このプロトコルは、効率的なキャベツ葉肉プロトプラストシステムについて説明しています。さまざまな酸素欠乏治療が試験され、システムは低酸素反応性遺伝子の高い活性化を示し、 アブラナ科 野菜の洪水耐性の遺伝的および分子的メカニズムの研究を促進しました。
方法論記事
このプロトコルは、効率的なキャベツ葉肉プロトプラストシステムについて説明しています。さまざまな酸素欠乏治療が試験され、システムは低酸素反応性遺伝子の高い活性化を示し、 アブラナ科 野菜の洪水耐性の遺伝的および分子的メカニズムの研究を促進しました。
気候変動が大雨をもたらす中、 アブラナ科 の主要な野菜であるキャベツは、洪水による低酸素ストレスにより、大幅な収量減少に直面しています。キャベツの氾濫耐性のメカニズムを特定するには、キャベツの形質転換難性を克服するための遺伝的機能研究のための汎用性の高いプラットフォームが必要です。この研究では、キャベツのプロトプラスト一過性発現システムとそれに対応するプロトプラスト低酸素誘導プロトコルが開発されました。このプロトコールは、キャベツの葉からのプロトプラスト単離の高収率と完全性を達成し、最適化された酵素条件を使用してトランスフェクション効率が40%を超えました。治療前に低酸素の影響を軽減するために、W5溶液を酸素ガスで泡立てて溶存酸素レベルを上げました。EC-オキシラーゼ、オキシフルオール、亜硫酸ナトリウム、脱酸素パックなど、酸素レベルの調整と生理的酸素捕捉処理のためのいくつかの化学物質が試験されました。デュアルルシフェラーゼアッセイでは、キャベツのプロトプラストで嫌気性呼吸応答遺伝子 BoADH1 および BoSUS1L のプロモーターが低酸素治療後に活性化され、脱酸素パックによる処理後に最も高い誘導レベルが観察されることが示されました。要約すると、キャベツのプロトプラスト一過性発現システムと低酸素治療の組み合わせは、効率的で便利なプラットフォームを示しています。このプラットフォームは、キャベツの低酸素応答に関連する遺伝子機能と分子メカニズムの研究を容易にすることができます。
地球規模の気候変動は洪水を悪化させ、世界中でますます重要な問題として浮上しています。ここ数十年で洪水の頻度が増加傾向にあり、その結果、作物の大幅な損失が発生しています1,2。キャベツ(Brassica oleracea var. capitata L.)は、世界的に重要な野菜ですが、大雨の悪影響を受けやすいため、極端な気象現象に直面しても持続可能な生産を確保するためには、洪水に強いキャベツ品種の開発が必要です。したがって、キャベツの浸水ストレスに関連する分子メカニズムを理解することは、この課題に対処するために不可欠です。
水没条件下での植物の遺伝子制御メカニズムを理解するために、トランスジェニック系統は遺伝機能研究に広く使用されています。しかし、このアプローチは、高コスト、時間のかかる形質転換、継代培養のプロセス、および多くの作物種での形質転換効率の低さによって制約を受けており、代替の方法論の開発が必要です。プロトプラストベースの一過性発現システムは、汎用性と効率性に優れた代替手段として、植物分子研究に広く応用されています。これらのシステムは、プロモーター活性、環境手がかりに応答したシグナル伝達経路、タンパク質-タンパク質またはタンパク質-DNA相互作用、および細胞内局在の研究を容易にします3。プロトプラスト一過性発現系の確立は、モデル植物4,5だけでなく、サトウキビ6、カーネーション7、胡蝶蘭8、ナス9などの経済的に重要な作物でも報告されている。さらに、これらのシステムは、Camellia oleifera10やPopulus trichocarpa11などの木本植物に成功裏に実装されています。しかし、水没による低酸素ストレス下で葉物野菜を研究するためにプロトプラストシステムを適用するためのプロトコルは限られています。したがって、キャベツプロトプラスト一過性発現システムを使用して葉物野菜の低酸素応答を研究することに関心のある人のために、この研究で統合されたプロトコルが開発されました。
細胞レベルでの浸水誘発性低酸素応答を実行するために、低酸素環境をシミュレートするために、以前の研究ではいくつかの酸素捕捉方法が採用されてきました。これらには、EC-オキシラーゼ、オキシフルオール、亜硫酸ナトリウム、および酸素消費バッグの使用が含まれます。EC-オキシラーゼは、通常、ヒト細胞株12およびシロイヌナズナプロトプラスト13の嫌気性治療に使用されます。OxyFluorは、生細胞蛍光イメージング中の活性酸素種によって引き起こされる光退色を軽減するのに効果的であることがわかっています14,15。亜硫酸ナトリウムは、線虫の嫌気性治療に用いられており16、最近では、イネのプロトプラストに、クロマチン免疫沈降(ChIP)アッセイ17などの技術と組み合わせて用いられている。主に嫌気性細菌培養18に使用される脱酸素パックは、嫌気性条件下でトウモロコシプロトプラストのZmPORB1プロモーターの活性化を誘導する有効性も実証されています19。
本研究は、キャベツのプロトプラスト単離と一過性発現のための強固なパイプラインを確立することを目的としています。その後、デュアルルシフェラーゼアッセイを用いて嫌気性応答遺伝子のプロモーター活性を評価することにより、様々な酸素調整治療の有効性を評価した。この研究で開発されたプロトコルは、 アブラナ属 のシステムの浸水または低酸素ストレスに関連する将来の研究にとって価値があると期待されています。
この研究では、2つの市販のキャベツ品種(B. oleracea var. capitata)、「冬鳥」と「228」が利用されました。プロトコルワークフローを図 1に示します。本試験で使用した試薬および装置の詳細は、 材料表に記載されています。
1.キャベツの苗の準備
2.キャベツプロトプラストの分離
3. プロトプラストトランスフェクション
4. キャベツプロトプラストの低酸素治療
5. デュアルルシフェラーゼアッセイ
この研究では、キャベツのプロトプラストを利用した一過性発現システムの開発に成功しました(ワークフローについては図1を参照)。プロトプラストは、セルラーゼ/マセロチーム消化と暗真空浸潤(図2B、C)を使用して、市販のキャベツ品種「ふゆどり」および「228」から適切なサイズの2〜3週齢のキャベツ本葉(図2A)から単離されました。インキュベーション中に水中のプロトプラストが経験する低酸素状態を緩和するために、酸素マシンに接続されたエアストーンバブラーを使用してW5溶液を酸素化しました(図2D)。このプロセスにより、W5溶液中の溶存酸素濃度が7.84mg·L-1 ± 0.05 mg·L-1から29.18mg·L-1 ± 0.43 mg·L-1 酸素が泡立ってから 5 分後。単離プロセス後、一晩の消化期間後のプロトプラストの収率は、「ふゆどり」で1.04 x 107、「228」で4.00 x 106 protoplasts·g-1新鮮重量でした(図2E)。その後、GFPをレポーター遺伝子としてPEG媒介トランスフェクション法の形質転換効率を評価し、キャベツのプロトプラストトランスフェクション効率が両栽培品種で40%を超えていることを示し(図2F)、このシステムの生存性を確認しました。
さらに、キャベツの嫌気性呼吸応答遺伝子である BoADH1p::Lucおよび BoSUS1Lp::Lucベクター(図3A)のプロモーターコンストラクトをレポーターとしてキャベツプロトプラストに導入し、いくつかの処理の低酸素誘導効果を評価しました。また、この一過性発現モデルシステムには、さまざまな酸素調整処理も施されました。その結果、亜硫酸ナトリウムを除くすべての酸素捕捉処理が、キャベツのプロトプラストに低酸素反応をうまく誘発することが示されました(図3B)。具体的には、 BoADH1 のプロモーター活性は、EC-OxyraseおよびOxyFluorによる処理後の対照と比較して、それぞれ約2.6倍および3.2倍に増加し、特に、脱酸素パック処理では7.0倍以上増加しました(図3B)。同様に、 BoSUS1L プロモーター活性はEC-Oxyrase処理で約1.7倍、OxyFluor処理では1.8倍に上昇し、脱酸素パック処理では5.6倍以上の大幅な増加が見られました(図3B)。これらの結果から、脱酸素パックは、このキャベツプロトプラスト実験系において、低酸素環境を作り出すのに優れた効果を発揮することが示唆された。

図1:プロトプラスト単離ワークフローのグラフ表示。 この図は、キャベツの葉組織からプロトプラストを単離する段階的なプロセスを示しています。ワークフローは、手順を明確に理解できるように視覚的に描かれています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:キャベツの葉組織からのプロトプラストの単離 (A)市販のキャベツ品種「ふゆどり」と「228」の推奨成長期の外観を示す。2葉期のキャベツの2番目に新しく完全に拡大した本葉(矢印で示されている)は、プロトプラストの分離のために選択されます。スケールバー:2cm.(B)キャベツの葉のストリップの真空浸透プロセスには真空ポンプとデシケーターが使用され、酵素消化の前に30分間の浸潤が行われます。(C)酵素消化中のキャベツの葉のストリップの状態が描かれています。葉組織の完全な消化には、合計4〜16時間が必要です。スケールバー:3cm.(D)写真は、エアストーンに接続された酸素濃縮器を使用して、W5溶液中の溶存酸素濃度を増加させていることを示しています。スケールバー:5cm.(E)「冬鳥」と「228」の両方のキャベツ品種から、新鮮重量(FW)1グラムあたり4.00 x 10を超える6 つの葉肉プロトプラストが得られ、顕微鏡で観察されました。スケールバー:200 μm. (F) 両方のキャベツ遺伝子型由来のプロトプラストのトランスフェクション効率は、構成的に発現したGFPレポーターを使用した場合、40%を超えることが示されています。スケールバー:200μmこの 図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:酸素欠乏条件下でのキャベツプロトプラストの低酸素応答。 (A)低酸素応答遺伝子コンストラクトである BoADH1 および BoSUS1L プロモーターをレポーターとして利用し、キャベツプロトプラストの「ふゆどり」の低酸素応答を評価します。(B)合計5μgのレポータープラスミドを「フユドリ」キャベツプロトプラストにトランスフェクトし、酸素泡W5溶液中でインキュベートした後、低酸素処理に4時間曝露します。W5溶液にEC-オキシラーゼ(0.6単位・mL-1)、オキシフルオール(0.6単位・mL-1)、亜硫酸ナトリウム(1g・mL-1)を添加することにより、インキュベーション中の酸素レベルが低下します。脱酸素剤パックの処理は、3.5Lの嫌気性ジャーに2つの脱酸素剤バッグを入れることによって行われます。「CK」グループは、低酸素治療を行わない対照群を表しています。処理後、プロトプラストを回収し、デュアルルシフェラーゼアッセイを行います。各値は SD ±平均を表し、n = 4 です。異なる文字は、LSDの事後検定による一元配置ANOVAに基づく有意差(P < 0.05)を示します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
表1:酵素溶液、W5溶液、MMG溶液の調製。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル1:プロトプラストトランスフェクションのプラスミドの詳細。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
このプロトコルは、2つの市販のキャベツ品種からのプロトプラスト単離のための合理化された方法を提供します。この分析法の有効性は、主に、生存可能なプロトプラストの収量とプロトプラストトランスフェクションの効率という2つの重要な品質管理パラメーターを通じて評価されます。このプロトコルの実施により、4.00 x 106 protoplasts·g−1·両方のキャベツ品種から得られた葉肉組織のFW(図2E、F)。この収量は、ナス、カーネーション、サトウキビ、およびプロトプラストの収量が2.5 x 106から1.4 x 107 protoplasts·g−1·FWの6,7,9,17。これらの結果は、B. oleraceaの多様な遺伝的背景に対するこのプロトコルの適用可能性を示唆しています。
このプロトコルの成功は、いくつかの重要な要素にかかっています。最も重要なのは、適切な成長段階で健康なキャベツの苗から特定の葉を利用することです(図2A)。古い植物や不健康な植物を使用すると、プロトプラストの品質が低下する可能性があります。また、葉の組織を0.5〜1.0 mmのストリップに慎重にカットし、鈍い刃で押しつぶさないようにすることも重要です。4〜16時間続く酵素消化プロセスは、別の重要なステップです。消化期間が4時間未満の場合、消化が不完全になる可能性があり、消化時間が16時間を超えると細胞ストレスのリスクがあります。特に、「フユドリ」のように葉が厚い遺伝子型は、消化時間を延長することでプロトプラストの収量を最大化することが有益である可能性があります。対照的に、「228」は完全な消化にわずか4時間しか必要としませんでした。さらに、消化時間が広いため、実験スケジュールの柔軟性を高めることができます。例えば、4時間の消化では、プロトプラストの単離とその後の一過性アッセイを1日以内に完了させることができます。逆に、16時間の消化では、夕方に酵素消化を開始することができ、翌日に後続のステップを完了することができるため、このプロトコルを適用する際の利便性を高めることができます。さらに、プロトプラストは脆弱で機械的ストレスを受けやすいため、プロトプラスト単離プロセス全体を通じてプロトプラストを優しく取り扱うことが重要です。
洪水ストレスを表す嫌気性条件をシミュレートするために、このプロトコルでは、一般的な酸素排出剤と酸素消費バッグを使用して低酸素環境を作り出しました。システムの有効性を高めるために、酸素マシンを使用してW5溶液を酸素化し(図2D)、処理前のインキュベーション期間中にキャベツのプロトプラストのバックグラウンド低酸素応答シグナルを減らすことを目指しています。5分間の酸素化プロセスにより、溶存酸素レベルが7.84mg·L-1 ± 0.05 mg·L-1 から29.18mg·L-1 ± 0.43 mg·L-1は、低酸素状態の緩和における顕著な効果を示しています。本研究で用いた酸素捕捉法の中で、脱酸素パックは優れた性能を示し、嫌気性応答コア遺伝子2種において最も高いプロモーター活性を誘導しました(図3)。さらに、この方法には拡張性という追加の利点があり、各細胞培養プレートに酸素捕捉剤を個別に塗布するのではなく、1つの嫌気性ジャーに酸素を消費するバッグを使用して複数のサンプルを同時に処理できます。要約すると、脱酸素パックは、低酸素条件下でのキャベツプロトプラストの応答を評価するのに適した便利で効果的なプラットフォームを提供します。
このプロトコルにはいくつかの利点がありますが、その限界、特にキャベツのプロトプラストのトランスフェクション効率が比較的控えめであることを認識することが重要です。この効率は シロイヌナズナ5で報告された90%には達していませんが、それでもプロモーター活性に関するその後の研究を成功させるには十分であることが証明されており(図3)、このシステムでの機能分析の大きな可能性を示しています。
主要な野菜作物としてのキャベツの世界的な重要性を考えると、このプロトコルを低酸素治療および遺伝子分析技術と統合することで、洪水条件下でのキャベツの調節メカニズムについてさらなる洞察を得ることが期待できます。このような洞察は、洪水に強いキャベツ品種の開発を加速させ、異常気象や洪水の増加に直面した重要なニーズに対処できる可能性があります。
著者は、競合する利益を宣言しません。
この研究は、National Science and Technology Council(MOST 111-2313-B-002-029-およびNSTC 112-2313-B-002-050-MY3)の支援を受けました。 図1では、実験的なアイコンは BioRender.com から提供されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 2-(N-モルホリノ)エタンスルホン酸(MES) | PhytoTech Labs | M825 | 酵素溶液調製用 |
| 228キャベツ種子 | Takii & Co., Ltd. (京都) | ||
| 50 mL コニカルチューブ | SPL ライフサイエンス | 50050 | 酵素溶液調製用 |
| 6ウェル組織培養プレート | Alpha Plus | 16106 | プロトプラストインキュベーション用 |
| 70 μm細胞ストレーナー | Sorfa | SCS701 | プロトプラストろ過用 |
| 9cmシャーレ | Alpha Plus | 16001 | 酵素消化用 |
| 嫌気性ジャー | HIMEDIA | 嫌気性ジャー 3.5 L | 低酸素治療用 |
| ウシ血清アルブミン | Sigma-Aldrich | A7906 | W5溶液調製および培養プレートコーティング用 |
| 塩化カルシウム | J.T.Baker | 131301 | W5溶液およびPEG溶液調製 |
| 用 セルラーゼR10 | ヤクルト | 酵素溶液調製用 | |
| デシケーター | ターソン | 402030 | 真空浸透用 |
| D-Glucose | Bioshop | GLU501 | W5溶液調製用 |
| 溶存酸素計 | Thermo Scientific | Orion Star A223 | 酸素測定用 |
| D-マンニトール | Sigma-Aldrich | M1902 | 酵素溶液、PEG溶液、MMG溶液調製用 |
| デュアルルシフェラーゼレポーターアッセイシステム | プロメガ | E1960 | デュアルルシフェラーゼレポーターアッセイ |
| 用 EC-オキシラーゼ | オキシラーゼ株式会社 | EC-0005 | 低酸素治療用 |
| 冬鳥キャベツの種 | 小林タネ株式会社 (加古川市) | ||
| 高速冷蔵遠心分離機 | 日立 | CR21GIII | プロトプラスト収穫用 |
| マセロチーム R10 | ヤクルト | 酵素溶液調製 | |
| 用 塩化マグネシウム | アルファ Aesar | 12315 | MMG溶液調製用 |
| マイクロ遠心分離機 | 日立 | CT15RE | プロトプラスト収穫用 |
| マイクロプレート | グライナー | 655075 | デュアルルシフェラーゼレポーターアッセイ用 |
| マイクロプレートリーダー | 分子デバイス | SpectraMax Mini | 用デュアルルシフェラーゼレポーターアッセイ |
| Millex 0.22 μmシリンジフィルター | メルク | SLGP033RS | 酵素溶液調製用 |
| オイルフリー真空ポンプ | ロッカー | ロッカー300 | 真空浸透用 |
| OxyFluor | Oxyrase Inc. | OF-0005 | 低酸素治療用 |
| 脱酸素パック | 三菱ガス化学 | AnaeroPack, MGCC1 | 低酸素治療用 |
| 酸素濃縮器 | UTMOST PERFECT | AII-X | W5溶液中の酸素バブリング用 |
| 植物基質 | Klasmann-Deilmann | Potgrond H基質 | キャベツ苗調製用 |
| プラスミドミディキット | QIAGEN | 12145 | トランスフェクショングレードのプラスミドDNAの精製 |
| ポリエチレングリコール4000 | Fluka | 81240 | プロトプラストトランスフェクション用 |
| 塩化カリウム | J.T.Baker | 304001 | W5溶液調製用 |
| カミソリ刃 | ジレット | キャベツ葉ストリップ調製用 | |
| 塩化ナトリウム | Bioshop | SOD002 | W5溶液調製用 |
| 亜硫酸ナトリウム | Sigma-Aldrich | S0505 | 低酸素治療用 |
| ウォーターバス | Yihder | BU-240D | 酵素溶液調製用 |
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