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Extension

Biotechnology:

Principles, Applications,

and Social Implications 

From Protein to Product

Phil McClean

Department of Plant Science

North Dakota State University

The techniques used by the biotechnology industry

to modify genes and introduce them into transgenic organisms

 

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Extension

What is Biotechnology?

How about some definitions

General Definition

The application of technology to improve
 a biological organism

 

Detailed Definition

The application of the technology to 
modify the
biological function of an organism by 
adding genes
from another organism

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Extension

But we know nature does not have 
all of the traits we need

• Here we see bean has many 
   seedcoat colors and patterns
   in nature

Nature has a rich source of variation

These definitions imply biotechnology

is needed because:

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Extension

But nature does not contain all the

genetic variation man desires

•Fruits with vaccines

•Grains with improved nutrition

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Extension

What controls this natural variation?

Allelic differences at genes control a specific trait

Gene - 

a piece of DNA that controls the

            expression of a trait

Allele - 

the alternate forms of a gene

Definitions are needed for this statement:

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Extension

What is the difference between

genes and alleles for Mendel’s Traits?

Mendel’s Genes

Plant height                                  Seed shape

Tall        Short

Allele

Smooth      Wrinkled

Allele  

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Extension

This Implies a

Genetic Continuum

direct relationship exists between the gene, its alleles,
and the phenotypes (different forms ) of the trait

Alleles must be:

 

similar

 enough to control the same trait

 but 

different

 enough to create different phenotypes

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Extension

Allelic Differences for Mendel’s Genes

Plant Height Gene

Gene: gibberellin 3--hydroxylase

Function: adds hydoxyl group to GA

20

 to make GA

1

Role of GA

1

regulates cell division and elongation

Mutation in short allele: a single nucleotide converts
   an alanine to threonine in final protein
Effect of mutation: mutant protein is 1/20 as active 

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Gene: strach branching enzyme (SBE) isoform 1
Function: adds branch chains to starch
Mutation in short allele: transposon insertion
Effect of mutation: no SBE activity; less starch, more
   sucrose, more water; during maturation seed looses
   more water and wrinkles

Allelic Differences for Mendel’s 

Seed Shape Gene

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Central Dogma of Molecular Genetics

(The guiding principle that controls trait expression)

DNA
(gene)

RNA

Protein

Trait

(or phenotype)

Transcription

Translation

Plant height

Seed shape

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In General, Plant Biotechnology Techniques

Fall Into Two Classes

 Identify a gene from 

another species

 

which controls
  a trait of interest

 Or modify an existing gene (create a 
new allele)

Gene Manipulation

 Introduces that gene into an organism

 Technique called 

transformation

 Forms 

transgenic organisms

Gene Introduction

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Gene Manipulation Starts

At the DNA Level

The nucleus

contains DNA

Source: Access Excellence

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DNA Is Packaged

Source: Access Excellence

Double-stranded

DNA

Chromosomes

is condensed

into

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Chromosomes Contain Genes

Chromosome

Gene

Source: Access Excellence

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Genes Are Cloned Based On:

Similarity to known genes

Homology cloning

 (mouse clone used to obtain human gene)

Protein sequence

Complementary  genetics

 (predicting gene sequence

     from protein)

Chromosomal location

Map-based cloning

 (using genetic approach)

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Human clone

library

Clones transferred

to filter

Mouse probe
added to filter

Hot-spots are human

homologs

 to mouse gene

Homology Cloning

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Complementary Genetics

1. Protein sequence is related to gene sequence 

NH

3

+

-Met-Asp-Gly--------------Trp-Ser-Lys-COO

-

    

ATG GAT-GCT              TGG-AGT-AAA

          C   C                    C   G
              A                  TCT
              G                    C    
                                   A
                                   G

2. The genetic code information is used to design PCR primers

Forward primer: 5’-ATGGAT/CGCN-3’
Reverse primer:  5’-T/CTTNC/GT/ACCA-3’

Notes: T/C = a mixture of T and C at this position;
            N = a mixture of all four nucleotides
            Reverse primer is the reverse complement of the gene sequence

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Extension

3. Use PCR to amplify gene fragment

Complementary Genetics

(cont.)

a. template DNA is melted (94C)

3’                                                                                         5’
5’                                                                                         3’

3’                                                                                         5’

5’                                                                                         3’

b. primers anneal to complementary site in melted DNA (55C)

3’                                                                                         5’

5’                                                                                         3’

3’                                                                                         5’

5’                                                                                         3’

c. two copies of the template DNA made (72C)

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Extension

Denaturation: DNA melts
Annealing: Primers bind
Extension: DNA is replicated

PCR Animation

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PCR Again

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Human clone

library

Clones transferred

to filter

PCR fragment

probe added to filter

Hot-spots are 

human gene

of interest

Complementary Genetics

(cont.)

4. Gene fragment used to screen library

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Extension

Map-based Cloning

1. Use genetic techniques to 
find marker near gene

GeneMarker

2. Find cosegregating marker

Gene/Marker

3. Discover overlapping clones
    (or contig) that contains the marker

Gene/Marker

4. Find ORFs on contig

Gene/Marker

5. Prove one ORF is the gene by
    transformation or mutant analysis

Mutant + 

ORF

 = Wild type?

Yes? 

ORF

 = Gene

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Gene Manipulation

 It is now  routine to isolate genes

 But the target gene must be carefully chosen

 Target gene is chosen based on desired phenotype

Function:

Glyphosate (RoundUp) resistance
        

EPSP synthase enzyme

Increased Vitamin A content
        

Vitamin A biosynthetic pathway enzymes

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The RoundUp Ready Story

 Glyphosate is a broad-spectrum herbicide

 Active ingredient in RoundUp herbicide 

 Kills all plants it come in contact with

 Inhibits a key enzyme (

EPSP synthase

) in an amino acid pathway

 Plants die because they lack the key amino acids

 A resistant EPSP synthase gene allows crops
   to survive spraying

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Extension

+ Glyphosate

X

RoundUp Sensitive Plants

X

X

Shikimic acid + Phosphoenol pyruvate

3-Enolpyruvyl shikimic acid-5-phosphate

(EPSP)

Plant 

EPSP synthase

Aromatic

amino acids

Without amino 

acids,  plant dies

X

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Extension

Bacterial

EPSP synthase

Shikimic acid + Phosphoenol pyruvate

3-enolpyruvyl shikimic acid-5-phosphate

(EPSP)

Aromatic

amino acids

RoundUp Resistant Plants

+ Glyphosate

With amino 

acids,  plant lives

RoundUp has no effect;

enzyme is resistant to herbicide

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Extension

The Golden Rice Story

 Vitamin A deficiency is a major health problem

 Causes blindness

 Influences severity of diarrhea, measles

 >100 million children suffer from the problem

 For many countries, the infrastructure doesn’t exist
to deliver vitamin pills

 Improved vitamin A content in widely consumed crops
an attractive alternative

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Extension

-Carotene Pathway in Plants

IPP

Geranylgeranyl diphosphate

Phytoene

Lycopene

 -carotene

(vitamin A precursor)

Phytoene synthase

Phytoene desaturase

Lycopene-beta-cyclase

ξ-carotene desaturase

 

Problem:

Rice lacks

these enzymes

Normal

Vitamin A

“Deficient”

Rice

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Extension

The Golden Rice Solution

IPP

Geranylgeranyl diphosphate

Phytoene

Lycopene

 -carotene

(vitamin A precursor)

Phytoene synthase

Phytoene desaturase

Lycopene-beta-cyclase

ξ-carotene desaturase

 

Daffodil gene

Single bacterial gene;

performs both functions

Daffodil gene

-Carotene Pathway Genes Added

Vitamin A

Pathway

is complete

and functional

Golden

Rice

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Extension

Metabolic Pathways are Complex

and Interrelated

Understanding 

pathways   is 

critical

 

to developing new 

products

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Extension

Modifying Pathway Components

Can Produce New Products

Modified Lipids =

New Industrial Oils

Turn On Vitamin 

Genes = 

Relieve 

Deficiency

Increase amino acids = 

Improved Nutrition

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Extension

Trait/Gene Examples

RoundUp Ready

Bacterial EPSP

Golden Rice

Complete Pathway

Plant Virus ResistanceViral Coat Protein

Male Sterility

Barnase

Plant Bacterial Resistance

p35

Salt tolerance

AtNHX1

Trait

Gene

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Introducing the Gene or

Developing Transgenics

Steps

1. Create transformation cassette

2. Introduce and select for transformants

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Extension

Transformation Cassettes

Contains

1. Gene of interest

 

The coding region and its controlling elements

2. Selectable marker

 

Distinguishes transformed/untransformed plants

3. Insertion sequences

 

Aids Agrobacterium insertion

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Extension

Gene of Interest

Coding Region

 

Encodes protein product

ex.: EPSP
       
-carotene genes

Promoter Region

 

Controls when, where and how much the gene is expressed

ex.: CaMV35S (constitutive; on always)
       Glutelin 1 (only in rice endosperm during seed development)

Promoter

Coding Region

TP

Transit Peptide

 

Targets protein to correct organelle

ex.: RbCS (RUBISCO small subunit; choloroplast target

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Extension

Selectable Marker

Coding Region

 

Gene that breaks down a toxic compound;

non-transgenic plants die

ex.: nptII [kanamycin (bacterial antibiotic) resistance]
       aphIV
 [hygromycin (bacterial antibiotic) resistance]       
       Bar
 [glufosinate (herbicide) resistance]

Promoter Region

 

Normally constitutive

ex.: CaMV35s (Cauliflower Mosaic Virus 35S RNA promoter

Promoter

Coding Region

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Extension

Effect of Selectable Marker

Transgenic = 

Has Kan or Bar Gene

Plant grows in presence
of selective compound

Plant dies in presence
of selective compound

Non-transgenic = 

Lacks Kan or Bar Gene

X

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Extension

Insertion Sequences

 Used for Agrobacterium-transformation

ex.: Right and Left borders of T-DNA

Required for proper gene insertions

T

L

T

R

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Extension

Let’s Build A Complex Cassette

pB19hpc (Golden Rice Cassette)

T

L

T

R

aphIV

35S Gt1

psy

35S rbcS

crtl

Hygromycin

Resistance

Phytoene

Synthase

Phytoene

Desaturase

T-DNA
Border

T-DNA
Border

Selectable

Marker

Gene of
Interest

Gene of
Interest

Insertion
Sequence

Insertion
Sequence

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Extension

 Transformation cassettes are developed in the lab

 They are then introduced into a plant

 Two major delivery methods

Delivering the Gene

to the Plant

 

Agrobacterium

 

Gene Gun

Tissue culture
required to generate
transgenic plants

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Plant Tissue Culture

A Requirement for Transgenic Development

A plant part 

Is cultured

Callus

grows

Shoots

develop

Shoots are rooted;

plant grows to maturity

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Agrobacterium

A natural DNA delivery system

 A plant pathogen found in nature

 Hormone genes expressed and galls form at infection site

 Delivers DNA that encodes for plant hormones

 Infects many plant species

Gall on

stem

Gall on

leaf

 DNA 

incorporates

 into plant chromosome

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The Galls Can Be Huge

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Natural Infection Process Is Complex

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But Nature’s Agrobacterium

Has Problems

Infected tissues cannot be regenerated (via tissue culture)
into new plants

Transferred DNA (T-DNA) modified by

 

Removing phytohormone genes

 

Retaining essential transfer sequences

 

Adding cloning site for gene of interest

 

Phytohormone balance incorrect regeneration

Solution?

Why?

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Extension

The Gene Gun

 DNA vector is coated onto gold or tungsten particles

 Particles are accelerated at high speeds by the gun

 Particles enter plant tissue

 DNA enters the nucleus and
  incorporates into chromosome

 Integration process unknown

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Extension

Transformation Steps

Prepare tissue for transformation

Introduce DNA

Culture plant tissue

 

Develop shoots

 

Root the shoots

Field test the plants

 

Leaf, germinating seed, immature embryos

 

Tissue must be capable of developing into normal plants

 

Agrobacterium or gene gun

 

Multiple sites, multiple years

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The Lab Steps

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Lab Testing The Transgenics

Insect Resistance

Transgene=

Bt-toxin protein

Cold Tolerance

Transgene=

CBF transcription factors

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Extension

Salt Tolerant

Mercury Resistance

More Modern Examples

Transgene=

Glyoxylase I

Transgene=

Mercuric ion reductase

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The Next Test Is The Field

Non-transgenics

Transgenics

Herbicide Resistance

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Final Test

Consumer Acceptance

RoundUp Ready Corn

Before

After

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The Public Controversy

 Should we develop transgenics?

 Should we release transgenics?

 Are transgenics safe?

 Are transgenics a threat to non-transgenic
   production systems?

 Are transgenics a threat to natural 
   eco-systems?


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