本实验方案描述了一种用于组织学观察由植瘿昆虫诱导产生的虫瘿的优化方法 芸薹根肿菌 下胚轴的振动切片在荧光成像前进行透明化处理,以研究转录因子和植物激素在病程进展中的作用。该方案克服了树脂包埋的局限性,能够实现 在植株内 荧光蛋白的可视化
方法文章
本实验方案描述了一种用于组织学观察由植瘿昆虫诱导产生的虫瘿的优化方法 芸薹根肿菌 下胚轴的振动切片在荧光成像前进行透明化处理,以研究转录因子和植物激素在病程进展中的作用。该方案克服了树脂包埋的局限性,能够实现 在植株内 荧光蛋白的可视化
土壤原生生物Plasmodiophora brassicae侵染芸薹属作物会导致地下器官形成根瘤。根瘤的形成需要对寄主植物细胞进行重编程,并改变其代谢过程,从而建立一种以病原体为导向的生理“库”,使寄主的营养物质被重新定向输送至该部位。为了全面理解这种特殊的植物-病原体互作关系,以及寄主生长发育被干扰和重塑的机制,必须在细胞分辨率水平上追踪并观察伴随根瘤形成所发生的内部变化。目前常采用荧光染料与荧光蛋白相结合的方法来研究植物的解剖结构和生理响应。然而,根瘤体积较大且透光性差,严重阻碍了显微镜下对整体样本的观察。此外,低透明度也限制了荧光显微技术在根肿病发展过程及根瘤形成研究中的应用。本文介绍了一种优化的根瘤固定与透明化方法,以促进利用落射荧光显微镜和共聚焦显微镜对P. brassicae侵染所形成的根瘤进行观察。该方法首先采用快速光学透明化组织清除方案,随后进行振动切片,以检测解剖结构变化,并通过启动子融合及荧光蛋白标记的报告基因系实现基因表达的定位分析。该技术方法还可广泛应用于研究其他由病原体诱导产生的植物结构中的细胞与生理响应,例如线虫诱导的合胞体和根结,以及昆虫引起的叶瘤和组织畸形。
受病原体或昆虫侵染的植物可能会产生异常结构(器官畸形或虫瘿),从而使入侵者能够吸收营养并繁殖1。本文采用一种高效的组织病理学方法,研究在原生生物Plasmodiophora brassicae侵染下植物地下部分所形成虫瘿内部发生的结构变化(图1)。该病原体带来的一个棘手问题是,P. brassicae的休眠孢子可在土壤中长期保持侵染能力。对于油菜(Brassica napus)的大规模种植而言,这是一个严重问题,因为经济因素限制了轮作制度的实施,导致土壤中休眠孢子不断积累2。油菜对P. brassicae引起的根肿病的抗性由遗传因素决定。然而,由于该病原体自身的生物学特性以及油菜起源时遗传背景狭窄,病原体常常能够突破抗性。因此,研究寄主植物在侵染后的响应机制,以及其延缓病害发展或阻止某些症状出现的能力,已成为当前的重要课题。
在根肿病中,病情严重程度通常根据根瘤的发育情况以及根系受损程度进行评估,这被称为病害指数(Disease Index-DI3)。然而,这种方法并不能全面反映植物与病原体相互作用的真实情况。特别是,它无法揭示病原体在根部内的分布情况,以及植物是否能够限制P. brassicae在其组织内的移动。此外,也难以预测P. brassicae对地下器官解剖结构重编程的程度。在模式植物Arabidopsis thaliana上的研究表明,P. brassicae感染会抑制木质部形成(包括起始和成熟阶段),同时促进根瘤中韧皮部的分化4,5。此外,在感病植株的根和下胚轴中,形成层细胞的子代细胞不会退出有丝分裂状态,其增殖时间比健康植株更长6。这一过程决定了根瘤的最终大小,并影响感病植株内病原体休眠孢子的产量。P. brassicae诱导的寄主发育、代谢和生理重编程极为复杂7;因此,应用能够观察根瘤内部变化的工具,对于准确评估这种互作至关重要。P. brassicae生命周期的进展伴随着寄主细胞代谢的重编程,这可表现为淀粉或脂质的沉积7,8。对根瘤进行显微观察的主要障碍在于其透明度较低。因此,目前大多数展示根肿病引起根瘤内部变化的组织学样本均采用固定-包埋(石蜡或树脂)技术,随后进行切片处理。这些方法已成功用于定位多个在根瘤中活跃表达基因的启动子活性4,5,或结合多种染色技术以观察P. brassicae生命周期的进程9。但需注意的是,固定和包埋步骤耗时较长,且可能导致重要生物分子(如脂质)部分或完全流失,从而显著影响某些观察结果。最近,研究人员利用荧光原位杂交技术(FISH)可视化了P. brassicae在寄主体内的生命周期进程,其中使用针对SABATH型甲基转移酶 (PbBSMT)基因的特异性探针标记休眠孢子的形成10。另一种良好选择是采用其他基于荧光的方法,例如观察某些细胞组分的自发荧光、将基因5'上游调控区与荧光蛋白标记融合以检测其活性,或检测特定荧光标记蛋白的积累情况。然而,除了样本透明度低之外,这类方法的另一个主要缺点是需使用未固定的样本,这显著缩短了可获得高质量图像的时间。2015年,Kurihara等人11开发了一种透明化试剂,可在保持荧光蛋白稳定的同时提高植物组织样本的透明度,并且该试剂与多种组织学染色方法兼容。最近,该技术已被成功应用于可视化植物组织中不同的细胞壁组分12,13。本文中,该方案被用于分析根瘤发育的多个方面。整个流程包括根瘤固定、振动切片、组织透明化、染色及荧光成像。根据研究需求,所得切片可在染色前后直接使用落射荧光显微镜或共聚焦显微镜进行观察。该方法为研究基因表达的局部变化和生理响应(包括植物激素平衡与信号传导)提供了有效手段。通过观察休眠孢子的分布模式和成熟动态,可追踪病害发展进程。此外,该方案还可便捷地用于成像P. brassicae感染植株中的典型变化,例如木质部形成受抑,或在抗性基因型中表现为局部木质化的寄主防御反应。本方案中的示例来自对Arabidopsis thaliana模型植物的成像研究,但该方法同样适用于芸薹科(Brassicaceae)的其他作物种类。下述方法将有助于未来对P. brassicae感染植株中伴随根瘤形成的细胞结构和分子变化开展更深入的研究。
该实验方案的总体流程相当直接,所有根肿病发育阶段均可轻松成像并进行表征(图2)。由于P. brassicae是一种土传病原体,所有实验必须在基于土壤的系统中进行。该病原体偏好酸性环境,因此必须使用未经石灰处理的土壤基质。尽管P. brassicae对人类无害,但它是一种严格的植物病原菌,可通过土壤和水传播。因此,实验结束后,所有感病植株部分以及土壤均需通过高压灭菌或漂白剂处理予以彻底销毁。
1. 植物生长条件
2. 孢子接种物的制备
注意:详见 Fuchs 等人14。
3. 组织制备与固定
4. 组织包埋与切片
5. 振动切片机切片
注意:振动切片机配备有振动剃须刀片,可用于切割植物器官/组织。振动速度、振幅、刀片角度和切片厚度均为可调节的参数(参见材料表)。
6. 样本透明化
7. 染色步骤
8. 显微镜观察
利用可染色脂质和木栓质的尼罗红,可以观察到含有脂质的病原菌休眠孢子(图3A、B)。因此,通过双重染色可获得清晰的图像,用于观察病原菌在虫瘿内的分布模式。使用Calcofluor White进行复染可产生对比,有助于同时追踪木质部发育与P. brassicae的成熟过程(图3B)。
也可通过观察未染色样品中的自发荧光(图4A)或使用碱性品红等染料对木质素进行荧光成像(图4B)来检测木质部的形成与发育。
通过该方法,可追踪基因表达变化或对生长调节剂的响应。一个典型的例子是 拟南芥 携带……的植物 pHCA2:erRFP 构建体被用于可视化 高形成层活性2(HCA2) 根肿病瘤韧皮组织中的基因表达 HCA2 基因活性先前已在分生活跃的形成层和韧皮系细胞中被发现15在此处,它在后期与韧皮部共定位 P. brassicae驱动的瘿瘤发育,其活性反映了 P. brassicae 增加韧皮部复杂性(图5)。最终图像显示,在虫瘿发育的晚期阶段,当形成层发生断裂时,韧皮部出现增殖现象。 图 5A 显示的是虫瘿未清除的手部切片,而 图5B 通过振动切片机切片并结合组织透明化处理后,获得了更为清晰且定位明确的荧光信号。样品经Calcofluor White复染。 图6 比较该图像(图6B)与经树脂包埋并用切片机切片的虫瘿中显示的相似区域图6A) 在接种后21天。通过检测感染植株与非感染植株中细胞分裂素响应差异,评估了以下基因的表达情况: TCS:GFP (双组分信号转导)标记物16 在发育中的虫瘿中(图7在对虫瘿及具有次生增厚的组织中微弱的GFP信号进行成像时,需注意成像过程中也会捕获到成熟木质部细胞自发荧光所产生的额外背景信号。

图1:油菜上的根肿病症状(B. napus)和 拟南芥 (Columbia-0)在26天接种后 Plasmodiophora brassicae 孢子 在病程过程中,整个根系会形成巨大的根瘤,导致根系极为脆弱。随后,病原体会向周围土壤中释放孢子,以促进后续的侵染。植株地上部分也表现出生长和发育不良的症状。最终,当根系完全受损,植株无法再耐受病害时,感病植株会因生长代谢和发育受到严重破坏而死亡。比例尺为1 cm。-INF 表示模拟接种,+INF 表示接种病原体 P. brassicae接种的植株。此次提供油菜植株在去除土壤前的照片,以展示健康的根系。清洗后,仅收集下胚轴和根的上部。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图 2:总体工作流程。 清洗后的Arabidopsis根系经过(A)解剖、(B)固定、(C)琼脂糖包埋、(D)装片、以及(E)在振动切片机上切片。所得样品进行组织透明处理(室温避光条件下,持续3天至数周,具体时间取决于组织类型和厚度)。(F)透明处理后的样品可进行染色,并在显微镜下观察。(G)工作流程总结。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:用尼罗红染色标记病原菌孢子。(A,B)尼罗红可染色休眠孢子中的脂质,非常适合用于追踪P. brassicae的成熟过程。(A)被P. brassicae定殖并充满病原菌孢子的膨大细胞。(B)成熟的木质部细胞也会被尼罗红染色。该切片用卡乐福卢尔白进行复染,以观察寄主细胞的分布情况(A:物镜倍数 = 20x,切片厚度 = 60 µm;B:物镜倍数 = 5x,切片厚度 = 60 µm)。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:追踪木质部发育和成熟程度。(A)木质素在紫外光激发下产生强烈的自发荧光;因此,成熟的木质部可以相对容易地区分。(B)使用碱性品红和Calcofluor进行双重染色可获得更佳效果,因为后者能对所有细胞进行染色,而成熟木质部则被碱性品红单独显著染色。通过这种方法,双重染色提供了对比度更高的图像,清晰显示了木质部形成受到明显抑制(A:物镜倍数 = 10x,切片厚度 = 60 µm;B:物镜倍数 = 10x,切片厚度 = 60 µm)。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:感染 P. brassicae 后 21 天(DPI)的植物下胚轴中 HCA2 基因的韧皮部特异性信号。 在含有 proHCA2::erRFP 的转基因 Arabidopsis thaliana 中可观察到启动子活性,如图(A)和(B)所示。在未透明化处理的徒手切片(图 A)中,由于细胞层的重叠和叠加,尤其是切面不平整时,erRFP 信号呈现弥散状;而在经过组织透明化处理后的振动切片(图 B)中,erRFP 信号能够精确标记成熟维管束中的韧皮部细胞(物镜 = 20x,切片厚度 = 60 µm)。请点击此处查看该图的放大版本。

图6:利用荧光技术对TB染色、树脂包埋及切片机切片的虫瘿进行比较。(A)甲苯胺蓝(TB)染色、树脂包埋及切片机切片虫瘿图像的比较;(B)利用荧光技术获取的一个代表性样本(亦见于图5B)。木质部细胞以黄色星号标记,形成层区域以鲜绿色括号标记,韧皮部以青色星号标记,被Plasmodiophora brassicae定殖的细胞以白色PB符号标记。树脂包埋切片(A)可提供良好的分辨率,用于研究肥大器官中休眠孢子的分布、病害发展程度,以及抗性植物中局部木质化等其他过程。然而,本文所述方案(B)能够灵敏地观察基因表达或蛋白质积累,并可视化其他生理变化及重要分子(如孢子中的脂质)。请点击此处查看该图的高清版本。

图7:追踪非侵染(-INF)和侵染条件下下胚轴中的细胞分裂素信号响应 P. brassicae-感染(+INF) 拟南芥 接种后16天的植株。 TCS::GFP 标记用于表征 在植株内 细胞分裂素响应。使用振动切片机获取切片后,进行透明处理,再用Calcofluor white染色。根据图像显示,在16天接种后(16 DPI),感染植株的虫瘿中细胞分裂素响应明显减弱(右图),而在未感染植株中仍较强,尤其是在韧皮部区域(即最终将分化形成韧皮组织的细胞)(左图)(物镜 = 5x,厚度 = 30 µm)。此外,也可观察到一定程度的木质部自发荧光。 请点击此处以查看此图的放大版本。
| 透明溶液(有毒) | ||
| 成分 | 百分比 (%) | 每 100 mL 蒸馏水中的用量 |
| Xylitol | 10% | 10g |
| Sodium Deoxycholate | 15% | 15g |
| Urea | 25% | 25g |
| 10x PBS(磷酸盐缓冲液) | 1x PBS(100 mL) | |
| NaCl | 8 g | 10 mL 10x PBS + 90 mL 蒸馏水 |
| KCl | 0.2 g | |
| KH2PO4 | 0.24 g | |
| Na2HPO4 · 2H2O | 1.81 g | |
| distilled water | 100 mL | |
| pH | 用 HCl 调节 pH 至 7.4 | |
| 高压灭菌后于 4 °C 保存。 | ||
表1:透明溶液和磷酸盐缓冲液(PBS)的组成。
| 荧光染料/标记 | 激发/发射波长 | 使用的显微镜滤光片组 |
| Nile Red | 553/636 nm | filter set 43 |
| 木质部自发荧光 | 380/475 nm | filter set 49 |
| Calcofluor White | 405/475 nm | filter set 49 |
| 碱性品红 | 561/650 nm | filter set 43 |
| erRFP | 585/608 nm | filter set 43 |
| GFP | 488/509 nm | filter set 38 |
表2:本研究选定的激发/发射光谱。
在虫瘿的振动切片机切片上应用透明溶液,无疑增强了研究芸薹油菜菌(P. brassicae)与寄主植物之间活体营养相互作用的能力。尽管该透明方案也可用于徒手切片,但在振动切片机切片上的效果更佳。使用PFA固定剂对样品进行固定是该方案中的关键步骤,因为固定后的样品可在4 °C下保存数天后再进行切片。这为样品在有限时间内储存提供了灵活性,同时在固定过程中不会影响荧光蛋白的表达与保存。
由于尼罗红(溶于DMSO或甲醇)具有疏水性,会溶解树脂并破坏树脂包埋的切片,因此不能用于树脂切片17。因此,振动切片机切片在研究病原体在发育中虫瘿内的分布及其生命周期时具有重要作用,其中可方便地使用尼罗红染色。
本方案中使用的透明溶液具有高度通用性12,可结合多种荧光染料,以不同组合对细胞壁的各种生物分子/组分(如栓质、木质素、纤维素以及真菌互作中的几丁质)进行染色。此外,还可对表达荧光GFP标记的品系切片进行复染,从而将启动子活性或蛋白质积累模式与病原菌在虫瘿特定细胞或区域的存在情况进行关联分析。然而,即使经过透明处理,木质部及充满病原菌的巨型细胞仍会产生背景自发荧光,无法完全消除。这在虫瘿发育后期观察荧光标记时构成一定局限性,尤其是在使用落射荧光显微镜检测微弱信号时更为明显。
由于荧光信号的表达/积累水平较低,转录因子难以被检测,但利用该技术可以获得令人满意的转录因子成像结果。总体而言,将振动切片与组织透明化方法相结合,拓展了对结构复杂的虫瘿组织进行组织学观察的技术手段。本方案具有良好的灵活性,可简化组织固定流程,并缩短对新鲜组织样本进行切片和成像以观察荧光蛋白及启动子活性所需的时间。通过进一步优化,并结合针对不同生物分子的其他特异性荧光染料,该方法将在致密、不透明且组织结构复杂的组织的组织学研究和图像分析中取得更大进展。近年来,所展示的这种组织透明化方法已成为一种广受欢迎且被广泛采用的方案,可用于联合检测并同时获取多种荧光信号11,12,13。此类技术未来的进一步发展与改进将显著提高在细胞水平上观察植物-病原体互作的图像分辨率。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由波兰国家科学中心 OPUS17 项目(编号 2019/33/B/NZ9/00751)资助,项目名称为"根肿菌(Plasmodiophora brassicae)侵染植物中的长距离维管组织协调"。我们感谢剑桥大学萨克勒研究所 Yrjö Helariutta 教授分享 proHCA2::erRFP 菌株。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2N 硫酸 (H2SO4) | Roth | UN2796 | pH 调节 |
| 琼脂糖 | PRONA | BGQT100 | 包埋 |
| 碱性品红 | BIOSHOP | BSF410.5 | 荧光染料 |
| Calcofluor 白色 | Sigma Aldrich | 18909-100ML-F | 荧光染料 |
| 商业漂白剂 | Domestos | ||
| 氰基丙烯酸酯/速溶胶 | Kropelka | 胶粘剂 | |
| 二甲基亚砜 (DMSO) | BIOSHOP | DMS555.500 | 溶剂 |
| 落射荧光显微镜 | 卡尔蔡司 M2 自动落射荧光显微镜,带 Colibri LED 系统 | 卡尔蔡司 M2 | 卡尔蔡司滤光片套装 滤光片套装 38、43、49 已使用 |
| 振动切片机 | 徕卡 | VT1200 S | |
| 光度计 /光度计 | LI-COR Biosciences | LI-250A + LI-190R 量子传感器 | 用于测量 400-700nm (PAR) 波段内的光强度 |
| 遮蔽胶带 | 用于将琼脂糖块粘在模具上 | ||
| Murashige &Skoog 培养基(MS 培养基) | Duchefa Biochemie | MO222.0050 | 植物生长培养基 |
| 尼罗河红 | Sigma Aldrich | N3013-100MG | 荧光染料 |
| 多聚甲醛 PFA | Sigma Aldrich | 158127-100G | 固定剂 |
| 氯化钾 (KCl) | POCH | 739740114 | PBS 成分 |
| 氢氧化钾 (KOH) | Sigma Aldrich | P1767-250G | pH 值调节 |
| 磷酸二氢钾 (KH2PO4) | BIOSHOP | PPM302.500 | PBS 成分 |
| 氯化钠 (NaCl) | BIOSHOP | SOD001.1 | PBS 成分 |
| 脱氧胆酸钠 | Sigma Aldrich | D6750-25G | 透明化溶液 |
| 磷酸氢二钠 (Na2HPO4 · 2H2O) | POCH | 799490116 PBS 成分 | |
| Triton X-100 | BIOSHOP | TRX506.100 | 固定剂 |
| 尿素 | Sigma Aldrich | U5378-100G | 真空 |
| /压力泵和 Dessicator | Welch by Gardner Denver | 2522C-02 | 用于真空过滤 |
| 木糖醇 | Sigma Aldrich | X3375-25G | 透明溶液 (componenet) |
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