בפרוטוקול זה, מבחן CRISPR/Cas12a משולב להגברת פולימראז רקומבינאז מודגם לזיהוי הפתוגן הצמחי הפולש, Fusarium oxysporum f. sp. cubense Tropical race 4.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
בפרוטוקול זה, מבחן CRISPR/Cas12a משולב להגברת פולימראז רקומבינאז מודגם לזיהוי הפתוגן הצמחי הפולש, Fusarium oxysporum f. sp. cubense Tropical race 4.
מעקב קבוע ומדויק הוא מרכזי לניהול יעיל של מחלות צמחים. זה יכול להצביע על דרך הפעולה המתאימה ביותר, והאם נדרשת מניעה, מיגור או אי פעולה. מעקב המבוסס על סימפטומולוגיה בצמחים מארחים בלבד לרוב אינו אמין בשל דמיון בתסמינים הנגרמים על ידי עקות ביוטיות ואביוטיות. שיטות מולקולריות מבוססות מעבדה כגון תגובת שרשרת פולימראז (PCR) וכמותית (q)PCR הן הנפוצות והאמינות ביותר לזיהוי פתוגנים בצמחים, אך מסתמכות על ציוד יקר ומפעילים מיומנים. כאן, אנו מתארים פרוטוקול המשלב מיצוי DNA מפושט, הגברת פולימראז רקומבינאז (RPA), וחזרות פלינדרומיות קצרות מקובצות (CRISPR)/Cas12a (RPA-Cas12a) לזיהוי הפתוגן הפולשני, Fusarium oxysporum f. sp. cubense Tropical race 4 (Foc TR4). הטכניקה מספקת חלופה פשוטה לזיהוי צינור יחיד שהיא חזקה מבחינה אנליטית עם ספציפיות משופרת בהשוואה למבחני זיהוי מולקולרי זמינים ושוללת את הצורך בציוד מעבדה יקר ומתוחכם.
נבילת פוסריום, הנגרמת על ידי הפתוגן הפטרייתי הנישא בקרקע Fusarium oxysporum f. sp. cubense (Foc), נחשב בעולם לאחד הפתוגנים הצמחיים חוצי הגבולות ההרסניים ביותר בהיסטוריה1. לאחר שהוכנס לאזור חדש, פוק נשאר בלתי נראה עד שצמחים נגועים מפתחים תסמינים. זה יכול לקחת חודשים, מה שמאפשר לפטרייה להתבסס ולהתפשט ללא ידיעתה. לאחר הקמתו, כמעט בלתי אפשרי למגר כלכלית בשל ייצור כלמידוספורים עמידים והאופי הרב-שנתי של ייצור בננות. החשיבות של מניעה וגילוי מוקדם, אם כן, היא בעלת חשיבות עליונה בהגנה על מגדלים פגיעים1. המגיפה הנוכחית של המחלה, הנגרמת על ידי הגזע הטרופי Foc 4 (TR4), מחייבת גילוי על ידי מעקב קבוע כדי לזהות צמחי בננה סימפטומטיים באזורים בסיכון גבוה. אילוצים אביוטיים כגון עקת מים ומחסורים תזונתיים מסוימים גורמים להצהבה חיצונית, הדומה לתסמינים הנוצרים על ידי זיהום Foc TR4. בנוסף, לא ניתן להבחין בתסמינים הנובעים מזיהום על ידי גזעי פוק שונים. טיהור מבוסס מעבדה וזיהוי פנוטיפי ומולקולרי לאחר מכן נחוצים, אם כן, לזיהוי אמין של Foc TR42. בדיקות מולקולריות שונות זמינות לזיהוי Foc TR4, כולל PCR, PCR כמותי (q) ובדיקות הגברה איזותרמית בתיווך לולאה (LAMP) 3,4,5,6,7. עם זאת, רוב הפרוטוקולים הללו עדיין דורשים מיומנויות וציוד יקרים ומיוחדים, שחייבים להתבצע בתנאי מעבדה. הגברת פולימראז רקומבינאז (RPA) יכולה להתבצע באופן איזותרמי ולכן מבטלת את הצורך בציוד כזה וניתן לשקול אותה עבור פרוטוקולי גילוי בשטח8.
מערכות פלינדרומיות קצרות מקובצות במרווחים קבועים (CRISPR)-Cas שימשו יותר ויותר לאבחון מולקולרי משופר9. מערכות אלו מופעלות מכיוון שהן זולות, פשוטות ואינן דורשות שימוש במכשור מיוחד, ולכן ניתן לשקול אותן לגילוי בשטח. אבחון מבוסס CRISPR כולל בדרך כלל הגברה איזותרמית של רצף מטרה, ואחריו זיהוי מטרה באמצעות חלבוני CRISPR-Cas ופיצול בטחוני של צבע מדווח פלואורסצנטי של DNA או RNA כדי להצביע על נוכחות המטרה10,11. במערכות CRISPR-Cas12a, באופן ספציפי, CRISPR RNA (crRNA) מנחה את Cas12a לזהות ולבקע מטרות של חומצות גרעין. ניתן לתכנן crRNA זה כך שיכוון לאזור ספציפי של DNA או RNA מעניין באמצעות הכלאה לרצף משלים. לאחר שנקשר, זה גורם ל-Cas12a לבקע את המטרה עם ספציפיות של נוקלאוטיד יחיד, ואחריו פיצול צדדי של מולקולות מדווחות12. לאחרונה נעשה שימוש במערכות CRISPR-Cas12a לאיתור פתוגנים שונים של צמחים פטרייתייםחשובים מבחינה כלכלית 13,14,15,16,17,18,19,20.
בפרוטוקול זה מתוארת הפיתוח של טכניקת זיהוי צינור יחיד, המשלבת מיצוי DNA מפושט, הגברת פולימראז רקומבינאז (RPA) וטכנולוגיית CRISPR/Cas12a (RPA-Cas12a) לגילוי Foc TR4, אשר הוצג הן על פלואורומטר נייד והן בעין בלתי תחת משדר אור כחול זול דיודה פולטת אור (LED)21. ניתן לבצע אופטימיזציה נוספת של השיטה לזיהוי בשטח כדי לשפר את אסטרטגיות המניעה והבלימה. ניתן להשתמש בגישה דומה גם כדי לתכנן מבחני זיהוי מבוססי Cas12a עבור פתוגנים צמחיים אחרים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. מיצוי DNA פשוט מחומר צמחי
הערה: ראה איור 1 לסקירה כללית.
2. סינתזת crRNA ובקרת איכות
3. הגברת פולימראז רקומבינאז (RPA)-Cas12a תגובה חד-שפופרית לזיהוי Foc TR4 במבחנה
הערה: ראה איור 3 לסקירה כללית.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
זיהוי מוצלח של Foc TR4 מחומר צמחי נגוע באמצעות מיצוי DNA פשוט ואחריו בדיקת RPA-Cas12a המשולבת כאשר נערכה בפלואורומטר הנייד Genie III מודגם באיור 4A. דגימות חיוביות מראות פלואורסצנטיות גלויה (נתיב 6-8), בעוד שדגימות שליליות מראות פלואורסצנטיות נמוכה (נתיב 1-5). כאשר צינורות הדגימה נצפו תחת אור כחול LED, הדגימות הנגועות ב-Foc TR4 הראו גם פלואורסצנטיות גלויה (איור 4B). לעומת זאת, DNA מרקמת צמח שאינה נגועה ב-Foc TR4 לא הניב פלואורסצ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מעקב קבוע הוא אסטרטגיה חשובה למאמצי מניעה והכלה יעילים של Foc TR4 ומזיקים פולשניים חשובים אחרים. פרוטוקולי זיהוי שניתן ליישם בשטח, ולזהות במהירות ובדייקנות פתוגנים, יכולים להאיץ את קבלת ההחלטות ולהגביל את העלויות הכרוכות במאמצי המעקב. לשם כך, הפרוטוקול המוצג כאן שילב מיצוי DNA מפושט, שבוצע ישירות על חומר צמחי שנדגם, אשר נכלל לאחר מכן בבדיקת צינור אחד המשלבת תגובות RPA ו-Cas12a, לזיהוי מהיר ורגיש של Foc TR421.
אחד היתרונות החשובים ביותר ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחברים אינם מצהירים על אינטרסים פיננסיים או אינטלקטואליים מתחרים.
אנו מכירים במימון מקרן המחקר הלאומית של דרום אפריקה, מספר מענק: 138109, במסגרת תוכנית התמיכה התחרותית לחוקרים לא מדורגים. אנו מכירים גם במימון תוכנית המחקר והחדשנות של האיחוד האירופי Horizon 2020 במסגרת מספר המענק של פרויקט INDICANTS: 890856.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| חלבון EnGen LBA Cas12a (Cfp1) | ניו אינגלנד ביולאבס | M0653T | |
| EnGen Lba Cas12a Diluent | ניו אינגלנד ביולאבס | B0653A | |
| שפופרות PCR של אפנדורף | מרק | EP0030124332 | |
| אפנדורף מיקרו-מבחן מנעול בטוח | מרק | EP0030121708 | |
| שקיות חילוץ אוניברסליות | ביורה | 430100 | |
| סולם DNA של GeneRuler 100 bp | תרמו פישר סיינטיפיק | SM0241 / SM0242 | |
| ג'יני צנטריפוגה מיני-6KO | OptiGene | אופ-פיוג' | |
| ג'יני III | OptiGene | https://www.optigene.co.uk/instruments/genie-iii/ | |
| מחזיק ג'יני סטריפ | OptiGene | GBLOCK-01 / GBLOCK-02 / GBLOCK-03 | |
| ג'יני סטריפס | OptiGene | OP-0008-50 / OP-0008-500 | |
| ערכת סינתזת RNA HiScribe T7 בעלת תפוקה גבוהה | ניו אינגלנד ביולאבס | E2040S | |
| ספקטרופוטומטר UV/Vis NanoDrop ND-1000 | תרמו פישר סיינטיפיק | https://caeonline.com/buy/spectrometers/nanodrop-nd-1000/293669253 | |
| NEBuffer 3 | ניו אינגלנד ביולאבס | B7003S | |
| NEBuffer r2.1 | ניו אינגלנד ביולאבס | B6002S | |
| אבקת פוליווינילפירולידון (PVP) | סיגמא-אלדריץ' | 9003-39-8 | |
| ערכת RNA Clean ו-Concentrator-5 | מחקר זימו | R1013 | |
| צבע טעינה של RNA | תרמו פישר סיינטיפיק | R0641 | |
| טרנסליומיינטור SmartBlue Blue Light | אקיוריס אינסטרומנטס | E4000-E | |
| כדורי נתרן הידרוקסיד (NaOH) | מרק, אמפרטה | K277 | |
| טריס (הידרוקסילמתיל) אמינומתאן | מרק | 77-86-1 | |
| ערכת TwistAmp Liquid Basic | TwistDx | TALQBAS01 |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.