RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
zh_CN
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
该协议详细介绍了用土壤微生物接种植物根部的策略。以真菌黄霉菌和大丽黄萎病为例,描述了三种不同的根部感染系统。重点介绍潜在应用和可能的下游分析,并讨论每个系统的优缺点。
根际拥有高度复杂的微生物群落,其中植物根系不断受到挑战。根系与各种各样的微生物密切接触,但对土壤相互作用的研究仍然落后于对地上器官进行的研究。虽然文献中描述了一些用模型根病原体感染模型植物的接种策略,但仍然难以获得全面的方法学概述。为了解决这个问题,精确描述了三种不同的根接种系统,可以应用于深入了解根 - 微生物相互作用的生物学。为了说明, 黄萎病 菌种(即 长孢子虫 和 大丽弧菌)被用作根入侵模型病原体。然而,这些方法可以很容易地适应其他根定植微生物 - 包括致病性和有益性。通过在植物木质部定殖,维管束土生真菌(如 黄萎病 属)表现出独特的生活方式。根系侵袭后,它们 通过 木质部血管向肢扩散,到达芽部,并引起疾病症状。选择三种代表性植物物种作为模型宿主: 拟南芥,经济上重要的油菜(Brassica napus)和番茄(Solanum lycopersicum)。给出了分步实验方案。显示了致病性测定的代表性结果,标记基因的转录分析以及报告基因构建的独立确认。此外,还彻底讨论了每种接种系统的优缺点。这些经过验证的协议可以帮助为根 - 微生物相互作用的研究问题提供方法。了解植物如何应对土壤中的微生物对于制定改善农业的新策略至关重要。
天然土壤中栖息着数量惊人的微生物,这些微生物可能是中性的,有害的或对植物有益的1。许多植物病原体是土壤传播的,围绕着根部,并攻击地下器官。这些微生物属于各种各样的分支:真菌,卵菌,细菌,线虫,昆虫和一些病毒1,2。一旦环境条件有利于感染,易感植物就会患病,作物产量就会下降。气候变化的影响,如全球变暖和极端天气,将增加土壤传播植物病原体的比例3.因此,研究这些破坏性微生物及其对粮食和饲料生产的影响,以及对自然生态系统的影响将变得越来越重要。此外,土壤中存在与根系紧密相互作用并促进植物生长,发育和免疫力的微生物互助剂。当面对病原体时,植物可以积极地在根际中招募特定的对手,这些对手可以通过抑制病原体来支持宿主的生存4,5,6,7。然而,参与有益根 - 微生物相互作用的机制细节和途径通常仍然是未知的6。
因此,必须扩大对根 - 微生物相互作用的一般理解。用土壤微生物接种根系的可靠方法对于进行模型研究并将研究结果转移到农业应用中是必要的。例如,研究了土壤中的有益相互作用,例如,与Serendipita indica(以前称为Piriformospora indica),固氮根茎属或菌根真菌,而已知的土生植物病原体包括Ralstonia solanacearum,Phytophthora spp.,Fusarium spp.和Verticillium spp.1。后两者是真菌属,分布全球,可引起血管疾病2。黄萎病属(子囊菌)可以感染数百种植物物种 - 主要是双子叶植物,包括草本一年生植物,木本多年生植物和许多作物植物2,8。黄萎病菌丝进入根部,并在细胞间和细胞内向中央圆柱体生长以定植木质部血管2,9。在这些容器中,真菌在其大部分生命周期中保持存在。由于木质部汁液营养贫乏,并且携带植物防御化合物,真菌必须适应这种独特的环境。这是通过分泌与定植相关的蛋白质来实现的,这些蛋白质使病原体能够在其宿主10,11中存活。到达根脉管系统后,真菌可以在木质部血管内向半向扩散到叶子,这导致宿主9,12的全身定植。在这一点上,植物在生长中受到负面影响9,10,13。例如,发育迟缓和黄叶以及过早衰老13,14,15,16。
该属的一个成员是Verticillium longisporum,它高度适应芸苔属宿主,例如农学上重要的油菜,花椰菜和模型植物拟南芥12。几项研究结合了V. longisporum和A. thaliana,以获得对土壤传播的血管疾病和由此产生的根系防御反应13,15,16,17的广泛见解。通过使用长孢弧菌/拟南芥杆菌模型系统可以实现直接的药敏性测试,并且两种生物体都可以获得完善的遗传资源。与长孢子虫密切相关的是病原体大丽黄萎病菌。虽然两种真菌在血管生活方式和侵袭过程中表现相似,但它们从根到叶的繁殖效率和拟南芥引发的疾病症状是不同的:虽然长孢子虫通常诱导早期衰老,但大丽弧菌感染导致枯萎18。最近,一个方法学摘要提出了用长孢子虫或大丽弧菌感染拟南芥的不同根接种策略,有助于规划实验设置19。在田间,长孢子虫偶尔会对油菜生产12造成重大损害,而大丽弧菌的宿主范围非常广泛,包括几种栽培物种,如葡萄藤、马铃薯和番茄8。这使得这两种病原体在经济上都很有趣。
因此,以下方案使用 长孢子虫 和 大丽弧菌 作为根部病原体的模型,以举例说明根部接种的可能方法。拟南芥(拟南芥),油菜(Brassica napus)和番茄(Solanum lycopersicum)被选为模型宿主。有关这些方法的详细说明,请参阅下面的文本和随附的视频。讨论了每种接种系统的优缺点。总而言之,该协议收集可以帮助确定根 - 微生物相互作用背景下特定研究问题的合适方法。
1. 真菌培养基和植物接种系统
2.对植物种子表面进行杀菌
注意:在播种前,始终使用以下方案对拟南芥,油菜和番茄的种子表面进行灭菌。
3.用黄 萎孢 子(无性分生孢子)制备接种物
注意:以与长孢菌(菌株Vl43)17,18,19相同的方式培养大丽弧菌(菌株JR2)。确保所有设备和培养基无菌,并且所有步骤都在层流罩中执行,以保持接种物的轴性。
4. 基于培养皿的无菌 体外 接种系统
注意:对于培养皿系统17,确保所有设备和培养基均无菌,并且所有步骤都在层流罩中执行。
5. 用塑料杯组织的无菌 体外 接种系统
注:如该技术的第一描述19所述,确保所有设备和介质均无菌,并且所有步骤均在层流罩中执行。
6. 基于土壤的盆栽接种系统
7. 分析数据

图1:三种接种系统和方案中各个步骤的汇编。 这些数字说明了模型植物 拟南芥的系统。对于其他植物物种,必须调整时间。橙色框突出显示,对于这些框,最建议使用相应系统进行后续分析。(A)对于培养皿17中的接种系统,倒入培养基并使其凝固。将盘子放在冰箱中过夜。然后,用手术刀切割并去除上三分之一以及感染通道(IC)(从琼脂中去除插图中的白色区域,而蓝色区域代表琼脂)。将种子放在切好的表面上,并关闭培养皿。分层后,垂直放置板,让植物生长。一旦大多数根部到达感染通道,用移液管将孢子溶液直接加入通道中。确保解决方案均匀分布。关闭培养皿并将其垂直孵育在生长室中。可能遵循的方法是使用定量逆转录PCR(qRT-PCR)进行表达分析,使用报告线进行显微镜检查以及微生物DNA的定量。(B)对于塑料杯19中的接种系统,倒入培养基并用预制孔转移分离塑料层(角落中的四个小孔用于放置种子,中心有一个大孔用于感染通道)。让介质固化。用手术刀切除中心孔中的琼脂培养基,以获得感染通道(IC)。在较小的孔中划伤培养基并转移种子。用倒置的杯子关闭杯子,并用透气胶带(以黄色符号)密封。让植物生长。对于接种,用移液管将孢子溶液直接加入感染通道。关闭系统,在生长室中继续栽培。可能遵循的方法包括使用qRT-PCR进行表达分析,定量微生物DNA,以及测定鲜重,叶面积或其他疾病特征。(C) "根浸接种"15、17、23、24:对于基于土壤的接种系统,用土壤:沙子混合物填充花盆。转移种子,让幼苗生长。挖掘类似大小的植物,并在水中清洗根部。将洗过的根放入培养皿中,将溶液与孢子一起放置。孵育后,将单株植物插入有土壤的花盆中。可能遵循的方法包括使用qRT-PCR对叶片进行表达分析,定量微生物DNA,以及测定鲜重,叶面积或其他疾病特征。 请点击此处查看此图的大图。
按照方案,种植植物并接种 长孢菌 (菌株 Vl4325)或 大丽弧菌 (分离株JR218)。设计了各种方案来证明有效性并突出显示给定协议的某些功能。显示代表性结局。
参与抗菌吲哚-硫代葡萄糖苷(IG)生物合成的基因的表达诱导是评估黄萎病感染的可靠指标17,19,26。在拟南芥中,MYB51(MYB结构域蛋白51;AT1G18570)编码参与IG生物合成所需基因激活的转录因子27。MYB51可以作为表明成功侵扰的标志基因,因为它始终由V. longisporum26或其他土生真菌(如Phytophthora parasitica26和镰刀菌21)在根部诱导。在基于培养皿的系统中接种后两天(2 dpi),在拟南芥根部观察到MYB51的诱导。报告植物品系PromMYB51::YFP21公开了启动子活化,qRT-PCR分析证实了该基因的显着转录诱导(图2A-B)。这些实验旨在确定感染期间根系的表达变化。
由于本研究中使用的 黄萎病 菌种执行血管生活方式并通过木质部血管从根部扩散 到芽, 因此可以确定叶片中真菌DNA的量作为真菌繁殖程度的参数。拟南芥在塑料杯 中在体外 系统中接种根,12天后收获玫瑰花。与在模拟对照中检测到的背景值相比,在受感染植物的叶子中发现了大量的真菌DNA(图2C)。这表明感染已成功进展。为了进一步检查,可以量化不同植物基因型中真菌DNA的量,以深入了解根防御反应。此外,此时收集根系以测试 通过 qRT-PCR诱导标记基因。 MYB51 转录本丰度显著富集(图2D)。这表明药敏试验和表达分析可以很容易地与杯子系统并行进行,这凸显了该程序的巨大优势。
为了包括其他模型植物物种也可以被引入的证据,油菜在塑料杯中感染了长孢子虫,番茄感染了大丽弧菌。在根部接种后的第12天,在幼苗基部切割的茎段中定量真菌DNA的量(图2E-F)。在两种植物物种中都可以检测到真菌DNA,表明病原体在植物内繁殖。同样,可以测试不同的植物基因型,以获得有关防御机制的知识。
如果感兴趣的根定植微生物没有从根传播到叶子,则不可能量化叶子中微生物DNA的数量作为疾病严重程度的参数。测量疾病严重程度的另一种选择是评估和推断宿主的症状。为了举例说明这一点,拟南芥在土壤系统中接种了大丽花弧菌,并评估了绿叶面积(图2G-H)。虽然经过模拟处理的植物的玫瑰花看起来健康和绿色,但感染病原体的植物的叶子尺寸减小,叶子变黄甚至坏死。以这种方式,可以分析和确认不同植物基因型的易感性,例如,通过量化新鲜重量。

图2:通过遵循方案获得的代表性结果。(A,B)拟南芥根在培养皿系统中接种了长孢弧菌。报告线PromMYB51::YFP21显示,与模拟对照相比,MYB51启动子在受感染的根部中具有很强的活化作用(显微镜检查在2 dpi;比例尺:50μm)。通过qRT-PCR分析(2 dpi)进一步证实了MYB51在野生型(WT)根系中的转录诱导。受感染样本的值相对于模拟样本(设置为 1)(n = 5;± SD)给出。(C)通过长孢弧菌进行全身定植:在杯状系统中接种拟南芥根后,通过定量PCR(qPCR;12 dpi)测定叶片中真菌DNA的相对量。受感染样本的值相对于模拟样本中的背景水平(设置为 1)(n = 3;± SD)给出。(D)从杯子系统中收获感染的长孢菌和模拟处理的根部,并进行qRT-PCR分析。受感染样本的值相对于模拟样本(设置为 1)(n = 3;± SD)给出。发现MYB51是转录诱导的(12 dpi)。(E)在杯子系统中接种油菜,用长孢子虫接种,并通过qPCR定量茎段真菌DNA的相对量(12 dpi)。受感染样本的值相对于模拟样本中的背景水平(设置为 1)(n = 3;± SD)给出。(F)将番茄接种在杯子系统中,用大丽弧菌(12 dpi)通过qPCR定量真菌DNA的相对量。受感染样本的值相对于模拟样本中的背景水平(设置为 1)(n = 5;± SD)给出。(G,H)拟南芥在土壤系统中用大丽弧菌接种,并显示受感染和模拟处理的植物的代表性图片(21 dpi)。检查了绿叶区域。相对于模拟植物(设置为1),受感染植物的绿叶面积较小(n = 5;±SD)。(B-F,H)对于引物对,请参见19;统计:学生的 t 检验相对于模拟,* p≤ 0.05,** p ≤ 0.01,*** p ≤ 0.001。请点击此处查看此图的大图。
作者没有什么可透露的。
该协议详细介绍了用土壤微生物接种植物根部的策略。以真菌黄霉菌和大丽黄萎病为例,描述了三种不同的根部感染系统。重点介绍潜在应用和可能的下游分析,并讨论每个系统的优缺点。
作者感谢Tim Iven和Jaqueline Komorek之前在这些方法上的工作,Wolfgang Dröge-Laser(德国维尔茨堡大学药物生物学系)为这项工作提供了所需的设备和资源,Wolfgang Dröge-Laser以及Philipp Kreisz(都是维尔茨堡大学)对手稿进行了批判性校对。这项研究得到了"Deutsche Forschungsgemeinschaft"(DFG,DR273/15-1,2)的支持。
| 琼脂 (Gelrite) | Carl Roth | Nr. 0039 | 所有描述的系统都需要 Gelrite |
| 拟南芥野生型 | NASC 原种 | Col-0 (N1092) | |
| 高压灭菌 | 器Systec | VE-100 | |
| BlattFlaeche | Datinf GmbH | BlattFlaeche | 软件来确定叶面积 |
| 甘蓝型油菜野生型 | 参见 Floerl et al., 2008 | 快速循环油菜 | 基因组 ACaacc |
| 头孢噻肟钠 | Duchefa | C0111 | |
| Chicanery 培养瓶 500 mL | Duran Group / neoLab | E-1090 | 锥形瓶,带四个挡板 |
| 收集管 50 mL | Sarstedt | 62.547.254 | 114 x 28 mm |
| Czapek 葡萄糖肉汤中 | Duchefa | C1714 | |
| 数码相机 | 尼康 | D3100 18-55 VR | |
| 干燥器(干燥器) | Duran Group | 200 DN,5.8 L | 带盖密封,可容纳氯气 |
| 荧光显微镜 | 徕卡 Leica | TCS SP5 II | |
| HCl | Carl Roth | P074.3 | |
| KNO3 | Carl Roth | P021.1 | ≥ 99 % |
| KOH | Carl Roth | 6751 | |
| Leukopor | BSN medical GmbH | 2454-00 AP | 无纺布胶带 2.5 cm x 9.2 m |
| MES(2-(N-吗啉代)乙磺酸) | Carl Roth | 4256.2 | Pufferan ≥ 99 % |
| MgSO4 | Carl Roth | T888.1 | 硫酸镁-七水合 |
| Murashige&Skoog 培养基 (MS) | Duchefa | M0222 | MS 包括维生素 |
| NaClO | Carl Roth | 9062.1 | |
| Percival 生长室 | CLF Plant Climatics GmbH | AR-66L2 | |
| 培养皿 | Sarstedt | 82.1473.001 | 大小 ØxH: 92 & 次;16 毫米 |
| 塑料杯(500 毫升,透明) | Pro-pac,沙拉盒x | 5070 | 尺寸:108 × 81 × 102 毫米 |
| 褶皱纤维素过滤器 | Hartenstein | FF12 | 颗粒截留水平 8–12 μm |
| poly klima 生长室 | poly klima GmbH | PK 520 WLED | |
| 马铃薯葡萄糖肉汤培养基 | SIGMA Aldrich | P6685 | 用于微生物学 |
| 花盆 | Pöppelmann GmbH | TO 7 D 或 TO 9,5 D | Ø 7 cm resp. Ø 9.5 cm |
| PromMYB51::YFP | see Poncini et al., 2017 | MYB51 报告线 | YFP(即 3xmVenus 与 NLS) |
| 反应管 2 mL | Sarstedt | 72.695.400 | PCR 性能测试 |
| 旋转(轨道)摇床 | Edmund Bühler | SM 30 C 控制 | |
| 沙 (鸟沙) | Pet Bistro, Müller 持有 | 786157 | |
| 土壤 | Einheitserde spezial | SP Pikier (SP ED 63 P) | |
| Solanum lycopersicum野生型 | 参见 Chavarro-Carrero et al., 2021 | 类型: Moneymaker | |
| Thoma 细胞计数室 | Marienfeld | 642710 | 深度 0.020 mm;0.0025 mm2 |
| 超纯水 (Milli-Q纯净水) | MERK | IQ 7003/7005 | 净化后获得的水 |
| 大丽轮枝菌 | 参见 Reusche et al., 2014 | 分离 JR2 | |
| Verticillium longisporum | Zeise 和 von Tiedemann, 2002 | 菌株 Vl43 |