EP1078089A2 - Method for producing plants having an increased tolerance against drought and/or fungal attack and/or increased salt concentrations and/or extreme temperature by the expression of plasmodesmata-localized proteins - Google Patents

Method for producing plants having an increased tolerance against drought and/or fungal attack and/or increased salt concentrations and/or extreme temperature by the expression of plasmodesmata-localized proteins

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Publication number
EP1078089A2
EP1078089A2 EP99950352A EP99950352A EP1078089A2 EP 1078089 A2 EP1078089 A2 EP 1078089A2 EP 99950352 A EP99950352 A EP 99950352A EP 99950352 A EP99950352 A EP 99950352A EP 1078089 A2 EP1078089 A2 EP 1078089A2
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EP
European Patent Office
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plant
plants
increased
tolerance
use according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99950352A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Rohde
Dirk PRÜFER
Eckhard Tacke
Peter Pasemann
Francesco Salamini
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
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Publication date
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Priority to EP99950352A priority Critical patent/EP1078089A2/en
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/63Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
    • C12N15/79Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts
    • C12N15/82Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts for plant cells, e.g. plant artificial chromosomes (PACs)
    • C12N15/8241Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology
    • C12N15/8261Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology with agronomic (input) traits, e.g. crop yield
    • C12N15/8271Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology with agronomic (input) traits, e.g. crop yield for stress resistance, e.g. heavy metal resistance
    • C12N15/8273Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology with agronomic (input) traits, e.g. crop yield for stress resistance, e.g. heavy metal resistance for drought, cold, salt resistance
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07KPEPTIDES
    • C07K14/00Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof
    • C07K14/415Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from plants
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/63Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
    • C12N15/79Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts
    • C12N15/82Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts for plant cells, e.g. plant artificial chromosomes (PACs)
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    • C12N15/8279Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology with agronomic (input) traits, e.g. crop yield for stress resistance, e.g. heavy metal resistance for biotic stress resistance, pathogen resistance, disease resistance
    • C12N15/8282Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology with agronomic (input) traits, e.g. crop yield for stress resistance, e.g. heavy metal resistance for biotic stress resistance, pathogen resistance, disease resistance for fungal resistance

Definitions

  • the invention relates to the use of nucleic acids encoding a (poly) peptide with an intrinsic affinity for plasmodesms, for the production of plants or parts thereof with increased tolerance to drought and / or fungal infections and / or increased salt concentrations and / or extreme temperatures (cold , Heat) and corresponding procedures.
  • a plant, a plant tissue or a plant cell is advantageously transfected with the nucleic acid.
  • the nucleic acid preferably encodes a virus-encoded transport protein, which in a particularly preferred embodiment is a derivative of the pr17 protein with a hydrophilic N-terminal extension.
  • a goal of classic plant breeding is the creation of high-yielding varieties that have an increased tolerance to environmental factors or are resistant to stress factors.
  • stress factors can be both biotic (insects, viruses, fungi, etc.) and abiotic (extreme temperatures, salt, drought).
  • biotic insects, viruses, fungi, etc.
  • abiotic extreme temperatures, salt, drought
  • wild plants in stress-dominated locations have adapted to the extreme living conditions, drought, heat or salinity of the soil limit the possibilities for cultivating crops in such areas.
  • agriculture in other locations also suffers major losses due to abiotic stress, as the example of the drought in 1983 in the USA has shown: Almost half of the total corn harvest and one third of the expected soybean yield were destroyed by the continuing drought. All abiotic stress conditions mentioned have in common that they are intracellular
  • Proteins and metabolites of plant metabolism such as sugar alcohols,
  • Proline or glycine betaine as accumulating as a result of abiotic stress
  • glycine betaine Among the plant metabolites identified as anti-stress factors or osmoprotectors is glycine betaine, the effectiveness of which has been demonstrated, for example, in maize (Saneoka, (1995) Plant Physiol. 107: 631-638). Betaine aldehyde dehydrogenase (BADH) is involved in the synthesis of glycine betaine in plant chloroplasts (Rhodes, (1993) Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 44: 357-384). Transgenic tobacco plants expressing a bacterial BADH (Holmstrom, (1994) Plant. J.
  • the invention thus relates to the use of a nucleic acid which encodes a (poly) peptide with an intrinsic affinity for plasmodesms for the production of plants or parts thereof with increased tolerance to drought and / or fungal infections and / or increased salt concentrations and / or extreme temperatures; i.e. Cold and / or heat.
  • a plant, a plant tissue or a plant cell is usually transfected with such a nucleic acid by conventional methods.
  • All higher plants are characterized by the fact that they are capable of photosynthesizing sugars and their derivatives, which, as mentioned above, can serve as osmoprotectors under stress conditions.
  • the intracellular Concentration of the sugar and sugar derivatives - especially in the leaves to protect the photosynthesis-active chloroplasts - was solved according to the invention in a surprisingly simple manner by the measure identified above.
  • this measure is technically simple for the person skilled in the art, it is particularly advantageous that, according to the invention, the stress resistance can be increased with a mechanism which is valid in many and possibly even all plants.
  • the plant tolerance to both abiotic and biotic factors could be increased with the method according to the invention.
  • the term "increased salt concentration” refers to salt concentrations in the soil, which lead to an increased ion concentration in the plant, which then leads to reduced growth.
  • the absolute salt concentrations in the soil, which are to be regarded as increased, are different for different plants, but can be determined by a person skilled in the art using conventional methods, e.g. based on the disclosure content of Greenway and Munns (1980) Ann. Rev. Plant Physiol. 31: 149-190.
  • nucleic acid encoding a (poly) peptide with an intrinsic affinity for plasmodesms in plant cells this is linked to regulatory sequences which ensure transcription in plant cells.
  • regulatory sequences which ensure transcription in plant cells.
  • promoters include promoters in particular.
  • any promoter active in plant cells can be used for the expression.
  • the promoter can be selected so that the expression is constitutive or only in a certain tissue, at a certain time in plant development or at a time determined by external influences.
  • the promoter can be homologous or heterologous to the plant.
  • Useful promoters are, for example, the 35S RNA promoter from the Cauliflower Mosaic Virus (CaMV) and the ubiquitin promoter from maize for constitutive expression.
  • a transcription termination sequence is usually present which serves to correctly terminate the transcription and can also be used to add a poly-A tail to the transcript which has a function in the stabilization the transcripts are attached.
  • Octopin synthase genes from agrobacteria have been described in the literature (cf. Gielen, EMBO J. 8 (1989), 23-29) and can be exchanged as desired. In a preferred one
  • the promoter is the 35S CaMV promoter.
  • the plant which is used or produced in one of the methods or uses according to the invention can contain further recombinant DNA molecules which, for. B. can be used for crop protection or quality improvements of the plant or its harvest products.
  • plant protection measures are: (i) herbicide tolerance (DE-A-3701623; Stalker (1988) Science 242, 419), (ii) insect resistance (Vaek (1987) Plant Cell 5, 159-169), (iii) virus resistance (Powell (1986) Science 232, 738-743) and (vi) ozone resistance (Van Camp (1994) BioTech. 12, 165-168).
  • quality increases are: (i) increase in the shelf life of fruit (Oeller (1991) Science 254, 437-439), (ii) increase in starch production in potato tubers (Stark (1992) Science 242, 419), (iii) change in Starch (Visser (1991) Mol. Gen. Genet. 225, 289-296) and lipid composition (Voelker (1992) Science 257, 72-74) and (iv) production of non-plant polymers (Porier (1992) Science 256, 520- 523).
  • transgenic plants The basic requirement for the production of transgenic plants is the availability of suitable transformation systems.
  • Several methods are currently available for transformation.
  • the most frequently used method for the transformation of dicotyledonous plants is the Agrobacterium -mediated gene transfer.
  • the natural ability of the soil bacteria to exploit genetic material in the plant genome is used.
  • Other suitable methods are, for example, protoplast transformation by polyethylene glycol-induced DNA uptake, electroporation, sonication or microinjection, and the transformation of intact cells or tissue by micro- or macroinjection into tissue or embryos, tissue electroporation, incubation of dry embryos in DNA-containing solution, vacuum infiltration of seeds and organic Gene transfer (for an overview: see, for example, Potrykus, Physiol. Plant (1990), 269-273 and Christou (1996) Trends in Plant Science 1, 423-431).
  • transgenic plant cells can be regenerated into whole plants using techniques known to those skilled in the art.
  • Plants are transgenic or not.
  • the transgenic plants can act principally plants of any plant species, ie both monocot and dicot plants.
  • a selectable marker is integrated into the plant genome in a conventional manner, which enables the identification of transgenic cells. Currently, selections are being transformed
  • Plant cells primarily used genes that have a herbicide or
  • Suitable resistance genes are, for example, the bar-
  • Phosphinothricin mediates (De Block (1987) EMBO J. 6, 2513-2518) or the nptll-
  • Another method takes advantage of the ability of a deaminase
  • Selection markers do not necessarily have to be present in the vector which contains the recombinant DNA molecule, but can also be co-transformed with them
  • This option is useful, for example, if no physical coupling of the marker gene and the information to be transmitted is desired.
  • a plant is also regenerated from the transfected plant cell.
  • the plants can be regenerated by customary methods which are familiar to the person skilled in the art.
  • TP virus-coded transport proteins
  • the virus-encoded transport protein is the potato leaf roll virus (PLRV) transport protein pr17 or a derivative thereof.
  • PLRV potato leaf roll virus
  • the TP of the potato leaf roll virus (potato leafroll virus, PLRV) and the crop plant potato were chosen as the model system.
  • the PLRV-TP which is a feature of a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, is a 17 kDa protein (pr17) which is responsible for the transfer of the genomic RNA from cell to cell. It is encoded by the open reading frame (ORF) ORF4; this gene is located within ORF3, the gene for the viral capsid protein CP, but in a different reading frame.
  • the protein has an amino-terminal domain for the formation of homopolymers (Tacke (1993), Virology 197: 274-282.) And a carboxy-terminal domain for binding single-stranded nucleic acids (Tacke (1991), J. Gen. Virol. 72: 2035-2038).
  • This protein which is phosphorylated in planta (Tacke (1993), op. Cit; Sokolova (1997), FEBS Lett. 400: 201-205), is expressed seven times more strongly than the viral coat protein gene (Tacke (1990), J. Gen Virol. 71: 2265-2272).
  • the pr17 is predominantly due to the plasmodesms between the sieve element and the escort cell of the
  • Phloems localized (Schmitz (1997), Virology 235: 311-322), to which the virus is limited during its propagation in the plant.
  • Expression of a mutated pr17 protein in transgenic potato plants causes broad-spectrum resistance to the most important potato viruses (Tacke (1996), Nature Biotechnology 14: 1597-1601).
  • Glucose and sugar derivatives such as starch.
  • the derivative is a pr17 protein with a hydrophilic N-terminal extension.
  • the polylinker (multiple cloning site; MCS) of the bluescript vector was fused translationally to the ⁇ ′ end of the pr17-WT gene, and both the first two AUG translation codons of pr17 were mutated into ACG codons by targeted mutagenesis AUG translation start codon inserted into the polylinker sequence ( Figure 1).
  • this gene was under the transcriptional control of the 35S promoter and terminator of the cauliflower mosaic virus (CaMV) in the vector pRT103 (Töpfer (1987), Nucleic Acids Res. 15: 5890) and these
  • the hydrophilic extension comprises the amino acid sequence MAELGSGSELHRGGGRSRTS.
  • the plant, the plant tissue or the plant cells come from the potato, from tobacco, from cereals or vegetables or are potatoes, tobacco plants, cereal plants or vegetable plants.
  • increasing the tolerance of the plants to fungal infections is one of the tolerance to infections with Phytophtora infestans.
  • transgenic lines obtained with the method according to the invention are also distinguished by a statistically significant tolerance to Phytophthora infestans, the causative agent of late blight.
  • the invention further relates to methods for producing plants or parts thereof with increased tolerance to drought and / or fungal infections and / or increased salt concentrations and / or extreme temperature (heat, cold), wherein (a) a plant, plant tissue or plant cell with one
  • step (c) following step (b), further plants or plant cells from the plant obtained in (b).
  • the (poly) peptide is a virus-encoded transport protein.
  • the virus-encoded transport protein is the potato leaf roll virus (PLRV) transport protein pr17 or a derivative thereof.
  • PLRV potato leaf roll virus
  • the derivative is a pr17 protein with a hydrophilic N-terminal extension.
  • the hydrophilic extension comprises the amino acid sequence MAELGSGSELHRGGGRSRTS.
  • the plant, the plant tissue or the plant cells come from the potato, from tobacco, from cereals or vegetables or are potatoes, tobacco plants, cereal plants or vegetable plants.
  • increasing the tolerance of the plants to fungal infections is one of the tolerance to infections with Phytophtora infestans.
  • a modification at the 5 'end of the pr17 gene was achieved by translational fusion of the multiple cloning site of the Bluescript vector, introduction of an optimized translation initiation codon and mutation of the two pr17-WT AUG initiation codons to ACG (FIG. 1).
  • This change results in the expression of a derivative (pr17-N) of the pr17-WT protein with a hydrophilic extension by the sequence MAELGSGSELHRGGGRSRTS at the amino terminus (Tacke (1996), op. Cit; Figure 2).
  • the preparation of the plasmid p17N is described in Schmitz (1996), Nucleic Acids Res. 24: 257-263 (referred to there as p17 / NIII).
  • Kanamycin sulfate Shoots formed after 6-8 weeks and became
  • Necrosis and bacterial rot can be avoided.
  • the leaf disks are placed in irrigation boxes (Gieffers et al., Op. Cit.)
  • Filter paper laid out with the bottom up.
  • the constant water film on the filter paper provides the leaf disks with sufficient water.
  • a drop with a sporangia suspension 200 sporangia / 20 ⁇ l is placed on the
  • the inoculated leaf disks are kept under a permanent temperature of 10 ° C and the above. Incubated light conditions. The infectious zoospores hatch under these conditions. After about 6 days, the first sporangia are formed, the
  • Infestation is assessed after 8 to 10 days.
  • Leaf tissue decay is estimated as a percentage.
  • the level of infestation determines the quantitative level of resistance.
  • Example 5 Induced tolerance to drought as an example of increased tolerance to abiotic stress
  • transgenic plants of the transgenic lines L4, L6, L7 and L8 and the starting variety Linda were kept under dry stress in the 6-8-leaf stage for 8 weeks, the plants being watered once after 3 and after 6 weeks.
  • the transgenic plants were shown in two independent experiments a significantly increased tolerance to water stress, as in Table 1 and
  • Example 6 Induced tolerance to Phytophthora infestans as an example of increased tolerance to fungal attack
  • Example 7 Induced tolerance to salt as another example of increased tolerance to abiotic stress

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Abstract

The invention relates to the use of nucleic acids which code a (poly)peptide with an intrinsic affinity to plasmodesmata, to the production of plants or parts thereof having an increased tolerance against drought and/or fungal infections and/or increased salt concentrations and/or extreme temperature (heat, cold), and to corresponding methods. According to the invention, a plant, a plant tissue or a plant cell is advantageously transfected with the nucleic acid. The nucleic acid preferably codes a virus-coded transport protein which, in an especially preferred embodiment, is a derivative of the pr17 protein with a hydrophilic N-terminal extension.

Description

Verfahren zur Erzeugung von Pflanzen mit erhöhter Toleranz gegen Process for the production of plants with increased tolerance to
Trockenheit und/oder Pilzbefall und/oder erhöhte Salzkonzentrationen und/oder extreme Temperatur durch die Expression plasmodesmen- lokalisierter ProteineDryness and / or fungal attack and / or increased salt concentrations and / or extreme temperature due to the expression of plasma-localized proteins
Die Erfindung betrifft die Verwendung von Nukleinsäuren, die ein (Poly)peptid mit einer intrinsischen Affinität zu Plasmodesmen kodieren, zur Erzeugung von Pflanzen oder Teilen davon mit erhöhter Toleranz gegen Trockenheit und/oder Pilzinfektionen und/oder erhöhte Salzkonzentrationen und/oder extreme Temperaturen (Kälte, Hitze) sowie entsprechende Verfahren. Vorteilhafterweise transfiziert man dabei eine Pflanze, ein Pflanzengewebe oder eine Pflanzenzelle mit der Nukleinsäure. Vorzugsweise kodiert die Nukleinsäure ein Virus-kodiertes Transportprotein, das in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein Derivat des pr17-Proteins mit einer hydrophilen N-terminalen Verlängerung ist.The invention relates to the use of nucleic acids encoding a (poly) peptide with an intrinsic affinity for plasmodesms, for the production of plants or parts thereof with increased tolerance to drought and / or fungal infections and / or increased salt concentrations and / or extreme temperatures (cold , Heat) and corresponding procedures. A plant, a plant tissue or a plant cell is advantageously transfected with the nucleic acid. The nucleic acid preferably encodes a virus-encoded transport protein, which in a particularly preferred embodiment is a derivative of the pr17 protein with a hydrophilic N-terminal extension.
Im folgenden werden mehrere Dokumente zitiert, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme enthalten ist und deren technische Lehre im Sinne der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann.Several documents are cited below, the disclosure content of which is hereby incorporated by reference and the technical teaching of which can be applied within the meaning of the present invention.
Ein Ziel der klassischen Pflanzenzüchtung ist die Schaffung von ertragreichen Sorten, die eine erhöhte Toleranz gegenüber Umweltfaktoren aufweisen bzw. gegenüber Streßfaktoren resistent sind. Diese Streßfaktoren können sowohl biotischer (Insekten, Viren, Pilze etc.) als auch abiotischer Natur sein (extreme Temperaturen, Salz, Trockenheit). Während Wildpflanzen an streßdominierten Standorten sich an die extremen Lebensbedingungen adaptiert haben, beschränken Dürre, Hitze oder Salinität des Bodens die Möglichkeiten zum Anbau von Kulturpflanzen in solchen Gebieten. Andererseits erleidet die Landwirtschaft auch an anderen Standorten große Einbußen durch abiotischen Streß, wie das Beispiel des Dürrejahres 1983 in den USA gezeigt hat: Nahezu die Hälfte der gesamten Maisernte und ein Drittel des erwarteten Sojaertrags wurden durch die anhaltende Trockenheit vernichtet. Allen genannten abiotischen Streßbedingungen ist gemein, daß sie das intrazelluläreA goal of classic plant breeding is the creation of high-yielding varieties that have an increased tolerance to environmental factors or are resistant to stress factors. These stress factors can be both biotic (insects, viruses, fungi, etc.) and abiotic (extreme temperatures, salt, drought). While wild plants in stress-dominated locations have adapted to the extreme living conditions, drought, heat or salinity of the soil limit the possibilities for cultivating crops in such areas. On the other hand, agriculture in other locations also suffers major losses due to abiotic stress, as the example of the drought in 1983 in the USA has shown: Almost half of the total corn harvest and one third of the expected soybean yield were destroyed by the continuing drought. All abiotic stress conditions mentioned have in common that they are intracellular
Wassergleichgewicht stören. Pflanzen können sich jedoch in gewissen Grenzen aufDisrupt water balance. Plants can, however, within certain limits
Streßbedingungen einstellen (Bohnert, (1995) Plant Cell 7: 1099-1011 ). So sind z.B.Set stress conditions (Bohnert, (1995) Plant Cell 7: 1099-1011). For example,
Proteine sowie Metaboliten des pflanzlichen Stoffwechsels wie Zuckeralkohole,Proteins and metabolites of plant metabolism such as sugar alcohols,
Prolin oder Glyzinbetain als in der Folge von abiotischem Streß akkumulierendeProline or glycine betaine as accumulating as a result of abiotic stress
Osmoregulatoren identifiziert worden. Darauf basierend wurden verschiedeneOsmoregulators have been identified. Various were based on this
Strategien entwickelt, durch gentechnologische Veränderungen transgene Pflanzen mit erhöhter Toleranz gegenüber derartigen Faktoren bzw. erhöhter Streßresistenz zu erzeugen (Übersichtsartikel von Holmberg und Bülow (1998) Trends PlantStrategies developed to produce transgenic plants with increased tolerance to such factors or increased stress resistance through genetic engineering changes (review by Holmberg and Bülow (1998) Trends Plant
Science 3: 61-66). Ein Beispiel für pflanzliche Proteine als Antistreß-Faktoren sind die sogenannten LEA (late embryogenesis abundant)-Proteine, deren erhöhteScience 3: 61-66). An example of plant proteins as anti-stress factors are the so-called LEA (late embryogenesis abundant) proteins, their increased
Expression mit physiologischem und Umweltstreß korreliert und die eineExpression correlated with physiological and environmental stress and the one
Schutzfunktion für die Pflanze unter extremen Streßbedingungen darstellen (siehe z.B. Chandler (1994) Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 45: 113-141 ). Die gentechnische Veränderung von Reis mit Hilfe des Gersten-LEA-Gens HVA1 resultierte tatsächlich in einer erhöhten Toleranz gegenüber Trockenheit und SalzRepresent protective function for the plant under extreme stress conditions (see e.g. Chandler (1994) Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 45: 113-141). The genetic modification of rice with the help of the barley LEA gene HVA1 actually resulted in an increased tolerance to drought and salt
(Xu (1996) Plant Physiology 110: 249-257). Andere Arbeiten zur Expression eines(Xu (1996) Plant Physiology 110: 249-257). Other work on expressing a
LEA-Gens in einem heterologen System konnten diese Befunde nicht unterstützenLEA genes in a heterologous system could not support these findings
(Iturriaga (1992) Plant Mol. Biol. 20: 555-558).(Iturriaga (1992) Plant Mol. Biol. 20: 555-558).
Unter den als Antistreßfaktoren oder Osmoprotektoren identifizierten pflanzlichen Metaboliten befindet sich das Glyzinbetain, dessen Wirksamkeit z.B. im Mais nachgewiesen wurde (Saneoka, (1995) Plant Physiol. 107: 631-638). An der Synthese des Glyzinbetains in pflanzlichen Chloroplasten ist die Betainaldehyd- Dehydrogenase (BADH) beteiligt (Rhodes, (1993) Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 44: 357-384). Transgene Tabakpflanzen, welche eine bakterielle BADH (Holmstrom, (1994) Plant. J. 6: 749-758) oder eine pflanzliche BADH exprimieren (Rathinasabapathi, (1994) Planta 193: 155-162), zeigten die erwartete Resistenz gegen Betainaldehyd durch Konversion zu Glyzinbetain in Mengen, die in gestreßten Pflanzen gemessen werden. Über eine erhöhte Streßtoleranz dieser Pflanzen wurde jedoch nicht berichtet. Zuckerderivate wie Zuckeralkohole oder Fruktane werden offensichtlich ebenfalls bei der Streßantwort der Pflanze in erhöhtem Maße gebildet und akkumuliert. DieAmong the plant metabolites identified as anti-stress factors or osmoprotectors is glycine betaine, the effectiveness of which has been demonstrated, for example, in maize (Saneoka, (1995) Plant Physiol. 107: 631-638). Betaine aldehyde dehydrogenase (BADH) is involved in the synthesis of glycine betaine in plant chloroplasts (Rhodes, (1993) Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 44: 357-384). Transgenic tobacco plants expressing a bacterial BADH (Holmstrom, (1994) Plant. J. 6: 749-758) or a plant BADH (Rathinasabapathi, (1994) Planta 193: 155-162) showed the expected resistance to betaine aldehyde by conversion to glycine betaine in amounts measured in stressed plants. However, an increased stress tolerance of these plants has not been reported. Sugar derivatives such as sugar alcohols or fructans are obviously also formed and accumulated to an increased extent in the stress response of the plant. The
Erhöhung des Mannitol-Spiegels in transgenen Tabakpflanzen durch Expression einer bakteriellen Mannitol-1-phosphate-Dehydrogenase bewirkte eine erhöhteIncreasing the level of mannitol in transgenic tobacco plants by expressing a bacterial mannitol-1-phosphate dehydrogenase caused an increase
Salztoleranz (Tarczynski, (1993) Science 259: 508-510). Gleichermaßen zeigten transgene Tabakpflanzen mit erhöhtem Fruktangehalt im Vergleich mitSalt tolerance (Tarczynski, (1993) Science 259: 508-510). Similarly, transgenic tobacco plants with an increased fructan content compared with
Kontrollpflanzen eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Trockenheit (Pilon-Smith,Control plants have increased drought resistance (Pilon-Smith,
(1995) Plant Physiol. 107: 125-130).(1995) Plant Physiol. 107: 125-130).
Allen diesen bisher genannten gentechnologischen Verfahren ist gemein, daß sie eine erhöhte Synthese von Osmoprotektoren in der Pflanze zur Folge haben, wodurch z.B. das normale Wachstum der Pflanze beeinträchtigt werden kann (siehe Rathinasabapathi, op. cit). In anderen Fällen werden bakterielle Gene in der Pflanze exprimiert, was nicht notwendigerweise mit einer optimalen Expression und damit einer suboptimalen Streßbewältigung einhergeht. Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe war somit, ein Verfahren bereitzustellen, Pflanzen mit gesteigerter Streßresistenz bereitzustellen, die dennoch ein im wesentlichen normales Wachstum aufweisen. Vorzugsweise sollte diese Streßresistenz (oder Toleranz) sich auf biotische wie auch abiotische Streßfaktoren beziehen. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.All these genetic engineering processes mentioned so far have in common that they result in an increased synthesis of osmoprotectors in the plant, which means e.g. the normal growth of the plant can be impaired (see Rathinasabapathi, op. cit). In other cases, bacterial genes are expressed in the plant, which is not necessarily associated with optimal expression and thus suboptimal stress management. The object underlying the present invention was therefore to provide a method for providing plants with increased stress resistance, which nevertheless have essentially normal growth. This stress resistance (or tolerance) should preferably relate to both biotic and abiotic stress factors. This object is achieved by the embodiments characterized in the claims.
Die Erfindung betrifft somit die Verwendung einer Nukleinsäure, die ein (Poly)peptid mit einer intrinsischen Affinität zu Plasmodesmen kodiert zur Erzeugung von Pflanzen oder Teilen davon mit erhöhter Toleranz gegen Trockenheit und/oder Pilzinfektionen und/oder erhöhten Salzkonzentrationen und/oder extreme Temperaturen; d.h. Kälte und/oder Hitze. Üblicherweise wird erfindungsgemäß eine Pflanze, ein Pflanzengewebe oder eine Pflanzenzelle mit einer derartigen Nukleinsäure nach konventionellen Verfahren transfiziert.The invention thus relates to the use of a nucleic acid which encodes a (poly) peptide with an intrinsic affinity for plasmodesms for the production of plants or parts thereof with increased tolerance to drought and / or fungal infections and / or increased salt concentrations and / or extreme temperatures; i.e. Cold and / or heat. According to the invention, a plant, a plant tissue or a plant cell is usually transfected with such a nucleic acid by conventional methods.
Alle höheren Pflanzen zeichnen sich dadurch aus, daß sie zur Photosynthese von Zuckern und deren Derivaten befähigt sind, die wie oben erwähnt als Osmoprotektoren unter Streßbedingungen dienen können. Die intrazelluläre Konzentration der Zucker und Zuckerderivate - vor allem in den Blättern zum Schutz der Photosynthese-aktiven Chloroplasten - wurde erfindungsgemäß in überraschend einfacher Weise durch die vorstehend gekennzeichnete Maßnahme gelöst. Von besonderem Vorteil neben der Tatsache, daß diese Maßnahme für den Fachmann technisch in einfacher Weise zu bewerkstelligen ist, ist ferner, daß erfindungsgemäß die Streßresistenz mit einem in vielen und möglicherweise sogar allen Pflanzen gültigen Mechanismus erhöht werden kann. Überraschenderweise konnte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die pflanzliche Toleranz sowohl gegenüber abiotischen wie auch gegenüber biotischen Faktoren erhöht werden.All higher plants are characterized by the fact that they are capable of photosynthesizing sugars and their derivatives, which, as mentioned above, can serve as osmoprotectors under stress conditions. The intracellular Concentration of the sugar and sugar derivatives - especially in the leaves to protect the photosynthesis-active chloroplasts - was solved according to the invention in a surprisingly simple manner by the measure identified above. In addition to the fact that this measure is technically simple for the person skilled in the art, it is particularly advantageous that, according to the invention, the stress resistance can be increased with a mechanism which is valid in many and possibly even all plants. Surprisingly, the plant tolerance to both abiotic and biotic factors could be increased with the method according to the invention.
Der Begriff "erhöhte Salzkonzentration" bezieht sich auf Salzkonzentrationen im Boden, die zu einer erhöhten lonenkonzentration in der Pflanze führen, die dann zu vermindertem Wachstum führt. Die absoluten Salzkonzentrationen im Boden, die als erhöht anzusehen sind, sind für unterschiedliche Pflanzen verschieden, können vom Fachmann aber nach konventionellen Verfahren bestimmt werden, z.B. anhand des Offenbarungsgehaltes von Greenway und Munns (1980) Ann. Rev. Plant Physiol. 31 : 149-190.The term "increased salt concentration" refers to salt concentrations in the soil, which lead to an increased ion concentration in the plant, which then leads to reduced growth. The absolute salt concentrations in the soil, which are to be regarded as increased, are different for different plants, but can be determined by a person skilled in the art using conventional methods, e.g. based on the disclosure content of Greenway and Munns (1980) Ann. Rev. Plant Physiol. 31: 149-190.
Zur Expression der Nucleinsäure, die ein (Poly)peptid mit einer intrinsischen Affinität zu Plasmodesmen codiert, in pflanzlichen Zellen ist diese mit regulatorischen Sequenzen verknüpft, die die Transkription in pflanzlichen Zellen gewährleisten. Hierzu zählen insbesondere Promotoren. Generell kommt für die Expression jeder in pflanzlichen Zellen aktive Promotor in Frage.For the expression of the nucleic acid encoding a (poly) peptide with an intrinsic affinity for plasmodesms in plant cells, this is linked to regulatory sequences which ensure transcription in plant cells. These include promoters in particular. In general, any promoter active in plant cells can be used for the expression.
Der Promotor kann dabei so gewählt sein, daß die Expression konstitutiv erfolgt oder nur in einem bestimmten Gewebe, zu einem bestimmten Zeitpunkt der Pflanzenentwicklung oder zu einem durch äußere Einflüsse determinierten Zeitpunkt. In Bezug auf die Pflanze kann der Promotor homolog oder heterolog sein. Sinnvolle Promotoren sind z.B. der Promotor der 35S RNA des Cauliflower Mosaic Virus (CaMV) und der Ubiquitin-Promotor aus Mais für eine konstitutive Expression. Ferner ist gewöhnlich eine Transkriptions-Terminationssequenz vorhanden, die der korrekten Beendigung der Transkription dient sowie der Addition eines Poly-A- Schwanzes an das Transkript dienen kann, dem eine Funktion bei der Stabilisierung der Transkripte beigemessen wird. Derartige Elemente, z.B. der Terminator desThe promoter can be selected so that the expression is constitutive or only in a certain tissue, at a certain time in plant development or at a time determined by external influences. The promoter can be homologous or heterologous to the plant. Useful promoters are, for example, the 35S RNA promoter from the Cauliflower Mosaic Virus (CaMV) and the ubiquitin promoter from maize for constitutive expression. Furthermore, a transcription termination sequence is usually present which serves to correctly terminate the transcription and can also be used to add a poly-A tail to the transcript which has a function in the stabilization the transcripts are attached. Such elements, such as the terminator of the
Octopinsynthasegens aus Agrobakterien, sind in der Literatur beschrieben (vgl. Gie- len, EMBO J. 8 (1989), 23-29) und sind beliebig austauschbar. In einer bevorzugtenOctopin synthase genes from agrobacteria have been described in the literature (cf. Gielen, EMBO J. 8 (1989), 23-29) and can be exchanged as desired. In a preferred one
Ausführungsform ist der Promotor der 35S CaMV Promotor.In one embodiment, the promoter is the 35S CaMV promoter.
Neben der Nucleinsäure, die ein (Poly)peptid mit einer intrinsischen Affinität zu Plasmodesmen codiert, kann die Pflanze, die in einem der erfindungsgemäßen Verfahren oder Verwendungen benutzt oder hergestellt wird, weitere rekombinante DNA-Moleküle enthalten, die z. B. für den Pflanzenschutz oder Qualitätssteigerungen der Pflanze oder deren Ernteprodukte benutzt werden können. Beispiele für Pflanzenschutzmaßnahmen sind: (i) Herbizidtoleranz (DE-A- 3701623; Stalker (1988) Science 242, 419), (ii) Insektenresistenz (Vaek (1987) Plant Cell 5, 159-169), (iii) Virusresistenz (Powell (1986) Science 232, 738-743) und (vi) Ozon-resistenz (Van Camp (1994) BioTech. 12, 165-168). Beispiele für Qualitätssteigerungen sind: (i) Erhöhung der Haltbarkeit von Früchten (Oeller (1991 ) Science 254, 437-439), (ii) Erhöhung der Stärkeproduktion in Kartoffelknollen (Stark (1992) Science 242, 419), (iii) Veränderung der Stärke- (Visser (1991) Mol. Gen. Genet. 225, 289-296) und Lipidzusammensetzung (Voelker (1992) Science 257, 72- 74) und (iv) Produktion pflanzenfremder Polymere (Porier (1992) Science 256, 520- 523).In addition to the nucleic acid which encodes a (poly) peptide with an intrinsic affinity for plasmodesms, the plant which is used or produced in one of the methods or uses according to the invention can contain further recombinant DNA molecules which, for. B. can be used for crop protection or quality improvements of the plant or its harvest products. Examples of plant protection measures are: (i) herbicide tolerance (DE-A-3701623; Stalker (1988) Science 242, 419), (ii) insect resistance (Vaek (1987) Plant Cell 5, 159-169), (iii) virus resistance (Powell (1986) Science 232, 738-743) and (vi) ozone resistance (Van Camp (1994) BioTech. 12, 165-168). Examples of quality increases are: (i) increase in the shelf life of fruit (Oeller (1991) Science 254, 437-439), (ii) increase in starch production in potato tubers (Stark (1992) Science 242, 419), (iii) change in Starch (Visser (1991) Mol. Gen. Genet. 225, 289-296) and lipid composition (Voelker (1992) Science 257, 72-74) and (iv) production of non-plant polymers (Porier (1992) Science 256, 520- 523).
Grundvoraussetzung für die Erzeugung transgener Pflanzen ist die Verfügbarkeit geeigneter Transformationssysteme. Zur Transformation stehen derzeit mehrere Verfahren zur Verfügung. Die am häufigsten eingesetzte Methode zur Transformation dikotyledoner Pflanzen ist der Agrobacterium-vermittelte Gentransfer. Hierbei wird die natürliche Fähigkeit des Bodenbakteriums ausgenutzt, genetisches Material in das pflanzliche Genom zu integrieren. Weitere geeignete Verfahren sind beispielsweise Protoplasten-Transformation durch Polyethylenglykol- induzierte DNA-Aufnahme, Elektroporation, Sonikation oder Mikroinjektion sowie die Transformation intakter Zellen oder Gewebe durch Mikro- oder Makroinjektion in Gewebe oder Embryonen, Gewebeelektroporation, Inkubation trockener Embryonen in DNA-haltiger Lösung, Vakuuminfiltration von Samen und biololistischer Gentransfer (zur Übersicht: siehe z. B. Potrykus, Physiol. Plant (1990), 269 - 273 und Christou (1996) Trends in Plant Science 1 , 423-431 ).The basic requirement for the production of transgenic plants is the availability of suitable transformation systems. Several methods are currently available for transformation. The most frequently used method for the transformation of dicotyledonous plants is the Agrobacterium -mediated gene transfer. Here, the natural ability of the soil bacteria to exploit genetic material in the plant genome is used. Other suitable methods are, for example, protoplast transformation by polyethylene glycol-induced DNA uptake, electroporation, sonication or microinjection, and the transformation of intact cells or tissue by micro- or macroinjection into tissue or embryos, tissue electroporation, incubation of dry embryos in DNA-containing solution, vacuum infiltration of seeds and organic Gene transfer (for an overview: see, for example, Potrykus, Physiol. Plant (1990), 269-273 and Christou (1996) Trends in Plant Science 1, 423-431).
Während die Transformation dikotyler Pflanzen über Ti-Plasmid-Vektorsysteme mitDuring the transformation of dicotyledonous plants using Ti plasmid vector systems
Hilfe von Agrobacterium tumefaciens wohl etabliert ist, weisen neuere Arbeiten darauf hin, daß auch monokotyle Pflanzen der Transformation mittels Agrobacterium basierender Vektoren sehr wohl zugänglich sind (Chan, Plant Mol. Biol. 22 (1993),With the help of Agrobacterium tumefaciens is well established, recent work indicates that monocotyledonous plants are very well amenable to transformation using Agrobacterium-based vectors (Chan, Plant Mol. Biol. 22 (1993),
491-506; Hiei, Plant J. 6 (1994), 271-282; Bytebier, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 84491-506; Hiei, Plant J. 6 (1994), 271-282; Bytebier, Proc. Natl. Acad. Be. USA 84
(1987), 5345 - 5349; Raineri, Bio/Technology 8 (1990), 33 - 38; Gould, Plant Physiol.(1987), 5345-5349; Raineri, Bio / Technology 8 (1990), 33-38; Gould, Plant Physiol.
95 (1991 ), 426 - 434; Mooney, Plant, Cell Tiss. & Org. Cult. 25 (1991 ), 209 - 218; Li,95: 426-434 (1991); Mooney, Plant, Cell Tiss. & Org. Cult. 25: 209-218 (1991); Li,
Plant Mol. Biol. 20 (1992), 1037 - 1048). Die Methoden zur Einführung fremder DNA unter Verwendung des biolistischen Verfahrens oder durchPlant Mol. Biol. 20 (1992), 1037-1048). The methods for introducing foreign DNA using the biolistic method or through
Protoplastentransformation sind bekannt (vgl. z.B. Christou (1996) Trends in PlantProtoplast transformation is known (see e.g. Christou (1996) Trends in Plant
Science 1 , 423-431 ; Willmitzer, L., 1993 Transgenic plants. In: Biotechnology, AScience 1, 423-431; Willmitzer, L., 1993 Transgenic plants. In: Biotechnology, A
Multi-Volume Comprehensive Treatise (H . Rehm, G. Reed, A. Pühler, P. Stadler, eds.), Vol. 2, 627-659, VCH Weinheim-New York-Basel-Cambridge). Drei der oben genannten Transformationssysteme konnten in der Vergangenheit für verschiedeneMulti-Volume Comprehensive Treatise (H. Rehm, G. Reed, A. Pühler, P. Stadler, eds.), Vol. 2, 627-659, VCH Weinheim-New York-Basel-Cambridge). Three of the above transformation systems have been used for different in the past
Getreide etabliert werden: die Elektroporation von Gewebe, die Transformation vonCereals are established: the electroporation of tissue, the transformation of
Protoplasten und der DNA-Transfer durch Partikel-Beschüß in regenerierbareProtoplasts and DNA transfer by particle bombardment into regenerable ones
Gewebe und Zellen (zur Übersicht: Jahne, Euphytica 85 (1995), 35 - 44). DieTissues and cells (for overview: Jahne, Euphytica 85 (1995), 35 - 44). The
Transformation von Weizen wird in der Literatur verschiedentlich beschrieben (zurTransformation of wheat has been described in various ways in the literature (for
Übersicht: Maheshwari, Critical Reviews in Plant Science 14 (2) (1995), 149 - 178).Overview: Maheshwari, Critical Reviews in Plant Science 14 (2) (1995), 149 - 178).
Der Fachmann kann auf die Marker zur Selektion transformierter Pflanzenzellen,The person skilled in the art can refer to the markers for the selection of transformed plant cells,
Pflanzengewebe und Pflanzen zurückgreifen. Die transgenen Pflanzenzellen können nach dem Fachmann bekannten Techniken zu ganzen Pflanzen regeneriert werden.Use plant tissue and plants. The transgenic plant cells can be regenerated into whole plants using techniques known to those skilled in the art.
Der Fachmann kann z.B. auch auf molekularbiologische Methoden wie PCR zurückgreifen, um diese Pflanzen zu identifizieren. Auf der anderen Seite kann derThe person skilled in the art can e.g. also use molecular biological methods such as PCR to identify these plants. On the other hand, the
Fachmann natürlich auch, z.B. nach Selbstung oder Rückkreuzung gegen den Elter,Of course, a specialist, e.g. after selfing or backcrossing against the parent,
Samen solcher Pflanzen auf selektiven Medien auslegen und anhand derPlant the seeds of such plants on selective media and use the
Keimfähigkeit dieser Samen oder Überleben der Pflanzen in einem späterenGermination of these seeds or survival of the plants in a later one
Stadium der Entwicklung (abhängig vom gewählten Promotor) rückschließen, ob dieStage of development (depending on the chosen promoter) conclude whether the
Pflanzen transgen sind oder nicht. Bei den transgenen Pflanzen kann es sich prinzipiell um Pflanzen jeder beliebigen Pflanzenspezies handeln, d.h. sowohl monokotyle als auch dikotyle Pflanzen.Plants are transgenic or not. The transgenic plants can act principally plants of any plant species, ie both monocot and dicot plants.
Da unabhängig vom Transformationsverfahren nur wenige Zellen die gewünschtenBecause only a few cells have the desired cells regardless of the transformation process
Eigenschaften tragen, wird in herkömmlicher Weise neben dem Zielgen ein selektionierbarer Marker in das pflanzliche Genom integriert, der die Identifizierung transgener Zellen ermöglicht. Derzeit werden zur Selektion transformierterIn addition to the target gene, a selectable marker is integrated into the plant genome in a conventional manner, which enables the identification of transgenic cells. Currently, selections are being transformed
Pflanzenzellen vornehmlich Gene eingesetzt, die eine Herbizid- oderPlant cells primarily used genes that have a herbicide or
Antibiotikatoleranz vermitteln. Geeignete Resistenzgene sind beispielsweise das bar-Communicate antibiotic tolerance. Suitable resistance genes are, for example, the bar-
Gen aus Streptomyces hygroscopicus, das Resistenz gegen das TotalherbizidGene from Streptomyces hygroscopicus, the resistance to the total herbicide
Phosphinothricin vermittelt (De Block (1987) EMBO J. 6, 2513-2518) oder das nptll-Phosphinothricin mediates (De Block (1987) EMBO J. 6, 2513-2518) or the nptll-
Gen aus dem Transposon Tn5 von Escherichia coli, das Resistenz gegen dasGene from the transposon Tn5 from Escherichia coli, which is resistant to the
Antibiotikum Kanamycin bewirkt (Herrera-Estrella (1983) EMBO J. 2, 987-995).Antibiotic Kanamycin effects (Herrera-Estrella (1983) EMBO J. 2, 987-995).
Weitere Selektionssysteme sind z. B. Expression einer Mannose-6-PhosphatOther selection systems are e.g. B. Expression of a Mannose 6 Phosphate
Isomerase und positive Selektion auf Mannose-haltigen Nährmedien (WOIsomerase and positive selection on mannose-containing nutrient media (WO
94/20627). Ein weiteres Verfahren nutzt die Fähigkeit einer Deaminase aus94/20627). Another method takes advantage of the ability of a deaminase
Aspergillus terreus aus, das Insektizid Blasticidin S zu detoxifizieren (Tamura (1995)Aspergillus terreus from detoxifying the insecticide Blasticidin S (Tamura (1995)
Biosci. Biotechnol. Biochem. 59, 2336-2338). Natürlich weiß der Fachmann, daß derBiosci. Biotechnol. Biochem. 59, 2336-2338). Of course, the expert knows that the
Selektionsmarker nicht unbedingt in dem Vektor, der das rekombinante DNA-Molekül enthält, anwesend sein muß, sondern auch mit diesen co-transformiert werden kannSelection markers do not necessarily have to be present in the vector which contains the recombinant DNA molecule, but can also be co-transformed with them
(Lyznik (1989) Plant Mol. Biol. 13, 151-161 ; Peng (1995) Plant Mol. Biol. 27, 91-104).(Lyznik (1989) Plant Mol. Biol. 13, 151-161; Peng (1995) Plant Mol. Biol. 27, 91-104).
Diese Möglichkeit bietet sich zum Beispiel an, wenn keine physikalische Kopplung des Markergens und der zu übertragenden Information gewünscht wird.This option is useful, for example, if no physical coupling of the marker gene and the information to be transmitted is desired.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung wird ferner eine Pflanze aus der transfizierten Pflanzenzelle regeneriert. Die Regeneration der Pflanzen kann nach üblichen und dem Fachmann geläufigen Verfahren erfolgen.In a preferred embodiment of the use according to the invention, a plant is also regenerated from the transfected plant cell. The plants can be regenerated by customary methods which are familiar to the person skilled in the art.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung werden im Anschluß an den Regenerationsschritt femer weitere Pflanzen oder Pflanzenzellen aus der regenerierten Pflanze erzeugt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßenIn a particularly preferred embodiment of the use according to the invention, further plants or plant cells are further produced from the regenerated plant following the regeneration step. In a further preferred embodiment of the invention
Verwendung ist das (Poly)peptid ein Virus-kodiertes Transportprotein.Use is the (poly) peptide a virus-encoded transport protein.
Die Expression von pflanzenviralen Proteinen, die am Transport viraler Information von Zelle zu Zelle beteiligt sind (Transportproteine), beeinflussen auch den Transport bzw. Metabolismus von Stärke, Zuckern und Zuckerderivaten derart, daß sie während der Lichtperiode in den Photosynthese-aktiven Blättern der Pflanze zu höheren als normalen Werten akkumulieren (vgl. z.B. Lucas (1993) Planta 190: 88-The expression of plant viral proteins which are involved in the transport of viral information from cell to cell (transport proteins) also influence the transport or metabolism of starch, sugars and sugar derivatives in such a way that they are present in the photosynthesis-active leaves of the plant during the light period accumulate higher than normal values (see e.g. Lucas (1993) Planta 190: 88-
96; Olesinski (1995), Planta 197: 118-126; Olesinski, (1996) Plant Physiol. 111 : 541-96; Olesinski (1995), Planta 197: 118-126; Olesinski, (1996) Plant Physiol. 111: 541-
550; Herbers (1997), Plant J. 12: 1045-1056; Almon (1997), Plant Physiol. 115:550; Herbers (1997) Plant J. 12: 1045-1056; Almon (1997) Plant Physiol. 115:
1599-1607). Die Erhöhung der pflanzlichen Toleranz gegenüber den vorstehend genannten Umweltfaktoren durch die Expression derartiger Proteine mit einer intrinsischen Affinität zu Plasmodesmen, den Verbindungskanälen benachbarter1599-1607). The increase in plant tolerance to the above-mentioned environmental factors by the expression of such proteins with an intrinsic affinity for plasmodesms, the connecting channels adjacent
Zellen in Pflanzen gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung war aus dem Stand der Technik nicht ohne weiteres abzuleiten. Die eigentliche Funktion von virus-kodierten Transportproteinen (TP) besteht nämlich darin, den Transport der genetischen Information eines Virus von Zelle zu Zelle zu gewährleisten und so die Ausbreitung eines Virus vom ursprünglichen Infektionsort in die gesamte Pflanze zu ermöglichen.Cells in plants according to this preferred embodiment of the invention were not readily derived from the prior art. The actual function of virus-coded transport proteins (TP) is to ensure that the genetic information of a virus is transported from cell to cell, thus allowing a virus to spread from the original site of infection to the entire plant.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung ist das Virus-kodierte Transportprotein das Kartoffelblattrollvirus-(PLRV) Transportprotein pr17 oder ein Derivat davon.In a particularly preferred embodiment of the use according to the invention, the virus-encoded transport protein is the potato leaf roll virus (PLRV) transport protein pr17 or a derivative thereof.
Wie in den Beispielen erläutert wurden das TP des Kartoffel-Blattrollvirus (potato leafroll virus, PLRV) sowie die Kulturpflanze Kartoffel als Modellsystem gewählt. Das PLRV-TP, das ein Merkmal einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt, ist ein 17 kDa großes Protein (pr17), das für den Transfer der genomischen RNA von Zelle zu Zelle verantwortlich ist. Es wird durch das offene Leseraster (ORF) ORF4 kodiert; dieses Gen ist innerhalb des ORF3, des Gens für das virale Kapsidprotein CP, gelegen, jedoch in einem anderen Leseraster. Das Protein besitzt eine aminoterminale Domäne zur Bildung von Homopolymeren (Tacke (1993), Virology 197: 274-282.) und eine carboxyterminale Domäne zur Bindung einzelsträngiger Nukleinsäuren (Tacke (1991 ), J. Gen. Virol. 72: 2035-2038). Dieses Protein, das in planta phosphoryliert vorliegt (Tacke (1993), op. cit; Sokolova (1997), FEBS Lett. 400: 201-205), wird siebenfach stärker exprimiert als das virale Hüllproteingen (Tacke (1990), J. Gen. Virol. 71 : 2265-2272).As explained in the examples, the TP of the potato leaf roll virus (potato leafroll virus, PLRV) and the crop plant potato were chosen as the model system. The PLRV-TP, which is a feature of a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, is a 17 kDa protein (pr17) which is responsible for the transfer of the genomic RNA from cell to cell. It is encoded by the open reading frame (ORF) ORF4; this gene is located within ORF3, the gene for the viral capsid protein CP, but in a different reading frame. The protein has an amino-terminal domain for the formation of homopolymers (Tacke (1993), Virology 197: 274-282.) And a carboxy-terminal domain for binding single-stranded nucleic acids (Tacke (1991), J. Gen. Virol. 72: 2035-2038). This protein, which is phosphorylated in planta (Tacke (1993), op. Cit; Sokolova (1997), FEBS Lett. 400: 201-205), is expressed seven times more strongly than the viral coat protein gene (Tacke (1990), J. Gen Virol. 71: 2265-2272).
In PLRV-infizierten sowie in pr17-transgenen Kartoffelpflanzen ist das pr17 vorwiegend an den Plasmodesmen zwischen Siebelement und Geleitzelle desIn PLRV-infected and in pr17-transgenic potato plants, the pr17 is predominantly due to the plasmodesms between the sieve element and the escort cell of the
Phloems lokalisiert (Schmitz (1997), Virology 235: 311-322), auf das sich das Virus während seiner Vermehrung in der Pflanze beschränkt. Expression eines mutierten pr17-Proteins in transgenen Kartoffelpflanzen bewirkt Breitbandresistenz gegen die wichtigsten Kartoffelviren (Tacke (1996), Nature Biotechnology 14: 1597-1601 ).Phloems localized (Schmitz (1997), Virology 235: 311-322), to which the virus is limited during its propagation in the plant. Expression of a mutated pr17 protein in transgenic potato plants causes broad-spectrum resistance to the most important potato viruses (Tacke (1996), Nature Biotechnology 14: 1597-1601).
Zugleich wurde jedoch im Zuge dieser Erfindung beobachtet, daß die Expression von WT und mutierten PLRV-TPs in transgenen Kartoffel- und Tabakpflanzen zu einem Anstieg der intrazellulären Konzentrationen von Zuckern (Sucrose, Fruktose,At the same time, however, it was observed in the course of this invention that the expression of WT and mutant PLRV-TPs in transgenic potato and tobacco plants led to an increase in the intracellular concentrations of sugars (sucrose, fructose,
Glucose) und Zuckerderivaten wie Stärke führt.Glucose) and sugar derivatives such as starch.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung ist das Derivat ein pr17-Protein mit einer hydrophilen N-terminalen Verlängerung.In a further preferred embodiment of the use according to the invention, the derivative is a pr17 protein with a hydrophilic N-terminal extension.
Besonders gute Ergebnisse im Sinne dieser Erfindung wurden gefunden, wenn eine Variante des pr17-Gens verwendet wurde, die eine N-terminale Verlängerung trägt (pr17-N). In einem Ausführungsbeispiel wurde zum δ'-Ende des pr17-WT-Gens der Polylinker (multiple cloning site; MCS) des Bluescript-Vektors translational fusioniert und durch gezielte Mutagenese sowohl die beiden ersten AUG-Translationskodons von pr17 in ACG-Kodons mutiert und ein AUG-Translationsstartkodon in die Polylinkersequenz eingeführt (Figur 1 ). Diese Veränderung resultiert in der Expression eines Derivates (pr17-N) des pr17-WT-Proteins mit einer hydrophilen Verlängerung durch die Sequenz MAELGSGSELHRGGGRSRTS (SEQ ID NO: 1) am Aminoterminus (Tacke u.a., 1996, op. cit.; Figur 2). Solche transgenen Kartoffelpflanzen zeigen im Gewächshaus-Test Breitbandresistenz gegen die Kartoffelviren PLRV, PVY und PVX sowie eine erhöhte Konzentration an Zuckern und Zuckerderivaten.Particularly good results in the sense of this invention were found when a variant of the pr17 gene was used which carries an N-terminal extension (pr17-N). In one exemplary embodiment, the polylinker (multiple cloning site; MCS) of the bluescript vector was fused translationally to the δ ′ end of the pr17-WT gene, and both the first two AUG translation codons of pr17 were mutated into ACG codons by targeted mutagenesis AUG translation start codon inserted into the polylinker sequence (Figure 1). This change results in the expression of a derivative (pr17-N) of the pr17-WT protein with a hydrophilic extension by the sequence MAELGSGSELHRGGGRSRTS (SEQ ID NO: 1) at the amino terminus (Tacke et al., 1996, op. Cit .; Figure 2) . Such transgenic potato plants show broad-spectrum resistance to the potato viruses PLRV, PVY and PVX as well as an increased concentration of sugars and sugar derivatives in the greenhouse test.
Zur Expression in Pflanzen wurde dieses Gen unter die transkriptionelle Kontrolle des 35S-Promotors und -Terminators des Blumenkohlmosaikvirus (CaMV) im Vektor pRT103 gebracht (Töpfer (1987), Nucleic Acids Res. 15: 5890) und dieseFor expression in plants, this gene was under the transcriptional control of the 35S promoter and terminator of the cauliflower mosaic virus (CaMV) in the vector pRT103 (Töpfer (1987), Nucleic Acids Res. 15: 5890) and these
Transkriptionseinheit (Figur 1) anschließend in den binären Pflanzentransformationsvektor pBIN19 integriert (Bevan (1984), Nucleic Acids Res. 12: 8711- 8721 ). Dieser Vektor wurde in den Agrobacterium tumefaciens-Siamm LBA4404 (pAL4404) übertragen (Hoekema (1983), Nature 303: 179-180), der zur Transformation von Solanum tuberosum Var. Linda eingesetzt wurde. Vier (L4, L6, L7 und L8; siehe auch Tacke (1996), op. cit.) der unabhängigen transgenen Kartoffellinien sowie die Ausgangskartoffelsorte Linda wurden für die weiteren Versuche zur induzierten Toleranz ausgewählt.Transcription unit (Figure 1) then integrated into the binary plant transformation vector pBIN19 (Bevan (1984), Nucleic Acids Res. 12: 8711-8721). This vector was transferred into the Agrobacterium tumefaciens-Siamm LBA4404 (pAL4404) (Hoekema (1983), Nature 303: 179-180), which was used to transform Solanum tuberosum Var. Linda was deployed. Four (L4, L6, L7 and L8; see also Tacke (1996), op. Cit.) Of the independent transgenic potato lines as well as the original potato variety Linda were selected for the further experiments on induced tolerance.
Wie bereits vorstehend erwähnt, umfaßt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung die hydrophile Verlängerung die Aminosäuresequenz MAELGSGSELHRGGGRSRTS.As already mentioned above, in a particularly preferred embodiment of the use according to the invention, the hydrophilic extension comprises the amino acid sequence MAELGSGSELHRGGGRSRTS.
In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung stammen die Pflanze, das Pflanzengewebe oder die Pflanzenzellen aus der Kartoffel, aus Tabak, aus Getreide oder Gemüse bzw. sind Kartoffeln, Tabakpflanzen, Getreidepflanzen oder Gemüsepflanzen.In another embodiment of the use according to the invention, the plant, the plant tissue or the plant cells come from the potato, from tobacco, from cereals or vegetables or are potatoes, tobacco plants, cereal plants or vegetable plants.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung ist die Erhöhung der Toleranz der Pflanzen gegen Pilzinfektionen eine der Toleranz gegen Infektionen mit Phytophtora infestans.In a further preferred embodiment of the use according to the invention, increasing the tolerance of the plants to fungal infections is one of the tolerance to infections with Phytophtora infestans.
Als ein überraschender Befund gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform wurde gefunden, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene transgene Linien sich auch durch eine statistisch signifikante Toleranz gegen Phytophthora infestans, den Erreger der Kraut- und Knollenfäule, auszeichnen.As a surprising finding according to this preferred embodiment, it was found that transgenic lines obtained with the method according to the invention are also distinguished by a statistically significant tolerance to Phytophthora infestans, the causative agent of late blight.
Die Erfindung betrifft femer Verfahren zur Erzeugung von Pflanzen oder Teilen davon mit erhöhter Toleranz gegen Trockenheit und/oder Pilzinfektionen und/oder erhöhte Salzkonzentrationen und/oder extreme Temperatur (Hitze, Kälte), wobei man (a) eine Pflanze, ein Pflanzengewebe oder eine Pflanzenzelle mit einerThe invention further relates to methods for producing plants or parts thereof with increased tolerance to drought and / or fungal infections and / or increased salt concentrations and / or extreme temperature (heat, cold), wherein (a) a plant, plant tissue or plant cell with one
Nukleinsäure transfiziert, die ein (Poly)peptid mit einer intrinsischen Affinität zu Plasmodesmen kodiert.Transfected nucleic acid encoding a (poly) peptide with an intrinsic affinity for plasmodesms.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird femerIn a preferred embodiment of the method according to the invention, furthermore
(b) eine Pflanze aus der transfizierten Pflanzenzelle regeneriert.(b) regenerates a plant from the transfected plant cell.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt manIn a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, one produces
(c) im Anschluß an Schritt (b), ferner weitere Pflanzen oder Pflanzenzellen aus der in (b) gewonnenen Pflanze.(c) following step (b), further plants or plant cells from the plant obtained in (b).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das (Poly)peptid ein Virus-kodiertes Transportprotein.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the (poly) peptide is a virus-encoded transport protein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Virus-kodierte Transportprotein das Kartoffelblattrollvirus-(PLRV) Transportprotein pr17 oder ein Derivat davon.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the virus-encoded transport protein is the potato leaf roll virus (PLRV) transport protein pr17 or a derivative thereof.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Derivat ein pr17-Protein mit einer hydrophilen N-terminalen Verlängerung.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the derivative is a pr17 protein with a hydrophilic N-terminal extension.
Wie bereits vorstehend erwähnt, umfaßt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die hydrophile Verlängerung die Aminosäuresequenz MAELGSGSELHRGGGRSRTS.As already mentioned above, in a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the hydrophilic extension comprises the amino acid sequence MAELGSGSELHRGGGRSRTS.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens stammen die Pflanze, das Pflanzengewebe oder die Pflanzenzellen aus der Kartoffel, aus Tabak, aus Getreide oder Gemüse bzw. sind Kartoffeln, Tabakpflanzen, Getreidepflanzen bzw. Gemüsepflanzen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erhöhung der Toleranz der Pflanzen gegen Pilzinfektionen eine der Toleranz gegen Infektionen mit Phytophtora infestans.In another embodiment of the method according to the invention, the plant, the plant tissue or the plant cells come from the potato, from tobacco, from cereals or vegetables or are potatoes, tobacco plants, cereal plants or vegetable plants. In a further preferred embodiment of the method according to the invention, increasing the tolerance of the plants to fungal infections is one of the tolerance to infections with Phytophtora infestans.
Die Figuren zeigen:The figures show:
Figur 1Figure 1
Herstellung des Plasmids p17N. Durch spezifische Mutagenese wurden die beiden AUG-Kodons des Wildtyp pr17-Gens in ACG mutiert und ein Translations- Initiationskodon in die Polylinkersequenz eingeführt.Preparation of plasmid p17N. The two AUG codons of the wild-type pr17 gene were mutated into ACG by specific mutagenesis and a translation initiation codon was introduced into the polylinker sequence.
Figur 2Figure 2
Nukleotid und Aminosäuresequenz des mutierten pr17N-Gens bzw. -Proteins.Nucleotide and amino acid sequence of the mutated pr17N gene or protein.
Figur 3Figure 3
Ergebnis des Resistenztests #1 (im Gewächshaus) mit je 5 Pflanzen der Ausgangssorte Linda (L) sowie der pr17N-transgenen Linien L4, L6, L7 und L8. A. Gesamtansicht des Versuchs. B. Ansicht je einer Pflanze pro Linie.Result of resistance test # 1 (in the greenhouse) with 5 plants each from the starting variety Linda (L) and the pr17N transgenic lines L4, L6, L7 and L8. A. Overall view of the experiment. B. View of one plant per line.
Figur 4Figure 4
Ergebnis des Resistenztests #2 (in der Phytokammer) mit je 6 Pflanzen der Ausgangssorte Linda (L) sowie der pr17N-transgenen Linien L4, L6, L7 und L8. A. Teilansicht des Gesamtversuchs. B. Ansicht ausgewählter PflanzenResult of resistance test # 2 (in the phytochamber) with 6 plants each from the starting variety Linda (L) and the pr17N transgenic lines L4, L6, L7 and L8. A. Partial view of the overall experiment. B. View selected plants
Figur 5Figure 5
Bonitur des Befalls von Blattscheiben im Labortest mit P. infestans Rasse 1-11 (Versuch #2) nach 9, 10 und 13 Tagen nach der Infektion (dpi).Evaluation of infestation of leaf disks in the laboratory test with P. infestans race 1-11 (experiment # 2) after 9, 10 and 13 days after infection (dpi).
Figur 6Figure 6
Kumulative Darstellung zweier Versuche der Infektion von Kartoffel-Blattscheiben mit P. infestans Rasse 1-11. Figur 7Cumulative representation of two attempts to infect potato leaf slices with P. infestans breed 1-11. Figure 7
Habitus der nicht-transgenen Kartoffelsorte Linda (L) und der 4 transgenen LinienHabitus of the non-transgenic potato variety Linda (L) and the 4 transgenic lines
L4, L6, L7 und L8 nach 5 Wochen bei 100 mM NaCI. Einzelne Pflanzen desL4, L6, L7 and L8 after 5 weeks at 100 mM NaCl. Individual plants of the
Teilversuchs (A) wurden zur besseren Darstellung in (B) abgebildet. In derPartial experiments (A) were shown in (B) for better illustration. In the
Ausgangssorte Linda sind die unteren Blätter abgestorben.Source variety Linda, the lower leaves have died.
Figur 8Figure 8
Habitus einzelner Pflanzen der nicht-transgenen Kartoffelsorte Linda (L) und der 4 transgenen Linien L4, L6, L7 und L8 nach 5 Wochen bei 100 mM NaCI. In der Sorte Linda sind deutlich noch Reste der abgestorbenen unteren Blätter sowie die Veränderungen des Stengels zu erkennen.Habitus of individual plants of the non-transgenic potato variety Linda (L) and the 4 transgenic lines L4, L6, L7 and L8 after 5 weeks at 100 mM NaCI. The Linda variety clearly shows the remains of the dead lower leaves and the changes in the stem.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.The examples illustrate the invention.
Beispiel 1 : Herstellung des Plasmids p17NExample 1: Preparation of plasmid p17N
Eine Modifikation am 5'-Ende des pr17-Gens (ORF4) wurde durch translationale Fusion der multiple cloning site des Bluescript-Vektors, Einführung eines optimierten Translationsinitiationskodons sowie Mutation der beiden pr17-WT AUG- Initiationskodons zu ACG erreicht (Figur 1 ). Diese Veränderung resultiert in der Expression eines Derivates (pr17-N) des pr17-WT-Proteins mit einer hydrophilen Verlängerung durch die Sequenz MAELGSGSELHRGGGRSRTS am Aminoterminus (Tacke (1996), op. cit; Figur 2). Die Herstellung des Plasmids p17N ist beschrieben in Schmitz (1996), Nucleic Acids Res. 24: 257-263 (dort bezeichnet als p17/NIII).A modification at the 5 'end of the pr17 gene (ORF4) was achieved by translational fusion of the multiple cloning site of the Bluescript vector, introduction of an optimized translation initiation codon and mutation of the two pr17-WT AUG initiation codons to ACG (FIG. 1). This change results in the expression of a derivative (pr17-N) of the pr17-WT protein with a hydrophilic extension by the sequence MAELGSGSELHRGGGRSRTS at the amino terminus (Tacke (1996), op. Cit; Figure 2). The preparation of the plasmid p17N is described in Schmitz (1996), Nucleic Acids Res. 24: 257-263 (referred to there as p17 / NIII).
Beispiel 2: Einführung der T-DNA in den EmpfängerorganismusExample 2: Introduction of T-DNA into the recipient organism
Nach Transformation von E. coli S17-1 Zellen und Mating mit dem A. tumefaciens Stamm LBA 4404 (pAL 4404) (Hoekema er al. , 1983) wurden Agrobakterien, die das Plasmid p17N trugen, zur Pflanzentransformation eingesetzt. Blätter von S. tuberosum var. Linda aus der Sterilkultur wurden an der Basis abgeschnitten und 10 min in flüssigem MS-Medium mit einer über Nacht gewachsenen Agrobakterien- Kultur inkubiert. Nach zweitägiger Inkubation auf festem MS-Medium wurden dieAfter transformation of E. coli S17-1 cells and mating with the A. tumefaciens strain LBA 4404 (pAL 4404) (Hoekema er al., 1983), agrobacteria which carried the plasmid p17N were used for plant transformation. Leaves of S. tuberosum var. Linda from the sterile culture were cut off at the base and 10 min in liquid MS medium with an agrobacteria grown overnight. Culture incubated. After two days of incubation on solid MS medium, the
Blätter abgewaschen und auf Selektions-, Regenerationsmedium ausgelegt. Dieses bestand aus MS-Medium komplementiert mit 0,02 mg/1 Naphtylessigsäure,0,02 mg/1Leaves washed and laid out on selection, regeneration medium. This consisted of MS medium complemented with 0.02 mg / 1 naphthylacetic acid, 0.02 mg / 1
Giberellinsäure, 2 mg/1 Zeatinribosid, 500 mg/1 Claforan und 100 mg/lGiberellic acid, 2 mg / 1 zeatin riboside, 500 mg / 1 claforan and 100 mg / l
Kanamycinsulfat. Sprosse bildeten sich nach 6-8 Wochen und wurden zurKanamycin sulfate. Shoots formed after 6-8 weeks and became
Wurzelbildung auf MS-Medium mit 250 mg/l Claforan und 150 mg/l Kanamycinsulfat umgesetzt.Root formation on MS medium with 250 mg / l claforan and 150 mg / l kanamycin sulfate implemented.
Beispiel 3: Charakterisierung der erhaltenen transgenen LinienExample 3: Characterization of the transgenic lines obtained
Die Expression des N-terminal modifizierten PLRV 17K TP wurde im Western blot mit Hilfe 17K-spezifischer Antiseren nachgewiesen wie in Tacke u.a., 1996 (op. cit.) beschrieben. Dazu wurden Proteinextrakte aus Blattmaterial hergestellt, die Proteine auf einem 12.5%igen Polyacrylamidgel aufgetrennt, auf Nitrozellulose- Membranen überführt und mit einem 17K-spezifιschen Antikörper inkubiert. Der Nachweis gebundener Antikörper geschah nach bewährten Verfahren durch Inkubation mit Schaf-Anti-Kaninchen-lgG/Peroxidasekonjugat und dem Peroxidasesubstrat des ECL-Kits (Amersham).Expression of the N-terminally modified PLRV 17K TP was detected in the Western blot with the help of 17K-specific antisera as described in Tacke et al., 1996 (op. Cit.). For this purpose, protein extracts were made from leaf material, the proteins were separated on a 12.5% polyacrylamide gel, transferred to nitrocellulose membranes and incubated with a 17K-specific antibody. Bound antibodies were detected using proven methods by incubation with sheep anti-rabbit IgG / peroxidase conjugate and the peroxidase substrate of the ECL kit (Amersham).
Beispiel 4: Resistenztests mit Phytophthora infestansExample 4: Resistance tests with Phytophthora infestans
Zur Ermittlung der quantitativen Resistenz wurden im Labor Befallstests mit demIn order to determine the quantitative resistance, infestation tests with the
Erreger der Kraut- und Knollenfäule, Phytophthora infestans, durchgeführt. AlsHerb and tuber pathogen, Phytophthora infestans. As
Inokulum wurde die Rasse 1-11 des Pathogens verwendet (diese Rasse wird zurRace 1-11 of the pathogen was used in the inoculum (this breed becomes the
Erhaltung auf Blattmaterial der Kartoffelsorte Desiree kultiviert). Dazu wurdenConservation cultivated on leaf material of the Desiree potato variety). To do this
Kartoffelblättchen in einer Bewässerungsbox (Gieffers (1989), J. PhytopathologyPotato flakes in an irrigation box (Gieffers (1989), J. Phytopathology
126: 115-132), die eine permanente Wasserversorgung ermöglicht, mit dem Erreger inokuliert und unter 10°C ausgelegt. Die Lichtversorgung erfolgte mit 10 Röhren des126: 115-132), which enables a permanent water supply, inoculated with the pathogen and designed below 10 ° C. The light was supplied with 10 tubes of the
Typs Osram, L16, W/25 Weiß Universal für 16 h täglich mit einer mittlerenType Osram, L16, W / 25 White Universal for 16 hours a day with a medium one
-1 -2 photoperiodisch aktiven Strahlung von ca. 100 μmol s m . Die nach 8-10 Tagen gebildeten Sporangien wurden von den Blättchen mit Wasser abgespült. Der Anteil lebender Sporangien wurde mit der Färbemethode nach Behr (Behr (1955), Zentralblatt für Bakt. Etc. II 108: 23/24, 641-656) ermittelt. Für Befallstests wurde-1 -2 photoperiodically active radiation of approx. 100 μmol sm. The sporangia formed after 8-10 days were rinsed off with water from the leaflets. The proportion of living sporangia was determined using the Behr staining method (Behr (1955), Zentralblatt für Bakt. Etc. II 108: 23/24, 641-656). For infestation tests
4 -1 eine Suspension mit einer Sporangiendichte von 10 ml verwendet.4 -1 a suspension with a sporangia density of 10 ml was used.
In Anlehnung an den Test nach Hodgson (Hodgson (1961), American Potato JournalBased on the Hodgson test (Hodgson (1961), American Potato Journal
38: 259-264) wurde ein neues Prüfverfahren entwickelt. Mittels einer für den Test entwickelten Stanze werden Blattscheiben von 20 mm Durchmesser hergestellt. Das38: 259-264) a new test method was developed. Leaf disks with a diameter of 20 mm are produced using a punch developed for the test. The
Stanzverfahren arbeitet druckarm, so daß die Blattränder nicht gequetscht undPunching process works with low pressure, so that the sheet edges are not crushed and
Nekrosen sowie bakterielle Fäulen vermieden werden.Necrosis and bacterial rot can be avoided.
Die Blattscheiben werden in Bewässerungsboxen (Gieffers et al., op. cit.) aufThe leaf disks are placed in irrigation boxes (Gieffers et al., Op. Cit.)
Filterpapier mit der Unterseite nach oben ausgelegt. Der ständige Wasserfilm auf dem Filterpapier versorgt die Blattscheiben ausreichend mit Wasser. Zur Inokulation wird ein Tropfen mit einer Sporangiensuspension (200 Sporangien/20μl) auf dieFilter paper laid out with the bottom up. The constant water film on the filter paper provides the leaf disks with sufficient water. For inoculation, a drop with a sporangia suspension (200 sporangia / 20μl) is placed on the
Blattscheibenmitte pipettiert.Pipette in the center of the disc.
Die inokulierten Blattscheiben werden unter einer Dauertemperatur von 10°C und den o.g. Lichtbedingungen inkubiert. Unter diesen Bedingungen schlüpfen die infektiösen Zoosporen. Nach ca. 6 Tagen werden die ersten Sporangien gebildet, dieThe inoculated leaf disks are kept under a permanent temperature of 10 ° C and the above. Incubated light conditions. The infectious zoospores hatch under these conditions. After about 6 days, the first sporangia are formed, the
Befallsbonitur erfolgt nach 8 bis 10 Tagen.Infestation is assessed after 8 to 10 days.
Der Blattscheibenbefall, sichtbar durch Sporangienrasenbildung undThe leaf disk infestation, visible by sporangia and
Blattgewebezerfall, wird prozentual eingeschätzt.Leaf tissue decay is estimated as a percentage.
Eine wichtige Voraussetzung für den Test besteht darin, daß die zu prüfendenAn important prerequisite for the test is that the ones to be tested
Kartoffelpflanzen unter gleichen Bedingungen kultiviert und die Blattscheiben vonPotato plants cultivated under the same conditions and the leaf slices of
Blättchen gleicher Blattetagen und gleicher Blattstellung gewonnen werden.Papers of the same leaf days and the same leaf position can be obtained.
Auf diese Weise kann der quantitative Befall von Gewächshaus- wie Freilandmaterial geprüft werden. Die Befallshöhe entscheidet über den quantitativen Resistenzgrad.In this way, the quantitative infestation of greenhouse and field material can be checked. The level of infestation determines the quantitative level of resistance.
Beispiel 5: Induzierte Toleranz gegen Trockenheit als Beispiel für erhöhte Toleranz gegen abiotischen StreßExample 5: Induced tolerance to drought as an example of increased tolerance to abiotic stress
Jeweils 5 bzw. 6 Pflanzen der transgenen Linien L4, L6, L7 und L8 sowie die Ausgangssorte Linda wurden im 6-8Blatt-Stadium für 8 Wochen unter Trockenstreß gehalten, wobei nach 3 und nach 6 Wochen die Pflanzen je einmal gewässert wurden. Die transgenen Pflanzen zeigten dabei in zwei unabhängigen Experimenten eine deutlich erhöhte Toleranz gegen Wasserstreß, wie aus Tabelle 1 und denIn each case 5 or 6 plants of the transgenic lines L4, L6, L7 and L8 and the starting variety Linda were kept under dry stress in the 6-8-leaf stage for 8 weeks, the plants being watered once after 3 and after 6 weeks. The transgenic plants were shown in two independent experiments a significantly increased tolerance to water stress, as in Table 1 and
Figuren 3 und 4 hervorgeht. Tabelle 1 : Auswertung der Kartoffellinien L4, L6, L7 undFigures 3 and 4 emerges. Table 1: Evaluation of the potato lines L4, L6, L7 and
L8 sowie der Ausgangssorte Linda nach 8 Wochen WasserstreßL8 and the starting variety Linda after 8 weeks of water stress
Linie / Sorte # überlebende Pflanzen / # der untersuchten PflanzenLine / variety # surviving plants / # of the examined plants
Exp. 1** Exp. 2*** Exp. 1 * * Exp. 2 * **
Linda 1*/5 1*/6Linda 1 * / 5 1 * / 6
L4 4/5 6/6L4 4/5 6/6
L6 5/5 6/6L6 5/5 6/6
L7 5/5 6/6L7 5/5 6/6
L8 5/5 5/6L8 5/5 5/6
* die überlebende Pflanze entwickelt aus der Knolle einen neuen Sproß; alle ursprünglichen Pflanzenteile sind tot im Gegensatz zu den überlebenden Pflanzen der transgenen Linien L4, L6, L7 und L8.* the surviving plant develops a new sprout from the tuber; all original plant parts are dead in contrast to the surviving plants of the transgenic lines L4, L6, L7 and L8.
** Dieser Versuch wurde unter kontrollierten Bedingungen im Gewächshaus durchgeführt.** This experiment was carried out under controlled conditions in the greenhouse.
*** Dieser Versuch wurde unter kontrollierten Bedingungen in einer Phytokammer durchgeführt.*** This experiment was carried out under controlled conditions in a phyto chamber.
Beispiel 6: Induzierte Toleranz gegen Phytophthora infestans als Beispiel für erhöhte Toleranz gegen PilzbefallExample 6: Induced tolerance to Phytophthora infestans as an example of increased tolerance to fungal attack
Zwei unabhängige Befallsversuche mit P. infestans wurden mit den Rassen 1-11 auf Blattscheiben von Gewächshausmaterial durchgeführt. Dabei wurden von 8 Pflanzen pro transgene Linie und Ausgangssorte Linda je 8 Blattscheiben zur Infektion im Labortest verwendet. Das Inokulum enthielt 200 Sporangien pro 20 μl Wasser; dieTwo independent infestation tests with P. infestans were carried out with breeds 1-11 on leaf disks of greenhouse material. 8 leaf disks from 8 plants per transgenic line and starting variety Linda were infected for infection in the Laboratory test used. The inoculum contained 200 sporangia per 20 ul water; the
Inkubation der Blattscheiben erfolgte bei 10°C und Bonituren wurden nach 9, 10 undThe leaf disks were incubated at 10 ° C. and ratings were given after 9, 10 and
13 Tagen nach der Infektion (dpi) vorgenommen. Alle 4 transgenen Linien zeigten gegenüber P. infestans bis 10 dpi signifikant geringeren Befall. Danach nahm derMade 13 days after infection (dpi). All 4 transgenic lines showed significantly less infection compared to P. infestans up to 10 dpi. Then the
Befall bei L7 und L8 schnell zu, während L6 und besonders L4 weiterhin ihr relativ geringeres Befallsniveau beibehielten (Figur 5). Im Mittel beider Versuche ergibt sich ein signifikanter Unterschied im Resistenzverhalten der 4 getesteten transgenenInfestation increased rapidly in L7 and L8, while L6 and especially L4 continued to maintain their relatively lower infestation level (FIG. 5). The mean of both experiments showed a significant difference in the resistance behavior of the 4 tested transgenes
Lindalinien im Vergleich zur nichttransgenen Ausgangssorte Linda (Figur 6).Linda lines compared to the non-transgenic starting variety Linda (Figure 6).
Beispiel 7: Induzierte Toleranz gegen Salz als weiteres Beispiel für erhöhte Toleranz gegen abiotischen StreßExample 7: Induced tolerance to salt as another example of increased tolerance to abiotic stress
In einer Versuchsreihe von jeweils 4 Pflanzen der Linien L4, L6, L7 und L8 sowie der nicht-transgenen Ausgangssorte Linda (L) wurden die Kartoffelpflanzen in Granulat für 5 Wochen unter Salzstreß gehalten, wobei Salz in Form von NaCI in Konzentrationen von 10, 25, 50, 75, 100, 200, 400 und 1000 mM im Gießwasser enthalten war. Die höchste Konzentration von 1000 mM verursachte bei allen Pflanzen nach 2 Wochen starke Schäden und diese Pflanzen waren nach 5 Wochen tot, während die transgenen Linien, nicht jedoch die Sorte Linda, eine Salzkonzentration von 400 mM trotz starker Schäden überlebten. Wie in den Figuren 7 und 8 für die Bewässerung rnitlOO mM NaCI nach 5 Wochen dargestellt, hatten alle transgenen sowie alle nicht-transgenen Pflanzen einen ähnlichen Phänotyp (die etwas geringere Wuchshöhe der transgenen Linien wie in Figur 7B ersichtlich resultiert aus der gentechnischen Veränderung, nicht aus dem Salzstreß): Bei der nicht-transgenen Ausgangssorte Linda sind die unteren Blätter abgestorben und der Stengel weist charakteristische, krankhafte Veränderungen auf (starke Verengung, Braunfärbung), wie auch aus Figur 8 hervorgeht, während bei allen transgenen Linien die Stengel unverändert grün (Figuren 7, 8) und alle Blätter erhalten sind (Figur 7A,B). Allenfalls kommt es zu vereinzelten Nekrosen auf den unteren Blättern (Figur 8). Trotz des Salzstreß bilden sich an allen Pflanzen Blüten und es kommt zur Knollenbildung (Figur 8). In a test series of 4 plants each from lines L4, L6, L7 and L8 and the non-transgenic starting variety Linda (L), the potato plants in granules were kept under salt stress for 5 weeks, salt in the form of NaCl in concentrations of 10.25 , 50, 75, 100, 200, 400 and 1000 mM was contained in the water. The highest concentration of 1000 mM caused severe damage to all plants after 2 weeks and these plants were dead after 5 weeks, while the transgenic lines, but not the Linda variety, survived a salt concentration of 400 mM despite severe damage. As shown in FIGS. 7 and 8 for irrigation with 100 mM NaCl after 5 weeks, all transgenic and all non-transgenic plants had a similar phenotype (the somewhat lower growth height of the transgenic lines, as can be seen in FIG. 7B, results from the genetic modification) from the salt stress): In the non-transgenic variety Linda, the lower leaves have died and the stalk shows characteristic, pathological changes (severe narrowing, brown color), as can be seen in Figure 8, while the stems of all transgenic lines remain green ( Figures 7, 8) and all leaves are preserved (Figure 7A, B). At most there are isolated necroses on the lower leaves (Figure 8). Despite the salt stress, flowers form on all plants and tuber formation occurs (Figure 8).

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Verwendung einer Nukleinsäure, die ein (Poly)peptid mit einer intrinsischen Affinität zu Plasmodesmen kodiert, zur Erzeugung von Pflanzen oder Teilen davon mit erhöhter Toleranz gegen Trockenheit und/oder Pilzinfektionen und/oder erhöhte Salzkonzentrationen und/oder extreme Temperatur (Hitze, Kälte).1. Use of a nucleic acid encoding a (poly) peptide with an intrinsic affinity for plasmodesms for the production of plants or parts thereof with increased tolerance to drought and / or fungal infections and / or increased salt concentrations and / or extreme temperature (heat, cold ).
2. Verwendung nach Anspruch 1 , wobei ferner eine Pflanze aus der transfizierten Pflanzenzelle regeneriert wird.2. Use according to claim 1, further comprising regenerating a plant from the transfected plant cell.
3. Verwendung nach Anspruch 2, wobei, im Anschluß an die Regeneration, ferner weitere Pflanzen oder Pflanzenzellen aus der regenerierten Pflanze erzeugt werden.3. Use according to claim 2, wherein, following the regeneration, further plants or plant cells are also generated from the regenerated plant.
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das (Poly)peptid ein Virus-kodiertes Transportprotein ist.4. Use according to any one of claims 1 to 3, wherein the (poly) peptide is a virus-encoded transport protein.
5. Verwendung nach Anspruch 4, wobei das Virus-kodierte Transportprotein das Kartoffelblattrolivirus-(PLRV) Transportprotein pr17 oder ein Derivat davon ist.5. Use according to claim 4, wherein the virus-encoded transport protein is the potato leaf trivivirus (PLRV) transport protein pr17 or a derivative thereof.
6. Verwendung nach Anspruch 5, wobei das Derivat ein pr17-Protein mit einer hydrophilen N-terminalen Verlängerung ist.6. Use according to claim 5, wherein the derivative is a pr17 protein with a hydrophilic N-terminal extension.
7. Verwendung nach Anspruch 6, wobei die hydrophile Verlängerung die Aminosäure MAELSGSGSELHRGGGRSRTS ist.7. Use according to claim 6, wherein the hydrophilic extension is the amino acid MAELSGSGSELHRGGGRSRTS.
8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Pflanze, das Pflanzengewebe oder die Pflanzenzellen aus der Kartoffel, aus Tabak, aus Getreide oder Gemüse stammen bzw. Kartoffeln, Tabakpflanzen, Getreidepflanzen bzw. Gemüsepflanzen sind. 8. Use according to one of claims 1 to 7, wherein the plant, the plant tissue or the plant cells originate from the potato, from tobacco, from cereals or vegetables or are potatoes, tobacco plants, cereal plants or vegetable plants.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Erhöhung der Toleranz von Pflanzen gegen Pilzinfektionen eine Erhöhung der Toleranz gegen Infektionen mit Phytophtora infestans ist.9. Use according to one of claims 1 to 8, wherein the increase in the tolerance of plants to fungal infections is an increase in the tolerance to infections with Phytophtora infestans.
10. Verfahren zur Erzeugung von Pflanzen oder Teilen davon mit erhöhter Toleranz gegen Trockenheit und/oder Pilzinfektionen und/oder erhöhte Salzkonzentrationen und/oder extreme Temperatur (Hitze, Kälte), wobei man10. Process for the production of plants or parts thereof with increased tolerance to drought and / or fungal infections and / or increased salt concentrations and / or extreme temperature (heat, cold), wherein
(a) eine Pflanze, ein Pflanzengewebe oder eine Pflanzenzelle mit einer Nukleinsäure transfiziert, die ein (Poly)peptid mit einer intrinsischen Affinität zu Plasmodesmen kodiert.(a) transfecting a plant, plant tissue or plant cell with a nucleic acid encoding a (poly) peptide with an intrinsic affinity for plasmodesms.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei man ferner11. The method of claim 10, further comprising
(b) eine Pflanze aus der transfizierten Pflanzenzelle regeneriert.(b) regenerates a plant from the transfected plant cell.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei man, im Anschluß an Schritt (b) ferner12. The method of claim 11, further comprising, following step (b)
(c) weitere Pflanzen oder Pflanzenzellen aus der in (b) gewonnenen Pflanze erzeugt.(c) other plants or plant cells are produced from the plant obtained in (b).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das (Poly)peptid ein Virus-kodiertes Transportprotein ist.13. The method according to any one of claims 10 to 12, wherein the (poly) peptide is a virus-encoded transport protein.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Virus-kodierte Transportprotein das Kartoffelblattrollvirus-(PLRV) Transportprotein pr17 oder ein Derivat davon ist.14. The method of claim 13, wherein the virus-encoded transport protein is the potato leaf roll virus (PLRV) transport protein pr17 or a derivative thereof.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Derivat ein pr17-Protein mit einer hydrophilen N-terminalen Verlängerung ist.15. The method of claim 14, wherein the derivative is a pr17 protein with a hydrophilic N-terminal extension.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die hydrophile Verlängerung die Aminosäure MAELSGSGSELHRGGGRSRTS ist. 16. The method of claim 15, wherein the hydrophilic extension is the amino acid MAELSGSGSELHRGGGRSRTS.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die Pflanze, das17. The method according to any one of claims 10 to 16, wherein the plant, the
Pflanzengewebe oder die Pflanzenzellen aus der Kartoffel, aus Tabak, aus Getreide oder Gemüse stammen bzw. Kartoffeln, Tabakpflanzen, Getreidepflanzen oder Gemüsepflanzen sind.Plant tissue or the plant cells originate from the potato, tobacco, cereals or vegetables or are potatoes, tobacco plants, cereal plants or vegetable plants.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei die Erhöhung der Toleranz von Pflanzen gegen Pilzinfektionen eine Erhöhung der Toleranz gegen Infektionen mit Phytophtora infestans ist. 18. The method according to any one of claims 10 to 17, wherein the increase in the tolerance of plants to fungal infections is an increase in the tolerance to infections with Phytophtora infestans.
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