Meten van de genexpressie in gebombardeerd gerst Aleurone lagen met grotere gegevensdoorvoer
Summary
Een verbeterde protocol wordt gepresenteerd voor de meting van voorbijgaande genexpressie van verslaggever constructies in gerst aleurone cellen na deeltje bombardement. De combinatie van geautomatiseerde graan malen met 96-wells-plaat enzym testen biedt hoge doorvoer voor de procedure.
Abstract
De aleurone laag van gerst korrels is een belangrijk model-systeem voor hormoon-gereglementeerde genexpressie in planten. In de aleurone cellen, genen nodig zijn voor de kieming of vroege zaailing ontwikkeling worden geactiveerd door Gibberelline (GA), terwijl genen geassocieerd met stress reacties worden geactiveerd door abscisic zuur (ABA). De mechanismen van GA en ABA signalering kunnen worden ondervraagd door de invoering van reporter gene constructies in aleurone cellen via deeltje bombardement, met de daaruit voortvloeiende voorbijgaande expressie gemeten met behulp van enzym testen. Een verbeterde protocol wordt gemeld dat gedeeltelijk automatiseert en stroomlijnt de korrel homogenisering stap en de enzym-vitrotests, waardoor aanzienlijk meer doorvoer dan bestaande methoden. Homogenisering van de korrel monsters wordt uitgevoerd met behulp van een geautomatiseerde weefsel homogenizer en GUS (β-glucuronidase) tests worden uitgevoerd met behulp van een 96-Wells plaatsysteem. Representatieve resultaten met behulp van het protocol suggereren dat fosfolipase D activiteit kan een belangrijke rol in het activeren van HVA1 genexpressie door ABA, door middel van de transcriptiefactor TaABF1.
Introduction
De laag van de aleurone gerst is een gevestigde modelsysteem voor de studie van hormoon-gereglementeerde genexpressie in planten1. In het bijzonder worden een aantal genen die nodig zijn voor de kieming of vroege zaailing ontwikkeling geactiveerd door Gibberelline (GA), terwijl genen geassocieerd met stress reacties worden geactiveerd door abscisic zuur (ABA). De GA en ABA signalering trajecten met elkaar verweven zijn, zoals de expressie van bepaalde genen GA-geactiveerd wordt geremd door ABA en vice-versa1.
Een waardevolle strategie voor begrip van dat de rol van bepaalde actoren in GA/ABA signalering is de invoering van effector gene constructies via deeltje bombardement, gevolgd door voorbijgaande expressie van verslaggever constructies waarmee het resulterende effect op stroomafwaarts genexpressie te bepalen. Het gebruik van verslaggever genen zoals GUS (β-glucuronidase) of Luciferase maakt de gevoelige en kwantitatieve meting van genuitdrukking specifiek binnen de cellen die de effector constructie hebben ontvangen. Bijvoorbeeld, vastgesteld de invoering van een effector construct codering van de transcriptiefactor TaABF15,6 dat ABA-geïnduceerde genen zoals HVA1 door TaABF1, terwijl de GA-geïnduceerde genen zoals Amy32b veroorzaakt worden onderdrukt. Bombardement van het deeltje als een experimentele strategie hanteert voor het onderzoeken van de diverse aspecten van GA/ABA signalering door meerdere laboratoria. Dergelijk werk heeft geleid tot de identificatie van de promotor elementen belangrijk voor de activering van zowel de GA-geïnduceerde2 en de ABA-geïnduceerde genen3, en tot de ontdekking van eiwit kinases4 en transcriptie factoren5 die regelen de expressie van deze genen.
De bestaande protocollen2,3,4,5,6 voor deeltje bombardement en de daaropvolgende meting van voorbijgaande genexpressie zijn heel arbeidsintensief, zoals elke set gebombardeerd nauwelijks korrels is gehomogeniseerd met de hand in een mortier en een stamper en het enzym testen afzonderlijk worden uitgevoerd. Dit manuscript rapporten in een verbeterde protocol dat gedeeltelijk automatiseert en stroomlijnt de homogenisering stap en de GUS testen zodat aanzienlijk meer doorvoer, waardoor een groter aantal behandelingen in hetzelfde experiment, worden getest en/of de opneming van meer replicatieonderzoeken voor elke behandeling om meer statistisch robuuste resultaten te verkrijgen. Representatieve resultaten worden weergegeven voor de expressie van HVA1 en Amy32b verslaggever constructies, gereguleerd door de transcriptiefactor TaABF1 alsmede door GA, ABA, en andere regelgevende moleculen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De invoering van effector gen construeert via deeltje bombardement, gevolgd door voorbijgaande expressie van verslaggever constructies is een waardevolle strategie voor het ontleden van de rol van bepaalde actoren in GA/ABA signalering en in het resulterende hormoon-gereglementeerde gen expressie.
Bestaande protocollen voor het uitvoeren van dergelijke experimenten in gerst aleurone cellen2,3,4,5<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs bedanken Greyson Butler en Margaret Barrett voor hulp bij de uitvoering van de experimenten, Judy Stone voor advies over graan homogenisering en Lynn Hannum voor advies over fluorometry. Dit werk werd gesteund door de National Science Foundation (IOB 0443676), door een institutionele Development Award (idee) van het National Institute of General Medical Sciences van de National Institutes of Health subsidie onder nummer P20GM0103423, en door toelagen van de verdeling van het Colby College van natuurwetenschappen.
Materials
| GeneElute HP plasmid Maxiprep kit | Sigma | NA0310-1KT | |
| UV-vis spectrophotometer | Nanodrop | ND-1000 | |
| Himalaya barley grains | / | / | A variety of hulless barley (store in the dark at 4° C) |
| sodium succinate | Sigma | S2378 | Reagent for Imbibing Solution |
| calcium chloride (dihydrate) | Fisher | C79-500 | Reagent for Imbibing Solution |
| Imbibing Solution | home made | / | 20 mM sodium succinate, 20 mM calcium chloride, pH 5.0. Sterilize by autoclaving before use. |
| chloramphenicol | Sigma | C0378 | Prepare a 10 mg/mL stock solution in 70% ethanol. |
| vermiculite | Fisher | NC0430369 | Used for vermiculite plates. |
| filter paper circles (90 mm) | Whatman | 1001 090 | Used for vermiculite and for pre-bombardment grain preparation |
| Vermiculite Plates | home made | / | Add 50 mL of vermiculite to a glass petri dish. Place a 90 mm paper circle on top of the vermiculite. Autoclave. |
| forceps (fine pointed) | Fisher | 13-812-42 | Used for removing seed coat from barley grains. |
| forceps (ultra fine point) | Fisher | 12-000-122 | Used for removing seed coat from barley grains. |
| gold microcarriers (1.6 μm) | BioRad | 1652264 | |
| macrocarriers | BioRad | 1652335 | |
| calcium chloride (dihydrate) | Fisher | C79-500 | Prepare a 2.5 M stock solution and store 1 mL aliquots at -20° C. |
| spermidine | Sigma | S0266 | Prepare a 100 mM stock solution and store 500 μL aliquots at -20° C (use within 2 months). |
| rupture discs (1550 psi) | BioRad | 1652331 | |
| stopping screens | BioRad | 1652336 | |
| macrocarrier holders | BioRad | 1652322 | |
| Biolistic particle delivery system | BioRad | PDS-1000/He | |
| sodium phosphate monobasic monohydrate | Sigma | S9638 | Reagent for 1M sodium phosphate pH 7.2 |
| sodium phosphate dibasic | Sigma | S9763 | Reagent for 1M sodium phosphate pH 7.2 |
| 1M sodium phosphate pH 7.2 | home made | / | Combine 6.9 g of sodium phosphate monobasic monohydrate with 7.1 g of sodium phosphate dibasic. Add water to 100 mL. Add NaOH to get pH 7.2. |
| dithiothrietol (DTT) | Sigma | 43819 | Dissolve in water to 1 M. Store at -20° in 1 mL aliquots. |
| leupeptin | Sigma | L2884 | Dissolve in water to 10 mg/mL. Store at -20° C. |
| glycerol | Sigma | G5516 | Prepare a 50% solution in water. |
| Grinding Buffer | home made | / | Combine 10 mL of 1 M sodium phosphate pH 7.2, 500 μL of 1 M DTT, 100 μL of 10 mg/mL leupeptin, and 40 mL of 50% glycerol. Add water to 100 mL. |
| stainlesss steel beads (5 mm) | Qiagen | 69989 | |
| 2.0 mL tubes | Eppendorf | 22363352 | This specific model of tube is recommended for use with the homogenizer. |
| bead homogenizer (TissueLyser) | Qiagen | 85210 | |
| 12mm x 75 mm glass test tubes | Fisher | ||
| luciferin | Goldbio | LUCK-100 | Prepare a 25 mM stock solution and store 1 mL aliquots at -20° C. |
| ATP | Sigma | A7699 | Prepare a 100 mM stock solution and store 250 μL aliquots at -20° C. |
| Tris base | Sigma | T1503 | Reagent for 1M Tris sulfate pH 7.7. |
| sulfuric acid | Sigma | 258105 | Reagent for 1M Tris sulfate pH 7.7. |
| 1M Tris sulfate pH 7.7 | home made | / | Dissolve 12.1 g Tris base in 100 mL of water. Adjust pH to 7.7 with sulfuric acid. |
| magnesium chloride | Sigma | M9397 | Dissolve in water to 2 M. |
| Luciferase Assay Buffer (LAB) | home made | / | Combine 3 mL of 1 M Tris sulfate pH 7.7, 500 μL of 2 M magnesium chloride, 1 mL of 1 M DTT, and 200 μL of 0.5 M EDTA. Add water to 50 mL. |
| Luciferase Assay Mixture | home made | / | Combine 15 mL of LAB, 800 μL of 25 mM luciferin, 200 μL of 100 mM ATP, and 4 mL of water. This makes enough assay mixture (20 mL) for 100 luciferase assays. |
| luminometer (Sirius) | Berthold | / | |
| 4-methylumbelliferyl-β-D-glucuronide (MUG) | Goldbio | MUG1 | Dissolve in DMSO to 100 mM. |
| sodium azide | Sigma | S8032 | Prepare a 2% stock solution in water and store 1 mL aliquots at -20° C. |
| 96 well plates (standard) | Fisher | 12565501 | |
| GUS assay buffer | home made | / | Combine 2.5 mL of MUG, 5 mL of 1 M sodium phosphate pH 7.2, 400 μL of 0.5 M EDTA, 1 mL of 1 M DTT, 100 μL of 10 mg/ml leupeptin, 20 mL of methanol, and 1 mL of 2% sodium azide. Add water to 100 mL. |
| TempPlate sealing film | USA Scientific | 2921-1000 | |
| 96 well plates (black) | Costar | 3916 | |
| sodium carbonate | Sigma | S7795 | Prepare a 200 mM solution in water. |
| 4-methylumbelliferone | Sigma | M1381 | Prepare a 100 μM solution in water. Freeze 1 mL aliquots at -20° C. |
| microplate fluouresence reader | Bio-Tek | FLX-800 |
References
- Chen, K., An, Y. Q. C. Transcriptional responses to gibberellin and abscisic acid in barley aleurone. J. Integ. Plant Biol. 48, 591-612 (2006).
- Lanahan, M. B., Ho, T. H. D., Rogers, S. W., Rogers, J. C. A gibberellin response complex in cereal alpha-amylase gene promoters. Plant Cell. 4, 203-211 (1992).
- Shen, Q., Zhang, P., Ho, T. H. D. Modular nature of abscisic acid (ABA) response complexes; composite promoter units that are necessary and sufficient for ABA induction of gene expression. Plant Cell. 8, 1107-1119 (1996).
- Gómez-Cadenas, A., Zentella, R., Walker-Simmons, M. K., Ho, T. H. D. Gibberellin/abscisic acid antagonism in barley aleurone cells: site of action of the protein kinase PKABA1 in relation to gibberellin signaling molecules. Plant Cell. 13, 667-679 (2001).
- Johnson, R. R., Shin, M., Shen, J. Q. The wheat PKABA1-interacting factor TaABF1 mediates both abscisic acid-suppressed and abscisic acid-induced gene expression in bombarded aleurone cells. Plant Mol. Biol. 68, 93-103 (2008).
- Harris, L. J., Martinez, S. A., Keyser, B. R., Dyer, W. E., Johnson, R. R. Functional analysis of TaABF1 during abscisic acid and gibberellin signaling in aleurone cells of cereal grains. Seed Science Res. 23, 89-98 (2013).
- Shen, Q., Casaretto, J., Zhang, P., Ho, T. H. D. Functional definition of ABA-response complexes: the promoter units necessary and sufficient for ABA induction of gene expression in barley (Hordeum vulgare). Plant Mol. Biol. 54, 111-124 (2004).
- Ritchie, S., Gilroy, S. Abscisic acid signal transduction in the barley aleurone is mediated by phospholipase D activity. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 95, 2697-2702 (1998).
- Takemiya, A., Shimazaki, K. Phosphatidic acid inhibits blue light-induced stomatal opening via inhibition of protein phosphatase 1. Plant Physiol. 153, 1555-1562 (2010).
- Zou, X., Seeman, J. R., Neuman, D., Shen, Q. J. A WRKY gene from creosote bush encodes an activator of the abscisic acid signaling pathway. J. Biol. Chem. 279, 55770-55779 (2004).
- Ishibashi, Y., et al. Reactive oxygen species are involved in gibberellin/abscisic acid signaling in barley aleurone cells. Plant Physiol. 158, 1705-1714 (2012).
- Piskurewicz, U., et al. The gibberellic acid signaling repressor RGL2 inhibits Arabidopsis seed germination by stimulating abscisic acid synthesis and ABI5 activity. Plant Cell. 20, 2729-2745 (2008).
- Hong, J. Y., et al. Phosphorylation-mediated regulation of a rice ABA responsive element binding factor. Phytochemistry. 72, 27-36 (2011).
- Lopez-Molina, L., Mongrand, S., McLachlin, D. T., Chait, B. T., Chua, N. H. ABI5 acts downstream of ABI3 to execute an ABA-dependent growth arrest during germination. Plant J. 32, 317-328 (2002).
- Zhou, X., et al. SOS2-LIKE PROTEIN KINASE5, an SNF1-RELATED PROTEIN KINASE3-Type protein kinase, is important for abscisic acid responses in Arabidopsis through phosphorylation of ABSCISIC ACID-INSESENSITIVE5. Plant Physiol. 168, 659-676 (2015).
- Zong, W., et al. Feedback regulation of ABA signaling and biosynthesis by a bZIP transcription factor targets drought-resistance-related genes. Plant Physiol. 171, 2810-2825 (2016).
