Vi præsenterer en detaljeret protokol for kartoffelvirus X (PVX)-baserede microRNA silencing (VbMS) system til funktionelt karakterisere endogene mikroRNA’er (miRNAs) i kartoffel. Target mimic (TM) molekyler af miRNA af interesse er integreret i PVX vektor og forbigående udtrykt i kartoffel til tavshed målet miRNA eller miRNA familie.
Virusbaseret microRNA-lyddæmpning (VbMS) er et hurtigt og effektivt værktøj til funktionel karakterisering af mikroRNA’er (miRNAs) i planter. VbMS-systemet er udviklet og anvendt til forskellige plantearter, herunder Nicotiana benthamiana, tomat, arabidopsis, bomuld og monokotplanter som hvede og majs. Her beskriver vi en detaljeret protokol ved hjælp af PVX-baserede VbMS-vektorer til at lukke munden på endogene miRNA’er i kartoffel. For at nedbryde udtrykket af en bestemt miRNA, mål efterligne (TM) molekyler af miRNA af interesse er designet, integreret i plantevirus vektorer, og udtrykt i kartoffel ved Agrobacterium infiltration at binde direkte til den endogene miRNA af interesse og blokere dens funktion.
Plant microRNAs (miRNAs) er karakteriseret som 20-24 nukleotid-lange, atomkodede regulatoriske RNA’er1 og spiller grundlæggende roller i næsten alle aspekter af plantebiologiske processer, herunder vækst og udvikling2,3, fotosyntese og metabolisme4,5,6,7, hormonsyntese og signalering8,9, biotiske og abiotiske reaktioner10, 11,12,13, og næringsstof og energi regulering14,15. De regulatoriske roller plante miRNA’er er godt programmeret og opfyldt typisk på post-transcriptional niveauer ved enten kløvning eller translationelt undertrykke målet mRNAs.
Der er gjort enorme fremskridt i retning af identifikation, transskriptionel profilering og målforudsigelse af miRNA’er i kartoffel16,17,18,19,20,21. Imidlertid har den funktionelle karakterisering af miRNA’er i planter, herunder kartoffel, haltet bagefter andre organismer på grund af manglen på effektive og højgennemløb genetiske tilgange. Det er udfordrende at udføre funktionel analyse af individuelle miRNA ved standard tab-af funktion analyse, fordi de fleste miRNAs tilhører familier med betydelig genetisk redundans22. Derudover kan en enkelt miRNA kontrollere flere målgener23, og flere forskellige miRNA’er kan modulere den samme molekylære vej sammen24,25. Disse egenskaber gør det vanskeligt at karakterisere funktionen af en bestemt miRNA eller en miRNA-familie.
Meget af den funktionelle analyse af miRNA’er har i høj grad været afhængig af gain-of-function tilgange, der har åbenlyse begrænsninger. Den kunstige miRNA (amiRNA) metode udnytter de endogene primære udskrifter (pri-miRNAs) til at producere miRNA’er på et højt niveau, hvilket fører til hæmning af målgenekspression26,27,28,29. Aktiveringsmærkning og miRNA-overekspression ved hjælp af en stærk konstituerende 35S-promotor fører imidlertid ofte til øget udtryk for miRNA’er, der ikke er repræsentative for in vivo-forhold og derfor muligvis ikke afspejler miRNAs’ endogene funktion30. Der er udviklet en alternativ tilgang, der involverer ekspression af miRNA-resistente former for målgener, der indeholder urentable mutationer i bindings- og/eller kavalergangsstederne31,32,33. Men denne tilgang kan også potentielt forårsage fejlfortolkning af fænotypen stammer fra miRNA-resistente måltransgene på grund af transgene artefakter. Derfor bør der drages konklusioner af disse gain-of-function-undersøgelser med forsigtighed34. En anden væsentlig begrænsning af de ovenfor beskrevne tilgange er, at de kræver transformation, som er arbejdskrævende og tidskrævende. Desuden gælder de transgeneafhængige tilgange næppe for transform-genstridige plantearter. Derfor er det vigtigt at udvikle en hurtig og effektiv tilgang til tab af funktion for at optrævle miRNA’ernes funktion.
For at omgå forudsætningen for transformationsproceduren er virusbaseret microRNA-lyddæmpning (VbMS) blevet etableret ved at kombinere mål efterligne (TM) strategier med virus-afledte vektorer. I VbMS-systemet udtrykkes kunstigt designede TM-molekyler forbigående fra en virus rygrad, der tilbyder et kraftfuldt, højt gennemløb og tidsbesparende værktøj til at dissekere funktionen af plante endogene miRNAs35,36. VbMS blev oprindeligt udviklet i N. benthamiana og tomat med tobak rattle virus (TRV)35,36,37 og er blevet udvidet til Arabidopsis, bomuld, hvede og majs ved hjælp af forskellige andre virus udtryk systemer, herunder kartoffel virus X (PVX)38, bomuld blad krølle virus (ClCrV)39, agurk mosaik virus (CMV)40,41,42, kinesisk hvede mosaik virus (CWMV)43 og bygstribemosaikvirus (BSMV)44,45.
Kartoffel (Solanum tuberosum) er den fjerde vigtigste fødevareafgrøde og den mest dyrkede ikke-dødelige afgrøde i verden primært på grund af dens høje næringsværdi, høj energiproduktion og relativt lave inputbehov46. Flere funktioner i kartoffel gør det til en attraktiv dicotyledonous model plante. Det er en vegetativt formeret polyploid afgrøde med høj outcrossing sats, heterozygosity, og genetisk mangfoldighed. Til dato er der dog ingen rapport, der karakteriserer funktionen af miRNA’er i kartoffel ved hjælp af VbMS. Her præsenterer vi en ligation-uafhængig kloning (LIC)-tilpasset kartoffel PVX-baseret VbMS tilgang til at evaluere funktionen af miRNA’er i kartoffelplanter38. Vi valgte miR165/166 familien til at illustrere VbMS assay, fordi miR165/166 familien og deres mål mRNAs og klasse III homeodomain / Leu lynlås (HD-ZIP III) transskription faktorer har været omfattende karakteriseret22,47,48. HS-ZIP III-generne er centrale regulatorer for meristemudvikling og organpolaritet, og undertrykkelse af miR165/166-funktionen fører til øget udtryk for HS-ZIP III-generne, hvilket resulterer i pleotropiske udviklingsdefekter såsom reduceret apikal dominans og afvigende mønstre af bladpolaritet22,35,38,41 . De letbrændte udviklingsfænotyper korreleret med lyddæmpning af miRNA165/166 muliggør en nøjagtig evaluering af effektiviteten af den PVX-baserede VbMS-analyse.
I denne undersøgelse viser vi, at det PVX-baserede VbMS-system effektivt kan blokere funktionen af miRNA’er i kartoffel. Fordi PVX-baserede virus-induceret genhæmning (VIGS) system er blevet etableret i en række kartoffel sorter49,50,51,52, denne PVX-baserede VbMS tilgang kan sandsynligvis anvendes til en bred vifte af diploid og tetraploid kartoffel arter.
Vi præsenterer et PVX-baseret miRNA lyddæmpningssystem for at karakterisere funktionen af endogene miRNA’er i kartoffel ved at integrere STTM-designet i PVX-vektoren. VbMS-systemet viste sig at være effektivt til at lukke munden på miRNA165/166 i kartoffel, en meget bevaret miRNA-familie på tværs af plantearter.
TM-tilgangen er udviklet til at forstyrre udtrykket af miRNA’er baseret på en kunstig miRNA-mål efterligner, der er designet til at skabe en mismatch loop på det forventede ka…
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Dr. Yule Liu fra Tsinghua University for at give PVX-LIC vektor. Dette arbejde blev støttet af en start-up fond fra Texas A &M AgriLife Research og Hatch Project TEX0-1-9675 fra USDA National Institute of Food and Agriculture til JS.
100 µM dATP and 100 µM dTTP | Omega Bio-tek, Inc., Norcross, Norcross, GA 30071 , USA | TQAC136 | |
3 M Sodium acetate, pH 4.0. | Teknova, Hollister, CA 95023, USA | #S0297 | |
Acetosyringone | TCI America, Portland, OR 97203, USA | D2666-25G | |
Agrobacterium tumefaciens strains: GV3101, GV2260 or EHA105. | |||
Chloroform | VWR Corporate, Radnor, PA 19087-8660, USA | VWRV0757-950ML | |
Dimethyl sulfoxide, DMSO | TCI America, Portland, OR 97203, USA | D0798-25G | |
DTT | VWR Corporate, Radnor, PA 19087-8660, USA | VWRV0281-25G | |
E. coli DB3.1 | for maintenance of PVX-LIC and pTRV2e containing the ccdB gene | ||
E. coli DH5α | for the destination constructs generated by LIC cloning | ||
Fertilizer: Peters Peat Lite Special 15-0-15 Dark Weather Feed | ICL Specialty Fertilizers, Summerville, SC 29483, USA | G99260 | |
High fidelity PCR reagents: KAPA HiFi DNA Polymerase with dNTPs | Roche Sequencing and Life Science, Kapa Biosystems, Wilmington, MA, USA |
7958960001 | |
Isoamyl alcohol | VWR Corporate, Radnor, PA 19087-8660, USA | VWRV0944-1L | |
Koptec Pure Ethanol – 200 Proof | Decon Labs, King of Prussia, PA 19406 , USA | V1005M | |
MES | TCI America, Portland, OR 97203, USA | M0606-250G | |
MgCl2 | ThermoFisher, Waltham, MA 02451, USA | MFCD00149781 | |
M-MuLV Reverse Transcriptase | New England BioLabs, Ipswich, MA 01938-2723 USA | M0253L | |
Nano-drop spectrometer: NanoDrop OneC Microvolume UV-Vis Spectrophotometer with Wi-Fi | ThermoFisher, Waltham, MA 02451, USA | ND-ONEC-W | |
PCR machine: Bio-Rad MyCycler PCR System | Bio-Rad, Hercules, California 94547, USA | 170-9703 | |
PCR machine: Eppendorf Mastercycler pro | Eppendorf, Hauppauge, NY 11788, USA | 950030010 | |
pH meter | Sper Scientific, Scottsdale, AZ 85260, USA | Benchtop pH / mV Meter – 860031 | |
Phenol:chloroform:isoamyl alcohol (25:24:1), pH 6.7/8.0. | VWR Corporate, Radnor, PA 19087-8660, USA | VWRV0883-400ML | |
Phytagel: Gellan Gum | Alfa Aesar, Tewksbury, MA 01876, USA | J63423-A1 | |
PVX VIGS vector: PVX-LIC | Zhao et al., 2016 | ||
Real-time PCR machine: QuantStudio 6 Flex Real-Time PCR System | ThermoFisher, Waltham, MA 02451, USA | 4485697 | |
Real-time PCR reagent: KAPA SYBR® FAST qPCR Master Mix (2x) Kit | Roche Sequencing and Life Science, Kapa Biosystems, Wilmington, MA 01887, USA |
7959389001 | |
Restriction enzyme: SmaI | New England BioLabs, Ipswich, MA 01938-2723 USA | R0141S | |
Reverse transcription reagents: qScript cDNA SuperMix | Quanta BioSciences, Gaithersburg, MD 20877 , USA | 95107-100 | |
RNA extraction Kit: E.Z.N.A. Plant RNA Kit | Omega Bio-tek, Inc., Norcross, Norcross, GA 30071 , USA | SKU: D3485-01 | |
RNase Inhibitor Murine | New England BioLabs, Ipswich, MA 01938-2723 USA | M0314L | |
RNAzol RT | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO 63103, USA | R4533 | |
Soil: Metro-Mix 360 | Sun Gro Horticulture, Agawam, MA 01001-2907, USA | Metro-Mix 360 | |
T4 DNA polymerase and buffer | New England BioLabs, Ipswich, MA 01938-2723 USA | M0203S |