RU2238324C2 - Universal vector for stable transformation of chloroplast genome, method for stable transformation of plant-target, method for conferring to plant resistance to plant-target against herbicide, method for assay of transformation of chloroplast and stably transformed chloroplast genome - Google Patents

Universal vector for stable transformation of chloroplast genome, method for stable transformation of plant-target, method for conferring to plant resistance to plant-target against herbicide, method for assay of transformation of chloroplast and stably transformed chloroplast genome Download PDF

Info

Publication number
RU2238324C2
RU2238324C2 RU2000106064A RU2000106064A RU2238324C2 RU 2238324 C2 RU2238324 C2 RU 2238324C2 RU 2000106064 A RU2000106064 A RU 2000106064A RU 2000106064 A RU2000106064 A RU 2000106064A RU 2238324 C2 RU2238324 C2 RU 2238324C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plant
chloroplast
vector
plants
chloroplast genome
Prior art date
Application number
RU2000106064A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2000106064A (en
Inventor
Генри ДАНИЕЛЛ (US)
Генри ДАНИЕЛЛ
Original Assignee
Оберн Юниверсити
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Оберн Юниверсити filed Critical Оберн Юниверсити
Publication of RU2000106064A publication Critical patent/RU2000106064A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2238324C2 publication Critical patent/RU2238324C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Breeding Of Plants And Reproduction By Means Of Culturing (AREA)

Abstract

FIELD: genetic engineering of plants, agriculture.
SUBSTANCE: vector involves the expression cassette comprising a sequence encoding the interesting peptide that is joined with regulatory sequences providing expressing of the encoding sequence in chloroplasts of plant-target. Cassette-flanking sequences are homologous with conservative spacer sequences of chloroplast genome of target that provides the stable integration of encoding sequence into chloroplast genome. Insertion of mentioned vector into genome of plants of different species allows conferring to them new properties that are stably inherited in progeny.
EFFECT: valuable biological properties of vector, improved transformation and assay.
29 cl, 62 dwg, 2 tbl, 16 ex

Description

Данная заявка утверждает преимущество находящейся на рассмотрении предварительной заявки под регистрационным номером 60/055314, зарегистрированной 7 августа 1991, включенной в качестве ссылки в настоящую заявку. Данная заявка также утверждает преимущество находящейся на рассмотрении предварительной заявки под регистрационным номером 60/079042, зарегистрированной 23 марта 1998, озаглавленной ″Универсальный хлоропластовый интеграционный и экспрессионный вектор, трансформированные растения и продукты из них″, включенной в настоящее описание в качестве ссылки. Кроме того, данная заявка является частичным продолжением находящейся на рассмотрении заявки на патент под регистрационным номером 08/591407, зарегистрированной 25 января 1996, Henry Daniell, являющейся частичным продолжением заявки под регистрационным номером 08/591407, зарегистрированной 18 марта 1994, теперь абандонированной, которая, в свою очередь, является продолжением заявки под регистрационным номером 07/249616, зарегистрированной 26 сентября 1988, теперь абандонированной.This application claims the benefit of the pending application under registration number 60/055314, registered August 7, 1991, incorporated by reference in this application. This application also claims the benefit of the pending provisional application under registration number 60/079042, registered March 23, 1998, entitled "Universal chloroplast integration and expression vector, transformed plants and products thereof," incorporated by reference in this description. In addition, this application is a partial continuation of the pending patent application under registration number 08/591407, registered January 25, 1996, Henry Daniell, which is a partial continuation of the application under registration number 08/591407, registered March 18, 1994, now abandoned, which, in turn, it is a continuation of the application under registration number 07/249616, registered on September 26, 1988, now abandoned.

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Данная заявка относится к области генной инженерии геномов растений, в частности к генной инженерии генома пластид, таких как хлоропласты, и к устойчивой трансформации хлоропластового генома растения любого вида.This application relates to the field of genetic engineering of plant genomes, in particular to genetic engineering of the plastid genome, such as chloroplasts, and to the sustainable transformation of the chloroplast genome of a plant of any kind.

Родственные технические решенияRelated technical solutions

Данная заявка относится, в частности, к универсальному хлоропластовому экспрессионному и интеграционному вектору, компетентному для трансформации любого растения одним или несколькими генами, представляющими интерес. В ранее зарегистрированной заявке на патент под регистрационным номером 08/591407 описываются растительные клетки, трансформированные с помощью экспрессионной кассеты, содержащей последовательность экзогенной ДНК, которая устойчиво интегрирована (ковалентно связана) с хлоропластовым геномом клетки растения-мишени. ″Устойчиво″ интегрированными последовательностями ДНК являются последовательности, которые наследуются через репликацию генома дочерними клетками или организмами. Эта устойчивость проявляется через способность создавать постоянные клеточные линии, клоны или трансгенные растения, составляющие популяцию, содержащую экзогенную ДНК.This application relates, in particular, to a universal chloroplast expression and integration vector competent for transforming any plant with one or more genes of interest. A previously registered patent application under registration number 08/591407 describes plant cells transformed with an expression cassette containing an exogenous DNA sequence that is stably integrated (covalently linked) with the chloroplast genome of the target plant cell. "Stably" integrated DNA sequences are sequences that are inherited through replication of the genome by daughter cells or organisms. This resistance is manifested through the ability to create constant cell lines, clones or transgenic plants that make up a population containing exogenous DNA.

Подобным образом в патенте США 5693507 (1997), Danielle and McFadden, описываются устойчивая интеграция с помощью экспрессионной кассеты, содержащей последовательность экзогенной ДНК, кодирующей нужный признак, и трансформированные растения.Similarly, US Pat. No. 5,693,507 (1997), Danielle and McFadden, describes robust integration using an expression cassette containing an exogenous DNA sequence encoding a desired trait and transformed plants.

Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION

Преимущества трансформации хлоропластов перед трансформацией ядер.Advantages of chloroplast transformation over nuclear transformation.

Привлекательность трансформации хлоропластового генома перед трансформацией ядерного генома связана с серьезными опасностями, являющимися результатами последней. Общеизвестное беспокойство вызывает утечка чужеродных генов при рассеивании пыльцы от трансгенных культурных растений к их диким родственным формам. Показано, что трансгенная пыльца будет доставлять чужеродные (трансгенные) гены к другим растениям, совместимым по половым признакам (что определяется распространенностью гена-маркера в потомстве, собранном от нетрансгенных растений, выросших на прилегающих площадях). Например, наблюдалось рассеяние пыльцы с центральной опытной делянки, содержащей трансгенные растения хлопчатника, на окружающие нетрансгенные растения на разных расстояниях в разных направлениях (Lewellyn and Fitt, 1996; Umbeck, P.F., et al., 1991). Кроме того, концентрация генов-маркеров в диком подсолнечнике составляла в среднем примерно 28-38%; в дикой землянике, растущей в пределах 50 метров от участка с земляникой, свыше 50% диких растений содержали гены-маркеры от культурной земляники (King, J., 1996).;The attractiveness of the transformation of the chloroplast genome before the transformation of the nuclear genome is associated with serious dangers arising from the latter. A well-known concern is the leakage of foreign genes during the dispersal of pollen from transgenic cultivated plants to their wild related forms. It has been shown that transgenic pollen will deliver foreign (transgenic) genes to other sexually compatible plants (which is determined by the prevalence of the marker gene in offspring collected from non-transgenic plants grown in adjacent areas). For example, pollen was dispersed from a central experimental plot containing transgenic cotton plants to surrounding non-transgenic plants at different distances in different directions (Lewellyn and Fitt, 1996; Umbeck, P.F., et al., 1991). In addition, the concentration of marker genes in wild sunflower averaged about 28-38%; in wild strawberries, growing within 50 meters of the site with strawberries, over 50% of wild plants contained marker genes from cultivated strawberries (King, J., 1996) .;

Утечка чужеродных генов через пыльцу вызывает особенно сильное беспокойство за окружающую среду в случае генов устойчивости к гербицидам из-за высокой степени потока от культурных растений к диким родственным формам. Вызывает тревогу, что утечка генов от трансгенных культурных растений к их диким родственным формам будет создавать супер-сорняки. Для риса (Oryza sativa) отмечен поток генов от культурных сортов к диким родственным формам - к О. perennis (Barrett, 1983) и к красному рису (О. sativa; Langevin et al., 1990). На юге США красный рис становится основным сорняком, поскольку гербициды, поражающие его, также поражают культурный рис. На рис, загрязненный красным рисом, устанавливаются более низкие цены. Некоторые исследователи вводят в культурный рис ген bar, придающий устойчивость к глуфозинату (Liberty), чтобы бороться с его дикой формой (Oard et al., 1996; Sankula et al., 1996). Однако из-за совместимости по половому признаку введение гена, экспрессируемого в ядре, будет допускать передачу признака такой устойчивости красному рису через пыльцу.The leakage of foreign genes through pollen is especially worrying for the environment in the case of herbicide resistance genes due to the high degree of flow from cultivated plants to wild related forms. It is alarming that leakage of genes from transgenic cultivated plants to their wild related forms will create super-weeds. For rice (Oryza sativa), a flow of genes from cultivars to wild related forms was noted - to O. perennis (Barrett, 1983) and to red rice (O. sativa; Langevin et al., 1990). In the south of the United States, red rice becomes the main weed because the herbicides that infect it also infect cultivated rice. Red rice is contaminated with lower prices. Some researchers introduce the bar gene into cultural rice, which confers resistance to glufosinate (Liberty) in order to combat its wild form (Oard et al., 1996; Sankula et al., 1996). However, due to gender compatibility, the introduction of a gene expressed in the nucleus will allow transmission of a trait of such resistance to red rice through pollen.

Подобным образом трансгенный масличный рапс, которому методами генной инженерии придана устойчивость к гербицидам, непреднамеренно скрещивался с дикой родственной формой Brassica campestris (горчица полевая) и придавал устойчивость к гербицидам даже у первой генерации от обратного скрещивания в полевых условиях (Mikkelson, T.R., et al., 1996).Similarly, transgenic oilseed rape, which was genetically engineered to be resistant to herbicides, was inadvertently crossed with the wild related form of Brassica campestris (field mustard) and rendered herbicide resistant even in the first generation from backcrossing in the field (Mikkelson, TR, et al. , 1996).

Материнская наследственность введенных генов предотвращает утечку генов через пыльцу. Введение чужеродных генов через хлоропластовые геномы (которые матерински наследуются в случае большинства культур) является решением этой проблемы. Также ферменты или белки мишени для большинства гербицидов (например, пути биосинтеза аминокислот и жирных кислот или фотосинтез) являются компартментализованными в пределах хлоропласта. Другим важным преимуществом трансформации хлоропластов является более высокий уровень экспрессии чужеродных генов из-за очень высокого числа копий (5000-10000) хлоропластовых геномов в растительных клетках. Поскольку механизм транскрипции и трансляции хлоропласта является прокариотным по природе, гены устойчивости к гербицидам бактериального происхождения можно экспрессировать в хлоропластах на чрезвычайно высоком уровне.The maternal heredity of the introduced genes prevents the leakage of genes through pollen. The introduction of foreign genes through chloroplast genomes (which are maternally inherited in the case of most cultures) is a solution to this problem. Also, enzymes or target proteins for most herbicides (for example, amino acid and fatty acid biosynthesis pathways or photosynthesis) are compartmentalized within the chloroplast. Another important advantage of chloroplast transformation is a higher level of expression of foreign genes due to the very high number of copies (5000-10000) of chloroplast genomes in plant cells. Since the mechanism of transcription and translation of the chloroplast is prokaryotic in nature, resistance genes for herbicides of bacterial origin can be expressed in chloroplasts at an extremely high level.

Трансформация хлоропластового генома.Transformation of the chloroplast genome.

Ранние исследования по трансформации хлоропластов сосредотачивались на разработке органелло-систем с использованием интактных хлоропластов, способных к эффективной и длительной транскрипции и трансляции (Daniell and Rebeiz, 1982; Daniell et al., 1983), и экспрессии чужеродных генов в выделенных хлоропластах (Daniell and McFadden, 1987). Эти эксперименты проводились на основании предпосылки, что можно ввести выделенные интактные хлоропласты в протопласты и регенерировать трансгенные растения (Carlson, 1973). Открытие генной пушки в качестве приспособления для трансформации предоставило возможность прямой пластидной трансформации в растениях (Daniell, 1993). С использованием генной пушки были осуществлены неустойчивая экспрессия чужеродных генов в пластидах двудольных (Daniell et al., 1990; Ye et al., 1990), однодольных (Daniell et al., 1991), длительная экспрессия чужеродных генов с использованием независимо реплицирующихся хлоропластовых экспрессионных векторов (Daniell et al., 1990) и устойчивая интеграция селектируемого маркера в хлоропластовый геном табака (Svab and Maliga, 1993). Растения табака, устойчивые к некоторым насекомым, получены посредством интеграции гена cryIAc в хлоропластовый геном табака (McBride et al., 1995; патент США 5451513, включены в настоящее описание в качестве ссылок). Устойчивая трансформация пластид высших растений осуществлена пока только в табаке.Early studies on chloroplast transformation focused on the development of organelle systems using intact chloroplasts capable of efficient and long-lasting transcription and translation (Daniell and Rebeiz, 1982; Daniell et al., 1983) and the expression of foreign genes in isolated chloroplasts (Daniell and McFadden , 1987). These experiments were carried out on the basis of the premise that it is possible to introduce isolated intact chloroplasts into protoplasts and regenerate transgenic plants (Carlson, 1973). The discovery of the gene gun as a tool for transformation provided an opportunity for direct plastid transformation in plants (Daniell, 1993). Using the gene gun, unstable expression of foreign genes in dicotyledonous plastids (Daniell et al., 1990; Ye et al., 1990), monocotyledonous ones (Daniell et al., 1991), long-term expression of foreign genes using independently replicating chloroplast expression vectors (Daniell et al., 1990) and the sustainable integration of a selectable marker into the chloroplast genome of tobacco (Svab and Maliga, 1993). Tobacco plants resistant to certain insects are obtained by integrating the cryIAc gene into the chloroplast genome of tobacco (McBride et al., 1995; US Pat. No. 5,451,513, incorporated herein by reference). Sustainable transformation of plastids of higher plants is carried out so far only in tobacco.

Известные исследования хлоропластового генома.Famous studies of the chloroplast genome.

Что касается устойчивой интеграции чужеродного гена в хлоропластовый геном высшего растения, то на сегодняшний день есть сообщения о такой интеграции только в табаке. Это достигнуто с помощью вектора, специфического для табака, который получен из хлоропластового генома табака,; т.е. вектор содержал последовательность, гомологичную только хлоропластовому геному табака, которая не является высококонсервативной в хлоропластовых геномах других растений. Такой вектор не подходит для устойчивой трансформации растений иных, чем табак, видов. Единственное опубликованное сообщение об экспрессии чужеродного гена в ином, чем табак, виде растения относится к листьям и зародышам пшеницы (Daniell et al., 1991), но устойчивая интеграция не осуществлена. Никогда не сообщалось об устойчивой интеграции чужеродного гена в хлоропластовый геном однодольного растения. По крайней мере, ранее описанные схемы трансформации/регенерации в хлебных злаках (однодольные) нельзя приспособить к трансформации пластид из-за неэффективности наследования в пределах таких систем. Также считавшиеся важными для достижения гомоплазмии последовательные/серийные отборы (повторные отборы) (Daniell, 1997) нельзя осуществить с применением таких используемых систем регенерации. Разработанные в последнее время уникальные схемы трансформации/регенерации кукурузы (Rudraswamy, 1997) и риса (не опубликовано) обладают потенциалом для проявления существенно возросшей эффективности и допускают свыше одного цикла отбора во время регенерации.As for the sustainable integration of a foreign gene into the chloroplast genome of a higher plant, today there are reports of such integration only in tobacco. This is achieved using a tobacco specific vector derived from the chloroplast genome of tobacco; those. the vector contained a sequence homologous only to the chloroplast genome of tobacco, which is not highly conserved in the chloroplast genomes of other plants. Such a vector is not suitable for the stable transformation of plants other than tobacco species. The only published report on the expression of a foreign gene in a form of a plant other than tobacco belongs to the leaves and seeds of wheat (Daniell et al., 1991), but stable integration has not been carried out. Sustainable integration of a foreign gene into the chloroplast genome of a monocotyledonous plant has never been reported. At least, the previously described transformation / regeneration schemes in cereals (monocotyledonous) cannot be adapted to the transformation of plastids due to the inefficiency of inheritance within such systems. Sequential / serial selections (re-selections) (Daniell, 1997), which were also considered important for achieving homoplasmy, cannot be performed using such used regeneration systems. Recently developed unique transformation / regeneration schemes for maize (Rudraswamy, 1997) and rice (not published) have the potential for manifesting significantly increased efficiency and allow for more than one selection cycle during regeneration.

В патенте США 5451513, Maliga et al., и в работе Svab et al., 1990, описывается трансформация пластидного генома табака с помощью метода нелетального отбора, при котором используется пластидная ДНК, кодирующая нелетальный селектируемый фенотип. Согласно Maliga et al., необходим именно нелетальный отбор для получения транспластгенных линий.US Pat. No. 5,451,513, Maliga et al., And Svab et al., 1990, describe the transformation of the tobacco plastid genome using a non-lethal selection method that uses plastid DNA encoding a non-lethal breeding phenotype. According to Maliga et al., It is precisely non-lethal selection that is necessary to obtain transplagenic lines.

В отличие от метода Maliga et al. способ изобретения относится к отбору, который является летальным для всех нетрансформированных растений за исключением табака. Выживают и продолжают расти только трансформированные растения. Такой летальный отбор происходит практически со всеми антибиотиками, включая спектиномицин и стрептомицин, в среде, содержащей антибиотик в концентрации 500-1000 мкг/мл. Maliga et al. показали, что подобные условия не являются летальными для табака. Более того, в отличие от метода Maliga et al. в соответствии со способом изобретения трансформации до гомоплазмии можно достичь даже в первом цикле отбора.In contrast to the method of Maliga et al. The method of the invention relates to selection, which is lethal to all non-transformed plants, with the exception of tobacco. Only transformed plants survive and continue to grow. Such lethal selection occurs with almost all antibiotics, including spectinomycin and streptomycin, in a medium containing an antibiotic at a concentration of 500-1000 μg / ml. Maliga et al. showed that such conditions are not fatal to tobacco. Moreover, unlike the method of Maliga et al. in accordance with the method of the invention, transformations to homoplasmy can be achieved even in the first selection cycle.

В заявке на европейский патент №0251654, Cannon et al., описывается транспозонопосредованная трансформация хлоропластов табака, например, с использованием бактериального транспозона Тn5. Вектор, содержащий транспозон, направляется в хромосомную область, известную как ″транскрипционно молчащая″ область, для того, чтобы сохранить транскрипционную целостность нативных генов. Такая транскрипционно молчащая область идентифицируется как область, локализованная между двумя дивергентными промоторами хлоропластовых генов, например, промоторами для генов для большой субъединицы хлоропласта рибулозобисфосфаткарбоксилата (RbcL, ″LS RuBisCo″) и для β-АТФазы (atpB). Эти промоторы транскрибируют гены в противоположных направлениях от молчащей области хромосомы. Cannon et al. не описывают терминатор транскрипции в экспрессионном векторе, но известно, что для экспрессии генов в пластидах необходимы именно такие терминаторные области. Наконец, не показано, что Cannon et al. осуществили устойчивую трансформацию хлоропластов.European Patent Application No. 0251654, Cannon et al., Describes a transposon-mediated transformation of tobacco chloroplasts, for example, using the bacterial transposon Tn5. A vector containing a transposon is sent to the chromosomal region, known as the "transcriptionally silent" region, in order to preserve the transcriptional integrity of the native genes. Such a transcriptionally silent region is identified as the region localized between two divergent promoters of chloroplast genes, for example, promoters for genes for the large chloroplast subunit of ribulose bisphosphate carboxylate (RbcL, ″ LS RuBisCo ″) and for β-ATPase (atpB). These promoters transcribe genes in opposite directions from the silent region of the chromosome. Cannon et al. they do not describe the transcription terminator in the expression vector, but it is known that such terminator regions are necessary for gene expression in plastids. Finally, it is not shown that Cannon et al. carried out a stable transformation of chloroplasts.

Описанное здесь изобретение имеет несколько признаков отличия от метода Cannon et al. В изобретении описывается устойчивая трансформация, передаваемая потомству. Интеграция не направляется в транскрипционно неактивную область хлоропластовой хромосомы. По изобретению кассету (содержащую терминатор транскрипции, как описано здесь далее) интегрирует в транскрипционно активную область хлоропластового генома. Промоторы регулируют экспрессию одного или нескольких генов. В отличие от метода Cannon et al. в соответствии с данным изобретением транспозон не участвует в трансформации хлоропласта.The invention described here has several signs of difference from the method of Cannon et al. The invention describes a stable transformation transmitted to offspring. Integration is not directed to the transcriptionally inactive region of the chloroplast chromosome. According to the invention, the cassette (containing the transcription terminator, as described hereinafter) is integrated into the transcriptionally active region of the chloroplast genome. Promoters regulate the expression of one or more genes. In contrast to the method of Cannon et al. in accordance with this invention, the transposon is not involved in the transformation of the chloroplast.

В публикации в NATO Asi Series, Daniell et al., 1994 сообщается о придании устойчивости к вредным насекомым через хлоропластовые геномы, причем демонстрируется экспрессия белка CryIIA в растениях для борьбы с насекомыми. Сообщение Daniell et al. поддерживают работа McBride et al., 1995, и патент США 545818 (1996), где описывается экспрессия белка CRYAc Bacillus thurin-giensis в пластидах. Векторы, описанные McBride, созданы для введения конструкции только в хлоропластовый геном табака.A publication in NATO Asi Series, Daniell et al., 1994 reports resistance to harmful insects through chloroplast genomes, and demonstrates the expression of the CryIIA protein in insect control plants. Communication by Daniell et al. support the work of McBride et al., 1995, and US patent 545818 (1996), which describes the expression of the CRYAc protein of Bacillus thurin-giensis in plastids. The vectors described by McBride are designed to introduce the construct only into the chloroplast genome of tobacco.

Потребность в векторе для трансформации различных растений.The need for a vector for the transformation of various plants.

Из уровня техники очевидно, что существует насущная потребность в хлоропластовом интеграционном и экспрессионном векторе для трансформации, предпочтительно устойчивой, хлоропластовых геномов многих различных видов растений. Такой ″универсальный вектор″ позволил бы осуществить трансформацию хлоропластового генома выбранного растения-мишени гетерологичной (чужеродной) кодирующей последовательностью ДНК и устранил бы необходимость создания векторов, каждый из которых специфически подходит для трансформации хлоропластового генома определенного вида растения, которое необходимо трансформировать.From the prior art it is obvious that there is an urgent need for a chloroplast integration and expression vector for the transformation, preferably stable, chloroplast genomes of many different plant species. Such a “universal vector” would allow the transformation of the chloroplast genome of the selected target plant with a heterologous (foreign) coding DNA sequence and eliminate the need to create vectors, each of which is specifically suitable for the transformation of the chloroplast genome of a particular plant species that needs to be transformed.

Проблема создания такого универсального вектора, отвечающего требованиям трансформации различных растений, знакома авторам изобретения, но пока не решена.The problem of creating such a universal vector that meets the requirements of the transformation of various plants is familiar to the inventors, but has not yet been solved.

Представления известного уровня техники о межгенной спейсерной области.Representations of the prior art about the intergenic spacer region.

В то время как нуклеотидная последовательность кодирующих областей генома, в том числе хлоропластового генома, часто консервативна среди видов, последовательности, фланкирующие функциональные гены, т.е., спейсерные области между кодирующими областями, напротив, как правило, не являются консервативными. Признанное мнение по поводу утраты консервативности и, таким образом, низкой степени гомологии между видами спейсерных областей состоит в том, что спейсерные области, как правило, не осуществляют существенных функций. Следовательно, имеется небольшое, если вовсе не отсутствует, селекционное давление для сохранения последовательности спейсерных областей среди видов. Последовательность спейсерных областей может изменяться без нежелательных эффектов.While the nucleotide sequence of the coding regions of the genome, including the chloroplast genome, is often conservative among species, sequences flanking functional genes, i.e., the spacer regions between coding regions, on the contrary, are generally not conservative. The recognized opinion about the loss of conservatism and, thus, a low degree of homology between species of spacer regions is that spacer regions, as a rule, do not perform essential functions. Consequently, there is a small, if not absent, selection pressure to maintain the sequence of spacer regions among species. The sequence of spacer regions can change without undesirable effects.

Stummann et al., 1988, сообщают, что последовательность генов оперона рибосомной РНК хлоропластового генома одинакова в разных видах растений, включая табак, маис и печеночник (Marchantia), и что кодирующие последовательности этого оперона высокогомологичны. Stummann также сообщает, что межвидовая гомология оперона меньше, чем межвидовая гомология кодирующих областей генов. Это обстоятельство согласуется с утратой консервативности спейсерных областей и означает, что межвидовая гомология спейсерных областей в опероне рибосомной РНК является относительно низкой.Stummann et al., 1988, report that the gene sequence of the operon of the ribosomal RNA of the chloroplast genome is the same in different plant species, including tobacco, maize and the liver (Marchantia), and that the coding sequences of this operon are highly homologous. Stummann also reports that the interspecies homology of the operon is less than the interspecies homology of the coding regions of genes. This fact is consistent with the loss of conservatism in the spacer regions and means that the interspecies homology of the spacer regions in the ribosomal RNA operon is relatively low.

В изобретении в противоположность мнению об утрате консервативности спейсерных областей для создания векторов, компетентных для трансформации различных растений, используются спейсерные области, которые являются высококонсервативными среди различных растений.In contrast to the conservativeness of the spacer regions, the invention uses spacer regions that are highly conserved among different plants to create vectors competent for transforming various plants.

Общее представление об изобретенииGeneral idea of the invention

Изобретение относится к универсальным хлоропластовым интеграционным и экспрессионным векторам, которые компетентны для устойчивой трансформации и интеграции генов, представляющих интерес, в хлоропластовый геном многих видов растений. Изобретение относится к трансформированным растениям и их потомству. Трансформируются однодольные и двудольные растения, которые прежде никогда не трансформировались. Растения трансформируют синтетическим геном для экспрессии ценных разлагающихся под действием микроорганизмов полимеров на основе белков (РВР). Трансформированные растения продуцируют очень ценные молекулы. Сельскохозяйственным культурам придается устойчивость к основным классам химических гербицидов. Устойчивость к гербицидам используется в качестве летального селектируемого маркера для трансформации хлоропластов. Трансформированные растения способны экспрессировать кроме намеченного признака, желательный вторичный ненамеченный признак. Трансформированным растениям придается устойчивость к насекомым, как по отношению к насекомым, чувствительным к Bt-токсинам, так и по отношению к насекомым, которые выработали устойчивость к Bt-токсинам.The invention relates to universal chloroplast integration and expression vectors that are competent for the stable transformation and integration of genes of interest into the chloroplast genome of many plant species. The invention relates to transformed plants and their offspring. Monocotyledonous and dicotyledonous plants that have never been transformed before are transformed. Plants are transformed with a synthetic gene for the expression of valuable biodegradable polymers based on proteins (PBP). Transformed plants produce very valuable molecules. Crops are given resistance to the main classes of chemical herbicides. Herbicide resistance is used as a lethal breeding marker for the transformation of chloroplasts. Transformed plants are able to express, in addition to the intended trait, the desired secondary unintended trait. Transformed plants are given resistance to insects, both in relation to insects sensitive to Bt-toxins, and in relation to insects that have developed resistance to Bt-toxins.

Краткое изложение сущности изобретенияSummary of the invention

Межвидовая спейсерная область. Концепция изобретения.Interspecific spacer region. Concept of the invention.

Обнаружено в противоположность общепринятому мнению, что хлоропластовый (ct) геном растений содержит спейсерные области с весьма консервативными нуклеотидными последовательностями. Высококонсервативный характер нуклеотидных последовательностей этих спейсерных областей хлоропластового генома делает такие спейсерные области, как обнаружено, идеальными для создания векторов для трансформации хлоропластов самых разных видов растений и устраняет необходимость создания отдельных векторов для разных растений или отдельных культурных видов, что могло бы потребовать определения сначала последовательности ДНК каждого из хлоропластовых геномов. Это открытие имеет множество полезных последствий и важно для практических применений.It was found in contrast to the generally accepted opinion that the chloroplast (ct) genome of plants contains spacer regions with very conservative nucleotide sequences. The highly conserved nature of the nucleotide sequences of these spacer regions of the chloroplast genome makes these spacer regions found to be ideal for creating vectors for the transformation of chloroplasts of various plant species and eliminates the need to create separate vectors for different plants or individual cultivated species, which might require first determining the DNA sequence each of the chloroplast genomes. This discovery has many beneficial consequences and is important for practical applications.

Некоторые варианты воплощения изобретенияSome embodiments of the invention

Универсальный вектор.Universal vector.

Изобретение имеет несколько полезных вариантов своего воплощения. Изобретение относится к универсальному интеграционному и экспрессионному вектору, называемому здесь далее ″UV″, и к его применению для экспрессии по меньшей мере одного фенотипа во многих различных растениях.The invention has several useful embodiments. The invention relates to a universal integration and expression vector, hereinafter referred to as "UV", and its use for the expression of at least one phenotype in many different plants.

Интеграционный эксперссионный универсальный вектор изобретения содержит экспресионную кассету (также описанную ниже), содержащую необходимые генетические элементы для неустойчивой или предпочтительно устойчивой трансформации пластид, например, хлоропластового генома, клетки растения-мишени чужеродной (гетерологичной) ДНК, кодирующей представляющую интерес молекулу, как фенотипа, который экспрессируется растительной или нерастительной высокоценной молекулой, подобной биологически активному пептиду (или полипептиду). Универсальный вектор создают с транскрипционно активной областью хлоропластового генома, которая является высококонсервативной во многих хлоропластовых геномах высших растений. Предпочтительно, чтобы эта область являлась спейсером 2 - межгенной спейсерной областью между t-RNAIle и областью tRNAAla. Такая область здесь частно относится к ″спейсерной″ области, поскольку в хлоропластовом геноме она является межгенной между несколькими генами в опероне рРНК, который транскрибируется одним промотором. Когда такую область встраивают в универсальный вектор, ее обычно называют здесь ″пограничной″ или, предпочтительно, ″фланкирующей последовательностью″ или ″фланкирующими последовательностями″. Это так, поскольку в универсальном векторе операбельно связанные генетические элементы для устойчивой трансформации пластиды растения-мишени фланкируются с каждой стороны последовательностью, т.е. фрагментом спейсерной области. Флакирующие последовательности в векторе и спейсерные последовательности в хлоропластовом геноме имеют достаточную гомологию друг с другом, чтобы претерпевать гомологичную рекомбинацию. Универсальный вектор встраивают в спейсер транскрипционно активной области в хлоропластовом геноме. Как правило, спейсерная область расположена в области инвертированного повтора хлоропластового генома. Остальную часть конструкции, т.е. кроме фланкирующих последовательностей и экспрессионной кассеты, как правило, здесь называют ″вектором″, содержащим бактериальные последовательности, подобные плазмидным клонирующим векторам pUC, pBR322, pGEM или pBlueScript.The integration expression universal vector of the invention contains an expression cassette (also described below) containing the necessary genetic elements for unstable or preferably stable transformation of plastids, for example, the chloroplast genome, of a target plant cell from a foreign (heterologous) DNA encoding a molecule of interest, as a phenotype that expressed by a plant or non-plant highly valuable molecule similar to a biologically active peptide (or polypeptide). A universal vector is created with the transcriptionally active region of the chloroplast genome, which is highly conserved in many chloroplast genomes of higher plants. Preferably, this region is a spacer 2, an intergenic spacer region between the t-RNA Ile and the tRNA Ala region. Such a region here refers specifically to the “spacer” region, since in the chloroplast genome it is intergenic between several genes in the rRNA operon, which is transcribed by one promoter. When such a region is inserted into a universal vector, it is commonly referred to herein as a “borderline” or, preferably, “flanking sequence” or “flanking sequences”. This is so because in the universal vector operably linked genetic elements for stable transformation of the target plant plastids are flanked on each side by a sequence, i.e. fragment of the spacer region. Flaming sequences in the vector and spacer sequences in the chloroplast genome have sufficient homology with each other to undergo homologous recombination. A universal vector is inserted into the spacer of the transcriptionally active region in the chloroplast genome. Typically, the spacer region is located in the region of the inverted repeat of the chloroplast genome. The rest of the structure, i.e. in addition to flanking sequences and expression cassettes, they are generally referred to herein as a “vector” containing bacterial sequences similar to the plasmid cloning vectors pUC, pBR322, pGEM or pBlueScript.

Экспрессионный вектор или кассета.Expression vector or cassette.

Универсальный вектор содержит экспрессионную кассету, которая фланкирована с каждой стороны фланкирующей последовательностью. Подходящая для применения в изобретении экспрессионная кассета описана в патенте США 5693507 (1997), включенном в настоящее описание в качестве ссылки. Такая кассета содержит операбельно связанные область инициации транскрипции, функциональную в хлоропласте растения, по меньшей мере одну гетерологичную последовательность ДНК, кодирующую представляющую интерес молекулу-мишень, например, ген (или его функциональную часть), кодирующий биологически активное соединение, и регулярные последовательности, расположенные перед 5′- и после 3′-концов, и область терминации транскрипции, которые обеспечивают экспрессию кодирующей последовательности в хлоропластовом геноме растения-мишени. Предпочтительно экспрессионная кассета фланкируется последовательностями ДНК растения, подобными последовательностям ДНК хлоропласта, для того, чтобы облегчить устойчивую интеграцию экспрессионного вектора в хлоропластовый геном. В конструкции экспрессионной кассеты последовательность ДНК содержит один или несколько сайтов клонирования для интеграции представляющего интерес гена (генов).A universal vector contains an expression cassette that is flanked on each side by a flanking sequence. A suitable expression cassette for use in the invention is described in US Pat. No. 5,693,507 (1997), incorporated herein by reference. Such a cassette contains operably linked transcription initiation region, functional in the plant chloroplast, at least one heterologous DNA sequence encoding a target molecule of interest, for example, a gene (or its functional part) encoding a biologically active compound, and regular sequences located in front of 5′- and after 3′-ends, and the transcription termination region, which provide expression of the coding sequence in the chloroplast genome of the target plant. Preferably, the expression cassette is flanked by plant DNA sequences similar to the chloroplast DNA sequences in order to facilitate the stable integration of the expression vector into the chloroplast genome. In the design of the expression cassette, the DNA sequence contains one or more cloning sites for the integration of the gene (s) of interest.

Спейсерные последовательности, идентифицированные в пластидах высших растений, повсеместно консервативны среди большого разнообразия растений. Найдено, что эти последовательности идеальны для создания универсальных векторов изобретения, которые в результате компетентны для трансформации хлоропластового генома самых разных (или множества) растений-мишеней посредством гомологичной рекомбинации. Таким образом, несущественно, из какого отдельного спейсера определенного растения создают универсальный вектор.Spacer sequences identified in plastids of higher plants are universally conserved among a wide variety of plants. It was found that these sequences are ideal for creating universal vectors of the invention, which, as a result, are competent for transforming the chloroplast genome of the most diverse (or many) target plants through homologous recombination. Thus, it does not matter from which individual spacer of a particular plant a universal vector is created.

Как известно, как правило, будет целесообразно иметь по меньшей мере одну дополнительную гетерологичную нуклеотидную последовательность, кодирующую отбираемый фенотип, такую как ген, обеспечивающий устойчивость к антибиотикам, или его функциональную часть, которые будут служить в качестве маркера, связанного с экспрессионной кассетой или с универсальным интеграционным экспрессионным вектором. Это облегчает идентификацию растительных клеток, в которые устойчиво интегрирован чужеродный ген. Маркерные гены известны из литературы, например β-лактаназа, гены устойчивости к гербицидам, такие как мутантный ген psbA, или EPSPS-aroA, cat-ген, кодирующий хлорамфениколацетотрансферазу, и ген uidA, кодирующий β-глюкуронидазу (gus), и другие.As you know, as a rule, it will be advisable to have at least one additional heterologous nucleotide sequence encoding a selected phenotype, such as a gene that provides resistance to antibiotics, or its functional part, which will serve as a marker associated with the expression cassette or universal integration expression vector. This facilitates the identification of plant cells into which a foreign gene is stably integrated. Marker genes are known from the literature, for example β-lactanase, herbicide resistance genes such as the psbA mutant gene, or EPSPS-aroA, the cat gene encoding chloramphenicolacetotransferase, and the uidA gene encoding β-glucuronidase (gus), and others.

Выяснилось, что табак является уникальным в отношении невосприимчивости к летальному воздействию стрептомицина и спектиномицина. Хотя листья табака теряют пигментацию под воздействием среды с такими антибиотиками, можно наблюдать продолжение роста. Однако в этом свойстве табака легко обмануться. Существует множество доступных антибиотиков, летальных для табака, таких как гидромицин. При другом подходе следует отбирать ген, который экспрессирует видимый маркер, подобный окраске, флуоресценции и т.п., подобный репортерному гену mGFP, кодирующему белок зеленой флуоресценции.It turned out that tobacco is unique in its immunity to the lethal effects of streptomycin and spectinomycin. Although tobacco leaves lose pigmentation when exposed to an environment with such antibiotics, continued growth can be observed. However, this property of tobacco is easily deceived. There are many available lethal antibiotics for tobacco, such as hydromycin. In another approach, a gene that expresses a visible marker similar to color, fluorescence and the like similar to the mGFP reporter gene encoding a green fluorescence protein should be selected.

Способ трансформации.The method of transformation.

Изобретение относится к способу трансформации, который может обеспечить гомоплазмию (интеграцию чужеродных генов во все хлоропластовые геномы растительной клетки) после первого цикла отбора без необходимости дальнейшего процесса отбора. В способе трансформации растения используется универсальный вектор, построенный с фланкирующими последовательностями из иного вида растения, чем вид трансформируемого растения-мишени. С другой стороны, вектор может; содержать фланкирующие последовательности из того же вида, что и растение-мишень, в том числе из табака.The invention relates to a transformation method that can provide homoplasmy (integration of foreign genes into all chloroplast genomes of a plant cell) after the first selection cycle without the need for a further selection process. The plant transformation method uses a universal vector constructed with flanking sequences from a different kind of plant than the kind of transformable target plant. On the other hand, a vector can; contain flanking sequences from the same species as the target plant, including tobacco.

Способ создания универсального вектора.A way to create a universal vector.

Изобретение также относится к способу создания универсального хлоропластового интеграционного и экспрессионного вектора. Для того чтобы это осуществить, установили, что спейсерная часть хлоропластового генома из любого растения высоко гомологична в нескольких видах растений. Нуклеотидную последовательность, соответствующую этой спейсерной области, получают из идентифицированного хлоропластового генома (или синтезируют) и вводят в подходящий вектор, например в плазмиду, посредством субклонирования. Спейсерная область располагается как фланкирующие последовательности к экспрессионной кассете, содержащей необходимые генетические элементы для трансформации пластиды и экспрессии чужеродного гена (генов).The invention also relates to a method for creating a universal chloroplast integration and expression vector. In order to do this, it was found that the spacer part of the chloroplast genome from any plant is highly homologous in several plant species. The nucleotide sequence corresponding to this spacer region is obtained from the identified chloroplast genome (or synthesized) and introduced into a suitable vector, for example into a plasmid, by subcloning. The spacer region is located as flanking sequences to the expression cassette containing the necessary genetic elements for transformation of the plastid and expression of the foreign gene (s).

Можно использовать любой способ трансформации хлоропласта. Любой ген (или его функциональная часть), который можно использовать для трансформации хлоропласта и который кодирует нужный пептид, придающий нужный признак растению-мишени, подходит для трансформации с помощью универсального вектора.Any chloroplast transformation method can be used. Any gene (or its functional part) that can be used to transform the chloroplast and which encodes the desired peptide that gives the desired trait to the target plant is suitable for transformation using a universal vector.

Трансформированные растения. Изобретение также относится к растениям, в которых хлоропластовый геном устойчиво, т.е. перманентно, трансформирован универсальным вектором изобретения, включая их потомков.Transformed plants. The invention also relates to plants in which the chloroplast genome is stable, i.e. permanently transformed by the universal vector of the invention, including their descendants.

Изобретение включает однодольные растения, подобные хлебным злакам, такие как маис, рис, ячмень, овес, пшеница и злаковые, или растительные клетки, и их потомство, в которых хлоропластовый геном устойчиво трансформирован универсальным вектором, полученным из того же вида, что и трансформируемое растение, или из другого вида. Изобретение относится к двудольным и однодольным растениям, устойчиво трансформированным за один цикл отбора, вследствие гомоплазмии, достигнутой с помощью универсального вектора, содержащего хлоропластовую точку начала репликации (ori). Изобретение также относится к устойчиво трансформированным растениям различных видов, включая сорта одного и того же вида, родов, семейств, отрядов и типов растений.The invention includes monocotyledonous plants similar to cereals, such as maize, rice, barley, oats, wheat and cereal, or plant cells, and their progeny in which the chloroplast genome is stably transformed by a universal vector derived from the same species as the transformed plant , or from another species. The invention relates to dicotyledonous and monocotyledonous plants, stably transformed in one selection cycle, due to homoplasmy achieved using a universal vector containing a chloroplast replication origin (ori). The invention also relates to stably transformed plants of various species, including varieties of the same species, genera, families, orders and plant types.

В соответствии с изобретением растение, в котором хлоропластовый геном устойчиво трансформирован одним или несколькими чужеродными генами, представляющими интерес, включает зрелые растения и их потомство, подобное проросткам и зародышам. Термин ″растение″ в данном контексте включает также части растения, такие как эксплантаты, подобные черенкам, тканевые культуры, клеточные суспензии и каллюсы.According to the invention, a plant in which the chloroplast genome is stably transformed by one or more foreign genes of interest includes mature plants and their progeny, similar to seedlings and embryos. The term "plant" in this context also includes parts of the plant, such as explants like cuttings, tissue cultures, cell suspensions and calluses.

Таким образом, изобретение включает устойчиво трансформированные многоклеточные растения, их потомство, семена и трансформированные пластиды, например, хлоропласт и т.п., и способ регенерации трансформированных растений.Thus, the invention includes stably transformed multicellular plants, their progeny, seeds and transformed plastids, for example, chloroplast and the like, and a method for regenerating transformed plants.

В данном описании и в формуле изобретения, когда упоминаются различные ″виды″, термин ″вид″ относится не только к ″видам″, но и к сортам в пределах вида, родам, семействам, отряду и типам растительного мира. Таким образом, следует иметь в виду, что универсальный вектор, который можно использовать для трансформации растений различных видов, способен трансформировать растения различных сортов в пределах вида, различных родов, различных семейств, различных отрядов и различных типов. Подразумевается, что термин ″растение″ (или ″растения″), используемый здесь, является обобщающим.In this description and in the claims, when various ″ species ″ are mentioned, the term ″ species ″ refers not only to ″ species ″, but also to varieties within a species, genera, families, order and types of the plant world. Thus, it should be borne in mind that a universal vector that can be used to transform plants of various species is capable of transforming plants of various varieties within a species, various genera, various families, various orders, and various types. The term ″ plant ″ (or ″ plants ″) as used herein is intended to be generic.

Экспрессия нерастительных продуктовExpression of non-plant products

Гены биополимеров.Genes of biopolymers.

Другой вариант воплощения изобретения с использованием универсального интеграционного и экспрессионного вектора относится к растениям, трансформированным геном синтетического биополимера, который кодирует разлагаемые микроорганизмами полимеры на основе белков (РВР).Another embodiment of the invention using a universal integration and expression vector relates to plants transformed with a synthetic biopolymer gene that encodes microbial degradable protein-based polymers (PBPs).

Эти полимеры обладают важными, имеющими большое практическое значение свойствами, описанными далее.These polymers have important, practical properties described below.

Получение высокоценных молекул - биологически активных молекул.Getting high-value molecules - biologically active molecules.

Вызывающее интерес открытие, что осуществима трансформация синтетическим геном для получения ВРВ, который не требует природного аналога в животном или растении, демонстрирует широкую применимость вектора еще в одной области человеческой деятельности - получения в растениях биологически активных молекул, подобных фармацевтическим средствам, из любого синтетического или природного гена или его функциональной части.The discovery of interest that transformation with a synthetic gene is feasible to obtain HRV, which does not require a natural analogue in an animal or plant, demonstrates the wide applicability of the vector in yet another area of human activity - the production of biologically active molecules like pharmaceuticals in plants from any synthetic or natural gene or its functional part.

Следовательно, еще одним вариантом воплощения изобретения является применение трансформированных растений в качестве биореакторов (фабрик) для фармацевтических средств. Существуют по меньшей мере две потенциальные возможности, обычно необходимые для получения белков или ценного фармацевтического продукта, которые невозможны в прокариотных системах. Растения в отличие от бактерий способны продуцировать чужеродный белок в биологически активной форме. Растения часто также более толерантны к изменению их путей биосинтеза. Таким образом, растения можно трансформировать геном, нефункциональным в растениях (или чужеродным для них), который может быть синтетическим или нет, который может являться нормально функционирующим (компетентным) в животных (млекопитающих), яйцекладущих, в насекомых или других видах.Therefore, another embodiment of the invention is the use of transformed plants as bioreactors (factories) for pharmaceuticals. There are at least two potential possibilities, usually necessary for the production of proteins or a valuable pharmaceutical product, which are not possible in prokaryotic systems. Plants, unlike bacteria, are capable of producing a foreign protein in a biologically active form. Plants are often also more tolerant of changes in their biosynthesis pathways. Thus, plants can be transformed with a gene that is non-functional in plants (or foreign to them), which can be synthetic or not, which can be normally functioning (competent) in animals (mammals), oviparous, in insects or other species.

Изобретение также относится к трансформированным растениям, содержащим ген, полученный с помощью экспрессионной кассеты, предпочтительно - универсального вектора, который кодирует множество нужных продуктов, в частности биологически активные молекулы, подобные пептидам (полипептидам), белкам, инсулину, сывороточному альбумину человека (HSA), и другие молекулы, также описанные здесь далее. Растениям дают возможность расти или вызывают их рост и выделяют продукты из трансформированной культуры, подобной табаку, маису и т.п., и, если необходимо, сначала собирают и, если необходимо, очищают.The invention also relates to transformed plants containing a gene obtained using an expression cassette, preferably a universal vector that encodes many desired products, in particular biologically active molecules like peptides (polypeptides), proteins, insulin, human serum albumin (HSA), and other molecules, also described hereinafter. The plants are given the opportunity to grow, or cause their growth, and products are isolated from a transformed culture like tobacco, maize, etc., and, if necessary, first harvested and, if necessary, cleaned.

Толерантность к гербицидам.Herbicide tolerance.

Еще один важный вариант воплощения изобретения относится к трансгенным устойчивым к гербицидам растениям, в которых в хлоропластовый геном с помощью универсального вектора введен, предпочтительно - устойчиво, чужеродный трансген, придающий устойчивость к одному или нескольким гербицидам. Особенно важными являются трансформированные растения, обнаруживающие устойчивость к глифозату и, таким образом, устойчивы к ″ROUNDUP™″ - гербициду, коммерчески доступному от Monsanto Company. Универсальный вектор обеспечивает эффективное средство трансформации хлоропластового генома любого растения и придания устойчивости (или толерантности) к любому из гербицидных химикатов.Another important embodiment of the invention relates to transgenic herbicide resistant plants in which, preferably a stable, foreign transgene is introduced into the chloroplast genome using a universal vector, conferring resistance to one or more herbicides. Of particular importance are transformed plants that show glyphosate resistance and are thus resistant to ″ ROUNDUP ™ ″, a herbicide commercially available from Monsanto Company. The universal vector provides an effective means of transforming the chloroplast genome of any plant and imparting resistance (or tolerance) to any of the herbicidal chemicals.

Другим аспектом изобретения является способ трансформации растения с помощью экспрессионной кассеты, предпочтительно с помощью универсального вектора, чтобы вызвать в нем продуцирование ненамеченного (вторичного или другого) признака (или фенотипа). (См., например, Penazloza, V., et al. (1995), где сообщается, что экспрессия геном громицин-β-фосфотрансферазы придает устойчивость к гербициду глифозату.]Another aspect of the invention is a method for transforming a plant using an expression cassette, preferably using a universal vector, to cause it to produce an unintended (secondary or other) trait (or phenotype). (See, for example, Penazloza, V., et al. (1995), where it is reported that expression of the thromycin-β-phosphotransferase gene confers herbicide glyphosate resistance.]

В другом аспекте изобретения устойчивость к гербициду используют в качестве маркерного гена для трансформации хлоропластов.In another aspect of the invention, herbicide resistance is used as a marker gene for the transformation of chloroplasts.

Устойчивость к насекомым. Другой вариант воплощения изобретения относится к устойчивости к насекомым. При возрастании беспокойства в связи с применением химических пестицидов широко пропагандируется применение композиций с Bacillus thuringiensis (Bt). Bacillus thuringiensis продуцирует многие типы кристаллических включений, токсичных для насекомых. Белки, содержащие такие включения, классифицированы на основании круга насекомых-хозяев и гомологии белков. Токсины CRYI и CRYII обладают инсектицидной активностью против чешуекрылых или чешуекрылых и двукрылых соответственно. Протоксины CRYI имеют размер 130-135 кД и ферментативно расщепляются на белки в 65 кД с инсектицидным действием. Протоксин CRYII имеет размер 65 кД с белком с молекулярной массой 60-62 кД для инсектицидной активности. Многие имеющие значение для хозяйства насекомые-вредители (особенно семейства огневок) восприимчивы к токсину CRYIIA, в том числе мотылек кукурузный Ostrinia nubilalis, точильщик зерновой кукурузный Elasmopalpus lignosellus, огневка бобовая Maruca testulalis, совка Heliothis virescens, бражник Manduca sexta и шелкопряд непарный Lymantria dispar, Daniell et al., 1994.Resistant to insects. Another embodiment of the invention relates to insect resistance. With increasing concern about the use of chemical pesticides, the use of compositions with Bacillus thuringiensis (Bt) is widely promoted. Bacillus thuringiensis produces many types of crystalline inclusions that are toxic to insects. Proteins containing such inclusions are classified based on the range of host insects and protein homology. Toxins CRYI and CRYII have insecticidal activity against Lepidoptera or Lepidoptera and Diptera, respectively. CRYI protoxins have a size of 130-135 kDa and are enzymatically cleaved into 65 kDa proteins with an insecticidal effect. CRYII protoxin has a size of 65 kD with a protein with a molecular weight of 60-62 kD for insecticidal activity. Many pests of importance to the farm (especially the fire family) are susceptible to the CRYIIA toxin, including the corn moth Ostrinia nubilalis, the corn grinder Elasmopalpus lignosellus, the bean mump Maruca testulalis, the scoop Heliothis virescens sextra lentis mollus, Daniell et al., 1994.

Однако композиции с Bt не настолько эффективны, как первоначально ожидалось, из-за их чувствительности к УФ-излучению, неадекватного покрытия, дороговизны и ограниченного круга хозяев. Поэтому привлекательна доставка токсинов Bt с помощью Bt-трансгенных растений.However, compositions with Bt are not as effective as originally expected, due to their sensitivity to UV radiation, inadequate coverage, high cost and a limited range of hosts. Therefore, the delivery of Bt toxins via Bt transgenic plants is attractive.

Приемлемый уровень борьбы с насекомыми имеет место в случае ядерного трансгенного Bt-хлопчатника против совки Heliothis virescens, но эти растения экспрессируют недостаточно Bt-токсина для борьбы с совкой хлопковой Helicoverpa zea. Кроме того, эти Bt-гены могут непреднамеренно переноситься на родственные растения через пыльцу. С целью обойти эти трудности оценивали трансформацию хлоропластов и экспрессию в соответствии с изобретением по перечисленным далее причинам. 1) Растительные клетки, содержащие хлоропласты, могут содержать до 10000 копий генов на клетку, 2) хлоропласты могут считывать интактную бактериальную ДНК, включая опероны, и 3) хлоропластовые геномы наследуются матерински и, следовательно, утечка чужеродного гена через пыльцу решительно исключается, поскольку ДНК хлоропластов, как правило, разрушается в пыльце.An acceptable level of insect control occurs in the case of nuclear transgenic Bt cotton versus Heliothis virescens scoop, but these plants do not express enough Bt toxin to control the cotton scoop Helicoverpa zea. In addition, these Bt genes may be inadvertently transferred to related plants through pollen. In order to circumvent these difficulties, chloroplast transformation and expression were evaluated in accordance with the invention for the following reasons. 1) Plant cells containing chloroplasts can contain up to 10,000 copies of genes per cell, 2) chloroplasts can read intact bacterial DNA, including operons, and 3) chloroplast genomes are inherited maternally and, therefore, leakage of a foreign gene through pollen is strongly excluded, since DNA chloroplasts are usually destroyed in pollen.

CRY2A выбран, потому что CRY2A относительно негомологичен CRY1A и, следовательно, проявляет только слабую перекрестную устойчивость против некоторых устойчивых к CRY1A популяций Н. virescens. Поскольку CRY2A является ″укороченным по природе″, можно достичь высоких уровней экспрессии, не жертвуя 3′-областью.CRY2A was chosen because CRY2A is relatively non-homologous to CRY1A and therefore exhibits only weak cross-resistance against some H. virescens resistant CRY1A populations. Since CRY2A is ″ shortened in nature ″, high levels of expression can be achieved without sacrificing the 3′-region.

Соответствующая устойчивость для хлоропластового генома табака, трансформированного универсальным вектором изобретения, достигнута к насекомым, по природе чувствительным к Bt-токсинам, а также к насекомым, которые выработали устойчивость или меньшую восприимчивость к Bt-токсинам. Насекомые, которые никогда не погибали под действием какого-либо токсина CRY, показали 100% смертность на трансформированном табаке.Corresponding resistance for the chloroplast tobacco genome transformed by the universal vector of the invention has been achieved to insects that are inherently sensitive to Bt toxins, as well as to insects that have developed resistance or lower susceptibility to Bt toxins. Insects that never died under the influence of any CRY toxin showed 100% mortality on transformed tobacco.

Следовательно, экспрессия cry2А в растении может представлять чрезвычайно полезный инструмент при борьбе со многими насекомыми-вредителями, причем в это же время преодолевается устойчивость к Bt. В хлоропластах на высоком уровне экспрессируются другие инсектицидные белки, такие как холестеролоксидаза, которые убивают долгоносика хлопкового по другому механизму.Therefore, expression of cry2A in a plant can be an extremely useful tool in controlling many pests, and resistance to Bt is overcome at the same time. In chloroplasts, other insecticidal proteins, such as cholesterol oxidase, are expressed at a high level, which kill cotton weevil by a different mechanism.

В дальнейшем станут очевидными другие варианты воплощения изобретения.In the future, other embodiments of the invention will become apparent.

Описание чертежейDescription of drawings

Фигура 1 показывает карту хлоропластового генома табака. Жирные линии на карте генома представляют области инвертированного повтора хлоропластового генома. Стрелки, помеченные ″UV″, показывают инсерционные последовательности для предпочтительного варианта универсального интеграционного и экспрессионного вектора (UV); стрелка, помеченная ″TV″, показывает инсерционную последовательность для табачного вектора (TV).Figure 1 shows a map of the chloroplast genome of tobacco. Bold lines on the genome map represent regions of the inverted repeat of the chloroplast genome. The arrows labeled ″ UV ″ indicate insertion sequences for the preferred embodiment of the universal integration and expression vector (UV); the arrow labeled ″ TV ″ shows the insertion sequence for the tobacco vector (TV).

Фигура 2А показывает хлоропластовый вектор табака (TV) pZS-RD-EPSPS для экспрессии устойчивости к гербицидам.Figure 2A shows tobacco chloroplast vector (TV) pZS-RD-EPSPS for expression of herbicide resistance.

Фигура 2Б показывает универсальный хлоропластовый экспрессионный и интеграционный вектор (UV) pSBL-RD-EPSPS для экспрессии устойчивости к гербицидам.Figure 2B shows the universal chloroplast expression and integration vector (UV) pSBL-RD-EPSPS for expression of herbicide resistance.

Фигура 3А показывает универсальный хлоропластовый интеграционный и экспрессионный вектор pSBL-CG-EG121 для экспрессии биополимеров.Figure 3A shows the universal chloroplast integration and expression vector pSBL-CG-EG121 for expression of biopolymers.

Фигура 3Б показывает интеграцию и экспрессию в табаке и вектор pZS-CG-EG121 для экспрессии биополимеров.Figure 3B shows integration and expression in tobacco and the pZS-CG-EG121 vector for expression of biopolymers.

Фигуры 4А-4Д показывают гомологию последовательностей спейсерных областей табака и других видов культурных растений. Сайт встраивания чужеродного гена показан стрелками. Перед сайтом встраивания чужеродного гена показан сайт точки начала репликации (ori).Figures 4A-4D show the sequence homology of the spacer regions of tobacco and other crop species. The site for embedding a foreign gene is shown by arrows. In front of the foreign gene embedding site, the site of the origin of replication (ori) is shown.

Фигуры 4Е-4Ж показывают выстроенные в ряд последовательности рДНК 16S-23S спейсерной (64 п.о.) области некоторых культурных видов и последовательности хлоропласта табака, где (+) представляет положительные и (-) отрицательные цепи соответственно.Figures 4E-4G show the aligned 16S-23S spacer region rDNA sequences (64 bp) of some cultured species and tobacco chloroplast sequences, where (+) represents positive and (-) negative chains, respectively.

Фигуры 5А-В показывают построение границы вектора pSBL-Ct.Figures 5A-B show the construction of the border of the vector pSBL-Ct.

Фигуры 6А-В показывают построение кассеты гена селектируемого маркера вектора pSBL-CtV1, содержащей промотор 16S рРНК хлоропласта (Prrn), ген aadA и 3′ нетранслируемую область гена хлоропласта psbA.Figures 6A-B show the construction of a pSBL-CtV1 selectable vector marker gene cassette containing the 16S chloroplast promoter (Prrn), the aadA gene, and the 3 ′ untranslated region of the psbA chloroplast gene.

Фигуры 7А-7Г показывают векторы pSBL-CtV2, pSBL-CtV3, pSBL-CtVH и pSBL-CtVHF соответственно.Figures 7A-7G show the vectors pSBL-CtV2, pSBL-CtV3, pSBL-CtVH and pSBL-CtVHF, respectively.

Фигуры 8А-Б показывают векторы pSBL-CtVHBt и pSBL-CtVHBtR соответственно.Figures 8A-B show the vectors pSBL-CtVHBt and pSBL-CtVHBtR, respectively.

Фигура 9 показывает трансформированные и нетрансформированные растения табака, растущие в присутствии спетиномицина, указывая на нелетальный отбор на данной среде (500 мкг/мл). Отмечается рост трансформированных (обесцвеченных) и нетрансформированных (зеленых) листьев.Figure 9 shows transformed and non-transformed tobacco plants growing in the presence of spetinomycin, indicating non-lethal selection on a given medium (500 μg / ml). The growth of transformed (bleached) and non-transformed (green) leaves is noted.

Фигуры 10А-Ж показывают пластидную трансформацию и регенерацию кукурузы.Figures 10A-G show the plastid transformation and regeneration of maize.

Фигура 11 показывает пластидную трансформацию кукурузы. Трансформированные растения кукурузы растут нормально (средний побег), в то время как нетрансформированные растения погибают на летальной среде, подтверждая летальный отбор с помощью антибиотика (1000 мкг/мл, спектиномицин).Figure 11 shows the plastid transformation of corn. Transformed corn plants grow normally (medium shoot), while non-transformed plants die on a lethal medium, confirming lethal selection with an antibiotic (1000 μg / ml, spectinomycin).

Фигуры 12А-12Е показывают пластидную трансформацию и регенерацию риса.Figures 12A-12E show plastid transformation and regeneration of rice.

Фигуры 13А и 13Б показывают анализ методом PCR ДНК, выделенной из листьев трансформантов риса.Figures 13A and 13B show a PCR analysis of DNA isolated from leaves of rice transformants.

Фигура 14 показывает пластидную трансформацию арахиса. Трансформированные растения арахиса растут нормально (средняя и левая части фигуры), в то время как нетрансформированные растения погибают на летальной среде (500 мкг/мл спектиномицина).Figure 14 shows the plastid transformation of peanuts. Transformed peanut plants grow normally (middle and left side of the figure), while non-transformed plants die on a lethal medium (500 μg / ml spectinomycin).

Фигура 15 показывает пластидную трансформацию сои. Два трансформированных растения дают побеги, в то время как другие растения погибают на летальной среде, подтверждая летальный отбор с помощью антибиотика (500 мкг/мл, спектиномицин).Figure 15 shows the plastid transformation of soy. Two transformed plants shoot, while other plants die on a lethal medium, confirming lethal selection with an antibiotic (500 μg / ml, spectinomycin).

Фигура 16 показывает трансформацию зародышей сладкого картофеля на среде для летального отбора (500 мкг/мл спектиномицина).Figure 16 shows the transformation of sweet potato embryos on lethal selection medium (500 μg / ml spectinomycin).

Фигура 17 показывает трансформацию клеток винограда. Трансформированные культивированные клетки становятся зелеными, в то время как нетрансформированные клетки погибают в среде для летального отбора (500 мкг/мл спектиномицина).Figure 17 shows the transformation of grape cells. Transformed cultured cells turn green, while non-transformed cells die in a lethal selection medium (500 μg / ml spectinomycin).

Фигура 18 показывает синтез биополимера на основе белка (РВР) в Е. coli. с помощью хлоропластовых интеграционных и экспрессионных векторов.Figure 18 shows the synthesis of a protein-based biopolymer (PBP) in E. coli. using chloroplast integration and expression vectors.

Фигура 19 показывает анализ методом Саузерн-блоттинга, осуществленный с транформантами РВР-трансгенных растений с использованием табачного вектора (TV). Зонды из пограничных последовательностей хлоропластов (А) или из последовательностей гена полимера (EG121) (В).Figure 19 shows Southern blot analysis performed with transformants of PBP transgenic plants using a tobacco vector (TV). Probes from chloroplast boundary sequences (A) or from polymer gene sequences (EG121) (B).

Фигура 20 показывает анализ методом Саузерн-блоттинга, осуществленный с транформантами РВР-трансгенных растений с использованием универсального вектора (UV). Зонды из пограничных последовательностей хлоропластов (А) или из гена aadA (В).Figure 20 shows Southern blot analysis performed with transformants of PBP transgenic plants using a universal vector (UV). Probes from the boundary sequences of chloroplasts (A) or from the aadA gene (B).

Фигура 21А показывает содержание транскриптов чужеродного гена, проанализированное методом Нозерн-блоттинга с использованием полной РНК, выделенной из контрольного растения, хлоропластовых трансформантов и ядерного трансгенного растения табака, интенсивно экспрессирующих ген синтетического биополимера (EG121).Figure 21A shows the content of transcripts of a foreign gene analyzed by Northern blotting using complete RNA isolated from a control plant, chloroplast transformants, and a nuclear transgenic tobacco plant, intensively expressing the synthetic biopolymer gene (EG121).

Фигура 21Б показывает увеличенное изображение полос 4-7 с фигуры 21А.Figure 21B shows an enlarged image of the strips 4-7 from figure 21A.

Фигура 22 показывает анализ методом Вестерн-блоттинга очищенного полимера-белка из трансгенных растений.Figure 22 shows a Western blot analysis of a purified polymer protein from transgenic plants.

Фигура 23А показывает повышенную скорость роста Е. coli, содержащей табачный вектор с геном EPSPS.Figure 23A shows an increased growth rate of E. coli containing a tobacco vector with the EPSPS gene.

Фигура 23Б показывает повышенную скорость роста Е. coli, содержащей универсальный вектор с геном EPSPS.Figure 23B shows an increased growth rate of E. coli containing a universal vector with the EPSPS gene.

Фигуры 24А-24Б показывают интеграцию чужеродных генов в пластидный геном с помощью PCR с использованием праймеров rbcL и aadA (А) или праймеров 16SRNA и aadA (В).Figures 24A-24B show the integration of foreign genes into the plastid genome using PCR using rbcL and aadA primers (A) or 16SRNA and aadA primers (B).

Фигуры 25А-25В показывают с помощью анализа по Саузерну интеграцию гена аrоА в хлоропласт и высокую генерацию гомоплазмии с использованием зонда EPSPS (А) или зонда rcbL-orf512. Сайт интеграции показан на фигуре (В).Figures 25A-25B show, by Southern analysis, the integration of the aroA gene into chloroplast and high generation of homoplasmy using the EPSPS probe (A) or the rcbL-orf512 probe. The integration site is shown in figure (B).

Фигуры 26А и 26Б показывают генерацию семян, собранных с контрольных и трансформированных растений табака соответственно, в присутствии селектируемых маркеров.Figures 26A and 26B show the generation of seeds collected from control and transformed tobacco plants, respectively, in the presence of selectable markers.

Фигуры 27А и 27Б показывают трансгенные и контрольные растения табака, опрысканные глифозатом.Figures 27A and 27B show transgenic and control tobacco plants sprayed with glyphosate.

Фигуры 28А и 28Б показывают растения табака, чувствительные (контрольные) и устойчивые (трансгенные) к насекомым.Figures 28A and 28B show tobacco plants that are sensitive (control) and resistant (transgenic) to insects.

Фигура 29 показывает (анализ методом Вестерн-блоттинга) полный белок, выделенный из контрольных и трансгенных растений табака.Figure 29 shows (Western blot analysis) a complete protein isolated from control and transgenic tobacco plants.

Далее более подробно описываются предпочтительные варианты воплощения изобретения.The following describes in more detail preferred embodiments of the invention.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Универсальный интеграционный и экспрессионный вектор.Universal integration and expression vector.

Универсальный интеграционный и экспрессионный вектор изобретения компетентен для устойчивой трансформации хлоропластов самых разных видов растений. Гетерологичные кодирующие последовательности ДНК можно получить в кассете для кодирования фенотипа, такого как устойчивость к гербицидам, устойчивость к насекомым, или других признаков. Вектор также содержит фланкирующую последовательность на каждой стороне кодирующей последовательности ДНК, которая гомологична спейсерной последовательности хлоропластового генома, и такая спейсерная последовательность консервативна в хлоропластовых геномах различных растений. При таком подходе устойчивая интеграция гетерологичного гена в хлоропластовый геном растения-мишени облегчается за счет гомологичной рекомбинации фланкирующих пограничных последовательностей с комплементарными спейсерными последовательностями в хлоропластовом геноме. Универсальный вектор компетентен для трансформации любых видов растений.The universal integration and expression vector of the invention is competent for the stable transformation of chloroplasts of a wide variety of plant species. Heterologous DNA coding sequences can be obtained in a cassette for coding a phenotype, such as herbicide resistance, insect resistance, or other traits. The vector also contains a flanking sequence on each side of the DNA coding sequence that is homologous to the spacer sequence of the chloroplast genome, and such a spacer sequence is conserved in the chloroplast genomes of various plants. With this approach, the stable integration of a heterologous gene into the chloroplast genome of a target plant is facilitated by homologous recombination of flanking border sequences with complementary spacer sequences in the chloroplast genome. A universal vector is competent for the transformation of any plant species.

Обнаружено, что спейсерная область trnI и trnA является весьма консервативной в очень многих видах растений от цианобактерий до высших растений, таких как однодольные и двудольные. Гены trnI и trnA фланкируют с каждой стороны спейсерную область, названную ″спейсер 2″ или ″область ′spa 2′″ (фигуры 4Е-4Ж). Области с любой стороны спейсерной области также обладают почти полной гомологией с соответствующими областями в разных видах растений от цианобактерий до высших растений за исключением того, что высшие растения содержат два интрона в генах trnI и trnA. Более длинные пограничные последовательности имеют свойство благоприятствовать более эффективной интеграции чужеродной ДНК. Поэтому, хотя и не в основном, гомология между видами генов trnI и trnA в дополнение к гомологии спейсерной области вносит вклад в эффективность трансформации и интеграции (фигуры 4А-4Д).It was found that the spacer region of trnI and trnA is very conserved in many plant species from cyanobacteria to higher plants, such as monocotyledons and dicotyledons. The trnI and trnA genes flank on each side a spacer region called the “spacer 2 ″ or ″ spa 2 ′ ″ region (Figures 4E-4G). Regions on either side of the spacer region also have almost complete homology with corresponding regions in different plant species from cyanobacteria to higher plants, except that higher plants contain two introns in the trnI and trnA genes. Longer border sequences tend to favor more efficient integration of foreign DNA. Therefore, although not mainly, the homology between the species of the trnI and trnA genes, in addition to the homology of the spacer region, contributes to the efficiency of transformation and integration (Figures 4A-4D).

Если в вектор включаются более длинные последовательности, содержащие негомологичные части, негомологичная часть последовательности будет ″выпетливаться″ и ″вырезаться″ в процессе рекомбинации и не будет интегрироваться в хлоропластовый геном-мишень.If longer sequences containing non-homologous parts are included in the vector, the non-homologous part of the sequence will be “braided” and “cut out” during the recombination process and will not integrate into the chloroplast target genome.

Различные универсальные векторы можно создать со спейсерной областью. Например, более короткие или более длинные фланкирующие последовательности можно соединить с частями или со всеми генами trnI и trnA, примыкающими к ′spa 2′.Various universal vectors can be created with a spacer region. For example, shorter or longer flanking sequences can be linked to parts or to all trnI and trnA genes adjacent to spa 2.

Предпочтительный универсальный вектор содержит фланкирующие последовательности и экспрессионную кассету, содержащую перечисленные далее генетические элементы для обеспечения транскрипции и трансляции кодирующей последовательности ДНК, выстроенные в следующем порядке (от 5′- к 3′-концам): часть 5′ фланкирующей последовательности, промотор, функциональный в хлоропласте, последовательность ДНК с соответствующим сайтом (сайтами) клонирования для встраивания одной или нескольких кодирующих последовательностей для нужного фенотипа или представляющей интерес молекулы, и для селектируемого маркера, терминатор транскрипции и часть 3′ фланкирующей последовательности. Порядок расположения последовательностей ДНК, кодирующих нужный фенотип, и селектируемого маркера может быть изменен. Можно добавить фланкирующие последовательности ДНК растения для промотирования устойчивой интеграции. Предпочтительно фланкирующая последовательность содержит точку начала репликации (ori).The preferred universal vector contains flanking sequences and an expression cassette containing the following genetic elements for transcription and translation of the DNA coding sequence, arranged in the following order (from the 5 ′ to 3 ′ ends): a 5 ′ flanking sequence, a promoter functional in chloroplast, DNA sequence with the corresponding cloning site (s) for embedding one or more coding sequences for the desired ilotype phenotype molecule of interest and for a selectable marker, a transcription terminator and a part of 3 'flanking sequence. The order of the DNA sequences encoding the desired phenotype and the selectable marker can be changed. Flanking plant DNA sequences can be added to promote sustainable integration. Preferably, the flanking sequence comprises a replication origin (ori) point.

Особенно отмечается, что высококонсервативная спейсерная область находится в инвертированном повторе хлоропластового генома. Однако особое местоположение спейсера в хлоропластовом геноме не так важно, как его высокая гомология со спейсерной областью различных растений.It is especially noted that the highly conserved spacer region is located in an inverted repeat of the chloroplast genome. However, the special location of the spacer in the chloroplast genome is not as important as its high homology with the spacer region of various plants.

Кроме того, как можно видеть из фигур 4Е-4Ж, последовательность спейсера 2 (или spa 2), имеющая длину в 64 п.о., является слишком короткой, чтобы включать ori хлоропластового генома, которая располагается перед этим спейсером. При необходимости включения ori следует отбирать более длинную спейсерную последовательность, заключающую в себе ori, которая будет включать спейсерную последовательность и дополнительную последовательность во фланкирующих последовательностях. При этом получится более длинная матрица для гомологичной рекомбинации в хлоропластовый геном реципиента и промотирования гомоплазмии.In addition, as can be seen from Figures 4E-4G, the spacer 2 (or spa 2) sequence having a length of 64 bp is too short to include the ori of the chloroplast genome that is located before this spacer. If you need to include ori, you must select a longer spacer sequence containing ori, which will include the spacer sequence and an additional sequence in the flanking sequences. This will result in a longer matrix for homologous recombination into the chloroplast genome of the recipient and promotion of homoplasma.

Другим предпочтительным вектором является вектор, в котором фланкирующие последовательности содержат, каждая, кроме спейсера 2, часть или всю межгенную спейсерную область между генами tRNAIle и tRNAAla хлоропластового генома (фигуры 4А-4Д). Кроме того, фланкирующие последовательности могут включать части или все гены tRNAIle и tRNAAla соответственно. Необязательно, фланкирующие последовательности содержат, каждая, части или полные последовательности генов rRNA 16S и/или 23S.Another preferred vector is a vector in which the flanking sequences contain, except for spacer 2, each part or all of the intergenic spacer region between the tRNA Ile and tRNA Ala genes of the chloroplast genome (Figures 4A-4D). In addition, flanking sequences may include parts or all of the tRNA Ile and tRNA Ala genes, respectively. Optionally, the flanking sequences each contain parts, or entire sequences of rRNA 16S and / or 23S genes.

Примеры универсальных векторов.Examples of universal vectors.

Предпочтительный универсальный вектор содержит последовательность ДНК, которая содержит последовательность области спейсера 2 между высококонсервативными генами trnI и trnA между генами 16S-23S rRNA хлоропластового генома. Предпочтительно эта область содержит часть или всю последовательность ДНК (фигуры 4Е-4Ж) генов trnI и trnA. Эту область вырезают из отобранного растения, подобного табаку, и субклонируют в обычную доступную плазмиду, подобную pUC19, например, в сайте PvuII. В плазмиду встраивают экспрессионную кассету, которая содержит ген селектируемого маркера, хлоропластовый промотор 16SrRNA, ген, кодирующий фермент, придающий устойчивость к антибиотику, подобный гену aadA, кодирующему аминогликозид-3′-аденил-трансферазу, придающую устойчивость к стрептомицину и спектиномицину, и 3′ нетранслируемую область гена хлоропласта psbA.A preferred universal vector comprises a DNA sequence that contains the sequence of the spacer region 2 between the highly conserved trnI and trnA genes between the 16S-23S rRNA genes of the chloroplast genome. Preferably, this region contains part or all of the DNA sequence (figures 4E-4G) of the trnI and trnA genes. This region is excised from a selected tobacco-like plant and subcloned into a conventional available plasmid like pUC19, for example, at the PvuII site. An expression cassette is inserted into the plasmid, which contains a selectable marker gene, a 16SrRNA chloroplast promoter, a gene encoding an antibiotic-resistant enzyme similar to the aadA gene encoding aminoglycoside-3′-adenyl transferase, which confers streptomycin and spectinomycin resistance, and 3 untranslated region of the psbA chloroplast gene.

Конкретно, когда создают универсальный вектор с плазмидой pSBL-Ct-bor (фигура 5), в плазмиду встраивают кассету гена селектируемого маркера, содержащую хлоропластовый промотор 163 rRNA, ген aadA, кодирующий аминогликозид-3′-аденилтрансферазу, придающую устойчивость к стрептомицину и спектиномицину, или ген устойчивости к гербицидам, и 3′ нетранслируемую область гена хлоропласта psbA (фигура 6). Затем эту кассету гена селектируемого маркера встраивают в универсальную границу в двух разных направлениях. В векторе pSBL-CtV1 кассету с геном селектируемого маркера встраивают в ген trnI (фигура 6А). В векторе pSBL-CtV2 (фигура 7А) кассету с геном селектируемого маркера встраивают между генами trnI и trnA в спейсерной области в направлении транскрипции 16S рДНК. В векторе pSBL-CtV2 R (карта не показана) кассету гена селектируемого маркера встраивают между генами trnI и trnA в спейсерной области в направлении, противоположном транскрипции 16S рДНК.Specifically, when a universal vector with the pSBL-Ct-bor plasmid is created (FIG. 5), a selectable marker gene cassette containing the chloroplast promoter 163 rRNA, the aadA gene encoding aminoglycoside-3′-adenyltransferase conferring streptomycin resistance and spectinomy is inserted into the plasmid or a herbicide resistance gene, and a 3 ′ untranslated region of the psbA chloroplast gene (Figure 6). Then this selectable marker gene cassette is inserted into the universal border in two different directions. In the pSBL-CtV1 vector, a selectable marker gene cassette is inserted into the trnI gene (Figure 6A). In the pSBL-CtV2 vector (Figure 7A), a selectable marker gene cassette is inserted between the trnI and trnA genes in the spacer region in the direction of transcription of 16S rDNA. In the pSBL-CtV2 R vector (map not shown), a selectable marker gene cassette is inserted between the trnI and trnA genes in the spacer region in the opposite direction to 16S rDNA transcription.

В вектор pSBL-CtV2 - предпочтительный вариант универсального вектора - встроены некоторые интересные гены. Например, вектор pSBL-CtV3 (фигура 7Б) содержит репортерный ген mGFP, кодирующий белок зеленой флуоресценции, выделенный из медузы. Этот ген также может быть полезен для видимого отбора трансформированных растений или в декоративном садоводстве, например в декоративных культурах, подобных рождественским деревьям, или даже в газонных травах, которые могут давать зеленую флуоресценцию при освещении синим светом.The pSBL-CtV2 vector, the preferred variant of the universal vector, contains some interesting genes. For example, the pSBL-CtV3 vector (Figure 7B) contains the mGFP reporter gene encoding a green fluorescence protein isolated from jellyfish. This gene can also be useful for visible selection of transformed plants or in ornamental horticulture, for example in ornamental crops like Christmas trees, or even in lawn grasses that can produce green fluorescence when illuminated with blue light.

Вектор pSBL-CtVH (фигура 7В) содержит другой селектируемый маркер гидромицинфосфотрансферазу (ген hph, полученный с помощью хлоропластового промотора гена atpB), который придает устойчивость к антибиотику гидромицину. Этот вектор можно использовать для трансформации растений, которые устойчивы к другим антибиотикам, и особенно полезен для трансформации однодольных, которые, как правило, устойчивы к другим обычно применяемым антибиотикам. Этот ген может придать дополнительные признаки, такие как устойчивость к гербицидам - ненамеченный признак.The pSBL-CtVH vector (Figure 7B) contains another selectable marker for hydromycin phosphotransferase (the hph gene obtained with the atpB chloroplast promoter), which confers antibiotic resistance to hydromycin. This vector can be used to transform plants that are resistant to other antibiotics, and is especially useful for transforming monocotyledons that are generally resistant to other commonly used antibiotics. This gene may confer additional traits, such as resistance to herbicides, an unintended trait.

Вектор pSBL-CtVH (фигура 7) содержит гены GFP и hph, которые можно использовать для летального или комбинированного отбора - летального и по видимым признакам.The pSBL-CtVH vector (Figure 7) contains the GFP and hph genes, which can be used for lethal or combined selection - lethal and by visible signs.

Хлоропластовый вектор, специфический для табака, и универсальный хлоропластовый вектор.A tobacco-specific chloroplast vector and a universal chloroplast vector.

Хлоропластовый вектор для табака pZS-RD-EPSPS (фигура 2А) (″TV″) и универсальный вектор pSBL-RD-EPSPS (фигура 2Б) (″UV″′) содержат, оба, промотор Prrn (из 16S rRNA), ген aadA (для отбора со спетиномицином), мутантный ген aroA, который кодирует фермент EPSPS-синтазу (для отбора с глифозатом) и область psbA 3′. Фланкирующие последовательности в pZS-RD-EPSPS содержат rbcL и orf 512, а в pSBL-RD-EPSPS содержат гены trnI и trnA, облегчающие интеграцию или в большую область уникальной копии (фигура 1, стрелка ″TV″), или в области инвертированных повторов (фигура 1, стрелки ″UV″) хлоропластового генома табака соответственно.The chloroplast vector for tobacco pZS-RD-EPSPS (Figure 2A) (″ TV ″) and the universal vector pSBL-RD-EPSPS (Figure 2B) (″ UV ″ ”) contain both the Prrn promoter (from 16S rRNA), the aadA gene (for selection with spetinomycin), a mutant aroA gene that encodes the EPSPS synthase enzyme (for selection with glyphosate) and the psbA 3 ′ region. The flanking sequences in pZS-RD-EPSPS contain rbcL and orf 512, and in pSBL-RD-EPSPS contain the trnI and trnA genes, which facilitate integration either into a large region of a unique copy (figure 1, arrow ″ TV ″) or in the region of inverted repeats (Figure 1, arrows ″ UV ″) of the chloroplast tobacco genome, respectively.

Глифозат является активным ингредиентом в гербициде фирмы Monsanto ROUNDUP™ и используется в качестве селектируемого маркера для гербицидного отбора трансгенных растений.Glyphosate is an active ingredient in the Monsanto ROUNDUP ™ herbicide and is used as a selectable marker for the herbicidal selection of transgenic plants.

Конструктирование хлоропластовых векторов.Construction of chloroplast vectors.

Используют стандартные схемы конструктирования векторов, включающие дефосфорилирование достроенных фрагментом Кленова концов. Табачный хлоропластовый экспрессионный вектор pZS-RD-EPSPS показан на фигуре 2А. Универсальный хлоропластовый вектор показан на фигуре 2Б. Конструктирование этих векторов также показано в примерах. Обе плазмиды амплифицируют в штамме Е. coli XL1 Blue. Кривые роста регистрируют в минимальной среде М-9. Оба вектора используют для отбора на глифозате для придания устойчивости к ROUNDUP™.Standard vector construction schemes are used, including dephosphorylation of the ends completed by the Maple fragment. Tobacco chloroplast expression vector pZS-RD-EPSPS is shown in Figure 2A. Universal chloroplast vector is shown in figure 2B. The construction of these vectors is also shown in the examples. Both plasmids are amplified in E. coli XL1 Blue strain. Growth curves are recorded in minimal medium M-9. Both vectors are used for glyphosate selection to confer ROUNDUP ™ resistance.

Хлоропластовый экспрессионный вектор pZS-RD-EPSPS специфичен для табака и, как отмечалось ранее, непригоден для трансформации других растений (Maier et al., 1995). В противоположность этому универсальный хлоропластовый экспрессионный и интеграционный вектор pSBL-RD-EPSPS (фигура 2Б) компетентен для трансформации хлоропластвых геномов многих других видов растений в силу универсальности вектора, как описано выше. Универсальный вектор интегрирует чужеродные гены в спейсерную область 16S-23S хлоропластового генома. В универсальном векторе в качестве фланкирующих последовательностей для гомологичной рекомбинации используются гены trnA и trnI (трансферные РНК хлоропластов, кодирующие аланин и изолейцин) из области инвертированного повтора хлоропластового генома. Хлоропластовая пограничная последовательность, используемая в данном изобретении, также содержит хлоропластовую точку начала репликации (oriA), что подтверждено для некоторых видов культурных растений, включая горох (Nielsen et al., 1993) и табак (Lu et al; 1996), что может объяснить гомологию высококонсервативных последовательностей в этой области. Эта точка начала репликации обеспечивает повышенное число плазмидных матриц для эффективной интеграции в хлоропластовый геном реципиента и достижение гомоплазмии.The chloroplast expression vector pZS-RD-EPSPS is specific for tobacco and, as noted earlier, unsuitable for transformation of other plants (Maier et al., 1995). In contrast, the universal chloroplast expression and integration vector pSBL-RD-EPSPS (Figure 2B) is competent to transform the chloroplastic genomes of many other plant species due to the universality of the vector, as described above. A universal vector integrates foreign genes into the spacer region of the 16S-23S chloroplast genome. In the universal vector, trnA and trnI genes (transfer chloroplast RNAs encoding alanine and isoleucine) from the region of the inverted chloroplast genome repeat are used as flanking sequences for homologous recombination. The chloroplast border sequence used in this invention also contains a chloroplast origin of replication (oriA), which is confirmed for some crop species, including peas (Nielsen et al., 1993) and tobacco (Lu et al; 1996), which may explain homology of highly conserved sequences in this field. This point of origin of replication provides an increased number of plasmid matrices for effective integration into the recipient's chloroplast genome and the achievement of homoplasmy.

Как показано выше, при конструктировании универсального вектора в подходящий сайт рестрикции во фрагмент ДНК, содержащий спейсерную область, встраивают экспрессионную кассету, содержащую хлоропластовый промотор, ген селектируемого маркера, придающий устойчивость к антибиотику (или другой селектируемый маркер), ген, кодирующий молекулу-мишень, и другие элементы (описанные здесь). При необходимости чужеродный ген, кодирующий молекулу-мишень, можно встроить в экспрессионную кассету после встраивания кассеты во фрагмент ДНК, содержащий консервативную спейсерную область, так что до встраивания кассета будет содержать много сайтов клонирования для встраивания одной или нескольких кодирующих последовательностей ДНК.As shown above, when constructing a universal vector in a suitable restriction site, an expression cassette containing a chloroplast promoter, a selectable marker gene conferring antibiotic resistance (or another selectable marker), a gene encoding a target molecule is inserted into a DNA fragment containing a spacer region and other elements (described here). If necessary, the foreign gene encoding the target molecule can be inserted into the expression cassette after the cassette is inserted into the DNA fragment containing the conserved spacer region, so that before the cassette is inserted, the cassette will contain many cloning sites for the insertion of one or more DNA coding sequences.

Расположение сайта рестрикции в спейсерной последовательности может определить соответствующую длину двух фланкирующих последовательностей, которые будут представлять собой части (или разной или одинаковой длины) спейсерной области. Таким образом, нет необходимости в идентичности двух фланкирующих последовательностей по длине, пока каждая из них содержит достаточно комплементарности к хлоропластовому геному-мишени для промотирования гомологичной рекомбинации.The location of the restriction site in the spacer sequence can determine the corresponding length of the two flanking sequences, which will be parts (or different or the same length) of the spacer region. Thus, there is no need for the identity of the two flanking sequences in length, as long as each of them contains sufficient complementarity to the chloroplast target genome to promote homologous recombination.

Поскольку вектор изобретения имеет гомологию такой высокой степени к спейсерной области хлоропластовых геномов многих видов растений, он компетентен для трансформации не только вида растений, из которого получена пограничная последовательность вектора, но и для любого вида растений.Since the vector of the invention has homology of such a high degree to the spacer region of the chloroplast genomes of many plant species, it is competent to transform not only the plant species from which the boundary sequence of the vector is derived, but also for any plant species.

Используемый в данном описании термин ″гомологичная″ означает, что последовательность ДНК из одного вида растений обладает областями последовательности, идентичными частям последовательности ДНК из другого вида растений. Иными словами, если две последовательности ДНК являются высокогомологичными, образцы ДНК могут иметь 100% идентичность последовательностей или идентичность последовательностей менее 100%. Например, для целей интеграции в хлоропластовый геном последовательность в 400 п.о., которая имеет общую гомологию только 25%, но которая содержит часть в 100 п.о., гомологичную на 85-90% или более, считается высокогомологичной по отношению к хлоропластовому геному.As used herein, the term “homologous” means that a DNA sequence from one plant species has sequence regions identical to parts of a DNA sequence from another plant species. In other words, if two DNA sequences are highly homologous, DNA samples may have 100% sequence identity or sequence identity less than 100%. For example, for integration into a chloroplast genome, a 400 bp sequence that has a total homology of only 25% but which contains a 100 bp part homologous to 85-90% or more is considered highly homologous to the chloroplast genome.

Также показано, что включение хлоропластовой ori во фланкирующие последовательности универсального вектора является благоприятным. Не вдаваясь в теорию, полагают, что присутствие ori в универсальном векторе промотирует гомоплазмию после одного цикла отбора без необходимости во второй стадии отбора. Это особенно важно при трансформации однодольных растений, таких как маис или рис, в которых стадия второго отбора неосуществима из-за трудностей выращивания этих растений при культивировании из листового черенка, в результате чего необходимо выращивать эти растения из зародышей. Если ori необходима, но утрачивается, ее можно ввести во фланкирующую последовательность или в какое-либо другое место. Если необходимо увеличить число копий вводимого универсального вектора, фрагмент ДНК хлоропласта, содержащий ori, следует встраивать вне фланкирующей последовательности, так что она будет функционировать только для амплификации числа копий универсального вектора и не станет интегрироваться в хлоропластовый геном.It is also shown that the inclusion of a chloroplast ori in the flanking sequences of a universal vector is favorable. Without going into theory, it is believed that the presence of ori in the universal vector promotes homoplasmy after one selection cycle without the need for a second selection stage. This is especially important during the transformation of monocotyledonous plants, such as maize or rice, in which the second selection stage is not feasible due to the difficulties of growing these plants when cultivated from leaf cuttings, as a result of which it is necessary to grow these plants from embryos. If ori is necessary, but lost, it can be entered into the flanking sequence or elsewhere. If it is necessary to increase the number of copies of the introduced universal vector, the chloroplast DNA fragment containing ori should be inserted outside the flanking sequence, so that it will function only to amplify the number of copies of the universal vector and will not integrate into the chloroplast genome.

В противоположность получению из определенного растения фланкирующие последовательности можно получить из спейсерной области, полученной синтетически, как показано ниже.In contrast to obtaining from a particular plant, flanking sequences can be obtained from the spacer region obtained synthetically, as shown below.

Для транскрипции и трансляции последовательности ДНК, кодирующей представляющий интерес полипептид, используют, как правило, всю промоторную область из гена, способного к экспрессии в хлоропласте. Промоторная область может включать промоторы, которые можно получить из генов хлоропласта, таких как ген psbA из шпината или гороха, промоторную область rbcL и atpB из маиса и промоторы rRNA. Компетентные промоторы также описаны в патенте №5693507, где указываются также и другие литературные источники.For transcription and translation of a DNA sequence encoding a polypeptide of interest, the entire promoter region of a gene capable of expression in the chloroplast is used, as a rule. The promoter region may include promoters that can be obtained from chloroplast genes, such as the spinach or pea psbA gene, the maize rbcL and maize atpB promoter regions, and rRNA promoters. Competent promoters are also described in patent No. 5693507, which also refers to other literature.

Фланкирующие последовательности, указанные в патенте №5693507 и других публикациях для промотирования устойчивой интеграции, не являются фланкирующими последовательностями универсального экспрессионного и интеграционного вектора, описанного здесь, и являются высококонсервативными в растениях от вида к виду, в то время как фланкирующие последовательности, описанные в указанном патенте и других публикациях, таковыми не являются.The flanking sequences indicated in patent No. 5693507 and other publications for promoting sustainable integration are not flanking sequences of the universal expression and integration vector described herein and are highly conserved in plants from species to species, while flanking sequences described in this patent and other publications are not.

Идентификация межгенных спейсерных последовательностей.Identification of intergenic spacer sequences.

Изобретение относится к способам идентификации соответствующих нетранскрибируемых межгенных спейсерных последовательностей в растениях, которые подходят для создания универсальных векторов. Способ включает выделение пластидной геномной ДНК, осуществление гибридизации с меченным радиоактивным изотопом зондом известного спейсера, обнаружение и выделение пластидных последовательностей, проявляющих нужную степень гомологии с зондом. В порядке примера, для того чтобы определить, обладает ли пластидный геном неизвестного строения и последовательности спейсерной областью, осуществляют Саузерн-блоттинг с использованием в качестве зонда спейсерной области табака. Пластидную геномную ДНК выделяют и расщепляют подходящей рестриктазой в соответствии с установленными процедурами. Проводят гибридизацию со спейсерным зондом как в строгих условиях (например, 50% формамида при 68°С, промывка в 0,1×SSC при 68°С), так и в нестрогих условиях (например, 6×SSC, при 68°С, промывка в 2×SSC при 50°С) (1×SSC представляет собой раствор 0,15 М NaCl, 0,015 М цитрата натрия), и обнаруживают последовательности пластиды, проявляющие приблизительно 90-100%-ную гомологию или 60-100%-ную гомологию со спейсером табака соответственно. Затем идентифицированные пластидные последовательности выделяют. Если требования к гомологичной рекомбинации менее строгие, можно удовлетвориться невысокой степенью гибридизации с зондом, такой как примерно 60%.The invention relates to methods for identifying the corresponding non-transcribed intergenic spacer sequences in plants that are suitable for creating universal vectors. The method includes isolation of plastid genomic DNA, hybridization with a radioactive isotope-labeled probe of a known spacer, detection and isolation of plastid sequences exhibiting the desired degree of homology with the probe. By way of example, in order to determine whether the plastid gene has an unknown structure and sequence in the spacer region, Southern blotting is carried out using tobacco as a probe in the spacer region. Plastid genomic DNA is isolated and digested with a suitable restriction enzyme in accordance with established procedures. Hybridization with a spacer probe is carried out both under stringent conditions (for example, 50% formamide at 68 ° C, washing in 0.1 × SSC at 68 ° C), and under mild conditions (for example, 6 × SSC at 68 ° C, washing in 2 × SSC at 50 ° C) (1 × SSC is a solution of 0.15 M NaCl, 0.015 M sodium citrate), and plastid sequences exhibiting approximately 90-100% homology or 60-100% homology with the tobacco spacer, respectively. Identified plastid sequences are then isolated. If the requirements for homologous recombination are less stringent, one can be satisfied with a low degree of hybridization with the probe, such as about 60%.

Таким образом, любая известная или неизвестная спейсерная область с достаточной гомологией для рекомбинации подходят для создания UV. Подобным образом известную последовательность любой межгенной высококонсервативной спейсерной последовательности можно использовать для идентификации выделенных пластидных последовательностей, которые гомологичны с известной спейсерной последовательностью.Thus, any known or unknown spacer region with sufficient homology for recombination is suitable for creating UV. Similarly, the known sequence of any intergenic highly conserved spacer sequence can be used to identify isolated plastid sequences that are homologous to the known spacer sequence.

С другой стороны, описанную выше программу BLAST можно использовать для идентификации высококонсервативных областей в пластидных геномах, последовательности которых известны.Alternatively, the BLAST program described above can be used to identify highly conserved regions in plastid genomes whose sequences are known.

Растения, которые можно трансформировать.Plants that can be transformed.

К растениям, которые можно трансформировать с помощью универсального вектора изобретения, относятся любые низшие растения, такие как цианобактерии, и любые высшие растения, такие как однодольные и двудольные виды растений. Трансформируемые растения могут быть растениями, растущими при солнечном освещении, или растениями, растущими под землей. Не являющийся ограничительным перечень примеров высших растений, которые можно трансформировать с помощью универсального вектора, включает хлебные злаки, такие как ячмень, кукуруза, овес, рис и пшеница, дыни, такие как огурец, дыня сетчатая и арбуз; бобовые, такие как фасоль, вигна китайская, горох, арахис; масличные культуры, такие как canola и соя; пасленовые растения, такие как табак, клубнеплодные культуры, такие как картофель и сладкий картофель; овощные культуры, такие как томат, перец и редька; плодово-ягодные культуры, такие как груша, виноград, персик, слива, банан, яблоко и земляника; волокнистые культуры, подобные роду Gossypium, такие как хлопчатник, лен и конопля; и другие растения, такие как свекла, хлопчатник, кофе, редька, промышленные цветущие растения, такие как гвоздика и розы; злаковые, такие как сахарный тростник или газонная трава; вечнозеленые деревья, такие как пихта, ель и сосна, и листопадные деревья, такие как клен и дуб. Наибольший интерес представляют главные экономически важные культуры, подобные маису, рису, сое, пшенице и хлопчатнику. Насколько известно авторам изобретения, ни одно из этих растений, кроме табака, никогда не подвергалось устойчивой трансформации с помощью хлоропластового генома и ни одно, в том числе и табак, не подвергалось устойчивой трансформации с помощью универсального вектора, описанного здесь. Растение, из которого обычно получают последовательность ДНК, представляет собой табак, поскольку он является наиболее полно охарактеризованным растением, но подходит хлоропластовый геном любого другого растения.Plants that can be transformed using the universal vector of the invention include any lower plants, such as cyanobacteria, and any higher plants, such as monocotyledonous and dicotyledonous plant species. Transformable plants can be plants growing in sunlight or plants growing underground. A non-limiting list of examples of higher plants that can be transformed using a universal vector includes cereals such as barley, corn, oats, rice and wheat, melons such as cucumber, netted melon and watermelon; legumes such as beans, Chinese vigna, peas, peanuts; oilseeds such as canola and soy; nightshade plants such as tobacco; tuber crops such as potatoes and sweet potatoes; vegetable crops such as tomato, pepper and radish; fruit crops such as pear, grapes, peach, plum, banana, apple and strawberries; fiber crops similar to the genus Gossypium, such as cotton, flax and hemp; and other plants, such as beets, cotton, coffee, radish, industrial flowering plants, such as cloves and roses; cereals, such as sugarcane or lawn grass; evergreen trees such as fir, spruce and pine, and deciduous trees such as maple and oak. Of major interest are the main economically important crops like maize, rice, soy, wheat and cotton. As far as the authors of the invention know, none of these plants, except tobacco, has never undergone a stable transformation using the chloroplast genome, and not one, including tobacco, has undergone a stable transformation using the universal vector described here. The plant from which the DNA sequence is usually derived is tobacco because it is the most fully characterized plant, but the chloroplast genome of any other plant is suitable.

Следует напомнить, как описано выше, что вектор, применяемый для устойчивой трансформации табака, некомпетентен для трансформации хлоропластового генома других растений.It should be recalled, as described above, that the vector used for the sustainable transformation of tobacco is incompetent for the transformation of the chloroplast genome of other plants.

Способ трансформации. Экспрессионные кассеты можно трансформировать в представляющую интерес растительную клетку любым хорошо известным способом. К таким способам относятся, например, следующие способы: трансформация посредством бомбардировки частицами вольфрама, трансформация при посредничестве полиэтиленгликоля, применение лазерного луча, электропорация, микроинъекция, или любой другой способ, позволяющий ввести ДНК в хлоропласт. См., например, Sanford, 1988; Daniell, 1993; Daniell, 1997; патент США №5693507; Kin Ying et al., 1996. Использование этих методов допускает применение описанного здесь изобретения к самым разным как однодольным, так и двудольным растениям.The method of transformation. Expression cassettes can be transformed into a plant cell of interest in any well-known manner. Such methods include, for example, the following methods: transformation by means of particle bombardment of tungsten, transformation through the mediation of polyethylene glycol, the use of a laser beam, electroporation, microinjection, or any other method that allows the introduction of DNA into the chloroplast. See, for example, Sanford, 1988; Daniell, 1993; Daniell 1997; U.S. Patent No. 5,693,507; Kin Ying et al., 1996. Using these methods allows the application of the invention described herein to be applied to a wide variety of both monocotyledonous and dicotyledonous plants.

Экспрессия нерастительных молекул в трансформированных растенияхExpression of non-plant molecules in transformed plants

Повышенная полезность универсального экспрессионного интеграционного вектора изобретения четко демонстрируется компетентностью вектора для получения трансформированных растений для экспрессии нерастительных и ценных молекул.The increased utility of the universal expression integration vector of the invention is clearly demonstrated by the competence of the vector for producing transformed plants for the expression of non-plant and valuable molecules.

Полимеры на основе белков, разрушающиеся под действием микроорганизмов.Protein-based polymers that break down under the influence of microorganisms.

В соответствии с другим вариантом воплощения изобретения универсальный вектор применяют для трансформации табака синтетическим геном, экспрессирующим полимеры на основе белков (РВР). Такие полимеры и экспрессирующие их гены известны из литературы (Daniell, et al., 1997). Особенно интересны полимеры на основе белков (РВР), содержащие пентамерные последовательности, подобные GVGVP (Yen et al., 1987). Такие полимеры ВРВ проявляют полезные свойства обратного фазового температурного перехода. Белок становится нерастворимым, когда температура поднимается выше температуры перехода. РВР представляют собой широкий ряд материалов, подобных нефтеполимерам, такие как гидрогели, эластомеры и пластики. Они также демонстрируют заметную биосовместимость, причем это делает их пригодными для целого ряда применений в медицине, в том числе для предотвращения образования послеоперационных спаек, реконструкции тканей и планируемой доставки лекарственных средств (Urry et al., 1993). Кроме медицины возможные применения включают использование в преобразователях, молекулярных устройствах, суперабсорбентах и пластиках, разлагаемых микроорганизмами (Daniell et al., 1997). К таким полимерам относится полимер (Val1-Pro2-Gly3-Val4-Gly5)n (VPGVP)n, где n может изменяться от 1 до сотен единиц, например 250, или его аналоги. Важные промышленные возможности и родственные аспекты рассматриваются Daniell, 1995. Из РВР получают полезные пластики, разлагаемые микроорганизмами. Гены, экспрессирующие такие РВР, также полезны в изобретении в том отношении, что их можно использовать в качестве носителей, т.е. ген нужной молекулы можно гибридизировать с геном РВР интеграции и экспрессии хлоропласта.In accordance with another embodiment of the invention, a universal vector is used to transform tobacco with a synthetic gene expressing protein-based polymers (PBP). Such polymers and their expressing genes are known from the literature (Daniell, et al., 1997). Of particular interest are protein-based polymers (PBPs) containing pentameric sequences similar to GVGVP (Yen et al., 1987). Such RTB polymers exhibit useful properties of the inverse phase temperature transition. Protein becomes insoluble when the temperature rises above the transition temperature. PBPs are a wide range of materials similar to petroleum polymers, such as hydrogels, elastomers and plastics. They also show significant biocompatibility, and this makes them suitable for a number of medical applications, including the prevention of postoperative adhesions, tissue reconstruction, and planned drug delivery (Urry et al., 1993). In addition to medicine, possible applications include the use in transducers, molecular devices, superabsorbents and plastics, degradable by microorganisms (Daniell et al., 1997). Such polymers include polymer (Val 1 -Pro 2 -Gly 3 -Val 4 -Gly 5 ) n (VPGVP) n , where n can vary from 1 to hundreds of units, for example 250, or its analogues. Important industrial opportunities and related aspects are examined by Daniell, 1995. Useful plastics that are biodegradable by microorganisms are obtained from the PBP. Genes expressing such PBPs are also useful in the invention in that they can be used as carriers, i.e. the gene of the desired molecule can be hybridized with the gene of the PBP integration and expression of chloroplast.

В предшествующих исследованиях ген синтетического полимера, кодирующий (GVGVP)121, был гиперпродуцирован в E.coli до такой степени, что полимерные тельца включения занимали почти 80-90% объема клетки (Guda et al., 1995; Daniell et al., 1997). Тот же ген также экспрессирован в ядерном компартменте культивированных клеток табака (Zhang et al., 1995) и в листьях трансгенных растений табака (Zhang et al., 1996).In previous studies, the synthetic polymer gene encoding (GVGVP) 121 was hyperproduced in E. coli to such an extent that inclusion polymer bodies occupied almost 80-90% of the cell volume (Guda et al., 1995; Daniell et al., 1997) . The same gene is also expressed in the nuclear compartment of cultured tobacco cells (Zhang et al., 1995) and in the leaves of transgenic tobacco plants (Zhang et al., 1996).

На модели межгенную область генов trnI и trnA в спейсерной области 16S-23S rRNA генома табака (фигура 1) используют для создания универсального вектора для интеграции гена селектируемого маркера, гена aadA и гена синтетического полимера (EG121). Вектор встраивают в область инвертированного повтора хлоропластового генома. Трансформированные растения табака экспрессируют белок в большом количестве. Хлоропластовые геномы других видов растений также можно трансформировать синтетическим геном для экспрессии полимера на основе белка с использованием универсального вектора.In the model, the intergenic region of the trnI and trnA genes in the spacer region of the 16S-23S rRNA of the tobacco genome (Figure 1) is used to create a universal vector for integration of the selectable marker gene, aadA gene, and the synthetic polymer gene (EG121). The vector is inserted into the region of the inverted repeat of the chloroplast genome. Transformed tobacco plants express large amounts of protein. Chloroplast genomes of other plant species can also be transformed with a synthetic gene for expression of a protein-based polymer using a universal vector.

Получение высокоценных молекул. Исследования с биополимерами показали, что нерастительный продукт можно экспрессировать с помощью синтетического гена, причем появляется возможность с помощью векторов изобретения синтезировать биологически ценные молекулы в трансформированных растениях с самыми разными кодирующими последовательностями ДНК. Кодирующая последовательность ДНК будет содержаться в универсальном векторе или, если требуется, в экспрессионной кассете, как описано выше.Getting high-value molecules. Studies with biopolymers have shown that a non-plant product can be expressed using a synthetic gene, and it is possible using the vectors of the invention to synthesize biologically valuable molecules in transformed plants with a variety of coding DNA sequences. The DNA coding sequence will be contained in a universal vector or, if required, in an expression cassette, as described above.

Известно, что трансгенные растения продуцируют биологически активные молекулы путем ядерной трансформации, а не хлоропластовой трансформации. См. перечисленные далее ссылки, которые все включены в настоящее описание в качестве ссылок. Daniell, 1995; Miele, 1997; Lyons, 1996; Daniell and Guda, 1997; Arntzen, 1997.It is known that transgenic plants produce biologically active molecules by nuclear transformation, rather than chloroplast transformation. See the following links, all of which are incorporated herein by reference. Daniell 1995; Miele 1997; Lyons, 1996; Daniell and Guda, 1997; Arntzen 1997.

Экспрессия биологически активных молекул.Expression of biologically active molecules.

Растения, трансформированные в соответствии с изобретением универсальным вектором или экспрессионной кассетой, можно получить для экспрессии ценных биологически активных молекул в содержащих хлоропласт частях растения. Затем растения собирают известными в практике способами. Трансформированные растения, содержащие указанные продукты, можно, таким образом, вводить перорально. Arntzen, 1997. Получение фармацевтических средств с помощью трансгенных растений осуществлено с пептидами (белками) для многих фармацевтических применений, включая вакцины, иммуномодуляторы, факторы роста, гормоны, белки крови, ингибиторы и ферменты. Типичными биопрепаратами, полученными из трансгенных растений, о которых сообщается в литературе, являются вакцины против вирусных заболеваний; вирусные пептидные эпитопы, подобные вирусу иммунодефицита человека, невирусные пептидные эпитопы, бактериальные антигенные белки; биоактивные пептиды, рекомбинантные токсины, plantibodies (рекомбинантные антитела), сывороточные белки и вторичные растительные метаболиты. Все эти продукты можно экспрессировать в хлоропластах трансгенных растений в соответствии с изобретением.Plants transformed in accordance with the invention with a universal vector or expression cassette can be obtained for the expression of valuable biologically active molecules in the chloroplast-containing parts of the plant. Then the plants are harvested by methods known in practice. Transformed plants containing these products can thus be administered orally. Arntzen, 1997. The production of pharmaceuticals using transgenic plants has been carried out with peptides (proteins) for many pharmaceutical applications, including vaccines, immunomodulators, growth factors, hormones, blood proteins, inhibitors and enzymes. Typical biologics derived from transgenic plants reported in the literature are viral disease vaccines; viral peptide epitopes like human immunodeficiency virus, non-viral peptide epitopes, bacterial antigenic proteins; bioactive peptides, recombinant toxins, plantibodies (recombinant antibodies), serum proteins and secondary plant metabolites. All of these products can be expressed in chloroplasts of transgenic plants in accordance with the invention.

Типичными фармацевтическими пептидами или белками, продуцируемыми в трансгенных растениях, являются поверхностный антиген гепатита В, капсидный белок вируса norwalk, вирус ящура, риновирус 14 человека, вирус иммунодефицита человека, поверхностный белок S. mutans, энтеротоксин Е. coli, субъединица В, эпитопы малярийных круглых спорозоитов, эпитоп мышиного белка ZP3 (вакцина); мышиное каталитическое антитело 6D4, мышиный mAB Guy′s 13, mАВ В1-8, антифитохромный Fv-белок, антитело Р (антитело); сывороточный альбумин человека (HSA), белок С человека (сывороточный белок); α-трихозантин, рицин (цитотоксин); эпидермальный фактор роста человека (фактор роста); лейэнкефалин (нейропептид) и кислая β-глюкозидаза человека (hGC) (фермент). Многие из этих молекул экспрессированы в табаке, клубнях картофеля и т.п.Typical pharmaceutical peptides or proteins produced in transgenic plants are hepatitis B surface antigen, norwalk virus capsid protein, foot and mouth disease virus, human rhinovirus 14, human immunodeficiency virus, S. mutans surface protein, E. coli enterotoxin, B subunit, round malaria epitopes sporozoites, epitope of the mouse protein ZP3 (vaccine); mouse catalytic antibody 6D4, mouse mAB Guy′s 13, mAB B1-8, anti-phytochrome Fv protein, antibody P (antibody); human serum albumin (HSA), human protein C (serum protein); α-trichosanthin, ricin (cytotoxin); human epidermal growth factor (growth factor); leienkephalin (neuropeptide) and acidic human β-glucosidase (hGC) (enzyme). Many of these molecules are expressed in tobacco, potato tubers, and the like.

Особый интерес в соответствии с изобретением вызывает получение инсулина и сывороточного альбумина человека (HSA) с помощью универсального интеграционного и экспрессионного вектора или экспрессионного вектора. HSA уже получен в трансгенных (ядерных) растениях картофеля и табака (Sijmons et al., 1990). Указанные выше продукты можно получить через трансформацию хлоропластов в соответствии с изобретением.Of particular interest in accordance with the invention is the production of insulin and human serum albumin (HSA) using a universal integration and expression vector or expression vector. HSA has already been obtained in transgenic (nuclear) potato and tobacco plants (Sijmons et al., 1990). The above products can be obtained through the transformation of chloroplasts in accordance with the invention.

Инсулин.Insulin.

Изобретение относится к способу экспрессии инсулина в трансформированном растении в виде белка, слитого с полимером. Растение можно трансформировать экспрессионной кассетой или универсальным интеграционным и экспрессионным вектором, содержащими ген синтетического биополимера, подобного (GVGVP)40. Подходящим растением является табак из-за простоты обработки методами генной инженерии и необходимости поиска альтернативного применения этой спорной культуры.The invention relates to a method for expressing insulin in a transformed plant in the form of a protein fused to a polymer. The plant can be transformed with an expression cassette or a universal integration and expression vector containing a synthetic biopolymer gene like (GVGVP) 40 . Tobacco is a suitable plant because of the ease of processing by genetic engineering methods and the need to find alternative uses for this controversial crop.

В случае экспрессии в бактериях способ включает создание вектора для экспрессии в Е. coli в виде гена полимера (GVGVP)40, слитого с геном проинсулина, экспрессию слитых белков полимер-инсулин в Е. coli (выращенной известным способом), очистку рекомбинантного белка с использованием свойств температурного перехода полимера на основе белка и отщепление инсулина от полимера с использованием хорошо известных способов.In the case of expression in bacteria, the method includes creating a vector for expression in E. coli as a polymer gene (GVGVP) 40 fused to the proinsulin gene, expression of polymer-insulin fusion proteins in E. coli (grown in a known manner), purification of the recombinant protein using thermal transition properties of a protein-based polymer; and cleavage of insulin from the polymer using well-known methods.

Для трансформации растения в растение-мишень, подобное табаку, вводят экспрессионную кассету или универсальный интеграционный и экспрессионный вектор, содержащие ген полимера, слитый с геном проинсулина. Слитый белок полимер-инсулин экспрессируется в растении, белок, слитый с полимером, экстрагируют из хлоропласта и цитозольных компартментов растительных клеток, инсулин отщепляют от полимера-белка с помощью дитреитола (DTT) или другими известными способами и собирают инсулин. С другой стороны, продукт слияния инсулина и полимера можно экспрессировать в пищевой культуре или в съедобных частях культурного растения.An expression cassette or universal integration and expression vector containing a polymer gene fused to the proinsulin gene is introduced to transform a plant into a target plant like tobacco. The polymer-insulin fusion protein is expressed in the plant, the protein fused to the polymer is extracted from the chloroplast and cytosolic compartments of plant cells, the insulin is cleaved from the polymer-protein using ditreitol (DTT) or other known methods and collect insulin. Alternatively, the fusion product of insulin and polymer can be expressed in a food culture or in the edible parts of a crop.

Метод слияния последовательности ДНК, кодирующей молекулу с биологической активностью, с синтетическим геном, экспрессирующим полимер на основе белка, для экспрессии в подходящем хозяине-бактерии, или дрожжах, или в трансформированном растении является весьма перспективным способом широкого применения.The method of fusion of a DNA sequence encoding a molecule with biological activity with a synthetic gene expressing a protein-based polymer for expression in a suitable bacterial host, or yeast, or in a transformed plant is a very promising method for widespread use.

Рекомбинантный сывороточный альбумин человека в растениях. Рекомбинантный сывороточный альбумин человека (rHSA), не отличимый от аутеничного белка человека, получен в ядерных трансгенных растениях табака и картофеля (Sijmons et al., 1990). Это событие показало экспрессию ценного белка в трансгенных растениях, но также и то, что можно добиться соответствующей обработки посредством слияния HSA с пропоследовательностью растения, что проявилось в отщеплении и секреции нужного белка. Хлоропластовый геном выбранного растения, подобного табаку, можно легко трансформировать универсальным вектором, описанным здесь, и вызвать экспрессию HSA.Recombinant human serum albumin in plants. Recombinant human serum albumin (rHSA), indistinguishable from human authentic protein, was obtained in nuclear transgenic plants of tobacco and potato (Sijmons et al., 1990). This event showed the expression of valuable protein in transgenic plants, but also that appropriate treatment can be achieved by fusion of HSA with the plant sequence, which was manifested in cleavage and secretion of the desired protein. The chloroplast genome of a selected tobacco-like plant can be easily transformed with the universal vector described here and induce HSA expression.

Общая применимость.General applicability.

Как описано здесь, универсальный вектор допускает в соответствии с изобретением трансформацию растений, побуждает растение экспрессировать биологическую молекулу, которая может придать нужный фенотип растению, и/или продуцировать нужный продукт, который может, но необязательно, обладать биологической активностью (или предшественника конечного продукта). Кодирующая нуклеотидная последовательность может быть синтетической или природной. Продуцируемая молекула может быть чужеродной для растений, не функционирующей в растении или функционирующей. Универсальный вектор имеет широкий спектр применения в области трансформации растений.As described herein, a universal vector allows for plant transformation in accordance with the invention, induces the plant to express a biological molecule that can confer the desired phenotype to the plant, and / or produce the desired product that may, but need not, possess biological activity (or the precursor of the final product). The coding nucleotide sequence may be synthetic or natural. The produced molecule may be alien to plants, not functioning in the plant or functioning. Universal vector has a wide range of applications in the field of plant transformation.

Предполагается, что любую биологически активную молекулу (ее предшественника или производное) можно получить с помощью трансгенного растения, трансформированного универсальным вектором изобретения, с соответствующей адаптацией, которая может потребоваться в конкретном случае.It is assumed that any biologically active molecule (its precursor or derivative) can be obtained using a transgenic plant transformed with the universal vector of the invention, with appropriate adaptation, which may be required in a particular case.

Толерантность к гербицидам трансформированных в хлоропластах растенийTolerance to herbicides transformed in plant chloroplasts

Другой вариант воплощения изобретения относится к применению универсального вектора для придания растениям устойчивости или толерантности к гербицидам. Прогресс технологии переноса генов сделал возможным введение в растения гена устойчивости к гербицидам, причем посредством этого достигается гербицидная селективность для определенной культуры.Another embodiment of the invention relates to the use of a universal vector for imparting herbicide tolerance or tolerance to plants. Advances in gene transfer technology have made it possible to introduce a herbicide resistance gene into plants, whereby herbicidal selectivity for a given crop is achieved.

Модификации фермента-мишени. Первой стадией при таком подходе является идентификация и необходимая модификация фермента-мишени (гена) гербицида для придания толерантности, которую осуществляют достаточно экстенсивно. Сульфометурон-метил является гербицидом класса сульфонилмочевин, который блокирует рост бактерий, дрожжей и высших растений посредством ингибирования первого фермента разветвленного каскада реакций аминокислот ацетолактатсинтазы (ALS). Мутантные гены для ALS, придающие устойчивость к сульфометурон-метилу, выделяют из Е. coli и дрожжей (Yadav, et al., 1986). Устойчивость к гербициду табака и некоторых других культур достигнута методами генной инженерии с геном ALS (Gabard, et al., 1989; Miki, et al., 1990). Еще одним подходом для создания устойчивости к гербицидам у растений является экспрессия фермента фосфинотрицин-ацетилтрансферазы (PAT), которая детоксифицирует гербицид фосфинотрицин (DeBlock, et al., 1987).Modifications of the target enzyme. The first stage in this approach is the identification and necessary modification of the target enzyme (gene) of the herbicide to give tolerance, which is carried out quite extensively. Sulfometuron-methyl is a sulfonylurea class herbicide that blocks the growth of bacteria, yeast and higher plants by inhibiting the first enzyme of the branched chain of amino acid reactions of acetolactate synthase (ALS). Mutant genes for ALS that confer resistance to sulfometuron methyl are isolated from E. coli and yeast (Yadav, et al., 1986). Herbicide resistance of tobacco and some other crops was achieved by genetic engineering methods with the ALS gene (Gabard, et al., 1989; Miki, et al., 1990). Another approach to creating herbicide resistance in plants is the expression of the phosphinotricin acetyltransferase (PAT) enzyme, which detoxifies the phosphinotricin herbicide (DeBlock, et al., 1987).

Глифозат.Glyphosate.

Глифозат является сильным гербицидом широкого спектра действия, весьма эффективным против однолетних и многолетних злаковых и широколистных сорняков. Глифозат безопасен для окружающей среды, так как он быстро разлагается в почве, имеет минимальную подвижность в почве и имеет очень низкую токсичность по отношению к нерастительным формам жизни. Глифозат действует путем связывания и ингибирования фермента 5-енол-пирувилшикимат-3-фосфат(EPSP)-синтазы. EPSP-синтаза (EPSPS) катализирует образование EPSP, которая важна на пути биосинтеза ароматических аминокислот из шикимат-3-фосфата и неорганического фосфата. Глифозат нетоксичен для животных благодаря тому факту, что эта реакция происходит только в растениях и микроорганизмах. К несчастью, поскольку реакция образования EPSP происходит во всех растениях, глифозат не делает выбора между сорняками и полезными растениями, такими как сельскохозяйственные и декоративные культуры.Glyphosate is a powerful broad-spectrum herbicide, highly effective against annual and perennial cereal and broad-leaved weeds. Glyphosate is safe for the environment, as it decomposes quickly in the soil, has minimal mobility in the soil and has very low toxicity to non-plant life forms. Glyphosate acts by binding and inhibiting the enzyme 5-enol-pyruvyl shikimate-3-phosphate (EPSP) synthase. EPSP synthase (EPSPS) catalyzes the formation of EPSP, which is important in the biosynthesis of aromatic amino acids from shikimat-3-phosphate and inorganic phosphate. Glyphosate is non-toxic to animals due to the fact that this reaction occurs only in plants and microorganisms. Unfortunately, since the EPSP formation reaction occurs in all plants, glyphosate does not make a choice between weeds and useful plants, such as agricultural and ornamental crops.

Можно использовать два подхода при попытке разработать методами генной инженерии растение, устойчивое к глифозату. Один из подходов основан на перепроизводстве ESPS-синтазы дикого типа, так что после конкурирующего ингибирования ESPS-синтазы глифозатом оставшаяся ESPS-синтаза придает устойчивость к глифозату. Другой подход основан на экспрессии мутантного гена (aroA), кодирующего устойчивую к глифозату ESPS-синтазу.Two approaches can be used when trying to develop a glyphosate resistant plant by genetic engineering. One approach is based on the overproduction of wild-type ESPS synthase, so that after competing inhibition of ESPS synthase by glyphosate, the remaining ESPS synthase confers glyphosate resistance. Another approach is based on the expression of a mutant gene (aroA) encoding glyphosate-resistant ESPS synthase.

Во всех без исключения вышеуказанных примерах гены устойчивости к гербицидам вводили в ядерный геном.In all, without exception, the above examples, herbicide resistance genes were introduced into the nuclear genome.

Потребность в трансформации хлоропластов.The need for chloroplast transformation.

Существует серьезная необходимость разработать устойчивое к гербицидам растение, в особенности растение, устойчивое к большинству широко используемых гербицидов, в котором белок, придающий устойчивость к гербицидам, продуцируется в хлоропласте, из которого ген, придающий устойчивость к гербицидам, не может уходить с пыльцой в окружающую среду.There is a serious need to develop a herbicide-resistant plant, especially a plant that is resistant to most commonly used herbicides, in which a herbicide-tolerant protein is produced in chloroplast, from which the herbicide-tolerant gene cannot be released into the environment with pollen. .

Универсальный вектор изобретения отвечает этой потребности посредством трансформации любого растения-мишени с приданием ему устойчивости к любому выбранному гербициду, подобному глифозату. Важные для хозяйства культуры, подобные пшенице, рису, кукурузе (маису), сое, можно сделать устойчивыми к выбранному гербициду с помощью универсального вектора.The universal vector of the invention meets this need by transforming any target plant with resistance to any selected herbicide like glyphosate. Crops important to the economy, like wheat, rice, corn (maize), soybeans, can be made resistant to the selected herbicide using a universal vector.

Изобретение относится к трансгенному устойчивому к гербицидам растению, в котором чужеродный трансген, придающий устойчивость к одному или нескольким гербицидам, интегрирован в хлоропластовый геном с помощью универсального вектора. Трансгенное растение может представлять собой зрелое растение, незрелое растение, такое как проросток, зародыш, каллюс, культивированную ткань или клеточную суспензию, или часть растения, такую как черенок или каллюс. Гербициды, подходящие для изобретения, в случае которых гены, придающие устойчивость, можно устойчиво интегрировать в хлоролластовый геном в соответствии с изобретением, включают все известные (а также разрабатываемые) гербициды.The invention relates to a transgenic herbicide resistant plant in which a foreign transgene conferring resistance to one or more herbicides is integrated into the chloroplast genome using a universal vector. The transgenic plant may be a mature plant, an immature plant, such as a seedling, germ, callus, cultured tissue or cell suspension, or a part of the plant, such as a stalk or callus. Herbicides suitable for the invention, in which genes that confer resistance, can be stably integrated into the chlorollast genome in accordance with the invention, include all known (as well as developed) herbicides.

Класс гербицидов.Class of herbicides.

Гербициды, которые поддаются воздействию способа изобретения, вообще, делятся на несколько химических классов.Herbicides that are susceptible to the effects of the method of the invention are generally divided into several chemical classes.

К первому классу относятся гербициды PSII (фотосистема II), которые препятствуют восстановлению пластохинона на акцепторном центре PSII, к нему относятся такие химикаты, как триазины, триазиноны, производные мочевины, карбаматы (biscarmates), нитрилы, нитрофенолы, замещенные пиридазиноны, фенилкарбаматы, анилиды, цианоакрилат, DCMU, карбоанилиды, урацилы, конкретно, например, дихлорфенилдиметилмочевина, атразин, метрибузин, ленацил, фенмедифам, иоксинил и диносеб. Эти химикаты связываются с белком связывания в 32 кД (белок QB, D1, гербицид связывающий белок) в тилакоидной мембране хлоропластов, причем посредством этого блокируют перенос электронов при фотосинтезе. Пластидный ген, кодирующий предшественника белка Qb, называется psbA, и его последовательности обнаруживают весьма высокую степень гомологии в различных растениях. Наиболее важным гербицидом класса PSII является атразин, разработанный Ciba-Gergy.The first class includes PSII herbicides (photosystem II), which prevent the restoration of plastoquinone at the PSII acceptor center; it includes chemicals such as triazines, triazinones, urea derivatives, carbamates, nitriles, nitrophenols, substituted pyridazinones, phenylcarbamates, anilides cyanoacrylate, DCMU, carboanilides, uracils, specifically, for example, dichlorophenyl dimethyl urea, atrazine, metribuzin, lenacyl, phenmedipham, ioxinyl and dinoseb. These chemicals bind to the 32 kD binding protein (Q B protein, D1, herbicide binding protein) in the thylakoid membrane of chloroplasts, whereby they block electron transfer during photosynthesis. The plastid gene encoding the Q b protein precursor is called psbA, and its sequences exhibit a very high degree of homology in various plants. The most important PSII class herbicide is atrazine, developed by Ciba-Gergy.

Другим классом являются гербициды PSI (фотосистемы I), мембраносвязанный белковый комплекс которых катализирует управляемое светом окисление пластоцианина (PC) и восстановление ферродоксина (Fd). Типичными такими химикатами являются бипиридильные гербициды паракват и дикват.Another class is the PSI herbicides (photosystems I), the membrane-bound protein complex of which catalyzes light-controlled oxidation of plastocyanin (PC) and the reduction of ferrodoxin (Fd). Typical chemicals are bipyridyl paraquat and diquat herbicides.

Еще одним классом гербицидов являются арилоксифеноксипропаноаты (АРР) или гербициды типа ацетил-коэнзим А-карбоксилазы, которая ингибирует ацетил-СоА-карбоксилазу и последующий биосинтез жирных кислот в пластидах. Типичными АРР являются цидогександион (CHD), сетоксидин, галоксифол, хизалофоп, феноксапроп (и его молекулы, замещенные низшим алкилом), диколофоп, сетоксидин, клетодин и тралкоксидим.Another class of herbicides is aryloxyphenoxypropanoates (APP) or herbicides such as acetyl coenzyme A carboxylase, which inhibits acetyl CoA carboxylase and subsequent biosynthesis of fatty acids in plastids. Typical APPs are cidohexanedione (CHD), setoxidine, haloxifol, hesalofop, phenoxaprop (and its lower alkyl substituted molecules), dicolofop, setoxidine, celodine, and tralcoxydim.

Еще одним классом гербицидов являются аналоги ауксина, подобные макропопу, хлорамбену, дикамба, беназолину, 1-нафтилуксусной кислоте; 3,6-дихлорпиколиновая кислота, пиклорам, флуороксипир, хинклорак, МСРА и 2,4-D.Another class of herbicides are auxin analogues, such as macropop, chloramben, dicamba, benazolin, 1-naphthylacetic acid; 3,6-dichloropicolinic acid, picloram, fluoroxypyr, hinklorac, MCPA and 2,4-D.

Еще одним классом являются митототические гербициды, называемые динитроанилиновыми гербицидами, подобные трифлуралину, оризалину и пендиметалину.Another class is mitototic herbicides called dinitroaniline herbicides, similar to trifluralin, oryzaline and pendimethalin.

Другим химическим классом гербицидов, к которому применимо изобретение, являются гербициды, действующие при биосинтезе аминокислот, такие как третичноаминометилфосфоновые кислоты хлорсульфурон, глуфозин и глифозат.Another chemical class of herbicides to which the invention is applicable are herbicides active in the biosynthesis of amino acids, such as tertiary aminomethylphosphonic acids, chlorosulfuron, glufosin and glyphosate.

Другим классом гербицидов являются гербициды, ингибирующие ацетолактатсинтазу (ALS), подобные сульфонилмочевинам, имидазолинонам, триазолопиримидинам и пиримидинилтиобензоатам, такие как хлорсульфурон, имазафир, флуметцулам (и другие, перечисленные в главе 4, табл.1, в книге ″Herbicide Resistance in Plants″, 1994, цитированной ниже).Another class of herbicides is acetolactate synthase (ALS) inhibiting herbicides like sulfonylureas, imidazolinones, triazolopyrimidines and pyrimidinylthiobenzoates, such as chlorosulfuron, imazafir, flumettsulam (and others listed in Section 1, Table 1, Table 1, Resistance 1994, cited below).

Примерами гербицидов-сульфонилмочевин являются сульфометурон-метил (активный ингредиент Oust™) и хлорсульфурон (активный ингредиент Glean™). Один из имидазолинонов имазапир является активным ингредиентом гербицида Арсенал™ компании American Cyan-amid, a имазаметабенз представляет собой смесь двух имидазолинонов (Merk Index, 11th Ed. 4825). Мутированные формы ALS, локализованной в структурных генах ALS ilvG и ILV2, можно использовать для придания устойчивости к гербицидам с использованием универсального вектора.Examples of sulfonylurea herbicides are sulfometuron methyl (active ingredient Oust ™) and chlorosulfuron (active ingredient Glean ™). One of the imidazolinones imazapyr is an active ingredient in the American Cyan-amid Arsenal ™ herbicide, and imazametabenz is a mixture of two imidazolinones (Merk Index, 11th Ed. 4825). Mutated forms of ALS localized in the ALS ilvG and ILV2 structural genes can be used to confer herbicide resistance using a universal vector.

Несмотря на химические различия между имидазолинонами и сульфонилмочевинами, эти вещества ингибируют один и тот же фермент ALS. Оказывается, что хиноны и имидазолиноновый гербицид конкурируют с сульфонилмочевинным гербицидом за общий центр на ALS. Соответственно согласно изобретению растения можно трансформировать таким образом, что они будут обладать устойчивостью к обеим группам тех и других гербицидов.Despite the chemical differences between imidazolinones and sulfonylureas, these substances inhibit the same ALS enzyme. It turns out that quinones and an imidazolinone herbicide compete with a sulfonylurea herbicide for a common center on ALS. Accordingly, according to the invention, plants can be transformed in such a way that they will be resistant to both groups of those and other herbicides.

Типичным представителем другой группы химикатов, поддающихся контролю с помощью изобретения с использованием универсального вектора и обладающих гербицидной активностью, является L-фосфино-трицин, который является компонентом трипептида ″биалафоса″. Этот трипептид продается под торговым названием ″Гербиас™″ компанией Meiji Seika, Япония, и как ″Баста™″ Hoechst AG, Германия. L-Фос-финотрицин является сильным ингибитором глутаминсинтетазы, вызывающим быстрое возрастание концентрации аммиака в растениях, и ведет к гибели растительной клетки.A typical representative of another group of chemicals that can be controlled by the invention using a universal vector and having herbicidal activity is L-phosphino-tricin, which is a component of the bialaphos tripeptide. This tripeptide is sold under the trade name ″ Herbias ™ ″ by Meiji Seika, Japan, and as ″ Basta ™ ″ Hoechst AG, Germany. L-Phosphinotricin is a potent inhibitor of glutamine synthetase, causing a rapid increase in the concentration of ammonia in plants, and leads to the death of plant cells.

Несмотря на широкие исследования, удовлетворительный продукт для придания растениям толерантности к гербицидам посредством трансформации хлоропластов, не разработан. В случае с гербицидом типа глифозата сообщается, что регенерированные трансформированные в ядрах трансгенные растения демонстрируют толерантность к глифозату, но также демонстрируют ухудшение роста и не приводят к трансгенным растениям с высоким уровнем толерантности к глифозату (Shultz, et al., 1990).Despite extensive research, a satisfactory product to give plants tolerance to herbicides through the transformation of chloroplasts has not been developed. In the case of a glyphosate-type herbicide, regenerated transgenic plants transformed in the nucleus show glyphosate tolerance, but also show growth degradation and do not lead to transgenic plants with a high level of glyphosate tolerance (Shultz, et al., 1990).

Хлоропластовые трансформанты.Chloroplast transformants.

В соответствии с изобретением, хлоропласт растений-мишеней, чувствительных к гербицидам, трансформируют вектором изобретения, несущим необходимую кодирующую последовательность, причем посредством этого придается устойчивость к гербицидам. Трансформированный хлоропласт содержит геном, несущий чужеродный трансген, придающий устойчивость к гербицидам. Хлоропласт может представлять собой зрелый хлоропласт или может являться незрелым хлоропластом, таким как этиопласт. Предпочтительно ген, придающий устойчивость к гербицидам, кодирует EPSP-синтазу, которая связывается менее охотно (имеет пониженную аффинность) с глифозатом, чем EPSP-синтаза дикого типа. Если присутствует другой трансген, это, как правило, ген, придающий растению устойчивость к антибиотикам. Таким образом, устойчивость к гербицидам можно использовать в качестве маркера для летального отбора в случае трансформации хлоропластов посредством отбора трансформантов при воздействии среды с летальной концентрацией выбранного гербицида, в которой трансформанты будут выживать.In accordance with the invention, the chloroplast of herbicide-sensitive target plants is transformed with a vector of the invention bearing the desired coding sequence, whereby resistance to herbicides is imparted. The transformed chloroplast contains a genome that carries a foreign transgene that confers resistance to herbicides. The chloroplast may be a mature chloroplast or may be an immature chloroplast, such as an etioplast. Preferably, the herbicide resistance gene encodes an EPSP synthase that binds less readily (has reduced affinity) to glyphosate than wild-type EPSP synthase. If another transgene is present, it is usually a gene that gives the plant resistance to antibiotics. Thus, herbicide resistance can be used as a marker for lethal selection in the case of chloroplast transformation by selecting transformants when exposed to a medium with a lethal concentration of the selected herbicide in which the transformants will survive.

Источник второго гена может быть прокариотным (например, бактериальным) или эукариотным (например, растением).The source of the second gene may be prokaryotic (e.g., bacterial) or eukaryotic (e.g., plant).

Изобретение также относится к получению растения, устойчивого к нескольким гербицидам, являются ли они гербицидами одного и того же класса или гербицидами разных классов, и трансформированного растения, устойчивого ко многим гербицидам.The invention also relates to the preparation of a plant resistant to several herbicides, whether they are herbicides of the same class or herbicides of different classes, and a transformed plant resistant to many herbicides.

Известно, что некоторые виды растений выработали естественную и временную толерантность к некоторым типам гербицидов. Положения данного изобретения легко применимы и к ним.It is known that some plant species have developed a natural and temporary tolerance to certain types of herbicides. The provisions of this invention are easily applicable to them.

Изобретение относится к способу получения устойчивого к гербицидам растения, включающему трансформацию хлоропласта растения посредством введения одного или нескольких чужеродных трансгенов, кодирующих белок, придающий устойчивость к гербицидам, в геном хлоропласта растения. Предпочтительно трансген кодирует мутантную форму фермента, обладающего пониженной по сравнению с встречающимся в природе ферментом аффинностью к данному гербициду.The invention relates to a method for producing a herbicide-resistant plant, comprising transforming a plant chloroplast by introducing one or more foreign transgenes encoding a herbicidal resistance protein into the plant chloroplast genome. Preferably, the transgene encodes a mutant form of an enzyme having a lower affinity for this herbicide compared to a naturally occurring enzyme.

В приведенной далее таблице I перечисляются разные типы детерминанты устойчивости (химические вещества или ″молекулы″), ингибирующие или придающие устойчивость, и типичные гербициды, соответствующие им.Table I below lists the different types of resistance determinants (chemicals or ″ molecules ″) that inhibit or confer resistance, and typical herbicides corresponding to them.

Figure 00000002
Figure 00000002

Всесторонней обзор, касающийся устойчивости растений к гербицидам, см. в книгах ″Herbicide Resistance Crops, Agricultural, Environmental, Economic, Regulatory and Technical Aspects″, 1996, CRC Press, Inc., Editor, Stephen O. Duke, и ″Herbicide Resistance in Plants, Biology and Biochemistry″, 1994, CRC, Press, Edited by Stephen B. Powels and Joseph A.M. Hoi turn. В первой из этих указанных книг особый интерес вызывает глава 3, посвященная методам получения устойчивых культур (и многочисленные цитированные в ней ссылки), как предпосылка создания изобретения. Обе книги включены в настоящее описание в качестве ссылок.For a comprehensive review of plant resistance to herbicides, see ″ Herbicide Resistance Crops, Agricultural, Environmental, Economic, Regulatory and Technical Aspects ″, 1996, CRC Press, Inc., Editor, Stephen O. Duke, and ″ Herbicide Resistance in Plants, Biology and Biochemistry ″, 1994, CRC, Press, Edited by Stephen B. Powels and Joseph AM Hoi turn. In the first of these books, of particular interest is Chapter 3, devoted to methods for producing sustainable crops (and the numerous references cited in it), as a prerequisite for the creation of the invention. Both books are incorporated herein by reference.

В соответствии с изобретением также обнаружено, что в процессе экспрессии намеченного признака трансформированным растением может быть экспрессирован другой признак, который может являться очень нужным, даже может оказаться более нужным, чем первоначально намеченный признак. В такой ситуации в растениях можно допускать экспрессию и производить отбор на основании этого другого признака.In accordance with the invention, it was also found that in the process of expressing the intended trait, the transformed plant may express another trait that may be very necessary, may even be more necessary than the originally intended trait. In such a situation, expression can be allowed in plants and selection based on this other trait.

В дальнейшем изобретение описывается с помощью примеров, не являющихся ограничительными.The invention is further described by way of non-limiting examples.

Пример 1Example 1

Универсальные хлоропластовые интеграционные и экспрессионные векторыUniversal chloroplast integration and expression vectors

Табак. Являющиеся примерами универсальные хлоропластовые векторы создают посредством вырезания сначала фрагмента ДНК хлоропласта табака BamHI (130656-140992), содержащего гены rRNA 16S и 23S, и субклонирования его в обычную доступную бактериальную плазмиду pUC19. Карта хлоропластового генома табака приводится на фигуре 1. Находящийся в этом фрагменте фрагмент HindIII-EcoRI в 2,1 кб, содержащий универсальную пограничную последовательность, содержащую гены trnI и trnA (фигура 5А), в том числе спейсерную область между этими генами, субклонируют в плазмиду pUC19 в сайте PvuII (фигура 5Б). Полученную плазмиду обозначают pSBL-Ct Bor (фигура 5В).Tobacco. Exemplary universal chloroplast vectors are created by first cutting out the BamHI tobacco chloroplast DNA fragment (130656-140992) containing the rRNA 16S and 23S genes and subcloning it into the usual available bacterial plasmid pUC19. A map of the chloroplast genome of tobacco is shown in Figure 1. The 2.1 kb HindIII-EcoRI fragment in this fragment containing the universal border sequence containing the trnI and trnA genes (Figure 5A), including the spacer region between these genes, is subcloned into the plasmid pUC19 at the PvuII site (Figure 5B). The resulting plasmid is designated pSBL-Ct Bor (Figure 5B).

Вектор pSBL-RD-EPSPS (фигура 2Б) содержит мутантный ген EPSP-синтазы, кодирующий фермент EPSP-синтазу. Глифозат активный ингредиент гербицида ROUNDUP™, Monsanto, связывается с белком EPSP-синтазой и блокирует синтез незаменимых аминокислот, что приводит к гибели растения. EPSP-синтаза, кодированная мутантным геном, не связывает глифозат и, таким образом, придает культурным растениям устойчивость к гербициду.The pSBL-RD-EPSPS vector (Figure 2B) contains a mutant EPSP synthase gene encoding an EPSP synthase enzyme. Glyphosate The active ingredient in the ROUNDUP ™ herbicide, Monsanto, binds to the EPSP synthase protein and blocks the synthesis of essential amino acids, resulting in plant death. The EPSP synthase encoded by the mutant gene does not bind glyphosate and thus gives the crop plants resistance to the herbicide.

Другие гены, такие как гены, придающие устойчивость к вредным факторам окружающей среды, такую как соле- и засухоустойчивость (гены осмотолерантности, такие как бетаинальдегид-дегидрогеназа (BADH), для избыточного продуцирования глицинбетаина), или термотолерантность (гены, кодирующие белки теплового шока), или белки устойчивости к холодовому шоку или устойчивости к патогенам, такие как антимикробные (литические пептиды, хитиназа) или противовирусные (белки оболочки), можно ввести по отдельности или в неконфликтных сочетаниях в универсальный вектор для хлоропластов или в различные кассеты одного и того же универсального вектора для хлоропластов, для трансформации растения-мишени в растение с нужным признаком.Other genes, such as genes that confer resistance to environmental hazards, such as salt and drought tolerance (osmotolerance genes such as betainaldehyde dehydrogenase (BADH), for excessive glycine betaine production), or thermal tolerance (genes encoding heat shock proteins) , or cold shock resistance or pathogen resistance proteins, such as antimicrobial (lytic peptides, chitinase) or antiviral (envelope proteins), can be administered individually or in non-conflict combinations in a universal a vector for chloroplasts or in different cassettes of the same universal vector for chloroplasts, for transforming the target plant into a plant with the desired trait.

Конструктирование универсального хлоропластового интеграционного вектора, содержащего синтетическую область спейсер 2Design of a universal chloroplast integration vector containing a synthetic spacer region 2

Универсальный вектор для хлоропластов, содержащий только область спейсер 2 хлоропластового генома табака, конструктируют посредством сначала субклонирования синтетического олигонуклеотида, содержащего область спейсер 2, в бактериальную плазмиду pUC19. Синтезируют плюс и минус цепи спейсерной последовательности в 64 пар оснований, где последовательность плюс цепи выглядит следующим образом:A universal vector for chloroplasts containing only the spacer region 2 of the tobacco chloroplast genome is constructed by first subcloning a synthetic oligonucleotide containing the spacer region 2 into the bacterial plasmid pUC19. Synthesize the plus and minus chains of the spacer sequence in 64 base pairs, where the sequence of the plus chain is as follows:

5′-GCTGCGCCAGGGAAAAGAATAGAAGAAGCATCTGACTACTTCATGCATGCTCCACTTGGCTCGG-3′.5′-GCTGCGCCAGGGAAAAGAATAGAAGAAGCATCTGACTACTTCATGCATGCTCCACTTGGCTCGG-3 ′.

Синтетические фрагменты смешивают и отжигают, а затем лигируют в pUC19 в сайте PvuII (фигура 5Б). Встраивание соответствующего гена селектируемого маркера и гомологичного гена осуществляют так, как описано выше для pSBL-CtBor (фигура 5В).Synthetic fragments are mixed and annealed, and then ligated into pUC19 at the PvuII site (Figure 5B). The insertion of the corresponding selectable marker gene and the homologous gene is carried out as described above for pSBL-CtBor (Figure 5B).

Для того чтобы получить более длинную последовательность, включающую гены tRNAIle и tRNAAla, используют ту же методологию.In order to obtain a longer sequence including the tRNA Ile and tRNA Ala genes, the same methodology is used.

Трансформация различных растенийTransformation of various plants

Пример 2Example 2

Трансформация хлоропластов табака.Transformation of tobacco chloroplasts.

В этом примере описывается классическая схема трансформации хлоропласта табака, для которой можно использовать любой вектор. Два таких вектора идентифицированы ниже. Все новые векторы для хлоропластов сначала проверяют на табаке, как описано в Daniell (1997). Растения табака (Nicotiana tabacum, сорт Petit Havana) выращивают асептически посредством проращивания семян на среде MSO, содержащей соли MS (4,3 г/л), смесь с витамином В5 (миоинозит, 100 мг/л; тиамин-НСl, 10 мг/л; никотиновая кислота, 1 мг/л; пиридоксин-HCl, 1 мг/л), сахарозу (30 г/л) и фитагар (6 г/л), при рН 5,8. Для бомбардировки отбирают полностью распустившиеся листья растений в возрасте примерно двух месяцев.This example describes a classic tobacco chloroplast transformation scheme for which any vector can be used. Two such vectors are identified below. All new vectors for chloroplasts are first tested on tobacco, as described in Daniell (1997). Tobacco plants (Nicotiana tabacum, cultivar Petit Havana) are grown aseptically by seed germination on MSO medium containing MS salts (4.3 g / l), a mixture with vitamin B5 (myoinositol, 100 mg / l; thiamine-Hcl, 10 mg / l; nicotinic acid, 1 mg / l; pyridoxine-HCl, 1 mg / l), sucrose (30 g / l) and phytagar (6 g / l), at pH 5.8. For the bombardment, fully bloomed leaves of plants at the age of about two months are selected.

Листья для бомбардировки помещают абаксиальной стороной на фильтровальную бумагу Whatman №1, лежащую на среде RMOP* в стандартных чашках Петри (100×15 мм). На микрочастицы вольфрама (1 мкм) или золота (0,6 мкм) наносят нужную плазмидную ДНК (например, pSBL-RD-EPSPS или pZS-RD-EPSPS), и осуществляют бомбардировку с помощью biolistic устройства PDS1000/He (Bio-Rad), как описано в Daniell, 1997. После бомбардировки чашки Петри заклеивают парафильмом и инкубируют при 24°С при 12-часовом световом периоде. Через двое суток после бомбардировки листья разрезают на небольшие кусочки размером примерно 5 мм2 и помещают на среду для летального отбора (RМОР, содержащая селектируемый маркер, такой как примерно 500 мкг/мл дигидрохлорида спетиномицина), в глубокие (100×25 мм) чашки Петри (примерно 10 кусочков на чашку) таким образом, что абаксиальная сторона прикасается к среде. Отделенные от погибших побегов регенерированные устойчивые к спектиномицину побеги разрезают на небольшие кусочки (примерно 2 мм2) и субклонируют в чистые глубокие чашки Петри (примерно 5 кусочков на чашку), содержащие ту же среду для летального отбора. Устойчивые побеги второго цикла культивирования переносят в среду для роста (среда MSO с добавлением IBA, 1 мкг/л, и соответствующего антибиотика, например 500 мкг/мл дигидрохлорида спектиномицина). Пустившие корни растения переносят в почву и выращивают при 26°С в условиях непрерывного освещения для последующего анализа.The leaves for the bombardment are placed abaxially on Whatman No. 1 filter paper lying on RMOP * medium in standard Petri dishes (100 × 15 mm). The desired plasmid DNA (for example, pSBL-RD-EPSPS or pZS-RD-EPSPS) is applied to tungsten (1 μm) or gold (0.6 μm) microparticles and bombardment is carried out using a PDS1000 / He biolistic device (Bio-Rad) as described in Daniell, 1997. After the bombardment, Petri dishes were sealed with parafilm and incubated at 24 ° C. under a 12-hour light period. Two days after the bombardment, the leaves are cut into small pieces of approximately 5 mm 2 and placed on a medium for lethal selection (RMOP containing a selectable marker, such as about 500 μg / ml spetinomycin dihydrochloride), in deep (100 × 25 mm) Petri dishes (approximately 10 pieces per cup) so that the abaxial side touches the medium. Separated from dead shoots, regenerated spectinomycin-resistant shoots are cut into small pieces (about 2 mm 2 ) and subcloned into clean deep Petri dishes (about 5 pieces per cup) containing the same lethal selection medium. Resistant shoots of the second culture cycle are transferred to growth medium (MSO medium supplemented with IBA, 1 μg / L, and an appropriate antibiotic, for example 500 μg / ml spectinomycin dihydrochloride). The plants that have taken root are transferred to the soil and grown at 26 ° C under continuous light for subsequent analysis.

После переноса в среду для летального отбора эксплантаты постепенно бледнеют, а примерно через 3-8 недель из подвергшейся бомбардировке стороны 0 листа развиваются зеленые каллюсы и побеги. Устойчивые побеги из каждого каллюса рассматривают как клон.After transfer to the lethal selection medium, the explants gradually turn pale, and after about 3-8 weeks, green calluses and shoots develop from the bombarded side of the 0 leaf. Sustainable shoots from each callus are considered as a clone.

Скрининг методом PCR хлоропластовых трансформантов после первого цикла культивирования показал, что в 12 из 20 устойчивых клонов чужеродные гены, подобные гену aadA, связанные с геном EG121, интегрированы в хлоропластовый геном. Эти 12 клонов передают на следующие стадии регенерации. Весь процесс регенерации, начиная от бомбардировки и до переноса в почву, занимает примерно 3-5 месяцев.PCR screening of chloroplast transformants after the first cultivation cycle showed that in 12 of the 20 resistant clones, foreign genes like the aadA gene linked to the EG121 gene were integrated into the chloroplast gene. These 12 clones are passed on to the next stages of regeneration. The entire regeneration process, from bombardment to transfer to soil, takes about 3-5 months.

Фигура 9 показывает трансформированные и нетрансформированные пластиды табака, растущие в присутствии спектиномицина, что указывает на нелетальный отбор на данной среде (500 мкг/мл).Figure 9 shows transformed and non-transformed tobacco plastids growing in the presence of spectinomycin, which indicates non-lethal selection on this medium (500 μg / ml).

Пример 3Example 3

Трансформация хлоропластов кукурузы.Transformation of corn chloroplasts.

Поверхностная стерилизация и проращивание семян кукурузы. Семена кукурузы подвергают поверхностной стерилизации в растворе, содержащем 20% (о/о) промышленного отбеливателя и 0,5% SDS, в течение 15 мин в условиях встряхивания, затем последовательно четыре-пять раз промывают в стерильной дважды дистиллированной воде (sddw). Жидкую среду для проращивания (модифицированная CGS), содержащую соли MS (4,3 г/л), сахарозу (30 г/л), DM-витамины (1,0 г/л тиамина-НСl, 0,5 мг/л никотиновой кислоты, 0,5 мг/л пиридоксина-НСl и 100 мг/л миоинозита) и ВА (2,0 мг/л) при рН 5,8 распределяют в камере Magenta™ (45 мл), содержащей восемь слоев суровой марли, и затем автоклавируют. В модифицированную среду CGS помещают семена (25 семян любого генотипа на камеру) и культивируют в течение трех суток (16 ч непрерывного освещения; 25°С) для проращивания. Из трехдневных растений асептически иссекают узловые срезы. Узловое сечение выглядит как четкое разграничение на развивающемся проростке и представляет седьмой узел (фигура 10А). Иссеченные узловые срезы имеют в длину приблизительно 1,2-1,5 мм (фигура 10Б).Surface sterilization and germination of corn seeds. Corn seeds are subjected to surface sterilization in a solution containing 20% (v / v) industrial bleach and 0.5% SDS for 15 minutes under shaking conditions, then washed four to five times in succession in sterile double-distilled water (sddw). Germination fluid (modified with CGS) containing MS salts (4.3 g / l), sucrose (30 g / l), DM vitamins (1.0 g / l thiamine-Hcl, 0.5 mg / l nicotinic acids, 0.5 mg / L pyridoxine-Hcl and 100 mg / L myoinositol) and BA (2.0 mg / L) at pH 5.8 are dispensed in a Magenta ™ chamber (45 ml) containing eight layers of hard gauze, and then autoclave. Seeds (25 seeds of any genotype per chamber) are placed in a modified CGS medium and cultivated for three days (16 hours of continuous illumination; 25 ° C) for germination. Nodal sections are aseptically excised from three-day plants. The nodal section looks like a clear demarcation on a developing seedling and represents the seventh node (Figure 10A). Excised nodal sections are approximately 1.2-1.5 mm long (Figure 10B).

Фигуры 10А-Ж показывают трансформацию пластиды кукурузы и схему регенерации. А) Трехдневный проросток кукурузы; стрелки и линия показывают седьмой узел для иссечения эксплантата; Б) узловые поперечные срезы до бомбардировки; стрелки показывают край одного среза; В) GUS-положительный узловой срез (трансформация ядра); гистохимический анализ проведен через три дня после бомбардировки; Г) индукция многочисленных побегов из одного узлового среза (контроль) после восьми недель культивирования; Д) контрольный побег на среде для элонгации через три недели; Е) укоренившийся контрольный проросток; Ж) отбор кукурузы, трансформированной в пластидах, в жидкой среде, содержащей спектиномицин и стрептомицин, в течение восьми недель.Figures 10A-G show the transformation of corn plastids and a regeneration scheme. A) Three-day seedlings of corn; arrows and line show the seventh node for excision of the explant; B) nodal cross sections before the bombing; arrows indicate the edge of one slice; C) GUS-positive nodal section (core transformation); histochemical analysis performed three days after the bombardment; D) the induction of numerous shoots from one nodal cut (control) after eight weeks of cultivation; D) a control shoot on the medium for elongation after three weeks; E) rooted control seedling; G) selection of corn transformed in plastids in a liquid medium containing spectinomycin and streptomycin for eight weeks.

Индукция многочисленных побегов. Эксплантаты узловых срезов помещают на среду для индукции побегов кукурузы (CSI; соли MS, сахароза и DM-витамины, как указано выше, ВА (2,0 мг/л), СРА (0,25 мг/л) и фитагар (8 г/л) при рН 5,8) акропетальным концом вверх и помещают в условия для культивирования, указанные ранее. Во всех средах за исключением модифицированной CSG и RG1 (рис), PGR и антибиотики стерилизуют фильтрацией и добавляют после автоклавирования. Ткани субкультивируют каждые две недели на свежую среду CSI для образования многочисленных побегов (фигура 10Е). Придаточные побеги отделяют от группы побегов через восемь недель культивирования и проводят элонгацию на полутвердой среде на основе MS, содержащей сахарозу, DM-витамины, глицин (10 мг/л) и аспарагин (150 мг/л), при рН 5,8 в течение трех недель (фигура 10Д). Ростки пускают корни (фигура 10Е) на той же среде, содержащей IBA (0,5 мг/л). Ростки с корнями для достижения более быстрого роста можно выращивать на жидкой среде MS без PGR в пробирках (150×25 мм), содержащих суровую марлю в качестве удерживающего материала. Регенерированные ростки пересаживают в среду для выращивания в горшках, дают акклиматизироваться и затем выращивают до зрелого состояния в теплице.Induction of numerous shoots. Nodal section explants are placed on corn shoot induction medium (CSI; MS salts, sucrose and DM vitamins as described above, BA (2.0 mg / L), CPA (0.25 mg / L) and phytagar (8 g / l) at pH 5.8) with an acropetal end up and placed in the conditions for cultivation indicated above. In all media except modified CSG and RG1 (Figure), PGR and antibiotics are sterilized by filtration and added after autoclaving. Tissues are subcultured every two weeks on fresh CSI medium to form numerous shoots (Figure 10E). The subordinate shoots are separated from the shoot group after eight weeks of cultivation and elongated on MS semi-solid medium containing sucrose, DM vitamins, glycine (10 mg / L) and asparagine (150 mg / L), at pH 5.8 over three weeks (Figure 10D). Sprouts take root (Figure 10E) on the same medium containing IBA (0.5 mg / L). Sprouts with roots can be grown on MS liquid without PGR in test tubes (150 × 25 mm) containing harsh gauze as a retaining material to achieve faster growth. The regenerated sprouts are transplanted into the medium for growing in pots, allowed to acclimatize, and then grown to a mature state in the greenhouse.

Фигура 11 показывает пластидную трансформацию кукурузы. Трансформированные растения кукурузы растут нормально (средний побег), в то время как нетрансформированные растения погибают на летальной среде, что подтверждает летальный отбор с помощью антибиотика спектиномицина (1000 мг/мл).Figure 11 shows the plastid transformation of corn. Transformed corn plants grow normally (medium shoot), while non-transformed plants die on a lethal medium, which confirms lethal selection with the help of the spectinomycin antibiotic (1000 mg / ml).

Пример 4Example 4

Трансформация хлоропластов риса.Transformation of rice chloroplasts.

Поверхностная стерилизация семян риса и предварительное культивирование. Вылущенные семена любого генотипа (индийских или японских сортов) подвергают поверхностной стерилизации сначала в 70% этаноле в течение 10 мин в условиях непрерывного встряхивания, затем промывают ddw примерно пять раз. Затем семена погружают в 0,2% (м/о) раствор бенлата на 20 мин, промывают sddw пять раз, затем погружают в 50% отбеливатель на 20 мин, и повторно промывают sddw. Семена предварительно культивируют в среде RG1 (соли MS, сахароза и DM-витамины, как указано выше, ВА (0,2 мг/л) при рН 5,8). Как и в случае кукурузы, жидкую RG1 перед автоклавированием распределяют в камерах Magenta, содержащих суровую марлю. Семена помещают в RG1 (100 семян любого генотипа на камеру) и предварительно культивируют в течение ночи (16-часовое или непрерывное освещение; 23°С) перед бомбардировкой на следующий день.Surface sterilization of rice seeds and pre-cultivation. The husked seeds of any genotype (Indian or Japanese varieties) are subjected to surface sterilization, first in 70% ethanol for 10 minutes under continuous shaking, then washed with ddw about five times. Then the seeds are immersed in a 0.2% (m / v) solution of benlat for 20 minutes, washed with sddw five times, then immersed in 50% bleach for 20 minutes, and washed again with sddw. Seeds were pre-cultured in RG1 medium (MS salts, sucrose and DM vitamins, as described above, BA (0.2 mg / L) at pH 5.8). As with corn, liquid RG1 is dispensed before autoclaving in Magenta chambers containing harsh gauze. Seeds are placed in RG1 (100 seeds of any genotype per chamber) and pre-cultured overnight (16-hour or continuous illumination; 23 ° C) before being bombarded the next day.

Бомбардировка зародышей на интактных семенах риса.Embryo bombardment on intact rice seeds.

Предварительно культивированные семена плотно укладывают вертикально зародышевым концом вверх (фигура 12А) в центральную часть диаметром 2,5 см чашки Петри (25 на чашку), содержащей среду Rg1.1 (RG1 с добавлением 8,0 г/л фитагара), и бомбардируют покрытыми ДНК микрочастицами.Pre-cultivated seeds are tightly laid vertically with the germinal end up (Figure 12A) in the central part with a diameter of 2.5 cm Petri dish (25 per cup) containing Rg1.1 medium (RG1 with the addition of 8.0 g / l phytagar), and bombarded with coated DNA microparticles.

Осаждение ДНК.DNA precipitation.

Методика такая же, какая описана для кукурузы, со следующими изменениями. Используют 10 мкл ДНК (1,0 мкг/мл) и 20 мкл изопропанола (2Х объема ДНК), 60 мкл 2,5 М раствора CaCl2 и 15 мкл 0,1 М раствора спермидина. Каждая доза доставляет 2,0 мкг ДНК и 720 мкг вольфрама.The procedure is the same as described for corn, with the following changes. Use 10 μl of DNA (1.0 μg / ml) and 20 μl of isopropanol (2X DNA volume), 60 μl of a 2.5 M CaCl 2 solution and 15 μl of a 0.1 M spermidine solution. Each dose delivers 2.0 μg of DNA and 720 μg of tungsten.

Фигуры 12 А-Е показывают пластидную трансформацию риса и схему регенерации. А) Семена риса, зародышевым концом вверх, непосредственно перед бомбардировкой; стрелки показывают края зародыша; Б) индукция многочисленных побегов из одного контрольного зародыша после семи недель культивирования; В) отбор побегов риса, трансформированного в пластидах, появляющихся из одного начального зародыша риса, в среде, содержащей спектиномицин и стрептомицин, после восьми недель на селективной среде; стрелки указывают на два предполагаемых трансформанта; Г) контрольные восстановленные растения риса; Д) трансгенные Priscilla 2.3; Е) трансгенные Priscilla 2.4.Figures 12A-E show plastid transformation of rice and regeneration scheme. A) Rice seeds, germinal end up, immediately before the bombing; arrows indicate the edges of the embryo; B) the induction of numerous shoots from one control embryo after seven weeks of cultivation; C) selection of rice shoots transformed in plastids emerging from one initial rice germ in a medium containing spectinomycin and streptomycin after eight weeks on selective medium; arrows indicate two putative transformants; D) control restored rice plants; E) transgenic Priscilla 2.3; E) transgenic Priscilla 2.4.

Индукция многочисленных побегов и отбор пластидных трансформантов после бомбардировки. Семена риса отделяют и высевают на среду RG1.1 (сохраняющую полярность) и после бомбардировки помещают в темноту на двое суток. Затем зародышевый конец семени отсекают (зародыш вместе с небольшим количеством эндосперма) от остальной части эндосперма, которую отбрасывают. Зародыши помещают в 50 мл жидкой среды RG2 (в 250-мл колбу) для индукции многочисленных побегов (фигура 12Б). RG2 содержит соли MS, сахарозу и DM-витамины, как указано выше, и ВА (6,0 мг/л) при рН 5,8. RG2, используемая для отбора, содержит спектиномицин (1000 мкг/мл) с добавлением сульфата стрептомицина (100 мкг/мл). Культуры помещают в ростовую камеру (16-часовой световой период; 25°С) и субкультивируют каждые две недели в свежую среду для отбора. Из группы побегов, появившихся из каждого зародыша, отбирают зеленые побеги и снова помещают в селективную среду (фигура 12В). Появления корней достигают в среде RG3 (соли MS, сахароза и DM-витамины, как указано выше, IBA (0,5 мг/л, при рН 5,8) с добавлением антибиотиков. (Корни могут появиться или по отдельности, или в виде группы корней.) Ростки пересаживают в среду для выращивания в горшках, дают акклиматизироваться, затем снова пересаживают в горшки со смесью глина и песка (1:1) и выращивают до зрелого состояния в теплице (фигуры 12Г, Д, Е).Induction of numerous shoots and selection of plastid transformants after the bombardment. Rice seeds are separated and sown on RG1.1 medium (preserving polarity) and after the bombardment they are placed in the dark for two days. Then the germinal end of the seed is cut off (the germ with a small amount of endosperm) from the rest of the endosperm, which is discarded. The embryos are placed in 50 ml of RG2 liquid medium (in a 250 ml flask) to induce numerous shoots (Figure 12B). RG2 contains MS salts, sucrose and DM vitamins, as described above, and BA (6.0 mg / L) at pH 5.8. The RG2 used for the selection contains spectinomycin (1000 μg / ml) supplemented with streptomycin sulfate (100 μg / ml). The cultures are placed in a growth chamber (16-hour light period; 25 ° C) and subcultured every two weeks in fresh medium for selection. From the group of shoots that emerged from each embryo, green shoots are selected and again placed in a selective medium (Figure 12B). Root appearances are achieved in RG3 medium (MS salts, sucrose and DM vitamins, as described above, IBA (0.5 mg / L, pH 5.8) with the addition of antibiotics. (Roots may appear either individually or as groups of roots.) Sprouts are transplanted into the medium for growing in pots, allowed to acclimatize, then again transplanted into pots with a mixture of clay and sand (1: 1) and grown to a mature state in the greenhouse (figures 12G, D, E).

Разработка схем пластидной трансформации и регенерации для кукурузы и риса.Development of plastid transformation and regeneration schemes for corn and rice.

Как описано выше, разработаны (Rudraswamy, 1997) уникальные схемы трансформации ядер кукурузы и регенерации (фигура 10) и приспособлены к трансформации пластид. (До настоящей работы эксплантаты узловых срезов не использовались для трансформации или регенерации.) Индуцируются многочисленные побеги на узловых срезах, иссеченных из трехдневных проростков 21 генотипа (ни один из них не является родственным А188 или В73), которые включают гибридные (16-зерновые, один сладкий) или инбредные (четыре) генотипы. После восьми недель культивирования генерируются 16-32 (в среднем 24) побега на эксплантат. Стебли укореняют, и восстановленные растения не демонстрируют аберрантные фенотипы при анализах в теплице (исследования ограничивались двумя растениями на генотип). ДНК можно также доставить в эксплантаты узловых срезов всех генотипов (фигура 10В; неустойчивая экспрессия β-глюкуронидазы). Для пластидной трансформации эксплантаты узловых срезов бомбардируют pSBL-ctV2, затем помещают на среду для индукции многочисленных побегов, содержащую спектиномицин и стрептомицин. Появляющиеся побеги можно вырезать и снова поместить на среду для индукции для последующих циклов отбора.As described above, unique schemes for the transformation of corn kernels and regeneration (Figure 10) have been developed (Rudraswamy, 1997) and adapted to transform plastids. (Prior to this work, nodal slices explants were not used for transformation or regeneration.) Numerous shoots are induced on nodal slices excised from three-day-old seedlings of 21 genotypes (none of them are related to A188 or B73), which include hybrid (16-grain, one sweet) or inbred (four) genotypes. After eight weeks of cultivation, 16-32 (average 24) shoots per explant are generated. The stems are rooted, and the restored plants do not show aberrant phenotypes in analyzes in the greenhouse (studies were limited to two plants per genotype). DNA can also be delivered to the explants of nodal sections of all genotypes (Figure 10B; unstable expression of β-glucuronidase). For plastid transformation, nodal section explants bombard pSBL-ctV2, then they are placed on a medium for the induction of numerous shoots containing spectinomycin and streptomycin. Emerging shoots can be cut out and placed again on the medium for induction for subsequent selection cycles.

Как описано выше, уникальные вылущенные интактные зрелые семена-мишени риса, зародышевым концом вверх, не применявшиеся в схемах трансформации, о которых сообщалось ранее, соединяют со схемой индукции многочисленных побегов (фигура 12) для зрелых зародышей (иссеченных через двое суток после бомбардировки). Многочисленные побеги индуцируются на всех восьми испытанных генотипах (Litton и Priscilla - два новых сорта, выведенных в Миссисиппи, плюс шесть выведенных линий). Отмеченная реакция должна быть схожей во многих других сортах, так как исходным эксплантатом является зрелый зародыш. Восстановленные (нетрансформированные) растения сохраняют для сбора семян F1. После пластидной трансформации размножение побегов происходит в присутствии спектиномицина/стрептомицина, и, как в случае с кукурузой, побеги можно подвергать многим циклам отбора из-за пролиферации побегов (неизвестно, являются ли они пазушными или придаточными по происхождению) из основы иссеченных побегов. Укоренение также осуществляют на селективных средах.As described above, the unique husked intact mature rice target seeds, with the germinal end up, not used in the transformation schemes previously reported, are combined with the induction scheme of numerous shoots (Figure 12) for mature embryos (excised two days after the bombardment). Numerous shoots are induced on all eight tested genotypes (Litton and Priscilla - two new varieties bred in the Mississippi, plus six bred lines). The noted reaction should be similar in many other varieties, since the initial explant is a mature embryo. Recovered (non-transformed) plants are stored to collect F1 seeds. After plastid transformation, the propagation of shoots occurs in the presence of spectinomycin / streptomycin, and, as in the case of corn, shoots can be subjected to many selection cycles due to the proliferation of shoots (it is not known whether they are axillary or accessory by origin) from the base of excised shoots. Rooting is also carried out on selective media.

Фигуры 13А-Б показывают анализ методом PCR ДНК, выделенной из листьев первой генерации трансформантов риса. Продукты PCR не столь обильны, как наблюдается в хлоропластовых трансгенных растениях табака (фигура 13А, полоса 11, фигура 13Б, полоса 12). Это может происходить по двум причинам. Схема, используемая для выделения ДНК, не подходит для крупных листьев риса, или праймеры, созданные для табака, не ренатурируют так же хорошо с ct ДНК риса. Тем не менее, для предварительного анализа используют праймеры табака, чтобы проверить интеграцию гена aadA в геном растения из универсального вектора. Отсутствие продукта может указывать на спонтанные мутанты, способные расти на спектиномицине без гена aadA (фигура 13А, полосы 7-10). Продукт PCR в 1,57 кб обнаруживают в четырех линиях (фигура 13А, полосы 2-6), трансформированных универсальным вектором. В используемых условиях отбора обнаружено четыре мутанта из десяти линий, трансформированных универсальным вектором. Создают также праймеры для специфической идентификации интеграции в пластидный геном. В случае универсального вектора праймер на нативный хлоропластовый геном помещают в ген 16S rRNA вне фланкирующей последовательности хлоропластового вектора (продукт PCR в 1,60 кб). Ожидаемые продукты наблюдают в случае трансгенных линий, полученных с использованием универсального вектора (фигура 13Б, полосы 5, 6). Как и ожидалось, в растениях, не подвергавшихся бомбардировке (контроль), продукты PCR не обнаружены (фигура 13Б, полоса 2; фигура 13А, полоса 1). Результаты PCR выявляют два растения риса ′Priscilla′ (2.3 и 2.4), содержащих трансформированные пластиды (фигуры 12 и 13).Figures 13A-B show a PCR analysis of DNA isolated from leaves of the first generation of rice transformants. PCR products are not as abundant as observed in chloroplast transgenic tobacco plants (Figure 13A, lane 11, Figure 13B, lane 12). There are two reasons for this. The scheme used to isolate DNA is not suitable for large rice leaves, or primers designed for tobacco do not renature just as well with ct of rice DNA. However, tobacco primers are used for preliminary analysis to verify the integration of the aadA gene into the plant genome from a universal vector. The lack of product may indicate spontaneous mutants capable of growing on spectinomycin without the aadA gene (Figure 13A, lanes 7-10). A 1.57 kb PCR product was detected in four lines (Figure 13A, lanes 2-6) transformed with a universal vector. Under the selection conditions used, four mutants from ten lines transformed by a universal vector were found. Primers are also created to specifically identify integration into the plastid genome. In the case of a universal vector, the primer on the native chloroplast genome is placed in the 16S rRNA gene outside the flanking sequence of the chloroplast vector (1.60 kb PCR product). The expected products are observed in the case of transgenic lines obtained using a universal vector (Figure 13B, lanes 5, 6). As expected, no PCR products were detected in plants not subjected to bombardment (control) (Figure 13B, lane 2; Figure 13A, lane 1). PCR results reveal two 'Priscilla' rice plants (2.3 and 2.4) containing transformed plastids (figures 12 and 13).

Пример 5Example 5

Трансформация хлоропластов арахиса (Arachis hypogaea)Transformation of Peanut Chloroplasts (Arachis hypogaea)

Трансгенный арахис с трансформированными хлоропластовыми геномами получают с использованием универсального вектора pSBL-CG-CtV2 (фигура 7А). Ткань арахиса выращивают при культивировании в соответствии со схемой, описанной Kanyand et al., 1994. Условия бомбардировки такие же, как в случае трансформации хлоропластов табака, описанной выше, за исключением того, что для бомбардировки используют срезы эпикотиля несмотря на использование разрывных дисков переменного давления. О трансформации хлоропластов арахиса ранее никогда не сообщалось.Transgenic peanuts with transformed chloroplast genomes are prepared using the universal vector pSBL-CG-CtV2 (Figure 7A). Peanut tissue is grown under cultivation in accordance with the scheme described by Kanyand et al., 1994. The bombardment conditions are the same as in the case of the transformation of tobacco chloroplasts described above, except that slices of epicotyl are used for bombardment despite the use of variable pressure bursting discs . The transformation of peanut chloroplasts has never been reported before.

Фигура 14 показывает пластидную трансформацию арахиса. Трансформированные растения арахиса растут нормально (в середине и на левой стороне фигуры), в то время как нетрансформированные растения погибают на летальной среде (500 мкг/мл).Figure 14 shows the plastid transformation of peanuts. Transformed peanut plants grow normally (in the middle and on the left side of the figure), while non-transformed plants die on a lethal medium (500 μg / ml).

Пример 6Example 6

Трансформация хлоропластов сои.Transformation of soy chloroplasts.

Трансгенную сою, содержащую трансформированные хлоропластовые геномы, получают с использованием универсального вектора pSBL-CG-CtV2 (фигура 7А). Условия бомбардировки такие же, как при трансформации хлоропластов табака. О трансформации хлоропластов сои ранее никогда не сообщалось.Transgenic soybeans containing transformed chloroplast genomes are prepared using the universal vector pSBL-CG-CtV2 (Figure 7A). The bombardment conditions are the same as in the transformation of tobacco chloroplasts. Transformation of soy chloroplasts has never been reported before.

Фигура 15 показывает пластидную трансформацию сои. Два трансформированных растения демонстрируют побеги, другое растение погибает на летальной среде, подтверждая летальный отбор при помощи антибиотика спектиномицина (500 мкг/мл).Figure 15 shows the plastid transformation of soy. Two transformed plants show shoots, another plant dies on a lethal medium, confirming lethal selection with the help of the spectinomycin antibiotic (500 μg / ml).

Пример 7Example 7

Трансформация хлоропластов сладкого картофеля.Transformation of sweet potato chloroplasts.

Трансгенные растения сладкого картофеля, содержащие трансформированные хлоропластовые геномы, получают с использованием универсального вектора pSBL-CG-CtV2 (фигура 7А). Ткань сладкого картофеля выращивают при культивировании в соответствии со схемой, описанной Zhang et al., 1996. Условия бомбардировки такие же, как при трансформации хлоропластов табака, описанной выше, за исключением того, что бомбардируют каллюсы и первичные зародыши и после бомбардировки переносят их в чашки, содержащие 100 мг/мл спектиномицина. О трансформации хлоропластов сладкого картофеля ранее никогда не сообщалось.Transgenic sweet potato plants containing transformed chloroplast genomes are prepared using the universal vector pSBL-CG-CtV2 (Figure 7A). The sweet potato tissue is grown during cultivation in accordance with the scheme described by Zhang et al., 1996. The conditions for bombardment are the same as for the transformation of tobacco chloroplasts described above, except that calluses and primary embryos are bombarded and transferred to cups after bombardment containing 100 mg / ml spectinomycin. Transformation of sweet potato chloroplasts has never been reported.

Фигура 16 показывает трансформацию зародышей сладкого картофеля на летальной селективной среде с антибиотиком спектиномицином (500 мкг/мл). Отмечаются обесцвеченные каллюсы (справа) и зеленые зародыши (слева).Figure 16 shows the transformation of sweet potato embryos on a lethal selective medium with spectinomycin antibiotic (500 μg / ml). Bleached calluses (right) and green buds (left) are noted.

Пример 8Example 8

Трансформация хлоропластов винограда.Transformation of grape chloroplasts.

Трансгенные растения винограда, содержащие трансформированные хлоропластовые геномы, получают с использованием того же универсального вектора pSBL-CG-CtV2. Ткань винограда выращивают при культивировании в соответствии со схемой Hebert et al., 1993. Все схемы трансформации хлоропласта такие же, как в случае табака, за исключением того, что для бомбардировки используют клетки в экспоненциальной фазе роста примерно через 4 суток после субклонирования. О трансформации хлоропластов винограда ранее никогда не сообщалось.Transgenic grape plants containing transformed chloroplast genomes are prepared using the same universal vector pSBL-CG-CtV2. The grape tissue is grown during cultivation in accordance with the scheme of Hebert et al., 1993. All chloroplast transformation schemes are the same as in the case of tobacco, except that cells are used for bombardment in the exponential growth phase approximately 4 days after subcloning. The transformation of grape chloroplasts has never been reported before.

Фигура 17 показывает трансформацию клеток винограда. Трансформированные клетки культуры становятся зелеными, в то время как нетрансформированные погибают в летальной селективной среде с антибиотиком спектиномицином (500 мкг/мл).Figure 17 shows the transformation of grape cells. Transformed culture cells turn green, while non-transformed cells die in a lethal selective medium with the spectinomycin antibiotic (500 μg / ml).

Пример 9Example 9

Трансформация других растений.Transformation of other plants.

Трансформация растений с помощью бомбардировки микрочастицами является выгодным методом введения в растения-мишени универсального вектора, несущего нужную нуклеотидную последовательность, кодирующую молекулу, представляющую интерес. Характерные примеры трансгенных растений, полученных посредством бомбардировки микрочастицами, приведены в табл. II.Microparticle bombardment of plants is an advantageous method of introducing a universal vector into target plants that carries the desired nucleotide sequence encoding a molecule of interest. Typical examples of transgenic plants obtained by microparticle bombardment are shown in table. II.

Figure 00000003
Figure 00000003

Трансформация растений с использованием генной пушки описана Daniell, 1997. У каждой культуры, о которой сообщается, что ее можно трансформировать в ядро с помощью бомбардировки микрочастицами, согласно данной таблице, может быть свой хлоропластовый геном, трансформированный с использованием универсального вектора, описанного здесь.The transformation of plants using a gene gun is described by Daniell, 1997. Each culture reported that it can be transformed into a nucleus by microparticle bombardment, according to this table, can have its own chloroplast genome transformed using the universal vector described here.

Пример 10Example 10

Экспрессия нерастительных продуктовExpression of non-plant products

Приведенные далее примеры иллюстрируют экспрессию разлагаемых микроорганизмами биополимеров на основе белков (РВР) и анализ трансформантов.The following examples illustrate the expression of microbial degradable protein-based biopolymers (PBPs) and analysis of transformants.

Вектор pSBL-CG-EG121.Vector pSBL-CG-EG121.

Вектор pSBL-CG-EG121 (фигура ЗА) содержит ген (GVGVP)121мер (названный EG121), который кодирует разлагаемый микроорганизмами биополимер на основе белка (РВР), имеющий многочисленные медицинские и немедицинские применения.The pSBL-CG-EG121 vector (FIG. 3A) contains a 121mer gene (GVGVP) 121 (called EG121) that encodes a microorganism-degradable protein-based biopolymer (PBP) having numerous medical and non-medical uses.

Конструктирование хлоропластовых экспрессионных векторов. Обычные схемы создания векторов таковы, как описанные Sambrook et al., 1989. Хлоропластовые интеграционные и экспрессионные векторы pSBL-CtV2 (фигура 7А) и pZS197 расщепляют соответственно XbaI (уникальный сайт между геном aadA и областью psbA 3′) и SpeI (уникальный сайт через 120 п.о. после гена aadA в регуляторной области psbA 3′), липкие концы достраивают с помощью фрагмента Кленова и дефосфорилируют. Полимерный ген EG121 вместе с последовательностью Шайна-Дальгарно (GAAGGAG) из вектора pET11d вырезают из плазмиды pET11d-EG121 в виде фрагмента XbaI-BamHI. Липкие концы встроенного фрагмента достраивают с помощью фрагмента Кленова и лигируют с вектором pSBL-CtV2 или pZS197, в результате чего получают хлоропластовые экспрессионные векторы pSBL-CG-EG121 (фигура 3А) и pZS197-EG121 (фигура 3Б), которые обеспечивают интеграцию генов aadA и EG121 в инвертированный повтор (IR) или в спейсерную область между генами rbc1 и orf 512 хлоропластового генома табака. См. фигуру 1, сайты интеграции UV и TV соответственно.Construction of chloroplast expression vectors. Conventional vectoring schemes are as described by Sambrook et al., 1989. The chloroplast integration and expression vectors pSBL-CtV2 (Figure 7A) and pZS197 cleave XbaI (a unique site between the aadA gene and the psbA 3 ′ region) and SpeI (a unique site through 120 bp after the aadA gene in the regulatory region of psbA 3 ′), the sticky ends are completed using the Klenov fragment and dephosphorylated. The EG121 polymer gene together with the Shine-Dalgarno sequence (GAAGGAG) from the pET11d vector is excised from the pET11d-EG121 plasmid as an XbaI-BamHI fragment. The sticky ends of the inserted fragment are completed using the Klenov fragment and ligated with the vector pSBL-CtV2 or pZS197, resulting in the production of chloroplast expression vectors pSBL-CG-EG121 (Figure 3A) and pZS197-EG121 (Figure 3B), which provide integration of the aadA and EG121 to the inverted repeat (IR) or to the spacer region between the rbc1 and orf 512 genes of the chloroplast tobacco genome. See Figure 1, UV and TV integration sites, respectively.

Экспрессия биополимеров в Е. coli и табаке.Expression of biopolymers in E. coli and tobacco.

Плазмидным вектором pSBL-CG-EG121 (фигура 3А) трансформируют штамм Е. coli XL-1 Blue и выращивают в крепком (terrific) бульоне в присутствии ампициллина (100 мкг/мл) при 37°С в течение 24 ч. SDS-PAGE электрофорез проводят согласно Laemmli, 1970, с использованием 12% разделяющего геля и 5% концентрирующего геля в течение 5 ч при постоянном токе 30 мА. Готовят грубые экстракты неочищенного белка из клеток Е. coli и подвергают их электрофорезу, как описано в Guda et al., 1995. После электрофореза полипептиды визуализируют посредством отрицательного окрашивания CuCl2.The plasmid vector pSBL-CG-EG121 (Figure 3A) was used to transform E. coli XL-1 Blue strain and grown in terrific broth in the presence of ampicillin (100 μg / ml) at 37 ° C for 24 hours. SDS-PAGE electrophoresis carried out according to Laemmli, 1970, using a 12% separating gel and 5% concentrating gel for 5 hours at a constant current of 30 mA. Coarse crude protein extracts were prepared from E. coli cells and subjected to electrophoresis as described in Guda et al., 1995. After electrophoresis, the polypeptides were visualized by negative staining with CuCl 2 .

Фигура 18 показывает экспрессию хлоропластовых интеграционных и экспрессионных векторов в штамме Е. coli HMS174 (DE3). Полоса 1 соответствует очищенному полимеру-белку; полоса 2 соответствует контролю нетрансформированной Е. coli; полоса 3 соответствует штамму Е. coli XL-1 Blue, трансформированному универсальным вектором pSBL-CG-EG121 (фигура 3А); полоса 4 соответствует Е. coli, трансформированной табачным вектором, и полоса 5 соответствует штамму Е. coli HMS174 (DЕ3), трансформированному вектором pET11d-EG121, в котором промотор Т7 обеспечивает транскрипцию гена полимера. Уровень экспрессии при использовании промотора Prrn в Е. coli почти эквивалентен уровню, полученному с использованием высокоэффективного промотора Т7, контролирующего ген полимера.Figure 18 shows the expression of chloroplast integration and expression vectors in E. coli strain HMS174 (DE3). Lane 1 corresponds to a purified polymer protein; lane 2 corresponds to the control of untransformed E. coli; lane 3 corresponds to E. coli strain XL-1 Blue transformed with the universal vector pSBL-CG-EG121 (Figure 3A); lane 4 corresponds to E. coli transformed with the tobacco vector, and lane 5 corresponds to E. coli strain HMS174 (DE3) transformed with the pET11d-EG121 vector in which the T7 promoter transcribes the polymer gene. The expression level using the Prrn promoter in E. coli is almost equivalent to that obtained using the highly potent T7 promoter that controls the polymer gene.

Саузерн-блоттинг.Southern blotting.

Тотальную ДНК из листьев трансформированных растений и растений дикого типа экстрагируют СТАВ-методом Rogers and Bendich, 1988.Total DNA from the leaves of transformed plants and wild-type plants was extracted using the CAB method of Rogers and Bendich, 1988.

Фигуры 19 и 20 показывают Саузерн-блоттинг, выполненный независимо с трансформантами, полученными с использованием табачного вектора (фигура 19) и универсального вектора (фигура 20). Тотальную ДНК расщепляют EcoRI и HindIII в случае трансформантов универсального вектора (UV) или EcoRI и EcoRV в случае трансформантов вектора табака (TV). Наличие сайта EcoRI в 3′-конце гена полимера позволяет вырезать фрагменты предсказанного размера только в хлоропластовых трансформантах. Для того чтобы подтвердить интеграцию чужеродного гена и гомоплазмию, индивидуальные блоты анализируют с помощью зондов, соответствующих пограничным последовательностям. В случае TV-трансформантов после второго или третьего циклов отбора пограничная последовательность гибридизируется с фрагментами в 4,6 и 1,6 кб (фигура 19А, полосы 2, 3 и 4) и нативным фрагментом в 3,1 кб в диком типе (фигура 19А, полоса 1). С другой стороны, в случае UV-трансформантов после первого цикла отбора пограничная последовательность гибридизируется с фрагментами в 4,0 кб и 1,2 кб (фигура 20А, полосы 1 и 2), в то время как в контроле она гибридизируется с нативным фрагментом в 2,1 кб (фигура 20А, полоса 3). Более того, у TV-трансформантов также обнаруживается нативный фрагмент в 3,1 кб (фигура 19А, полосы 2 и 3) подобно растению дикого типа, что указывает на гетероплазматическое состояние трансформированных хлоропластовых геномов, даже если они прошли несколько циклов отбора. В то же время оба UV-трансформанта демонстрируют гомоплазматическое состояние даже после первого цикла отбора (фигура 20А, полосы 1, 2).Figures 19 and 20 show Southern blotting performed independently with transformants obtained using the tobacco vector (Figure 19) and the universal vector (Figure 20). Total DNA is digested with EcoRI and HindIII in the case of universal vector (UV) transformants or EcoRI and EcoRV in the case of tobacco vector (TV) transformants. The presence of an EcoRI site at the 3 ′ end of the polymer gene allows fragments of the predicted size to be cut out only in chloroplast transformants. In order to confirm the integration of a foreign gene and homoplasmy, individual blots are analyzed using probes corresponding to the boundary sequences. In the case of TV transformants, after the second or third selection cycles, the boundary sequence hybridizes with 4.6 and 1.6 kb fragments (Figure 19A, bands 2, 3, and 4) and a native 3.1 kb fragment in the wild type (Figure 19A lane 1). On the other hand, in the case of UV transformants, after the first selection cycle, the boundary sequence hybridizes to 4.0 kb and 1.2 kb fragments (Figure 20A, bands 1 and 2), while in the control it hybridizes to the native fragment in 2.1 kb (Figure 20A, lane 3). Moreover, a 3.1 kb native fragment (Figure 19A, bands 2 and 3) is also found in the TV transformants, similar to a wild-type plant, which indicates the heteroplasmic state of the transformed chloroplast genomes, even if they have passed several selection cycles. At the same time, both UV transformants show a homoplasmic state even after the first selection cycle (Figure 20A, lanes 1, 2).

О наличии гетероплазмии уже после второго отбора сообщалось ранее, и предполагается, что отбор необходимо проводить до достижения гомоплазмии (Svab and Maliga, 1993). Это согласуется с наблюдением, что у TV-трансформантов после второго цикла отбора наблюдается высокая степень гетероплазмии (фигура 19А, полосы 2 и 3). В то же время в случае UV-трансформантов никакого гетероплазматического состояния не обнаружено, что возможно может быть обусловлено механизмом коррекции копий между двумя областями IR и/или присутствием хлоропластовой точки начала репликации (ori) в пределах пограничной последовательности, что может повышать число копий введенной плазмиды перед интеграцией.The presence of heteroplasmy after the second selection was previously reported, and it is assumed that selection must be performed before homoplasmy is achieved (Svab and Maliga, 1993). This is consistent with the observation that TV transformants show a high degree of heteroplasmy after the second selection cycle (Figure 19A, bands 2 and 3). At the same time, in the case of UV transformants, no heteroplasmic state was found, which may be due to the mechanism of copy correction between the two IR regions and / or the presence of a chloroplast origin of replication (ori) within the boundary sequence, which can increase the number of copies of the introduced plasmid before integration.

Блоты ДНК также анализируют или геном aadA (растения с интеграцией UV) или геном EG121 (растения с интеграцией TV), чтобы снова подтвердить интеграцию чужеродных генов в хлоропластовые геномы. В растениях с интегрированным TV зонд полимерного гена гибридизируется с фрагментом в 4,6 кб только в линиях пластидных трансформантов (фигура 19Б, полосы 2, 3 и 4). Также в растениях с интегрированным UV последовательность aadA гибридизируется с предполагаемым фрагментом в 4,0 кб (фигура 20Б), который также гибридизируется с пограничной последовательностью в линиях пластидных трансформантов (фигура 20А, полосы 1 и 2).DNA blots also analyze either the aadA gene (plants with UV integration) or the EG121 gene (plants with TV integration) to reaffirm the integration of foreign genes into chloroplast genomes. In plants with integrated TV, the polymer gene probe hybridizes with a 4.6 kb fragment only in plastid transformant lines (Figure 19B, bands 2, 3, and 4). Also in plants with integrated UV, the aadA sequence hybridizes to a putative 4.0 kb fragment (Figure 20B), which also hybridizes to the boundary sequence in plastid transformant lines (Figure 20A, lanes 1 and 2).

Анализ содержания транскриптов в трансгенном табаке и Нозерн-блоттинг.Analysis of the content of transcripts in transgenic tobacco and Northern blotting.

Содержание транскриптов чужеродного гена анализируют с помощью Нозерн-блоттинга (фигура 21) с использованием тотальной РНК, выделенной из контрольного растения, хлоропластовых трансформантов и трансгенного растения табака, экспрессирующих ген полимера (EG121) с высокими уровнями через ядерный геном (Zhang et al., 1996). Последовательность гена полимера (EG121) гибридизируется с фрагментом в 1,8 кб в хлоропластовых трансформантах (полосы 1-4 и 5-6), а также с более крупными фрагментами в одном из хлоропластовых трансформантов (полоса 6). В случае ядерного трансформанта наблюдают транскрипт примерно в 2,1 кб (полоса 7). Это происходит из-за присутствия последовательности поли-А на 3′-конце полимерного транскрипта, обеспеченного nos-терминатором. Фрагменты большего размера, наблюдаемые в полосе 6, могут представлять собой ди-, три- или полицистронные транскрипты, которые процессируются в хлоропластах. Это обычное явление при экспрессии генов в хлоропластах, поскольку многие пластидные гены собираются в полицистронные транскрипционные единицы, что приводит к появлению сложных наборов перекрывающихся мРНК. Количественное определение содержания транскриптов показывает, что хлоропластовые трансформанты продуцируют в 11 раз (полоса 5) или пятьдесят раз (полоса 6) больше полимерных транскриптов, чем ядерный трансформант с высоким уровнем экспрессии (полоса 7, проверяли растение с самой высокой экспрессией среди тридцати пяти TV-ядерных трансгенных растений). Это непосредственно связано с наличием большего числа копий генов в хлоропластах трансформированных растений. Пластидные трансформанты с интегрированным вектором табака (TV) показывает более низкое содержание полимерного транскрипта (полосы 1-4) по сравнению с трансформантами с интегрированным универсальным вектором (полосы 5, 6), поскольку ген полимера существует в виде двух копий на трансформированный пластидный геном в трансформантах универсального вектора против одной копии в TV-трансформантах, и из-за гетероплазматических состояний, наблюдаемых в TV-трансформантах.The content of transcripts of a foreign gene is analyzed by Northern blotting (Figure 21) using total RNA isolated from a control plant, chloroplast transformants and a transgenic tobacco plant expressing the polymer gene (EG121) with high levels through the nuclear genome (Zhang et al., 1996 ) The polymer gene sequence (EG121) hybridizes with a 1.8 kb fragment in chloroplast transformants (bands 1-4 and 5-6), as well as with larger fragments in one of the chloroplast transformants (lane 6). In the case of a nuclear transform, a transcript of approximately 2.1 kb is observed (lane 7). This is due to the presence of the poly-A sequence at the 3′-end of the polymer transcript provided by the nos terminator. The larger fragments observed in band 6 may be di-, tri- or polycistronic transcripts that are processed in chloroplasts. This is a common occurrence in gene expression in chloroplasts, since many plastid genes assemble into polycistronic transcription units, which leads to the appearance of complex sets of overlapping mRNAs. A quantitative determination of the content of transcripts shows that chloroplast transformants produce 11 times (lane 5) or fifty times (lane 6) more polymer transcripts than the nuclear transformant with a high level of expression (lane 7, the plant with the highest expression among thirty-five TV-checked nuclear transgenic plants). This is directly related to the presence of a greater number of gene copies in the chloroplasts of transformed plants. Plastid transformants with integrated tobacco vector (TV) show a lower polymer transcript content (lanes 1-4) compared to transformants with integrated universal vector (lanes 5, 6), because the polymer gene exists in two copies per transformed plastid gene in transformants universal vector versus one copy in TV transforms, and due to heteroplasmic states observed in TV transforms.

Вестерн-блоттинг.Western blotting.

Белок-полимер выделяют в чистом виде из листьев табака дикого типа, хлоропластовых трансформантов и ядерных трансгенных растений в соответствии со способом, описанным недавно Zhang et al., 1995. Очищенный полимер анализируют посредством SDS-PAGE электрофореза согласно Laemmli, 1970, с использованием 12% разделяющего геля и 5% концентрирующего геля в течение 5 час при постоянном токе 30 мА. Полипептиды примерно в 60 кД визуализируют посредством отрицательного окрашивания с 0,3 М CuCl2. Гели обесцвечивают в 0,25 М растворе Na-ЭДТА и 0,25 М трис-Cl, рН 9,0, с тремя заменами буфера с интервалом в 10 мин. Вестерн-иммуноблоттинг и окрашивание (фигура 22) осуществляют так, как описано в Zhang et al., 1996, с использованием моноклональной антисыворотки против полимера AVGVP, который перекрестие взаимодействует с полимером GVGVP, и набора ″Immuno-Blot Assay Kit″ (Bio-Rad). Полипептиды с подвижностью, примерно соответствующей 60 кД, обнаружены в пластидных трансформантах интегрированных в IR растений. Экспрессия полимера ядерным трансгенным растением генерации F2 с высоким уровнем экспрессии (проверяли растение с наивысшей экспрессией из числа 35 трансгенных растений) видна на полосе 5 (фигура 22), в то время как в нетрансформированных контрольных растениях никакой полимер не экспрессируется, как видно на полосе 4 (фигура 22). В хлоропластовых трансформантах обнаруживается уровень экспрессии полимерных транскриптов выше в одиннадцать-пятьдесят раз (фигура 21). В случае нативных встречающихся в хлоропластах белков, подобных валину и пролину, пути биосинтеза которых компарментализованы в хлоропластах, можно ожидать более высокий уровень продуцирования белка.The polymer protein is isolated in pure form from wild-type tobacco leaves, chloroplast transformants and nuclear transgenic plants in accordance with the method recently described by Zhang et al., 1995. The purified polymer is analyzed by SDS-PAGE electrophoresis according to Laemmli, 1970, using 12% separating gel and 5% concentrating gel for 5 hours at a constant current of 30 mA. Approximately 60 kD polypeptides were visualized by negative staining with 0.3 M CuCl 2 . The gels decolorize in a 0.25 M solution of Na-EDTA and 0.25 M Tris-Cl, pH 9.0, with three buffer changes at intervals of 10 minutes. Western immunoblotting and staining (Figure 22) is carried out as described in Zhang et al., 1996, using a monoclonal antiserum against the AVGVP polymer, which crosshairs interacts with the GVGVP polymer, and the Immuno-Blot Assay Kit (Bio-Rad ) Polypeptides with a mobility of approximately 60 kD are found in plastid transformants integrated into IR plants. The expression of the polymer by a high expression level F2 generation nuclear transgenic plant (the plant with the highest expression among 35 transgenic plants was tested) is visible in lane 5 (Figure 22), while no polymer is expressed in non-transformed control plants, as seen in lane 4 (figure 22). In chloroplast transformants, the level of expression of polymer transcripts is found to be eleven to fifty times higher (Figure 21). In the case of native proteins that are found in chloroplasts, such as valine and proline, whose biosynthesis pathways are comparamentalized in chloroplasts, a higher level of protein production can be expected.

Пример 11Example 11

Генная инженерия для толерантности к глифозату через ядерный и хлоропластовый геномыGenetic engineering for glyphosate tolerance through the nuclear and chloroplast genomes

Хлоропластовые интеграционные и экспрессионные векторы табака, содержащие EPSPS.Chloroplast integration and expression tobacco vectors containing EPSPS.

Последовательность, кодирующая EPSPS, недавно интегрирована в хлоропластовый геном табака (фигура 1). Хлоропластовый вектор pZS-RD-EPSPS (фигура 2А) содержит промотор 16S rRNA (Prrn), контролирующий гены aadA и EPSPS, с psbA 3′-областью из хлоропластового генома табака. Эта конструкция обеспечивает интеграцию генов aadA и EPSPS в спейсерную область между генами rdcL и orf512 хлоролластового генома табака. Фигура 1, стрелка ″TV″.The EPSPS coding sequence has recently been integrated into the chloroplast genome of tobacco (Figure 1). The chloroplast vector pZS-RD-EPSPS (Figure 2A) contains the 16S rRNA (Prrn) promoter, which controls the aadA and EPSPS genes, with the psbA 3 ′ region from the tobacco chloroplast genome. This design allows integration of the aadA and EPSPS genes into the spacer region between the rdcL and orf512 genes of the tobacco chlorollast genome. Figure 1, arrow ″ TV ″.

Проверка устойчивости к глифозату.Glyphosate resistance test.

Экспрессия генов в Е. coli. Из-за высокой схожести систем транскрипции и трансляции в Е. coli и хлоропластах (Brixey et al., 1997) хлоропластовые экспрессионные векторы стали первыми испытанными в Е. coli на устойчивость, в данном случае к глифозату, перед осуществлением трансформации высших растений. Более высокая скорость роста Е. coli, содержащей вектор табака, по сравнению с контролем, содержащем pZS197 (похожим на pZS-RD-EPSPS, но лишенным гена EPSPS), в присутствии 10 мМ и 40 мМ глифозата (фигура 23А) указывает на толерантность к глифозату Е. coli, экспрессирующей ген EPSPS. Другая кривая роста (фигура 23Б) подтверждает экспрессию EPSPS в E. coli с помощью универсального вектора. Таким образом, устойчивость Е. coli к глифозату является следствием экспрессии гена EPSPS, присутствующего как в табачном, так и в универсальном векторах.Gene expression in E. coli. Due to the high similarity of transcription and translation systems in E. coli and chloroplasts (Brixey et al., 1997), chloroplast expression vectors were the first to be tested in E. coli for resistance, in this case to glyphosate, before transforming higher plants. The higher growth rate of E. coli containing the tobacco vector compared to the control containing pZS197 (similar to pZS-RD-EPSPS but lacking the EPSPS gene) in the presence of 10 mM and 40 mM glyphosate (Figure 23A) indicates tolerance to glyphosate of E. coli expressing the EPSPS gene. Another growth curve (Figure 23B) confirms the expression of EPSPS in E. coli using a universal vector. Thus, the resistance of E. coli to glyphosate is a consequence of the expression of the EPSPS gene present in both tobacco and universal vectors.

Характеризация трансгенных растений табакаCharacterization of transgenic tobacco plants

Итеграция гена.Gene integration.

Полностью распустившиеся листья Nicotiana tabaccum, сорт Petit Havana, подвергают бомбардировке табачным и универсальным хлоропластовым векторами. Через два дня после бомбардировки листовые эксплантаты переносят в среду для летального отбора, содержащую спектиномицин (500 мкг/мл). Трансгенные растения получают в пределах 3-5 месяцев после бомбардировки. Как правило, из 16 подвергнутых бомбардировке листьев идентифицируют 10 независимо трансформированных побегов.The fully bloomed leaves of Nicotiana tabaccum, a variety of Petit Havana, are bombarded with tobacco and universal chloroplast vectors. Two days after the bombardment, leaf explants are transferred to lethal selection medium containing spectinomycin (500 μg / ml). Transgenic plants receive within 3-5 months after the bombardment. As a rule, of the 16 bombarded leaves, 10 independently transformed shoots are identified.

Анализ PCR проводят с ДНК, выделенной из побегов первой или второй генерации, а также из зрелых трансгенных растений. Для подтверждения интеграции гена aadA в растительный геном используют праймеры на основе табачного и универсального векторов. Отсутствие продукта может указывать на спонтанные мутанты, способные к росту на спектиномицине без гена aadA. Ожидаемый продукт PCR (887 п.о.) обнаружен в шести линях (фигуры 24А-Б, полосы 1-6), трансформированных табачным вектором. В четырех линиях, трансформированных универсальным вектором, обнаружен продукт PCR длиной 1,57 кб (фигуры 24А-Б, полосы 1-4). В использованных условиях отбора из десяти линий, трансформированных табачным вектором, обнаружено четыре мутанта. С другой стороны, во всех трансгенных линиях, трансформированных универсальным вектором, обнаружена интеграция гена aadA.PCR analysis is carried out with DNA isolated from shoots of the first or second generation, as well as from mature transgenic plants. To confirm the integration of the aadA gene into the plant genome, primers based on tobacco and universal vectors are used. Lack of product may indicate spontaneous mutants capable of growth on spectinomycin without the aadA gene. The expected PCR product (887 bp) was detected in six lines (Figures 24A-B, lanes 1-6) transformed with the tobacco vector. In four lines transformed with a universal vector, a PCR product of 1.57 kb was detected (Figures 24A-B, lanes 1-4). Under the used selection conditions, four mutants were detected from ten lines transformed by the tobacco vector. On the other hand, integration of the aadA gene was found in all transgenic lines transformed by a universal vector.

PCR для подтверждения интеграции в хлоропласты.PCR to confirm integration into chloroplasts.

Также были созданы праймеры для специфической идентификации интеграции в пластидный геном. Здесь стратегия состоит в том, чтобы один праймер соответствовал нативному хлоропластовому геному рядом с местом интеграции вектора, в то время как другой соответствовал гену aadA. Был создан праймер, который локализуется непосредственно сразу за геном rbcL табачного вектора (продукт PCR в 2,08 кб). В случае универсального вектора праймер локализуют в нативном хлоропластовом геноме в гене 16S rRNA (продукт PCR в 1,60 кб). Продукты экспрессии были обнаружены в случае трансгенных линий, полученных с использованием табачного вектора (фигуры 24А-Б, полосы 2-7), так же как и с использованием универсального вектора (фигуры 24А-Б, полосы 1-4). В растениях, не подвергавшихся бомбардировке (контроль), как и ожидалось, продукты PCR не обнаружены (фигура 24А, полосы 1 и 9; фигура 24Б, полосы 5 и 11). Таким образом, оказывается, что все проверенные растения являются хлоропластовыми, а не ядерными трансформантами, вероятно, вследствие требования более высокого содержания аминогликозидаденилтрансферазы (AADA) в трансгенных растениях в строгих условиях отбора. Низкие уровни имеющейся AADA в ядерных трансгенных растениях должны привести к удалению ядерных трансформантов. Результаты анализа методом PCR убедительны и доказывают интеграцию чужеродных генов в хлоропласты при использовании как табачного, так и универсального векторов.Primers have also been created to specifically identify integration into the plastid genome. Here, the strategy is to make one primer correspond to the native chloroplast genome near the site of integration of the vector, while the other corresponds to the aadA gene. A primer was created that is located immediately immediately after the rbcL gene of the tobacco vector (2.08 kb PCR product). In the case of a universal vector, the primer is localized in the native chloroplast genome in the 16S rRNA gene (1.60 kb PCR product). Expression products were detected in the case of transgenic lines obtained using the tobacco vector (figures 24A-B, lanes 2-7), as well as using the universal vector (figures 24A-B, lanes 1-4). In plants not subjected to bombardment (control), as expected, PCR products were not detected (Figure 24A, lanes 1 and 9; Figure 24B, lanes 5 and 11). Thus, it turns out that all tested plants are chloroplast and not nuclear transformants, probably due to the requirement for a higher content of aminoglycoside adenyl transferase (AADA) in transgenic plants under strict selection conditions. Low levels of AADA in nuclear transgenic plants should lead to the removal of nuclear transformants. The results of PCR analysis are convincing and prove the integration of foreign genes into chloroplasts using both tobacco and universal vectors.

Анализ Саузерн-методом.Southern analysis.

Интеграцию гена aroA в хлоропласты подтверждают также с помощью анализа Саузерн-методом. Кроме того, наблюдаемый высокий уровень устойчивости к глифозату (фигура 20А) подтвержадают посредством определения числа копий чужеродного гена в трансгенных растениях. Зонд для определения интеграции чужеродного гена в хлоропластовый геном представляет собой фрагмент гена EPSPS длиной 654 п.о., меченный Р32 с помощью метода рассеянной затравки. Тотальную ДНК, включающую как ДНК из органелл, так и из ядра, расщепляют EcoRI. Наличие сайта EcoRI за 200 п.о. перед сайтом интеграции в хлоропластовом геноме используют для подтверждения интеграции гена EPSPS в хлоропластовый геном трансгенных растений. При гибридизации зонда с нативным геном EPSPS, присутствующем в ядерном геноме, обнаруживается фрагмент длиной 4,5 кб. Кроме этого, при гибридизации зонда с расщепленными хлоропластовыми геномами трансгенных растений табака, обнаруживаются фрагменты длиной 3,5 и 4,35 кб, фигура 25А, полосы 2, 3 и 4. Зонд не гибиридируется с расщепленным хлоропластовым геномом нетрансформированного контрольного растения (фигура 25А, полоса 1), так как чужеродный ген не присутствует в хлоропластовом геноме табака. Это четко подтверждает интеграцию гена EPSPS в хлоропластовый геном.The integration of the aroA gene into chloroplasts is also confirmed by Southern analysis. In addition, the observed high level of glyphosate resistance (Figure 20A) is confirmed by determining the number of copies of a foreign gene in transgenic plants. The probe for determining the integration of a foreign gene into the chloroplast genome is a 654 bp EPSPS gene fragment labeled with P 32 using the scattered seed method. Total DNA, including both DNA from organelles and from the nucleus, is digested with EcoRI. Availability of EcoRI site for 200 bp in front of the integration site in the chloroplast genome is used to confirm the integration of the EPSPS gene into the chloroplast genome of transgenic plants. Upon hybridization of the probe with the native EPSPS gene present in the nuclear genome, a 4.5 kb fragment is detected. In addition, when hybridizing the probe with the split chloroplast genomes of transgenic tobacco plants, fragments of 3.5 and 4.35 kb are detected, figure 25A, bands 2, 3 and 4. The probe does not hybridize with the split chloroplast gene of the untransformed control plant (figure 25A, lane 1), since the foreign gene is not present in the chloroplast genome of tobacco. This clearly confirms the integration of the EPSPS gene into the chloroplast genome.

Число копий генов.The number of copies of genes.

Число копий интегрированного гена определяют, устанавливая гомоплазмию трансгенного хлоропластового генома. Хлоропласты табака содержат 5000-10000 копий своего генома на клетку (McBride et al., 1995). Если фактически трансформируется только часть геномов, число копий должно быть менее 10000. Установив, что в трансгенных растениях присутствует только геном, трансформированный EPSPS, можно установить, что число копий составляет 5000-10000 на клетку. Это подтверждают посредством расщепления тотальной ДНК EcoRI и гибридизации с фланкирующими последовательностями, способными к гомологичной рекомбинации в хлоропластовый геном. Зонд представляет собой фрагмент длиной 2,9 кб последовательностей rbcL-orf 512. Хлоропластовый геном, трансформированный геном EPSPS, содержит сайт EcoRI в области rbcL-orf 512 хлоропластового генома, в результате чего при расщеплении этим ферментом образуется дополнительный фрагмент (фигура 25 В). При анализе методом Саузерн-гибридизации в случае нетрансформированного контрольного растения обнаруживается фрагмент в 4,43 кб, фигура 25Б, дорожка 1. В дорожках 2, 3 и 4 образуется два фрагмента (4,35 кб и 3 кб) вследствие включения кассеты гена EPSPS между областями rbcL и orf512 (фигура 25В представляет схему с темными штриховыми линиями, показывающими место интеграции чужеродной ДНК). Фрагмент 4,43 кб, имеющийся в контроле, отсутствует в трансгенных растениях. Это доказывает, что в клетке присутствует только трансгенный хлоропластовый геном и отсутствует нативный нетрансформированный хлоропластовый геном без гена EPSPS. Это указывает на гомоплазматический характер трансформантов, причем одновременно дается оценка числа копий - 5000-10000 копий чужеродного гена EPSPS на молекулу. Это может объяснить высокий уровень толерантности к глифозату, который наблюдается в трансгенных растениях табака (фигура 20А).The number of copies of the integrated gene is determined by establishing homoplasmy of the transgenic chloroplast genome. Tobacco chloroplasts contain 5,000 to 10,000 copies of their genome per cell (McBride et al., 1995). If only a part of the genomes is actually transformed, the number of copies should be less than 10,000. Having established that only the genome transformed by EPSPS is present in transgenic plants, it can be established that the number of copies is 5000-10000 per cell. This is confirmed by cleavage of total EcoRI DNA and hybridization with flanking sequences capable of homologous recombination into the chloroplast genome. The probe is a 2.9 kb fragment of rbcL-orf 512 sequences. The chloroplast genome transformed with the EPSPS gene contains the EcoRI site in the rbcL-orf 512 region of the chloroplast genome, resulting in the formation of an additional fragment upon cleavage by this enzyme (Figure 25B). When analyzing by Southern hybridization in the case of a non-transformed control plant, a 4.43 kb fragment is detected, figure 25B, lane 1. Two fragments (4.35 kb and 3 kb) are formed in lanes 2, 3 and 4 due to the inclusion of the EPSPS gene regions rbcL and orf512 (Figure 25B is a diagram with dark dashed lines showing the place of integration of foreign DNA). The 4.43 kb fragment available in the control is absent in transgenic plants. This proves that only the transgenic chloroplast genome is present in the cell and that there is no native non-transformed chloroplast genome without the EPSPS gene. This indicates the homoplasmic nature of the transformants, and at the same time an estimate of the number of copies is given - 5000-10000 copies of the foreign EPSPS gene per molecule. This may explain the high level of glyphosate tolerance observed in transgenic tobacco plants (Figure 20A).

Потомство.Progeny.

Семена, собранные с самоопылившихся трансгенных растений, проращивают в присутствии спектиномицина (500 мкг/мл). Все семена прорастают, остаются зелеными и нормально растут (фигура 26Б). Равномерная устойчивость к спектиномицину показывает, что ген aadA передается всему потомству. Отстутствие разноцветности предполагает гомоплазмию, поскольку гетероплазматическое состояние могло бы привести к разноцветному потомству на спектиномицине (Svab et al., 1990; Svab and Maliga, 1993). Отсутствие в потомстве вариаций в хлорофилловой пигментации также подчеркивает отсутствие позиционного эффекта осуществления трансформации ядра. Все контрольные проростки обесцвечиваются и не растут в присутствии спектиномицина (фигура 26А).Seeds collected from self-pollinated transgenic plants are germinated in the presence of spectinomycin (500 μg / ml). All seeds germinate, remain green and grow normally (Figure 26B). Uniform resistance to spectinomycin shows that the aadA gene is transmitted to all offspring. The absence of color suggests homoplasmy, since a heteroplasmic state could lead to multi-colored offspring on spectinomycin (Svab et al., 1990; Svab and Maliga, 1993). The absence of variations in chlorophyll pigmentation in the offspring also emphasizes the lack of a positional effect of nuclear transformation. All control seedlings are discolored and do not grow in the presence of spectinomycin (Figure 26A).

Толерантность в отношении глифозата. Восемнадцатинедельные контрольные и трансгенные растения опрыскивают равными объемами глифозата при разных концентрациях (0,5-5 мМ). Контрольные растения табака весьма чувствительны к глифозату; они погибают в пределах семи дней даже при концентрации глифозата 0,5 мМ (фигура 27Б). С другой стороны, хлоропластовые трансгенные растения выживают при таких высоких концентрациях глифозата, как 5 мМ (фигура 27А). Эти результаты интересны, учитывая тот факт, что ген EPSPS из петунии, используемый в этих хлоропластовых векторах, имеет низкий уровень толерантности к глифозату и также содержит переходный пептид для направления в хлоропласты.Glyphosate tolerance. Eighteen-week-old control and transgenic plants are sprayed with equal volumes of glyphosate at different concentrations (0.5-5 mM). Control tobacco plants are very sensitive to glyphosate; they die within seven days even at a glyphosate concentration of 0.5 mM (Figure 27B). On the other hand, chloroplast transgenic plants survive at such high glyphosate concentrations as 5 mM (Figure 27A). These results are interesting, given the fact that the EPSPS gene from petunia used in these chloroplast vectors has a low glyphosate tolerance and also contains a transition peptide for directing to chloroplasts.

Данное описание является первым сообщением об эукариотной ядерной экспрессии генов в пределах прокариотного хлоропластового компартмента. Хорошо известно, что частота использования кодонов существенно различается между прокариотным хлоропластовым компартментом и эукариотным ядерным компартментом. В идеале мутантный ген aroA (который не связывается с глифозатом) из прокариотной системы должен экспрессироваться в хлоропластовом компартменте. Теперь такие гены доступны и обнаруживают уровень устойчивости к глифозату в тысячи раз выше, чем ген петунии, используемый в данной работе. В свете этих наблюдений возможно, что интеграция прокариотных генов устойчивости к гербицидам в хлоропластовый геном, осуществляемая здесь, может привести к невероятно высокому уровню устойчивости к гербицидам, причем все еще сохраняется эффективность биологического удержания, т.е. удается избежать рассеивания посредством пыльцы.This description is the first report on eukaryotic nuclear gene expression within the prokaryotic chloroplast compartment. It is well known that the frequency of codon usage varies significantly between the prokaryotic chloroplast compartment and the eukaryotic nuclear compartment. Ideally, the mutant aroA gene (which does not bind to glyphosate) from the prokaryotic system should be expressed in the chloroplast compartment. Now, such genes are available and show a level of glyphosate resistance thousands of times higher than the petunia gene used in this work. In light of these observations, it is possible that the integration of prokaryotic herbicide resistance genes into the chloroplast genome, carried out here, can lead to an incredibly high level of resistance to herbicides, while biological retention efficiency, i.e. pollen dispersion is avoided.

Пример 12Example 12

Толерантность кукурузы к глифозату.Glyphosate tolerance of corn.

Универсальный хлоропластовый вектор с использованием ДНК хлоропластов кукурузы конструируют следующим образом. Сначала конструируют вектор pSBL-Ct-bor (фигура 5В). На основе бактериальной плазмиды pUC19 создают субклон ДНК хлоропласта кукурузы, содержащий одну из областей инвертированного повтора. Затем из первого субклона создают меньший субклон, содержащий только оперон rRNA, и фрагмент, присутствующий во втором субклоне, содержащий гены trnA и trnI и спейсернные области, представляющие универсальную границу, субклонируют в плазмиду pUC19 по сайту PvuII. Полученную плазмиду назвали pSBL-Ct-bor. В плазмиду pSBL-Ct-bor для создания вектора pSBL-CORN встраивают кассету гена селектируемого маркера, содержащую хлоропластовый промотор 16S rRNA, ген aadA (кодирующий аминогликозид-3′-аденилтрансферазу, придающую устойчивость к стрептомицину, спектиномицину) и 3′ нетранслируемую область хлоропластового гена psbA. Кассету гена селектируемого маркера встраивают между генами trnI и trnA в спейсерной области в направлении транскрипции рДНК 16S.A universal chloroplast vector using corn chloroplast DNA is constructed as follows. First, the pSBL-Ct-bor vector is constructed (Figure 5B). Based on the bacterial plasmid pUC19, a subclone of maize chloroplast DNA is created containing one of the regions of inverted repeat. Then, a smaller subclone containing only the rRNA operon is created from the first subclone, and a fragment present in the second subclone containing the trnA and trnI genes and spacer regions representing the universal boundary are subcloned into the pUC19 plasmid at the PvuII site. The resulting plasmid was named pSBL-Ct-bor. In the pSBL-Ct-bor plasmid, to create the pSBL-CORN vector, a selectable marker gene cassette containing the 16S rRNA chloroplast promoter, the aadA gene (encoding aminoglycoside-3′-adenyltransferase conferring resistance to streptomycin, spectinomycin) and 3 ′ untranslated are inserted psbA. A selectable marker gene cassette is inserted between the trnI and trnA genes in the spacer region in the direction of 16S rDNA transcription.

Вектор pSBL-CORN-aroA, содержащий мутантный ген aroA из Salmonella typhimurium (Stalker et al., 1985; Comai et al., 1983), который кодирует фермент EPSPS-синтазу, создают посредством встраивания мутантного гена aroA в вектор pSBL-CORN. Трансгенные растения кукурузы, экспрессирующие мутантный ген aroA, являются устойчивыми к обработке глифозатом, подобном ″Roundup™″, в то время как нетрансформированные контрольные растения не устойчивы.The pSBL-CORN-aroA vector containing the aroA mutant gene from Salmonella typhimurium (Stalker et al., 1985; Comai et al., 1983), which encodes the EPSPS synthase enzyme, is created by inserting the aroA mutant gene into the pSBL-CORN vector. Transgenic maize plants expressing the aroA mutant gene are resistant to glyphosate treatment like ″ Roundup ™ ″, while non-transformed control plants are not resistant.

Пример 13Example 13

Трансформация хлоропластов для толерантности к имидазолинонам или сульфонилмочевинам.Chloroplast transformation for tolerance to imidazolinones or sulfonylureas.

Плазмиду pSBL-CORN модифицируют посредством встраивания фрагмента ДНК, содержащего мутантную форму гена ацетолактатсинтазы Saccharomyces cerevisiae (Faico and Dumas, 1985; Yadav et al., 1986), и получают плазмиду pSBL-CORN-ASLI. Этот ген кодирует ацетолактатсинтазу, которая не ингибируется имидазолинонами или сульфонилмочевинами и которая придает устойчивость к гербицидам, содержащим сульфометурон-метил, и гербицидам, содержащим имазапир. Трансформированные растения табака, в которых экспрессируется мутантный ген ацетолактатсинтазы, устойчивы к гербицидным препаратам для опрыскивания на основе имидазолинонов и сульфонилмочевин.The plasmid pSBL-CORN is modified by inserting a DNA fragment containing the mutant form of the Saccharomyces cerevisiae acetolactate synthase gene (Faico and Dumas, 1985; Yadav et al., 1986) to obtain the plasmid pSBL-CORN-ASLI. This gene encodes acetolactate synthase, which is not inhibited by imidazolinones or sulfonylureas and which confers resistance to herbicides containing sulfomethuron-methyl and herbicides containing imazapyr. Transformed tobacco plants in which the mutant gene for acetolactate synthase is expressed are resistant to spray herbicides based on imidazolinones and sulfonylureas.

Вектор pSBL-CORN-ASL2 является производным pSBL-CORN, который содержит мутированные копии генов табака suRA и suRB (Chaleff and Ray, 1984). Эти гены кодируют полипептид ацетолактатсинтазу табака. Плазмиду pSBL-CORN-ASL2 создают посредством лигирования генов suRA и suRB, выделенных из геномной ДНК табака, с вектором pSBL-CORN. Полученный вектор придает устойчивость к имидазолиноновым и сульфонилмочевинным гербицидам.The pSBL-CORN-ASL2 vector is a derivative of pSBL-CORN that contains mutated copies of the suRA and suRB tobacco genes (Chaleff and Ray, 1984). These genes encode a tobacco acetolactate synthase polypeptide. Plasmid pSBL-CORN-ASL2 is created by ligation of the suRA and suRB genes isolated from tobacco genomic DNA with the pSBL-CORN vector. The resulting vector confers resistance to imidazolinone and sulfonylurea herbicides.

Пример 14Example 14

Трансформация хлоропластов для толерантности к ингибиторам фотосистемы II.Chloroplast transformation for tolerance to photosystem II inhibitors.

Устойчивость фотосистемы (PS) II к гербицидам определяется мутациями в гене psbA, кодирующего белок QВ, и является весьма консервативной во всех растениях. Устойчивые растения обладают мутациями, которые изменяют аминокислоты в определенных специфических позициях белков QB, например остатков 219, 251, 255, 264 и 275 (Hirschberg and McIntosh, 1993; Galloway and Mets, 1994; Gloden and Haselkorn, 1985; Erickson et al., 1984; Johanningmeier et al., 1987). Гены, обладающие такими мутациями, можно, таким образом, использовать для придания устойчивости к гербицидам, действие которых заключается в ингибировании переноса электронов системой PS II.The resistance of the photosystem (PS) II to herbicides is determined by mutations in the psbA gene encoding the Q B protein and is very conservative in all plants. Resistant plants possess mutations that alter amino acids at specific specific positions of Q B proteins, such as residues 219, 251, 255, 264, and 275 (Hirschberg and McIntosh, 1993; Galloway and Mets, 1994; Gloden and Haselkorn, 1985; Erickson et al. 1984; Johanningmeier et al., 1987). Genes possessing such mutations can thus be used to confer resistance to herbicides whose action is to inhibit electron transfer by the PS II system.

Примерами таких гербицидов являются дихлорфенилдиметилмочевина (DSMU), атразин, метрибузин, ленацил, фенмедифам, локсинил и диносеб.Examples of such herbicides are dichlorophenyl dimethyl urea (DSMU), atrazine, metribuzin, lenacyl, phenmedifam, loxinyl and dinoseb.

Мутантный ген psbA, содержащий замену серина на глицин в остатке 264, выделяют из геномной ДНК Chlamydomonas с использованием соответствующих рестрикционных эндонуклеаз. Полученный фрагмент можно лигировать с универсальным хлоропластовым экспрессионным вектором pSBL-ctV2 и трансформировать в XL1Blue E. coli. Очищенную плазмиду из этого штамма E. coli используют для трансформации растений (Daniell, 1997). Введение мутантных генов psbA в хлоропластовый геном и отбор соответствующих трансформантов осуществляют так же, как описано ранее. Трансформированные растения, продуцирующие мутантный psbA белок, содержащий замену серина на глицин, устойчивы к атразину™, в то время как контрольные растения неустойчивы.A mutant psbA gene containing the substitution of serine for glycine at residue 264 is isolated from the Chlamydomonas genomic DNA using appropriate restriction endonucleases. The resulting fragment can be ligated with the universal chloroplast expression vector pSBL-ctV2 and transformed into E. coli XL1Blue. A purified plasmid from this E. coli strain is used to transform plants (Daniell, 1997). The introduction of mutant psbA genes into the chloroplast genome and the selection of the corresponding transformants is carried out as described previously. Transformed plants producing a mutant psbA protein containing serine to glycine substitution are resistant to atrazine ™, while control plants are unstable.

Мутантный ген psbA, содержащий замену валина на изолейцин в остатке 219, выделяют из геномной ДНК Chlamydomonas с использованием соответствующих рестрикционных эндонуклеаз. Универсальный вектор конструируют так же, как описано выше. Ожидается, что трансгенные растения, подобные кукурузе, экспрессирующие psbA, содержащий замену валина на изолейцин в остатке 219, будут устойчивы к опрыскиванию спреями DCMU.A mutant psbA gene containing the substitution of valine for isoleucine at residue 219 was isolated from the Chlamydomonas genomic DNA using appropriate restriction endonucleases. A universal vector is constructed as described above. Transgenic maize-like plants expressing psbA containing valine to isoleucine substitution at residue 219 are expected to be resistant to spraying with DCMU sprays.

Пример 15Example 15

Толерантность к аналогам ауксина, таким как 2,4-Р.Tolerance to auxin analogues, such as 2,4-P.

Универсальный хлоропластовый эспрессионный вектор pSBL-ctV2 можно расщепить XbaI и лигировать с фрагментом ДНК, содержащим ген, кодирующий монооксигеназу. Полученную конструкцию можно трансформировать в хлоропласты для генерации трансгенных растений, содержащих множество копий гена монооксигеназы. Ожидается, что полученные растения, экспрессирующие большое количество монооксигеназы, будут толерантны к 2,4-D.The universal chloroplast expression vector pSBL-ctV2 can be cleaved with XbaI and ligated with a DNA fragment containing a gene encoding a monooxygenase. The resulting construct can be transformed into chloroplasts to generate transgenic plants containing multiple copies of the monooxygenase gene. It is expected that the resulting plants expressing a large amount of monooxygenase will be tolerant to 2,4-D.

Пример 16Example 16

Трансформация хлоропластов для устойчивости к насекомым.Chloroplast transformation for insect resistance.

Растения табака можно трансформировать универсальным вектором pSBL-CtVHBt (фигура 8А), который содержит ген cryIIA и экспрессирует протоксин CryIIA, посредством чего придается устойчивость к насекомым-вредителям, подобным семейству Pyralidoe, таким как бражник. Даже насекомые, выработавшие устойчивость или менее чувствительные к токсину Bt, убиваются токсином Bt, экспрессированным геном в хлоропластовом векторе, описанном здесь.Tobacco plants can be transformed with the universal vector pSBL-CtVHBt (Figure 8A), which contains the cryIIA gene and expresses the CryIIA protoxin, thereby conferring resistance to insect pests similar to the Pyralidoe family, such as Brazhnik. Even insects that have developed resistance or are less sensitive to Bt toxin are killed by the Bt toxin expressed by the gene in the chloroplast vector described here.

Вектор pSBL-CtVHBt создают путем расщепления pSBL-CtVH SmaI и лигирования продукта с геном cryIIA, кодирующим белок CryIIA. Продукт содержит ген cryIIA в правильной транскрипционной ориентации (фигура 8А).The pSBL-CtVHBt vector is created by digesting pSBL-CtVH SmaI and ligating the product with the cryIIA gene encoding the CryIIA protein. The product contains the cryIIA gene in the correct transcriptional orientation (Figure 8A).

Интеграция гена cryIIA в хлоропластовый геном табака подтверждается методом PCR. Число копий cryIIA на клетку оценивается в 10000 методом Саузерн-блоттинга. Белок CryIIA, по оценке с помощью Вестерн-блоттинга, составляет от 5 до 10% от общего количества клеточного белка. Это самое высокое содержание белка CryIIA, которое когда-либо приводилось в литературе для Bt-трансгенных растений. Биоанализы иссеченных листьев проводят для нетрансформированного табака ″Petit Havana″ и трансформированного cryIIA табака. На каждый лист помещают по пять-десять гусениц и оценивают смертность и повреждение листа через 3-5 дней. При использовании чувствительного Н. virescens (YDK) на трансформированном cryII-A табаке все гусеницы погибают в течение 3 дней, в то время как на нетрансформированном ″Petit Havana″ смертность остутствует, и происходит по существу 100% потеря листвы. Подобные результаты получают при использовании устойчивой к CryIAc (YHD2, 40-50000-кратная устойчивость) и устойчивой к CryII-A (СХС, 2000-кратная устойчивость) Н. virescens. Кроме того, наблюдают 100% смертность Helicoverpa zea (совка хлопковая) и Spodoptera exigua (совка малая), ни об одной из которых ранее не сообщалось, что она погибает от белка Cry.The integration of the cryIIA gene into the chloroplast genome of tobacco is confirmed by PCR. The number of copies of cryIIA per cell is estimated to be 10,000 by Southern blotting. CryIIA protein, as estimated by Western blotting, accounts for 5 to 10% of the total amount of cellular protein. This is the highest CryIIA protein content ever reported in the literature for Bt transgenic plants. Bioassays of excised leaves are carried out for untransformed tobacco ″ Petit Havana ″ and transformed cryIIA tobacco. Five to ten caterpillars are placed on each leaf and mortality and damage to the leaf are assessed after 3-5 days. When using sensitive N. virescens (YDK) on transformed cryII-A tobacco, all the caterpillars die within 3 days, while on the untransformed Pet Petit Havana ’, mortality is absent and essentially 100% foliage loss occurs. Similar results are obtained using resistant to CryIAc (YHD2, 40-50000-fold resistance) and resistant to CryII-A (CXC, 2000-fold resistance) N. virescens. In addition, 100% mortality of Helicoverpa zea (cotton scoop) and Spodoptera exigua (small scoop) are observed, none of which has been previously reported that it dies from the Cry protein.

Фигуры 28А и 28Б показывают биоанализ (А) контрольного нетрансформированного растения и (Б) трансгенного растения. Испытываемые насекомые демонстрируют 100% смертность: это совка, чувствительная к CryI, хлопковая совка и совка малая, устойчивые к CryI и CryII.Figures 28A and 28B show a bioanalysis of (A) a control non-transformed plant and (B) a transgenic plant. The tested insects show 100% mortality: they are a scoop sensitive to CryI, a cotton scoop and a scoop small, resistant to CryI and CryII.

Фигура 29 показывает общий белок, выделенный методом Вестерн-блоттинга из контрольных (дорожка С) и трансгенных растений (дорожка В). Дорожки D-H показывают различные концентрации очищенного белка CryII (1-20%). Дорожка А соответствует белковым стандартам.Figure 29 shows the total protein isolated by Western blotting from control (lane C) and transgenic plants (lane B). Lanes D-H show different concentrations of purified CryII protein (1-20%). Lane A conforms to protein standards.

Другие поддающиеся воздействию насекомые описаны в описании изобретения ранее.Other susceptible insects are described in the description of the invention previously.

Как будет очевидно для специалистов в этой области техники, в свете изложенного выше описания возможны многие модификации, изменения и замены при практическом применении изобретения без отхода от его сущности и объема. Подразумевается, что такие модификации, изменения и замены входят в объем формулы изобретения.As will be obvious to specialists in this field of technology, in the light of the above description, many modifications, changes and replacements are possible in the practical application of the invention without departing from its essence and scope. It is understood that such modifications, changes and substitutions are included in the scope of the claims.

Все цитированные в данном тексте ссылки в обязательном порядке включены в настоящее описание в качестве ссылок.All references cited in this text are without fail included in the present description as references.

Источники информацииSources of information

Armtzen Ph.D., Charles J. (1997) Public Health Reports 112:190-197.Armtzen Ph.D., Charles J. (1997) Public Health Reports 112: 190-197.

Brixey, P.J., Guda, H. and Daniell, H. (1997) Biotechnol. Lett. 19, 395-399.Brixey, P. J., Guda, H. and Daniell, H. (1997) Biotechnol. Lett. 19, 395-399.

Carlson, P.S. (1973) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 70:598-602.Carlson, P.S. (1973) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 70: 598-602.

Chaleff and Ray. (1984) Science 223:1148.Chaleff and Ray. (1984) Science 223: 1148.

Comai, L., Faciotti, D., Hiatt, W., Thomson, G., Rose, R., and Stalker. D. (1983) Science 221:370.Comai, L., Faciotti, D., Hiatt, W., Thomson, G., Rose, R., and Stalker. D. (1983) Science 221: 370.

Daniell, H., Guda, C., McPherson, D.T., Xu, J., Zhang, X. and Urry, D.W. (1997) Meth. Mol. Biol., 63:359-371.Daniell, H., Guda, C., McPherson, D.T., Xu, J., Zhang, X. and Urry, D.W. (1997) Meth. Mol. Biol., 63: 359-371.

Daniell, H., and Guda, C. (1997) Chemistry and. Industry, pages 555-558.Daniell, H., and Guda, C. (1997) Chemistry and. Industry, pages 555-558.

Daniell, H., Krishnan, M. and McFadden, B.A. (1991) Plant Cell Rep. 9:615-619.Daniell, H., Krishnan, M. and McFadden, B.A. (1991) Plant Cell Rep. 9: 615-619.

Daniell, H., and McFadden. (1987) Proc. Nat. Acad. Sci. (USA) 84:6349-6353.Daniell, H., and McFadden. (1987) Proc. Nat. Acad. Sci. (USA) 84: 6349-6353.

Daniell, H., Vivekananda, J., Neilson, В., Ye, G.N., Tewari, K.K., and Sanford, J.C. (1990) Proc. Nat. Acad. Sci. (USA) 87:88-92.Daniell, H., Vivekananda, J., Neilson, B., Ye, G.N., Tewari, K.K., and Sanford, J.C. (1990) Proc. Nat. Acad. Sci. (USA) 87: 88-92.

Daniell. H. Porobo Dessai, A., Prakash, C.S. and Moar, W.J. (1994) NATO Asi Series. Ed., J.H. Cherry. H86:598-604.Daniell H. Porobo Dessai, A., Prakash, C.S. and Moar, W.J. (1994) NATO Asi Series. Ed., J.H. Cherry H86: 598-604.

Darkocsik, C., Donovan, W.P. and Jany, C.S. (1990) Mol. Microbiol. 4:2087-2094.Darkocsik, C., Donovan, W.P. and Jany, C.S. (1990) Mol. Microbiol. 4: 2087-2094.

Daniell, H., (1995) Inform. 6:1365-1370.Daniell, H., (1995) Inform. 6: 1365-1370.

Daniell, H., Ramanujan, P., Krishnan, M., Gnanam, A. and Rebeiz, C.A. (1983) Biochem. Biophys. Res. Comun 111:740-749.Daniell, H., Ramanujan, P., Krishnan, M., Gnanam, A. and Rebeiz, C.A. (1983) Biochem. Biophys. Res. Comun 111: 740-749.

Daniell, H. and Rebeiz, С.А. (1982) Biochem. Biophys. Res. Comun. 106:466-471.Daniell, H. and Rebeiz, S. A. (1982) Biochem. Biophys. Res. Comun. 106: 466-471.

Daniell, H. (1993) Methods in Enzymology. 217:536-556.Daniell, H. (1993) Methods in Enzymology. 217: 536-556.

Daniell, H. (1997a) Meth. Mol. Biol. 62:453-488.Daniell, H. (1997a) Meth. Mol. Biol. 62: 453-488.

DeBlock, M., Botterman, J., Vandewiele. M., Docky, J., Thuen, C., Gossele, V., Movva, N.R., Thomson, C., Van Montagu, M., and Leemans, J. (1987) EMBO J. 6:2513-2518.DeBlock, M., Botterman, J., Vandewiele. M., Docky, J., Thuen, C., Gossele, V., Movva, N.R., Thomson, C., Van Montagu, M., and Leemans, J. (1987) EMBO J. 6: 2513-2518.

Erickson et al.(1984) Proc. Nat. Acad. Sci. (USA) 81:3617.Erickson et al. (1984) Proc. Nat. Acad. Sci. (USA) 81: 3617.

Falco and Dumas. (1985) Genetics 109:21.Falco and Dumas. (1985) Genetics 109: 21.

Gabard, J.M., Charest. P.J., Iyer, V.N. and Miki, B.L.(1989) Plant Phys. 91:574-580.Gabard, J. M., Charest. P.J., Iyer, V.N. and Miki, B. L. (1989) Plant Phys. 91: 574-580.

Galloway and Mets. (1984) Plant Physiol. 74:469.Galloway and mets. (1984) Plant Physiol. 74: 469.

Gloden and Haselkorn. (1985) Science 229:1104.Gloden and Haselkorn. (1985) Science 229: 1104.

Guda, С., Zhang, X., McPherson, D.T., Xu. J., Cherry, J., Urry, D.W. and Daniell, H. (1995) Biotechnol. Lett. 17:745-750.Guda, S., Zhang, X., McPherson, D.T., Xu. J., Cherry, J., Urry, D.W. and Daniell, H. (1995) Biotechnol. Lett. 17: 745-750.

Hirschberg and McIntosh. (1993).Science 222:1346.Hirschberg and McIntosh. (1993) .Science 222: 1346.

Johanningmeier et al. (1987) FEBS Lett 211:221.Johanningmeier et al. (1987) FEBS Lett 211: 221.

Kanyand et al. (1994) Plant Cell Reports 14:1-5.Kanyand et al. (1994) Plant Cell Reports 14: 1-5.

Kin Ying et al. (1996) The Plant Journal 10:737-743.Kin Ying et al. (1996) The Plant Journal 10: 737-743.

King, J. (1996) Science 274:180-181.King, J. (1996) Science 274: 180-181.

Laemmli, U.K. (1970) Nature 227:680-685.Laemmli, U.K. (1970) Nature 227: 680-685.

Langevin, S.A., Clay. K. and Grace, J.B. (1990) Evolution 44:1000-1008.Langevin, S. A., Clay. K. and Grace, J.B. (1990) Evolution 44: 1000-1008.

Lewellyn and Fitt (1996) Molecular Breeding 2:157-166.Lewellyn and Fitt (1996) Molecular Breeding 2: 157-166.

Lu, Z., Kunnimalaiyaan, M. and Nielsen, B.L. (1996) Plant Mol. Biol. 32:693-706.Lu, Z., Kunnimalaiyaan, M. and Nielsen, B.L. (1996) Plant Mol. Biol. 32: 693-706.

Lyons, P.С., May, G.D., Mason, H.S., and Arntzen. C.J., (1996) Pharmaceutical News 3:7-12.Lyons, P. C., May, G. D., Mason, H. S., and Arntzen. C. J., (1996) Pharmaceutical News 3: 7-12.

Maier, R.M., Necketman, K., Igloi. G.L. and

Figure 00000004
, H. (1995) J. Mol. Biol. 251:614-628.Maier, RM, Necketman, K., Igloi. GL and
Figure 00000004
, H. (1995) J. Mol. Biol. 251: 614-628.

May, G.D., Mason, H.S., Lyons, P.C. (1996) American Chemical Society, pp.194-204.May, G. D., Mason, H. S., Lyons, P. C. (1996) American Chemical Society, pp. 194-204.

Miele, L. (1997) Elsevier Trends Journals, Vol. 15.Miele, L. (1997) Elsevier Trends Journals, Vol. fifteen.

Mikkelson, T.R., Anderson, B. and

Figure 00000005
R.B. (1996) Nature 380:31.Mikkelson, TR, Anderson, B. and
Figure 00000005
RB (1996) Nature 380: 31.

Miki, B.I., Labbe, H., Hatori, J., Ouellet, Т., Gabard, J., Sunohara, G., Charest, P.J. and Iyer, V.N. (1990) Theoretical Applied Genetics 80:449-458.Miki, B.I., Labbe, H., Hatori, J., Ouellet, T., Gabard, J., Sunohara, G., Charest, P.J. and Iyer, V.N. (1990) Theoretical Applied Genetics 80: 449-458.

McBride, K.E., Svab, Z., Schaaf, D.J., Hogan, P.S., Stalker, D.M. and Maliga, P. (1995) Bio/Technology 13:362-365.McBride, K.E., Svab, Z., Schaaf, D.J., Hogan, P.S., Stalker, D.M. and Maliga, P. (1995) Bio / Technology 13: 362-365.

Nielsen, B.L., Lu, Z. and Tewari, K.K. (1993) Plasmid 30:197-211.Nielsen, B.L., Lu, Z. and Tewari, K.K. (1993) Plasmid 30: 197-211.

Oard, J.H., Linscombe, S.D., Braveramn, M.P., Jodari, F., Blouin. D.C., Leech, M., Kohli, A., Vain, P. Cooley, J.C. and Christou, P. (1996) Mol. Breed. 2:259-368.Oard, J.H., Linscombe, S.D., Braveramn, M.P., Jodari, F., Blouin. D.C., Leech, M., Kohli, A., Vain, P. Cooley, J.C. and Christou, P. (1996) Mol. Breed 2: 259-368.

Penazloza, V., et al. (1995) Plant Cell Reports 14:482-487.Penazloza, V., et al. (1995) Plant Cell Reports 14: 482-487.

Rudraswamy, V. and Reichert, N.A. (1997) M.S. Thesis. Mississippi State Univ.Rudraswamy, V. and Reichert, N.A. (1997) M.S. Thesis. Mississippi State Univ.

Rogers. S.O. and Bendich, A.J. (1988) in Plant Molecular Biology Manual, ed. Gelvin. S.B. and Schilperoot, R.A. (Kulwer Academic Publishers, Dordrecht, Netherlands) pp.A6:1-10.Rogers. S.O. and Bendich, A.J. (1988) in Plant Molecular Biology Manual, ed. Gelvin. S.B. and Schilperoot, R.A. (Kulwer Academic Publishers, Dordrecht, Netherlands) pp. A6: 1-10.

Sambrook, J., Fritch, E.F. and Maniatis, T. (1989) in Molecular cloning. Cold Spring Harbor Press, Cold Spring Harbor, Mew York.Sambrook, J., Fritch, E.F. and Maniatis, T. (1989) in Molecular cloning. Cold Spring Harbor Press, Cold Spring Harbor, Mew York.

Sanford, J.C. (1988) Trends In Biotech. 6:299-302.Sanford, J.C. (1988) Trends In Biotech. 6: 299-302.

Sankula, S., Braverman, M.P., Jordari, F., Linscombe, S.D. and Oard, J.A. (1996) Weed Technol. 11:70-75.Sankula, S., Braverman, M.P., Jordari, F., Linscombe, S.D. and Oard, J.A. (1996) Weed Technol. 11: 70-75.

Schultz, A., Wengenmayer,F. and Goodman, H. (1990) Critical Review in Plant Sciences 9:1-15.Schultz, A., Wengenmayer, F. and Goodman, H. (1990) Critical Review in Plant Sciences 9: 1-15.

Shaner and Anderson, P.C., (1985), Biotechnology in Plant Science, 287.Shaner and Anderson, P.C., (1985), Biotechnology in Plant Science, 287.

Sijmons, P.C., Cekker, B.M.M., Schrammeijer, В., Verwoerd, T.C., van den Elzen, P.J.M., Hoekema, A. (1990) Biotechnology 8:217-221.Sijmons, P.C., Cekker, B.M.M., Schrammeijer, B., Verwoerd, T.C., van den Elzen, P.J.M., Hoekema, A. (1990) Biotechnology 8: 217-221.

Stalker, et al. (1985) J. Biol. Chem. 260:4724.Stalker, et al. (1985) J. Biol. Chem. 260: 4724.

Stummann et al. (1988) Physiologia Plantarum 72:139-146.Stummann et al. (1988) Physiologia Plantarum 72: 139-146.

Svab, Z. and Maliga, P. (1993) Proc. Natl. Acad. Sci. (USA) 90:913-917.Svab, Z. and Maliga, P. (1993) Proc. Natl. Acad. Sci. (USA) 90: 913-917.

Svab, Z., Hajdukiewicz, P. and Maglia, P. (1990) Proc. Mat. Acad. Sci. (USA) 87:8526-8530.Svab, Z., Hajdukiewicz, P. and Maglia, P. (1990) Proc. Mat. Acad. Sci. (USA) 87: 8526-8530.

Umbeck, P.F., et al. (1991) Econ. Entomology 84:1943-1950.Umbeck, P.F., et al. (1991) Econ. Entomology 84: 1943-1950.

Urry, D.W., Nicol, A., Gowda, D.C., Hoban, L.D., McKee. A., Williams, Т., Olsen, D.B. and Сох, В.А. (1993) in Biotechnological Polymers: Medical. Pharmaceutical and Industrial Applications, ed. Gebelein, C.G. (Technomic Publishing Co., Inc., Atlanta, GA), pp. 82-103.Urry, D.W., Nicol, A., Gowda, D.C., Hoban, L.D., McKee. A., Williams, T., Olsen, D.B. and Sokh, V.A. (1993) in Biotechnological Polymers: Medical. Pharmaceutical and Industrial Applications, ed. Gebelein, C.G. (Technomic Publishing Co., Inc., Atlanta, GA), pp. 82-103.

Widner, W.R. and Whiteley, H.R. (1989) J. Bacteriol. 171:961-974.Widner, W.R. and Whiteley, H.R. (1989) J. Bacteriol. 171: 961-974.

Yadav, et al. (1986) Proc. Nat1. Acad. (USA) 83:4418-4422.Yadav, et al. (1986) Proc. Nat1. Acad. (USA) 83: 4418-4422.

Ye, G.N.. Daniell. H. and Sanford, J.C. (1990) Plant Mol. Biol. 15:809-819.Ye, G.N .. Daniell. H. and Sanford, J.C. (1990) Plant Mol. Biol. 15: 809-819.

Yeh, H., Ornstein-Goldstein, N; Indik, Z., Sheppard, P., Anderson, N., Rosenbloom, J., Cicilia, G., Yoon, K. and Rosenbloom, J. (1987) Collagen Related Res. 7:235-247.Yeh, H., Ornstein-Goldstein, N; Indik, Z., Sheppard, P., Anderson, N., Rosenbloom, J., Cicilia, G., Yoon, K. and Rosenbloom, J. (1987) Collagen Related Res. 7: 235-247.

Zhang, X., Guda, С., Datta,. R., Dute, R., Urry, D.W. and Daniell, H. (1996) Plant Cell Reports 15:381-385.Zhang, X., Guda, S., Datta ,. R., Dute, R., Urry, D.W. and Daniell, H. (1996) Plant Cell Reports 15: 381-385.

Zhang, X., Guda., C., Datta, R., Dute, R., Urry, D.W., Danell, H.(1995) Biotechnology Letters 17:1279-1284.Zhang, X., Guda., C., Datta, R., Dute, R., Urry, D.W., Danell, H. (1995) Biotechnology Letters 17: 1279-1284.

Zhang, X., Urry, D.W. and Daniell, H. (1996) Plant Cell Rep. 16:174-179.Zhang, X., Urry, D.W. and Daniell, H. (1996) Plant Cell Rep. 16: 174-179.

Current Protocols in Molecular Biology. Asubel et al., eds., John Wiley and Sons, Inc. (1997) Vol. I, II and III.Current Protocols in Molecular Biology. Asubel et al., Eds., John Wiley and Sons, Inc. (1997) Vol. I, II and III.

Herbicide Resistance Crops, Acricultural, Environmental, Economic, Regulatory and Technical Aspects, Duke, S.O., edt., CRC Press, Inc. (1996).Herbicide Resistance Crops, Agricultural, Environmental, Economic, Regulatory and Technical Aspects, Duke, S.O., edt., CRC Press, Inc. (1996).

Herbicide Resistance in Plants. Biolocry and Biochemistry, Powles. S.B., and Holtum, J.A.M; eds., CRC, Press, Inc. (1994).Herbicide Resistance in Plants. Biolocry and Biochemistry, Powles. S. B., and Holtum, J. A. M.; eds., CRC, Press, Inc. (1994).

Claims (29)

1. Универсальный интеграционный и экспрессионный вектор, компетентный для стабильной трансформации хлоропластного генома различных видов растений, включающий экспрессионную кассету, которая включает гетерологичную последовательность, кодирующую представляющий интерес пептид, функционально связанную на 5'-и 3'-конце с регуляторными последовательностями, обеспечивающими экспрессию кодирующей последовательности в хлоропластах растения-мишени, и расположенные с каждой стороны экспрессионной кассеты фланкирующие последовательности, гомологичные спейсерной последовательности хлоропластного генома мишени, которые обеспечивают стабильную интеграцию гетерологичной кодирующей последовательности в хлоропластный геном путем гомологичной рекомбинации фланкирующих последовательностей с гомологичными последовательностями в хлоропластном геноме мишени, причем спейсерная последовательность транскрипционно активна и консервативна в хлоропластном геноме различных видов растений.1. A universal integration and expression vector competent for the stable transformation of the chloroplast genome of various plant species, including an expression cassette that includes a heterologous sequence encoding a peptide of interest, functionally linked at the 5'- and 3'-end with regulatory sequences that allow expression of the coding sequences in the chloroplasts of the target plant, and flanking sequences located on each side of the expression cassette, omologichnye spacer sequence of the target chloroplast genome, which provide stable integration of the heterologous coding sequence into the chloroplast genome by homologous recombination of the flanking sequences with the homologous sequences in the target chloroplast genome, wherein the spacer sequence is transcriptionally active and is conserved in chloroplast genome of different plant species. 2. Вектор по п.1, включающий гетерологичную нуклеотидную последовательность, которая кодирует селектируемый фенотип.2. The vector according to claim 1, comprising a heterologous nucleotide sequence that encodes a selectable phenotype. 3. Вектор по п.2, в котором каждая фланкирующая последовательность включает часть межгенной спейсерной области 2 между генами tRNAIle и tRNAAla хлоропластного генома, что облегчает двойную гомологичную рекомбинацию с консервативной спейсерной областью 2 в хлоропластном геноме мишени.3. The vector according to claim 2, in which each flanking sequence includes a part of the intergenic spacer region 2 between the tRNA Ile and tRNA Ala genes of the chloroplast genome, which facilitates double homologous recombination with the conserved spacer region 2 in the chloroplast target genome. 4. Вектор по п.3, в котором каждая фланкирующая последовательность включает, кроме части спейсерной области, части или полные гены tRNAIle и tRNAAla соответственно.4. The vector according to claim 3, in which each flanking sequence includes, in addition to part of the spacer region, parts or complete genes of tRNA Ile and tRNA Ala, respectively. 5. Вектор по п.4, в котором каждая фланкирующая последовательность включает, кроме части спейсерной области, части или полные последовательности генов 16S и/или 23SrRNA.5. The vector according to claim 4, in which each flanking sequence includes, in addition to part of the spacer region, parts or complete sequences of 16S and / or 23SrRNA genes. 6. Вектор по п.3, в котором спейсерная область локализована в инвертированном повторе хлоропластного генома.6. The vector according to claim 3, in which the spacer region is localized in an inverted repeat of the chloroplast genome. 7. Вектор по п.3, в котором ДНК фланкирующих последовательностей происходит от иного вида растения, чем растение-мишень.7. The vector according to claim 3, in which the DNA of the flanking sequences comes from a different plant species than the target plant. 8. Вектор по п.3, в котором представляющий интерес пептид является биологически активной молекулой.8. The vector according to claim 3, in which the peptide of interest is a biologically active molecule. 9. Способ стабильной трансформации растения-мишени, включающий введение интеграционного и экспрессионного универсального вектора в хлоропластный геном растения-мишени и выращивание трансформированного растения, причем вектор является компетентным для стабильной трансформации хлоропласта различных видов растений и включает экспрессионную кассету, которая включает гетерологичную последовательность, кодирующую представляющий интерес пептид, функционально связанную на 5'- и 3'-конце с регуляторными последовательностями, обеспечивающими экспрессию кодирующей последовательности в хлоропластах растения-мишени, гетерологичную нуклеотидную последовательность, кодирующую селектируемый фенотип, и расположенные с каждой стороны экспрессионной кассеты фланкирующие последовательности, включающие, каждая, часть межгенной спейсерной области 2 между генами tRNAIle и tRNAAla хлоропластного генома, гомологичные спейсерной последовательности хлоропластного генома мишени, консервативной в хлоропластном геноме различных видов растений, обеспечивающий стабильную интеграцию гетерологичной кодирующей последовательности в хлоропластный геном растения-мишени путем гомологичной рекомбинации фланкирующих последовательностей с гомологичными последовательностями в хлоропластном геноме мишени.9. A method for stable transformation of a target plant, comprising introducing an integration and expression universal vector into the chloroplast genome of the target plant and growing a transformed plant, the vector being competent for stable transformation of the chloroplast of various plant species and includes an expression cassette that includes a heterologous sequence encoding representing interest peptide, functionally linked at the 5'- and 3'-end with regulatory sequences, providing their expression of the coding sequence in the chloroplasts of the target plant, a heterologous nucleotide sequence encoding a selectable phenotype, and flanking sequences located on each side of the expression cassette, including, each, part of the intergenic spacer region 2 between the tRNA Ile and tRNA Ala genes of the chloroplast genome homologous to the spacer sequence of the chloroplast genome of the target, conservative in the chloroplast genome of various plant species, providing stable integration of goethe ologichnoy coding sequence in the chloroplast genome of the target plant by homologous recombination of the flanking sequences with the homologous sequences in the target chloroplast genome. 10. Способ по п.9, в котором трансформируемое растение является однодольным растением.10. The method according to claim 9, in which the transformable plant is a monocotyledonous plant. 11. Способ по п.10, в котором трансформируемое растение выбирают из однодольных растений, представляющих собой маис, рис, злаковые травы, рожь, ячмень, овес или пшеницу.11. The method according to claim 10, in which the transformed plant is selected from monocotyledonous plants, which are maize, rice, cereal grass, rye, barley, oats or wheat. 12. Способ по п.9, в котором трансформируемое растение является двудольным растением.12. The method according to claim 9, in which the transformable plant is a dicotyledonous plant. 13. Способ по п.12, в котором трансформируемое растение выбирают из двудольных растений, представляющих собой сою, арахис, виноград, сладкий картофель, горох, канолу, табак, томат или хлопчатник.13. The method according to item 12, in which the transformed plant is selected from dicotyledonous plants, which are soy, peanuts, grapes, sweet potatoes, peas, canola, tobacco, tomato or cotton. 14. Способ по п.9, в котором представляющий интерес пептид является синтетическим полимером на основе белка.14. The method of claim 9, wherein the peptide of interest is a protein-based synthetic polymer. 15. Способ по п.14, в котором синтетический полимер на основе белка содержит повторяющиеся пентамерные последовательности (GVGVP)n, где n - целое число от 1 до 250, G означает глицин, V означает валин, и Р означает пролин.15. The method of claim 14, wherein the protein-based synthetic polymer contains repeating pentameric sequences (GVGVP) n , where n is an integer from 1 to 250, G is glycine, V is valine, and P is proline. 16. Способ по п.14, в котором экспрессированным представляющим интерес пептидом является инсулин.16. The method of claim 14, wherein the expressed peptide of interest is insulin. 17. Способ по п.16, дополнительно включающий выделение инсулина.17. The method of claim 16, further comprising isolating insulin. 18. Способ по п.16, в котором инсулин экспрессируется в форме проинсулина.18. The method according to clause 16, in which the insulin is expressed in the form of proinsulin. 19. Способ по п.18, в котором проинсулин слит с синтетическим полимером на основе белка.19. The method of claim 18, wherein the proinsulin is fused to a protein-based synthetic polymer. 20. Способ по п.16, в котором трансформируемое растение представляет собой табак.20. The method according to clause 16, in which the transformed plant is tobacco. 21. Способ по п.14, в котором представляющий интерес пептид представляет собой полипептид, являющийся сывороточным альбумином человека.21. The method of claim 14, wherein the peptide of interest is a human serum albumin polypeptide. 22. Способ по п.21, в котором трансформируемое растение представляет собой табак.22. The method according to item 21, in which the transformed plant is tobacco. 23. Способ придания устойчивости к гербициду растению-мишени, включающий введение в растение универсального интеграционного и экспрессионного вектора, компетентного для стабильной трансформации хлоропласта различных видов растений, включающего экспрессионную кассету, которая включает гетерологичную последовательность, кодирующую представляющий интерес белок, придающий устойчивость к гербициду, функционально связанную на 5'- и 3'-конце с регуляторными последовательностями, обеспечивающими экспрессию кодирующей последовательности в хлоропластах растения-мишени, гетерологичную нуклеотидную последовательность, кодирующую селектируемый фенотип, иной чем толерантность к указанному гербициду, и расположенные с каждой стороны экспрессионной кассеты фланкирующие последовательности, включающие, каждая, часть межгенной спейсерной области 2 между генами tRNAIle и tRNAAla хлоропластного генома, гомологичные спейсерной последовательности хлоропластного генома мишени, консервативной в хлоропластном геноме различных видов растений, обеспечивающие стабильную интеграцию гетерологичной кодирующей последовательности в хлоропластный геном растения-мишени путем гомологичной рекомбинации фланкирующих последовательностей с гомологичными последовательностями в хлоропластном геноме мишени, и выращивание трансформированного растения.23. A method of imparting herbicide resistance to a target plant, comprising introducing into the plant a universal integration and expression vector competent for stable transformation of the chloroplast of various plant species, including an expression cassette that includes a heterologous sequence encoding a protein of interest to the herbicide that is resistant to the herbicide associated at the 5'- and 3'-end with regulatory sequences that provide expression of the coding sequence in chloroplasts of the target plant, a heterologous nucleotide sequence encoding a selectable phenotype, other than tolerance to the indicated herbicide, and flanking sequences located on each side of the expression cassette, including, each, part of the intergenic spacer region 2 between the tRNA Ile and tRNA Ala genes of the chloroplast genome, homologous spacer sequence of the chloroplast genome of the target, conservative in the chloroplast genome of various plant species, ensuring stable hetero integration the coding sequence into the chloroplast genome of the target plant by homologously recombining flanking sequences with homologous sequences in the chloroplast target genome, and growing the transformed plant. 24. Способ по п.23, в котором представляющий интерес белок является ферментом, причем последовательность ДНК, кодирующая этот фермент, кодирует мутантную форму фермента, обладающего меньшим сродством к гербициду, чем у природного фермента.24. The method according to item 23, in which the protein of interest is an enzyme, and the DNA sequence encoding this enzyme encodes a mutant form of the enzyme having a lower affinity for the herbicide than the natural enzyme. 25. Способ по п.23, в котором фермент представляет собой EPSP-синтазу, а гербицидом является глифозат.25. The method according to item 23, in which the enzyme is an EPSP synthase, and the herbicide is glyphosate. 26. Способ по п.23 для стабильной трансформации фенотипа растения-мишени, в котором в выращенном трансформированном растении экспрессируется селектируемый фенотип и другой признак в дополнение к экспрессии указанного фенотипа.26. The method according to item 23 for the stable transformation of the phenotype of the target plant, in which a breeding phenotype and another trait is expressed in the grown transformed plant in addition to expressing said phenotype. 27. Способ по п.26, в котором выбранный фенотип обеспечивается посредством экспрессии гена гидромицин-β-фосфотрансферазы, а дополнительным признаком является устойчивость к гербициду глифозату.27. The method according to p. 26, in which the selected phenotype is provided by expression of the hydromycin-β-phosphotransferase gene, and an additional feature is the herbicide glyphosate resistance. 28. Способ определения трансформации хлоропласта и экспрессии намеченного признака по приобретению растением-мишени устойчивости к выбранному гербициду вследствие трансформации растения, включающий введение в растение универсального интеграционного и экспрессионного вектора, компетентного для стабильной трансформации хлоропласта различных видов растений, включающего экспрессионную кассету, которая включает гетерологичную последовательность, кодирующую нужный намеченный признак, функционально связанную на 5'- и 3'-конце с регуляторными последовательностями, обеспечивающими экспрессию кодирующей последовательности в хлоропластах растения-мишени, гетерологичную нуклеотидную последовательность, кодирующую селектируемый фенотип, и расположенные с каждой стороны экспрессионной кассеты фланкирующие последовательности, включающие, каждая, часть межгенной спейсерной области 2 между генами tRNAIle и tRNAAla хлоропластного генома, гомологичные спейсерной последовательности хлоропластного генома мишени, консервативной в хлоропластном геноме различных видов растений, обеспечивающие стабильную интеграцию гетерологичной кодирующей последовательности в хлоропластный геном растения-мишени путем гомологичной рекомбинации фланкирующих последовательностей с гомологичными последовательностями в хлоропластном геноме мишени, воздействие на растения, в которые введен вектор, летальной концентрации гербицида, и отбор растений, которые не погибают при таком воздействии, причем посредством этого отбирают трансформированные растения, экспрессирующие намеченный признак.28. A method for determining chloroplast transformation and expression of an intended trait for acquiring a target plant resistance to a selected herbicide due to plant transformation, comprising introducing into the plant a universal integration and expression vector competent for stable chloroplast transformation of various plant species, including an expression cassette that includes a heterologous sequence encoding the desired intended trait functionally linked at the 5'- and 3'-end to sequences providing expression of the coding sequence in the chloroplasts of the target plant, a heterologous nucleotide sequence encoding a selectable phenotype, and flanking sequences located on each side of the expression cassette, including each part of the intergenic spacer region 2 between the tRNA Ile and tRNA Ala genes of the chloroplast genome, homologous to the spacer sequence of the chloroplast genome of the target, conservative in the chloroplast genome of various plant species, about ensuring stable integration of the heterologous coding sequence into the chloroplast genome of the target plant by homologous recombination of flanking sequences with homologous sequences in the chloroplast genome of the target, exposure of the plants into which the vector is introduced, lethal concentration of the herbicide, and selection of plants that do not die under such exposure thereby select transformed plants expressing the intended trait. 29. Стабильно трансформированный транскрипционно/трансляционно-активный хлоропластный геном растения-мишени, компетентный для стабильной интеграции гетерологичной последовательности, включающий экспрессионную кассету, которая включает представляющую интерес гетерологичную последовательность ДНК, кодирующую представляющий интерес гетерологичную молекулу, экспрессирующуюся под контролем регуляторных последовательностей в хлоропластах растения-мишени, и последовательно ДНК растения, фланкирующую каждую сторону экспрессионной кассеты, обеспечивающая стабильную интеграцию ДНК в хлоропластный геном мишени путем гомологичной рекомбинации, причем указанная последовательность транскрипционно активна и консервативна в хлоропластном геноме различных видов растений, и указанная ДНК наследуется через репликацию органеллы в дочерних клетках.29. A stably transformed transcriptionally / translationally active chloroplast genome of a target plant competent to stably integrate a heterologous sequence, including an expression cassette that includes a heterologous DNA sequence of interest encoding a heterologous molecule of interest expressed under the control of regulatory sequences in the chloroplasts of the target plant , and sequentially plant DNA flanking each side of expression to assets that ensure stable integration of DNA into the target chloroplast genome by homologous recombination, the sequence being transcriptionally active and conserved in the chloroplast genome of various plant species, and this DNA is inherited through organelle replication in daughter cells.
RU2000106064A 1997-08-07 1998-08-05 Universal vector for stable transformation of chloroplast genome, method for stable transformation of plant-target, method for conferring to plant resistance to plant-target against herbicide, method for assay of transformation of chloroplast and stably transformed chloroplast genome RU2238324C2 (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US5531497P 1997-08-07 1997-08-07
US60/055,314 1997-08-07
US60/079,042 1998-03-23
US09/079,640 1998-05-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2000106064A RU2000106064A (en) 2002-04-20
RU2238324C2 true RU2238324C2 (en) 2004-10-20

Family

ID=33538616

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000106064A RU2238324C2 (en) 1997-08-07 1998-08-05 Universal vector for stable transformation of chloroplast genome, method for stable transformation of plant-target, method for conferring to plant resistance to plant-target against herbicide, method for assay of transformation of chloroplast and stably transformed chloroplast genome

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2238324C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA013540B1 (en) * 2005-03-15 2010-06-30 Верениум Корпорейшн Cellulases, nucleic acids encoding them and methods for making and using them

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
NUCLEIC ACID RESEARCH, v. 22, №19, 1994, р.3819-3824. BIO/TECHNOLOGY, v. 13, 1995, р.362-364. SUPPLEMENT TO PLANT PHYSIOLOGY, v. 111, №2, 1996, р.168. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA013540B1 (en) * 2005-03-15 2010-06-30 Верениум Корпорейшн Cellulases, nucleic acids encoding them and methods for making and using them

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2299609C (en) Universal chloroplast integration and expression vectors, transformed plants and products thereof
US7129391B1 (en) Universal chloroplast integration and expression vectors, transformed plants and products thereof
Verma et al. Chloroplast vector systems for biotechnology applications
Kumar et al. Stable transformation of the cotton plastid genome and maternal inheritance of transgenes
JP7312805B2 (en) Compositions and methods for efficient targeting of transgenes
US20110072541A1 (en) Marker free transgenic plants engineering the chloroplast genome without the use of antibiotic selection
WO2004055191A1 (en) Expression of hydroxyphenylpyruvate dioxygenase in plastids of plants for herbicide tolerance
CA2401954A1 (en) Marker free transgenic plants: engineering the chloroplast genome without the use of antibiotic selection
Li et al. Expression of a codon-optimized dsdA gene in tobacco plastids and rice nucleus confers D-serine tolerance
US7767885B2 (en) Plastid genetic engineering via somatic embryogenesis
RU2238324C2 (en) Universal vector for stable transformation of chloroplast genome, method for stable transformation of plant-target, method for conferring to plant resistance to plant-target against herbicide, method for assay of transformation of chloroplast and stably transformed chloroplast genome
EP1571220B1 (en) Universal chloroplast integration and expression vectors, transformed plants and products thereof
US11319552B2 (en) Methods for improving transformation frequency
MXPA00001341A (en) Universal chloroplast integration and expression vectors, transformed plants and products thereof
Koya et al. OBPC Symposium: Maize 2004 & Beyond—recent advances in chloroplast genetic engineering

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20060806

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20081110