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O protocolo descreve a criação de variedades de arroz para amido resistentes por design usando tecnologias de edição de genoma de maneira precisa, eficiente e tecnicamente simples.
As abordagens convencionais para o melhoramento de culturas, que dependem predominantemente de métodos demorados e trabalhosos, como hibridização tradicional e melhoramento por mutação, enfrentam desafios na introdução eficiente de características direcionadas e na geração de diversas populações de plantas. Por outro lado, o surgimento de tecnologias de edição de genoma deu início a uma mudança de paradigma, permitindo a manipulação precisa e rápida de genomas de plantas para introduzir intencionalmente as características desejadas. Uma das ferramentas de edição mais difundidas é o sistema CRISPR/Cas, que tem sido usado por pesquisadores para estudar importantes problemas relacionados à biologia. No entanto, o fluxo de trabalho preciso e eficaz da edição do genoma não foi bem definido no melhoramento de culturas. Neste estudo, demonstramos todo o processo de melhoramento de variedades de arroz enriquecido com altos níveis de amido resistente (AR), uma característica funcional que desempenha um papel crucial na prevenção de doenças como diabetes e obesidade. O fluxo de trabalho abrangeu várias etapas importantes, como a seleção do gene SBEIIb funcional, o design do RNA de guia único (sgRNA), a seleção de um vetor de edição de genoma apropriado, a determinação do método de entrega do vetor, a realização de cultura de tecidos vegetais, a mutação de genotipagem e a análise fenotípica. Além disso, o prazo necessário para cada etapa do processo foi claramente demonstrado. Este protocolo não apenas agiliza o processo de melhoramento, mas também aumenta a precisão e a eficiência da introdução de características, acelerando assim o desenvolvimento de variedades funcionais de arroz.
O melhoramento tradicional depende da introdução de características nas culturas ou da produção de populações de plantas com variação suficiente, o que requer observação de campo de longo prazo 1,2. Devido às limitações do melhoramento tradicional, foi desenvolvida a tecnologia de edição de genes, que pode modificar com precisão o genoma das culturas para obter as características desejadas das populações de plantas3. O sistema de edição de genes mais amplamente utilizado em plantas é o CRISPR/Cas (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated Cas endonuclease), que depende de uma endonuclease guiada por RNA programável para criar quebras de fita dupla direcionadas (DSBs) no DNA 4,5. Esses DSBs são então reparados pelos mecanismos naturais de reparo do DNA da célula 6,7, muitas vezes resultando na introdução das alterações genéticas desejadas. Embora essa tecnologia tenha sido implementada em várias culturas, incluindo trigo8, milho9, soja10 e arroz11, ela é predominantemente usada para revelar problemas biológicos. Em comparação com sua extensa aplicação na elucidação das funções dos genes das plantas, a pesquisa sobre a aplicação de tecnologias de edição de genes ao melhoramento de culturas permanece relativamente escassa12.
O processo de edição de genes em culturas normalmente segue um fluxo de trabalho bem definido que abrange várias etapas importantes13. O primeiro passo envolve a identificação do gene específico ou região genética que precisa ser modificada para atingir a característica desejada. Em segundo lugar, uma estratégia de edição de genes é projetada, envolvendo a seleção de um sistema de edição de genes apropriado (por exemplo, CRISPR-Cas9 ou CRISPR-Cas12) e o design de RNAs guia específicos para direcionar a endonuclease para o local alvo. Em terceiro lugar, o sistema de edição de genes é então incorporado a um vetor de entrega, que é usado para introduzir o maquinário de edição nas células vegetais. Esses vetores podem ser complexos de DNA, RNA ou ribonucleoproteína (RNP). Posteriormente, os vetores de edição de genes são entregues às células vegetais usando vários métodos, incluindo transformação mediada por Agrobacterium, bombardeio de partículas ou eletroporação. Imediatamente, as células vegetais transformadas são cultivadas em condições apropriadas para gerar calos geneticamente editados ou tecidos embriogênicos. Esses tecidos são então regenerados em plantas inteiras por meio de técnicas de cultura de tecidos. As plantas regeneradas são submetidas a rigorosa caracterização molecular para confirmar a presença das alterações genéticas desejadas.
Um artigo anterior de Tsakirpaloglou et al.14 fornece uma ampla visão geral do processo de edição de genes, desde o design do vetor até a geração de mudas editadas, mas não se aprofunda na análise detalhada de características específicas associadas ao gene alvo nem na avaliação subsequente do desempenho agronômico ou validação funcional das culturas editadas. Fomos além de simplesmente demonstrar a viabilidade de editar um gene no arroz. Nosso trabalho avalia de forma abrangente o impacto dessa edição nas características bioquímicas, moleculares e agronômicas das linhas de arroz editadas. Isso inclui a avaliação da composição do amido, um fator crítico que influencia a qualidade do grão e o valor nutricional, que não foi extensivamente explorado em estudos anteriores de edição de genes.
O amido de arroz normalmente consiste em ~ 20% de amilose e ~ 80% de amilopectina15. O SBEIIb é uma enzima essencial para a síntese de amilopectina e é expresso no endosperma16. O knockdown de OsSBEIIb pelo RNA hairpin (RNAi) e a expressão de microRNA aumentaram o teor de amido resistente17,18. O amido resistente é um amido de substrato que não pode ser digerido e absorvido no intestino delgado, mas pode ser decomposto em ácidos graxos de cadeia curta e gases por certas bactérias digestivas nos intestinos. Como não pode ser decomposto rapidamente, tem um índice glicêmico mais baixo em comparação com outros amidos e não causa um rápido aumento do açúcar no sangue em um curto período de tempo após a ingestão, o que pode aliviar o diabetes até certo ponto na dieta19. Além disso, o amido resistente tem funções mais fisiológicas, como reduzir a resposta à insulina, regular a função intestinal, prevenir o acúmulo de gordura, facilitar o controle de peso e promover a absorção de íons minerais. Portanto, está sendo amplamente perseguida como um novo tipo de fibra alimentar20.
Para superar esses desafios e utilizar com sucesso as tecnologias de edição de genes para o melhoramento de variedades de arroz funcionais, refinamos e otimizamos os protocolos operacionais do arroz. Nosso foco tem sido analisar meticulosamente o design dos loci de genes-alvo, selecionar cuidadosamente as ferramentas de edição de genes mais adequadas e realizar análises fenotípicas rigorosas durante todo o processo de melhoramento. Como prova do poder e eficiência dessas tecnologias, apresentamos um estudo de caso que mostra o rápido desenvolvimento de uma variedade de arroz funcional enriquecida com amido de alta resistência. Este exemplo ressalta o potencial da edição de genes na aceleração da criação de arroz funcional, abordando a atual escassez de pesquisas neste campo.
O estudo foi conduzido na Bellagen Biotechnology Co. Ltd na China, seguindo as diretrizes do comitê de ética em pesquisa humana. Antes de participar, o protocolo do estudo foi minuciosamente explicado aos sujeitos, que forneceram o consentimento informado.
1. Projetando sgRNA e vetor de construção (tempo de 5 a 7 dias)
NOTA: Um vetor binário foi usado para expressar o sistema CRISPR/Cas-SF0121. Não tem menos de 3 nucleotídeos (nt) incompatíveis com o potencial local fora do alvo para sgRNA. O adaptador de sgRNA precisa complementar a extremidade pegajosa, que é gerada pela digestão da enzima Bsa I do vetor de edição. A escolha do software foi baseada na alta eficiência e especificidade relatadas pelo software no arroz14, bem como em sua facilidade de uso e acessibilidade ao grupo de pesquisa.
2. Transformação de Agrobacterium (tempo de 4 dias)
3. Transformação do arroz por Agrobacterium (tempo de 3 meses)
NOTA: Vários métodos de transformação de plantas foram relatados para a entrega e expressão da sequência de DNA estranha na célula vegetal25. Considerando a integração de cópia única e a baixa frequência de DSBs no genoma, a transformação mediada por Agrobacterium é o método de escolha para integrar o fragmento de DNA de expressão em cromossomos de arroz.
4. Genotipagem de plantas transgênicas e colheita de sementes (tempo de 8 meses)
NOTA: Duas gerações de arroz serão cultivadas para obter mutação homozigótica e linhagens estranhas livres de DNA.
5. Medição do teor de amido resistente (tempo de 4 dias)
6. Resposta pós-prandial da glicose no sangue (tempo de 5 dias)
No presente estudo, todos os procedimentos de melhoramento de arroz funcional foram demonstrados por edição do genoma para obter variedades estáveis de arroz para amido resistente. Integramos sgRNA direcionado a SBEIIb em CRISPR/Cas-SF01 (Figura Suplementar 1), infiltramos arroz usando transformação de Agrobacterium e obtivemos plantas de geração E0 após os estágios de triagem e enraizamento. As plantas com perda da função gênica foram triad...
No processo de construção de vetores knockdown baseados em CRISPR/Cas-SF01, a seleção meticulosa de RNAs de guia único (sgRNA) é fundamental. Isso exige a adoção de sequências que exibam alta eficiência de edição com efeitos mínimos fora do alvo. Além disso, a síntese de primers de direcionamento incorpora oligos adaptadores curtos que correspondem aos locais de emenda do vetor, garantindo uma integração perfeita. Notavelmente, ao contrário das metodologias anteriores q...
Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.
Este trabalho foi apoiado por financiamento dos Grandes Projetos de Melhoramento Biológico (2023ZD04074).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2 x Taq Plus Master Mix II | Vazyme Biotech Co.,Ltd | P213 | Detecting Single Nucleotide Polymorphism (SNP) of genes |
2,4-Dichlorophenoxyacetic (2,4-D) Acid Solutio | Phyto Technology | D309 | |
AAM medium | Shandong Tuopu Biol-engineering Co., Ltd | M9051C | |
BsaI-HF | New england biolabs | R3535 | Bsa I enzyme digestion of the editing vector |
Carbenicillin antibiotics | Applygen | APC8250-5 | Selection medium, regeneration medium |
Casaminoacid | BBI-Life SciencesCorporation | A603060-0500 | Callus induction medium, co-cultivation medium, selection medium,regeneration medium |
DH5α Chemically Competent Cell | Weidi Biotechnology Co., Ltd. | DL1001 | E. coli competent cells |
D-Sorbitol | BBI-Life SciencesCorporation | A610491-0500 | |
EDTA,disodium salt,dihydrate | Diamond | A100105-0500 | CTAB buffer |
EHA105 Chemically Competent Cell | Weidi Biotechnology Co., Ltd. | AC1010 | Agrobacterium competent cells |
FastPure Plasmid Mini Kit | Vazyme Biotech Co.,Ltd | REC01-100 | Plasmid isolated |
Hygromycin antibiotics | Yeasen | 60224ES | co-cultivation medium, selection medium,regeneration medium and root medium |
Kanamycin antibiotics | Yeasen | 60206ES10 | Selection agrobacterium |
KOH | Macklin | P766798 | CTAB buffer |
L-Glutamine | Phyto Technology | G229 | Callus induction medium, co-cultivation medium, selection medium,regeneration medium |
L-Proline | Phyto Technology | P698 | Callus induction medium, co-cultivation medium, selection medium,regeneration medium |
Mautre dry rice seeds (Xiushui134) | - | - | Japonica varieties for breeding RS rice |
Mill rice mechine | MARUMASU | MHR1500A | To produce white rice |
Murashige Skoog | Phyto Technology | M519 | Root medium, regeneration medium |
Myo-inositol | Phyto Technology | I703 | Regeneration medium |
NaCl | Macklin | S805275 | For YEP media |
NB Basal Medium | Phyto Technology | N492 | Callus induction medium, co-cultivation medium, selection medium,regeneration medium |
Peptone | Solarbio | LA8800 | For YEP media |
Phytogel | Shanghai yuanye Bio-Technology Co., Ltd | S24793 | |
Pot | Midea group Co. | MB-5E86 | For cooking rice |
Refrigerator | Haier | BCD-170 | Storage the medium |
Resistant Starch Assay Kit | Megazyme | K-RSTAR | Measurement and analysis resistant starch |
Rifampicin antibiotics | Sigma | R3501-250MG | Selection agrobacterium |
Sodium hypochlorite solution | Macklin | S817439 | For seed sterilization |
Sucrose | Shanghai yuanye Bio-Technology Co., Ltd | B21647 | Callus induction medium, co-cultivation medium, selection medium,regeneration medium |
T4 DNA Ligase | New england biolabs | M0202 | Joining sgRNA to the CEISPRY/Cas-SF01 vector |
The glucose monitor | Medical Equipment & Supply Co., Ltd | Xuetang 582 | Detection the blood glucose |
Tris-HCL | Macklin | T766494 | CTAB buffer |
Yeast Agar | Solarbio | LA1370 | For YEP media |
YEP media | - | - | Cultivation of Agrobacterium |
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