تطبيق تداخل الحمض النووي الريبي في نيماتودا خشب الصنوبر ، Bursaphelenchus xylophilus
Summary
هنا ، نقدم طريقة نقع مفصلة لتداخل الحمض النووي الريبي في Bursaphelenchus xylophilus لتسهيل دراسة وظائف الجينات.
Abstract
الديدان الخيطية من خشب الصنوبر ، Bursaphelenchus xylophilus ، هي واحدة من أكثر الأنواع الغازية تدميرا في جميع أنحاء العالم ، مما تسبب في ذبول أشجار الصنوبر وموتها في نهاية المطاف. على الرغم من الاعتراف بأهميتها الاقتصادية والبيئية ، فقد كان من المستحيل حتى الآن دراسة الوظائف الجينية التفصيلية للديدان الخيطية الطفيلية النباتية (PPNs) باستخدام علم الوراثة التقليدي الأمامي والطرق المعدلة وراثيا. ومع ذلك ، كتقنية علم الوراثة العكسية ، يسهل تداخل الحمض النووي الريبي (RNAi) دراسة الجينات الوظيفية للديدان الخيطية ، بما في ذلك B. xylophilus.
تحدد هذه الورقة بروتوكولا جديدا للحمض النووي الريبي للجين ppm-1 في B. xylophilus ، والذي تم الإبلاغ عنه للعب أدوار حاسمة في تطوير وتكاثر الديدان الخيطية المسببة للأمراض الأخرى. بالنسبة ل RNAi ، تم ربط مروج T7 بطرف 5 ′ للجزء المستهدف بواسطة تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) ، وتم تصنيع الحمض النووي الريبي المزدوج (dsRNA) عن طريق النسخ في المختبر . في وقت لاحق ، تم إنجاز تسليم dsRNA عن طريق نقع الديدان الخيطية في محلول dsRNA مختلطة مع المنشطات العصبية الاصطناعية. تم غسل الأحداث المتزامنة من B. xylophilus (حوالي 20000 فرد) ونقعها في dsRNA (0.8 ميكروغرام / مل) في المخزن المؤقت للنقع لمدة 24 ساعة في الظلام عند 25 درجة مئوية.
تم وضع نفس الكمية من الديدان الخيطية في مخزن مؤقت للنقع بدون dsRNA كعنصر تحكم. وفي الوقت نفسه ، تم وضع كمية أخرى مماثلة من الديدان الخيطية في مخزن مؤقت للنقع مع جين بروتين الفلورسنت الأخضر (gfp) dsRNA كعنصر تحكم. بعد النقع ، تم تحديد مستوى التعبير عن النصوص المستهدفة باستخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي في الوقت الفعلي. ثم تم تأكيد آثار الحمض النووي الريبي باستخدام الملاحظة المجهرية للأنماط الظاهرية ومقارنة حجم جسم البالغين بين المجموعات. يمكن أن يساعد البروتوكول الحالي في تطوير الأبحاث لفهم وظائف جينات B. xylophilus وغيرها من الديدان الخيطية الطفيلية بشكل أفضل نحو تطوير استراتيجيات التحكم من خلال الهندسة الوراثية.
Introduction
تشكل الديدان الخيطية الطفيلية النباتية (PPNs) تهديدا مستمرا للأمن الغذائي والنظم الإيكولوجية للغابات. فهي تسبب خسائر اقتصادية تقدر بنحو 100 مليار دولار أمريكي كل عام1 ، وأكثرها إشكالية هي في المقام الأول الديدان الخيطية ذات العقدة الجذرية ، والديدان الخيطية الكيسية ، والديدان الخيطية من خشب الصنوبر. الديدان الخيطية من خشب الصنوبر ، Bursaphelenchus xylophilus ، هي نيماتودا مهاجرة ، طفيليات داخلية ، وهي الممرض السببي لمرض ذبول الصنوبر2. وقد تسبب في ضرر كبير لغابات الصنوبر في جميع أنحاء العالم3. باستخدام مصطلحات Van Megen et al.4 ، B. xylophilus هو عضو في Parasitaphelenchidae وينتمي إلى clade 10 ، في حين أن معظم الطفيليات النباتية الرئيسية الأخرى تنتمي إلى clade 12.
كطفيلي نباتي مستقل ومتطور مؤخرا ، يعد B. xylophilus نموذجا جذابا للدراسات المقارنة. وحتى الآن، أجريت بحوث كبيرة على الديدان الخيطية ذات عقدة الجذر والديدان الخيطية الكيسية التي تنتمي إلى الفصيلة 12، وهي طفيليات داخلية ملزمة ومستقرة وهي من أكثر الديدان الخيطية التي تمت دراستها بشكل مكثف. ومع ذلك ، فإن إجراء المزيد من الأبحاث في هذا المجال المهم يأتي مع تحد كبير: وظيفة جينات التطفل هي عنق الزجاجة البحثي. تشمل الدراسات الوظيفية عموما التعبير خارج الرحم وتجارب الضربة القاضية / الخروج ولكنها تعتمد على بروتوكولات التحول الجيني الفعالة للديدان الخيطية. ونتيجة لذلك ، يعتمد علم الوراثة العكسي في PPNs بشكل حصري تقريبا على إسكات الجينات بواسطة RNAi.
RNAi ، وهي آلية موجودة على نطاق واسع في الخلايا حقيقية النواة ، تسكت التعبير الجيني عن طريق إدخال الحمض النووي الريبي المزدوج (dsRNA)5. حتى الآن ، تم العثور على آلية إسكات الجينات بعد النسخ التي يسببها dsRNA في جميع حقيقيات النوى المدروسة ، وتطورت تقنية RNAi ، كأداة لأبحاث الجينوم الوظيفي والتطبيقات الأخرى ، بسرعة في العديد من الكائنات الحية. منذ اكتشاف آلية RNAi في Caenorhabditis elegans في عام 19986 ، أصبحت تقنيات RNAi طرقا فعالة لتحديد الوظيفة الجينية للديدان الخيطية ويتم اقتراحها كطريقة جديدة للسيطرة الفعالة على الديدان الخيطية المسببة للأمراض7.
RNAi هو من الناحية الفنية سهلة نقع الأحداث في dsRNA يمكن أن يكفي. ومع ذلك ، فإن فعالية هذا النهج وقابليته للتكرار تختلف اختلافا كبيرا مع أنواع الديدان الخيطية والجين المستهدف8. تم التحقيق في إسكات 20 جينا مشاركا في مسارات الحمض النووي الريبي للديدان الخيطية ذات عقدة الجذر ، Meloidogyne incognita ، باستخدام dsRNAs الطويلة كمحفزات ، مما أدى إلى استجابات متنوعة ، بما في ذلك زيادة وعدم حدوث تغيير في التعبير عن بعض الجينات9. تظهر هذه النتائج أن الجينات المستهدفة قد تستجيب لضربة RNAi القاضية بشكل مختلف ، مما يتطلب تقييما شاملا لمدى ملاءمتها كأهداف للتحكم في الديدان الخيطية عبر RNAi. ومع ذلك ، هناك حاليا ندرة في البحوث حول البيولوجيا التنموية والإنجابية ل B. xylophilus.
استمرارا للعمل السابق10،11،12،13 ، نصف هنا بروتوكولا لتطبيق RNAi لدراسة وظيفة جين ppm-1 من B. xylophilus ، بما في ذلك تخليق dsRNA ، ونقع المنشطات العصبية الاصطناعية ، والكشف الكمي عن تفاعل البوليميراز المتسلسل (qPCR). من المرجح أن تساهم المعرفة المكتسبة من هذا النهج التجريبي بشكل ملحوظ في فهم النظم البيولوجية الأساسية ومنع مرض ذبول الصنوبر.
Protocol
Representative Results
Discussion
على الرغم من أن تاريخ الحياة والبيئة الطفيلية ل B. xylophilus تختلف عن تلك الموجودة في الديدان الخيطية الأخرى ، إلا أنه كان هناك بحث محدود حول التسبب الجزيئي لهذا العامل الممرض النباتي. على الرغم من التقدم الكبير المحرز في تطبيق تقنية تحرير الجينوم CRISPR / Cas9 في C. elegans والديدان الخيطية ال?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (31870637 ، 31200487) وبتمويل مشترك من خطة تشجيانغ الرئيسية للبحوث (2019C02024 ، LGN22C160004).
Materials
| Baermann funnel | n/a | n/a | to isolate nematodes |
| Beacon Designer 7.9 | Shanghai kangyusheng information technology co. | n/a | to design qPCR primers |
| Botrytis cinerea | n/a | n/a | as food for nematodes |
| Bursaphelenchus xylophilus | n/a | n/a | its number was NXY61 and was it was originally extracted from diseased Pinus massoniana in Ningbo, Zhejiang province, China. |
| constant temperature incubator | Shanghai Jing Hong Laboratory Instrument Co. | H1703544 | to cultur nematodes |
| Electrophoresis apparatus | Bio-Rad Laboratories | 1704466 | to achieve electrophoretic analysis |
| Ethanol, 75% | Sinopharm Chemical Reagent Co. | 80176961 | to extract RNA |
| Ex Taq Polymerase Premix | Takara Bio Inc. | RR030A | for PCR |
| Ex Taq Polymerase Premix | Takara Bio Inc. | RR390A | for PCR |
| Gel imager | LongGene Scientific Instruments Co. | LG2020 | to make nucleic acid bands visible |
| GraphPad Prism 8 | GraphPad Prism | n/a | to analyze the data and make figurs |
| High Speed Centrifuge | Hangzhou Allsheng Instruments Co. | AS0813000 | centrifug |
| High-flux tissue grinder | Bertin | to extract RNA | |
| ImageJ software | National Institutes of Health | n/a | to measure the body lengths |
| isopropyl alcohol | Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co. | L1909022 | to extract RNA |
| Leica DM4B microscope | Leica Microsystems Inc. | to observe nematodes | |
| magnetic beads | Aoran science technology co. | 150010C | to extract RNA |
| MEGAscript T7 High Yield Transcription Kit | Thermo Fisher Scientific Inc. | AM1333 | to synthesize dsRNA in vitro |
| NanoDrop ND-2000 spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific Inc. | NanoDrop 2000/2000C | to analyze the quality of the dsRNA |
| PCR Amplifier | Bio-Rad Life Medical Products Co. | 1851148 | to amplify nucleic acid sequence |
| Petri dishes | n/a | n/a | to cultur nematodes |
| pGEM-T Easy vector | Promega Corporation | A1360 | for cloning |
| Potato Dextrose Agar (Medium) | n/a | n/a | to cultur Botrytis cinerea |
| Prime Script RT reagent Kit with gDNA Eraser | Takara Bio Inc. | RR047B | to synthetic cDNA |
| Primer Premier 5.0 | PREMIER Biosoft | n/a | to design PCR primers |
| primers:ppm-1-F/R | Tsingke Biotechnology Co. | n/a | F: 5'-GATGCGAAGTTGCCAATCATTCT -3'; R: 5'- CCAGATCCAGTCCACCATACACC -3 |
| q-ppm-1-F/R | Tsingke Biotechnology Co. | n/a | F: 5'-CATCCGAATGGCAATACAG-3'; R: 5'-ACTATCCTCAGCGTTAGC-3' |
| Real-time thermal cycler qTOWER 2.2 | Analytique Jena Instruments (Beijing) Co. | for qPCR | |
| shaking table | Shanghai Zhicheng analytical instrument manufacturing co. | to soak nematodes | |
| stereoscopic microscope | Chongqing Optec Instrument Co. | 1814120 | to observe nematodes |
| T7-GFP-F/R | Tsingke Biotechnology Co. | n/a | F: 5'-TAATACGACTCACTATAGGGAAA GGAGAAGAACTTTTCAC-3'; R: 5'-TAATACGACTCACTATAGGGCTG TTACAAACTCAAGAAGG-3' |
| T7 promoter | Tsingke Biotechnology Co. | n/a | TAATACGACTCACTATAGGG |
| Takara MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit | Takara Bio Inc. | 9762 | to recover DNA |
| TaKaRa TB Green Premix Ex Taq (Tli RNaseH Plus) | Takara Bio Inc. | RR820A | for qPCR |
| trichloroethane | Shanghai LingFeng Chemical Reagent Co. | to extract RNA | |
| TRIzol Reagent | Thermo Fisher Scientific Inc. | 15596026 | total RNA extraction reagent,to extract RNA |
Referências
- Nicol, J. M., Jones, J., Gheysen, G., Fenoll, C., et al. Current nematode threats to world agriculture. Genomics and Molecular Genetics of Plant-Nematode Interactions. , 21-43 (2011).
- Jones, J. T., et al. Top 10 plant-parasitic nematodes in molecular plant pathology. Molecular Plant Pathology. 14 (9), 946-961 (2013).
- Kikuchi, T., et al. Genomic insights into the origin of parasitism in the emerging plant pathogen Bursaphelenchus xylophilus. PLoS Pathogens. 7 (9), 1002219 (2011).
- Megen, H. V., et al. A phylogenetic tree of nematodes based on about 1200 full-length small subunit ribosomal DNA sequences. Nematology. 11 (6), 927-950 (2009).
- Niu, J. H., Jian, H., Xu, J. M., Guo, Y. D., Liu, Q. RNAi technology extends its reach: Engineering plant resistance against harmful eukaryotes. African Journal of Biotechnology. 9 (45), 7573-7582 (2010).
- Fire, A., et al. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature. 91 (6669), 806-811 (1998).
- Shahid, M., Imran, A., Mazhar, H., Yusuf, Z., Rob, W. B. Engineering novel traits in plants through RNA interference. Trends in Plant Science. 11 (11), 559-565 (2006).
- Marmonier, A., et al. In vitro acquisition of specific small interfering RNAs inhibits the expression of some target genes in the plant ectoparasite Xiphinema index. International Journal of Molecular Sciences. 20 (13), 3266 (2019).
- Iqbal, S., Fosu-Nyarko, J., Jones, M. G. K. Attempt to silence genes of the RNAi pathways of the root-knot nematode, Meloidogyne incognita results in diverse responses including increase and no change in expression of some genes. Frontiers in Plant Science. 11, 328 (2020).
- Zhou, L. F., et al. Molecular characterization and functional analysis of akt-1 in pinewood nematode, Bursaphelenchus xylophilus. Forest Pathology. 51 (1), 12647 (2021).
- Zhou, L. F., et al. The role of mab-3 in spermatogenesis and ontogenesis of pinewood nematode, Bursaphelenchus xylophilus. Pest Management Science. 77 (1), 138-147 (2021).
- Tang, J., et al. Bxy-fuca encoding α-L-fucosidase plays crucial roles in development and reproduction of the pathogenic pinewood nematode, Bursaphelenchus xylophilus. Pest Management Science. 76 (1), 205-214 (2020).
- Wang, J. H., et al. Molecular characterization and functional analysis of daf-8 in the pinewood nematode, Bursaphelenchus xylophilus. Journal of Forestry Research. , (2021).
- Viglierchio, D. R., Schmitt, R. V. On the methodology of nematode extraction from field samples: Baermann funnel modifications. Journal of Nematology. 15 (3), 438-444 (1983).
- Zhu, N., et al. Observation and quantification of mating behavior in the pinewood nematode, Bursaphelenchus xylophilus. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (118), e54842 (2016).
- Zhou, L. F., Chen, F. M., Ye, J. R., Pan, H. Y. Selection of reliable reference genes for RT-qPCR analysis of Bursaphelenchus mucronatus gene expression from different habitats and developmental stages. Frontiers in Genetics. 9, 269-279 (2018).
- Wang, M., et al. Double-stranded RNA-mediated interference of dumpy genes in Bursaphelenchus xylophilus by feeding on filamentous fungal transformants. International Journal for Parasitology. 46 (5-6), 351-360 (2016).
- Ma, H. B., Lu, Q., Liang, J., Zhang, X. Y. Functional analysis of the cellulose gene of the pine wood nematode, Bursaphelenchus xylophilus, using RNA interference. Genetics and Molecular Research: GMR. 10 (3), 1931-1941 (2011).
- Cheng, X. Y., Dai, S. M., Xiao, L., Xie, B. Y. Influence of cellulase gene knock down by dsRNA interference on the development and reproduction of the pine wood nematode, Bursaphelenchus xylophilus. Nematology. 12 (12), 225-233 (2010).
- Xue, Q., Wu, X. Q., Zhang, W. J., Deng, L. N., Wu, M. M. Cathepsin L-like cysteine proteinase genes are associated with the development and pathogenicity of pine wood nematode, Bursaphelenchus xylophilus. International Journal of Molecular Sciences. 20 (1), 215 (2019).
- Tabara, H., Grishok, A., Mello, C. C. RNAi in C. elegans: Soaking in the genome sequence. Science. 282 (5388), 430-431 (1998).
- Urwin, P. E., Lilley, C. J., Atkinson, H. J. Ingestion of double-stranded RNA by pre parasitic juvenile cyst nematodes leads to RNA interference. Molecular Plant-Microbe Interactions: MPMI. 15 (8), 747-752 (2002).
- Bakhetia, M., Charlton, W., Atkinson, H. J., McPherson, M. J. RNA interference of dual oxidase in the plant nematode Meloidogyne incognita. Molecular Plant-Microbe Interactions: MPMI. 18 (10), 1099-1106 (2005).
- Rosso, M. N., Dubrana, M. P., Cimbolini, N., Jaubert, S., Abad, P. Application of RNA interference to root-knot nematode genes encoding esophageal gland proteins. Molecular Plant-Microbe Interactions: MPMI. 18 (7), 615-620 (2005).
- Chen, Q., Rehman, S., Smant, G., Jones, J. T. Functional analysis of pathogenicity proteins of the potato cyst nematode Globodera rostochiensis using RNAi. Molecular Plant-Microbe Interactions: MPMI. 18 (7), 621-625 (2005).
- Wang, D. D., Li, Y., Li, J., Xie, B. Y., Chen, G. H. Molecular clone and its RNAi interference effect analysis of mapk gene in Bursaphelenchus xylophilus ( in Chinese). Acta Phytopathologica Sinica. 46 (5), 662-669 (2016).
- Qiu, X., Wu, X., Huang, L., Ye, J. R. Influence of Bxpel1 gene silencing by dsRNA interference on the development and pathogenicity of the pine wood nematode, Bursaphelenchus xylophilus. International Journal of Molecular Sciences. 17 (1), 125 (2016).
- Dulovic, A., Streit, A. RNAi-mediated knockdown of daf-12 in the model parasitic nematode Strongyloides ratti. PLoS Pathogens. 15 (3), 1007705 (2019).
- Li, L., Zhao, H., Cui, Y., Wei, H., Li, M. Research progress of gene editing technology. Life Science Research. 21 (3), 268-274 (2017).
- Bindhya, C. Y., Karuppannan, V., Kuppuswamy, S. Host-generated double stranded RNA induces RNAi in plant-parasitic nematodes and protects the host from infection. Molecular and Biochemical Parasitology. 148 (2), 219-222 (2006).
- Jiang, Z., Sher, A. K., David, G. H., Ralph, B. Next-generation insect-resistant plants: RNAi-mediated crop protection. Trends in Biotechnology. 35 (9), 871-882 (2017).
