Verfahren zur Herstellung von C - Aldehyden, C - Alkoholen sowie deren Ester Process for the preparation of C - aldehydes, C - alcohols and their esters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von C9-Aldehyden, C9-The invention relates to a process for the preparation of C 9 aldehydes, C 9
Alkoholen sowie deren Ester, das auf der Umsetzung von mehrfach ungesättigten Fettsäuren mit rekombinanter 9-Lipoxygenase (9-LOX) und 13-Hydroperoxid-Lyase (13-HPL) basiert.Alcohols and their esters, which are based on the reaction of polyunsaturated fatty acids with recombinant 9-lipoxygenase (9-LOX) and 13-hydroperoxide lyase (13-HPL).
Der Abbau von mehrfach ungesättigten Fettsäuren beginnt mit der Oxygenierung des (lZ,4Z)-Pentadiensystems von mehrfach ungesättigten Fettsäuren. Diese Reaktion wird durch das Enzym Lipoxygenase (EC 1.13.11.12) katalysiert, das in Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen vorkommt. Die oxygenierten Produkte, als Fettsäurehydroperoxide bezeichnet, sind Vorstufen für viele wichtige Hormone, beispielsweise Jasmonsäure, Traumatinsäure sowie Geschmacks- und Duftmoleküle in Pflanzen, beispielsweise Hexenale, (3Z)-Hexenol und Nonenale.The breakdown of polyunsaturated fatty acids begins with the oxygenation of the (lZ, 4Z) pentadiene system of polyunsaturated fatty acids. This reaction is catalyzed by the enzyme lipoxygenase (EC 1.13.11.12), which is found in plants, animals and microorganisms. The oxygenated products, known as fatty acid hydroperoxides, are precursors for many important hormones, for example jasmonic acid, traumatic acid and taste and fragrance molecules in plants, for example hexenals, (3Z) -hexenol and nonenals.
Verbindungen wie Jasmonsäure werden aus Hydroperoxiden, wie 13- Hydroperoxylinolensäure, über einen Allenoxidsynthase- und eine Allenoxidcyclase- abhängigen Weg erzeugt. Jasmonsäure ist an Streß- und Krankheitsresistenz- Signalantworten über den Octadecanoid-Weg beteiligt. Alternativ kann 13- Hydroperoxylinolensäure durch Hydroperoxid-Lyase unter Bildung von flüchtigen Aldehyden und Traumatinsäure gespalten werden.Compounds such as jasmonic acid are produced from hydroperoxides, such as 13-hydroperoxylinolenic acid, via an allene oxide synthase and an alloxide cyclase-dependent route. Jasmonic acid is involved in stress and disease resistance signal responses via the octadecanoid pathway. Alternatively, 13-hydroperoxylinolenic acid can be cleaved by hydroperoxide lyase to form volatile aldehydes and traumatic acid.
Fettsäurehydroperoxid-Lyase (HPL) katalysiert die Spaltung von Kohlenstoff- Kohlenstoff-Bindungen in mehrfach ungesättigten Fettsäurehydroperoxiden unter Erzeugung von kurzkettigen C6- bzw. C9-Aldehyden und ω-Oxosäuren der Kettenlänge C12 bzw. C9 (Vick et al. (1976) Plant Physiol. 57: 780-788). Die kurzkettigen flüchtigen C6-Aldehyde liefern einen Beitrag zu den sogenannten "grünen Duftnoten" in einer Vielzahl von Pflanzenblättern, Gemüsen und Früchten. Diese Duftnoten werden häufig auch als "frisches Gras" bezeichnet. Andere kurzkettige flüchtige Aldehyde, wie beispielsweise (3Z,6Z)-Nonadienal, der gemäß dem Stand der Technik durch Spaltung von (9S,15Z,12Z,10E)-9-Hydroperoxy-
15,12,10-Octadecatriensäure durch eine 9-Hydroperoxid-Lyase (9-HPL) erzeugt wird, liefern ein Melonen- oder Gurken-artiges Aroma und/oder einen entsprechenden Geschmacksbeitrag in Früchten und Gemüse. Derartige Merkmale sind für Duft- und Aromastoffe, insbesondere für die Lebensmittelindustrie, aber auch für die Kosmetik, pharmazeutische und chemische Industrie, von großer Bedeutung.Fatty acid hydroperoxide lyase (HPL) catalyzes the cleavage of carbon-carbon bonds in polyunsaturated fatty acid hydroperoxides to produce short-chain C 6 or C 9 aldehydes and ω-oxo acids of chain length C 12 or C 9 (Vick et al. ( 1976) Plant Physiol. 57: 780-788). The short-chain volatile C 6 aldehydes contribute to the so-called "green fragrance notes" in a large number of plant leaves, vegetables and fruits. These fragrance notes are often referred to as "fresh grass". Other short-chain volatile aldehydes, such as (3Z, 6Z) nonadienal, which according to the prior art by cleavage of (9S, 15Z, 12Z, 10E) -9-hydroperoxy- 15,12,10-octadecatrienoic acid generated by a 9-hydroperoxide lyase (9-HPL) provide a melon or cucumber-like aroma and / or a corresponding taste contribution in fruits and vegetables. Such features are of great importance for fragrance and aroma substances, in particular for the food industry, but also for the cosmetics, pharmaceutical and chemical industries.
Ferner wird angenommen, daß kurzkettige Aldehyde ebenfalls eine Rolle bei der Pathogenresistenz spielen. Beispielsweise haben kürzlich Croft et al. (1993) Plant Physiol. 101 : 13-24, berichtet, daß der Gehalt an (3Z)-Hexenol und (2E)-Hexenal während einer hypersensitiven Antwort (HR) der Ackerbohne anstieg. Ferner wurde gezeigt, daß (2E)-Hexenal ein wirksames antibakterielles Mittel ist.It is also believed that short chain aldehydes also play a role in pathogen resistance. For example, Croft et al. (1993) Plant Physiol. 101: 13-24, reports that the levels of (3Z) -hexenol and (2E) -hexenal increased during a hypersensitive response (HR) of the field bean. It has also been shown that (2E) -hexenal is an effective antibacterial.
Die Charakterisierung von Hydroperoxid-Lyasen ist für die weitere Untersuchung des Pflanzenfettsäuremetabolismus und für die Entwicklung von transgenen Pflanzen mit erhöhten sensorischen Eigenschaften einschließlich des Aromas und des Geschmacks von großer Bedeutung. Die Untersuchungen der Pflanzenmechanismen können weitere Mittel bereitstellen, um die sensorischen Merkmale von Pflanzen, die für die Lebensmittelindustrie von Bedeutung sind, zu verstärken, zu steuern, zu modifizieren oder auf andere Art und Weise zu verändern. Ferner ist die Aufklärung der physiologischen Rollen von HPL und ihrer Produkte von Interesse für die weitere Untersuchung von Krankheitsresistenzen.The characterization of hydroperoxide lyases is of great importance for the further investigation of plant fatty acid metabolism and for the development of transgenic plants with increased sensory properties including aroma and taste. Plant mechanism studies may provide additional means to enhance, control, modify, or otherwise alter the sensory characteristics of plants that are important to the food industry. Furthermore, the elucidation of the physiological roles of HPL and its products is of interest for the further investigation of disease resistance.
Die Biosynthese von C6- und C9- Aldehyden und den dazu gehörenden C]2- und C9- ω-Keto-Fettsäuren aus Linol- oder Linolensäure ist eine weitverbreitete Reaktion im Pflanzenreich (z.B. K. Matsui, Belgian J. Bot. 1998, 131, 50-62). Beide Substanzgruppen können in der Pflanze weiteren Umsetzungen unterliegen. So werden die Aldehyde durch Dehydrogenasen zu den entsprechenden Alkoholen und die Fettsäuren zu ω-Hydroxy-Fettsäuren reduziert.
Die so erzeugten C9- Alkohole können ferner mit Säuren, insbesondere Essigsäure, zu den entsprechenden Estern, insbesondere Essigsäurestern umgesetzt werden, die ebenfalls von großer industrieller Bedeutung als Duft- und Aromastoffe sind.The biosynthesis of C 6 - and C 9 - aldehydes and the associated C] 2 - and C 9 - ω-keto fatty acids from linoleic or linolenic acid is a widespread reaction in the plant kingdom (e.g. K. Matsui, Belgian J. Bot. 1998, 131, 50-62). Both substance groups can be subject to further reactions in the plant. The aldehydes are reduced by dehydrogenases to the corresponding alcohols and the fatty acids to ω-hydroxy fatty acids. The C 9 alcohols thus produced can furthermore be reacted with acids, in particular acetic acid, to give the corresponding esters, in particular acetic acid esters, which are also of great industrial importance as fragrances and flavorings.
Die Synthese der C -Aldehyde (3Z)-Nonenal bzw. (3Z,6Z)-Nonadienal beginnt mit der Umsetzung von Linol- bzw. α-Linolensäure mit 9-Lipoxygenase zu (9S)-Hydroperoxy-Derivaten. Diese können anschließend durch eine 9- Hydroperoxid-Lyase (9-HPL) in die C9-ω-Keto-Fettsäure und (3Z)-Nonenal bzw. (3Z,6Z)-Nonadienal gespalten werden. Die entstandenen Aldehyde können dann enzymatisch bzw. chemisch zu den C9-Alkoholen (3Z)-Nonenol bzw. (3Z,6Z)- Nonadienol reduziert werden.The synthesis of the C-aldehydes (3Z) -nonenal or (3Z, 6Z) -nonadienal begins with the conversion of linoleic or α-linolenic acid with 9-lipoxygenase to (9S) -hydroperoxy derivatives. These can then be cleaved by a 9-hydroperoxide lyase (9-HPL) into the C 9 -ω-keto fatty acid and (3Z) -nonenal or (3Z, 6Z) -nonadienal. The resulting aldehydes can then be reduced enzymatically or chemically to the C 9 alcohols (3Z) -nonenol or (3Z, 6Z) -nonadienol.
N.J. Bäte et al, Plant Physiology 117: 1393-1400 (1998), beschreiben die molekulare Charakterisierung eines für eine 13-Hydroperoxid-Lyase kodierenden Gens aus Arabidopsis. Dabei wurde eine deutliche HPL- Aktivität beobachtet, wenn (13S,9Z,1 lE,15Z)-13-Hydroperoxy-9,l 1,15-Octadecatriensäure als Substrat verwendet wurde, während die Aktivität mit (13S,9Z,1 lE)-13-Hydroperoxy-9,l 1- Octadecadiensäure etwa um eine Größenordnung niedriger war. In A. Geerts et al, Plant Physiology 105: 269-277 (1994), ist die Expression von 9-Lipoxygenase in verwundeten Knollen der Kartoffel beschrieben.N.J. Bäte et al, Plant Physiology 117: 1393-1400 (1998) describe the molecular characterization of an Arabidopsis gene encoding a 13-hydroperoxide lyase. A clear HPL activity was observed when (13S, 9Z, 1 IE, 15Z) -13-hydroperoxy-9, l 1,15-octadecatrienoic acid was used as the substrate, while the activity with (13S, 9Z, 1 IE) -13-Hydroperoxy-9, l 1- octadecadienoic acid was about an order of magnitude lower. A. Geerts et al, Plant Physiology 105: 269-277 (1994) describes the expression of 9-lipoxygenase in wounded tubers of the potato.
Die internationale Patentanmeldung WO 00/00627 offenbart Nukleinsäuresequenzen. die für 9-Hydroperoxid-Lyasen und 13-Hydroperoxid-Lyasen kodieren. Gemäß dieser Patentanmeldung katalysiert 13-Hydroperoxid-Lyase ausschließlich die Bildung von C6- Aldehyden und Cι2-Oxosäuren aus 13-Hydroperoxid-Cι8-International patent application WO 00/00627 discloses nucleic acid sequences. which code for 9-hydroperoxide lyases and 13-hydroperoxide lyases. According to this patent application, 13-hydroperoxide lyase catalyzes exclusively the formation of C 6 - aldehydes and Cι 2 -oxo acids from 13-hydroperoxide-Cι 8 -
Fettsäurederivaten, während 9-Hydroperoxid-Lyase ausschließlich die Bildung von C9-Aldehyden und C9-Oxosäuren aus 9-Hydroperoxid-Cι8-Fettsäurederivaten katalysiert.
Die internationale Patentanmeldung WO 00/22145 beschreibt ein Hydroperoxid- Lyase-Gen aus Mais. Ferner sind dort Verfahren zur Verbesserung von Krankheitsresistenzen und zur Änderung des Gehaltes von Aromamolekülen in Pflanzen offenbart. Diese Verfahren umfassen die Expression von Hydroperoxid- Lyase-Genen in Pflanzen, Pflanzenzellen und Pflanzengeweben. Eine Spezifität der dort beschriebenen Hydroperoxid-Lyase aus Mais für bestimmte Hydroperoxidfettsäuren ist dort nicht beschrieben.Fatty acid derivatives, while 9-hydroperoxide lyase catalyzes exclusively the formation of C 9 aldehydes and C 9 oxo acids from 9-hydroperoxide-C 8 fatty acid derivatives. International patent application WO 00/22145 describes a hydroperoxide lyase gene from maize. Methods for improving disease resistance and for changing the content of aroma molecules in plants are also disclosed therein. These methods include expression of hydroperoxide lyase genes in plants, plant cells and plant tissues. A specificity of the hydroperoxide lyase from corn described there for certain hydroperoxide fatty acids is not described there.
In der internationale Patentanmeldung WO 99/58648 ist das 13- Hydroperoxidfettsäure-Lyaseprotein aus Guave sowie das Gen offenbart, das dieses Protein kodiert. Ferner beschreibt diese Patentanmeldung die durch die vorstehend genannten 13-HPL katalysierte Spaltung eines 13-Hydroperoxidderivats von Linolensäure in n-Hexanal und weitere C6- Aldehyde sowie in eine Cι2- Oxocarbonsäure .The international patent application WO 99/58648 discloses the 13-hydroperoxide fatty acid lyase protein from guava and the gene which codes for this protein. Furthermore, this patent application describes the cleavage of a 13-hydroperoxide derivative of linolenic acid into n-hexanal and other C 6 aldehydes and into a C 2 oxocarboxylic acid catalyzed by the above-mentioned 13-HPL.
Die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren beschreiben somit die Spaltung von 13 -Hydroperoxidfettsäuren durch 13 -Hydroperoxid-Lyase bzw. 9- Hydroperoxidfettsäuren durch 9-Hydroperoxid-Lyase. D.h., die Herstellung eines C9- Aldehyds bzw. -Alkohols aus einer Cι8-Fettsäure über das entsprechende Hydroperoxid-Fettsäurederivat erfordert gemäß dem Stand der Technik die Spaltung eines 9-Hydroperoxid-Fettsäurederivats mit einer 9-HPL.The processes described in the prior art thus describe the cleavage of 13 -hydroperoxide fatty acids by 13 -hydroperoxide lyase or 9-hydroperoxide fatty acids by 9-hydroperoxide lyase. Ie, the production of a C 9 - aldehyde or alcohol from a C 8 fatty acid via the corresponding hydroperoxide fatty acid derivative requires the cleavage of a 9-hydroperoxide fatty acid derivative with a 9-HPL according to the prior art.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein neues, einfaches Verfahren zur Herstellung von C9- Aldehyden, C9- Alkoholen sowie Estern der C9- Alkohole bereitzustellen, bei dem die Aktivität einer 9-Hydroperoxid-Lyase nicht benötigt wird. Weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.It is an object of the present invention to provide a new, simple process for the preparation of C 9 aldehydes, C 9 alcohols and esters of C 9 alcohols, in which the activity of a 9-hydroperoxide lyase is not required. Further objects of the invention will become apparent from the following description.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.These tasks are solved by the subject matter of the independent claims.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß 13-Hydroperoxid-Lyasen (9S)- Hydroperoxid-Fettsäurederivate umsetzen, die in Position Δ6 eine weitere Doppelbindung enthalten. Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zur Herstellung von Cp-Aldehyden bzw. C - Alkoholen bzw. Estern der C9- Alkohole aus mehrfach ungesättigten Fettsäuren bereitgestellt, wobei die mehrfach ungesättigten Fettsäuren zumindest an den Positionen Δ6 und Δ9 Doppelbindungen aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:Advantageous configurations are defined in the subclaims. Surprisingly, it has now been found that 13-hydroperoxide lyases (9S) convert hydroperoxide fatty acid derivatives which contain a further double bond in position Δ6. According to the invention, a method for producing Cp aldehydes or C alcohols or esters of C 9 alcohols from polyunsaturated fatty acids is thus provided, the polyunsaturated fatty acids having double bonds at least at positions Δ6 and Δ9. The method according to the invention comprises the following steps:
a) die Bereitstellung eines Nukleinsäuremoleküls, welches ein pflanzliches oder mikrobielles Protein mit der biologischen Aktivität von 9-Lipoxygenase kodiert; b) die Bereitstellung eines Nukleinsäuremoleküls, welches ein pflanzliches oder mikrobielles Protein mit der biologischen Aktivität von 13-Hydroperoxid- Lyase kodiert; c) die Übertragung der Nukleinsäuremoleküle aus a) und b) auf eukaryontische oder prokaryontische Zellen, wobei die kodierende Sequenz unter Kontrolle geeigneter regulatorischer Sequenzen steht, d) die Expression der rekombinanten 9-Lipoxygenase und 13-Hydroperoxid- Lyase in den Zellen; e) die Umsetzung der mehrfach ungesättigten Fettsäuren, die zumindest Doppelbindungen an den Positionen Δ6 und Δ9 aufweisen, mit der rekombinanten 9-Lipoxygenase zu 9-Hydroperoxiden der Fettsäuren; f) die Umsetzung der 9-Hydroperoxide der Fettsäuren mit 13-Hydroperoxid- Lyase zu C9-Aldehyden; g) gegebenenfalls die Reduktion der erzeugten C9-Aldehyde zu C9- Alkoholen; h) gegebenenfalls die Umsetzung der C9-Alkohole aus Schritt e) mit einer Säure, insbesondere Essigsäure, zu einem entsprechenden Ester;
i) gegebenenfalls die Gewinnung der hergestellten C9- Aldehyde bzw. C9- Alkohole bzw. Ester der C9-Alkohole aus den Zellen.a) the provision of a nucleic acid molecule which encodes a vegetable or microbial protein with the biological activity of 9-lipoxygenase; b) the provision of a nucleic acid molecule which encodes a vegetable or microbial protein with the biological activity of 13-hydroperoxide lyase; c) the transfer of the nucleic acid molecules from a) and b) to eukaryotic or prokaryotic cells, the coding sequence being under the control of suitable regulatory sequences, d) the expression of the recombinant 9-lipoxygenase and 13-hydroperoxide lyase in the cells; e) the conversion of the polyunsaturated fatty acids, which have at least double bonds at positions Δ6 and Δ9, with the recombinant 9-lipoxygenase to 9-hydroperoxides of the fatty acids; f) the conversion of the 9-hydroperoxides of the fatty acids with 13-hydroperoxide lyase to C 9 -aldehydes; g) optionally reducing the C 9 aldehydes produced to C 9 alcohols; h) optionally the reaction of the C 9 alcohols from step e) with an acid, in particular acetic acid, to give a corresponding ester; i) if appropriate, the recovery of the C 9 aldehydes or C 9 alcohols or esters of the C 9 alcohols produced from the cells.
Die mehrfach ungesättigten Fettsäuren, die zumindest Doppelbindungen an den Positionen Δ6 und Δ9 aufweisen, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit rekombinanter 9-Lipoxygenase_zu 9-Hydroperoxiden der Fettsäuren umgesetzt. Letztere werden anschließend mit 13-Hydroperoxidlyase zu C9- Aldehyden umgesetzt.The polyunsaturated fatty acids, which have at least double bonds at positions Δ6 and Δ9, are reacted with recombinant 9-lipoxygenase to 9-hydroperoxides of the fatty acids in the process according to the invention. The latter are then converted to C 9 aldehydes with 13-hydroperoxide lyase.
Falls in den eukaryontischen oder prokaryontischen Zellen bereits eine 9-LOX- bzw. 13 -HPL- Aktivität in angemessener Höhe vorhanden ist, kann gegebenenfalls auf die Übertragung der Nukleinsäuremoleküle aus Schritt a) oder b) des erfindungsgemäßen Verfahrens verzichtet werden.If a suitable level of 9-LOX or 13 -HPL activity is already present in the eukaryotic or prokaryotic cells, the transfer of the nucleic acid molecules from step a) or b) of the method according to the invention can optionally be dispensed with.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden solche Hydroperoxidlyasen als 13- Hydroperoxidlyasen bezeichnet, die im Stand der Technik als hochspezifisch für 13- Hydroperoxide von mehrfach ungesättigten Fettsäuren mit mindestens Doppelbindungen an den Positionen Δ6 und Δ9 beschrieben worden sind.In the context of the present invention, such hydroperoxide lyases are referred to as 13-hydroperoxide lyases which have been described in the prior art as highly specific for 13-hydroperoxides of polyunsaturated fatty acids with at least double bonds at positions Δ6 and Δ9.
Hydroperoxidlyasen, die gemäß dem Stand der Technik keine (ausgeprägte)Hydroperoxidlyases, which according to the state of the art have no (pronounced)
Spezifität für 13 -Hydroperoxidlyasen aufweisen bzw. von denen die Umsetzung von 9-Hydroperoxy-Fettsäuren im Stand der Technik bekannt war, fallen nicht unter diese Definition.Having specificity for 13 -hydroperoxide lyases or of which the implementation of 9-hydroperoxy fatty acids was known in the prior art does not fall under this definition.
Vorzugsweise werden bei der vorliegenden Erfindung als mehrfach ungesättigtePreferably used in the present invention as polyunsaturated
Fettsäuren Cis-Fettsäuren eingesetzt. Beispiele für Cι8-Fettsäuren, die in Position Δ6 eine Doppelbindung aufweisen, und vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, sind γ-Linolensäure oder Stearidonsäure (6Z,9Z, 12Z, 15Z-Octadecatetraen-säure).
Für den Fall, daß die vorstehend genannten mehrfach ungesättigten Fettsäuren, insbesondere γ-Linolensäure oder Stearidonsäure, in der Pflanzenzelle nicht in ausreichenden Konzentrationen vorliegen, umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren sowie das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Herstellung transgener Pflanzen bzw. Pflanzenzellen mit einem veränderten, insbesondere erhöhten Gehalt an C9- Aldehyden bzw. C9- Alkoholen bzw. deren Estern in einer bevorzugten Ausführungsform zusätzlich die Bereitstellung zusätzlicher Ausgangssubstrate in der Pflanzenzelle. Die Bereitstellung von (zusätzlichen) Ausgangssubstraten kann beispielsweise durch exogene Zugabe oder durch Co-Expression einer Acyllipid-Δ6- Desaturase in der Pflanzenzelle erfolgen. Geeignete DNA-Sequenzen, die für Proteine mit der enzymatischen Aktivität einer Acyllipid-Δ6-Desaturase kodieren, sind dem Fachmann bekannt und können dem Stand der Technik entnommen werden. Bevorzugt handelt es sich bei der DNA-Sequenz, die zwecks Bereitstellung von γ-Linolensäure in Pflanzen auf Pflanzenzellen übertragen und in diesen exprimiert wird, um eine für eine Acyllipid-Δ6-Desaturase kodierende DNA- Sequenz aus Boragio offlcinalis.Fatty acids cis fatty acids used. Examples of C 8 fatty acids which have a double bond in position Δ6 and can advantageously be used in the process according to the invention are γ-linolenic acid or stearidonic acid (6Z, 9Z, 12Z, 15Z-octadecatetraenoic acid). In the event that the above-mentioned polyunsaturated fatty acids, in particular γ-linolenic acid or stearidonic acid, are not present in sufficient concentrations in the plant cell, the process according to the invention and the process described below for the production of transgenic plants or plant cells with a modified, in particular increased, process Content of C 9 aldehydes or C 9 alcohols or their esters in a preferred embodiment additionally the provision of additional starting substrates in the plant cell. The provision of (additional) starting substrates can take place, for example, by exogenous addition or by co-expression of an acyllipid-Δ6-desaturase in the plant cell. Suitable DNA sequences which code for proteins with the enzymatic activity of an acyllipid-Δ6-desaturase are known to the person skilled in the art and can be found in the prior art. The DNA sequence which is transferred to and expressed in plant cells for the purpose of providing γ-linolenic acid in plants is preferably a DNA sequence from Boragio offlcinalis which codes for an acyllipid-Δ6 desaturase.
Vorzugsweise werden im Anschluß an die Übertragung der Nukleinsäuremoleküle auf pflanzliche Zellen aus den transgenen Zellen vollständige Pflanzen regeneriert, die als Produktionsstätte für C -Aldehyde bzw. Cg-Alkohole bzw. Ester der C9- Alkohole dienen.Following the transfer of the nucleic acid molecules to plant cells, complete plants are preferably regenerated from the transgenic cells, which serve as production sites for C-aldehydes or Cg-alcohols or esters of C 9 -alcohols.
Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den transformierten Zellen um Bakterienzellen, Hefezellen oder Algenzellen. In diesem Fall erfolgt die Kultivierung der Zellen und die Herstellung der C9-Aldehyde bzw. C9- Alkohole bzw. Ester der C9- Alkohole in einem Reaktor. Selbstverständlich muß auch hier eine ausreichende Konzentration der Substrate ggf. durch
Bereitstellung der Ausgangssubstrate wie vorstehend beschrieben sichergestellt werden.In an alternative embodiment of the present invention, the transformed cells are bacterial cells, yeast cells or algal cells. In this case, the cells are cultivated and the C 9 aldehydes or C 9 alcohols or esters of the C 9 alcohols are prepared in one reactor. Of course, here too a sufficient concentration of the substrates may have to be used Provision of the starting substrates as described above can be ensured.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden transgene Pflanzenzellen kultiviert (z.B. in Form von Suspensions- oder Kalluskulturen) und als Produktionsstätte für C9- Aldehyde bzw. C - Alkohole bzw. Estern der C9-Alkohole genutzt.In a further embodiment, transgenic plant cells are cultivated (for example in the form of suspension or callus cultures) and used as a production site for C 9 aldehydes or C alcohols or esters of C 9 alcohols.
Vorzugsweise kodiert das Nukleinsäuremolekül aus Schritt a) ein Protein mit der biologischen Aktivität von 9-Lipoxygenase aus der Kartoffel.The nucleic acid molecule from step a) preferably encodes a protein with the biological activity of 9-lipoxygenase from the potato.
Ferner kodiert das Nukleinsäuremolekül aus Schritt b) vorzugsweise eine 13- Hydroperoxy-Lyase aus Arabidopsis oder alternativ aus Tomate, Alfalfa oder Guave.Furthermore, the nucleic acid molecule from step b) preferably encodes a 13-hydroperoxy lyase from Arabidopsis or alternatively from tomato, alfalfa or guava.
Je nach Wunsch kann der entstandene Aldehyd in Schritt e) des erfϊndungsgemäßen Verfahrens enzymatisch, vorzugsweise mit Alkoholdehydrogenase, oder chemisch, vorzugsweise mit Natriumborhydrid, zu einem C9- Alkohol reduziert werden.If desired, the aldehyde formed can be reduced in step e) of the process according to the invention enzymatically, preferably with alcohol dehydrogenase, or chemically, preferably with sodium borohydride, to a C 9 alcohol.
Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Expression der rekombinanten 9- Lipoxygenase bzw. 13 -Hydroperoxid-Lyase in Zellen können die C9- Aldehyde bzw. C9- Alkohole bzw. Ester der C9- Alkohole auch in vitro in einem Reaktionsgemisch hergestellt werden, das als Komponenten eine mehrfach ungesättigte Fettsäure mit Doppelbindungen zumindest an den Positionen Δ6 und Δ9, insbesondere eine Cι8- Fettsäure, besonderes bevorzugt γ-Linolensäure oder Stearidonsäure; 9- Lipoxygenase und 13 -Hydroperoxid-Lyase (als Rohextrakt oder in reiner Form); sowie, falls die Herstellung eines Alkohols erwünscht ist, ein Reduktionsmittel; sowie, falls die Herstellung eines Esters erwünscht ist, eine Säure, insbesondere Essigsäure; umfaßt.As an alternative to the expression of the recombinant 9-lipoxygenase or 13 -hydroperoxide lyase in cells described above, the C 9 -aldehydes or C 9 -alcohols or esters of the C 9 -alcohols can also be prepared in vitro in a reaction mixture which as components a polyunsaturated fatty acid with double bonds at least at the positions Δ6 and Δ9, in particular a C 8 fatty acid, particularly preferably γ-linolenic acid or stearidonic acid; 9-lipoxygenase and 13 -hydroperoxide lyase (as crude extract or in pure form); and, if the production of an alcohol is desired, a reducing agent; and, if the production of an ester is desired, an acid, especially acetic acid; includes.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft Verfahren zur Veränderung des Gehalts an C - Aldehyden bzw. C9- Alkoholen bzw. Estern der C - Alkohole in
einer Wirtszelle. Im allgemeinen umfassen die Verfahren entweder das Erhöhen oder das Vermindern des Gehalts an C9-Aldehyden bzw. C9- Alkoholen bzw. Estern der C9- Alkohole in einer Wirtszelle. Das Verfahren umfaßt die Verwendung von Expressionskonstrukten zur Durchführung der Expression von DNA-Sequenzen, die ein Protein mit der biologischen Aktivität einer 13 -Hydroperoxid-Lyase kodieren, in einer Wirtszelle. Insbesondere bevorzugt ist die Verwendung von Expressionskonstrukten zur Veränderung des Gehaltes an C - Aldehyden bzw. C9- Alkoholen bzw. Estern der C9-Alkohole in einer Pflanzenzelle bzw. Pflanze. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Veränderung des Gehaltes an C9-Aldehyden, C9-Alkoholen bzw. Estern der C - Alkohole in Pflanzenteilen einschließlich Blätter, Wurzeln, Stämme, Blüten, Früchte, Samen und Saatölen, die aus Pflanzensamen erhalten werden, verwendet.Another aspect of the present invention relates to methods for changing the content of C - aldehydes or C 9 - alcohols or esters of the C - alcohols in a host cell. In general, the methods involve either increasing or decreasing the level of C 9 aldehydes or C 9 alcohols or esters of the C 9 alcohols in a host cell. The method comprises the use of expression constructs for carrying out the expression in a host cell of DNA sequences which encode a protein with the biological activity of a 13 -hydroperoxide lyase. The use of expression constructs for changing the content of C-aldehydes or C 9 alcohols or esters of the C 9 alcohols in a plant cell or plant is particularly preferred. The process according to the invention is preferably used to change the content of C 9 aldehydes, C 9 alcohols or esters of C alcohols in plant parts including leaves, roots, stems, flowers, fruits, seeds and seed oils which are obtained from plant seeds ,
Besonders bevorzugt werden die 13 -Hydroperoxid-Lyase kodierenden DNA- Sequenzen zur Erzeugung von transgenen Pflanzen verwendet, die eine erhöhte Produktion an C9-Aldehyden bzw. C9- Alkoholen bzw. Estern der C - Alkohole in Pflanzenfrüchten und -geweben aufweisen. Derartige Aldehyde sind wichtige Bestandteile charakteristischer Aromata von Früchten, Gemüse und grünen Blättern. Somit kann eine 13 -Hydroperoxid-Lyase erfindungsgemäß auch zur Herstellung von transgenen Pflanzen mit verbesserten Aromamerkmalen verwendet werden.The 13-hydroperoxide lyase-encoding DNA sequences are particularly preferably used to produce transgenic plants which have an increased production of C 9 aldehydes or C 9 alcohols or esters of C alcohols in plant fruits and tissues. Such aldehydes are important components of characteristic aromas of fruits, vegetables and green leaves. Thus, a 13-hydroperoxide lyase can also be used according to the invention for the production of transgenic plants with improved aroma characteristics.
Um die Lipidperoxidation in einem Pflanzengewebe zu erhöhen, schließt die vorliegende Erfindung auch die Coexpression einer pflanzlichen oder anderen 13- Hydroperoxid-Lyase in einem Pflanzengewebe mit einem zweiten Gen ein, das bei der Lipidperoxidation eine Rolle spielt. Beispielsweise kann die Coexpression einer 13 -Hydroperoxid-Lyase in einem Pflanzengewebe mit einer DNA-Sequenz, die für eine Lipoxygenase, insbesondere eine 9-Lipoxygenase kodiert, die Lipidperoxidation erhöhen und somit den Gehalt an C - Aldehyden, die in dem Pflanzengewebe erzeugt werden, steigern. Eine derartige Erhöhung an C -Aldehyden kann das "Melonen"- bzw. "Gurken"-Aroma in einer Pflanze erhöhen.
Ferner können die Pflanzenzellen, die eine DNA-Sequenz enthalten, die für eine 13- Hydroperoxid-Lyase kodiert, ebenfalls als Quelle für C - Aldehyde in Reaktionen für die Erzeugung von C - Alkoholen für die Verwendung in Aromastoffen verwendet werden. Derartige Verfahren sind im Stand der Technik bekannt und sind beispielsweise in der US-Patentschrift 5,695,973 und in der internationalen Patentanmeldung WO 95/26413 beschrieben. Im allgemeinen wird eine Mischung aus Aldehyden und Alkoholen durch derartige Verfahren erhalten. Die Verfahren werden üblicherweise in einem Reaktionsgemisch durchgeführt, das mindestens eine mehrfach ungesättigte Fettsäure, ein Pflanzenmaterial mit einem relativ hohen Gehalt an Enzymaktivität von Lipoxygenase und Hydroperoxid-Lyase und eine Alkoholdehydrogenase enthält.To increase lipid peroxidation in plant tissue, the present invention also includes coexpressing a plant or other 13-hydroperoxide lyase in plant tissue with a second gene that is involved in lipid peroxidation. For example, the coexpression of a 13 -hydroperoxide lyase in a plant tissue with a DNA sequence which codes for a lipoxygenase, in particular a 9-lipoxygenase, can increase the lipid peroxidation and thus the content of C - aldehydes which are produced in the plant tissue. increase. Such an increase in C -aldehydes can increase the "melon" or "cucumber" aroma in a plant. Furthermore, the plant cells containing a DNA sequence encoding a 13-hydroperoxide lyase can also be used as a source of C-aldehydes in reactions for the production of C-alcohols for use in flavorings. Such methods are known in the prior art and are described, for example, in US Pat. No. 5,695,973 and in international patent application WO 95/26413. A mixture of aldehydes and alcohols is generally obtained by such processes. The processes are usually carried out in a reaction mixture which contains at least one polyunsaturated fatty acid, a plant material with a relatively high level of enzyme activity of lipoxygenase and hydroperoxide lyase and an alcohol dehydrogenase.
Die mehrfach ungesättigte Fettsäure kann variieren und umfaßt eine einzelne ungesättigte Fettsäureart sowie Mischungen von verschiedenen ungesättigtenThe polyunsaturated fatty acid can vary and includes a single type of unsaturated fatty acid as well as mixtures of different unsaturated ones
Fettsäuren. Die Fettsäuren sind im allgemeinen C18-Fettsäuren, aber nicht beschränkt auf diese. Bevorzugte Beispiele schließen γ-Linolensäure und Stearidonsäure ein. Voraussetzung der Spezifität der 13 -Hydroperoxid-Lyase für eine 9- Hydroperoxidfettsäure ist eine Doppelbindung an Position Δ6.Fatty acids. The fatty acids are generally, but not limited to, C 18 fatty acids. Preferred examples include γ-linolenic acid and stearidonic acid. A prerequisite for the specificity of the 13 -hydroperoxide lyase for a 9-hydroperoxide fatty acid is a double bond at position Δ6.
Quellen für eine für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignete Alkoholdehydrogenase sind vorzugsweise Hefen. Die Alkoholdehydrogenase katalysiert die Umwandlung eines Aldehyds in einen Alkohol. Hefe stellt ferner eine Quelle für Nicotinadenindinucleotid (NADH) als Reduktionsmittel bereit.Sources of an alcohol dehydrogenase suitable for the purposes of the present invention are preferably yeasts. Alcohol dehydrogenase catalyzes the conversion of an aldehyde into an alcohol. Yeast also provides a source of nicotin adenine dinucleotide (NADH) as a reducing agent.
Die DNA-Sequenz, die ein Protein mit der biologischen Aktivität einer 9-LOX bzw. einer 13-HPL kodiert, kann aus natürlichen Quellen isoliert oder nach herkömmlichen Verfahren synthetisiert werden. Mittels gängiger molekularbiologischer Techniken (siehe beispielsweise Sambrook et al. (1989) Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2. Auflage, Cold Spring Harbor
Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York) ist es möglich, gewünschte Konstrukte für die Transformation von Pflanzenzellen vorzubereiten bzw. herzustellen. Die für die gentechnische Manipulation in prokaryontischen Zellen üblicherweise eingesetzten Klonierungs-, Mutagenisierungs-, Sequenzanalyse-, Restriktionsanalyse- und weitere biochemisch-molekularbiologischen Methoden sind dem Durchschnittsfachmann wohl bekannt. So können nicht nur geeignete chimäre Genkonstrukte mit der gewünschten Fusion von Promotor und 9-LOX- bzw. 13- HPL-DNA-Sequenz und ggf. weiteren Regulations- und/oder Signalsequenzen hergestellt werden, vielmehr kann der Fachmann, falls erwünscht, zusätzlich mittels Routinetechniken, verschiedenartige Mutationen in die die 9-LOX- bzw. 13-HPL kodierende DNA-Sequenz einfuhren, wodurch es zur Synthese von Proteinen mit eventuell veränderten biologischen Eigenschaften kommt. Hierbei ist zum einen die Erzeugung von Deletionsmutanten möglich, bei denen durch fortschreitende Deletion vom 5'- oder vom 3'-Ende der kodierenden DNA-Sequenz die Synthese entsprechend verkürzter Proteine erreicht werden kann. Ferner ist es möglich, gezielt Enzyme herzustellen, die durch Addition entsprechender Signalsequenzen in bestimmten Kompartimenten der Pflanzenzelle lokalisiert sind. Derartige Sequenzen sind in der Literatur beschrieben und dem Durchschnittsfachmann wohl bekannt (siehe z.B. Braun et al. (1992) EMBO J. 11 :3219-3227; Wolter F. et al. (1988) Proc. Natl. Acad. Sei. USA 85:846-850; Sonnewald U. et al. (1991) Plant J. 1:95-106). Weiterhin ist auch die Einführung von Punktmutationen an Positionen denkbar, bei denen eine Veränderung der Aminosäuresequenz einen Einfluss beispielsweise auf die Enzymaktivität oder die Regulierung des Enzyms hat. Auf diese Weise können z.B. Mutanten hergestellt werden, die nicht mehr den normalerweise in der Zelle herrschenden Regulationsmechanismen über allosterische Regulation oder kovalente Modifizierung unterliegen. Des weiteren können Mutanten hergestellt werden, die eine veränderte Substrat- oder Produktspezifität aufweisen (Hornung et al. (1999), Proc. Natl. Acad. Sei. USA 96:4192-4197). Weiterhin können Mutanten hergestellt werden, die ein verändertes Aktivitäts-, Temperatur- und/oder pH-Profil aufweisen.
Für die gentechnische Manipulation in prokaryontischen Zellen können die erfindungsgemäßen rekombinanten Nukleinsäuremoleküle oder Teile davon in Plasmide eingebracht werden, die eine Mutagenese oder eine Sequenzveränderung durch Rekombination von DNA-Sequenzen erlauben. Mit Hilfe von Standardverfahren (siehe z.B. Sambrook et al. (1989), vide supra) können Basenaustausche vorgenommen oder natürliche oder synthetische Sequenzen hinzugefügt werden. Für die Verbindung der DNA-Fragmente untereinander können an die Fragmente, wo erforderlich, Adapter oder Linker angefügt werden. Ferner können mittels enzymatischer und anderer Manipulationen passende Restriktionsschnittstellen zur Verfügung gestellt oder überflüssige DNA oder Restriktionsschnittstellen entfernt werden. Wo Insertionen, Deletionen oder Substitutionen in Frage kommen, können in vitro-Mutagenese, „primer repair", Restriktion oder Ligation verwendet werden. Als Analysemethoden werden im allgemeinen Sequenzanalyse, Restriktionsanalyse und weitere biochemisch- molekularbiologische Methoden durchgeführt.The DNA sequence encoding a protein with the biological activity of a 9-LOX or a 13-HPL can be isolated from natural sources or synthesized by conventional methods. Using common molecular biological techniques (see, for example, Sambrook et al. (1989) Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York) it is possible to prepare or produce desired constructs for the transformation of plant cells. The cloning, mutagenization, sequence analysis, restriction analysis and other biochemical-molecular biological methods commonly used for genetic engineering manipulation in prokaryotic cells are well known to those of ordinary skill in the art. Thus, not only can suitable chimeric gene constructs with the desired fusion of promoter and 9-LOX or 13-HPL-DNA sequence and possibly further regulatory and / or signal sequences be produced, but, if desired, the person skilled in the art can additionally use Routine techniques, various types of mutations into which the 9-LOX or 13-HPL coding DNA sequence are introduced, which leads to the synthesis of proteins with possibly changed biological properties. On the one hand, it is possible to generate deletion mutants in which the synthesis of correspondingly shortened proteins can be achieved by progressive deletion from the 5 'or from the 3' end of the coding DNA sequence. Furthermore, it is possible to specifically produce enzymes that are localized in certain compartments of the plant cell by adding corresponding signal sequences. Such sequences are described in the literature and are well known to those skilled in the art (see, for example, Braun et al. (1992) EMBO J. 11: 3219-3227; Wolter F. et al. (1988) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85 : 846-850; Sonnewald U. et al. (1991) Plant J. 1: 95-106). Furthermore, the introduction of point mutations at positions at which a change in the amino acid sequence has an influence, for example on the enzyme activity or the regulation of the enzyme, is also conceivable. In this way, for example, mutants can be produced which are no longer subject to the regulatory mechanisms normally prevailing in the cell via allosteric regulation or covalent modification. Furthermore, mutants can be produced which have an altered substrate or product specificity (Hornung et al. (1999), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96: 4192-4197). Furthermore, mutants can be produced which have a changed activity, temperature and / or pH profile. For genetic engineering manipulation in prokaryotic cells, the recombinant nucleic acid molecules according to the invention or parts thereof can be introduced into plasmids which permit mutagenesis or a sequence change by recombining DNA sequences. With the help of standard methods (see, for example, Sambrook et al. (1989), vide supra), base exchanges can be carried out or natural or synthetic sequences can be added. To connect the DNA fragments to one another, adapters or linkers can be added to the fragments where necessary. Appropriate restriction sites can also be provided by means of enzymatic and other manipulations, or superfluous DNA or restriction sites can be removed. Where insertions, deletions or substitutions are possible, in vitro mutagenesis, "primer repair", restriction or ligation can be used. Sequence analysis, restriction analysis and other biochemical-molecular biological methods are generally used as analysis methods.
Für die Expression der in den rekombinanten Nukleinsäuremolekülen enthaltenen DNA-Sequenzen in pflanzlichen Zellen kommt grundsätzlich jeder in pflanzlichen Zellen aktive Promotor in Frage. So können die 9-LOX- bzw. 13-HPL-DNA- Sequenzen beispielsweise unter Kontrolle konstitutiver, aber auch induzierbarer oder gewebe- bzw. entwicklungsspezifischer Regulationselemente, insbesondere Promotoren, in Pflanzenzellen exprimiert werden. Während beispielsweise die Verwendung eines induzierbaren Promotors die gezielt ausgelöste Expression der 9- LOX- bzw. 13-HPL-DNA-Sequenzen in Pflanzenzellen ermöglicht, bietet beispielsweise der Einsatz von gewebespezifischen, beispielsweise blatt- oder samenspezifischen, Promotoren die Möglichkeit, den Gehalt an C9-Aldehyden bzw. C9- Alkoholen bzw. Estern der C9- Alkohole in bestimmtem Gewebe, z.B. in Blattbzw. Samengewebe, zu verändern. Andere geeignete Promotoren vermitteln z.B. Licht-induzierte Genexpression in transgenen Pflanzen. In Bezug auf die zu transformierende Pflanzen kann der Promotor homolog oder heterolog sein.
Geeignete Promotoren sind z.B. der 35S RNA-Promotor des Cauliflower Mosaic Virus und der Ubiquitin-Promotor aus Mais für eine konstitutive Expression. Als samenspezifische Promotoren bieten sich bspw. der USP- (Bäumlein et al. (1991), Mol. Gen. Genet. 225: 459-467) oder dem Hordein-Promotor (Brandt et al. (1985), Carlsberg Res. Commun. 50: 333-345).In principle, any promoter active in plant cells can be used for the expression of the DNA sequences contained in the recombinant nucleic acid molecules in plant cells. For example, the 9-LOX or 13-HPL DNA sequences can be expressed in plant cells under the control of constitutive, but also inducible or tissue- or development-specific regulatory elements, in particular promoters. For example, while the use of an inducible promoter enables the specifically triggered expression of the 9-LOX or 13-HPL DNA sequences in plant cells, the use of tissue-specific, for example leaf or seed-specific, promoters offers the possibility of determining the content of C 9 aldehydes or C 9 alcohols or esters of C 9 alcohols in certain tissues, for example in leaf or Seed tissue, changing. Other suitable promoters, for example, mediate light-induced gene expression in transgenic plants. The promoter can be homologous or heterologous with respect to the plants to be transformed. Suitable promoters are, for example, the 35S RNA promoter of the Cauliflower Mosaic Virus and the ubiquitin promoter from maize for constitutive expression. Suitable seed-specific promoters are, for example, the USP (Bäumlein et al. (1991), Mol. Gen. Genet. 225: 459-467) or the Hordein promoter (Brandt et al. (1985), Carlsberg Res. Commun. 50: 333-345).
Konstitutive, keimungsspezifische und samenspezifische Promotoren werden im Rahmen dieser Erfindung bevorzugt, da sie sich besonders für die gezielte Erhöhung des Gehalts an C9- Aldehyden bzw. C9- Alkoholen bzw. Estern der C9-Alkohole in transgenen Samen eignen, u.a. auch im Zusammenhang mit der Antisense- oder Cosuppressions-Technik.Constitutive, germination-specific and seed-specific promoters are preferred in the context of this invention, since they are particularly suitable for the targeted increase in the content of C 9 aldehydes or C 9 alcohols or esters of C 9 alcohols in transgenic seeds, including also in Connection with the antisense or cosuppression technique.
In jedem Fall kann der Fachmann geeignete Promotoren der Literatur entnehmen oder mittels Routineverfahren selbst aus beliebigen Pflanzen isolieren.In any case, the person skilled in the art can find suitable promoters in the literature or isolate them from any plants using routine methods.
Ferner sind Transkriptions- bzw. Terminationssequenz vorhanden, die der korrekten Beendigung der Transkription dient, sowie der Addition eines polyA-Schwanzes an das Transkript dienen kann, dem eine Funktion bei der Stabilisierung der Transkripte beigemessen wird. Derartige Elemente sind in der Literatur beschrieben (z.B. Gielen (1989) EMBO J. 8:23-29) und beliebig austauschbar, z.B. der Terminator des Octopinsynthasegens aus Agrobacterium tumefaciens.Furthermore, there is a transcription or termination sequence which serves to correctly terminate the transcription and can also be used to add a polyA tail to the transcript, which is assigned a function in stabilizing the transcripts. Such elements are described in the literature (e.g. Gielen (1989) EMBO J. 8: 23-29) and are interchangeable, e.g. the terminator of the octopine synthase gene from Agrobacterium tumefaciens.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die in den Vektoren enthaltenen Nukleinsäuremoleküle mit regulatorischen Elementen verknüpft, die dieIn a preferred embodiment, the nucleic acid molecules contained in the vectors are linked to regulatory elements that the
Transkription und ggf. Translation in prokaryontischen und eukaryontischen Zellen gewährleisten.Ensure transcription and, if necessary, translation in prokaryotic and eukaryotic cells.
Gegegebenfalls können die Nukleinsäuresequenzen durch Enhancer-Sequenzen oder andere regulatorische Sequenzen ergänzt sein. Diese regulatorischen Sequenzen
beinhalten beispielsweise auch Signalsequenzen, die für den Transport des Genprodukts zu einem bestimmten Kompartiment sorgen.If necessary, the nucleic acid sequences can be supplemented by enhancer sequences or other regulatory sequences. These regulatory sequences also include signal sequences, for example, which ensure that the gene product is transported to a specific compartment.
Es ist ebenso eine Aufgabe der Erfindung, neue transgene Pflanzen, Pflanzenzellen, Pflanzenteile, transgenes Vermehrungsmaterial und transgene Ernteprodukte bereitzustellen, die sich durch eine gegenüber Wildtyppflanzen bzw. -zellen veränderten Gehalt an C9- Aldehyden bzw. C9- Alkoholen bzw. Estern der C9- Alkohole auszeichnen.It is also an object of the invention to provide new transgenic plants, plant cells, plant parts, transgenic propagation material and transgenic harvested products which are characterized by a change in C 9 aldehydes or C 9 alcohols or esters of the wild type plants or cells Label C 9 alcohols.
Diese Aufgabe wird durch die Übertragung der Nukleinsäuremoleküle, welche für ein pflanzliches oder mikrobielles Protein mit der biologischen Aktivität einer 13- HPL kodieren, und ihre Expression in Pflanzen gelöst. Durch die Übertragung der vorstehend genannten Nukleinsäuremoleküle besteht nun die Möglichkeit, pflanzliche Zellen mittels gentechnischer Methoden dahingehend zu verändern, daß sie im Vergleich zu Wildtypzellen eine neue oder veränderte 13 -HPL- Aktivität aufweisen und es als Folge davon zu einer Veränderung des Gehalts an C9- Aldehyden bzw. C9- Alkoholen bzw. Estern der C9-Alkohole in der Pflanze kommt.This object is achieved by the transfer of the nucleic acid molecules, which code for a plant or microbial protein with the biological activity of a 13-HPL, and their expression in plants. By transferring the above-mentioned nucleic acid molecules, it is now possible to use genetic engineering methods to modify plant cells to the extent that they have a new or modified 13 -HPL activity compared to wild-type cells and, as a result, there is a change in the C 9 content - Aldehydes or C 9 - alcohols or esters of C 9 alcohols in the plant.
So betrifft die Erfindung in einer Ausführungsform Pflanzen bzw. deren Zellen und Teile, in denen der Gehalt an C9- Aldehyden bzw. C9- Alkoholen bzw. Estern der C9- Alkohole aufgrund der Gegenwart und Expression der vorstehend genannten Nukleinsäuremoleküle gegenüber Wildtyppflanzen erhöht ist.Thus, in one embodiment, the invention relates to plants or their cells and parts in which the content of C 9 aldehydes or C 9 alcohols or esters of C 9 alcohols increases due to the presence and expression of the abovementioned nucleic acid molecules compared to wild type plants is.
Die Erfindung betrifft aber auch solche Pflanzen, in denen die Übertragung der vorstehend genannten Nukleinsäuremoleküle zu einer Verringerung des Gehalts an C9-Aldehyden bzw. C9-Alkoholen bzw. Estern der C9-Alkohole führt. Eine derartige Reduktion kann beispielsweise durch den Transfer von Antisense-Konstrukten oder durch andere Suppressionsmechanismen, wie beispielsweise Cosuppressionen, erreicht werden.
Gegenstand der Erfindung sind weiterhin transgene Pflanzenzellen bzw. solche Pflanzenzellen umfassende Pflanzen und deren Teile und Produkte, in denen die vorstehend genannten, für 13-HPL kodierenden Nukleinsäuremoleküle integriert in das pflanzliche Genom vorliegen. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung sind Pflanzen, in deren Zellen das vorstehend genannte Nuldeinsäuremolekül in selbstreplizierender Form vorliegt, d.h. die Pflanzenzelle enthält die fremde DNA auf einem eigenständigen Nukleinsäuremolekül (transiente Expression).However, the invention also relates to those plants in which the transfer of the abovementioned nucleic acid molecules leads to a reduction in the content of C 9 aldehydes or C 9 alcohols or esters of the C 9 alcohols. Such a reduction can be achieved, for example, by the transfer of antisense constructs or by other suppression mechanisms, such as cosuppression. The invention further relates to transgenic plant cells or plants comprising such plant cells and their parts and products in which the above-mentioned nucleic acid molecules coding for 13-HPL are present integrated into the plant genome. The invention also relates to plants in the cells of which the abovementioned nucleic acid molecule is present in self-replicating form, ie the plant cell contains the foreign DNA on an independent nucleic acid molecule (transient expression).
Bei den Pflanzen, die mit den vorstehend genannten Nukleinsäuremolekülen transformiert sind und in denen aufgrund der Einführung eines solchen Moleküls eine veränderte Menge an C9- Aldehyden bzw. C9- Alkoholen bzw. Estern der C - Alkohole synthetisiert wird, kann es sich im Prinzip um jede beliebige Pflanze handeln. Vorzugsweise ist es eine monokotyle oder dikotyle Nutzpflanze.In principle, the plants which have been transformed with the above-mentioned nucleic acid molecules and in which a modified amount of C 9 aldehydes or C 9 alcohols or esters of C alcohols are synthesized due to the introduction of such a molecule trade any plant. It is preferably a monocot or dicot crop.
Beispiele für monokotyle Pflanzen sind die Pflanzen, die zu den Gattungen Avena (Hafer), Triticum (Weizen), Seeale (Roggen), Hordeum (Gerste), Oryza (Reis), Panicum, Pennisetum, Setaria, Sorghum (Hirse), Zea (Mais) gehören. Bei den dikotylen Nutzpflanzen sind u.a. zu nennen Leguminosen, wie Hülsenfrüchte und insbesondere Alfalfa, Sojabohne, Raps, Tomate, Zuckerrübe, Kartoffel, Zierpflanzen oder Bäume. Weitere Nutzpflanzen können beispielsweise Obst (insbesondere Äpfel, Birnen, Kirschen, Weintrauben, Citrus, Ananas und Bananen), Ölpalmen, Tee-, Kakao- und Kaffeesträucher, Tabak, Sisal, Baumwolle, Lein, Sonnenblume sowie Heilpflanzen und Weidegräser sowie Futterpflanzen sein. Besonders bevorzugt sind die Getreide Weizen, Roggen, Hafer, Gerste, Reis, Mais und Hirse, Futtergetreide, Zuckerrübe, Raps, Soja, Sonnenblume, Lein, Tomate, Kartoffel, Süßgräser,Examples of monocotyledonous plants are the plants belonging to the genera Avena (oat), Triticum (wheat), Seeale (rye), Hordeum (barley), Oryza (rice), Panicum, Pennisetum, Setaria, sorghum (millet), Zea ( Corn). Among the dicotyledonous crops are to name legumes, such as legumes and in particular alfalfa, soybean, rapeseed, tomato, sugar beet, potatoes, ornamental plants or trees. Other useful plants can be, for example, fruit (in particular apples, pears, cherries, grapes, citrus, pineapple and bananas), oil palms, tea, cocoa and coffee bushes, tobacco, sisal, cotton, flax, sunflower and medicinal plants and pasture grasses and forage plants. The cereals wheat, rye, oats, barley, rice, corn and millet, feed grain, sugar beet, rapeseed, soybean, sunflower, flax, tomato, potato, sweet grasses are particularly preferred.
Futtergräser und Klee. Es ergibt sich von selbst, daß die Erfindung insbesondere übliche Nahrungs- bzw. Futterpflanzen betrifft. Hier sind neben den bereits erwähnten Pflanzen zusätzlich Erdnuß, Linse, Ackerbohne, Runkelrübe, Buchweizen, Möhre, Sonnenblume, Topinambur, Rübsen, Weißer Senf, Kohlrübe und Stoppelrübe zu nennen.
Besonders bevorzugt werden Ölsaaten.Forage grass and clover. It is self-evident that the invention relates in particular to conventional food or fodder plants. In addition to the plants already mentioned, peanut, lentil, broad bean, black beet, buckwheat, carrot, sunflower, Jerusalem artichoke, turnip, white mustard, turnip and stubble are worth mentioning. Oilseeds are particularly preferred.
Gegenstand der Erfindung sind ferner Vermehrungsmaterial und Ernteprodukte von erfindungsgemäßen Pflanzen, beispielsweise Samen, Früchte, Stecklinge, Knollen, Wurzelstöcke usw., sowie Teile dieser Pflanzen, wie Protoplasten, Pflanzenzellen und Kalli.The invention further relates to propagation material and harvest products of plants according to the invention, for example seeds, fruits, cuttings, tubers, rhizomes, etc., and parts of these plants, such as protoplasts, plant cells and calli.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung Wirtszellen, insbesondere prokaryontische und eukaryontische Zellen, die mit einem oben beschiiebenenIn a further embodiment, the invention relates to host cells, in particular prokaryotic and eukaryotic cells, which have a cell as described above
Nukleinsäuremolekül oder einem Vektor transformiert bzw. infiziert wurden, sowie Zellen, die von derartigen Wirtszellen abstammen und die beschriebenen Nukleinsäuremoleküle oder Vektoren enthalten. Die Wirtszellen können Bakterien, Viren, Algen, Hefe- und Pilzzellen sowie pflanzliche oder tierische Zellen sein.Nucleic acid molecule or a vector have been transformed or infected, as well as cells derived from such host cells and containing the described nucleic acid molecules or vectors. The host cells can be bacteria, viruses, algae, yeast and fungal cells as well as plant or animal cells.
Gegenstand der Erfindung sind auch solche Wirtszellen, die neben den erfindungsgemäßen Nukleinsäuremolekülen ein oder mehrere, auf gentechnologischem oder natürlichem Weg übertragene Nukleinsäuremoleküle enthalten, die die genetische Information für am LOX-abhängigen Katabolismus von mehrfach ungesättigten Fettsäuren in Pflanzen beteiligte Enzyme tragen.The invention also relates to those host cells which, in addition to the nucleic acid molecules according to the invention, contain one or more nucleic acid molecules which are transmitted by genetic engineering or natural means and which carry the genetic information for enzymes involved in the LOX-dependent catabolism of polyunsaturated fatty acids in plants.
Der vorliegenden Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur Herstellung von Pflanzenzellen und Pflanzen, die sich durch einen veränderten Gehalt an C9- Aldehyden bzw. C -Alkoholen bzw. Estern der C9- Alkohole auszeich- nen, bereitzustellen.The present invention is also based on the object of providing processes for the production of plant cells and plants which are distinguished by a changed content of C 9 aldehydes or C alcohols or esters of the C 9 alcohols.
Diese Aufgabe wird durch Verfahren gelöst, mit deren Hilfe die Erzeugung neuer Pflanzenzellen und Pflanzen, die aufgrund der Übertragung der vorstehend genannten, für 13-HPL kodierenden Nukleinsäuremolekülen einen veränderten Gehalt an C9- Aldehyden bzw. C9-Alkoholen bzw. Estern der C9- Alkohole aufweisen,
möglich ist. Zur Erzeugung solcher neuer Pflanzenzellen und Pflanzen bieten sich verschiedene Methoden an. Zum einen können Pflanzen bzw. Pflanzenzellen mit Hilfe herkömmlicher gentechnologischer Transformationsmethoden derart verändert werden, daß die neuen Nukleinsäuremoleküle in das pflanzliche Genom integriert werden, d.h., es werden stabile Transformanten erzeugt. Zum anderen kann ein erfindungsgemäßes Nukleinsäuremolekül, dessen Anwesenheit und ggf. Expression in der Pflanzenzelle eine veränderte Biosyntheseleistung bewirkt, in der Pflanzenzelle bzw. der Pflanze als selbstreplizierendes System enthalten sein. So können die erfmdungsgemäßen Nukleinsäuremoleküle beispielsweise in einem Virus enthalten sein, mit dem die Pflanze bzw. Pflanzenzelle in Kontakt kommt.This object is achieved by methods by means of which the production of new plant cells and plants which, owing to the transfer of the above-mentioned nucleic acid molecules coding for 13-HPL, result in a modified content of C 9 aldehydes or C 9 alcohols or esters of C 9 - have alcohols, is possible. Various methods are available for producing such new plant cells and plants. On the one hand, plants or plant cells can be modified using conventional genetic engineering transformation methods in such a way that the new nucleic acid molecules are integrated into the plant genome, ie stable transformants are generated. On the other hand, a nucleic acid molecule according to the invention, the presence and optionally expression of which in the plant cell causes an altered biosynthesis, can be contained in the plant cell or the plant as a self-replicating system. For example, the nucleic acid molecules according to the invention can be contained in a virus with which the plant or plant cell comes into contact.
Erfindungsgemäß werden Pflanzenzellen und Pflanzen, die aufgrund der Expression einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz einen veränderten, insbesondere erhöhten Gehalt an Cg-Aldehyden bzw. C9-Alkoholen bzw. Estern der C9-Alkohole aufweisen, durch ein Verfahren hergestellt, das folgende Schritte umfaßt:According to the invention, plant cells and plants which, owing to the expression of a nucleic acid sequence according to the invention, have a modified, in particular increased, content of Cg aldehydes or C 9 alcohols or esters of C 9 alcohols are produced by a process which comprises the following steps:
a) Herstellung eines rekombinanten Nukleinsäuremoleküls, umfassend die folgenden Bestandteilen in 5' -> 3 '-Orientierung: regulatorische Sequenzen eines in Pflanzenzellen aktiven Promotors, - operativ daran gebunden eine Nukleinsäuresequenz, die für ein Protein mit der biologischen Aktivität einer 13-HPL kodiert, und ggf. operativ daran gebunden Sequenzen, die als Transkriptions-, Termination- und/oder Polyadenylierungssignale in Pflanzenzellen dienen können. b) Übertragung des Nukleinsäuremoleküls aus a) auf pflanzliche Zellen. c) Bereitstellung der Ausgangssubstrate in Form von mehrfach ungesättigten Fettsäuren, die zumindest Doppelbindungen an den Positionen Δ6 und Δ9 aufweisen, insbesondere Cι8-Fettsäuren, besonders bevorzugt γ-Linolensäure oder Stearidonsäure, in der Pflanzenzelle.
Der Schritt c) des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ist von wesentlicher Bedeutung, da das Vorkommen der Ausgangssubstrate wie beispielsweise γ-Linolensäure im Pflanzenreich auf einige wenige Pflanzen wie z.B. Borretsch und die Nachtkerze beschränkt ist.a) Production of a recombinant nucleic acid molecule, comprising the following components in a 5 '->3' orientation: regulatory sequences of a promoter active in plant cells, - operatively linked to a nucleic acid sequence which codes for a protein with the biological activity of a 13-HPL, and optionally operatively linked sequences that can serve as transcription, termination and / or polyadenylation signals in plant cells. b) transfer of the nucleic acid molecule from a) to plant cells. c) Provision of the starting substrates in the form of polyunsaturated fatty acids which have at least double bonds at the positions Δ6 and Δ9, in particular C 8 fatty acids, particularly preferably γ-linolenic acid or stearidonic acid, in the plant cell. Step c) of the method according to the invention described above is of essential importance since the occurrence of the starting substrates such as, for example, γ-linolenic acid in the plant kingdom is restricted to a few plants, such as, for example, borage and the evening primrose.
Alternativ können eine oder mehrere erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenzen als selbstreplizierendes System in die Pflanzenzelle bzw. die Pflanze eingebracht werden.Alternatively, one or more nucleic acid sequences according to the invention can be introduced into the plant cell or the plant as a self-replicating system.
Als weitere Alternative kann Schritt a) des obigen Verfahrens dahingehend abgewandelt werden, daß die Nukleinsäuresequenz, die für ein Protein mit der biologischen Aktivität einer 13-HPL kodiert, in Antisense-Orientierung an das 3'- Ende des Promotors gekoppelt ist.As a further alternative, step a) of the above method can be modified such that the nucleic acid sequence which codes for a protein with the biological activity of a 13-HPL is coupled in antisense orientation to the 3 'end of the promoter.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können ein oder mehrere zusätzliche Nukleinsäuremoleküle eingeführt werden, die für Proteine kodieren, die die Oxygenierung von Fettsäuren zu 9-Hydroperoxid-Fettsäuren katalysieren (Lipoxygenasen).In a further aspect of the present invention, one or more additional nucleic acid molecules can be introduced which code for proteins which catalyze the oxygenation of fatty acids to 9-hydroperoxide fatty acids (lipoxygenases).
Zur Vorbereitung der Einführung fremder Gene in höhere Pflanzen bzw. deren Zellen stehen eine große Anzahl von Klonierungsvektoren zur Verfügung, die ein Replikationssignal für E. coli und ein Markergen zur Selektion transformierter Bakterienzellen enthalten. Beispiele für derartige Vektoren sind pBR322, pUC- Serien, M13mp-Serien, pACYC184 usw. Die gewünschte Sequenz kann an einer passenden Restriktionsschnittstelle in den Vektor eingeführt werden. Das erhaltene Plasmid wird dann für die Transformation von E. co/z'-Zellen verwendet. Transformierte E. co/z'-Zellen werden in einem geeigneten Medium gezüchtet und anschließend geerntet und lysiert, und das Plasmid wird wiedergewonnen. Als Analysenmethode zur Charakterisierung der gewonnenen Plasmid-DNA werden im allgemeinen Restriktionsanalysen, Gelelektrophoresen und weitere biochemisch-
molekularbiologische Methoden eingesetzt. Nach jeder Manipulation kann die Plasmid-DNA gespalten und gewonnene DNA-Fragmente mit anderen DNA- Sequenzen verknüpft werden.To prepare the introduction of foreign genes into higher plants or their cells, a large number of cloning vectors are available, which contain a replication signal for E. coli and a marker gene for the selection of transformed bacterial cells. Examples of such vectors are pBR322, pUC series, M13mp series, pACYC184 etc. The desired sequence can be introduced into the vector at a suitable restriction site. The plasmid obtained is then used for the transformation of E. co / z ' cells. Transformed E. co / z ' cells are grown in an appropriate medium and then harvested and lysed, and the plasmid is recovered. Restriction analyzes, gel electrophoresis and other biochemical methods are generally used as the analysis method for characterizing the plasmid DNA obtained. molecular biological methods used. After each manipulation, the plasmid DNA can be cleaved and DNA fragments obtained can be linked to other DNA sequences.
Voraussetzung für die Einführung der rekombinanten Nukleinsäuremoleküle und Vektoren in Pflanzenzellen ist die Verfügbarkeit geeigneter Transformationssysteme. Hier wurde während der letzten zwei Jahrzehnte ein breites Spektrum an Transformationsmethoden entwickelt und etabliert. Diese Techniken umfassen die Transformation pflanzlicher Zellen mit T-DNA unter Verwendung von Agrobacterium tumefaciens oder Agrobacterium rhizogenes als Transformationsmittel, Diffusion von Protoplasten, den direkten Gentransfer isolierter DNA in Protoplasten, die Injektion und Elektroporation von DNA in Pflanzenzellen, die Einbringung von DNA mittels der biolistischen Methoden sowie weitere Möglichkeiten, wobei der Fachmann die jeweils geeignete Methode problemlos ermitteln kann. Sämtliche Transformationsverfahren sind seit vielen Jahren gut etabliert und gehören zweifelsohne zum Standardrepertoire des Fachmanns in der pflanzlichen Molekularbiologie, Pflanzenbiotechnologie und Zeil- und Gewebekultur.A prerequisite for the introduction of recombinant nucleic acid molecules and vectors in plant cells is the availability of suitable transformation systems. A wide range of transformation methods have been developed and established here over the past two decades. These techniques include the transformation of plant cells with T-DNA using Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes as a transformation agent, diffusion of protoplasts, the direct gene transfer of isolated DNA to protoplasts, the injection and electroporation of DNA into plant cells, the introduction of DNA by means of the biolistic Methods and other possibilities, whereby the person skilled in the art can easily determine the most suitable method. All transformation processes have been well established for many years and are undoubtedly part of the standard repertoire of the specialist in plant molecular biology, plant biotechnology and cell and tissue culture.
Bei der Injektion und Elektroporation von DNA in Pflanzenzellen werden per se keine speziellen Anforderungen an die verwendeten Plasmide gestellt. Ähnliches gilt für den direkten Gentransfer. Es können einfache Plasmide, wie z.B. pUC -Derivate, verwendet werden. Sollen aber aus derartig transformierten Zellen ganze Pflanzen regeneriert werden, ist die Anwesenheit eines selektierbaren Markergens empfehlenswert. Dem Fachmann sind die gängigen Selektionsmarker bekannt, und es stellt für ihn kein Problem dar, einen geeigneten Marker auszuwählen.When injecting and electroporation of DNA into plant cells, there are no special requirements per se for the plasmids used. The same applies to direct gene transfer. Simple plasmids, e.g. pUC derivatives can be used. However, if whole plants are to be regenerated from such transformed cells, the presence of a selectable marker gene is recommended. The usual selection markers are known to the person skilled in the art and it is not a problem for him to select a suitable marker.
Je nach Einführungsmethode gewünschter Gene in die Pflanzenzelle können weitere DNA-Sequenzen erforderlich sein. Werden z.B. für die Transformation der Pflanzenzelle das Ti- oder Ri-Plasmid verwendet, so muss mindestens die rechte
Begrenzung, häufig jedoch die rechte und linke Begrenzung der im Ti- bzw. Ri- Plasmid enthaltenen T-DNA als Flankenbereich mit den einzuführenden Genen verbunden werden. Werden für die Transformation Agrobakterien verwendet, muss die einzuführende DNA in spezielle Plasmide kloniert werden, und zwar entweder in einen intermediären oder in einen binären Vektor. Die intermediären Vektoren können aufgrund von Sequenzen, die homolog zu Sequenzen in der T-DNA sind, durch homologe Rekombination in das Ti- oder Ri-Plasmid der Agrobakterien integriert werden. Dieses enthält außerdem die für den Transfer der T-DNA notwendige vir-Region. Intermediäre Vektoren können nicht in Agrobakterien replizieren. Mittels eines Helferplasmids kann der intermediäre Vektor aufDepending on the method of introducing desired genes into the plant cell, additional DNA sequences may be required. If, for example, the Ti or Ri plasmid is used for the transformation of the plant cell, at least the right one must be used Limitation, but often the right and left limitation of the T-DNA contained in the Ti or Ri plasmid as a flank region with the genes to be introduced. If Agrobacteria are used for the transformation, the DNA to be introduced must be cloned into special plasmids, either in an intermediate or in a binary vector. The intermediate vectors can be integrated into the Ti or Ri plasmid of the agrobacteria by means of sequences which are homologous to sequences in the T-DNA by homologous recombination. This also contains the vir region necessary for the transfer of the T-DNA. Intermediate vectors cannot replicate in agrobacteria. The intermediate vector can be found by means of a helper plasmid
Agrobacterium tumefaciens übertragen werden (Konjugation). Binäre Vektoren können sowohl in E. coli als auch in Agrobakterien replizieren. Sie enthalten ein Selektionsmarkergen und einen Linker oder Polylinker, welche von der rechten und linken T-DNA-Grenzregion eingerahmt werden. Sie können direkt in die Agro- bakterien transformiert werden. Das als Wirtszelle dienende Agrobakterium soll ein Plasmid, das eine vir-Region trägt, enthalten. Die vir-Region ist für den Transfer der T-DNA in die Pflanzenzelle notwendig. Zusätzliche T-DNA kann vorhanden sein. Das derartig transformierte Agrobakterium wird zur Transformation von Pfϊanzenzellen verwendet. Die Verwendung von T-DNA für die Transformation von Pflanzenzellen ist intensiv untersucht und ausreichend in allseits bekannten Übersichtsartikeln und Handbüchern zur Pflanzentransformation beschrieben worden.Agrobacterium tumefaciens are transmitted (conjugation). Binary vectors can replicate in E. coli as well as in Agrobacteria. They contain a selection marker gene and a linker or polylinker, which are framed by the right and left T-DNA border region. They can be transformed directly into the agrobacteria. The agrobacterium serving as the host cell is said to contain a plasmid which carries a vir region. The vir region is necessary for the transfer of the T-DNA into the plant cell. Additional T-DNA may be present. The agrobacterium transformed in this way is used to transform plant cells. The use of T-DNA for the transformation of plant cells has been intensively investigated and has been sufficiently described in well-known overview articles and manuals for plant transformation.
Für den Transfer der DNA in die Pflanzenzelle können Pflanzen-Explantate zweclcmäßigerweise mit Agrobacterium tumefaciens oder Agrobacterium rhizogenes kultiviert werden. Aus dem infizierten Pflanzenmaterial (z.B. Blattstücke, Stengelsegmente, Wurzeln, aber auch Protoplasten oder Suspensions-kultivierte Pflanzenzellen) können dann in einem geeigneten Medium, welches Antibiotika oder Biozide zur Selektion transformierter Zellen enthalten kann, wieder ganze Pflanzen regeneriert werden.
Ist die eingeführte DNA einmal im Genom der Pflanzenzelle integriert, so ist sie dort in der Regel stabil und bleibt auch in den Nachkommen der ursprünglich transformierten Zelle erhalten. Sie enthält normalerweise einen Selektionsmarker, der den transformierten Pflanzenzellen Resistenz gegenüber einem Biozid oder einem Antibiotikum wie Kanamycin, G 418, Bleomycin, Hygromycin, Methotrexat, Glyphosat, Streptomycin, Sulfonylharnstoff, Gentamycin oder Phosphinotricin u.a. vermittelt. Der individuell gewählte Marker sollte daher die Selektion transformierter Zellen gegenüber Zellen, denen die eingeführte DNA fehlt, gestatten. Hierzu sind auch alternative Marker geeignet, wie nutritive Marker, Screeningmarker (wie GFP, green fluorescent protein). Selbstverständlich kann auch vollkommen auf Selektionsmarker verzichtet werden, was allerdings mit einem ziemlich hohen Screening- bedarf einhergeht. Falls der eingesetzte Selektionsmarker nach erfolgter Transformation und Identifizierung erfolgreich transformierter Zellen bzw. Pflanzen wieder entfernt werden soll, stehen dem Fachmann hierfür verschiedene Strategien zur Verfügung. So können z.B. sequenzspezifische Rekombinasen verwendet werden, z.B. in Form der Retransformation einer Rekombinase-exprimierenden Ausgangslinie und Auskreuzung der Rekombinase nach erfolgter Entfernung des Selektionsmarkers (siehe z.B. Reiss et al. (1996) Proc. Natl. Acad. Sei. USA 93:3094-3098; Bayley et al. (1992) Plant Mol. Biol. 18:353-361; Lloyd et al. (1994) Mol. Gen. Genet. 242:653-657; Maser et al. (1991) Mol. Gen. Genet. 230:170-176; Onouchi et al. (1991) Nucl. Acids Res. 19:6373-6378). Der Selektionsmarker kann auch durch Cotransformation mit anschließender Auskreuzung entfernt werden.For the transfer of the DNA into the plant cell, plant explants can inevitably be cultivated with Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes. Whole plants can then be regenerated from the infected plant material (for example leaf pieces, stem segments, roots, but also protoplasts or suspension-cultivated plant cells) in a suitable medium, which can contain antibiotics or biocides for the selection of transformed cells. Once the introduced DNA is integrated in the genome of the plant cell, it is generally stable there and is also retained in the progeny of the originally transformed cell. It normally contains a selection marker which gives the transformed plant cells resistance to a biocide or an antibiotic such as kanamycin, G 418, bleomycin, hygromycin, methotrexate, glyphosate, streptomycin, sulfonylurea, gentamycin or phosphinotricin and others. The individually selected marker should therefore allow the selection of transformed cells from cells that lack the inserted DNA. Alternative markers are also suitable for this, such as nutritive markers and screening markers (such as GFP, green fluorescent protein). Of course, selection markers can also be dispensed with entirely, but this is accompanied by a fairly high need for screening. If the selection marker used is to be removed again after the transformation and identification of successfully transformed cells or plants has been carried out, various strategies are available to the person skilled in the art. For example, sequence-specific recombinases can be used, for example in the form of the retransformation of a starting line expressing recombinase and outcrossing of the recombinase after removal of the selection marker (see, for example, Reiss et al. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93: 3094- 3098; Bayley et al. (1992) Plant Mol. Biol. 18: 353-361; Lloyd et al. (1994) Mol. Gen. Genet. 242: 653-657; Maser et al. (1991) Mol. Gen. Genet. 230: 170-176; Onouchi et al. (1991) Nucl. Acids Res. 19: 6373-6378). The selection marker can also be removed by cotransformation followed by outcrossing.
Die Regeneration der transgenen Pflanzen aus transgenen Pflanzenzellen erfolgt nach üblichen Regenerationsmethoden unter Verwendung üblicher Nährmedien und Phytohormone. Die so erhaltenen Pflanzen können dann, falls erwünscht, mittels üblicher Verfahren, einschließlich molekularbiologischer Methoden, wie PCR, Blot- Analysen, oder biochemischer Verfahren auf Anwesenheit der eingeführten DNA,
die ein Protein mit der enzymatischen Aktivität einer 13-HPL kodiert, bzw. auf Anwesenheit von 13-HPL-Enzymaktivität untersucht werden.The regeneration of the transgenic plants from transgenic plant cells is carried out according to customary regeneration methods using conventional nutrient media and phytohormones. If desired, the plants obtained in this way can then be subjected to conventional methods, including molecular biological methods, such as PCR, blot analysis, or biochemical methods for the presence of the introduced DNA. which encode a protein with the enzymatic activity of a 13-HPL, or are examined for the presence of 13-HPL enzyme activity.
Unabhängig von den verwendeten regulatorischen Sequenzen, unter deren Kontrolle die Expression der 9-LOX- bzw. 13-HPL-Sequenzen steht, steht dem Fachmann ein breites Spektrum an molekularbiologischen und/oder biochemischen Verfahren für die Analyse der transformierten Pflanzenzellen, transgenen Pflanzen, Pflanzenteile, Ernteprodukte und Vermehrungsmaterial zur Verfügung, z.B. PCR, Northern Blot- Analyse zum Nachweis von für 9-LOX- bzw. 13-HPL spezifischer RNA bzw. zur Bestimmung der Höhe der Akkumulation von 9-LOX- bzw. 13-HPL-spezifischer RNA, Southern Blot- Analyse zur Identifizierung von 9-LOX- bzw. 13-HPL- kodierenden DNA-Sequenzen oder Western Blot- Analyse zum Nachweis des durch die Nukleinsäuremoleküle kodierten 9-LOX- bzw. 13-HPL. Selbstverständlich kann der Nachweis der enzymatischen Aktivität der 9-LOX- bzw. 13-HPL auch vom Fachmann mittels in der Literatur erhältlicher Protokolle bestimmt werden. Weiter kann man z.B. den durch Kreuzungen erhaltenen Samen auf Medium auslegen, das das zu dem zusammen mit der 9-LOX- bzw. 13-HPL-DNA-Sequenz übertragenen Selektionsmarker passende Selektionsmittel enthält, und anhand der Keimfähigkeit und des Wachstums der Tochtergeneration(en) und des Segregationsmusters Rückschlüsse auf den Genotyp der j eweiligen Pflanze schließen.Regardless of the regulatory sequences used, which control the expression of the 9-LOX or 13-HPL sequences, the person skilled in the art has a wide range of molecular biological and / or biochemical methods for the analysis of the transformed plant cells, transgenic plants, parts of plants , Harvest products and propagation material available, e.g. PCR, Northern blot analysis for the detection of RNA specific for 9-LOX or 13-HPL or for determining the level of accumulation of 9-LOX or 13-HPL-specific RNA, Southern blot analysis for the identification of DNA sequences encoding 9-LOX or 13-HPL or Western blot analysis to detect the 9-LOX or 13-HPL encoded by the nucleic acid molecules. Of course, the detection of the enzymatic activity of the 9-LOX or 13-HPL can also be determined by a person skilled in the art using protocols available in the literature. Further you can e.g. lay out the seed obtained by crossings on medium containing the selection agent suitable for the selection marker transmitted together with the 9-LOX or 13-HPL DNA sequence, and on the basis of the germination capacity and the growth of the daughter generation (s) and the segregation pattern Draw conclusions about the genotype of the respective plant.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Verwendungen der 13-HPL aufzuzeigen.Another object of the invention is to demonstrate uses of 13-HPL.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäßen Verwendungen der 13-HPL zur Erzeugung von Pflanzenzellen und Pflanzen, die sich durch einen im Vergleich zu Wildtypzellen bzw. Wildtyppflanzen veränderten Gehalt an C9- Aldehyden bzw. C - Alkoholen bzw. Estern der C9- Alkohole auszeichnen, gelöst.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ferner jede mögliche Form des Einsatzes des für 13-HPL kodierenden Nukleinsäuremoleküls, dessen Gegenwart und ggf. Expression in Pflanzen eine Veränderung des Gehalts an C9- Aldehyden bzw. C -Alkoholen bzw. Estern der C9- Alkohole bewirkt.This object is achieved by the uses according to the invention of 13-HPL for the production of plant cells and plants which are distinguished by a content of C 9 aldehydes or C alcohols or esters of C 9 alcohols which is different compared to wild type cells or wild type plants , solved. The present invention further encompasses every possible form of use of the nucleic acid molecule coding for 13-HPL, the presence of which and optionally expression in plants brings about a change in the content of C 9 aldehydes or C alcohols or esters of C 9 alcohols.
Die für 13-HPL kodierenden Nukleinsäuremoleküle können somit erfindungs gemäß verwendet werden, um transgene Pflanzen zu erzeugen, in denen der Gehalt an 13- HPL höher oder geringer ist als natürlicherweise, oder in Zelltypen oder Entwicklungsstufen vorliegt, bei denen die 13-HPL normalerweise nicht gefunden werden. Dies bewirkt eine Änderung des Gehalts an C9- Aldehyden bzw. C9- Alkoholen bzw. Estern der C9-Alkohole in diesen Zellen.The nucleic acid molecules coding for 13-HPL can thus be used according to the invention to produce transgenic plants in which the 13-HPL content is higher or lower than natural or in cell types or development stages in which the 13-HPL is normally not being found. This causes a change in the content of C 9 aldehydes or C 9 alcohols or esters of the C 9 alcohols in these cells.
Die Akkumulierung von C9-Aldehyden bzw. C9-Alkoholen bzw. Estern der C9- Alkohole kann ein vorteilhafter Phenotyp in Pflanzen sein, die für Lebensmittel verwendet werden.The accumulation of C 9 aldehydes or C 9 alcohols or esters of C 9 alcohols can be an advantageous phenotype in plants used for food.
Für manche Anwendungen kann es nützlich sein, die 13-HPL in unterschiedliche zelluläre Kompartimente einzuführen oder deren Sekretion aus der Zelle zu erleichtern. Es ist somit möglich, daß die für 13-HPL kodierenden Nukleinsäuremoleküle derart modifiziert sind, daß sie mit geeigneten intrazellulären Target-Sequenzen, wie Transit- Sequenzen (K. Keegstra (1989) Cell 56: 247-253), Signal-Sequenzen und dergleichen ergänzt werden.For some applications it may be useful to introduce the 13-HPL into different cellular compartments or to facilitate their secretion from the cell. It is thus possible that the nucleic acid molecules coding for 13-HPL are modified in such a way that they are matched with suitable intracellular target sequences, such as transit sequences (K. Keegstra (1989) Cell 56: 247-253), signal sequences and the like be supplemented.
Für manche Anwendungen kann es auch erwünscht sein, die Expression von Nukleinsäuremolekülen zu vermindern oder zu eliminieren, die für 13-HPL kodieren. Um dies zu erreichen, kann ein für die Cosupression der 13-HPL entwickeltes Nukleinsäuremolekül durch Verknüpfen eines Gens oder Genfragments, das eine 13- HPL kodiert, mit Pflanzenpromotersequenzen, erzeugt werden. Alternativ kann ein Nukleinsäuremolekül, das für die Expression von Antisense-RNA für das gesamte oder einen Teil des vorstehend genannten Nukleinsäuremoleküls entwickelt ist,
durch Verbinden des Gens oder Genfragments in reverser Orientierung zu Pflanzenpromotersequenzen erzeugt werden. Sowohl die Gene für die Cosuppression als auch die Antisense-Gene können mittels Transformation in die Pflanzen eingeführt werden, wodurch die Expression der entsprechenden endogenen Gene vermindert oder eliminiert ist.For some applications it may also be desirable to reduce or eliminate the expression of nucleic acid molecules encoding 13-HPL. To achieve this, a nucleic acid molecule developed for the cosupression of the 13-HPL can be generated by linking a gene or gene fragment which encodes a 13-HPL with plant promoter sequences. Alternatively, a nucleic acid molecule developed for the expression of antisense RNA for all or part of the above-mentioned nucleic acid molecule can be by linking the gene or gene fragment in reverse orientation to plant promoter sequences. Both the genes for cosuppression and the antisense genes can be introduced into the plants by means of transformation, as a result of which the expression of the corresponding endogenous genes is reduced or eliminated.
Die nachfolgenden Beispiele dienen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung, ohne diese in irgendeiner Weise einzuschränken.The following examples serve to describe the present invention without restricting it in any way.
BeispieleExamples
Beispiel 1 :Example 1 :
Expression der rekombinanten Proteine 9-Lipoxygenase aus Solanum tuberosoum und 13 -Hydroperoxid-Lyase aus Arabidopsis thalianaExpression of the recombinant proteins 9-lipoxygenase from Solanum tuberosoum and 13-hydroperoxide lyase from Arabidopsis thaliana
Amplifizierte PCR-Fragmente von cDNA-Sequenzen, die für eine 9-Lipoxygenase aus Solanum tuberosoum sowie eine 13 -Hydroperoxid-Lyase aus Arabidopsis thaliana kodieren, wurden in den Expressionsvektor QIAexpress pQE 30 (Qiagen, Hilden, Deutschland) hineinligiert und mit Transformation in XLl-Blue-Zellen unter Nutzung des p GEMR-T Easy Vector System II Kits (Promega, Madison, USA) vorkloniert. Anschließend erfolgte die Umklonierung in den Expressionsstamm E.coli SG13009[pREP4].Amplified PCR fragments of cDNA sequences which code for a 9-lipoxygenase from Solanum tuberosoum and a 13 -hydroperoxide lyase from Arabidopsis thaliana were ligated into the expression vector QIAexpress pQE 30 (Qiagen, Hilden, Germany) and transformed into XLl -Blue cells pre-cloned using the p GEM R -T Easy Vector System II kit (Promega, Madison, USA). The cloning was then carried out into the expression strain E. coli SG13009 [pREP4].
Für die Expression der pflanzlichen Lipoxygenase bzw. Hydroperoxid-Lyase wurde der E. co/z-Stamm in LB-Medium bei 37°C bis zu einer optischen Dichte bei 600 nm von 0,6 angezogen. Dann wurde die Kultur auf Eis abgekühlt und die Expression durch Zugabe von 1 mM IPTG induziert. Die Expression erfolgte bei 10°C für 18 Stunden. Schließlich wurden die Bakterien bei 4000 x g abzentrifugiert.
Beispiel 2:For the expression of the plant lipoxygenase or hydroperoxide lyase, the E. co / z strain was grown in LB medium at 37 ° C. up to an optical density at 600 nm of 0.6. The culture was then cooled on ice and expression induced by adding 1 mM IPTG. Expression took place at 10 ° C for 18 hours. Finally the bacteria were spun down at 4000 xg. Example 2:
Reinigung der rekombinanten Hydroperoxid-Lyase von Arabidopsis thaliana aus E. coliPurification of Arabidopsis thaliana recombinant hydroperoxide lyase from E. coli
Die Reinigung der rekombinanten Hydroperoxid-Lyase von Arabidopsis thaliana erfolgte nach dem folgenden Protokoll:The Arabidopsis thaliana recombinant hydroperoxide lyase was purified according to the following protocol:
- Waschen des Bakterienpellets aus Beispiel 1 mit 50 mM Na-Phosphat-Puffer bei pH 8 - Resuspendieren des Bakterienpellets in 5 Volumina 50 mM Na-Phosphat-Puffer- Washing the bacterial pellet from Example 1 with 50 mM Na phosphate buffer at pH 8 - Resuspending the bacterial pellet in 5 volumes of 50 mM Na phosphate buffer
- Aufschließen der Bakterien in 50 mM Na-Phoshat-Puffer durch Ultraschallbehandlung- Disrupt the bacteria in 50 mM Na-phosphate buffer by ultrasound treatment
- Zentrifugieren bei 5.000 x g und Verwerfen des Sedimentes- Centrifuge at 5,000 x g and discard the sediment
- Zentrifugieren des Überstandes bei 100.000 x g und Verwerfen des entstehenden Überstandes- Centrifuge the supernatant at 100,000 x g and discard the resulting supernatant
- Zugabe von 0,1% Triton X-100 zu dem Sediment und Inlcubation für 1 Stunde bei 4°C- Add 0.1% Triton X-100 to the sediment and incubate for 1 hour at 4 ° C
- Zentrifugation bei 100.000 x g und Verwerfen des Sedimentes- Centrifugation at 100,000 x g and discarding the sediment
- Inkubation des Zentrifugationsüberstandes mit Talon-Affϊnity Resin (Clontech, Palo Alto, USA) für 18 Stunden bei 4°C- Incubate the centrifugation supernatant with Talon Affϊnity Resin (Clontech, Palo Alto, USA) for 18 hours at 4 ° C
- Waschen des Talon-Protein-Konjugates mit:- washing the Talon-protein conjugate with:
20 Säulenvolumina 50 mM Na-Phosphat pH 8/0,5 M NaCl 10 Säulenvolumina 50 mM Na-Phosphat pH 7/0,5 M NaCl 10 Säulenvolumina 50 mM Na-Phosphat pH 6/0,5 M NaCl - Elution der HPL mit 3 Säulenvolumina 50 mM Na-Phosphat pH 4,5/0,5 M NaCl
Beispiel 3 :20 column volumes of 50 mM Na phosphate pH 8 / 0.5 M NaCl 10 column volumes of 50 mM Na phosphate pH 7 / 0.5 M NaCl 10 column volumes of 50 mM Na phosphate pH 6 / 0.5 M NaCl - elution of the HPL with 3 column volumes of 50 mM Na phosphate pH 4.5 / 0.5 M NaCl Example 3:
Herstellung von 9 -Hydroperoxiden aus γ-Linolensäure mit rekombinanter 9-Production of 9-hydroperoxides from γ-linolenic acid with recombinant 9-
Lipoxygenase aus KartoffelPotato lipoxygenase
Die Herstellung von 9-Hydroperoxiden aus γ-Linolensäure erfolgte nach dem folgenden Protokoll:The production of 9-hydroperoxides from γ-linolenic acid was carried out according to the following protocol:
- Resuspendieren des Bakterienpellets von 2 1 Kultur in 30 ml Lysispuffer (50 mM Tris-HCl, pH 7,5, 10 % (v/v) Glycerin, 0,1 % Tween 20, 0,5 M NaCl) - Aufschließen der Bakterien durch Ultraschallbehandlung- Resuspend the bacterial pellet from 2 1 culture in 30 ml lysis buffer (50 mM Tris-HCl, pH 7.5, 10% (v / v) glycerol, 0.1% Tween 20, 0.5 M NaCl) - Disrupt the bacteria through ultrasound treatment
- Zentrifugation bei 14.000 x g und Verwerfen des Sedimentes- Centrifugation at 14,000 x g and discarding the sediment
- Rühren von 10 ml geklärtem Bakterien-Homogenat mit 20 mg Fettsäure für 30 Minuten bei 4°C- Stir 10 ml of clarified bacterial homogenate with 20 mg fatty acid for 30 minutes at 4 ° C
- Extraktion mit Diethylether - Trocknen des Extraktes unter Stickstoff und Aufnehmen in DiethyletheπHexan 93:7- Extraction with diethyl ether - drying the extract under nitrogen and taking up in DiethyletheπHexan 93: 7
- Aufgeben auf eine Kieselgelsäule und Waschen mit Diethylether:Hexan 93:7- Apply to a silica gel column and wash with diethyl ether: hexane 93: 7
- Elution der LOX-Produlcte mit Diethylether: Hexan 80:20- Elution of the LOX products with diethyl ether: hexane 80:20
- Berechnung der Ausbeute aus der optischen Dichte bei 234 nm (eine Extinktion von 1 entspricht 12,4 μg Hydroperoxid bei 1 ml Meßvolumen und einer- Calculation of the yield from the optical density at 234 nm (an extinction of 1 corresponds to 12.4 μg hydroperoxide with 1 ml measuring volume and one
Schichtdicke von 10 mm)Layer thickness of 10 mm)
Beispiel 4: Umsetzung des 9-Hydroperoxids von γ-Linolensäure mit rekombinanterExample 4: Reaction of the 9-hydroperoxide of γ-linolenic acid with recombinant
Hydroperoxid-Lyase von Arabidopsis thaliana und Derivatisierung der entstandenen Aldehyde
Die Umsetzung des 9-Hydroperoxids von γ-Linolensäure mit rekombinanter HPL von Arabidopsis thaliana erfolgte nach dem folgenden Protokoll:Hydroperoxide lyase from Arabidopsis thaliana and derivatization of the resulting aldehydes The reaction of the 9-hydroperoxide of γ-linolenic acid with recombinant HPL from Arabidopsis thaliana was carried out according to the following protocol:
- Endvolumen des Reaktionsansatzes von 0,5 ml: 0,1 M Na-Phosphat- Final volume of the reaction mixture of 0.5 ml: 0.1 M Na phosphate
1 μg gereinigte HPL 5 μg des Hydroperoxids1 μg of purified HPL 5 μg of the hydroperoxide
- Reaktion bei Raumtemperatur für 30 Minuten unter Argon- Reaction at room temperature for 30 minutes under argon
- Zugabe von 2 ml IM HC1 - Zugabe von 0,5 ml 2,4-Dinitrophenylhydrazin (DNPH, 1 mg/ml in IM HC1)- Add 2 ml IM HC1 - Add 0.5 ml 2,4-dinitrophenylhydrazine (DNPH, 1 mg / ml in IM HC1)
- Schütteln für 1 Stunde bei Raumtemperatur unter Argon- Shake for 1 hour at room temperature under argon
- Extraktion mit Hexan- extraction with hexane
Beispiel 5: Nachweis der derivatisierten AldehydeExample 5: Detection of the derivatized aldehydes
Der Nachweis der derivatisierten Aldehyde aus Beispiel 4 erfolgte durch Trennung mittels HPLC auf einer Säule Phenomenex RP18 Jupiter 1 x 250 mm (Laufmittel Acetonitril:H2O, Gradient von 60:40 nach 80:20, Flußrate 0,05 ml/min) und Detektion der Aldehyd-Derivate bei λ=365 nm. Die Zuordnung der Peaks zu den einzelnen Produkten erfolgte mittels mitgeführter Reinsubstanzen.
The derivatized aldehydes from Example 4 were detected by separation by means of HPLC on a Phenomenex RP18 Jupiter 1 x 250 mm column (mobile phase acetonitrile: H 2 O, gradient from 60:40 to 80:20, flow rate 0.05 ml / min) and Detection of the aldehyde derivatives at λ = 365 nm. The peaks were assigned to the individual products by means of pure substances carried along.