Summary

Genetisk Manipulation af afgroedesygdomme<em> Ustilago maydis</em> At studere Fungal Biology og Plant Microbe Interactions

Published: September 30, 2016
doi:

Summary

Vi beskriver en robust generstatning strategi til genetisk manipulere smut svampen Ustilago maydis. Denne protokol forklarer, hvordan at generere deletionsmutanter at undersøge infektion fænotyper. Det kan udvides til at modificere gener i enhver ønsket måde, fx ved tilsætning af en sekvens, der koder et fluorescerende protein-tag.

Abstract

Gendeletion spiller en vigtig rolle i analysen af ​​genfunktion. En af de mest effektive metoder til at forstyrre gener i målrettet er udskiftningen af ​​hele genet med en selekterbar markør via homolog rekombination. Under homolog rekombination, udveksling af DNA finder sted mellem sekvenser med høj lighed. Derfor kan lineære genomiske sekvenser, der flankerer et target-gen anvendes til specifikt dirigere en selekterbar markør til den ønskede integration site. Stumpe ender af deletionskonstruktion aktivere cellens DNA reparationssystemer og dermed fremme integration af konstruktionen enten via homolog rekombination eller ved ikke-homolog-endesammenbinding. I organismer med effektiv homolog rekombination, kan hastigheden af ​​succesfulde gendeletion nå mere end 50% at gøre denne strategi et værdifuldt gen afbrydelse system. Den smut svamp Ustilago maydis er en eukaryot model mikroorganisme viser sådan effektiv homolog recombination. Ud af de omkring 6900 gener, har mange været funktionelt karakteriseret ved hjælp af deletionsmutanter, og gentagne overtrædelser af gen udskiftning forsøg peger på væsentlige funktion af genet. Efterfølgende karakterisering af genet funktion ved tagging med fluorescerende markører eller mutationer af forudsagte domæner også afhængig DNA udveksling via homolog rekombination. Her præsenterer vi U. maydis stamme generation strategi i detaljer ved hjælp af simpleste eksempel genet deletion.

Introduction

Ustilago maydis er en fytopatogene model svamp, der er blevet omfattende undersøgt i årtier 1,2. Den findes i to morfologier, en gær-lignende, ikke-patogene fase og en filamentøs, smitsom formular 3. Universelle gennembrud opdagelser såsom homolog rekombination og DNA-reparationsmekanismer blev foretaget i gær-lignende vækst fase af denne svamp 4. Endvidere den morfologiske kontakten til de infektiøse filament og virulensfaktorer vigtige for infektion velkarakteriseret 5,6. Den stigende molekylær viden om biologi og virulens af denne smut svamp bygger på en simpel gen udskiftning strategi 7-9 understøttet af en fremragende genom annotation 10 og lethed af revers genetik hjælp, f.eks den velorganiserede plasmid samling på vores institut (http : //www.mikrobiologie.hhu.de/ustilago-community.html). Standardiserede, hurtige infektion analyser i majs seedlings tillader detaljerede undersøgelser af patogenicitet faktorer 11.

Genomet i U. maydis indeholder omkring 6900 gener 10. For at undersøge deres funktion, kan de slettes enkeltvis eller i kombination på grund af en effektiv homolog rekombination system. Flankerende regioner på ca. 1 kb indeholdende perfekt homologe ender er ideelle til satserne for homolog rekombination større end 50%, men allerede 250 bp med ikke-homologe ender tillader en vis grad af korrekt integration af konstruktionen 9. I øjeblikket er fem forskellige modstandsværdier kassetter, hygR, cbxR, J.Clin.Natr, G418R, og phleoR mediere resistens mod hygromycin, carboxin, nourseothricin, G418 og phleomycin, anvendes til at selektere for transformanter 7,9. Derudover har hygromycinresistens blevet udviklet til en genanvendelig kassette (FRT-hygR), der kan fjernes ved den transiente ekspression af et heterologt FLP rekombinase 12. Dette tillader fjernelse af resistente kassette og dermed i teorien ubegrænset genetiske modifikationer. Phleomycin er mutagent 13, således at de nye kassetter, navnlig genanvendeligt hygR kassette, brug af phleoR er faldende. Quadruple mutanter kan således dannes ved hjælp af de øvrige fire kassetter, men for femdobbelt mutanter er FRT-hygR systemet anbefales 14.

Denne generelle gendeletion strategi er blevet overført til andre smut svampe såsom Sporisorium reilianum 15, U. hordei 16, eller U. esculenta 17 og tilbyder derfor potentialet for yderligere ansøgninger i endnu genetisk umedgørlige organismer med et effektivt homolog rekombination system. Desuden kan organismer mangler homolog rekombination modificeres for at forbedre gensplejsning som eksemplificeret ved deletion af gener involveret i ikke-homolog-end-sammenføjning i Neurospora crassa 18,19.

Her beskriver vi den offentliggjorte gendeletion strategi for U. maydis 7,9 i eksperimentel detaljer med fokus på hurtig og præcis kontrol af kandidaterne. Som et eksempel, bruger vi de svampeangreb chitinaser og skildrer generation af enkelte mutanter samt flere sletning stammer 20,21. Chitinaser er interessante eksempler, fordi de handler om kitin i stiv cellevæg. Cellevæg remodeling er påkrævet for morfologiske forandringer under celledeling, skifte til filamentøs vækst, og sporedannelse. Derfor, i deletionsmutanter kan forventes fænotyper hele livscyklussen.

Protocol

1. Generering af deletionskonstruktioner Generere et plasmid indeholdende deletion konstrukt (figur 1), der omfatter en respektiv 1 kb opstrøms flanke (UF) og nedstrøms flanke (DF) hver og den passende resistent kassette flankeret af blunt skærende restriktionssteder. BEMÆRK: kan bruges Enhver kloning strategi (til kloning se reference 22) anbefaler vi Golden Gate kloning for sådanne plasmider 9. Udskære deletion konstruere fra plasmidet under anve…

Representative Results

Sletningen konstruktioner for alle fire kitinolytisk gener kodet i U. maydis genom blev genereret af Golden Gate kloning ved hjælp af hygR kassette til sletning af cts1, den J.Clin.Natr til sletning af cts2, at G418R kassette til sletning af cts3 og cbxR til sletning af cts4 20. En generel oversigt over genudskiftningen strategi er eksemplificeret ved deletion af cts3 (figur 1).<…

Discussion

Denne protokol beskriver, hvordan at generere deletionsmutanter for reverse genetiske undersøgelser i U. maydis. Udgangspunktet er en deletion konstrukt, der indeholder flankerende sekvenser af genet af interesse, der indeholder sekvenser på ca. 1 kb opstrøms for starten og nedstrøms stop-codon samt et passende resistent kassette, som det tidligere blev optimeret 7,9 . Konstruktionerne har at være individuelt genereret for hvert gen og omhyggeligt kontrolleres for sekvensfejl før sletning genet…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Særlig tak til Dr. Benedikt Steuten for kritisk læsning af manuskriptet. Den oprindelige arbejde på chitinaser blev udført af Dr. Thorsten Langner. Laboratoriet for VG er støttet af Cluster of Excellence i Plant Sciences (CEPLAS, DFG EXC 1028) og BioSC er laboratorium KS støttet af BioSC. KB er støttet af BioSC. De videnskabelige aktiviteter Bioeconomy Science Center (BioSC) blev støttet af Ministeriet for Innovation, Videnskab og forskning inden for rammerne af NRW Strategieprojekt BioSC (nr 313 / 323-400-00213). LF er understøttet af en ph.d.-stipendium af DFG International Research Training Group 1525 iGRADplant.

Materials

Aminobenzoeic acid (Free Acid) Sigma Aldrich A-9878
Bacto Agar  BD 214010 alternatively use local supplier
Bacto Peptone BD 211677 alternatively use local supplier
Bacto Yeast Extract  BD 212750 alternatively use local supplier
CaCl2*2H2O Grüssing GmbH 10234 alternatively use local supplier
Ca-pantothenat (Hemi-Ca. salt) Sigma Aldrich P-2250
Carboxin  Sigma Aldrich 45371
Casamino acids  BD 223050
Cholinchlorid Sigma Aldrich C-1879
Citric acid ChemSolute 24,321,000 alternatively use local supplier
CuSO4*5H2O Fluka 61240 alternatively use local supplier
D(+)Sucrose  Roth 4621.1 alternatively use local supplier
DNA degr. free acid  Sigma-Aldrich D-3159
EDTA Sigma Aldrich E4378
FeCl3*6H2O Grüssing GmbH 10288 alternatively use local supplier
Geneticin (G418) disulfate salt Sigma Aldrich A1720
Trichoderma lysing enzymes Sigma Aldrich L1412
Glucose Caelo 2580 alternatively use local supplier
Glycerin  Fisher Chemical G065015 alternatively use local supplier
H3BO3 AppliChem A2940 Dangerous substance. Please check manufacturer's safety instructions.
Heparin sodium salt Sigma Aldrich H3393-50KU
Hygromycin B-solution Roth 1287.2 Dangerous substance. 
KCl VWR 26764298 alternatively use local supplier
KH2PO4 AppliChem A3620 alternatively use local supplier
MgSO4 waterfree Merck 7487-88-9 Water free is critical. Alternatively use local supplier
MnCl2*4H2O AppliChem A2087 alternatively use local supplier
myo-Inositol Sigma Aldrich I-5125
Na2-EDTA*2H2O AppliChem A2937 alternatively use local supplier
Na2MoO4*2H2O Roth 0274.2 alternatively use local supplier
Na2SO4 Grüssing GmbH 12174 alternatively use local supplier
NaCl Fisher Chemical S316060 alternatively use local supplier
NaOH ChemSolute 13,751,000 alternatively use local supplier
NH4NO3 Roth K299.1 alternatively use local supplier
Nicotinic acid (Free Acid) Sigma Aldrich N-4126
Nourseothricin dihydrogen sulfate   Werner BioAgents 5,001,000
Nutrient broth  Difco local suppliers
Phenol:Chloroform:Isoamyl Alcohol (25:24:1) pH 6.7 Sigma Aldrich P3803 Dangerous substance. Please check manufacturer's safety instructions.
polyethylene glycol (PEG) Sigma Aldrich P-3640
Potassium acetate AppliChem 121479 alternatively use local supplier
Pyridoxin (Monohydrochlorid) Sigma Aldrich P-9755
Riboflavin  Sigma Aldrich R4500
RNaseA Sigma Aldrich R5503
SDS Roth Cn30.3 alternatively use local supplier
small syringe BD 300300 alternatively use local supplier
sterile filter, 22 µm VWR 28145-477 alternatively use local supplier
Sorbitol Roth 6213.1 alternatively use local supplier
Thiamin-Hydrochloride Serva 36020.02 alternatively use local supplier
tri-Na-Citrate Fisher Chemical S332060 alternatively use local supplier
Tris- (hydroxymethyl) aminomethane VWR 103156X alternatively use local supplier
Tris hydrochloride Roth 9090.4 alternatively use local supplier
Triton X-100  Serva  37240 alternatively use local supplier
ZnCl2 Fluka 96470 alternatively use local supplier
Name Company Catalog Number Comments
Composition of solutions/preparation of material Composition of solutions
Carboxin Stock: 5 mg/ml in methanol, final concentration: 2 µg/ml
CM plates 0.25 % (w/v) Casamino acids, 0.1 % (w/v) Yeast Extract, 1.0 % (v/v) Holliday vitamin solution, 6.25 % (v/v); Holliday salt solution, 0.05 % (w/v) DNA degr. free acid, 0.15 % (w/v) NH4NO3, 2.0 % (w/v) Bacto Agar; adjust to pH 7.0 using 5 M NaOH; after autoclaving add 1 % glucose 
Geneticin (G418) Stock: 50 mg/ml in H2O, final concentration: 500 µg/ml
HCl-washed glass beads (0,35-0,45 mm) Cover glass beads with concentrated HCl (25 %, 7.8 M) and incubate for 60 min. Sway several times. Decant HCl (keep decanted liquid) and wash glass beads with 3 M HCl (keep decanted liquid). Wash glass beads several times with double distilled H2O until the pH is 7 (the liquid should not be yellow-green anymore). Aliquot the glass beads and dry them at 180 °C. The decanted HCl has to be neutralized before disposal. 
Heparin Stock: 15 mg/ml
Holliday salt solution 16.0 ‰ (w/v) KH2PO4, 4.0 ‰ (w/v) Na2SO4, 8.0 ‰ (w/v) KCl, 1.32 ‰ (w/v) CaCl2*2H2O, 8.0 ‰ (v/v) trace elements, 2.0 ‰ (w/v) MgSO4; sterile filtrate
Holliday vitamin solution  0.1‰ (w/v) Thiamin, 0.05‰ (w/v) Riboflavin, 0.05‰ (w/v) Pyridoxin, 0.2‰ (w/v) Ca-Pantothenat, (0.05‰ (w/v) Aminobenzoeic acid, 0.2‰ (w/v) Nicotinic acid, 0.2‰ (w/v) Cholinchlorid, 1.0‰ (w/v) myo-Inositol; may be stored at -20 °C
Hygromycin Stock: 50 mg/ml in PBS, final concentration: 200 µg/ml
Nourseothricin Stock: 200 mg/ml in H2O, final concentration: 150 µg/ml
NSY-glycerol-medium 0.8 % (w/v) Nutrient Broth, 0.1 % (w/v) Yeast Extract, 0.5 % (w/v) Sucrose,  80.0 % (v/v) 87% Glycerin (f.c. 69.6%) 
RegLight 1.0% (w/v) Yeast Extract  0.4 % (w/v) Bacto Peptone, 0.4 % (w/v) Sucrose, 18.22 % (w/v) Sorbitol, 1.5 % (w/v) Agar
SCS, pH 5.8 Solution 1: 20 mM tri-Na-citrate, 1 M Sorbitol; colution 2: 20 mM Citric acid, 1 M Sorbitol, add solution 2 into solution 1 until pH 5.8 is reached; autoclave
STC, pH 8 1 M Sorbitol, 10 mM Tris-HCl pH 7.5, 100 mM CaCl2; filter sterile
STC/PEG 40 % (v/v) PEG in STC-buffer 
TE buffer, pH 8 1.31 mM Tris-Base, 8.69 mM Tris-HCl, 10 mM Na2-EDTA*2H2O
TE/RNase 10 µg/ml RNaseA in TE buffer
Trace elements 0.06‰ (w/v) H3BO3, 0.14‰ (w/v) MnCl*4H2O, 0.4 ‰ (w/v) ZnCl2, 0.4 ‰ (w/v) Na2MoO4*2H2O, 0.1 ‰ (w/v) FeCl3*6H2O, 0.04‰ (w/v) CuSO4*5H2O
Trichoderma lysing enzymes solution 12.5 mg/ml SCS; filter sterile; prepare shortly before use
Tris-HCl pH 7.5 806 mM Tris-HCl, 194 mM Tris-Base; check the pH and if necessary adjust with HCl; autoclave
Usti-lysis buffer 1, pH 8 10 mM Tris-HCl (pH 8.0), 10 mM NaCl, 1 % (w/v) SDS, 2 % (v/v) TritonX-100, 1 mM EDTA. Do not measure pH using pH meter. 
Usti-lysis buffer 2 mix Usti lysis buffer 1 with 1 x TE in a 1:1 ratio
YEPS-Light medium 1.0% (w/v) Yeast Extract, 0.4% (w/v) Bacto Peptone, 0.4% (w/v) Sucrose, for plates: 1.5% (w/v) Bacto Agar

References

  1. Dean, R., et al. The Top 10 fungal pathogens in molecular plant pathology. Molecular Plant Pathology. 13, 414-430 (2012).
  2. Vollmeister, E., et al. Fungal development of the plant pathogen Ustilago maydis. Fems Microbiol Rev. 36, 59-77 (2012).
  3. Banuett, F. Ustilago maydis, the delightful blight. Trends in Genetics. 8, 174-180 (1992).
  4. Holloman, W. K., Schirawski, J., Holliday, R. The homologous recombination system of Ustilago maydis. Fungal Genetics and Biology. 45, S31-S39 (2008).
  5. Feldbrügge, M., Kämper, J., Steinberg, G., Kahmann, R. Regulation of mating and pathogenic development in Ustilago maydis. Current Opinion in Microbiology. 7, 666-672 (2004).
  6. Ökmen, B., Doehlemann, G. Inside plant: Biotrophic strategies to modulate host immunity and metabolism. Current Opinion in Plant Biology. 20, 19-25 (2014).
  7. Brachmann, A., König, J., Julius, C., Feldbrügge, M. A reverse genetic approach for generating gene replacement mutants in Ustilago maydis. Molecular Genetics and Genomics. 272, 216-226 (2004).
  8. Kämper, J. A PCR-based system for highly efficient generation of gene replacement mutants in Ustilago maydis. Molecular Genetics and Genomics. 271, 103-110 (2004).
  9. Terfrüchte, M., et al. Establishing a versatile Golden Gate cloning system for genetic engineering in fungi. Fungal Genetics and Biology. 62, 1-10 (2014).
  10. Kämper, J., et al. Insights from the genome of the biotrophic fungal plant pathogen Ustilago maydis. Nature. 444, 97-101 (2006).
  11. Chavan, S., Smith, S. M. A Rapid and Efficient Method for Assessing Pathogenicity of Ustilago maydis on Maize and Teosinte Lines. Journal of Visualized Experiments. (83), e50712 (2014).
  12. Khrunyk, Y., Münch, K., Schipper, K., Lupas, A. N., Kahmann, R. The use of FLP-mediated recombination for the functional analysis of an effector gene family in the biotrophic smut fungus Ustilago maydis. New Phytologist. 187, 957-968 (2010).
  13. van Peer, A. F., de Bekker, C., Vinck, A., Wösten, H. A. B., Lugones, L. G. Phleomycin Increases Transformation Efficiency and Promotes Single Integrations in Schizophyllum commune. Appl Environ Microb. 75, 1243-1247 (2009).
  14. Sarkari, P., et al. Improved expression of single-chain antibodies in Ustilago maydis. Journal of Biotechnology. 191, 165-175 (2014).
  15. Schirawski, J., Heinze, B., Wagenknecht, M., Kahmann, R. Mating type loci of Sporisorium reilianum: Novel pattern with three a and multiple b specificities. Eukaryotic Cell. 4, 1317-1327 (2005).
  16. Cervantes-Chavez, J. A., Ali, S., Bakkeren, G. Response to Environmental Stresses, Cell-wall Integrity, and Virulence Are Orchestrated Through the Calcineurin Pathway in Ustilago hordei. Mol Plant Microbe In. 24, 219-232 (2011).
  17. Yu, J. J., et al. An efficient genetic manipulation protocol for Ustilago esculenta. FEMS Microbiology Letters. 362, (2015).
  18. Ninomiya, Y., Suzuki, K., Ishii, C., Inoue, H. Highly efficient gene replacements in Neurospora strains deficient for nonhomologous end-joining. P Natl Acad Sci USA. 101, 12248-12253 (2004).
  19. Colot, H. V., et al. A high-throughput gene knockout procedure for Neurospora reveals functions for multiple transcription factors. P Natl Acad Sci USA. 103, 10352-10357 (2006).
  20. Langner, T., et al. Chitinases Are Essential for Cell Separation in Ustilago maydis. Eukaryot Cell. 14, 846-857 (2015).
  21. Langner, T., Göhre, V. Fungal chitinases: function, regulation, and potential roles in plant/pathogen interactions. Current Genetics. , (2015).
  22. Sambrook, J., Fritsch, E. F., Maniatis, T. . Molecular Cloining: a laboratry manual. , (1989).
  23. Brachmann, A., Weinzierl, G., Kämper, J., Kahmann, R. Identification of genes in the bW/bE regulatory cascade in Ustilago maydis. Molecular Microbiology. 42, 1047-1063 (2001).
  24. Becht, P., Vollmeister, E., Feldbrügge, M. Role for RNA-binding proteins implicated in pathogenic development of Ustilago maydis. Eukaryotic Cell. 4, 121-133 (2005).
  25. Vollmeister, E., et al. Tandem KH domains of Khd4 recognize AUACCC and are essential for regulation of morphology as well as pathogenicity in Ustilago maydis. RNA. 15, 2206-2218 (2009).
  26. Stock, J., et al. Applying unconventional secretion of the endochitinase Cts1 to export heterologous proteins in Ustilago maydis. Journal of Biotechnology. 161, 80-91 (2012).
  27. Baumann, S., Pohlmann, T., Jungbluth, M., Brachmann, A., Feldbrügge, M. Kinesin-3 and dynein mediate microtubule-dependent co-transport of mRNPs and endosomes. Journal of Cell Science. 125, 2740-2752 (2012).
  28. Pohlmann, T., Baumann, S., Haag, C., Albrecht, M., Feldbrügge, M. A FYVE zinc finger domain protein specifically links mRNA transport to endosome trafficking. eLife. 4, (2015).
  29. Kronstad, J. W., Leong, S. A. Isolation of two Alleles of the b-Locus of Ustilago. P Natl Acad Sci USA. 86, 978-982 (1989).
  30. Koepke, J., et al. The RNA-binding protein Rrm4 is essential for efficient secretion of endochitinase Cts1. Molecular & cellular proteomics. 10, (2011).
  31. Schuler, D., et al. Hxt1, a monosaccharide transporter and sensor required for virulence of the maize pathogen Ustilago maydis. New Phytologist 206. , 1086-1100 (2015).
  32. Schuster, M., Schweizer, G., Reissmann, S., Kahmann, R. Genome editing in Ustilago maydis using the CRISPR-Cas system. Fungal Genetics and Biology. , (2015).
check_url/54522?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Bösch, K., Frantzeskakis, L., Vraneš, M., Kämper, J., Schipper, K., Göhre, V. Genetic Manipulation of the Plant Pathogen Ustilago maydis to Study Fungal Biology and Plant Microbe Interactions. J. Vis. Exp. (115), e54522, doi:10.3791/54522 (2016).

View Video