WO1999031242A1 - Plants with raised phytochrome expression - Google Patents

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WO1999031242A1
WO1999031242A1 PCT/EP1998/008092 EP9808092W WO9931242A1 WO 1999031242 A1 WO1999031242 A1 WO 1999031242A1 EP 9808092 W EP9808092 W EP 9808092W WO 9931242 A1 WO9931242 A1 WO 9931242A1
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Christiane Gatz
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    • C12N15/63Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
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    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
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Definitions

  • the present invention relates to a plant which is characterized in that it overexpresses phytochrome.
  • the present invention relates to a plant that overexpresses phytochrome B by introducing or activating a phytochrome B gene in the plant.
  • the invention further relates to parts of plants, seeds and / or plant cells which, like the plant, are characterized by phytochrome overexpression.
  • the invention also relates to the use of one and / or more phytochrome genes for the production of plants which overexpress phytochrome.
  • the invention further relates to a method for producing a plant which overexpresses phytochrome or parts of plants, seeds and / or cells which overexpress phytochrome.
  • the invention relates to a vector which contains a phytochrome gene which codes for an amino acid sequence whose N-terminus is hydrophobic.
  • Plants can use the energy of sunlight in their green tissues to convert carbon dioxide (CO 2 ) into high-energy organic compounds. This process, in which sugar molecules initially form, is called photosynthesis. A large part of the photosynthetically stored energy is used by the plant for growth and other metabolic processes, but a certain part can also be preserved in storage organs.
  • CO 2 carbon dioxide
  • plants are absolutely dependent on light as an energy source, their development is controlled by the environmental factor light in such a way that they can optimally use the light. For example, seedlings only form the structures that are important for photosynthesis when they come to light. Up to this point, they prefer to grow in length at the expense of their reserve materials in order to reach the light as quickly as possible. Under shade conditions, adult plants also use a large part of their energy to stretch the stem in order to escape the shade. Light is perceived by chromoproteins, which serve as photoreceptors. Plants have three different photoreceptor systems that absorb light of different wavelengths. One of these is the phytochrome photoreceptor system, which absorbs in the red light region of the spectrum.
  • Phytochromes are chromoproteins that consist of a 124 kDa protein component and an elongated tetrapyrrole system as a chromophore (Kendrick and Kronenberg, 1986). Phytochromes are synthesized in the dark in the so-called Pr form, which is physiologically inactive. By absorbing light with a wavelength of 660 nm, they change into the physiologically active Pfr form, which controls a variety of functions in the plant. It is characteristic of the phytochromes that they can be converted back into the Pr form by irradiation with dark red light. Phytochrome-dependent physiological processes include:
  • the first phytochrome gene was cloned and sequenced in 1985 (Hershey et al., 1985). It was phytochrome A from oats, which was particularly abundant in seedlings grown in the dark. Based on an abundance of physiological studies, the existence of further phytochromes was suspected, but their isolation was very difficult because of their small amount. It was only through molecular techniques that the unique one succeeded Detection of further phytochromes.
  • phytochrome genes The molecular identification of distinct phytochrome genes (PhyA, PhyB, PhyC) was carried out in 1989 by sequencing various cDNAs from Arabidopsis thaliana (Sharrock and Quail, 1989), which was supplemented by the publication of the PhyD and PhyE genes in 1993 (Clack et al., 1993).
  • PhyA, PhyB, PhyC and PhyE are identical in approx. 50% of their amino acid positions, PhyD with 70% amino acid identity is closer to PhyB than to the other phytochromes.
  • the presence of distinct phytochrome genes could then be demonstrated in other plants.
  • There is a phytochrome gene in the potato that is 76% identical to PhyA from Arabidopsis and was therefore classified as type A (Heyer, 1992).
  • a gene homologous to PhyB from Arabidopsis could also be isolated from the potato (Heyer, 1992). However, from the presence of the five different phytochromes in Arabidopsis, one cannot infer the composition of the phytochrome family in other plants.
  • a phytochrome gene was found in the tomato, which is closely related to the potato, the sequence of which cannot be grouped into classes A to E (Pratt et al., 1997). Therefore it is called PhyF.
  • these plants showed dwarfism, increased chlorophyll content per leaf area, thicker leaves, increased activity of enzymes that are involved in photosynthesis (based on leaf mass).
  • the deformed chloroplasts and the reduced photosynthetic performance were such serious defects that the other effects no longer come into play.
  • the overall performance of the plants was no better than that of the original plants.
  • the root mass was less pronounced than in conventional plants. They were inferior to conventional plants in terms of the increased formation of underground organs (here roots) and the photosynthetic performance.
  • harvest index ratio of the amount of the desired product (e.g. seeds, fruit, Leaf, tuber) to the total biomass).
  • desired product e.g. seeds, fruit, Leaf, tuber
  • the mutual shading of the plants when densely planted causes the plants to grow in length in order to have an advantage over the neighboring plants competing for light.
  • all plants grow in length, which is at the expense of the growth of other organs.
  • the increased amounts of phytochrome A cause a shortening of the intemodes. This means that leaf growth is more pronounced in relation to stem growth and there is an increase in yield (leaf / ha) of 15-20%.
  • chromoproteins which consist of an approximately 124 kDa protein portion and an elongated tetrapyrrole system as a chromophore and which serve as photoreceptors in the plant.
  • “Overexpression” is understood to mean any increase in the phytochrome level in the plant, be it that it may be due to the introduction of a strong promoter together with the phytochrome gene, or to gene amplification or other possibilities known in biotechnology to increase the protein synthesis performance of a cell .
  • Overexpression occurs when the modified (overexpressing) plant produces at least twice the amount of phytochrome, in particular PhyB, as the original plants. This also includes double the amount in just one part of the plant, e.g. the sheet.
  • the modified plant preferably produces 5 times, possibly 10 times, the respective phytochrome in comparison to the original plant or a part of the original plant.
  • phytochrome gene means any gene that codes for a phytochrome as defined above.
  • hydrophobic is meant an amino acid sequence that has more hydrophobic than polar amino acids, e.g. 10 alanines per 20 amino acids.
  • Glycine-rich means an amino acid sequence which has more than one glycine per four amino acids and is preferably at least 20 AA long, for example 12 Gly within 30 AA.
  • the invention describes that the stated goals can be achieved if phytochrome, in particular phytochrome B, is overexpressed in a plant.
  • phytochrome in particular phytochrome B
  • the best results were obtained when the phytochrome was introduced into a plant that belongs to a different species than that Plant from which the gene came. This is shown in the examples in particular when the phytochrome B protein from Arabidopsis thaliana is synthesized in increased amounts in crop plants. This was explicitly shown using the example of the potato.
  • the plants are characterized by a 30% higher phytosynthesis rate, which is also significantly more sensitive to light stress than the photosynthesis rate of conventional plants with normal phytochrome levels. Senescence is delayed.
  • the underground shoot root system is at least tripled. Furthermore, when the number of tubers doubles, the plants show an increase in yield of 15-20%.
  • phytochrome B from Solarium tuberosum showed less clearly the increased development of the root ball, the increased photosynthesis rate and the delayed senescence.
  • An obvious difference between the phytochromes B from A. thaliana and S. tuberosum (amino acid identity: 76%) is in the different N-terminus. As shown below, the range between the amino acids VSGV and QAQSS is very different.
  • the phytochrome B from A. thaliana codes for a glycine-rich region that is missing in the phytochrome B from Solanum tuberosum.
  • the objects of the present invention can be achieved with types of phytochrome B and other phytochromes especially when the phytochromes have a hydrophobic N-terminus.
  • a glycine-rich N-terminus is particularly advantageous.
  • the N-terminus described above has proven to be particularly advantageous.
  • Monocotyledonous, dicotyledonous useful plants or ornamental plants are particularly advantageous as starting plants for the present invention.
  • a particularly advantageous effect results when using a phytochrome B gene with the N-terminus given above for the production of a transgenic potato.
  • a phytochrome B gene coding for a protein with the N-terminus specified above is introduced into a maize plant.
  • a “stay green” effect can be achieved in the transgenic plant.
  • the phytochrome B gene coding for a protein with the N-terminus indicated above can also be used to produce a transgenic sugar beet plant with advantageous properties. For example, by introducing this phytochrome B gene into a sugar beet plant, a delayed senescence and thus a reduction in nitrogen storage can be achieved.
  • Plant-specific phytochrome genes are activated by introducing a strong promoter and / or enhancer.
  • the invention also relates to the use of one and / or more phytochrome genes for the production of the plants and / or parts of plants, seeds and / or cells described above, a method for producing transgenic plants, a construct which comprises a phytochrome as described above -Gen contains, as well as a plant containing a construct comprising a phytochrome gene and a glycine-rich N-terminus.
  • Figures 1A and 1B shoot habit of an untransformed control plant of potato (A) compared to a representative transgenic potato plant of the DARA12 line (B). The plants come from a sterile culture and had been grown in the greenhouse for 8 weeks.
  • Figure 2 Western analyzes with antibodies against phytochrome B from Arabidopsis thaliana with protein preparations from leaves of untransformed control potato plants (wt) in comparison to those of the transgenic lines DARA5 and DARA12.
  • Figures 3A and 3B Western analyzes with antibodies against phytochrome B from Arabidopsis thaliana with protein preparations from leaves of untransformed control potato plants (wt) in comparison to those of the transgenic lines DARA5 and DARA12.
  • Figures 3A and 3B Western analyzes with antibodies against phytochrome B from Arabidopsis thaliana with protein preparations from leaves of untransformed control potato plants (wt) in comparison to those of the transgenic lines DARA5 and DARA12.
  • Figures 3A and 3B Western analyzes with antibodies against phytochrome B from Arabidopsis thaliana with protein preparations from leaves of untransformed control potato plants (wt) in comparison to those of the transgenic lines DARA5 and DARA12.
  • FIG. 4 Underground shoot- ⁇ / root system of representative potato plants of the untransformed control line (WT) and those of the transgenic lines DARA5 and DARA12. The plants were exposed to sterile culture and cultivated in the greenhouse from October 1996 to April 1997. At the time of harvest, they were 6 months old.
  • FIGS 5A and 5B Underground shoot / root system and tuber yield of representative potato plants of the untransformed control line (WT) compared to those of the transgenic plants of the lines DPOT1, DPOT9 (A) and DS13 and DS23 (B).
  • WT untransformed control line
  • the plants were exposed to sterile culture and cultivated in the greenhouse from October 1996 to April 1997. At the time of harvest, they were 6 months old.
  • FIG. 6 Westem analyzes with first antibodies against phytochrome B from Arabidopsis thaliana with phytochrome preparations from leaves of untransformed control potato plants (Wt) compared to those of the transgenic lines DPOT1, DPOT9, DS13 and DS23.
  • the leaf disks were transferred to new regeneration medium after seven days.
  • the resulting shoots were cultivated on MS medium with 2% sucrose, selective antibiotics (50 mg / l kanamycin or 3 mg / l hygromycin B) and 250 mg / l cephotaxime in tissue culture.
  • YEB medium 2 g / l yeast extract
  • the plants were cultivated in the experimental greenhouse of the botanical garden at the University of Göttingen. They were grown from tubers or sterile culture (medium according to Murashige & Skoog, 1962). During cultivation, the temperature in the greenhouse was 15-25 ° C in the winter half-year (October - April) and 20-35 ° C in the summer half-year (May-September). Between day and night it fluctuated by 5 - 15 ° C. The relative air humidity was around 55% all year round. Depending on the age and therefore the height of the plant bodies, the light intensity was between 200 and 450 ⁇ mol photons (m 2 s) "1 during the day, and a maximum of 500 ⁇ mol on clear days Ph. (M 2 s) "1.
  • the day lengths corresponded to the natural seasonal period.
  • the plants were transferred into larger pots at intervals of 2-6 weeks (up to a maximum of 20 cm pot diameter
  • all were cut back to the two strongest above-ground shoots 3 weeks after the bulbs had emerged or were exposed to sterile culture, due to their binding up and a pot spacing that corresponded at least to the respective pot diameter largely uniform light exposure guaranteed.
  • 0.3 g of fresh leaf material was pulverized with 0.03 g of polyvinylpyrrolidone under liquid nitrogen in an Eppendorf reaction vessel in a homogenizer and taken up in 300 ⁇ l of phytochrome extraction buffer. After 15 min centrifugation at 15,000xg and 4 ° C, 300 ⁇ l of the supernatant were removed, 30 ⁇ l of polyethyleneimine (10% w / v in H 2 O) were added and 15 min at 4 ° C in an Eppendorf shaker incubated at maximum speed to precipitate nucleic acids and chlorophyll. After centrifugation at 12,000 ⁇ g and 4 ° C. for 10 minutes, the supernatant was mixed with 0.725 vol.
  • IAA Iodoacetamide
  • the proteins separated in the PAA gel were transferred to nitrocellulose or PVDF membranes.
  • the PAA separating gel was equilibrated in electroblot transfer buffer for 15 min. Three layers of Whatman paper soaked in transfer buffer, the membrane, the gel and three further layers of Whatman paper soaked in transfer buffer were placed on the anode plate of the BioRad electroblot apparatus without air bubbles. The cathode plate was placed under slight pressure and the electroblot was carried out at 15 V for 45-120 min. Nitrocellulose membranes were equilibrated in transfer buffer for 10 min, PVDF membranes were first soaked in methanol and then equilibrated in transfer buffer for 10 min. The transfer was checked with Ponceau red - a dye that can be removed with water.
  • Electroblot transfer buffer PAG E-Lauf buffer with halved SDS concentration with 20% methanol
  • the first antibody was then diluted 1: 400 (polyclonal antibody on rabbit) or 1: 5000 (monoclonal mouse antibody) in TBSIII with 1% skim milk powder (w / v) and incubated for 2 h. After washing 3 ⁇ 10 min with TBSIII, the filter was incubated for 90 min with the second, biotinylated antibody (1/1000 Amersham anti-mouse or anti-rabbit) in TBSIII + 1% (w / v) skim milk. After washing 3 ⁇ 10 min with TBSIII, the filter was equilibrated in TBSIII (without Tween).
  • the filter was then incubated for 30 min with streptavidin-coupled horseradish peroxidase (1/500, Amersham) in TBSIII (without Tween). After washing 4 ⁇ 5 min in TBS, the proteins recognized by the first antibody can be stained on the filter or developed on X-ray film via chemiluminescence.
  • TBSI buffer Tris-HCl, pH 8.3 20 mM NaCI 500 mM Tween 20 0.05% (w / v)
  • TBSII buffer Tris-HCl, pH 8.3 20 mM NaCI 150 mM Tween 20 0.05% (w / v)
  • TBSIII buffer Tris-HCl, pH 8.3 20 mM NaCI 150 mM Tween 20 0.05% (w / v)
  • the filter was developed in the following color reaction solution:
  • the filter PVDF membrane
  • reaction solution Amersham peroxidase chemiluminescence solutions 1 and 2 in the ratio 1: 1
  • X-ray film was then developed
  • the activity of the dark photosynthetic reaction was determined by means of infrared spectroscopy via the rate of CO 2 fixation.
  • a portable gas exchange porometer from ADC (Hoddesdon, Great Britain) was used, consisting of the central LCA-3 analysis unit and a PLC-3 sheet chamber (diameter 6.2 cm 2 ) with a thermal sensor and light sensor for simultaneous detection of the internal cell temperature and photon flux density.
  • An integrated PC was used for data storage and data processing. This system made it possible to determine the assimilation rates achieved in different culture conditions (see 1.1. And 1.2.) (In ⁇ mol (m 2 s) '1 ).
  • the following procedure was used to estimate the overall assimilation performance of individual plants and thus their potential for starch synthesis and ultimately tuber production.
  • the column filling was formed by LiChrospher 100RP-18 (5 ⁇ m; Merck).
  • (B) methanol: hexane, 4: 1 were used as solvents.
  • solvent A eluted, then via a linear gradient built up in 3.5 min (0-100%) with B. After 5.5 min isocratic elution with B, a linear gradient followed back to 100% A, whereupon the column up to the subsequent separation passage for was re-equilibrated in A for a further 4 min.
  • the flow rate was 2 ml (min) "1.
  • This method enabled the clean separation of neoxanthine, violaxanthin, antheraxanthin, lutein, zeaxanthin, ⁇ - and ß-carotene, and chlorophylls a and b.
  • the quantification of these pigments was carried out according toconcerber et al. (1997).
  • UV-absorbing substances e.g. Anthocvane
  • the relative dry weights and starch contents of the tubers were determined indirectly as follows via the specific weights of the tubers in air (W L ) and in water (W w ) (Von Scheele et al., 1937).
  • the coding region of Arabidopsis thaliana phytochrome B was amplified by the polymerase chain reaction using the cDNA clone in IEMBL3 (Somers et al., 1991) as a template.
  • the primers contained Kpnl interfaces.
  • At phyB can thus be cloned as a Kpnl fragment into suitable expression vectors. In the example used here, it was brought under the control of the CaMV 35S promoter (Benfey et al., 1990), which is responsible for the expression of the Gene leads in all parts of the plant.
  • the polyadenylation region of the nopaline synthase gene from Agrobacterium tumefaciens served to terminate the transcription.
  • chimeric genes Genes in which the promoter, the coding region and the polyadenylation signal originate from different genes are referred to as chimeric genes.
  • the construct is therefore referred to below as a chimeric At phyB gene.
  • the techniques for producing such recombinant DNA are described in Sambrook et al. (1989).
  • the chimeric At phyB gene was transformed via Agrobacterium tumefaciens-mediated gene transfer in potato plants (Rocha-Sosa et al., 1985).
  • Transgenic plants that express phytochrome B from Arabidopsis thaliana are easily recognized by their dwarfism, reduced apical dominance, and darker green leaves (Figure 1, drawing).
  • Two independent transformants, hereinafter abbreviated to DARA5 and DARA12, were characterized as follows.
  • FIGS. 3A and 3B show the result of the measurements as an example for the DARA12 plant.
  • the photosynthetic performance of greenhouse plants (transgenes and control plants) which had been grown in the greenhouse for 10 weeks was determined by measuring the CO 2 assimilation rate. The plants were initially left at a light intensity of 0.3 mmol photons / m 2 s for a few hours. Thereafter, photosynthetic performance under 1.5 to 1.8 mmol photons / m 2 s was analyzed by measuring the CO 2 uptake.
  • the untransformed control plant showed an average CO 2 assimilation rate of 17.5 mmol / m 2 s, while the transgenic plant (DARA12) was increased by 28.5% with 22.5 mmol / m 2 s. If these values are converted to the CO 2 absorption capacity of whole plants, the performance per plant is increased by approx. 20%.
  • FIG. 3B shows that the performance of photosynthesis is increased by more than 30% in the transgenic plants compared to the conventional plants when light intensity is constantly high, as occurs in summer with a clear sky.
  • the plants just described were kept at 1.2-1.8 mmol photons / m 2 s for a further 5 hours, then the photosynthesis rate was measured again. This was in the transformed control plants reduced from 17.5 ⁇ mol CO 2 / m 2 s to 3 ⁇ mol CO 2 / m 2 s, while in the transgenic plants the rate dropped from 22.5 ⁇ mol CO 2 / m 2 s to 15 ⁇ mol CO 2 / ms. If the areas under both curves are integrated, the photosynthesis rate of the DARA12 plants is doubled compared to the non-transformed control plants.
  • the increased photosynthetic performance is correlated with the following phenotypic changes that characterize the transgenic DARA plants.
  • the anatomical changes in the leaves are summarized in Table 2.
  • the leaves of the transgenic plants are smaller and about 15% thicker.
  • the increased leaf thickness is due to an extension of the cells of the palisade parenchyma by 50%.
  • they are characterized by a specific leaf weight (g / cm 2 ) increased by 60%. With approximately the same total leaf area of all lines, the total leaf weight per plant is increased by 50%.
  • the overexpression of PhyB enables a yield increase of 50%.
  • Table 3 shows the absolute and relative amounts of the photosynthetic pigments in the leaves of the transgenic potato line DARA12 compared to the untransformed control line. All pigments measured are increased by the same amount (approx. 26%). It can be concluded that the photosynthetic centers of the transgenic lines do not differ qualitatively from those of the controls.
  • the data come from HPLC analyzes of leaf segments of 9 week old greenhouse plants. 6 segments of different plants were taken from each line and analyzed in 2 separations of 3 segments each.
  • Carotenoids (*) are the sum of the amounts of neoxanthine, violaxanthin, antheraxanthin, lutein, zeaxanthin, ⁇ - and ß-carotene.
  • Chlorophyll Chlorophyll a / b Carotenoids * Car / Chl a + b a + b (nmol / cm 2 ) (nmol / cm 2 ) (mmol / mol)
  • Senescence can be recognized phenotypically from the yellowing of the leaves. These symptoms occur in untransformed control plants at a time when the plants of the DARA12 lines are still dark green. Thus, the transgenic plants have the possibility to use the energy of the sunlight for assimilation of carbon dioxide over a longer period of time.
  • Figure 4 shows the enlargement of the root ball of the transgenic DARA plants compared to untransformed control plants.
  • tuber yield is crucial when assessing the performance of a line.
  • Figure 4 and Table 4 show that DARA plants form up to three times more tubers. On average, the yield increase is between 10-40% if the plants are cultivated for at least 5 months. The starch content of the tubers is unchanged at 15% of the fresh weight.
  • the plants are also characterized by an up to 50% higher antocyanine content, which gives them better protection against UV radiation.
  • the coding region of phytochrome B from Solanum tuberosum was amplified by the polymerase chain reaction using a cDNA clone in IZAP2 (Heyer and Gatz, 1992b) as a template.
  • the primers contained EcoRV interfaces.
  • St phyB can thus be cloned as an EcoRV fragment into suitable expression vectors.
  • Solanum tuberosum codes for two phyB alleles (phyB (c) and phyB (g)), which differ in 4 amino acids.
  • the sequence information is stored in the database under the deposit number Y14572 S51538 (EMBL, Hinxton Hall, Hinxton, Cambridge, CD10 1SD, UK).
  • the two phyB alleles were brought under the control of the CaMV 35S promoter (Benfey et al., 1990), which leads to the expression of the genes in all parts of the plant.
  • the polyadenylation region of the octopine synthase gene from Agrobacterium tume faciens served to terminate the transcription.
  • Genes in which the promoter, coding region and polyadenylly tion signal from different genes are referred to as chimeric genes.
  • the constructs are therefore referred to below as chimeric St phyB genes.
  • the techniques for producing such recombinant DNA molecules are described in Sambrook et al. (1989).
  • the two chimeric St phyB gene was transformed via Agrobacterium tumefaciens-mediated gene transfer into potato plants (Rocha-Sosa et al., 1985).
  • Transgenic plants that express increased amounts of phytochrome B from Solanum tuberosum can be identified phenotypically by the enlargement of the root ball and the increased number of tubers. ( Figure 5, Table 5).
  • Plants that overexpress the phyB (c) allele are referred to as DS plants
  • plants that overexpress the phyB (g) allele are referred to as DPOT plants.
  • Two plants from each line were characterized more precisely (DS13 and DS23; DPOT1 and DPOT9).
  • the above-ground organs (stem, leaf) of the plants of the DS and the DPOT lines show no changes to untransformed control plants.
  • Leaf anatomy, photosynthesis rate and senescence properties are unchanged.
  • Table 5 documents that the number of tubers is increased by a factor of 2 to 3, the yield is increased by about 10-40% if the plants are cultivated for at least 5 months.

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Abstract

The invention relates to a plant characterized in that it overexpresses phytochrome. The invention relates particularly to a plant which overexpresses phytochrome through the introduction of a phytochrome B gene into said plant. The invention further relates to plant parts, seed and/or plant cells which, like the plant, are characterized by phytochrome overexpression. The invention also relates to the use of one and/or several phytochrome genes for the production of plants which overexpress phytochrome. The invention further relates to a method for growing a plant which overexpresses phytochrome or parts of plants, seed and/or cells which overexpress phytochrome. Lastly the invention relates to a vector containing a phytochrome gene which codes for an amino acid sequence the N-terminal of which is rich in glycine.

Description

Pflanzen mit erhöhter PhytochromexpressionPlants with increased phytochrome expression
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pflanze, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie Phytochrom überexprimiert. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Pflanze, die Phytochrom-B dadurch überexprimiert, daß ein Phytochrom-B-Gen in die Pflanze eingeführt oder darin aktiviert wird. Ferner betrifft die Erfindung Pflanzenteile, Samen und/oder Pfianzenzellen, die wie die Pflanze durch eine Phytochromüberexpression gekennzeichnet sind. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines und/oder mehrerer Phytochromgene für die Herstellung von Pflanzen, die Phytochrom überexprimieren. Die Erfindung betrifft femer ein Verfahren zur Erzeugung einer Pflanze, die Phytochrom überexprimiert, oder von Pflanzenteilen, Samen und/oder Zellen, die Phytochrom überexprimieren. Schließlich betrifft die Erfindung einen Vektor, der ein Phytochromgen enthält, das für eine Aminosäuresequenz kodiert, deren N-Terminus hydrophob ist.The present invention relates to a plant which is characterized in that it overexpresses phytochrome. In particular, the present invention relates to a plant that overexpresses phytochrome B by introducing or activating a phytochrome B gene in the plant. The invention further relates to parts of plants, seeds and / or plant cells which, like the plant, are characterized by phytochrome overexpression. The invention also relates to the use of one and / or more phytochrome genes for the production of plants which overexpress phytochrome. The invention further relates to a method for producing a plant which overexpresses phytochrome or parts of plants, seeds and / or cells which overexpress phytochrome. Finally, the invention relates to a vector which contains a phytochrome gene which codes for an amino acid sequence whose N-terminus is hydrophobic.
Die Entwicklung von Pflanzen wird vom Keim bis zur Blütenbildung vielfältig durch Licht gesteuert. So wird Keimung und Ergrünung durch Licht ausgelöst. Pflanzen können in ihren grünen Geweben die Energie des Sonnenlichts nutzen, um Kohlendioxid (CO2) in energiereiche organische Verbindungen umzuwandeln. Dieser Prozeß, bei dem zunächst Zuckermoleküle entstehen, wird als Photosynthese bezeichnet. Ein großer Teil der photosynthetisch gespeicherten Energie wird von der Pflanze für das Wachstum und andere Stoffwechselvorgänge genutzt, ein gewisser Teil kann jedoch auch in Speicherorganen konserviert werden.The development of plants is controlled in many ways by light from germ to flower formation. Germination and greening is triggered by light. Plants can use the energy of sunlight in their green tissues to convert carbon dioxide (CO 2 ) into high-energy organic compounds. This process, in which sugar molecules initially form, is called photosynthesis. A large part of the photosynthetically stored energy is used by the plant for growth and other metabolic processes, but a certain part can also be preserved in storage organs.
Da Pflanzen auf Licht als Energiequelle unbedingt angewiesen sind, wird ihre Entwicklung vom Umweltfaktor Licht so gesteuert, daß sie das Licht optimal nutzen können. Beispielsweise bilden Keimlinge erst die für die Photosynthese wichtigen Strukturen aus, wenn sie ans Licht kommen. Bis zu diesem Zeitpunkt wachsen sie auf Kosten ihrer Reservestoffe bevorzugt in die Länge, um das Licht möglichst schnell zu erreichen. Auch adulte Pflanzen nutzen unter Schattenbedingungen einen Großteil ihrer Energie für das Streckungswachstum des Stengels, um dem Schatten zu entkommen. Die Wahrnehmung des Lichts erfolgt durch Chromoproteine, die als Photorezeptoren dienen. Pflanzen besitzen drei verschiedene Photorezeptorsysteme, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen absorbieren. Eines davon ist das Photorezeptorsystem Phytochrom, das im Rotlichtbereich des Spektrums absorbiert.Since plants are absolutely dependent on light as an energy source, their development is controlled by the environmental factor light in such a way that they can optimally use the light. For example, seedlings only form the structures that are important for photosynthesis when they come to light. Up to this point, they prefer to grow in length at the expense of their reserve materials in order to reach the light as quickly as possible. Under shade conditions, adult plants also use a large part of their energy to stretch the stem in order to escape the shade. Light is perceived by chromoproteins, which serve as photoreceptors. Plants have three different photoreceptor systems that absorb light of different wavelengths. One of these is the phytochrome photoreceptor system, which absorbs in the red light region of the spectrum.
Phytochrome sind Chromoproteine, die aus einem 124 kDa großen Proteinanteil und einem langgestreckten Tetrapyrrolsystem als Chromophor bestehen (Ken- drick und Kronenberg, 1986). Phytochrome werden im Dunkeln in der sogenannten Pr-Form synthetisiert, die physiologisch inaktiv ist. Durch Absorption von Licht der Wellenlänge 660 nm gehen sie in die physiologisch aktive Pfr-Form über, die eine Vielzahl von Funktionen in der Pflanze kontrolliert. Charakteristisch für die Phytochrome ist, daß sie durch Bestrahlung mit Dunkelrotlicht wieder in die Pr-Form konvertiert werden können. Zu den Phytochrom-abhängigen physiologischen Prozessen zählen:Phytochromes are chromoproteins that consist of a 124 kDa protein component and an elongated tetrapyrrole system as a chromophore (Kendrick and Kronenberg, 1986). Phytochromes are synthesized in the dark in the so-called Pr form, which is physiologically inactive. By absorbing light with a wavelength of 660 nm, they change into the physiologically active Pfr form, which controls a variety of functions in the plant. It is characteristic of the phytochromes that they can be converted back into the Pr form by irradiation with dark red light. Phytochrome-dependent physiological processes include:
• Bildung von Proteinen, die an der Photosyntheseleistung der Pflanzen beteiligt sind.• Formation of proteins that are involved in the photosynthetic performance of plants.
• Verkürzung der Internodien als Anpassung der Pflanzen an Schattenbedingungen. (Unter Schattenbedingungen wird der Rotlichtanteil des Sonnenlichts vom Blätterdach absorbiert, das weniger stark absorbierte Dunkelrotlicht bewirkt eine Konversion von Pfr zur inaktiven Pr-Form, was in einer In- ternodienstreckung resultiert.)• Shortening the internodes to adapt the plants to shade conditions. (Under shadow conditions, the red light component of the sunlight is absorbed by the canopy, the less strongly absorbed dark red light causes a conversion of Pfr to the inactive Pr form, which results in an inter- node stretch.)
• Bildung von Anthocyanen• Formation of anthocyanins
• Induktion von Blüten- oder Knollenbildung• Induction of flower or bulb formation
• Verzögerung der Seneszenz• Delay in senescence
Die Klonierung und Sequenzierung des ersten Phytochromgens gelang erstmals 1985 (Hershey et al., 1985). Es handelte sich um das in im Dunkeln gewachsenen Keimlingen besonders abundant vorliegende Phytochrom A aus Hafer. Aufgrund einer Fülle von physiologischen Untersuchungen wurde die Existenz weiterer Phytochrome vermutet, deren Isolierung wegen ihrer geringen Menge jedoch sehr schwierig war. Erst durch molekulare Techniken gelang der eindeutige Nachweis weiterer Phytochrome. Die molekulare Identifikation distinkter Phytochromgene (PhyA, PhyB, PhyC) erfolgte 1989 durch Sequenzierung verschiedener cDNAs aus Arabidopsis thaliana (Sharrock und Quail, 1989), die durch die Publikation der Gene PhyD und PhyE 1993 ergänzt wurde (Clack et al., 1993). PhyA, PhyB, PhyC und PhyE sind in ca. 50% ihrer Aminosäurepositionen identisch, PhyD ist mit 70% Aminosäureidentität näher zu PhyB als zu den anderen Phytochromen verwandt. Das Vorkommen distinkter Phytochromgene konnte danach auch in anderen Pflanzen nachgewiesen werden. So gibt es in der Kartoffel ein Phytochromgen, das zu 76% identisch zu PhyA aus Arabidopsis ist, und demnach als Typ A klassifiziert wurde (Heyer, 1992). Auch ein zu PhyB aus Arabidopsis homologes Gens konnte aus der Kartoffel isoliert werden (Heyer, 1992). Dennoch kann man vom Vorkommen der fünf verschiedenen Phytochrome in Arabidopsis nicht auf die Zusammensetzung der Phytochromfamilie in anderen Pflanzen schließen. In der der Kartoffel nah verwandten Tomate wurde ein Phytochromgen gefunden, dessen Sequenz sich nicht in die Klassen A bis E eingruppieren läßt (Pratt et al., 1997). Daher wird es als PhyF bezeichnet.The first phytochrome gene was cloned and sequenced in 1985 (Hershey et al., 1985). It was phytochrome A from oats, which was particularly abundant in seedlings grown in the dark. Based on an abundance of physiological studies, the existence of further phytochromes was suspected, but their isolation was very difficult because of their small amount. It was only through molecular techniques that the unique one succeeded Detection of further phytochromes. The molecular identification of distinct phytochrome genes (PhyA, PhyB, PhyC) was carried out in 1989 by sequencing various cDNAs from Arabidopsis thaliana (Sharrock and Quail, 1989), which was supplemented by the publication of the PhyD and PhyE genes in 1993 (Clack et al., 1993). PhyA, PhyB, PhyC and PhyE are identical in approx. 50% of their amino acid positions, PhyD with 70% amino acid identity is closer to PhyB than to the other phytochromes. The presence of distinct phytochrome genes could then be demonstrated in other plants. There is a phytochrome gene in the potato that is 76% identical to PhyA from Arabidopsis and was therefore classified as type A (Heyer, 1992). A gene homologous to PhyB from Arabidopsis could also be isolated from the potato (Heyer, 1992). However, from the presence of the five different phytochromes in Arabidopsis, one cannot infer the composition of the phytochrome family in other plants. A phytochrome gene was found in the tomato, which is closely related to the potato, the sequence of which cannot be grouped into classes A to E (Pratt et al., 1997). Therefore it is called PhyF.
1989 wurde erstmals eine cDNA für das ein Phytochrom (Phytochrom A aus Hafer) in Tabak eingeführt. Dies führte zu einer erhöhten Synthese dieses Phyto- chroms in den transgenen Pflanzen. Dabei zeigte sich, daß Pflanzen sehr sensibel auf die Erhöhung von Phytochrom reagieren. Bei starker Expression des Phytochromgens (fünffach erhöht, gemessen in etiolierten Keimlingen) zeigten sich folgende phänotypischen VeränderungenIn 1989 a cDNA for the one phytochrome (phytochrome A from oats) was first introduced in tobacco. This led to an increased synthesis of this phytochrome in the transgenic plants. It was found that plants react very sensitively to the increase in phytochrome. With strong expression of the phytochrome gene (five times increased, measured in etiolated seedlings), the following phenotypic changes appeared
• Reduzierte Apikaidominanz• Reduced apica dominance
• Zwergwuchs (semi-dwarfism)• Dwarfism (semi-dwarfism)
• Erhöhter Chlorophyllgehalt pro Blattfläche• Increased chlorophyll content per leaf area
• Kleinere, jedoch dickere Blätter• Smaller but thicker leaves
• Deformierte Chloroplasten• Deformed chloroplasts
• Verschlechterte Diffusion von CO2 durch die Mesophyllzellen• Worsened diffusion of CO 2 through the mesophyll cells
• Erniedrigte Photosyntheserate• Reduced photosynthesis rate
• Erhöhte enzymatische Aktivität von Enzymen, die an der Photosynthese beteiligt sind (bezogen auf Blattfläche) • Weniger Wurzelmasse• Increased enzymatic activity of enzymes involved in photosynthesis (based on leaf area) • Less root mass
• Verzögerte Seneszenz• Delayed senescence
Von den allgemein erstrebenswerten Zielen bei einer Züchtung von Pflanzen zeigten diese Pflanzen Zwergwuchs, erhöhten Chlorophyllgehalt pro Blattfläche, dickere Blätter, erhöhte Aktivität von Enzymen, die an der Photosynthese beteiligt sind (bezogen auf Blattmasse). Allerdings waren sie in einigen Punkten den herkömmlichen Pflanzen unterlegen: sie hatten deformierte Chloroplasten, was zu einer verschlechterten Diffusion von CO2 durch die Mesophylzellen und zu einer erniedrigten Photosyntheserate führte. Die deformierten Chloroplasten und die verminderte Photosyntheseleistung waren so gravierende Mängel, daß die weiteren Effekte nicht mehr zum Tragen kommen. Die Pflanzen waren insgesamt in ihrer Leistungsfähigkeit nicht besser als die Ausgangspflanzen. Weiterhin war die Wurzelmasse weniger stark ausgeprägt als bei den herkömmlichen Pflanzen. In bezug auf die stärkere Ausbildung unterirdischer Organe (hier Wurzeln) und die Photosyntheseleistung waren sie den herkömmlichen Pflanzen unterlegen. Bei geringerer Expression (2-3fach erhöht, gemessen in etiolierten Keimlingen) jedoch zeigten sie eine Eigenschaft, die besonders bei dichter Bepflanzung zu einer Verbesserung des sogenannten Harvest Index führt (Harvest Index: Verhältnis der Menge der des gewünschten Produkts (z.B. Samen, Frucht, Blatt, Knolle) zur gesamten Biomasse). Bei vielen Kulturpflanzen bewirkt die gegenseitige Beschattung der Pflanzen bei dichter Bepflanzung, daß die Pflanzen in die Länge wachsen, um gegenüber den um Licht konkurrierenden Nachbarpflanzen einen Vorteil zu haben. Im Feld wachsen somit alle Pflanzen in die Länge, was auf Kosten des Wachstums anderer Organe geht. Die erhöhten Mengen Phytochrom A jedoch bewirken dagegen eine Verkürzung der Intemodien. Dadurch ist das Blattwachstum im Verhältnis zum Stengelwachstum stärker ausgeprägt und es kommt zu einer Ertragssteigerung (Blatt/ha) um 15-20%. Diese Daten wurden mit Tabakpflanzen erzielt, bei denen die Blätter den wertvollen Rohstoff darstellen. Eine erhöhte Photosyntheserate, verzögerte Seneszenz und Vergrößerung des Wurzelballens wurde wurde bei diesen niedrig exprimierenden Pflanzen nicht dokumentiert. 1991 wurden erstmals Phytochrom B-Proteine in erhöhter Menge (18-30 fach, gemessen in grünem Gewebe) in transgenen Pflanzen überexprimiert (Wagner et al., 1991 ). Es handelte sich um Phytochrom B aus Arabidopsis, das in Arabidopsis überexprimiert wurde. Es wurde ein verkürztes Wachstum des Hypocotyls beschrieben, später wurde der Einfluß auf Phototropismus und Blühinduktion beschrieben. Eine Wirkung auf die Ziele erhöhte Photosyntheserate, verzögerte Seneszenz, Vergrößerung des Wurzelballens, erhöhter Ertrag wurde nicht beobachtet. Phytochrom B aus Arabidopsis wurde ebenfalls in Tabak überexprimiert. Es wurde Zwergwachstum und ein Einfluß auf die Induktion des Blühens beobachtet. Ein Einfluß auf Photosynthese, Wurzelmasse, Ertrag oder Seneszenz wurde nicht dokumentiert (Halliday et al.).Of the generally desirable goals when growing plants, these plants showed dwarfism, increased chlorophyll content per leaf area, thicker leaves, increased activity of enzymes that are involved in photosynthesis (based on leaf mass). However, they were inferior to conventional plants in some respects: they had deformed chloroplasts, which led to a deterioration in the diffusion of CO 2 through the mesophyl cells and to a lower rate of photosynthesis. The deformed chloroplasts and the reduced photosynthetic performance were such serious defects that the other effects no longer come into play. The overall performance of the plants was no better than that of the original plants. In addition, the root mass was less pronounced than in conventional plants. They were inferior to conventional plants in terms of the increased formation of underground organs (here roots) and the photosynthetic performance. With lower expression (2-3 times increased, measured in etiolated seedlings), however, they showed a property that leads to an improvement in the so-called harvest index, especially in dense planting (harvest index: ratio of the amount of the desired product (e.g. seeds, fruit, Leaf, tuber) to the total biomass). In many crop plants, the mutual shading of the plants when densely planted causes the plants to grow in length in order to have an advantage over the neighboring plants competing for light. In the field, all plants grow in length, which is at the expense of the growth of other organs. However, the increased amounts of phytochrome A cause a shortening of the intemodes. This means that leaf growth is more pronounced in relation to stem growth and there is an increase in yield (leaf / ha) of 15-20%. These data were obtained with tobacco plants in which the leaves are the valuable raw material. An increased photosynthesis rate, delayed senescence and enlargement of the root ball was not documented in these low-expressing plants. In 1991, phytochrome B proteins were overexpressed in transgenic plants in an increased amount (18-30 times, measured in green tissue) (Wagner et al., 1991). It was phytochrome B from Arabidopsis, which was overexpressed in Arabidopsis. A shortened growth of the hypocotyl was described, later the influence on phototropism and flowering induction was described. An effect on the goals of increased photosynthesis rate, delayed senescence, enlargement of the root ball, increased yield was not observed. Arabidopsis phytochrome B was also overexpressed in tobacco. Dwarf growth and an influence on the induction of flowering have been observed. An influence on photosynthesis, root mass, yield or senescence has not been documented (Halliday et al.).
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Pflanzen bzw. Pflanzenteile, Samen und/oder Pflanzenzellen bereitzustellen, a) deren Photosyntheseleistungen erhöht ist und/oder b) deren Alterung verzögert ist, wodurch die Sonnenenergie länger nutzbar wird, was sich in einer Ertragssteigerung widerspiegelt und/oder c) bei denen der Wurzelballen vergrößert ist, was zu einer besseren Nährstoffaufnahme führt und/oder d) deren Ertrag gesteigert ist.Accordingly, it is an object of the present invention to provide plants or parts of plants, seeds and / or plant cells, a) whose photosynthetic performance is increased and / or b) whose aging is delayed, as a result of which the solar energy is usable for longer, which is reflected in an increase in yield and / or c) in which the root ball is enlarged, which leads to better nutrient absorption and / or d) whose yield is increased.
Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Pflanzen, Pflanzenteile, Samen und/oder Pflanzenzellen anzugeben, bei denen diese vier Ziele kombiniert gelöst werden können.In particular, it is the object of the present invention to specify plants, parts of plants, seeds and / or plant cells in which these four goals can be achieved in combination.
Diese Aufgaben werden durch die in den unabhänigen Ansprüchen genannten Gegenstände gelöst. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angegeben.These tasks are solved by the objects mentioned in the independent claims. Preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Gemäß Anspruch 1 wird eine Pflanze bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie Phytochrom überexprimiert.According to claim 1 there is provided a plant which is characterized in that it overexpresses phytochrome.
Im folgenden werden einige der in der Anmeldung verwendeten Begriffe näher erläutert, um klarzustellen, wie sie hier verstanden werden sollen. Unter "Phytochrome" sind all diejenigen Chromoproteine zu verstehen, die aus einem ca. 124 kDa großen Proteinanteil und einem langgestreckten Tetrapyrrol- system als Chromophor bestehen und die in der Pflanze als Photorezeptoren dienen.Some of the terms used in the application are explained in more detail below in order to clarify how they are to be understood here. “Phytochromes” are understood to mean all those chromoproteins which consist of an approximately 124 kDa protein portion and an elongated tetrapyrrole system as a chromophore and which serve as photoreceptors in the plant.
Unter "Überexpression" wird jede Erhöhung des Phytochromniveaus in der Pflanze verstanden, sei es, daß sie auf Einführung eines starken Promotors gegebenenfalls zusammen mit dem Phytochromgen zurückgeht oder auf eine Genampli- fikation oder andere in der Biotechnologie bekannte Möglichkeiten, die Proteinsyntheseleistung einer Zelle zu steigern. Überexpression liegt dann vor, wenn die veränderte (überexprimierende) Pflanze mindestens die doppelte Menge an Phytochrom, insbesondere PhyB, erzeugt wie die Ausgangspflanzen. Hierunter fällt auch die doppelte Menge in nur einem Pflanzenteil, z.B. dem Blatt. Vorzugsweise erzeugt die veränderte Pflanze das 5-Fache, unter Umständen das 10- Fache, an dem jeweiligen Phytochrom im Vergleich zur Ausgangspflanze bzw. einem Teil der Ausgangspflanze.“Overexpression” is understood to mean any increase in the phytochrome level in the plant, be it that it may be due to the introduction of a strong promoter together with the phytochrome gene, or to gene amplification or other possibilities known in biotechnology to increase the protein synthesis performance of a cell . Overexpression occurs when the modified (overexpressing) plant produces at least twice the amount of phytochrome, in particular PhyB, as the original plants. This also includes double the amount in just one part of the plant, e.g. the sheet. The modified plant preferably produces 5 times, possibly 10 times, the respective phytochrome in comparison to the original plant or a part of the original plant.
Unter "Phytochrom-Gen" wird jedes Gen verstanden, das für ein Phytochrom, wie oben definiert, kodiert.“Phytochrome gene” means any gene that codes for a phytochrome as defined above.
Unter "hydrophob" wird eine Aminosäuresequenz verstanden, die mehr hydrophobe als polare Aminosäuren aufweist, z.B. 10 Alanine pro 20 Aminosäuren.By "hydrophobic" is meant an amino acid sequence that has more hydrophobic than polar amino acids, e.g. 10 alanines per 20 amino acids.
Unter "glycinreich" wird eine Aminosäuresequenz verstanden, die mehr als ein Glycin pro vier Aminosäuren aufweist und vorzugsweise mindestens 20 AS lang ist, beispielsweise 12 Gly innerhalb von 30 AS."Glycine-rich" means an amino acid sequence which has more than one glycine per four amino acids and is preferably at least 20 AA long, for example 12 Gly within 30 AA.
Die Erfindung beschreibt, daß die genannten Ziele erreicht werden können, wenn in einer Pflanze Phytochrom, insbesondere Phytochrom B, überexprimiert wird. Überraschenderweise wurden die besten Ergebnisse erzielt, wenn das Phytochrom in eine Pflanze eingebracht wurde, die zu einer anderen Art gehört als die Pflanze, aus der das Gen stammte. In den Beispielen wird dies insbesondere gezeigt, wenn das Phytochrom B-Protein aus Arabidopsis thaliana in erhöhten Mengen in Kulturpflanzen synthetisiert wird. Explizit gezeigt wurde dies am Beispiel der Kartoffel. Die Pflanzen zeichnen sich durch eine um 30% erhöhte Pho- toysntheserate aus, die zudem wesentlich insensitiver gegen Lichtstress ist, als die Photosyntheserate herkömmlicher Pflanzen mit normalen Phytochromspie- geln. Die Seneszenz ist verzögert. Das unterirdische Sproß-Wurzelsystem ist mindestens verdreifacht. Weiterhin zeigen die Pflanzen bei einer Verdoppelung der Anzahl an Knollen eine Ertragssteigerung von 15-20%.The invention describes that the stated goals can be achieved if phytochrome, in particular phytochrome B, is overexpressed in a plant. Surprisingly, the best results were obtained when the phytochrome was introduced into a plant that belongs to a different species than that Plant from which the gene came. This is shown in the examples in particular when the phytochrome B protein from Arabidopsis thaliana is synthesized in increased amounts in crop plants. This was explicitly shown using the example of the potato. The plants are characterized by a 30% higher phytosynthesis rate, which is also significantly more sensitive to light stress than the photosynthesis rate of conventional plants with normal phytochrome levels. Senescence is delayed. The underground shoot root system is at least tripled. Furthermore, when the number of tubers doubles, the plants show an increase in yield of 15-20%.
Dagegen zeigte die erhöhte Expression des Phytochroms B aus Solarium tubero- sum weniger deutlich die gesteigerte Entwicklung des Wurzelballens, die erhöhte Photosyntheserate und die verzögerte Seneszenz. Ein offensichtlicher Unterschied zwischen den Phytochromen B aus A. thaliana und S. tuberosum (Aminosäureidentität: 76 %) besteht in dem unterschiedlichen N-Terminus. Wie unten gezeigt, ist der Bereich zwischen den Aminosäuren VSGV und QAQSS sehr unterschiedlich. Das Phytochrom B aus A. thaliana kodiert hier für einen glycinrei- chen Bereich der im Phytochrom B aus Solanum tuberosum fehlt.In contrast, the increased expression of phytochrome B from Solarium tuberosum showed less clearly the increased development of the root ball, the increased photosynthesis rate and the delayed senescence. An obvious difference between the phytochromes B from A. thaliana and S. tuberosum (amino acid identity: 76%) is in the different N-terminus. As shown below, the range between the amino acids VSGV and QAQSS is very different. The phytochrome B from A. thaliana codes for a glycine-rich region that is missing in the phytochrome B from Solanum tuberosum.
A.t. MVSGVGGSGGGRGGGRGGEEEPSSSHTPNNRRGGE QAQSS SeqlD Nr.1 S.t. MASGSRTKHSHHSS QAQSS SeqlD Nr.2At. MVSGVGGSGGGRGGGRGGEEEPSSSHTPNNRRGGE QAQSS SeqlD Nr.1 S.t. MASGSRTKHSHHSS QAQSS SeqlD No.2
Ein Sequenzvergleich der N-Termini der B-Phytochrome von A. thaliana und S. tuberosum ist oben gezeigt.A sequence comparison of the N-termini of the B phytochromes of A. thaliana and S. tuberosum is shown above.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung können mit Typen des Phytochroms B und anderen Phytochromen insbesondere dann erreicht werden, wenn die Phytochrome einen hydrophoben N-Terminus aufweisen. Insbesondere ist ein glycin- reicher N-Terminus vorteilhaft. Als besonders vorteilhaft hat sich der oben beschriebene N-Terminus erwiesen. Mit umfaßt sind jedoch Sequenzen, die sich von dem N-Termius von A. thaliana ableiten und die gleichen Effekte beim Einbringen in Pflanzen zeigen, wie der N-Terminus von PhyB aus A. thaliana. Besonders vorteilhaft sind monokotyledone, dikotyledone Nutzpflanzen oder Zierpflanzen als Ausgangspflanzen für die vorliegende Erfindung. Dies gilt insbesondere für Mais, Weizen, Hirse, Hafer, Reis, Gerste, Sorghum, Amaranth, Zwiebel, Spargel, Zuckerrohr, Alfalfa, Sojabohne, Petunien, Baumwolle, Zuckerrübe, Sonnenblume, Karotte, Sellerie, Kohl, Gurke, Pfeffer, Canola, Tomate, Kartoffel, Linse, Flachs, Brokkoli, Tabak, Bohne, Salat, Raps, Blumenkohl, Spinat, Rosenkohl, Artischocken, Erbse, Okra, Kürbis, Grünkohl, collard green, Tee und Kaffee, Geranien, Nelken, Orchideen, Rosen, impatiens, Petunien, Begonien, Fuchsien, Dotterblumen, Chrysanthemen, Gladiolen, Astromeria, Salbei, Veronica, Gänseblümchen und Iris.The objects of the present invention can be achieved with types of phytochrome B and other phytochromes especially when the phytochromes have a hydrophobic N-terminus. A glycine-rich N-terminus is particularly advantageous. The N-terminus described above has proven to be particularly advantageous. However, included are sequences which are derived from the N-termius of A. thaliana and show the same effects when introduced into plants as the N-terminus of PhyB from A. thaliana. Monocotyledonous, dicotyledonous useful plants or ornamental plants are particularly advantageous as starting plants for the present invention. This applies in particular to corn, wheat, millet, oat, rice, barley, sorghum, amaranth, onion, asparagus, sugar cane, alfalfa, soybean, petunias, cotton, sugar beet, sunflower, carrot, celery, cabbage, cucumber, pepper, canola, Tomato, potato, lentil, flax, broccoli, tobacco, bean, lettuce, rapeseed, cauliflower, spinach, Brussels sprouts, artichokes, peas, okra, pumpkin, kale, collard green, tea and coffee, geraniums, cloves, orchids, roses, impatiens , Petunias, begonias, fuchsias, yolk flowers, chrysanthemums, gladiolus, astromeria, sage, veronica, daisies and iris.
Eine besonders vorteilhafte Wirkung ergibt sich bei der Verwendung eines Phyto- chrom-B-Gens, mit dem oben angegebenen N-Terminus für die Erzeugung einer transgenen Kartoffel. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird zur Erzeugung einer transgenen Maispflanze mit verzögerter Seneszenz ein für ein Protein mit dem oben angegebenen N-Terminus kodierendes Phytochrom-B- Gen in eine Maispflanze eingebracht. Dadurch läßt sich in der transgenen Pflanze ein „Stay-Green"-Effekt erreichen.A particularly advantageous effect results when using a phytochrome B gene with the N-terminus given above for the production of a transgenic potato. In a particular embodiment of the invention, in order to produce a transgenic maize plant with delayed senescence, a phytochrome B gene coding for a protein with the N-terminus specified above is introduced into a maize plant. As a result, a “stay green” effect can be achieved in the transgenic plant.
Das für ein Protein mit dem oben angegebenen N-Terminus kodierende Phytochrom-B-Gen kann ferner zur Erzeugung einer transgenen Zuckerrüben-Pflanze mit vorteilhaften Eigenschaften verwendet werden. Beispielsweise kann durch das Einbringen dieses Phytochrom-B-Gens in eine Zuckerrüben-Pflanze eine verzögerte Seneszenz und dadurch auch eine Verminderung der Stickstoffeinlagerung erzielt werden.The phytochrome B gene coding for a protein with the N-terminus indicated above can also be used to produce a transgenic sugar beet plant with advantageous properties. For example, by introducing this phytochrome B gene into a sugar beet plant, a delayed senescence and thus a reduction in nitrogen storage can be achieved.
Das oben für die Pflanzen, die Phytochrom überexprimieren, Ausgeführte gilt ebenso für die Pflanzenteile, Samen und/oder Pflanzenzellen, die Phytochrom überexprimieren. Insbesondere können z.B. bereits durch eine gewebespezifische Überexpression von Phytochrom im Blatt die gewünschten Ergebnisse erzielt werden. Es ist möglich, daß man in bestimmten Teilen der Pflanze das Phytochrom nicht überexprimiert haben möchte. So ist z.B. die vermehrte Knol- lenanzahl eher unerwünscht; vorteilhaft wäre gleiche Anzahl an Knollen bei erhöhtem Ertrag. Dies kann man z.B. dadurch erreichen, daß man das Phytochrom nicht in der ganzen Pflanze, sondern nur in den Blättern exprimiert. Mit einem konstitutiven Promotor findet man bisher auch eine Überexpression in der Sproßspitze, und dieser Teil der Pflanze kontrolliert die Knollenanzahl.The statements made above for the plants which overexpress phytochrome also apply to the plant parts, seeds and / or plant cells which overexpress phytochrome. In particular, the desired results can already be achieved, for example, by tissue-specific overexpression of phytochrome in the leaf. It is possible that one does not want to have the phytochrome overexpressed in certain parts of the plant. For example, the increased number of lines rather undesirable; the same number of tubers with increased yield would be advantageous. This can be achieved, for example, by not expressing the phytochrome in the whole plant, but only in the leaves. With a constitutive promoter, overexpression has so far been found in the shoot tip, and this part of the plant controls the number of tubers.
Eine Phytochromgenaktivierung kann ebenfalls zu dem gewünschten Ergebnis führen. Dabei werden pflanzeneigene Phytochromgene durch das Einbringen eines starken Promotors und/oder Enhancers aktiviert.Phytochrome gene activation can also lead to the desired result. Plant-specific phytochrome genes are activated by introducing a strong promoter and / or enhancer.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines und/oder mehrerer Phyto- chrom-Gene für die Herstellung der oben beschriebenen Pflanzen und/oder Pflanzenteile, Samen und/oder Zellen, ein Verfahren zur Herstellung transgener Pflanzen, ein Konstrukt, das ein wie oben beschriebenes Phytochrom-Gen enthält, sowie eine Pflanze enthaltend ein Konstrukt, umfassend ein Phytochrom- Gen und einen glycinreichen N-Terminus.The invention also relates to the use of one and / or more phytochrome genes for the production of the plants and / or parts of plants, seeds and / or cells described above, a method for producing transgenic plants, a construct which comprises a phytochrome as described above -Gen contains, as well as a plant containing a construct comprising a phytochrome gene and a glycine-rich N-terminus.
Im folgenden soll die Erfindung anhand der Beispiele und Zeichnungen im Detail erläutert werden, wobei aber beachtet werden sollte, daß es sich lediglich um spezielle Ausführungsformen handelt, die nur beispielhaft sind und den Umfang der Erfindung nicht begrenzen sollen.In the following, the invention will be explained in detail with reference to the examples and drawings, but it should be noted that these are only special embodiments, which are only exemplary and are not intended to limit the scope of the invention.
In den Abbildungen wird folgendes dargestellt:The following is shown in the figures:
Abbildung 1A und 1B: Sproßhabitus einer untransformierten Kontrollpflanze von Kartoffel (A) im Vergleich zu einer repräsentativen transgenen Kartoffelpflanze der Linie DARA12 (B). Die Pflanzen stammen aus Sterilkultur und waren 8 Wochen im Gewächshaus kultiviert worden.Figures 1A and 1B: shoot habit of an untransformed control plant of potato (A) compared to a representative transgenic potato plant of the DARA12 line (B). The plants come from a sterile culture and had been grown in the greenhouse for 8 weeks.
Abbildung 2: Western-Analysen mit Antikörpern gegen Phytochrom B aus Arabidopsis thaliana mit Proteinpräparationen aus Blättern untransformierter Kontroll- Kartoffelpflanzen (wt) im Vergleich zu denen der transgenen Linien DARA5 und DARA12. Abbildung 3A und 3B:Figure 2: Western analyzes with antibodies against phytochrome B from Arabidopsis thaliana with protein preparations from leaves of untransformed control potato plants (wt) in comparison to those of the transgenic lines DARA5 and DARA12. Figures 3A and 3B:
(A) Photosyntheserate (μmol CO2/m2s, bei 1 ,2-1 ,8 mmol Photonen/m2s) von Blättern untransformierter Kontrollpflanzen von Kartoffel (WT) im Vergleich zu der von Blättern transgener Pflanzen der Linie DARA12.(A) Photosynthesis rate (μmol CO 2 / m 2 s, at 1, 2-1, 8 mmol photons / m 2 s) of leaves of untransformed control plants of potato (WT) compared to that of leaves of transgenic plants of the DARA12 line.
(B) Abnahme der Photosyntheserate der Blätter aus A nach 5,5-stündiger Exposition unter 1 ,2-1 ,8 mmol Ph./m2s und 32-38°C. Die Daten stammen von je n=6 Messungen 12 Wochen alter Gewächshauspflanzen.(B) Decrease in the photosynthesis rate of the leaves from A after exposure for 5.5 hours under 1, 2-1, 8 mmol Ph./m 2 s and 32-38 ° C. The data come from n = 6 measurements of 12 week old greenhouse plants.
Abbildung 4: Unterirdisches Sproß-Λ/Vurzelsystem von repräsentativen Kartoffelpflanzen der untransformierten Kontrollinie (WT) und denen der transgenen Linien DARA5 und DARA12. Die Pflanzen wurden aus Sterilkultur ausgesetzt und von Oktober 1996 bis April 1997 im Gewächshaus kultiviert. Zum Zeitpunkt der Ernte waren sie 6 Monate alt.Figure 4: Underground shoot-Λ / root system of representative potato plants of the untransformed control line (WT) and those of the transgenic lines DARA5 and DARA12. The plants were exposed to sterile culture and cultivated in the greenhouse from October 1996 to April 1997. At the time of harvest, they were 6 months old.
Abbildung 5A und 5B: Unterirdisches Sproß-/Wurzelsystem und Knollenausbeute von repräsentativen Kartoffelpflanzen der untransformierten Kontrollinie (WT) im Vergleich zu denen transgener Pflanzen der Linien DPOT1 , DPOT9 (A) und DS13 und DS23 (B). Die Pflanzen wurden aus Sterilkultur ausgesetzt und von Oktober 1996 bis April 1997 im Gewächshaus kultiviert. Zum Zeitpunkt der Ernte waren sie 6 Monate alt.Figures 5A and 5B: Underground shoot / root system and tuber yield of representative potato plants of the untransformed control line (WT) compared to those of the transgenic plants of the lines DPOT1, DPOT9 (A) and DS13 and DS23 (B). The plants were exposed to sterile culture and cultivated in the greenhouse from October 1996 to April 1997. At the time of harvest, they were 6 months old.
Abbildung 6: Westem-Analysen mit Erstantikörpern gegen Phytochrom-B aus Arabidopsis thaliana mit Phytochrom-Präparationen aus Blättern untransformierter Kontroll-Kartoffelpflanzen (Wt) im Vergleich zu denen der transgenen Linien DPOT1 , DPOT9, DS13 und DS23.Figure 6: Westem analyzes with first antibodies against phytochrome B from Arabidopsis thaliana with phytochrome preparations from leaves of untransformed control potato plants (Wt) compared to those of the transgenic lines DPOT1, DPOT9, DS13 and DS23.
METHODENMETHODS
1. Transformation von Kartoffeln (Rocha-Sosa et al.. 1985)1. Transformation of potatoes (Rocha-Sosa et al .. 1985)
30 μl einer in Selektionsmedium (YEB + Kanamycin (50 mg/l) und Rifampicin (50 mg/l)) angezogenen Übernachtkultur des T-DNA-Plasmid tragenden A. tume- faciens Stammes GV2260 wurden mit 10 ml flüssigem MS-Medium gemischt (MS-Medium: Murashige and Skoog, 1962). Blättchen aus der sterilen Gewebekultur wurden an der Mittelrippe eingeschnitten und in das inokulierte MS-Medium überführt und zwei Tage dunkel bei 22 °C inkubiert. Anschließend wurden die Blattscheiben zur Callusinduktion auf MS-Medium mit Glukose (16 g/l), Naphthyl- essigsäure (5 mg/l), 16-Benzylaminopurin (0.1 mg/l), Cephotaxim (250 mg/l), Bi- tec-Agar (6.3 g/l) und 1 mg/l Hygromycin oder 50 mg/l Kanamycin zur Selektrion sieben Tage unter Gewebekulturbedingungen inkubiert. Nachfolgend wurden die Blattscheiben zur Regeneration der Sprosse auf MS-Medium mit Glukose (16 g/l), Zeatinribose (1.4 mg/l), Naphthylessigsäure (20 μg/l), Gibberellinsäure (GA3; 20 μg/l), Cephotaxim (250 mg/l), Bitec-Agar (6.3 g/l) und 3 mg/l Hygromycin oder 50 mg/l Kanamycin unter Gewebekulturbedingungen inkubiert. Die Blattscheiben wurden nach sieben Tagen auf neues Regenerationsmedium überführt. Die entstehenden Sprosse wurden auf MS-Medium mit 2 % Saccharose, selektiven Antibiotika (50 mg/l Kanamycin oder 3 mg/l Hygromycin B) und 250 mg/l Cephotaxim in Gewebekultur kultiviert.30 μl of an overnight culture of the A. tume faciens strain GV2260 carrying T-DNA plasmid, grown in selection medium (YEB + kanamycin (50 mg / l) and rifampicin (50 mg / l)), were mixed with 10 ml of liquid MS medium (MS medium: Murashige and Skoog, 1962). Leaflets from the sterile tissue culture were cut at the midrib and transferred to the inoculated MS medium and incubated dark at 22 ° C. for two days. Subsequently, the leaf disks for callus induction on MS medium with glucose (16 g / l), naphthylacetic acid (5 mg / l), 16-benzylaminopurine (0.1 mg / l), cephotaxime (250 mg / l), Bitec Incubate agar (6.3 g / l) and 1 mg / l hygromycin or 50 mg / l kanamycin for selection for seven days under tissue culture conditions. Subsequently, the leaf disks for the regeneration of the shoot on MS medium with glucose (16 g / l), zeatin ribose (1.4 mg / l), naphthylacetic acid (20 μg / l), gibberellic acid (GA 3 ; 20 μg / l), cephotaxime ( 250 mg / l), Bitec agar (6.3 g / l) and 3 mg / l hygromycin or 50 mg / l kanamycin incubated under tissue culture conditions. The leaf disks were transferred to new regeneration medium after seven days. The resulting shoots were cultivated on MS medium with 2% sucrose, selective antibiotics (50 mg / l kanamycin or 3 mg / l hygromycin B) and 250 mg / l cephotaxime in tissue culture.
YEB-Medium: 2 g/l HefeextraktYEB medium: 2 g / l yeast extract
5 g/l Beefextrakt 5 g/l Pepton 5 g/l Saccarose 2 mM MgSO4 pH 7.05 g / l beef extract 5 g / l peptone 5 g / l saccarose 2 mM MgSO 4 pH 7.0
2. Kultur der Pflanzen2. Plant culture
Die Pflanzen wurden im Versuchsgewächshaus des Botanischen Gartens der Universität Göttingen kultiviert. Ihre Anzucht erfolgte aus Knollen oder Sterilkultur (Medium nach Murashige & Skoog, 1962). Während der Kultur lag die Temperatur im Gewächshaus im Winterhalbjahr (Oktober - April) bei 15 - 25°C, im Sommerhalbjahr (Mai - September) bei 20 - 35°C. Zwischen Tag und Nacht schwankte sie um 5 - 15°C. Die relative Luftfeuchte betrug ganzjährig ca. 55 %. Die Lichtintensität lag, je nach Alter und damit Höhe der Pflanzenkörper, tagsüber zwischen 200 und 450 μmol Photonen (m2s)"1, an klaren Tagen bei max. 500 μmol Ph.(m2s)"1. Die Tageslängen entsprachen der natürlichen jahreszeitlichen Peri- odik. Während der 4 bis 6 Monate dauernden Kultur wurden die Pflanzen in Intervallen von 2-6 Wochen in größere Töpfe umgesetzt (bis max. 20 cm Topfdurchmesser nach 4 Monaten). Um Pflanzen vergleichbarer Stärke zu erhalten, wurden 3 Wochen nach Auflaufen der Knollen bzw. dem Aussetzen aus Sterilkultur alle bis auf die beiden stärksten oberirdischen Sprosse zurückgeschnitten. Durch ihr Hochbinden und einen Topfabstand, der mindestens dem jeweiligen Topfdurchmesser entsprach, war eine weitgehend gleichmässige Lichtexposition gewährleistet.The plants were cultivated in the experimental greenhouse of the botanical garden at the University of Göttingen. They were grown from tubers or sterile culture (medium according to Murashige & Skoog, 1962). During cultivation, the temperature in the greenhouse was 15-25 ° C in the winter half-year (October - April) and 20-35 ° C in the summer half-year (May-September). Between day and night it fluctuated by 5 - 15 ° C. The relative air humidity was around 55% all year round. Depending on the age and therefore the height of the plant bodies, the light intensity was between 200 and 450 μmol photons (m 2 s) "1 during the day, and a maximum of 500 μmol on clear days Ph. (M 2 s) "1. The day lengths corresponded to the natural seasonal period. During the 4 to 6 month cultivation, the plants were transferred into larger pots at intervals of 2-6 weeks (up to a maximum of 20 cm pot diameter In order to obtain plants of comparable strength, all were cut back to the two strongest above-ground shoots 3 weeks after the bulbs had emerged or were exposed to sterile culture, due to their binding up and a pot spacing that corresponded at least to the respective pot diameter largely uniform light exposure guaranteed.
3. Präparation von Phytochromen aus Pflanzen (van Tuinen et al.. 1995)3. Preparation of phytochromes from plants (van Tuinen et al .. 1995)
0.3 g frisches Blattmaterial wurde mit 0.03 g Polyvinylpyrrolidon unter flüssigem Stickstoff in einem Eppendorf-Reaktionsgefäß im Homogenisator pulverisiert und in 300 μl Phytochrom-Extraktionspuffer aufgenommen. Nach 15 min Zentrifugati- on bei 15.000xg und 4 °C wurden 300 μl des Überstandes abgenommen, mit 30 μl Polyethylenimine (10 % w/v in H2O) versetzt und 15 min bei 4 °C im Eppen- dorf-Schüttler bei maximaler Drehzahl inkubiert, um Nukleinsäuren und Chlorophyll auszufällen. Nach 10 min Zentrifugation bei 12.000xg und 4 °C wurde der Überstand mit 0.725 Vol. einer in Wasser gesättigten Ammoniumsulfatlösung versetzt und 15 min bei 4 °C bei voller Leistung im Eppendorf-Schüttler inkubiert. Nach 15 min Zentrifugation bei 12.000xg und 4 °C wurde das Sediment in 30 μl "Laemmli"-Puffer aufgenommen und 2 min bei 100 °C inkubiert. Zur Western- Blot-Analyse wurden 20 μl der Probe auf ein 7 %-iges PAA-Gel geladen (Laemmli, 1970).0.3 g of fresh leaf material was pulverized with 0.03 g of polyvinylpyrrolidone under liquid nitrogen in an Eppendorf reaction vessel in a homogenizer and taken up in 300 μl of phytochrome extraction buffer. After 15 min centrifugation at 15,000xg and 4 ° C, 300 μl of the supernatant were removed, 30 μl of polyethyleneimine (10% w / v in H 2 O) were added and 15 min at 4 ° C in an Eppendorf shaker incubated at maximum speed to precipitate nucleic acids and chlorophyll. After centrifugation at 12,000 × g and 4 ° C. for 10 minutes, the supernatant was mixed with 0.725 vol. Of an ammonium sulfate solution saturated in water and incubated for 15 minutes at 4 ° C. at full power in an Eppendorf shaker. After 15 min centrifugation at 12,000xg and 4 ° C, the sediment was taken up in 30 ul "Laemmli" buffer and incubated for 2 min at 100 ° C. For western blot analysis, 20 μl of the sample were loaded onto a 7% PAA gel (Laemmli, 1970).
Phytochrom-Extraktionspuffer:Phytochrome extraction buffer:
Ethylenglycol 50 %Ethylene glycol 50%
EDTA 10 mMEDTA 10 mM
Tris-HCI, pH 8.3 100 mMTris-HCl, pH 8.3 100 mM
frisch zusetzen: Na-Bisulfit 20 mMadd fresh: Na bisulfite 20 mM
(NH4)2SO4 140 mM ß-Mercaptoethanol 56 mM(NH 4 ) 2 SO 4 140 mM β-mercaptoethanol 56 mM
Pefablock 4 mMPefablock 4 mM
Jodacetamid (IAA) 4 mMIodoacetamide (IAA) 4 mM
Pepstatin A 1 μg/mlPepstatin A 1 μg / ml
Aprotinin 2 μg/mlAprotinin 2 μg / ml
Leupeptin 2 μg/mlLeupeptin 2 μg / ml
4. Immunulogischer Nachweis von Phytochrom B über Westem-Analvse4. Immunulogical detection of phytochrome B by Western analysis
Für den immunologischen Nachweis wurden die im PAA-Gel aufgetrennten Proteine auf Nitrocellulose oder PVDF-Membranen übertragen. Dazu wurde das PAA-Trenngel 15 min in Elektroblot-Transferpuffer äquilibriert. Auf die Anodenplatte der BioRad-Elektroblot-Apparatur wurden drei Lagen in Transferpuffer getränktes Whatman-Papier, die Membran, das Gel und drei weitere Lagen in Transferpuffer getränktes Whatman-Papier luftblasenfrei aufgelegt. Die Kathodenplatte wurde unter leichtem Druck aufgelegt und der Elektroblot bei 15 V für 45-120 min durchgeführt. Nitrocellulose-Membranen wurden 10 min in Transferpuffer äquilibriert, PVDF-Membranen wurden zuerst in Methanol getränkt und anschließend 10 min in Transferpuffer äquilibriert. Der Transfer wurde mit Ponceau- Rot - einem Farbstoff, der mit Wasser entfernt werden kann - überprüft.For the immunological detection, the proteins separated in the PAA gel were transferred to nitrocellulose or PVDF membranes. For this purpose, the PAA separating gel was equilibrated in electroblot transfer buffer for 15 min. Three layers of Whatman paper soaked in transfer buffer, the membrane, the gel and three further layers of Whatman paper soaked in transfer buffer were placed on the anode plate of the BioRad electroblot apparatus without air bubbles. The cathode plate was placed under slight pressure and the electroblot was carried out at 15 V for 45-120 min. Nitrocellulose membranes were equilibrated in transfer buffer for 10 min, PVDF membranes were first soaked in methanol and then equilibrated in transfer buffer for 10 min. The transfer was checked with Ponceau red - a dye that can be removed with water.
Elektroblot-Transferpuffer: PAG E-Lauf puffer mit halbierter SDS-Konzentration mit 20 % MethanolElectroblot transfer buffer: PAG E-Lauf buffer with halved SDS concentration with 20% methanol
Ponceau-Färbelösung: Ponceau-Rot 10 TropfenPonceau staining solution: Ponceau red 10 drops
Essigsäure 10 TropfenAcetic acid 10 drops
H2O 100 mlH 2 O 100 ml
Immunologische Detektion:Immunological detection:
Alle Schritte wurden bei Raumtemperatur unter leichtem Schütteln durchgeführt. Zum Absättigen unspezifischer Bindungsstellen wurden die Filter wie folgt blok- kiert: TBSI 3 minAll steps were carried out at room temperature with gentle shaking. The filters were blocked as follows to saturate non-specific binding sites: TBSI 3 min
TBSII 10 minTBSII 10 min
TBSII 5 min.TBSII 5 min.
Anschließend wurde der erste Antikörper in TBSIII mit 1 % Magermilchpulver (w/v) 1 :400 (polyklonaler Antikörper auf Kaninchen) oder 1 :5000 (monoklonale Maus-Antikörper) verdünnt und 2 h inkubiert. Nach 3 x 10 min Waschen mit TBSIII wurde der Filter 90 min mit dem zweiten, biotinylierten Antikörper (1/1000 Amersham-Anti-Mouse bzw. -Anti-Rabbit) in TBSIII + 1 % (w/v) Magermilch inkubiert. Nach 3 x 10 min Waschen mit TBSIII wurde der Filter in TBSIII (ohne Tween) äquilibiriert. Der Filter wurde dann 30 min mit Streptavidin-gekoppelter Meer- rettich-Peroxidase (1/500, Amersham) in TBSIII (ohne Tween) inkubiert. Nach 4 x 5 min Waschen in TBS können die von dem ersten Antikörper erkannten Proteine auf dem Filter angefärbt oder auf Röntgenfilm über Chemolumineszenz entwickelt werden.The first antibody was then diluted 1: 400 (polyclonal antibody on rabbit) or 1: 5000 (monoclonal mouse antibody) in TBSIII with 1% skim milk powder (w / v) and incubated for 2 h. After washing 3 × 10 min with TBSIII, the filter was incubated for 90 min with the second, biotinylated antibody (1/1000 Amersham anti-mouse or anti-rabbit) in TBSIII + 1% (w / v) skim milk. After washing 3 × 10 min with TBSIII, the filter was equilibrated in TBSIII (without Tween). The filter was then incubated for 30 min with streptavidin-coupled horseradish peroxidase (1/500, Amersham) in TBSIII (without Tween). After washing 4 × 5 min in TBS, the proteins recognized by the first antibody can be stained on the filter or developed on X-ray film via chemiluminescence.
TBSI-Puffer: Tris-HCI, pH 8.3 20 mM NaCI 500 mM Tween 20 0.05 % (w/v)TBSI buffer: Tris-HCl, pH 8.3 20 mM NaCI 500 mM Tween 20 0.05% (w / v)
TBSII-Puffer: Tris-HCI, pH 8.3 20 mM NaCI 150 mM Tween 20 0.05 % (w/v)TBSII buffer: Tris-HCl, pH 8.3 20 mM NaCI 150 mM Tween 20 0.05% (w / v)
TBSIII-Puffer: Tris-HCI, pH 8.3 20 mM NaCI 150 mM Tween 20 0.05 % (w/v)TBSIII buffer: Tris-HCl, pH 8.3 20 mM NaCI 150 mM Tween 20 0.05% (w / v)
AnfärbenStaining
Der Filter wurde in folgender Farbreaktionslösung entwickelt:The filter was developed in the following color reaction solution:
Diaminobenzidin 10 mgDiaminobenzidine 10 mg
TBS 20 mlTBS 20 ml
CoCI2 0.01 % (w/v)CoCI 2 0.01% (w / v)
20 min lösen frisch zugeben: H2O2 (30 %) 30 μlLoosen for 20 min add fresh: H 2 O 2 (30%) 30 μl
Die Farbreaktion wurde mit Wasser gestoppt.The color reaction was stopped with water.
ChemolumineszenzChemiluminescence
Zum Chemolumineszenz-Nachweis wurde der Filter (PVDF-Membran) 1 min in Reaktionslösung (Amersham Peroxidase-Chemolumineszenzlösungen 1 und 2 im Verhältnis 1 :1) inkubiert und 2 bis 10 min in einer Expositionskassette auf Röntgenfilm exponiert. Anschließend wurde der Röntgenfilm entwickeltFor chemiluminescence detection, the filter (PVDF membrane) was incubated for 1 min in reaction solution (Amersham peroxidase chemiluminescence solutions 1 and 2 in the ratio 1: 1) and exposed to X-ray film in an exposure cassette for 2 to 10 min. The X-ray film was then developed
5. CQo-Assimilation über Infrarotspektroskopie5. CQo assimilation using infrared spectroscopy
Die Aktivität der photosynthetischen Dunkelreaktion wurde mittels Infrarotspektroskopie über die Rate der CO2-Fixierung ermittelt. Hierzu diente ein tragbares Gaswechselporometer der Firma ADC (Hoddesdon, Großbritannien), bestehend aus der zentralen LCA-3-Analyseeinheit und einer PLC-3-Blattkammer (Durchmesser 6,2 cm2) mit Thermofühler und Lichtsensor zur zeitgleichen Detektion von Küvetteninnentemperatur und Photonenfluxdichte. Ein integrierter PC diente der Datenspeicherung und Datenverarbeitung. Dieses System ermöglichte die Ermittlung der unter verschiedenen Kulturbedingungen (siehe 1.1. und 1.2.) erzielten Assimilationsraten (in μmol (m2s)'1).The activity of the dark photosynthetic reaction was determined by means of infrared spectroscopy via the rate of CO 2 fixation. For this purpose, a portable gas exchange porometer from ADC (Hoddesdon, Great Britain) was used, consisting of the central LCA-3 analysis unit and a PLC-3 sheet chamber (diameter 6.2 cm 2 ) with a thermal sensor and light sensor for simultaneous detection of the internal cell temperature and photon flux density. An integrated PC was used for data storage and data processing. This system made it possible to determine the assimilation rates achieved in different culture conditions (see 1.1. And 1.2.) (In μmol (m 2 s) '1 ).
5.1 CO -Assimilation ausgewählter Blattareale ungestresster Kontrollpflanzen Um Vergleichbarkeit der erhaltenen Daten zu gewährleisten, wurden nur Blätter annähernd gleichen Alters und ähnlicher Lichtexposition verwendet. So wurden alle Untersuchungen mit Endfiedem der 3. bis 5. ausgewachsenen Blätter (ausgehend vom Scheitel) durchgeführt. Die Blattfieder wurden, ohne sie von der Pflanze zu trennen und unter Beibehaltung ihrer Orientierung zum Licht, in die PLC-3-Kammer gespannt und unmittelbar vor jeder Messung zwecks Äquilibrie- rung von Gas und Temperatur im Meßsystem für 10 min adaptiert. Im Verlauf der folgenden 10 min wurden alle 2 min die aktuelle Rate der CO2-Fixierung, die Temperatur und Lichtintensität aufgenommen. 5.2. Lichtstreßanalvse5.1 CO assimilation of selected leaf areas of unstressed control plants In order to ensure comparability of the data obtained, only leaves of approximately the same age and similar light exposure were used. All examinations were carried out with the end of the 3rd to 5th adult leaves (starting from the apex). The leaf leaflets, without separating them from the plant and keeping their orientation to the light, were clamped into the PLC-3 chamber and adapted immediately before each measurement for the purpose of equilibration of gas and temperature in the measuring system for 10 min. In the course of the following 10 minutes, the current rate of CO 2 fixation, the temperature and light intensity were recorded every 2 minutes. 5.2. Light stress analysis
Zur Analyse ihrer Empfindlichkeit gegenüber Lichtstreß wurden die Pflanzen nach Ermittlung der Kontroll-Assimilationsraten (2.1.) für 5,5 Stunden Photonen- fluxdichten zwischen 1 ,2 und 1 ,8 mmol (m2s)"1 ausgesetzt (Halogenlampe der Fa. Osram, Power Star HQI-T/N, 2000 W). Während dieser Zeit stieg die Temperatur in der Küvette bis auf 32 - 38°C. Im Verlauf der nachfolgenden 10 min wurden erneut alle 2 min die aktuelle Rate der CO2-Fixierung, die Temperatur und Lichtintensität registriert.In order to analyze their sensitivity to light stress, the plants were exposed to photon flux densities of between 1.2 and 1.8 mmol (m 2 s) "1 for 5.5 hours after determining the assimilation rates (2.1.) (Halogen lamp from Osram , Power Star HQI-T / N, 2000 W.) During this time, the temperature in the cuvette rose to 32-38 ° C. In the course of the following 10 minutes, the current rate of CO 2 fixation was the temperature and light intensity registered.
δ.S. COo-Assimilation ganzer Pflanzenδ.S. COo-assimilation of whole plants
Zur Abschätzung der Gesamt-Assimilationsleistung einzelner Pflanzen und damit ihres Potentials zur Stärkesynthese und letztlich Knollenproduktion wurde wie folgt vorgegangen. Über die Gesamtmasse der Blätter repräsentativer Einzelpflanzen (je n=3) einer Linie und über ihre mittlere Masse pro Blattfläche (Messungen mit je n=18 Blattscheiben) wurde für jede Linie die durchschnittliche Gesamtblattoberfläche pro Pflanze ermittelt. Mit Hilfe der gemäß 3.1. bestimmten CO2-Assimilationsrate pro Fläche konnte damit auf die ungefähre Assimilationsrate (μmol s"1) einer ganzen Pflanze geschlossen werden. Diese Bestimmungen wurden mit 3 Monate alten, nicht seneszenten Pflanzen durchgeführt.The following procedure was used to estimate the overall assimilation performance of individual plants and thus their potential for starch synthesis and ultimately tuber production. The average total leaf surface per plant was determined for each line using the total mass of the leaves of representative individual plants (each n = 3) of a line and their average mass per leaf area (measurements with n = 18 leaf disks each). With the help of 3.1. determined CO 2 assimilation rate per area, it was possible to infer the approximate assimilation rate (μmol s "1 ) of an entire plant. These determinations were carried out with 3-month-old, non-senescent plants.
6. Piomentanalvsen6. Piomentanalvsen
6.1. Photometrische Bestimmung der Chlorophyllgehalte Blattscheiben (1 ,33 cm2) wurden in flüssigem Stickstoff pulverisiert und die Chlo- rophylle mit 80 %igem Ethanol quantitativ extrahiert. Die Extrakte wurden bei maximaler Geschwindigkeit zentrifugiert und die Extinktionen der Überstände mit Hilfe eines Uvikon 932-Spektralphotometers (Fa. Kontron, Neuzahrn) bei 645, 652 und 663 nm photometrisch ermittelt. Die Chlorophyllgehalte ergaben sich nach folgenden Formeln.6.1. Photometric determination of the chlorophyll-containing leaf disks (1.33 cm 2 ) were pulverized in liquid nitrogen and the chlorophylls were extracted quantitatively with 80% ethanol. The extracts were centrifuged at maximum speed and the absorbances of the supernatants were determined photometrically at 645, 652 and 663 nm using a Uvikon 932 spectrophotometer (from Kontron, Neuzahrn). The chlorophyll contents were determined according to the following formulas.
Gesamtchlorophyll (μg) = E652 x Verdünnungsfaktor x (34, 5)"1 Chlorophyll a (mg/ml) = [E663 x 45,6 - E^ x 9,25 x (3858 x ml Aliquot)"1] x 1 ,16 x ml Vol Chlorophyll b (mg/ml) = [E^g x 82,04 - E663 x 16,75 x (3858 x ml Aliquot)"1] x 1 ,07x ml VolTotal chlorophyll (μg) = E 652 x dilution factor x (34, 5) "1 chlorophyll a (mg / ml) = [E 663 x 45.6 - E ^ x 9.25 x (3858 x ml aliquot) " 1 ] x 1, 16 x ml vol Chlorophyll b (mg / ml) = [E ^ gx 82.04 - E 663 x 16.75 x (3858 x ml aliquot) "1 ] x 1, 07x ml vol
6.2. HPLC-Analvse zur Quantifizierung der photosynthetischen Pigmente Bis zur Aufarbeitung wurden die Blattscheiben (1 ,33 cm2) im Dunkeln in flüssigem Stickstoff aufbewahrt. Die Extraktion der Pigmente erfolgte gemäß Thiele et al. (1996). Zur Trennung und Detektion der Carotinoide und Chlorophylle wurde ein HPLC-Gerät der Firma Hitachi (Lichrograph; Merck, Darmstadt) benutzt, bestehend aus der Gradientenpumpe L-7100, dem Injektionsventil 7125 (Cotati, CA, USA), dem UV-Detektor L-7400, dem Lösungsmitteientgaser Gastorr 104 (Schambeck, Bad Honnef), dem Integrator L-7500 und einer Reversed Phase LiChroCART- Säule mit LiChroCART-Vorsäule (250-4 bzw. 4-4; beide Merck). Die Säulenfüllung bildete LiChrospher 100RP-18 (5 μm; Merck). Als Lösungsmittel dienten (A) Ace- tonitril : Methanol : Tris/HCI (0,1 M, pH 8), 7 : 10 : 3, (B) Methanol : Hexan, 4 : 1. Zunächst wurde für 9 min mit Lösungsmittel A eluiert, danach über einen in 3,5 min aufgebauten linearen Gradienten (0-100 %) mit B. Auf 5,5 min isokratische Elution mit B folgte ein linearer Gradient bis zurück auf 100 % A, woraufhin die Säule bis zum nachfolgenden Trenngang für weitere 4 min in A reäquilibriert wurde. Die Flußrate betrug 2 ml (min)"1. Diese Methode ermöglichte die saubere Trennung von Neoxanthin, Violaxanthin, Antheraxanthin, Lutein, Zeaxanthin, α- und ß-Carotin, sowie der Chlorophylle a und b. Die Quantifizierung dieser Pigmente erfolgte nach Färber et al. (1997).6.2. HPLC analysis for the quantification of the photosynthetic pigments. The leaf disks (1.33 cm 2 ) were stored in the dark in liquid nitrogen until they were worked up. The pigments were extracted according to Thiele et al. (1996). For the separation and detection of the carotenoids and chlorophylls, an HPLC device from Hitachi (Lichrograph; Merck, Darmstadt) was used, consisting of the gradient pump L-7100, the injection valve 7125 (Cotati, CA, USA), the UV detector L- 7400, the solvent degasser Gastorr 104 (Schambeck, Bad Honnef), the integrator L-7500 and a reversed phase LiChroCART column with LiChroCART guard column (250-4 or 4-4; both Merck). The column filling was formed by LiChrospher 100RP-18 (5 μm; Merck). (A) Acetonitrile: methanol: Tris / HCl (0.1 M, pH 8), 7: 10: 3, (B) methanol: hexane, 4: 1 were used as solvents. First, solvent A eluted, then via a linear gradient built up in 3.5 min (0-100%) with B. After 5.5 min isocratic elution with B, a linear gradient followed back to 100% A, whereupon the column up to the subsequent separation passage for was re-equilibrated in A for a further 4 min. The flow rate was 2 ml (min) "1. This method enabled the clean separation of neoxanthine, violaxanthin, antheraxanthin, lutein, zeaxanthin, α- and ß-carotene, and chlorophylls a and b. The quantification of these pigments was carried out according to Färber et al. (1997).
6.3. Photometrische Bestimmung der UV-absorbierenden Substanzen (z.B. An- thocvane)6.3. Photometric determination of UV-absorbing substances (e.g. Anthocvane)
Als grobes Maß für die Anthocyangehalte diente die relative Extinktion (% des Wildtyps) ethanolischer Gewebeextrakte bei 284 nm (siehe Garden, 1997), gemessen mit Hilfe eines Uvikon 932-Spektralphotometers (Fa. Kontron, Neuzahm). Bei dieser Wellenlänge wiesen sowohl die Extrakte aus Blättern als auch die aus Stengelepidermen deutliche Absorptionsmaxima auf. Die Extraktion erfolgte wie unter 4.1. beschrieben. 7. Nachweis von Trockensubstanz und StärkeThe relative absorbance (% of the wild type) of ethanolic tissue extracts at 284 nm (see Garden, 1997), measured with the aid of a Uvikon 932 spectrophotometer (from Kontron, Neuzahm), served as a rough measure of the anthocyanin contents. At this wavelength, both the leaf extracts and the stem epidermis showed clear absorption maxima. The extraction was carried out as in 4.1. described. 7. Detection of dry matter and starch
Die relativen Trockengewichte und Stärkegehalte der Knollen wurden wie folgt indirekt über die spezifischen Gewichte der Knollen in Luft (WL) und in Wasser (Ww) ermittelt (Von Scheele et al., 1937).The relative dry weights and starch contents of the tubers were determined indirectly as follows via the specific weights of the tubers in air (W L ) and in water (W w ) (Von Scheele et al., 1937).
Dichte δ = WL (WL -Ww)"1 Density δ = W L (W L -W w ) "1
% Trockensubstanz = (δ - 1 ,0988) x (211 ,04 + 24,182)% Dry matter = (δ - 1, 0988) x (211, 04 + 24.182)
% Stärke = (δ - 1 ,0988) x (199,07 + 17,546)% Strength = (δ - 1, 0988) x (199.07 + 17.546)
8. Herstellung und Färbung von Blattmikrotomschnitten für die Lichtmikroskopie8. Production and staining of leaf microtome sections for light microscopy
Wie für die Untersuchungen zur CO2-Assimilation (siehe 3.1.) wurden, der direkten anatomischen Vergleichbarkeit wegen, nur Blätter ähnlichen Alters und ähnlicher Lichtexposition verwendet. Die Blätter stammten von 10 Wochen alten Pflanzen und zeigten äußerlich keine Anzeichen von Seneszenz. Pro Linie wurden der Spreite von je 4 Blattfiedern verschiedener Pflanzen zentrale Segmente (1 cm Abstand vom Hauptleitstrang) entnommen. Die Herstellung und Färbung der Schnitte folgte der Paraffinmethode (verändert nach Gerlach 1969, persönliche Mitteilung, G. Weis, Universität Göttingen), mit Histosec (Merck) als Einbettmedium und unter Verwendung eines Schlittenmikrotoms (Fa. Leitz, Wetzlar). Safraninrot (Chroma) färbte primär Chloroplasten und Zellkerne, Astrablau (Merck) vornehmlich unverholzte Zellwände und Schleime.As for the studies on CO 2 assimilation (see 3.1.), Only leaves of similar age and similar light exposure were used for direct anatomical comparability. The leaves were from 10 week old plants and showed no external signs of senescence. Central segments (1 cm distance from the main control line) were taken from the blade of 4 leaf leaflets from different plants per line. The production and staining of the sections followed the paraffin method (modified according to Gerlach 1969, personal communication, G. Weis, University of Göttingen), with Histosec (Merck) as an embedding medium and using a slide microtome (from Leitz, Wetzlar). Saffron red (chroma) primarily stained chloroplasts and cell nuclei, Astra blue (Merck) mainly stained cell walls and mucus.
BEISPIELEEXAMPLES
1. Herstellung transgener Pflanzen1. Production of transgenic plants
Die Kodierregion des Phytochrom B aus Arabidopsis thaliana (A.t. phyB) wurde durch die Polymerase Kettenreaktion amplifziert, wobei der cDNA Klon in IEMBL3 (Somers et al., 1991 ) als Matrize diente. Die Primer enthielten Kpnl Schnittstellen. Somit kann A.t. phyB als Kpnl Fragment in geeignete Expressionsvektoren kloniert werden. In dem hier verwendeten Beispiel wurde es unter die Kontrolle des CaMV 35S Promotors (Benfey et al., 1990) gebracht, der zur Expression des Gens in allen Teilen der Pflanze führt. Zur Beendigung der Transkription diente die Polyadenylierungsregion des Nopalin Synthase Gens aus Agrobacterium tu- mefaciens. Gene, bei denen der Promotor, die Kodierregion und das Polyadeny- lierungssignal von verschiedenen Genen stammen, werden als chimäre Gene bezeichnet. Im folgenden wird daher das Konstrukt als chimäres A.t. phyB Gen bezeichnet. Die Techniken zur Herstellung solch rekombinanter DNA sind in Sambrook et al. (1989) beschrieben. Das chimäre A.t. phyB Gen wurde über Agrobacterium tumefaciens vermittelten Gentransfer in Kartoffelpflanzen transformiert (Rocha-Sosa et al., 1985). Transgene Pflanzen, die Phytochrom B aus Arabidopsis thaliana exprimieren, sind an dem Zwergwuchs, der reduzierten Api- kaldominanz, und den dunkelgrüneren Blättern leicht zu erkennen (Abbildung 1 , Zeichnung). Zwei unabhängige Transformanden, im folgenden mit DARA5 und DARA12 abgekürzt, wurden wie folgt charakterisiert.The coding region of Arabidopsis thaliana phytochrome B (At phyB) was amplified by the polymerase chain reaction using the cDNA clone in IEMBL3 (Somers et al., 1991) as a template. The primers contained Kpnl interfaces. At phyB can thus be cloned as a Kpnl fragment into suitable expression vectors. In the example used here, it was brought under the control of the CaMV 35S promoter (Benfey et al., 1990), which is responsible for the expression of the Gene leads in all parts of the plant. The polyadenylation region of the nopaline synthase gene from Agrobacterium tumefaciens served to terminate the transcription. Genes in which the promoter, the coding region and the polyadenylation signal originate from different genes are referred to as chimeric genes. The construct is therefore referred to below as a chimeric At phyB gene. The techniques for producing such recombinant DNA are described in Sambrook et al. (1989). The chimeric At phyB gene was transformed via Agrobacterium tumefaciens-mediated gene transfer in potato plants (Rocha-Sosa et al., 1985). Transgenic plants that express phytochrome B from Arabidopsis thaliana are easily recognized by their dwarfism, reduced apical dominance, and darker green leaves (Figure 1, drawing). Two independent transformants, hereinafter abbreviated to DARA5 and DARA12, were characterized as follows.
Tabelle 1Table 1
Sproßanatomie der transgenen Kartoffellinien DARA5 und DARA12 im Vergleich zur untransformierten Kontrollinie (Wildtyp). Die Sproßhöhe gibt den Abstand zwischen Boden und Apikaimeristem an, die Stengeldurchmesser wurden nach Ernte der oberirdischen Sprosse an der Stengelbasis (1 cm über der Erde) ermittelt. Die Daten stammen von 3,5 Monaten alten aus Knollen gezogenen Gewächshauspflanzen (Juli-Oktober), n = Zahl der Einzelmessungen.Shoot anatomy of the transgenic potato lines DARA5 and DARA12 compared to the untransformed control line (wild type). The shoot height indicates the distance between the soil and the apica bucket, the stem diameters were determined after harvesting the above-ground rung at the stem base (1 cm above the ground). The data come from 3.5-month-old greenhouse plants grown from tubers (July-October), n = number of individual measurements.
TABELLE 1TABLE 1
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2. Bestimmung des Gehaltes an Phytochrom B2. Determination of the content of phytochrome B
Regulatorische Proteine werden in Pflanzen im Gegensatz zu Strukturproteinen nur in geringer Menge exprimiert. Der Nachweis von Phytochromen wird oft im- munologisch unter Verwendung von Antikörpern geführt. Monoklonale Antikörper gegen Phytochrom B aus A. thaliana stehen zur Verfügung (Somers et al., 1991 ). Diese Antikörper erkennen auch das Phytochrom B aus S. tuberosum. Die genaue Durchführung dieses Nachweises ist im Methodenteil beschrieben. Abbildung 2 zeigt das Ergebnis der Western Blot Analyse. Im Vergleich zur untransformierten Kontrolle (Wt) zeigen die Linien DARA5 und DARA12 ein deutlich stärkeres Signal. Die vergleichende Quantifizierung unter Verwendung von Verdünnungsreihen ergab, daß DARA5 ca. fünffach mehr Phytochrom B synthetisiert, DARA12 etwa 12-fach mehr, im Vergleich zur untransformierten Kontrolle (wt).In contrast to structural proteins, regulatory proteins are only expressed in small amounts in plants. The detection of phytochromes is often performed munologically using antibodies. Monoclonal antibodies against phytochrome B from A. thaliana are available (Somers et al., 1991). These antibodies also recognize the phytochrome B from S. tuberosum. The exact implementation of this proof is described in the method section. Figure 2 shows the result of the Western blot analysis. In comparison to the untransformed control (Wt) the lines DARA5 and DARA12 show a significantly stronger signal. The comparative quantification using dilution series showed that DARA5 synthesizes about five times more phytochrome B, DARA12 about 12 times more, compared to the untransformed control (wt).
3. Erhöhung der Photosvntheserate3. Increase in the rate of photosynthesis
Anzuchtsbedingungen sowie die Technik der Messung der Phyotosyntheserate sind im Methodenteil beschrieben. Abbildung 3A und 3B zeigen das Ergebnis der Messungen exemplarisch bei der Pflanze DARA12. Die Photosyntheseleistung von Gewächshauspflanzen (Transgene und Kontrollpflanzen), die 10 Wochen im Gewächshaus angezogen waren, wurde über die Messung der CO2- Assimilationsrate bestimmt. Zunächst wurden die Pflanzen für ein paar Stunden bei einer Lichtstärke von 0.3 mmol Photonen/m2s belassen. Danach wurde Photosyntheseleistung unter 1.5 bis 1.8 mmol Photonen/m2s durch Messung der CO2-Aufnahme analysiert. Bei dieser Messung zeigte die untransformierte Kontrollpflanze eine durchschnittliche CO2-Assimilationsrate von 17,5 mmol/m2s, während die transgene Pflanze (DARA12) mit 22,5 mmol/m2s um 28,5% erhöht war. Rechnet man diese Werte auf die CO2-Assmililationskapazität ganzer Pflanzen um, ergibt sich pro Pflanze eine um ca. 20% erhöhte Leistungsfähigkeit.Cultivation conditions and the technique of measuring the phyotosynthesis rate are described in the method section. Figures 3A and 3B show the result of the measurements as an example for the DARA12 plant. The photosynthetic performance of greenhouse plants (transgenes and control plants) which had been grown in the greenhouse for 10 weeks was determined by measuring the CO 2 assimilation rate. The plants were initially left at a light intensity of 0.3 mmol photons / m 2 s for a few hours. Thereafter, photosynthetic performance under 1.5 to 1.8 mmol photons / m 2 s was analyzed by measuring the CO 2 uptake. In this measurement, the untransformed control plant showed an average CO 2 assimilation rate of 17.5 mmol / m 2 s, while the transgenic plant (DARA12) was increased by 28.5% with 22.5 mmol / m 2 s. If these values are converted to the CO 2 absorption capacity of whole plants, the performance per plant is increased by approx. 20%.
Das in Abbildung 3B gezeigte Diagramm zeigt, daß die Leistungsfähigkeit der Photosynthese bei andauernd starker Lichtintensität, wie es im Sommer bei wolkenlosem Himmel vorkommt, bei den transgenen Pflanzen gegenüber den herkömmlichen Pflanzen um mehr als 30% erhöht ist. Die eben beschriebenen Pflanzen wurden für weitere 5 Stunden bei 1.2 - 1.8 mmol Photonen/m2s gehalten, dann wurde die Photosyntheserate wieder gemessen. Diese war in den un- transformierten Kontrollpflanzen von 17.5 μmol CO2/m2s auf 3 μmol CO2/m2s reduziert, während bei den transgenen Pflanzen die Rate von 22.5 μmol CO2/m2s auf 15 μmol CO2/m s abfiel. Integriert man die Flächen unter beiden Kurven, so ergibt sich eine Verdoppelung der Photosyntheserate der DARA12 Pflanzen im Vergleich zu den nicht transformierten Kontrollpflanzen.The diagram shown in Figure 3B shows that the performance of photosynthesis is increased by more than 30% in the transgenic plants compared to the conventional plants when light intensity is constantly high, as occurs in summer with a clear sky. The plants just described were kept at 1.2-1.8 mmol photons / m 2 s for a further 5 hours, then the photosynthesis rate was measured again. This was in the transformed control plants reduced from 17.5 μmol CO 2 / m 2 s to 3 μmol CO 2 / m 2 s, while in the transgenic plants the rate dropped from 22.5 μmol CO 2 / m 2 s to 15 μmol CO 2 / ms. If the areas under both curves are integrated, the photosynthesis rate of the DARA12 plants is doubled compared to the non-transformed control plants.
Die erhöhte Photosyntheseleistung ist mit folgenden phänotypischen Veränderungen korreliert, durch die sich die transgenen DARA-Pflanzen auszeichnen.The increased photosynthetic performance is correlated with the following phenotypic changes that characterize the transgenic DARA plants.
• Anatomische Veränderungen• Anatomical changes
Die anatomischen Veränderungen der Blätter sind in Tabelle 2 zusammengefaßt. Die Blätter der transgenen Pflanzen sind kleiner und um ca. 15% dicker. Die erhöhte Blattdicke beruht auf einer Verlängerung der Zellen des Palisa- denparenchyms um 50%. Weiterhin zeichnen sie sich durch ein um 60% erhöhtes spezifisches Blattgewicht (g/cm2) aus. Bei annähernd gleicher Gesamtblattfläche aller Linien ist damit auch das Gesamtblattgewicht pro Pflanze um 50% erhöht. Bei Pflanzen, bei denen die Blätter geerntet werden (Luzerne, Salat, Kohl, Tabak) ermöglicht die Überexpression von PhyB eine Ertragssteigerung von 50%.The anatomical changes in the leaves are summarized in Table 2. The leaves of the transgenic plants are smaller and about 15% thicker. The increased leaf thickness is due to an extension of the cells of the palisade parenchyma by 50%. Furthermore, they are characterized by a specific leaf weight (g / cm 2 ) increased by 60%. With approximately the same total leaf area of all lines, the total leaf weight per plant is increased by 50%. In plants from which the leaves are harvested (alfalfa, lettuce, cabbage, tobacco), the overexpression of PhyB enables a yield increase of 50%.
Tabelle 2Table 2
Anatomische Charakterisierung der Blätter der transgenen Kartoffellinien DARA5 und DARA12 im Vergleich zur untransformierten Kontrollinie (Wildtyp). Die Länge der Palisadenparenchymzellen und die Gesamtblattdicke wurden lichtmikroskopisch mit Skalenokular bestimmt. Je Parameter stammen die n Proben von drei verschiedenen, 6-12 Wochen alten Gewächshauspflanzen (April-Juli 1997) (mit Ausnahme der letzten Spalte: 2 verschiedene Pflanzen). k.M. = keine Messungen. TABELLE 2Anatomical characterization of the leaves of the transgenic potato lines DARA5 and DARA12 in comparison to the untransformed control line (wild type). The length of the palisade parenchyma cells and the total leaf thickness were determined with a light microscope using a scale eyepiece. The n samples for each parameter come from three different 6-12 week old greenhouse plants (April-July 1997) (with the exception of the last column: 2 different plants). kM = no measurements. TABLE 2
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• Veränderungen der Pigmentmenge• Changes in the amount of pigment
Tabelle 3 gibt die absoluten und relativen Mengen der photosynthetischen Pigmente in den Blättern der transgenen Kartoffellinie DARA12 im Vergleich zur untransformierten Kontrollinie an. Alle gemessenen Pigmente sind um den gleichen Betrag (ca. 26%) erhöht. Es läßt sich folgern, daß sich die photosynthetischen Zentren der transgenen Linien qualitativ nicht von denen der Kontrollen unterscheiden.Table 3 shows the absolute and relative amounts of the photosynthetic pigments in the leaves of the transgenic potato line DARA12 compared to the untransformed control line. All pigments measured are increased by the same amount (approx. 26%). It can be concluded that the photosynthetic centers of the transgenic lines do not differ qualitatively from those of the controls.
Tabelle 3Table 3
Absolute und relative Mengen photosynthetischer Pigmente in Blättern der transgenen Kartoffellinie DARA12 im Vergleich zur untransformierten Kontrollinie (Wildtyp). Die Daten stammen aus HPLC-Analysen von Blattsegmenten 9 Wochen alter Gewächshauspflanzen. Pro Linie wurden 6 Segmente verschiedener Pflanzen entnommen und in 2 Trenngängen a 3 Segmenten analysiert. Unter Ca- rotinoide (*) fällt die Summe der Mengen an Neoxanthin, Violaxanthin, An- theraxanthin, Lutein, Zeaxanthin, α- und ß-Carotin.Absolute and relative amounts of photosynthetic pigments in leaves of the transgenic potato line DARA12 compared to the untransformed control line (wild type). The data come from HPLC analyzes of leaf segments of 9 week old greenhouse plants. 6 segments of different plants were taken from each line and analyzed in 2 separations of 3 segments each. Carotenoids (*) are the sum of the amounts of neoxanthine, violaxanthin, antheraxanthin, lutein, zeaxanthin, α- and ß-carotene.
Chlorophyll Chlorophyll a/b Carotinoide* Car/Chl a+b a+b (nmol/cm2) (nmol/cm2) (mmol/mol)Chlorophyll Chlorophyll a / b Carotenoids * Car / Chl a + b a + b (nmol / cm 2 ) (nmol / cm 2 ) (mmol / mol)
DARA12 58,6 3,82 26,2 442,3 Wildtyp 46,4 3,96 20,6 446,5 4. Verzögerung der SeneszenzDARA12 58.6 3.82 26.2 442.3 wild type 46.4 3.96 20.6 446.5 4. Delay in senescence
Seneszenz ist phänotypisch an der Vergilbung der Blätter zu erkennen. Diese Symptome treten bei untransformierten Kontrollpflanzen zu einem Zeitpunkt auf, an dem die Pflanzen der Linien DARA12 noch dunkelgrün sind. Somit haben die transgenen Pflanzen die Möglichkeit, über einen längeren Zeitraum die Energie des Sonnenlichts für die Assimilation von Kohlendioxid zu verwenden.Senescence can be recognized phenotypically from the yellowing of the leaves. These symptoms occur in untransformed control plants at a time when the plants of the DARA12 lines are still dark green. Thus, the transgenic plants have the possibility to use the energy of the sunlight for assimilation of carbon dioxide over a longer period of time.
5. Vergrößerung des Wurzelballens5. Enlargement of the root ball
Ein ausgedehntes unterirdisches Sproß-Wurzelsystem ermöglicht eine gute Versorgung der Pflanze mit Wasser und Nährstoffen. Abbildung 4 zeigt die Vergrößerung des Wurzelballens der transgenen DARA-Pflanzen im Vergleich zu untransformierten Kontrollpflanzen.An extensive underground shoot root system enables the plant to be well supplied with water and nutrients. Figure 4 shows the enlargement of the root ball of the transgenic DARA plants compared to untransformed control plants.
6. Erhöhung des Ertrages6. Increase in income
Bei Kartoffelpflanzen ist der Knollenertrag bei der Beurteilung der Leistungsfähigkeit einer Linie entscheidend. Abbildung 4 und Tabelle 4 zeigen, daß DARA Pflanzen bis zu dreimal mehr Knollen bilden. Im Mittel liegt die Ertragssteigerung zwischen 10-40%, wenn die Pflanzen mindestens 5 Monate kultiviert werden. Der Stärkegehalt der Knollen ist mit 15% des Frischgewichts unverändert.For potato plants, the tuber yield is crucial when assessing the performance of a line. Figure 4 and Table 4 show that DARA plants form up to three times more tubers. On average, the yield increase is between 10-40% if the plants are cultivated for at least 5 months. The starch content of the tubers is unchanged at 15% of the fresh weight.
Tabelle 4Table 4
Knollenertrag und Anzahl der Einzelknollen pro Pflanze der transgenen Kartoffellinien DARA5 und DARA12 im Vergleich zur untransformierten Kontrollinie (Wildtyp). Die Pflanzen wurden auf Sterilkultur ausgesetzt und für 6 Monate (November 1996 - April 1997) im Gewächshaus kultiviert. Je Linie wurden die Knollen von 5 Einzelpflanzen ausgewertet. Im Fall der Knollenzahl sind nur Knollen über 1 g berücksichtigt. TABELLE 4Bulb yield and number of individual bulbs per plant of the transgenic potato lines DARA5 and DARA12 compared to the untransformed control line (wild type). The plants were exposed to sterile culture and cultivated in a greenhouse for 6 months (November 1996 - April 1997). The tubers of 5 individual plants were evaluated per line. In the case of the number of tubers, only tubers over 1 g are taken into account. TABLE 4
Ertrag Knollenzahl (g/Pflanze) (n/Pflanze)Yield number of tubers (g / plant) (n / plant)
DARA5 196,7 ± 41 ,5 21 ,5 ± 6,6DARA5 196.7 ± 41, 5 21, 5 ± 6.6
DARA1 164,4 ± 18,7 28,3 ± 5,8 2DARA1 164.4 ± 18.7 28.3 ± 5.8 2
Wildtyp 138,2 ± 23,0 9,6 ± 1 ,9Wild type 138.2 ± 23.0 9.6 ± 1.9
7. Weitere Eigenschaften der DARA-Linien7. Other properties of the DARA lines
Die Pflanzen zeichnen sich weiterhin durch einen bis zu 50% erhöhten An- thocyangehalt aus, der ihnen verbesserten Schutz vor UV-Strahlung gibt.The plants are also characterized by an up to 50% higher antocyanine content, which gives them better protection against UV radiation.
Beschreibung der transgenen Kartoffelpflanzen, die das TypB Phytochrom von Solanum tuberosum in erhöhten Mengen exprimieren.Description of the transgenic potato plants that express the type B phytochrome of Solanum tuberosum in increased amounts.
1. Herstellung transgener Pflanzen1. Production of transgenic plants
Die Kodierregion des Phytochrom B aus Solanum tuberosum (S.t. phyB) wurde durch die Polymerase Kettenreaktion amplifziert, wobei ein cDNA Klon in IZAP2 (Heyer und Gatz, 1992b) als Matrize diente. Die Primer enthielten EcoRV Schnittstellen. Somit kann S.t. phyB als EcoRV Fragment in geeignete Expressionsvektoren kloniert werden. Solanum tuberosum kodiert für zwei phyB Allele (phyB(c) und phyB(g)), die sich in 4 Aminosäuren unterscheiden. Die Sequenzinformationen sind in der Datenbank unter der Hinterlegungsnummer Y14572 S51538 (EMBL, Hinxton Hall, Hinxton, Cambridge, CD10 1SD, U.K) abgelegt. In dem hier verwendeten Beispiel wurden die beiden phyB Allele unter die Kontrolle des CaMV 35S Promotors (Benfey et al., 1990) gebracht, der zur Expression der Gene in allen Teilen der Pflanze führt. Zur Beendigung der Transkription diente die Polyadenylierungsregion des Octopin Synthase Gens aus Agrobacterium tume- faciens. Gene, bei denen der Promotor, die Kodierregion und das Polyadenylie- rungssignal von verschiedenen Genen stammen, werden als chimäre Gene bezeichnet. Im folgenden wird daher die Konstrukte als chimäres S.t. phyB Gene bezeichnet. Die Techniken zur Herstellung solch rekombinanter DNA-Moleküle sind in Sambrook et al. (1989) beschrieben. Die beiden Chimären S.t. phyB Gen wurde über Agrobacterium tumefaciens vermittelten Gentransfer in Kartoffel pflanzen transformiert (Rocha-Sosa et al., 1985). Transgene Pflanzen, die erhöhte Mengen Phytochrom B aus Solanum tuberosum exprimieren, sind phänotypisch an der Vergrößerung des Wurzelballens und der Vergrößerten Knollenanzahl zu erkennen. (Abbildung 5, Tabelle 5). Pflanzen, die das phyB(c) Allel in überexprimieren, werden als DS Pflanzen bezeichnet, Pflanzen, die das phyB(g) Allel überexprimieren, werden als DPOT Pflanzen bezeichnet. Von jeder Linie wurden jeweils zwei Pflanzen genauer charakterisiert (DS13 und DS23; DPOT1 und DPOT9).The coding region of phytochrome B from Solanum tuberosum (St phyB) was amplified by the polymerase chain reaction using a cDNA clone in IZAP2 (Heyer and Gatz, 1992b) as a template. The primers contained EcoRV interfaces. St phyB can thus be cloned as an EcoRV fragment into suitable expression vectors. Solanum tuberosum codes for two phyB alleles (phyB (c) and phyB (g)), which differ in 4 amino acids. The sequence information is stored in the database under the deposit number Y14572 S51538 (EMBL, Hinxton Hall, Hinxton, Cambridge, CD10 1SD, UK). In the example used here, the two phyB alleles were brought under the control of the CaMV 35S promoter (Benfey et al., 1990), which leads to the expression of the genes in all parts of the plant. The polyadenylation region of the octopine synthase gene from Agrobacterium tume faciens served to terminate the transcription. Genes in which the promoter, coding region and polyadenylly tion signal from different genes are referred to as chimeric genes. The constructs are therefore referred to below as chimeric St phyB genes. The techniques for producing such recombinant DNA molecules are described in Sambrook et al. (1989). The two chimeric St phyB gene was transformed via Agrobacterium tumefaciens-mediated gene transfer into potato plants (Rocha-Sosa et al., 1985). Transgenic plants that express increased amounts of phytochrome B from Solanum tuberosum can be identified phenotypically by the enlargement of the root ball and the increased number of tubers. (Figure 5, Table 5). Plants that overexpress the phyB (c) allele are referred to as DS plants, plants that overexpress the phyB (g) allele are referred to as DPOT plants. Two plants from each line were characterized more precisely (DS13 and DS23; DPOT1 and DPOT9).
2. Bestimmung des Gehaltes an Phytochrom B2. Determination of the content of phytochrome B
Regulatorische Proteine werden in Pflanzen im Gegensatz zu Strukturproteinen nur in geringer Menge exprimiert. Der Nachweis von Phytochromen wird oft immunologisch unter Verwendung von Antikörpern geführt. Monoklonale Antikörper gegen Phytochrom B aus A. thaliana stehen zur Verfügung (Somers et al., 1991 ). Diese Antikörper erkennen auch das Phytochrom B aus S. tuberosum. Weiterhin steht ein polyklonales Serum zur Verfügung, das durch Immunisierung von Kaninchen mit PhyB aus S. tuberosum gewonnen wurde. Die genaue Durchführung dieses Nachweises ist im Methodenteil beschrieben. Abbildung 6 zeigt das Ergebnis der Western Blot Analyse. Die vergleichende Quantifizierung unter Verwendung von Verdünnungsreihen ergab, daß die Linien DS15 im Vergleich zur untransformierten Kontrolle (Wt) eine 12-fach erhöhte Phytochrommenge zeigt. Die drei anderen Linien waren in ihrem Phytochrom B Gehalt im Vergleich zur untransformierten Kontrollpflanze um den Faktor 5 erhöht. 3. Phänotvpische CharakterisierungIn contrast to structural proteins, regulatory proteins are only expressed in small amounts in plants. The detection of phytochromes is often carried out immunologically using antibodies. Monoclonal antibodies against phytochrome B from A. thaliana are available (Somers et al., 1991). These antibodies also recognize the phytochrome B from S. tuberosum. A polyclonal serum is also available, which was obtained from S. tuberosum by immunizing rabbits with PhyB. The exact implementation of this proof is described in the method section. Figure 6 shows the result of the Western blot analysis. The comparative quantification using dilution series showed that the lines DS15 show a 12-fold increase in the amount of phytochrome compared to the untransformed control (Wt). The three other lines were increased by a factor of 5 in their phytochrome B content compared to the untransformed control plant. 3. Phenotypic characterization
Die oberirdischen Organe (Stengel, Blatt) der Pflanzen der DS und der DPOT Linien zeigen keine Veränderungen zu untransformierten Kontrollpflanzen. Blattanatomie, Photosyntheserate und Seneszenzeigenschaften sind unverändert.The above-ground organs (stem, leaf) of the plants of the DS and the DPOT lines show no changes to untransformed control plants. Leaf anatomy, photosynthesis rate and senescence properties are unchanged.
Allerdings sind die unterirdischen Organe (Sproß, Wurzel, Knollen) stärker ausgebildet (Abbildung 5). Tabelle 5 dokumentiert, daß die Knollenanzahl um den Faktor 2 bis 3 erhöht ist, der Ertrag ist etwa um 10-40% gesteigert, wenn die Pflanzen mindestens 5 Monate kultiviert werden.However, the underground organs (shoot, root, tubers) are more developed (Figure 5). Table 5 documents that the number of tubers is increased by a factor of 2 to 3, the yield is increased by about 10-40% if the plants are cultivated for at least 5 months.
Tabelle 5Table 5
Knollenertrag und Anzahl der Einzelknollen pro Pflanze der transgenen Kartoffellinien DPOT1 , DPOT9, DS13 und DS23 im Vergleich zur untransformierten Kontrollinie (Wildtyp). Die Pflanzen wurden aus Sterilkultur ausgesetzt und für 6 Monate (November 1996 - April 1997) im Gewächshaus kultiviert. Je Linie wurden die Knollen von 5 Einzelpflanzen (nur DPOT9: 4 Einzelpflanzen) ausgewertet. Im Fall der Knollenzahl sind nur Knollen über 1 g berücksichtigt.Bulb yield and number of individual bulbs per plant of the transgenic potato lines DPOT1, DPOT9, DS13 and DS23 compared to the untransformed control line (wild type). The plants were exposed to sterile culture and cultivated in a greenhouse for 6 months (November 1996 - April 1997). The tubers of 5 individual plants (only DPOT9: 4 individual plants) were evaluated per line. In the case of the number of tubers, only tubers over 1 g are taken into account.
TABELLE 5TABLE 5
Ertrag Knollenzahl (g/Pflanze) (n/Pflanze)Yield number of tubers (g / plant) (n / plant)
DPOT1 176,7 ± 47,3 19,0 ± 7,0DPOT1 176.7 ± 47.3 19.0 ± 7.0
DPOT9 147,2 ± 75,9 17,2 ± 9,1DPOT9 147.2 ± 75.9 17.2 ± 9.1
DS13 186,5 ± 32,0 27,0 ± 12,0DS13 186.5 ± 32.0 27.0 ± 12.0
DS23 196,5 ± 46,6 20,3 ± 9,1DS23 196.5 ± 46.6 20.3 ± 9.1
Wildtyp 138,2 ± 23,0 9,6 ± 1 ,9Wild type 138.2 ± 23.0 9.6 ± 1.9
Diese Versuche zeigen, daß das Gen aus Solanum tuberosum nach Einbringen in Kartoffel ebenfalls deren Eigenschaften verbessern kann, obwohl es eine geringere Anzahl an Merkmalen verbessert als das Gen aus Arabidopsis thaliana. LITERATURVERZEICHNISThese experiments show that the gene from Solanum tuberosum can also improve their properties after introduction into potatoes, although it improves a smaller number of traits than the gene from Arabidopsis thaliana. BIBLIOGRAPHY
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Somers DE, Quail PH (1991 ) Phytochrome-mediated light regulation of PHYA and PHYB-GUS transgenes in Arabidopsis thaliana. Plant Physiol 107, 523-534Somers DE, Quail PH (1991) Phytochrome-mediated light regulation of PHYA and PHYB-GUS transgenes in Arabidopsis thaliana. Plant Physiol 107, 523-534
Thiele A, Schirwitz K, Winter K, Krause GH (1996) Increased xanthophyll cycle activity and reduced D1 protein inactviation related to photoinhibifion in two plant Systems acclimated to excess light. Plant Science 115, 237-250Thiele A, Schirwitz K, Winter K, Krause GH (1996) Increased xanthophyll cycle activity and reduced D1 protein inactviation related to photoinhibifion in two plant Systems acclimated to excess light. Plant Science 115, 237-250
Van Tuinen A, Kerckhoffs LHJ, Nagatani A, Kendrick RE, Koorneef M (1995b) A temporarily red light-sensitive mutant of tomato lacks a light-stable, B-like phytochrome. Plant Physiol 108, 939-947Van Tuinen A, Kerckhoffs LHJ, Nagatani A, Kendrick RE, Koorneef M (1995b) A temporarily red light-sensitive mutant of tomato lacks a light-stable, B-like phytochrome. Plant Physiol 108, 939-947
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Wagner D, Tepperman JM, Quail PH (1991 ) Overexpression of phytochrome B induces a Short hypocotyl phenotype in transgenic Arabidopsis. Plant Cell 3, 1275-1288 Wagner D, Tepperman JM, Quail PH (1991) Overexpression of phytochrome B induces a Short hypocotyl phenotype in transgenic Arabidopsis. Plant Cell 3, 1275-1288
SEQUENZPROTOKOLLSEQUENCE LOG
(1) ALLGEMEINE ANGABEN:(1. GENERAL INFORMATION:
(i) ANMELDER:(i) APPLICANT:
(A) NAME: KWS Kleinwanzlebener Saatzucht AG(A) NAME: KWS Kleinwanzlebener Saatzucht AG
(B) STRASSE: Postfach 1463(B) ROAD: PO Box 1463
(C) ORT: Einbeck(C) LOCATION: Einbeck
(E) LAND: Deutschland(E) COUNTRY: Germany
(F) POSTLEITZAHL: 37555(F) POSTAL NUMBER: 37555
(ii) BEZEICHNUNG DER ERFINDUNG: Pflanzen mit erhoehter Phytochromexpression (iii) ANZAHL DER SEQUENZEN: 2(ii) DESCRIPTION OF THE INVENTION: Plants with increased phytochrome expression (iii) NUMBER OF SEQUENCES: 2
(iv) COMPUTER-LESBARE FASSUNG:(iv) COMPUTER READABLE VERSION:
(A) DATENTRÄGER: Floppy disk(A) DISK: Floppy disk
(B) COMPUTER: IBM PC compatible(B) COMPUTER: IBM PC compatible
(C) BETRIEBSSYSTEM: PC-DOS/MS-DOS(C) OPERATING SYSTEM: PC-DOS / MS-DOS
(D) SOFTWARE: Pateπtln Release #1.0, Version #1.30 (EPA)(D) SOFTWARE: Pateπtln Release # 1.0, Version # 1.30 (EPA)
(2) ANGABEN ZU SEQ ID NO: 1:(2) INFORMATION ON SEQ ID NO: 1:
(i) SΞQUENZKENNZEICHEN:(i) SEQUENCE LABEL:
(A) LÄNGE: 40 Aminosäuren(A) LENGTH: 40 amino acids
(B) ART: Aminosäure(B) TYPE: amino acid
(C) STRANGFORM:(C) STRAND FORM:
(D) TOPOLOGIE: linear(D) TOPOLOGY: linear
(ii) ART DES MOLEKÜLS: Peptid(ii) MOLECULE TYPE: Peptide
(xi) SEQUENZBESCHREIBUNG: SEQ ID NO: 1 :(xi) SEQUENCE DESCRIPTION: SEQ ID NO: 1:
Met Val Ser Gly Val Gly Gly Ser Gly Gly Gly Arg Gly Gly Gly Arg 1 5 10 15Met Val Ser Gly Val Gly Gly Ser Gly Gly Gly Arg Gly Gly Gly Arg 1 5 10 15
Gly Gly Glu Glu Glu Pro Ser Ser Ser His Thr Pro Asn Asn Arg Arg 20 25 30Gly Gly Glu Glu Glu Pro Ser Ser Ser His Thr Pro Asn Asn Arg Arg 20 25 30
Gly Gly Glu Gin Ala Gin Ser Ser 35 40Gly Gly Glu Gin Ala Gin Ser Ser 35 40
(2) ANGABEN ZU SEQ ID NO: 2:(2) INFORMATION ON SEQ ID NO: 2:
(i) SEQUENZKENNZEICHEN:(i) SEQUENCE LABEL:
(A) LÄNGE: 19 Aminosäuren(A) LENGTH: 19 amino acids
(B) ART: Aminosäure(B) TYPE: amino acid
(C) STRANGFORM:(C) STRAND FORM:
(D) TOPOLOGIE: linear(D) TOPOLOGY: linear
(ii) ART DES MOLEKÜLS: Peptid(ii) MOLECULE TYPE: Peptide
(xi) SEQUENZBESCHREIBUNG: SEQ ID NO: 2: Met Ala Ser Gly Ser Arg Thr Lys His Ser His His Ser Ser Gin Ala 1 5 10 15(xi) SEQUENCE DESCRIPTION: SEQ ID NO: 2: Met Ala Ser Gly Ser Arg Thr Lys His Ser His His Ser Ser Gin Ala 1 5 10 15
Gin Ser Ser Gin Ser Ser

Claims

Patentansprüche claims
1. Pflanze, dadurch gekennzeichnet, daß sie Phytochrom überexprimiert.1. Plant, characterized in that it overexpresses phytochrome.
2. Pflanze gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß sie Phytochrom-B überexprimiert.2. Plant according to claim 1, characterized in that it overexpresses phytochrome-B.
3. Pflanze gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überexpression durch Einführung eines Phytochromgens in die Pflanze und/oder Phyto- chromgenaktivierung ausgelöst wird.3. Plant according to claim 1 or 2, characterized in that the overexpression is triggered by the introduction of a phytochrome gene into the plant and / or phytochromic gene activation.
4. Pflanze gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überexpression durch Einführung des Phytochrom-B-Gens in die Pflanze und/oder dessen Aktivierung ausgelöst wird.4. Plant according to one of claims 1 to 3, characterized in that the overexpression is triggered by the introduction of the phytochrome B gene into the plant and / or its activation.
5. Pflanze gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Phytochrom-B- Gen aus der Familie der Solanaceae oder Cruciferae stammt.5. Plant according to claim 4, characterized in that the phytochrome B gene comes from the family of the Solanaceae or Cruciferae.
6. Pflanze gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Phytochrom-B- Gen aus Arabidopsis thaliana stammt.6. Plant according to claim 5, characterized in that the phytochrome B gene comes from Arabidopsis thaliana.
7. Pflanze gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine monokotyledone Pflanze ist.7. Plant according to one or more of the preceding claims, characterized in that it is a monocot plant.
8. Pflanze gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Mais, Weizen, Hirse, Hafer, Reis, Gerste, Sorghum, Amaranth, Zwiebel, Spargel und Zuckerrohr.8. Plant according to claim 7, characterized in that it is selected from the group consisting of corn, wheat, millet, oats, rice, barley, sorghum, amaranth, onion, asparagus and sugar cane.
9. Pflanze gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß es eine dikotyledone Pflanze ist.9. Plant according to one or more of the preceding claims 1-5, characterized in that it is a dicot plant.
10. Pflanze gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Alfalfa, Sojabohne, Petunien, Baumwolle, Zuckerrübe, Sonnenblume, Karotte, Sellerie, Kohl, Gurke, Pfeffer, Canola, Tomate, Kartoffel, Linse, Flachs, Brokkoli, Tabak, Bohne, Salat, Raps, Blumenkohl, Spinat, Rosenkohl, Artischocken, Erbse, Okra, Kürbis, Grünkohl, collard green, Tee und Kaffee.10. Plant according to claim 9, characterized in that it is selected from the group consisting of alfalfa, soybean, petunias, cotton, sugar beet, sunflower, carrot, celery, cabbage, cucumber, pepper, canola, tomato, potato, Lentil, flax, broccoli, tobacco, bean, lettuce, rapeseed, cauliflower, spinach, Brussels sprouts, artichokes, peas, okra, pumpkin, kale, collard green, tea and coffee.
11. Pflanze gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Zierpflanze ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Geranien, Nelken, Orchideen, Rosen, impatiens, Petunien, Begonien, Fuchsien, Dotterblumen, Chrysanthemen, Gladiolen, Astromeria, Salbei, Veronica, Gänseblümchen und Iris.11. Plant according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that it is an ornamental plant selected from the group consisting of geraniums, carnations, orchids, roses, impatiens, petunias, begonias, fuchsias, yolk flowers, chrysanthemums, gladioli , Astromeria, sage, veronica, daisies and iris.
12. Pflanze gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pflanze die Kartoffel, eine Zuckerrübe oder eine Maispflanze ist.12. Plant according to claim 10, characterized in that the plant is the potato, a sugar beet or a corn plant.
13. Pflanze gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der N-Terminus der durch das Phytochrom-Gen kodierten Aminosäuresequenz hydrophob ist.13. Plant according to one or more of the preceding claims, characterized in that the N-terminus of the amino acid sequence encoded by the phytochrome gene is hydrophobic.
14. Pflanze gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der N-Terminus der durch das Phytochrom-Gen kodierten Aminosäuresequenz glycin- und/oder alanin- reich ist.14. Plant according to claim 13, characterized in that the N-terminus of the amino acid sequence encoded by the phytochrome gene is rich in glycine and / or alanine.
15. Pflanze gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der N-Terminus der durch das Phytochrom-Gen kodierten Aminosäuresequenz die folgende Sequenz umfaßt:15. Plant according to claim 13, characterized in that the N-terminus of the amino acid sequence encoded by the phytochrome gene comprises the following sequence:
MVSGVGGSGGGRGGGRGGEEEPSSSHTPNNRRGGEQAQSS (Seq.lD Nr.1)MVSGVGGSGGGRGGGRGGEEEPSSSHTPNNRRGGEQAQSS (Seq.lD Nr.1)
16. Pflanzenteile, Samen und/oder Zellen einer Pflanze nach einem der Ansprüche 1 bis 15.16. Plant parts, seeds and / or cells of a plant according to one of claims 1 to 15.
17. Verwendung eines oder mehrerer Phytochrom-Gene für die Herstellung der Pflanzen gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 und/oder der Pflanzenteile, Samen und/oder Zellen gemäß Anspruch 16. 17. Use of one or more phytochrome genes for the production of the plants according to one or more of claims 1 to 15 and / or the plant parts, seeds and / or cells according to claim 16.
18. Verwendung einer Pflanze gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 und/oder der Pflanzenteile, Samen und/oder Zellen gemäß Anspruch 16 für die Erzeugung von Pflanzen mit erhöhter Syntheserate.18. Use of a plant according to one or more of claims 1 to 15 and / or the plant parts, seeds and / or cells according to claim 16 for the production of plants with an increased rate of synthesis.
19. Verwendung einer Pflanze gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 und/oder der Pflanzenteile, Samen und/oder Zellen gemäß Anspruch 16 für die Erzeugung von Pflanzen mit erhöhter Resistenz gegen Sonnenbestrahlung.19. Use of a plant according to one or more of claims 1 to 15 and / or the plant parts, seeds and / or cells according to claim 16 for the production of plants with increased resistance to solar radiation.
20. Verwendung einer Pflanze gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 und/oder der Pflanzenteile, Samen und/oder Zellen gemäß Anspruch 16 für die Erzeugung von Pflanzen mit verzögerter Seneszenz.20. Use of a plant according to one or more of claims 1 to 15 and / or the plant parts, seeds and / or cells according to claim 16 for the production of plants with delayed senescence.
21. Verwendung einer Pflanze gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 und/oder der Pflanzenteile, Samen und/oder Zellen gemäß Anspruch 16 für die Erzeugung von Pflanzen mit einem stärker ausgeprägten Wurzelballen.21. Use of a plant according to one or more of claims 1 to 15 and / or the plant parts, seeds and / or cells according to claim 16 for the production of plants with a more pronounced root ball.
22. Verwendung einer Pflanze gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 und/oder der Pflanzenteile, Samen und/oder Zellen gemäß Anspruch 16 für die Erzeugung von Pflanzen mit erhöhtem Knollenertrag.22. Use of a plant according to one or more of claims 1 to 15 and / or the plant parts, seeds and / or cells according to claim 16 for the production of plants with increased tuber yield.
23. Verwendung einer Pflanze gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 und/oder der Pflanzenteile, Samen und/oder Zellen gemäß Anspruch 16 für die Erzeugung von Pflanzen mit verbessertem Harvest Index.23. Use of a plant according to one or more of claims 1 to 15 and / or the plant parts, seeds and / or cells according to claim 16 for the production of plants with an improved harvest index.
24. Verwendung einer Pflanze gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 15 oder eine Pflanzenteils, Samens und/oder einer Zelle gemäß Anspruch 16 für die Bekämpfung der weißen Fliege.24. Use of a plant according to one or more of the preceding claims 1 to 15 or a plant part, seed and / or a cell according to claim 16 for controlling the whitefly.
25. Verwendung einer Pflanze gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 oder eines Pflanzenteils, Samens und/oder einer Zeile gemäß Anspruch 16 für die Erzeugung gegen Sonnenbestrahlung resistenter Pflanzen. 25. Use of a plant according to one or more of claims 1 to 15 or of a plant part, seed and / or a line according to claim 16 for the production of plants resistant to solar radiation.
26. Verfahren zur Erzeugung einer Pflanze gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 oder von Pflanzenteilen, Samen und/oder Zellen gemäß Anspruch 16, umfassend den Schritt:26. A method for producing a plant according to one or more of claims 1 to 15 or of plant parts, seeds and / or cells according to claim 16, comprising the step:
- Einbringen eines Phytochrom-Gens, wie in einem der Ansprüche 1 bis 15 angegeben, in die Pflanze und/oder Aktivierung eines Phytochromgens in der Pflanze.- Introducing a phytochrome gene as specified in one of claims 1 to 15 into the plant and / or activating a phytochrome gene in the plant.
27. Konstrukt, enthaltend ein Phytochrom-Gen, das für eine Aminosäuresequenz kodiert, deren N-Terminus hydrophob ist.27. Construct containing a phytochrome gene which codes for an amino acid sequence whose N-terminus is hydrophobic.
28. Konstrukt, enthaltend ein Phytochrom-Gen, das für eine Aminosäuresequenz kodiert, deren N-Terminus glycinreich ist.28. Construct containing a phytochrome gene which codes for an amino acid sequence whose N-terminus is rich in glycine.
29. Konstrukt nach Anspruch 28, enthaltend ein Phytochrom-Gen, das für eine Aminosäuresequenz kodiert, deren N-Terminus die folgende Sequenz umfaßt:29. Construct according to claim 28, containing a phytochrome gene which codes for an amino acid sequence whose N-terminus comprises the following sequence:
MVSGVGGSGGGRGGGRGGEEEPSSSHTPNNRRGGEQAQSS (Seq.lD Nr.1)MVSGVGGSGGGRGGGRGGEEEPSSSHTPNNRRGGEQAQSS (Seq.lD Nr.1)
30. Pflanze, enthaltend ein Konstrukt nach einem der Ansprüche 27 bis 29. 30. Plant containing a construct according to one of claims 27 to 29.
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DE10022362A1 (en) Method for finding modulators of enzymes in the carotenoid biosynthetic pathway

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