Lignin Aşağı düzenleme<em> Zea mays</em> DsRNAi ve Klason Lignin Analizi ile
Summary
Bir çift sarmallı RNA girişimi (dsRNAi) tekniği mısır sinamoil koenzim alt bitki lignin içeriğine A redüktaz (ZmCCR1) geni aşağı regüle etmek için kullanılır. Lignin hücre duvarından aşağı-regülasyon mikroskopik analiz ile görselleştirilmiştir ve Klason yöntemi ile ölçülür. Yarı selüloz ve kristalin selüloz içinde Bileşim değişiklikler analiz edilmiştir.
Abstract
Biyolojik dönüştürme işlemleri sırasında alternatif biyoenerji kaynak gibi lignoselülozik biyokütle kullanımını kolaylaştırmak için, ön-muamele aşaması, hücre duvarı karbonhidrat örgütleri, bitki hücre duvarının yapısını açmak için gereklidir. Lignin, bir çok hücre duvarı tiplerinde mevcut olan bir polifenolik madde, enzim erişmek için önemli bir engel olarak bilinir. Bitkinin yapısal bütünlüğü ve savunma sistemi ile karışmaz bir düzeye lignin içeriğine azalma biyoetanol üretim maliyetlerini azaltmak üzere önemli bir adım olabilir. Bu çalışmada, genetik olarak, iki iplikçikli bir RNA girişimi tekniği ile linyin biyosentez-ilişkili genlerin biri, sinamoil-CoA redüktaz (ZmCCR1) aşağı-regüle var. ZmCCR1_RNAi yapısı, partikül bombardımanı yöntemiyle mısır genomuna entegre edildi. Transgenik mısır bitkileri içinde olmadan vahşi tipli kontrol bitkileri ile karşılaştırıldığında normal büyüdütransgenik bitkiler, yaprak orta kaburga, kabuklar kahverengi-renklenmenin görüntüleme hariç, biyokütle büyümesi ya da savunma mekanizmaları ile terfering ve kaynaklanıyor. Mikroskobik analizler, histolojik analiz ile bağlantılı olarak, yaprak sklerenkima elyaf inceltilmiş, ancak diğer büyük damar sistemi bileşenlerinin yapısı ve boyutu değiştirilmediğini olduğunu ortaya çıkardı. Transjenik mısırda lignin içeriği% 7-8,7 azaltıldı, kristalli selüloz içeriği lignin azalmaya karşılık olarak artan ve yarı selülozlar değişmedi. Analizler karbon akış selüloz biyosentezlerine linyin kaymıştır olabilir gösterebilir. Bu makalede, RNAi teknolojisi ile mısırdaki lignin içeriği aşağı regüle etmek için kullanılan prosedürleri çizer, ve hücre duvarı kompozisyon hücre duvarı yapısına değişikliklerin etkisini doğrulamak için kullanılır analizleri.
Introduction
Lignoselülozik biyokütle biyoyakıt üretim nedeniyle, ABD 1 bugünkü bolluk oldukça tercih edilir ve tarım ve orman artıklarının sürdürülebilir hasat durumunda, gıda ve hayvan yemi üretimi için kullanılan tarım doğrudan rekabet yeteneği. Ancak, şu anda ABD'de üretilen biyoyakıt ana kaynağı olan mısır tahıl, aksine, lignoselülozik malzemeler çok daha karmaşık ve zor yıkmak için vardır. Uzun zincirli karbonhidratlar, selüloz ve hemiselüloz, lignoselülozik malzemelerin fermantasyon sırasında şekerlerin başlıca kaynaklarıdır, bitki hücre duvarlarının, aynı zamanda, çok çeşitli lignin içeren, bitkinin patojen saldırısına karşı dayanıklılık, savunma sağlayan bir fenilpropanoid polimer, ve hidrofobiklik ek olarak, duvarları hücre. Bitki gelişimi ve yaşamı için gerekli olsa da, lignin da selüloz ve hemicellu başarılı enzimatik dönüşümü için önemli bir engel sunulurçözünür şekerlerin kaybetmek. Yüksek lignin içeriği ile malzemeler genellikle (biyolojik dönüşüm yollar aracılığıyla) biyoyakıt ve işleme özellikleri ve ürün kalitesi üzerinde olumsuz etkileri nedeniyle hamuru ve kağıt endüstrisi için daha az arzu malzemelerdir. Bu nedenle, ürün yapısal mukavemet ve savunma sistemleri ile karışmaz bir seviyede linyin azaltılması için bitkisel maddelerin genetik manipülasyon lignoselülozik biyoyakıt ve kağıt hamuru ve kağıt endüstrisi hem de üretim maliyetlerinin azaltılması için önemli olabilir.
Mısır (Zea mays) olarak, lignin kovalent ferulat ve diferulate köprü 2 üzerinden birincil hücre duvarında, yarı selüloz ile çapraz-bağlanır. Lignin-hemiselüloz karmaşık ikincil hücre duvarına bütünlüğü ve mukavemeti veren karmaşık bir matris oluşturan, hidrojen bağları yoluyla, selüloz mikro-iplikçiklerinin bağlanır. Bitki hücre çeperlerinin mekanik mukavemeti büyük ölçüde li türüne göre belirlenirgnin 3-5 alt birimleri. Daha önceki çalışmalarda, lignin alt birimlerinin oranlarını değiştirerek enzimatik sindirilme 6-11 net bir eğilim göstermiştir. Ancak, lignin içeriğine azalma genel olarak dönüşüm 12,13 bir gelişme olduğunu göstermektedir ve endocellulases, selobiyohidrolazlar ve B-glukosidazlar β 14 de dahil olmak üzere hidrolitik enzimler ile bitki malzemesinin sindirilebilirliğini artan bir anahtar olabilir.
Transkript ekspresyon seviyesini düzenlemek için genetik mühendisliği yaygın ürün özelliklerini geliştirmek için tatbik edilmiştir. Anti-sense ve 15 ortak bastırma teknolojileri, 16 dahil olmak üzere gelişmiş teknikleri, aşağı-regülasyonu, hedef genlerin etkili sağlar. Tam gen knock-out ayrıca bir saç tokası yapısı 17, intron-eklenmiş RNA 'yı kodlayan gen yapısı kullanılarak elde edilmiştir. Ayrıca, çift sarmallı RNA girişimi (dsRNAi) tekniği örneğin, güçlü ve etkili bir gen ekspresyonu ortamhedefleme transkript veya bozunma için baskı ya da çalışır tor, hedef mRNA 18 bastırma etkileri geniş bir yelpazede indüklemek için güçlü bir yol temin etmektedir. Gen susturma teknikleri çeşitli sınırlamalar göstermektedir. Bu teknikler tam transkripsiyon seviyesini düzenler yok ve diğer homolog genlerin beklenmedik susturulması etkilere neden olabilir.
Bu yöntemde, biz dsRNAi mısır genomu içine inşa gerçekleştirmek için partikül bombardımanı kullanılabilir. Bugüne kadar, bitki türlerinin geniş bir dizi başarılı bir partikül bombardımanı, Agrobacterium'un aracılık ettiği dönüşüm, elektroporasyon, mikro-enjeksiyon ve yöntemlerle dönüştürülmüştür. Bu en etkili olduğu için, mısır genetik transformasyonu olarak, partikül bombardımanı yöntemi, tüm diğer yöntemlere göre avantajlıdır. Partikül bombardımanı bakteri bağımlı değildir, bu yöntem, böyle bir genin gen türünün büyüklüğü ya da biyolojik kısıtlamaların serbesttirigin, ya da bitki genotipi. Fiziksel transgen dağıtım sistemi, yüksek transformasyon verimi 19 at, kloroplast içine bitki genomlarına ve bazı durumlarda tanıtılan yüksek molekül ağırlıklı DNA ve çoklu genleri sağlar. Yaprak orta nervürün vasküler sistemdeki lignin azalma numunelerin topografya ve bileşimin incelemek için yararlı olan, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile görselleştirilebilir.
Mısır bitkilerinde, sinamoil-CoA redüktaz iki (ZmCCR1: X98083 ve ZmCCR2: Y15069) genlerin mısır genomunda 20 bulundu. Sinamoil-CoA redüktaz sinnamil aldehid içine hidroksisinamoil-CoA esterleri dönüşümünü katalize eder. Gen, tüm lignifying dokularda ifade edilir, çünkü bu enzim aşağı regüle etmek üzere ZmCCR1 geni seçtik. Dizileri olduğu ortaya çıktı, çünkü ZmCCR1 geninin 3 'terminalinde 523 nükleotid, bir dsRNAi oluşturmak için seçilmiştirZmCCR2 olanlar ile karşılaştırıldığında daha farklı. Böylece, yapı, tam dsRNAi 21 susturma hedef dışı kaçınarak, sadece ZmCCR1 bağlamak olacaktır. A ZmCCR1_RNAi yapı içinde sitoplazmik ifade sistemi ImpactVector1.1-etiketine tasarlanmış (IV 1.1), yeşil doku spesifik promotör ihtiva eden, ribuloz-1, 5-bifosfat karboksilaz oksijenaz (Rubisco).
DsRNAi transgenik bitkileri üzerinde inşa etme etkilerini araştırmak için, lignin içeriği hesaplandı. Klason (asitte çözülmeyen) lignin ölçümü 22 ligninin bazı çözünür asit lignin miktar deterjan yöntemleri ile karşılaştırıldığında daha doğru olduğu bilinmektedir. Bu nedenle, Klason lignin transjenik mısır sapı ölçülmüştür. Bu prosedür, çözünür monosakaritler 23 içine polimerik karbonhidrat dönüştüren iki aşamalı bir asit hidrolizi oluşur. Hidrolize biyokütle sonra asit çözünür ve çözünmez Materi içine kısımlara ayrılmıştırals ve asit çözünmeyen lignin önceki çalışmalara 23,24 göre ölçülmüştür. İdeal olarak, lignin analiz öncesi sonuçlar engelleyebilir çözünür maddeleri uzaklaştırmak amacıyla, hidroliz aşaması, ve tortu içinde mevcut olan herhangi bir kül hesaba lignin tortusunun bir post-yanma hidroliz için su ve etanol ile ekstraksiyon içermelidir. Bu adımlar olmadan, numunenin lignin içeriği yapay şişirilmiş olabilir. Tam bir yöntem ancak bizim deneyler için biz nedeniyle test için mevcut malzemenin küçük bir hacimde bu adımların hem de gerçekleştirmek için koyamadık, burada sunulmaktadır
Diğer iki hücre duvarı bileşenleri, selüloz ve hemiselüloz da lignin aşağı-regüle transgenik mısır hatları analiz edilmiştir. Bu rapor edilmiş olduğu, ya da fenilalanin amonyak-liyaz (PAL) 25, 4-kumarat aşağı-regüle edilmiş transjenik bitkiler: CoA ligaz (4CL) 26, bir ya da sinamillcohol dehidrogenaz (CAD) 27 diğer hücre duvarı yapısal bileşenlerinde bir artış göstermektedir. Çalışmalarımızda, bir ilk adım olarak, kristalin selüloz Updegraff yöntemi 28 kullanılarak ölçülmüştür. Bu yöntem, ilk olarak selülolitik bakteri ve mantar çok sayıda selüloz belirlenmesi için geliştirilmiştir. Hemiselüloz, lignin ve xylosans çıkarmak için kısa bir süre, öğütülmüş mısır stokları Updegraff maddesi (su: nitrik asit asetik asit) ile muamele edilmiştir. Kristalin selüloz tamamen SO 4 H 2 eklenerek Saeman hidrolizi yoluyla glikoza hidrolize edildi. Kristalin selüloz daha sonra kolorimetrik anthrone yöntemi 29 kullanılarak analiz edilmiştir. Hemiselüloz içeriği değiştirilmiş olmadığını doğrulamak için, öğütülmüş saplarından monosakarit ekstreler trifloroasetik asit kullanılarak hidroliz alditol asetat yöntemi kullanılarak derivatize edilir ve daha sonra gaz kromatografisi (GC) 30 ile analiz edilmiştir. Kristal cel için detaylı prosedürlerlulose içeriği ve matris polisakaritler bileşim analizleri Foster vd de tarif edilmektedir. (2010) 31.
Burada, lignin için kullanılan prosedürleri açıklamaktadır aşağı-regülasyonu bir RNAi teknolojisi, partikül bombardımanı dönüşüm ve biyoyakıt için fermentabl şekerlerin içine mısır lignocellulosic biyokütle hızlandırılmış yapı sökümüne lignin analizi ile mısırda.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hücre duvarı polisakaritler bitki mikrobiyal selülazların erişim fenolik polimer 23 ile ilişkili için derecesine büyük ölçüde bağlıdır. Şeker fermente için lignocellulosic biyokütle dönüşüm oranı negatif bitki secondadry hücre duvarlarında biriken lignin içeriği ile ilişkilidir. Bu ilişki, bu tür hidrofobik 24, kimyasal heterojen olarak lignin fiziksel özellikleri atfedilen ve düzenli olarak hidrolize edilebilir intermonomeric yokluğunun 25 Bağlantılar …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Mikroskopik görüntüleme Gelişmiş Mikroskopi için Michigan State University Center hizmetleri aracılığıyla yapılmıştır. Mısır kallus Iowa State University mısır dönüşümü Merkezi'nden satın alınmıştır. Yazarlar karbonhidrat analizi yaptığı teknik yardım için MSU Bitki Araştırma Laboratuvarı Jeffrey R. Weatherhead teşekkür etmek istiyorum. Bu araştırma cömertçe Michigan Mısır Pazarlama Programı (CMPM) ve Bitki Biyoteknoloji Araştırma Konsorsiyumu (CPBR) tarafından finanse edildi.
Materials
| Media | Chemical compositions | ||
| N6OSM | 4 g/l N6 salts | ||
| (Osmotic medium) | 1 ml/l N6 vitamin stock | ||
| 2 mg/l 2,4-D | |||
| 100 mg/l myo-inositol | |||
| 0.69 g/L proline | |||
| 30 g/l sucrose | |||
| 100 mg/L casein hydrolysate | |||
| 36.4 g/l sorbitol | |||
| 36.4 g/l mannitol | |||
| 2.5g/l gelrite, pH 5.8 | |||
| Add filter sterilized silver nitrate (25uM) after autoclaving | |||
| N6E | 4 g/l N6 salts | ||
| (Callus induction) | 1 ml/l (1000X) N6 vitamin stock | ||
| 2 mg/l 2,4-D | |||
| 100 mg/l myo-inositol | |||
| 2.76 g/l proline | |||
| 30 g/l sucrose | |||
| 100 mg/l casein hydrolysate | |||
| 2.5g/l gelrite, pH 5.8. | |||
| Add filter sterilized silver nitrate (25uM) after autoclaving | |||
| N6S media | 4 g/l N6 salts | ||
| (Selection media) | 1 ml/l N6 vitamin stock | ||
| 2 mg/l 2,4-D | |||
| 100 mg/l myo-inositol | |||
| 0.69 g/L proline | |||
| 30 g/L sucrose | |||
| 100 mg/L casein hydrolysate | |||
| 36.4 g/l sorbitol | |||
| 36.4 g/l mannitol | |||
| 2.5g/l gelrite, pH 5.8 | |||
| Add filter sterilized silver nitrate (25uM) after autoclaving | |||
| Regeneration medium | 4.3 g/L MS salts | ||
| 1 ml/L (1000X) MS vitamin stock | |||
| 100 mg/L myo-inositol | |||
| 60 g/L sucrose | |||
| 3 g/L gelrite, pH 5.8 (100×25 mm petri-plates) | |||
| Add filter sterilized bialaphos (3 mg/L) added after autoclaving. | |||
| Rooting medium | 4.3 g/L MS salts | ||
| 1 ml/L MS vitamin stock | |||
| 100 mg/L myo-inositol | |||
| 30 g/L sucrose | |||
| 3g/L gelrite, pH 5.8 (100×25 mm petri-plates). | |||
| Specific materials | |||
| Screw-top high pressure tubes | Pressure tube (#8648-27); Ace Glass, Vineland, NJ | ||
| Plug (#5845-47); Ace Glass, Vineland, NJ | |||
| 10% Neutral buffered formalin | 100ml of formalin | ||
| (1 liter) | 900ml of ddH2O | ||
| 4.0 g of Sodium dihydrogen phosphate, monohydrate | |||
| (NaH2PO4.H2O) | |||
| Equipments | |||
| Bio-Rad PSD-1000/He Particle Delivery device (Hercules, CA, United States) | |||
| Zeiss PASCAL confocal laser scanning microscope (Carl Zeiss, Jena, Germany) | |||
| Excelsior ES Tissue Processor (Thermo Scientific, Pittsburgh, PA, United States). | |||
| HistoCentre III Embedding Station (Thermo Scientific, Pittsburgh, PA, United States) | |||
| Microtome Model Reichert 2030 (Reichert, Depew, NY, United States) | |||
| Emscope Sputter Coater model SC 500 (Ashford, Kent, England) | |||
| JEOL JSM-6400V Scanning Electron Microscope (JEOL Ltd., Tokyo, Japan) | |||
| Fitzpatrick JT-6 Homoloid mill; Continental Process Systems, Inc., Westmont, IL | |||
| MA35 Moisture Analyzer; Sartorius | |||
| Critical point dryer, Balzers CPD (Leica Microsysstems Inc, Buffalo Grove, IL, United States) |
References
- Ralph, J., Grabber, J. H., Hatfield, R. D. Lignin-ferulate cross-links in grasses – Active incorporation of ferulate polysaccharide esters into ryegrass lignins. Carbohydrate research. , 275-178 (1995).
- Park, S. -. H. . Expediting cellulosic biofuels agenda: Production of high value-low volume co-products and lignin down-regulation of bioenergy crops [Ph.D. thesis]. , (2011).
- Boerjan, W., Ralph, J., Baucher, M. Lignin biosynthesis. Annual review of plant biology. 54, 519-546 (2003).
- Gibson, L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. Journal of the Royal Society, Interface / the Royal Society. 9, 2749-2766 (2012).
- Dien, B. S., et al. Enhancing alfalfa conversion efficiencies for sugar recovery and ethanol production by altering lignin composition. Bioresource technology. , 102-6486 (2011).
- Fu, C. X., et al. Downregulation of Cinnamyl Alcohol Dehydrogenase (CAD) Leads to Improved Saccharification Efficiency in Switchgrass. Bioenerg Res. 4, 153-164 (2011).
- Grabber, J. H., Ralph, J., Hatfield, R. D., Quideau, S. p-hydroxyphenyl, guaiacyl, and syringyl lignins have similar inhibitory effects on wall degradability. Journal of agricultural and food chemistry. 45, 2530-2532 (1997).
- Li, X., et al. Lignin monomer composition affects Arabidopsis cell-wall degradability after liquid hot water pretreatment. Biotechnology for biofuels. 3, (2010).
- Mansfield, S. D., Kang, K. Y., Chapple, C. Designed for deconstruction–poplar trees altered in cell wall lignification improve the efficacy of bioethanol production. The New phytologist. 194, 91-101 (2012).
- Studer, M. H., et al. Lignin content in natural Populus variants affects sugar release. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108, 6300-6305 (2011).
- Chen, F., Dixon, R. A. Lignin modification improves fermentable sugar yields for biofuel production. Nature. 25, 759-761 (2007).
- Ziebell, A., et al. Increase in 4-coumaryl alcohol units during lignification in alfalfa (Medicago sativa) alters the extractability and molecular weight of lignin. The Journal of biological chemistry. 285, 38961-38968 (2010).
- Park, S. -. H., et al. The quest for alternatives to microbial cellulase mix production: corn stover-produced heterologous multi-cellulases readily deconstruct lignocellulosic biomass into fermentable sugars. Journal of Chemical Technolog., and Biotechnology. 86, 633-641 (2011).
- Mol, J. N., et al. Regulation of plant gene expression by antisense RNA. FEBS letters. 268, 427-430 (1990).
- Adamo, A., et al. Transgene-mediated cosuppression and RNA interference enhance germ-line apoptosis in Caenorhabditis elegans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, 3440-3445 (2012).
- Smith, N. A., et al. Total silencing by intron-spliced hairpin RNAs. Nature. 407, 319-320 (2000).
- Park, S. -. H., et al. Downregulation of Maize Cinnamoyl-Coenzyme A Reductase via RNA Interference Technology Causes Brown Midrib and Improves Ammonia Fiber Expansion-Pretreated Conversion into Fermentable Sugars for Biofuels. Crop Sci. 52, 2687-2701 (2012).
- Altpeter, F., et al. Particle bombardment and the genetic enhancement of crops: myths and realities. Mol Breeding. 15, 305-327 (2005).
- Pichon, M., Courbou, I., Beckert, M., Boudet, A. M., Grima-Pettenati, J. Cloning and characterization of two maize cDNAs encoding cinnamoyl-CoA reductase (CCR) and differential expression of the corresponding genes. Plant molecular biology. 38, 671-676 (1998).
- Mansoor, S., Amin, I., Hussain, M., Zafar, Y., Briddon, R. W. Engineering novel traits in plants through RNA interference. Trends in plant science. 11, 559-565 (2006).
- Hatfield, R. D., Jung, H. -. J. G., Ralph, J., Buxton, D. R., Weimer, P. J. A comparison of the insoluble residues produced by the Klason lignin and acid detergent lignin procedures. J Sci Food Agr. 65, 51-58 (1994).
- Sluiter, J. B., Ruiz, R. O., Scarlata, C. J., Sluiter, A. D., Templeton, D. W. Compositional analysis of lignocellulosic feedstocks. 1. Review and description of methods. Journal of agricultural and food chemistry. 58, 9043-9053 (2010).
- Sluiter, A., Hames, B., Ruiz, R., Scarlata, C., Sluiter, J., Templeton, D., Crocker, D. Determination of structural carbohydrates and lignin in biomass. Laboratory Analytic Procedure. , (2008).
- Bate, N. J., et al. Quantitative Relationship between Phenylalanine Ammonia-Lyase Levels and Phenylpropanoid Accumulation in Transgenic Tobacco Identifies a Rate-Determining Step in Natural Product Synthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91, 7608-7612 (1994).
- Hu, W. J., et al. Repression of lignin biosynthesis promotes cellulose accumulation and growth in transgenic trees. Nature. 17, 808-812 (1999).
- Lapierre, C., et al. Signatures of cinnamyl alcohol dehydrogenase deficiency in poplar lignins. Phytochemistry. 65, 313-321 (2004).
- Updegraff, D. M. Semimicro determination of cellulose in biological materials. Anal Biochem. 32, 420-424 (1969).
- Yemm, E. W., Willis, A. J. The estimation of carbohydrates in plant extracts by anthrone. The Biochemical journal. 57, 508-514 (1954).
- Filomena, A. P., Cherie, W., Geoffrey, B. F., Antony, B. Determining the polysaccharide composition of plant cell walls. Nature. 7, 1590-1607 (2012).
- Foster, C. E., Martin, T. M., Pauly, M. Comprehensive Compositional Analysis of Plant Cell Walls (Lignocellulosic biomass) Part II: Carbohydrates. J. Vis. Exp. (e1837), (2010).
- Department of Agronomy, Iowa State University. Particle bombardment of Hi II immature zygotic embryos and recovery of transgenic maize plants. , (2005).
- Cano-Delgado, A., Penfield, S., Smith, C., Catley, M., Bevan, M. Reduced cellulose synthesis invokes lignification and defense responses in Arabidopsis thaliana. The Plant journal : for cell and molecular biology. 34, 351-362 (2003).
- Boudet, A. M., Kajita, S., Grima-Pettenati, J., Goffner, D. Lignins and lignocellulosics: a better control of synthesis for new and improved uses. Trends in plant science. 8, 576-581 (2003).
