DE19853778C1 - DNA sequences encoding a glutamate / malate translocator, plasmid bacteria, yeast and plants containing this transporter - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft DNA-Sequenzen aus Sorghum bicolor (Hirse), Flaveria bidentis und Spinacia oleracea (Spinat), die die Kodierregion eines Glutamat/Malat-Translokators enthalten, deren Einführung in ein pflanzliches Genom die Bildung und Weiterleitung von Kohlenstoffgrundgerüsten für die Fixierung von Stickstoff und die Weiterleitung des assimilierten Stickstoffs in transgenen Pflanzen verändert, Plasmide, Hefen und Bakterien, enthaltend diese DNA-Sequenzen, sowie transgene Pflanzen, bei denen durch Einführung der DNA-Sequenzen Veränderungen der Aktivität des Glutamat/Malat-Translokators und somit Änderungen im Stickstoff- und Kohlenstoffstoffwechsel hervorgerufen werden. Weiterhin betrifft die Erfindung transgene Pflanzen, die durch die Veränderung der Aktivität des Glutamat/Malat-Translokators in ihrer Fähigkeit zur Photorespiration beeinflußt sind. Ebenso betrifft die Erfindung die Benutzung der beschriebenen Sequenzen des Glutamat/Malat-Translokators zur Identifizierung verwandter Translokatoren aus Pflanzen (Angiospermen, Gymnospermen und Algen) durch Hybridisierung mit niedriger Stringenz oder durch PCR-Techniken, sowie die Nutzung der Glutamat/Malat-Translokatoren als Ziel ("Target") für Herbizide.The present invention relates to DNA sequences from sorghum bicolor (millet), Flaveria bidentis and Spinacia oleracea (spinach), which contain the coding region of a glutamate / malate translocator, the introduction of which into a plant genome involves the formation and transmission of carbon frameworks for the fixation of Nitrogen and the forwarding of the assimilated nitrogen in transgenic plants changed, plasmids, yeasts and bacteria, containing these DNA sequences, as well as transgenic plants in which, by introducing the DNA sequences, changes in the activity of the glutamate / malate translocator and thus changes in nitrogen - and carbon metabolism are caused. Furthermore, the invention relates to transgenic plants which are affected by the change in the activity of the glutamate / malate translocator in their ability to photorespiration. The invention also relates to the use of the described sequences of the glutamate / malate translocator for identifying related translocators from plants (angiosperms, gymnosperms and algae) by hybridization with low stringency or by PCR techniques, and to the use of the glutamate / malate translocators as a target ("Target") for herbicides.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft DNA-Sequenzen aus Sorghum bicolor (Hirse), Flaveria bidentis und Spinacia oleracea (Spinat), die die Kodierregion eines Glutamat/Malat-Translokators enthalten, deren Einführung in ein pflanzliches Genom die Bildung und Weiterleitung von Kohlenstoffgrundgerüsten für die Fixierung von Stickstoff und die Weiterleitung des assimilierten Stickstoffs in transgenen Pflanzen verändert, Plasmide, Hefen und Bakterien enthaltend diese DNA-Sequenzen, sowie transgene Pflanzen, bei denen durch Einführung der DNA- Sequenzen Veränderungen der Aktivität des Glutamat/Malat-Translokators und somit Änderungen im Stickstoff- und Kohlenstoffstoffwechsel hervorgerufen werden. Weiterhin betrifft die Erfindung transgene Pflanzen, die durch die Veränderung der Aktivität des Glutamat/Malat-Translokators in ihrer Fähigkeit zur Photorespiration beeinflußt sind. Ebenso betrifft die Erfindung die Benutzung der beschriebenen Sequenzen des Glutamat/Malat-Translokators zur Identifizierung verwandter Translokatoren aus Pflanzen (Angiospermen, Gymnospermen und Algen) durch Hybridisierung mit niedriger Stringenz oder durch PCR-Techniken, sowie die Nutzung der Glutamat/Malat-Translokatoren als Ziel ("Target") für Herbizide.The present invention relates to DNA sequences from sorghum bicolor (millet), Flaveria bidentis and Spinacia oleracea (spinach), which are the coding region of a Contain glutamate / malate translocators, their introduction into a herbal Genome the formation and transfer of carbon skeletons for the Fixation of nitrogen and transfer of the assimilated nitrogen in transgenic plants altered, containing plasmids, yeasts and bacteria DNA sequences, as well as transgenic plants in which the introduction of DNA Sequences changes in the activity of the glutamate / malate translocator and thus causing changes in nitrogen and carbon metabolism become. The invention further relates to transgenic plants which are characterized by Change in the activity of the glutamate / malate translocator in its ability to Are affected by photorespiration. The invention also relates to the use of the described sequences of the glutamate / malate translocator for identification related translocators from plants (angiosperms, gymnosperms and Algae) by hybridization with low stringency or by PCR techniques, and the use of the glutamate / malate translocators as a target for Herbicides.
Nur Pflanzen, Bakterien und Hefen sind zur Überführung von anorganischem Stickstoff (Nitratstickstoff) in organisch gebundenen Stickstoff in großem Maßstab (in der Regel in Form von Aminosäuren) durch reduktive Aminierung von organischen Kohlenstoffverbindungen befähigt. Der Rest der belebten Welt, insbesondere Nutztiere und Menschen, ist auf Pflanzen als primäre Lieferanten organischer Stickstoffverbindungen angewiesen. Die Assimilation von anorganischem Stickstoff in Pflanzen durch Bindung an organischen Kohlenstoff hängt von der Verfügbarkeit von Stickstoff, Kohlenstoff-Grundgerüsten und Energie ab.Only plants, bacteria and yeast are used to transfer inorganic Nitrogen (nitrate nitrogen) in organically bound nitrogen on a large scale (in usually in the form of amino acids) by reductive amination of organic Capable of carbon compounds. The rest of the busy world, in particular Farm animals and humans is more organic on plants as primary suppliers Nitrogen compounds. Assimilation of inorganic nitrogen in plants by binding to organic carbon depends on availability on nitrogen, carbon frameworks and energy.
Die Stickstoffversorgung der Pflanze ist durch Düngung zu beeinflussen. Die Energie für die Stickstoffassimilation stammt aus der Lichtreaktion der Photosynthese bzw. in Wurzeln und anderen nicht-grünen Geweben aus der Dissimilation und ist unter normalen Feldbedingungen kein begrenzender Faktor.The nitrogen supply to the plant must be influenced by fertilization. The energy for nitrogen assimilation comes from the light reaction of photosynthesis or in roots and other non-green tissues from the dissimilation and is under no limiting factor under normal field conditions.
2-Oxoglutarat (α-Ketoglutarat) ist nach heutigem Kenntnisstand der primäre Akzeptor reduzierten Stickstoffs in der Glutaminsynthetase/Glutamin-2- Oxoglutarat-Aminotransferase (GOGAT)-Reaktion. In dieser Reaktionsfolge wird zunächst durch die Glutaminsynthetase reduzierter Stickstoff (Ammoniumstickstoff) unter Energieverbrauch auf die Aminosäure Glutamat übertragen. Es entsteht Glutamin. In einer Folgereaktion katalysiert nun die Glutamat-Oxoglutarat- Aminotransferase (GOGAT; Glutamatsynthase) unter Verbrauch von Reduktionsäquivalenten die Übertragung einer Aminogruppe von Glutamin auf 2- Oxoglutarat (Transaminierung). Es entstehen zwei Moleküle Glutamat. In der Summe werden aus einem Molekül Glutamat, einem Molekül 2-Oxoglutarat, einem Molekül Ammonium sowie ATP als Energieäquivalent und reduziertem Ferredoxin als Reduktionsäquivalent zwei Moleküle Glutamat, ADP und oxidiertes Ferredoxin gebildet. Es ist ersichtlich, daß ein Nettogewinn von einem Molekül organischer Stickstoffverbindung (Glutamat) bei jedem Durchlauf des Reaktionszyklus durch die reduktive Aminierung eines Moleküls 2-Oxoglutarat erzielt wird.2-Oxoglutarate (α-ketoglutarate) is the primary one according to current knowledge Reduced nitrogen acceptor in glutamine synthetase / glutamine-2 Oxoglutarate aminotransferase (GOGAT) reaction. In this sequence of reactions nitrogen (ammonium nitrogen) initially reduced by glutamine synthetase transferred to the amino acid glutamate while consuming energy. It arises Glutamine. In a subsequent reaction, the glutamate oxoglutarate catalyzes Aminotransferase (GOGAT; glutamate synthase) using Reduction equivalents the transfer of an amino group from glutamine to 2- Oxoglutarate (transamination). Two molecules of glutamate are formed. In the The sum of one molecule of glutamate, one molecule of 2-oxoglutarate, one Molecule ammonium and ATP as energy equivalent and reduced ferredoxin as a reduction equivalent two molecules of glutamate, ADP and oxidized ferredoxin educated. It can be seen that a net gain from one molecule of organic Nitrogen compound (glutamate) each time the reaction cycle is run through the reductive amination of a molecule 2-oxoglutarate is achieved.
Die gesamte Reaktionsfolge der Glutaminsynthetase/GOGAT-Reaktion ist im Stroma der Plastiden der Pflanzen lokalisiert. Diese Organelle sind von zwei Lipiddoppelschichtmembranen umschlossen, deren äußere Molekularsiebcharakter hat und Verbindungen bis zu einer Größe von ca. 10 kDa frei passieren läßt (Flügge und Benz, 1984, FEBS Lett. 169: 85-89). Die innere Membran ist permeabel für einige kleinere Verbindungen wie Wasser, Kohlendioxid, Sauerstoff und Nitrit, nicht jedoch für größere geladene Moleküle wie zum Beispiel Glutamat oder Malat.The entire reaction sequence of the glutamine synthetase / GOGAT reaction is in Stromal of the plastids of plants localized. These organelles are of two Enclosed lipid bilayer membranes, their outer molecular sieve character and allows connections up to a size of approx. 10 kDa to pass freely (Flügge and Benz, 1984, FEBS Lett. 169: 85-89). The inner membrane is permeable to some smaller compounds such as water, carbon dioxide, oxygen and nitrite, but not for larger charged molecules such as glutamate or malate.
Diese Schlüsselverbindung der Glutaminsynthetase/GOGAT-Reaktion muß aus dem Cytosol der pflanzlichen Zelle durch einen spezifischen Translokator über die innere Plastidenhüllmembran in das Stroma des Plastiden bewegt werden. Der Transport von 2-Oxoglutarat in den Plastiden erfolgt im Gegentausch mit Malat aus dem Plastiden durch den 2-Oxoglutarat/Malat-Translokator. Das bei diesem Vorgang in das Cytosol exportierte Malat wird von einem zweiten Translokator, dem Glutamat/Malat-Translokator, im Gegentausch mit Glutamat zurücktransportiert. Es sei darauf hingewiesen, daß der 2-Oxoglutarat/Malat-Translokator, im Gegensatz zum Glutamat/Malat-Translokator, nicht den Transport von Glutamat (oder auch Aspartat) zu katalysieren vermag. Im Ergebnis wird, ohne einen Nettotransport von Malat, das über beide Translokatorsysteme zirkuliert ("Doppel-Translokator", Woo et al., 1987, Plant Physiol. 84: 624-632; Flügge et al., 1988, Planta 174: 534-541), 2- Oxoglutarat in den Chloroplasten importiert und das Endprodukt der Glutaminsynthetase/GOGAT-Reaktion, Glutamat, exportiert. Glutamat dient in der Pflanze als bevorzugter Aminogruppen-Donator in einer Reihe von Transaminierungsreaktionen, zum Beispiel bei der Biosynthese der Aminosäuren Alanin oder Phenylalanin etc. Die meisten stickstoffhaltigen Verbindungen in der Pflanze wie Aminosäuren, Nukleinsäuren oder Alkaloide benötigen in ihrem Biosyntheseweg zunächst Glutamat als primären Aminogruppendonator. Weiterhin ist Glutamat eine wichtige Transportform für organisch gebundenen Stickstoff innerhalb der Pflanze und wird als solche in das Leitgewebe der Pflanze (das Phloem) eingespeist. Die häufigsten Aminosäuren im Phloemsaft sind in der Regel Glutamat, Glutamin und Aspartat.This key compound of the glutamine synthetase / GOGAT reaction must come from the Cytosol of the plant cell through a specific translocator through the inner Plastid envelope membrane are moved into the plastid stroma. The transport of 2-oxoglutarate in the plastids is exchanged with malate from the Plastids through the 2-oxoglutarate / malate translocator. That in this process the cytosol exported malate is by a second translocator, the Glutamate / malate translocator, transported back in exchange for glutamate. It it should be noted that the 2-oxoglutarate / malate translocator, in contrast to the glutamate / malate translocator, not the transport of glutamate (or also Aspartate) can catalyze. As a result, without a net transport of Malate, which circulates over both translocator systems ("double translocator", Woo et al., 1987, Plant Physiol. 84: 624-632; Flügge et al., 1988, Planta 174: 534-541), 2- Oxoglutarate imported into the chloroplast and the end product of the Glutamine synthetase / GOGAT reaction, glutamate, exported. Glutamate is used in the Plant as a preferred amino group donor in a number of Transamination reactions, for example in the biosynthesis of amino acids Alanine or Phenylalanine etc. Most nitrogenous compounds in the Plant like amino acids, nucleic acids or alkaloids need in their Biosynthetic pathway initially glutamate as the primary amino group donor. Farther is an important form of transport for organically bound nitrogen within the plant and as such is incorporated into the plant's lead tissue (the Phloem). The most common amino acids in phloem juice are usually Glutamate, glutamine and aspartate.
Transporter sind in die Allokation des Photoassimilates (d. h. primär Zucker und Aminosäuren) von den "Source"- zu den "Sink"-Organen an entscheidender Stelle eingebunden - wie der chloroplastidäre Triosephosphat/Phosphat-Translokator, der Saccharose-Translokator (über den die Siebröhren mit der Transportform des Photoassimilates Saccharose beladen werden) und der Glukose-6- phosphat/Phosphat-Translokator der Amyloplasten. Änderungen der Aktivität eines spezifischen Membran-Transporters können große Auswirkungen auf die Stoffwechselleistungen der Pflanzen haben. So konnte vor kurzem gezeigt werden, daß die Effektivität der photosynthetischen Kohlenstoffreduktion (Lichtreaktion und Calvin-Zyklus) ganz wesentlich durch die Aktivität des chloroplastidären Triosephosphat/Phosphat-Translokators beeinflußt werden kann, der den Austransport des fixierten Kohlenstoffs aus den Chloroplasten katalysiert. Die Hemmung dieses Transporters in planta über die Expression einer entsprechenden "antisense" mRNA führt zu einem verminderten Export des primären Photoassimilates (Triosephosphat, 3-Phosphoglycerat), das unter diesen Umständen innerhalb des Chloroplasten abgeleitet wird in die Biosynthese von Stärke, die sich massiv anstaut (Riesmeier et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 6160-6164; Heineke et al., 1994, Planta 193: 174-180). Dieses Translokatorprotein stellt demzufolge eine Engstelle im Kohlenstoffstoffwechsel des "Source"-Gewebes dar. Auch die Reduktion der Saccharose-Transport-Aktivität über eine "antisense"- Inhibierung des für den Transport in die Siebröhren verantwortlichen Saccharose- Transporters (Riesmeier et al., 1992, EMBO J. 11: 4705-4713) führt zu einem drastischem Phänotyp der Pflanzen: sie sind wesentlich kleiner, die Blätter sind geschädigt und die Pflanzen bilden, im Fall der Kartoffeln, kaum noch Knollen aus d. h. die Versorgung der "Sink"-Gewebe mit Photoassimilaten ist stark reduziert (Riesmeier et al., 1994, EMBO J. 13: 1-7).Transporters are in the allocation of the photoassimilate (i.e. primarily sugar and Amino acids) from the "source" to the "sink" organs at a crucial point integrated - like the chloroplastic triose phosphate / phosphate translocator, the Sucrose translocator (over which the sieve tubes with the transport form of the Photoassimilates loaded sucrose) and the glucose-6- phosphate / phosphate translocator of amyloplasts. Activity changes a specific membrane transporter can have a big impact on the Have metabolic performance of plants. So it could be shown recently that the effectiveness of photosynthetic carbon reduction (light reaction and Calvin cycle) very much due to the activity of the chloroplastic Triose phosphate / phosphate translocator can be influenced, the Transport of the fixed carbon catalyzed by the chloroplasts. The Inhibition of this transporter in planta via the expression of a corresponding one "antisense" mRNA leads to a reduced export of the primary Photoassimilates (triose phosphate, 3-phosphoglycerate), which in these circumstances Within the chloroplast is derived in the biosynthesis of starch massive build-up (Riesmeier et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 6160-6164; Heineke et al., 1994, Planta 193: 174-180). This translocator protein represents consequently represents a bottleneck in the carbon metabolism of the "source" tissue. The reduction of sucrose transport activity via an "antisense" Inhibition of the sucrose responsible for transport into the sieve tubes Transporters (Riesmeier et al., 1992, EMBO J. 11: 4705-4713) leads to one drastic phenotype of plants: they are much smaller, the leaves are damaged and the plants hardly form tubers in the case of potatoes d. H. the supply of the "sink" tissue with photoassimilates is greatly reduced (Riesmeier et al., 1994, EMBO J. 13: 1-7).
Ebenso führt die Reduktion der Transportkapazität für 2-Oxoglutarat über die Plastiden-Hüllmembran durch antisense-Repression der 2-Oxoglutarat/Malat- Translokator mRNA in Tabak-Pflanzen zu einem drastischen Phänotyp. Die Pflanzen besitzen einen gestauchten, stark verlangsamten Wuchs mit verspäteter Blüte. Die Blätter zeigten ein Ausbleichen entlang der Leitbündel, die Interkostalfelder waren noch grün gefärbt. Die Pflanzen akkumulierten Ammonium und Chlorid, wiesen jedoch drastisch verringerte Nitratgehalte auf (eigene, unveröffentlichte Beobachtungen). Da der Glutamat/Malat-Translokator in denselben biochemischen Stoffwechselweg in zentraler Position eingebunden ist, kann von einer ähnlichen Auswirkung einer Repression dieses Transporters auf den Phänotyp von Pflanzen ausgegangen werden. Weiterer Beleg für diese Annahme ist eine Beobachtung von Somerville (1983, 1985), in der eine EMS-Mutante des Glutamat/Malat-Translokators in Arabidopsis beschrieben wird. Diese ist unter ambienten CO2-Bedingungen nicht lebensfähig, da sie keinen vollständigen Photorespirationsweg ausführen kann (Somerville und Ogren, 1983, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80: 1290-1294; Somerville und Somerville, 1985, Plant Science Letters 37: 217-220). Die beschriebene Mutante konnte bislang jedoch nicht zur Identifizierung und Klonierung eines Glutamat/Malat-Translokators genutzt werden.Likewise, the reduction in the transport capacity for 2-oxoglutarate via the plastid envelope membrane by antisense repression of the 2-oxoglutarate / malate translocator mRNA in tobacco plants leads to a drastic phenotype. The plants have a compressed, very slow growth with late flowering. The leaves showed fading along the guide bundle, the intercostal fields were still colored green. The plants accumulated ammonium and chloride, but showed drastically reduced nitrate levels (own, unpublished observations). Since the glutamate / malate translocator is integrated in the same biochemical pathway in a central position, a similar effect of repression of this transporter on the phenotype of plants can be assumed. Further evidence for this assumption is an observation by Somerville (1983, 1985), in which an EMS mutant of the glutamate / malate translocator in Arabidopsis is described. This is not viable under ambient CO 2 conditions because it cannot carry out a complete photorespiratory route (Somerville and Ogren, 1983, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80: 1290-1294; Somerville and Somerville, 1985, Plant Science Letters 37 : 217-220). However, the mutant described has so far not been used to identify and clone a glutamate / malate translocator.
Wie oben beschrieben, nimmt der Glutamat/Malat-Translokator der Plastidenhüllmembran eine Schlüsselrolle bei der intrazellulären Verteilung der an der Stickstoff-Fixierung beteiligten Aminogruppen-Akzeptoren und -Donatoren ein. Gelänge es, diesen Translokator zu klonieren und mit Hilfe der erhaltenen Sequenz die Aktivität des Translokators in Pflanzen zu modulieren, eröffnete dies den Weg zu Pflanzen mit einem veränderten Kohlenstoff/Stickstoff-Verhältnis. Dies bedeutet, daß Pflanzen erzeugt werden könnten, die z. B. weniger Kohlenhydrate (Zucker, Stärke, Fette) und mehr organische Stickstoffverbindungen (Protein, Aminosäuren, Alkaloide) enthielten. An Pflanzen mit derart veränderten Inhaltsstoffen besteht dringender Bedarf, denn der überwiegende Teil der Menschen auf der Erde ist auf pflanzliche Ernährung angewiesen, mit der Konsequenz einer ständigen Unterversorgung an Eiweißen in diesen Bevölkerungsschichten. Ebenso wird in der Tierfütterung in den entwickelten Ländern zunehmend Tier- und Fischmehl dem Viehfutter beigemengt, um die Eiweißversorgung der Zuchttiere zu verbessern. Futterpflanzen mit höherem Proteingehalt wären hier sicher die bessere Alternative, insbesondere mit Blick auf die durch die Verfütterung von Tiermehlen entstehenden Probleme wie BSE etc. Ein Einfluß einer Überexpression des 2-Oxoglutarat/Malat- Translokators in Tabak auf das C/N-Verhältnis von Tabak-Pflanzen konnte bereits gezeigt werden (Weber, 1995, Dissertation, Universität Würzburg). Da der Glutamat/Malat-Translokator ein breiteres Substratspektrum aufweist als der 2- Oxoglutarat/Malat-Translokator, ist diese Einflußnahme auf das C/N-Verhältnis in transgenen Pflanzen mit veränderter Expression dieses Transporters anzunehmenderweise noch ausgeprägter.As described above, the glutamate / malate translocator takes the Plastid envelope membrane play a key role in the intracellular distribution of the the nitrogen fixation involved amino group acceptors and donors. It would be possible to clone this translocator and with the help of the sequence obtained Modulating the activity of the translocator in plants opened the way to plants with a changed carbon / nitrogen ratio. This means, that plants could be produced which, for. B. less carbohydrates (sugar, Starch, fats) and more organic nitrogen compounds (protein, amino acids, Alkaloids) contained. On plants with such modified ingredients urgent need because the vast majority of people on earth are up plant-based diet, with the consequence of a constant Protein deficiency in these strata of the population. Likewise, in the Animal feeding in developed countries is increasing animal and fish meal Cattle feed added to improve the protein supply for breeding animals. Forage crops with a higher protein content would certainly be the better alternative here, especially with a view to those caused by feeding animal meal Problems such as BSE etc. An influence of overexpression of the 2-oxoglutarate / malate Translocators in tobacco on the C / N ratio of tobacco plants could already be shown (Weber, 1995, dissertation, University of Würzburg). Since the Glutamate / malate translocator has a wider substrate spectrum than the 2- Oxoglutarate / malate translocator, this is influencing the C / N ratio in transgenic plants with altered expression of this transporter presumably even more pronounced.
Der drastische Phänotyp einer Mutation des Glutamat/Malat-Translokators (siehe oben) macht dieses Protein als Target für Herbizide interessant. Ein Hemmstoff dieses Transporters dürfte als Totalherbizid einsetzbar sein. Wie auch für eine weiteres Enzym des Photorespirationsweges gezeigt werden konnte (Glutaminsynthethase, GS) führt eine Hemmung dieses Enzyms durch ein Herbizid (Phosphinotricine, BASTA) zum Absterben der behandelten Pflanzen. Durch Einführung einer Enzymaktivität, die den möglichen Hemmstoff metabolisiert und damit wirkungslos macht könnte eine gezielte Resistenz gegen diesen Wirkstoff erzeugt werden. Ebenso wäre dies durch eine gezielte Veränderung der DNA- bzw. der hieraus resultierenden Aminosäure-Sequenz des Transporters möglich. Eine solche Veränderung würde die Bindungseigenschaften des Hennstoffs verändern und diesen damit wirkungslos machen ohne hierbei jedoch die Transportfunktion zu beeinträchtigen. Zur Auffindung eines solchen Hemmstoffes und zum Auffinden möglicher Sequenzänderungen des Transporter-Proteins kann das von uns beschriebene System der Rekonstitution rekombinanter Proteine in Proteoliposomen mit anschließender Funktionsmessung eingesetzt werden (siehe Ausführungsbeispiel 2).The drastic phenotype of a mutation in the glutamate / malate translocator (see above) makes this protein interesting as a target for herbicides. An inhibitor this transporter should be usable as a total herbicide. As for one further enzyme of the photorespiratory pathway could be shown (Glutamine synthetase, GS) inhibits this enzyme by a herbicide (Phosphinotricine, BASTA) to kill the treated plants. By Introduction of an enzyme activity that metabolizes the possible inhibitor and This could make targeted resistance to this drug ineffective be generated. Likewise, this would be through a targeted change in the DNA or the resulting amino acid sequence of the transporter possible. A such a change would change the binding properties of the fuel and make it ineffective without the transport function affect. To find such an inhibitor and to find it Possible sequence changes of the transporter protein can be done by us described system of reconstitution of recombinant proteins in proteoliposomes with subsequent function measurement (see embodiment 2).
Es ist uns vor kurzem gelungen, eine für den plastidären 2-Oxoglutarat/Malat- Translokator kodierende cDNA zu klonieren (Weber et al., 1995, Biochemistry 34: 2621-2627). Die Primärsequenz dieses Translokators unterscheidet sich grundsätzlich von den Sequenzen der bekannten 2-Oxoglutarat/Malat-Carrier aus den Mitochondrien von Rinderherzen und aus menschlichen Mitochondrien (Runswick et al., 1990, Biochemistry 29: 11033-11040; Iacobazzi et al., 1992, DNA Seq. 3(2): 79-88). Diese Transporter spielen eine wichtige Rolle im mitochondrialen Dikarbonsäure- Stoffwechsel (u. a. Malat/Aspartat-Shuttle, Oxoglutarat/Isocitrat-Shuttle) und sind der Familie mitochondrialer Metabolittransporter zugehörig, die untereinander nahe verwandt sind. Für die meisten mitochondrialen Carrier, wie auch für den 2- Oxoglutarat-Carrier konnte gezeigt werden, daß diese ohne eine sie zu den Organellen dirigierende Adressierungs-Sequenz ("Targeting"-Sequenz) in die Mitochondrienmembran eingebaut werden (Runswick et al., 1990, Biochemistry 29: 11033-11040). Es ist also anzunehmen, daß die "Targeting"-Information im reifen Carrierprotein enthalten ist.We have recently succeeded in developing one for the plastid 2-oxoglutarate / malate Cloning translocator-encoding cDNA (Weber et al., 1995, Biochemistry 34: 2621-2627). The primary sequence of this translocator differs fundamentally from the sequences of the known 2-oxoglutarate / malate carriers from the Mitochondria from bovine hearts and from human mitochondria (Runswick et al., 1990, Biochemistry 29: 11033-11040; Iacobazzi et al., 1992, DNA Seq. 3 (2): 79-88). These transporters play an important role in mitochondrial dicarboxylic acid Metabolism (including malate / aspartate shuttle, oxoglutarate / isocitrate shuttle) and are belongs to the family of mitochondrial metabolite transporters that are close to each other are related. For most mitochondrial carriers, as well as for the 2- Oxoglutarate carriers could be shown to be without them Organelle directing addressing sequence ("targeting" sequence) in the Mitochondrial membrane can be incorporated (Runswick et al., 1990, Biochemistry 29: 11033-11040). It can therefore be assumed that the "targeting" information is mature Carrier protein is included.
Im Gegensatz hierzu benötigen plastidären Translokatoren für eine korrekte Adressierung zu der inneren Plastidenmembran eine entsprechende Präsequenz ("Targeting"-Sequenz), die das anhängende reife Protein korrekt zu den Plastiden dirigiert (Übersichtsartikel hierzu: Keegstra et al., 1989, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 40: 471-501; Lubben et al., 1988, Photosynth. Res. 17: 173-194; Flügge, 1990, J. Cell Sci. 96: 351-354). Neben der für die "Plastiden-Adressierung" nötigen Präsequenz gibt es im reifen Teil (der Teil des Proteins, der nach der Abspaltung der Präsequenz durch eine spezifische Protease verbleibt) der Plastidenhüllmembran- Proteine noch weitere Informationen, die für die spezifische Insertion der Proteine in die Membran verantwortlich sind und einen Transport der Hüllmembranproteine über die Hüllmembran in das Plastidenstroma oder, im Fall der Chloroplasten, die Thylakoidmembran verhindern (Knight und Gray, 1995, Plant Cell 7: 1421-1432 bzw. eigene Untersuchungen: Brink et al., 1995, J. Biol. Chem. 270: 20808-20815). Eigene Arbeiten zeigten ferner am Beispiel eines mitochondrialen Carriers, des ADP/ATP- Transporters, daß dieses Protein nicht oder nur mit einer sehr geringen Effizienz zu Plastiden dirigiert und dort in die Hüllmembran eingebaut werden kann. Selbst ein Hybridprotein, bestehend aus einer plastidären Präsequenz (die Information für die Plastiden-Adressierung enthaltend) und diesem mitochondrialen Carrier, zeigte gegenüber dem authentischen Protein einen kaum erhöhten Einbau in die Plastidenhüllmembran (Silva-Filho et al., 1997, J. Biol. Chem. 272: 15264-15269; unveröffentlichte Beobachtungen). Da für eine korrekte Insertion die Protein/Lipid- Wechselwirkung von Bedeutung ist und sich die plastidäre Hüllmembran in ihrer Lipidzusammensetzung grundlegend von der anderer Zellorganellen und auch der Bakterien unterscheidet (Joyard et al., 1991, Eur. J. Biochem. 199: 489-509), ist es sehr unwahrscheinlich, daß eine, wenn auch geringfügige, Insertion eines heterologen Proteins, dann auch funktionell ist, d. h., daß ein Transporter aus anderen Systemen überhaupt in einer seiner Funktion entsprechenden Konformation und Orientierung in die Plastidenhüllmembran eingebaut werden kann.In contrast, plastid translocators need for a correct one Addressing an appropriate pre-sequence to the inner plastid membrane ("Targeting" sequence), which attaches the mature protein correctly to the plastids conducts (review article: Keegstra et al., 1989, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 40: 471-501; Lubben et al., 1988, Photosynth. Res. 17: 173-194; Flugge, 1990, J. Cell Sci. 96: 351-354). In addition to that necessary for "plastid addressing" There is a presequence in the mature part (the part of the protein that is released after the Pre-sequence by a specific protease remains) of the plastid envelope membrane Proteins still further information necessary for the specific insertion of the proteins in the membrane are responsible and a transport of the envelope membrane proteins over the envelope membrane into the plastid stroma or, in the case of chloroplasts, the Prevent thylakoid membrane (Knight and Gray, 1995, Plant Cell 7: 1421-1432 and own investigations: Brink et al., 1995, J. Biol. Chem. 270: 20808-20815). Own Work also showed the example of a mitochondrial carrier, the ADP / ATP Transporters that this protein is not or only with a very low efficiency Plastids can be directed and built into the envelope membrane. Yourself Hybrid protein consisting of a plastid presequence (the information for the Containing plastid addressing) and this mitochondrial carrier compared to the authentic protein a hardly increased incorporation in the Plastid sheath membrane (Silva-Filho et al., 1997, J. Biol. Chem. 272: 15264-15269; unpublished observations). Since the protein / lipid Interaction is important and the plastid envelope membrane in its Lipid composition fundamentally different from that of other cell organelles Differentiates bacteria (Joyard et al., 1991, Eur. J. Biochem. 199: 489-509), it is very unlikely to be a, albeit minor, insertion of a heterologous Proteins, then is also functional, d. that is, a transporter from other systems at all in a conformation and orientation that corresponds to its function can be built into the plastid envelope membrane.
Somit ist es nach gegenwärtigem Stand der Technik nicht möglich, mit Hilfe bekannter Plastiden-"Targeting"-Sequenzen z. B. mitochondriale oder prokaryontische Dikarbonsäure-Transporter funktionell in die innere Plastidenhüllmembran zu integrieren. Beim gegenwärtigen Stand der Technik ist es erfolgversprechender, die für die Konstruktion der oben geschilderten Pflanzen notwendige DNA-Sequenz durch Klonierung des authentischen plastidären Glutamat/Malat-Translokators zu erhalten.Thus, according to the current state of the art, it is not possible with help known plastid "targeting" sequences e.g. B. mitochondrial or prokaryotic dicarboxylic acid transporters functionally inside Integrate plastid envelope membrane. At the current state of the art, it is more promising for the construction of the plants described above necessary DNA sequence by cloning the authentic plastid Obtain glutamate / malate translocators.
Obwohl dieses Transportsystem auch den Transport von Malat katalysiert, ist seine Primärstruktur anzunehmenderweise sehr unterschiedlich von der des kürzlich identifizierten 2-Oxoglutarat/Malat-Translokators. Versuche, den Translokator über eine niedrig stringente Durchmusterung einer pflanzlichen cDNA-Bibliothek mit einer von dem 2-Oxoglutarat/Malat-Translokator abgeleiteten Sonde zu identifizieren, blieben erfolglos, ebenso wie die Identifizierung des Translokators über eine biochemischen Charakterisierung, Reinigung und Isolation des Glutamat/Malat-Translokators (eigene Beobachtungen).Although this transport system also catalyzes the transport of malate, it is Primary structure is believed to be very different from that of the recent one identified 2-oxoglutarate / malate translocator. Try using the translocator a low-stringent screening of a plant cDNA library a probe derived from the 2-oxoglutarate / malate translocator identifying remained unsuccessful, as was identifying the translocator on a biochemical characterization, purification and isolation of the Glutamate / malate translocators (own observations).
Zur Identifizierung des Translokators wurde daher ein molekularbiologischer Ansatz gewählt, der auf der differentiellen Expression einer bestimmten mRNA- Spezies in verschiedenen cDNA-Populationen beruht (differentielles Screening; Ausführungsbeispiel 1). Im Gegensatz zu C3-Planzen (z. B. Kartoffel, Tomate) besitzen C4-Pflanzen, wie z. B. Mais, Hirse (Sorghum bicolor) oder Flaveria bidentis zwei verschiedene Blatt-Zelltypen, Mesophyll- und Bündelscheidenzellen, die in die Produktion des Photoassimilates eingebunden sind. In den Mesophyllzellen erfolgt die Primärfixierung des atmosphärischen Kohlendioxids unter Bildung eines C4- Körpers (z. B. Malat), der dann in die Bündelscheidenzellen transportiert wird. Dort läuft, nach Freisetzung des Kohlendioxids aus dem C4-Körper, die eigentliche Biosynthese des Photoassimilates ab. Es wurden cDNA Banken aus Mesophyllzellen und aus Bündelscheidenzellen von Sorghum bicolor hergestellt und geprüft, welche mRNAs spezifisch nur in den Bündelscheidenzellen exprimiert werden. Auf diese Weise gelang es, einen Partial-cDNA-Klon zu identifizieren, der eine geringe Homologie mit dem 2-Oxoglutarat/Malat-Translokator aufwies (Wyrich et al., 1998, Plant Mol. Biol. 37: 319-335). Das entsprechende cDNA-Insert wurde als Sonde für die anschließende Durchmusterung einer cDNA-Bibliothek aus Sorghum bicolor genutzt und es konnte ein cDNA-Klon isoliert werden, der die vollständige cDNA (2088 Basenpaare) für das entsprechende Vorstufenprotein mit einer molekularen Masse von 59 kDa enthielt.A molecular biological approach was therefore chosen to identify the translocator, which is based on the differential expression of a particular mRNA species in different cDNA populations (differential screening; embodiment 1). In contrast to C 3 plants (e.g. potato, tomato), C 4 plants, such as B. maize, millet (Sorghum bicolor) or Flaveria bidentis two different leaf cell types, mesophyll and bundle sheath cells, which are involved in the production of the photoassimilate. In the mesophyll cells, the primary fixation of atmospheric carbon dioxide takes place with the formation of a C4 body (e.g. malate), which is then transported to the bundle sheath cells. After the carbon dioxide has been released from the C4 body, the actual biosynthesis of the photoassimilate takes place there. CDNA libraries from mesophyll cells and bundle sheath cells from Sorghum bicolor were produced and it was checked which mRNAs are specifically expressed only in the bundle sheath cells. In this way it was possible to identify a partial cDNA clone which had little homology with the 2-oxoglutarate / malate translocator (Wyrich et al., 1998, Plant Mol. Biol. 37: 319-335). The corresponding cDNA insert was used as a probe for the subsequent screening of a cDNA library from Sorghum bicolor and a cDNA clone could be isolated which contained the complete cDNA (2088 base pairs) for the corresponding precursor protein with a molecular mass of 59 kDa .
Ein Vergleich der aus der cDNA abgeleiteten Proteinsequenz mit Sequenzen der Datenbanken ergab eine nur geringe Ähnlichkeit mit dem bekannten 2- Oxoglutarat/Malat-Translokator (ca. 50%). Somit konnte vermutet werden, daß diese cDNA für einen Transporter kodiert, dessen Aktivität unterschiedlich zu der des 2-Oxoglutarat/Malat-Translokators ist. Ferner zeigte sich eine Homologie zu einer genomischen DNA-Sequenz aus Arabidopsis thaliana, die über die international verfolgten Sequenzierungsprojekte erhalten wurde. Diese Sequenz ist auf Chromosom 5 von Arabidopsis thaliana lokalisiert und zeigt ebenfalls eine geringe Homologie zur Sequenz des 2-Oxoglutarat/Malat-Translokators aus Spinat von ca. 50%. Im Rahmen des Genomsequenzierungsprojektes wurde hier nur auf die Homologie verwiesen, es erfolgte jedoch nicht die Bestimmung der Funktion.A comparison of the protein sequence derived from the cDNA with sequences of the Databases showed little similarity to the well-known 2- Oxoglutarate / malate translocator (approx. 50%). It could therefore be assumed that this cDNA encodes a transporter whose activity is different from that of the 2-oxoglutarate / malate translocator. Homology was also evident a genomic DNA sequence from Arabidopsis thaliana, which is available internationally pursued sequencing projects. This sequence is on Chromosome 5 of Arabidopsis thaliana localized and also shows a low one Homology to the sequence of the 2-oxoglutarate / malate translocator from spinach of approx. 50%. As part of the genome sequencing project, only the Homology referred, but the function was not determined.
Die Funktionsbestimmung des durch die cDNA kodierten Transportproteins erfolgte in einem heterologen Expressionssystem, der Spalthefe Schizosaccharomyces pombe. Da aufgrund eigener Beobachtungen Transportproteine aus monokotylen Pflanzen nicht heterolog produziert werden können, wurden zunächst cDNA Sequenzen aus der C4-Pflanze Flaveria bidentis und aus der C3-Pflanze Spinat isoliert, die der Sequenz der Sorghum bicolor cDNA entsprachen. Dann wurde das cDNA-Insert aus Flaveria bidentis in einen eukaryotischen Hefe-Expressionsvektor eingebracht und mit diesem Konstrukt Zellen der Spalthefe Schizosaccharomyces pombe transformiert. Transformanden, die das entsprechende Plasmid exprimierten, wurden isoliert. Transportexperimente, durchgeführt mit in künstlichen Membranen rekonstituierten Membranfraktionen der Hefetransformanden, ergaben, daß dieser Translokator den Transport von Malat im Gegentausch mit Glutamat (oder Aspartat) katalysiert. Im Gegensatz zu dem 2-Oxoglutarat/Malat-Tanslokator akzeptiert also dieser Translokator auch Aminosäuren (Glutamat und Aspartat) als Gegentauschsubstrate (Ausführungsbeispiele 2 und 3). Der Transporter erhielt den Namen Glutamat/Malat-Translokator.The function of the transport protein encoded by the cDNA was determined in a heterologous expression system, the split yeast Schizosaccharomyces pombe. Since, based on our own observations, transport proteins cannot be produced heterologously from monocotyledonous plants, cDNA sequences from the C 4 plant Flaveria bidentis and from the C 3 plant spinach which corresponded to the sequence of the Sorghum bicolor cDNA were first isolated. The cDNA insert from Flaveria bidentis was then introduced into a eukaryotic yeast expression vector and cells of the fission yeast Schizosaccharomyces pombe were transformed with this construct. Transformants expressing the corresponding plasmid were isolated. Transport experiments carried out with membrane fractions of the yeast transformants reconstituted in artificial membranes showed that this translocator catalyzes the transport of malate in exchange for glutamate (or aspartate). In contrast to the 2-oxoglutarate / malate translocator, this translocator also accepts amino acids (glutamate and aspartate) as counter-exchange substrates (working examples 2 and 3). The transporter was given the name glutamate / malate translocator.
Die vorliegende Erfindung stellt also DNA-Sequenzen zur Verfügung, die aus einem pflanzlichen Genom stammen und für einen plastidären Glutamat/Malat- Translokator kodieren, wobei die in der Nukleotidabfolge enthaltene Information bei Einführung und Expression in pflanzlichen Zellen zur Bildung einer Ribonuklein säure führt und über diese Ribonukleinsäure eine Glutamat/Malat-Translokator Aktivität in die Zellen eingeführt werden kann oder eine endogene Glutamat/Malat- Translokator Aktivität unterdrückt werden kann.The present invention thus provides DNA sequences which consist of a plant genome and for a plastid glutamate / malate Code translocator, the information contained in the nucleotide sequence at Introduction and expression in plant cells to form a ribonuclein acid leads and a glutamate / malate translocator via this ribonucleic acid Activity can be introduced into the cells or an endogenous glutamate / malate Translocator activity can be suppressed.
Gegenstand der Erfindung sind insbesondere die DNA-Sequenzen aus Sorghum bicolor (Hirse) mit der Nukleotidabfolge Seq-ID No.: 1, eine DNA-Sequenz aus Flaveria bidentis mit der Nukleotidabfolge Seq-ID No.: 2 und eine DNA-Sequenz aus Spinacia oleracea (Spinat) mit der Nukleotidabfolge Seq-ID No.: 3 (Fig. 1).The invention relates in particular to the DNA sequences from sorghum bicolor (millet) with the nucleotide sequence Seq-ID No .: 1, a DNA sequence from Flaveria bidentis with the nucleotide sequence Seq-ID No .: 2 and a DNA sequence from Spinacia oleracea (spinach) with the nucleotide sequence Seq-ID No .: 3 ( Fig. 1).
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind DNA-Sequenzen, die mit der unter Seq.-ID No.: 1-3 genannten DNA-Sequenzen oder Teilen davon oder Derivaten, die durch Insertion, Deletion oder Substitution von diesen Sequenzen abgeleitet sind, hybridisieren und für ein plastidäres Protein kodieren, das die biologische Aktivität eines Dikarbonsäuretranslokators, insbesondere eines Glutamat/Malat-Translokators besitzt.Another object of the invention are DNA sequences with the under Seq. ID No .: 1-3 called DNA sequences or parts thereof or derivatives which are derived from these sequences by insertion, deletion or substitution, hybridize and code for a plastid protein that has biological activity a dicarboxylic acid translocator, in particular a glutamate / malate translocator owns.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen oder Teilen davon oder Derivaten, die durch Insertion, Deletion oder Substitution von diesen Sequenzen abgeleitet sind, zur Transformation pro- und eukaryontischer Zellen. Um die Expression des Glutamat/Malat-Translokators in transformierten Zellen zu gewährleisten, kann die erfindungsgemäße DNA-Sequenz in Plasmide eingebracht werden und dabei mit Steuerelementen für die Expression in prokaryontischen oder eukaryontischen Zellen kombiniert werden (siehe Ausführungsbeispiele 2 und 4). Derartige Steuerelemente sind einerseits Transkriptions-Promotoren und andererseits Transkriptions-Terminatoren. Mit den Plasmiden können eukaryontische Zellen transformiert werden mit dem Ziel der Expression einer übersetzbaren Botenribonukleinsäure (RNA), die die Synthese eines plastidären Glutamat/Malat- Translokators in den transformierten Zellen erlaubt, oder mit dem Ziel der Expression einer nicht übersetzbaren, invers orientierten ("antisense"), Botenribonukleinsäure, die die Synthese der endogenen Glutamat/Malat- Translokatoren verhindert. Zu diesem Zweck könnten auch kürzere Fragmente der erfindungsgemäßen DNA-Sequenz oder DNA-Sequenzen mit einem relativ hohen Grad an Homologie (mehr als ca. 65% Homologie) verwendet werden. Ebenso kann die Expression von endogenen Dikarbonsäuretranslokatoren durch die Expression eines für diesen Zweck konstruierten Ribozyms unter Verwendung der erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen inhibiert werden. Durch die Expression einer RNA entsprechend der erfindungsgemäßen Sequenz eines pflanzlichen Glutamat/Malat-Translokators ist eine Veränderung des pflanzlichen Stickstoffmetabolismus möglich, deren wirtschaftliche Bedeutung darin liegt, daß eine Verbesserung der Weiterleitung von Glutamat aus dem Cytosol der Plastiden zu einer Veränderung des Verhältnisses von Kohlenhydraten (Zucker, Stärke, org. Säuren) und Fetten zugunsten der Stickstoffverbindungen (Aminosäuren, Proteine, evtl. Alkaloide) stattfindet. Es können somit Pflanzen erzeugt werden, die reicher an wertvollem Protein sind, jedoch einen geringeren Gehalt an Kohlenhydraten und Fetten aufweisen. Diese Modifikation steigert den ernährungsphysiologischen Wert von Pflanzen und damit auch deren wirtschaftlichen Wert. Weiterhin ermöglicht die heterologe Expression der beschriebenen Sequenz in Spalthefen (Ausführungsbeispiele 2 und 3; ferner: Loddenkötter et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 2155-2159) Struktur-Funktionsstudien des Glutamat/Malat- Translokators, die letztendlich zur Entwicklung eines spezifischen Hemmstoffs für dieses Protein führen könnte, insbesondere ist hier an die Herbizidentwicklung zu denken, da die Hemmung eines Proteins mit Schlüsselfunktion im Stoffwechselgeschehen zwangsweise letal für die Pflanze wäre. Ferner können diese Struktur-Funktionsstudien Grundlage für eine gerichtete Mutagenese der Substratbindungsstelle des Translokators sein, um die Substratspezifität des Transporters gezielt zu verändern.In addition, the present invention relates to the use of the DNA sequences according to the invention or parts thereof or derivatives which by Insertion, deletion or substitution are derived from these sequences for Transformation of pro- and eukaryotic cells. In order to express the The glutamate / malate translocator in transformed cells can ensure that DNA sequence according to the invention are introduced into plasmids and thereby Controls for expression in prokaryotic or eukaryotic Cells can be combined (see working examples 2 and 4). Such Control elements are, on the one hand, transcription promoters and, on the other hand Transcription terminators. With the plasmids, eukaryotic cells can are transformed with the aim of expressing a translatable Messenger ribonucleic acid (RNA), which is the synthesis of a plastid glutamate / malate Translocators allowed in the transformed cells, or with the aim of Expression of a non-translatable, inversely oriented ("antisense"), Messenger ribonucleic acid, which is the synthesis of endogenous glutamate / malate Prevents translocators. For this purpose, shorter fragments of the DNA sequence according to the invention or DNA sequences with a relatively high Degree of homology (more than about 65% homology) can be used. Likewise can the expression of endogenous dicarboxylic acid translocators by the expression a ribozyme constructed for this purpose using the DNA sequences according to the invention are inhibited. By expressing a RNA according to the sequence of a plant according to the invention Glutamate / malate translocator is a change in the plant Nitrogen metabolism possible, the economic importance of which is that an improvement in the transfer of glutamate from the cytosol of the plastids to a change in the ratio of carbohydrates (sugar, starch, org. Acids) and fats in favor of nitrogen compounds (amino acids, proteins, possibly alkaloids) takes place. Plants can thus be created that are richer in are valuable protein, but lower in carbohydrates and Have fats. This modification increases the nutritional value of plants and thus their economic value. Furthermore, the heterologous expression of the described sequence in gap yeasts (Examples 2 and 3; further: Loddenkötter et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 2155-2159) Structure-Functional Studies of Glutamate / Malate Translocators, which ultimately lead to the development of a specific inhibitor for this protein could lead to herbicide development think because the inhibition of a key protein in the Metabolism would inevitably be lethal for the plant. Furthermore, these Structure-function studies basis for a directed mutagenesis of the Substrate binding site of the translocator to the substrate specificity of the Targeted changes to transporters.
Es sind bereits Verfahren zur genetischen Modifikation dikotyler und monokotyler Pflanzen bekannt (Gasser und Fraley, 1989, Science 244: 1293-1299; Potrykus, 1991, Ann. Rev. Plant Mol. Biol. Plant Physiol. 42: 205-225). Zur Expression von kodierenden Sequenzen in Pflanzen müssen diese mit transkriptionell regulatorischen Elementen verknüpft werden. Solche Elemente, Promotoren genannt, sind bekannt (u. a. Koster-Töpfer et al., 1989, Mol. Gen. Genet. 219: 390-396). Ferner müssen die Kodierregionen mit einem Transkriptionsterminations-Signal versehen werden, damit sie korrekt transkribiert werden können. Solche Elemente sind ebenfalls beschrieben (Gielen et al., 1989, EMBO J. 8, 23-29). Der transkriptionelle Startbereich kann sowohl nativ bzw. homolog als auch fremdartig bzw. heterolog zur Wirtspflanze sein. Terminationsbereiche sind gegeneinander beliebig austauschbar. Die DNA-Sequenz der Transkriptionsstart- und - terminationsregionen kann synthetisch hergestellt oder natürlich gewonnen sein oder eine Mischung aus synthetischen und natürlichen DNA-Bestandteilen enthalten. Zur Vorbereitung der Einführung fremder Gene in höhere Pflanzen sind eine große Anzahl Klonierungsvektoren verfügbar, die ein Replikationssignal für E. coli und einen Marker beinhalten, der eine Selektion der transformierten Zellen erlaubt. Beispiele für Vektoren sind pBR322, pUC-Serien, M13 mp-Serien, pACYC 184 usw. Je nach Einführungsmethode gewünschter Gene in die Pflanze können weitere DNA-Sequenzen erforderlich sein. Werden z. B. für die Transformation der Pflanze das Ti oder Ri-Plasmid verwendet, so muß mindestens die rechte Begrenzung, häufig jedoch die rechte und die linke Begrenzung der Ti und Ri-Plasmid T-DNA als Flankenbereich den einzuführenden Genen angefügt werden. Die Verwendung von T-DNA für die Transformation von Pflanzenzellen ist intensiv untersucht und ausreichend beschrieben (Hoekema, in: The Binary Plant Vector System, Offset-drukkerij Kanters B-V. Ablasserdam, 1985, Chapter V; Fraley et al., Critic. Rev. Plant Sci. 4: 1-46; An et al., 1985, EMBO J. 4: 277-287). Ist die eingeführte DNA einmal im Genom 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 einen Resistenz gegenüber Bioziden oder Antibiotika wie Kanamycin, Bleomycin oder Hygromycin verleiht. Der individuell eingeführte Marker wird daher die Selektion transformierter Zellen gegenüber Zellen, denen die eingeführte DNA fehlt, gestatten. Für die Einführung von DNA in eine pflanzliche Wirtszelle stehen neben der Transformation mit Hilfe von Agrobakterien viele andere Techniken zur Verfügung. Diese Techniken umfassen die Transformation von Protoplasten, die Mikroinjektion von DNA, die Elektroporation sowie ballistische Methoden. Aus dem transformierten Pflanzenmaterial können dann in einem geeigneten Selektionsmedium ganze Pflanzen regeneriert werden. Die so erhaltenen Pflanzen können dann mit gängigen molekularbiologischen Methoden auf die Anwesenheit der eingeführten DNA getestet werden. Diese Pflanzen können normal angezogen werden und mit Pflanzen, die die gleiche transformierte Erbanlage oder andere Erbanlagen besitzen, gekreuzt werden. Die daraus entstehenden hybriden Individuen haben die entsprechenden phänotypischen Eigenschaften. Die erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen (oder Teile dieser Sequenz oder Derivate dieser Sequenz) können auch in Plasmide eingebracht und dabei mit Steuerelementen für die Expression in Zellen von Spalthefen versehen werden (siehe Ausführungsbeispiel 2). Die Einführung des Glutamat/Malat-Translokators führt zu einer erheblichen Zunahme der durch Rekonstitution in künstliche Liposomen meßbaren Aktivität des Glutamat/Malat-Translokators in den rekombinanten Hefezellen. In rekombinaten Hefezellen ist eine vielfach höhere Malat- Transportaktivität nachweisbar. Es ist somit denkbar, mit Hilfe der beschriebenen DNA-Sequenz (oder Teilen oder Derivaten dieser Sequenz) Hefezellen so zu verändern, daß sie einen veränderten Proteingehalt aufweisen. Hierbei käme der Vorteil eines plastidären Translokators aus Pflanzen zum tragen, nicht den endogenen Regulations- und Kompartiment-Adressierungsmechanismen der Spalthefen zu unterliegen. Diese Stämme wären insbesondere für die Futtermittelindustrie von herausragender Bedeutung.There are already processes for the genetic modification of dicotyledons and monocotyledons Plants known (Gasser and Fraley, 1989, Science 244: 1293-1299; Potrykus, 1991, Ann. Rev. Plant Mol. Biol. Plant Physiol. 42: 205-225). For the expression of coding sequences in plants must be transcriptional regulatory elements. Such elements, promoters are known (et al. Koster-Töpfer et al., 1989, Mol. Gen. Genet. 219: 390-396). Furthermore, the coding regions must have a transcription termination signal provided so that they can be transcribed correctly. Such elements are also described (Gielen et al., 1989, EMBO J. 8, 23-29). The Transcriptional start area can be both native or homologous as well as alien or be heterologous to the host plant. Termination areas are against each other interchangeable. The DNA sequence of the transcription start and - Termination regions can be produced synthetically or obtained naturally or a mixture of synthetic and natural DNA components contain. To prepare for the introduction of foreign genes into higher plants a large number of cloning vectors are available which are a replication signal for E. coli and a marker containing a selection of the transformed cells allowed. Examples of vectors are pBR322, pUC series, M13 mp series, pACYC 184 etc. Depending on the method of introducing desired genes into the plant additional DNA sequences may be required. Are z. B. for the Transformation of the plant using the Ti or Ri plasmid must at least the right boundary, but often the right and left boundaries of the Ti and Ri plasmid T-DNA can be added as a flank region to the genes to be introduced. The use of T-DNA for the transformation of plant cells is intensive examined and adequately described (Hoekema, in: The Binary Plant Vector System, offset printing Kanters B-V. Ablasserdam, 1985, Chapter V; Fraley et al., Critic. Rev. Plant Sci. 4: 1-46; An et al., 1985, EMBO J. 4: 277-287). Is the one introduced Once DNA is integrated in the genome, it is usually stable there and remains in the progeny of the originally transformed cell. It contains usually a selection marker that unites the transformed plant cells Resistance to biocides or antibiotics such as kanamycin, bleomycin or Hygromycin confers. The individually introduced marker therefore becomes the selection allow transformed cells versus cells that lack the inserted DNA. For the introduction of DNA into a plant host cell stand next to the Transformation using agrobacteria has many other techniques available. These techniques include protoplast transformation, microinjection of DNA, electroporation as well as ballistic methods. From the transformed plant material can then be in a suitable Whole plants can be regenerated. The plants thus obtained can then be detected using conventional molecular biological methods the imported DNA can be tested. These plants can be grown normally and with plants that have the same transformed genetic makeup or others Possess inheritance, to be crossed. The resulting hybrids Individuals have the corresponding phenotypic properties. The DNA sequences according to the invention (or parts of this sequence or derivatives this sequence) can also be introduced into plasmids and thereby Control elements for the expression in cells of fission yeasts can be provided (see Embodiment 2). The introduction of the glutamate / malate translocator leads to a significant increase in through reconstitution into artificial liposomes measurable activity of the glutamate / malate translocator in the recombinant Yeast cells. Recombinant yeast cells have a much higher malate Transport activity demonstrable. It is therefore conceivable with the help of the described DNA sequence (or parts or derivatives of this sequence) to yeast cells change that they have a changed protein content. Here would come Advantage of a plastid translocator to carry from plants, not that endogenous regulatory and compartment addressing mechanisms of Subject to split yeasts. These strains would be especially for the Feed industry of paramount importance.
Die erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen (oder Derivate oder Teile dieser Sequenz) können auch in Plasmide eingebracht werden, die eine Mutagenese oder eine Sequenzveränderung durch Rekombination von DNA-Sequenzen in prokaryontischen oder eukaryontischen Systemen erlauben. Dadurch kann die Spezifität des Glutamat/Malat-Translokators verändert werden z. B. in Richtung einer Affinität für andere Dikarbonsäuren.The DNA sequences according to the invention (or derivatives or parts of this sequence) can also be introduced into plasmids which have a mutagenesis or a Sequence change by recombination of DNA sequences in allow prokaryotic or eukaryotic systems. This allows the Specificity of the glutamate / malate translocator can be changed e.g. B. towards an affinity for other dicarboxylic acids.
Ebenso könnte eine Unempfindlichkeit des Glutamat/Malat-Translokators für spezifische Herbizide erreicht werden. Mit Hilfe von Standardverfahren (Sambrock et al., 1989, Molecular cloning: A laboratory manual, 2. Aufl., Cold Spring Harbor Laboratory Press, NY, USA) können Basenaustausche und/oder Basendeletionen vorgenommen und/oder synthetische oder natürliche Sequenzen hinzugefügt werden. Für die Verbindung der DNA-Fragmente untereinander können Adapter oder linker hinzugefügt werden. Ferner können Manipulationen, die passende Restriktionsschnittstellen bereitstellen oder die nicht benötigte DNA entfernen, eingesetzt werden. Dort wo Insertionen, Deletionen oder Substitutionen wie z. B. Transitionen oder Transversionen in Frage kommen, können in vitro-Mutagenese, "primerrepair", Restriktion oder Ligation verwendet werden. Als Analysemethode werden im allgemeinen eine Sequenzanalyse, eine Restriktionsanalyse und weitere biochemisch-molekularbiologische Methoden wie z. B. die Expression des modifizierten Proteins in Spalthefe und die Messung der modifizierten Transporteigenschaften in artifiziellen Liposomen (siehe Ausführungsbeispiele 2 und 3; ferner: Loddenkötter et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 2155-2159; sowie Fischer et al., 1997, Plant Cell, 9: 453-462; Kammerer et al. 1998, Plant Cell 10: 105-117) oder die Messung der modifizierten Transporteigenschaften am in transgenen Pflanzen exprimierten Protein mit Hilfe einer kürzlich von uns zu diesem Zweck entwickelten Methode (Flügge und Weber, 1994, Planta, 194: 181-185) angewandt. Die erfindungsgemäße DNA-Sequenz (oder Teile oder Derivate dieser Sequenz) kann dazu genutzt werden, nach Standardverfahren (insbesondere Hybridisierungs- Durchmusterung von cDNA-Bibliotheken mit niedriger Stringenz unter Verwendung der erfindungsgemäßen DNA-Sequenz oder Teilen der DNA-Sequenz als Sonde oder die Erstellung von Sonden für stringente und niedrig stringente Durchmusterungs-Strategien durch Ableitung von degenerierten und/oder nicht degenerierten Primern aus der erfindungsgemäßen DNA-Sequenz für PCR- Experimente mit DNA oder cDNA aus anderen Pflanzen aus dem Genom von Pflanzen ähnliche Sequenzen zu isolieren, die für Proteine kodieren. Die ebenfalls Dikarbonsäuren transportieren.Likewise, the glutamate / malate translocator could be insensitive to specific herbicides can be achieved. With the help of standard procedures (Sambrock et al., 1989, Molecular cloning: A laboratory manual, 2nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, NY, USA) can base changes and / or base deletions made and / or synthetic or natural sequences added become. Adapters can be used to connect the DNA fragments to one another or left can be added. Manipulations can also be the appropriate Provide restriction sites or remove the unnecessary DNA be used. Wherever insertions, deletions or substitutions such. B. Transitions or transversions can be considered, in vitro mutagenesis, "primerrepair", restriction or ligation can be used. As a method of analysis are generally sequence analysis, restriction analysis and others biochemical-molecular biological methods such. B. the expression of modified protein in fission yeast and the measurement of the modified Transport properties in artificial liposomes (see working examples 2 and 3; further: Loddenkötter et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 2155-2159; such as Fischer et al., 1997, Plant Cell, 9: 453-462; Kammerer et al. 1998, Plant Cell 10: 105-117) or the measurement of the modified transport properties on in transgenic Plants expressed protein using a recent one from us for this purpose developed method (Flügge and Weber, 1994, Planta, 194: 181-185) applied. The DNA sequence according to the invention (or parts or derivatives of this sequence) can be used according to standard procedures (especially hybridization Screening of low stringency cDNA libraries below Use of the DNA sequence according to the invention or parts of the DNA sequence as a probe or the creation of probes for stringent and low-stringent Screening strategies by deriving degenerate and / or not degenerate primers from the DNA sequence according to the invention for PCR Experiments with DNA or cDNA from other plants from the genome of Isolate plants-like sequences that code for proteins. The same Transport dicarboxylic acids.
Die erfindungsgemäße DNA-Sequenz enthält im übersetzten Proteinbereiche, die in der Lage sind, das im Cytoplasma an Ribosomen synthetisierte Protein spezifisch zu Plastiden zu dirigieren und das Auftreten des Proteins in anderen Membransystemen der Zelle zu verhindern. Dies steht im Gegensatz zu den bekannten mitochondrialen 2-Oxoglutarat Translokatoren, die eine solche Adressierungssequenz nicht enthalten. Der Proteinbereich, der das durch die erfindungsgemäße DNA-Sequenz kodierte Protein zu Plastiden dirigiert, liegt innerhalb der ersten hundert Aminosäuren des Proteins, ist für die Transportfunktion des Proteins nicht erforderlich und wird nach erfolgreicher Insertion des Proteins in die Plastidenhüllmembran entfernt. Durch Austausch dieser "Plastid-targeting"-Sequenz gegen eine der bekannten "Targeting"-Sequenzen z. B. für Mitochondrien ließe sich das Translokator-Protein in ein anderes Membransystem eukaryontischer Zellen dirigieren und könnte dort möglicherweise die Transporteigenschaften über die respektive Membran verändern. Ebenso könnten die "Plastid-targeting"-Sequenz des Glutamat/Malat-Translokators oder endogene Bereiche des reifen Proteins dazu genutzt werden, fremde Proteine (z. B. bakterielle Transportproteine oder Transporter aus Hefen) in die Plastiden bzw. in die Plastidenhüllmembran pflanzlicher Zellen zu dirigieren. The DNA sequence according to the invention contains in the translated protein regions which are in are able to specifically target the protein synthesized on ribosomes in the cytoplasm To direct plastids and the appearance of the protein in others To prevent membrane systems of the cell. This is in contrast to the known mitochondrial 2-oxoglutarate translocators, which such Addressing sequence not included. The range of proteins that this through DNA sequence encoded protein according to the invention directed to plastids, lies within the first hundred amino acids of the protein, is for that Transport function of the protein is not necessary and will be more successful after Insertion of the protein into the plastid envelope membrane removed. By exchanging this "Plastid targeting" sequence against one of the known "targeting" sequences e.g. B. for Mitochondria could translocate the protein into another membrane system direct eukaryotic cells and could possibly be there Change transport properties across the respective membrane. Likewise, could the "plastid targeting" sequence of the glutamate / malate translocator or endogenous Areas of the mature protein are used to extract foreign proteins (e.g. bacterial Transport proteins or transporters from yeast) into the plastids or into the To direct plastid envelope membrane of plant cells.
Zum besseren Verständnis der dieser Erfindung zugrundeliegenden Ausführungs beispiele werden die wichtigsten eingesetzten Verfahren im folgenden erläutert.For a better understanding of the embodiment on which this invention is based the most important processes used are explained below.
Zur Klonierung der für den Glutamat/Malat-Translokator kodierenden cDNAs aus Sorghum bicolor und Flaveria bidentis wurde der Phage Lambda ZAPII sowie der Phagemid pBluescript II KS (pBSC) (Short et al., 1988, Nucl. Acids Res. 16: 7583-7600) verwendet.For cloning the cDNAs coding for the glutamate / malate translocator Sorghum bicolor and Flaveria bidentis became the Phage Lambda ZAPII and the Phagemid pBluescript II KS (pBSC) (Short et al., 1988, Nucl. Acids Res. 16: 7583-7600) used.
Für die Transformation von Hefen wurde der Vektor SAP-E (Truenit et al., 1996, Plant Cell 8: 2169-2182) verwendet.The vector SAP-E (Truenit et al., 1996, Plant Cell 8: 2169-2182) was used.
Für die Pflanzentransformation wurden die Genkonstruktionen in den binären Vektor pBinAR (Höfgen und Willmitzer, 1990, Plant Sci. 66: 221-230) kloniert.For the plant transformation, the gene constructions in the binary Vector pBinAR (Höfgen and Willmitzer, 1990, Plant Sci. 66: 221-230) cloned.
Für das pBluescriptKS (pBSC) Phagemid sowie für SAP-E- und pBinAR-Konstrukte wurde der E. coli Stamm DH5α (Hanahan et al., 1983, J. Mol. Biol. 166: 557-580) verwendet.For the pBluescriptKS (pBSC) phagemid as well as for SAP-E and pBinAR constructs the E. coli strain DH5α (Hanahan et al., 1983, J. Mol. Biol. 166: 557-580) used.
Die Transformation der pBinAR-Konstrukte in Tabakpflanzen wurde mit Hilfe des Agrobacterium tumefaciens-Stammes C58C1, pGV2260 (Bevan, 1984, Nucl. Acids Res. 12: 8711-8720) durchgeführt.The transformation of the pBinAR constructs in tobacco plants was carried out using the Agrobacterium tumefaciens strain C58C1, pGV2260 (Bevan, 1984, Nucl. Acids Res. 12: 8711-8720).
Der Transfer der DNA in die Agrobakterien erfolgte durch direkte Transformation nach der Methode von Höfgen und Willmitzer (1988, Nucl. Acids Res. 16: 9877). Die Plasmid-DNA transformierter Agrobakterien wurde nach der Methode von Birn boim und Doly (1979, Nucl. Acids Res. 7: 1513-1523) isoliert und nach geeigneter Restriktionsspaltung gelelektrophoretisch auf Richtigkeit und Orientierung analysiert. The DNA was transferred to the agrobacteria by direct transformation by the method of Höfgen and Willmitzer (1988, Nucl. Acids Res. 16: 9877). The Plasmid DNA transformed Agrobacteria was by the method of Birn boim and Doly (1979, Nucl. Acids Res. 7: 1513-1523) isolated and after suitable Restriction cleavage by gel electrophoresis for correctness and orientation analyzed.
Pro Transformation wurden 15 kleine mit Schmirgelpapier und Skalpell verwundete Blätter einer Tabak-Sterilkultur in 10 ml MS-Medium mit 2% Saccharose gelegt, welches 100 µl einer unter strenger Selektion gewachsenen, transformierten Agro bacterium tumefaciens-Übernachtkultur enthielt. Nach 15 minütigem leichtem Schütteln wurden die Blätter auf MS-Medium mit 1,6% Glukose, 2 mg/l Zeatinribose, 0,02 mg/l Naphthylessigsäure, 0,02 mg Giberellinsäure, 500 mg/l Betabactyl®, 100 mg/l Kanamycin und 0,8% Bacto-Agar ausgelegt. Nach einwöchiger Inkubation bei 25°C und 3.000 Lux Beleuchtungsstärke wurde die Betabactylkonzentration im Medium um die Hälfte reduziert.15 small ones were wounded with emery paper and scalpel per transformation Leaves of a tobacco sterile culture placed in 10 ml MS medium with 2% sucrose, which 100 µl of a transformed agro grown under strict selection bacterium tumefaciens overnight culture. After 15 minutes of light The leaves were shaken on MS medium with 1.6% glucose, 2 mg / l Zeatinribose, 0.02 mg / l naphthylacetic acid, 0.02 mg giberellic acid, 500 mg / l Betabactyl®, 100 mg / l kanamycin and 0.8% Bacto agar. To one week incubation at 25 ° C and 3,000 lux illuminance Beta-lactyl concentration in the medium reduced by half.
Am 12. 11. 1998 wurden bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen (DSM)
in Braunschweig, Bundesrepublik Deutschland, folgende Phagemide in Form von E.
coli Stämmen, enthaltend diese Phagemide, hinterlegt:
Phagemid pSbGMT1 (GMT1-Sequenz aus Sorghum bicolor) (DSM 12480)
Phagemid pFbGMT1 (GMT1-Sequenz aus Flaveria bidentis) (DSM 12478)
Phagemid pSoGMT1 (GMT1-Sequenz aus Spinacia oleracea) (DSM 12479)On November 12, 1998 the following phagemids in the form of E. coli strains containing these phagemids were deposited with the German Collection of Microorganisms (DSM) in Braunschweig, Federal Republic of Germany:
Phagemid pSbGMT1 (GMT1 sequence from Sorghum bicolor) (DSM 12480)
Phagemid pFbGMT1 (GMT1 sequence from Flaveria bidentis) (DSM 12478)
Phagemid pSoGMT1 (GMT1 sequence from Spinacia oleracea) (DSM 12479)
Aus Blättern von Sorghum bicolor wurde poly(A+)-RNA isoliert, mit Hilfe eines Standard-cDNA-Synthesekits in doppelsträngige cDNA überführt und diese in den Vektor Lambda-ZAPII kloniert (Wyrich et al., 1998, Plant Mol. Biol. 37: 319-335). Parallel dazu wurde durch partiellen Verdau mit Pektinasen und Cellulasen aus Blättern von Sorghum bicolor Mesophyll- und Bündelscheidenzellen präpariert und aus diesen wiederum poly(A+)-RNA. Aus der Mesophyll- bzw. Bündelscheiden- RNA wurde mit Hilfe der Reversen Transkriptase und radiaoaktiver Nukleotide eine Hybridisierungssonde hergestellt, mit der die cDNA-Bibliothek differentiell durchgemustert wurde. Die Sichtung führte u. a. zur Isolierung einer ca. 900 bp großen cDNA (HHU51), die Ähnlichkeiten zu einer cDNA aus Spinat erkennen ließ, die für den 2-Oxoglutarat/Malat-Translokator kodiert (Weber et al., 1995, Biochemistry 34: 2621-2627) und die bei Sorghum bicolor bündelscheidenspezifisch exprimiert wird (Wyrich et al., 1998, Plant Mol. Biol. 37: 319-335). Um Vollängenklone für die in HHU51 kodierten Translokatorpartialsequenzen zu isolieren, wurde die cDNA-Bibliothek mit dem cDNA-Klon HHU51 als Hybridisierungssonde durchmustert. Positiv reagierende Lambda-Klone wurden nach Standardverfahren gereinigt. Das pBluescript-Phagemid mit dem cDNA-Insert kodierend für den Glutamat/Malat-Translokator wurde durch in vivo-Exzission (Short & Sorge, 1992, Meth. Enzymol. 216: 495-208) freigesetzt. Die Klone wurden durch Bestimmung der DNA-Sequenz analysiert (Dideoxymethode: Sanger et al., 1977, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74: 5463-5467) und aus dieser DNA-Sequenz die Primärstruktur des Glutamat/Malat-Translokators (Klon pSbGMT1) bestimmt. Die cDNA aus Sorghum bicolor (Hirse) wurde anschließend benutzt, um die entsprechenden cDNA-Klone aus Flaveria bidentis (Klon pFbMGT1) und Spinacia oleracea (Spinat) zu isolieren.Poly (A + ) RNA was isolated from leaves of Sorghum bicolor, converted into double-stranded cDNA using a standard cDNA synthesis kit and cloned into the vector Lambda-ZAPII (Wyrich et al., 1998, Plant Mol. Biol. 37 : 319-335). In parallel, mesophyll and bundle sheath cells were prepared by partial digestion with pectinases and cellulases from leaves of Sorghum bicolor, and poly (A + ) RNA from them. A hybridization probe was produced from the mesophyll or bundle sheath RNA using reverse transcriptase and radioactive nucleotides, with which the cDNA library was screened differentially. The screening led, among other things, to the isolation of an approximately 900 bp cDNA (HHU51) which showed similarities to a spinach cDNA which codes for the 2-oxoglutarate / malate translocator (Weber et al., 1995, Biochemistry 34: 2621 -2627) and which is expressed specifically in bundle sheaths in Sorghum bicolor (Wyrich et al., 1998, Plant Mol. Biol. 37: 319-335). In order to isolate full-length clones for the translocator partial sequences encoded in HHU51, the cDNA library was screened with the cDNA clone HHU51 as a hybridization probe. Lambda clones that reacted positively were cleaned using standard methods. The pBluescript phagemid with the cDNA insert coding for the glutamate / malate translocator was released by in vivo excision (Short & Sorge, 1992, Meth. Enzymol. 216: 495-208). The clones were analyzed by determining the DNA sequence (dideoxy method: Sanger et al., 1977, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74: 5463-5467) and from this DNA sequence the primary structure of the glutamate / malate translocator ( Clone pSbGMT1) determined. The sorghum bicolor (millet) cDNA was then used to isolate the corresponding cDNA clones from Flaveria bidentis (clone pFbMGT1) and Spinacia oleracea (spinach).
Das Phagemid pBluescript (pBSC), enthaltend die Insertion kodierend für den Glutamat/Malat-Translokator, wurde über die sich an den beiden Enden befindlichen EcoRI-Schnittstellen mit der Endonuclease EcoRI linearisiert und das so erhaltene Fragment in die singuläre EcoRI Klonierungsstelle des Hefe- Expressionsvektors SAP-E (Truenit et al., 1996, Plant Cell 8: 2169-2182) kloniert. Nach Amplifikation des Konstrukts (SAP-GMT1) in E. coli wurde das Plasmid in durch LiCl/PEG kompetent gemachte (Ito et al., 1983, J. Bact. 153: 163-168) Leucinsynthese defiziente S. pombe Zellen transformiert. Transformanden wurden durch Selektion auf Minimalmedium ohne Leucin selektiert, da das SAP-GMT1-Konstrukt den Hefezellen die Fähigkeit zum Wachstum auf leucinfreiem Medium verleiht.The phagemid pBluescript (pBSC) containing the insert coding for the Glutamate / malate translocator, was located on both ends located EcoRI interfaces linearized with the endonuclease EcoRI and so fragment obtained into the unique EcoRI cloning site of the yeast Expression vector SAP-E (Truenit et al., 1996, Plant Cell 8: 2169-2182) cloned. To Amplification of the construct (SAP-GMT1) in E. coli was performed in the plasmid LiCl / PEG made competent (Ito et al., 1983, J. Bact. 153: 163-168) leucine synthesis deficient S. pombe cells are transformed. Transformants were selected selected on minimal medium without leucine, since the SAP GMT1 construct the Gives yeast cells the ability to grow on leucine-free media.
Mit dem SAP-GMT1 Plasmid transformierte Hefezellen wurden in Minimalmedium bis zu einer optischen Dichte bei 600 nm von 1.0 angezogen und durch Zentrifu gation bei 3.000 × g für 5 min geerntet. Anschließend wurden die Zellen durch kräfti ges Schütteln mit 1/2 vol (bezogen auf die Zellen) Glasperlen aufgebrochen und Glasperlen und Zellbruchstücke durch Zentrifugation (600 g für 1 min) abgetrennt. Yeast cells transformed with the SAP-GMT1 plasmid were placed in minimal medium attracted to an optical density at 600 nm of 1.0 and by centrifuge gation at 3,000 × g for 5 min. The cells were then removed by vigor shake with 1/2 vol (based on the cells) broken glass beads and Glass beads and cell fragments are separated by centrifugation (600 g for 1 min).
Der Überstand wurde auf eine Konzentration von 0.5% (Gewicht/Volumen) Triton X-100 eingestellt, mit dem gleichen Volumen Liposomen versetzt und die resultie renden Proteoliposomen sofort in flüssigem Stickstoff eingefroren. Die Liposomen wurden zuvor durch Beschallen von Sojabohnen-Phospholipid (20 mg/ml) für 10 min bei 4°C in Gegenwart von 200 mM Tricine-NaOH (pH 7,6), 40 mM Malat und 60 mM Kaliumglukonat hergestellt. Nach dem Auftauen der Proteoliposomen und erneutem Beschallen der Suspension mit 10 Pulsen à 1 s wurden die Proteoliposomen vom umgebendem Medium durch Größenausschlußchromatographie auf Sephadex G-25, das zuvor mit 10 mM Tricine-NaOH (pH 7,6), 100 mM Natriumglukonat und 50 mM Kaliumglukonat äquilibriert worden war, abgetrennt. Die eluierten Proteoliposomen wurden für die Messung der Malat-Transportaktivität eingesetzt. Die Messung wurde nach der von Menzlaff und Flügge (1993, Biochim. Biophys. Acta 1147: 13-18) beschriebenen "Inhibitor-Stop" Methode durchgeführt. Die Malat-Transportaktivität in den SAP-GMT1 Transformanden wurde mit der Malat-Transportaktivität von Transformanden verglichen, die lediglich mit dem Vektor SAP ohne die GMT1-Insertion transformiert waren. Es zeigte sich, daß die Malat-Transportaktivität in den SAP-GMT1 Transformanden (gemessen in pmol transportiertes 14C-Malat/mg Protein pro Minute) um ein Vielfaches höher war als in SAP Kontroll-Transformanden. Es konnte ferner gezeigt werden, daß, im Gegensatz zu dem bereits bekannten 2-Oxoglutarat/Malat-Translokator, der Glutamat/Malat- Translokator den Transport von Aminosäuren (Glutamat/Aspartat) im Gegentausch mit Malat zu katalysieren vermag (siehe Tabelle 1).The supernatant was adjusted to a concentration of 0.5% (weight / volume) Triton X-100, the same volume of liposomes was added and the resulting proteoliposomes were immediately frozen in liquid nitrogen. The liposomes were previously prepared by sonicating soybean phospholipid (20 mg / ml) for 10 min at 4 ° C. in the presence of 200 mM tricine-NaOH (pH 7.6), 40 mM malate and 60 mM potassium gluconate. After thawing the proteoliposomes and sonicating the suspension again with 10 pulses of 1 s each, the proteoliposomes were removed from the surrounding medium by size exclusion chromatography on Sephadex G-25, previously with 10 mM tricine-NaOH (pH 7.6), 100 mM sodium gluconate and 50 mM potassium gluconate had been equilibrated, separated. The eluted proteoliposomes were used to measure malate transport activity. The measurement was carried out according to the "inhibitor-stop" method described by Menzlaff and Flügge (1993, Biochim. Biophys. Acta 1147: 13-18). The malate transport activity in the SAP-GMT1 transformants was compared with the malate transport activity of transformants that were only transformed with the vector SAP without the GMT1 insertion. It was shown that the malate transport activity in the SAP-GMT1 transformants (measured in pmol transported 14 C-malate / mg protein per minute) was many times higher than in the SAP control transformants. It could also be shown that, in contrast to the already known 2-oxoglutarate / malate translocator, the glutamate / malate translocator is able to catalyze the transport of amino acids (glutamate / aspartate) in exchange for malate (see Table 1).
Aus dem Phagemid pBluescript-GMT1 (pBSC-SoGMT1), der als Insertion die cDNA für den Glutamat/Malat-Translokator aus Spinat enthielt (siehe Ausführungsbeispiel 1), wurde die Insertion durch Restriktionsverdau mit EcoRV und SmaI isoliert und in den Vektor pBinAR (Höfgen u. Willmitzer, 1990, Plant Sci. 66: 221-230) der zuvor mit dem Enzym SmaI geschnitten worden war, kloniert. Nach Amplifikation des resultierenden Konstrukts pBinAR-GMT1 in E. coli wurden das Konstrukt in Agrobakterien transformiert und diese dann zur Infektion von Blattsegmenten von Tabak und Kartoffel eingesetzt.From the phagemid pBluescript-GMT1 (pBSC-SoGMT1), which inserted the cDNA for the glutamate / malate translocator from spinach (see exemplary embodiment 1), the insert was isolated by restriction digestion with EcoRV and SmaI and in the vector pBinAR (Höfgen and Willmitzer, 1990, Plant Sci. 66: 221-230) of the previously the enzyme SmaI had been cloned. After amplification of the resulting construct pBinAR-GMT1 in E. coli were the construct in Agrobacteria are transformed and then used to infect leaf segments of Tobacco and potato used.
Die erhaltenen Transformanden wurden mit Hilfe von Southern-Blot Analysen auf die Präsenz des intakten, nicht rearrangierten chimären Gens untersucht. Mit Hilfe der "Gesamtblatt-Rekonstitutionsmethode" (Flügge und Weber, 1994, Planta, 194: 181-185) wurde die Malattransportaktivität im Vergleich zu Kontrolltransformanden (transformiert mit Vektor pBinAR ohne Insertion) untersucht, ebenso das C/N-Ver hältnis, Photosyntheserate, Photorespiration und Wachstum.The transformants obtained were analyzed using Southern blot analyzes investigated the presence of the intact, non-rearranged chimeric gene. With help the "whole sheet reconstitution method" (Flügge and Weber, 1994, Planta, 194: 181-185) the malate transport activity compared to control transformants (transformed with vector pBinAR without insertion), as well as the C / N ver ratio, photosynthesis rate, photorespiration and growth.
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Non-Patent Citations (1)
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| EMBO J. 11, S. 4705-4713, 1992 * |
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