Het protocol beschrijft de inductie van harige wortels met behulp van Arabidopsis primaire bloeiwijzestengels en Brassica napus hypocotyls. De harige wortels kunnen worden gekweekt en gebruikt als explantaten om transgene planten te regenereren.
Harige worteltransformatie is een veelzijdig hulpmiddel voor plantenbiotechnologie in verschillende soorten. Infectie door een Agrobacterium-stam die een wortelinducerend (Ri) plasmide draagt, induceert de vorming van harige wortels op de wondplaats na de overdracht van T-DNA van het Ri-plasmide naar het plantengenoom. Het protocol beschrijft in detail de procedure van de op injectie gebaseerde inductie van haarwortels in Brassica napus DH12075 en Arabidopsis thaliana Col-0. De harige wortels kunnen worden gebruikt om een interessant transgen te analyseren of worden verwerkt voor het genereren van transgene planten. Regeneratiemedium dat cytokinine-6-benzylaminopurine (5 mg/l) en auxine-1-naftaleenazijnzuur (8 mg/l) bevat, lokt bij beide soorten met succes scheutvorming uit. Het protocol omvat de genotypering en selectie van regeneratieve stoffen en T1-planten om planten te verkrijgen die een interessant transgen dragen en vrij zijn van T-DNA uit het Ri-plasmide. Er wordt ook een alternatief proces afgebeeld dat leidt tot de vorming van een composietplant. In dit geval worden harige wortels op de scheut gehouden (in plaats van de natuurlijke wortels), wat de studie van een transgen in harige wortelculturen in de context van de hele plant mogelijk maakt.
Planttransformatie is het knelpunt van elke genetische studie in de plantenbiologie. Een bodembacterie, Agrobacterium tumefaciens, wordt veel gebruikt als middel voor genafgifte door middel van bloemendip of weefselkweek om transformanten te genereren. A. tumefaciens infecteert planten op een verwondingsplaats en veroorzaakt tumoren als gevolg van de overdracht en integratie van T-DNA van een tumor-inducerend (Ti) plasmide in het genoom van de waardplant. Gemanipuleerde A. tumefaciens-stammen met gemodificeerd Ti-plasmide zonder het wildtype T-DNA en een binaire vector met kunstmatig T-DNA en kloonplaatsen voor het inbrengen van een interessant gen worden vaak gebruikt als een efficiënt planttransformatiesysteem1. Veel modelsoorten en -gewassen zijn echter recalcitrant voor bloemendip of in vitro plantenregeneratie of hebben lange groeicycli, wat van invloed is op de efficiëntie van dit transformatiesysteem.
Agrobacterium rhizogenes induceert de vorming van onvoorziene wortels, of harige wortels, op de wondplaats na infectie van een waardplant. Net als A. tumefaciens brengt A. rhizogenes een T-DNA over van een wortelinducerend (Ri) plasmide naar het genoom van de waardplant, waardoor transgene harige wortels ontstaan. Dit proces wordt voornamelijk gecontroleerd door de wortel-oncogene loci (rol)-genen 2,3. Met behulp van agrobacteriële stammen die zowel het Ri-plasmide als een kunstmatige binaire vector dragen die codeert voor een gen van belang, zijn harige wortelculturen gebruikt om recombinante eiwitten te produceren, de functie van promotors of genen te analyseren of genomen te bewerken met behulp van geclusterde regelmatig tussenliggende korte palindroomherhalingen (CRISPR’s)/CRISPR-geassocieerd eiwit 9 (Cas9)4,5,6.
Ons protocol maakt gebruik van de transconjugante stam Ti-less A. tumefaciens C58C1 die drager is van het Ri-plasmide pRiA4b7. Het T-DNA van het Ri-plasmide bestaat uit twee regio’s, rechter en linker T-DNA (RESPECTIEVELIJK TR-DNA en TL-DNA), die onafhankelijk van elkaar kunnen integreren in het plantengenoom8. Door gebruik te maken van dit systeem werd het langdurige explantatietransformatieproces in Brassica napus DH12075 cultivar geoptimaliseerd9. Het hieronder beschreven protocol maakt het mogelijk om geselecteerde harige wortellijnen te regenereren en T1-planten te verkrijgen die het transgen van belang dragen en vrij zijn van rolgenen in ongeveer 1 jaar. De op injectie gebaseerde harige worteltransformatie kan worden gebruikt in andere Brassicaceae-soorten, zoals blijkt uit transformatie van Arabidopsis thaliana Col-0. Terwijl hypocotyl wordt gebruikt om B. napus te transformeren, wordt A. thaliana geïnjecteerd in de primaire bloeiwijzestengel.
We ontwikkelden een eenvoudig protocol voor haarworteltransformatie en daaropvolgende regeneratie in B. napus en A. thaliana. Dit proces omvat op injectie gebaseerde inductie van harige wortels in de hypocotyl (B. napus) of primaire bloeiwijzestengel (A. thaliana). De methode om het hypocotyl te injecteren met agrobacteriële stam C58C1 die een Ri-plasmide draagt, was ook effectief in de Fabaceae-familie10,11, naast de leden van Brassicaceae die in deze studie werden gepresenteerd.
Een alternatief voor de op injectie gebaseerde methode is de op onderdompeling gebaseerde transformatie bestaande uit explantatie-onderdompeling in een bacteriële suspensie, gevolgd door co-cultivatie van de explantatie met agrobacteriën. Het voordeel van de op injectie gebaseerde methode ten opzichte van de onderdompelingsmethode is de tijdwinst door het ontbreken van enkele protocolstappen: explantatievoorbereiding, een test van de co-cultivatietijd en kweek op een hormoonhoudend medium voor inductie van harige wortels. Hoewel beide benaderingen effectief zijn voor inductie van harige wortels, werd bij sommige soorten een hogere transformatie-efficiëntie waargenomen met de op injectie gebaseerde methode in vergelijking met de explantatie-onderdompeling12,13. Bovendien is transformatie op basis van injectie ook nuttig voor het genereren van samengestelde planten (transgene harige wortels en wildtype scheuten). Na het afsnijden van de oorspronkelijke wortels van de getransformeerde plant, ondersteunen harige wortels de plantengroei en kan het transgen worden bestudeerd in de context van de hele plant.
De cruciale stap van harige wortelinductie is het injecteren van het inoculum in de hypocotyl of primaire bloeiwijzestengel. De hypocotylen van B. napus zijn breekbaar en het doorsnijden van de hele hypocotyl kan gemakkelijk gebeuren. Hetzelfde kan worden waargenomen bij A. thaliana vanwege de bloeiwijze stengeldunheid. Als een vergelijking van de transformatie-efficiëntie van verschillende soorten/cultivars vereist is, raden we aan dat één persoon alle experimenten uitvoert om de fout te voorkomen die wordt veroorzaakt door manipulatie en vaardigheid bij het injecteren van de planten.
We ontwikkelden een effectief protocol voor haarwortelregeneratie in B. napus DH12075 en A. thaliana Col-0. Aangezien regeneratie een zeer variabel proces is, kunnen enkele protocolwijzigingen worden toegepast op een soort of cultivar naar keuze. De harige wortelscheuten kunnen bijvoorbeeld worden opgewekt door een andere auxine/cytokinine-verhouding (1:1) in B. oleracea14. Als alternatief kan cytokininethidiazuron worden gebruikt in plaats van BAP, zoals in het geval van B. campestris harige wortels15.
Meervoudige inserties van het Ri-plasmide T-DNA in het plantengenoom vertegenwoordigen een mogelijke beperking van het transformatie- en regeneratiesysteem van harige wortels. In dergelijke gevallen worden geen planten die vrij zijn van TL/TR uit het Ri-plasmide ontdekt na een segregatieanalyse van T1-zaailingen. Daarom raden we aan om voor elk transgen meerdere onafhankelijke harige wortellijnen te genereren.
Harige wortelculturen zijn een uiterst krachtig hulpmiddel voor genfunctionele studies, vooral vanwege hun snelle vestiging en goedkoop onderhoud (geen hormonen nodig in kweekmedia). Dit protocol behandelt de methoden voor inductie en regeneratie van harige wortels in B. napus en A. thaliana, die kunnen worden gebruikt om het transgen van belang rechtstreeks in harige wortelculturen te bestuderen, in de context van de hele plant met behulp van samengestelde planten, of na de regeneratie van de transgene planten.
The authors have nothing to disclose.
We erkennen Jiří Macas (Biologiecentrum CAS, České Budějovice, Tsjechië) voor het leveren van de agrobacteriële stam. De Core Facility Plants Sciences van CEITEC MU staat bekend om haar technische ondersteuning. Dit werk werd ondersteund door het Ministerie van Onderwijs, Jeugd en Sport van de Tsjechische Republiek met het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling-project “SINGING PLANT” (nr. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_026/0008446) en het INTER-COST-project LTC20004.
1.50 mL tubes | Eppendorf | 125.215 | |
10% solution of commercial bleach | SAVO | ||
1-naphthaleneacetic acid (NAA) | Duchefa | N0903 | Callus regeneration medium |
2.0 mL tubes | Eppendorf | 108.132/108.078 | |
3M micropore tape | Micropore | ||
6-Benzylaminopurine (BAP) | Duchefa | B0904 | Callus regeneration medium, Shoot elongation medium |
70% ethanol | |||
bacteriological agar | HiMedia | RM201 | LB medium |
Bacteriological peptone | Oxoid | LP0037 | LB and YEB media |
Beef extract | Roth | X975.1 | YEB medium |
Bottles | DURAN | L300025 | |
Cefotaxime sodium | Duchefa | C0111 | Hairy root growing medium, Callus regeneration medium, Shoot elongation medium, Root induction medium |
chloroform | Serva | 3955301 | |
CTAB Hexadecyltrimethylammonium bromide | Sigma | 52365 | |
dNTP mix | Thermo Fisher Scientific | R0193 | |
EDTA – Titriplex III, (Ethylenendinitrilo)tetraacetic Acid, Disodium Salt, Dihydrate | Sigma | ES134-250G | |
elctroporation cuvette | |||
electrophesis agar, peqGOLD universal | VWR | 732-2789 | |
electrophoresis chamber | BIO-RAD | ||
electrophoresis gel reader | BIO-RAD | ||
electroporator GenePulser Xcell | BIO-RAD | ||
ethidium bromide | AppliChem | ||
Gene Pulser/MicroPulser electroporation cuvettes, 0.2 cm gap | BIO-RAD | 1652082 | |
Gene Ruler DNA ladder mix | Thermo Fisher Scientific | SM0331 | |
Gibberellic acid (GA3) | Duchefa | G0907 | Shoot elongation medium |
glycerol | Sigma | G5516-1L | |
HEPES (2-(4-(2-hydroxyethyl)-1-pirerazinyl)-ethansulfonique | Merck | 1101100250 | |
indole-3-butyric acid (IBA) | Duchefa | I0902 | Root induction medium |
kanamycin monosulfate | Duchefa | K0126 | |
Magenta GA-7 Plant Culture Box w/ Lid | Plant Media | V8505-100 | |
Measuring cylinder | |||
MES monohydrate | Duchefa | M1503 | Hairy root growing medium, Callus regeneration medium, Shoot elongation medium, Root induction medium, Medium for germination, Plant growing medium |
Murashige and Skoog medium (MS) | Duchefa | M0237 | Medium for germination, Plant growing medium |
Murashige and Skoog medium (MS) + B5 vitamins | Duchefa | M0231 | Hairy root growing medium, Callus regeneration medium, Shoot elongation medium, Root induction medium |
needle Agani 26G x 1/2 – 0.45 x 13mm | Terumo | ||
pH meter | |||
Phytagel | Sigma | P8169 | Callus regeneration medium, Root induction medium, Medium for germination |
PVP 40 (polyvinylpyrolidone Mr 40000) | Sigma | 9003-39-8 | |
Redtaq DNA Polymerase,Taq for routine PCR with inert dye, 10X buffer included | Sigma | D4309-250UN | |
Retsh mill | Qiagen | ||
sodium chloride | Lachner | 30093-APO | LB medium |
square Petri Dishes | Corning | GOSSBP124-05 | |
sucrose | Penta | 24970-31000 | Hairy root growing medium, Callus regeneration medium, Shoot elongation medium, Root induction medium, Medium for germination, Plant growing medium |
Syringe filter | Carl Roth | P666.1 | Rotylabo syringe filters 0.22 µm pore size |
thermomixer | Eppendorf | ||
Ticarcillin disodium | Duchefa | T0180 | Hairy root growing medium |
Tris(hydroxymethyl)aminomethan | Serva | 3719003 | |
ultrapure water | Millipore Milli-Q purified water | ||
Yeast extract | Duchefa | Y1333 | LB medium |