我们提出了一种高效且优化的方案,用于农 杆介导的无性两栖十字花科物种 Rorippa aquatica转化,无需资源密集的无菌组织培养程序。利用视觉转化标记和新芽再生管道,成功生成了近克隆转化剂,推动了植物适应水下环境的未来研究。
方法文章
我们提出了一种高效且优化的方案,用于农 杆介导的无性两栖十字花科物种 Rorippa aquatica转化,无需资源密集的无菌组织培养程序。利用视觉转化标记和新芽再生管道,成功生成了近克隆转化剂,推动了植物适应水下环境的未来研究。
由 农杆菌(Agrobacterium tumefaciens )介导的植物稳定遗传转化,已成为基础植物生物学研究和直接影响作物改良的植物生物技术的有力工具。简单有效的转化管道,如拟南芥的花卉浸渍法,极大推动了基因功能的大规模分析。然而,这种管道不能适用于不进行有性繁殖的植物物种。 水生罗里帕 是一种新兴的两栖十字花科模式物种,在陆地或水下环境中表现出异叶、剧烈的叶片和植物形态变化。 水生红鹃 完全以营养繁殖方式繁殖。这里展示的优化流程提供了高效且可靠的水生农 杆菌介导 的水生红菌 转化,无需无菌组织培养。叶片插条会短暂浸泡在含有二元载体的转化缓冲液中的 农杆 菌中,该载体在本构启动子下表达视觉标记 RUBY。随后,接种剂会在浸水的滤纸上生长在生长室中生长。然后,将具有 红宝石 红色素的再生苗株分离并移植到土壤中。这些初始T1再生剂(R1-T1)表达红色扇区。通过切除红色扇区并重复再生步骤,下一代R2-T1产生大量转基因兄弟姐妹,其中一些几乎均为红色;表明 RUBY 的表达。这一简单的转化流程可应用于 水生红菌 及其他营养繁殖植物物种,引入感兴趣的基因以研究其适应陆地 与适应性的功能。水域环境。
稳定的遗传转化,即将感兴趣基因引入并表达到特定植物物种中,是基础植物科学和植物生物技术的核心。农杆菌介导的转化是植物基因工程中最广泛使用的手段,因其可靠地产生稳定的转化体1。开发出一种二元载体系统,其中T-DNA克隆载体和解除武装的vir辅助质粒分为两个实体,彻底革新了农杆菌介导的转化1,2。对于模式植物拟南芥,一种简单且经济高效的花卉浸泡转化程序实现了高通量克隆(半合子)转化体,用于功能遗传学和基因组学3,4。然而,对于主要或完全以无性繁殖为主的植物物种来说,这种方法不可行。
两栖植物展现出独特的能力,能够在陆地和水下环境下都能茁壮成长5.水蓼是一种两栖的十字花科植物,表现出异叶性。在陆生环境中,水面红蜂会发育出圆形叶片,表皮由铺面细胞和气孔组成。相比之下,它们的水生叶表现出适应水下环境的形态:高度切割的针状叶片,表皮无表皮的表皮,没有有表皮细胞或气孔6,7。在系统发育上,水生红花与拟南芥关系密切;两者都属于同一科,十字花科6。结合全基因组序列数据的可用性以及R. aquatica与A. thaliana之间编码基因的高度序列保守性,R. aquatica作为一种新兴的两栖模式植物,研究对陆地和水域适应的分子基础8。事实上,最近的生理学和基因表达研究表明,光线和激素信号通路的重接对于水红菌的异叶性至关重要。
为了测试候选基因和途径的分子功能,遗传转化是绝对必要的。水螳螂在自然界中以营养繁殖方式 8,9。因此,与A. thaliana不同,农杆菌花朵浸泡转化不能应用于R. aquatica。令人惊讶的是,R. aquatica能轻松从脱落叶片再生整株植物,无需外源性植物激素补充。短暂地,叶片片段脱落后几天内,切面近端的血管组织细胞增殖开始活跃。一周内,根和嫩芽都会再生,最终长出幼苗(玫瑰花)。单个植株可以分离并种植至成熟10.这种自发的整株幼株再生过程可以轻易地用于水生红菌的遗传转化。
本文所述的优化管线通过利用其叶片脱落后的自发再生能力,实现了由农杆菌介导的高效可靠转化。为了简化转化物的选择,无需昂贵的无菌培养过程,采用了一种非侵入性的视觉选择标记RUBY,这是一种合成载体,包含三个基因,导致β11的生物合成。通过优化细菌培养条件、接种步骤和叶片插条的孵育过程以实现再生,可靠的转基因水生红菌植物得以成熟。几乎所有R1-T1世代的初始转化体都表现出红色扇区,表明它们是异质的遗传拼接体。通过切除RUBY+红叶部分并重复再生过程,可以在后续R2-T1世代中生成完全红色的叶丛植株,从而近乎克隆的R. ahydratica转化株。该转化管线可轻松应用于引入/表达感兴趣的外源基因到R. aquatica中,从而加速杂叶和植物适应极端环境的分子遗传学研究。
试剂和所用设备列于 材料表中。
1. 植物材料的制备
2. 转化用 农杆菌 培养
3. R. aquatica 叶插的转化
4. 玫瑰花小苗再生及R1-T1世代的建立
5. 后续再生及近克隆R2-T1生成的建立
A . tumefaciens 转化的参数经过优化,成功生产表达 RUBY的转基因R . aquatica 植物,绕过了不育限制,同时利用其快速的无性再生速率(见图1 和 图2)。在接种叶片外植株并接受后续72小时暗处理后,再生幼苗在描述条件下2周内开始生长。在接种后3-5周内发现了具有嵌合体 RUBY 区块且体积足够可移植的再生幼苗(见图3),且其体积略小于那些未表达的玫瑰丛小苗。在对照野生型托盘上未发现RUBY再生幼苗,证实该现象与 R. aquatica 生理不同。细菌培养液类型、悬浮接种液类型、浸润方法和接种时间在转化物生成能力或速率上无显著差异(见表2 和表3)。积极影响转化效率的处理因子包括在叶片移植接种前提高AS浓度和生长素暴露处理。表面活性剂浓度升高对产率产生负面影响,并被认为不适用。
R 版本 4.4.2 12,13,14,15 用于对玫瑰丛小苗计数数据进行泊松一般线性混合模型(Poisson GLMM)分析。然而,在实验D(表2D)中,RUBY表达的再生剂被检测为15分钟接种并以150 μM AS或225 μM AS进行改良,模型因分散不足而违反了假设,因此采用了负二项式GLMM。
仔细研究了不同细菌汤液和培养条件对转化效率的影响。在五个实验复制中,使用米勒LB汤或转化特异性MG/L汤,转化体在几乎相同的参数下表达 RUBY 且效果无显著差异(见表2A)。从单个叶片中表达再生玫瑰花瓣幼苗的 RUBY 方法,每次处理包含15-60个外植株,使用LB和非MS培养液的实验(对照诱导汤, 表1)产生的再生剂从1.61±0.71个不等,而MG/L和优化诱导汤液实验中产出的3.23±1.13个再生剂。尽管差异不大,但由于主观观察,MG/L培养液和优化诱导汤液(见表1)被选为未来优化实验对象。
接着,我们测试了影响细菌负荷和分生组织获取能力的因素。在8个复制中(见表2B),接种的界面活性剂浓度增加0.01%的外植株一个月后表现出极大压力,导致再生体体积小且大多无法存活。这些复制体中似乎没有再生的转化体,尽管被淘汰的再生体表型为栗色、棕色和黄色色素,因此可能存在潜在的转化体。无论如何,再生剂的不可存性验证了维持表面活性剂浓度为0.005%的有效性。
比较了两种机制性技术——搅拌或真空渗透——在将所需DNA引入寄主植物时的效果。对照浸润法,即将外植株浸入50毫升再悬浮接种剂中,并在管状搅拌机中旋转,成功在上述处理中成功产生 了RUBY表达的再生剂。施加的真空渗透也产生了 RUBY表达的再生剂,但其转化效率与对照法无异(p = 0.478, 见表2D)。每个繁殖托盘大约观察到2-5个 RUBY表达的再生剂,无论是 通过 真空渗透还是物理搅拌接种。
改良后的乙酰胺酮(AS)细菌接种剂浓度在转化效率上明显不同。将AS浓度从150微米提高到225微米显著提高了表达 RUBY 的转基因移植株产量(p = 0.000309, 0.000458; 表3C,D)。四个实验中,每个处理包含一个托盘,内含40个相同处理的接种外植株。高浓度接种者平均含有近5个 RUBY 表达再生剂,而每个对照AS托盘仅有1个转化剂(见表3C)。此外,AS效应似乎与接种持续时间是分开的。
在三项15分钟接种周期的实验中,采用225微米AS修补的外植株,发现平均4.13 RUBY表达的再生剂为7.28±,明显高于150微米处理的2.03±1.32再生率(见表3D)。150 μM AS对照处理期间间隔无明显影响(p = 0.676),平均10分钟接种率为1.48±0.954,而15分钟接种中再生者为1.84±1.230人(见表3B)。同样,10分钟、225微米处理的接种剂每次处理可再生约5个 RUBY 表达的玫瑰苗,与15分钟接种剂处理中6-7个再生剂用于处理托盘无明显差异(见表3A)。
此外,植物激素生长素(促进植物再生)也进行了测试。在接种前将新鲜切除的叶片暴露于脉冲生长素处理下,明显对 RUBY 再生增加有积极效果,相较于ddH2O的叶片(p = 0.00969, 表2C)。当置于ddH2.0中,添加285微米吲哚-3-醋酸(IAA)时,植株每次处理平均转化率为6.67 ± 1.490,而无生长素处理则平均为2.00±0.816再生率。
立即再生的转基因系被指定为R1-T1世代(见图2),单个再生株作为系。所有最初的R1-T1玫瑰花结小苗均表现出 RUBY 表现为嵌合叶片,图案多样。最常见的是1-3片小叶表达明显嵌合体,其中 RUBY表达的和未表达的组织在中脉分化。大多数一个月大的R1-T1幼苗保持嵌合表达(见图3A),但也发现了少量完全表达 RUBY的幼苗。
从R1-T1幼苗叶片中无性繁殖的红宝石色素嵌合体区块(图3B)在切除后2-4周内再生了完全RUBY或嵌合体R1-T1玫瑰丛幼苗(见图3C)。一个月后,大多数R2-T1幼苗主要呈现红宝石叶片,部分幼苗显示出少量未表达的嵌合体区域(图3D,E)。

图1:营养繁殖方案及时间线。 代表性图片展示了用于再生无性玫瑰叶幼苗的生产管道。(A)从已建立的母株中摘取成熟、健康、完整的裂叶,并将其切成2-3片。(b)将植株放入繁殖托盘中并在指定条件下进行维护。3周后,玫瑰苗从外植苗中切除,移植到土壤介质中。下面是一张再生玫瑰花结仍附着在母叶插上的真实照片(粉色箭头)。这些幼苗处于移植的最佳阶段。比例尺:10毫米。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2:水 红树 叶插条的转化及表达 RUBY 转录本的转化体再生。 转化过程及转化再生体生产的图示概述。(A)获取细菌接种剂。(B)准备一个用无菌滤纸和水的繁殖托盘。(C)将叶子切成短片。(D)将植株浸入接种剂中。(E) 在旋转搅拌机中搅拌20r/1分钟,持续10分钟。(F) 将饱和的植株撒入托盘,覆盖塑料罩,并在黑暗条件下培养72小时。(G,H) 1个月后,从受 农杆菌暴露的植株中切除完整转化的再生体,并移植以建立成熟植株。(I,J)重复传播步骤(G,H),产生近克隆的R2-T1生成。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3: RUBY 转基因系的无性繁殖世代。 (A)成熟的R1-T1幼苗,表现出带有 RUBY 表达的嵌合叶片。比例尺:1厘米。(B)20株外植株中,有2株新鲜放入育苗盘,取自(A)中3个月龄幼苗。这些外植株表现出在脉脉分离的嵌合体状红宝石图案。比例尺:1厘米。(C) 移植前一个月再生的R2-T1玫瑰花结小苗,嵌合 RUBY 表达程度不一。再生的红宝石正根(马龙箭)。比例尺:移植后一个月显示的R2-T1幼苗,长2厘米(D),表现出 RUBY 表达。比例杆:2厘米(E)移植后3个月成熟的R2-T1幼苗,表现出小扇形(绿色箭头)。比例尺:2厘米。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4:优化流水线的流程图。 请点击此处查看该图的放大版本。
表1:媒体表述 请点击此处下载此表。
表2:四个优化参数对水螳螂转化效率的影响。请点击此处下载此表格。
表3:接种乙糖磺氨酸浓度对水生红菌转化效率的影响。请点击此处下载此表格。
本研究建立了一种简单、直接再生的农杆菌介导稳定转化方法,R. aquatica是一种十字花科两栖植物,仅无性繁殖10,16。尚未建立完整的营养繁殖两栖植物转化管线,水生红鹃的实际转化能力也未被通过视觉标记利用。值得注意的是,该管道不需要繁琐的无菌植物组织培养过程或专门的植物生长孵化器。因此,该协议可广泛应用于从科学研究实验室到课堂等多种实验环境。
在测试的不同接种和培养条件下,有几个因素显著提升了转化效率。值得注意的是,稍高的乙酰芠酮(AS)浓度以及吲哚-3-醋酸(IAA)浓度对转化效率有积极影响(见表1 和表2)。AS是一种酚类化合物,能吸引 农杆菌,已被证明能提升拟南芥17的植物转化效率。植物激素生长素在植物细胞重编程中起着关键作用。在伤口诱导再生过程中,生长素相关基因表达的快速增加被观察到10。因此,可以推测在植外接种过程中外源性施用生长素(IAA)能提高再生效率。但三项试验中观察到再生幼株数量的差异未被观察到(对照组为57 7.55 vs. 59.67 5.51)。因此,生长素处理可能有助于转化过程,而非再生本身。
一种非离子表面活性剂——氯氧基化三硅烷(称为Silwet L-77), 通过 花浸法3大幅提升拟南芥的转化效率,因此在植物生物学界被广泛使用。在用Silwet L-77改良后,植物胁迫极小,浓度为0.005%(推荐的花卉浸渍浓度)。当剂量加倍(0.01%)时, 水生红斑 叶片严重受损,几乎没有转化株的恢复(表2B)。在拟南芥花卉浸泡过程中,使用界面活性剂降低接种剂的表面张力,并增强花蕾的获取。相比之下,作为一种两栖植物, 水边红鹬 长出光滑的叶片,没有毛毛或厚实的角质层5。表面活性剂增加会导致叶片组织损伤,表明应优先考虑除表面活性剂外的其他因素以实现非被毛叶组织的转化效率。表面活性剂更适用于被毛表型,有助于组织穿透。在积分所有测试参数后,提供了具有最优条件的流水线,作为流程图(见图4)。
视觉标记RUBY的使用对这一转型流程至关重要。RUBY是一种合成报告蛋白,编码三个编码基因(CYP76AD1、DODA和葡萄糖转移酶),合成一种鲜红色色素——甜菜白素11。当观察到R1-T1再生体中的RUBY表达时,表现出红色扇区,表明它们很可能是嵌合体(见图2和图3)。一项先前研究显示,水面红菌的再生起源于切叶第10段的维管形成层。引人注目的是,R1-T1再生体偶尔在中脉上呈现嵌合边界,叶片一半为红色,另一半为绿色(见图3A,B)。红宝石区的再生偶尔会长出全红的幼苗,根系为红色(见图3C,红色箭头),随后这些幼苗被培育成均匀红色的R2-T1植株(见图3D)。未观察到RUBY过度表达对R. aquatica生长和发育的不良影响(见图3)。支持方面,带有RUBY扇区的R1-T1玫瑰花结叶片的大小和形状未观察到明显差异(例如图3B)。任何强而有力的、由启动子驱动的转基因都可能干扰植物的正常生长和生理反应。
在某些情况下,这些“近克隆”的 红宝石 植株会发育出绿色扇区(见图3E,绿色箭头),暗示回归或转基因沉默。这表明,拥有像 RUBY 这样的可见标志物对于异位表达或沉默(如RNAi)对于未来分子机制研究中感兴趣的基因至关重要。可以将感兴趣的转基因引入 RUBY 盒,观察红色 RUBY 区的表型。总之,利用叶片剪断引起的直接重编程和非侵入性的可见标记,为营养繁殖十字花科R . aquatica优化了一条简单高效的转化流程。虽然这超出了本协议的范围,但未来对转化后 水生红菌 再生的确切起源的理解,或许能为植物细胞重编程提供见解。
我们声明我们没有利益冲突。
感谢赵云德教授关于修改现有 RUBY 质粒的载体设计建议;池松修佳博士和木村诚介教授,提供关于 水生红菌 处理的建议;高桥一诚博士,求你在图形方面提供帮助。这项工作得到了德克萨斯大学奥斯汀分校强生百年植物细胞生物学讲席和霍华德·休斯医学研究所的启动资金和捐赠基金支持。 图1 和 图2 由P.E.G.通过BioRender制作,并在K.U.T.的Adobe Illustrator中进行了修改。
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