Method Article
Burada, transgenik soya fasulyesi tüylü köklerinin yüksek verimli üretimi için bir protokol sunuyoruz.
Soya fasulyesi (Glycine max), binlerce endüstriyel kullanıma sahip tarımda değerli bir üründür. Soya fasulyesi kökleri, azot ve patojenleri sabitlemek için simbiyoz oluşturan toprak kaynaklı mikroplarla etkileşimin birincil bölgesidir ve bu da tarımsal üretimini geliştirmek için soya fasulyesi kökü genetiğini içeren araştırmaları birincil öneme sahiptir. Soya fasulyesi tüylü köklerinin (HR'ler) genetik dönüşümüne Agrobacterium rhizogenes suşu NCPPB2659 (K599) aracılık eder ve soya fasulyesi köklerindeki gen fonksiyonunu incelemek için baştan sona sadece 2 ay süren etkili bir araçtır. Burada, soya fasulyesi HR'lerinde ilgi çekici bir genin aşırı eksprese edilmesi ve susturulması için kullanılan yöntemi özetleyen ayrıntılı bir protokol sunuyoruz. Bu metodoloji, soya fasulyesi tohumu sterilizasyonunu, kotiledonların K599 ile enfeksiyonunu ve RNA izolasyonu için genetik olarak dönüştürülmüş HR'lerin seçimini ve toplanmasını ve gerekirse metabolit analizlerini içerir. Yaklaşımın verimi, birkaç geni veya ağı aynı anda incelemek için yeterlidir ve uzun vadeli kararlı dönüşüm yaklaşımlarına geçmeden önce en uygun mühendislik stratejilerini belirleyebilir.
Soya fasulyesi (Glycine max) tarımdaki en değerli ürünler arasındadır. Gıda, hayvan yemi, yağ gibi binlerce ticari ve endüstriyel kullanıma sahiptir ve üretim için hammadde kaynağı olarak1. Azot sabitleyici toprak mikroorganizmalarıyla, yani rizobiya ile simbiyotik bir ilişki kurma yeteneği, soya fasulyesi genetiğinin incelenmesinin önemini daha da arttırmaktadır2. Örneğin, soya fasulyesi köklerindeki azot fiksasyon özelliklerinin ince ayarlanması, karbon emisyonlarının azaltılmasına yol açabilir ve azotlu gübre3 gereksinimlerini büyük ölçüde azaltabilir. Bu nedenle, özellikle soya fasulyesi kök biyolojisinin yönlerini kontrol eden genetiği anlamak, tarım ve endüstride geniş uygulamalara sahiptir. Bu faydaları göz önünde bulundurarak, soya fasulyesi genlerinin işlevini analiz etmek için güvenilir bir protokole sahip olmak önemlidir.
Agrobacterium tumefaciens, transfer DNA'sını (T-DNA) birçok bitki türünün nükleer genomuna entegre etme yeteneğine sahip olduğu için bitki genetik dönüşümü için belki de en yaygın kullanılan araçtır. Agrobacterium bir bitkiyi enfekte ettiğinde, tümör indükleyen (Ti) plazmidi konakçı kromozomuna aktarır ve enfeksiyon bölgesinde bir tümör oluşumuna yol açar. Agrobakteri aracılı dönüşüm, gen fonksiyonel analizi için ve mahsul özelliklerini değiştirmek için on yıllardır yaygın olarak kullanılmaktadır4. İlgilenilen herhangi bir gen, A. tumefaciens aracılı transformasyon yoluyla konakçı bitki hücrelerine kolayca aktarılabilse de, bu yöntemin birkaç dezavantajı vardır; Zaman alıcı, pahalıdır ve soya fasulyesi gibi birçok bitki türü için kapsamlı uzmanlık gerektirir. Birkaç çeşit soya fasulyesi A. tumefaciens kullanılarak kotiledoner düğüm yaklaşımı ile dönüştürülebilse de, bu yaklaşımın verimsizliği hızlı ve yüksek verimli alternatif bir genetik transformasyon teknolojisine ihtiyaç duyulmasını zorunlu kılmaktadır 4,5. Uzman olmayan bir kişi bile bu dezavantajların üstesinden gelmek için bu Agrobacterium rizogenes aracılı tüylü kök (HR) dönüşüm yöntemini kullanabilir.
İK dönüşümü, sadece gen fonksiyonunu analiz etmek için değil, aynı zamanda özel metabolitlerin ve ince kimyasalların üretimi ve karmaşık biyoaktif glikoproteinler 6 gibi biyoteknolojik uygulamalar için de nispeten hızlı biraraçtır. Soya fasulyesi HR'lerinin üretimi, kotiledonların yüzeylerinin yaralanmasıyla üretilebildikleri için kapsamlı uzmanlık gerektirmez, ardından Agrobacterium rhizogenes7 ile aşılama yapılır. A. rhizogenes , T-DNA segmentini bitki hücrelerinin genomuna aktaran, taşıyan ve entegre eden ve aynı zamanda ektopik kök büyümesini uyaran Ti plazmidi tarafından kodlanan virülans (Vir) genlerini ifade eder8.
Doku, hücre ve organ kültürünün biyolistik veya A. tumefaciens tabanlı transformasyonu gibi diğer soya fasulyesi gen ekspresyon sistemleriyle karşılaştırıldığında, İK ekspresyon sistemi çeşitli avantajlar sergiler. İlk olarak, İK'lar genetik olarak stabildir ve hormonsuz medya 1,9,10'da hızlı bir şekilde üretilir. Ek olarak, İK'lar doğal köklere eşdeğer veya daha büyük miktarlarda özel metabolitler üretebilir11,12. Bu avantajlar, İK'ları A. tumefaciens ile uyumsuz olan veya uyumlu dokular oluşturmak için özel doku kültürü koşulları gerektiren bitki türleri için arzu edilen bir biyoteknolojik araç haline getirmektedir. HR yöntemi, RNA dizilimi13,14,15 kullanılarak protein-protein etkileşimlerini, protein hücre altı lokalizasyonunu, rekombinant protein üretimini, fitoremediasyonu, mutagenezi ve genom genişliğindeki etkileri analiz etmek için etkili bir yaklaşımdır. Ayrıca, soya fasulyesinin önemli mikrobiyal patojen Phytophthora sojae'ye karşı savunmasını sağlayan ve insanlarda etkileyici antikanser ve nöroprotektif aktivitelere sahip olan gliserolinler de dahil olmak üzere endüstride değeri olan özel metabolitlerin üretimini incelemek için de kullanılabilir16,17.
Bu rapor, soya fasulyesi HR'leri üretmek için kolay ve verimli bir protokol göstermektedir. Önceki HR dönüşüm yöntemleriyle karşılaştırıldığında, bu protokol, soya fasulyesi kotiledonlarını aşılamadan önce Ti plazmidinin varlığı için A. rhizogenes transformantlarının ön taramasından geçerek HR oluşum oranında önemli bir iyileşme (% 33 -% 50) sağlar. Bu protokolün uygulanabilirliğini, soya fasulyesi transkripsiyon faktörü genlerini aşırı eksprese eden veya susturan birkaç ikili vektörü dönüştürerek gösteriyoruz.
NOT: Tüm işlem adımlarının steril koşullar altında yapılması önerilir.
1. Soya tohumu sterilizasyonu
2. Kotiledonların K599 ile enfeksiyonu
NOT: pGWB serisi vektörleri kullanın, çünkü ikili seçilimleri tüm T-DNA kasetinin genomik entegrasyonunu sağlar. Elektroporasyon, ilgili geni barındıran ikili bir vektörü A. rhizogenes pRi265918'e dönüştürmek için kullanıldı.
3. İK'ların seçimi ve toplanması
Temsili sonuçlar yayınlanan verilerden 19,20'dir. Transforme K599 Agrobakterisinin koloni PCR (cPCR) sonuçları Şekil 1'de gösterilmiştir. Şekil 1'deki pozitif kolonilerin gösterdiği gibi, ilgilenilen gen cPCR ile tespit edilmiştir (Şekil 1A). Bununla birlikte, kolonilerin üçte biri ila yarısı, Ti plazmidinin kaybını gösteren VirD2 gen taraması için negatifti (Şekil 1B) ve nasır veya kıllı kökler üretemezdi. Şekil 2, soya fasulyesi HR'lerinin genel hazırlama prosedürünü ve gen ekspresyon analizini göstermektedir. Şekil 3, GFP-GmJAZ1-6'nın hücre altı lokalizasyonunu göstermektedir. Şekil 4, Williams 82 kıllı köklerinde gliseollin transkripsiyon faktörü GmHSF6-1'in aşırı ekspresyonunu ve GmMYB29A2'nin RNAi-susturulmasını gösteren bir gen ekspresyon analizidir. Benzer sonuçlar yakın tarihli birkaç raporda da elde edilmiştir20,21.
Resim 1: K599 Agrobakterisinin koloni PCR'si (cPCR), ilgili genin veya VirD2'nin koloni PCR primerleri kullanılarak kullanılmıştır. (A) İlgilenilen gen cPCR. (B) VirD2 cPCR. Kısaltmalar: C = koloni; +ve = pozitif kontrol; -ve = negatif kontrol. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Soya fasulyesi tüylü kök (HR) kültürü ve gen fonksiyon analizi prosedürüne genel bakış. Nasır, K599 Agrobacterium enfeksiyonundan 2 hafta sonra yara bölgesinde oluşmuştur. Hücre farklılaşması 1 hafta sonra meydana geldi, daha sonra HR uzaması için 1 hafta geçti. Bunu HR hasadı ve 24 saat boyunca duvar glukan elicitor (WGE) / mock tedavisi izledi. HR'ler sırasıyla ultra performanslı sıvı kromatografisi (UPLC) analizi için metabolit ekstraksiyonuna ve gen ekspresyon analizi için RNA izolasyonuna tabi tutuldu. WGE, Phytophthora sojae'den duvar glukan elicitorudur. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 3: GmJAZ1-6'nın floresan mikroskopisi, transgenik Williams 82 kıllı köklerinde yeşil floresan proteine (GFP) translasyonel olarak kaynaşmıştır. (A) Yeşil kanal (GFP). (B) Mavi kanal (DAPI). (C) Birleştirilmiş yeşil ve mavi kanallar. Tüm görüntüler Zeiss konfokal mikroskop kullanılarak toplandı. DAPI (6 μg/mL) görüntüler nükleer lekelenmeyi gösterir. Ölçek çubukları 5 μm'dir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Gen ekspresyon analizi. (A) GmHSF6-119 Williams 82 soya fasulyesi HR'lerinin 24 saat sahte tedavi altında aşırı ekspresyonunda gen ekspresyonu veya WGE ile 24 saat boyunca ortaya çıkması. (B) RNAi-GmMYB29A2 20 Williams 82 soya fasulyesi HR'lerinde gen ekspresyonu, WGE ile 24 saat boyunca ortaya çıktı. WGE, Phytophthora sojae'den duvar glukan elicitorudur. aKontrolden anlamlı olarak daha büyük ve banlamlı derecede daha az, eşleştirilmiş öğrenciler t-testi (p < 0.01). Hata çubukları SE'yi temsil eder (n ≥ 3 biyolojik replika). Bir birincil kökten toplanan ikincil kökler bir biyolojik replikasyonu gösterdi. Bu rakam Lin ve ark.19 ve Cihan ve ark.20'nin izniyle değiştirilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Son on yılda, soya fasulyesi HR yöntemi, azot fiksasyonu 22,23, biyotik ve abiyotik stres toleransı24,25 ve metabolit biyosentetik yolakları26,27'de yer alan genleri incelemek için güçlü bir araç olarak geliştirilmiştir. Bitkilerin metabolitleri nasıl ürettiklerine dair bilgi, tarımsal üretim ve ilaç endüstrisi için çok sayıda faydaya sahiptir, çünkü patojenlere karşı biyokimyasal savunmalara aracılık eden gen ağlarını incelemek için kullanılabilir28.
Üretkenliği ve maliyet verimliliğini önceliklendirmek için, bu protokol prosedürü basitleştirir. Örneğin, bir jelleştirici madde içeren daha pahalı katı ortamlar kullanmak yerine, soya fasulyesi tohumları, sıvı büyüme ortamına doymuş endüstriyel sınıf kağıt havlular kullanılarak steril koşullar altında çimlenir. Aseptik laboratuvar teknikleri ve steril çalışma koşullarının korunması, İK dönüşüm deneyleri için gereklidir, çünkü mantarlar ve maya gibi çok çeşitli mikroorganizmalar in vitro kültürlerin kontaminasyonuna neden olabilir.
Ek olarak, uygun ışık yoğunluğunu ve fotoperiyodu kullanmak İK kültürü için çok önemlidir. İn vitro kültürlerdeki bitkilerin büyüme ve gelişme süreci, önceki çeşitli çalışmalarda gözlemlendiği gibi, ışık yoğunluğu ve fotoperiyot kalitesinden önemli ölçüde etkilenir. Işık yoğunluğu çok düşük veya çok yüksekse, kök indüksiyon işlemini yavaşlatabilir. Benzer şekilde, fotoperiyot uygun değilse, nasır oluşumunun ve farklılaşmış hücre gelişiminin başarısızlığına yol açabilir29. Dahası, geçmiş deneylerimize dayanarak, transgenik olmayan HR'ler tek antibiyotik olarak kullanıldığında kanamisin'e (50 mg / L) dirençlidir. Bu nedenle, tipik olarak higromisin ve kanamisin için çift direnci kodlayan vektörler kullanıyoruz. Bu sıkı seçim altında, toplam köklerin% 15 -% 30'u arasında pozitif bir transgenik İK oranı elde edebiliyoruz, ancak bu HR'lerin ~% 80'i, vektörler tarafından kodlandığı gibi genleri önemli ölçüde aşırı ifade etti / susturdu.
HR dönüşüm deneylerinin başarısını sağlamak için, deneyde kullanılan A. rhizogenes suşunun virülans genlerini kodlayan Ti plazmidini tutup tutmadığını test etmek çok önemlidir. Ti plazmidinin varlığı, T-DNA'nın bitki genomu4'e başarılı bir şekilde entegrasyonu için gereklidir. Ti plazmidini tespit etmek için cPCR kullanımı bu protokolde önemli bir adım haline gelmiştir. Geçmişte, dönüşümlerimizin% 33 ila% 50'sinin kalli ve kök üretemediğini gördük. Bilmeden, bu, A. rizogenes'in dönüşümü veya daha sonra kültürlenmesi sırasında Ti plazmidinin kaybından kaynaklanıyordu. Şimdi, dönüşümlerini takiben Agrobacterium kolonilerinin PCR analizi ile, Ti plazmidinin mevcut olduğundan ve dönüşüm deneylerinin% 100'ünün kök ürettiğinden emin oluyoruz. Bu protokolde cPCR kullanımının, standart İK dönüşüm prosedürüne değerli bir katkı olduğu kanıtlanmıştır. Başarısız deneylerin sayısını azalttı, böylece hem zamandan hem de kaynaklardan tasarruf sağladı. cPCR adımı, dönüşüm sürecinin amaçlandığı gibi çalıştığını doğrulamamıza ve deneylerin sonuçlarının güvenilir ve tekrarlanabilir olmasını sağlamamıza da izin verdi.
Bununla birlikte, bu basitleştirilmiş yöntemin bazı sınırlamaları vardır. Örneğin, bu protokol transgenik İK'lardaki gen fonksiyonları hakkında temel hücre biyolojik sorularını cevaplayabilir. Bununla birlikte, sürgünler ve yapraklar gibi diğer bitki dokularıyla ilgili sorular İK'larda test edilemeyebilir. İncelenen sürecin ektopik hormon seviyelerinden veya A. rhizogenes tarafından tanıtılan diğer faktörlerden etkilenmediğini doğrulamak her zaman önemlidir. Araştırmacılar, sınırlamalarını not almalı ve doğru ve anlamlı sonuçlar elde etmek için deneyleri dikkatlice tasarlamalıdır.
Özetle, burada gösterilen protokol, soya fasulyesi köklerindeki gen fonksiyonunu araştırmak için oldukça etkili bir yöntemdir. Son zamanlarda, çok genli mühendislik yaklaşımlarını incelemede ve soya fasulyesi biyokimyasal savunmalarının düzenlenmesinde yer alan gen ağlarını anlamada değerini gösterdik19. Yaklaşımın göreceli verimliliği, bitki biyolojisinde çok sayıda genin araştırılmasını gerektiren karmaşık soruları cevaplamak için idealdir.
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Bu araştırma, Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi (NSERC) RGPIN-2020-06111 hibe numarası ve Brad Lace'den cömert bir bağış ile finanse edildi. K599 Agrobacterium ve ön protokol için Wayne Parrott'a (Georgia Üniversitesi) ve pGWB2, pGWB6 ve pANDA35HK boş vektörleri için Nakagawa & Hachiya laboratuvarına (Shimane Üniversitesi) teşekkür ederiz.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetosyringone | Cayman | 23224 | |
Bleach | lavo | 21124 | |
DMSO | Fisher bioreagents | 195679 | |
Gelzan | Phytotech | HYY3251089A | |
Hygromycin | Phytotech | HHA0397050B | |
Isopropyl alcohol | Fisher chemical | 206462 | |
Kanamycin | Phytotech | SQS0378007G | |
LB powder | Fisher bioreagents | 200318 | |
MS powder | Caisson labs | 2210001 | |
Na2HPO4 | Fisher bioreagents | 194171 | |
NaCl | Fisher chemical | 192946 | |
Petri dishes | Fisherbrand | 08-757-11 | 100 mm x 25 mm |
Phosphinothricin | Cedarlane | P034-250MG | |
REDExtract-N-Amp PCR Kit | Sigma | R4775 | |
Sucrose | Bioshop | 2D76475 | |
Timentin | Caisson labs | 12222002 | |
Vitamins | Caisson labs | 2211010 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır