使用形态基因的农业细菌 -顽固玉米近亲繁殖系的介导未成熟胚胎转化

Biology
 

Summary

植物形态基因可用于改善顽固基因型的基因转化。这里描述的是三个重要的公共玉米近亲繁殖线的农业细菌介导遗传转化(QuickCorn)协议。

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Masters, A., Kang, M., McCaw, M., Zobrist, J. D., Gordon-Kamm, W., Jones, T., Wang, K. Agrobacterium-Mediated Immature Embryo Transformation of Recalcitrant Maize Inbred Lines Using Morphogenic Genes. J. Vis. Exp. (156), e60782, doi:10.3791/60782 (2020).

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Abstract

这里演示了使用形态基因婴儿潮(Bbm)Wuschel2(Wus2)的玉米近亲繁殖系的农业细菌介导基因转化的详细方案。Bbm受玉米磷脂转移酶基因(Pltp)促进剂的调控,而Wus2受玉米辅助诱导(Axig1)促进剂的控制。一种农业细菌菌株,携带这些形态基因转移DNA(T-DNA)和额外的农细菌毒性(病毒)基因,用于感染玉米未成熟的胚胎外生。体细胞胚胎在受感染胚胎的切口上形成,可以通过抗除草剂来选择并发芽到植物中。内置于DNA结构的热活化cre/loxP重组系统允许在转化过程的早期阶段从玉米基因组中去除形态基因。使用该协议,W22、B73 和 Mo17 的转化频率分别为大约 14%、4% 和 4%(每 100 个受感染胚胎的独立转基因事件数)。

Introduction

转化是评估玉米中外来基因表达和生产转基因玉米系的基本工具,用于研究和商业目的。获得高通量转化可以促进对玉米分子和细胞生物学研究日益增长的需求1。转基因作物物种的能力对公共和私营实验室都至关重要。这允许对基因调控机制的基本理解,以及在全球范围内提高作物,以支持不断增长的人口。

1975,玉米中未成熟的胚胎可用于生产可再生产的可产的可基因的卡鲁斯。自这一启示以来,大多数可扩展的玉米转化协议都要求在再生3之前形成和选择。在基因转化过程中,在培养培养胚胎诱导的培养基体感染或生物细菌轰击的未成熟胚胎。然后,在选择性介质上培养诱导的卡利(例如,含有除草剂),以便只有经过转化的卡片才能存活。这些抗除草剂的假定转基因卡利被膨胀并再生成植物。虽然这种方法是有效的,但过程漫长而耗费大量人力,完成4个工序可能需要3个月以上。更重要的是,传统的玉米转化协议具有更大的局限性,即只有有限数量的玉米基因型可以转化5,6。

Lowe等人7、8此前曾报道过一种"快速玉米"转化方法,它不仅大大缩短了转化过程的持续时间,而且扩大了可转化基因型的清单。QuickCorn方法利用阿拉伯拉多普西转录因子BABY BOOM(BBM)9WUSCHEL(WUS)10的玉米正交法(Zm-BbmZm-Wus2)。当纳入转化载体系统时,这些基因协同作用,刺激胚胎生长7。

这项工作中描述的QuickCorn协议基于Jones等人11中的协议,这是洛伊等人7、8报告的方法的进一步改进。在本研究中,一个农业细菌菌株LBA4404(Thy-)含有二进制向量结构PHP81430(图1)和附属质粒PHP7153912用于转换。PHP81430的T-DNA包含以下分子成分。(1)转化选择性标记基因Hra表达盒。玉米赫拉(Zm-Hra)基因是一种经过修饰的乙酰胺酶合成酶(ALS)基因,能耐受ALS抑制除草剂,如磺胺类和伊米达佐利诺13、14。Zm-Hra基因由高梁ALS启动子8和马铃薯蛋白酶抑制剂II(引脚II)终止剂15调节。T-DNA还含有(2)一个表达盒,具有转化可筛选的标记基因ZsGreen。这种绿色荧光蛋白基因ZsGreen来自Zoanthus sp.珊瑚礁珊瑚16是由高梁泛素促进剂/intron和大米泛素终止剂调节的。

此外,T-DNA包含(3)形态基因Bbm表达盒。Bbm是与胚胎发育有关的转录因子9,17。Bbm由玉米磷脂转移酶蛋白(Pltp)促进剂8和水稻T28终止剂18调节。Zm-Pltp是一种在胚胎上皮、丝毛和叶附属细胞(保护细胞)中具有强烈表达力的基因,在生殖器官中表达低,在根部8中没有表达。它还含有(4)形态基因Wus2表达盒。Wus2是另一个转录因子与维持的正锥形19。Zm-Wus2受玉米辅助诱导剂(Zm-Axig1)20和玉米In2-1终止21的控制。最后, T-DNA 包含 (5)克 -loxP重组系统.克氏重组酶基因22受玉米热休克蛋白17.7(Hsp17.7)23启动子和马铃薯引脚II终止剂的控制。两个loxP位点(在相同的方向)24侧翼四个基因表达盒,包括ZsGreen,cre,BbmWus2。

由于植物成熟和随后的后代不需要形态基因的存在,热诱导的cre-loxP重组系统被内置到T-DNA中,以去除玉米基因组中的形态基因,允许正常的甲酸细胞再生和植物发育。热处理后,CRE蛋白的表达除除赫拉选择基因外的所有转基因。成功的转化剂应该是抗除草剂,但ZsGreen-负。为了进一步提高转化频率,农业细菌菌株还含有一个额外的附属质粒(PHP71539),具有额外的农业细菌毒性(vir)基因12的副本。

QuickCorn 方法不同于传统的玉米转化协议,因为它在转化过程中不涉及 callus 感应步骤。在感染农业细菌后的第一周,体细胞胚胎在受感染的未成熟胚胎的上皮上形成。然后,胚胎被移植到一个培养基,激素,鼓励胚胎成熟和芽形成。迅速将体细胞胚胎转移到成熟/芽形成介质上,跳过了以前用于玉米转化的传统卡鲁斯阶段,允许直接生成T0植物8。与之前公布的玉米转化方法6相比,QuickCorn方法更快、更高效、基因型依赖性更低。使用这种方法,根植植物通常只需5-7周即可转移到土壤中,而不是传统协议要求的3个月或更长时间。本文的目的是提供该方法的深入描述和演示,以便在大多数学术机构通常的实验室环境中更容易复制。

Protocol

1. 成长媒体准备

  1. 有关此协议的确切生长介质配方,请参阅表 1
  2. 为了准备 1 L 介质,将 2 L 烧杯放在搅拌板上,并在搅拌栏内放置一个搅拌棒。
  3. 用 900 mL 的蒸馏水加注烧杯,然后打开搅拌板。搅拌棒应以中等速度旋转。
  4. 称量所有粉末状成分,并溶解在烧杯中。
  5. 测量出所有液体成分(如果有)并添加到烧杯中。
  6. 使用蒸馏水将最终体积调至 1 L。
  7. 测量 pH 值并调整配方规格。
  8. 如果配制液体生长介质,则不添加琼脂。将过滤器消毒器连接到真空泵,并通过过滤器倒出液体生长介质。打开泵并等待所有液体通过。在容器上放置一个盖并贴上标签。
  9. 如果配制固体生长介质,在调整pH后,将琼脂直接加入瓶中或烧瓶中。
  10. 将 1 L 液体生长介质倒入 2 L Erlenmeyer 烧瓶中,或将其分成两个 1 L 可高压灭瓶(每个瓶 500 mL)。如果使用两个瓶子,将琼脂分开并直接添加到瓶子中。
  11. 盖上可透气的盖子,如两层铝箔,让蒸汽逸出。如果使用瓶子,将螺钉盖在顶部松散地盖上。
  12. 在121°C下高压灭菌25分钟。
  13. 高压灭菌后,从高压灭菌器中取出生长介质,冷却至55-60°C(设置为55°C的水浴可以使其更容易)。使生长介质保持液体状态几个小时,直到倒入板方便。
  14. 冷却后,加入所有灭菌后添加剂(见表1),然后彻底混合。
  15. 添加所有成分后,将指定的体积倒入层流罩中所选择的容器中。
  16. 生长介质可手动或使用液体点胶装置倒入所需的培养皿中。手动浇注时,建议将大量灭菌介质转移到较小的无菌烧杯(500 mL)中,以便于操作。
  17. 允许生长中度冷却和凝固。
  18. 生长介质在变成固体后可以使用,最好在第二天在无菌流动罩中稍稍干燥一夜,作为盖板的堆栈使用。过夜干燥后,将板转移到塑料套筒中,折叠在松软的末端,用一小块胶带保持原位。这样可以防止过度干燥。介质可储存在凉爽、黑暗和清洁的环境中(4-16 °C),长达 1 个月。

2. 种植供体植物和收获未成熟的耳朵

  1. 在含有无土基板的 1.5 加仑(5.9 升)罐中,在温室中种植任何可公开种植的玉米近亲繁殖(即 B73、Mo17 或 W22)。使用 16/8(日/夜)照片,白天的平均温度为 25.5 °C,夜间为 20°C。
  2. 植物根据需要浇水,用受控释放肥料(N-P-K,15-9-12)施肥,这种肥料既可以加入土壤混合物,也可以在种植后添加到土壤中。
  3. 种子发芽后,耳朵通常需要大约70-90天才能出现。当耳芽出现时,用枪袋盖住它们,以防止失控的授粉发生。
  4. 丝绸出现后约2-3天,如果第二天有花粉可用,用剪刀切割丝绸,用70%乙醇消毒。将丝绸和壳皮切到壳叶末端以下约 2.5 厘米,在那里丝绸出现。授粉可以在第二天进行。务必在每个耳朵之间使剪刀恢复。
  5. 一旦从流苏中浮现出,用流苏袋和非滑形回形针盖住流苏,在茎周围的袋子底部。
  6. 第二天早上,轻轻地弯曲植物,并点击袋子,鼓励花粉被释放。
  7. 取出流苏袋,将袋子顶部折叠起来,以防止花粉逸出。通常最好在使用前1天将流苏装袋(以避免死花粉堆积和脱落的花粉)。新鲜花粉可以从流苏收集约3-5天。当花冠从流苏底部的内花中出现时,这种流苏在第二天可能不会产生可行的花粉。
  8. 使用来自同一植物的花粉(自种)或来自同一近亲繁殖(吸血)的另一种植物的花粉。
  9. 取出耳袋或切下袋子的末端以暴露丝绸,然后迅速将流苏袋中的花粉倒入丝绸上。
  10. 立即用流苏袋盖住耳朵,并钉住茎周围的袋子底座,将其固定。在授粉过程中,将植物与不同基因型的开花植物进行物理分离可能会有所帮助,以帮助防止交叉授粉。将流苏袋留在耳朵上,直到未成熟的耳朵准备好收获。
  11. 授粉后9-12天,筛选胚胎大小的耳朵。将授粉袋向上滑动,露出耳朵。轻轻地向下拉壳,将内核暴露在耳朵周长的三分之一到四分之一和耳朵下约三分之一的距离上。尖端附近的内核不能代表平均胚胎大小。
  12. 使用手术刀,切掉单个内核的盖子,在大小和颜色上与大多数其他内核相似。
  13. 使用铲子(带尺子)取出步骤 4.6 中描述的胚胎。使用铲子或数字卡尺上的内置标尺测量胚胎的长度。如果胚胎在1.5-2.0毫米之间,收获耳朵。如果为 ±1.3 mm,则耳朵可能在当天晚些时候准备收获,并可在 7-8 小时左右再次检查。

3. 为感染准备农业细菌悬浮培养物

注: 含有PHP81430(图1)和PHP7153912农业细菌菌株LBA4404(Thy-)储存在-80°C处。这些材料可通过材料转移协议从科尔特瓦农业科学公司获得。LBA4404(Thy-)是一种辅助营养菌株,需要在生长介质中提供胸腺素。辅助营养农业菌株的主要用途是用于生物控制目的。它有减少农业过度生长的额外好处。辅助营养农业菌株不生长没有补充胸腺素。然而,胸腺素可以(大概)由培养中垂死的植物组织提供。因此,仍然需要在介质中提供抗生素,以完全控制辅助营养农业。然而,在缺乏胸腺素的情况下,由于辅助营养菌株的生长受损,控制起来会更容易。

  1. 在感染日期前四天,从甘油库存中启动"母亲"板,在YP板上用50毫克/L胸腺酰胺、50毫克/L根霉素和50毫克/L的光谱霉素(表1)条纹细菌。在20°C的培养箱中孵育"母亲"板3天。
  2. 在感染实验的前一天,准备一个"工作"板,从"母亲"板中选择一到五个菌落,并将细菌从"母亲"板条纹到新的YP板(用胸腺素、根霉素和光谱霉素);表 1)。
  3. 在顺序象限中将每日"工作"板分层,将循环 1x 穿过刚条纹的区域,进入连续的象限,重复形成已连续稀释的象限。在27°C的培养箱中孵育"工作"板过夜。
  4. 完成胚胎解剖(步骤4.8)后,使用循环或类似工具从"工作"板区域收集农业细菌,其中细菌生长可见为稀薄的菌落条纹。
    注意:避免在板中带有细菌生长茂密草坪的区域。在密集地区,农业细菌的生长可能已经开始下降,而在具有可见菌落的地区,细菌处于适当的感染生长阶段。
  5. 将收集的细菌悬浮在含有10 mL 700A液体介质的50 mL管中(表1)。涡旋完全中止细菌培养。
  6. 测量波长为 550 nm 的光学密度。调整音量,直到 OD 介于 0.35-0.45 之间,其中 0.4 为最佳值。
    注:如果 OD 高于 0.45,则添加更多 700A 液体介质。如果 OD 低于 0.35,则在悬浮培养中接种更多农业菌落。

4. 胚胎解剖、感染和共同培养

  1. 选择合适的耳朵进行转化实验;这些应该有一个良好的种子集,有胚胎的大小范围从1.5-2.0毫米。它们通常在授粉后9-12天之间收获。收获的耳朵可以在4°C下新鲜使用或储存1-4天,但反应质量可能会随着第一天以后的长时间储存而逐渐降低。
  2. 取下外壳和丝绸。将手柄插入耳底或顶部。手柄可以是一对钳子、螺丝刀等。
  3. 将耳朵放入大型容器(例如,2 L 烧杯,手柄朝上,用消毒液填充容器)。消毒液为1.8升20%商业漂白剂(1.65%次氯酸钠)和几滴表面活性剂Tween 20。
  4. 在层流台内消毒耳朵。20分钟后,倒空漂白液,用大量无菌蒸馏水冲洗耳朵3倍(每片5分钟)。除去水,让耳朵干燥几分钟。
    注:将耳朵完全浸入漂白液中20分钟非常重要。偶尔在漂白液中小心地移动耳朵,以去除气泡。
  5. 准备一个2 mL微离心管,填充700A液体介质。这个管子将用于收集未成熟的胚胎。
  6. 取耳朵并使用无菌手术刀,取出内核冠的顶部1-2毫米,以暴露内膜。使用微型铲子去除未成熟的酶体胚胎 (IZE)。IZE 将位于内核内,位于面向耳尖的一侧,并靠近 cob 的附件。使用铲子,将其插入离胚胎最远的围场的内膜,然后轻轻向上扭转,取出胚胎,并允许取出胚胎(图2)。
  7. 使用铲子将胚胎移植到含有700A液体介质的管中。继续这样做,直到收集了多达100个胚胎。在继续下一步之前,可以填充多个管(+100个胚胎/管)。此时,应准备农业细菌悬浮液(参见步骤 3.5)。
  8. 使用 1 mL 移液器从胚胎管中取出 700A 液体介质。加入新鲜的700A介质来清洗胚胎,然后取出该介质。
  9. 在低设置(3/10)上添加1 mL的农业细菌悬浮液和涡旋,用于30s或反转管12x-15x进行混合。让此管水平在长凳上放置 5 分钟。
  10. 5分钟后,将整个胚胎管和农细菌悬浮液转移到562V共培培养基板(表1)。这可以通过将板放在长凳上,并快速将管内内容物倒入板中来实现。轻轻旋转板以分配胚胎,并使用 1 mL 移液器去除Agrobac 悬架。
  11. 确保胚胎的放置与黄骨(圆形)侧朝上。如果需要,请使用放大镜或解剖范围。将盘子放入塑料盒(19 厘米 x 28 厘米 x 5.1 厘米)中,在黑暗中 21°C 下孵育板 16-18 小时。无需使用石蜡薄膜或通风胶带进行单独的板包装。
  12. 经过一夜的共育后,将受感染的胚胎、黄脑侧向上,转移到静息介质605T(表1)。每盘放置约30个胚胎。在黑暗中在26-28°C下孵育板。
  13. 孵育4-10天(7天优先)。此时,可以在酶体血皮表面观察到体细胞胚胎的发育(图3)。

5. 选择、热处理和再生

  1. 休息期后,热冲击胚胎。将装有胚胎板的盒子放入45°C的培养箱中,相对湿度为70%,为2小时。然后,从45°C培养箱中取出盒子,在26-28°C暗培养箱中放置1-2小时。
    注:如果无法在培养箱中达到 70% 的湿度,在板盒底部添加双层高压灭其要纸巾,然后用高压灭水浸泡以保持包装箱内的湿度。将盘子返回到纸巾顶部的盒子上,在 45°C 下盖盖。使用小型数字湿度计/温度计监控温度和湿度。
  2. 热处理IzEs从静热介质转移到芽形成介质(13329A),含有0.05毫克/升伊马扎皮尔作为选择性剂(表1)。转移时,使用细尖钳或手术剪刀,取出小刀(如果存在)。
  3. 每盘放置10-15个胚胎,以避免过度拥挤。将胚胎保存在该培养基中2周,在26°C暗培养箱中。
  4. 将胚胎转移到生根介质(13158;表 1)为期1-2周。每盘约8片,在27°C下在光室或灯室(16天/8夜,20-150μmol/m2/s)中孵育。
  5. 随着植物的发展,将含有芽和生根的更强壮的植物放在新的生根介质板上,每盘放置一株植物。这将允许更强壮的植物生长。将盘子放在灯室或灯室中再放置7-14天。
    注意:小心地取出与植物相关的任何卡鲁斯件,以确保其与介质保持良好接触。
  6. 当植物变得更加有活力时,将植物从生根介质中取出,用自来水冲洗根部以去除琼脂。
  7. 将单个植物移植到含有预湿无土基板的 3英寸(+19 厘米2) 罐中。将锅放在带排水孔的托盘(27 厘米 x 54 厘米)中,用塑料湿度圆顶盖住公寓。这种适应步骤可以在生长室或温室中实现,如上文第2节(步骤2.1)所述生长条件。

6. 移植到温室和生产T1种子

  1. 每天检查2次植物。根据需要浇水。确保植物既不干也不过水。保持稍微干燥的基质可促进根部生长。
    注:移植后4-7天可去除湿度圆顶。植物应该生长在这些小盆中,直到它们从移植到土壤的压力中明显恢复。这大约需要9-14天。
  2. 将整个无土插头和植物移植到 1.5 加仑(5.9 升)锅中。当土壤感觉干燥时,在温室和水中保持接触。
  3. 在锅中加入N-P-K为15-9-12的受控释放肥料,该肥料可以加入基材混合物或涂在表面。
  4. 当耳芽开始从植物中出现时,使用芽袋盖住耳芽。请务必使用半透明的袋子,以便在不拆卸袋子的情况下观察新兴的丝绸。射击袋允许进行受控授粉。重要的是要总是袋转基因流苏。
  5. 丝绸出现后(1-2天),修剪出的丝绸到一个均匀的长度。这将在壳叶顶部以下约2.5厘米。使用一把用70%乙醇消毒的清洁剪刀。通过修剪丝绸,第二天形成统一的护身带,以便进行授粉。
  6. 对于大多数玉米基因型,授粉的最佳时间是流苏或丝出现后的2-3天。
  7. 从同一植物(如果是自授)或同一近亲繁殖的野生类型(如果杂交或交叉)收集花粉。
  8. 将花粉收集到流苏袋中,并将其涂在 T0 植物的丝质上。如果花粉来自野生型(非转基因)植物,则将花粉放入一个普通的棕色流苏袋中。如果花粉来自转基因植物,将花粉放入绿色条纹袋中,以指示花粉是转基因的。
  9. 请按照步骤 2.5-2.10 了解授粉详细信息。
  10. 授粉后约2周,从耳朵中取出流苏袋,然后开始干燥。为了帮助干燥,在授粉21-25天后停止给植物浇水。您也可以拉回壳叶来暴露种子。这种做法还有助于防止霉菌。
  11. 授粉后约45天,收获种子,储存在4-12°C的冷库。

Representative Results

这里演示的是三个公共玉米近亲繁殖系(B73、Mo17 和 W22)的农业细菌介导基因转化的分步方案,这些基因在玉米遗传学领域具有重要意义。使用传统的玉米转化协议5,无法实现三种近亲繁殖线的转化。图 1图 2分别显示了此处使用的构造和起始材料。耳朵一般在授粉后9-12天收获。长度在 1.5-2.0 mm 之间的 IZEs 是本协议转换的最佳外植物(图 2)。

感染8天后,ZsGreen表达体细胞胚胎在荧光显微镜的GFP通道下被可视化(图3)。受感染的Izes在感染8天后接受热处理(步骤5.1和5.2)。这种治疗诱导了CRE重组酶的表达,切除了两个loxP位点之间的Bbm、Wus2、creZsGreen表达盒(图1)。热处理组织随后在含有除草剂的芽形成培养基上培养,以在变形基因去除后选择转化组织。

在感染后3-4周左右观察到具有成熟胚胎或芽的增殖组织对伊马扎皮尔有抗药性(图4)。一些抗伊玛扎皮尔的对ZsGreen呈阴性,这表明在这些组织中可能发生部导型切除(图4)。在组织被转移到生根的中光孵化后,芽开始发展(图5)。健康和充满活力的生长芽与发达的根收获(图5)。有些组织似乎有多个芽 (图5E,F,G)。这种类型的"草"再生剂可能是由于克隆植物具有相同的转基因整合模式。分子生物学分析是需要基因型这些植物。

使用该协议以及本工作中使用的构造,所有三个公共近亲繁殖线都响应良好。W22产生的最高频率的抗伊马扎皮尔芽,频率约为14%(每100个受感染的未成熟胚胎约14个转基因芽)。B73和Mo17都产生了约4%的转基因芽。这些频率指示所有转基因芽,包括携带形态基因的植物和通过CRE介导切除的形态基因的植物。

Figure 1
图1:二元质粒PHP81430的T-DNA区域的原理图表示。RB = 右 T-DNA 边框;loxP = CRE 重组酶目标位点;Axig1proWus2 = 玉米辅助诱导促进剂 (Zm-Axig1) = Zm-Wus2 = 玉米IN2-1终止器;PltpproZm-Bbm = 玉米磷脂转移酶蛋白 (Zm-Pltp) 促进剂 + Zm-Bbm = 水稻T28终结器(Os-T28);Hspprocre = 玉米热休克蛋白 17.7 启动子 (Zm-Hsp17.7) + cre重组酶基因 + 马铃薯蛋白酶抑制剂 II (pinII) 终止剂;UbiproZsGreen = 高梁泛素促进剂/intron(Sb-Ubi) = 绿色荧光蛋白ZsGreen基因 + 水稻泛素终止剂(Os-Ubi);Hra盒 = 高梁醋酸酯酶合成酶 (Sb-Als) 促进剂 + 玉米赫拉 (Zm-Hra) 基因 = pinII终止剂;LB = 左 T-DNA 边框;colE1, 质粒 ColE1 的复制来源25;规格R = 抗光谱霉素基因aadA1从 Tn21 用于细菌选择26;代表A,B,C = 复制起源从pRiA4的农业细菌根基基因27请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:起始材料。B73耳朵在授粉后12天收获(A)。B73 (B)、 Mo17 (C) 和 W22 (D) 的未成熟胚胎请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:感染后1周休息介质的组织发育。在荧光显微镜(GFP过滤器)下显示GFP表达Mo17(A)和W22(B)体细胞胚胎的胚胎(感染后8天)在明场(C) 和 GFP 滤波器 (D) 下发育组织 (B73)请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图4:组织发育成熟介质与选择。W22成熟板 (A)在明场(B)和 GFP 过滤器 (C) 下发育组织 (Mo17, 感染后 15 天)在明场(D) 和 GFP 过滤器 (E) 下发育组织 (Mo17, 感染后 28 天)箭头指向缺乏GFP表达的再生组织,表明在热诱导的CRE蛋白活性后,loxP位点之间的ZsGreen基因被切除。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
图5:根培养的组织发育。W22 (A)、 B73 (B) 和 Mo17 (C,D) 的芽。B73(E) 和 W22(F,G. ) 的多个芽(草再生剂)的事件。用B73 (H) 和 W22 (I. ) 的根射门。请点击此处查看此图的较大版本。

表1:玉米转化的介质成分。请点击此处查看此表(右键单击下载)。

Discussion

传统的玉米转化方案遵循分离未成熟酶胚胎的范式,以产生转基因的成骨组织,再生成肥沃的植物4,6。虽然这是有效的,但基于 callus 的协议可能非常耗时,并且组织培养过程通常需要长达 3 个月的时间才能产生植物。这里介绍的方法意义重大,它是无调用的,高效、快速的,并且允许在大约一半的时间内再生T0工厂。它似乎也较少基因型依赖,因此可以有效地对大多数公开可用的近亲繁殖8,11。

虽然所有步骤都应得到有效遵循,但正确的增长媒体准备势在必行。生长介质成分需要在高压灭菌前和灭菌后的正确阶段添加,以确保植物材料获得适当浓度的化学品。这将确保抗生素等敏感化合物不会分解。同样重要的是,植物材料在每个阶段都放在正确的生长介质上,如协议所示。不将材料放在适当的生长介质上会导致材料死亡。此外,应避免在板上放置过多的胚胎或发育中的组织。虽然放置两倍的纸巾片可以节省化学品和培养皿(甚至培养箱空间)的成本,但过度拥挤的盘子中组织的生长可能会受到严重抑制。在进行感染时,应确保农细菌悬浮液的光学密度适当。如果细菌悬浮密度过低,可能不会发生适当的感染。

起始材料的质量对于改造协议的成功至关重要。用于胚胎解剖的耳朵必须健康,这意味着生产它们的植物是健康的。它们还必须拥有足够的种子,并且具有无病虫害。此外,不应使用旧的农业细菌。"母亲"板不应超过 2 周大。在此之后,一个新的"母亲"板应该条纹开始新的实验。

虽然这种方法已被证明较少基因型依赖,但不能假定所有行将同样成功。行之间仍有变化,以及基于所使用的构造的成功差异。在使用未成熟的胚胎时,耳对耳的变异性也是不可避免的,因此理想情况下,实验应该使用多只耳朵来解释这一点。在这项工作中,近亲繁殖的W22表现最好,转换频率超过14%,其次是B73和Mo17(各4%)。Lowe等人8报告说,B73和Mo17变换使用了QuickCorn协议。在这项工作中,B73 的变换频率为 9%-50%,Mo17 的转换频率为 15%-35%。

在这项工作中观察到的B73和Mo17的较低转换频率的一种可能性可能是季节性的耳质量波动。这项工作与Lowe等人8的工作之间的另一个区别是,这里使用了不同的矢量构造。在Lowe的作品中,形态基因不是从转化的植物中去除的,而是在后期发育上沉默。在这项工作中,变形基因在感染8天后被移除。B73和Mo17可能需要更长时间的Bbm/Wus2来发育体胚胎。

使用这种方法,有可能获得非转基因逃生植物,多美体插入,和未切除的转基因。这些植物不会有明显不同的表型,因此需要通过PCR检测来确定植物是否转基因。为此,可以采用被切除区域内的PCR引引和切除了被切除区域两侧的引漆。多个独立转化也可以从同一未成熟的胚胎中产生植物,使得确定完全独立转化率变得困难。我们的标准是计算转化率,从每个未成熟的胚胎中取样一个植物,这些胚胎产生植物,然后除以受感染的胚胎数量。这种方法几乎肯定低估了作为植物恢复的独立事件的实际数量。同一胚胎的独立事件之间的区分要求对转基因周围的边界区域进行测序,对于大多数应用来说,这既昂贵又耗时;但是,在某些情况下,这些数据可能很有用。

实践证明,这种组织培养转化方法非常有效,但问题仍时有发生。如果植物材料没有响应,则可能存在特定近亲繁殖线的问题,这表明生长介质组成和次栽培时间等变量需要调整。另一个变量是适当的矢量设计和精确的矢量构造,如果原始矢量被更改。也可能存在伊马扎皮尔敏感性的问题,因为有些线比其他线更敏感,并且可能需要调整伊马扎皮尔的浓度,以实现成功转化的植物。

在过去的30年里,玉米组织培养和转化方案发生了改变和进步;相信这个缩短的协议会进一步推动这一进展。此方法对学术设置有效,因为它比传统方法更耗时。此外,它不需要训练有素的操作员,因此与传统方法相比,它更便于广泛分发。将来,这种方法可以与基因组工程等新技术相结合。

Disclosures

艾丽西娅·马斯特斯、威廉·戈登-卡姆和托德·琼斯是科尔特瓦农业科学公司的员工,他们提供本文中使用的 B73、Mo17 和 W22 的协议和玉米耳。作者康敏贞、摩根·麦考、雅各布·佐布里斯特和王康没有任何要透露的。

Acknowledgments

我们感谢科尔特瓦温室团队提供玉米不成熟的耳朵,科尔特瓦媒体准备实验室在制作媒体方面提供帮助,来自科尔特瓦的王宁(Ning Wang)为农业细菌建设提供帮助,爱荷华州立大学的Keunsub Lee提供协助。该项目部分得到国家科学基金会植物基因组研究计划赠款1725122和1917138授予K.W.,由预测植物经济学研究培训计划(国家科学基金会授予DGE-1545453)给J.Z.,由美国农业部NIFA Hatch项目#IOW04341,由爱荷华州基金,由爱荷华州立大学作物生物工程中心。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2,4-D Millipore Sigma D7299
6-Benzylaminopurine (BAP) Millipore Sigma B3408
Acetosyringone Millipore Sigma D134406
Agar Millipore Sigma A7921
Aluminum foil To cover the flask
Ammonium Sulfate Millipore Sigma A4418
Analytical balance To weigh small quantities of chemicals
Autocalve Primus (Omaha, NE) PSS5-K To autoclave media and tools
Bacterial culture loop (10 µl) Fisher scientific 22-363-597 Collects Agrobacterium from plate to transfer to liquid
Bactoagar BD bioscience 214030
Beakers (1 L, 2 L, 4 L) To mix the chemicals for media
Benomyl Millipore Sigma #45339
Bleach (8.25% Sodium Hypochlorite) Clorox For seed sterilization
Boric Acid Millipore Sigma B6768
Calcium Chloride Dihydrate Millipore Sigma C7902
Carbenicillin Millipore Sigma C3416
Casein Hydrolysate Phytotech C184
Cefotaxime Phytotech C380
Conical tube (50 mL) Fisher scientific 06-443-19 Contain liquid medium and Agro suspension
Cuvette (Semi-micro) Fisher scientific 14955127 To hold liquid for measuring OD
Dicamba Phytotech D159
Digital hygrometer Checking temperature and humidity for heat treatment
EDTA, Disodium Salt, Dihydrate Millipore Sigma 324503
Eppendorf tube (2.0 mL) ThermoFischer Scientific AM12475
Eriksson's Vitamins Phytotech E330 1000x in liquid
Ethanol (70%) Sterilizing tools and surfaces
Ferrous Sulfate Heptahydrate Millipore Sigma F8263
Fertilizer, Osmocote Plus 15-9-12 ICL Specialty Fertilizers (Dublin, OH) A903206 Fertilizer
Flask (2 L) Pyrex 10-090E To autoclave media and tools
Flats (Standard 1020, open w/holes, 11"W x 21.37"L x 2.44"D) Hummert International (Earth City, Mo) 11300000 Tray to hold soil and pot insert, fits Humidome
Forceps (fine-tipped and large) Fine for handling embryos; larger for large plant materials and use as ear holders
Gentamicin Gold Biotechnologies G-400
Glass bottle (1 L) Pyrex 06-414-1D To autoclave medium
Graduated cylinder To adjust volume of media
Imazapyr Millipore Sigma 37877
Incubator, 20 °C Percival Scientific Model I-36NL To grow mother plate and incubate embryos during Agro infection
Incubator, 27 °C Percival Scientific Model I-36NL To grow co-cultivation plate and maize embryo culture
Incubator, 45 °C Heat shock treatment
Insert TO Standard, pots Hummert International (Earth City, Mo) 11030000 For transplanting plants from rooting to soil, fits flat and Humidome
Laminar flow hood Maintains sterile conditions
L-proline Phytotech P698
Magnesium Sulfate Heptahydrate Millipore Sigma M1880
Maize inbred seed B73 U.S National Plant Germplasm id=47638
Maize inbred seed Mo17 U.S National Plant Germplasm id=15785
Maize inbred seed W22 U.S National Plant Germplasm id=61755
Manganese Sulfate Monohydrate Millipore Sigma M7899
Milli-Q Water purification systems Millipore sigma MILLIQ For tissue culture grade water
MS Basal Medium Millipore Sigma M5519
MS Basal Salt Mixture Millipore Sigma M5524
N6 Basal Salt Mixture Millipore Sigma C1416
Paperclips, non-skid Holding on tassel bags
Peptone BD bioscience 211677
Petri dish (100x15 mm) Fisher scientific FB0875713 For bacteria culture medium
Petri dish (100x25 mm) Fisher scientific FB0875711 For the plant tissue culture medium
pH meter Fisher scientific AB150 To adjust pH of media
Pipette (1 mL) ThermoFischer Scientific 4641100N
Plastic Boxes The Container Store 10048430 For tissue culture storage and incubation
Plastic humidy dome (Humi-Dome) Hummert International (Earth City, Mo) 14385100 Plastic cover for soil flat
Potassium Iodide Millipore Sigma 793582
Potassium Nitrate Millipore Sigma P8291
Potassium Phosphate Monobasic Millipore Sigma P5655
Scale To weigh chemicals for media
Scalpel Blade (No. 11, 4 cm) Thermo Scientific 3120030 remove the top of the kernel crowns for embryo dissection
Scalpel handle Holding scalpel blades
Schenk & Hildebrandt Vitamin (S&H vitamin) Phytotech S826 100x powder
Scissors Cutting ear shoots
Shoot bag (Canvasback- semi-transparent) Seedburo (Des Plaines, IL) S26 Semi-transparent bag to cover ear shoots
Silver Nitrate Millipore Sigma S7276
Sodium Molybdate Dihydrate Millipore Sigma M1651
Soiless substrate LC1 SunGro Horticulture (Agawam, Ma) #521 For growing maize plants
Spatula (Double Ended Micro-Tapered) Fischer Scientific 2140110 Dissecting embryos from kernels
Spatula (with spoon) Fisher scientific 14-375-10 To measure chemicals for media
Spectinomycin Millipore Sigma S4014
Spectrophotometer (Genesys 10S UV-Vis) Thermo Scientific 840-300000 Measure OD of Agro suspension
Stirring bar Fisher scientific 14-513-67 To mix media
Stirring hotplates To mix media
Syringe (without needle, 60 mL) Fisher scientific 14-823-43 For filter sterilization
Syringe filter (0.22 µm) Fisher scientific 09-720-004 For filter sterilization
Tassel bag (Canvasback- brown) Seedburo (Des Plaines, IL) T514 Bag to cover tassels of non-transgenic plants
Tassel bag (Canvasback-green stripe) Seedburo (Des Plaines, IL) T514G Bag to cover tassels of transgenic plants
Thiamine HCl Phytotech T390
Thidiazuron Phytotech T888
Thymidine Millipore Sigma T1895
Timentin Phytotech T869
Tween 20 Fisher Scientific Cas #9005-64-5 surfactant
Vortex Genie 2 Scientific Industries SI0236 Homogenizes liquids (Agro suspension)
Water bath (large - Precision model 186) Fisher scientific any that can fit 4+ 2L flasks and reach 55 °C Keeps autoclaved media at optimal temperature
Weigh dish Fisher scientific 08-732-112 To measure chemicals for media
Weighing paper Fisher scientific 09-898-12A To measure chemicals for media
Yeast Extract Fisher Scientific BP14222
Zeatin Millipore Sigma Z0164

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References

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