利用农杆菌介导的花序浸润法转化,可成功创制耐受极端环境的模式植物Schrenkiella parvula的稳定转基因株系。本文提供了一种基于Arabidopsis thaliana转化方案的改良方法,该方法考虑了该极端环境适应植物在生长习性和生理特性上的差异。
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利用农杆菌介导的花序浸润法转化,可成功创制耐受极端环境的模式植物Schrenkiella parvula的稳定转基因株系。本文提供了一种基于Arabidopsis thaliana转化方案的改良方法,该方法考虑了该极端环境适应植物在生长习性和生理特性上的差异。
Schrenkiella parvula 是一种适应多种非生物胁迫(包括多种离子毒害胁迫)的极端环境植物。尽管已有高质量的基因组资源可用于研究植物如何适应环境胁迫,但由于缺乏可行的遗传转化体系,其作为功能基因组学研究模型和工具的价值一直受到限制。在本实验方案中,我们报道了利用农杆菌介导的花序浸染法(floral-dip)获得稳定转基因 S. parvula 植株的方法。我们对拟南芥(A. thaliana)常用的转化流程进行了改良,以适应 S. parvula 特有的生物学特征,例如无限花序生长习性和叶片表面丰富的表皮蜡质。简要而言,S. parvula 种子在播种前需在 4 °C 下进行为期五天的春化处理。植株在 14 小时光照 / 10 小时黑暗的光周期、光照强度为 130 µmol m-2s-1、温度为 22 °C 至 24 °C 的条件下培养。选择生长 8 至 9 周、具有多个花序的植株进行转化。将这些花序浸入含有携带 pMP90RK 质粒的 Agrobacterium tumefaciens GV3101 菌株的侵染液中。为提高转化效率,我们进行了两轮花序浸染,间隔时间为三至四周。收集 T1 代种子后,将其置于含干燥剂的容器中干燥四周,再进行萌发,以筛选潜在的转化植株。利用对除草剂 BASTA 的抗性对 T1 代植株进行筛选。从两周龄的植株开始,每隔三天喷洒一次 BASTA 溶液,共喷三次,以减少假阳性结果。对存活的单株进行 BASTA 滴液检测,以鉴定真正的阳性转化植株。该方法的转化效率为 0.033%,每 10,000 粒 T1 代种子可获得 3–4 株转基因植株。
在本实验方案中,我们描述了极端环境植物模式物种Schrenkiella parvula的生长及其稳定转基因品系的建立。高效的遗传转化体系是任何多功能遗传模型的重要标志。能够在极端环境中生长的植物,即所谓的极端环境植物(extremophytes),为研究植物对环境胁迫的适应机制提供了重要的资源。Schrenkiella parvula(曾用名Thellungiella parvula和Eutrema parvulum)便是这样一种极端环境植物模式物种,其基因组资源正在不断扩展1,2,3,4,5。然而,迄今为止尚未有已发表的研究报道S. parvula的遗传转化方案。
S. parvula 的基因组是芥菜科(十字花科)中首个发表的嗜极生物基因组,其整体基因组共线性与非嗜极模式生物Arabidopsis thaliana1具有高度相似性。因此,通过比较A. thaliana与S. parvula的研究,可充分利用已有的大量A. thaliana遗传学研究成果,进而对S. parvula基因组如何进化并以不同方式调控以适应极端环境胁迫提出有意义的假设5,6,7。S. parvula是目前已知的A. thaliana野生近缘种中耐盐性最强的物种之一(基于土壤NaCl的LD50)8。除耐NaCl外,S. parvula还能在多种高浓度对大多数植物有毒的盐离子环境中存活并完成其生命周期7。为应对自然栖息地中普遍存在的非生物胁迫,该物种已进化出多种性状,其中部分性状已在生化或生理层面得到研究8,9,10,11。
自2010年以来,已有超过400篇同行评审的出版物将S. parvula作为目标物种,或将其与其他植物基因组进行比较研究。然而,通过更深入地分析已开展的研究类型,可以发现一个明显的瓶颈。这些报告中的大多数仅讨论了S. parvula在未来研究中的潜在用途,或将其用于比较基因组学或系统发育基因组学研究。尽管S. parvula拥有目前可用的最高质量的植物基因组之一(组装并注释为染色体水平的假分子,其contig N50 >5 Mb),但由于尚未建立针对该物种的概念验证转化实验方案,因此它尚未被应用于功能基因组学研究1。
农杆菌介导的花序浸润转化法已成为创建A. thaliana转基因品系应用最广泛的方法,而可重复转化体系的建立是其作为遗传学模式生物取得成功的关键因素12,13。然而,并非所有十字花科物种都能成功应用为A. thaliana开发的花序浸润法进行转化。特别是包含S. parvula的十字花科II系物种,对基于花序浸润的转化方法表现出难转化性14,15。
S. parvula 的无限花序生长习性,加上其叶片形态狭窄,使得采用标准的农杆菌介导的花序浸润转化方法变得困难。在本研究中,我们报道了为实现可重复转化 S. parvula 而开发的改良方案。
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1. 植物生长
2. 将目的基因/基因组元件克隆至植物转化载体中
3. 将用于植物转化的载体构建体转入 根癌农杆菌
4. 农杆菌介导的S. parvula转化
5. 转化后植物的养护与第二次转化
6. 阳性转化子的筛选
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我们开发了一种转化方案,可实现对T的收获0 150 天内使用改良的蘸花法 A. thaliana. 图1 展示了时间线的概要 S. parvula 代表通过花浸法进行转化最佳时期的植株。我们选择了 S. parvula 萌发后60–80天、具有70–80朵花且花序多歧的植株作为转化的目标时期。在此阶段,浸润前需去除少量已开放或已受精的花朵及角果。 A. tumefaciens 通过花序浸渍法进行感染。 A. tumefaciens 导致部分花朵流产(图2,括号(a)所示)。经蘸花法处理后完全发育的角果很可能含有转化种子(图2,括号(b)。即使在转化后 S. parvula 只要植株保持健康,便会持续发育出新的花序和花朵(图2<...
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植物的生理状态显著影响转化效率25。S. parvula 转化成功的关键要求之一是使用健康且生长旺盛的植株。与适合转化的健康植株相比,水分或光照胁迫下的植株开花数量更少(图1,中间图)。S. parvula 可在低于 130 µmol m-2 s-1 的光照强度下生长,但植株通常较为脆弱;此类植株在花序浸染后更容易出现花器官败育。S. parvula 花序经农杆菌浸染后花败育的频率高于 A. thaliana。因此,在将花序浸入A. tumefaciens 侵染溶液时,采取任何减少花败育的措施均有助于提高转化效率。我们建议每日光照时间不超过 14 小时。通常,A. thaliana 的转化实验使用生长在长日照条件(例如 18 小时光照、6 小时黑暗)甚至连续光照下的植株进行。然而,我们发现此类培养方式会导致 S. parvula 植株抗逆性降低,从而造成...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由美国国家科学基金会资助项目 MCB 1616827 支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 琼脂 | VWR International,美国宾夕法尼亚州拉德诺 | 90000-762 | Bacto 琼脂凝固剂,BD 诊断 |
| B5维生素 | Sigma-Aldrich,圣路易斯,密苏里州 | G1019 | 甘博格’维生素溶液 |
| 干燥剂 | W A Hammond Drierite,Xenia,OH | 22005 | 指示型DRIERITE 6目 |
| 用于植物转化的载体 | TAIR | 载体:6531113857 | pKGWFS7 |
| 电穿孔比色皿 | USA Scientific | 9104-5050 | 电穿孔比色皿,圆形帽,0.2 cm 间隙 |
| 电穿孔仪 | BIO-RAD Laboratories,Hercules,CA | 1652100 | MicroPulser 电穿孔仪 |
| 肥料珠 | Osmocote 园艺,俄亥俄州玛丽斯维尔 | N/A | Osmocote 智能释放植物营养肥 花 &和蔬菜 |
| 凝胶回收试剂盒 | iNtRON 生物技术公司,波士顿,马萨诸塞州 | 17289 | MEGAquick-spin 总片段 DNA 纯化试剂盒 |
| 庆大霉素 | Sigma-Aldrich,美国密苏里州圣路易斯 | G1914-5G | 硫酸庆大霉素 |
| 草铵膦铵盐(11.3%)除草剂(BASTA) | 拜耳环境科学,新泽西州蒙特瓦尔 | N/A | FINALE 除草剂 |
| 卡那霉素 | VWR International,美国宾夕法尼亚州拉德诺 | 200004-444 | 卡那霉素单硫酸盐 |
| MES | Bioworld,俄亥俄州都柏林 | 41320024-2 | MES,游离酸 |
| MS盐 | MP Biomedicals,美国加利福尼亚州圣安娜 | 092621822 | 霍格兰改良基础盐混合物 |
| N6-苄基腺嘌呤(BA) | Sigma-Aldrich,美国密苏里州圣路易斯 | B3274 | 6-苄氨基嘌呤溶液 |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | 氯化钠 |
| 非离子型去垢剂 | Sigma-Aldrich,美国密苏里州圣路易斯 | 9005-64-5 | TWEEN 20 |
| 质粒提取试剂盒 | Zymo Research,加利福尼亚州尔湾市 | D4036 | Zyppy 质粒提取试剂盒 |
| 重组酶酶混合试剂盒 | Life Technology | 11791-020 | Gateway LR Clonase II 酶混合物 |
| 利福平 | Sigma-Aldrich,美国密苏里州圣路易斯 | R3501-1G | 利福平,粉末, ≥ 97%(HPLC) |
| 摇床培养箱 | ThermoFisher Scientific,沃尔瑟姆,马萨诸塞州 | SHKE4450 | MaxQ 4450 台式轨道摇床 |
| 土壤混合物 | Sun Gro | SUN239223328CFLP | Sun Gro Metro-Mix 360 种植者培养基 |
| 壮观霉素 | VWR International,美国宾夕法尼亚州拉德诺 | IC15206705 | |
| 无菌50 mL锥形管 | USA Scientific,奥卡拉,佛罗里达州 | 1500-1811 | 50 mL 圆锥形螺口管,共聚物材质,带支架,无菌 |
| 蔗糖 | VWR International,美国宾夕法尼亚州拉德诺 | 57-50-1 | 蔗糖,ACS级 |
| 表面活性剂溶液 | Lehle 种子,Round Rock,德克萨斯州 | VIS-02 | Silwet L-77 |
| 基于拓扑异构酶的克隆试剂盒 | Life Technologies,美国加利福尼亚州卡尔斯巴德 | K240020 | pENTR/D-TOPO 克隆试剂盒,含 One Shot TOP10 化学感受态细胞 E. coli |
| 胰蛋白胨 | VWR International,美国宾夕法尼亚州拉德诺 | 90000-282 | BD Bacto 胰蛋白胨,BD Biosciences |
| 酵母提取物 | VWR International,拉德诺,宾夕法尼亚州 | 90000-722 | BD Bacto 酵母提取物,BD Biosciences |
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