WO2002060939A2 - Method for increasing the sulphur-compound content in plants - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a method for increasing the sulphur-compound content, especially the cysteine content, in plants. The inventive method comprises expression of a serin acetyl transferase gene coding for an enzymatically inactive serin acetyl transferase

Description

Verfahren zur Erhöhung des Gehalts von Schwefel Verbindungen in Pflanzen Process for increasing the content of sulfur compounds in plants
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Erhöhung des Gehalts von Schwefelverbindungen in Pflanzen und insbesondere die Erhöhung des Gehalts an Cystein. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Expression eines Serin- Acetyltransferase-Gens, welches für eine enzymatisch inaktive Serin-Acetyl- transferase kodiert.The present invention relates to methods for increasing the level of sulfur compounds in plants, and in particular to increasing the level of cysteine. The method according to the invention comprises the expression of a serine acetyltransferase gene which codes for an enzymatically inactive serine acetyltransferase.
Die quantitativ und funktional bedeutsamsten reduzierten Schwefelverbindungen in Pflanzen werden durch die schwefelhaltige Aminosäure Cystein und ihre Derivate im weiteren Sinne, insbesondere Cystin, Glutathion und Methionin, repräsentiert. Diese Verbindungen sind an einer Vielzahl essentieller Funktionen in Zellen aller Organismen beteiligt. Dies gilt auch für Taxa, die einige dieser Schwefelverbin- düngen nicht oder nur unzureichend selbst synthetisieren können, wie z. B. das Methionin bei Säugetieren.The quantitatively and functionally most important reduced sulfur compounds in plants are represented by the sulfur-containing amino acid cysteine and its derivatives in a broader sense, in particular cystine, glutathione and methionine. These compounds are involved in a variety of essential functions in cells of all organisms. This also applies to taxa, which some of these sulfur compounds cannot synthesize themselves or only inadequately. B. methionine in mammals.
Die Biosynthese des Cysteins wird durch zwei Enzyme katalysiert: Serin- Acetyltransferase (SAT; EC 2.3.1.30) und O-Acetylserin (Thiol) Lyase (OAS-TL; EC 4.2.99.8), die Serin, Acetyl-CoA und Sulfid als Substrate benötigen. DieThe biosynthesis of cysteine is catalyzed by two enzymes: serine acetyltransferase (SAT; EC 2.3.1.30) and O-acetylserine (thiol) lyase (OAS-TL; EC 4.2.99.8), the serine, acetyl-CoA and sulfide as substrates need. The
Regulation der Cysteinsynthese in Pflanzen unterliegt zumindest zwei Mechanismen. Zum einen der Rückkopplungshemmung des von SAT katalysierten ersten Schrittes durch das Endprodukt Cystein, zum anderen der reversiblen Assoziation des Cystein- Synthasekomplexes, bestehend aus SAT und OAS-TL.Regulation of cysteine synthesis in plants is subject to at least two mechanisms. On the one hand the feedback inhibition of the first step catalyzed by SAT through the end product cysteine, on the other hand the reversible association of the cysteine synthase complex consisting of SAT and OAS-TL.
Bislang ist aktive SAT nur im Komplex mit OAS-TL gefunden worden, während OAS-TL durch Bindung von SAT inaktiviert wird. Der Cystein-Synthasekomplex besteht demnach aus aktiver SAT und inaktiver OAS-TL. Das Reaktionsintermediat O-Acetylserin diffundiert in der Folge aus dem Komplex heraus und wird durch im Uberschuss vorliegende, freie und aktive OAS-TL-Dimere mit Sulfid zu Cystein umgesetzt. Sulfid stabilisiert den Cystein-Synthasekomplex, wohingegen das Intermediat O-Acetylserin (OAS) den Komplex dissoziiert. Damit ist vermutlich ein Protein-Interaktionssystem zur metabolischen Kontrolle der Cystein-Syntheserate verwirklicht, in dem die SAT- Aktivität limitierend wirkt. Überexpression von SAT in transgenen Pflanzen bewirkt in der Tat eine Erhöhung des Cystein- und Glutathiongehalts.So far, active SAT has only been found in complex with OAS-TL, while OAS-TL is inactivated by binding SAT. The cysteine synthase complex therefore consists of active SAT and inactive OAS-TL. The reaction intermediate O-acetylserine then diffuses out of the complex and is converted into sulfate to cysteine by excess and free and active OAS-TL dimers. Sulfide stabilizes the cysteine synthase complex, whereas the intermediate O-acetylserine (OAS) dissociates the complex. This is believed to be a protein interaction system for metabolic control of the rate of cysteine synthesis realized in which the SAT activity has a limiting effect. Indeed, overexpression of SAT in transgenic plants causes an increase in cysteine and glutathione levels.
Die Cystein-Synthese in Pflanzen findet im Cytosol, in den Piastiden und den Mitochondrien statt. Glutathion wird im Cytosol und den Piastiden als transienter Speicher von Cystein in der Zelle gebildet und hat weitreichende Funktionen bei der Stressresistenz von Pflanzen. Die Erhöhung des Gehalts von Schwefelverbindungen in Pflanzen ist von großem biotechnologischem Interesse. So führt ein höherer Gehalt an Schwefelverbindung zu einer Verbesserung des Ernährungswertes von Nutzpflanzen für die menschliche und tierische Ernährung. Aber auch unabhängig von der Verwertung der Nutzpflanzen durch Tiere oder Menschen ist eine Erhöhung des Gehalts an Schwefelverbmdungen für die Pflanze selbst von Nutzen, da hierdurch eine Verbesserung der Resistenz oder Toleranz von Pflanzen gegen biotische und abiotische Stressfaktoren bewirkt wird, da viele Schutzmechanismen von der Verfügbarkeit reduzierter Schwefelverbindungen abhängen. Beispiele hierfür sind die Entgiftung von Schwermetallen, Xenobiotica einschließlich Herbiziden, radikalischen Verbindungen einschließlich der des Sauerstoffs, und die Abwehr von Phytopathogenen insbesondere Pilzen.Cysteine synthesis in plants takes place in the cytosol, in the plastids and in the mitochondria. Glutathione is formed in the cytosol and plastids as a transient storage of cysteine in the cell and has extensive functions in the stress resistance of plants. Increasing the content of sulfur compounds in plants is of great biotechnological interest. A higher content of sulfur compounds leads to an improvement in the nutritional value of useful plants for human and animal nutrition. But irrespective of whether the crops are used by animals or humans, an increase in the level of sulfur compounds is useful for the plant itself, since this improves the resistance or tolerance of plants to biotic and abiotic stress factors, since many protective mechanisms depend on availability depend on reduced sulfur compounds. Examples include the detoxification of heavy metals, xenobiotics including herbicides, radical compounds including those of oxygen, and the defense against phytopathogens, especially fungi.
Die Hauptquelle von Cystein und Methionin in der Nahrung von Mensch und Tier stellen Pflanzen dar, die, wie oben beschrieben, aus Cystein alle weiteren Schwefelverbindungen bilden können. Diese Verbindungen sind an einer Vielzahl essentieller Funktionen in Zellen aller Organismen beteiligt. Die Versorgung mit diesen Inhaltsstoffen ist bedeutsam für optimales Wachstum und Gesundheit für Organismen wie z.B. Säugetiere, die diesen Bedarf nicht oder nur unzureichend selbst decken können. Die Cysteinsynthese ist daher der geeignete Ansatzpunkt zur Verbesserung der Gehalte von Schwefelverbindungen in Nutzpflanzen. Der Cystein- Synthasekomplex bildet dabei ein reversibles Protein-Protein-Interaktionssystem zur metabolischen Kontrolle der Cystein-Syntheserate. Ein Eingriff in diesen Regulationsmechanismus hat daher einen größeren Effekt für die Bildung von Cystein als die direkte Erhöhung der Gehalte der beteiligten Enzyme in transgenen Pflanzen.The main source of cysteine and methionine in human and animal food are plants which, as described above, can form all other sulfur compounds from cysteine. These compounds are involved in a variety of essential functions in cells of all organisms. The supply of these ingredients is important for optimal growth and health for organisms such as mammals, which can not or only insufficiently cover this need themselves. Cysteine synthesis is therefore the appropriate starting point for improving the levels of sulfur compounds in crop plants. The cysteine synthase complex forms a reversible protein-protein interaction system for the metabolic control of the cysteine synthesis rate. An intervention in this The regulatory mechanism therefore has a greater effect on the formation of cysteine than the direct increase in the levels of the enzymes involved in transgenic plants.
Das wirtschaftliche Interesse betrifft somit bio- und agrotechnologische Bereiche wie Phytoremediation, Pflanzenschutz und Ertrags- sowie Qualitätszüchtung.The economic interest therefore concerns bio and agrotechnological areas such as phytoremediation, crop protection and yield and quality breeding.
Es ist jetzt überraschenderweise gelungen, ein neues Verfahren zur Erhöhung des Gehalts an Schwefelverbindungen, insbesondere Cystein, in Pflanzen bereitzustellen, bei dem ein durch Mutation enzymatisch inaktiviertes Serin- Acetyltransferase- Enzym in Pflanzen exprimiert wird. Dabei zeigt die Serin-Acetyltransferase zwar selbst keine enzymatische Aktivität, ist aber dennoch in der Lage, mit der O- Acetylserin (Thiol) Lyase (OAS-TL) zu interagieren.Surprisingly, it has now been possible to provide a new method for increasing the content of sulfur compounds, in particular cysteine, in plants, in which a serine acetyltransferase enzyme which is enzymatically inactivated by mutation is expressed in plants. Although the serine acetyltransferase does not itself show any enzymatic activity, it is nevertheless able to interact with the O-acetylserine (thiol) lyase (OAS-TL).
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht somit auf der gezielten Veränderung der Regulation des Cystein-Synthasekomplexes in transgenen Pflanzen. Diese Veränderung ist prinzipiell unabhängig von bisher beschriebenen Eingriffen in die Cysteinbiosynthese.The method according to the invention is thus based on the targeted change in the regulation of the cysteine-synthase complex in transgenic plants. In principle, this change is independent of the interventions in cysteine biosynthesis described so far.
„Enzymatisch inaktiv" bedeutet im Rahmen dieser Erfindung, dass in einem üblichen Enzymtest, z.B. durchgeführt mit Rohextrakten von Zellen, die in Vollmedium kultiviert wurden, die SAT-Enzymaktivität deutlich verringert ist gegenüber dem Wildtypprotein, das als Positivkontrolle in der Regel unter den genannten Bedingungen eine Enzymaktivität von mindestens ca. 1,0 nmol OAS / min x μg Protein zeigt. Bevorzugt bedeutet „enzymatisch inaktiv" eine gegenüber dem Wildtypprotein um mindestens 5-fach, insbesondere um mindestens 10-fach und besonders bevorzugt um mindestens 15-fach, 20-fach verringerte Enzymaktivität. Am meisten bevorzugt bedeutet „enzymatisch inaktiv", dass in einem Standardenzymtest, wie in der vorliegenden Anmeldung unter Bezugnahme auf Kredich and Becker (1971, In Methods in Enzymology (Tabor and Tabor, eds), Seiten 459-469, Academic Press, New York, USA) beschrieben, keine SAT-Enzymaktivität detektierbar ist, die Aktivität also unterhalb der Nachweisgrenze liegt, während das Wildtyprotein als Positivkontrolle sehr wohl deutliche Aktivität zeigt.In the context of this invention, “enzymatically inactive” means that, in a conventional enzyme test, for example carried out with crude extracts from cells which have been cultured in full medium, the SAT enzyme activity is markedly reduced compared to the wild type protein, which as a positive control is generally under the conditions mentioned shows an enzyme activity of at least approximately 1.0 nmol OAS / min × μg protein. “Enzymatically inactive” preferably means one compared to the wild type protein by at least 5 times, in particular by at least 10 times and particularly preferably by at least 15 times, 20 -foldly reduced enzyme activity. Most preferably, "enzymatically inactive" means that in a standard enzyme test, as in the present application with reference to Kredich and Becker (1971, In Methods in Enzymology (Tabor and Tabor, eds), pages 459-469, Academic Press, New York, USA), no SAT enzyme activity is detectable, that is, the activity is below the detection limit, while the wild type protein as a positive control very clearly shows activity.
In jedem Fall sollte die Übe riifung, ob ein SAT-Protein als „enzymatisch inaktiv" im Sinne der Erfindung anzusehen ist, immer im Vergleich zum Wildtypprotein durchgeführt werden. So könnte z.B. für ein im Sinne der Erfindung „enzymatisch inaktives" SAT-Protein im Enzymtest eine Aktivität nachweisbar sein, wenn das Protein zuvor stark aufgereinigt wurde und in großen Mengen im Enzymtest eingesetzt wird. Im Vergleich zu Wildtypprotein ähnlicher Reinheit und in ähnlichen Mengen hätte das erfindungsgemäße SAT-Protein aber nur eine Aktivität von maximal 20%, bevorzugt von maximal 10%, besonders bevorzugt von maximal 5% und am meisten bevorzugt von maximal 3%, 2%, 1%. Neben dem Reinheitsgrad des Proteins können natürlich auch die Anzahl der Plasmidkopien, die Art des Wachstumsmediums, die Kultivierungsbedingungen und andere Faktoren die im Enzymtest gemessene SAT-Aktivität beeinflussen. Auch angesichts dieser Faktoren sollte die Bestimmung der Aktivität immer im Vergleich zu Wildtypprotein oder einem anderen SAT-Protein mit deutlicher Enzymaktivität durchgeführt werden.In any case, the check whether a SAT protein is to be regarded as "enzymatically inactive" in the sense of the invention should always be carried out in comparison with the wild type protein. For example, for a "enzymatically inactive" SAT protein in the sense of the invention Activity can be detectable if the protein has been heavily purified and used in large quantities in the enzyme test. In comparison to wild type protein of similar purity and in similar amounts, the SAT protein according to the invention would only have an activity of at most 20%, preferably at most 10%, particularly preferably at most 5% and most preferably at most 3%, 2%, 1 %. In addition to the degree of purity of the protein, the number of plasmid copies, the type of growth medium, the culture conditions and other factors can of course also influence the SAT activity measured in the enzyme test. In view of these factors too, the activity should always be determined in comparison to wild-type protein or another SAT protein with significant enzyme activity.
Ob das Merkmal „enzymatisch inaktiv" im Sinne der Erfindung für ein SAT-Protein erfüllt ist, ist auch daran erkennbar, dass das SAT-Enzym nicht in der Lage ist, eine Cystein-auxotrophe E. cob'-Mutante (cysK) funktional zu komplementieren. Cystein- defiziente Bakterienstämme werden in der vorliegenden Anmeldung beschrieben, sind aber auch im Stand der Technik bekannt, z.B. der Stamm EC1801, der vom E. coli Genetic Stock Center, Yale University, New Haven, CT, USA, bezogen werden kann. Dabei kann die funktionale Komplementation nach herkömmlichen Protokollen durchgeführt werden. Wenn die Aktivität eines SAT-Proteins nicht ausreicht, um in einem Komplementationstest (z.B. in Minimalmedium, ohne Cystein) die nötige biologische Funktion auszuüben, handelt es sich in jedem Fall um ein „enzymatisch inaktives" SAT-Protein im Sinne der vorliegenden Erfindung. Dies bedeutet, dass im Gesamtproteinextrakt des transformierten cysE-Stammes, wie oben beschrieben, keine enzymatische SAT- Aktivität nachgewiesen werden kann bzw. unterhalb der Nachweisgrenze liegt. Auch in diesem Fall ist natürlich der Vergleich mit einem Wildtypprotein oder einem anderen SAT-Protein mit deutlicher Aktivität 5 angeraten.Whether the feature "enzymatically inactive" in the sense of the invention is fulfilled for a SAT protein can also be seen from the fact that the SAT enzyme is not able to functionally cysteine auxotrophic E. cob ' mutant (cysK) Cysteine-deficient bacterial strains are described in the present application, but are also known in the prior art, for example the EC1801 strain, which can be obtained from the E. coli Genetic Stock Center, Yale University, New Haven, CT, USA. The functional complementation can be carried out according to conventional protocols If the activity of a SAT protein is not sufficient to perform the necessary biological function in a complementation test (eg in minimal medium, without cysteine), it is in any case an "enzymatically inactive""SAT protein in the sense of the present invention. This means that in the total protein extract of the transformed cysE strain, as described above, no enzymatic SAT activity can be detected or is below the detection limit. In this case, too, a comparison with a wild type protein or another SAT protein with clear activity 5 is advisable.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Erhöhung des Gehalts an Schwefelverbindungen, insbesondere an Cystein in Pflanzen, gekennzeichnet durch die Übertragung und Expression eines Serin-Acetyltransferase-Gens, welches für eine 10 enzymatisch inaktive Serin- Acetyltransferase kodiert.The invention thus relates to a method for increasing the content of sulfur compounds, in particular cysteine in plants, characterized by the transfer and expression of a serine acetyltransferase gene which codes for an enzymatically inactive serine acetyltransferase.
Die Erhöhung des Cysteingehalts führt in der Folge zu einer Erhöhung des Gehalts an Glutathion und Methionin. Die Erfindung betrifft somit auch ein Verfahren zur Erhöhung des Gehalts an Glutathion und/oder Methionin in Pflanzen. L5The increase in the cysteine content subsequently leads to an increase in the levels of glutathione and methionine. The invention thus also relates to a method for increasing the content of glutathione and / or methionine in plants. L5
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die enzymatisch inaktive Serin- Acetyltransferase in der Lage, mit OAS-TL zu interagieren.In a preferred embodiment, the enzymatically inactive serine acetyltransferase is able to interact with OAS-TL.
Ohne an eine Hypothese gebunden sein zu wollen, wird gegenwärtig davon 0 ausgegangen, dass SAT und das im Syntheseweg folgende Enzym OAS-TL in entsprechenden Isoformen in Cytosol, Piastiden und Mitochondrien von Pflanzen aktiv sind (Lunn et al. (1990) Plant Physiol. 94, 1345-1352; Rolland et al. (1992) Plant Physiol. 98, 927-935; Noji et al. (1998) J. Biol. Chem. 273, 32739-32745). Eine Störung der Cysteinsynthese in einem Kompartiment kann daher potentiell von 5 den anderen Kompartimenten ausgeglichen bzw. überkompensiert werden. Ein enzymatisch inaktives SAT-Protein im Sinne der Erfindung ist zwar de facto enzymatisch inaktiv, kann aber weiterhin mit dem zweiten Enzym OAS-TL interagieren und den Cystein-Synthasekomplex ausbilden. Ein hypothetisches Modell des Cystein-Synthasekomplexes liefern Hell und Hillebrand (2001, Curr. 30 Op. Biotechnol. 12, 161-168). Die dominant-negativen Mutationen von Komponenten des Cystein-Synthase- komplexes resultieren in der mehrfachen Erhöhung der Gesamtgehalte von löslichem Cystein, Glutathion und Methionin. Die bisher beobachtete Akkumulation in trans- genen Pflanzen beläuft sich auf bis zu 3 Ox für Cystein, 8x für Glutathion und 2x für Methionin. Die zugrundeliegende Synthesekapazität liegt aber noch höher und kann somit nicht nur für die Bildung schwefelhaltiger Primär- und Sekundärstoffe, sondern auch schwefelreicher Speicherproteine genutzt werden.Without wishing to be bound by a hypothesis, it is currently assumed that SAT and the enzyme OAS-TL following in the synthetic route are active in corresponding isoforms in cytosol, plastids and mitochondria of plants (Lunn et al. (1990) Plant Physiol. 94, 1345-1352; Rolland et al. (1992) Plant Physiol. 98, 927-935; Noji et al. (1998) J. Biol. Chem. 273, 32739-32745). A disruption of cysteine synthesis in one compartment can therefore potentially be compensated for or overcompensated by the other compartments. An enzymatically inactive SAT protein in the sense of the invention is de facto enzymatically inactive, but can still interact with the second enzyme OAS-TL and form the cysteine-synthase complex. Hell and Hillebrand (2001, Curr. 30 Op. Biotechnol. 12, 161-168) provide a hypothetical model of the cysteine-synthase complex. The dominant-negative mutations of components of the cysteine synthase complex result in a multiple increase in the total contents of soluble cysteine, glutathione and methionine. The accumulation observed so far in transgenic plants amounts to up to 3 ox for cysteine, 8x for glutathione and 2x for methionine. However, the underlying synthetic capacity is even higher and can therefore not only be used for the formation of sulfur-containing primary and secondary substances, but also sulfur-rich storage proteins.
Anwendungen werden in der Verbesserung des Ernährungswertes von Nutzpflanzen für die menschliche und tierische Ernährung gesehen. Weiterhin können die Resistenz oder Toleranz von Pflanzen gegen biotische und abiotische Stressfaktoren verbessert werden, da viele Schutzmechanismen von der Verfügbarkeit reduzierter Schwefelverbindungen abhängen. Beispiele hierfür sind die Entgiftung von Schwer- metallen, Xenobiotica einschließlich Herbiziden, radikalischen Verbindungen einschließlich der des Sauerstoffs und die Abwehr von Phytopathogenen, insbesondere Pilzen.Applications are seen in improving the nutritional value of crops for human and animal nutrition. Furthermore, the resistance or tolerance of plants to biotic and abiotic stress factors can be improved, since many protective mechanisms depend on the availability of reduced sulfur compounds. Examples include the detoxification of heavy metals, xenobiotics including herbicides, radical compounds including oxygen and the defense against phytopathogens, especially fungi.
Bevorzugt ist die in Pflanzen exprimierte Serin- Acetyltransferase aufgrund mindestens einer Mutation, insbesondere mindestens eines Aminosäureaustausches, innerhalb des in SAT-Enzymen konservierten AminosäuremotivsThe serine acetyltransferase expressed in plants is preferred due to at least one mutation, in particular at least one amino acid exchange, within the amino acid motif preserved in SAT enzymes
G K X] X2 G D R H P K I G DGKX] X 2 GDRHPKIGD
inaktiviert. Bei der Aminosäure X handelt es sich um eine beliebige Aminosäure, bei X1 handelt es sich bevorzugt um Q oder A; bei der Aminosäure X2 handelt es sich bevorzugt um C oder S. Auch die N- bzw. C-terminal neben diesem genannten Motiv liegenden Aminosäuren sind in Serin- Acetyltransferasen stark konserviert. Das Kernmotiv innerhalb des genannten Aminosäuresequenzmotivs ist D R H. Ein Aminosäureaustausch innerhalb dieses Kernmotivs ist besonders bevorzugt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Mutation, die zu der enzymatischen Inaktivierung der SAT führt, um einen Aminosäure- austausch der Aminosäure Histidin innerhalb des genannten Motivs. Dabei ist ein Austausch von Histidin zu Alanin besonders bevorzugt.inactivated. The amino acid X is any amino acid; X 1 is preferably Q or A; the amino acid X 2 is preferably C or S. The amino acids located N- or C-terminal next to this motif are also highly conserved in serine acetyltransferases. The core motif within the amino acid sequence motif mentioned is DR H. An amino acid exchange within this core motif is particularly preferred. In a particularly preferred embodiment, the mutation which leads to the enzymatic inactivation of the SAT is an amino acid exchange of the amino acid histidine within the motif mentioned. An exchange of histidine to alanine is particularly preferred.
In der beigefügten Abbildung 1 werden verschiedene SAT- Aminosäuresequenzen im Vergleich dargestellt. Dabei steht SAT1 für die Arabidopsis thaliana SAT-Isoform A (cDNA SAT-1, database axcession no. U 22964), SAT5 steht für die Arabidopsis thaliana SAT-Isoform B (cDNA SAT-5, database axcession no. Z 34888), S AT52 steht für die Arabidopsis thaliana SAT-Isoform C (cDNA SAT-52, database axcession no. U 30298), CysE steht für das SAT-Enzym aus S. typhimurium (CysE, database accession no. A 00198); TDT steht für Tetrahydrodipicolinat-N- Succinyltransferase aus E. coli (TDT; database accession no. P 56220); LpxA steht für UDP-N-Acetylglucosaminacyltransferase aus E. coli (LpxA; database accession no. P 10440). Weitere Sequenzangaben sind zu finden in Murillo et al. (1995) Cell. Mol. Biol. Res. 41, 425 - 433; Howarth et al. (1997) Biochim. Biophys. Acta 1350, 123 - 127; Saito et al. (1995) J. Biol. Chem. 270, 16321 - 16326, Genbank Accession no. D 88530 (K. Saito). Dem beiliegenden Alignment kann die Position des für die Inaktivierung des SAT-Enzyms geeigneten Motivs entnommen werden bzw. die Position des konservierten Aminosäuremotivs in weiteren, dem Stand der Technik zu entnehmenden SAT-Enzymen bestimmt werden. Z.B. befindet sich das Kernmotiv D R H in der Arabidopsis thaliana SAT-Isoform A bei Aminosäure 307-309, wobei sich die Nummerierung immer auf das erste Methionin des längsten offenen Leserahmens bezieht. Die Position des Motivs in den anderen SAT- Isoformen kann problemlos dem als Abb. 1 beigefügten Aminosäure- Alignment entnommen werden.In the attached Figure 1 different SAT amino acid sequences are shown in comparison. SAT1 stands for Arabidopsis thaliana SAT isoform A (cDNA SAT-1, database axcession no. U 22964), SAT5 stands for Arabidopsis thaliana SAT isoform B (cDNA SAT-5, database axcession no. Z 34888), p AT52 stands for the Arabidopsis thaliana SAT isoform C (cDNA SAT-52, database axcession no. U 30298), CysE stands for the SAT enzyme from S. typhimurium (CysE, database accession no. A 00198); TDT stands for tetrahydrodipicolinate-N-succinyl transferase from E. coli (TDT; database accession no. P 56220); LpxA stands for UDP-N-acetylglucosamine acyltransferase from E. coli (LpxA; database accession no. P 10440). Further sequence information can be found in Murillo et al. (1995) Cell. Mol. Biol. Res. 41, 425-433; Howarth et al. (1997) Biochim. Biophys. Acta 1350, 123-127; Saito et al. (1995) J. Biol. Chem. 270, 16321-16326, Genbank Accession no. D 88530 (K. Saito). The enclosed alignment can be used to determine the position of the motif suitable for inactivating the SAT enzyme or to determine the position of the conserved amino acid motif in further SAT enzymes which can be found in the prior art. For example, the core motif D R H is in the Arabidopsis thaliana SAT isoform A at amino acid 307-309, whereby the numbering always refers to the first methionine of the longest open reading frame. The position of the motif in the other SAT isoforms can easily be found in the amino acid alignment shown in Fig. 1.
Neben den in oben genannten SAT-Genen stehen dem Fachmann weitere im Stand der Technik beschriebene und in den Gendatenbanken erhältliche SAT-Sequenzen zur Verfügung, die sich für die Umsetzung der Erfindung eignen. Darüber hinaus ist der Fachmann mittels Routineverfahren wie PCR oder das Screening von Bibliotheken mit geeigneten SAT-Gensonden problemlos in der Lage weitere SAT- Gensequenzen aus einem beliebigen Organismus zu isolieren. Selbstverständlich lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch mit zukünftig isolierten und in der Datenbank veröffentlichten SAT-Sequenzen umsetzen. Der Fachmann ist auch problemlos in der Lage, zukünftig erhältliche Sequenzen in ein Alignment, wie in Abbildung 1 dargestellt, einzubeziehen und die Lage der oben genannten Sequenzmotive zu bestimmen.In addition to the SAT genes mentioned above, the person skilled in the art has other SAT sequences described in the prior art and available in the gene databases available that are suitable for the implementation of the invention. In addition, the person skilled in the art is easily able to isolate further SAT gene sequences from any organism using routine methods such as PCR or screening libraries with suitable SAT gene probes. Of course, the method according to the invention can also be implemented with SAT sequences which will be isolated in future and published in the database. The person skilled in the art is also able without difficulty to incorporate sequences that will be available in the future into an alignment as shown in FIG. 1 and to determine the position of the sequence motifs mentioned above.
Die Übertragung und Expression einer Nukleinsäuresequenz, die für ein enzymatisch inaktives, aber noch zur Interaktion mit OAS-TL befähigtes SAT-Enzym im Cytosol oder in den Piastiden kodiert, resultiert in einer mehrfachen Erhöhung der Gesamtgehalte von Cystein, Glutathion und z. T. von Methionin in Pflanzen. Die Neu- artigkeit dieses Verfahrens, das eine Erhöhung des Cysteingehalts in Pflanzen bewirkt und in der Folge zu einer Erhöhung des Gehalts an Glutathion und Methionin führt, besteht in der völlig unerwarteten Erhöhung des Gehalts an Schwefelverbindungen durch Expression eines enzymatisch inaktiven Proteins. Dabei kann ein enzymatisch inaktives SAT-Protein nicht nur mittels Mutagenese erzeugt werden, vielmehr kann die Serin- Acetyltransferase auch durch Inhibition durch geeignete Liganden oder Proteine, einschließlich Antikörper, erreicht werden.The transfer and expression of a nucleic acid sequence which codes for an enzymatically inactive but still capable of interacting with OAS-TL in the cytosol or in the plastids results in a multiple increase in the total contents of cysteine, glutathione and z. T. of methionine in plants. The novelty of this method, which causes an increase in the cysteine content in plants and consequently an increase in the content of glutathione and methionine, consists in the completely unexpected increase in the content of sulfur compounds by expression of an enzymatically inactive protein. An enzymatically inactive SAT protein can not only be produced by means of mutagenesis, but the serine acetyltransferase can also be achieved by inhibition by suitable ligands or proteins, including antibodies.
Die für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erhöhung des Gehalts an schwefelhaltigen Verbindungen in Pflanzen erforderlichen Methoden und molekularbiologischen Techniken sind dem Fachmann bestens bekannt, so kann er beispielsweise Mutationen mittels kommerziell erhältlicher Mutagenese-Kits erzeugen. Die relevanten Techniken kann der Fachmann auch aus dem Standardwerk von Sambrook et al. (1989) Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2. Auflage, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, USA, entnehmen. Der Fachmann kann auch durch Einführung von Mutationen in das oben genannte Aminosäuremotiv feststellen, welche Mutation, d. h. an welcher Position und welcher Aminosäureaustausch (also i) welche Aminosäure und ii) zu welcher Aminosäure ausgetauscht werden soll), gleichzeitig zu einer Inaktivierung des S AT- Enzyms und einer Erhöhung des Gehalts an schwefelhaltigen Verbindungen in Pflanzenzellen führt. Hierzu müssen die Mutationskonstrukte entweder auf Pflanzenzellen übertragen und die Auswirkungen der Expression in Pflanzenzellen getestet oder die Enzymaktivität bzw. die Fähigkeit zur Komplexbildung mit OAS- TL mittels der unten beschriebenen Methoden getestet werden. Die Überprüfung, ob eine bestimmte Mutation zu der gewünschten Inaktivierung des SAT-Enzyms führt, kann der Fachmann, wie den nachfolgenden Beispielen zu entnehmen ist, auch auf einfache Weise durch Übertragung und Expression eines Plasmids, enthaltend das mutierte SAT-Gen, in Bakterienstämmen, die eine SAT-Defizienz aufweisen, durchführen.The methods and molecular biological techniques required to implement the method according to the invention for increasing the content of sulfur-containing compounds in plants are well known to the person skilled in the art, for example, he can generate mutations by means of commercially available mutagenesis kits. The person skilled in the art can also derive the relevant techniques from the standard work of Sambrook et al. (1989) Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, USA. The person skilled in the art can also determine by mutations in the above-mentioned amino acid motif which mutation, ie at which position and which amino acid exchange (ie i) which amino acid and ii) which amino acid is to be exchanged, at the same time inactivating the S AT- Enzyme and an increase in the content of sulfur-containing compounds in plant cells leads. For this purpose, the mutation constructs must either be transferred to plant cells and the effects of expression in plant cells tested, or the enzyme activity or the ability to form complexes with OAS-TL must be tested using the methods described below. The person skilled in the art can also easily check whether a particular mutation leads to the desired inactivation of the SAT enzyme, as can be seen from the examples below, by transferring and expressing a plasmid containing the mutated SAT gene in bacterial strains. who have SAT deficiency.
Auch die diversen Methoden zur Übertragung von Genkonstrukten und Plasmiden aufpflanzen sind dem Fachmann bestens bekannt. Gleiches gilt für regulatorische Sequenzen, die für die Expression von Genen in Pflanzen geeignet sind, wie z. B. konstitutive Promotoren, gewebe- und entwicklungsspezifische Promotoren, induzierbare Promotoren, Enhancer-Sequenzen und andere regulatorischeThe various methods of transferring gene constructs and planting plasmids are also well known to those skilled in the art. The same applies to regulatory sequences that are suitable for the expression of genes in plants, such as. B. constitutive promoters, tissue and development-specific promoters, inducible promoters, enhancer sequences and other regulatory
Sequenzen, die die Transkription und Translation einer mit einer Promotorregion operativ verknüpften kodierenden DNA-Sequenz in transformierten Pflanzenzellen steuern.Sequences that control the transcription and translation of a coding DNA sequence operatively linked to a promoter region in transformed plant cells.
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, im vorliegenden Fall also ein mutiertes SAT-Gen kann an einer passenden Restriktionsschnittstelle in - lü ¬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, in the present case a mutated SAT gene, can be found at a suitable restriction site in - lü ¬
den Vektor eingeführt werden. Das erhaltene Plasmid wird dann für die Transformation von E. co/t'-Zellen verwendet. Transformierte E. cob'-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.the vector will be introduced. The plasmid obtained is then used for the transformation of E. co / t ' cells. Transformed E. cob ' cells are grown in an appropriate medium and then harvested and lysed, and the plasmid is recovered. Restriction analyzes, gel electrophoresis and other biochemical-molecular biological methods are generally used as the analytical method for characterizing the plasmid DNA obtained. After each manipulation, the plasmid DNA can be cleaved and DNA fragments obtained can be linked to other DNA sequences.
Für die Einführung von DNA in eine pflanzliche Wirtszelle stehen eine Vielzahl von Techniken zur Verfügung, wobei der Fachmann die jeweils geeignete Methode ohne Schwierigkeiten ermitteln kann. Diese Techniken umfassen die Transformation pflanzlicher Zellen mit T-DNA unter Verwendung von Agrobacterium tumefaciens oder Agrobacterium rhizogenes als Transformationsmedium, die Fusion von Protoplasten, die Injektion, die Elektroporation, den direkten Gentransfer isolierter DNA in Protoplasten, die Einbringung von DNA mittels der biolistischen Methode sowie weitere Möglichkeiten, die bereits seit mehreren Jahren gut etabliert sind und zum üblichen Repertoire des Fachmanns in der pflanzlichen Molekularbiologie bzw. Pflanzenbiotechnologie gehören.A large number of techniques are available for introducing DNA into a plant host cell, and the person skilled in the art can determine the appropriate method in each case without difficulty. These techniques include the transformation of plant cells with T-DNA using Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes as the transformation medium, the fusion of protoplasts, injection, electroporation, the direct gene transfer of isolated DNA to protoplasts, the introduction of DNA using the biolistic method and further possibilities that have been well established for several years and belong to the usual repertoire of the specialist in plant molecular biology or plant biotechnology.
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 such as e.g. B. 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 Helferp lasmids kann der intermediäre Vektor auf Agrobacterium tumefaciens übertragen werden (Konjugation). Binäre Vektoren können sowohl in E. coli als auch in Agrobakterien replizieren. Sie enthalten ein Selektionsmarkergen und einen Linker oder Polylinker, welche von der rechten und linken T-DNA-Grenzregion eingerahmt werden. Sie können direkt in die Agrobakterien 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 Pflanzen- zellen 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. Für den Transfer der DNA in die Pflanzenzelle können Pflanzen-Explantate zweckmäßigerweise mit Agrobacterium tumefaciens oder Agrobacterium rhizogenes kultiviert werden. Aus dem infizierten Pflanzenmaterial (z. B. Blattstücke,Depending on the method of introducing desired genes into the plant cell, additional DNA sequences may be required. Are z. B. for the transformation of If the plant cell uses the Ti or Ri plasmid, at least the right boundary, but often the right and left boundary of the T-DNA contained in the Ti or Ri plasmid, must be connected as a flank region to the genes to be introduced. If Agrobacteria are used for the transformation, the DNA to be introduced must be cloned into special plasmids, either in an intermediate or in a binary vector. The intermediate vectors can be integrated into the Ti or Ri plasmid of the agrobacteria on the basis of sequences which are homologous to sequences in the T-DNA by homologous recombination. This also contains the vir region necessary for the transfer of the T-DNA. Intermediate vectors cannot replicate in agrobacteria. Using a helper plasmid, the intermediate vector can be transferred to Agrobacterium tumefaciens (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. For the transfer of the DNA into the plant cell, plant explants can expediently be cultivated with Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes. From the infected plant material (e.g. pieces of leaf,
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,Stem segments, roots, but also protoplasts or suspension-cultivated plant cells) can then regenerate whole plants again 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 shows the transformed plant cells resistance to a biocide or an antibiotic such as kanamycin, G 418, bleomycin, hygromycin, methotrexate,
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 aufGlyphosate, streptomycin, sulfonylurea, gentamycin or phosphinotricin u. a. taught. 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, it can also be completely open
Selektionsmarker verzichtet werden, was allerdings mit einem ziemlich hohen Screeningbedarf einhergeht. Falls markerfreie transgene Pflanzen erwünscht sind, stehen dem Fachmann auch Strategien zur Verfügung, die eine nachträgliche Entfernung des Markergens erlauben, z. B. Cotransformation, Sequenz-spezifische Rekombinasen.Selection markers are dispensed with, which, however, goes hand in hand with a rather high need for screening. If marker-free transgenic plants are desired, strategies are available to the person skilled in the art which permit subsequent removal of the marker gene, e.g. B. cotransformation, sequence-specific recombinases.
Die Regeneration der transgenen Pflanzen aus transgenen Pflanzenzellen erfolgt nach üblichen Regenerationsmethoden unter Verwendung bekannter Nährmedien. Die so erhaltenen Pflanzen können dann mittels üblicher Verfahren, einschließlich mole- kularbiologischer Methoden, wie PCR, Blot- Analysen, auf Anwesenheit der eingeführten Nukleinsäure, die eine enzymatisch inaktive SAT kodiert, untersucht werden.The regeneration of the transgenic plants from transgenic plant cells is carried out according to customary regeneration methods using known nutrient media. The plants obtained in this way can then be examined using conventional methods, including molecular biological methods, such as PCR, blot analyzes, for the presence of the introduced nucleic acid which encodes an enzymatically inactive SAT.
Bei der transgenen Pflanze bzw. den transgenen Pflanzenzellen kann es sich um jede beliebige monokotyle oder dikotyle Pflanze bzw. Pflanzenzelle handeln. Vorzugsweise handelt es sich um Nutzpflanzen bzw. Zellen von Nutzpflanzen. Besonders bevorzugt handelt es sich um Gerste, Weizen, Roggen, Hafer, Mais, Reis, Kartoffel, Sojabohne, Lupine, Erbse, Ackerbohne. Insbesondere sind Angehörige der Leguminosen charakteristischerweise arm an S-haltigen Aminosäuren und daher besonders geeignet für eine Erhöhung des Cysteingehalts. Aufgrund gezielter Futtermischungen von Getreiden, Mais und Leguminosen bei der Tierfütterung ist aber generell eine solche Verbesserung von Nutzen. Prinzipiell ist jede Nutzpflanze für die Umsetzung der Erfindung erstrebenswert, die für Ernährungszwecke geeignet ist. Dies ergibt sich auch den oben genannten Vorteilen erhöhter Gehalte an Schwefel-haltigen Verbindungen in Pflanzen.The transgenic plant or the transgenic plant cells can be any monocot or dicot plant or plant cell. They are preferably useful plants or cells of useful plants. It is particularly preferably barley, wheat, rye, oats, corn, rice, potatoes, soybeans, lupine, peas, broad beans. In particular, members of the legumes are characteristically poor in S-containing amino acids and are therefore particularly suitable for increasing the cysteine content. Because of targeted Mixtures of cereals, maize and legumes in animal feed are generally such an improvement. In principle, any crop that is suitable for nutritional purposes is desirable for the implementation of the invention. This also results in the above-mentioned advantages of increased levels of sulfur-containing compounds in plants.
Ergänzend sei angemerkt, dass der verbesserte Nährwert durch erhöhte Thiolgehalte in Pflanzen alle Pflanzenteile und -organe betrifft, die für die Nahrung von Mensch und Tier Verwendung finden, also einschließlich Samen, Blätter, Knollen etc.); siehe z.B. Schnug (1997) In Sulphur Metabolism in higher plants; Seiten 109-130, WJ. Cram et al., eds, Backhuys Publ., Leiden, NL; Herbers and Sonnewald (1999) Curr. Opin. Biotechn. 10, 163-168; Tabe and Higgins (1998) TIBS 7, 282-286).In addition, it should be noted that the improved nutritional value due to increased thiol levels in plants affects all parts and organs of plants that are used for human and animal nutrition, including seeds, leaves, tubers etc.); see e.g. Schnug (1997) In Sulfur Metabolism in higher plants; Pages 109-130, WJ. Cram et al., Eds, Backhuys Publ., Leiden, NL; Herbers and Sonnewald (1999) Curr. Opin. Biotech. 10, 163-168; Tabe and Higgins (1998) TIBS 7, 282-286).
Da die Erhöhung des Gehalts an schwefelhaltigen Verbindungen auch der Pflanzen- gesundheit dient, ist ohnehin jede Nutzpflanze von Interesse. Die Toleranz gegen biotischen und abiotischen Stress wird vielfach durch Glutahion vermittelt, dessen unmittelbarer Vorläufer Cystein ist; siehe z.B. im Zusammenhang mit der Resistenz gegenüber Pathogenen Bohlmann H. (1993) In Sulfur Nutrition and Assimilation in Higher Plants, Seiten 211-219, De Kok et al., eds, SPB Academic Publ., The Hague; im Zusammenhang mit der Resistenz gegenüber Xenobiotika und Herbiziden Lamoureux and Rusness (1993) In Sulfur Nutrition and Assimilation in Higher Plants, Seiten 221-237, De Kok et al., eds, SPB Academic Publ., The Hague; im Zusammenhang mit Schwermetall-Resistenz Rauser (1993) In Sulfur Nutrition and Assimilation in Higher Plants, Seiten 239-251, De Kok et al., eds, SPB Academic Publ., The Hague; im Zusammenhang mit der Toleranz gegenüber gasförmigen Schadstoffen wie H2S, SO Ernst (1993) In Sulfur Nutrition and Assimilation in Higher Plants, Seiten 295-314, De Kok et al., eds, SPB Academic Publ., The Hague; und im Zusammenhang mit der Toleranz gegenüber oxidativem Stress: Stulen and De Kok (1993) In Sulfur Nutrition and Assimilation in Higher Plants, Seiten 125-138, De Kok et al., eds, SPB Academic Publ, The Hague; Angesichts der durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichten Erhöhung des Glutathiongehalts in den transgenen Pflanzen und der damit einhergehenden Erhöhung der Stressresistenz betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Erhöhung der Stressresistenz in transgenen Pflanzen durch die mittels Expression einer enzymatisch inaktiven SAT erzielten Erhöhung des Glutathiongehalts in den Pflanzen.Since increasing the content of sulfur-containing compounds also benefits plant health, any crop is of interest anyway. Tolerance to biotic and abiotic stress is often mediated by glutahione, the immediate precursor of which is cysteine; see, for example, in connection with resistance to pathogens Bohlmann H. (1993) In Sulfur Nutrition and Assimilation in Higher Plants, pages 211-219, De Kok et al., eds, SPB Academic Publ., The Hague; in connection with resistance to xenobiotics and herbicides Lamoureux and Rusness (1993) In Sulfur Nutrition and Assimilation in Higher Plants, pages 221-237, De Kok et al., eds, SPB Academic Publ., The Hague; in connection with heavy metal resistance Rauser (1993) In Sulfur Nutrition and Assimilation in Higher Plants, pages 239-251, De Kok et al., eds, SPB Academic Publ., The Hague; in connection with the tolerance to gaseous pollutants such as H 2 S, SO Ernst (1993) In Sulfur Nutrition and Assimilation in Higher Plants, pages 295-314, De Kok et al., eds, SPB Academic Publ., The Hague; and in connection with tolerance to oxidative stress: Stulen and De Kok (1993) In Sulfur Nutrition and Assimilation in Higher Plants, pages 125-138, De Kok et al., eds, SPB Academic Publ, The Hague; In view of the increase in the glutathione content in the transgenic plants achieved by the method according to the invention and the associated increase in stress resistance, the invention also relates to a method for increasing the stress resistance in transgenic plants by increasing the glutathione content in the plants by means of expression of an enzymatically inactive SAT.
Die Erfindung betrifft ebenfalls Vermehrungsmaterial und Ernteprodukte der erfindungsgemäßen Pflanzen, beispielsweise Früchte, Samen, Knollen, Wurzelstöcke, Sämlinge, Stecklinge usw.The invention also relates to propagation material and harvest products of the plants according to the invention, for example fruits, seeds, tubers, rhizomes, seedlings, cuttings, etc.
Da die Erhöhung des Gehalts an Schwefelverbmdungen, insbesondere von Cystein, in den transgenen Pflanzen u.a. zur Verbesserung der Ernährung von Mensch und Tier genutzt werden kann, betrifft die Erfindung natürlich insbesondere solche Teile, Früchte, Extrakte und aus Pflanzen bzw. Früchten und Pflanzenteilen gewonnene Produkte, die als Nahrung von Mensch und Tier dienen können.Since the increase in the content of sulfur compounds, especially cysteine, in the transgenic plants i.a. can be used to improve the nutrition of humans and animals, the invention naturally relates in particular to those parts, fruits, extracts and products obtained from plants or fruits and parts of plants which can serve as food for humans and animals.
Die Expression der inaktiven SAT in den Pflanzen bzw. Pflanzenzellen kann mit Hilfe herkömmlicher molekularbiologischer und biochemischer Methoden nachgewiesen und verfolgt werden. Dem Fachmann sind diese Techniken bekannt und er ist problemlos in der Lage, eine geeignete Nachweismethode zu wählen, beispielsweise eine Northern-Blot- Analyse zum Nachweis SAT-spezifischer RNA bzw. zur Bestimmung der Höhe der Akkumulation von SAT-spezifischer RNA oder eine Southern-Blot-Analyse zur Identifizierung von für SAT-kodierende DNA- Sequenzen.The expression of the inactive SAT in the plants or plant cells can be detected and tracked using conventional molecular biological and biochemical methods. These techniques are known to the person skilled in the art and are easily able to choose a suitable detection method, for example a Northern blot analysis for the detection of SAT-specific RNA or for determining the amount of accumulation of SAT-specific RNA or a Southern Blot analysis to identify DNA sequences coding for SAT.
Die Erfindung betrifft somit auch ein Verfahren zur Erzeugung von Pflanzen mit einem gegenüber Wildtyp-Pflanzen erhöhten Gehalt an schwefelhaltigen Verbindungen, umfassend die folgenden Schritte: a) die Übertragung eines rekombinanten Nukleinsäuremoleküls oder Vektors, der eine DNA-Sequenz enthält, die für eine enzymatisch inaktive SAT kodiert, die in der Lage ist mit OAS-TL zu interagieren, auf Pflanzenzellen; b) die Regeneration von Pflanzen aus den transformierten Pflanzenzellen.The invention thus also relates to a method for producing plants with a content of sulfur-containing compounds which is higher than that of wild-type plants, comprising the following steps: a) the transfer to plant cells of a recombinant nucleic acid molecule or vector which contains a DNA sequence which codes for an enzymatically inactive SAT which is able to interact with OAS-TL; b) the regeneration of plants from the transformed plant cells.
Die vorliegende Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen, die nur der Veranschaulichung der Erfindung dienen und in keiner Weise als Einschränkung zu verstehen sind, erläutert.The present invention is illustrated in the following examples, which serve only to illustrate the invention and are in no way to be understood as a limitation.
BeispieleExamples
Allgemeine KlonierungsverfahrenGeneral cloning procedures
Klonierungsverfahren, wie z. B. Restriktionsspaltung, DNA-Isodierung, Agarose, Gelelektrophorese, Reinigung von DNA-Fragmenten, Transfer von Nukleinsäuren auf Nitrocellulose und Nylon-Membranen, verknüpfen von DNA-Fragmenten, Transformation von E. coli-Zellen, Anzucht von Bakterien, Sequenz- Analyse von rekombinanter DNA, wurden nach Sambrook et al. (1989) vide supra, durchgeführt. Die Transformation von Agrobacterium tumefaciens wurde entsprechend der Methode von Höfgen and Willmitzer (Nucl. Acids Res. (1988) 16, 9877) ausgeführt. Die Anzucht der Agrobakterien erfolgte in YEB-Medium (Vervliet et al. 1975 J. Gen. Virol. 26, 33).Cloning procedures, such as B. restriction cleavage, DNA isodization, agarose, gel electrophoresis, purification of DNA fragments, transfer of nucleic acids to nitrocellulose and nylon membranes, linking of DNA fragments, transformation of E. coli cells, cultivation of bacteria, sequence analysis of recombinant DNA, were according to Sambrook et al. (1989) vide supra. The transformation of Agrobacterium tumefaciens was carried out according to the method of Höfgen and Willmitzer (Nucl. Acids Res. (1988) 16, 9877). The agrobacteria were grown in YEB medium (Vervliet et al. 1975 J. Gen. Virol. 26, 33).
Bakterienstämme und PlasmideBacterial strains and plasmids
E. coli (XL 1 Blue) Bakterien wurden von der Firma Stratagene, La Jolla, USA bezogen. Der zur Pflaiizentransformation eingesetzte Agrobakterienstamm (C58C1 mit dem Plasmid pGV 3850kan) wurde von Deblare et al. (1985, Nucl. Acids Res. 13, 4777) beschrieben. Zur Klonierung wurde der Vektor Binl9 bzw. dessen Derivate pBinAR und pBinAR-TkTp (Bevan (1984) Nucl. Acids Res. 12, 8711- 8720) verwendet.E. coli (XL 1 Blue) bacteria were purchased from Stratagene, La Jolla, USA. The agrobacterial strain used for plum transformation (C58C1 with the plasmid pGV 3850kan) was developed by Deblare et al. (1985, Nucl. Acids Res. 13, 4777). The vector Bin19 or its derivatives pBinAR and pBinAR-TkTp (Bevan (1984) Nucl. Acids Res. 12, 8711-8720) were used for cloning.
Pflanzentransformationplant transformation
Zur Transformation von Tabakpflanzen (Nicotiana tabacum L. cv. Samsun NN) wurden 10 ml einer unter Selektion gewachsenen Übernachtkultur vonTo transform tobacco plants (Nicotiana tabacum L. cv. Samsun NN), 10 ml of an overnight culture grown under selection from
Agrobacterium tumefaciens abzentrifügiert, der Überstand verworfen und die Bakterien im gleichen Volumen Antibiotika-freien Mediums resuspendiert. In einer sterilen Petrischale wurden Blattscheiben steriler Pflanzen (Durchmesser ca. 1 cm) in dieser Bakterienlösung gebadet. Anschließend wurden die Blattscheiben in Petrischalen auf MS-Medium (Murashige and Skoog (1962) Physiol. Plant 15, 473) mit 2% Saccharose und 0,8% Bacto-Agar ausgelegt. Nach zweitägiger Inkubation im Dunkeln bei 25 °C wurden sie auf MS-Medium mit 100 mg/1 Kanamycin, 500 mg/1 Claforan (Cefotaxim), 1 mg/1 Benzylaminopurin (BAP), 0,2 mg/1 Naphthylessigsäure (NAA), 1,6% Glukose und 0,8% Bacto-Agar übertragen und die Kultivierung (16 Std. Licht / 8 Std. Dunkelheit) fortgesetzt. Wachsende Sprosse wurden auf hormonfreies MS-Medium mit 2% Saccharose, 250 mg/1 Claforan und 0,8% Bacto- Agar überführt.Centrifuged Agrobacterium tumefaciens, discarded the supernatant and resuspended the bacteria in the same volume of antibiotic-free medium. Leaf disks of sterile plants (diameter approx. 1 cm) were bathed in this bacterial solution in a sterile petri dish. The leaf disks were then placed in Petri dishes on MS medium (Murashige and Skoog (1962) Physiol. Plant 15, 473) with 2% sucrose and 0.8% Bacto agar. After two days incubation in the dark at 25 ° C, they were on MS medium with 100 mg / 1 kanamycin, 500 mg / 1 claforan (cefotaxime), 1 mg / 1 benzylaminopurine (BAP), 0.2 mg / 1 naphthylacetic acid (NAA) , 1.6% glucose and 0.8% Bacto agar and cultivation (16 hours light / 8 hours dark) continued. Growing shoots were transferred to hormone-free MS medium with 2% sucrose, 250 mg / 1 Claforan and 0.8% Bacto agar.
Herstellung einer enzymatisch inaktiven Serin- Acetyltransferase (SAT) die noch zur Interaktion mit OAS-TL befähigt istProduction of an enzymatically inactive serine acetyltransferase (SAT) which is still able to interact with OAS-TL
Die im Stand der Technik hinsichtlich ihrer Aminosäuresequenz sowie der zugrundeliegenden DNA-Sequenz beschriebene SAT-A aus Arabidopsis thaliana wurde durch gerichtete Mutagenese der Aminosäure Histidin 309 zu Alanin inaktiviert (die Nummerierung bezieht sich auf das erste Methionin des offenen Leserahmens). Die gerichtete Mutagenese der zugehörigen cDNA im Plasmid pBlueScript (Stratagene) erfolgte durch Basenpaaraustausch nach einem kommerziell verfügbaren Verfahren der Firma Promega (Heidelberg, Deutschland).The SAT-A from Arabidopsis thaliana described in the prior art with regard to its amino acid sequence and the underlying DNA sequence was converted to alanine by directed mutagenesis of the amino acid histidine 309 disabled (numbering refers to the first methionine in the open reading frame). The directed mutagenesis of the associated cDNA in the plasmid pBlueScript (Stratagene) was carried out by base pair exchange using a commercially available method from Promega (Heidelberg, Germany).
Die ortgerichtete Mutagenese der SAT-A cDNA wurde mit pBS/ΔS AT1-6 durchgeführt (Bogdanova et al. (1995) FEBS Lett. 358, 43-47). Das eingesetzte Promega GeneEditor in vitro Site Directed Mutagenesis System erzielte im Durchschnitt 80% positive Klone. Die Punktmutationen wurden durch DNA- Sequenzierung verifiziert und die resultierenden Aminosäureaustausche wurden in Bezug auf das Startkodon des längsten möglichen offenen Leserahmens einer mitochondrialen SAT-A cDNA nummeriert (cDNA SAT-1 (Roberts et al. (1996) Plant Mol. Biol. 30, 1041-1049)).Site-directed mutagenesis of the SAT-A cDNA was carried out with pBS / ΔS AT1-6 (Bogdanova et al. (1995) FEBS Lett. 358, 43-47). The Promega GeneEditor in vitro Site Directed Mutagenesis System used achieved an average of 80% positive clones. The point mutations were verified by DNA sequencing and the resulting amino acid changes were numbered in relation to the start codon of the longest possible open reading frame of a mitochondrial SAT-A cDNA (cDNA SAT-1 (Roberts et al. (1996) Plant Mol. Biol. 30, 1041-1049)).
Die Inaktivierung der SAT-Mutante durch den Aminosäureaustausch in Position 309 (Histidin -> Alanin) wurde durch fehlende heterologe Komplementation einer S AT- freienE. cob'-Mutante und durch Εnzymbestimmung in vitro (maximal 1% Restaktivität) belegt. Die friteraktionsfahigkeit mit O-Acetylserin (Thiol) Lyase (OAL-TL) wurde durch heterologe Expression in dem Hefe "two-hybrid"- System und Coexpression in E. coli mit nachfolgender biochemischer Reinigung bewiesen.The inactivation of the SAT mutant by the amino acid exchange in position 309 (histidine -> alanine) was due to the lack of heterologous complementation of a S AT-free E. cob ' mutant and confirmed by enzyme determination in vitro (maximum 1% residual activity). The fractions with O-acetylserine (thiol) lyase (OAL-TL) were demonstrated by heterologous expression in the yeast "two-hybrid" system and co-expression in E. coli with subsequent biochemical purification.
Die Inaktivierung des cysE-Gens von E. coli zwecks Erzeugung einer SAT-freien E. coli Mutante wurde nach der von Hamilton et al. beschriebenen Methode durchgeführt (Hamilton (1989) J. Bacteriol. 171, 4617 - 4622). Hierdurch sollte ein Bakterienstamm bereitgestellt werden, der bezüglich seiner SAT-Defizienz stabiler ist als die im Stand der Technik gegenwärtig erhältlichen. Hierzu wurde das Wildtyp cysE-Gen mittels PCR kloniert und durch Insertion einer Gentamycin-Resistenz- Kassette in eine Clal-Restriktionsschnittstelle bei Position 522, bezogen auf das Startkodon des c sE-Gens, inaktiviert. Nach Klonierung dieser Cassette in das Plasmid pMAK705, welches einen Temperatur-sensitiven Replikationsursprung trägt, wurde das inaktivierte cysE-Gen in das Genom von E. coli C600 via homologe Rekombination integriert, um den Stamm MW1 zu ergeben (tbr, leu, thi, lac, l-Pl + F', cysE, Gmr). Komplementaxionstests unter Einsatz derE. co/z-Stämme ΕC1801 (E. coli Genetik Stock Center, Yale University, New Haven, CT, USA) oder MW1 wurden auf M9-Minimalmedium-Agarplatten mit oder ohne Cystein unter Zugabe von Induktionsmittel und selektiven Antibiotika durchgeführt.The inactivation of the E. coli cysE gene to generate a SAT-free E. coli mutant was carried out according to the method described by Hamilton et al. described method carried out (Hamilton (1989) J. Bacteriol. 171, 4617-4622). This should provide a bacterial strain that is more stable in terms of its SAT deficiency than that currently available in the prior art. For this purpose, the wild-type cysE gene was cloned by PCR and inactivated by inserting a gentamycin resistance cassette into a Clal restriction site at position 522, based on the start codon of the c sE gene. After cloning this cassette into the plasmid pMAK705, which has a temperature-sensitive origin of replication the inactivated cysE gene was integrated into the genome of E. coli C600 via homologous recombination to give the strain MW1 (tbr, leu, thi, lac, l-Pl + F ', cysE, Gm r ). Complementaxion tests using the E. co / z strains ΕC1801 (E. coli Genetics Stock Center, Yale University, New Haven, CT, USA) or MW1 were carried out on M9 minimal medium agar plates with or without cysteine with the addition of induction agents and selective antibiotics.
Die Konstrukte für die Expression der mitochondrialen SAT-A aus Arabidopsis thaliana umfassten BS/ΔSATl-6 (X82888 (Bogdanova et al. (1985) vide supra)), pET/ΔSATl-6 sowie mutierte Formen der SAT-A. Um das zuletzt genannte Plasmid zu erhalten, wurde die kodierende Region der SAT-A mittels PCR von Basenpaar 28 - 939 ohne mitochondriales Transitpeptid unter Einsatz spezifischer Primer, flankiert von EcoRI- und Xhol-Schnittstellen, amplifiziert. Dieses Fragment wurde in das Plasmid pCAP (Röche, Mannheim, Deutschland) kloniert, die Sequenz mittels Sequenzierung beider Stränge verifiziert und in die entsprechenden Schnittstellen von pET29a (Novagen, Madison, USA) eingefügt, was in einem Fusionsprotein mit den 35 Aminosäuren des S-Tag an seinem N-Terminus für Affinitätsreinigung an S- Agarose resultierte. Mitochondriale OAS-TL aus A. thaliana wurde in ähnlicher Weise durch Klonierung eines PCR-Produkts, welches das reife Protein ohne das mitochondriale Transitpeptid von Basenpaar 172 - 1162 (AJ271727 (Hesse et al. (1999) Amino Acids 16, 113-131) umfasste, in die Ncol-BamHI-Schnittstellen von pET3d, was pET/OAS-C ergab, exprimiert.The constructs for the expression of the mitochondrial SAT-A from Arabidopsis thaliana included BS / ΔSATl-6 (X82888 (Bogdanova et al. (1985) vide supra)), pET / ΔSATl-6 and mutated forms of SAT-A. In order to obtain the latter plasmid, the coding region of the SAT-A was amplified by PCR from base pair 28-939 without a mitochondrial transit peptide using specific primers, flanked by EcoRI and Xhol cleavage sites. This fragment was cloned into the plasmid pCAP (Röche, Mannheim, Germany), the sequence was verified by sequencing both strands and inserted into the corresponding cleavage sites of pET29a (Novagen, Madison, USA), which resulted in a fusion protein with the 35 amino acids of the S- Day at its N-terminus for affinity purification on S-agarose resulted. Mitochondrial OAS-TL from A. thaliana was similarly obtained by cloning a PCR product that contained the mature protein without the mitochondrial transit peptide from base pair 172-1162 (AJ271727 (Hesse et al. (1999) Amino Acids 16, 113-131) into the Ncol-BamHI cleavage sites of pET3d, which gave pET / OAS-C.
Die Expression, Kultivierung und Affmitätsreinigung von SAT und OAS-TL unter Einsatz des S-tag-Systems (Novagen) wurden im wesentlichen wie von Droux et al. (1998, Eur. J. Biochem. 255,235-245) beschrieben, durchgeführt, mit den folgenden Modifikationen. Nach dem letzten Waschschritt wurde der S-tag nicht durch proteolytische Spaltung an der Affinitätssäule entfernt, da diese Behandlung in Fraktionen mit labiler SAT- Aktivität resultierte. Statt dessen wurde SAT mit 3 M MgCl2 eruiert, welches anschließend durch Gelfiltration an PDIO-Säulen (Amerschan, Freiburg, Deutschland) entfernt wurde. In vitro Interaktion von SAT und OAS-TL an der Säule wurde in einem Standardwasch- und ElutionsprotokoU mit oder ohne 1 mM OAS (O-Acetylserin) bestimmt, wie beschrieben von Droux et al. (1998, vide supra).The expression, cultivation and affinity purification of SAT and OAS-TL using the S-tag system (Novagen) were essentially as described by Droux et al. (1998, Eur. J. Biochem. 255,235-245), with the following modifications. After the last washing step, the S-tag was not removed by proteolytic cleavage on the affinity column, since this treatment resulted in fractions with labile SAT activity. Instead, SAT with 3 M MgCl 2 , which was then removed by gel filtration on PDIO columns (Amerschan, Freiburg, Germany). In vitro interaction of SAT and OAS-TL on the column was determined in a standard washing and elution protocol with or without 1 mM OAS (O-acetylserine) as described by Droux et al. (1998, vide supra).
Die Bestimmung der Proteinkonzentration und die Auftrennung von Proteinen wurden nach Standardprotokollen (z.B. Sambrook et al. (1989) vide supra) durchgeführt.The determination of the protein concentration and the separation of proteins were carried out according to standard protocols (e.g. Sambrook et al. (1989) vide supra).
Die SAT-Enzymaktivität mit und ohne OAS-TL wurde in einem Standard- Assay auf der Grundlage der Methode von Kredich and Becker (1971, In Methods in Enzymology (Tabor and Tabor, eds), Seiten 459-469, Academic Press, New York, USA) bestimmt. Roh- oder gereinigtes rekombinantes SAT-Protein wurde in einem Volumen von 250 μl (50 mM Tris/HCl, pH 7,5, 0,2 mM Acetyl-CoA, 2mMThe SAT enzyme activity with and without OAS-TL was determined in a standard assay based on the method of Kredich and Becker (1971, In Methods in Enzymology (Tabor and Tabor, eds), pages 459-469, Academic Press, New York , USA). Raw or purified recombinant SAT protein was in a volume of 250 ul (50 mM Tris / HCl, pH 7.5, 0.2 mM acetyl-CoA, 2mM
Dithiotlireitol, 5mM Serin) bei 25°C inkubiert und A232 wurde für bis zu 3 Min. aufgenommen.Dithiotlireitol, 5mM serine) incubated at 25 ° C and A 232 was taken up to 3 min.
Die OAS-TL- Aktivität wurde unter gesättigten Bedingungen wie zuvor beschrieben untersucht (Nakamura et al. (1987) Plant Cell Physiol.28, 885-891). KinetischeThe OAS-TL activity was examined under saturated conditions as described above (Nakamura et al. (1987) Plant Cell Physiol. 28, 885-891). kinetic
Analysen wurden mit der SigmaPlot-Software durchgeführt, welche hyperbolische Anpassungen auf der Grundlage der Michaelis-Menten-Gleichung erlaubte: v = Vmaχ x [S])/(Km + [S]).Analyzes were carried out with the SigmaPlot software, which allowed hyperbolic adjustments based on the Michaelis-Menten equation: v = V ma χ x [S]) / (K m + [S]).
Für die Interaktionsanalysen unter Einsatz des Hefe "two-hybrid"-Systems wurden die Transformation der Hefestämme HF7c und PCY2, die Selektion auf Minimalmedium und ß-Galaktosidase-Assays durchgeführt wie bereits beschrieben (Bogdanova and Hell (1997) Plant J. 11, 251-262). PCR mit spezifischen Primerpaaren, flankiert von Sall- bzw. Spel-Schnittstellen, wurde für sämtliche Konstrukte eingesetzt, um die kodierenden Regionen in die entsprechenden Restriktionsschnittstellen von pPC86 (GAL4- Aktivierungsdomäne) und pPC97 (GAL4-DNA-Bindungsdomäne) einzufügen (Chevray and Nathans (1992) Proc. Natl. Acad. Sei. USA 89, 5789-5793). EST 181H17T7 (GenBank Accession Number AJ2711727) wurde als Template eingesetzt, um OAS-TL C ohne mitochondriales Transitpeptid von Basenpaar 172 - 1162 zu erzeugen. Im Unterschied zu den bisher eingesetzten füll length-Konstrukt (Bogdanova et al. (1997) vide supra) wurden die pPC- Vektoren mit mitochondrialer SAT-A ohne mitochondriales Transitpeptid durch Amplifizierung von Basenpaar 28 - 939 konstruiert (X82888 (Bogdanova et al. (1995) vide supra).For the interaction analyzes using the yeast "two-hybrid" system, the transformation of the yeast strains HF7c and PCY2, the selection on minimal medium and β-galactosidase assays were carried out as already described (Bogdanova and Hell (1997) Plant J. 11, 251 -262). PCR with specific primer pairs, flanked by Sall or Spel interfaces, was used for all constructs to convert the coding regions into the corresponding ones Insert restriction sites of pPC86 (GAL4 activation domain) and pPC97 (GAL4 DNA binding domain) (Chevray and Nathans (1992) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89, 5789-5793). EST 181H17T7 (GenBank Accession Number AJ2711727) was used as a template to generate OAS-TL C without a mitochondrial transit peptide from base pair 172-1162. In contrast to the fill length construct previously used (Bogdanova et al. (1997) vide supra), the pPC vectors with mitochondrial SAT-A without a mitochondrial transit peptide were constructed by amplifying base pairs 28-939 (X82888 (Bogdanova et al. ( 1995) vide supra).
Expression der inaktiven SAT-Mutante (H309A) in PflanzenExpression of the inactive SAT mutant (H309A) in plants
Die cDNA der SAT-Mutante wurde in den binären Transformationsvektor pBin-AR (Höfgen und Willmitzer ( 1990) Plant Sei. 66, 221 ; pBinl 9-Ursprung) bzw. in dessen Derivat pBinAR-TkTp (R. Badur, Dissertation, Universität Göttingen, 1998) kloniert. Als Promotor wurde der 35S RNA-Promotor des Cauliflower Mosaik Virus (CaMV) verwendet. Als Terminationssignal diente das 3 '-Ende des Octopin- Synthasegens.The cDNA of the SAT mutant was in the binary transformation vector pBin-AR (Höfgen and Willmitzer (1990) Plant Sei. 66, 221; pBinl 9-Ursprung) or in its derivative pBinAR-TkTp (R. Badur, dissertation, University of Göttingen , 1998) cloned. The 35S RNA promoter of the Cauliflower Mosaic Virus (CaMV) was used as the promoter. The 3 'end of the octopine synthase gene served as the termination signal.
Der Eintransport in Chloroplasten wurde durch Fusion der SAT-Mutante mit dem Plastiden-Importpeptid der plastidären Transketolase aus Tabak in pBinAr-TkTp erreicht. Die Lokalisierung in Cytosol erfolgte mit pBinAR unter Weglassung des Abschnitts für das Importpeptid.Transport into chloroplasts was achieved by fusion of the SAT mutant with the plastid import peptide of plastid transketolase from tobacco in pBinAr-TkTp. Localization in cytosol was done with pBinAR, leaving out the section for the import peptide.
Die Klonierungen erfolgten jeweils in die vorgegebenen BamHI- bzw. Sall- Restriktionsschnittstellen der genannten Vektoren pBIN-AR und pBINAr-TkTp. Die cDNA der SAT-Mutante wurde jeweils mit den Oligonukleotid-Primern SAT208 und SAT209 mit 5' gelegenen zusätzlichen BamHI- bzw. Sall-Restriktions- Schnittstellen durch Standard-PCR amplifiziert. Beispiel für Standard PCR: Reaktionsvolumen 50 μl mit 20 pmol jedes Primers, 1-10 ng Plasmid, Puffer des Herstellers, 1 U Taq-Polymerase (Promega). Abfolge: 5 Min. bei 94°C, dann 30 Zyklen zu 30 Sek. bei 94°C, 60 Sek. bei 55°C, 30 Sek. bei 72°C, gefolgt von 10 Min. bei 72°C.The cloning was carried out in the BamHI or Sall restriction sites of the vectors pBIN-AR and pBINAr-TkTp. The cDNA of the SAT mutant was amplified with the oligonucleotide primers SAT208 and SAT209 with 5 'additional BamHI and Sall restriction cleavage sites by standard PCR. Example of standard PCR: reaction volume 50 μl with 20 pmol of each primer, 1-10 ng plasmid, buffer from the manufacturer, 1 U Taq polymerase (Promega). Sequence: 5 minutes at 94 ° C, then 30 cycles of 30 seconds at 94 ° C, 60 seconds at 55 ° C, 30 seconds at 72 ° C, followed by 10 minutes at 72 ° C.
SAT208: 5'-GGATCC CAT GAA CTA CTT CCGTTATC-3' SAT209: 5'-GTC GAC TCAAAT TAG ATAATC CGA C-3'SAT208: 5'-GGATCC CAT GAA CTA CTT CCGTTATC-3 'SAT209: 5'-GTC GAC TCAAAT TAG ATAATC CGA C-3'
Bestimmung der Thiol- und Aminosäuregehalte transgener PflanzenDetermination of the thiol and amino acid content of transgenic plants
Cystein-, Glutathion- und Methioningehalte wurden in Blättern von mindestens drei unabhängigen transgenen Tabakpflanzen der ersten und zweiten Generation nach Transformation bestimmt. Im Vergleich zu nicht transformierten Kontrollpflanzen wurden bei cytosolischer dominant-negativer Überexpression bis zu 8x mehr Cystein und 2x mehr Glutathion gefunden. Bei entsprechender plastidärer Überexpression der SAT-Mutante wurden bis zu 25x mehr Cystein und 8x mehr Glutathion gemessen. Bei plastidärer Überexpression erhöht sich der Methioningehalt bis zu 2x.Cysteine, glutathione and methionine levels were determined in leaves of at least three independent first and second generation transgenic tobacco plants after transformation. In comparison to non-transformed control plants, up to 8x more cysteine and 2x more glutathione were found in cytosolic dominant-negative overexpression. With corresponding plastid overexpression of the SAT mutant, up to 25x more cysteine and 8x more glutathione were measured. With plastid overexpression, the methionine content increases up to 2x.
Die Extraktion, Trennung und Quantifizierung von Cystein und Glutathion erfolgte wie beschrieben (Hell und Bergmann (1990) Planta 180, 603-612). Die Bestimmxmg von Methionin erfolgte nach einem kommerziellen Verfahren (Firma Waters, Eschborn) wie beschrieben (Giordano et al. (2000) Plant Physiol. 124, 857-864).The extraction, separation and quantification of cysteine and glutathione was carried out as described (Hell and Bergmann (1990) Planta 180, 603-612). The determination of methionine was carried out according to a commercial method (Waters, Eschborn) as described (Giordano et al. (2000) Plant Physiol. 124, 857-864).
Die oben beschriebenen Ergebnisse zeigten eindeutig, dass die Arabidopsis thaliana SAT-Mutante mit einem Aminosäureaustausch in Position 309 keine enzymatische SAT- Aktivität mehr aufweist, dennoch aber zur Komplexbildung, also zur Interaktion mit OAS-TL in der Lage ist. Die Expression dieser Mutante führte zu einer überraschenden Erhöhung des Gehalts an Schwefelverbindungen, insbesondere an Cystein, Glutathion und Methionin, in transgenen Pflanzen.The results described above clearly showed that the Arabidopsis thaliana SAT mutant with an amino acid exchange in position 309 no longer has any enzymatic SAT activity, but is nevertheless able to form a complex, ie to interact with OAS-TL. The expression of this mutant led to a surprising increase in the content of sulfur compounds, especially cysteine, glutathione and methionine, in transgenic plants.
Abbildungenpictures
Abbildung 1 zeigt ein Aminosäure- Alignment verschiedener Serinacetyltransferasen.Figure 1 shows an amino acid alignment of various serine acetyltransferases.
Abbildung 2 zeigt den Einfluß der Überexpression der SAT A-Mutante H309A auf die Cystein-Bildung. Figure 2 shows the influence of overexpression of the SAT A mutant H309A on the formation of cysteine.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Verfahren zur Erhöhung des Gehalts an Schwefel-haltigen Verbindungen wie Cystein, Glutathion und/oder Methionin in Pflanzen durch Übertragung und Expression von DNA-Sequenzen, die für eine Serin-Acetyltransferase kodieren, in Pflanzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Serin-Acetyltransferase enzymatisch inaktiv ist.1. A method for increasing the content of sulfur-containing compounds such as cysteine, glutathione and / or methionine in plants by transfer and expression of DNA sequences which code for a serine acetyltransferase in plants, characterized in that the serine acetyltransferase is enzymatically inactive.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Serin-Acetyltransferase zur2. The method according to claim 1, wherein the serine acetyltransferase for
Interaktion mit O-Acetylserin (Thiol) Lyase fähig ist.Interaction with O-acetylserine (thiol) lyase is capable.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Serin-Acetyltransferase aufgrund einer Mutation innerhalb des Aminosäuresequenzmotivs G K X X G D R H P K I G D (X steht für eine beliebige Aminosäure) enzymatisch inaktiv ist.3. The method of claim 1 or 2, wherein the serine acetyltransferase is enzymatically inactive due to a mutation within the amino acid sequence motif G K X X G D R H P K I G D (X stands for any amino acid).
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Mutation das Kernmotiv D R H betrifft.4. The method according to claim 3, wherein the mutation relates to the core motif D R H.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Mutation das Histidin innerhalb des Motivs betrifft.5. The method of claim 3 or 4, wherein the mutation affects the histidine within the motif.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Serin-Acetyltransferase aufgrund der Bindung und Inhibition durch einen Liganden oder ein Protein oder einen Antikörper enzymatisch inaktiv ist.6. The method of claim 1 or 2, wherein the serine acetyltransferase is enzymatically inactive due to binding and inhibition by a ligand or a protein or an antibody.
7. Rekombinantes Nukleinsäuremolekül, enthaltend einen in Pflanzenzellen aktiven Promotor in operativer Verknüpfung mit einer DNA-Sequenz, die für eine enzymatisch inaktive Serin-Acetyltransferase kodiert, wobei die enzymatische Inaktivität durch eine Mutation in dem Aminosäuresequenzmotiv G K X X G D R H P K I G D (X steht für eine beliebige Aminosäure) bedingt ist.7. Recombinant nucleic acid molecule containing a promoter active in plant cells in operative linkage with a DNA sequence which codes for an enzymatically inactive serine acetyltransferase, the enzymatic Inactivity is caused by a mutation in the amino acid sequence motif GKXXGDRHPKIGD (X stands for any amino acid).
8. Rekombinantes Nukleinsäuremolekül nach Anspruch 7, wobei die Mutation in dem Kernmotiv D R H liegt.8. Recombinant nucleic acid molecule according to claim 7, wherein the mutation lies in the core motif D R H.
9. Rekombinantes Nukleinsäuremolekül nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Mutation das Histidin betrifft.9. Recombinant nucleic acid molecule according to claim 7 or 8, wherein the mutation relates to the histidine.
10. Enzymatisch inaktive Serin-Acetyltransferase, die zur Interaktion mit O-10. Enzymatically inactive serine acetyltransferase, which interacts with O-
Acetylserin (Thiol) Lyase fähig ist.Acetylserine (thiol) lyase is capable.
11. Serin-Acetyltransferase nach Anspruch 10, die aufgrund einer Mutation innerhalb des Aminosäuresequenzmotivs G K X X G D R H P K I G D (X steht für eine beliebige Aminosäure) enzymatisch inaktiv ist.11. Serine acetyltransferase according to claim 10, which is enzymatically inactive due to a mutation within the amino acid sequence motif G K X X G D R H P K I G D (X stands for any amino acid).
12. Serin-Acetyltransferase nach Anspruch 11, wobei die Mutation das Kernmotiv D R H betriff.12. Serine acetyltransferase according to claim 11, wherein the mutation relates to the core motif D R H.
13. Serin-Acetyltransferase nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Mutation das Histidin innerhalb des Motivs betrifft.13. Serine acetyltransferase according to claim 11 or 12, wherein the mutation affects the histidine within the motif.
14. Verfahren zur Erzeugung von Pfanzen mit einem gegenüber Wildtyppflanzen erhöhten Gehalt an Schwefel-haltigen Verbindungen wie Cystein, Glutathion und/oder Methionin, umfassend die folgenden Schritte:14. A method for producing plants with a content of sulfur-containing compounds such as cysteine, glutathione and / or methionine which is higher than that of wild type plants, comprising the following steps:
- die Übertragxmg eines rekombinanten Nukleinsäuremoleküls oder Vektors, der eine DNA-Sequenz enthält, die für eine enzymatisch inaktive Serin- Acetyltransferase kodiert, die in der Lage ist mit O-Acetylserin (Thiol) Lyase zu interagieren, auf Pflanzenzellen; - die Regeneration von Pflanzen aus den transformierten Pflanzenzellen. - The transfer of a recombinant nucleic acid molecule or vector containing a DNA sequence coding for an enzymatically inactive serine acetyltransferase, which is able to interact with O-acetylserine (thiol) lyase, on plant cells; - the regeneration of plants from the transformed plant cells.
15. Transgene Pflanzen, hergestellt in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 14 oder enthaltend ein rekombinantes Nukleinsäuremolekül nach einem der Ansprüche 7 bis 9, sowie Teile dieser Pflanzen, transgene Ernteprodukte und transgenes Vermehrungsmaterial dieser Pflanzen wie15. Transgenic plants, produced in a process according to one of claims 1 to 6 or 14 or containing a recombinant nucleic acid molecule according to one of claims 7 to 9, and parts of these plants, transgenic crop products and transgenic propagation material of these plants such as
Pflanzenzellen, Protoplasten, Kalli, Samen, Knollen, Stecklinge sowie die transgenen Nachkommen dieser Pflanzen.Plant cells, protoplasts, calli, seeds, tubers, cuttings and the transgenic progeny of these plants.
16. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 14 zur Erhöhung der Stressresistenz in den transgenen Pflanzen. 16. Use of the method according to one of claims 1 to 6 or 14 to increase the stress resistance in the transgenic plants.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2004058934A2 (en) * 2002-12-23 2004-07-15 Sungene Gmbh & Co. Kgaa Method for producing transgenic plants having an elevated vitamin e content by modifying the serine-acetyltransferase content

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