A standardized synthetic Eucalyptus transcription factor and promoter

3 days ago - This freely available resource is intended to accelerate synthetic biology applications in multiple plant biomass crops and enable recons...
0 downloads 0 Views 413KB Size
Subscriber access provided by Iowa State University | Library

Technical Note

A standardized synthetic Eucalyptus transcription factor and promoter panel for re-engineering secondary cell wall regulation in biomass and bioenergy crops Steven Hussey, Jacqueline Grima-Pettenati, Alexander A Myburg, Eshchar Mizrachi, Siobhan M Brady, Yasuo Yoshikuni, and Samuel Deutsch ACS Synth. Biol., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acssynbio.8b00440 • Publication Date (Web): 03 Jan 2019 Downloaded from http://pubs.acs.org on January 4, 2019

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Synthetic Biology

1  2 

A standardized synthetic Eucalyptus transcription factor and promoter  panel for re‐engineering secondary cell wall regulation in biomass and  bioenergy crops 

3  4 

 

5  6 

Steven G. Hussey1, Jacqueline Grima-Pettenati2, Alexander A. Myburg1, Eshchar Mizrachi1, Siobhan M. Brady3, Yasuo Yoshikuni4, Samuel Deutsch4

7  8  9 

1

10  11 

2

12  13 

3

Department of Plant Biology and Genome Center, University of California, Davis, California 95616, United States

14  15 

4

US Department of Energy Joint Genome Institute, 2800 Mitchell Drive, Walnut Creek, California 94598, United States

16 

Abstract 

17 

Re‐engineering transcriptional networks regulating secondary cell wall formation may allow the 

18 

improvement of plant biomass in widely grown plantation crops such as Eucalyptus. However, there 

19 

is currently a scarcity of freely available standardized biological parts (e.g. Phytobricks) compatible 

20 

with Type IIS assembly approaches from forest trees, and there is a need to accelerate transcriptional 

21 

network inference in non‐model biomass crops. Here we describe the design and synthesis of a 

22 

versatile three‐panel biological parts collection of 221 secondary cell wall‐related Eucalyptus grandis 

23 

transcription factor coding sequences and 65 promoters that are compatible with GATEWAY, Golden 

24 

Gate, MoClo and GoldenBraid DNA assembly methods and generally conform to accepted Phytobrick 

25 

syntaxes. This freely available resource is intended to accelerate synthetic biology applications in 

26 

multiple plant biomass crops and enable reconstruction of secondary cell wall transcriptional 

27 

networks using high‐throughput assays such as DNA Affinity Purification sequencing (DAP‐seq) and 

28 

enhanced yeast one‐hybrid (eY1H) screening. 

29 

Keywords: secondary cell wall, Phytobrick, Eucalyptus, transcriptional network 

30 

Transcription factors (TFs) regulating secondary cell wall (SCW) deposition and their associated gene 

31 

promoters comprise a molecular toolbox for re‐engineering SCW deposition1. By understanding the 

32 

regulatory  architecture  of  the  transcriptional  networks  they  form,  novel  network  linkages  may  be 

Department of Biochemistry, Genetics and Microbiology, Forestry and Agricultural Biotechnology Institute (FABI), Genomics Research Institute (GRI), University of Pretoria, Private Bag X28, Pretoria, South Africa 0002

Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales (LRSV), Université Toulouse, UPS, CNRS, BP 42617, F-31326, Castanet-Tolosan, France

1   

ACS Paragon Plus Environment

ACS Synthetic Biology 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 2 of 8

33 

engineered  or  transgenes  expressed  in  a  cell  type‐specific  fashion  such  that  plant  biomass  may  be 

34 

tailored  for  renewable  biomaterials  production  and  ever‐diversifying  biorefinery  applications. 

35 

Achieving  this via synthetic biology (SynBio) is  challenged by  a limited availability of plant standard 

36 

biological parts compatible with one‐step multipartite DNA assembly approaches and cost‐effective 

37 

methods  for  elucidating  SCW  transcriptional  networks  in  non‐model  crops.  Following  the 

38 

standardization of biological parts in prokaryotic SynBio (e.g. BioBrickTM), the plant SynBio community 

39 

is  beginning  to  adopt  the  Phytobrick  standard  characterised  by  Type  IIS  assembly  methods  such  as 

40 

Golden Gate, MoClo and GoldenBraid, coupled with a standard lexicon2. These assembly standards aim 

41 

to assemble complex multipartite DNA constructs using a minimal set of restriction endonuclease in a 

42 

single reaction vessel, beginning with separate standardized plasmids. Here, we describe the design 

43 

and  synthesis  of  a  versatile  three‐panel  biological  parts  collection  of  221  SCW‐related  Eucalyptus 

44 

grandis TF coding sequences (CDSs) and 65 SCW‐related promoters that are compatible with various 

45 

DNA assembly standards and generally conform to accepted plant SynBio syntaxes.  

46 

Commercial  Eucalyptus  plantations  comprise  the  most  widely  planted  hardwoods  globally,  and  the 

47 

genus has become a useful model for studying woody biomass accumulation3. This motivates the need 

48 

to understand the transcriptional control of Eucalyptus wood formation using high‐throughput assays 

49 

such  as  DNA  Affinity  Purification  sequencing  (DAP‐seq)4  and  enhanced  yeast  one‐hybrid  analysis 

50 

(eY1H)5. The collection, distributed by the University of Pretoria, is freely accessible to the academic 

51 

community through a US Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI) material transfer 

52 

agreement. 

53 

//fabinet.up.ac.za/index.php/fmg‐projects/synthetic‐biology. 

54 

Candidate SCW‐related TFs from E. grandis were identified based on homology to known Arabidopsis 

55 

SCW  regulators1  using  the  annotation  files  of  the  E.  grandis  v2.0  genome  sequence 

56 

(//phytozome.jgi.doe.gov/) and evidence implicating them in E. grandis SCW regulation from studies 

57 

of MYB and NAC protein families and yeast two‐hybrid screens6‐8 

58 

prioritised  to  select  a  total  of  ~303  Kb  of  sequence  based  on  preferential  expression  in  developing 

59 

xylem (among seven tissues; //eucgenie.org/), association with Eucalyptus biomass and bioprocessing 

60 

traits (Dataset 1 from Mizrachi et al.9) and differential expression during tension wood formation10. The 

61 

prioritised candidates thus had at least one evidence line linking them to wood formation in Eucalyptus. 

62 

CDSs  of  261  prioritised  TFs  from  the  E.  grandis  v2.0  genome  (//phytozome.jgi.doe.gov/)  were  then 

63 

“domesticated”, entailing the synonymous substitution of the sequences to enhance synthetic gene 

More 

information 

on 

the 

constructs 

2   

ACS Paragon Plus Environment

can 

be 

.  The 

obtained 

from 

candidates  were 

Page 3 of 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Synthetic Biology

64 

synthesis and remove internal BsaI, BpaI and BsmBI sites required for Type IIS assembly. Two TF panels 

65 

were  successfully  synthesized,  with  40  TF  candidates  failing  gene  synthesis.  The  first  comprises  a 

66 

Phytobrick  parts  panel  of  173  constructs  compatible  with  all  Type  IIS  and  GATEWAY  approaches, 

67 

containing standard syntax sequences2 flanking each CDS followed by a convergent BsaI restriction site 

68 

for Golden Gate assembly, Gibson‐cloned into pCR8TM/GW/TOPO® (InvitrogenTM) via a “chew back” 

69 

linker (Fig. 1A). We included bordering attL1 and attL2 sites to enable GATEWAY recombination to attR‐

70 

enabled destination vectors, with spacers between the BsaI and attL sequences such that destination 

71 

vector‐encoded  N‐terminal  tags  remain  in  frame.  The  second  panel,  intended  for  DAP‐seq  analysis 

72 

primarily,  comprises  48  CDSs  cloned  into  pIX‐HALO  in‐frame  with  an  N‐terminal  HALO  (haloalkane 

73 

dehalogenase) tag for protein purification using Promega Magne® HaloTag® Beads during the DAP‐seq 

74 

assay4 (Fig. 1B). While standard syntax sequences and BsaI assembly sites are not included in this panel 

75 

due to the presence of the tag, the constructs are otherwise domesticated and can easily be converted 

76 

into Phytobricks by PCR amplification  of the CDS with  primers containing BpiI recognition  sites and 

77 

compatible overhangs, followed by one‐step digestion‐ligation into a Universal Acceptor Plasmid2. 

78 

The  promoter  panel  features  65  SCW‐related  structural  genes  (n  =  50)  and  TFs  (n  =  15)  in 

79 

pCR8TM/GW/TOPO® (Fig. 1C), successfully produced from 90 prioritized candidates (~180 Kb) selected 

80 

using similar evidence lines as for the TF panels, as well as a set of what are likely bona fide cellulose, 

81 

hemicellulose and lignin biosynthetic genes in Eucalyptus3. Since the sequences include the 5’ UTR, we 

82 

implemented the GGAG prefix and AATG suffix2, allowing the promoter standards to be appended to 

83 

any Phytobrick CDS. Due to the frequent occurrence of BsaI and other illegal sites in these sequences, 

84 

sequence substitution of which could affect promoter function, the AarI heptanucleotide recognition 

85 

sequence  was  adopted  due  to  its  considerably  lower  frequency  relative  to  the  hexanucleotide 

86 

signatures  of  BsaI,  BpaI  and  BsmBI  recognition  sequences.  AarI  cleavage  yields  tetranucleotide 

87 

overhangs similar to BsaI and is hence Type IIS assembly‐compatible. A limitation of this strategy is that 

88 

BsaI‐digested Phytobrick CDS fragments may need to be gel‐purified prior to digestion‐ligation with a 

89 

particular  promoter.  The  few  illegal  AarI  sites  found  in  the  wild‐type  promoter  sequences  were 

90 

eliminated,  for  all  but  seven  constructs,  by  substitution  with  naturally  occurring  E.  grandis  SNPs 

91 

(Myburg et al., unpublished). To enable compatibility of the promoter panel with GATEWAY cloning, in 

92 

which  case  the  AATG  suffix  opens  the  reading  frame  upstream  of  destination  vector‐encoded 

93 

reporters, spacers were added such that the AarI recognition sequence, chew back linker and resulting 

94 

attB2  site  following  LR  recombination  collectively  encode  a  44‐residue  peptide  in‐frame  with  the 

3   

ACS Paragon Plus Environment

ACS Synthetic Biology 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

95 

reporter.  We  also  avoided  repetitive  microsatellites  flanking  the  target  sequences.  This  approach 

96 

yielded construct lengths of 1,995±72 bp.  

97 

Compared to microbial prokaryotic SynBio, plant SynBio is lagging with respect to the availability of 

98 

open‐source standard biological parts. Here we have described what is to the best of our knowledge 

99 

the largest publically available standard biological parts collection of a forest tree yet produced. These 

100 

synthetic  DNA  constructs  are  chiefly  intended  to  provide  forest  biotechnologists  with  a  molecular 

101 

toolkit to modify and study wood formation in forest trees and enable the reconstruction of the SCW 

102 

transcriptional network using high‐throughput assays. However, the toolkit also has the potential to 

103 

support SynBio innovation in other plant biomass crops. Moving forward, we propose that even basic 

104 

cloning  experiments  should  attempt  to  create  Phytobrick  standards  of  DNA  sequences  wherever 

105 

possible to advance the plant biotechnology community as a whole to a state of SynBio readiness.  

106 

 

107 

References 

108 

1. Hussey, S. G., Mizrachi, E., Creux, N. M., and Myburg, A. A. (2013) Navigating the transcriptional 

109 

roadmap regulating plant secondary cell wall deposition. Front Plant Sci 4, 325. 

110 

2. Patron, N. J., Orzaez, D., Marillonnet, S., Warzecha, H., Matthewman, C., Youles, M., Raitskin, O., 

111 

Leveau, A., Farré, G., Rogers, C., et al. (2015) Standards for plant synthetic biology: a common syntax 

112 

for exchange of DNA parts. New Phytol 208, 13‐19. 

113 

3. Myburg, A. A., Grattapaglia, D., Tuskan, G. A., Hellsten, U., Hayes, R. D., Grimwood, J., Jenkins, J., 

114 

Lindquist, E., Tice, H., Bauer, D., et al. (2014) The genome of Eucalyptus grandis. Nature 510, 356‐362. 

115 

4. Bartlett, A., O'Malley, R. C., Huang, S. C., Galli, M., Nery, J. R., Gallavotti, A., and Ecker, J. R. (2017) 

116 

Mapping genome‐wide transcription‐factor binding sites using DAP‐seq. Nat Protoc 12, 1659‐1672. 

117 

5. Gaudinier, A., Zhang, L., Reece‐Hoyes, J. S., Taylor‐Teeples, M., Pu, L., Liu, Z., Breton, G., Pruneda‐

118 

Paz, J. L., Kim, D., Kay, S. A., et al. (2011) Enhanced Y1H assays for Arabidopsis. Nat Methods 8, 1053‐

119 

1055. 

120 

6. Hussey, S. G., Saidi, M. N., Hefer, C. A., Myburg, A. A., and Grima‐Pettenati, J. (2015) Structural, 

121 

evolutionary and functional analysis of the NAC domain protein family in Eucalyptus. New Phytol 206, 

122 

1337‐1350.  4   

ACS Paragon Plus Environment

Page 4 of 8

Page 5 of 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Synthetic Biology

123 

7. Soler, M., Camargo, E. L. O., Carocha, V., Cassan‐Wang, H., Clemente, H. S., Savelli, B., Hefer, C. A., 

124 

Paiva, J. A. P., Myburg, A. A., and Grima‐Pettenati, J. (2015) The Eucalyptus grandis R2R3‐MYB 

125 

transcription factor family: evidence for woody growth‐related evolution and function. New 

126 

Phytologist 206, 1364‐1377. 

127 

8. Soler, M., Plasencia, A., Larbat, R., Pouzet, C., Jauneau, A., Rivas, S., Pesquet, E., Lapierre, C., 

128 

Truchet, I., and Grima‐Pettenati, J. (2017) The Eucalyptus linker histone variant EgH1.3 cooperates 

129 

with the transcription factor EgMYB1 to control lignin biosynthesis during wood formation. New 

130 

Phytol 213, 287‐299. 

131 

9. Mizrachi, E., Verbeke, L., Christie, N., Fierro, A. C., Mansfield, S. D., Davis, M. F., Gjersing, E., 

132 

Tuskan, G. A., Van Montagu, M., Van de Peer, Y., et al. (2017) Network‐based integration of systems 

133 

genetics data reveals pathways associated with lignocellulosic biomass accumulation and processing. 

134 

Proc Natl Acad Sci U S A 114, 1195‐1200. 

135 

10. Mizrachi, E., Maloney, V. J., Silberbauer, J., Hefer, C. A., Berger, D. K., Mansfield, S. D., and 

136 

Myburg, A. A. (2015) Investigating the molecular underpinnings underlying morphology and changes 

137 

in carbon partitioning during tension wood formation in Eucalyptus. New Phytol 206, 1351‐1363. 

138  139 

   

5   

ACS Paragon Plus Environment

ACS Synthetic Biology

attL1

G G T CT CgA A TG C C A GA GcT T AC

TGAGC TTcGAGACC 35 nt ACTCG AAgCTCTGG

CDS

attL2

HALO

BsaI

295 AA

TGA

B

BsaI 51 nt

ATG

A

ATG

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 6 of 8

CDS

SP6pro

pCR8/GW/TOPO

pIX‐HALO

Phytobrick panel

DAP‐seq panel

173 parts

48 parts

AarI

C attL1

C A C CT G Cac tcG G A G 49 nt G T G GA C Gtg agC C T C

A A T G gc tgG C A G GT G t

2 kb T T A C cg acC G T C CA C a Promoter AarI

35 nt

attL2

pCR8/GW/TOPO

Promoter panel 65 parts

140 

 

141 

Figure 1. Design of standardized synthetic E. grandis SCW‐related transcription factors and 

142 

promoters. Hammer symbols represent domesticated sequences, dotted lines indicate restriction 

143 

cleavage sites, coloured bases indicate standard syntax sequences and lowercase sequences indicate 

144 

spacer nucleotides. (A) Transcription factor Phytobricks contain attL GATEWAY recombination sites 

145 

(orange), chew back linkers, BsaI Type IIS recognition sites and standard syntax sequences (purple 

146 

text). The start codon of the domesticated coding sequence (green) remains in frame with N‐terminal 

147 

tags in GATEWAY destination vectors, while the panel is primarily intended for Golden Gate, MoClo  6   

ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Synthetic Biology

148 

and GoldenBraid assembly. (B) The DNA Affinity Purification Sequencing (DAP‐seq) panel of 

149 

transcription factors is available as a C‐terminal fusion to the HALO purification tag, intended for in 

150 

vitro transcription and translation via the SP6 phage promoter in pIX‐HALO. While not standardized 

151 

by a universal syntax, the coding sequences are sequence‐domesticated and can thus be subcloned 

152 

as standard parts into a universal acceptor plasmid. (C) The secondary cell wall promoter panel 

153 

features 2 kb promoter sequences (including 5’ UTRs) compatible with GATEWAY and AarI‐mediated 

154 

Golden Gate cloning. Standard prefix and suffix syntax sequences (blue text) allow for two‐step Type 

155 

IIS assembly to any Phytobrick panel CDS in (A). AmpR, ampicillin resistance gene; CDS, coding 

156 

sequence; SpecR, spectinomycin resistance gene. 

157 

 

158 

Acknowledgements 

159 

SH, JP‐G, EM and AM compiled and prioritized candidate genes, where SH, AM and EM are co‐PIs and 

160 

JP‐G is a grant collaborator. SH drafted the manuscript and led the synthetic panel design in 

161 

consultation with SD, YY and Nicola Patron (Earlham Institute, UK). SMB, a grant collaborator 

162 

supported by an HHMI Faculty Scholar fellowship, provided expertise in eY1H. We thank Ronan 

163 

O’Malley (Sequencing Technologies Group Leader, DOE Joint Genome Institute) for advice on DAP‐

164 

seq. Gene synthesis was funded by the DNA Synthesis Science Programme of the DOE Joint Genome 

165 

Institute, in partnership with Integrated DNA Technologies. The work conducted by the U.S. 

166 

Department of Energy Joint Genome Institute, a DOE Office of Science User Facility, is supported by 

167 

the Office of Science of the U.S. Department of Energy (Contract No. DEAC02‐05CHI/231). Profiling 

168 

and selection of gene candidates was supported by the Department of Science and Technology 

169 

(Strategic Grant for the Eucalyptus Genomics Platform), the National Research Foundation of South 

170 

Africa (Bioinformatics and Functional Genomics Programme, Grants IUD 86936 and 97911), the 

171 

Technology and Human Resources for Industry Programme (grant UID 80118) and by Sappi and 

172 

Mondi through the Forest Molecular Genetics Programme (University of Pretoria). The authors 

173 

declare no conflict of interest. 

174 

 

175 

 

 

7   

ACS Paragon Plus Environment

ACS Synthetic Biology 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

For Table of Contents Use Only 

176  177  178  179  180 

Page 8 of 8

A standardized synthetic Eucalyptus transcription factor and promoter  panel for re‐engineering secondary cell wall regulation in biomass and  bioenergy crops   

181  182 

Steven G. Hussey1, Jacqueline Grima-Pettenati2, Alexander A. Myburg1, Eshchar Mizrachi1, Siobhan M. Brady3, Yasuo Yoshikuni4, Samuel Deutsch4

183 

 

184 

 

8   

ACS Paragon Plus Environment