence bypasses the FBPase reaction. Another molecule of glucose-6-phosphate is rearranged to glucose-1-phosphate by phosphoglucose isomerase and then converted to UDP-glucose by UDP-glucose-pyrophosphorylase (UGPase, glucose-1-phosphate-uridylyl transferase). UDP-glucose and fructose-6-phosphate are then converted to sucrose by the sucrose phosphate synthase and the sucrose phosphate phosphatase.
Somit kann festgehalten werden, daß während der laufenden Photosynthese der Export des gebildeten Photoassimilates vorwiegend über den TPT erfolgt, während der Nacht jedoch dem Glukose- Translokator eine entscheidende Rolle im Rahmen des Exportes von mobilisiertem Photoassimilat zukommt. In der Dunkelperiode verbindet daher der Glukose-Translokator in essentieller Weise die beiden Kompartimente Chloroplast und Cytoplasma. Die entscheidende Rolle des Glukose-Translokators bei dem Export von Produkten der Stärke- Mobilisierung wird durch folgende Experimente belegt:It can thus be stated that during the ongoing photosynthesis the photoassimilate formed is exported predominantly via the TPT, but during the night the glucose translocator plays a decisive role in the export of mobilized photoassimilate. In the dark period, the glucose translocator therefore essentially connects the two compartments, chloroplast and cytoplasm. The crucial role of the glucose translocator in the export of starch mobilization products is demonstrated by the following experiments:
Vor kurzem konnten transgene Pflanzen mit einer modulierten Aktivität des chloroplastidären TPT hergestellt werden. Die Hemmung dieses Transporters in planta über die Expression einer entsprechenden "anti- sense" mRNA führt zu einem verminderten Export des primären Photoassimilates (Triosephosphat, 3-Phosphoglycerat), das unter diesen Umständen innerhalb des Chloroplasten in die Biosynthese von Stärke abgeleitet wird, die sich massiv anstaut (Riesmeier et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 90: 6160-6164; Heineke et al., 1994, Planta 193: 174-180). Es konnte weiterhin gezeigt werden, daß in den transgenen Pflanzen die akkumulierte Stärke wiederum verstärkt mobilisiert werden kann, wobei diese Mobilisierung je nach Pflanzenspezies während der Nacht (Kartoffel; Heineke et al., 1994, Planta 193: 174-180) oder aber bereits während des Tages erfolgt (Tabak, Häusler et al., 1998, Planta 204: 366-376). Unter Umgehung des in seiner Aktivität herabgesetzten TPT erfolgt in den transgenen Pflanzen die Stärkemobilisierung über den hydrolytischen Weg und der Export der freigesetzten Glukose über den Glukose-Translokator. Es konnte auch gezeigt werden, daß in den transgenen anti-sense TPT-Pflanzen die Aktivität der α-Amylase, der Hexokinase sowie des Glukose-Translokators um den Faktor 2-3 höher ist als in den Kontrollpflanzen. Die Annahme, daß die Produkte der Stärkemobilisierung des Chloroplasten hauptsächlich als Glukose verlassen, wird auch durch die biochemische Charakterisierung einer sogenannten „starch excess" /Araό/ ops/'s-Mutante (TC26, mit einem defekten sexl Gen) gestützt, die einen konstant hohen Gehalt an Stärke aufweist (Caspar et al., 1991 , Plant Physiol. 95: 1 181 -1 188; Trethewey und ap Rees (1994) Biochem. J. 301 , 449-454). Diese Mutante ist aufgrund ihrer Enzymausstattung zwar prinzipiell fähig, Stärke zu Glukose abzubauen. Es konnte gezeigt werden, daß die TC26 Mutante zwar einen funktionellen TPT besitzt, aber Glukose als Produkt des Stärkeabbaues nicht aus den Chloroplasten in das Cytosol transportieren kann. Das mutmaßliche Fehlen des Glukose-Translokators führt zu einem Anstau der Stärke- Abbauprodukte und damit zu einer Neusynthese von Stärke verbunden mit dem beobachteten hohen Stärkegehalt. Zusammengenommen unterstreichen die diskutierten Experimente die entscheidende Bedeutung des Glukose-Translokators bei dem Export von Kohlenstoffgerüsten aus dem Stärkeabbau. Der Glukose-Translokator wurde 1977 erstmalig beschrieben (Schäfer et al., 1977, Plant Physiol 60: 286-289), eine weitergehende biochemische bzw. molekulare Charakterisierung dieses Transportsystems steht jedoch aus.Recently, transgenic plants with a modulated activity of the chloroplast TPT could be produced. The inhibition of this transporter in planta via the expression of a corresponding "antisense" mRNA leads to a reduced export of the primary photoassimilate (triose phosphate, 3-phosphoglycerate), which under these circumstances is derived within the chloroplast into the biosynthesis of starch which is found massive accumulation (Riesmeier et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 6160-6164; Heineke et al., 1994, Planta 193: 174-180). It was also possible to show that the accumulated starch can in turn be mobilized more intensely in the transgenic plants, this mobilization depending on the plant species during the night (potato; Heineke et al., 1994, Planta 193: 174-180) or even during of the day (Tobacco, Häusler et al., 1998, Planta 204: 366-376). Bypassing the TPT, whose activity is reduced, the starch is mobilized in the transgenic plants via the hydrolytic route and the exported glucose is exported via the glucose translocator. It could also be shown that the activity of the α-amylase, the hexokinase and the glucose translocator in the transgenic anti-sense TPT plants is higher by a factor of 2-3 than in the control plants. The assumption that the products of the starch mobilization of the chloroplast leave mainly as glucose is also supported by the biochemical characterization of a so-called "starch excess" / Araό / ops / ' s mutant (TC26, with a defective sexual gene), which keeps you constant has a high starch content (Caspar et al., 1991, Plant Physiol. 95: 1 181-1 188; Trethewey and ap Rees (1994) Biochem. J. 301, 449-454). This mutant is principally due to its enzyme content It has been shown that the TC26 mutant has a functional TPT, but cannot transport glucose as a product of starch degradation from the chloroplasts into the cytosol. The supposed lack of the glucose translocator leads to an accumulation of the Starch degradation products and thus a new synthesis of starch combined with the observed high starch content. Taken together, the experiments discussed underline the decision The glucose translocator is extremely important in the export of carbon frameworks from starch degradation. The glucose translocator was first described in 1977 (Schäfer et al., 1977, Plant Physiol 60: 286-289), but a more extensive biochemical or molecular characterization of this transport system is pending.
Der beschriebene und in den Blättern (dem "Source"-Gewebe) stattfindende Prozeß der Photoassimilat-Produktion dient in hohem Maße der Versorgung von nicht-grünen Organen (dem "Sink"-Gewebe), wie Wurzel, Knolle und Frucht, also auch den erntebaren Teilen der Pflanzen. In Kulturpflanzen wie Kartoffeln, Zuckerrüben und Getreiden erfolgt der Transport von Kohlenhydraten von den "Source"- zu den "Sink"-Geweben über die Siebröhren (das Phloem) ausschließlich in Form von Saccharose. Die Saccharose wird anschließend aus dem Phloem in die Zellen des "Sink"-Gewebes transportiert (Phloem- Entladung). Der Transport kann entweder direkt d.h. symplastisch über zwischen dem Phloem und dem "Sink"-Gewebe bestehende Verbindungen (Plasmodesmen) erfolgen oder aber apoplastisch, was eine Entladung der Saccharose in die Zellwand und ihren erneuten Import in die Zielzellen beinhaltet. Alternativ kann die Saccharose im Apoplasten von einer zellwandspezifischen Invertase in Hexosen gespalten werden, die anschließend in die Zellen des "Sink"-Gewebes transportiert werden. Erfolgt der Eintransport in Form von Saccharose, wird diese im Cytoplasma der Zellen des "Sink"-Gewebes in Hexosen gespalten (Glukose und Fruktose). Dies geschieht entweder über Invertasen oder über die Saccharose-Synthase. Alle Spaltprodukte der Saccharose werden letztendlich wieder in Hexosephosphate (Glukose-6- phosphat, Glukose-1 -phosphat) überführt.The process of photoassimilate production described and taking place in the leaves (the "source" tissue) serves to a large extent to supply non-green organs (the "sink" tissue), such as root, tuber and fruit, including the harvestable parts of the plants. In crops such as potatoes, sugar beets and cereals, the transport of carbohydrates from the "source" to the "sink" tissues via the sieve tubes (the phloem) takes place exclusively in the form of sucrose. The sucrose is then transported from the phloem into the cells of the "sink" tissue (phloem discharge). The transport can either be direct, that is to say symplastic, via connections (plasmodesms) existing between the phloem and the “sink” tissue, or else apoplastically, which means that the sucrose is discharged into the cell wall and imported again into the target cells. Alternatively, the sucrose in the apoplast can be cleaved into hexoses by a cell wall-specific invertase, which are then transported into the cells of the "sink" tissue. If it is transported in the form of sucrose, it is split into hexoses (glucose and fructose) in the cytoplasm of the cells of the "sink" tissue. This is done either via invertases or via sucrose synthase. All sucrose cleavage products are ultimately converted back into hexose phosphates (glucose-6-phosphate, glucose-1-phosphate).
In den meisten Pflanzen dient Glukose-6-phosphat dann als Substrat für die Stärkesynthese, deren gesamte Reaktionsfolge im Innenraum (Stroma) der Amyloplasten des "Sink"-Gewebes lokalisiert ist. Diese Organellen sind von zwei Lipiddoppelschichtmembranen umschlossen, von denen die äußere Membran auf Grund der Anwesenheit von porenbildenden Proteinen (Porinen) unspezifisch permeabel ist für kleinere Moleküle. Ein solches Porin der äußeren Amyloplasten- Hüllmembran konnte kürzlich von uns identifiziert und die Abfolge seiner das Protein zusammensetzenden Aminosäurebausteine aufgeklärt werden (Fischer et al., 1994, J. Biol. Chem., 269: 25754-25760). Die innere Hüllmembran ist dagegen die eigentliche Permeabilitätsgrenze zwischen dem Cytoplasma und den Organellen und ist, wie a priori jede Lipid-Doppelschicht, prinzipiell impermeabel für größere geladene Moleküle wie z.B. Hexosephosphat. Diese prinzipielle Undurchlässigkeit der inneren Amyloplasten-Hüllmembran für größere hydrophile Moleküle wird durch die Anwesenheit spezifischer Transportsysteme überbrücktIn most plants, glucose-6-phosphate then serves as a substrate for starch synthesis, the entire reaction sequence of which is located in the interior (stroma) of the amyloplasts of the "sink" tissue. These organelles are surrounded by two lipid bilayer membranes, of which the outer membrane is non-specifically permeable to smaller molecules due to the presence of pore-forming proteins (porins). Such a porin of the outer amyloplast envelope membrane has recently been identified by us and the sequence of its amino acid components that make up the protein has been elucidated (Fischer et al., 1994, J. Biol. Chem., 269: 25754-25760). The inner envelope membrane, on the other hand, is the actual permeability limit between the cytoplasm and the organelles and, like a priori any lipid bilayer, is in principle impermeable to larger charged molecules such as e.g. Hexose phosphate. This basic impermeability of the inner amyloplast envelope membrane for larger hydrophilic molecules is bridged by the presence of specific transport systems
Glukose-6-phosphat wird über einen kürzlich von uns charakterisierten Transporter, den Glukose-6-phosphat/Phosphat-Translokator (GPT) in die Plastiden importiert (Kammerer et al. (1998) Plant Cell 10: 105-1 17). Innerhalb des Plastiden kann das importierte Glukose-6-phosphat dann in die Biosynthese von Stärke eingespeist werden. Der Eintransport in die Amyloplasten erfolgt in einem Gegentausch-Mechanismus, hier im Austausch mit anorganischem Phosphat, das im Zuge der Stärkesynthese freigesetzt. Glukose-6-phosphat wird in Glukose-1 - phosphat umgesetzt, das dann über die ADP-Glukose- Pyrophosphorylase (AGPase) in ADP-Glukose, dem Substrat für die Stärke-Synthase, umgesetzt wird. Neuere Arbeiten haben gezeigt, daß im Endosperm einiger Getreide (Gerste, Mais) die AGPase auch im Cytosol lokalisiert ist und der Eintransport der Vorstufen für die Stärkebiosynthese über ADP-Glukose erfolgen kann (Denyer et al., 1996, Plant Physiol. 1 12: 779-785). Eine Ausnahme stellen hier möglicherweise fettspeichernde Plastiden von Rizinus communis dar. Hier gibt es Hinweise, daß Glukose direkt über einen Glukose-Transporter aus dem Cytosol in die Plastiden aufgenommen wird und dort durch eine plastidäre Hexokinase zu Glukose-6-phosphat phosphoryliert wird. (Dennis und Miernyk, 1982, Ann. Rev. Plant Physiol. 33: 27-50).Glucose-6-phosphate is imported into the plastids via a transporter recently characterized by us, the glucose-6-phosphate / phosphate translocator (GPT) (Kammerer et al. (1998) Plant Cell 10: 105-1 17). Within the plastid, the imported glucose-6-phosphate can then be fed into the starch biosynthesis. The amyloplasts are transported in a counter-exchange mechanism, here in exchange with inorganic phosphate, which is released in the course of starch synthesis. Glucose-6-phosphate is converted into glucose-1-phosphate, which is then converted into ADP-glucose, the substrate for the starch synthase, via the ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase). Recent work has shown that in the endosperm of some cereals (barley, maize) the AGPase is also located in the cytosol and that the precursors for starch biosynthesis can be transported via ADP-glucose (Denyer et al., 1996, Plant Physiol. 12: 779-785). An exception to this may be fat-storing plastids from castor bean common. Here there is evidence that glucose is taken up from the cytosol directly into the plastids via a glucose transporter and there is phosphorylated to glucose-6-phosphate by a plastid hexokinase. (Dennis and Miernyk, 1982, Ann. Rev. Plant Physiol. 33: 27-50).
Das importierte Glukose-6-phosphat ist auch Ausgangssubstrat für den oxidativen Pentosephosphat-Weg (OPPP), der Reduktionsäquivalente, hauptsächlich für die dort stattfindende Reduktion des aus dem Nitrat gebildeten Nitrits zum Ammonium, das seinerseits in die Biosynthese von Aminosäuren/Proteinen abgeführt wird, bereit stellt. In diesem Fall erfolgt der Eintransport von Glukose-6-phosphat im Austausch mit Triosephosphaten, den Produkten des OPPP (Kammerer et al. (1998) Plant Cell 10: 105-1 17).The imported glucose-6-phosphate is also the starting substrate for the oxidative pentose phosphate pathway (OPPP), the reduction equivalents, mainly for the reduction of the nitrite formed from the nitrate to ammonium, which in turn is removed into the biosynthesis of amino acids / proteins, provides. In this case, glucose-6-phosphate is transported in exchange with triose phosphates, the products of OPPP (Kammerer et al. (1998) Plant Cell 10: 105-1 17).
Die in den nicht-grünen Plastiden gebildete Stärke unterliegt, wie auch die Assimilationsstärke der Chloroplasten, einen dauernden Auf- und Abbau (Stitt und Heldt, 1991 , Biochim. Biophys. Acta 638: 1 -1 1 ). Ist die Synthesegeschwindigkeit höher als die des Abbaues, wird die Stärke als ein langfristiger Speicher für den fixierten Kohlenstoff angelegt. Die in den (erntebaren) Speichern abgelegte Stärke dient dann als Grundlage für die tierische/menschliche Ernährung (z.B. Stärke in Kartoffelknollen, Maiskörnern). Bei der Auskeimung von Samen wird die Stärke remobilisiert und die Produkte des Stärkeabbaues dienen dann als Brennstoff für den entstehenden Keimling. Es ist davon auszugehen, daß, wie oben am Beispiel des Abbaues von chloroplastidärer Assimilationsstärke ausgeführt, dem Glukose-Translokator der nichtgrünen Plastiden bei der Mobilisierung der Speicherstärke eine entscheidende Rolle zukommt.The starch formed in the non-green plastids, like the assimilation strength of the chloroplasts, is subject to constant build-up and breakdown (Stitt and Heldt, 1991, Biochim. Biophys. Acta 638: 1 -1 1). If the rate of synthesis is higher than that of degradation, the starch is created as a long-term storage for the fixed carbon. The starch stored in the (harvestable) stores then serves as the basis for animal / human nutrition (e.g. starch in potato tubers, corn kernels). When seeds germinate, the starch is remobilized and the starch degradation products then serve as fuel for the resulting seedling. It can be assumed that, as explained above using the example of the degradation of chloroplast assimilation starch, the glucose translocator of the non-green plastids plays a decisive role in the mobilization of the storage starch.
Wie aus den Ausführungen ersichtlich wird, sind Transporter - wie der chloroplastidäre Triosephosphat-Phosphat-Translokator, der den Austransport des fixierten Kohlenstoffs aus dem Chloroplasten katalysiert, der Saccharose-Translokator, über den die Siebröhren mit der Transportform des Photoassimilates Saccharose beladen werden, der Glukose-6-phosphat-Phosphat-Translokator der Amyloplasten, der das Ausgangssubstrat für die Stärkesynthese bereitstellt, oder der Glukose-Translokator, über den die Abbauprodukte der Stärkemobilisierung die Plastiden verlassen - in die Allokation des Photoassimilates von den "Source"- zu den "Sink"-Organen an entscheidender Stelle eingebunden. Änderungen der Aktivität eines spezifischen Membran-Transporters können große Auswirkungen auf die Stoffwechselleistungen der Pflanzen haben. So konnte vor kurzem gezeigt werden, daß die Effektivität der photosynthetischen Kohlenstoffreduktion (Lichtreaktion und Calvin-Zyklus) ganz wesentlich durch die Aktivität des chloroplastidären Triosephosphat-Phosphat- Translokators beeinflußt werden kann (siehe oben). Auch die Reduktion der Saccharose-Transport-Aktivität über eine "anti-sense"-lnhibierung des für den Transport in die Siebröhren verantwortlichen Saccharose- Transporters (Riesmeier et al., 1992, EMBO J. 1 1 : 4705-4713) führt zu einem drastischem Phänotyp der Pflanzen: sie sind wesentlich kleiner, die Blätter sind geschädigt und die Pflanzen bilden, im Fall der Kartoffeln, kaum noch Knollen aus d. h. die Versorgung der "Sink"- Gewebe mit Photoassimilaten ist stark reduziert (Riesmeier et al., 1994, EMBO J. 13: 1 -7).As can be seen from the explanations, transporters - like the chloroplastic triosephosphate-phosphate translocator, which catalyzes the transport of the fixed carbon out of the chloroplast, the sucrose translocator, via which the sieve tubes are loaded with the transport form of the photoassimilate sucrose, are glucose -6-phosphate-phosphate translocator of the amyloplasts, which provides the starting substrate for the starch synthesis, or the glucose translocator, via which the degradation products of the Starch mobilization leaves the plastids at a crucial point in the allocation of the photoassimilate from the "source" to the "sink" organs. Changes in the activity of a specific membrane transporter can have a major impact on plant metabolic performance. It has recently been shown that the effectiveness of photosynthetic carbon reduction (light reaction and Calvin cycle) can be influenced significantly by the activity of the chloroplastic triosephosphate-phosphate translocator (see above). The reduction of the sucrose transport activity via an "anti-sense" inhibition of the sucrose transporter responsible for the transport into the sieve tubes (Riesmeier et al., 1992, EMBO J. 1 1: 4705-4713) also leads to one drastic phenotype of the plants: they are much smaller, the leaves are damaged and the plants, in the case of potatoes, hardly produce any tubers, ie the supply of the "sink" tissue with photoassimilates is greatly reduced (Riesmeier et al., 1994, EMBO J. 13: 1-7).
Wie ausgeführt, kommt dem Glukose-Translokator eine zentrale Rolle bei dem Transport von Abbauprodukten der Stärkehydrolyse aus photosynthetisch aktiven und nicht-grünen Plastiden zu. Gelänge es, diesen Translokator zu klonieren und mit Hilfe der erhaltenen Sequenz die Aktivität des Translokators in Pflanzen zu verändern, eröffnete dies z.B. die Möglichkeit, den Stärkegehalt der Pflanzen und damit ihre Trockenmasse zu erhöhen.As stated, the glucose translocator plays a central role in the transport of degradation products of starch hydrolysis from photosynthetically active and non-green plastids. If it was possible to clone this translocator and to change the activity of the translocator in plants using the sequence obtained, this opened e.g. the possibility of increasing the starch content of the plants and thus their dry matter.
Wie Stark et al. (Science 258: 287-292) 1992 gezeigt haben, konnte der Fluß in Richtung Stärkesynthese in Kartoffelknollen über die Überexpression einer ADP-Glukose-Pyrophosphorylase (AGPase), einem amyloplastidären Enzym der Stärke-Biosynthese, erhöht werden. Für diese Versuche wurde ein Enzym aus E. coli eingesetzt, das nicht der metabolischen Kontrolle über den 3-Phosphoglycerat/Phosphat Quotienten unterliegt Detailliertere Analysen der transgenen Pflanzen zeigten allerdings, daß der erhöhte Kohlenstoff-Fluß in die Stärke verbunden war mit einem erhöhten Stärke-Turnover, bedingt durch einen erhöhten Abbau der Stärke (Sweetlove et al., 1996, Biochem. J. 320: 493-498). Es läßt sich folgern, daß, um einen erhöhten Stärkegehalt in Pflanzen zu erreichen, vorzugsweise der Turnover, d.h. der Stärkeabbau und die weitere Verwendung und der Export des Abbauproduktes Glukose, verhindert werden muß. Pflanzen mit einer reduzierten Aktivität des plastidären Glukose-Translokators könnten die Produkte des amylolytischen Stärkeabbaues, Glukose, nicht mehr aus den Plastiden exportieren. Somit würde die Glukose umgehend wieder in den Stärkeaufbau eingeschleust bzw. der weitere Stärkeabbau durch sein Produkt Glukose gehemmt und der Gehalt an Stärke erhöht werden. Ein solches Vorgehen läßt sich auch ableiten aus den oben geschilderten Untersuchungen zur Hoch-Stärke-Mutante TC265, die aufgrund der mutmaßlichen Defizienz im Glukose-Translokator einen hohen Gehalt an Stärke aufweist.As Stark et al. (Science 258: 287-292) showed in 1992 that the flow towards starch synthesis in potato tubers could be increased via the overexpression of an ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase), an amyloplastidischen enzyme of the starch biosynthesis. An enzyme from E. coli was used for these experiments, which is not subject to the metabolic control over the 3-phosphoglycerate / phosphate quotient. However, more detailed analyzes of the transgenic plants showed that the increased carbon flow into the starch was associated with an increased starch. Turnover due to increased starch degradation (Sweetlove et al., 1996, Biochem. J. 320: 493-498). It can be concluded that, in order to achieve an increased starch content in plants, preferably the turnover, ie the starch degradation and the further use and export of the degradation product glucose, must be prevented. Plants with a reduced activity of the plastid glucose translocator could no longer export the products of the amylolytic starch breakdown, glucose, from the plastids. Thus, the glucose would immediately be reintroduced into the starch structure or the further starch breakdown would be inhibited by its glucose product and the starch content would be increased. Such a procedure can also be derived from the investigations described above for the high-starch mutant TC265, which has a high starch content due to the presumed deficiency in the glucose translocator.
Eine Erhöhung des Stärkegehaltes der Kartoffelknolle wäre sowohl für die stärkeverarbeitende Industrie als auch für die Nahrungsmittel- Industrie von Bedeutung, da Kartoffeln mit einem erhöhten Stärkegehalt während ihrer Prozessierung zu Chips, Pommes frites, Gebäck etc. weniger Fett aufnehmen und daher zu kalorienärmeren Endprodukten führen. Erfolgreiche Strategien wären mit hoher Wahrscheinlichkeit auch auf die Nutzung anderer stärkespeichernder Pflanzen wie z.B. Mais, Weizen und Gerste übertragbar.An increase in the starch content of the potato tuber would be important both for the starch processing industry and for the food industry, since potatoes with an increased starch content absorb less fat during their processing into chips, French fries, pastries etc. and therefore lead to lower-calorie end products. Successful strategies would most likely also be to use other starch-storing plants such as Corn, wheat and barley transferable.
Gelänge es, Kartoffeln mit einer verminderten Aktivität des Glukose- Translokators zu erzeugen, könnten auch Lagerungsverluste, die über das sog. "cold-sweetening" entstehen, vermieden werden. Kartoffeln werden, zur Vermeidung der Auskeimung, bei tiefen Temperaturen (6- 8°C) gelagert. Dies führt jedoch zu dem unerwünschten Effekt der Akkumulation von löslichen Zuckern, dem erwähnten "cold-sweetening". Die Bildung reduzierender Zucker ist, auf Grund der auftretenden Maillard-Reaktion, ein äußerst negativer Parameter während der weiteren Prozessierung der Kartoffeln wie der Herstellung von Chips etc.. Die Bildung löslicher Zucker - Hydrolyseprodukte der Stärke, die im extraplastidären Kompartiment akkumulieren - könnte verhindert werden, indem der Glukose-Translokator, der in den Austransport der aus dem Stärkeabbau stammenden Produkte eingebunden ist, während der Lagerungsphase der Kartoffeln ausgeschaltet werden könnte. Verstärkt werden könnte dieser Effekt durch eine simultane Reduktion des von uns kürzlich beschriebenen Glukose-6-phosphat/Phosphat- Translokators, der die aus dem phosphorolytischen Stärkeabbau stammenden phosphorylierten C3-Körper aus den Plastiden exportiert (Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-1 17).If it were possible to produce potatoes with a reduced activity of the glucose translocator, storage losses caused by the so-called "cold sweetening" could also be avoided. To avoid germination, potatoes are stored at low temperatures (6-8 ° C). However, this leads to the undesirable effect of the accumulation of soluble sugars, the "cold sweetening" mentioned. Due to the Maillard reaction that occurs, the formation of reducing sugars is an extremely negative parameter during the further processing of the potatoes, such as the production of chips, etc. The formation of soluble sugars - hydrolysis products of the starch that accumulate in the extraplastid compartment - could be prevented by switching off the glucose translocator, which is involved in the removal of the starch-derived products, during the storage phase of the potatoes. This effect could be reinforced by a simultaneous reduction of the glucose-6-phosphate / phosphate Translocator that exports the phosphorylated C3 bodies from the phospholytic starch degradation from the plastids (Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-1 17).
Wie oben ausgeführt, erfolgt der Export der im Rahmen der Photosynthese gebildeten Photoassimilate während des Tages vorwiegend über den TPT. Experimente mit transgenen Pflanzen, in denen die Aktivität des TPT über eine Repression bzw. Überexpression der entsprechenden RNA entweder reduziert oder erhöht war, zeigen, daß der TPT limitierend auf die Photosynthese und die Biosynthese von Saccharose wirken kann, insbesondere unter Hochlicht und bei optimaler Cθ2-Versorgung (Häusler et al., 1998, Planta 204: 366-376; Häusler et al., unveröffentliche Beobachtungen). Es ist vorstellbar, über eine Überexpression des Glukose-Translokators eine erhöhte Ableitung des fixierten Kohlenstoffs zu erreichen, insbesondere bei einer simultanen Überexpression der ADP-Glukose-Pyrophosphorylase, die zu einen erhöhten Stärke-Turnover führt, bedingt durch einen erhöhten Abbau der Stärke (Sweetlove et al., 1996, Biochem. J. 320: 493-498). Der fixierte Kohlenstoff würde hier alternativ als Glukose bereitgestellt, das über den Glukose-Translokator den Chloroplasten ausgeschleust wird.As explained above, the photoassimilates formed during photosynthesis are mainly exported during the day via the TPT. Experiments with transgenic plants, in which the activity of the TPT was either reduced or increased by repression or overexpression of the corresponding RNA, show that the TPT can have a limiting effect on photosynthesis and the biosynthesis of sucrose, in particular under high light and with optimal CO 2 - Supply (Häusler et al., 1998, Planta 204: 366-376; Häusler et al., Unpublished observations). It is conceivable to achieve an increased derivation of the fixed carbon via an overexpression of the glucose translocator, in particular with a simultaneous overexpression of the ADP-glucose pyrophosphorylase, which leads to an increased starch turnover due to an increased breakdown of the starch (sweetlove et al., 1996, Biochem. J. 320: 493-498). The fixed carbon would alternatively be provided here as glucose, which is discharged to the chloroplast via the glucose translocator.
Die Adressierung der plastidären Translokatoren zu der inneren Hüllmembran der Plastiden bedarf einer entsprechenden Präsequenz ("Targeting-Sequenz"), die das anhängende reife Protein korrekt zu den Plastiden dirigiert (Übersichtsartikel hierzu: Keegstra et al., 1989, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 40: 471-501 ; Lubben et al., 1988, Photosynth. Res. 17: 173-194; Flügge, 1990, J. Cell Sei. 96: 351 -354). Neben der für die "Plastiden-Adressierung" nötigen Präsequenz gibt es im reifen Teil (der Teil des Proteins, der nach der Abspaltung der Präsequenz durch eine spezifische Protease verbleibt) der Plastidenhüllmembran-Proteine noch weitere Informationen, die für die spezifische Insertion der Proteine in die Membran verantwortlich sind und einen Transport der Hüllmembranproteine über die Hüllmembran in das Plastidenstroma oder, im Fall der Chloroplasten, die Thylakoidmembran verhindern (Knight und Gray, 1995, Plant Cell 7: 1421 -1432 bzw. eigene Untersuchungen: Brink et al., 1995, J. Biol. Chem. 270: 20808-20815). Eigene Arbeiten zeigten ferner am Beispiel eines mitochondrialen Carriers, des ADP/ATP-Transporters, daß dieses Protein nicht oder nur mit einer sehr geringen Effizienz zu Plastiden dirigiert und dort in die Hüllmembran eingebaut werden kann. Selbst ein Hybridprotein, bestehend aus einer plastidären Präsequenz (die Information für die Plastiden-Adressierung enthaltend) und diesem mitochondrialen Carrier, zeigte gegenüber dem authentischen Protein einen kaum erhöhten Einbau in die Plastiden-Hüllmembran (Silva-Filho et al., 1997, J. Biol. Chem. 272: 15264-15269; unveröffentlichte Beobachtungen). Da für eine korrekte Insertion die Protein/Lipid- Wechselwirkung von Bedeutung ist und sich die plastidäre Hüllmembran in ihrer Lipidzusammensetzung grundlegend von der anderer Zellorganellen und auch der Bakterien unterscheidet (Joyard et al., 1991 , Eur. J. Biochem. 199: 489-509), ist es sehr unwahrscheinlich, daß eine, wenn auch geringfügige, Insertion eines heterologen Proteins, dann auch funktioneil ist, d.h., daß ein Transporter aus anderen Systemen überhaupt in einer seiner Funktion entsprechenden Konformation und Orientierung in die Plastiden-Hüllmembran eingebaut werden kann.The addressing of the plastid translocators to the inner envelope membrane of the plastids requires a corresponding presequence ("targeting sequence") which directs the attached mature protein to the plastids correctly (review article: Keegstra et al., 1989, Annu. Rev. Plant Physiol Plant Mol. Biol. 40: 471-501; Lubben et al., 1988, Photosynth. Res. 17: 173-194; Flügge, 1990, J. Cell Sei. 96: 351-354). In addition to the presequence required for "plastid addressing", the mature part (the part of the protein which remains after the presequence has been cleaved off by a specific protease) of the plastid envelope membrane proteins contains further information which is necessary for the specific insertion of the proteins into the membrane are responsible and prevent transport of the envelope membrane proteins over the envelope membrane into the plastid stroma or, in the case of the chloroplasts, the thylakoid membrane (Knight and Gray, 1995, Plant Cell 7: 1421-1432 or own investigations: Brink et al., 1995, J. Biol Chem. 270: 20808-20815). Our own work also showed, using the example of a mitochondrial carrier, the ADP / ATP transporter, that this protein cannot or only with very little efficiency can be directed to plastids and built into the envelope membrane there. Even a hybrid protein, consisting of a plastid presequence (containing the information for plastid addressing) and this mitochondrial carrier, showed a hardly increased incorporation into the plastid envelope membrane compared to the authentic protein (Silva-Filho et al., 1997, J. Biol. Chem. 272: 15264-15269; unpublished observations). Since the protein / lipid interaction is important for a correct insertion and the plastid envelope membrane differs fundamentally in its lipid composition from that of other cell organelles and also bacteria (Joyard et al., 1991, Eur. J. Biochem. 199: 489- 509), it is very unlikely that an insertion, albeit a small one, of a heterologous protein will then also be functional, ie that a transporter from other systems can be built into the plastid envelope membrane at all in a conformation and orientation corresponding to its function .
Somit ist es nach gegenwärtigem Stand der Technik nicht möglich, mit Hilfe bekannter Plastiden-"Targeting"-Sequenzen z.B. mitochondriale oder prokaryontische Transporter funktionell in die innere Plastidenhüllmembran zu integrieren. Beim gegenwärtigen Stand der Technik ist es erfolgversprechender, die für die Konstruktion der oben geschilderten Pflanzen notwendige DNA-Sequenz durch Klonierung des authentischen plastidären Glukose-Translokators zu erhalten. Obwohl dieses Transportsystem den Transport von Glukose katalysiert, ist seine Primärstruktur anzunehmenderweise sehr unterschiedlich zu der der Glukose-Transporter aus der Plasmamembran. Diese Transporter gehören zu einer großen Gen-Familie der Monosaccharid- Transporter (Sauer und Tanner, 1993, Bot. Acta 106: 277-286; Weig et al., 1994, J. Plant Physiol. 143: 178-183).Thus, according to the current state of the art, it is not possible to functionally integrate, for example, mitochondrial or prokaryotic transporters into the inner plastid envelope membrane using known plastid "targeting" sequences. In the current state of the art, it is more promising to obtain the DNA sequence necessary for the construction of the plants described above by cloning the authentic plastid glucose translocator. Although this transport system catalyzes the transport of glucose, it is believed that its primary structure is very different from that of the plasma membrane glucose transporters. These transporters belong to a large gene family of the monosaccharide transporters (Sauer and Tanner, 1993, Bot. Acta 106: 277-286; Weig et al., 1994, J. Plant Physiol. 143: 178-183).
Wie oben ausgeführt, haben physiologische und biochemische Untersuchungen der Λrab/'o'ops/'s-Hochstärkemutante TC265 zu der Vermutung geführt, daß diese Mutante einen Defekt im chloroplastidären Glukose-Translokator aufweist. Es wurde versucht, dieses Gen über einen kartengestützten Ansatz zu klonieren. Über Kreuzungen der TC265 Mutante (Ökotyp Columbia) mit einem Arabidopsis-Wüdtyp (Ökotyp Landsberg erecta) konnte das für die Mutation verantwortliche Gen auf Chromosom 1 lokalisiert werden (eigene, unveröffentlichte Untersuchungen). In diesem genomischen DNA-Bereich konnte jedoch keine für einen putativen Glukose-Translokator kodierende Sequenz identifiziert werden.As stated above, physiological and biochemical studies of the Λrab / ' o'ops / ' s high-strength mutant TC265 have led to the assumption that this mutant has a defect in the chloroplastic glucose translocator. An attempt was made to clone this gene using a card-based approach. The gene responsible for the mutation could be located on chromosome 1 by crossing the TC265 mutant (Columbia ecotype) with an Arabidopsis wüdtyp (Landsberg erecta ecotype) (own, unpublished studies). However, no sequence coding for a putative glucose translocator could be identified in this genomic DNA region.
Um die Primärstruktur des plastidären Glukose-Translokators zu ermitteln, mußte daher der bei Membranproteinen außerordentlich schwierige Weg der biochemischen Charakterisierung, Reinigung und Isolation des Transportproteins beschritten werden. Ausgehend von chloroplastidären Hüllmembranen aus Spinat gelang es, dieses Protein - über chromatographische Methoden in Verbindung mit Substratschutz- Experimenten gegenüber der Markierung mit einem radioaktiv markierten Inhibitor N-Ethylmaleimid - als eine Komponente der inneren Chloroplasten-Hüllmembran mit einer apparenten molekularen Masse von ca. 43,000 Dalton zu identifizieren.In order to determine the primary structure of the plastid glucose translocator, the extremely difficult route of biochemical characterization, purification and isolation of the transport protein had to be followed in membrane proteins. Starting from chloroplastid envelope membranes made of spinach, this protein - using chromatographic methods in connection with substrate protection experiments compared to labeling with a radioactively labeled inhibitor N-ethylmaleimide - succeeded as a component of the inner chloroplast envelope membrane with an apparent molecular mass of approx. 43,000 Identify Dalton.
Der N-Terminus des Translokators erwies sich als chemisch modifiziert und somit einer N-terminalen Proteinsequenzierung durch automatisierten Edman-Abbau nicht zugänglich. Daher war es nötig, das Protein durch präparative SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese in ausreichender Menge zu isolieren und mit einer Protease (Lys-C) enzymatisch zu spalten, um interne Peptidsequenzen zu ermitteln (siehe Ausführungsbeispiel 1). Es konnte auf diese Weise die folgende Peptidsequenz erhalten werden: (1 ) KGRSLEEIELALSPAV. Es gelang, mittels der 3'-RACE-Methode (rapid amplification of cDNA ends) und unter Nutzung von degenerierten (nach dem erhaltenen Peptid modellierten) synthetischen Oligonukleotiden, ein spezifisches PCR- Fragment zu erhalten. Dies wurde als Sonde für die anschließende Durchmusterung einer cDNA-Bibliothek aus Spinat-Blättern genutzt und es gelang, einen cDNA-Klon zu isolieren, der die vollständige cDNA (1864 Basenpaare) für das Vorstufenprotein des chloroplastidären Glukose-Translokators mit einer molekularen Masse von 57.6 kDa enthielt (siehe Ausführungsbeispiel 2). Die cDNA aus Spinat wurde anschließend benutzt, um die entsprechenden cDNA Klone aus Geweben von Arabidopsis thaliana, Zea mays (Mais), Solanum tuberosum (Kartoffel) und Nicotiana tabacum (Tabak) zu isolieren. Die Integration der DNA aus Spinacia oleracea in das Genom der TC265 Mutante führte nicht zu einer Komplementation des mutanten Phänotyps (eigene, unveröffentlichte Beobachtungen), was wiederum belegt, daß das für den Glukose-Translokator kodierende Gen nicht durch eine kartengestütze Klonierung des sex -Gens isoliert werden kann. Wir konnten ferner zeigen, daß das von uns identifizierte Glukose- Translokator Gen aus Arabidopsis thaliana auf Chromosom 5 lokalisiert ist. Ein weiteres homologes Arabidopsis Translokator Gen konnte auf Chromosom 1 ca. 4 cM oberhalb des sex7-Lokus lokalisiert werden (eigene, unveröffentlichte Beobachtungen).The translocator's N-terminus was found to be chemically modified and thus not accessible to N-terminal protein sequencing by automated Edman degradation. It was therefore necessary to isolate the protein in sufficient quantity by preparative SDS-polyacrylamide gel electrophoresis and to cleave it enzymatically with a protease (Lys-C) in order to determine internal peptide sequences (see exemplary embodiment 1). The following peptide sequence could be obtained in this way: (1) KGRSLEEIELALSPAV. It was possible to use the 3'-RACE method (rapid amplification of cDNA ends) and using degenerate (modeled after the obtained peptide) synthetic oligonucleotides to obtain a specific PCR fragment. This was used as a probe for the subsequent screening of a cDNA library from spinach leaves and it was possible to isolate a cDNA clone which isolated the complete cDNA (1864 base pairs) for the precursor protein of the chloroplastic glucose translocator with a molecular mass of 57.6 kDa contained (see embodiment 2). The spinach cDNA was then used to isolate the corresponding cDNA clones from tissues of Arabidopsis thaliana, Zea mays (maize), Solanum tuberosum (potato) and Nicotiana tabacum (tobacco). The integration of the DNA from Spinacia oleracea into the genome of the TC265 mutant did not lead to a complementation of the mutant phenotype (own, unpublished observations), which in turn proves that the gene coding for the glucose translocator is not by card-based cloning of the sex gene can be isolated. We were also able to show that the Arabidopsis thaliana glucose translocator gene we identified is located on chromosome 5. Another homologous Arabidopsis translocator gene was located on chromosome 1 approx. 4 cM above the sex7 locus (own, unpublished observations).
Ein Vergleich der erhaltenen cDNA-Sequenzen mit Sequenzen der Datenbanken ergab, daß nur geringe Ähnlichkeiten mit den bekannten Glukose-Transportern der Plasmamembran vorhanden waren (< 30 %) und die Homologien zu bakteriellen Hexose-Transportern im Bereich von ca. 45 % lagen. Es zeigte sich ferner eine ca. 73 %ige Homologie zu einem hypothetischen Zuckertransporter aus Prunus armeniaca (Aprikose). Die abgeleitete molekulare Masse dieses Transporters beträgt ca. 49.8 kDa. Hier wurde allerdings für die Translation der DNA das falsche Startkodon benutzt und damit übersehen, daß dieses Protein über eine zusätzliche N-terminale Extension verfügt, die als plastidäres Adressierungssignal dienen könnte. Eine Zuordnung zu einer zellulären Membran oder einem Organeil konnte daher für das in Aprikose identifizierte Gen nicht getroffen werden. Wir konnten hingegen zeigen, daß der chloroplastidäre Glukose-Translokator als Vorstufenprotein synthetisiert wird sowie posttranslational und unter Abspaltung der N-terminalen Signalsequenz in die Chloroplasten importiert und in die Hüllmembranen inseriert wird (siehe Ausführungsbeispiel 3).A comparison of the cDNA sequences obtained with sequences from the databases showed that there were only slight similarities with the known glucose transporters of the plasma membrane (<30%) and the homologies to bacterial hexose transporters were in the range of approximately 45%. There was also an approximately 73% homology to a hypothetical sugar transporter from Prunus armeniaca (apricot). The derived molecular mass of this transporter is approximately 49.8 kDa. Here, however, the wrong start codon was used for the translation of the DNA and it was overlooked that this protein has an additional N-terminal extension which could serve as a plastid addressing signal. An assignment to a cellular membrane or an organ part could therefore not be made for the gene identified in apricot. On the other hand, we were able to show that the chloroplastic glucose translocator is synthesized as a precursor protein, as well as post-translationally and with the N-terminal signal sequence being split off into the chloroplasts imported and inserted into the envelope membranes (see embodiment 3).
Die vorliegende Erfindung stellt DNA-Sequenzenen zur Verfügung, die aus einem pflanzlichen Genom stammen und für plastidäre Glukose- Translokatoren kodieren, wobei die in der Nukleotidabfolge enthaltene Information bei Einführung und Expression in pflanzlichen Zellen zur Bildung einer Ribonukleinsäure führt und über diese Ribonukleinsäure eine Glukose-Translokator Aktivität in die Zellen eingeführt werden kann oder eine endogene Glukose-Translokator Aktivität unterdrückt werden kann. Gegenstand der Erfindung sind insbesondere die DNA-Sequenzen aus Zea mays (Mais), Solanum tuberosum (Kartoffel) und Spinacia oleracea (Spinat) mit den im Anhang dargestellten Nukleotidabfolgen (Sequenzprotokolle).The present invention provides DNA sequences which come from a plant genome and code for plastid glucose translocators, the information contained in the nucleotide sequence leading to the formation and expression in plant cells of a ribonucleic acid and via this ribonucleic acid a glucose Translocator activity can be introduced into the cells or an endogenous glucose translocator activity can be suppressed. The invention particularly relates to the DNA sequences from Zea mays (maize), Solanum tuberosum (potato) and Spinacia oleracea (spinach) with the nucleotide sequences shown in the appendix (sequence protocols).
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind DNA-Sequenzen, die mit den im Anhang aufgeführten DNA-Sequenzen oder Teilen davon oder Derivaten, die durch Insertion, Deletion oder Substitution von diesen Sequenzen abgeleitet sind, hybridisieren und für ein plastidäres Protein kodieren, das die biologische Aktivität eines Glukose-Translokators besitzt.The invention furthermore relates to DNA sequences which hybridize with the DNA sequences listed in the appendix or parts thereof or derivatives which are derived from these sequences by insertion, deletion or substitution and code for a plastid protein which has biological activity of a glucose translocator.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen oder Teilen davon oder Derivaten, die durch Insertion, Deletion oder Substitution von diesen Sequenzenbgeleitet sind, zur Transformation pro- und eukaryontischer Zellen. Um die Expression des Glukose-Translokators in transformierten Zellen zu gewährleisten, können die erfindungsgemäßen DNA- Sequenzen in Vektoren eingebracht werden und dabei mit Steuerelementen für die Expression in prokaryontischen oder eukaryontischen Zellen kombiniert werden (sieheFurthermore, the present invention relates to the use of the DNA sequences according to the invention or parts thereof or derivatives which are derived from these sequences by insertion, deletion or substitution, for the transformation of pro- and eukaryotic cells. In order to ensure the expression of the glucose translocator in transformed cells, the DNA sequences according to the invention can be introduced into vectors and combined with control elements for expression in prokaryotic or eukaryotic cells (see
Ausführungsbeispiele 3 und 5). Derartige Steuerelemente sind einerseits Transkriptions-Promotoren und andererseits Transkriptions- Terminatoren. Mit den Vektoren können eukaryontische Zellen transformiert werden mit dem Ziel der Expression einer übersetzbaren Botenribonukleinsäure (RNA), die die Synthese eines plastidären Glukose-Translokators in den transformierten Zellen erlaubt, oder mit dem Ziel der Expression einer nicht übersetzbaren, invers orientierten ("anti-sense"), Botenribonukleinsäure, die die Synthese des endogenen Glukose-Translokators verhindert. Zu diesem Zweck könnten auch kürzere Fragmente der erfindungsgemäßenen DNA-Sequenzen mit einem relativ hohen Grad an Homologie (mehr als ca. 65 % Homologie) verwendet werden. Eine Repression kann auch über die Überexpression der homologen DNAs erreicht werden (Ko-Supression). Ebenso kann die Expression von endogenen Glukose-Translokatoren durch die Expression eines für diesen Zweck konstruierten Ribozyms unter Verwendung der erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen inhibiert werden; ferner über eine Insertionsmutagenese - oder, sobald die entsprechende Technologie zur Verfügung steht, durch eine homologe Rekombination ("knock-out"-Mutante). Durch eine gewebespezifische kontrollierte Expression einer RNA entsprechend den erfindungsgemäßen Sequenzen eines pflanzlichen Glukose-Translokators ist eine Veränderung des pflanzlichen Kohlenstoffmetabolismus möglich, deren wirtschaftliche Bedeutung darin liegt, daß eine verbesserte Ableitung der Photoassimilate aus den Chloroplasten erreicht wird bzw. die Abbauprodukte der Stärkemobilisation in den Plastiden zurückgehalten werden.Embodiments 3 and 5). Such control elements are, on the one hand, transcription promoters and, on the other hand, transcription terminators. The vectors can be used to transform eukaryotic cells with the aim of expressing a translatable messenger ribonucleic acid (RNA) which allows the synthesis of a plastid glucose translocator in the transformed cells, or with the aim of expressing a non-translatable, inversely oriented ("anti sense "), messenger ribonucleic acid, which synthesizes the endogenous Prevents glucose translocators. For this purpose, shorter fragments of the DNA sequences according to the invention with a relatively high degree of homology (more than approx. 65% homology) could also be used. Repression can also be achieved by overexpressing the homologous DNAs (co-suppression). The expression of endogenous glucose translocators can also be inhibited by the expression of a ribozyme constructed for this purpose using the DNA sequences according to the invention; also via insertion mutagenesis - or, as soon as the corresponding technology is available, by homologous recombination ("knock-out" mutant). A tissue-specific controlled expression of an RNA in accordance with the sequences according to the invention of a plant glucose translocator enables a change in the plant carbon metabolism, the economic importance of which is that an improved derivation of the photoassimilates from the chloroplasts is achieved or the breakdown products of the starch mobilization in the plastids be held back.
Es können somit Pflanzen erzeugt werden, die einen erhöhten Stärkegehalt aufweisen und/oder - im Fall z.B. der Kartoffel - verminderte Lagerungsverluste aufweisen. Diese Modifikation steigert den ernährungsphysiologischen Wert von Pflanzen und damit auch deren wirtschaftlichen Wert. Die jeweiligen Effekte ließen sich möglicherweise noch steigern, falls die gewebespezifische Expression des Glukose-Translokators im Blatt bzw. in heterotrophen "Sink"- Gewebe mit der weiterer Translokatoren/Enzyme des Kohlenstoff- /Stickstoff-Metabolismus kombiniert würde (Simultane Expression mehrerer Zielproteine wie z.B. bei der Erhöhung des Stärkegehaltes oder der Verminderung von Lagerungsverlusten der Kartoffel).Plants can thus be produced which have an increased starch content and / or - in the case e.g. the potato - show reduced storage losses. This modification increases the nutritional value of plants and thus their economic value. The respective effects could possibly be increased if the tissue-specific expression of the glucose translocator in the leaf or in heterotrophic "sink" tissue were combined with the other translocators / enzymes of carbon / nitrogen metabolism (simultaneous expression of several target proteins such as eg when increasing the starch content or reducing storage losses of the potato).
Weiterhin ermöglicht die heterologe Expression der beschriebenen Sequenzen in Spalthefen (Ausführungsbeispiel 4 und Loddenkötter et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 90: 2155-2159) Struktur- Funktionsstudien des Glukose-Translokators, die letztendlich zur Entwicklung eines spezifischen Hemmstoffs für dieses Protein führen könnte; insbesondere ist hier an die Herbizidentwicklung zu denken, da die Hemmung eines Proteins mit Schlüsselfunktion im Stoffwechselgeschehen zwangsweise letal für die Pflanze wäre. Ferner sind diese Struktur-Funktionsstudien Grundlage für eine gerichtete Mutagenese der Substratbindungsstelle des Translokators, um die Substratspezifität des Transporters gezielt zu verändern.Furthermore, the heterologous expression of the sequences described in split yeasts (embodiment 4 and Loddenkötter et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 2155-2159) enables structural-functional studies of the glucose translocator which ultimately lead to the development of a specific one Inhibitor of this protein could result; Herbicide development in particular should be considered here, since the inhibition of a protein with a key function in the metabolic process would necessarily be lethal for the plant. Further these structure-function studies are the basis for a directed mutagenesis of the substrate binding site of the translocator in order to specifically change the substrate specificity of the transporter.
Es sind bereits Verfahren zur genetischen Modifikation dikotyler und monokotyler Pflanzen bekannt (Gasser und Fraley, 1989, Science 244: 1293-1299; Potrykus, 1991 , Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 42: 205-225). Zur Expression von kodierenden Sequenzen in Pflanzen müssen diese mit transkriptioneil regulatorischen Elementen verknüpft werden. Solche Elemente, Promotoren genannt, sind bekannt (u.a. Koster-Töpfer et al., 1989, Mol. Gen. Genet. 219: 390-396). Ferner müssen die Kodierregionen mit einem Transkriptionsterminations-Signal versehen werden, damit sie korrekt transkribiert werden können. Solche Elemente sind ebenfalls beschrieben (Gielen et al., 1989, EMBO J. 8, 23-29). Der transkriptionelle Startbereich kann sowohl nativ bzw. homolog als auch fremdartig bzw. heterolog zur Wirtspflanze sein. Terminationsbereiche sind gegeneinander beliebig austauschbar. Die DNA-Sequenz der Transkriptionsstart- und Terminations-Regionen kann synthetisch hergestellt oder natürlich gewonnen sein oder eine Mischung aus synthetischen und natürlichen DNA-Bestandteilen enthalten. Zur Vorbereitung der Einführung fremder Gene in höhere Pflanzen sind eine große Anzahl Klonierungsvektoren verfügbar, die ein Replikationssignal für E. coli und einen Marker beinhalten, der eine Selektion der transformierten Zellen erlaubt. Beispiele für Vektoren sind pBR322, pUC-Serien, M13 mp-Serien, pACYC 184 usw. Je nach Einführungsmethode gewünschter Gene in die Pflanze können weitere DNA-Sequenzen erforderlich sein. Werden z.B. für die Transformation der Pflanze das Ti oder Ri-Plasmid verwendet, so muß mindestens die rechte Begrenzung, häufig jedoch die rechte und die linke Begrenzung der Ti und Ri-Plasmid T-DNA als Flankenbereich den einzuführenden Genen angefügt werden. Die Verwendung von T-DNA für die Transformation von Pflanzenzellen ist intensiv untersucht und ausreichend beschrieben (Hoekema, in: The Binary Plant Vector System, Offset-drukkerij Kanters B-V. Ablasserdam, 1985, Chapter V; Fraley et al., Critic. Rev. Plant Sei. 4: 1 -46; An et al., 1985, EMBO J. 4: 277-287). Ist die eingeführte DNA einmal im Genom integriert, so ist sie dort in der Regel stabil und bleibt auch in den Nachkommen der ursprünglich transformierten Zelle erhalten. Sie enthält normalerweise einen Selektionsmarker, der den transformierten Pflanzenzellen einen Resistenz gegenüber Bioziden (wie Basta) oder Antibiotika (wie Kanamycin, Bleomycin oder Hygromycin) verleiht. Der individuell eingeführte Marker wird daher die Selektion transformierter Zellen gegenüber Zellen, denen die eingeführte DNA fehlt, gestatten.Methods for the genetic modification of dicotyledonous and monocotyledonous plants are already known (Gasser and Fraley, 1989, Science 244: 1293-1299; Potrykus, 1991, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 42: 205-225). For the expression of coding sequences in plants, these must be linked with transcriptional regulatory elements. Such elements, called promoters, are known (inter alia, Koster-Toepfer et al., 1989, Mol. Gen. Genet. 219: 390-396). Furthermore, the coding regions must be provided with a transcription termination signal so that they can be transcribed correctly. Such elements are also described (Gielen et al., 1989, EMBO J. 8, 23-29). The transcriptional start area can be native or homologous as well as foreign or heterologous to the host plant. Termination areas are interchangeable. The DNA sequence of the transcription start and termination regions can be produced synthetically or obtained naturally or contain a mixture of synthetic and natural DNA components. In preparation for the introduction of foreign genes into higher plants, a large number of cloning vectors are available which contain a replication signal for E. coli and a marker which allows selection of the transformed cells. Examples of vectors are pBR322, pUC series, M13 mp series, pACYC 184 etc. Depending on the method of introducing desired genes into the plant, further DNA sequences may be required. If, for example, the Ti or Ri plasmid is used for the transformation of the plant, at least the right boundary, but often the right and left boundary of the Ti and Ri plasmid T-DNA must be added as a flank region to the genes to be introduced. The use of T-DNA for the transformation of plant cells has been intensively investigated and adequately described (Hoekema, in: The Binary Plant Vector System, Offset-drukkerij Kanters BV. Ablasserdam, 1985, Chapter V; Fraley et al., Critic. Rev. Plant Sc. 4: 1-46; An et al., 1985, EMBO J. 4: 277-287). Once the DNA has been integrated into the genome, it is generally stable there and is also retained in the offspring of the originally transformed cell. It usually contains a selection marker that gives the transformed plant cells resistance to biocides (such as Basta) or antibiotics (such as kanamycin, bleomycin or hygromycin). The individually introduced marker will therefore allow the selection of transformed cells from cells that lack the inserted DNA.
Für die Einführung von DNA in eine pflanzliche Wirtszelle stehen neben der Transformation mit Hilfe von Agrobakterien viele andere Techniken zur Verfügung. Diese Techniken umfassen die Transformation von Protoplasten, die Mikroinjektion von DNA, die Elektroporation sowie ballistische Methoden. Aus dem transformierten Pflanzenmaterial können dann in einem geeigneten Selektionsmedium ganze Pflanzen regeneriert werden. Die so erhaltenen Pflanzen können dann mit gängigen molekularbiologischen Methoden auf die Anwesenheit der eingeführten DNA getestet werden. Diese Pflanzen können normal angezogen werden und mit Pflanzen, die die gleiche transformierte Erbanlage oder andere Erbanlagen besitzen, gekreuzt werden. Die daraus entstehenden hybriden Individuen haben die entsprechenden phänotypischen Eigenschaften.In addition to transformation using agrobacteria, many other techniques are available for introducing DNA into a plant host cell. These techniques include protoplast transformation, microinjection of DNA, electroporation, and ballistic methods. Whole plants can then be regenerated from the transformed plant material in a suitable selection medium. The plants obtained in this way can then be tested for the presence of the introduced DNA using conventional molecular biological methods. These plants can be grown normally and crossed with plants that have the same transformed genetic makeup or other genetic makeup. The resulting hybrid individuals have the corresponding phenotypic properties.
Die erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen (oder Derivate oder Teile dieser Sequenzen) können auch in Plasmide eingebracht werden, die eine Mutagenese oder eine Sequenzveränderung durch Rekombination von DNA-Sequenzen in prokaryontischen oder eukaryontischen Systemen erlauben. Dadurch kann die Spezifität des Glukose- Translokators verändert werden z.B. in Richtung einer Affinität für Fruktose oder Galaktose.The DNA sequences according to the invention (or derivatives or parts of these sequences) can also be introduced into plasmids which permit mutagenesis or a sequence change by recombining DNA sequences in prokaryotic or eukaryotic systems. This can change the specificity of the glucose translocator e.g. towards an affinity for fructose or galactose.
Ebenso könnte eine Unempfindlichkeit des Glukose-Translokators für spezifische Herbizide erreicht werden. Mit Hilfe von Standardverfahren (Sambrock et al., 1989, Molecular cloning: A laboratory manual, 2. Aufl., Cold Spring Harbor Laboratory Press, NY, USA) können Basenaustausche und/oder Basendeletionen vorgenommen und/oder synthetische oder natürliche Sequenzen hinzugefügt werden. Für die Verbindung der DNA-Fragmente untereinander können Adapter oder linker angesetzt werden. Ferner können Manipulationen, die passende Restriktionsschnittstellen bereitstellen oder die nicht benötigte DNA entfernen, eingesetzt werden. Dort wo Insertionen, Deletionen oder Substitutionen wie z.B. Transitionen oder Transversionen in Frage kommen, können in v/fro-Mutagenese, "primerrepair", Restriktion oder Ligation verwendet werden. Als Analysenmethode werden im allgemeinen eine Sequenzanalyse, eine Restriktionsanalyse und weitere biochemisch-molekularbiologische Methoden wie z.B. die Expression des modifizierten Proteins in Hefen und die Messung der modifizierten Transporteigenschaften in artifiziellen Liposomen (sieheThe glucose translocator could also be made insensitive to specific herbicides. With the aid of standard methods (Sambrock et al., 1989, Molecular cloning: A laboratory manual, 2nd edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, NY, USA), base exchanges and / or base deletions can be carried out and / or synthetic or natural sequences can be added . Adapters or links can be used to connect the DNA fragments to one another. Manipulations which provide suitable restriction sites or which remove unnecessary DNA can also be used. Wherever insertions, deletions or substitutions such as transitions or transversions come into question can be used in v / fro mutagenesis, "primer repair", restriction or ligation. Sequence analysis, restriction analysis and other biochemical-molecular biological methods such as, for example, the expression of the modified protein in yeasts and the measurement of the modified transport properties in artificial liposomes (see
Ausführungsbeispiel 4; Loddenkötter et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 90: 2155-2159; Fischer et al., 1997, Plant Cell, 9: 453-462; Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-117) oder die Messung der modifizierten Transporteigenschaften am in transgenen Pflanzen exprimierten Protein mit Hilfe einer kürzlich von uns zu diesem Zweck entwickelten Methode (Flügge und Weber, 1994, Planta, 194: 181 -185) angewandt.Embodiment 4; Loddenkötter et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Be. USA 90: 2155-2159; Fischer et al., 1997, Plant Cell, 9: 453-462; Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-117) or measuring the modified transport properties of the protein expressed in transgenic plants using a method recently developed by us for this purpose (Flügge and Weber, 1994, Planta, 194: 181 -185) applied.
Die erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen (oder Teile oder Derivate dieser Sequenzen) können dazu genutzt werden, nachThe DNA sequences according to the invention (or parts or derivatives of these sequences) can be used according to
Standardverfahren (insbesondere Hybridisierungs-Durchmusterung von cDNA-Bibliotheken mit niedriger Stringenz unter Verwendung der erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen oder Teilen der DNA-Sequenzen als Sonde oder die Erstellung von Sonden für stringente und niedrig stringente Durchmusterungs-Strategien durch Ableitung von degenerierten und/oder nicht degenerierten Primern aus den erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen für PCR-Experimente mit DNA oder cDNA aus anderen Pflanzen) aus dem Genom von Pflanzen ähnliche Sequenzen zu isolieren, die für Proteine kodieren, die ebenfalls Glukose transportieren.Standard methods (in particular hybridization screening of cDNA libraries with low stringency using the DNA sequences according to the invention or parts of the DNA sequences as a probe or the creation of probes for stringent and low-stringent screening strategies by deriving degenerate and / or non-degenerate ones Isolate primers from the DNA sequences according to the invention for PCR experiments with DNA or cDNA from other plants) from the genome of plants, similar sequences which code for proteins which also transport glucose.
Die erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen enthalten im übersetzten Protein Bereiche, die in der Lage sind, die im Cytoplasma an Ribosomen synthetisierten Proteine spezifisch zu Plastiden zu dirigieren und das Auftreten der Proteine in anderen Membransystemen der Zelle zu verhindern. Der Proteinbereich, der das durch die erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen kodierte Protein zu Plastiden dirigiert, liegt jeweilig innerhalb der ersten 90 Aminosäuren des Proteins, ist für die Transportfunktion des Proteins nicht erforderlich und wird nach erfolgreicher Insertion des Proteins in die Plastidenhüllmembran entfernt. Durch Austausch dieser "Plastid-targeting"-Sequenzen gegen eine der bekannten "Targeting"-Sequenzen z.B. für Mitochondrien ließe sich das Translokator-Protein in ein anderes Membransystem eukaryontischer Zellen dirigieren und könnte dort möglicherweise die Transporteigenschaften über die respektive Membran verändern. Ebenso könnten die "Plastid-targeting"-Sequenzen des Glukose- Translokators oder endogene Bereiche des reifen Proteins dazu genutzt werden, fremde Proteine (z.B. bakterielle Transportproteine oder Transporter aus Hefen) in die Plastiden bzw. in die Plastidenhüllmembran pflanzlicher Zellen zu dirigieren.The DNA sequences according to the invention contain regions in the translated protein which are capable of specifically directing the proteins synthesized on ribosomes in the cytoplasm to plastids and of preventing the occurrence of the proteins in other membrane systems of the cell. The protein region which directs the protein encoded by the DNA sequences according to the invention to plastids is in each case within the first 90 amino acids of the protein, is not necessary for the transport function of the protein and is removed after the protein has been successfully inserted into the plastid envelope membrane. By replacing these "plastid targeting" sequences with one of the known "targeting" sequences, for example for mitochondria, the translocator protein could be transferred to another membrane system direct eukaryotic cells and could possibly change the transport properties over the respective membrane. Likewise, the "plastid targeting" sequences of the glucose translocator or endogenous regions of the mature protein could be used to direct foreign proteins (eg bacterial transport proteins or transporters from yeasts) into the plastids or into the plastid envelope membrane of plant cells.
Zum besseren Verständnis der dieser Erfindung zugrundeliegenden Ausführungsbeispiele werden die wichtigsten eingesetzten Verfahren im folgenden erläutert.For a better understanding of the exemplary embodiments on which this invention is based, the most important methods used are explained below.
1. Klonierungsverfahren1. Cloning procedure
Zur Klonierung wurden der Phage LambdaZAP II sowie das Phagemid pBluescript II SK (pBSC) (Short et al., 1988, Nucl. Acids Res. 16: 7583- 7600) verwendet.The phage LambdaZAP II and the phagemid pBluescript II SK (pBSC) (Short et al., 1988, Nucl. Acids Res. 16: 7583-7600) were used for cloning.
Für die Transformation von Hefen wurde der Vektor pEVP11 (Rüssel und Nurse, 1986, Cell 45: 145-153) verwendet.The vector pEVP11 (Rüssel and Nurse, 1986, Cell 45: 145-153) was used for the transformation of yeasts.
Für die Pflanzentransformation wurden die Genkonstruktionen in den binären Vektor pBinAR (Höfgen und Willmitzer, 1990, Plant Sei. 66: 221- 230) kloniert.For the plant transformation, the gene constructions were cloned into the binary vector pBinAR (Höfgen and Willmitzer, 1990, Plant Sei. 66: 221-230).
2. Bakterien- und Hefestämme Für das pBluescriptSK (pBSC) Phagemid sowie für pEVP1 1 - und pBinAR-Konstrukte wurde der E. coli Stamm DH5α (Hanahan et al., 1983, J. Mol. Biol. 166: 557-580) verwendet .2. Bacterial and yeast strains The E. coli strain DH5α (Hanahan et al., 1983, J. Mol. Biol. 166: 557-580) was used for the pBluescriptSK (pBSC) phagemid and for pEVP1 1 and pBinAR constructs.
Die Transformation der pBinAR-Konstrukte in Tabakpflanzen wurde mit Hilfe des Agrobacterium tumefaciens-Stamvnes C58C1 , pGV2260 (Bevan, 1984, Nucl. Acids Res. 12: 871 1 -8720) durchgeführt.The transformation of the pBinAR constructs in tobacco plants was carried out using the Agrobacterium tumefaciens strain C58C1, pGV2260 (Bevan, 1984, Nucl. Acids Res. 12: 871 1 -8720).
3. Transformation von Agrobacterium tumefaciens3. Transformation of Agrobacterium tumefaciens
Der Transfer der DNA in die Agrobakterien erfolgte durch direkte Transformation nach der Methode von Höfgen und Willmitzer (1988, Nucl. Acids Res. 16: 9877). Die Plasmid-DNA transformierter Agrobakterien wurde nach der Methode von Birnboim und Doly (1979, Nucl. Acids Res. 7: 1513-1523) isoliert und nach geeigneter Restriktionsspaltung gelektrophoretisch auf Richtigkeit und Orientierung analysiert. The DNA was transferred into the agrobacteria by direct transformation using the method of Höfgen and Willmitzer (1988, Nucl. Acids Res. 16: 9877). The plasmid DNA of transformed agrobacteria was isolated by the method of Birnboim and Doly (1979, Nucl. Acids Res. 7: 1513-1523) and, after suitable restriction cleavage, analyzed for correctness and orientation by electrophoresis.
4. Pflanzentransformation4. Plant transformation
Pro Transformation wurden 15 kleine Blätter einer Tabak-Sterilkultur unter sterilen Bedingungen mit einem Skalpell in Stückchen von ca. 1 cm Kantenlänge zerschnitten. Die Blattstückchen wurden in MS- Medium mit 2 % Glukose überführt, in welches dann mit einer Impföse von einer unter strenger Selektion auf Agarplatten gewachsenen, transformierten Agrobacterium tumefaciens-K \t r Bakterienzellen in das Medium eingerührt wurden.. Nach 30 minütiger Inkubation wurden die Blätter auf MS-Medium mit 1.6 % Glukose für zwei Tage im Dunkeln bei Raumtemperatur inkubiert. Anschließend wurden die Blattstückchen auf ein MS-Medium mit 2 % Saccharose, 2 mg/l Kinetin, 500 mg/l Betabactyl ®, 15 mg/l Hygromycin (bzw. 100 mg/l Kanamycin) und 0.8 % Bacto- Agar ausgelegt. Nach einwöchiger Inkubation bei 25°C und 3.000 Lux Beleuchtungsstärke wurde die Betabactylkonzentration im Medium um die Hälfte reduziert. Aus den Blattstückchen wuchsen ohne ausgeprägte Kallusphase kleine Schößlinge, die zur Wurzelbildung auf ein MS- Medium mit 2 % Saccharose, 250 mg/l Betabactyl und 100 mg/l Kanamycin überführt wurden. Nach Wurzelbildung wurden die Schößlinge in Erdkultur überführt.For each transformation, 15 small leaves of a tobacco sterile culture were cut into pieces with an edge length of approx. 1 cm using a scalpel. The leaf pieces were transferred into MS medium with 2% glucose, into which the bacterial cells were then stirred into the medium with an inoculation loop from a transformed Agrobacterium tumefaciens-K \ tr bacterium grown under strict selection on agar plates. After 30 minutes of incubation, the leaves became incubated on MS medium with 1.6% glucose for two days in the dark at room temperature. The leaf pieces were then placed on an MS medium with 2% sucrose, 2 mg / l kinetin, 500 mg / l Betabactyl®, 15 mg / l hygromycin (or 100 mg / l kanamycin) and 0.8% Bacto-agar. After a week's incubation at 25 ° C and 3,000 lux illuminance, the beta-lactyl concentration in the medium was reduced by half. Small shoots grew from the leaf pieces without a pronounced callus phase, which were transferred to an MS medium with 2% sucrose, 250 mg / l betabactyl and 100 mg / l kanamycin for root formation. After root formation, the saplings were transferred to earth culture.
Die Transformation von Arabidopsis erfolgte nach der Methode von Bechtold et al., 1993, C.R. Acad. Sei. 316: 1 194-1199.Arabidopsis was transformed by the method of Bechtold et al., 1993, C.R. Acad. Be. 316: 1 194-1199.
Hinterlegungen:Filing:
Am 10. Juni 1998 bzw. am 10. Juni 1999 wurden bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen (DSM) in Braunschweig, Bundesrepublik Deutschland, folgende Phagemide in Form von E. coli Stämmen, enthaltend diese Phagemide, hinterlegt:On June 10, 1998 and June 10, 1999, the following phagemids in the form of E. coli strains containing these phagemids were deposited with the German Collection of Microorganisms (DSM) in Braunschweig, Federal Republic of Germany:
Phagemid pBSC-E43/30-3 (DSM 12243) Phageimid pBSC-Zm-pGT (DSM 12862)Phagemid pBSC-E43 / 30-3 (DSM 12243) Phageimid pBSC-Zm-pGT (DSM 12862)
Phageimid pBSC-St-pGT (DSM 12863)Phageimid pBSC-St-pGT (DSM 12863)
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
Isolation des Glukose -Translokators, Gewinnung von Peptidfragmenten dieses Translokators und Erstellung von Sonden für die Hybridisationsdurchmusterung von cDNA BibliothekenIsolation of the glucose translocator, extraction of peptide fragments of this translocator and creation of probes for the hybridization screening of cDNA libraries
Die Identifikation des Glukose-Translokators in Hüllmembranen von Spinat- Chloroplasten erfolgte durch eine Kombination von radioaktiven Markierungs- Experimenten und Substratschutz-Experimenten. Es konnte gezeigt werden, daß der Transport von Glukose in isolierte Chloroplasten bereits durch sehr niedrige Konzentrationen der Sulfhydryl-Reagenzien pCMBS und NEM inhibiert werden konnte.The glucose translocator in the envelope membranes of spinach chloroplasts was identified by a combination of radioactive labeling experiments and substrate protection experiments. It could be shown that the transport of glucose into isolated chloroplasts could already be inhibited by very low concentrations of the sulfhydryl reagents pCMBS and NEM.
Isolierte Chloroplasten wurden in Anwesenheit bzw. Abwesenheit von Glukose, Maltose und Sorbit mit dem radioaktiv markierten Sulfhydryl- Reagenz N-Ethylmaleimid (NEM) versetzt. Anschließend wurden die Chloroplasten-Hüllmembranen isoliert, durch SDS-PAGE aufgetrennt und von den fixierten, gefärbten und getrockneten Gelen Fluorographien angefertigt. Es zeigte sich, daß ein Protein mit einer apparenten molekularen Masse von 43 kDa im SDS-PAGE unter den verschiedenen Bedingungen differentiell markiert wurde.Isolated chloroplasts were mixed with the radioactively labeled sulfhydryl reagent N-ethylmaleimide (NEM) in the presence or absence of glucose, maltose and sorbitol. The chloroplast envelope membranes were then isolated, separated by SDS-PAGE and fluorographs were prepared from the fixed, stained and dried gels. It was shown that a protein with an apparent molecular mass of 43 kDa was differentially labeled in SDS-PAGE under the various conditions.
Das auf diesem Wege als Glukose-Translokator identifizierte Protein wurde anschließend aus den Chloroplasten-Hüllmembranen durch eine Extraktion der Membranen mit einem Gemisch aus Chloroform und Methanol (2:1 ) gemeinsam mit vier weiteren Proteinen extrahiert. Der stark lipidhaltige Extrakt war einer Auftrennung in präparativen SDS- Gelen nicht direkt zugänglich und mußte zunächst mit Hexan delipidiert werden.The protein identified in this way as a glucose translocator was then extracted from the chloroplast envelope membranes by extracting the membranes with a mixture of chloroform and methanol (2: 1) together with four other proteins. The highly lipid-containing extract was not directly accessible for separation in preparative SDS gels and had to be delipidated with hexane.
Es folgte die Darstellung des Proteins in präparativen SDS- Polyacrylamidgelen (Laemmli, 1970, Nature 227: 680-685). Nach Detektion des Proteins durch Anfärbung mit Coomassie-Brilliant Blue R- 250 wurde eine 43 kDa Proteinbande aus dem Gel ausgeschnitten und in der Gelmatrix mit der Endoprotease Lys-C gespalten (Fresco, 1979, Anal. Biochem. 97: 382-386). Die resultierenden Peptide wurden aus dem Gel eluiert und mittels HPLC aufgetrennt (Eckerskorn und Lottspeich, 1989, Chromatographia, 28: 92-94). Die Aminosäuresequenz der gereinigten Peptidfraktionen wurde durch automatisierten Edman- Abbau in der Gasphase bestimmt (Eckerskorn et al., 1988, Eur. J. Biochem. 176: 509-519). Aus der Aminosäuresequenz von einem der beiden Peptide (Peptid 1 ) wurden zwei degenerierte Oligonukleotidsequenzen, kodierend diese Aminosäuresequenz, abgeleitet und das betreffende Oligonukleotid durch in vitro DNA- Synthese hergestellt.The protein was then prepared in preparative SDS polyacrylamide gels (Laemmli, 1970, Nature 227: 680-685). After detection of the protein by staining with Coomassie-Brilliant Blue R-250, a 43 kDa protein band was cut out of the gel and cleaved in the gel matrix with the endoprotease Lys-C (Fresco, 1979, Anal. Biochem. 97: 382-386). The resulting peptides were made from eluted the gel and separated by means of HPLC (Eckerskorn and Lottspeicher, 1989, Chromatographia, 28: 92-94). The amino acid sequence of the purified peptide fractions was determined by automated Edman degradation in the gas phase (Eckerskorn et al., 1988, Eur. J. Biochem. 176: 509-519). Two degenerate oligonucleotide sequences encoding this amino acid sequence were derived from the amino acid sequence of one of the two peptides (peptide 1) and the oligonucleotide in question was prepared by in vitro DNA synthesis.
Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2
Klonierung des Glukose-TranslokatorsCloning of the glucose translocator
Spinatblätter wurden in der Mitte der Lichtperiode und in der Mitte der Dunkelperiode geerntet und bis zur RNA-Isolation bei -80°C gelagert. Hieraus wurde polyA+-RNA isoliert und ausgehend hiervon eine cDNA- Bibliothek im Vektor LambdaZAPII angelegtSpinach leaves were harvested in the middle of the light period and in the middle of the dark period and stored at -80 ° C until RNA isolation. PolyA + RNA was isolated from this and a cDNA library based on this was created in the vector LambdaZAPII
Zum anderen wurde die isolierte RNA für eine RT-Polymerase- Kettenreaktion (PCR) (RACE; Schaefer, B.C. (1995) Anal. Biochem. 227, 255-273) eingesetzt. Als Primer für die erste RACE Reaktion wurden das erste spezifische Oligonukleotid in Kombination mit einen "anchor(dT)15" Primer benutzt. Die erhaltenen Produkte wurden einer zweiten PCR unterzogen, wobei hier die jeweiligen "nested" Primer eingesetzt wurden. Es konnte ein spezifisches PCR-Fragment (300 bp) erhalten werden.On the other hand, the isolated RNA was used for an RT polymerase chain reaction (PCR) (RACE; Schaefer, B.C. (1995) Anal. Biochem. 227, 255-273). The first specific oligonucleotide in combination with an "anchor (dT) 15" primer was used as the primer for the first RACE reaction. The products obtained were subjected to a second PCR, the respective "nested" primers being used here. A specific PCR fragment (300 bp) could be obtained.
Ca. 300.000 Klone der cDNA-Bibliothek wurden mit diesem PCR- Fragment sondiert (siehe Ausführungsbeispiel 1 ). Positiv reagierende Klone wurden nach Standardverfahren gereinigt und nach Präparation der amplifizierten Phagen-DNA aus den gereinigten Plaques wurde durch EcoRI-Restriktionsverdau die Insertion kodierend für den Glukose -Translokator erhalten und durch Southern-Blot Analyse, mit dem oben erwähnten PCR-Fragment als Sonde, verifiziert. Nach in vivo Excission des Phagemids aus dem Phagen mit Hilfe des filamentösen Helfer- Phagen ExAssist wurden die Klone durch Bestimmung der DNA- Sequenz analysiert (Dideoxymethode: Sanger et al., 1977, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 74: 5463-5467) und aus dieser DNA-Sequenz die Primärstruktur des Glukose-Translokators abgeleitet (Klon pBSC-E43- 30/3). Die Sequenz des Peptids konnte in der Gesamtsequenz des Translokators wiedergefunden werden. Die cDNA aus Spinat wurde anschließend benutzt, um die entsprechenden cDNA Klone aus Geweben von Arabidopsis thaliana, Zea mays (Mais), Solanum tuberosum (Kartoffel) und Nicotiana tabacum (Tabak) mittels Durchmusterung der entsprechenden cDNA-Bibliotheken mit niedriger Stringenz zu isolieren.Approximately 300,000 clones of the cDNA library were probed with this PCR fragment (see embodiment 1). Clones reacting positively were purified by standard methods and after preparation of the amplified phage DNA from the purified plaques, the insert coding for the glucose translocator was obtained by EcoRI restriction digest and by Southern blot analysis, using the above-mentioned PCR fragment as a probe, verified. After in vivo excision of the phagemid from the phage with the aid of the filamentous helper phage ExAssist, the clones were analyzed by determining the DNA sequence (dideoxy method: Sanger et al., 1977, Proc. Natl. Acad. Be. USA 74: 5463-5467) and the primary structure of the glucose translocator was derived from this DNA sequence (clone pBSC-E43-30/3). The sequence of the peptide could be found in the overall sequence of the translocator. The spinach cDNA was then used to isolate the corresponding cDNA clones from Arabidopsis thaliana, Zea mays (maize), Solanum tuberosum (potato) and Nicotiana tabacum (tobacco) tissues by screening the corresponding low stringency cDNA libraries.
Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3
Adressierung des Glukose-Translokator Vorstufenproteins zu den Chloroplasten und energieabhängige Insertion des reifen Proteins in die innere Hüllmembran. Die in vitro Transkription des Plasmids pBSC-E43-30/3 wurde unter Verwendung von T7 RNA-Polymerase nach den Angaben des Herstellers (Pharmacia) durchgeführt. Die anschließende in vitro Translation erfolgte im Retikulozyten-Lysat (Boehringer-Mannheim) und der postribosomale Überstand wurde für Proteintransporte in intakte Spinat-Chloroplasten benutzt. Das Experiment wurde im Dunkeln bzw. im Licht durchgeführt; der Ansatz enthielt Import-Puffer (Flügge et al., 1989, EMBO J. 8: 39-46) und intakte Spinat-Chloroplasten (entsprechend 200 μg Chlorophyll). Nach 30 min bei 25 °C wurde die Chloroplasten gewaschen und die Hüllmembranen isoliert (Flügge et al., 1989, EMBO J. 8: 39-46). Sie wurden über eine SDS-Polyacrylamid Gelelektrophorese (Laemmli, 1970, Nature 227: 680-685) und anschließende Fluorographie (Bonner und Laskey, 1974, Eur. J. Biochem. 46: 84-88) analysiert. Es zeigte sich, daß die Präsequenz des Glukose-Translokators das anhängende reife Protein korrekt zu seiner Zielmembran, der inneren Chloroplasten-Hüllmembran dirigiert; sie wird während des Import-Prozesses durch eine spezifische Protease abgespalten und das reife Protein ensteht. Im Dunkeln konnte die Insertion des Translokators durch die Zugabe von ATP energetisiert werden während in Abwesenheit von ATP wird kein Import beobachtet wurde. Im Licht konnte die Energie für den Import des Proteins in Form von ATP über die photosynthetische Phosphorylierung bereitgestellt werden; der Import war unter diesen Bedingungen unabhängig von zugegebenem ATP. Wurde die photosynthetische Phosphorylierung und die damit verbundene Produktion von ATP durch die Zugabe eines Entkopplers wie CCCP jedoch verhindert, war auch der Proteinimport blockiert. Es zeigte sich ferner, daß das reife Protein proteae-resistent in die innere Hüllmembran inseriert wurde: Zugabe von Proteasen (z.B. Thermolysin), die die äußere Hüllmembran nicht permeieren können, vermögen das in die innere Membran eingebaute reife Protein nicht anzugreifen. Eine Vorbehandlung der Chloroplasten mit einer Protease (z.B. Thermolysin) führte zu einen völligen Verlust der Bindung und des Importes des Translokators was zeigte, daß die Präsequenz ("Targeting"-Sequenz) des Translokators in einem ersten Schritt zunächst spezifisch an Rezeptoren der äußeren Membran gebunden werden muß. Erst dann können dann die weiteren Schritte der Protein- Insertion erfolgen.Addressing the glucose translocator precursor protein to the chloroplasts and energy-dependent insertion of the mature protein into the inner membrane. The in vitro transcription of the plasmid pBSC-E43-30 / 3 was carried out using T7 RNA polymerase according to the manufacturer's instructions (Pharmacia). The subsequent in vitro translation was carried out in the reticulocyte lysate (Boehringer-Mannheim) and the postribosomal supernatant was used for protein transport in intact spinach chloroplasts. The experiment was carried out in the dark or in the light; the mixture contained import buffers (Flügge et al., 1989, EMBO J. 8: 39-46) and intact spinach chloroplasts (corresponding to 200 μg chlorophyll). After 30 min at 25 ° C. the chloroplasts were washed and the envelope membranes isolated (Flügge et al., 1989, EMBO J. 8: 39-46). They were analyzed by SDS-polyacrylamide gel electrophoresis (Laemmli, 1970, Nature 227: 680-685) and subsequent fluorography (Bonner and Laskey, 1974, Eur. J. Biochem. 46: 84-88). The pre-sequence of the glucose translocator was shown to correctly direct the attached mature protein to its target membrane, the inner chloroplast envelope membrane; it is split off during the import process by a specific protease and the mature protein is formed. In the dark the insertion of the translocator could be energized by the addition of ATP, while in the absence of ATP no import was observed. In the light, the energy for the import of the protein in the form of ATP could be provided via the photosynthetic phosphorylation become; under these conditions the import was independent of added ATP. However, if photosynthetic phosphorylation and the associated production of ATP were prevented by the addition of a decoupler such as CCCP, the protein import was also blocked. It was also shown that the mature protein was inserted into the inner envelope membrane in a proteae-resistant manner: addition of proteases (eg thermolysin) which cannot permeate the outer envelope membrane cannot attack the mature protein built into the inner membrane. Pretreatment of the chloroplasts with a protease (eg thermolysin) led to a complete loss of binding and the import of the translocator, which showed that the presequence ("targeting" sequence) of the translocator was initially specifically bound to receptors of the outer membrane in a first step must become. Only then can the further steps of protein insertion take place.
Ausführungsbeispiel 4Embodiment 4
Expression des Glukose-Translokators aus Spinat in der Spalthefe Schizosaccharomyces pombe Für die Expression des Glukose-Translokators in Hefe wurde zuerst mittels PCR mit einem Oligonukleotid, welches an der Schnittstelle von Präsequenz und reifem Protein liegt, das entsprechende Fragment hergestellt. Das so erhaltene Fragment wurde in den Hefe- Expressionsvektor pEVP11 eingesetzt und nach Amplifikation des Konstrukts in E. coli in durch LiCI/PEG kompetent gemachte (Ito et al., 1983, J. Bact. 153: 163-168) Leucinsynthese-defiziente S. pombe Zellen transformiert (Fischer et al., 1997, Plant Cell, 9: 453-462; (Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-117) Transformanden wurden durch Selektion auf Minimalmedium ohne Leucin selektiert, da das pEVP1 1- E43-30/3 Konstrukt den Hefezellen die Fähigkeit zum Wachstum auf leucinfreiem Medium verleiht.Expression of the glucose translocator from spinach in the split yeast Schizosaccharomyces pombe For the expression of the glucose translocator in yeast, the corresponding fragment was first produced by means of PCR with an oligonucleotide, which lies at the interface of presequence and mature protein. The fragment obtained in this way was inserted into the yeast expression vector pEVP11 and after amplification of the construct in E. coli in LiCI / PEG made competent (Ito et al., 1983, J. Bact. 153: 163-168) leucine synthesis deficient S pombe cells were transformed (Fischer et al., 1997, Plant Cell 9: 453-462; (Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-117). Transformants were selected by selection on minimal medium without leucine, since the pEVP1 1- E43-30 / 3 construct gives yeast cells the ability to grow on leucine-free medium.
Ausführungsbeispiel 5 Transformation von Pflanzen mit einer Konstruktion zur Überexpression der Kodierregion des Glukose-TranslokatorsEmbodiment 5 Transformation of plants with a construction for overexpression of the coding region of the glucose translocator
Aus dem Phagemid pBluescript-E43-30/3 (pBSC-E43-30/3), der als Insertion die cDNA für den Glukose-Translokator aus Spinat enthielt (siehe Ausführungsbeispiel 2) wurde die Insertion durch Restriktionsverdau isoliert und in den Vektor pBinAR (Höfgen and Willmitzer, 1990, Plant Sei. 66: 221 -230) gerichtet kloniert. Nach Amplifikation des resultierenden Konstrukts pBinAR-E43-30/3 in E. coli wurden das Konstrukt in Agrobakterien transformiert und diese dann zur Infektion von Blattsegmenten von Tabak und Kartoffel eingesetzt.The insert was isolated by restriction digestion from the phagemid pBluescript-E43-30 / 3 (pBSC-E43-30 / 3), which contained the cDNA for the spinose glucose translocator as an insertion (see embodiment 2) and was converted into the vector pBinAR ( Höfgen and Willmitzer, 1990, Plant Sei. 66: 221-230). After amplification of the resulting construct pBinAR-E43-30 / 3 in E. coli, the construct was transformed into agrobacteria and these were then used to infect leaf segments of tobacco and potato.
Die erhaltenen Transformanden wurden mit Hilfe von Southern-Blot Analysen auf die Präsenz des intakten, nicht rearrangierten Chimären Gens untersucht. Die Glukose-Transportaktivität wurde im Vergleich zu Kontrolltransformanden (transformiert mit Vektor pBinAR ohne Insertion) untersucht, ebenso das C/N-Verhältnis, Photosyntheserate, Stärkegehalt und Wachstum. The transformants obtained were examined with the aid of Southern blot analyzes for the presence of the intact, non-rearranged chimeric gene. The glucose transport activity was examined in comparison to control transformants (transformed with vector pBinAR without insertion), as were the C / N ratio, photosynthesis rate, starch content and growth.

Claims

Patentansprüche claims
1. DNA-Sequenzen, die die Kodierregion eines plastidären Glukose- Translokators enthalten und die im Anhang dargestellten Nukleotidabfolgen aufweisen, wobei die Sequenzprotokolle1. DNA sequences which contain the coding region of a plastid glucose translocator and which have the nucleotide sequences shown in the appendix, the sequence listing
Bestandteile des Anspruches sind, sowie Teile oder Derivate dieser DNA-Sequenzen, die durch Insertion, Deletion oder Substitution von diesen DNA-Sequenzen abgeleitet sind und für ein plastidäres Protein kodieren, das die biologische Aktivität eines Glukose- Translokators besitzt, und weitere DNA-Sequenzen, die mit diesenComponents of the claim are, as well as parts or derivatives of these DNA sequences which are derived from these DNA sequences by insertion, deletion or substitution and code for a plastid protein which has the biological activity of a glucose translocator, and further DNA sequences that with these
DNA-Sequenzen oder deren Teilen oder Derivaten hybridisieren.Hybridize DNA sequences or their parts or derivatives.
2. Plasmide und Phagemide enthaltend eine DNA-Sequenz oder ein Teil oder Derivat der DNA-Sequenzen oder eine weitere DNA- Sequenz nach Anspruch 1.2. Plasmids and phagemids containing a DNA sequence or a part or derivative of the DNA sequences or a further DNA sequence according to claim 1.
3. Phagemid pBSC-E43/30-3 gemäß Anspruch 2 hinterlegt unter der DSM-Nummer DSM 12243 als E. coli Stamm DH5α pBSC-E43/30-3 enthaltend dieses Phagemid.3. Phagemid pBSC-E43 / 30-3 according to claim 2 deposited under the DSM number DSM 12243 as E. coli strain DH5α pBSC-E43 / 30-3 containing this phagemid.
4. Phagemid pBSC-Zm-pGT gemäß Anspruch 2 hinterlegt unter der DSM-Nummer DSM 12862 als E. coli Stamm SOLR pBSC-Zm-pGT enthaltend dieses Phagemid.4. Phagemid pBSC-Zm-pGT according to claim 2 deposited under the DSM number DSM 12862 as E. coli strain SOLR pBSC-Zm-pGT containing this phagemid.
5. Phagemid pBSC-St-pGT gemäß Anspruch 2 hinterlegt unter der DSM-Nummer DSM 12863 als E. coli Stamm DH5α pBSC-St-pGT enthaltend dieses Phagemid.5. Phagemid pBSC-St-pGT according to claim 2 deposited under DSM number DSM 12863 as E. coli strain DH5α pBSC-St-pGT containing this phagemid.
6. Bakterien, enthaltend eine DNA-Sequenz oder einen Teil oder ein Derivat der DNA-Sequenzen oder eine weitere DNA-Sequenz gemäß Anspruch 1 oder ein Plasmid/Phagemid gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5. 6. Bacteria containing a DNA sequence or a part or a derivative of the DNA sequences or a further DNA sequence according to claim 1 or a plasmid / phagemid according to one of claims 2 to 5.
7. Hefen, enthaltend eine DNA-Sequenz oder einen Teil oder ein Derivat der DNA-Sequenzen oder eine weitere DNA-Sequenz gemäß Anspruch 1 oder ein Plasmid gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5.7. yeasts containing a DNA sequence or a part or a derivative of the DNA sequences or a further DNA sequence according to claim 1 or a plasmid according to one of claims 2 to 5.
8. Pflanzenzellen enthaltend ein Plasmid gemäß Anspruch 2.8. plant cells containing a plasmid according to claim 2.
9. Transformierte Pflanzenzellen und aus diesen regenerierte transgene Pflanzen enthaltend eine DNA-Sequenz oder eine Teil oder ein Derivat der DNA-Sequenzen oder eine weitere DNA- Sequenzen gemäß Anspruch 1 , wobei diese DNA-Sequenz oder dieser Teil oder das Derivat davon oder die weitere DNA-Sequenz als Bestandteil eines rekombinaten DNA-Moleküls in die Pflanzenzellen eingeführt wurden.9. Transformed plant cells and transgenic plants regenerated therefrom containing a DNA sequence or a part or a derivative of the DNA sequences or a further DNA sequence according to claim 1, wherein this DNA sequence or this part or the derivative thereof or the further DNA sequence was introduced into the plant cells as part of a recombinant DNA molecule.
10. Verwendung der DNA-Sequenzen oder Teile oder Derivate dieser DNA-Sequenzen oder der weiteren DNA-Sequenzen gemäß Anspruch 1 a) zur Einführung in pro- oder eukaryontische Zellen, wobei diese Sequenzen gegebenenfalls mit Steuerelementen, die die Transkription und Translation in den Zellen gewährleisten, verknüpft sind und zur Expression einer translatierbaren mRNA, die die Synthese eines Glukose-Translokators bewirkt, führen, b) zur Identifizierung von Insertionsmutanten, zur homologen Rekombination oder zur Expression einer nicht translatierbaren RNA, die mittels eines "anti-sense"-Effektes, einer Kosupression oder einer Ribozymaktivität die Synthese eines oder mehrerer endogener plastidärer Glukose-Translokatoren in den Zellen verhindert, c) zur Veränderung des Kohlenstoff-/Stickstoff-Verhältnisses in Blättern bzw. in heterotrophen Geweben insbesondere zur Erhöhung des Stärkegehaltes, d) zur Erniedrigung der Bildung von Zuckern während der Stärkemobilisierung, e) zur Isolierung von DNA-Sequenzen, die für ein Polypeptid kodieren, das die biologische Aktivität eines Glukose-Translokators besitzt, f) die als "targeting"-Sequenzen dienen, um mit Hilfe dieser10. Use of the DNA sequences or parts or derivatives of these DNA sequences or of the further DNA sequences according to claim 1 a) for introduction into pro- or eukaryotic cells, these sequences optionally with controls that control the transcription and translation in the cells ensure, are linked and lead to the expression of a translatable mRNA which brings about the synthesis of a glucose translocator, b) to the identification of insertion mutants, to homologous recombination or to the expression of a non-translatable RNA by means of an "anti-sense" effect , a cosupression or a ribozyme activity prevents the synthesis of one or more endogenous plastid glucose translocators in the cells, c) to change the carbon / nitrogen ratio in leaves or in heterotrophic tissues, in particular to increase the starch content, d) to lower the Sugar formation during the Starch mobilization, e) for the isolation of DNA sequences which code for a polypeptide which has the biological activity of a glucose translocator, f) which serve as "targeting" sequences in order to use them
Sequenzen prokaryontische oder eukaryontische Proteine, insbesondere Enzyme oder Proteine, die den aktiven oder passiven Transport von Metaboliten über Membranen katalysieren, in die Plastidenhüllmembran, in das Plastidenstroma oder in die Thylakoide zu dirigieren, g) wobei diese Sequenzen kodierende Regionen enthalten, die für ein reifes Protein mit der biologischen Aktivität eines Glukose- Translokators kodieren, zur Kombination mit "targeting"-Sequenzen für andere Zellkompartimente oder zelluläre Membransysteme, wodurch das reife Protein in andere Kompartimente oderDirecting sequences of prokaryotic or eukaryotic proteins, in particular enzymes or proteins which catalyze the active or passive transport of metabolites across membranes, into the plastid envelope membrane, into the plastid stroma or into the thylakoids, g) wherein these sequences contain coding regions which are necessary for a mature one Encoding protein with the biological activity of a glucose translocator, for combination with "targeting" sequences for other cell compartments or cellular membrane systems, whereby the mature protein in other compartments or
Membransysteme dirigiert wird, h) zur Identifizierung von Substanzen, die eine inhibierende Wirkung auf den Transport von Hexosen über die innere Plastidenhüllmembran haben und/oder i) zur Isolierung entsprechender genomischer Klone, insbesondere die Nutzung der entsprechenden Promotorbereiche oder von Promotorteilbereichen zur gewebespezifischen Expression von Genen. Membrane systems is directed, h) for the identification of substances that have an inhibitory effect on the transport of hexoses across the inner plastid envelope membrane and / or i) for the isolation of corresponding genomic clones, in particular the use of the corresponding promoter regions or of promoter subregions for tissue-specific expression of genes .
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