Name: single-cell analysis of the expression of pseudomonas syringae genes within the plant tissue
Uploaded: 2022-10-06T15:00:00
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Questo lavoro è stato sostenuto dal Project Grant RTI2018-095069-B-I00 finanziato da MCIN/AEI/10.13039/501100011033/ e da "ERDP A way of making Europe". J.S.R. è stato finanziato da Plan Andaluz de Investigación, Desarrollo e Innovación (PAIDI 2020). N.L.P. è stato finanziato dal Project Grant P18-RT-2398 di Plan Andaluz de Investigación, Desarrollo e Innovación.

1. Preparazione delle piante
<ol><li>Preparare le piante di Arabidopsis Col-0 seguendo i passaggi seguenti.<ol><li>Riempire un vaso di 10 cm di diametro con un mix di substrato vermiculite e pianta 1:3 (vedi Tabella dei materiali), precedentemente annaffiato, e coprire il vaso con una rete metallica di 15 cm x 15 cm con fori da 1,6 mm x 1,6 mm. Regolare la rete metallica sul terreno bagnato usando un elastico (Figura 1A).</li>
		<li>Con uno stuzzicadenti b...

<ol>
	<li>Weigel, W. A., Dersch, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phenotypic+heterogeneity:+A+bacterial+virulence+strategy.">Phenotypic heterogeneity: A bacterial virulence strategy.</a> Microbes and Infection. 20 (9-10), 570-577 (2018).</li><li>Hare, P. J., LaGree, T. J., Byrd, B. A., DeMarco, A. M., Mok, W. W. 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E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+screen+to+identify+promoters+conferring+high+levels+of+phenotypic+noise.">A simple screen to identify promoters conferring high levels of phenotypic noise.</a> PLoS Genetics. 4 (12), 1000307 (2008).</li><li>Hirano, S. S., Upper, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bacteria+in+the+leaf+ecosystem+with+emphasis+on+Pseudomonas+syringae-a+pathogen,+ice+nucleus,+and+epiphyte.">Bacteria in the leaf ecosystem with emphasis on Pseudomonas syringae-a pathogen, ice nucleus, and epiphyte.</a> Microbiology and Molecular Biology Reviews. 64 (3), 624-653 (2000).</li><li>Lindeberg, M., Myers, C. R., Collmer, A., Schneider, D. 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L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+high-throughput+method+for+quantifying+growth+of+phytopathogenic+bacteria+in+Arabidopsis+thaliana.">A high-throughput method for quantifying growth of phytopathogenic bacteria in Arabidopsis thaliana.</a> The Plant Journal. 28 (4), 475-481 (2001).</li></ol>

Il metodo qui presentato descrive una procedura non invasiva che consente l'infiltrazione di batteri nel tessuto fogliare vegetale, consentendo la rapida inoculazione di grandi volumi riducendo al minimo la distruzione del tessuto. Una delle caratteristiche del complesso di specie P. syringae è la capacità di sopravvivere e proliferare all'interno dell'apoplast della pianta e sulla superficie della pianta come epifita14. Pertanto, non si può escludere la possibilità che i batteri estr...

I batteri patogeni mostrano differenze nei diversi fenotipi, dando origine alla formazione di sottopopolazioni all'interno di popolazioni geneticamente identiche. Questo fenomeno è noto come eterogeneità fenotipica ed è stato proposto come strategia di adattamento durante le interazioni batterio-ospite1. I recenti progressi nella risoluzione ottica dei microscopi confocali, della citometria a flusso e della microfluidica, combinati con proteine fluorescenti, hanno favorito l'analisi a singola cellula delle popolazioni batteriche2.
La Pseudomonas syringae Gram-negativa è un batterio patogeno delle piante archetipico a causa della sua importanza sia accademica che economica3. Il ciclo vitale di P. syringae è legato al ciclo dell'acqua4. P. syringae entra negli spazi intercellulari tra le cellule del mesofillo, la foglia della pianta apoplasta, attraverso aperture naturali come stomi o ferite5. Una volta all'interno dell'apoplasto, P. syringae si basa sul sistema di secrezione di tipo III (T3SS) e sugli effettori traslocati di tipo III (T3E) per sopprimere l'immunità delle piante e manipolare le funzioni cellulari delle piante a beneficio del patogeno6. L'espressione di T3SS e T3E dipende dal regolatore principale HrpL, un fattore sigma alternativo che si lega ai motivi hrp-box nella regione del promotore dei geni bersaglio7. 
Generando fusioni trascrizionali localizzate dal cromosoma a geni proteici fluorescenti a valle del gene di interesse, è possibile monitorare l'espressione genica in base ai livelli di fluorescenza emessia livello 8 di singola cellula. Utilizzando questo metodo, è stato stabilito che l'espressione di hrpL è eterogenea sia all'interno di colture batteriche coltivate in laboratorio che all'interno di popolazioni batteriche recuperate dalla pianta apoplast 8,9. Sebbene l'analisi dell'espressione genica a livello monocellulare sia tipicamente eseguita in colture batteriche coltivate in terreni di laboratorio, tali analisi possono essere effettuate anche su popolazioni batteriche che crescono all'interno della pianta, fornendo così preziose informazioni sulla formazione di sottopopolazioni nel contesto naturale. Un potenziale limite per l'analisi delle popolazioni batteriche estratte dalla pianta è che i metodi classici di inoculazione mediante infiltrazione a pressione della siringa nell'apoplast, seguita dall'estrazione batterica mediante macerazione del tessuto fogliare, generano tipicamente una grande quantità di detriti vegetali cellulari che interferiscono con l'analisi a valle10. La maggior parte dei detriti cellulari è costituita da frammenti autofluorescenti di cloroplasti che si sovrappongono alla fluorescenza GFP, con risultati fuorvianti.
Il presente protocollo descrive il processo di analisi dell'eterogeneità dell'espressione genica di singole cellule in due patosistemi modello: quello formato da P. syringae pv. ceppo di pomodoro DC3000 e Arabidopsis thaliana (Col-0), e l'altro dal P. syringae pv. phaseolicola ceppo 1448A e piante di fagioli (Phaseolus vulgaris cultivar Canadian Wonder). Viene proposto un metodo di inoculazione basato sull'infiltrazione sotto vuoto utilizzando una camera a vuoto e una pompa, risultando in un metodo rapido e privo di danni per infiltrarsi nelle foglie intere. Inoltre, come miglioramento rispetto ai protocolli convenzionali, viene utilizzato un metodo più delicato per estrarre la popolazione batterica dall'apoplast che riduce significativamente la rottura dei tessuti, basato sull'estrazione del liquido apoplastico applicando cicli di pressione positiva e negativa utilizzando una piccola quantità di volume all'interno di una siringa.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.17 mm coverslip</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>No special requirements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1.6 x 1.6 mm metal mesh</td>
			<td>Buzifu</td>
			<td></td>
			<td>Fiberglass screen mesh</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10 cm diameter pots</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>No special requirements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>140 mm Petri dishes</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>No special requirements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>20 mL syringe</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>No special requirements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50 mL conical tubes</td>
			<td>Sarstedt</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agarose</td>
			<td>Merk</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ampicillin sodium</td>
			<td>GoldBio</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bacteriological agar</td>
			<td>Roko</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Confocal Microscope Stellaris</td>
			<td>Leica Microsystems</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FACSVerse cell analyzer</td>
			<td>BD Biosciences</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiji software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gentamycin sulfate</td>
			<td>Duchefa</td>
			<td>G-0124</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kanamycin monosulfate</td>
			<td>Phytotechnology</td>
			<td>K378</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MgCl2</td>
			<td>Merk</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaCl</td>
			<td>Merk</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parafilm</td>
			<td>Pechiney Plastic Packaging</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plant substrate</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>No special requirements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silwet L-77</td>
			<td>Cromton Europe Ltd</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Toothpicks</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>No special requirements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tryptone</td>
			<td>Merk</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tweezers</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>No special requirements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum chamber 25 cm diameter</td>
			<td>Kartell</td>
			<td>554</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum pump</td>
			<td>GAST</td>
			<td>DOA-P504-BN</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vermiculite</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>No special requirements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yeast Extract</td>
			<td>Merk</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

single-cell analysis of the expression of pseudomonas syringae genes within the plant tissue

Una pletora di microrganismi patogeni attacca costantemente le piante. Il complesso di specie Pseudomonas syringae comprende batteri patogeni delle piante Gram-negativi di particolare rilevanza per un ampio numero di ospiti. P. syringae entra nella pianta dalla superficie fogliare e si moltiplica rapidamente all'interno dell'apoplasto, formando microcolonie che occupano lo spazio intercellulare. L'espressione costitutiva delle proteine fluorescenti da parte dei batteri consente la visualizzazione delle microcolonie e il monitoraggio dello sviluppo dell'infezione a livello microscopico. I recenti progressi nell'analisi di singole cellule hanno rivelato la grande complessità raggiunta dalle popolazioni batteriche isogeniche clonali. Questa complessità, indicata come eterogeneità fenotipica, è la conseguenza delle differenze cellula-cellula nell'espressione genica (non legate a differenze genetiche) tra la comunità batterica. Per analizzare l'espressione dei singoli loci a livello di singola cellula, sono state ampiamente utilizzate fusioni trascrizionali in proteine fluorescenti. In condizioni di stress, come quelle che si verificano durante la colonizzazione dell'apoplasto della pianta, P. syringae si differenzia in sottopopolazioni distinte in base all'espressione eterogenea di geni chiave di virulenza (cioè il sistema di secrezione di tipo III Hrp). Tuttavia, l'analisi a singola cellula di una determinata popolazione di P. syringae recuperata dal tessuto vegetale è impegnativa a causa dei detriti cellulari rilasciati durante l'interruzione meccanica intrinseca ai processi di inoculazione ed estrazione batterica. Il presente rapporto descrive un metodo sviluppato per monitorare l'espressione dei geni P. syringae di interesse a livello di singola cellula durante la colonizzazione di piante di Arabidopsis e fagioli. Vengono descritte la preparazione delle piante e le sospensioni batteriche utilizzate per l'inoculazione mediante camera a vuoto. Qui viene spiegato anche il recupero dei batteri endofiti dalle foglie infette mediante estrazione di liquido apoplastico. Sia l'inoculazione batterica che i metodi di estrazione batterica sono ottimizzati empiricamente per ridurre al minimo il danno alle cellule vegetali e batteriche, risultando in preparati batterici ottimali per la microscopia e l'analisi della citometria a flusso.

L'espressione del sistema di secrezione di tipo III è essenziale per la crescita batterica all'interno della pianta. L'espressione tempestiva dei geni T3SS è ottenuta attraverso una regolazione complessa, al centro della quale c'è il fattore sigma della funzione extracitoplasmatica (ECF) HrpL, l'attivatore chiave dell'espressione dei geni correlati a T3SS11. Un'analisi dell'espressione di hrpL è stata precedentemente effettuata utilizzando una fusione trascrizionale localizzata dal cr...

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Single-Cell Analysis of the Expression of Pseudomonas syringae Genes within the Plant Tissue

Il presente protocollo descrive un metodo che consente l'analisi dell'espressione genica unicellulare su popolazioni di Pseudomonas syringae coltivate all'interno dell'apoplasto della pianta.

Analisi unicellulare dell'espressione dei geni di Pseudomonas syringae all'interno del tessuto vegetale

A plethora of pathogenic microorganisms constantly attack plants. The Pseudomonas syringae species complex encompasses Gram-negative plant-pathogenic ...

Il nostro protocollo prevede un metodo di inoculazione ed estrazione delicata delle piante che consente di recuperare popolazioni batteriche cresciute nell'apoplasta fogliare adatto per l'analisi dell'espressione genica unicellulare come la citometria a flusso. Questo metodo consente l'estrazione di una notevole quantità di batteri dall'apoplast senza contaminare significativamente i campioni con detriti cellulari vegetali. Questo metodo ottimizzato per il recupero dei batteri apoplastici può essere applicato direttamente o con piccole modifiche a un certo numero di sistemi batterici vegetali che comprendono batteri patogeni delle piante o batteri endocitici benefici.A dimostrare la procedura sarà Nieves Lopez-Pagan, una dottoranda del nostro laboratorio. Per iniziare, riempi un vaso di 10 centimetri di diametro con una miscela di substrato vegetale 1: 3 precedentemente irrigato. Coprire la pentola con una rete metallica perforata e regolare la rete metallica sul terreno bagnato usando un elastico.Quindi, seminare semi di Arabidopsis nei fori della rete metallica con uno stuzzicadenti bagnato. Metti tre o quattro semi in posizioni distanti all'interno del vaso. Coprire la pentola con una cupola di plastica per mantenere alta l'umidità relativa e incubare per la stratificazione a quattro gradi Celsius per 72 ore.Trasferire il vaso in una camera di crescita delle piante in condizioni di breve durata. Per scoprire la pentola, rimuovere la cupola di plastica. Una volta che i semi sono germinati, utilizzare le pinzette per rimuovere la maggior parte delle piantine, mantenendo una piantina in ciascuna delle posizioni del vaso.Quindi preparare le piante di fagioli Phaseolus vulgaris coprendo il fondo di una capsula di Petri con un pezzo di carta assorbente bagnato e posizionando i semi di fagioli sopra di esso. Sigillare la capsula di Petri con nastro chirurgico e incubare a 28 gradi Celsius per tre o quattro giorni. Trasferire i semi germinati in un vaso di 10 centimetri di diametro riempito con una miscela di substrato vegetale di vermiculite 1:3 bagnata e incubare in una camera di crescita delle piante in condizioni di lunga giornata.Strisciare lo stock di glicerolo del ceppo di interesse di Pseudomonas syringae da meno 80 gradi Celsius in una piastra LB integrata con gli antibiotici appropriati. Incubare la piastra a 28 gradi Celsius per 40-48 ore. Raschiare la biomassa batterica e risospenderla in cinque millilitri di cloruro di magnesio da 10 millimolari.Misurare la densità ottica a 600 nanometri e regolarla a 0,1 aggiungendo cloruro di magnesio 10 millimolare. Eseguire diluizioni seriali in cloruro di magnesio 10 millimolari per ottenere una concentrazione finale di inoculo di cinque volte 10 al quinto CFU per millilitro. Quindi, preparare 200 millilitri di inoculo per le piante di Arabidopsis e 50 millilitri per le piante di fagioli.Prima dell'inoculazione, aggiungere il tensioattivo Silwet L-77 ad una concentrazione finale dello 0,02% per l'inoculazione dei fagioli e dello 0,01% per l'Arabidopsis. Per l'infiltrazione di Arabidopsis, posizionare due bastoncini di legno che formano una X sopra la pentola e posizionare la pentola rivolta verso il basso su una capsula di Petri di 14 centimetri di diametro contenente 200 millilitri di inoculo. Per l'inoculazione delle foglie di fagiolo, inserire le piante e la soluzione di inoculo in una camera a vuoto e introdurre la foglia in un tubo di centrifuga conica da 50 millilitri contenente l'inoculo.Dare un impulso di 500 millibar per 30 secondi per infiltrarsi nelle foglie. Scolare la soluzione di inoculo in eccesso con un pezzo di carta e riportare i piani nella camera di crescita corrispondente. Quattro giorni dopo l'inoculazione, tagliare la parte aerea della pianta di Arabidopsis o la foglia inoculata dalla pianta di fagioli e metterla in una siringa da 20 millilitri senza ago.Per le foglie di fagioli, arrotolare la foglia su se stessa, lasciando la faccia abassiale verso l'esterno. Aggiungere un volume sufficiente di acqua distillata per coprire il tessuto. Quindi, inserire lo stantuffo che tiene la siringa in posizione verticale e rimuovere l'aria in eccesso e le bolle d'aria all'interno della siringa picchiettando delicatamente il cilindro fino a quando tutta l'aria si trova vicino alla punta e, dopo aver rimosso l'aria, coprire la punta del cilindro della siringa con pellicola di paraffina.Ora premere con attenzione lo stantuffo per generare una pressione positiva fino a quando il tessuto diventa più scuro. Quindi, tirare lo stantuffo per generare una pressione negativa. Rimuovere la pellicola di paraffina e lo stantuffo e raccogliere il fluido contenente i batteri estratti dall'apoplasto.Per un'analisi a cella singola, preparare una soluzione di agarosio all'1,5% in acqua distillata. Una volta sciolto, aggiungere un volume sufficiente a riempire lo spazio tra due vetrini da microscopia affiancati e posizionare un altro vetrino sopra. Lasciateli guidare per 15 minuti e rimuovete con attenzione la slitta posta sulla parte superiore.Usando una lama, tagliare il cuscinetto di agarosio in pezzi di cinque millimetri per cinque millimetri prima dell'uso. Parallelamente, centrifugare un millimetro dei batteri estratti dall'apoplasto. Rimuovere con cautela il surnatante con una pipetta e risospendere il pellet in 20 microlitri di acqua per concentrare le cellule.Posizionare una goccia da due microlitri delle cellule concentrate su un vetrino di copertura da 0,17 millimetri e coprire la goccia con un pezzo di tampone di agarosio. Visualizza la preparazione batterica al microscopio confocale per identificare i batteri fluorescenti verdi utilizzando laser specifici. Identifica tutti i batteri usando il campo luminoso e unisci entrambi i campi.Per eseguire l'analisi mediante citometria a flusso, prendere un'aliquota delle sospensioni batteriche estratte dall'apoplasto. Analizza utilizzando il citometro a flusso e acquisisci 100.000 eventi. L'espressione della GFP hrpL è monitorata dalla fluorescenza della GFPL.I grafici dot plot mostrano la distribuzione dell'intensità di fluorescenza della GFP rispetto alla dimensione delle cellule nella popolazione, mentre gli istogrammi mostrano l'intensità di fluorescenza della GFP rispetto alla conta cellulare. Le percentuali di hrpL ON erano superiori alle corrispondenti percentuali di hrpL OFF. Le immagini al microscopio a fluorescenza mostrano livelli eterogenei di GFP associati all'espressione di hrpL.Si osservano i batteri che mostrano una fluorescenza GFP bassa o assente. Per risultati ottimali, sii delicato durante le fasi di estrazione dei batteri per evitare di danneggiare il tessuto vegetale e quindi limitare la contaminazione dal contenuto cellulare della pianta. I campioni di batteri ottenuti possono essere utilizzati per altri scopi in cui la riduzione della contaminazione delle piante è un vantaggio, come le estrazioni di acidi nucleici per successive analisi genomiche o trascrittomiche batteriche.

Research

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Biology

Single-Cell Analysis of the Expression of Pseudomonas syringae Genes within the Plant Tissue

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CUBIC Protocol Visualizes Protein Expression at Single Cell Resolution in Whole Mount Skin Preparations

Protocollo CUBIC Visualizza lo espressione della proteina a risoluzione singola cella di intere preparazioni della pelle Mount

The skin is essential for our survival. The outer epidermal layer consists of the interfollicular epidermis, which is a stratified squamous epithelium ...

Visualizing Stromule Frequency with Fluorescence Microscopy

Visualizzazione Frequenza Stromule con microscopia a fluorescenza

Stromules, or "stroma-filled tubules", are narrow, tubular extensions from the surface of the chloroplast that are universally observed in plant cells but ...

Dissection of the Auditory Bulla in Postnatal Mice: Isolation of the Middle Ear Bones and Histological Analysis

La dissezione del Auditory Bulla nei topi postnatale: Isolamento delle ossa dell&#39;orecchio medio e l&#39;analisi istologica

In most mammals, auditory ossicles in the middle ear, including the malleus, incus and stapes, are the smallest bones. In mice, a bony structure called ...