הפרוטוקול מתאר השראת שורשים שעירים באמצעות גבעולי תפרחת ראשוניים Arabidopsis והיפוקוטיל Brassica napus . ניתן לגדל את השורשים השעירים ולהשתמש בהם כצמחים להתחדשות צמחים טרנסגניים.
טרנספורמציית שורשים שעירים מהווה כלי רב-תכליתי לביוטכנולוגיה של צמחים במינים שונים. זיהום על ידי זן אגרובקטריום הנושא פלסמיד השראת שורש (Ri) גורם להיווצרות שורשים שעירים באתר הפציעה לאחר העברת T-DNA מפלזמיד Ri לגנום הצמח. הפרוטוקול מתאר בפירוט את הליך השראת השורש השעיר מבוסס ההזרקה ב – Brassica napus DH12075 ו – Arabidopsis thaliana Col-0. השורשים השעירים עשויים לשמש לניתוח טרנסגן מעניין או מעובד ליצירת צמחים טרנסגניים. מדיום רגנרציה המכיל ציטוקינין 6-בנזילאמינופורין (5 מ”ג/ליטר) וחומצה אוקסין 1-נפתלנאצטית (8 מ”ג/ליטר) מעורר בהצלחה היווצרות נבטים בשני המינים. הפרוטוקול מכסה את הגנוטיפ והבחירה של רגנרנטים וצמחי T1 כדי להשיג צמחים הנושאים טרנסגן מעניין וללא T-DNA מפלסמיד Ri . מתואר גם תהליך חלופי המוביל להיווצרות צמח מרוכב. במקרה זה, שורשים שעירים נשמרים על הנבטה (במקום השורשים הטבעיים), מה שמאפשר לחקור טרנסגן בתרביות שורשים שעירים בהקשר של הצמח כולו.
טרנספורמציה של צמחים היא צוואר הבקבוק של כל מחקר גנטי בביולוגיה של הצמח. חיידק הנישא בקרקע, Agrobacterium tumefaciens, נמצא בשימוש נרחב כאמצעי להעברת גנים על ידי טבילת פרחים או תרבית רקמות ליצירת טרנספורמנטים. A. tumefaciens מדביק צמחים באתר פציעה וגורם לגידולים עקב העברה ואינטגרציה של T-DNA מפלסמיד גורם גידול (Ti) לגנום הצמח המארח. זני A. tumefaciens מהונדסים עם פלסמיד Ti שונה ללא T-DNA מסוג פראי ווקטור בינארי עם T-DNA מלאכותי ואתרי שיבוט להחדרת גן מעניין משמשים בדרך כלל כמערכת טרנספורמציה יעילה של צמחים1. עם זאת, מינים וגידולי מודל רבים עקשנים לטבילה פרחונית או התחדשות צמחים במבחנה או שיש להם מחזורי צמיחה ארוכים, מה שמשפיע על היעילות של מערכת טרנספורמציה זו.
קנה שורש אגרובקטריום גורם להיווצרות שורשים הרפתקניים, או שורשים שעירים, באתר הפציעה לאחר הדבקת צמח פונדקאי. בדומה ל- A. tumefaciens, A. rhizogenes מעביר T-DNA מפלסמיד השראת שורש (Ri) לגנום הצמח המארח, וגורם להתפתחות שורשים שעירים טרנסגניים. תהליך זה נשלט בעיקר על ידי הגנים השורשיים האונקוגניים (rol) 2,3. באמצעות זנים אגרובקטריאליים הנושאים הן את פלסמיד Ri והן וקטור בינארי מלאכותי המקודד גן מעניין, תרביות שורש שעירות שימשו לייצור חלבונים רקומביננטיים, ניתוח תפקודם של מקדמים או גנים, או עריכת גנומים באמצעות Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9)4,5,6.
הפרוטוקול שלנו משתמש בזן טרנס-מצומד Ti-less A. tumefaciens C58C1 הנושא את פלסמיד Ri pRiA4b7. T-DNA של פלסמיד Ri מורכב משני אזורים, T-DNA ימין ושמאל (TR-DNA ו- TL-DNA, בהתאמה), שיכולים להשתלב באופן עצמאי בגנום הצמח8. תוך ניצול מערכת זו, תהליך הטרנספורמציה הארוך של explant ב-Brassica napus DH12075 cultivar עבר אופטימיזציה9. הפרוטוקול המפורט להלן מאפשר התחדשות של קווי שורשים שעירים נבחרים וקבלת צמחי T1 הנושאים את הטרנסגן המעניין וללא גנים של רול תוך כשנה. ניתן להשתמש בטרנספורמציית שורש שעיר מבוססת הזרקה במינים אחרים של Brassicaceae, כפי שמוצג על ידי שינוי Arabidopsis thaliana Col-0. בעוד hypocotyl משמש כדי להפוך B. napus, A. thaliana מוזרק לתוך גזע התפרחת הראשוני.
פיתחנו פרוטוקול פשוט להתמרת שורשים שעירים והתחדשות לאחר מכן ב-B. napus וב-A. thaliana. תהליך זה כולל השראת שורש שעיר על בסיס הזרקה בהיפוקוטיל (B. napus) או בגזע התפרחת הראשוני (A. thaliana). השיטה של הזרקת hypocotyl עם זן אגרובקטריאלי C58C1 הנושא פלסמיד Ri היה יעיל גם במשפחת Fabaceae10,11, מלבד חברי Brassicaceae שהוצגו במחקר זה.
חלופה לשיטה מבוססת הזרקה היא טרנספורמציה מבוססת טבילה המורכבת מטבילה explant בתרחיף חיידקי, ואחריו טיפוח משותף של explant עם אגרובקטריה. היתרון של השיטה מבוססת ההזרקה על פני שיטת הטבילה הוא הזמן שנחסך על ידי היעדר כמה שלבי פרוטוקול: הכנת אקספלנט, בדיקת זמן הטיפוח המשותף, ותרבית על מדיום המכיל הורמון להשראת שורשים שעירים. למרות ששתי הגישות יעילות להשראת שורשים שעירים, יעילות טרנספורמציה גבוהה יותר נצפתה במינים מסוימים בשיטה מבוססת הזרקה בהשוואה לטבילה בצמח12,13. יתר על כן, טרנספורמציה מבוססת הזרקה שימושית גם ליצירת צמחים מרוכבים (שורשים שעירים טרנסגניים ונבטים מסוג בר). לאחר כריתת השורשים המקוריים של הצמח שעבר טרנספורמציה, שורשים שעירים תומכים בצמיחת הצמח, וניתן לחקור את הטרנסגן בהקשר של הצמח כולו.
השלב הקריטי של השראת שורש שעיר הוא הזרקת האינקולום לתוך ההיפוקוטיל או גזע התפרחת הראשוני. ההיפוקוטיל של B. napus ניתן לשבירה, וחיתוך ההיפוקוטיל כולו יכול לקרות בקלות. אותו הדבר ניתן לראות עם A. thaliana בגלל דקיקות גזע התפרחת. אם נדרשת השוואה של יעילות הטרנספורמציה של זנים / זנים שונים, אנו ממליצים לאדם אחד לבצע את כל הניסויים כדי למנוע את השגיאה הנגרמת על ידי מניפולציה ומיומנות בהזרקת הצמחים.
פיתחנו פרוטוקול יעיל להתחדשות שורשים שעירים ב-B. napus DH12075 וב-A. thaliana Col-0. מכיוון שהתחדשות היא תהליך משתנה מאוד, כמה שינויי פרוטוקול עשויים להיות מיושמים על מין או זן לפי בחירה. לדוגמה, הנבטים השעירים שמקורם בשורש יכולים להיווצר על ידי יחס אוקסין/ציטוקינין שונה (1:1) ב-B. oleracea14. לחלופין, ניתן להשתמש בציטוקינין תידיאזורון במקום BAP, כמו במקרה של B. campestris שורשים שעירים15.
החדרות מרובות של T-DNA פלסמיד Ri לגנום הצמח מייצגות מגבלה פוטנציאלית של מערכת הטרנספורמציה וההתחדשות של השורש השעיר. במקרים כאלה, צמחים ללא TL/TR מפלסמיד Ri אינם נחשפים לאחר ניתוח הפרדה של שתילי T1. לכן, אנו ממליצים ליצור מספר קווי שורש שעירים עצמאיים עבור כל טרנסגן.
תרביות שורשים שעירים הן כלי רב עוצמה למחקרים תפקודיים גנטיים בעיקר בגלל התבססותן המהירה ותחזוקתן הזולה (אין צורך בהורמונים באמצעי הטיפוח). פרוטוקול זה מכסה את השיטות להשראת שורשים שעירים והתחדשות ב- B. napus ו- A. thaliana, שניתן להשתמש בהן כדי לחקור את הטרנסגן המעניין ישירות בתרביות שורשים שעירים, בהקשר של הצמח כולו באמצעות צמחים מרוכבים, או לאחר התחדשות הצמחים הטרנסגניים.
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים ל-Jiří Macas (המרכז הביולוגי CAS, České Budějovice, צ’כיה) על אספקת הזן האגרובקטריאלי. מדעי צמחי מתקן הליבה של CEITEC MU מוכרים בזכות התמיכה הטכנית שלהם. עבודה זו נתמכה על ידי משרד החינוך, הנוער והספורט של הרפובליקה הצ’כית עם הקרן האירופית לפיתוח אזורי – פרויקט “SINGING PLANT” (לא. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_026/0008446) ופרויקט 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 |