Desarrollo de lesiones locales inducidas dirigidas en las poblaciones de genomas (TILLING) en cultivos de granos pequeños por mutagénesis etnometametanada
16 de julio de 2019
Descrito es un protocolo para el desarrollo de una población de lesiones locales inducidas dirigidas en genomas (TILLING) en cultivos de grano pequeño con el uso de metanoesulfonato etílico (EMS) como mutágeno. También se proporciona un protocolo para la detección de mutaciones utilizando el ensayo Cel-1.
Este protocolo detalla el desarrollo de poblaciones robustas de TILLING con alta frecuencia de mutación por ems mutagénesis en cultivos de grano pequeño. Las poblaciones de TILLING se pueden utilizar para la genómica funcional, así como para el descubrimiento de genes del espacio genético hacia adelante en cultivos de granos pequeños. Las poblaciones DE TILLING desarrolladas con esta técnica tienen altas frecuencias de mutación, y este protocolo se puede aplicar a cualquier genotipo.
La detección de mutaciones basada en el ensayo Cel-1 se puede llevar a cabo utilizando equipos básicos de laboratorio. El paso más importante es determinar la concentración óptima de EMS. Por lo tanto, una curva de dosificación EMS debe hacerse específicamente para la población individual.
Para empezar, remoja 100 semillas con el genotipo de interés en cada uno de los seis matraces de vidrio de 250 mililitros, que contienen 50 mililitros de agua destilada. Agitar a 100 RPM durante ocho horas a temperatura ambiente para la imbibición. A continuación, en una campana de humo, preparar 50 mililitros de soluciones EMS de cinco concentraciones diferentes mediante la mezcla de líquido EMS y agua destilada.
Después de la inbibición, decantar el agua de cinco matraces. Añadir 50 mililitros de solución EMS en cada uno de los cinco matraces que contienen semillas impregnadas. Agitar los matraces durante 16 horas a 75 RPM y temperatura ambiente.
Ahora, decantar la solución emS en una botella de desecho vacía y verter las semillas tratadas en la tela de queso colocadas en una botella de desecho vacía para recogerlas por separado para cada tratamiento. Use agua extra para ayudar a verter las semillas. Además, rocíe varios mililitros de solución inactivadora de EMS en la pared de los matraces contaminados.
Y sumerja las puntas de pipeta usadas en la solución durante 24 horas. Inactivar la solución EMS utilizada mediante la adición de un volumen de solución de inactivación de EMS para tratar durante 24 horas. Con una corbata de torsión, sostenga las semillas tratadas con EMS dentro de la tela de queso y lave con agua corriente del grifo durante dos horas.
Después del lavado, trasplantar cada semilla individualmente en entrenadores de raíces que contengan tierra para macetas. Cultivar plantas a 20 a 25 grados centígrados durante un período de luz de 16 horas. Después de 15 días de trasplante, revise las plantas y cuente el número de semillas que no germinaron.
Registrar datos de supervivencia vegetal. Si la tasa de supervivencia no está dentro de 40 a 60%realizar una segunda ronda de optimización de dosificación con una concentración modificada hasta lograr la tasa de letalidad deseada de 40 Para 60%Después del experimento de mutagénesis, recoger el tejido de la hoja de las plantas M2 en una caja de recolección de tejido de 96 pozos. El tejido se recoge de plantas M2 que fueron cultivadas a partir de plantas de M1 autoatadas.
Se muestra una planta M2 de cada planta M1. Extraiga ADN utilizando un kit de extracción de ADN vegetal con un sistema de purificación de ADN siguiendo las recomendaciones del fabricante. A continuación, cargue dos microlitros del extracto de ADN en placas LV con 16 ranuras.
Cuantifique el ADN utilizando un espectrofotómetro a longitudes de onda de 260 y 280 nanómetros. Diluir la concentración de ADN a 25 nanogramos por microlitro con agua libre de nucleasas. Cree cuatro acumulaciones de ADN de 200 microlitros combinando el ADN de cada pozo en los cuatro bloques de pozos 96 en una placa de piscina mientras mantiene la identidad de fila y columna de cada muestra.
A continuación, prepare un tubo de mezcla maestro de PCR para imprimaciones específicas genéticas añadiendo en cada tampón de PCR de tubo, imprimaciones hacia adelante y hacia atrás, y ADN polimerasa según el manuscrito. Aliquot la mezcla maestra en los pozos de una placa PCR de 96 pozos. A continuación, agregue la plantilla de ADN agrupada.
Cargue los tubos PCR en un ciclor térmico y utilice un perfil de touchdown para ejecutar la reacción PCR en el ciclor térmico. Para generar heteroduplexes entre DNAs no coincidentes, incubar productos de PCR en el ciclo térmico en un programa diferente. A continuación, agregue 2,5 microlitros de endonucleasa Cel-1 casera a cada uno de los productos de PCR heteroduplexed.
Incubar durante 45 minutos a 45 grados centígrados. Después de eso, terminar la reacción Cel-1 mediante la adición de 2,5 microlitros de 0,5 molar EDTA a pH ocho. Cargue 30,5 microlitros de cada producto tratado Con Cel-1 mezclado con cinco microlitros de tinte en un gel de 3% agarosa y corra a 100 voltios durante dos horas y media.
Para desconvoluntar piscinas mutantes, determinar la cigosidad de los mutantes mediante la ejecución de dos reacciones PCR para el ADN M2 individual en el que la primera reacción contiene 2,5 microlitros de ADN M2 y 2,5 microlitros de ADN de tipo salvaje y la segunda reacción contiene sólo cinco microlitros de ADN M2. Este protocolo muestra la mutagenización del SME de los cultivos de granos pequeños y la caracterización de mutantes. La curva de dosificación indica dosis óptimas de EMS para las tasas de supervivencia deseadas del 50% para tres especies diferentes de trigo.
La presencia de fenotipos fácilmente identificables en la población M2 confirma la eficacia de la mutagénesis en poblaciones de granos pequeños. Aquí hay cuatro ejemplos de los fenotipos mutantes en las poblaciones M2 TILLING, un mutante albino en una población de cebada M2, un mutante de cloro en una población de cebada M2, un mutante variado con decoloración rosa en una población de Aegilops tauschii M2, y un mutante de baja labranza en una población de Triticum monococcum M2. Una identificación mutante usando Cel-1 en plataformas de gel de agarosa muestra una posible piscina mutante identificada de 12 piscinas mutantes por bandas únicas.
La desconvolución de las piscinas mutantes determinó la cigosidad de la mutación y ayudó a rastrear la mutación hasta muestras individuales. La piscina A4 tenía mutaciones heterocigotas, indicadas por bandas cortadas en muestras de ADN de tipo salvaje de la caja 4 y de la caja 4. La piscina H5 contenía mutaciones homocigotas, ya que las bandas únicas de corte sólo estaban presentes en la muestra de ADN de tipo salvaje de la caja 5 H5.
El paso más importante es determinar la concentración óptima de EMS para lograr una tasa de letalidad de 40 a 60%. Una vez que se ha desarrollado una población TILLING con una alta frecuencia de mutación, se puede utilizar para la caracterización funcional de cualquier gen de interés. Además, la población puede ser una fuente de variación genética útil para la mejora de los cultivos.
TILLING se ha utilizado ampliamente para estudios genómicos funcionales en plantas modelo y de cultivo. La gama de mutaciones obtenidas puede ser missents, knockouts, silent, o incluso misspliced forms. El SME es un mutágeno.
Por lo tanto, utilice el equipo de protección personal adecuado mientras manipula el EMS. Descontamine las soluciones sobrantes y las puntas de pipeta usadas.
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Resumen
Este protocolo describe el desarrollo de poblaciones TILLING robustas con alta frecuencia de mutaciones mediante mutagénesis con EMS en cultivos de cereales menores. Las poblaciones TILLING pueden utilizarse en genómica funcional y en el descubrimiento de genes mediante enfoques genéticos directos.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Genética
- Biología Vegetal
- Mutagénesis
Antecedentes
- TILLING es una herramienta de genética inversa utilizada para identificar mutaciones.
- El EMS es un mutágeno químico que induce mutaciones puntuales.
- Los cultivos de cereales pequeños son importantes para la seguridad alimentaria.
- Una alta frecuencia de mutación es esencial para el descubrimiento eficaz de genes.
Objetivo del estudio
- Desarrollar poblaciones TILLING en cultivos de cereales menores.
- Mejorar la investigación en genómica funcional.
- Facilitar estudios de genética directa.
Métodos Utilizados
- Mutagénesis con etilmetanosulfonato (EMS).
- Desarrollo de curvas de dosis de EMS para determinar la concentración óptima.
- Ensayo Cel-1 para la detección de mutaciones.
- Aplicación a diversos genotipos.
Resultados principales
- Altas frecuencias de mutación obtenidas en poblaciones TILLING.
- Protocolo aplicable a cualquier genotipo.
- Equipo básico de laboratorio suficiente para la detección de mutaciones.
- La concentración óptima de EMS es crucial para el éxito.
Conclusiones
- El protocolo proporciona un método confiable para TILLING en cereales menores.
- Apoya los esfuerzos de genómica funcional y descubrimiento de genes.
- Las aplicaciones futuras pueden mejorar las estrategias de mejora de cultivos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
El desarrollo de poblaciones TILLING de alta frecuencia en cultivos de granos pequeños permite la validación funcional de genes en contextos donde los métodos basados en transformación son limitados. Este enfoque apoya la validación de objetivos y el cribado fenotípico mediante la generación de series alélicas para la reducción de riesgos mecanicistas. El ensayo Cel-1 proporciona un método reproducible y de bajo costo para la detección de mutaciones, facilitando el cribado inicial y la identificación de candidatos prometedores en las líneas de mejora de cultivos.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la verificación de hipótesis terapéuticas mediante la generación de series alélicas en sistemas relevantes para la enfermedad.
- Valor operativo: Facilita la reducción de riesgos biológicos al vincular el genotipo con el fenotipo en modelos de cereales menores.
- Valor científico: Aumenta la confianza en los blancos al permitir la validación funcional de genes de interés mediante la detección de mutaciones.
Desarrollo de ensayos y cribado
- Valor científico: Prepara sistemas biológicos validados para ensayos posteriores utilizando el ensayo Cel-1 basado en PCR en gel de agarosa.
- Valor operativo: Asegura la estandarización y reproducibilidad del ensayo mediante curvas de dosis de EMS optimizadas y un objetivo de letalidad del 40–60 %.
- Valor científico: Permite mediciones cuantitativas de variables dependientes mediante la desconvolución de grupos mutantes y la determinación de la homocigosidad.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Valor científico: Proporciona sistemas relevantes para la enfermedad para estudiar la función génica en cultivos de cereales pequeños con fenotipos mutantes observables.
- Valor operativo: Apoya la alineación translacional de biomarcadores al conectar lesiones moleculares con resultados fenotípicos.
- Valor científico: Facilita el desarrollo de modelos preclínicos mediante poblaciones M2 estables derivadas de líneas M1 autofecundadas.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
El método se integra en los flujos de trabajo de descubrimiento temprano al permitir la prueba de hipótesis, la aclaración de vías y la reducción de riesgos biológicos antes de la identificación del compuesto líder.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis y la aclaración de rutas mediante la inducción y detección de mutaciones dirigidas en genes diana.
- Selección: Proporciona disponibilidad para ensayos y resultados cuantitativos mediante la detección de mutaciones basada en Cel-1 en muestras de ADN agrupadas.
- Análisis: Permite la comparación de condiciones mediante la formación de heterodúplex y el análisis de bandas cortadas en geles de agarosa.
- Investigación Traslacional: Se conecta con la continuidad preclínica mediante líneas mutantes estables con fenotipos identificables para la validación de caracteres.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma de mutagénesis reutilizable, aplicable a cualquier genotipo, para la generación sostenida de variación genética.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva mediante espectros de mutación de alta frecuencia que incluyen variantes con cambio de sentido, pérdida de función y variantes de empalme.
- Valor operativo: Normalización y escalabilidad mediante la optimización de curvas de dosis y el ensayo Cel-1 dependiente de equipos básicos.
- Valor estratégico: Mejora en las decisiones de continuar o descartar proyectos al reducir la ambigüedad mecanicista en los estudios de función génica.
- Impacto en la cartera: Priorización ajustada al riesgo mediante el acceso a variantes alélicas para la mejora de cultivos y la validación de caracteres.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en mutagénesis, extracción de ADN y detección de mutaciones basada en PCR.
- Depende de cicladores térmicos, espectrofotómetros y sistemas de electroforesis en gel de agarosa.
- Necesita estandarización entre equipos en el manejo de EMS, agrupamiento de ADN y protocolos de reacción con Cel-1.
- Requiere adaptación entre sistemas modelo mediante el desarrollo de curvas de dosis específicas para cada genotipo.
- Limitación práctica: la sensibilidad en la detección de mutaciones depende de la formación de heterodúplex y de la optimización de la actividad de Cel-1.
