Hier presenteren we een protocol voor het bestuderen van de snelheid van geprogrammeerde celdoodinitiatie door continu geïnoculeerde bladeren in beeld te brengen na celdoodinductie.
Overgevoeligheidsrespons (HR)-verleende resistentie is een effectieve afweerrespons die kan worden bepaald door de N-resistentiegenen. HR manifesteert zich als de vorming van celdoodzones op geïnoculeerde bladeren. Hier wordt een protocol gepresenteerd voor het bestuderen van de snelheid van celdoodinitiatie door geïnoculeerde bladeren af te beelden in de tijd tussen de celdoodinitiatie en het verschijnen van de celdood met behulp van een digitale microscoop. De digitale microscoop maakt een continu beeldvormingsproces mogelijk met de gewenste intervallen, waardoor de initiatiesnelheid van de celdood tot op enkele minuten nauwkeurig kan worden bepaald, in tegenstelling tot uren bij traditionele methoden. Beeldvorming met de digitale microscoop is ook onafhankelijk van licht en kan daarom zowel overdag als ‘s nachts worden gebruikt zonder het circadiane ritme van de plant te verstoren. Verschillende pathosystemen die resulteren in de ontwikkeling van geprogrammeerde celdood kunnen met behulp van dit protocol met kleine aanpassingen worden bestudeerd. Over het algemeen maakt het protocol dus een eenvoudige, nauwkeurige en goedkope identificatie van het initiatiepercentage van celdood mogelijk.
Aardappel is een van ‘s werelds meest geteelde voedselgewassen, op de vierde plaats na rijst, tarwe en maïs. De aardappelproductie kan echter ernstig worden aangetast door aardappelvirus Y (PVY), dat momenteel wordt beschouwd als de belangrijkste virusziekteverwekker 1,2. In aardappelplanten cv. Rywal, veroorzaken verschillende stammen van PVY (waaronder PVY-stam N-Wilga) door overgevoeligheidsrespons (HR) verleende resistentie, waarbij de beperking van de ziekteverwekker tot de infectieplaats zich manifesteert als necrotische laesies op geïnoculeerde bladeren3. In dit pathosysteem wordt HR gemedieerd door het Ny-1-resistentiegen, dat temperatuurafhankelijk is, aangezien planten die bij lagere temperaturen worden gekweekt efficiënt necrotische laesies ontwikkelen, terwijl bij planten die constitutief worden gekweekt bij verhoogde (28 °C) temperatuur, abortus van resistentie wordt aangetoond als gebrek aan laesievorming en systemische virusverspreiding 3,4. Wanneer de planten worden overgebracht naar een lagere temperatuur (22 °C), wordt de celdood geïnitieerd, die kan worden benut om de snelheid van celdoodinitiatie te volgen door geïnoculeerde bladeren af te beelden in de tijd tussen het begin van de celdood en het verschijnen van de celdood.
Dit protocol demonstreert een eenvoudige methode voor het bepalen van het initiatiepercentage van celdood met behulp van een digitale microscoop. Door de geënte bladeren in beeld te brengen na het overbrengen van de plant van 28 °C naar 22 °C, maakt een digitale microscoop continue observatie van het blad in de gewenste intervallen mogelijk. In tegenstelling tot het gebruik van andere methoden (bijvoorbeeld confocale microscopie of observatie van laesievorming met het blote oog), maakt dit het mogelijk om het exacte tijdstip van laesievorming te bepalen en dus het initiatiepercentage van de celdood tot op minuten nauwkeurig, in tegenstelling tot uren in bovengenoemde methoden 5,6. Het gebruik van de digitale microscoop is ook onafhankelijk van licht en kan daarom zowel overdag als ‘s nachts worden gebruikt. Dit protocol kan ook worden gebruikt om componenten te identificeren die betrokken zijn bij het initiëren van celdood of om de effecten van verschillende componenten op het initiatiepercentage van celdood te bepalen als gebruikte planten transgeen zijn en veranderde niveaus van interessante componenten hebben.
Het gedemonstreerde protocol stelt de gebruiker in staat om het initiatiepercentage van de celdood nauwkeurig te bepalen door continu geïnoculeerde bladeren af te beelden in de tijd tussen de initiatie van de celdood en het verschijnen van de celdood met behulp van een digitale microscoop. Hoewel er tal van manieren zijn om het optreden van laesies en plantenziekten te monitoren12,13,14,15, biedt dit protocol het voordeel van lichtonafhankelijke metingen zonder het circadiane ritme van de plant te verstoren, omdat het licht tussen de metingen wordt uitgeschakeld.
Na de inoculatie moeten de planten gedurende 3 dagen bij 28 °C groeien. Ny-1-resistentiegen , dat een overgevoeligheidsreactie induceert, is temperatuurafhankelijk en leidt bij planten die bij hogere temperaturen worden gekweekt tot abortus van resistentie, wat zich manifesteert als gebrek aan laesievorming en systemische virusverspreiding3. Nadat planten zijn overgebracht naar 22 °C, wordt de celdood geïnitieerd, dus voor nauwkeurige resultaten moet de waarneming met een digitale microscoop zo snel mogelijk na deze overdracht beginnen. Een andere cruciale stap in de voorbereiding van de plant op beeldvorming is de immobilisatie van het blad (Figuur 1D), omdat de plant tijdens de beeldvorming zal blijven groeien, waardoor het waargenomen blad onscherp kan worden, of een dergelijke opstelling niet de gewenste resultaten zal geven.
Als het beschreven protocol wordt gebruikt op transgene planten met veranderde componenten van belang, waarvan wordt verondersteld dat ze betrokken zijn bij het initiëren van celdood, stelt het protocol de gebruiker in staat om te bepalen of het verlaagde niveau van een bestudeerde component van invloed is op de snelheid van het initiëren van celdood. Daardoor kunnen componenten die betrokken zijn bij het initiëren van celdood worden geïdentificeerd in pathosystemen, waar geprogrammeerde celdood optreedt, met behulp van dit protocol. Andere methoden om deze componenten te identificeren zijn bijvoorbeeld transcriptomische analyse zoals RNA-seq of verschillende vormen van microscopie, die duur en tijdrovend kunnen zijn16. De methode die in dit protocol wordt beschreven, maakt het mogelijk om componenten die betrokken zijn bij het initiëren van celdood gemakkelijk en goedkoop te identificeren door verschillen in celdoodinitiatiepercentages tussen transgene en controleplanten waar te nemen. Optimaal moeten in een dergelijke opstelling twee digitale camera’s worden gebruikt, aangezien een transgene plant parallel met een controleplant binnen hetzelfde experiment moet worden geanalyseerd.
In dit protocol werd PVY-stam N-Wilga gebruikt; andere stammen van dit virus, bijvoorbeeld GFP-gelabeld PVY (PVY-N605(123)-GFP)7, kunnen echter ook worden gebruikt. Bovendien zouden andere pathosystemen, die resulteren in de ontwikkeling van geprogrammeerde celdood, met behulp van dit protocol met kleine aanpassingen kunnen worden bestudeerd.
The authors have nothing to disclose.
Wij danken Barbara Jaklič voor haar technische assistentie. Dit onderzoek werd financieel ondersteund door het Sloveense Agentschap voor Onderzoek en Innovatie (onderzoek kernfinanciering nr. P4-0165 en project Z4-3217: Deciphering redox-related signaling interconnectedness in aardappelresistentie tegen virussen).
Alcohol burner | Mikro+Polo | SH-234002455 | For tweezers and scalpel sterilization |
Autoclave A-21 CAV | Kambi | N/A | |
Bacto Agar | Becton, Dickinson and Company | 214010 | |
Carborundum powder | VWR Chemicals | 22505297 | |
DinoCapture 2.0 | Dino-Lite | Version 2.0 | software for digital microscope |
Dino-Lite Edge AM7915MZTL digital microscope | AnMo Electronics Corporation | AM7915MZTL | |
Ethanol, 70% | Stella Tech | P94000 | For tweezers and scalpel sterilization |
Extraction bags | Bioreba | 420100 | |
Growth chamber FS-WI | Photon Systems Insturments | N/A | |
Hand homogenizer | Bioreba | 400010 | |
Hawita Special Substrate | HAWITA Gruppe | 2000000071701 | Ready to use substrate, made using peat (H4-H6 and H6-H8) |
Hydrochloric acid (HCl) | Merck | 109057 | |
Label tape | Sigma | L8144-5EA | |
Laptop computer with installed DinoCapture 2.0 | HP | Z2V77EA#BED | Computer needs to be transferable as experiment takes part in a growth chamber |
Murashige and Skoog medium | Duchefa Biochemie | M02220100 | |
Na2HPO4 | Emsure | 1065860500 | |
NaH2PO4 | Emsure | 1064700250 | |
Pasteur pipette 0.5 mL | Brand | 21500209 | |
pH-meter | Mettler Toledo | ML1601 | |
Plastic boxes | Cvetlice Dornig | VCG10.5 | Radius = 10.5 cm |
Plastic pots | Lab Associates | DIS40003 | Radius = 11.5 cm (top), Radius = 9.8 cm (bottom) |
Saccharose | Kemika d.d. | 1800408 | |
Sodium Diethyldithiocarbamate (DIECA) | Sigma-Aldeich | 228680 | Sodium diethyldithiocarbamate trihydrate, ACS reagent |
Sodium hydroxide (NaOH) | Merck | 106462 | |
Sterile surgical blades | Braun | 4511733633 | |
Tweezers | Braun | BD033R |