Трансфекция растительных протопластов, введение чужеродного генетического материала в растительные клетки, лишенные клеточных стенок, является ключевым методом и за последние полвека охватывает множество видов в поддержку исследований в области биотехнологии растений. Тем не менее, использование этих методов может быть болезненным и ограниченным по масштабу, даже при миллионах протопластов, производимых на одну изоляцию. Традиционные методы трансфекции растительных протопластов часто являются трудоемкими, трудоемкими, подверженными изменчивости и технически сложными, что приводит к созданию нишевых систем с низкой воспроизводимостью. Тем не менее, потенциал, который открывают автоматизированные решения в последние годы, высвечивает возможность вдохнуть новую жизнь в эту 60-летнюю молодую технику 2,3. Благодаря потенциалу автоматизации критически важных, но повторяющихся этапов, таких как подготовка материала, инкубация полиэтиленгликоля (ПЭГ) и последующее дозирование реагентов для трансфекции, исследователи могут значительно снизить требования к физической обработке и другие потенциальные источники человеческих ошибок. Кроме того, точный контроль и однородность, обеспечиваемые автоматизированными системами обработки жидкостей, обеспечивают стабильные и воспроизводимые результаты трансфекции.
В то время как выделение протопластов является тщательным процессом, включающим измельчение, сбраживание, инкубацию, фильтрацию и центрифугирование, трансфекционная часть этих протоколов специально разработана для автоматизированных обработчиков жидкостей. Процедура для большинства протоколов трансфекции протопластов является ПЭГ-опосредованной, и смешивание выделенного протопласта в присутствии ПЭГ и очищенной плазмидной ДНК в течение определенного периода времени в точной концентрации (в зависимости от вида и ткани) позволяет этим клеткам поглощать плазмидную ДНК5. За этой трансфекцией следует серия этапов промывки, кульминацией которых является ночная инкубация6. После инкубационного периода, если все было спроектировано и поставлено должным образом, эксперимент приводит к выражению интересующего компонента и/или потенциалу оценки различных регуляторных компонентов. Все этапы аспирации, диспенсирования и перемешивания/смешивания, связанные с этой процедурой, обычно выполняются с помощью ручной пипетки. Выполнение такого протокола вручную, по одной отдельной реакции за раз, является трудоемким и вносит ненужные различия между образцами, а также ограничивает емкость, которую можно оценить в любой момент времени. Автоматизированные протоколы манипуляций с клетками млекопитающих или насекомых и химического синтеза в фармацевтической промышленности практикуются уже несколько лет 4,8,9. Использование протопластов и протоколов, включающих автоматизированную обработку жидких растительных материалов, находится на подъеме 10,11,12,13.
Внедрение автоматизированных протоколов работы с жидкостями для трансфекции растительных протопластов имеет большие перспективы для исследовательских применений. Исследователи могут изучать более обширные генетические библиотеки, проводить скрининг конкретных функций генов в ускоренном темпе и болеевсесторонне исследовать сложные генетические взаимодействия, связанные со стрессом растений. Масштабируемость автоматизированных подходов с использованием 96-луночных капсул в сочетании с флуоресцентным скринингом позволяет проводить эксперименты с высокой производительностью и позволяет ученым быстро генерировать данные и идеи, которые могут способствовать прогрессу в биотехнологии растений. Однако с увеличением пропускной способности, приводящим к созданию сотен, если не тысяч точек данных, необходим дополнительный контроль качества, учитывающий любые источники ошибок, которые могут исказитьрезультаты. Одним из элементов, который был определен в качестве фактора, способствующего развитию во многих научных дисциплинах, является эффект края. Некоторые стратегии смягчения последствий предложат наилучшую плиту для использования или заполнения межскважинного пространства или самых внешних скважин водой для борьбы с этим явлением16,17. Тем не менее, эти стратегии увеличивают время, и если конкретного одноразового продукта нет, единственный вариант — согласиться на меньшее или отложить. С другой стороны, изучение стратегий, которые учитывают этот эффект с помощью схемы блокировки, не приводит к потере пропускной способности или задержки выполнения.
Этот протокол этиолированных протопластов листьев кукурузы и два его автоматизированных метода, показанные на рисунке 1 , направлены на решение проблемы изменчивости, присущей экспериментам с протопластами, путем автоматизации нескольких частей канонического метода протопластов, распределения плазмидного материала в сосуде, используемом для трансфекции, и самой трансфекции. Эти методы продемонстрированы на примере этиолированной платформы протопластов листьев кукурузы, поскольку она является хорошо охарактеризованной, простой и эффективной платформой для протопластов. Все описанные здесь шаги немедленно доступны протоколам трансфекции протопластов, в которых используются аналогичные или те же буферные решения. Тем не менее, особое внимание следует уделить уникальным характеристикам исходной ткани и видов протопластов, прежде чем внедрять эти методы. Эти усовершенствования за счет автоматизации упрощают подготовку материала для отдельных экспериментов и значительно повышают производительность: от последовательной трансфекции по одной до 96 трансфекций, выполняемых одновременно. В этой работе также будет показано обоснование использования рандомизированных неполных блоков для учета смещения положения пластин.