Le protocole décrit l’induction des racines poilues à l’aide de tiges d’inflorescence primaires d’Arabidopsis et d’hypocotyles de Brassica napus . Les racines velues peuvent être cultivées et utilisées comme explants pour régénérer les plantes transgéniques.
La transformation des racines poilues représente un outil polyvalent pour la biotechnologie végétale chez diverses espèces. L’infection par une souche d’Agrobacterium porteuse d’un plasmide inducteur de racines (Ri) induit la formation de racines poilues sur le site de blessure après le transfert de l’ADN-T du plasmide Ri dans le génome de la plante. Le protocole décrit en détail la procédure d’induction des racines poilues par injection chez Brassica napus DH12075 et Arabidopsis thaliana Col-0. Les racines poilues peuvent être utilisées pour analyser un transgène d’intérêt ou traitées pour la génération de plantes transgéniques. Le milieu de régénération contenant de la cytokinine 6-benzylaminopurine (5 mg/L) et de l’acide auxine-1-naphtalèneacétique (8 mg/L) provoque avec succès la formation de pousses chez les deux espèces. Le protocole couvre le génotypage et la sélection de régénérants et de plantes T1 pour obtenir des plantes porteuses d’un transgène d’intérêt et exemptes d’ADN-T à partir du plasmide Ri . Un processus alternatif conduisant à la formation d’une plante composite est également décrit. Dans ce cas, les racines velues sont conservées sur la pousse (à la place des racines naturelles), ce qui permet d’étudier un transgène dans les cultures de racines poilues dans le contexte de la plante entière.
La transformation des plantes est le goulot d’étranglement de toute étude génétique en biologie végétale. Une bactérie du sol, Agrobacterium tumefaciens, est largement utilisée comme moyen d’administration de gènes par trempage floral ou culture tissulaire pour générer des transformants. A. tumefaciens infecte les plantes sur un site de blessure et provoque des tumeurs dues au transfert et à l’intégration de l’ADN-T d’un plasmide inducteur de tumeur (Ti) dans le génome de la plante hôte. Les souches d’A. tumefaciens modifiées avec un plasmide Ti modifié sans l’ADN T de type sauvage et un vecteur binaire avec de l’ADN T artificiel et des sites de clonage pour insérer un gène d’intérêt sont couramment utilisées comme système efficace de transformation des plantes1. Cependant, de nombreuses espèces et cultures modèles sont récalcitrantes au trempage floral ou à la régénération des plantes in vitro ou ont de longs cycles de croissance, ce qui a un impact sur l’efficacité de ce système de transformation.
Agrobacterium rhizogenes induit la formation de racines adventives, ou racines poilues, sur le site de blessure après avoir infecté une plante hôte. Comme A. tumefaciens, A. rhizogenes transfère un ADN-T d’un plasmide inducteur racinaire (Ri) au génome de la plante hôte, provoquant le développement de racines poilues transgéniques. Ce processus est contrôlé principalement par les gènes 2,3 des loci oncogéniques racinaires (rol). En utilisant des souches agrobactériennes portant à la fois le plasmide Ri et un vecteur binaire artificiel codant pour un gène d’intérêt, des cultures de racines poilues ont été utilisées pour produire des protéines recombinantes, analyser la fonction des promoteurs ou des gènes, ou modifier des génomes à l’aide de répétitions palindromiques courtes en grappes régulièrement espacées (CRISPR)/protéine associée à CRISPR 9 (Cas9)4,5,6.
Notre protocole utilise la souche transconjuguée Ti-less A. tumefaciens C58C1 portant le plasmide Ri pRiA4b7. L’ADN-T du plasmide Ri se compose de deux régions, l’ADN-T droit et l’ADN-gauche (ADN-TR et ADN-TL, respectivement), qui peuvent s’intégrer indépendamment dans le génome de la plante8. En exploitant ce système, le long processus de transformation de l’explant dans le cultivar DH12075 Brassica napus a été optimisé9. Le protocole détaillé ci-dessous permet la régénération de lignées racinaires poilues sélectionnées et l’obtention de plantes T1 porteuses du transgène d’intérêt et exemptes de gènes rol en environ 1 an. La transformation par injection de racines poilues peut être utilisée chez d’autres espèces de Brassicaceae, comme le montre la transformation d’Arabidopsis thaliana Col-0. Alors que l’hypocotyle est utilisé pour transformer B. napus, A. thaliana est injecté dans la tige primaire de l’inflorescence.
Nous avons développé un protocole simple pour la transformation des racines velues et la régénération ultérieure chez B. napus et A. thaliana. Ce processus comprend l’induction de racines poilues par injection dans l’hypocotyle (B. napus) ou la tige d’inflorescence primaire (A. thaliana). La méthode d’injection de l’hypocotyle avec la souche agrobactérienne C58C1 portant un plasmide Ri a également été efficace dans la famille des Fabaceae10,11, en plus des membres des Brassicaceae présentés dans cette étude.
Une alternative à la méthode par injection est la transformation par immersion consistant en une immersion de l’explant dans une suspension bactérienne, suivie d’une co-culture de l’explant avec des agrobactéries. L’avantage de la méthode par injection par rapport à la méthode par immersion est le gain de temps par l’absence de certaines étapes du protocole : préparation de l’explantation, test du temps de co-culture, et culture sur un milieu contenant de l’hormone pour l’induction des racines velues. Bien que les deux approches soient efficaces pour l’induction des racines velues, une efficacité de transformation plus élevée a été observée chez certaines espèces avec la méthode basée sur l’injection par rapport à l’immersion dans les explants12,13. De plus, la transformation par injection est également utile pour générer des plantes composites (racines poilues transgéniques et pousses de type sauvage). Après avoir coupé les racines d’origine de la plante transformée, les racines velues soutiennent la croissance de la plante et le transgène peut être étudié dans le contexte de la plante entière.
L’étape critique de l’induction de la racine poilue consiste à injecter l’inoculum dans l’hypocotyle, ou tige d’inflorescence primaire. Les hypocotyles de B. napus sont cassables et la coupe de l’hypocotyle entier peut facilement se produire. La même chose peut être observée avec A. thaliana en raison de l’amincissement de la tige de l’inflorescence. Si une comparaison de l’efficacité de transformation de différentes espèces/cultivars est nécessaire, nous recommandons qu’une seule personne effectue toutes les expériences pour éviter l’erreur causée par la manipulation et l’habileté à injecter les plantes.
Nous avons développé un protocole efficace pour la régénération des racines poilues chez B. napus DH12075 et A. thaliana Col-0. Comme la régénération est un processus très variable, certaines modifications du protocole peuvent être appliquées à une espèce ou à un cultivar de choix. Par exemple, les pousses poilues dérivées de racines peuvent être provoquées par un rapport auxine/cytokinine différent (1 :1) chez B. oleracea14. Alternativement, la cytokinine thidiazuron peut être utilisée à la place du BAP, comme dans le cas des racines poilues de B. campestris 15.
Les insertions multiples de l’ADN-T du plasmide Ri dans le génome de la plante représentent une limitation potentielle du système de transformation et de régénération des racines poilues. Dans de tels cas, aucune plante exempte de TL/TR du plasmide Ri n’est découverte après une analyse de ségrégation des plantules T1. Ainsi, nous recommandons de générer plusieurs lignées racinaires poilues indépendantes pour chaque transgène.
Les cultures de racines velues sont un outil extrêmement puissant pour les études fonctionnelles des gènes, principalement en raison de leur établissement rapide et de leur entretien peu coûteux (aucune hormone n’est nécessaire dans les milieux de culture). Ce protocole couvre les méthodes d’induction et de régénération des racines velues chez B. napus et A. thaliana, qui peuvent être utilisées pour étudier le transgène d’intérêt directement dans les cultures de racines velues, dans le contexte de la plante entière à l’aide de plantes composites, ou après la régénération des plantes transgéniques.
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions Jiří Macas (Centre de biologie CAS, České Budějovice, République tchèque) pour avoir fourni la souche agrobactérienne. La plateforme Sciences des plantes du CEITEC MU est reconnue pour son soutien technique. Ce travail a été soutenu par le ministère de l’Éducation, de la Jeunesse et des Sports de la République tchèque avec le projet du Fonds européen de développement régional « SINGING PLANT » (no. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_026/0008446) et le projet INTER-COST 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 |