Method Article
* These authors contributed equally
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לגרימת ייצור שורשים הרפתקניים (ARs) דרך מסלול חיסון פתוגן פטרייתי של חגורת הפלום או האפידרמיס, המתאים לחקר הביולוגיה של השורשים והתהליכים הפיזיולוגיים הקשורים לתגובת האור בצפצפה.
Valsa sordida ו-Botryosphaeria dothidea הם שני פתוגנים פטרייתיים נקרוטרופיים חיוניים הפוגעים בצמחים פונדקאים רבים, במיוחד מינים בסוג Populus. שני פתוגנים פטרייתיים אלה מופיעים בעיקר בענפי צפצפה, גבעולים וזרדים, וגורמים לתסמינים קלאסיים כמו נגעי אפטות, גסיסת חופה ונבול. חיסון פתוגנים הוא המסלול היעיל ביותר לחקר המנגנון של מחלות צמחים. מלבד נגעי האפטה סביב אתרי החיסון על הגבעולים, תופעה התפתחותית חדשה, שורשים הרפתקניים רבים (ARs) עם צבע אדום בוהק, נצפתה במיני צפצפה לאחר חיסונים נגד אפטות גזע. במחקר זה, תיארנו את השיטה להשראת ARs באמצעות פתוגנים פטרייתיים בעצי צפצפה. השלב המכריע בשיטה זו הוא חיסון הפתוגן לאחר מניפולציה של חגורות (פלום או אפידרמיס). השלב המכריע השני הוא מריחת חומר הלחות. בהשוואה למניפולציה של לחות עם Parafilm, עטיפת האתרים המחוסנים בניילון פוליאתילן ביתי (PE) יכולה לייצר ARs צבעוניים, רבים וחזקים תוך 20 יום לאחר החיסון. לבסוף, ARs לבנים נבטו מהטבעות המחוסנות בגבעולי הצפצפה לאחר טיפול הצללה (עטיפת הגבעולים בנייר אלומיניום). שיטה זו מציגה מערכת ניסויית חדשה לחקר התפתחות שורשים ומורפוגנזה, שהיא חיונית להבנת הביולוגיה של התפתחות שורשים, מורפוגנזה ותגובה תחת עקת מחלה. יתר על כן, בשילוב עם טיפול הצללה, מחקר זה יכול לספק מערכת ניסויית נוחה לחקירת תהליכים הקשורים לתגובת אור, למשל, ביוסינתזה של פלבנואידים, אנתוציאנינים או מטבוליטים קשורים אחרים, וגנים או גורמי שעתוק המעורבים בתהליכים אלה.
מחלות אפטות גזע צפצפה הנגרמות על ידי פתוגנים פטרייתיים נקרוטרופיים, Valsa sordida ו-Botryosphaeria dothidea, הן שתי מחלות העצים החיוניות בצפון סין שפגעו קשות בפיתוח מטעים אקולוגיים וכלכליים של מיני צפצפה. מחלות אפטות צפצפה מופיעות תמיד על קליפת הגזעים והענפים, בעוד שנגעי אפטות הם הסימפטומים האופייניים להן. לאחר הופעת המחלות, נגעי האפטה המתרחבים פגעו בהדרגה בפלום, בקמביום ובקסילם של המארחים. יתר על כן, הם השפיעו על הובלת מוצרים מוטמעים ומים דרך מערכת כלי הדם. עם זאת, כיצד פתוגנים של אפטות מעכבים את הובלת הפלום והקסילם נותר לא ברור.
כדי לחשוף את מנגנוני ההובלה של פחמימות ומים בצפצפה הנגועה בפתוגנים של אפטות, הצענו את שיטות החיסון של חגורת הלחם או האפידרמיס 1,2, ששילבו מניפולציה קלאסית של חגורת הגינה ושיטת חיסון פתוגנים (חיסון פצעי חסימת תפטיר). שיטות אלו יכולות לדמות את תהליך ההתפשטות ואת חסימת המים והפחמימות הנגרמת על ידי פתוגנים של אפטות.
המחקר שלנו הראה כי פתוגנים פטרייתיים גרמו למות חופת הצפצפה על ידי גרימת רעב פחמן בהתחלה, ולא כשל הידראולי 1,3,4,5. באופן מפתיע, ראינו ריזוגנזה מיוחדת על גבעולי צפצפה שהיו קשורים לחיסון של פתוגנים של אפטות גזע: שורשים אדומים אדומים שופעים (ARs) צומחים מהקצה התחתון של הגבעולים העליונים (בניגוד לקצה העליון של טבעות הלחגור או האפידרמיס). יתר על כן, הניסויים שלנו הראו כי ייצור ARs הוא אוניברסלי באינטראקציה בין צפצפה לאפטה. הם יכולים להיות מיוצרים מסוגים של מיני צפצפה או שיבוטים בגילאים שונים (בני שנה, שנתיים או אפילו 6 שנים) ויכולים להיגרם על ידי אפטות שונות (V. sordida ו-B. dothidea) או המבודדים שלהם. בנוסף, חקרנו את מנגנוני הצבע של ARs צפצפה, והתוצאות הראו שהוא קשור לביוסינתזה של פלבנואידים ואנתוציאנינים, כמו גם לוויסות ביטוי גנים של גנים הקשורים לאור (או מודולי גנים) בתנאי תאורה6. לכן, ARs צפצפה אלה המושרים על ידי פתוגנים יכולים לשמש כמערכת ניסויית יציבה ואידיאלית לחקר אינטראקציה בין צמח לפתוגן, ביולוגיה של שורשים ותפקוד וביטוי של גנים הקשורים לאור.
במחקר זה, נציג ונספק את הפרוטוקול להקמת מערכת ניסויית ARs צפצפה באמצעות מסלול חיסון חגורה; יתר על כן, אנו מצביעים על הגורמים המכריעים המשפיעים על היווצרות ARs ומסבירים על היישום הפוטנציאלי של חיסון החגורה בחקר הביולוגיה של שורשי הצפצפה ותהליכים פיזיולוגיים אחרים הקשורים לתגובת אור.
1. אינדוקציה של ARs צפצפה באמצעות חיסון חגורה
2. הקמת מערכת ניסויית לחקר גנים הקשורים לאור בשיטת חיסון חגורה
זרימת העבודה של פתוגנים של אפטות גזע המעוררות שורשים הרפתקניים באמצעות חיסון חגורה מוצגת באיור 1. הניסויים שנערכו כאן הראו שגם פתוגנים של אפטות גזע, V. sordida, B . dothidea, וגם המבודדים שלהם (מפונדקאים שונים, אזורים או פתוגניות שונים) יכולים לגרום להיווצרות ARs במיני צפצפה. בפרוטוקול זה, השתמשנו בבידוד V. sordida CZC, CFCC86775 ו-B. dothidea מבודדים SD50 ו-SD81 כדי לייצר ARs ב-P. alba var. pyramidalis. V sodida CZC הוא פתוגן טיפוסי בשימוש, והוא הופקד במרכז איסוף התרביות המיקרוביולוגיות הכללי של סין (CGMCC 40575); V. sordida מבודד CFCC86775 נרכש ממרכז איסוף תרבות היערנות של סין, בעוד ששני מבודדי SD נאספו מעצי צפצפה של מחלת האפטה במחוז שאנדונג, והופקדו במעבדה שלנו. כפי שמוצג באיור 2, יבלות נוצרו באזור החגורה (איור 2A, פאנל 1), ומעט ARs נוצרו בטיפול הזהבה והסרת קמביום (איור 2A, פאנל 2), בעוד שהרבה שורשים סיביים אדומים נוצרו לאחר טיפול החיסון עם חגורת הפלום (איור 2A, פאנלים 3-6). ראינו גם שה-ARs הושרו במינים או שיבוטים שונים של צפצפה, כגון P. alba var. pyramidalis, Populus × beijingensis, P. alba × P. tremula var. glandulosa clone 84K, P. euramericana cv. 'Bofeng 3', או צפצפה היברידית אחרת). עם זאת, בפרוטוקול זה, ה-ARs מיוצרים רק על גבעולים של P. alba var. pyramidalis בן שנה. לבסוף, כפי שמוצג באיור 2 פאנל 7, מבני ARs הושרו גם בגזעים של P. alba var. pyramidalis בן 6 שנים לאחר חיסון חגורת פלום על ידי הפתוגן V. sordida. קוטר גזע הצפצפה הוא כ-6-7 ס"מ ואורך השורשים הסיביים הארוכים ביותר היה ארוך מ-7.0 ס"מ.
כפי שמוצג באיור 2, המקטעים האדומים נוצרו בצפצפה הצללה ARs לאחר שנחשפו לתנאי אור השמש, מ-ARs לבנים חלביים או אדומים בהירים שנוצרו על צפצפה עטופה בנייר אלומיניום (איור 2B, פאנל 1) ועד ל-ARs האדומים 3 ימים לאחר מכן (איור 2B, פאנל 4). יתר על כן, שמנו לב גם שפיגמנטים אדומים נוצרו בתקופה קצרה לאחר החשיפה לאור, וניתוח ביטוי הגנים הראה כי הביוסינתזה של פיגמנטים (בעיקר ציאנידין-3-O-גלוקוזיד) השתנתה ישירות ממצעי האנתוציאנידין שלהם, ולא הביוסינתזה החדשה, מתחילת המסלול המטבולי פנילפרופאן6.
בפרוטוקול זה, שתי שיטות החגורה (חגורת הפלום וחגורת האפידרמיס) יכולות לגרום להיווצרות ARs על גבעולי צפצפה לאחר חיסון פתוגן. פחות שוברי רוח התרחשו ופחות השפעה על הפיזיולוגיה (כגון הובלת מים ופחמימות) בצפצפה מחוסנת אפידרמיס; עם זאת, נראה כי הייצור של ARs הוא מעט מהיר ויעיל בחגורת פלום. לכן, שיטת החיסון של חגורת הפלום מומלצת במחקר של ARs צפצפה.
איור 1: זרימת העבודה הסכמטית של היווצרות שורשים הרפתקניים (ARs) הנגרמת על ידי פתוגן אפטות גזע באמצעות שיטות חיסון חגורה בצפצפה. ראשית, פתוגן אפטת הגבעול (שתורבת ב-28 מעלות צלזיוס בחושך במשך 7-10 ימים) נחתך לרצועות תפטיר (1.2 ס"מ רוחב). שתילי צפצפה בני שנה או ענפים בני שנה נחגרו על הגבעולים (בגובה ~30 ס"מ מעל הקרקע או בסיס הענפים, המסומנים על ידי החיצים הכחולים) בשתי שיטות: חגורת פלום (חגורת והשלכת הטבעות החגורות הכוללות רקמות אפידרמיס, פלום וקמביום חלקי על הגבעולים) או חגורת אפידרמיס (חגורת והשלכת הטבעות החגורות הכוללות רק את האפידרמיס של הגבעולים). רוחב טבעות הפלום או הפלום החגורה הוא 1.0 ס"מ. לאחר מכן, האזורים החגורים כוסו לחלוטין ברצועות תפטיר ונעטפו מיד בסרט פלסטיק PE; דפנות התפטיר של הרצועה פונות לאזור החגור. לצורך מחקר של ביולוגיה של שורשים, כגון ריזוגנזה והתפתחות שורשים, שתילי הצפצפה המחוסנים טופחו במשך 14-30 יום בניהול קבוע (מסלול I, מודגש בחיצים צהובים). למחקר של ביוסינתזה של מקטעים, פוטומורפוגנזה או ויסות ביטוי של הגנים הקשורים לאור, אומצה עטיפת נייר אלומיניום נוספת, ואז השתילים/הענפים המחוסנים טופחו ~ 20 יום כדי לייצר את ה-ARs. כאשר ה-ARs יוצרו, רדיד האלומיניום הוסר מהגבעולים/הענפים, וה-ARs של הצפצפה נחשפו תחת אור שמש או תנאי אור אחרים (משתנים בספקטרום האור, בעוצמה, בתקופה או בשילובים שלהם) (מסלול II, מודגש בחיצים אדומים). אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: פתוגנים של אפטות גזע גרמו להיווצרות שורשים הרפתקניים (ARs) וביוסינתזה של מקטעים בתנאי האור של ARs בצפצפה. (A) פתוגנים שונים של אפטות גזע גורמים להיווצרות AR בגבעולי צפצפה. A1: בקרת חגורה; A2: חגורות והסרת קמביום (GR); A3-6: פתוגנים שונים של אפטות גזע (V. sordida ו-B. dothidea) גורמים להיווצרות AR בשתילי P. alba var. pyramidalis בני שנה; A7: ARs המיוצרים על ענף של P. alba var. pyramidalis בן 6 שנים. (B) חשיפה לאור גורמת לביוסינתזה של מקטעים על ARs צפצפה. B1-B4 מייצגים ARs צפצפה שנחשפו בתנאי אור ב-0, 1, 2 ו-3 ימים לאחר החשיפה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
מיני צפצפה נוטים לייצר ARs או שורשים רוחביים (LRs) מגזרי גזע, מה שתורם להתרבות שלהם וכמודל לביולוגיה של שורשים בחקר צמחי עץ 7,8. יתר על כן, מחקרים הצביעו על כך שחיסון של מיקרואורגניזמים ספציפיים, כגון חיידקים מועילים (Agrobacterium rhizogenes 9,10; חיידקי ריזובקטריה מקדמי צמיחה של צמחים [PGPR]11), חיידקי אנדופיטים12,13, פטריות מיקוריזה ארבוסקולריות (AMF)14,15 או פטריות אקטומיקוריזה (EMF)16,17 יכולים לקדם צמיחה או התפתחות של שורשי צמחים. עם זאת, לא דווח על פתוגנים (לא חיידקים ולא פתוגנים פטרייתיים) הגורמים או מקדמים את מבנה ה-ARs על הצמחים המארחים.
הניסויים כאן הראו שפתוגנים שונים של אפטות צפצפה (כמו למשל V. sordida, B. dothidea) יכולים לגרום להיווצרות של ARs בגבעולים/ענפים של צפצפה (איור 2A, פאנלים 3-6). יתר על כן, ניסויים הראו שניתן לגרום ל-ARs על מינים/שיבוטים שונים של צפצפה, למשל, שתילים בני 1-2 שנים של P. alba var. pyramidalis, Populus × beijingensis, P. alba × P. tremula var. glandulosa clone 84K, P. euramericana cv. 'Bofeng 3', ואפילו ענפי צפצפה בני 6 שנים (איור 2A, פאנל 7). עם זאת, לא נוצר מבנה ARs על שתילים/ענפים בני שנה של Malus spp., Prunus spp., Cedrus deodara ו-Pinus massoniana. לאחר מכן, פרוטוקול זה סיפק מסלול חדש לייצור ARs צפצפה: השראת ARs באמצעות חיסון חגורה של פתוגנים של אפטות פטרייתיות עצים (V. sordida ו-B. dothidea) על גבעולים/ענפי צפצפה.
ניסויים הצביעו גם על כך שגם שיטות חגורת הפלום וגם האפידרמיס יכולות לגרום להיווצרות ARs על גבעולי צפצפה לאחר חיסון פתוגן; עם זאת, גבעולי צפצפה לאחר חיסון חגורת הפלום נשברים בקלות באתרי החגורה לירידה משמעותית בקשיחות הנגרמת על ידי מניפולציה של חגורת והסרת קליפה (פלום), ופלישת פתוגנים. לכן, עבור אינדוקציה של ARs, יש לקשור היטב את גבעולים/ענפי הצפצפה למקלות כדי למנוע מהם להישבר, במיוחד כאשר נעשה שימוש בשיטת חגורת הפלום.
הצמחים עצמם קובעים בעיקר את היווצרותם של ARs. עם זאת, הוא מושפע גם מכמה גורמים סביבתיים. לדוגמה, ניתן לגרום ל-ARs בתנאי ספיגת מים או הצפה בחלק ממיני הדיקוטים18,19. שמירת לחות הייתה השלב המכריע באינדוקציה של ARs על הגבעולים/הענפים מעל הקרקע. בפרוטוקול זה, גם ה-Parafilm וגם סרט ה-PE הביתי שימשו לשימור לחות. עם זאת, עטיפת הפרפילם יכולה להיות חדירה על ידי ה-ARs החדשים שנוצרו, ואז לגרום לאובדן מים, עיכוב גדילה, השחמה וליגניזציה של ARs צפצפה. להיפך, ARs בשפע, רכים ועשירים במים נקטפו בגבעולי הצפצפה העטופים ב-PE. לכן, סרט PE ביתי, ולא סרט פרפילם, הומלץ בפרוטוקול זה.
שורשים הם איברים חיוניים של צמחים, הממלאים תפקידים חשובים ברבייה, גדילה, חומרים מזינים וספיגת מים של צמחים. לאחר מכן יש להשתמש בשיטות בחקר קנה שורש20, מורפולוגיה והתפתחות, וארכיטקטורת מערכת שורשים (RSA)21 במיני צפצפה. יתר על כן, מחקרים הצביעו על כך שקשרים בין מערכת השורשים לחיידקי הריזוספרה יכולים לשפר את עמידות המחלות של צמחים מארחים22; לאחר מכן, חיסון פתוגנים של אפטות חגורה אמור לגרום לכמה שינויים מולקולריים ואפיגנטיים ב-ARs צפצפה, שיש להם יישום פוטנציאלי בגידול שתילים עמידים למחלות.
אור הוא גורם סביבתי קריטי המשפיע על צמיחה, התפתחות ורבייה של צמחים. ניסוי החשיפה להצללה (איור 2B) הצביע על כך שה-ARs של צפצפה המושרים על ידי פתוגן הם מערכת ניסוי אידיאלית לביוסינתזה של מקטעי צמחים (פלבנואידים, אנתוציאנינים23 וכו'). מחקרים קודמים הראו גם שתנאי אור (עוצמה, איכות, משך וכמות חשיפה לצמח האם) משפיעים על היווצרות שורשים או ריזוגנזה והתפתחות שורשים הרפתקניים ורוחביים 24,25,26. לכן, באמצעות כוונון עדין של תנאי התאורה, ניתן להשתמש במערכת ARs המושרה על ידי פתוגן בפרוטוקול זה במחקר של ביולוגיה של שורשים ותהליכים אחרים הקשורים לתגובת אור של צמחי צפצפה.
למחברים אין מה לחשוף.
מחקר זה מומן במשותף על ידי המוסד המדעי המרכזי לאינטרס ציבורי, קרן המחקר הבסיסית של מעבדת המפתח הממלכתית לגנטיקה והשבחה של עצים (מענק מספר CAFYBB2020ZY001-2) והקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (מענק מספר 32171776) לג'יאפינג ג'או.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Agar | Solarbio | A8190 | Provide nutrition for fungal growth |
Aluminum foil | biosharp | BS-QT-027B | To provide shading for the infected area |
Girdling knife | MoGong Hardware tool firms | Girdle the epidermis of poplar stems/branches | |
Grafting tape | CAPI | 5cm | To fix fungi on the plants |
PD (Potato extraction, Dextrose) | Solarbio | P7360 | Provide nutrition for fungal growth |
PE plastic film | MiaoJie | 413703 | To fix fungi on the plants |
Petri dishes | Bkman biological Co.,Ltd | 90mm | Prepare the PDA medium |
Thermostatic incubator | Shanghai Kuntian Laboratory Instrument Co., Ltd | KTD-6000 | Provide an environment for fungal growth |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved