|
Transgene-free gene specific editing of maize genome with synthetic oligonucleotides and their combination with CRISPR/Cas9 system
|
Help
Print
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
|
Details of project |
|
|
Identifier |
116318 |
Type |
K |
Principal investigator |
Ayaydin, Ferhan |
Title in Hungarian |
A kukorica genom transzgén-mentes, génspecifikus szerkesztése szintetikus oligonukleotidokkal és azok kombinálása a CRISPR/Cas9 rendszerrel |
Title in English |
Transgene-free gene specific editing of maize genome with synthetic oligonucleotides and their combination with CRISPR/Cas9 system |
Keywords in Hungarian |
Szintetikus oligonukleotidok, CRISPR/Cas9, kukorica, génszerkesztés |
Keywords in English |
Synthetic oligonucleotides, CRISPR/Cas9, maize, gene editing |
Discipline |
Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences) | 100 % |
|
Panel |
Plant and animal breeding |
Department or equivalent |
Cellular Imaging Laboratory (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
Participants |
Dudits, Dénes Ferenc, Györgyi Fodor, Elfrieda Kupihár, Zoltán Sass, László Tiricz, Hilda Zomboriné Nagy, Bettina
|
Starting date |
2015-09-01 |
Closing date |
2018-08-31 |
Funding (in million HUF) |
32.538 |
FTE (full time equivalent) |
8.31 |
state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A növény genommódosítási megközelítések között a szintetikus oligonukleotidok által kiváltott, célzott nukleotidcsere (OTNE) széleskörű használatához e módszer hatékonyságának növelése szükséges. Kutatási tervünkkel egy átfogó projektre teszünk javaslatot, melyben az OTNE paramétereinek optimalizálása a cél, továbbá az oligonukleotidokat (SDO), mint templátokat a CRISPR/Cas9 rendszerrel kombinálva a specifikus nukleotid csere (TNE) hatékonyságát kívánjuk fokozni a kukorica sejtkultúrákra alapozott kísérleti rendszerben. Tesztrendszerünk a Zöld Fluoreszcens Fehérje (GFP) funkciójának helyreállításán alapszik, amikor az SDOGFP molekulákat a mutáns GFP gént (mGFP) hordozó sejtekbe juttatjuk be. Az acetolaktát-szintetáz génben (ALS) specifikus mutációt hozunk létre SDOALS oligonukleotidok segítségével, amely során a rezisztens kolóniák szelektálását klórszulfuronnal végezzük. Nukleotid csere (OTNE) céljából SDOAS molekulákat tervezünk antranilát szintetáz (AS) “feedback inszenzitív” mutánsok létrehozásához, amelynél az 5-metiltriptofán (5-MT) szolgál szelektív vegyületként. A CRISPR/Cas9 rendszerrel indukált TNE-hez a Cas9 nukleázt, valamint a sgRNS-t egyrészt expressziós plazmidokkal, az SDOGFP vagy SDOAS oligokkal együtt juttatjuk transzgenikus (mGFP) kukorica sejtekbe. Másrészt, az általunk előállított ribonukleoprotein komplexet (ami a rekombináns Cas9 nukleázból és a célgén specifikus sgRNS-ből áll) és az SDOGFP-t juttatjuk sejtekbe. A TNE hatékonyságát a GFP pozitív sejtek vagy/és az 5-MT rezisztens kolóniák számával jellemezzük. A javasolt projekt célja, hogy új ismereteket szerezzünk a növények genomjának szerkesztését szolgáló módszerek fejlesztéséhez.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A javasolt kutatási projekt az alábbi kérdések megválaszolását tűzi ki célul: • A kémiai szerkezet miként biztosíthatja az egyszálú DNS-ként megszintetizált nukleotid (SDO) molekulák stabilitását és rekombinációját növényi sejtekben? • Az SDO molekulák felvételének hatékonysága miként növelhető protoplasztok és kationos liposzómák fuziójával illetve génbelövéssel a tenyésztett kukorica sejtek esetében? • Különböző szekvenciájú SDO molekulák egyidejű bejuttatása alkalmazható-e mezőgazdasági szempontból fontos tulajdonságok mutációjának azonosításához abban az esetben, ha in vitro körülmények között a mutáns sejtek nem mutatnak fenotípust? • Javítható-e az SDO molekulák által irányított TNE gyakorisága a Cas9 nukleáz/sgRNA molekulák tranziens kifejeződését biztosító plazmidok együttes sejtbe juttatásával? • Helyettesíthetők-e a Cas9 és sgRNS tranziens vektorok a ribonukleoprotein komplex sejtekbe jutatásával (mely a rekombináns Cas9 proteinből és sgRNS molekulából áll), amikor az SDOGFP molekula által indukált homolog kijavítási (repair) folyamatok nukleotid cseréhez vezetnek? • Jelent-e hatékonyság emelkedést a módosított oligonukleotidok (SDO), mint templátok kombinált használata, a CRISPR/Cas9 rendszerben, specifikus nukleotid csere (TNE) során?
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A termőképesség maximalizálása érdekében szükség van a tradicionális nemesítési módszerek és a rekombináns DNS-technológia kombinálására. Napjainkban, amikor a transzgenikus, GM termékeket a közvélemény jelentős mértékben elutasítja, szükségessé válik új növénynemesítési technológiák kidolgozása és használata, mint ezt Lusser és mtsai.(2011) összefoglalója megállapítja. Ez a dokumentum, amelyet a Joint Research Centre of the European Commission közölt, hét technológiát, mint új növénynemesítési módszert mutat be. Mind az oligonukleotidok által mediált célzott nukleotidcsere (OTNE), mind a tervezett szekvencia specifikus nukleázok használata, mint például a CRISPR/Cas9 rendszer egyre nagyobb figyelmet kapnak, mert ezek alkalmasak a hagyományos GM technológiák korlátait túllépni a genomszerkesztés specifikussága révén. Breyer és mtsai (2009) valamint Voytas és Gao (2014) elemezték a tudományos érveket és javasolták ezeknek a módosított genotípusoknak a nem-GMO besorolását. Mostanáig az OTNE-t elsősorban herbicid rezisztencia kialakításához alkalmazták, de az alacsony hatékonysága limitálta a széleskörű felhasználását a növénynemesítő programokban (lásd Breye és mtsai 2009). Jelen projektünkkel különböző kísérleti megközelítéseket javaslunk az OTNE technológia fejlesztésére és ezek vizsgálatához GFP tesztrendszert, valamint herbicid és aminosav analóg rezisztencia markereket használunk. Az SDO molekulák kémiai szerkezetének újszerű módosításai, továbbá ezen, specifikus nukleotidok kicserélődését biztosító molekulák hatékony bejuttatása a növényi sejtekbe, valamint az SDO és CRISP/Cas9 rendszer együttes használata új ismeretekkel járulhat hozzá a kultúrnövények transzgén-mentes, gén-specifikus módszerekkel történő nemesítéséhez.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Az emberiség jövője nagymértékben függ a mezőgazdaság termelékenységétől, mivel 2050-ben a 9 milliárdos népesség élelmezéséhez meg kell duplázni az élelmiszertermelést. A terméshozam környezetkímélő megnövelése a fejlesztések elsődleges célja, mind az agrotechnológiák, mind a növénynemesítési módszerek esetén. A tudományos tények ellenére, amelyek alátámasztják, hogy a transzgenikus (GM) növények számos előnyt nyújtanak a jobb termésbiztonság, a gazdák nagyobb jövedelme, a környezetvédelme és az egészség javítása által, alacsony a GM termékek elfogadottsága. Ezért a tudomány számára új kihívás, hogy alternatív megközelítéseket dolgozzon ki a géntechnológiai módszerek precizitásának növelése érdekében. Ezen gondolatmenet szerint projektünk célja, hogy rövid, szintetikus DNS molekulák használatával kiválasztott növényi géneket célzottan változtassunk meg, a növények tulajdonságainak jobbítása érdekében. Ugyanez a célunk az enzimek használatával, amelyek a DNS szál specifikus helyein okozunk sérülést. Javasoljuk ezen technikák kombinálását, mint új megközelítést a növénynemesítésben. Kísérleteinket in vitro fenntartott kukorica sejtkultúrán végezzük és a célzott mutációk számszerűsítésével a növénynemesítés számára kívánjuk optimalizálni ezeket a módszereket. Összhangban a világszerte látható fejlesztési irányzatokkal, a versenyképesség fenntartása érdekében szükséges, hogy eredményes kutatásokat végezzünk hazánkban is. Projektünk elsődleges célja az új tudományos alapismeretek bővítése. Ez hozzájárulhat innovatív növénynemesítési technológiák létrehozásához, melyek nagyobb elfogadottságot élvezhetnek majd a társadalomban, mint a tradicionális transzgénikus (GM) növények.
| Summary Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Extended use of the oligonucleotide targeted nucleotide exchange (OTNE) for editing plant genomes requires increasing the efficiency. Here we propose a comprehensive project to optimize parameters of OTNE and of combinatorial use of oligonucleotides (SDOs) as templates in the CRISPR/Cas9 system for a highly efficient TNE in cultured maize cells. The test system is based on the restoration of Green Fluorescent Protein (GFP) function by uptake of (SDOGFP) into cells carrying the mGFP gene. We will induce specific mutation in acetolactate synthase (ALS) gene by SDOALS and select resistant mutants with chlorsulfuron. We will analyze (1) the role of chemical structure of SDOs (2) efficiency of uptake protocols and (3) potency of co-delivery of SDOGFP and SDOALS. We design molecules for production of feedback insensitive anthranilate synthase (AS) mutants by OTNE. The 5-methyltryptophan (5-MT) will serve as selective agent. For CRISPR/Cas9 system-induced TNE transient expression plasmids encoding the Cas9 nuclease and sgRNAs-targeted for mGFP gene or for induction of Y365A mutation in AS gene, will be co-bombarded with SDOGFP or SDOAS into the transgenic (mGFP) maize cells. The efficiency of TNE will be monitored by quantification of GFP positive cells and 5-MT resistant colonies. We will produce ribonucleoprotein complex using recombinant Cas9 protein and sgRNA-targeted for mGFP gene and various protocols will be tested for its delivery into cells with SDOGFP. The proposed project aims to generate new knowledge for improvement of genome editing in plants.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The proposed research will be focused on the following questions: • How the chemical structure can ensure stability and recombination of SDOs in plant cells? • What are the optimal parameters for SDO uptake by using protoplast-liposome fusion or bombardment of maize cultured cells? • Can the co-delivery of SDO molecules be used for identification of mutations of agronomic traits even if the mutant cells have no phenotype at cell level in vitro? • Can we improve the efficiency of SDOAS-mediated TNE (Y365A mutation) by transient co-delivery of Cas9 nuclease/sgRNA plasmid vector? • Could the transient plasmid-delivery of Cas9 and sgRNA be substituted by ribonucleoprotein complex (formed by recombinant Cas9 protein and sgRNA molecules) delivery during co-delivery with SDOGFP in maize cells? • Can the combinatorial use of modified oligonucleotides (SDOs) as templates in the CRISPR/Cas9 system for TNE be an advanced technology in gene-specific editing in plants?
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. In attempts to maximize yield, the traditional breeding methods may be combined with recombinant DNA methods. Nowadays the controversial public acceptance of transgenics, genetically modified (GM) products stimulates the development and the use of new plant breeding techniques as reviewed by Lusser et al. (2011). This document published by the Joint Research Centre of the European Commission lists seven techniques to be considered as alternatives of the conventional transgenesis. Both the oligonucleotide targeted nucleotide exchange (OTNE) and the use of engineered sequence-specific nucleases such as CRISPR/Cas9 system for targeted mutations attract special attention because they can overcome the limitation of GM-technologies by specificity of genome editing. Breyer et al. (2009) and Voytas and Gao (2014) have analyzed scientific arguments for classification of these edited genotypes as non-GMOs. Up to now, OTNE was primarily used for generating herbicide resistance but its low efficiency limits the wider application in plant breeding programs (see Breyer et al. 2009). In the present project we propose a variety of experimental approaches to test and improve OTNE technology by using either GFP test system or herbicide and amino acid analog resistance markers. The innovative modification of the chemical structure of SDOs, efficient uptake of these gene editing molecules into plant cells, and combinatorial use of SDOs and CRISPR/Cas9 system can result in new knowledge to establish an advanced protocol for gene specific, transgene-free improvement of crops.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Productivity of agriculture is a key determinant in the future of world’s population, since by 2050, feeding 9 billion people will require doubling of food production. Environment-safe increase of yield is primary target of innovation both in agrotechnologies and plant breeding. Despite of the scientific facts that transgenic plants (GM plants) offer several advantages as yield stability, increased farm income, environment protection, health improvement, the public acceptance of GM products is low in Europe and also in Hungary. Therefore science provides new, alternative approaches for increasing precision of genetic improvement of crops. Along these lines, the present project aims to optimize the use of short, synthetic DNA molecules for targeted alteration of a selected plant gene. The same goal can be achieved with enzymes causing breaks in specific DNA region. Here we suggest the combination of these two methods as novel approach in plant improvement. We will carry out experiments with cultured maize cells and by quantifying the frequency of targeted mutations we can outline protocols to be used in practical plant breeding. In accordance with major innovation trends worldwide, this type of R and D activities are demanded also in Hungary to ensure competitiveness of national breeding programs. The proposed project primarily aims to generate new knowledge as basic science activity with the expectation that it will contribute to establish novel breeding potentials and crops that are produced with technologies which might have a greater acceptance by the GMO-conscious public, organizations and governments.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
List of publications |
|
|
D. Rakk, B. Bodnár, F. Kincses, G. Ferenc, Á. Nyerges, M. Mészáros, Sz. Veszelka, M. Deli, D. Dudits, L. Kovács, Z. Kupihár: Lipid derivatives of oligonucleotides - Preliminary Results, EuroTIDES conference poster (Berlin, Germany), 2015 | F. Ayaydin, E. Kotogány, E. Ábrahám, G.V. Horváth: Detection of Changes in the Medicago sativa Retinoblastoma-Related Protein (MsRBR1) Phosphorylation During Cell Cycle Progression in Synchronized Cell Suspension Culture, “Methods Molecular Biology” Cell Cycle Synchronization, Vol. 1524, Gáspár Bánfalvi (Ed). (IN PRINT)(Relates to grant due to flow cytometry analysis of nuclei), 2016 | H. Tiricz, B. Nagy, G. Ferenc, K. Török, I. Nagy, D. Dudits and F. Ayaydin: Relaxed chromatin induced by histone deacetylase inhibitors improves the oligonucleotide-directed gene editing in plant cells., SUBMITTED to BMC Plant Biology, 2016 | G. Ferenc and D. Dudits: Génspecifikus mutagenezis rövid szintetikus DNS-molekulákkal, Precíziós nemesítés – Kulcs az agrárinnovációhoz. Eds: Ervin Balázs and Dénes Dudits. Publisher: Agroinform. (Open Access availability is in progress), 2017 | H. Tiricz, B. Nagy, G. Ferenc, K. Török, I. Nagy, D. Dudits and F. Ayaydin: Relaxed chromatin induced by histone deacetylase inhibitors improves the oligonucleotide-directed gene editing in plant cells., Journal of Plant Research, 2017 | F. Ayaydin, E. Kotogány, E. Ábrahám, G.V. Horváth: Detection of Changes in the Medicago sativa Retinoblastoma-Related Protein (MsRBR1) Phosphorylation During Cell Cycle Progression in Synchronized Cell Suspension Culture, “Methods Molecular Biology” Cell Cycle Synchronization, Ed: Gáspár Bánfalvi. Publisher: Springer, Vol. 1524, 267-285. (Open Access availability is in progress), 2017 | E. Fodor and F. Ayaydin: Fluorescent probes and live imaging of plant cells., [Accepted] “Advances in Plant Ecophysiology Techniques” Eds: Manuel Reigosa Roger and Adela Sánchez Moreiras. Publisher: Springer., 2017 | G. Ferenc, Z. Váradi, A. Bokros, Z. Kupihár E. Fodor, D. Dudits and F. Ayaydin: Studies on Uptake of Oligonucleotide-Lipid Conjugates, TIDES: Oligonucleotide & Peptide Therapeutics conference poster at San Diego, CA, USA. 30.04.-03.05. 2017., 2017 | G. Ferenc, K. Kerner Z. Váradi, A. Bokros, Z. Kupihár E. Fodor, D. Dudits and F. Ayaydin: Studies on Uptake of Oligonucleotide-Lipid Conjugates, Straub Days conference poster at Biological Research Center, HAS, Szeged, Hungary. 24.05.-25.05. 2017., 2017 | D. Rakk, B. Bodnár, F. Kincses, G. Ferenc, Á. Nyerges, M. Mészáros, Sz. Veszelka, M. Deli, D. Dudits, L. Kovács, Z. Kupihár: Lipid derivatives of oligonucleotides - Preliminary Results, EuroTIDES conference poster (Berlin, Germany), 2015 | G. Ferenc and D. Dudits: Génspecifikus mutagenezis rövid szintetikus DNS-molekulákkal, Precíziós nemesítés – Kulcs az agrárinnovációhoz. Eds: Ervin Balázs and Dénes Dudits. Publisher: Agroinform., 2017 | H. Tiricz, B. Nagy, G. Ferenc, K. Török, I. Nagy, D. Dudits and F. Ayaydin: Relaxed chromatin induced by histone deacetylase inhibitors improves the oligonucleotide-directed gene editing in plant cells., Journal of Plant Research, 2017 | F. Ayaydin, E. Kotogány, E. Ábrahám, G.V. Horváth: Detection of Changes in the Medicago sativa Retinoblastoma-Related Protein (MsRBR1) Phosphorylation During Cell Cycle Progression in Synchronized Cell Suspension Culture, “Methods Molecular Biology” Cell Cycle Synchronization, Ed: Gáspár Bánfalvi. Publisher: Springer, Vol. 1524, 267-285. (Grant relation: flow cytometry analysis of nuclei), 2017 | G. Ferenc, Z. Váradi, A. Bokros, Z. Kupihár E. Fodor, D. Dudits and F. Ayaydin: Studies on Uptake of Oligonucleotide-Lipid Conjugates, TIDES: Oligonucleotide & Peptide Therapeutics conference poster at San Diego, CA, USA, 2017 | G. Ferenc, K. Kerner Z. Váradi, A. Bokros, Z. Kupihár E. Fodor, D. Dudits and F. Ayaydin: Studies on Uptake of Oligonucleotide-Lipid Conjugates, Straub Days conference poster at Biological Research Center, HAS, Szeged, Hungary, 2017 | Öktem A, Ferenc G, Nagy B, Kalac A, Fodor E, Dudits D, Ayaydin F: Delivery of nucleic acids and gene editing components by using a modified cationic polymer, [Poster] 6th Plant Genomics and Gene Editing Congress: Europe, Rotterdam, Netherlands, 2018 | Ferenc G, Kupihár Z, Fodor E, Kukli T, Szamosvölgyi Á, Nagy B, Zombori Z, Öktem A, Nagy I, Dudits D and Ayaydin F: Chemically modified template ssDNAs and gRNAs for increasing the efficiency of plant gene editing, [Poster] 6th Plant Genomics and Gene Editing Congress: Europe, Rotterdam, Netherlands, 2018 | Nagy B, Ferenc G, Török K, Nagy I, Dudits D and Ayaydin F: GFP-based transient gene editing marker system to support selection of agronomic traits: A case study of targeting elevated tryptophan content in maize, [Poster] 6th Plant Genomics and Gene Editing Congress: Europe, Rotterdam, Netherlands, 2018 | Zombori Z, Török SP, Nagy B, Ferenc G, Török K, Dudits D and Ayaydin F: Comparison of two different genome-editing technologies (OTNE and CRISPR/Cas9) in maize (Zea mays L.) and rice (Oryza sativa L.) cells, [Poster] 6th Plant Genomics and Gene Editing Congress: Europe, Rotterdam, Netherlands, 2018 | Ferenc G, Kupihár Z, Kukli T, Szamosvölgyi A, Kóczán L, Nagy B, Öktem A, Dudits D and Ayaydin F: The effect of chemical modifications of oligonucleotides on gene editing efficiency in plant cells, [Poster] Straub-days, Szeged, Hungary, 2018 | Kelemen-Valkony I, Ayaydin F: Efficient long term cryopreservation of plant cultures, [Poster] Straub-days, Szeged, Hungary (Relation to this grant: Successful long-term freezing and viable thawing of GFP transgenic maize cultures), 2018 | Török SP, Török K, Dudits D, Ayaydin F, Zombori Z: Comparison of different genome-editing technologies (CRISPR/Cas9 and OTNE) in maize (Zea mays L.) and rice (Oryza sativa L.), [Poster] Straub-days, Szeged, Hungary, 2018 | Öktem A, Ferenc G, Kalac A, Fodor E, Dudits D, Ayaydin F: Novel polymer-based delivery of gene editing components in plants, [Poster] Straub-days, Szeged, Hungary, 2018 | E. Fodor and F. Ayaydin: Fluorescent probes and live imaging of plant cells., “Advances in Plant Ecophysiology Techniques” Eds: Manuel Reigosa Roger and Adela Sánchez Moreiras. Publisher: Springer Nature, pp. 241-251, 2018 | Rádi F, Nagy B, Ferenc G, Török K, Nagy I, Zombori Z, Dudits D, Ayaydin F: Targeted mutagenesis in maize somatic cells by injection of synthetic oligonucleotides into the apical meristem region of seedlings, [Submitted to Plant Journal], 2018 |
|
|
|
|
|
|
Back »
|
|
|