Agrobacterium-Transformação Genética Mediada, Produção Transgênica e Sua Aplicação para o Estudo do Desenvolvimento Reprodutivo Masculino no Arroz
Summary
Este trabalho descreve o uso da tecnologia de edição de genomas CRISPR-Cas9 para eliminar o gene endógeno OsABCG15 seguido por um protocolo de transformação modificado agrobacterium mediadopara produzir uma linha estável masculino-estéril no arroz.
Abstract
A esterilidade masculina é um importante traço agronômico para a produção de sementes híbridas que geralmente é caracterizada por defeitos funcionais em órgãos reprodutivos/gametas masculinos. Os recentes avanços na tecnologia de edição de genomas CRISPR-Cas9 permitem alta eficácia de edição e mutações de eliminação de tempo de genes candidatos endógenos em locais específicos. Além disso, a transformação genética mediada pelo agrobacteriumdo arroz também é um método-chave para a modificação genética, que tem sido amplamente adotada por muitos laboratórios públicos e privados. Neste estudo, aplicamos ferramentas de edição de genomas CRISPR-Cas9 e geramos com sucesso três linhas mutantes estéreis masculinas por edição de genoma direcionado de OsABCG15 em uma cultivar japonica. Utilizamos um método modificado de transformação de arroz mediado por Agrobacteriumque poderia fornecer excelentes meios de emasculação genética para a produção de sementes híbridas no arroz. Plantas transgênicas podem ser obtidas dentro de 2-3 meses e transformadores homozigos foram rastreados por genotipagem usando amplificação PCR e sequenciamento Sanger. A caracterização fenotípica básica da linha homozigosa estéril masculina foi realizada pela observação microscópica dos órgãos reprodutivos machos do arroz, análise de viabilidade do pólen por iodida de potássio iodo (I2-KI) manchando semi-fina seção transversal de anthers em desenvolvimento.
Introduction
O arroz é a cultura alimentar mais importante, particularmente nos países em desenvolvimento, e representa um alimento básico para mais da metade da população mundial. No geral, a demanda por grãos de arroz está crescendo e deve aumentar 50% até 2030 e 100% até 20501,2. Melhorias futuras no rendimento do arroz precisarão capitalizar em diversos recursos moleculares e genéticos que fazem do arroz um excelente modelo para pesquisa de plantas monocotíces. Estes incluem um sistema de transformação eficiente, mapa molecular avançado e banco de dados de sequência expressa, que foram gerados ao longo de muitos anos3,4. Uma estratégia para melhorar o rendimento das culturas é a produção de sementeshíbridas 5, um elemento central do qual é a capacidade de manipular a fertilidade masculina. Compreender o controle molecular da fertilidade masculina nas culturas de cereais pode ajudar a traduzir conhecimentos-chave em técnicas práticas para melhorar a produção de sementes híbridas e aumentar a produtividade das culturas6,,7.
A transformação genética é uma ferramenta fundamental para a pesquisa básica e a agricultura comercial, uma vez que permite a introdução de genes estrangeiros ou manipulação de genes endógenos em plantas agrícolas, e resulta na geração de linhas geneticamente modificadas. Um protocolo de transformação adequado pode ajudar a acelerar os estudos de biologia genética e molecular para a compreensão fundamental da regulação genética8. Nas bactérias, a transformação genética ocorre naturalmente; no entanto, nas plantas, é realizado artificialmente utilizando técnicas de biologia molecular9,10. Agrobacterium tumefaciens é uma bactéria gram-negativa que causa a doença da gárbia da coroa nas plantas através da transferência de T-DNA, uma região de seu plasmídeo Ti, para a célula vegetal através de um sistema de secreção tipo IV11,12. Nas plantas, a transformação mediada por A. tumefaciensé considerada um método generalizado para modificação genética porque leva à integração estável e de baixo número de cópia do T-DNA no genoma hospedeiro13. O arroz transgênico foi gerado pela primeira vez através da transformação genética mediada pela Agrobacteriumem meados da década de 1990 na cultivar japonica14. Por meio desse protocolo, várias linhas transgênicas foram obtidas em um período de 4 meses com uma eficiência de transformação de 10% a 30%. O estudo indicou que há dois passos críticos para a transformação bem sucedida: um é a indução do calo embrionário de sementes maduras e outro é a adição de acetossiingona, um composto fenólico, à cultura bacteriana durante o coculoculto, o que permite maior transformação nas plantas14,15. Este protocolo tem sido amplamente utilizado com pequenas alterações na japonica16,,17,,18,,19, bem como outras cultivares como indica20,,21,,22,23 e japonicatropical24,25. De fato, mais de 80% dos artigos que descrevem a transformação do arroz utilizam a transformação genética mediada pelo Agrobacteriumcomo ferramenta13. Até o momento, vários protocolos de transformação genética foram desenvolvidos utilizando sementes de arroz como material inicial para indução calos16,17,18,,19. No entanto, muito pouco se sabe sobre a inflorescência jovem como explantas para a produção de calo. No geral, é importante estabelecer um protocolo de transformação e regeneração genética rápido, reprodutível e eficiente para genômica funcional e estudos sobre melhoria das culturas.
Nos últimos anos, o avanço da tecnologia CRISPR-Cas9 resultou em um mecanismo preciso de edição de genomas para entender a função genética e proporcionar melhorias agronomicamente importantes para a criação de plantas26,27. A CRISPR também oferece uma promessa considerável para a manipulação do desenvolvimento reprodutivo masculino e da produção híbrida. Neste estudo, utilizamos um sistema de eliminação genética usando a tecnologia CRISPR-Cas9 e o unimos a um protocolo eficiente de transformação de genes de arroz usando inflorescências jovens como explantas, criando assim linhas estéreis masculinas estáveis para o estudo do desenvolvimento reprodutivo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mutantes estéreis artificiais machos são tradicionalmente gerados por mutagênese física, química ou biológica aleatória. Embora sejam técnicas poderosas, sua natureza aleatória não consegue capitalizar a vasta quantidade de conhecimento genômico moderno que tem o potencial de proporcionar melhorias personalizadas na reprodução molecular32. O sistema CRISPR-Cas9 tem sido amplamente utilizado em plantas devido aos seus meios simples e acessíveis para manipular e editar DNA<sup class="x…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de reconhecer Xiaofei Chen por fornecer as inflorescências de arroz jovens e assistência para tornar a cultura do tecido de arroz meio. Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciência Natural da China (31900611).
Materials
| 1-Naphthaleneacetic acid | Sigma-Aldrich | N0640 | |
| 2，4-Dichlorophenoxyacetic Acid | Sigma-Aldrich | D7299 | |
| 6-Benzylaminopurine (6-BA) | Sigma-Aldrich | B3408 | |
| Acetosyringone | Sigma-Aldrich | D134406 | |
| Agar | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10000561 | |
| Ammonium sulfate | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10002918 | |
| Aneurine hydrochloride | Sigma-Aldrich | T4625 | |
| Anhydrous ethanol | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10009218 | |
| Bacteriological peptone | Sangon Biotech | A100636 | |
| Beef extract | Sangon Biotech | A600114 | |
| Boric acid | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10004808 | |
| Calcium chloride dihydrate | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 20011160 | |
| Casein acid hydrolysate | Beijing XMJ Scientific Co., Ltd | C184 | |
| Cobalt(Ⅱ) chloride hexahydrate | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10007216 | |
| Copper(Ⅱ) sulfate pentahydrate | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10008218 | |
| D(+)-Glucose anhydrous | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 63005518 | |
| D-sorbitol | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 63011037 | |
| EDTA, Disodium Salt, Dihydrate | Sigma-Aldrich | E5134 | |
| EOS Digital SLR and Compact System Cameras | Canon | EOS 700D | |
| Formaldehyde | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10010018 | |
| Fully Automated Rotary Microtome | Leica Biosystems | Leica RM 2265 | |
| Glacial acetic acid | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10000208 | |
| Glycine | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 62011516 | |
| Hygromycin | Beijing XMJ Scientific Co., Ltd | H370 | |
| Inositol | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 63007738 | |
| Iodine | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10011517 | |
| Iron(Ⅱ) sulfate heptahydrate | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10012116 | |
| Kanamycine | Beijing XMJ Scientific Co., Ltd | K378 | |
| Kinetin | Sigma-Aldrich | K0753 | |
| L-Arginine | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 62004034 | |
| L-Aspartic acid | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 62004736 | |
| L-Glutamine | Beijing XMJ Scientific Co., Ltd | G229 | |
| L-proline | Beijing XMJ Scientific Co., Ltd | P698 | |
| Magnesium sulfate heptahydrate | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10013018 | |
| Manganese sulfate monohydrate | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10013418 | |
| Microscopes | NIKON | Eclipse 80i | |
| MS | Phytotech | M519 | |
| Nicotinic acid | Sigma-Aldrich | N0765 | |
| Phytagel | Sigma-Aldrich | P8169 | |
| Potassium chloride | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10016308 | |
| Potassium dihydrogen phosphate | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10017608 | |
| Potassium iodide | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10017160 | |
| Potassium nitrate | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 1001721933 | |
| Pyridoxine Hydrochloride (B6) | Sigma-Aldrich | 47862 | |
| Rifampicin | Beijing XMJ Scientific Co., Ltd | R501 | |
| Sodium hydroxide | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10019718 | |
| Sodium molybdate dihydrate | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10019816 | |
| Stereo microscopes | Leica Microsystems | Leica M205 A | |
| Sucrose | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10021418 | |
| Technovit embedding Kits 7100 | Heraeus Teknovi, Germany | 14653 | |
| Timentin | Beijing XMJ Scientific Co., Ltd | T869 | |
| Toluidine Blue O | Sigma-Aldrich | T3260 | |
| Water bath for paraffin sections | Leica Biosystems | Leica HI1210 | |
| Yeast extract | Sangon Biotech | A515245 | |
| Zinc sulfate heptahydrate | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10024018 |
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