Il presente protocollo descrive un metodo affidabile e diretto per la coltivazione, la raccolta e lo screening di Ditylenchus dipsaci.
I nematodi parassiti delle piante (PPN) distruggono oltre il 12% delle colture alimentari globali ogni anno, il che equivale a circa 157 miliardi di dollari (USD) persi ogni anno. Con una popolazione globale in crescita e terreni coltivabili limitati, il controllo dell’infestazione da PPN è fondamentale per la produzione alimentare. Ad aggravare la sfida di massimizzare i raccolti ci sono le crescenti restrizioni sui pesticidi efficaci a causa della mancanza di selettività dei nematodi. Pertanto, lo sviluppo di nuovi e sicuri nematicidi chimici è vitale per la sicurezza alimentare. In questo protocollo, vengono dimostrate la coltura e la raccolta della specie PPN Ditylenchus dipsaci . D. dipsaci è sia economicamente dannoso che relativamente resistente alla maggior parte dei nematicidi moderni. Il lavoro attuale spiega anche come utilizzare questi nematodi negli schermi per nuovi nematicidi a piccole molecole e riferisce sulle metodologie di raccolta e analisi dei dati. La pipeline dimostrata offre una produttività di migliaia di composti a settimana e può essere facilmente adattata per l’uso con altre specie di PPN come Pratylenchus penetrans. Le tecniche qui descritte possono essere utilizzate per scoprire nuovi nematicidi, che possono, a loro volta, essere ulteriormente sviluppati in prodotti commerciali altamente selettivi che combattono in sicurezza i PPN per aiutare a nutrire un mondo sempre più affamato.
Si stima che i nematodi parassiti delle piante (PPN) siano responsabili della perdita del 12,3% della produzione alimentare globale e causino circa 157 miliardi di dollari di danni all’anno 1,2,3. Sfortunatamente, la capacità di controllare i PPN sta diminuendo perché sono stati vietati nematicidi chimici efficaci o stanno affrontando crescenti restrizioni a causa della sicurezza umana e delle preoccupazioni ambientali. Ciò è dovuto principalmente alla scarsa selettività dei nematodi delle precedenti generazioni di pesticidi4. Negli ultimi 25 anni, sei nuovi nematicidi chimici sono stati pilotati o introdotti sul mercato5. Uno di questi è già stato vietato in Europa, e un altro è stato interrotto mentre era indagato per il suo impatto sul calore umano 6,7. Quindi, c’è un urgente bisogno di nuovi nematicidi che siano altamente selettivi per i PPN.
Il nematode del gambo e del bulbo, Ditylenchus dipsaci (D. dipsaci) è un PPN di impatto economico4. D. dipsaci infetta quasi 500 specie di piante in 30 razze biologiche e si rivolge ad alcune delle colture più importanti dal punto di vista agricolo come segale, avena, aglio, cipolla e porro 8,9. Ad esempio, D. dipsaci ha recentemente flagellato i campi di aglio in Ontario e Quebec, con conseguenti perdite fino al 90%10,11. La sua distribuzione geografica è quasi onnipresente e comprende le Americhe (tra cui California e Florida), l’Europa, gran parte dell’Asia (compresa la Cina) e l’Oceania9. D. dipsaci è un endoparassita migratore che entra negli stomi su foglie o ferite e lenticelle dove rilasciano enzimi per abbattere la parete cellulare12. Aggravando l’impatto di D. dipsaci sulle colture, il danno causato dal PPN rende la pianta suscettibile all’infezione secondaria11. Sfortunatamente, D. dipsaci mostra alti livelli di tolleranza agli attuali nematicidi rispetto ad altri ceppi di nematodi13,14.
Questo protocollo descrive la coltivazione di D. dipsaci e il suo uso in schermi su larga scala per nematicidi candidati a piccole molecole. In breve, le popolazioni di D. dipsaci vengono mantenute ed espanse su piante di pisello coltivate in mezzi sterili Gamborg B-5 (GA)15. Prima di coltivare germogli di semi su terreno GA, i semi devono essere sterilizzati attraverso una serie di lavaggi e placcati su agar nutriente (NA) per verificare la contaminazione. La sterilizzazione delle sementi è essenziale per rilevare i contaminanti batterici e fungini che possono essere presenti. I semi non contaminati vengono quindi trasferiti in piastre GA, dove i germogli di semi cresceranno in preparazione all’infezione. Le piastre GA contenenti germogli di semi sono infettate da nematodi da una piastra di coltura precedente trasferendo un pezzo di agar contenente tessuto radicale alle piastre fresche. Dopo 6-8 settimane, i nematodi vengono estratti dal mezzo GA e filtrati attraverso un imbuto rivestito di filtro del caffè in un becher di raccolta. I nematodi possono essere utilizzati in vari saggi biologici una volta raccolto un numero adeguato. La tecnica descritta in questo protocollo genera circa 15.000 D. dipsaci per piastra di coltura. Protocolli alternativi per coltivare D. dipsaci sono stati pubblicati16,17.
Qui viene anche descritto un test di screening in vitro di piccole molecole basato sul lavoro precedente18. Come proxy della salute dei vermi, la mobilità di 20 nematodi per pozzo viene esaminata dopo 5 giorni di esposizione a piccole molecole. Per visualizzare meglio la mobilità dei vermi, viene aggiunto NaOH per aumentare il movimento dei vermi vivi19,20. Questo protocollo consente lo screening a medio rendimento e fornisce dati preziosi per valutare il potenziale nematicidale di piccole molecole. Se si utilizza una diversa tecnica di raccolta dei nematodi16,17, la metodologia di screening delle piccole molecole qui descritta può comunque essere implementata.
Passaggi critici
Nonostante la semplicità del protocollo, ci sono passaggi critici nel protocollo che meritano ulteriore attenzione per massimizzare la probabilità di successo. In primo luogo, l’esagerazione dei semi può interrompere la loro crescita. Pertanto, limitare il tempo dei semi nella soluzione sbiancante a 20 minuti o meno è essenziale. In secondo luogo, come precedentemente notato da Storelli et al., la salute apparente dei nematodi diminuisce nel tempo quando viene conservata a 4 °C16. L’uso dei nematodi subito dopo la loro raccolta fornisce ulteriore sicurezza che è possibile ottenere condizioni di screening ottimali. Se è necessaria una conservazione a lungo termine, assicurarsi che il coperchio del tubo non sia stretto per consentire lo scambio di ossigeno. In terzo luogo, garantire che i piselli crescano sulle piastre NA per il tempo suggerito consente allo sperimentatore di giudicare quali semi sono contaminati. In quarto luogo, la crescita eccessiva dei piselli sulle piastre GA prima di aggiungere i nematodi indebolirà l’infezione e ridurrà la resa dei nematodi. Infine, molti fattori difficili da controllare possono influire sui risultati dello screening. Pertanto, è essenziale eseguire più schermate di replica indipendenti in giorni diversi e idealmente con PPN raccolti da diverse piastre di coltura per garantire la riproducibilità dei risultati.
Limitazioni del metodo
Una limitazione al protocollo è che non riesce a sincronizzare lo stadio di sviluppo dei vermi raccolti, che vanno dai giovani agli adulti. Quindi, i forti colpi rivelati da qualsiasi schermo sono probabilmente efficaci in più fasi. Tuttavia, il protocollo aumenta il rischio di trascurare efficaci colpi specifici dello stadio. Una seconda considerazione è che lo screening in vitro dovrebbe essere considerato il primo passo in una pipeline di scoperta di nematicidi; i saggi basati sul suolo sono un’eccellente aggiunta a una pipeline per testare la traducibilità dei colpi.
Significato e applicazione del protocollo
I protocolli qui descritti sono semplici e facilmente replicabili. Inoltre, questo protocollo è stato applicato con successo ad altri PPN in laboratorio, tra cui Pratylenchus penetrans, apportando solo lievi modifiche. Lo sviluppo di nuove e sicure misure di controllo PPN è essenziale per garantire la sicurezza alimentare globale. Ciò è particolarmente vero per specie come D. dipsaci che sono generalmente tolleranti a un’ampia varietà di nematicidi chimici attualmente accettabili13,14. Pertanto, i protocolli qui delineati hanno il potenziale per dare un contributo importante alla salute umana su scala globale.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori riconoscono il Dr. Qing Yu (Agriculture and Agri-Food Canada) per aver fornito la cultura Ditylenchus dipsaci e per i consigli sui metodi di coltura; Dr. Benjamin Mimee (Agriculture and Agri-Food Canada) e Nathalie Dauphinais (Agriculture and Agri-Food Canada) per consigli sulla coltura in vitro di nematodi parassiti vegetali; Dr. Andrew Burns e Sean Harrington per suggerimenti utili sul progetto e sul manoscritto. JK è un NSERC Alexander Graham Bell Canada Graduate Scholar. PJR è supportato da una sovvenzione per progetti CIHR (313296). PJR è una cattedra di ricerca canadese (Tier 1) in genetica chimica.
15 mL tube | Sarstedt | 62.554.205 | |
2 forceps | Almedic | 7747-A10-108 | |
2L beaker | Pyrex | CLS10002L | |
50mL beaker | Pyrex | CLS100050 | |
96 well plate | Sarstedt | 83.3924 | |
aluminium foil | Alcan Plus | ||
bacteriological agar | BioShop | AGR001.5 | |
coffee filter | No name brand | 716 | |
commercial bleach 6% | Lavo Pro 6 | DIN102358107 | |
disposable petri dishes (10cm x 1.5cm) | Fisherbrand | FB0875712 | |
disposable petri dishes (10cm x 2.5cm) | Sigma-Aldrich | Z358762 | |
dissecting scope | Leica | Leica MZ75 | |
DMSO | Sigma-Aldrich | 472301-500ML | |
Funnel | VWR | 414004-270 | |
Gamborg B5 | Sigma-Aldrich | G5893-10L | |
glass petri dish | VWR | 75845-546 | |
glass slide | MAGNA | 60-1200 | |
Lint-Free Blotting Paper | V&P Scientific | VP 522-100 | |
mutlichannel pipette | Eppendorf research plus | 3125000036 | |
NaOH | Sigma-Aldrich | S8045-500G | |
nutrient agar | Sigma-Aldrich | 70148-100G | |
parafilm | Bemis | PM-996 | |
pea seeds | Ontario Seed Company | D-1995-250G | |
pin cleaning solutions | V&P Scientific | VP110A | |
pinner | V&P Scientific | VP381N | |
pinner rinse trays | V&P Scientific | VP 421 | |
pipette tips- low retention ? Reg. 200uL | LABFORCE | 1159M44 | |
reagent reservoir with lid for multichannel pipettes | Sigma-Aldrich | BR703459 | |
shaking incubator | New Brunswick Scientific | I26 | |
sterile surgical blade | MAGNA | sb21-100-a | |
stir bar | Fisherbrand | 2109 – 1451359 | |
sucrose | BioShop | SUC507.1 |