В этой рукописи описывается новое устройство прямой инфузии растений для скрининга эффективности молекул против бактерий (Candidatus Liberibacter asiaticus) или их насекомых-переносчиков (Diaphorina citri, Kuwayama), которые в сочетании связаны с цитрусовой болезнью Хуанлунбин.
Проверка функции терапевтических соединений в растениях является важным компонентом сельскохозяйственных исследований. Методы внекорневого и почвенного полива являются обычными, но имеют недостатки, в том числе переменное поглощение и разрушение тестируемых молекул окружающей средой. Приствольная инъекция деревьев хорошо зарекомендовала себя, но большинство методов для этого требуют дорогостоящего, запатентованного оборудования. Для скрининга различных методов лечения Хуанлунбин необходим простой и недорогой метод доставки этих соединений в сосудистую ткань небольших цитрусовых деревьев, выращенных в теплицах, инфицированных бактерией Candidatus Liberibacter asiaticus (CLas) или зараженных питающимся флоэмой насекомым-переносчиком CLas Diaphorina citri Kuwayama (D. citri).
Чтобы удовлетворить эти требования к скринингу, было разработано устройство прямой инфузии растений (DPI), которое подключается к стволу растения. Устройство изготовлено с использованием системы 3D-печати на основе нейлона и легкодоступных вспомогательных компонентов. Эффективность поглощения соединений этого устройства была протестирована на цитрусовых растениях с использованием флуоресцентного маркера 5,6-карбоксифлуоресцеин-диацетата. Обычно наблюдалось равномерное распределение маркера по всему растению.
Кроме того, это устройство использовалось для доставки противомикробных и инсектицидных молекул для определения их воздействия на CLas и D. citri соответственно. Аминогликозидный антибиотик стрептомицин был доставлен в цитрусовые растения, инфицированные CLas, с помощью устройства, что привело к снижению титра CLas с 2 до 4 недель после лечения. Доставка неоникотиноидного инсектицида имидаклоприда в цитрусовые растения, зараженные D. citri, привела к значительному увеличению смертности от псиллида через 7 дней. Эти результаты свидетельствуют о том, что это устройство DPI представляет собой полезную систему для доставки молекул в растения для тестирования и облегчения исследований и скрининга.
Управление растениями в коммерческих и ландшафтных условиях часто требует использования химических соединений для оптимизации роста и здоровья растений. То, как эти молекулы доставляются, зависит от типа молекулы, функции молекулы, типа растения и существующей системы управления. Внекорневые и почвенные подкормки являются самыми простыми стратегиями доставки, но ограничения в поглощении некоторых молекул требуют прямой доставки. Примером этих молекул являются терапевтические молекулы, которые лучше всего функционируют, когда они системно перемещаются внутри растения, но не могут быть эффективно доставлены с помощью простых местных применений1. Так обстоит дело с болезнью Хуанлунбин (ГЛБ), также называемой болезнью позеленения цитрусовых. ГЛБ — это заболевание, связанное с ограниченной флоэмой бактерией Candidatus Liberibacter asiaticus (CLas), которую нельзя культивировать вне растения, или ее насекомым-переносчиком Diaphorina citri Kuwayama (D. citri)2.
Если предполагаемые терапевтические молекулы являются генными продуктами, их можно проверить, создав трансгенные растения, экспрессирующие эти соединения. Однако производство трансгенных растений может быть трудоемким и ресурсоемким, сильно зависит от генотипа и может быть ингибировано подавлением гена3. Кроме того, даже если эти трансгены показывают многообещающие результаты, ограничения со стороны регулирующих органов и общественного восприятия снижают вероятность их коммерческого принятия 4,5. Экзогенное применение соединений, однако, упрощает тестирование биологических и синтетических молекул, поскольку оно не требует производства стабильных или временно экспрессирующих трансгенных растений, что сокращает время и ресурсы для тестирования эффектов молекулы. Метод эффективной и действенной системной доставки экзогенных соединений растениям может быть использован для широкого круга исследовательских и скрининговых целей.
Одним из таких применений является анализ системного движения молекул в сосудистой системе растения, который может быть выполнен с использованием отслеживаемых маркеров, будь то флуоресцентные, видимые или уникальные химические изотопы 6,7,8,9. Одним из широко используемых флуоресцентных маркеров является 5,6-карбоксифлуоресцеин-диацетат (CFDA), который представляет собой мембранопроницаемый краситель, который разлагается внутриклеточными эстеразами на 5,6-карбоксифлуоресцеин (CF) и, впоследствии, становится флуоресцентным и мембранонепроницаемым10. CFDA широко используется для мониторинга транспорта флоэмы, отношений стока и источника, а также структуры сосудистой сети в растительной ткани11,12.
В дополнение к этим маркерам, некоторые соединения могут напрямую изменять физиологию растения, чтобы увеличить продуктивность или убить растение в случае гербицидов. Как инсектициды, так и противомикробные соединения являются средством повышения продуктивности растений, особенно в присутствии ГЛБ. Примером антимикробной молекулы, которая используется для контроля CLas, является стрептомицин. Стрептомицин представляет собой аминогликозидный антибиотик, который первоначально был выделен из Streptomyces griseus и, как было показано, ингибирует рост бактерий за счет ингибирования биосинтеза белка13. Что касается инсектицидов, то основной мишенью для исследований ГЛБ является D. citri, который передает CLas от дерева к дереву14. Для этой цели обычно используются неоникотиноиды, такие как имидаклоприд, поскольку они являются золотым стандартом борьбы с насекомыми-вредителями15. Все эти разнообразные виды использования являются важными аспектами текущих стратегий управления предприятием, и разработка новых продуктов зависит от эффективных скрининговых анализов.
Одним из методов, который используется для введения соединений в древесные растения, является прямое впрыскивание в ствол. Было разработано множество систем, которые различаются по своим потребностям для предварительно пробуренных участков закачки, и в этих системах используется либо впрыск на основе давления, либо пассивный поток16. Хотя системы, основанные на давлении, позволяют быстро вводить данное соединение, необходимо учитывать потенциальный физический ущерб, вызванный проталкиванием жидкости через заблокированную или эмболизированную сосудистую сеть17. Несмотря на то, что внекорневое или мокрое внесение компаундов требует меньше времени для реализации, непосредственная инъекция растений сокращает отходы интересующего соединения из-за потерь в воздух или почву, а также может продлить время, в течение которого соединения находятся в активном состоянии, за счет уменьшения воздействия внешней среды18. Оба эти аспекта важны для сохранения дорогостоящих реагентов и обеспечения согласованности репликаций в исследовательских условиях.
В этом исследовании описывается проектирование, конструкция и использование инновационного устройства прямой инфузии растений (DPI), которое может быть использовано для оценки того, как интересующие соединения влияют на растение-хозяина. Стандартный 3D-принтер использовался для изготовления как самого устройства, так и нескольких компонентов, связанных с его конструкцией. Этот собственный метод строительства позволяет исследователям модифицировать устройство и компоненты устройства в зависимости от их конкретных экспериментальных потребностей и снижает зависимость от коммерчески доступных устройств для впрыска растений. Настройка устройства проста и эффективна, а все вспомогательные компоненты легко доступны и недороги. Хотя система была разработана для использования с различными видами растений, представленные здесь примеры относятся к цитрусовым растениям в горшках. Кроме того, это исследование демонстрирует, что это устройство способно эффективно системно доставлять несколько типов соединений к молодым цитрусовым растениям, не вызывая летального исхода. Протестированные соединения включали CFDA, который использовался для оценки распределения соединений в растении, а также стрептомицин и имидаклоприд, которые использовались для проверки того, что антимикробные и инсектицидные эффекты этих соединений наблюдались при доставке через DPI.
Для того, чтобы устройство DPI считалось жизнеспособным методом доставки экзогенных соединений в растения, оно должно способствовать надежному и последовательному поглощению соединений различными типами тканей. Эксперимент с использованием CFDA ясно показал движение как акропетальных, так и базипетальных соединений, а также как в сосудистой системе, так и в клетках мезофилла листа. Кроме того, и, по-видимому, из-за того, что просверленное отверстие, используемое в этом устройстве DPI, обеспечивает большую площадь поверхности для поглощения соединения, CFDA присутствовал в относительно равных количествах во всех секциях стебля, а не только в небольшом подмножестве сосудистой сети, прилегающей к устройству, как это было замечено в предыдущих исследованиях поглощения красителя у растений с использованием впрыскаствола 6. Кроме того, доставка зеленого флуоресцентного белка и цветочного красителя была протестирована с использованием устройства DPI, и наблюдалось распределение этих соединений, аналогичное CFDA (данные не показаны). Эти данные свидетельствуют о том, что устройство может быть использовано для системной доставки различных соединений, которые различаются по размеру и молекулярной структуре. Тем не менее, стоит отметить, что были различия в поглощении соединений в зависимости от стадии развития листьев, при этом молодые развивающиеся листья поглощали больше соединений, чем более старые укоренившиеся листья. Это может быть связано с изменениями свойств сосудистой сети, присутствующих в ткани стока по сравнению с исходной тканью, и должно быть оптимизировано для данного эксперимента.
Устройство DPI показало достаточное поглощение соединений для визуализации CFDA, GFP и цветочного красителя, а также достаточно, чтобы показать антибактериальное и инсектицидное действие стрептомицина и имидаклоприда соответственно. Оба эти соединения приводили к изменениям жизнеспособности целевого организма через 1 неделю после однократного лечения 2,0 мл. Эти данные свидетельствуют о том, что устройство DPI может быть использовано в анализах всего растения для проверки жизнеспособности широкого спектра соединений для борьбы с микробами и насекомыми-вредителями. Более того, благодаря прямому контакту с сосудистой системой, это устройство может даже дать возможность тестировать соединения, которые неэффективно поглощаются корнями или клетками эпидермиса. Особый интерес представляет РНК-интерференция (РНКи), поскольку она может быть использована для модуляции экспрессии генов в растении-хозяине, патогене или переносчике патогена. Предыдущее исследование, в ходе которого РНК шпильки вводилось через просверленное отверстие в стволе растений яблони и винограда, показало, что молекулы РНК ограничены тканью ксилемы, что позволяет предположить, что эти молекулы могут быть эффективны только против организмов, питающихся жевательным и сокомксилемы 22. Учитывая, что устройство DPI использует аналогичную систему доставки с просверленным отверстием, само собой разумеется, что шпилечная РНК, доставляемая с помощью этого устройства, также может быть ограничена тканью ксилемы. Однако наблюдаемое снижение титра КЛас, ограниченного флоэмой, после лечения стрептомицином с помощью устройства DPI убедительно свидетельствует о том, что этот антибиотик присутствовал во флоэме. Следовательно, вполне вероятно, что сосудистое распределение соединений, доставляемых с помощью устройства DPI, зависит от их размера и химического состава, и каждая молекула должна оцениваться на индивидуальной основе.
Несмотря на то, что на рынке существует ряд коммерчески доступных устройств DPI, описанное здесь устройство может быть изготовлено на собственном производстве и может быть модифицировано. Таким образом, улучшения и изменения в размерах могут быть сделаны в зависимости от видов растений и используемого экспериментального дизайна, и это не зависит от коммерческих продуктов. Кроме того, устройство полупостоянно прикреплено к растению, что означает, что несколько обработок данного соединения могут быть выполнены одновременно без необходимости повторного повреждения растения несколькими инъекциями соединения. Предостережение: устройство может протечь, если оно не установлено должным образом. В результате соединение теряется в окружающей среде, а не доставляется на завод. Поэтому следует позаботиться о том, чтобы осмотреть устройство на наличие признаков утечки во время настройки и в первые несколько дней после нее. Хотя сверление отверстия в дереве потенциально вредно, этот метод был выбран для обеспечения надежного и последовательного поглощения соединения. Кроме того, в этих экспериментах не было обнаружено никаких неблагоприятных воздействий на здоровье растений от прикрепления устройства DPI. Тем не менее, дополнительные растения должны быть включены в план эксперимента, чтобы заменить те, которые могут потерять энергию в ходе данного эксперимента. Наконец, поскольку это устройство использует пассивный поток для введения соединений, может быть трудно предсказать скорость поглощения у разных видов растений или стадий развития одного и того же вида. Это может усложнить эксперименты, если скорость поглощения соединения является ограничивающим фактором. Для достижения наилучших результатов эксперименты следует планировать таким образом, чтобы растению было предоставлено достаточно времени для полного поглощения 2,5 мл соединения, что может занять до 1 недели. В заключение, это устройство DPI является эффективным инструментом для быстрой оценки активности in planta антимикробных или инсектицидных соединений против CLas и его переносчика, D. citri, тем самым предоставляя больше информации о системной эффективности и влиянии на продуктивность растений, чем ранее представленный анализ отдельных листьев23. Несомненно, разнообразие применений этой системы выходит далеко за рамки конкретных применений, описанных в этом исследовании.
The authors have nothing to disclose.
Авторы хотели бы поблагодарить Mant Acon за растения, использованные в этом исследовании. Финансирование было предоставлено проектом CRIS 8062-22410-007-000-D Министерства сельского хозяйства США (USDA) и грантом USDA NIFA 2020-70029-33176.
0.5 cm Diameter Steel Balls | Ballistic Products Inc. | #SHT #T | |
10 mL Luer-Lok Syringe | Becton Dickinson | 382903029952 | |
20 G 1 Syringe Needle | Becton Dickinson | 305175 | |
2 mL Screw Cap Tubes | USA Scientific | 1420-9710 | |
3/32nd Inch Black Oxide Drill Bit | Sears | 964077 | |
3D Printer | Markforged | F-PR-2027 | |
3D Printing Software | Markforged | F-SW-FDVX | |
3D Printing Software | Markforged | S-FW-OEVX | |
5(6)-CFDA (5-(and-6)-Carboxyfluorescein Diacetate) | Invitrogen | C195 | |
5/64th Inch Black Oxide Drill Bit | Sears | 964502 | |
96 Well qPCR Machine | Roche | 5815916001 | |
Centrifuge | Eppendorf | 22621408 | |
Fluorescent Microscope | Olympus | SP-BX43-BI | |
Fluorescent Microscope Filter | Chroma | 69401-ET | |
Gloss Clear Spray Paint | Rustoleum | 249117 | |
Grey Lego Baseplate | Lego | 11024 | |
Handheld Cordless Drill | Makita | 6349D | |
Homogenizer | Fisher Scientific | 15-340-163 | |
Imidacloprid 2F | Quali-Pro | 83080133 | |
Liquid Plastisol Medium Hardness | Fusion X Fishing Lures | XSOL-505 | |
Red Silicone 70 Shore A O-Ring | Grainger | Varies by Size | |
Non-Stick Cooking Spray | PAM | 64144030217 | |
NucleoSpin Plant II | Macherey-Nagel | 740770.5 | |
Parafilm | Bemis | HS234526A | |
Poly Viyl Acetate Based Glue | Elmers | E301 | |
qPCR Master Mix | Promega | A6001 | |
qPCR Primers | Integrated DNA Technologies | Varies by DNA sequence | |
Reverse Transcriptase | Promega | A5003 | |
Single Edge Razor Blade | Garvey | 40475 | |
Translucent Silicone RTV Rubber | Aero Marine Products | AM 115T | |
Transparent Silicone Tape | Maxwell | KE30S | |
Truncated Oncocin 112 | Genscript | Varies by peptide sequence | |
White 1 x 6 Lego Piece | Lego | 300901 | |
White Nylon | Markforged | F-MF-0003 |