DE4117026A1 - Prodn. of pathogen-resistant organisms, esp. plants - by introduction of chitinase gene giving plants with increased resistance to attack by pathogenic fungi - Google Patents

Prodn. of pathogen-resistant organisms, esp. plants - by introduction of chitinase gene giving plants with increased resistance to attack by pathogenic fungi

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DE4117026A1 DE19914117026 DE4117026A DE4117026A1 DE 4117026 A1 DE4117026 A1 DE 4117026A1 DE 19914117026 DE19914117026 DE 19914117026 DE 4117026 A DE4117026 A DE 4117026A DE 4117026 A1 DE4117026 A1 DE 4117026A1
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Amos B Oppenheim
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    • C12Y302/01014Chitinase (3.2.1.14)

Abstract

Prodn. of pathogen-resistant organisms is effected by introducing a chitinase gene under the control of a transcriptionally active promoter into the genetic material of an organism. An exogenous (esp. bacterial) chitinase gene is pref. used, esp. a Serratia marcescens gene coding for coupled exofendochitinase activity. The S. marcescens ChiS gene has been isolated (from an unspecified source) as a 1-8 Kb DNA fragment. The ChiS gene is present as a pLChiA insert in E. coli A5178 (Phytopathol., 79, 1246 1989). Fusion of the ChiS DNA fragment with the cauliflower mosaic virus 35S promoter yields a chimeric 35S-ChiS gene, which is cloned in pLS034 and used to transform tobacco and potatoe plants via Agrobacterium tumefaciens LBA 4404. Similarly, fusion of ChiS with the wound- and pathogen-inducible wunl promoter yields a chimeric wunl-ChiS gene for transformation of tobacco and potato plants. USE - The process may be used to produce transgenic plants with increased resistance to attack by pathogenic fungi, e.g. Rhizoctonia solani in the case of tobacco plants

Description

Verfahren zur Erzeugung von pathogen-resistenten EukaryontenProcess for the production of pathogen-resistant eukaryotes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von pathogen-resistenten Organismen, nach dem Verfahren erzeugte Organismen sowie neue DNA-übertragungsvektoren und DNA-Expressionsvektoren.The invention relates to a method for generating pathogen-resistant organisms, generated by the method Organisms as well as new DNA transfer vectors and DNA expression vectors.

Stand der TechnikState of the art

Der Befall einer Pflanze durch Pathogene ruft eine Reihe verschiedener Reaktionen auf der pflanzlichen Seite hervor. Dazu gehören z. B. Veränderungen in der Zellwandstruktur, die Synthese antimikrobiell wirkender Phytoalexine, die Akkumulation von sogenannten PR-Proteinen (PR= "Pathogenesis-related"), Protease-Inhibitoren und Enzymen mit hydrolytischen Funktionen (Hahlbrock and Grisebach, 1979; Darvill and Albersheim 1984; van Loon, 1985).The infestation of a plant by pathogens calls a number different reactions on the plant side. These include e.g. B. changes in cell wall structure, the synthesis of antimicrobial phytoalexins, the Accumulation of so-called PR proteins (PR = "Pathogenesis-related"), protease inhibitors and Enzymes with hydrolytic functions (Hahlbrock and Grisebach, 1979; Darvill and Albersheim 1984; van Loon, 1985).

Zu den Enzymen mit hydrolytischen Funktionen gehören auch chitin-abbauende Enzyme, sogenannte Chitinasen. Chitin ist ein Bestandteil der Zellwand vieler pflanzenpathogener Pilze und Insekten, während Pflanzen kein Chitin besitzen. In mehreren Fällen konnte nachgewiesen werden, daß Pflanzen nach einem pathogenen Befall verstärkt Chitinasen produzieren (Joosten and de Wit, 1989; Legrand et al., 1987, Nasser et al., 1988). In keinem Fall konnte jedoch bisher gezeigt werden, daß Pflanzen durch die Produktion von Chitinasen eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Pathogene erhalten.Enzymes with hydrolytic functions also include chitin-degrading enzymes, so-called chitinases. Chitin is a component of the cell wall of many phytopathogenic fungi and insects, while plants do not have chitin. In Several cases have shown that plants Chitinases increased after a pathogenic attack produce (Joosten and de Wit, 1989; Legrand et al., 1987, Nasser et al., 1988). In no case, however, so far shown that plants are produced by the production of Chitinases have increased resistance to pathogens receive.

Die hier beschriebene Erfindung geht von der Hypothese aus, daß sich der angreifende Pilz an die pflanzeneigenen Chitinasen soweit "gewöhnt" hat, daß sie keinerlei Beeinträchtigung für den Pilz bedeuten. Daraus resultiert die Idee, "artfremde" Chitinasegene in das Erbgut von Pflanzen einzufügen, so daß das angreifende Pathogen Chitinasen in der Pflanze vorfindet, an die es sich bisher nicht adaptieren konnte. Auf diese Weise kann das Pathogen die Pflanze nicht mehr befallen. Der Ursprung des "artfremden" Chitinasegens kann eine artfremde Pflanze sein, es kann sich aber auch um Chitinasegene aus Pilzen und Bakterien handeln. In dieser Erfindung ist stellvertretend für eine "artfremdes" Chitinasegen ein Gen aus dem Bakterium Serratia marcescens verwendet worden.The invention described here is based on the hypothesis that that the attacking fungus adheres to the plant's own Chitinase has "gotten used" to the extent that it has none Impairment to the fungus. This results the idea of "foreign" chitinase genes in the genome of Insert plants so that the attacking pathogen Chitinases found in the plant to which it was previously concerned  could not adapt. This way the pathogen no longer infect the plant. The origin of the "alien" chitinase blessing can be an alien plant, but it can also be chitinase genes from mushrooms and Bacteria act. In this invention is representative for a "foreign" chitinase gene a gene from the bacterium Serratia marcescens has been used.

Erfindunginvention

Aus dem Bodenbakterium Serratia marcescens wurde ein 1,8 Kb großes DNA Fragment isoliert, daß für eine Chitinase, genannt ChiS, kodiert. In vitro Untersuchungen mit gereinigtem ChiS-Protein haben gezeigt, daß es in geringen Konzentrationen das Wachstum von Pilzen inhibibieren kann. Die Ursache für die Inhibition ist, daß das ChiS-Protein überraschenderweise über eine kombinierte Endo/Exo-chitinaseaktivität verfügt mit der die Hyphenspitzen des Pilzes zerstört werden können. Auf diese Weise kann der Pilz nicht weiterwachsen und wird inhibiert. Die pathogen-hemmende Eigenschaft des ChiS-Proteins ist auf Pflanzen übertragbar, wenn man das ChiS-Gen unter der Kontrolle eines transkriptionell aktiven Promotors in das Erbgut von Pflanzen einbaut. Anhand von transformierten Tabakpflanzen konnte gezeigt werden, daß die Pflanzen aufgrund ihrer ChiS-Protein-Produktion resistent gegen verschiedene Pflanzenpathogene geworden sind, wie z. B. gegen den Pilz Rhizoctonia solani. Somit sind neuerworbene Pathogenresistenzeigenschaften der transgenen Pflanzen direkt mit der Expression von ChiS-Genen korreliert.From the soil bacterium Serratia marcescens a 1.8 Kb large DNA fragment isolated that for a chitinase, called ChiS. In vitro investigations with purified ChiS protein have been shown to be low in Concentrations can inhibit the growth of fungi. The cause of the inhibition is that the ChiS protein surprisingly about a combined Endo / exo-chitinase activity is associated with the Hyphal peaks of the fungus can be destroyed. To this In this way the fungus cannot continue to grow and is inhibited. The pathogen-inhibiting property of the ChiS protein is on Plants transferable if the ChiS gene is located under the Control of a transcriptionally active promoter in the Genome of plants incorporated. Using transformed Tobacco plants could be shown to be plants resistant to ChiS protein production different plant pathogens have become, such as B. against the fungus Rhizoctonia solani. Thus are newly acquired Pathogen resistance properties of transgenic plants correlated directly with the expression of ChiS genes.

ZusammenfassungSummary

Die Erfindung beschreibt die Entdeckung, Charakterisierung und Anwendung einer bakteriellen Chitinase, ChiS. Charakteristisch für die ChiS ist ihre hohe Stabilität und ihre Fähigkeit, die Zellwand von Pathogenen aufgrund einer kombinierten Endo/Exo-chitinaseaktivität zerstören zu können und somit das Pathogen inhibieren zu können. Diese Eigenschaften des ChiS-Proteins sind auf Pflanzen übertragbar. Durch die Einführung des ChiS-Gens in ein Pflanzenerbgut und seine Expression, wird die Pflanze resistent gegen pathogenen Befall gemacht. The invention describes the discovery, characterization and application of a bacterial chitinase, ChiS. ChiS is characterized by its high stability and  their ability to reduce the cell wall of pathogens due to a to destroy combined endo / exo-chitinase activity and thus to be able to inhibit the pathogen. These Properties of the ChiS protein are on plants transferable. By introducing the ChiS gene into one Plant heritage and its expression, the plant becomes made resistant to pathogenic infestation.  

Materialmaterial Medienmedia

Bakterielle Medien:
Die zur Anzucht von Bakterien verwendeten Medien wurden den Angaben von Maniatis et al. (1982) entnommen.
Bacterial media:
The media used to grow bacteria were given the information by Maniatis et al. (1982).

Pflanzenmedien:
Die benutzten Medien leiten sich von dem von Murashige und Skoog (1962) angegebenen Medien (MS) ab.
Plant media:
The media used are derived from the media (MS) given by Murashige and Skoog (1962).

3MS: MS + 3% Saccharose
3MSC: MS + 3% Saccharose, 500 ug/ml Claforan
MSC15: MS + 2% Saccharose, 500 ug/ml Claforan,
+ 100 ug/ml Kanamycinsulfat
MSC16: MS + 0,5 ug/ml BAP + 0,1 ug/ml NAA
+ 100 ug/ml Kanamycinsulfat
+ 500 ug/ml Claforan
3MS: MS + 3% sucrose
3MSC: MS + 3% sucrose, 500 µg / ml Claforan
MSC15: MS + 2% sucrose, 500 µg / ml Claforan,
+ 100 µg / ml kanamycin sulfate
MSC16: MS + 0.5 µg / ml BAP + 0.1 µg / ml NAA
+ 100 µg / ml kanamycin sulfate
+ 500 µg / ml Claforan

Für festes Medium wurden zusätzlich 6,5 g/l Bacto-Agar zugegeben.An additional 6.5 g / l Bacto agar was used for solid medium admitted.

Stämme und VektorenTribes and vectors

E. coli-Stämme:
BMH 71-18:
delta(lac-proAB), thi, supE;
F'(laciq, ZdeltaM15, proA⁺B⁺)
(Messing et al. 1977)
E. coli strains:
BMH 71-18:
delta (lac-proAB), thi, supE;
F '(laci q , ZdeltaM15, proA⁺B⁺)
(Messing et al. 1977)

Agrobakterien-Stämme:
LBA 4404: (Hoekema et al., 1983)
Agrobacterial strains:
LBA 4404: (Hoekema et al., 1983)

Plasmide:
pUC8 (Vieira und Messing, 1982) pPR69 (ein Derivat des bin 19, Bevan 1984)
Plasmids:
pUC8 (Vieira and Messing, 1982) pPR69 (a derivative of bin 19, Bevan 1984)

Pflanzen:
Nicotiana tabacum SRI
Solanum tuberosum Desiree
Plants:
Nicotiana tabacum SRI
Solanum tuberosum Desiree

Pilze:
Rhizoctonia solani, Basidiomycet, (Geschenk von Prof. I. Chet, Hebrew Universität, Israel)
Mushrooms:
Rhizoctonia solani, Basidiomycet, (gift from Prof. I. Chet, Hebrew University, Israel)

Angewandte MethodenMethods used

Alle molekularbiologischen Standard-Methoden, wie z. B. Restriktionsanalyse, Plasmidisolierung, Minipräparation von Plasmid-DNA, Transformation von Bakterien usw. sind, sofern nicht anders angegeben, wie bei Maniatis et al., (1982) beschrieben durchgeführt worden.All standard molecular biological methods, such as B. Restriction analysis, plasmid isolation, mini preparation of Plasmid DNA, transformation of bacteria, etc. unless otherwise stated, as in Maniatis et al., (1982).

In vitro Pilzwachstumstest mit ChiS-ProteinIn vitro fungal growth test with ChiS protein

In Anlehnung an die Arbeit von Broekaert et al., 1990 wird eine definierte Menge an Rhizoctonia solani Pilzmycel mit 100 ul Kartoffel-Dextrose-Lösung versetzt und in Mikrotiterplatten bei 25°C. inkubiert. Dabei ist das Wachstum des Pilzes mit der Zunahme der optischen Dichte bei 495 nm linear korreliert. Durch die Zugabe von Proteinen mit potentiell Pilzwachstums-inhibierender Wirkung können ihre Eigenschaften aufgrund eines geringerer Anstieg der optischen Dichte nachgewiesen werden.Based on the work of Broekaert et al., 1990 with a defined amount of Rhizoctonia solani mushroom mycelium 100 μl of potato dextrose solution are added and added Microtiter plates at 25 ° C. incubated. It is Growth of the fungus with the increase in optical density 495 nm linearly correlated. By adding proteins with potentially fungal growth inhibitory activity their properties due to a lower increase in optical density can be demonstrated.

Analyse der ChiS-NukleotidsequenzAnalysis of the ChiS nucleotide sequence

Das 1,8 Kb große ChiS-gen wurde durch die Verwendung von synthetischen Oligonukleotiden nach der Dideoxysequenzierungsmethode von Sanger et al., 1977 sequenziert.The 1.8 Kb ChiS gene was created using synthetic oligonucleotides according to the Dideoxy sequencing method of Sanger et al., 1977 sequenced.

DNA Transfer in AgrobakterienDNA transfer in agrobacteria Transformationtransformation

Die in E. coli klonierte DNA wurde nach der von Van Haute et al., (1983) beschriebenen Methode durch Konjugation nach A.tumefaciens LBA4404 (Hoekema et al., 1983) transferriert.The DNA cloned in E. coli was according to that of Van Haute et al., (1983) described method by conjugation  A.tumefaciens LBA4404 (Hoekema et al., 1983).

DNA-AnalyseDNA analysis

Die Überprüfung des DNA Transfers in das Agrobacterium erfolgte durch die Isolierung von Agrobakterien DNA nach der von Ebert et al. (1987) geschilderten Methode. Restriktionsspaltung der DNA, der Transfer auf Nitrocellulose und die Hybridisierung gegen eine radioaktiv markierte ChiS-Sonde gaben Aufschluß über einen erfolgreichen DNA Transfer in das Agrobacterium.Checking the DNA transfer into the Agrobacterium was done by isolating Agrobacteria DNA after the by Ebert et al. (1987) method described. Restriction cleavage of the DNA, the transfer on Nitrocellulose and hybridization against radioactive marked ChiS probe gave information about one successful DNA transfer into the Agrobacterium.

Transformation von Tabak/Kartoffelpflanzen mit AgrobakterienTransformation of tobacco / potato plants with agrobacteria Anzucht der AgrobakterienCultivation of agrobacteria

Die zur Infektion benötigten Agrobakterien LBA4404 wurden in selektivem Antibiotika-Medium angezogen (Zambrisky et al., 1983), durch Zentrifugation sedimentiert und in YEB-Medium ohne Antibiotika gewaschen (YEB= 0,5% Fleisch-Extrakt; 0,2% Hefe-Extrakt; 0,5% Pepton; 0,5% Saccharose; 2 mM MgSO4). Nach erneuter Sedimentation und Aufnahme in MgSO4 konnten die Bakterien zur Infektion verwandt werden.The agrobacteria LBA4404 required for infection were grown in selective antibiotic medium (Zambrisky et al., 1983), sedimented by centrifugation and washed in YEB medium without antibiotics (YEB = 0.5% meat extract; 0.2% yeast Extract; 0.5% peptone; 0.5% sucrose; 2 mM MgSO 4 ). After renewed sedimentation and absorption in MgSO 4 , the bacteria could be used for infection.

Blattscheiben-InfektionLeaf disk infection

Für die Blattscheiben-Infektion wurden sterile Tabak- oder Kartoffelblätter verwendet. Etwa 1cm große Blattstücke in die wie oben beschriebene Agrobakteriensuspension eingetaucht mit anschließender Überführung auf 3MS-Medium. Nach 2-tägiger Inkubation bei 16 Stunden Licht und 25°C-27°C wurden die Blattstücke auf MSC16-Medium überführt. Nach 4-6 Wochen erscheinende Sprosse wurden abgeschnitten und auf MSC15-Medium umgesetzt. Sprosse mit Wurzelbildung wurden weiter analysiert.Sterile tobacco or Potato leaves used. Pieces of leaf about 1cm in the agrobacterial suspension as described above submerged with subsequent transfer to 3MS medium. After 2 days of incubation in 16 hours of light and 25 ° C-27 ° C the leaf pieces were transferred to MSC16 medium. After 4-6 Weekly appearing shoots were cut and opened MSC15 medium implemented. Roots were formed further analyzed.

DNA-Analyse von PflanzenDNA analysis of plants

1-2 g Blattgewebe werden in einem Eppendorfgefäß mit Seesand gemörsert, mit 1 Vol. Extraktionspuffer (2% CTAB (Cetyl-trimetylammonium-bromid); 1,4 M NaCL; 100 mM Tris/HCL pH 8,0; 20 mM EDTA) versetzt und 10 Minuten bei 64°C. inkubiert. Grobe Fragmente werden durch Zentrifugation abgetrennt (5 Minuten bei 13 000 UpM). Der Extrakt wird mit 1 Volumen Chloroform/Isoamylalkohol ausgeschüttelt und von Protein befreit. CTAB-Nukleinsäure-Komplexe werden dann durch Zugabe von 1 Volumen Präzipitationspuffer (1% CTAB; 50 mM Tris/HCL pH 8,0; 10 mM EDTA) ausgefällt (30 Minuten bei Raumtemperatur) und durch Zentrifugation pelletiert. Zur Abtrennung des CTAB wird das Pellet in 1 M CsCl gelöst. Die DNA wird dann durch Zugabe von 2 Vol. ETOH bei Raumtemperatur gefällt, 5 Minuten abzentrifugiert, mit 70%igem ETOH gewaschen und zuletzt in H2O aufgenommen. Der Restriktionsverdau der isolierten DNA, die gelelektrophoretische Auftrennung der DNA mit Agarose, der Transfer der DNA auf eine Nylonmembran ist bei Maniatis et al., 1982 beschrieben. Die Hybridisierung gegen radioaktiv markierte DNA-Proben erfolgte nach Logemann et al., 1987.1-2 g of leaf tissue are mortared in an Eppendorf vessel with sea sand, with 1 vol. Extraction buffer (2% CTAB (cetyl-trimetylammonium bromide); 1.4 M NaCL; 100 mM Tris / HCL pH 8.0; 20 mM EDTA) added and 10 minutes at 64 ° C. incubated. Coarse fragments are separated by centrifugation (5 minutes at 13,000 rpm). The extract is shaken with 1 volume of chloroform / isoamyl alcohol and freed of protein. CTAB-nucleic acid complexes are then precipitated (30 minutes at room temperature) by adding 1 volume of precipitation buffer (1% CTAB; 50 mM Tris / HCL pH 8.0; 10 mM EDTA) and pelleted by centrifugation. To separate the CTAB, the pellet is dissolved in 1 M CsCl. The DNA is then precipitated by adding 2 vol. ETOH at room temperature, centrifuged for 5 minutes, washed with 70% ETOH and finally taken up in H 2 O. The restriction digestion of the isolated DNA, the gel electrophoretic separation of the DNA with agarose, the transfer of the DNA to a nylon membrane is described in Maniatis et al., 1982. Hybridization against radioactively labeled DNA samples was carried out according to Logemann et al., 1987.

RNA-Analyse von PflanzenRNA analysis of plants

Die Isolierung von Gesamt-RNA aus verschiedenen Organen, der Transfer auf Nylonmembranen sowie die Hybridisierung gegen radioaktiv markierte DNA-Proben erfolgte nach Logemann et al., 1987.The isolation of total RNA from different organs, the Transfer to nylon membranes as well as hybridization against radioactively labeled DNA samples were carried out according to Logemann et al., 1987.

Protein-Analyse von transgenen PflanzenProtein analysis of transgenic plants

5 g Blattmaterial werden mit flüssigem Stickstoff versetzt und gemörsert. Das zerkleinerte Material wird dann mit 1-2 ml Extraktionspuffer/g Blatt versetzt und bis zur Homogenität weiter gemörsert (Extraktionspuffer: 50 mM Tris/HCL pH 7,5; 5 mM EDTA, 10 mM Merkaptoethanol; 5 mM PMSF, 25% Glycerin, 1 ug/ul Pepstatin, lug/ul Leupeptin). Grobe Teile werden durch Zentrifugation (10 Minuten bei 9000 UpM, bei 4°C.) abgetrennt. Niedermolekulare Komponenten werden durch eine Dialyse gegen 20 mM Tris/HCL pH 7,5; 10 mM NaCL abgetrennt. Je 1 mg der Proteinextrakte werden durch SDS-PAGE eletrophoretisch aufgetrennt und anschließend durch Elektroblotting auf Nitrozellulose transferiert. Die auf dem Filter gebundenen Proteine werden durch de Verwendung spezifischer Antikörper analysiert.5 g of sheet material are mixed with liquid nitrogen and mortar. The shredded material is then 1-2 ml extraction buffer / g leaf and added to Homogeneity further mortarized (extraction buffer: 50 mM Tris / HCL pH 7.5; 5mM EDTA, 10mM mercaptoethanol; 5 mM PMSF, 25% glycerin, 1 µg / µl pepstatin, 1 µg / µl leupeptin). Rough Parts are removed by centrifugation (10 minutes at 9000 rpm, at 4 ° C.) Low molecular weight components by dialysis against 20 mM Tris / HCL pH 7.5; 10 mM NaCL  separated. 1 mg each of the protein extracts are by SDS-PAGE separated by electrophoresis and then by Electroblotting transferred to nitrocellulose. The on Proteins bound to the filter are de specific antibody analyzed.

Infektion von transgenen Pflanzen mit Rhizoctonia solaniInfection of transgenic plants with Rhizoctonia solani

Der Pilz Rhizoctonia solani wird in einem Flüssigmedium (Kartoffel-Dextrose-Agar der Firma Difco) bei 25°C. angezogen und nach 5-6 Tagen geerntet. Mittels eines Büchnertrichters und angeschlossener Saugflasche wird das Medium abgezogen. Das zurückbleibende Pilzmycel wird mit einem Skalpell in möglichst kleine Fragments zerlegt. Die gewünschte Menge Pilzmycel wird eingewogen und mit 5 Litern steriler Einheitserde (ED73) gründlich vermischt. Diese Erde wird in einer Schale verteilt und mit den zu testenden Pflanzen bepflanzt. Unter konstanten Umweltbedigungen (Temp: 20-24°C.; 80-85% rel. Luftfeuchtigkeit) wird das Wachstum der Pflanzen alle 24 Stunden durch die Bestimmung der Sproßlänge (Abstand Boden-Vegetationspunkt) ermittelt.The fungus Rhizoctonia solani is in a liquid medium (Potato dextrose agar from Difco) at 25 ° C. dressed and harvested after 5-6 days. By means of a Büchner funnel and connected feeding bottle will be Medium pulled off. The remaining mushroom mycelium is included a scalpel broken into the smallest possible fragments. The The desired amount of mushroom mycelium is weighed in and with 5 liters sterile uniform earth (ED73) thoroughly mixed. These Soil is distributed in a bowl and with those to be tested Plants planted. Under constant environmental conditions (Temp: 20-24 ° C .; 80-85% rel.humidity) it will Plant growth every 24 hours by determination the shoot length (distance between soil and vegetation point).

ErgebnisseResults Isolierung und Reinigung von ChiS-proteinIsolation and purification of ChiS protein

Wie bei Shapira et al., 1989 beschrieben enthält der E.Coli Stamm A5178 das Plasmid pLChiA. Auf diesem Plasmid befindet sich das ChiS-Gen unter der Kontrolle des hitzeinduzierbaren Promotors PL (PL-Chis). Zur Herstellung von ChiS-Protein wurden A5178-Bakterien hitzeinduziert, und anschließend die Bakterien durch Zentrifugation abgetrennt. Der Medienüberstand wurde einer fraktionierten Ammomiumsulfatfällungen unterzogen. Die Fraktionen mit 30-60%iger Ammoniumsulfatsättigung wurden mehrere Stunden dialysiert (gegen 20 mM Tris/HCL pH 7,5) und danach auf einem präparativen Polyacrylamid-Gel aufgetragen. Die dominante ChiS-Proteinbande wurde aus dem Gel ausgeschnitten und das Protein aus dem Gel eluiert. Das auf diese Weise gereinigte native ChiS-Protein (95% Reinheit) wurde für die Bestimmung der enzymatischen Eigenschaften sowie für die in vitro Wachstumstests mit dem Pilz Rhizoctonia solani verwendet.As described in Shapira et al., 1989, the E. coli contains Strain A5178 the plasmid pLChiA. Located on this plasmid the ChiS gene is under the control of the heat-inducible Promotors PL (PL-Chis). For the production of ChiS protein A5178 bacteria were heat induced, and then the Bacteria separated by centrifugation. The Media excess was one fractional Ammonium sulfate precipitated. The fractions with 30-60% ammonium sulfate saturation was several hours dialyzed (against 20 mM Tris / HCL pH 7.5) and then on a preparative polyacrylamide gel. The dominant ChiS protein band was excised from the gel and the protein elutes from the gel. That way purified native ChiS protein (95% purity) was used for the Determination of the enzymatic properties as well as for the in Vitro growth tests with the fungus Rhizoctonia solani used.

Herstellung von ChiS-AntikörpernProduction of ChiS antibodies

Zur Herstellung von ChiS-Antikörpern wurde das aus dem hitzeinduzierten A5178 Bakterienüberstand isolierte ChiS-Protein mit Hilfe von Ammoniumsulfat selektiv gefällt und durch eine präparative denaturierende Polyacrylamid-Gelelektrophorese aufgetrennt und gereinigt. Zuletzt wurde das ChiS-Protein in Kaninchen zwecks Gewinnung von ChiS-Antikörpern gespritzt. Die gewonnenen Antikörper stellten sich als hoch-spezifisch gegen ChiS-Protein gerichtete Antikörper heraus.For the production of ChiS antibodies this was from the heat-induced A5178 bacterial supernatant isolated ChiS protein selectively precipitated with the help of ammonium sulfate and through a preparative denaturing Polyacrylamide gel electrophoresis separated and purified. Most recently, the ChiS protein was used in rabbits for harvesting injected with ChiS antibodies. The antibodies obtained turned out to be highly specific against ChiS protein targeted antibodies.

Analyse der enzymatischen Eigenschaften des ChiS-ProteinsAnalysis of the enzymatic properties of the ChiS protein Exo-chitinase AktivitätExo-chitinase activity

Die Substanz p-Nitrophenyl-N,N′ -diacetyl-chitobiose ist bekannt als Substrat für Exo-chitinasen. Eine Abspaltung des Para-nitrophenylrests (siehe Fig. 2C) führt zu einer Gelbfärbung, die fotometrisch analysiert werden kann (Roberts et al., 1988). Wie in Fig. 2A gezeigt, ist gereinigtes ChiS-Protein in der Lage, das Substrat effektiv umzusetzen. Daraus resultiert, daß das ChiS-Protein über Exo-chitinase Aktivität verfügt.The substance p-nitrophenyl-N, N ′ -diacetyl-chitobiose is known as a substrate for exo-chitinases. Cleavage of the para-nitrophenyl residue (see FIG. 2C) leads to a yellowing which can be analyzed photometrically (Roberts et al., 1988). As shown in Figure 2A, purified ChiS protein is able to effectively convert the substrate. As a result, the ChiS protein has exo-chitinase activity.

Endo-chitinase AktivitätEndo-chitinase activity

Wie bei Wolf et al., 1991 beschrieben, kann die Substanz CM-Chitin-RBV durch Chitinasen verdaut werden. Bei dem Substrat handelt es sich um eine lange Zuckermolekülkette, an die der Farbstoff RBV (Remazol-Brilliant-Violett) gebunden ist. Eine Spaltung kann nur zwischen den Zuckermolekülen stattfinden (siehe Fig. 2C), so daß für diesen Vorgang nur Endo-chitinasen in Frage kommen. Fig. 2B zeigt, daß ChiS-Protein in der Lage ist, CM-Chitin-RBV zu verdauen. Daraus resultiert, daß ChiS-Protein über eine Endo-chitinase Aktivität verfügt.As described by Wolf et al., 1991, the substance CM-chitin-RBV can be digested by chitinases. The substrate is a long chain of sugar molecules to which the dye RBV (Remazol-Brilliant-Violett) is bound. A cleavage can only take place between the sugar molecules (see FIG. 2C), so that only endochitinases can be considered for this process. Figure 2B shows that ChiS protein is able to digest CM-chitin-RBV. As a result, ChiS protein has endo-chitinase activity.

pH-OptimumpH optimum

Gereinigtes natives ChiS-Protein wurde bei unterscheidlichen pH-Werten mit dem Substrat CM-Chitin-RBV versetzt, um das pH-Optimum bestimmen zu können. ChiS zeigt ein breites pH-Wirkungsspektrum mit optimaler Aktivität bei pH 7,5 bis 9,5 (Fig. 3).Purified native ChiS protein was mixed with the substrate CM-chitin-RBV at different pH values in order to be able to determine the pH optimum. ChiS shows a broad pH spectrum with optimal activity at pH 7.5 to 9.5 ( Fig. 3).

Temperatur-OptimumOptimal temperature

Unter Verwendung des Substrats CM-Chitin-RBV wurde das Temperatur-Optimum von gereinigtem ChiS-Protein analysiert. Bemerkenswert ist die hohe Temperaturstabilität von ChiS; das Temperaturoptimum liegt bei 62°C., die Aktivität bei Raumtemperatur beträgt 20% des Optimums (Fig. 4).The temperature optimum of purified ChiS protein was analyzed using the substrate CM-chitin-RBV. The high temperature stability of ChiS is remarkable; the temperature optimum is 62 ° C., the activity at room temperature is 20% of the optimum ( FIG. 4).

Lysozym-AktivitätLysozyme activity

Von einigen pflanzlichen Chitinasen ist bekannt, daß sie zusätzlich über Lysozym-Aktivität verfügen. Untersuchungen mit dem ChiS-Protein haben jedoch gezeigt, daß hier keine Lysozym-Aktivität vorhanden ist.Some vegetable chitinases are known to:  additionally have lysozyme activity. Investigations with the ChiS protein, however, have shown that none Lysozyme activity is present.

Pilzwachstumstest mit gereinigtem ChiS-ProteinMushroom growth test with purified ChiS protein

Um den Einfluß von ChiS-Protein auf das Wachstum von pflanzenpathogenen Pilzen testen zu können, wurde in vitro Tests mit dem Chitin enthaltenden Basidiomyceten Rhizoctonia solani durchgeführt. Wie in Methoden beschrieben wurde das Wachstum von Rhizoctonia solani in Mikrotiterplatten fotometrisch analysiert. Fig. 5 zeigt eine typische Wachstumskurve des Pilzes. Durch die Zugabe von 0.05 ug gereinigtem nativen ChiS-Protein wird jedoch das Wachstum des Pilzes vollständig gestoppt. Ein Beweis dafür, daß das ChiS-protein die Ursache für die Pilzinhibition ist, zeigt der Versuch mit der gekochten ChiS-Probe. Wird die ChiS-Probe vor Versuchsbeginn abgekocht (15 Minuten bei 100°C.) und damit das ChiS-Protein denaturiert, kann das Pilzwachstum nicht mehr inhibiert werden.In order to be able to test the influence of ChiS protein on the growth of phytopathogenic fungi, in vitro tests were carried out with the basidiomycete Rhizoctonia solani containing chitin. As described in methods, the growth of Rhizoctonia solani in microtiter plates was analyzed photometrically. Fig. 5 shows a typical growth curve of the fungus. However, the addition of 0.05 µg of purified native ChiS protein completely stops the growth of the fungus. The test with the cooked ChiS sample shows that the ChiS protein is the cause of the fungus inhibition. If the ChiS sample is boiled before the start of the experiment (15 minutes at 100 ° C.) And the ChiS protein is denatured, the fungal growth can no longer be inhibited.

Fusion des ChiS-Gens mit pflanzlichen RegulationssequenzenFusion of the ChiS gene with plant regulatory sequences

Der aus dem Blumenkohlmosaikvirus (CamV) stammende 35S-Promoter (400 bp) (Töpfer et al., 1987) wurde transkriptionell mit dem ChiS-Gen fusioniert. 3′ vom ChiS-Gen wurde das 0,2 Kb große Terminationssignal des 35S-Gens des CamV verwendet dessen Funktionalität in dicotylen Pflanzen bekannt ist (Fig. 6). Das chimäre Gen 35S-ChiS wurde in den Vektor pLSO34 kloniert, mittels des Agrobakterium tumefaciens Transformationssystems in Tabak- und Kartoffelpflanzen transformiert und Kanamycin-resistente Pflanzen regeneriert.The 35S promoter (400 bp) from the cauliflower mosaic virus (CamV) (Töpfer et al., 1987) was transcriptionally fused to the ChiS gene. 3 'of the ChiS gene, the 0.2 Kb termination signal of the 35S gene of the CamV was used, the functionality of which is known in dicotyledonous plants ( FIG. 6). The chimeric gene 35S-ChiS was cloned into the vector pLSO34, transformed into tobacco and potato plants by means of the Agrobacterium tumefaciens transformation system, and kanamycin-resistant plants were regenerated.

Nachweis des 35S-ChiS Gens in transgenen PflanzenDetection of the 35S-ChiS gene in transgenic plants

Mit Hilfe der Southern-Blot-Analyse wurden transgene Tabak- und Kartoffelpflanzen bezüglich der korrekten Integration von 35S- untersucht. In 80% der analysierten Pflanzen konnte eine korrekte Integration nachgewiesen werden.With the help of Southern blot analysis, transgenic tobacco and Potato plants regarding correct integration  of 35S- examined. In 80% of the plants analyzed a correct integration could be proven.

Nachweis von ChiS-mRNA in transgenen PflanzenDetection of ChiS mRNA in transgenic plants

Je 50 ug Gesamt-RNA wurden aus 35S-ChiS transgenen Tabakblättern isoliert und auf das Vorhandensein von ChiS-mRNA untersucht (Fig. 7). In 35S-ChiS transgenen Pflanzen ist eine mit ChiS hybridisierende RNA-Banden (2,0 Kb) erkennbar. Die Größe der RNA entspricht der erwarteten Größe (1,8 Kb ChiS-Gen plus 0,2 Kb polyA-tail) In untransformierten Tabakblättern (K) wurde keine ChiS-mRNA nachgewiesen.50 µg of total RNA each were isolated from 35S-ChiS transgenic tobacco leaves and examined for the presence of ChiS mRNA ( FIG. 7). An RNA band (2.0 Kb) hybridizing with ChiS is recognizable in 35S-ChiS transgenic plants. The size of the RNA corresponds to the expected size (1.8 Kb ChiS gene plus 0.2 Kb polyA-tail) No ChiS mRNA was detected in untransformed tobacco leaves (K).

Nachweis von ChiS-Protein in transgenen PflanzenDetection of ChiS protein in transgenic plants

Aus 35S-ChiS transgenen Tabak- und Kartoffelblättern wurde Gesamtprotein isoliert, um die Anwesenheit von ChiS-Protein mit Hilfe von ChiS-Antikörpern nachweisen zu können. Wie in Fig. 8 gezeigt, lassen sich ChiS-Proteine mit verschiedenen Größen (58 Kd, 61 Kd, 64 Kd, 66 Kd) nachweisen. Weitere Analysen haben gezeigt, daß sich die 64 Kd und 66 Kd großen ChiS-Proteine im Interzellularraum der Pflanzenzellen befinden. Aus diesen Beobachtungen ist zu schließen, daß das ChiS-Protein nach seiner Synthese im Cytoplasma (61 Kd) in das Endoplasmatische Retikulum gelangt (58 Kd nach Abspaltung des Leaderpeptids), dort glykosyliert wird (womit sich das Molekulargewicht auf 64 Kd bzw. 66 Kd erhöht) und zuletzt in den Interzellularraum sekretiert wird.Whole protein was isolated from 35S-ChiS transgenic tobacco and potato leaves in order to be able to detect the presence of ChiS protein with the help of ChiS antibodies. As shown in FIG. 8, ChiS proteins with different sizes (58 Kd, 61 Kd, 64 Kd, 66 Kd) can be detected. Further analyzes have shown that the 64 Kd and 66 Kd ChiS proteins are located in the intercellular space of the plant cells. From these observations it can be concluded that the ChiS protein after its synthesis in the cytoplasm (61 Kd) enters the endoplasmic reticulum (58 Kd after cleavage of the leader peptide), where it is glycosylated (bringing the molecular weight to 64 Kd or 66 Kd is increased) and is finally secreted into the intercellular space.

Nachweis von ChiS-Proteinaktivität in transgenen PflanzenDetection of ChiS protein activity in transgenic plants

Um die enzymatische Aktivität von ChiS-Protein in transgenen Pflanzen nachweisen zu können, wurde das Gesamtprotein aus den Interzellularräumen 35S-ChiS transgener Tabak- und Kartoffelpflanzen isoliert, nativ gelelektrophoretisch aufgetrennt und auf ein Substratgel (enthält CM-Chitin-RBV) geblottet. Proteine mit Chitinaseaktivität sind auf diese Weise als helle Banden erkennbar. Fig. 9 zeigt, daß die ChiS-transgenen Pflanzen im Vergleich zu untransformierten Pflanzen über eine zusätzlich Chitinase-Aktivität verfügen, die aufgrund des Laufverhaltens dem ChiS-Protein zuzurechnen ist. Somit konnte gezeigt werden, daß die 35S-ChiS transgenen Tabak-und Kartoffelpflanzen über eine zusätzliche, ChiS-bezogene, Chitinaseaktivität verfügen. In weiteren Experimenten konnte diese zusätzliche ChiS-Aktivität auch in anderen Organen (Wurzel, Stengel, usw.) nachgewiesen werden.In order to be able to demonstrate the enzymatic activity of ChiS protein in transgenic plants, the entire protein was isolated from the intercellular spaces 35S-ChiS of transgenic tobacco and potato plants, separated by gel electrophoresis and blotted onto a substrate gel (contains CM-chitin-RBV). Proteins with chitinase activity can be recognized as bright bands in this way. FIG. 9 shows that the ChiS transgenic plants have an additional chitinase activity compared to untransformed plants, which is attributable to the ChiS protein on account of the running behavior. It could thus be shown that the 35S-ChiS transgenic tobacco and potato plants have an additional, ChiS-related, chitinase activity. This additional ChiS activity could also be demonstrated in other organs (root, stem, etc.) in further experiments.

Etablierung eines in vivo "Rhizoctonia-Tabak InfektionssystemsEstablishment of an in vivo "Rhizoctonia tobacco infection system

Der Basidiomycet Rhizoctonia solani ist ein Pilzpathogen, der unter Anderem auch Tabakpflanzen befällt. Werden Tabakpflanzen auf Rhizoctonia-haltigem Boden kultiviert, so findet innerhalb kurzer Zeit ein Befall der Wurzeln, der am Boden liegenden Blätter und des unteren Stengelbereichs statt. Aus der Zerstörung des dortigen Gewebes resultiert eine Wachstumsverlangsamung, die durch kontinuierliche Messungen des Abstands zwischen Pflanzenvegetationspunkt und Sproßansatz verfolgt werden kann. Wie in Fig. 10 belegt, ist eine direkte Korrelation zwischen Pilzbefall und Wachstumsgeschwindigkeit der Pflanze nachweisbar. Je stärker der Boden mit Rhizoctonia solani infiziert ist, desto stärker ist der Befall der Tabakpflanzen und desto geringer ist das Pflanzenwachstum.The Basidiomycet Rhizoctonia solani is a fungal pathogen that also affects tobacco plants. If tobacco plants are cultivated on soil containing Rhizoctonia, the roots, the leaves lying on the ground and the lower stem area are infested within a short time. The destruction of the tissue there results in a slowdown in growth, which can be followed by continuous measurements of the distance between the plant vegetation point and the shoot base. As shown in FIG. 10, a direct correlation between fungal attack and the growth rate of the plant can be demonstrated. The more the soil is infected with Rhizoctonia solani, the more infested the tobacco plants and the less the plant growth.

Infektion von 35S-ChiS transgenen Tabakpflanzen mit Rhizoctonia solaniInfection of 35S-ChiS transgenic tobacco plants with Rhizoctonia solani

Je 10 unabhängige 35S-ChiS transgene Tabakpflanzen sowie 10 untransformierte Tabakpflanzen (SRI) wurden als 5 cm große Pflanzen in Erde gesetzt, die mit verschiedenen Konzentrationen an Rhizoctonia solani Pilz (096, 0,0896; 0,16%; 0,24%) inokuliert worden war. Täglich wurde das Auftreten von Befallsmerkmalen (Zerstörung des unteren Stengelbereichs, Mazerierung des unteren Blattbereichs) untersucht. Nach 10 Tagen wurde der prozentuale Anteil an befallenen Pflanzen in Abhängigkeit vom Pilzinokulum in Form einer Graphik erstellt. Es zeigt sich daß in allen Fällen die 35S-ChiS transgenen Pflanzen einen geringeren Befall aufweisen (Fig. 11).10 independent 35S-ChiS transgenic tobacco plants and 10 untransformed tobacco plants (SRI) were planted as 5 cm plants in soil containing various concentrations of Rhizoctonia solani fungus (096, 0.0896; 0.16%; 0.24%) had been inoculated. The occurrence of infestation features (destruction of the lower stem area, maceration of the lower leaf area) was examined daily. After 10 days, the percentage of infected plants depending on the mushroom oculum was created in the form of a graph. It can be seen that in all cases the 35S-ChiS transgenic plants are less affected ( FIG. 11).

In einem weiteren Experiment wurde das durchschnittliche Wachstum von 10 unabhängig transformierten 35S-ChiS transgenen Tabakpflanzen sowie 10 untransformierten SRI Tabakpflanzen in Rhizoctonia solaniinfiziertem Boden (0,2%) analysiert. Wie Fig. 12 zeigt, wachsen untransformierte SRI Tabakpflanzen in dem gegebenen Zeitraum von 9 Tagen signifikant geringer als 35S-ChiS transgene Tabakpflanzen. Daraus resultiert, daß die 35S-ChiS transgenen Tabakpflanzen resistenter gegen den Pilzbefall sind.In another experiment, the average growth of 10 independently transformed 35S-ChiS transgenic tobacco plants and 10 untransformed SRI tobacco plants in Rhizoctonia solani-infected soil (0.2%) was analyzed. As FIG. 12 shows, untransformed SRI tobacco plants grow significantly less than 35S-ChiS transgenic tobacco plants in the given 9-day period. As a result, the 35S-ChiS transgenic tobacco plants are more resistant to fungal attack.

Untersuchungen mit nachfolgenden 35S-ChiS Tabakgenerationen bestätigen die Untersuchungen aus der Parentalgeneration. Dabei konnte eine direkte Korrlation zwischen der Expression von ChiS-Protein und der erworbenen Resistenz gegen Rhizoctonia solani nachgewiesen werden. Ein repräsentative Bild über den Größenunterschied zwischen 35S-ChiS transgenen Tabakpflanzen und untransformierten SRI Tabakpflanzen nach dem Wachstum auf pilzinfizierter Erde ist in Fig. 13 dargestellt.Examinations with subsequent 35S-ChiS tobacco generations confirm the examinations from the parental generation. A direct correlation between the expression of ChiS protein and the acquired resistance to Rhizoctonia solani was demonstrated. A representative picture of the size difference between 35S-ChiS transgenic tobacco plants and untransformed SRI tobacco plants after growing on fungus-infected soil is shown in FIG. 13.

Verwendung eines wun1-ChiS chimären Gens zur Erzeugung von Pilzresistenz in transgenen PflanzenUse of a wun1-ChiS chimeric gene to generate Fungal resistance in transgenic plants

Analog zu den Versuchen mit dem chimären Gen 35S-ChiS wurden auch Versuche mit dem chimären Gen wun1-ChiS unternommen. Dabei handelt es sich um eine transkriptionelle Fusion des wund- und pathogen-induzierbaren pflanzlichen Promotors wun1 (Logemann et al., 1989) mit dem ChiS-Gen. 3′ des ChiS-Gens wurde das polyA-Signal des 35S-Promotors als Terminationssignal verwendet.Analogous to the experiments with the chimeric gene 35S-ChiS, experiments with the chimeric gene wun1-ChiS were also undertaken. It is a transcriptional fusion of the wound and pathogen-inducible plant promoter wun1 (Logemann et al., 1989) with the ChiS gene. 3 ′ of the ChiS gene, the polyA signal from the 35S promoter was used as a termination signal.

Dieses chimäre Gen, genannt wun1-ChiS, wurde in Tabak- und Kartoffelpflanzen transformiert. Analog den Expressionsdaten mit 35S-ChiS transgenen Pflanzen produzieren wun1-ChiS transgene Pflanzen ChiS-RNA und enzymatisch aktives ChiS-Protein, sofern das entsprechende Gewebe vorher verwundet wurde. Auch die wun1-ChiS-transgenen Pflanzen weisen eine Resistenz gegen Rhizoctonia-Befall auf, die auf die Expression des ChiS-Gens zurückzuführen ist.This chimeric gene, called wun1-ChiS, has been found in tobacco and Potato plants transformed. Analogous to the expression data  with 35S-ChiS transgenic plants produce wun1-ChiS transgenic plants ChiS-RNA and enzymatically active ChiS protein, provided that the appropriate tissue previously was wounded. Even the wun1-ChiS transgenic plants have a resistance to Rhizoctonia infestation the expression of the ChiS gene is due.

Literaturliterature

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FigurenbeschreibungFigure description

Fig. 1 Isolierung und Reinigung von ChiS-protein aus Bakterien: Der E.coli Stamm A5187 enthält das 1,8 kb große ChiS-Gen unter der Kontrolle eines hitzeinduzierbaren PL-Promotors. Nach Hitzeinduktion wurde das Gesamtprotein des Bakterienüberstands isoliert, mit 80%-igem Ammoniumsulfat gefällt und auf einem 10%igen SDS-Polyacrylamidgel aufgetrennt. Reihe 1: Gesamtprotein aus hitzeinduzierten A5187 Bakterien. Reihe 2: Gesamtprotein aus nicht hitzeinduzierten A5187 Bakterien. Reihe 3: Proteingrößenstandart. Das ChiS Protein (58Kd) ist mit einem Pfeil markiert. Fig. 1 Isolation and purification of ChiS protein from bacteria: E.coli strain A5187 contains the 1.8 kb ChiS gene under the control of a heat-inducible PL promoter. After heat induction, the total protein of the bacterial supernatant was isolated, precipitated with 80% ammonium sulfate and separated on a 10% SDS polyacrylamide gel. Row 1: Total protein from heat-induced A5187 bacteria. Row 2 : total protein from non-heat-induced A5187 bacteria. Row 3 : protein size standard. The ChiS protein (58Kd) is marked with an arrow.

Fig. 2 Nachweis der Endo/Exo-chitinaseaktivität von ChiS: Fig. 2 Detection of Endo / Exo-chitinase activity of ChiS:

Fig. 2A Nachweis von Exochitinaseaktivität: Verschiedene Mengen an gereinigtem ChiS Protein wurde mit dem Substrat p-Nitrophenyl-N,N′-diacetyl-chitobiose versetzt und die zeitliche Zunahme der Extinktion bei OD = gemessen. Fig. 2A Detection of exochitinase activity: Different amounts of purified ChiS protein were mixed with the substrate p-nitrophenyl-N, N'-diacetyl-chitobiose and the increase in absorbance at OD = measured over time.

Fig. 2B Nachweis von Endochitinaseaktivität: Verschiedene Mengen an gereinigtem ChiS Protein wurde mit mit dem Substrat CMV-Chitin-RBV versetzt und die zeitliche Zunahme der Extinktion bei OD=550 gemessen. FIG. 2B Detection of endochitinase activity: The substrate CMV-chitin-RBV was added to various amounts of purified ChiS protein and the increase in absorbance over time at OD = 550 was measured.

Fig. 2C Modell der Exo/Endochitinaseaktivität von ChiS: Aufgrund der Molekülstruktur der Substrate p-Nitrophenyl-N,N′-diacetylchitobiose und CM-Chitin-RBV ist ein chitinolytischer Verdau nur vom Ende des Moleküls (Exochitinase) bzw. nur von der Mitte des Moleküls (Endochitinase) möglich. Der Angriffspunkte der jeweiligen Chitinase ist mit einem Pfeil markiert. Fig. 2C model of the exo / endochitinase activity of ChiS: Due to the molecular structure of the substrates p-nitrophenyl-N, N'-diacetylchitobiose and CM-chitin-RBV, chitinolytic digestion is only from the end of the molecule (exochitinase) or only from the middle of the molecule (endochitinase) possible. The target of the respective chitinase is marked with an arrow.

Fig. 3 Analyse des pH-Optimums für das ChiS-Protein: 20 ng gereinigtes ChiS-Protein wurde bei 37°C. mit dem Substrat CMV-Chitin-RBV (2mg/ml) inkubiert, wobei verschiedene pH-Konzentrationen verwendet wurden. Die Aktivität des ChiS-Proteins wurde aus drei unabhängigen Extinktionsmessungen zu den Zeitpunkten 0, 20, 40, 60 Minuten errechnet. 1 mUnit ist definiert als die Veränderung der Extinktion von 0,001 Einheiten pro Minute. Fig. 3 Analysis of the optimum pH for the ChiS protein: 20 ng of purified ChiS protein was at 37 ° C. incubated with the substrate CMV-chitin-RBV (2mg / ml) using different pH concentrations. The activity of the ChiS protein was calculated from three independent absorbance measurements at the times 0, 20, 40, 60 minutes. 1 mUnit is defined as the change in absorbance of 0.001 units per minute.

Fig. 4 Analyse des Temperaturoptimums für das ChiS-Protein: 20 ng gereinigtes ChiS-Protein wurde bei pH 7,5 mit dem Substrat CMV-Chitin-RBV (2mg/ml) inkubiert, wobei verschiedene Temperaturen verwendet wurden. Die Aktivität des ChiS-Proteins wurde aus drei unabhängigen Extinktionsmessungen zu den Zeitpunkten 0, 20, 40, 60 Minuten errechnet. 1 mUnit ist definiert als die Veränderung der Extinktion von 0,001 Einheiten pro Minute. FIG. 4 Analysis of the optimum temperature for the ChiS protein: 20 ng of purified ChiS protein was incubated at pH 7.5 with the substrate CMV-chitin-RBV (2 mg / ml), using different temperatures. The activity of the ChiS protein was calculated from three independent absorbance measurements at the times 0, 20, 40, 60 minutes. 1 mUnit is defined as the change in absorbance of 0.001 units per minute.

Fig. 5 Pilzwachstumstest mit gereinigtem ChiS-Protein: Mycel des pflanzenpathogenen Pilzes Rhizoctonia solani wurde in einem Gesamtvolumen von 100 ul Medium/Loch einer Mikrotiterplatte angezogen und mit verschiedenen ChiS-Proteinkonzentrationen versetzt (siehe Methoden). Das Wachstum des Pilzes wurde bei einer OD von 495 nm ber einen Zeitraum von 55 Stunden verfolgt. Ein Meßpunkt setzt sich aus dem Durchschnitt von 12 parallelen Ansätzen zusammen. Als Kontrollen dienten Ansätze ohne Protein (R.solani pur) bzw. Ansätze mit hitzedenaturiertem (10 Minuten 100°C.) ChiS-Protein (ChiS denat). Fig. 5 fungal growth assay with purified protein ChiS: mycelium of the phytopathogenic fungus Rhizoctonia solani was grown in a total volume of 100 ul medium / well of a microtiter plate and various ChiS protein concentrations added (see Methods). The growth of the fungus was monitored at an OD of 495 nm over a period of 55 hours. A measuring point is composed of the average of 12 parallel approaches. Batches without protein (R.solani pur) or batches with heat-denatured (10 minutes at 100 ° C.) ChiS protein (ChiS denat) served as controls.

Fig. 6 Konstruktion des chimären Gens 35S-ChiS: 35S-ChiS: 400 Basenpaare des aus dem Blumenkohlmosaikvirus stammenden 35S-Promotors (p35S) wurden transkriptionell mit dem 1,8 Kb großen ChiS-Gen fusioniert. Um eine korrekte Termination der Transkription zu erreichen, wurde 3′ vom ChiS-Gen das Terminationssignal des 35S-Gens verwendet (35SpA). Das chimäre Gen 35S-ChiS wurde in den Vektor pLSO34 kloniert. pLSO34 enthält ein GUS-Gen unter der Kontrolle des wundinduzierbaren Promotors wun1. Auf diese Weise kann mit Hilfe von GUS-Tests eine Voruntersuchung von transgenen Pflanzen bezüglich der korrekten Integration der DNA in das Pflanzenerbgut analysiert werden. Weiterhin befindet sich in den Vektor pLSO34 eine NPTII-Gen unter der Kontrolle des NOS-Promotors. Auf diese Weise wird eine Selektion von regeneriertem Pflanzenmaterial mit Hilfe von Kanamycin ermöglicht. Die DNA, die sich innerhalb der T-DNA-Grenzen befindet (RB, LB) wird in das Pflanzengenom integriert. Fig. 6 Construction of the chimeric gene 35S-ChiS: 35S-ChiS: 400 base pairs of the 35S promoter (p35S) from the cauliflower mosaic virus were transcriptionally fused with the 1.8 Kb ChiS gene. In order to achieve a correct termination of the transcription, the termination signal of the 35S gene was used 3 ′ from the ChiS gene (35SpA). The chimeric 35S-ChiS gene was cloned into the pLSO34 vector. pLSO34 contains a GUS gene under the control of the wound-inducible promoter wun1. In this way, a preliminary examination of transgenic plants with regard to the correct integration of the DNA into the plant genome can be analyzed with the aid of GUS tests. Furthermore, an NPTII gene is located in the vector pLSO34 under the control of the NOS promoter. In this way, a selection of regenerated plant material with the help of kanamycin is made possible. The DNA that is within the T-DNA boundaries (RB, LB) is integrated into the plant genome.

Fig. 7: Northern-Blot-Analyse wun1-ChiS-transgener Tabakpflanzen
50 ug Blatt-Gesamt-RNA aus Tabakpflanzen wurde gelelektrophoretisch aufgetrennt, auf Nylonmembranen transferiert und gegen radioaktive ChiS-DNA hybridisiert. In untransformierten Tabakpflanzen (K) ist keine ChiS-RNA nachweisbar.
Fig. 7: Northern blot analysis of wun1-ChiS transgenic tobacco plants
50 µg total leaf RNA from tobacco plants was separated by gel electrophoresis, transferred to nylon membranes and hybridized against radioactive ChiS-DNA. No ChiS-RNA is detectable in untransformed tobacco plants (K).

Fig. 8: Western-Blot Analyse 35S-ChiS-transgener Tabakpflanzen
Aus 5 gr Blattmaterial einer 35S-ChiS-transgenen Tabakpflanze wurde ein Gesamtproteinextrakt hergestellt. Die erhaltene Proteinlösung wurde aufgeteilt und zum einen einer fraktionierten Acetonfällung mit verschiedenen Sättigungsprozenten, zum anderen einer fraktionierten Ammoniumsulfatfällung mit verschiedenen Sättigungsprozenten unterworfen. Die gewonnenen Proteinfraktionen wurden auf einem 8%igen denaturierenden Polyacrylamidgel getrennt, auf Nitrozellulose transferiert und mit dem ChiS-Antikörper behandelt (siehe Methoden). Als positive Kontrolle (K) wurde 200 ng gereinigtes bakterielles ChiS-Protein verwendet.
Fig. 8: Western blot analysis of 35S-ChiS transgenic tobacco plants
A total protein extract was prepared from 5 g leaf material from a 35S-ChiS transgenic tobacco plant. The protein solution obtained was divided and subjected to fractional acetone precipitation with different saturation percentages on the one hand, and fractional ammonium sulfate precipitation with different saturation percentages on the other hand. The protein fractions obtained were separated on an 8% denaturing polyacrylamide gel, transferred to nitrocellulose and treated with the ChiS antibody (see methods). 200 ng of purified bacterial ChiS protein was used as positive control (K).

Fig. 9: Nachweis von ChiS-abhängiger Chitinaseaktivität in transgenen Pflanzen:
Je 100 ug Gesamtprotein aus Interzellularräumen verschiedener 35S-ChiS transgener (35S-ChiS) sowie untransformierter (unter) Tabak- und Kartoffelblätter wurden auf einem nativen Proteingel getrennt, auf ein zweites Proteingel (enthält 0,1% CM-Chitin-RBV) transferiert und dann für 24 Stunden bei Raumtemperatur entwickelt. Die Banden dokumentieren Proteine mit Chitinaseaktivität. ChiS: 2 ug gereinigtes, bakterielles ChiS-Protein.
Fig. 9: Detection of ChiS-dependent chitinase activity in transgenic plants:
100 ug total protein from intercellular spaces of different 35S-ChiS transgenic (35S-ChiS) and untransformed (under) tobacco and potato leaves were separated on a native protein gel, transferred to a second protein gel (contains 0.1% CM-chitin-RBV) and then developed for 24 hours at room temperature. The bands document proteins with chitinase activity. ChiS: 2 µg of purified bacterial ChiS protein.

Fig. 10 Abhängigkeit der Wachstumsgeschwindigkeit untransformierter SRI Tabakpflanzen von der Pilzmenge: Je 10 untransformierte SRI-Tabakpflanzen gleicher Größe wurden in Boden kultiviert der mit verschiedenen Pilzkonzentrationen versetzt worden war. Im Diagramm sind die Mittelwerte des Längenzuwachses für die gemessenen Zeitpunkte aufgetragen. FIG. 10 is a function of the growth rate of untransformed SRI tobacco plants by the fungus amount: 10 The untransformed SRI tobacco plants of the same size were grown in soil which had been treated with various fungal concentrations. The mean values of the increase in length for the measured times are plotted in the diagram.

Fig. 11 Befallshäufigkeit Rhizoctonia solani infizierter ChiS-transgener und untransformierter Tabakpflanzen. Im Diagramm sind die Anteile der befallenen 35S-ChiS transgenen Tabakpflanzen bzw. untransformierter SRI-Pflanzen in Abhängigkeit von dem jeweiligen Pilzinokulum für den neunten Tag nach Versuchsbeginn dargestellt. Als Befall wurde das Auftreten von Blatt- und/oder Stammfäule gewertet. Fig. 11 Incidence of Rhizoctonia solani infected ChiS transgenic and untransformed tobacco plants. The diagram shows the proportions of the infected 35S-ChiS transgenic tobacco plants or untransformed SRI plants depending on the respective mushroom inoculum for the ninth day after the start of the test. The occurrence of leaf and / or stem rot was rated as infestation.

Fig. 12 Durchschnittliche Sproßlängenzunahme Rhizoctonia solani infizierter Tabakpflanzen: Jeweils 10 unabhängige 35S-ChiS transgene Tabakpflanzen sowie 10 untransformierte SRI-Kontrollpflanzen wurden mit Rhizoctonia solani infiziert (2gr Pilz/1 Liter Erde) und bezüglich des Sproßlängenzuwachses (gegeben durch die Sproßlänge zum Zeitpunkt der Messung abzüglich der Anfangslänge) analysiert. Aufgetragen ist die durchschnittliche Sproßlängenzunahme im Zeitraum von 9 Tagen (errechnete Fehlerwahrscheinlichkeit: kleiner als 0,5%). Fig. 12 Average shoot length increase of Rhizoctonia solani infected tobacco plants: 10 independent 35S-ChiS transgenic tobacco plants and 10 untransformed SRI control plants were infected with Rhizoctonia solani (2 g fungus / 1 liter soil) and with regard to the shoot length increase (given by the shoot length at the time of measurement minus the initial length). The average shoot length increase over a period of 9 days is plotted (calculated error probability: less than 0.5%).

Fig. 13 Größenunterschied zwischen pilzinfizierten 35S-ChiS transgenen Pflanzen und Kontrollpflanzen: Repräsentativer Größenunterschied zwischen 35S-ChiS transgenen Tabakpflanzen und SRI Kontrollpflanzen die für 10 Tage auf einem Rhizoctonia solani beimpften Boden (0,2%) kultiviert wurden.(0.2%) were cultured Representative difference in size between 35S ChiS transgenic tobacco plants and SRI control plants inoculated for 10 days at a Rhizoctonia solani floor: Fig. 13 size difference between fungus infected 35S ChiS transgenic plants and control plants.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erzeugung von pathogen-resistenten Or­ ganismen, dadurch gekennzeichnet, daß man in das Erbgut von Organismen ein Chitinase-Gen unter der Kontrolle eines transkriptionell aktiven Pro­ motors einführt.1. Process for the production of pathogen-resistant organisms, characterized in that a chitinase gene is introduced into the genetic makeup of organisms under the control of a transcriptionally active pro motor. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Chitinase-Gen mit artfremdem Ursprung ver­ wendet.2. The method according to claim 1, characterized, that you ver a chitinase gene of alien origin turns. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gen einer bakteriellen Chitinase verwendet.3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that one uses the gene of a bacterial chitinase. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Chitinase aus Serratia marcescens verwen­ det, die über eine hohe Proteinstabilität verfügt und eine gekoppelte Exo/Endochitinaseaktivität besitzt.4. The method according to claim 3, characterized, that one can use a chitinase from Serratia marcescens det, which has a high protein stability and has a coupled exo / endochitinase activity. 5. DNA-Übertragungsvektoren und DNA-Expressionsvektoren mit insertiertem Gen nach Anspruch 4.5. DNA transfer vectors and DNA expression vectors with inserted gene according to claim 4.
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