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Die Eiablagekammer wurde speziell entwickelt, um es den Weibchen von P. maidis zu ermöglichen, sich während der Eiablage in einem schützenden Medium zu ernähren, aus dem ihre Eier leicht geborgen werden können. Mit dieser Methode wurden ausreichende Mengen präzellulärer Embryonen für die Mikroinjektion mit DNA, RNA und/oder Proteinen gewonnen. Ausgewachsene P. maidis-Weibchen legen ihre Eier in der Regel in das Blattgewebe der Maispflanzen, was es zu einer Herausforderung macht, in kurzer Zeit genügend Eier zu bekommen, da viel Blattsektion erforderlich ist . Die künstliche Eiablageumgebung bietet eine Lösung, um diese Probleme zu überwinden. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, wurden in 4 Wochen 6.483 Eier von insgesamt 645 Weibchen gesammelt. Die Weibchen beginnen in der Regel nach dem 2. Tag mit der Eiablage und liefern die meisten Eier vom 4. bis zum 6. Tag. Die Eiablageaktivität verlangsamte sich an Tag 9. Jede Eiablagekammer wurde am Freitag aufgebaut und von Sonntag bis zum nächsten Sonntag auf Eier untersucht. Die Befolgung dieses Zeitplans ermöglichte es, die meisten Eizellen während der Arbeitswoche für Mikroinjektionen zu sammeln.
Die erste praktische Anwendung dieses Eiablagesystems bestand darin, die Wirksamkeit des Cas9-vermittelten Gen-Knockouts zu testen, wobei das P. maidis-Ortholog des Augenfarbengens Weiß (Pmw) als Ziel diente. Es ist bekannt, dass Mutationen in Weiß bei anderen Insektenarten zu einem erheblichen Verlust der Augenpigmentierung führen, und Weiß ist zellautonom, so dass Mutationen bei injizierten Individuen nachgewiesen werden können16,17. Um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass selbst eine kleine Mutation zu einem Funktionsverlust führen kann, wurden Guide-RNAs so konzipiert, dass sie im Bereich der ATP-bindenden Kassette schneiden, die für die White-Funktion notwendig ist16. P. maidis Embryonen wurden entweder mit 20% Phenolrot (Injektionspuffer), Injektionspuffer mit Cas9 in einer Endkonzentration von 800 ng/μL (Cas9-Kontrolle) oder Cas9 in Injektionspuffer zusammen mit drei Guide-RNAs in einer Konzentration von jeweils 400 ng/μL injiziert. Die Kombination von drei Leitfäden innerhalb einer Injektionsmischung sollte die Chancen auf die Erzeugung von Mutanten weiter maximieren, sowohl durch die Erzeugung einer großen Deletion als auch durch die Kompensation der Möglichkeit, dass eine einzelne Anleitung für das Schneiden unwirksam sein könnte. Die Entwicklungsraten für jede Behandlung waren vergleichbar (Tabelle 2), wobei 50-60% der injizierten Personen Entwicklungszeichen zeigten. Die Schraffurraten für die Puffer- und Cas9-Kontrollen waren ebenfalls vergleichbar; Die Schlupfraten der Individuen, die den Drei-Guide-Mix erhielten, waren jedoch relativ niedriger. Zum jetzigen Zeitpunkt ist unklar, ob das reduzierte Überleben auf den Verlust der Weißfunktion zurückzuführen ist oder auf unbeabsichtigte Folgen des Drei-Leit-Mixes, wie z. B. Off-Target-Effekte (siehe Diskussionsabschnitt). Keines der Individuen mit vollständigem Verlust der Augenpigmentierung (d. h. vollständiger Knockout) schlüpfte jedoch, und keiner der Nachkommen der injizierten Individuen hatte weiße Augen. Die On-Target-Wirksamkeit der Cas9-basierten Mutagenese wurde auf zwei Arten verifiziert. Zuerst wurden die Injizierten auf den Verlust der Augenpigmentierung untersucht.
Von den 71 Individuen, die sich entwickelten, zeigten 23 einen gewissen Grad an Pigmentverlust (Abbildung 10), und 9 dieser Individuen schlüpften, was zu einer Knockout-Rate von ≥32 % führte. Bei beiden Kontrollbehandlungen wurde kein Verlust der Augenpigmente beobachtet. Zweitens wurden chromosomale Mutationen mittels Polymerase-Kettenreaktion (PCR)18 und Sequenzierung19 bestätigt. Da eine mutierte Linie nicht gefunden werden konnte, wurde genomische DNA aus Pools von Embryonen analysiert, die entweder mit der Drei-Guide-Mischung oder dem Puffer injiziert wurden. Es wird erwartet, dass die Drei-Leit-Mischung ~180 Basenpaare aus dem weißen Locus entfernt. Dies zeigt sich in den PCR-Produkten, die aus genomischer DNA amplifiziert wurden, die aus injizierten Individuen isoliert wurde, sowie an den zugehörigen Sequenzdaten, die aus diesen Produkten generiert wurden (Abbildung 11). Diese kombinierten Beweise deuten darauf hin, dass Embryonen injiziert wurden, bevor die Zellularisierung stattfand.

Abbildung 1: Aspirator. Ein effektiver Absauger kann durch den Anschluss einer Vakuumpumpe am Einlass über einen Kunststoffschlauch an einen konischen 15-ml-Kunststoffschlauch montiert werden. Etwa 0,5 cm sollten vorsichtig vom Boden des konischen Rohrs entfernt werden. Ein Wattebausch sollte in das konische Röhrchen über der Öffnung des Plastikschlauchs gelegt werden, um erwachsene P. maidis beim Sammeln aufzufangen und von der Vakuumpumpe fernzuhalten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: Bau von Behältern für Erwachsene. (A) Die benötigten Vorräte (im Uhrzeigersinn von oben links): Bildschirm, Heißklebepistole, Rasierklinge, 1-Unzen-Behälter. (B) Ein großes Loch sollte in den Boden des 1-Unzen-Behälters geschnitten werden, und ein Quadrat des Siebs wird gerade groß genug geschnitten, um dieses Loch abzudecken. (C) Das Sieb wird dann mit Heißkleber über das Loch geklebt. (D) Sobald der Kleber ausgehärtet ist, sollte überschüssiges Netz entfernt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Geschlechtsbestimmung der adulten P. maidis. Die ventralen Seiten der männlichen (links) und weiblichen (rechts) adulten P. maidis sind dargestellt. Der Ovipositor, der über dem weiblichen Hinterleib sichtbar ist, ist der deutlichste Indikator für das Geschlecht eines Individuums. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Versiegelung von Erwachsenen in Behältern . (A) Ein 5 cm x 5 cm großes Quadrat aus Paraffinwachsfolie aus Kunststoff. (B) Die Folie sollte gleichmäßig auf das 3-4-fache ihrer ursprünglichen Größe gedehnt werden. (C) Sobald die Erwachsenen in den Behälter für Erwachsene gelegt wurden, sollte die gespannte Folie über die Öffnung gelegt werden, um die Erwachsenen zu sichern. Anschließend sollte ein 400-μl-Tropfen 10%iger w/v-Saccharoselösung auf die Folie aufgetragen werden. (D) Um einen ausreichenden Fütterungsdruck für die erwachsenen Tiere zu gewährleisten, sollte ein zweites 5 cm x 5 cm großes Quadrat aus Paraffinfolie in ähnlicher Weise gespannt und über den Saccharosetropfen gelegt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 5: Einrichten einer Eiablagekammer. (A) Die benötigten Vorräte (im Uhrzeigersinn von oben links): Plastikfolie, ein fertiger Behälter für erwachsene Tiere (mit erwachsenen Behältern) und eine Petrischale mit 1 % Agarose (Eiablagemedium). (B) Das Behältnis für erwachsene Tiere sollte auf die Agarose gestellt werden, wobei die Kunststoff-Paraffinfolie/das 10%ige Saccharose-"Sandwich" direkt auf das Eiablagemedium gelegt wird. (C) Plastikfolie wird verwendet, um den Behälter für erwachsene Tiere am Eiablagemedium zu befestigen. Dadurch wird verhindert, dass das Medium zu schnell austrocknet. (D) Es sollte darauf geachtet werden, dass das Sieb des Behälters für Erwachsene nicht abgedeckt wird, damit der Luftaustausch fortgesetzt werden kann. (E) Schematische Darstellung der Eiablagekammer. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 6: Befeuchtete Haube. Um das Injektionszielfernrohr herum wurde eine mit einem Luftbefeuchter ausgestattete Haube angebracht, um Zugluft zu minimieren und die Luftfeuchtigkeit während der Handhabung der Embryonen aufrechtzuerhalten. Klappen können über den Eingang geklappt werden, nachdem der Arbeiter an Ort und Stelle ist, um die Aufrechterhaltung der richtigen Luftfeuchtigkeit zu unterstützen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 7: Entnahme von Embryonen zur Vorbereitung auf Injektionen . (A) Embryonen, die im Eiablagemedium abgelegt wurden. Mit einer feinen Pinzette werden Embryonen aus dem Medium entnommen und auf dessen Oberfläche platziert. (B) Ein schmaler Streifen aus doppelseitigem Klebeband von 1 mm x 15 mm auf einem Deckglas von 22 mm x 30 mm. (C) Das Deckglas kann auf das Eiablagemedium gelegt werden, um den Transfer der Embryonen von der Oberfläche des Mediums auf das Klebeband auf dem Deckglas zu erleichtern. (D) Die Embryonen von P. maidis sind bananenförmig, wobei ein Ende schmaler ist als das andere (schmales Ende mit roter Pfeilspitze angedeutet; breiteres Ende mit gelber Pfeilspitze im Beispielembryo angedeutet). Das breite Ende des Embryos sollte auf das Tape gelegt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 8: Injektion . (A) Die Injektionsplattform ist eine Petrischale, die bis zum Rand mit 1%igem Agar gefüllt ist. Das Deckglas mit einem Klebebandstreifen, der die Embryonen enthält, sollte direkt auf die Oberfläche der Injektionsplattform gelegt werden. (B) Der Injektionsdruck sollte vor der Injektion von Embryonen getestet werden, indem eine kleine Menge Injektionslösung in einen Tropfen Wasser "injiziert" wird. Diese Methode kann auch jederzeit während des Injektionsvorgangs angewendet werden, um die Nadel auf Verstopfungen zu überprüfen. (C) Embryonen sollten injiziert werden, indem die Nadel in das größere Ende des Embryos eingeführt wird. Die Injektionslösung sollte sichtbar sein, wenn die Injektion erfolgreich war. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 9: Pflege nach der Injektion . (A) Sobald alle Embryonen auf einem Deckglas injiziert wurden, sollte das Deckglas in eine frische Petrischale mit 1 % Agarose gelegt werden. (B) Die Petrischale mit dem Deckglas kann dann in einer Feuchtigkeitskammer (wie der gezeigten) aufbewahrt werden, bis die Embryonen schlüpfen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 10: Pmw-Knockout-Phänotyp. (A) Altersangepasste Kontroll- und (B) Pmw-Knockout-Embryonen mit sich entwickelnden Augen, die durch schwarze Pfeilspitzen gekennzeichnet sind. Der Embryo in B ist ein Mosaik, wie ein kleiner Streifen der Pigmentierung zu sehen ist. (C) Altersangepasste Kontroll- und (D) Pmw-Knockout-Jungtiere , wobei die Einschübe einen anderen Winkel auf den Augen zeigen. Das Jungtier in D ist ebenfalls ein Mosaik. Ein weißer Pfeil zeigt auf einen Bereich im Hauptbild, der den Pigmentverlust zeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 11: Pmw-Knockout-Sequenz . (A) Maßstabsgetreues Modell der Pmw-mRNA , markiert in 500-bp-Schritten, mit Angabe der Positionen der gRNA-Bindungsstellen: G1, blau; G2, gelb; G3, rosa. Alle Frame-Shift-Mutationen, die an diesem Punkt generiert werden, stören den Großteil des Übersetzungsprodukts. (B) Genomischer Kontext von gRNA-Stellen, alle in einem Exon (fett geschriebener Text). Hilfsbindungsstellen werden in den gleichen Farben wie A hervorgehoben und PAMs unterstrichen. Die Spanne beträgt ~300 bp. Die In-Frame-Übersetzung des Exons ist oben als einbuchstabige Abkürzungen in Großbuchstaben dargestellt. Markiert sind zwei Motive, die spezifisch für Augenpigmenttransporter sind. Das CDEPT-Motiv der funktionellen Walker-B-Domäne ist violett und das IHQP-Motiv der H-Schleifendomäne grün eingerahmt. Beide Domänen sind für die Funktion des ATP-Transporters von entscheidender Bedeutung. (C) Die Pmw-Zielregion wurde mittels zweier PCR-Runden amplifiziert. Das Produkt der zweiten Runde wurde an einem Gel auf Anzeichen einer Größenverschiebung untersucht, die auf die erfolgreiche Entfernung des Bereichs zwischen den Führungen zurückzuführen ist. Bahnen: L = 100 bp Leiter; 1 = PCR-Wasserkontrolle; 2 = Eingespeiste Eizellen puffern; 3-4 = zwei separate Sätze von Eiern, die mit einer Drei-Führungsmischung injiziert werden. Nur Embryonen, die die Drei-Guide-Mischung erhielten, produzierten sowohl die WT-Bande (roter Pfeil) als auch die Bande, die aus einer vollständigen Exzision resultierte (weißer Pfeil). (D) Um die Identität der unteren (weißer Pfeil) Bande zu bestätigen, wurde diese DNA gereinigt, kloniert und sequenziert. Die oberste Zeile ist die Wildtyp-Sequenz. Die anderen beiden Zeilen sind Sequenzen von zwei Klonen. Drei weitere Klone stimmten mit der unteren Sequenz überein. Die blaue Hervorhebung zeigt die Bindungsstelle von Guide 1 an, während die rosa Hervorhebung die Bindungsstelle von Guide 3 anzeigt. In beiden Allelen wurde die gesamte Region zwischen diesen beiden Leitstellen gelöscht. Abkürzungen: Pmw = Peregrinus maidis weißes Gen; gRNA = Leit-RNA; PAM = Protospacer-benachbartes Motiv; ATP = Adenosintriphosphat; PCR = Polymerase-Kettenreaktion; WT = Wildtyp; KO = K.O. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
| Garnitur | # Anzahl der Tassen | # der Weibchen in jedem Becher | # von Eiern | Gesamt # Eier |
| Tag 2 | Tag 3 | Tag 4 | Tag 5 | Tag 6 | Tag 7 | Tag 8 | Tag 9 |
| 1 | 10 | 15 | 0 | 26 | 166 | 355 | 530 | 193 | 91 | 37 | 1398 |
| 2 | 15 | 15 | 22 | 238 | 489 | 699 | 520 | 379 | 203 | 58 | 2608 |
| 3 | 8 | 15 | 0 | 57 | 230 | 190 | 116 | 80 | 34 | 1 | 708 |
| 4 | 10 | 15 | 0 | 226 | 446 | 519 | 301 | 179 | 24 | 15 | 1710 |
| Gesamt | 43 | 15 | 23 | 547 | 1331 | 1763 | 1467 | 831 | 352 | 111 | 6483 |
Tabelle 1: Repräsentative Eisammlungen aus der Umgebung der künstlichen Eiablage. Es werden Daten aus vier Sätzen von Eiersammelbechern angezeigt, wobei die Eierzählung am zweiten Tag nach dem Einrichten beginnt und bis zum neunten Tag läuft.
| Injektionsbehandlung | Gesamt injiziert | Gesamt entwickelt | Gesamt schraffiert | Entwicklungsrate (%) | Schlupfrate (%) |
| Puffer | 39 | 20 | 12 | 51 | 31 |
| Cas9 | 39 | 24 | 14 | 61 | 36 |
| Cas9 +Pmw gRNAs | 121 | 71 | 28 | 59 | 28 |
Tabelle 2: Überlebens- und Knockout-Raten aus Injektionen von 3 verschiedenen Injektionsmischungen.