Lieferung von Nukleinsäuren durch Embryomikroinjektion in der weltweiten Agrar Pest Insekt,<em> Mittelmeerfruchtfliege</em
Summary
The Mediterranean fruit fly (medfly) Ceratitis capitata (Diptera: Tephritidae) is a worldwide pest of agriculture. A deeper understanding of its biology is key to control medfly populations and thus reduce economic impact. Embryo microinjection is a fundamental tool allowing both germ-line transformation and reverse genetics studies in this species.
Abstract
Die Mittelmeerfruchtfliege (Ceratitis) Ceratitis capitata (Wiedemann) (Diptera: Tephritidae) ist eine Schädlingsarten mit extrem hohen landwirtschaftlichen Relevanz. Dies ist aufgrund seiner Fortpflanzungsverhalten: Frauen die äußere Oberfläche von Obst und Gemüse beschädigen, wenn sie Eier und die geschlüpften Larven ernähren sich von ihren Zellstoff lag. Wilde C. capitata Populationen werden traditionell durch Insektizid kontrolliert Spritzen und / oder umweltfreundliche Ansätze, die erfolgreichste ist die Sterile Insect Technique (SIT). Die SIT setzt auf Massenerziehung, strahlungsbasierte Sterilisation und Feld Freisetzung von Männern, die ihre Fähigkeit behalten, sich zu paaren, sind aber nicht in der Lage fruchtbare Nachkommen zu erzeugen. Das Aufkommen und die anschließende rasante Entwicklung biotechnologischer Werkzeuge, zusammen mit der Verfügbarkeit der Mittelmeerfruchtfliege Genomsequenz hat verstärkt unser Verständnis der Biologie dieser Spezies. Dies begünstigt die Verbreitung von neuen Strategien für die Genom Manipulation, die can Bevölkerungskontrolle angewendet werden.
In diesem Zusammenhang spielt Embryo Mikroinjektions eine doppelte Rolle in der Toolbox für Mittelmeerfruchtfliege Steuerung erweitert. Die Fähigkeit, mit der Funktion von Genen zu stören, die wichtige biologische Prozesse regulieren, in der Tat, erweitert unser Verständnis der molekularen Maschinen der Mittelmeerfruchtfliege Invasivität zugrunde liegen. Darüber hinaus ermöglicht die Fähigkeit Keimbahntransformation zu erreichen, um die Produktion von mehreren transgenen Stämme, die für zukünftige Anwendungen im Bereich neuen SIT Einstellungen getestet werden können. Tatsächlich kann die genetische Manipulation verwendet werden, um gewünschte Eigenschaften zu verleihen, die können zum Beispiel verwendet werden, sterile männliche Leistung auf dem Gebiet zu überwachen, oder dass in frühen Lebensphasen Letalität führen kann. Hier beschreiben wir eine Methode Nukleinsäuren in der Mittelmeerfruchtfliege Embryonen microinject diese beiden Hauptziele zu erreichen.
Introduction
Die Mittelmeerfruchtfliege (Ceratitis) Ceratitis capitata ist eine kosmopolitische Arten , die ausgiebig Schäden Früchte und Kulturpflanzen. Es gehört zur Familie Tephritidae, die zu den Gattungen Bactrocera und Anastrepha gehör mehrere Schädlingsarten, wie diejenigen einschließt. Die Mittelmeerfruchtfliege ist die am meisten untersuchten Arten dieser Familie, und es hat sich zu einem Modell nicht nur für die Untersuchung von Insekten Invasionen 1, aber auch 2 für die Optimierung von Pflanzenschutzstrategien geworden.
Die Mittelmeerfruchtfliege ist ein multivoltine Arten , die mehr als 300 Arten von Wild angreifen kann und Kulturpflanzen 3,4. Der Schaden wird sowohl durch die Erwachsenen und die Larvenstadien: begattete durchdringen die Oberfläche der Frucht für die Eiablage, so dass Mikroorganismen ihre Handelsqualität zu beeinflussen, während die Larven ernähren sich von dem Fruchtfleisch. Nach drei Larvenstadien, Larven aus dem Wirt entstehen und in den Boden verpuppen. Ceratitiscapitata zeigt eine nahezu weltweite Verbreitung, einschließlich Afrika, dem Nahen Osten, Westaustralien, Mittel- und Südamerika, Europa und Gebieten der Vereinigten Staaten von Amerika 5.
Die am häufigsten verwendeten Strategien Mittelmeerfruchtfliege parasitäre Erkrankungen zu begrenzen , die Verwendung von Insektiziden (zB Malathion, Spinosad) und die umweltfreundliche Sterile Insect Technique (SIT) 6 beinhalten. Der zweite Ansatz beinhaltet die Freisetzung in die Wildnis von Hunderttausenden von Männern gegenüber ionisierender Bestrahlung steril durch Belichtung gemacht. Die Paarung solcher sterilisierten Männchen zu wilden Weibchen führt zu keiner Nachkommen, eine Verringerung der Bevölkerungsgröße zu verursachen, was schließlich zu Ausrottung führen. Obwohl hat SIT weltweit in mehreren Kampagnen bewährt, sind seine größten Nachteile die hohen Kosten für die Aufzucht und Millionen von Insekten Sterilisation freigesetzt werden. Kennzeichnung von freigesetzten Individuen zu unterscheiden, steril von wilden Insekten im Bereich nicht erfasst währendÜberwachung der Aktivitäten und wird derzeit unter Verwendung von fluoreszierenden Pulver erreicht. Diese Verfahren sind teuer und haben unerwünschte Nebenwirkungen 7.
Um zu optimieren und / oder wirksamer Ansätze für die Kontrolle dieses Schädlings, der Mittelmeerfruchtfliege Biologie und Genetik zu entwickeln, wurde von zahlreichen Forschern weltweit weit erforscht. Die Verfügbarkeit der Mittelmeerfruchtfliege Genomsequenz 8,9, werden neue Untersuchungen an Genfunktionen erleichtern. RNA-Interferenz ist ein leistungsfähiges Werkzeug für solche Studien, und es kann durch die Mikroinjektion von dsRNA (doppelsträngige RNA) oder siRNA (small interfering RNA) erreicht werden. Diese Technik ist verwendet worden, zum Beispiel, dass die Geschlechtsbestimmung Molekular cascade in C. demonstrieren capitata nur teilweise gegenüber derjenigen von 10 Drosophila konserviert.
Die Entwicklung von Protokollen Mittelmeerfruchtfliege Embryonen microinject C erlaubt capitata die erste nicht zu sein-Drosophilid Fliegenarten genetisch modifiziert werden. Als seine Eier ähnlich denen von Drosophila, sowohl in Bezug auf Morphologie und Widerstand sind 11 bis Desikkation, um das Protokoll Plasmid DNA in vorge blastoderm Embryonen liefern zunächst D. entwickelt melanogaster 12,13 zunächst wurde für den Einsatz in C angepasst capitata. Diese ersten Experimente Mittelmeerfruchtfliege Keimbahntransformation erlaubt basierend auf dem Transposon – Element Minos 11. Unter Verwendung anderer Transposon-basierte Ansätze Anschließend wurde das ursprüngliche System 14 modifiziert. Dies ist der Fall von piggyBac aus der Lepidoptera Trichoplusia ni 15. Das Protokoll wurde seit weiter optimiert und dadurch die Transformation anderer Tephritiden Spezies 16-21 und auch von vielen anderen Diptera 22-31 erlaubt hat. Alle diese Systeme beruhen auf der Verwendung eines typischen binären Vektor / Helferplasmid Transformationssystem: artificial, defekte transpoSöhne gewünschten Gene enthalten , werden in das Plasmid DNA zusammengesetzt und in das Genom des Insekten integriert , indem das Transposase – Enzym 32 liefert. Eine Reihe von transgenen Mittelmeerfruchtfliege Linien wurden mit mehreren Funktionen, einschließlich Stämmen erzeugt, eine bedingte dominant-letale Gen trägt, die Letalität induziert, Stämme produzieren nur für Männer Nachkommen und erfordern somit keine zusätzlichen sexing Strategien und Stämme mit fluoreszierenden Spermien, was die Genauigkeit verbessern kann der SIT Überwachungsphase 33-37. Obwohl die Freisetzung in der Wildnis von transgenen Organismen in Pilotversuchen gegen Mücken aufgetreten ist nur 38,39 mindestens ein Unternehmen im Bereich 40 eine Reihe von transgenen Mittelmeerfruchtfliege Stämme für ihre Verwendung zu bewerten.
Embryo Mikroinjektions kann auch die Entwicklung von neuen genom Editing-Tools, wie zum Beispiel Transkriptionsaktivator- artigen Effektor Nukleasen (Talens), gruppierten regelmäßig voneinander beabstandete kurze Palindrom wiederholt (CR favorisierenISPR) / CRISPR associated protein 9 Nuklease (Cas9) und Homing-Endonukleasen Gene (HEG), die neue evolutionäre und Entwicklungsstudien ermöglichen wird, sowie die zur Verfügung stehende biotechnologische Toolbox erweitert. Genom-Bearbeitung Ansätze erlaubt bereits die Erzeugung von Gen-Antriebssysteme in Stechmücken 41, und deren Übertragung auf die Mittelmeerfruchtfliege steht unmittelbar bevor. Hier beschreiben wir ein universelles Protokoll für Mikroinjizierung Nukleinsäuren in der Mittelmeerfruchtfliege Embryonen, die nützlich für alle Anwendungen der oben genannten sein kann.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mikroinjektion von Nucleinsäuren in Insekten Embryonen ist ein universelles Verfahren, das sowohl die Analyse der Genfunktion und biotechnologischen Anwendungen erleichtert.
Die jüngste Veröffentlichung der Genomsequenzen von einer zunehmenden Anzahl von Insektenarten führt zu einem dringenden Bedarf an Werkzeugen für die funktionelle Charakterisierung von Genen von noch unbekannter Funktion. RNA-Interferenz ist eine der wertvollsten Methoden erwiesen abzuleiten molekularen Funktionen <…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank all the members of the “Insect Genetics and Genomics” Laboratory, in particular to Lorenzo Ghiringhelli who has worked at developing, adapting and maintaining the rearing of the medfly over the past thirty years. Part of the representative results of this paper have been reprinted from N. Biotechnology, 25(1) by Scolari F. et al., Fluorescent sperm marking to improve the fight against the pest insect Ceratitis capitata (Wiedemann; Diptera: Tephritidae), 76-84, 2008, with permission from Elsevier (License number 3796240759880). This work received support from Cariplo-Regione Lombardia “IMPROVE” (FS).
Materials
| 1 x injection Buffer | Buffer | 0.1 mM phosphate buffer pH 7.4, 5mM KCl | ||
| Construct Plasmid | DNA | |||
| Helper Plasmid | DNA | |||
| dsRNA | RNA | Phenol-Chloroform purified | ||
| Standard Larval food | Rearing Food | 1.5 L H2O, 100 ml HCl 1%, 5 g broad-spectrum antimicrobial agent used in pharmaceutical products dissolved in 50 ml of ethanol, 400 g sugar, 175 g demineralized brewer’s yeast, 1 kg soft wheat bran | ||
| Carrot Larval Food | Rearing food | 2.5 g Agar, 4 g Sodium Benzoate, 4.5 ml 37% HCl, 42 g yeast extract, 115 g carrot powder, 2.86 g broad-spectrum antimicrobial agent , water to 1L | ||
| Adult Food | Rearing food | yeast extract and sugar (1:10) | ||
| Microscope slides | Sigma-Aldrich | Z692247 | ||
| Injection needles | Eppendorf | 5242956000 | ||
| Microloaders | Eppendorf | 5242956003 | ||
| Double slided tape | ||||
| Whatman Black circle paper | ||||
| Bleach | Generic reagent | Diluite 1:2 before use | ||
| Paintbrush (000) | Generic tool | |||
| Micromanipulator | Instrument | Narishige | MN-153 | |
| Microinjector | Instrument | Eppendorf | Femtojet | |
| Adult cages | Generic tool | |||
| Halocarbon oil 700 | Reagent | Sigma-Aldrich | H8898 | |
| Ceratitis capitata | Animal | The strain used is ISPRA |
Referências
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