ES2241009T3 - Un metodo para la regulacion de la composicion de lignina de las plantas. - Google Patents

Un metodo para la regulacion de la composicion de lignina de las plantas.

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ES2241009T3 ES96944430T ES96944430T ES2241009T3 ES 2241009 T3 ES2241009 T3 ES 2241009T3 ES 96944430 T ES96944430 T ES 96944430T ES 96944430 T ES96944430 T ES 96944430T ES 2241009 T3 ES2241009 T3 ES 2241009T3
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Abstract

SE DESCRIBE UN METODO PARA LA REGULACION DE LA COMPOSICION DE LA LIGNINA DE UN TEJIDO VEGETAL. LAS PLANTAS SE TRANSFORMAN CON UN GEN QUE CODIFICA UN GEN F5H ACTIVO. LA EXPRESION DEL GEN F5H CAUSA UN INCREMENTO EN LOS NIVELES DE MONOMERO DE SIRINGILO PROPORCIONANDO UNA COMPOSICION DE LA LIGNINA MAS FACILMENTE DEGRADABLE CON AGENTES QUIMICOS Y ENZIMAS.

Description

Un método para la regulación de la composición de lignina de las plantas.
Esta invención ha sido realizada con el soporte del gobierno bajo el No. de contrato DE-FG02-94ER20138 concedido por el Departamento de Energía. El Gobierno tiene ciertos derechos en esta invención
Campo de la invención
El presente método hace referencia al campo de la biología molecular y a la regulación de la síntesis de proteínas mediante la introducción de genes extraños en los genomas de las plantas. De forma más específica, el método se refiere a la modificación de la composición de la lignina de las plantas en una célula de la planta mediante la introducción de un gen de una planta extraña que codifica una enzima de la ferulato-5-hidroxilasa (F5H) activa. Los transformantes de plantas que albergan el gen de la F5H demuestran unos niveles incrementados de los residuos del monómero de siringilo en su lignina, una característica que se piensa que conduce al polímero más susceptible de delignificación.
Antecedentes
La lignina es uno de los principales productos del proceso fenilpropanoide general, y es una de las moléculas orgánicas más abundantes en la biosfera (Crawford, (1981) Lignin Biodegradation and Transformation, New York: John Wiley and Sons). En la naturaleza, la lignificación proporciona rigidez a la madera y es en gran parte responsable de la integridad estructural de los elementos traquearios de las plantas. La lignina está bien adecuada a estas capacidades debido a sus características físicas y a su resistencia a la degradación bioquímica. Desafortunadamente, esta misma resistencia a la degradación tiene un impacto significativo en la utilización del material de las plantas lignocelulósicas (Whetten y col., Forest Ecol. Mangement 43, 301, (1991)).
La composición monomérica de la lignina tiene efectos significativos en su degradación química durante la reducción a pasta de papel industrial (Chiang y col., Tappi, 71, 173 (1988). Las ligninas de guaiacilo (derivadas del ácido ferúlico) características de maderas blandas tales como el pino, requieren sustancialmente más cantidad de alcali e incubaciones más largas durante la reducción a pasta de papel en comparación con las ligninas de guaiacilo-sitingilo (derivadas del ácido ferúlico y del ácido sinápico) que se encuentran en las maderas duras como el roble. Los motivos para las diferencias entre estos dos tipos de lignina han sido exploradas por medición de la degradación de compuestos modelo tales como el éter de guaiacilglicerol-\beta-guaiacilo, el éter de siringilglicerol-\beta-guaiacilo, y el éter de siringilglicerol-\beta-(4-metilsiringilo) (Kondo y col., Holzforschung, 41, 83, (1987)) bajo condiciones que mimetizan las utilizadas en el procedimiento de reducción a pasta de papel. En estos experimentos, los compuestos mono- y especialmente los di-siringilo se rompieron de tres a cinco veces más rápido que sus correspondientes homólogos de diguaiacilo. Estos estudios modelo están de acuerdo con los estudios de comparación de la reducción a pasta de papel de madera de pino Douglas y de madera de liquidambar en los que las principales diferencias están en el porcentaje de reducción a pasta de papel que se produce por encima de 150ºC cuando se rompen las uniones éter del arilglicerol-\beta-arilo (Chiang y col., Holzforschung, 44, 309 (1990)).
Otro factor que afecta la degradación química de las dos formas de lignina puede ser la condensación de residuos de guaiacilo y siringilo derivados de lignina para formar unidades de difenilmetano. La presencia de residuos de siringilo en ligninas de madera dura conduce a la formación de derivados de difenilmetano conteniendo siringilo que permanecen solubles durante la reducción a pasta de papel, mientras que las unidades de difenilmetano producidas durante la reducción a pasta de papel de la madera blanda son insolubles en álcalis y de este modo permanecen asociados con los productos celulósicos (Chiang y col., Holzforschung, 44, 147 (1990); Chiang y col., Holzforschung, 44, 309, (1990)). Además, se piensa que la abundancia de reticulaciones 5-5'-diarilo que pueden presentarse entre los residuos de guaiacilo contribuyen a la resistencia a la degradación química. Esta unión es resistente a la rotura alcalina y es mucho menos común en la lignina que es rica en residuos de siringilo debido a la presencia del grupo 5-O-metilo en los residuos de siringilo. La incorporación de los residuos de siringilo da lugar a lo que se conoce como "lignina no-condensada", un material que es significativamente más fácil de ser reducido a pasta de papel que la lignina condensada.
De forma similar, la composición de lignina y el contenido en grasas es un factor principal en la determinación de la digestabilidad de los materiales lignocelulósicos que son alimento para la ganadería (H. G. Jung & D. A. Deetz, (1993) Cell wall lignification and degradability in Forage Cell Wall Structure and Digestibility (H. G. Jung, D. R. Buxton, R.D. Hatfield, y J. Ralph eds.), ASA/CSSA/SSSA Press, Madison, WI.). La incorporación del polímero de lignina en la pared de la célula de la planta previene a los enzimas microbianos de tener acceso a los polisacáridos de la pared celular que constituyen la pared. Como resultado, estos polisacáridos no pueden ser degradados y la mayor parte de los carbohidratos valiosos contenidos en las reservas de alimentos de animales pasan a través de los animales sin ser digeridos. De este modo, un incremento en la materia seca de las grasas durante la estación de crecimiento es contrarestado por una disminución en la digestibilidad causada principalmente por una lignificación incrementada en la pared celular. A partir de estos ejemplos, es claro que sería económicamente ventajosa la modificación de la composición del monómeros de la lignina.
Por consiguiente, el problema a solucionar, es desarrollar un método para la creación de plantas con niveles incrementados de residuos de siringilo en su lignina para facilitar su degradación química. La modificación del proceso enzimático responsable de la producción de monómeros de la lignina proporciona una posible ruta para solucionar este problema.
El mecanismo(s) por el que las plantas controlan la composición de monómeros de la lignina ha sido el sujeto de mucha especulación. Tal como se ha mencionado anteriormente, los gimnoespermas no sintetizan cantidades apreciables de siringil lignina. En los angioespermas, la deposición de siringil lignina es regulada de forma desarrollada: el xilem primario contiene guaiacil lignina, mientras que la lignina del xilem secundario y la esclerenquima es guaiacil-siringil lignina (Venverloo, Holzforschung 25, 18 (1971); Chapple y col., Plant Cell 4, 1413, (1992)). No se han encontrado plantas que contengan puramente siringil lignina. Todavía no está claro cómo se controla esta especificidad; sin embargo, existen al menos cinco sitios de posible control enzimático, principalmente ácido cafeico/O-metiltransferasa del ácido 5-hidroxiferúlico (OMT), F5H, ligasa de (hidroxi)cinamoil-CoA (4CL), reductasa de la (hidroxi)cinamoil-CoA (CCR), y dehidrogenasa del (hidroxi) cinamoil alcohol (CAD). Por ejemplo, las especificidades del sustrato de la OMT (Shimada y col., Phytochemistry, 22, 2657, (1972); Shimada y col., Phytochemistry, 12, 2873, (1973); Gowri y col., Plant Physiol., 97, 7, (1991); Bugos y col., Plant Mol. Biol. 17, 1203, (1992)) y CAD (Sarna y col., Eur. J. Biochem., 139, 259, (1984); Goffner y col., Planta., 188, 48, (1992); O'Malley y col., Plant Physiol., 98, 1364, (1992)) están correlacionadas con las diferencias en la composición de monómeros de la lignina observadas en los gimnoespermas y los angioespermas, y se ha sugerido que la expresión de las isozimas 4CL (Grand y col., Physiol. Veg. 17, 433, (1979); Grand y col., Planta., 158, 225, (1983)) está relacionada con la especificidad del tejido de la composición de monómeros de la lignina observada en los angioespermas.
Aunque hay al menos cinco posibles enzimas objetivo que pueden ser explotadas, solo se han investigado la OMT y la CAD en intentos recientes de manipular la composición de monómeros de la lignina en plantas transgénicas (Dwivedi y col., Plant Mol. Biol. 26, 61, (1994); Halpin y col., Plant J. 6, 339, (1994); Ni y col., Transgen. Res. 3, 120 (1994); Atanassova y col., Plant J. 8, 465, (1995); Doorsselaere y col., Plant J. 8, 855, (1995)). La mayor parte de estos estudios se han focalizado en la supresión con sentido y antisentido de la expresión de la OMT. Esta aproximación se ha encontrado con resultados variables, probablemente debido al grado de supresión de la OMT alcanzado en los diferentes estudios. Los efectos más dramáticos se observaron con la utilización de construcciones de la OMT homológa para suprimir la expresión de la OMT en el tabaco (Atanassova y col., supra) y álamos (Doorsselaere y col. supra). Ambos estudios encontraron que como resultado de la expresión del transgen, hubo una disminución en el contenido de siringil lignina y una apariencia concomitante de residuos de 5-hidroxiguaiacilo. Como resultado de estos estudios, Doorsselaere y col., (WO 9305160) describen un método para la regulación de la biosíntesis de la lignina a través de la incorporación genómica de un gen de la OMT tanto en la orientación con sentido como en la anti-sentido. En contraste, Dixon y col. (WO 9423044) demuestran la reducción del contenido de lignina en plantas transformadas con un gen de la OMT, más que un cambio en la composición de monómeros de la lignina. Se ha focalizado una investigación similar en la supresión de la expresión de la CAD. La conversión del coniferaldehído y el sinapaldehído en sus correspondientes alcoholes en plantas de tabaco transgénicas ha sido modificado con la incorporación de un gen de la CAD de A. cordata en la orientación anti-sentido (Hibino y col., Biosci. Biotechnol. Biochem., 59, 929, (1995)). Un esfuerzo similar dirigido a la inhibición anti-sentido de la expresión de la CAD generó una lignina con un contenido de aldehído incrementado, pero con sólo un cambio modesto en la composición de monómeros de la lignina (Halpin y col., supra). Esta investigación ha dado lugar a la descripción de métodos para la reducción de la actividad de la CAD utilizando la expresión con sentido y anti-sentido de un gen de la CAD clonado para afectar la inhibición de la expresión de la CAD endógena en el tabaco [Boudet y col., (US 5.451.514) y Walter y col., (WO 9324638); Bridges y col., (CA 2005597)]. Ninguna de estas estrategias incrementó el contenido de siringilo de la lignina, un hecho que está correlacionado con la digestabilidad mejorada y la degradabilidad química del material lignocelulósico (Chinang y col., supra; Chiang y Funaoka, Holzforschung 44, 309 (1990); Jung y col., supra).
Aunque la F5H es también una enzima clave en la biosíntesis de monómeros de la siringil lignina hasta la fecha no se han dedicado esfuerzos en proyectar la calidad de la lignina. De hecho, desde el momento de su descubrimiento hace más de 30 años (Higuchi y col., Can. J. Biochem. Physiol., 41, 613, (1963)) ha habido sólo una demostración publicada de la actividad de la F5H (C. Grand, FEBS Lett. 169, 7, (1984)). Grand demostró que la F5H de álamos tenía una monooxigenasa dependiente del citocromo P450 (P450) tal como se analizó por los criterios clásicos de dependencia en NADPH y de inhibición reversible con la luz por el monóxido de carbono. Grand demostró además que la F5H está asociada con el retículo endoplasmático de la célula. La falta de atención dada a la F5H en los años recientes puede ser atribuida en general a las dificultades asociadas con el hecho de tener que enfrentarse a enzimas unidas a membranas, y, de forma más específica, a la labilidad de la F5H cuando se trató con los detergentes necesarios para la solubilización (Grand, supra). El descubrimiento más reciente alrededor del gen de la F5H ha sido realizado por Chapple y col., (supra) quienes describieron un mutante de L. Heynh de la Arabidopsis thaliana llamado fahI que es deficiente en la acumulación de metabolitos derivados de ácido sinápico, incluyendo la guaiacil-siringil lignina típica de los angioespermas. Este emplazamiento, llamado FAH1, codifica la FH5. La clonación del gen que codifica la F5H proporcionaría la oportunidad de ensayar la hipótesis de que la F5H es un objetivo útil para el diseño de la composición de monómeros de la lignina.
A pesar de la escasa información sobre la F5H en la literatura publicada, el solicitante ha tenido éxito en el aislamiento, la clonación y la secuenciación del gen de la F5H. El solicitante también ha demostrado que la integración estable del gen de la F5H en el genoma de la planta, en donde la expresión del gen de la F5H está bajo el control de un promotor distinto del promotor endógeno del gen, conduce a una regulación alterada de la biosíntesis de la lignina.
Resumen de la invención
La presente invención proporciona un fragmento de ácido nucleico aislado que codifica una enzima F5H de planta activa teniendo una secuencia de aminoácidos seleccionada entre el grupo que consiste en (1) la secuencia de amino-ácidos de la SEC de ID NO: 2, y (2) una secuencia de amino ácidos de SEC de ID NO: 2 que engloba las sustituciones de amino ácidos, las adiciones y las eliminaciones que no alteran la función de la enzima F5H de la planta activa.
La invención proporciona además un fragmento de ácido nucleico aislado que codifica un enzima F5H de planta activa, estando seleccionado el fragmento entre el grupo que consiste en el fragmento de ácido nucleico de la SEC de ID NO: 1, el fragmento de ácido nucleico de la SEC de ID NO: 3 y un fragmento de ácido nucleico de la SEC de ID NO: 1 o la SED de ID NO: 3 que abarca los cambios de base que no alteran la función del enzima F5H de la planta codificada.
La invención proporciona además un gen quimérico que causa proporciones alteradas de los monómeros guaiacil-siringil de la lignina en una planta transformada, comprendiendo el gen un fragmento de ácido nucleico que codifica una enzima F5H de la planta activa unida de forma operable tanto en la orientación con sentido como en la anti-sentido a secuencias reguladoras adecuadas. Los fragmentos de ácido nucleico son los descritos anteriormente.
También se proporciona un método de alterar la actividad de la F5H en una planta por medio de la transformación de las células de la planta en una planta entera con un gen quimérico que causa porcentajes de monómeros guaiacil:siringil de la lignina en una célula de una planta transformada, en donde el gen está expresado; creciendo dichas plantas bajo condiciones que permitan el desarrollo de la semilla; y seleccionando las plantas derivadas de estas semillas transformadas para aquellas que expresan un gen de la F5H activo o un fragmento del mismo.
Se proporciona un método de alterar la actividad de la enzima F5H en una planta por (i) la transformación de una célula, un tejido o un órgano a partir de una planta anfitriona adecuada con el gen quimérico descrito anteriormente en donde está expresado el gen quimérico; (ii) la selección de las células transformadas, el tejido leñoso cicatrizal de las células, los embriones somáticos, o las semillas que contienen el gen quimérico; (iii) la regeneración de las plantas enteras a partir de las células transformadas, del tejido leñoso cicatrizal de las células, de los embriones somáticos, o de las semillas seleccionadas en la etapa (ii); (iv) la selección de las plantas enteras regeneradas en la etapa (iii) que tengan un fenotipo caracterizado por (1) una capacidad de la planta entera de acumular compuestos derivados de ácido sinápico o (2) un contenido de monómero siringilo de la lignina alterado en relación con el de una planta anfitriona no transformada.
La invención proporciona de forma adicional un método de alterar la composición de la lignina en una planta por medio de la incorporación estable en el genoma de la planta anfitriona mediante la transformación de un gen quimérico que causa proporciones alteradas de monómeros guaiacil:siringil de la lignina en una planta transformada; expresando el gen incorporado del modo que se exprese la F5H y de modo que los porcentajes de monómeros guaiacil:siringil de la lignina estén alterados respecto a los porcentajes de la planta anfitriona no transformada.
Breve descripción de las figuras y listado de secuencia
La Figura 1 ilustra la biosíntesis de los precursores monoméricos de la lignina a través del esquema del fenilpropanoide general.
La Figura 2 es una ilustración del cósmido pBIC20-F5H y de la construcción de la sobreexpresión de la F5H (pGA482-35S-F5H) en la que está expresado el gen de la F5H bajo el control del promotor 35S constitutivo del virus del mosaico de la coliflor.
La Figura 3 muestra un análisis de los metabolitos secundarios derivados del ácido sinápico en el tipo salvaje, el mutante fah1-2, y plantas de fah1-2 transgénicas derivadas de forma independiente que llevan el T-DNA derivado del cósmido pBIC20-F5H, o la construcción de la sobreexpresión pGA482-35S-F5H.
La Figura 4 muestra el impacto de la sobreexpresión de la F5H comparando los niveles de estado fijo del mRNA de la F5H en el tipo salvaje, el mutante fah1-2, las plantas de fah1-2 transgénicas derivadas de forma independiente que llevan el T-DNA derivado de la construcción de la sobreexpresión de la 35S-F5H.
La Figura 5 muestra un análisis de GC (cromatografía de gases) de los productos de oxidación del nitrobenceno de la lignina para ilustrar el impacto de la sobreexpresión de la F5H en la composición de monómeros de la lignina en el tipo salvaje, el mutante fah1-2, y un mutante fah1-2 que tiene el T-DNA derivado de la construcción de la sobreexpresión de la 35S-F5H.
La Figura 6 ilustra un análisis de manchas Southern comparando la hibridación del cDNA de la F5H al DNA genómico digerido de la EcoRI aislado de Arabidopsis thaliana de tipo salvaje y un número de mutantes fah1.
La Figura 7 es un análisis de manchas Northern comparando la hibridación del cDNA de la F5H al RNA aislado de Arabidopsis thaliana de tipo salvaje y un número de mutantes fah1.
La Figura 8 muestra el nucleótido genómico (SEC de ID NO.: 3) y las secuencias de amino ácidos (SEC de ID NO.: 2) del gen de la F5H de Arabidopsis y la enzima F5H que codifica.
Los solicitantes han proporcionado tres listados de secuencias en conformidad con la 37 C.F.R. 1821-1825 y los Apéndices A y B ("Requeriments for Application Disclosures Containing Nucleotides and/or Amino Acid Sequences") y de conformidad con "Rules for the Standard Representation of Nucleotide and Amino Acid Sequences in Patent Applications" y los Anexos I y II a la Decisión del Presidente de la EPO, publicada en el Suplemento No. 2, a OJ EPO, 12/1992.
La secuencia del cDNA de la F5H de la Arabidopsis thaliana se da en la SEC de ID NO.: 1 y la secuencia del clon genómico de la F5H de la Arabidopsis thaliana se da en la SEC de ID NO.: 3. La secuencia de la proteína de la F5H se da en la SEC de ID NO.: 2.
Descripción detallada de la invención
La presente invención proporciona un gen que codifica la F5H, una enzima clave en la biosíntesis de la lignina. La invención proporciona además un método para la alteración de la composición de la lignina en plantas por transformación de las plantas con el gen de la F5H en donde el gen es expresado y causa una conversión incrementada de ácido ferúlico a ácido sinápico con lo que se incrementa el contenido de siringilo del polímero de la lignina.
El efecto en plantas de las composiciones de lignina conteniendo un contenido de monómero siringilo superior es que la lignina es más susceptible de delignificación química. Esto es de uso particular en las industrias del papel y de pulpa en las que las que se pierden cantidades de energía y tiempo en el procedimiento de delignificación. Las plantas de madera transformadas con un gen activo de la F5H ofrecerían una ventaja significativa en el procedimiento de delignificación sobre otras reservas de fuentes de papel convencionales. De forma similar, la modificación de la composición de la lignina en plantas mediante la inserción y la expresión de un gen de la F5H heterólogo ofrece un método único de incrementar la digestibilidad de la alimentación de la ganadería. Mediante la maximización de la digestibilidad de las plantas se ofrece un beneficio económico de gran potencial para las granjas y las industrias agrícolas.
Plantas a las que puede aplicarse la Invención
La invención proporciona un gen y una construcción de un gen quimérico útil para la transformación del tejido de una planta mediante la alteración de la composición de monómeros de la lignina. Las plantas adecuadas en la presente invención comprenden plantas a las que, de forma natural, les falta siringil lignina o aquellas que acumulan lignina con una elevada relación guaiacilo:siringilo. Las plantas adecuadas en la presente invención también comprenden plantas cuya lignina puede ser modificada utilizando construcciones de transformación anti-sentido que reducen el contenido de siringilo de la lignina de las plantas transgénicas en el caso en que sea deseable dicha alteración.
Las plantas adecuadas pueden incluir, pero no están limitadas a, alfalfa (Medicago sp.), arroz (Oryza sp.), maíz (Zea mays), planta de colza (Brassica sp.), plantas forrajeras, y también árboles de cultivo tales como eucaliptos (Eucalyptus sp.), pino (Pinus sp.), abeto (Picea sp.) y álamo (Populus sp.), así como Arabidopsis sp. y tabaco (Nicotiana sp.).
Definiciones
Tal como se utiliza en la presente invención pueden utilizarse los siguientes términos para la interpretación de las reivindicaciones y la especificación.
El término "FAH1" hace referencia al emplazamiento o la localización cromosómica en el que se codifica el gen de la F5H. El término "FAH1" hace referencia a cualquier versión mutante de dicho gen que conduce a un nivel alterado de la actividad de la enzima, del contenido de siringil lignina o del éster sinapato que puede ser medido por cromatografía de capa fina, cromatografía líquida de alta resolución, o por fluorescencia in vivo.
"Gen" hace referencia a un fragmento de ácido nucleico que expresa una proteína específica, incluyendo las secuencias reguladoras precedentes (5' no codificantes) y siguientes (3' no codificantes) a la región de codificación. Gen "nativo" hace referencia al gen que se encuentra de forma natural con sus propias secuencias reguladoras.
Un "gen quimérico" hace referencia a un gen que comprende secuencias reguladoras heterogéneas y secuencias de codificación.
Un "gen endógeno" hace referencia al gen nativo que normalmente se encuentra en su localización natural en el genoma.
Un "gen extraño" o "transgen" hace referencia a un gen que normalmente no se encuentra en el organismo anfitrión pero que es introducido por transferencia del gen.
El término "promotor" hace referencia a una secuencia de DNA en un gen, normalmente corriente arriba (5') de su secuencia de codificación, que controla la expresión de la secuencia de codificación proporcionando el reconocimiento del sitio para la polimerasa del RNA y otros factores requeridos para una transcripción adecuada. Un promotor también puede contener secuencias de DNA que están implicadas en la unión de factores de proteínas que controlan la efectividad de la iniciación de la transcripción como respuesta a las condiciones fisiológicas o de desarrollo.
El término "unido de forma operable" hace referencia a las secuencias de ácido nucleico en una única molécula de ácido nucleico que están asociadas de modo que la función de una esté afectada por la otra.
Tal como se usa en la presente invención, "secuencias reguladoras" hacen referencia a secuencias de nucleótidos localizados corriente arriba (5'), en, y/o corriente abajo (3') de una secuencia de codificación, que controla la transcripción y/o la expresión de las secuencias de codificación conjuntamente con el aparato biosintético de la proteína de la célula. Estas secuencias reguladoras incluyen promotores, secuencias líderes de traducción, secuencias de terminación de la transcripción, y secuencias de poliadenilación.
El término "T-DNA" hace referencia al DNA que es transferido en el genoma de la planta a partir de un plásmido de T-DNA transportado por una cepa de Agrobacterium tumefaciens que es utilizada para infectar las plantas con los objetivos de transformación de la planta.
El término "plásmido de T-DNA" hace referencia a un plásmido transportado por el Agrobacterium tumefaciens que transporta un origen de replicación, marcadores seleccionables tales como la resistencia a los antibióticos, y las secuencias de DNA a las que se hace referencia como extremos derecho e izquierdo que son requeridos para la transformación de la planta. La secuencia de DNA que es transferida durante este proceso es la que está localizada entre las secuencias de los extremos del T-DNA derecho e izquierdo presentes en un plásmido del T-DNA. El DNA entre estos extremos puede ser manipulado de modo que cualquier secuencia deseada pueda ser insertada en el genoma de la planta.
El término "ferulato-5-hidroxilasa" o "F5H" se referirá a una enzima en el proceso biosintético fenilpropanoideo de la planta que cataliza la conversión del ferulato a 5-hidroxiferulato y que permite la producción de ácido sinápico y de sus subsecuentes metabolitos, incluyendo el sinapolimalato y la siringil lignina.
Los términos "que codifica" y "codificante" hacen referencia al procedimiento por el que un gen, a través de los mecanismos de transcripción y traducción, proporciona la información a una célula a partir de la que una serie de amino ácidos pueden ser acoplados en una secuencia de amino ácidos específica que incluye las secuencias de DNA que pueden implicar cambios de base que no causan un cambio en el amino ácido codificado, o que implican cambios de base que pueden alterar uno o más amino ácidos, pero que no afectan las propiedades funcionales de la proteína codificada por la secuencia de DNA. Por consiguiente se entiende que la invención abarca más que las secuencias de los ejemplos específicos. También se contemplan las modificaciones a la secuencia, tales como eliminaciones, inserciones o sustituciones en la secuencia que producen cambios silenciosos que no afectan de forma sustancial las propiedades funcionales de la molécula de proteína resultante. De este modo, un codón para el amino ácido alanina, un amino ácido hidrofóbico, puede ser sustituido por un codón que codifica otro residuo menos hidrofóbico, tal como la glicina, o un residuo más hidrofóbico, tal como la valina, la leucina, o la isoleucina. De forma similar, también puede esperarse que los cambios que dan lugar a la sustitución de un residuo cargado negativamente a partir de otro, tal como el ácido aspártico por el ácido glutámico, o un residuo cargado positivamente por otro, tal como la lisina por la arginina, produzcan un producto biológicamente equivalente. No sería de esperar que los cambios de nucleótidos que dan lugar a la alteración de las partes N-terminal y del C-terminal de la molécula proteica alteraran también la actividad de la proteína. En algunos casos, de hecho, puede ser deseable preparar mutantes de la secuencia con el fin de estudiar el efecto de la alteración en la actividad biológica de la proteína. Cada una de las modificaciones propuestas está dentro de lo que se puede considerar la rutina del estado de la técnica, como es el caso de la determinación de la retención de actividad biológica en los productos codificados. Además, el experto en la materia reconoce que las secuencias englobadas por esta invención están también definidas por su habilidad para hibridar, bajo condiciones rigurosas (2X SSC, 0,1% SDS, 65ºC), con las secuencias ejemplificadas en la presente invención.
El término "expresión", tal como se utiliza en la presente invención, hace referencia a la producción del producto de la proteína codificado por un gen. "Sobreexpresión" hace referencia a la producción de un producto del gen en organismos transgénicos que excede los niveles de producción en organismos normales o no-transformados.
"Transformación" hace referencia a la transferencia de un gen extraño en el genoma de un organismo anfitrión y su herencia genéticamente estable. Ejemplos de métodos de transformación de plantas incluyen la transformación mediada por Agrobacterium y de partículas aceleradas o la tecnología de transformación de "caída de gen" tal como se ha descrito en la patente U.S. 5.204.253.
El término "rescate del plásmido" se referirá a una técnica para la restricción circulante del DNA genómico de una planta de enzima digerida que transporta fragmentos de T-DNA que tienen un origen bacteriano de replicación y de resistencia a antibióticos (codificados por el gen de \beta-lactamasa de E. coli) de modo que este fragmento circularizado puede ser propagado como un plásmido en una célula anfitriona bacteriana tal como la E. coli.
El término "composición de monómeros de la lignina" hace referencia a las proporciones relativas del monómero guaiacilo y del monómero siringilo encontrados en el tejido lignificado de la planta.
El Proceso Biosintético de Fenilpropanoide
El proceso biosintético de la lignina está bien investigado y los pasos principales están ilustrados en la Figura 1. La biosíntesis de la lignina es iniciada por la conversión de la fenilalanina en cinamato a través de la acción de la liasa de amonio fenilalanina (PAL). El segundo esquema del proceso es el cinamato-4-hidroxilasa (C4H), una monooxigenasa dependiente del citocromo P450 (P450) que es responsable de la conversión del cinamato en p-cumarato. La segunda hidroxilación del proceso es catalizada por una enzima caracterizada como relativamente dañina, la p-cumarato-3-hidroxilasa (C3H), cuyo producto es el ácido cafeico. El ácido cafeico es subsecuentemente O-metilado por la OMT para formar el ácido ferúlico, un precursor directo de la lignina. La última reacción de hidroxilación del proceso de fenilpripanoide general es catalizado por la F5H. El 5-hidroxiferulato producido por la F5H es O-metilado a continuación por la OMT, la misma enzima que lleva a cabo la O-metilación del ácido cafeico. Esta especificidad dual de la OMT ha sido confirmada por la clonación del gen de la OMT, y la expresión de la proteína en la E. coli (Bugos y col., (1991) supra; Gowri y col., (1991) supra).
Las etapas implicadas de las biosíntesis de la lignina están catalizadas por la 4CL, la reductasa de la (hidroxi)cinamoil CoA (CCR) y la CAD, que finalmente genera alcohol de coniferilo a partir de ácido ferúlico y alcohol de sinapoilo a partir de ácido sinápico. El alcohol de coniferilo y el alcohol de sinapoilo son polimerizados por oxidasas extracelulares para dar lugar a la guaiacil lignina y a la siringil lignina respectivamente, aunque la siringil lignina está descrita de forma más precisa como un copolímero de ambos monómeros.
Aunque el ácido ferúlico, el ácido sinápico, y, en algunos casos, el ácido p-cumárico están dirigidos a la biosíntesis de la lignina, en algunas plantas estos compuestos son precursores de otros metabolitos secundarios. En Arabidopsis, el ácido sinápico sirve como un precursor para la biosíntesis de lignina pero también está dirigido a la síntesis de ésteres de ácido sinápico solubles. En este proceso, el ácido sinápico es convertido en sinapolilglucosa que sirve como un intermedio en la biosíntesis de sinapoilmalato (Figura 5). El ácido sinápico y sus ésteres son fluorescentes y pueden ser utilizados como un marcador de plantas deficientes en dichas enzimas que son necesarias para producir ácido sinápico (Chapple y col., supra).
Identificación del emplazamiento del FAH1 y de los alelos de fah1
Se han identificado una serie de mutantes de Arabidopsis que no acumulan sinapoilmalato y que han sido nombrados colectivamente mutantes fah1. La naturaleza fluorescente del sinapoilmalato permite la fácil identificación de los ésteres de ácido sinápico por cromatografía de capa fina (TLC) seguido por observación bajo luz ultravioleta (UV). La fluorescencia del sinapoilmalato también puede ser visualizada in vivo debido a que el sinapoilmalato es acumulado en la epidermis de la hoja adaxial. El Arabidopsis de tipo salvaje exhibe una fluorescencia azul pálida bajo el UV mientras que los mutantes fah1 aparecen de color rojo oscuro debido a la falta de fluorescencia azul del sinapoilmalato y la fluorescencia del clorofilo en el mesofilo subtendido (Chapple y col., supra).
Una selección de mutantes basada en TLC de 4200 plantas de Arabidopsis mutagenizadas con metanosulfonato de etilo identificaron un número de líneas mutantes independientes que acumularon de forma significativa menores niveles de sinapoilmalato. Las mutaciones en estas líneas se identificaron como la fah1-1 hasta la fah1-5. Se utilizó la selección visual de fluorescencia UV in vivo para identificar más líneas mutantes que transportan la mutación de fah1. Se seleccionaron dos de estos mutantes (fah1-6 y fah1-7) entre las poblaciones mutagenizadas de EMS. Se seleccionó una línea mutante (fah1-8) de entre una población mutante generada por bombardeo rápido de neutrones (R.A. Nilan, Nucl. Sci. Abstr., 28 (3), 5940 (1973); Kozer y col., Genet. Pol., 26(3), 367, (1985)). Se identificó una línea mutante final, (fah1-9) utilizando la misma técnica a partir de una población de plantas de T-DNA marcado. Antes del análisis adicional, cada línea mutante se retrocruzó al menos dos veces al tipo salvaje y se establecieron las líneas homozigóticas.
Para determinar si las líneas mutantes aisladas de nuevo eran defectuosas en el mismo sitio, es decir, en el gen que codifica la F5H, se llevaron a cabo experimentos de complementación genética. En estos ensayos, cada línea mutante se cruzó al fah1-2 el cual es conocido que es defectuoso en F5H. En cada caso, se utilizó la línea mutante aislada de nuevo como el modelo de hembra y se fertilizó con polen de un mutante homozigótico fah1-2. También se llevó a cabo un cruce recíproco utilizando el fah1-2 como modelo de hembra, y la nueva línea mutante como el donador de polen. Se recogieron las semillas de estos cruces varias semanas más tarde, y se plantaron para el subsiguiente análisis. Se analizó la progenie para determinar la producción de sinapoilmalato por TLC, cromatografía líquida de alta presión y por observación bajo luz UV. A partir de estos cruces, toda la progenie de F1 examinada fue deficiente en sinapoilmalato, indicando que todas las mutaciones identificadas eran alélicas.
Se seleccionó la línea del fah1-9 para estudios adicionales debido la presencia de la inserción de T-DNA en el gen de la F5H. La inserción del T-DNA en el sitio del FAH1 facilitó la clonación del DNA de Arabibidopsis flanqueado que pudo ser utilizado, a continuación, para recuperar el gen de la F5H de tipo salvaje a partir del cDNA y de las bibliotecas genómicas (Meyer y col., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 6869 (1996)).
Clonación del Sitio del FAH1
Se aisló un fragmento de DNA del sitio del FAH1 a partir del mutante fah1-9 marcado del T-DNA utilizando la técnica del rescate de plásmido (Meyer y col., supra). La técnica del rescate del plásmido es común y bien conocida en el estado de la técnica y puede ser utilizada para aislar alelos específicos a partir de plantas transformadas de T-DNA (Behringer y col., Plant Mol. Biol. Rep., 10, 190, (1992)). Brevemente, el vector utilizado para generar la población marcada de T-DNA de Arabidopsis transporta las secuencias requeridas para la replicación autónoma del DNA en bacterias y secuencias que confieren resistencia antibiótica. Una vez este DNA está integrado en el genoma de la planta, pueden ser utilizados los extractos de las endonucleasas de restricción para generar fragmentos que pueden ser circularizados, ligados, y transformados en la E. coli. El DNA circularizado a partir del T-DNA generará plásmidos funcionales que confieren resistencia antibiótica a sus anfitriones bacterianos de modo que puedan ser identificados por crecimiento en medios selectivos. Aquellos plásmidos que son generados a partir de las secuencias, incluyendo los extremos derecho e izquierdo, también transportarán con ellos las secuencias genómicas de la planta flanqueando la inserción del T-DNA. Los plásmidos generados de cualquiera de los extremos del T-DNA que transportan las secuencias de DNA flanqueante pueden ser identificados por análisis de los productos que la enzima de restricción del diagnóstico digiere en geles de azarosa. Los plásmidos con secuencias flanqueantes pueden servir a continuación como un punto de partida para las secuencias de plantas clonantes que comparten homología al DNA en el punto de inserción del T-DNA (Behringer y col., supra).
Se llevó a cabo el rescate del plásmido utilizando DNA digerido en EcoRI preparado a partir de plantas de fah1-9 homozigóticas. Se ligó el DNA genómico digerido en la EcoRI y a continuación se electroporó en DH5\alphaE. Coli. competente. El DNA de los plásmidos rescatados fue digerido además tanto con la EcoRI como con SalI y los digeridos fueron analizados por electroforesis de gel para identificar los plásmidos que contuvieron DNA de Arabidopsis flanqueante. Se utilizó un fragmento de SacII-EcoRI a partir de este plásmido rescatado para identificar un clon de F5H a partir de una biblioteca de cDNA de Arabidopsis (T. Newman y col., Plant. Physiol. 106, 1241, (1994)).
Secuenciación del DNA del cDNA de F5H y de clones genómicos
Se llevó a cabo el análisis de la secuencia del cDNA de la F5H y de clones genómicos en el DNA del plásmido de forma manual utilizando un Kit de Sequenasa de United Status Biochemical v. 2,0, en un secuenciador DuPont Genesis® 2000 o en un secuenciador de DNA de Applied Biosystems 373A, utilizando oligonucleótidos secuenciadores con base al vector estándar o oligonucleótidos sintetizados por el cliente según fuera apropiado. La secuencia del cDNA de la F5H del Arabidopsis thaliana se da en la SEC de ID NO.: 1 y la secuencia del clon genómico de la F5H de Arabidopsis thaliana se da en la SEC de ID NO.: 3.
El cDNA de la F5H contiene una configuración de lectura abierta de 1560 bp que codifica una proteína con un peso molecular de 58.728. El codón de iniciación del ATG putativo es flanquedado por un A a -3 y un G a +4, manteniendo con los nucleótidos que de forma común flanquean el iniciador metionina en el mRNAs de plantas (Lutcke y col., EMBO J. 6, 43, (1987)). Siguiendo de forma inmediata, el iniciador inferido metionina está una secuencia de 17 aminoácidos conteniendo nueve hidroxi amino ácidos (Figura 8). La secuencia de los subsiguientes quince amino ácidos es rica en amino ácidos hidrofóbicos; once residuos hidrofóbicos que comprenden residuos de fenilalanina, isoleucina, leucina y valina. Este intervalo hidrofóbico es seguido inmediatamente por una secuencia de transferencia de parada putativa de Arg-Arg-Arg. La F5H también comparte una identidad de secuencia significativa con otros P450s. Más notable es el intervalo entre Pro-450 y Gly-460. Esta región contiene ocho residuos que comprenden el dominio de heme-unión y son altamente conservados entre la mayoría de los P450s, siendo una excepción la sintasa del óxido de aleno a partir del Linum usitatissimum (Song y col., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90, 8519, (1993)). La región Pro-450 a Gly-460 contiene Cys-458 en F5H, que por analogía es más posible el ligando de heme unión en esta enzima.
Transformación del Arabidopsis de fah1-2 y Restauración de la Acumulación de Sinapoilmalato
Se confirmó la identidad del gen de la F5H por complementación del mutante fah1-2 con un clon genómico y una construcción en donde la secuencia de codificación genómica de F5H fue expresada bajo el control del promotor 35S del virus del mosaico de la coliflor. De forma breve, se utilizó el cDNA de la F5H como una sonda para seleccionar una biblioteca competente de transformación (Meyer y col., (1994) Science, 264, 1452-1455) para clones genómicos. Utilizando este método, se aisló un clon cósmido (pBIC20-F5H) que transportaba un inserto genómico de 17 kb conteniendo los codones de inicio y parada inferidos del gen de la F5H (Figura 2). La parte de este cósmido que transporta la configuración de lectura abierta de la F5H fue cortado del cósmido y subclonado en un vector en el que estuvo unido de forma operable al promotor 35S del virus del mosaico de la coliflor (pGA482-35S-F5H) (Figura 2). Tanto el cósmido original como su derivado de construcción del plásmido fueron electroporados en Agrobacterium tumefaciens y fueron utilizados para transformar los mutantes fah1-2. Se evidenció el éxito de las transformaciones por ensayos de TLC demostrando la acumulación de sinapoilmalato en tejidos de hojas de los transformantes de fah1-2 transportando el T-DNA a partir del cósmido pBIC20-F5H o el plásmido pGA483-35S-F5H (Figura 3). Estos datos indican claramente que se ha identificado el gen que codifica la F5H.
Modificación de la Composición de la Lignina en Plantas Transformadas con la F5H Bajo el Control del Promotor 35S del Virus del Mosaico de la Coliflor
Se transformaron las plantas homozigóticas de Arabidopsis para el alelo del fah1-2 con Agrobacterium transportando el plásmido pGA482-35S-F5H que contiene el gen F5H quimérico bajo el control del promotor 35S del virus del mosaico de la coliflor (Odell, y col., Nature 313, 810-812, (1985)). Se identificaron los transformante homozigóticos independientes que transportan el transgen de la F5H a un sitio genético único por selección en un medio de crecimiento conteniendo kanamicina, crecido en el suelo y se analizó el tejido de la planta para determinar la composición de monómeros de la lignina. El análisis de la oxidación del nitrobenceno de la lignina de tipo salvaje, del fah1-2, y de los transformantes transportadores del T-DNA de la construcción pGA482-35S-F5H revelaron que la sobreexpresión de la F5H, tal como fue medida por el análisis de manchas Northern (Figura 4), condujo a un incremento significativo en el contenido de siringilo de la lignina transgénica (Figura 5). La lignina de las plantas que sobreexpresan la F5H demostró un contenido de siringilo tan alto como del 29% en moles en oposición al contenido de siringilo de la lignina de tipo salvaje que fue del 18% en moles (Tabla 1) (Ejemplo 5). Estos datos demuestran de forma clara que la sobreexpresión del gen de la F5H es útil para la alteración de la composición de la lignina en plantas transgénicas.
TABLA 1 Impacto de la Expresión de la F5H Conducido al Promotor 35S en la Composición de Monómeros de la Lignina en Arabidopsis
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  Línea  \+  \hskip5cm  \+ % en moles de S \cr 
tipo salvaje \+  \+ 18,4 +/- 0,91\cr  88 \+ \+ 5,06 +/- 0,17\cr  172
\+ \+ 13,7 +/- 0,55\cr  122 \+ \+ 19,2 +/- 0,56\cr  108 \+ \+ 22,7
+/- 0,82\cr  107 \+ \+ 25,3 +/- 1,23\cr  180 \+ \+ 25,8 +/- 0,78\cr 
117 \+ \+ 28,8 +/- 0,92\cr  128 \+ \+ 27,5 +/-
1,80\cr}
De una forma similar, se generaron los transformantes F5H del tabaco T1 (Nicotiana tabacum), se hicieron crecer y se analizaron para determinar la composición del monómero de la lignina. El análisis de oxidación del nitrobenceno demostró que el contenido de monómero siringilo de los rebordes centrales de las hojas fue incrementado en un 14% en moles en el tipo salvaje hasta un 40% en moles en la línea transgénica que más expresó el transgen de la F5H (Tabla 2).
TABLA 2 Impacto de la Expresión de la F5H Conducido al Promotor 35S en la Composición de Monómeros de la Lignina en el Xylem del Reborde Central de las Hojas del tabaco
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  Línea  \+  \hskip5cm   \+  % en moles de S \cr 
tipo salvaje \+ \+ 14,3 +/- 1,09\cr  40 \+ \+ 22,4 +/- 1,53\cr  27
\+ \+ 31,3 +/- 0,50\cr  48 \+ \+ 35,7 +/- 0,50\cr  33 \+ \+ 40,0 +/-
1,86\cr}
Construcción de Genes Quiméricos para la expresión de la F5H en Plantas
La expresión de genes extraños en plantas está bien establecida (De Blaere y col., (1987) Meth. Ensymol. 143: 277-291) y esta invención proporciona un método para aplicar esta tecnología a la introducción de un gen quimérico para la sobreexpresión del gen de la F5H en plantas para la manipulación de la composición del monómero de la lignina. La expresión de los mRNAs de la F5H a un nivel apropiado puede requerir el uso de diferentes genes quiméricos utilizando diferentes promotores. Una clase preferida de anfitriones heterólogos para la expresión de la secuencia de codificación del gen de la F5H son los anfitriones eucarióticos, particularmente las células de plantas superiores. Son particularmente preferidas entre las plantas superiores y las semillas derivadas de estas, la alfalfa (Medicago sp.), arroz (Oryza sp.), maíz (Zea mays), planta de colza (Brassica sp.), plantas forrajeras, y también cultivos de árboles tales como el eucaliptos (Eucalyptus sp.), pino (Pinus sp.), abeto (Picea sp.) y álamo (Populus sp.), así como Arabidopsis sp. y tabaco (Nicotiana sp.). La expresión en plantas utilizará secuencias reguladores funcionales en dichas plantas.
El origen del promotor seleccionado para dirigir la expresión de la secuencia de codificación no es crítico en tanto en cuanto tenga suficiente actividad transcripcional para conseguir que la invención exprese el mRNA traducible para el gen de la F5H en el tejido anfitrión deseado. Los promotores preferidos dirigirán de forma efectiva la expresión de la F5H a aquellos tejidos que sufren lignificación. Estos promotores pueden incluir, pero no están limitados a, los promotores de los genes que codifican las enzimas del proceso fenilpropanoide tal como el promotor PAL (Ohl y col., Plant Cell, 2, 837, (1990) y el promotor 4CL (hauffed y col., Plant Cell, 3, 435 (1991).
Dependiendo de la aplicación, puede ser deseable seleccionar promotores que sean específicos para la expresión de uno o más órganos de la planta. Ejemplos de los mismos incluyen promotores inducibles por la luz de la pequeña subunidad del 1,5-bisfosfato carboxilasa de la ribulosa, si se desea expresión en órganos fotosintéticos o promotores específicamente activos en raíces.
Expresión de los Genes Quiméricos de F5H en Plantas
Se encuentran disponibles para los expertos en la materia varios métodos de introducción de un secuencia de DNA (es decir, de transformación) en células eucarióticas de plantas superiores (ver las publicaciones de la EPO (Oficina de patentes europea) 0 295 959 A2 y 0 138 341 A1). Dichos métodos incluyen aquellos basados en la transformación de vectores basados en los plásmidos Ti y Ri de Agrobacterium spp. Es particularmente preferido utilizar el tipo binario de estos vectores. Los vectores derivados de Ti transforman una amplia variedad de plantas superiores, incluyendo plantas monocotiledoneas y dicotiledoneas, tales como soja, algodón, tabaco, Arabidopsis y colza (Pacciotti y col., Bio/Technology 3, 241, (1985); Byrne y col., Plant Cell, Tissue and Organ Cultura 8, 3, (1987); Sukhapinda y col., Plant Mol. Biol. 8, 209, (1987); Lorz y col., Mol. Gen. Genet. 199, 178, (1985); Potrykus Mol. Gen. Genet. 199, 183, (1985)).
Para la introducción en las plantas, los genes quiméricos de la invención pueden ser insertados en vectores binarios tal como se ha descrito en el Ejemplo 5.
Otros métodos de transformación son asequibles para los expertos en la materia, tales como la captación directa de construcciones de DNA extraño [ver publicación de la EPO 0 295 959 A2], técnicas de electroporación [ver Fromm y col. (1986) Nature (Londres) 319: 791] o bombardeo balístico de alta velocidad con partículas metálicas recubiertas con las construcciones de ácido nucleico (ver Kline y col., Nature (Londres) 327: 70 (1987), y ver la patente U.S. No. 4.945.050). Una vez transformadas, las células pueden ser regeneradas por los expertos en la materia.
Los siguientes Ejemplos sirven para ilustrar las realizaciones clave de la invención pero, de ningún modo, deben ser tomadas como limitantes de la misma.
Ejemplos Métodos generales
Las digestiones, fosforilaciones, uniones y transformaciones de las enzimas de restricción se llevaron a cabo tal como se ha descrito en Sambrook y col., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Segunda Edición (1989) Cold Spring Harbor Laboratory Press. Todos los reactivos y materiales utilizados para el crecimiento y el mantenimiento de las células bacterianas fueron obtenidos de Aldrich Chemicals (Milwaukee, WI), DIFCO laboratorios (Detroit, MI), GIBCO/BRL (Gaithersburg, MD), o Sigma Chemical Company (St. Louis, MO) a no ser que se especifique de otro modo.
Los significados de las abreviaturas son los siguientes: "h" significa hora(s), "min" significa minuto(s), "sec" significa segundo(s), "d" significa día(s), "\muL" significa microlitro(s), "mL" significa mililitros, "L" significa litros, "g" significa gramos, "mg" significa miligramos, "\mug" significa microgramo(s), "nm" significa nanómetro(s), "m" significa metro(s), "E" significa Einstein(s).
Material de plantas
La Arabidopsis thaliana se hizo crecer bajo un fotoperiodo de 16 h de luz/8 h de oscuridad a 100 mE m^{-2} s^{-1} a 24ºC cultivada en una mezcla para macetas Metromix 2000 (Scotts, Marysville OH). Se identificaron las líneas mutantes fah1-1 hasta la fah1-5 por TLC tal como se describe a continuación. Utilizando su fluorescencia roja bajo la luz UV como un marcador, se seleccionaron las líneas mutantes fah1-6, fah1-7, y fah1-8 a partir de las poblaciones mutagenizadas con sulfonato de etilmetano (fah1-6, fah1-7) o de neutrones rápidos (fah1-8) de semillas de Landsberg erecta M2. La línea marcada 3590 de T-DNA (fah1-9) fue identificada de forma similar en la población marcada de T-DNA Du Pont (K. A. Feldmann, R.L. Malmberg, & C. Dean, (1994) Mutagenesis in Arabidopsis en Arabidopsis, (E.M. Meyerowitz y C. R. Somerville, eds.) Cold Spring harbor Press). Todas las líneas fueron retrocruzadas al tipo salvaje al menos dos veces antes del uso experimental para eliminar las mutaciones antecedentes no
unidas.
Análisis de los Metabolitos Secundarios
Se prepararon extractos de hojas a partir de muestras de 100 mg de tejido de hojas frescas suspendido en 1 mL de metanol del 50%. Las muestras se agitaron brevemente, y a continuación se congelaron a -70ºC. Las muestras se descongelaron, se agitaron, y se centrifugaron a 12.000 xg durante 5 min. Se determinó de forma cuantitativa el contenido de sinapoilmalato siguiendo por TLC sobre gel de sílice, en una fase móvil de n-butanol/etanol/agua (4:1:1). Se visualizó el ácido sinápico y sus ésteres bajo luz UV de larga longitud de onda (365 nm) por su fluorescencia característica.
Análisis Southern
Para el análisis Southern se extrajo el DNA del material de hojas (Rogers, y col., (1985) Plat. Mol. Biol. 5, 69), se digirió con endonucleasas de restricción y se transfirió a una membrana Hybond N+ (Amersham, Cleveland Ohio) mediante protocolos estándar. Se radiomarcaron las sondas de cDNA con P^{32} y se hibridaron a una membrana objetivo en un tampón de hibridación de Denhardt (900 mM de cloruro sódico, 6 mM de EDTA disódico, 60 mM de fosfato sódico de pH 7,4, 0,5% de SDS y 0,01% de DNA de esperma de arenque desnaturalizado y un 0,1% tanto de polivinilpirrolidona, como de albúmina de suero de bovino, como de Ficoll 400) conteniendo un 50% de formamida a 42ºC. Para eliminar la sonda no unida, se lavaron las membranas dos veces a temperatura ambiente y dos veces a 65ºC en 2x SSPE (300 mM de cloruro sódico, 2mM de EDTA disódico, 20 mM de fosfato sódico, pH 7,4) conteniendo un 0,1% de SDS, y se expuso a una película.
Análisis Northern
Se extrajo en primer lugar el RNA del material de hojas de acuerdo con el protocolo siguiente.
Para la extracción del RNA, se preparó un tampón de extracción de Covey por disolución del TIPS (sal sódica del sulfonato de triisopropil-naftaleno) al 1% (peso/v), PAS (sal sódica del p-aminosalicilato) al 6% (peso/v) en 50 mM de Tris de pH 8,4 conteniendo un 5% v/v de fenol de Kirby. El fenol de Kirby se preparó por neutralización de fenol licuado conteniendo un 0,1% (peso/v) de 8-hidroxiquinolina con Tris-HCl 0,1 M de pH 8,8. Para cada preparación de RNA, se hicieron crecer muestras de 1 g de tejido de plantas en nitrógeno líquido y se extrajeron en 5 mL de tampón de extracción de Covey conteniendo 10 \muL de \beta-mercaptoetanol. La muestra se extrajo con 5 mL de una mezcla 1.1 de fenol de Kirby y cloroformo, se agitó, y se centrifugó durante 20 min a 7000 xg. Se separó el sobrenadante y se precipitaron los ácidos nucleicos con 500 \muL de acetato sódico 3 M y 5 mL de isopropanol y se separó por centrifugación a 10.000 xg durante 10 min. El pellet (gránulo) se disolvió de nuevo en 500 \muL de agua, y se precipitó el RNA en hielo con 250 \muL de Lic. 8 M, y se separó por centrifugación a 10.000 xg durante 10 min. El pellet se suspendió de nuevo en 200 \muL de agua y se extrajo con un volumen igual de cloroformo:alcohol isoamílico 1:1 con agitación. Después de la centrifugación durante 2 min a 10.000 xg, se separó la capa superior acuosa, y se precipitaron los ácidos nucleicos a -20ºC mediante la adición de 20 \muL de acetato sódico 3 M y de 200 \muL de isopropanol. Se lavó el pellet con 1 mL de etanol del 70% frío, se secó y se suspendió de nuevo en 100 \muL de agua. Se valoró el contenido de RNA de forma espectofotométrica a 260 nm. Las muestras conteniendo entre 1 y 10 \mug de RNA se sometieron a electroforesis sobre gel desnaturalizante tal como se ha descrito en otros trabajos (Sambrook y col., supra).
Se transfirió el RNA extraído a una membrana Hybond N^{+} (Amersham Cleveland Ohio), y se sondó con sondas radiomarcadas preparadas a partir de clones de cDNA. Las manchas se hibridaron toda la noche, se lavaron dos veces a temperatura ambiente y una vez a 65ºC en 3x SSC (450 mM de cloruro sódico, 45 mM de citrato sódico, pH 7,0) conteniendo un 0,1% de SDS, y se expusieron a la película.
Identificación del cDNA y de los Clones Genómicos
Se identificó el cDNA y los clones genómicos para la F5H por técnicas estándar utilizando un fragmento de 2,3 kb de SacII/EcoRI a partir del plásmido rescatado (pCCI) (Ejemplo 2) como una sonda. Se identificó el clon pCC30 del cDNA en la biblioteca \lambdaPRL2 (Newman y col., (1994) supra) gentilmente proporcionado por el Dr. Thomas Newman (Laboratorio de Investigación de Plantas DOE, Universidad del estado de Michigan, East Lansing, MI). Se valoró una biblioteca de cósmidos genómicos de Arabidopsis thaliana (ecotipo Landsberg erecta) generada en el vector de cósmido binario pBIC20 (ejemplo 3) (Meyer y col., Science 264, 1452, (1994)) con el inserto de cDNA radiomarcado derivado del pCC30. Los insertos genómicos en el T-DNA de pBIC20 se flanquearon por el gen de neomicin fosfotransferasa para la adyacente selección de kanamicina a la secuencia del extremo derecho del T-DNA, y el gen de \beta-glucuronidasa para la adyacente selección histoquímica al extremo izquierdo. Se caracterizaron los clones positivos por digestión de restricción y análisis Southern en comparación con el DNA genómico de Arabidopsis.
Transformación de las Plantas
Se llevó a cabo la transformación de la Arabidopsis thaliana por infiltración a vacío (Bent y col., Science 265, 1856, (1994)) con modificaciones menores. De forma breve, se hicieron crecer 500 mL de cultivos de Agrobacterium transformados albergando el cósmido pBIC20-F5H o la construcción pGA482-35S-F5H hasta la fase estacionaria en un caldo Luria conteniendo 10 mg L^{-1} de rifampicina y 50 mg L^{-1} de kanamicina. Las células se cosecharon por centrifugación y se suspendieron de nuevo en un 1 L de medios de infiltración conteniendo 2,2 g de sales de MS (Murashige y Skoog, Physiol. Plant. 15, 473, (1962)), vitaminas B5 de Gamborg (Gamborg y col., Exp. Cell Res. 50, 151, (1968)), 0,5 g de MES, 50 g de sacarosa, 44 nM de bencilaminopurina, y 200 \muL de Silwet L-77 (OSI Specialties) a pH 5,7. Se invirtieron plantas de Arabidopsis cribadas (generación T_{0}) que tenían entre 5 y 10 cm de altura en la suspensión bacteriana y se expusieron a un vacío (> 500 nm de Hg) durante entre tres y cinco min. Se retornaron las plantas infiltradas a las condiciones de crecimiento estándar para la producción de semillas. Las semillas transformadas (T_{1}) se identificaron por selección en un medio de MS conteniendo 50 mg L^{-1} de kanamicina y 200 mg L^{-1} de timentina (SmithKline Beecham) y se transfirieron al suelo.
La transformación del tabaco se consiguió utilizando el método del disco de hojas de Horsch y col. (Science 227, 1229, (1985)).
Oxidación del Nitrobenceno
Para la determinación de la composición del monómero de la lignina, se trituró tejido del tallo hasta un polvo en nitrógeno líquido y se extrajo con 20 mL de tampón de fosfato sódico 0,1 M, pH 7,2 a 37ºC durante 30 min seguido por tres extracciones con etanol del 80% a 80ºC. A continuación se extrajo el tejido una vez con acetona y se secó completamente. Se saponificó el tejido por tratamiento con NaOH 1,0 M a 37ºC durante 24 horas, se lavó tres veces con agua, una vez con etanol del 80%, una vez con acetona y se secó. La oxidación del nitrobenceno de muestras de tejido de tallo se llevó a cabo con un protocolo modificado de Iiyama y col. (J. Sci. Food Agric. 51, 481-491 (1990)). Se mezclaron las muestras de material lignocelulósico (5 mg cada una) con 500 \muL de NaOH 2 M y 25 \muL de nitrobenceno. Se incubó esta mezcla en un tubo de vidrio cerrado a 160ºC durante 3 h. Se enfriaron los productos de reacción a temperatura ambiente y se añadieron 5 \muL de una solución de 3-etoxi-4-hidroxibenzaldehído en piridina de 20 mg mL^{-1} como un estándar interno antes de extraer la mezcla dos veces con 1 mL de diclorometano. Se acidificó la fase acuosa con HCl 8pH 2) y se extrajo dos veces con 900 \muL de éter. Se secaron las fases etéreas combinadas con sulfato sódico anhidro y se evaporó el éter en una corriente de nitrógeno. El residuo seco se suspendió de nuevo en 50 \muL de piridina, se añadieron 10 \muL de BSA (N,O-bis-(trimetilsilil)-trifluoroacetamida) y se analizaron alícuotas de 1 \muL de los productos sigilados utilizando un cromatógrafo de gases Hewlet-Packard 5890 Series II equipado con una columna SPB I Supelco (30 m x 0,75 mm). Se calculó la composición de monómero de lignina a partir de las áreas integradas de los picos que representan los derivados trimetilsililados de vanillina, siringaldehído, ácido vaníllico y ácido siríngico. Se calcularon las unidades de guaiacilo susceptibles de oxidación del nitrobenceno (vanillina y ácido vaníllico) y las unidades de siringilo (siringaldehído y ácido siríngico) siguiendo la corrección para las eficiencias de recuperación de cada uno de los productos durante el procedimiento de extracción relativo al estándar interno.
Ejemplo 1 Identificación del alelo marcado de T-DNA de fah1
Se identificó un mutante fah1 marcado de T-DNA en una biblioteca de líneas marcadas de T-DNA (Feldmann y col., Mol. Gen. Genet. 208, 1, (1987)) (Dr. Tim Caspar, Dupont, Wilmington, DE) por selección de plantas adultas bajo luz de UV de onda larga. Se seleccionó una línea fluorescente roja (línea 3590), y se ensayó su progenie para determinar el contenido de sinapoilmalato por TLC. Los análisis indicaron que la línea 3590 no acumuló sinapoilmalato. Los cruces recíprocos de la línea 3590 a un homocigoto de fah1-2, seguido por análisis de la generación F1 para el contenido de sinapoilmalato, demostraron que la línea 3590 tenía un nuevo alelo de fah1, y se designó como
fah1-9.
Los experimentos preliminares indicaron co-segregación del fenotipo de kanamicina del mutante marcado de T-DNA con el fenotipo fah1. La semilla autofecundada a partir de plantas [fah1-9 x FAH1] resistentes a 7 kanamicina segregaron 1:3 para la resistencia a la kanamicina (kan^{sensible}kan^{resistente}) y 3:1 para la deficiencia de sinapoilmalato (FAH1:fah1). A partir de estas líneas, las plantas de fah1 dieron un aumento a sólo la progenie fah1 kan^{resistente}. Para determinar la distancia genética entre la inserción de T-DNA y el sitio de FAH1, se llevaron a cabo múltiples cruces de ensayo entre un [fah1-9 x FAH1] F1 y un homocigoto de fafl-2. Se evaluó la distancia entre el sitio de FAH1 y la inserción del T-DNA por determinación de la frecuencia a la que se recuperó la progenie de FAH1/kan^{sensible}en el ensayo de cruce F1. En la ausencia de sucesos de reticulación, toda la progenie de F1 resistente a la kanamicina fue incapaz de acumular sinapoilmalato, y dando, de este modo, fluorescencia roja bajo la luz UV. En la progenie examinada de F1 682 kan^{resistente}, no se identificaron plantas proficientes de sinapoilmalato, indicando una unión muy estrecha entre el sitio de inserción del T-DNA y el sitio del FAH1.
Ejemplo 2 Rescate del plásmido y clonación del c-DNA del gen fah1
Se llevó a cabo el rescate del plásmido utilizando el DNA digerido de la EcoRI preparado a partir de plantas fah1-9 homozigóticas (Behringer y col., (1992), supra). Se incubaron 5 \mug de DNA genómico digerido de la EcoRI con 125 U de ligasa de DNA T4 toda la noche a 14ºC en un volumen final de 1 mL. La mezcla de unión se concentró aproximadamente cuatro veces por dos extracciones con volúmenes iguales de 2-butanol, y a continuación se precipitó de etanol y se electroporó en células DH5-\alpha competentes tal como se ha descrito (Newman y col., 81994), supra).
El DNA de plásmidos rescatados fue doble digerido con la EcoRI y la SalI. Los plásmidos generados a partir de las secuencias de T-DNA internas fueron identificados por la presencia de bandas de triplete a 3,8, 2,4 y 1,2 kb y fueron descartados. Se identificó un plásmido (pCC1) que dio un aumento a la banda de 3,8 kb esperada más una nueva banda de 5,6 kb como un plásmido de extremo derecho externo putativo. Utilizando un fragmento SacII/EcoRI de pCC1 que pareció que representaba el DNA de Arabidopsis, se identificaron los clones de el cDNA putativo (pCC30) para F5H. El clon F5H transportó un inserto de SalI-No1I, cuya secuencia se determinó. El análisis de Blastx (Alschul y col., J. Mol. Biol. 215, 403, (1990)) indicando que este cDNA codifica una monooxigensa dependiente del citocromo P450, consistente con trabajos anteriores en los que (i) el mutante de fah1 era defectuoso en F5H (Chapple y col., supra) y (ii) la F5H es un monooxigenasa dependiente del citocromo P450 (Grand, supra).
Análisis de Manchas Southern y Northern
Se utilizó el análisis Southern y Northern para determinar si el cDNA de F5H putativo representa realmente el gen que fue cortado en la línea marcad de T-DNA para caracterizar los mutantes de fah1 disponibles utilizando el cDNA de F5H putativo.
La Figura 6 muestra una mancha Southern comparando la hibridación del cDNA de F5H al DNA genómico digerido de la EcoRI aislada a partir del tipo salvaje (ecotipos Columbia (Col), Landsberg erecta (LER), y Wassilewskija (WS)) y los nueve alelos de fah1 incluyendo el alelo de fah1-9 marcado del T-DNA. WS es el ecotipo a partir del que se generó la línea marcada de T-DNA.
Estos datos indicaron la presencia de un polimorfismo de longitud del fragmento de restricción entre la línea marcada y el tipo salvaje. Estos datos también indican un polimorfismo de longitud del fragmento de restricción en el alelo fah1-8 que fue generado con neutrones rápidos, una técnica que se ha descrito que causa mutaciones de eliminación.
Tal como se muestra en la Figura 6 el DNA genómico de los alelos fah1-8 y fah1-9 (la línea marcada del T-DNA) es cortado en la región correspondiente al cDNA de F5H putativo. Estos datos también indican que la F5H es codificada por un único gen en Arabidopsis tal como era esperado considerando que la mutación en el mutante de fah1 segrega un único gen mendeliano. Estos datos proporcionan la primera indicación de que el cDNA de la F5H putativa corresponde al gen que es cortado en los mutantes de fah1.
Fue examinado el material de plantas homozigótico para nueve alelos fah1 derivados de forma independiente para determinar la abundancia del transcrito correspondiente al cDNA de F5H putativo utilizando el análisis de manchas Northern. Los datos se muestran en la Figura 7.
Tal como se puede ver de los datos, el mRNA de F5H putativo se representó a niveles similares en tejido de hojas de Columbia, ecotipos de Landsberg erecta y Wassilewskija y en los fah1-1, fah1-4, y fah1-5, inducidos de EMS, así como el fah1-7 inducido por neutrones rápidos. La abundancia del transcrito fue reducida de forma sustancial en hojas a partir de plantas homozigóticas para el fah1-2, fah1-3 y fah1-6, todos los cuales fueron inducidos por EMS, el fah1-8 del mutante inducido por neutrones rápidos y en el fah1-9 de la línea marcada. El mRNA en el mutante de fah1-8 también parece estar truncado. Estos datos proporcionaron una fuerte evidencia de que el clon de cDNA que había sido identificado era codificado por el sitio de FAH1.
Ejemplo 3 Demostración de la identidad del cDNA de la F5H por transformación de plantas mutantes de fah1 con F5H de tipo salvaje y restauración de la acumulación de sinapoilmalato
Con el fin de demostrar la identidad del gen de F5H al nivel funcional se valoró la biblioteca de cósmido pBIC20 competente en la transformación (Meyer y col., supra) para los clones genómicos correspondientes utilizando el cDNA de F5H de longitud total como una sonda. Se transformó un clon (pBIC20-F5H) que transporta un inserto genómico de 17 kb que contiene 2,2 kb de secuencia contra corriente del codon de inicio de la F5H putativo y 12,5 kb de la secuencia en el sentido de la corriente del codon final del gen de F5H (Figura 2) en el mutante de fah1-2 por infiltración a vacío. Se llevaron a cabo treinta experimentos de infiltración independientes, y se transfirieron 167 plantillas de semilla resistentes a kanamicina, representando al menos 3 transformantes de cada infiltración, al suelo y fueron analizadas con respecto al los metabolitos secundarios derivados de ácido sinápico. De estas plantas, 164 acumularon sinapoilmalato en el tejido de su hoja tal como se determinó por TLC (Figura 3). Estos datos complementarios indican que está presente el gen defectuoso en el mutante fahl en el cósmido binario pBIC20-FSH.
Para delimitar la región de DNA en el cósmido pBIC20-FSH responsable de la complementación del fenotipo mutante, se fusionó un fragmento de 2,7 kB de la secuencia genómica de la F5H en el sentido de la corriente del promotor del virus mosaico de la coliflor 35S en el plásmido binario pGA482 y se transformó esta construcción (pGA482-35S-F5H) (Figura 2) en el mutante de fah1-2. Se analizó la presencia de sinapoilmalato en 109 de las 110 líneas transgénicas analizadas por TLC o por fluorescencia in vivo bajo luz UV indicando que el fenotipo mutante fah1 había sido complementado (Figura 3). Estos datos proporcionan una evidencia conclusiva de que ha sido identificado el cDNA de F5H.
Ejemplo 4 Secuenciación del DNA del cDNA de la F5H y de los clones genómicos
Se secuenció completamente tanto del cDNA de la F5H como un fragmento de 5156 bp de HindIII-XhoI del clon genómico pBIC20-F5H en ambas hebras y la secuencia de la proteína de F5H (SEC de ID NO.: 2) se infirió a partir de la secuencia de cDNA (Figura 8). La secuencia del cDNA de F5H de Arabidopsis thaliana se da en la SEQ de ID NO.: 1. La secuencia del clon genómico de F5H de Arabidopsis thaliana se da en la SEC de ID NO.: 3.
Ejemplo 5 Modificación de la composición del monómero de la lignina en plantas transgénicas que sobreexpresan la F5H Generación de Plantas Transgénicas que Expresan de Forma Ectópica el Gen de la F5H
Utilizando una estrategia de clonación basada en adaptador, se sustituyeron las secuencias reguladoras 5' del sitio de iniciación de la traducción del gen F5H con el promotor del virus 35S mosaico de la coliflor de fuerte constitución (Odell y col., Nature 313, 810-812 (1985)), tal como se muestra en la Figura 2. La construcción resultante transporta 2719 bp de la secuencia genómica de F5H dirigida por el promotor del virus mosaico de la coliflor 35S fusionado 50 bp en sentido contrario a la corriente del codón de inicio ATG inferido. Como resultado, el promotor del virus mosaico de la coliflor 35S dirige la expresión del gen de F5H mediante la utilización del sitio de inicio de la transcripción del promotor viral y la señal de terminación presente en la secuencia genómica de F5H. Se insertó este registro de expresión para la expresión ectópica de la F5H en el T-DNA del vector binario pGA482 (G. An, (1987), Binary Ti vectors for plant transformation and promoter análisis in: Methods in enzymology. R. Wu, ed. Academic Press, NY 153: 292-305) y se introdujo en Agrobacterium tumefaciens por electroporación.
Se transformaron las plantas de Arabidopsis transgénicas del ecotipo Columbia que fueron homozigóticas para el alelo de fah1-2 (Chapple y col., supra) con cultivos de Agrobacterium que albergaban la construcción pGA482-35S-F5H de acuerdo con el método de Bent y col. (supra). Se identificaron las plantas transgénicas de la generación T2 y T3 por selección en medios conteniendo kanamicina y subsecuentemente se transfirieron al suelo.
Determinación de la composición del monómero de lignina del tejido de tallo de Arabidopsis
Se cosechó tejido de tallo de plantas de 4 semanas de vida que habían sido crecidas en suelo a 22ºC bajo un fotoperiodo de luz/oscuridad de 16 h/ 8 h. El análisis de oxidación del nitrobenceno generó valores de siringilo de % de moles para 9 líneas transformantes diferentes (Tabla 1) oscilando entre 5,06 +/- 0,17 moles en % y 28,8 +/- 0,92 moles en % como oposición al control de tipo salvaje que demostró un valor de 18,4 +/- 0,91 moles en %. El antecedente mutante de fah1-2 en el que se generaron las líneas transgénicas está completamente falto de siringil lignina (Tabla 1). La baja expresión del transgen de la F5H en un antecedente genético al que le falta el mensaje de la F5H endógeno explica cómo la línea 88 puede tener niveles de siringil lignina que son menores que el tipo salvaje.
Además de la Arabidopsis, las plantas de tabaco se transformaron de un modo similar con el gen de la F5H bajo control del promotor de virus mosaico de la coliflor 35S. Se seleccionaron los transformantes positivos T2 y T3 y se analizaron para la modificación de la lignina y los datos se dan en la tabla 2. El análisis de oxidación del nitrobenceno de los rebordes centrales de las hojas de tabaco generó valores de siringilo en % en moles para 4 líneas transformante diferentes (Tabla 2) que oscilan entre 22,4 +/- 1,53 moles en % y 40,0 +/- 1,86 moles en % como oposición al control de tipo salvaje que demostró un valor de 14,3 +/- 1,09 moles en %.
Los datos de las Tablas 1 y 2 demuestran claramente que la sobre expresión del gen de la F5H en plantas transgénicas produce la modificación de la composición del monómero de la lignina. Es esperable que la planta transformada tenga un contenido de monómero siringil lignina que oscile entre aproximadamente el 0% en moles y aproximadamente el 95% en moles tal como se ha medido en el tejido de la planta entera.
(1) GENERAL INFORMATION:
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(i)
APPLICANT:
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(A)
NAME: PURDUE RESEARCH FOUNDATION
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(B)
STREET: 1650 ENGINEERING ADM BLDG, ROOM 328
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(C)
CITY: WEST LAFAYETTE
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(D)
STATE: INDIANA
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(E)
COUNTRY: UNITED STATES OF AMERICA
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(F)
POSTAL CODE (ZIP): 47907-1650
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(G)
TELEPHONE: 317-494-2610
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(H)
TELEFAX: 317-496-1277
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(I)
TELEX:
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(ii)
TITLE OF INVENTION: A METHOD FOR REGULATION OF PLANT LIGNIN COMPOSITION
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(iii)
NUMBER OF SEQUENCES: 3
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(iv)
COMPUTER READABLE FORM:
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(A)
MEDIUM TYPE: DISKETTE, 3.50 INCH
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(B)
COMPUTER: IBM PC COMPATIBLE
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(C)
OPERATING SYSTEM: WINDOWS 3.1
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(D)
SOFTWARE: MICROSOFT WORD 2.0C
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(v)
CURRENT APPLICATION DATA:
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(A)
APPLICATION NUMBER:
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(B)
FILING DATE
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(C)
CLASSIFICATION:
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(vi)
PRIOR APPLICATION DATA:
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(A)
APPLICATION NUMBER: 60/009,119
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(B)
FILING DATE: DECEMBER 22, 1995
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(vii)
ATTORNEY/AGENT INFORMATION:
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(A)
NAME: THOMAS Q. HENRY
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(B)
REGISTRATION NO.: 28,309
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(C)
REFERENCE/DOCKET NUMBER: CR-9870
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(2) INFORMATION FOR SEQ ID NO:1:
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(i)
SEQUENCE CHARACTERISTICS:
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(A)
LENGHT: 1838 base pairs
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(B)
TYPE: nucleic acid
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(C)
STRANDEDNESS: single
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(D)
TOPOLOGY: linear
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(ii)
MOLECULE TYPE: DNA (cDNA)
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(xi)
SEQUENCE DESCRIPTION: SEQ ID NO:1:
1
2
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(2) INFORMATION FOR SEQ ID NO:2:
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(i)
SEQUENCE CHARACTERISTICS:
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(A)
LENGHT: 520 amino acids
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(B)
TYPE: amino acid
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(C)
STRANDEDNESS: unknown
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(D)
TOPOLOGY: unknown
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(ii)
MOLECULE TYPE: protein
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(xi)
SEQUENCE DESCRIPTION: SEQ ID NO:2:
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3
4
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(2) INFORMATION FOR SEQ ID NO:3:
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(i)
SEQUENCE CHARACTERISTICS:
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(A)
LENGHT: 5156 base pairs
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TYPE: nucleic acid
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(C)
STRANDEDNESS: single
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(D)
TOPOLOGY: linear
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(ii)
MOLECULE TYPE: DNA (genomic)
\vskip0.800000\baselineskip
(xi)
SEQUENCE DESCRIPTION: SEQ ID NO:3:
5
6
7

Claims (10)

1. Un fragmento de ácido nucleico aislado que codifica una enzima F5H de una planta activa teniendo una secuencia de amino ácidos seleccionada entre el grupo que consiste en (1) la secuencia de amino ácidos de SEC de ID NO.: 2, y (2) una secuencia de amino ácidos de la SEC de ID NO.: 2 englobando las sustituciones, las adiciones o las eliminaciones de amino ácidos que no alteran la función de la enzima F5H de la planta activa.
2. Un fragmento de ácido nucleico aislado que codifica una enzima F5H de una planta activa, estando el fragmento seleccionado entre el grupo que consiste en el fragmento de ácido nucleico de la SEC de ID NO.: 1, el fragmento de ácido nucleico de la SEC de ID NO.: 3 y un fragmento de ácido nucleico de la SEC de ID NO.: 1; ó SEC de ID NO.: 3 englobando los cambios de base que no alteran la función de la enzima F5H de la planta codificada.
3. Un gen quimérico que causa relaciones alteradas de los monómeros guaiacilo:siringilo de lignina en una célula de una planta transformada con el gen quimérico, comprendiendo el gen quimérico el fragmento de ácido nucleico de las reivindicaciones 1 o 2 unido de forma operable tanto en una orientación con sentido como en anti-sentido a al menos una secuencia reguladora adecuada.
4. El gen quimérico de la reivindicación 3 en donde el fragmento de ácido nucleico está unido de forma operable en la orientación con sentido, a al menos una secuencia reguladora adecuada.
5. El gen quimérico de la reivindicación 3 en donde el al menos una secuencia reguladora comprende un promotor seleccionado entre el grupo que consiste en el promotor 35S del virus del mosaico de la coliflor, el promotor del gen de la fenilalanina amonio liasa, el promotor del gen de la p-cumaroil CoA ligasa, y los promotores de las plantas endógenos capaces de controlar la expresión de los genes F5H de plantas.
6. Una planta transformada que tenga las relaciones relativas de los monómeros guaiacilo:siringilo alteradas con relación a las relaciones de una planta no transformada y que comprenda una planta anfitriona adecuada y el gen quimérico de la reivindicación 3.
7. La planta transformada de la Reivindicación 6 en la que el contenido en el monómero siringilo de la lignina está comprendido entre aproximadamente un 0% en moles y aproximadamente un 95% en moles, habiéndose medido en el tejido de la planta entera.
8. La planta transformada de la reivindicación 7 en donde la planta anfitriona adecuada está seleccionada entre el grupo que consiste en alfalfa (Medicago sp.), arroz (Oryza sp.), maíz (Zea mays), planta de colza (Brassica sp.), plantas forrajeras, Arabidopsis sp., tabaco (Nicotiana sp.) y árboles de cultivo tales como eucaliptos (Eucalyptus sp.), pino (Pinus sp.), abeto (Picea sp.) y álamo (Populus sp.).
9. Un método de alterar la actividad de la enzima F5H en una planta, que comprende:
(i) la transformación de una célula, un tejido o un órgano de una planta anfitriona adecuada con el gen quimérico de la Reivindicación 3 en donde el gen quimérico es expresado;
(ii) la selección de las células transformadas, de tejido leñoso cicatrizal de células, de embriones somáticos, o de semillas que contienen el gen quimérico;
(iii) la regeneración de plantas enteras a partir de células transformadas, de tejido leñoso cicatrizal de células, de embriones somáticos, o de semillas seleccionadas en la etapa (ii);
(iv) la selección de plantas enteras regeneradas en la etapa (iii) que tienen un fenotipo caracterizado por (1) la habilidad de la planta entera para acumular compuestos derivados del ácido sinápico o (2) un contenido relativo del monómero siringilo de la lignina en relación a una planta anfitriona no transformada.
10. Un método de alterar el contenido o la composición de lignina en una planta, que comprende la incorporación de forma estable del gen quimérico de la reivindicación 3 en el genoma de la planta anfitriona por medios de transformación por los que el gen quimérico incorporado expresa la enzima F5H y por lo que las relaciones de monómeros de la lignina guaiacilo:siringilo están alterados a partir de los de la planta anfitriona no transformada.
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