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Agroinfiltration und PVX-Agroinfektion sind routinemäßige funktionelle Assays für die transiente ektopische Expression von Genen in Pflanzen. Diese Methoden sind effiziente Assays in Effektoromik-Strategien (schnelle Resistenz und Avirulenz-Gen-Entdeckung) und entscheidend für die moderne Forschung in der molekularen Pflanzenpathologie. Sie erfüllen die Nachfrage nach robuster Hochdurchsatz-Funktionsanalyse in Anlagen.
Agroinfiltration und PVX-Agroinfektion sind zwei effiziente transiente Expressions-Assays zur funktionellen Analyse von Kandidatengenen in Pflanzen. Das am häufigsten verwendete Mittel für die Agroinfiltration ist Agrobacterium tumefaciens, ein Erreger vieler Dikotpflanzenarten. Dies impliziert, dass Agroinfiltration auf viele Pflanzenarten angewendet werden kann. Hier stellen wir unsere Protokolle und erwarteten Ergebnisse bei der Anwendung dieser Methoden auf die Kartoffel (Solanum tuberosum), die verwandte wilde Knollen tragende Solanum-Arten (Solanum Abschnitt Petota) und die Modellpflanze Nicotiana benthamiana. Neben der funktionellen Analyse einzelner Gene, wie Resistenz -R) oder Avirulence (Avr) Gene, ist der Agroinfiltrationstest sehr geeignet, um die R-AVR-Wechselwirkungen im Zusammenhang mit spezifischen Wirtspathogen-Wechselwirkungen zu rekapitulieren, indem r- und Avr-Transgene einfach in dieselbe Zelle geliefert werden. Einige Pflanzengenotypen können jedoch unspezifische Abwehrreaktionen auf Agrobacteriumerhöhen, wie wir beispielsweise bei mehreren Kartoffelgenotypen beobachtet haben. Im Vergleich zur Agroinfiltration ist der Nachweis der AVR-Aktivität mit PVX-Agroinfektion empfindlicher, höherer Durchsatz in Funktionsbildschirmen und weniger empfindlich gegenüber unspezifischen Abwehrreaktionen auf Agrobacterium. Es kann jedoch eine unspezifische Abwehr von PVX auftreten, und es besteht die Gefahr, Dassregungen aufgrund einer vireninduzierten extremen Resistenz zu verpassen. Trotz dieser Einschränkungen sind agroinfiltration und PVX Agroinfection unserer Erfahrung nach sowohl geeignete als auch komplementäre Assays, die gleichzeitig verwendet werden können, um die Ergebnisse des jeweils anderen zu bestätigen.
Effectoromics, ein hochdurchsatzfähiger funktioneller Genomik-Ansatz, hat sich vor kurzem als ein leistungsfähiges Werkzeug zur Identifizierung von Resistenzen (R) Genen in Kulturpflanzen und übereinstimmenden Avirulence -Avr) Genen von Krankheitserregern1-4herauskristallisiert. Im Gegensatz zur zeitaufwändigeren stabilen Transformation mit R-Genen basiert die Effektoromik-Strategie auf transienten Assays von Pathogengensequenzen.
Seit der Genomik-Ära wurden Genome von Pflanzenpathogenen weit erforscht. Zum Beispiel für Oomyceten, die die verheerendsten Pflanzenpathogene enthalten, wurden große Sammlungen von Sequenzen erzeugt und auf Gene analysiert, die eine Rolle bei der Interaktion mit der Pflanze5-10spielen. Eine Klasse von pathogenen Proteinen stellt Effektoren dar, die die Struktur und Funktion der Wirtszellen manipulieren, entweder um eine Infektion zu erleichtern (Virulenzfaktoren) oder um Abwehrreaktionen (Avirulenzfaktoren)auszulösen 11-13. Die Expression von Avr-Genen in Pflanzenzellen, die R-Gene enthalten, führt in der Regel zur überempfindlichen Zelltodreaktion (HR)14,15. Bei der Plantaexpression von R- und Avr-Genen kann mit transienten Expressionssystemen wie Agrobacterium tumefaciens -basierende transiente Transformation (Agroinfiltration)16erreicht werden. Diese transiente Transformation kann auch in Kombination mit viralen Expressionssystemen (Agroinfektion)17,18angewendet werden.
Für die Agroinfiltration ist das am häufigsten verwendete Mittel A . tumefaciens, ein weites Wirtsland von Dikotpflanzen. A . tumefaciens enthält ein tumorinduzierendes (Ti) Plasmid. Transfer-DNA (T-DNA) aus einem Ti-Plasmid wird in die Pflanzenzellen transloziert, nachdem die Virulenzmaschinerie des Bakteriums aktiviert wurde. Dies kann in verwundeten Pflanzenzellen ausgelöst werden, durch die freigesetzten niedermolekularen Phenolverbindungen und Monosaccharaide in einer leicht sauren Umgebung19. Das Virulenz-Gen wird nach der Infiltration von Agrobacteriumsuspensionen in Blattplatten aktiviert, die von großen Venen definiert werden. Dann werden Pflanzenzellen in den Blattpaneelen transformiert und exprimieren die Transgene, die im T-DNA-Bereich enthalten sind.
Die Agroinfektion basiert auf gewickelten Agrobacterium, das die Translokation eines Virus in Pflanzenzellen vermittelt. Das Virus breitet sich dann weiter auf benachbarte Pflanzengewebe aus, in Abwesenheit von Agrobacterium. Für die Agroinfektion können mehrere Pflanzenviren verwendet werden. RNA-Viren sind ideale Vektoren für die Genexpression, da sie sich in infizierten Pflanzen zu sehr hohen Konzentrationen vermehren können. Unter den pflanzlichen RNA-Viren ist Potato Virus X (PVX) weit verbreitet für Effektoromik-Bildschirme. Um funktionelle Tests für ein eingefügtes Gen zu erleichtern, wurden binäre Vektoren, die das PVX-Genom enthalten, flankiert vom Cauliflower-Mosaikvirus 35S-Promotor und dem Nopaline-Synthase-Terminator, in die T-DNA von A. tumefaciens20geklont. Nachdem die T-DNA in Pflanzenzellen übertragen wurde, wird das in der T-DNA enthaltene PVX-Genom vom 35S-Promotor transkribiert. Dann verbreiten sich Viruspartikel systemisch in den infizierten Pflanzen, was zur Expression des eingefügten Gens führt. Diese Methode, die sowohl auf Agrobacterium als auch auf PVX basiert, wird als PVX-Agroinfektion bezeichnet.
Hier zeigen wir Beispiele für die Agroinfiltration und PVX-Agroinfektionstests. Als Wirtspflanzen verwenden wir Kartoffelkeimplasma (Solanum-Sektion Petota), für das Effektoromik-Ansätze Pionierarbeit geleistet und sich als erfolgreich erwiesen haben3,4. Wir verwenden auch Nicotiana benthamiana, die als Modellpflanze in Solanaceous Pflanzen bekannt ist14,21,22.
1. Pflanzenanbau- und Prüfbedingungen
2. Agroinfiltration
3. PVX Agroinfektion
Abbildung 1 zeigt ein repräsentatives Experiment der Agroinfiltration mit 7 verschiedenen Effektoren (E1-E7) in Kartoffeln und N. benthamiana. Der Zelltod tritt in den infiltrierten Blattplatten etwa 3 Tage nach der Infiltration auf. Das Ausmaß des Zelltod-Phänotyps muss mit den Kontrollen verglichen werden. Als Positivkontrolle wurde eine Mischung aus dem Agrobacteriumstamm AGL1(pVirG)23 mit pBINplus-R3a und pK7WG2-AVR3a als Positivkontrolle24,25verwendet, während AGL1(pVirG) als Negativkontrolle verwendet wurde. Die Abbildungen 1A und 1B zeigen gute Beispiele für die Agroinfiltration im Kartoffelgenotyp MaR8 (Mastenbroek R8)26 bzw. N. benthamiana, die für die Agroinfiltration sehr gut geeignet sind. Es gibt einen konfluenten Zelltod im Blattpanel, das mit positiver Kontrolle geprägt ist, während keine Zelltodreaktion mit Negativkontrolle oder pBINplus-R3a auftritt. In MaR8 induzieren zwei Effektoren AVR3a (E2) und AVR4 (E3) einen Zelltod, während die anderen Effektoren (E1 und E4-E7) dies nicht tun. In N. benthamiana induzieren keine der getesteten Effektoren eine Zelltodesreaktion. Die Abbildungen 1C und 1D zeigen Beispiele für die Agroinfiltration in der Wildkartoffel Solanum berthaultii 483-1 und Solanum rechei 210-5, die für die Agroinfiltrationstechnik nicht gut geeignet sind. In S. berthaultii 483-1 zeigt das Blattgewebe eine unspezifische Nekrose zu Negativen kontrollen sowie zu allen getesteten Effektoren. In S. rechei 210-5 zeigen infiltrierte Blattpaneele eine sehr schwache Zelltodreaktion auf eine positive Kontrolle.
Abbildung 2 zeigt eine Reihe von Bewertungsskalen, die verwendet werden können, um die Reaktion auf agrofiltriertes Agrobacteriumzu quantifizieren. Prozentsätze des Zelltodes werden auf einer Skala von 0-100% dargestellt. Die beobachteten Phänotypen reichen von makroskopisch nicht sichtbaren Symptomen (0%), über eine Reihe von Zwischenreaktionen, die Chlorose und steigende Zellsterblichkeitsraten zeigen, bis hin zum konfluenten Zelltod (100%).
Abbildung 3 zeigt ein repräsentatives Experiment nach der PVX-Agroinfektion in Kartoffeln. Normalerweise kann die Ausweitung des Zelltodes an den Standorten etwa zwei Wochen nach der Zahnpickungsimpfung gefunden werden. Wie in beiden Abbildungen dargestellt, ist der expandierende Zelltod an den Stellen vorhanden, die mit pGR106-CRN2 (positive Kontrolle mit dem Effektor crinkler Crn2) geimpft wurden, einem allgemeinen Zelltod, der ein Gen von P. infestans27darstellt. Abgesehen von einer geringfügigen Reaktion auf Verwundungen wird an den Stellen, die mit dem pGR106-leer (negativer Kontrolle) geimpft wurden, kein expandierender Zelltod festgestellt. In Abbildung 3A, die den Kartoffelgenotyp MaR3 (Mastenbroek R3) darstellt, haben zwei pGR106-Effektoren (E1 und E2) keinen Zelltod induziert. In Abbildung 3Bwird ein positives Ergebnis des Effektor-Screenings im wilden Solanum huancabambense 354-1 dargestellt; Die Zelltodreaktion wurde bei zwei pGR106-Effektoren (E1-E3, die Elicitinen darstellen)beobachtet 28.
Abbildung 1. Beispiele für Agroinfiltration in Kartoffeln und N. benthamiana. Pflanzen einschließlich (A) kartoffelgenotyp MaR8 (Mastenbroek R8), (B) N. benthamiana, ( C) Solanum berthaultii 483-1 und (D) Solanum rechei 210-5 wurden mit einer Mischung des Agrobacterium-Stamms AGL1(pVirG) 23 mit pBINplus-R3a und pK7WG2-AVR3a (Positivkontrolle), AGL1(pvirG) (Negativkontrolle), pBINplus-R3a, und sieben Effektoren (E1-E7). Klicken Sie hier, um ein größeres Bild anzuzeigen.
Abbildung 2. Quantifizierung der Agroinfiltrationsreaktionen. Das Foto zeigt repräsentative Bewertungsskalen für den Zelltod, die von 0% (keine Symptome) bis 100% (konfluenter Zelltod) reichen. Die Zwischenreaktionen reichen von schwachen Reaktionen wie Chlorose bis hin zu einem anstiegen Zelltod. Klicken Sie hier, um ein größeres Bild anzuzeigen.
Abbildung 3. Beispiele für PVX-Agroinfektion in Kartoffeln. Kartoffelgenotyp MaR3 (Mastenbroek R3) (A) und Solanum huancabambense 354-1 (B) Zahnpickel geimpft mit pGR106-CRN2 (Positivkontrolle), pGR106-leer (Negativkontrolle) bzw. pGR106-E1-2 (Effektoren) bzw. pGR106-E1-E3. Klicken Sie hier, um ein größeres Bild anzuzeigen.
Tabelle 1. YEB mittel
1 L | destilliert H2O |
5 g | Saccharose |
5 g | Rindfleischextrakt |
5 g | bakteriologischer Pepton |
1 g | Hefeextrakt |
2 ml | MgSO4 (1 M) |
Tabelle 2. Vektoren und Stämme für die Agroinfiltration und PVX-Agroinfektion. Es können mehrere binäre Vektoren verwendet werden. Vektoren in der Liste unten erlauben eine hohe Expression der Kandidatengene und haben gut in unseren Händen funktioniert. Wir bevorzugen die Verwendung des Agrobacterium-Stamms GV3101(pMP90)29 in N. benthamiana und finden AGL130 mit dem Helfer-Plasmid pVirG (pBBR1MCS-5.virGN54D)23 besser geeignet in Kartoffel31. Weitere Stämme wurden in anderen Gruppen auf verschiedenen Modellpflanzen analysiert, einschließlich N. benthamiana, aber nicht in Kartoffel32.
GW: Gateway Version36
Tabelle 3. MMA-Medium.
Stellen Sie den pH-Wert auf 5,6 ein.
Transiente Assays wie Agroinfiltration und Agroinfektion sind effiziente Methoden, die für die moderne molekulare Pflanzenpathologieforschung von entscheidender Bedeutung sind. Trotz einiger Einschränkungen erfüllen diese Methoden die Nachfrage nach einer effizienten und robusten Hochdurchsatz-Funktionsanalyse in Anlagen.
Das Agroinfiltrationssystem ist ein weit verbreiteter funktioneller Assay bei einer Reihe von Pflanzenarten. Die Agroinfiltration erleichtert die Abgabe mehrerer Transgene in dieselbe Zelle mit gleichzeitiger Expression interagierender Proteine. Dies ist vorteilhaft für die Rekapitulation von R-AVR-Beziehungen, indem Agrobacterium-Stämme koinfiltriert werden, die Avr-Gene mit Stämmen ausdrücken, die die passenden R-Gene ausdrücken. Auch für bekannte R-AVR-Paare können solche Coinfiltrationen als Positivsteuerungen verwendet werden. Die Einbeziehung solcher Kontrollen ist wichtig, da bei einigen Pflanzengenotypen die Transformationseffizienz unter dem Schwellenwert liegen kann, um Reaktionen zu erkennen. Einschließlich Negativkontrollen, z. B. ein Agrobacterium-Stamm, der einen Vektor ohne Geneinsatz enthält, ist auch wichtig, um festzustellen, ob ein bestimmter Pflanzengenotyp unspezifische Abwehrreaktionen auf das Agrobacteriumauslöst. Diese Funktion tritt bei einer bestimmten Häufigkeit im Kartoffelkeimplasma auf, und nicht alle Solanum-Arten sind für dieses Agrobacterium-basierteExpressionssystem gut geeignet. Im Allgemeinen funktioniert der Agroinfiltrationstest sehr gut in N. benthamiana und den meisten Kartoffelgenotypen. Neben der Effektoromik gibt es verschiedene weitere Anwendungsmöglichkeiten für die Agroinfiltrationstechnik, wie die Produktion von Proteinen aus Transgenen und die Proteinlokalisierung in Pflanzenzellen durch konfokale Mikroskopie.
PVX-Agroinfektion ist ein hochempfindliches Screening-System und eignet sich in der Regel besser für Hochdurchsatz-Screenings. Da das Agrobacterium nur noch lokal vorhanden ist, sind unspezifische Reaktionen auf dieses Bakterium jetzt nicht sehr beunruhigend, da das PVX-Virus die weitere Ausbreitung des Transgens übernimmt. Pflanzen können jedoch resistent gegen PVX sein oder extreme Resistenzreaktionen (ER) aufführen, und in diesem Fall ist die Agroinfektionsmethode nicht geeignet. Eine weitere Einschränkung der PVX-Agroinfektionsmethode ist die Insert-Größe des gens von Interesse. Beobachtete Phänotypen von Reaktionen können von einer intensiven schwarzen Nekrose, die die Wunde umgibt, bis hin zu schwacher Nekrose in der Nähe des Impfflecks variieren. Sowohl bei den Arten N. benthamiana als auch Solanum wird die PVX-Agroinfektion als empfindlicher als die Agroinfiltration anerkannt.
Unter Berücksichtigung der Berücksichtigung des genetischen Hintergrunds der verschiedenen getesteten Pflanzengenotypen können einige Einschränkungen (siehe oben) haben wir in der Regel ähnliche Schlussfolgerungen durch PVX-Agroinfektion und Agroinfiltration. Diese Ergebnisse sind auch vergleichbar mit anderen Tests, wie Proteininfiltrationen29 und ELISA3. Unter Berücksichtigung der Vorteile und Einschränkungen beider Systeme empfehlen wir, beide Methoden zu verwenden, um sich gegenseitig zu ergänzen oder unabhängige Ergebnisse zu bestätigen.
Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.
Die Arbeit wird teilweise durch den Wageningen University Fund (WUF), das China Scholarship Council Program for Graduate Students und ein NWO-VIDI-Stipendium 12378 unterstützt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Beef extract | Sigma-Aldrich | B4888 | |
Bacteriological peptone | Oxoid | LP0037 | |
Yeast extract | Oxoid | LP0021 | |
MgSO4 | Sigma-Aldrich | 208094 | |
MS salts (without vitamins) | Duchefa Biochemie | M0221 | |
MES | Duchefa Biochemie | M1503 | |
LB broth powder | Sigma-Aldrich | L3022 | |
Acetosyringone | Sigma-Aldrich | D134406 | |
Syringe (1 ml) | BD Plastipak | 300013 | |
Incubator | Infors HT | Multitron II | |
Centrifuge | Heraeus | Multifuge 3S-R | |
Spectrophotometer | Eppendorf | Biophotometer 6131 |
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