home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Shareware Overload Trio 2 / Shareware Overload Trio Volume 2 (Chestnut CD-ROM).ISO / dir26 / pbomrce.zip / PBOMRCE.TXT
Text File  |  1994-07-17  |  23KB  |  563 lines

  1.               BASIC ORGANISM MODULE/GENERAL/PLANTS
  2.  
  3.                           RICE EXAMPLES
  4. SOURCE #1
  5.  
  6. test organisms
  7.  
  8.     Oryza sativa L. (RICE)
  9.  
  10. /end
  11.  
  12.  
  13. donor organisms
  14.  
  15.     transposable element Activator from maize (Zea mays)
  16.  
  17. /end
  18.  
  19.  
  20. Vectors
  21.  
  22.      Vector Agent:  Agrobacterium tumefaciens
  23.      Vector:  Disarmed Ti plasmid
  24.  
  25. /end
  26.  
  27.  
  28. other genetic sequences
  29.  
  30.      Two other genes, besides the transposable element Activator,
  31.      are incorporated into chromosomal DNA after transformation. 
  32.      The first. encoding the enzyme, hygromycin B
  33.      phosphotransferase (hphB), detoxifies the aminocyclitol
  34.      antibiotic hygromycin B by phosphorylating the antibiotic
  35.      (Gritz and Davies, 1983: Kaster et al., 1984).  The second
  36.      marker gene, neomycin phosphotransferase (NPT II), confers
  37.      resistance to the common aminoglycoside antibiotic,
  38.      kanamycin, by phosphorylating the molecule and thereby
  39.      inactivating it  (Fraley et al., 1986).  Both genes were
  40.      isolated from Escherichia coli. Neither the marker genes nor
  41.      the resultant enzymes have any plant pest characteristics. 
  42.      There is no evidence that these genes can be transferred to
  43.      other plants during the field test.
  44.  
  45. /end
  46.  
  47. location
  48.  
  49.      The field test will be conducted on a research plot of
  50.      agricultural land owned by (institution name).  It is
  51.      located on a secondary road in (country}, (state), (county). 
  52.      This  farm is 0.75 miles from the nearest highway (name),
  53.      2.25 miles from (city), the nearest population center, and
  54.      2.0 miles from the nearest commercially grown rice.
  55.  
  56.  
  57.  
  58. Summary
  59.  
  60.      The recipient organism is rice, O. sativa L. which has been
  61.      modified to contain the transposable element Activator from
  62.      maize (Zea mays).  The gene was inserted into the plant
  63.      genome by a chemical method.  The introduction of the
  64.      transposable element Activator into rice is intended to
  65.      studying developmental and mutational processes in rice.
  66. /end
  67.  
  68.  
  69. Purpose
  70.  
  71.      The purpose of this test is to evaluate the performance
  72.      under field conditions of the selfed progeny of transgenic
  73.      rice plants. 
  74. /end
  75.  
  76.  
  77. reproductive cycle
  78.  
  79.      Rice is an annual (sometimes perennial in the tropics) erect
  80.      grass, 50-150 cm tall.  Culms cylindrical, smooth, 6-10 mm
  81.      diameter, with solid nodes and hollow internodes, buds in
  82.      axils of lower leaves produce tillers.  Leaves alternate,
  83.      two-ranked, made of sheath and lamina, and bearing a ligule
  84.      and auricles.  Inflorescence a terminal panicle, 14-42 cm
  85.      long, each with (50)-100-(500) spikelets, erect or drooping,
  86.      base of panicle enclosed in modified leaf (flag).  Spikelets
  87.      usually borne singly, laterally compressed, on a short
  88.      pedicel, and with two glumes and a palea and an awned lemma;
  89.      stamens six, anthers versatile; gynoecium monocarpellate,
  90.      with single ovule, styles two, with plumose stigmas.  Fruit
  91.      a caryopsis, retained in palea and lemma; grain white to
  92.      translucent, sometimes red, brown or black  (Purseglove,
  93.      1988).  
  94.  
  95.      The spikelets begin to open on the day of panicle emergence,
  96.      or the day after.  Blooming continues in sequential fashion
  97.      and is completed in six to ten days.  Weather, photoperiod,
  98.      and cultural conditions may influence anthesis.  Anthesis is
  99.      generally in the morning.  Pollen is shed about the time of
  100.      spikelet opening.  It remains viable from five minutes to
  101.      about 50 hours.  Pollen tubes emerge about three minutes
  102.      after deposition on a receptive stigma.  Fertilization
  103.      occurs about 12 hours thereafter (Adair and Jodon, 1973). 
  104.      Because of the physical proximity in the same spikelet of
  105.      fertile stamens and receptive stigmas, most rice is self-
  106.      pollinated, but small and varying amounts of cross-
  107.      pollination by wind do occur.  This percentage is varies
  108.      from 0-4.5 percent, rarely as much as 30 percent, with an
  109.      average of 0.45 percent; most cross-pollination occurs
  110.      within two meters (Grist, 1975; Purseglove, 1988).  Because
  111.      of this constant inbreeding, rice maintains true-breeding
  112.      homozygous lines.  
  113.  
  114.      Certified Seed Regulations, 7 CFR 201.76, require an
  115.      isolation distance of ten feet.  Additional distance is
  116.      required for aerial seeding or ground broadcast seeding.  
  117.  
  118. /end
  119.  
  120. DNA sequence
  121.  
  122.      The donor organism and the vector agent were developed by
  123.      the (institution name and address). 
  124. /end
  125.  
  126.  
  127. DNA insertion
  128.  
  129.      The primary plasmids used in rice transformation were
  130.      pTRA131/132 (see Figure X, page XX).  It is composed of
  131.      sequences derived from plasmid pUC12, which allows its
  132.      replication in E. coli, and a plant-expressible chimeric
  133.      gene composed of the 35S CaMV promoter (for plasmid pTRA132)
  134.      or nopaline synthase promoter (for plasmid pTRA131) and
  135.      hygromycin phosphotransferase.  When the chimeric gene is
  136.      introduced into nucleus and expressed, resistance to
  137.      hygromycin is expressed constitutively in the plants. 
  138.      Expression of this resistance gene allows the selection of
  139.      transformed cells from their nontransformed counterparts.  
  140.  
  141.      The second plasmid, pTRA137 or 137R (see Figure X), has the
  142.      transposable element Activator, inserted in plasmid pTRA132
  143.      between the promoter sequences and the hygromycin
  144.      phosphotransferase gene.  This insertion results in
  145.      inactivation of the resistance gene.  However, if the
  146.      transposon Activator excises from the recombinant gene and
  147.      inserts itself at another site in the genome, the functional
  148.      resistance marker genes is restored.  Plasmid pTRA137R
  149.      differs from pTRA137 in that the transposon is inserted in
  150.      the reverse orientation.  The orientation of insertion of
  151.      the transposable element Activator has apparently minimal
  152.      effect on the frequency of excision.
  153.  
  154.      The third plasmid (see Figure X), pTRA139R, has the NPT II
  155.      gene (with bacterial regulatory sequences) inserted upstream
  156.      from the transcription initiation site of the transposase
  157.      gene but downstream from the inverted terminal repeat of
  158.      plasmid pTRA137R.  Presumably, insertion of the NPT II gene
  159.      interferes with excision of the transposon.  Plants
  160.      containing this construct were made for use as experimental
  161.      controls.
  162.  
  163.      Each of the recombinant plasmids was introduced into rice
  164.      plants by polyethylene glycol treatment of protoplasts. 
  165.      After treatment, protoplasts were allowed to divide and
  166.      placed under hygromycin selection.  After callus formation,
  167.      mature plants were regenerated.  
  168. /end
  169.  
  170.  
  171. amount and nature
  172.  
  173.      Southern hybridization analysis of genomic DNA from the
  174.      transgenic rice plants indicated that one to ten copies of
  175.      the hygromycin resistance genes were present. 
  176.  
  177.      The hygromycin resistance trait was transferred from
  178.      transgenic rice to the progeny in a Mendelian pattern. 
  179.      (Inheritance was analyzed by germinating and growing seeds
  180.      in the presence of hygromycin for 10 days).  Of 27 plants
  181.      examined, 7 plants showed at segregation ratio of 3:1
  182.      suggesting that the resistance gene(s) is locate at one
  183.      closely-linked chromosomal loci.  Six of the plants revealed
  184.      segregation ratios of this trait between 3:1 and 15:1, while
  185.      14 plants revealed segregation ratios of less than 3:1.  The
  186.      exact interpretation of the segregation ratio which do not
  187.      support a single loci, await further analysis of the progeny
  188.      of these plants. 
  189.  
  190.      The intact Ac element in pTRA137 appeared to excise from the
  191.      this construct with high frequency in transgenic rice
  192.      protoplasts (frequency rate was up to 20%).  Southern
  193.      hybridization data on select plants showed that the excised
  194.      Ac element reintegrated into the rice genome.
  195. /end
  196.  
  197.  
  198. containment procedures
  199.  
  200.      All research and procedures used in the production of the
  201.      donor organism, recipient organism, vector and/or vector
  202.      agent and the transgenic plants were done utilizing level
  203.      BL2 containment according to approved guidelines.  Research
  204.      facilities were inspected and approved by Institutional,
  205.      State and Federal authorities.
  206.  
  207. /end
  208.  
  209.  
  210. viability of the pollen
  211.  
  212.      Pollen is shed about the time of spikelet opening.  It
  213.      remains viable from five minutes to about 50 hours.  Pollen
  214.      tubes emerge about three minutes after deposition on a
  215.      receptive stigma.  Fertilization occurs about 12 hours
  216.      thereafter (Adair and Jodon, 1973).
  217.  
  218.      Oryza is a genus of about 18 species of the grass family
  219.      (Gramineae or Poaceae).  Two closely related, and perhaps
  220.      even conspecific, species of the genus, O. glaberrima Steud.
  221.      and O. sativa, are cultivated. On a worldwide basis, the
  222.      cultivation of Oryza glaberrima, also known as African rice,
  223.      is insignificant (Cobley and Steele, 1976).  Related to
  224.      Oryza are those members of the grass tribe Oryzeae,
  225.      including the genera Leersia, Zizania, Zizianiopsis,
  226.      Luziola, and Hydrochloa (Gould, 1968).  
  227.  
  228.      There are no species of Oryza native to the United States. 
  229.      Oryza sativa is the only species cultivated in the United
  230.      States.  Other members of the Oryzeae occur in the United
  231.      States, but they do not interbreed with Oryza.  
  232.  
  233.      There are innumerable cultivated varieties within Oryza
  234.      sativa.  These cultivars can be roughly divided into three
  235.      groups; japonica, indica, and bulu; and are distinguished by
  236.      strong sterility barriers between them (Adair and Jodon,
  237.      1973).  
  238. /end
  239.  
  240.  
  241. inserted gene
  242.  
  243.      The foreign gene(s) remains structurally stable through
  244.      meiosis and is transmitted in the seed.  The gene(s) is
  245.      expressed as a dominant marker and is inherited in a
  246.      Mendelian manner (De Block et al., 1984; Horsch et al.,
  247.      1984).  Of course, any DNA sequence in plant chromosomes
  248.      bears some degree of instability.  This is evidenced in
  249.      nature and in plant breeding by gene amplification, by such
  250.      phenomena as unequal crossovers or chromosomal disjunction,
  251.      and transposon mediated instability.  As fully integrated
  252.      pieces of plant chromosomes, recombinant marker genes are
  253.      subject to the same rules governing chromosomal
  254.      rearrangements and gene stability as are other plant genes. 
  255.      Once integrated into plant chromosomes DNA, becomes no
  256.      different than naturally occurring plant genes in terms of
  257.      stability or any potential ability to persist in the
  258.      environment outside of direct progeny of transformed plants. 
  259.      Therefore, the term "stable insertion" implies a degree of
  260.      stability that is similar to naturally occurring plant
  261.      genes.  Any slight instability that could be demonstrated
  262.      would not be a cause for real concern, except for the loss
  263.      of the utility of the insertion giving expression to the
  264.      desired trait.  There is no indication that such an
  265.      instability could in some way be deleterious to anything
  266.      except the transformed plants themselves.  
  267.  
  268.      Transposons, by their nature, are more unstable than other
  269.      genes.  However, this does not to imply that their movement
  270.      in the chromosomal DNA is not regulated.  McClintock
  271.      reported a classic property of maize transposons was their
  272.      ability to cycle between active (i.e., moving) and inactive
  273.      states, changing both their timing and frequency of
  274.      movement.  Recent evidence suggests that Ac activity is
  275.      regulated by the degree of methylation of its DNA sequence. 
  276.      Thus, the movement of Ac in maize genome is strictly
  277.      regulated (Schwartz and Dennis, 1986).  In nature,
  278.      chromosomal genetic material can only be transferred to
  279.      other sexually compatible plants by cross-pollination.  This
  280.      is also true for transposons.  Recent molecular probing of
  281.      tomato and tobacco genomes support this, maize transposon Ac
  282.      has not been detected by molecular probes in tobacco or
  283.      tomato, two plant species that Ac has been introduced by
  284.      transformation techniques (Baker et al., 1986; Yoder et al.,
  285.      1988).
  286.  
  287.      The recombinant marker genes and the transposons are
  288.      transmitted through mitosis and meiosis as an inherent part
  289.      of the plant genome.  The integrated foreign DNA is now a
  290.      new and novel locus.  Stable incorporation of the genes into
  291.      the plant genome can be further confirmed by the
  292.      demonstration of standard Mendelian genetics for the
  293.      inheritance of these traits.  
  294.  
  295.       Rice does not possess any special weedy characteristics. 
  296.      Some kinds of Oryza, called red rice, are a problem in rice
  297.      fields because they are carried with cultivated rice and
  298.      lower its value and agronomically desirable characteristics,
  299.      but this is a phenomenon peculiar to the cultivation of the
  300.      crop and does not reflect on any general trend of weedy
  301.      aggressiveness of red rice into other crops.  Cultivated
  302.      rice is occasionally adventive in the United States along
  303.      the coast from Virginia to Florida and Texas (Hitchcock and
  304.      Chase, 1951).  
  305. /end
  306.  
  307. good agronomic practices
  308.  
  309.      Pollen and/or plants and/or grain will be transported
  310.      according to regulations in an adequately sealed container
  311.      to prevent dissemination, i.e., in a lockable, refrigerated
  312.      container for mail or carrier.
  313.  
  314. /end
  315.  
  316.  
  317. shipment of the test organism
  318.  
  319.      Seed sent back to (institution) will be packaged in 2 heavy
  320.      duty industrial weight burlap bags and then enclosed inside
  321.      a woven polypropylene shipping bag. The seed will be hand
  322.      carried and transported by (name, affiliation, address,
  323.      phone number) to (city), (state).
  324.  
  325. /end
  326.  
  327.  
  328. Description Example
  329.  
  330.      Seed shipping container:  Seeds will be sealed in plastic
  331.      bags of at least 5 mil thickness, inside a sealed metal
  332.      container, which will be placed inside a second sealed metal
  333.      container.  Shock absorbing cushioning material shall be
  334.      placed between the inner and outer metal containers.  Each
  335.      set of metal containers shall then be enclosed in a
  336.      corrugated cardboard box or other shipping container of
  337.      equivalent strength.
  338.  
  339. /end
  340.  
  341.  
  342. 18. (Shipping)
  343.  
  344.      Seed or propagation material will be shipped according to
  345.      USDA/APHIS regulations.  The seeds will be packaged as
  346.      required in Title 7 CFR part 340.6(b) (52 FR 22892-22915,
  347.      June 16 1987).
  348. /end
  349.  
  350. moving a material
  351.  
  352.      Seeds obtained from the transgenic plants will be
  353.      transported from (institution) to the designated field test
  354.      site via common carrier. The return shipment of seed from
  355.      (sending source) to (institution) will be hand carried.  The
  356.      (institution) personnel directly responsible for supervising
  357.      the transportation will be:
  358.           Name:
  359.           Title:
  360.           Institution:
  361.           Street address:
  362.           City, State
  363.           Zip code:
  364.           Telephone number:
  365.  
  366. /end
  367.  
  368.  
  369. pollinating insects
  370.  
  371.      Pollinating insects are not of concern in the cultivation of
  372.      rice.
  373. /end
  374.  
  375.  
  376. design of the experiment
  377.  
  378.      Field Test Design
  379.      The total size of the field plot will be 50 feet wide by 120
  380.      feet long.  Plants will be spaced one foot apart in 100 foot
  381.      long rows.  Each row will be separated by 4 foot.  The total
  382.      number of transgenic plants to be introduced will be not
  383.      exceed 835.  The specific constructs used in the
  384.      transformations and the exact numbers of each type to be
  385.      introduced are as follows:  pTRA131 (100 plants), pTRA132
  386.      (100 plants), pTRA137 (250 plants), pTRA137R (375 plants),
  387.      and pTRA139R (10 plants).  Equal numbers (200 of each) of
  388.      nonengineered control plants consisting of seed-derived and
  389.      protoplast-derived Nipponbare rice plants will be planted as
  390.      control plants.  Transgenic plants will be separated from
  391.      nonengineered control by at least 2 meters.  Dissemination
  392.      of pollen will be prevented by placing two plastic bags over
  393.      the growing panicles, starting at one week before flowering
  394.      until two weeks after flowering.  To prevent dissemination
  395.      of seed by insects or birds, insect nets will be placed over
  396.      and around the transgenic plants.  Recovery of mature seeds
  397.      from the plants will be facilitated by placing seed bags
  398.      over each panicle and enclosing the bottoms of the bags with
  399.      string from the second until the eighth week.  
  400.      
  401.      Tentative schedule:
  402.  
  403.      -  Field transplanting: Approximately June 1, 19XX
  404.  
  405.      -  Experiment termination: Approximately October 15, 19XX
  406.  
  407.      The proposed field test will be conducted for a period of
  408.      xxx days observation.
  409.  
  410.      Final Disposition of Test Plants
  411.  
  412.      After seed harvesting, the remaining plants will be sprayed
  413.      with glyphosate.
  414. /end
  415.  
  416. consequences
  417.  
  418.      Impact on Nontarget Organisms
  419.  
  420.      Exposure of Threatened and Endangered Organisms
  421.  
  422.      The plot will be surrounded by agricultural land which
  423.      should reduce visitation by native animals.  There are no
  424.      threatened or endangered organisms in this parish (50 CFR
  425.      17.11 and 17.12).  No factor unique to this field test has
  426.      been identified that would have an effect on any plant or
  427.      animal species.
  428.  
  429.      Alteration in Susceptibility to Plant Pathogens or
  430.          Palatability to Insects
  431.  
  432.      There has been no intentional change in these plants to
  433.      affect their susceptibility to disease-causing organisms or
  434.      palatability to insects, and there is no reason to believe
  435.      that these characteristics are significantly different in
  436.      the transformed and untransformed plants.  The only
  437.      physiological changes in the transformed plants are presumed
  438.      to be the synthesis of up to three additional proteins,
  439.      these are not expected to have any effect on plant disease
  440.      organisms or insects.  The random insertion of the
  441.      transposon into a gene encoding plant pest resistance could
  442.      affect the rice plants susceptibility to fungal, bacterial,
  443.      or viral pathogens.  If there were any changes in disease
  444.      susceptibility, these effects should be confined to a few
  445.      plants in the test plot.  
  446.  
  447.      Impact on the Immediate Physical Environment
  448.  
  449.      Due to the nature of the transformed and control rice plants
  450.      and the safeguards built into this field test, upon
  451.      termination of this experiment no rice plant will survive to
  452.      cause an effect on the physical environment.
  453.  
  454.      Impact on Human Health
  455.  
  456.      No rice will be available for human consumption.  No
  457.      potential impact on people living in the area of the field
  458.      test, or any other human population, can be identified.
  459.  
  460.      The test has been designed with safety factors to minimize
  461.      the possibility of adverse ecological effects.  At the
  462.      conclusion of the experiment, all of the plants will be
  463.      killed, the field will be tilled, and then monitored during
  464.      the subsequent season for any volunteer plants.  Should
  465.      unanticipated effects arise, the isolation of the test site
  466.      and manner of conducting the test indicate that the effects
  467.      can be readily contained and would have no permanent effect
  468.      on the environment.
  469. /end
  470.  
  471. monitored
  472.  
  473.      University personnel will be on site during working hours.
  474.  
  475.      The agronomic traits to be monitored are:  plant height,
  476.      tiller numbers, average panicle length, average spikelet
  477.      numbers per panicle, and seed fertility.  
  478. /end
  479.  
  480.  
  481. border rows
  482.  
  483.        The test area will be marked to monitor reemergence of
  484.      volunteer rice plants the following season.  The plot will
  485.      not be  planted the following season but will be plowed
  486.      several times to destroy and any plant material.  If any
  487.      volunteer rice plants emerge in the marked test area, they
  488.      will be removed by rouging or glyphosate application.  We
  489.      feel that such steps are sufficient to guarantee the
  490.      termination of this experiment and prevent any unplanned
  491.      releases.
  492.  
  493. /end
  494.  
  495.  
  496. sprayed with disinfectant
  497.  
  498.      This would be an extraordinary precaution to prevent pollen
  499.      or seed from  escaping the area on tools or equipment.
  500. /end
  501.  
  502.  
  503.  
  504. REFERENCES
  505.  
  506. Adair, C. R., Jodon, N. E.  1973.  Distribution and Origin of
  507. Species, Botany, and Genetics. pp. 6-21. In USDA.  Rice in the
  508. United States: Varieties and Production.  Agriculture Handbook
  509. No. 289.  Agricultural Research Service, U. S. Department of
  510. Agriculture.  Washington, D.C.  154 pp.  
  511.  
  512. Baker, B., Schell, J., Lorz, H., Federoff, N.  1986. 
  513. Transposition of the maize controlling element "Activator" in
  514. tobacco.  Proceedings of National Academy of Sciences (USA)
  515. 83:4844-4848.
  516.  
  517.  
  518. Cobley, L. S., Steele, W. M.  1976.  An Introduction to the
  519. Botany of Tropical Crops.  Second Edition.  Longman, London and
  520. New York.  371 pp.  
  521.  
  522. Fraley, R. T., Rogers, S. G., Horsch, R. B., Sanders, P. R.,
  523. Flick, J. S., Adams, S. P., Bittner, M. L., Brand, L. A., Fink,
  524. C. L., Fry, J. S., Galluppi, G. R., Goldberg, S. B., Hoffman, N.
  525. L., Woo, S. C.  1983.  Expression of bacterial genes in plant
  526. cells.  Proceedings of the National Academy of Sciences (USA)
  527. 80:4803-4807.
  528.  
  529. Fraley, R. T., Roger, S. G., Horsch, R. B.  1986.  Genetic       
  530.    transformation in higher plants.  CRC Critical Reviews in
  531.    Plant Science 4:1-46.
  532.  
  533. Gould, F. W.  1968.  Grass Systematics.  McGraw Hill, New York et
  534.    alibi.  382 pp.  
  535.  
  536. Grist, D. H.  1975.  Rice.  Fifth Edition.  Longman, London and
  537. New York.  601 pp.  
  538.  
  539. Gritz. L., Davies, J.  1983.  Plasmid-encoded hygromycin B
  540. resistance:  the sequence of hygromycin B phosphotransferase gene
  541. and its expression in Escherichia coli and Saccharomyces
  542. cerevisae.  Gene 25:179-188.
  543.  
  544. Hitchcock, A. S., Chase, A.  1951.  Manual of the Grasses of the 
  545.    United States.  U. S. Government Printing Office, Washington,
  546.    D.C.  1051 pp.  
  547.  
  548. Kaster, K. R., Burgett, S. G., Inogolia, T. D.  1984.  Hygromycin
  549. B resistance as dominant selectable marker in yeast.  Current
  550. Genetics 8:353-358.
  551.  
  552. Purseglove, J. W.  1988.  Tropical Crops: Monocotyledons. 
  553. Longman Scientific & Technical, Essex, England.  607 pp.  
  554.  
  555. Schwartz, D., Dennis, E.  1986.  Transposase activity of the Ac 
  556.    controlling element in maize is regulated by its degree of
  557.    methylation.  Molecular and General Genetics 205:476-482.
  558.  
  559. Yoder, J, I., Palys, J., Alpert, K., Lassner, M.  1988.  Ac 
  560.    transposition in transgenic tomato plants.  Molecular and
  561.    General Genetics 213:291-296.
  562.  
  563.