由于窄叶车前草作为一种模式物种在多个研究领域具有广泛的应用,因此需要建立一套适用于窄叶车前草的遗传转化工具包Plantago lanceolata). 此处利用 根癌农杆菌介导的转化,本文介绍了一种可获得稳定转基因品系的方案,转化效率达20%。
由于窄叶车前草作为一种模式物种在多个研究领域具有广泛的应用,因此需要建立一套适用于窄叶车前草的遗传转化工具包Plantago lanceolata). 此处利用 根癌农杆菌介导的转化,本文介绍了一种可获得稳定转基因品系的方案,转化效率达20%。
属中的物种 车前属 具有一些独特的性状,使其被广泛用作多个研究领域的模式植物。然而,由于缺乏遗传操作体系,难以深入研究基因功能,限制了该属植物作为模式系统的多功能性。本文介绍了一种转化方案 Plantago lanceolata 最常被研究的 车前属 物种. 使用 Agrobacterium tumefaciens介导的转化,无菌培养的3周龄根 P. lanceolata 植株经细菌感染后,在2-3天内孵育,随后转移至含适当抗生素筛选的芽诱导培养基。通常在1个月后可观察到芽从培养基中长出,芽转移至根诱导培养基后1-4周内开始生根。之后将植株驯化至土壤环境中,并通过β-葡萄糖醛酸酶(GUS)报告基因检测验证外源基因的存在。当前方法的转化效率约为20%,每10个转化的根组织可获得2株转基因植株。建立窄叶车前的遗传转化体系将有助于推动该植物作为新型模式物种在多个研究领域的应用。
利用模式物种研究植物生物学多个方面的概念,随着模式物种的广泛使用而兴起 拟南芥1. 拟南芥 最初选择它是因为它与许多其他开花植物具有共同特征,并且具备多种适合在实验室环境中研究的特性,例如植株矮小、世代周期短。以它为研究对象发表的大量科研论文,以及其较小的基因组尺寸和易于进行遗传转化的特点2,使其能够持续作为一种广泛使用的实验生物。然而 拟南芥 对于具有不同特征或独特性状的物种而言,其作为模型的适用性可能受限3。这促使了新模型系统的发展,例如玉米(Zea mays), 单子叶植物发育遗传学研究中的重要模式植物4,以及番茄(Solanum lycopersicum,是进化研究、果实发育和生产的重要模式植物,也是蔬菜作物的代表性物种5一种遗传转化方法是植物物种成为模式生物的前提条件2。一个 Agrobacterium tumefaciens介导的转化是植物生物学中一种可靠的技术;已被用于转化一些模式物种和主要农作物,包括烟草(Nicotiana tabacum)6,水稻(Oryza sativa)7,棉花(陆地棉)8,大豆(Glycine max)9,马铃薯(Solanum tuberosum)10,以及油菜(Brassica napus)11. 植物 物种在响应方面的成功程度存在高度变异性 A. tumefaciens 感染与转化方案通常需要针对每个物种 individually tailored6,12.
属 车前属 包含共计256种植物物种,广泛分布于全球13该属物种常具有独特的特征,使其成为研究遗传学、生态学、应激生理学、次生代谢产物、药物化学、植物-微生物互作、植物发育及进化等领域的理想模式物种。 Plantago lanceolata 又称窄叶车前或肋状车前,自19世纪以来一直备受关注th 世纪,当时首次用于描述雄性不育现象14与其他同属植物一样,它已被用于多个研究领域的研究。最近,由于其维管组织易于采集,该植物被提议作为维管生物学研究的模式材料。15. P. lanceolata 是该属中最常被研究的物种 车前属;2021年的一篇文章报道指出,存在 >当时包含或涉及该物种的出版物有1,400篇16,根据2022年12月9日进行的PubMed检索,自2022年初以来已额外发表了102篇文章th 2022年。该属中研究程度仅次于它的植物, P. major 在相同日期使用相同标准搜索时,该主题仅有414篇文章。
尽管人们对P. lanceolata具有研究兴趣,但针对该物种的研究,尤其是基因功能表征方面的研究,常常受限于缺乏可用的遗传操作工具包。 Pommerrienig 等人曾尝试利用花序浸蘸法(floral dip technique)建立P. major 的转化体系17。然而,由于P. lanceolata 具有雄性不育的特性18,19,该方法无法应用于该物种。 据我们所知,目前尚无针对P. lanceolata的转化方案。
本研究介绍了一种简单的实验方案 根癌农杆菌-介导的转化 P. lanceolata通过靶向根组织,可在转化后3个月内获得完全生长的转基因植株。
注意:步骤 1.4-1.8、2.3-2.5、3.3-3.6、4.1-4.6、5.1-5.7 和 6.1-6.3 必须在无菌条件下进行,使用洁净工作台以防止污染。
1. 转化用植物材料的繁殖
2. 质粒构建与E. Coli转化
注意:具体的质粒构建步骤取决于目标基因。本实验中,使用限制性内切酶 HindIII 和 SalII,通过标准克隆方法20,将 1.5 kb 的 AtPP2 启动子插入含有 GUS 的双元质粒 pBI101 中(见材料表)。AtPP2(韧皮部蛋白 2)是一种特异性在韧皮部表达的基因21。
3. 用质粒转化根癌农杆菌(A. tumefaciens)
4. A. tumefaciens 的制备
5. 转化 车前属 根
6. 筛选与完整植株再生
7. 土壤转移
8. β-葡萄糖醛酸酶(GUS)组织化学染色
一种获得转基因生物的简单方案 P. lanceolata 使用植物 根癌农杆菌-介导的转化。报告基因 GUS (编码 β-葡萄糖醛酸酶)被转化,由韧皮部表达的启动子驱动 AtPP2,转入3周龄 P. lanceolata 根部穿过 A. tumefaciens 菌株 GV3101 (图2)。选择韧皮部特异性启动子是因为我们的主要研究兴趣是建立一个用于植物维管组织,特别是韧皮组织功能基因组学的研究系统。在预实验中,该方法在根、叶和叶柄组织上进行了测试。尽管所有类型的组织均能诱导出愈伤组织,但只有根组织能够产生不定芽原基图5A) 在SIM中培养1个月后;叶片和叶柄变褐并死亡(图5B)。由此得出结论,根组织是该转化方法中最佳的组织类型。将根置于用悬浮液(SS)重悬的制备好的细菌中进行孵育(表1)至少 20 分钟,然后在黑暗条件下于室温的固体 SS 平板上孵育长达 3 天(图 3E然后将根转移到芽诱导培养基(SIM)中,并按照方案中所述条件(步骤1.6)置于生长灯下培养。 图1 和 图3 展示每个实验步骤的代表性图像以供参考。
图6展示了从转化组织中萌发的茎尖初始结构的发育过程,从根部首次被放置在SIM培养基上的第一天(图6A),到茎段准备进行生根的阶段(图6D)。一周后,根组织形成愈伤组织(图6B),并可观察到茎尖初始结构的出现(图6B1)。在第2周和第3周期间,茎段持续萌出(图6C),经过4周培养后,茎段已准备好转移到生根诱导培养基中(图6D)。
使用β-葡萄糖醛酸酶(GUS)组织化学染色法对潜在的转基因植株进行鉴定,取茎长约为0.5 cm时的叶片片段进行检测。阳性转基因植株在韧皮部定位于组织中显示出预期的染色模式,如图4所示。将GUS染色呈阳性的芽转移到生根诱导培养基中,4周后形成健壮的根系(图1E)。生根后的植株随后被移栽至土壤中。图4展示了窄叶车前草转化AtPP2启动子和β-葡萄糖醛酸酶(GUS)基因后的染色结果,并与野生型以及仅转化AtPP2启动子的窄叶车前草进行了比较。所有萌发的芽均被确认为转基因植株。转化效率平均为20%,每转化10个根约产生2个芽。确认的转基因植株被移至较大的花盆中,培养4–8周直至达到成株阶段(图1F)。

图1:Plantago lanceolata 转化的时间线。 本方案各阶段的代表性图像。(A)未萌发的种子接种在MS培养基平板上。(B)种子在1周后萌发,准备转移至Magenta盒中。(C)植物在MS培养盒中生长3周后的状态。根呈绿色且健康,处于转化的理想阶段。(D)在芽诱导培养基中培养4周后,芽已准备好转移至生根培养基中。在此阶段,如适用,可进行β-葡萄糖醛酸酶(GUS)组织化学染色。(E)植物在根诱导培养基中培养4周后已形成根系。(F)转基因植株在土壤中生长4周后达到完整植株大小。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:含有插入的韧皮部特异性启动子 AtPP2 的双元载体质粒 pBI101 与 β-葡萄糖醛酸酶(GUS)示意图。 请点击此处查看此图的放大版本。

图3:转化步骤。 转化各步骤的代表性图像。(A) 转化过程中将根与茎分离。(B) 将根浸泡于细菌/SS悬浮液中。(C) 用纸巾干燥根部以去除多余细菌。(D) 将根接种于共培养培养基上。(E) 用铝箔包裹SS培养板。植物在转移至生芽培养基前需共培养2-3天。请点击此处查看该图的高清版本。

图4:GUS染色。 车前草叶片片段的β-葡萄糖醛酸酶(GUS)染色结果。(A)野生型。(B)转化了携带AtPP2启动子(空载体)质粒的车前草。(C)转化了携带AtPP2启动子和β-葡萄糖醛酸酶(GUS)基因质粒的车前草。每片叶子均采用GUS组织化学染色方案进行染色,随后使用显微成像系统拍摄图像。(B)和(C)图像中未显示染色模式,原因是缺乏GUS基因。右侧图像显示叶脉中清晰的蓝色染色模式,证实该植株为转基因植株。标尺为1 mm,每片叶段长度约为1 cm。请点击此处查看该图的放大版本。

图5不同组织类型转化效率的比较 >在成苗培养基中培养1个月。 (A) 生长超过一个月后的根组织。根部已出现扩大的愈伤组织,并有芽原基萌出。未转化的愈伤组织因抗生素筛选作用已开始死亡。B) 生长超过1个月后的叶片和叶柄组织。组织出现一定程度的愈伤组织增殖,但很快因抗生素作用而死亡。两种组织均未产生芽体。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图6:转化组织上愈伤组织和芽的形成。 将组织接种于成芽培养基后不同培养时间的代表性图像。(A) 根组织刚接种到成芽培养基时的状态。(B) 根组织在成芽培养基上培养1周后的状态,可见愈伤组织开始扩展;(B1) 最早的芽原基开始出现。(C) 根组织在成芽培养基上培养3周后的状态,更多芽原基已出现。(C1) 由B1芽原基发育而来的芽。(D) 根组织培养4周后的状态,未转化的组织开始变黑/褐并死亡,而出现的芽持续生长。在此阶段,芽可转移至生根培养基中培养。 请点击此处查看该图的放大版本。
表1:培养基制备配方。 转化培养基的制备方法描述。所添加维生素的量根据标明的母液浓度进行计算。参见 表2 用于维生素储备液的配制。对于所有培养基,将试剂加入900 mL双蒸水中2O,调节pH至指定水平,然后加水至终体积1,000 mL。* = 灭菌后加入。** = 用1 M KOH调节pH。*** = 用1 M NaOH调节pH。 请点击此处下载此表格。
表2:维生素储备液 车前属 培养基 所有维生素在储存前必须经过滤除菌并准确标记。如需溶解粉末,先用1 N NaOH溶解,再用双蒸水定容至所需体积。2O. 请点击此处下载此表格。
目前缺乏针对车前属(Plantago)植物的遗传转化方案,这限制了这些植物作为模式生物的应用,尤其是在研究人员希望探究基因功能的情况下。P. lanceolata 被选为建立遗传转化方案的对象,因为它是该属中研究最为广泛的植物16。所开发的这一转化方案有望成为推动维管生物学、生态学、植物-昆虫互作以及非生物胁迫生理学等相关研究进一步发展的工具。
本方案明确阐述了获得转基因植物的操作步骤。除P. lanceolata能够在组织培养环境中良好生长外,多个因素共同促成了我们转化方法的成功。首先,观察到使用高质量且无菌的植物根组织进行转化至关重要。取自3至4周龄植株、呈绿色或浅白色的根具有最高的转化效率。从存在任何程度细菌或真菌污染的培养盒中获取的根通常会导致再生芽的培养物被污染,而呈褐色的老化根则无法实现成功转化。在本方法中,根组织是转化效率最高的组织类型,因为叶片和叶柄组织均未能成功诱导出芽。
另一个重要观察结果是,收集用于转化的根组织的最佳方法是将 freshly cut 的根材料置于无菌水中。此步骤能有效保持根组织的水分,同时继续收集其余组织,因为根在从生长容器中取出后容易迅速失水。此步骤还有助于提高转化成功率,因为它允许更多根同时在细菌中孵育。
可通过将根组织在共培养培养基中孵育的时间缩短至2天来修改本实验方案。观察发现,2至3天的孵育时间足以实现感染并诱导芽的初始形成。然而,不建议延长孵育时间,因为培养基中缺乏抗生素抑制剂时常会导致农杆菌(A. tumefaciens)过度生长,进而杀死新生的组织。
本研究的一个局限性是缺乏关于其他方法或其他物种性能的可用数据 A. tumefaciens 在 P. lanceolata 用于比较的转化。据我们所知,本实验方案具有新颖性。在初步试验中,观察到较高的转化效率 A. tumefaciens GV3101 我们专注于利用该菌株优化技术,而非尝试其他菌株。我们的转化效率达到20%,在植物转化中相对较高——许多常规方法将任何高于此值的情况视为 >1% 才能成功26,27,28。然而,使用另一种菌株的 农杆菌(A. tumefaciens), 例如 A. rhizogenes, 因其在多种物种的根部转化中被广泛应用而闻名29,30,31,可能会进一步提高成功率。需要进一步实验来评估使用其他菌株以提高转化效率的影响。 P. lanceolata
P. lanceolata 的成功转化可能使许多研究领域受益。P. lanceolata 具有较高的转化效率,并且在组织培养基中生长迅速,因此成为基因功能研究的可行候选物种15。
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(NSF)资助(项目号:EDGE IOS-1923557,授予 C.Z. 和 Y.Z.)。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 14 mL 圆底管A4A2:A34 | 赛默飞世尔科技 | 150268 | |
| 1-萘乙酸 | Gold Biotechnology | N-780 | |
| 3M 微孔手术纸胶带 | 赛默飞世尔科技 | 19-027761 | |
| 50 mL 离心管 | Research Products International Corp. | 163227LC | |
| 600 瓦高压钠灯 | Plantmax | PX-LU600 | |
| 6-苄氨基嘌呤(6-BAP) | Gold Biotechnology | B-110 | |
| 铝箔 | 赛默飞世尔科技 | 01-213-100 | |
| Bacto 琼脂 | 赛默飞世尔科技 | 214010 | |
| 双元质粒 pBI101 | Clontech,美国 | 632522 | |
| Cool White Grow Light Sylvania LLC | 家得宝 | 315952205 | |
| D-生物素 | 赛默飞世尔科技 | BP232-1 | |
| ddH₂O2O | |||
| DH5a 大肠杆菌 | Invitrogen,美国 | 18258012 | |
| 一次性无菌培养皿,150 × 16 mm | 赛默飞世尔科技 | FB0875712 | |
| 一次性无菌培养皿,95 × 15 mm | 赛默飞世尔科技 | FB0875714G | |
| 解剖剪 | Leica Biosystems | 38DI12044 | |
| 乙醇 200 证明 | Decon Labs | 2705 | |
| 叶酸 | Fisher Scientific | BP2519-5 | |
| 镊子 | Leica Biosystems | 38DI18031 | |
| Gelrite | Research Products International Corp. | G35020-1000 | |
| 甘油 | 赛默飞世尔科技 | 17904 | |
| 甘氨酸 | Sigma | 241261 | |
| 孵育型台式轨道摇床 | 赛默飞世尔科技 | SHKE420HP | |
| 吲哚-3-乙酸(IAA) | Gold Biotechnology | I-110 | |
| 吲哚-3-丁酸(IBA) | Gold Biotechnology | I-180 | |
| 卡那霉素单硫酸盐 | Gold Biotechnology | K-120 | |
| 大容量离心机 | 赛默飞世尔科技 | 75007210 | |
| 品红盒子 | 赛默飞世尔科技 | 50255176 | |
| 微量移液器吸头 1000 µL | 康宁 | 4140 | |
| 微量移液器吸头 200 µL | 康宁 | 4138 | |
| 微量移液器吸头 10 µL | 康宁 | 4135 | |
| 微型离心机 | 赛默飞世尔科技 | 75002410 | |
| 微量移液器 0.5-10 µL | 康宁 | 4071 | |
| 微量移液器 100-1000 µL | 康宁 | 4075 | |
| 微量移液器 20-200 µL | 康宁 | 4074 | |
| 微量移液器 2-20 µL | 康宁 | 4072 | |
| 穆拉希格 & Skooge 基本培养基(含维生素) | PhytoTech | M519 | |
| 穆拉希吉 && Skooge 基础盐混合物 | PhytoTech | M524 | |
| myo-肌醇 | Gold Biotechnology | I-25 | |
| 烟酸 | Sigma | N0761-100g | |
| Parafilm(石蜡膜) | 赛默飞世尔科技 | S37440 | |
| 氢氧化钾(KOH) | Research Products International Corp. | P44000 | |
| 盐酸吡哆醇 | Sigma | P6280-10g | |
| 手术刀片刀柄 | Leica Biosystems | 38DI36419 | |
| 手术刀片 | Leica Biosystems | 3802181 | |
| 氯化钠,晶体(NaCl) | Mallinckrodt Chemicals | 7581-06 | |
| 氢氧化钠(NaOH) | Research Products International Corp. | S24000 | |
| 次氯酸钠 | 沃尔玛 | 23263068401 | |
| 土壤-树皮混合物 | 伯杰,美国 | BM7 | |
| 方形花盆(3.5 英寸见方) | Greenhouse Megastore | CN-TRK-1835 | |
| 蔗糖 | Research Products International Corp. | S24060 | |
| PCR仪 | 赛默飞世尔科技 | A24811 | |
| 盐酸硫胺素 | Sigma | T4625-5G | |
| 替门汀 噻卡西林/克拉维酸(15/1)(Timentin) | Gold Biotechnology | T-104 | |
| 反式玉米素核苷(ZR) | Gold Biotechnology | Z-100 | |
| 胰蛋白胨 | 赛默飞世尔科技 | 211705 | |
| 野生型 Plantago lanceolata 种子 | 美国俄勒冈州 Outsidepride 种子来源 | F1296 | Outsidepride.com |
| 酵母提取物颗粒 | Research Products International Corp. | Y20025-1000 |