本方案描述了在病毒与胞间连丝相互作用或胞间连丝运输过程中,针对蛋白质靶向胞间连丝的共聚焦显微镜分析,如何选择最优的胞间连丝标记物。
本方案描述了在病毒与胞间连丝相互作用或胞间连丝运输过程中,针对蛋白质靶向胞间连丝的共聚焦显微镜分析,如何选择最优的胞间连丝标记物。
胞间连丝是连接相邻植物细胞胞质的膜性纳米通道,可介导营养物质、大分子以及侵入性病毒在细胞间的运输。胞间连丝在调控细胞间通讯中发挥基础性作用,参与植物发育、环境响应以及与病毒病原体的相互作用。发现植物或病毒蛋白在胞间连丝的定位,可为该蛋白的功能提供有价值的线索,对于理解植物-病毒互作机制也具有重要意义。为促进相关研究,本文描述了一种基于共聚焦显微镜的实验方案,用于分析不同靶向胞间连丝的蛋白,以筛选最适合研究病毒-胞间连丝互作或胞间连丝运输过程的胞间连丝标记蛋白。具体而言,本方案以病毒的细胞间移动蛋白(MP)为例,展示了上述分析过程。 芜菁脉明病毒 (TVCV),该 拟南芥 质体连接蛋白5(PDLP5)和质体连接钙调结合蛋白1(PDCB1)。质体连接蛋白的定位数据与利用苯胺蓝染色对取样组织中质体连接进行的整体可视化分析平行进行。这些方法可轻松适用于分析任何细胞内或病原体蛋白在植物体内的质体连接定位。
胞间连丝(plasmodesmata, PD)通过调控细胞间通讯,在控制植物发育、环境响应以及与病毒病原体的相互作用中发挥着基础性作用1,2。PD最初形成于细胞质分裂过程中,数百个PD被插入两个子细胞之间的新细胞壁中,从而为细胞间的通讯提供通道3,4。PD是一种富含膜结构的复合体,其中央区域包含由内质网(endoplasmic reticulum, ER)衍生而来的膜结构——穿胞间连丝连丝微管(trans-PD desmotubule),其周围由质膜衬覆3,4。比较蛋白质组学方法已鉴定出大量PD功能蛋白,包括β-1,3-葡聚糖酶(β-1,3-glucanases, BGs)、胼胝质合酶(callose synthases, CALSs)、定位于胞间连丝的蛋白(plasmodesmata-located proteins, PDLPs)、胼胝质结合蛋白(callose-binding proteins, PDCBs)、含多个C2结构域的跨膜区蛋白(multiple C2 domains transmembrane region proteins, MCTPs)3,以及富含亮氨酸重复序列的类受体蛋白激酶(leucine-rich repeat receptor-like kinases, RLK)5。最近,Kirk 等人开发了一种名为“胞间连丝体外蛋白质组1”(plasmodesmata in silico proteome 1, PIP1)的工具,使得在22种植物物种中预测新的PD蛋白成为可能6。PD的通透性和结构在植物发育过程及应对各种胁迫过程中会发生动态变化。在PD周围颈区部位胼胝质(β-1,3-葡聚糖)的沉积与水解,是调控PD功能最为广泛认知的机制之一7。
许多病原微生物,包括真菌、细菌和病毒,可在感染过程中操控胞间连丝(plasmodesmata, PD)的扩张或结构2,8,9。Magnaporthe oryzae 是水稻稻瘟病的致病菌,其通过在细胞间穿行的胞内侵入性菌丝经由胞间连丝实现细胞间的转移8。细菌病原体 Pseudomonas syringae pv. tomato 需要效应蛋白 HopO1-1 与 PDLP7 相互作用并使其不稳定,从而破坏胞间连丝结构,促进其在寄主植物中的细胞间移动与扩散,增加拟南芥(Arabidopsis)邻近细胞的分子通量9。然而,植物病毒在调控胞间连丝以实现细胞间传播方面更具多样性,其病毒运动蛋白(MP)可促进细胞间的移动2。由于胞间连丝在调控植物发育与生长方面具有重要功能,并且与植物病原微生物存在相互作用,近年来受到越来越多的关注。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中,存在两类主要的胞间连丝功能蛋白:PDLPs(1-8)和 PDCBs(1-5),其中许多成员如 PDLP51,10,11、PDLP112、PDLP613、PDLP714 和 PDCB115 被发现可通过调控胼胝质沉积来影响胞间连丝的通透性。然而,部分 PDLPs 被发现具有功能冗余性,例如 pdlp1 和 pdlp1,2 的敲除突变体对分子运输无明显影响,而 pdlp1,3 和 pdlp2,3 的双敲除突变体则表现出胞间连丝通透性增强16。有趣的是,单独下调/敲除或过表达 PDLP5 分别导致胞间连丝通透性升高或降低1,17。最近,Li 等人发现 PDLP5 与 PDLP6 在不同的细胞界面上发挥作用13。这些结果表明,PDLP5 可能与其他 PDLPs 具有非冗余的功能。
由于胞间连丝(PD)在细胞间通讯中具有关键作用,我们开发了一种实验方案,将植物胞间连丝蛋白PDLP5和PDCB1,以及芜菁脉明病毒(Turnip vein-clearing virus,TVCV)的病毒细胞间运动蛋白(MP),作为简单、便捷且可靠的胞间连丝标记物用于细胞生物学实验。为进一步验证结果,同时平行采用苯胺蓝染色法对取样组织进行胞间连丝的可视化观察。本文所述的PDLP5、PDCB1和TVCV MP在胞间连丝定位的实验方案,可轻松适用于分析任何细胞来源或病原体来源蛋白在活体植物中是否可能定位于胞间连丝。
本研究中所用试剂和设备的详细信息见材料表。
1. 植物生长
2. 载体构建
3. 农杆菌浸润
4. 苯胺蓝染色
5. 共聚焦显微镜
6. 数据分析
为了促进对胞间连丝(PD)在植物生理学中功能及其与病原体相互作用的研究,开发了三种简单且可靠的用于PD定位的参考蛋白。选取了两种细胞内的PD蛋白,以及由植物烟草花叶病毒TVCV编码的病原体来源的运动蛋白(MP)。通过将自荧光报告蛋白EGFP融合至各蛋白的C末端,可视化这些蛋白的亚细胞定位。在另一种方法中,通过苯胺蓝染色标记与PD相关的胼胝质沉积物来观察PD。实验结果显示,PDLP5和MP均表现出点状的PD定位,其中MP还定位于细胞核内(图1A),这与先前报道一致25。相比之下,PDCB1似乎在PD和内质网(ER)之间分布(图1A)。对于在解读GFP标记蛋白亚细胞定位方面经验较少的研究人员,图1A还展示了EGFP在植物细胞中表达时典型的核质共分布模式。为验证PDCB1的ER信号,我们将PDCB1与一个ER标记蛋白共表达,发现PDCB1信号与ER标记信号重叠(图1B)。为了评估被测蛋白在PD定位中的效率,计算了表达荧光信号且该信号呈现PD定位的细胞所占百分比(表1)。
利用参考蛋白进行亚细胞定位鉴定时,了解参考蛋白表达的时间尺度及其定位可能发生的改变具有重要意义。图2展示了在通过苯胺蓝染色观察胞间连丝(PD)时,MP、PDLP5和PDCB1的此类动力学特征。MP和PDLP5在侵染后1天(dpi)即开始在胞间连丝处积累,该积累在2 dpi时达到明显峰值,并在随后5天内保持稳定,之后信号强度下降,最可能的原因是蛋白降解。PDCB1的亚细胞分选过程则更为复杂:在侵染后的前3天内,PDCB1表现出较强的内质网(ER)信号,几乎完全掩盖了胞间连丝特异性的定位信号;而在5 dpi时,后者信号变得更加明显(图2),尽管呈现该信号的细胞数量较少。有趣的是,PDCB1清晰的胞间连丝定位模式在5 dpi后出现的同时,显示EGFP信号的细胞数量显著减少(补充图1)。因此,MP和PDLP5可作为胞间连丝的参考蛋白,在大多数其他细胞区室中背景信号较低,最佳可视化时间窗口为侵染后2–5天。而PDCB1则不太适合作为胞间连丝标记蛋白。
随后验证了在其他胞间连丝蛋白存在的情况下,PD标记蛋白仍能保持其亚细胞定位特异性。为此,将MP-EGFP或PDLP5-EGFP与一种定位于胞间连丝的蛋白共表达26 另一种植物病毒——带C端蓝色荧光蛋白(CFP)标签的烟草花叶病毒(TMV)的运动蛋白。 图3 表明在这两种情况下,共表达的蛋白质均呈现出清晰的胞间连丝(PD)定位模式。同样,对表达 MP-EGFP 或 PDLP5-EGFP 的组织进行胞间连丝特异性的苯胺蓝组织学染色,结果显示 EGFP 信号与苯胺蓝信号在胞间连丝的定位上未出现干扰图3).
PD 定位研究通常受益于对参考蛋白的整体表达水平和 PD 信号进行更定量的评估。该定量方法在图4和图5中进行了展示。为了量化总体表达水平,检测了 PDLP5 和 MP 的信号强度。在 10 dpi 期间的各个观察时间点,这两种蛋白均表现出较强的信号,其中 PDLP5 在 3 dpi 时信号强度最高,而 MP 在 2 dpi 时达到峰值(图4)。在任何观察时间点,PDLP5 与 MP 之间的信号强度均无统计学显著差异。PDCB1 的信号强度在不同时间点间波动较大,最强信号出现在 7 dpi(图4),但由于表达细胞数量稀少,该时间点难以获得具有统计学意义的数据。因此,前 3 dpi 是检测 PDCB1 表达的最佳时机。正如预期,苯胺蓝染色样品的信号比瞬时表达蛋白更为稳定(图4)。
随后对PDLP5和MP形成的胞间连丝(PD)点状结构进行了定量分析。PDLP5在整个观察期间形成的胞间连丝点状结构数量保持稳定,各检测时间点之间均无统计学上的显著差异(图5)。MP形成的胞间连丝点状结构数量在接种后2天(2 dpi)达到最高,并在观察期结束前保持相对稳定。比较PDLP5与MP在不同时间点形成的胞间连丝点状结构数量,发现大多数取样时间点之间均无统计学上的显著差异(图5)。用苯胺蓝染色的胞间连丝点状结构数量也保持稳定,尽管在接种后10天(10 dpi)略有下降。苯胺蓝、PDLP5和MP标记的胞间连丝点状结构数量彼此相近,且具有统计学显著性(图5),这与这些标记物对胞间连丝的特异性一致。PDCB1的胞间连丝点状结构数量未进行分析,因为在早期时间点其胞间连丝信号被内质网(ER)信号掩盖,而在后期时间点仅在相对较少的细胞中可观察到(见图2)。

图1:瞬时表达于本氏烟草(Nicotiana benthamiana)中的TVCV运动蛋白(MP)、PDLP5和PDCB1的胞间连丝(PD)定位,以及胞间连丝的苯胺蓝染色。(A)MP-EGFP、PDLP5-EGFP和PDCB1-EGFP的胞间连丝定位及苯胺蓝染色结果。EGFP信号显示为绿色,苯胺蓝信号显示为蓝色,质体自发荧光显示为红色。(B)MP-EGFP、PDLP5-EGFP和PDCB1-EGFP与标记有mRFP的内质网(ER)标记蛋白共表达的结果。图像采集于侵染后2天(dpi),为两次独立实验中代表性单层共聚焦切片图像(N = 来自2株植物的20张图像)。EGFP信号显示为绿色,mRFP信号显示为紫色,质体自发荧光显示为红色。黄色箭头指示定位于内质网的PDCB1。比例尺 = 5 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:TVCV MP、PDLP5 和 PDCB1 在Nicotiana benthamiana中瞬时表达后的胞间连丝(PD)定位时间过程,以及胞间连丝的苯胺蓝染色结果。 图像记录于接种后2天(2 dpi),均为代表两次独立实验的单个共聚焦光学切片(除PDCB1-EGFP在7 dpi和10 dpi时仅有较少细胞显示信号外,所有系统均来自2株植物的20张图像)。EGFP信号显示为绿色,苯胺蓝信号显示为蓝色。比例尺 = 5 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:TVCV MP和PDLP5在与定位于胞间连丝的TMV MP共表达并用苯胺蓝共染色后,仍保持其在胞间连丝上的定位。图像采集于接种后2天(2 dpi),为来自4–6株植物的N ≥ 10张图像中具有代表性的单个共聚焦光学切片。EGFP信号显示为绿色,CFP信号和苯胺蓝信号显示为蓝色,质体自发荧光显示为红色。比例尺 = 5 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:瞬时表达于本氏烟草(Nicotiana benthamiana)中的TVCV MP、PDLP5和PDCB1的荧光强度随时间变化以及苯胺蓝PD染色结果。 定量数据来自图2中描述的实验。误差线表示多次实验均值的标准差。每个数据点代表单次测量的平均值。采用双因素方差分析(two-way ANOVA)结合Tukey多重比较检验评估均值之间的差异,*P < 0.05,**P < 0.01,***P < 0.001,****P < 0.0001表示差异具有统计学显著性;ns表示无统计学显著性。蓝色柱代表苯胺蓝染色结果;浅绿色柱代表MP-EGFP;深绿色柱代表PDLP5-EGFP;黄色柱代表PDCB1-EGFP。请点击此处查看该图的高清版本。

图 5:瞬时表达于本氏烟草(Nicotiana benthamiana)中的 TVCV MP 和 PDLP5 以及苯胺蓝染色检测的胞间连丝(PD)斑点形成的时间进程。定量数据来自图 2中描述的实验。误差线表示多次实验平均值的标准差。每个数据点表示每次测量的平均值。采用双因素方差分析(ANOVA)结合 Tukey 多重比较检验评估均值间的差异,P 值具有统计学显著性:*P < 0.05,**P < 0.01,***P < 0.001,****P < 0.0001。蓝色柱代表苯胺蓝染色结果;浅绿色柱代表 MP-EGFP;深绿色柱代表 PDLP5-EGFP。请点击此处查看该图的放大版本。
| 实验 I | ||||
| 总细胞数 | 具有胞间连丝定位的细胞 | 具有混合信号的细胞 | 具有胞间连丝定位的细胞 (%) | |
| Aniline blue | 40 | 40 | 4 | 100 |
| MP-EGFP | 40 | 40 | 4 | 100 |
| PDCB1-EGFP | 40 | 3 | 38 | 7.5 |
| PDLP5-EGFP | 40 | 40 | 0 | 100 |
| 实验 II | ||||
| 总细胞数 | 具有胞间连丝定位的细胞 | 具有混合信号的细胞 | 具有胞间连丝定位的细胞 (%) | |
| Aniline blue | 40 | 40 | 8 | 100 |
| MP-EGFP | 40 | 39 | 8 | 97.5 |
| PDCB1-EGFP | 40 | 12 | 31 | 30 |
| PDLP5-EGFP | 40 | 39 | 2 | 97.5 |
表1:PD定位效率。
补充图1:瞬时表达于本氏烟草(Nicotiana benthamiana)中的TVCV运动蛋白(MP)、PDLP5和PDCB1在胞间连丝中的定位。 图像分别在接种后5天(A)、7天(B)和10天(C)采集。EGFP信号显示为绿色,质体自发荧光为红色。比例尺 = 20 µm。 请点击此处下载该文件。
在植物正常发育和形态发生过程中,以及在植物与病原体互作期间,对植物细胞间通讯和细胞间运输进行任何细胞生物学研究,都需要检测并监测蛋白质(包括内源性蛋白和病原体编码的蛋白)向植物细胞间连接结构——胞间连丝(plasmodesmata, PD)的分选过程。若能使用可靠且稳定定位于PD的参考蛋白(无论是内源性蛋白还是病原体来源的蛋白),用以标记和可视化这些结构,则将极大促进上述实验的开展。本研究选取了三种已知定位于PD的蛋白来满足这一需求:拟南芥的PDLP5和PDCB1,以及烟草花叶病毒类病原体TVCV的运动蛋白MP。这些蛋白在其C末端融合了自荧光报告蛋白EGFP,通过在本氏烟草(Nicotiana benthamiana)叶片中瞬时表达这些融合蛋白,并结合共聚焦显微镜对表达组织进行分析,以确定其是否能够正确分选至PD。为了在这些组织中常规可视化PD结构,采用了标准的苯胺蓝染色法。
根据对胞间连丝(PD)结构和完整性的不同影响,植物病毒运动蛋白(MP)可分为两大类:一类是可逆地增加PD通透性,但不引起PD结构改变的MP;另一类则是通过改变PD结构来调控其通透性的MP。烟草花叶病毒属(tobamovirus)病毒(如TVCV)的运动蛋白属于第一类,因此常被用作亚细胞定位研究中胞间连丝的标记蛋白27,28。
这些实验表明,PDLP5-EGFP 和 MP-EGFP 可作为可靠且可重复的胞间连丝(PD)生物学标记物,其检测 PD 的效率与苯胺蓝染料相当。在长达 10 天(dpi)的整个观察期内均可检测到 PDLP5-EGFP 和 MP-EGFP 在胞间连丝中的定位,其中观察其典型 PD 定位模式的最佳时间为接种后 2 至 3 天(2–3 dpi)。尽管 35S 启动子的表达可能导致所表达基因发生转录后沉默,但这种情况通常发生在稳定转化的转基因植物中长期表达之后。另一方面,使用这种强组成型启动子对于标记蛋白的便捷检测至关重要。如果参考蛋白的表达在 7–10 dpi 后下降,则应采用更短的观察时间,即 2–3 dpi。本研究未发现 PDLP5 与 MP 在整体亚细胞定位模式上存在显著差异,唯一的例外是 MP 除定位于胞间连丝外,还在细胞核中积累。相反,由于 PDCB1 的亚细胞定位模式较为复杂,包括大量定位于内质网(ER),因此不建议将其本身作为胞间连丝标记物使用。
EGFP荧光信号的检测难易程度也取决于植物的生长阶段;具体而言,在N. benthamiana中,花序阶段观察到的EGFP信号积累最低18。
本研究旨在开发出与其他亚细胞区室高度互斥的胞间连丝(PD)定位标志物。因此,在利用这些标志物作为具有额外亚细胞定位能力的目的蛋白定位参考时,应同时结合表达其他亚细胞标志物,例如内质网、线粒体、质膜等特异性标志物。在此情况下,计算农杆菌浸润培养物的最终浓度(即液体培养物的OD600)时,应考虑加入额外的Agrobacterium细胞。显然,对于其他植物物种,应调整细胞浓度和植物生长时间,以实现标志物表达量和胞间连丝定位模式检测的最大化。
作者声明无竞争利益。
VC 实验室的工作得到了美国国立卫生研究院(NIH,项目号 R35GM144059)、美国国家科学基金会(NSF,项目号 MCB 1913165 和 IOS 1758046)以及美以双边农业研究与发展基金(BARD,项目号 IS-5276-20)向 VC 提供的资助。资助机构在研究设计、数据收集和解释,以及发表决定方面均未参与。
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