WO1999011805A1 - Recombinant dna molecules and method for increasing oil content in plants - Google Patents

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WO1999011805A1
WO1999011805A1 PCT/EP1998/005461 EP9805461W WO9911805A1 WO 1999011805 A1 WO1999011805 A1 WO 1999011805A1 EP 9805461 W EP9805461 W EP 9805461W WO 9911805 A1 WO9911805 A1 WO 9911805A1
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WO
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plants
recombinant dna
transgenic plant
dna molecule
agpase
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PCT/EP1998/005461
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Norbert Martini
Ekkehard Neuhaus
Jozef Schell
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MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/63Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
    • C12N15/79Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts
    • C12N15/82Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts for plant cells, e.g. plant artificial chromosomes (PACs)
    • C12N15/8241Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology
    • C12N15/8242Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology with non-agronomic quality (output) traits, e.g. for industrial processing; Value added, non-agronomic traits
    • C12N15/8243Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology with non-agronomic quality (output) traits, e.g. for industrial processing; Value added, non-agronomic traits involving biosynthetic or metabolic pathways, i.e. metabolic engineering, e.g. nicotine, caffeine
    • C12N15/8247Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology with non-agronomic quality (output) traits, e.g. for industrial processing; Value added, non-agronomic traits involving biosynthetic or metabolic pathways, i.e. metabolic engineering, e.g. nicotine, caffeine involving modified lipid metabolism, e.g. seed oil composition

Definitions

  • the present invention relates to recombinant DNA molecules and methods for increasing the oil content in plant cells and plants, in particular recombinant DNA molecules which contain regulatory sequences of an embryo-specific promoter in plants, a DNA sequence which is functionally linked to this regulatory sequence Plants can be expressed and their gene product inhibits a protein with the enzymatic activity of an ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase).
  • AGPase ADP-glucose pyrophosphorylase
  • This invention further relates to vectors, host cells and kits which contain such recombinant DNA molecules.
  • the present invention further relates to methods for producing transgenic plant cells, plant tissue and plants which, owing to the introduction of the recombinant DNA molecules or vectors described above, have an increased fatty acid synthesis and / or an increased oil content.
  • the present invention relates to transgenic plant cells, plant tissues and plants which contain recombinant DNA molecules or vectors according to the invention or which can be obtained by the process described
  • Oils and fats which are chemically glycerol esters and fatty acids (triacylglycerols (TAGs)), play an important role due to their high energy content Role in human nutrition.
  • TAGs triacylglycerols
  • Ninety percent of the vegetable oils produced are used for human consumption, mainly in marguerine, shortening, salad oils and roasting oils (Röbbelen, Proceedings of the World Conference on Biotechnology for the Fats and Oils Industry (1988), 78).
  • the focus has always been on improving oils that are used for these purposes.
  • the plants selected showed significant changes in the composition of the seed oil, suggesting that plants can tolerate larger fluctuations in the fatty acid composition of the storage lipids (Lühs, Designer Oil Crops (1993), 5; Kinney, Curr. Opin.
  • the present invention is therefore based on the object of providing recombinant DNA molecules and methods which can be used to increase the oil content in plants. This object is achieved by the provision of the embodiments characterized in the patent claims.
  • the present invention relates to a recombinant DNA molecule comprising
  • a protein with the enzymatic activity of an ADP-glucose pyrophosphorylase is understood to be a protein which activates glucose as a key enzyme in starch biosynthesis.
  • ADP-glucose pyrophoshorylase is also referred to, inter alia, by the term “ADPGPP”, which is also used interchangeably and interchangeably with the terms “AGPase” or “AGP” for the gene encoding the AGPase in the present application.
  • An embryo-specific promoter is understood to mean a promoter which controls the transcription of a functionally linked gene sequence in cells of embryos, preferably in their storage organs in plant seeds. It is known to the person skilled in the art that the regulatory sequences of an embryo-specific promoter in plants or the promoter itself need not necessarily come from plants. For example, they can also be synthetic and / or chimeric regulatory sequences or promoters which are derived from plant promoters, but are not identical to them.
  • a regulatory sequence, which can serve as a transcription termination sequence in plants, is able to mediate the termination of the transcription and, if appropriate, the addition of a poly-A tail to the transcript, which is believed to have a function in stabilizing the transcripts.
  • Such elements for example the terminator of the octopine synthase gene from agrobacteria, have been described in the literature (cf. Gielen, EMBO J. 8 (1989), 23- 29) and are interchangeable.
  • Further examples of suitable terminators are 3 ' transcribed, non-translated regions of the 35S rna gene of the cauliflower mosaic virus (CaMV) and of plant genes such as the 3 ' region of the CIFatB4 gene from C. lanceolata.
  • the terminators of, for example, t-RNA genes can also be used.
  • the present invention is based on the surprising finding that by suppressing the accumulation of transitory starch, fatty acid production in ripening seeds of oil plants such as e.g. Rapeseed can be increased significantly.
  • both carbon skeletons and energy equivalents are introduced into the heterotrophic plastids.
  • a number of different metabolites that differ in the molecular nature of their carbon skeletons have been identified as efficient precursors to fatty acid biosynthesis. These include, for example, acetate (Kleppinger-Sparace, Plant Physiol. 98 (1991), 723-727; Möhlmann, Planta 194 (1994), 492-497), pyruvate (Kang, Plant J. 6 (1994), 795-805) , Malat (Smith, Plant Physiol. 98 (1992), 1233-1238) or glucose-6-phosphate (Kang, Planta 199 (1996), 321-327).
  • fatty acid and starch biosynthesis in the plastids compete for carbon and energy. It is known that the inhibition of starch biosynthesis in developing embryo tissues (including rapeseed) causes a significant increase in the content of structural and storage lipids.
  • the starch biosynthesis for example in developing rapeseed, is reduced with the aid of molecular biological methods, so that carbon and energy are increasingly directed into the synthesis of lipids.
  • transgenic plants are generated, in their storage organ, e.g. Seed, the activity of the enzyme that limits the starch biosynthesis, ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase), is specifically reduced.
  • AGPase ADP-glucose pyrophosphorylase
  • the DNA sequence, the gene product of which inhibits a protein with the enzymatic activity of an ADP-glucose pyrophosphorylase is a DNA sequence which comprises a peptide, polypeptide, sense RNA, antisense RNA and / or ribozyme coded.
  • AGPase ADP-glucose pyrophosphorylase
  • Embryo-specific modulation of AGPase activity can e.g. by antibodies or antibody fragments such as single-chain Fv antibodies (scFv), which consist of the variable domains of the heavy and light immunoglobulin chains. Connected to each other via a flexible linker peptide, scFv can be encoded by a single gene.
  • a cytoplasmic scFv antibody was used to modulate the activity of the phytochrome A protein in genetically modified tobacco plants (Owen, Bio / Technology 10 (1992), 790-4; review: Franken, E, Teuschel, U. and Hain, R. , Current Opinion in Biotechnology 8, (1997), 411-416; Whitelam, Trends Plant Sei.
  • a scFv anti-AGPase antibody provided with a transit peptide for plastid localization could bring about a reduction in the starch synthesis rate in plastids of embryos of oily plant seeds.
  • the DNA sequence encoding a non-functional derivative of a protein with the enzymatic activity of an AGPase can be isolated from natural sources are, preferably plants, or can be synthesized by known methods. Using common molecular biological techniques, it is possible (see, for example, Sambrook, 1989, Molecular Cloning, A Laboratory Manual, 2nd ed. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY) to make various types of mutations in the DNA sequence that a protein contains encoding the enzymatic activity of an AGPase, in the recombinant DNA molecules according to the invention, which results in the synthesis of proteins with altered properties.
  • deletion mutants in which the synthesis of correspondingly shortened proteins can be achieved by progressive deletions from the 5 'or from the 3' end of the coding DNA sequence. It is also possible to produce proteins in a targeted manner, which are localized in certain compartments of the plant cell by adding corresponding signal sequences. Such sequences are known (see for example Braun, EMBO J. 11 (1992), 3219-3227; Wolter, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85 (1988), 846-850; Sonnewald, Plant J. 1 (1991) , 95-106).
  • mutants can be produced which have an altered substrate or product specificity. Furthermore, mutants can be produced which have a changed activity-temperature profile.
  • the recombinant DNA molecules according to the invention or parts of these molecules can be introduced into plasmids which permit mutagenesis or a sequence change by recombining DNA sequences.
  • base exchanges can be carried out made or natural or synthetic sequences are added.
  • adapters or linkers can be attached to the fragments.
  • Manipulations which provide suitable restriction sites or which remove superfluous DNA or restriction sites can also be used. Where insertions, deletions or substitutions are possible, in vitro mutagenesis, "primer repair", restriction or ligation can be used. Sequence analysis, restriction analysis and other biochemical-molecular biological methods are generally carried out as the analysis method.
  • the sense RNA is a non-translatable mRNA of a protein which has the enzymatic activity of an AGPase.
  • the DNA sequences which represent a non-translatable mRNA of an AGPase are usually variations of these sequences which do not code for a functional protein, e.g. DNA sequences whose coding region is interrupted early by a stop codon.
  • These can be both naturally occurring variations, for example sequences from other organisms, or mutations, wherein these mutations can have occurred naturally or have been introduced by targeted mutagenesis, for example by deletion, substitution, insertion and / or recombination.
  • the variations can be synthetically produced sequences.
  • the allelic variants can be both naturally occurring variants and also synthetically produced variants or those produced by recombinant DNA techniques.
  • the antisense RNA and / or the ribozyme is directed against a nucleotide sequence which encodes a protein with the enzymatic activity of an ADPGPP or a subunit thereof.
  • a DNA sequence of homologous origin with respect to the plants to be transformed.
  • DNA sequences can also be used which have a high degree of homology to endogenously present AGPase genes, in particular homologies higher than 80%, preferably homologies between 90% and 100% and particularly preferably homologies over 95%. Sequences up to a minimum length of 15 bp can be used.
  • sequences are used which are shorter than 5000 base pairs, preferably sequences which are shorter than 2500 base pairs.
  • ribozymes for reducing the activity of certain enzymes in cells is also known to the person skilled in the art and is described, for example, in EP-A1 0 291 533, EP-A1 0 321 201 and EP-A1 0 360 257.
  • the expression of ribozymes in plants For example, cells were described in Steinecke, EMBO J. 11 (1992), 1525-1530 and Feyter, Mol. Gen. Genet. 250: 329-338 (1996).
  • Suitable target sequences and ribozymes can e.g. as described in Steinecke (Ribozymes, Methods in Cell Biology 50, Galbraith et al. eds Academic Press, Inc. (1995), 449-460), can be determined by secondary structure calculations of ribozyme and target RNA and their interaction.
  • the protein with the enzymatic activity of an AGPase comes from plants; preferably Arabidopsis thaliana or Brassica napus.
  • promoters which ensure transcription in plant cells.
  • the promoter is chosen so that the expression is only in a specific tissue, preferably in the embryo or seed and / or at a specific point in time of plant development or at an external level Influences determined point in time.
  • the promoter can be homologous or heterologous to the plant.
  • Useful promoters are also, for example, chemically inducible promoters such as the Tet system (Gatz (1991), Mol. Gen. Genet. 227, 229-237).
  • the embryo-specific promoter is from plants, preferably from Cuphea lanceolata, Brassica rapa or Brassica napus.
  • the first two aforementioned promoters are promoters of the CIFatB3 or CIFatB4 genes which have already been successfully used in transgenic oilseed rape for the biosynthesis of medium-chain fatty acids and therefore have a suitable “expression window” for solving the present problem.
  • the invention further relates to vectors which contain recombinant DNA molecules according to the invention.
  • vectors which contain recombinant DNA molecules according to the invention.
  • These are preferably plasmids, cosmids, viruses, bacteriophages and other vectors customary in genetic engineering.
  • a large number of cloning vectors are available to prepare the introduction of foreign genes into higher plants, which contain a replication signal for E. coli and a marker gene for the selection of transformed bacterial cells. Examples of such vectors are pBR322, pUC series, M13mp series, pACYC184 etc.
  • the desired sequence can be introduced into the vector at a suitable restriction site.
  • the plasmid obtained is used for the transformation of E. coli cells. Transformed E. coli cells are grown in a suitable medium, then harvested and lysed.
  • the plasmid is recovered. Restriction analyzes, gel electrophoresis and other biochemical-molecular biological methods are generally used as the analysis method for characterizing the plasmid DNA obtained. After each manipulation, the plasmid DNA can be cleaved and DNA fragments obtained other DNA sequences. Each plasmid DNA sequence can be cloned into the same or different plasmids.
  • the vector according to the invention contains a selectable marker gene.
  • Suitable marker genes are known to the person skilled in the art from the prior art, for example antimetabolite resistance as a selection basis for dhfr, which transmits resistance to methotrexate (Reiss, Plant Physiol. (Life Sei. Adv.) 13 (1994), 142-149); npt, conferring resistance to the aminoglycosides neomycin, kanamycin and paromycin (Herrera-Estrella, EMBO J.
  • hygro conferring resistance to hygromycin (Marsh, Gene 32 (1984), 481-485 ) and Sul, which confer resistance to sulfadiazine (Guerineau, Plant Mol. Biol. 15 (1990), 127-136).
  • Additional selectable genes have been described, namely trpB, which enables cells to use indole instead of tryptophan; hisD, which enables cells to use histinol instead of histidine (Hartman, Proc. Natl. Acad. Sci.
  • Mannose-6-phosphate isomerase which enables cells to utilize mannose (WO 94/20627) and ODC (ornithine decarboxylase), which transmits resistance to the ornithine decarboxylase inhibitor, 2- (diflouromethyl) -DL-omithin, DFMO ( McConlogue, 1987, In: Current Communications in Molecular Biology, Cold Spring Harbor Laboratory, ed.) Or Deaminase from Aspergillus terreus, which confers resistance to Blasticidin S (Tamura, Biosci. Biotechnol. Biochem. 59 (1995), 2336-2338) .
  • Suitable detectable markers are known to the person skilled in the art and are commercially available.
  • This marker is preferably a gene which contains luciferase (Giacomin, PL Sc. 116 (1996), 59-72; Scikantha, J. Bact. 178 (1996), 121), green fluorescent protein (Gerdes, FEBS Lett. 389 (1996) , 44-47) or ⁇ -glucuronidase (Jefferson, EMBO J. 6 (1987), 3901-3907).
  • the marker gene is not necessarily in the vector which contains the DNA Molecule carries, must be present, but can also be co-transformed with this (Lyznik (1989) Plant Mol. Biol. 13, 151-161; Peng (1995) Plant Mol. Biol. 27, 91-104).
  • This option is useful, for example, if no physical coupling of the marker gene and the recombinant DNA molecule is desired.
  • the marker gene and the recombinant DNA molecule according to the invention can independently segregate in subsequent crossings.
  • Another strategy to generate marker-free transgenic plants is the use of sequence-specific recombinases.
  • two strategies can be used, for example: (i) re-transforming a starting line expressing recombinase and crossing out the recombinase after removal of the selection marker which was associated with the desired gene. (ii) Co-transformation followed by outcrossing. Prerequisites for this recombinase strategy are (i) flanking the selectin marker with recognition sequences for the recombinase and (ii) a recombinase that is active in plants and does not use any plant-specific sequences for recombination.
  • RecA Reiss (1996) Proc. Natl. Acad. Sei.
  • the invention relates to host cells which contain the recombinant DNA molecules or vectors according to the invention transiently or stably.
  • a host cell is understood to mean an organism which is able to take up recombinant DNA in vitro and, if appropriate, to express the DNA sequence contained in the recombinant DNA molecules according to the invention.
  • the invention relates to plant cells which contain the recombinant DNA molecules or vector systems or derivatives or parts thereof according to the invention.
  • the cells according to the invention are preferably characterized in that the introduced recombinant DNA molecule according to the invention is either heterologous with respect to the transformed cell, ie does not naturally occur in these cells, or is located at a different location in the genome than the corresponding naturally occurring sequence.
  • kits which contain a recombinant DNA molecule according to the invention or a vector according to the invention and optionally further recombinant DNA molecules which e.g. Contain DNA sequences that encode enzymes that are involved in fatty acid change.
  • a recombinant DNA molecule according to the invention or a vector according to the invention and optionally further recombinant DNA molecules which e.g. Contain DNA sequences that encode enzymes that are involved in fatty acid change.
  • the kit according to the invention can furthermore contain, for example, agents for the detection of plants transformed with the recombinant DNA molecules or vectors according to the invention, for example suitable PCR primers, probes, components for AGPase enzyme test, selection agents for plants etc.
  • kits according to the invention can be used in a variety of ways. Exemplary areas of application such as the production of transgenic plant cells and plants are given below.
  • the present invention thus also relates to a method for producing transgenic plant cells, plant tissue and plants, which comprises the following steps:
  • a variety of techniques are available for introducing DNA into a plant host cell. These techniques include the transformation of plant cells with T-DNA using Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes as the transformation agent, the fusion of protoplasts, the injection, the electroporation of DNA, the introduction of DNA using the biolistic method and other possibilities.
  • Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes as the transformation agent
  • the fusion of protoplasts the injection
  • the electroporation of DNA the introduction of DNA using the biolistic method and other possibilities.
  • Simple plasmids such as e.g. pUC derivatives can be used.
  • a selectable marker is present.
  • the Ti or Ri plasmid is used for the transformation of the plant cell, then at least the right boundary, but frequently the right and left boundary of the Ti and Ri plasmid T-DNA as the flank region, must be linked to the genes to be introduced.
  • the DNA to be introduced must be cloned into special plasmids, either in an intermediate vector or in a binary vector.
  • the intermediate vectors can be integrated into the Ti or Ri plasmid of the agrobacteria on the basis of sequences which are homologous to sequences in the T-DNA by homologous recombination.
  • Intermediate vectors cannot be found in agrobacteria replicate. Using a helper plasmid, the intermediate vector can be transferred to Agrobacterium tumefaciens (conjugation).
  • Binary vectors can replicate in both E. coli and agrobacteria. They contain a selection marker gene and a linker or polylinker, which are framed by the right and left T-DNA border region. They can be transformed directly into the agrobacteria (Holsters, Mol. Gen. Genet. 163 (1978), 181-187).
  • the agrobacterium serving as the host cell is said to contain a plasmid which carries a vir region.
  • the vir region is necessary for the transfer of the T-DNA into the plant cell. Additional T-DNA may be present.
  • the agrobacterium transformed in this way is used to transform plant cells.
  • the use of T-DNA for the transformation of plant cells has been intensively investigated and described in EP-A-120 516; Hoekema: The Binary Plant Vector System, Offsetdrukkerij Kanters BV, Alblasserdam (1985), Chapter V, Fraley, Crit. Rev. Plant. Sci., 4, 1-46 and An, EMBO J. 4 (1985), 277-287.
  • plants or plant explants can expediently be cultivated with Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes.
  • Whole plants can then be regenerated in a suitable medium from the infected plant material (for example leaf pieces, stem segments, roots, but also protoplasts or suspension-cultivated plant cells).
  • the plants thus obtained can then be examined for the presence of the introduced DNA.
  • Other ways of introducing foreign DNA using the biolistic method or by protoplast transformation are known (see, for example, Christou (1996) Trends in Plant Science 1, 423-431; Willmitzer, L., 1993 Transgenic plants. In: Biotechnology, A Multi- Volume Comprehensive Treatise (HJ. Rehm, G. Reed, A. Pühler, P. Stadler, eds.), Vol. 2, 627-659, VCH Weinheim-New York-Basel-Cambridge).
  • the recombinant DNA molecule according to the invention or the vector according to the invention is introduced in the method according to the invention by means of Agrobacterium tumefaciens, particle bombardment, electroporation, microinjection, liposomes or polyethylene glycol.
  • the present invention also relates to transgenic plant cells which contain a recombinant DNA molecule or a vector according to the invention or which have been obtained by the method according to the invention and to transgenic plant cells which originate from plant cells transformed in this way.
  • Such cells can be distinguished from naturally occurring plant cells in that they contain at least one recombinant DNA molecule according to the invention which does not naturally occur in these cells or in that such a molecule is located at one location in the genome of the cell is integrated in which it does not occur naturally, ie in a different genomic environment.
  • the plant cell according to the invention contains at least one further foreign gene.
  • the crossing combination with e.g. Plants that are overexpressing acetyl-CoA carboxylase, preferably rapeseed lines, ensure that the metabolic intermediates obtained can preferably flow off into the fatty acid biosynthesis.
  • the foreign gene encodes acetyl-CoA carboxylase or another enzyme determining the fatty acid and / or lipid biosynthesis rate such as e.g. ⁇ -ketoacyl synthase or diacylglycerol acyltransferase.
  • the transgenic plant cells can be regenerated to plant tissue and whole plants using techniques known to those skilled in the art.
  • the plant tissues and plants obtainable by regeneration of the transgenic plant cells according to the invention are likewise the subject of the present invention.
  • the invention furthermore relates to plants and plant tissues which contain the transgenic plant cells described above.
  • the promoter chosen eg 35S CaMV
  • the adult plants are also resistant to the selection agent and can be selected by administration of this compound.
  • tissue-specific promoters this possibility is eliminated and the person skilled in the art can use molecular biological methods such as PCR, for example, to identify these plants.
  • the person skilled in the art can, of course, for example after self-breeding or backcrossing against the parent, lay out seeds of such plants on media contained in the selection medium and infer them based on the germination capacity of these seeds or survival of the plants in a later stage of development (depending on the chosen promoter) whether the plants are transgenic or not.
  • the transgenic plants can in principle be plants of any plant species, ie both monocot and dicot plants. It is preferably useful plants such as wheat, barley, rice, rapeseed, pea, corn, sugar beet, sugar cane or potato.
  • Oil plants are particularly preferred, in particular the six most important oil plants (soybean, oil palm, oilseed rape, sunflower, cotton and peanut), from which 84% of the vegetable oils are produced worldwide (Lühs, (1993), supra), which mainly consist of palmitin, Stearic, oleic, linoleic and linolenic acid exist.
  • the invention also relates to propagation material and harvest products of the plants according to the invention, for example fruits, seeds, tubers, rhizomes, seedlings, cuttings etc.
  • the present invention provides recombinant DNA molecules and vectors which can be used for the production of transgenic plant cells, plant tissue and / or plants in which the fatty acid synthesis and / or the oil content is preferably increased.
  • the recombinant DNA molecules, methods and plant cells or plants according to the invention can of course also be used in connection with the production of oils with modified fatty acid profiles (Töpfer, Science 268 (1995), 681-686).
  • oils with modified fatty acid profiles Töpfer, Science 268 (1995), 681-686.
  • Currently only 10% of the edible oil produced is used in the non-food sector, such as in lubricants, hydraulic oils, alternative fuels or in oil-containing chemicals for coatings, plasticizers, soaps and detergents (Lühs, (1993), supra).
  • the economic requirements for industrially used raw materials differ considerably from the requirements for the production of cooking oil.
  • the ideal oil for an oleochemical application would consist of a certain type of fatty acid, which could be constantly supplied at a competitive price compared to raw materials from mineral oil products.
  • such a fatty acid should also contain a reactive group and thus an additional target for chemical modifications. It it is expected that such fatty acids can be produced in plants (Kishore, Curr. Opin. Biotechnol. 4 (1993), 152). It is therefore also to be expected that the recombinant DNA molecules, vectors, plant cells and plants or their seeds according to the invention can be used for the production of, for example, biodiesel and other fuels or for plastics. With the help of the recombinant DNA molecules according to the invention, it is now possible to control the photosynthesis flow and thus significantly increase the yield of oils in agriculture by returning the carbon flow to the synthesis of oils with the desired fatty acid composition.
  • Figure 1 Schematic map of the cassette for embryo-specific gene expression pTE200. EcoRI, Smal, BamHI, Xhol, Notl, Xbal, Sacl, Kpnl, Apal, Sall and Sfil mark recognition sites for restriction endonucleases. For practical reasons, Sfil (A) and Sfil (B) differ in the variable nucleotide sequence within the recognition sequence.
  • FIG. 1 Schematic representations of the AGP antisense
  • Expression cassettes fusions of the complete cDNA ⁇ AGP) of the small subunit of AGPase in antisense orientation in plasmid pTE209b with the CIFatB4 promoter (pCIFatB4) and terminator ⁇ CiFatB4); in plasmid pTE109b with the CIFatB3 promoter ⁇ pCIFatB3) and CIFatB4 terminator ( ⁇ CIFatB4) and in plasmid pG009b with the GPDH promoter CIGPDH) and the terminator (t35S) of the 35S rna gene from CaMV. EcoRI, Notl, Sall, and Xhol mark recognition sites for restriction endonucleases.
  • Figure 3 Schematic map of the AGP sense expression cassette pTE209a: This derivative of the vector pTE200 ( Figure 1) carries an incomplete cDNA for the small subunit of the AGPase ( Figure 6) in sense orientation between the recognition sites for the EcoRI and Xhol Restriction endonucleases.
  • Figure 4 Schematic map of the AGP antisense expression cassette pTE209b: This derivative of the vector pTE200 ( Figure 1) carries one incomplete cDNA for the small subunit of AGPase ( Figure 6) in antisense orientation between the two recognition sites for the EcoRI restriction endonuclease.
  • FIG. 5 Schematic map of the binary vector pMH000-0.
  • Sfil (A) and Sfil (B) differ in the variable nucleotide sequence of their recognition sequence as indicated. After Sfil cleavage, recircularization of the starting plasmid is prevented and a directed insertion of the expression cassette from the pTE200 derivative is possible.
  • RB, LB right and left border region
  • t35S termination signal of the 35S rna gene from CaMV
  • pat phosphinotricin acetyltransferase gene
  • p35S promoter of the 35S rna gene from CaMV
  • p35S (min) minimal promoter of the 35S rna Gene from CaMV
  • tp-su / sulfonamide resistance gene with transit peptides
  • ⁇ nos termination signal of the nopaline synthase gene
  • Sm / Sp bacterial resistance to streptomycin and spectinomycin
  • parA, parB and parR plasmid propagation functions from the plasmid PVS1 with a large host range and others for Agrobacterium tumefaciens and Escherichia coli.
  • Figure 6 Schematic representation of the 1365 base pair (bp) long, incomplete cDNA for the small subunit of the AGPase from rapeseed (Brassica napus, Bnagpl).
  • the black bars on both sides represent 14 bp adapters for the recognition sites of the restriction endonucleases EcoRI and Notl.
  • Cross-streaked bars with a pointed triangle represent coding regions in sense orientation, the white bar, on the other hand, represents the 3 ' untranslated area.
  • the heterologous cDNA section is for the small one Subunit of pea AGPase (Pisum sativum, PsagpSI) is shown with the base positions of the overlapping sections.
  • Figure 7 Results from the starch measurement based on the fresh weight (FG) of maturing embryos of control plants (WT) and transgenic rape plants (pMH0209a). The regression line from the control values is shown as a reference.
  • Figure 8 Results from the activity measurement of the AGPase based on the fresh weight (FG) of maturing embryos of control plants (WT) and transgenic rape plants (pMH0209a). The solid line averages the control values. It roughly reflects the course of AGPase activity in early embryonic stages described in the literature (da Silva, Planta 203 (1997), 480-487).
  • FIG 10 Contents of oil (%) and free glucose ( ⁇ mol) in mature seeds of transgenic oilseed rape plants with an average grain moisture of 8 to 9% according to near infrared spectroscopy (NIRS).
  • NIRS near infrared spectroscopy
  • the results obtained with the AGPase construct (pMH0209a) in sense orientation for individual oilseed rape plants are compared graphically with those from 11 control plants (pMH000-0).
  • the dashed line marks the mean oil content of the controls at 38.7%, while the solid line refers to the mean free glucose of the controls at 21.1 ⁇ mol.
  • Figure 11 Schematic representations of the ADPGPP antisense
  • Expression cassettes fusions of the cDNA of the small subunit of the ADPGPP in antisense orientation in the plasmid pTE209 with the CIFatB4 promoter (pCIFatB4) and terminator (CIFatB4- ⁇ er); in plasmid pTE109 with the CIFatB3 promoter (pCIFatB3) and CIFatB4 terminator ⁇ CIFatB4-te ⁇ as well as in plasmid pG009 with the GPDH promoter ⁇ pCIGPD i) and the terminator (35S-ter) of the 35S rna gene from CaMV. EcoRI, Notl, Sall, and Xhol mark recognition sites for restriction endonucleases.
  • Figure 12 Schematic map of the binary vector pRE1.
  • the expression cassette pTE200 (FIG. 1) carries the pBluescript® II SK (-) (Stratagene®, Genbank® # 52324) derivative the embryo-specific promoter pCIFatB4 and the corresponding terminator sequence from Cuphea lanceolata, which is derived from the genomic clone CITEg16 (WO 95 / 07357).
  • the approx. 1600 bp long cDNA for the small subunit of the AGPase from rapeseed is used as an Xhol - EcoRI fragment corresponding to the restriction sites in pBluescript® II SK (-) in antisense orientation after modification of the sites in the Smal site of the expression cassette pTE200 (FIG 1) introduced.
  • the plasmid pTE209 results (FIG. 11).
  • the Sall-Notl fragment from pTE209 is inserted into the Sall-Smal polylinker interfaces of the binary vector pRE1 after modification of the Notl interface (FIG. 12).
  • the 1175 bp long partial cDNA (AGP) for the small subunit of the AGPase from rapeseed was inserted as EcoRI-Xhol fragment into the corresponding interfaces within the pTE200 expression cassette (FIG. 1).
  • the plasmid pTE209a resulted from this (FIG. 3).
  • the 1360 bp long EcoRI fragment was inserted in the antisense orientation into the EcoRI site within the expression cassette pTE200 (FIG. 2).
  • the plasmid pTE209b resulted (FIG. 4).
  • the Sfil fragment from pTE209a or pTE209b was inserted into the Sfil polylinker interfaces of the binary vector pMHOOO-0 (FIG. 5).
  • the transformation vectors pMH0209a and pMH0209b resulted. 2.
  • Cloning methods such as: restriction cleavage, modification of restriction sites, DNA isolation, agarose gel electrophoresis, purification of DNA fragments, transfer of nucleic acids to nitrocellulose and nylon membranes, linking of DNA fragments, transformation of E. coli cells, cultivation of bacteria
  • Sequence analysis of recombinant DNA, Southern blot, Northemblot, Western blot analyzes were carried out according to Sambrook (Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989); ISBN 0-87969-309-6).
  • the transformation of Agrobacterium tumefaciens was carried out according to the method of Höfgen and Willmitzer (Nucl. Acid Res. 16 (1988), 9877).
  • Agrobacteria were grown in YEB medium (Vervliet, Gen. Virol. (1975) 26, 33).
  • AGPase cDNA bank was used which was produced by conventional methods (Sambrook 1989, supra).
  • a full-length cDNA which codes for the small subunit of AGPase from the Arabidopsis plant, which is closely related to oilseed rape, served as the probe.
  • This cDNA was identified by the Arabidopsis genome project (EST-Kion 38E3T7) (Newman, Plant Physiol. 106 (1994), 1241-1255).
  • the "screening" was carried out using a redio-labeled probe as described (Kampfenkel, FEBS Letters 374 (1995), 351-355). 12 positive clones were isolated.
  • the longest clone according to restriction analysis was sequenced and used for further cloning steps.
  • the longest incomplete cDNA fragment has a similarity of 80.5% (using the best fit of the Wisconsin GCG computer program, Devereux, Nucl. Acid Res. 12 (1984), 387-395) to the AGP sequence from pea (Pisum sativum, Genbank, Accession X96764, Bases 1 to 1954).
  • the heterologous rapeseed sequence sweeps over that of the pea from base position 541 to 1637, excluding the 3'-untranslated region, which as a rule differs (FIG. 6).
  • Suitable oil plants such as oilseed rape, for example the DRAKKAR variety, were transformed using Agrobacterium tumefaciens according to the protocol from De Block, Plant Physiol. 91: 694-701 (1989) starting from hypocotyl pieces.
  • the agrobacterial strain GV3101 C58C1 Rifr (Van Larebeke, Nature 252 (1974), 169-170) with the Ti plasmid pMP90RK (Koncz, Mol. Gen. Genet. 204 (1986), 383-396) and the binary vector pRE1 are used .
  • kanamycin resistance is made with 50 ⁇ g / ml later with 15 ⁇ g / ml kanamycin (monosulfate, Sigma K-4000) per milliliter of medium.
  • the transformation rate is usually 10% based on the number of Hypocotyl pieces laid out. It is based on the verification of the transformation by means of Southern blot (Sambrook (1989), supra) or PCR (Edwards, Nucl. Acids Res. 19 (1991), 1349).
  • the agrobacterial strain GV3101 C58C1 Rifr with the plasmid pMP90RK and the binary vector pMHOOO-0 was used.
  • the selection for sulfonamide resistance was carried out with 15 mg / l during the regeneration of sprouts and later for rooting them with 10 mg / l sulfadiazine (99% purity, Sigma S-8626) per liter of nutrient medium.
  • the plants were then subjected to an acclimatization phase of 8-14 days in the climatic chamber before they were cultivated in the greenhouse until they were ripe.
  • the transformation rate is usually 10% based on the number of Hypocotyl pieces laid out.
  • Glufosinatammonium per liter in a 1: 100 dilution on one leaf per rape plant and the herbicide tolerance determined visually.
  • the frozen emryons were freed from the seed coat and sorted according to size (J, M, A). The number and fresh weight were determined.
  • the embryos were then frozen in liquid nitrogen.
  • the embryos were then ground in the frozen state in the Eppendorf vessel. Buffer was added to the samples (400 microliters / 100 mg FG). Buffer: 50 mM pug (pH 7.7), 1 mM EDTA, 10 mM DTT, 1 mM PMSF, 0.1 mM Pefablock (protease inhibitors). 40 microliters were taken from this crude extract for protein determination.
  • the sample was centrifuged for 10 min at 4 ° C 10000g. The supernatant was removed, aliquoted and frozen in liquid nitrogen (for AGPase measurement). The precipitate was used to determine the starch.
  • the enzyme test includes: 75 mM Hepes pH 7.9; 10mM MgCl2; 0.75 mM NAD; 1mM ADPG (ADP glucose); 5 U G6PDH (glucose-6-phosphate dehydrogenase from Leuconostoc mesenteroides); 2 U PGM (phosphoglucomutase) and 0.75 mM Na pyrophosphate. 15 microliters of sample were used. Measurements were taken in a double-beam photometer at 334 nm (Uvikon 810) with a reference cuvette. The test was linear and linear to the amount of sample used for at least 5 min. Starch determination: The precipitate was extracted 4 times with 80% ethanol at 90 ° C. (10 min) and centrifuged 14000 g each time for 10 min, and the supernatants discarded. Then 300 microliters of water were added and the
  • the enzyme test contains 75 mM Hepes pH 7.9; 10mM MgCl2; 2mM NADP; 5 mM ATP; 1 U
  • Example 1 Oilseed rape with increased oil content in seeds by expression of an AGPase-sense RNA
  • Transgenic oilseed rape plants which carry an incomplete cDNA of the small subunit of the AGPase in sense orientation connected to the embryo-specific C / Fafß4 promoter-terminator cassette (pTE209a). Based on the observation that an incomplete transcript of a tomato gene in sense orientation was able to inhibit the expression of the endogenous gene in transgenic plants (Smith, Mol Gen Genet. 224 (1990), 477-481), a similar one became here Approach followed.
  • glycose lysis enzymes have been shown to be present in rapeseed embryonic plastids, the excess free glucose in pMH0209a lines 1D, 67D, 97D and 69 could possibly be due to a combination of these with rapeseed lines which provide increased embryonic gene expression for acetyl-CoA carboxylase (ACCase) have, ensure a further carbon flow in the fatty acid and storage lipid synthesis.
  • ACCase acetyl-CoA carboxylase
  • Example 2 Oilseed rape with increased oil content in seeds by expression of an AGPase antisense RNA
  • Transgenic oilseed rape plants which carry an incomplete cDNA of the small subunit of the AGPase in antisense orientation linked to the embryo-specific C / FafB4 promoter terminator cassette (pTE209b).
  • pTE209b embryo-specific C / FafB4 promoter terminator cassette
  • Example 3 Oilseed rape with increased oil content in seeds by expression of an ACCase and an AGPase-sense RNA
  • Transgenic rapeseed plants which contain an oilseed rape ACCase gene (WO 94/17188) under the control of the embryo-specific C / Fa.B3 promoter (WO 95/06733) and an incomplete cDNA of the small subunit of the AGPase in Wear sense orientation combined with the embryo-specific C / Fré4 promoter-terminator cassette (pTE209a).
  • Example 4 Oilseed rape with increased oil content in seeds by expression of an ACCase and an AGPase antisense RNA
  • Transgenic oilseed rape plants which contain an oilseed rape ACCase gene (WO 94/17188) under the control of the embryo-specific C / Fafß3 promoter (WO 95/06733) and an incomplete cDNA of the small subunit of the AGPase in Wear an antisense orientation linked to the embryo-specific C / Fa / S4 promoter-terminator cassette (pTE209b).
  • transgene for ACCase Since the starting material was a cleaving population, the presence of the transgene for ACCase was examined by PCR. Out of 89 lines examined, 69 contained one or more transgenes for ACCase. 67 individuals were doubly positive. In addition there were five PCR negative but bastatolerant lines for control purposes. Different developmental stages of maturing embryos were harvested from the bastatolerant plants and stored at very low temperatures. The material is examined as listed in Example 1.
  • Example 5 Further and complementary approaches to the production of rapeseed with an increased oil content in seeds
  • the expression of the cDNA or parts thereof for the subunit A and / or B of the AGPase from Arabidopsis thaliana or from Brassica napus in "antisense” or “sense” orientation at the target location of the starch and storage lipid synthesis in oil plants the resulting cDNA fused with regulatory sequences suitable for plants (promoters and terminators).
  • promoters for example, embryo-specific promoters from Cuphea lanceolata
  • pCIFatB3 promoter region of the gene on the genomic clone CITEgl (plasmid pNBM99 - TEg1 DSM 8477, deposited on August 27, 1993 with the German Culture Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH in Braunschweig, Germany)
  • pCIFatB4 promoter region of the gene on the genomic clone CITEg16 (plasmid pNBM99 - TEg16 DSM 8478, deposited on August 27, 1993 with the culture collection German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH in Braunschweig, Germany)
  • pCIGPDH promoter region of the gene on the genomic clone CIGPDHg9 (pCIFatB3, pCIFatB4, WO 95/07357, pCIGPDH; WO 95/06733) used for directed expression in rape embryos and in front of the cDNA (in "antisense” or "sense") switched. Furthermore, the expression of the AGPase cDNA with the alternative promoters, in particular pCIGPDH, pNapin or pOleosin is achieved with the aim of preventing starch formation even in later embryonic stages than that described in Example 1 and of diverting the flow of available carbon into the storage lipids. The corresponding terminator areas are cloned behind it.
  • the 3 ' untranslated region for transcription termination (terminator) of chimeric plant genes normally contains a polyadenylation signal. This causes the polymerization of a poly (A) sequence at the 3 ' end of the RNA.
  • suitable terminators are 3 ' transcribed, non-translated regions of the 35S rna gene of the cauliflower mosaic virus (CaMV) and of plant genes such as the 3 ' region of the CIFatB4 gene from C. lanceolata which is preferred here.
  • the resulting vectors are transferred to rape in an Agrobacterium -mediated transformation.
  • Regenerated plants in particular developing embryos in the seeds of these plants, are examined in Northern blot analyzes for reduced "steady state" transcripts of the AGP, and analyzed in the Western blot method for correspondingly reduced amounts of enzyme.
  • the results are correlated with a throttled AGPase activity, which is measured photometrically.
  • the embryos and ripe seeds are examined for changes in the oil, starch and, as a control, also for the protein content.
  • Table 1 Characterization of wild type and transgenic lines with regard to starch content and AGPase activity.

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Abstract

The invention relates to means and a method for increasing oil content in plants. Recombinant DNA molecules containing regulatory sequences of an embryo-specific promoter in plants are also described. Said regulatory sequences are also functionally linked to a DNA sequence whose gene product inhibits a protein with the enzymatic activity of an ADP glucose pyrophosporylase (AGPase). The DNA sequence is functionally linked to a regulatory sequence which can be used as a transcription-termination sequence in plants. Vectors and host cells containing the inventive recombinant DNA molecules are also described. The invention further relates to methods for the production of transgenic plant cells, plant tissue and plants using the described recombinant DNA molecules and vectors. Transgenic plant cells, plant tissue and plants, in addition to crop products and reproduction material containing the inventive recombinant DNA molecules or able to be produced by the inventive method and exhibiting a higher oil content are also described.

Description

Rekombinante DNA-Moleküle und Verfahren zur Steigerung des Ölgehaltes in Recombinant DNA molecules and methods for increasing the oil content in
Pflanzenplants
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft rekombinante DNA-Moleküle und Verfahren zur Steigerung des Ölgehalts in Pflanzenzellen und Pflanzen, insbesondere rekombinante DNA-Moleküle, die regulatorische Sequenzen eines embryospezifischen Promotors in Pflanzen enthalten, wobei an dieser regulatorischen Sequenz eine DNA-Sequenz funktionell verknüpft ist, die in Pflanzen exprimiert werden kann und deren Genprodukt ein Protein mit der enzymatischen Aktivität einer ADP-Glucose-Pyrophosphorylase (AGPase) inhibiert. Weiterhin betrifft diese Erfindung Vektoren, Wirtszellen und Kits, die derartige rekombinante DNA- Moleküle enthalten. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Verfahren zur Herstellung transgener Pflanzenzelleπ, Pflanzengewebe und Pflanzen, die aufgrund der Einführung der oben beschriebenen rekombinanten DNA-Moleküle oder Vektoren eine gesteigerte Fettsäuresynthese und/oder erhöhten Ölgehalt aufweisen. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung transgene Pflanzenzellen, Pflanzengewebe und Pflanzen, die erfindungsgemäße rekombinante DNA-Moleküle oder Vektoren enthalten, oder durch das vorstehend beschriebene Verfahren erhalten werden können, sowie Ernteprodukte und Vermehrungsmaterial der beschriebenen transgenen Pflanzen.The present invention relates to recombinant DNA molecules and methods for increasing the oil content in plant cells and plants, in particular recombinant DNA molecules which contain regulatory sequences of an embryo-specific promoter in plants, a DNA sequence which is functionally linked to this regulatory sequence Plants can be expressed and their gene product inhibits a protein with the enzymatic activity of an ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase). This invention further relates to vectors, host cells and kits which contain such recombinant DNA molecules. The present invention further relates to methods for producing transgenic plant cells, plant tissue and plants which, owing to the introduction of the recombinant DNA molecules or vectors described above, have an increased fatty acid synthesis and / or an increased oil content. Finally, the present invention relates to transgenic plant cells, plant tissues and plants which contain recombinant DNA molecules or vectors according to the invention or which can be obtained by the process described above, as well as harvest products and propagation material of the described transgenic plants.
Nachfolgend werden Dokumente aus dem Stand der Technik zitiert, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in dieser Anmeldung enthalten ist.In the following, documents from the prior art are cited, the disclosure content of which is hereby included by reference in this application.
Öle und Fette, welche chemisch Glycerolester und Fettsäuren (Triacylglycerole (TAGs)) darstellen, spielen aufgrund ihres hohen Energiegehalts eine bedeutende Rolle bei der menschlichen Ernährung. Neunzig Prozent der hergestellten pflanzlichen Öle wird für den menschlichen Gebrauch verwendet, und zwar hauptsächlich in Margerine, Backfett, Salatölen und Bratölen (Röbbelen, Proceedings of the World Conference on Biotechnology for the Fats and Oils Industry (1988), 78). In der Züchtung hat man sich von jeher vor allem darauf konzentriert, Öle, die für diese Zwecke verwendet werden, zu verbessern. Die ausgewählten Pflanzen wiesen beträchtliche Veränderungen in der Zusammensetzung des Samenöls auf, was darauf hindeutete, daß Pflanzen größere Schwankungen in der Fettsäurezusammensetzung der Speicherlipide tolerieren können (Lühs, Designer Oil Crops (1993), 5; Kinney, Curr. Opin. Biotechnol. 5 (1994), 144). Zu den Beispielen, die den Fortschritt in der Züchtung belegen, gehört die Entwicklung von Rapssamen mit einem niedrigen Gehalt an Erukasäure (Kanola), wodurch Rapsöl zu einem der wichtigsten Speiseöle wurde (Stefansson, Can. J. Plant Sei. 41 (1961 ), 218; Downey, Canola and Rapeseed: Production, Chemistry, Nutrition and Processing Technology (1990), 37), sowie auch die Entwicklung von Sonnenblumensorten mit hohem Ölsäuregehalt, deren Samenöle bessere Eigenschaften beim Braten aufweisen (Lühs, Designer Oil Crops (1993), 73). Mit den klassischen Züchtungsmethoden war es bisher jedoch nicht möglich, den Ölsäuregehalt von Rapssamen auf über 80% zu erhöhen, ohne dabei unerwünschte ackerbauliche Eigenschaften wie zum Beispiel eine verringerte Kältebeständigkeit zu erhalten (Rücker, Vortr. Pflanzenzucht. Prod. Öl Eiweißpflanzen 30 (1994), 44; Miquel, Plant Physiol. 106 (1994), 421 ). Ölpflanzen mit einem gesteigerten Ölgehalt pro Samen würden eine wesentlich höhere Ölausbeute pro Hektar Anbaufläche erzielen, was von größter Bedeutung für Landwirtschaft und Industrie ist.Oils and fats, which are chemically glycerol esters and fatty acids (triacylglycerols (TAGs)), play an important role due to their high energy content Role in human nutrition. Ninety percent of the vegetable oils produced are used for human consumption, mainly in marguerine, shortening, salad oils and roasting oils (Röbbelen, Proceedings of the World Conference on Biotechnology for the Fats and Oils Industry (1988), 78). In breeding, the focus has always been on improving oils that are used for these purposes. The plants selected showed significant changes in the composition of the seed oil, suggesting that plants can tolerate larger fluctuations in the fatty acid composition of the storage lipids (Lühs, Designer Oil Crops (1993), 5; Kinney, Curr. Opin. Biotechnol. 5 ( 1994), 144). Examples of progress in breeding include the development of rapeseed with a low erucic acid (canola) content, which made rapeseed oil one of the most important edible oils (Stefansson, Can. J. Plant Sei. 41 (1961), 218; Downey, Canola and Rapeseed: Production, Chemistry, Nutrition and Processing Technology (1990), 37), as well as the development of sunflower varieties with a high oleic acid content, whose seed oils have better properties when roasting (Lühs, Designer Oil Crops (1993), 73). With traditional breeding methods, however, it has so far not been possible to increase the oleic acid content of rapeseed to over 80% without obtaining undesirable agricultural properties such as, for example, reduced resistance to cold (Rücker, Vortr. Plant Breeding. Prod. Oil protein plants 30 (1994) , 44; Miquel, Plant Physiol. 106 (1994), 421). Oil plants with an increased oil content per seed would achieve a significantly higher oil yield per hectare of arable land, which is of the greatest importance for agriculture and industry.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, rekombinante DNA- Moleküle und Verfahren zur Verfügung zu stellen, die zur Steigerung des Ölgehaltes in Pflanzen genutzt werden können. Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung der in den Patentansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst. Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein rekombinantes DNA-Molekül, umfassendThe present invention is therefore based on the object of providing recombinant DNA molecules and methods which can be used to increase the oil content in plants. This object is achieved by the provision of the embodiments characterized in the patent claims. Thus, the present invention relates to a recombinant DNA molecule comprising
(a) regulatorische Sequenzen eines embryospezifischen Promotors in Pflanzen;(a) regulatory sequences of an embryo-specific promoter in plants;
(b) damit funktionell verknüpft eine DNA-Sequenz, deren Genprodukt ein Protein mit der enzymatischen Aktivität einer ADP-Glucose-Pyrophosphorylase (AGPase) inhibiert; und(b) functionally linked to it a DNA sequence whose gene product inhibits a protein with the enzymatic activity of an ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase); and
(c) damit funktionell verknüpft eine regulatorische Sequenz, die als Transkriptions-Terminationssignal in Pflanzen dienen kann.(c) functionally linked to it a regulatory sequence that can serve as a transcription termination signal in plants.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem Protein mit der enzymatischen Aktivität einer ADP-Glucose-Pyrophosphorylase (AGPase) ein Protein verstanden, das als Schlüsselenzym der Stärkebiosynthese Glucose aktiviert. Die ADP-Glucose-Pyrophoshorylase wird unter anderem auch mit dem Begriff "ADPGPP" bezeichnet, der ebenfalls synonym und austauschbar mit dem Begriff "AGPase" bzw. "AGP" für das die AGPase codierende Gen in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird.In the context of the present invention, a protein with the enzymatic activity of an ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase) is understood to be a protein which activates glucose as a key enzyme in starch biosynthesis. The ADP-glucose pyrophoshorylase is also referred to, inter alia, by the term “ADPGPP”, which is also used interchangeably and interchangeably with the terms “AGPase” or “AGP” for the gene encoding the AGPase in the present application.
Unter einem embryospezifischen Promotor wird ein Promotor verstanden, der die Transkription einer funktionell verknüpften Gensequenz in Zellen von Embryonen bevorzugt in Speicherorganen derselben in Pflanzensamen steuert. Dabei ist dem Fachmann bekannt, daß die regulatorischen Sequenzen eines embryospezifischen Promotors in Pflanzen bzw. der Promotor selbst nicht unbedingt aus Pflanzen stammen müssen. Beispielsweise können es sich auch um synthetische und/oder Chimäre regulatorische Sequenzen oder Promotoren handeln, die zwar von pflanzlichen Promotoren abgeleitet, aber nicht mit diesen identisch sind. Eine regulatorische Sequenz, die als Transkriptions-Terminationssequenz in Pflanzen dienen kann, ist in der Lage die Beendigung der Transkription sowie gegebenenfalls die Addition eines Poly-A-Schwanzes an das Transkript zu vermitteln, dem eine Funktion bei der Stabilisierung der Transkripte beigemessen wird. Derartige Elemente, z.B. der Terminator des Octopinsynthasegens aus Agrobakterien, sind in der Literatur beschrieben (vgl. Gielen, EMBO J. 8 (1989), 23- 29) und sind beliebig austauschbar. Weitere Beispiele geeigneter Terminatoren sind 3 '-transkribierte, nicht-translatierte Bereiche des 35S rna Gens des Blumenkohlmosaikvirus (CaMV) und von pflanzlichen Genen wie der 3'-Bereich des CIFatB4-Gens aus C. lanceolata. Es können ebenfalls die Terminatoren von z.B. t-RNA-Genen benutzt werden.An embryo-specific promoter is understood to mean a promoter which controls the transcription of a functionally linked gene sequence in cells of embryos, preferably in their storage organs in plant seeds. It is known to the person skilled in the art that the regulatory sequences of an embryo-specific promoter in plants or the promoter itself need not necessarily come from plants. For example, they can also be synthetic and / or chimeric regulatory sequences or promoters which are derived from plant promoters, but are not identical to them. A regulatory sequence, which can serve as a transcription termination sequence in plants, is able to mediate the termination of the transcription and, if appropriate, the addition of a poly-A tail to the transcript, which is believed to have a function in stabilizing the transcripts. Such elements, for example the terminator of the octopine synthase gene from agrobacteria, have been described in the literature (cf. Gielen, EMBO J. 8 (1989), 23- 29) and are interchangeable. Further examples of suitable terminators are 3 ' transcribed, non-translated regions of the 35S rna gene of the cauliflower mosaic virus (CaMV) and of plant genes such as the 3 ' region of the CIFatB4 gene from C. lanceolata. The terminators of, for example, t-RNA genes can also be used.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem überraschenden Befund, daß durch Unterdrückung der Akkumulation von transitorischer Stärke die Fettsäureproduktion in heranreifenden Samen von Ölpflanzen wie z.B. Raps wesentlich gesteigert werden kann.The present invention is based on the surprising finding that by suppressing the accumulation of transitory starch, fatty acid production in ripening seeds of oil plants such as e.g. Rapeseed can be increased significantly.
Zur Synthese der Fettsäuren werden in die heterotrophen Piastiden sowohl Kohlenstoffgerüste als auch Energieäquivalente eingeführt. Als effiziente Vorstufen zur Fettsäurebiosynthese wurden eine Reihe verschiedener Metabolite identifiziert, die sich in der molekularen Natur ihrer Kohlenstoffgerüste unterscheiden. Hierzu zählen beispielsweise Acetat (Kleppinger-Sparace, Plant Physiol. 98 (1991 ), 723- 727; Möhlmann, Planta 194 (1994), 492-497), Pyruvat (Kang, Plant J. 6 (1994), 795- 805), Malat (Smith, Plant Physiol. 98 (1992), 1233-1238) oder Glucose-6-Phosphat (Kang, Planta 199 (1996), 321-327). Im Falle von isolierten Amyloplasten aus Rapsembryonen (Samen) wurde nachgewiesen, daß die Kohlenstoffeinheiten aus importiertem Glucose-6-Phosphat relativ gleichmäßig auf neusynthetisierte Stärke und Fettsäuren verteilt werden (Kang, Planta 199 (1996), 321-327). Ist die Fähigkeit zur Stärkebiosynthese (eine zudem stark ATP-verbrauchende Reaktion in den Piastiden; siehe Neuhaus, Plant Physiol. 101 (1993), 573-578) reduziert, so weisen entsprechende Erbsenembryonen deutlich höhere Gehalte an Struktur- und Speicherlipiden auf (Bettey, Planta 180 (1990), 420-428). Darüber hinaus wurde gezeigt, daß die Fettsäurebiosynthese in isolierten Amyloplasten aus Brassica oleracea gehemmt ist, wenn gleichzeitig die Stärkebiosynthese angetrieben wird (Möhlmann, Planta 194 (1994), 492-497).For the synthesis of the fatty acids, both carbon skeletons and energy equivalents are introduced into the heterotrophic plastids. A number of different metabolites that differ in the molecular nature of their carbon skeletons have been identified as efficient precursors to fatty acid biosynthesis. These include, for example, acetate (Kleppinger-Sparace, Plant Physiol. 98 (1991), 723-727; Möhlmann, Planta 194 (1994), 492-497), pyruvate (Kang, Plant J. 6 (1994), 795-805) , Malat (Smith, Plant Physiol. 98 (1992), 1233-1238) or glucose-6-phosphate (Kang, Planta 199 (1996), 321-327). In the case of isolated amyloplasts from rapeseed embryos (seeds), it was demonstrated that the carbon units from imported glucose-6-phosphate are distributed relatively evenly between newly synthesized starch and fatty acids (Kang, Planta 199 (1996), 321-327). If the ability to starch biosynthesis (which is also a strong ATP-consuming reaction in the plastids; see Neuhaus, Plant Physiol. 101 (1993), 573-578) is reduced, corresponding pea embryos have significantly higher levels of structural and storage lipids (Bettey, Planta 180 (1990), 420-428). In addition, it has been shown that fatty acid biosynthesis in isolated amyloplasts from Brassica oleracea is inhibited if starch biosynthesis is driven at the same time (Möhlmann, Planta 194 (1994), 492-497).
Durch "antisense"-Expression der homologen AGP in transgenen Kartoffelpflanzen wurde die Knollenbildung gestört, sowie der Gehalt an Trockensubstanz in den Knollen drastisch reduziert (Müller-Röber, EMBO J. 11 (1992), 1229-1238). Transgene Knollen produzierten geringe Mengen an Stärke, dafür aber um so größere Mengen an löslichen Kohlenhydraten (Zucker).The "antisense" expression of the homologous AGP in transgenic potato plants disturbed the tuber formation, and the content of dry matter in the tubers was drastically reduced (Müller-Röber, EMBO J. 11 (1992), 1229-1238). Transgenic tubers produced small amounts of starch, but all the more large amounts of soluble carbohydrates (sugar).
Während der Samenentwicklung konkurrieren Fettsäure- und Stärkebiosynthese in den Plastiden um Kohlenstoff und Energie. Es ist bekannt, daß die Hemmung der Stärkebiosynthese in sich entwickelnden Embryogeweben (wozu auch der Rapssamen zählt), eine deutliche Erhöhung des Gehaltes an Struktur- und Speicherlipiden bewirkt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Hilfe von molekularbiologischen Methoden die Stärkebiosynthese beispielsweise in sich entwickelnden Rapssamen vermindert, so daß Kohlenstoff und Energie vermehrt in die Synthese von Lipiden geleitet wird. Hierzu werden transgene Pflanzen erzeugt, in deren Speicherorgan, z.B. Samen, die Aktivität des für die Stärkebiosynthese limitierenden Enzyms, ADP-Glucose-Pyrophosphorylase (AGPase), gezielt verringert wird.During seed development, fatty acid and starch biosynthesis in the plastids compete for carbon and energy. It is known that the inhibition of starch biosynthesis in developing embryo tissues (including rapeseed) causes a significant increase in the content of structural and storage lipids. According to the present invention, the starch biosynthesis, for example in developing rapeseed, is reduced with the aid of molecular biological methods, so that carbon and energy are increasingly directed into the synthesis of lipids. For this, transgenic plants are generated, in their storage organ, e.g. Seed, the activity of the enzyme that limits the starch biosynthesis, ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase), is specifically reduced.
Durch Verwendung embryospezifischer Promotoren ist es möglich, die Hemmung der Stärkebiosynthese auf das heranreifende Embryogewebe zu beschränken. Dadurch bleibt das Ausmaß der Stoffwechseländerung erstens auf ein Pflanzengewebe beschränkt und zweitens betrifft es nur einen Teil des Kohlenstofflusses, so daß insgesamt zu erwarten ist, daß es nicht zu einem Rückstau von Stoffwechselintermediaten kommt. Somit wird durch Minderung der Aktivität der AGPase die konkurrierende Stärkebiosynthese gehemmt und dadurch mehr Kohlenstoff und Energie für die Fettsäurebiosynthese verfügbar.By using embryo-specific promoters, it is possible to limit the inhibition of starch biosynthesis to the maturing embryo tissue. As a result, the extent of the metabolic change remains, firstly, to a plant tissue and secondly, it only affects part of the carbon flow, so that overall it can be expected that there will be no backflow of metabolic intermediates. Thus, by reducing the activity of the AGPase, the competing starch biosynthesis is inhibited, making more carbon and energy available for fatty acid biosynthesis.
Ein weiteres Hindernis für die Entwicklung von verbesserten Ölpflanzen bestand darin, daß starke Eingriffe in den pflanzlichen Stoffwechsel zumeist zu negativen Folgen in der Photosyntheseleistung und somit zu veränderten "sink/source"- Verhältnissen führen. So wurde gezeigt, daß eine dramatische bzw. vollkommene Hemmung der Stärkebiosynthese in allen Geweben von Arabisopsis thaliana zu einem geringeren Wuchs (Casper, Plant Physiol. 79 (1986), 1-7) bzw. zu verminderten Photosyntheseleistung (Neuhaus, Planta 182 (1990), 445-454) führt. Eine wesentliche Ursache dieser Hemmung der Photosynthesleistung liegt in einem Rückstau von Kohlenhydraten (insbes. Glucose) begründet. Dieser Kohlenhydratstau bewirkt in der Folge ein Herunterregulieren der Enzyme und Komponenten, die an der Cθ2-Fixierung beteiligt sind (Krapp, Planta 186 (1991 ), 58-69). Obwohl wie vorstehend erläutert die AGPase eine zentrale Rolle im Kohlenstoffmetabolismus spielt, werden bei der Verwendung der erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Moleküle phänotypisch normale und fertile transgene Pflanzen regeneriert.Another obstacle to the development of improved oil plants was that strong interventions in plant metabolism mostly lead to negative consequences in photosynthesis and thus to a change in the "sink / source" conditions. It has been shown that a dramatic or complete inhibition of starch biosynthesis in all tissues of Arabisopsis thaliana leads to less growth (Casper, Plant Physiol. 79 (1986), 1-7) or to reduced photosynthesis (Neuhaus, Planta 182 (1990 ), 445-454) leads. A major cause of this inhibition of photosynthesis is due to a backlog of carbohydrates (especially glucose). This As a result, carbohydrate congestion down-regulates the enzymes and components involved in CO 2 fixation (Krapp, Planta 186 (1991), 58-69). Although, as explained above, AGPase plays a central role in carbon metabolism, phenotypically normal and fertile transgenic plants are regenerated when the recombinant DNA molecules according to the invention are used.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die DNA-Sequenz, deren Genprodukt ein Protein mit der enzymatischen Aktivität einer ADP-Glucose-Pyrophosphorylase (AGPase) inhibiert, eine DNA-Sequenz die ein Peptid, Polypeptid, Sense-RNA, Antisense-RNA und/oder Ribozym codiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Peptid oder PolypeptidIn a preferred embodiment, the DNA sequence, the gene product of which inhibits a protein with the enzymatic activity of an ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase), is a DNA sequence which comprises a peptide, polypeptide, sense RNA, antisense RNA and / or ribozyme coded. In a preferred embodiment, the peptide or polypeptide
(a) ein nicht-funktionelles Derivat oder(a) a non-functional derivative or
(b) ein Antagonist/Inhibitor eines Proteins, das die enzymatische Aktivität einer AGPase besitzt.(b) an antagonist / inhibitor of a protein that has the enzymatic activity of an AGPase.
Die embryo-spezifische Modulierung der AGPase-Aktivität kann z.B. durch Antikörper oder Antikörper-Fragmente wie Single-chain Fv Antikörper (scFv), die aus den variablen Domänen der schweren und leichten Immunglobulinketten bestehen, erreicht werden. Untereinander über ein flexibles Linkerpeptid verbunden können scFv von einem einzigen Gen codiert werden. Beispielsweise wurde ein cytoplasmatischer scFv Antikörper eingesetzt um die Aktivität des Phytochrom A Proteins in gentechnisch veränderten Tabakpflanzen zu modulieren (Owen, Bio/Technology 10 (1992), 790-4; Review: Franken, E, Teuschel, U. und Hain, R., Current Opinion in Biotechnology 8, (1997), 411-416; Whitelam, Trends Plant Sei. 1 (1996), 268-272). Ein mit einem Transitpeptid für plastidäre Lokalisation versehener scFv anti-AGPase-Antikörper könnte in Plastiden von Embryonen ölhaltiger Pflanzensamen eine Verminderung der Stärkesyntheserate bewirken.Embryo-specific modulation of AGPase activity can e.g. by antibodies or antibody fragments such as single-chain Fv antibodies (scFv), which consist of the variable domains of the heavy and light immunoglobulin chains. Connected to each other via a flexible linker peptide, scFv can be encoded by a single gene. For example, a cytoplasmic scFv antibody was used to modulate the activity of the phytochrome A protein in genetically modified tobacco plants (Owen, Bio / Technology 10 (1992), 790-4; review: Franken, E, Teuschel, U. and Hain, R. , Current Opinion in Biotechnology 8, (1997), 411-416; Whitelam, Trends Plant Sei. 1 (1996), 268-272). A scFv anti-AGPase antibody provided with a transit peptide for plastid localization could bring about a reduction in the starch synthesis rate in plastids of embryos of oily plant seeds.
Die DNA-Sequenz, die ein nicht funktionelles Derivat eines Proteins mit der enzymatischen Aktivität einer AGPase codiert, kann aus natürlichen Quellen isoliert werden, vorzugsweise Pflanzen, oder kann nach bekannten Verfahren synthetisiert werden. Mittels gängiger molekularbiologischer Techniken ist es möglich (siehe z.B. Sambrook, 1989, Molecular Cloning, A Laboratory Manual, 2. Aufl. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY), verschiedenartige Mutationen in die DNA-Sequenz, die ein Protein mit der enzymatischen Aktivität einer AGPase codiert, in den erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Molekülen einzuführen, wodurch es zur Synthese von Proteinen mit veränderten Eigenschaften kommt. Hierbei ist zum einen die Erzeugung von Deletionsmutanten möglich, bei denen durch fortschreitende Deletionen vom 5'- oder vom 3'- Ende der codierenden DNA- Sequenz, die Synthese entsprechend verkürzter Proteine erreicht werden kann. Ferner ist es möglich, gezielt Proteine herzustellen, die durch Addition entsprechender Signalsequenzen in bestimmten Kompartimenten der Pflanzenzelle lokalisiert sind. Derartige Sequenzen sind bekannt (siehe beispielsweise Braun, EMBO J. 11 (1992), 3219-3227; Wolter, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 85 (1988), 846- 850; Sonnewald, Plant J. 1 (1991 ), 95-106).The DNA sequence encoding a non-functional derivative of a protein with the enzymatic activity of an AGPase can be isolated from natural sources are, preferably plants, or can be synthesized by known methods. Using common molecular biological techniques, it is possible (see, for example, Sambrook, 1989, Molecular Cloning, A Laboratory Manual, 2nd ed. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY) to make various types of mutations in the DNA sequence that a protein contains encoding the enzymatic activity of an AGPase, in the recombinant DNA molecules according to the invention, which results in the synthesis of proteins with altered properties. On the one hand, it is possible to generate deletion mutants in which the synthesis of correspondingly shortened proteins can be achieved by progressive deletions from the 5 'or from the 3' end of the coding DNA sequence. It is also possible to produce proteins in a targeted manner, which are localized in certain compartments of the plant cell by adding corresponding signal sequences. Such sequences are known (see for example Braun, EMBO J. 11 (1992), 3219-3227; Wolter, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85 (1988), 846-850; Sonnewald, Plant J. 1 (1991) , 95-106).
Andererseits ist auch die Einführung von Punktmutationen denkbar an Positionen, bei denen eine Veränderung der Aminosäuresequenz einen Einfluß beispielsweise auf die Substrataffinität oder die Regulierung des Enzyms hat. Auf diese Weise können z.B. Mutanten hergestellt werden, die einen veränderten Km-Wert besitzen oder nicht mehr den normalerweise in der Zelle vorliegenden Regulationsmechanismen über allosterische Regulation oder kovalente Modifizierung unterliegen.On the other hand, the introduction of point mutations is also conceivable at positions at which a change in the amino acid sequence has an influence, for example on the substrate affinity or the regulation of the enzyme. In this way, for example, mutants can be produced which have a changed K m value or are no longer subject to the regulatory mechanisms normally present in the cell via allosteric regulation or covalent modification.
Des weiteren können Mutanten hergestellt werden, die eine veränderte Substratoder Produktspezifität aufweisen. Weiterhin können Mutanten hergestellt werden, die ein verändertes Aktivitäts-Temperatur-Profil aufweisen.Furthermore, mutants can be produced which have an altered substrate or product specificity. Furthermore, mutants can be produced which have a changed activity-temperature profile.
Für die gentechnische Manipulation in prokaryontischen Zellen können die erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Moleküle oder Teile dieser Moleküle in Plasmide eingebracht werden, die eine Mutagenese oder eine Sequenzveränderung durch Rekombination von DNA-Sequenzen erlauben. Mit Hilfe von Standardverfahren (vgl. Sambrook, 1989, Molecular Cloning: A laboratory manual, 2. Aufl., Cold Spring Harbor Laboratory Press, NY, USA) können Basenaustausche vorgenommen oder natürliche oder synthetische Sequenzen hinzugefügt werden. Für die Verbindung der DNA-Fragmente untereinander können an die Fragmente Adaptoren oder Linker angesetzt werden. Ferner können Manipulationen, die passende Restriktionsschnittstellen zur Verfügung stellen oder die überflüssige DNA oder Restriktionsschnittstellen entfernen, eingesetzt werden. Wo Insertionen, Deletionen oder Substitutionen in Frage kommen, können in vitro-Mutagenese, "primer repair", Restriktion oder Ligation verwendet werden. Als Analysemethode werden im allgemeinen eine Sequenzanalyse, eine Restriktionsanalyse und weitere biochemisch-molekularbiologische Methoden durchgeführt.For genetic engineering manipulation in prokaryotic cells, the recombinant DNA molecules according to the invention or parts of these molecules can be introduced into plasmids which permit mutagenesis or a sequence change by recombining DNA sequences. With the help of standard methods (see Sambrook, 1989, Molecular Cloning: A laboratory manual, 2nd edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, NY, USA), base exchanges can be carried out made or natural or synthetic sequences are added. To connect the DNA fragments to one another, adapters or linkers can be attached to the fragments. Manipulations which provide suitable restriction sites or which remove superfluous DNA or restriction sites can also be used. Where insertions, deletions or substitutions are possible, in vitro mutagenesis, "primer repair", restriction or ligation can be used. Sequence analysis, restriction analysis and other biochemical-molecular biological methods are generally carried out as the analysis method.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Sense-RNA eine nicht- translatierbare mRNA eines Proteins, das die enzymatische Aktivität einer AGPase besitzt.In a further preferred embodiment, the sense RNA is a non-translatable mRNA of a protein which has the enzymatic activity of an AGPase.
Bei den DNA-Sequenzen, die eine nicht-translatierbare mRNA einer AGPase darstellen, handelt es sich in der Regel um Variationen dieser Sequenzen, die kein funktionelles Protein codieren, z.B. DNA-Sequenzen, deren codierende Region frühzeitig durch ein Stopcodon unterbrochen wird. Es kann sich dabei sowohl um natürlicherweise auftretende Variationen handeln, beispielsweise um Sequenzen aus anderen Organismen, oder um Mutationen, wobei diese Mutationen auf natürliche Weise aufgetreten sein können oder durch gezielte Mutagenese beispielsweise durch Deletion, Substitution, Insertion und/oder Rekombination eingeführt wurden. Ferner kann es sich bei den Variationen um synthetisch hergestellte Sequenzen handeln. Bei den allelischen Varianten kann es sich sowohl um natürlich auftretende Varianten handeln, als auch um synthetisch hergestellte oder durch rekombinante DNA-Techniken erzeugte Varianten.The DNA sequences which represent a non-translatable mRNA of an AGPase are usually variations of these sequences which do not code for a functional protein, e.g. DNA sequences whose coding region is interrupted early by a stop codon. These can be both naturally occurring variations, for example sequences from other organisms, or mutations, wherein these mutations can have occurred naturally or have been introduced by targeted mutagenesis, for example by deletion, substitution, insertion and / or recombination. Furthermore, the variations can be synthetically produced sequences. The allelic variants can be both naturally occurring variants and also synthetically produced variants or those produced by recombinant DNA techniques.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Antisense-RNA und/oder das Ribozym gegen eine Nucleotidsequenz gerichtet ist, die ein Protein mit der enzymatischen Aktivität einer ADPGPP oder eine Untereinheit davon codiert. In dem Fall, daß die unter Merkmal (b) genannte DNA-Sequenz in sense- oder antisense-Orientierung mit dem Promotor verknüpft ist, handelt es sich bei dieser vorzugsweise um eine DNA-Sequenz homologen Ursprungs in bezug auf die zu transformierenden Pflanzen. Es können jedoch auch DNA-Sequenzen verwendet werden, die einen hohen Grand an Homologie zu endogen vorhandenen AGPase- Genen haben, insbesondere Homologien höher als 80%, vorzugsweise Homologien zwischen 90% und 100% und besonders bevorzugt Homologien über 95%. Es können Sequenzen bis zu einer Mindestlänge von 15 bp verwendet werden. Eine inhibierende Wirkung ist aber auch bei der Verwendung kürzerer Sequenzen nicht ausgeschlossen. Bevorzugt werden längere Sequenzen zwischen 100 und 500 Basenpaaren verwendet, für eine effiziente sense- oder antisense-lnhibition werden insbesondere Sequenzen mit einer Länge über 500 Basenpaaren verwendet. In der Regel werden Sequenzen verwendet, die kürzer als 5000 Basenpaare sind, bevorzugt Sequenzen, die kürzer als 2500 Basenpaare sind.In a further embodiment, the antisense RNA and / or the ribozyme is directed against a nucleotide sequence which encodes a protein with the enzymatic activity of an ADPGPP or a subunit thereof. In the event that the DNA sequence mentioned under feature (b) is linked to the promoter in sense or antisense orientation, this is the case preferably a DNA sequence of homologous origin with respect to the plants to be transformed. However, DNA sequences can also be used which have a high degree of homology to endogenously present AGPase genes, in particular homologies higher than 80%, preferably homologies between 90% and 100% and particularly preferably homologies over 95%. Sequences up to a minimum length of 15 bp can be used. An inhibitory effect is not excluded even when using shorter sequences. Longer sequences of between 100 and 500 base pairs are preferably used, and sequences with a length of more than 500 base pairs are used in particular for efficient sense or antisense inhibition. As a rule, sequences are used which are shorter than 5000 base pairs, preferably sequences which are shorter than 2500 base pairs.
Die Expression von Ribozymen zur Verringerung der Aktivität von bestimmten Enzymen in Zellen ist dem Fachmann ebenfalls bekannt und ist beispielsweise beschrieben in EP-A1 0 291 533, EP-A1 0 321 201 und EP-A1 0 360 257. Die Expression von Ribozymen in pflanzlichen Zellen wurden z.B. beschrieben in Steinecke, EMBO J. 11 (1992), 1525-1530 und Feyter, Mol. Gen. Genet. 250 (1996), 329-338. Geeignete Zielsequenzen und Ribozyme können z.B. wie in Steinecke (Ribozymes, Methods in Cell Biology 50, Galbraith et al. eds Academic Press, Inc. (1995), 449-460) beschrieben, durch Sekundärstrukturberechnungen von Ribozym- und Ziel-RNA sowie deren Interaktion bestimmt werden.The expression of ribozymes for reducing the activity of certain enzymes in cells is also known to the person skilled in the art and is described, for example, in EP-A1 0 291 533, EP-A1 0 321 201 and EP-A1 0 360 257. The expression of ribozymes in plants For example, cells were described in Steinecke, EMBO J. 11 (1992), 1525-1530 and Feyter, Mol. Gen. Genet. 250: 329-338 (1996). Suitable target sequences and ribozymes can e.g. as described in Steinecke (Ribozymes, Methods in Cell Biology 50, Galbraith et al. eds Academic Press, Inc. (1995), 449-460), can be determined by secondary structure calculations of ribozyme and target RNA and their interaction.
In einer bevorzugten Ausführungsform stammt das Protein mit der enzymatischen Aktivität einer AGPase aus Pflanzen; vorzugsweise Arabidopsis thaliana oder Brassica napus.In a preferred embodiment, the protein with the enzymatic activity of an AGPase comes from plants; preferably Arabidopsis thaliana or Brassica napus.
Zur Expression der in den erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Molekülen enthaltenen DNA-Sequenz in pflanzlichen Zellen ist diese mit regulatorischen Sequenzen verknüpft d.h. Promotoren, die die Transkription in pflanzlichen Zellen gewährleisten. Der Promotor wird dabei so gewählt, daß die Expression nur in einem bestimmten Gewebe, vorzugsweise im Embryo bzw. Samen und/oder zu einem bestimmten Zeitpunkt der Pflanzenentwicklung oder zu einem durch äußere Einflüsse determinierten Zeitpunkt. In Bezug auf die Pflanze kann der Promotor homolog oder heterolog sein. Sinnvolle Promotoren sind auch z.B. chemisch- induzierbare Promotoren wie das Tet-System (Gatz (1991), Mol. Gen. Genet. 227, 229-237).To express the DNA sequence contained in the recombinant DNA molecules according to the invention in plant cells, this is linked to regulatory sequences, ie promoters which ensure transcription in plant cells. The promoter is chosen so that the expression is only in a specific tissue, preferably in the embryo or seed and / or at a specific point in time of plant development or at an external level Influences determined point in time. The promoter can be homologous or heterologous to the plant. Useful promoters are also, for example, chemically inducible promoters such as the Tet system (Gatz (1991), Mol. Gen. Genet. 227, 229-237).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der embryospezifische Promotor aus Pflanzen, vorzugsweise aus Cuphea lanceolata, Brassica rapa oder Brassica napus. Besonders bevorzugt sind die Promotoren pCIFatB3, pCIFatB4 (WO95/07357), pCIGPDH (WO95/06733) der Napin- (Kridl, Seed Sei. Res. 1 (1991 ), 209-219) oder der Oleosin- (Keddie, Plant Mol. Biol. 24 (1994), 327-340) Promotor. Bei den ersten beiden vorgenannten Promotoren handelt es sich um Promotoren der Gene CIFatB3, bzw. CIFatB4 die in transgenem Raps bereits erfolgreich zur Biosynthese mittel kettiger Fettsäuren eingesetzt wurden, und daher ein geeignetes "Expressionfenster" zur Lösung des vorliegenden Problems besitzen.In a further preferred embodiment, the embryo-specific promoter is from plants, preferably from Cuphea lanceolata, Brassica rapa or Brassica napus. The promoters pCIFatB3, pCIFatB4 (WO95 / 07357), pCIGPDH (WO95 / 06733) of Napin (Kridl, Seed Sei. Res. 1 (1991), 209-219) or of the Oleosin (Keddie, Plant Mol. Biol. 24 (1994), 327-340) promoter. The first two aforementioned promoters are promoters of the CIFatB3 or CIFatB4 genes which have already been successfully used in transgenic oilseed rape for the biosynthesis of medium-chain fatty acids and therefore have a suitable “expression window” for solving the present problem.
Die Erfindung betrifft ferner Vektoren, die erfindungsgemäße rekombinante DNA- Moleküle enthalten. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Plasmide, Cosmide, Viren, Bacteriophagen und andere in der Gentechnik übliche Vektoren. Zur Vorbereitung der Einführung fremder Gene in höhere Pflanzen stehen eine große Anzahl von Clonierungsvektoren zur Verfügung, die ein Replikationssignal für E.coli und ein Markergen zur Selektion transformierter Bakterienzellen enthalten. Beispiele für derartige Vektoren sind pBR322, pUC-Serien, M13mp-Serien, pACYC184 usw. Die gewünschte Sequenz kann an einer passenden Restriktionsschnittstelle in den Vektor eingeführt werden. Das erhaltene Plasmid wird für die Transformation von E.coli-Zellen verwendet. Transformierte E.coli-Zellen werden in einem geeigneten Medium gezüchtet, anschließend geerntet und lysiert. Das Plasmid wird wiedergewonnen. Als Analysemethode zur Charakterisierung der gewonnenen Plasmid-DNA werden im allgemeinen Restriktionsanalysen, Gelelektrophoresen und weitere biochemisch-molekularbiologische Methoden eingesetzt. Nach jeder Manipulation kann die Plasmid-DNA gespalten und gewonnene DNA-Fragmente mit anderen DNA-Sequenzen verknüpft werden. Jede Plasmid-DNA-Sequenz kann in den gleichen oder anderen Plasmiden cloniert werden.The invention further relates to vectors which contain recombinant DNA molecules according to the invention. These are preferably plasmids, cosmids, viruses, bacteriophages and other vectors customary in genetic engineering. A large number of cloning vectors are available to prepare the introduction of foreign genes into higher plants, which contain a replication signal for E. coli and a marker gene for the selection of transformed bacterial cells. Examples of such vectors are pBR322, pUC series, M13mp series, pACYC184 etc. The desired sequence can be introduced into the vector at a suitable restriction site. The plasmid obtained is used for the transformation of E. coli cells. Transformed E. coli cells are grown in a suitable medium, then harvested and lysed. The plasmid is recovered. Restriction analyzes, gel electrophoresis and other biochemical-molecular biological methods are generally used as the analysis method for characterizing the plasmid DNA obtained. After each manipulation, the plasmid DNA can be cleaved and DNA fragments obtained other DNA sequences. Each plasmid DNA sequence can be cloned into the same or different plasmids.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der erfindungsgemäße Vektor ein selektierbares Markergen. Geeignete Markergene sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise Antimetaboliten-Resistenz als Selektionsbasis für dhfr, welches Resistenz gegen Methotrexat überträgt (Reiss, Plant Physiol. (Life Sei. Adv.) 13 (1994), 142-149); npt, das Resistenz gegen die Aminoglycoside Neomycin, Kanamycin und Paromycin überträgt (Herrera-Estrella, EMBO J. 2 (1983), 987-995), Hygro, das Resistenz gegen Hygromycin überträgt (Marsh, Gene 32 (1984), 481-485) und Sul, das Resistenz gegen Sulfadiazin überträgt (Guerineau, Plant Mol. Biol. 15 (1990), 127-136). Zusätzliche selektierbare Gene wurden beschrieben, nämlich trpB, das es Zellen ermöglicht, Indol anstelle von Tryptophan zu verwenden; hisD, das es Zellen ermöglicht, Histinol anstelle von Histidin zu verwenden (Hartman, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 85 (1988), 8047); Mannose-6-Phosphat Isomerase, das es Zellen ermöglicht, Mannose zu verwerten (WO 94/20627) und ODC (Ornithin Decarboxylase), das Resistenz gegen den Ornithin Decarboxylase Inhibitor, 2-(Diflouromethyl)-DL-Omithin, DFMO, überträgt (McConlogue, 1987, In: Current Communications in Molecular Biology, Cold Spring Harbor Laboratory, Hrsg.) oder Deaminase aus Aspergillus terreus, das Resistenz gegen Blasticidin S vermittelt (Tamura, Biosci. Biotechnol. Biochem. 59 (1995), 2336-2338).In a preferred embodiment, the vector according to the invention contains a selectable marker gene. Suitable marker genes are known to the person skilled in the art from the prior art, for example antimetabolite resistance as a selection basis for dhfr, which transmits resistance to methotrexate (Reiss, Plant Physiol. (Life Sei. Adv.) 13 (1994), 142-149); npt, conferring resistance to the aminoglycosides neomycin, kanamycin and paromycin (Herrera-Estrella, EMBO J. 2 (1983), 987-995), hygro, conferring resistance to hygromycin (Marsh, Gene 32 (1984), 481-485 ) and Sul, which confer resistance to sulfadiazine (Guerineau, Plant Mol. Biol. 15 (1990), 127-136). Additional selectable genes have been described, namely trpB, which enables cells to use indole instead of tryptophan; hisD, which enables cells to use histinol instead of histidine (Hartman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85 (1988), 8047); Mannose-6-phosphate isomerase, which enables cells to utilize mannose (WO 94/20627) and ODC (ornithine decarboxylase), which transmits resistance to the ornithine decarboxylase inhibitor, 2- (diflouromethyl) -DL-omithin, DFMO ( McConlogue, 1987, In: Current Communications in Molecular Biology, Cold Spring Harbor Laboratory, ed.) Or Deaminase from Aspergillus terreus, which confers resistance to Blasticidin S (Tamura, Biosci. Biotechnol. Biochem. 59 (1995), 2336-2338) .
Geeignete nachweisbare Marker sind dem Fachmann bekannt und im Handel erhältlich. Dieser Marker ist vorzugsweise ein Gen, welches Luciferase (Giacomin, PL Sei. 116 (1996), 59-72; Scikantha, J. Bact. 178 (1996), 121 ), grünfluoreszierendes Protein (Gerdes, FEBS Lett. 389 (1996), 44-47) oder ß- Glucuronidase (Jefferson, EMBO J. 6 (1987), 3901-3907) codiert. Durch die Bereitstellung der erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Moleküle und Vektoren, die ein Markergen enthalten, können Pflanzen bzw. Pflanzenzelleπ auf das Vorhandensein des Markergens selektioniert werden. Natürlich weiß der Fachmann, daß das Markergen nicht unbedingt in dem Vektor, der das erfϊndungsgemäße DNA- Molekül trägt, anwesend sein muß, sondern auch mit diesem co-transformiert werden kann (Lyznik (1989) Plant Mol. Biol. 13, 151-161 ; Peng (1995) Plant Mol. Biol. 27, 91-104). Diese Möglichkeit bietet sich zum Beispiel an, wenn keine physikalische Koppelung des Markergens und des rekombinanten DNA-Moleküls gewünscht wird. In diesem Fall können nach der Selektion der primären transgenen Pflanze das Markergen und das erfindungsgemäße rekombinante DNA-Molekül in nachfolgenden Kreuzungen unabhängig voneinander seggregieren. Eine weitere Strategie, Markerfreie transgene Pflanzen zu erzeugen, ist die Verwendung von Sequenz-spezifischen Rekombinasen. Zu diesem Zweck sind z.B. zwei Strategien einsetzbar: (i) Re-Transformation einer Rekombinase exprimierenden Ausgangslinie und Auskreuzung der Rekombinase nach erfolgter Entfernung des Selektionsmarkers, welches mit dem gewünschten Gen assoziiert war. (ii) Co- Transformation mit anschließender Auskreuzung. Voraussetzung für diese Rekombinase-Strategie sind (i) Flankierung des Selektinsmarkers mit Erkennungssequenzen für die Rekombinase und (ii) eine Rekombinase, die in Pflanzen aktiv ist und keine Pflanzen-eigenen Sequenzen zur Rekombination nutzt. Derartige Verfahren kann der Fachmann dem Stand der Technik entnehmen, z.B. RecA (Reiss (1996) Proc. Natl. Acad. Sei. USA 93, 3094-3098), Cre/lox (Bayiey (1992) Plant Mol. Biol. 18, 353-361 ), FLP/FRT (Lloyd (1994) Mol. Gen. Genet. 242, 653-657), Gin (Maeser (1991 ) Mol. Gen. Genet. 230, 170-176) und R/RS (Onouchi (1991 ) Nucl. Acids Res. 19, 6373-6378).Suitable detectable markers are known to the person skilled in the art and are commercially available. This marker is preferably a gene which contains luciferase (Giacomin, PL Sc. 116 (1996), 59-72; Scikantha, J. Bact. 178 (1996), 121), green fluorescent protein (Gerdes, FEBS Lett. 389 (1996) , 44-47) or β-glucuronidase (Jefferson, EMBO J. 6 (1987), 3901-3907). By providing the recombinant DNA molecules and vectors according to the invention which contain a marker gene, plants or plant cells can be selected for the presence of the marker gene. Of course, the person skilled in the art knows that the marker gene is not necessarily in the vector which contains the DNA Molecule carries, must be present, but can also be co-transformed with this (Lyznik (1989) Plant Mol. Biol. 13, 151-161; Peng (1995) Plant Mol. Biol. 27, 91-104). This option is useful, for example, if no physical coupling of the marker gene and the recombinant DNA molecule is desired. In this case, after the selection of the primary transgenic plant, the marker gene and the recombinant DNA molecule according to the invention can independently segregate in subsequent crossings. Another strategy to generate marker-free transgenic plants is the use of sequence-specific recombinases. For this purpose, two strategies can be used, for example: (i) re-transforming a starting line expressing recombinase and crossing out the recombinase after removal of the selection marker which was associated with the desired gene. (ii) Co-transformation followed by outcrossing. Prerequisites for this recombinase strategy are (i) flanking the selectin marker with recognition sequences for the recombinase and (ii) a recombinase that is active in plants and does not use any plant-specific sequences for recombination. Such processes can be found in the prior art by a person skilled in the art, for example RecA (Reiss (1996) Proc. Natl. Acad. Sei. USA 93, 3094-3098), Cre / lox (Bayiey (1992) Plant Mol. Biol. 18, 353 -361), FLP / FRT (Lloyd (1994) Mol. Gen. Genet. 242, 653-657), Gin (Maeser (1991) Mol. Gen. Genet. 230, 170-176) and R / RS (Onouchi ( 1991) Nucl. Acids Res. 19, 6373-6378).
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung Wirtszellen, die die erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Moleküle oder Vektoren transient oder stabil enthalten. Unter einer Wirtszelle wird ein Organismus verstanden, der in der Lage ist, in vitro rekombinierte DNA aufzunehmen und gegebenenfalls die in der erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Molekülen enthaltene DNA-Sequenz zu exprimieren.In a further embodiment, the invention relates to host cells which contain the recombinant DNA molecules or vectors according to the invention transiently or stably. A host cell is understood to mean an organism which is able to take up recombinant DNA in vitro and, if appropriate, to express the DNA sequence contained in the recombinant DNA molecules according to the invention.
Vorzugsweise sind dies prokaryontische oder eukaryontische Zellen. Insbesondere betrifft die Erfindung Pflanzenzellen, die die erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Moleküle oder Vektorsysteme oder Derivate oder Teile davon enthalten. Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Zellen dadurch gekennzeichnet, daß das eingeführte erfindungsgemäße rekombinante DNA-Molekül entweder heterolog in Bezug auf die transformierte Zelle ist, d.h. natürlicherweise nicht in diesen Zellen vorkommt, oder an einem anderen Ort im Genom lokalisiert ist als die entsprechende natürlicherweise auftretende Sequenz.These are preferably prokaryotic or eukaryotic cells. In particular, the invention relates to plant cells which contain the recombinant DNA molecules or vector systems or derivatives or parts thereof according to the invention. The cells according to the invention are preferably characterized in that the introduced recombinant DNA molecule according to the invention is either heterologous with respect to the transformed cell, ie does not naturally occur in these cells, or is located at a different location in the genome than the corresponding naturally occurring sequence.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung Kits, die ein erfindungsgemäßes rekombinantes DNA Molekül oder einen erfindungsgemäßen Vektor enthalten und gegebenenfalls weitere rekombinante DNA-Moleküle, die z.B. DNA-Sequenzen enthalten, die Enzyme codieren, die im Fettsäurewechsel involviert sind. Durch Cotransformation solcher weiteren rekombinanten DNA-Moleküle mit den erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Molekülen sind synergistische Effekte, d.h. eine wesentlich stärker gesteigerte Ölproduktion in Pflanzen zu erwarten. Femer kann der erfindungsgemäße Kit beispielsweise Mittel zum Nachweis von mit den erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Molekülen oder Vektoren transformierten Pflanzen enthalten, beispielsweise geeignete PCR-Primer, Sonden, Komponenten für AGPase-Enzymtest, Selektionsmittel für Pflanzen etc. Die vorstehend beschriebenen rekombinanten DNA-Moleküle und Vektoren und gegebenenfalls weitere Komponenten können in dem erfindungsgemäßen Kit in Behältern verpackt sein, beispielsweise in Gefäßen, gegebenenfalls in Puffern und/oder Lösungen. Falls angebracht können ein oder mehrere der vorgenannten Komponenten in ein und demselben Behälter verpackt werden. Die erfindungsgemäßen Kits können vielseitig eingesetzt werden. Beispielhafte Anwendungsbereiche wie die Herstellung transgener Pflanzenzellen und Pflanzen sind nachfolgend angegeben.In a further embodiment, the invention relates to kits which contain a recombinant DNA molecule according to the invention or a vector according to the invention and optionally further recombinant DNA molecules which e.g. Contain DNA sequences that encode enzymes that are involved in fatty acid change. By co-transforming such further recombinant DNA molecules with the recombinant DNA molecules according to the invention, synergistic effects, i.e. to expect a much stronger increase in oil production in plants. The kit according to the invention can furthermore contain, for example, agents for the detection of plants transformed with the recombinant DNA molecules or vectors according to the invention, for example suitable PCR primers, probes, components for AGPase enzyme test, selection agents for plants etc. The recombinant DNA molecules described above and Vectors and optionally further components can be packaged in containers in the kit according to the invention, for example in vessels, optionally in buffers and / or solutions. If appropriate, one or more of the aforementioned components can be packaged in one and the same container. The kits according to the invention can be used in a variety of ways. Exemplary areas of application such as the production of transgenic plant cells and plants are given below.
Durch die Bereitstellung der erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Moleküle und Vektoren ist es möglich, gezielt in den Metabolismus der Pflanze einzugreifen und diesen in für die Fettsäurebiosynthese günstiger Weise zu beeinflussen, dabei vorzugsweise im Samen von Sorten, die bereits im Stand der Technik als Ölpflanzen bekannt, aber oftmals nur im beschränkten Maße von ökonomischem Nutzen sind. Die vorliegende Erfindung betrifft somit auch ein Verfahren zur Herstellung transgener Pflanzenzellen, Pflanzengewebe und Pflanzen, das die folgenden Schritte umfaßt:By providing the recombinant DNA molecules and vectors according to the invention, it is possible to intervene in a targeted manner in the metabolism of the plant and to influence it in a manner which is favorable for fatty acid biosynthesis, preferably in the seed of varieties which are already known in the art as oil plants, but are often only of limited economic benefit. The present invention thus also relates to a method for producing transgenic plant cells, plant tissue and plants, which comprises the following steps:
(a) Einführung eines erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Moleküls oder Vektors in Pflanzenzellen, Pflanzengewebe oder Pflanzen; und(a) introduction of a recombinant DNA molecule or vector according to the invention into plant cells, plant tissue or plants; and
(b) Selektion der transformierten Pflanzenzellen, Pflanzengewebe oder Pflanzen, die eine erhöhte und/oder veränderte Fettsäureproduktion aufweisen.(b) Selection of the transformed plant cells, plant tissues or plants which have an increased and / or modified fatty acid production.
Für die Einführung von DNA in eine pflanzliche Wirtszelle stehen eine Vielzahl von Techniken zur Verfügung. Diese Techniken umfassen die Transformation pflanzlicher Zellen mit T-DNA unter Verwendung von Agrobacterium tumefaciens oder Agrobacterium rhizogenes als Transformationsmittel, die Fusion von Protoplasten, die Injektion, die Elektroporation von DNA, die Einbringung von DNA mittels der biolistischen Methode sowie weitere Möglichkeiten. Bei der Injektion und Elektroporation von DNA in Pflanzenzellen werden an sich keine speziellen Anforderungen an die verwendeten Plasmide gestellt. Es können einfache Plasmide wie z.B. pUC-Derivate verwendet werden. Sollen aber aus derartig transformierten Zellen ganze Pflanzen regeneriert werden, ist es vorteilhaft, wenn ein selektierbarer Marker vorhanden ist.A variety of techniques are available for introducing DNA into a plant host cell. These techniques include the transformation of plant cells with T-DNA using Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes as the transformation agent, the fusion of protoplasts, the injection, the electroporation of DNA, the introduction of DNA using the biolistic method and other possibilities. When injecting and electroporation of DNA into plant cells, there are no special requirements for the plasmids used. Simple plasmids such as e.g. pUC derivatives can be used. However, if whole plants are to be regenerated from such transformed cells, it is advantageous if a selectable marker is present.
Je nach Einführungsmethode gewünschter Gene in die Pflanzenzelle können weitere DNA-Sequenzen erforderlich sein. Werden z.B. für die Transformation der Pflanzenzelle das Ti- oder Ri-Plasmid verwendet, so muß mindestens die rechte Begrenzung, häufig jedoch die rechte und linke Begrenzung der Ti- und Ri-Plasmid T-DNA als Flankenbereich mit den einzuführenden Genen verbunden werden. Werden für die Transformation Agrobakterien verwendet, muß die einzuführende DNA in spezielle Plasmide cloniert werden, und zwar entweder in einen intermediären Vektor oder in einen binären Vektor. Die intermediären Vektoren können aufgrund von Sequenzen, die homolog zu Sequenzen in der T-DNA sind, durch homologe Rekombination in das Ti- oder Ri-Plasmid der Agrobakterien integriert werden. Dieses enthält außerdem die für den Transfer der T-DNA notwendige vir-Region. Intermediäre Vektoren können nicht in Agrobakterien replizieren. Mittels eines Helferplasmids kann der intermediäre Vektor auf Agrobacterium tumefaciens übertragen werden (Konjugation). Binäre Vektoren können sowohl in E.coli als auch in Agrobakterien replizieren. Sie enthalten ein Selektionsmarker-Gen und einen Linker oder Polylinker, welche von der rechten und linken T-DNA Grenzregion eingerahmt werden. Sie können direkt in die Agrobakterien transformiert werden (Holsters, Mol. Gen. Genet. 163 (1978), 181- 187). Das als Wirtszelle dienende Agrobakterium soll ein Plasmid, das eine vir- Region trägt, enthalten. Die vir-Region ist für den Transfer der T-DNA in die Pflanzenzelle notwendig. Zusätzliche T-DNA kann vorhanden sein. Das derartig transformierte Agrobakterium wird zur Transformation von Pflanzenzellen verwendet. Die Verwendung von T-DNA für die Transformation von Pflanzenzellen ist intensiv untersucht und beschrieben in EP-A-120 516; Hoekema: The Binary Plant Vector System, Offsetdrukkerij Kanters B.V., Alblasserdam (1985), Chapter V, Fraley, Crit. Rev. Plant. Sei., 4, 1-46 und An, EMBO J. 4 (1985), 277-287. Für den Transfer der DNA in die Pflanzenzelle können Pflanzen oder Pflanzen- Explantate zweckmäßigerweise mit Agrobacterium tumefaciens oder Agrobacterium rhizogenes kokultiviert werden. Aus dem infizierten Pflanzenmaterial (z.B. Blattstücke, Stengelsegmente, Wurzeln, aber auch Protoplasten oder Suspensionskultivierte Pflanzenzellen) können dann in einem geeigneten Medium wieder ganze Pflanzen regeneriert werden. Die so erhaltenen Pflanzen können dann auf Anwesenheit der eingeführten DNA untersucht werden. Andere Möglichkeiten der Einführung fremder DNA unter Verwendung des biolistischen Verfahrens oder durch Protoplastentransformation sind bekannt (vgl. z.B. Christou (1996) Trends in Plant Science 1 , 423-431 ; Willmitzer, L., 1993 Transgenic plants. In: Biotechnology, A Multi-Volume Comprehensive Treatise (HJ. Rehm, G. Reed, A. Pühler, P. Stadler, eds.), Vol. 2, 627-659, VCH Weinheim-New York-Basel-Cambridge). Alternative Systeme zur Transformation von monokotylen und dikotylen Pflanzen sind die Transformation mittels des biolistischen Ansatzes, die elektrisch oder chemisch induzierte DNA-Aufnahme in Protoplasten, die Elektroporation von partiell permeabilisierten Zellen, die Makroinjektion von DNA in Blütenstände, die Mi- kroinjektion von DNA in Mikrosporen und Pro-Embryonen, die DNA-Aufnahme durch keimenden Pollen, Vacuuminfiltration von Samen und die DNA-Aufnahme in Embryonen durch Quellung (zur Übersicht: Potrykus, Physiol. Plant (1990), 269 - 273).Depending on the method of introducing desired genes into the plant cell, additional DNA sequences may be required. If, for example, the Ti or Ri plasmid is used for the transformation of the plant cell, then at least the right boundary, but frequently the right and left boundary of the Ti and Ri plasmid T-DNA as the flank region, must be linked to the genes to be introduced. If agrobacteria are used for the transformation, the DNA to be introduced must be cloned into special plasmids, either in an intermediate vector or in a binary vector. The intermediate vectors can be integrated into the Ti or Ri plasmid of the agrobacteria on the basis of sequences which are homologous to sequences in the T-DNA by homologous recombination. This also contains the vir region necessary for the transfer of the T-DNA. Intermediate vectors cannot be found in agrobacteria replicate. Using a helper plasmid, the intermediate vector can be transferred to Agrobacterium tumefaciens (conjugation). Binary vectors can replicate in both E. coli and agrobacteria. They contain a selection marker gene and a linker or polylinker, which are framed by the right and left T-DNA border region. They can be transformed directly into the agrobacteria (Holsters, Mol. Gen. Genet. 163 (1978), 181-187). The agrobacterium serving as the host cell is said to contain a plasmid which carries a vir region. The vir region is necessary for the transfer of the T-DNA into the plant cell. Additional T-DNA may be present. The agrobacterium transformed in this way is used to transform plant cells. The use of T-DNA for the transformation of plant cells has been intensively investigated and described in EP-A-120 516; Hoekema: The Binary Plant Vector System, Offsetdrukkerij Kanters BV, Alblasserdam (1985), Chapter V, Fraley, Crit. Rev. Plant. Sci., 4, 1-46 and An, EMBO J. 4 (1985), 277-287. For the transfer of the DNA into the plant cell, plants or plant explants can expediently be cultivated with Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes. Whole plants can then be regenerated in a suitable medium from the infected plant material (for example leaf pieces, stem segments, roots, but also protoplasts or suspension-cultivated plant cells). The plants thus obtained can then be examined for the presence of the introduced DNA. Other ways of introducing foreign DNA using the biolistic method or by protoplast transformation are known (see, for example, Christou (1996) Trends in Plant Science 1, 423-431; Willmitzer, L., 1993 Transgenic plants. In: Biotechnology, A Multi- Volume Comprehensive Treatise (HJ. Rehm, G. Reed, A. Pühler, P. Stadler, eds.), Vol. 2, 627-659, VCH Weinheim-New York-Basel-Cambridge). Alternative systems for the transformation of monocotyledonous and dicotyledonous plants are the transformation using the biolistic approach, the electrically or chemically induced DNA uptake in protoplasts, the electroporation of partially permeabilized cells, the macro-injection of DNA into inflorescences, the micro-injection of DNA into microspores and pro-embryos that take up DNA germinating pollen, vacuum infiltration of seeds and DNA uptake in embryos by swelling (for an overview: Potrykus, Physiol. Plant (1990), 269 - 273).
Während die Transformation dikotyler Pflanzen über Ti-Plasmid-Vektorsysteme mit Hilfe von Agrobacterium tumefaciens wohl etabliert ist, weisen neuere Arbeiten darauf hin, daß auch monokotyle Pflanzen der Transformation mittels Agrobacterium basierender Vektoren sehr wohl zugänglich sind (Chan, Plant Mol. Biol. 22 (1993), 491-506; Hiei, Plant J. 6 (1994), 271-282; Bytebier, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 84 (1987), 5345 - 5349; Raineri, Bio/Technology 8 (1990), 33 - 38; Gould, Plant Physiol. 95 (1991 ), 426 - 434; Moloney, Plant, Cell Tiss. & Org. Cult. 25 (1991 ), 209 - 218; Li, Plant Mol. Biol. 20 (1992), 1037 - 1048).While the transformation of dicotyledonous plants via Ti plasmid vector systems with the aid of Agrobacterium tumefaciens is well established, recent work indicates that monocotyledonous plants are also very well amenable to transformation using Agrobacterium-based vectors (Chan, Plant Mol. Biol. 22 ( 1993), 491-506; Hiei, Plant J. 6 (1994), 271-282; Bytebier, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 84 (1987), 5345-5349; Raineri, Bio / Technology 8 (1990) , 33-38; Gould, Plant Physiol. 95 (1991), 426-434; Moloney, Plant, Cell Tiss. & Org. Cult. 25 (1991), 209-218; Li, Plant Mol. Biol. 20 (1992 ), 1037-1048).
Drei der oben genannten Transformationssysteme konnten in der Vergangenheit für verschiedene Getreide etabliert werden: die Elektroporation von Gewebe, die Transformation von Protoplasten und der DNA-Transfer durch Partikel-Beschüß in regenerierbare Gewebe und Zellen (zur Übersicht: Jahne, Euphytica 85 (1995), 35 - 44). Die Transformation von Weizen wird in der Literatur verschiedentlich beschrieben (zur Übersicht: Maheshwari, Critical Reviews in Plant Science 14 (2) (1995), 149 - 178).In the past, three of the above-mentioned transformation systems could be established for different cereals: the electroporation of tissue, the transformation of protoplasts and the DNA transfer by particle bombardment into regenerable tissue and cells (for an overview: Jahne, Euphytica 85 (1995), 35-44). The transformation of wheat has been described in various ways in the literature (for an overview: Maheshwari, Critical Reviews in Plant Science 14 (2) (1995), 149 - 178).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße rekombinante DNA-Molekül oder der erfindungsgemäße Vektor in dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels Agrobacterium tumefaciens, Particle-Bombardment, Elektroporation, Mikroinjektion, Liposomen oder Polyethylenglykol eingeführt wird.In a preferred embodiment, the recombinant DNA molecule according to the invention or the vector according to the invention is introduced in the method according to the invention by means of Agrobacterium tumefaciens, particle bombardment, electroporation, microinjection, liposomes or polyethylene glycol.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch transgene Pflanzenzellen, die ein erfindungsgemäßes rekombinantes DNA-Molekül oder einen erfindungsgemäßen Vektor enthalten oder durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wurden sowie transgene Pflanzenzellen, die von derartig transformierten Pflanzenzellen abstammen. Derartige Zellen lassen sich von natürlicherweise vorkommenden Pflanzenzellen dadurch unterscheiden, daß sie mindestens ein erfindungsgemäßes rekombinantes DNA-Molekül enthalten, das natürlicherweise in diesen Zellen nicht vorkommt oder dadurch, daß ein solches Molekül an einem Ort im Genom der Zelle integriert vorliegt, in dem es natürlicherweise nicht vorkommt, d.h. in einer anderen genomischen Umgebung.The present invention also relates to transgenic plant cells which contain a recombinant DNA molecule or a vector according to the invention or which have been obtained by the method according to the invention and to transgenic plant cells which originate from plant cells transformed in this way. Such cells can be distinguished from naturally occurring plant cells in that they contain at least one recombinant DNA molecule according to the invention which does not naturally occur in these cells or in that such a molecule is located at one location in the genome of the cell is integrated in which it does not occur naturally, ie in a different genomic environment.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Pflanzenzelle mindestens ein weiteres Fremdgen. Wie bereits vorstehend erwähnt, wird durch Minderung der Aktivität der AGPase die konkurrierende Stärkebiosynthese gehemmt und somit ist mehr Kohlenstoff und Energie für die Fettsäurebiosynthese verfügbar. Darüber hinaus kann die Kreuzungskombination mit z.B. Acetyl-CoA-Carboxylase- überexprimierenden Pflanzen, vorzugsweise Rapslinien dafür sorgen, daß die anfallenden Stoffwechselintermediate bevorzugt in die Fettsäurebiosynthese abfließen können. In einer bevorzugten Ausführungsform codiert das Fremdgen Acetyl-CoA Carboxylase oder ein anderes die Fettsäure und/oder Lipidbiosyntheserate bestimmendes Enzym wie z.B. ß-Ketoacylsynthase oder Diacylglycerol Acyltransferase.In a preferred embodiment, the plant cell according to the invention contains at least one further foreign gene. As already mentioned above, by reducing the activity of the AGPase the competing starch biosynthesis is inhibited and thus more carbon and energy are available for the fatty acid biosynthesis. In addition, the crossing combination with e.g. Plants that are overexpressing acetyl-CoA carboxylase, preferably rapeseed lines, ensure that the metabolic intermediates obtained can preferably flow off into the fatty acid biosynthesis. In a preferred embodiment the foreign gene encodes acetyl-CoA carboxylase or another enzyme determining the fatty acid and / or lipid biosynthesis rate such as e.g. β-ketoacyl synthase or diacylglycerol acyltransferase.
Die transgenen Pflanzenzellen können nach dem Fachmann bekannten Techniken zu Pflanzengewebe und ganzen Pflanzen regeneriert werden. Die durch Regeneration der erfindungsgemäßen transgenen Pflanzenzellen erhältlichen Pflanzengewebe und Pflanzen sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Ferner sind Gegenstand der Erfindung Pflanzen und Pflanzengewebe, die die oben beschriebenen transgenen Pflanzenzellen enthalten. In Abhängigkeit des gewählten Promotors (z.B. 35S CaMV) für das Markergen sind auch die adulten Pflanzen resistent gegen das Selektionsmittel und können durch Gabe dieser Verbindung selektioniert werden. Bei Verwendung von z.B. gewebespezifischen Promotoren entfällt diese Möglichkeit und der Fachmann kann z.B. auf molekularbiologische Methoden wie PCR zurückgreifen, um diese Pflanzen zu identifizieren. Auf der anderen Seite kann der Fachmann natürlich auch, z.B. nach Selbstung oder Rückkreuzung gegen den Elter, Samen solcher Pflanzen auf Selektionsmittel enthaltene Medien auslegen und anhand der Keimfähigkeit dieser Samen oder Überleben der Pflanzen in einem späteren Stadium der Entwicklung (abhängig vom gewählten Promotor) rückschließen, ob die Pflanzen transgen sind oder nicht. Bei den transgenen Pflanzen kann es sich prinzipiell um Pflanzen jeder beliebigen Pflanzenspezies handeln, d.h. sowohl monokotyle als auch dikotyle Pflanzen. Bevorzugt handelt es sich um Nutzpflanzen wie Weizen, Gerste, Reis, Raps, Erbse, Mais, Zuckerrübe, Zuckerrohr oder Kartoffel. Besonders bevorzugt sind Ölpflanzen, insbesondere die sechs wichtigsten Ölpflanzen (Sojabohne, Ölpalme, Raps, Sonnenblume, Baumwolle und Erdnuß), aus welchen weltweit 84% der pflanzlichen Öle hergestellt werden (Lühs, (1993), supra), die hauptsächlich aus Palmitin-, Stearin-, Olein-, Linol- und Linolensäure bestehen. Die Erfindung betrifft ebenfalls Vermehrungsmaterial und Ernteprodukte der erfindungsgemäßen Pflanzen, beispielsweise Früchte, Samen, Knollen, Wurzelstöcke, Sämlinge, Stecklinge etc.The transgenic plant cells can be regenerated to plant tissue and whole plants using techniques known to those skilled in the art. The plant tissues and plants obtainable by regeneration of the transgenic plant cells according to the invention are likewise the subject of the present invention. The invention furthermore relates to plants and plant tissues which contain the transgenic plant cells described above. Depending on the promoter chosen (eg 35S CaMV) for the marker gene, the adult plants are also resistant to the selection agent and can be selected by administration of this compound. When using, for example, tissue-specific promoters, this possibility is eliminated and the person skilled in the art can use molecular biological methods such as PCR, for example, to identify these plants. On the other hand, the person skilled in the art can, of course, for example after self-breeding or backcrossing against the parent, lay out seeds of such plants on media contained in the selection medium and infer them based on the germination capacity of these seeds or survival of the plants in a later stage of development (depending on the chosen promoter) whether the plants are transgenic or not. The transgenic plants can in principle be plants of any plant species, ie both monocot and dicot plants. It is preferably useful plants such as wheat, barley, rice, rapeseed, pea, corn, sugar beet, sugar cane or potato. Oil plants are particularly preferred, in particular the six most important oil plants (soybean, oil palm, oilseed rape, sunflower, cotton and peanut), from which 84% of the vegetable oils are produced worldwide (Lühs, (1993), supra), which mainly consist of palmitin, Stearic, oleic, linoleic and linolenic acid exist. The invention also relates to propagation material and harvest products of the plants according to the invention, for example fruits, seeds, tubers, rhizomes, seedlings, cuttings etc.
Wie oben bereits dargelegt, stellt die vorliegende Erfindung rekombinante DNA- Moleküle und Vektoren zur Verfügung, die zur Herstellung von transgenen Pflanzenzellen, Pflanzengewebe und/oder Pflanzen verwendet werden können, bei denen vorzugsweise die Fettsäuresynthese und/oder der Ölgehalt gesteigert ist.As already stated above, the present invention provides recombinant DNA molecules and vectors which can be used for the production of transgenic plant cells, plant tissue and / or plants in which the fatty acid synthesis and / or the oil content is preferably increased.
Die erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Moleküle, Verfahren und Pflanzenzellen bzw. Pflanzen können natürlich auch im Zusammenhang mit der Produktion von Ölen mit veränderten Fettsäureprofilen genutzt werden (Töpfer, Science 268 (1995), 681-686). Derzeit werden nur 10% des produzierten Speiseöls im Nicht-Nahrungsmittelbereich verwendet, wie zum Beispiel in Schmiermitteln, hydraulischen Ölen, alternativen Brennstoffen oder in ölhaltigen Chemikalien für Beschichtungen, Plastifizierern, Seifen und Waschmitteln (Lühs, (1993), supra). Die wirtschaftlichen Voraussetzungen für industriell genutzte Rohstoffe unterscheiden sich beträchtlich von den Voraussetzungen für die Herstellung von Speiseöl. Das ideale Öl für eine oleochemische Anwendung bestünde aus einer bestimmten Fettsäureart, welche konstant für einen, im Vergleich mit Rohstoffen aus Mineralölprodukten, konkurrenzfähig niedrigen Preis geliefert werden könnte. Außerdem sollte eine solche Fettsäure neben der Carboxyl-Funktion reaktionsfähige Gruppe und damit ein zusätzliches Ziel für chemische Modifikationen enthalten. Es wird erwartet, daß solche Fettsäuren in Pflanzen hergestellt werden können (Kishore, Curr. Opin. Biotechnol. 4 (1993), 152). Es ist daher ebenfalls zu erwarten, das die erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Moleküle, Vektoren, Pflanzenzellen und Pflanzen bzw. deren Samen für die Herstellung von beispielsweise Biodiesel und anderen Kraftstoffen oder für Kunststoffe genutzt werden können. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen rekombinanten DNA-Moleküle ist es nun möglich, den Photosynthesefluß zu steuern und so durch Rückleitung des Kohlenstoffflusses in die Synthese von Ölen mit gewünschter Fettsäurezusammensetzung den Ertrag von Ölen in der Landwirtschaft wesentlich zu steigern.The recombinant DNA molecules, methods and plant cells or plants according to the invention can of course also be used in connection with the production of oils with modified fatty acid profiles (Töpfer, Science 268 (1995), 681-686). Currently only 10% of the edible oil produced is used in the non-food sector, such as in lubricants, hydraulic oils, alternative fuels or in oil-containing chemicals for coatings, plasticizers, soaps and detergents (Lühs, (1993), supra). The economic requirements for industrially used raw materials differ considerably from the requirements for the production of cooking oil. The ideal oil for an oleochemical application would consist of a certain type of fatty acid, which could be constantly supplied at a competitive price compared to raw materials from mineral oil products. In addition to the carboxyl function, such a fatty acid should also contain a reactive group and thus an additional target for chemical modifications. It it is expected that such fatty acids can be produced in plants (Kishore, Curr. Opin. Biotechnol. 4 (1993), 152). It is therefore also to be expected that the recombinant DNA molecules, vectors, plant cells and plants or their seeds according to the invention can be used for the production of, for example, biodiesel and other fuels or for plastics. With the help of the recombinant DNA molecules according to the invention, it is now possible to control the photosynthesis flow and thus significantly increase the yield of oils in agriculture by returning the carbon flow to the synthesis of oils with the desired fatty acid composition.
Diese und andere Ausführungsformen sind dem Fachmann offenbart und offensichtlich und umfaßt durch die Beschreibung und die Beispiele der vorliegenden Erfindung. Weiterführende Literatur zu einer der oben angeführten Methoden, Mittel und Verwendungen, die im Sinne der vorliegenden Erfindung angewendet werden können dem Stand der Technik entnommen werden, z. B. aus öffentlichen Bibliotheken unter beispielsweise der Benutzung von elektronischen Hilfsmitteln. Zu diesem Zweck bieten sich unter anderem öffentliche Datenbanken an wie die "Medline", die über Internet zur Verfügung stehen, z. B. unter der Adresse http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed/medline.html. Weitere Datenbanken und Adressen sind dem Fachmann geläufig und können aus dem Internet entnommen werden, z. B. unter der Adresse http://www.lycos.com. Eine Übersicht über Quellen und Informationen zu Patenten bzw. Patentanmeldungen in der Biotechnologie ist in Berks, TIBTECH 12 (1994), 352-364 gegeben. These and other embodiments are disclosed and obvious to those skilled in the art and are encompassed by the description and examples of the present invention. Further literature on one of the above-mentioned methods, agents and uses which can be used in the sense of the present invention can be found in the prior art, for. B. from public libraries using, for example, electronic aids. For this purpose, among other things, there are public databases such as the "Medline", which are available on the Internet, for. B. at http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed/medline.html. Other databases and addresses are known to the person skilled in the art and can be found on the Internet, e.g. B. at http://www.lycos.com. An overview of sources and information on patents and patent applications in biotechnology is given in Berks, TIBTECH 12 (1994), 352-364.
Die Figuren zeigen:The figures show:
Figur 1 : Schematische Karte der Kassette zur embryospezifischen Genexpression pTE200. EcoRI, Smal, BamHI, Xhol, Notl, Xbal, Sacl, Kpnl, Apal, Sall und Sfil markieren Erkennungsstellen für Restriktionsendonukleasen. Aus praktischen Gründen unterscheiden sich Sfil (A) und Sfil (B) in der variablen Nukleotidfolge innerhalb der Erkennungssequenz. Die Abkürzungen kodieren wie folgt: pCIFatB4 = CIFatB4-Promotor, \CIFatB4 = CIFatB4-Terminator, amp = bakterielle Resistenz gegenüber Ampicillin, ColE1 ori = "origin of replication" aus dem Plasmid ColE1 , fl(-) ori = "origin of replication" aus dem Phagen f1.Figure 1: Schematic map of the cassette for embryo-specific gene expression pTE200. EcoRI, Smal, BamHI, Xhol, Notl, Xbal, Sacl, Kpnl, Apal, Sall and Sfil mark recognition sites for restriction endonucleases. For practical reasons, Sfil (A) and Sfil (B) differ in the variable nucleotide sequence within the recognition sequence. The abbreviations code as follows: pCIFatB4 = CIFatB4 promoter, \ CIFatB4 = CIFatB4 terminator, amp = bacterial resistance to ampicillin, ColE1 ori = "origin of replication" from the plasmid ColE1, fl (-) ori = "origin of replication" from the phage f1.
Figur 2: Schematische Darstellungen der AGP-Antisense-Figure 2: Schematic representations of the AGP antisense
Expressionskassetten: Fusionen der vollständigen cDNA {AGP) der kleinen Untereinheit der AGPase in Antisense-Orientierung im Plasmid pTE209b mit dem CIFatB4-Promotor (pCIFatB4) und -Terminator { CiFatB4); im Plasmid pTE109b mit dem CIFatB3-Promotor {pCIFatB3) und CIFatB4-Terminator (\CIFatB4) sowie im Plasmid pG009b mit dem GPDH-Promotor CIGPDH) und dem Terminator (t35S) des 35S rna Gens aus CaMV. EcoRI, Notl, Sall, und Xhol markieren Erkennungsstellen für Restriktionsendonukleasen.Expression cassettes: fusions of the complete cDNA {AGP) of the small subunit of AGPase in antisense orientation in plasmid pTE209b with the CIFatB4 promoter (pCIFatB4) and terminator {CiFatB4); in plasmid pTE109b with the CIFatB3 promoter {pCIFatB3) and CIFatB4 terminator (\ CIFatB4) and in plasmid pG009b with the GPDH promoter CIGPDH) and the terminator (t35S) of the 35S rna gene from CaMV. EcoRI, Notl, Sall, and Xhol mark recognition sites for restriction endonucleases.
Figur 3: Schematische Karte der AGP-sense-Expressionskassette pTE209a: Dieses Derivat des Vektors pTE200 (Figur 1 ) trägt eine unvollständige cDNA für die kleine Untereinheit der AGPase (Figur 6) in sense- Orientierung zwischen den Erkennungstellen für die EcoRI- und Xhol- Restriktionsendonukleasen.Figure 3: Schematic map of the AGP sense expression cassette pTE209a: This derivative of the vector pTE200 (Figure 1) carries an incomplete cDNA for the small subunit of the AGPase (Figure 6) in sense orientation between the recognition sites for the EcoRI and Xhol Restriction endonucleases.
Figur 4: Schematische Karte der AGP-antisense-Expressionskassette pTE209b: Dieses Derivat des Vektors pTE200 (Figur 1 ) trägt eine unvollständige cDNA für die kleine Untereinheit der AGPase (Figur 6) in antisense-Orientierung zwischen den beiden Erkennungstellen für die EcoRI-Restriktionsendonuklease.Figure 4: Schematic map of the AGP antisense expression cassette pTE209b: This derivative of the vector pTE200 (Figure 1) carries one incomplete cDNA for the small subunit of AGPase (Figure 6) in antisense orientation between the two recognition sites for the EcoRI restriction endonuclease.
Figur 5: Schematische Karte des binären Vektors pMH000-0. Sfil, Sall, Clal, HindlH, EcoRI, Nsil, Smal, BamHI, Spei, Notl, Kpnl, Bglll, Apal, Xhol, Xbal und BstEII markieren Erkennungsstellen für Restriktionsendonukleasen. Sfil (A) und Sfil (B) unterscheiden sich in der variablen Nukleotidfolge ihrer Erkennungsequenz wie angegeben. Dadurch wird nach Sfil-Spaltung eine Rezirkularisierung des Aussgangsplasmids unterbunden und eine gerichtete Insertion der Expressionskassette aus dem pTE200-Derivat möglich. Die Abkürzungen kodieren wie folgt: RB, LB = rechte und linke Grenzregion, t35S = Terminations-signal des 35S rna Gens aus CaMV, pat = Phosphinotricinacetyltransferasegen, p35S = Promotor des 35S rna Gens aus CaMV, p35S(min) = Minimalpromotor des 35S rna Gens aus CaMV, tp-su/ = Sulfonamidresistenzgen mit Transitpeptide, \nos = Terminationssignal des Nopalinsynthasegens, Sm/Sp = bakterielle Resistenz gegenüber Streptomycin und Spectinomycin, parA, parB und parR = Plasmidvermehrungsfunktionen aus dem Plasmid PVS1 mit großem Wirtsbereich u.a. für Agrobacterium tumefaciens und Escherichia coli.Figure 5: Schematic map of the binary vector pMH000-0. Sfil, Sall, Clal, HindlH, EcoRI, Nsil, Smal, BamHI, Spei, Notl, Kpnl, Bglll, Apal, Xhol, Xbal and BstEII mark recognition sites for restriction endonucleases. Sfil (A) and Sfil (B) differ in the variable nucleotide sequence of their recognition sequence as indicated. After Sfil cleavage, recircularization of the starting plasmid is prevented and a directed insertion of the expression cassette from the pTE200 derivative is possible. The abbreviations code as follows: RB, LB = right and left border region, t35S = termination signal of the 35S rna gene from CaMV, pat = phosphinotricin acetyltransferase gene, p35S = promoter of the 35S rna gene from CaMV, p35S (min) = minimal promoter of the 35S rna Gene from CaMV, tp-su / = sulfonamide resistance gene with transit peptides, \ nos = termination signal of the nopaline synthase gene, Sm / Sp = bacterial resistance to streptomycin and spectinomycin, parA, parB and parR = plasmid propagation functions from the plasmid PVS1 with a large host range and others for Agrobacterium tumefaciens and Escherichia coli.
Figur 6: Schematische Darstellung der 1365 Basenpaar (bp) langen, unvollständigen cDNA für die kleine Untereinheit der AGPase aus Raps (Brassica napus, Bnagpl). Die schwarzen Balken zu beiden Seiten repräsentieren 14 bp lange Adaptoren für die Erkennungsstellen der Restriktionsendonukleasen EcoRI und Notl. Quergestreifte Balken mit spitzem Dreieck verkörpern kodierende Regionen in sense Orientierung, der weiße Balken dagegen den 3'-nicht-translatierten Bereich. Zum Vergleich ist der heterologe cDNA-Abschnitt für die kleine Untereinheit der AGPase aus Erbse (Pisum sativum, PsagpSI) mit den Basen-Positionen der überlappenden Abschnitte wiedergegeben.Figure 6: Schematic representation of the 1365 base pair (bp) long, incomplete cDNA for the small subunit of the AGPase from rapeseed (Brassica napus, Bnagpl). The black bars on both sides represent 14 bp adapters for the recognition sites of the restriction endonucleases EcoRI and Notl. Cross-streaked bars with a pointed triangle represent coding regions in sense orientation, the white bar, on the other hand, represents the 3 ' untranslated area. For comparison, the heterologous cDNA section is for the small one Subunit of pea AGPase (Pisum sativum, PsagpSI) is shown with the base positions of the overlapping sections.
Figur 7: Ergebnisse aus der Stärkemessung bezogen auf das Frischgewicht (FG) heranreifender Embryonen von Kontrollpflanzen (WT) und transgenen Rapspflanzen (pMH0209a). Die Regressionsgerade aus den Kontrollwerten ist als Referenz wiedergegeben.Figure 7: Results from the starch measurement based on the fresh weight (FG) of maturing embryos of control plants (WT) and transgenic rape plants (pMH0209a). The regression line from the control values is shown as a reference.
Figur 8: Ergebnisse aus der Aktivitätsmessung der AGPase bezogen auf das Frischgewicht (FG) heranreifender Embryonen von Kontrollpflanzen (WT) und transgenen Rapspflanzen (pMH0209a). Die durchgezogene Linie mittelt die Kontrollwerte. Sie spiegelt annähernd den in der Literatur beschriebenen Verlauf der AGPase-Aktivität in frühen Embryonalstadien wider (da Silva, Planta 203 (1997), 480-487).Figure 8: Results from the activity measurement of the AGPase based on the fresh weight (FG) of maturing embryos of control plants (WT) and transgenic rape plants (pMH0209a). The solid line averages the control values. It roughly reflects the course of AGPase activity in early embryonic stages described in the literature (da Silva, Planta 203 (1997), 480-487).
Figur 9: Stärkegehalt und AGPase-Aktivität bei heranreifenden Embryonen bis zu einem Frischgewicht von 2mg in einer Gegenüberstellung von Kontrolle (WT = 100%) zu verschiedenen transgenen AGPase- Rapslinien (pMH0209a).Figure 9: Starch content and AGPase activity in maturing embryos up to a fresh weight of 2 mg in a comparison of control (wt = 100%) with various transgenic AGPase rapeseed lines (pMH0209a).
Figur 10: Gehalte an Öl (%) und freier Glucose (μmol) in reifen Samen transgener Rapspflanzen bei einer mittleren Kornfeuchte von 8 bis 9 % nach Nahinfrahrotspektroskopie (NIRS). Die Erbegnisse, die mit dem AGPase-Konstrukt (pMH0209a) in sense-Orientierung bei individuellen Rapspflanzen erzielt wurden, sind denen aus 11 Kontrollpflanzen (pMH000-0) grafisch gegenübergestellt. Die gestrichelte Linie markiert den Mittelwert an Ölgehalt der Kontrollen bei 38,7%, während sich die durchgezogene Linie auf den Mittelwert der freien Glucose der Kontrollen bei 21 ,1 μmol bezieht. Das untersuchte Saatgut entspricht der spaltenden T2-Generation mit T1 = Primärtransformante. Figur 11 : Schematischen Darstellungen der ADPGPP-Antisense-Figure 10: Contents of oil (%) and free glucose (μmol) in mature seeds of transgenic oilseed rape plants with an average grain moisture of 8 to 9% according to near infrared spectroscopy (NIRS). The results obtained with the AGPase construct (pMH0209a) in sense orientation for individual oilseed rape plants are compared graphically with those from 11 control plants (pMH000-0). The dashed line marks the mean oil content of the controls at 38.7%, while the solid line refers to the mean free glucose of the controls at 21.1 μmol. The seed examined corresponds to the splitting T2 generation with T1 = primary transformant. Figure 11: Schematic representations of the ADPGPP antisense
Expressionskassetten: Fusionen der cDNA der kleinen Untereinheit der ADPGPP in Antisense-Orientierung im Plasmid pTE209 mit dem CIFatB4-Promotor (pCIFatB4) und Terminator (CIFatB4-\er); im Plasmid pTE109 mit dem CIFatB3-Promotor (pCIFatB3) und CIFatB4-Terminator {CIFatB4-teή sowie im Plasmid pG009 mit dem GPDH-Promotor {pCIGPD i) und dem Terminator (35S-ter) des 35S rna Gens aus CaMV. EcoRI, Notl, Sall, und Xhol markieren Erkennungsstellen für Restriktionsendonukleasen.Expression cassettes: fusions of the cDNA of the small subunit of the ADPGPP in antisense orientation in the plasmid pTE209 with the CIFatB4 promoter (pCIFatB4) and terminator (CIFatB4- \ er); in plasmid pTE109 with the CIFatB3 promoter (pCIFatB3) and CIFatB4 terminator {CIFatB4-teή as well as in plasmid pG009 with the GPDH promoter {pCIGPD i) and the terminator (35S-ter) of the 35S rna gene from CaMV. EcoRI, Notl, Sall, and Xhol mark recognition sites for restriction endonucleases.
Figur 12: Schematische Karte des binären Vektors pRE1. Apal, Sall, Clal, Hindlll, EcoRI, Smal, BamHI, Spei, Xbal und Nsil markieren Erkennungsstellen für Restriktionsendonukleasen. Die Abkürzungen codieren wie folgt: RB, LB = rechte und linke Border, t 35S = Terminationssignal des 35S ma Gens aus CaMV, NPT-ll = Neomycinphosphotransferase Il-Gen, p 35S = Promotor des 35S rna Gens aus CaMV, Sm/Sp = bakterielle Resistenz gegenüber Streptomycin und Spectinomycin, PVS1 = "origin of replication" aus dem Plasmid PVS1 mit großem Wirtsbereich u.a. für Agrobacte um tumefaciens und Escherichia coli. Figure 12: Schematic map of the binary vector pRE1. Apal, Sall, Clal, Hindlll, EcoRI, Smal, BamHI, Spei, Xbal and Nsil mark recognition sites for restriction endonucleases. The abbreviations code as follows: RB, LB = right and left border, t 35S = termination signal of the 35S ma gene from CaMV, NPT-II = neomycin phosphotransferase II gene, p 35S = promoter of the 35S rna gene from CaMV, Sm / Sp = bacterial resistance to streptomycin and spectinomycin, PVS1 = "origin of replication" from plasmid PVS1 with a large host range for Agrobacte um tumefaciens and Escherichia coli.
In den Beispielen verwendete Materialien und Methoden:Materials and methods used in the examples:
1. Verwendete Plasmide und Vektoren1. Plasmids and vectors used
Die Expressionskassette pTE200 (Figur 1 ) trägt als pBluescript® II SK(-) (Stratagene®, Genbank® # 52324)-Abkömmling den embryo-spezifischen Promotor pCIFatB4 und die entsprechende Terminatorsequenz aus Cuphea lanceolata, die aus dem genomischen Klon CITEg16 (WO 95/07357) gewonnen wurden. Die ca. 1600 bp lange cDNA für die kleine Untereinheit der AGPase aus Raps wird als Xhol - EcoRI Fragment entsprechend der Restriktionsstellen im pBluescript® II SK(-) in Antisense-Orientierung nach Modifikation der Schnittstellen in die Smal-Schnittstelle der Expressionskassette pTE200 (Figur 1) eingeführt. Es resultiert das Plasmid pTE209 (Figur 11 ). In einem anschließenden Schritt wird das Sall-Notl Fragment aus pTE209 nach Modifikation der Notl-Schnittstelle in die Sall-Smal Polylinkerschnittstellen des binären Vektors pRE1 inseriert (Figur 12). Ferner wurde für die AGP-sense- Orientierung die 1175 bp lange partielle cDNA (AGP) für die kleine Untereinheit der AGPase aus Raps als EcoRI-Xhol-Fragment in die entsprechenden Schnittstellen innerhalb der pTE200 Expressionskassette eingefügt (Figur 1). Hieraus resultierte das Plasmid pTE209a (Figur 3). Das 1360 bp lange EcoRI- Fragment wurde in Antisense-Orientierung in die EcoRI-Schnittstelle innerhalb der Expressionskassette pTE200 eingeführt (Figur 2). Es resultierte das Plasmid pTE209b (Figur 4). In einem anschließenden Schritt wurde jeweils das Sfil-Fragment aus pTE209a bzw. pTE209b in die Sfil-Polylinkerschnittstellen des binären Vektors pMHOOO-0 gerichtet inseriert (Figur 5). Es resultierten die Transformationsvektoren pMH0209a bzw. pMH0209b. 2. Allgemeine ClonierungsverfahrenThe expression cassette pTE200 (FIG. 1) carries the pBluescript® II SK (-) (Stratagene®, Genbank® # 52324) derivative the embryo-specific promoter pCIFatB4 and the corresponding terminator sequence from Cuphea lanceolata, which is derived from the genomic clone CITEg16 (WO 95 / 07357). The approx. 1600 bp long cDNA for the small subunit of the AGPase from rapeseed is used as an Xhol - EcoRI fragment corresponding to the restriction sites in pBluescript® II SK (-) in antisense orientation after modification of the sites in the Smal site of the expression cassette pTE200 (FIG 1) introduced. The plasmid pTE209 results (FIG. 11). In a subsequent step, the Sall-Notl fragment from pTE209 is inserted into the Sall-Smal polylinker interfaces of the binary vector pRE1 after modification of the Notl interface (FIG. 12). Furthermore, for the AGP sense orientation, the 1175 bp long partial cDNA (AGP) for the small subunit of the AGPase from rapeseed was inserted as EcoRI-Xhol fragment into the corresponding interfaces within the pTE200 expression cassette (FIG. 1). The plasmid pTE209a resulted from this (FIG. 3). The 1360 bp long EcoRI fragment was inserted in the antisense orientation into the EcoRI site within the expression cassette pTE200 (FIG. 2). The plasmid pTE209b resulted (FIG. 4). In a subsequent step, the Sfil fragment from pTE209a or pTE209b was inserted into the Sfil polylinker interfaces of the binary vector pMHOOO-0 (FIG. 5). The transformation vectors pMH0209a and pMH0209b resulted. 2. General cloning procedures
Clonierungsverfahren wie z.B.: Restriktionsspaltungen, Modifikationen von Restriktionsstellen, DNA-Isolierung, Agarose-Gelelektrophorese, Reinigung von DNA-Fragmenten, Transfer von Nukleinsäuren auf Nitrozellulose und Nylon- Membranen, Verknüpfen von DNA-Fragmenten, Transformation von E.coli Zellen, Anzucht von Bakterien, Sequenzanalyse rekombinanter DNA, Southernblot-, Northemblot-, Westernblot-Analysen wuden nach Sambrook (Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989); ISBN 0-87969-309-6) beschrieben durchgeführt. Die Transformation von Agrobacterium tumefaciens wurde entsprechend der Methode von Höfgen und Willmitzer (Nucl. Acid Res. 16 (1988), 9877) ausgeführt. Die Anzucht der Agrobacterien erfolgte in YEB Medium (Vervliet, Gen. Virol. (1975) 26, 33).Cloning methods such as: restriction cleavage, modification of restriction sites, DNA isolation, agarose gel electrophoresis, purification of DNA fragments, transfer of nucleic acids to nitrocellulose and nylon membranes, linking of DNA fragments, transformation of E. coli cells, cultivation of bacteria Sequence analysis of recombinant DNA, Southern blot, Northemblot, Western blot analyzes were carried out according to Sambrook (Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989); ISBN 0-87969-309-6). The transformation of Agrobacterium tumefaciens was carried out according to the method of Höfgen and Willmitzer (Nucl. Acid Res. 16 (1988), 9877). Agrobacteria were grown in YEB medium (Vervliet, Gen. Virol. (1975) 26, 33).
3. Identifizierung einer cDNA, die für die kleine Untereinheit der AGPase aus Raps kodiert3. Identification of a cDNA encoding the small subunit of rapeseed AGPase
Zur Identifizierung eines AGPase-cDNA Klons wurde eine Raps-Embryo-cDNA Bank eingesetzt die nach konventionellen Methoden hergestellt wurde (Sambrook 1989, supra). Als Sonde diente eine cDNA voller Länge, die für die kleine Untereinheit der AGPase aus der zu Raps nahe verwandten Pflanze Arabidopsis kodiert. Diese cDNA wurde durch das Arabidopsis Genomprojekt identifiziert (EST-Kion 38E3T7) (Newman, Plant Physiol. 106 (1994), 1241- 1255). Das "Screening" erfolgte mittels redioaktiv markierter Sonde wie beschrieben (Kampfenkel, FEBS Letters 374 (1995), 351-355). Es wurden 12 positive Klone isoliert. Der nach Restriktionsanalyse längste Klon wurde sequenziert und für weitere Klonierungsschritte verwendet. Das längste unvollständige cDNA-Fragment hat eine Ähnlichkeit von 80.5% (mittels Bestfit des Wisconsin GCG-Computerprogramms, Devereux, Nucl. Acid Res. 12 (1984), 387-395) zur AGP-Sequenz aus Erbse (Pisum sativum, Genbank, Accession X96764, Basen 1 bis 1954). Dabei überstreicht die heterologe Rapssequenz diejenige der Erbse von Basenposition 541 bis 1637 unter Ausschluß des in aller Regel abweichenden 3'-nicht-translatierten Bereichs (Figur 6).To identify an AGPase cDNA clone, a rapeseed embryo cDNA bank was used which was produced by conventional methods (Sambrook 1989, supra). A full-length cDNA, which codes for the small subunit of AGPase from the Arabidopsis plant, which is closely related to oilseed rape, served as the probe. This cDNA was identified by the Arabidopsis genome project (EST-Kion 38E3T7) (Newman, Plant Physiol. 106 (1994), 1241-1255). The "screening" was carried out using a redio-labeled probe as described (Kampfenkel, FEBS Letters 374 (1995), 351-355). 12 positive clones were isolated. The longest clone according to restriction analysis was sequenced and used for further cloning steps. The longest incomplete cDNA fragment has a similarity of 80.5% (using the best fit of the Wisconsin GCG computer program, Devereux, Nucl. Acid Res. 12 (1984), 387-395) to the AGP sequence from pea (Pisum sativum, Genbank, Accession X96764, Bases 1 to 1954). The heterologous rapeseed sequence sweeps over that of the pea from base position 541 to 1637, excluding the 3'-untranslated region, which as a rule differs (FIG. 6).
PflanzentransformationPlant transformation
Die Transformation von geeigneten Ölpflanzen wie Raps, z.B. die Sorte DRAKKAR, erfolgte mittels Agrobacterium tumefaciens nach dem Protokoll von De Block, Plant Physiol. 91 (1989), 694-701 , ausgehend von Hypocotylstücken. Der Agrobakterienstamm GV3101 C58C1 Rifr (Van Larebeke, Nature 252 (1974), 169-170) mit dem Ti-Plasmid pMP90RK (Koncz, Mol. Gen. Genet. 204 (1986), 383-396) und dem binären Vektor pRE1 werden verwendet. Die Selektion auf Kanamycinresistenz erfolgt mit 50 μg/ml später mit 15 μg/ml Kanamycin (Monosulfat, Sigma K-4000) pro Milliliter Medium. Die Transformationsrate beträgt üblicherweise 10% bezogen auf die Anzahl ausgelegter Hypocotylstücke. Sie basiert auf der Verifizierung der Transformation mittels Southern Blot (Sambrook (1989), supra) bzw. PCR (Edwards, Nucl. Acids Res. 19 (1991 ), 1349). In einem weiteren Ansatz wurde der Agrobakterienstamm GV3101 C58C1 Rifr mit dem Plasmid pMP90RK und dem binären Vektor pMHOOO-0 verwendet. Die Selektion auf Sulfonamidresistenz erfolgte mit 15 mg/l bei der Regeneration von Sprossen und später zur Bewurzelung derselben mit 10 mg/l Sulfadiazin (99% Reinheit, Sigma S-8626) pro Liter Nährmedium. Anschließend wurden die Pflanzen einer Gewöhnungsphase von 8-14 Tagen in der Klimakammer unterzogen, bevor sie im Gewächshaus bis zur Samenreife kultiviert wurden. Die Transformationsrate beträgt üblicherweise 10% bezogen auf die Anzahl ausgelegter Hypocotylstücke. Sie basierte neben der Verifizierung der Transformation mittels Southern Blot (Sambrook (1989), supra) und PCR (Edwards, supra), auf einem Test an Blättern regenerierter Gewächshauspflanzen auf Toleranz gegenüber Glufosinatammonium, einem weiteren Marker, der mit der T-DNA auf dem binären Vektor pMHOOO-0 übertragen wurde. Dabei wurde eine kommerziell erhältliche Basta-Lösung (Hoechst, Frankfurt) mit 200gSuitable oil plants such as oilseed rape, for example the DRAKKAR variety, were transformed using Agrobacterium tumefaciens according to the protocol from De Block, Plant Physiol. 91: 694-701 (1989) starting from hypocotyl pieces. The agrobacterial strain GV3101 C58C1 Rifr (Van Larebeke, Nature 252 (1974), 169-170) with the Ti plasmid pMP90RK (Koncz, Mol. Gen. Genet. 204 (1986), 383-396) and the binary vector pRE1 are used . The selection for kanamycin resistance is made with 50 μg / ml later with 15 μg / ml kanamycin (monosulfate, Sigma K-4000) per milliliter of medium. The transformation rate is usually 10% based on the number of Hypocotyl pieces laid out. It is based on the verification of the transformation by means of Southern blot (Sambrook (1989), supra) or PCR (Edwards, Nucl. Acids Res. 19 (1991), 1349). In a further approach, the agrobacterial strain GV3101 C58C1 Rifr with the plasmid pMP90RK and the binary vector pMHOOO-0 was used. The selection for sulfonamide resistance was carried out with 15 mg / l during the regeneration of sprouts and later for rooting them with 10 mg / l sulfadiazine (99% purity, Sigma S-8626) per liter of nutrient medium. The plants were then subjected to an acclimatization phase of 8-14 days in the climatic chamber before they were cultivated in the greenhouse until they were ripe. The transformation rate is usually 10% based on the number of Hypocotyl pieces laid out. In addition to verifying the transformation by means of Southern blot (Sambrook (1989), supra) and PCR (Edwards, supra), it was based on a test on leaves of regenerated greenhouse plants for tolerance to glufosinate ammonium, another marker which is linked to T-DNA was transferred on the binary vector pMHOOO-0. A commercially available Basta solution (Hoechst, Frankfurt) with 200g was used
Glufosinatammonium pro Liter) in einer 1 :100-Verdünnung auf ein Blatt je Rapspflanze aufgebracht und die Herbizidtoleranz visuell ermittelt.Glufosinatammonium per liter) in a 1: 100 dilution on one leaf per rape plant and the herbicide tolerance determined visually.
5. Analysen von Rapsembryonen auf AGPase-Aktivität sowie auf Stärke- und Proteingehalt5. Analyzes of rapeseed embryos for AGPase activity and for starch and protein content
Die Analysen von Rapsembryonen auf AGPase-Aktivität sowie auf Stärke- und Proteingehalt wurden wie beschrieben durchgeführt (da Silva, Planta 203 (1997), 480-487):The analyzes of rapeseed embryos for AGPase activity as well as for starch and protein content were carried out as described (da Silva, Planta 203 (1997), 480-487):
Die eingefrorenen Emryonen wurden von der Samenschale befreit und nach Größe geordnet (J,M,A) Es wurden Anzahl und Frischgewicht bestimmt. Anschließend wurden die Embryonen in flüssigem Stickstoff eingefroren. Im Eppendorfgefäß wurden die Embryonen anschließend im gefrorenen Zustand gemörsert. Die Proben wurden mit Puffer versetzt (400 Mikroliter/100 mg FG). Puffer: 50 mM Mops (pH 7,7), 1 mM EDTA, 10 mM DTT, 1 mM PMSF, 0,1 mM Pefablock (Proteaseinhibitoren). Aus diesem Rohextrakt wurden 40 Mikroliter für die Proteinbestimmung abgenommen. Die Probe wurde 10 min bei 4°C 10000g zentrifugiert. Der Überstand abgenommen, aliquotiert und in flüssigem Stickstoff eingefroren (für AGPase-Messung). Das Präzipitat wurde zur Stärkebestimmung verwendet.The frozen emryons were freed from the seed coat and sorted according to size (J, M, A). The number and fresh weight were determined. The embryos were then frozen in liquid nitrogen. The embryos were then ground in the frozen state in the Eppendorf vessel. Buffer was added to the samples (400 microliters / 100 mg FG). Buffer: 50 mM pug (pH 7.7), 1 mM EDTA, 10 mM DTT, 1 mM PMSF, 0.1 mM Pefablock (protease inhibitors). 40 microliters were taken from this crude extract for protein determination. The sample was centrifuged for 10 min at 4 ° C 10000g. The supernatant was removed, aliquoted and frozen in liquid nitrogen (for AGPase measurement). The precipitate was used to determine the starch.
AGPase-Messung. Der Enzymtest beinhaltet: 75 mM Hepes pH 7,9; 10 mM MgCI2; 0,75 mM NAD; 1 mM ADPG (ADP-Glucose); 5 U G6PDH (Glucose-6- Phosphat-Dehydrogenase von Leuconostoc mesenteroides); 2 U PGM (Phosphoglucomutase) und 0,75 mM Na-pyrophosphat. Es wurden 15 Mikroliter Probe eingesetzt. Gemessen wurde im Doppelstrahlphotometer bei 334 nm ( Uvikon 810) mit Referenzküvette. Der Test war für mindestens 5 min linear und linear zur eingesetzten Probenmenge. Stärkebestimmung: Das Präzipitat wurde 4 mal mit 80% Ethanol bei 90°C (10 min) extrahiert und jeweils 10 min 14000g zentrifugiert, und die Überstände verworfen. Anschließend wurden 300 Mikroliter Wasser zugegeben und dieAGPase measurement. The enzyme test includes: 75 mM Hepes pH 7.9; 10mM MgCl2; 0.75 mM NAD; 1mM ADPG (ADP glucose); 5 U G6PDH (glucose-6-phosphate dehydrogenase from Leuconostoc mesenteroides); 2 U PGM (phosphoglucomutase) and 0.75 mM Na pyrophosphate. 15 microliters of sample were used. Measurements were taken in a double-beam photometer at 334 nm (Uvikon 810) with a reference cuvette. The test was linear and linear to the amount of sample used for at least 5 min. Starch determination: The precipitate was extracted 4 times with 80% ethanol at 90 ° C. (10 min) and centrifuged 14000 g each time for 10 min, and the supernatants discarded. Then 300 microliters of water were added and the
Proben 45 min autoklaviert, um die Stärke physikalisch aufzubrechen (120 °C).Samples autoclaved for 45 min to physically break the starch (120 ° C).
Die Proben wurden dann mit 300 Mikroliter doppelt konzentriertem VerdaumixThe samples were then mixed with 300 microliters of double concentrated Verdaumix
(100 mM Na-Acetat pH 4,7, je 6 Units alpha Amylase, Amyloglucosidase) verdaut (2 h). Nach Zentrifugation für 10 min 14000g wurde das Volumen des(100 mM Na acetate pH 4.7, 6 units each of alpha amylase, amyloglucosidase) digested (2 h). After centrifugation for 10 min 14000g the volume of the
Überstands bestimmt und für den Enzymtest verwendet. Der Enzymtest beinhaltet 75 mM Hepes pH 7,9; 10 mM MgCI2; 2 mM NADP; 5 mM ATP; 1 USupernatant determined and used for the enzyme test. The enzyme test contains 75 mM Hepes pH 7.9; 10mM MgCl2; 2mM NADP; 5 mM ATP; 1 U
Hexokinase.Hexokinase.
2 Mikroliter Probe wurden eingesetzt. Die Änderung der spezifischen2 microliters of sample were used. The change in the specific
Absorption von NADP wurde bei 334 nm gemessen.Absorbance of NADP was measured at 334 nm.
Die Proteinbestimmung erfolgte nach Bradford M.M. (Anal. Biochem. 72 (1976),Protein determination was carried out according to Bradford M.M. (Anal. Biochem. 72 (1976),
248-254) 5 Mikroliter einer 1 :10 mit Wasser verdünnten Probe wurden eingesetzt.248-254) 5 microliters of a 1:10 sample diluted with water were used.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.The examples illustrate the invention.
Beispiel 1 : Raps mit gesteigertem Ölgehalt in Samen durch Expression einer AGPase-sense-RNAExample 1: Oilseed rape with increased oil content in seeds by expression of an AGPase-sense RNA
Es werden transgene Rapspflanzen beschrieben, die eine unvollständige cDNA der kleinen Untereinheit der AGPase in sense-Orientierung verbunden mit der embryospezifischen C/Fafß4-Promotor-Terminator-Kassette (pTE209a) tragen. Ausgehend von der Beobachtung, daß ein unvollständiges Transkript eines Tomatengens in sense-Orientierung die Expression des endogenen Gens in transgenen Pflanzen zu inhibieren in der Lage war (Smith, Mol Gen Genet. 224 (1990), 477-481 ), wurde hier ein ähnlicher Ansatz verfolgt.Transgenic oilseed rape plants are described which carry an incomplete cDNA of the small subunit of the AGPase in sense orientation connected to the embryo-specific C / Fafß4 promoter-terminator cassette (pTE209a). Based on the observation that an incomplete transcript of a tomato gene in sense orientation was able to inhibit the expression of the endogenous gene in transgenic plants (Smith, Mol Gen Genet. 224 (1990), 477-481), a similar one became here Approach followed.
Nach Transformation von Hypocotylexplantaten von Raps der Sorte Drakkar mit Agrobakterien, die den binären Vektor pMH0209a (AGPase sense) trugen, wurden 20 Sprosse auf selektivem Nährmedium regeneriert und im Gewächshaus bis zur Samenreife kultiviert. 16 davon zeigten im Blatttest Toleranz gegenüber Glufosinatammonium, was zusammen mit der Sulfonamidrestenz für deren Transgenität sprach.After transformation of hypocotyl implants from rape of the Drakkar variety with agrobacteria which carried the binary vector pMH0209a (AGPase sense), 20 shoots were regenerated on selective nutrient medium and cultivated in the greenhouse until ripeness. 16 of them showed tolerance in the leaf test Glufosinate ammonium, which, together with the sulfonamide residue, spoke for its transgenicity.
Von zehn bastatoleranten Rapspflanzen (24D, 51 D, 61 D, 63D, 67D, 80D, 87D, 88D, 89D, 92D und 97D) sowie von Kontrollpflanzen wurden heranreifende Embryonen verschiedener Entwicklungsstadien auf ihren Stärkegehalt und auf die AGPase- Aktivität hin untersucht. Sowohl die Zunahme der Stärke in den heranreifenden Embryonen (Figur 7) als auch der Verlauf der AGPase-Aktivität (Figur 8) bei Kontrollpflanzen spiegelte die Beobachtung von da Silva et al. (Planta 203 (1997), 480-487) wider. Danach nahmen Stärkegehalt und AGPase-Aktivität während der frühen Embryonalentwickiung zu. Gegenüber den Werten zur Stärkeakkumulation bei Kontrollembryonen lagen die Meßpunkte verschiedener transgener Embryonen überwiegend unterhalb der Regressionsgeraden, die die Kontrollwerte mittelte (Figur 7). Dies ließ auf eine Reprimierung der Stärkebildung in den untersuchten Embryostadien schließen, die anhand ihres Frischgewichts charakterisiert wurden. Die Aktivität der AGPase dagegen erschien in früheren Entwicklungsstadien, die mit Frischgewichten bis zu 2 mg charakterisiert wurden, reduziert gegenüber den Kontrollwerten (Figur 8). Bei diesen Stadien ließen sich (88D, 89D, 83-1 ) auch Korrelationen zwischen reduziertem Stärkegehalt und Abnahme der AGPase- Aktivität beobachten (Figur 9).From ten bastatolerant rape plants (24D, 51 D, 61 D, 63D, 67D, 80D, 87D, 88D, 89D, 92D and 97D) and from control plants, maturing embryos at various stages of development were examined for their starch content and for AGPase activity. Both the increase in starch in the maturing embryos (FIG. 7) and the course of AGPase activity (FIG. 8) in control plants reflected the observation by da Silva et al. (Planta 203 (1997), 480-487). Thereafter, starch content and AGPase activity increased during early embryonic development. Compared to the values for starch accumulation in control embryos, the measuring points of various transgenic embryos were mainly below the regression line that averaged the control values (FIG. 7). This suggested a repression of starch formation in the examined embryo stages, which were characterized by their fresh weight. In contrast, the activity of AGPase appeared in earlier stages of development, which were characterized with fresh weights up to 2 mg, reduced compared to the control values (FIG. 8). At these stages (88D, 89D, 83-1), correlations between reduced starch content and a decrease in AGPase activity could also be observed (FIG. 9).
Was den Ölgehalt und freie Glucose betrifft, so wurden 3 g reifes Saatgut von acht transgenen Rapslinien (pMH0209a) sowie 11 Kontrolllinien (pMH000-0) mithilfe der nicht-invasiven Nahinfrarotspektroskopie, eine gängige züchterische Analysenmethode, untersucht und in Figur 10 wiedergegeben. Das Gros der Meßwerte bezüglich des Ölgehalts mit größer 40% bei den interessierenden pMH0209a-Linien stieg deutlich über den Mittelwert der Kontrollen mit 38,7% hinaus, was in Einzelfällen einer relativen Zunahme von bis zu 5% entsprach. Interessant erschien auch der Bezug der freien Glucose zum Ölgehalt in dem untersuchten Saatgut (Figur 10). Bei einzelnen Linien war ein relativ hoher Gehalt an freier Glucose mit einem relativ niedrigen Ölgehalt korreiiert (67D, 69), während in einem Fall (89D) ein höherer Ölgehalt mit einem niedrigen Glucosegehalt einherging. Bei der Linie 89D ließen sich eine Reduktion der AGPase-Aktivität verbunden mit einem niedrigen Gehalt an Stärke und ein relativ hoher ölgehalt am deutlichsten korrelieren (vergleiche Figuren 9 + 10). Bemerkenswert war auch, daß der Gehalt an freier Glucose in den pMH0209a-Linien höher war, als in den Kontrollen. Da Glykoselyseenzyme nachweislich in Plastiden von Rapsembryonen vorhanden sind, könnte die überschüssige freie Glucose in den pMH0209a- Linien 1 D, 67D, 97D und 69 möglicherweise durch eine Kombination dieser mit Rapslinien, die eine gesteigerte embryonale Genexpression für die Acetyl-CoA Carboxylase (ACCase) aufweisen, für einen weiteren Kohlenstofffluß in die Fettsäure- und Speicherlipidsynthese sorgen.With regard to oil content and free glucose, 3 g of ripe seeds from eight transgenic rapeseed lines (pMH0209a) and 11 control lines (pMH000-0) were examined using non-invasive near-infrared spectroscopy, a common breeding analysis method, and reproduced in Figure 10. The majority of the measured values with regard to the oil content with greater than 40% in the pMH0209a lines of interest rose significantly above the mean value of the controls with 38.7%, which in individual cases corresponded to a relative increase of up to 5%. The relationship of the free glucose to the oil content in the examined seed also appeared interesting (FIG. 10). For some lines, a relatively high free glucose content was correlated with a relatively low oil content (67D, 69), while in one case (89D) a higher oil content was associated with a low glucose content. Line 89D showed a reduction in AGPase activity combined with a low starch content and a relatively high oil content correlate most clearly (see Figures 9 + 10). It was also noteworthy that the free glucose content in the pMH0209a lines was higher than in the controls. Because glycose lysis enzymes have been shown to be present in rapeseed embryonic plastids, the excess free glucose in pMH0209a lines 1D, 67D, 97D and 69 could possibly be due to a combination of these with rapeseed lines which provide increased embryonic gene expression for acetyl-CoA carboxylase (ACCase) have, ensure a further carbon flow in the fatty acid and storage lipid synthesis.
Beispiel 2: Raps mit gesteigertem Ölgehalt in Samen durch Expression einer AGPase-antisense-RNAExample 2: Oilseed rape with increased oil content in seeds by expression of an AGPase antisense RNA
Es werden transgene Rapspflanzen beschrieben, die eine unvollständige cDNA der kleinen Untereinheit der AGPase in antisense-Orientierung verbunden mit der embryospezifischen C/FafB4-Promotor-Terminator-Kassette (pTE209b) tragen. Nach Transformation von Hypocotylexplantaten von Raps der Sorte Drakkar mit Agrobakterien, die den binären Vektor pMH0209b (AGPase antisense) trugen, wurden 48 Sprosse auf selektivem Nährmedium regeneriert und im Gewächshaus bis zur Samenreife kultiviert. 32 davon zeigten im Blatttest Toleranz gegenüber Glufosinatammonium, was zusammen mit der Sulfonamidresistenz für deren Transgenität sprach. Von diesen Pflanzen wurden unterschiedliche Entwicklungsstadien heranreifender Embryonen geerntet und bei sehr tiefen Temperaturen gelagert. Das Material wird wie unter Beispiel 1 aufgeführt untersucht.Transgenic oilseed rape plants are described which carry an incomplete cDNA of the small subunit of the AGPase in antisense orientation linked to the embryo-specific C / FafB4 promoter terminator cassette (pTE209b). After transformation of hypocotyl implants from rape of the Drakkar variety with agrobacteria which carried the binary vector pMH0209b (AGPase antisense), 48 shoots were regenerated on selective nutrient medium and cultured in the greenhouse until ripeness. 32 of them showed tolerance to glufosinate ammonium in the leaf test, which, together with the sulfonamide resistance, spoke for their transgenicity. Different stages of development of maturing embryos were harvested from these plants and stored at very low temperatures. The material is examined as listed in Example 1.
Beispiel 3: Raps mit gesteigertem Ölgehalt in Samen durch Expression einer ACCase und einer AGPase-sense-RNAExample 3: Oilseed rape with increased oil content in seeds by expression of an ACCase and an AGPase-sense RNA
Es werden transgene Rapspflanzen beschrieben, die ein rapseigenes ACCase-Gen (WO 94/17188) unter der Kontrolle des embryospezifischen C/Fa.B3-Promotors (WO 95/06733) sowie eine unvollständige cDNA der kleinen Untereinheit der AGPase in sense-Orientierung verbunden mit der embryospezifischen C/Fafß4-Promotor- Terminator-Kassette (pTE209a) tragen.Transgenic rapeseed plants are described which contain an oilseed rape ACCase gene (WO 94/17188) under the control of the embryo-specific C / Fa.B3 promoter (WO 95/06733) and an incomplete cDNA of the small subunit of the AGPase in Wear sense orientation combined with the embryo-specific C / Faß4 promoter-terminator cassette (pTE209a).
Nach Transformation von Hypocotylexplantaten aus spaltendem T2-Saatgut einer kanmycinresistenten Primärtransformante mit o.a. ACCase-Konstrukt mithilfe von Agrobakterien, die den binären Vektor pMH0209a (AGPase sense) trugen, wurden 43 Sprosse auf selektivem Sulfadiazin-haltigen Nährmedium regeneriert und im Gewächshaus bis zur Samenreife kultiviert. 23 davon zeigten im Blatttest Toleranz gegenüber Glufosinatammonium, was zusammen mit der Sulfonamidrestenz für deren Transgenität bezüglich der neu eingeführten Transfer-DNA auf dem Vektor pMH0209a sprach. Da es sich beim Ausgangsmaterial um eine spaltende Population handelte, wurde mittels PCR auf Präsenz des Transgens für ACCase untersucht. Von 24 überprüften Linien enthielten 13 ein oder mehrere Transgene für ACCase. Zehn Individuen waren doppelt positiv. Von den bastatoleranten Pflanzen wurden unterschiedliche Entwicklungsstadien heranreifender Embryonen geerntet und bei sehr tiefen Temperaturen gelagert. Sieben Linien mit beiden Transfer-DNAs (pMH0209a::pTE198), zwei Linien mit dem Transgen für ACCase sowie zwei Linien nur mit dem AGP-Transgen wurden auf Stärkegehalt und AGPase-Aktivität untersucht (Tabelle 1 ). Fünf Linien zeigten sowohl deutlich verringerte Stärkegehalte als auch stark reduzierte AGPase-Atkivitäten. Die Ergebnisse beziehen sich auf 1 mg Protein ungeachtet des Embryonalstadiums im Gegensatz zu den Untersuchungen unter Beispiel 1. Zu Kontrollzwecken wurde auch der Proteingehalt bestimmt. Dieses und weiteres Material wird wie unter Beispiel 1 aufgeführt untersucht.After transformation of hypocotyl implants from cleaving T2 seeds of a kanmycin-resistant primary transformant with the above ACCase construct with the aid of agrobacteria which carried the binary vector pMH0209a (AGPase sense), 43 rungs were regenerated on selective sulfadiazine-containing nutrient medium and cultivated in a greenhouse until ripeness. 23 of them showed tolerance to glufosinate ammonium in the leaf test, which, together with the sulfonamide residue, spoke for their transgenicity with regard to the newly introduced transfer DNA on the vector pMH0209a. Since the starting material was a cleaving population, the presence of the transgene for ACCase was examined by PCR. Out of 24 lines checked, 13 contained one or more transgenes for ACCase. Ten individuals were doubly positive. Different developmental stages of maturing embryos were harvested from the bastatolerant plants and stored at very low temperatures. Seven lines with both transfer DNAs (pMH0209a :: pTE198), two lines with the transgene for ACCase and two lines with only the AGP transgene were examined for starch content and AGPase activity (Table 1). Five lines showed significantly reduced starch contents as well as greatly reduced AGPase activities. The results relate to 1 mg protein regardless of the embryonic stage in contrast to the examinations under example 1. The protein content was also determined for control purposes. This and other material is examined as listed in Example 1.
Beispiel 4: Raps mit gesteigertem Ölgehalt in Samen durch Expression einer ACCase und einer AGPase-antisense-RNAExample 4: Oilseed rape with increased oil content in seeds by expression of an ACCase and an AGPase antisense RNA
Es werden transgene Rapspflanzen beschrieben, die ein rapseigenes ACCase-Gen (WO 94/17188) unter der Kontrolle des embryospezifischen C/Fafß3-Promotors (WO 95/06733) sowie eine unvollständige cDNA der kleinen Untereinheit der AGPase in antisense-Orientierung verbunden mit der embryospezifischen C/Fa/S4-Promotor- Terminator-Kassette (pTE209b) tragen.Transgenic oilseed rape plants are described which contain an oilseed rape ACCase gene (WO 94/17188) under the control of the embryo-specific C / Fafß3 promoter (WO 95/06733) and an incomplete cDNA of the small subunit of the AGPase in Wear an antisense orientation linked to the embryo-specific C / Fa / S4 promoter-terminator cassette (pTE209b).
Nach Transformation von Hypocotylexplantaten aus spaltendem T2-Saatgut einer kanmycinresistenten Primärtransformante mit o.a. ACCase-Konstrukt mithilfe von Agrobakterien, die den binären Vektor pMH0209b (AGPase antisense) trugen, wurden 117 Sprosse auf selektivem Sulfadiazin-haltigen Nährmedium regeneriert und im Gewächshaus bis zur Samenreife kultiviert. 94 davon zeigten im Blatttest Toleranz gegenüber Glufosinatammonium, was zusammen mit der Sulfonamidrestenz für deren Transgenität bezüglich der neu eingeführten Transfer- DNA auf dem Vektor pMH0209b sprach. Da es sich beim Ausgangsmaterial um eine spaltende Population handelte, wurde mittels PCR auf Präsenz des Transgens für ACCase untersucht. Von 89 überprüften Linien enthielten 69 ein oder mehrere Transgene für ACCase. 67 Individuen waren doppelt positiv. Hinzu kamen fünf PCR- negative aber bastatolerante Linien zu Kontrollzwecken. Von den bastatoleranten Pflanzen wurden unterschiedliche Entwicklungsstadien heranreifender Embryonen geerntet und bei sehr tiefen Temperaturen gelagert. Das Material wird wie unter Beispiel 1 aufgeführt untersucht.After transformation of hypocotyl implants from cleaving T2 seeds of a kanmycin-resistant primary transformant with the above ACCase construct with the aid of agrobacteria which carried the binary vector pMH0209b (AGPase antisense), 117 rungs were regenerated on a selective sulfadiazine-containing nutrient medium and cultivated in a greenhouse until ripeness. 94 of them showed tolerance to glufosinate ammonium in the leaf test, which, together with the sulfonamide residue, spoke for their transgenicity with regard to the newly introduced transfer DNA on the vector pMH0209b. Since the starting material was a cleaving population, the presence of the transgene for ACCase was examined by PCR. Out of 89 lines examined, 69 contained one or more transgenes for ACCase. 67 individuals were doubly positive. In addition there were five PCR negative but bastatolerant lines for control purposes. Different developmental stages of maturing embryos were harvested from the bastatolerant plants and stored at very low temperatures. The material is examined as listed in Example 1.
Beispiel 5: Weitere und ergänzende Ansätze zur Herstellung von Raps mit gesteigertem Ölgehalt in SamenExample 5: Further and complementary approaches to the production of rapeseed with an increased oil content in seeds
Wie bereits in den vorhergehenden Beispielen gezeigt, werden zur Expression der cDNA oder Teile derselben für die Untereinheit A und/oder B der AGPase aus Arabidopsis thaliana bzw. aus Brassica napus in "antisense" oder "sense" Orientierung am Zielort der Stärke- und Speicherlipidsynthese in Ölpflanzen die entstehende cDNA mit für Pflanzen geeigneten regulatorischen Sequenzen (Promotoren und Terminatoren) fusioniert. Beispielsweise werden embryospezifische Promotoren aus Cuphea lanceolataAs already shown in the previous examples, the expression of the cDNA or parts thereof for the subunit A and / or B of the AGPase from Arabidopsis thaliana or from Brassica napus in "antisense" or "sense" orientation at the target location of the starch and storage lipid synthesis in oil plants the resulting cDNA fused with regulatory sequences suitable for plants (promoters and terminators). For example, embryo-specific promoters from Cuphea lanceolata
- pCIFatB3: Promotorregion des Gens auf dem genomischen Clon CITEgl (Plasmid pNBM99 - TEg1 DSM 8477, hinterlegt am 27. August 1993 bei der Kultursammlung Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH in Braunschweig, Deutschland)pCIFatB3: promoter region of the gene on the genomic clone CITEgl (plasmid pNBM99 - TEg1 DSM 8477, deposited on August 27, 1993 with the German Culture Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH in Braunschweig, Germany)
- pCIFatB4: Promotorregion des Gens auf dem genomischen Clon CITEg16 (Plasmid pNBM99 - TEg16 DSM 8478, hinterlegt am 27. August 1993 bei der Kultursammlung Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH in Braunschweig, Deutschland)- pCIFatB4: promoter region of the gene on the genomic clone CITEg16 (plasmid pNBM99 - TEg16 DSM 8478, deposited on August 27, 1993 with the culture collection German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH in Braunschweig, Germany)
- pCIGPDH: Promotorregion des Gens auf dem genomischen Clon CIGPDHg9 (pCIFatB3, pCIFatB4, WO 95/07357, pCIGPDH; WO 95/06733) für die gerichtete Expression in Rapsembryonen eingesetzt und jeweils vor die cDNA (in "antisense" oder "sense") geschaltet. Weiterhin wird die Expression der AGPase cDNA mit den alternativen Promotoren, insbesondere pCIGPDH, pNapin oder pOleosin erreicht mit dem Ziel, die Stärkebildung auch in späteren Embryonalstadien als den in Beispiel 1 beschriebenen zu unterbinden sowie den Fluß daraus verfügbaren Kohlenstoffs in die Speicherlipide umzulenken. Die entsprechenden Terminatorbereiche werden dahinter cloniert. Die 3'-nichttranslatierte Region zur Transkriptionstermination (Terminator) chimärer Pflanzengene enthält normalerweise ein Polyadenylierungssignal. Dieses bewirkt die Polymerisation einer Poly(A)-Sequenz am 3'-Ende der RNA. Beispiele geeigneter Terminatoren sind 3 '-transkribierte, nicht- translatierte Bereiche des 35S rna Gens des Blumenkohlmosaikvirus (CaMV) und von pflanzlichen Genen wie der hier bevorzugte 3'-Bereich des CIFatB4-Gens aus C. lanceolata. Die resultierenden Vektoren werden in einer Agrobacterium- vermittelten Transformation auf Raps übertragen. Regenerierte Pflanzen, insbesondere sich entwickelnde Embryonen in Samen dieser Pflanzen, werden in Northern-blot-Analysen auf reduzierte "steady state"-Transkripte der AGP untersucht, und im Western-blot-Verfahren auf entsprechend reduzierte Enzymmengen analysiert. Die Ergebnisse werden mit einer gedrosselten AGPase Aktivität, die photometrisch gemessen wird, korreliert. Die Embryonen und reife Samen werden auf geänderte Gehalte an Öl, Stärke und zur Kontrolle auch auf den Proteingehalt untersucht.pCIGPDH: promoter region of the gene on the genomic clone CIGPDHg9 (pCIFatB3, pCIFatB4, WO 95/07357, pCIGPDH; WO 95/06733) used for directed expression in rape embryos and in front of the cDNA (in "antisense" or "sense") switched. Furthermore, the expression of the AGPase cDNA with the alternative promoters, in particular pCIGPDH, pNapin or pOleosin is achieved with the aim of preventing starch formation even in later embryonic stages than that described in Example 1 and of diverting the flow of available carbon into the storage lipids. The corresponding terminator areas are cloned behind it. The 3 ' untranslated region for transcription termination (terminator) of chimeric plant genes normally contains a polyadenylation signal. This causes the polymerization of a poly (A) sequence at the 3 ' end of the RNA. Examples of suitable terminators are 3 ' transcribed, non-translated regions of the 35S rna gene of the cauliflower mosaic virus (CaMV) and of plant genes such as the 3 ' region of the CIFatB4 gene from C. lanceolata which is preferred here. The resulting vectors are transferred to rape in an Agrobacterium -mediated transformation. Regenerated plants, in particular developing embryos in the seeds of these plants, are examined in Northern blot analyzes for reduced "steady state" transcripts of the AGP, and analyzed in the Western blot method for correspondingly reduced amounts of enzyme. The results are correlated with a throttled AGPase activity, which is measured photometrically. The embryos and ripe seeds are examined for changes in the oil, starch and, as a control, also for the protein content.
Kreuzungen von den am besten charakterisierten homozygoten Rapslinien aus Beispiel 1 , 2 oder 5 mit transgenen, vorteilhafterweise homozygoten Rapslinien, die infolge der Überexpression der Acetyl-CoA Carboxylase (Patentanmeldung WO 94/17188) in Rapsembryonen vermehrt Acetyl-CoA in die Fettsäurebiosynthese einschleusen sollen, können darüber hinaus zu einer wesentlichen Steigerung des Ölgehaltes pro Samen beitragen. Crossings of the best characterized homozygous rapeseed lines from Example 1, 2 or 5 with transgenic, advantageously homozygous rapeseed lines that As a result of the overexpression of acetyl-CoA carboxylase (patent application WO 94/17188) in rapeseed embryos, an increasing amount of acetyl-CoA being introduced into the fatty acid biosynthesis can also contribute to a substantial increase in the oil content per seed.
Tabelle 1 : Charakterisierung von Wildtyp und transgenen Linien bezüglich Stärkegehalt und AGPase-Aktivität.Table 1: Characterization of wild type and transgenic lines with regard to starch content and AGPase activity.
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Figure imgf000037_0001

Claims

Patentansprüche claims
1. Rekombinantes DNA-Molekül, umfassend1. A recombinant DNA molecule comprising
(a) regulatorische Sequenzen eines embryospezifischen Promotors in Pflanzen;(a) regulatory sequences of an embryo-specific promoter in plants;
(b) damit funktionell verknüpft eine DNA-Sequenz, deren Genprodukt ein Protein mit der enzymatischen Aktivität einer ADP-Glucose- Pyrophosphorylase (AGPase) inhibiert; und(b) functionally linked to a DNA sequence whose gene product inhibits a protein with the enzymatic activity of an ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase); and
(c) damit funktionell verknüpft eine regulatorische Sequenz, die als Transkriptions-Terminationssignal in Pflanzen dienen kann.(c) functionally linked to it a regulatory sequence that can serve as a transcription termination signal in plants.
2. Rekombinantes DNA-Molekül nach Anspruch 1 , wobei die DNA-Sequenz ein Peptid, Polypeptid, Sense-RNA, Antisense-RNA und/oder Ribozym codiert.2. Recombinant DNA molecule according to claim 1, wherein the DNA sequence encodes a peptide, polypeptide, sense RNA, antisense RNA and / or ribozyme.
3. Rekombinantes DNA-Molekül nach Anspruch 2, wobei das Peptid oder Polypeptid3. A recombinant DNA molecule according to claim 2, wherein the peptide or polypeptide
(a) ein nicht-funktionelles Derivat oder(a) a non-functional derivative or
(b) ein Antagonist/Inhibitor eines Proteins ist, das die enzymatische Aktivität einer AGPase besitzt.(b) is an antagonist / inhibitor of a protein that has the enzymatic activity of an AGPase.
4. Rekombinantes DNA-Molekül nach Anspruch 2, wobei die Sense-RNA eine nicht-translatierbare mRNA eines Proteins ist, das die enzymatische Aktivität einer AGPase besitzt.4. Recombinant DNA molecule according to claim 2, wherein the sense RNA is a non-translatable mRNA of a protein which has the enzymatic activity of an AGPase.
5. Rekombinantes DNA-Molekül nach Anspruch 2, wobei die Antisense-RNA und/oder das Ribozym gegen eine Nucleotidsequenz gerichtet ist, die ein Protein mit der enzymatischen Aktivität einer AGPase oder eine Untereinheit davon codiert.5. Recombinant DNA molecule according to claim 2, wherein the antisense RNA and / or the ribozyme is directed against a nucleotide sequence which encodes a protein with the enzymatic activity of an AGPase or a subunit thereof.
6. Rekombinantes DNA-Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Protein mit der enzymatischen Aktivität einer AGPase aus Pflanzen stammt. 6. Recombinant DNA molecule according to one of claims 1 to 5, wherein the protein with the enzymatic activity of an AGPase comes from plants.
7. Rekombinantes DNA-Molekül nach Anspruch 6, wobei die Pflanze Arabidopsis thaliana oder Brassica napus ist.7. A recombinant DNA molecule according to claim 6, wherein the plant is Arabidopsis thaliana or Brassica napus.
8. Rekombinantes DNA-Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der embryospezifische Promotor aus Pflanzen stammt.8. Recombinant DNA molecule according to one of claims 1 to 7, wherein the embryo-specific promoter is derived from plants.
9. Rekombinantes DNA-Molekül nach Anspruch 8, wobei der embryospezifische Promotor aus Cuphea lanceolata, Brassica rapa oder Brassica napus stammt.9. Recombinant DNA molecule according to claim 8, wherein the embryo-specific promoter comes from Cuphea lanceolata, Brassica rapa or Brassica napus.
10. Rekombinantes DNA-Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Promotor pCIFatB3, pCIFatB4, pCIGPDH, der Napin- oder der Oleosin- Promotor ist.10. Recombinant DNA molecule according to one of claims 1 to 9, wherein the promoter is pCIFatB3, pCIFatB4, pCIGPDH, the napin or the oleosin promoter.
11. Vektor umfassend ein rekombinantes DNA-Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 10.11. Vector comprising a recombinant DNA molecule according to one of claims 1 to 10.
12. Vektor nach Anspruch 11 , der ein selektierbares Markergen enthält.12. The vector of claim 11, which contains a selectable marker gene.
13. Wirtszelle, enthaltend ein rekombinantes DNA-Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einen Vektor nach Anspruch 11 oder 12.13. Host cell containing a recombinant DNA molecule according to one of claims 1 to 10 or a vector according to claim 11 or 12.
14. Kit umfassend ein rekombinantes DNA-Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einen Vektor nach Anspruch 11 oder 12.14. Kit comprising a recombinant DNA molecule according to one of claims 1 to 10 or a vector according to claim 11 or 12.
15. Verfahren zur Herstellung transgener Pflanzenzellen, Pflanzengewebe und Pflanzen, das die folgenden Schritte umfaßt:15. A method for producing transgenic plant cells, plant tissue and plants, comprising the following steps:
(a) Einführung eines rekombinanten DNA-Moleküls nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder eines Vektors nach Anspruch 11 oder 12 in Pflanzenzellen, Pflanzengewebe oder Pflanzen; und (b) Selektion der transformierten Pflanzenzellen, Pflanzengewebe oder Pflanzen, die eine erhöhte und/oder veränderte Fettsäureproduktion aufweisen.(a) introducing a recombinant DNA molecule according to any one of claims 1 to 10 or a vector according to claim 11 or 12 into plant cells, plant tissue or plants; and (b) Selection of the transformed plant cells, plant tissues or plants which have an increased and / or modified fatty acid production.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das rekombinante DNA-Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder der Vektor nach Anspruch 11 oder 12 mittels Agrobacterium tumefaciens, Particle-Bombardment, Elektroporation, Mikroinjektion, Liposomen oder Polyethylenglykol eingeführt wird.16. The method according to claim 15, wherein the recombinant DNA molecule according to one of claims 1 to 10 or the vector according to claim 11 or 12 is introduced by means of Agrobacterium tumefaciens, particle bombardment, electroporation, microinjection, liposomes or polyethylene glycol.
17. Transgene Pflanzenzelle, enthaltend ein rekombinantes DNA-Molekül nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einen Vektor nach Anspruch 11 oder 12, oder hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 15 oder 16.17. Transgenic plant cell containing a recombinant DNA molecule according to one of claims 1 to 10 or a vector according to claim 11 or 12, or produced by the method according to claim 15 or 16.
18. Transgene Pflanzenzelle nach Anspruch 17, enthaltend mindestens ein weiteres Fremdgen.18. Transgenic plant cell according to claim 17, containing at least one further foreign gene.
19. Transgene Pflanzenzelle nach Anspruch 18, wobei das Fremdgen Acetyl-CoA Carboxylase codiert.19. The transgenic plant cell according to claim 18, wherein the foreign gene encodes acetyl-CoA carboxylase.
20. Transgenes Pflanzengewebe, umfassend transgene Pflanzenzellen nach einem der Ansprüche 17 bis 19 oder hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 15 oder 16.20. Transgenic plant tissue, comprising transgenic plant cells according to one of claims 17 to 19 or produced by the method according to claim 15 or 16.
21. Transgene Pflanze, umfassend transgene Pflanzenzellen nach einem der Ansprüche 17 bis 19 oder hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 15 oder 16.21. Transgenic plant comprising transgenic plant cells according to one of claims 17 to 19 or produced by the method according to claim 15 or 16.
22. Ernteprodukte der transgenen Pflanze nach Anspruch 19, umfassend transgene Pflanzenzellen nach einem der Ansprüche 17 bis 19. 22. crop products of the transgenic plant according to claim 19, comprising transgenic plant cells according to one of claims 17 to 19.
23. Vermehrungsmaterial der transgenen Pflanze nach Anspruch 22, umfassend transgene Pflanzenzellen nach einem der Ansprüche 17 bis 19.23. Propagation material of the transgenic plant according to claim 22, comprising transgenic plant cells according to one of claims 17 to 19.
24. Verwendung eines DNA-Moleküls, das eine DNA-Sequenz umfaßt, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 10 definiert ist, eines rekombinanten DNA- Moleküls nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder eines Vektors nach Anspruch 11 oder 12 zur Herstellung von transgenen Pflanzenzellen, Pflanzengewebe und/oder Pflanzen.24. Use of a DNA molecule which comprises a DNA sequence as defined in any one of claims 1 to 10, a recombinant DNA molecule according to any one of claims 1 to 10 or a vector according to claim 11 or 12 for the production of transgenic plant cells, plant tissue and / or plants.
25. Verwendung eines DNA-Moleküls, das eine DNA-Sequenz umfaßt, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 10 definiert ist, eines rekombinanten DNA- Moleküls nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder eines Vektors nach Anspruch 11 oder 12 zur Steigerung der Fettsäuresynthese und/oder des Ölgehalts in Pflanzen.25. Use of a DNA molecule which comprises a DNA sequence as defined in one of claims 1 to 10, a recombinant DNA molecule according to one of claims 1 to 10 or a vector according to claim 11 or 12 to increase the Fatty acid synthesis and / or the oil content in plants.
26. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, transgene Pflanzenzelle nach einem der Ansprüche 17 bis 19, transgenes Pflanzengewebe nach Anspruch 20, transgene Pflanze nach Anspruch 21 , Ernteprodukte nach Anspruch 22, Vermehrungsmaterial nach Anspruch 23 oder Verwendung nach Anspruch 24 oder 25, wobei die Pflanzenzellen, Pflanzengewebe und/oder Pflanzen von einer Ölpflanze stammen.26. The method according to claim 15 or 16, transgenic plant cell according to one of claims 17 to 19, transgenic plant tissue according to claim 20, transgenic plant according to claim 21, harvest products according to claim 22, propagation material according to claim 23 or use according to claim 24 or 25, wherein the Plant cells, plant tissue and / or plants come from an oil plant.
27. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, transgene Pflanzenzelle nach einem der Ansprüche 17 bis 19, transgenes Pflanzengewebe nach Anspruch 20, transgene Pflanze nach Anspruch 21 , Ernteprodukte nach Anspruch 22, Vermehrungsmaterial nach Anspruch 23 oder Verwendung nach Anspruch 24 oder 25, wobei die Ölpflanze Raps, Soja, Sonnenblume, Lein, Baumwolle oder Erdnuß ist.27. The method according to claim 15 or 16, transgenic plant cell according to one of claims 17 to 19, transgenic plant tissue according to claim 20, transgenic plant according to claim 21, harvest products according to claim 22, propagation material according to claim 23 or use according to claim 24 or 25, wherein the Oilseed rape, soybean, sunflower, flax, cotton or peanut.
28. Verwendung einer transgenen Pflanzenzelle nach einem der Ansprüche 17 bis 19, transgenes Pflanzengewebe nach Anspruch 20, transgene Pflanze nach Anspruch 21 , Emteprodukte nach Anspruch 22 oder Vermehrungsmaterial nach Anspruch 23 zur Herstellung von Speiseöl, Schmiermitteln, hydraulischen Ölen, Seifen, Waschmitteln, Biodiesel oder Kunstoffen. 28. Use of a transgenic plant cell according to one of claims 17 to 19, transgenic plant tissue according to claim 20, transgenic plant according to claim 21, edte products according to claim 22 or propagation material according to claim 23 for the production of cooking oil, lubricants, hydraulic oils, soaps, detergents, biodiesel or plastics.
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