Методы генетической трансформации растений имеют важное значение для проверки биологических функций генов и особенно полезны сегодня, учитывая большое количество неохарактеризованных генов, предсказанных в постгеномнуюэпоху. Эти методы могут быть использованы для получения полностью трансформированных линий или для экспрессии генов на переходной основе. Стабильная трансформация происходит, когда чужеродная ДНК, принятая хозяином, полностью и необратимо интегрируется в геном хозяина, и генетические модификации передаются последующим поколениям. Транзиторная экспрессия, известная как транзиторная трансформация, происходит из нескольких копий Т-ДНК, перенесенных агробактериями в клетку, которые не были интегрированы в геном хозяина, и достигает пика через 2-4 дняпосле заражения.
Стоит отметить, что анализы транзиторной экспрессии часто достаточны для функциональной характеристики генов и могут предложить ряд преимуществ по сравнению со стабильной трансформацией. Например, транзиторная трансформация не требует процедур регенерации на основе культуры тканей. Еще одно преимущество заключается в том, что он совместим с функциональным анализом генов in planta , существующим несколькими успешными примерами протоколов, хорошо стандартизированных для модельных видов растений, таких как Arabidopsis thaliana3 и Nicotiana benthamiana4, но все еще ограниченных для немодельных видов5.
Развитие транзиторных анализов зависит от наличия эффективных методов переноса генов. Для этого наиболее популярные подходы основаны на инфильтрации Agrobacterium , которая использует уникальную способность Agrobacterium переносить ДНК в клетки растений6. Другим полезным инструментом для такого анализа является использование репортерных генов, таких как зеленые флуоресцентные белки (GFP), β-глюкуронидаза (GUS), люцифераза или RUBY, которые используются для отслеживания трансформационных событий. Среди этих репортерных систем RUBY в настоящее время является самой простой для визуализации и основана на превращении тирозина в беталаины посредством трех ферментативных реакций. В отличие от других репортерных систем, полученные беталаины можно легко наблюдать в виде ярко окрашенных пигментов на трансформированных растительных тканях без необходимости использования сложного оборудования или дополнительных реагентов7.
При инфильтрации суспензии Agrobacterium в межклеточное пространство мезофилла листа наиболее критическим этапом для успешной агроинфекции является преодоление физического барьера, накладываемого эпидермальной кутикулой листьев8. В то время как для некоторых растений градиент давления, создаваемый безыгольным шприцем (шприцевая агроинфильтрация), достаточен для эффективной агроинфильтрации, как это происходит у Nicotiana benthamiana9, другим видам растений может потребоваться больший градиент давления, например, тот, который создается с помощью вакуумных насосов10. При вакуумных процессах агроинфильтрация происходит в два этапа. В первом случае вакуум служит для того, чтобы подвергнуть растительный материал пониженному давлению, заставляя выделять газы из воздушных пространств мезофилла через устьица и раны. Затем, во время фазы регерметизации, суспензия Agrobacterium проникает в межклеточные пространства через устьица и ранит11.
По сравнению с инфильтрацией шприцем, вакуумная инфильтрация обеспечивает более высокую частоту использования, воспроизводимость и возможность контролировать давление и продолжительность на каждом этапе процесса инфильтрации10. В листьях различных видов растений, таких как шпинат (Spinacia oleracea)12, пион (древесный многолетник) (Paeonia ostii)13 и вигна (Vigna unguiculata)14, протоколы вакуумной агроинфильтрации достигали более высокой скорости инфильтрации, чем инфильтрация шприцем. Аналогичным образом, у томатов (Lycopersicon esculentum)15 и гербер (Gerbera hybrida)16 вакуумная агроинфильтрация приводила к более сильному и равномерному подавлению генов, чем шприцевая инфильтрация. Дополнительным преимуществом вакуумной инфильтрации является меньшая зависимость от генотипа по сравнению со шприцевой инфильтрацией, которая недавно наблюдалась у трех сортов цитрусовых (Fortunella obovata, Citrus limon и C. grandis)17. Однако при попытке применить вакуумную агроинфильтрацию к растениям, которые слишком велики, чтобы поместиться в эксикаторы, размер вакуумных камер может быть ограничением, как это обычно происходит с тропическими древесными растениями.
Ниже мы опишем протокол, который преодолевает пространственные ограничения вакуумных камер, проверяя его полезность для переходной трансформации листьев какао in planta . Мы представляем первый локализованный метод вакуумной инфильтрации какао, который не требует дополнительного оборудования и даже позволяет использовать те же лабораторные эксикаторы, что и для инфильтрации всего растения, но с простой адаптацией, позволяющей получить доступ к части растения внутри вакуумной камеры, что позволяет использовать его на разных стадиях развития растения. Чтобы проверить полезность предложенного метода локализованной вакуумной инфильтрации, мы выбрали какао в качестве аналога крупнолистного тропического вида растений, который трудно трансформировать. Используя этот метод локализованной инфильтрации, мы недавно сообщили о первой транзиторной экспрессии растений в авокадо путем вакуумной инфильтрации, опосредованной агробактериями, с условиями, ранее оптимизированными для отделившихся листьев18, и здесь мы сообщаем о первой транзиторной экспрессии в planta у какао.