Hier presenteren we een basisprotocol voor de inductie van P. blakesleeanus paring.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Hier presenteren we een basisprotocol voor de inductie van P. blakesleeanus paring.
Phycomyces blakesleeanus, een filamenteuze schimmel in de Mucoromyco-stam, onderscheidt zich door zijn opmerkelijke vermogen tot omgevingsperceptie en adaptieve reacties. Hoewel eerder werk heeft aangetoond dat omgevingsstimuli, waaronder zwaartekracht, licht, vocht en beschikbaarheid van voedingsstoffen, de groeidynamiek en voortplantingsstrategieën beïnvloeden, blijven de onderliggende mechanismen een aandachtsgebied van onderzoek. Omgevingsfactoren veroorzaken seksuele of ongeslachtelijke voortplanting. Seksuele voortplanting begint met feromoonsignalering, die hyphal-chemoattractie veroorzaakt, wat uiteindelijk leidt tot seriële morfologische overgangen die culmineren in de vorming van een zygospore.
In een laboratoriumomgeving resulteren kruisingen van P. blakesleeanus in complementaire mycelia die de seksuele cyclus in verschillende stadia ondergaan. Ons werk is gericht op het testen of omgevingsfactoren paring kunnen veroorzaken in het mycelia van P. blakesleeanus. Kruisingen van P. blakesleeanus gekweekt op voedingsarme media zullen worden onderworpen aan voedingsstofbeperkte agar om een seksuele respons op te wekken in overeenstemming met nutriëntentekort. Het succesvol op gang brengen van paring in P. blakesleeanus zal toekomstige studies vergemakkelijken die een grote hoeveelheid seksueel reproducerende mycelia in specifieke stadia vereisen. De resultaten van dit onderzoek zullen ons begrip van hoe de voortplantingsmechanismen van P. blakesleeanus worden beïnvloed door omgevingsfactoren verder vergroten, wat zal bijdragen aan de bredere kennisbasis over de seksuele voortplanting van draadschimmels.
De inductie van paring in schimmelsystemen in laboratoriumomstandigheden heeft het begrip van eukaryote genetica, celbiologie, evolutionaire biologie en biotechnologie verbeterd. De dikaryan schimmels, in het bijzonder de Ascomycota, beschikken over de meest uitgebreide kennis over paringsinductie in een laboratoriumsetting1. Interessant is dat de eerste schimmel waarbij seksuele voortplanting werd voorgesteld, Syzygites megalocarpus, geen lid is van Ascomycota, maar eerder een lid van de phylum Mucoromycota2. De phylum Mucoromycota is een vroeg divergerende groep die vroeger werd geclassificeerd als "Zygomycota", maar nu wordt beschouwd als de zuster van de Dicaryan-geslachten 3,4. De Mucoromycotta zijn, samen met Zoopagomycota, evolutionair belangrijk omdat deze phyla de overgang van schimmels naar terrestrische ecosystemen vertegenwoordigen 4,5. Net als andere schimmels gebruiken de Mucoromyceten ongeslachtelijke en seksuele voortplantingsstrategieën als reactie op hun omgeving 3,6. Onder omstandigheden met beperkte voedingsstoffen beginnen mucoromyceten aan de seksuele cyclus6. Mucoromyceten vertonen zowel homothallische als heterothallische paringsmechanismen, waarbij de compatibiliteit wordt bepaald door de paringsgenen sexM en sexP, aangeduid als respectievelijk (-) en (+) 7,8,9.
Blakeslee10 benadrukte de gevoeligheid van de seksuele cyclus van mucoromyceet voor externe omstandigheden, en merkte op dat vocht van cruciaal belang is voor hun vorming en dat de beschikbaarheid van voedingsstoffen in het substraat een belangrijke rol speelt. Complementaire paringstypen beginnen de seksuele cyclus door coöperatieve synthese van trisporzuren (TA) met bètacaroteen als voorloper 11,12,13. Na de detectie van TA worden de reagerende vegetatieve hyfen dikker en worden ze sterk vertakte zygoforen 14,15,16. De zygoforen zetten de productie van TA voort en trekken elkaar chemoattract aan. Bij P. blakesleeanus differentiëren zygoforen binnen het substraat en zijn ze niet direct zichtbaar op vaste agarmedia17. Bij het maken van contact verstrengelen de zygoforen zich en worden ze luchtzygoforen.
Naarmate de seksuele cyclus vordert, hechten de uiteinden van de zygoforen zich vast en duwt het midden van de cellen naar buiten om een ringachtige structuur te vormen met coralloïde zwelling aan de basis, waardoor de overgang naar het progametangium wordt voltooid. De uiteinden van de cellen die het progametangium vormen, beginnen samen te smelten en ontwikkelen zich tot het gametangium. In het gametangia-stadium vertonen de zygoforen doornachtige versieringen. De celwand aan de uiteinden lost op en er verschijnen onvoorziene septa, die het gebied afbakenen waar de zygospore zich zal vormen, en de zygoforen fungeren als tangachtige suspensors18. De zygospore zal gepigmenteerd worden naarmate de celwand dikker wordt en het extra doornachtige versieringen krijgt17,18. Eenmaal gevormd, zal de zygospore een periode van rust ingaan voordat hij de groeicyclus opnieuw start.
Phycomyces blakesleeanus is een heterothallisch mucoromyceet dat opmerkelijk is vanwege zijn grote cellen en milieuvriendelijke sporangioforen 6,8,18. Dit organisme kan gemakkelijk in het laboratorium worden gekweekt en de delen van de seksuele cyclus die leiden tot de vorming van zygosporen kunnen worden waargenomen in een tijdsbestek van 8-10 dagen. Als model is P. blakesleeanus onderzocht op zijn vermogen om licht in zijn omgeving waar te nemen17,19. Het kweekgemak en het vermogen om paring op te wekken maakten het ook tot een ideaal model om het mechanisme achter zijn vermogen om licht waar te nemente bestuderen 20; Deze bevindingen benadrukten ook de evolutionaire conservering van lichtgevoelige mechanismen in schimmels. In P. blakesleeanus is aangetoond dat licht de seksuele voortplanting remt via deze geconserveerde lichtgevoelige eiwitten21. Recente evolutionaire ontwikkelingsstudies hebben geprobeerd te begrijpen welke genen bijdragen aan celdifferentiatie tijdens de seksuele cyclus van P. blakesleeanus 6. Het correleren van morfogenese met specifieke genen zou vereisen dat voldoende weefsel van dezelfde celtypen wordt geïsoleerd om genexpressiestudies uit te voeren.
Hoewel protocollen voor het induceren van paring van P. blakesleeanus in een laboratoriumomgeving eerder zijn beschreven, vermelden sommige alleen het type medium dat moet worden gebruikt en de relevante stammen18. Sommige protocolbeschrijvingen bevatten geen specifieke mediaformulering, maar beschrijven wel waar vermoedelijke complementaire paringstypen op een plaat moeten worden geplaatst10. Recentere protocollen maken een verhoogde productie van zygosporen mogelijk door ofwel sporen van elk paringstype te mengen en te inoculeren met de gemengde sporensuspensie21 of door paringstypen op enige afstand van elkaar te plaatsen en de cultuur 20 dagen te laten incuberen22. Deze benaderingen zijn nuttig voor het genereren van voldoende gedifferentieerde cellen, met name zygosporen, maar zijn mogelijk niet geschikt voor het observeren van een ontwikkelingsverloop of het selecteren van seksuele structuren die zich vóór zygosporen vormen voor single-cell transcriptomics. Ander werk heeft dit aangepakt door complementaire paringstypen op afstand van elkaar te plaatsen op vaste media om de observatie van seriële morfologische overgangen mogelijk te maken wanneer de seksuele cyclus begint 6,22,23. Net als bij andere schimmels breidt P. blakesleeanus mycelia zich radiaal uit24,25. Daarom, wanneer complementaire paringstypen op dezelfde plaat worden gekweekt, zullen verschillende delen van hun mycelia op verschillende tijdstippen met elkaar in contact komen. Aangezien contact tussen mycelia een van de eerste stappen is in de seksuele cyclus van P. blakesleeanus, betekent dit dat verschillende delen van interagerende mycelia zich in verschillende stadia van de seksuele cyclus zullen bevinden. Deze asynchronie kan van invloed zijn op de uitkomst van een genexpressieonderzoek, zodat als gedifferentieerde celtypen worden gemengd en als ze verschillende genexpressieprogramma's hebben, het moeilijk zou zijn om de rol van een gen aan een bepaalde structuur toe te schrijven.
Naast de waarde van P. blakesleeanus als model voor het onderzoeken van genen die betrokken zijn bij morfogenese tijdens de seksuele cyclus, maken de krachtige groei en het vermogen om te differentiëren in een tijdsbestek van een paar dagen het een ideale schimmel voor het opleiden van studenten die geïnteresseerd zijn in vroeg divergerende filamenteuze schimmels en voor gebruik in een niet-gegradueerde klasomgeving om meer te weten te komen over de diversiteit van schimmels en hun ontwikkelingsprocessen. Het hier gepresenteerde protocol maakt gebruik van drie concentraties van twee verschillende soorten media om het effect van de beschikbaarheid van voedingsstoffen op het uiterlijk van mycelium, de inductie van paring en verrijking voor bepaalde seksuele structuren aan te tonen, hetzij voor kwantificering, observatie of potentiële single-cell transcriptomics.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. Voorbereiding van de media
2. Schimmelsporen of weefsel voorbereiden
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Na een kruising in 4 richtingen varieerde elke stam enigszins in groeisnelheid, zoals bepaald door de verandering in oppervlakte van het mycelium (Figuur 2). Hoewel niet statistisch significant, had NRRL 1555 een snellere verandering in oppervlakte wanneer het werd geplateerd op 25% CMA, 25% PDA of 100% PDA. Evenzo had NRRL 1465 een grotere verandering in oppervlakte wanneer het werd gekweekt op 50% PDA of CMA. NRRL 1464 had de snelste toename in oppervlakte...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Een eenvoudig protocol voor het induceren van seksuele voortplanting bij P. blakesleeanus in een laboratoriumomgeving wordt hier gepresenteerd. Een van de meest kritische overwegingen voor dit protocol is de beperking van voedingsstoffen. Er wordt verondersteld dat schimmels seksuele voortplanting coöpteerden als reactie op barre omgevingsomstandigheden zoals nutriëntenbeperking 6,28,29,30,31,32.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.
We willen het Colorado College Natural Sciences Executive Committee, de afdeling Organismal Biology and Ecology en het Hevey Family Fund for Student Research bedanken voor het financieren van dit werk. We danken ook Alice Keller en Tia Hutchens voor hun technische ondersteuning.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Agar powder | ThermoFisher | 3453PK | |
| chloramfenicol | FisherSci | BP904-100 | |
| Cornmeal agar | Carolina | 742460 | |
| Panorama Stitcher | Apple App Store | ||
| Phycomyces blakesleeanus (-) NRRL 1555 | United States Department of Agriculture - Agricultural Research Service | 1555 | USDA-ARS verzendt alleen naar academische onderzoekers; zie hieronder voor alternatieven |
| Phycomyces blakesleeanus (-) NRRL 1564 | United States Department of Agriculture - Agricultural Research Service | 1564 | USDA-ARS verzendt alleen naar academische onderzoekers; zie hieronder voor alternatieven |
| Phycomyces blakesleeanus (-) Tube Culture | Carolina Biological Supply | 156183 | Cultuur van onderwijskwaliteit beschikbaar voor aankoop; NRRL 1555 |
| Phycomyces blakesleeanus (+) NRRL 1554 | United States Department of Agriculture - Agricultural Research Service | 1554 | USDA-ARS verzendt alleen naar academische onderzoekers; zie hieronder voor alternatieven |
| Phycomyces blakesleeanus (+) NRRL 1565 | United States Department of Agriculture - Agricultural Research Service | 1565 | USDA-ARS verzendt alleen naar academische onderzoekers; zie hieronder voor alternatieven |
| Phycomyces blakesleeanus (+) Tube Culture | Carolina | 156182 | Cultuur van onderwijskwaliteit beschikbaar voor aankoop; NRRL 1554 |
| Aardappel dextrose agar | FisherSci | DF0013-17-6 | |
| Sprout Plus Mini Centrifuge | Heathrow Scientific | SKU 120610 | |
| Tween 20 | Sigma-Aldrich | P6585-10ML |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.