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Research Article
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Erratum Notice
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Aquí presentamos un protocolo para analizar el crecimiento de Aspergillus flavus y la producción de aflatoxinas en granos de maíz expresando una proteína antifúngica. Utilizando una cepa de expresión de GFP de a. flavus supervisamos la infección y la propagación del hongo en granos maduros en tiempo real. El ensayo es rápido, fiable y reproducible.
Contaminación por aflatoxinas en los cultivos de alimentos y piensos es un grave problema en todo el mundo. Las aflatoxinas, producidas por el hongo Aspergillus flavus (a. flavus) son potentes carcinógenos que reducen sustancialmente el valor de la cosecha de maíz y otros cultivos ricos del aceite como maní además de amenaza grave para la salud humana y animal. Diferentes enfoques, incluyendo la cría tradicional, expresión transgénica de proteínas de resistencia asociada y ARN de interferencia (ARNi)-basado en el silenciamiento génico inducido por el anfitrión del crítico a. flavus objetivos gene, están siendo evaluados para aumentar resistencia a aflatoxinas en cultivos susceptibles. Últimos estudios han demostrado un papel importante de α-amilasa en la producción de patogenesia y aflatoxina a. flavus , sugiriendo a este gen enzimático es un blanco potencial para reducir el crecimiento de a. flavus y la producción de aflatoxina. En este sentido, el actual estudio fue emprendido para evaluar expresión heteróloga (bajo control del CaMV 35S promotor constitutivo) de una proteína Lablab purpureus L. como inhibidor de la α-amilasa (IABP) en maíz contra a. flavus. IABP es una proteína de 36 KD, que es un inhibidor competitivo de la enzima α-amilasa de a. flavus y pertenece a la familia de proteínas lectin-arcelin-α-amilasa inhibidor en común haba. Estudios in vitro antes de los trabajos actuales han demostrado el papel de la IABP en la inhibición de la actividad de la α-amilasa de a. flavus y crecimiento del hongo. Crecimiento fúngico y la producción de aflatoxina en granos maduros fueron monitoreados en tiempo real utilizando una cepa de expresión de GFP de a. flavus . Este núcleo investigación ensayo (KSA) es muy fácil de configurar y proporciona datos fiables y reproducibles en la infección y el grado de extensión que podría cuantificarse para evaluación de germoplasma y de líneas transgénicas. La fluorescencia de la cepa de la GFP es crecimiento estrechamente correlacionada a hongos y, por extensión, está bien correlacionada con valores de aflatoxina. El objetivo del presente trabajo fue implementar este conocimiento previo en un cultivo comercialmente importante como el maíz para aumentar la resistencia de la aflatoxina. Nuestros resultados muestran una reducción del 35% – 72% en a. flavus crecimiento expresando AILP transgénicos granos de maíz que, a su vez, traducido en una reducción de 62% a 88% en los niveles de aflatoxina.
Contaminación por micotoxinas de los géneros de hongos, Alternaria , Aspergillus, Penicilliumy Fusariumes un problema importante de los alimentos y cultivos en todo el mundo1,2,3. Entre estos hongos fitopatógenos, Aspergillus tiene el mayor impacto adverso en el valor de cultivos y salud humana y animal. Aspergillus flavus (A. flavus) es un patógeno oportunista de la planta que infecta cultivos ricos aceite tales como semilla de algodón, maíz y maní y produce el potente carcinógeno, aflatoxinas, así como numerosos metabolitos secundarios tóxicos (SMs). Maíz es un alimento importante y alimenta de cultivo en todo el mundo y es altamente susceptible a la contaminación por a. flavus. El impacto económico de la contaminación por aflatoxinas en pierde y valor reducido en el maíz puede ser tanto como $ 686,6 millones/año en los Estados Unidos2 con los cambios previstos en el clima global, el impacto de las aflatoxinas podría resultar en mayores pérdidas económicas en maíz con estimaciones tan altas como $ 1,68 billones/año en el futuro cercano2. Teniendo en cuenta los efectos adversos de la económicos y la salud de las aflatoxinas en los seres humanos y ganado, control de aflatoxinas antes de la cosecha de maíz podría ser la manera más eficiente para prevenir la contaminación por aflatoxinas en los alimentos y productos comestibles.
El enfoque de control previo a la cosecha principal de resistencia de aflatoxina en el maíz que se ha utilizado ampliamente en las últimas décadas es principalmente a través de la crianza, que requiere una cantidad significativa de tiempo4. Recientemente, el control biológico ha tenido cierto éxito en la reducción de aflatoxina en gran escala campo aplicaciones5,6. Además de biocontrol, aplicación de vanguardia herramientas moleculares como 'Host inducida por el silenciamiento del gen"(HIGS) a través de RNAi y expresión transgénica de proteínas asociadas a resistencia ha tenido cierto éxito en la reducción del crecimiento de a. flavus y aflatoxina producción en estudios de laboratorio y de campo a pequeña escala. Estos enfoques están siendo optimizados actualmente además de identificar nuevos blancos potenciales del gene de a. flavus para la futura manipulación.
Además de genes que están directamente involucrados en la producción de micotoxinas como potenciales blancos de estrategias para el control transgénicos, amilasas fúngicas han demostrado jugar un papel crítico en mantener la producción exitosa de la patogenesia y micotoxinas durante las primeras etapas de la infección de la planta del anfitrión. Algunos ejemplos incluyen Pythium pleroticum (agente causal de la pudrición del rizoma de jengibre), Fusarium solani (agente causal de la marchitez de la coliflor), donde una correlación positiva entre la actividad y expresión de la patogenicidad y la α-amilasa se observaron 7,8. Inhibición de la actividad de la α-amilasa por golpe de gracia del gene o enfoques precipitación afecta negativamente el crecimiento fungicida, producción de toxina. Un mutante de octavos de final de la α-amilasa de a. flavus fue incapaz de producir aflatoxinas cuando se cultiva en almidón sustrato o degermed granos de maíz9. Del mismo modo, en Fusarium verticillioides una cepa de octavos de final de la α-amilasa no fumonisina B1 (micotoxinas) durante la infección de granos de maíz10. En un estudio más reciente, Gilbert et al., (2018) demostró que una basada en RNAi derribar de la expresión de α-amilasa de a. flavus a través de HIGS redujo significativamente el crecimiento y aflatoxina producción de a. flavus durante la infección del maíz núcleo11 .
Inhibidores específicos de la actividad de la α-amilasa también han producido resultados similares, obtenidos de la abajo-regulación de la expresión de α-amilasa. El primer informe sobre el papel de un inhibidor de la α-amilasa en resistencia fungicida vino desde el aislamiento y la caracterización de un inhibidor de la tripsina-α-amilasa de 14 kDa de líneas de maíz resistentes a . flavus12. Mayor proyección de varios centenares de especies de plantas por Fakhoury y Woloshuk conducido a la identificación de una proteína de tipo inhibidor de la α-amilasa 36 kDa (IABP) de las semillas de frijol Jacinto, Lablab purpureus L.13. La secuencia del péptido de lectinas de IABP se asemejó a perteneciente a la familia de lectinas – arcelin-α-amilasa inhibidor en común registrados haba14,15. IABP purificada no exhibe ninguna actividad inhibidora de tripsina mamífero y mayor caracterización in vitro demostrada una inhibición significativa del crecimiento de a. flavus y la germinación de conidios13. Los informes presentados aquí claramente muestra la α-amilasa puede servir como un destino en los enfoques de control para restringir patógenos o plagas que dependen de la movilización de la almidón (a través de la actividad de la α-amilasa) y adquisición de azúcares solubles como fuente de energía durante su interacción patógena con plantas hospederas.
Alpha-amilasa es conocida por ser crítico en a. flavus patogenicidad9,10,11y dada la importancia de la AILP como un potente anti-a. flavus agente (inhibición de la α-amilasa/antigrowth)13, hemos generado plantas de maíz transgénicas expresando Lablab AILP gene bajo el promotor CaMV 35S constitutivo. El objetivo era investigar si la expresión heteróloga de este inhibidor de la α-amilasa en maíz es eficaz contra a. flavus producción patogenia y aflatoxinas durante la infección del núcleo de maíz. Nuestros resultados demuestran que granos de maíz transgénicos expresando AILP significativamente reducción a. flavus crecimiento y aflatoxina la producción durante la infección del núcleo.
1. construcciones plásmidos y transformación de maíz
2. ensayo de germinación de esporas de
3. núcleo investigación ensayo (KSA)
4. proyección PCR de granos de maíz transgénicos
5. aislamiento RNA, síntesis de cDNA y RT-PCR semicuantitativa
6. cuantificación de GFP
7 análisis de aflatoxina total
Transformación de maíz y detección molecular de las plantas transgénicas
Embriones inmaduros de maíz líneas Hi-II fueron transformados usando la cepa EHA101 de Agrobacterium tumefaciens que contiene el vector de destino final planta expresando el Lablab purpureus AILP gen bajo el control del CaMV 35S promotor. Cinco líneas de maíz transformadas independientemente fueron avanzadas para la generación de T6 para estudios posteriores. Las plantas de maíz transgénicas eran mucho más pequeñas y menos vigorosas pero no presentaron ninguna otras anormalidades en comparación con las plantas control negativo isogénicas. Amplificación por PCR del gen objetivo AILP demostró un amplicon de bp 548, observado solamente en las líneas de maíz transgénicas en comparación con las plantas testigo (Figura 4A). El gen de la AILP demostró la expresión en las líneas transgénicas mientras que ninguna expresión de IABP fue observada en las plantas control (Figura 4B).
Aspergillus flavus extractos del ensayo de esporas con la hoja de
Hoja cruda se extrae del maíz transgénico jóvenes plantas prepararon moliendo en líquido N y centrifugar a 16.000 x g. Esporas de germinación de etapa temprana fueron expuestas el extracto de hoja de 20 horas y se registró la longitud hifal espora media de 20 muestras. Longitud hifal de esporas expuestas a extractos de las hojas transgénicas mostraron una reducción de 58% – 80% en comparación con el control negativo (figura 5)
Aspergillus flavus crecimiento durante la infección del núcleo
Se realizó un ensayo de detección de núcleo (KSA) para examinar el crecimiento de a. flavus en los granos transgénicos y control. Expresión del gen de IABP en granos transgénicos había afectado negativamente el crecimiento de a. flavus . La cepa de a. flavus empleada en el estudio actual contiene un reportero GFP que permite la monitorización y cuantificación del crecimiento fúngico en tiempo real. Reducción significativa en la fluorescencia de GFP fue observada en núcleos de IABP transgénicos en comparación con el control negativo isogénicas (figura 6). IABP líneas 4 y 5 mostraron una reducción significativa en el crecimiento del hongo, 69% y 72%, respectivamente, seguido por las otras líneas donde se observó una reducción de 35% – 60% en comparación con los núcleos de control (Figura 7A).
Producción de aflatoxinas en los granos infectados
Expresión heteróloga del gen de IABP en maíz resultó en una reducción significativa del contenido de aflatoxinas en las líneas transgénicas vs control. Los datos de aflatoxina proporcionan aquí es el contenido de aflatoxinas totales en los granos infectados. Se observó una reducción de 62% a 88% en contenido de aflatoxinas en los granos de IABP en comparación con el control (figura 7B). Entre las 5 líneas de IABP, línea 4 mostró el más bajo contenido de aflatoxinas (486 ng/g DW), seguido de otras líneas que van entre 640-1.498 ng/g DW en los kernels vs control (3.986 ng/g DW).

Figura 1: Diseño vectorial para la expresión transgénica de Lablab AILP gene en maíz. 35S = virus del mosaico del coliflor o CaMV promotor constitutivo; RB = borde derecho; LB = borde izquierdo; nptII = gen de neomicina fosfotransferasa kanamicina resistencia; nos y 35s = terminadores de transcripción. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Núcleo investigación análisis. (A, B) Esterilizar los granos y vierta en un vaso de precipitados estéril en un gabinete de seguridad biológica. (C – E) Sembrar granos con suspensión de esporas de a. flavus . (F-H) Usando una pinza estéril, colocar granos en plato de prueba. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Luz micrografías de a. flavus crecimiento. (A) control negativo isogénicas. (B-F) Granos transgénicos expresando AILP (líneas 1-5) una semana después de la inoculación. Barra de escala = 1 cm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4. Investigación molecular de las plantas transgénicas. (A) PCR confirmación de las plantas de maíz transgénicas (carriles 1-5) que contengan Lablab AILP (548 bp diagnóstico fragmento de la DNA; C = control negativo isogénicas; NEB 2 registro ADN escalera utilizada como un marcador de ADN). (B) expresión de gene de Lablab IABP en líneas de maíz transgénicas (carriles 1-5) mediante RT-PCR. Carril C representa isogénicas control negativo. Gen de estructural ribosomal maíz (costilla), GRMZM2G02483819 fue utilizado como un gen de mantenimiento de la casa (escalera de DNA de 2-Log de NEB: marcadores de ADN). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5. Efecto de la hoja cruda de extractos de plantas transgénicas de maíz de la IABP en la germinación de esporas de a. flavus en comparación con un control negativo isogénicas (neg). Separación de media fue realizada por postest de Dunnett después de ANOVA. Niveles de reducción se indican por asteriscos (***P ≤ 0.0001). Barras de error indican el error estándar de medias para muestras de veinte. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6. Fluorescencia de GFP que emana de la cepa de a. flavus 70-GFP en granos transgénicos expresando IABP después de una semana de prueba. Se utilizaron controles negativos isogénicas (A) para evaluar la infección micótica y se separó en granos transgénicos (B-F que representan líneas transgénicas 1-5). Se revisaron al menos cuatro núcleos para cada línea bajo el microscopio de fluorescencia. Barra de escala = 2 mm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7: Un flavus crecimiento y aflatoxina producción. (A) infección de 70-GFP de a. flavus y el crecimiento de granos de maíz después de 7 días en un ensayo de detección de núcleo. Promedio de tres experimentos independientes con cuatro biológicos repeticiones cada vez. Cuantificación de GFP (en unidades relativas de fluorescencia, RFU) indica crecimiento fúngico en líneas de maíz transgénicos expresa AILP a un control negativo isogénicas. Separación de media fue realizada por postest de Dunnett después de ANOVA. Niveles de reducción se denota por asteriscos (*P ≤ 0.05; **P ≤ 0.01; ***P ≤ 0.001). Barras de error indican el error estándar de medios para cuatro repeticiones biológicos aleatorios. (B) producción de aflatoxina por 70-GFP de a. flavus en granos de maíz después de 7 días en un ensayo de detección de núcleo. Promedio de 12 réplicas biológicas y cada repetición contiene cuatro núcleos. Niveles de aflatoxina en granos transgénicos de IABP (líneas 1-5) en comparación con un control negativo isogénicas (neg). Separación de media fue realizada por postest de Dunnett después de ANOVA. Niveles de reducción se denota por asteriscos (**P ≤ 0.01; ***P ≤ 0.001). Barras de error indican el error estándar de medios para cuatro repeticiones biológicos aleatorios. Ver figuras adicionales para ver los datos en el panel B carente de sesgo debido a la inhibición de hongos. Cierre correlación entre GFP = RFU y aflatoxina también cuentan con valores. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Suplementario Figura 1: Datos de la figura 7B dibujar para mostrar la producción de aflatoxina por 70-GFP de a. flavus en granos de maíz después de 7 días en un ensayo de detección de núcleo para eliminar el sesgo debido a la inhibición del crecimiento fúngico. Valores de aflatoxina se dividieron por la inhibición del crecimiento fúngico representada como GFP-RFU valores en la figura 7B. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Suplementario Figura 2: cerrar la correlación entre valores de GFP-RFU (= crecimiento fúngico) y niveles de aflatoxina (r2 = 0.86) divulgado en la KSA. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los autores no tienen conflicto de interés.
Aquí presentamos un protocolo para analizar el crecimiento de Aspergillus flavus y la producción de aflatoxinas en granos de maíz expresando una proteína antifúngica. Utilizando una cepa de expresión de GFP de a. flavus supervisamos la infección y la propagación del hongo en granos maduros en tiempo real. El ensayo es rápido, fiable y reproducible.
Agradecemos a David Meints, Universidad de Arkansas para su asistencia en el desarrollo y análisis de maíz transgénico durante las primeras generaciones. Este trabajo recibió el apoyo financiero del proyecto de USDA-ARS CRIS 6054-42000-025-00D. Mención de nombres comerciales o productos comerciales en este artículo es únicamente con el propósito de proporcionar información específica y no implica recomendación o aprobación por el Departamento de agricultura. Política de igual oportunidad de empleo (EEO) de USDA-ARS exige igualdad de oportunidades para todas las personas y prohibe la discriminación en todos los aspectos de las políticas de personal, prácticas y operaciones de la Agencia.
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