$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Ze względu na swoją siedzącą naturę, rośliny są stale zagrożone przez mnóstwo patogenów o różnym stylu życia i strategiach żywieniowych1. W pierwszym przybliżeniu patogeny biotroficzne utrzymują swojego gospodarza przy życiu w celu odzyskania składników odżywczych, podczas gdy patogeny nekrotroficzne aktywnie wydzielają toksyny i enzymy, aby zabić tkankę gospodarza i żywić się martwymi komórkami1. Inna grupa patogenów, zwana hemibiotrofami, rozpoczyna swój przebieg infekcji od stadium biotroficznego i przechodzi w stadium nekrotroficzne po osiągnięciu określonego progu akumulacji patogenu2. Aby skutecznie bronić się przed tymi mikroorganizmami, rośliny wykształciły skomplikowany wrodzony układ odpornościowy wyposażony w wiele mechanizmów nadzoru w celu wykrycia ataku patogenu i wywołania zlokalizowanej zaprogramowanej śmierci komórki3, a także ogólnoustrojowej odporności nabytej (SAR)4. Obecne badania koncentrują się na scharakteryzowaniu podstawowych składników sygnalizacyjnych i wzajemnych oddziaływań w układzie odpornościowym roślin5.
Jak zaproponowano w modelu5 "Zig-Zag", pierwsza warstwa wrodzonej odpowiedzi immunologicznej rośliny wymaga obecności zlokalizowanych w błonie plazmatycznej receptorów rozpoznawania wzorców (PRR) w celu wykrycia inwazji drobnoustroju. PRR są w stanie rozpoznawać wzorce molekularne związane z drobnoustrojami (MAMP) i ustanawiać odporność wyzwalaną przez MAMP (MTI)6. Oprócz indukowania transkrypcyjnej regulacji w górę genów kodujących przeciwdrobnoustrojowe białka PR7, MTI prowadzi do różnych zdarzeń, które hamują wzrost patogenu, w tym do produkcji reaktywnych form tlenu (ROS) i reaktywnych form azotu (RNS), odkładania kalozy w ścianie komórkowej, a także aktywacji wielu szlaków sygnałowych kinazy8.
Do tej pory zidentyfikowano kilka MAMP, które wywołują MTI u Arabidopsis, w tym bakteryjny flg229 (fragment 22 aminokwasów pochodzący z flageliny), elf1810 (18 aminokwasów z bakteryjnego czynnika wydłużania translacji Tu) i peptydoglikany, składnik strukturalnej ściany komórkowej11. Aby ustalić udaną infekcję, niektóre wyspecjalizowane patogeny wyewoluowały zdolność do wydzielania białek efektorowych wirulencji do przestrzeni wewnątrzkomórkowych lub międzykomórkowych, a w konsekwencji tłumienia MTI i wyzwalania podatności wyzwalanej efektorem (ETS)12,13. Na przykład efektory wirulencji mogą dezaktywować kaskady fosforylacji kinazy białkowej aktywowanej mitogenem (MAPK) MTI, aby indukować rozwój choroby w zakażonej tkance14-16. Podczas dynamicznej koewolucji między gospodarzami a patogenami rośliny opracowały również strategię przeciwdziałania atakom, aby rozpoznać białka efektorowe i osłabić cząsteczki wirulencji patogenów17. To bezpośrednie lub pośrednie rozpoznawanie efektorów odbywa się za pośrednictwem białek oporności na choroby (R)18. Większość z nich należy do rodziny NB-LRR (Nucleotide Binding and Leucine-Rich Repeats)19. Postrzeganie efektora awirulentnego przez białko R wywołuje silniejszą i szerszą odpowiedź immunologiczną scharakteryzowaną jako odporność wyzwalana efektorowo (ETI)20. Oprócz indukowania ekspresji genów obronnych21 i produkcji metabolitów obronnych22, ETI często prowadzi do szybkiej zlokalizowanej zaprogramowanej śmierci komórki znanej jako reakcja nadwrażliwa (HR) w celu ograniczenia rozprzestrzeniania się patogenu do sąsiedniej tkanki3.
Oprócz zlokalizowanej zaprogramowanej śmierci komórki23, rośliny są zdolne do zainicjowania długoterminowej i ogólnosystemowej odpowiedzi immunologicznej zwanej Ogólnoustrojową Odpornością Nabytą (SAR)4. Po zmierzeniu się z biotroficznym patogenem komórki roślinne uruchamiają biosyntezę i akumulację endogennego fitohormonu kwasu salicylowego (SA) i białek PR zarówno w tkankach miejscowych, jak i ogólnoustrojowych24. Dzięki temu procesowi w niezakażonych liściach osiąga się podwyższony stan gotowości, który pozwala na szybsze reakcje obronne podczas kolejnej infekcji przez szerokie spektrum patogenów24. SA i jego syntetyczne analogi, takie jak ester S-metylowy kwasu benzo-(1,2,3)-tiadiazolo-7-karbothiowego (BTH) i kwas 2,6-dichloroisonicotynowy (INA), są zdolne do chemicznego indukowania odporności wyzwalanej kwasem salicylowym (SA) (STI) po zastosowaniu zewnętrznym24. Proponuje się, że Nonexpressor of Pathogenesis-Related Genes 1 (NPR1) jest jednym z receptorów SA i pełni funkcję głównego regulatora transkrypcji podczas odpowiedzi obronnej za pośrednictwem SA zarówno w tkankach lokalnych, jak i ogólnoustrojowych21,25,26. Wykazano jednoznacznie, że NPR1 jest wymagany do powstania SAR, a utrata NPR1 prowadzi do dramatycznej podatności na Pseudomonas syringae25.
Aby dokładnie scharakteryzować molekularny wkład składników roślinnych w interakcje roślina-patogen, opracowano wiele testów biologicznych do pomiaru określonych zdarzeń obronnych, w tym wybuchu ROS27, depozycji kalozy28, ekspresji genów obronnych i akumulacji ich produktów białkowych21. Chociaż te indywidualne testy mogą dostarczyć wglądu w specyficzną formę odpowiedzi immunologicznej rośliny, żadna z nich nie jest jednak w stanie przedstawić pełnej odpowiedzi obronnej na poziomie całej rośliny. I odwrotnie, kwantyfikacja wzrostu patogenu po zakażeniu zapewnia ogólne oszacowanie odpowiedzi immunologicznej na poziomie organizmu. Dlatego opracowanie i optymalizacja precyzyjnego i wysoce ustandaryzowanego testu inokulacji patogenów ma kluczowe znaczenie dla napędzania badań i odkryć dotyczących odpowiedzi immunologicznej Arabidopsis.
Pseudomonas syringae, bakteria Gram-ujemna, została zidentyfikowana jako fitopatogen zdolny do wywoływania chorób u różnych gospodarzy roślin, w tym Arabidopsis29. Jako modelowy system roślina-patogen, interakcja Arabidopsis - P. syringae jest szeroko stosowana w celu zrozumienia mechanizmów molekularnych leżących u podstaw reakcji obronnych roślin29. Do tej pory zidentyfikowano ponad 50 patowarów P. syringae na podstawie ich zdolności do infekowania różnych gatunków roślin30 . P. syringae pv. pomidor DC3000(Pst DC3000)31oraz P. syringae pv. Maculicola powiedział:ES4326 (Psm ES4326)32 to dwa najczęściej stosowane i szeroko scharakteryzowane zjadliwe szczepy. Oprócz tego, że są rozpoznawane przez roślinę i wyzwalają odpowiedź MTI, Pst DC3000 i Psm ES4326 są zdolne do wydzielania zjadliwych białek efektorowych w celu tłumienia MTI i wyzwalania ETS w celu sprzyjania wzrostowi patogenu31,33.
Aby funkcjonalnie przeanalizować interakcję między Arabidopsis a P. syringae, opracowano metody infekcji wieloma patogenami w oparciu o podejście dostarczania patogenów. W przypadku roślin uprawianych w glebie patogen może być dostarczany przez infiltrację strzykawkową, infiltrację próżniową, inokulację zanurzeniową i inokulację opryskową29,34. Niedawno opracowano test inokulacji zalewowej sadzonek w celu przeprowadzenia badań przesiewowych na dużą skalę na młodych roślinach rzodkiewnika wyhodowanych na płytkach kultur tkankowych35. Naciek strzykawkowy, jako jedno z najczęściej stosowanych metod, polega na ręcznym dostarczaniu patogenu do apoplastu przez naturalne otwory liściowe zwane aparatami szparkowymi29. Dzięki takiemu podejściu równe ilości P. syringae mogą przeniknąć do zakażonego liścia, a siła odpowiedzi immunologicznej roślin jest odwrotnie skorelowana z poziomem wzrostu patogenu. Dlatego kwantyfikacja wzrostu patogenów służy jako optymalne podejście do oceny funkcji immunologicznej na poziomie całej rośliny. Ponadto infiltracja strzykawki może rozróżnić tkankę miejscową i ogólnoustrojową, co może mieć zastosowanie w charakterystyce mechanizmów molekularnych leżących u podstaw SAR36.
W poniższym protokole opisujemy zoptymalizowany test infiltracji strzykawki za pomocą Psm ES4326 do badania mutantów Arabidopsis w celu zwiększenia podatności na choroby (EDS). W protokole tym wykorzystane zostaną dwa genotypy Arabidopsis: rośliny ekotypu dzikiego Columbia-0 (Col-0) (kontrola) i mutanty NPR1-1 z utratą funkcji (hiperpodatne), które zostaną zakażone zjadliwym szczepem bakteryjnym Psm ES432637. Mutant npr1-1 przenosi mutację punktową w sekwencji konsensusu ankyryny-powtórzeń cząsteczki NPR1, która zmienia wysoce konserwatywną histydynę na tyrozynę i sprawia, że białko staje się niefunkcjonalne25. Ponadto opisano szereg modyfikacji testu infiltracji strzykawki, które umożliwiają ilościowe określenie defektów w określonych warstwach odpowiedzi immunologicznej, w tym MTI i STI.