WO2001073084A2 - Methods for rapidly producing transgenic monocotyledonous plants - Google Patents

Methods for rapidly producing transgenic monocotyledonous plants Download PDF

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Institut Für Pflanzengenetik Und Kulturpflanzenforschung (Ipk)
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    • C12N15/8209Selection, visualisation of transformants, reporter constructs, e.g. antibiotic resistance markers

Definitions

  • the invention relates to a method for producing transgenic, fertile, monocotyledonous plants.
  • Protoplast methods have been widely used for rice, with DNA being transferred into protoplasts by liposomes, PEG and electroporation.
  • a large number of transgenic plants have been grown in various laboratories (Shimamoto et al. (1989); Datta et al. Bio / Technology 8, 736-740 (1990)), but the protoplast method requires the long-term establishment of embryogenic suspension cultures.
  • Some regenerations of protoplast cultures are sterile and phenotypically abnormal due to long-term suspension culture (Davey et al. J Exp. Bot. 42, 1129-1169 (1991); Rhodes et al. Science 240, 204-207 (1988)).
  • the particle bombardment or _4grob ⁇ 2ctertwm-mediated transmission methods have used calli induced by immature explants as targets.
  • calli induced by immature explants After particle bombardment are transgenic Plants of rice, barley, wheat and rye have been described (Christou et al. Bio / Technology 9, 957-962 (1991); Gordon-Kamm et al. Plant Cell 2, 603-6128 (1990); Somers et al. Bio / Technology 10, 1589-1594 (1992), Wan et al. Plant Physiol. 104, 37-48 (1994), Vasil et al. (1992), Castillo et al.
  • transgenic rye plants In addition, the fact that only two independent transgenic plants were created from a single experiment means that it must be an initial report on transgenic rye plants and not a reproducible process. In fact, no further reports on transgenic rye plants have been published since 1994. This level of reproducibility is certainly too low for genetic studies and for economic applications. The efficiency of the described method was also very low, since 1383 explants were required to produce 2 transgenic rye plants.
  • Selectable marker genes are known to be used to identify transgenic events during the in-vitro process of plant transformation, but are unrelated to crop improvement and are therefore not required once the transgenic plant has been produced.
  • Selectable group I marker genes encode, for example, herbicide or antibiotic resistance and therefore allow selection pressure to be exerted by means of an appropriate cytotoxic selective agent in order to suppress cell division and plant regeneration in non-transformed tissue (Veiten and Schell Nucleic Acid Res. 13, 6981-6987 (1985)).
  • a second group of selectable markers supports the growth and regeneration of transformed cells under special culture conditions, for example phosphomannose isomerase or IPT (Joersbo et al. Physiol. Plant. 105, 109 - 1 1 (1999); Ebinuma et al. 94, 2117-2121 (1997)). If selectable markers remain in transgenic plants, their gene products must be analyzed for their effects on biosafety and the environment.
  • transformation systems In order to reduce the risks and problems associated with selectable markers, transformation systems have been developed which allow the marker genes to be eliminated after the transformation.
  • marker genes and useful transgenes are inserted into the plant genome as unlinked fragments, and if they get into uncoupled gene loci, they can be separated into cleaving sexual offspring.
  • the overall efficiency for the generation of the desired marker gene-free but useful transgene-carrying events is reduced compared to the generation of useful transgene-carrying events while maintaining the marker genes. This reduced efficiency is the result of low cotransformation rates and frequent integration of different plasmids at coupled gene loci without their segregation in the subsequent generation (McKnight et al. Plant Mol. Biol.
  • Agrobacterium-mediated transformation methods are also known. Such processes have been used principally in dicotyledonous plants. .4grob ⁇ cterz ⁇ .w -mediated transformation in dicotyledons facilitates the transfer of larger pieces of heterologous nucleic acids compared to other transformation methods, such as particle bombardment, electroporation, polyethylene glycol-mediated transformation processes and the like. In addition, it seems Transformation rarely generates genre combination and rather results in the integration of a small number of gene copies in the plant chromosome.
  • Monocots are not a natural host of Agrobacterium. Although roughly mediated transformation for asparagus (Bytebier B., et al. Proc. Ntl. Acad. Sei. USA 84: 5354-5349, 1987) and for Dioscora bublifera (Schafer et al. Nature 327: 529-532, 1987) was published, it was generally accepted that plants of the Gramineae family cannot be transformed with Agrobacterium (Potrykus I. Biotechnology 8: 545-543, 1990).
  • Monocot plants are generally less receptive than dicotyledons in terms of Agrobacterium-mediated transformation, and thus have become largely direct DNA transfer method used for the transformation of monocots.
  • Direct DNA transfer methods include the uptake of pure DNA stimulated by polyethylene glycol or electroporation and the transformation using the particle gun.
  • Agrobacterium-mediated gene transfer usually results in the insertion of a discrete, non-recombinant DNA segment into the host genome, and thus it would be desirable to develop methods for Agrobacterium-mediated transformation of monocotyledons.
  • monocotyledons are considered to be relatively difficult to transform with Agrobacterium, there are various reports of gene transfer in monocotyledons with Agrobacterium -mediated transformation (Boulton et al. (1989) Plant Mol. Biol. 12:31; Chan et al. (1992) Plant Cell Physiol. 33: 577, Gould et al. (1991) Plant Physiol. 95: 426; Graves et al. (1986) Plant Mol. Biol.
  • Tissue culture is obtained by culturing an explant for more than seven days on a dedifferentiation medium.
  • the prolonged cultivation process in this method has the disadvantage that the risk of undesirable properties is increased.
  • the present invention is therefore based on the object of developing an efficient, rapid and simple method for producing transgenic plants.
  • the occurrence of somaclonal variation during tissue culture should be reduced in order to obtain as many regenerated plants as possible per explant.
  • the immature embryos were cocultivated with Agrobacterium in one variant.
  • the phase of undifferentiated tissue growth after gene transfer was minimized.
  • a marker-gene-free and selection-agent-free process was developed for plant species which are "unruly" with regard to tissue culture, such as Monocotyledons, preferred for rye, barley and wheat, since avoiding the use of selection agents allows the transgenic tissue cultures to grow and regenerate.
  • transgenic plants can be regenerated in addition to non-transgenic plants from tissue cultures after gene transfer, and these transgenic plants can be used during the in vitro phase Have the DNA analysis separated from the non-transgenic regenerated plants.
  • the method is intended to preserve other important features such as, in particular, the ability of the tissues to regenerate into plants and the reproductive and productivity of the transformation events.
  • the method should have a reproducibly high transformation efficiency and be applicable to a wide range of genotypes.
  • the main variant 1 is characterized by a significant reduction in the mutagenic tissue culture phase, which is necessary for the production of transgenic monocotyledonous plants. This is achieved by introducing the foreign DNA by coculturing a freshly explanted immature embryo with Agrobacterium, which contains a plasmid with a heterologous nucleic acid, without prior exploration of the explants on a callus-inducing culture medium.
  • the main variant 2 aims at a tissue culture phase that is as short as possible, which follows the biolistic or Agrobacterium vQvmittQhen gene transfer into immature explants or the calli induced therefrom and is required for the production of transgenic monocotyledonous plants. This is achieved in that no selection is used during this phase and only the formation of the first somatic embryos is awaited, which takes place in a few days to weeks after the gene transfer.
  • the successful transformation events are preferably selected during the regeneration phase of the monocotyledonous plants, specifically during the development of shoot primordia into shoots.
  • the main variant 3 consists in the introduction of foreign DNA without marker genes into plant tissue, culture of the plant tissue without the addition of selection agents, regeneration of plants from the aforementioned plant tissue without addition of selection agents, DNA analysis of the regenerated plants formed and selection of the transgenic plants.
  • foreign DNA is introduced into regenerable plant tissue, and any type of foreign DNA can be introduced into plant species.
  • foreign DNA is any type of DNA that is introduced into plant cells from the outside. Methods to introduce this DNA into plant cells are known to those skilled in the art, such as particle bombardment using a device described in US Pat. 5,179,022.
  • the type of DNA included in foreign DNA includes DNA that is already present in the plant cell, DNA from another plant, DNA from another organism, or externally generated DNA, such as DNA sequences, that have an antisense message from a plant gene contain, or DNA sequences containing a synthetic version of a gene in which the nucleotide sequence has been modified.
  • the first step of the present invention is to isolate regenerable tissue from a plant.
  • Any regenerable plant tissue can be used in accordance with the present invention.
  • a tissue that can be regenerated into a differentiated plant after the introduction of foreign DNA is usually referred to as regenerable plant tissue.
  • regenerable plant tissue is usually immature or mature zygotic embryos or calli induced from these tissues (Altpeter et al. Plant Cell Rep. 16, 12-17 (1996)).
  • an immature plant embryo is used as the target tissue for the gene transfer without prior culture.
  • Immature embryos can be created using known methods in the art. For example, the production of immature wheat embryos by Vasil et al. (1993) and the production of immature rye embryos by Castillo et al. (1994).
  • calli are used as regenerable target tissues for gene transfer.
  • the preferred calli are embryogenic calli, which are produced by immature embryos through a short, maximum seven-day culture phase. Such calli can be obtained by isolating and cultivating immature embryos on a nutrient medium Carbohydrates and plant growth regulators are produced. Callus generating media are well known in the art and any culture medium or preparation method can be used.
  • the second step of the process is the introduction of foreign DNA into the plant tissue.
  • This process is referred to here as transformation.
  • Any method can be used to introduce foreign DNA into regenerable plant tissue. Such methods include particle bombardment (Weeks et al, (2993)); Vasil et al., (1992)), -4grob ⁇ cterz ' w / w transformation (Chan et al., Plant Mol. Biol. 22, 491-506 (1993)), electroporation of regenerable tissue (Shillito et al., Bio / Technology 3, 1099-1103 (1985)), silicon carbide fiber-mediated gene transmission (Dalton et al, Plant Sei. 132, 31 - 43 (1999)) and protoplast-mediated gene transmission (Shimamoto et al, (1989), Datta et al . (1990)) a.
  • the regenerable tissue is preferably transformed using Agrobacterium or the particle bombardment method. Immature embryos without preculture are preferred. After the gene transfer, callus is induced by the explant.
  • the regenerable tissue is kept for a short period after the introduction of the foreign DNA, e.g. the particle bombardment or the coarse ⁇ cte ⁇ ww-mediated gene transfer.
  • the nutrient medium used for this growth period contains no selection agent and this nutrient medium leads to undifferentiated cell growth and prepares the subsequent plant regeneration.
  • This cultivation period is kept short and is up to six weeks, preferably it does not last longer than about four weeks and ideally not longer than 7-17 days. A longer period of undifferentiated growth is not required in the present invention.
  • the regenerable plant tissue is transferred into a shoot induction medium which induces the regeneration of plants from the tissue, the shoot induction medium used for the regeneration preferably containing no selection agent.
  • the shoot induction medium used for the regeneration preferably containing no selection agent.
  • the shoot induction medium used for this step can be any medium that enables the formation of shoots from regenerable tissue.
  • a preferred shoot induction medium is free from plant growth regulators for shoot and root formation from regenerable tissue (for example a medium according to Weeks et al, 1993).
  • the regenerable plant tissue is transferred into this medium as quickly as possible after the transformation.
  • the regeneration of the shoot is preferably carried out via somatic embryogenesis. This is preferably done between one day and 6 weeks, preferably not later than 4 weeks, ideally not later than 7 to 17 days after the introduction of the foreign DNA.
  • the polymerase chain reaction was preferably used to identify transgenic plants which were transformed via the biolistic gene transfer. Plants over Gene transfer were preferably identified using ELISA (Enzyme Linked Immunosorbent Assay). Transgenic plants can be identified before or after the plants are transferred to soil culture. DNA analysis is preferably carried out during the in v / tro culture of the transgenic plants, which avoids the laborious transfer of numerous non-transgenic plants into soil.
  • the plants can then be transferred into earth culture and further cultivated according to the prior art until seed formation.
  • the main variant 1 of the invention relates to the transformation of rye (secale cereale L.) with stable expression of the transgene according to the invention with Agrobacterium as a gene transfer system consisting of the cocultivation of a freshly obtained rye explant or a callus induced by a rye exploration with Agrobacterium containing a plasmid a heterologous nucleic acid. Immature embryos are preferably used as explants.
  • the method consists of contacting at least one immature embryo or an explant-induced callus of a rye plant with Agrobacterium, which is suitable for transferring at least one gene into cells of the embryo or cells of the explant-induced callus.
  • the embryo or the callus induced by the explant is then cocultivated with Agrobacterium.
  • the embryos or explant-induced callus are then cultured in a medium that promotes callus formation with the addition of an antibiotic in concentrations that are suitable for stopping the growth of Agrobacterium.
  • the plants that express the selectable marker transgene are regenerated on a medium with selective agent to select plants that express the gene.
  • a preferred embodiment comprises the stable transformation of the regenerated plants. Immature embryos with a length of 0.8 mm to 2.0 mm are preferably used. The concentration of Agrobacterium is preferably between approximately 0.5 OD and 4.0 OD, particularly preferably between approximately 1.6 OD to 2.4 OD. Contacting is usually carried out in a suspension. The cocultivation can be carried out on a solid, liquid or medium containing MS salt.
  • Another preferred form relates to the regeneration of the embryos in medium with an antibiotic which is suitable for stopping the growth of Agrobacterium.
  • Timentin a mixture of 1500 mg of ticarcillin sodium and 100 mg of potassium clavunate, is preferably used as the antibiotic. Timentin concentrations between approximately 100 mg / 1 and 300 mg / 1 are particularly suitable, in particular a concentration of 150 mg / 1.
  • the embryos or alternative explants, such as inflorescences, armpit buds, meristems, are usually cultivated for about 0 to 15 days before cocultivation with Agrobacterium.
  • P refers the embryos or alternative explants, such as inflorescences, armpit buds, meristems, are cultivated with Agrobacterium for about 0 to 5 days before co-cultivation.
  • the length of the cocultivation step is usually between one and four days.
  • the culture phase before the transfer of the tissues under conditions of plant regeneration is usually 1 to 60 days after cocultivation, with seven to 17 days being preferred.
  • the selection for transgenic plants which express the selectable marker transgene can be carried out during the entire tissue culture phase after cocultivation or during the regeneration phase.
  • the selection of the marker gene expression is preferably carried out during the stretching growth of the shoot primordia to shoots.
  • Another preferred variant (main variant III) completely dispenses with the use of selection marker genes and the use of corresponding selection agents.
  • the transformed plants are found using biochemical detection methods (ELISA).
  • the main variants I to III of the present method are characterized by numerous advantages.
  • the process is not limited to certain plant species. It only depends on the use of regenerable plant tissue and thus on tissue culture conditions, processes and gene transfer methods that support the regenerative capacity of transformed tissue and at the same time promote the efficiency of the process.
  • Another advantage according to the invention is that the previous transformation methods require 8 to 9 months in order to, for example, transgenic rye plants obtained (Castilo et al, 1994).
  • the bombarded regenerable tissues were subcultured for 3 to 4 weeks on selection medium according to the prior art in order to allow callus multiplication.
  • the rapid method according to the invention requires less than 2 to at most 3 months to produce, for example, transgenic rye, barley or wheat plants. Long-term culture before and after the transformation treatment and the use of selection agents are not necessary according to the main variant III with the method according to the invention.
  • the main variant III of the present invention thus represents a fast, reproducible and efficient system for producing transgenic plants which are free from selectable or screenable marker genes.
  • it provides a fast and efficient marker-free transformation system for monocot crops using immature embryos as the starting tissue.
  • the method can be used for the transformation and regeneration of transgenic rye, barley and wheat plants.
  • the plants regenerated according to the invention are phenotypically normal and fully fertile.
  • Transgenic plants that are free of selectable and screenable marker genes can be transferred into soil culture within less than two to a maximum of three months after the preparation of the primary explants.
  • the transgenes are stably passed on to the Fl progeny.
  • transgenic plants namely to improve the public acceptance of transgenic crop plants by reducing the adverse environmental effects that the use of selectable markers entails. It can be done with the simple and quick procedure regulatory requirements of the tissues in question are met, and transgenic crop plants are generated with value-enhancing gene sequences that are free of selectable and screenable marker genes.
  • selectable and screenable markers are not required, various selectable marker systems, including herbicides such as bialophos and also antibiotics such as paramomycin or hygromycin, or other screenable markers such as GUS or GFP, can also (if necessary) together with the described method of the main variants I and II can be used.
  • the rapid marker-free transformation method described according to the invention usually also produces uniform, non-chimeric transformants. Regeneration is preferably carried out via somatic embryogenesis. Due to the short tissue culture time, embryogenic callus sectors are small at the regeneration stage. Therefore, only one branch is regenerated from each callus sector. As the PCR analysis for stable transgene integration showed, leaf segments of different parts of the transgenic plants are uniform in the transgene integration. Progeny analyzes also showed that most of the transgenic plants after self-splitting split 3: 1 between transgenic and non-transgenic plants, as was to be expected for a single dominant gene.
  • the present invention offers advantages to plant species that are inconsistent in tissue culture. It is particularly useful for monocot species. It is even more particularly useful for plants that cannot be kept on the callus stage for a long time without losing their ability to regenerate. Three particularly useful species are rye, barley and wheat in the present invention.
  • transgenic rye in sufficient numbers has become possible for genetic studies and commercial applications.
  • rye and wheat for example, it was found that the process is genotype-independent. This means that this method can be used with any type of rye and wheat, including both winter and summer wheat and rye. It can be used to transgenic plants from summer rye inbred lines such as L22 or winter rye inbred lines such as L20, summer wheat varieties such as Bobwhite and winter wheat breeding lines such as W08. This means that the method can even be used for homozygous inbred lines of cross-pollinating species such as rye and elite genotypes of wheat.
  • Agrobacterium -mediated transformation advantages are that, as a rule, simpler transgene insertion patterns occur than with biolistic gene transfer or the direct uptake of DNA in protoplasts.
  • transgenes are usually inserted in actively transcribed regions using Agrobacterium, in contrast to the alternative gene transfer methods. Simple transgene integration patterns and insertion in actively transcribed regions leads to stable transgene expression in generative offspring.
  • larger DNA fragments can be transferred using Agrobacterium than with other gene transfer methods, which is particularly important for complementation studies and for changing entire metabolic pathways.
  • Immature rye embryos which had not been ripened, or up to 5 days on a MS medium (Murashige and Skoog, Physiol. Plant. 15: 473-497 (1962) modified according to Casillo et al (1994)) were used Calli were infected with Agrobacterium precultivated on LB medium, and with the aid of the Agrobacterium strain AGLO (Lazo et al., Bio / Technology 9: 963-967 (1991)), a T-DNA with a constitutive expression cassette was controlled under the control of the ubiquitin promoter and NOS terminators (Christensen and Quail, Transgenic Res. 4: 44-51 (1996) were transferred with the selectable nptgen marker gene.
  • Leaf samples were taken from the shoot tips of regenerated plants, the proteins extracted and an NPTII expression analysis carried out by means of ELISA and Western blot. In the preferred treatment, 31 independent transgenic rye plants were identified from 500 explants. These plants were selected and planted in soil.
  • Figure 2a shows ELISA using 20 ⁇ g total protein extract compared to 150 and 20pg NPTII standards.
  • Figure 2b shows NPTII Western blot of selected plants using 10 ⁇ g total protein and NPTII-specific antibody.
  • transgenic, marker gene-free rye plants by means of biolistic gene transfer. Immature rye embryos were grown on a Casillo et al. (1994) modified MS medium (Murashige and Skoog, Physiol. Plant. 15: 473-497 (1962). These tissues were coated with microparticles with two constitutive expression cassettes of useful genes under the control of the ubiquitin promoter and NOS terminators (Christensen and Quail, Transgenic Res.
  • cDNA's of different fragment lengths were integrated into the rye genome under control of the sequences mentioned.
  • the cultivation of the calli after the particle bombardment was carried out for 7 to 17 days in callus induction medium (composition as in Castillo et al. 1994) and then for 4-5 weeks in a shoot induction medium (composition as in Castillo et al. 1994).
  • Rooted shoots had formed 4-5 weeks after the start of culture on the shoot induction medium. Samples were taken from the shoot tips, DNA extracted and DNA analysis carried out by means of PCR. 20 of the regenerated rye plants from Kalli, which resulted from 1400 different explants, had the transformed foreign DNA. These plants were selected and planted in soil.
  • Figure 3 shows PCR analyzes using primer pairs that initiate in the control sequences flanking the cDNA (ubiquitin promoter and nos terminator) compared to the plasmid control and fragment size markers (Fig.
  • PCR analyzes using primer pairs that are in the ubiquitin promoter and the respective cDNA initiate compared to the plasmid control and fragment size markers (Fig.3b) as well as transgenic markergen-free rye plants after transfer to soil cultures (Fig. 3c).
  • the transgene was transferred to the generative progeny in a stable manner, as confirmed by PCR and Southern blot analyzes (Fig. 3d).
  • Immature wheat embryos were placed on a Casillo et al. (1994) modified MS medium (Murashige and Skoog, Physiol. Plant. 15: 473-497 (1962). These tissues were coated with microparticles with a constitutive expression cassette of a useful gene under the control of the ubiquitin promoter and NOS- Terminators (Christensen and Quail, Transgenic Res. 4: 44-51 (1996).
  • a gamma-tocopherol methyltransferase from Arabidopsis was integrated into the wheat genome under control of the sequences mentioned.
  • the cultivation of the calli after the particle bombardment was carried out for 7 to 17 days in Callus induction medium (composition as in Castillo et al. 1994) and then for 4-5 weeks in a shoot induction medium (composition as in Castillo et al. 1994).
  • Rooted shoots had formed 4-5 weeks after the start of culture on the shoot induction medium. Samples were taken from the shoot tips, DNA extracted and DNA analysis carried out by means of PCR. 10 of the regenerated wheat plants from Kalli, which originated from 500 different explants, had the transformed foreign DNA. These plants were selected and planted in soil.
  • Figure 4a shows PCR analyzes using primer pairs which initiate in the ubiquitin promoter and the cDNA of the gamma-tocopherol methyltransferase, compared to the plasmid control and fragment size markers and transgene expression detected with Northern blot (Fig. 4b).
  • Fig. 1 Coarse ⁇ cterz ' mediated gene transfer to freshly explored immature barley embryos (main variant I).
  • Co-culture of immature barley embryos that were not pre-cultivated prior to contact with Agrobacterium leads to expression of the transgene (in this case the reporter gene gfp (green fluorescent protein) in the embryo tissue (Fig. A), the regenerating callus (Fig. B) and the generative ones Descendants (Fig. D) of fertile plants
  • the expression of the transgene (gfp) is also biochemical via Western blot analysis using a specific antibody in the protein extracts, obtained from leaf samples from various transgenic barley plants (Fig. C; 1-7), The specificity of the antibody is demonstrated by reaction with gfp protein (Fig.
  • Fig. 2 NPTII expression of regenerated transgenic rye plants [Secale cereale L.) after Agrobacterium-mediated gene transfer.
  • NPTII ELISA with 20 ⁇ g crude protein extract per well (1A: 150pg NPTII protein; 1B: 20pg NPTII protein; IC: 20 ⁇ g crude protein extract from an nptll transgenic rye plant; 1D: 20 ⁇ g crude protein extract from a wild-type rye plant). Arrows indicate protein extracts from transgenic rye plants with NPTII expression.
  • Fig. 3a PCR analysis of genomic DNA of transgenic, marker gene-free rye plants for the cointegration of two useful gene expression cassettes (y- Tocopherol methyltransferase and ferretin).
  • M 1Kb ladder
  • Kl transgenic rye with
  • 183, 206, 212 independent transgenic wheat lines.
  • 1-5 DNA extracted from five different shoots of the transgenic wheat plants was used as a template.
  • 4B Northern blot detection of the expression of the gammatocopherol methyltransferase (arrow) in transgenic wheat plants 183 and 212, which were produced without the use of selection marker genes and without the use of selection agents.
  • NC RNA isolated from a non-transgenic wheat plant. A radioactively labeled probe from the coding region of the gammatocopherol methyltransferase from Arabidopsis was used for the hybridization.

Abstract

The invention relates to a method for producing transgenic, fertile, monocotyledonous plants, in particular, for producing transgenic wheat, barley and rye by introducing foreign DNA while achieving stable heredity of the transgenic expression in sexual offspring. The invention consists of three variants which lead to the rapid production of fertile and normal transgenic monocotyledonous plants. The invention results in minimizing the occurrence of somaclonal variation. This mutagenesis, which often occurs during the tissue culture and selection of genetic transformation events in monocotyledonous cultivated plants, often leads to undesired features such as fertility disorders or reduced vigorousness and yield potential up to a loss in ability of the tissue cultures to regenerate into plants. Wheat and barley are examples of plants which are difficult to regenerate out of tissue cultures and into plants due to frequently occurring tissue culture-related mutagenesis and are thus difficult to be able to genetically transform. Rye is an example of a plant that, due to particularly frequent tissue culture-related mutagenesis, is especially difficult to regenerate out of tissue cultures and into plants and is thus particularly difficult to be able to genetically transform. The depicted methods contain examples of producing fertile transgenic plants of rye, wheat and barley using biolistic-mediated and Agrobacterium-mediated gene transfer as well as their generative offspring with stable transgenic integration and expression. The inventive methods require a period of only less than two to a maximum of three months from the moment of explant extraction up to the transfer of the transgenic plants into soil.

Description

Verfahren zur raschen Herstellung von transgenen, einkeimblättrigen PflanzenProcess for the rapid production of transgenic, monocotyledonous plants
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von transgenen, fertilen, monokotylen Pflanzen.The invention relates to a method for producing transgenic, fertile, monocotyledonous plants.
In den letzten 15 Jahren ist es möglich geworden, Gene durch rekombinante Gentechnik von einer großen Anzahl von Organismen auf Nutzpflanzen zu übertragen. Dieser Fortschritt hat enorme Möglichkeiten eröffnet, die Resistenz der Pflanzen gegen Schädlinge, Krankheiten und Herbizide zu verbessern, und sowohl Biosyntheseprozesse zu modifizieren, um die Qualität von Pflanzenprodukten zu verändern, als auch neue Wertstoffe in Nutzpflanzen zu erzeugen (Knutson et al. PNAS USA 89, 2624-2628 (1992); Piorier et al., Science 256, 520-523 (1992); Vasil et al,. Bio/Technologie 10, 667 - 674 (1992)).In the past 15 years, it has become possible to transfer genes from a large number of organisms to useful plants using recombinant genetic engineering. This progress has opened up enormous opportunities to improve the resistance of plants to pests, diseases and herbicides, and to modify biosynthesis processes to change the quality of plant products and to generate new valuable substances in crops (Knutson et al. PNAS USA 89 , 1992, 2624-2628; Piorier et al., Science 256, 520-523 (1992); Vasil et al., Bio / Technologie 10, 667-674 (1992)).
Drei alternative Transformationsmethoden werden gegenwärtig für Monokotyledonenspezies benutzt : direkter DNA-Transfer in isolierte Protoplasten (Shimamoto et al., Nature 338, 274 - 276 (1989)), partikelbeschuß-vermittelte DNA-Übertragung (Fromm et al. Bio/Technology 8, 833 - 839 (1990)), und /fgrobαcter/wra-vermittelte Transformation (Cheng et al. Plant Physiol. 115, 971 - 980 (1997)).Three alternative transformation methods are currently used for monocot species: direct DNA transfer to isolated protoplasts (Shimamoto et al., Nature 338, 274-276 (1989)), particle bombardment-mediated DNA transfer (Fromm et al. Bio / Technology 8, 833) - 839 (1990)), and / fgrobαcter / wra-mediated transformation (Cheng et al. Plant Physiol. 115, 971-980 (1997)).
Die Protoplastenmethoden sind weithin für Reis benutzt worden, wobei DNA durch Liposomen, PEG und Elektroporation in Protoplasten übertragen wird. Eine große Anzahl transgener Pflanzen wurden in verschiedenen Laboratorien aufgezogen (Shimamoto et al. (1989); Datta et al. Bio/Technology 8, 736 - 740 (1990)), jedoch erfordert die Protoplastenmethode die Langzeitetablierung von embryogenen Suspensionskulturen. Einige Regenerate von Protoplastenkulturen sind unfruchtbar und phänotypisch abnormal infolge der langzeitigen Suspensionskultur (Davey et al. J Exp. Bot. 42, 1129 - 1169 (1991); Rhodes et al. Science 240, 204 - 207 (1988)).Protoplast methods have been widely used for rice, with DNA being transferred into protoplasts by liposomes, PEG and electroporation. A large number of transgenic plants have been grown in various laboratories (Shimamoto et al. (1989); Datta et al. Bio / Technology 8, 736-740 (1990)), but the protoplast method requires the long-term establishment of embryogenic suspension cultures. Some regenerations of protoplast cultures are sterile and phenotypically abnormal due to long-term suspension culture (Davey et al. J Exp. Bot. 42, 1129-1169 (1991); Rhodes et al. Science 240, 204-207 (1988)).
Die Partikelbeschuß- oder _4grob<2ctertwm-vermittelten Übertragungsmethoden haben von unreifen Explantaten induzierte Kalli als Ziele verwendet. Nach Partikelbeschuß sind transgene Pflanzen von Reis, Gerste, Weizen und Roggen beschrieben worden (Christou et al. Bio/Technology 9, 957 - 962 (1991); Gordon-Kamm et al. Plant Cell 2, 603 - 6128 (1990); Somers et al. Bio/Technology 10, 1589 - 1594 (1992), Wan et al. Plant Physiol. 104, 37 - 48 (1994), Vasil et al. (1992), Castillo et al. Bio/Technology 12, 1366 - 1371 (1994)) und nach Agrobacterium-veτmittelten Gentransfer sind transgene Pflanzen von Reis, Gerste und Weizen beschrieben worden (Hiei et al. Plant J. 6, 271 - 282 (1994); Ishida et al. Nature Biotechnol. 14, 745 - 750 (1996) ; Tingay et al. Plant J. 11, 1369 - 1376 (1997); Cheng et al. Plant Physiol. 115, 971 - 980 (1997)).The particle bombardment or _4grob <2ctertwm-mediated transmission methods have used calli induced by immature explants as targets. After particle bombardment are transgenic Plants of rice, barley, wheat and rye have been described (Christou et al. Bio / Technology 9, 957-962 (1991); Gordon-Kamm et al. Plant Cell 2, 603-6128 (1990); Somers et al. Bio / Technology 10, 1589-1594 (1992), Wan et al. Plant Physiol. 104, 37-48 (1994), Vasil et al. (1992), Castillo et al. Bio / Technology 12, 1366-1371 (1994) ) and after Agrobacterium-mediated gene transfer, transgenic plants of rice, barley and wheat have been described (Hiei et al. Plant J. 6, 271-282 (1994); Ishida et al. Nature Biotechnol. 14, 745 - 750 (1996) ; Tingay et al. Plant J. 11, 1369-1376 (1997); Cheng et al. Plant Physiol. 115, 971-980 (1997)).
Bisher gibt es nur einen Bericht, der die Erzeugung transgener Roggenpflanzen beschreibt. Dem biolistischen Gentransfer folgten Kallusselektion mittels eines entsprechenden selektiven Agenzes und die Regeneration von zwei transgenen Pflanzen (Castillo et al. Bio/Technology 12, 1366 - 1371 (1994)). Die Methode ist zeitaufwendig und erfordert 8 bis 9 Monate von der Gewinnung der Explantate bis zum Erhalt transgener Pflanzen. Außerdem leidet diese Methode an einem Verlust an Regenerierbarkeit des transgenen Kallus. Nur 33 % der transgenen Kalli konnten noch regeneriert werden, nachdem die Selektion auf Expression des selektierbaren Markergens bar erfolgt war, das für die Phosphinotricin-Acetyl-Transferase kodiert. Darüber hinaus besagt die Tatsache, dass nur zwei unabhängige transgene Pflanzen, hervorgegangen aus einem einzigen Experiment, erzeugt wurden, dass es sich um einen ersten Bericht über transgene Roggenpflanzen handeln muß und nicht um ein reproduzierbares Verfahren. Tatsächlich sind auch seit 1994 keine weiteren Berichte über transgene Roggenpflanzen veröffentlicht worden. Dieser Reproduzierbarkeitsgrad ist sicher zu gering für genetische Studien und für wirtschaftliche Anwendungen. Die Effizienz des beschriebenen Verfahrens war außerdem sehr gering, da 1383 Explantate benötigt wurde, um 2 transgene Roggenpflanzen zu erzeugen.So far there is only one report that describes the production of transgenic rye plants. The biolistic gene transfer was followed by callus selection using an appropriate selective agent and the regeneration of two transgenic plants (Castillo et al. Bio / Technology 12, 1366-1371 (1994)). The method is time consuming and takes 8 to 9 months from harvesting the explants to obtaining transgenic plants. This method also suffers from a loss of regenerability of the transgenic callus. Only 33% of the transgenic calli could still be regenerated after the selection for expression of the selectable marker gene bar, which codes for the phosphinotricin acetyl transferase, was carried out. In addition, the fact that only two independent transgenic plants were created from a single experiment means that it must be an initial report on transgenic rye plants and not a reproducible process. In fact, no further reports on transgenic rye plants have been published since 1994. This level of reproducibility is certainly too low for genetic studies and for economic applications. The efficiency of the described method was also very low, since 1383 explants were required to produce 2 transgenic rye plants.
Bekanntermaßen werden selektierbare Markergene benutzt, um transgene Ereignisse während des in v/tro-Prozesses der Pflanzentransformation zu identifizieren, aber sie stehen in keiner Beziehung zur Verbesserung der Nutzpflanze und sind deshalb nicht erforderlich, nachdem die transgene Pflanze einmal hergestellt worden ist. Selektierbare Markergene der Gruppe I kodieren z.B. Herbizid- oder Antibiotika-Resistenz und erlauben deshalb die Ausübung eines Selektionsdrucks mittels eines entsprechenden cytotoxischen selektiven Agens, um Zellteilungen und Pflanzenregeneration in nichttransforrniertem Gewebe zu unterdrücken (Veiten und Schell Nucleic Acid Res. 13, 6981 - 6987 (1985)). Die Zugabe von Herbizid- oder Antibiotika- Komponenten als selektive Agentien zu Pflanzenzellen hat häufig einen negativen Effekt nicht nur auf die nichttransformierten Zellen sondern auch auf transgene Zellen und kann daher mit dem Regenerationsprozeß interferieren und speziell die Effizienz und Reproduzierbarkeit der Produktion transgener Pflanzen insbesondere bei "widerspenstigen" Arten wie Roggen, Gerste und Weizen herabsetzen. Eine zweite Gruppe selektierbarer Marker unterstützt infolge ihres Einflusses auf den pflanzlichen Stoffwechsel Wachstum und Regeneration transformierter Zellen unter speziellen Kulturbedingungen, z.B. Phosphomannoseisomerase oder IPT (Joersbo et al. Physiol. Plant. 105, 109 - 1 1 1 (1999); Ebinuma et al. 94, 2117 - 2121 (1997)). Wenn selektierbare Marker in transgenen Pflanzen bleiben, müssen ihre Genprodukte hinsichtlich ihres Effektes auf biologische Sicherheit und Umwelt analysiert werden. Derartige Sicherheitsuntersuchungen können die Kommerzialisierung transgener Pflanzen verzögern oder sogar blockieren. Die Reaktion der Öffentlichkeit auf das Problem der selektierbaren Marker bakterieller Herkunft kann einen negativen Effekt auf das kommerzielle Potential transgener Kulturpflanzen haben, auch wenn die Sicherheit der selektierbaren Marker wissenschaftlich nachgewiesen worden ist (Malik und Saroha J. Plant Biochem. Biotechnol. 8, 1 - 13 (1999)). Wenn multiple Transgene in denselben genetischen Hintergrund eingefügt werden müssen, sind mehrere verschiedene selektierbare Markergene erforderlich.Selectable marker genes are known to be used to identify transgenic events during the in-vitro process of plant transformation, but are unrelated to crop improvement and are therefore not required once the transgenic plant has been produced. Selectable group I marker genes encode, for example, herbicide or antibiotic resistance and therefore allow selection pressure to be exerted by means of an appropriate cytotoxic selective agent in order to suppress cell division and plant regeneration in non-transformed tissue (Veiten and Schell Nucleic Acid Res. 13, 6981-6987 (1985)). The addition of herbicide or antibiotic components as selective agents to plant cells often has a negative effect not only on the non-transformed cells but also on transgenic cells and can therefore interfere with the regeneration process and in particular the efficiency and reproducibility of the production of transgenic plants, especially in " unruly "like rye, barley and wheat. A second group of selectable markers supports the growth and regeneration of transformed cells under special culture conditions, for example phosphomannose isomerase or IPT (Joersbo et al. Physiol. Plant. 105, 109 - 1 1 (1999); Ebinuma et al. 94, 2117-2121 (1997)). If selectable markers remain in transgenic plants, their gene products must be analyzed for their effects on biosafety and the environment. Such safety investigations can delay or even block the commercialization of transgenic plants. The public's reaction to the problem of selectable markers of bacterial origin can have a negative effect on the commercial potential of transgenic crops, even if the safety of the selectable markers has been scientifically proven (Malik and Saroha J. Plant Biochem. Biotechnol. 8, 1 - 13 (1999)). If multiple transgenes have to be inserted into the same genetic background, several different selectable marker genes are required.
Um Risiko und Probleme, die mit selektierbaren Markern verbunden sind, zu verringern, sind Transformationssysteme entwickelt worden, welche die Eliminierung der Markergene nach der Transformation erlauben. In Cotransformationssystemen werden Markergene und Nutztransgene als unverknüpfte Fragmente in das Pflanzengenom eingefügt, und wenn sie in ungekoppelte Genloci gelangen, dann können sie in spaltenden sexuellen Nachkommenschaften getrennt werden. Die Gesamteffizienz für die Erzeugung der gewünschten markergen-freien aber nutztransgen-tragenden Ereignisse ist dabei gegenüber einer Erzeugung von nutztransgen- tragenden Ereignissen mit Beibehaltung der Markergene reduziert. Diese herabgesetzte Effizienz ist die Folge niedriger Kotransformationsraten und häufiger Integration unterschiedlicher Plasmide an gekoppelten Genloci ohne deren Segregation in der nachfolgenden Generation (McKnight et al. Plant Mol. Biol. 8, 439 - 445 (1987), Deblock und Debrouwer Theor. Appl. Genet. 82, 257 - 263 (1991), Komari et al. Plant J. 10, 165 - 174 (1996)). Gerichtetes Herausschneiden der selektierbaren Markergene mittels ortsspezifischer Rekombination (Rüssel et al. Mol. Gen. Genet. 234, 49 - 59 (1992)) oder Transpostions-vermittelter Repositionierung (Goldsbrough et al. Bio/Technology 11, 1286 - 1292 (1993)), gefolgt von Spaltung in Markergene und Nutztransgene in der sexuellen Nachkommenschaft, sind erfolgreich zur Produktion Markergen-freier transgener Pflanzen eingesetzt worden. Jedoch ist die Konstruktion entsprechender relevanter Transformationsvektoren recht kompliziert und die Aktivierung der enzymgestützten Excision erfordert entweder recht zeitaufwendige sexuelle Kreuzungen gefolgt von Spaltungsanalysen (Goldsbrough et al. Bio/Technology 11, 1286 - 1292 (1993)) oder die transiente Expression der Excision-vermittelnden Enzyme. Die transiente Expression Excision- vermittelnder Enzyme geht häufig mit der Erzeugung unerwünschter stabiler Expression derartiger Enzyme einher (Gleave et al. Plant Mol. Biol. 40, 223 - 235 (1999)), was die Effizienz der Erzeugung der gewünschten genetischen Ereignisse frei von Markergenen und frei von Excision-vermittelnden Enzymen weiter reduziert. In diesen Systemen hängt die Reproduzierbarkeit deshalb stark von der reproduzierbaren und präzisen Expression Excision- vermitte Inder Enzyme ab. Die Gesamteffizienz der Erzeugung der erwünschten genetischen Ereignisse ist im Vergleich zu transgenen Pflanzen mit Markergenen reduziert.In order to reduce the risks and problems associated with selectable markers, transformation systems have been developed which allow the marker genes to be eliminated after the transformation. In cotransformation systems, marker genes and useful transgenes are inserted into the plant genome as unlinked fragments, and if they get into uncoupled gene loci, they can be separated into cleaving sexual offspring. The overall efficiency for the generation of the desired marker gene-free but useful transgene-carrying events is reduced compared to the generation of useful transgene-carrying events while maintaining the marker genes. This reduced efficiency is the result of low cotransformation rates and frequent integration of different plasmids at coupled gene loci without their segregation in the subsequent generation (McKnight et al. Plant Mol. Biol. 8, 439-445 (1987), Deblock and Debrouwer Theor. Appl. Genet 82, 257-263 (1991), Komari et al. Plant J. 10, 165-174 (1996)). Directed cutting out of the selectable marker genes by means of site-specific recombination (Rüssel et al. Mol. Gen. Genet. 234, 49-59 (1992)) or transposition-mediated repositioning (Goldsbrough et al. Bio / Technology 11, 1286-1292 (1993)), followed by cleavage into marker genes and useful transgenes in the sexual offspring, have been successfully used for the production of marker gene-free transgenic plants. However, the construction of corresponding relevant transformation vectors is quite complicated and the activation of the enzyme-assisted excision either requires quite time-consuming sexual crossings followed by cleavage analyzes (Goldsbrough et al. Bio / Technology 11, 1286-1292 (1993)) or the transient expression of the excitation-mediating enzymes , The transient expression of excision-mediating enzymes is often accompanied by the generation of undesired stable expression of such enzymes (Gleave et al. Plant Mol. Biol. 40, 223-235 (1999)), which reduces the efficiency of the generation of the desired genetic events free of marker genes and further reduced without excision-mediating enzymes. The reproducibility in these systems therefore depends heavily on the reproducible and precise expression excision by Indian enzymes. The overall efficiency of generating the desired genetic events is reduced compared to transgenic plants with marker genes.
Weiterhin sind Agrobacterium- vermittelte Transformationsverfahren bekannt. Solche Verfahren wurden prinzipiell in dikotylen Pflanzen genutzt. .4grobαcterzι.w-vermittelte Transformation in Dikotylen erleichtert die Übertragung von größeren Stücken heterologer Nukleinsäuren verglichen mit anderen Transformationsmethoden, wie Partikelbeschuß, Elektroporation, Polyethylenglykol vermittelte Transformationsverfahren und dergleichen. Zusätzlich scheint die
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Transformation relativ selten Genrekombination zu erzeugen und resultiert eher in der Integration einer geringen Zahl von Genkopien im pflanzlichen Chromosom.
Agrobacterium-mediated transformation methods are also known. Such processes have been used principally in dicotyledonous plants. .4grobαcterzι.w -mediated transformation in dicotyledons facilitates the transfer of larger pieces of heterologous nucleic acids compared to other transformation methods, such as particle bombardment, electroporation, polyethylene glycol-mediated transformation processes and the like. In addition, it seems
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Transformation rarely generates genre combination and rather results in the integration of a small number of gene copies in the plant chromosome.
Monokotyle sind kein natürlicher Wirt von Agrobacterium. Obwohl grobαcteπwm-vermittelte Transformation für Spargel (Bytebier B., et al. Proc. Ntl. Acad. Sei. USA 84:5354-5349, 1987) und für Dioscora bublifera (Schafer et al. Nature 327:529-532, 1987) veröffentlicht wurde, war es allgemein anerkannt, daß Pflanzen der Familie Gramineae nicht mit Agrobacterium transformiert werden können (Potrykus I. Biotechnology 8: 545-543, 1990).Monocots are not a natural host of Agrobacterium. Although roughly mediated transformation for asparagus (Bytebier B., et al. Proc. Ntl. Acad. Sei. USA 84: 5354-5349, 1987) and for Dioscora bublifera (Schafer et al. Nature 327: 529-532, 1987) was published, it was generally accepted that plants of the Gramineae family cannot be transformed with Agrobacterium (Potrykus I. Biotechnology 8: 545-543, 1990).
Monokotyle Pflanzen (Monokots) sind im allgemeinen weniger aufnahmefähig als dikotyle bezüglich der Agrobacterium-veτmittQlten Transformation, und somit wurden weithin direkte DNA Transfer Verfahren für die Transformation von Monokotylen genutzt. Direkte DNA Transferverfahren umfassen die Aufnahme reiner DNA, stimuliert durch Polyethylenglykol oder Elektroporation und die Transformation mittels der Partikelkanone. Zur Übersicht siehe Gene Transfer to Plants, Potrykus et al., eds., Springer- Verlag, Berlin, 1995.Monocot plants (monocots) are generally less receptive than dicotyledons in terms of Agrobacterium-mediated transformation, and thus have become largely direct DNA transfer method used for the transformation of monocots. Direct DNA transfer methods include the uptake of pure DNA stimulated by polyethylene glycol or electroporation and the transformation using the particle gun. For an overview, see Gene Transfer to Plants, Potrykus et al., Eds., Springer-Verlag, Berlin, 1995.
Agrobacterium vermittelter Gentransfer resultiert gewöhnlich in der Insertion eines diskreten, nicht rekombinanten DNA Segments in das Wirtsgenom, und folglich wäre es wünschenswert, Verfahren für die Agrobacterium vermittelte Transformation von Monokotylen zu entwickeln. Obwohl Monokotyle als relativ schwierig bezüglich der Transformation mit Agrobacterium gelten, gibt es verschiedene Berichte vom Gentransfer in Monokotyle mit Agrobacterium- vermittelter Transformation (Boulton et al. (1989) Plant Mol. Biol. 12: 31; Chan et al. (1992) Plant Cell Physiol. 33:577, Gould et al. (1991) Plant Physiol. 95:426; Graves et al. (1986) Plant Mol. Biol. 7:43; Grimsley et al. (1987) Nature 325: 177; Raineri et al. (1990) Bio/Technology 8:33; U.S. Pat. No 5,177,010 von Goldman et al. und U.S. Pat. No. 5,187,073 von Goldman et al.).Agrobacterium-mediated gene transfer usually results in the insertion of a discrete, non-recombinant DNA segment into the host genome, and thus it would be desirable to develop methods for Agrobacterium-mediated transformation of monocotyledons. Although monocotyledons are considered to be relatively difficult to transform with Agrobacterium, there are various reports of gene transfer in monocotyledons with Agrobacterium -mediated transformation (Boulton et al. (1989) Plant Mol. Biol. 12:31; Chan et al. (1992) Plant Cell Physiol. 33: 577, Gould et al. (1991) Plant Physiol. 95: 426; Graves et al. (1986) Plant Mol. Biol. 7:43; Grimsley et al. (1987) Nature 325: 177; Raineri et al. (1990) Bio / Technology 8:33; U.S. Pat. No. 5,177,010 to Goldman et al. and U.S. Pat. No. 5,187,073 to Goldman et al.).
Viele von diesen frühen Studien zur Agrobacterium-veτmitt lten Transformation von Monokotylen waren jedoch Objekt der Kontroverse (Potrykus (1990) Bio/Technology 8: 5350) und wurden nicht unabhängig bestätigt.However, many of these early studies on Agrobacterium -mediated transformation of monocots were the subject of controversy (Potrykus (1990) Bio / Technology 8: 5350) and were not independently confirmed.
Aktuellere Studien berichten über erfolgreiche grobαctertwm-vermittelte Transformation von Gerste (Tingay et al. Plant J. 11, 1369 - 1376 (1997), Weizen Cheng et al. Plant Physiol. 1 15, 971 - 980 (1997) und Reis (Hiei et al. Plant J. 6:271(1994), Dong und andere (1996) Molecular Breeding 2:267). Kultivierte unreife Scutella wurden mit Partikeln beschossen und dann mit Agrobacterium für 2 bis 3 Tage kokultiviert, gefolgt von einer Kalluskultur mit selektivem Agenz und der Regeneration von transgenen Gerstepflanzen (Tingay et al. Plant J. 11, 1369- 1376 (1997). Cheng et al. Plant Physiol. 115, 971 - 980 (1997) kokultivierten entweder drei bis vier Stunden vorkultivierte unreife Embryonen (werden als frisch isoliert bezeichnet), ein bis sechs Tage vorkultivierte unreife Embryonen oder zehn bis 25 Tage vorkultivierten embryogenen Kallus mit Agrobacterium für 2 bis 3 Tage, gefolgt von einer Kalluskulturphase mit selektivem Agenz und der Regeneration von fertilen Weizenpflanzen. Hiei et al. (Plant J. 6:271(1994)), Dong und andere (Molecular Breeding 2:267 (1996)) kultivierten verschiedene Gewebe von Reis, inbegriffen Triebspitzen, Scutella, unreife Embryonen, Kalli, die von jungen Wurzeln und Scutella induziert wurden, und Zellen in Suspensionskulturen, induziert von Scutella, wurden cokultiviert mit Agrobacterium tumefaciens, resultierend in verschiedenen Graden der Expression des Reportertransgens in diesen Geweben. Transgene Pflanzen wurden lediglich von Scutellurn-induzierten Kalli regeneriert, die mit Agrobacterium cokultiviert wurden. Über stabile Integration, Expression und Vererbung der Transgenen wurde auch berichtet. U.S. Pat. No. 5,591,616 von Hiei et al. legt ein Verfahren offen für die Transformierung einer Monokotylen (Reis), bestehend aus der Transformierung einer Gewebekultur während des Dedifferenzierungsprozesses oder einer dedifferenzierten Gewebekultur mit Agrobacterium. Die Gewebekultur erhält man durch Kultivierung eines Explantats für mehr als sieben Tage auf einem Dedifferenzierungsmedium. Der verlängerte Kultivierungsprozeß bei diesem Verfahren hat den Nachteil, daß das Risiko unerwünschter Eigenschaften erhöht wird.More recent studies report successful coarse αctertwm-mediated transformation of barley (Tingay et al. Plant J. 11, 1369-1376 (1997), Weizen Cheng et al. Plant Physiol. 1 15, 971-980 (1997) and rice (Hiei et Plant J. 6: 271 (1994), Dong and others (1996) Molecular Breeding 2: 267. Cultivated immature scutella were bombarded with particles and then co-cultivated with Agrobacterium for 2 to 3 days, followed by callus culture with selective agent and regeneration of transgenic barley plants (Tingay et al. Plant J. 11, 1369-1376 (1997). Cheng et al. Plant Physiol. 115, 971-980 (1997) cocultivated either three to four hours of precultivated immature embryos (are considered as freshly isolated), one to six days of pre-cultivated immature embryos or ten to 25 days of pre-cultivated embryogenic callus with Agrobacterium for 2 to 3 days, followed by a callus culture phase with selective agent and the regeneration of fertile wheat plants al. (Plant J. 6: 271 (1994)), Dong and others (Molecular Breeding 2: 267 (1996)) cultivated various tissues of rice, including shoot tips, scutella, immature embryos, calli, from young roots and Scutella were induced, and cells in suspension cultures induced by Scutella were cocultured with Agrobacterium tumefaciens, resulting in various degrees of expression of the reporter transgene in these tissues. Transgenic plants were only regenerated from Scutellurn-induced calli, which were co-cultivated with Agrobacterium. Stable integration, expression and inheritance of the transgenes have also been reported. US Pat. No. 5,591,616 to Hiei et al. discloses a method for transforming a monocot (rice) consisting of transforming a tissue culture during the dedifferentiation process or dedifferentiated tissue culture with Agrobacterium. Tissue culture is obtained by culturing an explant for more than seven days on a dedifferentiation medium. The prolonged cultivation process in this method has the disadvantage that the risk of undesirable properties is increased.
Die weiterführenden Verfahren der grobactertww-veirnittelten Transformation von Reis involvieren den Gebrauch von Langzeit in vitro Selektionsverfahren in Gewebekulturen nach dem Transformationsprozess. Gewebekulturmanipulationen wurden assoziiert mit der Induktion von somaklonaler Variation (Kaeppler et al. (1993) Proc. Natl. Acad. Sei. USA 90:8773; Phillips et al. (1994) Proc. Natl. Acad. Sei. USA 91 : 5222). U.S. Pat. No. 6,037,522 beansprucht ein Agrobacterium-vermüteltes Roggentransformationsprotokoll unter Verwendung von unreifen Blütenständen als Zielgewebe für den Gentransfer. Die Beispiele jedoch schließen nur transgene Reispflanzen ein. Roggen ist erheblich „widerspenstiger" bezüglich der Gewebekultur als Reis. Unreife Blütenstände stellen nach unseren Untersuchungen kein geeignetes Zielgewebe für die Roggentransformation dar.The advanced methods of coarse-grained transformation of rice involve the use of long-term in vitro selection methods in tissue cultures after the transformation process. Tissue culture manipulations have been associated with the induction of somaclonal variation (Kaeppler et al. (1993) Proc. Natl. Acad. Sei. USA 90: 8773; Phillips et al. (1994) Proc. Natl. Acad. Sei. USA 91: 5222) , U.S. Pat. No. 6,037,522 claims an Agrobacterium-shrouded rye transformation protocol using immature inflorescences as the target tissue for gene transfer. However, the examples only include transgenic rice plants. Rye is considerably more "stubborn" in terms of tissue culture than rice. According to our investigations, immature inflorescences are not a suitable target tissue for rye transformation.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein effizientes, rasches und einfaches Verfahren zur Herstellung transgener Pflanzen zu entwickeln.The present invention is therefore based on the object of developing an efficient, rapid and simple method for producing transgenic plants.
Insbesondere sollte das Auftreten von somaklonaler Variation während der Gewebekultur verringert werden, um möglichst viele Regeneratpflanzen pro Explantat zu gewinnen. Um ein Verfahren mit möglichst kurzer Gewebekulturphase zu entwickeln wurden in einer Variante die unreifen Embryonen unmittelbar nach dem Explantieren mit Agrobakterium cokultiviert. In einer anderen Variante wurde die Phase des undifferenzierten Gewebewachstums nach Gentransfer minimiert. In einer dritten Variante wurde ein markergen-freies und selektionsagens-freies Verfahren entwickelt für bezüglich der Gewebekultur "widerspenstige" Pflanzenarten wie Monokotyle, bevorzugt für Roggen, Gerste und Weizen, da die Vermeidung des Einsatzes von Selektionsagenzien eine erhöhte Wuchsigkeit und Regenerationsfähigkeit der transgenen Gewebekulturen erlaubt. Ein wichtiger Aspekt dieser Variante ist, daß bei dem richtigen Timing von Gentransfer, Gewebekultur und Regenerationsbeginn ein hoher Anteil an transgenen Pflanzen neben nicht transgenen Pflanzen aus Gewebekulturen nach dem Gentransfer regeneriert werden kann und sich diese transgenen Pflanzen bereits während der in-vitro-Phase mittels DNA-Analyse von den nicht transgenen Regeneratpflanzen trennen lassen. Mit dem Verfahren sollen sonstige wichtige Merkmale wie insbesondere die Regenerationsfähigkeit der Gewebe zu Pflanzen und die Fortpflanzungsfähigkeit und Ertragsfähigkeit der Transformationsereignisse erhalten bleiben. Das Verfahren soll eine reproduzierbar hohe Transformationseffizienz aufweisen und auf ein weites Genotypenspektrum anwendbar sein.In particular, the occurrence of somaclonal variation during tissue culture should be reduced in order to obtain as many regenerated plants as possible per explant. In order to develop a method with the shortest possible tissue culture phase, the immature embryos were cocultivated with Agrobacterium in one variant. In another variant, the phase of undifferentiated tissue growth after gene transfer was minimized. In a third variant, a marker-gene-free and selection-agent-free process was developed for plant species which are "unruly" with regard to tissue culture, such as Monocotyledons, preferred for rye, barley and wheat, since avoiding the use of selection agents allows the transgenic tissue cultures to grow and regenerate. An important aspect of this variant is that, with the right timing of gene transfer, tissue culture and the start of regeneration, a high proportion of transgenic plants can be regenerated in addition to non-transgenic plants from tissue cultures after gene transfer, and these transgenic plants can be used during the in vitro phase Have the DNA analysis separated from the non-transgenic regenerated plants. The method is intended to preserve other important features such as, in particular, the ability of the tissues to regenerate into plants and the reproductive and productivity of the transformation events. The method should have a reproducibly high transformation efficiency and be applicable to a wide range of genotypes.
Die Aufgabe wird gemäß den Ansprüchen realisiert. Dabei finden drei Hauptvarianten Verwendung.The task is accomplished according to the claims. Three main variants are used.
Die Hauptvariante 1 ist gekennzeichnet durch eine deutliche Reduzierung der mutagenen Gewebekulturphase, die zur Produktion transgener einkeimblättriger Pflanzen erforderlich ist. Dies erreicht man durch Einführung der Fremd-DNA über Cokultivierung eines frisch explantierten unreifen Embryos mit Agrobacterium, das ein Plasmid mit einer heterologen Nukleinsäure enthält, ohne vorherige Vorkultur der Explantate auf einem Kallus induzierenden Kulturmedium.The main variant 1 is characterized by a significant reduction in the mutagenic tissue culture phase, which is necessary for the production of transgenic monocotyledonous plants. This is achieved by introducing the foreign DNA by coculturing a freshly explanted immature embryo with Agrobacterium, which contains a plasmid with a heterologous nucleic acid, without prior exploration of the explants on a callus-inducing culture medium.
Die Hauptvariante 2 bezweckt eine möglichst kurze Gewebekulturphase, die sich an den biolistischen oder Agrobacterium-vQvmittQhen Gentransfer in unreife Explantate oder die daraus induzierten Kalli anschließt und zur Produktion transgener einkeimblättriger Pflanzen erforderlich ist. Dies wird dadurch erreicht, daß während dieser Phase keine Selektion eingesetzt und nur die Bildung von ersten somatischen Embryonen abgewartet wird, welche in wenigen Tagen bis Wochen nach dem Gentransfer erfolgt. Die Selektion der erfolgreichen Transformationsereignisse erfolgt hierbei vorzugsweise während der Regenerationsphase der monokotylen Pflanzen und zwar während der Entwicklung von Sprossprimordien zu Sprossen. Die Hauptvariante 3 besteht in der Einführung von Fremd-DNA ohne Markergene in Pflanzengewebe, Kultur der Pflanzengewebe ohne Zusatz von Selektionsagenzien, Regeneration von Pflanzen aus vorgenanntem Pflanzengewebe ohne Zusatz von Selektionsagenzien, DNA- Analyse der gebildeten Regeneratpflanzen und Selektion der transgenen Pflanzen. Erfindungsgemäß wird Fremd-DNA in regenerierbare Pflanzengewebe eingeführt, dabei kann jede Art von Fremd-DNA in Pflanzenarten eingeführt werden. Allgemein wird als Fremd-DNA jede Art von DNA bezeichnet, die von außen in Pflanzenzellen eingeführt wird. Methoden, um diese DNA in Pflanzenzellen einzuführen, sind dem Fachmann bekannt, wie z.B. ein Partikelbeschuß unter Verwendung einer Vorrichtung, die im US-Patent No. 5,179,022 beschrieben ist.The main variant 2 aims at a tissue culture phase that is as short as possible, which follows the biolistic or Agrobacterium vQvmittQhen gene transfer into immature explants or the calli induced therefrom and is required for the production of transgenic monocotyledonous plants. This is achieved in that no selection is used during this phase and only the formation of the first somatic embryos is awaited, which takes place in a few days to weeks after the gene transfer. The successful transformation events are preferably selected during the regeneration phase of the monocotyledonous plants, specifically during the development of shoot primordia into shoots. The main variant 3 consists in the introduction of foreign DNA without marker genes into plant tissue, culture of the plant tissue without the addition of selection agents, regeneration of plants from the aforementioned plant tissue without addition of selection agents, DNA analysis of the regenerated plants formed and selection of the transgenic plants. According to the invention, foreign DNA is introduced into regenerable plant tissue, and any type of foreign DNA can be introduced into plant species. In general, foreign DNA is any type of DNA that is introduced into plant cells from the outside. Methods to introduce this DNA into plant cells are known to those skilled in the art, such as particle bombardment using a device described in US Pat. 5,179,022.
Die in Fremd-DNA eingeschlossene DNA-Art umfaßt DNA, die bereits in der Pflanzenzelle vorhanden ist, DNA von einer anderen Pflanze, DNA von einem anderen Organismus, oder extern erzeugte DNA, wie DNA-Sequenzen, die eine antisense-Botschaft von einem Pflanzengen enthalten, oder DNA-Sequenzen, die eine synthetische Version eines Gens enthalten, worin die Nukleotidsequenz modifiziert worden ist.The type of DNA included in foreign DNA includes DNA that is already present in the plant cell, DNA from another plant, DNA from another organism, or externally generated DNA, such as DNA sequences, that have an antisense message from a plant gene contain, or DNA sequences containing a synthetic version of a gene in which the nucleotide sequence has been modified.
Der erste Schritt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass man regenerierbares Gewebe von einer Pflanze isoliert. Jedes regenerierbare Pflanzengewebe kann gemäß vorliegender Erfindung benutzt werden. Als regenerierbares Pflanzengewebe wird gewöhnlich ein Gewebe bezeichnet, das nach Einführung von Fremd-DNA zu einer differenzierten Pflanze regeneriert werden kann. Bevorzugt handelt es sich bei derartigem Gewebe um unreife oder reife zygotische Embryonen oder aus diesen Geweben induzierte Kalli (Altpeter et al. Plant Cell Rep. 16, 12 - 17 (1996)).The first step of the present invention is to isolate regenerable tissue from a plant. Any regenerable plant tissue can be used in accordance with the present invention. A tissue that can be regenerated into a differentiated plant after the introduction of foreign DNA is usually referred to as regenerable plant tissue. Such tissue is preferably immature or mature zygotic embryos or calli induced from these tissues (Altpeter et al. Plant Cell Rep. 16, 12-17 (1996)).
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird ein unreifer Pflanzenembryo als Zielgewebe für den Gentransfer ohne vorherige Vorkultur benutzt. Unreife Embryonen können unter Verwendung bekannter Methoden nach dem Stand der Technik erzeugt werden. Zum Beispiel wurde die Erzeugung unreifer Weizenembryonen von Vasil et al. (1993) beschrieben und die Erzeugung unreifer Roggenembryonen von Castillo et al. (1994).In a preferred embodiment of the present invention, an immature plant embryo is used as the target tissue for the gene transfer without prior culture. Immature embryos can be created using known methods in the art. For example, the production of immature wheat embryos by Vasil et al. (1993) and the production of immature rye embryos by Castillo et al. (1994).
In einer alternativen Ausführungsvariante werden Kalli als regenerierbare Zielgewebe für den Gentransfer eingesetzt. Die bevorzugten Kalli sind embryogene Kalli, welche von unreifen Embryonen durch eine kurze, maximal siebentägige Kulturphase erzeugt werden. Derartige Kalli können durch Isolierung und Kultivierung unreifer Embryonen auf einem Nährmedium mit Kohlenhydraten und pflanzlichen Wachstumsregulatoren erzeugt werden. Kallus-erzeugende Medien sind nach dem Stand der Technik wohlbekannt und jedes Kulturmedium oder jede Präparationsmethode kann verwendet werden.In an alternative embodiment, calli are used as regenerable target tissues for gene transfer. The preferred calli are embryogenic calli, which are produced by immature embryos through a short, maximum seven-day culture phase. Such calli can be obtained by isolating and cultivating immature embryos on a nutrient medium Carbohydrates and plant growth regulators are produced. Callus generating media are well known in the art and any culture medium or preparation method can be used.
Ist das regenerierbare Pflanzengewebe isoliert, besteht der zweite Schritt des Verfahrens in der Einführung von Fremd-DNA in das Pflanzengewebe. Dieser Prozess wird hier weiter als Transformation bezeichnet. Jede Methode kann zur Einführung von Fremd-DNA in regenerierbares Pflanzengewebe benutzt werden. Solche Methoden schließen Partikelbeschuß (Weeks et al,. (2993)); Vasil et al., (1992)), -4grobαcterz'w/w-Transformation (Chan et al., Plant Mol. Biol. 22, 491 - 506 (1993)), Elektroporation von regenerierbarem Gewebe (Shillito et al., Bio/Technology 3, 1099 - 1103 (1985)), Siliziumcarbidfaser-vermittelte Genübertragung (Dalton et al, Plant Sei. 132, 31 - 43 (1999)) und Protoplasten-vermittelte Genübertragung (Shimamoto et al, (1989), Datta et al. (1990)) ein.Once the regenerable plant tissue is isolated, the second step of the process is the introduction of foreign DNA into the plant tissue. This process is referred to here as transformation. Any method can be used to introduce foreign DNA into regenerable plant tissue. Such methods include particle bombardment (Weeks et al, (2993)); Vasil et al., (1992)), -4grobαcterz ' w / w transformation (Chan et al., Plant Mol. Biol. 22, 491-506 (1993)), electroporation of regenerable tissue (Shillito et al., Bio / Technology 3, 1099-1103 (1985)), silicon carbide fiber-mediated gene transmission (Dalton et al, Plant Sei. 132, 31 - 43 (1999)) and protoplast-mediated gene transmission (Shimamoto et al, (1989), Datta et al . (1990)) a.
In den Hauptvarianten der Erfindung wird das regenerierbare Gewebe bevorzugt unter Verwendung von Agrobacterium oder der Partikelbeschuß-Methode transformiert. Es werden bevorzugt unreife Embryonen ohne Vorkultur benutzt. Nach dem Gentransfer wird von dem Explantat Kallus induziert.In the main variants of the invention, the regenerable tissue is preferably transformed using Agrobacterium or the particle bombardment method. Immature embryos without preculture are preferred. After the gene transfer, callus is induced by the explant.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung wird das regenerierbare Gewebe für eine kurze Periode nach der Einführung der Fremd-DNA, z.B. dem Partikelbeschuß oder dem grobαcteπww-vermittelten Gentransfer, kultiviert. Das für diese Wachstumsperiode verwendete Nährmedium enthält keinerlei Selektionsmittel und dieses Nährmedium führt zu undifferenziertem Zellwachstum und bereitet die anschliessende Pflanzenregeneration vor. Diese Kulturperiode wird kurz gehalten, und beträgt bis zu sechs Wochen, vorzugsweise dauert sie nicht länger als etwa vier Wochen und am besten nicht länger als 7 bis 17 Tage. Eine längere Periode undifferenzierten Wachstums ist gemäß vorliegender Erfindung nicht erforderlich.In a preferred embodiment of the invention, the regenerable tissue is kept for a short period after the introduction of the foreign DNA, e.g. the particle bombardment or the coarse αcteπww-mediated gene transfer. The nutrient medium used for this growth period contains no selection agent and this nutrient medium leads to undifferentiated cell growth and prepares the subsequent plant regeneration. This cultivation period is kept short and is up to six weeks, preferably it does not last longer than about four weeks and ideally not longer than 7-17 days. A longer period of undifferentiated growth is not required in the present invention.
Nach der Transformation und einer kurzen Phase mit undifferenziertem Gewebewachstum wird das regenerierbare Pflanzengewebe in ein Sprossinduktionsmedium übertragen, das die Regeneration von Pflanzen aus dem Gewebe induziert, wobei das zur Regeneration benutzte Sprossinduktionsmedium vorzugsweise keinerlei Selektionsmittel enthält. Dies steht im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik, wonach regenerierbare Pflanzengewebe zunächst eine ausgedehnte Selektionsperiode durchlaufen müssen, ehe die regenerierbaren Gewebe in das Sprossinduktionsmedium übertragen werden (Vasil et al., 1993; Castillo et al., 1994), oder wonach regenerierbare Pflanzengewebe einer Selektionsperiode während der Exposition in einem Sprossinduktionsmedium ausgesetzt werden (EP 0709462).After the transformation and a short phase with undifferentiated tissue growth, the regenerable plant tissue is transferred into a shoot induction medium which induces the regeneration of plants from the tissue, the shoot induction medium used for the regeneration preferably containing no selection agent. This is in contrast to the previous state of the art, according to which regenerable plant tissue initially have to go through an extended selection period before the regenerable tissues are transferred into the shoot induction medium (Vasil et al., 1993; Castillo et al., 1994), or after which regenerable plant tissues are exposed to a selection period during exposure in a shoot induction medium (EP 0709462).
Das für diesen Schritt benutzte Sprossinduktionsmedium kann jedes Medium sein, das die Bildung von Sprossen aus regenerierbarem Gewebe ermöglicht. Ein bevorzugtes Sprossinduktionsmedium ist frei von pflanzlichen Wachstumsregulatoren für die Spross- und Wurzelbildung aus regenerierbarem Gewebe (beispielsweise ein Medium nach Weeks et al, 1993).The shoot induction medium used for this step can be any medium that enables the formation of shoots from regenerable tissue. A preferred shoot induction medium is free from plant growth regulators for shoot and root formation from regenerable tissue (for example a medium according to Weeks et al, 1993).
Das regenerierbare Pflanzengewebe wird erfmdungsgemäß so rasch wie möglich nach der Transformation in dieses Medium übertragen. Die Regeneration der Sprosse erfolgt vorzugsweise über somatische Embryogenese. Vorzugsweise geschieht dies zwischen einem Tag und 6 Wochen, vorzugsweise nicht später als 4 Wochen, am besten nicht später als 7 bis 17 Tage nach Einführung der Fremd-DNA.According to the invention, the regenerable plant tissue is transferred into this medium as quickly as possible after the transformation. The regeneration of the shoot is preferably carried out via somatic embryogenesis. This is preferably done between one day and 6 weeks, preferably not later than 4 weeks, ideally not later than 7 to 17 days after the introduction of the foreign DNA.
Nachdem sich wenigstens ein Spross gebildet hat, wird ein kleiner Teil des Sprosses zur DNA- Extraktion oder Proteinextraktion abgenommen. Jede Methode zur DNA-Analyse oder Proteinanalyse, welche die Bestimmung kleiner DNA-Mengen bzw. Proteinmengen erlaubt, ist mit dem vorliegenden Verfahren kompatibel. Erfindungsgemäß wurde vorzugsweise die Polymerasekettenreaktion benutzt, um transgene Pflanzen zu identifizieren, die über den biolistischen Gentransfer transformiert wurden. Pflanzen, die über
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Gentransfer erstellt wurden, wurden vorzugsweise mittels ELISA (Enzyme Linked Immunosorbent Assay) identifiziert. Die Identifizierung transgener Pflanzen kann vor oder nach der Übertragung der Pflanzen in Erdkultur erfolgen. Bevorzugt erfolgt die DNA-Analyse während der in v/tro-Kultur der transgenen Pflanzen, was die arbeitsaufwendige Übertragung zahlreicher nicht-transgener Pflanzen in Erde vermeidet.
After at least one shoot has formed, a small part of the shoot is removed for DNA extraction or protein extraction. Any method for DNA analysis or protein analysis that allows the determination of small amounts of DNA or protein is compatible with the present method. According to the invention, the polymerase chain reaction was preferably used to identify transgenic plants which were transformed via the biolistic gene transfer. Plants over
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Gene transfer were preferably identified using ELISA (Enzyme Linked Immunosorbent Assay). Transgenic plants can be identified before or after the plants are transferred to soil culture. DNA analysis is preferably carried out during the in v / tro culture of the transgenic plants, which avoids the laborious transfer of numerous non-transgenic plants into soil.
Die Pflanzen können dann in Erdkultur übertragen und nach dem Stand der Technik bis zur Samenbildung weiter kultiviert werden. Die Hauptvariante 1 der Erfindung betrifft die Transformation von Roggen (secale cereale L.) mit stabiler Expression des Transgens gemäß der Erfindung mit Agrobacterium als Gentransfersystem bestehend aus der Cokultivierung eines frisch gewonnenen Roggenexplantats oder eines von einem Roggenexplantats induzierten Kallus mit Agrobacterium, enthaltend ein Plasmid mit einer heterologen Nukleinsäure. Bevorzugt werden hierbei als Explantat unreife Embryonen eingesetzt.The plants can then be transferred into earth culture and further cultivated according to the prior art until seed formation. The main variant 1 of the invention relates to the transformation of rye (secale cereale L.) with stable expression of the transgene according to the invention with Agrobacterium as a gene transfer system consisting of the cocultivation of a freshly obtained rye explant or a callus induced by a rye exploration with Agrobacterium containing a plasmid a heterologous nucleic acid. Immature embryos are preferably used as explants.
Das Verfahren besteht aus der Kontaktierung mindestens eines unreifen Embryonen oder eines von einem Explantat induzierten Kallus einer Roggenpflanze mit Agrobacterium, das geeignet ist, mindestens ein Gen in Zellen des Embryonen oder Zellen des vom Explantat induzierten Kallus zu übertragen. Daraufhin wird der Embryo oder der vom Explantat induzierte Kallus mit Agrobacterium cokultiviert. Die Embryonen oder der vom Explantat induzierte Kallus werden danach in einem Medium kultiviert, das die Kallusbildung fördert, unter Zugabe eines Antibiotikum in Konzentrationen, die geeignet sind, das Wachstum von Agrobacterium zu unterbinden. Nachfolgend werden die Pflanzen, die das selektierbare Marker Transgen exprimieren, auf einem Medium mit selektivem Agens regeneriert, um Pflanzen zu selektieren, die das Gen exprimieren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anwendung eines Markergens und eines Selektionsmediums nicht notwendig, um die Pflanzen, die ein potentiell nützliches Transgen exprimieren, zu identifizieren. Eine bevorzugte Ausführungsform umfaßt die stabile Transformation der regenerierten Pflanzen. Bevorzugt setzt man unreife Embryonen einer Länge von 0,8 mm bis 2,0 mm ein. Die Konzentration von Agrobacterium liegt bevorzugt zwischen ca. 0,5 OD und 4,0 OD, besonders bevorzugt zwischen ca. 1,6 OD bis 2,4 OD. Üblicherweise führt man die Kontaktierung in einer Suspension aus. Man kann die Cokultivierung auf festem, flüssigem oder MS Salz haltigem Medium ausführen.The method consists of contacting at least one immature embryo or an explant-induced callus of a rye plant with Agrobacterium, which is suitable for transferring at least one gene into cells of the embryo or cells of the explant-induced callus. The embryo or the callus induced by the explant is then cocultivated with Agrobacterium. The embryos or explant-induced callus are then cultured in a medium that promotes callus formation with the addition of an antibiotic in concentrations that are suitable for stopping the growth of Agrobacterium. Subsequently, the plants that express the selectable marker transgene are regenerated on a medium with selective agent to select plants that express the gene. In a preferred embodiment, the use of a marker gene and a selection medium is not necessary to identify the plants that express a potentially useful transgene. A preferred embodiment comprises the stable transformation of the regenerated plants. Immature embryos with a length of 0.8 mm to 2.0 mm are preferably used. The concentration of Agrobacterium is preferably between approximately 0.5 OD and 4.0 OD, particularly preferably between approximately 1.6 OD to 2.4 OD. Contacting is usually carried out in a suspension. The cocultivation can be carried out on a solid, liquid or medium containing MS salt.
Eine weitere Vorzugsform betrifft die Regenerierung der Embryonen in Medium mit einem Antibiotikum, das geeignet ist, das Wachstums von Agrobacterium zu unterbinden. Bevorzugt wird als Antibiotikum Timentin, eine Mischung von 1500 mg Ticarcillin Natrium und 100 mg Kalium Clavunat, verwendet. Besonders geeignet sind Timentin-Konzentrationen zwischen ca. 100 mg/1 und 300 mg/1, im besonderen eine Konzentration von 150 mg/1. Die Kultivierung der Embryonen oder alternativer Explantate, wie Infloreszenzen, Achselknospen, Meristeme erfolgt üblicherweise für ca. 0 bis 15 Tage vor der Cokultivierung mit Agrobacterium. Bevorzugt werden die Embryonen oder alternative Explantate, wie Infloreszenzen, Achselknospen, Meristeme für ca. 0 bis 5 Tage vor der Cokultivierung mit Agrobacterium kultiviert. Üblicherweise beträgt die Länge des Schrittes der Cokultivierung zwischen einem und vier Tagen. Die Kulturphase vor dem Transfer der Gewebe zu Bedingungen der Pflanzenregeneration beträgt üblicherweise 1 bis 60 Tage nach Cokultivierung, wobei sieben bis 17 Tage bevorzugt sind. Man kann die Selektion für transgene Pflanzen, die das selektierbare Marker Transgen exprimieren, während der ganzen Gewebekulturphase nach Cokultivation oder während der Regenerationsphase durchführen. Bevorzugt wird die Selektion der Markergenexpression während des Streckungswachstums der Sprossprimordien zu Sprossen durchgeführt. Eine andere bevorzugte Variante (Hauptvariante III) verzichtet vollständig auf den Einsatz von Selektionsmarkergenen und die Verwendung von entsprechenden Selektionsagenzien. Das Auffinden der transformierten Pflanzen erfolgt über biochemische Detektionsverfahren (ELISA).Another preferred form relates to the regeneration of the embryos in medium with an antibiotic which is suitable for stopping the growth of Agrobacterium. Timentin, a mixture of 1500 mg of ticarcillin sodium and 100 mg of potassium clavunate, is preferably used as the antibiotic. Timentin concentrations between approximately 100 mg / 1 and 300 mg / 1 are particularly suitable, in particular a concentration of 150 mg / 1. The embryos or alternative explants, such as inflorescences, armpit buds, meristems, are usually cultivated for about 0 to 15 days before cocultivation with Agrobacterium. Prefers the embryos or alternative explants, such as inflorescences, armpit buds, meristems, are cultivated with Agrobacterium for about 0 to 5 days before co-cultivation. The length of the cocultivation step is usually between one and four days. The culture phase before the transfer of the tissues under conditions of plant regeneration is usually 1 to 60 days after cocultivation, with seven to 17 days being preferred. The selection for transgenic plants which express the selectable marker transgene can be carried out during the entire tissue culture phase after cocultivation or during the regeneration phase. The selection of the marker gene expression is preferably carried out during the stretching growth of the shoot primordia to shoots. Another preferred variant (main variant III) completely dispenses with the use of selection marker genes and the use of corresponding selection agents. The transformed plants are found using biochemical detection methods (ELISA).
Die Hauptvarianten I bis III des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens sind durch zahlreiche Vorteile gekennzeichnet.The main variants I to III of the present method are characterized by numerous advantages.
1. Das Verfahren ist nicht auf bestimmte Pflanzenarten beschränkt. Es hängt lediglich von der Verwendung regenerierbarer Pflanzengewebe und damit von Gewebekultur-Bedingungen, Verfahren und Gentransfermethoden ab, welche die Regenerationsfähigkeit transformierter Gewebe unterstützen und zugleich die Effizienz des Verfahrens fördern.1. The process is not limited to certain plant species. It only depends on the use of regenerable plant tissue and thus on tissue culture conditions, processes and gene transfer methods that support the regenerative capacity of transformed tissue and at the same time promote the efficiency of the process.
2. Mit der beschriebenen markerfreien Transformationsmethode wird eine höhere Transformationsfrequenz erreicht als in früher publizierten Fällen (Castillo et al., 1994). Diese Aussage über die Transformationsfrequenz gilt für jene Frequenz, die bei markerfreiem Verfahren beobachtet wurde, wobei komplizierte, die Effizienz verringernde Markereliminierungsexperimente unnötig sind. Infolge der raschen Erzeugung transgener Pflanzen, die von selektier- und screenbaren Markergenen frei sind, können Risikoermittlung und Kommerzialisierung der transgenen Pflanzen beschleunigt und vereinfacht werden. Die Anwendbarkeit dieser markerfreien Transformationsmethode auf z.B. Inzuchtlinien von Roggen erhöht die Reproduzierbarkeit bei dieser "widerspenstigen" und fremdbefruchtenden Pflanze. Pflanzen, die mit diesem Verfahren erzeugt werden, sind generell fertil.2. With the marker-free transformation method described, a higher transformation frequency is achieved than in previously published cases (Castillo et al., 1994). This statement about the transformation frequency applies to the frequency that was observed in the marker-free method, with complicated, efficiency-reducing marker elimination experiments being unnecessary. As a result of the rapid generation of transgenic plants which are free from selectable and screenable marker genes, risk identification and commercialization of the transgenic plants can be accelerated and simplified. The applicability of this marker-free transformation method to e.g. Rye inbred lines increase reproducibility in this "recalcitrant" and cross-pollinated plant. Plants created using this method are generally fertile.
3. Ein anderer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin, dass die bisherigen Transformationsmethoden 8 bis 9 Monate erfordern, um z.B. transgene Roggenpflanzen zu erhalten (Castilo et al, 1994). Die bombardierten regenerierbaren Gewebe wurden nach dem bisherigen Stand der Technik für 3 bis 4 Wochen auf Selektionsmedium subkultiviert, um eine Kallusvermehrung zu erlauben. Durch Verminderung der Zeit zur Kallusvermehrung laut Hauptvariante II und, oder durch Verwendung von Explantaten ohne Vorkultur laut Hauptvariante I erfordert die erfindungsgemäße rasche Methode weniger als 2 bis höchstens 3 Monate, um z.B. transgene Roggen- Gerste- oder Weizenpflanzen zu erzeugen. Langzeitkultur vor und nach der Transformationsbehandlung und die Anwendung von Selektionsmitteln sind laut Hauptvariante III mit der erfindungsgemäßen Methode nicht erforderlich. Überraschend ist, dass auch nach Durchführung der markerfreien Transformationsmethode die transformierten Zellen ebenso schnell regenerieren wie nicht- transformierte Zellen und somit der Anteil an transgenen und nichttransgenen Pflanzen an den Gesamtregeneratpflanzen keine automatisierte molekulare Analyse erfordert, obwohl sich mit dieser die Effizienz des Verfahrens erhöhen lässt. 4. Die Regenerate waren sowohl in in vz'tro-Kultur als auch in Erdkultur kräftiger und gesünder als solche, die von Selektionsmedien stammen.3. Another advantage according to the invention is that the previous transformation methods require 8 to 9 months in order to, for example, transgenic rye plants obtained (Castilo et al, 1994). The bombarded regenerable tissues were subcultured for 3 to 4 weeks on selection medium according to the prior art in order to allow callus multiplication. By reducing the time for callus multiplication according to main variant II and, or by using explants without preculture according to main variant I, the rapid method according to the invention requires less than 2 to at most 3 months to produce, for example, transgenic rye, barley or wheat plants. Long-term culture before and after the transformation treatment and the use of selection agents are not necessary according to the main variant III with the method according to the invention. It is surprising that even after the marker-free transformation method has been carried out, the transformed cells regenerate just as quickly as non-transformed cells and therefore the proportion of transgenic and non-transgenic plants in the total regenerated plants does not require automated molecular analysis, although this can increase the efficiency of the method. 4. The regenerates were stronger and healthier both in vz ' tro culture and in earth culture than those derived from selection media.
Die Hauptvariante III der vorliegenden Erfindung stellt somit ein schnelles, reproduzierbares und effizientes System zur Erzeugung von transgenen Pflanzen dar, die frei von selektier- oder screenbaren Markergenen sind. In einer bevorzugten Ausführungsvariante liefert sie ein schnelles und effizientes Marker-freies Transformationssystem für monokotyle Kulturpflanzen unter Verwendung von unreifen Embryonen als Ausgangsgewebe. Insbesondere ist das Verfahren für die Transformation und Regeneration von transgenen Roggen-, Gersten- und Weizenpflanzen einsetzbar. Die erfindungsgemäß regenerierten Pflanzen sind phänotypisch normal und voll fertil. Transgene Pflanzen, die frei von selektier- und screenbaren Markergenen sind, können bereits innerhalb von weniger als zwei bis höchstens drei Monaten nach der Präparation der Primärexplantate in Erdkultur überführt werden. Die Transgene werden stabil an die Fl- Nachkommenschaft vererbt.The main variant III of the present invention thus represents a fast, reproducible and efficient system for producing transgenic plants which are free from selectable or screenable marker genes. In a preferred embodiment, it provides a fast and efficient marker-free transformation system for monocot crops using immature embryos as the starting tissue. In particular, the method can be used for the transformation and regeneration of transgenic rye, barley and wheat plants. The plants regenerated according to the invention are phenotypically normal and fully fertile. Transgenic plants that are free of selectable and screenable marker genes can be transferred into soil culture within less than two to a maximum of three months after the preparation of the primary explants. The transgenes are stably passed on to the Fl progeny.
Mit dem Verfahren ist die Realisierung eines wesentlichen Ziels bei der Herstellung transgener Pflanzen gelungen, nämlich die öffentliche Akzeptanz von transgenen Kulturpflanzen durch Reduktion von nachteiligen Umwelteffekten, die die Verwendung selektierbarer Marker mit sich bringt, zu verbessern. Es kann mit dem einfachen und schnell durchführbaren Verfahren den regulatorischen Anforderungen der betreffenden Gewebe entsprochen werden, und es werden transgene Kulturpflanzen mit wertsteigernden Gensequenzen erzeugt, die frei von selektier- und screenbaren Markergenen sind.The process has achieved an important goal in the production of transgenic plants, namely to improve the public acceptance of transgenic crop plants by reducing the adverse environmental effects that the use of selectable markers entails. It can be done with the simple and quick procedure regulatory requirements of the tissues in question are met, and transgenic crop plants are generated with value-enhancing gene sequences that are free of selectable and screenable marker genes.
Obwohl selektier- und screenbare Marker nicht erforderlich sind, können darüber hinaus (wenn notwendig) auch verschiedene selektierbare Markersysteme, einschließlich Herbizide wie Bialophos und ebenso Antibiotika, wie Paramomycin oder Hygromycin, oder andere screenbare Marker, wie GUS oder GFP, zusammen mit dem beschriebenen Verfahren der Hauptvarianten I und II benutzt werden.In addition, although selectable and screenable markers are not required, various selectable marker systems, including herbicides such as bialophos and also antibiotics such as paramomycin or hygromycin, or other screenable markers such as GUS or GFP, can also (if necessary) together with the described method of the main variants I and II can be used.
Die erfindungsgemäß beschriebene rasche markerfreie Transformationsmethode produziert gewöhnlich auch einheitliche, nicht-chimärische Transformanten. Regeneration erfolgt bevorzugt über somatische Embryogenese. Infolge der kurzen Gewebekulturzeit sind embryogene Kallussektoren auf dem Stadium der Regeneration klein. Daher wird nur ein Sproß von jedem Kallussektor regeneriert. Wie die PCR-Analyse auf stabile Transgenintegration zeigte, sind Blattsegmente von verschiedenen Teilen der transgenen Pflanzen einheitlich in der Transgenintegration. Nachkommenschaftsanalysen zeigten ebenfalls, dass die meisten der transgenen Pflanzen nach Selbstung im Verhältnis 3 : 1 zwischen transgenen und nicht- transgenen Pflanzen spalteten, wie für ein einzelnes dominantes Gen zu erwarten war.The rapid marker-free transformation method described according to the invention usually also produces uniform, non-chimeric transformants. Regeneration is preferably carried out via somatic embryogenesis. Due to the short tissue culture time, embryogenic callus sectors are small at the regeneration stage. Therefore, only one branch is regenerated from each callus sector. As the PCR analysis for stable transgene integration showed, leaf segments of different parts of the transgenic plants are uniform in the transgene integration. Progeny analyzes also showed that most of the transgenic plants after self-splitting split 3: 1 between transgenic and non-transgenic plants, as was to be expected for a single dominant gene.
Die vorliegende Erfindung bietet Vorteile für Pflanzenarten, die widerspentig in der Gewebekultur sind. Sie ist insbesondere für monokotyle Arten brauchbar. Noch spezieller ist sie für Pflanzen brauchbar, die nicht für lange Zeit auf dem Kallusstadium gehalten werden können, ohne die Regenerationsfähigkeit zu verlieren. Drei besonders brauchbare Spezies sind in der vorliegenden Erfindung Roggen, Gerste und Weizen.The present invention offers advantages to plant species that are inconsistent in tissue culture. It is particularly useful for monocot species. It is even more particularly useful for plants that cannot be kept on the callus stage for a long time without losing their ability to regenerate. Three particularly useful species are rye, barley and wheat in the present invention.
Es ist insbesondere hervorzuheben, dass zum ersten Mal die reproduzierbare Erzeugung von transgenem Roggen in ausreichender Anzahl für genetische Studien und kommerzielle Anwendungen möglich wurde. So konnte für Roggen und Weizen festgestellt werden, dass das Verfahren genotypunabhängig ist. Das heißt, dass diese Methode mit jeder Art von Roggen- und Weizensorte benutzt werden kann, einschließlich sowohl Winter- als auch Sommerweizen und - roggen. Sie kann verwendet werden, um transgene Pflanzen von Sommerroggen-Inzuchtlinien wie zum Beispiel L22 oder Winterroggen-Inzuchtlinien wie L20, Sommerweizensorten wie z.B. Bobwhite und Winterweizenzuchtstämme wie W08 zu erzeugen. D.h. das Verfahren ist sogar für homozygote Inzuchtlinien fremdbestäubender Arten wie Roggen und Elitegenotypen von Weizen anwendbar.It is particularly noteworthy that, for the first time, the reproducible production of transgenic rye in sufficient numbers has become possible for genetic studies and commercial applications. For rye and wheat, for example, it was found that the process is genotype-independent. This means that this method can be used with any type of rye and wheat, including both winter and summer wheat and rye. It can be used to transgenic plants from summer rye inbred lines such as L22 or winter rye inbred lines such as L20, summer wheat varieties such as Bobwhite and winter wheat breeding lines such as W08. This means that the method can even be used for homozygous inbred lines of cross-pollinating species such as rye and elite genotypes of wheat.
Vorteile der Agrobacterium-vermittelten Transformation liegen darin, dass in der Regel einfachere Transgeninsertionsmuster als beim biolistischen Gentransfer oder der direkten Aufnahmen von DNA in Protoplasten auftreten. Zudem werden Transgene in der Regel mittels Agrobacterium im Gegensatz zu den alternativen Gentransferverfahren in aktiv transkribierten Regionen inseriert. Einfache Transgenintegrationsmuster und Insertion in aktiv transkribierten Regionen führt zu einer stabilen Transgenexpression in generativen Nachkommen. Zudem können mittels Agrobacterium grössere DNA-Fragmente übertragen werden als mit anderen Gentransferverfahren, was insbesondere für Komplementationsstudien und für die Veränderung ganzer Stoffwechselwege Bedeutung hat.Advantages of the Agrobacterium -mediated transformation are that, as a rule, simpler transgene insertion patterns occur than with biolistic gene transfer or the direct uptake of DNA in protoplasts. In addition, transgenes are usually inserted in actively transcribed regions using Agrobacterium, in contrast to the alternative gene transfer methods. Simple transgene integration patterns and insertion in actively transcribed regions leads to stable transgene expression in generative offspring. In addition, larger DNA fragments can be transferred using Agrobacterium than with other gene transfer methods, which is particularly important for complementation studies and for changing entire metabolic pathways.
Mit den nachfolgenden Beispielen wird die Erfindung näher erläutert. Die Beispiele gelten in keiner Weise als Einschränkung der vorliegenden Erfindung.The invention is explained in more detail with the following examples. The examples are in no way intended to limit the present invention.
1. Hauptvariante I1. Main variant I
Herstellung transgener Gerstenpflanzen mittels Agrobacterium - vermitteltem Gentransfer.Production of transgenic barley plants using Agrobacterium - mediated gene transfer.
grobαcteπwmstammAGLl (Lazo et al. 1991) mit zwei konsumtiven Expressionskassetten in der T-DNA (Hygromycin B Resistenzgen hph unter Kontrolle des 55S-Promotors und nos terminators und das Reportergen gfp unter Kontrolle des ubiquitin Promotors und nos Terminators) wurde mit frisch explantierten zuvor nicht vorkultivierten Gerstenembryonen für 2- 3 Tage auf Kallusinduktionsmedium nach Hagio et al. (Plant Cell Rep 14: 329-334 (1995)) cokultiviert. Anschließend wurden die Explantate auf 150mg/L timentinhaltigem Kallusinduktionsmedium kultiviert und nach weiteren fünf Tagen auf selektivem Kallusinduktionsmedium mit 10-30mg/L Hygromycin B und 150mg/L Timentin kultiviert. Nach ein bis drei zweiwöchigen Selektionsphasen wurden die Explantate auf selektives Regenerationsmedium (Hagio et al.) überfuhrt und nach weiteren 5 Wochen konnten regenerierte Pflanzen in Erde gepflanzt werden. Abbildung la-d zeigt Expression des gfp Gens in unterschiedlichen Stadien der Gewebekultur und Transgennachkommen, als auch den molekularen Nachweis für Transgenintegration (E: Southern blot) und Transgenexpression (F: Western blot).GrobαcteπwmstammAGLl (Lazo et al. 1991) with two consuming expression cassettes in the T-DNA (hygromycin B resistance gene hph under the control of the 55S promoter and nos terminators and the reporter gene gfp under the control of the ubiquitin promoter and nos terminators) was not previously explored precultivated barley embryos for 2-3 days on callus induction medium according to Hagio et al. (Plant Cell Rep 14: 329-334 (1995)) cocultivated. Then the explants were cultivated on callus induction medium containing 150 mg / L timentin and after a further five days cultivated on selective callus induction medium with 10-30 mg / L hygromycin B and 150 mg / L timentin. After one to three two-week selection phases, the explants were transferred to selective regeneration medium (Hagio et al.) And after a further 5 weeks, regenerated plants could be planted in soil. Figure la-d shows expression of the gfp gene in different stages of tissue culture and transgene progeny, as well as the molecular evidence for transgene integration (E: Southern blot) and transgene expression (F: Western blot).
2. Hauptvariante II2. Main variant II
Herstellung transgener Roggenpflanzen mittels Agrobacterium - vermitteltem Gentransfer.Production of transgenic rye plants using Agrobacterium -mediated gene transfer.
Es wurden unreife nicht-, oder bis zu 5 Tage- auf einem nach Casillo et al (1994) modifizierten MS medium (Murashige und Skoog, Physiol. Plant. 15: 473-497 (1962) vorkultivierte Roggenembryonen verwendet. Die Explantate bzw. entstandenen Kalli wurden mit auf LB- medium vorkultiviertem Agrobacterium infiziert. Mit Hilfe des verwendeten Agrobacteriumstammes AGLO (Lazo et al., Bio/Technology 9: 963-967 (1991)) wurde eine T- DNA mit konstitutiver Expressionskassette unter Kontrolle des Ubiquitin-Promotors und NOS- Terminators (Christensen und Quail, Transgenic Res. 4: 44-51 (1996) mit dem selektierbaren nptϊ Markergen übertragen. Kalli wurden 2 bis 3 Tage auf 150mM Acetosyringonhaltigem Kulturmedium mit Agrobacterium cocultiviert, danach für 3 Wochen auf 150mg/L timentinhaltigem Kallusinduktionsmedium der Zusammensetzung nach Castillo et al. (1994) ohne selectivem Agens kultiviert und auf 150mg/L Timentinhaltigem Sproßinduktionsmedium der Zusammensetzung nach Castillo et al. (1994) mit 30mg/L Paramomycinsulfat als selektives Agens regeneriert.Immature rye embryos, which had not been ripened, or up to 5 days on a MS medium (Murashige and Skoog, Physiol. Plant. 15: 473-497 (1962) modified according to Casillo et al (1994)) were used Calli were infected with Agrobacterium precultivated on LB medium, and with the aid of the Agrobacterium strain AGLO (Lazo et al., Bio / Technology 9: 963-967 (1991)), a T-DNA with a constitutive expression cassette was controlled under the control of the ubiquitin promoter and NOS terminators (Christensen and Quail, Transgenic Res. 4: 44-51 (1996) were transferred with the selectable nptgen marker gene. Calli were cocultivated with Agrobacterium culture medium containing 150mM acetosyringone for 2 to 3 days, then for 3 weeks on callus induction medium containing 150mg / L timentin of the composition according to Castillo et al. (1994) cultivated without a selective agent and on 150 mg / L timentin-containing shoot induction medium of the composition according to Castillo et al. (1994) with 30 mg / L paramomycin sulfate regenerated as a selective agent.
Von den Sprosspitzen regenerierter Pflanzen wurden Blattproben entnommen, die Proteine extrahiert und mittels ELISA und Western blot eine NPTII Expressionsanalyse durchgeführt. In der bevorzugten Behandlung konnten von 500 Explantaten 31 unabhängige transgene Roggenpflanzen identifiziert werden. Diese Pflanzen wurden selektiert und in Erde gepflanzt. Abbildung 2a zeigt ELISA unter Einsatz von 20μg Gesamtproteinextrakt im Vergleich zu 150- und 20pg NPTII Standards. Abbildung 2b zeigt NPTII Western blot ausgesuchter Pflanzen unter Verwendung von lOμg Gesamtprotein und NPTII spezifischem Antikörper.Leaf samples were taken from the shoot tips of regenerated plants, the proteins extracted and an NPTII expression analysis carried out by means of ELISA and Western blot. In the preferred treatment, 31 independent transgenic rye plants were identified from 500 explants. These plants were selected and planted in soil. Figure 2a shows ELISA using 20μg total protein extract compared to 150 and 20pg NPTII standards. Figure 2b shows NPTII Western blot of selected plants using 10 μg total protein and NPTII-specific antibody.
3. Hauptvariante III3. Main variant III
Herstellung transgener, markergen-freier Roggenpflanzen mittels biolistischem Gentransfer. Es wurden unreife Roggenembryonen 3 bis 7 Tage auf einem nach Casillo et al. (1994) modifizierten MS medium (Murashige und Skoog, Physiol. Plant. 15: 473-497 (1962) vorkultiviert. Diese Gewebe wurden mit Mikropartikeln die mit zwei konstitutiven Expressionskassetten von Nutzgenen unter Kontrolle des Ubiquitin-Promotors und NOS- Terminators (Christensen und Quail, Transgenic Res. 4: 44-51 (1996). Als Beispiele wurden cDNA's unterschiedlicher Fragmentlänge (Gamma-Tocopherolmethyltransferase aus Arabidopsis und des Ferretingens aus Erbse) unter Kontrolle der genannten Sequenzen ins Roggengenom integriert. Die Kultivierung der Kalli nach dem Partikelbeschuß erfolgte für 7 bis 17 Tage in Kallusinduktionsmedium (Zusammensetzung wie bei Castillo et al. 1994) und danach für 4-5 Wochen in einem Sproßinduktionsmedium (Zusammensetzung wie bei Castillo et al. 1994).Production of transgenic, marker gene-free rye plants by means of biolistic gene transfer. Immature rye embryos were grown on a Casillo et al. (1994) modified MS medium (Murashige and Skoog, Physiol. Plant. 15: 473-497 (1962). These tissues were coated with microparticles with two constitutive expression cassettes of useful genes under the control of the ubiquitin promoter and NOS terminators (Christensen and Quail, Transgenic Res. 4: 44-51 (1996) As examples, cDNA's of different fragment lengths (gamma-tocopherol methyltransferase from Arabidopsis and ferret gene from pea) were integrated into the rye genome under control of the sequences mentioned. The cultivation of the calli after the particle bombardment was carried out for 7 to 17 days in callus induction medium (composition as in Castillo et al. 1994) and then for 4-5 weeks in a shoot induction medium (composition as in Castillo et al. 1994).
4-5 Wochen nach Kulturbeginn auf dem Sprossinduktionsmedium hatten sich bewurzelte Sprosse gebildet. Von den Sprosspitzen wurden Proben entnommen, DNA extrahiert und mittels PCR eine DNA- Analyse durchgeführt. 20 der regenerierten Roggenpflanzen von Kalli, die von 1400 unterschiedlichen Explantaten hervorgegangen sind, wiesen die transformierte Fremd-DNA auf, Diese Pflanzen wurden selektiert und in Erde gepflanzt. Abbildung 3 zeigt PCR-Analysen unter Verwendung von Primerpaaren, die in den die cDNA flankierenden Kontrollsequenzen (ubiquitin Promotor und nos Terminator) initiieren, im Vergleich zur Plasmidkontrolle und Fragmentgrößenmarker (Abb. 3a) und PCR-Analysen unter Verwendung von Primerpaaren, die in dem ubiquitin Promotor und der jeweiligen cDNA initiieren im Vergleich zur Plasmidkontrolle und Fragmentgrößenmarker (Abb.3b) sowie transgene markergen-freie Roggenpflanzen nach Überführung in Erdkulturen (Abb. 3c). Das Transgen wurde stabil auf die generative Nachkommenschaft übertragen wie PCR und Southern blot Analysen (Abb. 3d) belegen.Rooted shoots had formed 4-5 weeks after the start of culture on the shoot induction medium. Samples were taken from the shoot tips, DNA extracted and DNA analysis carried out by means of PCR. 20 of the regenerated rye plants from Kalli, which resulted from 1400 different explants, had the transformed foreign DNA. These plants were selected and planted in soil. Figure 3 shows PCR analyzes using primer pairs that initiate in the control sequences flanking the cDNA (ubiquitin promoter and nos terminator) compared to the plasmid control and fragment size markers (Fig. 3a) and PCR analyzes using primer pairs that are in the ubiquitin promoter and the respective cDNA initiate compared to the plasmid control and fragment size markers (Fig.3b) as well as transgenic markergen-free rye plants after transfer to soil cultures (Fig. 3c). The transgene was transferred to the generative progeny in a stable manner, as confirmed by PCR and Southern blot analyzes (Fig. 3d).
4. Hauptvariante III4. Main variant III
Herstellung transgener, markergen-freier Weizenpflanzen mittels biolistischem Gentransfer.Production of transgenic, marker gene-free wheat plants by means of biolistic gene transfer.
Es wurden unreife Weizenembryonen 3 bis 7 Tage auf einem nach Casillo et al. (1994) modifizierten MS medium (Murashige und Skoog, Physiol. Plant. 15: 473-497 (1962) vorkultiviert. Diese Gewebe wurden mit Mikropartikeln die mit einer konstitutiven Expressionskassette eines Nutzgenes unter Kontrolle des Ubiquitin-Promotors und NOS- Terminators (Christensen und Quail, Transgenic Res. 4: 44-51 (1996). Als Beispiele wurde eine Gamma-Tocopherolmethyltransferase aus Arabidopsis unter Kontrolle der genannten Sequenzen ins Weizengenom integriert. Die Kultivierung der Kalli nach dem Partikelbeschuß erfolgte für 7 bis 17 Tage in Kallusinduktionsmedium (Zusammensetzung wie bei Castillo et al. 1994) und danach für 4-5 Wochen in einem Sproßinduktionsmedium (Zusammensetzung wie bei Castillo et al. 1994).Immature wheat embryos were placed on a Casillo et al. (1994) modified MS medium (Murashige and Skoog, Physiol. Plant. 15: 473-497 (1962). These tissues were coated with microparticles with a constitutive expression cassette of a useful gene under the control of the ubiquitin promoter and NOS- Terminators (Christensen and Quail, Transgenic Res. 4: 44-51 (1996). As examples, a gamma-tocopherol methyltransferase from Arabidopsis was integrated into the wheat genome under control of the sequences mentioned. The cultivation of the calli after the particle bombardment was carried out for 7 to 17 days in Callus induction medium (composition as in Castillo et al. 1994) and then for 4-5 weeks in a shoot induction medium (composition as in Castillo et al. 1994).
4-5 Wochen nach Kulturbeginn auf dem Sprossinduktionsmedium hatten sich bewurzelte Sprosse gebildet. Von den Sprosspitzen wurden Proben entnommen, DNA extrahiert und mittels PCR eine DNA- Analyse durchgeführt. 10 der regenerierten Weizenpflanzen von Kalli die von 500 unterschiedlichen Explantaten hervorgegangen sind, wiesen die transformierte Fremd-DNA auf, Diese Pflanzen wurden selektiert und in Erde gepflanzt. Abbildung 4a zeigt PCR-Analysen unter Verwendung von Primerpaaren die im ubiquitin Promotor und der cDNA der Gamma- Tocopherolmethyltransferase initiieren, im Vergleich zur Plasmidkontrolle und Fragmentgrößenmarker sowie Transgenexpression nachgewiesen mit Northern blot (Abb. 4b). Rooted shoots had formed 4-5 weeks after the start of culture on the shoot induction medium. Samples were taken from the shoot tips, DNA extracted and DNA analysis carried out by means of PCR. 10 of the regenerated wheat plants from Kalli, which originated from 500 different explants, had the transformed foreign DNA. These plants were selected and planted in soil. Figure 4a shows PCR analyzes using primer pairs which initiate in the ubiquitin promoter and the cDNA of the gamma-tocopherol methyltransferase, compared to the plasmid control and fragment size markers and transgene expression detected with Northern blot (Fig. 4b).
Legenden zu den AbbildungenLegends for the illustrations
Abb 1) grobαcterz'wm-vermittelter Gentransfer in frisch explantierte unreife Gerstenemembryonen (Hauptvariante I). Kokultur von unreifen Gerstenembryonen, die vor der Kontaktierung mit Agrobacterium nicht vorkultiviert wurden, führt zur Expression des Transgenes ( in diesem Falle das Reportergen gfp (grünes fluoreszierendes Protein) im Embryogewebe (Abb. A), dem regenerierenden Kallus (Abb B) und den generativen Nachkommen (Abb. D) der fertilen Pflanzen. Die Expression des Transgenes (gfp) ist auch biochemisch über eine Westernblot-Analyse unter Verwendung eines spezifischen Antikörpers in den Proteinextrakten, gewonnen aus Blattproben verschiedener transgener Gerstenpflanzen (Abb. C; 1-7), nachgewiesen (Abb. F). Die Spezifität des Antikörpers wird durch Reaktion mit gfp-Protein (Abb F; PC) und keine Reaktion mit Proteinextrakten aus nichttransgenen Gerstenpflanzen (Abb. F; NC). Die stabile Integration des gfp-Transgens in das Gerstengenom ist mittels Southern-blot-Analyse unter Verwendung einer radioaktiv markierten Probe aus dem codierenden Bereich des gfp- Transgens in verschiedenen Gerstenpflanzen durch Hybridisierungssignale nachgewiesen (Abb. E 1-11). Identisch behandelte DNA-Extrakte nichttransgener Gerste (Abb. E; NC) zeigen kein Hybridisierungssignal.Fig 1) Coarse αcterz ' mediated gene transfer to freshly explored immature barley embryos (main variant I). Co-culture of immature barley embryos that were not pre-cultivated prior to contact with Agrobacterium leads to expression of the transgene (in this case the reporter gene gfp (green fluorescent protein) in the embryo tissue (Fig. A), the regenerating callus (Fig. B) and the generative ones Descendants (Fig. D) of fertile plants The expression of the transgene (gfp) is also biochemical via Western blot analysis using a specific antibody in the protein extracts, obtained from leaf samples from various transgenic barley plants (Fig. C; 1-7), The specificity of the antibody is demonstrated by reaction with gfp protein (Fig. F; PC) and no reaction with protein extracts from non-transgenic barley plants (Fig. F; NC). The stable integration of the gfp transgene into the barley genome is by Southern blot analysis using a radioactively labeled sample from the coding region of the gfp transgene in various barley plants detected by hybridization signals (Fig. E 1-11). Identically treated DNA extracts of non-transgenic barley (Fig. E; NC) show no hybridization signal.
Abb. 2) NPTII Expression regenerierter transgener Roggenpflanzen [Secale cereale L.) nach Agrobacterium-vermitteltem Gentransfer.Fig. 2) NPTII expression of regenerated transgenic rye plants [Secale cereale L.) after Agrobacterium-mediated gene transfer.
(A) NPTII ELISA mit 20μg Rohproteinextrakt pro Vertiefung (1A: 150pg NPTII Protein; 1B: 20pg NPTII Protein; IC: 20μg Rohproteinextrakt einer nptll transgenen Roggenpflanze; 1D: 20μg Rohproteinextrakt einer Wildtyp Roggenpflanze). Pfeile kennzeichnen Proteinextrakte transgener Roggenpflanzen mit NPTII Expression.(A) NPTII ELISA with 20μg crude protein extract per well (1A: 150pg NPTII protein; 1B: 20pg NPTII protein; IC: 20μg crude protein extract from an nptll transgenic rye plant; 1D: 20μg crude protein extract from a wild-type rye plant). Arrows indicate protein extracts from transgenic rye plants with NPTII expression.
(B) NPTII Western blot mit 10 μg Rohproteinextrakt pro Spur (M: Marker, +K: 20pg NPTII, -K: 20pg Rohproteinextrakt einer Wildtyp Roggenpflanze).(B) NPTII Western blot with 10 μg crude protein extract per lane (M: marker, + K: 20pg NPTII, -K: 20pg crude protein extract of a wild-type rye plant).
Abb. 3a) PCR Analyse genomischer DNA transgener, markergen-freier Roggenpflanzen auf Kointegration zweier Nutzgenexpressionskassetten (y- Tocopherol-methyltransferase und Ferretin). M: 1Kb Leiter, Kl: Transgener Roggen mitFig. 3a) PCR analysis of genomic DNA of transgenic, marker gene-free rye plants for the cointegration of two useful gene expression cassettes (y- Tocopherol methyltransferase and ferretin). M: 1Kb ladder, Kl: transgenic rye with
Kointegration beider Expressionskassetten, K2: Ferritin Plasmidkontrolle, K3: y-Cointegration of both expression cassettes, K2: ferritin plasmid control, K3: y-
Tocopherol-methyltransferase PlasmidkontontroUe, WT: Wildtyp, 1-10= transgeneTocopherol-methyltransferase plasmid control, wt: wild type, 1-10 = transgenic
Roggenpflanzen. Primer, die in den die jeweilige cDNA flankierenden KontrollsequenzenRye plants. Primers in the control sequences flanking the respective cDNA
(ubiquitin-Promotor, nos-Terminator) initiieren, wurden zur DNA-Amplifikation verwendet.(ubiquitin promoter, nos terminator) were used for DNA amplification.
Der Vergleich mit der 1Kb Leiter demonstriert die Integration beider vollständigerThe comparison with the 1Kb ladder demonstrates the integration of both more completely
Expressionskassetten in transgenen Roggenpflanzen 1-10.Expression cassettes in transgenic rye plants 1-10.
3b) PCR Analyse genomischer DNA transgener, markergen-freier Roggenpflanzen auf Integration des Ferretin- (links) und des γ-Tocopherol-methyltransferase-3b) PCR analysis of genomic DNA of transgenic, marker-gene-free rye plants for integration of the ferretin (left) and the γ-tocopherol methyltransferase
Transgens (rechts). M: lOObp Leiter, +P: jeweilige Plasmidkontrollen, WT: Wildtyp, 1-Transgens (right). M: 100bp ladder, + P: respective plasmid controls, WT: wild type, 1-
10= Transgene Roggenpflanzen. Primerpaare, die im ubiquitin- Promotor und der jeweiligen cDNA initiieren, wurden zur DNA-Amplifikation verwendet.10 = transgenic rye plants. Primer pairs which initiate in the ubiquitin promoter and the respective cDNA were used for DNA amplification.
3c) Transgene, markergen-freie Roggenpflanzen nach Überführung in Erde.3c) Transgenic, marker-gene-free rye plants after transfer to soil.
3d) Southern Blot Analyse auf Integration von markergen-freien Roggenpflanzen mit dem y-3d) Southern blot analysis for integration of marker gene-free rye plants with the y-
Tocopherol-methyltransferase Transgen.Tocopherol methyltransferase transgene.
Plasmid-DNA (+P), genomische DNA von Wildtyp (WT) und transgenen RoggenpflanzenPlasmid DNA (+ P), wild-type (WT) genomic DNA and transgenic rye plants
(1-8) wurden mit dem Restriktionsenzym Bglll verdaut und auf 0.8% Agarosegel aufgetrennt, auf Nitrocellulose Membran übertragen und mit einer radioaktiv markierten Sonde (ca. 500bp aus der kodierenden Sequenz des γ-Tocopherol- methyltransferase Transgens) hybridisiert und mit einem Phophorimager visualisiert.(1-8) were digested with the restriction enzyme BglII and separated on 0.8% agarose gel, transferred to the nitrocellulose membrane and hybridized with a radioactively labeled probe (approx. 500 bp from the coding sequence of the γ-tocopherol methyltransferase transgene) and visualized with a phophore imager ,
Abb. 4) Markergenfreie transgene WeizenpflanzenFig. 4) Marker gene-free transgenic wheat plants
A) PCR Nachweis der Integration der Expressionskassette Ubiquitin-Promotor - codierende Sequenz Gammatocopherolmethyltransferase aus Arabidopsis - Nos-Terminator in genomische DNA von Winterweizen. Die Primer inserieren im Promotorbereich: Ubi-F2 Universe: 5'- GTC TGG TTG GGC GGT CGT TCT AG - 3' bzw in dem kodierenden Bereich der Gammatocopherolmethyltransferase: gTMT Reverse: 5'- CGC CTC AGT GGA TGT AGC A - 3' mit einem erwarteten Amplifikationsprodukt von 900 bp. PC: Plasmidkontrolle, NC: DNA einer nichttransgenen Weizensorte wurde als PCR-Template eingesetzt. 183, 206, 212: unabhängige transgene Weizenlinien. 1-5: DNA extrahiert aus fünf verschiedenen Trieben der transgenen Weizenpflanzen wurde als Template eingesetzt. 4B) Northern-blot-Nachweis der Expression der Gammatocopherolmethyltransferase (Pfeil) in transgenen Weizenpflanzen 183 und 212, die ohne Verwendung von Selektionsmarkergenen und ohne Verwendung von Selektionsagenzien erstellt wurden. NC: RNA isoliert aus einer nichttransgenen Weizenpflanze. Zur Hybridisierung wurde eine radioaktiv markierte Sonde aus dem kodierenden Bereich der Gammatocopherolmethyltransferase von Arabidopsis verwendet. A) PCR detection of the integration of the expression cassette ubiquitin promoter - coding sequence Gammatocopherolmethyltransferase from Arabidopsis - Nos terminator in genomic DNA from winter wheat. The primers advertise in the promoter area: Ubi-F2 Universe: 5'- GTC TGG TTG GGC GGT CGT TCT AG - 3 'or in the coding area of the gammatocopherol methyltransferase: gTMT Reverse: 5 ' - CGC CTC AGT GGA TGT AGC A - 3 ' an expected amplification product of 900 bp. PC: plasmid control, NC: DNA of a non-transgenic wheat variety was used as a PCR template used. 183, 206, 212: independent transgenic wheat lines. 1-5: DNA extracted from five different shoots of the transgenic wheat plants was used as a template. 4B) Northern blot detection of the expression of the gammatocopherol methyltransferase (arrow) in transgenic wheat plants 183 and 212, which were produced without the use of selection marker genes and without the use of selection agents. NC: RNA isolated from a non-transgenic wheat plant. A radioactively labeled probe from the coding region of the gammatocopherol methyltransferase from Arabidopsis was used for the hybridization.

Claims

Patentansprücheclaims
1) Verfahren zur Herstellung transgener, einkeimblättriger Pflanzen, insbesondere solcher Kulturarten, die als sehr "widerspenstig" in der Gewebekultur gelten, durch Einführung von Fremd-DNA gekennzeichnet durch a) Isolierung von regenerierbarem Gewebe von besagten Pflanzen und gegebenenfalls Kultivierung in einem an sich bekannten Gewebekulturmedium, b) Einführung der Fremd-DNA in das Pflanzengewebe nach an sich bekannten Techniken, wobei die Fremd-DNA solche DNA-Sequenzen umfaßt, welche in den Pflanzen zur Verbesserung ihres Nutzens oder zur Erzeugung zusätzlicher Wertstoffe dient, und c) Regeneration von fertilen transgenen Pflanzen1) Process for the production of transgenic, monocotyledonous plants, in particular those types of culture which are considered to be very "recalcitrant" in tissue culture, characterized by the introduction of foreign DNA characterized by a) isolation of regenerable tissue from said plants and, if appropriate, cultivation in a known per se Tissue culture medium, b) introduction of the foreign DNA into the plant tissue according to techniques known per se, the foreign DNA comprising those DNA sequences which serve in the plants to improve their utility or to produce additional valuable substances, and c) regeneration of fertile ones transgenic plants
2) Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung transgener markergen-freier Pflanzen, insbesondere solcher Kulturarten, die wie monokotyle Pflanzen als sehr "widerspenstig" in der Gewebekultur gelten, durch Einführung von Fremd-DANN, gekennzeichnet durch a) Isolierung von regenerierbarem Gewebe von besagten Pflanzen und gegebenenfalls Kultivierung in einem an sich bekannten Gewebekulturmedium, b) Einführung der Fremd-DNA nach an sich bekannten Techniken, wobei die Fremd-DNA solche DNA-Sequenzen umfaßt, welche in den Pflanzen zur Verbesserung ihres Nutzens oder zur Erzeugung zusätzlicher Wertstoffe dient, ohne dass besagte DNA einen selektier- oder screenbaren Marker kodiert, c) gegebenenfalls nach kurzzeitiger Kultivierung für die Dauer von mehreren Stunden bis zu vier Wochen in dem unter a) genannten Gewebekulturmedium oder einem anderen Gewebekulturmedium, das keinerlei Selektionsmittel enthält und die Sprossinduktion durch Zugabe von Wachstumsregulatoren unterdrückt, Plazierung der Gewebe in einem an sich bekannten Sprossinduktionsmedium oder dem bevorzugten Sprossinduktionsmedium, das von besagtem Gewebe Sprosse und Wurzeln zu bilden gestattet, wobei das besagte Sprossinduktionsmedium keine Verbindungen zur Selektion regenerierbaren Gewebes enthält; d) nach Bildung von wenigstens einem Spross, Entnahme von Sprossgewebe zur DNA- Extraktion und DNA-Analyse mittels molekularer Methoden bzw. Protein-Extraktion und biochemischer Analyse zum Nachweis von transgenen Pflanzen sowie e) Überfuhren der nach erfolgtem Gentransfer verifizierten transgenen Pflanzen in Erdkultur und f) Weitere Kultivierung der transgenen Pflanzen zur Erreichung einer stabilen Vererbung der Transgenintegration und -expression in sexuellen Nachkommenschaften der transgenen Pflanzen.2) Method according to claim 1 for the production of transgenic marker gene-free plants, in particular those cultivars which, like monocotyledonous plants, are considered to be very "recalcitrant" in tissue culture, by introducing foreign DANN, characterized by a) isolating regenerable tissue from said plants and optionally cultivation in a tissue culture medium known per se, b) introduction of the foreign DNA according to techniques known per se, the foreign DNA comprising those DNA sequences which serve in the plants to improve their utility or to produce additional valuable substances, without that said DNA encodes a selectable or screenable marker, c) if necessary after a brief cultivation for a period of from several hours to four weeks in the tissue culture medium mentioned under a) or another tissue culture medium which contains no selection agent and the shoot induction by adding growth regulators suppressed, placement the tissue in a shoot induction medium known per se or the preferred shoot induction medium which allows shoots and roots to be formed from said tissue, said shoot induction medium containing no compounds for the selection of regenerable tissue; d) after formation of at least one shoot, removal of shoot tissue for DNA extraction and DNA analysis by means of molecular methods or protein extraction and biochemical analysis for the detection of transgenic plants and e) transfer of the transgenic plants verified after gene transfer has taken place in earth culture and f) further cultivation of the transgenic plants to achieve stable inheritance of transgene integration and expression in sexual progeny of the transgenic plants.
3) Verfahren nach Anspruch 1 zur Transformation von Roggen und Gerste mit Agrobacterium bestehend aus folgenden Schritten: a) Kontaktierung mindestens eines unreifen Embryonen unmittelbar nach der Explantation oder eines von einem Explantat induzierten Kallus mit Agrobacterium, das geeignet ist, mindestens ein Gen in das Embryogewebe oder den vom Explantat induzierten Kallus zu übertragen, b) Cokultivierung des Embryonen oder des vom Explantat induzierten Kallus mit Agrobacterium, c) Kultivierung des Embryonen oder des vom Explantat induzierten Kallus in einem Medium, das die Kallusbildung fördert, unter Zugabe eines Antibiotikums in Konzentrationen, die geeignet sind, das Wachstum von Agrobacterium zu unterbinden, d) Regenerierung der Pflanzen, die das selektierbare Marker Transgen exprimieren entweder auf einem Medium mit selektivem Agens, um Pflanzen zu selektieren, die das Gen exprimieren oder durch Regenerierung aller Pflanzen, wobei auf ein selektierbares Markergen und ein entsprechendes Selektionsmedium verzichtet wird, Sprossinduktion mit anschließender Selektion durch ELISA an Hand aus Sprossteilen extrahierter Proteine und Überführung der nach erfolgtem Gentransfer verifizierten transgenen Pflanzen in Erdkultur bis zur Erreichung einer stabilen Vererbung.3) Method according to claim 1 for transforming rye and barley with Agrobacterium, comprising the following steps: a) contacting at least one immature embryo immediately after explantation or a callus induced by an explant with Agrobacterium, which is suitable for at least one gene in the embryo tissue or to transfer the callus induced by the explant, b) co-cultivating the embryo or the callus induced by the explant with Agrobacterium, c) cultivating the embryo or the callus induced by the explant in a medium which promotes callus formation, with the addition of an antibiotic in concentrations, which are suitable for stopping the growth of Agrobacterium, d) regeneration of the plants which express the selectable marker transgene either on a medium with selective agent, in order to select plants which express the gene or by regeneration of all plants, with one being selectable Marker gene and an ent the selection medium is omitted, shoot induction with subsequent selection by ELISA using proteins extracted from shoot parts and transferring the transgenic plants verified after gene transfer to earth culture until stable inheritance has been achieved.
4) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als regenerierbare Gewebe Antheren, Mikrosporen, Infloreszenzen, unreife oder reife Embryonen, Samen, Blattgewebe, meristematische Gewebe oder Kalli, die aus diesen Geweben induziert wurden, die durch somatische Embryogenese oder Organogenese regenerieren, verwendet werden, bevorzugt unreife Pflanzenembryonen oder aus ihnen induzierte Kalli, die in einem Nährmedium, das keinerlei Selektionsmittel enthält, erzeugt werden. 5) Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass als regenerierbare Gewebe unreife Embryonen oder daraus induzierte Kalli von selbstbefruchteten homozygoten Spenderpflanzen in einem Gewebekulturmedium kurzzeitig kultiviert werden und die Einführung der Fremd-DNA in diese Gewebe erfolgt und diese Gewebe bevorzugt über somatische Embryogenese oder über Organogenese zu Pflanzen regeneriert werden.4) Method according to claim 1 and 2, characterized in that as regenerable tissue anthers, microspores, inflorescences, immature or mature embryos, seeds, leaf tissue, meristematic tissue or calli, which have been induced from these tissues, which regenerate by somatic embryogenesis or organogenesis , are used, preferably immature plant embryos or calli induced from them, which are generated in a nutrient medium which contains no selection agent. 5) Method according to claims 1-3, characterized in that immature embryos or calli induced therefrom by self-fertilized homozygous donor plants are briefly cultivated in a tissue culture medium as regenerable tissue and the introduction of the foreign DNA into these tissues takes place and these tissues preferably via somatic embryogenesis or regenerated into plants via organogenesis.
6) Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass als regenerierbares Gewebe meristematisches Gewebe isoliert wird und die Einführung der Fremd-DNA in diese Gewebe oder daraus induzierte Kalli erfolgt und diese Gewebe über somatische Embryogenese oder Organogenese zu Pflanzen regeneriert werden.6) Method according to claims 1-3, characterized in that meristematic tissue is isolated as regenerable tissue and the introduction of the foreign DNA into this tissue or calli induced therefrom takes place and these tissues are regenerated to plants via somatic embryogenesis or organogenesis.
7) Verfahren nach Anspruch 1,2 und 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass das regenerierbare Gewebe aus einem weiten Spektrum von Genotypen und Kulturarten gewonnen wird.7) Method according to claim 1,2 and 4-6, characterized in that the regenerable tissue is obtained from a wide range of genotypes and cultures.
8) Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass bei fremdbefruchtenden Kulturarten, wie Roggen, regenerierbares Gewebe aus homozygoten Inzuchtlinien verwendet wird.8) Method according to claim 1-7, characterized in that regenerable tissue from homozygous inbred lines is used in cross-pollinated crops, such as rye.
9) Verfahren nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewebekultur ein Medium verwendet wird, das Nährsalze wie bei Murashige und Skoog 1962 beschrieben, Kohlenhydrate wie z.B. Saccharose und evtl. Wuchsstoffe wie Auxine oder Cytokinine enthält und vorzugsweise mit Phytagel oder Agarose verfestigt ist.9) Method according to claims 1-8, characterized in that a medium is used for tissue culture, the nutrient salts as described in Murashige and Skoog 1962, carbohydrates such as e.g. Contains sucrose and possibly growth substances such as auxins or cytokinins and is preferably solidified with phytagel or agarose.
10) Verfahren nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einführung der Fremd- DNA in die regenerierbaren Gewebe mehrere Stunden bis zu vier Wochen nach Kultivierung der regenerierbaren Gewebe erfolgt, vorzugsweise 3 bis 7 Tage nach Kultivierung der Explantate.10) Method according to claims 1-9, characterized in that the introduction of the foreign DNA into the regenerable tissue takes place several hours up to four weeks after culturing the regenerable tissue, preferably 3 to 7 days after culturing the explants.
11) Verfahren nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einführung der Fremd- DNA in die regenerierbaren Gewebe unmittelbar nach der Explantation und ohne vorherige Vorkultur der regenerierbaren Gewebe erfolgt. 12) Verfahren nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass als Fremd-DNA eingesetzt werden: DNA, die bereits in der Pflanzenzelle vorhanden ist, DNA von einer anderen Pflanze, DNA von einem anderen Organismus, oder extern erzeugte DNA, wie DNA- Sequenzen, die eine antisense-Botschaft von einem Pflanzengen enthalten, oder DNA- Sequenzen, die eine synthetische Version eines Gens enthalten, worin die Nukleotidsequenz modifiziert worden ist.11) Method according to claims 1-10, characterized in that the introduction of the foreign DNA into the regenerable tissue takes place immediately after the explantation and without prior preculture of the regenerable tissue. 12) Method according to claim 1-11, characterized in that the foreign DNA used: DNA that is already present in the plant cell, DNA from another plant, DNA from another organism, or externally generated DNA, such as DNA Sequences that contain an antisense message from a plant gene or DNA sequences that contain a synthetic version of a gene in which the nucleotide sequence has been modified.
13) Verfahren nach Anspruch 1,2 und 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einführung der Fremd-DNA durch beliebige Gentransferverfahren wie z.B. Partikelbeschuß, Agrobacterium -Transformation, Elektroporation von regenerierbarem Gewebe, Siliziumcarbidfaser-vermittelte Genübertragung und Protoplasten-vermittelte Genübertragung erfolgt, bevorzugt durch Partikelbeschuß oder Agrobakterium- Transformation.13) Method according to claim 1, 2 and 4 to 12, characterized in that the introduction of the foreign DNA by any gene transfer method such as e.g. Particle bombardment, Agrobacterium transformation, electroporation of regenerable tissue, silicon carbide fiber-mediated gene transfer and protoplast-mediated gene transfer is carried out, preferably by particle bombardment or Agrobacterium transformation.
14) Verfahren nach Anspruch 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Plazierung in dem Sprossinduktionsmedium nach mehreren Stunden bis zu vier Wochen nach Einführung der Fremd-DNA erfolgt, vorzugsweise 7 bis 17 Tage nach Einführung der Fremd-DNA.14) Method according to claims 1-13, characterized in that the placement in the shoot induction medium takes place after several hours up to four weeks after the introduction of the foreign DNA, preferably 7 to 17 days after the introduction of the foreign DNA.
15) Verfahren nach Anspruch 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sprossinduktion ein Medium verwendet wird, das Nährsalze wie bei Murashige und Skoog 1962 beschrieben, Kohlenhydrate, wie Saccharose und bevorzugt keine Wuchsstoffe enthält und vorzugsweise mit Phytagel oder Agarose verfestigt ist.15) Method according to claim 1-14, characterized in that a medium is used for sprout induction, the nutrient salts as described in Murashige and Skoog 1962, carbohydrates such as sucrose and preferably contains no growth agents and is preferably solidified with phytagel or agarose.
16) Verfahren nach Anspruch 1,2 und 4-15, dadurch gekennzeichnet, dass Selektions- und Screening-Marker-freie transgene monokotyle Pflanzen, vorzugsweise Getreidepflanzen, hergestellt werden, insbesondere Weizen- und Roggen-Pflanzen.16) Method according to claims 1, 2 and 4-15, characterized in that selection and screening marker-free transgenic monocot plants, preferably cereal plants, are produced, in particular wheat and rye plants.
17) Verfahren nach Anspruch 1-3, wobei die regenerierten Pflanzen stabil transformiert werden.17) The method of claims 1-3, wherein the regenerated plants are stably transformed.
18) Verfahren nach Anspruch 1-3 , wobei die unreifen Embryonen vorzugsweise eine Größe von ca. 0,8 mm bis 2,0 mm Länge zum Zeitpunkt der Explantation haben. 19) Verfahren nach Anspruch 1 und 3, wobei die Konzentration von Agrobacterium zwischen ca. 0,5 OD und 4,0 OD ist.18) The method of claims 1-3, wherein the immature embryos are preferably about 0.8 mm to 2.0 mm in length at the time of explantation. 19) The method of claim 1 and 3, wherein the concentration of Agrobacterium is between about 0.5 OD and 4.0 OD.
20) Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Konzentration von Agrobacterium vorzugsweise zwischen ca. 1,6 OD bis 2,4 OD liegt.20) The method of claim 19, wherein the concentration of Agrobacterium is preferably between about 1.6 OD to 2.4 OD.
21) Verfahren nach Anspruch 1 und 3 und 11 und 12, wobei zum Schritt der Kontaktierung Agrobacterium und die Pflanzengewebe in einer Suspension in einer Flüssigkeit vorliegen21) Method according to claim 1 and 3 and 11 and 12, wherein for the step of contacting Agrobacterium and the plant tissues are present in a suspension in a liquid
22) Verfahren von Anspruch 1 und 3, wobei die Cokultivierung auf einem festen Medium stattfindet.22) The method of claims 1 and 3, wherein the cocultivation takes place on a solid medium.
23) Verfahren nach Anspruch 1 und 3, wobei der Schritt der Cokultivierung auf einem flüssigen Medium stattfindet.23) Method according to claim 1 and 3, wherein the step of co-cultivation takes place on a liquid medium.
24) Verfahren nach Anspruch 1 und 3, wobei ein MS Salz haltiges Medium für die Cokultivierung verwendet wird.24) Method according to claim 1 and 3, wherein a medium containing MS salt is used for the cocultivation.
25) Verfahren nach Anspruch 1 und 3, wobei ein MS Salz haltiges Medium für den Regenerationsschritt verwendet wird.25) Method according to claim 1 and 3, wherein a medium containing MS salt is used for the regeneration step.
26) Verfahren nach Anspruch 1 und 3, zusätzlich den Schritt der Regenerierung der Embryonen umfassend, durch Kultivierung der Gewebe in Medium mit einem Antibiotikum, das geeignet ist das Wachstums von Agrobacterium zu unterbinden.26) Method according to claims 1 and 3, additionally comprising the step of regenerating the embryos, by culturing the tissue in medium with an antibiotic which is suitable for stopping the growth of Agrobacterium.
27) Verfahren nach Anspruch 1,3 und 26 wobei als Antibiotikum Timentin, eine Mischung von 1500 mg Ticarcillin Natrium und 100 mg Kalium Clavunat, verwendet wird.27) Method according to claims 1, 3 and 26, wherein timentin, a mixture of 1500 mg of ticarcillin sodium and 100 mg of potassium clavunate, is used as the antibiotic.
28) Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Konzentration des Timentin zwischen ca. 100 mg/1 und 300 mg/1 liegt. 29) Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Konzentration des Timentin 150 mg/1 beträgt.28) The method of claim 27, wherein the concentration of the timentin is between about 100 mg / 1 and 300 mg / 1. 29) The method of claim 27, wherein the concentration of the timentin is 150 mg / 1.
30) Verfahren nach Anspruch 1 und 3, wobei die Länge des Schrittes der Cokultivierung zwischen einem und vier Tagen beträgt.30) Method according to claim 1 and 3, wherein the length of the step of co-cultivation is between one and four days.
31) Verfahren nach Anspruch 1 und 3, wobei die Länge der Kultuφhase vor dem Transfer der Gewebe zu Bedingungen der Pflanzenregeneration zwischen 1 und 20 Tagen nach Cokultivierung beträgt.31) Method according to claim 1 and 3, wherein the length of the Kultuφhase before the transfer of the tissues under conditions of plant regeneration is between 1 and 20 days after cocultivation.
32) Verfahren nach Anspruch 1 und 3, wobei die Länge der Kultuφhase vor dem Transfer der Gewebe unter pflanzliche Regenerationsbedingungen bevorzugt zwischen 7 und 17 Tagen nach Cokultivierung beträgt.32) Method according to claim 1 and 3, wherein the length of the Kultuφhase before the transfer of the tissues under plant regeneration conditions is preferably between 7 and 17 days after cocultivation.
33) Verfahren nach Anspruch 1 und 3, wobei die Selektion für transgene Ereignisse, die das selektierbare Marker Transgen exprimieren, während der ganzen Gewebekultuφhase nach Cokultivierung angewendet wird.33) The method of claim 1 and 3, wherein the selection for transgenic events that express the selectable marker transgene is applied during the whole tissue culture phase after cocultivation.
34) Verfahren nach Anspruch 1 und 3, wobei die Selektion für transgene Pflanzen, die das selektierbare Marker Transgen exprimieren, während der Regenerationsphase angewendet wird.34) Method according to claim 1 and 3, wherein the selection for transgenic plants which express the selectable marker transgene is applied during the regeneration phase.
35) Verfahren nach Anspruch 1 und 3, wobei ein Transgen ohne selektierbares Marker Transgen übertragen wird und keine Selektion angewendet wird.35) Method according to claim 1 and 3, wherein a transgene is transmitted without a selectable marker transgene and no selection is applied.
36) Verfahren nach Anspruch 1,3 und 35, wobei die transformierten Pflanzen durch ein an sich bekanntes molekulares oder biochemisches Detektionsverfahren aufgefunden werden. 36) Method according to claims 1, 3 and 35, wherein the transformed plants are found by a known molecular or biochemical detection method.
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121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
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122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

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