Metody genetycznej transformacji roślin są niezbędne do testowania biologicznych funkcji genów i są szczególnie przydatne dzisiaj, biorąc pod uwagę dużą liczbę niescharakteryzowanych genów przewidywanych w erze postgenomicznej1. Metody te mogą być stosowane do uzyskiwania w pełni przekształconych linii lub do przejściowej ekspresji genów. Stabilna transformacja zachodzi, gdy obce DNA, które przejął gospodarz, zostaje w pełni i nieodwracalnie zintegrowane z genomem gospodarza, a modyfikacje genetyczne są przekazywane kolejnym pokoleniom. Przejściowa ekspresja, znana jako transformacja przejściowa, zachodzi z wielu kopii T-DNA przeniesionych przez Agrobacterium do komórki, które nie zostały zintegrowane z genomem gospodarza, i osiąga szczyt 2-4 dni po zakażeniu2.
Warto zauważyć, że testy ekspresji przejściowej są często wystarczające do funkcjonalnej charakterystyki genów i mogą oferować wiele zalet w porównaniu ze stabilną transformacją. Na przykład transformacja przejściowa nie wymaga procedur regeneracji opartych na kulturach tkankowych. Kolejną zaletą jest to, że jest kompatybilny z funkcjonalną analizą genów in planta, istniejącą kilkoma udanymi przykładami protokołów dobrze ustandaryzowanych dla modelowych gatunków roślin, takich jak Arabidopsis thaliana3 i Nicotiana benthamiana4, ale nadal ograniczony w gatunkach niemodelowych5.
Rozwój testów przejściowych opiera się na dostępności skutecznych metod transferu genów. W tym celu najpopularniejsze podejścia opierają się na infiltracji Agrobacterium, która wykorzystuje unikalną zdolność Agrobacterium do przenoszenia DNA do komórek roślinnych6. Innym przydatnym narzędziem do tych analiz jest wykorzystanie genów reporterowych, takich jak białka zielonej fluorescencji (GFP), β-glukuronidaza (GUS), lucyferazy lub RUBY, z których wszystkie są wykorzystywane do śledzenia zdarzeń transformacji. Spośród tych systemów reporterowych, RUBY jest obecnie najłatwiejszy do wizualizacji i opiera się na przemianie tyrozyny w betalainy w trzech etapowych reakcjach enzymatycznych. W przeciwieństwie do innych systemów reporterowych, powstałe betalainy można łatwo zaobserwować jako jaskrawo zabarwione pigmenty na przekształconej tkance roślinnej bez potrzeby stosowania zaawansowanego sprzętu lub dodatkowych reagentów7.
Podczas infiltracji zawiesiny Agrobacterium do przestrzeni międzykomórkowej mezofilu liści, najważniejszym krokiem dla udanej agroinfekcji jest pokonanie fizycznej bariery nałożonej przez naskórek liści8. Podczas gdy w przypadku niektórych roślin gradient ciśnienia utworzony za pomocą strzykawki bezigłowej (strzykawka Agroinfiltracja) jest wystarczający do skutecznej agroinfiltracji, jak ma to miejsce w przypadku Nicotiana benthamiana9, inne gatunki roślin mogą wymagać większego gradientu ciśnienia, takiego jak ten utworzony za pomocą pomp próżniowych10. W procesach wspomaganych próżnią agroinfiltracja przebiega w dwóch etapach. W pierwszym próżnia służy do poddania materiału roślinnego zmniejszonemu ciśnieniu, wymuszając uwalnianie gazów z przestrzeni powietrznych mezofilu przez aparaty szparkowe i rany. Następnie, podczas fazy represji, zawiesina Agrobacterium infiltruje przestrzenie międzykomórkowe przez aparaty szparkowe i rany11.
W porównaniu do infiltracji strzykawką, infiltracja próżniowa pozwala na większą częstotliwość użytkowania, powtarzalność oraz możliwość kontrolowania ciśnienia i czasu trwania na każdym etapie procesu infiltracji10. W liściach różnych gatunków roślin, takich jak szpinak (Spinacia oleracea)12, piwonia (roślina wieloletnia drzewiasta) (Paeonia ostii)13 i Cowpea (Vigna unguiculata)14, protokoły agroinfiltracji próżniowej osiągnęły głębszy wskaźnik infiltracji niż infiltracja strzykawkowa. Podobnie w przypadku pomidora (Lycopersicon esculentum)15 i gerbery (Gerbera hybrida)16, agroinfiltracja próżniowa powodowała silniejsze i bardziej równomierne wyciszanie genów niż infiltracja strzykawką. Dodatkową zaletą infiltracji próżniowej jest mniejsza zależność od genotypu, w porównaniu z infiltracją strzykawkową, którą zaobserwowano ostatnio w trzech odmianach cytrusów (Fortunella obovata, Citrus limon i C. grandis)17. Jednak przy próbie zastosowania agroinfiltracji próżniowej do roślin, które są zbyt duże, aby zmieścić się w eksykatorach, rozmiar komór próżniowych może być ograniczeniem, jak to zwykle ma miejsce w przypadku tropikalnych roślin drzewiastych.
Poniżej opisujemy protokół, który pokonuje ograniczenia przestrzenne komór próżniowych, testując jego użyteczność dla przejściowej transformacji liści kakaowca in planta. Przedstawiamy pierwszą miejscową metodę infiltracji próżniowej kakao, która nie wymaga dodatkowego wyposażenia, a nawet pozwala na użycie tych samych eksykatorów laboratoryjnych, które służą do infiltracji całej instalacji, ale z prostą adaptacją, która umożliwia dostęp części rośliny do wnętrza komory próżniowej, co pozwala na jej zastosowanie na różnych etapach rozwoju rośliny. Aby przetestować przydatność proponowanej metody miejscowej infiltracji próżniowej, wybraliśmy kakao jako wskaźnik zastępczy dla gatunku rośliny tropikalnej o dużych liściach, który jest trudny do przekształcenia. Korzystając z tej metody miejscowej infiltracji, niedawno opisaliśmy pierwszą przejściową ekspresję w awokado w awokado przez infiltrację próżniową za pośrednictwem Agrobacterium w warunkach wcześniej zoptymalizowanych dla oderwanych liści18, a tutaj zgłaszamy pierwszą przejściową ekspresję w roślinie w kakao.