The Mediterranean fruit fly (medfly) Ceratitis capitata (Diptera: Tephritidae) is a worldwide pest of agriculture. A deeper understanding of its biology is key to control medfly populations and thus reduce economic impact. Embryo microinjection is a fundamental tool allowing both germ-line transformation and reverse genetics studies in this species.
La mouche méditerranéenne des fruits (mouche méditerranéenne) Ceratitis capitata (Wiedemann) (Diptera: Tephritidae) est une espèce nuisible avec pertinence agricole extrêmement élevé. Cela est dû à son comportement de reproduction: les femelles endommagent la surface externe des fruits et légumes quand ils pondent des œufs et les larves se nourrissent hachurée sur leur pulpe. Sauvage C. populations capitata sont traditionnellement contrôlés par pulvérisation d' insecticides et / ou des approches écologiques, le plus de succès étant la technique de l' insecte stérile (TIS). Le SIT repose sur l'élevage en masse, la stérilisation à base de rayonnement et la dissémination des hommes qui conservent leur capacité à accoupler, mais ne sont pas en mesure de générer une descendance fertile. L'avènement et le développement rapide subséquente des outils biotechnologiques, ainsi que la disponibilité de la séquence du génome de la mouche méditerranéenne, a considérablement renforcé notre compréhension de la biologie de cette espèce. Cela favorisait la prolifération de nouvelles stratégies pour la manipulation du génome, qui can être appliquée au contrôle de la population.
Dans ce contexte, l'embryon microinjection joue un double rôle dans l'expansion de la boîte à outils pour le contrôle de la mouche méditerranéenne. La capacité à interférer avec la fonction des gènes qui régulent les processus biologiques clés, en effet, élargit notre compréhension du mécanisme moléculaire sous-jacente invasivité mouche méditerranéenne. En outre, la capacité de réaliser la transformation de la lignée germinale facilite la production de multiples souches transgéniques qui peuvent être testées pour les futures applications sur le terrain dans de nouveaux paramètres de SIT. En effet, la manipulation génétique peut être utilisé pour conférer des traits désirables qui peuvent, par exemple, être utilisés pour surveiller la performance des mâles stériles dans le domaine, ou qui peut entraîner au début de la létalité de stades de vie. Nous décrivons ici une méthode pour micro-injection des acides nucléiques dans des embryons de mouches méditerranéennes pour atteindre ces deux objectifs principaux.
La mouche méditerranéenne des fruits (mouche méditerranéenne) Ceratitis capitata est une espèce cosmopolite que intensivement dommages fruits et plantes cultivées. Il appartient à la famille des Tephritidae, qui comprend plusieurs espèces de parasites, tels que ceux appartenant aux genres Bactrocera et Anastrepha. La mouche méditerranéenne est l'espèce la plus étudiée de cette famille, et il est devenu un modèle non seulement pour l'étude des invasions d' insectes 1, mais aussi pour l' optimisation des stratégies de lutte antiparasitaire 2.
La mouche méditerranéenne est une espèce multivoltines qui peuvent attaquer plus de 300 espèces de sauvages et les plantes cultivées 3,4. Le dommage est causé par les adultes et les stades larvaires: femelles fécondées percent la surface du fruit pour la ponte, ce qui permet des micro-organismes d'affecter leur qualité commerciale, alors que les larves se nourrissent de la pulpe de fruits. Après trois stades larvaires, les larves émergent de l'hôte et se nymphosent dans le sol. Ceratitiscapitata affiche une répartition presque dans le monde entier, y compris l' Afrique, le Moyen-Orient, en Australie occidentale, centrale et Amérique du Sud, en Europe et régions des États-Unis 5.
Les stratégies les plus communes pour limiter les infestations de mouches méditerranéennes impliquent l'utilisation d'insecticides (par exemple, Malathion, spinosad) et respectueux de l' environnement Technique de l' insecte stérile (TIS) 6. Cette dernière approche implique la libération dans la nature des centaines de milliers de mâles rendus stériles par exposition à une irradiation ionisante. L'accouplement de ces mâles stérilisés aux femelles sauvages se traduit par aucune descendance, ce qui provoque une réduction de la taille de la population, pour aboutir finalement à l'éradication. Bien que le SIT a prouvé son efficacité dans de multiples campagnes dans le monde entier, ses principaux inconvénients comprennent les coûts élevés de l'élevage et de stérilisation des millions d'insectes à être libéré. Marquage des individus relâchés est nécessaire de distinguer stérile des insectes sauvages capturés sur le terrain pendantles activités de surveillance et il est actuellement réalisé en utilisant des poudres fluorescentes. Ces procédures sont coûteuses et ont des effets secondaires indésirables 7.
Afin d'optimiser et / ou de développer des approches plus efficaces pour le contrôle de ce ravageur, la biologie et la génétique mouche méditerranéenne ont été largement exploré par de nombreux chercheurs dans le monde entier. La disponibilité de la séquence du génome de la mouche méditerranéenne 8,9, facilitera de nouvelles enquêtes sur les fonctions des gènes. l'interférence ARN est un outil puissant pour de telles études et il peut être atteint par la microinjection d'ARNdb (en ARN double brin) ou siRNA (petits ARN interférents). Cette technique a été utilisée, par exemple, pour démontrer que la cascade moléculaire de détermination du sexe chez C. capitata est partiellement conservée par rapport à celle de la drosophile 10.
Le développement des protocoles à micro – injection d' embryons permis C. mouche méditerranéenne capitata d'être le premier nonespèces de mouches -Drosophilid à être génétiquement modifiées. Comme ses œufs sont semblables à ceux de la drosophile, tant en termes de morphologie et de la résistance à la dessiccation 11, le protocole pour délivrer l' ADN plasmidique dans des embryons pré-blastoderme premier développés pour D. melanogaster 12,13 a été initialement conçu pour être utilisé en C. capitata. Ces premières expériences ont permis la transformation de la mouche méditerranéenne lignée germinale sur la base des éléments transposables Minos 11. Par la suite, a été modifié le système d' origine 14 à l' aide d' autres approches à base de transposons. Tel est le cas de piggyBac de lépidoptères 15 Trichoplusia ni. Le protocole a depuis été optimisé, ce qui a permis la transformation d'autres espèces téphritides 16-21 ainsi que de nombreux autres diptères 22-31. Tous ces systèmes reposent sur l'utilisation d'un système typique de vecteur binaire / auxiliaire de transformation: plasmide artificiel, transp défectueuseles fils contenant les gènes souhaités sont assemblés dans l' ADN plasmidique et intégré dans le génome de l'insecte en fournissant l'enzyme transposase 32. Un certain nombre de lignes de mouches méditerranéennes transgéniques ont été générées, avec de multiples fonctionnalités, y compris des souches portant un gène létal dominant conditionnel qui induit la létalité, les souches produisant exclusivement masculine descendance et ne nécessitant donc pas de stratégies de sexage supplémentaires, et les souches avec le sperme fluorescent, qui peut améliorer la précision de la phase de surveillance SIT 33-37. Bien que la libération dans la nature des organismes transgéniques a eu lieu dans des essais pilotes contre les moustiques seulement 38,39, au moins une entreprise évalue un certain nombre de souches transgéniques pour leur mouche méditerranéenne utilisation dans le domaine 40.
Embryo microinjection peut également favoriser le développement de nouveaux outils génome-édition, telles que la transcription nucléases activateurs comme effecteurs (Talens), regroupées répétitions palindromiques courtes régulièrement espacées (CRISPR) / CRISPR protéine associée 9 nucléase (cas9) et endonucléases homing gènes (HEGs), ce qui permettra de nouvelles études sur l'évolution et le développement, ainsi que l'expansion de la boîte à outils biotechnologiques disponibles. Approches Genome-édition déjà permis à la génération de systèmes de gènes entraînement chez les moustiques 41, et leur transfert à la mouche méditerranéenne est imminente. Nous décrivons ici un protocole universel pour microinjection acides nucléiques dans des embryons qui peuvent être la mouche méditerranéenne utile pour toutes les applications mentionnées ci-dessus.
1. Experimental Set-up
2. Embryon Préparation
3. Embryo microinjection
4. Procédures de post-injection
Microinjection d'acides nucléiques dans les embryons d'insectes est une technique universelle qui facilite à la fois l'analyse de la fonction génique et des applications biotechnologiques.
La publication récente des séquences génomiques provenant d'un nombre croissant d'espèces d'insectes conduit à un besoin urgent d'outils pour la caractérisation fonctionnelle des gènes de fonction inconnue encore. L' ARN interférence est avérée être une des méthodes les plus utiles pour déduire des fonctions moléculaires 49 et la micro – injection d' embryons facilite ces études.
L' injection d'ADN de plasmide peut être utilisé pour modifier des génomes d' insecte en utilisant l' insertion de gène à médiation par transposase, et, plus récemment, des outils d'édition de génome (par exemple Talen CRISPR / cas9, HEGs). Ces techniques ont déjà permis le développement de souches de multiples espèces d'insectes qui pourraient être utilisés pour les programmes de lutte antiparasitaire, visant à la fois à l'éradication ou au remplacement de la population sauvage with insectes avec des caractéristiques biologiques modifiés. Dans ce protocole, on décrit un procédé optimisé pour la mouche méditerranéenne microinjection d'embryons avec un ADN de plasmide ou d'ARN double brin.
La disponibilité du bien établie et rentable à moyen larvaire semi-sec pour l'élevage de la mouche méditerranéenne, ainsi que l'information moléculaire étendue réalisés au cours des années par les chercheurs qui étudient la détermination du sexe et du processus de cellularisation dans cette espèce, facilitera grandement la mise en place d'un système fiable embryon protocole de micro-injection. En particulier, le protocole d'élevage a été optimisé pour garantir la fertilité maximale et la vitalité des embryons. Il est important de maximiser la probabilité d'obtenir des adultes viables avec le moins grand nombre d'embryons injectés possibles. Différents protocoles sont disponibles pour l'élevage de la mouche méditerranéenne, comme la nourriture des larves sur la base de la carotte que nous décrivons à l'arrière les larves injecté. Cependant, cette méthode est plus coûteuse et sa préparation est plus longue queautres supports utilisés pour l'élevage de routine.
Un obstacle important à l'utilisation de microinjection est le dommage spécifique causé par la manipulation mécanique des embryons. Cela inclut plusieurs variables influençant la survie des embryons, tels que le perçage des membranes embryonnaires avec le pinceau servant à orienter les embryons, les volumes injectés, le site d'injection et le tampon et le type d'aiguille utilisé 50. Certains de ces paramètres ont été optimisés, comme les volumes injectés et le tampon. Dans le cas des aiguilles, ils peuvent également être produits en interne à l'aide d'un extracteur, ce qui nécessite une étape d'optimisation pour déterminer le protocole idéal.
Parmi les principaux inconvénients de la procédure de microinjection est également dechorionation: bien que cette étape est essentielle pour rendre les œufs plus facile de gestionnaire (moins glissante) et pour faciliter l' injection, une exposition prolongée à l' eau de Javel peut fortement affecter la vitalité embryonnaire. for cette raison, le protocole que nous décrivons ici les rapports de l'utilisation d'un temps très court de dechorionation (5 sec), qui a été établi comme un bon compromis entre la suppression du taux de chorion et de survie.
Les protocoles utilisés à l'arrière du stade de la vie ultérieure sont également pertinents. Les larves écloses à partir d'embryons injectés doivent être éliminés de l'huile dès que possible. Le pétrole est en effet essentiel pour éviter la dessiccation des embryons, mais peut être nocif pour les larves. La méthode utilisée pour éliminer les larves, le temps passé dans l'huile, et le type d'aliments utilisés sont toutes les variables importantes qui doivent être pris en considération car ils peuvent compromettre le taux de survie final.
Lors de la sélection des adultes et les larves, les méthodes d'immobilisation peut être aussi critique. Adultes Medfly peuvent être immobilisés en utilisant soit la glace ou CO 2, mais une exposition prolongée peut être néfaste pour la survie des adultes. A titre d'alternative à l'embryon micro-injection, l'administration orale est révéléeêtre une méthode moins invasive et potentiellement à haut débit pour effectuer des essais de l'ARNi. Il peut être particulièrement efficace chez les espèces qui ne se prêtent pas à une micro-injection, ainsi que pour le contrôle de l'ARNi à médiation par un organisme nuisible dans les populations naturelles.
Dans cet article, deux cas ont été signalés à titre d'exemples des applications possibles du protocole décrit: d'abord, la transformation réussie par insertion du génome de la mouche méditerranéenne, qui a conduit à la création de plusieurs souches avec testicules fluorescentes gène transposase-médiée. En utilisant un procédé de micro-injection similaire, il est également possible d'injecter de l'ARN double brin, avec les effets de l'effet de choc étant visible jusqu'au stade adulte.
La mise en place d'un protocole de microinjection fiable pour les embryons de mouches méditerranéennes a ouvert la voie à envisager des souches génétiquement modifiées comme un outil pour lutter contre les mouches dans la nature, comme alternatives ou complémentaires des stratégies aux approches classiques, y compris les insectes stérilesTechnique. Enfin, les progrès récents dans la technologie pour la microinjection automatisé dans des embryons de poisson zèbre pourraient potentiellement contribuer au développement de systèmes de distribution à haut débit présentant de l' intérêt important pour la création de souches transgéniques de la mouche méditerranéenne et d' autres organismes nuisibles concernés 51.
The authors have nothing to disclose.
1 x injection Buffer | 0.1 mM phosphate buffer pH 7.4, 5 mM KCl | ||
Construct Plasmid | |||
Helper Plasmid | |||
dsRNA | Phenol-Chloroform purified | ||
Standard Larval food | 1.5 L H<sub>2</sub>O, 100 ml HCl 1%, 5 g broad-spectrum antimicrobial agent used in pharmaceutical products dissolved in 50 ml of ethanol, 400 g sugar, 175 g demineralized brewer's yeast, 1 kg soft wheat bran | ||
Carrot Larval Food | 2.5 g agar, 4 g sodium benzoate, 4.5 ml 37% HCl, 42 g yeast extract, 115 g carrot powder, 2.86 g broad-spectrum antimicrobial agent , water to 1 L | ||
Adult Food | yeast extract and sugar (1:10) | ||
Microscope slides | Sigma-Aldrich | Z692247 | |
Injection needles | Eppendorf | 5242956000 | |
Microloaders | Eppendorf | 5242956003 | |
Double slided tape | |||
Whatman Black circle paper | Sigma-Aldrich | Z695505 | |
Bleach | Diluite 1:2 before use | ||
Paintbrush (000) | |||
Micromanipulator | Narishige | MN-153 | |
Microinjector | Eppendorf | Femtojet | |
Adult cages | |||
Chlorotrifluoroethylene oil | Sigma-Aldrich | H8898 | |
<em>Ceratitis capitata</em> | The strain used is ISPRA |