RESEARCH ARTICLE

Gene delivery into isolated Arabidopsis thaliana protoplasts and intact leaves using cationic, α-helical polypeptide

  • Nan Zheng 1,2 ,
  • Ziyuan Song 1 ,
  • Yang Liu 1 ,
  • Lichen Yin , 3 ,
  • Jianjun Cheng , 1
Expand
  • 1. Department of Materials Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, IL 61801, USA
  • 2. State Key Laboratory of Fine Chemicals, Department of Polymer Science and Engineering, School of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
  • 3. Institute of Functional Nano & Soft Materials (FUNSOM), Jiangsu Key Laboratory for Carbon-Based Functional Materials & Devices, Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano Science and Technology, Soochow University, Suzhou 215123, China

Received date: 15 Oct 2016

Accepted date: 08 Nov 2016

Published date: 06 Nov 2017

Copyright

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany

Abstract

The application of gene delivery materials has been mainly focused on mammalian cells while rarely extended to plant engineering. Cationic polymers and lipids have been widely utilized to efficiently deliver DNA and siRNA into mammalian cells. However, their application in plant cells is limited due to the different membrane structures and the presence of plant cell walls. In this study, we developed the cationic, α-helical polypeptide that can effectively deliver DNA into both isolated Arabidopsis thaliana protoplasts and intact leaves. The PPABLG was able to condense DNA to form nanocomplexes, and they exhibited significantly improved transfection efficiencies compared with commercial transfection reagent Lipofectamine 2000 and classical cell penetrating peptides such as poly(L-lysine), HIV-TAT, arginine9, and poly(L-arginine). This study therefore widens the utilities of helical polypeptide as a unique category of gene delivery materials, and may find their promising applications toward plant gene delivery.

Cite this article

Nan Zheng , Ziyuan Song , Yang Liu , Lichen Yin , Jianjun Cheng . Gene delivery into isolated Arabidopsis thaliana protoplasts and intact leaves using cationic, α-helical polypeptide[J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2017 , 11(4) : 521 -528 . DOI: 10.1007/s11705-017-1612-8

Acknowledgements

L. Y. acknowledges the support from the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51403145 and 51573123), the Science and Technology Department of Jiangsu Province (BK20140333), and Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD). J. C. acknowledges support from the NSF (CHE-1153122), the NIH (NIH Director’s New Innovator Award 1DP2OD007246 and 1R21EB013379). J. C. also acknowledges support from Dr. Ray Zielinski (Department of Plant Biology, University of Illinois at Urbana–Champaign) for the provision of plants and plasmid DNA, as well as the technic of protoplasts isolation.
1
Borchert R, Renner  S S, Calle  Z, Navarrete D ,  Tye A, Gautier  L, Spichiger R ,  von Hildebrand P . Photoperiodic induction of synchronous flowering near the Equator. Nature, 2005, 433(7026): 627–629

DOI

2
Dubreuil G, Magliano  M, Dubrana M P ,  Lozano J ,  Lecomte P ,  Favery B ,  Abad P, Rosso  M N. Tobacco rattle virus mediates gene silencing in a plant parasitic root-knot nematode. Journal of Experimental Botany, 2009, 60(14): 4041–4050

DOI

3
Pasupathy K, Lin  S, Hu Q ,  Luo H, Ke  P C. Direct plant gene delivery with a poly(amidoamine) dendrimer. Biotechnology Journal, 2008, 3(8): 1078–1082

DOI

4
Hussain M M, Melcher  U, Essenberg R C . Infection of evacuolated turnip protoplasts with liposome-packaged cauliflower mosaic-virus. Plant Cell Reports, 1985, 4(2): 58–62

DOI

5
Li Y, Cui  H, Song Y ,  Li Y, Huang  J. Transient expression of exogenous gene into plant cell mediated by PEI nanovector. Agricultural Sciences in China, 2011, 10(6): 820–826

DOI

6
Boynton J E, Gillham  N W, Harris  E H, Hosler  J P, Johnson  A M, Jones  A R, Randolphanderson  B L, Robertson  D, Klein T M ,  Shark K B ,  Sanford J C . Chloroplast transformation in chlamydomonas with high-velocity microprojectiles. Science, 1988, 240(4858): 1534–1538

DOI

7
Carqueijeiro I, Masini  E, Foureau E ,  Sepulveda L J ,  Marais E ,  Lanoue A ,  Besseau S ,  Papon N ,  Clastre M ,  de Bernonville T D ,  Glevarec G ,  Atehortua L ,  Oudin A ,  Courdavault V . Virus-induced gene silencing in Catharanthus roseus by biolistic inoculation of tobacco rattle virus vectors. Plant Biology, 2015, 17(6): 1242–1246

DOI

8
Koop H U, Steinmuller  K, Wagner H ,  Rossler C ,  Eibl C, Sacher  L. Integration of foreign sequences into the tobacco plastome via polyethylene glycol-mediated protoplast transformation. Planta, 1996, 199(2): 193–201

DOI

9
Wang F, Liu  J, Tong C ,  Wang Q, Tang  D, Yi L ,  Wang L L ,  Liu X M . Magnetic nanoparticle as rice transgene vector mediated by electroporation. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2010, 38(5): 617–621

10
Miranda A, Janssen  G, Hodges L ,  Peralta E G ,  Ream W. Agrobacterium-tumefaciens transfers extremely long T-DNAs by a unidirectional mechanism. Journal of Bacteriology, 1992, 174(7): 2288–2297

DOI

11
Rakoczy-Trojanowska M . Alternative methods of plant transformation. Cellular & Molecular Biology Letters, 2002, 7(3): 849–858

12
Nair R, Varghese  S H, Nair  B G, Maekawa  T, Yoshida Y ,  Kumar D S . Nanoparticulate material delivery to plants. Plant Science, 2010, 179(3): 154–163

DOI

13
Chugh A, Eudes  F. Study of uptake of cell penetrating peptides and their cargoes in permeabilized wheat immature embryos. FEBS Journal, 2008, 275(10): 2403–2414

DOI

14
Chen C, Chou  J, Liu B ,  Chang M ,  Lee H. Transfection and expression of plasmid DNA in plant cells by an arginine-rich intracellular delivery peptide without protoplast preparation. FEBS Letters, 2007, 581(9): 1891–1897

DOI

15
Lakshmanan M, Kodama  Y, Yoshizumi T ,  Sudesh K ,  Numata K . Rapid and efficient gene delivery into plant cells using designed peptide carriers. Biomacromolecules, 2013, 14(1): 10–16

DOI

16
Hariton-Gazal E, Rosenbluh  J, Graessmann A ,  Gilon C ,  Loyter A . Direct translocation of histone molecules across cell membranes. Journal of Cell Science, 2003, 116(22): 4577–4586

DOI

17
Rosenbluh J, Singh  S K, Gafni  Y, Graessmann A ,  Loyter A . Non-endocytic penetration of core histones into petunia protoplasts and cultured cells: A novel mechanism for the introduction of macromolecules into plant cells. Biochimica et Biophysica Acta-Biomembranes, 2004, 1664(2): 230–240

DOI

18
Wei Y, Niu  J, Huan L ,  Huang A ,  He L, Wang  G. Cell penetrating peptide can transport dsRNA into microalgae with thin cell walls. Algal Research-Biomass Biofuels and Bioproducts, 2015, 8: 135–139

19
Hyman J M, Geihe  E I, Trantow  B M, Parvin  B, Wender P A . A molecular method for the delivery of small molecules and proteins across the cell wall of algae using molecular transporters. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2012, 109(33): 13225–13230

DOI

20
Fonseca S B, Pereira  M P, Kelley  S O. Recent advances in the use of cell-penetrating peptides for medical and biological applications. Advanced Drug Delivery Reviews, 2009, 61(11): 953–964

DOI

21
Elsner M B, Herold  H M, Muller-Herrmann  S, Bargel H ,  Scheibel T . Enhanced cellular uptake of engineered spider silk particles. Biomaterials Science, 2015, 3(3): 543–551

DOI

22
Saw P E, Ko  Y T, Jon  S. Efficient liposomal nanocarrier-mediated oligodeoxynucleotide delivery involving dual use of a cell-penetrating peptide as a packaging and intracellular delivery agent. Macromolecular Rapid Communications, 2010, 31(13): 1155–1162

DOI

23
Patra S, Roy  E, Madhuri R ,  Sharma P K . The next generation cell-penetrating peptide and carbon dot conjugated nano-liposome for transdermal delivery of curcumin. Biomaterials Science, 2016, 4(3): 418–429

DOI

24
Chen S, Rong  L, Jia H Z ,  Qin S Y ,  Zeng X, Zhuo  R X, Zhang  X Z. Co-delivery of proapoptotic peptide and p53 DNA by reduction-sensitive polypeptides for cancer therapy. Biomaterials Science, 2015, 3(5): 753–763

DOI

25
Gabrielson N P ,  Lu H, Yin  L, Li D ,  Wang F, Cheng  J. Reactive and bioactive cationic α-helical polypeptide template for nonviral gene delivery. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51(5): 1143–1147

DOI

26
Lu H, Wang  J, Bai Y ,  Lang J W ,  Liu S, Lin  Y, Cheng J . Ionic polypeptides with unusual helical stability. Nature Communications, 2011, 2: 206

DOI

27
Zheng N, Song  Z, Liu Y ,  Zhang R ,  Zhang R ,  Yao C, Uckun  F M, Yin  L, Cheng J . Redox-responsive, reversibly-crosslinked thiolated cationic helical polypeptides for efficient siRNA encapsulation and delivery. Journal of Controlled Release, 2015, 205: 231–239

DOI

28
Zheng N, Yin  L, Song Z ,  Ma L, Tang  H, Gabrielson N P ,  Lu H, Cheng  J. Maximizing gene delivery efficiencies of cationic helical polypeptides via balanced membrane penetration and cellular targeting. Biomaterials, 2014, 35(4): 1302–1314

DOI

29
Yin L, Tang  H, Kim K H ,  Zheng N ,  Song Z, Gabrielson  N P, Lu  H, Cheng J . Light-responsive helical polypeptides capable of reducing toxicity and unpacking DNA: Toward nonviral gene delivery. Angewandte Chemie International Edition, 2013, 52(35): 9182–9186

DOI

30
Yin L, Song  Z, Kim K H ,  Zheng N ,  Gabrielson N P ,  Cheng J . Non-viral gene delivery via membrane-penetrating, mannose-targeting supramolecular self-assembled nanocomplexes. Advanced Materials, 2013, 25(22): 3063–3070

DOI

31
Rondeau-Mouro C, Defer  D, Leboeuf E ,  Lahaye M . Assessment of cell wall porosity in Arabidopsis thaliana by NMR spectroscopy. International Journal of Biological Macromolecules, 2008, 42(2): 83–92

DOI

32
Gunl M, Pauly  M. AXY3 encodes a alpha-xylosidase that impacts the structure and accessibility of the hemicellulose xyloglucan in Arabidopsis plant cell walls. Planta, 2011, 233(4): 707–719

DOI

33
Lu S, Hu  J, Liu B ,  Lee C, Li  J, Chou J ,  Lee H J . Arginine-rich intracellular delivery peptides synchronously deliver covalently and noncovalently linked proteins into plant cells. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2010, 58(4): 2288–2294

DOI

34
Eudes F, Chugh  A. Cell-penetrating peptides: From mammalian to plant cells. Plant Signaling & Behavior, 2008, 3(8): 549–550

DOI

35
Battey N H, James  N C, Greenland  A J, Brownlee  C. Exocytosis and endocytosis. Plant Cell, 1999, 11(4): 643–660

DOI

36
Chiu W L, Niwa  Y, Zeng W ,  Hirano T ,  Kobayashi H ,  Sheen J . Engineered GFP as a vital reporter in plants. Current Biology, 1996, 6(3): 325–330

DOI

37
Pedelacq J D, Cabantous  S, Tran T ,  Terwilliger T C ,  Waldo G S . Engineering and characterization of a superfolder green fluorescent protein. Nature Biotechnology, 2006, 24(1): 79–88

DOI

38
Liu S, Yang  J X, Ren  H Q, O’Keeffe-Ahern  J, Zhou D Z ,  Zhou H, Chen  J T, Guo  T Y. Multifunctional oligomer incorporation: a potent strategy to enhance the transfection activity of poly(L-lysine). Biomaterials Science, 2016, 4(3): 522–532

DOI

39
Mintzer M A, Simanek  E E. Nonviral vectors for gene delivery. Chemical Reviews, 2009, 109(2): 259–302

DOI

40
Navarro E, Baun  A, Behra R ,  Hartmann N B ,  Filser J ,  Miao A J ,  Quigg A ,  Santschi P H ,  Sigg L. Environmental behavior and ecotoxicity of engineered nanoparticles to algae, plants, and fungi. Ecotoxicology (London, England), 2008, 17(5): 372–386

DOI

41
Fleischer A, O’Neill  M A, Ehwald  R. The pore size of non-graminaceous plant cell walls is rapidly decreased by borate ester cross-linking of the pectic polysaccharide rhamnogalacturonan II. Plant Physiology, 1999, 121(3): 829–838

DOI

42
Tang H, Yin  L, Kim K H ,  Cheng J . Helical poly(arginine) mimics with superior cell-penetrating and molecular transporting properties. Chemical Science (Cambridge), 2013, 4(10): 3839–3844

DOI

Outlines

/