Agrobacterium-Mediated Genetic Transformation, Transgenic Production, and Its Application for the Study of Male Reproductive Development in Rice
Summary
Diese Arbeit beschreibt den Einsatz der CRISPR-Cas9 Genom-Editing-Technologie, um das endogene Gen OsABCG15 zu knockouten, gefolgt von einem modifizierten Agrobacterium-vermitteltenTransformationsprotokoll, um eine stabile männlich-sterile Linie in Reis zu produzieren.
Abstract
Männliche Sterilität ist eine wichtige agronomische Eigenschaft für die Hybridsamenproduktion, die in der Regel durch funktionelle Defekte in männlichen Fortpflanzungsorganen/Gameten gekennzeichnet ist. Jüngste Fortschritte in der CRISPR-Cas9-Genom-Editing-Technologie ermöglichen eine hohe Editing-Wirksamkeit und zeitsparende Knockout-Mutationen endogener Kandidatengene an bestimmten Standorten. Darüber hinaus ist Agrobacterium-vermittelte genetische Transformation von Reis auch eine Schlüsselmethode zur Genmodifikation, die von vielen öffentlichen und privaten Laboratorien weit verbreitet ist. In dieser Studie haben wir CRISPR-Cas9 Genombearbeitungswerkzeuge eingesetzt und erfolgreich drei männliche sterile Mutantlinien durch gezielte Genombearbeitung von OsABCG15 in einer Japonica-Sorte erzeugt. Wir verwendeten eine modifizierte Agrobacterium-vermittelteReistransformationsmethode, die hervorragende Mittel zur genetischen Easculation für die Hybridsamenproduktion in Reis bieten konnte. Transgene Pflanzen können innerhalb von 2–3 Monaten erhalten werden und homozygote Transformanten wurden durch Genotypisierung mittels PCR-Amplifikation und Sanger-Sequenzierung gescreent. Die grundlegende phänotypische Charakterisierung der männlichen sterilen homozygoten Linie wurde durch mikroskopische Beobachtung der männlichen Reisvermehrungsorgane, Pollenlebensfähigkeitsanalyse durch Jodkaliumjodid (I2-KI) durchgeführt, indem halbdünne Querschnitte von sich entwickelnden Anthern färben.
Introduction
Reis ist die wichtigste Nahrungsmittelpflanze, insbesondere in Entwicklungsländern, und stellt für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung ein Grundnahrungsmittel dar. Insgesamt wächst die Nachfrage nach Reisgetreide und wird bis 2030 voraussichtlich um 50 % und bis 2050 um 100 % ansteigen1,2. Zukünftige Verbesserungen des Reisertrags müssen aus verschiedenen molekularen und genetischen Ressourcen kapitalisieren, die Reis zu einem ausgezeichneten Modell für monokotyledonöse Pflanzenforschung machen. Dazu gehören ein effizientes Transformationssystem, fortschrittliche molekulare Karte und öffentlich zugängliche Datenbank von ausgedrückten Sequenz-Tags, die über viele Jahre generiert wurden3,4. Eine Strategie zur Verbesserung des Ernteertrags ist die Hybridsaatgutproduktion5, ein zentrales Element davon ist die Fähigkeit, die männliche Fruchtbarkeit zu manipulieren. Das Verständnis der molekularen Kontrolle der männlichen Fruchtbarkeit in Getreidepflanzen kann dazu beitragen, Schlüsselwissen in praktische Techniken umzusetzen, um die Hybridsaatgutproduktion zu verbessern und die Ernteproduktivität zu verbessern6,7.
Die genetische Transformation ist ein Schlüsselinstrument für die Grundlagenforschung und die kommerzielle Landwirtschaft, da sie die Einführung fremder Gene oder die Manipulation endogener Gene in Kulturpflanzen ermöglicht und zur Erzeugung genetisch veränderter Linien führt. Ein geeignetes Transformationsprotokoll kann dazu beitragen, genetische und molekularbiologische Studien für ein grundlegendes Verständnis der Genregulation zu beschleunigen8. Bei Bakterien findet die genetische Transformation auf natürliche Weise statt; jedoch wird es in Pflanzen künstlich mit molekularbiologischen Techniken9,10durchgeführt. Agrobacterium tumefaciens ist ein bodengestütztes, gramnegatives Bakterium, das Kronengallenerkrankungen in Pflanzen verursacht, indem es T-DNA, eine Region seines Ti-Plasmids, über ein Sekretionssystem vom Typ IV11,12in die Pflanzenzelle überträgt. In Pflanzen wird die A. tumefaciens-vermittelte Transformation als weit verbreitete Methode zur Genmodifikation betrachtet, da sie zu einer stabilen und niedrigen Kopierzahl der Integration von T-DNA in das Wirtsgenom13führt. Transgener Reis wurde erstmals Mitte der 1990er Jahre durch Agrobacterium-vermittelte Gentransformation in der Japonica-Sorte14erzeugt. Mit diesem Protokoll wurden innerhalb von 4 Monaten mehrere transgene Leitungen mit einer Transformationseffizienz von 10%–30% erhalten. Die Studie zeigte, dass es zwei entscheidende Schritte für die erfolgreiche Transformation gibt: einer ist die Induktion von embryogenen Callus aus reifen Samen und ein anderer ist die Zugabe von Acetosyringon, einer Phenolverbindung, zur Bakterienkultur während der Kokultivierung, die eine höhere Transformationseffizienz in Pflanzenermöglicht 14,15. Dieses Protokoll wurde ausgiebig mit kleineren Änderungen in japonica16,17,18,19 sowie anderen Sorten wie Indica20,21,22,23 und tropischen japonica24,25verwendet. Tatsächlich verwenden über 80% der Artikel, die die Reistransformation beschreiben, Agrobacterium-vermittelte Gentransformation als Werkzeug13. Bis heute wurden mehrere genetische Transformationsprotokolle entwickelt, die Reissamen als Ausgangsmaterial für die Callusinduktion16,17,18,19verwenden. Über den jungen Blütenstand als Explants für die Callusproduktion ist jedoch nur sehr wenig bekannt. Insgesamt ist es wichtig, ein schnelles, reproduzierbares und effizientes Gentransformations- und Regenerationsprotokoll für die funktionelle Genomik und Studien zur Verbesserung von Pflanzen zu erstellen.
In den letzten Jahren hat die Weiterentwicklung der CRISPR-Cas9-Technologie zu einem präzisen Genom-Editing-Mechanismus geführt, um die Genfunktion zu verstehen und agronomisch wichtige Verbesserungen für die Pflanzenzüchtung zu liefern26,27. CRISPR bietet auch erhebliche Versprechen für die Manipulation der männlichen Reproduktionsentwicklung und Hybridproduktion. In dieser Studie nutzten wir ein Gen-Knockout-System mit CRISPR-Cas9-Technologie und koppelten es an ein effizientes Reisgentransformationsprotokoll, das junge Blütenstände als Explanten verwendete, wodurch stabile männliche sterile Linien für die Untersuchung der Reproduktionsentwicklung geschaffen wurden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Künstliche genegene männliche sterile Mutanten werden traditionell durch zufällige physikalische, chemische oder biologische Mutagenese erzeugt. Obwohl dies mächtige Techniken sind, kann ihre zufällige Natur nicht aus der riesigen Menge an modernem genomischem Wissen Kapital schlagen, das das Potenzial hat, maßgeschneiderte Verbesserungen in der molekularen Züchtung zu liefern32. Das CRISPR-Cas9-System ist aufgrund seiner einfachen und erschwinglichen Möglichkeiten zur Manipulation und Bea…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren würdigen Xiaofei Chen für die Bereitstellung der jungen Reisblüten und Hilfe bei der Herstellung der Reisgewebekultur Medium. Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (31900611) unterstützt.
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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