この原稿では、トウモロコシと真菌植物病原体との相互作用の再現性のある細胞学的、生理学的、および分子学的研究のために、剥離したトウモロコシの葉鞘を使用する最適化された接種プロトコルについて詳しく説明します。葉鞘は、未固定組織における生きた植物と真菌の間の細胞相互作用のリアルタイム観察を容易にします。
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この原稿では、トウモロコシと真菌植物病原体との相互作用の再現性のある細胞学的、生理学的、および分子学的研究のために、剥離したトウモロコシの葉鞘を使用する最適化された接種プロトコルについて詳しく説明します。葉鞘は、未固定組織における生きた植物と真菌の間の細胞相互作用のリアルタイム観察を容易にします。
トウモロコシの葉鞘に半栄養性および壊死栄養性の葉面病原性真菌を接種するためのプロトコルを最適化しました。この方法は、もともとイネの葉鞘に適用されていた方法から変更され、生きた植物細胞の真菌の成長と発生を直接顕微鏡で観察することができます。トウモロコシの苗から採取した葉鞘に、2つの葉の襟が完全に出現し、20 μLの滴下(5 x 105 胞子/mLの真菌胞子懸濁液)を接種し、23°Cの湿度チャンバー内で連続蛍光灯下でインキュベートします。24〜72時間後、余分な組織をカミソリの刃で除去し、表皮細胞の単層、化学的固定や透明化を必要とせずに直接画像化できる光学的に透明なサンプルを残します。植物細胞と真菌細胞は実験期間中生き続け、相互作用をリアルタイムで視覚化できます。シースを染色または形質分解して、感染およびコロニー形成中の宿主細胞および病原体細胞の発生細胞診および生存率を研究することができます。蛍光タンパク質を発現するように形質転換された真菌株を鞘に接種または同時接種することで、分解能を高め、競合的または相乗的相互作用の評価を容易にすることができます。蛍光融合タンパク質を発現する真菌株を使用して、 プランタにおけるこれらの個々のタンパク質の産生および標的化を追跡および定量化することができます。接種した鞘組織を抽出して、核酸、タンパク質、または代謝物を特徴付けることができます。これらのシースアッセイの使用は、トウモロコシの真菌病原性のメカニズム、および病原性に寄与する真菌タンパク質エフェクターおよび二次代謝産物の詳細な研究を大幅に前進させました。
細胞レベルでの空間的および時間的分析は、真菌と植物の相互作用の生理学と細胞学を理解するために重要です。過去には、化学的に固定された葉面組織1,2,3または透明化して染色した4、および人工膜5が、葉面病原体の発生と植物と真菌の相互作用の細胞診を調べるために使用されてきました。しかし、固定や透明化を行わずに、生きた宿主組織の感染事象をリアルタイムで調べることは、イメージング用の光学的に透明なサンプルの調製に関連する技術的な問題があるため、困難です。
1940年代後半に、イネいもち病菌Magnaporthe oryza6に対する生きたイネ表皮細胞の耐性を明視野顕微鏡で調べるために、分離葉鞘接種プロトコルが開発されました。最近では、ColletotrichumおよびMagnaporthe種による宿主コロニー形成の詳細な分子学的、生理学的、および細胞学的観察は、この葉鞘法の修正バージョンと、蛍光タンパク質を発現する真菌形質転換体、および落射蛍光および共焦点顕微鏡検査を含む高性能生細胞イメージングプロトコルを組み合わせることによって非常に容易になりました7,8,9,10、11、12、13。
この論文では、半栄養性および壊死栄養性の葉状真菌病原体による感染過程を観察するために、剥離したトウモロコシ葉鞘を使用した最適化された接種プロトコルについて詳しく説明します。具体的には、炭疽病の葉枯れ病や茎腐病の原因菌であるColletotrichum graminicola(C. graminicola)や、ディプロディアの葉枯れ病や茎腐病の原因となるStenocarpella maydisの研究に使用しています。ただし、この方法は、他の半栄養性および壊死栄養性の葉面真菌病原体にも適用できるはずです。これらの切除された葉鞘における感染およびコロニー形成イベント中の細胞学的および生理学的応答は、葉身全体の反応と同様である12,14,15。さらに、C. graminicolaによる鞘表皮細胞の半栄養性コロニー形成は、茎髄細胞のコロニー形成に類似している16,17。剥離した鞘は、葉身や茎の髄組織よりも、真菌の浸透とコロニー形成の同期性と実験的再現性が高いことを示しています14,16,17,18。ほとんどのトウモロコシ品種は、このプロトコルに使用できます。ただし、鞘に過剰な紫色の色素を持つ近交系またはハイブリッドは、色素がイメージングを妨げるため、あまり適していません。ゴールデンジュビリースイートコーンは、未処理の種子が市販されており、植物は多くの葉の病気に非常にかかりやすく、温室でよく育つため、私たちの研究に特に役立ちました。1970年代に米国で炭疽病の茎腐れ病が最初に流行した結果、インディアナ州ではスイートコーンの収穫が完全に失われました19,20。この葉鞘接種法は、生きた植物細胞と局所的に殺された植物細胞の真菌の成長と発生を直接観察および定量化し、真菌感染に対する適合/非互換応答における耐性反応を実証し、同じ鞘上の真菌株間の相互作用をリアルタイムでテストするために適用できます。
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注: このメソッドのワークフローを 図 1 に示します。

図1:剥離したトウモロコシの葉鞘を使用した最適化された接種プロトコルのステップ。 胞子懸濁液の調製、葉鞘の接種、生細胞顕微鏡用のサンプル調製は、それぞれ緑色(A)、紫色(B)、オレンジ色(C)のボックスで強調表示されています。BioRender.com で作成。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
1.植物および菌類材料
2.葉鞘接種

図2:グラスウールフィルターユニットの準備。(A) 0.5cm×0.5cmのグラスウールボールを、円錐形の底を取り除いた微量遠心チューブ1の内側に入れます。 (B-C) 次いで、濾過管を微量遠心管2に入れて、胞子懸濁液調製用の組み立て済みフィルターユニットを生成する。BioRender.com で作成。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図3:スカートなしの96ウェルPCRプレートの切断方法。(A) PCRプレートを6つのサポートラック、8 x 2ウェルにカット。単一のシース支持体の例を (B )に示します。葉鞘は支持体に水平に置かれます。BioRender.com で作成。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図4:鞘の接種方法。 シース部のアキシャル面に直接塗布された接種液のシングルドロップ。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図5:シースインキュベーション法。 接種した葉鞘を、湿らせた濾紙が入ったガラスペトリプレート内の支持ラックに水平に置いた。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
3. 生細胞顕微鏡
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以下の例は、トウモロコシ葉鞘接種法を使用した後の代表的な結果を示しています。これらの例は、トウモロコシと真菌の相互作用の観察と比較を、この最適化されたアッセイでリアルタイムに行うことの容易さ、速度、精度を示しています。また、生細胞イメージングは定量的な情報の抽出を可能にし、分子学的、細胞学的、生理学的の比較研究に有用なツールを提供します。詳細については、成功した各アプリケーションについて引用されている元の出版物に記載されています。
データ例1:真菌の状態評価と真菌感染に対する植物の応答の検出のための接種された葉鞘の染色および形質分解の使用
トウモロコシの葉鞘は、明視野顕微鏡で生きた宿主細胞における Colletotrichum graminicola および Stenocarpella maydis の感染プロセスを視覚化および比較するために使用され、コロニー形成パターンと時間経過の詳細な説明を可能にしました(未発表の結果; 図6)。
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ここで説明する最適化された葉鞘接種法は、イネの葉鞘のために開発され、適用されている元のプロトコルから変更されています6,8,36。これにより、広視野顕微鏡または共焦点顕微鏡を使用して、生きた植物細胞における真菌の成長と発生を直接かつ詳細に観察することができます。プロトコルはトウモロコシのコロニー形成の間にいろいろな顕微鏡現象の性格描写、比較および定量化のために適している対互換性のない相互作用の間に菌類の開発そして宿主の応答を含んで;プランタにおける特定の真菌タンパク質の産生および分泌;トウモロコシと真菌の相互作用中に生成される一般的または新規の病原性因子の細胞診および生化学。この方法は、トウモロコシの半栄養病原体および壊死栄養病原体に使用しました。生物栄養病原体(さび菌など)の接種は試みていませんが、鞘は生きているので、その用途にも有用です。また、この方法をソルガム鞘に適用し、宿主および栽培品種特異的耐性の細胞診の調査も行っています<...
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著者らは、競合する金銭的利害関係はなく、開示するものも何もないと宣言しています。
著者らは、USDA-NIFAの財政支援に感謝する(助成金番号2018-67013-28489および2020-70410-32901)。この原稿で表明された意見、調査結果、結論、または推奨事項は、著者のものであり、必ずしも米国農務省の見解を反映しているわけではありません。ブラジルからの「国境なき科学」の客員学生であるMayara de Silva氏には、図 6A と 図7Dの画像を提供していただいたことに感謝します。また、ケンタッキー大学の植物病理学部がオリンパスの共焦点顕微鏡へのアクセスを提供してくれたことにも感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Axiocam モノクロ顕微鏡カメラ | ZEISS | 426560-9010-000 | Axioplan 2 顕微鏡と互換性があり、ライブセルイメージングに低読み取りノイズと高速性を提供 |
| Axioplan 2 落射蛍光顕微鏡 | ZEISS | N/A | ライブビューイングと画像/ビデオキャプチャが可能 生物学的サンプルの |
| 卓上遠心分離機 24 X 1.5/2 mL | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 75002431 | Sorvall Legend Micro 17; 最高速度: 13,300 rpm (17,000 x g) |
| 蓋付きファルコン細菌学ペトリ皿 | フィッシャーサイエンティフィック | 08-757-105 | ポリスチレン素材; 疎水性表面 |
| 濾紙 | フィッシャーサイエンティフィック | 09-920-115 | Whatmanグレード1 ペトリプレート湿潤チャンバーFV |
| 3000レーザー走査型共焦点顕微鏡 | オリンパス | N / A | 形質転換体の視覚化用' |
| 発芽紙 | アンカーペーパー株式会社 | プラスチック | の箱の湿った部屋 |
| ガラス ペトリ皿 | VWRインターナショナル | 75845-542 | タイプ1のクラスA、33の拡張ホウケイ酸ガラスのためのSD7615L 76#重い重量; コンプリートセット(カバー+底面)、ペトリプレート湿りチャンバー用 |
| グラスウール | オハイオ・バレー・スペシャルティ・ケミカル | 3350 | グラスウールフィルターユニット |
| 用 血球計算計/ノイバウアー 計数チャンバーとカバーガラス | VWR International | 15170-172 | 0.1 mm チャンバー深さ; 2 つの 0.4 mm カバーガラスが付属 |
| 顕微鏡カバースリップ | フィッシャーサイエンティフィック | 12-553-457 | ホウケイ酸ガラス、100個入り、長さ22mm、幅22mm |
| トウモロコシ品種ゴールデンジュビリー種子 | ウェストコースト種子株式会社、デルタ、ブリティッシュコロンビア州、カナダ | CN361 | 成熟 95-105日で;種子の種類: F1 |
| 微量遠心チューブ | USAサイエンティフィック | 1415-2500 | 1.5 mL |
| 顕微鏡スライド | フィッシャーサイエンティフィック | 12-550-123 | スーパーフロストホワイトタブスライド、長さ76 mm、幅25 mm |
| オートミール寒天 (OA) | VWR International | 255210 | Difco Oatmeal Agar, BD; 500 g |
| Nail polish | Revlon | 43671 | 顕微鏡スライドを密封するための透明なマニキュア; カラー 771 クリア |
| スカートなしの 96 ウェル PCR プレート | USA Sientific | 1402-9500 | 100 uL プレート容量 |
| 量遠心チューブ用乳棒 | USA Scientific | 1415-5390 | 円錐形の先端; ポリプロピレン素材 |
| PlanApo 60X/1,00 WLSM 水対物レンズ | オリンパス | 1-UB933 | オリンパス FV 3000 共焦点顕微鏡 |
| Potato Dextrose Agar (PDA) | VWR International | 90000-758 | Difco Potato Dextrose Media, BD; 500 g |
| Pro-Mix BX | Premium Horticulture Supply Co. | N / A | プレミアム汎用成長培地は、 a 保水と適切な排水のバランス |
| SC10コーンテイナー | グリーンハウスメガストア | CN-SS-SC-10B | 直径 1.5 インチ、奥行き 8.25 インチ、容量 164 mL |
| SC10 コーンテイナー トレイ | 温室メガストア | CN-SS-SCTR98 | 長さ 24 インチ x 幅 12 インチ x 高さ 6.75 インチ; SC10 コーンテイナー |
| 1 枚刃 | 17-989-145 | AccuTec ブレード; 鋼材; 長さ 38 mm ブレード | |
| ラッチ クロージャー付き収納容器/ボックス | ターゲット | 002-02-0405 | リモイスト チャンバー用のクリア ビュー 収納ボックス。 外形寸法:23 5/8インチx 16 3/8インチx 6 1/2インチ;32クォート容量 |
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