本文介绍了一种高通量瞬时转染大量玉米原生质体的实验方案,可用于在玉米叶肉细胞中筛选大规模质粒文库。
本文介绍了一种高通量瞬时转染大量玉米原生质体的实验方案,可用于在玉米叶肉细胞中筛选大规模质粒文库。
玉米叶肉细胞的转染通常涉及消化植物细胞壁以制备原生质体,然后导入DNA 通过 电穿孔或聚乙二醇(PEG)。先前的方法旨在一次性产生数万个转染的原生质体。此处, 我们描述了一种简单的方法,用于分离并转染数百万玉米叶片叶肉原生质体(Zea mays)玉米(Zea mays) L.)。该简化流程省去了某些常见的原生质体分离步骤,例如W5溶液洗涤。此外,离心、聚乙二醇介导的转染和孵育等步骤也经过优化,可适用于更大量的原生质体。该体系能够表达大规模的质粒文库,从而支持基因组尺度的实验,例如在玉米中进行的大规模并行报告基因检测。
瞬时基因表达是植物生物学中一种强大的工具。然而,由于植物细胞外被细胞壁包围,因此很难进行转染。这种阻碍DNA进入的屏障在其他常见的研究细胞类型(如哺乳动物或昆虫细胞)中并不存在。以往的研究通过使用原生质体来应对这一挑战:即通过消化并去除细胞壁所获得的植物细胞。与未经处理的叶片组织相比,植物原生质体易于在悬浮液中操作,并适用于电穿孔或聚乙二醇(PEG)介导的转染技术1。即使在去除细胞壁后,植物细胞仍保留了大部分功能。因此,原生质体已被广泛应用于多种植物中,用于研究基因和蛋白质功能2,3、解析信号转导机制4,以及鉴定植物育种的潜在靶点5。此外,原生质体也是在小麦和马铃薯等多种作物中筛选基因组编辑载体的便捷系统6,7。总之,原生质体中的瞬时表达实验在农业生物技术中具有不可替代的作用。
玉米(Zea mays L.)是全球产量最高的谷类作物,因此成为基础和应用植物科学研究的主要对象8。然而,与模式植物如Nicotiana tabacum9 不同,玉米完整叶片中的瞬时转基因表达尚未实现常规化。已有研究通过原生质体技术分离并转染玉米叶肉细胞10,11。先前的方法采用电穿孔法,转染效率最高可达75%,并可获得数以万计的转染原生质体10,15。
本方案详细介绍了如何制备数百万玉米叶肉细胞原生质体,并以与以往方法相当的效率对其进行转染。主要步骤包括培养去黄化玉米幼苗、收获叶片组织、消化植物细胞壁,以及利用聚乙二醇(PEG)将质粒DNA导入细胞。本方案的关键贡献在于能够在保持细胞活力以满足功能检测要求的同时,实现原生质体转染的规模化。这使得研究人员能够开展基因组尺度的实验,例如大规模并行报告基因检测,从而评估玉米基因组中数十万区域的功能。该方法最近已被用于研究大规模的文库 顺式包括增强子和启动子在内的调控性DNA元件12,13,14.
1. 植物材料的培养
2. 质粒提取
3. 原生质体分离
4. PEG介导的转染
5. 原生质体恢复与表达验证
最适合原生质体分离的组织是10-11天龄幼苗的第二片和第三片叶子(图1)。在本实验中,我们从16段长度各为10 cm的叶片中获得了约1000万个原生质体。所分离的原生质体数量取决于叶组织的质量以及在酶解液中消化的叶切片宽度。
在明场光学显微镜下,未受损的原生质体大致呈球形,质体散布于表面(图2A)。在进行转染前,可通过用荧光素二乙酸盐(FDA)染色少量原生质体来检测其活力。在紫外光下发出荧光的FDA染色原生质体被视为具有活力(图2B、C)。并非所有外观完好的原生质体都仍具活力,部分有活力的原生质体可能正处于液泡排出导致死亡的过程中(图2C)。在这些细胞中,液泡正在膨胀,并最终将从细胞膜排出。
图3 显示了用 pJT01 转化的原生质体,pJT01 是一种源自 CD3-911(ABRC)的 4.3 kb 玉米表达质粒15。转染后表达带有 c-Myc 来源的 C 末端核定位信号标记的 sGFP(图3A)。通过多次实验使用血细胞计数板测定表达 sGFP 的原生质体比例。该方法在过夜培养后的中位转染效率为 40%(n = 9,图4,表1),与先前报道的方法相当15。根据具体的实验应用,如果质粒或质粒文库缺乏荧光报告基因,建议加入阳性对照以确认转染成功。

图1:代表性的玉米幼苗在萌发后于黑暗中生长10天的黄化苗。箭头指示的是第二片和第三片叶子,最适合用于原生质体制备。请点击此处查看此图的放大版本。

图 2:原生质体分离后活力的荧光显微镜观察。 (A)分离后立即拍摄的原生质体明场图像。(B)FDA 染色原生质体的荧光信号。(C)明场与荧光图像的叠加,显示存活的原生质体。箭头指示一个正在发生液泡排出的原生质体。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:转染sGFP原生质体的荧光显微镜观察。 (A)转染后原生质体的明场图像。(B)转染原生质体在GFP通道中的荧光信号。(C)明场与荧光图像的叠加,显示转化后的原生质体。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:孵育16小时后显示GFP荧光的原生质体百分比。不同独立实验之间的转染效率存在差异,最低效率约为20%,最高接近50%。请点击此处查看该图的放大版本。
| 试验 | 计数的GFP阳性细胞 | 总计数细胞 | GFP阳性百分比 |
| 1 | 104 | 261 | 39.8 |
| 2 | 148 | 298 | 49.5 |
| 3 | 84 | 258 | 32.6 |
| 4 | 137 | 271 | 50.6 |
| 5 | 127 | 299 | 42.5 |
| 6 | 107 | 235 | 45.5 |
| 7 | 83 | 360 | 23.1 |
| 8 | 134 | 549 | 24.4 |
| 9 | 61 | 201 | 30.3 |
| 平均值 | 109 | 304 | 36 |
| 标准差 | 29 | 102 | 10 |
表1:原生质体转染效率的代表性数据。 来自作者实验室最近进行的九次原生质体制备实验的数据。
补充文件 1:包含 pJT01 序列的 GenBank 格式文本文件。 一个 4.3 kb 的 sGFP 表达质粒,用作转染玉米原生质体中的阳性对照。请点击此处下载该文件。
如先前报道,用于原生质体分离的植物材料质量对于获得高质量的原生质体至关重要16,17,18。必须选择健康且无损伤的叶片。本研究使用了常用的玉米自交系B73。我们尚未测试其他品种。本实验方案所用的玉米幼苗在黑暗条件下培养,因为黄化叶片在转染后16小时产生的原生质体活力高于绿色叶片来源的原生质体。对于不需要过夜培养的应用,使用绿色或正在转绿的叶片材料也是可行的。
一个关键步骤是在酶解之前将叶片材料正确地切成薄片。此过程增加了叶肉细胞与酶溶液接触的表面积,从而提高原生质体的回收数量。叶片远端的尖端部分应弃去,使用新的剃须刀片切割成薄片(≤1 mm),并在刀片开始变钝时立即更换。对于给定量的组织,在采用正确技术以尽量减少叶片压碎的前提下,切得越薄,获得的原生质体越多。
正确洗涤原生质体也非常重要,因为它们在去除细胞壁后非常脆弱。消化完成后,所有溶液均需保持在冰上,且避光培养的原生质体需避免光照。洗涤过程使用MMG溶液,以维持渗透压和pH的稳定。为了将原生质体与密度较低的细胞碎片分离,需在100 × g 条件下进行离心。在200 × g 条件下离心的原生质体在分离后 viability 相似,但次日 viability 明显降低,且转化效率大约仅为前者的一半。我们建议在分离后立即使用FDA(荧光素二乙酸酯)染色检测原生质体的 viability;正常 viability 范围为70%–90%。若分离后的原生质体 viability 低于40%,则转化子数量将显著减少。
当处理大量原生质体时,离心和洗涤操作更为简便,因为转染后可获得肉眼清晰可见的沉淀。因此,转染应使用100万个或更多的原生质体。当扩大实验规模时,应选择合适尺寸的容器进行孵育步骤(如1.5 mL、15 mL或50 mL离心管),并相应调整洗涤步骤中溶液的体积。无论如何,建议每次离心体积不超过10 mL,以确保原生质体不会残留在上清液中。本实验方案的一项改进是省略了其他方案中所列的在W5溶液中孵育1小时并进行洗涤的步骤14,19,我们在实验中发现该步骤并无必要。
与其他研究中观察到的一样,DNA的含量和质量对于成功转染均至关重要19。对于大小在4-6 kb范围内的质粒,每100万个原生质体使用15 µg DNA。低质量的DNA制备物可能导致转染后细胞活力下降,因此我们建议在从细菌中分离质粒时使用商业化的DNA提取试剂盒。将原生质体在室温避光条件下过夜孵育,以促进质粒或质粒文库的转录,同时尽量减少细胞应激。过夜孵育后,大约可回收最初转染原生质体数量的一半。原生质体应稀释至500-1,000个细胞/µL的浓度进行过夜孵育。若原生质体孵育浓度高于1,000个细胞/µL,则回收率和存活率均会降低。在较高浓度下,受损或死亡原生质体产生的碎片可能引起邻近原生质体的死亡。在过夜孵育后对原生质体进行洗涤,既可去除这些碎片,也可清除多余的质粒。
此类方案存在一定的局限性,即并非所有植物物种或组织类型都适用于原生质体制备。此外,原生质体制备过程本身可能引发基因表达差异。
综上所述,我们详细介绍了一种简单且可扩展的方案,用于从主要农作物玉米(Z. mays)中分离并转染数百万个有活力的原生质体。该方法利用聚乙二醇(PEG)可转染更多的原生质体,其转化效率接近基于电穿孔的方法15。更高的转化子总数使得在大规模实验(如高通量并行报告基因检测)中测试数百乃至数千个构建体成为可能12,13。未来在玉米中开展的基因组规模实验将有助于科学家更深入地理解玉米的基因表达与基因调控机制。
作者声明无竞争利益。
本研究得到了美国国家人类基因组研究所基因组科学跨学科培训项目(T32 培训资助号 HG000035,授予 J.T.)、美国国立卫生研究院(NIGMS 1R35GM139532,授予 C.Q.)以及美国国家科学基金会(RESEARCH-PGR IOS-1748843 和 PlantSynBio 2240888,授予 CQ)的支持。我们感谢罗格斯大学的 Andrea Gallovatti 惠赠玉米种子。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 带刻度微量离心管 | VWR | 490004-444 | |
| 15 mL Falcon 锥形离心管 | Corning | 05-527-90 | |
| 250 mL Pyrex 玻璃烧杯 | Fisher | 50-121-5005 | |
| 40 µm 尼龙网细胞筛 | Fisher | 22363547 | |
| 50 mL Falcon 管 | Corning | 14-432-22 | |
| 72 孔细胞扩繁托盘 | T.O. Plastics | 725607C | |
| 铝箔 | VWR | 89107-732 | |
| 钟形罩 | Bel-Art | F42022-0000 | |
| 台式离心机 | Eppendorf | 5424-R | |
| β-巯基乙醇 | Sigma-Aldrich | M6250-250ML | 溶于超纯 H2O 配制成 1 M 储存液。室温保存。 |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A2153 | |
| 二水氯化钙(CaCl2·2H2O) | PhytoTech Labs | C135 | 溶于超纯 H2O 配制成 1 M 储存液。室温保存。 |
| 纤维素酶 Onozuka R-10 | Duchefa Biochemie | C8001.0010 | |
| D-甘露醇 | PhytoTech Labs | M562 | |
| 解剖显微镜 | Reichert | Microstar IV | |
| 荧光素二乙酸酯(FDA) | Thermofischer Scientific | F1303 | 溶于丙酮配制成 0.5%(w/v)的 1000 倍储存液。避光,-20 °C 保存。 |
| 荧光照明系统 | Prior | Lumen200 | |
| 荧光显微镜 | Leica | MDG36 | |
| 大容量离心机 | Eppendorf | 5810 R | |
| 离析酶(Macerozyme) | Duchefa Biochemie | M8002.0005 | |
| 氯化镁(MgCl2) | Sigma-Aldrich | M292-1KG | 溶于超纯 H2O 配制成 1 M 储存液。室温保存。 |
| 玉米种子 | B73 | USDA-ARS | https://npgsweb.ars-grin.gov/gringlobal/accessiondetail?accid=PI+550473 |
| 中型长尾夹 | Uline | S-24649 | |
| MES | Sigma-Aldrich | M5287-250G | 溶于超纯 H2O 配制成 1 M 储存液。用 KOH 调节 pH 至 5.7。避光,室温保存。 |
| 微量移液器 20–200 µL | Gilson | F123601G | |
| Nanodrop 微量分光光度计 | Thermofischer Scientific | ND-1000 | |
| NEB 5-alpha 感受态大肠杆菌 | New England BioLabs | C2987H | |
| Neubauer 血细胞计数板 | Daigger Scientific | EF16034F | |
| 9 号单刃剃须刀片 | Excel | 20009 | |
| 旋转摇床 | VWR | 89032-104 | |
| 聚乙二醇 4,000 | Sigma-Aldrich | 81240-1KG | |
| 氯化钾(KCl) | Sigma-Aldrich | P9541-1KG | 溶于超纯 H2O 配制成 1 M 储存液。室温保存。 |
| 专业级蛭石 | NK Lawn & Garden | G208 | |
| 30 mL 圆底玻璃离心管 | Kimble Chase | 45500-30 | |
| Corex 离心管用橡胶接头 | Corning | CLS8445AO | |
| 泥炭藓 | Premier Horticulture | 0128P | |
| TRIzol 试剂 | Thermofischer Scientific | 15596018 | |
| Tygon 真空管 | VWR | 76336-844 | |
| 真空压力表 | Wika | 4269978 |