In dit protocol wordt een gecombineerde recombinasepolymeraseamplificatie CRISPR/Cas12a-assay geïllustreerd voor de detectie van de invasieve plantpathogeen Fusarium oxysporum f. sp. cubense tropical race 4.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
In dit protocol wordt een gecombineerde recombinasepolymeraseamplificatie CRISPR/Cas12a-assay geïllustreerd voor de detectie van de invasieve plantpathogeen Fusarium oxysporum f. sp. cubense tropical race 4.
Regelmatige en nauwkeurige bewaking staat centraal in het efficiënte beheer van plantenziekten. Het kan aangeven welke handelwijze het meest geschikt is en of preventie, uitroeiing of geen actie nodig is. Surveillance op basis van symptomologie bij waardplanten alleen is vaak niet betrouwbaar vanwege overeenkomsten in de symptomen veroorzaakt door biotische en abiotische stress. Moleculaire methoden in laboratoria, zoals polymerasekettingreactie (PCR) en kwantitatieve (q)PCR, worden het meest gebruikt en betrouwbaar voor de detectie van plantpathogenen, maar zijn afhankelijk van dure apparatuur en bekwame operators. Hier beschrijven we een protocol dat een vereenvoudigde DNA-extractie, recombinasepolymeraseamplificatie (RPA) en geclusterde, regelmatig op afstand geplaatste korte palindromische herhalingen (CRISPR)/Cas12a (RPA-Cas12a) combineert voor de detectie van de invasieve ziekteverwekker, Fusarium oxysporum f. sp. cubense tropical race 4 (Foc TR4). De techniek biedt een eenvoudig detectiealternatief met één buis dat analytisch robuust is met een verbeterde specificiteit in vergelijking met beschikbare moleculaire detectietesten en de noodzaak van dure en geavanceerde laboratoriumapparatuur teniet doet.
Fusariumverwelking, veroorzaakt door de bodemschimmelpathogeen Fusarium oxysporum f. sp. cubense (Foc), wordt wereldwijd beschouwd als een van de meest verwoestende grensoverschrijdende plantpathogenen in de geschiedenis1. Eenmaal geïntroduceerd in een nieuw gebied, blijft Foc onzichtbaar totdat geïnfecteerde planten symptomen ontwikkelen. Dit kan maanden duren, waardoor de schimmel zich onbewust kan vestigen en verspreiden. Eenmaal gevestigd, is het bijna onmogelijk om economisch uit te roeien vanwege de productie van veerkrachtige chlamydosporen en de eeuwige aard van de bananenproductie. Het belang van preventie en vroege opsporing is dus van het grootste belang bij de bescherming van kwetsbare telers1. De huidige epidemie van de ziekte, veroorzaakt door Foc tropical race 4 (TR4), vereist detectie door regelmatige bewaking om symptomatische bananenplanten in risicogebieden te identificeren. Abiotische beperkingen zoals waterstress en bepaalde tekorten aan voedingsstoffen veroorzaken uitwendige vergeling, wat vergelijkbaar is met de symptomen van een Foc TR4-infectie. Bovendien kunnen symptomen als gevolg van infectie door verschillende Foc-rassen niet worden onderscheiden. Zuivering in het laboratorium en daaropvolgende fenotypische en moleculaire detectie zijn daarom noodzakelijk voor een betrouwbare detectie van Foc TR42. Er zijn verschillende moleculaire assays beschikbaar voor Foc TR4-detectie, waaronder PCR-, kwantitatieve (q) PCR- en lusgemedieerde isotherme amplificatie (LAMP)-assays 3,4,5,6,7. De meeste van deze protocollen vereisen echter nog steeds dure en gespecialiseerde vaardigheden en apparatuur, die in laboratoriumomgevingen moeten worden uitgevoerd. Recombinasepolymeraseamplificatie (RPA) kan isotherm worden uitgevoerd en elimineert daarom de noodzaak van dergelijke apparatuur en kan worden overwogen voor detectieprotocollen in het veld8.
Geclusterde, regelmatig op afstand geplaatste korte palindromische herhalingen (CRISPR)-Cas-systemen worden in toenemende mate gebruikt voor verbeterde moleculaire diagnostiek9. Deze systemen worden gebruikt omdat ze goedkoop en eenvoudig zijn en geen speciale instrumenten vereisen, en daarom kunnen worden overwogen voor detectie in het veld. Op CRISPR gebaseerde diagnostiek omvat doorgaans de isotherme amplificatie van een doelsequentie, gevolgd door doelherkenning via CRISPR-Cas-eiwitten en de collaterale splitsing van een DNA- of RNA-fluorescerende reporterkleurstof om de aanwezigheid van het doelwit aan te geven10,11. Met name in CRISPR-Cas12a-systemen leidt CRISPR-RNA (crRNA) Cas12a om nucleïnezuurdoelen te herkennen en te splitsen. Dit crRNA kan worden ontworpen om zich te richten op een specifiek DNA- of RNA-gebied van belang door middel van hybridisatie naar een complementaire sequentie. Eenmaal gebonden, resulteert dit in Cas12a die het doelwit splitst met single-nucleotide specificiteit, gevolgd door collaterale splitsing van reportermoleculen12. Onlangs werden CRISPR-Cas12a-systemen gebruikt om verschillende economisch belangrijke schimmelpathogenen te detecteren 13,14,15,16,17,18,19,20.
In dit protocol wordt de ontwikkeling beschreven van een detectietechniek met één buis, waarbij een vereenvoudigde DNA-extractie, recombinasepolymeraseamplificatie (RPA) en CRISPR/Cas12a-technologie (RPA-Cas12a) worden gecombineerd voor de detectie van Foc TR4, die zowel op een draagbare fluorometer als met het blote oog werd gevisualiseerd onder een goedkope lichtgevende diode (LED) blauwlichttransilluminator21. De methode kan verder worden geoptimaliseerd voor detectie in het veld om preventie- en inperkingsstrategieën te verbeteren. Een vergelijkbare aanpak kan ook worden gebruikt om op Cas12a gebaseerde detectietesten voor andere plantpathogenen te ontwerpen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. Vereenvoudigde DNA-extractie uit plantaardig materiaal
OPMERKING: Zie afbeelding 1 voor een overzicht.
2. crRNA-synthese en kwaliteitscontrole
3. Recombinasepolymeraseamplificatie (RPA)-Cas12a eenbuisreactie voor in vitro Foc TR4-detectie
OPMERKING: Zie afbeelding 3 voor een overzicht.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Succesvolle detectie van Foc TR4 uit geïnfecteerd plantmateriaal met behulp van vereenvoudigde DNA-extractie gevolgd door de gecombineerde RPA-Cas12a-test wanneer uitgevoerd in de Genie III draagbare fluorometer, wordt geïllustreerd in figuur 4A. Positieve monsters vertonen zichtbare fluorescentie (baan 6-8), terwijl negatieve monsters een lage eindpuntfluorescentie vertonen (baan 1-5). Toen monsterbuisjes onder blauw LED-licht werden bekeken, vertoonden de ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Regelmatige bewaking is een belangrijke strategie voor effectieve preventie en inperking van Foc TR4 en andere belangrijke invasieve plagen. Detectieprotocollen die in het veld kunnen worden toegepast en die ziekteverwekkers snel en nauwkeurig kunnen identificeren, kunnen de besluitvorming versnellen en de kosten van bewakingsinspanningen beperken. Daartoe combineerde het hier gepresenteerde protocol een vereenvoudigde DNA-extractie, rechtstreeks uitgevoerd op bemonsterd plantmateriaal, ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren geen concurrerende financiële of intellectuele belangen.
We erkennen financiering van de National Research Foundation of South Africa, Grant Number: 138109, in het kader van de competitieve ondersteuning voor het programma voor niet-geclassificeerde onderzoekers. We erkennen ook de financiering van het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma van de Europese Unie Marie Skłodowska-Curie Fellowship onder het INDICANTS Project Grant Number: 890856.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| EnGen Lba Cas12a (Cfp1) Protein | New England Biolabs | M0653T | |
| EnGen Lba Cas12a Diluent | New England Biolabs | B0653A | |
| Eppendorf PCR Tubes | Merck | EP0030124332 | |
| Eppendorf Safe-Lock Micro Test Tubes | Merck | EP0030121708 | |
| Extraction Bags Universal | BIOREBA | 430100 | |
| GeneRuler 100 bp DNA Ladder | Thermo Fischer Scientific | SM0241 / SM0242 | |
| Genie Centrifuge Mini-6KO | OptiGene | OP-FUGE | |
| Genie III | OptiGene | https://www.optigene.co.uk/instruments/genie-iii/ | |
| Genie Strip Holder | OptiGene | GBLOCK-01 / GBLOCK-02 / GBLOCK-03 | |
| Genie Strips | OptiGene | OP-0008-50 / OP-0008-500 | |
| HiScribe T7 High Yield RNA Synthesis Kit | New England Biolabs | E2040S | |
| NanoDrop ND-1000 UV/Vis Spectrophotometer | Thermo Fischer Scientific | https://caeonline.com/buy/spectrometers/nanodrop-nd-1000/293669253 | |
| NEBuffer 3 | New England Biolabs | B7003S | |
| NEBuffer r2.1 | New England Biolabs | B6002S | |
| Polyvinylpyrrolidone (PVP) powder | Sigma-Aldrich | 9003-39-8 | |
| RNA Clean and Concentrator-5 Kit | Zymo Research | R1013 | |
| RNA Loading Dye | Thermo Fischer Scientific | R0641 | |
| SmartBlue Blue Light Transilluminator | Accuris Instruments | E4000-E | |
| Sodium hydroxide (NaOH) pellets | Merck, EMPARTA | K277 | |
| Tris (hydroxylmethyl) aminomethane | Merck | 77-86-1 | |
| TwistAmp Liquid Basic Kit | TwistDx | TALQBAS01 |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.