Selectable marker gene systems are vital for the development of transgenic plants, but the presence of selectable marker genes encoding antibiotic or herbicide resistance in genetically modified plants poses a number of problems. A lot of research results and various techniques have been developed to produce marker-free GM plants. The aim of this review is to describe the principal methods used for eliminating selectable marker genes to generate marker-free GM plants, concentrating on the three significant methods(co-transformation, site-specific recombinase-mediated excision, non-selected transformation) in several marker-free techniques.
The use of a marker gene in a transformation process aims to give a selective advantage to the transformed cells, allowing them to grow faster and better, and to kill the non-transformed cells. In general, the selective gene is introduced into plant genome along with the genes of interest. In some cases, the marker gene can be the gene of interest that will confer an agronomic characteristic, such as herbicide resistance. In this review we list and discuss the use of the most common selective marker genes on plant transformation and the effects of their respective selective agents. These genes could be divided in categories according their mode of action: genes that confer resistance to antibiotics and herbicides; and genes for positive selection. The contention of the marker gene flow through chloroplast transformation is further discussed. Moreover, strategies to recover marker-free transgenic plants, involving multi-auto-transformation (MAT), co-transformation, site specific recombination and intragenomic relocation of transgenes through transposable elements, are also reviewed.
High-molecular-weight glutenin subunits (HMW-GSs) are extremely important determinants of the functional properties of wheat dough. Transgenic rice plants containing a wheat TaGlu-Ax1 gene encoding a HMG-GS were produced from the Korean wheat cultivar ‘Jokyeong’ and used to enhance the bread-making quality of rice dough using the Agrobacterium-mediated co-transformation method. Two expression cassettes with separate DNA fragments containing only TaGlu-Ax1 and hygromycin phosphotransferase II (HPTII) resistance genes were introduced separately into the Agrobacterium tumefaciens EHA105 strain for co-infection. Rice calli were infected with each EHA105 strain harboring TaGlu-Ax1 or HPTII at a 3:1 ratio of TaGlu-Ax1 and HPTII. Among 210 hygromycin-resistant T0 plants, 20 transgenic lines harboring both the TaGlu-Ax1 and HPTII genes in the rice genome were obtained. The integration of the TaGlu-Ax1 gene into the rice genome was reconfirmed by Southern blot analysis. The transcripts and proteins of the wheat TaGlu-Ax1 were stably expressed in rice T1 seeds. Finally, the marker-free plants harboring only the TaGlu-Ax1 gene were successfully screened in the T1 generation. There were no morphological differences between the wild-type and marker-free transgenic plants. The quality of only one HMW-GS (TaGlu-Ax1) was unsuitable for bread making using transgenic rice dough. Greater numbers and combinations of HMW and LMW-GSs and gliadins of wheat are required to further improve the processing qualities of rice dough. TaGlu-Ax1 marker-free transgenic plants could provide good materials to make transgenic rice with improved bread-making qualities.
A less simple approach developed for generation of marker-free transgenic plants is to select transformants without the use of selective marker genes. Some results about development of marker-free transgenic plants were obtained using a non-selective approach in several crops such as rice, potato and tobacco. However, the study did not provide evidence on detailed characterization of introduced gene on genome, a critical step for confirming the stable integration and transmission of a foreign gene. In this study, we evaluated structure and integration sites of transgene (mCry1Ac) in the transgenic Bt rice plants which were made via conventional Agrobacterium-mediated transformation by non-selective method. Structure and integration sites of transgene in these transgenic plants had similar fashion as those recovered under selection.
Rice flour is used in many food products. However, dough made from rice lacks extensibility and elasticity, making it less suitable than wheat for many food products such as bread and noodles. The high-molecular weight glutenin subunits (HMW-GS) of wheat play a crucial role in determining the processing properties of the wheat grain. This paper describes the development of marker-free transgenic rice plants expressing a wheat Glu-Dy10 gene encoding the HMG-GS from the Korean wheat cultivar 'Jokyeong' using Agrobacterium-mediated co-transformation. Two expression cassettes, consisting of separate DNA fragments containing Glu-1Dy10 and hygromycin phosphotransferase II (HPTII) resistance genes, were introduced separately into Agrobacterium tumefaciens EHA105 for co-infection. Each EHA105 strain harboring Glu-1Dy10 or HPTII was infected into rice calli at a 3: 1 ratio of Glu-1Bx7 and HPTII. Among 290 hygromycin-resistant $T_0$ plants, we obtained 29 transgenic lines with both the Glu-1Dy10 and HPTII genes inserted into the rice genome. We reconfirmed the integration of the Glu-1Dy10 gene into the rice genome by Southern blot analysis. Transcripts and proteins of the Glu-1Dy10 in transgenic rice seeds were examined by semi-quantitative RT-PCR and Western blot analysis. The marker-free plants containing only the Glu-1Dy10 gene were successfully screened in the $T_1$ generation.
Park, Soo-Kwon;Shin, DongJin;Hwang, Woon-Ha;Oh, Se-Yun;Cho, Jun-Hyun;Han, Sang-Ik;Nam, Min-Hee;Park, Dong-Soo
Journal of Life Science
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v.23
no.11
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pp.1317-1324
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2013
High-molecular weight glutenin subunits (HMW-GS) have been shown to play a crucial role in determining the processing properties of the wheat grain. We have produced marker-free transgenic rice plants containing a wheat Glu-1Bx7 gene encoding the HMG-GS from the Korean wheat cultivar 'Jokyeong' using the Agrobacterium-mediated co-transformation method. The Glu-1Bx7-own promoter was inserted into a binary vector for seed-specific expression of the Glu-1Bx7 gene. Two expression cassettes comprised of separate DNA fragments containing only Glu-1Bx7 and hygromycin phosphotransferase II (HPTII) resistance genes were introduced separately to the Agrobacterium tumefaciens EHA105 strain for co-infection. Each EHA105 strain harboring Glu-1Bx7 or HPTII was infected to rice calli at a 3:1 ratio of Glu-1Bx7 and HPTII, respectively. Then, among 216 hygromycin-resistant $T_0$ plants, we obtained 24 transgenic lines with both Glu-1Bx7 and HPTII genes inserted into the rice genome. We reconfirmed integration of the Glu-1Bx7 gene into the rice genome by Southern blot analysis. Transcripts and proteins of the wheat Glu-1Bx7 were stably expressed in the rice $T_1$ seeds. Finally, the marker-free plants harboring only the Glu-1Bx7 gene were successfully screened at the $T_1$ generation.
Development of transgenic plant increasing crop yield or disease resistance is good way to solve the world food shortage. However, the persistence of marker genes in crops leads to serious public concerns about the safety of transgenic crops. In the present paper, we developed marker-free transgenic rice inserted high molecular-weight glutenin subunit (HMW-GS) gene ($D{\times}5$) from the Korean wheat cultivar 'Jokyeong' using Agrobacterium-mediated co-transformation method. Two expression cassettes comprised of separate DNA fragments containing only the $D{\times}5$ and hygromycin resistance (HPTII) genes were introduced separately into Agrobacterium tumefaciens EHA105 strain for co-infection. Each EHA105 strain harboring $D{\times}5$ or HPTII was infected into rice calli at a 3: 1 ratio of EHA105 with $D{\times}5$ gene and EHA105 with HPTII gene expressing cassette. Then, among 66 hygromycin-resistant transformants, we obtained two transgenic lines inserted with both the $D{\times}5$ and HPTII genes into the rice genome. We reconfirmed integration of the $D{\times}5$ and HPTII genes into the rice genome by Southern blot analysis. Wheat $D{\times}5$ transcripts in $T_1$ rice seeds were examined with semi-quantitative RT-PCR. Finally, the marker-free plants containing only the $D{\times}5$ gene were successfully screened at the $T_1$ generation. These results show that a co-infection system with two expression cassettes could be an efficient strategy to generate marker-free transgenic rice plants.
Experiments initiated 30 years ago to obtain selectable markers have led to a series of studies of Trp biosynthesis and anthranilate synthase (AS) the control enzyme using largely plant tissue cultures since they have experimental properties that can be readily exploited. Enzymological and compound feeding studies provided evidence that AS is the control point in the Trp biosynthesis branch and that altering the AS feedback control by the selection of mutants resistant to the Trp analog 5-methyl-tryptophan (5MT) can lead to the overproduction of this important amino acid. Plants regenerated from these Trp overproducing lines of most species also had high free Trp levels but Nicotiana tabaum (tobacco) plants expressed the feedback altered AS only in cultured cells and not in the regenerated plants. further tests by transient and stable expression of the cloned promoter for the naturally occurring tobacco feedback-insensitive AS, denoted ASA2, confirmed the tissue culture specific nature of the expression control. The 5MT caused by the expression of a feedback-insensitive AS from tobacco has been used to select protoplast fusion hybrids with several species since the resistance is expressed dominantly. Recently the ASA2 gene has been used successfully as a selectable marker to select transformed Astragalus sinicus and Glycine max hairy roots induced by Agrobactetium rhizogenes. These results show that the ASA2y-subunit can interact with the y-subunit of another species to form active feedback-insensitive enzyme that may be useful for selecting transformed cells. Plastid DNA transformation of tobacco has also effectively expressed ASA2 in the compartment in which Trp biosynthesis is localized in the cell.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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