Kök Eksüdalarında Rhizobacterial Kemoattractants'ın Hızlı Tanımlanması için Geliştirilmiş Bir Kemotaksi Tahlili
Summary
Burada, geliştirilmiş bir kemotaksi test protokolü sunuyoruz. Bu protokolün amacı, geleneksel bakteriyel kemotaksi yöntemlerinin adımlarını ve maliyetlerini azaltmak ve bitki-mikrop etkileşimlerini anlamak için değerli bir kaynak olarak hizmet etmektir.
Abstract
Kemotaksi tanımlaması, rizosfer büyümesini teşvik eden bakterilerin araştırılması ve uygulanması için çok önemlidir. Steril cam kaydıraklarda rizosfer büyümesini teşvik eden bakterilerin kemotaktik hareketini basit adımlarla teşvik edebilecek kemoattratantları hızlı bir şekilde tanımlamak için basit bir yöntem belirledik. Cam kaydırağa 1 cm aralıklarla bakteri çözeltisi (OD600 = 0.5) ve steril kemoattraktant sulu çözelti damla yönünde ilave edildi. Kemoattratant sulu çözeltiyi bakteriyel çözeltiye bağlamak için bir aşılama döngüsü kullanıldı. Slayt temiz tezgahta 20 dakika oda sıcaklığında tutuldu. Son olarak bakteriyel sayım ve mikroskobik gözlem için kemoattraktant sulu çözeltisi toplandı. Bu çalışmada, deneysel sonuçların birden fazla karşılaştırması ile, yöntem geleneksel bakteriyel kemotaksi yöntemlerinin birden fazla eksikliklerini aşmaktadır. Yöntem plaka sayma hatasını azalttı ve deneysel döngüyü kısalttı. Kemoattratant maddelerin tanımlanması için, bu yeni yöntem geleneksel yönteme kıyasla 2-3 gün tasarruf edebilir. Ek olarak, bu yöntem herhangi bir araştırmacının bakteriyel bir kemotaksi deneyini 1-2 gün içinde sistematik olarak tamamlamasını sağlar. Protokol, bitki-mikrop etkileşimlerini anlamak için değerli bir kaynak olarak kabul edilebilir.
Introduction
Kemotaksi, kökler üzerinde bitki büyümesini teşvik eden rizobakterinin (PGPR) kolonileştirilmesi ve bitki-mikrop etkileşimlerinin anlaşılması için önemlidir1. Bitki kökündeki düşük moleküler ağırlıklı bileşikler (kemoattraktantlar) sınıfı, PGPR’nin rizosfere kemotatik hareketini teşvik eder2. Malik asit, sitrik asit ve kök eksüdalarındaki diğer bileşenler Bacillus suşlarının kemotaksisini uyarır3. Örneğin, mısır kökündeki glikoz, sitrik asit ve fumarik asit, bakterileri kök yüzeyine toplar4. Kök eksüdalarından elde edilen D-galaktoz, Bacillus velezensis SQR95’in kemostaksisini indükler. Fümarat, malik asit ve süksinit de dahil olmak üzere organik asitler, Cajanus cajan – Zea mays intercropping sisteminde çeşitli PGPR’nin kemotaksisini ve kolonizasyonunu etkiler6. Pirinç kökündeki oleanolik asit eksüda eder, FP357 suşu için bir kemoattraktant görevi görür. Diğer bitki eksüdaları (histidin, arginin ve aspartat dahil) bakterilerin kemotaktik tepkisinde çok önemli bir rol oynayabilir8. Bitki eksüdaları, rizosfer kolonizasyonu sırasında ilk adım olan bakterilerin hareketini yönlendirmek için bir sinyal olarak işlev görür. PGPR tarafından bitki kolonizasyonu, PGPR bitki konağı için faydalı olduğu için muazzam bir alaka sürecidir.
Bakteriyel kemotaksi analizi için birçok yöntem kullanılmıştır. Yüzme plakası yöntemi daha önce açıklanan yöntemlerden biridir9. Bu yöntemde plakalar semisolid bir ortamla yapılmıştır. Plakaya agar (%1.0, w/v) içeren bir kemotaktik tampon eklendi. Tampon ısıtılır ve daha sonra kemoattraktant ile karıştırılır. Daha sonra plakanın ortasına damla yönünde 8 μL bakteri süspansiyonu eklendi ve plaka 28 °C’de bir inkübatöre yerleştirildi. Plaka düzenli olarak gözlemlendi ve fotoğraflandı. Ancak yüzme plakası yönteminin deneysel döngüsü çok uzundu. Kılcal damar benzeri yöntem10’da, pipet ucu 100 μL bakteri süspansiyonu tutmak için bir oda görevi görür. Kılcal damar olarak 1 mL şırınga iğnesi kullanılmıştır. 100 μL pipet ucuna farklı konsantrasyon gradyanlarına sahip kemoattratantlar içeren bir şırınga iğnesi yerleştirildi. Oda sıcaklığında 3 saat inkübasyondan sonra şırınga iğnesi çıkarıldı, içerik seyreltildi ve ortama kaplandı. Şırınddaki bakteri birikimi plakalarda koloni oluşturan birimler (CFO’ lar) ile temsil edildi. Bununla birlikte, kılcal damar benzeri yöntem için kopyalar içindeki deneysel hata büyüktü. Başka bir yöntem bir mikroakışkan SlipChip cihazı kullandı11. Kısaca, sığır serum albümin (BSA) çözeltisi tüm kanallara enjekte edildi ve vakum kullanılarak çıkarıldı. Farklı kemoattratantlar (sadece nitel algılama için 1 mM konsantrasyon), fosfat tamponlu salin ve fosfat tamponlu salin tamponunda asılı bakteri hücreleri (negatif kontrol) içeren çözeltiler sırasıyla üst, orta ve alt mikrowelllere eklendi. Kuluçka daha sonra 30 dakika boyunca oda sıcaklığında karanlık bir ortamda gerçekleştirildi. Bakteri hücreleri daha sonra mikrowelllerde tespit edildi. Ancak mikroakışkan SlipChip cihazı pahalıydı. Bu nedenle, yukarıda açıklanan yöntemlerin her birinin avantajları ve dezavantajları vardı.
Karmaşık adımlar olmadan steril cam slaytlar kullanarak kök eksüdalarında rizobakteri kemoattratantlarının hızlı tanımlanması için geliştirilmiş bir kemotaksi tahlilini kurduk. Bu çalışmada, deneysel sonuçların birden fazla karşılaştırması ile, yöntem geleneksel bakteriyel kemotaksi yöntemlerinin birden fazla eksikliklerini aşmaktadır. Yöntem plaka sayma hatasını azalttı ve deneysel döngüyü kısalttı. Bu nedenle, kemoattratant bir maddeyi tanımlamak için kullanılırsa, bu yeni yöntem 2-3 gün tasarruf edebilir ve deneysel malzemelerin maliyetini azaltabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Artan araştırmalar, bitki-bakteri etkileşimlerinin esas olarak rizosferde meydana geldiğini ve kök eksüdalarından etkilendiğini göstermektedir20,21,22,23,24. Bitki kökü eksüdaları, fenolik asitler, organik asitler ve amino asitlerin yanı sıra daha karmaşık ikincil bileşikler25,26,27 dahil olmak üzere çeşitli</s…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (No. 31870493), Heilongjiang, Çin’deki Temel Araştırma ve Geliştirme Projeleri (GA21B007) ve Çin’in Heilongjiang Eyaletindeki Üniversitelerin Temel Araştırma Ücretleri (No. 135409103) tarafından desteklendi.
Materials
| 2,5-dihydroxybenzoic acid | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 490-79-9 | |
| Acetonitrile | CNW Technologies | 75-05-8 | |
| Ammonium acetate | CNW Technologies | 631-61-8 | |
| Caffeic acid | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 331-39-5 | |
| Centrifuge | Thermo Fisher Scientific | Heraeus Fresco17 | |
| Citric acid | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 77-92-9 | |
| Clean bench | Shanghai Boxun Industrial Co., Ltd. | BJ-CD | |
| Ferulic acid | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 1135-24-6 | |
| Formic acid | CNW Technologies | 64-18-6 | |
| Fructose | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 57-48-7 | |
| Galactose | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 59-23-4 | |
| Glycine | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 56-40-6 | |
| Grinding Mill | Shanghai Jingxin Industrial Development Co., Ltd. |
JXFSTPRP-24 | |
| Histidine | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 71-00-1 | |
| Internal standard: 2-Chloro-L-phenylalanine | Shanghai Hengbai Biotech C.,Ltd. | 103616-89-3 | |
| Leucine | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 61-90-5 | |
| Malic acid | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 6915-15-7 | |
| Mannose | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 3458-28-4 | |
| Mass Spectrometer | Thermo Fisher Scientific | Q Exactive Focus | |
| Methanol | CNW Technologies | 67-56-1 | |
| Optical Microscope | Olympus | BX43 | |
| Phenylalanine | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 63-91-2 | |
| Proline | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 147-85-3 | |
| Scales | Sartorius | BSA124S-CW | |
| Serine | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 56-45-1 | |
| Threonine | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 72-19-5 | |
| UHPLC | Agilent | 1290 UHPLC | |
| Ultrasound Instrument | Shenzhen Leidebang Electronics Co., Ltd. |
PS-60AL | |
| Valine | Beijing InnoChem Science & Technology C.,Ltd. | 7004-03-7 |
Referências
- Belas, R. Biofilms, flagella, and mechanosensing of surfaces by bacteria. Trends in Microbiology. 22 (9), 517-527 (2014).
- Haichar, Z., Santaella, C., Heulin, T., Achouak, W. Root exudates mediated interactions belowground. Soil Biology and Biochemistry. 77 (7), 69-80 (2014).
- Zhang, N., et al. Effects of different plant root exudates and their organic acid components on chemotaxis, biofilm formation and colonization by beneficial rhizosphere-associated bacterial strains. Plant and Soil. 374 (1-2), 689-700 (2014).
- Zhang, N., et al. Whole transcriptomic analysis of the plant-beneficial rhizobacterium Bacillus amyloliquefaciens SQR9 during enhanced biofilm formation regulated by maize root exudates. BMC Genomics. 16 (1), 685 (2015).
- Lui, Y., et al. Induced root-secreted D-galactose functions as a chemoattractant and enhances the biofilm formation of Bacillus velezensis SQR9 in an mcpa-dependent manner. Applied Microbiology and Biotechnology. 104 (17), 785-797 (2020).
- Vora, S. M., Joshi, P., Belwalkar, M., Archana, G. Root exudates influence chemotaxis and colonization of diverse plant growth-promoting rhizobacteria in the Cajanus cajan – Zea mays intercropping system. Rhizosphere. 18 (12), 100331 (2021).
- Sampedro, I., et al. Effects of halophyte root exudates and their components on chemotaxis, biofilm formation and colonization of the halophilic bacterium halomonas anticariensis FP35T. Microorganisms. 8 (4), 575 (2020).
- Liu, X. L., Raza, W., Ma, J. H., Huang, Q. W., Shen, Q. R. A dual role amino acid from sesbania rostrata seed exudates in the chemotaxis response of Azorhizobium caulinodans ORS571. Molecular Plant-Microbe Interactions. 32 (9), 1134-1147 (2019).
- Ling, N., Raza, W., Ma, J. H., Huang, Q. W., Shen, Q. R. Identification and role of organic acids in watermelon root exudates for recruiting Paenibacillus polymyxa SQR-21 in the rhizosphere. European Journal of Soil Biology. 47 (6), 374-379 (2011).
- Rudrappa, T., Czymmek, K. J., Pare, P. W., Bais, H. P. Root-secreted malic acid recruits beneficial soil bacteria. Plant Physiology. 148 (3), 1547-1556 (2008).
- Shen, C., et al. Bacterial chemotaxis on Slipchip. Lab on a Chip. 14 (16), 3074-3080 (2014).
- Liu, H., et al. Bacillus pumilus LZP02 promotes rice root growth by improving carbohydrate metabolism and phenylpropanoid biosynthesis. Molecular Plant-Microbe Interactions. 33 (10), 1222-1231 (2020).
- Goswami, M., Deka, S. Isolation of a novel rhizobacteria having multiple plant growth promoting traits and antifungal activity against certain phytopathogens. Microbiological Research. 240, 126516 (2020).
- Kaiira, M., Chemining’Wa, G., Ayuke, F., Baguma, Y., Nganga, F. Profiles of compounds in root exudates of rice, cymbopogon, desmodium, mucuna and maize. Journal of Agricultural Sciences Belgrade. 64 (4), 399-412 (2019).
- Shi, Y., et al. Effect of rice root exudates and strain combination on biofilm formation of Paenibacillus polymyxa and Paenibacillus macerans. African Journal of Microbiology Research. 6 (13), 3343-3347 (2012).
- Lee, H. W., Ghimire, S. R., Shin, D. H., Lee, I. J., Kim, K. U. Allelopathic effect of the root exudates of K21, a potent allelopathic rice. Weed Biology and Management. 8 (2), 85-90 (2008).
- Belimov, A. A., et al. Rhizobacteria that produce auxins and contain 1-amino-cyclopropane-1-carboxylic acid deaminase decrease amino acid concentrations in the rhizosphere and improve growth and yield of well-watered and water-limited potato (Solanum tuberosum). Annals of Applied Biology. 167 (1), 11-25 (2015).
- Ankati, S., Podile, A. R. Metabolites in the root exudates of groundnut change during interaction with plant growth promoting rhizobacteria in a strain-specific manner. Journal of Plant Physiology. 243, 153057 (2019).
- Gordillo, F., Chavez, F., Jerez, C. A. Motility and chemotaxis of Pseudomonas sp. B4 towards polychlorobiphenyls and chlorobenzoates. FEMS Microbiology Ecology. 60 (2), 322-328 (2007).
- Bais, H. P., Weir, T. L., Perry, L. G., Gilroy, S., Vivanco, J. M. The role of root exudates in rhizosphere interactions with plants and other organisms. Annual Review of Plant Biology. 57, 233-266 (2006).
- Badri, D. V., Vivanco, J. M. Regulation and function of root exudates. Plant Cell Environment. 32 (6), 666-681 (2009).
- Badri, D. V., Weir, T. L., Lelie, D., Vivanco, J. M. Rhizosphere chemical dialogues: plant-microbe interactions. Curr Opin Biotech. Current Opinion in Biotechnology. 20 (6), 642-650 (2009).
- Kamilova, F., Kravchenko, L. V., Shaposhnikov, A. I., Makarova, N., Lugtenberg, B. Effects of the tomato pathogen Fusarium oxysporum f. sp. radicis-lycopersici and of the biocontrol bacterium Pseudomonas fluorescens WCS365. Molecular Plant-Microbe Interactions. 19 (10), 1121-1126 (2006).
- Kamilova, F., et al. Organic acids, sugars, and L-tryptophane in exudates of vegetables growing on stonewool and their effects on activities of rhizosphere bacteria. Molecular Plant-Microbe Interactions. 19 (3), 250-256 (2006).
- Badri, D. V., Vivanco, J. M. Regulation and function of root exudates. Plant Cell Environment. 32 (6), 666-681 (2009).
- Hao, W. Y., Ren, L. X., Ran, W., Shen, Q. R. Allelopathic effects of root exudates from watermelon and rice plants on Fusarium oxysporum f.sp. Niveum. Plant and Soil. 336 (1-2), 485-497 (2010).
- Hao, Z. P., Wang, Q., Christie, P., Li, X. L. Allelopathic potential of watermelon tissues and root exudates. Scientia Horticulturae. 112 (3), 315-320 (2007).
