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Geração de Homo - e Heterografts entre melancia e cabaça para o estudo de MicroRNAs frio-responsivo

Published: November 20, 2018 doi: 10.3791/58242
* These authors contributed equally

Summary

Aqui nós apresentamos um protocolo detalhado para eficientemente tornando homo - e heterografts entre melancia e cabaça, além de métodos de amostragem de tecido, geração de dados e análise de dados, para a investigação de microRNAs frio-responsivo.

Abstract

MicroRNAs (miRNAs) são endógenos pequeno não-codificantes RNAs de cerca 20-24 nt, conhecida por desempenhar um papel importante no desenvolvimento da planta e adaptação. Há uma acumular evidências mostrando que as expressões de determinados miRNAs são alteradas quando o enxerto, uma prática agrícola comumente utilizada pelos agricultores para melhorar a tolerância das culturas a estresses bióticos e abióticos. Cabaça é uma colheita inerentemente resistentes às alterações climáticas, em comparação com muitos outras abóboras grandes, incluindo melancia, tornando-o um dos porta-enxertos mais utilizados para o último. O recente avanço das tecnologias de sequenciamento de alto rendimento tem proporcionado grandes oportunidades para investigar os miRNAs frio-responsivo e suas contribuições para vantagens heterotópico; ainda, os procedimentos experimentais adequados são um pré-requisito para esta finalidade. Aqui, apresentamos um protocolo detalhado para a geração eficiente de homo e heterografts entre o frio-suscetíveis de melancia e a cabaça tolerante ao frio, além de métodos de amostragem de tecido, geração de dados e análise de dados. Os métodos apresentados são também úteis para outros sistemas de planta-enxerto, para interrogar miRNA regulamentos sob vários estresses ambientais, tais como calor, seca e salinidade.

Introduction

Enxertia tempo foi empregado como uma técnica agrícola para melhorar a produção agrícola e tolerância a estresses bióticos e abióticos1,2,3. Em sistemas de heterografting, porta-enxertos elite podem aumentar a absorção de água e nutrientes das plantas, reforçar a resistência a patógenos de solo e limitar os efeitos negativos da toxicidade do metal4,5, que podem conferir os enxertos uma reforçada vigor de crescimento e maior tolerância a estresses ambientais. Em muitos casos, heterografting também pode afetar as qualidades de frutos em plantas hortícolas, levando ao sabor da fruta melhorada e maior conteúdo de compostos relacionados com a saúde6,7. Verificou-se que a transferência de longa distância de fitohormônios, RNAs, peptídeos e proteínas entre o porta-enxerto e o scion é um mecanismo fundamental de modulação do crescimento e desenvolvimento reprogramação de scion plantas8,9 ,10. Enxertia tem sido amplamente utilizada em estudos de longa distância de sinalização e transporte em relação à adaptação ambiental11. Experimentos de enxerto são especialmente poderosos para a deteção inequívoca de moléculas transmitidas em tecido ou seiva vascular e ativação ou supressão de alvos moleculares devido ao sinal de transmissão12a receber.

RNAs não-codificantes, uma grande classe de RNA que exercem funções reguladoras importantes nas células, têm sido relatados para desempenhar um papel em facilitar a adaptação da planta ao estresse abiótico13. os miRNAs são endógenos pequeno não-codificantes RNAs de cerca 20-24 nt. estudos revelaram o papel regulador dos miRNAs em vários aspectos das atividades da planta, tais como atirar em crescimento, lateral raiz formação14,15,16, absorção de nutrientes, metabolismo de sulfato e homeostase17e respostas bióticos e abióticos stress18. Recentemente, a expressão de miRNAs e seus genes-alvo foram relacionados com tolerância de estresse em mudas de pepino heterografted19de sal. Nos enxertos intervariety de uva, as respostas de miRNA expressão ao estresse de seca foram encontradas para ser dependente do genótipo20.

O desenvolvimento rápido e diminuindo o custo da tecnologia de sequenciamento do elevado-throughput forneceram uma grande oportunidade para o estudo dos regulamentos de miRNA em plantas agrárias. Melancia (Citrullus lanatus [Thunb.] Mansf.), uma colheita importante Cucurbitácea crescido em todo o mundo, é suscetível a baixas temperaturas. Cabaça (Lagenaria siceraria [Molina] Cuatrec.) é uma Cucurbitácea mais clima-resistente comumente usada pelos agricultores para enxertar com melancia. O objetivo principal do estudo atual é estabelecer um padrão, eficiente e um método conveniente para fazer heterografts entre melancia (Citrullus lanatus [Thunb.] Mansf.) e cabaça (Lagenaria siceraria [Molina] Cuatrec). Este protocolo também fornece um esquema experimental detalhado e procedimentos analíticos para o estudo do Regulamento de miRNA expressões após a enxertia, que é útil para revelar os mecanismos subjacentes vantagens heterografting.

Os materiais de planta utilizados neste estudo incluem a cultivar de melancia e a cabaça landrace. Cultivar de melancia é um cultivar comercial com alto rendimento, mas suscetível a baixas temperaturas. Cabaça landrace é um popular porta-enxertos para enxertia com melancia, pepino e cabaça, devido à sua excelente tolerância de temperaturas baixas21.

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Protocol

1. esterilização e germinação de sementes

  1. Para a esterilização de superfície, mergulhe as sementes de cabaça num copo de 500 mL com água a 58 ° C, com agitação ocasional, até que a temperatura da água cai para 40 ° C.
  2. Enquanto isso, coloque 3 kg de solo de turfa em um saco de nylon e, para esterilizar, autoclave em 120 ° C/0.5 MPa por 20 min.
  3. Continue a embeber as sementes de cabaça para 4-5 h mais com nenhuma agitação.
    1. Uma vez que a água atinge a temperatura ambiente, lave as sementes 2 x - 3 x com água destilada.
    2. Escorra o excesso de água e permitir que as sementes germinar em um saco de gaze a 28 ° C em uma câmara de crescimento no escuro.
    3. Após a germinação, semear as sementes em potes de plástico (6 cm de diâmetro) enchidas com o solo de turfa esterilizado.
  4. Quando as mudas de cabaça desenvolveram dois cotilédones achatados, repita os passos 1.1-1.3 com sementes de melancia.
    Nota: Este tempo de gestão assegura que os tamanhos do descendente e porta-enxerto correspondem bem para enxertia bem sucedida.

2. seedling crescimento e enxertia

  1. Crescem as mudas em uma câmara de crescimento com um ciclo de 16-h /8-h luz escura, mantendo a temperatura a 28 ° C durante o dia (luz) e a 22 ° C durante a noite (escuro). Irriga as mudas, adicionando água 1 x por dia no final da tarde.
  2. Use o método de enxertia de corte22 para fazer heterografts quando as mudas da garrafa cabaça (porta-enxerto) estão na um fase verdadeiro-folha e os cotilédones da melancia (scion) surgiram (ainda não achatados).
    1. Cortar o hipocótilo das mudas melancia em 2-3 cm abaixo os cotilédones e folhas de topo das mudas no local imediatamente acima o verdadeiro cabaça.
    2. Use um palito para fazer um furo na parte superior das mudas aparado de cabaça. Insira as mudas de melancia aparada nos orifícios das mudas cabaça para fazer heterografts.
  3. Use um método semelhante como apresentada no passo 2.2 tornar stent.
    Nota: Combinações de Homo e heterografting sempre devem ser feitas simultaneamente (Figura 1), que, neste caso, resulta no seguinte: melancia/cabaça (WB, heterotópico), melancia/melancia (WW, homograft) e /bottle de cabaça cabaça (BB, homograft).

Figure 1
Figura 1: ilustração de combinações o enxerto e as estruturas de plantas enxertadas. WB = heterografting de melancia/garrafa cabaça; WW = homografting de melancia/melancia; BB = cabaça/garrafa cabaça homo-enxerto; WB-S = folhas descendente de heterografts de cabaça a melancia/garrafa que foram amostradas; WB-R = folhas de porta-enxertos das heterografts de cabaça de melancia/garrafa que foram amostradas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. postgrafting de gestão, tratamento pelo frio e amostragem

  1. Wrap as mudas enxertadas com sacos de polietileno transparente para manter uma umidade relativamente elevada e mantê-las para a 7D sob condições ambientais de 16-h luz/8-h ciclos escuros, mantendo a temperatura a 28 ° C durante o dia (luz) e a 22 ° C, durante o noite (escuro).
  2. Descobri os sacos de polietileno transparente no dia 7. Deixe que as plantas crescem para um adicional 7-10 dias, sob as mesmas condições.
  3. Divida as mudas saudáveis e uniformes em dois grupos, um para tratamento pelo frio (estressado) e outro para o controle (não-forçado). Para o grupo de controle, deixe as mudas na câmara de crescimento mesmo (a 28 ° C) para um adicional 48 h, enquanto que para o grupo de frio-salientou, transferir as mudas para uma câmara de crescimento com uma temperatura constante a 6 ° C, com condições de claro/escuro, conforme descrito na etapa 2.1.
  4. As folhas do scion e o porta-enxerto de enxertos (Figura 1) da amostra. Congelar as amostras imediatamente em nitrogênio líquido e armazená-los a-70 ° C até o uso.

4. Biblioteca preparação e arranjar em sequência do elevado-throughput

  1. Transferi as amostras congeladas para um tubo de 2 mL microcentrifuga em nitrogênio líquido.
  2. Adicione um talão de aço inoxidável (5 mm de diâmetro) para cada tubo contendo os tecidos.
  3. Homogeneizar os tecidos a um pó fino usando um homogeneizador de moinho do grânulo por 30 s.
  4. Para cada combinação de enxertia, tomar quantidades iguais (0,1 g) da amostra de solo de dez mudas e misturá-los num tubo de centrífuga de 10 mL. Adicione uma quantidade adequada de reagente de cloridrato de guanidium (Tabela de materiais) baseado nas sugestões do fabricante correspondente ao peso do tecido.
    1. Remover contaminações de DNA genômicas pela adição de RNA-livre de DNase I 150 U/mL a 37 ° C por 1h.
  5. Determinar o total número de quantidade de RNA em um sistema de eletroforese conta para garantir a integridade do RNA > 7.0.
    Nota: Um RIN > 7.0 assegura uma alta integridade das amostras do RNA.
  6. Prepare pequenas bibliotecas do RNA usando um kit comercial (Tabela de materiais) de acordo com as instruções do fabricante. Use 1 µ g de RNA total por amostra para iniciar.
    1. Degelo biblioteca normalização reagentes e adaptadores de acordo com as orientações do fabricante. Ligate RNAs pequeno com os adaptadores 5 ' e 3 ' e eluir e purificá-los. Em seguida, reverso transcrever o 5 ' e 3' ligada a RNAs pequeno, seguindo as orientações do fabricante.
    2. Execute a amplificação por PCR de acordo com o protocolo do fabricante. Avalie a qualidade e quantidade das bibliotecas de cDNA usando uma conta de eletroforese.
    3. Carregar de 1 µ l de uma biblioteca de RNA em um sistema de eletroforese conta para garantir o RIN > 7.0.
  7. Sequencie as pequenas bibliotecas de RNA em um instrumento de sequenciamento de alto rendimento, conforme descrito em outro lugar23.

5. miRNA e previsão de Gene alvo

  1. Para cada combinação de enxertia, use o open source UEA sRNA bancada 2,4-planta versão24 para remover sequências de má qualidade e aparar sequências de adaptador do lê cru. Descartar as sequências que são menores do que 18 nt ou maior que 32 nt.
  2. Compare as sequências de "limpas" de alta qualidade para o banco de dados de código aberto Rfam 11.0 a reconhecer e remover leituras de tRNA, rRNA, snoRNA e outros snRNPs.
  3. Alinhe o restante lê para os genomas de referência usando uma sequência curta-leitura alinhamento ferramenta25. Não há incompatibilidade é permitida nesta etapa.
    Nota: A montagem do genoma "97103" melancia V126 foi usado para o alinhamento com as leituras de scion e o cabaça "HZ" genoma assembly V127 foi usada para leituras do rootstock.
  4. Compare o restante lê contra conhecidos miRNAs maduros no código-fonte aberto miRBase 22,028. Leituras que são homólogas ao conhecido miRNAs são classificadas como os miRNAs conservados.
  5. Compare as sequências que não combinam os precursores de miRNA conhecido com a sequência do genoma. Use o algoritmo de29 MIREAP para detectar potenciais miRNAs romance sob as configurações padrão.

6. diferencial expressão e análise do Gene Ontology

  1. Compare os níveis de expressão de miRNAs baseados suas contagens de leitura. os miRNAs com um P-valor (teste exato de Fisher) < 0,05 e um registro absoluto2 valor > 2 são considerados para ser diferencialmente expressos.
  2. Use do oligonucleotide antisentido alvo local seleção ferramenta (TargetFinder)30 para prever potenciais mRNAs complementares (miRNA genes-alvo) para os miRNAs diferencialmente expressos sob parâmetros padrão.
  3. Usar a ontologia de gene (ir) padrões de enriquecimento ferramenta analítica31 para revelar a ontologia de genes alvo miRNA (GO) sob um P- limite de valor de 0,05 de significância estatística.

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Representative Results

Figure 2
Figura 2: fenótipos de vários enxertos em temperatura ambiente e condições de frio-salientou. (um) este painel mostra homo e heterografted mudas à temperatura ambiente como o controle. (b) este painel mostra homo e heterografted mudas após 48 h de tratamento pelo frio. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Usando o método descrito, obtivemos uma taxa de êxito elevada (sobrevivência) de 98% para enxertia. Fenótipos de vários enxertos em temperatura ambiente e condições de frio-estressado são mostrados na Figura 2. Após 48 h de tratamento pelo frio, as plantas de melancia homografted mostraram atraso de crescimento óbvio com as folhas murchas, enquanto as plantas de cabaça homografted e os heterografts de cabaça de melancia/garrafa exibiram muito mais vigoroso crescimento. Sem sintomas de danos foram observados nas folhas das heterografts, que superou até mesmo as plantas homografted de cabaça, onde as menor verdadeiras folhas foram danificadas. Estes resultados demonstram claramente a vantagem do heterografts em confere tolerância fria.

A sequenciação do ARN pequena das oito bibliotecas rendeu um total de 258 milhões brutos leituras. Após o controle de qualidade (QC), um total de 146 milhões leituras correspondentes a aproximadamente 30 milhões de sequências únicas foram retidos (tabela 1). Com base neste conjunto de sequências de sRNA limpo, 323 miRNAs, incluindo 10 conhecido e 313 miRNAs romance, estava previstos a partir a cabaça, e 20 miRNAs romance conhecidos e 802 foram previstos a partir do watermelon.sRNAs de 24 nt compo a maior classe de sRNAs no enxerto de todos combinações, independentemente da temperatura ambiente ou condições de frio-estressado (Figura 3).

Tratamento Código Não. lê sRNA
Total Exclusivo
WW-CK -Prima 30612962
Limpar 19727501 3858868
Mapeado para genômica 19059359 3777952
BB-CK -Prima 30845546
CK Limpar 16832061 3787866
Mapeado para genômica 16375142 3694388
WB-CK-S -Prima 39492123
Limpar 26783053 6319473
Mapeado para genômica 25919944 6132389
WB-CK-R -Prima 23763619
Limpar 10187791 1784447
Mapeado para genômica 8946929 1537867
WW-CL -Prima 27557577
Limpar 17879038 3336242
Mapeado para genômica 17153763 3259960
BB-CL -Prima 29780991
Limpar 13342206 3235570
Frio Mapeado para genômica 12949972 3164329
WB-CL-S -Prima 45708415
Limpar 23071845 4310276
Mapeado para genômica 22363113 4224166
WB-CL-R -Prima 30585408
Limpar 19029266 3541729
Mapeado para genômica 17364239 3196106

Tabela 1: Estatísticas de pequenos RNAs em vários enxertos em temperatura ambiente ou sob tratamento pelo frio.

Figure 3
Figura 3: distribuição de tamanho da sRNA lê em vários enxertos. (um) este painel mostra que a distribuição de tamanho da sRNA lê em heterografts sob controle ou condições de frio. (b) este painel mostra que a distribuição de tamanho da sRNA lê no stent sob controle ou condições de frio. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Após 48h de tratamento pelo frio, 30 e 268 miRNAs foram a montante e ativador, respectivamente, nas folhas do scion nos heterografts. Isto estava em nítido contraste com os resultados nas folhas de porta-enxertos, onde 31 e apenas 12 miRNAs foram a montante e ativador, respectivamente (Figura 4). No stent de melancia/melancia, 64 e 83 miRNAs foram a montante e ativador, respectivamente. No stent de abóbora cabaça garrafa/bottle, esses números foram 30 e 28. Aparentemente, heterografting causou uma profunda reprogramação das expressões miRNA. Análises de GO-enriquecimento dos genes alvo putativo dos miRNAs diferencialmente expressos identificados 78 enriquecidos termos GO no herdeiro das heterografts, com 40 classificados em processos biológicos, 2 em componentes celulares e 36 em funções moleculares (Figura 5). Descobrimos que vários conhecidos termos GO/caminhos relacionados com transdução de resistência e sinal de estresse bióticos/abióticos, por exemplo, o processo catabólico quitina (ir: 0006030, vá: 0006032), etileno-ativado via de sinalização (ir: 0009873), poliamina processo de biossíntese (GO: 0006596) e transdução de sinal por fosforilação de proteínas (ir: 0009755), estavam envolvidos. Combinado, nossos resultados sugerem que a downregulation de miRNAs, ajustando-se a abundância de transcrições de seus genes-alvo, pode representar um importante mecanismo subjacente reforçada tolerância fria. Nos enxertos de melancia/garrafa cabaça, o heterotópico em si tem um impacto significativo sobre os padrões de miRNA que formam as vantagens do enxerto.

Figure 4
Figura 4: comparação dos padrões de montante e ativador miRNAs em resposta ao estresse térmico em vários enxertos. WB-S = folhas descendente de heterografts de cabaça a melancia/garrafa que foram amostradas; WB-R = folhas de porta-enxertos das heterografts de cabaça de melancia/garrafa que foram amostradas; WW = o stent de melancia/melancia; BB = o stent de abóbora cabaça garrafa/bottle. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: ir análises de enriquecimento dos genes alvo putativo de miRNAs diferencialmente expressos em scion deixa de heterografts ao estresse térmico. WB-CL-S = folhas descendente de heterografts de cabaça a melancia/garrafa sob tratamento pelo frio; WB-CK-S = folhas descendente de heterografts de cabaça a melancia/garrafa à temperatura ambiente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Neste protocolo, descrevemos em detalhe um método altamente eficiente e reprodutível para tornar homo e heterografts entre melancia e cabaça. Esse método, que exige nenhum equipamento específico, é muito fácil de operar e normalmente tem uma taxa de sobrevivência muito alta de enxertia. O método também pode ser usado para fazer enxertos para outras abóboras, tais como entre melancia, pepino e abóbora.

É interessante notar que o tamanho relativo (idade) do porta-enxerto e descendente é fundamental para fazer um enxerto bem sucedido (passo 2.2 do protocolo). Observamos que, se o porta-enxerto utilizado foi muito grande em comparação com a descendente, a União do enxerto foi mais difícil de forma porque a haste do scion foi um pouco oco. Com base no nosso anterior de dados proteomic31, à inclusão da scion Self enxertado e porta-enxerto transplantado Self controles é altamente recomendável (etapa 2.3 do protocolo), porque então, o impacto das lesões de enxerto pode ser eliminado em grande parte.

Este protocolo fornece também um esquema experimental detalhado e procedimentos experimentais específicos para investigar as abundâncias de miRNAs no sistema heterografting. Esse método também será útil para estudos em outros sistemas de planta-enxerto para revelar os mecanismos de regulação de miRNA locais e de longa distância. Nos Resultados do representante, relatamos as mudanças de expressão de apenas locais miRNAs em scion ou porta-enxerto em resposta a uma temperatura baixa. Acumulando relatórios têm destacado o envolvimento de longa distância pequena transmissão de RNA em enxertia relacionadas com alterações fenotípicas. O protocolo apresentado aqui, que combina os métodos de análise de dados de enxertia e de alto rendimento, também pode ser usado para análise de transmissão miRNA entre o descendente e o porta-enxerto. O princípio de diferenciação miRNAs transmitidos de miRNAs locais baseia-se na sua similaridade de sequência com os genomas de referência (ou seja, uma miRNA em scion que é mais como o genoma do porta-enxerto é considerado para ser transferido a partir do porta-enxerto, e vice-versa).

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar. Os dados de sequenciamento de RNA pequenos são depositados no GenBank sob o número de adesão SRP136842.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de ciências naturais da China (31772191), o projeto de pesquisa para o interesse público na província de Zhejiang (2017C 32027), a chave de ciência projeto de melhoramento de plantas em Zhejiang (2016C 02051) e o programa nacional de o apoio de top-notch jovens profissionais (para lojas).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
TRIzol Reagent Invitrogen 15596026
RNA-free DNase I Takara D2270A
Truseq Small RNA sample prep Kit Illumina RS-200-0012
2100 Bionalyser Agilent 5067
DNA Polymerase Thermo Fisher Scientific F530S
UEA sRNA workbench 2.4-plant version (software) NA NA http://srna-workbench.cmp.uea.ac.uk/
Rfam 11.0 database (website) NA NA http://rfam.janelia.org
miRBase 22.0 (website) NA NA http://www.mirbase.org/
MIREAP(software) NA NA https://sourceforge.net/projects/mireap/
TargetFinder (software) NA NA http://targetfinder.org/

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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Ciências do ambiente edição 141 cabaça estresse térmico expressão diferencial enxerto miRNA melancia
Geração de Homo - e Heterografts entre melancia e cabaça para o estudo de MicroRNAs frio-responsivo
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Wang, L., Wu, X., Li, G., Wu, X.,More

Wang, L., Wu, X., Li, G., Wu, X., Qin, D., Tao, Y., Xu, P. Generating Homo- and Heterografts Between Watermelon and Bottle Gourd for the Study of Cold-responsive MicroRNAs. J. Vis. Exp. (141), e58242, doi:10.3791/58242 (2018).

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