В качестве примера мы представляем эффективную и стабильную трансформационную систему для функционального анализа гена CcCIPK14, обеспечивающую техническую основу для изучения метаболизма немодельных растений.
Method Article
В качестве примера мы представляем эффективную и стабильную трансформационную систему для функционального анализа гена CcCIPK14, обеспечивающую техническую основу для изучения метаболизма немодельных растений.
Эффективная и стабильная система трансформации имеет основополагающее значение для изучения функций генов и молекулярной селекции растений. В данной статье мы описываем использование системы трансформации, опосредованной Agrobacterium rhizogenes , на голубином горохе. Стебель заражен A. rhizogenes , несущим бинарный вектор, который индуцировал каллус через 7 дней и придаточные корни через 14 дней. Сгенерированный трансгенный волосатый корень был идентифицирован с помощью морфологического анализа и репортерного гена GFP. Чтобы дополнительно проиллюстрировать область применения этой системы, CcCIPK14 (Calcineurin B-like protein-interintering protein kinases) был преобразован в голубиный горох с использованием этого метода трансформации. Трансгенные растения обрабатывали жасмоновой кислотой (JA) и абсцизионной кислотой (ABA) соответственно с целью проверки того, реагирует ли CcCIPK14 на эти гормоны. Результаты показали, что (1) экзогенные гормоны могут значительно повышать уровеньэкспрессии CcCIPK14, особенно в растениях с сверхэкспрессией (OE) CcCIPK14 ; (2) содержание генистеина в линиях CcCIPK14-OE было значительно выше, чем в контроле; (3) уровень экспрессии двух нижележащих ключевых генов флавоноидсинтазы, CcHIDH1 и CcHIDH2, был повышен в линиях CcCIPK14-OE; и (4) трансгенная система волосистого корня может быть использована для изучения метаболически функциональных генов у немодельных растений.
Трансформация является основным инструментом оценки экспрессии экзогенных генов 1,2. Многие биологические аспекты ресурсных растений являются общими для всех растений; таким образом, функциональные исследования определенных генов могут быть проведены на модельных растениях (таких как Arabidopsis)3. Тем не менее, многие гены у растений уникальны по своим функциям и паттернам экспрессии, что требует исследований на их собственных или близкородственных видах, особенно для ресурсных растений 3,4. Растительные клетки могут воспринимать различные сигналы, которые позволяют растениям проявлять специфические изменения в экспрессии генов, метаболизме и физиологии в ответ на различные условия стресса окружающей среды 5,6,7. Флавоноиды играют ключевую роль в сигнальном процессе растений, которые реагируют на стрессы окружающей среды 5,8,9. Кроме того, содержание флавоноидов в садовых и лекарственных растениях также является важным показателем для оценки качества10. Идентификация генов, участвующих в регуляции синтеза флавоноидов в ответ на внешние сигналы, имеет решающее значение для понимания механизма синтеза флавоноидов в растениях. Несколько исследований показали, что применение экзогенных гормонов может способствовать накоплению флавоноидов 6,11. Стабильная система трансформации и метод валидации функций генов необходимы для демонстрации функции генов и понимания вторичного метаболизма в растениях.
Агробактериально-опосредованная трансформация широко используется при вставке ДНК 5,8,9. Агробактерия tumefacient может переносить кольцевые гены в хромосомы растительных клеток, а экзогенные фитогормоны индуцируют одну или несколько клеток-хозяев, которые могут регенерировать растения для получения стабильных трансформантов 12,13,14. Методы трансформации, опосредованные тумефациантом, более применимы к видам растений, пригодным для манипуляций in vitro, в то время как большинство многолетних древесных растений ограничивают применение этого метода из-за их трудности регенерации 4,15. A. rhizogenes также способен модифицировать геном клеток-хозяев16. В настоящем исследовании мы разработали эффективную и стабильную процедуру трансформации, опосредованную A. rhizogenes. A. rhizogenes содержит вторую бинарную плазмиду, несущую неестественный ген Т-ДНК в дополнение к плазмиде R. Растение-хозяин заражено, и можно получить сложное растение с трансгенными волосистыми корнями, выходящими из побега дикого типа 16,17. Системы трансформации, опосредованные A. rhizogenes, подходят для применения в исследованиях древесных растений благодаря их быстрой, низкой стоимости и отсутствию необходимости в регенерации растений. Более 160 видов растений успешно индуцируют волосистые корни, и большинство из них относятся к семействам Solanaceae, Compositae, Cruciferae, Convolvulaceae, Umbelliferae, Leguminosae, Caryophyllaceae и Polygonaceae18,19. По сравнению с A. tumefaciens, A. rhizogenes показал более высокую эффективность в опосредованном преобразовании голубиного гороха17,20.
В данном исследовании голубиный горох был использован в качестве примера для представления процесса трансформации, опосредованного A. rhizogenes. От прививки до укоренения эксперименты длились 5 недель. Мы идентифицировали трансформацию придаточного корня через морфологию и репортерный ген GFP, и эффективность трансформации составила до 75%. Кроме того, мы обрабатывали композитную установку JA и ABA, а также обнаруживали транскрипты и вторичные метаболиты с помощью количественной реальной ПЦР и ВЭЖХ (высокоэффективной жидкостной хроматографии). Подтверждено, что уровень экспрессии CcCIPK14 реагирует не только на JA и ABA, но и влияет на биосинтез флавоноидов. Эта система достаточна для изучения функции генов, связанных с вторичным метаболизмом. Также предложен новый подход к изучению немодельных растений при отсутствии достаточной устойчивой системы трансформации 17,21,22.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
ПРИМЕЧАНИЕ: Голубиный горох является диплоидной бобовой культурой, которая принадлежит к семейству Fabaceae. Семена голубиного гороха, использованные в этом эксперименте, получены из Северо-восточного университета лесного хозяйства Китая и имеют код 87119. Основные шаги этого протокола проиллюстрированы на рисунке 1A. Инкубацию рассады проводили в условиях высокой влажности воздуха при температуре 25 °С при люминесцентных лампах со скоростью 50 моль/м-2 с-1 в течение 16-часового фотопериода. Штаммы A. rhizogenes K599 (NCPPB2659) были сохранены в лабораторных условиях. Их хранили в среде дрожжевого маннита (YEP) с 15% глицерина при температуре -80 °C. Протокол, описанный в данной работе, был основан на протоколе Meng et al.21.
ВНИМАНИЕ: Поместите все генетически модифицированные бактерии и растения в соответствующий контейнер для отходов. Используйте все опасные химические вещества в вытяжном шкафу и утилизируйте их в контейнере для опасных отходов.
1. Подготовка рассады голубиного гороха
2. Активация A. rhizogenes
Примечание: Штаммом, используемым для преобразования A. rhizogenes , был K599, сохраненный при -80 °C. Бинарный вектор pROK2 (pBIN438; http://www.biovector.net/product/428388.html) содержит зеленый флуоресцентный белок (GFP) в качестве индикаторного гена и ген устойчивости к канамицину в качестве селективного маркера для трансформации A. rhizogenes.
3. Трансформация растений с помощью A. rhizogenes
ПРИМЕЧАНИЕ: Выберите здоровые растения для заражения A. rhizogenes с помощью следующей процедуры инъекции. Результатом этой процедуры является преображение волосатых корней. Для анализа функции гена CcCIPK14 необходим контроль. Растворы A. rhizogenes с пустым вектором или плазмидами CcCIPK14-pROK2 вводили в рассаду для индуцирования волосистых корней.
4. Выявление трансформированных волосистых корней
ПРИМЕЧАНИЕ: Трансформированные волосистые корни могут быть идентифицированы на основе морфологии и генного уровня. Эта процедура в первую очередь направлена на анализ идентификации репортерного гена (GFP).
5. Лечение экзогенными гормонами
Примечание: Растения с положительным результатом были обработаны экзогенными гормонами для изучения влияния CcCIPK14 на метаболические вещества. Составные растения, индуцированные A. rhizogenes , были разделены на три группы: группа обработки JA, группа обработки ABA и контрольная группа (рис. 3A).
6. Сбор и сохранение образцов
Примечание: После 3 ч обработки экзогенными гормонами был собран растительный материал из различных групп лечения.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
A. rhizogenes -опосредованное преобразование волосистого корня на голубином горохе
В этом исследовании описаны пошаговые протоколы генетической трансформации волосистых корней при посредничестве A. rhizogenes, которая имеет значение в области растительных молекул. Потребовалось около 5 недель, чтобы получить волосатые корни из корней голубиного гороха, зараженных A. rhizogenes. На рисунке 1А представлен обзор вс...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Быстрая характеристика функции генов является общей целью при изучении большинства видов, и она особенно важна для развития ресурсных растений. Трансформация, опосредованная A. rhizogenes, широко используется в культуре волосистых корней. Культура волосистых корней (HRC), как уникальный источник производства метаболитов, играет ключевую роль в метаболической инженерии18,28. Применение этой технологии в основном ограничив...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, описанную в этой статье.
Авторы выражают признательность за финансовую поддержку Национальному фонду естественных наук Китая (31800509, 31922058), Фонду выдающихся молодых талантов Пекинского университета лесного хозяйства» (2019JQ03009), Фондам фундаментальных исследований для центральных университетов (2021ZY16), Пекинскому муниципальному фонду естественных наук (6212023) и Национальной ключевой программе исследований и разработок Китая (2018YFD1000602,2019YFD1000605-1) и Пекинскому передовому инновационному центру селекции деревьев методом молекулярного дизайна. Я хотел бы поблагодарить Чжэнъяна Хоу за его руководство при написании статьи и профессора Мэн Дуна за его руководство по идее статьи.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 0,1 мл 8-полосковая пробирка для количественной ПЦР (с оптическими колпачками) | KIRGEN, Шанхай, Китай | KJ2541 | |
| ABA | Solarbio Life Science, Пекин, Китай | A8060 | |
| порошок агара | Solarbio Life Science, Пекин, Китай | A8190 | |
| Центрифуга | Osterode am Harz, Германия | d37520 | |
| CFX Connect TW Оптический модуль | Bio-rad, США | 1855200 | |
| инкубатор с постоянной температурой | Shanghai Boxun Industry & Commerce Co., Ltd, Шанхай, Китай | BPX-82 | |
| Одноразовая чашка Петри | Corning, США | ||
| Сухая ванна | Gingko Bioscience Company/Coyote bioscience, Китай | H2H3-100C | |
| Eastep Набор для экстракции общей РНК 50 | Promega, Пекин, Китай | LS1030 | |
| Электронные весы | Тяньцзинь, Китай | TD50020 | |
| Фильтр папе | Hangzhou wohua Filter Paper Co., Ltd, Китай | ||
| FiveEasy Plus | Mettler Toledo, Шанхай, Китай | 30254105 | |
| Цветочный горшок 9*9 | Китай | ||
| JA | Solarbio Life Science, Пекин, Китай | J8070 | |
| Kan Solarbio | Life Science, Пекин, Китай | K8020 | |
| MagicSYBR Смесь | CWBIO, Пекин, Китай | ||
| Мини микроцентрифуга | Scilogex, Пекин, Китай | S1010E | |
| NaCl | Solarbio Life Science, Пекин, Китай | S8210 | |
| NanPhotometer N50 Touch | IMPLEN GMBH, Германия | T51082 | |
| Purelab untra | |||
| Rifampicin | Solarbio Life Science, Пекин, Китай | R8010 | |
| Рассадный ящик 30*200 | China | ||
| Thermal Велосипедист ПЦР | Bio-rad, США | Термостатический генератор T100 | |
| Пекин donglian Har lnstrument Manufacture Co., Ltd, Китай | DLHE-Q200 | ||
| Tomy Autoclave | Tomy, Япония | SX-500 | |
| Триптон | Solarbio Life Science, Пекин, Китай | LP0042 | |
| UEIris II RT-PCR Система для синтеза кДНК первой нити (с dsDNase) | US Everbright INC, Цзянсу, Китай | R2028 | |
| Порошок дрожжевого экстракта | Solarbio Life Science, Пекин, Китай | LP0021 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission