식물 발기인 분석: 식별 및 일반적인 콩에서 루트 결 절 특정 발기인의 특성

요약

발기인 식 분석은 유전자 규정의 이해 및 대상 유전자의 spatiotemporal 식 개선에 중요 한. 여기 우리는 식별, 격리, 식물 발기인을 복제 하는 프로토콜을 제시. 또한, 우리는 일반적인 콩 털이 뿌리에 결 절 특정 발기인의 특성을 설명합니다.

초록

업스트림 시퀀스 시퀀스를 코딩 하는 유전자의 발기인 시퀀스도 불린다. 발기인의 식 패턴을 공부 하는 것은 유전자 규정과 spatiotemporal 식 패턴 대상 유전자의 이해에 매우 중요 한입니다. 다른 한편으로, 그것은 또한 발기인 평가 도구와, 효율적으로, 신속 하 고 재현할 수 있는 유전자 변환 기술을 확립에 중요 한. 이 연구에서 우리는 유전자 변형 털 뿌리에 Phaseolus vulgaris 의 rhizobial 공생 특정 결 절 개시 (NIN) 발기인의 spatiotemporal 식 패턴 조사. 식물 게놈 데이터베이스와 식별, 분석 도구를 사용 하 여 격리, 그리고 복제 공상 기자 transcriptional 퓨전에 P. vulgaris 닌 발기인 β-glucuronidase (거 스) 거 스 enhanced::GFP. 또한,이 프로토콜 P. vulgaris Agrobacterium rhizogenes 유도 털 뿌리를 사용 하 여 유전자 변환의 신속 하 고 다양 한 시스템을 설명 합니다. 이 시스템은 변환 후 10 ~ 12 일에 ≥2 cm 털 뿌리를 생성합니다. 다음으로, 우리 Rhizobium 접종 후 접종의 정기적으로 털 뿌리에 닌 발기인의 spatiotemporal 식 평가. GUS 활동에 의해 묘사 된 우리의 결과 표시 닌 발기인 nodulation의 과정에서 활동적 이었다. 함께, 현재 프로토콜 식별, 격리, 복제, 그리고 일반적인 콩 털이 뿌리에서 식물 발기인을 특성화 하는 방법을 보여 줍니다. 또한,이 프로토콜은 비 전문 실험실에서 사용 하기 쉬운입니다.

서문

발기인은 관심사의 유전자의 표현 규제 이해에 중요 한 역할을 하는 중요 한 분자 생물학적 도구. 프로모터는 상류에 있는 DNA 순서는 번역의 개시 코 돈 유전자의 순서 그리고 그들이 유전자;의 중앙 규제 정보 따라서, 그들의 올바른 주석 및 특성화는 유전자 기능을 이해 하는 중요 한. 식 패턴에 따라 공장 발기인 구성, 조직, 또는 개발 단계 관련 및 유도할 수 있는¹으로 분류 됩니다. Transcriptomic 기술, 컴퓨터 모델링, 개선 및 다양 한 식물 종에 대 한 게놈 시퀀스의 수를 증가의 가용성 발기인 시퀀스²의 대규모 예측을 촉진 했습니다.

다른 한편으로, 그것은 또한 발기인 평가 도구와, 효율적으로, 신속 하 고 재현할 수 있는 유전자 변환 기술을 확립에 중요 한. 다른 모델 식물 달리 일반적인 콩 콩과 식물 (P. vulgaris) 유전자의 기능 특성의 안정적인 유전자 변환에 대 한 sp. Phaseolus 완강히 특성상 주로 장애가. 일시적인 변환 시스템 빠른 유전자 기능 분석 연구³에 대 한 대체 역할을 합니다. 콩과 공생 연구, 콩과 식물 호스트 공장 및 rhizobial 박테리아 사이의 상호 작용 발기인 연구 및 결 절 특정 유전자의 기능 분석에 대 한 가장 온순한 모델 시스템 중 하나입니다. 지금까지,이 공생에 관련 된 여러 가지 콩과 발기인 되었습니다 특징, 즉, 개자리속 truncatula PT4⁴, SWEET11⁵, 로터스 나무 키 클 롭 스, UBQ⁶, VAG1⁷, 글리신 최대 PT5 ⁸, Exo70J⁹, P. vulgaris RbohB^10,11,12, TRE1¹³, PI3K¹⁴, 토르¹⁵, 등. Cis 요소 직접 영향을 미치는 유전자 규칙. 녹음 방송 요인 ENBP1A의 초기 nodulin VfENOD12, Cis 규제 지역 (bp −692)에 한다이 얼 faba¹⁶의 결 절 primordia에서 취재 원 유전자의 표현을 용이 하 게 한다. Cis 규제 지역의 교체 (−48 bp −161) 결 절 특정 발기인의 leghemoglobin GLB3는 분리와 발기인 δ-p35S 및 δ-pNOS, 결 절 특이성의 손실 귀착되 었 다 잘리고 발기인 활동^{17 감소} .

이전 보고서 표시 녹음 방송 요인 닌 루트 머리 세포에 rhizobial 감염의 개시에 필요한 고도 결 절 organogenesis L. 나무¹⁸에 대 한 필수적 이다. 현재 연구에서 우리는 식별, 격리, 복제 및 일반적인 콩 털이 뿌리에 결 절 특정 발기인의 특성에 대 한 프로토콜을 설명 합니다. 이 위해 우리 P. vulgaris 의 rhizobial 공생 전용 닌 발기인을 선택 하 고 공상 기자 거 스 enhanced::GFP transcriptional 퓨전에 복제. 또한,이 프로토콜 P. vulgaris A. rhizogenes 유도 털 뿌리를 사용 하 여 유전자 변환의 신속 하 고 다양 한 시스템을 설명 합니다. 이 시스템은 변환 후 2 주 미만에 털이 뿌리를 생성합니다. 마지막으로, 우리는 거 스 얼룩에 의해 식민지 rhizobia 루트 혹에서 닌 발기인의 spatiotemporal 식 평가.

여기에 설명 된 절차는 콩과 식물 식물의 nodulation 및 mycorrhization¹¹ 의 연구 뿐만 아니라 뿌리¹⁹에서 발기인 식 패턴의 연구에 대 한 유용할 수 있습니다. 또한,이 프로토콜은 비 전문 실험실에서 사용 하기 쉬운입니다.

프로토콜

1. 식별, 격리 및 피 Vulgaris 닌 발기인의 복제

1. 관심사의 유전자의 발기인 순서를 식별 합니다. 일부의 게놈 데이터베이스와 분석 도구 Phytozome, 합 식물, NCBI, 등 A 콩과 발기인 P. vulgaris 닌 (PvNIN; 식물에 사용할 수 있는 Phvul.009G115800)는이 연구²⁰에 사용 되었다.
2. 디자인 oligos 게이트웨이 또는 벡터 시스템에 따라 복제 하는 전통적인 제한 효소 사용 (그림 1A).
   참고: 표준 (25-35 bp), desalted 뇌관 작업 괜 찮 아 요. 발기인과 유전자 사이의 측면 역 올리고 시퀀스는 좋습니다.
3. 갓 격리 P. vulgaris 에서 PvNIN 발기인 지역 (또는 관심사의 유전자의 발기인 지구)를 증폭 발기인 특정 올리고 세트를 사용 하 여 게놈 DNA. 높은 중 합 효소를 사용 하 여 다음 PCR 조건: 95 ° C 5 분; 30 사이클 (95 ° C 30에 대 한 s, 55 ° C 30 초, 1 분에 72 ° C); 그리고 5 분 동안 72 ° C입니다.
4. 7 x 10 cm 젤 트레이에 60 V 1 %agarose 젤에 증폭된 한 파편을 실행 하 고 해당 amplicon elute (700 bp, 그림 1B) 및 제조업체의 지침에 따라 pENTR/D-이동 벡터에 클론.
5. 2 µ L 유능한 대장균 으로 반응의 변환 lysogeny 형제 (파운드) 50mg/L 대 (Kan50)와 보완에 제조업체의 지침과 변환 혼합물의 플레이트 150 µ L를 사용 하 여 셀. 밤새 37 ° C에서 도금된 세포 성장.
6. 선택 3-6 식민지 문화 그들 파운드 매체 포함 하는 Kan50에서에서 하룻밤. 플라스 미드의 선택 방법을 사용 하 여 DNA를 분리 하 고 벡터 특정 M13 oligos를 사용 하 여 PCR에 의해 플라스 미드 분석. PCR, 플라스 미드, oligos의 오후 0 3의 사용 100 ng에 대 한 10 X PCR 버퍼, 0.5 U Taq DNA 중 합 효소, 그리고 dNTPs 10 m m.
7. 사용 하는 PCR 증폭 다음과; 3 분;에 대 한 95 ° C 30 사이클 (95 ° C 30에 대 한 s, 58 ° C 30에 대 한 s, 75 72 ° C s); 그리고 7 분에 대 한 72 ° C 1 %agarose 젤에 PCR 제품을 시각화. 올바른 삽입 324 bp 밴드 (그림 1C) 밴드 1024 혈압과 삽입 지 없이 벡터에 있는지 확인 합니다.
8. LR 반응 항목 벡터 (pENTR/D-이동-PvNIN)와 대상 벡터 pBGWFS7.0²¹ 제조업체의 지침에 따라 상업 효소 혼합을 사용 하 여 수행 합니다.
9. 유능한 대장균 으로 LR 반응의 2 µ L 변환 파운드 100 mg/L spectinomycin (Spe100)의 보충에 제조업체의 지침과 접시 150 µ L의 변환에 설명 된 대로 표준 기술을 사용 하 여 셀. 밤새 37 ° C에서 도금된 세포 성장.
10. 5 식민지 약을 선택 하 고 Spe100를 포함 하는 파운드 매체에 하룻밤 문화. 선택 방법을 사용 하 여 DNA 플라스 미드를 분리 하 고 발기인 특정 oligos를 사용 하 여 PCR에 의해 플라스 미드 분석.
11. 1.3 단계에서 PCR 상태를 사용 합니다. 증폭을 확인 하는 1 %agarose 젤에 PCR 제품을 시각화 합니다. Amplicons는 700 혈압.
12. 긍정적인 플라스 미드 pBGWFS7.0/PvNIN::GUS-GFP (그림 1D) 삽입의 진위를 확인 하기 위해 발기인 특정 oligos와 시퀀스.
13. 그러나 A. rhizogenes 긴장 K599 (, A. rhizogenes 의 다른 변종 사용할 수 있습니다)에 플라스 미드를 변환. 다음 설정으로 1mm 베트에 electroporate 및 electrocompetent 세포의 50 µ L를 플라스 미드 준비의 2 µ L를 추가: 1.8 kV, 25 µ F, 및 200 Ω.
14. 셀에 복구 ~ SOC 매체의 500 µ L 2 h. 접시 파운드 Spe100에 28 ° C에서 흔들어와 28 ° C에서 2 일 동안 성장.
15. 1.7 단계에서 언급 한 대로 식민지 심사를 수행 하 고 단계 1.3에서 PCR 조건을 사용 하 여. 긍정적인 복제품에서 글리세롤 주식을 확인 하 고-80 ° C에 저장
16. A. rhizogenes 문화 은닉 부정적인 컨트롤로 빈 pBGWFS7.0 벡터를 사용 합니다.

2. A. Rhizogenes 는 일반 콩의 털이 뿌리 변형

1. 콩 (P. vulgaris cv. 흑인 Jamapa) 씨앗 (약 20)을 살 균 하십시오 1 분 96% 에탄올의 50 ml에서 및 에탄올; 삭제 층 류 두건에 지속적인 혼합과 10 분 동안 20% 표 백제 (염소) 50 mL를 추가 합니다. 표 백제를 제거 하 고 3 번 초과 살 균 물에 씻어.
   참고: 다른 P. vulgaris cultivars 털이 루트 유도 사용할 수 있습니다.
2. 브 로튼 적신 멸 균 필터 종이에 소독된 씨앗을 발 아 & Dilworth (B & D) 솔루션²² (표 1) 28 ° c.에 어둠 속에서 2 일 동안
3. 변환 하기 전에 하루 준비 다음.
   1. A. rhizogenes 문화 (준비 단계 1.13 1.14) 이진 벡터 은닉의 150 µ L을 고체 파운드 Spe100에 streak 하룻밤 28 ° C에서 성장 하 고.
   2. B 15 mL 튜브를 채우기 & D 솔루션 및 바꾸기 두 배 층이 된 알루미늄 호 일 나사 모자. B의 10 mL를 포함 하는 22 cm 유리 튜브에 이것을 조립 & D 솔루션 (그림 2C) 및 고압 그것.
4. 변화의 날, 층 류 두건에 다음 메 마른 재료 조립: 2.2 단계에서 씨앗, 단계 2.3.1, 2.3.2 단계에서 튜브, 살 균 두 배 증류수 (10 mL), 펫 및 피 펫 팁, 살 균 겸 문화 접시를 출 아 했다 그리고 3 mL 주사기입니다.
5. 구부러진된 200 µ L 팁을 사용 하 여 microcentrifuge 튜브로 접시에서 A. rhizogenes 세포를 긁어와 이중 살 균 물의 1 mL에서 resuspend. 마찬가지로, 벡터 제어 셀 별도로 준비 합니다.
   1. Resuspend을 부드럽게 세포를 혼합. 와 동 하지 마십시오.
6. 단계의 2.3.2 살 균 피 펫 팁을 사용 하 여 튜브의 알루미늄 호 일에 3mm 구멍을 확인 합니다.
7. 주사기와 2.5 단계에서 세포 (발기인 또는 벡터 제어)를 수집 하 고 약간 찌르는 바늘 팁 (그림 2G) 세균된 씨의 hypocotyls.
   참고: 바늘 침투 (4-6 시간) 혈관 조직 다는 것을 확인 하 고 작은 주사 (~ 5 µ L)는 hypocotyl 주위에 다른 위치에서 상처에 셀의 삭제.
8. 신중 하 게 B를 포함 하는 15 mL 튜브의 3 m m 구멍에 삽입 된 묘 목의 뿌리를 삽입 & D 솔루션. 유리 튜브 22 mL에 전체 설치를 반환 하 고 습도 유지 하기 위해 그들을 봉인.
9. 16 h 빛: 8 28 ° C 유지 성장 챔버에 튜브를 품 어 h 어두운 photoperiod.
   참고: 3-4 일 후 부 화, 식물 성장 22 mL 유리 튜브의 가장자리에.

이 단계에서 모자를 제거 하 고 그림2에서와 같이 줄기 주위 parafilm으로 가장자리를 밀봉 합니다.

5-7 일, 부상 사이트에서 굳은 살을 관찰 하 고 찾아 ~ 2 cm 털 뿌리 변환 후 10-12 일.
참고: 그것은 B를 유지 하는 것이 중요 & 플라스틱 및 유리 튜브에 끊임없이 D 솔루션.

2 주 후, 털 뿌리 아래 2 cm 줄기를 절단 하 여 기본 루트를 제거 하 고 살 균 질 석 포함 하는 남 비로 기본 뿌리를 이식 합니다. 성장 챔버 (16 빛: 8 시 28 ° C에서 어두운)에 식물을 유지 하 고 B와 관개 & D 솔루션.

3. 발기인 분석: 닌 발기인 식 일반 콩의 Rhizobial 혹

1. 뿌리 혹의 유도, 접종 Rhizobium tropici 또는 Rhizobium etli (일반 콩에 호환 되)는 PY 매체 (0.5 g 펩, 0.3 g 효 모 추출 물) 700 mM CaCl₂ 와 20 mg mL^{− 1} 를 가진 보충의 100 ml nalidixic 산입니다. 300 rpm에서 떨고와 30 ° C 24 h에서 품 어.
   참고: 어떤 특정 항생제 유전자 변형 Rhizobium경우 사용 될 수 있습니다.
2. 실 온에서 2800 x g에서 3 분 동안 원심 분리기에 셀 작은 고 10mm MgSO₄10 mL에 resuspend. 10mm MgSO₄로 희석 하 여 세₆₀₀ 0.6 셀의 OD를 조정 합니다.
3. 문화 (3.2 단계에서 준비) 식물 (모두 발기인 및 벡터 제어) 털이 뿌리에 결 절 성장 유도 하 당 1-2 mL 접종 B 식물을 관개 & D 솔루션 nodulation 홍보 제한 질소 (2mm 알 것₃).
4. 실험 필요에 따라서 다른 시간 지점에서 털이 뿌리를 수집 합니다. 3-5 일 사이 감염 스레드 공부에 대 한 수집 샘플 게시물 접종 (dpi).
   참고: 원시 결 절 및 젊은 혹 수 수에서 공부 6-9 dpi와 10-12 일 dpi, 각각. 마지막으로, 성숙 하 고 기능적인 혹 14-21 dpi, 및 senesced 혹에서 공부 될 수 있다 > 28 dpi.
5. 거 스 (GFP) 리포터 유전자의 활동에 대 한 루트/작은 혹을 처리 합니다. 제퍼슨²³에 의해 설명 하는 프로토콜에 따라 GUS 활동 분석. GFP 형광 현미경으로 관찰 합니다. GFP 형광 블루 아르곤 이온 레이저 자극 (488 nm), 510에서 540 내보낸된 형광을 수집 nm.

결과

이 연구의 목적은 결 절-특정 P. vulgaris 닌 spatiotemporal 식 패턴을 평가 했다. 이렇게 하려면 700 bp 지역 상류 닌 유전자의 번역 개시 코 돈에의 선정 되었다 고 그림 1A에서처럼 oligos의 집합 설계 되었습니다. 높은 중 합 효소를 사용 하 여, 닌 발기인 조각 증폭 되었다, (그림 1B), 절연 그리고에 transcriptional 퓨전을 생성 ...

토론

유전자의 기능 분석, 동안 유전자 식 패턴의 연구 vivo에서유전자의 공간과 일시적인 규칙 이해에 중요 한 역할을 하고있다. 진 식 패턴을 공부 하는 잘 알려진 방법 관심, 유전자 프로모터 영역을 복제 하는 것입니다 형광 표식 유전자 (GFP, RFP, 등) 등 β-glucuronidase 리포터 유전자를 업스트림. 여기, 우리는 루트 결 절 공생 (RNS) 특정 유전자의, RNS 동안 P. vulgaris spatio 시간적 식 패?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Primers for qRT-PCR assay
pNIN Forward	CACC ATA GCT CCC CAA AAT GGT AT
pNIN Reverse	CAT CTT CCT TCC ACT AAC TAA C
M13 Forward	GTA AAA CGA CGG CCA G
M13 Reverse	CAG GAA ACA GCT ATG AC
Name	Company	Catalog Number	Comments
REAGENTS
pENTR/D-TOPO Cloning Kit	Invitrogen	K243520
Gateway LR Clonase II Enzyme Mix	Invitrogen	11791100
pBGWFS7.0	Plant systems biology	https://gateway.psb.ugent.be/vector/show/pBGWFS7/search/index/
Platinum Taq DNA Polymerase	ThermoFisher Scientific	10966018
DNeasy Plant Mini Kit	Qiagen	69104
PureLink Quick Gel Extraction Kit	ThermoFisher Scientific	K210012
Platinum Pfx DNA Polymerase	Invitrogen	11708013
Certified Molecular Biology Agarose	Bio-Rad	1613102
One Shot TOP10 Chemically Competent E. coli	Invitrogen	C404006
Nacl	Sigma-Aldrich	S7653
Tryptone	Sigma-Aldrich	T7293-250G
Yeast extract	Sigma-Aldrich	Y1625-250G
Bacteriological agar	Sigma-Aldrich	A5306-1KG
Kanamycin sulfate	Sigma-Aldrich	60615-25G
Spectinomycin sulfate	Sigma-Aldrich	PHR1441
Ethyl alcohol	Sigma-Aldrich	E7023
Bacteriological peptone	Sigma-Aldrich	P0556
Calcium chloride	Sigma-Aldrich	C1016
Nalidixic acid	Sigma-Aldrich	N8878
Magnesium sulfate	Sigma-Aldrich	M7506
Gel loading solution	Sigma-Aldrich	G7654
Name	Company	Catalog Number	Comments
EQUIPMENT
Thermocycler	Veriti Thermal Cycler	4375786
Centrifuge	Sigma	Sigma 1-14K
Gel documentation unit	Carestream	Gel Logic 212 PRO
MaxQ SHKE6000 6000 Shaking Incubator - 115VAC	Thermo scientific	EW-51708-70
Plant growth chamber	MRC	PGI-550RH
Horizantal laminarair flow cabinate	Lumistell	LH-120
Fluorescent microscope	Leica	DM4500 B
Petridish	sym laboratorios	90X15
Scalpel Blade	Fisher scientific	53223
Falcon 15mL Conical Centrifuge Tubes	Fisher scientific	14-959-53A
22 mL glass tubes	Thomas scientific	45048-16150