בגלל היישום הרב-תכליתי שלו כמין מודל בתחומי מחקר שונים, יש צורך בארגז כלים לשינוי גנטי בפלנטיין צר עלים (Plantago lanceolata). כאן, באמצעות טרנספורמציה בתיווך Agrobacterium tumefaciens, מוצג פרוטוקול שמביא לקווים טרנסגניים יציבים עם יעילות טרנספורמציה של 20%.
למינים בסוג Plantago מספר תכונות ייחודיות שהובילו להתאמתם כצמחי מודל בתחומי מחקר שונים. עם זאת, היעדר מערכת מניפולציה גנטית מונע חקירה מעמיקה של תפקוד הגנים, ומגביל את הרבגוניות של סוג זה כמודל. כאן, פרוטוקול טרנספורמציה מוצג עבור Plantago lanceolata, המין הנחקר ביותר Plantago. באמצעות טרנספורמציה בתיווך Agrobacterium tumefaciens, שורשים בני 3 שבועות של צמחי P. lanceolata שגדלו באופן אספטי היו נגועים בחיידקים, הודגרו במשך 2-3 ימים, ולאחר מכן הועברו למדיום השראת נבטה עם בחירת אנטיביוטיקה מתאימה. הנבטים יצאו בדרך כלל מהמדיום לאחר חודש, והשורשים התפתחו 1-4 שבועות לאחר העברת הנבטים למדיום השראת השורש. לאחר מכן התאקלמו הצמחים בסביבת קרקע ונבדקו לנוכחות טרנסגן באמצעות בדיקת כתב β-glucuronidase (GUS). יעילות הטרנספורמציה של השיטה הנוכחית היא ~20%, כאשר שני צמחים טרנסגניים מופיעים לכל 10 רקמות שורש שעברו טרנספורמציה. קביעת פרוטוקול טרנספורמציה לצמח צר עלים תקל על אימוץ צמח זה כמין מודל חדש בתחומים שונים.
הרעיון של שימוש במיני מודל כדי לחקור היבטים רבים של ביולוגיה של צמחים הופיע עם השימוש הנרחב של Arabidopsis thaliana1. Arabidopsis נבחר בתחילה כי הוא חולק תכונות עם צמחים פורחים רבים אחרים ויש לו תכונות מרובות שהופכות אותו נוח ללמוד בסביבת מעבדה, כגון להיות קטן בעל מחזור דור קצר. הכמות הגדולה של מאמרי מחקר שפורסמו יחד איתו כנושא, יחד עם גודל הגנום הקטן שלו וקלות הטרנספורמציה הגנטית2, מאפשרים לו להתמיד כאורגניזם ניסיוני בשימוש נרחב. עם זאת, Arabidopsis יכול להיות מוגבל כמודל עבור מינים עם מאפיינים שונים או תכונות ייחודיות3. זה הניע את הפיתוח של מערכות מודל חדשות, כגון תירס (Zea mays), צמח חשוב לגנטיקה התפתחותית במונוקוטים4, ועגבנייה (Solanum lycopersicum), שהוא מודל חשוב למחקרים אבולוציוניים, התפתחות פירות, וייצור, והוא ייצוג טוב לגידולי ירקות5. שיטה לטרנספורמציה גנטית היא תנאי מוקדם כדי שמין צמח ישמש כאורגניזם מודל2. טרנספורמציה בתיווך גידולים אגרובקטריום היא כלי אמין בביולוגיה של צמחים; הוא שימש לשינוי כמה מיני מודל וגידולים עיקריים, כולל טבק (Nicotiana tabacum)6, אורז (Oryza sativa)7, כותנה (Gossypium hirsutum)8, סויה (Glycine max)9, תפוח אדמה (Solanum tuberosum)10, וקנולה (Brassica napus)11. מיני צמחים משתנים מאוד במידת ההצלחה שלהם להגיב לזיהום A. tumefaciens, ופרוטוקולי טרנספורמציה לעתים קרובות צריכים להיות מותאמים באופן אינדיבידואלי לכל מין 6,12.
הסוג Plantago כולל בסך הכל 256 מיני צמחים, הנפוצים ברחבי העולם13. למינים בסוג זה יש לעתים קרובות מאפיינים ייחודיים שהופכים אותם לנחשקים כמין מודל לחקר גנטיקה, אקולוגיה, פיזיולוגיה של עקה, מטבוליטים שניוניים, כימיה רפואית, אינטראקציות צמחים-מיקרובים, התפתחות צמחים ואבולוציה. Plantago lanceolata , המכונה גם צמח צר עלים או plantein ribwort, היה צמח פופולרי של עניין מאז המאה ה– 19, כאשר הוא שימש לראשונה כדי לתאר את תופעת העקרות הגברית14. כמו צמחים אחרים מסוגו, הוא שימש במחקרים בתחומי מחקר שונים. לאחרונה, הוא הוצע כמודל לביולוגיה של כלי הדם, שכן רקמת כלי הדם שלה ניתן לאסוף בקלות15. P. lanceolata הוא המין הנחקר ביותר בסוג Plantago; כתבה משנת 2021 דיווחה כי היו >1,400 פרסומים הכוללים או מתייחסים למין זה באותה עת16, ו-102 מאמרים נוספים פורסמו מתחילת 2022, על פי חיפוש PubMed שנערך ב-9בדצמבר 2022. הצמח הבא הנחקר ביותר בסוג, P. major, הוא הנושא של 414 מאמרים בלבד כאשר מחפשים על פי אותם קריטריונים באותו תאריך.
למרות העניין המחקרי ב- P. lanceolata, מחקרים, במיוחד על אפיון תפקוד גנים, מוגבלים לעתים קרובות על ידי היעדר ערכת כלים למניפולציה גנטית עבור המין. Pommerrienig et al. עשו מאמצים לפתח פרוטוקול טרנספורמציה עבור P. major באמצעות טכניקת טבילה פרחונית17. עם זאת, שיטה זו אינה יכולה להיות מיושמת על P. lanceolata בגלל העקרות הגברית האופיינית למין זה18,19. למיטב ידיעתנו, אין פרוטוקול קיים לטרנספורמציה של P. lanceolata.
מחקר זה מציג פרוטוקול פשוט עבור A. tumefaciens-mediated transformation of P. lanceolata. על ידי התמקדות ברקמות השורש, צמחים טרנסגניים שגדלו במלואם יכולים להיווצר תוך 3 חודשים מרגע הטרנספורמציה.
היעדר פרוטוקול טרנספורמציה לצמחים בסוג Plantago מגביל את השימוש בצמחים אלה כמודל, במיוחד כאשר חוקרים מעוניינים לחקור תפקודי גנים. P. lanceolata נבחר לפתח פרוטוקול טרנספורמציה גנטית מכיוון שהוא הצמח הנחקר ביותר בסוג16. הפרוטוקול שפותח ישמש ככל הנראה ככלי לקידום מחקרים נוספים הקשורים לביולוגיה של כלי הדם, אקולוגיה, אינטראקציות צמחים-חרקים ופיזיולוגיה של עקה אביוטית.
הפרוטוקול שהוצג מתאר בבירור צעדים המאפשרים למשתמש להשיג צמחים טרנסגניים. מלבד היכולת של P. lanceolata לשגשג בסביבת תרבית רקמות, גורמים רבים תרמו להצלחת שיטת הטרנספורמציה שלנו. ראשית, נצפתה החשיבות של שימוש ברקמת שורש צמח איכותית וסטרילית לצורך טרנספורמציה. לשורשים היו שיעורי השינוי הגבוהים ביותר כאשר הם נלקחו מצמחים בני 3-4 שבועות, ונראו ירוקים או לבנים בהירים. שורשים שנלקחו מקופסאות עם כל כמות של זיהום חיידקי או פטרייתי גרמו לעתים קרובות לתרביות ירי מזוהמות, ושורשים ישנים יותר שנראו חומים לא הביאו לשינוי מוצלח. רקמת שורש הייתה סוג הרקמה היעיל ביותר לטרנספורמציה בשיטה הנוכחית, שכן רקמת העלה ורקמת הפטוטרת לא הצליחו לפתח נבטים.
תצפית חשובה נוספת הייתה שהשיטה האופטימלית לאיסוף רקמת שורש לצורך טרנספורמציה היא הנחת חומר שורשים שזה עתה נחתך במים סטריליים. שלב זה איפשר למעשה לחומר השורש להישאר רווי לחות בזמן ששאר הרקמה נאספת, מכיוון שהשורשים נוטים להתייבש במהירות כאשר הם מוסרים ממיכלי הצמיחה שלהם. צעד זה גם סייע להגדיל את שיעור ההצלחה של הטרנספורמציה, מכיוון שהוא איפשר ליותר שורשים להיות מודגרים בחיידקים בו זמנית.
פרוטוקול זה יכול להשתנות על ידי הפחתת הזמן שבו רקמת השורש דוגרת במדיה co-culture ל 2 ימים. נצפה כי תקופת דגירה של 2 או 3 ימים מספיקה כדי לאפשר זיהום שתוצאתו ראשי תיבות יורה. עם זאת, זמני דגירה ארוכים יותר אינם מומלצים, שכן נצפתה כי היעדר מעכב אנטיביוטיקה בתקשורת גורם לעתים קרובות לצמיחת יתר של A. tumefaciens , אשר יכול להרוג את הרקמה המתעוררת.
מגבלה של מחקר זה היא היעדר נתונים זמינים על הביצועים של שיטות או מינים אחרים של A. tumefaciens בטרנספורמציה P. lanceolata להשוואה. למיטב ידיעתנו, פרוטוקול זה הוא חדשני. במהלך הניסויים הראשוניים נצפתה יעילות טרנספורמציה גבוהה עם A. tumefaciens GV3101, והתמקדנו בשכלול הטכניקה באמצעות זן זה במקום להתנסות בזנים אחרים. יעילות הטרנספורמציה שלנו של 20% היא גבוהה יחסית לטרנספורמציה של צמחים – שיטות קונבנציונליות רבות רואות כל דבר >1% כמוצלח26,27,28. עם זאת, שימוש בזן אחר של A. tumefaciens, כגון A. rhizogenes, הידוע בשימושו בשינוי שורשים במינים מרובים29,30,31, עשוי לגרום לשיעור הצלחה גבוה עוד יותר. יהיה צורך בניסויים נוספים כדי להעריך את ההשפעה של שימוש בזנים אחרים כדי לקדם יעילות טרנספורמציה מוגברת ב- P. lanceolata.
הטרנספורמציה המוצלחת של P. lanceolata תועיל ככל הנראה לתחומי לימוד רבים. יעילות הטרנספורמציה הגבוהה, והצמיחה המהירה של הצמח באמצעי תרביות רקמה, הופכים את P. lanceolata למועמד אפשרי למחקרי תפקודי גנים15.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע (EDGE IOS-1923557 ל- C.Z. ו- Y.Z).
14 mL Round Bottom TubeA4A2:A34 | ThermoFisher Scientific | 150268 | |
1-Naphthylacetic acid | Gold Biotechnology | N-780 | |
3M Micropore Surgical Paper Tape | ThermoFisher Scientific | 19-027761 | |
50 mL Centrifuge Tubes | Research Products International Corp. | 163227LC | |
600 Watt High Pressure Sodium Lights | Plantmax | PX-LU600 | |
6-Benzylaminopurine (6-BAP) | Gold Biotechnology | B-110 | |
Aluminum Foil | ThermoFisher Scientific | 01-213-100 | |
Bacto Agar | Thermofisher Scientific | 214010 | |
Binary Plasmid pBI101 | Clontech, USA | 632522 | |
Cool White Grow Light Sylvania LLC | Home Depot | 315952205 | |
D-biotin | ThermoFisher Scientific | BP232-1 | |
ddH2O | |||
DH5a E. coli | Invitrogen, USA | 18258012 | |
Disposable Petri Dishes, Sterile 150 x 16 mm | ThermoFisher Scientific | FB0875712 | |
Disposable Petri Dishes, Sterile 95 x 15 mm | ThermoFisher Scientific | FB0875714G | |
Dissecting Scissors | Leica Biosystems | 38DI12044 | |
Ethanol 200 Proof | Decon Labs | 2705 | |
Folic Acid | Fisher Scientific | BP2519-5 | |
Forceps | Leica Biosystems | 38DI18031 | |
Gelrite | Research Products International Corp. | G35020-1000 | |
Glycerol | ThermoFisher Scientific | 17904 | |
Glycine | Sigma | 241261 | |
Incubated Tabletop Orbital Shaker | ThermoFisher Scientific | SHKE420HP | |
Indole-3-Acetic Acid (IAA) | Gold Biotechnology | I-110 | |
Indole-3-Butyric Acid (IBA) | Gold Biotechnology | I-180 | |
Kanamycin Monosulfate | Gold Biotechnology | K-120 | |
Macrocentrifuge | ThermoFisher Scientific | 75007210 | |
Magenta Boxes | ThermoFisher Scientific | 50255176 | |
Micro Pipet Tips 1000 µL | Corning | 4140 | |
Micro Pipet Tips 200 µL | Corning | 4138 | |
Micro Pipette Tips 10 µL | Corning | 4135 | |
Microcentrifuge | ThermoFisher Scientific | 75002410 | |
Micropipettor 0.5-10 µL | Corning | 4071 | |
Micropipettor 100-1000 µL | Corning | 4075 | |
Micropipettor 20-200 µL | Corning | 4074 | |
Micropipettor 2-20 µL | Corning | 4072 | |
Murashige & Skooge Basal Medium with Vitamins | PhytoTech | M519 | |
Murashige & Skooge Basal Salt Mixture | PhytoTech | M524 | |
myo-Inositol | Gold Biotechnology | I-25 | |
Nicotinic acid | Sigma | N0761-100g | |
Parafilm (paraffin film) | ThermoFisher Scientific | S37440 | |
Potassium Hydroxide (KOH) | Research Products International Corp. | P44000 | |
Pyridoxine HCl | Sigma | P6280-10g | |
Scalpel Blade Handle | Leica Biosystems | 38DI36419 | |
Scalpel Blades | Leica Biosystems | 3802181 | |
Sodium Chloride, Crystal (NaCl) | Mallinckrodt Chemicals | 7581-06 | |
Sodium Hydroxide (NaOH) | Research Products International Corp. | S24000 | |
Sodium Hypochlorite | Walmart | 23263068401 | |
Soil- Bark Mix | Berger, USA | BM7 | |
Square Pots (3.5 inches squared) | Greenhouse Megastore | CN-TRK-1835 | |
Sucrose | Research Products International Corp. | S24060 | |
Thermocycler | ThermoFisher Scientific | A24811 | |
Thiamine HCl | Sigma | T4625-5G | |
Timentin Ticarcillin/Clavulanate (15/1) (Timentin) | Gold Biotechnology | T-104 | |
trans-Zeatin Riboside (ZR) | Gold Biotechnology | Z-100 | |
Tryptone | Thermofisher Scientific | 211705 | |
Wild Type Plantago lanceolata seeds | Outsidepride Seed Source, OR, USA | F1296 | Outsidepride.com |
Yeast Extract Granulated | Research Products International Corp. | Y20025-1000 |