ES2197148T3 - Casete de expresion y plasmidos para una expresion especifica para celulas guardas y su uso para la introduccion de celulas de plantas transgenicas y plantas. - Google Patents

Casete de expresion y plasmidos para una expresion especifica para celulas guardas y su uso para la introduccion de celulas de plantas transgenicas y plantas.

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ES2197148T3 ES93905294T ES93905294T ES2197148T3 ES 2197148 T3 ES2197148 T3 ES 2197148T3 ES 93905294 T ES93905294 T ES 93905294T ES 93905294 T ES93905294 T ES 93905294T ES 2197148 T3 ES2197148 T3 ES 2197148T3
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Abstract

SE DESCRIBEN UNA CASILLA DE EXPRESION Y PLASMIDOS QUE CONTIENEN UNA CASILLA DE EXPRESION, QUE CONTIENEN LA REGION INICIADORA REGULADORA DE TRANSCRIPCION PARA UNA EXPRESION DE GEN ESPECIFICO DE CELULA DE PROTECCION. EN LA CASILLA DE EXPRESION ESTA CONTENIDO EL PROMOTOR DE CELULA PROTECTORA QUE TIENE LA SECUENCIA SEQ.ID NO: 1: LA REGION INICIADORA EN LA CASILLA DE EXPRESION ASEGURA UNA EXPRESION DE GEN ESPECIFICO DE CELULA PROTECTORA Y CAUSA LA NO EXPRESION EN CELULAS MESOFILICAS O CELULAS EPIDERMICAS DE LAS HOJAS DE PLANTAS. TAMBIEN SE DESCRIBE LA PREPARACION DE LA CASILLA DE EXPRESION Y LOS PLASMIDOS QUE CONTIENEN ESTA CASILLA DE EXPRESION. TAMBIEN SE DESCRIBE EL USO DE LA CASILLA DE EXPRESION Y LOS PLASMIDOS QUE CONTIENEN ESTA CASILLA DE EXPRESION PARA PREPARAR PLANTAS CELULAS VEGETALES TRANSGENICAS.

Description

Casete de expresión y plásmidos para una expresión específica para células guardas y su uso para la introducción de células de plantas transgénicas y plantas.
El presente invento se refiere a una casete de expresión y a plásmidos que contienen esta casete de expresión. La secuencia de ADN de la casete de expresión contiene una región iniciadora reguladora de la transcripción, que asegura una expresión de genes específicos en la célula guarda de las hojas de plantas, y no asegura ninguna expresión en células mesófilas o epidérmicas de las hojas. El invento se refiere además a un procedimiento para la preparación de células de plantas transgénicas, que contienen secuencias de la casete de expresión, así como al uso de los plásmidos que contienen la casete de expresión para la preparación de plantas transgénicas.
A causa del continuo crecimiento en la población mundial, hay una demanda que va creciendo continuamente de materiales nutritivos y materias primas, a causa de la previsible limitación a largo plazo del terreno agrícola, la tarea constante de la investigación biotecnológica es hacer lo posible para la producción de plantas útiles ecológicamente aceptables de alto rendimiento. Para conseguir esto, ha de ser modificado el metabolismo de las plantas. Esto se puede conseguir, entre otras vías, alterando el ADN en el núcleo celular. El proceso para la modificación genética de plantas dicotiledóneas y monocotiledóneas ya es conocido, (véanse por ejemplo las citas de Fraley, R.T. (1989) Science 244: 1293-1299; y Potrykus (1991) Ann. Rev. Plant. Mol. Biol. Plant. Physiol. 42: 205-225.
Con el presente invento es posible influir sobre el proceso de transpiración y sobre el intercambio gaseoso de una planta tomando en consideración al aumento de rendimiento por medio de manipulación de los genes que son expresados específicamente en células guardas. Esto no es practicable usando los conocidos sistemas de expresión a causa de las consecuencias de amplio alcance de una expresión de genes específicos para células que no sean guardas, para el intercambio total de material de la planta. Un aumento en el rendimiento de las plantas útiles se puede conseguir cambiando la carga con fotosíntesis de las plantas o las necesidades de agua. Para esto, las células guardas de la epidermis del tejido de las hojas constituyen un valioso punto de partida.
Las células guardas son células específicas con forma arriñonada de aquella parte de la epidermis que está por encima del suelo y en el aire que rodea a las partes verdes de las plantas superiores, y que están dispuestas por pares y tienen un intersticio (agujero) entre una y otra. El agujero interrumpe a la película, por lo demás continua, de células de la epidermis y causa la conexión entre el aire exterior y el sistema intercelular. En la mayor parte de las plantas, el área de poros que resulta de los agujeros abiertos ocupa alrededor de 0,5 a 1,5% del área de las hojas. Debido a su formación especial, las células guardas pueden regular su forma a través de cambios activos de la turgencia, de tal manera que el agujero entre ellas se cierre o se abra. Los orificios son por lo tanto reguladores del intercambio, especialmente de la transpiración. Por lo tanto, las células guardas tienen la tarea de regular la resistencia a la difusión de tal manera que la demanda de agua por transpiración y recogida de CO_{2} para la fijación de CO_{2} por fotosíntesis o en la oscuridad, esté en una relación apropiada para los requisitos particulares. La apertura o el cierre de las células guardas lleva de retorno a un cambio en la turgencia en las células guardas propiamente dichas y con ello a la formación de una diferencia de la turgencia en las células guardas con respecto a la existente en las células epidérmicas colindantes (células vecinas).
Las células guardas controlan el intercambio gaseoso entre la recogida de dióxido de carbono y la transpiración (espiración de vapor de agua). Además de la concentración de dióxido de carbono y de las fitohormonas, un constituyente del sistema de control es la concentración de sustancias disueltas, puesto que éstas conducen, por medio de cambios en la turgencia, a la apertura y al cierre de los agujeros. Puesto que los cambios de concentración en sustancias disueltas tienen consecuencias de amplio alcance para el metabolismo de las plantas, independientemente de que esto ocurra en tejidos o en células, es deseable permitir estos cambios solamente en ciertas zonas de plantas o durante un cierto período de tiempo en el ciclo de crecimiento de las plantas. Deberá especialmente ser posible tener un cambio que influya sobre el intercambio gaseoso del dióxido de carbono o también sobre el contenido de sustancia osmóticamente activa de las células guardas que sea independiente de la concentración de estas sustancias en células mesófilas. Por esta razón, hay un gran interés en la identificación y el uso económico de secuencias reguladoras del ADN de genomas de plantas que sean responsables de la transcripción específica en células guardas.
Con la ayuda de secuencias reguladoras específicas para células guardas, por expresión de apropiados genes recientemente introducidos o por modulación de productos de genes endógenos, se pueden introducir una apertura o un cierre o bien un alargamiento o un acortamiento permanentes del período de tiempo de apertura de las células guardas.
El presente invento proporciona un sistema de expresión específica para células guardas, con el que son posibles tales efectos.
La apertura permanente de las células guardas, teniendo en cuenta una transpiración aumentada, debería conducir a una mayor pérdida de agua en las plantas que, sin embargo, por ejemplo en fases tardías del ciclo de crecimiento, puede ser deseable para la aceleración de la maduración de las plantas útiles. Además de esto, puede concebirse, en la producción de plantas fuertemente activas en transpiración para esta finalidad, un drenaje controlado del suelo. Las plantas que enraízan por encima del terreno pueden causar, por una disminución de la capacidad de calor del suelo, un calentamiento más temprano a lo largo de un año de zonas en crecimiento y hacer posible de esta manera una cosecha más temprana de plantas útiles sensibles térmicamente, tales como, por ejemplo, las de remolacha azucarera. Puesto que las plantas cooperantes modificadas genéticamente, introducidas en primer lugar, están obstaculizadas en las fases tardías del ciclo de crecimiento, no conducen a un impedimento del desarrollo de plantas útiles, sino que por el contrario conducen a un aumento del rendimiento a través de una prolongación de la fase de vegetación.
Un mantenimiento en estado ampliamente cerrado de los orificios de agujeros deberá causar, a través de un intercambio gaseoso reducido, un crecimiento retrasado y, como resultado, una prolongación oportuna de la fase de vegetación. Esto puede ser de interés en plantas útiles ornamentales. Además, se pueden producir plantas útiles cooperantes agrícolas que, como cubierta de una tierra débil en transpiración, impiden una erosión de terreno útil en la fase calmada o al comienzo de la fase de vegetación de las plantas útiles.
Se ha mostrado que un cambio en el período de tiempo de apertura de los agujeros es valioso en plantas útiles. Por ejemplo. en plantas cosechadas verdes, especialmente en plantas útiles forrajeras, por retención de agua, se puede impedir la desecación del material de hojas más antiguo, y de esta manera se puede aumentar el rendimiento. Además, se puede considerar una adaptación a una zona con concentración aumentada de dióxido de carbono atmosférico (por ejemplo por adición de CO_{2} a invernaderos). Mediante alargamiento artificial del período de tiempo de apertura, se pueden compensar efectos tales como privación de minerales en una transpiración reducida, como consecuencia de una presión parcial de dióxido de carbono más alta en las plantas.
Por combinación de elementos reguladores, específicos para células guardas, con otros sistemas de control, se pueden observar posibilidades adicionales de uso. Por ejemplo, mediante un acoplamiento de sensores químicos, se puede producir un cierre de los orificios de agujeros, inducido desde fuera de los orificios de agujeros, y de esta manera se podría producir en el momento deseado una detención del crecimiento de ciertas plantas, las denominadas plantas cooperantes agrícolas.
Con el fin de especificar secuencias reguladoras de ADN, se deben buscar primeramente productos que aparezcan solamente en ciertos momentos en el ciclo de crecimiento de las células o en una cierta parte de la planta, tal como aquí en células guardas. Una vez que ha sido identificado y aislado el gen responsable, es necesario realizar una investigación básica de la secuencia y sobre todo la identificación y el aislamiento de la deseada región reguladora de la transcripción. Entonces se debe preparar un modelo apropiado, cuya validez pueda ser demostrada mediante un experimento.
Se proporciona ahora una casete de expresión, que comprende una secuencia de ADN con una región iniciadora reguladora de la transcripción, que asegura una expresión de genes específicos para células guardas, que no causa expresión en células mesófilas o en células epidérmicas de las hojas, de acuerdo con la reivindicación 1. Con la casete de expresión es posible una manipulación de genes de las plantas que causa una apertura o un cierre o bien un alargamiento o un acortamiento permanentes del período de tiempo de apertura de las células guardas.
La secuencia de ADN contiene la región iniciadora reguladora de transcripción para una expresión de genes específicos para células guardas.
En la casete de expresión de acuerdo con la reivindicación 1 está situada la secuencia de ADN del promotor específico para células guardas, que tiene la secuencia (Seq. ID No:1)
1
(véase también el Ejemplo 4)
Las células de plantas, que contienen una región reguladora para una expresión de genes específicos para células guardas, se pueden preparar por el siguiente procedimiento:
a)
Aislamiento del clon GS 6-11 como se describe en los Ejemplos 1 y 2. El clon contiene un fragmento de ADN con un tamaño de aproximadamente 12 kb (kilobases), que contiene un elemento regulador específico para células guardas (véase la Figura 1).
b)
Preparación del plásmido pSF-6 correspondiente al Ejemplo 3 usando el fragmento para SaII con un tamaño de aproximadamente 12 kb del clon GS 6-11.
c)
Preparación del plásmido pH 6-1 usando el fragmento para HincII con un tamaño de aproximadamente 5,3 kb del plásmido pSF-6 correspondiente al Ejemplo 3.
d)
Preparación de los plásmidos pAS (DSM 6906), pAS-GUS (DSM 6907) y/o pS1-D4GUS, usando el fragmento de HincII/BgIII con un tamaño de aproximadamente 3,2 kb de la región iniciadora reguladora del gen de la ADP glucosa pirofosforilasa de Solanum tuberosum procedente del plásmido pH 6-1 (Ejemplo 3). El plásmido pAS-GUS contiene, además de la secuencia del plásmido pAS, la región codificadora del gen de la \beta-glucuronidasa.
e)
Transferencia del ADN-T de los plásmidos pAS (DSM 6906), pAS-GUS (DSM 6907) y/o pS1-D4GUS, a una célula de planta.
Para la introducción de un ADN en una célula hospedante de planta hay disponibles muchas técnicas. Estas técnicas incluyen la transformación con un ADN-T (ácido desoxirribonucleico transformador) usando Agrobacterium tumefaciens o Agrobacterium rhizogenes como agente de transformación, fusión de protoplastos, inyección o electroporación de un ADN, etc. Cuando se usan Agrobacterias para la transformación, el ADN que se está introduciendo debe ser clonado en plásmidos especiales y esto implica ya sea en un vector intermediario o binario. Los vectores intermediarios, constituidos sobre la base de las secuencias, que son homólogas a secuencias existentes en el ADN-T, se pueden integrar por recombinación homóloga en el plásmido Ti o Ri. Éste contiene también la necesaria región vir para la transferencia del ADN-T. Los vectores intermediarios no pueden ser replicados en Agrobacterias. Usando un plásmido cooperante, el vector intermediario puede ser transferido a Agrobacterium tumefaciens (por conjugación). Los vectores binarios pueden ser replicados en E. Coli así como en Agrobacterias. Éstos contienen un gen marcador de selección y un enlazador o polienlazador, que están enmarcados por las regiones colindantes de ADN-T, derecha e izquierda. Éstos se pueden transformar directamente dentro de las Agrobacterias (Holsters y colaboradores (1978) Mol gene geneet 163:181-187). Las Agrobacterias que sirvan como células hospedantes deberán contener un plásmido que lleve una región vir. La región vir es necesaria para la transferencia del ADN-T a las células de plantas. Puede estar contenida una cantidad adicional de ADN-T. La bacteria así transformada se usa para la transformación de células de plantas. Para la transferencia del ADN a las células de plantas, un explante de planta se puede cultivar apropiadamente de modo conjunto con Agrobacterium tumefaciens o Agrobacterium rhizogenes. A partir del material de plantas infectadas (p.ej. trozos de hojas, segmentos de tallos, raíces y también protoplastos o suspensiones de células cultivadas) las plantas enteras pueden ser regeneradas en un medio apropiado, que contiene antibióticos o biocidas para la selección. Las plantas resultantes se pueden ensayar seguidamente para determinar la presencia de un ADN introducido. No se plantean demandas especiales a los plásmidos en la inyección ni en la electroporación. Se pueden usar plásmidos simples tales como p.ej. derivados de pUC. Sin embargo, si se tuvieran que regenerar plantas enteras a partir de dichas células transformadas, sería necesaria la presencia de un gen marcador seleccionable.
Los plásmidos pAS y pAS-GUS tienen un tamaño de alrededor de 13,3 y 15,2 kb respectivamente y contienen el gen de resistencia a kanamicina con un tamaño de aproximadamente 2,0 kb, el fragmento de promotor para HindII/BgIII con un tamaño de aproximadamente 3,2 kb de la región iniciadora reguladora del gen de la ADP glucosa pirofosforilasa GS6-11 de Solanum tuberosum, un enlazador y un terminador de la transcripción del gen de la nopalina sintasa. El plásmido pAS-GUS contiene también el gen de la \beta-glucuronidasa con un tamaño de aproximadamente 2 kb.
Con el fin de efectuar la preparación para la introducción de genes ajenos en plantas superiores, están disponibles un gran número de vectores de clonación, que contienen una señal de replicación para E. Coli y un marcador, que permite una selección de las células transformadas. Ejemplos de vectores son pBR 332, la serie de pUC, la serie de M13 mp, pACYC 184, etc. La secuencia deseada se puede introducir en el vector en una apropiada posición de restricción. El plásmido resultante es usado para la transformación en el seno de E. Coli. Las células de E. Coli son cultivadas en un apropiado medio nutritivo, y luego cosechadas y lisadas. El plásmido es vuelto a extraer. Para un análisis en general, se pueden usar un análisis de secuencias, un análisis por restricción, una electroforesis y otros métodos bioquímicos y de biología molecular. Después de cada manipulación, la secuencia de ADN usada puede ser cortada y unida a otra secuencia de ADN. Cada secuencia de plásmido puede ser clonada en el mismo plásmido o en diferentes plásmidos. Dependiendo del método para realizar introducciones del gen deseado en la planta, pueden ser necesarias secuencias de ADN adicionales. Sí, por ejemplo, el plásmido Ti o Ri se usase para la transformación de las células de plantas, por lo menos el lindero derecho, y con frecuencia, sin embargo, los linderos derecho e izquierdo del ADN-T de los plásmidos Ti y Ri, deberían ser enlazados como una zona flanqueadora del gen introducido.
El uso de un ADN-T para la transformación de células de plantas ha sido investigado intensamente y está bien descrito en el documento de patente europea EP 120.516; y en las citas de Hoekema, En: The Binary Plant Vector System [El sistema de vectores binarios de plantas], Offset-drukkerij Kanters B.V., Alblasserdam, (1985), capítulo V; de Fraley y colaboradores, Crit. Rev. Plant. Sci., 4:1-46; y de An y colaboradores (1985) EMBO J. 4:277-287.
Una vez que el ADN introducido ha sido integrado en el genoma, éste por regla general es estable allí y permanece también en la progenie de las células transformadas originales. Éste contiene normalmente un marcador de selección, que induce en las células de plantas transformadas una resistencia contra un biocida o antibiótico, tal como kanamicina, G 418, bleomicina, higromicina o fosfinotricina. El marcador individual empleado deberá por lo tanto permitir la selección de células transformadas a partir de células, que carecen del ADN introducido.
Las células transformadas crecen dentro de las plantas de la manera usual (véase también la cita de McCormick y colaboradores (1986) Plant Cell Reports 5:81-84). Estas plantas se pueden hacer crecer de una manera normal y cruzar con plantas, que posean los mismos o diferentes genes transformados. Los individuos híbridos resultantes tienen las correspondientes propiedades fenotípicas.
Deberán hacerse crecer dos o más generaciones para asegurar que la característica fenotípica permanezca estable y heredada. También se deberán cosechar semillas para asegurar que permanezcan el correspondiente fenotipo u otras individualidades. Todas las especies de plantas son apropiadas como plantas hospedantes para la expresión específica para células guardas, pero lo son especialmente especies de plantas útiles.
Las plantas útiles apropiadas son p.ej. las de patatas, tabaco, tomates y remolachas azucareras así como de plantas útiles suplementarias de especies agrícolas, p.ej. plantas útiles que proporcionan nitrógeno.
La secuencia de ADN contenida en la casete de expresión del invento se puede insertar detrás de secuencias de ADN adicionales que contienen información acerca de la formación y distribución cuantitativa de productos endógenos o acerca de la formación de productos de expresión heterólogos en plantas útiles.
Los productos de expresión endógenos son p.ej. fitohormonas, hidratos de carbono y otros metabolitos. Los productos heterólogos son p.ej. hidratos de carbono que no se forman de modo natural en plantas, o enzimas para la liberación de sustancias con actividad de fitohormonas como una etapa primaria, que no son convertidas de un modo natural en fitohormonas en plantas.
Las secuencias de ADN que se pueden introducir detrás de la secuencia reguladora de la casete de expresión, deberán contener todos los posibles cuadros de lectura abiertos para un péptido preferido, así como uno o más intrones. Como ejemplo se pueden mencionar: secuencias para enzimas, secuencias que son complementarias:
a)
con una secuencia de genoma, con lo cual la secuencia del genoma deberá ser un cuadro de lectura abierto;
b)
con un intrón;
c)
con una secuencia de lectura no codificada;
d)
con cualquier secuencia,
que inhiba, de manera complementaria a la integración en el genoma, la transcripción, el tratamiento (por ejemplo el empalme) de ARNm (ácido ribonucleico mensajero) o la traducción.
La deseada secuencia de ADN se puede preparar por síntesis o se puede extraer por medios naturales, o puede constar de una mezcla de constituyentes de ADN sintéticos y naturales. En general, las secuencias de ADN sintéticos se producen con codones que son preferidos para plantas. Estos codones preferidos para plantas pueden ser fijados a partir de codones con la más elevada abundancia de proteínas, que son expresados en las especies de plantas más interesantes. En la preparación de una casete de expresión, se pueden manipular diversos fragmentos de ADN con el fin de obtener la secuencia de ADN que lea apropiadamente en la dirección correcta y que sea suministrada con el correcto cuadro de lectura. Para efectuar la combinación de fragmentos de ADN unos con otros, se pueden disponer adaptadores o enlazadores en los fragmentos.
De manera apropiada, una región de comienzo y de terminación de la transcripción en la dirección de transcripción deberá ser vista a través de un enlazador o polienlazador que contenga una o más posiciones de restricción para la introducción de esta secuencia. Como regla general, el enlazador tiene de 1 a 10, en la mayor parte de los casos de 1 a 8, y preferiblemente 2 a 6 posiciones de restricción. En general, el enlazador tiene, dentro de la zona reguladora, un tamaño de menos que 100 pb (pares de bases), generalmente de menos que 60 pb y por lo menos, sin embargo, 5 pb. La zona de comienzo de la transcripción, además de ser nativa y/u homóloga, puede ser también ajena y/o heteróloga con respecto a las plantas hospedantes. La casete de expresión comprende, en la dirección de transcripción 5'-3', una región representativa para la planta, para la iniciación de la transcripción, una secuencia preferida y una región para la terminación de la transcripción. Diversas zonas de terminación son intercambiables, preferiblemente unas con otras.
Además, se pueden llevar a cabo manipulaciones que preparen apropiados sitios de corte por restricción o separen el exceso de ADN o de posiciones de corte. Cuando se han de considerar inserciones, deleciones o sustituciones, por ejemplo transiciones y transversiones, se puede usar una mutagénesis in vitro, una reparación con cebadores, una restricción o una ligación. En manipulaciones apropiadas, tales como por ejemplo restricción, retro-mascadura o relleno de partes colgantes para extremos romos, se pueden usar extremos complementarios de los fragmentos para la ligación. Para llevar a cabo las diversas etapas, es necesaria una clonación para obtener una ampliación de las cantidades de ADN y para el análisis de ADN que asegure el éxito esperado de la intervención.
Para la introducción de genes ajenos dentro de plantas por uso de la secuencia reguladora específica para células guardas, están disponibles un cierto número de posibilidades, pero es especialmente interesante, sin embargo, la expresión de genes que cambien la regulación de la célula guarda en relación con el intercambio gaseoso así como con la espiración de vapor de agua (transpiración).
Para la expresión de dichos genes, es especialmente valioso el uso de la casete de expresión del invento.
Una modificación de las células guardas que afecte sobre la condición de apertura de los estomas se puede conseguir de dos maneras: por medio de una modulación del contenido de proteínas endógenas, enzimas, vehículos o bombas que transporten el metabolito a través de membranas, presentes en las células guardas; o por medio de una transferencia y una expresión de genes de origen homólogo o bien heterólogo o sintético, que codifiquen las proteínas, las enzimas, los vehículos o las bombas, que no pertenezcan a los constituyentes normales de una célula guarda, pero cuya actividad o presencia influya sobre el estado de las células en relación con la apertura de los estomas.
Para la regulación de la transcripción están implicados tres sistemas de sensores: sensores para medir la concentración de dióxido de carbono, sensores de fitohormonas y un sistema de medición de los gradientes de turgencia entre células guardas y las células epidérmicas colindantes. Los cambios de turgencia son posibles, por ejemplo, influyendo sobre la actividad de enzimas o sistemas de transporte del metabolismo de hidratos de carbono. Además de un cambio directo de la concentración de la actividad osmótica del hidrato de carbono, por ejemplo por medio de invertasas citosólicas o vacuolares o de los translocadores de triosa-fosfatos de cloroplastos, se han de esperar consecuencias para la regulación osmótica, por medio de un enriquecimiento o una reducción de compuestos precursores de sustancias osmóticamente activas. Por ejemplo, modificando la actividad de la ADP glucosa pirofosforilasa, se puede influir sobre la síntesis de almidones, y de esta manera se pueden modificar las cantidades en substratos para el ciclo de glicolisis y de citrato, con lo que a fin de cuentas está implicada la concentración del malato, que es una sustancia con importancia en relación con la turgencia de las células. Un aumento en la actividad de invertasas apoplásticas en células guardas puede aumentar la concentración de almidones mediante una recogida aumentada de hexosas. Dicha introducción debe seguir una especificidad para células guardas, puesto que un aumento de la actividad de invertasas apoplásticas en las células mesófilas fuertemente activas en fotosíntesis, conduce a una reducción del transporte de materiales asimilados y con ello a una mayor carga osmótica de los tejidos (véase la cita de Schaewen y colaboradores 1990 EMBO J. 9:3033-3044). Además, se puede tomar en consideración un aumento de la expresión, o la propia expresión de una fosfo-enol-piruvato carboxilasa modificada. La enzima cataliza la reacción de fosfo-enol-piruvato para formar el oxalo-acetato, que a su vez es un predecesor para el malato. Además, las bombas de protones (ATPasas de protones) pueden contribuir a un cambio en el potencial osmótico, que hace posible el proceso de transporte de iones para los gradientes electroquímicos.
Se ven posibilidades adicionales de influencia en la actividad de la carbonato deshidratasa, que controla el equilibrio entre el dióxido de carbono y el carbonato disueltos, por cuanto que ésta influye por lo tanto sobre la concentración de dióxido de carbono celular; sin embargo, también por ejemplo en la fructosa bifosfatasa, que contribuye como una enzima en la sección regeneradora del ciclo de Calvin en la fijación de dióxido de carbono.
La casete de expresión del invento se puede usar también para una expresión, específica para células guardas, de genes que regulan el nivel de fitohormonas de plantas.
Los cambios locales en el nivel de fitohormonas son especialmente interesantes para ejercer influencia sobre las propiedades de las células guardas: mientras que, por ejemplo, las auxinas causan una apertura de los agujeros, la aplicación de ácido abscísico conduce a un rápido cierre de los agujeros. Ya han sido clonados numerosos genes cuyos productos tienen influencia en la constitución hormonal de las plantas (véase p.ej. la cita de Klee, H. & Estelle, M. (1991) Ann. Rev. Plant. Physiol. Plant. Mol. Biol. 42:529-551). Los genes 1 y 2 del ADN-T de Agrobacterium tumefaciens codifican la enzima para síntesis de auxinas, mientras que la indol acetato lisina sintetasa (Romano y colaboradores (1991) Genes & Development 5:438-446) cataliza la desactivación de las auxinas. Las citocininas son liberadas a través de una glucosidasa codificada por el gen rol c del ADN-T procedente de Agrobacterium rhizogenes (Estruch y colaboradores (1991) EMBO J. 10:3125-3128); el producto génico del gen 6b de ADN-T de A. Tumefaciens reduce la actividad de citocininas (Spanier y colaboradores (1989) Mol. Gen. Genet. 219:209-216). La producción de etileno puede ser estimulada en plantas por expresión de la aminociclopropano carboxilato sintasa (Huang y colaboradores (1991) Proc. Nat. Acad. Science 88:7021-7025); la inhibición de la aminociclopropano carboxilato oxidasa por expresión de un ARN antisentido rebaja la liberación de etileno.
A causa de las consecuencias de alto alcance de la actividad hormonal para las plantas, una influencia sobre la actividad de las células guardas es factible solamente usando la casete de expresión del invento para una expresión de genes específicos para células guardas.
Los procedimientos para la reducción de la actividad y/o la cantidad de una enzima especificada ya son conocidos en el sector de la técnica. Como una regla general se introducen genes quiméricos en la planta. Éstos constan de un promotor activo en la planta, una secuencia de codificación de la enzima unida al promotor en la dirección antisentido, cuya actividad es reducida (desde el extremo 3' de la secuencia de codificación hasta el extremo 3' de los promotores) y una señal de terminación, que es funcional en plantas, para la transcripción. Para la introducción de genes de esta clase en células de plantas, están disponibles diversos procedimientos. A partir de las células transformadas, se pueden regenerar plantas transgénicas intactas para las que se debe determinar el deseado fenotipo (disminución de la actividad de la enzima diana).
La identificación de necesarias zonas de comienzo de la transcripción se puede conseguir de un cierto número de maneras. Por regla general se trata con un ARNm, que es aislado a partir de ciertas partes de las plantas (aquí, células guardas) (véase también el Ejemplo 1). Para un aumento adicional en la concentración del ARNm que caracteriza a la condición del tejido o de la planta, se puede preparar un ADNc en el que un ADNc inespecífico es unido al ARNm o al ADNc a partir de otros estados de tejidos (células mesófilas) o de plantas. El ADNc remanente se puede usar entonces para el sondeo del genoma de las secuencias complementarias usando una apropiada biblioteca de ADN de plantas.
Cuando se aísla una proteína, que aparece en un tipo específico de célula o tejido, ésta se puede secuenciar parcialmente de manera tal que se pueda preparar una sonda para la identificación directa de las correspondientes secuencias en una biblioteca de ADN de plantas (véase el Ejemplo 2). Entonces, las secuencias que se hibridan con la sonda pueden ser aisladas y manipuladas. Además, la zona en 5' no traducida, que está asociada con la zona codificada, se puede aislar y ensayar en casetes de expresión para determinar la actividad de transcripción.
Las casetes de expresión obtenidas, que usan las regiones en 5' no traducidas pueden ser transformadas en plantas (véase anteriormente), en las que se puede ensayar su funcionalidad como reguladoras de la transcripción en combinación con un gen estructural heterólogo (distinto del cuadro de lectura abierto de los genes de tipo salvaje, que está asociado con la región en 5' no traducida), así como la especificidad para células guardas. De esta manera se pueden identificar las secuencias que son necesarias para la transcripción específica para células guardas.
Los siguientes plásmidos fueron depositados en la Deutsche Sammlung von Mikroorganismen (DSM, Colección Alemana de Microorganismos) en Braunschweig, Alemania el 13.02.1992 (número de depósito):
Plásmido pAS (DSM 6906);
Plásmido pAS-GUS (DSM 6907).
Descripción de las figuras
La Figura 1 muestra el mapa de restricción del clon genómico GS 6-11, que codifica la subunidad-S de la ADP glucosa pirofosforilasa de Solanum tuberosum. Por encima del mapa de restricción se encuentran las denominaciones de genes de los fagos Lambda así como una escala para estimar la longitud de las secuencias de ADN en kilobases (kb).
La Figura 2 muestra la fusión del promotor GUS del plásmido pAS-GUS, que contiene la secuencia de ácido nucleico de una parte de las zonas importantes para la regulación de la transcripción del gen de la ADP glucosa pirofosforilasa GS6-11, que también está contenido en el plásmido pAS. ATG significa el comienzo de la traducción para la \beta-glucuronidasa. Se muestra el sitio de corte con BgI II en que el clon pH6-11 es cortado y unido con el plásmido pUC 19 linealizado al sitio de corte con SmaI. La secuencia hasta el sitio de corte con BamHI procede del polienlazador de pUC 19 y el siguiente nucleótido procede del plásmido pBI101.1 (Jefferson y colaboradores (1987) Plant. Mol. Biol. Rep. 5:387-405). La correspondiente zona con el ADNc se muestra en negrita. Los dos primeros codones de \beta-glucuronidasa están encuadrados. Una secuencia que posiblemente representa a una caja de Hogness, está subrayada.
La Figura 3 muestra el plásmido pAS con un tamaño de aproximadamente 13,2 kb. Éste contiene el gen de resistencia a kanamicina con un tamaño de aproximadamente 2,0 kb, como un constituyente del vector de iniciación pBIN 19 (Bevan, M. (1984) Nucl. Acids Res. 12:8711-8721), la zona reguladora con un tamaño de aproximadamente 3,2 kb para una expresión de genes específicos para células guardas a partir del gen de la ADP glucosa pirofosforilasa de Solanum tuberosum procedente del clon GS6-11 (A), insertado entre las posiciones de nucleótidos (nt) 2.525 y 2.544 de pBIN 19 así como el terminador de la transcripción procedente del gen de la nopalina sintasa (C), insertado junto a la posición nt 2.494 del pBIN 19.
A= Fragmento A (de aproximadamente 3,2 kb): contiene:
las nt 400-414 procedentes de pUC 19,
aproximadamente 3,2 kb procedentes de GS 6-11,
las nt 415-421 procedentes de pUC 19
C= Fragmento C (192 pb): contiene
las nt 11.749-11.939 procedentes de pTiACH5
(Gielen y colaboradores (1984) EMBO J. 3:835-846).
La Figura 4 muestra el plásmido pAS-GUS con un tamaño de aproximadamente 15,2 kb, que es un derivado del pBI101.1 (Jefferson y colaboradores (1987) Plant Mol Biol Rev 5:387-405). El plásmido pBI101.1, de nuevo, es un derivado de pBIN 19 quecontiene, junto a la nt 2.534, una inserción de 1,87 kb de la región de codificación de \beta-glucuronidasa (B).
El plásmido pAS-GUS es incluso diferenciado del pAS por esta inserción. En detalle el pAS-GUS contiene los siguientes fragmentos:
A= Fragmento A (de aproximadamente 3,2 kb): contiene:
las nt 400-414 procedentes de pUC 19
aproximadamente 3,2 kb procedentes de GS6-11.
las nt 415-421 procedentes de pUC 19
B= Fragmento B (1,87 kb): región de codificación de la \beta-glucuronidasa.
C= Fragmento C (192 pb): contiene
las nt 11.749-11.939 procedentes de pTiACH5
(Gielen y colaboradores (1984) EMBO J. 3:835-846).
La Figura 5 muestra la expresión de \beta-glucuronidasa en la hoja de una planta de patata transgénica transformada con el plásmido pAS-GUS. Puede observarse con claridad que no se puede detectar ninguna expresión en las células mesófilas o las células de epidermis, sino solamente una expresión específica en las células guardas.
Con el fin de entender los Ejemplos que constituyen la base de este invento, antes de nada se han de enumerar todos los procesos necesarios para estos ensayos y que son de por sí conocidos:
1. Proceso de clonación
Se usaron para la clonación los vectores pUC 18/19 y los de la serie M13 mp10 (Yanisch-Perron y colaboradores (1985) genee 33:103-119), así como el vector EMBL 3 (Frischauf y colaboradores (1983) J. Mol. Biol. 170:827-842).
Se clonaron las estructuras artificiales (construcciones) de genes en el vector binario BIN 19 (Bevan (1984) Nucl. Acids Res. 12:8711-8720) para las transformaciones de las plantas.
2. Cepas de bacterias
Se usaron las cepas BMH71-18 (Messing y colaboradores, Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1977), 24, 6342-6346) o TB1 de E. Coli para los vectores pUC y M13 mp.
Para el vector BIN19 se usó exclusivamente la cepa TB1 de E. Coli. La TB1 es una cepa derivada resistente a tetraciclina, negativa en cuanto a recombinantes, de la cepa JM101 (Yanisch-Perron y colaboradores, genee (1985), 33, 103-119).
El genotipo de la cepa TB1 es (según Bart Barrel, comunicación personal): F'(traD36, proAB, lacl. lacZ\DeltaM15), \Delta(lac, pro), SupE, thiS, recA. Sr1::Tn10 (TcR).
La transformación de los plásmidos dentro de las plantas de patata se llevó a cabo por medio de la cepa LBA4404 de Agrobacterium tumefaciens (Bevan M., Nucl. Acids Res. 12, 8711-8720, (1984); derivado de BIN19).
3. Transformación de Agrobacterium tumefaciens
En el caso de los derivados de BIN19, la inserción del ADN en las agrobacterias se efectuó por transformación directa de acuerdo con el método desarrollado por Holsters y colaboradores, (Mol. gene. geneet. (1978), 163, 181-187). El ADN de plásmido de las agrobacterias transformadas se aisló de acuerdo con el método desarrollado por Birnboim y Doly (Nucl. Acids Res. (1979), 7, 1513-1523) y se analizó por electroforesis en gel después de una apropiada disociación por restricción.
4. Transformación de las plantas
Diez pequeñas hojas, heridas con un escalpelo, de un cultivo estéril de patata se dispusieron en 10 ml de un medio MS con 2% de sacarosa que contenía de 30 a 50 \mul de un cultivo durante la noche de Agrobacterium tumefaciens crecido bajo selección. Después de 3 a 5 minutos de sacudimiento suave, las cápsulas de Petri se incubaron en la oscuridad a 25ºC. Después de 2 días, las hojas fueron extendidas sobre un medio MS con 1,6% de glucosa, 2 mg/l de zeatina ribosa, 0,02 mg/ml de ácido naftil-acético, 0,02 mg/l de ácido giberélico, 500 mg/ml de claforano, 50 mg/l de kanamicina y 0,8 % de agar de Bacto. Después de incubación durante una semana a 25ºC y 3.000 lux, la concentración de claforano en el medio fue reducida a la mitad.
5. Análisis de un ADN genómico procedente de plantas de patata transgénicas
El aislamiento de un ADN genómico de las plantas se efectuó de acuerdo con Rogers y Bendich (Plant. Mol. Biol. (1985), 5, 69-76). Después de una apropiadadisociación por restricción, se ensayaron de 10 a 20 \mug del ADN por medio de borrones de transferencia Southern para la integración de las secuencias de ADN que se tenían que introducir.
6. Sistema de ensayo de la actividad de \beta-glucuronidasa (ensayo GUS)
La \beta-glucuronidasa es una enzima bacteriana, que hidroliza a la \beta-glucuronida y es accesible a determinaciones de la actividad tanto cuantitativas como también histoquímicas. Las mediciones de las actividades se llevaron a cabo por el método de Jefferson y colaboradores (1987) EMBO J 6:3901- 3907. Muestras de tejidos incubadas en 1 mM de X-Gluc, 50 mM de fosfato de sodio de pH 7,0 y 0,1% de Tween 20 hasta dar la intensidad deseada de la coloración azul.
Los siguientes Ejemplos ilustran la preparación de la casete de expresión, cuya secuencia de ADN contiene una secuencia reguladora para la expresión de genes específicos para células guardas. Se ilustra también la introducción de la secuencia en un plásmido, con el que es posible una transformación de células de plantas así como la transformación de las células de plantas, la regeneración de plantas transgénicas y la investigación de la función de la casete de expresión en plantas transgénicas.
Ejemplo 1 Clonación y análisis de la estructura de un gen de la ADP glucosa pirofosforilasa procedente de Solanum tuberosum
Clones de ADNc, que codifican la subunidad S de la ADP glucosa pirofosforilasa de patata, se aislaron a partir de la variedad de patata ``Desirée'' y se secuenciaron (Müller-Röber y colaboradores (1990) Mol gene geneet 224:136-146; documento EP 455.316). Estos clones de ADNc se usan para aislar un clon genómico y homólogo de la ADP glucosa pirofosforilasa, procedente de la variedad de patata AM 80/5793 (Max-Planck-Institut for Züchtungsforschung [Instituto Max Planck para Investigación de Cultivos], Colonia).
Ejemplo 2 Clonación, identificación y estructura primaria de un gen de la ADP glucosa pirofosforilasa como un fragmento de ADN genómico procedente de Solanum tuberosum
Una biblioteca genómica del ADN nuclear procedente de la variedad de patata AM 80/5793, que había sido establecida en el vector EMBL 3 derivado de fagos Lambda, se sondeó con la ayuda del ADNc S25-1 de la ADP glucosa pirofosforilasa (véase el Ejemplo 1). Se obtuvieron varios clones independientes, a partir de los cuales se usó el clon GS 6-11 para el tratamiento adicional. El mapa de restricción del clon GS 6-11 se muestra en la Figura 1. Una parte del gen se secuenció y la secuencia se muestra en la Figura 2.
Ejemplo 3 Identificación de las zonas reguladoras que son responsables de la expresión, específica para células guardas, del gen de la ADP glucosa pirofosforilasa
La inserción por Sal I con un tamaño mayor que 12 kpb (kilo-pares de bases) del clon genómico GS 6-11 fue clonada en la posición de corte con Sal I de los vectores pUC 19 y resultó el plásmido SF-6. Un fragmento de HincII con una longitud de aproximadamente 5,3 kpb del plásmido SF-6 fue sub-clonado en la posición de corte con Hincll de los vectores pUC 19 y resultó el plásmido pH6-1. El fragmento de Hincll/Bgl II con una longitud de aproximadamente 3,2 kpb del plásmido pH6-1, fue clonado después de haber rellenado la posición de corte con Bgl II dentro de la posición de corte con SmaI del vector pUC 19. De esta manera fue orientado el extremo 5' para la posición de corte con EcoRI del polienlazador, de manera tal que se obtuvo el plásmido pSA. Luego, el fragmento de EcoRI/BamHI fue cortado a partir del pSA derivado de pUC 19, y después de haber introducido por relleno la posición de corte con EcoRI, fue dispuesto dentro del vector pBI101.1 (Jefferson y colaboradores (1987) Plant Mol. Biol. Rep. 5:387-405) con lo cual se obtuvo el pAS-GUS (véase la Figura 4). El vector pBI101.1 fue cortado previamente con HindIII/BamHI y se introdujo por relleno la posición de corte con HindIII. El vector pBI101.1 contiene la región de codificación del gen de la \beta-glucuronidasa como gen reportero. La \beta-glucuronidasa es indicativa de una determinación histológica de su actividad y por lo tanto se puede introducir para el análisis de la especificidad para células de una región reguladora de un sistema de expresión que se ha de ensayar. En paralelo con la clonación de pAS-GUS, se preparó el vector de expresión pAS, que contiene un polienlazador entre el fragmento de promotor de la ADP glucosa pirofosforilasa y el terminador del gen de la octopina sintasa (véase la Figura 3). Con la ayuda de este plásmido es posible una expresión de genes preferidos bajo el control de promotores de la ADP glucosa pirofosforilasa.
La estructura artificial pAS-GUS, con la región de codificación de la \beta-glucuronidasa como gen reportero, se transfirió dentro de la cepa LBA 4404 de Agrobacterias (Bevan, M. (1984) Nucl. Acids Res. 12:8711-8721), y las Agrobacterias que contienen el gen quimérico de la ADP glucosa pirofosforilasa y de la \beta-glucuronidasa se introducen para la transformación de hojas de patata y de tabaco.
De diez transformantes independientes resultantes, en los que se había demostrado la presencia del gen quimérico de la ADP glucosa pirofosforilasa y de la \beta-glucuronidasa, no acondicionado e intacto, se ensayaron, con la ayuda de análisis por transferencia Southern, hojas, tallos, tubérculos y raíces para determinar la actividad de \beta-glucuronidasa. Los resultados se muestran en la Figura 5. A partir de estos datos se muestra con claridad que el fragmento de HincII del gen GS 6-11 de la ADP glucosa pirofosforilasa, que se había fusionado con el gen de la \beta-glucuronidasa, había inducido en la hoja una actividad específica para células guardas de la \beta-glucuronidasa. Esta actividad no se podría observar en las células mesófilas y epidérmicas.
Ejemplo 4 Aumento adicional de la concentración de las zonas reguladoras, responsables de la expresión específica para células guardas, del gen de la ADP glucosa pirofosforilasa
El fragmento de HindIII/BamHI con un tamaño de 0,35 kpb se aisló a partir del plásmido pSA descrito en el Ejemplo 3 y se introdujo en el vector pBI101.1 que había sido linealizado con las enzimas de restricción BamHI y HindIII. El plásmido resultante lleva la denominación pS1-D4GUS. La inserción por HindIII/BamHI, con un tamaño de 0,35 kpb, del plásmido demuestra en la Figura 2 así como en Seq ID No 1. El vector pBI101.1 contiene la región de codificación del gen de la \beta-glucuronidasa como gen reportero. La \beta-glucuronidasa es indicativa de una determinación histológica de su actividad y por lo tanto se puede introducir para el análisis de la especificidad para células de una región reguladora de un sistema de expresión que se ha de ensayar. La estructura artificial pS1-D4GUS con la región de codificación de \beta-glucuronidasa como gen reportero, se transfirió dentro de la cepa LBA 4.404 de Agrobacterias (Bevan, M. (1984) Nucl Acids Res 12:8711-8721) y las Agrobacterias,} que contienen el gen quimérico de la ADP glucosa pirofosforilasa y de la \beta-glucuronidasa, se introducen para la transformación de hojas de patata y de tabaco.
De diez transformantes independientes resultantes, en los que se había demostrado la presencia del gen quimérico de la ADP glucosa pirofosforilasa y de la \beta-glucuronidasa, intacto y sin redisponer, con la ayuda de análisis por transferencia Southern, se ensayaron hojas, tallos, tubérculos y raíces para determinar la actividad de \beta-glucuronidasa. Se mostró que el fragmento de promotor para HindIII/BamHI, con un tamaño de 0,35 kpb del gen de la ADP glucosa pirofosforilasa, tiene una actividad comparable con la del fragmento de promotor de EcoRI/BamHI del plásmido pSA (véase la Figura 5) en las células de estomas de hojas, mientras que no se observó actividad en tejidos vasculares, tubérculos y estolones de plantas de patata y raíces.

Claims (20)

1. Una casete de expresión caracterizada porque comprende una secuencia de ADN con una región iniciadora reguladora de la transcripción, que asegura la expresión de genes específicos para células guardas en las células guardas de hojas de plantas y ninguna expresión en células mesófilas o células epidérmicas de las hojas, que comprende la Seq ID No.1:
2
2. La casete de expresión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque contiene un fragmento de promotor de HincII/BglIII con un tamaño de aproximadamente 3,2 kb del plásmido pAS (DSM 6906).
3. La casete de expresión de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la secuencia de ADN allí contenida, que está fusionada con apropiadas secuencias de codificación de ADN, cambia las células guardas de plantas allí existentes, de manera tal que se hacen posibles una apertura o un cierre o bien un alargamiento o un acortamiento permanentes del período de tiempo de apertura de estas células.
4. La casete de expresión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizada porque comprende una secuencia de ADN, que contiene la información acerca de la formación de productos endógenos o de la formación de productos de expresión heterólogos en plantas útiles, introducido detrás de la región de iniciadora reguladora de la transcripción para una expresión de genes específicos para células guardas.
5. Un plásmido que comprende la casete de expresión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.
6. Un plásmido que comprende la secuencia de ADN de Seq ID No.1.
7. El plásmido pAS (DSM 6906) de acuerdo con la reivindicación 6, que consta de una secuencia de ADN con un tamaño de aproximadamente 13,2 kb, en la que está contenido un gen de resistencia a kanamicina con un tamaño de aproximadamente 2,0 kb, y de un fragmento de promotor de HincII/BglII con un tamaño de aproximadamente 3,2 kb de la zona de iniciación de la regulación del gen de la ADP glucosa pirofosforilasa GS6-11 de Solanum tuberosum, de un polienlazador y del terminador de la transcripción del gen de la nopalina sintasa.
8. El plásmido pAS-GUS (DSM 6907) de acuerdo con la reivindicación 6, que consta de una secuencia de ADN con un tamaño de aproximadamente 15,2 kb, en la que está contenido un gen de resistencia a kanamicina con un tamaño de aproximadamente 2,0 kb, de un fragmento de promotor de HincII/BglIII con un tamaño de aproximadamente 3,2 kb de la zona de iniciación de la regulación del gen de la ADP glucosa pirofosforilasa GS6-11 procedente de Solanum tuberosum, de la región codificadora de \beta-glucuronidasa con un tamaño de aproximadamente 2 kb, y del terminador de la transcripción del gen de la nopalina-sintasa.
9. Un procedimiento para la manipulación genética de una célula de plantas, que comprende la operación de introducir una casete de expresión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 dentro de una célula de planta.
10. Una célula de planta preparada de acuerdo con el procedimiento de la reivindicación 9, que contiene una casete de expresión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.
11. Una planta o un tejido de planta que se ha regenerado a partir de una célula de planta de acuerdo con la reivindicación 10.
12. Uso de la casete de expresión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 para la expresión de genes en células guardas que cambian la regulación del intercambio gaseoso y de la transpiración.
13. Uso de la casete de expresión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 para la expresión de genes homólogos o heterólogos en células guardas de plantas transformadas.
14. Uso de la casete de expresión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 para la expresión de genes en células guardas que causan un cambio local del nivel de fitohormonas.
15. Uso del plásmido pAS (DSM 6906) o pAS-GUS (DSM 6907) para la transformación de plantas útiles.
16. Uso del plásmido pAS (DSM 6906) o pAS-GUS (DSM 6907) para la regulación de la expresión de genes específicos para células guardas, o para la preparación de productos heterogéneos en plantas útiles.
17. Una planta de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizada porque es una planta de tabaco.
18. Una planta de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizada porque es una planta de patata.
19. Una planta de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizada porque es una planta de tomate.
20. Una planta de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizada porque es una planta de remolacha azucarera.
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