Bacteriana Folha Infiltração Ensaio para Belas Caracterização das respostas de defesa da planta usando o Arabidopsis thaliana-Pseudomonas syringae Patossistema
Summary
Quantification of pathogen growth is a powerful tool to characterize various Arabidopsis thaliana (hereafter: Arabidopsis) immune responses. The method described here presents an optimized syringe infiltration assay to quantify the Pseudomonas syringae pv. maculicola ES4326 growth in adult Arabidopsis leaves.
Abstract
Na ausência de células imunes celulares especializadas, as plantas utilizam sua localizada morte celular programada e sistêmica a resistência adquirida para se defender contra o ataque de patógenos. A contribuição de um gene Arabidopsis específico para a resposta imunitária geral da planta podem ser especificamente e quantitativamente avaliado por análise do crescimento do patógeno no tecido infectado. Por mais de três décadas, a bactéria Pseudomonas syringae pv hemibiotrophic. Maculicola ES4326 (ES4326 Psm) tem sido amplamente aplicada como modelo patógeno para investigar os mecanismos moleculares subjacentes a resposta imune Arabidopsis. Para entregar patógenos para o tecido foliar, foram estabelecidos vários métodos de inoculação, por exemplo, a infiltração seringa, inoculação mergulho, spray, infiltração a vácuo, e inoculação de inundação. O protocolo a seguir descreve um método de seringa infiltração otimizada para oferecer virulenta Psm ES4326 em folhas de adultosolo-grown plantas de Arabidopsis e rastrear com precisão para maior susceptibilidade à doença (EDS) em direção a este patógeno. Além disso, este protocolo pode ser complementado com vários pré-tratamentos para dissecar ainda mais defeitos imunes específicos dentro de diferentes camadas de defesa vegetal, incluindo ácido salicílico (SA) Imunidade Triggered (STI) e Imunidade MAMP-Provocado (MTI).
Introduction
Devido à sua natureza sessile, as plantas são constantemente ameaçados por uma infinidade de agentes patogénicos que apresentam vários estilos de vida e estratégias nutricionais 1. Para uma primeira aproximação, patógenos biotróficos manter seu hospedeiro vivo para recuperar nutrientes, enquanto patógenos necrotróficos toxinas e enzimas ativamente secretas para matar o tecido hospedeiro e se alimentam de células mortas 1. Outro grupo de patógenos, denominados hemibiotrophs, começa seu curso de infecção com o estágio biotrófica e mudanças para o palco necrotrophic ao atingir um determinado limiar de acumulação patógeno 2. A fim de defender-se eficazmente contra esses microorganismos, plantas desenvolveram um sistema imunológico inato complicado equipado com múltiplos mecanismos de vigilância para detectar o ataque de patógenos e desencadear localizada a morte celular programada 3, bem como a resistência adquirida sistémica (SAR) 4. A pesquisa atual está focada em caracterizando o sig essencialnaling componentes e transversais conversações dentro do sistema imunológico da planta 5.
Tal como proposto no modelo de "ziguezague" 5, a primeira camada da resposta imune inata planta requer a presença de plasma-membrana localizada Reconhecimento de Padrões Receptores (SRRS) para detectar a invasão de um micróbio. PRRs são capazes de reconhecer padrões Microbe-Associated Molecular (mAmps) e estabelecer Imunidade MAMP-Provocado (MTI) 6. Além de induzir uma regulação positiva da transcrição de genes que codificam proteínas PR antimicrobianos 7, MTI leva a uma variedade de eventos que parar o crescimento de agentes patogénicos, incluindo a produção de espécies de oxigénio reactivos (ROS) e reactiva de azoto Espécie (RNS), deposição de calose à parede celular , bem como a activação de múltiplas vias de sinalização da cinase 8.
Até agora, vários mAmps foram identificados para desencadear MTI em Arabidopsis, incluindo flg22 bacteriana 9 </sup> (Um fragmento de 22 aminoácidos derivado de flagelina), 10 (18 elf18 aminoácidos do factor de tradução bacteriana alongamento Tu) e um componente da parede celular estrutural 11 peptidoglicanos. Para estabelecer uma infecção bem sucedida, alguns patógenos especializados têm evoluído a capacidade de proteínas efetoras secretos virulência para os espaços intracelulares ou intercelulares e, consequentemente, reprimir MTI e desencadear Suscetibilidade Effector-Provocado (ETS) 12,13. Por exemplo, efectores de virulência pode inactivar Mitogen-Activated Protein Kinase cascatas (MAPK) de fosforilação de MTI para induzir o desenvolvimento da doença no tecido infectado 14-16. Durante a co-evolução dinâmica entre hospedeiros e patógenos, as plantas também desenvolveu a estratégia de contra-ataque para reconhecer as proteínas efetoras e atenuar a virulência de patógenos moléculas 17. Este reconhecimento direto ou indireto efetora é mediada por proteínas de resistência a doenças (R) 18. Mais de them são membros do NB-LRR (Nucleotide Binding e leucina-ricos repetições) da família 19. A percepção de um efetor avirulent por uma proteína R provoca uma resposta imune mais forte e mais amplo caracterizada como Imunidade Effector-Provocado (ETI) 20. Além de induzir a expressão de genes de defesa 21 e a produção de metabolitos de defesa 22, ETI muitas vezes leva a uma rápida morte celular programada localizada conhecida como resposta hipersensível (HR) para restringir o agente patogénico a partir de espalhamento para o tecido adjacente 3.
Além da morte celular programada localizada 23, as plantas são capazes de iniciar um a longo prazo e a resposta imunitária global do sistema denominado a resistência adquirida sistémica (SAR) 4. Após o desafio com um agente patogénico biotrofica, células vegetais desencadear a biossíntese e acumulação de um ácido salicílico fitohormônio endógena (SA) e proteínas PR em ambos os tecidos locais e sistémicos 24. Através de tseu processo, um elevado estado de prontidão é alcançado nas folhas não infectados que permite a montagem respostas de defesa mais rápidos durante uma infecção subsequente por um amplo espectro de agentes patogénicos 24. SA e os seus análogos sintéticos, tais como o benzo (1,2,3) -tiadiazol-7-carbotióico éster do ácido S-metil (BTH) e ácido 2,6-dicloroisonicotínico (INA) são capazes de induzir quimicamente ácido salicílico (AS) Imunidade Triggered (STI) mediante aplicação externa 24. Nonexpressor de genes relacionados-Patogênese 1 (NPR1) se propõe a ser um dos receptores e funções SA como principal regulador da transcrição durante a resposta de defesa SA-mediada em ambos os tecidos locais e sistêmicos 21,25,26. Tem sido demonstrado de forma conclusiva que NPR1 é necessária para a criação de SAR e a perda de NPR1 conduz a susceptibilidade dramática no sentido 25 de Pseudomonas syringae.
Para caracterizar a contribuição extensivamente molecular de plantacomponentes nas interacções planta-patógeno, vários bioensaios foram desenvolvidos para medir a eventos específicos de defesa, incluindo a explosão de ROS 27, 28 deposição de calose, expressão dos genes de defesa e acumulação de produtos de proteína de 21 suas. Embora estes ensaios individuais pode fornecer informações para uma forma específica da resposta imune da planta, nenhum deles, no entanto, são capazes de representar a resposta de defesa completa em toda a nível da planta. Por outro lado, a quantificação do crescimento do patógeno após a infecção fornece uma estimativa global da resposta imunitária ao nível do organismo. Portanto, o desenvolvimento e otimização de um ensaio de inoculação do patógeno preciso e altamente padronizada é fundamental para abastecer-se a pesquisa e descobertas sobre as respostas imunes de Arabidopsis.
Pseudomonas syringae, uma bactéria Gram-negativa, foi identificado como um fitopatógeno capaz de causar doença em uma gama de espécies de plantas, incluindo Arabidopsé 29. Como o modelo do sistema planta-patógeno, a Arabidopsis – P. interação syringae tem sido amplamente aplicada para compreender os mecanismos moleculares subjacentes respostas de defesa da planta 29. Até agora, mais de 50 P. patovares syringae foram identificadas com base em sua capacidade de infectar diferentes espécies de plantas 30 . P. syringae pv. DC3000 tomate (Pst DC3000) 31 e P. syringae pv. maculicola ES4326 (ES4326 Psm) 32 são as duas estirpes virulentas mais utilizados e extensivamente caracterizados. Além de ser reconhecido pela planta e desencadeamento da resposta MTI, Pst DC3000 e Psm ES4326 são capazes de segregar proteínas efetoras virulentos para suprimir MTI e desencadear ETS para favorecer o crescimento de patógenos 31,33.
Para dissecar funcionalmente a interação entre Arabidopsis e P. syringae, múltiplos0; infecção patogénica métodos foram desenvolvidos com base na abordagem de entrega de agente patogénico. Para as plantas cultivadas no solo, patógeno pode ser entregue por infiltração seringa, infiltração de vácuo, a inoculação mergulho e inoculação de pulverização 29,34. Recentemente, ensaio inundação-inoculação de mudas foi desenvolvido para executar telas em grande escala em placas de cultura de tecidos cultivados jovens plantas de Arabidopsis 35. Seringa de infiltração, como um dos abordagem mais utilizada, proporciona manualmente o agente patogénico para o apoplasto através das aberturas de folhas naturais chamados estomas 29. Através desta abordagem, quantidades iguais de P. syringae pode ser infiltrada na folha infectada e a força da resposta imune da planta está inversamente correlacionada com os níveis de crescimento do patógeno. Portanto, a quantificação do crescimento do patógeno serve como uma melhor abordagem para avaliar a função imune a todo o nível da planta. Além disso, a seringa pode distinguir a infiltração do tecido local e sistémica, a qual pode be aplicável em caracterizar os mecanismos moleculares subjacentes SAR 36.
No seguinte protocolo, descrevemos um ensaio infiltração seringa otimizado com Psm ES4326 para rastrear mutantes de Arabidopsis para maior susceptibilidade à doença (EDS). Este protocolo irá empregar dois genótipos de Arabidopsis: a de tipo selvagem ecótipo Columbia-0 (Col-0) plantas (controle) e npr1-1 mutantes de perda de função (hypersusceptible) que será infectada com a cepa bacteriana virulenta Psm ES4326 37. O mutante npr1-1 transporta uma mutação pontual no interior da sequência de consenso de anquirina-repetição da molécula NPR1, o que altera a histidina altamente conservado e a tirosina torna a proteína não funcional 25. Além disso, um certo número de modificações do ensaio de seringa infiltração estão descritos que permitem a quantificação de defeitos nas camadas específicas da resposta imunitária, incluindo MTI e STI.
Protocol
Representative Results
Discussion
Com a diminuição da terra disponível e aumento da população, os investigadores de todo o mundo são desafiados com as necessidades prementes para melhoramento de culturas. O rendimento pode ser muito influenciado por vários estresses bióticos e abióticos. Entre eles, a infecção por patógeno é uma das principais causas de redução do rendimento das culturas, responsável por aproximadamente 12% as perdas em os EUA sozinhos 45. Para resolver este problema, a pesquisa maciça tem sido conduzida no m…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Dr. Shahid Mukhtar for critiquing the manuscript and Dr. Xinnian Dong for the sample data analysis file. This work is supported by a NSF-CAREER award (IOS-1350244) to KPM and the UAB Biology Department.
Materials
| MetroMix 360 | Grosouth | SNGMM360 | |
| Large pots | Grosouth | TEKUVCC10TC | |
| 12×6 Inserts | Grosouth | LM1206 | |
| 11×21 Flats with no holes | Grosouth | LM1020 | |
| 11×21 Flats with holes | Grosouth | LM1020H | |
| Vinyl propagation domes | Grosouth | CW-221 | |
| Proteose Peptone | Fisher Scientific | DF0122-17-4 | |
| Potassium Phosphate Dibasic Trihydrate | MP Biomedicals | 151946 | |
| Agar | Fisher Scientific | A360-500 | |
| Streptomycin sulfate | Bio Basic Inc | SB0494 | |
| 100x15mm Petri dishes | Fisher Scientific | FB0875713 | |
| 150x15mm Petri dishes | Fisher Scientific | R80150 | |
| Rectangular plate | Fisher Scientific | 12-565-450 | |
| MgCl2 Hexahydrate | Bio Basic Inc | MB0328 | |
| Glycerol | Bio Basic Inc | GB0232 | |
| MgSO4 | Bio Basic Inc | MN1988 | |
| 1 mL syringe | Fisher Scientific | NC9992493 | |
| Kimwipe | Fisher Scientific | 06-666-A | |
| Grinding tubes | Denville Scientific | B1257 | |
| Caps for grinding tubes | Denville Scientific | B1254 | |
| Stainless steel grinding ball | Fisher Scientific | 2150 | |
| 96-well plate | Fisher Scientific | 12-556-008 | |
| Sodium Salicylate | Sigma Aldrich | s3007-1kg | |
| flg22 (QRLSTGSRINSAKDDAAGLQIA) | Genescript | Made to order | |
| elf18 (Ac-SKEKFERTKPHVNVGTIG) | Genescript | Made to order | |
| Hole puncher | Staples | 146308 | |
| Biophotometer plus | Eppendorf | 952000006 | |
| PowerGen High-Throughput Homogenizer | Fisher Scientific | 02-215-503 | |
| Accu spin micro centrifuge | Fisher Scientific | 13-100-675 | |
| Multichannel pipette (10-100 µl) | Eppendorf | 3122 000.043 | |
| Multichannel pipette (30-300µl) | Eppendorf | 3122 000.060 | |
| Pipette (20µl) | Eppendorf | 3120 000.038 | |
| Pipette tips | Fisher Scientific | 3552-HR | |
| Sharpie permanent marker | Staples | 507130 | |
| 1.5 mL tube | Eppendorf | 22363204 | |
| Forceps | Fisher Scientific | 08-890 |
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