私たちは、P. capsiciにも応用可能な、P. capsiciにも応用可能な、アグロバクテリウム媒介のフィトフトラ・パルミボラ形質転換のためのシンプルで効果的かつ再現性の高いプロトコルを提案します。
方法論記事
私たちは、P. capsiciにも応用可能な、P. capsiciにも応用可能な、アグロバクテリウム媒介のフィトフトラ・パルミボラ形質転換のためのシンプルで効果的かつ再現性の高いプロトコルを提案します。
フィトフトラは卵菌類の属で、多数の破壊的な植物病原体を含みます。その中には広範囲の宿主種であるP. palmivoraも含まれます。フィトフトラの機能ゲノミクスは、堅牢で実装しやすい形質転換法の利用が限られているため制約を受けてきました。利用可能なアプローチの中で、アグロバクテリウム媒介型転換(AMT)は、特殊な機器を最小限に必要とし、単一の遺伝子挿入で安定したトランスポルタントを生成することが多いため特に魅力的です。ほとんどのAMTプロトコルは、アグロバクテリウム誘導および共培養培地において最小培地(MM)塩を使用します。これらの媒体の調製は通常、複数のストック溶液を製造・混合し、中には異なる濃度の多数の成分を含むものもあります。このプロセスは時間がかかりエラーも多いため、変換の成功に一貫性がありません。ここでは、市販のMurashigeおよびSkoog(MS)基底培地を用いてアグロバクテリウム誘導および共培養培地を準備する、P. palmivoraの効率的でシンプルかつ再現性の高いAMTプロトコルを提示します。このプロトコルはP. capsiciの転換にも成功裏に適用されており、他のフィトフトラ属にも応用可能です。
卵菌類の属であるフィトフトラは、世界で最も破壊的な植物病原体を多く含み、深刻な経済的損失を引き起こしています1,2。その中でも、フィトフトラ・パルミヴォラは広範囲に宿主を覆う病原体で、カカオやパパイヤ3を含む多くの経済的に重要な作物に感染します。これは、数十億ドル規模のチョコレート産業の主要成分を生産する熱帯多年生樹木カカオにおけるブラックポッド腐敗の最も広範な原因です。この破壊的な病原体の分子病原性メカニズムを理解することは、新規で効果的な疾病制御戦略を設計する上で極めて重要であり、遺伝子変換はそのような研究を可能にするための不可欠なツールです。
フィトフトラ属の形質転換には、マイクロプロジェクタイル爆撃7、ポリエチレングリコールおよび二塩化カルシウム(PEG/CaCl2)媒介のプロトプラスト形質転換8,9,10,11、ズースポア電気ポレーション12,13,14、アグロバクテリウム媒介形質転換(AMT)15など、いくつかの方法が開発されています。16. これらの手法の中で、AMTは通常単一コピーの遺伝子統合を生成し、専門機器を必要とせずに比較的容易に実行できるという重要な利点があります。
AMTを用いたP. palmivoraの効率的な転換プロトコルは、すでに開発されています。この方法により、複数の構成要素を用いてP. palmivoraの転換に成功しました。この方法は、菌類および卵菌の形質変化に一般的に用いられる最小培地(MM)塩系アグロバクテリウム誘導および共培養培地を利用します。15,16,19。MMベースの変換プロトコルはトランスポンタント生成に効果的であることが示されましたが、複数のストック溶液を準備しそれらを組み合わせてメディアを作る作業は時間がかかり、誤りも起こりやすい作業となり得ます。
ここでは、市販のMurashige and Skoog(MS)基底培地を用いて、アグロバクテリウム誘導および共培養培地のMM塩基培地を置き換えることで、P. palmivoraのAMTをより簡略化した方法を提示します。この方法は複数の化学原料溶液を準備する必要がなくなり、プロセスの時間が少なく、再現性も高くなります。さらに、この方法は前述の方法16よりも高い変換効率をもたらすと考えられ、P. capsiciにも適用可能です。
1. 変換に必要なストック溶液、培地、その他の材料の準備
2. P. palmivoraの培養
3. アグロバクテリウム・トゥメファシエンスの製剤
4. 遊走胞子の放出
5. アグロバクテリウムと遊行胞子の共存
6. G418耐性トランスポルタントの選択
このプロトコルに従い、pCB301TOR-GFP16を運ぶA. tumefaciens EHA105を用いてP. palmivoraの形質転換に関する2つの独立した実験を実施しました。予想通り、遊童胞子とアグロバクテリウムの共潜伏により、30 μg/mLのG418を補足したプリッチ寒天プレート上でG418耐性コロニーが得られましたが、対照プレートではアグロバクテリウム感染なしのコロニーは認められませんでした(図1A)。これら2つの実験で生成された107個の動物胞子あたりのG418耐性トランスポタントの数はそれぞれ55個と50個であった(表1参照)。これは以前のプロトコル16で得られた27個±5個のほぼ倍の数字である。
真のトランスポルマントは2つの方法で検証されました。第一に蛍光顕微鏡を用いたGFP蛍光の観察、第二に、プライマーペアEGFP-F2(5'- GACGTAAACGGCCACACACAGTTC-3')およびEGFP-R2(5'-GGGTGCTCAGGTAGTGTG-3')を用いてTaq 2Xマスターミックス(NEB)を用いた EGFP 遺伝子の550塩基のPCR増幅です。実験(実験)1では18個のG418耐性トランスポンタントのうち15個、実験2では21個中17個がGFP蛍光を示しました(表1、 図1B)。両実験で蛍光を示さなかった7つのG418耐性トランスポルタントのうち、3つはPCRにより真のトランスポルタントであることが確認されました(図1C)。総算で真の変容者率は90%と推定されています。
さらに、P . capsici の単離株PC2024-14szを、PCB301TOR-GFPを搭載した A. tumefaciens EHA105を用いて、プロトコルに従い、ズースポア懸濁液の準備にわずかな修正を加えました(7日生の P. capsici プレートを予冷水で浸水した後の4°Cでの潜伏期間を30分に延長しました)。単一の実験で 10 7個あたりのG418(30 μg/mL)耐性トランスポレンタントの数は13個でした。蛍光顕微鏡で9種類のトランスポレントが観察され、すべて蛍光を発揮しました(補足ファイル1)。これにより、それらが真のトランスポマントであることが示唆されています。

図1:P. palmivoraの形質転換:A. tumefaciens EHA105を用いたpCB301TOR-GFPを搭載。(A) 30 μg/mL G418を補足したPlich agar上でのG418耐性P. palmivoraトランスポラントの出現。 (B) 代表的なトランスポンタントおよびP. palmivora野生型(WT)株における蛍光顕微鏡下でのGFP発現検出。画像は明視野(BF)およびGFP蛍光チャネルの両方で撮影されました。(C) GFP蛍光検出可能な4種のトランスポントと、GFPを検出しない7種のトランスポントからEGFPのPCR増幅。汎用プライマーペアITS4/ITS520を用いて、DNAの完全性を確認するために内部転写スペーサー(ITS)領域を増幅しました。GFP蛍光を持たないトランスポルタントは太字で下線付きテキストで強調表示されます。略称:M = NEB 100 bp DNAラダー;WT = 野生型P. palmivora P1分離株;N = H2Oをテンプレートとした陰性対照PCR。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
| 実験 | アグロバクテリウムのOD600 | ズースポア濃度(/mL) | ズースポア体積(mL) | G418耐性トランスポンタントの数 | 検出可能なGFP信号を持つトランスポマントの数(検出/観測) | G418耐性トランスポンタントの数/107 遊走胞子 |
| 1 | 0.4 | 1.8 x 106 | 4.3 | 43 | 15/18 | 55 |
| 2 | 0.4 | 2.9 x 106 | 4.6 | 67 | 17/21 | 50 |
表1: PCB301TOR-GFPを運ぶA. tumefaciens EHA105 を用いた P. palmivoraのアグロバクテクテリア介在型形質転換の効率。
補足ファイル1:野生型(WT)P. capsiciおよびPCB301TOR-GFPを運ぶA. tumefaciens EHA105 を用いた代表的なトランスポジェントにおける蛍光顕微鏡下のGFP発現。画像は明視野(BF)およびGFP蛍光チャネルの両方で撮影されました。このファイルをダウンロードするには、こちらをクリックしてください。
このプロトコルは、半強度のムラシゲおよびスクーグ基礎培地(1/2 MS)を用いて、アグロバクテリウム誘導や共培養培地で一般的に用いられる最小培地(MM)の成分を代替します。MM塩ベースの培地を調製するには、多数の個別の化学物質から複数のストック溶液を作り、それらを組み合わせる必要があります。1/2 MSには多くの化学成分も含まれています。しかし、MSはプレミックス粉末として広く市販されているため、培地の調製は粉末を水に溶かすことに簡素化されます。この改造により、メディアの準備時間が大幅に短縮され、人為的ミスの可能性も最小限に抑えられます。さらに、このプロトコルは変換効率を向上させ、先に述べたAMT法16と比較してより多くのトランスフォーマントを生成します。また、P. capsiciの形質転換にも効果的であり、他のフィトフトラ種にも応用可能である可能性が高いです。さらに広範な応用可能性を裏付けるとして、MSベースの培地は過去にAtVIP1(アラビドプシス・タリアナ・VirE2相互作用タンパク質1)およびP. infestansの動物性胞子を発現するAgrobacterium tumefaciens株の共培養に使用されており、P. infestans21の成功した形質転換を可能にしています。
このプロトコルは誤陽性率が低い可能性があることに注意が必要です。GFP蛍光観察またはPCRで試験された39のG418耐性トランスポランタントのうち、4つは蛍光もEGFPの増幅も示さなかった(表1、図1C)。アグロバクテリウム媒介の形換形中にT-DNAが部分的に統合されることは珍しくないため(22,23)、P. palmivoraゲノムに統合されたのはプラスミドpCB301TOR-GFP16のNPTII遺伝子を含む部分のみである可能性があります。また、偽陽性は膜と選択培地の接触不足によりG418選択から逃げることが原因かもしれません。したがって、膜が培地と完全に接触していること(ステップ6.2)が不可欠です。
このプロトコルはさらに簡略化される可能性があります。例えば、 アグロバクテリウム 誘導培地(AIM)や アグロバクテリウム-ズースポア共培養寒天(AZCA)におけるMESは省略される可能性があります。MESは生化学や分子生物学の実験でpHを安定させる緩衝剤として一般的に使用されます。pH 5.6で1 M MESのストック溶液を調製するには十分な時間がかかり、コストも増加します。スイートバジル24 やパパイヤ25などの植物のAMTでは、MESを伴わない同様のMSベースの アゴバクテリウム 誘導および共培養培地が用いられており、MESが P. palmivora の形質転換に必須ではない可能性を示唆しています。MESの省略が変換効率を損なわないことを確認するためにはさらなる実験が必要です。
全体として、この簡略化されたプロトコルは、 P. palmivora、 P. capsici、そして潜在的に他の卵菌類のルーチン遺伝子操作のための実用的かつアクセスしやすいプラットフォームを提供します。この研究は、感染動態を追跡する病原体の蛍光標識、細胞内局在を調べるためのタンパク質のタグ付け、遺伝子発現やタンパク質コード配列の標的変化による機能解析など、翻訳の可能性を持つ幅広い基礎研究を支援しています。CRISPRベースのゲノム編集と組み合わせることで、このプロトコルは病原性メカニズムの解明とこれらの破壊的な病原体の主要な病原性因子の特定を加速することが期待されています。その結果得られた知見は、新たなメカニズムに基づく疾病管理戦略の開発を可能にします。
著者たちは利益相反を一切認めていない。
この研究は、米国国立科学財団(NSF賞番号2418799)および国立食品農業研究所(NIFA賞番号2023-67013-42262)の支援を受けています。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL マイクロ遠心分離機チューブ | VWR | 525-1126 | |
| 4'-ヒドロキシ-3'、5'ジメトキシアセトフェノン | TCI | D2666 | アセトシリンゴン(AS) |
| 50 mLチューブ | グライナー・バイオワン | 227261 | |
| 絶対エタノール | フィッシャー・バイオリエージェント | BP28184 | |
| 寒天 | フィッシャー・バイオリエージェント | BP1423-500 | |
| アルミニウム箔 | |||
| ハイボンド-N+膜(30 cm & 時間:3 m) | シチバ | RPN303B | |
| 炭酸カルシウム | シグマ・オルドリッチ | 239216-500G | CaCO3 |
| セフタキシムナトリウム塩 | サーモ・サイエンティフィック・ケミカルズ | AAJ6269006 | |
| D-(+)-グルコース | シグマ・オルドリッチ | G8270-1KG | |
| DNeasy PowerLyzer 微生物キット | キアゲン | 12255-50 | |
| 鉗子 | |||
| 蛍光顕微鏡 | ツァイス | ZEISS アクシオスコープ5蛍光顕微鏡(フィルターセット38 HE) | |
| G418硫酸塩 | サーモ・サイエンティフィック・ケミカルズ | AC329400010 | |
| グリセロール | シグマ・オルドリッチ | 911046-1L | |
| 血球計(ブライトライン) | ハウサー・サイエンティフィック | ||
| カナマイシン硫酸塩 | サンタクルーズ・バイオテクノロジー | SC-257635 | |
| L-アスパラギン無水 | MPバイオメディカル | ICN10079425 | |
| LBブロス、ミラー | フィッシャー・バイオリエージェント | BP1426-2 | |
| 硫酸マグネシウム・ヘプタハイドレート | シグマ・オルドリッチ | 63138-250G | MgSO4·7H2O |
| MESハイドレート | シグマ・オルドリッチ | M2933-100G | |
| ムラシゲとスクーグ基底培地 | シグマ・オルドリッチ | M5519-50L | |
| ペトリ皿(100 mm x 15 mm) | VWR | 25384-342 | |
| リン酸二水素カリウム | シグマ・オルドリッチ | 1370391000 | KH2PO4 |
| リファンピシン | サンタクルーズ・バイオテクノロジー | SC-200910 | |
| Taq 2Xマスターミックス | NEB | M0270L | |
| チアミン塩酸塩 | シグマ・オルドリッチ | T4625-5G | |
| 紫外線可視光分光光度計 | フィッシャー・サイエンティフィック | 14-385-355 | |
| V8オリジナル 100%野菜ジュース | キャンベルスープ社 | ||
| ボルテクサー | フィッシャー・サイエンティフィック | 14-955-163 | |
| 水 | 分子生物学グレード、Mill-Q水浄化システムによる精製 | ||
| 酵母エキス | アクロス | 611805000 | 現在はThermo Scientific Chemicalsで入手可能です |
| β;-シトステロール | シグマ・オルドリッチ | 85451-100G |
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