ויזואליזציה של תנועתיות מפרכסים אפיון תפקידו של<em> PilG</em> ב<em> Fastidiosa Xylella</em
Summary
במחקר זה, תא זרימת ננו-microfluidic הועסק לדמיין והן מבחינה תפקודית לאפיין את תנועתיות והמרטיטה של Xylella fastidiosa, חיידק הגורם למחלה של פירס גפן.
Abstract
Fastidiosa Xylella הוא חיידק שאינו והולקה בשוט גראם שלילי הגורם למספר מחלות חשיבות הכלכלית של צמחים. תנועתיות מתעוות מספקות X. fastidiosa אמצעי לתנועת תוך צמח למרחקים ארוכים והתנחלות, תורם כלפי פתוגניות ב X. fastidiosa. תנועתיות והמרטיטה של X. fastidiosa מופעל על ידי פילי מסוג IV. סוג IV פילים של fastidiosa Xylella מוסדרים pilG, רגולטור chemotaxis בחלבוני קידוד אופרון Pil-CHP כי הם מעורבים עם מסלולי העברת אותות. כדי להבהיר את התפקידים של pilG ב תנועתיות והמרטיטה של X. fastidiosa, pilG -deficient מוטציה XF ΔpilG ומתח המשלים XfΔpilG- C המכיל יליד pilG פותחו. תאי microfluidic משולבים עם מערכת הקלטת הזמן לשגות תמונה שמשו לראות את התנועה מרטטת XfΔpאילג, XfΔpilG- C ומתח סוג הבר שלה. באמצעות מערכת הקלטה זו, הוא מתיר תצפיות במרחב ובזמן ארוך טווח של צבירה, הגירה של תאים בודדים ואוכלוסיות של חיידקים באמצעות תנועתיות מתעוות. X. סוג בר fastidiosa ו XfΔpilG- C זן משלימים הראה המאפיינים תנועתיות מתעוות טיפוסי לצפות ישירות בתאי זרימה microfluidic, בעוד מוטציה XfΔpliG הציג את הפנוטיפ לקוי מתעוות. מחקר זה מוכיח כי pilG תורמת תנועתיות והמרטיטה של X. fastidiosa. תא הזרימה microfluidic משמש כאמצעי להתבוננות תנועתיות מתעוות.
Introduction
Fastidiosa Xylella הוא חיידק שאינו והולקה בשוט גראם שלילי, פתוגניים הגורם למספר מחלות יבול חשיבות הכלכלית, כולל המחלות של פירס גפן (ותטיס vinifera ל) 1,2, 3. חיידק זה מוגבל עצת ניצוח המים כלי. זיהום של גפן גורם סתימה של צינורות עצה ותוצאות לחץ מים חסרים תזונתי 3. הקולוניזציה מוצלח תלוי ביכולת של החיידק לעבור מהאתר הראשוני של הידבקות לשאר הצמח 3. מתעוות תנועתיות הוא אמצעי תנועת חיידקים עצמאי-flagellar באמצעות הרחבה, מצורף, ההכחשה של פילי IV הסוג קוטבי 4 כי כבר מאופיין ב X. fastidiosa 5,6,7.
תנועתיות מתעוות נצפתה על ידי פינצטה לייזר ו במיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) 8,9,10. שימוש בשיטות אלה, tmotilities הכישוף שנוצר על ידי pilus IV סוג של נ gonorrhoeae ו פ aeruginosa התאפיין פילי תיוג uorescently fl לכידות תנועותיהם מיקרוסקופיות. למרות שני השיטות שפרטו הכח הדבק של חיידקים בודדים, הנהלים הם מסובכים וגוזל זמן 9,10. תאי uidic מיקרו fl שימשו להתבונן הגירה למרחקים ארוכים של תאים בודדים, כמו גם אגרגטים קטנים של תאים חיידקיים 5,6. תאים אלו עוצבו כמו ערוצי microfabricated-ננו צלחת משולבת עם 11,12,13,14 מערכת הקלטת הזמן לשגות תמונה. מייקרו fl מכשירים הקאמריים uidic מציעים כמה יתרונות ללימוד התנהגות תנועת תאי תאי האינטראקציות של חיידקים: (i) הוא מספקת פלטפורמה משולבת עם יכולות ערוץ מרובות; (Ii) זה יכול לבחון את תנועות ו מצבורים של תאים בודדים של תכונות בקנה מידה ננו של חיידקים; (Iii) הוא מאפשר מטר ישירהקלטה תמונה icroscopic של תאים חיידקיים וניתוח זמן לשגות, (iv) שהיא מספקת תצפיות במרחב ובזמן לטווח ארוך של הפרט / או אוכלוסיות של חיידקים בסביבה-מיקרו; (V) את קצב הזרימה של מדיום תרבות ערוץ ניתן לשלוט באופן מדויק ו (vi) רק נפח קטן מאוד (1 מיליליטר) של מדיום התרבות נדרש עבור כל ניסוי.
לאחרונה, מיקרו fl uidic fl ow מערכת הועסק לחקור את ההתנהגויות של תאים חיידקיים תחת microenvironments שונים 14,15,16. הדביק ואת מצורף המשטח של E. 15 coli, X. fastidiosa 16, ו Acidovorax citrulli 14 משטחי זכוכית הוערכו באמצעות תאי מיקרו fl uidic. ההצטברות וביו בקולנוע היווצרות בתיווך פילי סוג IV של citrulli Acidovorax נותחו 14. יתר על כן, ההצעה של א citrulli שרואים בזמן fl ow גonditions הוכיח כי פילי הסוג IV עשויים לשחק תפקידים חשובים קולוניזציה ולהפיץ של א citrulli ב צינורות העצה תחת SAP fl ow תנאים. Motilities והמרטיט של Pseudomonas aeruginosa ו X. תאי fastidiosa נצפו בהצלחה נגד זרם נוזל בתוך תא זרימת microfabricated 5,6,17. IV pilus סוג לוקה מוטציות pilB ו pilQ של X. fastidiosa נמצא עמוקות לשנות את המהירות של מתעוות תנועתיות בתנאי הזרימה בהתקני uidic fl מיקרו 5,6,18. המחקרים שנערכו על הידבקות חיידקים תנועתיות בהתקנים מיקרו fl uidic ציינו כי fl מיקרו תאי uidic מתאימים במיוחד לניתוח תנועתיות לפרכס נדידת חיידקים בתיווך פילי במבחנה. תוצאות אלו מסבירות את מנגנון ההעברה בתיווך מתעוות המאפשר מצורף תאי תאים, צבירת קולוניזציה בתוךהמארח, בסופו של דבר להוביל לזיהום סיסטמי.
פיל-CHP אופרון של X. fastidiosa מכיל pilG, פילים, pilJ, גלולה, chpB ו chpC מקודדי אות התמר מסלולי 20. וכימיים הטרנסממברני להיקשר לגירויים כימיים בתחום periplasmic ולהפעיל מפל איתות חלק cytoplasmic שלהם בסופו של דבר לשלוט תנועתיות מתעוות חיידקים. בשנת אופרון Pil-CHP של X. fastidiosa, PilG חלבון phospho-הסעות הוא homologue כדי סטרייצ'י. בתוך א ' coli ו פ aeruginosa, סטרייצ'י הוא הרגולטור בתגובה במערכות chemotaxis כי אינטראקציה עם החלבונים המנועים שוטונים 19, 21. למרות התרומות של אופרון Pil-CHP כלפי ארסיות X. fastidiosa נבחנו לאחרונה 20, תפקיד pilG ב אופרון chemotaxis בתגובה לאותות סביבתיים פילי IV סוג מוסדר / מנוע של X. fastidiosa הוא UNCליר. כדי להבהיר את התובנה של chemotaxis הרגולטור pilG בפעילות של תנועתיות ומרטיט של X. fastidiosa, תא מיקרו fl uidic משמש כדי להעריך את תנועתיות ומרטיט של X. fastidiosa. PilG של fastidiosa X. מאופיין על ידי השוואת פנוטיפים של מוטציה המחיקה XF ΔpliG, -C XfΔpliG זן משלימה סוג בר שלו במבחנה. התוצאות ממחישות את תפקידו של pilG ב תנועתיות והמרטיטה של X. fastidiosa.
Protocol
Representative Results
Discussion
במחקר זה, אנו שאפיינו את התנהגות התנועה של X. fastidiosa PilG מוטציה XF ΔpilG וללחצים XfΔpilG- C משלים שלה החדש תוכנן מרובים מיקרו במקביל ננו-ערוץ fl תאי uidic. קלי FL מייקרו החדש תוכנן תאי uidic יכולים להכיל עד ארבעה תאים במקביל 100 מיקרומטר ערוצי ננו רוחב לעומת עיצו?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי מחלקת החקלאות של ארצות הברית, שירות המחקר החקלאי. שמות מסחריים או מוצרים מסחריים בפרסום זה מוזכרים אך ורק לצורך מתן מידע ספציפי ואינו משתמע המלצה או תמיכה על ידי משרד החקלאות ארצות הברית. USDA היא ספקית שוויון הזדמנויות מעסיקה.
Materials
| Biology materials | |||
| X. fastidiosa (Xf) Temecula wild type | Costa, H. S., et al., 2004 22 | ||
| pilG deletion mutant XfΔpliG | Shi, X. Y., et al., 2007 26 | ||
| pilG complementary strain XfΔpliG-C | Davis, M. J., wt al. 1998 23 | ||
| Physical materials and equipment | |||
| Disposable inoculating loops | VWR international, Radnor, PA | #22-363-607 | quantitative procedures such as bacterial collection |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning Corporation | #0002709226 | Sylgard 184 silicone Elastomeric Kits |
| AmScope MD2000 digital camera | AmScope, Irvine, CA | SE305R-AZ-E | Image, video recording and measurement |
| Tubes line | Edgewood, NY | #T4300 | Connected to the syringe and microfluidic chamber |
| Plastic luer connectors | Edgewood, NY | Connected to the syringe and microfluidic chamber | |
| Syringe pumps | Pico Plus, Harvard Apparatus, MA | #702209 | The flow rate can be adjusted while the pump is running. |
| Syringes | Gastight, Hemilton Company, Reno, NV | #1005 | Provide the flowing broth |
| Inverted Olympus IMT-2 microscope | Olympus | IMT-2 FLuoro PHase | Image observation and recording |
| SPOT-RT digital camera | Diagnostic Instruments, Inc., MI | RT230 | Image, video recording and measurement |
| Microscope Shutter | The UNIBLITZ, US | #LS2T2 | Control camera’s exposure time |
| Microscope Shutter Control system | The UNIBLITZ, US | VCM-D1 | VCM-D1 Single Channel CE/UL/CSA Approved Shutter Driver |
| MetaMorph Image software | Universal Imaging Corp., PA | Real-time super-resolution image processing |
Referências
- Purcell, A. H., Hopkins, D. L. Fastidious xylem-limited bacterial plant pathogens. Annu. Rev. Phytopathol. 34, 131-151 (1996).
- Purcell, A. H. Xylella fastidiosa, a regional problem or global threat. J. Plant Pathology. 79, 99-105 (1997).
- Hopkins, D. L. Xylella fastidiosa: Xylem-limited bacterial pathogen of plants. Annu. Rev. Phytopathol. 27, 271-290 (1989).
- Mattick, J. S. Type IV pili and twitching motility. Annu. Rev. Microbiol. 56, 289-314 (2002).
- Meng, Y., et al. Upstream migration of Xylella fastidiosa via pilus-driven twitching motility. J. Bacteriol. 187, 5560-5567 (2005).
- Li, Y., et al. Type I and type IV pili of Xylella fastidiosa affect twitching motility, biofilm formation and cell-cell aggregation. Microbiology. 153, 719-726 (2007).
- Simpson, A. J. G., et al. The genome sequence of the plant pathogen Xylella fastidiosa. Nature. 406, 151-157 (2000).
- Maier, B., Potter, L., So, M., Long, C. D., Seifert, H. S., Sheetz, M. P. Single pilus motor forces exceed 100 pN. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99, 16012-16017 (2002).
- Touhami, A., Jericho, M. H., Boyd, J. M., Beveridge, T. J. Nanoscale characterization and determination of adhesion forces of Pseudomonas aeruginosa pili by using atomic force microscopy. J. Bacteriol. 188, 370-377 (2006).
- Skerker, J. M., Berg, H. C. Direct observation of extension and retraction of type IV pili. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 98, 6901-6904 (2001).
- Brown, D. C., Larson, R. S. Improvements to parallel plate flow chambers to reduce reagent and cellular requirements. BMC Immunol. 2, 9 (2001).
- Thomas, W. E., Nilsson, L. M., Forero, M., Sokurenko, E. V., Vogel, V. Shear-dependent ‘stick-and-roll’ adhesion of type 1 fimbriated Escherichia coli. Mol. Microbiol. 53, 1545-1557 (2004).
- Thomas, W. E., Trintchina, E., Forero, M., Vogel, V., Sokurenko, E. V. Bacterial adhesion to target cells enhanced by shear force. Cell. 109, 913-923 (2002).
- Bahar, O., Fuente, D. L., Burdman, S. Assessing adhesion, biofilm formation and motility of Acidovorax citrulli using microfluidic flow chambers. FEMS Microbiol. Lett. 312, 33-39 (2010).
- Thomas, W. E. Using a laminar flow system to explain shear-enhanced bacterial adhesion. Proceedings of ICMM2005, Third International Conference on Microchannels and Mini-channels. , 751-759 (2005).
- Fuente, D. L., et al. Assessing adhesion forces of type I and type IV pili of Xylella fastidiosa bacteria by use of a microfluidic flow chamber. Appl. Environ. Microbiol. 73, 2690-2696 (2007).
- DeLange, P. A., Collins, T. L., Pierce, G. E., Robinson, J. B. PilJ localizes to cell poles and is required for type IV pilus extension in Pseudomonas aeruginosa. Curr Microbiol. 55, 389-395 (2007).
- Fuente, D. L., Burr, T. J., Hoch, H. C. Mutations in type I and type IV pilus biosynthetic genes affect twitching motility rates in Xylella fastidiosa. J. Bacteriol. 189, 7507-7510 (2007).
- Ferandez, A., Hawkins, A. C., Summerfield, D. T., Harwood, C. S. Cluster II che genes from Pseudomonas aeruginosa are required for an optimal chemotactic response. J. Bacteriol. 184, 4374-4383 (2002).
- Cursino, L., et al. Identification of an Operon, Pil-Chp, That Controls Twitching Motility and Virulence in Xylella fastidiosa. Mol. Plant Microbe Interact. 10, 1198-1206 (2011).
- Hazelbauer, G. L., Falke, J. J., Parkinson, J. S. Bacterial chemoreceptors: High-performance signaling in networked arrays. Trends Biochem. Sci. 33, 9-19 (2008).
- Costa, H. S., et al. Plant hosts of Xylella fastidiosa in and near southern California vineyards. Plant Dis. 88, 1255-1261 (2004).
- Shi, X. Y., Dumenyo, C. K., Hernandez-Martinez, R., Azad, H., Cooksey, D. A. Characterization of regulatory pathways in Xylella fastidiosa: genes and phenotypes controlled by algU. Appl. Environ. Microbiol. 73, 6748-6756 (2007).
- Matsumoto, A., Young, G. M., Igo, M. M. Chromosome-Based Genetic Complementation System for Xylella fastidiosa. Appl. Environ. Microbiol. 75, 1679-1687 (2009).
- Davis, M. J., Purcell, A. H., Thomson, S. V. Isolation Media for the Pierce’s Disease Bacterium. Phytopathology. 70, 425-429 (1980).
- Xia, Y. N., Whitesides, G. M. Soft lithography. Annu. Rev. Mater. Sci. 28, 153-184 (1998).
- Chaudhury, M. K., Whitesides, G. M. Direct measurement of interfacial interactions between semispherical lenses and flat sheets of poly-(dimethylsiloxane) and their chemical derivatives. Langmuir. 7, 1013-1025 (1991).
- Cruz, L. F., Parker, J. K., Cobine, P. A., De La Fuente, L. Calcium-enhanced twitching motility in Xylella fastidiosa is linked to a single PilY1 homolog. Appl. Environ. Microbiol. 80, 7176-7196 (2014).
