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DE3485921T2 - PLASMIDES FOR TRANSFORMING PLANT CELLS. - Google Patents

PLASMIDES FOR TRANSFORMING PLANT CELLS.

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Publication number
DE3485921T2
DE3485921T2 DE8484900783T DE3485921T DE3485921T2 DE 3485921 T2 DE3485921 T2 DE 3485921T2 DE 8484900783 T DE8484900783 T DE 8484900783T DE 3485921 T DE3485921 T DE 3485921T DE 3485921 T2 DE3485921 T2 DE 3485921T2
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DE
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plasmid
dna
gene
plant
cells
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DE8484900783T
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DE3485921D1 (en
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Thomas Fraley
Gary Rogers
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Monsanto Co
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Monsanto Co
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Publication of DE3485921T2 publication Critical patent/DE3485921T2/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)
    • C12N15/8201Methods for introducing genetic material into plant cells, e.g. DNA, RNA, stable or transient incorporation, tissue culture methods adapted for transformation
    • C12N15/8202Methods for introducing genetic material into plant cells, e.g. DNA, RNA, stable or transient incorporation, tissue culture methods adapted for transformation by biological means, e.g. cell mediated or natural vector
    • C12N15/8205Agrobacterium mediated transformation

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Description

Technisches GebietTechnical area

Diese Erfindung liegt auf dem Gebiet der Genmanipulation, Pflanzenbiologie und Bakteriologie.This invention lies in the field of genetic manipulation, plant biology and bacteriology.

Technischer HintergrundTechnical background

Im letzten Jahrzehnt hat sich die Wissenschaft der Genmanipulation rasch entwickelt. Es ist eine Reihe von Verfahren zum Insertieren eines heterologen Gens in Bakterien bekannt, wodurch die Bakterien zur effizienten Expression der insertierten Gene fähig werden. Derartige Verfahren involvieren gewöhnlich die Verwendung von Plasmiden, die an einer oder mehreren selektionierten Schnittstellen durch Restriktionsendonucleasen gespalten werden können. Typischerweise wird ein interessierendes Gen durch Spalten eines DNA-Stückes erhalten und das resultierende DNA-Fragment wird mit einem Fragment gemischt, das durch Spalten eines Vektors, wie eines Plasmids, erhalten wird. Die verschiedenen DNA-Stränge werden dann unter Bildung eines rekonstituierten Plasmids miteinander verbunden ("verknüpft"); siehe beispielsweise US-Patente 4 237 224 (Cohen und Boyer, 1980), 4 264 731 (Shine, 1981), 4 273 875 (Manis, 1981), 4 322 499 (Baxter et al., 1982) und 4 336 336 (Silhavy et al., 1982).Over the last decade, the science of genetic engineering has developed rapidly. A number of methods are known for inserting a heterologous gene into bacteria, thereby making the bacteria capable of efficiently expressing the inserted genes. Such methods usually involve the use of plasmids that can be cleaved at one or more selected sites by restriction endonucleases. Typically, a gene of interest is obtained by cleaving a piece of DNA and the resulting DNA fragment is mixed with a fragment obtained by cleaving a vector, such as a plasmid. The different DNA strands are then joined together ("joined") to form a reconstituted plasmid; see, for example, U.S. Patents 4,237,224 (Cohen and Boyer, 1980), 4,264,731 (Shine, 1981), 4,273,875 (Manis, 1981), 4,322,499 (Baxter et al., 1982), and 4,336,336 (Silhavy et al., 1982).

Eine Reihe anderer Bezugsarbeiten ist verfügbar. Einige dieser Arbeiten beschreiben den natürlichen Prozeß, durch den DNA in mRNA transkribiert und mRNA in Protein translatiert wird, siehe L. Stryer, Biochemistry, 2. Aufl., S. 559 ff. (W.H. Freeman and Co., 1981); A.L. Lehninger, Biochemistry, 2. Aufl., S. 853 ff. (Worth Publ., 1975). Andere Arbeiten beschreiben Verfahren und Produkte von Genmanipulation, siehe z. B. T. Maniatis et al., Molecular Cloning, A Laboratory Manual (Cold Spring Harbor Labs, 1982); J.K. Setlow und A. Hollaender, Genetic Engineering, Principles and Methods (Plenum Press, 1979). Im folgenden werden alle Literaturstellen in abgekürzter Form zitiert; eine Liste der vollständigen Zitate scheint nach den Beispielen auf.A number of other references are available. Some of these describe the natural process by which DNA is transcribed into mRNA and mRNA is translated into protein, see L. Stryer, Biochemistry, 2nd ed., pp. 559 ff. (W.H. Freeman and Co., 1981); A.L. Lehninger, Biochemistry, 2nd ed., pp. 853 ff. (Worth Publ., 1975). Others describe the processes and products of genetic manipulation, see, for example, T. Maniatis et al., Molecular Cloning, A Laboratory Manual (Cold Spring Harbor Labs, 1982); J.K. Setlow and A. Hollaender, Genetic Engineering, Principles and Methods (Plenum Press, 1979). In the following, all references are cited in abbreviated form; a list of full citations appears after the examples.

Der Großteil der derzeit durchgeführten genetische Manipulationsarbeit involviert die Insertion von Genen in verschiedene Arten von Zellen, hauptsächlich Bakterien, wie E. coli, verschiedene andere Mikroorganismen, wie Hefe, und Säugerzellen. Jedoch sind viele der für Genmanipulation von Tierzellen und Mikroorganismen verwendeten Techniken und Substanzen auf Pflanzen involvierende Genmanipulation nicht direkt anwendbar.Most of the genetic manipulation work currently being done involves the insertion of genes into various types of cells, mainly bacteria such as E. coli, various other microorganisms such as yeast, and mammalian cells. However, many of the techniques used for genetic manipulation of animal cells and Techniques and substances used to manipulate microorganisms are not directly applicable to genetic manipulation involving plants.

Der hier verwendete Ausdruck "Pflanze" bezieht sich auf einen multizellulären differenzierten Organismus, der zur Photosynthese imstande ist, wie Angiospermen und multizelluläre Algen. Dieser Ausdruck schließt Mikroorganismen, wie Bakterien, Hefe und Pilze, nicht ein. Der Ausdruck "Pflanzenzelle" schließt jede Zelle ein, die von einer Pflanze stammt; er schließt nichtdifferenziertes Gewebe, wie Kallus oder Wurzelhalsgallentumor, sowie Pflanzensamen, Ableger, Pollen oder Pflanzenembryos ein.The term "plant" as used herein refers to a multicellular differentiated organism capable of photosynthesis, such as angiosperms and multicellular algae. This term does not include microorganisms such as bacteria, yeast and fungi. The term "plant cell" includes any cell derived from a plant; it includes undifferentiated tissue such as callus or crown gall tumor, as well as plant seeds, offshoots, pollen or plant embryos.

Ti- und Ri-PlasmideTi and Ri plasmids

Das tumorinduzierende (Ti) Plasmid von Agrobacterium tumefaciens wurde zur Verwendung als natürlicher Vektor zum Einschleusen von genetischer Fremdinformation in Pflanzenzellen vorgeschlagen (Hernalsteen et al., 1980, Rorsch und Schilperoort, 1978). Bestimmte Arten von A. tumefaciens können eine Vielzahl von Pflanzenzellen infizieren, wodurch Wurzelhalsgallenkrankheit hervorgerufen wird. Der Infektionsprozeß wird nicht ganz verstanden. Zumindest ein Teil des Ti-Plasmids tritt in die Pflanzenzelle ein. Es erfolgen verschiedene metabolische Änderungen und ein Teil des Ti-Plasmids wird in das Genom der Pflanze insertiert (wahrscheinlich in die Chromosomen). Der Teil des Ti-Plasmids, der in das Pflanzengenom gelangt, wird "transferierte DNA" (T-DNA) bezeichnet. T-DNA wird in der Pflanzen-DNA stabil aufrechterhalten (Chilton et al., 1977; Yadev et al., 1980, Willmitzer et al., 1980; Otten et al., 1981).The tumor-inducing (Ti) plasmid of Agrobacterium tumefaciens has been proposed for use as a natural vector for introducing foreign genetic information into plant cells (Hernalsteen et al., 1980, Rorsch and Schilperoort, 1978). Certain species of A. tumefaciens can infect a wide variety of plant cells, causing crown gall disease. The infection process is not fully understood. At least part of the Ti plasmid enters the plant cell. Various metabolic changes occur and part of the Ti plasmid is inserted into the plant genome (probably into the chromosomes). The part of the Ti plasmid that enters the plant genome is called "transferred DNA" (T-DNA). T-DNA is stably maintained in plant DNA (Chilton et al., 1977; Yadev et al., 1980, Willmitzer et al., 1980; Otten et al., 1981).

Von verschiedenen Laboratorien durchgeführte Forschung führte zu der Charakterisierung verschiedener Strukturgene (d. h. proteincodierender Gene), die sich in T-DNA befinden (Garfinkel et al., 1981; Leemans et al., 1982), sowie anderer DNA-Sequenzen, die verschiedenen anderen Funktionen zu dienen scheinen. Beispielsweise scheinen die beiden als "linke Grenze" und "rechte Grenze" bezeichneten Sequenzen T-DNA zu delinearisieren, und können im Prozeß involviert sein, durch den T-DNA in Pflanzenchromosome transferiert wird (Zambryski et al., 1982).Research conducted by various laboratories has led to the characterization of several structural genes (i.e., protein-coding genes) located in T-DNA (Garfinkel et al., 1981; Leemans et al., 1982), as well as other DNA sequences that appear to serve various other functions. For example, two sequences called the "left border" and "right border" appear to delinearize T-DNA, and may be involved in the process by which T-DNA is transferred into plant chromosomes (Zambryski et al., 1982).

Eine andere Art von Agrobacterium, A. rhizogenes, trägt ein "wurzel-induzierendes" (Ri) Plasmid, das dem Ti-Plasmid ähnlich ist. Die Infektion einer Pflanzenzelle durch A. rhizogenes bewirkt Haarwurzelkrankheit. Wie das Ti-Plasmid wird ein Segment von DNA, "T-DNA" genannt (von einigen Forschern auch "R-DNA" bezeichnet), in das Pflanzengenom einer infizierten Zelle transferiert.Another species of Agrobacterium, A. rhizogenes, carries a "root-inducing" (Ri) plasmid similar to the Ti plasmid Infection of a plant cell by A. rhizogenes causes hairy root disease. Like the Ti plasmid, a segment of DNA called "T-DNA" (also called "R-DNA" by some researchers) is transferred into the plant genome of an infected cell.

Es gibt auch Berichte über verschiedene andere Bakterien, die imstande sind, genetische Transformation von Pflanzenzellen zu bewirken, einschließlich A. rubi, und bestimmte Bakterien der Gattung Rhizobia, die mit einem mutagenen Mittel behandelt wurden; Hooykaas et al., auf Seite 156 von Setlow und Hollaender, 1979.There are also reports of several other bacteria capable of causing genetic transformation of plant cells, including A. rubi and certain bacteria of the genus Rhizobia that have been treated with a mutagenic agent; Hooykaas et al., at page 156 of Setlow and Hollaender, 1979.

Der hier verwendete Ausdruck "Ti-Plasmid" schließt jedes Plasmid ein, (1) das in einem anderen Mikroorganismus als einem Virus enthalten ist, der imstande ist, genetische Transformation einer oder mehrerer Pflanzenarten oder Pflanzenzellen zu bewirken, und (2) das ein DNA-Segment enthält, das in ein Pflanzengenom insertiert ist. Er schließt Ri-Plasmide ein.The term "Ti plasmid" as used herein includes any plasmid (1) contained in a microorganism other than a virus that is capable of causing genetic transformation of one or more plant species or plant cells, and (2) that contains a DNA segment inserted into a plant genome. It includes Ri plasmids.

Der hier verwendete Ausdruck "T-DNA" bezieht sich auf ein DNA-Segment in oder von einem Ti-Plasmid, (1) das in das Genom einer oder mehrerer Arten von Pflanzenzellen insertiert wurde, oder (2) das in einem DNA-Segment enthalten ist, das sich zwischen zwei Basensequenzen befindet, die als T-DNA-Grenzen dienen können. Die hier verwendeten Ausdrücke "T-DNA-Grenze" und "Grenze" sind empirisch bestimmt und angewandt; diese Ausdrücke sollen sich auf eine Basensequenz beziehen, die am oder nahe dem Ende eines DNA-Segments aufscheint, das von einem Ti-Plasmid in ein Pflanzengenom transferiert ist.The term "T-DNA" as used herein refers to a DNA segment in or from a Ti plasmid (1) that has been inserted into the genome of one or more types of plant cells, or (2) that is contained in a DNA segment located between two base sequences that can serve as T-DNA boundaries. The terms "T-DNA boundary" and "boundary" as used herein are empirically determined and applied; these terms are intended to refer to a base sequence that appears at or near the end of a DNA segment that has been transferred from a Ti plasmid into a plant genome.

Trotz des bestehenden Wissens über T-DNA und Ti-Plasmide war vor dieser Erfindung niemand imstande, diese Vektoren zum Einschleusen von Fremdgenen zu verwenden, die in genetisch modifizierten Pflanzen exprimiert werden. Man stieß bei Genmanipulationsversuchen auf eine Reihe von Hindernissen gegen eine derartige Verwendung. Derartige Hindernisse sind:Despite the existing knowledge about T-DNA and Ti plasmids, before this invention, no one was able to use these vectors to introduce foreign genes that are expressed in genetically modified plants. Attempts to manipulate genes have encountered a number of obstacles to such use. Such obstacles are:

1) die große Größe (ungefähr 200 000 Basenpaare) und resultierende Kompliziertheit von Ti-Plasmiden schließen die Verwendung von rekombinanten Standard-DNA-Techniken zum genetischen Modifizieren und/oder Insertieren von Fremdgenen in spezifische Stellen in der T-DNA aus. Beispielsweise gibt es in einem Ti-Plasmid keine bekannten einmaligen Restriktionsendonuclease-Schnittstellen (Leemans et al., 1982);1) the large size (approximately 200,000 base pairs) and resulting complexity of Ti plasmids preclude the use of standard recombinant DNA techniques to genetically modify and/or insert foreign genes into specific sites in the T-DNA. For example, there are no known unique restriction endonuclease sites in a Ti plasmid (Leemans et al., 1982);

2) die T-DNA, die in Pflanzenzellen insertiert und darin exprimiert wird, enthält Gene, die in der Produktion großer Mengen von Phytohormonen in den transformierten Pflanzenzellen involviert sind (Leemans et al., 1982). Die großen Mengen von Phytohormonen beeinträchtigen den normalen metabolischen und regenerativen Prozeß der Zellen und verhindern die Bildung von phänotypisch normalen Pflanzen aus den Zellen (Braun und Wood, 1976; Yang et al., 1980). Ausnahmen hievon sind seltene Fälle, wo die T-DNA extensiven spontanen Deletionen in planta ausgesetzt war, um jene Gene zu eliminieren, die in der Phytohormonproduktion involviert sind. Es wurde berichtet, daß unter diesen Bedingungen normale Pflanzen bei niedriger Frequenz erhältlich sind (Otten et al., 1981). Jedoch konnten die in der Phytohormonproduktion involvierten T-DNA-Gene vor dieser Erfindung nicht deletiert werden, weil sie bei der Identifizierung und/oder Selektion transformierter Pflanzenzellen sehr wichtig waren (Marton et al., 1979).2) the T-DNA inserted into and expressed in plant cells contains genes involved in the production of large amounts of phytohormones in the transformed plant cells (Leemans et al., 1982). The large amounts of phytohormones impair the normal metabolic and regenerative processes of the cells and prevent the formation of phenotypically normal plants from the cells (Braun and Wood, 1976; Yang et al., 1980). Exceptions to this are rare cases where the T-DNA was subjected to extensive spontaneous deletions in planta to eliminate those genes involved in phytohormone production. It has been reported that under these conditions normal plants are obtainable at low frequencies (Otten et al., 1981). However, the T-DNA genes involved in phytohormone production could not be deleted before this invention because they were very important in the identification and/or selection of transformed plant cells (Marton et al., 1979).

Wie oben beschrieben, sind einfache rekombinate DNA-Techniken zum Einschleusen von Fremdgenen in Plasmide auf das große Ti-Plasmid nicht anwendbar. Als Folge wurden verschiedene indirekte Methoden entwickelt, die im nachstehenden diskutiert werden. Die erste angegebene Verwendung des Ti-Plasmids als Vektor war in Modellversuchen, in denen bakterielle Transposone in T- DNA insertiert und anschließend in Pflanzenzellen eingeschleust wurden. Von den bakteriellen Transposonen wurde berichtet, daß sie im Pflanzengenom stabil aufrechterhalten werden (Hernalsteens et al., 1980, Garfinkel et al., 1981). Jedoch wurde in diesen Fällen gefunden, daß die transformierten Tumorgewebe nicht zur Regeneration in normale Pflanzen imstande waren, und es gibt keinen berichteten Beweis für die Expression von bakteriellen Genen in den Pflanzenzellen. Außerdem war, da angenommen wird, daß die Insertion von bakteriellen Transposonen im wesentlichen regellos ist, ein Großteil der Bemühungen dazu erforderlich, die Position der insertierten DNA in diesen Beispielen zu identifizieren und zu lokalisieren.As described above, simple recombinant DNA techniques for introducing foreign genes into plasmids are not applicable to the large Ti plasmid. As a result, several indirect methods have been developed, which are discussed below. The first reported use of the Ti plasmid as a vector was in model experiments in which bacterial transposons were inserted into T-DNA and subsequently introduced into plant cells. The bacterial transposons have been reported to be stably maintained in the plant genome (Hernalsteens et al., 1980, Garfinkel et al., 1981). However, in these cases, the transformed tumor tissues were found to be unable to regenerate into normal plants, and there is no reported evidence for the expression of bacterial genes in the plant cells. In addition, since the insertion of bacterial transposons is believed to be essentially random, much of the effort was required to identify and localize the position of the inserted DNA in these examples.

In späteren Versuchen demonstrierten J. Leemans, H. de Greve et al. (1982) die Expression von Dihydrofolatreduktase, einem charakteristischen Produkt des bakteriellen Tn 7-Transposons, durch Wurzelhalsgallen-Tabakzellen, die durch mutante Ti- Plasmide, die die Tn 7-Transposonsequenz in der T-DNA enthalten, transformiert worden waren. Die Autoren spekulieren, daß es möglich sein sollte, hinter den T-DNA-Promotoren für Opinsynthese die Sequenzen bakterieller Gene zu insertieren, die für Funktionen codieren, die andere Antibiotika inaktivieren. So nehmen sie an, daß es möglich wäre, gute Expression und möglicherweise ausreichende Antibiotikumresistenz zu erzielen, um direkte Selektion der transformierten Pflanzenzellen zu ermöglichen.In later experiments, J. Leemans, H. de Greve et al. (1982) demonstrated the expression of dihydrofolate reductase, a characteristic product of the bacterial Tn 7 transposon, by crown gall tobacco cells transformed by mutant Ti plasmids containing the Tn 7 transposon sequence in the T-DNA. The authors speculate that it should be possible to insert behind the T-DNA promoters for opine synthesis the sequences of bacterial genes encoding functions that inactivate other antibiotics. In this way, they assume that it would be possible to achieve good expression and possibly sufficient antibiotic resistance to allow direct selection of the transformed plant cells.

Andere Forscher berichteten über die Verwendung von Zwischenvektoren, die sowohl in E. coli als auch in A. tumefaciens replizieren (Matzke und Chilton, 1981; Leemans et al., 1981; Garfinkel et al., 1981). Die Zwischenvektoren enthalten relativ kleine Subfragmente des Ti-Plasmids, die unter Verwendung von rekombinanten Standard-DNA-Techniken manipuliert werden können. Die Subfragmente können durch die Deletion spezifischer Sequenzen oder durch die Insertion von Fremdgenen an spezifischen Stellen modifiziert werden. Die das modifizierte T-DNA-Subfragment enthaltenden Zwischenvektoren werden dann durch Transformation oder Konjugation in A. tumefaciens eingeschleust. Doppelte Rekombination zwischen dem modifizierten T-DNA-Fragment am Zwischenvektor und seinem Wildtyp-Gegenstück am Ti-Plasmid führt zum Ersatz der Wildtyp-Kopie durch das modifizierte Fragment. Zellen, die die rekombinierten Ti-Plasmide enthalten, können unter Verwendung geeigneter Antibiotika selektioniert werden.Other investigators have reported the use of intermediate vectors that replicate in both E. coli and A. tumefaciens (Matzke and Chilton, 1981; Leemans et al., 1981; Garfinkel et al., 1981). The intermediate vectors contain relatively small subfragments of the Ti plasmid that can be manipulated using standard recombinant DNA techniques. The subfragments can be modified by the deletion of specific sequences or by the insertion of foreign genes at specific sites. The intermediate vectors containing the modified T-DNA subfragment are then introduced into A. tumefaciens by transformation or conjugation. Double recombination between the modified T-DNA fragment on the intermediate vector and its wild-type counterpart on the Ti plasmid results in the replacement of the wild-type copy by the modified fragment. Cells containing the recombined Ti plasmids can be selected using appropriate antibiotics.

Verschiedene Fremd-DNA's wurden an spezifischen Stellen in der T-DNA durch diese Methode insertiert und es wurde berichtet, daß sie in Pflanzenzellen stabil transferiert wurden (Matzke und Chilton, 1981, Leemans et al., 1981, 1982). Jedoch wurde von derartigen Fremdgenen nicht berichtet, daß sie zu Expression in Pflanzenzellen imstande sind. Mögliche Gründe dafür wurden von M.D. Chilton et al. (1981), diskutiert. Beispielsweise wird vermutet, daß die Länge und Sequenz des 5'-nicht-translatierten Teils des Transkripts die Effizienz von Capping, Spleißen, Transport zum Zytoplasma oder Initiierung von Translation beeinträchtigen könnten. Weiterhin wird es im oben beschriebenen Verfahren bevorzugt, daß ein Doppel-Crossover stattfindet, um die Wildtyp-Kopie durch das modifizierte DNA-Fragment zu ersetzen. Ein einziger Crossover führt zur Bildung eines cointegralen Plasmids, das zwei Kopien der T-DNA-Subfragmente enthält. Diese Duplizierung ist in diesen Methoden unerwünscht, weil homologe Rekombination, die in A. tumefaciens-Zellen oder in Pflanzenzellen stattfinden kann, zum Verlust des oder der insertierten Fremgene führen kann.Various foreign DNAs have been inserted at specific sites in the T-DNA by this method and were reported to be stably transferred into plant cells (Matzke and Chilton, 1981, Leemans et al., 1981, 1982). However, such foreign genes have not been reported to be capable of expression in plant cells. Possible reasons for this have been discussed by MD Chilton et al. (1981). For example, it is suggested that the length and sequence of the 5'-untranslated part of the transcript may affect the efficiency of capping, splicing, transport to the cytoplasm or initiation of translation. Furthermore, in the method described above, it is preferred that a double crossover takes place to replace the wild-type copy with the modified DNA fragment. A single crossover leads to the formation of a cointegral Plasmid containing two copies of the T-DNA subfragments. This duplication is undesirable in these methods because homologous recombination, which can occur in A. tumefaciens cells or in plant cells, can lead to the loss of the inserted foreign gene(s).

Ein Hauptnachteil der obigen Methoden ist, daß die Frequenz von doppelter Rekombination recht niedrig ist, etwa 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup9; (Leemans et al., 1981), und daß es ausgedehnter Mühe bedarf, um die seltenen Doppel-Crossover-Rekombinanten zu identifizieren und zu isolieren. Als Folge sind die Anzahl und Arten von Experimenten, die unter Anwendung bestehender Methoden zum genetischen Manipulieren des Ti-Plasmids durchgeführt werden können, sehr beschränkt.A major disadvantage of the above methods is that the frequency of double recombination is quite low, about 10-4 to 10-9 (Leemans et al., 1981), and that extensive effort is required to identify and isolate the rare double-crossover recombinants. As a result, the number and types of experiments that can be performed using existing methods for genetically manipulating the Ti plasmid are very limited.

Choudary et al. (1982) berichten unter Anwendung eines ähnlichen Verfahrens über den Transfer des Gens für Phaseolin von Bohnen- auf Sonnenblumenpflanzenzellen, wobei rekombinante Zellen von A. tumefaciens als Vektoren verwendet werden. Über die Transkription des Phaseolin-Gens in den transformierten Sonnenblumenzellen wurde berichtet, doch konnte die Produktion von Phaseolin nicht nachgewiesen werden.Using a similar procedure, Choudary et al. (1982) reported the transfer of the phaseolin gene from bean to sunflower plant cells using recombinant A. tumefaciens cells as vectors. Transcription of the phaseolin gene in the transformed sunflower cells was reported, but phaseolin production could not be demonstrated.

Ein anderer Bericht über die Aussichten der Verwendung der Ti-Plasmide von Agrobacteria als Vektoren für die Genmanipulation von Pflanzen ist jener von Ream und Gordon (1982).Another report on the prospects of using Agrobacteria Ti plasmids as vectors for plant genetic manipulation is that of Ream and Gordon (1982).

EP-A-0 116 718, bei der es sich um den die vorliegende Anmeldung betreffenden Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) EPÜ handelt, beschreibt modifizierte Akzeptor-Ti-Plasmide, die das Einschleusen eines beliebigen (beliebiger) interessanten Gens (Gene), enthalten in einem Zwischenklonierungsvektor, der eine Region von Homologie mit einer entsprechenden Region im Akzeptor-Ti-Plasmid trägt, ermöglichen. Dieses Einschleusen wird in Agrobacterium als Wirt durch einen einzigen Crossover erzielt, der innerhalb der beiden homologen DNA-Segmente stattfindet. Die resultierenden Hybrid-Ti-Plasmide in Agrobacterium können direkt zum Infizieren von Pflanzenzellen verwendet werden, die anschließend für die Expression des Produktes des (der) interessanten Gens (Gene) gesiebt werden können. Es ist möglich, aus den transformierten Pflanzenzellen transformierte fortpflanzungsfähige Pflanzen zu regenerieren.EP-A-0 116 718, which is prior art under Article 54(3) EPC to the present application, describes modified acceptor Ti plasmids which allow the introduction of any gene(s) of interest contained in an intermediate cloning vector carrying a region of homology with a corresponding region in the acceptor Ti plasmid. This introduction is achieved in Agrobacterium as host by a single crossover taking place within the two homologous DNA segments. The resulting hybrid Ti plasmids in Agrobacterium can be used directly to infect plant cells which can subsequently be screened for expression of the product of the gene(s) of interest. It is possible to regenerate transformed reproductive plants from the transformed plant cells.

Jedoch weisen die Hybrid-Ti-Plasmide von EP-A-0 116 718, die durch den einzigen Crossover produziert werden, zwei Kopien von T-DNA-Subfragmenten auf. Diese Duplizierung ist aus dem oben angegebenen Grund unerwünscht.However, the hybrid Ti plasmids of EP-A-0 116 718, which produced by the single crossover, two copies of T-DNA subfragments. This duplication is undesirable for the reason given above.

Es wurde über eine Reihe anderer Methoden zum Insertieren von DNA in Pflanzenzellen berichtet. Eine solche Methode involviert die Verwendung von Lipidvesikeln, auch Liposome genannt, zum Einkapseln eines oder mehrerer DNA-Moleküle. Die Liposomen und ihr DNA-Gehalt können von Pflanzenzellen aufgenommen werden, siehe z. B. Lurquin, 1981. Wenn die insertierte DNA in das Pflanzengenom inkorporiert, repliziert und vererbt werden kann, werden die Pflanzenzellen transformiert.A number of other methods for inserting DNA into plant cells have been reported. One such method involves the use of lipid vesicles, also called liposomes, to encapsulate one or more DNA molecules. The liposomes and their DNA content can be taken up by plant cells, see e.g. Lurquin, 1981. If the inserted DNA can be incorporated into the plant genome, replicated and inherited, the plant cells are transformed.

Andere Techniken involvieren das Inberührungbringen von Pflanzenzellen mit DNA, die entweder mit (a) polykationischen Substanzen, wie Poly-L-ornithin (Davey et al., 1980) oder (b) Calciumphosphat (Krens et al., 1982) in einen Komplex gebracht wird. Unter Anwendung dieser Techniken wird das gesamte Ti- Plasmid oder ein Teil hievon, wie berichtet, in Pflanzenzellen insertiert, was tumorerzeugende Änderung der Pflanzenzellen bewirkt.Other techniques involve contacting plant cells with DNA complexed with either (a) polycationic substances such as poly-L-ornithine (Davey et al., 1980) or (b) calcium phosphate (Krens et al., 1982). Using these techniques, all or part of the Ti plasmid is reportedly inserted into plant cells, causing tumorigenic alteration of the plant cells.

Eine andere Methode wurde entwickelt, die die Fusion von Bakterien, die gewünschte Plasmide enthalten, mit Pflanzenzellen involviert. Derartige Methoden involvieren die Überführung der Bakterien in Sphaeroplasten und die Überführung der Pflanzenzellen in Protoplasten. Beide Methoden entfernen unter Verwendung von enzymischem Verdau die Zellwandbarriere von den Bakterienund Pflanzenzellen. Die beiden Zellarten können dann miteinander verschmolzen werden, indem sie chemischen Mitteln, wie einem Polyäthylenglykol, ausgesetzt werden, siehe Hasezawa et al., 1981.Another method has been developed that involves the fusion of bacteria containing desired plasmids with plant cells. Such methods involve the conversion of bacteria into spheroplasts and the conversion of plant cells into protoplasts. Both methods remove the cell wall barrier from the bacteria and plant cells using enzymatic digestion. The two cell types can then be fused together by exposing them to chemical agents such as polyethylene glycol, see Hasezawa et al., 1981.

Jedoch leiden alle obigen Techniken unter einem oder mehreren der folgenden Probleme: (i) bisher angegebene Transformationseffizienzen waren sehr niedrig; (ii) nur kleine DNA-Moleküle können in Pflanzenzellen insertiert werden; (iii) nur kleine Mengen von DNA-Molekülen können in Pflanzenzellen insertiert werden und/oder (iv) ein Gen, das in eine Pflanzenzelle insertiert wird, wird von der Pflanzenzelle nicht stabil aufrechterhalten, wenn es nicht in das Genom der Pflanzenzelle inkorporiert wird, d. h. wenn das Gen nicht in ein Chromosom oder Plasmid insertiert wird, das in der Pflanzenzelle repliziert.However, all of the above techniques suffer from one or more of the following problems: (i) transformation efficiencies reported so far have been very low; (ii) only small DNA molecules can be inserted into plant cells; (iii) only small amounts of DNA molecules can be inserted into plant cells and/or (iv) a gene inserted into a plant cell will not be stably maintained by the plant cell unless it is incorporated into the genome of the plant cell, i.e. unless the gene is inserted into a chromosome or plasmid that replicates in the plant cell.

Vor dieser Erfindung gab es keine zufriedenstellende Methode für die Schaffung und Identifizierung von genetisch transformierten Pflanzenzellen, die routinemäßig in morphologisch normale Pflanzen regeneriert werden könnten.Prior to this invention, there was no satisfactory method for creating and identifying genetically transformed plant cells that could be routinely regenerated into morphologically normal plants.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Diese Erfindung bezieht sich auf verschiedene Plasmide, die zum Bilden von transformierten Pflanzenzellen verwendbar sind, die zu anschließender Regeneration in differenzierte, morphologisch-normale Pflanzen imstande sind. Diese Erfindung bezieht sich auch auf Mikroorganismen, die derartige Plasmide enthalten, und auf Verfahren zum Schaffen derartiger Plasmide und Mikroorganismen.This invention relates to various plasmids useful for creating transformed plant cells capable of subsequent regeneration into differentiated, morphologically normal plants. This invention also relates to microorganisms containing such plasmids and to methods for creating such plasmids and microorganisms.

Diese Erfindung involviert ein erstes Plasmid, wie pMON120, das im nachstehenden beschriebene bestimmte, gewünschte Merkmale hat. Ein Gen, das imstande ist, in Pflanzenzellen exprimiert zu werden, kann in dieses Plasmid insertiert werden, um ein modifiziertes Plasmid, wie pMON128, zu erhalten. Beispielsweise enthält Plasmid pMON128 ein chimäres Gen, das Neomycinphosphotransferase II (NPT II) exprimiert, ein Enzym, das bestimmte Antibiotika inaktiviert. Das chimäre Gen ist zur Expression in Pflanzenzellen imstande.This invention involves a first plasmid, such as pMON120, which has certain desired characteristics described below. A gene capable of being expressed in plant cells can be inserted into this plasmid to obtain a modified plasmid, such as pMON128. For example, plasmid pMON128 contains a chimeric gene that expresses neomycin phosphotransferase II (NPT II), an enzyme that inactivates certain antibiotics. The chimeric gene is capable of expression in plant cells.

Das modifizierte Plasmid wird in einen geeigneten Mikroorganismus, wie Agrobacterium tumefaciens-Zellen, die Ti-Plasmide enthalten, insertiert. In den A. tumefaciens-Zellen rekombinieren sich einige der insertierten Plasmide mit Ti-Plasmiden unter Bildung eines cointegralen Plasmids; dies auf Grund einer Homologieregion zwischen den beiden Plasmiden. Es ist nur ein einziger Crossover erforderlich, um das gewünschte cointegrale Plasmid zu bilden.The modified plasmid is inserted into a suitable microorganism, such as Agrobacterium tumefaciens cells, containing Ti plasmids. In the A. tumefaciens cells, some of the inserted plasmids recombine with Ti plasmids to form a cointegral plasmid due to a region of homology between the two plasmids. Only a single crossover is required to form the desired cointegral plasmid.

Auf Grund der Merkmale des insertierten Plasmids dieser Erfindung enthält das resultierende cointegrale Ti-Plasmid das chimäre Gen und/oder ein anderes insertiertes Gen innerhalb der T-DNA-Region des cointegralen Plasmids. Das oder die insertierten Gene sind von mindestens zwei T-DNA-Grenzen umgeben, wovon mindestens eine durch den Crossover in das Ti-Plasmid insertiert wurde. Durch geeignete Antibiotika werden A. tumefaciens-Zellen, die keine cointegralen Ti-Plasmide mit insertierten Genen aufweisen, getötet.Due to the features of the inserted plasmid of this invention, the resulting cointegral Ti plasmid contains the chimeric gene and/or another inserted gene within the T-DNA region of the cointegral plasmid. The inserted gene(s) are surrounded by at least two T-DNA borders, at least one of which has been inserted into the Ti plasmid by the crossover. A. tumefaciens cells that do not have cointegral Ti plasmids with inserted genes are killed by appropriate antibiotics.

A. tumefaciens-Zellen mit cointegralen Plasmiden werden mit Pflanzenzellen, wie Protoplasten, von Protoplasten stammenden Zellen, Pflanzenstecklingen oder intakten Pflanzen, unter Bedingungen cokultiviert, die es den cointegralen Ti-Plasmiden oder Teilen hievon ermöglichen, in die Pflanzenzellen zu gelangen. Wenn sie einmal im Inneren der Pflanzenzellen sind, wird ein Teil des Ti-Plasmids, der von den beiden T-DNA-Grenzen umgeben ist, durch natürliche Prozesse in das Pflanzengenom insertiert. Dieses DNA-Segment enthält das chimäre Gen und/oder jedes andere gewünschte Gen oder Gene. Vorzugsweise enthält das Segment von Vektor-DNA, das in das Pflanzengenom insertiert wird, keinerlei Gene, die die Pflanzenzelle zum Regenerieren in eine differenzierte, morphologisch normale Pflanze unfähig machen würden. Die transformierte(n) Pflanzenzelle(n) kann (können) in eine morphologisch normale Pflanze regeneriert werden, die das insertierte Gen zu ihren Abkömmlingen leitet.A. tumefaciens cells with cointegral plasmids are cocultured with plant cells, such as protoplasts, protoplast-derived cells, plant cuttings or intact plants, under conditions that allow the cointegral Ti plasmids or parts thereof to enter the plant cells. Once inside the plant cells, a portion of the Ti plasmid surrounded by the two T-DNA borders is inserted into the plant genome by natural processes. This DNA segment contains the chimeric gene and/or any other desired gene or genes. Preferably, the segment of vector DNA that is inserted into the plant genome does not contain any genes that would render the plant cell incapable of regenerating into a differentiated, morphologically normal plant. The transformed plant cell(s) can be regenerated into a morphologically normal plant that passes the inserted gene to its offspring.

Es gibt für durch das Verfahren dieser Erfindung transformierte Pflanzen verschiedene Verwendungen. Beispielsweise kann ein Gen, das für ein Enzym codiert, das ein Herbizid inaktiviert, in eine Pflanze insertiert werden. Dies würde die Pflanze und ihre Abkömmlinge gegen das Herbizid resistent machen. Andererseits kann ein Gen, das für ein gewünschtes Säugerpolypeptid codiert, wie Wachstumshormon, Insulin, Interferon oder Somatostatin, in Pflanzen insertiert werden. Die Pflanzen können gezogen und geerntet werden und das Polypeptid könnte aus dem Pflanzengewebe extrahiert werden.There are various uses for plants transformed by the method of this invention. For example, a gene encoding an enzyme that inactivates a herbicide can be inserted into a plant. This would render the plant and its progeny resistant to the herbicide. On the other hand, a gene encoding a desired mammalian polypeptide, such as growth hormone, insulin, interferon or somatostatin, can be inserted into plants. The plants can be grown and harvested and the polypeptide could be extracted from the plant tissue.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Fig. 1 ist ein Schaubild, das die Schritte dieser Erfindung unter Verwendung von pMON128 und des NOS-NPT II-Gens als Beispiel zeigt.Figure 1 is a diagram showing the steps of this invention using pMON128 and the NOS-NPT II gene as an example.

Fig. 2 stellt die Bildung von pMON41, eines zum Konstruieren von pMON120 verwendeten Plasmids, dar.Figure 2 shows the formation of pMON41, a plasmid used to construct pMON120.

Fig. 3 stellt die Bildung von M-4, einer zum Konstruieren von pMON109 verwendeten, von M13 stammenden DNA dar.Figure 3 shows the formation of M-4, an M13-derived DNA used to construct pMON109.

Fig. 4 stellt die Bildung von pMON54, eines zum Konstruieren von pMON109 verwendeten Plasmids, dar.Figure 4 shows the formation of pMON54, a plasmid used to construct pMON109.

Fig. 5 stellt die Bildung von pMON109, eines zum Konstruieren von pMON120 verwendeten Plasmids, dar.Figure 5 shows the formation of pMON109, a plasmid used to construct pMON120.

Fig. 6 stellt die Bildung von pMON113, eines zum Konstruieren von pMON120 verwendeten Plasmids, dar.Figure 6 shows the formation of pMON113, a plasmid used to construct pMON120.

Fig. 7 stellt die Bildung von Plasmid pMON120, eines Zwischenvektors mit drei Restriktionsendonuclease-Schnittstellen, die zum Insertieren eines gewünschten Gens geeignet sind, dar.Figure 7 illustrates the construction of plasmid pMON120, an intermediate vector with three restriction endonuclease sites suitable for inserting a desired gene.

Fig. 8 stellt die Bildung von pMON128, eines Zwischenvektors, dar, der durch Insertieren eines chimären NOS-NPT 11 Kanamycin-Resistenzgens in pMON120 erhalten wurde.Figure 8 represents the formation of pMON128, an intermediate vector obtained by inserting a chimeric NOS-NPT 11 kanamycin resistance gene into pMON120.

Fig. 9 stellt die Cointegration von pMON128 mit einem Wildtyp-Ti-Plasmid durch einen einzigen Crossover dar, wodurch ein cointegrales Plasmid mit mehreren Grenzen gebildet wird.Figure 9 illustrates the cointegration of pMON128 with a wild-type Ti plasmid through a single crossover, forming a cointegral plasmid with multiple boundaries.

Fig. 10 zeigt die Cointegration von pMON128 mit einem entwaffneten Ti-Plasmid, wodurch ein nicht-tumorerzeugendes cointegrales Plasmid gebildet wird.Figure 10 shows the cointegration of pMON128 with a disarmed Ti plasmid, forming a non-tumorigenic cointegral plasmid.

Fig. 11 ist eine Kurve, in der das Wachstum von transformierten Zellen und nicht-transformierten Zellen auf kanamycinhaltigem Medium verglichen ist.Fig. 11 is a graph comparing the growth of transformed cells and non-transformed cells on kanamycin-containing medium.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wurde eine Reihe von chimären Genen unter Anwendung der Schritte, die im Schaubild der Fig. 1 zusammengefaßt sind, in Pflanzenzellen insertiert. Wie in Fig. 1 gezeigt, wurden drei Vorplasmide hergestellt. Diese Plasmide wurden wie folgt bezeichnet:In a preferred embodiment of this invention, a series of chimeric genes were inserted into plant cells using the steps summarized in the diagram of Figure 1. As shown in Figure 1, three pre-plasmids were prepared. These plasmids were designated as follows:

1. pMON41, das eine rechte Grenze von einem Ti-Plasmid vom Nopalintyp und den 5'-Teil eines Nopalinsynthase (NOS)-Gens enthielt. Die Konstruktion des Plasmids pMON41 ist im nachstehenden beschrieben und in Fig. 2 gezeigt.1. pMON41 containing a right border from a nopaline-type Ti plasmid and the 5' part of a nopaline synthase (NOS) gene. The construction of the plasmid pMON41 is described below and shown in Fig. 2.

2. pMON109, das den 3'-Teil eines NOS-Gens und ein Selektionsmarkergen (spc/str) enthielt, das die Selektion von A. tumefaciens-Zellen mit cointegralen Ti-Plasmiden mit chimären Genen ermöglichte. Die Konstruktion des Plasmids pMON109 ist im nachstehenden beschrieben und in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigt.2. pMON109 containing the 3' part of a NOS gene and a selection marker gene (spc/str) that allowed the selection of A. tumefaciens cells with cointegral Ti plasmids with chimeric genes. The construction of the plasmid pMON109 is described below and shown in Figures 3, 4 and 5.

3. pMON113, das eine DNA-Region mit einer Sequenz enthielt, die mit der Sequenz innerhalb des T-DNA-Teiles eines Ti-Plasmids vom Octopintyp identisch ist. Diese Region wurde als die "linke innere Homologie" (LIH)-Region bezeichnet. Die Konstruktion von pMON113 ist im nachstehenden beschrieben und in Fig. 6 gezeigt.3. pMON113, which contained a DNA region with a sequence identical to the sequence within the T-DNA portion of an octopine-type Ti plasmid. This region was designated the "left internal homology" (LIH) region. The construction of pMON113 is described below and shown in Fig. 6.

Nach dem Zusammenbau dieser Plasmide wurde jedes Plasmid durch geeignete Endonucleasen verdaut, um ein gewünschtes Fragment zu erhalten. Drei Fragmente (eines von jedem der drei Plasmide) wurden in einer Dreifachligation zusammengebaut, um den Zwischenvektor, Plasmid pMON120, zu erhalten, wie in Fig. 7 gezeigt.After assembly of these plasmids, each plasmid was digested by appropriate endonucleases to obtain a desired fragment. Three fragments (one from each of the three plasmids) were assembled in a triple ligation to obtain the intermediate vector, plasmid pMON120, as shown in Fig. 7.

Plasmid pMON120 spielt eine Schlüsselrolle in der Ausführungsform dieser Erfindung, die im nachstehenden im einzelnen beschrieben ist. Dieses Plasmid hat die folgenden Merkmale:Plasmid pMON120 plays a key role in the embodiment of this invention, which is described in detail below. This plasmid has the following features:

1. pMON120 hat mindestens drei einmalige Restriktionsendonuclease-Schnittstellen (EcoRi, ClaI und HindIII), die das bequeme Insertieren jedes gewünschten Gens ermöglichen.1. pMON120 has at least three unique restriction endonuclease sites (EcoRI, ClaI and HindIII) that allow convenient insertion of any desired gene.

2. pMON120 repliziert innerhalb normaler E. coli-Zellen. Jedoch repliziert es nicht innerhalb normaler Agrobacterium- Zellen, wenn es nicht mit einem anderen Plasmid, wie einem Ti- Plasmid, cointegriert, das in Agrobacterium-Zellen repliziert.2. pMON120 replicates within normal E. coli cells. However, it does not replicate within normal Agrobacterium cells unless it cointegrates with another plasmid, such as a Ti plasmid, that replicates in Agrobacterium cells.

3. pMON120 trägt ein Markergen, das für ein Enzym codiert, das gegen zwei Antibiotika, Spectinomycin (spc) und Streptomycin (str), Resistenz verleiht. Dieses Gen, als das spc/str-Gen bezeichnet, wird in E. coli und in A. tumefaciens exprimiert, nicht aber in Pflanzenzellen. pMON120 trägt keine Gene, die für Resistenz gegen Ampicillin oder Tetracyclin codieren.3. pMON120 carries a marker gene encoding an enzyme that confers resistance to two antibiotics, spectinomycin (spc) and streptomycin (str). This gene, called the spc/str gene, is expressed in E. coli and in A. tumefaciens, but not in plant cells. pMON120 does not carry genes encoding resistance to ampicillin or tetracycline.

4. pMON120 trägt eine Sequenz, die zu einer Sequenz innerhalb des T-DNA-Teiles eines Ti-Plasmids von A. tumefaciens vom Octopintyp homolog ist. Diese Sequenz wird als die "linke innere Homologie" (LIH)-Region bezeichnet. Diese Homologieregion fördert einen Crossover, wodurch pMON120 oder ein Derivat von pMON120, wie pMON128, mit dem Ti-Plasmid ein Cointegrat bildet, wenn die beiden Plasmide innerhalb der gleichen A. tumefaciens- Zelle existieren. Gemäß Definition wird das "cointegrale" Plasmid durch einen einzigen Crossover gebildet. Es enthält alle DNA-Sequenzen, die vorher entweder im Ti-Plasmid oder in dem von pMON120 stammenden Plasmid existierten.4. pMON120 carries a sequence homologous to a sequence within the T-DNA portion of an octopine-type A. tumefaciens Ti plasmid. This sequence is referred to as the "left inner homology" (LIH) region. This region of homology promotes crossover, whereby pMON120 or a derivative of pMON120, such as pMON128, forms a cointegrate with the Ti plasmid when the two plasmids exist within the same A. tumefaciens cell. By definition, the "cointegral" plasmid is formed by a single crossover. It contains all DNA sequences that previously existed in either the Ti plasmid or the plasmid derived from pMON120.

5. pMON120 trägt eine T-DNA "rechte Grenze" vom Nopalintyp, d. h. eine Sequenz, die imstande ist, als ein Ende (gemäß Konvention als rechte Grenze bezeichnet) einer T-DNA-Sequenz zu wirken, die von einem Ti-Plasmid transferiert und in das Chromosom einer Pflanzenzelle während Transformation der Zelle durch A.5. pMON120 carries a nopaline-type T-DNA "right border", i.e. a sequence capable of acting as one end (by convention referred to as the right border) of a T-DNA sequence transferred from a Ti plasmid and inserted into the chromosome of a plant cell during transformation of the cell by A.

tumefaciens insertiert wird.tumefaciens is inserted.

6. pMON120 trägt ein Gen (einschließlich eines Promotors), das für die Expression eines Enzyms, Nopalinsynthase (NOS), codiert. Wenn das NOS-Enzym einmal in eine Pflanzenzelle eingeschleust ist, katalysiert es die Produktion von Nopalin, einer Opinart. In den meisten Pflanzenarten sind Opine nicht- schädliche Verbindungen, die sich in niedrigen Mengen ansammeln; die Anwesenheit von Nopalin kann in Pflanzengewebe leicht nachgewiesen werden (Otten und Schilperoort, 1978). Opin-Gene können als nützliche Markergene zum Bestätigen von Transformation dienen, da Opine gewöhnlich in nicht-transformierten Pflanzenzellen nicht existieren. Wenn gewünscht, kann das NOS-Gen in pMON120 durch eine Reihe den Fachleuten auf dem Gebiet bekannter Techniken nicht-funktionell gemacht werden. Beispielsweise existiert eine BamHI-Schnittstelle innerhalb des codierenden Teiles des NOS-Gens; ein Stopcodon oder eine andere geeignete Oligonucleotidsequenz könnte in diese Stelle insertiert werden, um die Translation von NOS zu verhindern.6. pMON120 carries a gene (including a promoter) that encodes the expression of an enzyme, nopaline synthase (NOS). Once introduced into a plant cell, the NOS enzyme catalyzes the production of nopaline, a type of opine. In most plant species, opines are non-harmful compounds that accumulate in low amounts; the presence of nopaline can be easily detected in plant tissue (Otten and Schilperoort, 1978). Opine genes can serve as useful marker genes for confirming transformation, since opines usually do not exist in non-transformed plant cells. If desired, the NOS gene in pMON120 can be made non-functional by a variety of techniques known to those skilled in the art. For example, a BamHI site exists within the coding portion of the NOS gene; a stop codon or other suitable oligonucleotide sequence could be inserted into this site to prevent translation of NOS.

7. Die relative Lage der verschiedenen Gene, Schnittstellen und anderen Sequenzen in pMON120 ist für die Durchführung dieser Erfindung sehr wichtig. Das gesamte pMON120-Plasmid oder sein modifiziertes Plasmid, wie pMON128, ist im cointegralen Ti- Plasmid enthalten. Jedoch wird nur ein Teil des cointegralen Ti- Plasmids (die modifizierte T-DNA-Region) in das Pflanzengenom insertiert. Daher wird nur ein Teil des von pMON120 stammenden Plasmids in das Pflanzengenom insertiert. Dieser Teil beginnt an der T-DNA-Grenze und erstreckt sich in einer Richtung nur zur Homologieregion. In pMON120 sind der NOS-Zählmarker, der spc/str-Selektionsmarker und die drei Insertionsstellen innerhalb des Teiles von pMON120, der in das Pflanzengenom transferiert würde. Jedoch würden wahrscheinlich die von pBR322 stammende Region nächst der LIH und die PvuI-Schnittstelle nicht in das Pflanzengenom transferiert. Wichtigerweise verhindert diese Anordnung von pMON120 und seiner Derivate den Transfer von mehr als einer Homologieregion in das Pflanzengenom, wie imnachstehenden diskutiert.7. The relative location of the various genes, cleavage sites and other sequences in pMON120 is very important for the practice of this invention. The entire pMON120 plasmid or its modified plasmid, such as pMON128, is contained in the cointegral Ti plasmid. However, only a portion of the cointegral Ti plasmid (the modified T-DNA region) is inserted into the plant genome. Therefore, only a portion of the pMON120-derived plasmid is inserted into the plant genome. This portion begins at the T-DNA boundary and extends in one direction only to the homology region. In pMON120, the NOS count marker, the spc/str selection marker and the three insertion sites are within the portion of pMON120 that would be transferred into the plant genome. However, the pBR322-derived region next to the LIH and the PvuI site would likely not be transferred into the plant genome. Importantly, this arrangement of pMON120 and its derivatives prevents the transfer of more than one region of homology into the plant genome, as discussed below.

8. pMON120 ist etwa 8 Kilobasen lang. Dies ist ausreichend klein, um zu ermöglichen, daß alle Ziele dieser Erfindung erreicht werden. Wenn jedoch gewünscht, kann es durch die Deletion einer oder mehrerer Nucleotidsequenzen, die nicht wesentlich sind, unter Anwendung von den Fachleuten auf dem Gebiet bekannten Methoden etwas kleiner gemacht werden. Eine derartige Reduktion der Größe könnte die Effizienz oder andere Merkmale des Plasmids verbessern, wenn es für diese Erfindung oder für andere Zwecke verwendet wird, wie von Fachleuten auf dem Gebiet bestimmt werden kann.8. pMON120 is approximately 8 kilobases long. This is sufficiently small to enable all the aims of this invention to be achieved. However, if desired, it can be made smaller by deleting one or more nucleotide sequences that are not essential, using techniques known to those skilled in the art. Such a reduction in size could improve the efficiency or other characteristics of the plasmid when used in this invention or for other purposes, as can be determined by those skilled in the art.

Es ist klar, daß eine Vielzahl von Zwischenvektoren, die sich von pMON120 in einer oder mehreren Hinsichten unterscheiden, von Fachleuten hergestellt und verwendet werden kann. Beispielsweise könnte der zum Zählen von transformierten Pflanzenzellen verwendete NOS-Marker deletiert oder durch einen anderen Zähl- oder Selektionsmarker ersetzt oder ergänzt werden. Ein derartiges Markergen könnte ein Antibiotikum-Resistenzgen, wie das im nachstehenden beschriebene NOS-NPT II-NOS chimäre Gen, umfassen. Als anderes Beispiel könnte das zum Selektieren von A. tumefaciens-Zellen verwendete spc/str-Markergen mit cointegralen Plasmiden deletiert oder durch einen anderen Zähl- oder Selektionsmarker, der in Agrobacteria exprimiert wird, ersetzt oder ergänzt werden. Als weiteres Beispiel könnte eine Reihe von T-DNA-Grenzen (wie eine "linke" Grenze vom Nopalintyp oder eine linke oder rechte Grenze vom Octopintyp) verwendet werden. Ähnlich könnte mehr als eine Grenze (wie zwei oder mehrere rechte Nopalingrenzen oder eine rechte Nopalingrenze und eine rechte Octopingrenze) in den Zwischenvektor in der gewünschten Orientierung insertiert werden; dies kann die Frequenz der Insertion der T-DNA in das Pflanzengenom erhöhen, wie von Fachleuten bestimmt werden kann. Es ist auch möglich, sowohl linke als auch rechte Grenzen (jeder Art) in einen Zwischenvektor zu insertieren. Es ist auch möglich, die Länge der Homologieregion zu erhöhen; dies wahrscheinlich, um die Frequenz des gewünschten einzigen Crossover zu erhöhen (Leemans et al., 1981). Es ist auch möglich, eine geeignete Homologieregion von jeder Art von gewünschtem Plasmid, wie ein Nopalin- oder Agropin-Ti-Plasmid oder ein Ri-Plasmid, zu selektionieren; derartige Regionen ermöglichen, daß der Zwischenvektor mit jedem gewünschten Plasmid ein Cointegrat bildet.It is understood that a variety of intermediate vectors that differ from pMON120 in one or more respects can be made and used by those skilled in the art. For example, the NOS marker used to count transformed plant cells could be deleted or replaced or supplemented by another counting or selection marker. Such a marker gene could include an antibiotic resistance gene such as the NOS-NPT II-NOS chimeric gene described below. As another example, the spc/str marker gene used to select A. tumefaciens cells could be deleted with cointegral plasmids or replaced or supplemented by another counting or selection marker expressed in Agrobacteria. As another example, a series of T-DNA boundaries (such as a "left" nopaline-type boundary or a left or right octopine-type boundary) could be used. Similarly, more than one boundary (such as two or more right nopaline boundaries or a right nopaline boundary and a right octopine boundary) could be inserted into the intermediate vector in the desired orientation; this can increase the frequency of insertion of the T-DNA into the plant genome, as can be determined by those skilled in the art. It is also possible to insert both left and right boundaries (of either type) into an intermediate vector. It is also possible to increase the length of the homology region; this is probably to increase the frequency of the desired single crossover (Leemans et al., 1981). It is also possible to select an appropriate homology region from any type of desired plasmid, such as a nopaline or agropine Ti plasmid or a Ri plasmid; such regions enable the intermediate vector to form a cointegrate with any desired plasmid.

Verfahren zum Bilden von pMON120Method for forming pMON120

Plasmid pMON120 wurde aus von drei anderen Plasmiden stammenden Fragmenten konstruiert. Diese drei Plasmide wurden pMON41, pMON109 und pMON113 bezeichnet. Die Konstruktion jedes dieser drei Plasmide ist im nachstehenden zusammengefaßt; weitere Information ist in den Beispielen gegeben.Plasmid pMON120 was constructed from fragments derived from three other plasmids. These three plasmids were designated pMON41, pMON109 and pMON113. The construction of each of these three plasmids is summarized below; further information is given in the Examples.

Plasmid pMON41 steuerte eine T-DNA rechte Grenze vom Nopalintyp und den 5'-Teil eines Nopalinsynthase (NOS)S-Gen für pMON120 bei. Es wurde durch die folgende Methode gebildet.Plasmid pMON41 contributed a nopaline-type T-DNA right border and the 5' portion of a nopaline synthase (NOS)S gene to pMON120. It was constructed by the following method.

Ein Ti-Plasmid vom Nopalintyp, als pTiT37-Plasmid bezeichnet, kann mit der HindIII-Endonuclease verdaut werden, wobei eine Reihe von Fragmenten erzeugt wird, einschließlich eines 3,4 kb Fragments, das als HindIII-23-Fragment bezeichnet wird. Dieses Fragment enthält das gesamte NOS-Gen und die T-DNArechte Grenze. Die Anmelderin insertierte ein HindIII-23- Fragment in ein Plasmid, pBR327 (Soberon et al., 1980), das mit HindIII verdaut worden war. Das erhaltene Plasmid, als pMON38 bezeichnet, wurde sowohl mit HindIII als auch BamHI verdaut. Dies ergab ein 2,3 kb Fragment, das die rechte Grenze vom Nopalin-Typ und den 5'-Teil eines NOS-Gens (einschließlich die Promotorregion, die 5'-nicht-translatierte Region und einen Teil der Struktursequenz) enthält. Dieses 2,3 kb Fragment wurde in ein pBR327-Plasmid insertiert, das mit HindIII und BamHI verdaut worden war. Das resultierende Plasmid wurde als pMON41 bezeichnet, wie in Fig. 2 gezeigt.A nopaline-type Ti plasmid, designated pTiT37 plasmid, can be digested with HindIII endonuclease to generate a series of fragments, including a 3.4 kb fragment designated HindIII-23 fragment. This fragment contains the entire NOS gene and the T-DNA right border. Applicant inserted a HindIII-23 fragment into a plasmid, pBR327 (Soberon et al., 1980), which had been digested with HindIII. The resulting plasmid, designated pMON38, was digested with both HindIII and BamHI. This resulted in a 2.3 kb fragment containing the nopaline-type right border and the 5' part of a NOS gene (including the promoter region, the 5' untranslated region and part of the structural sequence). This 2.3 kb fragment was inserted into a pBR327 plasmid digested with HindIII and BamHI. The resulting plasmid was designated pMON41 as shown in Fig. 2.

Eine Reihe von Stämmen von A. tumefaciens ist von der American Type Culture Collection (Rockville, MD) öffentlich erhältlich; die Zuordnungsnummern sind in jedem ATCC-Katalog angegeben. Jeder Stamm enthält ein Ti-Plasmid, das wahrscheinlich zur Verwendung in dieser Erfindung geeignet ist, wie von Fachleuten durch Routineversuche bestimmt werden kann.A number of strains of A. tumefaciens are publicly available from the American Type Culture Collection (Rockville, MD); assignment numbers are provided in each ATCC catalog. Each strain contains a Ti plasmid likely to be suitable for use in this invention, as can be determined by one of skill in the art through routine experimentation.

Plasmid pMON109 steuerte ein spc/str-Selektionsmarkergen und den 3'-Teil eines NOS-Gens für pMON120 bei. Es wurde durch die folgende Methode gebildet.Plasmid pMON109 contributed a spc/str selection marker gene and the 3' part of a NOS gene to pMON120. It was constructed by the following method.

Plasmid pMON38 (oben beschrieben und in Fig. 2 gezeigt) wurde mit RsaI verdaut, wodurch glatte Enden erhalten wurden, wie gezeigt:Plasmid pMON38 (described above and shown in Figure 2) was digested with RsaI to give blunt ends as shown:

5'-GTAC5'-GTAC

CATGCATG

En 1,1 kb-Fragment wurde isoliert und mit BamHI verdaut, wobei Fragmente von 720 bp und 400 bp erhalten wurden, wovon jedes ein glattes Rsa-Ende und ein kohäsives BamHI-Ende hatte. Diese Fragmente wurden an eine doppelsträngige DNA von einem Phagen M13 mp8 angefügt (Messing und Vieira, 1982), der mit SmaI (wodurch glatte Enden erhalten werden) und BamHI verdaut worden war. Die Mischung wurde verknüpft, in Zellen transformiert und für rekombinanten Phagen plattiert. Rekombinante Phagen-DNA's, die das insertierte 720 bp Fragment enthielten, wurden durch die Größe des BamHI-SmI-Inserts identifiziert. Eine dieser Phagen- DNA's wurde als M-4 bezeichnet, wie in Fig. 3 gezeigt. Das 720 bp-Insert enthielt die 3'-nicht-translatierte Region (einschließlich des in den Figuren durch einen dicken Punkt angezeigten Polyadenylierungssignals) des NOS-Gens sowie den 3'-Teil der Struktursequenz des NOS-Gens. Das 720 bp-Insert ist in M-4 von EcoRI- und PstI-Schnittstellen umgeben, die in der M13 mp8- DNA vorhanden waren.A 1.1 kb fragment was isolated and digested with BamHI to yield fragments of 720 bp and 400 bp, each of which had a blunt Rsa end and a cohesive BamHI end. These fragments were annealed to double-stranded DNA from a phage M13 mp8 (Messing and Vieira, 1982) that had been digested with SmaI (thus yielding blunt ends) and BamHI. The mixture was ligated, transformed into cells and plated for recombinant phage. Recombinant phage DNAs containing the inserted 720 bp fragment were identified by the size of the BamHI-SmI insert. One of these phage DNAs was designated M-4, as shown in Figure 3. The 720 bp insert contained the 3' untranslated region (including the polyadenylation signal indicated by a thick dot in the figures) of the NOS gene as well as the 3' part of the structural sequence of the NOS gene. The 720 bp insert is surrounded in M-4 by EcoRI and PstI sites that were present in the M13 mp8 DNA.

Es ist bekannt, daß ein bakterielles Transposon, als Tn7 bezeichnet, das oberwähnte spc/str-Gen enthält. Das Tn7-Transposon enthält auch ein Gen, das bewirkt, daß die Wirtszelle gegen das Antibiotikum Trimethoprim resistent ist. Die exakte Lage und Orientierung des spc/str-Gens und des Trimethoprim-Resistenzgens in Tn7 sind nicht bekannt. Das Tn7-Transposon kann aus einer Reihe von Zellstämmen erhalten werden, die öffentlich zugänglich sind. Ein Stamm von A. tumefaciens wurde isoliert, in dem das Tn7-Transposon in die HindIII-23-Region eines pTiT37-Plasmids insertiert worden war. Das modifizierte pTiT37-Plasmid wurde als pGV3106 bezeichnet (Hernalsteens et al., 1980).A bacterial transposon, designated Tn7, is known to contain the above-mentioned spc/str gene. The Tn7 transposon also contains a gene that causes the host cell to be resistant to the antibiotic trimethoprim. The exact location and orientation of the spc/str gene and the trimethoprim resistance gene in Tn7 are not known. The Tn7 transposon can be obtained from a number of cell strains that are publicly available. A strain of A. tumefaciens was isolated in which the Tn7 transposon had been inserted into the HindIII-23 region of a pTiT37 plasmid. The modified pTiT37 plasmid was designated pGV3106 (Hernalsteens et al., 1980).

Plasmid pGV3106 wurde mit HindIII verdaut und die Fragmente wurden in pBR327-Plasmide shotgun-kloniert, die mit HindIII verdaut worden waren. Diese Plasmide wurden in E. coli-Zellen insertiert und Zellen, die (zufolge eines pBR327-Gens) ampicillinresistent und (zufolge eines Tn7-Gens) trimethoprimresistent waren, wurden selektioniert. Das von einer Kolonie erhaltene Plasmid wurde als pMON31 bezeichnet. Dieses Plasmid enthielt ein 6 kb HindIII-Insert. Das Insert enthielt das spc/str-Resistenzgen und das Trimethoprim-Resistenzgen von Tn7 und den 3'-Teil eines NOS-Gens (der vom pTiT37-Plasmid kam).Plasmid pGV3106 was digested with HindIII and the fragments were shotgun cloned into pBR327 plasmids digested with HindIII. These plasmids were inserted into E. coli cells and cells that were ampicillin resistant (due to a pBR327 gene) and trimethoprim resistant (due to a Tn7 gene) were selected. The plasmid obtained from one colony was designated pMON31. This plasmid contained a 6 kb HindIII insert. The insert contained the spc/str resistance gene and the trimethoprim resistance gene from Tn7 and the 3' part of a NOS gene (which came from the pTiT37 plasmid).

Plasmid pMON31 wurde in der Größe zweimal reduziert. Die erste Reduktion wurde durch Verdauen des Plasmids mit EcoRI, Verdünnen der Mischung zum Entfernen eines 850 bp Fragments und Wiederverknüpfen des großen Fragments durchgeführt. Das erhaltene Plasmid, als pMON53 bezeichnet, wurde von transformierten Zellen erhalten, die durch ihre Resistenz auf Ampicillin und Streptomycin selektioniert wurden. Resistenz auf Trimethoprim wurde nicht festgestellt.Plasmid pMON31 was reduced in size twice. The first reduction was performed by digesting the plasmid with EcoRI, diluting the mixture to remove an 850 bp fragment and rejoining the large fragment. The resulting plasmid, designated pMON53, was obtained from transformed cells selected for resistance to ampicillin and streptomycin. Resistance to trimethoprim was not observed.

Plasmid pMON53 wurde in der Größe durch Verdauen des Plasmids mit ClaI, Verdünnen der Mischung zum Entfernen eines 2 kb Fragments und Wiederverknüpfen des großen Fragments weiter reduziert. Das erhaltene 5,2 kb Plasmid wurde als pMON54 bezeichnet, wie in Fig. 4 gezeigt. Dieses Plasmid enthält das spc/str-Gen.Plasmid pMON53 was further reduced in size by digesting the plasmid with ClaI, diluting the mixture to remove a 2 kb fragment, and rejoining the large fragment. The resulting 5.2 kb plasmid was designated pMON54, as shown in Fig. 4. This plasmid contains the spc/str gene.

Plasmid pMON54 wurde mit EcoRI und PstI verdaut und ein 4,8 kb Fragment enthaltend das spc/str-Gen wurde isoliert. M-4- DNA wurde mit EcoRI und PstI verdaut und ein 740 bp Fragment enthaltend die NOS 3'-nicht-translatierte Region wurde isoliert. Diese Fragmente wurden miteinander unter Bildung von pMON64 verknüpft. Um den NOS 3'-Teil und das spc/str-Gen auf einem einzigen EcoRI-BamHI-Fragment erhalten zu können, wurde die Orientierung des spc/str-Gens durch Verdauen von pMON64 mit ClaI und Wiederverknüpfen der Mischung umgedreht. Plasmide mit der gewünschten Orientierung wurden durch Spaltung unter Verwendung von EcoRI und BamHI identifiziert. Diese Plasmide wurden als pMON109 bezeichnet, wie in Fig. 5 gezeigt.Plasmid pMON54 was digested with EcoRI and PstI and a 4.8 kb fragment containing the spc/str gene was isolated. M-4 DNA was digested with EcoRI and PstI and a 740 bp fragment containing the NOS 3' untranslated region was isolated. These fragments were joined together to form pMON64. To obtain the NOS 3' portion and the spc/str gene on a single EcoRI-BamHI fragment, the orientation of the spc/str gene was reversed by digesting pMON64 with ClaI and rejoining the mixture. Plasmids with the desired orientation were identified by digestion using EcoRI and BamHI. These plasmids were designated pMON109 as shown in Figure 5.

Plasmid pMON113 steuerte für pMON120 eine Homologieregion bei, was ermöglicht, daß pMON120 ein cointegrales Plasmid bildet, wenn es in A. tumefaciens zusammen mit einem Ti-Plasmid vorhanden ist. Die Homologieregion wurde von einem Ti-Plasmid vom Octopintyp genommen. Im Ti-Plasmid befindet sie sich nahe der linken T-DNA-Grenze innerhalb des T-DNA-Teiles des Ti- Plasmids. Diese Homologieregion wird als die "linke innere Homologie" (LIH)-Region bezeichnet.Plasmid pMON113 contributed a homology region to pMON120, which allows pMON120 to form a cointegral plasmid when present in A. tumefaciens with a Ti plasmid. The homology region was taken from an octopine-type Ti plasmid. In the Ti plasmid, it is located near the left T-DNA border within the T-DNA portion of the Ti plasmid. This homology region is referred to as the "left inner homology" (LIH) region.

Eine Homologieregion kann von jeder Art von Plasmid abgeleitet werden, das zum Transformieren von Pflanzenzellen imstande ist, wie einem Ti-Plasmid oder einem Ri-Plasmid. Ein Zwischenvektor kann konstruiert werden, der ein cointegrales Plasmid mit jeder Art von Plasmid, von dem die Homologieregion abgeleitet wurde, bilden kann.A region of homology can be derived from any type of plasmid capable of transforming plant cells, such as a Ti plasmid or a Ri plasmid. An intermediate vector can be constructed that contains a cointegral plasmid with any type of plasmid from which the region of homology is derived. was created.

Außerdem muß sich die Homologieregion nicht unbedingt innerhalb der T-DNA befinden. Beispielsweise kann es möglich sein, daß eine Homologieregion von einem Segment eines Ti-Plasmids abgeleitet wird, das eine T-DNA-Grenze und eine Sequenz von Basen außerhalb der T-DNA-Region enthält. Tatsächlich könnte es möglich sein, wenn der Zwischenvektor zwei geeignete T-DNA- Grenzen enthält, daß sich die Homologieregion völlig außerhalb der T-DNA-Region befindet.Furthermore, the homology region does not necessarily have to be located within the T-DNA. For example, it may be possible for a homology region to be derived from a segment of a Ti plasmid that contains a T-DNA border and a sequence of bases outside the T-DNA region. In fact, if the intermediate vector contains two suitable T-DNA borders, it may be possible for the homology region to be located entirely outside the T-DNA region.

Die Anmelderin erhielt eine E. coli-Kultur mit einem von pBR stammenden Plasmid enthaltend das Bam-8-Fragment eines Ti- Plasmids vom Octopintyp. Das Bam-8-Fragment, das etwa 7,5 kb ist, enthält die linke Grenze und die LIH-Region des Ti-Plasmids (Willmitzer et al., 1982; DeGreve et al., 1981). Das Bam-8- Fragment wurde in das Plasmid pBR327 insertiert, das mit BamHI verdaut worden war. Das erhaltene Plasmid wurde als pMON90 bezeichnet, wie in Fig. 6 gezeigt.Applicant obtained an E. coli culture with a pBR-derived plasmid containing the Bam-8 fragment of an octopine-type Ti plasmid. The Bam-8 fragment, which is approximately 7.5 kb, contains the left border and LIH region of the Ti plasmid (Willmitzer et al., 1982; DeGreve et al., 1981). The Bam-8 fragment was inserted into the plasmid pBR327 which had been digested with BamHI. The resulting plasmid was designated pMON90, as shown in Figure 6.

Plasmid pMON90 wurde mit BglII verdaut und ein 2,6 kb Fragment, das die LIH-Region, aber nicht die linke Grenze enthält, wurde gereinigt. Das 2,6 kb Fragment wurde mit Klenow-Polymerase behandelt, um die kohäsiven Enden in glatte Enden überzuführen, und das Fragment wurde mit HindIII verdaut, um ein 1,6 kb Fragment (das gewünschte Fragment) und ein 1 kb Fragment zu erhalten. Beide Fragmente wurden mit einem pBR322-Plasmid gemischt, das mit PvuIl und HindIII verdaut worden war. Die Mischung wurde verknüpft und in E. coli-Zellen insertiert. Die Zellen wurden auf Ampicillinresistenz selektioniert und auf die Anwesenheit einer SmaL-Stelle gezählt, die am 1,6 kb Fragment, aber nicht am 1 kb Fragment existiert. Eine Kolonie mit dem gewünschten Plasmid wurde identifiziert und das Plasmid von dieser Kolonie wurde als pMON113 bezeichnet, wie durch Fig. 6 gezeigt.Plasmid pMON90 was digested with BglII and a 2.6 kb fragment containing the LIH region but not the left border was purified. The 2.6 kb fragment was treated with Klenow polymerase to convert the cohesive ends to blunt ends, and the fragment was digested with HindIII to obtain a 1.6 kb fragment (the desired fragment) and a 1 kb fragment. Both fragments were mixed with a pBR322 plasmid digested with PvuII and HindIII. The mixture was ligated and inserted into E. coli cells. The cells were selected for ampicillin resistance and scored for the presence of a SmaL site, which exists on the 1.6 kb fragment but not on the 1 kb fragment. A colony with the desired plasmid was identified and the plasmid from this colony was designated pMON113, as shown by Fig. 6.

Um pMON120 zusammenzubauen, mußten drei Fragmente isoliert werden. Plasmid pMON41 wurde mit Pvul und BamI verdaut und ein 1,5 kb Fragment enthaltend eine rechte Grenze vom Nopalintyp und den 5'-Teil eines NOS-Gens wurde isoliert. Plasmid pMON109 wurde mit BamHI und EcoRI verdaut und ein 3,4 kb Fragment enthaltend ein spc/str-Gen und den 3'-Teil eines NOS-Gens wurde isoliert. Plasmid pMON113 wurde mit PvuI und EcoRI verdaut und ein 3,1 kb Fragment enthaltend die LIH-Region wurde isoliert.To assemble pMON120, three fragments had to be isolated. Plasmid pMON41 was digested with Pvul and BamI and a 1.5 kb fragment containing a nopaline-type right border and the 5' part of a NOS gene was isolated. Plasmid pMON109 was digested with BamHI and EcoRI and a 3.4 kb fragment containing a spc/str gene and the 3' part of a NOS gene was isolated. Plasmid pMON113 was digested with PvuI and EcoRI and a 3.1 kb fragment containing the LIH region was isolated.

Die drei Fragmente wurden miteinander gemischt und unter Bildung von pMON120 verknüpft, wie in Fig. 2 gezeigt. Eine Kultur von E. coli enthaltend pMON120 war bei American Type Culture Collection hinterlegt worden. Dieser Kultur war die Nummer 39263 zugeordnet worden.The three fragments were mixed together and ligated to form pMON120, as shown in Fig. 2. A culture of E. coli containing pMON120 had been deposited with the American Type Culture Collection. This culture was assigned the number 39263.

Es ist klar, daß eine Reihe verschiedener Methoden zum Bilden von pMON120 oder eines ähnlichen Zwischenvektors verwendet werden könnte. Beispielsweise wäre es möglich, anstelle der Dreifachverknüpfung zwei der gewünschten Fragmente in einem Plasmid zusammenzubauen und das dritte Fragment in das Plasmid zu insertieren.It is clear that a number of different methods could be used to form pMON120 or a similar intermediate vector. For example, instead of three-way linkage, it would be possible to assemble two of the desired fragments in a plasmid and insert the third fragment into the plasmid.

Methode der Verwendung von pMON120Method of using pMON120

Wie oben erwähnt, hat pMON120 drei einmalige Schnittstellen (EcoRI, ClaI und HindIII), die zur Insertion jedes gewünschten Gens geeignet sind. Diese Schnittstellen befinden sich in dem Teil von pMON120, der in ein Pflanzengenom insertiert wird, so daß das insertierte Gen auch in das Pflanzengenom insertiert wird.As mentioned above, pMON120 has three unique cleavage sites (EcoRI, ClaI and HindIII) suitable for insertion of any desired gene. These cleavage sites are located in the part of pMON120 that is inserted into a plant genome, so that the inserted gene is also inserted into the plant genome.

Eine Reihe von chimären Genen, die zum Exprimieren von Bakterien- und Säugerpolypeptiden in Pflanzenzellen imstande sind, wurde von der Anmelderin gebildet. Diese chimären Gene sind im einzelnen in einer separaten Anmeldung mit dem Titel "Chimeric Genes Suitable for Expression in Plant Cells", US -Anmeldung Ser. Nr. 458,414, eingereicht am 17. Jänner 1983, beschrieben.A series of chimeric genes capable of expressing bacterial and mammalian polypeptides in plant cells have been constructed by the applicant. These chimeric genes are described in detail in a separate application entitled "Chimeric Genes Suitable for Expression in Plant Cells", U.S. Application Ser. No. 458,414, filed January 17, 1983.

Diese chimären Gene sind zur Verwendung in dieser Erfindung geeignet. Sie können in pMON120 insertiert werden, um ein modifiziertes Plasmid zu bilden, das, wie im nachstehenden beschrieben, verwendet werden kann.These chimeric genes are suitable for use in this invention. They can be inserted into pMON120 to form a modified plasmid which can be used as described below.

In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wurde ein chimäres Gen gebildet, das die folgenden DNA-Sequenzen um faßt:In a preferred embodiment of this invention, a chimeric gene was created comprising the following DNA sequences:

1. eine Promotorregion und eine 5'-nicht-translatierte Region abgeleitet von einem Nopalinsynthase (NOS)-Gen;1. a promoter region and a 5'-untranslated region derived from a nopaline synthase (NOS) gene;

2. eine Struktursequenz abgeleitet von einem Neomycinphosphotransferase II (NPT II)-Gen und2. a structural sequence derived from a neomycin phosphotransferase II (NPT II) gene and

3. eine 3'-nicht-translatierte Region abgeleitet von einem NOS-Gen.3. a 3'-untranslated region derived from a NOS gene.

Dieses chimäre NOS-NPT II-NOS-Gen wurde auf ein DNA-Fragment mit EcoRI-Enden isoliert. Dieses Fragment wurde in die EcoRI- Schnittstelle von pMON120 insertiert und die erhaltenen Plasmide (mit chimären Geninserts mit entgegengesetzten Orientierungen) wurden als pMON128 und pMON129 bezeichnet, wie in Fig. 8 gezeigt. Plasmid pMON129 hat zwei Kopien des chimären Gens; dies kann ein nützliches Merkmal in bestimmten Arbeitstypen sein. Jedes Plasmid kann zum Transformieren von Pflanzenzellen auf folgende Weise verwendet werden. Eine Kultur von E. coli enthaltend pMON128 wurde bei American Type Culture Collection hinterlegt. Dieser Kultur wurde die Nummer 39264 zugeordnet.This chimeric NOS-NPT II-NOS gene was isolated on a DNA fragment with EcoRI ends. This fragment was inserted into the EcoRI site of pMON120 and the resulting plasmids (with chimeric gene inserts with opposite orientations) were designated pMON128 and pMON129, as shown in Fig. 8. Plasmid pMON129 has two copies of the chimeric gene; this may be a useful feature in certain types of work. Each plasmid can be used to transform plant cells in the following manner. A culture of E. coli containing pMON128 has been deposited with the American Type Culture Collection. This culture has been assigned the number 39264.

Plasmid pMON128 (oder ein anderes Plasmid, das durch Insertieren eines gewünschten Gens in pMON120 erhalten wurde) wird in einen Mikroorganismus insertiert, der ein Ti-Plasmid vom Octopintyp (oder ein anderes geeignetes Plasmid) enthält. Geeignete Mikroorganismen sind A. tumefaciens und A. rhizogenes, die Tioder Ri-Plasmide tragen. Andere Mikroorganismen, die ebenfalls zur Verwendung in dieser Erfindung verwendbar sein könnten, sind andere Arten von Agrobacterium sowie Bakterien der Ordnung Rhizobia. Das Geeignetsein dieser Zellen oder irgendwelcher anderer Zellen, die derzeit bekannt sind oder später entdeckt oder gebildet werden, zur Verwendung in dieser Erfindung kann von Fachleuten durch Routineversuche bestimmt werden.Plasmid pMON128 (or another plasmid obtained by inserting a desired gene into pMON120) is inserted into a microorganism containing an octopine-type Ti plasmid (or another suitable plasmid). Suitable microorganisms are A. tumefaciens and A. rhizogenes carrying Ti or Ri plasmids. Other microorganisms that may also be suitable for use in this invention are other species of Agrobacterium as well as bacteria of the order Rhizobia. The suitability of these cells or any other cells now known or later discovered or created for use in this invention can be determined by those skilled in the art by routine experimentation.

Das Plasmid kann in den Mikroorganismus durch jede gewünschte Methode insertiert werden, wie Transformation (d. h. Inberührungbringen von Plasmiden mit Zellen, die zur Erhöhung ihrer DNA-Aufnahme behandelt wurden) oder Konjugation mit Zellen, die das pMON128 oder andere Plasmide enthalten.The plasmid can be inserted into the microorganism by any desired method, such as transformation (i.e., contacting plasmids with cells treated to increase their DNA uptake) or conjugation with cells containing the pMON128 or other plasmids.

Das insertierte Plasmid (wie pMON128) hat eine Region, die zu einer Sequenz innerhalb des Ti-Plasmids homolog ist. Diese "LIH"-Homologieregion ermöglicht einen einzigen Crossover, wodurch sich pMON128 und ein Ti-Plasmid vom Octopintyp unter Bildung eines cointegralen Plasmids miteinander vereinigen; siehe z. B. Stryer, supra, S. 752-754. Gewöhnlich findet dies innerhalb der A. tumefaciens-Zelle statt, nachdem pMON128 in die Zelle insertiert wurde. Andererseits kann das cointegrale Plasmid in einer anderen Zellart oder in vitro gebildet und dann in eine A. tumefaciens-Zelle oder andere Art von Zelle insertiert werden, die das cointegrale Plasmid in Pflanzenzellen transferieren kann.The inserted plasmid (such as pMON128) has a region that is homologous to a sequence within the Ti plasmid. This "LIH" region of homology allows a single crossover whereby pMON128 and an octopine-type Ti plasmid combine to form a cointegral plasmid; see, e.g., Stryer, supra, pp. 752-754. Usually this takes place within the A. tumefaciens cell after pMON128 has been inserted into the cell. Alternatively, the cointegral plasmid can be formed in another cell type or in vitro and then inserted into an A. tumefaciens cell or other type of cell. which can transfer the cointegral plasmid into plant cells.

Das insertierte Plasmid, wie pMONM128, vereinigt sich mit dem Ti-Plasmid auf die in den Fig. 9 oder 10 dargestellt Weise, je nachdem, welche Art von Ti-Plasmid involviert ist.The inserted plasmid, such as pMONM128, combines with the Ti plasmid in the manner shown in Figures 9 or 10, depending on the type of Ti plasmid involved.

In Fig. 2 stellt 2 den T-DNA-Teil eines Ti-Plasmids vom Octopintyp dar. 4 stellt das insertierte Plasmid, wie pMON128, dar. Wenn diese beiden Plasmide in der gleichen Zelle gemeinsam existieren, kann ein Crossover erfolgen, der zur Bildung des cointegralen Plasmids 6 führt.In Fig. 2, 2 represents the T-DNA part of an octopine-type Ti plasmid. 4 represents the inserted plasmid, such as pMON128. When these two plasmids coexist in the same cell, crossover can occur, leading to the formation of the cointegral plasmid 6.

Das cointegrale Plasmid 6 hat eine linke Grenze 8 und zwei rechte Grenzen 10 und 12. Die beiden rechten Grenzen werden hier als die "proximale" rechte Grenze 10 (die der linken Grenze 8 nächste rechte Grenze) und die "distale" rechte Grenze 12 (die rechte Grenze, die von der linken Grenze 8 weiter entfernt ist) bezeichnet. Die proximale rechte Grenze 10 wurde vom Plasmid 4 getragen; die distale rechte Grenze war am Ti-Plasmid 2 vor Cointegration enthalten.The cointegral plasmid 6 has one left border 8 and two right borders 10 and 12. The two right borders are referred to here as the "proximal" right border 10 (the right border closest to the left border 8) and the "distal" right border 12 (the right border further from the left border 8). The proximal right border 10 was carried by plasmid 4; the distal right border was contained on Ti plasmid 2 before cointegration.

Eine Kultur von A. tumefaciens GC3111 enthaltend ein cointegrales Plasmid, gebildet von pMON128 und Wildtyp Ti- Plasmid pTiB653, wurde bei American Type Culture Center hinterlegt. Dieser Kultur wurde die Nummer 39266 zugeordnet.A culture of A. tumefaciens GC3111 containing a cointegral plasmid formed by pMON128 and wild-type Ti plasmid pTiB653 was deposited at the American Type Culture Center. This culture was assigned the number 39266.

Wenn das cointegrale Ti-Plasmid 6, in Fig. 9 gezeigt, in eine Pflanzenzelle insertiert wird, kann eine der beiden DNA- Regionen in das Pflanzengenom eintreten, T-DNA-Region 14 oder T- DNA-Region 16.When the cointegral Ti plasmid 6, shown in Fig. 9, is inserted into a plant cell, either of two DNA regions, T-DNA region 14 or T-DNA region 16, can enter the plant genome.

Die T-DNA-Region 14 ist durch die linke Grenze 8 und die proximale rechte Grenze 10 begrenzt. Region 14 enthält das chimäre Gen und alle anderen in Plasmid 4 enthaltenen Gene, wie den spc/str-Selektionsmarker und den NOS-Zählmarker. Jedoch enthält die Region 14 keines der T-DNA-Gene, die Wurzelhalsgallenkrankheit verursachen oder sonst den Metabolismus oder die Regenerationsfähigkeit der Pflanzenzelle unterbrechen würden.T-DNA region 14 is delimited by left border 8 and proximal right border 10. Region 14 contains the chimeric gene and all other genes contained in plasmid 4, such as the spc/str selection marker and the NOS count marker. However, region 14 does not contain any of the T-DNA genes that cause crown gall disease or would otherwise disrupt the metabolism or regenerative capacity of the plant cell.

Die T-DNA-Region 16 enthält die linke Grenze 8 und beide rechte Grenzen 10 und 12. Dieses Segment von T-DNA enthält das chimäre Gen und sonstige andere im Plasmid 4 enthaltenen Gene Jedoch enthält die T-DNA-Region 16 auch die T-DNA-Gene, von denen angenommen wird, daß sie Wurzelhalsgallenkrankheit verursachen.T-DNA region 16 contains left border 8 and both right borders 10 and 12. This segment of T-DNA contains the chimeric gene and other genes contained in plasmid 4. However, T-DNA region 16 also contains the T-DNA genes believed to cause crown gall disease.

Eines der obigen T-DNA-Segmente, Region 14 oder Region 16, könnte in die Pflanzen-DNA transferiert werden. Es wird angenommen, daß dies mit einer Wahrscheinlichkeit von 50:50 für jeden gegebenen T-DNA-Transfer erfolgt. Dies führt wahrscheinlich zu einer Mischung von transformierten Zellen, wovon einige tumorös und einige nicht-tumorös sind. Es ist möglich, nicht-tumoröse Zellen aus der Mischung zu isolieren und zu züchten, wie in den Beispielen beschrieben.Either of the above T-DNA segments, region 14 or region 16, could be transferred into the plant DNA. This is assumed to occur with a probability of 50:50 for any given T-DNA transfer. This is likely to result in a mixture of transformed cells, some tumorous and some non-tumorous. It is possible to isolate non-tumorous cells from the mixture and culture them as described in the Examples.

Es wurde auch ein alternativer Versuch entwickelt, der die Notwendigkeit des Isolierens von tumorösen aus nicht-tumorösen Zellen vermeidet. Mehrere Mutantenstämme von A. tumefaciens wurden isoliert, die nicht imstande sind, Wurzelhalsgallenkrankheit zu bewirken. Derartige Stämme werden gewöhnlich als "entwaffnete" Ti-Plasmide bezeichnet. Ein Ti- oder Ri-Plasmid kann durch eine oder mehrere der folgenden Mutationsarten entwaffnet werden:An alternative approach has also been developed that avoids the need to isolate tumorous cells from non-tumorous cells. Several mutant strains of A. tumefaciens have been isolated that are incapable of causing crown gall disease. Such strains are commonly referred to as "disarmed" Ti plasmids. A Ti or Ri plasmid can be disarmed by one or more of the following types of mutations:

1. Entfernung oder Inaktivierung einer der Grenzregionen. Ein derartiges entwaffnetes Octopinplasmid, das eine linke Grenze, aber keine rechte Grenze aufweist, wird als pAL4421 bezeichnet; dieses Plasmid ist im A. tumefaciens-Stamm LBA4421 enthalten (Oooms et al., 1982; Garfinkel et al., 1981).1. Removal or inactivation of one of the border regions. One such disarmed octopine plasmid, which has a left border but no right border, is called pAL4421; this plasmid is contained in A. tumefaciens strain LBA4421 (Oooms et al., 1982; Garfinkel et al., 1981).

2. Entfernung oder Inaktivierung eines oder mehrerer der "Tumormorphologie"-Gene, als tmr- und tms-Gene bezeichnet, siehe z. B. Leeman et al., 1982.2. Removal or inactivation of one or more of the "tumor morphology" genes, referred to as tmr and tms genes, see e.g. Leeman et al., 1982.

Verschiedene andere Arten von entwaffneten Ti-Plasmiden können unter Anwendung von den Fachleuten bekannten Verfahren hergestellt werden; siehe Matzke und Chilton, 1981; Leeman et al., 1981; Koekman et al., 1979.Various other types of disarmed Ti plasmids can be prepared using methods known to those skilled in the art; see Matzke and Chilton, 1981; Leeman et al., 1981; Koekman et al., 1979.

Fig. 10 stellt ein Ti-Plasmid vom Octopintyp mit einer T- DNA-Region 22 dar, das Mutation erfährt, um die tms- und tmr- Gene und die rechte Grenze zu deletieren. Dies führt zu einem entwaffneten Ti-Plasmid mit partieller T-DNA-Region 24. Wenn das Plasmid 26 (wie pMON128) in eine Zelle insertiert wird, die das entwaffnete Ti-Plasmid 24 trägt, erfolgt ein Crossover, der ein cointegrales Ti-Plasmid mit entwaffneter T-DNA-Region 28 bildet. Die LIH-Homologieregion ist in diesem Ti-Plasmid wiederholt, jedoch enthält das entwaffnete Ti-Plasmid keine onkogenen Gene. Andererseits wären, wenn nur die rechte Grenze aus der T-DNA- Region 22 deletiert worden wäre, die tms- und tmr-Gene und das Octopinsynthase (OCS)-Gen im cointegralen entwaffneten Ti- Plasmid enthalten; jedoch befänden sie sich außerhalb der T-DNA- Grenzen.Fig. 10 represents an octopine-type Ti plasmid with a T-DNA region 22 that undergoes mutation to delete the tms and tmr genes and the right border. This results in a disarmed Ti plasmid with partial T-DNA region 24. When plasmid 26 (such as pMON128) is inserted into a cell carrying the disarmed Ti plasmid 24, a crossover occurs, forming a cointegral Ti plasmid with disarmed T-DNA region 28. The LIH homology region is repeated in this Ti plasmid, but the disarmed Ti plasmid does not contain any oncogenic genes. On the other hand, if only the right border had been deleted from the T-DNA region 22, the tms and tmr genes and the Octopine synthase (OCS) gene contained in the cointegral disarmed Ti plasmid; however, they would be outside the T-DNA boundaries.

Das entwaffnete cointegrale Ti-Plasmid wird zum Infizieren von Pflanzenzellen verwendet und die T-DNA-Region 28 tritt in das Pflanzengenom ein, wie durch transformierte DNA 30 gezeigt. Durch entwaffnete T-DNA 28 transformierte Pflanzenzellen weisen normalen Phytohormonmetabolismus und normale Fähigkeit, in differenzierte Pflanzen regeneriert zu werden, auf.The disarmed cointegral Ti plasmid is used to infect plant cells and the T-DNA region 28 enters the plant genome as shown by transformed DNA 30. Plant cells transformed by disarmed T-DNA 28 exhibit normal phytohormone metabolism and normal ability to be regenerated into differentiated plants.

Nach Insertieren von pMON128 in A. tumefaciens-Zellen erfolgt der gewünschte Crossover in einer bestimmten Fraktion der Zellen. Zellen, die cointegrale Plasmide enthalten (egal ob virulent oder entwaffnet) können aus anderen Zellen, in denen der Crossover nicht erfolgte, auffolgende Weise leicht selektioniert werden. Plasmid pMON120 und seine Derivate enthalten ein Markergen (spc/str), das in A. tumefaciens exprimiert wird. Jedoch replizieren diese Plasmide nicht in A. tumefaciens. Daher wird das spc/str-Markergen durch A. tumefaciens nicht repliziert oder stabil vererbt, wenn sich nicht das insertierte Plasmid mit einem anderen Plasmid vereinigt, das in A. tumefaciens replizieren kann. Die wahrscheinlichste derartige Kombination auf Grund der Homologieregion ist das mit dem Ti-Plasmid gebildete Cointegrat. A. tumefaciens-Zellen, die dieses cointegrale Plasmid enthalten, können durch Wachstum der Zellen auf Medium, das entweder spc oder str oder beide enthält, leicht identifiziert und selektioniert werden.After inserting pMON128 into A. tumefaciens cells, the desired crossover occurs in a certain fraction of the cells. Cells containing cointegral plasmids (whether virulent or disarmed) can be easily selected from other cells in which the crossover did not occur in the following way. Plasmid pMON120 and its derivatives contain a marker gene (spc/str) that is expressed in A. tumefaciens. However, these plasmids do not replicate in A. tumefaciens. Therefore, the spc/str marker gene is not replicated or stably inherited by A. tumefaciens unless the inserted plasmid combines with another plasmid that can replicate in A. tumefaciens. The most likely such combination based on the region of homology is the cointegrate formed with the Ti plasmid. A. tumefaciens cells containing this cointegral plasmid can be easily identified and selected by growing the cells on medium containing either spc or str or both.

Das in Fig. 10 gezeigte Ti-Plasmid 28 enthält zwei LIH-Regionen. Es ist möglich, daß cointegrale Ti-Plasmide einen nachfolgenden Crossover durchmachen, in dem sich die beiden LIH- Regionen wieder kombinieren. Dieser Fall ist unerwünscht, weil er zu einer Deletion der DNA zwischen den LIH-Regionen, einschließlich des chimären Gens, führen kann. Jedoch führt dies aus zwei Gründen wahrscheinlich nicht zu ernsten Schwierigkeiten. Zunächst tritt dieser Fall voraussichtlich mit relativ geringer Wahrscheinlichkeit, wie etwa 10 : 2, auf. Zweitens wurden das Plasmid pMON120 und seine Derivate so konstruierte daß sich das Selektionsmarkergen (spc/str) in der DNA-Region befindet, die durch den Crossover deletiert würde. Daher dienen die selektiven Bedingungen, die zum Identifizieren und Züchten von Agrobacteria-Zellen enthaltend cointegrale Plasmide verwendet werden, auch zum Töten der Abkömmlinge von Zellen, die einem nachfolgenden Crossover unterliegen, der das chimäre Gen vom Ti-Plasmid eliminiert.The Ti plasmid 28 shown in Fig. 10 contains two LIH regions. It is possible that cointegral Ti plasmids undergo a subsequent crossover in which the two LIH regions recombine. This case is undesirable because it may result in deletion of the DNA between the LIH regions, including the chimeric gene. However, this is unlikely to cause serious difficulties for two reasons. First, this case is likely to occur with a relatively low probability, such as 10:2. Second, the plasmid pMON120 and its derivatives were constructed so that the selection marker gene (spc/str) is located in the DNA region that would be deleted by the crossover. Therefore, the selective conditions required to identify and grow of Agrobacteria cells containing cointegral plasmids, also to kill the progeny of cells undergoing a subsequent crossover that eliminates the chimeric gene from the Ti plasmid.

Nur eine der LIH-Regionen im cointegralen Ti-Plasmid wird in das Pflanzengenom insertiert, wie in Fig. 10 gezeigt. Dieses wichtige Merkmal resultiert aus der Konstruktion von pMON120 und es unterscheidet dieses cointegrale Plasmid von bisher gebildeten unerwünschten cointegralen Plasmiden. Die LIli-Region, die außerhalb der T-DNA-Grenzen liegt, wird nicht in das Pflanzengenom insertiert. Dies führt zu mindestens zwei bedeutenden Vorteilen. Zunächst könnte die Anwesenheit von zwei in das Pflanzengenom insertierten LIH-Regionen in Crossover-Fällen resultieren, die zum Verlust der insertierten Gene in den transformierten Pflanzenzellen und ihrer Nachkommenschaft führen würden. Zweitens kann die Anwesenheit von zwei DNA-Homologieregionen Bemühungen, die in das Pflanzengenom insertierte DNA zu analysieren, signifikant erschweren (Matzke und Chilton, 1981).Only one of the LIH regions in the cointegral Ti plasmid is inserted into the plant genome, as shown in Fig. 10. This important feature results from the construction of pMON120 and it distinguishes this cointegral plasmid from previously formed undesirable cointegral plasmids. The LIli region, which lies outside the T-DNA boundaries, is not inserted into the plant genome. This leads to at least two important advantages. First, the presence of two LIH regions inserted into the plant genome could result in crossover cases that would lead to the loss of the inserted genes in the transformed plant cells and their progeny. Second, the presence of two DNA homology regions can significantly complicate efforts to analyze the DNA inserted into the plant genome (Matzke and Chilton, 1981).

Nachdem A. tumefaciens-Zellen, die die cointegralen Ti- Plasmide mit den chimären Genen enthalten, identifiziert und isoliert wurden, müssen die cointegralen Plasmide (oder Teile hiervon) in die Pflanzenzellen insertiert werden. Schließlich können Methoden entwickelt werden, um diesen Schritt direkt durchzuführen. In der Zwischenzeit wurde eine Methode entwickelt, die zweckmäßig und mit guten Ergebnissen verwendet werden kann. Diese Methode ist in zwei separaten schwebenden US- Patentanmeldungen mit dem Titel "Transformation of Plant Cells by Extended Bacterial Co-Cultivation", Ser.Nr. 458,413, und "Rapid Culture of Plant Protoplasts", Ser.Nr. 458,412, beide am 17. Jänner 1983 eingereicht, beschrieben. Die in diesen Anmeldungen beschriebene Methode kann kurz wie folgt zusammengefaßt werden.After A. tumefaciens cells containing the cointegral Ti plasmids with the chimeric genes have been identified and isolated, the cointegral plasmids (or portions thereof) must be inserted into the plant cells. Finally, methods can be developed to perform this step directly. In the meantime, a method has been developed that can be used conveniently and with good results. This method is described in two separate pending U.S. patent applications entitled "Transformation of Plant Cells by Extended Bacterial Co-Cultivation," Ser. No. 458,413, and "Rapid Culture of Plant Protoplasts," Ser. No. 458,412, both filed January 17, 1983. The method described in these applications can be briefly summarized as follows.

Die zu transformierenden Pflanzenzellen werden mit Enzymen in Berührung gebracht, die die Zellwände entfernen. Dies wandelt die Pflanzenzellen in Protoplasten um, die von Membranen umgebene lebensfähige Zellen sind. Die Enzyme werden entfernt und die Protoplasten beginnen Zellwandmaterial zu regenerieren. Zu einem geeigneten Zeitpunkt werden die A. tumefaciens-Zellen (die die cointegralen Ti-Plasmide mit chimären Genen enthalten) mit den Pflanzenprotoplasten gemischt. Die Zellen werden während eines Zeitraumes, der die Infektion der Pflanzenzellen durch A. tumefaciens ermöglicht, cokultiviert. Nach einer geeigneten Cokultivierungsperiode werden die A. tumefaciens-Zellen getötet und die Pflanzenzellen werden vermehrt.The plant cells to be transformed are exposed to enzymes that remove the cell walls. This converts the plant cells into protoplasts, which are viable cells surrounded by membranes. The enzymes are removed and the protoplasts begin to regenerate cell wall material. At an appropriate time, the A. tumefaciens cells (containing the cointegral Ti plasmids with chimeric genes) are treated with the plant protoplasts. The cells are co-cultured for a period of time that allows infection of the plant cells by A. tumefaciens. After an appropriate co-culture period, the A. tumefaciens cells are killed and the plant cells are propagated.

Pflanzenzellen, die transformiert wurden (d. h. Zellen, die DNA von den cointegralen Ti-Plasmiden erhielten), und ihre Abkömmlinge können durch eine Reihe von Methoden selektioniert werden, in Abhängigkeit von der Art von Gen(en), die in das Pflanzengenom insertiert wurden. Beispielsweise können bestimmte Gene bewirken, daß verschiedene Antibiotika inaktiviert werden; derartige Gene schließen das von pMON128 getragene chimäre NOS-NPT II-NOS-Gen ein. Derartige Gene können als Selektionsmarker dienen; eine Gruppe von Zellen kann auf Medium gezüchtet werden, das das Antibiotikum enthält, das durch das chimäre Genprodukt inaktiviert wird, und nur jene Zellen, die das Selektionsmarkergen enthalten, überleben.Plant cells that have been transformed (i.e., cells that have received DNA from the cointegral Ti plasmids) and their progeny can be selected by a variety of methods, depending on the type of gene(s) that have been inserted into the plant genome. For example, certain genes can cause different antibiotics to be inactivated; such genes include the chimeric NOS-NPT II-NOS gene carried by pMON128. Such genes can serve as selection markers; a group of cells can be grown on medium containing the antibiotic that is inactivated by the chimeric gene product, and only those cells that contain the selection marker gene survive.

Eine Reihe von Genen kann als Zählmarker in Pflanzenzellen dienen. Beispielsweise tragen pMON120 und seine modifizierten Plasmide, wie pMON128, ein Nopalinsynthase (NOS)-Gen, das in Pflanzenzellen exprimiert wird. Dieses Gen codiert für ein Enzym, das die Bildung von Nopalin katalysiert. Nopalin ist eine nicht-schädliche Verbindung, die gewöhnlich in niedrigen Mengen in den meisten Pflanzenarten akkumuliert wird; es kann durch elektrophoretische oder chromatographische Methoden leicht nachgewiesen werden.A number of genes can serve as counting markers in plant cells. For example, pMON120 and its modified plasmids, such as pMON128, carry a nopaline synthase (NOS) gene that is expressed in plant cells. This gene encodes an enzyme that catalyzes the formation of nopaline. Nopaline is a non-harmful compound that is usually accumulated in low amounts in most plant species; it can be easily detected by electrophoretic or chromatographic methods.

Wenn eine Pflanze durch ein Gen transformiert wird, das ein Polypeptid bildet, das schwierig nachzuweisen ist, kann die Anwesenheit eines Selektionsmarkergens (wie des chimären NOS-NPT II-NOS-Gens) oder eines Zählmarkergens (wie des NOS-Gens) im Transformationsvektor zur Identifizierung und Isolierung von transformierten Zellen beitragen.When a plant is transformed by a gene that produces a polypeptide that is difficult to detect, the presence of a selection marker gene (such as the chimeric NOS-NPT II-NOS gene) or a counting marker gene (such as the NOS gene) in the transformation vector can help to identify and isolate transformed cells.

Faktisch kann jedes gewünschte Gen in pMON120 oder andere Plasmide insertiert werden, die so konstruiert sind, daß sie mit Ti- oder ähnlichen Plasmiden Cointegrate bilden. Beispielsweise hat die Anmelderin eine Reihe von chimären Genen geschaffen, die in der obzitierten Anmeldung "Chimeric Genes Suitable for Expression in Plant Cells" diskutiert sind.In fact, any desired gene can be inserted into pMON120 or other plasmids designed to cointegrate with Ti or similar plasmids. For example, the applicant has created a number of chimeric genes discussed in the cited application "Chimeric Genes Suitable for Expression in Plant Cells".

Das Geeignetsein eines Gens zur Verwendung in dieser Erfindung kann von Fachleuten durch Routineversuche bestimmt werden. Eine solche Verwendung ist nicht auf chimäre Gene beschränkt; beispielsweise kann diese Erfindung zum Insertieren von multiplen Kopien eines natürlichen Gens in Pflanzenzellen verwendet werden.The suitability of a gene for use in this invention can be determined by those skilled in the art through routine experimentation. Such use is not limited to chimeric genes; for example, this invention can be used to insert multiple copies of a natural gene into plant cells.

Diese Erfindung ist zur Verwendung mit einer Vielzahl von Pflanzen geeignet, wie von Fachleuten durch Routineversuche bestimmt werden kann. Beispielsweise ist diese Erfindung wahrscheinlich zum Transformieren von Zellen von einer beliebigen Pflanzenart verwendbar, die durch Bakterien von der Gattung Agtrobacterium infiziert werden kann. Es wird angenommen, daß faktisch alle dikotyledonen Pflanzen und bestimmte Monokotyledone durch einen oder mehrere Stämme von Agrobacterium infiziert werden können. Außerdem sind Mikroorganismen der Gattung Rhizobia wahrscheinlich zum Tragen von cointegralen Plasmiden dieser Erfindung verwendbar, wie von Fachleuten festgestellt werden kann. Derartige Bakterien könnten für bestimmte Transformationsarten oder Pflanzenarten bevorzugt werden.This invention is suitable for use with a variety of plants, as can be determined by those skilled in the art through routine experimentation. For example, this invention is likely to be useful for transforming cells from any plant species that can be infected by bacteria from the genus Agtrobacterium. It is believed that virtually all dicotyledonous plants and certain monocotyledons can be infected by one or more strains of Agrobacterium. In addition, microorganisms from the genus Rhizobia are likely to be useful for carrying cointegral plasmids of this invention, as can be determined by those skilled in the art. Such bacteria may be preferred for certain transformation types or plant species.

Bestimmte Arten von Pflanzenzellen können in vitro gezüchtet und unter Verwendung von den Fachleuten bekannten Techniken in differenzierte Pflanzen regeneriert werden. Derartige Pflanzenarten sind Kartoffeln, Tomaten, Karotten, Luzerne und Sonnenblumen. Die Forschung in in vitro-Pflanzenkulturtechniken schreitet rasch voran und es ist wahrscheinlich, daß Verfahren entwickelt werden, die die Regeneration eines viel weiteren Bereiches von Pflanzen aus in vitro gezüchteten Zellen ermöglichen. Zellen von einer solchen Pflanze mit Regenerationsfähigkeit sind wahrscheinlich durch das oben diskutierte in vitro- Cokultivierungsverfahren transformierbar, wie durch Routineversuche von Fachleuten bestimmt werden kann. Derartige transformierte Pflanzenzellen können unter Anwendung der in den Beispielen beschriebenen Verfahren in differenzierte Pflanzen regeneriert werden.Certain types of plant cells can be grown in vitro and regenerated into differentiated plants using techniques known to those skilled in the art. Such plant species include potatoes, tomatoes, carrots, alfalfa and sunflower. Research into in vitro plant culture techniques is progressing rapidly and it is likely that methods will be developed that allow the regeneration of a much wider range of plants from cells grown in vitro. Cells from such a plant with regenerative capacity are likely to be transformable by the in vitro co-cultivation process discussed above, as can be determined by routine experimentation by those skilled in the art. Such transformed plant cells can be regenerated into differentiated plants using the methods described in the examples.

Das in vitro-Cokultivierungsverfahren bietet bestimmte Vorteile bei der Transformation von Pflanzen, die auf in vitro- Züchtung und Regeneration empfindlich sind. Jedoch ist diese Erfindung nicht auf in vitro-Zellkulturverfahren beschränkt. Beispielsweise wurde eine Reihe von Pflanzenschößlingen und -stecklingen (einschließlich Sojabohnen, Karotten und Sonnenblumen) durch Berührung mit A. tumefaciens-Zellen, die die cointegralen Plasmide dieser Erfindung tragen, transformiert. Es ist auch möglich, faktisch jede Art von Pflanze aus einem Steckling oder Schößling zu regenerieren. Daher kann es möglich sein, Verfahren zum Transformieren von Schößlingen oder Stecklingen unter Verwendung virulenter oder vorzugsweise entwaffneter cointegraler Plasmide dieser Erfindung oder Mischungen hievon und anschließenden Regenerieren der transformierten Schößlinge oder Stecklinge in differenzierte Pflanzen zu entwickeln, die die insertierten Gene zu ihrer Nachkommenschaft leiten.The in vitro co-cultivation method offers certain advantages in the transformation of plants that are sensitive to in vitro cultivation and regeneration. However, this invention is not limited to in vitro cell culture methods. For example, a number of plant shoots and cuttings (including soybeans, carrots and sunflowers) by contact with A. tumefaciens cells carrying the cointegral plasmids of this invention. It is also possible to regenerate virtually any type of plant from a cutting or shoot. Therefore, it may be possible to develop methods for transforming shoots or cuttings using virulent or preferably disarmed cointegral plasmids of this invention or mixtures thereof and then regenerating the transformed shoots or cuttings into differentiated plants that pass the inserted genes to their progeny.

Wie oben erwähnt, ist es für diese Erfindung nicht wesentlich, daß Cokultivierung zum Transferieren der cointegralen Plasmide dieser Erfindung in Pflanzenzellen verwendet wird. Eine Reihe anderer Verfahren wird zum Insertieren von DNA in Zellen verwendet. Derartige Verfahren schließen Einkapselung von DNA in Liposome, Komplexbildung der DNA mit Chemikalien, wie polykationischen Substanzen oder Calciumphosphat, Fusion von bakteriellen Sphaeroplasten mit Pflanzenprotoplasten, Mikroinjektion von DNA in eine Zelle und Induktion von DNA-Aufnahme durch elektrischen Strom ein. Obwohl derartige Verfahren zum Insertieren von DNA in Pflanzenzellen bisher nicht mit zufriedenstellender Effizienz verwendet wurden, werden sie aktiv untersucht und sie können zum Insertieren von Fremdgenen in Pflanzenzellen verwendbar sein, wobei die Zwischenvektoren und cointegralen Plasmide dieser Erfindung oder davon stammende Plasmide verwendet werden.As mentioned above, it is not essential to this invention that cocultivation be used to transfer the cointegral plasmids of this invention into plant cells. A number of other methods are used to insert DNA into cells. Such methods include encapsulation of DNA in liposomes, complexation of DNA with chemicals such as polycationic substances or calcium phosphate, fusion of bacterial spheroplasts with plant protoplasts, microinjection of DNA into a cell, and induction of DNA uptake by electric current. Although such methods for inserting DNA into plant cells have not yet been used with satisfactory efficiency, they are being actively investigated and may be useful for inserting foreign genes into plant cells using the intermediate vectors and cointegral plasmids of this invention or plasmids derived therefrom.

Diese Erfindung kann für eine Vielzahl von Zwecken verwendbar sein. Beispielsweise werden bestimmte bakterielle Enzyme, wie 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphorsäuresynthase (EPSP- Synthase), durch bestimmte lierbizide inaktiviert; andere Enzyme, wie Glutathion-S-transferase (GST), inaktivieren bestimmte lierbizide. Es kann möglich sein, chimäre Gene in Pflanzen zu insertieren, die Expression derartiger Enzyme in den Pflanzen verursachen, wodurch bewirkt wird, daß die Pflanzen auf ein oder mehrere Herbizide resistenter werden. Dies würde ermöglichen, daß das Herbizid, das normalerweise die nicht-transformierte tötet, auf ein Feld von transformierten Pflanzen aufgebracht wird. Das Herbizid würde als Unkrautvernichter wirken und die transformierten Pflanzen ungeschädigt lassen.This invention may be useful for a variety of purposes. For example, certain bacterial enzymes, such as 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphoric acid synthase (EPSP synthase), are inactivated by certain herbicides; other enzymes, such as glutathione S-transferase (GST), inactivate certain herbicides. It may be possible to insert chimeric genes into plants that cause expression of such enzymes in the plants, thereby causing the plants to become more resistant to one or more herbicides. This would allow the herbicide that normally kills the non-transformed plants to be applied to a field of transformed plants. The herbicide would act as a weed killer and leave the transformed plants unharmed.

Andererseits kann es möglich sein, chimäre Gene in Pflanzen zu insertieren, die bewirken, daß die Pflanzen Säugerpolypeptide bilden, wie Insulin, Interferon, Wachstumshormon und dgl. Zu einem geeigneten Zeitpunkt würden die Pflanzen (oder gezüchtetes Pflanzengewebe) geerntet. Unter Anwendung einer Reihe von Verfahren, die den Fachleuten bekannt sind, kann das gewünschte Protein aus dem geernteten Pflanzengewebe extrahiert werden.On the other hand, it may be possible to insert chimeric genes into plants that cause the plants to produce mammalian polypeptides such as insulin, interferon, growth hormone, and the like. At an appropriate time, the plants (or cultured plant tissue) would be harvested. Using a variety of techniques known to those skilled in the art, the desired protein can be extracted from the harvested plant tissue.

Eine andere Verwendung dieser Erfindung besteht darin, Pflanzen mit hohem Gehalt an gewünschten Substanzen, wie Speicherproteinen oder anderen Proteinen, zu schaffen. Beispielsweise könnte eine Pflanze eine oder mehrere Kopien eines Gens enthalten, das für ein gewünschtes Protein codiert. Zusätzliche Kopien dieses Gens können durch diese Erfindung in die Pflanze insertiert werden. Andererseits könnte die Struktursequenz des Gens in ein chimäres Gen unter der Kontrolle eines anderen Promotors insertiert werden, was fruchtbare Transkription der Struktursequenz bewirkt.Another use of this invention is to create plants with high levels of desired substances, such as storage proteins or other proteins. For example, a plant could contain one or more copies of a gene encoding a desired protein. Additional copies of this gene can be inserted into the plant by this invention. Alternatively, the structural sequence of the gene could be inserted into a chimeric gene under the control of a different promoter, causing prolific transcription of the structural sequence.

Die Verfahren dieser Erfindung können zum Identifizieren, Isolieren und Untersuchen von DNA-Sequenzen verwendet werden, um zu bestimmen, ob sie zum Fördern oder sonstigen Regulieren der Expression von Genen innerhalb von Pflanzenzellen imstande sind. Beispielsweise kann die DNA von jeder Art von Zelle unter Anwendung von partiellem Endonucleaseverdau oder anderer Methoden fragmentiert werden. Die DNA-Fragmente können regellos in Plasmide ähnlich pMON128 insertiert werden. Diese Plasmide weisen, anstatt ein vollständiges chimäres Gen, wie NOS-NPT II-NOS, aufzuweisen, ein partielles chimäres Gen mit einer Schnittstelle für die Insertion von DNA-Fragmenten anstelle eines NOS- Promotors oder eines anderen Promotors auf. Die Plasmide mit insertierter DNA werden dann in A. tumefaciens insertiert, wo sie sich wieder mit den Ti-Plasmiden vereinigen können. Zellen mit cointegralen Plasmiden werden mittels des spc/str- oder anderen Markergens selektioniert. Die cointegralen Plasmide werden dann durch bakterielle Cokultivierung oder auf andere Weise in die Pflanzenzellen insertiert. Die Pflanzenzellen enthalten eine Selektionsmarkerstruktursequenz, wie die NPT II-Struktursequenz, doch wird diese Struktursequenz nicht transkribiert, wenn nicht das insertierte DNA-Fragment als Promotor für die Struktursequenz dient. Die Pflanzenzellen können selektioniert werden, indem sie auf Medium gezüchtet werden, das Kanamycin oder andere geeignete Antibiotika enthält.The methods of this invention can be used to identify, isolate, and examine DNA sequences to determine whether they are capable of promoting or otherwise regulating the expression of genes within plant cells. For example, DNA from any type of cell can be fragmented using partial endonuclease digestion or other methods. The DNA fragments can be randomly inserted into plasmids similar to pMON128. These plasmids, rather than having a complete chimeric gene such as NOS-NPT II-NOS, have a partial chimeric gene with a site for the insertion of DNA fragments in place of a NOS promoter or other promoter. The plasmids with inserted DNA are then inserted into A. tumefaciens where they can rejoin the Ti plasmids. Cells with cointegral plasmids are selected using the spc/str or other marker gene. The cointegral plasmids are then inserted into the plant cells by bacterial cocultivation or by other means. The plant cells contain a selectable marker structural sequence, such as the NPT II structural sequence, but this structural sequence is not transcribed unless the inserted DNA fragment serves as a promoter for the structural sequence. The plant cells can be selected by growing them on medium containing kanamycin or other suitable antibiotics.

Unter Anwendung dieses Verfahrens ist es möglich, die Promotorregionen von Bakterien, Hefe, Pilzen, Algen, anderen Mikroorganismen und Tierzellen zu untersuchen, um festzustellen, ob sie als Genpromotoren in verschiedenen Arten von Pflanzenzellen wirken. Es ist auch möglich, Promotoren von einer Pflanzenart in anderen Arten von Pflanzenzellen zu untersuchen. Durch Anwendung ähnlicher Verfahren und Variieren der Schnittstelle im Ausgangsplasmid ist es möglich, die Leistung jeglicher DNA-Sequenz als 5'-nicht-translatierte Region, 3'-nicht-translatierte Region oder jede andere Art von Regulierungssequenz zu untersuchen.Using this technique, it is possible to examine the promoter regions of bacteria, yeast, fungi, algae, other microorganisms and animal cells to determine whether they function as gene promoters in different types of plant cells. It is also possible to examine promoters from one plant species in other types of plant cells. By using similar techniques and varying the cleavage site in the starting plasmid, it is possible to examine the performance of any DNA sequence as a 5' untranslated region, 3' untranslated region or any other type of regulatory sequence.

Der hier verwendete Ausdruck "ein Stück von DNA" schließt Plasmide, Phagen, DNA-Fragmente und Polynucleotide, egal ob natürlich oder synthetisch, ein.As used herein, the term "a piece of DNA" includes plasmids, phages, DNA fragments and polynucleotides, whether natural or synthetic.

Der hier verwendete Ausdruck "chimäres Stück von DNA" ist auf ein DNA-Stück beschränkt, das mindestens zwei Teile enthält (d. h. zwei Nucleotidsequenzen), die von anderen und bestimmten DNA-Stücken abgleitet wurden. Beispielsweise kann ein chimäres Stück von DNA nicht bloß dadurch gebildet werden, daß ein oder mehrere Teile eines natürlich existierenden Plasmids deletiert werden. Ein chimäres Stück von DNA kann durch eine Reihe von Verfahren gebildet werden, wie Verknüpfen von zwei Fragmenten von verschiedenen Plasmiden miteinander oder durch Synthetisieren eines Polynucleotids, in dem die Basensequenz durch Analyse der Basensequenzen von zwei verschiedenen Plasmiden bestimmt wurde.The term "chimeric piece of DNA" as used herein is limited to a piece of DNA that contains at least two parts (i.e., two nucleotide sequences) derived from other and distinct pieces of DNA. For example, a chimeric piece of DNA cannot be formed merely by deleting one or more parts of a naturally existing plasmid. A chimeric piece of DNA can be formed by a variety of methods, such as joining two fragments from different plasmids together or by synthesizing a polynucleotide in which the base sequence has been determined by analyzing the base sequences from two different plasmids.

Der hier verwendet Ausdruck "ein chimäres Stück von DNA" ist auf DNA beschränkt, die zusammengebaut, synthetisiert oder sonstwie als Resultat menschlicher Anstrengungen produziert wurde, und jedes Stück von DNA, das repliziert oder sonstwie davon abgeleitet wird. "Menschliche Anstrengungen" schließen enzymatische, zelluläre und andere biologische Prozesse ein, wenn derartige Prozesse unter Bedingungen stattfinden, die durch menschliche Anstrengung oder Intervention bewirkt, erhöht oder reguliert werden; dies schließt Plasmide, Phagen und Polynucleotide aus, die einzig und allein durch natürliche Prozesse gebildet werden. Der hier verwendete Ausdruck "abgeleitet von" soll weit ausgelegt werden. Wann immer in einem Anspruch verwendet, soll der Ausdruck "chimär" eine materialle Beschränkung sein.The term "a chimeric piece of DNA" as used herein is limited to DNA that has been assembled, synthesized, or otherwise produced as a result of human effort, and any piece of DNA that is replicated or otherwise derived therefrom. "Human effort" includes enzymatic, cellular, and other biological processes when such processes occur under conditions induced, enhanced, or regulated by human effort or intervention; this excludes plasmids, phages, and polynucleotides formed solely by natural processes. The term "derived from" as used herein is intended to be broadly construed. Whenever used in a claim, it is intended to include the term "chimeric" may be a material limitation.

Wie hier verwendet, schließt "Fremd-DNA jede DNA ein, die in eine bereits existierende Pflanzenzelle insertiert wird. Ein "Fremdgen" ist ein Gen, das in die bereits existierende Pflanzenzelle insertiert wird.As used here, "foreign DNA" includes any DNA that is inserted into a pre-existing plant cell. A "foreign gene" is a gene that is inserted into the pre-existing plant cell.

Wie hier verwendet, ist ein "Markergen" ein Gen, das der Wirtszelle ein phänotypisch identifizierbares Merkmal verleiht, das es ermöglicht, transformierte Wirtszellen von nicht-transformierten Zellen zu unterscheiden. Es schließt Screening-, Zähl- und Selektionsmarker ein.As used herein, a "marker gene" is a gene that confers a phenotypically identifiable characteristic on the host cell, allowing transformed host cells to be distinguished from non-transformed cells. It includes screening, counting and selection markers.

Wie hier verwendet, bezieht sich eine "Homologieregion" auf eine Sequenz von Basen in einem Plasmid, die ausreichende Korrelation mit einer Sequenz von Basen in einem anderen Plasmid aufweist, um zu bewirken, daß Rekombination des Plasmids mit einer statistisch bestimmbaren Frequenz stattfindet. Vorzugsweise sollte eine derartige Rekombination mit einer Frequenz auftreten, die die zweckmäßige Selektion von Zellen mit kombinierten Plasmiden ermöglicht, z. B. größer als 1 pro 106 Zellen. Dieser Ausdruck ist in einer Reihe von Publikationen eingehender beschrieben, z. B. Leemans et al., 1981.As used herein, a "region of homology" refers to a sequence of bases in one plasmid that has sufficient correlation with a sequence of bases in another plasmid to cause recombination of the plasmid to occur at a statistically determinable frequency. Preferably, such recombination should occur at a frequency that allows for the convenient selection of cells with combined plasmids, e.g., greater than 1 per 106 cells. This term is described in more detail in a number of publications, e.g., Leemans et al., 1981.

Mit "tumorerzeugenden Genen" sind jene Gene des Ti-Plasmids gemeint, deren Anwesenheit in der transformierten Pflanze zu einer morphologisch anomalen Pflanze führt, d. h. Wurzelhalsgallenbildung induziert.By "tumor-producing genes" are meant those genes of the Ti plasmid whose presence in the transformed plant leads to a morphologically abnormal plant, i.e. induces crown gall formation.

Die Fachleute auf dem Gebiet kennen zahlreiche Äquivalente zu den hier diskutierten spezifischen Ausführungsformen der Erfindung oder sind imstande, diese unter Anwendung von nicht mehr als Routineversuchen zu finden. Derartige Äquivalente liegen im Umfang dieser Erfindung.Those skilled in the art will know, or be able to find, numerous equivalents to the specific embodiments of the invention discussed herein using no more than routine experimentation. Such equivalents are within the scope of this invention.

Beispiel 1: Bildung von Plasmid pMON41Example 1: Formation of plasmid pMON41

Eine Kultur von E. coli, die ein pBR325 Plasmid (Bolivan, 1978) mit dem HindIII-23-Fragment von pTiT37 (Hernalsteens et al., 1980) insertiert an der HindIII-Stelle trägt, wurde von Drs. M. Bevan und M.D. Chilton, Washington University, St. Louis, MO, erhalten. 10 ug des Plasmids von diesem Klon wurden mit 10 Einheiten HindIII (wenn nichts anderes angegeben, wurden alle in diesen Konstruktionen verwendeten Restriktionsendonucleasen von New England Biolabs, Beverly, MA, gekauft und mit Puffern gemäß den Instruktionen der Lieferfirma verwendet) 1 h bei 37ºC verdaut. Das 3,4 kb HindIII-23-Fragment wurde durch Adsorption auf Glaskügelchen (Vogelstein und Gillespie, 1979) nach Trennung von den anderen HindIII-Fragmenten durch Elektrophorese auf einem 0,8 96 Agarosegel gereinigt. Das gereinigte 3,4 kb HindIII-Fragment (1,0 ug) wurde mit 1,0 ug Plasmid pBR327 DNA (Soberon et al., 1980) gemischt, das sowohl mit HindIII (2 Einheiten, 1 h, 37ºC) als auch alkalischer Kälberphosphatase (CAP, 0,2 Einheiten, 1 h, 37ºC) verdaut worden war, mit Phenol deproteinisiert, mit Äthanol ausgefällt und in 10 ul TE (10 mM Tris HCl, pH 8, 1 mM EDTA) wieder suspendiert. 1 Einheit T4 DNA- Ligase (hergestellt durch das Verfahren von Murray et al., 1979) wurde der Fragmentmischung zugesetzt. 1 Einheit wird als die Konzentration definiert, die ausreichend ist, mehr als 90% Zirkularisierung von 1 ug HindIII-linearisiertem pBR327-Plaswmid in 5 min bei 22ºC zu erhalten. Die gemischten Fragmente waren in einem Gesamtvolumen von 15 ul 25 mM Tris-liCl pH 8, 10 mM MgCl&sub2;, 1 mM Dithiothreitol, 200 uM Spermidin-HCl und 0,75 mM ATP (Ligasepuffer) enthalten.A culture of E. coli carrying a pBR325 plasmid (Bolivan, 1978) with the HindIII-23 fragment of pTiT37 (Hernalsteens et al., 1980) inserted at the HindIII site was obtained from Drs. M. Bevan and MD Chilton, Washington University, St. Louis, MO. 10 µg of the plasmid from this clone was treated with 10 units of HindIII (unless otherwise stated, all restriction endonucleases used in these constructions were purchased from New England Biolabs, Beverly, MA, and treated with buffers according to the supplier's instructions) for 1 h at 37ºC. The 3.4 kb HindIII-23 fragment was purified by adsorption onto glass beads (Vogelstein and Gillespie, 1979) after separation from the other HindIII fragments by electrophoresis on a 0.8 96 agarose gel. The purified 3.4 kb HindIII fragment (1.0 µg) was mixed with 1.0 µg of plasmid pBR327 DNA (Soberon et al., 1980) digested with both HindIII (2 units, 1 h, 37°C) and calf alkaline phosphatase (CAP, 0.2 units, 1 h, 37°C), deproteinized with phenol, precipitated with ethanol, and resuspended in 10 µl of TE (10 mM Tris HCl, pH 8, 1 mM EDTA). 1 unit of T4 DNA ligase (prepared by the method of Murray et al., 1979) was added to the fragment mixture. 1 unit is defined as the concentration sufficient to obtain greater than 90% circularization of 1 µg HindIII-linearized pBR327 plasmid in 5 min at 22°C. The mixed fragments were contained in a total volume of 15 µl of 25 mM Tris-LiCl pH 8, 10 mM MgCl2, 1 mM dithiothreitol, 200 µM spermidine-HCl and 0.75 mM ATP (ligase buffer).

Die Mischung wurde 3 h bei 22ºC inkubiert und dann mit E. coli C600 A56-Zellen gemischt, die für Transformation durch Behandlung mit CaCl&sub2; vorbereitet wurden (Maniatis et al., 1982). Nach einem Zeitraum für Expression der Ampicillinresistenzdeterminante, getragen vom pBR327-Vektor, wurden Zellen auf LB- Festmediumplatten (Miller, 1972) enthaltend Ampicillin bei 200 ug/ml verteilt. Nach Inkubation bei 37ºC während 16 h wurden mehrere hunderte Klone erhalten. Plasmid-Minipreps (Ish-Horowicz und Burke, 1981) wurden an 24 dieser Kolonien durchgeführt und aliquote Mengen der erhaltenen Plasmid-DNA's (0,1 ug) wurden mit HindIII verdaut, um die Anwesenheit des 3,4 kb HindIII-Fragments zu demonstrieren. Ein Plasmid zeigte die erwartete Struktur und wurde pMON38 bezeichnet. pMON38-DNA wurde Triton X-100-Lyse und CsCl-Gradientenverfahren (Davis et al., 1980) hergestellt.The mixture was incubated for 3 h at 22°C and then mixed with E. coli C600 A56 cells prepared for transformation by treatment with CaCl2 (Maniatis et al., 1982). After a period for expression of the ampicillin resistance determinant carried by the pBR327 vector, cells were spread on LB solid medium plates (Miller, 1972) containing ampicillin at 200 µg/ml. After incubation at 37°C for 16 h, several hundred clones were obtained. Plasmid minipreps (Ish-Horowicz and Burke, 1981) were performed on 24 of these colonies and aliquots of the resulting plasmid DNAs (0.1 µg) were digested with HindIII to demonstrate the presence of the 3.4 kb HindIII fragment. One plasmid showed the expected structure and was designated pMON38. pMON38 DNA was prepared using Triton X-100 lysis and CsCl gradient methods (Davis et al., 1980).

50 ug pMON38-DNA wurden mit HindIII und BamHI (jeweils 50 Einheiten, 2 h, 37ºC) verdaut und das 2,3 kb HindIII-BamHI- Fragment gereinigt, wie oben beschrieben. Das gereinigte Frage ment (1 ug) wurde mit 1 ug des 2,9 kb HindIII-BamHI-Fragments des pBR327-Vektors, gereinigt wie oben beschrieben, gemischt Nach Verknüpfung (T4 DNA-Ligase, 2 Einheiten) und Transformation von E. coli-Zellen, wie oben beschrieben, wurden 50 ampicillinresistente Kolonien erhalten. DNA's von 12 Plasmid-Minipreps wurden mit HindIII und BamHI verdaut, um die Anwesenheit des 2,3 kb Fragments festzustellen. Ein Plasmid der korrekten Struktur wurde gewählt und pMON41 bezeichnet, wie in Fig. 2 gezeigt. Eine Menge dieser DNA wurde hergestellt, wie oben beschrieben.50 µg of pMON38 DNA was digested with HindIII and BamHI (50 units each, 2 h, 37ºC) and the 2.3 kb HindIII-BamHI fragment was purified as described above. The purified fragment (1 µg) was mixed with 1 µg of the 2.9 kb HindIII-BamHI fragment of the pBR327 vector purified as described above. After linking (T4 DNA ligase, 2 units) and transformation of E. coli cells as described above, 50 ampicillin-resistant colonies were obtained. DNAs from 12 plasmid minipreps were digested with HindIII and BamHI to detect the presence of the 2.3 kb fragment. A plasmid of the correct structure was chosen and designated pMON41 as shown in Fig. 2. A quantity of this DNA was prepared as described above.

Beispiel 2: Schaffung von M13 Klon M-4Example 2: Creation of M13 clone M-4

30 ug Plasmid pMON38 (in Beispiel 1 beschrieben) wurden mit RasI (30 Einheiten, 2 h, 37ºC) verdaut und das 1100 bp RasI- Fragment nach Trennung durch Agarosegelelektrophorese unter Anwendung der im vorhergehenden Beispiel beschriebenen Glaskugelmethode gereinigt. Das gereinigte 1100 bp RasI-RsaI-Fragment (1 ug) wurde mit 2 Einheiten BamHI verdaut und das BamHI durch Erhitzen inaktiviert. Diese DNA wurde mit 0,2 ug Phagen M13mp8RF-DNA gemischt, die vorher mit Smal und BamHI (jeweils 2 Einheiten, 1 h, 37ºC) und 0,2 Einheiten alkalischer Kälberphosphatase (CAP) verdaut worden war. Nach der Verknüpfung mit 100 Einheiten T4 DNA-Ligase und Transformation von E. coli JM101- Zellen, wie im vorhergehenden Beispiel beschrieben, wurden die transformierten Zellen mit Weichagar gemischt und unter Bedingungen plattiert, die die Identifizierung von rekombinantem Phagen ermöglichen (Messing und Vieira, 1982). 12 rekombinanten Phagen produzierende Zellen wurden genommen und RF Plasmid- Minipreps erhalten, wie im vorhergehenden Beispiel beschrieben. Die RF-DNA's wurden mit BamHI und SmaI verdaut, um die Anwesenheit des 720 bp RsaI-BamHI-Fragments zu beweisen. Eine der das korrekte Fragment tragenden rekombinanten RF-DNA's wurde M13 mp8 M-4 bezeichnet. Dieser Vorgang ist in Fig. 3 dargestellt. M-4 RF-DNA wurde unter Anwendung der Verfahren von Ish-Horowicz und Burke, 1981, und Colman et al., 1978, hergestellt.30 µg of plasmid pMON38 (described in Example 1) was digested with RasI (30 units, 2 h, 37°C) and the 1100 bp RasI fragment was purified after separation by agarose gel electrophoresis using the glass bead method described in the previous example. The purified 1100 bp RasI-RsaI fragment (1 µg) was digested with 2 units of BamHI and the BamHI was inactivated by heating. This DNA was mixed with 0.2 µg of phage M13mp8RF DNA previously digested with SmaI and BamHI (2 units each, 1 h, 37°C) and 0.2 units of calf alkaline phosphatase (CAP). After linking with 100 units of T4 DNA ligase and transforming E. coli JM101 cells as described in the previous example, the transformed cells were mixed with soft agar and plated under conditions that allow identification of recombinant phage (Messing and Vieira, 1982). 12 recombinant phage producing cells were taken and RF plasmid minipreps were obtained as described in the previous example. The RF DNAs were digested with BamHI and SmaI to demonstrate the presence of the 720 bp RsaI-BamHI fragment. One of the recombinant RF DNAs carrying the correct fragment was designated M13 mp8 M-4. This procedure is shown in Fig. 3. M-4 RF-DNA was prepared using the methods of Ish-Horowicz and Burke, 1981, and Colman et al., 1978.

Beispiel 3: Konstruktion von pMON109Example 3: Construction of pMON109

20 ug Plasmid pGV3106 (Hernalsteens et al., 1980, hergestellt nach der Methode von Currier und Nester, 1976) wurden mit HindIII (20 Einheiten, 2 h, 37ºC) verdaut und mit 2 ug HindIIIverdautem pBR327 gemischt. Nach Verknüpfung (T4 DNA-Ligase, 2 Einheiten) und Transformation von E. coli-Zellen, wie oben beschrieben, wurde eine auf Trimethoprim (100 ug/ml) und Ampicillin resistente Kolonie erhalten. Verdauen von Plasmid-DNA aus dieser Zelle zeigte die Anwesenheit eines 6 kb HindIII-Fragments. Dieses Plasmid wurde pMON31 bezeichnet.20 µg of plasmid pGV3106 (Hernalsteens et al., 1980, prepared according to the method of Currier and Nester, 1976) was digested with HindIII (20 units, 2 h, 37ºC) and mixed with 2 µg of HindIII-digested pBR327. After ligation (T4 DNA ligase, 2 units) and transformation of E. coli cells as described above, a culture medium containing trimethoprim (100 µg/ml) and ampicillin was resistant colony was obtained. Digestion of plasmid DNA from this cell showed the presence of a 6 kb HindIII fragment. This plasmid was designated pMON31.

Plasmid pMON31 von einem Miniprep (0,5 ug) wurde mit EcoRI (1 Einheit, 1 h, 37ºC) verdaut und die Endonuclease durch Erhitzen (10 min, 70ºC) inaktiviert. Das 8,5 kb Plasmidfragment wurde in einer Verknüpfungsreaktion von 100 ul (T4 DNA-Ligase, 1 Einheit) rezirkularisiert und zum Transformieren von E. coli-Zellen mit Selektion für auf Ampicillin und Streptomycin (25 ug/ml) resistente Kolonien verwendet. Plasmid-Miniprep-DNA's von 6 Klonen wurden mit EcoRI verdaut, um Verlust des 850 bp Fragments festzustellen. Ein Plasmid, dem das 859 bp EcoRI-Fragment fehlt, wurde pMON53 bezeichnet. Dieses Plasmid wurde durch Transformation in E. coli Gm42 dam- Zellen (Bale et al., 1979), wie beschrieben, eingeschleust.Plasmid pMON31 from a miniprep (0.5 µg) was digested with EcoRI (1 unit, 1 h, 37ºC) and the endonuclease was inactivated by heating (10 min, 70ºC). The 8.5 kb plasmid fragment was recircularized in a 100 µl ligation reaction (T4 DNA ligase, 1 unit) and used to transform E. coli cells with selection for ampicillin and streptomycin (25 µg/ml) resistant colonies. Plasmid miniprep DNAs from 6 clones were digested with EcoRI to detect loss of the 850 bp fragment. A plasmid lacking the 859 bp EcoRI fragment was designated pMON53. This plasmid was introduced by transformation into E. coli Gm42 dam cells (Bale et al., 1979) as described.

Plasmid pMON53 (0,5 ug) von einem Miniprep, hergestellt aus dam- Zellen, wurde mit ClaI verdaut und in verdünnter Lösung rezirkularisiert, wie oben beschrieben. Nach Transformation von E. coli GM42-Zellen und Selektion auf auf Ampicillin und Spectinomycin (50 ug/ml) resistente Klone wurden 50 Kolonien erhalten. Verdauen von Plasmid-Miniprep-DNA's von 6 Kolonien zeigte, daß allen das 2 kb ClaI-Fragment fehlte. Eines dieser Plasmide wurde pMON54 bezeichnet, wie in Fig. 4 dargestellt. Plasmid-DNA wurde hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben.Plasmid pMON53 (0.5 µg) from a miniprep prepared from dam cells was digested with ClaI and recircularized in dilute solution as described above. After transformation of E. coli GM42 cells and selection for clones resistant to ampicillin and spectinomycin (50 µg/ml), 50 colonies were obtained. Digestion of plasmid miniprep DNAs from 6 colonies showed that all lacked the 2 kb ClaI fragment. One of these plasmids was designated pMON54 as shown in Figure 4. Plasmid DNA was prepared as described in Example 1.

Plasmid pMON54-DNA (20 ug) wurde mit EcoRI und PstI (jeweils 20 Einheiten, 2 h, 37ºC) verdaut und das 4,8 kg Fragment aus Agarosegelen unter Verwendung von Na-45 Membran (Schleicher und Schuell, Keene, N.li.) gereinigt.Plasmid pMON54 DNA (20 μg) was digested with EcoRI and PstI (20 units each, 2 h, 37°C) and the 4.8 kg fragment was purified from agarose gels using Na-45 membrane (Schleicher and Schuell, Keene, N.li.).

Das gereinigte 4,8 kb Fragment (0,5 ug) wurde mit 0,3 ug eines 740 bp EcoRI-PstI-Fragments, erhalten von M13mp8 M-4 RF- DNA (beschrieben in Beispiel 2), das unter Verwendung von NA-45- Membran gereinigt wurde, gemischt. Nach Verknüpfung (T4 DNA- Ligase, 2 Einheiten), Transformation von E. coli GM42 dam- Zellen und Selektion auf spectinomycinresistente Zellen wurden 20 Kolonien erhalten. Plasmid-Miniprep-DNA's, hergestellt aus 12 dieser Klone, wurden mit PstI und EcoRI verdaut, um die Anwesenheit des 740 bp Fragments zu zeigen. Ein dieses Fragment tragendes Plasmid wurde pMON64 bezeichnet. Eine Menge dieser Plasmid- DNA wurde hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben.The purified 4.8 kb fragment (0.5 µg) was mixed with 0.3 µg of a 740 bp EcoRI-PstI fragment obtained from M13mp8 M-4 RF DNA (described in Example 2) purified using NA-45 membrane. After linking (T4 DNA ligase, 2 units), transformation of E. coli GM42 dam cells and selection for spectinomycin resistant cells, 20 colonies were obtained. Plasmid miniprep DNAs prepared from 12 of these clones were digested with PstI and EcoRI to show the presence of the 740 bp fragment. A plasmid carrying this fragment was designated pMON64. A quantity of this plasmid DNA was prepared as described in Example 1.

DNA (0,5 ug) von pMON64 wurde mit ClaI (1 Einheit, 1 h, 37ºC) verdaut, ClaI wärmeinaktiviert und die Fragmente wurden mit T4 DNA-Ligase (1 Einheit) wieder verbunden. Nach Transformation und Selektion auf spectinomycinresistente Zellen wurden Plasmid-Minipreps von 12 Kolonien gemacht. Die DNA's wurden mit BamHI und EcoRI verdaut, um die Orientierung des 2 kb ClaI- Fragments zu bestimmen. Die Hälfte der Klone enthielt das ClaI- Fragment in der umgekehrten Orientierung derjenigen in pMON64. Eines dieser Plasmide wurde pMON109 bezeichnet, wie in Fig. 5 dargestellt. DNA wurde hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben.DNA (0.5 µg) from pMON64 was digested with ClaI (1 unit, 1 h, 37°C), ClaI heat inactivated and the fragments were rejoined with T4 DNA ligase (1 unit). After transformation and selection for spectinomycin-resistant cells, plasmid minipreps were made from 12 colonies. The DNAs were digested with BamHI and EcoRI to determine the orientation of the 2 kb ClaI fragment. Half of the clones contained the ClaI fragment in the reverse orientation of that in pMON64. One of these plasmids was designated pMON109 as shown in Figure 5. DNA was prepared as described in Example 1.

Beispiel 4: Schaffung von Plasmid pMON113Example 4: Creation of plasmid pMON113

Plasmid pNW31C-8,29C (Thomashow et al., 1980) wurde von Dr. S. Gelvin der Purdue University, West Lafayette, IN, erhalten. Dieses Plasmid trägt das pTiA6 7,5 kb Bam-8-Fragment. Das Bam-8- Fragment wurde unter Verwendung der Na-45-Membran aus 50 ug BamHI-verdautem pNW31C-8,29C gereinigt, wie in den vorhergehenden Beispielen beschrieben. Das gereinigte 7,5 kb Bam-Fragment (1,0 u wurde mit 0,5 ug pBR327 Vektor-DNA gemischt, die vorher sowohl mit BamHI (2 Einheiten) als auch 0,2 Einheiten alkalischer Kälberphosphatase (CAP) 1 h bei 37ºC verdaut worden war; die Mischung wurde entproteinisiert und wieder suspendiert, wie in den vorhergehenden Beispielen beschrieben. Die gemischten Fragmente wurden mit T4 Ligase (2 Einheiten) behandelt, zum Transformieren von E. coli C600 A-Zellen verwendet und ampicillinresistente Kolonien wurden selektioniert, wie oben beschrieben. Es wurden Minipreps an 12 dieser Klone zum Erhalten von Plasmid-DNA durchgeführt. Die DNA wurde mit BamHI verdaut, um die Anwesenheit der pBR327 Vektor-und 7,5 kb Bam-8-Fragmente zu zeigen. Ein Plasmid, das beide Fragmente zeigte, wurde pMON90 bezeichnet. DNA wurde hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben.Plasmid pNW31C-8,29C (Thomashow et al., 1980) was obtained from Dr. S. Gelvin of Purdue University, West Lafayette, IN. This plasmid carries the pTiA6 7.5 kb Bam-8 fragment. The Bam-8 fragment was purified using the Na-45 membrane from 50 µg BamHI-digested pNW31C-8,29C as described in the previous examples. The purified 7.5 kb Bam fragment (1.0 u) was mixed with 0.5 µg of pBR327 vector DNA that had previously been digested with both BamHI (2 units) and 0.2 units of calf alkaline phosphatase (CAP) for 1 h at 37°C; the mixture was deproteinized and resuspended as described in the previous examples. The mixed fragments were treated with T4 ligase (2 units), used to transform E. coli C600 A cells, and ampicillin-resistant colonies were selected as described above. Minipreps were performed on 12 of these clones to obtain plasmid DNA. The DNA was digested with BamHI to show the presence of the pBR327 vector and 7.5 kb Bam-8 fragments. A plasmid containing both fragments was designated pMON90. DNA was prepared as described in Example 1.

25 ug pMON90 DNA wurden mit BglII (25 Einheiten, 2 h, 37ºC) verdaut und das 2,6 kb BglII-Fragment unter Verwendung der NA-45-Membran gereinigt. Um glatte Enden zu schaffen, wurde das Fragment (2 ug) in 10 ul 50 mM HaCl, 6,6 mM Tris-HCl pH 8, 6,6 mM MgCl&sub2; und 0,5 mM Dithiothreitol (Klenow-Puffer) wieder suspendiert. Die 4 Desoxynucleosidtriphosphate (dATP, dTTP dCTP und dGTP) wurden auf eine Endkonzentration von 1 mM zugesetzt und 1 Einheit E. coli großes Klenow-Fragment von DNA-Polymerase I (New England Biolabs, Beverly, MA) wurde zugegeben. Nach Inkubation während 20 min bei 22ºC wurde die Klenow-Polymerase wärmeinaktiviert und 10 Einheiten HindIII wurden zugesetzt. Der HindIII-Verdau wurde 1 h bei 37ºC durchgeführt und dann das Enzym wärmeinaktiviert. Die HindIII-BglII (glatten) -Fragmente (1 ug) wurden zu 0,25 ug des 2,2 k HindIII-PvuII-Fragments von pBR322 (Bolivar et al., 1977) zugesetzt, das durch HindIII- und PvuII-Verdau erzeugt worden war, und dann mit alkalischer Kälberphosphatase behandelt, wie in den vorhergehenden Beispielen beschrieben. Nach Verknüpfung unter Verwendung von 100 Einheiten T4 DNA-Ligase, Transformation von E. coli LE392 Zellen und Selektion von ampicillinresistenten Kolonien, wie in den vorhergehenden Beispielen beschrieben, wurden 19 Kolonien erhalten. Plasmid-Minipreps wurden von 12 Kolonien hergestellt und mit HindIII verdaut, um die Größe des rekombinanten Plasmids zu bestimmen, und mit SmaI, um zu bestimmen, daß das korrekte Fragment insertiert worden war. Ein Plasmid mit der korrekten Struktur wurde pMON113 bezeichnet, wie in Fig. 6 gezeigt. Plasmid-DNA wurde hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben.25 µg of pMON90 DNA was digested with BglII (25 units, 2 h, 37°C) and the 2.6 kb BglII fragment was purified using the NA-45 membrane. To create blunt ends, the fragment (2 µg) was resuspended in 10 µl of 50 mM HaCl, 6.6 mM Tris-HCl pH 8, 6.6 mM MgCl₂ and 0.5 mM dithiothreitol (Klenow buffer). The 4 deoxynucleoside triphosphates (dATP, dTTP dCTP and dGTP) were added to a final concentration of 1 mM and 1 unit of E. coli large Klenow fragment of DNA polymerase I (New England Biolabs, Beverly, MA) was added. After incubation for 20 min at 22°C, the Klenow polymerase was heat inactivated and 10 units of HindIII were added. HindIII digestion was carried out for 1 h at 37°C and then the enzyme was heat inactivated. The HindIII-BglII (blunt) fragments (1 µg) were added to 0.25 µg of the 2.2 k HindIII-PvuII fragment of pBR322 (Bolivar et al., 1977) generated by HindIII and PvuII digestion and then treated with calf alkaline phosphatase as described in the previous examples. After linkage using 100 units of T4 DNA ligase, transformation of E. coli LE392 cells and selection of ampicillin-resistant colonies as described in the previous examples, 19 colonies were obtained. Plasmid minipreps were prepared from 12 colonies and digested with HindIII to determine the size of the recombinant plasmid and with SmaI to determine that the correct fragment had been inserted. A plasmid with the correct structure was designated pMON113 as shown in Figure 6. Plasmid DNA was prepared as described in Example 1.

Beispiel 5: Schaffung von Plasmid pMON120Example 5: Creation of plasmid pMON120

20 ug Plasmid pMON109 (in Beispiel 3 beschrieben) wurden mit EcoRI und BamHI (jeweils 20 Einheiten, 2 h, 37ºC) verdaut und das 3,4 kb BamHI-EcoRI-Fragment unter Verwendung der NA-45 Membran, wie in den vorhergehenden Beispielen beschrieben, gereinigt. 20 ug Plasmid pMON41 (in Beispiel 1 beschrieben) wurden mit BamHI und PvuI (jeweils 20 Einheiten, 2 h, 37ºC) verdaut und das 1,5 kb BamHI-PvuI-Fragment unter Verwendung der NA-45 Membran, wie in den vorhergehenden Beispielen beschrieben, gereinigt.20 µg of plasmid pMON109 (described in Example 3) was digested with EcoRI and BamHI (20 units each, 2 h, 37°C) and the 3.4 kb BamHI-EcoRI fragment was purified using the NA-45 membrane as described in the previous examples. 20 µg of plasmid pMON41 (described in Example 1) was digested with BamHI and PvuI (20 units each, 2 h, 37°C) and the 1.5 kb BamHI-PvuI fragment was purified using the NA-45 membrane as described in the previous examples.

20 ug pMON113-DNA (in Beispiel 4 beschrieben) wurden mit PvuI und EcoRI (jeweils 2 Einheiten, 2 h, 37ºC) verdaut und das 3,1 kb PvuI-EcoRI-Fragment unter Verwendung der NA-45 Membran wie oben gereinigt. Um Plasmid pMON120 zusammenzubauen, wurde das 3,1 kb EcoRI-PvuI pMON113-Fragment (1,5 ug) mit 1,5 ug des 3,4 kb EcoRI-BamHI-Fragments von pMON109 gemischt. Nach Behandlung mit T4 Ligase (3 Einheiten) während 16 h bei 10ºC wurde die Ligase durch Erhitzen (10 min, 70ºC) inaktiviert und 5 Einheiten BamHI wurden zugesetzt. Das Verdauen dauerte 30 min bei 37ºC an, zu welcher Zeit die BamHI-Endonuclease durch Erhitzen, wie oben, inaktiviert wurde. Danach wurden 0,75 ug des 1,5 kb PvuI-BamHI- Fragments von pMON41 zusammen mit T4 DNA-Ligase (2 Einheiten) und frischem ATP auf eine Endkonzentration von 0,75 mM zugesetzt. Die Endligasereaktion wurde 4 h bei 22ºC durchgeführt, zu welcher Zeit die Mischung zum Transformieren von E. coli LE 392- Zellen verwendet wurde mit nachfolgender Selektion auf spectinomycinresistente Zellen, wie oben beschrieben. Plasmid-Minipreps von 12 von mehreren tausend Kolonien wurden auf Plasmide mit einer Größe von ungefähr 8 kb geprüft, die einzelne Stellen für BamHI und EcoRI enthalten. Ein Plasmid, das die korrekte Struktur zeigte, wurde pMON120 bezeichnet, das in Fig. 7 mit einer alternativen Konstruktionsmethode gezeigt ist. pMON120-DNA wurde hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben.20 µg of pMON113 DNA (described in Example 4) was digested with PvuI and EcoRI (2 units each, 2 h, 37°C) and the 3.1 kb PvuI-EcoRI fragment was purified using the NA-45 membrane as above. To assemble plasmid pMON120, the 3.1 kb EcoRI-PvuI pMON113 fragment (1.5 µg) was mixed with 1.5 µg of the 3.4 kb EcoRI-BamHI fragment of pMON109. After treatment with T4 ligase (3 units) for 16 h at 10°C, the Ligase was inactivated by heating (10 min, 70°C) and 5 units of BamHI were added. Digestion continued for 30 min at 37°C, at which time the BamHI endonuclease was inactivated by heating as above. Thereafter, 0.75 µg of the 1.5 kb PvuI-BamHI fragment of pMON41 was added together with T4 DNA ligase (2 units) and fresh ATP to a final concentration of 0.75 mM. The final ligase reaction was carried out for 4 h at 22°C, at which time the mixture was used to transform E. coli LE 392 cells with subsequent selection for spectinomycin-resistant cells as described above. Plasmid minipreps from 12 of several thousand colonies were checked for plasmids approximately 8 kb in size containing unique sites for BamHI and EcoRI. A plasmid showing the correct structure was designated pMON120, which is shown in Figure 7 using an alternative construction method. pMON120 DNA was prepared as described in Example 1.

Eine Kultur von E. coli enthaltend pMON120 wurde bei American Type Culture Collection hinterlegt. Dieser Kultur wurde die Nummer 39263 zugeordnet.A culture of E. coli containing pMON120 was deposited with the American Type Culture Collection. This culture was assigned the number 39263.

Beispiel 6: Schaffung der Plasmide pMON128 und pMON129Example 6: Creation of plasmids pMON128 and pMON129

Plasmid pMON75 (im einzelnen in einer separaten Anmeldung mit dem Titel "Chimeric Genes Suitable for Expression in Plant Cells", oben zitiert) enthält ein chimäres NOS-NPT II-NOS-Gen. Dieses Plasmid (und pMON128, im nachstehenden beschrieben) kann durch EcoRI verdaut werden und ein 1,5 kb Fragment kann gereinigt werden, das das NOS-NPT II-NOS-Gen enthält.Plasmid pMON75 (described in detail in a separate application entitled "Chimeric Genes Suitable for Expression in Plant Cells," cited above) contains a chimeric NOS-NPT II-NOS gene. This plasmid (and pMON128, described below) can be digested by EcoRI and a 1.5 kb fragment can be purified containing the NOS-NPT II-NOS gene.

Plasmid pMON120 wurde mit EcoRI verdaut und mit alkalischer Kälberphosphatase behandelt. Nach Phenoldeproteinisierung und Äthanolausfällung wurde die Eco-RI-gespaltene lineare pMON120- DNA mit 0,5 ug des 1,5 kb EcoRI-chimären Genfragments von pMON75 oder 76 gemischt. Die Mischung wurde mit 2 Einheiten T4 DNA- Ligase 1 h bei 22ºC behandelt. Nach Transformation von E. coli- Zellen und Selektion von auf Spectinomycin resistenten Kolonien (50 ug/ml) erschienen mehrere tausend Kolonien. 6 hievon wurden genommen und gezüchtet und Plasmid-Minipreps wurden gemacht. Die Plasmid-DNA's wurden mit EcoRI verdaut, um auf das 1,5 kb chimäre Geninsert zu prüfen, und mit BamHI, um die Orientierung des Inserts zu bestimmen. BamHI-Verdau zeigte, daß in pMON128 das chimäre Gen in der gleichen Richtung transkribiert war wie das intakte Nopalinsynthasegen von pMON120. Eine Kultur von E. coli enthaltend pMON128 wurde bei American Type Culture Collection hinterlegt. Dieser Kultur wurde die Nummer 39264 zugeordnet. Die Orientierung des Inserts in pMON129 war entgegengesetzt jener in pMON128; das Erscheinen eines weiteren 1,5 kb BamHI-Fragments in Verdaus von pMON129 zeigte, daß Plasmid pMON129 eine Tandemduplikation des chimären NOS-NPT II- NOS-Gens trug, wie in Fig. 8 gezeigt.Plasmid pMON120 was digested with EcoRI and treated with calf alkaline phosphatase. After phenol deproteinization and ethanol precipitation, the EcoRI-digested linear pMON120 DNA was mixed with 0.5 µg of the 1.5 kb EcoRI chimeric gene fragment from pMON75 or 76. The mixture was treated with 2 units of T4 DNA ligase for 1 h at 22°C. After transformation of E. coli cells and selection of spectinomycin-resistant colonies (50 µg/ml), several thousand colonies appeared. Six of these were picked and grown and plasmid minipreps were made. The plasmid DNAs were digested with EcoRI to check for the 1.5 kb chimeric gene insert and with BamHI to determine the orientation of the insert. BamHI digestion showed that in pMON128 the chimeric gene was transcribed in the same direction as the intact nopaline synthase gene of pMON120. A culture of E. coli containing pMON128 was deposited with the American Type Culture Collection. This culture was assigned the number 39264. The orientation of the insert in pMON129 was opposite that in pMON128; the appearance of an additional 1.5 kb BamHI fragment in digests of pMON129 indicated that plasmid pMON129 carried a tandem duplication of the chimeric NOS-NPT II-NOS gene, as shown in Fig. 8.

Beispiel 7: Schaffung von co-integralem Plasmid pMON128::pTIB6S3TraCExample 7: Creation of co-integral plasmid pMON128::pTIB6S3TraC

Plasmid pMON128 (in Beispiel 6 beschrieben) wurde unter Anwendung eines Triparental-Plattenpaarungsverfahrens wie folgt in chloramphenicolresistentes Agrobacterium tumefaciens Stamm GV3111=C58Cl, der Ti-Plasmid pTiB6S3traC (Leemans et al., 1982) trägt, transferiert. 0,2 ml einer Kultur von pMON128 tragendem E. coli wurden mit 0,2 ml einer Kultur von E. coli Stamm HB101, der ein pRK2013 Plasmid (Ditta et al., 1980) trägt, und 0,2 ml GV3111-Zellen gemischt. Die Zellmischung wurde in Luria- Brühe (LB) gezüchtet, auf einer LB-Platte verteilt und 16 bis 24 h bei 30ºC inkubiert, um Plasmidtransfer und Bildung von cointegralen Plasmiden zu ermöglichen. Die Zellen wurden in 3 ml 10 mM MgSO&sub4; wieder suspendiert und 0,2 ml aliquote Teile wurden dann auf eine LB-Platte enthaltend 25 ug/ml Chloramphenicol und jeweils 100 ug/ml Spectinomycin und Streptomycin aufgetragen. Nach Inkubation während 48 h bei 30ºC wurden ungefähr 10 Kolonien erhalten. Eine Kolonie wurde gewählt und bei 30ºC in Chloramphenicol, Spectinomycin und Streptomycin in den oben angegebenen Konzentrationen enthaltendem LB-Medium gezüchtet.Plasmid pMON128 (described in Example 6) was transferred into chloramphenicol-resistant Agrobacterium tumefaciens strain GV3111=C58Cl carrying Ti plasmid pTiB6S3traC (Leemans et al., 1982) using a triparental plate mating procedure as follows. 0.2 ml of a culture of E. coli carrying pMON128 was mixed with 0.2 ml of a culture of E. coli strain HB101 carrying a pRK2013 plasmid (Ditta et al., 1980) and 0.2 ml of GV3111 cells. The cell mixture was grown in Luria broth (LB), spread on an LB plate and incubated for 16 to 24 h at 30°C to allow plasmid transfer and formation of cointegral plasmids. The cells were resuspended in 3 ml of 10 mM MgSO4 and 0.2 ml aliquots were then plated on an LB plate containing 25 µg/ml chloramphenicol and 100 µg/ml each of spectinomycin and streptomycin. After incubation for 48 h at 30°C, approximately 10 colonies were obtained. A colony was chosen and grown at 30°C in LB medium containing chloramphenicol, spectinomycin and streptomycin at the concentrations indicated above.

Eine separate Art von co-integralem Plasmid zur Verwendung in Kontrollversuchen wurde durch Insertieren von pMON120 in A. tumefaciens-Zellen und Selektionieren auf Zellen mit cointegralen Plasmiden unter Verwendung von Spectinomycin und Streptomycin, wie oben beschrieben, hergestellt. Wie pMON120 enthalten diese Plasmide nicht das chimäre NOS-NPT II-NOS-Gen. Beispiel 8: In Pflanzenzellkulturen verwendete Lösung Die folgenden Lösungen wurden von der Anmelderin verwendet: pro Liter Enzymmischung: Cellulysin Macerozym Ampicillin KH&sub2;PO&sub4; KNO&sub3; CaCl&sub2; MgSO&sub4;·7H&sub2;O KI CuSO&sub4;·5H&sub2;O Mannit MS9: MS-Salze (siehe unten) Saccharose B5-Vitamine (siehe unten) Mannit Phytohormone: Benzyladenin (BA) 2,4-D MS-ES: MOS: Speiseplattenmedium: MS-Salze Saccharose B5-Vitamine Mannit Phytohormone: BA Ms2C: MS104: MS11: B5-Vitaminvorrat: Spülflüssigkeit: Chlorphenoxyessigsäure NAA Zeatin Myoinosit Thiamin.HCl Nikotinsäure Pyrodoxin.HCl PVP-40A separate type of co-integral plasmid for use in control experiments was prepared by inserting pMON120 into A. tumefaciens cells and selecting for cells with co-integral plasmids using spectinomycin and streptomycin as described above. Like pMON120, these plasmids do not contain the chimeric NOS-NPT II-NOS gene. Example 8: Solution used in plant cell culture The following solutions were used by the Applicant: per litre of enzyme mixture: Cellulysin Macerozyme Ampicillin KH₂PO₄ KNO₃ CaCl₂ MgSO₄·7H₂O KI CuSO₄·5H₂O Mannitol MS9: MS salts (see below) Sucrose B5 vitamins (see below) Mannitol Phytohormones: Benzyladenine (BA) 2,4-D MS-ES: MOS: Feeding plate medium: MS salts Sucrose B5 vitamins Mannitol Phytohormones: BA Ms2C: MS104: MS11: B5 vitamin supply: Rinse fluid: Chlorophenoxyacetic acid NAA Zeatin Myoinositol Thiamine.HCl Nicotinic acid Pyrodoxine.HCl PVP-40

MS-Salze werden vorgemischt als ein trockenes Pulver von Gibco Laboratories, Grand Island, N.Y., gekauft.MS salts are purchased premixed as a dry powder from Gibco Laboratories, Grand Island, N.Y.

Beispiel 9: Herstellung von ProtoplastenExample 9: Production of protoplasts

Mitchell-Petunienpflanzen wurden in Zuchtkammern mit 2 oder 3 Reihen Fluoreszenzlampen und zwei Reihen Glühlampen (etwa 5000 Lux) gezogen. Die Temperatur wurde bei 21ºC konstant gehalten und die Beleuchtungen waren 12 h pro Tag eingeschaltet. Die Pflanzen wurden in einer 50/50 Mischung von Vermiculit und Promix BX (Premier Brands Inc., Canada) gezogen. Die Pflanzen wurden einmal am Tag mit Hoagland-Nährlösung bewässert. Von dunkelgrünen Pflanzen mit kompaktem buschigen Wachstum wurde Gewebe genommen. Die Blätter wurden in einer Lösung von 10 % im Handel erhältlicher Bleiche und einer kleinen Menge Detergens oder Tween 20 20 min unter gelegentlichem Bewegen sterilisiert. Die Blätter wurden zwei- oder dreimal mit sterilem destillierten Wasser gespült. Von den Blättern wurden senkrecht zur Hauptrippe dünne Streifen (etwa 1 mm) herausgeschnitten. Die Streifen wurden in einem Verhältnis von etwa 1 g Gewebe zu 10 ml Enzyme in die Enzymmischung gegeben. Die Schalen wurden mit Parafilm verschlossen und im Dunkeln oder unter geringem indirekten Licht unter kontinuierlichem leichten Bewegen (z. B. 40 UpM auf einem doppelt rotierenden Schüttler) inkubiert. Enzyminkubationen wurden im allgemeinen über Nacht etwa 16 bis 20 h lang durchgeführt.Mitchell petunia plants were grown in growth chambers with 2 or 3 rows of fluorescent lamps and two rows of incandescent lamps (about 5000 lux). The temperature was kept constant at 21ºC and the lights were on for 12 h per day. The plants were grown in a 50/50 mixture of vermiculite and Promix BX (Premier Brands Inc., Canada). The plants were watered once a day with Hoagland nutrient solution. Tissue was taken from dark green plants with compact bushy growth. The leaves were sterilized in a solution of 10% commercial bleach and a small amount of detergent or Tween 20 for 20 min with occasional agitation. The leaves were rinsed two or three times with sterile distilled water. Thin strips (about 1 mm) were cut from the leaves perpendicular to the main rib. The strips were added to the enzyme mixture at a ratio of approximately 1 g tissue to 10 ml enzyme. The dishes were sealed with parafilm and incubated in the dark or under low indirect light with continuous gentle agitation (e.g., 40 rpm on a double rotating shaker). Enzyme incubations were generally carried out overnight for approximately 16 to 20 hours.

Die Verdaumischung wurde durch ein 68, 74 oder 88 um-Sieb gesiebt, um großes Debris- und Blattmaterial zu entfernen. Das Filtrat wurde 5 min bei 70 bis 100 g geschleudert, um die Protoplasten zu pelletisieren. Der Überstand wurde dekantiert und das Pellet in Spüllösung wieder leicht suspendiert. Diese Suspension wurde in Babcock-Flaschen gegossen. Die Flaschen wurden bis auf 2 oder 3 cm oberhalb der Basis des Halses gefüllt. 1 ml Wachstumsmedium MS9 wurde vorsichtig oben auf die Spülflüssigkeit gegeben.The digestion mixture was sieved through a 68, 74, or 88 µm sieve to remove large debris and leaf material. The filtrate was spun at 70 to 100 g for 5 min to pellet the protoplasts. The supernatant was decanted and the pellet was slightly resuspended in rinse solution. This suspension was poured into Babcock bottles. The bottles were filled to within 2 or 3 cm of the base of the neck. 1 ml of growth medium MS9 was carefully added to the top of the rinse solution.

Die Babcock-Flaschen wurden ins Gleichgewicht gebracht und 10 bis 20 min bei 500 bis 1000 UpM zentrifugiert. Die Protoplasten bildeten ein kompaktes Band im Hals an der Grenzfläche. Das Band wurde mit einer Pipette entfernt, wobei darauf geachtet wurde, keine überschüssige Spülflüssigkeit aufzunehmen. Die Protoplasten wurden in MS9 verdünnt. Zu diesem Zeitpunkt wurden die Protoplasten mit MS9 gewaschen oder ohne Waschen zum Plattieren verdünnt.The Babcock flasks were equilibrated and centrifuged at 500 to 1000 rpm for 10 to 20 min. The protoplasts formed a compact band in the neck at the interface. The band was removed with a pipette, taking care not to pick up excess rinsing fluid. The protoplasts were diluted in MS9. At this point, the protoplasts were washed with MS9 or diluted without washing for plating.

Protoplasten wurden in MS9-Medium bei 5·10&sup4; pro ml suspendiert und in T-75-Kolben mit 6 ml pro Kolben plattiert. Die Kolben wurden auf einer waagrechten Fläche mit schwachem indirekten Licht oder im Dunkeln bei 26 bis 28ºC inkubiert. Am dritten Tag nach der Entfernung der Enzyme vom Blattgewebe wurde MSO (Medium, das kein Mannit enthält) zu jedem Kolben zugesetzt, wobei eine Menge gleich der Hälfte des ursprünglichen Volumens verwendet wurde. Die gleiche Menge MSO wird am Tag 4 wieder zugesetzt. Dies reduziert die Mannitkonzentration auf etwa 0,33 M nach der ersten Verdünnung und etwa 0,25 M nach der zweiten Verdünnung.Protoplasts were suspended in MS9 medium at 5 x 10⁴ per ml and plated in T-75 flasks at 6 ml per flask. The flasks were incubated on a horizontal surface with low indirect light or in the dark at 26 to 28°C. On the third day after removal of enzymes from leaf tissue, MSO (medium containing no mannitol) was added to each flask using an amount equal to half the original volume. The same amount of MSO is added again on day 4. This reduces the mannitol concentration to about 0.33 M after the first dilution and about 0.25 M after the second dilution.

Beispiel 10: Cokultivierung mit BakterienExample 10: Co-cultivation with bacteria

Am Tag 5 nach Protoplastenisolierung wurden 5 bis 7 Tage alte Tabaksuspensionskulturen (TXD-Zellen) (wenn notwendig) mit MS2C-Medium so weit verdünnt, daß sich 1 ml leicht über die Oberfläche von Agar-Medium in einer 100·15 mm Petrischale verteilen würde [d. h. eine 10 bis 15%ige Suspension (G/V)]. Das Agar-Medium wurde durch Mischen von 0,8% Agar mit MS-ES-Medium, Behandeln der Mischung im Autoklaven und Kühlen der Mischung, bis sie sich in der Platte verfestigt, erhalten. 1 ml der TXD- Suspension wurde über 25 ml Speiseplattenmedium verteilt. Eine 8,5 cm Scheibe Whatman Nr. 1-Filterpapier wurde über die TXD- Speisezellen gelegt und geglättet. Eine 7 cm-Scheibe des gleichen Papiers wurde in die Mitte der größeren gelegt.On day 5 after protoplast isolation, 5- to 7-day-old tobacco suspension cultures (TXD cells) were diluted (if necessary) with MS2C medium to such an extent that 1 ml would easily spread over the surface of agar medium in a 100 x 15 mm Petri dish [i.e., a 10 to 15% suspension (w/v)]. The agar medium was obtained by mixing 0.8% agar with MS-ES medium, autoclaving the mixture, and cooling the mixture until it solidified in the plate. 1 ml of the TXD suspension was spread over 25 ml of feeding plate medium. An 8.5 cm disk of Whatman No. 1 filter paper was placed over the TXD feeding cells and smoothed. A 7 cm disk of the same paper was placed in the center of the larger one.

Getrennt wurden aliquote Teile einer Kultur von A. tumefaciens-Zellen (in liefeextrakt-Peptonmedium gezüchtet) in die Kolben eingebracht, die die Pflanzenzellen enthielten. Ein Satz von aliquoten Teilen enthielt Zellen mit den cointegralen pMON128::Ti-Plasmiden mit chimären NOS-NPT II-NOS-Genen. Der andere Satz von aliquoten Teilen enthielt Zellen mit den cointegralen pMON120::Ti-Plasmiden, die keine chimären NOS-NPT II-NOS- Gene aufwiesen.Separately, aliquots of a culture of A. tumefaciens cells (grown in fruit extract-peptone medium) were added to the flasks containing the plant cells. One set of aliquots contained cells with the cointegral pMON128::Ti plasmids with chimeric NOS-NPT II-NOS genes. The other set of aliquots contained cells with the cointegral pMON120::Ti plasmids that lacked chimeric NOS-NPT II-NOS genes.

Die Bakterien wurden den Kolben auf eine Dichte von 10&sup8; Zellen/ml zugesetzt. 0,5 ml der Zellmischung wurden in einer dünnen Schicht auf der Oberfläche der 7 cm-Filterpapierscheibe verteilt. Die Platten wurden in Parafilm- oder Kunststoffsäcke eingewickelt und unter direkter Fluoreszenzbeleuchtung inkubiert, nicht mehr als 5 Platten in einem Stapel.Bacteria were added to the flasks to a density of 108 cells/ml. 0.5 ml of the cell mixture was spread in a thin layer on the surface of the 7 cm filter paper disk. Plates were wrapped in parafilm or plastic bags and incubated under direct fluorescent illumination, no more than 5 plates in a stack.

Innerhalb von 7 Tagen waren Kolonien feststellbar. Innerhalb von 14 Tagen wurden die 7 cm-Scheiben mit daran haftenden Kolonien in neues MSO-Agarmedium (ohne Speisezellen) mit einem Gehalt von 500 ug/ml Carbenicillin sowie 50 ug/ml Kanamycinsulfat (Sigma, St. Louis, MO) transferiert. Innerhalb von 2 Wochen konnten auf den Platten, die Pflanzenzellen enthielten, welche mit A. tumefaciens-Stämmen enthaltend das pMON128 cointegrale NOS-NPT II-Plasmid cokultiviert worden waren, stark wachsende grüne Kolonien festgestellt werden. Keine transformierten Kolonien wurden auf Platten festgestellt, die Pflanzenzellen enthielten, welche mit A. tumefaciens-Stämmen enthaltend das cointegrale pMON120-Plasmid cokultiviert worden waren. Die kanamycinresistenten Transformanden sind im kanamycinhaltigen Kulturmedium zum ununterbrochenen Wachstum fähig. Southern- Blotting-Versuche (wie in E.Southern, J.Mol.Biol. , 503 (1975), beschrieben) bestätigten, daß diese Zellen das chimäre NOS-NPT II-Gen enthalten.Colonies were observed within 7 days. Within 14 days, the 7 cm disks with attached colonies were transferred to new MSO agar medium (without feeder cells) containing 500 ug/ml carbenicillin and 50 ug/ml kanamycin sulfate (Sigma, St. Louis, MO). Within 2 weeks, vigorously growing green colonies were observed on plates containing plant cells co-cultured with A. tumefaciens strains containing the pMON128 cointegral NOS-NPT II plasmid. No transformed colonies were observed on plates containing plant cells co-cultured with A. tumefaciens strains containing the pMON120 cointegral plasmid. The kanamycin-resistant transformants are capable of uninterrupted growth in the kanamycin-containing culture medium. Southern blotting experiments (as described in E. Southern, J. Mol. Biol. , 503 (1975),) confirmed that these cells contain the chimeric NOS-NPT II gene.

Beide Sätze von transformierten Zellen (und ein dritter Satz von Zellen, die auf gleiche Weise durch ein für das Enzym NPT Typ I codierendes chimäres Gen transformiert worden waren) wurden auf Kanamycinresistenz geprüft. Die Ergebnisse sind in Fig. 11 angegeben.Both sets of transformed cells (and a third set of cells similarly transformed by a chimeric gene encoding the NPT type I enzyme) were tested for kanamycin resistance. The results are shown in Fig. 11.

Beispiel 11: Regeneration von transformierten PflanzenExample 11: Regeneration of transformed plants

Die in Beispiel 10 beschriebenen transformierten kanamycinresistenten Kolonien enthielten sowohl tumoröse als auch nichttumoröse Zellen, wie in Fig. 9 und dem sich darauf beziehenden Text beschrieben. Das folgende Verfahren wurde zum Isolieren von nicht-tumorösen transformierten Zellen aus tumorösen transformierten Zellen und zum Regenerieren von differenziertem Pflanzengewebe aus den nicht-tumorösen Zellen verwendet.The transformed kanamycin-resistant colonies described in Example 10 contained both tumorous and non-tumorous cells as described in Figure 9 and the related text. The following procedure was used to isolate non-tumorous transformed cells from tumorous transformed cells and to regenerate differentiated plant tissue from the non-tumorous cells.

Kolonien wurden auf MS104-Agarmedium enthaltend 30 u/ml Kanamycinsulfat und 500 ug/ml Carbenicillin gezüchtet, bis sie einen Durchmesser von etwa 1 cm erreichten. Überwiegend tumoröse Kolonien zeigen einen etwas blasseren Grünton und sind lockerer organisiert als überwiegend nicht-tumoröse Kolonien. Nicht-tumoröse Kolonien wurden aus dem MS104-Medium mit Pinzetten entfernt und auf MS11-Medium enthaltend 30 ug/ml Kanamycin und 500 ug/ml Carbenicillin aufgebracht. Als die Kolonien weiter wuchsen, wurden Kolonien, die blaßgrün aussahen und locker organisiert waren, entfernt und verworfen.Colonies were grown on MS104 agar medium containing 30 u/ml kanamycin sulfate and 500 ug/ml carbenicillin until they reached a diameter of approximately 1 cm. Predominantly tumorous colonies show a slightly paler shade of green and are more loosely organized than predominantly non-tumorous colonies. Non-tumorous colonies were removed from the MS104 medium with forceps and placed on MS11 medium containing 30 ug/ml kanamycin and 500 ug/ml carbenicillin. When the colonies continued to grew, colonies that appeared pale green and were loosely organized were removed and discarded.

MS11-Medium enthält Zeatin, ein Phytohormon, das in nichttumorösen Kolonien Triebbildung induziert. Es wurden schließlich einige Triebe festgestellt, die aus kanamycinresistenten Kolonien sprossen. Diese Triebe können auf die gewünschte Größe wachsen gelassen, mit einer scharfen Klinge abgeschnitten und in Agarmedium ohne Phytohormone, wie MSO, eingebracht werden, so sie Wurzeln bilden können. Wenn gewünscht, kann das Medium mit Naphthalinessigsäure ergänzt werden, um Wurzelbildung zu bewirken. Die Pflanzen können im Agarmedium auf die gewünschte Größe wachsen gelassen und dann in Erde transferiert werden. Bei geeigneter Kultivierung wachsen solche Pflanzen bis zur Reife und bilden Samen. Die Nachkommenschaft erbt das erlangte Merkmal gemäß den klassischen Mendelschen-Gesetzen.MS11 medium contains zeatin, a phytohormone that induces shoot formation in nontumorous colonies. Some shoots were eventually found to sprout from kanamycin-resistant colonies. These shoots can be grown to the desired size, cut with a sharp blade, and placed in agar medium without phytohormones such as MSO so that they can form roots. If desired, the medium can be supplemented with naphthaleneacetic acid to induce root formation. Plants can be grown in agar medium to the desired size and then transferred to soil. With appropriate cultivation, such plants will grow to maturity and form seeds. The offspring will inherit the acquired trait according to classical Mendelian laws.

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L. Willmitzer et al, Nature 287: 359 (1980)L. Willmitzer et al, Nature 287: 359 (1980)

L. Willmitzer et al, The EMBO J 1: 139 (1982)L. Willmitzer et al, The EMBO J 1: 139 (1982)

N. Yadev et al, Nature 287: 1 (1980)N. Yadev et al, Nature 287: 1 (1980)

F. Yang et al, Mol. Gen. Genet. 177: 707 (1980)F. Yang et al, Mol. Gen. Genet. 177: 707 (1980)

P. Zambryski et al, J. Mol. Appl. Genet. 1: 361 (1982)P. Zambryski et al, J. Mol. Appl. Genetics 1: 361 (1982)

Claims (18)

1. Cointegrales Plasmid zur Verwendung beim Transformieren von Pflanzenzellen und gebildet durch Rekombination durch einen einzigen Crossover1. Cointegral plasmid for use in transforming plant cells and formed by recombination through a single crossover (A) eines chimären Plasmids umfassend ein Gen, das in Pflanzen zum Exprimieren eines codierten Polypeptids wirkt, welches Plasmid in Sequenz umfaßt:(A) a chimeric plasmid comprising a gene that functions in plants to express an encoded polypeptide, which plasmid comprises in sequence: (a) eine zu T-DNA homologe DNA-Region, die sich nahe der linken T-DNA-Grenze eines tumorinduzierenden Plasmids von Agrobacterium befindet und die imstande ist, in vivo Rekombination des chimären Plasmids mit dem tumorinduzierenden Plasmid von < Agrobacterium durch einen einzigen Crossover zu bewirken,(a) a DNA region homologous to T-DNA located near the left T-DNA border of a tumor-inducing plasmid of Agrobacterium and capable of causing in vivo recombination of the chimeric plasmid with the tumor-inducing plasmid of < Agrobacterium by a single crossover, b) ein Gen, umfassend einen in Pflanzenzellen wirkenden Promotor, eine Codierstruktursequenz, die ein in Pflanzenzellen exprimierbares Polypeptid codiert, und eine 3'-nicht-translatierte Region, die ein Polyadenylierungssignal codiert, wobei der Promotor und das Polyadenylierungssignal wirkungsmäßig mit der Codierstruktursequenz verknüpft sind, undb) a gene comprising a promoter acting in plant cells, a coding structure sequence encoding a polypeptide expressible in plant cells, and a 3'-untranslated region encoding a polyadenylation signal, wherein the promoter and the polyadenylation signal are operably linked to the coding structure sequence, and c) eine Agrobacterium-Plasmid-T-DNA-rechte Grenzsequenz, die den Transfer und das Einschleusen von T-DNA in das Genom einer Pflanzenzelle ermöglicht, welches chimäre Plasmid keine pflanzentumorerzeugenden Gene zwischen und einschließend Region (a), Gen (b) und Grenzsequenz (c) enthält, undc) an Agrobacterium plasmid T-DNA right border sequence that enables the transfer and introduction of T-DNA into the genome of a plant cell, which chimeric plasmid does not contain any plant tumorigenic genes between and including region (a), gene (b) and border sequence (c), and (B) eines Ti-Plasmids, das zum Transferieren der T-DNA-Region in das Genom einer Pflanzenzelle imstande ist, derart, daß das cointegrale Plasmid eine T-DNA-Region mit folgenden Elementen in Sequenz aufweist:(B) a Ti plasmid capable of transferring the T-DNA region into the genome of a plant cell, such that the cointegral plasmid has a T-DNA region with the following elements in sequence: (i) eine linke T-DNA-Grenzsequenz,(i) a left T-DNA border sequence, (ii) das Gen (b) des chimären Plasmids,(ii) the gene (b) of the chimeric plasmid, (iii) mindestens eine rechte T-DNA-Grenzsequenz,(iii) at least one right T-DNA border sequence, wobei die T-DNA-Grenzsequenzen den Transfer der T-DNA-Region in das Genom einer Pflanzenzelle ermöglichen und wobei es zwischen und einschließlich linker T-DNA-Grenzsequenz, Gen (b) und rechter T-DNA-Grenzsequenz oder (wenn es mehr als eine rechte T-DNA- Grenzsequenz gibt) zwischen Gen (b) und rechter T-DNA-Grenz- Sequenz, welche der linken T-DNA-Grenzsequenz am nächsten ist, (1) keine Gene gibt, die eine transformierte Pflanzenzelle tumorös oder zur Regeneration in eine morphologisch normale Pflanze unfähig machen würden, und (2) keine Duplizierung von DNA-Sequenzen gibt, welche Duplizierung durch homologe Rekombination in Verlust des Gens (b) resultieren könnte.wherein the T-DNA border sequences enable the transfer of the T-DNA region into the genome of a plant cell and wherein there is a boundary between and including the left T-DNA border sequence, gene (b) and right T-DNA border sequence or (if there is more than one right T-DNA border sequence) between gene (b) and the right T-DNA border sequence which is closest to the left T-DNA border sequence, (1) there are no genes which would render a transformed plant cell tumorous or incapable of regeneration into a morphologically normal plant, and (2) there is no duplication of DNA sequences which duplication by homologous recombination could result in loss of gene (b). 2. Plasmid nach Anspruch 1, in dem das Polypeptid als Selektionsmarker in transformierten Pflanzenzellen wirkt.2. Plasmid according to claim 1, in which the polypeptide acts as a selection marker in transformed plant cells. 3. Plasmid nach Anspruch 2, in dem das Polypeptid bewirkt, daß die Pflanzenzellen antibiotikumresistent sind.3. Plasmid according to claim 2, in which the polypeptide causes the plant cells to be antibiotic resistant. 4. Plasmid nach Anspruch 3, in dem das Polypeptid Neomycinphosphotransferase ist.4. A plasmid according to claim 3, wherein the polypeptide is neomycin phosphotransferase. 5. Plasmid nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem das pflanzentumorinduzierende Plasmid ein Wildtyp Ti-Plasmid ist5. Plasmid according to one of claims 1 to 4, in which the plant tumor-inducing plasmid is a wild-type Ti plasmid 6. Plasmid nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem das pflanzentumorinduzierende Plasmid ein entwaffnetes Ti-Plasmid ist, in dem die tumorerzeugenden Gene und die rechte T-DNA- Grenze entfernt wurden.6. A plasmid according to any one of claims 1 to 4, in which the plant tumor-inducing plasmid is a disarmed Ti plasmid in which the tumorigenic genes and the right T-DNA border have been removed. 7. Cointegrales Ti-Plasmid nach Anspruch 1 mit einem ersten Gen, das Expression eines Polypeptids bewirkt, das als Selektionsmarker in Bakterien wirkt, und einer T-DNA-Region, die ein zweites Gen umfaßt, das Expression eines Polypeptids bewirkt, das als Selektionsmarkergen in den transformierten Pflanzenzellen wirkt, und einem dritten Gen, das Expression eines dritten Polypeptids in Pflanzenzellen bewirkt.7. Cointegral Ti plasmid according to claim 1, having a first gene that causes expression of a polypeptide that acts as a selection marker in bacteria, and a T-DNA region comprising a second gene that causes expression of a polypeptide that acts as a selection marker gene in the transformed plant cells, and a third gene that causes expression of a third polypeptide in plant cells. 8. Plasmid nach Anspruch 7, in dem das dritte Gen als Zählmarkergen wirkt.8. Plasmid according to claim 7, in which the third gene acts as a counting marker gene. 9. Plasmid nach Anspruch 8, in dem das dritte Gen ein chimäres Gen ist.9. A plasmid according to claim 8, in which the third gene is a chimeric gene. 10. Plasmid nach einem der Ansprüche 8 und 9, gebildet durch einen einzigen Crossover zwischen einem chimären Plasmid umfassend ein Gen, das in Pflanzen zum Exprimieren eines Antibiotikumresistenzmarkers wirkt, welches Plasmid in Sequenz umfaßt:10. Plasmid according to one of claims 8 and 9, formed by a single crossover between a chimeric plasmid comprising a gene which functions in plants to express an antibiotic resistance marker, which plasmid comprises in sequence: (a) eine zu T-DNA homologe DNA-Region, die sich nahe der linken T-DNA-Grenze eines tumorinduzierenden Plasmids von Agrobacterium befindet und die imstande ist, in vivo Rekombination des chimären Plasmids mit dem tumorinduzierenden Plasmid von Agrobacterium durch einen einzigen Crossover zu bewirken,(a) a DNA region homologous to T-DNA located near the left T-DNA border of an Agrobacterium tumor-inducing plasmid and capable of causing in vivo recombination of the chimeric plasmid with the Agrobacterium tumor-inducing plasmid by a single crossover, b) ein Gen umfassend einen in Pflanzenzellen wirkenden Promotor, eine Codierstruktursequenz, die einen in Pflanzenzellen exprimierbaren Antibiotikumresistenzmarker codiert, und eine 3'-nicht-translatierte Region, die ein Polyadenylierungssignal codiert, wobei der Promotor und das Polyadenylierungssignal wirkungsmäßig mit der Codierstruktursequenz verknüpft sind, undb) a gene comprising a promoter acting in plant cells, a coding structure sequence encoding an antibiotic resistance marker expressible in plant cells, and a 3'-untranslated region encoding a polyadenylation signal, wherein the promoter and the polyadenylation signal are operably linked to the coding structure sequence, and c) eine Agrobacterium-Plasmid-T-DNA-rechte Grenzsequenz, die den Transfer und das Einschleusen von T-DNA in das Genom einer Pflanzenzelle ermöglicht, welches chimäre Plasmid keine pflanzentumorerzeugenden Gene zwischen und einschließend Region (a), Gen (b) und Grenzsequenz (c) enthält,c) an Agrobacterium plasmid T-DNA right border sequence which enables the transfer and introduction of T-DNA into the genome of a plant cell, which chimeric plasmid does not contain any plant tumorigenic genes between and including region (a), gene (b) and border sequence (c), und einem pflanzentumorinduzierenden Plasmid von Agrobacterium.and a plant tumor-inducing plasmid from Agrobacterium. 11. Plasmid nach Anspruch 7, in dem das zweite Gen den Pflanzenzellen Antibiotikumresistenz verleiht.11. A plasmid according to claim 7, wherein the second gene confers antibiotic resistance to the plant cells. 12. Plasmid nach Anspruch 11, in dem das zweite Gen Neomycinphosphotransferase exprimiert.12. A plasmid according to claim 11, in which the second gene expresses neomycin phosphotransferase. 13. Plasmid nach Anspruch 7, das keine tumorerzeugenden Gene enthält.13. Plasmid according to claim 7, which does not contain tumorigenic genes. 14. Mikroorganismus, der ein chimäres Plasmid nach Anspruch 1 enthält.14. A microorganism containing a chimeric plasmid according to claim 1. 15. Mikroorganismus, der ein chimäres Plasmid nach Anspruch 7 enthält.15. A microorganism containing a chimeric plasmid according to claim 7. 16. Mikroorganismus nach Anspruch 15, der ein chimäres Plasmid nach Anspruch 12 enthält.16. A microorganism according to claim 15, which contains a chimeric plasmid according to claim 12. 17. Kultur von Mikroorganismen von Anspruch 14.17. Culture of microorganisms of claim 14. 18. Kultur nach Anspruch 17, identifiziert durch ATCC-Nr. 39266.18. The culture of claim 17, identified by ATCC No. 39266.
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