W tym protokole ilustrowano test amplifikacji polimerazy rekombinazowej CRISPR/Cas12a do wykrywania inwazyjnego patogenu roślinnego, Fusarium oxysporum f. sp. cubense tropical race 4.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
W tym protokole ilustrowano test amplifikacji polimerazy rekombinazowej CRISPR/Cas12a do wykrywania inwazyjnego patogenu roślinnego, Fusarium oxysporum f. sp. cubense tropical race 4.
Regularny i dokładny nadzór jest kluczowy dla skutecznego zarządzania chorobami roślin. Może wskazywać, który sposób działania jest najbardziej odpowiedni oraz czy konieczne jest zapobieganie, zwalczanie działań lub brak działania. Monitorowanie oparte wyłącznie na symptomologii u roślin żywicielskich często nie jest wiarygodne ze względu na podobieństwa objawów wywołanych stresem biotycznym i abiotycznym. Laboratoryjne metody molekularne, takie jak reakcja łańcuchowa polimerazy (PCR) i ilościowe (q)PCR, są najczęściej i najbardziej wiarygodnie stosowane do wykrywania patogenów roślinnych, ale opierają się na kosztownym sprzęcie i wykwalifikowanych operatorach. Tutaj opisujemy protokół łączący uproszczoną ekstrakcję DNA, amplifikację polimerazy rekombinazy (RPA) oraz regularnie skupione, przeplatane krótkie powtórzenia palindromiczne (CRISPR)/Cas12a (RPA-Cas12a) do wykrywania inwazyjnego patogenu, Fusarium oxysporum f. sp. cubense tropical race 4 (Foc TR4). Technika ta stanowi prostą alternatywę dla detekcji w pojedynczej rurce, która jest analitycznie odporna i ma lepszą specyficzność w porównaniu z dostępnymi testami detekcji molekularnej i eliminuje potrzebę drogiego i zaawansowanego sprzętu laboratoryjnego.
Więdnięcie fusarium, spowodowane przez glebowego patogena grzybowego Fusarium oxysporum f. sp. cubense (Foc), jest globalnie uznawane za jeden z najbardziej niszczycielskich patogenów roślin transgranicznych w historii1. Po wprowadzeniu do nowego obszaru Foc pozostaje niewidoczny, dopóki zainfekowane rośliny nie rozwiną objawów. Może to zająć miesiące, pozwalając grzybowi rozprzestrzenić się i rozprzestrzenić nieświadomie. Po ugruntowaniu jest niemal niemożliwe ekonomiczne wyeliminowanie ze względu na produkcję odpornych chlamydospor oraz wieloletni charakter uprawy bananów. Znaczenie profilaktyki i wczesnego wykrywania jest zatem kluczowe dla ochrony wrażliwych hodowców1. Obecna epidemia choroby, wywołana przez tropikalną rasę Foc 4 (TR4), wymaga regularnego monitorowania w celu identyfikacji objawowych bananowców w obszarach wysokiego ryzyka. Ograniczenia abiotyczne, takie jak stres wodny i niedobory składników odżywczych, powodują żółknięcie zewnętrzne, które jest podobne do objawów wywołanych infekcją Foc TR4. Dodatkowo, nie można odróżnić objawów zakażenia przez różne rasy Foc. Dlategodo wiarygodnego wykrywania Foc TR4 2 konieczne jest oczyszczanie laboratoryjne oraz późniejsze wykrywanie fenotypowe i molekularne. Dostępne są różne testy molekularne do wykrywania Foc TR4, w tym PCR, ilościowe (q) PCR oraz testy amplifikacji izotermicznej z pętlą (LAMP) 3,4,5,6,7. Większość tych protokołów jednak nadal wymaga kosztownych i specjalistycznych umiejętności oraz sprzętu, które muszą być realizowane w warunkach laboratoryjnych. Amplifikacja polimerazy rekombinazy (RPA) może być przeprowadzana izotermicznie, co eliminuje potrzebę stosowania takiego sprzętu i może być rozważane jako metoda detekcji w terenie8.
Systemy CRISPR)-Cas są coraz częściej wykorzystywane do ulepszaniadiagnostyki molekularnej w regularnych przestrzeniach i regularnych powtórek palindromicznych (CRISPR)-Cas. Systemy te są stosowane, ponieważ są tanie, proste i nie wymagają użycia specjalnej aparatury instrumentacyjnej, dlatego mogą być rozważane do wykrywania w terenie. Diagnostyka oparta na CRISPR zazwyczaj polega na izotermicznej amplifikacji sekwencji docelowej, następnie rozpoznaniu celu za pomocą białek CRISPR-Cas oraz rozszczepienia bocznego barwnika fluorescencyjnego DNA lub RNA, aby wskazać obecność celu 10,11. W systemach CRISPR-Cas12a, konkretnie, RNA CRISPR (crRNA) kieruje Cas12a, aby rozpoznać i rozszczepić cele kwasów nukleinowych. To crRNA może być zaprojektowane tak, aby celować w konkretny obszar DNA lub RNA poprzez hybrydyzację do sekwencji komplementarnej. Po związaniu powoduje rozszczepienie celu przez Cas12a specyficzność pojedynczych nukleotydów, a następnie rozszczepienie cząsteczek reporterowych12. Ostatnio zastosowano systemy CRISPR-Cas12a do wykrywania różnych ekonomicznie ważnych grzybowych patogenów roślinnych 13,14,15,16,17,18,19,20.
W tym protokole opisano opracowanie techniki detekcji pojedynczej rurki, łączącej uproszczoną ekstrakcję DNA, amplifikację polimerazy rekombinazowej (RPA) oraz technologię CRISPR/Cas12a (RPA-Cas12a) do wykrywania Foc TR4, co było wizualizowane zarówno na przenośnym fluorometrze, jak i gołym okiem pod niedrogim diodą LED w transilluminatorze niebieskim światłem21. Metoda ta może być dodatkowo optymalizowana pod kątem wykrywania w terenie, aby poprawić strategie zapobiegania i ograniczania działań. Podobne podejście można również wykorzystać do projektowania testów wykrywających na podstawie Cas12a dla innych patogenów roślinnych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Uproszczona ekstrakcja DNA z materiału roślinnego
UWAGA: Zobacz Rysunek 1 dla przeglądu.
2. synteza crRNA i kontrola jakości
3. Reakcja jednorurkowa amplifikacji polimerazy rekombinazowej (RPA)-Cas12a do wykrywania in vitro Foc TR4
UWAGA: Zobacz Rysunek 3 dla przeglądu.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Skuteczne wykrycie Foc TR4 z zakażonego materiału roślinnego za pomocą uproszczonej ekstrakcji DNA, a następnie połączonego testu RPA-Cas12a przeprowadzonego w przenośnym fluorometrze Genie III zostało zilustrowane na Rysunku 4A. Próbki pozytywne wykazują widoczną fluorescencję (ścieżki 6-8), natomiast próbki negatywne wykazują niską fluorescencję końcową (ścieżka 1-5). Gdy próbki były oglądane pod niebieskim światłem LED, próbki zakażone Foc TR4 również wykazywały widoczną fluorescencję (
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Regularna inwigilacja to ważna strategia skutecznej zapobiegawczej i zwalczającej Foc TR4 oraz innych ważnych inwazyjnych szkodników. Protokoły wykrywania, które można stosować w terenie, a które umożliwiają szybkie i precyzyjne identyfikowanie patogenów, mogą przyspieszyć podejmowanie decyzji i ograniczyć koszty związane z działaniami nadzorczymi. W tym celu przedstawiony tutaj protokół łączył uproszczoną ekstrakcję DNA, przeprowadzoną bezpośrednio na próbce materiału roślinnego, która następnie została włączona do jedn...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak konkurencyjnych interesów finansowych ani intelektualnych.
Przyjmujemy wsparcie finansowe od National Research Foundation of South Africa, numer grantu: 138109, w ramach konkurencyjnego wsparcia dla programu badaczy bez oceny. Dziękujemy również stypendium programu badawczo-innowacyjnym Unii Europejskiej Horyzont 2020 Marie Sklodowska-Curie Fellowship w ramach grantu INDICANTS Project Grant: 890856.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Białko EnGen Lba Cas12a (Cfp1) | New England Biolabs | M0653T | |
| EnGen Lba Cas12a Diluent | New England Biolabs | B0653A | |
| Rurki PCR Eppendorf | Merck | EP0030124332 | |
| Mikroprobówki Eppendorf Safe-Lock | Merck | EP0030121708 | |
| Worki ekstrakcyjne uniwersalne | BIOREBA | 430100 | |
| GeneRuler 100 bp drabiny DNA | Thermo Fischer Scientific | SM0241 / SM0242 | |
| Wirówka Genie Mini-6KO | OptiGene | OP-FUGE | |
| Dżin III | OptiGene | https://www.optigene.co.uk/instruments/genie-iii/ | |
| Uchwyt na paski Genie | OptiGene | GBLOCK-01 / GBLOCK-02 / GBLOCK-03 | |
| Genie Strips | OptiGene | OP-0008-50 / OP-0008-500 | |
| HiScribe T7 Zestaw do syntezy RNA o wysokiej wydajności | New England Biolabs | E2040S | |
| NanoDrop ND-1000 spektrofotometr UV/Vis | 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 | |
| Proszek poliwinylpirolidion (PVP) | Sigma-Aldrich | 9003-39-8 | |
| Zestaw do czyszczenia RNA i koncentratora-5 | Zymo Research | R1013 | |
| Barwnik ładunkowy RNA | Thermo Fischer Scientific | R0641 | |
| Transiluminator światła SmartBlue Blue | Accuris Instruments | E4000-E | |
| Pellety wodorotlenku sodu (NaOH) | Merck, EMPARTA | K277 | |
| Tris (hydroksylmetylo) aminometan | Merck | 77-86-1 | |
| TwistAmp Liquid Basic Kit | TwistDx | TALQBAS01 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.