RU2785923C1 - METHOD FOR DETERMINING THE GENOME-WIDE LOCALISATION AND NUMBER OF COPIES OF T-DNA IN THE GENOME OF TRANSFORMED PLANTS USING Cas9-TARGETED NANOPORE SEQUENCING - Google Patents

METHOD FOR DETERMINING THE GENOME-WIDE LOCALISATION AND NUMBER OF COPIES OF T-DNA IN THE GENOME OF TRANSFORMED PLANTS USING Cas9-TARGETED NANOPORE SEQUENCING Download PDF

Info

Publication number
RU2785923C1
RU2785923C1 RU2021133199A RU2021133199A RU2785923C1 RU 2785923 C1 RU2785923 C1 RU 2785923C1 RU 2021133199 A RU2021133199 A RU 2021133199A RU 2021133199 A RU2021133199 A RU 2021133199A RU 2785923 C1 RU2785923 C1 RU 2785923C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dna
genome
plants
cas9
targeted
Prior art date
Application number
RU2021133199A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Илья Владимирович Киров
Павел Юрьевич Меркулов
Захар Сергеевич Константинов
Максим Васильевич Дудников
Александр Александрович Соловьев
Геннадий Ильич Карлов
Михаил Георгиевич Дивашук
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)
Application granted granted Critical
Publication of RU2785923C1 publication Critical patent/RU2785923C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: biotechnology.
SUBSTANCE: presented is a method for determining the genome-wide localisation and number of copies of T-DNA in the genome of transformed plants using Cas9-targeted nanopore sequencing. The method includes the following stages: isolating the high molecular weight fraction of the DNA of individual transgenic plants (HMW DNA), pooling the DNA of individual transgenic plants; selecting gRNAs specific to the T-DNA region and synthesising gRNAs in vitro on a double-stranded DNA matrix molecule; assembling Cas9/gRNA ribonucleoprotein complexes; performing Cas9-targeted nanopore sequencing; identifying the T-DNA insertion sites in the plant pool using the NanoCasTE approach; selecting specific primers for each T-DNA insertion into regions flanking the insertion site; and genotyping individual plants.
EFFECT: new method for finding the location and number of copies of T-DNA in the genome of plants and creating markers for genotyping transformed plants using Cas9-targeted nanopore sequencing.
1 cl, 5 dwg, 1 ex

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs

Изобретение относится к области биотехнологии и генной инженерии растений, а именно к способу определения геномной локализации и числа копий Трансгенной-ДНК (Т-ДНК) в геноме трансформированных растений.The invention relates to the field of biotechnology and genetic engineering of plants, and in particular to a method for determining the genomic localization and copy number of Transgenic DNA (T-DNA) in the genome of transformed plants.

Предшествующий уровень техникиPrior Art

Место геномной локализации и число копий Т-ДНК в геноме трансформированных растений являются важнейшими характеристиками для дальнейшего использования трансгенных растений. Игнорирование данных характеристик может привести к нестабильному наследованию и экспрессии трансгена, фенотипическим отклонениям, не связанным с функционированием Т-ДНК, а также к генетическому расщеплению и утрате трансгена в последующих поколениях. Кроме этого, быстрое и точное определение зиготности введенных последовательностей, а также структуры занимаемых ими локусов позволяет сократить количество поколений, необходимых при получении линий со стабильной экспрессий от первоначальных трансформантов. В случае растений это наиболее актуально, так как наступление генеративного периода у них может занимать от нескольких месяцев до десятков лет. Современные методы трансформации не позволяют контролировать число копий встраиваемых генов, их ориентацию и место локализации в геноме. Ввиду этого в геноме трансформированных растений может наблюдаться наличие повторяющихся, усеченных или перестроенных копий вводимой последовательности, а также возможно нарушение регионов, кодирующих нативные гены. Молекулярный анализ интродуцированного гена и области его интеграции позволяет проводить обнаружение и изучение значительной доли нежелательных эффектов. Последние могут быть опосредованы, например, встраиванием гена в непредпочтительное для этого место в геноме (нативная рамка считывания или область низкой экспрессии). Кроме того, при использовании метода трансформации с помощью Agrobacterium tumefaciens часто наблюдается интеграция двух и более копий трансгена в один локус, что может приводить к замолканию экспрессии трансгена.The place of genomic localization and the number of T-DNA copies in the genome of transformed plants are the most important characteristics for the further use of transgenic plants. Ignoring these characteristics can lead to unstable inheritance and expression of the transgene, phenotypic abnormalities not related to the functioning of T-DNA, as well as genetic cleavage and loss of the transgene in subsequent generations. In addition, rapid and accurate determination of the zygosity of the introduced sequences, as well as the structure of the loci they occupy, makes it possible to reduce the number of generations required to obtain lines with stable expression from the initial transformants. In the case of plants, this is most relevant, since the onset of the generative period in them can take from several months to tens of years. Modern transformation methods do not allow one to control the number of copies of inserted genes, their orientation, and location in the genome. In view of this, the presence of repeated, truncated, or rearranged copies of the introduced sequence can be observed in the genome of transformed plants, and the regions encoding native genes can also be disrupted. Molecular analysis of the introduced gene and the area of its integration allows the detection and study of a significant proportion of undesirable effects. The latter can be mediated, for example, by inserting the gene into an unfavorable location in the genome (native reading frame or region of low expression). In addition, when using the transformation method using Agrobacterium tumefaciens, integration of two or more copies of the transgene into one locus is often observed, which can lead to silencing of the transgene expression.

Для определения места трансгена в геноме и числа копий были разработаны различные методы. В настоящий момент для молекулярного анализа интродуцированных аллелей широко используются такие методы как Саузерн-блоттинг (Southern Е.М., et. al., 1975), количественная ПЦР (qPCR) ((Ingham, D.J. et. al., 2001)), термическая асимметричная ПЦР с чересстрочной разверткой (TAIL-PCR) (Liu Y.G., et. al., 2007), а также цифровая капельная ПЦР (ddPCR) (Collier, R. et. al., 2017) Саузерн-блоттинг является одним из наиболее точных методов определения количества копий введенных в геном аллелей. В сравнении с методами, основанными на ПЦР, недостатками Саузерн-блоттинга являются трудоемкость и сложность, а зачастую и невозможность автоматизации. Кроме этого, применение этого метода для определения копийности Т-ДНК у растений с большим геномом является практически невозможным ((Southern Е.М., et. al., 1975)).Various methods have been developed to determine the location of the transgene in the genome and the number of copies. Currently, for the molecular analysis of introduced alleles, such methods as Southern blotting (Southern E.M., et. al., 1975), quantitative PCR (qPCR) ((Ingham, D.J. et. al., 2001)), thermal asymmetric interlaced PCR (TAIL-PCR) (Liu Y.G., et. al., 2007), as well as digital drop PCR (ddPCR) (Collier, R. et. al., 2017) Southern blotting is one of the most accurate methods for determining the number of copies of alleles introduced into the genome. Compared to PCR-based methods, the disadvantages of Southern blotting are laboriousness and complexity, and often the impossibility of automation. In addition, the use of this method to determine the copy number of T-DNA in plants with a large genome is practically impossible ((Southern E.M., et. al., 1975)).

Метод qPCR при анализе трансформированных растений предполагает относительную оценку количества исходной матрицы (в данном случае - встроенной в геном последовательности), на основе флуоресценции интеркалирующего красителя или репортерного ДНК-зонда. С помощью qPCR возможно определить количество копий интродуцированных аллелей, однако отклонения в эффективности амплификации, а также экспоненциальный характер увеличения количества исходного продукта являются факторами, ограничивающими точность, особенно при небольших различиях в копийности. Кроме того, поскольку qPCR позволяет проводить количественную оценку последовательности введенного гена, для подтверждения зиготности необходимо так или иначе прибегать к анализу расщепления в потомстве (Ingham, D.J. et. al., 2001).The qPCR method in the analysis of transformed plants involves a relative assessment of the amount of the original template (in this case, the sequence integrated into the genome), based on the fluorescence of an intercalating dye or a reporter DNA probe. Using qPCR, it is possible to determine the number of copies of introduced alleles, however, deviations in amplification efficiency, as well as the exponential nature of the increase in the amount of the original product, are factors that limit accuracy, especially with small differences in copy number. In addition, since qPCR allows quantification of the introduced gene sequence, it is necessary to somehow resort to progeny segregation analysis to confirm zygosity (Ingham, D.J. et. al., 2001).

Термическая асимметричная ПЦР с чересстрочной разверткой может быть использована как для определения числа копий, так и для локализации встроенных копий в геноме. Данный метод предполагает использование праймеров, специфичных для вставки, используемых совместно с произвольными вырожденными праймерами. Полученные ПЦР-продукты подлежат клонированию, секвенированию, и как правило содержат часть последовательности внесенного гена совместно с фланкирующим его участком генома. Главным ограничением TAIL-PCR является отсутствие амплификации при анализе некоторой части инсерций интродуцированного гена, что зачастую приводит к заниженным результатам при подсчете количества его копий. Также вставка Т-ДНК в регион с повторяющимися последовательностями может привести к артефактам (Liu Y.G., et. al., 2007).Thermal asymmetric interlaced PCR can be used both to determine the number of copies and to localize inserted copies in the genome. This method involves the use of insert-specific primers used in conjunction with arbitrary degenerate primers. The resulting PCR products are subject to cloning, sequencing, and, as a rule, contain a part of the introduced gene sequence together with the genome flanking it. The main limitation of TAIL-PCR is the lack of amplification in the analysis of some of the insertions of the introduced gene, which often leads to underestimated results when counting the number of its copies. Also, the insertion of T-DNA into a region with repeated sequences can lead to artifacts (Liu Y.G., et. al., 2007).

Цифровая капельная ПЦР также позволяет анализировать количество копий введенных в геном аллелей. Как и при qPCR, в ddPCR используется интеркалирующий краситель или специфичные ДНК-зонды, однако сама полимеразная цепная реакция протекает независимо в множестве микрообъемов (капель), на которые делится реакционная смесь. Анализ единичных молекул ДНК, реализуемый при ddPCR, позволяет достичь точности, сравнимой с Саузерн-блоттингом, однако данный метод не позволяет определить локализацию введенных генов (Collier, R. et. al., 2017).Digital drip PCR also makes it possible to analyze the number of copies of alleles introduced into the genome. Like qPCR, ddPCR uses an intercalating dye or specific DNA probes, but the polymerase chain reaction itself proceeds independently in multiple microvolumes (droplets) into which the reaction mixture is divided. The analysis of single DNA molecules, implemented with ddPCR, allows achieving an accuracy comparable to Southern blotting, but this method does not allow determining the localization of the introduced genes (Collier, R. et. al., 2017).

Отдельная группа методов связана с полногеномным секвенированием трансгенных растений методами NGS с последующим биоинформатическим анализом мест вставки Т-ДНК. Хотя этот метод является очень информативным, он имеет ряд недостатков, а именно: (1) необходимость полногеномного секвенирования с высоким покрытием (>10х), что экономически невыгодно при работе с растениями с крупным геномом и при анализе большого числа растений; (2) зависимость метода от первоначальной сборки генома.A separate group of methods is associated with whole genome sequencing of transgenic plants using NGS methods followed by bioinformatic analysis of T-DNA insertion sites. Although this method is very informative, it has a number of disadvantages, namely: (1) the need for whole genome sequencing with high coverage (>10x), which is not economically viable when working with plants with a large genome and when analyzing a large number of plants; (2) dependence of the method on the initial assembly of the genome.

Таким образом, на сегодня отсутствует универсальный подход, позволяющий определять места вставки Т-ДНК у разных видов растений с большим и малым размером генома, не прибегая к затратному полногеномному секвенированию.Thus, today there is no universal approach that allows one to determine the T-DNA insertion sites in different plant species with large and small genome sizes without resorting to costly whole genome sequencing.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Задачей изобретения, является разработка нового способа определение места и числа копий Т-ДНК в геноме растений, лишенного ограничений предшествующего уровня техники и создание маркеров для генотипирования трансформированных растений с помощью Cas9-целевого нанопорового секвенирования.The objective of the invention is to develop a new method for determining the location and number of copies of T-DNA in the plant genome, devoid of the limitations of the prior art and the creation of markers for genotyping transformed plants using Cas9-targeted nanopore sequencing.

Для решения данной задачи предлагается способ, в основе которого лежит целевое нанопоровое секвенирование с помощью рибонуклеопротеиновых комплексов Cas9/гРНК.To solve this problem, a method is proposed, which is based on targeted nanopore sequencing using Cas9/gRNA ribonucleoprotein complexes.

На первом этапе происходит выделение высокомолекулярной фракции ДНК (HMW DNA) из индивидуальных трансгенных растений ЦТАБ-методом (Kirov I. et. al., 2021). Количество и качество экстрагированной ДНК оценивается на спектрофотометрах: NanoDrop One UV-Vis Spectrophotometer (Thermo Scientific, USA) и Quantus Fluorometer (Promega, USA). Для дальнейших исследований подходит только чистая ДНК (А260/А280 ~ 1,8 и А260/А230 ~ 2,0 по данным NanoDrop) практически без различий в концентрациях, полученных с помощью приборов Nanodrop и Quantus.At the first stage, the high molecular weight fraction of DNA (HMW DNA) is isolated from individual transgenic plants by the CTAB method (Kirov I. et. al., 2021). The quantity and quality of the extracted DNA is assessed on spectrophotometers: NanoDrop One UV-Vis Spectrophotometer (Thermo Scientific, USA) and Quantus Fluorometer (Promega, USA). Only pure DNA is suitable for further studies (A260/A280 ~ 1.8 and A260/A230 ~ 2.0 according to NanoDrop data) with practically no differences in concentrations obtained using Nanodrop and Quantus devices.

На следующем этапе ДНК индивидуальных растений объединяется в равных количествах, чтобы в результате получить не менее 10 мкг. ДНК в 60 мкл. свободной от нуклеаз воды. Обогащение объединенной пробы длинными фрагментами осуществляется при помощи Short Read Eliminator Kit (Circulomics, США) по методике рекомендованной производителем.In the next step, DNA from individual plants is pooled in equal amounts to produce at least 10 µg. DNA in 60 µl. nuclease-free water. Enrichment of the combined sample with long fragments is carried out using the Short Read Eliminator Kit (Circulomics, USA) according to the method recommended by the manufacturer.

Далее происходит биоинформатический подбор гРНК, с помощью программы FlashFry (McKenna A. et. al., 2018) специфичные для области Т-ДНК и синтез гРНК in vitro на молекуле двуцепочечной ДНК-матрицы содержащей последовательность Т7-промотора и последовательности, полученной в результате объединения двух олигонуклеотидов, специфичного и универсального комплементарных бордерам Т-ДНК. Для сборки рибонуклеопротеиновых (РНП) комплексов используется 50 нг гРНК 20 пмоль Cas9 нуклеазы (Биолабмикс, Новосибирск, Россия).Next, there is a bioinformatic selection of gRNA using the FlashFry program (McKenna A. et. al., 2018) specific for the T-DNA region and gRNA synthesis in vitro on a double-stranded DNA template molecule containing the sequence of the T7 promoter and the sequence obtained by combining two oligonucleotides, specific and universal, complementary to T-DNA borders. For the assembly of ribonucleoprotein (RNP) complexes, 50 ng of gRNA and 20 pmol of Cas9 nuclease (Biolabmix, Novosibirsk, Russia) are used.

Подготовка ДНК библиотеки для Cas9-целевого нанопорового секвенирования на приборе MinION (Oxford Nanopore Technologies, Великобритания) осуществляется по протоколам, описанным в статье Kirov I. et. al., 2021. Сначала анализируемая ДНК дефосфолирируется ферментом Quick CIP (New England Biolabs, Великобритания), затем дефосфолирированная ДНК расщепляется с помощью рибонуклеопротеидных комплексов Cas9/гРНК. Затем на концы ДНК, свободные от рибонуклеопротеидных комплексов Cas9/гРНК лигируются белковые адаптеры для секвенирования ((Oxford Nanopore Technologies, Великобритания) с помощью набора SQK-LSK109 (Oxford Nanopore Technologies, Великобритания). Секвенирование происходит на приборе MinION (Oxford Nanopore Technologies, Великобритания), с проточными ячейками R9.4.1 или R10.3.Preparation of the DNA library for Cas9-targeted nanopore sequencing on the MinION device (Oxford Nanopore Technologies, UK) is carried out according to the protocols described in the article by Kirov I. et. al., 2021. First, the analyzed DNA is dephosphorylated by the Quick CIP enzyme (New England Biolabs, UK), then the dephosphorylated DNA is cleaved using Cas9/gRNA ribonucleoprotein complexes. Then protein adapters for sequencing ((Oxford Nanopore Technologies, UK) are ligated to the ends of the DNA free from the Cas9/gRNA ribonucleoprotein complexes using the SQK-LSK109 kit (Oxford Nanopore Technologies, UK). Sequencing is performed on a MinION instrument (Oxford Nanopore Technologies, UK). ), with flow cells R9.4.1 or R10.3.

Для идентификация мест вставки Т-ДНК у анализируемых растений используется разработанный нами подход NanoCasTE (https://github.com/Kirovez/NanoCasTE). Для анализа используются инсерции, подтвержденные 2 и более ридами.The NanoCasTE approach developed by us (https://github.com/Kirovez/NanoCasTE) is used to identify T-DNA insertion sites in the analyzed plants. Insertions confirmed by 2 or more reads are used for analysis.

Для генотипирования индивидуальных растений, из изучаемой объединенной ДНК пробы, с помощью программы Primer3, подбираются два набора специфичных праймеров для каждой инсерции: одна пара праймеров, фланкирующих место инсерции, для детекции вариантов без инсерции и вторая пара праймеров с одним праймером (R) на участок 35S промотера (универсальный праймер для детекции всех инсерций) и (F) праймером на фланкирующую область. Специфичность праймеров оценивается с помощью программы Primer-BLAST.For genotyping individual plants, from the studied pooled DNA sample, using the Primer3 program, two sets of specific primers are selected for each insertion: one pair of primers flanking the insertion site for detection of variants without insertion and the second pair of primers with one primer (R) per site 35S promoter (universal primer to detect all insertions) and (F) primer on the flanking region. Primer specificity was assessed using the Primer-BLAST program.

Таким образом, описанный выше способ определения геномной локализации и числа копий Т-ДНК в геноме трансформированных растений с помощью Cas9-целевого нанопорового секвенирования, позволяет определять места вставки Т-ДНК у разных видов растений с большим и малым размером генома, не прибегая к затратному полногеномному секвенированию и трудоемкому Саузерн-блоттингу.Thus, the method described above for determining the genomic localization and copy number of T-DNA in the genome of transformed plants using Cas9-targeted nanopore sequencing makes it possible to determine the T-DNA insertion sites in different plant species with large and small genome sizes without resorting to expensive genome-wide sequencing and time-consuming Southern blotting.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фигура 1. Схема вектора pCambia несущая кодирующую последовательность для GAG-eGFP для трансформации.Figure 1. Schematic of the pCambia vector carrying the coding sequence for GAG-eGFP for transformation.

Фигура 2. Схема вектора pCambia несущая кодирующую последовательность для eGFP-GAG для трансформации.Figure 2. Schematic of the pCambia vector carrying the coding sequence for eGFP-GAG for transformation.

Фигура 3. Измерения концентрации высокомолекулярной ДНК на Qubit 4 и Nanodrop Onec.Figure 3. High molecular weight DNA concentration measurements on Qubit 4 and Nanodrop Onec.

Фигура 4. Данные по хромосомной локализации и числу показательных ридов, полученные предлагаемым способом, по инсерциям Т-ДНК в смеси 5 растений трансформантов A. thaliana.Figure 4. Data on chromosomal localization and the number of indicative reads, obtained by the proposed method, according to T-DNA insertions in a mixture of 5 A. thaliana transformant plants.

Фигура 5. Пример детектированных инсерций Т-ДНК у A. thaliana.Figure 5. Example of detected T-DNA insertions in A. thaliana.

Пример 1Example 1

Определения геномной локализации и числа копий Т-ДНК у пула растений A. thaliana трансформированных вектором pCambia с целевым геном GAG, с помощью Cas9-целевого нанопорового секвенирования.Determination of genomic localization and T-DNA copy number in a pool of A. thaliana plants transformed with the pCambia vector with the target GAG gene using Cas9-targeted nanopore sequencing.

В качестве объекта были выбраны растения - трансформанты Arabidopsis thaliana поколения Т1, несущие вставку Т-ДНК с целевым геном GAG. Растения были получены путем трансформации методом floral-dip с последующим отбором трансформантов на селективной среде, содержащей гигромицин (Kirov I. et. al., 2021). Растения были трансформированы одним из двух векторов pCambia, отличающихся расположением рамки считывания для белка eGFP относительно GAG: GAG-eGFP (Фиг. 1) или eGFP-GAG (Фиг. 2).Plants - transformants of Arabidopsis thaliana generation T1 carrying the T-DNA insert with the target GAG gene were chosen as the object. Plants were obtained by transformation using the floral-dip method, followed by selection of transformants on a selective medium containing hygromycin (Kirov I. et. al., 2021). Plants were transformed with one of two pCambia vectors differing in the position of the reading frame for the eGFP protein relative to GAG: GAG-eGFP (FIG. 1) or eGFP-GAG (FIG. 2).

Семена, полученные от трансформированных агробактериальным методом растений Arabidopsis thaliana экотипа Columbia, были высеяны в горшки (6 см×6 см) с грунтом. Растения выращивались в световой камере в течение месяца при температуре 20±1°С. и условиях длинного дня (16 часов света/8 часов темноты). Для выделения высокомолекулярной ДНК отбирались здоровые развитые листовые пластинки растений. Выделение высокомолекулярной ДНК проводили в вытяжном шкафу ЦТАБ-методом. Измерение концентрации высокомолекулярной ДНК проводили при помощи спектрофотометра Nanodrop Onec и флуориметра Qubit 4 (Фиг. 3).Seeds obtained from Arabidopsis thaliana Columbia ecotype plants transformed by the agrobacterial method were sown in pots (6 cm × 6 cm) with soil. Plants were grown in a light chamber for a month at a temperature of 20±1°C. and long day conditions (16 hours of light/8 hours of darkness). For the isolation of high molecular weight DNA, healthy developed leaf blades of plants were selected. Isolation of high molecular weight DNA was carried out in a fume hood using the CTAB method. Measurement of the concentration of high molecular weight DNA was performed using a Nanodrop Onec spectrophotometer and a Qubit 4 fluorimeter (Fig. 3).

Выделенная высокомолекулярная ДНК пяти образцов была в равных пропорциях смешана в 60 мкл воды, свободной от нуклеаз. Обогащение длинными фрагментами осуществляли при помощи Short Read Eliminator Kit (Circulomics, США).The isolated high molecular weight DNA of five samples was mixed in equal proportions in 60 µl of nuclease-free water. Enrichment in long fragments was performed using the Short Read Eliminator Kit (Circulomics, USA).

Для секвенирования были разработаны три гРНК, специфичные для области Т-ДНК.Three gRNAs specific to the T-DNA region were designed for sequencing.

Гидовые РНК (гРНК) были получены посредством транскрипции in vitro на молекуле двуцепочечной ДНК-матрице, содержащей последовательность Т7-промотора и полученной в результате объединения двух олигонуклеотидов, специфичного TgagF1-2, TgagR1, и универсального CRISPR R:Guide RNAs (gRNAs) were obtained by in vitro transcription on a double-stranded DNA template molecule containing the T7 promoter sequence and obtained by combining two oligonucleotides, the specific TgagF1-2, TgagR1, and the universal CRISPR R:

TgagF1TgagF1

Figure 00000001
Figure 00000001

TgagF2TgagF2

Figure 00000002
Figure 00000002

TgagR1TgagR1

Figure 00000003
Figure 00000003

CRISPR RCRISPR R

Figure 00000004
Figure 00000004

T7 F

Figure 00000005
T7 F
Figure 00000005

T7 R

Figure 00000006
T7R
Figure 00000006

Для транскрипции был использован набор T7-transcription для высокоэффективного синтеза РНК in vitro (Биолабмикс, Новосибирск, Россия) в соответствии с рекомендациями производителя. Анализ концентрации и качества полученных гРНК осуществляли при помощи спектрофотометра Nanodrop OneC (Thermo Scientific, США), Qubit 4 (Thermo Scientific, США) и разделении в 2% агарозном геле. Для сборки рибонуклеопротеиновых (РНП) комплексов было использовано 50 нг каждой гРНК. Гидовые РНК были смешаны в эквимолярном соотношении 1:1 в 11 мкл воды, свободной от РНКаз. Для удаления вторичных структур смесь гРНК была подвергнута денатурации при 95°С в течение 3 минут, далее помещена на лед. Сборка РНП-комплексов проводилась добавлением 1 мкл Cas9 нуклеазы и 3 мкл реакционного буфера (Биолабмикс, Новосибирск, Россия) к 11 мкл смеси гРНК с последующей инкубацией при комнатной температуре в течение 30 минут. По истечении времени пробирка, содержащая РНП-комплексы, была помещена на лед. Геномная ДНК предварительно была подвергнута реакции дефосфорилирования с помощью фермента Quick CIP (New England Biolabs, Великобритания) с последующей инкубацией при 37°С в течение 30 минут. Инактивацию фермента проводили при 80°С в течение 2 минут. Разрезание ДНК РНП-комплексами проводили путем объединения 40 мкл дефосфорилированной ДНК, 15 мкл смеси РНП-комплексов, 1,5 мкл дАТФ (10 мМ) и 1 мкл полимеразы Encyclo (Evrogen, Moscow, Russia). Смесь инкубировали при 37°С в течение 30 минут, далее - 10 минут при 72°С. Далее проводили приготовление библиотек с помощью набора SQK-LSK109 (Oxford Nanopore Technologies, Великобритания).For transcription, we used the T7-transcription kit for high-performance in vitro RNA synthesis (Biolabmix, Novosibirsk, Russia) in accordance with the manufacturer's recommendations. Analysis of the concentration and quality of the obtained gRNAs was carried out using a Nanodrop OneC (Thermo Scientific, USA), Qubit 4 (Thermo Scientific, USA) spectrophotometer and separation in a 2% agarose gel. 50 ng of each gRNA was used to assemble ribonucleoprotein (RNP) complexes. Guide RNAs were mixed in an equimolar ratio of 1:1 in 11 µl of RNase-free water. To remove secondary structures, the gRNA mixture was denatured at 95°C for 3 minutes, then placed on ice. RNP complexes were assembled by adding 1 µl of Cas9 nuclease and 3 µl of reaction buffer (Biolabmix, Novosibirsk, Russia) to 11 µl of the gRNA mixture, followed by incubation at room temperature for 30 minutes. At the end of the time, the tube containing the RNP complexes was placed on ice. Genomic DNA was preliminarily dephosphorylated using the Quick CIP enzyme (New England Biolabs, UK) followed by incubation at 37°C for 30 minutes. Enzyme inactivation was carried out at 80°C for 2 minutes. DNA cutting with RNP complexes was performed by combining 40 µl of dephosphorylated DNA, 15 µl of a mixture of RNP complexes, 1.5 µl of dATP (10 mM), and 1 µl of Encyclo polymerase (Evrogen, Moscow, Russia). The mixture was incubated at 37°C for 30 minutes, then 10 minutes at 72°C. Next, libraries were prepared using the SQK-LSK109 kit (Oxford Nanopore Technologies, UK).

Полученную ДНК библиотеку секвенировали приборе MinION с ячейкой R9.4. Время секвенирования составило около 24 часов и было собрано более 78395 ридов с N50 ~1600 п.н. Для детекции Т-ДНК инсерций был использован разработанный нами подход NanoCasTE (https://github.com/Kirovez/NanoCasTE). Для определения числа инсерция была проведена детекция инсерций, подтвержденная 2 и более ридами. После достижения числа 56,000 ридов число инсерций не изменялось и достигло 7. Таким образом данным методом было успешно идентифицированы инсерции Т-ДНК в смеси образцов из 5 растений. Инсерции локализовались на 5 хромосомах A. thaliana. Список инсерций, идентифицированных в результате анализа, приведен на Фиг. 4. Детектированные инсерции были подтверждены 2 и более ридами (Фиг. 5).The resulting DNA library was sequenced using the MinION instrument with cell R9.4. The sequencing time was about 24 hours and more than 78395 reads were collected with N50 ~1600 bp. For the detection of T-DNA insertions, we used the NanoCasTE approach developed by us (https://github.com/Kirovez/NanoCasTE). To determine the number of insertions, insertion detection was carried out, confirmed by 2 or more reads. After reaching the number of 56,000 reads, the number of insertions did not change and reached 7. Thus, T-DNA insertions in a mixture of samples from 5 plants were successfully identified by this method. Insertions were localized on 5 chromosomes of A. thaliana. The list of insertions identified as a result of the analysis is shown in FIG. 4. Detected insertions were confirmed by 2 or more reads (Fig. 5).

Для генотипирования индивидуальных растений были подобраны два набора специфичных праймеров для каждой инсерции: одна пара праймеров, фланкирующих место инсерции, для детекции вариантов без инсерции и вторая пара праймеров с одним праймером (R) на участок 35S промотера (универсальный праймер для детекции всех инсерций) и F праймером на фланкирующую область. Праймеры подбирали с помощью программы Primer3 и проверяли специфичность с помощью Primer-BLAST. Праймеры из первой группы амплифицировали фрагменты до 700 п.н. Список праймеров приведен ниже:For genotyping of individual plants, two sets of specific primers were selected for each insertion: one pair of primers flanking the insertion site for detection of variants without insertion and the second pair of primers with one primer (R) per region of the 35S promoter (universal primer for detection of all insertions) and F primer on the flanking area. Primers were selected using the Primer3 program and tested for specificity using Primer-BLAST. Primers from the first group amplified fragments up to 700 bp. The list of primers is given below:

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

Figure 00000013
Figure 00000013

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

Figure 00000016
Figure 00000016

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

Figure 00000019
Figure 00000019

Figure 00000020
Figure 00000020

Figure 00000021
Figure 00000021

Figure 00000022
Figure 00000022

На следующем этапе проводилась ПЦР с комбинацией праймеров и ДНК индивидуальных растений. В результате все 7 инсерций были валидированы и получены данные по хромосомной локализации и числу локусов Т-ДНК у каждого из анализированных растений.At the next stage, PCR was carried out with a combination of primers and DNA from individual plants. As a result, all 7 insertions were validated and data on chromosomal localization and the number of T-DNA loci in each of the analyzed plants were obtained.

Финансирование работ по созданию настоящего изобретения проводилось из средств Соглашения №075-15-2019-1667 от «31» октября 2019 г. о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидий в соответствии с пунктом 4 статьи 78.1 Бюджетного кодекса Российской Федерации на осуществление государственной поддержки создания и развития центра геномных исследований мирового уровня «Курчатовский геномный центр» в рамках реализации федерального проекта «Развитие научной и научно-производственной кооперации» национального проекта «Наука».The work on the creation of the present invention was financed from the funds of Agreement No. 075-15-2019-1667 dated October 31, 2019 on the provision of grants from the federal budget in the form of subsidies in accordance with paragraph 4 of Article 78.1 of the Budget Code of the Russian Federation for state support creation and development of the world-class center for genomic research "Kurchatov Genomic Center" within the framework of the federal project "Development of scientific and scientific-industrial cooperation" of the national project "Science".

Список литературыBibliography

Southern Е.М., Edwin Mellor. Detection of specific sequences among DNA fragments separated by gel electrophoresis // J mol biol. - 1975. - T. 98. - №.3. - C. 503-517.Southern E.M., Edwin Mellor. Detection of specific sequences among DNA fragments separated by gel electrophoresis // J mol biol. - 1975. - T. 98. - No. 3. - C. 503-517.

Ingham, D.J., Beer, S., Money, S., & Hansen, G. Quantitative real-time PCR assay for determining transgene copy number in transformed plants // Biotechniques. - 2001. - T. 31. - №.1. - C. 132-140.Ingham, D.J., Beer, S., Money, S., & Hansen, G. Quantitative real-time PCR assay for determining transgene copy number in transformed plants // Biotechniques. - 2001. - T. 31. - No. 1. - C. 132-140.

Liu Y.G., Chen Y. High-efficiency thermal asymmetric interlaced PCR for amplification of unknown flanking sequences // Biotechniques. - 2007. - T. 43. - №.5. - C. 649-656.Liu Y.G., Chen Y. High-efficiency thermal asymmetric interlaced PCR for amplification of unknown flanking sequences // Biotechniques. - 2007. - T. 43. - No. 5. - C. 649-656.

Collier, R., Dasgupta, K., Xing, Y.P., Hernandez, В.Т., Shao, M., Rohozinski, D., … & Thilmony / Accurate measurement of transgene copy number in crop plants using droplet digital PCR // The Plant Journal. - 2017. - T. 90. - №.5. - C. 1014-1025.Collier, R., Dasgupta, K., Xing, Y.P., Hernandez, V.T., Shao, M., Rohozinski, D., … & Thilmony / Accurate measurement of transgene copy number in crop plants using droplet digital PCR // The Plant Journal. - 2017. - T. 90. - No. 5. - C. 1014-1025.

Ilya Kirov, Pavel Merkulov, Sofya Gvaramiya, Roman Komakhin, Murad Omarov, Maxim Dudnikov, Alina Kocheshkova, Alexander Soloviev, Gennady Karlov, Mikhail Divashuk (2021). Illuminating the transposon insertion landscape in plants using Cas9-targeted Nanopore sequencing and a novel pipeline. bioRxiv - 2021.Ilya Kirov, Pavel Merkulov, Sofya Gvaramiya, Roman Komakhin, Murad Omarov, Maxim Dudnikov, Alina Kocheshkova, Alexander Soloviev, Gennady Karlov, Mikhail Divashuk (2021). Illuminating the transposon insertion landscape in plants using Cas9-targeted Nanopore sequencing and a novel pipeline. bioRxiv - 2021.

McKenna A, Shendure J. FlashFry: a fast and flexible tool for large-scale CRISPR target design. BMC biology. 2018 Dec; 16(1):1-6.McKenna A, Shendure J. FlashFry: a fast and flexible tool for large-scale CRISPR target design. BMC biology. Dec 2018; 16(1):1-6.

Claims (9)

Способ определения геномной локализации и числа копий Т-ДНК в геноме трансформированных растений с помощью Cas9-целевого нанопорового секвенирования, включающий в себя:A method for determining the genomic localization and copy number of T-DNA in the genome of transformed plants using Cas9-targeted nanopore sequencing, which includes: выделение высокомолекулярной фракции ДНК индивидуальных трансгенных растений (HMW DNA),isolation of the high molecular weight DNA fraction of individual transgenic plants (HMW DNA), объединение образцов ДНК индивидуальных трансгенных растений;pooling DNA samples from individual transgenic plants; подбор гРНК, специфичных для области Т-ДНК, и синтез гРНК in vitro на молекуле двуцепочечной ДНК-матрицы,selection of gRNA specific to the T-DNA region and in vitro synthesis of gRNA on a double-stranded DNA template molecule, сборку рибонуклеопротеиновых комплексов Cas9/гРНК,assembly of ribonucleoprotein Cas9/gRNA complexes, Cas9-целевое нанопоровое секвенирование,Cas9-targeted nanopore sequencing, идентификацию мест вставки Т-ДНК у анализируемых растений при помощи подхода NanoCasTE,identification of T-DNA insertion sites in analyzed plants using the NanoCasTE approach, подбор специфичных праймеров для каждой инсерции Т-ДНК на участки, фланкирующие место вставки,selection of specific primers for each T-DNA insertion to the regions flanking the insertion site, генотипирование индивидуальных растений.genotyping of individual plants.
RU2021133199A 2021-11-16 METHOD FOR DETERMINING THE GENOME-WIDE LOCALISATION AND NUMBER OF COPIES OF T-DNA IN THE GENOME OF TRANSFORMED PLANTS USING Cas9-TARGETED NANOPORE SEQUENCING RU2785923C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2785923C1 true RU2785923C1 (en) 2022-12-15

Family

ID=

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2609630C2 (en) * 2009-02-27 2017-02-02 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Genomic selection and sequencing using coded microcarriers

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2609630C2 (en) * 2009-02-27 2017-02-02 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Genomic selection and sequencing using coded microcarriers

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SOUTHERN Е.М., EDWIN MELLOR, "Detection of specific sequences among DNA fragments separated by gel electrophoresis", J mol biol. - 1975. - T. 98(3) - C. 503-517. MCKENNA A, SHENDURE J. "FlashFry: a fast and flexible tool for large-scale CRISPR target design", BMC biology. 2018 Dec; 16(1): c.1-6. LIU Y.G., CHEN Y. "High-efficiency thermal asymmetric interlaced PCR for amplification of unknown flanking sequences", Biotechniques. - 2007. - T. 43(5) - C. 649-656. INGHAM, D.J., BEER, S., MONEY, S., & HANSEN, G. "Quantitative real-time PCR assay for determining transgene copy number in transformed plants", Biotechniques. - 2001. - T. 31(1) - C. 132-140. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI670004B (en) Fluorescence activated cell sorting (facs) enrichment to generate plants
Montgomery et al. Sex-specific markers for waterhemp (Amaranthus tuberculatus) and Palmer amaranth (Amaranthus palmeri)
Reem et al. Application of CRISPR/Cas9-mediated gene editing in tomato
Takayama et al. A simple and cost‐effective approach for microsatellite isolation in non‐model plant species using small‐scale 454 pyrosequencing
Sahebi et al. Suppression subtractive hybridization versus next-generation sequencing in plant genetic engineering: challenges and perspectives
Oliveira et al. An efficient method for simultaneous extraction of high-quality RNA and DNA from various plant tissues
EP3676401A1 (en) A primer for next generation sequencer and a method for producing the same, a dna library obtained through the use of a primer for next generation sequencer and a method for producing the same, and a dna analyzing method using a dna library
RU2785923C1 (en) METHOD FOR DETERMINING THE GENOME-WIDE LOCALISATION AND NUMBER OF COPIES OF T-DNA IN THE GENOME OF TRANSFORMED PLANTS USING Cas9-TARGETED NANOPORE SEQUENCING
CN110512023B (en) Method for identifying soybean transformant MON89788 genotype established based on insertion site genome sequence
JP4291568B2 (en) Quantitative method of recombinants and standard molecules used therefor
CN112592995B (en) Universal primer for detecting target gene expression in transgenic plant and detection method
AU2013274542B2 (en) Methods and compositions for determination of vector backbone in a nucleic acid sample
CN107267503B (en) Nucleic acid, method for detecting transgenic rice B1C893 and derivative line thereof, kit and application thereof
Peng et al. Kamchatka crab duplex-specific nuclease-mediated transcriptome subtraction method for identifying long cDNAs of differentially expressed genes
CN108517374A (en) A kind of SNP marker and its application
He et al. An efficient and accurate droplet digital PCR method for rapid transgene copy number detection and homozygous identification in cotton (Gossypium hirsutum)
CN112143830A (en) Molecular marker of rice sword leaf width regulation gene NAL1 and application thereof
CN106591340B (en) Standard plasmid molecule for qualitative detection of transgenic organism and product gene thereof
CN113151560A (en) Molecular marker for screening poplar with high pore density and high photosynthetic efficiency as well as method and application thereof
KR101805166B1 (en) Molecular marker for determining genotype of pink fruit in tomato and sorting method for pink tomato using same
CN113957158B (en) Primer probe composition for detecting mitochondrial gene of Acipenser schrenki, kit and application of primer probe composition
CN113957159B (en) Primer probe composition for detecting mitochondrial gene of sturgeon in Siberian, kit and application of primer probe composition
KR101515861B1 (en) Polymerase chain reaction method for identification of introduced exotic gene number in brassicaceae
CN110551842B (en) Method for identifying genotype of corn transformant MIR604 based on insertion site genome sequence establishment
CN110129359B (en) Method for detecting gene editing event and determining gene editing efficiency and application thereof