Genetische Manipulatie van de Plant Pathogeen<em> Ustilago maydis</em> Om Fungal Biology and Plant Microbe Interactions Studie
Summary
We beschrijven een robuuste gen vervangende strategie om de vuiligheid schimmel Ustilago maydis genetisch te manipuleren. Dit protocol wordt uitgelegd hoe u deletiemutanten genereren om infectie fenotypes onderzoeken. Kan worden uitgebreid tot genen in elke gewenste wijze, bijvoorbeeld wijzigen door toevoeging van een sequentie die codeert voor een fluorescerend eiwit tag.
Abstract
Gendeletie speelt een belangrijke rol bij de analyse van genfunctie. Een van de meest efficiënte werkwijzen om genen doelgericht verstoren is de vervanging van het gehele gen met een selecteerbare merker via homologe recombinatie. Tijdens homologe recombinatie, uitwisseling van DNA vindt plaats tussen sequenties met hoge gelijkenis. Daarom kan lineair genomische sequenties die een doelgen worden gebruikt om specifiek richten een selecteerbare marker om de gewenste integratieplaats. Stompe uiteinden van het deletieconstruct activeren DNA herstel systemen van de cel en daarmee integratie van het construct bevorderen hetzij via homologe recombinatie of door niet-homologe-uiteinden. In organismen met een efficiënte homologe recombinatie, kan de snelheid van succesvolle gendeletie oplopen tot meer dan 50% waardoor deze strategie een waardevolle gendisruptie systeem. De vuiligheid schimmel Ustilago maydis is een eukaryotisch micro-organisme model toont een dergelijke efficiënte homologe recombination. Van de ongeveer 6900 genen, vele zijn functioneel gekarakteriseerd met behulp van deletiemutanten en herhaalde niet van genvervanging pogingen wijst op wezenlijke functie van het gen. Daaropvolgende karakterisering van het gen functie door tagging met fluorescerende markers of mutaties van de voorspelde domeinen beroept zich ook op DNA-uitwisseling via homologe recombinatie. Hier presenteren we de U. maydis generatie strategie stam in detail met behulp van de eenvoudigste voorbeeld, het gen deletie.
Introduction
Ustilago maydis is een model fytopathogene schimmel die uitvoerig is onderzocht voor tientallen jaren 1,2. Het bestaat in twee morfologieën, een gistachtige, niet-pathogene fase en een filamenteuze infectieuze vorm 3. Universal baanbrekende ontdekkingen zoals homologe recombinatie en DNA-herstelmechanismen werden gemaakt in de gist-achtige groeifase van deze schimmel 4. Bovendien is de morfologische schakelaar om de besmettelijke filament en virulentie factoren die van belang zijn voor infectie zijn goed gekarakteriseerd 5,6. De toenemende kennis over moleculaire biologie en de virulentie van deze vuiligheid schimmel is gebaseerd op een eenvoudige gen vervangende strategie 7-9 ondersteund door een uitstekende genoomannotatie 10 en het gemak van het reverse genetics met gebruikmaking van bijvoorbeeld de goed georganiseerde plasmide collectie van ons instituut (http : //www.mikrobiologie.hhu.de/ustilago-community.html). Gestandaardiseerde, snelle infectie assays in maïs seedlings mogelijk gedetailleerde studies van pathogene factoren 11.
Het genoom van U. maydis bevat ongeveer 6900 genen 10. Om hun functie te bestuderen, kunnen zij afzonderlijk of in combinatie worden verwijderd door een efficiënte homologe recombinatie systeem. Flankerende gebieden van ongeveer 1 kb dat perfect homologe uiteinden zijn ideaal voor snelheden van homologe recombinatie meer dan 50%, maar reeds 250 bp met niet-homologe uiteinden zodat een zekere correcte integratie van het construct 9. Op dit moment, vijf verschillende weerstand cassettes, hygR, cbxR, natR, G418R en phleoR bemiddelen weerstand tegen hygromycine, carboxin, nourseothricin, G418 en fleomycine, worden gebruikt om te selecteren op transformanten 7,9. Bovendien heeft de hygromycine resistentie ontwikkeld tot een recycleerbare cassette (FRT-hygR) die kan worden verwijderd door de tijdelijke expressie van een heteroloog FLP recombinase 12. Dit maakt verwijdering van het resistentiecassette en daarmee in principe onbeperkte genetische modificaties. Phleomycine mutageen 13, zodat de nieuwe cassettes, met name de recyclebare hygR cassette, het gebruik van phleoR afneemt. Viervoudige mutanten kunnen dus worden gegenereerd via de andere vier cassettes, maar vijfvoudige mutanten, is de FRT-systeem hygR 14 aanbevolen.
Deze algemene strategie gendeletie met succes overgedragen aan andere smut schimmels zoals Sporisorium reilianum 15, U. hordei 16 of U. esculenta 17 en derhalve biedt het potentieel voor verdere toepassingen nog genetisch hardnekkige organismen met een efficiënte homologe recombinatie systeem. Bovendien kunnen organismen ontbreekt homologe recombinatie worden gemodificeerd gentechnologie verbeteren geïllustreerd door de deletie van genen die betrokken zijn bij niet-homologe end-aansluiting in Neurospora crassa 18,19.
Hier beschrijven we de gepubliceerde gendeletie strategie voor U. maydis 7,9 in experimentele detail met een focus op de snelle en nauwkeurige controle van de kandidaten. Als voorbeeld, gebruiken we de schimmel chitinasen en tonen de vorming van enkele mutanten alsmede verschillende deletiestammen 20,21. Chitinasen zijn interessante voorbeelden, omdat zij optreden in chitine in de starre celwand. Celwand verbouwing is nodig voor morfologische veranderingen tijdens de celdeling, overschakelen naar draadvormige groei, en de vorming spore. Derhalve zijn voor deletiemutanten fenotypes gehele levenscyclus te verwachten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft hoe deletiemutanten voor reverse genetische studies in U. genereren maydis. Uitgangspunt is een deletie construct dat flankerende sequenties van het gen-van-belang bevattende sequenties van ongeveer 1 kb stroomopwaarts van de start en na het stopcodon en een voldoende weerstand cassette bevat zoals eerder geoptimaliseerd 7,9 . De constructen afzonderlijk worden gegenereerd voor elk gen en zorgvuldig gecontroleerd voor sequentiefouten vóór het gen te verwijderen. Pun…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Met speciale dank aan Dr. Benedikt Steuten voor kritische lezing van het manuscript. Het originele werk op het chitinasen werd uitgevoerd door Dr. Thorsten Langner uitgevoerd. Het laboratorium van VG wordt ondersteund door de Cluster of Excellence in Plant Sciences (CEPLAS, DFG EXC 1028) en BioSC, wordt het laboratorium van KS ondersteund door BioSC. KB wordt ondersteund door BioSC. De wetenschappelijke activiteiten van de bio-economie Science Center (BioSC) werden financieel ondersteund door het ministerie van Innovatie, Wetenschap en Onderzoek in het kader van de NRW Strategieprojekt BioSC (nr 313 / 323-400-00213). LF wordt ondersteund door een doctoraatsbeurs van de DFG International Research Training Group 1525 iGRADplant.
Materials
| Aminobenzoeic acid (Free Acid) | Sigma Aldrich | A-9878 | |
| Bacto Agar | BD | 214010 | alternatively use local supplier |
| Bacto Peptone | BD | 211677 | alternatively use local supplier |
| Bacto Yeast Extract | BD | 212750 | alternatively use local supplier |
| CaCl2*2H2O | Grüssing GmbH | 10234 | alternatively use local supplier |
| Ca-pantothenat (Hemi-Ca. salt) | Sigma Aldrich | P-2250 | |
| Carboxin | Sigma Aldrich | 45371 | |
| Casamino acids | BD | 223050 | |
| Cholinchlorid | Sigma Aldrich | C-1879 | |
| Citric acid | ChemSolute | 24,321,000 | alternatively use local supplier |
| CuSO4*5H2O | Fluka | 61240 | alternatively use local supplier |
| D(+)Sucrose | Roth | 4621.1 | alternatively use local supplier |
| DNA degr. free acid | Sigma-Aldrich | D-3159 | |
| EDTA | Sigma Aldrich | E4378 | |
| FeCl3*6H2O | Grüssing GmbH | 10288 | alternatively use local supplier |
| Geneticin (G418) disulfate salt | Sigma Aldrich | A1720 | |
| Trichoderma lysing enzymes | Sigma Aldrich | L1412 | |
| Glucose | Caelo | 2580 | alternatively use local supplier |
| Glycerin | Fisher Chemical | G065015 | alternatively use local supplier |
| H3BO3 | AppliChem | A2940 | Dangerous substance. Please check manufacturer's safety instructions. |
| Heparin sodium salt | Sigma Aldrich | H3393-50KU | |
| Hygromycin B-solution | Roth | 1287.2 | Dangerous substance. |
| KCl | VWR | 26764298 | alternatively use local supplier |
| KH2PO4 | AppliChem | A3620 | alternatively use local supplier |
| MgSO4 waterfree | Merck | 7487-88-9 | Water free is critical. Alternatively use local supplier |
| MnCl2*4H2O | AppliChem | A2087 | alternatively use local supplier |
| myo-Inositol | Sigma Aldrich | I-5125 | |
| Na2-EDTA*2H2O | AppliChem | A2937 | alternatively use local supplier |
| Na2MoO4*2H2O | Roth | 0274.2 | alternatively use local supplier |
| Na2SO4 | Grüssing GmbH | 12174 | alternatively use local supplier |
| NaCl | Fisher Chemical | S316060 | alternatively use local supplier |
| NaOH | ChemSolute | 13,751,000 | alternatively use local supplier |
| NH4NO3 | Roth | K299.1 | alternatively use local supplier |
| Nicotinic acid (Free Acid) | Sigma Aldrich | N-4126 | |
| Nourseothricin dihydrogen sulfate | Werner BioAgents | 5,001,000 | |
| Nutrient broth | Difco | local suppliers | |
| Phenol:Chloroform:Isoamyl Alcohol (25:24:1) pH 6.7 | Sigma Aldrich | P3803 | Dangerous substance. Please check manufacturer's safety instructions. |
| polyethylene glycol (PEG) | Sigma Aldrich | P-3640 | |
| Potassium acetate | AppliChem | 121479 | alternatively use local supplier |
| Pyridoxin (Monohydrochlorid) | Sigma Aldrich | P-9755 | |
| Riboflavin | Sigma Aldrich | R4500 | |
| RNaseA | Sigma Aldrich | R5503 | |
| SDS | Roth | Cn30.3 | alternatively use local supplier |
| small syringe | BD | 300300 | alternatively use local supplier |
| sterile filter, 22 µm | VWR | 28145-477 | alternatively use local supplier |
| Sorbitol | Roth | 6213.1 | alternatively use local supplier |
| Thiamin-Hydrochloride | Serva | 36020.02 | alternatively use local supplier |
| tri-Na-Citrate | Fisher Chemical | S332060 | alternatively use local supplier |
| Tris- (hydroxymethyl) aminomethane | VWR | 103156X | alternatively use local supplier |
| Tris hydrochloride | Roth | 9090.4 | alternatively use local supplier |
| Triton X-100 | Serva | 37240 | alternatively use local supplier |
| ZnCl2 | Fluka | 96470 | alternatively use local supplier |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Composition of solutions/preparation of material | Composition of solutions | ||
| Carboxin | Stock: 5 mg/ml in methanol, final concentration: 2 µg/ml | ||
| CM plates | 0.25 % (w/v) Casamino acids, 0.1 % (w/v) Yeast Extract, 1.0 % (v/v) Holliday vitamin solution, 6.25 % (v/v); Holliday salt solution, 0.05 % (w/v) DNA degr. free acid, 0.15 % (w/v) NH4NO3, 2.0 % (w/v) Bacto Agar; adjust to pH 7.0 using 5 M NaOH; after autoclaving add 1 % glucose | ||
| Geneticin (G418) | Stock: 50 mg/ml in H2O, final concentration: 500 µg/ml | ||
| HCl-washed glass beads (0,35-0,45 mm) | Cover glass beads with concentrated HCl (25 %, 7.8 M) and incubate for 60 min. Sway several times. Decant HCl (keep decanted liquid) and wash glass beads with 3 M HCl (keep decanted liquid). Wash glass beads several times with double distilled H2O until the pH is 7 (the liquid should not be yellow-green anymore). Aliquot the glass beads and dry them at 180 °C. The decanted HCl has to be neutralized before disposal. | ||
| Heparin | Stock: 15 mg/ml | ||
| Holliday salt solution | 16.0 ‰ (w/v) KH2PO4, 4.0 ‰ (w/v) Na2SO4, 8.0 ‰ (w/v) KCl, 1.32 ‰ (w/v) CaCl2*2H2O, 8.0 ‰ (v/v) trace elements, 2.0 ‰ (w/v) MgSO4; sterile filtrate | ||
| Holliday vitamin solution | 0.1‰ (w/v) Thiamin, 0.05‰ (w/v) Riboflavin, 0.05‰ (w/v) Pyridoxin, 0.2‰ (w/v) Ca-Pantothenat, (0.05‰ (w/v) Aminobenzoeic acid, 0.2‰ (w/v) Nicotinic acid, 0.2‰ (w/v) Cholinchlorid, 1.0‰ (w/v) myo-Inositol; may be stored at -20 °C | ||
| Hygromycin | Stock: 50 mg/ml in PBS, final concentration: 200 µg/ml | ||
| Nourseothricin | Stock: 200 mg/ml in H2O, final concentration: 150 µg/ml | ||
| NSY-glycerol-medium | 0.8 % (w/v) Nutrient Broth, 0.1 % (w/v) Yeast Extract, 0.5 % (w/v) Sucrose, 80.0 % (v/v) 87% Glycerin (f.c. 69.6%) | ||
| RegLight | 1.0% (w/v) Yeast Extract 0.4 % (w/v) Bacto Peptone, 0.4 % (w/v) Sucrose, 18.22 % (w/v) Sorbitol, 1.5 % (w/v) Agar | ||
| SCS, pH 5.8 | Solution 1: 20 mM tri-Na-citrate, 1 M Sorbitol; colution 2: 20 mM Citric acid, 1 M Sorbitol, add solution 2 into solution 1 until pH 5.8 is reached; autoclave | ||
| STC, pH 8 | 1 M Sorbitol, 10 mM Tris-HCl pH 7.5, 100 mM CaCl2; filter sterile | ||
| STC/PEG | 40 % (v/v) PEG in STC-buffer | ||
| TE buffer, pH 8 | 1.31 mM Tris-Base, 8.69 mM Tris-HCl, 10 mM Na2-EDTA*2H2O | ||
| TE/RNase | 10 µg/ml RNaseA in TE buffer | ||
| Trace elements | 0.06‰ (w/v) H3BO3, 0.14‰ (w/v) MnCl*4H2O, 0.4 ‰ (w/v) ZnCl2, 0.4 ‰ (w/v) Na2MoO4*2H2O, 0.1 ‰ (w/v) FeCl3*6H2O, 0.04‰ (w/v) CuSO4*5H2O | ||
| Trichoderma lysing enzymes solution | 12.5 mg/ml SCS; filter sterile; prepare shortly before use | ||
| Tris-HCl pH 7.5 | 806 mM Tris-HCl, 194 mM Tris-Base; check the pH and if necessary adjust with HCl; autoclave | ||
| Usti-lysis buffer 1, pH 8 | 10 mM Tris-HCl (pH 8.0), 10 mM NaCl, 1 % (w/v) SDS, 2 % (v/v) TritonX-100, 1 mM EDTA. Do not measure pH using pH meter. | ||
| Usti-lysis buffer 2 | mix Usti lysis buffer 1 with 1 x TE in a 1:1 ratio | ||
| YEPS-Light medium | 1.0% (w/v) Yeast Extract, 0.4% (w/v) Bacto Peptone, 0.4% (w/v) Sucrose, for plates: 1.5% (w/v) Bacto Agar |
References
- Dean, R., et al. The Top 10 fungal pathogens in molecular plant pathology. Molecular Plant Pathology. 13, 414-430 (2012).
- Vollmeister, E., et al. Fungal development of the plant pathogen Ustilago maydis. Fems Microbiol Rev. 36, 59-77 (2012).
- Banuett, F. Ustilago maydis, the delightful blight. Trends in Genetics. 8, 174-180 (1992).
- Holloman, W. K., Schirawski, J., Holliday, R. The homologous recombination system of Ustilago maydis. Fungal Genetics and Biology. 45, S31-S39 (2008).
- Feldbrügge, M., Kämper, J., Steinberg, G., Kahmann, R. Regulation of mating and pathogenic development in Ustilago maydis. Current Opinion in Microbiology. 7, 666-672 (2004).
- Ökmen, B., Doehlemann, G. Inside plant: Biotrophic strategies to modulate host immunity and metabolism. Current Opinion in Plant Biology. 20, 19-25 (2014).
- Brachmann, A., König, J., Julius, C., Feldbrügge, M. A reverse genetic approach for generating gene replacement mutants in Ustilago maydis. Molecular Genetics and Genomics. 272, 216-226 (2004).
- Kämper, J. A PCR-based system for highly efficient generation of gene replacement mutants in Ustilago maydis. Molecular Genetics and Genomics. 271, 103-110 (2004).
- Terfrüchte, M., et al. Establishing a versatile Golden Gate cloning system for genetic engineering in fungi. Fungal Genetics and Biology. 62, 1-10 (2014).
- Kämper, J., et al. Insights from the genome of the biotrophic fungal plant pathogen Ustilago maydis. Nature. 444, 97-101 (2006).
- Chavan, S., Smith, S. M. A Rapid and Efficient Method for Assessing Pathogenicity of Ustilago maydis on Maize and Teosinte Lines. Journal of Visualized Experiments. (83), e50712 (2014).
- Khrunyk, Y., Münch, K., Schipper, K., Lupas, A. N., Kahmann, R. The use of FLP-mediated recombination for the functional analysis of an effector gene family in the biotrophic smut fungus Ustilago maydis. New Phytologist. 187, 957-968 (2010).
- van Peer, A. F., de Bekker, C., Vinck, A., Wösten, H. A. B., Lugones, L. G. Phleomycin Increases Transformation Efficiency and Promotes Single Integrations in Schizophyllum commune. Appl Environ Microb. 75, 1243-1247 (2009).
- Sarkari, P., et al. Improved expression of single-chain antibodies in Ustilago maydis. Journal of Biotechnology. 191, 165-175 (2014).
- Schirawski, J., Heinze, B., Wagenknecht, M., Kahmann, R. Mating type loci of Sporisorium reilianum: Novel pattern with three a and multiple b specificities. Eukaryotic Cell. 4, 1317-1327 (2005).
- Cervantes-Chavez, J. A., Ali, S., Bakkeren, G. Response to Environmental Stresses, Cell-wall Integrity, and Virulence Are Orchestrated Through the Calcineurin Pathway in Ustilago hordei. Mol Plant Microbe In. 24, 219-232 (2011).
- Yu, J. J., et al. An efficient genetic manipulation protocol for Ustilago esculenta. FEMS Microbiology Letters. 362, (2015).
- Ninomiya, Y., Suzuki, K., Ishii, C., Inoue, H. Highly efficient gene replacements in Neurospora strains deficient for nonhomologous end-joining. P Natl Acad Sci USA. 101, 12248-12253 (2004).
- Colot, H. V., et al. A high-throughput gene knockout procedure for Neurospora reveals functions for multiple transcription factors. P Natl Acad Sci USA. 103, 10352-10357 (2006).
- Langner, T., et al. Chitinases Are Essential for Cell Separation in Ustilago maydis. Eukaryot Cell. 14, 846-857 (2015).
- Langner, T., Göhre, V. Fungal chitinases: function, regulation, and potential roles in plant/pathogen interactions. Current Genetics. , (2015).
- Sambrook, J., Fritsch, E. F., Maniatis, T. . Molecular Cloining: a laboratry manual. , (1989).
- Brachmann, A., Weinzierl, G., Kämper, J., Kahmann, R. Identification of genes in the bW/bE regulatory cascade in Ustilago maydis. Molecular Microbiology. 42, 1047-1063 (2001).
- Becht, P., Vollmeister, E., Feldbrügge, M. Role for RNA-binding proteins implicated in pathogenic development of Ustilago maydis. Eukaryotic Cell. 4, 121-133 (2005).
- Vollmeister, E., et al. Tandem KH domains of Khd4 recognize AUACCC and are essential for regulation of morphology as well as pathogenicity in Ustilago maydis. RNA. 15, 2206-2218 (2009).
- Stock, J., et al. Applying unconventional secretion of the endochitinase Cts1 to export heterologous proteins in Ustilago maydis. Journal of Biotechnology. 161, 80-91 (2012).
- Baumann, S., Pohlmann, T., Jungbluth, M., Brachmann, A., Feldbrügge, M. Kinesin-3 and dynein mediate microtubule-dependent co-transport of mRNPs and endosomes. Journal of Cell Science. 125, 2740-2752 (2012).
- Pohlmann, T., Baumann, S., Haag, C., Albrecht, M., Feldbrügge, M. A FYVE zinc finger domain protein specifically links mRNA transport to endosome trafficking. eLife. 4, (2015).
- Kronstad, J. W., Leong, S. A. Isolation of two Alleles of the b-Locus of Ustilago. P Natl Acad Sci USA. 86, 978-982 (1989).
- Koepke, J., et al. The RNA-binding protein Rrm4 is essential for efficient secretion of endochitinase Cts1. Molecular & cellular proteomics. 10, (2011).
- Schuler, D., et al. Hxt1, a monosaccharide transporter and sensor required for virulence of the maize pathogen Ustilago maydis. New Phytologist 206. , 1086-1100 (2015).
- Schuster, M., Schweizer, G., Reissmann, S., Kahmann, R. Genome editing in Ustilago maydis using the CRISPR-Cas system. Fungal Genetics and Biology. , (2015).
