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Method Article
Dieses Protokoll beschreibt die Nutzung der Agrobacterium tumefaciens-vermittelten Transformation (AMT) zur Integration von Genen von Interesse in das Kerngenom der grünen Mikroalge Chlorella vulgaris, was zur Produktion stabiler Transformanten führt.
Die Agrobacterium tumefaciens-vermittelte Transformation (AMT) dient als weit verbreitetes Werkzeug zur Manipulation von Pflanzengenomen. A. tumefaciens weist jedoch die Fähigkeit auf, Gene auf eine Vielzahl von Arten zu übertragen. Zahlreichen Mikroalgenarten fehlen etablierte Methoden, um interessante Gene zuverlässig in ihr Kerngenom zu integrieren. Um die potenziellen Vorteile der Mikroalgenbiotechnologie zu nutzen, sind einfache und effiziente Werkzeuge zur Genommanipulation von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit wird ein optimiertes AMT-Protokoll für die industrielle Mikroalgenart Chlorella vulgaris vorgestellt, das das grün fluoreszierende Reporterprotein (mGFP5) und den Antibiotikaresistenzmarker für Hygromycin B verwendet. Mutanten werden durch Plattierung auf Tris-Acetat-Phosphat (TAP)-Medien ausgewählt, die Hygromycin B und Cefotaxim enthalten. Die Expression von mGFP5 wird nach über zehn Generationen der Subkultivierung mittels Fluoreszenz quantifiziert, was auf eine stabile Transformation der T-DNA-Kassette hinweist. Dieses Protokoll ermöglicht die zuverlässige Generierung mehrerer transgener C. vulgaris-Kolonien in weniger als zwei Wochen unter Verwendung des kommerziell erhältlichen Pflanzenexpressionsvektors pCAMBIA1302.
Agrobacterium tumefaciens, ein gramnegatives bodenbürtiges Bakterium, besitzt eine einzigartige Fähigkeit zum Gentransfer zwischen den Königreichen, was ihm den Titel "natürlicher Gentechniker"1 eingebracht hat. Dieses Bakterium kann DNA (T-DNA) von einem tumorinduzierenden Plasmid (Ti-Plasmid) über ein Typ-IV-Sekretionssystem in Wirtszellen übertragen, was zur Integration und Expression der T-DNA in das Wirtsgenom führt 1,2,3,4. In der Natur führt dieser Prozess bei Pflanzen zur Tumorbildung, die allgemein als Kronengallenkrankheit bekannt ist. Agrobacterium kann T-DNA jedoch auch in verschiedene andere Organismen übertragen, darunter Hefen, Pilze, Algen, Seeigelembryonen und sogar menschliche Zellen unter Laborbedingungen 5,6,7,8.
Unter Ausnutzung dieses natürlichen Systems ermöglicht die Agrobacterium tumefaciens-vermittelte Transformation (AMT) die zufällige Integration von Genen von Interesse in das Kerngenom einer Wirtszelle, indem die T-DNA-Region des Ti-Plasmids modifiziert wird. Zu diesem Zweck ist pCAMBIA13029 ein weit verbreiteter AMT-Pflanzenexpressionsvektor. Forscher können einfache Klonierungs-Workflows in E. coli anwenden, bevor sie den gewünschten Vektor in A. tumefaciens übertragen, um ihn anschließend auf den interessierenden Wirt zu übertragen.
Grüne Mikroalgen sind Eukaryoten, die viele Ähnlichkeiten mit Landpflanzen haben, aber sehr widerspenstig gegenüber gentechnischen Veränderungen sind. Die genetische Transformation spielt jedoch sowohl in der Grundlagen- als auch in der biotechnologischen Erforschung von Mikroalgen eine entscheidende Rolle. In mehreren Mikroalgenarten, insbesondere Chlamydomonas reinhardtii, hat die genetische Transformation durch AMT erfolgreich Transgene wie humanes Interleukin-2 (hIL-2), die Coronavirus-2-Rezeptor-Bindungsdomäne des schweren akuten respiratorischen Syndroms (SARS-CoV-2 RBD) und zwei antimikrobielle Peptide (AMPs) eingeführt10,11,12,13. Unter diesen hat Chlorella vulgaris, eine weniger anspruchsvolle und schnell wachsende Grünalgenart, ein erhebliches Potenzial für die nachhaltige Produktion von Kohlenhydraten, Proteinen, Nutrazeutika, Pigmenten und anderen hochwertigen Verbindungen14. Der Mangel an zuverlässigen Werkzeugen zur Herstellung transgener Stämme von C. vulgaris behindert jedoch den kommerziellen Fortschritt. Da es nur eine begrenzte Anzahl von Veröffentlichungen gibt, die AMT in C. vulgaris15 verwenden, und angesichts der erheblichen Unterschiede zwischen Pflanzen- und Mikroalgenkultivierung, ist eine Optimierung des AMT-Protokolls unerlässlich.
In dieser Studie fügten die Forscher grün fluoreszierendes Protein (mGFP5) stromabwärts des 35S-Promotors des Blumenkohlmosaikvirus (CamV) ein und fügten einen Histidin-Tag hinzu, um es als Reportergen für die Proteinexpression zu verwenden. Die Transformanten wurden mit Hygromycin B ausgewählt, und nach einer Subkultivierung über zwanzig Generationen blieb die Transformation stabil. Das in dieser Arbeit verwendete pCAMBIA1302-Plasmid kann leicht angepasst werden, um jedes Gen von Interesse zu enthalten. Des Weiteren können die vorgestellte Methode und Materialien für andere Grünalgenarten mit einem aktiven CamV35S-Promotor angepasst werden, da dieser Promotor für die Hygromycin-Selektion verwendet wird.
Alle Medien und Lösungen müssen vor der Verwendung autoklaviert werden, sofern nicht anders angegeben. Alle Zentrifugenröhrchen, Pipettenspitzen usw. sollten vor Gebrauch steril oder autoklaviert sein. Zur leichteren Referenz sind die in diesem Protokoll verwendeten Medienrezepte in Tabelle 1 aufgeführt.
1. Herstellung von elektrokompetenten Zellen von A. tumefaciens
2. Elektroporation von A. tumefaciens
3. AMT von C. vulgaris
HINWEIS: Bereiten Sie die Kulturen von C. vulgaris (UTEX 395, siehe Materialtabelle) und A. tumefaciens parallel für die Co-Kultivierung vor. Mit der Kultivierung von C. vulgarisollte 3 Tage vor der Aufbereitung von A. tumefaciens-Kulturen begonnen werden. Das Protokoll wurde auf der Grundlage des von Kumar et al. veröffentlichten Protokolls modifiziert.7.
4. Kolonie-PCR (cPCR) zur Bestätigung der Genintegration in C. vulgaris-Transformanten
5. Messung der Fluoreszenz von Transformanten
6. Rohproteinextraktion, Proteinreinigung und SDS-PAGE-Elektrophorese
Um eine erfolgreiche Transformation mit der oben genannten Methode zu zeigen, wurde C. vulgaris entweder mit AGL-1 kokultiviert, das das pCAMBIA1302-Plasmid enthielt, oder ohne das Plasmid (Wildtyp und plattiert auf TAP-Agar, ergänzt mit Hygromycin B und Cefotaxim (Abbildung 1A). Die linke Platte zeigt die transformierten Kolonien, die auf Hygromycin B/Cefotaxim-Platten wachsen können, und die mittlere Platte zeigt, dass Wildtyp-AGL-1 nicht auf den Hygromycin B/Cefotaxim-Platten w...
Die Effizienz der Transformation ist mit mehreren verschiedenen Parametern verbunden. Die Wahl der A. tumefaciens-Stämme, die für AMT verwendet werden, ist entscheidend. AGL-1 ist einer der invasivsten Stämme, die entdeckt wurden, und wird aus diesem Grund routinemäßig in pflanzlichen AMT eingesetzt. Die Ergänzung des Induktionsmediums mit Glukose (15-20 mM) ist ebenfalls wichtig für die AMT-Effizienz. In Anbetracht der Tatsache, dass C. vulgaris sowohl unter phototrophen als auch unter heterotro...
Es wurden keine Interessenkonflikte gemeldet.
Die Autoren danken Prof. Paul Hooykaas für die freundliche Bereitstellung des pCAMBIA1302-Vektors und des Agrobacterium tumefaciens AGL1 vom Institut für Biologie Leiden, Universität Leiden, Niederlande. Die Autoren danken auch Eva Colic für ihre Hilfe bei der Züchtung der fluoreszierenden Transformanten. Diese Arbeit wurde vom Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada und dem Mitacs Accelerate-Programm finanziert.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 Kb Plus DNA ladder | FroggaBio | DM015 | |
Acetosyringone | Fisher Scientific | D26665G | |
Agrobacterium tumefaciens | Gold Biotechnologies | Strain: AGL-1; Gift from Prof. Paul Hooykaas | Genotype: C58 RecA (RifR/CarbR) pTiBo542DT-DNA |
Biotin | Enzo Life Sciences | 89151-400 | |
CaCl2·2H2O | VWR | BDH9224-1KG | |
Cefotaxime | AK Scientific | J90010 | |
Chlorella vulgaris | University of Texas at Austin Culture Collection of Algae | Strain: UTEX 395 | Wildtype strain |
CoCl2·6H2O | Sigma Aldrich | C8661-25G | |
CuSO4·5H2O | EMD Millipore | CX2185-1 | |
FeCl3·6H2O | VWR | BDH9234-500G | |
Gene Pulser Xcell Electroporator | Bio-Rad | 1652662 | Main unit equipped with PC module. |
GeneJET Plant Genome Purification Kit | Thermo Scientific | K0791 | |
Glacial acetic acid | VWR | CABDH3093-2.2P | |
Glycerol | BioBasic | GB0232 | |
HEPES Buffer | Sigma Aldrich | H-3375 | |
Hygromycin B | Fisher Scientific | AAJ6068103 | |
K2HPO4 | VWR | BDH9266-500G | |
Kanamycin | Gold Biotechnologies | K-250-25 | |
KH2PO4 | VWR | BDH9268-500G | |
MgSO4·7H2O | VWR | 97062-134 | |
MnCl2·4H2O | JT Baker | BAKR2540-01 | |
Na2CO3 | VWR | BDH7971-1 | |
Na2EDTA·2H2O | JT Baker | 8993-01 | |
Na2MoO4·2H2O | JT Baker | BAKR3764-01 | |
NaCl | VWR | BDH7257-7 | |
NaH2PO4 H2O | Millipore Sigma | CA80058-650 | |
NaNO3 | VWR | BDH4574-500G | |
NEBExpress Ni Resin | NewEngland BioLabs | NEB #S1427 | |
NH4Cl | VWR | BDH9208-500G | |
pCAMBIA1302 | Leiden University | Gift from Prof. Paul Hooykaas | pBR322, KanR, pVS1, T-DNA(CaMV 35S/HygR/CaMV polyA, CaMV 35S promoter/mgpf5-6xhis/NOS terminator) |
Polypropylene Columns (5 mL) | QIAGEN | 34964 | |
Precision Plus Protein Unstained Protein Standards, Strep-tagged recombinant, 1 mL | Bio-Rad | 1610363 | |
Rifampicin | Millipore Sigma | R3501-1G | |
SunBlaster LED Strip Light 48 Inch | SunBlaster | 210000000906 | |
Synergy 4 Microplate UV/Vis spectrometer | BioTEK | S4MLFPTA | |
Tetracycline | Thermo Scientific Chemicals | CAAAJ61714-14 | |
TGX Stain-Free FastCast Acrylamide Kit, 12% | Bio-Rad | 1610185 | |
Thiamine | TCI America | T0181-100G | |
Tris Base | Fisher Scientific | BP152-500 | |
Tryptone | BioBasic | TG217(G211) | |
Vitamin B12 (cyanocobalamin) | Enzo Life Sciences | 89151-436 | |
Yeast Extract | BioBasic | G0961 | |
ZnSO4·7H2O | JT Baker | 4382-01 |
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