Tutaj prezentujemy protokół do badania szybkości inicjacji programowanej śmierci komórki poprzez ciągłe obrazowanie zaszczepionych liści po indukcji śmierci komórki.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Tutaj prezentujemy protokół do badania szybkości inicjacji programowanej śmierci komórki poprzez ciągłe obrazowanie zaszczepionych liści po indukcji śmierci komórki.
Odporność na nadwrażliwość (HR) jest skuteczną reakcją obronną, która może być określona przez geny odporności N. HR objawia się tworzeniem stref śmierci komórek na zaszczepionych liściach. W tym artykule przedstawiono protokół badania szybkości inicjacji śmierci komórki poprzez obrazowanie zaszczepionych liści w czasie między inicjacją śmierci komórki a pojawieniem się śmierci komórki za pomocą mikroskopu cyfrowego. Mikroskop cyfrowy umożliwia ciągły proces obrazowania w żądanych odstępach czasu, co pozwala na dokładne określenie szybkości inicjacji śmierci komórki z dokładnością do kilku minut, w przeciwieństwie do godzin w przypadku tradycyjnych metod. Obrazowanie za pomocą mikroskopu cyfrowego jest również niezależne od światła, dzięki czemu może być stosowane w dzień i w nocy bez zakłócania rytmu dobowego rośliny. Różne patosystemy powodujące rozwój programowanej śmierci komórki mogą być badane przy użyciu tego protokołu z niewielkimi modyfikacjami. Ogólnie rzecz biorąc, protokół umożliwia prostą, dokładną i niedrogą identyfikację wskaźnika inicjacji śmierci komórki.
Ziemniak jest jedną z najczęściej uprawianych roślin spożywczych na świecie, na czwartym miejscu za ryżem, pszenicą i kukurydzą. Jednak na produkcję ziemniaków może mieć poważny wpływ wirus ziemniaka Y (PVY), który jest obecnie uważany za jego najważniejszy patogen wirusowy1,2. W roślinach ziemniaka odmiany cv. Przeciwnie, kilka szczepów PVY (w tym szczep PVY N-Wilga) wyzwala oporność wynikającą z odpowiedzi nadwrażliwości (HR), gdzie ograniczenie patogenu do miejsca infekcji objawia się zmianami nekrotycznymi na zaszczepionych liściach3. W tym patosystemie HR jest pośredniczony przez gen oporności na Ny-1, który jest zależny od temperatury, ponieważ rośliny uprawiane w niższych temperaturach skutecznie rozwijają zmiany nekrotyczne, podczas gdy u roślin uprawianych konstytutywnie w podwyższonej (28 °C) temperaturze poronienia oporności wykazuje się brakiem tworzenia zmian chorobowych i ogólnoustrojowym rozprzestrzenianiem się wirusa3,4. Po przeniesieniu roślin do niższej temperatury (22 °C) inicjowana jest śmierć komórki, którą można wykorzystać do śledzenia tempa inicjacji śmierci komórki poprzez obrazowanie zaszczepionych liści w czasie między inicjacją śmierci komórki a pojawieniem się śmierci komórki.
Ten protokół demonstruje prostą metodę określania szybkości inicjacji śmierci komórki za pomocą mikroskopu cyfrowego. Dzięki obrazowaniu zaszczepionych liści po przeniesieniu rośliny z 28 °C do 22 °C, mikroskop cyfrowy umożliwia ciągłą obserwację liścia w żądanych odstępach czasu. W przeciwieństwie do stosowania innych metod (na przykład mikroskopii konfokalnej lub obserwacji powstawania zmian gołym okiem), pozwala to na określenie dokładnego czasu powstawania zmiany, a tym samym szybkości inicjacji śmierci komórki z dokładnością do minut, a nie godzin w wyżej wymienionych metodach5,6. Korzystanie z mikroskopu cyfrowego jest również niezależne od światła i dlatego może być używane zarówno w dzień, jak i w nocy. Protokół ten może być również wykorzystany do identyfikacji składników zaangażowanych w inicjację śmierci komórki lub do określenia wpływu różnych składników na wskaźnik inicjacji śmierci komórki, jeśli używane rośliny są transgeniczne i mają zmienione poziomy składników będących przedmiotem zainteresowania.
UWAGA: Sekcje 1 i 2 opisują zmodyfikowany protokół przygotowania materiału roślinnego oparty na metodach opisanych przez Lukan et al.7. W szczególności dokonano pewnych modyfikacji kontrolowanych warunków środowiskowych i preparatu inokulum.
1. Uprawa ziemniaków
2. Przygotowanie inokulum i inokulacja ziemniaków
3. Przygotowanie roślin i użycie mikroskopu cyfrowego do rejestrowania rozwoju zmian
Niniejsze badanie przedstawia szczegółowy protokół badania inicjacji śmierci komórek poprzez powstawanie zmian chorobowych u ziemniaka cv. Rywal z wykorzystaniem mikroskopu cyfrowego. Pozwala to na określenie dokładnego czasu rozpoczęcia programowanej śmierci komórek.
Rośliny, które rozwinęły korzenie, przeniesiono do gleby 2 tygodnie po mikrorozmnażaniu ziemniaka cv. Rywal (Rycina 1A,B). Po 3-4 tygodniach wzrostu w opisanych warunkach, do dalszych analiz wykorzystano rośliny posiadające co najmniej 3-4 w pełni rozwinięte liście z widocznymi listkami, które wyglądały na zdrowe i nie wykazywały oznak opadania (Rycina 1C). Przy użyciu mikroskopu cyfrowego, zgodnie z opisem w niniejszym protokole, obserwowano ten sam obszar na inokulowanym liściu w odstępach 15-minutowych, określając moment wystąpienia oraz tempo powiększania się zmiany chorobowej w czasie (Rycina 3). Zmiana chorobowa pojawiła się po 15 h 30 min (Rycina 3).

Rycina 1: Przygotowanie rośliny do analizy za pomocą mikroskopu cyfrowego. (A) Plastikowe pudełko z pożywką MS 30 i eksplantami rośliny ziemniaka cv. Rywal zawierającymi węzły. (B) Roślina ziemniaka cv. Rywal w glebie (2 tygodnie po mikrorozmnażaniu). (C) Roślina ziemniaka cv. Rywal gotowa do inokulacji (4 tygodnie po przesadzeniu do gleby), posiadająca co najmniej trzy w pełni rozwinięte liście. (D) Drugi inokulowany liść (strzałka) rośliny ziemniaka cv. Rywal, ustawiony i unieruchomiony (strzałka) za pomocą taśmy. (E) Roślina ustawiona pod mikroskopem cyfrowym; strzałka wskazuje pokrętło służące do ustawiania ostrości. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rycina 2Ustawienia oprogramowania cyfrowego do rejestrowania rozwoju zmian chorobowych. (A) Interfejs oprogramowania – okręgiem czerwonym zaznaczono opcje przycisku dla (1) kamera ustawienia, (2) obraz utrwalenie ustawieniaoraz (3) zapisywanie obrazy. (B) Okno z ustawieniami kamery, które otwiera się po kliknięciu w (1) w panelu A. Jasność, Kontrast, Nasycenie, Ostrośći Gamma powinny zostać odpowiednio dostosowane. (C) Okno z ustawieniami przechwytywania obrazu, które otwiera się po kliknięciu elementu (2) wskazanego na panelu A. (D) Okno z ustawieniami zapisywania obrazów, które otwiera się po kliknięciu elementu (3) wskazanego na panelu A. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3: Tworzenie się zmian na zaszczepionym liściu obserwowane pod mikroskopem cyfrowym. Obrazy środkowej części liścia ziemniaka zaszczepionego PVY przy powiększeniu 23,6x obserwowane pod mikroskopem cyfrowym, wykonane w odstępach 5 min. Zaszczepione rośliny przetrzymywano w temperaturze 28 °C przez 3 dni, a trzeciego dnia o godzinie 7:00 rozpoczęto obserwacje mikroskopem cyfrowym w temperaturze 22 °C. (A) O godzinie 21:02 zmiana nie jest jeszcze widoczna, (B) 90 min później, o 22:32, zmiana jest widoczna. (C) Ekspansję zmiany zaobserwowano o 01:02 oraz (D) o 07:32 następnego ranka. Eksperyment powtórzono dwukrotnie, a zmiany wystąpiły odpowiednio 8 h 15 min oraz 12 h po zainicjowaniu śmierci komórek. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
Zademonstrowany protokół pozwala użytkownikowi na dokładne określenie wskaźnika inicjacji śmierci komórki poprzez ciągłe obrazowanie zaszczepionych liści w czasie między inicjacją śmierci komórki a pojawieniem się śmierci komórki za pomocą mikroskopu cyfrowego. Mimo że istnieje wiele sposobów monitorowania zmian chorobowych i występowania chorób roślin 12,13,14,15, protokół ten ma tę zaletę, że pomiar jest niezależny od światła bez zakłócania rytmu dobowego rośliny, ponieważ światło jest wyłączane między pomiarami.
Po zaszczepieniu rośliny powinny rosnąć w temperaturze 28 °C przez 3 dni. Gen oporności Ny-1 , który indukuje reakcję nadwrażliwości, jest zależny od temperatury, a u roślin uprawianych w wyższych temperaturach prowadzi do poronienia oporności, co objawia się brakiem tworzenia zmian chorobowych i ogólnoustrojowym rozprzestrzenianiem się wirusa3. Po przeniesieniu roślin do temperatury 22 °C inicjowana jest śmierć komórki, dlatego w celu uzyskania dokładnych wyników obserwację za pomocą mikroskopu cyfrowego należy rozpocząć jak najszybciej po tym przeniesieniu. Kolejnym kluczowym krokiem w przygotowaniu rośliny do obrazowania jest unieruchomienie liścia (ryc. 1D), ponieważ roślina będzie nadal rosła podczas obrazowania, co może spowodować przesunięcie obserwowanego liścia poza ostrość lub takie ustawienie nie przyniesie pożądanych rezultatów.
Jeśli opisany protokół jest stosowany na roślinach transgenicznych ze zmienionymi składnikami będącymi przedmiotem zainteresowania, co do których przypuszczalnie bierze się udział w inicjacji śmierci komórki, protokół umożliwia użytkownikowi określenie, czy obniżony poziom badanego składnika wpływa na szybkość inicjacji śmierci komórki. W ten sposób składniki zaangażowane w inicjację śmierci komórki można zidentyfikować w patosystemach, w których zachodzi zaprogramowana śmierć komórki, przy użyciu tego protokołu. Innymi metodami identyfikacji tych składników są na przykład analiza transkryptomiczna, taka jak sekwencja RNA lub różne formy mikroskopii, które mogą być kosztowne i czasochłonne16. Metoda opisana w tym protokole pozwala na łatwą i niedrogą identyfikację składników zaangażowanych w inicjację śmierci komórki poprzez obserwację różnic w wskaźnikach inicjacji śmierci komórki między roślinami transgenicznymi i kontrolnymi. Optymalnie, w takiej konfiguracji, należy użyć dwóch kamer cyfrowych, ponieważ roślina transgeniczna powinna być analizowana równolegle z rośliną kontrolną w ramach tego samego eksperymentu.
W tym protokole zastosowano szczep PVY N-Wilga; jednak inne szczepy tego wirusa, na przykład PVY oznaczone GFP (PVY-N605(123)-GFP)7, mogą być również stosowane. Co więcej, inne patosystemy, które powodują rozwój programowanej śmierci komórki, mogą być badane przy użyciu tego protokołu z niewielkimi modyfikacjami.
Autorzy oświadczają, że nie pozostają w konflikcie interesów.
Dziękujemy Barbarze Jaklič za pomoc techniczną. Badania te były wspierane finansowo przez Słoweńską Agencję ds. Badań i Innowacji (podstawowe finansowanie badań nr P4-0165 oraz projekt Z4-3217: Deciphering redox-related signaling interconnectedness in potato resistance against viruses).
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Palnik alkoholowy | Mikro+Polo | SH-234002455 | Do sterylizacji pęsetą i skalpelem |
| Autoklaw A-21 CAV | Kambi![]() | N/A | |
| Bacto Agar | Becton, Dickinson and Company | 214010 | |
| Proszek karborundowy | VWR Chemicals | 22505297 | |
| DinoCapture 2.0 | Oprogramowanie Dino-Lite | Version 2.0 | do mikroskopu cyfrowego |
| Mikroskop cyfrowy Dino-Lite Edge AM7915MZTL | AnMo Electronics Corporation | AM7915MZTL | |
| Etanol, 70% | Stella Tech | P94000 | Do sterylizacji pęsetą i skalpelem |
| Worki ekstrakcyjne | Bioreba | 420100 | |
| Komora wzrostowa FS-WI | Photon Systems Insturments | N/A | |
| Homogenizator | ręczny Bioreba | 400010 | |
| Hawita Special Substrate | HAWITA Gruppe | 2000000071701 | Gotowe do użycia podłoże, wykonane z torfu (H4-H6 i H6-H8) |
| Kwas solny (HCl) | Merck | 109057 | |
| Taśma etykietowa | Sigma | L8144-5EA | |
| Laptop z zainstalowanym DinoCapture 2.0 | Komputer HP | Z2V77EA#BED | musi być przenośny, ponieważ eksperyment bierze udział w komorze wzrostu |
| Murashige i Skoog medium | Duchefa Biochemie | M02220100 | |
| Na2HPO4 | Emsure | 1065860500 | |
| NaH2PO4 | Emsure | 1064700250 | |
| Pasteur pipeta 0,5 ml | |||
| Mettler Toledo | ML1601 | ||
| Pudełka plastikowe | Cvetlice Dornig | VCG10,5 | Promień = 10,5 cm |
| Doniczki plastikowe | Współpracownicy laboratorium | DIS40003 | Promień = 11,5 cm (góra), Promień = 9,8 cm (dół) |
| Sacharoza | Kemika d.d. | ||
| Dietyloditiokarbaminian sodu (DIECA) | Sigma-Aldeich | 228680 | Dityloditiokarbaminian sodu trójwodny, odczynnik ACS |
| Wodorotlenek sodu (NaOH) | Merck | 106462 | |
| Sterylne ostrza chirurgiczne | Pęseta Braun | ||
| Braun | BD033R |