真菌快速缺失生产

Genetics

Your institution must subscribe to JoVE's Genetics section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

通过同源重组产生的基因缺失突变体是基因功能研究的黄金标准。描述了用于快速产生缺失构建体的OSCAR(农杆菌 - 重组 - 质粒的一步构建)方法。 土壤杆菌介导的真菌转化如下。最后,提出了基于真菌转化体基因缺失的基于PCR的确认方法。

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Gold, S. E., Paz, Z., García-Pedrajas, M. D., Glenn, A. E. Rapid Deletion Production in Fungi via Agrobacterium Mediated Transformation of OSCAR Deletion Constructs. J. Vis. Exp. (124), e55239, doi:10.3791/55239 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

精确删除感兴趣的基因,同时使基因组的其余部分保持不变,为确定特定基因在活体中的功能提供了理想的产物。在本协议中,描述了精确快速删除质粒构建的OSCAR方法。 OSCAR依赖于进行单次重组酶反应的克隆系统,其中包含纯化的PCR扩增的目的基因的5'和3'侧翼和两个质粒pA-Hyg OSCAR(标记载体)和pOSCAR(组装体向量)。正确组装的缺失载体的确认通过限制性消化作图进行测序。然后使用根癌土壤杆菌介导将缺失构建体引入真菌孢子(简称ATMT)。最后,描述PCR测定以确定是否通过同源或非同源重组整合的缺失构建体,表明基因缺失或异位整合。这种方法已被成功地用于删除大丽花轮枝 菌属和其他物种中的尖角 镰孢属(Fusarium v​​erticillioides)中的许多基因。

Introduction

遗传解剖是确定个体或基因组合的功能重要性的有力方法。了解特定基因作用的标准方法是在任何其他基因中不改变单基因突变体的产生。最强大和最不可能的混杂方法是完全和精确地删除感兴趣的基因开放阅读框架(GOI ORF)而不损害任何其他基因功能。

因为用于缺失质粒生成的标准连接方法需要多个步骤,OSCAR 1的合理性就是产生更快速的体外方法。 图1描述了OSCAR方法中的组装过程。本文描述的方法具有将单个多部分反应中的单个基因缺失载体的快速构建与随后的根癌土壤杆菌介导转录(ATMT)。 OSCAR非常快速,并且与其他策略(例如在酵母2中使用吉布森装配)相比较。 OSCAR方法成功应用于几种真菌菌根霉菌。这些物种包括: 镰孢镰孢 (未发表), 大丽花e 3 ,,ica ica ica ica ii ii ii ii ii ii um um um um um。。。。。 SP。 Vasinfectum 6 ,Pestalotiopsis microspora 7 ,Colletotrichum higginsianum 8 和Dothistroma septosporum 9Sarocladium zeae (未发表)

该方案提供了包括引物设计,侧翼PCR扩增,OSCAR BP反应,缺失构建结构确认,转化的方法的逐步说明土壤杆菌的离子与构建物接着基于ATMT将缺失构建体转移到真菌细胞中,最后将真菌缺失突变体与具有异位整合的缺失构建体的突变体区分开。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1.基因片段的PCR扩增引物设计

  1. 下载到文字处理文件中,包含开放阅读框(ORF)的目标基因(GOI)的基因组区域和来自真核生物数据库或其他基因组数据资源的每一侧的基因侧翼至少2 kb。
  2. 突出显示要删除的ORF,并标记起始和终止密码。
  3. 在下载的序列中识别并突出显示相邻ORF。
  4. 使用GOI ORF的2 kb 5'端和引物设计工具(参见材料列表)设计PCR引物对O1和O2,以产生1 kb的最小大小的产物。小心不要影响相邻的ORF。
    1. 将2 kb 5'侧面粘贴到“序列条目”窗口中。单击“显示自定义参数”框。输入以下定制设计参数:底漆TM 58(最小),60(opt)和62(最大);底漆GC 40(min),50(opt)和60(max);底漆尺寸22(min),24(opt)和26(最大);放大镜尺寸1250(min),1500(opt)和2000(最大)。
    2. 选择反向引物(O2)最接近ORF的结果。捕获测定的屏幕截图,并将引物序列复制并粘贴到文字处理文档中。
    3. 重复3'侧翼的过程以产生引物O3和O4,此时选择将最接近目标ORF的正向引物(O3)放置的结果。
  5. 在引物1至4的5'末端添加适当的连接位点( 参见表1 )。
  6. 还可以在下面的第4部分中设计和订购用于删除确认的ORF特异性引物。参数应与步骤1.4.1中的相同,但必要时使用Amplicon Size 500(min),750(opt)和1000(max)调整ORF的长度。最后,为了确认同源重组体,产生位于染色体外侧的外侧的5'端和3'端引物。这些“出”引物将与之配合使用hygR(210)和hygF(850)( 图2 )。
  7. 订购底漆。

2.生产OSCAR构造

  1. 使用高保真Taq,在一个反应​​中使用引物(100μM)O1和O2,在第二次引物O3和O4中进行两个反应,每个用于5'和3'侧翼。反应混合物含有:29.5μL无菌蒸馏水(SDW),5μL10x LA PCR缓冲液,8μL2.5mM dNTP混合物,5μL25mM MgCl 2,1μL模板(50ng /μL),0.5μLhi-保真度Taq ,0.5μLPrimer O1和0.5μL5'侧翼的引物O2(或0.5μL引物O3和0.5μL引物O4用于3'侧翼)使用反应条件如下:94℃1分钟,然后30个循环94℃30秒,60℃30秒,72℃2分钟,然后最终步骤72℃5分钟,然后无限期地保持在10℃。
  2. 运行0.8%琼脂糖1×TAE(40mM Tris乙酸盐pH8.3,1mM EDTA)凝胶电泳,在标准微型凝胶装置中约125Vh,以测定产物的大小和相对浓度。根据制造商的说明书,用非乙腈染色将凝胶染色。在紫外线照明器上可视化。
  3. 如果5'和3'侧面产物大致均匀浓度,将它们组合并使用亲和柱试剂盒(或PEG沉淀90μL组合PCR产物,240μLTE缓冲液pH7.5,160μL30%聚乙二醇PEG8000 30mM MgCl 2 )根据制造商的方案共同纯化PCR产物。如果它们不是相同的浓度,则所有的低浓度产物与来自较高产量反应的估计等量的产物结合。
  4. 使用分光光度计测量纯化的DNA浓度。
  5. 通过混合以下物质进行BP反应:将1μL的60ng /μLpOSCAR,2μL的60ng /μLpA-Hyg-OSCAR,1μL60 ng /μL组合侧腹,1μL克隆酶。在25°C孵育16 h。通过加入0.5μL蛋白酶K终止反应,并在37℃下孵育10分钟。
  6. 改变高素质大肠杆菌细胞成功地使用市售的感受态细胞和自制的DH5αCaCl 2感受态细胞作为接受者,如制造商的说明书所述。在含有100μg/ mL壮观霉素(Spec)的低钠(0.5g / L NaCl)LB上。
  7. 通过执行上面产生的菌落的DNA微量排泄10来鉴定正确的构建体。用Hin dIII和Kpn I进行双重消化 ,如下:移液5μLDNA,2 U酶,2μL适当的10倍缓冲液,SDW至20μL总体积。这从载体( 7kb)释放插入片段(约1.5kb的1.5kb基因侧翼)并切割其中的任何位点侧面可以提供可预测的带尺寸。
  8. 序列11选择显示适当条带图案的克隆。

3. 农杆菌介导的真菌转化(ATMT)

  1. 用OSCAR缺失构建体转化根土壤杆菌菌株AGL1。
  2. 用含有GOI OSCAR缺失质粒的AGL1转化真菌。要执行以下步骤:
    1. 用2×10 6孢子/ mL的无菌水制备真菌孢子悬浮液。在血细胞计数器或自动细胞计数器上量化孢子。将其放入1.5 mL微量离心管中。这个设置是4个转换板。
    2. 使用蓝色的无菌一次性回路,从2-3天龄的LB-Spec 100培养基中添加容易看到的含有AGL1的缺失质粒(应覆盖环直径约20%)的糖(见Maateials列表的组成)含有板并混合到孢子悬浮液中。漩涡直到细菌细胞分散( 5分钟中等速度)。
    3. 将100μL的分生孢子 - Agro悬浮液移至放置在含有共培养培养基12的四个6cm培养皿中的每一个上的纤维素膜过滤器的中心。
    4. 用无菌玻璃珠(约4)涂覆悬浮液以覆盖膜过滤器的整个表面。或者使用传统的吊具工具分散悬架。将膜过滤器在罩中干燥约10分钟,用石蜡包裹。重复步骤3.2.2和3.2.3设置多个转换。
    5. 在室温下孵育板2天,倒置。
    6. 将膜过滤器转移到含有潮霉素B(Hyg)150μg/ mL,200mM头孢噻肟和100μg/ mL的6cm Aspergillus选择培养基拉氧头孢。在室温下孵育5-7天,然后分离Hyg抗性菌落。
    7. 用无菌牙签将推定的转化子转移到含有150μg/ mL Hyg,100μg/ mL卡那霉素的6cm土豆葡萄糖琼脂(PDA)板上。

4.通过PCR删除突变体鉴定

  1. 通过热解从转化体中提取DNA进行PCR。
    1. 一旦转化体在步骤3.2.7的PDA上形成菌落,使用无菌牙签将少量(2×2mm)的菌丝体或酵母细胞从菌落转移到100μL裂解溶液(50mM磷酸钠,pH 7.4,1mM EDTA,5%甘油)中。
    2. 在85-90℃下孵育混合物20-30分钟。将含有基因组DNA的粗提取物储存在-20℃直到在步骤4.2中使用。
  2. 对每个转化体进行4次PCR反应,每次转染d分别检测5'和3'侧翼的同源重组,一个用于可选择标记(在这种情况下为潮霉素磷酸转移酶),一个用于GOI ORF。
    注意:我们通常使用廉价的低保真Taq进行这些反应。反应条件如上述步骤2.1所述,含有SDW20μL,10×Taq缓冲液2.5μL,dNTPS(10mM)0.5μL,自制Taq14,0.5μL,引物A(100μM)0.5μL,引物B(100μM) )0.5μL,模板0.5μL。较低浓度的引物(10μM)可以很好地使用。
  3. 运行PCR产物的琼脂糖凝胶( 例如 0.8%)。删除突变体将产生Hyg带,但不产生ORF产物。异位整合将显示两条带。野生型只会产生ORF带。
  4. 永久存储删除突变体(和异位转化子或两个用于控件)以备将来使用。
    注意:使用15%甘油长期在-80°C下撕裂我们的菌株。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

在单个反应中,OSCAR方法产生含有围绕选择性标记盒的待缺失的靶基因的侧翼的质粒。使用OSCAR生成删除结构非常有效。然而,该系统可以产生含有一些但不是全部三个片段(两个基因侧翼和可选择标记)的部分构建体。通常,大多数大肠杆菌转化体含有正确的OSCAR构建体。例如, 图2描述了大丽轮枝菌基因VDAG_06812的OSCAR缺失构建体。在这种情况下,VDAG_06812的侧翼缺少Hin dIII或KpnI位点,因此应释放出4,247 bp的质粒插入片段。 图3显示了正常质粒结构的Hin dIII- Kpn I限制酶双重消化确认,除了代表异常构建的泳道5和11TS。 图4显示了通过Southern印迹的两种不同基因缺失的最终确认。 图5显示了作为Southern印迹的替代方案的确定性PCR方法。

图2
图1:OSCAR删除构建反应。 OSCAR缺失构建过程包括5'和3'基因侧翼的单独的PCR扩增,随后与组合的纯化的侧翼产物和二元选择标记质粒进行BP克隆酶反应。 B1r,B2r,B3,B4,P1r,P2r,P3,P4,R1,R2,L3和L4表示λ重组位点。重新打印参考1的许可。

图2
图2: OSCAR删除结构 em>大丽轮枝菌 基因VDAG_06812。显示限制酶识别和引物退火位点的位置以验证正确的缺失构建体结构。重新打印参考1的许可。

图3
图3: 使用 Kpn I和 Hin dIII对VDAG_06812的缺失构建体结构进行限制性 消化 确认 将质粒双重消化并通过在0.8%琼脂糖凝胶上的凝胶电泳进行分析。正确的构建体产生约6.9kb和4.2kb的两条带,分别表示与靶基因侧翼融合的二元载体骨架和HygR标记。重新打印参考1的许可。

ontent“fo:keep-together.within-page =”1“> 图4
图4: 使用OSCAR缺失构建体 确认大丽花中VDAG_02161和VDAG_09930的Southern印迹杂交 基因组DNA用Bcl I消化。然后用VDAG_02161和VDAG_09930 ORF探针同时检测它们。分别为VDAG_02161和VDAG_09930的野生型等位基因的杂交带分别为2,757 bp和1,426 bp。样品如下:泳道1:野生型菌株VdLs.17;泳道2:缺失突变菌株02161.1;泳道3:缺失突变菌株02161.3;泳道4:异位转化株Ect 02161.2;泳道5:缺失突变菌株09930.3;泳道6:缺失突变菌株09930.10;泳道7:异位转化株Ect 09930.4。通过许可重新打印 参考文献1


图5: 通过PCR的缺失突变体确认。分析基因FVEG_13253的缺失和异位镰刀菌轮转化体。泳道1顶部和底部,标记;泳道2-6顶部凝胶转化体PCR 5'末端片段扩增;泳道7-11顶部凝胶ORF扩增;泳道2-6底部凝胶Hyg基因扩增;泳道7-11底部凝胶3'出片段扩增。样品是缺失菌株11/31(泳道2和7),11/32(泳道3和8),11/33(泳道4和9)和异位转化体11/34(泳道5和10)和11 / 35(泳道6和11)。

底漆 使用 序列
引物O1-(attB2r) 5'侧翼扩增,引导向前 5'-GGGGACAGCTTTCTTGTACAAAGTGGAA
底漆O2-(attB1r) 5'侧翼扩增,引物反转 5'-GGGGACTGCTTTTTTGTACAAACTTGT
引物O3-(attB4) 3'侧翼扩增,引物向前 5'-GGGGACAACTTTGTATAGAAAAGTTGTT
引物O4-(attB3) 3'侧翼,引物反向扩增 5'-GGGGACAACTTTGTATAATAAAGTTGT

表1:加入基因特异性引物序列的特异性OSCAR引物5'延伸。

底漆 使用 序列
OSC-F 5'-CTAGAGGCGCGCCGATATCCT
OSC-R OSCAR反向测序引物,5'侧翼的序列反义链 5'-CGCCAATATATCCTGTCAAACACT
HygR(210) 反向测序引物,5'侧翼的序列反义链 5'-GCCGATGCAAAGTGCCGATAAACA
HygF(850) 正向测序引物,3'侧翼的序列有义链 5'-AGAGCTTGGTTGACGGCAATTTCG
新Hyg Marker前进为了扩增潮霉素抗性基因作为对照(与下面的新的Hyg Marker反向引物一起) 5'-GACAGGAACGAGGACATTATTA
新的Hyg标记反向将潮霉素抗性基因扩增为对照(连同上述新的Hyg Marker Forward引物)) 5'-GCTCTGATAGAGTTGGTCAAG

表2:用于分析OSCAR缺失构建体的引物。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

已经成功地应用了农杆菌的一步构建 - 组合就绪质粒(OSCAR),其中越来越多的子囊菌真菌。假设农杆菌介导的转化和同源重组是可能的,该方法还应该容易地应用于担子菌门和其他真菌门(具有适当的启动子驱动选择性标记基因)的物种。已经产生了额外的标记载体以使抗真菌化合物的选择多样化,并且允许产生双重和高级突变体。这些包括抗G418,奈瑟菌素,最近除草剂草铵膦和氯嘧磺隆。

该方法用于大丽花黄堇,这里提供的图像主要来源于1 。最近OSCAR被广泛用于删除的真菌致病性真菌Fusarium v​​erticillioides中的基因已经制作了超过60个缺失构建体,并且产生了超过30个基因的缺失突变体(未发表)。

在目前的迭代过程中,需要大约4-6周的时间来确定一组确认的缺失突变体。以下是主要OSCAR步骤和完成它们所需的大概时间的简要列表:1)基于基因组数据(5天)设计和采购OSCAR引物,2)侧翼扩增和克隆,(2天),3)通过微量制备和测序(1周)进行克隆确认,4)将质粒导入农杆菌进行ATMT(4天),5)ATMT在镰刀菌中产生转化体并生长(2周,注意到这取决于生长速率的真菌),热解和PCR测定转化体基因型(2天),6)单次打浆,基因型确认和储存(1-2周)。

5获得 。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

作者没有什么可以披露的。

Acknowledgements

作者感谢以下本科生和高中生在镰刀菌突变体中产生OSCAR突变体:Anjellica Miller,Athar Naseer,Xiu Lin,Katelyn Woodburry,Chelsea Patterson,Kathleen Robertson,Krystina Bradley,Ashton Rogers,Alexis McKensie,Manny Hernandez ,Ashli​​ Crepsac,Jeff Delong,Christian King,Je Jeong,Maria Belding,Christy Burre,Daniel O'Meara,Lauren(Victoria)Cook,Jake Goodman,Sampriti De,Oge Okoye,Alyssa Beckstead,Garrett Hibbs,Nick Goldstein,Caroline Twum ,Chris Benson,Louis Stokes,Hannah Itell,Jane Hulse,Jasim Mohammed,James Loggins,Kelli Russell,Gre'Nisha Jones,Kristin Sheaffer,Mariam Hammady,Ava Wilson,Katrina Bazemore,Toney Harper,Karlin McGhee,Mohmed Momin,Rima Momin ,Thi Ngoc Le和Angel Pham。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
FungiDB Database/ http://fungidb.org/fungidb/
IDT PrimerQuest IDT Primer design online software/ http://www.idtdna.com/Primerquest/Home/Index
Microsoft Word Sequence file manipulation
Low Na LB Spec 100 medium E. coli transformant selection, composition: 1% tryptone, 0.05% NaCl, 0.5% yeast extract, 1.5% agar if for solid medium
Co-cultivation medium ATMT transformation induction (Reference 12)
Aspergillus minimal medium with Hygromycin Fungal transformant selection
PDA medium Acumedia 7149A Single spore slant tubes
PDA-Hyg-Kan medium Fungal ransformant isolation, PDA containing 150 μg/mL hygromycin B and 100 μg/mL Kanamycin
Glass beads Genlantis C400100 Plate spreading
Nitrocellulose filters (47 mm) Fisher 09-719-555 Co-culturing for ATMT
Various centifuge tubes multiple preps
Petri plates (various) Culturing of bacteria and Fungi
pA-Hyg OSCAR Addgene 29640 Selectable marker vector
pOSCAR Addgene 29639 Assembly vector
DH5α One Shot Competent E. coli cells Life Technologies  12297-016 BP reaction transformation
ccdB survival E. coli cells Life Technologies  A10460 Maintenance of pOSCAR
Wooden transfer sticks Colony streaking
Toothpicks Colony picking
Microcentrifuge Pelleting Bacteria, etc.
Preparative centrifuge Fungal spore collection
Dissecting microscope Single spore isolation
Automated Cell Counter Spore suspension calculation
Compound microscope Hemocytometer cell counting
QIAquick PCR Purification Kit  Qiagen 28104 PCR gene flank produict purification
TaKaRa LA Taq  Takara Bio USA RR002A Hi Fidelity taq polymerase for OSCAR flank generation
Hygromycin B InvivoGen ant-hg-5
Spectinomycin Sigma 22189-32-8
Cefotaxime TCI America C2224
Kanamycin 11815032
Moxalactam Sigma-Aldrich 43963
GelRed  Phenix Research Products RGB-4103 Post staining agarose gels
Qiagen QIAquick PCR Purification Kit (Cat. No. 28104) 
(OneShot_ Mach1TM T1R or One Shot_ OmniMAX™ 2 T1R from Invitrogen)  Thermo Fisher Scientific C862003
Gateway BP Clonase II Enzyme mix Thermo Fisher Scientific 11789020 Used to assemble deletion construct in pOSAR

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Paz, Z., García-Pedrajas, M. D., Andrews, D. L., Klosterman, S. J., Baeza-Montañez, L., Gold, S. E. One step construction of Agrobacterium-Recombination-ready-plasmids (OSCAR), an efficient and robust tool for ATMT based gene deletion construction in fungi. Fungal Genet Biol. 48, (7), 677-684 (2011).
  2. Gibson, D. G., Young, L., Chuang, R. Y., Venter, J. C., Hutchison, C. A., Smith, H. O. Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases. Nat Methods. 6, (5), 343-345 (2009).
  3. Klosterman, S. J., et al. Comparative genomics yields insights into niche adaptation of plant vascular wilt pathogens. PLoS Pathog. 7, (7), (2011).
  4. Xue, C., Wu, D., Condon, B. J., Bi, Q., Wang, W., Turgeon, B. G. Efficient gene knockout in the maize pathogen Setosphaeria turcica using Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation. Phytopathology. 103, (6), 641-647 (2013).
  5. Xu, C., et al. A high-throughput gene disruption methodology for the entomopathogenic fungus Metarhizium robertsii. PloS One. 9, (9), (2014).
  6. Crutcher, F. K., Liu, J., Puckhaber, L. S., Stipanovic, R. D., Bell, A. A., Nichols, R. L. FUBT, a putative MFS transporter, promotes secretion of fusaric acid in the cotton pathogen Fusarium oxysporum f. sp. vasinfectum. Microbiology. 161, 875-883 (2015).
  7. Yu, X., Wang, Y., Pan, J., Wei, D., Zhu, X. High frequency of homologous gene disruption by single-stranded DNA in the taxol-producing fungus Pestalotiopsis microspora. Ann Microbiol. 65, (4), 2151-2160 (2015).
  8. Korn, M., Schmidpeter, J., Dahl, M., Müller, S., Voll, L. M., Koch, C. A Genetic Screen for Pathogenicity Genes in the Hemibiotrophic Fungus Colletotrichum higginsianum Identifies the Plasma Membrane Proton Pump Pma2 Required for Host Penetration. PloS One. 10, (5), e0125960 (2015).
  9. Chettri, P. Regulation of dothistromin toxin biosynthesis by the pine needle pathogen Dothistroma septosporum: a thesis presented in the partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy (PhD) in Genetics at Massey University, Manawatu, New Zealand . Massey University. Manawatu, New Zealand. (2014).
  10. Chen Zhou,, Yujun Yang,, Jong, A. Y. Mini-prep in ten minutes. Biotechniques. 8, (2), 172 (1990).
  11. Sanger, F., Nicklen, S., Coulson, A. R. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors. P Natl Acad SciUSA. 74, (12), 5463-5467 (1977).
  12. Khang, C. H., Park, S. Y., Rho, H. S., Lee, Y. H., Kang, S. Filamentous fungi (Magnaporthe grisea and Fusarium oxysporum). Agrobacterium Protocols. Wang, K. an 2, Humana Press Inc. Totowa, NJ. 403-420 (2007).
  13. Zhang, Y. J., Zhang, S., Liu, X. Z., Wang Wen, H. A., M, A simple method of genomic DNA extraction suitable for analysis of bulk fungal strains. Lett Appl Microbiol. 51, (1), 114-118 (2010).
  14. Pluthero, F. G. Rapid purification of high-activity Taq DNA polymerase. Nucleic Acids Res. 21, (20), 4850-4851 (1993).
  15. McCluskey, K. Boosting Research and Industry by Providing Extensive Resources for Fungal Research. Gene Expression Systems in Fungi: Advancements and Applications. Springer International Publishing. 361-384 (2016).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics