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该方案描述了在体内温室条件下用植物寄生线虫感染马铃薯根和马铃薯体外转基因根,用于通过光学显微镜对根结构进行组织化学分析。
土生植物寄生线虫 (PPN) 是重要的马铃薯害虫,可引起病变和/或改变植物根系结构,导致作物适应性和生产力降低。对 PPNs 感染和发育的细胞和亚细胞机制的研究可以求助于温室条件下的田间植物或幼苗。实地研究更能代表自然环境,但受到环境条件的不可预测性的影响,这会严重影响研究结果。温室研究可以更好地控制环境变量,并提高对污染物或病原体的安全性。然而,在一些宿主中,遗传多样性成为变异的重要因素,并影响宿主-寄生虫复合物反应。我们已经开发了转基因根与 PPN 的 体外 共培养物,作为一种可靠的替代方案,占用空间更小,获得时间更短,并且不受污染或宿主遗传变异的影响。通过引入无菌 PPN 以寄存 体外 转基因根来获得共培养物。它们可以无限期地维护,这使它们成为保留引用 PPN 集合的出色支持。在本工作中,详细介绍了一种方案,用于用根损伤线 虫控制体内 马铃薯根的感染,以及建立马铃薯转基因根与根结线虫的 体外 共培养。 体外 共培养物为马铃薯自然感染条件和产生的线虫生命阶段提供了实验室代理,而与季节或气候条件无关。此外,使用组织化学和光学显微镜详细介绍了用于结构分析的方法。酸性品红染料用于跟踪根上的线虫攻击部位,而使用高碘酸-希夫 (PAS) 和甲苯胺蓝 O 的差异染色突出了马铃薯内部根组织中的线虫结构。
块根和块茎作物在世界上最重要的主食中排名第 4。马铃薯 (Solanum tuberosum L.) 是最重要的栽培块茎之一。它起源于南美洲的安第斯山脉,但在 16世纪被引入欧洲后,很快成为低收入人群最常见的食物来源。今天,马铃薯占世界热量摄入量的 1.7%1。作物生产受到植物病虫害和病原体的严重影响,其中植物寄生线虫 (PPN) 可导致平均产量损失高达 12%2。植物寄生线虫是现代农业中对农作物造成一些最具破坏性的疾病的原因。土壤中的 PPN 会给农民带来重大损失,因为它们会影响植物根系,并通过减少生产和/或损害产品来干扰作物生产力,使其无法销售3。这些危险的植物寄生虫使用它们的探针(针状口器)刺穿根细胞并以细胞内容物为食。一些 PPN 从根外部取食,另一些进入根并导致组织损伤(迁移),而另一些进入根部并变得久坐不动,严重改变根结构以促进摄食4。影响马铃薯的主要PPN是马铃薯孢囊线虫、Globodera spp.、根结线虫(RKN)、Meloidogyne spp.、根病线虫、Pratylenchus spp.、假根结线虫Nacobbus aberrans和马铃薯腐病线虫Ditylenchus destructor。对于这些 PPN,不同的摄食习惯会诱导宿主根组织发生不同的结构变化 5,6。对 PPN 感染机制和宿主反应的研究通常通过田间或温室试验进行,以维护参考 PPN 培养物收藏或进行大规模实验 7,8。在自然条件下进行测试受环境变化和生物或非生物胁迫因素的强烈影响。温室生物测定是更接近自然条件的替代方案,同时允许相对控制环境变化并限制非生物和生物胁迫的影响。然而,对于需要更精细地控制生物变异性的试验来说,宿主遗传多样性仍然是一个挑战。这些限制可以通过求助于体外植物组织培养来克服。这些是多功能实验室系统,在 PPN 疾病研究中具有许多优势。对于土壤中的 PPN,转基因根的体外培养是在实验室条件下进行研究的有用工具 9,10。
转基因根或毛状根 (HR) 是在用根瘤菌感染植物材料后获得的(Riker 等人,1930 年) Young 等人,2001年 11 月。这种革兰氏阴性菌诱导其 Ri 质粒转染到宿主基因组中,并改变植物激素生物合成的调节,促进根组织的形成12。转基因根可以在培养基中的无菌作用下无限期地保持。使用 HR 研究 PPN 的优势在于在没有影响线虫感染和发育的植物生长调节因子的情况下生长速率高、单位时间内生物量产量的高比率以及细胞完整性和寿命,这决定了更高的遗传和生化稳定性6。通过采用体外转基因根,可以在实验室条件下无限期地维持 PPNs 基因型,可以很容易地跟踪感染和 PPNs 的发展,可以减少宿主遗传变异,宿主分子组成的作可以直接与线虫反应相关,并且可以更准确地跟踪宿主和寄生虫的结构变化 6,13。对于马铃薯 PPN 病害的研究,体外转基因根共培养允许独立于季节或马铃薯块茎休眠进行实验。
在该协议中,详细介绍了马铃薯植株 PPN 维持和 体内 感染的传统方法。对于受感染根的结构分析,还详细介绍了一种基于建立转基因马铃薯根与 PPNs 的 体外 共培养物的改进方法,作为一种替代方案,可以更好地控制环境和宿主遗传变异。为了跟踪根组织中的 PPNs 感染和发育,采用组织化学来帮助在光学显微镜下观察 PPN。该方案的总体目标是优化 PPN-宿主相互作用的研究,确保更可控和可重复的实验条件,同时促进对根组织中线虫的详细结构和发育分析。
1. 温室种植的马铃薯植株的感染
注:温室试验是在混合生命阶段或第二阶段幼虫 (J2) 中悬浮 PPN 进行,具体取决于 PPN 害虫的具体生命周期。对于该方案,使用了根部病变线虫 (RLN) Pratylenchus penetrans 的混合生命阶段的悬浮液。PPN 可以在实验室中饲养,也可以从经过认证的参考实验室索取。
2. 马铃薯转基因根与 PPNs 体外共培养的建立
3. PPNs 感染的结构分析
注意:为了跟踪 PPN 诱导的根组织结构变化,使用组织化学染色技术来对比具有不同化学成分的组织。在根块或固定根材料的薄片中进行差异染色,其中特异性染料根据其化学亲和力与靶组织反应21。对于本方案,我们使用酸性品红或高碘酸 - 希夫试剂 (PAS) 与甲苯胺蓝 O 染料联合进行差异染色。
胡萝卜盘可用于繁殖和维持几种类型的迁移 PPNs23。对于 RLN,该技术通常用于维护线虫物种或分离株的参考集合。使用胡萝卜盘,线虫种群在 3 个月内平均增加 100 倍(图 1)。然而,线虫数量差异很大(在 30 倍到 200 倍之间),主要是由于线虫遗传多样性和/或胡萝卜营养成分的变化。此外,尽管采取了多种预防措施来减少微生物?...
研究受土壤 PPN 攻击的植物的感染和疾病发展机制是困难的,因为这些植物寄生虫通常会感染根系的内部组织并在芽中诱导非特异性症状。尽管温室的环境条件受到控制,但发芽的马铃薯块茎和马铃薯植株的生长在春季和夏季仍然受到青睐,将可用的实验期缩短到每年一个季节。此外,相当多的花盆没有出现马铃薯植物。RLN 的生命周期相对较长,大约需要 2 到 3 个月才能...
我们没有什么可披露的。
这项研究部分由 Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) 资助,通过赠款 NemACT,DOI:10.54499/2022.00359.CEECIND/CP1737/CT0002 (JMSF),CEECIND/00040/2018,DOI:10.54499/CEECIND/00040/2018/CP1560/CT0001 (CSLV) 和 SFRH/BD/134201/2017 (PB);PratyOmics 项目, DOI: 10.54499/PTDC/ASP-PLA/0197/2020;和结构性资金 UIDB/00329/2020 |cE3c (DOI: 10.54499/UIDB/00329/2020) + LA/P/0121/2020 |CHANGE (DOI: 10.54499/LA/P/0121/2020) 和 GreenIT (DOI: 10.54499/UIDB/04551/2020 和 DOI: 10.54499/UIDP/04551/2020)..
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2,4-Dinitrophenylhydrazine | Sigma-Aldrich | D199303 | |
2-Hydroxyethyl methacrylate | Sigma-Aldrich | 17348 | |
Acetic acid | Sigma-Aldrich | 695092 | |
Acid Fuchsin | Sigma-Aldrich | F8129 | |
Benzoyl peroxide | Sigma-Aldrich | B5907 | |
borosilicate glass beaker | Sigma-Aldrich | Z231827 | |
Carbenicillin disodium salt | Sigma-Aldrich | C3416 | |
Cefotaxime sodium salt | Sigma-Aldrich | C7039 | |
Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | 472301 | |
Ethanol | Supelco | 1.00983 | |
Fertilizer | Compo Expert | ||
Flower pot 5 L | VWR | 470049-676 | |
Glutaraldehyde | Sigma-Aldrich | 354400 | |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G7893 | |
Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 258148 | |
Kanamycin monosulfate | Sigma-Aldrich | BP861 | |
LB Broth with agar | Sigma-Aldrich | L3147 | |
MCE syringe filter | Millipore | SLGSR33SS | |
PARAFILM M sealing film | BRAND | HS234526B-1EA | |
Pararosaniline hydrochloride | Sigma-Aldrich | P3750 | |
Periodic acid | Sigma-Aldrich | P0430 | |
Phyto agar | Duchefa Biochemie | P1003 | |
Scalpel blade no. 24 | Romed Holland | BLADE24 | |
Schenk & Hildebrandt Basal salt medium | Duchefa Biochemie | S0225 | |
Schenk & Hildebrandt vitamin mixture | Duchefa Biochemie | S0411 | |
Schiff′s reagent | Sigma-Aldrich | 1.09033 | |
Sodium metabisulfite | Sigma-Aldrich | 161519 | |
Sodium phosphate dibasic | Sigma-Aldrich | S9763 | |
Sodium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | S5011 | |
Soil / Substrate | Compo Sana | ||
Stainless Steel Tweezers | Sigma-Aldrich | 22435-U | |
Sucrose | Duchefa Biochemie | S0809 | |
Toluidine Blue O | Sigma-Aldrich | 198161 |
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