A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
מערכת cocultivation הידרופוני שתואר תומך צמחים שלם עם מסכי רשת מתכת cocultivates אותם עם חיידקים. רקמות הצמח, חיידקים, ומולקולות מופרדים אז ניתן לקצור בנפרד עבור ניתוחים במורד הזרם, בו זמנית מאפשר תגובות מולקולריות של שני המארחים צמח אינטראקציה חיידקים או microbiomes להיחקר.
עיצוב ניסיוני המחקה טבעי אינטראקציות צמח חיידק חשוב מאוד כדי לתכנן את הצמח מורכב מיקרובי אותות תהליכים. Thaliana ארבידופסיס - tumefaciens Agrobacterium מספק מערכת מודל מעולה ללמוד פתוגנזה חיידקי אינטראקציות צמח. מחקרים קודמים של אינטראקציות צמח -אגרוקטריום הסתמכו במידה רבה על תרבויות ההשעיה של תא הצמח, על הפגיעה המלאכותית של צמחים, או על ההשראה המלאכותית של גורמי ארסיות מיקרוביאליים או על ידי הגנת צמחים על ידי כימיקלים סינתטיים. עם זאת, שיטות אלה נבדלים איתות טבעי planta , שבו צמחים ומיקרובים לזהות ולהגיב נימוסים מרחביים וזמניים. עבודה זו מציגה מערכת cocultivation הידרופוני שבו צמחים שלם נתמכים על ידי רשתות רשת מתכת cocultivated עם Agrobacterium . במערכת זו cocultivation, אין phytohormone סינתטי או כימיים המפעילה micrהשמנת יתר obial או הגנת הצומח הוא הוסיף. מערכת cocultivation הידרופוני דומה מקרוב אינטראקציות צמחיות צמחיות איתות הומאוסטזיס ב planta . שורש הצמח יכול להיות מופרדים מן המדיום המכיל Agrobacterium , ואת איתותים ותגובות של המארחים צמח ואת החיידקים אינטראקציה ניתן לחקור בו זמנית באופן שיטתי. בכל נקודת זמן נתונה / מרווח, רקמות צמחיות או חיידקים ניתן לקצור בנפרד עבור ניתוחים שונים "omics", הוכחת כוח ויעילות של מערכת זו. מערכת ההידרופיקציה הידרופונית יכולה להיות מותאמת בקלות ל:) 1 (איתות הדדי של מערכות שונות של חיידקים צמחיים,) 2 איתות בין המארח הצמח ובין מיני חיידקים מרובים ( כלומר, קונסורציום מיקרוביאלי או מיקרוביומות,)) 3 כיצד נוטלים חומרים מזינים וכימיקלים ב מיקרוביאלי איתות צמח, ו 4) איך microbes אינטראקציה עם המארחים צמח ולתרום צמח סובלנות כדי ביו oR מדגיש אביוטי.
צמחים הקשורים חיידקים לשחק תפקידים חשובים ביוגיוכימיים רכיבה, bioremediation, הפחתת שינויי האקלים, צמיחה צמחים ובריאות, סובלנות הצמחים כדי מדגיש ביוטי ו מדגיש. מיקרואורגניזמים אינטראקציה עם צמחים הן ישירות דרך הצמח הקיר תא הקיר קשר בעקיפין באמצעות הפרשה כימית איתות 1 , 2 , 3 . כמו אורגניזמים נייחים, צמחים פיתחו מנגנונים ישירים ועקיפים להתנגד זיהום על ידי פתוגנים. ההגנות הישירות כוללות הגנה מבנית והבעה של חלבונים להגנה, ואילו הגנות עקיפות כוללות ייצור מטבוליט של צמחים משניים ואטרקציה של אורגניזמים הנגרמים לפטוגנים פולשים 4 , 5 . נגזרות שורש צמחים, הפרשות, mucilages, mucigel, ו lysates לשנות את התכונות הפיסיקליות-כימיות של הריזופירה כדי למשוך או להדוףחיידקים לקראת המארחים שלהם 6 . ההרכב הכימי של הפרשת שורש הוא מינים ספציפיים, ובכך לשמש מסנן סלקטיבי המאפשר מיקרואורגניזמים מסוימים המסוגלים לזהות תרכובות כאלה לפרוח בתוך הריזופירה 6 . לפיכך, מינים מיקרוביאליים תואם עשוי להיות מגורה כדי להפעיל ולהגדיל את האסוציאציות שלהם, או לטובת או נזק של המארח צמח 1 .
הבנת האינטראקציות בין צמחים במיקרוסקופ היא הרקע לשיפור התפוקה של הצמח ותפקוד המערכת האקולוגית, שכן רוב החשיפה המיקרוביאלית והכימית מתרחשת במבנה השורש ובממשק הקרקע-קרקע 2 , 6 , 7 , 8 . עם זאת, בחינת האינטראקציות בין צמחים תת-קרקעיים ותגובות גומלין הייתה אתגר בשל סקרנותה טבע דינאמי מורכב וחוסר מודלים ניסיוניים מתאימים עם מבנה שורש טבעי ומורפולוגיה של צמחים בתנאי צמיחה מבוקרים היטב. בתור אחד phytopathogens ביותר למד, Agrobacterium מדביק מגוון רחב של צמחים עם חשיבות חקלאית וגננות, כולל דובדבן, תפוח, אגס, ענבים, עלה 9 . Agrobacterium הוא אורגניזם מודל חשוב להבנת אינטראקציות בין צמחים פתוגן הוא כלי רב עוצמה בהשתנות צמחים והנדסת הצמחים 10 , 11 , 12 , 13 , 14 .
צמח מולקולרי - אינטראקציות Agrobacterium נחקרו היטב במשך כמה עשורים, וההבנה הנוכחית של פתוגניות Agrobacterium הוא נרחב 9 ,f "> 11, 15, 16. פתוגניות Agrobacterium מיוחסת במידה רבה ביכולות התפתח שלו לתפוש אותות מן הצומח, וכתוצאה מכך אפנון הקנס של תכנית הארסיות שלה תא אל תא תקשורת, מניין שנקרא חישת 17. Agrobacterium ארסיות התוכנית מוסדר על ידי מספר אותות זמין הרזיוספירה וכולל שתי קבוצות של מערכות 2-רכיב, מערכת ChvG / I ו Vira / G. תנאים חומציים של הריזופירה להפעיל את שעתוק של chvG / I , virA / G , וכן כמה גנים אחרים המעורבים בפתוגניות של Agrobacterium , כולל virE0 , virE1 , virH1 , virH2 , וגנים של מערכת ההפרשה מסוג VI (T6SS) 18. תרכובות פנוליות הנגזרות מן הצמח, כולל אצטוסירינגן (4'-hydroxy-3 ', 5 '-dimethoxyacetophenone), להפעיל את VIRA / G-2 מערכת רכיב באמצעות מנגנוני איתות זרחן 19 . וירא / G ואז מפעיל את כל הרגולציה ויר , וכתוצאה מכך העברה ואינטגרציה של ~ 20 Kb קטע DNA חיידקי שנקרא העברת DNA (T-DNA) מן הגידול שלה (Ti) פלסמיד לתוך גרעין הצמח 16 . T-DNA נושאת גנים האחראים לסינתזה של הורמוני הצמח של חומצה אינדולה -3 חומצה אצטית ( iaaM ו- iaaH ) ו- cytokinin ( ipt ), ופעם אחת מתבטאת בתאי הצמח, נוצרים כמויות גדולות של phytohormones. התוצאה היא התפשטות רקמות חריגה וצמח גידול הגידול, המכונה מחלת כתר הכתר, שהוא בעיה כרונית ו resurgent עבור צמחים 9 , 11 , 20 . רשות העתיקות פועלת גם יחד עם חומצה סליצילית וחומצה גנטית-אמינו בוטירית כדי להדחיק את האלימות של הג'רובקטריום או להפחית את Agrobacteriu (QS) 17 , 21 , 22 . כדי להתמודד עם דיכוי זה, T-DNA גם נושאת גנים עבור ביוסינתזה opine, אשר מפעילה Agrobacterium מניין חישה כדי לקדם פתוגניות Agrobacterium וגם משמש כמקור מזין הפתוגן 22 , 23 .
למרות הבנה מעמיקה הכוללת של אינטראקציות Agrobacterium- plant ואת העברת ה- T-DNA כתוצאה אל המארח צמח, האירועים איתות מורכבים בשלב הראשוני של האינטראקציה הם הבינו פחות טוב. זה בחלקו בשל המגבלות של גישות קונבנציונאלי לחקור Agrobacterium- Plant האות. תא צמחים ההשעיה תרבויות מלאכותית באתר ספציפי הפציעה משמשים בדרך כלל ללמוד אינטראקציות מולקולרית צמח מיקרובי 24 ,Ef "> 26 , 27. עם זאת, המתלים התא חסר מורפולוגיה צמחית טיפוסית, בפרט, תאים ההשעיה המפעל אין מבנים שורש שורש exudates, אשר חשובים מאוד להפעלת chemotaxis מיקרוביאלית ארסיות 28 , 29. תחזוקה של מורפולוגיה הצמח ואת מבנה השורש כבר מטופל על ידי צמחים הפציעה באופן מלאכותי, אשר מאפשר זיהום באתר ספציפי, וכתוצאה מכך איתור של גנים הקשורים להגנת הצמחים הקשורים צמח רקמות נגוע ישירות 30 , 31. עם זאת, הפגיעה מלאכותית שונה באופן משמעותי מפני זיהום הפתוגן בטבע , במיוחד הפצע מוביל הצטברות חומצה jasmmonic (JA), אשר באופן שיטתי מפריע איתות צמח טבעי הגנה 26. בנוסף, כימיקלים סינתטיים משמשים בדרך כלל כדי לגרום באופן מלאכותי צמח המארח תגובותאו ארסיות פתוגן. למרות תוסף של חומרים כימיים כגון רפלקטיביים של ריכוזים ב Planta אפשרי, תוסף כזה אינו מסביר את הפיזור של שורש exudates בהדרגה לתוך הריזופירה שמסביב, אשר מייצר שיפוע chemotactic חשה על ידי חיידקים 28 , 32 . בהינתן המגבלות של גישות קונבנציונליות לחקר האינטראקציות בין צמחים לצמחים, הדיוק והעומק של הנתונים המתקבלים עשויים להיות מוגבלים ומגבילים, והידע הנובע מהגישה הקונבנציונלית עשוי שלא לתרגם באופן ישיר ל- Planta . היבטים רבים של איתות צמחים - Agrobacterium עדיין לא הבנתי במלואה, במיוחד בשלב מוקדם של אינטראקציות, כאשר הסימפטומים המחלה לא פיתחו עדיין.
כדי לתקן את המגבלות של גישות קונבנציונליות, עבודה זו מציגה זול, נשלט היטב, הידרופוני גמיש גמערכת המאפשרת לחוקרים לקבל תובנות מעמיקות יותר לתוך מסלולי האיתות והמענה המורכבים בשלב הראשוני של האינטראקציות בין צמחים מולקולריים למיקרובי. הידרופוניקה כבר בשימוש נרחב כדי ללמוד חומרי הזנה צמח, exudates שורש, תנאי הצמיחה, ואת ההשפעות של רעילות מתכתי על צמחים 33 , 34 . ישנם מספר יתרונות של מודלים הידרופוניים, כולל דרישות מרחביות קטנות, הנגישות של רקמות צמחים שונות, שליטה הדוקה של מזין / תנאים סביבתיים, ואת הדברה / מחלה שליטה. מערכות הידרופוניות גם מגבילות פחות לגידול הצמח בהשוואה לטכניקות ציפוי אגר / phytoagar, אשר בדרך כלל להגביל את הצמיחה לאחר 2-3 שבועות. חשוב לציין, תחזוקת מבנים שלמים של צמחים מקלה על הפרשת השורש הטבעית הדרושה לכימותרזה מיקרוביאלית והשראה ארסית 8 , 29 . המערכת descriהמיטה כאן היא פשוטה יותר ופחות אינטנסיבית מאשר החלופות 33 , 34 . הוא משתמש בפחות חלקים ואינו דורש כלים אחרים מלבד מספריים סטנדרטיים. היא משתמשת רשת מתכת (בניגוד ניילון 33 ) כתמיכה חזקה לצמיחה צמחים שיטה פשוטה של אוורור בתנאים סטריליים דרך רועד לתמוך צמיחה מיקרוביאלית. בנוסף, המערכת יכולה להשתמש רשת מתכת בגדלים שונים כדי לתמוך בצמח הצמיחה, אשר מתאים מיני צמחים שונים מבלי להגביל את רוחב השורשים שלהם.
במערכת cocultivation הידרופוני המוצג כאן, צמחים מעובדים במערכת הידרופוני סטרילית שבה שורשי הצמח להפריש תרכובות אורגניות התומכות בצמיחה של חיידקים מחוסן. במערכת זו cocultivation, חומרים כימיים מלאכותיים, כגון הורמונים צמחיים, מעניק הגנה, או כימיקלים הממריצים ארסיות, הם משלימים, אשר משקף את התא הטבעי- סיגנל הומיאוסטזיס במהלך אינטראקציות של צמח חיידקי. עם מערכת cocultivation הידרופוני זה, ניתן היה לקבוע ביטוי גנים בו זמנית ברקמת השורש ארבידופסיס thaliana Col-0 על זיהום על ידי Agrobacterium, כמו גם הפעלת גנים Agrobacterium על cocultivation עם ארבידופסיס. הוכח עוד יותר כי מערכת זו מתאימה ללמוד Agrobacterium מצורף לשורשים צמח, כמו גם את הפרופיל rootome שורש הצמח, על cocultivation (זיהום) עם Agrobacterium ( איור 1 ).
איור 1: סקירה של מערכת Cocultivation הידרופוני, עם ניתוח דוגמאות. צמחים גדלים על גבי הרשת (יורה מעל הרשת), עם השורשים שקועים במדיום הידרופוני כי הוא מחוסן אז עם חיידקים ואו coculture. רקמות הצמח החיידקים מופרדים אז לחילוץ וניתוחים בו זמנית. נתון זה שונה מהמלצה 35 .
1. תכנון ניסיוני
איור 2. דוגמאות של צמחים אחרים שיכולים להיות מטופחים במערכת הידרופוני, נתמך על ידי P הפלטפורמה של רשת מתכת. תאימות של קבוצה של רשתות מתכת עבור מגוון רחב של זרעי צמחים וטיפוח. ( A ) פלדת אל חלד סוג 304 weldmesh 3 × 3 רשת × .047 "חוט Dia עבור Vicia faba . ( ב ) נירוסטה סוג פלדה 304 weldmesh 4 × 4 רשת × 0.335" חוט דיה עבור Zea mays . ( C ) סוג פלדה נירוסטה 304 weldmesh 4 × 4 רשת × × 0.30 "חוט דייה עבור גליצין מקסימום (סויה) ( ד ) נירוסטה סוג פלדה 304 weldmesh רשת 6 × 6 × 0.047" חוט Dia עבור Raphanus sativus (חורף צְנוֹן). ( E ) סוג פלדה נירוסטה 304 weldmesh 6 × 6 רשת × .047 "חוט דיה עבור Triticum spp. ( F ) סוג פלדה נירוסטה 304 weldmesh 6 × 6 רשת × .035" חוט דיה עבור Cucumis sativus . נתון זה שונה מהמלצה 35 .955fig2large.jpg "target =" _ blank "> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
2. הצמח זרע משטח עיקור
3. זרע זרע ו Semi- מוצק טיפוח של צמחים
איור 3: הצמח הידרופוני-חיידק מערכת Cocultivation. השמאליתNel מייצג תרשים זרימה המפרט את ששת מפתחות המפתח בהרכבה ותפעול מערכת שיתוף הידרופוני. הפאנל הימני מדגים את חומרי הניסוי בפועל, ציוד, ותהליכים מבצעיים עבור מערכת cocultivation הידרופוני כאשר לומדים אינטראקציות Arabidopsis-Agrobacterium . שלב החיסון והצעד הסופי לדגימת צמחים או חיידקים מוצגים כעת. נתון זה שונה מהמלצה 35 . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
4. הידרופוני Cocultivation המערכת
איור 4: גידול Agrobacterium במערכת Cocultivation הידרופוני. גידול Agrobacterium בנוכחות או היעדרות של המארח צמח ( Arabidopsis ) היה פיקוח כל 4 שעות. תאים Agrobacterium גדלו ב בינוני בינוני O / N, שטף 3x עם 0.85% NaCl, ו מחוסן למערכת הידרונית, עם או wIthout Arabidopsis שיתוף טיפוח, מתוך OD 600 הראשונים של סביב 0.1. ערכי OD 600 הם האמצעים של שלושה משכפל ביולוגי, עם סטיות תקן ( OD 600 של 1.0 = 1 x 10 9 תאים / מ"ל).
איור 5: פנטיוטיפים של צמחים מייצגים וסימפטומים של מחלות נצפות במהלך Cocultivation. בתוך 4 ד לאחר חיסון, לא סימפטומים המחלה גלויים ( א ) לעומת צמחים noninoculated ( B ). לאחר 7 ד של Cocultivation (זיהום), תסמיני המחלה נצפים צמחים נגועים ( C ), בעוד צמחים noninoculated להישאר בריאים ( D ).
5. פלואורסצנטי מיקרוסקופיה
איור 6: Agrobacterium שורש מצורף, נקבע על ידי מיקרוסקופיה confocal. את pCherry אדום פלואורסצנטי שכותרתו Agrobacterium היה דמיינו ב 590-630 ננומטר, עם עירור של הליום ניאון (He-Ne) 543/594 ננומטר לייזר. ויזואליזציה נערכה תחת המטרה העדשה 63X הפוכה מים עם הצמצם המספרי של 1.4. סולם ברים = 11 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
6. ניתוח תמלילי בקטריאלי
7. ניתוח תמלילי צמחים
8. Secretome פרופיל
צמיחה של מערכת שיתוף הידרופוני שיתוף
עקומת הצמיחה של א 'tumefaciens C58 הפגינו שלב בפיגור משמעותי ב 16 h הראשונית של cocultivation, ואחריו צמיחה יציבה מאוד כאשר שיתוף מעובד עם א Thaliana Col-0, עד מקסימום OD...
בהינתן האופי ההדרגתי של הפרשת השורש, הריכוז של כימיקלים הנגרמים על ידי ארסיות, המופקים ב- Planta והשפעתם על אינטראקציות דינמיות של צמחים במרחב, מתרחשים במעברים מדורתיים וזמניים. במערכת זו הידרופוני שיתוף טיפוח, אין phytohormone סינתטי או כימיים המגרמת ארסיות מיקרוביאלי?...
למחברים אין מה לחשוף.
ברצוננו להודות בריאן Weselowski ואלכסנדר W. איסטמן על העזרה שלהם ושימוש מועיל. כמו כן, ברצוננו להודות לד"ר. יוג'ין נסטר, לינגרוי ג'אנג, האיטיאו שן, יוהאי קואי וגרג ת'ורן על עזרתם, דיונים שימושיים וקריאה ביקורתית של כתב היד. מחקר זה מומן על ידי חקלאות Agri-Food קנדה, גידול קדימה-AgriFlex (RBPI מספר 2555) ו הגדלת קדימה II מספר 1670 הפרויקט, שנערך על ידי המחברים כחלק מתפקידיהם. מחקר זה מומן חלקית גם על ידי מדעי הטבע והנדסה מועצת המחקר של קנדה (NSERC) גילוי מענק RGPIN-2015-06052 הוענק ZC יואן.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
plant seeds (Arabidopsis thaliana Col-0) | Arabidopsis Biological Resource Centre | CS7000 | https://abrc.osu.edu/order-stocks |
bacteria (Agrobacterium tumefaciens C58) | University of Washington | N/A | |
labeled bacteria | in-house | optional, depends on downstream analyses | |
vortex | (various) | ||
microcentrifuge tubes | (various) | ||
microcentrifuge | (various) | ||
5% sodium hypochlorite | (various) | ||
double distilled water | (various) | ||
autoclave | (various) | ||
micropipette | (various) | ||
70% ethanol | (various) | ||
Murashige and Skoog (MS) basal salts | Sigma-Aldrich | M5524 | |
sucrose | (various) | ||
MES | (various) | ||
B5 vitamin mix | Sigma-Aldrich | G1019 | |
phytoagar | (various) | ||
Deep Petri dishes | (various) | ||
stainless steel mesh | Ferrier Wire Goods Company Ltd | N/A | grade: 304; mesh count: 40 × 40; wire DIA: 0.01 |
micropore tape, 1" | 3M | 1530-1 | |
diurnal growth chamber | (various) | ||
cylindrical glass tanks, 100 × 80 mm | Pyrex | 3250 | other sizes can be used, in which case liquid content may need adjustment |
flow hood | (various) | ||
forcepts | (various) | ||
yeast extract | (various) | ||
tryptone | (various) | ||
MgSO4 | (various) | ||
shaking incubator | (various) | ||
spectrophotometer | (various) | ||
NaCl | (various) | ||
shaker | (various) | ||
scissors | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
fluorescence microscope | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
microscope slides and cover slips | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
nail polish | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
Bacterial RNA extraction kit | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
plant RNA extraction kit (RNeasy Plant Mini Kit) | Qiagen | 74903 or 74904 | optional, depends on downstream analyses |
material and equipment for qRT-PCR | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
material and equipment for microarray analysis | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
liquid nitrogen | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
mortar and pestle | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
0.2 µm pore filter | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
50 mL conical tubes | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
freeze dryer | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
sealable test tubes | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
ethyl acetate | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
nitrogen gas | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
material and equipment for HPLC | (various) | optional, depends on downstream analyses | |
material and equipment for ESI-TOF-MS | (various) | optional, depends on downstream analyses |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved