RU2783891C2 - Simple method for isolating wheat protoplasts for genome editing - Google Patents

Simple method for isolating wheat protoplasts for genome editing Download PDF

Info

Publication number
RU2783891C2
RU2783891C2 RU2021105875A RU2021105875A RU2783891C2 RU 2783891 C2 RU2783891 C2 RU 2783891C2 RU 2021105875 A RU2021105875 A RU 2021105875A RU 2021105875 A RU2021105875 A RU 2021105875A RU 2783891 C2 RU2783891 C2 RU 2783891C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
protoplasts
wheat
solution
transfection
shoots
Prior art date
Application number
RU2021105875A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021105875A (en
Inventor
Анастасия Алексеевна Вербицкая
Василий Васильевич Таранов
Николай Евгеньевич Злобин
Александр Константинович Гапоненко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии"(ФГБНУ ВНИИСБ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии"(ФГБНУ ВНИИСБ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии"(ФГБНУ ВНИИСБ)
Publication of RU2021105875A publication Critical patent/RU2021105875A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2783891C2 publication Critical patent/RU2783891C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: agriculture.
SUBSTANCE: invention relates to the field of agricultural biotechnology, in particular, to methods for in vitro cultivation of somatic cells and genomic editing of higher plants. The invention constitutes a new method for isolating wheat protoplasts for genome editing. Said method includes effective isolation of wheat protoplasts from 7 to 10-day shoots. The effectiveness of isolation is achieved due to the low-temperature treatment of donor plants and vacuum infiltration of the cooled enzyme solution. In the process of crushing the shoots and prior to processing with enzymes, leaf tissues are sustained on an osmotic medium in order to reduce the cell damage during mechanical impact on tissue cells. Transfection of protoplasts can be executed by a wide range of genetic constructs. The system for transfection and imaging of protoplasts can be used with various marker selection systems, including selection with reporter genes.
EFFECT: invention can be used for comparative estimation of the effectiveness of wheat genome editing by various genetic engineering constructs by means of transfection of protoplasts with an effectiveness of up to 40.5%.
1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Область техники. Изобретение относится к области сельскохозяйственной биотехнологии, в частности к методам культивирования in vitro соматических клеток и геномного редактирования высших растений, для сравнительной оценки эффективности редактирования генома пшеницы различными генно-инженерными конструкциями. Изобретение может быть использовано в создании новых устойчивых сортов и гибридов пшеницы и востребовано семеноводческими компаниями и селекционными станциями, научно-образовательными учреждениями биотехнологического и сельскохозяйственного профиля.The field of technology. The invention relates to the field of agricultural biotechnology, in particular to methods for in vitro cultivation of somatic cells and genomic editing of higher plants, for comparative evaluation of the effectiveness of wheat genome editing by various genetic engineering constructs. The invention can be used in the creation of new resistant varieties and hybrids of wheat and is in demand by seed companies and breeding stations, scientific and educational institutions of biotechnological and agricultural profile.

Актуальность изобретения. Редактирование генома является одним из наиболее перспективных направлений современной молекулярной биологии и биотехнологии. Недавно разработанная система CRISPR/Cas9 представляет собой универсальный инструмент геномного редактирования, позволяющий вносить точечные изменения в заданные участки эукариотического генома для повышения устойчивости растений к болезням и абиотическим стрессам, улучшения качества зерна, увеличения уровня микроэлементов и витаминов в растении и многое другое (Doudna J. А, 2014). Применение технологии CRISPR/Cas9 на растениях со сложным полиплоидным геномом требует высокой эффективности функционирования всех ее компонентов и является существенным барьером для большинства видов однодольных, в том числе кукурузы, риса, овса, ячменя, и, в частности пшеницы. Эта задача может быть решена путем создания нескольких вариантов генетических конструкций, различающихся между собой определенными параметрами, и сравнительной оценки их эффективности. Наиболее удобным способом оценки эффективности генетических конструкций для редактирования генома является трансфекция протопластов, поскольку они лишены клеточной стенки и могут быть легко трансфецированны плазмидной ДНК. Оценка эффективности редактирования осуществляется посредством выделения тотальной ДНК из суспензии протопластов и таргетного секвенирования участка генома, содержащего сайт редактирования. При этом успешность методики в значительной степени определяется эффективностью трансфекции протопластов. Но в связи с тем, что полиплоидный геномом и повышенное содержание внутриклеточных липооксигеназ пшеницы снижает выход протопластов и специфичность редактирования генома, задача создания эффективной и простой методики выделения протопластов пшеницы отечественной селекции для редактирования генома весьма актуальна.The relevance of the invention. Genome editing is one of the most promising areas of modern molecular biology and biotechnology. The recently developed CRISPR/Cas9 system is a versatile genomic editing tool that allows you to make targeted changes to specific regions of the eukaryotic genome to increase plant resistance to diseases and abiotic stresses, improve grain quality, increase the level of trace elements and vitamins in the plant, and much more (Doudna J. A, 2014). The use of CRISPR/Cas9 technology on plants with a complex polyploid genome requires a high efficiency of the functioning of all its components and is a significant barrier for most monocot species, including corn, rice, oats, barley, and, in particular, wheat. This problem can be solved by creating several variants of genetic constructs that differ from each other in certain parameters, and by comparing their effectiveness. The most convenient way to assess the effectiveness of genetic constructs for genome editing is the transfection of protoplasts, since they lack a cell wall and can be easily transfected with plasmid DNA. Evaluation of editing efficiency is carried out by isolating total DNA from a suspension of protoplasts and targeted sequencing of the genome region containing the editing site. At the same time, the success of the technique is largely determined by the efficiency of protoplast transfection. But due to the fact that the polyploid genome and the increased content of intracellular wheat lipoxygenases reduce the yield of protoplasts and the specificity of genome editing, the task of creating an effective and simple method for isolating domestic wheat protoplasts for genome editing is very relevant.

Уровень техники. Исследование протопласта растений началось в 1960-х годах, когда британский ботаник Cocking (Cocking, 1960) использовал фермент, разрушающий клеточную стенку, для экстракции протопласта апикальной части томата из корней и плодов ферментативным путем и культивирования их в контролируемых условиях. Это открытие явилось основой для развития таких важнейших направлений биотехнологии растений, как клеточная и генная инженерия. С тех пор исследования протопластов находились на стадии бурного развития. Например, Nagata и Takeble впервые сообщили о выделенных, культивируемых и регенерированных растениях мезофилла табака, полученных в 1970 году (Nagata, Takebe, 1970). Известен способ получения протопластов злаковых растений, выбранных из группы, состоящей из Dactylis glomerata Патент US 5596131 A 1997 г "Regeneration of graminaceous plants of the subfamily pooideae from protoplasts". Основным недостатком данного способа, как, впрочем, и большинства других известных методик, является то, что он разработан для модельных сортов мелких зерновых злаков зарубежной селекции и неэффективен для продуктивных сортов отечественной селекции, районированных на территории РФ. В другом случае Патент US 5981842 A 1995 г "Production of water stress or salt stress tolerant transgenic cereal plants", где ген белка LEA, HVA1, из ячменя (Hordeum vulgare L.) был трансформирован в растения риса (Oryza sativa L.) при использовании протопластов риса и не эффективен на растениях пшеницы. Наиболее близким к данному изобретению является способ получения и трансфекции протопластов описанный в Патент US 4684611 1983 г "Process for the in-vitro transformation of plant protoplasts with plasmid DNA", где инкубация проводится в присутствии полиэтиленгликоля и ионов кальция.The level of technology. Plant protoplast research began in the 1960s, when the British botanist Cocking (Cocking, 1960) used a cell wall degrading enzyme to enzymatically extract tomato apical protoplast from roots and fruits and cultivate them under controlled conditions. This discovery was the basis for the development of such important areas of plant biotechnology as cell and genetic engineering. Since then, research on protoplasts has been at a rapid development stage. For example, Nagata and Takeble first reported isolated, cultivated, and regenerated tobacco mesophyll plants obtained in 1970 (Nagata and Takebe, 1970). A known method for obtaining protoplasts of cereal plants selected from the group consisting of Dactylis glomerata Patent US 5596131 A 1997 "Regeneration of graminaceous plants of the subfamily pooideae from protoplasts". The main disadvantage of this method, as, indeed, of most other well-known methods, is that it was developed for model varieties of small grain cereals of foreign breeding and is ineffective for productive varieties of domestic breeding, zoned on the territory of the Russian Federation. In another case, US Patent 5981842 A 1995 "Production of water stress or salt stress tolerant transgenic cereal plants", where the LEA protein gene, HVA1, from barley (Hordeum vulgare L.) was transformed into rice plants (Oryza sativa L.) when using rice protoplasts and is not effective on wheat plants. Closest to this invention is a method for obtaining and transfecting protoplasts described in US Patent 4684611 1983 "Process for the in-vitro transformation of plant protoplasts with plasmid DNA", where the incubation is carried out in the presence of polyethylene glycol and calcium ions.

Карлсон в 1972 году использовал технологию слияния протопластов для получения первых межвидовых гибридов табака (Liu, Deng, 1999). Из-за отсутствия клеточной стенки растительные протопласты широко используются для генетической трансформации, что приводит к требованию большого количества высокоактивных протопластов. Первое сообщение о прямом переносе генов в протопластах пшеницы было сделано Lorz в 1985 году (Schreier P. Н. et al., 1985) из культивируемых клеток Triticum топососсит путем опосредованной PEG-трансфекции. Трансформированные клетки отбирали на среде, содержащей канамицин, и идентифицировали путем определения активности npt II. Тем не менее, эти работы привели к низкой эффективности трансформации, порядка 0,005%, и низкой способности к регенерации, затрудняющей работу с протопластами как с эксплантатами (Davey, et al., 2005, Peng, et al., 2015). Введение плазмиды E. coli, pCGN1055, содержащей ген hpt, в протопласты пшеницы путем катионной липосом-опосредованной трансформации в 1993 году привело к образованию трансгенных проростков альбиносов.Carlson in 1972 used protoplast fusion technology to produce the first interspecific tobacco hybrids (Liu and Deng, 1999). Due to the lack of a cell wall, plant protoplasts are widely used for genetic transformation, which leads to the requirement of a large number of highly active protoplasts. The first report of direct gene transfer in wheat protoplasts was made by Lorz in 1985 (Schreier P. H. et al., 1985) from cultured cells of Triticum toposossite by PEG-mediated transfection. Transformed cells were selected on a medium containing kanamycin and identified by determining the activity of npt II. However, these works have led to low transformation efficiency, on the order of 0.005%, and low regeneration capacity, which makes it difficult to work with protoplasts as explants (Davey, et al., 2005, Peng, et al., 2015). Introduction of the E. coli plasmid, pCGN1055, containing the hpt gene, into wheat protoplasts by cationic liposome-mediated transformation in 1993 resulted in the formation of transgenic albino seedlings.

Присутствие и активность трансгенов были подтверждены анализом ферментативной активности и гибридизации по Саузерну (Southern, et al. 1975), а эффективность трансформации составила порядка 6%.The presence and activity of transgenes was confirmed by analysis of enzymatic activity and Southern hybridization (Southern, et al. 1975), and the transformation efficiency was about 6%.

После открытия системы CRISPR/Cas9 было проведено несколько исследований по редактированию генома растений как у однодольных, так и у двудольных, таких как Nicotiana benthamiana (Li et al. 2015), Nicotiana tobaccum (Gao et al. 2014), Arabidopsis thaliana (Li et al. al. 2014), Oryza sativa (Shan et al. 2014) и Sorghum bicolor (Jiang et al. 2013) и было выяснено что полиплоидный геномом снижает специфичность редактирования генома (Peng et al. 2015, Wang et al., 2016, Liang et al., 2018). Следовательно, необходимо оптимизировать условия выделения и трансфекции протопластов для максимального числа интактных клеток. Кроме того, оптимальные условия для получения протопластов растительных клеток индивидуальны для различных видов и сортов растений, и каждом отдельном случае необходима предварительная работа по подбору состава ферментов, их концентраций и времени обработки осмотического стабилизатора.Since the discovery of the CRISPR/Cas9 system, several studies have been carried out on plant genome editing in both monocots and dicots, such as Nicotiana benthamiana (Li et al. 2015), Nicotiana tobaccum (Gao et al. 2014), Arabidopsis thaliana (Li et al. al. 2014), Oryza sativa (Shan et al. 2014) and Sorghum bicolor (Jiang et al. 2013) and it was found that a polyploid genome reduces the specificity of genome editing (Peng et al. 2015, Wang et al., 2016, Liang et al., 2018). Therefore, it is necessary to optimize the conditions for isolation and transfection of protoplasts for the maximum number of intact cells. In addition, the optimal conditions for obtaining plant cell protoplasts are individual for different plant species and varieties, and each individual case requires preliminary work to select the composition of enzymes, their concentrations, and the time of treatment with an osmotic stabilizer.

Таким образом, задача создания эффективной методики выделения протопластов пшеницы для редактирования генома, пригодной для широкого круга генотипов отечественной селекции, сохраняет свою актуальность.Thus, the task of creating an effective method for isolating wheat protoplasts for genome editing, suitable for a wide range of domestic breeding genotypes, remains relevant.

Кроме того, могут возникнуть дополнительные сложности по разработке такой методики в связи с тем, что, большинство разработанных методик осуществлены на модельных сортах с меньшей вероятностью разрыва мембран в результате сниженного действия внутриклеточных липооксигеназ с использованием дорогостоящих антиоксидантов (глутатион, трипсин или дитиотрийэтол) и требуют дополнительных экспериментальных доработок для внедрения полученных результатов в производство. Это обусловило необходимость перехода от работы с модельными генотипами к использованию продуктивных коммерческих сортов.In addition, additional difficulties may arise in the development of such a method due to the fact that most of the developed methods were carried out on model varieties with a lower probability of membrane rupture as a result of a reduced action of intracellular lipoxygenases using expensive antioxidants (glutathione, trypsin or dithiothriethol) and require additional experimental improvements to implement the results obtained in production. This necessitated the transition from working with model genotypes to the use of productive commercial varieties.

Недавно нами было показано положительное влияние низкотемпературной обработки растений пшеницы перед манипуляциями с зародышами и повышением их морфогенетического потенциала (Гапоненко и др., 2018 №2646108). В нашем способе был впервые использована низкотемпературная обработка для повышения целостности протопластов пшеницы отечественных сортов при выделении протопластов и их дальнейшей трансфекции с использованием вакуум-инфильтрации.Recently, we have shown the positive effect of low-temperature treatment of wheat plants before manipulations with embryos and increasing their morphogenetic potential (Gaponenko et al., 2018 No. 2646108). In our method, low-temperature treatment was first used to increase the integrity of wheat protoplasts of domestic varieties during the isolation of protoplasts and their further transfection using vacuum infiltration.

С учетом всего вышеописанного при разработке настоящего изобретения ставилась задача создания эффективного и простого способа получения протопластов пшеницы для редактирования генома, пригодного для широкого круга перспективных в коммерческом отношении отечественных яровых сортов. Ожидаемым техническим результатом было повышение эффективности и унификация процедуры выделения протопластов для эффективной доставки генетического инструментария редактирования генома.In view of all of the above, in the development of the present invention, the task was to create an effective and simple method for obtaining wheat protoplasts for editing the genome, suitable for a wide range of commercially promising domestic spring varieties. The expected technical result was an increase in the efficiency and unification of the protoplast isolation procedure for the efficient delivery of genetic tools for genome editing.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Настоящее изобретение представляет собой разработанный эффективный и простой способ изоляции протопластов пшеницы для редактирования генома, который может быть использован для широкого круга генотипов отечественной селекции.The present invention provides an effective and simple method for isolating wheat protoplasts for genome editing, which can be used for a wide range of domestic breeding genotypes.

Эффективный выход протопластов данный способ обеспечивает, если в качестве доноров мезофилла используются 7-10 дневные проростки, полученные от растений-доноров после холодового шока. Проростки пшеницы должны быть выращены в асептических условиях, возникновение контаминации снижает выход целостных протопластов. Непосредственно перед выделением за 48 ч необходимо поместить проростки в холодильную камеру в темноту при+4 С для снижения воздействия внутриклеточных липооксигеназ и пероксидаз, приводящие к нарушению целостности мембран клеток. Для высокого выхода протопластов пучок побегов (30 шт.) разрезают на сегменты вместе при помощи станка с лезвиями в осмотическом растворе толщиной 0,5 мм. Конструкция станка позволяет быстро и равномерно разрезать побеги, не сдавливая ткани. Используется только средняя часть - от начала гипокотиля до середины побега. После нарезанные сегменты необходимо немедленно перенести в 0,6 М раствор осмотика на 10 мин в темноту для сохранения осмотического давления. Чаще всего в качестве осмотиков используются сахара (глюкоза, сахароза, ксилоза, сорбит, маннитол), иногда растворы солей CaCl2, Na2HPO4, KCI в концентрациях 0,3-0,8 М. Для выделения протопластов использовали ферментативный раствор (целлюлаза и мацерозим) с применением вакуума. Предполагалось, что вакуумная инфильтрация помогает проникать раствору ферментов в растительную ткань и даже в межклеточные пространства. После энзиматической обработки суспензия протопластов должна быть очищена от остатков неразрушенной ткани и осколков клеток, а также отмыта от ферментов для трансфекции протопластов при редактировании генома пшеницы в зависимости от поставленной задачи в способе по изобретению могут использоваться различные генетические конструкции. Например, для создания растений, устойчивых к мучнистой росе, может быть проведено редактировании генома при помощи генетических конструкций CRISPR/Cas9 приводящих к инактивации гена MLO (ведущая к невосприимчивости к плесени).This method provides an effective yield of protoplasts if 7-10 day old seedlings obtained from donor plants after cold shock are used as mesophyll donors. Wheat seedlings must be grown under aseptic conditions, the occurrence of contamination reduces the yield of intact protoplasts. Immediately prior to isolation, 48 hours before seedlings, it is necessary to place the seedlings in a refrigerator in the dark at +4 C to reduce the effects of intracellular lipoxygenases and peroxidases, leading to a violation of the integrity of cell membranes. For a high yield of protoplasts, a bundle of shoots (30 pcs.) is cut into segments together using a machine with blades in an osmotic solution with a thickness of 0.5 mm. The design of the machine allows you to quickly and evenly cut the shoots without squeezing the tissue. Only the middle part is used - from the beginning of the hypocotyl to the middle of the shoot. After the cut segments must be immediately transferred to a 0.6 M osmotic solution for 10 minutes in the dark to maintain the osmotic pressure. Most often, sugars are used as osmotic agents (glucose, sucrose, xylose, sorbitol, mannitol), sometimes solutions of CaCl2, Na2HPO4, KCI salts at concentrations of 0.3-0.8 M. For the isolation of protoplasts, an enzymatic solution (cellulase and macerozyme) with using a vacuum. It was assumed that vacuum infiltration helps the enzyme solution to penetrate into the plant tissue and even into the intercellular spaces. After enzymatic treatment, the protoplast suspension must be purified from the remnants of intact tissue and cell fragments, and also washed from enzymes for protoplast transfection when editing the wheat genome, depending on the task, various genetic constructs can be used in the method according to the invention. For example, to create plants resistant to powdery mildew, genome editing can be carried out using CRISPR/Cas9 genetic constructs leading to inactivation of the MLO gene (leading to mold resistance).

Представленная система получения интактных протопластов пшеницы занимает от 10-ти до 15-ти дней с момента высева семян. Концентрация интактных протопластов до 7×106 мл-1, что в 1,5-2 раза выше, чем методы, используемых в настоящее время в других лабораториях. Частота трансфекции протопластов с использованием генетической конструкции, кодирующей зеленый флюоресцирующий белок GFP составила 40%.The presented system for obtaining intact wheat protoplasts takes from 10 to 15 days from the moment of sowing the seeds. The concentration of intact protoplasts is up to 7×10 6 ml -1 , which is 1.5-2 times higher than the methods currently used in other laboratories. The frequency of transfection of protoplasts using a genetic construct encoding the green fluorescent protein GFP was 40%.

Данное изобретение относится к способу получения протопластов растений пшеницы, включающему следующие стадии:The present invention relates to a method for producing wheat plant protoplasts, comprising the following steps:

1) Подбор или создание генетического инструментария (генно-инженерных конструкций);1) Selection or creation of genetic tools (genetically engineered constructs);

2) Подготовку исходного материала;2) Preparation of source material;

3) Низкотемпературную обработку растений-доноров;3) Low-temperature treatment of donor plants;

4) Изоляцию протопластов4) Isolation of protoplasts

5) Осмотическую обработку сегментов побегов;5) Osmotic treatment of shoot segments;

6) Изоляцию протопластов в растворе ферментов и воздействие вакуума;6) Isolation of protoplasts in enzyme solution and exposure to vacuum;

7) ПЭГ-опосредованная трансфекция протопластов;7) PEG-mediated transfection of protoplasts;

8) Пролиферацию и детекцию трансформированных клеток;8) Proliferation and detection of transformed cells;

Методика была использована на яровых сортах мягкой пшеницы отечественной селекции - Злата, Амир, Агата, Любава. Выход интактных протопластов был высоким и составил от 5×105 мл-1 до 7×106 мл. Эффективность трансфекции оказалась высокой для всех исследуемых сортов, независимо от генотипа составила до от 32 до 40,5%. Данный показатель свидетельствует о высокой эффективности предлагаемого способа..The technique was used on spring varieties of soft wheat of domestic breeding - Zlata, Amir, Agata, Lyubava. The yield of intact protoplasts was high and ranged from 5×10 5 ml -1 to 7×10 6 ml. The transfection efficiency was high for all the studied varieties, regardless of the genotype, up to 32 to 40.5%. This indicator indicates the high efficiency of the proposed method.

Figure 00000001
Figure 00000001

Краткое описание рисунковBrief description of the drawings

Рисунок - Этапы выделения протопластов из проростков пшеницы и трансфекция.Figure - Stages of isolation of protoplasts from wheat seedlings and transfection.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Использование здоровых растений-доноров является необходимым условием для получения протопластов. Растения должны быть в условиях искусственного климата, в асептических условиях. Помимо обязательного предохранения растений от таких заболеваний как мучнистая роса, карликовая ржавчина, корневые гнили и т.д., должны быть созданы оптимальные условия вегетации - качественное освещение и питательная среда.The use of healthy donor plants is a prerequisite for obtaining protoplasts. Plants must be in an artificial climate, in aseptic conditions. In addition to the obligatory protection of plants from diseases such as powdery mildew, dwarf rust, root rot, etc., optimal growing conditions must be created - high-quality lighting and nutrient medium.

Изоляция протопластов с использованием станка несколькими лезвиями в осмотическом растворе или при помощи острых бритв (должна осуществляться быстро и аккуратно).Isolation of protoplasts using a machine with several blades in osmotic solution or with sharp razors (should be done quickly and accurately).

Для создания вакуума была использована пушка для биобаллистики - PIG (particle inflow gun), но может быть использована и другая камера для создания давления ниже атмосферного. При энзиматической обработки суспензия протопластов находится на шейкере-инкубаторе ES 20 BioSan, но можно использовать и другой шейкер с контролируемыми условиями.A bioballistics gun - PIG (particle inflow gun) was used to create a vacuum, but another chamber can be used to create a pressure below atmospheric pressure. For enzymatic treatment, the protoplast suspension is kept on an ES 20 BioSan incubator shaker, but another controlled shaker can be used.

Для детекции трансфецированных трансгенных клеток можно воспользоваться различными репортерными генами (GFP, DsRed, X-gal и др.). Концентрацию клеток определяют с использованием гематоцитометра или под микроскопом (×100). В примерах приведенных ниже был использован плазмидный вектор pUBarGFP, несущий кассету экспрессии гена bar под контролем промотора Ubil-гена кукурузы и Tnos терминатора гена нопалинсинтазы и ген gfp, кодирующий зеленый флуоресцентный белок.Various reporter genes (GFP, DsRed, X-gal, etc.) can be used to detect transfected transgenic cells. The cell concentration is determined using a hematocytometer or under a microscope (×100). In the examples below, the pUBarGFP plasmid vector carrying the bar gene expression cassette under the control of the maize Ubil gene promoter and the Tnos terminator of the nopaline synthase gene and the gfp gene encoding the green fluorescent protein was used.

Методика:Methodology:

1) Подбор или создание генетического инструментария (генно-инженерных конструкций):1) Selection or creation of genetic tools (genetically engineered constructs):

Был использован плазмидный вектор pUBarGFP, несущий ген gfp, кодирующий зеленый флуоресцентный белок, так как экспрессия проявляется в появлении зеленого свечения при освещении синим светом и ее легко обнаружить.The pUBarGFP plasmid vector carrying the gfp gene encoding the green fluorescent protein was used, since the expression appears as a green glow when illuminated with blue light and is easy to detect.

2) Подготовка исходного материала:2) Preparation of source material:

Очищенные семена пшеницы стерилизуют с помощью 75% этанола в течение 1 мин. Эти семена далее стерилизуют 2,5% гипохлоридом натрия, в течение 20 мин, затем промывают пять раз стерильной водой.The cleaned wheat seeds are sterilized with 75% ethanol for 1 min. These seeds are then sterilized with 2.5% sodium hypochlorite for 20 minutes, then washed five times with sterile water.

Семена инкубируют на среде с 1/2 MS ((Murashige Т. & Skoog F. 1962)) с фотопериодом 12 (16) ч света/темноты при 26°С в течение 7-10 дней. Зеленые проростки в количестве 60 штук используются далее.Seeds are incubated on 1/2 MS medium ((Murashige T. & Skoog F. 1962)) with a photoperiod of 12 (16) hours light/dark at 26° C. for 7-10 days. Green seedlings in the amount of 60 pieces are used further.

3) Низкотемпературная обработка растений-доноров:3) Low-temperature treatment of donor plants:

Пробирки с растениями помещают в холодильную камеру при 4±2°С на 48 ч.Test tubes with plants are placed in a refrigerator at 4±2°C for 48 hours.

4) Изоляция протопластов:4) Isolation of protoplasts:

Пучок побегов (30 штук) разрезают вместе, используется только средняя часть - от начала гипокотиля до середины побега. Далее побеги разрезают на полоски шириной 0,5 мм при помощи станка с лезвиями в осмотическом растворе в небольшом количестве 0,6 М маннитола +4°С - рекомендуется нарезать вдоль и поперек побега.A bunch of shoots (30 pieces) is cut together, only the middle part is used - from the beginning of the hypocotyl to the middle of the shoot. Next, the shoots are cut into strips 0.5 mm wide using a machine with blades in an osmotic solution in a small amount of 0.6 M mannitol + 4 ° C - it is recommended to cut along and across the shoot.

5) Осмотическая обработка сегментов побегов:5) Osmotic treatment of shoot segments:

Сегменты листьев немедленно переносят в охлажденный до +4°С 0,6 М раствор маннитола на 30 мин для быстрого плазмолиза. После плазмолиза ткани листа фильтруют через нейлоновые сетки.Leaf segments are immediately transferred to a 0.6 M mannitol solution cooled to +4°C for 30 minutes for rapid plasmolysis. After plasmolysis, the leaf tissues are filtered through nylon meshes.

6) Изоляцию протопластов в растворе ферментов и воздействие вакуума; Сегменты листьев переносят в коническую колбу емкостью 150 мл, содержащую 506) Isolation of protoplasts in enzyme solution and exposure to vacuum; The leaf segments are transferred to a 150 ml conical flask containing 50

мл стерилизованного фильтром раствора фермента (1,5% целлюлазы RS, 0,75% мацерозим R-10, 0,6 М маннитол, 10 мМ MES при рН 5,7, 10 мМ CaCl2 и 0,1% BSA), основанном на протоколе Shan Q. с соавторами (Shan Q. et al., 2014) и охлажденного до +4°С. Далее вакуум-инфильтрируют сегменты листьев ферментами путем применения вакуума (~ 380-508 мм рт.ст.) в течение 30 мин. в темноте или сразу оборачивают колбу алюминиевой фольгой. Затем инкубируют полоски в темноте в течение 4-6 ч при осторожном смешивании (60-80 об/мин) при пониженной до +4 С температуре.ml filter-sterilized enzyme solution (1.5% cellulase RS, 0.75% macerozyme R-10, 0.6 M mannitol, 10 mM MES at pH 5.7, 10 mM CaCl2 and 0.1% BSA) based on protocol of Shan Q. et al. (Shan Q. et al., 2014) and chilled to +4°C. Next, vacuum infiltrate the leaf segments with enzymes by applying vacuum (~380-508 mmHg) for 30 min. in the dark or immediately wrap the flask in aluminum foil. Then the strips are incubated in the dark for 4-6 hours with gentle mixing (60-80 rpm) at a temperature reduced to +4°C.

После ферментативного расщепления добавляют 50 мл раствора В5 (154 MMNaCl, 125 мМ CaCl2,5 мМ КСl и 2 мМ MES при рН 5,7), основанном на протоколе Shan Q. с соавторами (Shan Q. et al., 2014) в коническую колбу и затем осторожно встряхивают его вручную в течение 10 секунд для выхода протопластов. Фильтруют смесь через 40 мкм нейлоновые сетки и промывают полоски листьев на поверхности нейлоновой сетки 3-5 раз с помощью раствора В5.After enzymatic digestion, 50 ml of B5 solution (154 MMNaCl, 125 mM CaCl2.5 mM KCl and 2 mM MES at pH 5.7) based on the protocol of Shan Q. et al. (Shan Q. et al., 2014) is added into a conical the flask and then gently shake it by hand for 10 seconds to release the protoplasts. Filter the mixture through 40 µm nylon meshes and wash the leaf strips on the surface of the nylon mesh 3-5 times with solution B5.

Отмытые протопласты собирают в три или четыре круглодончатые центрифужные пробирки объемом 30-50 мл, и центрифугируют при 80g в течение 3 мин при комнатной температуре, и удаляют супернатант с помощью пипетки. Протопласты очень хрупкие, поэтому необходима аккуратность.The washed protoplasts are collected in three or four round bottom centrifuge tubes with a volume of 30-50 ml, and centrifuged at 80g for 3 min at room temperature, and the supernatant is removed with a pipette. Protoplasts are very fragile, so care must be taken.

После центрифугирования протопласты повторно аккуратно суспендируют в 10 мл раствора В5, собирают их в одну круглодонную пробирку объемом 50 мл и держат их на льду в течение 30 мин. Интактные протопласты должны оседать на дно пробирки под действием силы тяжести через 30 мин. После удаляют только супернатант, непосредственно без центрифугирования с помощью пипетки Ресуспендируют протопласты в 4 мл раствора кальция и магния (0,4 М маннит, 15 мМ MgCl2 и 4 мМ MES при рН 5,7) при конечной концентрации 2,5 × 106 клеток на мл. Определяют концентрацию протопластов под микроскопом (×100) или с помощью гемоцитометра.After centrifugation, the protoplasts are gently resuspended in 10 ml of B5 solution, collected in one 50 ml round bottom tube and kept on ice for 30 min. Intact protoplasts should settle to the bottom of the tube by gravity after 30 min. Then only the supernatant is removed, directly without centrifugation with a pipette Resuspend the protoplasts in 4 ml calcium and magnesium solution (0.4 M mannitol, 15 mM MgCl2 and 4 mM MES at pH 5.7) at a final concentration of 2.5 x 106 cells per ml. Determine the concentration of protoplasts under a microscope (×100) or using a hemocytometer.

7) ПЭГ-опосредованная трансфекция протопластов:7) PEG-mediated protoplast transfection:

Для трансфекции пшеницы добавляют 40 мкг плазмиды в микроцентрифужную пробирку объемом 2 мл, а затем добавляют 200 мкл протопластов (5×105 клеток) и осторожно смешивают их, постукивая по пробирке или слегка пипетируя.). Температура растворов должна быть +4 градуса.For wheat transfection, add 40 µg of plasmid to a 2 ml microcentrifuge tube, and then add 200 µl of protoplasts (5 x 10 5 cells) and mix gently by tapping the tube or lightly pipetting.). The temperature of the solutions should be +4 degrees.

После плазмиды добавляют свежеприготовленный раствор полиэтиленгликоля (ПЭГ) (40%, PEG 4000, 0,2 М маннитол и 0,1 М CaCl2) и тщательно перемешивают, осторожно постукивая по пробирке или слегка пипетируя.After the plasmid, freshly prepared polyethylene glycol (PEG) solution (40%, PEG 4000, 0.2 M mannitol and 0.1 M CaCl2) is added and mixed thoroughly by gentle tapping or light pipetting.

Затем инкубируют смесь в течение 15-20 мин в темноте, обязательно оборачивают пробирки в алюминиевую фольгу. Добавляют 880 мкл раствора В5 в пробирку и хорошо перемешивают, инвертируя чтобы остановить процесс трансформации. Протопласты пшеницы центрифугируют при 80 g в течение 3 мин и удаляют супернатант. Повторно суспендируют протопласты в 2 мл раствора В5.Then the mixture is incubated for 15-20 minutes in the dark, be sure to wrap the test tubes in aluminum foil. Add 880 µl of solution B5 to the tube and mix well by inverting to stop the transformation process. Wheat protoplasts are centrifuged at 80 g for 3 min and the supernatant is removed. Resuspend the protoplasts in 2 ml of solution B5.

8) Пролиферацию и детекцию трансформированных клеток:8) Proliferation and detection of transformed cells:

Переносят протопласты в 6-луночные планшеты, оборачивают планшеты в алюминиевую фольгу и инкубируют их при 23°С не менее 48 часов (максимум 72 ч).Transfer the protoplasts to 6-well plates, wrap the plates in aluminum foil and incubate them at 23° C. for at least 48 hours (maximum 72 hours).

Проверяют состояние протопластов под микроскопом, здоровые клетки должны казаться полными и круглыми. Эффективность трансфекции можно узнать, подсчитав количество флуоресцирующих клеток GFP.Check the condition of the protoplasts under a microscope, healthy cells should appear full and round. Transfection efficiency can be determined by counting the number of fluorescent GFP cells.

Далее приведены конкретные примеры осуществления изобретения, которые не могут рассматриваться как ограничивающие его объем.The following are specific examples of the invention, which can not be considered as limiting its scope.

Пример 1. Получение трансфецированных протопластнов яровой пшеницы сорта Злата, содержащих ген gfp.Example 1. Obtaining transfected protoplasts of spring wheat cv. Zlata containing the gfp gene.

Очищенные семена пшеницы сорта Злата в количестве 50 штук стерилизовали 75% этанолом в течение 1 мин. Эти семена далее стерилизовали 2,5% гипохлоридом натрия, в течение 20 мин, затем промывали пять раз стерильной водой. Семена инкубировали на среде с 1/2 MS с фотопериодом 12 (16) ч света/темноты при 26°С в течение 9 дней. Зеленые проростки в пробирках колличестве 30 штук помещали в холодильную камеру при 4±2°С на 48 ч. После холодового шока побеги разрезали вдоль и поперек побега на полоски шириной 0,5 мм при помощи станка с лезвиями в осмотическом растворе в небольшом количестве охлажденного до +4°С 0,6 М маннитола. Сегменты листьев немедленно переносили в охлажденного до +4°С 0,6 М раствор маннитола на 30 мин для быстрого плазмолиза. После плазмолиза ткани листа фильтровали через нейлоновые сетки и переносили в коническую колбу емкостью 150 мл, содержащую 50 мл стерилизованного фильтром раствора фермента, охлажденного до +4°С. Сегменты листьев сорта Злата подвергали вакуум-инфильтрации (~ 500 мм рт.ст.) в течение 30 мин. в темноте при +4°С, и сразу оборачивали колбу алюминиевой фольгой. Затем инкубировали полоски в темноте в течение 5 ч при осторожном смешивании (80 об/мин) при +4°С. Затем добавляли 50 мл раствора В 5 в коническую колбу и встряхивали его вручную в течение 10 секунд для выхода протопластов. Фильтровали смесь через 40 мкм нейлоновые сетки и 3 раза с помощью раствора В5. Потом отмытые протопласты собирали в три круглодончатые центрифужные пробирки объемом 30 мл, и центрифугировали при 80g в течение 3 мин при комнатной температуре, удаляли супернатант с помощью пипетки. Затем повторно суспендировали в 10 мл раствора В5, собирали их в одну кругл о донную пробирку объемом 50 мл и держали их на льду в течение 30 мин. Интактные протопласты осаждались на дно пробирки под действием силы тяжести через 25 мин. После 30 минут удаляли супернатант. Ресуспендировали протопласты в 4 мл раствора кальция и магния. Определили концентрацию протопластов с помощью гемоцитометра - 7×106. Приготовили раствор ПЭГ за 3 ч до трансфекции. Протопласты довели до нужной концентрации 5×105 клеток. Для трансфекции пшеницы добавили 40 мкг плазмиды в микроцентрифужную пробирку объемом 2 мл, а затем добавили 200 мкл протопластов. После плазмиды добавляли раствор полиэтиленгликоля. Все растворы для трансфекции были температурой +4С. Затем инкубировали смесь в течение 20 мин в темноте в алюминиевой фольге. Добавляли 880 мкл раствора В5 в пробирку перемешивали инвертируя. Протопласты пшеницы Злата центрифугировали при 80 g в течение 3 мин и удаляли супернатант. Повторно суспендировали протопласты в 2 мл раствора В5. Эффективность трансфекции составила 40,5%.Cleaned wheat seeds of the Zlata variety in the amount of 50 pieces were sterilized with 75% ethanol for 1 min. These seeds were further sterilized with 2.5% sodium hypochlorite for 20 minutes, then washed five times with sterile water. Seeds were incubated on medium with 1/2 MS with a photoperiod of 12 (16) h light/dark at 26°C for 9 days. Green seedlings in test tubes of 30 pieces were placed in a refrigerator at 4±2°C for 48 hours. +4°C 0.6 M mannitol. Leaf segments were immediately transferred to a 0.6 M mannitol solution cooled to +4°C for 30 min for rapid plasmolysis. After plasmolysis, leaf tissues were filtered through nylon meshes and transferred to a 150 ml conical flask containing 50 ml of filter-sterilized enzyme solution cooled to +4°C. Leaf segments of cv. Zlata were subjected to vacuum infiltration (~500 mmHg) for 30 min. in the dark at +4°C, and immediately wrap the flask with aluminum foil. The strips were then incubated in the dark for 5 h with gentle mixing (80 rpm) at +4°C. Then 50 ml of solution B 5 was added to the conical flask and shaken by hand for 10 seconds to release the protoplasts. Filter the mixture through 40 µm nylon meshes and 3 times with solution B5. Then the washed protoplasts were collected in three 30 ml round bottom centrifuge tubes and centrifuged at 80g for 3 min at room temperature, the supernatant was removed with a pipette. They were then resuspended in 10 ml of solution B5, collected in one 50 ml round bottom tube and kept on ice for 30 minutes. Intact protoplasts were deposited on the bottom of the tube under the action of gravity after 25 min. After 30 minutes, the supernatant was removed. The protoplasts were resuspended in 4 ml of calcium and magnesium solution. Determined the concentration of protoplasts using a hemocytometer - 7×10 6 . The PEG solution was prepared 3 h before transfection. The protoplasts were brought to the desired concentration of 5×10 5 cells. For wheat transfection, 40 μg of plasmid was added to a 2 ml microcentrifuge tube, followed by 200 μl of protoplasts. The polyethylene glycol solution was added after the plasmid. All transfection solutions were +4°C. The mixture was then incubated for 20 min in the dark in aluminum foil. 880 μl of solution B5 was added to the tube and mixed by inverting. Zlata wheat protoplasts were centrifuged at 80 g for 3 min, and the supernatant was removed. The protoplasts were resuspended in 2 ml of solution B5. The transfection efficiency was 40.5%.

Пример 2. Получение трансфецированных протопластнов яровой пшеницы сорта Агата, содержащих ген gfp.Example 2. Obtaining transfected protoplasts of spring wheat cv. Agata containing the gfp gene.

Семена пшеницы сорта Агата в количестве 70 штук стерилизовали этанолом в течение 1 мин, далее стерилизовали 2,5% гипохлоридом натрия, в течение 20 мин, затем промывали пять раз стерильной водой. Семена сорта Агата инкубировали на среде с 1/2 MS с фотопериодом 12 (16) ч света/темноты при 26°С в течение 7 дней. Зеленые проростки в пробирках количестве 33 штук помещали в холодильную камеру при 4±2°С на 48 ч. После холодового шока побеги разрезали вдоль и поперек побега на полоски шириной 0,5 мм при помощи станка с лезвиями в осмотическом растворе в небольшом количестве охлажденного до +4°С 0,6 М маннитола. Сегменты листьев немедленно переносили в 0,6 М раствор маннитола на 30 мин для быстрого плазмолиза. После плазмолиза ткани листа фильтровали через нейлоновые сетки и переносили в коническую колбу емкостью 150 мл, содержащую 50 мл стерилизованного фильтром раствора фермента. Сегменты листьев подвергали вакуум-инфильтрации (~450 мм рт.ст.) в течение 30 мин и затем инкубировали полоски в темноте в течение 5 ч при осторожном смешивании (60 об/мин) +4°С. Затем добавляли 50 мл раствора В5 в коническую колбу и встряхивали его вручную в течение 10. Фильтровали смесь через 40 мкм нейлоновые сетки и 4 раза раствором В5. Потом отмытые протопласты собирали в три круглодончатые центрифужные пробирки объемом 50 мл, и центрифугировали при 80g в течение 3 мин при комнатной температуре, удаляли супернатант с помощью пипетки. Затем суспендировали в 10 мл раствора В5, собирали их в одну круглодонную пробирку объемом 50 мл и держали их на льду в течение 30 мин. Интактные протопласты осаждались на дно пробирки под действием силы тяжести через 30 мин. После 30 минут удаляли супернатант. Ресуспендировали протопласты в 4 мл раствора кальция и магния Определили концентрацию протопластов с помощью гемоцитометра - 6,6×105. Приготовили раствор ПЭГ за 5 ч до трансфекции. Протопласты довели до концентрации 5×105 клеток. Для трансфекции пшеницы добавили 40 мкг плазмиды в микроцентрифужную пробирку объемом 2 мл, а затем добавили 200 мкл протопластов. После плазмиды добавляли раствор полиэтиленгликоля. Затем инкубировали смесь в течение 15 мин в темноте в алюминиевой фольге. Добавляли 880 мкл раствора В5 в пробирку перемешивали инвертируя. Протопласты пшеницы Агата центрифугировали при 80 g в течение 3 мин и удаляли супернатант. Повторно суспендировали протопласты в 2 мл раствора В5. Эффективность трансфекции составила 36%.Agata wheat seeds in the amount of 70 pieces were sterilized with ethanol for 1 min, then sterilized with 2.5% sodium hypochloride for 20 min, then washed five times with sterile water. Seeds of cv. Agata were incubated on medium with 1/2 MS with a photoperiod of 12 (16) h light/dark at 26°C for 7 days. Green seedlings in test tubes of 33 pieces were placed in a refrigerator at 4 ± 2°C for 48 hours. +4°C 0.6 M mannitol. Leaf segments were immediately transferred to 0.6 M mannitol solution for 30 min for rapid plasmolysis. After plasmolysis, leaf tissues were filtered through nylon meshes and transferred to a 150 ml conical flask containing 50 ml of filter-sterilized enzyme solution. The leaf segments were subjected to vacuum infiltration (~450 mm Hg) for 30 min and then the strips were incubated in the dark for 5 h with gentle mixing (60 rpm) +4°C. Then 50 ml of solution B5 was added to the conical flask and shaken by hand for 10. Filter the mixture through 40 μm nylon meshes and 4 times with solution B5. Then the washed protoplasts were collected in three 50 ml round bottom centrifuge tubes and centrifuged at 80g for 3 min at room temperature, the supernatant was removed with a pipette. Then they were suspended in 10 ml of B5 solution, collected in one 50 ml round bottom tube and kept on ice for 30 minutes. Intact protoplasts were deposited on the bottom of the tube under the action of gravity after 30 min. After 30 minutes, the supernatant was removed. The protoplasts were resuspended in 4 ml of a solution of calcium and magnesium. The concentration of protoplasts was determined using a hemocytometer - 6.6×10 5 . The PEG solution was prepared 5 h before transfection. The protoplasts were brought to a concentration of 5×10 5 cells. For wheat transfection, 40 μg of plasmid was added to a 2 ml microcentrifuge tube, followed by 200 μl of protoplasts. The polyethylene glycol solution was added after the plasmid. The mixture was then incubated for 15 min in the dark in aluminum foil. 880 μl of solution B5 was added to the tube and mixed by inverting. Agata wheat protoplasts were centrifuged at 80 g for 3 min, and the supernatant was removed. The protoplasts were resuspended in 2 ml of solution B5. The transfection efficiency was 36%.

Пример 3. Получение трансфецированных протопластнов яровой пшеницы сорта Амир, содержащих ген gfp.Example 3. Obtaining transfected protoplasts of spring wheat cv. Amir containing the gfp gene.

Семена пшеницы сорта Амир в колличестве 45 штук стерилизовали этанолом в течение 1 мин, далее стерилизовали 2,5% гипохлоридом натрия, в течение 20 мин, затем промывали пять раз стерильной водой. Семена сорта Амир инкубировали на среде с 1/2 MS с фотопериодом 12 (16) ч света/темноты при 26°С в течение 7 дней. Зеленые проростки в пробирках количестве 30 штук помещали в холодильную камеру при 4±2°С на 48 ч. После холодового шока побеги разрезали вдоль и поперек побега на полоски шириной 0,5 мм в 30 мл охлажденного до +4°С 0,6 М маннитола. Сегменты листьев немедленно переносили в 100 мл 0,6 М раствор маннитола на 30 мин для быстрого плазмолиза. После плазмолиза ткани листа фильтровали через нейлоновые сетки и переносили в коническую колбу емкостью 150 мл, содержащую 50 мл стерилизованного фильтром раствора фермента. Сегменты листьев подвергали вакуум-инфильтрации (~ 400 мм рт.ст.) в течение 30 мин и затем инкубировали полоски в темноте в течение 5 ч при осторожном смешивании (80 об/мин) при +4°С. Затем добавляли 50 мл раствора В5 в коническую колбу и встряхивали его вручную в течение 10. Фильтровали смесь через 40 мкм нейлоновые сетки и 3 раза раствором В5. Потом отмытые протопласты собирали в четыре круглодончатые центрифужные пробирки объемом 50 мл, и центрифугировали при 80g в течение 3 мин при комнатной температуре, удаляли супернатант с помощью пипетки. Затем суспендировали в 10 мл раствора В5, собирали их в одну круглодонную пробирку объемом 50 мл и держали их на льду в течение 30 мин. Интактные протопласты осаждались на дно пробирки под действием силы тяжести через 30 мин. После 30 минут удаляли супернатант. Ресуспендировали протопласты в 4 мл раствора кальция и магния. Определили концентрацию протопластов с помощью гемоцитометра - 6,2×106. Приготовили раствор ПЭГ за 4 ч до трансфекции. Протопласты довели до концентрации 5×105 клеток. Для трансфекции пшеницы добавили 40 мкг плазмиды в микроцентрифужную пробирку объемом 2 мл, а затем добавили 200 мкл протопластов. После плазмиды добавляли раствор полиэтиленгликоля. Затем инкубировали смесь в течение 15 мин в темноте в алюминиевой фольге. Добавляли 880 мкл раствора В5 в пробирку перемешивали инвертируя. Протопласты пшеницы Агата центрифугировали при 80 g в течение 3 мин и удаляли супернатант. Повторно суспендировали протопласты в 2 мл раствора В5. Эффективность трансфекции составила 34%.Wheat seeds of the Amir variety in the amount of 45 pieces were sterilized with ethanol for 1 min, then sterilized with 2.5% sodium hypochloride for 20 min, then washed five times with sterile water. Seeds of cv. Amir were incubated on medium with 1/2 MS with a photoperiod of 12 (16) h light/dark at 26°C for 7 days. Green seedlings in test tubes of 30 pieces were placed in a refrigerator at 4±2°C for 48 hours. After a cold shock, the shoots were cut along and across the shoot into strips 0.5 mm wide in 30 ml of 0.6 M mannitol. Leaf segments were immediately transferred to 100 ml of 0.6 M mannitol solution for 30 minutes for rapid plasmolysis. After plasmolysis, leaf tissues were filtered through nylon meshes and transferred to a 150 ml conical flask containing 50 ml of filter-sterilized enzyme solution. The leaf segments were subjected to vacuum infiltration (~400 mm Hg) for 30 min and then the strips were incubated in the dark for 5 h with gentle mixing (80 rpm) at +4°C. Then 50 ml of solution B5 was added to the conical flask and shaken by hand for 10. Filter the mixture through 40 μm nylon meshes and 3 times with solution B5. Then the washed protoplasts were collected in four 50 ml round bottom centrifuge tubes and centrifuged at 80g for 3 min at room temperature, the supernatant was removed with a pipette. Then they were suspended in 10 ml of B5 solution, collected in one 50 ml round bottom tube and kept on ice for 30 minutes. Intact protoplasts were deposited on the bottom of the tube under the action of gravity after 30 min. After 30 minutes, the supernatant was removed. The protoplasts were resuspended in 4 ml of calcium and magnesium solution. The concentration of protoplasts was determined using a hemocytometer - 6.2×10 6 . The PEG solution was prepared 4 h before transfection. The protoplasts were brought to a concentration of 5×10 5 cells. For wheat transfection, 40 μg of plasmid was added to a 2 ml microcentrifuge tube, followed by 200 μl of protoplasts. The polyethylene glycol solution was added after the plasmid. The mixture was then incubated for 15 min in the dark in aluminum foil. 880 μl of solution B5 was added to the tube and mixed by inverting. Agata wheat protoplasts were centrifuged at 80 g for 3 min, and the supernatant was removed. The protoplasts were resuspended in 2 ml of solution B5. The transfection efficiency was 34%.

Пример 4. Получение трансфецированных протопластнов яровой пшеницы сорта Любава, содержащих ген gfp.Example 4. Preparation of transfected spring wheat cv. Lyubava protoplasts containing the gfp gene.

Семенной материал пшеницы сорта Любава в количестве 80 штук стерилизовали этанолом в течение 1 мин, далее стерилизовали 2,5% гипохлоридом натрия, в течение 20 мин, затем промывали шесть раз стерильной водой. Семена инкубировали на среде с 1/2 MS с фотопериодом 12 (16) ч света/темноты при 26°С в течение 8 дней. Зеленые проростки в пробирках количестве 34 штук помещали в холодильную камеру при 4±2°С на 48 ч. После холодового шока побеги разрезали вдоль и поперек побега на полоски шириной 0,5 мм в 20 мл 0,6 М маннитола +4°С. Сегменты листьев немедленно переносили в 100 мл 0,6 М раствор маннитола на 30 мин для быстрого плазмолиза при температуре +4°С. После плазмолиза ткани листа фильтровали через нейлоновые сетки и переносили в коническую колбу емкостью 150 мл, содержащую 50 мл стерилизованного фильтром раствора фермента. Сегменты листьев подвергали вакуум-инфильтрации (~ 380 мм рт.ст.) в течение 30 мин и затем инкубировали полоски в темноте в течение 5 ч при осторожном смешивании (70 об/мин) при температуре +4°С. Затем добавляли 50 мл раствора В5 в коническую колбу и встряхивали его вручную в течение 10. Фильтровали смесь через 40 мкм нейлоновые сетки и 5 раз раствором В5. Потом отмытые протопласты собирали в четыре круглодончатые центрифужные пробирки объемом 50 мл, и центрифугировали при 80g в течение 3 мин при комнатной температуре, удаляли супернатант с помощью пипетки. Затем суспендировали в 10 мл раствора В5, собирали их в одну кругл о донную пробирку объемом 50 мл и держали их на льду в течение 30 мин. Интактные протопласты осаждались на дно пробирки под действием силы тяжести через 20 мин. После 30 минут удаляли супернатант. Ресуспендировали протопласты в 4 мл раствора кальция и магния. Концентрация протопластов определялась с помощью гемоцитометра - 5×105. Приготовили раствор ПЭГ за 4,5 ч до трансфекции. Для трансфекции пшеницы добавили 40 мкг плазмиды в микроцентрифужную пробирку объемом 2 мл, а затем добавили 200 мкл протопластов. После плазмиды добавляли раствор полиэтиленгликоля. Затем инкубировали смесь в течение 20 мин в темноте в алюминиевой фольге. Добавляли 880 мкл раствора В5 в пробирку перемешивали инвертируя. Протопласты центрифугировали при 80 g в течение 3 мин и удаляли супернатант. Повторно суспендировали протопласты в 2 мл раствора В5. Эффективность трансфекции протопластов Любава составила 32%.Seed material of wheat variety Lyubava in the amount of 80 pieces was sterilized with ethanol for 1 min, then sterilized with 2.5% sodium hypochloride for 20 min, then washed six times with sterile water. Seeds were incubated on medium with 1/2 MS with a photoperiod of 12 (16) h light/dark at 26°C for 8 days. Green seedlings in test tubes of 34 pieces were placed in a refrigerator at 4±2°C for 48 hours. After a cold shock, the shoots were cut along and across the shoot into strips 0.5 mm wide in 20 ml of 0.6 M mannitol +4°C. Leaf segments were immediately transferred to 100 ml of 0.6 M mannitol solution for 30 min for rapid plasmolysis at +4°C. After plasmolysis, leaf tissues were filtered through nylon meshes and transferred to a 150 ml conical flask containing 50 ml of filter-sterilized enzyme solution. The leaf segments were subjected to vacuum infiltration (~380 mm Hg) for 30 min and then the strips were incubated in the dark for 5 h with gentle mixing (70 rpm) at +4°C. Then 50 ml of solution B5 was added to the conical flask and shaken by hand for 10. Filter the mixture through 40 μm nylon meshes and 5 times with solution B5. Then the washed protoplasts were collected in four 50 ml round bottom centrifuge tubes and centrifuged at 80g for 3 min at room temperature, the supernatant was removed with a pipette. Then suspended in 10 ml of solution B5, they were collected in one 50 ml round bottom tube and kept on ice for 30 minutes. Intact protoplasts were deposited on the bottom of the tube under the action of gravity after 20 min. After 30 minutes, the supernatant was removed. The protoplasts were resuspended in 4 ml of calcium and magnesium solution. The concentration of protoplasts was determined using a hemocytometer - 5×10 5 . The PEG solution was prepared 4.5 hours before transfection. For wheat transfection, 40 μg of plasmid was added to a 2 ml microcentrifuge tube, followed by 200 μl of protoplasts. The polyethylene glycol solution was added after the plasmid. The mixture was then incubated for 20 min in the dark in aluminum foil. 880 μl of solution B5 was added to the tube and mixed by inverting. The protoplasts were centrifuged at 80 g for 3 min, and the supernatant was removed. The protoplasts were resuspended in 2 ml of solution B5. The transfection efficiency of Lyubava protoplasts was 32%.

Список литературыBibliography

1. Cocking Е. С., Gregory D. W. Organized Protoplasmic Units of the Plant Cell: I. Their Occurrence, Origin, and Structure // Journal of Experimental Botany. - 1963. - T. 14. - №. 3. - C. 504-511.1. Cocking E. C., Gregory D. W. Organized Protoplasmic Units of the Plant Cell: I. Their Occurrence, Origin, and Structure // Journal of Experimental Botany. - 1963. - T. 14. - no. 3. - C. 504-511.

2. Doudna J. A., Charpentier E. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9 // Science. - 2014. - T. 346. - №. 6213. - C. 1258096.2. Doudna J. A., Charpentier E. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9 // Science. - 2014. - T. 346. - No. 6213. - C. 1258096.

3. Guo Y. et al. CRISPR inversion of CTCF sites alters genome topology and enhancer/promoter function // Cell. - 2015. - T. 162. - №. 4. - C. 900-910.3 Guo Y. et al. CRISPR inversion of CTCF sites alters genome topology and enhancer/promoter function // Cell. - 2015. - T. 162. - No. 4. - C. 900-910.

4. Horn M. E., Harms С.Т., Shillito R. D. Regeneration of graminaceous plants of the subfamily pooideae from protoplasts: пат. 5596131 США. - 1997.4. Horn M. E., Harms S. T., Shillito R. D. Regeneration of graminaceous plants of the subfamily pooideae from protoplasts: Pat. 5596131 USA. - 1997.

5. Li W. et al. MAGeCK enables robust identification of essential genes from genome-scale CRISPR/Cas9 knockout screens // Genome biology. - 2014. - T. 15. - №. 12. - C. 554.5. Li W. et al. MAGeCK enables robust identification of essential genes from genome-scale CRISPR/Cas9 knockout screens // Genome biology. - 2014. - T. 15. - no. 12. - C. 554.

6. Murashige Т., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures // Physiologia plantarum. - 1962. - T. 15. - №. 3. - C. 473-497.6. Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures // Physiologia plantarum. - 1962. - T. 15. - No. 3. - C. 473-497.

7. Nagata Т., Takebe I. Cell wall regeneration and cell division in isolated tobacco mesophyll protoplasts // Planta. - 1970. - T. 92. - №. 4. - С. 301-308.7. Nagata T., Takebe I. Cell wall regeneration and cell division in isolated tobacco mesophyll protoplasts // Planta. - 1970. - T. 92. - No. 4. - S. 301-308.

8. Peng D., Tarleton R. EuPaGDT: a web tool tailored to design CRISPR guide RNAs for eukaryotic pathogens // Microbial genomics. - 2015. - Т. 1. - №. 4.8. Peng D., Tarleton R. EuPaGDT: a web tool tailored to design CRISPR guide RNAs for eukaryotic pathogens // Microbial genomics. - 2015. - Vol. 1. - No. four.

9. Sander J. D., Joung J. K. CRISPR-Cas systems for editing, regulating and targeting genomes // Nature biotechnology - 2014. - Vol. 32, No. 4, P. 347.9. Sander J. D., Joung J. K. CRISPR-Cas systems for editing, regulating and targeting genomes // Nature biotechnology - 2014. - Vol. 32, no. 4, P. 347.

10. Schilperoort R. A., Krens F. A., Wullems G. J. Process for the in-vitro transformation of plant protoplasts with plasmid DNA: пат. 4684611 США. - 1987.10. Schilperoort R. A., Krens F. A., Wullems G. J. Process for the in-vitro transformation of plant protoplasts with plasmid DNA: Pat. 4684611 USA. - 1987.

11. Schreier P. H. et al. The use of nuclear-encoded sequences to direct the light-regulated synthesis and transport of a foreign protein into plant chloroplasts // The EMBO Journal. - 1985. - Т. 4. - №. 1. - C. 25-32.11 Schreier P. H. et al. The use of nuclear-encoded sequences to direct the light-regulated synthesis and transport of a foreign protein into plant chloroplasts // The EMBO Journal. - 1985. - T. 4. - No. 1. - C. 25-32.

12. Shan Q. et al. Genome editing in rice and wheat using the CRISPR/Cas system // Nature protocols. - 2014. - T. 9. - №. 10. - C. 2395-2410.12 Shan Q et al. Genome editing in rice and wheat using the CRISPR/Cas system // Nature protocols. - 2014. - T. 9. - no. 10. - C. 2395-2410.

13. Shan Q. et al. Targeted genome modification of crop plants using a CRISPR-Cas system // Nature biotechnology - 2013. - Vol. 31, No. 8, P. 686.13 Shan Q et al. Targeted genome modification of crop plants using a CRISPR-Cas system // Nature biotechnology - 2013. - Vol. 31, no. 8, P. 686.

14. Southern E. M. et al. Detection of specific sequences among DNA fragments separated by gel electrophoresis III mol biol. - 1975. - T. 98. -№. 3. - C. 503-517.14 Southern E. M. et al. Detection of specific sequences among DNA fragments separated by gel electrophoresis III mol biol. - 1975. - T. 98. - no. 3. - C. 503-517.

15. Wu R. J., Но Т. H. D. Production of water stress or salt stress tolerant transgenic cereal plants: пат.5981842 США. - 1999.15. Wu R. J., Ho T. H. D. Production of water stress or salt stress tolerant transgenic cereal plants: US Pat. - 1999.

16. Yang X. et al. Angiogenesis defects and mesenchymal apoptosis in mice lacking SMAD5 //Development. - 1999. - T. 126. - №. 8. - C. 1571-1580.16. Yang X. et al. Angiogenesis defects and mesenchymal apoptosis in mice lacking SMAD5 //Development. - 1999. - T. 126. - No. 8. - C. 1571-1580.

17. Zhu X. et al. An efficient genotyping method for genome-modified animals and human cells generated with CRISPR/Cas9 system //Scientific reports. - 2014. - T. 4. - №. 1. - C. 1-8.17 Zhu X. et al. An efficient genotyping method for genome-modified animals and human cells generated with CRISPR/Cas9 system //Scientific reports. - 2014. - T. 4. - no. 1. - C. 1-8.

18. Гапоненко A.K., Я.В. Мишуткина, А.А. Тимошенко, О.А. Шульга, Н.А. Спеченкова, Патент РФ №2646108 РФ на изобретение «Способ получения трансгенных растений пшеницы с использованием биобаллистики». 07 декабря 2016 г.»18. Gaponenko A.K., Ya.V. Mishutkina, A.A. Timoshenko, O.A. Shulga, N.A. Spechenkova, Patent of the Russian Federation No. 2646108 of the Russian Federation for the invention "Method for obtaining transgenic wheat plants using bioballistics". December 07, 2016"

Claims (1)

Способ изоляции протопластов пшеницы для редактирования генома, включающий в себя холодовой шок растений-доноров, измельчение побегов от гипокотиля до середины листа и изоляцию протопластов в осмотическом растворе, вакуум-инфильтрацию сегментов листьев в ферментном растворе при пониженной температуре, фильтрацию и промывку раствором солей, отбор целостных протопластов при помощи центрифугирования и осаждение протопластов на льду под действием силы центра тяжести, ПЭГ-опосредованную трансфекцию протопластов, и отличающийся тем, что для побегов растений мягкой яровой пшеницы используют холодовой шок в пробирках на 7-9 день после посева при температуре +4°С в течение 48 часов, изоляцию протопластов во время измельчения побегов проводят в охлажденном осмотическом растворе до +4°С, вакуум-инфильтрируют сегменты листьев в течение 30 минут в ферментном растворе при температуре +4°С.A method for isolating wheat protoplasts for genome editing, including cold shock of donor plants, crushing of shoots from the hypocotyl to the middle of the leaf and isolation of protoplasts in an osmotic solution, vacuum infiltration of leaf segments in an enzyme solution at a low temperature, filtration and washing with a salt solution, selection whole protoplasts by centrifugation and sedimentation of protoplasts on ice under the action of the force of the center of gravity, PEG-mediated transfection of protoplasts, and characterized in that cold shock is used for shoots of soft spring wheat plants in test tubes on days 7-9 after sowing at a temperature of +4°C C for 48 hours, the isolation of protoplasts during the grinding of shoots is carried out in a chilled osmotic solution to +4°C, the leaf segments are vacuum-infiltrated for 30 minutes in an enzyme solution at a temperature of +4°C.
RU2021105875A 2021-03-09 Simple method for isolating wheat protoplasts for genome editing RU2783891C2 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021105875A RU2021105875A (en) 2022-09-09
RU2783891C2 true RU2783891C2 (en) 2022-11-21

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4684611A (en) * 1982-02-11 1987-08-04 Rijksuniversiteit Leiden Process for the in-vitro transformation of plant protoplasts with plasmid DNA
RU2646108C1 (en) * 2016-12-07 2018-03-01 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН Method for obtaining transgenic wheat plants using bioballistics

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4684611A (en) * 1982-02-11 1987-08-04 Rijksuniversiteit Leiden Process for the in-vitro transformation of plant protoplasts with plasmid DNA
RU2646108C1 (en) * 2016-12-07 2018-03-01 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН Method for obtaining transgenic wheat plants using bioballistics

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
9/VJ17.228. *
ЗЛОБИН Н.Е. и др. Сделать сложное проще: современный инструментарий для редактирования генома растений, Вавиловский журнал генетики и селекции, 2017, 21 (1), с. 104-111, *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230242926A1 (en) Methods and hybrids for targeted nucleic acid editing in plants using crispr/cas systems
US20230242927A1 (en) Novel plant cells, plants, and seeds
US20220411810A1 (en) Method for conducting site-specific modification on entire plant via gene transient expression
Huang et al. An efficient cucumber (Cucumis sativus L.) protoplast isolation and transient expression system
Cabrera-Ponce et al. Herbicide resistant transgenic papaya plants produced by an efficient particle bombardment transformation method
US8395024B2 (en) Stress-inducible plant promoters
DK175510B1 (en) Process for transformation of plant heritage plants
Santarém et al. Transformation of soybean [Glycine max (L.) Merrill] using proliferative embryogenic tissue maintained on semi-solid medium
US20220007607A1 (en) High throughput protoplast isolation and transformation of plant cells from a novel leaf-based cell culture-derived system
JP2005500827A (en) Plant artificial chromosome, its use and method for producing plant artificial chromosome
Indurker et al. Genetic transformation of chickpea (Cicer arietinum L.) with insecticidal crystal protein gene using particle gun bombardment
US20060260012A1 (en) Method of transforming soybean
WO2019219046A1 (en) Method for rapidly and efficiently obtaining non-transgenic, gene-targeted mutated plant and use thereof
Häggman et al. Gene transfer by particle bombardment to Norway spruce and Scots pine pollen
Ramesh et al. Transient expression of β-glucuronidase gene in indica and japonica rice (Oryza sativa L.) callus cultures after different stages of co-bombardment
RU2783891C2 (en) Simple method for isolating wheat protoplasts for genome editing
Sriskandarajah et al. Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation of Campanula carpatica: factors affecting transformation and regeneration of transgenic shoots
Fizree et al. Efficient PEG-mediated transformation of oil palm mesophyll protoplasts and its application in functional analysis of oil palm promoters
Rahman et al. Production of transgenic Indica rice (Oryza sativa L.) Cv. MR 81 via particle bombardment system
Godwin et al. Transgenic grain sorghum (Sorghum bicolor) plants via Agrobacterium
CN106554398A (en) From paddy rice protein OsGIF1 and its relevant biological material regulation and control plant organ size in application
Li et al. Expression of foreign genes, GUS and hygromycin resistance, in the halophyte Kosteletzkya virginica in response to bombardment with the Particle Inflow Gun
Sriskandarajah et al. Regeneration and transformation in adult plants of Campanula species
Narendran Production of marker-free insect resistant transgenic brinjal (Solanum melongena L.) carrying cry2Ab gene
WO2024036600A1 (en) Autonomous parthenogenetic haploid reproduction method for maternal cells and use thereof in breeding