DE10138091A1 - Process for influencing mineral intake in transgenic plants - Google Patents
Process for influencing mineral intake in transgenic plantsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Mineralstoffaufnahme und insbesondere der Eisenaufnahme in transgenen Pflanzen. Des weiteren betrifft die Erfindung DNA-Sequenzen, die für FER-Proteine, insbesondere für das FER-Protein aus Tomate, kodieren. Ferner betrifft die Erfindung transgene Pflanzen und Pflanzenzellen, die ein eine erfindungsgemäße DNA-Sequenz umfassendes Nukleinsäuremolekül enthalten und aufgrund dessen im Vergleich zu Wildtyppflanzen bzw. -zellen eine veränderte Mineralstoffaufnahme, insbesondere Eisenaufnahme, aufweisen, sowie Ernteprodukte und Vermehrungsmaterial der transgenen Pflanzen.The invention relates to a method for influencing mineral absorption and in particular iron absorption in transgenic plants. Furthermore, the invention relates to DNA sequences which code for FER proteins, in particular for the FER protein from tomato. Furthermore, the invention relates to transgenic plants and plant cells which contain a nucleic acid molecule comprising a DNA sequence according to the invention and, as a result thereof, have an altered mineral intake, in particular iron intake, compared to wild type plants or cells, as well as harvest products and propagation material of the transgenic plants.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Mineralstoffaufnahme und insbesondere der Eisenaufnahme in transgenen Pflanzen. Des weiteren betrifft die Erfindung DNA-Sequenzen, die für FER-Proteine, insbesondere für das FER-Protein aus Tomate, kodieren. Ferner betrifft die Erfindung transgene Pflanzen und Pflanzenzellen, die ein eine erfindungsgemäße DNA-Sequenz umfassendes Nukleinsäuremolekül enthalten und aufgrund dessen im Vergleich zu Wildtyppflanzen bzw. -zellen eine veränderte Mineralstoffaufnahme, insbesondere Eisenaufnahme, aufweisen, sowie Ernteprodukte und Vermehrungsmaterial der transgenen Pflanzen. The invention relates to a method for influencing the mineral intake and especially iron absorption in transgenic plants. The invention further relates to DNA sequences which are required for FER proteins, in particular for the FER protein from tomato, encode. Furthermore, the invention relates to transgenic plants and plant cells, which a Contain and due to the inventive DNA sequence comprising nucleic acid molecule in comparison to wild type plants or cells, a changed mineral intake, in particular have iron absorption, as well as crop products and propagation material of transgenic plants.
Eisen ist als Komponente vieler wichtiger Enzyme und Proteine ein notwendiges Nährelement für alle Organismen. Die effiziente Eisenaufnahme der Pflanzen aus dem Boden ist ein komplexer und streng regulierter Prozeß, der bei Eisenmangelstreß induziert wird. Zwei aktive Eisenaufnahmemechanismen werden in höheren Pflanzen unterschieden: Strategie I (bei höheren Pflanzen mit Ausnahme der Gramineen) und Strategie II (Gramineen). Neben zahlreichen physiologischen und morphologischen Veränderungen ist der zentrale Kern der Strategie I die Reduktion von Fe(III) zu Fe(II) an der Wurzeloberfläche (Briat and Lobreaux (1997) Trans. Plant Sci. 2: 187-193). Dieses reduzierte Eisen wird von der Pflanze aufgenommen. Zu diesem Zweck aktivieren Strategie I-Pflanzen die Eisenchelatreduktase in Wurzeln, welche durch eine Farbreaktion in vielen Pflanzen nachgewiesen wurde, und Eisentransporter. Zu einem bedeutenden Teil werden diese Reaktionen auf transkriptioneller Ebene bei Eisenmangel in der Wurzel angeschaltet, wie Studien im Modellsystem Arabidopsis thaliana ergeben haben. In Arabidopsis ist eine Induktion bei Eisenmangel für das Gen der FeIII-Chelatreduktase, fro2 (Robinson et al. (1999) Nature 397: 694-697), und das Gen für einen Transporter von zweiwertigen Metallionen, irt1 (Koshunova et al. (1999) Plant Mol. Biol. 40: 37-44) beschrieben. Die Gene für NRAMP-Proteine mit Transportkapazitäten für Eisen, wie ATNRAMP3 und ATNRAMP4, werden in Arabidopsis thaliana-Wurzeln bei Eisenmangel verstärkt exprimiert (Thomine et al. (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97: 4991-4996), während andererseits die Expression des Gens von ATNRAMP1, das für ein Protein mit geringeren Eisentransportkapazitäten als ATNRAMP3 und ATNRAMP4 kodiert, nicht von Eisenmangel beeinflusst wird (Curie et al. (2000) Biochem. J. 347: 749-755). Ein wichtiger Punkt aber ist, daß die bei Eisenmangel induzierten Transportmechanismen nicht für Eisen spezifisch sind, sondern auch von anderen zweiwertigen Metallionen verstärkt genutzt werden, beispielsweise Zink, Mangan, Cadmium (Nelson (1999) EMBO J., 18: 4361-4371; Thomine (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97: 4991-4996; Koshunova et al. (1999) Plant Mol. Biol. 40: 37-44). Der zentrale Kern der Strategie II ist die erhöhte Produktion und Sekretion von Phytosiderophoren und die anschließende Aufnahme von Komplexen der Phytosiderophoren mit zweiwertigem Eisen über induzierte Transportmechanismen (Mori (1999) Curr. Opin. Plant Biol. 2: 250-253). Iron is a necessary component of many important enzymes and proteins Nutrient element for all organisms. The efficient iron absorption of the plants from the soil is a complex and strictly regulated process induced by iron deficiency stress. Two active iron uptake mechanisms are distinguished in higher plants: strategy I (for higher plants with the exception of the Gramineae) and Strategy II (Gramineae). Next Numerous physiological and morphological changes is the central core of the Strategy I the reduction of Fe (III) to Fe (II) at the root surface (Briat and Lobreaux (1997) Trans. Plant Sci. 2: 187-193). This reduced iron comes from the plant added. For this purpose, Strategy I plants activate the iron chelate reductase in Roots, which has been detected by a color reaction in many plants, and Iron transporter. To a large extent, these reactions become more transcriptional Level switched on at the iron deficiency in the root, like studies in the model system Arabidopsis thaliana. In Arabidopsis, induction is due to iron deficiency the FeIII chelate reductase gene, fro2 (Robinson et al. (1999) Nature 397: 694-697), and that Gene for a transporter of divalent metal ions, irt1 (Koshunova et al. (1999) Plant Mol. Biol. 40: 37-44). The genes for NRAMP proteins with transport capacities for iron, such as ATNRAMP3 and ATNRAMP4, are rooted in Arabidopsis thaliana Iron deficiency increasingly expressed (Thomine et al. (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97: 4991-4996), while on the other hand the expression of the gene of ATNRAMP1, which is for a protein encoded with lower iron transport capacities than ATNRAMP3 and ATNRAMP4, not is influenced by iron deficiency (Curie et al. (2000) Biochem. J. 347: 749-755). On an important point, however, is that the transport mechanisms induced by iron deficiency are not are specific for iron, but also reinforced by other divalent metal ions can be used, for example zinc, manganese, cadmium (Nelson (1999) EMBO J., 18: 4361-4371; Thomine (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97: 4991-4996; Koshunova et al. (1999) Plant Mol. Biol. 40: 37-44). The central core of Strategy II is increased production and Secretion of phytosiderophores and the subsequent uptake of complexes Phytosiderophores with divalent iron via induced transport mechanisms (Mori (1999) Curr. Opin. Plant Biol. 2: 250-253).
Da eine positive Beeinflussung der Mineralstoffaufnahme zu einer verstärkten Vitalität der Pflanzen, einer höheren Biomasseproduktion und somit zu besseren Erträgen führt, sind neue und effiziente Ansätze zur Beeinflussung des Mineralstoffhaushalts für die Landwirtschaft von großem Interesse. Bisher wurde in Pflanzen die Mineralstoffaufnahme beeinflusst, indem Mineralstoffe zum Nährmedium, zum Boden oder auch direkt zu den Pflanzen gegeben wurden (Düngung). Zur Behebung von Eisenmangel wurden Pflanzen beispielsweise mit einer Lösung behandelt oder besprüht, die Eisen-Chelatkomplexe enthält. Gentechnologische Ansätze haben bislang nicht zum gewünschten Erfolg geführt bzw. sind bisher nicht beschrieben worden. Because a positive influence on the mineral intake leads to an increased vitality of the Plants, higher biomass production and thus better yields are new and efficient approaches to influencing the mineral balance for agriculture of great interest. So far, the mineral intake in plants has been influenced by Minerals are added to the nutrient medium, to the soil or directly to the plants were (fertilization). Plants were used, for example, to remedy iron deficiency treated or sprayed with a solution containing iron chelate complexes. genetic engineering Approaches have so far not led to the desired success or have not so far have been described.
Die bisher zur Behebung von Mineralstoffmangel oder zur Beeinflussung des Mineralstoffhaushalts herangezogenen Ansätze über Düngung sind sehr teuer, aufwendig und u. U. schädlich für die Umwelt. The previously used to remedy mineral deficiency or to influence the Mineral nutrient approaches to fertilization are very expensive, complex and u. U. harmful to the environment.
Es ist jetzt überraschenderweise gelungen, erstmals eine für ein FER-Protein kodierende DNA-Sequenz bereitzustellen. Die in dieser Anmeldung offenbarte DNA-Sequenz eignet sich für eine positive Beeinflussung des Mineralstoffhaushalts und der Anreicherung und Speicherung von Mineralstoffen in transgenen Pflanzen. Surprisingly, it has now succeeded, for the first time, in coding an FER protein To provide DNA sequence. The DNA sequence disclosed in this application is suitable for a positive influence on the mineral balance and the enrichment and Storage of minerals in transgenic plants.
Die für FER-Proteine kodierenden fer-Gene kontrollieren in Wurzeln die Eisenaufnahme und die Reaktionen des Eisenmangelstress. Beim FER-Protein handelt es sich um einen DNA- bindenden Regulator, der in der Wurzel von Strategie I-Pflanzen die Eisenaufnahme auf transkriptioneller Ebene kontrolliert. The fer genes coding for FER proteins control iron absorption and in roots the reactions of iron deficiency stress. The FER protein is a DNA binding regulator, which in the root of strategy I plants on the iron uptake controlled transcriptional level.
Zum Beispiel erfolgt dies durch die Induktion von Genen für Transporter von Eisen und anderen Metallionen, wie nramp oder auch irt, oder auch von Genen, die für die Eisenreduktase kodieren. For example, this is done by inducing genes for iron and transporters other metal ions, such as nramp or irt, or also of genes that are responsible for the Encode iron reductase.
Die gezielte Kontrolle der fer-Expression in transgenen Pflanzen bietet vielfältige und aussichtsreiche Möglichkeiten für die Beeinflussung des pflanzlichen Mineralstoffwechsels. Durch die Bereitstellung des fer-Gens für die Übertragung auf Pflanzen besteht nun die Möglichkeit, die Aktivität des FER-Proteins zu beeinflussen und damit positive Effekte auf den Mineralstoffwechsel und auf die Anreicherung und Speicherung von Mineralstoffen hervorzurufen. Die Beeinflussung der Aktivität des FER-Proteins erfolgt z. B. durch eine veränderte Expression des fer-Gens in den transgenen Pflanzen. The targeted control of fer expression in transgenic plants offers diverse and promising options for influencing the plant's mineral metabolism. By providing the fer gene for transmission to plants, there is now Possibility to influence the activity of the FER protein and thus have positive effects the mineral metabolism and on the enrichment and storage of minerals cause. The activity of the FER protein is influenced, for. B. by a altered expression of the fer gene in the transgenic plants.
Hierdurch ist es möglich, im Unterschied zum Stand der Technik, den Mineralstoffhaushalt vorwiegend intern in der Pflanze zu beeinflussen, ohne daß eine wesentliche äußere Zugabe von Mineralstoffen notwendig ist. Die interne Beeinflussung erfolgt durch Veränderung des FER-Proteingehalts in transgenen Pflanzen. This makes it possible, in contrast to the prior art, the mineral balance predominantly to be influenced internally in the plant, without any significant external addition of minerals is necessary. The internal influence takes place by changing the FER protein content in transgenic plants.
Die veränderte Aktivierung von FER in transgenen Pflanzen hat verschiedene positive Effekte. Zum einen können hierdurch eine verstärke Vitalität der Pflanzen, eine höhere Biomasseproduktion und somit letztlich bessere Erträge erreicht werden. Kultursorten wie z. B. Getreide, Kartoffel können somit besser auf Mineralstoffmangelböden angebaut werden, so daß die teuere und umweltschädliche Düngung mit Mineralstoffen entfällt. The changed activation of FER in transgenic plants has several positive effects Effects. On the one hand, this can increase the vitality of the plants, a higher one Biomass production and ultimately better yields can be achieved. Cultivars like z. B. cereals, potatoes can thus be better grown on mineral deficient soils, so that the expensive and environmentally harmful fertilization with minerals is eliminated.
Zum anderen können dank der Bereitstellung des fer-Gens Pflanzen mit erhöhter fer- Expression erzeugt werden, die aufgrund einer verstärkten Mineralstoffaufnahme eine bessere Kompetition um Mineralstoffe aufweisen und dadurch gegenüber Schädlingen und Unkrautpflanzen bevorteilt werden, so daß diese Pflanzen resistenter gegenüber Schädlingen und Unkrautpflanzen sind als Wildtyppflanzen ohne erhöhte fer-Expression. Dadurch würde die teuere und umweltschädliche Schädlings- und Unkrautbekämpfung entfallen oder könnte zumindest verringert werden. On the other hand, thanks to the provision of the fer gene, plants with increased Expression are generated which are better due to an increased mineral intake Have competition for minerals and therefore against pests and Weed plants are preferred so that these plants are more resistant to pests and Weed plants are wild type plants without increased fer expression. This would make the expensive or environmentally harmful pest and weed control may or may not be necessary at least be reduced.
Darüber hinaus kann durch eine veränderte gewebespezifische Expression von fer-Genen erreicht werden, daß die Pflanzen Mineralstoffe in bestimmten Pflanzenteilen wie beispielsweise Blättern, Wurzeln, Knollen, Früchten oder Samen anreichern und dadurch für die menschliche Ernährung wertvoller werden. In addition, an altered tissue-specific expression of fer genes achieved that the plants minerals in certain parts of the plant such as For example, enrich leaves, roots, tubers, fruits or seeds and thereby for the human nutrition become more valuable.
Schließlich liefert die vorliegende Erfindung die Möglichkeit, Pflanzen zu erzeugen, die aufgrund ihrer veränderten fer-Expression dem Boden Schwermetallionen entziehen können und dadurch zur Sanierung von Schwermetall-belasteten Böden eingesetzt werden können (Phytoremediation), weil in der Regel Schwermetalle wie Cadmium ähnliche oder gleiche Aufnahmemechanismen benutzen wie Eisen. Finally, the present invention provides the ability to produce plants that can withdraw heavy metal ions from the soil due to their altered fer expression and can therefore be used for the remediation of floors contaminated with heavy metals (Phytoremediation) because usually heavy metals like cadmium are similar or the same Use uptake mechanisms like iron.
Es ist jetzt erstmals gelungen, ein fer-Gen der Tomate zu isolieren und zu charakterisieren. Die erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen eröffnen eine grundlegende neue Möglichkeit, den pflanzlichen Mineralstoffwechsel zu beeinflussen. Sie können mittels geeigneter Vektoren in das Genom von Pflanzen übertragen werden, wodurch transgene Pflanzen mit veränderter Synthese von FER-Protein erzeugt werden. Diese veränderten FER-Proteinmengen haben Auswirkung auf die Regulation von fer-Zielgenen, wie beispielsweise Genen für Metalltransporter und Eisenreduktasen, und führen zu einer veränderten Effizienz der Mineralstoffaufnahme aus dem Boden, insbesondere von Eisen, Zink, Mangan, Kupfer, aber auch von Schwermetallionen wie beispielsweise Cadmium und/oder zu einer veränderten Verteilung und Speicherung dieser Mineralstoffe in den verschiedenen Pflanzenorganen und Zellkompartimenten. It has now been possible for the first time to isolate and characterize a fer gene of the tomato. The DNA sequences according to the invention open up a fundamental new possibility to influence vegetable mineral metabolism. You can use suitable vectors in the genome of plants are transmitted, causing transgenic plants with altered Synthesis of FER protein can be generated. Have these altered levels of FER protein Effect on regulation of fer target genes, such as genes for Metal transporters and iron reductases, and lead to a changed efficiency of the Mineral absorption from the soil, especially iron, zinc, manganese, copper, but also from Heavy metal ions such as cadmium and / or a changed distribution and storage of these minerals in the various plant organs and Cell compartments.
Grundsätzlich sind die neuen DNA-Sequenzen für einen Transfer in beliebige Pflanzen geeignet. Bevorzugt ist jedoch der Einsatz des fer-Gens aus dikotylen Pflanzen für die gleichen oder für weitere dikotyle Pflanzen, z. B. Tomate, Kartoffel, Zuckerrübe etc. Der Einsatz von aus monokotylen Pflanzen erhaltenen fer-DNA-Sequenzen ist demzufolge für andere monokotyle Pflanzen bevorzugt, z. B. der Einsatz des fer-Gens aus Gerste in Geste, Reis oder anderen Getreidearten. Basically, the new DNA sequences are for transfer to any plants suitable. However, preference is given to using the fer gene from dicotyledonous plants for the same or for other dicotyledonous plants, e.g. B. tomato, potato, sugar beet, etc. The The use of fer DNA sequences obtained from monocotyledonous plants is therefore for other monocot plants preferred, e.g. B. the use of the fer gene from barley in gesture, Rice or other cereals.
Die Übertragung zusätzlicher fer-Genkopien in das Genom von Pflanzen sowie die Organ- und Ontogenese-spezifische Expression des fer-Gens führen durch veränderte FER- Produktion in der transgenen Pflanze zu einer veränderten Expression der potentiellen Zielgene, wie Gene für Eisenreduktase und Mineralstofftransporter. Dadurch werden Mineralstoffe in einer veränderten Weise in Zielorgane transportiert, in denen fer in veränderter Weise exprimiert wird. The transfer of additional fer gene copies into the genome of plants as well as the organ and ontogenesis-specific expression of the fer gene result from altered FER Production in the transgenic plant to an altered expression of the potential Target genes, such as genes for iron reductase and mineral transporters. This will Minerals are transported in a different way to target organs, in which fer in is expressed in a changed manner.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit in der Bereitstellung von DNA- Sequenzen, die für FER-Regulatorproteine kodieren, sowie in der Bereitstellung von transgenen Pflanzen, die einen im Vergleich zu ihrer Wildtypeform veränderten Gehalt an FER-Regulatorprotein und aufgrund dessen einen veränderten Mineralstoffhaushalt, insbesondere eine veränderte Eisenaufnahme aufweisen. It is therefore an object of the present invention to provide DNA Sequences coding for FER regulator proteins, as well as in the provision of transgenic plants, which have a changed content compared to their wild type FER regulator protein and, due to this, an altered mineral balance, especially have a changed iron intake.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, Verfahren zur Veränderung der Mineralaufnahme, insbesondere der Eisenaufnahme in transgenen Pflanzen bereitzustellen. Weitere Aufgaben ergeben sich aus dem oben gesagten bzw. der nachfolgenden Beschreibung. Die vorstehend genannten und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch die in den unabhängigen Patentansprüchen definierten Gegenstände gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Patentansprüchen dargestellt. Another task is to develop methods for changing the mineral intake, in particular to provide iron absorption in transgenic plants. Further tasks result from the above or the following description. The above and other objects of the invention are set forth in the in the independent Claims defined objects solved. Preferred embodiments are in the dependent claims.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird erstmals eine DNA-Sequenz offenbart, die ein FER-Protein kodiert. Vorzugsweise stammt die Sequenz aus Lycopersicon esculentum. Eine bevorzugte, für ein FER-Protein aus Tomate kodierende DNA-Sequenz ist in SEQ ID No. 1 und 2 gezeigt, wobei SEQ ID No. 1 das fer-Gen zeigt und SEQ ID No. 2 die aus der fer mRNA abgeleitete cDNA-Sequenz angibt. SEQ ID No. 3 zeigt die Aminosäuresequenz des FER-Proteins aus Tomate. In the context of the present invention, a DNA sequence is disclosed for the first time FER protein encoded. The sequence preferably originates from Lycopersicon esculentum. A preferred DNA sequence coding for an FER protein from tomato is in SEQ ID No. 1 and 2, with SEQ ID No. 1 shows the fer gene and SEQ ID No. 2 from the fer Indicates mRNA-derived cDNA sequence. SEQ ID No. 3 shows the amino acid sequence of the FER protein from tomato.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "fer-Gen" oder "für ein FER-Protein kodierende DNA-Sequenz" für eine Nukleinsäuresequenz verwendet, die für ein aktives DNA-bindendes Regulatorprotein kodiert, wobei das Regulatorprotein in der Wurzel von Strategie I-Pflanzen die Eisenaufnahme auf transkriptioneller Ebene kontrolliert und wobei die kodierenden Bereiche der Nukleinsäuresequenz mit der kodierenden Sequenz in SEQ ID No. 1 bzw. 2 eine Sequenzidentitätsgrad von mindestens 45%, 50%, 55%, 60%, vorzugsweise von mindestens 70%, 80%, besonders bevorzugt von mindestens 90% und am meisten bevorzugt von mindestens 92%, 94%, 96%, 98% aufweist. In the context of the present invention, the term “fer gene” or “for an FER protein coding DNA sequence "for a nucleic acid sequence used for an active DNA-binding regulatory protein encoded, the regulatory protein in the root of Strategy I plants control the iron uptake at the transcriptional level and where the coding regions of the nucleic acid sequence with the coding sequence in SEQ ID No. 1 or 2 a sequence identity degree of at least 45%, 50%, 55%, 60%, preferably at least 70%, 80%, particularly preferably at least 90% and most preferably of at least 92%, 94%, 96%, 98%.
Durch Bereitstellung der erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen kann die Eisenaufnahme in transgenen Pflanzen positiv beeinflusst werden, wobei dies besonders bevorzugt durch Überexpression des fer-Gens in den transgenen Pflanzen bzw. -zellen erfolgt. By providing the DNA sequences according to the invention, the iron uptake in transgenic plants can be positively influenced, this being particularly preferred by Overexpression of the fer gene takes place in the transgenic plants or cells.
Die Beobachtung, daß der Mineralstoffhaushalt durch die Übertragung und Expression exogener fer-DNA-Sequenzen positiv beeinflusst werden kann, lässt sich in idealer Weise für die Erzeugung von Pflanzen einsetzen, die aufgrund eines gegenüber Wildtyppflanzen verbesserten Mineralstoffhaushalts vitaler, ertragreicher und widerstandfähiger sind. The observation that the mineral balance through transmission and expression exogenous fer DNA sequences can be positively influenced, can be ideal for use the production of plants based on wild-type plants improved mineral balance are more vital, more productive and more resistant.
Grundvoraussetzung für die Erzeugung solcher Nutzpflanzen 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 Agrobacterium tumefaciens oder Agrobacterium rhizogenes als Transformationsmittel, die Fusion von Protoplasten, den direkten Gentransfer isolierter DNA in Protoplasten, die Injektion und Elektroporation von DNA in Pflanzenzellen, die Einbringung von DNA mittels biolistischer Methoden sowie weitere Möglichkeiten. Diese Transformationstechniken sind dem Fachmann bekannt oder sie können in Übersichtsartikeln bzw. entsprechenden Nachschlagewerken gefunden werden. The basic requirement for the production of such useful plants is the availability of more suitable ones Transformation systems. Here has been a broad one for the past two decades Developed and established a range of transformation methods. These techniques include transforming plant cells with T-DNA using Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes as a transformation agent, the fusion of Protoplasts, the direct gene transfer of isolated DNA into protoplasts, injection and Electroporation of DNA into plant cells, the introduction of DNA using biolistic Methods and other options. These transformation techniques are known to the person skilled in the art known or you can in overview articles or corresponding reference works being found.
Neben der Verwendung der hier erstmals offenbarten fer-DNA-Sequenzen kann der Fachmann weitere für FER-Proteine kodierende DNA-Sequenzen aus anderen Organismen als Tomate mittels herkömmlicher molekularbiologischer Techniken selbst auffinden und im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzen. So kann der Fachmann beispielsweise geeignete Hybridisierungssonden von den erfindungsgemäßen fer-Sequenzen ableiten und für das Screening von cDNA- und/oder genomischen Banken des jeweils gewünschten Organismus, also z. B. Kartoffel oder Getreide, aus dem ein neues fer-Gen isoliert werden soll, einsetzen. Hierbei kann der Fachmann auf geläufige Hybridisierungs-, Klonierungs- und Sequenzierungsmethoden zurückgreifen, die in jedem bio- oder gentechnologischen Labor wohlbekannt und etabliert sind (siehe z. B. auch Sambrook et al. (1989) Molecular Cloning: Laboratory Manual, 2. Auflage, Cold Spring Harbour Laboratory Press, Cold Spring Harbour, New York). Der Fachmann kann natürlich auch anhand der erfindungsgemäßen Sequenzen geeignete Oligonukliotide-Primer für PCR-Amplifikation von fer-Sequenzen synthetisieren und einsetzen. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die gesamte, unten als SEQ ID NO: 1 bzw. SEQ ID No. 2 angegebene DNA-Sequenz als Hybridisierungssonde in herkömmlichen Hybridisierungstechniken einzusetzen. In addition to using the fer-DNA sequences disclosed here for the first time, the Specialist other DNA sequences coding for FER proteins from other organisms as a tomato using conventional molecular biological techniques and in the Use within the scope of the present invention. For example, the person skilled in the art can derive suitable hybridization probes from the fer sequences according to the invention and for the screening of cDNA and / or genomic banks of the desired one Organism, e.g. B. potato or cereals from which a new fer gene is to be isolated, deploy. Here, the person skilled in the art can familiarize with hybridization, cloning and Sequencing methods fall back in any bio or genetic engineering laboratory are well known and established (see also e.g. Sambrook et al. (1989) Molecular Cloning: Laboratory Manual, 2nd edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York). The person skilled in the art can of course also use the sequences according to the invention synthesize suitable oligonucliotide primers for PCR amplification of fer sequences and deploy. Of course, there is also the option of the whole, below as SEQ ID NO: 1 or SEQ ID No. 2 indicated DNA sequence as hybridization probe in use conventional hybridization techniques.
Im allgemeinen kann der Fachmann durch Vergleich der fer-Gensequenz oder FER- Aminosäuresequenz mit Sequenzen aus verschiedenen Sequenzdatenbanken (genomische Sequenzen, BAC-Sequenzen, EST-Sequenzen, cDNA-Sequenzen) verschiedener Organismen (z. B. aus diversen Genomprojekten) Gene mit hoher Ähnlichkeit zu fer identifizieren. Diese Gene können dann mit herkömmlichen Methoden der PCR und Genklonierung bearbeitet werden. Um fer-ähnliche Gene aus Organismen zu identifizieren, die sich nicht in Datenbanken befinden, können aus der fer-Sequenz Oligonukleotide zur PCR oder RT-PCR abgeleitet werden. Zum Design solcher Oligonukleotide eignen sich beispielsweise Regionen, die zwischen dem fer-Gen aus Tomate und dem zu diesem Gen ähnlichen Gen in Arabidopsis weitestgehend identisch sind (siehe Fig. 3). In general, the person skilled in the art can compare genes with a high level by comparing the fer gene sequence or FER amino acid sequence with sequences from different sequence databases (genomic sequences, BAC sequences, EST sequences, cDNA sequences) from different organisms (e.g. from various genome projects) Identify similarity. These genes can then be processed using conventional methods of PCR and gene cloning. In order to identify fer-like genes from organisms that are not in databases, oligonucleotides for PCR or RT-PCR can be derived from the fer sequence. Regions that are largely identical between the tomato fer gene and the gene similar to this gene in Arabidopsis are suitable for the design of such oligonucleotides (see FIG. 3).
In den erfindungsgemäßen rekombinanten Nukleinsäuremolekülen, die eine für ein FER- Protein kodierende DNA-Sequenz enthalten, kann die kodierende Nukleinsäuresequenz wie im nativen Gen, also in 5'-3'-Richtung in operativer Verknüpfung mit einem in Pflanzen aktiven Promotors vorliegen. Auf diese Weise kann eine Überexpression der kodierenden Sequenz in den transgenen Pflanzen erreicht werden, und somit eine Erhöhung der FER- Aktivität. Eine erhöhte Aktivität kann auch mit Teilsequenzen der gesamten cDNA erreicht werden, wenn die Teilfragmente die notwendigen Eigenschaften zur Regulation aufweisen. In the recombinant nucleic acid molecules according to the invention, which are used for an FER Containing protein coding DNA sequence, the coding nucleic acid sequence can be like in the native gene, i.e. in the 5'-3 'direction in operative association with one in plants active promoter. In this way, an overexpression of the coding Sequence can be achieved in the transgenic plants, and thus an increase in FER Activity. Increased activity can also be achieved with partial sequences of the entire cDNA if the partial fragments have the necessary properties for regulation.
Auf der anderen Seite kann auch eine Downregulierung der endogenen FER-Aktivität erstrebenswert sein, z. B. kann es nützlich sein, in bestimmten Zellen die Mineralstoffaufnahme und den Mineralstofftransport auszuschalten, um diese Vorgänge an einer anderen geeigneten Stelle besser kontrollieren zu können. Dazu müsste man die fer-Aktivität in den Zellen ausschalten, wo sie unerwünscht ist, z. B. durch den antisense-Ansatz, das Phänomen der Co-Suppression oder Doppelhybrid-RNA-Bildung. In sämtlichen Fällen muß nicht zwingend die gesamte natürlicherweise für ein FER-Protein kodierende Nukleinsäuresequenz übertragen und transkribiert werden, es können vielmehr auch Fragmente der kodierenden Region ausreichen, soweit diese Fragmente die Erzielung der gewünschten Effekte, d. h. Co- Suppression einerseits bzw. Antisense-Inhibierung andererseits gewährleisten. Der Fachmann kann z. B. geeignete Deletionskonstrukte herstellen und durch Übertragung auf transgene Pflanzenzellen prüfen, ob ein bestimmtes Fragment der kodierenden Region den erfindungsgemäßen Effekt, nämlich die Inhibierung der endogenen FER-Aktivität hat oder nicht. Wie im Rahmen dieser Anmeldung verwendet, schließt die Formulierung "DNA-Sequenz, die für ein FER-Protein kodiert" somit auch solche DNA-Sequenzen und Fragmente ein, die zwar nicht für ein aktives Protein kodieren, deren Anwesenheit und Transkription in Sense- oder Antisense-Orientierung aber eine Co-Suppression respektive Antisense-Inhibierung in transgenen Pflanzenzellen bewirkt. Man kann solche Fragmente im Zusammenhang mit der Erfindung auch als "Antisense- oder Suppressions-aktive" FER-DNA-Fragmente bezeichnen. Auch der vollständige genomische Klon eines FER-Proteins oder Teile davon können übertragen werden, um die gewünschte Inhibierung des endogenen FER zu erreichen. On the other hand, downregulation of endogenous FER activity can also occur be desirable, e.g. For example, it can be useful in certain cells Switch off mineral intake and mineral transport to do this on another to be able to control the appropriate place better. To do this you would have to have the fer activity in the Switch off cells where it is undesirable, e.g. B. by the antisense approach, the phenomenon co-suppression or double hybrid RNA formation. In all cases it is not necessary imperatively the entire nucleic acid sequence coding naturally for an FER protein can be transmitted and transcribed, but rather fragments of the coding Region are sufficient, insofar as these fragments achieve the desired effects, i. H. co- Ensure suppression on the one hand or antisense inhibition on the other. The expert can e.g. B. produce suitable deletion constructs and by transfer to transgenic Plant cells check whether a certain fragment of the coding region effect according to the invention, namely the inhibition of endogenous FER activity or not. Like in Used within the scope of this application includes the phrase "DNA sequence for FER protein "encodes" DNA sequences and fragments that are not code for an active protein, its presence and transcription in sense or Antisense orientation but a co-suppression or antisense inhibition in transgenic plant cells. One can see such fragments related to the Also refer to the invention as "antisense or suppression active" FER DNA fragments. The complete genomic clone of an FER protein or parts thereof can also are transferred to achieve the desired inhibition of endogenous FER.
In jedem Fall ist der Begriff "antisense" dahingehend zu verstehen, daß die für ein FER- Protein kodierende Sequenz bzw. ein "antisense-aktives" Fragment davon in antisense- Orientierung, also "verkehrt" herum in 3' → 5'-Richtung, in operativer Verknüpfung mit einer in Pflanzenzellen aktiven Promotorregion vorliegt und transkribiert wird. Die RNA, die bei der Transkription eines derartigen Antisense-Gens entsteht, ist komplementär zur RNA des endogenen Gens und kann die Synthese des FER-Proteinprodukts verhindern, indem es zur Hybridisierung zwischen der nativen und der Antisense-RNA kommt. In any case, the term "antisense" is to be understood to mean that the for an FER Protein coding sequence or an "antisense-active" fragment thereof in antisense Orientation, ie "upside down" in 3 '→ 5' direction, in operative connection with a there is an active promoter region in plant cells and is transcribed. The RNA that the transcription of such an antisense gene is complementary to the RNA of the endogenous gene and can prevent the synthesis of the FER protein product by Hybridization comes between the native and the antisense RNA.
Im Falle des alternativ einsetzbaren Co-Suppressionskonstrukts liegt die für ein FER-Protein kodierende Sequenz bzw. ein "Co-Suppressions-aktives" Fragment davon in sense- Orientierung (also in 5' → 3'-Richtung) in operativer Verknüpfung mit einer in Pflanzenzellen aktiven Promotorregion vor. Bei dem Phänomen der Co-Suppression wird das endogene Gen durch zusätzlich eingeführte, identische (Teil)Kopien dieses Gens inaktiviert. Diese Inaktivierung ist vermutlich auf einen RNA-abhängigen Mechanismus zurückzuführen, an dem die RNA-dirigierte RNA-Polymerase beteiligt ist. In the case of the alternatively usable co-suppression construct, this is for an FER protein coding sequence or a "co-suppression active" fragment thereof in sense Orientation (i.e. in 5 '→ 3' direction) in operative connection with one in plant cells active promoter region. With the phenomenon of co-suppression, the endogenous gene inactivated by additionally introduced, identical (partial) copies of this gene. This Inactivation is probably due to an RNA-dependent mechanism which is involved in RNA-directed RNA polymerase.
Im Falle der Doppelhybrid-RNA liegt die für ein FER-Protein kodierende Sequenz sowohl in sense (5' → 3') - als auch antisense (3' → 5') - Orientierung direkt oder durch ein Intron oder andere Sequenz operativ verknüpft vor. In the case of double hybrid RNA, the sequence coding for an FER protein is both in sense (5 '→ 3') - as well as antisense (3 '→ 5') - orientation directly or through an intron or other sequence operatively linked.
Weiter bedarf es zur Ausführung der erfindungsgemäßen Verfahren lediglich geeigneter regulatorischer Sequenzen, die die Transkription einer operativ verknüpften fer-DNA- Sequenz in der transformierten Pflanze bzw. Pflanzenzelle steuern. Auch hier kann der Fachmann geeignete Sequenzen problemlos dem Stand der Technik entnehmen oder selbst besonders geeignete Promotorsequenzen isolieren. Für diverse Pflanzen geeignete Promotoren lassen sich der Literatur entnehmen. Außerdem können neue Promotoren mittels aktueller Genomprojekte identifiziert werden. Z. B. können transgene Pflanzenlinien nach neuen Promotoraktivitäten gescreent werden, welche promotorlose GUS-Konstrukte integriert haben (Springer (2000) plant Cell 12: 1007-1020). Explosionsanalysen von zahlreichen oder der Gesamtheit aller EST-Sequenzen (RNA-Profiling, Affymetrix) können Rückschlüsse auf geeignete Promotoren zulassen. Dadurch können Promotoren identifiziert werden, die organspezifisch (z. B. Wurzel, Samen, Blüten, Blatt etc.), gewebespezifisch (z. B. Gleitgefäße, Cortex, Epidermis) entwicklungsspezifisch oder auch induzierbar sind. Furthermore, all that is required to carry out the method according to the invention is more suitable regulatory sequences that require the transcription of an operably linked fer DNA Control the sequence in the transformed plant or plant cell. Here too Sequences suitable for a person skilled in the art can be taken from the prior art without any problems or by yourself isolate particularly suitable promoter sequences. Suitable for various plants Promoters can be found in the literature. In addition, new promoters can be created using current genome projects can be identified. For example, transgenic plant lines can follow new promoter activities are screened, which integrates promoterless GUS constructs (Springer (2000) plans Cell 12: 1007-1020). Explosion analysis of numerous or the entirety of all EST sequences (RNA profiling, Affymetrix) can draw conclusions allow suitable promoters. This allows promoters to be identified that organ-specific (e.g. root, seeds, flowers, leaf etc.), tissue-specific (e.g. Sliding vessels, cortex, epidermis) are development-specific or inducible.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform steht die für das FER-Protein kodierende DNA-Sequenz unter der Kontrolle des 35S-Promotors. In a particularly preferred embodiment, the coding for the FER protein DNA sequence under the control of the 35S promoter.
Obwohl eine gewebespezifische Expression bevorzugt wird, kommt für die Expression des erfindungsgemäßen DNA-Sequenz in pflanzlichen Zellen jede Art von regulatorischer Sequenzen in Frage, die die Transkription in pflanzlichen Zellen gewährleisten. Hier ist jeder in pflanzlichen Zellen aktive Promotor eingeschlossen. Dabei kann der Promotor so gewählt sein, daß die Expression konstitutiv erfolgt oder nur in spezifischem Geweben zu einem bestimmten Zeitpunkt der Pflanzenentwicklung und/oder zu einem durch äußere Einflüsse, biotische oder abiotische Stimuli bestimmten Zeitpunkt (induzierte Genexpression). In bezug auf die zu transformierende Pflanze kann der Promotor homolog oder heterolog sein. Bei Verwendung eines konstitutiven Promotors kann eine zell- bzw. gewebespezifische Expression auch dadurch erreicht werden, daß die Genexpression in den Zellen bzw. Geweben, in denen sie nicht erwünscht ist, gehemmt wird, beispielsweise durch Ausprägung von Antikörpern, die das Genprodukt binden und somit seine Aktivität unterbinden, oder durch geeignete Inhibitoren. Although tissue-specific expression is preferred, the expression of DNA sequence according to the invention in plant cells of any kind of regulatory Sequences in question that ensure transcription in plant cells. Everyone is here active promoter included in plant cells. The promoter can be chosen in this way be that the expression is constitutive or only in specific tissues to one certain point in time of plant development and / or at a time due to external influences, biotic or abiotic stimuli specific point in time (induced gene expression). In relation the promoter can be homologous or heterologous to the plant to be transformed. at Use of a constitutive promoter can be a cell or tissue specific Expression can also be achieved in that the gene expression in the cells or Tissues in which it is not desired is inhibited, for example by expression of antibodies which bind the gene product and thus inhibit its activity, or with suitable inhibitors.
Konstitutive oder gewebe- bzw. entwicklungsspezifische oder induzierbare Gene bzw. Promotoren kann der Fachmann dem Stand der Technik, insbesondere den einschlägigen wissenschaftlichen Journalen und Datenbanken entnehmen. Darüber hinaus ist der Durchschnittsfachmann in der Lage, mittels Routinemethoden weitere geeignete Promotoren zu isolieren. So kann der Fachmann mit Hilfe gängiger molekularbiologischer Methoden regulatorische Nukleinsäureelemente identifizieren, wobei hier als Methoden beispielhaft zu nennen sind für die Identifizierung von Genen mit interessanten Promotoren transgene Pflanzenlinien mit Reporter-Gen-Konstrukten (siehe oben), RNA-Profiling, Affymetrix, in der Literatur beschriebene Gene bzw. Promotoren, subtraktives Screening von Banken nach spezifisch exprimierten cDNA, und für die Klonierung der Promotoren. Die Klonierung über PCR-Produkte, Genom-Walking, die Isolierung von genomischen Klonen, Cosmiden, BACs, Lambda, inverse PCR o. ä. zum Erhalt von Insertionspunkten bei transgenen Linien, Klonierung: Hybridisierung mit Sonden. Constitutive or tissue- or development-specific or inducible genes or The skilled person can promote the prior art, in particular the relevant ones take scientific journals and databases. In addition, the One of ordinary skill in the art is able to use routine methods to find other suitable promoters isolate. So the expert can with the help of common molecular biological methods Identify regulatory nucleic acid elements, using examples here as methods names are transgenic for the identification of genes with interesting promoters Plant lines with reporter gene constructs (see above), RNA profiling, Affymetrix, in genes or promoters described in the literature, subtractive screening of banks specifically expressed cDNA, and for cloning the promoters. The cloning over PCR products, genome walking, isolation of genomic clones, cosmids, BACs, Lambda, inverse PCR or the like to obtain insertion points for transgenic lines, Cloning: hybridization with probes.
Ferner sind optional Transkriptions- bzw. Terminationssequenzen vorhanden, die der korrekten Beendigung der Transkription dienen, sowie der Addition eines PolyA-Tails an das Transkript dienen können, dem eine Funktion bei der Stabilisierung der Transkripte beigemessen wird. Derartige Elemente sind in der Literatur beschrieben und beliebig austauschbar. Furthermore, there are optional transcription or termination sequences that the serve correct completion of the transcription, and the addition of a PolyA tail to the The transcript can serve a function in stabilizing the transcripts is attributed. Such elements are described in the literature and are arbitrary interchangeable.
Schließlich erfolgt die Herstellung chimärer Genkonstrukte, in denen fer-kodierende DNA-
Sequenzen unter Kontrolle von regulatorischen Sequenzen stehen, die eine Expression in
Pflanzenzellen gewährleisten, mittels konventioneller Klonierungsmethoden (siehe
beispielsweise Sambrook et al. (1989), supra). Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein
rekombinantes Nukleinsäuremolekül, umfassend:
- a) regulatorische Sequenzen eines in Pflanzengeweben, insbesondere in Wurzeln, aktiven Promotors;
- b) operativ daran gebunden eine DNA-Sequenz, die für ein FER-Protein kodiert; und
- c) ggf. operativ daran gebunden regulatorische Sequenzen, die als Transkriptions-, Terminations- und/oder Polyadenylierungssignale in Pflanzenzellen dienen können.
- a) regulatory sequences of a promoter active in plant tissues, in particular in roots;
- b) operatively linked to a DNA sequence encoding an FER protein; and
- c) if necessary, operatively linked regulatory sequences which can serve as transcription, termination and / or polyadenylation signals in plant cells.
Die DNA-Sequenz, die ein FER-Protein kodiert, kann aus natürlichen Quellen isoliert oder nach bekannten Verfahren synthetisiert werden. Vorzugsweise stammt die erfindungsgemäße DNA-Sequenz aus Lycopersicon esculentum. The DNA sequence encoding an FER protein can be isolated from natural sources or can be synthesized by known methods. The invention preferably comes from DNA sequence from Lycopersicon esculentum.
Mittels gängiger molekularbiologischer Techniken (siehe beispielsweise Sambrook et al. (1989) supra), ist es möglich, gewünschte Konstrukte für die Transformation von Pflanzen vorzubereiten bzw. herzustellen. Die für die gentechnologische Manipulation in prokaryontischen Zellen üblicherweise eingesetzten Klonierungs-, Mutagenisierungs-, Sequenzanalyse-, Restriktionsanalyse- und weitere biochemisch-molekularbiologische Methoden sind dem Durchschnittsfachmann wohl bekannt. So können nicht nur geeignete chimäre Genkonstrukte mit der gewünschten Fusion von Promotor und fer-DNA-Sequenz hergestellt werden, vielmehr kann der Fachmann mittels Routinetechniken, falls erwünscht, verschiedenartige Mutationen oder Deletionen in die FER kodierende DNA-Sequenz einführen. Using common molecular biological techniques (see for example Sambrook et al. (1989) supra), it is possible to construct desired constructs for the transformation of plants prepare or manufacture. The for genetic engineering manipulation in prokaryotic cells usually used cloning, mutagenizing, Sequence analysis, restriction analysis and other biochemical-molecular biological Methods are well known to those of ordinary skill in the art. So not only can suitable ones chimeric gene constructs with the desired fusion of promoter and fer DNA sequence rather, the skilled artisan can use routine techniques, if desired, different types of mutations or deletions in the FER coding DNA sequence introduce.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die DNA-Sequenz, die ein aktives FER-Protein
kodiert, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus:
- a) DNA-Sequenzen, die die in SEQ ID No. 1 oder SEQ ID No. 2 angegebene kodierende Nukleotidsequenz oder Teile davon umfassen;
- b) DNA-Sequenzen, die eine Nukleotidsequenz umfassen, die die in SEQ ID No. 2 angegebene Aminosäuresequenz oder Fragmente davon kodieren;
- c) DNA-Sequenzen, die eine Nukleotidsequenz umfassen, die zu einer Nukleotidsequenz von a) oder b) degeneriert ist, oder Teile dieser Nukleotidsequenz umfassen;
- d) DNA-Sequenzen, die zu der in SEQ ID No. 1 bzw. SEQ ID No. 2 angegebenen Nukleotidsequenz eine Sequenzidentität von mindestens 60%, vorzugsweise mindestens 80%, besonders bevorzugt mindestens 90% und am meisten bevorzugt . mindestens 92, 94, 96, 98% aufweist;
- e) DNA-Sequenzen, die ein Derivat, Analog oder Fragment einer Nukleotidsequenz von a), b), c) oder d) darstellen.
- a) DNA sequences that the in SEQ ID No. 1 or SEQ ID No. 2 comprise specified coding nucleotide sequence or parts thereof;
- b) DNA sequences which comprise a nucleotide sequence which the in SEQ ID No. 2 encode specified amino acid sequence or fragments thereof;
- c) DNA sequences which comprise a nucleotide sequence which is degenerate to a nucleotide sequence of a) or b), or comprise parts of this nucleotide sequence;
- d) DNA sequences which correspond to the sequence shown in SEQ ID No. 1 or SEQ ID No. 2 indicated nucleotide sequence a sequence identity of at least 60%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90% and most preferred. has at least 92, 94, 96, 98%;
- e) DNA sequences which represent a derivative, analog or fragment of a nucleotide sequence of a), b), c) or d).
Die erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen umfassen auch Fragmente, Derivate und allelische Varianten der oben beschriebenen DNA-Sequenzen, die ein FER-Protein kodieren. Der Ausdruck "Derivat" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Sequenzen sich von den oben beschriebenen DNA-Sequenzen an einer oder mehreren Positionen unterscheiden, aber einen hohen Grad an Ähnlichkeit zu diesen Sequenzen aufweisen. Die Abweichungen zu den oben beschriebenen DNA-Sequenzen können dabei beispielsweise durch Deletion, Substitution, Insertion oder Rekombination entstanden sein. Ähnlichkeit bzw. Homologie bedeutet dabei eine Sequenzidentität von mindestens 45%, 50%, 55%, insbesondere eine Identität von mindestens 60%, vorzugsweise eine Identität von mindestens 70%, 80%, besonders bevorzugt von mindestens 90%, 92%, 94% und am meisten bevorzugt von mindestens 96% und mindestens 98%. Dabei weisen die durch diese DNA-Sequenzen kodierenden Proteine eine Sequenzidentität zu der in SEQ ID No. 2 bzw. 3 angegebenen Aminosäuresequenz von mindestens 45%, 50%, 55%, insbesondere eine Identität von mindestens 60%, vorzugsweise eine Identität von mindestens 70%, 80%, besonders bevorzugt von mindestens 90%, 92%, 94% und am meistens bevorzugt von mindestens 96%, 98% auf. The DNA sequences according to the invention also include fragments, derivatives and allelic Variants of the DNA sequences described above, which encode an FER protein. The The term "derivative" in this context means that the sequences differ from the DNA sequences described above differ at one or more positions, however have a high degree of similarity to these sequences. The deviations from the DNA sequences described above can, for example, by deletion, Substitution, insertion or recombination have arisen. Similarity or homology means a sequence identity of at least 45%, 50%, 55%, in particular one Identity of at least 60%, preferably an identity of at least 70%, 80%, particularly preferred of at least 90%, 92%, 94% and most preferred of at least 96% and at least 98%. The DNA sequences show through these coding proteins a sequence identity to that in SEQ ID No. 2 or 3 specified Amino acid sequence of at least 45%, 50%, 55%, in particular an identity of at least 60%, preferably an identity of at least 70%, 80%, particularly preferred of at least 90%, 92%, 94% and most preferably at least 96%, 98%.
Bei den DNA-Sequenzen, die ähnlich zu den oben beschriebenen Sequenzen sind und Derivate dieser Sequenzen darstellen, handelt es sich in der Regel um Variationen dieser Sequenzen, die Modifikationen darstellen, die dieselbe biologische Funktion ausüben. Es kann sich dabei sowohl um natürlicherweise auftretende Variationen handeln, beispielsweise um Sequenzen aus anderen Organismen, oder um Mutationen, wobei diese Mutationen auf natürliche Weise aufgetreten sein können oder durch gezielte Mutagenese eingeführt wurden. For the DNA sequences that are similar to the sequences described above and Represent derivatives of these sequences, there are usually variations of these Sequences that represent modifications that perform the same biological function. It can be both naturally occurring variations, for example to sequences from other organisms, or to mutations, these mutations being based on may have occurred naturally or have been introduced by targeted mutagenesis.
Ferner kann es sich bei den Variationen um synthetisch hergestellte Sequenzen handeln. Bei den allelischen Varianten kann es sich sowohl um natürlich auftretende Varianten handeln als auch um synthetisch hergestellte oder durch rekombinante DNA-Techniken erzeugte Varianten. Furthermore, the variations can be synthetically produced sequences. at the allelic variants can be both naturally occurring variants as also synthetically produced or produced by recombinant DNA techniques Variants.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform stammt die beschriebene, für eine FER- Protein kodierende DNA-Sequenz aus Lycopersicon esculentum (wie in SEQ ID No. 1 bzw. SEQ ID No. 2 angegeben). In a particularly preferred embodiment, the described one for an FER Protein-coding DNA sequence from Lycopersicon esculentum (as in SEQ ID No. 1 or SEQ ID No. 2 specified).
Die Erfindung betrifft weiterhin Vektoren und Mikroorganismen, die erfindungsgemäße Nukleinsäuremoleküle enthalten und deren Verwendung die Herstellung von Pflanzenzellen und Pflanzen ermöglicht, deren Mineralstoffhaushalt, insbesondere deren Eisenaufnahme gegenüber Wildtyp-Pflanzenzellen bzw. -Pflanzen verändert ist. Dabei handelt es sich bei den Vektoren insbesondere um Plasmide, Cosmide, Viren, Bakteriophagen und andere in der Gentechnik gängige Vektoren. Bei den Mikroorganismen handelt es sich in erster Linie um Bakterien, Viren, Pilze, Hefen und Algen. The invention further relates to vectors and microorganisms, the invention Contain nucleic acid molecules and their use in the production of plant cells and plants, their mineral balance, especially their iron intake compared to wild-type plant cells or plants. These are the Vectors especially around plasmids, cosmids, viruses, bacteriophages and others in the Genetic engineering common vectors. The microorganisms are primarily Bacteria, viruses, fungi, yeast and algae.
Des weiteren wird bei der vorliegenden Erfindung ein rekombinantes FER-Protein Lycopersicon esculentum, insbesondere ein rekombinantes Protein mit der in SEQ ID No. 2 und No. 3 angegebenen Aminosäuresequenz bereitgestellt. Furthermore, in the present invention, a recombinant FER protein Lycopersicon esculentum, in particular a recombinant protein with the in SEQ ID No. 2 and No. 3 amino acid sequence provided.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Pflanzen bzw. Pflanzenzellen
mit einem gegenüber Wildtyp-Pflanzen bzw. -Pflanzenzellen veränderte
Mineralstoffhaushalt, insbesondere veränderte Eisenaufnahme, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Herstellung eines rekombinanten Nukleinsäuremoleküls, das folgende Sequenzen
umfasst:
- - regulatorische Sequenzen eines in Pflanzen aktiven Promotors;
- - operativ daran gebunden eine DNA-Sequenz, die ein FER-Protein kodiert; und
- - optional operativ daran gebunden regulatorische Sequenzen, die als Transkriptions-, Terminations- und/oder Polyadenylierungssignale in Pflanzenzellen dienen können;
- b) Übertragung des Nukleinsäuremoleküls aus a) auf pflanzliche Zellen; und
- c) gegebenenfalls die Regeneration intakter Pflanzen aus den transformierten Pflanzenzellen.
- a) Production of a recombinant nucleic acid molecule which comprises the following sequences:
- - regulatory sequences of a promoter active in plants;
- operatively linked to a DNA sequence encoding an FER protein; and
- optionally operatively linked to it regulatory 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; and
- c) optionally the regeneration of intact plants from the transformed plant cells.
Die Erfindung betrifft ferner Pflanzenzellen, die die erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküle, die ein FER-Protein kodieren, enthalten. Die Erfindung betrifft ebenfalls Ernteprodukte und Vermehrungsmaterial transgener Pflanzen sowie die transgenen Pflanzen selbst, die ein erfindungsgemäßes Nukleinsäuremolekül enthalten. Transgene Pflanzen der vorliegenden Erfindung weisen aufgrund der Einführung einer FER-kodierenden DNA- Sequenz eine gegenüber Wildtyppflanzen veränderte Eisenaufnahme auf. The invention further relates to plant cells that the invention Nucleic acid molecules that encode an FER protein. The invention also relates Harvest products and propagation material of transgenic plants as well as the transgenic plants themselves, which contain a nucleic acid molecule according to the invention. Transgenic plants of the present invention have due to the introduction of an FER-coding DNA Sequence of an iron uptake changed compared to wild type plants.
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. coli- Zellen verwendet. Transformierte E. coli-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. Prepare for the introduction of foreign genes into higher plants or their cells a large number of cloning vectors are available that provide a replication signal for E. coli and a marker gene for the selection of transformed bacterial cells. Examples for such vectors are pBR322, pUC series, M13mp series, pACYC184 etc. The The desired sequence can be inserted into the vector at a suitable restriction site be introduced. The plasmid obtained is then used for the transformation of E. coli Cells used. Transformed E. coli cells are in a suitable medium grown and then harvested and lysed, and the plasmid is recovered. As Analysis method for the characterization of the plasmid DNA obtained are in general restriction analyzes, gel electrophoresis and other biochemical-molecular biological Methods used. After each manipulation, the plasmid DNA can be cleaved and DNA fragments obtained are linked to other DNA sequences.
Wie bereits erwähnt, stehen für die Einführung von DNA in eine pflanzliche Wirtszelle 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 biolistischer Methoden sowie weitere Möglichkeiten, die bereits seit mehreren Jahren gut etabliert sind und zum üblichen Repertoire des Fachmanns in der pflanzlichen Molekularbiologie bzw. Pflanzenbiotechnologie gehören. As already mentioned, DNA is introduced into a plant host cell A variety of techniques are available, with the skilled person choosing the most appropriate method can easily determine. These techniques include transformation plant cells with T-DNA using Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes as a transformation medium, the fusion of protoplasts that Injection, electroporation, direct gene transfer of isolated DNA into protoplasts Introduction of DNA using biolistic methods as well as other possibilities have been well established for several years and are part of the usual repertoire of the specialist in belong to 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. In the injection and electroporation of DNA into plant cells, none per se made special demands on the plasmids used. The same applies to the direct one Gene transfer. Simple plasmids such as e.g. B. pUC derivatives can be used. Should but whole plants are regenerated from such transformed cells Presence of a selectable marker gene is recommended. The experts are familiar Known selection marker, and it is not a problem for him, a suitable marker select.
Je nach Einführungsmethode der gewünschten 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 fer- Region. Intermediäre Vektoren können allerdings nicht in Agrobakterien replizieren. Mittels eines Helferplasmids kann der intermediäre Vektor auf Agrobacterium tumefaciens übertragen werden (Konjugation). Binäre Vektoren dagegen 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 enthalten, welches eine fer-Sequenz innerhalb der T-DNA trägt, welche in die Pflanzenzelle übertragen wird. Zusätzliche T-DNA kann vorhanden sein. Das derartig transformierte Agrobakterium wird zur Transformation von Pflanzenzellen verwendet. Die Verwendung von T-DNA für die Transformation von Pflanzenzellen ist intensiv untersucht und 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, 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. Depending on the method of introducing the desired genes into the plant cell, others can DNA sequences may be required. Are z. B. for the transformation of the plant cell Ti or Ri plasmid used, at least the right limit, but often the right and left delimitation of the T-DNA contained in the Ti and Ri plasmid as Flank area with the genes to be introduced. Be for transformation When using agrobacteria, the DNA to be introduced must be cloned into special plasmids either in an intermediate or in a binary vector. The intermediate vectors may be due to sequences homologous to sequences in the T-DNA are, by homologous recombination in the Ti or Ri plasmid of the agrobacteria to get integrated. This also contains the necessary for the transfer of the T-DNA Region. However, intermediate vectors cannot replicate in agrobacteria. through of a helper plasmid, the intermediate vector on Agrobacterium tumefaciens transferred (conjugation). Binary vectors, however, can be used in E. coli as well also replicate in agrobacteria. They contain a selection marker gene and a linker or polylinkers, which are framed by the right and left T-DNA border region. They can be transformed directly into the agrobacteria. That serving as the host cell Agrobacterium is said to contain a plasmid which has a fer sequence within the T-DNA carries, which is transferred into the plant cell. Additional T-DNA may be present. The agrobacterium transformed in this way becomes the transformation of plant cells used. The use of T-DNA for the transformation of plant cells is intensively examined and sufficient in well-known overview articles and manuals for plant transformation have been described. For the transfer of the DNA into the Plant cells can advantageously plant explants with Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes can be cultivated. From the infected Plant material (e.g. leaf pieces, stem segments, roots, but also protoplasts or Suspension-cultivated plant cells) can then in a suitable medium, which Antibiotics or biocides for the selection of transformed cells can contain whole Plants are regenerated.
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 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. Once the inserted DNA is integrated into the genome of the plant cell, it is there in the Usually stable and remains in the progeny of the originally transformed cell receive. It usually contains a selection marker, which is the transformed one Plant cells resistance to a biocide or an antibiotic such as kanamycin, G 418, Bleomycin, hygromycin, methotrexate, glyphosate, streptomycin, sulfonylurea, Gentamycin or Phosphinotricin u. a. taught. The individually selected marker should therefore be the Selection of transformed cells against cells that lack the inserted DNA, allow. Alternative markers are also suitable for this, such as nutritive markers, Screening markers (such as GFP, green fluorescent protein). Of course, it can also be completely open Selection markers are dispensed with, but with a rather high one Screening needs goes hand in hand. If marker-free transgenic plants are desired, please Experts also have strategies available for subsequent removal of the marker gene allow 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 molekularbiologischer Methoden, wie PCR, Blot-Analysen, auf Anwesenheit der eingeführten Nukleinsäure, die ein FER-Protein kodiert bzw. auf Anwesenheit des Genprodukts, also des FER-Proteins untersucht werden. The regeneration of the transgenic plants from transgenic plant cells takes place after usual regeneration methods using known nutrient media. The so Plants obtained can then be subjected to conventional procedures including molecular biological methods, such as PCR, blot analysis, for the presence of the introduced Nucleic acid encoding an FER protein or for the presence of the gene product, i.e. the FER protein to be examined.
Bei der transgenen Pflanze bzw. den transgenen Pflanzenzellen kann es sich um jede beliebige monokotyle oder dikotyle Pflanze bzw. Pflanzenzelle handeln, in der der Mineralstoffhaushalt, insbesonder die Eisenaufnahme verändert, vorzugsweise verbessert werden soll. Vorzugsweise handelt es sich um Nutzpflanzen bzw. Zellen von Nutzpflanzen. Besonders bevorzugt handelt es sich um Solanaceen wie Kartoffel, Tabak, Tomate, Paprika, aber auch andere dikotyle (z. B. Zuckerrübe) bzw. monokotyle Pflanzen (z. B. Reis, Mais, Weizen). Prinzipiell ist jede Nutzpflanze für die Umsetzung der Erfindung erstrebenswert, die für Ernährungszwecke unmittelbar oder mittelbar geeignet ist. The transgenic plant or the transgenic plant cells can be any act any monocot or dicot plant or plant cell in which the Mineral balance, especially the iron absorption changed, should preferably be improved. They are preferably useful plants or cells of useful plants. Especially it is preferably solanaceae such as potato, tobacco, tomato, paprika, but also other dicotyledons (e.g. sugar beet) or monocotyledonous plants (e.g. rice, corn, wheat). In principle, any crop is desirable for the implementation of the invention for Nutritional purposes directly or indirectly.
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 crop products of the plants according to the invention, for example fruits, seeds, tubers, rhizomes, seedlings, Cuttings etc.
Die spezifische Expression des FER-Proteins in den erfindungsgemäßen Pflanzen bzw. in den erfindungsgemäßen 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 FER-spezifischer RNA bzw. zur Bestimmung der Höhe der Akkumulation von FER-spezifischer RNA oder eine Southern-Blot-Analyse zum Nachweis von für FER kodierende DNA-Sequenzen. The specific expression of the FER protein in the plants according to the invention or in the Plant cells according to the invention can be prepared using conventional molecular biological and biochemical methods can be demonstrated and tracked. These are the expert Techniques known and he is easily able to find a suitable detection method choose, for example a Northern blot analysis for the detection of FER-specific RNA or to determine the amount of accumulation of FER-specific RNA or a Southern blot analysis for the detection of DNA sequences coding for FER.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Veränderung der Mineralstoffaufnahme,
insbesondere der Eisenaufnahme in Pflanzen, umfassend die folgenden Schritte:
- a) die Übertragung eines rekombinanten Nukleinsäuremoleküls oder Vektors, der eine DNA-Sequenz enthält, die für ein FER-Protein kodiert, auf Pflanzenzellen;
- b) die Regeneration von Pflanzen aus den transformierten Pflanzenzellen.
- a) the transfer of a recombinant nucleic acid molecule or vector, which contains a DNA sequence which codes for an FER protein, to plant cells;
- 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 keiner Weise als Einschränkung zu verstehen sind, erläutert. The present invention is illustrated in the following examples, which are only the Serve to illustrate the invention and are not to be understood in any way as a limitation are explained.
Die Tomatenlinie T3238fer, die aus der Bor-ineffizienten Tomatenlinie T3238 als Mutante stammt, ist nicht in der Lage, unter Eisenmangelbedingungen die für Strategie I Pflanzentypischen Eisenmangelstressreaktionen zu aktivieren (Brown et al. (1971) Physiol. Plant. 25: 48-53; Brown et al. (1974) Physiol. Plant. 31: 221-224). Die mutierten Pflanzen zeigen bei Eisenmangel weder erhöhte Reduktaseaktivität noch andere physiologische oder morphologische Veränderungen, die für die effiziente Aufnahme von Eisen bei Eisenmangel angeschaltet werden. Da die fer-Mutation zahlreiche Auswirkungen hat, agiert fer vermutlich zentral auf transkriptioneller Ebene. Bei Wachstum in Erde sterben fer-Pflanzen mit fer- Mutation noch während der vegetativen Phase ab. Pflanzen mit fer-Mutation können partiell oder vollständig gerettet werden, indem sie in Erde ständig mit Eisen in Form von Eisenhydroxyethylendiamintriessigsäure (Fe-HEDTA) gedüngt oder auf MS-Medium angezogen werden. Bei der fer-Mutante handelt es sich um eine rezessive Mutante, bei der ein einziges Gen betroffen ist, das auf Chromosom 6 der Tomate 0,33 cM von TG590 und 2,0 cM von TG118 entfernt kartiert wurde (Ling et al. (1996) Mol. Gen. Genet. 252: 87-92). The T3238fer tomato line, derived from the boron-inefficient T3238 tomato line as a mutant is not in a position to undertake the strategy I To activate plant-typical iron deficiency stress reactions (Brown et al. (1971) Physiol. Plant. 25: 48-53; Brown et al. (1974) Physiol. Plant. 31: 221-224). The mutated plants show Iron deficiency neither increased reductase activity nor other physiological or morphological changes necessary for the efficient absorption of iron in the case of iron deficiency be turned on. Since the fer mutation has numerous effects, fer probably acts centrally at the transcriptional level. When growing in soil, fer plants die with Mutation continues during the vegetative phase. Plants with fer mutation can be partial or be completely saved by being in the form of iron all the time in earth Iron hydroxyethylene diamine triacetic acid (Fe-HEDTA) fertilized or on MS medium get dressed by. The fer mutant is a recessive mutant in which a only gene affected is that on chromosome 6 of the tomato 0.33 cM from TG590 and 2.0 cM was mapped away from TG118 (Ling et al. (1996) Mol. Gen. Genet. 252: 87-92).
Zur Isolierung des fer-Gens wurde die Marker-gestützte Genklonierungstechnik eingesetzt (Chromosome Walk). Diese Technik wurde in der Tomate bereits mehrfach erfolgreich angewandt. Im Falle der Klonierung von fer erfolgte die Methode analog derjenigen von chloronerva, das vor zwei Jahren erfolgreich abgeschlossen wurde und in Ling et al. (PNAS Prod. Natl. Acad. Sci. USA (1999) 96: 7098-7103) mit allen Referenzen beschrieben ist. Die Techniken zum Arbeiten mit YAC, BAC und Cosmid Klonen sind Birren et al. (Green et al., Eds, Genome Analysis, A laboratory Manual, CSHL Press, USA, 1997) entnommen. The marker-assisted gene cloning technique was used to isolate the fer gene (Chromosome Walk). This technique has been successfully used in the tomato several times applied. In the case of the cloning of fer, the method was carried out analogously to that of chloronerva, which was successfully completed two years ago and in Ling et al. (PNAS Prod. Natl. Acad. Sci. USA (1999) 96: 7098-7103) with all references. The Techniques for working with YAC, BAC and Cosmid clones are Birren et al. (Green et al., Eds, Genome Analysis, A laboratory Manual, CSHL Press, USA, 1997).
Der Beginn der Genkartierung und des Chromosome Walking bei fer wurde in Ling et al. (1996) Mol. Gen. Gent. 252: 87-92) beschrieben. In dieser Publikation wurde die Kartierung von fer auf Chromosom 6 zwischen den beiden Markern TG590 und TG118 beschrieben. The beginning of gene mapping and chromosome walking in fer was described in Ling et al. (1996) Mol. Gen. Gent. 252: 87-92). In this publication the mapping described by fer on chromosome 6 between the two markers TG590 and TG118.
Für die Marker-gestützte Genklonierungstechnik wurde die in Ling et al. (1996) supra beschriebene Kartierungspopulation von 1244 F2-Pflanzen auf 1815 F2-Pflanzen der Kreuzung L. esculentum T3238fer x L. pennellii ausgeweitet. 6 rekombinante Pflanzen wurden zwischen TG590 und fer gefunden, sowie 35 rekombinante Pflanzen zwischen fer und TG118. Der in Ling et al. (1996) supra begonnene Chromosome Walk wurde fortgesetzt wie in Abb. 1 dargestellt. Zunächst wurden ausgehend von den in Ling et al. (1996) supra beschriebenem YAC-Ende 149AR zwei weitere YAC-Klone isoliert und deren Ende kartiert (267L und 328N1). Mit 267L und 328N1 gelang die Isolierung des YAC 337, der die gesamte fer Region umspannt und auf beiden Seiten des fer Gens nach je zwei Rekombinationsereignissen endet. Mit dem Ende Y337D konnten BAC Klone identifiziert werden, von denen zwei näher charakterisiert wurden. Die BAC-Klone wurden durch Filterhybridisierung identifiziert. Filter und BAC-Klone wurden von Research Genetics, Inc. USA bezogen. Das Ende von BAC 53M23 kosegrierte mit fer. Ausgehend von 53M23 und 337D wurde ein Kosmidkontig wie in Ling et al. (1999) supra beschrieben erstellt. Zwei BAC-Klone, BAC 56B23 und BAC 53M23 wurden mit Hilfe der Shot-Gun-Methode vollständig sequenziert. Dazu wurde die gescherte und in 1 kb fraktionierte BAC-DNA mittels des Zero Blunt TOPO PCR Cloning Kit, Invitrogen, kloniert und sequenziert. Mit Hilfe der Kosmidenden sowie entsprechenden Sequenzanalyseprogrammen wurde die Sequenz der fer- Region vollständig zusammengestellt. An verschiedenen Stellen der Sequenz wurden Sonden zum Kartieren abgeleitet, so dass das fer-Gen schliesslich auf einem Bereich von 18 kb lokalisiert werden konnte. Dieser 18 kb grosse Bereich enthält zwei offene Leserahmen, von denen einer für eine Transposase kodiert und als fer-Gen daher nicht in Frage kommt. Der zweite offene Leserahmen kodiert für ein 34 kD-Protein und ist das fer-Gen. For the marker-assisted gene cloning technique, the method described in Ling et al. (1996) supra described mapping population expanded from 1244 F2 plants to 1815 F2 plants of the crossbreed L. esculentum T3238fer x L. pennellii. 6 recombinant plants were found between TG590 and fer, and 35 recombinant plants between fer and TG118. The one described in Ling et al. (1996) supra started chromosome walk was continued as shown in Fig. 1. First, based on the in Ling et al. (1996) supra described YAC end 149AR isolated two further YAC clones and mapped their end (267L and 328N1). With 267L and 328N1, the YAC 337 was isolated, spanning the entire fer region and ending on both sides of the fer gene after two recombination events. With the end of Y337D, BAC clones were identified, two of which were characterized in more detail. The BAC clones were identified by filter hybridization. Filters and BAC clones were purchased from Research Genetics, Inc. USA. The end of BAC 53M23 co-existed with fer. Starting from 53M23 and 337D, a cosmid contour was developed as in Ling et al. (1999) described supra. Two BAC clones, BAC 56B23 and BAC 53M23, were fully sequenced using the shot gun method. For this purpose, the sheared and fractionated BAC-DNA in 1 kb was cloned and sequenced using the Zero Blunt TOPO PCR Cloning Kit, Invitrogen. With the help of the cosmids and corresponding sequence analysis programs, the sequence of the fer region was compiled completely. At various points in the sequence, mapping probes were derived so that the fer gene could finally be located in an area of 18 kb. This 18 kb area contains two open reading frames, one of which codes for a transposase and is therefore out of the question as a fer gene. The second open reading frame codes for a 34 kD protein and is the fer gene.
Das fer-Gen kosegregiert mit der fer-Mutation und weist einen RFLP-Polymorphismus zwischen der Mutantenlinie T3238fer und der Mutterline T3238FER auf. Während die Mutterlinie T3238FER in einer RFLP-Analyse ein EcoRV-Fragment von 4,8 kb aufweist, wie es sich auch aus der Sequenzanalyse ergibt, weist die mutante Linie T3238fer zwei Fragmente von 4,5 kb und 4,0 kb auf (siehe Fig. 2). Dieser Polymorphismus weist auf eine Insertion oder ein Rearrangement hin, welche die fer-Region in der Mutante betreffen. The fer gene co-regulates with the fer mutation and has an RFLP polymorphism between the mutant line T3238fer and the mother line T3238FER. While the mother line T3238FER has an EcoRV fragment of 4.8 kb in an RFLP analysis, as can also be seen from the sequence analysis, the mutant line T3238fer has two fragments of 4.5 kb and 4.0 kb (see FIG . 2). This polymorphism indicates an insertion or a rearrangement, which affect the fer region in the mutant.
Ein Vergleich der Sequenz des fer-Gens mit Sequenzen aus der Gendatenbank zeigte, daß das fer-Gen für ein Protein mit konservierter basischer Helix-Loop-Helix-DNA-Bindedomäne kodiert. Die höchste Sequenzähnlichkeit weist das fer-Gen mit einem Gen aus Arabidopsis thaliana auf, das auf Chromosom II lokalisiert ist (DNA-Accession No. AC005851 kodierende Sequenz von 72093 bis 73201 bp, Gen = At2g28160, hier im folgenden Atfer genannt, Protein-Accession No. AAC984501.1). Für das Arabidopsis-Gen wurde bisher keine Funktionsanalyse beschrieben. Es kann somit nicht gesagt werden, ob die Sequenzen zwischen fer und Atfer lediglich ähnlich sind oder ob die Gene tatsächlich homolog sind, d. h. die Funktionen homolog sind. A comparison of the sequence of the fer gene with sequences from the gene database showed that the fer gene for a protein with a conserved basic helix-loop-helix DNA binding domain coded. The fer gene shows the highest sequence similarity with a gene from Arabidopsis thaliana located on chromosome II (DNA Accession No. AC005851 coding sequence from 72093 to 73201 bp, gene = At2g28160, here in the following Atfer called protein accession no. AAC984501.1). So far, none has been found for the Arabidopsis gene Functional analysis described. It can therefore not be said whether the sequences are only similar between fer and atfer or whether the genes are actually homologous, d. H. the functions are homologous.
Außerhalb der konservierten Helix-Loop-Helix-Domäne bestehen zwischen fer und Atfer Sequenzähnlichkeiten im N-terminalen als auch C-terminalen Bereich, sowohl auf DNA- als auch auf Proteinebene (siehe Fig. 3a). Im Gegensatz dazu weisen andere Helix-Loop- Helixproteine keine Sequenzähnlichkeiten außerhalb des konservierten Motifs auf. Ein Vergleich von cDNA und genomischer Sequenz zeigt, daß das fer-Gen über drei Introns verfügt. Die Positionen der ersten beiden Introns sind in fer und Atfer konserviert (siehe Fig. 3b), was möglicherweise eine enge Verwandschaft von fer und Atfer bedeutet. Outside the conserved helix-loop-helix domain, there are sequence similarities between fer and atfer in the N-terminal and C-terminal region, both on the DNA and on the protein level (see FIG. 3a). In contrast, other helix-loop helix proteins have no sequence similarities outside of the conserved motif. A comparison of the cDNA and genomic sequence shows that the fer gene has three introns. The positions of the first two introns are conserved in fer and atfer (see Fig. 3b), which may mean that fer and atfer are closely related.
Northern-Blot-Analysen gesamter RNA von Wurzeln, Blättern und Stengel zeigen, daß das fer-Gen nur in Wurzelgeweben exprimiert wird (Fig. 4a). Mit Hilfe von reverser Transkription-PCR konten keine bzw. nur sehr geringe Mengen an Transkripten in Kotyledonen, Blättern oder Blüten nachgewiesen werden (siehe Fig. 4b). Die Expression des fer-Gens in der Wurzel ist abhängig von der Zugabe von dreiwertigem Eisen. In Hoagland- Lösung (Scholz et al. (1987) Bioch. Physiol. Plant. (1987) 63: 99-104) mit 100 µM Fe- HEDTA angezogene Pflanzen wiesen eine starke Expression von fer in Wurzeln auf (4a). Bei Wildtyp- und fer-Pflanzen, die bis zum Alter von drei Wochen in Hoagland-Lösung mit 10 µM Fe-NaEDTA, danach jedoch in Hoagland-Lösurg mit je 0,1 µM, 10 µM und 50 µM Fe-NaEDTA angzogen wurden, erfolgte die Expression des fer-Gens in den Wurzeln konstitutiv (Fig. 4b). Hingegen waren keine Transkripte durch Northern-Blot-Analyse in Wurzeln von Wildtyp-Pflanzen nachweisbar, die in Hoagland-Lösung mit 100 µM Fe- HEDTA angezogen wurden. Northern blot analyzes of total RNA from roots, leaves and stems show that the fer gene is only expressed in root tissues ( FIG. 4a). With the help of reverse transcription PCR, no or only very small amounts of transcripts could be detected in cotyledons, leaves or flowers (see FIG. 4b). The expression of the fer gene in the root depends on the addition of trivalent iron. Plants grown in Hoagland solution (Scholz et al. (1987) Bioch. Physiol. Plant. (1987) 63: 99-104) with 100 μM Fe-HEDTA showed a strong expression of fer in roots (4a). For wild-type and fer plants that were grown up to three weeks of age in Hoagland solution with 10 µM Fe-NaEDTA, but then in Hoagland-Lösurg with 0.1 µM, 10 µM and 50 µM Fe-NaEDTA respectively the expression of the fer gene was constitutive in the roots ( FIG. 4b). In contrast, no transcripts were detectable by Northern blot analysis in roots of wild-type plants which were grown in Hoagland solution with 100 μM Fe-HEDTA.
Eine Analyse der Expression von Transportergenen im Beispiel "Expressionsanalysen des fer- Gens" beschriebenen Wildtyp-fer-Pflanzen, die in Hoagland-Lösung mit je 0,1 µM, 10 µM und 50 µM Fe-NaEDTA angezogen wurden, ergab, daß nramp-Gene in den Wurzeln von fer- Pflanzen nicht exprimiert wurden. Im Gegensatz dazu werden diese nramp-Gene in Wildtyp- Wurzeln konstitutiv exprimiert. An analysis of the expression of transporter genes in the example "Expression Analysis of the Fer- Gens "described wild-type fer plants, each in Hoagland solution with 0.1 µM, 10 µM and 50 µM Fe-NaEDTA were grown, revealed that nramp genes in the roots of remote Plants were not expressed. In contrast, these nramp genes are used in wild-type Roots expressed constitutively.
FER reguliert nramp-Gene entweder direkt durch Bindung an nramp-Promotoren oder indirekt nach Anschalten einer Signalkaskade. FER ist somit ein direkter oder indirekter Regulator von nramp-Genen in der Wurzel. FER regulates nramp genes either directly by binding to nramp promoters or indirectly after switching on a signal cascade. FER is therefore a direct or indirect one Regulator of nramp genes in the root.
Die kodierende Sequenz des fer-Gens wurde hinter den 35S-Promotor in einen Pflanzentransformationsvektor (pBINAR, Höfgen et al. (1990) Plant Science 66: 221-230) kloniert und in mutante fer-Tomatenpflanzen überführt. Transformation und Regeneration von fer Pflanzen stellten in vitro kein Problem dar, weil der fer Phänotyp in vitro auf MS Medium gerettet wird. The coding sequence of the fer gene was inserted behind the 35S promoter Plant transformation vector (pBINAR, Höfgen et al. (1990) Plant Science 66: 221-230) cloned and transferred to mutant fer tomato plants. Transformation and regeneration of fer plants presented no problem in vitro because the fer phenotype in vitro on MS Medium is saved.
Bei Überführung in Erde wurde beobachtet, dass nicht-transgene Kontrollpflanzen schon bald Blattchlorosen und Nekrosen entwickelten, während die mit dem 35S-fer Konstrukt transformierten Pflanzen gerettet wurden. Das fer-Gen kann somit zur Behebung von Mineralstoffchlorosen eingesetzt werden. Die Transformation und Regeneration wurde nach üblichen Protokollen durchgeführt. When transferred to soil, it was observed that non-transgenic control plants soon Leaf chlorosis and necrosis developed, while those with the 35S-fer construct transformed plants were saved. The fer gene can thus be used to correct Mineral chloroses can be used. The transformation and regeneration was after usual protocols performed.
Fig. 1 erläutert die Marker-gestützte Isolierung des fer-Gens. Figure 1 illustrates the marker-assisted isolation of the fer gene.
(oben) Dargestellt ist die Abdeckung der fer-Region mit YAC- und BAC-Klonen. Kartierte Enden von genomischen BAC- und YAC-Klonen sind eingezeichnet sowie deren Abstand von fer-Gen anhand der Anzahl der Rekombinationsereignisse. (top) The coverage of the fer region with YAC and BAC clones is shown. mapped Ends of genomic BAC and YAC clones are shown and their spacing of fer gene based on the number of recombination events.
(mitte) Vergrößerte Ansicht der fer-Region mit eingezeichneten Kosmiden. (middle) Enlarged view of the fer region with the cosmids shown.
(unten) Darstellung von offenen Leserahmen der 18 kb fer-Region. (below) Representation of open reading frames in the 18 kb fer region.
Fig. 2 zeigt das Ergebnis einer Southern-Blot-Hybridisierung des fer-Gens in Tfer und schiedenen Wildtyplinien Fig. 2 shows the result of Southern blot hybridization of the fer gene in Tfer and different wild type lines
Genomische DNA von der Mutantenlinie T3238fer, den Wildtyplinien T3238FER, Moneymaker, LA483 und TA56 wurde mit dem Restriktionsenzym EcoRV geschnitten und in einer Southern-Blot-Analyse mit der fer cDNA als Sonde hybridisiert. Genomic DNA from the mutant line T3238fer, the wild type lines T3238FER, Moneymaker, LA483 and TA56 were cut with the restriction enzyme EcoRV and hybridized in a Southern blot analysis with the fer cDNA as a probe.
Fig. 3a zeigt den Vergleich der cDNA-Sequenzen aus Tomate und Arabidopsis thaliana. Fig. 3a shows the comparison of cDNA sequences from tomato and Arabidopsis thaliana.
Fig. 3b zeigt einen Vergleich der FER-Aminosäuresequenzen aus Tomate und Arabidopsis thaliana. FIG. 3b shows a comparison of amino acid sequences of FER from tomato and Arabidopsis thaliana.
Die kodierenden Sequenzen von Lefer (Le steht für Lycopersicon esculentum) und Atfer (At steht für Arabidopsis thaliana) beginnt mit dem ATG-Startkodon und endend mit dem TAA- Stopkodon wurden mit Hilfe des Clustal Programms des DNASTAR Inc. (Meg Align 4.0) - Sequenzanalysepakets verglichen. Identische Basenpositionen wurden schwarz unterlegt. Die Aminosäuresequenzen FER (Tomate) und ATFER wurden mit Hilfe des Clustal Programms verglichen. Identische Aminosäurepositionen sind schwarz unterlegt. The coding sequences of Lefer (Le stands for Lycopersicon esculentum) and Atfer (At stands for Arabidopsis thaliana) begins with the ATG start codon and ends with the TAA Stop codons were created using the DNASTAR Inc. Clustal Program (Meg Align 4.0) - Sequence analysis packages compared. Identical base positions have a black background. The Amino acid sequences FER (tomato) and ATFER were created using the Clustal program compared. Identical amino acid positions are highlighted in black.
Fig. 4 zeigt Expressionsanalysen des fer-Gens
- a) Northern-Blot-Analyse:
fer Transkripte wurden auf Gesamt RNA von Wurzeln, Blättern und Stengeln von Wildtyppflanzen (Mm, Moneymaker) und fer-Pflanezn (Tfer) in einer Northern-Blot-Analyse mit radioaktiv markierter fer cDNA nachgewiesen. Die Pflanzen wurden jeweils in Hoagland- Lösung mit 100 µM Fe-NaEDTA oder Fe-HEDTA angezogen. - b) Reverse Transkription-PCR-Analyse:
mRNA wurde revers mit oligodT-Primern in cDNA transkribiert. Mit spezifischen Oligonukleotidprimern wurden DNA-Fragmente von fer und als Positivkontrolle vom Elongationsfaktorgen ef-1αamplifiziert. Die PCR-Produkte wurden im Agarosegel aufgetrennt und durch Southern-Blot-Hybridisierung nachgewiesen. Für die Expressionsanalyse in verschiedenen Geweben wurde RNA von zwei Wochen alten Keimlingen isoliert (r = Wurzel, rt = Wurzelspitzen, hy = Hypokotyl, cot = Kotyledonen, 1 = erste Blatt). Zwei Wochen alte Pflanzen wurden in Hoagland-Lösung mit entweder 0,1, 10 oder 50 µM Fe- EDTA überführt. Wurzelproben zur RNA-Präparation wurden vor Beginn des Experiments (0) nach sechs Stunden (6 h), acht Stunden (8 H), zwei, vier und acht Tagen (2-8d) entnommen.
- a) Northern blot analysis:
Fer transcripts were detected on total RNA from roots, leaves and stems of wild-type plants (Mm, Moneymaker) and fer plants (Tfer) in a Northern blot analysis with radiolabelled fer cDNA. The plants were each grown in Hoagland solution with 100 µM Fe-NaEDTA or Fe-HEDTA. - b) Reverse transcription PCR analysis:
mRNA was reverse transcribed with oligodT primers in cDNA. DNA fragments of fer and as a positive control of the elongation factor gene ef-1α were amplified with specific oligonucleotide primers. The PCR products were separated in an agarose gel and detected by Southern blot hybridization. For expression analysis in different tissues, RNA was isolated from two-week-old seedlings (r = root, rt = root tips, hy = hypocotyl, cot = cotyledons, 1 = first leaf). Plants two weeks old were transferred to Hoagland solution with either 0.1, 10 or 50 µM Fe-EDTA. Root samples for RNA preparation were taken before the start of the experiment (0) after six hours (6 h), eight hours (8 H), two, four and eight days (2-8d).
Fig. 5 zeigt die Expression von nramp-Genen in Wildtyp- und fer-Pflanzen
Die reverse Transkription-PCR-Analyse wurde wie im Zusammenhang mit Fig. 4b
durchgeführt, jedoch mit nramp-spezifischen Oligonukleotiden.
SEQUENZPROTOKOLL
FIG. 5 shows the expression of nramp genes in wild-type and fer plants. The reverse transcription-PCR analysis was carried out as in connection with FIG. 4b, but with nramp-specific oligonucleotides. SEQUENCE LISTING
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