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Method Article
* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
Wir haben ein Instrument entwickelt, hergestellt und validiert, das phloemreiches Rindenknospenknospengewebe schnell verarbeitet. Im Vergleich zu aktuellen Methoden hat der Knospenholz-Gewebeextraktor (HdO) den Probendurchsatz erhöht und die erforderlichen Arbeits- und Gerätekosten gesenkt.
Durch Transplantate übertragbare, phloembegrenzte Krankheitserreger von Zitrusfrüchten wie Viren, Viroide und Bakterien sind weltweit für verheerende Epidemien und schwerwiegende wirtschaftliche Verluste verantwortlich. Zum Beispiel hat das Citrus-Tristeza-Virus weltweit über 100 Millionen Zitrusbäume getötet, während "Candidatus Liberibacter asiaticus" Florida 9 Milliarden Dollar gekostet hat. Die Verwendung von pathogengetestetem Zitrusknospenholz für die Baumvermehrung ist der Schlüssel zur Bekämpfung solcher Krankheitserreger. Das Citrus Clonal Protection Program (CCPP) an der University of California, Riverside, verwendet Polymerase-Kettenreaktions-Assays (PCR), um jedes Jahr Tausende von Proben von Zitrusblütenbäumen zu testen, um die kalifornischen Zitrusfrüchte zu schützen und dem National Clean Plant Network saubere Vermehrungseinheiten zur Verfügung zu stellen. Ein schwerwiegender Engpass beim molekularen Hochdurchsatznachweis von Zitrusviren und Viroiden ist der Verarbeitungsschritt des Pflanzengewebes.
Die richtige Gewebepräparation ist entscheidend für die Extraktion hochwertiger Nukleinsäuren und die nachgelagerte Verwendung in PCR-Assays. Das Zerkleinern, Wiegen, Gefriertrocknen, Mahlen und Zentrifugieren von Pflanzengewebe bei niedrigen Temperaturen, um den Abbau von Nukleinsäuren zu vermeiden, ist zeit- und arbeitsintensiv und erfordert teure und spezialisierte Laborgeräte. In diesem Artikel wird die Validierung eines speziellen Instruments vorgestellt, das entwickelt wurde, um phloemreiches Rindengewebe aus Zitrusknospenholz schnell zu verarbeiten, das als Knospengewebeextraktor (HdO) bezeichnet wird. Das HdO erhöht den Probendurchsatz um 100 % im Vergleich zu aktuellen Methoden. Darüber hinaus senkt es den Arbeitsaufwand und die Kosten für die Ausrüstung. In dieser Arbeit wiesen die HdO-Proben eine DNA-Ausbeute (80,25 ng/μL) auf, die mit dem Handhackprotokoll des CCPP (77,84 ng/μL) vergleichbar war. Dieses Instrument und das Protokoll zur schnellen Verarbeitung von Pflanzengewebe können mehreren diagnostischen Zitruslaboren und -programmen in Kalifornien zugute kommen und zu einem Modellsystem für die Gewebeverarbeitung für andere holzige mehrjährige Kulturen weltweit werden.
Durch Transplantate übertragbare phloembegrenzte Krankheitserreger von Zitrusfrüchten, wie Viroide, Viren und Bakterien, haben in allen Zitrusanbaugebieten der Welt verheerende Epidemien und schwerwiegende wirtschaftliche Verluste verursacht. Zitrusviroide sind limitierende Produktionsfaktoren aufgrund der Exokortis- und Kachexie-Krankheiten, die sie bei wirtschaftlich wichtigen Zitrusarten wie Dreiblatt, Dreiblatthybriden, Mandarinen, Clementinen und Mandarinen verursachen 1,2,3. In Kalifornien sind diese viroidempfindlichen Zitrussorten die Grundlage für den wachsenden und profitablen Markt der "Easy-Peeler" und folgen damit dem sich wandelnden Trend in der Präferenz der Verbraucher für Früchte, die leicht zu schälen, segmentiert und kernlos sind 4,5,6. So werden Zitrusviroide im Rahmen des California Department of Food and Agriculture (CDFA) "Citrus Nursery Stock Pest Cleanliness Program-Senate Bill 140" reguliert, und die Labore der Plant Pest Diagnostics Branch der CDFA führen jährlich Tausende von Zitrusviroidtests durch 7,8,9,10 . Das Citrus-Tristeza-Virus (CTV) ist seit Beginn der globalen Epidemie in den 1930er Jahren für das Absterben von über 100 Millionen Zitrusbäumen verantwortlich 3,9,10,11. In Kalifornien stellen Lochfraß und Isolate des Virus, die Trifoliate brechen, eine ernsthafte Bedrohung für die 3,6 Milliarden Dollar schwere kalifornische Zitrusindustrie dar12,13,14. Folglich stuft die CDFA CTV als regulierten Pflanzenschädling der Klasse A ein, und das Labor der Central California Tristeza Eradication Agency (CCTEA) führt jedes Jahr umfangreiche Felduntersuchungen und Tausende von Virustests durch15,16. Es wird geschätzt, dass das Bakterium "Candidatus Liberibacter asiaticus" (CLas) und die Huanglongbing-Krankheit (HLB) in Florida einen wirtschaftlichen Schaden von fast 9 Milliarden US-Dollar verursacht haben, was auf eine Reduzierung der Zitrusanbaufläche um 40 %, einen Rückgang der Zitrusproduktion um 57 % und einen Verlust von fast 8.000 Arbeitsplätzen zurückzuführenist 17,18. In Kalifornien wurde prognostiziert, dass eine hypothetische Reduzierung der Zitrusanbaufläche um 20 % aufgrund von HLB zu mehr als 8.200 Arbeitsplatzverlusten und einer Verringerung des Bruttoinlandsprodukts des Staates um über eine halbe Milliarde Dollar führen würde. Daher gibt das Citrus Pest and Disease Prevention Program jährlich über 40 Millionen US-Dollar für Erhebungen aus, um CLas aus Kalifornien zu testen, zu erkennen und auszurotten14,17,19,20.
Ein Schlüsselelement bei der Bekämpfung von Zitrusviroiden, Viren und Bakterien ist die Verwendung von pathogengetestetem Vermehrungsmaterial (z. B. Knospenholz) für die Baumproduktion. Auf Krankheitserreger getestetes Zitrusblütenholz wird im Rahmen umfassender Quarantäneprogramme produziert und gepflegt, die fortschrittliche Techniken zur Eliminierung und zum Nachweis von Krankheitserregern einsetzen10,21. Das Citrus Clonal Protection Program (CCPP) an der University of California, Riverside, testet jedes Jahr Tausende von Knospenholzproben von Zitrussorten, die neu in den Bundesstaat und die USA importiert wurden, sowie von Zitrusblütenbäumen, um die kalifornischen Zitrusfrüchte zu schützen und die Funktionen des National Clean Plant Network for Citruszu unterstützen 10,17,22. Um das große Volumen an Zitrustests bewältigen zu können, sind zuverlässige und kostengünstige Assays zum Nachweis von Krankheitserregern mit hohem Durchsatz eine grundlegende Komponente für den Erfolg von Programmen wie dem CCPP 7,10,22.
Während molekularbasierte Assays zum Nachweis von Krankheitserregern wie die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) eine deutliche Steigerung des Durchsatzes in pflanzendiagnostischen Laboren ermöglicht haben, ist unserer Erfahrung nach einer der kritischsten Engpässe bei der Implementierung von Hochdurchsatzprotokollen der Verarbeitungsschritt der Probe von Pflanzengewebe. Dies gilt insbesondere für Zitrusfrüchte, da die derzeit verfügbaren Protokolle für die Verarbeitung von phloemreichen Geweben wie Blattstielen und Knospenholzrinde arbeitsintensiv und zeitaufwändig sind und teure und spezialisierte Laborgeräte erfordern. Diese Protokolle erfordern manuelles Zerkleinern, Wiegen, Gefriertrocknen, Mahlen und Zentrifugieren bei niedrigen Temperaturen, um den Abbau von Nukleinsäuren zu vermeiden 8,23,24. Im CCPP-Diagnoselabor umfasst die Probenverarbeitung beispielsweise (i) Häckseln von Hand (6-9 Proben/h/Bediener), (ii) Gefriertrocknung (16-24 h), (iii) Pulverisierung (30-60 s) und (iv) Zentrifugation (1-2 h). Der Prozess erfordert auch spezielle Verbrauchsmaterialien (z. B. hochbelastbare Safe-Lock-Röhrchen, Edelstahl-Mahlkugeln, Adapter, Klingen, Handschuhe) und mehrere kostspielige Laborgeräte (z. B. Ultratiefkühlschrank, Gefriertrockner, Gewebepulverisierer, Kryostation mit flüssigem Stickstoff, gekühlte Zentrifuge).
Wie in jeder Branche sind der Anlagenbau und die Automatisierung von Prozessen der Schlüssel, um Kosten zu senken, den Durchsatz zu erhöhen und qualitativ hochwertige, einheitliche Produkte und Dienstleistungen bereitzustellen. Die Zitrusindustrie benötigt kostengünstige Tissue-Verarbeitungsinstrumente, die nur minimale Fähigkeiten erfordern und daher leicht in diagnostische Labore und Feldbetriebe übertragen werden können, um eine hohe Probenverarbeitungskapazität für einen schnellen nachgeschalteten Nachweis von Krankheitserregern zu ermöglichen. Technology Evolving Solutions (TES) und das CCPP entwickelten (d. h. entwerfen und herstellen) und validierten (d. h. getestet mit Zitrusproben und verglichen mit Standard-Laborverfahren) ein kostengünstiges Instrument für die schnelle Verarbeitung von phloemreichem Zitrusgewebe (d. h. Knospenholz) und validierten (d. h. es wurde mit Zitrusproben getestet und mit Standard-Laborverfahren verglichen), das als Knospenholz-Gewebeextraktor (HdO) bezeichnet wird. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, enthält das HdO eine Basiskomponente für die Stromversorgung und Steuerung sowie eine herausnehmbare Kammer für die Verarbeitung von Zitrusknospenholz. Die HdO-Kammer besteht aus einer Mahlscheibe, die speziell entwickelt wurde, um das phloemreiche Rindengewebe aus dem Zitrusknospenholz zu entfernen. Das zerkleinerte Rindengewebe wird schnell durch einen Schieber in eine Spritze mit Extraktionspuffer ausgestoßen, filtriert und ohne zusätzliche Handhabung oder Vorbereitung für die Nukleinsäureextraktion und -reinigung vorbereitet (Abbildung 1). Das HdO-System umfasst auch eine papierlose Probenverfolgungsanwendung und eine integrierte Wägeanwendung, die die Informationen zur Probenverarbeitung in Echtzeit in einer Online-Datenbank aufzeichnen.
Das HdO-System hat die labordiagnostische Kapazität des CCPP um über 100 % gesteigert und hat durchgängig Zitrusgewebeextrakte produziert, die für die Aufreinigung hochwertiger Nukleinsäuren und den nachgeschalteten Nachweis von durch Transplantate übertragbaren Krankheitserregern von Zitrusfrüchten mittels PCR-Assays geeignet sind. Genauer gesagt hat HdO die Zeit für die Gewebeverarbeitung von über 24 Stunden auf ~3 Minuten pro Probe reduziert, Laborinstrumente ersetzt, die über 60.000 US-Dollar gekostet haben (Abbildung 2, Schritte 2-4) und die Verarbeitung größerer Probengrößen ermöglicht.
In diesem Artikel werden die Validierungsdaten für die Verarbeitung von Zitrusrindengewebe, die Nukleinsäureextraktion und den Nachweis von Krankheitserregern mit Zitrusblütenholzproben von Quellbäumen vorgestellt, einschließlich aller geeigneten Positiv- und Negativkontrollen aus der CCPP Rubidoux Quarantine Facility bzw. der Lindcove Foundation Facility. Außerdem stellen wir die Durchsatz- und Bearbeitungszeitveränderungen im Vergleich zum aktuellen Laborverfahren dar (Abbildung 2). Darüber hinaus bietet diese Arbeit ein detailliertes Schritt-für-Schritt-Protokoll für Testlabore für Zitruspathogene und zeigt, wie das HdO-System die Funktionen von Krankheitserreger-sauberen Baumschulbeständen, Erhebungs- und Eradikationsprogrammen unterstützen kann.
Abbildung 1: Knospenholz-Gewebeextraktor. Das HdO enthält eine Basiskomponente für Leistung und Steuerung sowie eine herausnehmbare Kammer für die Verarbeitung von Zitrusknospenholz. Die HdO-Kammer besteht aus einer Schleifscheibe, die speziell entwickelt wurde, um das phloemreiche Rindengewebe von Zitrusknospen zu entfernen. Das zerkleinerte Rindengewebe wird schnell durch einen Schieber in eine Spritze ausgeworfen, filtriert und ohne zusätzliche Handhabung oder Vorbereitung für die Nukleinsäureextraktion und -reinigung vorbereitet. Abkürzung: HdO = Knospenholz-Gewebeextraktor. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Schritt-für-Schritt-Vergleich zwischen dem konventionellen Handhackverfahren im Labor und der HdO-Verarbeitung. Die HdO-Verarbeitung umfasst die Verarbeitung von Zitrusrindengewebe mit hohem Durchsatz, die Nukleinsäureextraktion und den Nachweis von Krankheitserregern. Die Zeit für jeden Schritt wird in Klammern angegeben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
1. Sammeln der Zitrusknospenholzproben für den Versand
2. Einrichtung im Abzug
HINWEIS: Es wird bevorzugt, das HdO in einem Abzug zu betreiben. Dadurch wird das Risiko einer Kreuzkontamination von Pflanzengewebe und einer Laborkontamination verringert.
3. Richten Sie die Reinigungsstationen ein (Ergänzungsbild S1).
4. Aufbereitung des Materials für das HdO zum Abbeizen der Zitrusknospenrinde
5. Desinfizieren der herausnehmbaren HdO-Kammer
VORSICHT: Wenn der Puffer aus dem Spritzenset auf die Kammer oder den Objektträger gelangt, spülen Sie ihn ab und befolgen Sie vor der Reinigung alle Sicherheitsregeln des Labors. Das Spritzenset enthält Guanidinthiocyanat. Wenn der Puffer aus dem Spritzenset mit Bleichmittel in Berührung kommt, entsteht Zyanidgas.
6. Entsorgen und desinfizieren
7. Bewertung der Gewebeverarbeitung und der Qualität der RNA, die aus den HdO-Zitrusknospenextrakten gereinigt wurde
HINWEIS: In diesem Protokoll haben wir Knospenholzproben von 255 Zitrusbäumen verwendet, um die Zeit, die für die Verarbeitung von Zitrusknospengewebe benötigt wird, und die Qualität der RNA, die aus Rindengewebeextrakten gereinigt wurde, die mit HdO hergestellt wurden (Abbildung 2, rechte Seite, Schritt 1, Schritt 5 und Schritt 6), mit der Qualität zu vergleichen, die nach der behördlich genehmigten Methode zur Verarbeitung von Zitrusknospengewebe unter Verwendung von Handschälen und Hacken hergestellt wurde. Gefriertrocknung, Pulverisierung und Zentrifugation des Rindengewebes, wie von Dang et al.23 beschrieben (Abbildung 2, linke Seite, Schritte 1-6).
8. Bewertung der Kreuzkontamination und Nachweis von Zitrusviren und -viroiden unter Verwendung von RNA, die aus HdO-Zitrusknospenextrakten gereinigt wurde
HINWEIS: In diesem Protokoll haben wir Knospenholzproben von 72 nicht infizierten Zitrusbäumen und einer Baummischung verwendet, die mit Viren und Viroiden infiziert waren, um das Potenzial einer Kreuzkontamination zwischen den Proben bei der Verarbeitung mit HdO zu bewerten (Abbildung 2, rechte Seite, Schritt 1, Schritt 5 und Schritt 6) und die Eignung von RNA, die aus Rindengewebeextrakten gereinigt wurde, die mit HdO hergestellt wurden, um als Vorlage für den RT-qPCR-Nachweis von Zitrusviren und Viroiden verwendet zu werden.
RNA-Extraktion, -Aufreinigung und -Qualität unter Verwendung von HdO-verarbeitetem Knospenholz-Zitrusgewebe und Bewertung der Zeit für die Gewebeverarbeitung
Für diesen Test haben wir Knospenholzproben von 255 repräsentativen Zitrusbäumen verwendet, um die RNA-Qualität des HdO mit dem Standardverfahren zu vergleichen. Die Proben wurden mit dem Knospenholz-Gewebeextraktor (HdO) verarbeitet (Protokollschritte 4.1-4.6 und Abbildung 2, rechte Seite, Schritt 1, Schritt 5 und Schritt 6) oder nach der ...
Mit dem Aufkommen der HLB-Zitruskrankheit wurden die Zitrusindustrie, die Zulassungsbehörden und die Diagnoselabore aufgefordert, sich auf Nukleinsäureextraktionsmethoden mit hohem Durchsatz in Kombination mit manueller Probenverarbeitung mit niedrigem Durchsatz und Assays zum Nachweis von Krankheitserregern wie qPCR34 für die Untersuchung einzelner Bäume in Kombination mit Krankheitsmanagementpraktikenzu verlassen 35. Die HLB-Positivitätsrate in Kalifornien ist von 0,...
Die Autoren erklären, dass es keine konkurrierenden finanziellen Interessen gibt.
Die Autoren erkennen das Volk der Cahuilla als die traditionellen Hüter des Landes an, auf dem die experimentelle Arbeit durchgeführt wurde. Wir danken Professor Norman Ellstrand von der University of California, Riverside, für die Bereitstellung von Laborräumen für die Durchführung von Forschungsaktivitäten für dieses Projekt im Rahmen der UCR California Agriculture and Food Enterprise (CAFÉ) Initiative. Diese Forschung wurde durch das CDFA - Specialty Crop Block Grant Program (Grant Nr. 18-0001-055-SC) unterstützt. Zusätzliche Unterstützung kam auch durch das CRB-Projekt 6100; USDA National Institute of Food and Agriculture, Hatch-Projekt 1020106; und der National Clean Plant Network-USDA Animal and Plant Health Inspection Service (AP17PPQS&T00C118, AP18PPQS&T00C107, AP19PPQS&T00C148, & AP20PPQS&T00C049) an Georgios Vidalakis.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.08" Hex Trimmer line | PowerCare | FPRO07065 | Needed to replace blades. |
1 Hp, 8 gal air compressor | California Air Tools | 8010 | Quickly dry chambers after rinsed |
1.5 mL microcentrifuge tube | Globe Scientific | 111558B | Store sample in after swishing with syinges |
10 mL Syringe Set | Technology Evolving Solutions | TE006-F1-10A-G1000-E1 | Syringe material is cut into. 1 L bottle with guanidine thiocyanate buffer. WARNING - contains guanidine thiocyanate, hazardous waste service required - do not mix with bleach |
12" Ruler | Westcott | 16012 | To measure trimmer line before cutting |
12% Sodium Hypochlorite | Hasa | 1041 | Disinfects chambers after processing |
-20 C Freezer | Insignia | NS-CZ70WH0 | Store sample after processing |
4" x 12" plastic bags | Plymor | FP20-4x12-10 | Bags to hold branches during shipping. O-rings attach bag to BTE chamber to seal |
6" Cotton Swab | Puritan | 806-PCL | Swab to remove clogs |
7 Gallon Storage Tote | HDX | 206152 | Holds sodium hypochlorite solution to disinfect chambers and water to rinse chambers |
Air blow gun | JASTIND | JTABG103A | Directs air into the chambers at high pressure |
Black Sharpie | Sharpie | S-19421 | Mark 1.5 mL tubes so you can identify sample later |
Bottle Top Dispensor | Brand | Z627569 | Adjustable bottle top dispensor to dispense guandine into syringe |
BTE Chamber | Technology Evolving Solutions | TE002BB-A05-E1 | Used to process budwood. Includes O-rings, BTE Slide, slide plunger, drain valve, lid, blade set, and blade set removal tool |
Dish Soap | Dawn | 57445CT | Surfectant to improve sodium hypochlorite penetration into chamber |
Fume hood with hepa filter | Air Science | P5-36XT-A | Fume hood with hepa filter (ASTS-030) to limit possible contamination and protect against chemical spills |
Insulated foam shipping container | PolarTech | 261/J50C | Insulated shipping container to ship samples on ice after they are collected |
Lab coat | Red Kap | KP14WH LN 46 | Lab coat to limit possible contamination and protect against chemical spills |
Laptop | Microsoft | Surface | Wifi capable laptop to run TES GUI. Needed for initial setup and provides more indepth information about the tissue processing base |
NFC Capable Phone | Samsung | Galaxy S9 | Phone to download and use TES phone app |
NFC clip tag | Technology Evolving Solutions | TE005-Clip-E1 | Sample tag that can be linked with trees. Made to function with TES phone app |
NFC Collar Tag | Technology Evolving Solutions | TE005-Collar-E1 | Tag that is attached to a tree. Made to function with TES phone app |
Nitrile Gloves | Usa Scientific | 3915-4400 | Gloves to limit possible contamination and protect against chemical spills |
Noise-Reducing Earmuff | 3M | 90565-4DC-PS | Protect ears while operating air compressor and tissue processing base |
Polyurethane Recoil Air Hose | FYPower | 510019 | Attaches air gun to compressor |
Saftey glasses | Solidwork | SW8329-US | Protect eyes for chemical and physical hazards |
Spray bottle | JohnBee | B08QM81BJV | Spray bleach to deconatinate surfaces |
Tissue Extractor Base | Technology Evolving Solutions | TE001-A-E1 | System to process plant tissue. Needs BTE or LTE chambers to function. Includes power cable, blade adapter, and 8/32" allen wrench |
Tissue Processing Base Weight Scale | Technology Evolving Solutions | TE003-A05-200g-01-E1 | 200 g, 0.01 resolution weight scale that connects to tissue processing base to enforce weight ranges and/or link weights with sample. Includes scale, power cable, connection cable, 5ml syringe holder, tower air shield |
Vermiculite | EasyGoProducts | B07WQDZGRP | Needed to transport hazardous waste (guanidine thiocyanate) using a hazardous waste disposal service |
Wire Cutter | Boenfu | BOWC-06002-US | Wire cutters to cut trimmer line |
An erratum was issued for: Automating Citrus Budwood Processing for Downstream Pathogen Detection Through Instrument Engineering. The Authors section was updated from:
Deborah Pagliaccia1,6
Douglas Hill2
Emily Dang1
Gerardo Uribe1
Agustina De Francesco1
Ryan Milton2
Anthony De La Torre2
Axel Mounkam2
Tyler Dang1
Sohrab Botaghi1
Irene Lavagi-Craddock1
Alexandra Syed1
William Grover3
Adriann Okamba4,5
Georgios Vidalakis2
1Department of Microbiology and Plant Pathology, University of California Riverside
2Technology Evolving Solutions (TES)
3Department of Bioengineering, University of California Riverside
4Ecole Supérieure d'Ingénieurs Léonard de Vinci ESILV
5University of California Riverside
6California Agriculture and Food Enterprise (CAFÉ), University of California Riverside
to:
Deborah Pagliaccia1,6
Douglas Hill2
Emily Dang1
Gerardo Uribe1
Agustina De Francesco1
Ryan Milton2
Anthony De La Torre2
Axel Mounkam2
Tyler Dang1
Sohrab Bodaghi1
Irene Lavagi-Craddock1
Alexandra Syed1
William Grover3
Adriann Okamba4,5
Georgios Vidalakis1
1Department of Microbiology and Plant Pathology, University of California Riverside
2Technology Evolving Solutions (TES)
3Department of Bioengineering, University of California Riverside
4Ecole Supérieure d'Ingénieurs Léonard de Vinci ESILV
5University of California Riverside
6California Agriculture and Food Enterprise (CAFÉ), University of California Riverside
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