Tilling - современная технология «обратной» генетики растений (обзор)

Tilling - современная технология «обратной» генетики растений (обзор)

Автор: Сулима А.С., Жуков В.А.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Молекулярные и клеточные механизмы симбиоза

Статья в выпуске: 3 т.50, 2015 года.

Бесплатный доступ

В генетических исследованиях существует два основных подхода, получивших названия «прямой» и «обратной» генетики. В то время как «прямая» генетика занимается изучением закономерностей наследования признаков (фенотипа) у живых организмов в ряду поколений и выявляет генетические факторы, которые влияют на проявление данных признаков (работает по принципу «от фенотипа к генотипу»), «обратная» генетика, имея в качестве отправной точки ген с неизвестной функцией, выясняет его роль в организме путем изменения структуры или активности такого гена с последующим анализом ассоциированных изменений в фенотипе (принцип «от генотипа к фенотипу»). С развитием технологий широкомасштабного геномного секвенирования «обратная» генетика получила существенную поддержку, заняв лидирующее положение как в фундаментальной науке, так и в прикладных областях. В представленном обзоре изложены принципы, лежащие в основе одного из новейших методов «обратной» генетики, получившего название TILLING (от англ. Targeting Induced Local Lesions in Genomes - поиск индуцированных локальных нарушений в геномах). Метод совмещает классический мутационный анализ с современными способами точного выявления нуклеотидных замен в заданном локусе. Отличительные особенности метода - высокая эффективность и применимость к широкому кругу биологических объектов, благодаря чему он успел завоевать широкое признание в научном мире. Подробно описаны ключевые этапы подготовки к TILLING-анализу: получение мутагенизированной популяции исследуемых организмов и создание на ее основе так называемой TILLING-платформы, включающей организованную коллекцию мутантов и связанную с ней базу данных с информацией о коллекции. Приведены основные подходы к детекции точечных мутаций, применяемые в настоящее время мировыми исследовательскими группами, в том числе новейшие подходы на основе методов NGS (от англ. Next Generation Sequencing - «секвенирование следующего поколения»). Особое внимание уделено требованиям, предъявляемым к исследователям для успешного проведения TILLING-анализа, а также существующим вариациям и модификациям метода, призванным решать различные задачи. Отдельно представлены результаты, полученные коллективом авторов с применением методики TILLING в их исследованиях специфичности распознавания партнеров при установлении мутуалистического симбиоза между горохом посевным ( Pisum sativum L.) и клубеньковой бактерией Rhizobium leguminosarum bv. viciae. Благодаря TILLING-анализу авторам удалось выявить ряд мутантов гороха по гену рецепторной киназы LykX, который представляется наиболее вероятным кандидатом на роль детерминанты повышенной избирательности растения к бактериальному микросимбионту. Исследование полученных мутантов поможет сделать окончательное заключение о роли гена LykX в симбиозе гороха и клубеньковых бактерий.

Еще

Генетика растений, "обратная" генетика, выявление мутаций, горох посевной, "афганский" фенотип

Короткий адрес: https://sciup.org/142133589

IDR: 142133589   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2015.3.288rus

Список литературы Tilling - современная технология «обратной» генетики растений (обзор)

  • Eisenberg D., Marcotte E.M., Xenarios I., Yeates T.O. Protein function in the post-genomic era. Nature, 2000, 405(6788): 823-826 ( ) DOI: 10.1038/35015694
  • Griffiths P.E., Stotz K. Genes in the postgenomic era. Theor. Med. Bioeth., 2006, 27(6): 499-521 ( ) DOI: 10.1007/s11017-006-9020-y
  • Hsiao A., Kuo M.D. High-throughput biology in the postgenomic era. J. Vasc. Interv. Radiol., 2009, 20(7 Suppl.): S488-496 ( ) DOI: 10.1016/j.jvir.2009.04.040
  • Мендель Г. Опыты над растительными гибридами/Под ред. А.Е. Гайсиновича. М., 1965.
  • Лутова Л.А., Ежова Т.А., Додуева И.Е., Осипова М.А. Генетика развития растений: для биологических специальностей университетов/Под ред. С.Г. Инге-Веч-томова. СПб, 2010.
  • Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. СПб, 2010.
  • Struhl K. The new yeast genetics. Nature, 1983, 305: 391-397 ( ) DOI: 10.1038/305391a0
  • Reski R. Physcomitrella and Arabidopsis: the David and Goliath of reverse genetics. Trends Plant Sci, 1998, 3(6): 209-210 ( ) DOI: 10.1016/S1360-1385(98)01257-6
  • Alonso J.M., Ecker J.R. Moving forward in reverse: genetic technologies to enable genome-wide phenomic screens in Arabidopsis. Nat. Rev. Genet., 2006, 7: 524-536 ( ) DOI: 10.1038/nrg1893
  • Small I. RNAi for revealing and engineering plant gene functions. Curr. Opin. Biotechnol., 2007, 18: 148-153 ( ) DOI: 10.1016/j.copbio.2007.01.012
  • Boutros M., Ahringer J. The art and design of genetic screens: RNA interference. Nat. Rev. Genet., 2008, 9: 554-566 ( ) DOI: 10.1038/nrg2364
  • Hirochika H. Insertional mutagenesis with Tos17 for functional analysis of rice genes. Breed. Sci., 2010, 60: 486-492 ( ) DOI: 10.1270/jsbbs.60.486
  • Bolle C., Schneider A., Leister D. Perspectives on systematic analyses of gene function in Arabidopsis thaliana: new tools, topics and trends. Curr. Genomics, 2011, 12(1): 1-14 ( ) DOI: 10.2174/138920211794520187
  • Upadhyaya N.M., Zhu Q.-H., Bhat R.S. Transposon insertional mutagenesis in rice. In: Plant reverse genetics, methods and protocols, methods in molecular biology/A. Pereira (ed.). Springer Science + Business Media, LLC, 2011 ( ) DOI: 10.1007/978-1-60761-682-5_12
  • Barrangou R., Fremaux C., Deveau H., Richards M., Boyaval P., Moineau S., Romero D.A., Horvath P. CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes. Science, 2007, 315(5819): 1709-1712 ( ) DOI: 10.1126/science.1138140
  • Liu L., Fan X.D. CRISPR-Cas system: a powerful tool for genome engineering. Plant Mol. Biol., 2014, 85(3): 209-218 ( ) DOI: 10.1007/s11103-014-0188-7
  • McCallum C.M., Comai L., Greene E.A., Henikoff S. Targeting Induced Local Lesions IN Genomes (TILLING) for plant functional genomics. Plant Physiol., 2000, 123: 439-442 ( ) DOI: 10.1104/pp.123.2.439
  • Till B.J., Reynolds S.H., Greene E.A., Codomo C.A., Enns L.C., Johnson J.E., Burtner C., Odden A.R., Young K., Taylor N.E., Henikoff J.G., Comai L., Henikoff S. Large-scale discovery of induced point mutations with high-throughput TILLING. Genome Res., 2003, 13: 524-530 ( ) DOI: 10.1101/gr.977903
  • Greene E.A., Codomo C.A., Taylor N.E., Henikoff J.G., Till B.J., Reynolds S.H., Enns L.C., Burtner C., Johnson J.E., Odden A.R., Comai L., Henikoff S. Spectrum of chemically induced mutations from a large-scale reverse-genetic screen in Arabidopsis. Genetics, 2003, 164(2): 731-740.
  • Alonso J.M., Stepanova A.N., Leisse T.J. et al. Genome-wide insertional mutagenesis of Arabidopsis thaliana. Science, 2003, 301: 653-657 ( ) DOI: 10.1126/science.1086391
  • Kurowska M., Daszkowska-Golec A., Gruszka D., Marzec M., Szurman M., Szarejko I., Maluszynski M. TILLING -a shortcut in functional genomics. J. Appl. Genet., 2011, 52(4): 371-390 ( ) DOI: 10.1007/s13353-011-0061-1
  • Henikoff S., Comai L. Single-nucleotide mutations for plant functional genomics. Annu. Rev. Plant Biol., 2003, 54: 375-401 (doi: 10.1146/annurev.arplant.54.031902.135009).
  • Talamè V., Bovina R., Sanguineti M.C., Tuberosa R., Lundqvist U., Salvi S. TILLMore, a resource for the discovery of chemically induced mutants in barley. Plant Biotechnol. J., 2008, 6: 477-485 ( ) DOI: 10.1111/j.1467-7652.2008.00341.x
  • Caldwell D.G., McCallum N., Shaw P., Muehlbauer G.J., Marshall D.F., Waugh R. A structured mutant population for forward and reverse genetics in barley (Hordeum vulgare L.). Plant J., 2004, 40: 143-150 ( ) DOI: 10.1111/j.1365-313X.2004.02190.x
  • Sadiq M.F., Owais W.M. Mutagenicity of sodium azide and its metabolite azidoalanine in Drosophila melanogaster. Mutat. Res., 2000, 469: 253-257 ( ) DOI: 10.1016/S1383-5718(00)00079-6
  • Rogers C., Wen J., Chen R., Oldroyd G. Deletion-based reverse genetics in Medicago truncatula. Plant Physiol., 2009, 151: 1077-1086 ( ) DOI: 10.1104/pp.109.142919
  • Li X., Song Y., Century K., Straight S., Ronald P., Dong X., Lassner M., Zhang Y. A fast neutron deletion mutagenesis-based reverse genetics system for plants. Plant J., 2001, 27: 235-242 ( ) DOI: 10.1046/j.1365-313x.2001.01084.x
  • Achaz G., Netter P., Coissac E. Study of intrachromosomal duplications among the eukaryote genomes. Mol. Biol. Evol., 2001, 18: 2280-2288 ( ) DOI: 10.1093/oxfordjournals.molbev.a003774
  • Jander G., Barth C. Tandem gene arrays: a challenge for functional genomics. Trends Plant Sci., 2007, 12: 203-210 ( ) DOI: 10.1016/j.tplants.2007.03.008
  • Gottwald S., Bauer P., Komatsuda T., Lundqvist U., Stein N. TILLING in the two-rowed barley cultivar «Barke» reveals preferred sites of functional diversity in the gene HvHox1. BMC Res. Notes, 2009, 2: 258 ( ) DOI: 10.1186/1756-0500-2-258
  • Perry J.A., Wang T.L., Welham T.J., Gardner S., Pike J.M., Yoshida S., Parniske M. A TILLING reverse genetics tool and a web accessible collection of mutants of the legume Lotus japonicus. Plant Physiol., 2003, 131: 866-871 ( ) DOI: 10.1104/pp.102.017384
  • Stephenson P., Baker D., Girin T., Perez A., Amoah S., King G.J., Østergaard L. A rich TILLING resource for studying gene function in Brassica rapa. BMC Plant Biol., 2010, 10: 62 ( ) DOI: 10.1186/1471-2229-10-62
  • Dalmais M., Schmidt J., Le Signor C., Moussy F., Burstin J., Savois V., Aubert G., Brunaud V., de Oliveira Y., Guichard C., Thompson R., Bendahmane A. UTILLdb, a Pisum sativum in silico forward and reverse genetics tool. Genome Biol., 2008, 9: R43 ( ) DOI: 10.1186/gb-2008-9-2-r43
  • Till B.J., Cooper J., Tai T.H., Colowit P., Greene E.A., Henikoff S., Comai L. Discovery of chemically induced mutations in rice by TILLING. BMC Plant Biol., 2007, 7: 19 ( ) DOI: 10.1186/1471-2229-7-19
  • Chawade A., Sikora P., Bräutigam M., Larsson M., Vivekanand V., Nakash M.A., Chen T., Olsson O. Development and characterization of an oat TILLING-population and identification of mutations in lignin and b-glucan biosynthesis genes. BMC Plant Biol., 2010, 10: 86 ( ) DOI: 10.1186/1471-2229-10-86
  • Himelblau E., Gilchrist E.J., Buono K., Bizzell C., Mentzer L., Vogelzang R., Osborn T., Amasino R.M., Parkin I.A., Haughn G.W. Forward and reverse genetics of rapid-cycling Brassica oleracea. Theor. Appl. Genet., 2009, 118: 953-961 ( ) DOI: 10.1007/s00122-008-0952-7
  • Underhill P.A., Jin L., Lin A.A., Mehdi S.Q., Jenkins T., Vollrath D., Davis R.W., Cavalli-Sforza L.L., Oefner P.J. Detection of numerous Y chromosome biallelic polymorphisms by denaturing high-performance liquid chromatography. Genome Res., 1997, 7(10): 996-1005 ( ) DOI: 10.1101/gr.7.10.996
  • Colbert T., Till B.J., Tompa R., Reynolds S., Steine M.N., Yeung A.T., McCallum C.M., Comai L., Henikoff S. High-throughput screening for induced point mutations. Plant Physiol., 2001, 126: 480-484 ( ) DOI: 10.1104/pp.126.2.480
  • Oleykowski C.A., Bronson Mullins C.R., Godwin A.K., Yeung A.T. Mutation detection using a novel plant endonuclease. Nucl. Acids Res., 1998, 26: 4597-4602 ( ) DOI: 10.1093/nar/26.20.4597
  • Till B.J., Burtner C., Comai L., Henikoff S. Mismatch cleavage by single-strand specific nucleases. Nucl. Acids Res., 2004, 32: 2632-2641 ( ) DOI: 10.1093/nar/gkh599
  • Triques K., Sturbois B., Gallais S., Dalmais M., Chauvin S., Clepet C., Aubourg S., Rameau C., Caboche M., Bendahmane A. Characterization of Arabidopsis thaliana mismatch specific endonucleases: application to mutation discovery by TILLING in pea. Plant J., 2007, 51(6): 1116-1125 ( ) DOI: 10.1111/j.1365-313X.2007.03201.x
  • Triques K., Piednoir E., Dalmais M., Schmidt J., Le Signor C., Sharkey M., Caboche M., Sturbois B., Bendahmane A. Mutation detection using ENDO1: application to disease diagnostics in humans and TILLING and Eco-TILLING in plants. BMC Mol. Biol., 2008, 9: 42 ( ) DOI: 10.1186/1471-2199-9-42
  • Minoia S., Petrozza A., D’Onofrio O., Piron F., Mosca G., Sozio G., Cellini F., Bendahmane A., Carriero F. A new mutant genetic resource for tomato crop improvement by TILLING technology. BMC Res. Notes, 2010, 3: 69 ( ) DOI: 10.1186/1756-0500-3-69
  • Niedringhaus T.P., Milanova D., Kerby M.B., Snyder M.P., Barron A.E. Landscape of next-generation sequencing technologies. Anal. Chem., 2011, 83: 4327-4341 ( ) DOI: 10.1021/ac2010857
  • Pareek C.S., Smoczynski R., Tretyn A. Sequencing technologies and genome sequencing. J. Appl. Genet., 2011, 52: 413-435 ( ) DOI: 10.1007/s13353-011-0057-x
  • Radutoiu S., Madsen L.H., Madsen E.B., Felle H.H., Umehara Y., Grønlund M., Sato S., Nakamura Y., Tabata S., Sandal N., Stougaard J. Plant recognition of symbiotic bacteria requires two LysM receptor-like kinases. Nature, 2003, 425: 585-592 ( ) DOI: 10.1038/nature02039
  • Limpens E., Franken C., Smit P., Willemse J., Bisseling T., Geurts R. LysM domain receptor kinases regulating rhizobial Nod factor-induced infection. Science, 2003, 302(5645): 630-633 ( ) DOI: 10.1126/science.1090074
  • Zhukov V., Radutoiu S., Madsen L.H., Rychagova T., Ovchinnikova E., Borisov A., Tikhonovich I., Stougaard J. The pea Sym37 receptor kinase gene controls infection-thread initiation and nodule development. Mol. Plant Microbe Interact., 2008, 21(12): 1600-1608 ( ) DOI: 10.1094/MPMI-21-12-1600
  • Разумовская З.Г. Образование клубеньков у различных сортов гороха. Микробиология, 1937, 6(3): 321-328.
  • Lie T.A. Temperature-dependent root-nodule formation in pea cv. Iran. Plant Soil, 1971, 34: 751-752 ( ) DOI: 10.1007/BF01372829
  • Kozik A., Geurts R., Heidstra R., Kulikova O., Ellis T.H.N., Bisseling T., LaRue T., Weeden N. Detailed map of the sym2 region of pea linkage group I. In: Fine mapping of the sym2 locus of pea linkage group I. PhD thesis. Wageningen University. Wageningen, 1996.
  • Zhukov V.A., Sulima A.S., Porozov Y.B., Borisov A.Y., Tikhonovich I.A. Polymorphism in gene sequence of LysM receptor kinase is associated with Sym2-controlled nodulation in pea (Pisum sativum L.). Proc. 18th Int. Conf. on Nitrogen Fixation. Myazaki, Japan, 2013: 76.
  • Sim N.-L., Kumar P., Hu J., Henikoff S., Schneider G., Pauline C. Ng. SIFT web server: predicting effects of amino acid substitutions on proteins. Nucl. Acids Res., 2012, 40(Web Server issue): W452-W457 ( ) DOI: 10.1093/nar/gks539
Еще
Статья обзорная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp