여기에서는 포플러의 뿌리생물학 및 광 반응 관련 생리학적 과정 연구에 적합한 체관부 또는 표피 거들 진균 병원체 접종 경로를 통해 외래뿌리(AR)의 생산을 유도하는 프로토콜을 제시합니다.
방법 논문
* These authors contributed equally
여기에서는 포플러의 뿌리생물학 및 광 반응 관련 생리학적 과정 연구에 적합한 체관부 또는 표피 거들 진균 병원체 접종 경로를 통해 외래뿌리(AR)의 생산을 유도하는 프로토콜을 제시합니다.
Valsa sordida 와 Botryosphaeria dothidea 는 많은 식물 숙주, 특히 Populus 속의 종에 피해를 주는 두 가지 중요한 괴사 영양 곰팡이 병원체입니다. 이 두 가지 곰팡이 병원체는 주로 포플러 가지, 줄기 및 나뭇가지에서 발생하며 구내염 병변, 캐노피 다이백 및 시들음과 같은 전형적인 증상을 유발합니다. 병원체 접종은 식물 질병의 메커니즘을 연구하는 가장 효율적인 경로입니다. 줄기의 접종 부위 주변의 구내염 병변 외에도, 줄기 구내염 병원체 접종 후 포플러 종에서 밝은 붉은색을 띤 풍부한 외래뿌리(AR)라는 새로운 발달 현상이 관찰되었습니다. 이 연구에서는 포플러 나무에서 곰팡이 병원체를 사용하여 AR을 유도하는 방법을 설명했습니다. 이 방법의 중요한 단계는 (체관부 또는 표피) 거들 조작 후 병원체 접종입니다. 두 번째 중요한 단계는 보습 소재를 바르는 것입니다. 파라필름을 사용한 보습 조작과 비교했을 때, 접종된 부위를 가정용 폴리에틸렌(PE) 플라스틱 랩으로 감싸면 거들링 접종 후 20일 이내에 다채롭고 다양하며 견고한 AR을 생성할 수 있습니다. 마지막으로, 포플러 줄기의 접종된 고리에서 흰색 AR이 차양 처리(줄기를 알루미늄 호일로 감싸기) 후 싹이 텄습니다. 이 방법은 뿌리 발달 및 형태 형성을 연구하기 위한 새로운 실험 시스템을 도입하며, 이는 질병 스트레스 하에서 뿌리 발달, 형태 형성 및 반응의 생물학을 이해하는 데 중요합니다. 또한, 본 연구는 음영 처리와 결합하면 광 반응 관련 과정, 예를 들어 플라보노이드, 안토시아닌 또는 기타 관련 대사 산물의 생합성, 이러한 과정에 관여하는 유전자 또는 전사 인자를 조사하기 위한 편리한 실험 시스템을 제공할 수 있습니다.
괴사영양성 진균 병원균인 Valsa sordida 와 Botryosphaeria dothidea에 의해 유발되는 포플러 줄기 구내염병은 중국 북부의 두 가지 중요한 수목 질병으로, 포플러 종의 생태학적, 경제적 플랜테이션 개발에 심각한 피해를 입혔습니다. 포플러 구내염병은 항상 줄기와 가지의 껍질에서 발생하며, 구내염 병변이 전형적인 증상입니다. 질병이 발병한 후, 팽창하는 구내염 병변은 숙주의 체관부, 형성층 및 물관부를 점진적으로 손상시켰습니다. 또한, 그들은 혈관 시스템을 통한 동화 된 산물과 물의 수송에 영향을 미쳤습니다. 그러나 구내염 병원체가 체관부와 물관부 수송을 어떻게 방해하는지는 불분명합니다.
구내암 병원체에 감염된 포플러에서 탄수화물과 수분의 수송 메커니즘을 밝히기 위해 고전적인 정원 거들 조작과 병원체 접종 방법(균사체 차단 상처 접종)을 결합한 체관부 또는 표피 거들 접종 방법 1,2를 제안했습니다. 이러한 방법은 감염 과정과 구내염 병원체에 의해 유발된 물과 탄수화물의 막힘을 시뮬레이션할 수 있습니다.
우리의 연구는 곰팡이 병원체가 초기에 수압 고장이 아니라 탄소 결핍을 유발함으로써 포플러 캐노피 다이백을 유발한다는 것을 보여주었습니다 1,3,4,5. 놀랍게도, 우리는 줄기 구내염 병원균의 접종과 관련된 포플러 줄기에서 특별한 뿌리 형성을 관찰했습니다: 풍부한 붉은 외래뿌리(AR)는 위쪽 줄기의 아래쪽 끝(체관부 또는 표피 띠 고리의 위쪽 가장자리 반대편)에서 자랍니다. 또한, 우리의 실험은 AR의 생산이 포플러-구내염 병원체 상호 작용에서 보편적임을 보여주었습니다. 그들은 다른 연령 (1 세, 2 세 또는 6 세)의 포플러 종 또는 클론의 종류에서 생성 될 수 있으며 다른 구내염 병원체 (V. sordida 및 B. dothidea) 또는 그들의 분리체에 의해 유도 될 수 있습니다. 또한, 우리는 포플러 AR의 색 메커니즘을 연구했으며, 그 결과 포플러 AR이 플라보노이드와 안토시아닌의 생합성뿐만 아니라 조명 조건에서 빛 관련 유전자(또는 유전자 모듈)의 유전자 발현 조절과 관련이 있음을 보여주었습니다6. 따라서 병원체에 의해 유도된 이러한 포플러 AR은 식물-병원체 상호 작용, 뿌리 생물학, 광 관련 유전자의 기능 및 발현 연구를 위한 안정적이고 이상적인 실험 시스템으로 사용될 수 있습니다.
본 연구에서는 거들링 접종 경로를 통해 포플러 AR 실험 시스템을 구축하기 위한 프로토콜을 소개하고 제공할 것입니다. 또한, AR의 형성에 영향을 미치는 중요한 요인을 지적하고 포플러 뿌리 생물학 및 기타 광 반응 관련 생리학적 과정 연구에서 거들링 접종의 잠재적 적용에 대해 설명합니다.
1. 거들링 접종을 통한 포플러 AR 유도
2. 거들링 접종법을 통한 광 관련 유전자 연구를 위한 실험적 체계 구축
거들링 접종을 통해 외래 뿌리를 유도하는 줄기 구내염 병원체의 작업 흐름은 그림 1에 나와 있습니다. 여기에서 수행된 실험은 줄기 구내염 병원균인 V. sordida, B. dothidea 및 이들의 분리물(다른 숙주, 지역 또는 병원성)이 포플러 종에서 AR의 형성을 유도할 수 있음을 보여주었습니다. 이 프로토콜에서는 V. sordida를 사용하여 CZC, CFCC86775를 분리하고 B. dothidea를 사용하여 SD50 및 SD81을 분리하여 P. alba var. pyramidalis에서 AR을 생성했습니다. V 소디다 CZC는 사용되는 전형적인 병원체이며 중국 일반 미생물 배양 수집 센터 (CGMCC 40575)에 기탁되었습니다. V. sordida 분리 CFCC86775은 중국 임업 문화 수집 센터에서 구입했으며, 두 개의 SD 분리물은 산둥성의 구내염 포플러 나무에서 수집하여 우리 실험실에 보관했습니다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 거들링 부위에 굳은살이 형성되었고(그림 2A, 패널 1), 도금과 형성층 제거 처리(그림 2A, 패널 2)에서는 AR이 거의 형성되지 않았으며, 체관부 접종 시술 후에는 적색의 섬유근이 많이 생성되었다(그림 2A, 패널 3-6). 우리는 또한 AR이 P. alba var. pyramidalis, Populus × beijingensis, P. alba × P. tremula var. glandulosa 클론 84K, P. euramericana cv. 'Bofeng 3' 또는 기타 하이브리드 포플러)와 같은 다른 포플러 종 또는 클론에서 유도되는 것을 관찰했습니다. 그러나 이 프로토콜에서 AR은 1년 된 P. alba var. pyramidalis의 줄기에서만 생성됩니다. 마지막으로, 그림 2 패널 7에서 볼 수 있듯이, AR 구조는 병원균 V. sordida에 의한 체관부 접종 후 6세 P. alba var. pyramidalis의 줄기에서도 유도되었습니다. 포플러 줄기의 지름은 약 6-7cm이고 가장 긴 섬유질 뿌리의 길이는 7.0cm 이상입니다.
그림 2에서 볼 수 있듯이, 빨간색 세그먼트는 알루미늄 호일로 감싼 포플러(그림 2B, 패널 1)에서 생성된 흰색 유백색 또는 연한 빨간색 AR에서 3일 후의 빨간색 AR(그림 2B, 패널 4)에 이르기까지 햇빛 조건에 노출된 후 음영 포플러 AR에서 생성되었습니다. 또한, 우리는 또한 적색 색소가 빛에 노출된 후 단기간에 생성된다는 것을 알아차렸고, 유전자 발현 분석은 색소(주로 시아니딘-3-O-글루코시드)의 생합성이 페닐프로판 대사 경로6의 시작부터 새로운 생합성이 아니라 안토시아니딘 기질에서 직접 형질전환되었음을 보여주었습니다.
이 프로토콜에서는 두 가지 거들링 방법(체관부 및 표피 거들링)이 모두 병원체 접종 후 포플러 줄기에 AR 형성을 유도할 수 있습니다. 바람막이가 적고 표피-띠를 두르는 접종된 포플러의 생리학(예: 물과 탄수화물의 수송)에 대한 영향이 적었습니다. 그러나 AR의 생산은 체관부 거들링에서 조금 빠르고 효율적인 것 같습니다. 따라서 체관부 거들링 접종 방법은 포플러 AR 연구에 권장됩니다.

그림 1: 포플러의 거들링 접종 방법을 통해 줄기 구내염 병원체에 의해 유도된 외래뿌리(AR) 형성의 개략적인 작업 흐름. 먼저, 줄기 구내암 병원균(28°C에서 7-10일 동안 어둠 속에서 배양)을 균사체 스트랩(너비 1.2cm)으로 절단했습니다. 1 년 된 포플러 묘목 또는 1 년 된 가지를 두 가지 방법을 통해 줄기 (땅 위 ~ 30cm 또는 가지 밑동, 파란색 화살표로 표시)에 띠를 띠었습니다 : 체관 거들 링 (줄기의 표피, 체관 및 부분 형성층 조직을 포함하는 거들 링 및 폐기) 또는 표피 거들링 (줄기의 표피 만 포함하는 거들 링 고리를 거들링 및 버림). 띠를 띠는 체관부 또는 체관부 고리의 너비는 1.0cm입니다. 그런 다음 띠를 낀 부위를 균사체 끈으로 완전히 덮고 즉시 PE 플라스틱 테이프로 감쌌습니다. 스트랩의 균사체 측면은 띠를 띠고 있는 부분을 향하고 있습니다. 뿌리 형성 및 뿌리 발달과 같은 뿌리 생물학 연구를 위해 접종된 포플러 묘목/가지를 정기적인 관리(경로 I, 노란색 화살표로 강조 표시)하에 14-30일 동안 재배했습니다. 분절의 생합성, 광형태형성 또는 광 관련 유전자의 발현 조절 연구를 위해 추가 알루미늄 호일 랩핑을 채택한 다음 접종된 묘목/가지를 AR을 생산하기 위해 ~20일 동안 재배했습니다. AR이 생성되었을 때, 줄기/가지에서 알루미늄 호일을 제거하고 포플러 AR을 햇빛 또는 기타 빛 조건(광 스펙트럼, 강도, 주기 또는 그 조합에 따라 다름)에 노출시켰습니다(경로 II, 빨간색 화살표로 강조 표시됨). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 줄기 궤양 병원체는 포플러에서 AR의 빛 조건에서 외래뿌리(AR)와 분절 생합성의 형성을 유도했습니다. (A) 다양한 줄기 구내염 병원체는 포플러 줄기에서 AR 형성을 유도합니다. A1 : 거들 컨트롤; A2 : 거들링 및 형성층 제거 (GR); A3-6: 다른 줄기 구내염 병원체(V. sordida 및 B. dothidea)는 1세 P. alba var. pyramidalis 묘목에서 AR 형성을 유도합니다. A7: 6세 P. alba var. pyramidalis의 가지에서 생산된 AR. (B) 빛 노출은 포플러 AR에 있는 분절의 생합성을 유도합니다. B1-B4는 노출 후 0일, 1일, 2일, 3일에 광 조건에 노출된 포플러 AR을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
포플러 종은 줄기 절단에서 AR 또는 측면 뿌리(LR)를 생산하는 경향이 있으며, 이는 번식에 기여하고나무 식물에서 뿌리 생물학을 연구하는 뿌리 생물학 모델로 7,8. 더욱이, 연구에 따르면 유익한 박테리아(Agrobacterium rhizogenes 9,10; 식물 성장 촉진 뿌리 박테리아 [PGPR] 11), 내생식물 박테리아12 , 13 , 수목 균근 균 (AMF) 14 , 15 또는 외부 균근 균 (EMF) 16 , 17 은 식물 뿌리의 성장 또는 발달을 촉진 할 수 있습니다. 그러나 숙주 식물에서 AR 구조를 유도하거나 촉진하는 병원체(박테리아도 곰팡이 병원체도 아님)에 대한 보고는 보고되지 않았습니다.
여기의 실험은 다양한 포플러 구내병 병원체(예: V. sordida, B. dothidea)가 포플러 줄기/가지에서 AR의 형성을 유도할 수 있음을 보여주었습니다(그림 2A, 패널 3-6). 더욱이, 실험은 다른 포플러 종/클론, 예를 들어 P. alba var. pyramidalis, Populus × beijingensis, P. alba × P. tremula var. glandulosa 클론 84K, P. euramericana cv. 'Bofeng 3', 심지어 6년 된 포플러 가지(그림 2A, 패널 7)의 묘목에서 AR이 유도될 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 Malus spp., Prunus spp., Cedrus deodara 및 Pinus massoniana의 1년 된 묘목/가지에서는 AR 구조가 생성되지 않았습니다. 그런 다음 이 프로토콜은 포플러 AR 생산의 새로운 경로를 제공했습니다: 포플러 줄기/가지에 나무 곰팡이 구내염 병원체(V. sordida 및 B. dothidea)의 거들 접종을 통해 AR을 유도합니다.
실험은 또한 체관부 및 표피 거들링 방법 모두 병원체 접종 후 포플러 줄기에 AR 형성을 유도할 수 있음을 나타냈습니다. 그러나 체관부 접종 후 포플러 줄기는 거들 및 나무 껍질 (체관부) 조작 및 병원균 침입으로 인한 인성의 현저한 감소로 인해 거들 부위에서 쉽게 바람이 파손됩니다. 따라서 AR 유도의 경우 포플러 줄기/가지를 막대기에 잘 묶어 특히 체관부 거들링 방법을 사용할 때 부러지지 않도록 해야 합니다.
식물 자체가 주로 AR의 형성을 결정합니다. 그러나 일부 환경 요인의 영향도 받습니다. 예를 들어, AR은 일부 쌍떡잎식물 종의 침수 또는 홍수 조건에서 유발될 수 있습니다18,19. 수분 유지는 지상 줄기/가지에 대한 AR 유도의 중요한 단계였습니다. 이 프로토콜에서는 파라필름과 가정용 PE 필름이 모두 수분 보존을 위해 사용되었습니다. 그러나 파라필름 랩페이지는 새로 형성된 AR에 의해 침투될 수 있으며, 그 후 수분 손실, 성장 지연, 갈변 및 포플러 AR의 리그니피케이션을 유발할 수 있습니다. 반대로, PE로 감싼 포플러 줄기에서 풍부하고 부드럽고 수분이 풍부한 AR을 수확했습니다. 따라서 이 프로토콜에서는 Parafilm 필름이 아닌 가정용 PE 필름이 권장되었습니다.
뿌리는 식물의 중요한 기관으로 식물의 번식, 성장, 영양분 및 수분 흡수에 중요한 역할을 합니다. 그런 다음 포플러 종의 뿌리형성(rhizogenesis)20, 형태학 및 발달, 뿌리 시스템 구조(root system architecture, RSA)21 연구에 이 방법을 사용해야 합니다. 더욱이, 연구에 따르면 뿌리 시스템과 뿌리 줄기 박테리아 사이의 연관성이 숙주 식물의 질병 저항성을 향상시킬 수 있습니다22; 그런 다음, 거들링-구내병 병원균 접종은 포플러 AR에서 일부 분자 및 후성유전학적 변화를 유도해야 하며, 이는 질병 저항성 묘목의 재배에 잠재적으로 응용될 수 있습니다.
빛은 식물의 성장, 발달 및 번식에 영향을 미치는 중요한 환경 요인입니다. 음영 노출 실험(그림 2B)은 병원균 유발 포플러 AR이 식물 분절(플라보노이드, 안토시아닌23 등)의 생합성을 위한 이상적인 실험 시스템임을 보여주었습니다. 이전 연구에서는 빛 조건(모식물에 노출되는 강도, 품질, 지속 시간 및 양)이 뿌리 형성 또는 뿌리 형성과 외래 뿌리 및 측면 뿌리의 발달에 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다 24,25,26. 따라서 조명 조건의 미세 조정을 통해 이 프로토콜의 병원체 유도 포플러 AR 시스템은 포플러 식물의 뿌리 생물학 및 기타 광 반응 관련 프로세스 연구에 사용할 수 있습니다.
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이 연구는 중앙 공익 과학 기관, 국가 핵심 수목 유전학 및 육종 연구소의 기초 연구 기금(보조금 번호 CAFYBB2020ZY001-2)과 중국 국립 자연 과학 재단(보조금 번호 32171776)이 Jiaping Zhao에게 공동으로 자금을 지원했습니다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 한천 | 솔라바이오 | A8190 | 곰팡이 성장을 위한 영양 공급 |
| 알루미늄 호일 | 바이오샤프 | BS-QT-027B | 감염된 지역에 음영을 제공하기 위해 |
| 거들링 나이프 | MoGong 하드웨어 공구 회사 | 포플러 줄기/가지의 표피를 감습니다. | |
| 접목 테이프 | CAPI | 5 cm | 식물에 곰팡이를 고정하려면 |
| PD(감자 추출, 포도당) | 솔라바이오 | P7360 | 곰팡이 성장을 위한 영양 공급 |
| PE 플라스틱 필름 | 먀오지에(MiaoJie) | 413703 | 식물에 곰팡이를 고정하려면 |
| 페트리 접시 | Bkman 생물학적 Co., Ltd | 90mm | PDA 배지 준비 |
| 온도 조절 인큐베이터 | 상하이 Kuntian 실험실 기기 Co., Ltd | KTD-6000 시리즈 | 곰팡이 성장을 위한 환경 제공 |
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