Aqui, apresentamos um protocolo de alto rendimento para transfectar transitoriamente milhões de protoplastos de milho para testar grandes bibliotecas de plasmídeos em células do mesofilo do milho.
A transfecção de células do mesofilo de milho geralmente envolve a digestão das paredes celulares das plantas para criar protoplastos e, em seguida, a inserção de DNA via eletroporação ou polietilenoglicol (PEG). Métodos anteriores foram desenvolvidos para produzir dezenas de milhares de protoplastos transfectados de uma só vez. Aqui, descrevemos um método simples para isolar e transfectar milhões de protoplastos de mesofilo foliar em milho (Zea mays L .). Esse processo simplificado remove certas etapas comuns de protoplast, como a lavagem em W5. Além disso, etapas como centrifugação, transfecção mediada por PEG e incubação foram modificadas para trabalhar com um maior número de protoplastos. A capacidade de expressar grandes bibliotecas de construções de plasmídeos permite experimentos em escala genômica, como ensaios de repórteres massivamente paralelos em milho.
A expressão gênica transitória é uma ferramenta poderosa na biologia vegetal. No entanto, as células vegetais são difíceis de transfectar porque estão rodeadas por uma parede celular. Essa barreira à entrada do DNA não está presente em outros tipos celulares comumente estudados, como células de mamíferos ou insetos. Pesquisas anteriores abordaram esse desafio empregando protoplastos: células vegetais cujas paredes celulares foram digeridas e removidas. Ao contrário do tecido foliar não processado, os protoplastos vegetais são fáceis de trabalhar em suspensão e passíveis de técnicas de transfecção mediadas por eletroporação ou polietilenoglicol (PEG)1. As células vegetais mantêm grande parte de sua funcionalidade mesmo após a remoção da parede celular. Assim, os protoplastos são utilizados em uma variedade de plantas para estudar a função gênica e proteica2,3, entender a transdução de sinal4 e identificar possíveis alvos para o melhoramento de plantas5. Os protoplastos também são um veículo conveniente para a triagem de construções de edição do genoma em diversas espécies de culturas, incluindo trigo e batata 6,7. Em suma, ensaios transitórios em protoplastos são indispensáveis para a biotecnologia agrícola.
O milho (Zea mays L.) é a principal cultura mundial de cereais em tonelagem; como tal, é um dos principais focos de pesquisa básica e aplicada em fitotecnia8. No entanto, ao contrário de plantas-modelo como Nicotiana tabacum9, a expressão transgênica transitória em folhas intactas de milho não é realizada rotineiramente. A protoplastificação tem sido utilizada na obtenção e transfecção de células do mesofilo foliar de milho10,11. Métodos anteriores alcançaram eficiências de transfecção de até 75% usando eletroporação e produziram protoplastos transfectados na escala de dezenas de milhares10,15.
Este protocolo detalha como protoplastar milhões de células do mesofilo de milho e transfectá-las com uma eficiência comparável aos métodos anteriores. As principais etapas são o cultivo de mudas de milho etioladas, a colheita do tecido foliar, a digestão da parede celular da planta e a entrega de DNA plasmidial nas células usando PEG. A principal contribuição deste protocolo é a capacidade de aumentar a transfecção de protoplastos, mantendo a viabilidade celular necessária para ensaios funcionais. Isso permite o uso de experimentos em escala genômica, como ensaios paralelos massivos, que podem testar a função de centenas de milhares de regiões em todo o genoma do milho. Este método tem sido recentemente utilizado para investigar grandes bibliotecas de elementos do DNA cis-regulatório, incluindo potencializadores e promotores12,13,14.
Como relatado anteriormente, a qualidade do material vegetal utilizado para protoplastos é essencial para a obtenção de protoplastos de alta qualidade16,17,18. É crucial selecionar folhas saudáveis e imaculadas. Este trabalho utilizou a cultivar de milho de pesquisa popular B73. Não testamos outras cultivares. As mudas de milho utilizadas para este protocolo foram cultivadas no escuro, pois as folhas etioladas produzem protoplastos com maior viabilidade 16 h após a transfecção em comparação com os protoplastos de folhas verdes. Para aplicações que não requerem incubação durante a noite, o uso de material de folhas verdes ou esverdeadas seria possível.
Uma etapa crítica é cortar corretamente o material foliar em fatias finas antes da digestão enzimática. Esse processo aumenta a área superficial para que as células do mesofilo sejam expostas à solução enzimática, o que aumenta o número de protoplastos recuperados. As pontas distais das folhas são descartadas, e fatias finas (≤1 mm) são cortadas com novas lâminas de barbear, que são trocadas imediatamente quando começam a embotar. Para uma determinada quantidade de tecido, cortes mais finos produzem mais protoplastos, desde que a técnica correta seja empregada para minimizar o esmagamento das folhas.
Lavar corretamente os protoplastos também é importante, pois eles são bastante delicados após passarem pela remoção da parede celular. Após a digestão, todas as soluções são mantidas no gelo, e os protoplastos cultivados no escuro são protegidos da luz. A osmolaridade e o pH são tamponados, realizando-se as lavagens em solução de MMG. Para isolar os protoplastos dos debris celulares menos densos, a centrifugação ocorre a 100 x g. Protoplastos centrifugados a 200 x g apresentam viabilidade semelhante após o isolamento, mas menor viabilidade no dia seguinte, e transformam aproximadamente metade também. Recomenda-se verificar a viabilidade dos protolastos pela coloração com FDA (diacetato de fluoresceína) imediatamente após o isolamento; A viabilidade normal varia entre 70%-90%. Protoplastos com viabilidade inferior a 40% após o isolamento produzem poucos transformantes.
A peletização e a lavagem são mais fáceis quando se trabalha com muitos protoplastos porque um pellet claramente visível é obtido após a transfecção. Por esse motivo, a transfecção é realizada com 1 milhão ou mais de protoplastos. Ao escalar o protocolo, um recipiente de tamanho adequado deve ser selecionado para as etapas de incubação (tubo de centrífuga de 1,5 mL, 15 mL ou 50 mL), e o volume de solução usado para as etapas de lavagem deve ser dimensionado de acordo. Em qualquer caso, é benéfico centrifugar em alíquotas de ≤10 mL para garantir que os protoplastos não permaneçam no sobrenadante. Uma inovação desse protocolo é a retirada da etapa de incubação e lavagem de 1 h em solução W5 que está listada em outros protocolos14,19, que se mostrou desnecessária em nossas mãos.
Como visto em outros estudos, a quantidade e a qualidade do DNA são críticas para o sucesso da transfecção19. Para plasmídeos na faixa de 4-6 kb, são utilizados 15 μg de DNA por 1 milhão de protoplastos. Preparações de DNA de baixa qualidade podem resultar em viabilidade reduzida após a transfecção, por isso recomendamos o uso de um kit comercial de extração de DNA ao isolar plasmídeos de bactérias. A incubação dos protoplastos durante a noite é feita à temperatura ambiente no escuro para permitir a transcrição da biblioteca de plasmídeos ou plasmídeos, minimizando o estresse. Após a incubação durante a noite, aproximadamente metade do número de protoplastos originalmente transfectados é recuperado. Os protoplastos são diluídos a uma concentração de 500-1.000 células/μL para incubação noturna. Os protoplastos deixados para incubar durante a noite em concentrações superiores a 1.000 células/μL têm menores taxas de recuperação e menor viabilidade. Em concentrações mais elevadas, detritos de protoplastos danificados e mortos podem contribuir para a morte de protoplastos vizinhos. Lavar os protoplastos após a incubação durante a noite serve tanto para remover esses detritos quanto para remover o excesso de plasmídeo.
Protocolos como esses têm a limitação de que nem todas as espécies de plantas ou tipos de tecidos são passíveis de protoplastação. Além disso, diferenças na expressão gênica podem ser induzidas pelo processo de protoplastagem.
Em resumo, detalhamos um protocolo simples e escalável para isolar e transfectar milhões de protoplastos viáveis da cultura agrícola básica Z. mays. Este método pode transfectar muito mais protoplastos usando PEG, com uma eficiência de transformação quase tão alta quanto os métodos baseados em eletroporação15. O maior número líquido de transformantes permite testar centenas ou milhares de construtos em experimentos de larga escala, como ensaios de repórteres massivamente paralelos12,13. Futuros experimentos em escala genômica em milho permitirão aos cientistas entender melhor a expressão gênica e a regulação gênica do milho.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi apoiado pelo National Human Genome Research Institute Interdisciplinary Training in Genomic Sciences (T32 training grant no. HG000035 to J.T.) e pelo National Institute of Health (NIGMS 1R35GM139532 to C.Q.) e pela National Science Foundation (RESEARCH-PGR IOS-1748843 e PlantSynBio 2240888 to CQ). Agradecemos a Andrea Gallovatti, da Universidade Rutgers, pela doação das sementes de milho.
1.5 mL graduated microcentrifuge tubes | VWR | 490004-444 | |
15 mL Falcon conical centrifuge tube | Corning | 05-527-90 | |
250 mL Pyrex glass beaker | Fisher | 50-121-5005 | |
40 um nylon mesh cell strainer | Fisher | 22363547 | |
50 mL Falcon tube | Corning | 14-432-22 | |
72 cell propagation tray | T.O. Plastics | 725607C | |
Aluminum foil | VWR | 89107-732 | |
Bell jar | Bel-Art | F42022-0000 | |
Benchtop centrifuge | Eppendorf | 5424-R | |
Beta-mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M6250-250ML | Dissolve in ultrapure H2O to make a 1M stock solution. Store at room temperature. |
Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A2153 | |
Calcium chloride dihydrate (CaCl2*2H2O) | PhytoTech Labs | C135 | Dissolve in ultrapure H2O to make a 1M stock solution. Store at room temperature. |
Cellulase Onozuka R-10 | Duchefa Biochemie | C8001.0010 | |
D-Mannitol | PhytoTech Labs | M562 | |
Dissecting scope | Reichert | Microstar IV | |
Fluorescein Diacetate (FDA) | Thermofischer Scientific | F1303 | Dissolve in acetone at 0.5% weight/volume to make a 1000X stock solution. Protect from light and store at -20 °C. |
Fluorescence Illumination Systems | Prior | Lumen200 | |
Fluorescence microscope | Leica | MDG36 | |
High-capacity centrifuge | Eppendorf | 5810 R | |
Macerozyme | Duchefa Biochemie | M8002.0005 | |
Magnesium chloride (MgCl2) | Sigma-Aldrich | M292-1KG | Dissolve in ultrapure H2O to make a 1M stock solution. Store at room temperature. |
Maize seeds | B73 | USDA-ARS | https://npgsweb.ars-grin.gov/gringlobal/accessiondetail?accid=PI+550473 |
Medium binder clip | Uline | S-24649 | |
MES | Sigma-Aldrich | M5287-250G | Dissolve in ultrapure H2O to make a 1M stock solution. Adjust pH to 5.7 using KOH. Protect from light and store at room temperature. |
Micropipette 20-200 uL | Gilson | F123601G | |
Nanodrop microvolume spectrophotometer | Thermofischer Scientific | ND-1000 | |
NEB 5-alpha competent E. coli | New England BioLabs | C2987H | |
Neubauer hemocytometer | Daigger Scientific | EF16034F | |
No. 9 Single-edge razor blade | Excel | 20009 | |
Orbital shaker | VWR | 89032-104 | |
Poly(ethylene) glycol 4,000 | Sigma-Aldrich | 81240-1KG | |
Potassium chloride (KCl) | Sigma-Aldrich | P9541-1KG | Dissolve in ultrapure H2O to make a 1M stock solution. Store at room temperature. |
Professional Grade Vermiculite | NK Lawn & Garden | G208 | |
Round-bottom glass centrifuge tube 30 mL | Kimble Chase | 45500-30 | |
Rubber adapter for Corex centrifuge tubes | Corning | CLS8445AO | |
Sphagnum peat moss | Premier Horticulture | 0128P | |
TRIzol Reagent | Thermofischer Scientific | 15596018 | |
Tygon vacuum tubing | VWR | 76336-844 | |
Vacuum gauge | Wika | 4269978 |