El estudio se realizó con la aprobación y permiso del Comité de Ética en Investigación en Medio Ambiente y Bioseguridad de la Universidad del Estado Libre (UFS-ESD2022/0131/22). Los detalles de los reactivos y el equipo aquí se enumeran en la Tabla de materiales.
1. Condiciones de crecimiento de las plantas
- Germinar 250 semillas de cada cultivar de trigo, es decir, Tugela susceptible, Tugela-Dn1 moderadamente resistente y Tugela-Dn5 resistente, en placas de Petri separadas.
- Añadir 5 mL de agua destilada en cada placa de Petri, sellar con una película de parafina e incubar en la cámara de germinación a 25 °C durante 2 días.
- Trasplante las semillas germinadas de cada cultivar en macetas de 15 cm que contengan tierra 1:1 y turba (15 plantas por maceta) en condiciones controladas de invernadero.
- Ajuste los regímenes de temperatura a 18 °C y 24 °C durante la noche y el día, respectivamente.
- Riegue las plantas cada 3 días con agua del grifo y proporciónelas con 2 g / L de fertilizante 14 días después de la germinación.
- Coloque las plantas en jaulas encerradas en redes y déjelas crecer hasta la etapa de la tercera hoja 2,6 (con cuatro réplicas biológicas de cada cultivar).
2. Infestación de cultivares de trigo con RWASA2
- Infestar los cultivares de trigo Tugela, Tugela-Dn1 y Tugela-Dn5 con RWASA2 según Jimoh et al.11 y Mohase y Taiwe12.
- Mantenga las plantas en dos conjuntos separados en jaulas; infestar un conjunto con 20 individuos partenogenéticos del mismo clon RWASA2 por planta en cada maceta en las cámaras de crecimiento cubiertas con redes. Mantenga otro conjunto de plantas de trigo en una habitación separada debajo de la cámara de crecimiento con redes limpias y trátelas como controles.
NOTA: Mantenga los dos tratamientos en habitaciones separadas y cubra las plantas en jaulas encerradas en redes. Además, en el caso de que se utilicen dos biotipos diferentes de RWA en un estudio, mantenga las plantas infestadas con un biotipo de RWA de las infestadas con el segundo biotipo en la medida de lo posible o en salas separadas bajo cámaras de crecimiento cubiertas con redes para evitar cualquier posible contaminación cruzada de RWASA2.
- Para la cosecha, seleccione la segunda y tercera hoja en dos regímenes de tiempo diferentes, período de alimentación a corto plazo (1, 2 y 3 días) y período de alimentación a largo plazo (7 y 14 días), y envuélvalas en toallas de papel húmedas.
- Transfiera inmediatamente las hojas cosechadas a una caja que contenga hielo para reducir el metabolismo de las hojas antes de la extracción con líquido de lavado intercelular (IWF).
3. Extracción del líquido de lavado intercelular (IWF) del apoplasto
- Corta las hojas cosechadas de unos tres cultivares de trigo en trozos de 7 cm.
- Enjuague los trozos de hoja dos veces en agua destilada para eliminar cualquier contaminación citosólica de los extremos cortados 6,13.
- Inserte los trozos de hoja en un tubo de vidrio de paredes gruesas y sumerja las muestras en un tampón de extracción (50 mM de Tris-HCl, pH 7,8).
- Aplique la infiltración al vacío durante 5 min con una bomba de chorro de agua para impregnar las hojas con el tampón de extracción.
- A continuación, retire los trozos de hoja del tubo de vidrio y séquelos con una toalla de papel.
- Inserte los trozos de hoja seca verticalmente en tubos de centrífuga preenfriados provistos de discos perforados y centrifugar a 500 x g durante 10 min a 4 °C.
- Utilice una pipeta de 100 μL para recoger el sobrenadante en tubos de microcentrífuga de 1,5 mL preenfriados.
- Repita todo el procedimiento de extracción con el mismo material de hoja.
- Combine el sobrenadante recolectado y guárdelo a -20° C.
NOTA: Las alícuotas sobrenadantes se tratan como la fuente del contenido de apoplasto o IWF. La IWF no se utilizó en el estudio actual, pero era importante eliminarla de los tejidos de las hojas antes de extraer la β-1,3-glucanasa y la peroxidasa (POD) unidas a la pared celular.
4. Extracción de la β-1,3-glucanasa y POD asociadas a la pared celular
NOTA: Los residuos de hojas que quedaron después de la extracción de IWF se utilizaron para extraer la proteína total de la pared celular.
- Triture los residuos de las hojas hasta convertirlos en un polvo fino con nitrógeno líquido utilizando un mortero.
- Transfiera aproximadamente 200 mg del tejido foliar en polvo a un mortero que contenga 4 mL de tampón de extracción (50 mM de fosfato de sodio con 1% (p/v) de polivinilpolipirrolidona (PVPP); pH 5.0) seguido de molienda con un mortero hasta obtener una pasta suave, que luego se transfiere a tubos de microcentrífuga.
- Incubar la mezcla en los tubos de la microcentrífuga durante 3 min sobre hielo y luego centrifugar a 10.000 x g durante 15 min a 4 °C.
- Recoger el sobrenadante (extractos de proteínas totales) en tubos de microcentrífuga (alícuotas de 2 mL) y utilizarlo como fuente de β-1,3-glucanasa y POD durante todo el estudio.
5. Determinación del patrón proteico
- Determinar la concentración total de proteínas de los extractos siguiendo el método de Bradford14.
- Prepare las soluciones de albúmina sérica bovina (BSA) en las concentraciones de 0,0 mg/mL, 0,1 mg/mL, 0,2 mg/mL, 0,3 mg/mL, 0,4 mg/mL, 0,5 mg/mL, 0,6 mg/mL, 0,7 mg/mL, 0,8 mg/mL, 0,9 mg/mL y 1,0 mg/mL disueltas en tampón de fosfato de sodio de 50 mM para generar el patrón de proteína.
- Prepare el estándar añadiendo 10 μL de cada solución de BSA en la microplaca de 96 pocillos con 190 μL (0,25% v/v) de reactivo Bradford (consulte la Tabla de materiales).
- Incubar a 25 °C durante 20 min y medir la absorbancia a 595 nm utilizando el lector de microplacas y utilizar los valores de absorbancia para preparar la curva estándar para cuantificar la concentración de proteínas.
- Cuantificar la concentración de proteínas
- Añada 10 μL de la enzima extraída (paso 4) en una microplaca de 96 pocillos con 190 μL (0,25% v/v) de reactivo Bradford por triplicado.
- Incubar a temperatura ambiente (25 °C) durante 20 min.
- Mida la absorbancia a 595 nm utilizando el espectrofotómetro con un lector de microplacas y utilice los valores de absorbancia para determinar la concentración de proteínas utilizando BSA como patrón de proteínas (preparado en el paso 5.4).
6. Preparar el estándar de glucosa para la actividad de la β-1,3-glucanasa
- Prepare las soluciones patrón con concentraciones entre 0,00 mg/mL y 1,0 mg/mL (0,0 mg/mL, 0,1 mg/mL, 0,2 mg/mL, 0,3 mg/mL, 0,4 mg/mL, 0,5 mg/mL, 0,6 mg/mL, 0,7 mg/mL, 0,8 mg/mL, 0,9 mg/mL, 1,0 mg/mL) con glucosa disuelta en agua destilada.
- Añadir 300 μL de cada solución de glucosa y 600 μL de reactivo de ácido 3,5-dinitrosalicílico (DNS) en una proporción de 1:2 en tubos de microcentrífuga de 1,5 mL e incubar las reacciones a 100 °C durante 5 min (ver Tabla de materiales para reactivos DNS) (Miller et al.15).
- Deje que la mezcla se enfríe a temperatura ambiente antes de medir la absorbancia a 540 nm con el espectrofotómetro.
- Utilice los valores medios de absorbancia para desarrollar la curva estándar para determinar la actividad de la enzima β-1,3-glucanasa.
7. Determinación de la actividad de la β-1,3-glucanasa
NOTA: La actividad enzimática de la β-1,3-glucanasa unida a la pared celular extraída de Tugela, Tugela-Dn1 y Tugela-Dn5 se determinó por la cantidad de azúcares reductores totales liberados de la hidrólisis de sustratos de β-1,3-4-glucano (MLG) y β-1,3-glucano (MLG) mixtos al 0,5% (p/v) utilizando un método modificado según lo descrito por Miller et al.15. Mantenga siempre los tubos con alícuotas de proteínas en el hielo. Si las muestras estaban congeladas, descongélelas en hielo y proceda inmediatamente después de descongelarlas.
- Añadir 200 μL del extracto enzimático (mantener la concentración de proteína entre 20 μg/mL y 90 μg/mL en todas las reacciones, a menos que se indique lo contrario) y 300 μL del sustrato disuelto en 50 mM de tampón de citrato de sodio (pH 5,0) en los tubos de microcentrífuga de 1,5 mL.
NOTA: Ejecute una reacción paralela en blanco sin el extracto enzimático para todos los sustratos (primer blanco), y el blanco enzimático consiste en extracto enzimático sin sustrato (segundo blanco). Tanto el sustrato como el extracto enzimático se reemplazaron con el tampón en el primer y segundo negro, respectivamente.
- Incubar las reacciones a 37 °C durante 24 h y finalizar la reacción calentándola a 100 °C durante 5 min, luego centrifugar a 10.000 x g durante 10 min a 4 °C.
- Mezclar 300 μL del sobrenadante con 600 μL de reactivo DNS (proporción 1:2) en nuevos tubos de microcentrífuga de 1,5 mL y hervir a 100 °C durante 5 min.
- Deje que la solución se enfríe a temperatura ambiente y mida la absorbancia a 540 nm con el espectrofotómetro.
NOTA: Si la concentración de azúcares reductores totales es alta en la mezcla, dará como resultado una solución de color marrón oscuro, que es difícil de leer con el espectrofotómetro. Por lo tanto, es necesaria una mayor dilución de las muestras antes de leer la absorbancia.
- Utilice la curva estándar de glucosa desarrollada en el paso 6.4 anterior para determinar la actividad enzimática en las unidades SI de la curva estándar.
- Para convertir la actividad en una actividad específica que se expresa en μmol de glucosa/h/mg de proteína, utilice la siguiente ecuación:
Actividad específica = [(actividad enzimática/180.16)*1000]/tiempo/concentración de proteína
NOTA: Convierta la actividad enzimática en mg/mL a g/mL; 180,16 g/mol es el peso molecular de la glucosa, 1000 es un factor que convierte M en micromoles, el tiempo es el período de reacción y la concentración de extracto de proteínas se representa en mg/mL. Una unidad de actividad de β-1,3-glucanasa se define como 1 μmol de glucosa liberada del sustrato en un período de reacción de 1 h.
8. Determinación de la actividad de la peroxidasa (POD)
NOTA: La actividad de la peroxidasa unida a la pared celular de los cultivares de trigo Tugela, Tugela-Dn1 y Tugela-Dn5 se determinó cuantificando la formación del tetra-guayacol producido por unidad de tiempo a partir de guaiacol16.
- Añadir 30 μL del extracto enzimático, 30 μL 1% (v/v) H2O2 y 970 μL de 5 mM de guayacol en las cubetas a 25 °C.
NOTA: Realice la reacción en blanco sin el extracto enzimático (primer blanco), y otro blanco para muestras de enzimas sin sustrato (segundo blanco). Las muestras de enzima o sustrato se reemplazaron por 50 mM de tampón de fosfato de sodio en el primer y segundo blanco, respectivamente.
- Utilice el modo cinético del espectrofotómetro para controlar el cambio en la absorbancia a 470 nm.
- Determine la pendiente en la que el gráfico era lineal y utilícela como valor de absorbancia.
- Calcule la absorbancia media y utilícela para calcular la actividad del POD.
- Calcular la actividad de la peroxidasa utilizando el coeficiente de extinción molar del guayacol (26,6 mM-1 cm-1) y expresar la actividad en μmol de tetra-guayacol/min/mg de proteína.
- Calcule la actividad de POD utilizando la ecuación utilizada por Mafa et al.6:
ACTIVIDAD DEL POD = [(ΔABS × DF) ÷ concentración de proteína] × 26,6 mM-1 cm-1 × 1 cm
NOTA: Donde ΔABS = absorbancia media; DF = Factor de dilución; 26.6 mM-1 cm-1 = Coeficiente de extinción de Guaiacol.
9. Caracterización de POD
NOTA: Los ensayos de caracterización de POD se llevaron a cabo utilizando extractos enzimáticos de Tugela, Tugela-Dn1 y Tugela-Dn5 después de 3 días después de la infestación siguiendo métodos similares a los descritos en el paso 8, con cambios menores en los tampones de reacción y las temperaturas. Las muestras de enzimas siempre se mantuvieron en hielo mientras se realizaban los experimentos. Ejecute las reacciones en cuadruplicados con una reacción en blanco paralela.
- Para obtener ensayos de pH óptimo, realice los siguientes pasos.
- Disuelva el sustrato de guayacol en tampones de 50 mM (citrato de sodio, pH 4 y 5), fosfato de sodio (pH 6 y 7) y Tris-HCl (pH 8 y 9) (ver Tabla de Materiales).
- Ejecute las reacciones a 25 °C como se describe en el paso 8.
- Para realizar ensayos de temperatura óptima, realice los siguientes pasos.
- Ejecute las reacciones a 25 °C, 30 °C, 40 °C y 50 °C, respectivamente.
- Utilice el sustrato de guaiacol disuelto en el tampón pH 5 (pH óptimo) y ejecute las reacciones como se describe en el paso 8.
- Para los ensayos de termoestabilidad, realice los siguientes pasos.
- Antes de iniciar las reacciones, incubar la enzima a 37 °C, 50 °C y 70 °C durante 30 min.
- Ejecute las reacciones de acuerdo con los métodos descritos en el paso 8 utilizando 50 mM de tampón de citrato de sodio (pH 5) y a 40 °C (temperatura óptima).
10. Caracterización de la β-1,3-glucanasa
NOTA: Realice los ensayos de caracterización siguiendo el método descrito en el paso 7 utilizando extractos enzimáticos de 3 dpi, con algunas modificaciones en los tampones de reacción y las temperaturas. Ejecute las reacciones en cuadruplicados, con una reacción en blanco paralela para cada sustrato.
- Para obtener ensayos de pH óptimo, proceda de la siguiente manera:
- Disuelva los sustratos de MLG y β-1,3-glucano en tampones de 50 mM (citrato de sodio, pH 4 y 5), fosfato de sodio (pH 6 y 7) y Tris-HCl (pH 8 y 9).
- Ejecute la reacción como se describe en el paso 7.
- Para los ensayos de temperatura óptima, proceda de la siguiente manera:
- Ejecute las reacciones a 25 °C, 30 °C, 40 °C y 50 °C, respectivamente.
- Utilice sustratos de MLG y β-1,3-glucano disueltos en el tampón de citrato de sodio de 50 mM (pH 5) con un pH óptimo (obtenido en el paso 10.1) y ejecute las reacciones como se describe en el paso 7.
- Para los ensayos de termoestabilidad, proceda de la siguiente manera:
- Antes de iniciar las reacciones, incubar la enzima a 37 °C, 50 °C y 70 °C durante 30 min.
- Ejecutar las reacciones utilizando sustratos disueltos en 50 mM de tampón de citrato sódico (pH 5) e incubar a 25 °C y 40 °C durante 24 h.
11. Evaluación del mecanismo de acción de la β-1,3-glucanasa en diferentes sustratos de glucano
NOTA: Los sustratos de glucano contienen el mismo residuo de glucosa en su columna vertebral, pero los enlaces glucosídicos entre las unidades de glucopiranosa son diversos y pueden tomar la orientación α o β17. Los enlaces glucosídicos pueden formarse entre varios átomos de carbono de moléculas de glucosa, definiendo su estructura química, por ejemplo, β-1,3-glucano, β-1,4-glucano y β-1,3-1,4-glucano (MLG)18,19,20. El mecanismo de acción de la β-1,3-glucanasa se determinó utilizando muestras de Tugela, Tugela-Dn1 y Tugela-Dn 5 infestados por RWASA2 (fuentes enzimáticas) y los siguientes sustratos: β-1,3-glucano (CM-curdlan), MLG (de cebada) y β-1,4-glucano (AZO-CM-celulosa). El mecanismo de acción se determina en condiciones óptimas de ensayo (25 °C y 40 °C, pH 5,0), utilizando sustratos de β-1,4-glucano al 0,1% (p/v), β-1,3-glucano al 0,4% (p/v) o MLG al 0,5% (p/v).
- Disolver los sustratos en 50 mM de tampón de citrato de sodio (pH 5).
- Añada 200 μL del extracto enzimático y 300 μL del sustrato en los tubos de microcentrífuga de 1,5 mL.
- Incubar las reacciones a dos temperaturas distintas, 25 °C y 40 °C durante 8 h.
- Terminación de las reacciones por calentamiento a 100 °C.
- Centrifugar la mezcla de reacción de β-1,3-glucano y MLG a 10.000 x g durante 10 min a 4 °C y proceder como se describe en el paso 7.3.
- Para β-1,4-glucano, después de terminar la reacción a 100 °C, diluir la mezcla con 800 μL de etanol absoluto y centrifugar a 4 °C durante 10 min a 10.000 x g.
- Transfiera el sobrenadante a las curvas, mida la absorbancia a 590 nm con el espectrofotómetro y calcule la actividad de la β-1,3-glucanasa en el β-1,4-glucano utilizando el procedimiento del fabricante (consulte la tabla de materiales) y exprese la actividad en unidades/mg de proteína.
12. Determinación del modo de acción de la β-1,3-glucanasa
NOTA: El modo de acción de la β-1,3-glucanasa inducido por Tugela, Tugela-Dn1 y Tugela-Dn5 infestado por RWASA2 con laminarina-oligosacáridos (LAM) con un grado de polimerización (DP) entre 5 y 2. Utilice el kit de cromatografía en capa fina (TLC), cromatografía líquida-espectrometría de masas (LC-MS) y peroxidasa de glucosa oxidasa (GOPOD) para determinar la DP necesaria para que la β-1,3-glucanasa hidrolice el sustrato. Para el análisis cualitativo se utilizó el TLC y para el análisis cuantitativo se utilizó el LC-MS, que determinó la concentración de los oligosacáridos en el hidrolizado después de la reacción21.
- Preparar las reacciones del modo de acción de la β-1,3-glucanasa
NOTA: Prepare el extracto de proteína concentrada con un filtro de membrana concentradora centrífuga de 10 kDa y, por lo tanto, tenga extractos de proteína infestados de RWASA2 concentrados y no concentrados para el experimento.- Para concentrar las enzimas extraídas de cada cultivar, transfiera 5 mL de los extractos a los filtros de membrana concentradores centrífugos de 10 kDa.
- Centrifugar los tubos del filtro de membrana que contienen el extracto a 15.000 x g durante 30 min a 4 °C.
- Disuelva la laminaripentaosa (LAM5), la laminaritetraosa (LAM4), la laminaritriosa (LAM3) y la laminaribiosa (LAM2) (consulte la tabla de materiales) en 50 mM de citrato de sodio (pH 5) para obtener 10 mg/mL.
- Para iniciar la reacción, agregue 20 μL del extracto de proteína y 40 μL de Laminaripentaosa (LAM5), Laminaritetraosa (LAM4), Laminaritriosa (LAM3) y Laminaribiosa (LAM2).
- Incubar la reacción a 40 °C durante 16 h y terminar hirviendo a 100 °C durante 5 min.
- Realizar cromatografía en capa fina (TLC)
- Corta 4 placas de sílice entrozos de 10 cm y 2 y dibuja una línea a través de la superficie de la placa, dejando un espacio de 1 cm desde la parte inferior de un borde.
- Marque los puntos sobre la línea y márquelos de acuerdo con los diferentes cultivares y DP de los Oligosacáridos de laminarina, a 1 cm de distancia y. Tome 2 placas de sílice para el extracto de proteína concentrada y las otras 2 para extractos no concentrados.
- Agregue 3 μL de las mezclas de reacción de 3 a 5 veces sobre los puntos marcados correspondientes en la placa de sílice y deje que los puntos de la placa se sequen completamente antes de repetir el proceso.
- Coloque suavemente las placas de sílice en el tanque TLC que contiene la fase móvil de n-butanol: ácido acético: agua (2:1:1 v/v/v) con el lado que contiene las manchas de las muestras en el fondo.
- Permita que la fase móvil se mueva de la parte inferior a la parte superior de la placa.
NOTA: Este paso puede tardar aproximadamente 2 h. No mueva ni moleste el tanque mientras las muestras se están separando.
- Retire las placas de la fase móvil y déjelas secar a temperatura ambiente.
- Agregue la solución de tinción en el recipiente pequeño, sumerja suavemente la placa de sílice en la solución de tinción de naftol al 0,3% (p/v) en etanol al 95% (v/v) usando ácido sulfúrico al 5% (v/v) durante 5 s, retírela y luego déjela secar a temperatura ambiente.
NOTA: En este paso, encienda el bloque calefactor/horno y ajuste la temperatura a 100 °C.
- Coloque las placas de sílice seca en el bloque calefactor y caliente a 100 °C durante 7-10 minutos o hasta que aparezcan las manchas azul-violetas. Tome fotos de las placas de sílice que muestran las manchas azul-violetas y documéntelas.
- Cuantificar la concentración de hidrolizados de laminarina-oligosacáridos
NOTA: La concentración de los hidrolizados de LAM se cuantificará tanto para los extractos de proteínas concentrados como para los no concentrados21.- Añada 20 μL de cada muestra en una columna C18 (Hidratos de carbono 4,6 × 250 mm) y deje separar a un caudal de 500 μL/min utilizando un gradiente de agua (disolvente A) y acetonitrilo (Disolvente B) de 100% B a 60% B durante 10 minutos, seguido de pasos de reequilibrio de la columna con un tiempo total de ejecución de 20 min para permitir el reequilibrio de la columna.
- Ionizar los analitos eluyentes en modo de electrospray negativo en la fuente de iones de espectrometría de masas con una temperatura de calentamiento de 400 °C para evaporar el exceso de solvente, gas de nebulizador de 30 psi, gas de calentador de 30 psi y gas de cortina de 20 psi.
- Ajuste el potencial de desagrupación a 350 V.
- Analice los analitos eluyentes en el espectrómetro de masas en un modo de escaneo Q1 que oscila entre 150 Da y 1000 Da con un tiempo de permanencia de 3 s.
- Registre las concentraciones de los analitos en la hoja de cálculo.
- Cuantificar la concentración de glucosa
- Analice la concentración de glucosa producida por hidrólisis de laminarina utilizando el reactivo GOPOD siguiendo las instrucciones del fabricante22,23.
- Mida la absorbancia a 510 nm en un modo fijo del espectrofotómetro.
13. Recopilación y análisis de datos
- Aleatorice todos los experimentos para evitar sesgos durante la infestación o la recolección de muestras y realice el análisis por cuadruplicados.
- A menos que se indique lo contrario, utilice la media ± la desviación estándar para representar los valores en los gráficos y tablas generados a partir de los datos experimentales recopilados.
- Utilice Microsoft Excel para analizar todos los datos y generar gráficos.
- Realizar análisis estadísticos con software compatible.
NOTA: Realice un análisis multifactorial de la varianza (ANOVA) para probar la significación entre los tratamientos y el LSD de Fisher para probar grupos homogéneos con un valor alfa de 0,05.