Bitki patojeni olarak genetik manipülasyonu<em> Ustilago maydis</em> Mantar Biyoloji ve Bitki Mikrop Etkileşimleri Eğitim için
Summary
Genetik Ustilago Maydis'in karalamak mantar işlemek için Biz sağlam bir gen değiştirme stratejisini açıklar. Bu protokol enfeksiyon fenotipleri araştırmak için silme mutantlarını üretmek açıklar. Bir floresan protein etiketi kodlayan bir sekansı ilave olarak, örneğin, arzu edilen herhangi bir şekilde, genleri değiştirme uzatılabilir.
Abstract
Gen silinmesi gen fonksiyonu analizi önemli bir rol oynar. hedefli bir şekilde genlerin bozmaya en etkin yöntemlerden biri, homolog rekombinasyon yoluyla bir seçilebilir marker ile bütün gen yerine geçer. Homolog rekombinasyon sırasında DNA değişimi, yüksek benzerliğe sahip sekanslar arasında yer alır. Bu nedenle, hedef gene komşu lineer genomik diziler spesifik olarak arzu edilen entegrasyon sitesine bir seçilebilir işaret doğrudan kullanılabilir. Silme yapısının kör uçlar hücrenin DNA onarım sistemleri aktive edebilir ve böylece homolog rekombinasyon yoluyla ya da homolog olmayan uca birleştirilmesi yoluyla yapının entegrasyonu teşvik. verimli homolog rekombinasyon ile organizmalar, başarılı gen silme oranı% 50'den fazla, bu strateji değerli bir gen bozulması sistemi yapım ulaşabilir. Ustilago Maydis'in rastık mantarı gibi verimli homolog Rekombinant gösteren bir ökaryotik bir model mikroorganizmadıriyon. Bunu yaklaşık 6.900 gen dışında, bir çok işlevsel silme mutantları yardımıyla karakterize edilmiştir, ve gen temel işlevi de gen değiştirme girişimleri Puan yetmezliği tekrarladı. floresan işaretleri veya tahmin etki mutasyonlar ile etiketleyerek gen işlevi sonraki karakterizasyonu da homolog rekombinasyon yoluyla DNA değişimine dayanır. Burada, biz U. sunuyoruz En basit örnek, gen silme işlemini kullanarak detaylı Maydis zorlanma nesil stratejisi.
Introduction
Ustilago maydis yıllardır 1,2 yoğun çalışılmıştır bir fitopatojenik bir model mantardır. Bu iki morfoloji, bir maya gibi, patojenik olmayan aşamasında ve filamentli, enfeksiyöz bir şekilde 3 bulunmaktadır. Örneğin homolog rekombinasyon ve DNA tamir mekanizmaları gibi evrensel atılım bulgu, bu mantar 4 maya benzeri büyüme aşamasında yapılmıştır. Ayrıca, enfeksiyon için önemli bir enfeksiyon filament ve hastalık oluşturma faktörlerinin morfolojik anahtarı 5,6, iyi karakterize edilmiştir. Bu kurum mantar biyoloji ve virülans hakkında artan moleküler bilgi mükemmel bir genom açıklama 10 ve kullanılarak ters genetik kolaylığı, örneğin, bizim enstitüsünde iyi organize plazmid toplama (http tarafından desteklenen basit bir gen değiştirme stratejisi 7-9 dayanır : //www.mikrobiologie.hhu.de/ustilago-community.html). mısır s standartlaştırılmış, hızlı enfeksiyon deneylerieedlings patojenite detaylı çalışmalar 11 faktörleri tanır.
U. genomu maydis yaklaşık 6.900 gen 10 içerir. onların işlevini incelemek için, onlar nedeniyle etkin bir homolog rekombinasyon sistemi tek başına veya birlikte silinebilir. Mükemmel homolog uçlarını ihtiva eden yaklaşık 1 kb'lik yanında bulunan bölgeler% 50'den daha büyük, homolog rekombinasyon oranları için idealdir, ama homolog olmayan uç ile daha önce 250 bp yapının 9 doğru entegrasyon bir dereceye kadar izin verir. Şu anda, beş farklı direnç kaseti, higromisin, karboksin, nourseothricin, G418 ve fleomisin karşı direnç aracılık hygR, cbxR, NATR, G418R ve phleoR, transformantların 7,9 seçmek için kullanılır. Buna ek olarak, higromisin direnci, heterolog bir FLP yeniden bağlayıcı 12 geçici ifade ile çıkarılabilir geri dönüşümlü bir kaset (STT-hygR) olarak geliştirilmiştir. Bu direnç kasetin ve böylece teori sınırsız genetik modifikasyon olarak kaldırılmasını sağlar. Fleomisin yeni kasetler ile, geri dönüşümlü hygR kaseti, özellikle phleoR kullanımı azalmaktadır, böylece 13 mutajen. Dörtlü mutantlar, böylece, diğer dört kasetleri kullanılarak üretilebilir, ancak beşli mutantlar için, FRT-hygR sistemi 14 önerilir.
Bu genel gen silme stratejisi başarıyla gibi Sporisorium reilianum 15, U. gibi diğer karalamak mantarlara devredilmiştir hordei 16 veya A.B.D. esculenta 17 ve bu nedenle verimli bir homolog rekombinasyon sistemi ile henüz genetik dirençli organizmaların daha fazla uygulamalar için potansiyel sunmaktadır. yer alan genlerin silinmesi ile örneklendiği gibi Ayrıca, homolog yeniden birleştirmeye yoksun organizmaların genetik mühendisliği geliştirmek için modifiye edilebilir homolog olmayan-enD-katılmadan Neurospora crassa 18,19 yılında.
Burada U. için yayınlanan gen silme stratejisini açıklamak adayların hızlı ve doğru doğrulama odaklanarak deneysel detaylı 7,9 Maydis'in. Bir örnek olarak, mantar şitinaz Tek ve mutantların üretilmesinden oluşmaktadır ve birden fazla silme 20,21 suşları tasvir etmektedir. Onlar sert hücre duvarında kitin üzerinde hareket çünkü kitinazlarve ilginç örneklerdir. Hücre duvarı yeniden şekillenme hücre bölünmesi sırasında morfolojik değişiklikler için gerekli olan, ipliksi büyüme ve spor oluşumuna geçin. Dolayısıyla, silme mutantlar süresi boyunca fenotipleri beklenebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol U ters genetik çalışmalar için silme mutantlar oluşturmak açıklamaktadır maydis. Başlangıç noktası bir önceki 7,9 optimize gen-faiz 1 başlangıç yukan ve durdurma kodonundan aşağı doğru kb olarak uygun bir direnç kaseti sekanslarını ihtiva eden kuşatıcı sekanslar içeren bir silme konstruktu olup . yapıları tek tek her gen için oluşturulan ve dikkatle geni silmeden önce dizi hatalar için doğrulanacak var. dış yan yüzleri komşu gen içine ulaşm…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
yazının eleştirel okuma Dr. Benedikt Steuten özel teşekkürler. kitinazlarve orijinal eser Dr. Thorsten Langner tarafından yürütülmüştür. VG laboratuvar Bitki Bilimleri Mükemmellik (CEPLAS, DFG EXC 1028) ve BioSC ve Cluster tarafından desteklenen, KS laboratuvar BioSC tarafından desteklenmektedir. KB BioSC tarafından desteklenmektedir. Bioeconomy Bilim Merkezi (BioSC) bilimsel faaliyetleri maddi NRW Strategieprojekt BioSC (No 313 / 323-400-00213) çerçevesinde Yenilik, Bilim ve Araştırma Bakanlığı tarafından desteklendi. LF DFG Uluslararası Araştırma Eğitim Grubu 1525 iGRADplant bir doktora burs tarafından desteklenmektedir.
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
- Dean, R., et al. The Top 10 fungal pathogens in molecular plant pathology. Molecular Plant Pathology. 13, 414-430 (2012).
- Vollmeister, E., et al. Fungal development of the plant pathogen Ustilago maydis. Fems Microbiol Rev. 36, 59-77 (2012).
- Banuett, F. Ustilago maydis, the delightful blight. Trends in Genetics. 8, 174-180 (1992).
- Holloman, W. K., Schirawski, J., Holliday, R. The homologous recombination system of Ustilago maydis. Fungal Genetics and Biology. 45, S31-S39 (2008).
- 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).
- Ökmen, B., Doehlemann, G. Inside plant: Biotrophic strategies to modulate host immunity and metabolism. Current Opinion in Plant Biology. 20, 19-25 (2014).
- 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).
- 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).
- Terfrüchte, M., et al. Establishing a versatile Golden Gate cloning system for genetic engineering in fungi. Fungal Genetics and Biology. 62, 1-10 (2014).
- Kämper, J., et al. Insights from the genome of the biotrophic fungal plant pathogen Ustilago maydis. Nature. 444, 97-101 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sarkari, P., et al. Improved expression of single-chain antibodies in Ustilago maydis. Journal of Biotechnology. 191, 165-175 (2014).
- 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).
- 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).
- Yu, J. J., et al. An efficient genetic manipulation protocol for Ustilago esculenta. FEMS Microbiology Letters. 362, (2015).
- 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).
- 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).
- Langner, T., et al. Chitinases Are Essential for Cell Separation in Ustilago maydis. Eukaryot Cell. 14, 846-857 (2015).
- Langner, T., Göhre, V. Fungal chitinases: function, regulation, and potential roles in plant/pathogen interactions. Current Genetics. , (2015).
- Sambrook, J., Fritsch, E. F., Maniatis, T. . Molecular Cloining: a laboratry manual. , (1989).
- 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).
- Becht, P., Vollmeister, E., Feldbrügge, M. Role for RNA-binding proteins implicated in pathogenic development of Ustilago maydis. Eukaryotic Cell. 4, 121-133 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Koepke, J., et al. The RNA-binding protein Rrm4 is essential for efficient secretion of endochitinase Cts1. Molecular & cellular proteomics. 10, (2011).
- 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).
- Schuster, M., Schweizer, G., Reissmann, S., Kahmann, R. Genome editing in Ustilago maydis using the CRISPR-Cas system. Fungal Genetics and Biology. , (2015).
