קרקעות טבעיות מאוכלסות על ידי מספר מדהים של מיקרובים שיכולים להיות ניטרליים, מזיקים או מועילים לצמחים1. פתוגנים צמחיים רבים נישאים באדמה, מקיפים את השורשים ותוקפים את האיבר התת-קרקעי. מיקרואורגניזמים אלה שייכים למגוון רחב של קלדות: פטריות, אומיצטים, חיידקים, נמטודות, חרקים וכמה וירוסים 1,2. ברגע שתנאי הסביבה מעדיפים זיהום, צמחים רגישים יחלו ותנובת היבולים תרד. ההשפעות של שינויי האקלים, כגון התחממות כדור הארץ וקיצוניות מזג האוויר, יגדילו את שיעור הפתוגנים הצמחיים הנישאים בקרקע3. לכן, יהיה חשוב יותר ויותר לחקור את המיקרובים ההרסניים האלה ואת השפעתם על ייצור מזון ומזון, אך גם על מערכות אקולוגיות טבעיות. בנוסף, ישנם הדדים מיקרוביאליים באדמה שמקיימים אינטראקציה הדוקה עם שורשים ומקדמים צמיחה, התפתחות וחסינות של צמחים. כאשר הם מתמודדים עם פתוגנים, צמחים יכולים לגייס באופן פעיל יריבים ספציפיים בריזוספירה שיכולים לתמוך בהישרדות המארח על ידי דיכוי פתוגנים 4,5,6,7. עם זאת, פרטים מכניסטיים ומסלולים המעורבים באינטראקציות מועילות בין שורש למיקרובים עדיין אינם ידועים6.
לכן, חיוני להרחיב את ההבנה הכללית של אינטראקציות שורש-מיקרובים. יש צורך בשיטות אמינות לחיסון שורשים עם מיקרואורגניזמים הנישאים בקרקע כדי לבצע מחקרי מודל ולהעביר את הממצאים ליישומים חקלאיים. אינטראקציות מועילות בקרקע נחקרות, למשל, עם סרנדיפיטה אינדיקה (שנקראה בעבר Piriformospora indica), ריזוביום spp. מקבע חנקן, או פטריות מיקוריזאליות, בעוד שפתוגנים ידועים של צמחים הנישאים בקרקע כוללים את Ralstonia solanacearum, Phytophthora spp., Fusarium spp., ו- Verticillium spp.1. שני האחרונים הם סוגים פטרייתיים המופצים ברחבי העולם וגורמים למחלות כלי דם2. Verticillium spp. (Ascomycota) יכול להדביק מאות מיני צמחים - בעיקר דיקוטילדונים, כולל חד-שנתיים עשבוניים, רב-שנתיים עציים וצמחי יבול רבים 2,8. ההיפאה של Verticillium נכנסת לשורש וגדלה הן באופן בין-תאי והן תוך-תאית לכיוון הגליל המרכזי כדי ליישב את כלי הקסילם 2,9. בכלים אלה, הפטרייה נשארת במשך רוב מחזור החיים שלה. מכיוון שמוהל הקסילם דל בחומרים מזינים ונושא תרכובות להגנת הצומח, הפטרייה חייבת להתאים את עצמה לסביבה ייחודית זו. זה נעשה על ידי הפרשה של חלבונים הקשורים להתיישבות המאפשרים לפתוגן לשרוד בפונדקאישלו 10,11. לאחר ההגעה לשורש כלי הדם, הפטרייה יכולה להתפשט בתוך כלי הקסילם באופן אקרופטאלי לעלווה, מה שמוביל להתיישבות מערכתית של המארח 9,12. בשלב זה, הצמח מושפע לרעה בגידול 9,10,13. לדוגמה, פעלולים ועלים צהובים מופיעים, כמו גם תסיסה מוקדמת 13,14,15,16.
אחד החברים בסוג זה הוא Verticillium longisporum, המותאם מאוד לפונדקאים פלסיקאיים, כגון אונס זרעי השמן החשובים מבחינה אגרונומית, כרובית, וצמח המודל Arabidopsis thaliana12. מספר מחקרים שילבו את V. longisporum ו- A. thaliana כדי לקבל תובנות נרחבות על מחלות כלי דם הנישאות בקרקע ותגובות הגנת השורשים הנובעות מכך 13,15,16,17. ניתן לממש בדיקות רגישות פשוטות על ידי שימוש במערכת המודל V. longisporum / A. thaliana ומשאבים גנטיים מבוססים היטב זמינים עבור שני האורגניזמים. קרוב ל- V. longisporum הוא הפתוגן Verticillium dahliae. אף על פי ששני המינים הפטרייתיים מבצעים סגנון חיים ופלישה דומה של כלי דם, יעילות ההתפשטות שלהם משורשים לעלים ותסמיני המחלה המתעוררים ב-A. thaliana שונים: בעוד ש-V. longisporum בדרך כלל גורם לסנסנציה מוקדמת, זיהום V. dahliae גורם ל-18. לאחרונה, סיכום מתודולוגי הציג אסטרטגיות שונות לחיסון שורשים להדבקת A. thaliana עם V. longisporum או V. dahliae, וסייע בתכנון מערכי ניסוי19. בשטח, V. longisporum גורם מדי פעם לנזק משמעותי בייצור אונס זרעי שמן12, בעוד של-V. dahliae יש טווח פונדקאים רחב מאוד הכולל מספר מינים מעובדים, כגון גפן, תפוח אדמה ועגבנייה8. זה הופך את שני הפתוגנים למודלים מעניינים מבחינה כלכלית למחקר.
לפיכך, הפרוטוקולים הבאים משתמשים הן ב - V. longisporum והן ב - V. dahliae כפתוגנים שורשיים לדוגמה כדי להדגים גישות אפשריות לחיסונים שורשיים. אראבידופסיס (Arabidopsis thaliana), אונס זרעי שמן (Brassica napus) ועגבנייה (Solanum lycopersicum) נבחרו כמארחים לדוגמה. תיאורים מפורטים של המתודולוגיות ניתן למצוא בטקסט שלהלן ובסרטון הנלווה. נדונים יתרונות וחסרונות לכל מערכת חיסונים. יחד, אוסף פרוטוקולים זה יכול לסייע בזיהוי שיטה מתאימה לשאלות מחקר ספציפיות בהקשר של אינטראקציות שורש-מיקרוב.