Protokół opisuje indukcję owłosionych korzeni za pomocą łodyg kwiatostanu Arabidopsis i hipokotyli Brassica napus. Owłosione korzenie mogą być hodowane i wykorzystywane jako eksplantaty do regeneracji roślin transgenicznych.
Artykuł metodologiczny
Protokół opisuje indukcję owłosionych korzeni za pomocą łodyg kwiatostanu Arabidopsis i hipokotyli Brassica napus. Owłosione korzenie mogą być hodowane i wykorzystywane jako eksplantaty do regeneracji roślin transgenicznych.
Transformacja owłosionego korzenia stanowi wszechstronne narzędzie do biotechnologii roślin u różnych gatunków. Zakażenie szczepem Agrobacterium przenoszącym plazmid indukujący korzenie (Ri) indukuje tworzenie się owłosionych korzeni w miejscu zranienia po przeniesieniu T-DNA z plazmidu Ri do genomu rośliny. W protokole szczegółowo opisano procedurę indukcji owłosionych korzeni korzeniowych w postaci iniekcji u Brassica napus DH12075 i Arabidopsis thaliana Col-0. Owłosione korzenie mogą być wykorzystane do analizy interesującego nas transgenu lub przetworzone w celu wytworzenia roślin transgenicznych. Pożywka regeneracyjna zawierająca cytokininę 6-benzyloaminopurynę (5 mg/L) i kwas auksyno-1-naftalenooctowy (8 mg/L) skutecznie wywołuje tworzenie pędów u obu gatunków. Protokół obejmuje genotypowanie i selekcję regenerantów i roślin T1 w celu uzyskania roślin przenoszących interesujący nas transgen i wolnych od T-DNA z plazmidu Ri. Przedstawiono również alternatywny proces prowadzący do powstania rośliny kompozytowej. W tym przypadku owłosione korzenie są utrzymywane na pędzie (zamiast naturalnych korzeni), co umożliwia badanie transgenu w owłosionych kulturach korzeniowych w kontekście całej rośliny.
Transformacja roślin jest wąskim gardłem każdego badania genetycznego w biologii roślin. Bakteria przenoszona przez glebę, Agrobacterium tumefaciens, jest szeroko stosowana jako środek dostarczania genów przez zanurzenie kwiatowe lub hodowlę tkankową w celu wytworzenia transformantów. A. tumefaciens infekuje rośliny w miejscu zranienia i powoduje nowotwory w wyniku transferu i integracji T-DNA z plazmidu indukującego nowotwór (Ti) do genomu rośliny gospodarza. Zmodyfikowane szczepy A. tumefaciens ze zmodyfikowanym plazmidem Ti bez T-DNA typu dzikiego i wektorem binarnym ze sztucznym T-DNA i miejscami klonowania w celu wstawienia interesującego genu są powszechnie stosowane jako wydajny system transformacji roślin1. Jednak wiele modelowych gatunków i roślin uprawnych jest opornych na zanurzanie się w kwiatach lub regenerację roślin in vitro lub ma długie cykle wzrostu, co wpływa na wydajność tego systemu przemian.
Agrobacterium rhizogenes powoduje powstawanie korzeni przybyszowych lub owłosionych w miejscu zranienia po zakażeniu rośliny żywicielskiej. Podobnie jak A. tumefaciens, A. rhizogenes przenosi T-DNA z plazmidu indukującego korzenie (Ri) do genomu rośliny żywicielskiej, powodując rozwój transgenicznych owłosionych korzeni. Proces ten jest kontrolowany głównie przez geny onkogennych loci korzenia (rol)2,3. Wykorzystując szczepy agrobakteryjne przenoszące zarówno plazmid Ri, jak i sztuczny wektor binarny kodujący interesujący gen, owłosione kultury korzeniowe wykorzystano do produkcji rekombinowanych białek, analizy funkcji promotorów lub genów lub edycji genomów za pomocą Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPRs)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9)4,5,6.
Nasz protokół wykorzystuje transkoniugowany szczep A. tumefaciens C58C1 przenoszący plazmid Ri pRiA4b7. T-DNA plazmidu Ri składa się z dwóch regionów, prawego i lewego T-DNA (odpowiednio TR-DNA i TL-DNA), które mogą niezależnie integrować się z genomem roślinnym8. Wykorzystując ten system, zoptymalizowano długotrwały proces transformacji eksplantacji odmiany Brassica napus DH120759. Opisany poniżej protokół pozwala na regenerację wybranych linii korzeni owłosionych i uzyskanie roślin T1 będących nosicielami interesującego transgenu i wolnych od genów rol w ciągu około 1 roku. Transformacja owłosionego korzenia oparta na iniekcjach może być stosowana u innych gatunków Brassicaceae, jak pokazano na przykładzie transformacji Arabidopsis thaliana Col-0. Podczas gdy hipokotyl jest używany do przekształcania B. napus, A. thaliana jest wstrzykiwany do pierwotnej łodygi kwiatostanu.
1. Przygotowanie pożywek i roztworów
2. Transformacja Agrobacterium za pomocą wektora binarnego
3. Przemiana owłosionego korzenia Brassica napus DH12075
4. Regeneracja owłosionych korzeni Brassica napus DH12075
5. Wybór roślin regeneracyjnych i T1
UWAGA: Owłosione linie korzeniowe można wybrać przed przejściem do procesu regeneracji. Rodzaj selekcji zależy od zawartości przenoszonej przez transgen. Próbki owłosionych korzeni można pobrać w celu ekstrakcji DNA i genotypowania lub wykrycia mutacji, ekstrakcji RNA z późniejszą syntezą cDNA i RT-qPCR w celu analizy poziomu ekspresji wybranego genu, mikroskopii w celu wykrycia fluorescencji lub leczenia w celu barwienia GUS.
6. Transformacja i regeneracja owłosionych korzeni u Arabidopsis thaliana Col-0
Wcześniej zoptymalizowaliśmy protokół indukcji korzeni włochatych metodą iniekcji u trzech odmian Brassica napus, a mianowicie DH12075, Topas DH4079 oraz Westar9. Aby zastosować ten protokół transformacji u gatunku modelowego A. thaliana, do głównych łodyg kwiatonośnych miesięcznych siewek wstrzyknięto inokulum agrobakterii. Korzenie włochate pojawiły się w miejscu iniekcji po 2-4 tygodniach. Korzenie włochate wycięto i hodowano na podłożu stałym. Porównanie tej metody u obu gatunków przedstawiono na Rysunku 1.
Wybrane linie korzeni włochatych przeniesiono na podłoże regeneracyjne w celu indukcji tworzenia pędów. W przypadku A. thaliana żółte kalusy zostały indukowane w ciągu 14 dni we wszystkich 10 badanych liniach korzeni włochatych. Pierwsze prymordia pędów, widoczne jako ciemnozielone punkty, pojawiły się w ciągu 3 tygodni po przeniesieniu na podłoże regeneracyjne (Rycina 2). Po 4 tygodniach hodowli pędy pokryły korzenie włochate w 9 z 10 linii (wydajność regeneracji 90%). W niektórych przypadkach z kalusa wyinducingowano korzenie przybyszowe (Rycina 2H). Jedna linia nie uległa regeneracji nawet po 3 miesiącach na podłożu regeneracyjnym (korzenie włochate przenoszono na świeże podłoże co 4 tygodnie). Zatem wydajność regeneracji korzeni włochatych A. thaliana przypomina wydajność B. napus DH120759.
Regeneranty z korzeni włochatych B. napus oraz A. thaliana wykazują fenotyp karłowaty (Rycina 3), co jest typową cechą roślin pochodzących z korzeni włochatych2. Zaobserwowano również gęste systemy korzeniowe, pomarszczone liście oraz zmiany w czasie kwitnienia. Tak zwany fenotyp korzenia włochatego (lub Ri) jest spowodowany przez geny rol z plazmidu Ri wbudowanego w genom rośliny. Insercja T-DNA z Ri oraz transgenu zakodowanego na wektorze binarnym może być niezależna lub sprzężona. W związku z tym analiza segregacji potomstwa T1 powstałego w wyniku samozapylenia pomaga w identyfikacji roślin wolnych od genów rol, które wykazują ekspresję interesującego nas transgenu. Genotypowanie roślin T1 przeprowadza się za pomocą starterów PCR specyficznych dla ORF TL i TR oraz badanego transgenu. Brak kontaminacji agrobakteriami weryfikuje się poprzez brak produktów PCR dla starterów virC (Rycina 1).

Rysunek 1: Podsumowanie procedury u A. thaliana i B. napus. Iniekcja inokulum Agrobacterium do podkotylu lub łodygi głównego kwiatostanu indukuje rozwój włochatych korzeni. Włochate korzenie mogą zastąpić korzenie natywne, tworząc roślinę kompozytową, która zostanie poddana genotypowaniu i analizie (niebieskie strzałki). Hodowane włochate korzenie mogą zostać zregenerowane do roślin T0, rozmnożone w roślinach T1 i poddane genotypowaniu (zielone strzałki). Włochate korzenie mogą być również poddawane subkulturowaniu w celu analizy funkcjonalnej (czarna strzałka). Przedstawiono przykłady wyników genotypowania. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 2: Regeneracja korzeni włochatych u A. thaliana. (A) Kultura korzeni włochatych 1 dzień po przeniesieniu na płytki. (B, C) Kalusy powstałe w ciągu 2 tygodni hodowli na podłożu regeneracyjnym. (D, E) Primordia pędów pojawiły się po 3 tygodniach hodowli. (G, H) Pędy uformowane po 4 tygodniach. (H) Korzenie przybyszowe powstałe z kalusa. (C, F, I) Linia korzeni włochatych niepodlegająca regeneracji. Paski skali oznaczają 1 cm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rycina 3: Reprezentatywne zdjęcia roślin typu dzikiego B. napus oraz A. thaliana i regenerantów pochodzących z włochatych korzeni (rośliny T0). Zwróć uwagę na fenotyp Ri regenerantów. Paski skali reprezentują 2 cm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Opracowaliśmy prosty protokół transformacji owłosionych korzeni i późniejszej regeneracji u B. napus i A. thaliana. Proces ten obejmuje indukcję owłosionych korzeni w hipokotylu (B. napus) lub pierwotnej łodydze kwiatostanowej (A. thaliana) za pomocą iniekcji. Metoda wstrzykiwania hipokotylu ze szczepem agrobakteryjnym C58C1 przenoszącym plazmid Ri była również skuteczna w rodzinie bobowatych10,11, oprócz członków Brassicaceae przedstawionych w tym badaniu.
Alternatywą dla metody opartej na iniekcji jest transformacja oparta na zanurzeniu, polegająca na zanurzeniu eksplantatu w zawiesinie bakteryjnej, a następnie współhodowli eksplantatu z agrobakteriami. Przewagą metody opartej na iniekcji nad metodą zanurzeniową jest oszczędność czasu wynikająca z braku niektórych etapów protokołu: przygotowania eksplantatu, badania czasu kouprawy oraz hodowli na pożywce zawierającej hormon do indukcji owłosionych korzeni. Chociaż oba podejścia są skuteczne w przypadku indukcji owłosionych korzeni, wyższą wydajność transformacji zaobserwowano u niektórych gatunków przy metodzie opartej na iniekcji w porównaniu z metodą zanurzenia w eksplantacji12,13. Co więcej, transformacja oparta na iniekcjach jest również przydatna do generowania roślin kompozytowych (transgeniczne owłosione korzenie i pędy typu dzikiego). Po odcięciu pierwotnych korzeni przekształconej rośliny, owłosione korzenie wspomagają wzrost rośliny, a transgen może być badany w kontekście całej rośliny.
Krytycznym etapem indukcji owłosionych korzeni jest wstrzyknięcie inokulum do hipokotylu, czyli łodygi pierwotnego kwiatostanu. Hipokotyle B. napus są łamliwe, a przecięcie całego hipokotylu może łatwo nastąpić. To samo można zaobserwować u A. thaliana ze względu na cienkość łodygi kwiatostanu. Jeśli wymagane jest porównanie wydajności przemiany różnych gatunków/odmian, zalecamy, aby jedna osoba przeprowadziła wszystkie eksperymenty, aby uniknąć błędu spowodowanego manipulacją i umiejętnością wstrzykiwania roślin.
Opracowaliśmy skuteczny protokół regeneracji cebulek owłosionych u B. napus DH12075 i A. thaliana Col-0. Ponieważ regeneracja jest bardzo zmiennym procesem, pewne modyfikacje protokołu mogą być stosowane do wybranego gatunku lub odmiany. Na przykład owłosione pędy wywodzące się z korzeni mogą być wywołane przez inny stosunek auksyny do cytokininy (1:1) w B. oleracea14. Alternatywnie zamiast BAP można zastosować cytokininę tidiazuron, tak jak w przypadku owłosionych korzeni B. campestris 15.
Wielokrotne inserkcje plazmidu Ri T-DNA do genomu rośliny stanowią potencjalne ograniczenie systemu transformacji i regeneracji owłosionych korzeni. W takich przypadkach po analizie segregacji siewek T1 nie odkrywa się żadnych roślin wolnych od TL/TR z plazmidu Ri . Dlatego zalecamy wygenerowanie kilku niezależnych linii owłosionych korzeni dla każdego transgenu.
Owłosione kultury korzeniowe są niezwykle potężnym narzędziem do badań funkcjonalnych genów, głównie ze względu na ich szybkie założenie i tanią konserwację (brak hormonów potrzebnych w podłożach uprawowych). Protokół ten obejmuje metody indukcji i regeneracji owłosionych korzeni u B. napus i A. thaliana, które mogą być wykorzystane do badania transgenu będącego przedmiotem zainteresowania bezpośrednio w owłosionych kulturach korzeniowych, w kontekście całej rośliny przy użyciu roślin kompozytowych lub po regeneracji roślin transgenicznych.
Autorzy deklarują, że badanie zostało przeprowadzone bez jakichkolwiek powiązań handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.
Dziękujemy Jiříemu Macasowi (Centrum Biologii CAS, Czeskie Budziejowice, Czechy) za dostarczenie szczepu agrobakteryjnego. Główny Zakład Nauk o Roślinach CEITEC MU jest znany ze wsparcia technicznego. Prace te były wspierane przez Ministerstwo Edukacji, Młodzieży i Sportu Republiki Czeskiej w ramach projektu Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego "SINGING PLANT" (nr 2). CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_026/0008446) oraz projekt INTER-COST LTC20004.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Probówki 1,50 ml | Eppendorf | 125.215 | |
| 10% roztwór wybielacza komercyjnego | SAVO | ||
| Kwas 1-naftalenooctowy (NAA) | Duchefa | N0903 | Pożywka regeneracyjna kalusa |
| 2,0 ml probówki | Eppendorf | 108.132/108.078 | |
| Taśma mikroporowa 3M | Micropore | ||
| 6-Benzylaminopurine (BAP) | Duchefa | B0904 | Pożywka regeneracyjna kalusa, Podłoże do wydłużania pędów |
| 70% etanol | |||
| agar bakteriologiczny | HiMedia | RM201 | LB medium |
| Pepton bakteriologiczny | Oxoid | LP0037 | LB i YEB Pożywka |
| Ekstrakt z wołowiny | Roth | X975.1 | YEB medium |
| Butelki | DURAN | L300025 | |
| Cefotaksym sodu | Duchefa | C0111 | Podłoże do uprawy owłosionych korzeni, Pożywka do regeneracji kalusa, Pożywka do wydłużania pędów, Pożywka do indukcji korzeni |
| chloroform | Serva | 3955301 | |
| CTAB Bromek heksadecylotrimetyloamoniowy | Sigma | 52365 | |
| dNTP mix | Thermo Fisher Scientific | R0193 | |
| EDTA - Titriplex III, Kwas (etylenodinitrylo)tetraoctowy, Sól disodowa, Dihydrat | Sigma | ES134-250G | |
| agar do elektroforezy z kuwetą | |||
| peqGOLD uniwersalna | VWR | 732-2789 | |
| żelu do elektroforezy | BIO-RAD | ||
| GenePulser Xcell | BIO-RAD | ||
| Kuwety elektroporacyjne AppliChem | |||
| Gene Pulser/MicroPulser, odstęp 0,2 cm | BIO-RAD | 1652082 | |
| Gene Ruler Drabinka DNA mix | Thermo Fisher Scientific | SM0331 | |
| Kwas giberelinowy (GA3) | Duchefa | G0907 | Medium do wydłużania pędów |
| glicerol | Sigma | G5516-1L | |
| HEPES (2-(4-(2-hydroksyetylo)-1-pirerazynylo)-etansulfonique | Merck | 1101100250 | |
| kwas indolo-3-masłowy (IBA) | Duchefa | I0902 | Pożywka do indukcji korzeni |
| monosiarczan kanamycyny | Duchefa | K0126 | |
| Magenta GA-7 Pudełko do kultur roślinnych z pokrywką | Pożywka roślinna | V8505-100 | |
| Cylinder | |||
| MES monohydrat | Duchefa | M1503 | Podłoże do uprawy owłosionych korzeni, Pożywka do regeneracji kalusa, Pożywka do wydłużania pędów, Pożywka do indukcji korzeni, Pożywka do kiełkowania, Pożywka do uprawy roślin |
| Murashige i Skoog (MS) | Duchefa | M0237 | Pożywka do kiełkowania, Pożywka do uprawy roślin |
| Murashige i Skoog (MS) + witaminy B5 | Duchefa | M0231 | Owłosione podłoże do uprawy korzeni, Pożywka do regeneracji kalusa, Pożywka do wydłużania pędów, Pożywka do indukcji korzeni |
| igła Agani 26G x 1/2 - 0,45 x 13mm | |||
| Phytagel | Sigma | P8169 | Pożywka regenerująca kalus, Pożywka do indukcji korzeni, Pożywka do kiełkowania |
| 9003-39-8 | |||
| Polimeraza DNA Redtaq, Taq do rutynowego PCR z obojętnym barwnikiem, w zestawie bufor 10X | Sigma | D4309-250UN | |
| Młyn Retsh | Qiagen | ||
| chlorek sodu | Lachner | 30093-APO | LB średni |
| kwadrat Szalki Petriego | Corning | GOSSBP124-05 | |
| sacharoza | Penta | 24970-31000 | Pożywka do uprawy owłosionych korzeni, Pożywka do regeneracji kalusa, Pożywka do wydłużania pędów, Pożywka do indukcji korzeni, Pożywka do kiełkowania, Pożywka do uprawy roślin |
| Filtr strzykawkowy | Carl Roth | P666.1 | Filtry strzykawkowe Rotylabo 0,22 i mikro; m wielkość porów |
| termomikser | Eppendorf | ||
| Ticarcillin disodowy | Duchefa | T0180 | Owłosione podłoże do uprawy korzeni |
| Tris(hydroksymetylo)aminometan Serva | 3719003 | ||
| ultraczysta woda | Millipore Milli-Q woda oczyszczona | ||
| Ekstrakt drożdżowy | Duchefa | Y1333 | LB medium |